ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュール
【課題】ヒートシンク接合工程における接合温度を低く設定しても、ヒートシンクと第二の金属板とを強固に接合できるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を提供する。
【解決手段】第二の金属板の他面にヒートシンクを接合するヒートシンク接合工程は、第二の金属板の他面とヒートシンクの接合面のうち少なくとも一方にＣｕ層を形成するＣｕ層形成工程Ｓ０１と、Ｃｕ層を介して第二の金属板とヒートシンクとを積層するヒートシンク積層工程Ｓ０２と、第二の金属板とヒートシンクとを積層方向に加圧するとともに加熱し、Ｃｕ層のＣｕを第二の金属板及びヒートシンクに拡散させることによって溶融金属領域を形成するヒートシンク加熱工程Ｓ０３と、この溶融金属領域を凝固させることによって第二の金属板とヒートシンクとを接合する溶融金属凝固工程Ｓ０４と、を有することを特徴とする。
【解決手段】第二の金属板の他面にヒートシンクを接合するヒートシンク接合工程は、第二の金属板の他面とヒートシンクの接合面のうち少なくとも一方にＣｕ層を形成するＣｕ層形成工程Ｓ０１と、Ｃｕ層を介して第二の金属板とヒートシンクとを積層するヒートシンク積層工程Ｓ０２と、第二の金属板とヒートシンクとを積層方向に加圧するとともに加熱し、Ｃｕ層のＣｕを第二の金属板及びヒートシンクに拡散させることによって溶融金属領域を形成するヒートシンク加熱工程Ｓ０３と、この溶融金属領域を凝固させることによって第二の金属板とヒートシンクとを接合する溶融金属凝固工程Ｓ０４と、を有することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、及び、パワーモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子の中でも電力供給のためのパワー素子は、発熱量が比較的高いため、これを搭載する基板としては、例えば、ＡｌＮ（窒化アルミ）やＳｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）などからなるセラミックス基板上にＡｌ（アルミニウム）の第一の金属板が接合されるとともに、基板の反対側にＡｌ（アルミニウム）の第二の金属板を介してヒートシンクが接続されたヒートシンク付パワーモジュール用基板が用いられる。
このようなヒートシンク付パワーモジュール用基板では、第一の金属板は回路層として形成され、第一の金属板の上には、はんだ材を介してパワー素子の半導体チップが搭載される。
【０００３】
従来、前述のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、例えば特許文献１に記載されているように、以下の手順で製造される。
まず、セラミックス基板の一方の面にろう材を介して第一の金属板を積層し、セラミックス基板の他方の面にろう材を介して第二の金属板を積層して、これを積層方向に所定の圧力で加圧するとともに加熱し、セラミックス基板と第一の金属板及び第二の金属板とを接合させる（セラミックス基板接合工程）。
次に、第二の金属板のうちセラミックス基板とは反対側の面に、ろう材を介してヒートシンクを積層し、積層方向に所定の圧力で加圧するとともに加熱し、これにより第二の金属板とヒートシンクとを接合させる（ヒートシンク接合工程）。
すなわち、ヒートシンク付パワーモジュール用基板は、上述のセラミックス基板接合工程と、その後に実施されるヒートシンク接合工程とによって製造されていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−００９２１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、第二の金属板とヒートシンクとをろう付けする際には、融点を低く設定するためにＳｉを７．５質量％以上含有するＡｌ−Ｓｉ系合金のろう材箔が使用されることが多い。このようにＳｉを比較的多く含有するＡｌ−Ｓｉ系合金においては、延性が不十分であることから圧延等によって箔材を製造するのが困難であった。
さらに、ヒートシンクと第二の金属板との間にろう材箔を配置し、これらを積層方向に加圧して加熱することになるが、この加圧に際してろう材箔の位置がずれないように、ろう材箔、ヒートシンク及び第二の金属板を積層配置する必要があった。
また、ろう材箔を用いた場合、第二の金属板とヒートシンクとの界面部分には、第二の金属板及びヒートシンクの表面、ろう材箔の両面の４つの面において酸化被膜が存在することになり、酸化被膜の合計厚さが厚くなる傾向にあった。
【０００６】
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、ヒートシンクと第二の金属板とを接合するヒートシンク接合工程における接合温度を低く設定しても、ヒートシンクと第二の金属板とを強固に接合でき、セラミックス基板と第一の金属板及び第二の金属板とを接合するセラミックス基板接合工程における接合温度も比較的低く設定することができ、高品質なヒートシンク付パワーモジュール用基板を提供することが可能なヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法、及び、この製造方法によって得られるヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板と、該セラミックス基板の表面に一面が接合されたアルミニウムからなる第一の金属板と、前記セラミックス基板の裏面に一面が接合されたアルミニウムからなる第二の金属板と、該第二の金属板の前記セラミックス基板と接合された前記一面と反対側の他面に接合されたアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるヒートシンクとを備えるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法であって、前記セラミックス基板と前記第一の金属板、及び、前記セラミックス基板と前記第二の金属板とを接合するセラミックス基板接合工程と、前記第二の金属板の他面に前記ヒートシンクを接合するヒートシンク接合工程と、を有し、前記ヒートシンク接合工程は、前記第二の金属板の他面と前記ヒートシンクの接合面のうち少なくとも一方にＣｕを固着してＣｕ層を形成するＣｕ層形成工程と、前記Ｃｕ層を介して前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを積層するヒートシンク積層工程と、積層された前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを積層方向に加圧するとともに加熱し、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとの界面に溶融金属領域を形成するヒートシンク加熱工程と、この溶融金属領域を凝固させることによって、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを接合する溶融金属凝固工程と、を有し、前記ヒートシンク加熱工程において、前記Ｃｕ層のＣｕを前記第二の金属板及び前記ヒートシンクに拡散させることにより、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとの界面に、前記溶融金属領域を形成することを特徴としている。
【０００８】
この構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法においては、第二の金属板の他面にヒートシンクを接合するヒートシンク接合工程が、前記第二の金属板の他面と前記ヒートシンクの接合面のうち少なくとも一方にＣｕを固着してＣｕ層を形成するＣｕ層形成工程を備えているので、第二の金属板とヒートシンクとの接合界面には、Ｃｕが介在することになる。このＣｕは、アルミニウムの融点を降下させる元素であるため、比較的低温条件において、ヒートシンクと第二の金属板との界面に溶融金属領域を形成することができる。
よって、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、ヒートシンクと第二の金属板とを強固に接合することが可能となる。
【０００９】
また、加熱工程において、Ｃｕ層内のＣｕを前記第二の金属板及びヒートシンク側に拡散させることにより、前記ヒートシンクと前記第二の金属板との界面に前記溶融金属領域を形成し、この溶融金属領域を凝固させることで、前記第二の金属板と前記ヒートシンクを接合する構成としているので、製造が困難なＡｌ−Ｓｉ系のろう材箔等を用いる必要がなく、低コストで、第二の金属板とヒートシンクとが確実に接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造することができる。
【００１０】
さらに、ろう材箔を使用せずに、前記ヒートシンクの接合面及び前記第二の金属板の他面のうち少なくとも一方に直接Ｃｕを固着しているので、ろう材箔の位置合わせ作業等を行う必要がない。
しかも、第二の金属板及びヒートシンクに直接Ｃｕを固着した場合、酸化被膜は、第二の金属板及びヒートシンクの表面にのみ形成されることになり、第二の金属板及びヒートシンクの界面に存在する酸化被膜の合計厚さが薄くなるので、初期接合の歩留りが向上する。
【００１１】
ここで、前記Ｃｕ層形成工程において、前記第二の金属板の他面と前記ヒートシンクの接合面のうち少なくとも一方に、Ｃｕに加えて、Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着することが好ましい。
この場合、第二の金属板とヒートシンクとの接合界面には、Ｃｕに加えて、Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が介在することになる。ここで、Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉといった元素は、アルミニウムの融点を降下させる元素であるため、比較的低温条件において、第二の金属板とヒートシンクとの界面に確実に溶融金属領域を形成することができる。
よって、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、第二の金属板とヒートシンクとをさらに強固に接合することが可能となる。
【００１２】
また、前記Ｃｕ層形成工程では、ＣｕとともにＡｌを固着させる構成とすることが好ましい。
この場合、ＣｕとともにＡｌを固着させているので、形成されるＣｕ層がＡｌを含有することになり、このＣｕ層が優先的に溶融し、第二の金属板とヒートシンクとの界面に溶融金属領域を確実に形成することが可能となり、第二の金属板とヒートシンクとを強固に接合することができる。なお、ＣｕとともにＡｌを固着させるには、ＣｕとＡｌとを同時に蒸着してもよいし、ＣｕとＡｌの合金をターゲットとしてスパッタリングしてもよい。さらに、ＣｕとＡｌを積層してもよい。
【００１３】
また、前記セラミックス基板接合工程は、前記セラミックス基板と前記第一の金属板との接合界面における前記セラミックス基板の接合面と前記第一の金属板の接合面のうちの少なくとも一方にＣｕ又はＳｉのうちの１種以上を固着して第１金属層を形成するとともに、前記セラミックス基板と前記第二の金属板との接合界面における前記セラミックス基板の接合面と前記第二の金属板の接合面のうちの少なくとも一方にＣｕ又はＳｉのうちの１種以上を固着して第２金属層を形成する金属固着工程と、前記第１金属層を介して前記セラミックス基板と前記第一の金属板とを積層するとともに、前記第２金属層を介して前記セラミックス基板と前記第二の金属板とを積層するセラミックス基板積層工程と、積層された前記第一の金属板と前記セラミックス基板と前記第二の金属板とを積層方向に加圧するとともに加熱し、前記第一の金属板と前記セラミックス基板との界面及び前記セラミックス基板と前記第二の金属板との界面に、第一溶融金属領域及び第二溶融金属領域を形成するセラミックス基板加熱工程と、この第一溶融金属領域及び第二溶融金属領域を凝固させることによって、前記第一の金属板と前記セラミックス基板及び前記セラミックス基板と前記第二の金属板とを接合する第一溶融金属及び第二溶融金属凝固工程と、を有し、前記セラミックス基板加熱工程において、前記第１金属層及び前記第２金属層のＣｕ又はＳｉのうちの１種以上を前記第一の金属板及び前記第二の金属板に拡散させることにより、前記第一の金属板と前記セラミックス基板との界面及び前記セラミックス基板と前記第二の金属板との界面に、前記第一溶融金属領域及び前記第二溶融金属領域を形成する構成としてもよい。
【００１４】
この場合、セラミックス基板と第一の金属板、及び、セラミックス基板と第二の金属板の接合においても、ろう材を用いる必要がなくなり、低コストで、セラミックス基板と第一の金属板及び第二の金属板とを確実に接合することができる。
また、セラミックス基板と第一の金属板及び第二の金属板の接合界面には、Ｃｕ又はＳｉのうちの１種以上が介在することになるので、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、セラミックス基板と第一の金属板及び第二の金属板とを強固に接合することが可能となる。
【００１５】
ここで、前記金属固着工程において、前記セラミックス基板と前記第一の金属板との接合界面における前記セラミックス基板の接合面と前記第一の金属板の接合面のうちの少なくとも一方に、あるいは、前記セラミックス基板と前記第二の金属板との接合界面における前記セラミックス基板の接合面と前記第二の金属板の接合面のうちの少なくとも一方に、Ｃｕ又はＳｉのうちの１種以上に加えてＺｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着することが好ましい。
【００１６】
この場合、前記セラミックス基板と前記第一の金属板との接合界面、あるいは、前記セラミックス基板と前記第二の金属板との接合界面には、Ｃｕ又はＳｉのうちの１種以上に加えてＺｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が介在することになる。ここで、Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉといった元素は、アルミニウムの融点を降下させる元素であるため、比較的低温条件において、前記セラミックス基板と前記第一の金属板との界面に第一溶融金属領域を、あるいは、前記セラミックス基板と前記第二の金属板との界面に第二溶融金属領域を、確実に形成することができる。
よって、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、セラミックス基板と第一の金属板及び第二の金属板とをさらに強固に接合することが可能となる。
【００１７】
さらに、前記セラミックス基板接合工程と、前記ヒートシンク接合工程と、を同時に行うことが好ましい。
この場合、ヒートシンク積層工程とセラミックス基板積層工程、ヒートシンク加熱工程とセラミックス基板加熱工程、溶融金属凝固工程と第一溶融金属及び第二溶融金属凝固工程と、をそれぞれ同時に行うことによって、接合に掛かるコストを大幅に削減することができる。また、繰り返し加熱、冷却を行わずに済むので、このヒートシンク付パワーモジュール用基板の反りの低減も図ることができる。
【００１８】
また、前記Ｃｕ層形成工程は、めっき、蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているペースト及びインクなどの塗布によって前記ヒートシンクの接合面及び前記第二の金属板の他面のうち少なくとも一方に、Ｃｕを固着させることが好ましい。
この場合、めっき、蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているペースト及びインクなどの塗布によって、Ｃｕが前記ヒートシンクの接合面及び前記第二の金属板の他面のうち少なくとも一方に確実に固着されるので、ヒートシンクと第二の金属板との接合界面にＣｕを確実に介在させることが可能となる。また、Ｃｕの固着量を精度良く調整することができ、溶融金属領域を確実に形成して、ヒートシンクと第二の金属板とを強固に接合することが可能となる。
【００１９】
さらに、前記第二の金属板が、複数の金属板が積層されて構成されていることが好ましい。
この場合、第二の金属板が、複数の金属板が積層された構造とされているので、ヒートシンクとセラミックス基板との熱膨張係数の差に起因する熱歪みをこの第二の金属板で十分に緩和することができ、セラミックス基板での割れの発生を抑制することができる。
【００２０】
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、セラミックス基板と、該セラミックス基板の表面に一面が接合されたアルミニウムからなる第一の金属板と、前記セラミックス基板の裏面に一面が接合されたアルミニウムからなる第二の金属板と、該第二の金属板の前記セラミックス基板と接合された前記一面と反対側の他面に接合されたアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるヒートシンクとを備え、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクには、Ｃｕが固溶されており、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクの接合界面近傍におけるＣｕ濃度が０．０５質量％以上５質量％以下の範囲内に設定されていることを特徴としている。
【００２１】
この構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板によれば、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクに、それぞれＣｕが固溶しているので、第二の金属板及びヒートシンクのそれぞれの接合界面側部分が固溶強化することになる。
ここで、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクの接合界面近傍におけるＣｕ濃度が０．０５質量％以上とされているので、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクの接合界面側部分を確実に固溶強化することができる。また、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクの接合界面近傍におけるＣｕ濃度が５質量％以下とされているので、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクの接合界面の強度が過剰に高くなることを防止でき、熱歪みを前記第二の金属板及び前記ヒートシンクで吸収することができる。
【００２２】
また、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクには、Ｃｕに加えて、Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶されていることが好ましい。
この場合、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクに、Ｃｕに加えて、Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶しているので、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクの接合界面側部分を確実に固溶強化させることができる。
【００２３】
なお、前記第一の金属板と前記セラミックス基板との接合界面近傍、あるいは、前記第二の金属板と前記セラミックス基板との接合界面近傍において、Ｃｕ又はＳｉのうちの１種以上に加えてＺｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶されていることが好ましい。
この場合、前記第一の金属板と前記セラミックス基板との接合界面近傍、あるいは、前記第二の金属板と前記セラミックス基板との接合界面近傍に、Ｃｕ又はＳｉのうちの１種以上に加えてＺｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶しているので、前記第一の金属板及び前記第二の金属板のうち前記セラミックス基板との接合界面側部分を確実に固溶強化させることができる。
【００２４】
また、前記第二の金属板の厚さが、前記第一の金属板の厚さよりも厚くなるように設定されていることが好ましい。
この場合、ヒートシンクが設けられている側の剛性を、その反対側の剛性と比較して高くすることができ、これにより冷却後の反りをさらに抑えることができる。
【００２５】
さらに、前記第二の金属板が、複数の金属板が積層されて構成されていることが好ましい。
この場合、第二の金属板が、複数の金属板が積層された構造とされているので、ヒートシンクとセラミックス基板との熱膨張係数の差に起因する熱歪みをこの第二の金属板で十分に緩和することができ、セラミックス基板での割れの発生を抑制することができる。
【００２６】
本発明のパワーモジュールは、前述のヒートシンク付パワーモジュール用基板と、該ヒートシンク付パワーモジュール用基板上に搭載される電子部品と、を備えたことを特徴としている。
この構成のパワーモジュールによれば、ヒートシンクと第二の金属板との接合強度が高く、使用環境が厳しい場合であっても、半導体素子等の電子部品からの熱を放散させることができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、ヒートシンクと第二の金属板とを接合するヒートシンク接合工程における接合温度を低く設定しても、ヒートシンクと第二の金属板とを強固に接合でき、セラミックス基板と第一の金属板及び第二の金属板とを接合するセラミックス基板接合工程における接合温度も比較的低く設定することができ、高品質なヒートシンク付パワーモジュール用基板を提供することが可能なヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法、及び、この製造方法によって得られるヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュールを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。
【図２】本発明の第１の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の金属層及びヒートシンクのＣｕ濃度分布を示す説明図である。
【図３】本発明の第１の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法のフロー図である。
【図４】本発明の第１の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。
【図５】図４における第二の金属板（金属層）とヒートシンクとの接合界面近傍を示す説明図である。
【図６】本発明の第２の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。
【図７】本発明の第２の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の金属層及びヒートシンクのＣｕ濃度分布及びＧｅ濃度分布を示す説明図である。
【図８】本発明の第２の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法のフロー図である。
【図９】本発明の第２の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の金属層及びヒートシンクのＣｕ濃度分布及びＡｇ濃度分布を示す説明図である。
【図１２】本発明の第３の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法のフロー図である。
【図１３】本発明の第３の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。
【図１４】本発明の第３の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。
【図１５】本発明の第４の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。
【図１６】本発明の第４の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法のフロー図である。
【図１７】本発明の第４の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。
【図１８】本発明の第４の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。
【図１９】本発明の他の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。
図１に本発明の第１の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュールを示す。
このパワーモジュール１は、回路層１２が配設されたパワーモジュール用基板１０と、回路層１２の表面にはんだ層２を介して接合された半導体チップ３と、ヒートシンク４０とを備えている。ここで、はんだ層２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材とされている。なお、本実施形態では、回路層１２とはんだ層２との間にＮｉメッキ層（図示なし）が設けられている。
【００３０】
パワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の一方の面（図１において上面）に配設された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面（図１において下面）に配設された金属層１３とを備えている。
セラミックス基板１１は、回路層１２と金属層１３との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。また、セラミックス基板１１の厚さは、０．２〜１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６３５ｍｍに設定されている。なお、本実施形態では、図１に示すように、セラミック基板１１の幅は、回路層１２及び金属層１３の幅より広く設定されている。
【００３１】
回路層１２は、セラミックス基板１１の一方の面に導電性を有する金属板２２が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、回路層１２は、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板２２がセラミックス基板１１に接合されることにより形成されている。
金属層１３は、セラミックス基板１１の他方の面に金属板２３が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層１３は、回路層１２と同様に、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板２３がセラミックス基板１１に接合されることで形成されている。
【００３２】
ヒートシンク４０は、前述のパワーモジュール用基板１０を冷却するためのものであり、パワーモジュール用基板１０と接合される天板部４１と、冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路４２と、を備えている。ヒートシンク４０（天板部４１）は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態においては、Ａ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。
【００３３】
そして、図２に示すように、金属層１３（金属板２３）とヒートシンク４０との接合界面３０においては、金属層１３（金属板２３）及びヒートシンク４０に、Ｃｕが固溶している。金属層１３及びヒートシンク４０の接合界面３０近傍には、接合界面３０から積層方向に離間するにしたがい漸次Ｃｕ濃度が低下する濃度傾斜層３３、３４が形成されている。ここで、この濃度傾斜層３３、３４の接合界面３０側（金属層１３及びヒートシンク４０の接合界面３０近傍）のＣｕ濃度が、０．０５質量％以上５質量％以下の範囲内に設定されている。
なお、金属層１３及びヒートシンク４０の接合界面３０近傍のＣｕの濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって、接合界面３０から５０μｍの位置で５点測定した平均値である。また、図２のグラフは、金属層１３（金属板２３）及びヒートシンク４０（天板部４１）の幅中央部分において積層方向にライン分析を行い、前述の５０μｍ位置での濃度を基準として求めたものである。
【００３４】
以下に、前述の構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法について、図３から図５を参照して説明する。
【００３５】
（Ｃｕ層形成工程Ｓ０１／Ｃｕ固着工程Ｓ１１）
まず、図４、図５に示すように、回路層１２となる金属板２２の一面に、スパッタリングによってＣｕを固着して第１Ｃｕ層２４を形成するとともに、金属層１３となる金属板２３の一面に、スパッタリングによってＣｕを固着して第２Ｃｕ層２５を形成する（Ｃｕ固着工程Ｓ１１）。
また、金属層１３となる金属板２３の他面に、スパッタリングによってＣｕを固着してＣｕ層２６を形成する（Ｃｕ層形成工程Ｓ０１）。
ここで、本実施形態では、第１Ｃｕ層２４、第２Ｃｕ層２５及びＣｕ層２６におけるＣｕ量は、０．０８ｍｇ／ｃｍ２以上２．７ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されている。
【００３６】
（ヒートシンク積層工程Ｓ０２／セラミックス基板積層工程Ｓ１２）
次に、図４に示すように、金属板２２をセラミックス基板１１の一方の面側に積層し、かつ、金属板２３をセラミックス基板１１の他方の面側に積層する（セラミックス基板積層工程Ｓ１２）。このとき、図４に示すように、金属板２２の第１Ｃｕ層２４、金属板２３の第２Ｃｕ層２５が形成された面がセラミックス基板１１を向くように、金属板２２、２３を積層する。
さらに、金属板２３の他方の面側に、ヒートシンク４０を積層する（ヒートシンク積層工程Ｓ０２）。このとき、図４に示すように、金属板２３のＣｕ層２６が形成された面がヒートシンク４０を向くように、金属板２３とヒートシンク４０とを積層する。
すなわち、金属板２２、２３とセラミックス基板１１との間にそれぞれ第１Ｃｕ層２４、第２Ｃｕ層２５を介在させ、金属板２３とヒートシンク４０との間にＣｕ層２６を介在させているのである。
【００３７】
（ヒートシンク加熱工程Ｓ０３／セラミックス基板加熱工程Ｓ１３）
次に、金属板２２、セラミックス基板１１、金属板２３、ヒートシンク４０を積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空加熱炉内に装入して加熱し、金属板２２、２３とセラミックス基板１１との界面にそれぞれ第一溶融金属領域２７、第二溶融金属領域２８を形成する（セラミックス基板加熱工程Ｓ１３）。
また、同時に、金属板２３とヒートシンク４０との間に溶融金属領域２９を形成する（ヒートシンク加熱工程Ｓ０３）。
溶融金属領域２９は、図５に示すように、Ｃｕ層２６のＣｕが金属板２３側及びヒートシンク４０側に拡散することによって、金属板２３及びヒートシンク４０のＣｕ層２６近傍のＣｕ濃度が上昇して融点が低くなることにより形成されるものである。
なお、上述の圧力が１ｋｇｆ／ｃｍ２未満の場合には、セラミックス基板１１と金属板２２、２３との接合及び金属板２３とヒートシンク４０との接合を良好に行うことができなくなるおそれがある。また、上述の圧力が３５ｋｇｆ／ｃｍ２を超えた場合には、金属板２２，２３及びヒートシンク４０が変形するおそれがある。よって、上述の加圧圧力は、１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２の範囲内とすることが好ましい。
ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度は６００℃以上６５０℃以下の範囲内に設定している。
【００３８】
（溶融金属凝固工程Ｓ０４／第一溶融金属及び第二溶融金属凝固工程Ｓ１４）
次に、溶融金属領域２９が形成された状態で温度を一定に保持しておく。すると、溶融金属領域２９中のＣｕが、さらに金属板２３側及びヒートシンク４０側へと拡散していくことになる。これにより、溶融金属領域２９であった部分のＣｕ濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していくことになる。つまり、ヒートシンク４０と金属板２３とは、いわゆる拡散接合（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって接合されているのである。このようにして凝固が進行した後に、常温にまで冷却を行う。
【００３９】
同様に、第一溶融金属領域２７、第二溶融金属領域２８中のＣｕが、さらに金属板２２、２３側へと拡散していくことになる。これにより、第一溶融金属領域２７、第二溶融金属領域２８であった部分のＣｕ濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していくことになる。これにより、セラミックス基板１１と金属板２２、２３とが接合される。
【００４０】
以上のようにして、回路層１２及び金属層１３となる金属板２２、２３とセラミックス基板１１とが接合され、かつ、金属板２３とヒートシンク４０とが接合され、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板が製造される。
【００４１】
以上のような構成とされた本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュール１においては、金属層１３となる金属板２３とヒートシンク４０との間にＣｕ層２６を形成するＣｕ層形成工程Ｓ０１を備えているので、金属板２３とヒートシンク４０との接合界面３０には、Ｃｕが介在することになる。ここで、Ｃｕは、Ａｌに対して反応性の高い元素であるため、接合界面３０にＣｕが存在することによってアルミニウムからなる金属板２３及びヒートシンク４０の表面が活性化することになる。よって、金属板２３とヒートシンク４０とを強固に接合することが可能となる。
【００４２】
また、本実施形態では、金属板２２、２３のセラミックス基板１１との接合面にＣｕを固着させるＣｕ固着工程Ｓ１１を備えているので、金属板２２、２３とセラミックス基板１１の接合界面にもＣｕが介在することになり、セラミックス基板１１と金属板２２、２３とを強固に接合することが可能となる。
【００４３】
さらに、ヒートシンク加熱工程Ｓ０３において、金属板２３の他面に形成されたＣｕ層２６のＣｕを金属板２３側及びヒートシンク４０側に拡散させることによって溶融金属領域２９を形成し、溶融金属凝固工程Ｓ０４において、溶融金属領域２９中のＣｕをさらに金属板２３側及びヒートシンク４０側へ拡散させることによって凝固させて、ヒートシンク４０と金属層１３（金属板２３）とを接合する構成としているので、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、ヒートシンク４０と金属板２３とを強固に接合することが可能となる。
【００４４】
また、本実施形態では、セラミックス基板１１と回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）についても、セラミックス基板加熱工程Ｓ１３において、金属板２２、２３の接合面に形成された第１Ｃｕ層２４、第２Ｃｕ層２５のＣｕを金属板２２、２３側に拡散させることによって第一溶融金属領域２７、第二溶融金属領域２８を形成し、第一溶融金属及び第二溶融金属凝固工程Ｓ１４において、第一溶融金属領域２７、第二溶融金属領域２８中のＣｕをさらに金属板２２、２３側へ拡散させることによって凝固させて、セラミックス基板１１と回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）とを接合する構成としているので、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、セラミックス基板１１と回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）とを強固に接合することが可能となる。
【００４５】
さらに、ヒートシンク４０と金属板２３との接合、及び、セラミックス基板１１と金属板２２、２３との接合に、ろう材箔を使用していないので、ろう材箔の位置合わせ作業等を行う必要がなく、確実に、ヒートシンク４０と金属板２３、セラミックス基板１１と金属板２２，２３、をそれぞれ接合することができる。よって、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板を、低コストで効率良く製出することが可能となる。
【００４６】
また、本実施形態では、セラミックス基板１１と金属板２２、２３との接合と、金属板２３とヒートシンク４０との接合とを、同時に行う構成としているので、これらの接合に掛かるコストを大幅に削減することができる。また、セラミックス基板１１に対して繰り返し加熱、冷却を行わずに済むので、このヒートシンク付パワーモジュール用基板の反りの低減を図ることができ、高品質なヒートシンク付パワーモジュール用基板を製出することができる。
【００４７】
さらに、Ｃｕ層形成工程Ｓ０１は、スパッタリングによって金属板２３の他面にＣｕを固着させてＣｕ層２６を形成する構成としているので、ヒートシンク４０と金属板２３との間にＣｕを確実に介在させることが可能となる。また、Ｃｕの固着量を精度良く調整することができ、溶融金属領域２９を確実に形成して、ヒートシンク４０との金属板２３とを強固に接合することが可能となる。
【００４８】
また、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、ヒートシンク４０と金属層１３（金属板２３）との接合界面３０において、金属層１３（金属板２３）及びヒートシンク４０にＣｕが固溶しており、金属層１３及びヒートシンク４０のそれぞれの接合界面３０側のＣｕ濃度が、０．０５質量％以上５質量％以下の範囲内に設定されているので、金属層１３（金属板２３）及びヒートシンク４０の接合界面３０側の部分が固溶強化し、金属層１３（金属板２３）及びヒートシンク４０における亀裂の発生を防止することができる。よって、信頼性の高いヒートシンク付パワーモジュール用基板を提供することができる。
【００４９】
次に、本発明の第２の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュールについて、図６から図９を用いて説明する。
このパワーモジュール１０１は、回路層１１２が配設されたパワーモジュール用基板１１０と、回路層１１２の表面にはんだ層２を介して接合された半導体チップ３と、ヒートシンク１４０とを備えている。
【００５０】
パワーモジュール用基板１１０は、セラミックス基板１１１と、このセラミックス基板１１１の一方の面（図６において上面）に配設された回路層１１２と、セラミックス基板１１１の他方の面（図６において下面）に配設された金属層１１３とを備えている。
セラミックス基板１１１は絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。
【００５１】
回路層１１２は、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板１２２がセラミックス基板１１１に接合されることにより形成されている。
金属層１１３は、回路層１１２と同様に、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板１２３がセラミックス基板１１１に接合されることで形成されている。
なお、本実施形態では、図６に示すように、金属層１１３の厚さが回路層１１２の厚さよりも厚くなるように設定されている。
【００５２】
ヒートシンク１４０は、前述のパワーモジュール用基板１１０を冷却するためのものであり、パワーモジュール用基板１１０と接合される天板部１４１と、冷却媒体を流通するための流路１４２と、を備えている。ヒートシンク１４０（天板部１４１）は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態においては、Ａ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。
【００５３】
そして、図７に示すように、金属層１１３（金属板１２３）とヒートシンク１４０との接合界面１３０においては、金属層１１３（金属板１２３）及びヒートシンク１４０に、Ｃｕに加えてＺｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶している。なお、本実施形態では、添加元素としてＧｅが固溶している。
【００５４】
また、回路層１１２（金属板１２２）とセラミックス基板１１１との接合界面、及び、金属層１１３（金属板１２３）とセラミックス基板１１１との接合界面においては、Ｃｕに加えてＺｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶している。なお、本実施形態では、添加元素としてＧｅが固溶している。
【００５５】
ここで、金属層１１３及びヒートシンク１４０の接合界面１３０近傍には、接合界面１３０から積層方向に離間するにしたがい漸次Ｃｕ濃度及びＧｅ濃度が低下する濃度傾斜層１３３、１３４が形成されている。ここで、この濃度傾斜層１３３、１３４の接合界面１３０側（金属層１１３及びヒートシンク１４０の接合界面１３０近傍）のＣｕと添加元素（本実施形態ではＧｅ）の合計の濃度が、０．０５質量％以上６．５質量％以下の範囲内に設定されている。
なお、金属層１１３及びヒートシンク１４０の接合界面１３０近傍のＣｕ濃度及びＧｅ濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって、接合界面１３０から５０μｍの位置で５点測定した平均値である。また、図７のグラフは、金属層１１３（金属板１２３）及びヒートシンク１４０（天板部１４１）の幅中央部分において積層方向にライン分析を行い、前述の５０μｍ位置での濃度を基準として求めたものである。
【００５６】
以下に、前述の構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法について、図８及び図９を参照して説明する。
【００５７】
（Ｃｕ固着工程Ｓ１０１）
まず、図９に示すように、回路層１１２となる金属板１２２の一面に、スパッタリングによってＣｕを固着して第１Ｃｕ層１２４を形成するとともに、金属層１１３となる金属板１２３の一面に、スパッタリングによってＣｕを固着して第２Ｃｕ層１２５を形成する。なお、この第１Ｃｕ層１２４、第２Ｃｕ層１２５には、Ｃｕに加えてＺｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固着されており、本実施形態では、添加元素としてＧｅを用いている。
【００５８】
（セラミックス基板積層工程Ｓ１０２）
次に、金属板１２２をセラミックス基板１１１の一方の面側に積層し、かつ、金属板１２３をセラミックス基板１１１の他方の面側に積層する。このとき、金属板１２２の第１Ｃｕ層１２４、金属板１２３の第２Ｃｕ層１２５が形成された面がセラミックス基板１１１を向くように、金属板１２２、１２３を積層する。
【００５９】
（セラミックス基板加熱工程Ｓ１０３）
次に、金属板１２２、セラミックス基板１１１、金属板１２３を積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空加熱炉内に装入して加熱し、金属板１２２、１２３とセラミックス基板１１１との界面にそれぞれ第一溶融金属領域、第二溶融金属領域を形成する。
ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度は６００℃以上６５０℃以下の範囲内に設定している。
【００６０】
（第一溶融金属及び第二溶融金属凝固工程Ｓ１０４）
次に、第一溶融金属領域、第二溶融金属領域が形成された状態で温度を一定に保持しておき、第一溶融金属領域、第二溶融金属領域中のＣｕを、金属板１２２、１２３側へと拡散させ、温度を一定に保持した状態で凝固させ、セラミックス基板１１１と金属板１２２、１２３を接合する。このようにして、パワーモジュール用基板１１０を製出する。
【００６１】
（Ｃｕ層形成工程Ｓ１０５／ヒートシンク積層工程Ｓ１０６）
次に、パワーモジュール用基板１１０の金属層１１３の他方の面側に、Ｃｕ及びＧｅを固着してＣｕ層１２６を形成する。このＣｕ層１２６におけるＣｕ量は、０．０８ｍｇ／ｃｍ２以上２．７ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されており、Ｇｅ量は、０．００２ｍｇ／ｃｍ２以上２．５ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されている。
そして、このＣｕ層１２６を介して、金属層１１３の他方の面側にヒートシンク１４０を積層する。
【００６２】
（ヒートシンク加熱工程Ｓ１０７）
次に、パワーモジュール用基板１１０とヒートシンク１４０を積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空加熱炉内に装入して加熱し、金属層１１３とヒートシンク１４０との間に溶融金属領域を形成する。
ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度は６００℃以上６５０℃以下の範囲内に設定している。
【００６３】
（溶融金属凝固工程Ｓ１０８）
次に、溶融金属領域が形成された状態で温度を一定に保持しておく。すると、溶融金属領域中のＣｕ及びＧｅが、さらに金属層１１３側及びヒートシンク１４０側へと拡散していくことになる。これにより、溶融金属領域であった部分のＣｕ濃度及びＧｅ濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していくことになる。このようにして凝固が進行した後に、常温にまで冷却を行う。
【００６４】
このようにして、パワーモジュール用基板１１０とヒートシンク１４０とが接合され、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板が製造される。
【００６５】
以上のような構成とされた本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュール１０１においては、ヒートシンク１４０と金属層１１３との間に、ＣｕとともにＧｅを固着させ、これらＣｕとＧｅを拡散させることによって溶融金属領域を形成し、さらに溶融金属領域中のＣｕとＧｅを拡散させて、ヒートシンク１４０とパワーモジュール用基板１１０とを接合しているので、比較的低温条件においても、ヒートシンク１４０とパワーモジュール用基板１１０とを確実に接合することが可能となる。
【００６６】
また、Ｃｕに加えてＧｅを添加し、これらＣｕとＧｅを拡散させて溶融金属領域を形成する構成としているので、ヒートシンク１４０及び金属層１１３の接合界面１３０近傍の融点をさらに低下させることができ、ヒートシンク加熱工程Ｓ１０７における接合温度を、セラミックス基板加熱工程Ｓ１０３における接合温度よりも低く設定しても、ヒートシンク１４０とパワーモジュール用基板１１０とを接合することができる。
【００６７】
さらに、本実施形態では、金属層１１３の厚さが、回路層１１２の厚さよりも厚くなるように構成されているので、セラミックス基板１１１を基準として、金属層１１３側（すなわち、ヒートシンク１４０が設けられている側）の剛性が、回路層１１２側の剛性よりも高く設定されることになり、接合後のヒートシンク付パワーモジュール用基板の反りを抑制することができる。
【００６８】
次に、本発明の第３の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュールについて、図１０から図１４を用いて説明する。
このパワーモジュール２０１は、回路層２１２が配設されたパワーモジュール用基板２１０と、回路層２１２の表面にはんだ層２を介して接合された半導体チップ３と、ヒートシンク２４０とを備えている。
【００６９】
パワーモジュール用基板２１０は、セラミックス基板２１１と、このセラミックス基板２１１の一方の面（図１０において上面）に配設された回路層２１２と、セラミックス基板２１１の他方の面（図１０において下面）に配設された金属層２１３とを備えている。 なお、セラミックス基板２１１は絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。
【００７０】
回路層２１２は、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板２２２がセラミックス基板２１１に接合されることにより形成されている。
金属層２１３は、回路層２１２と同様に、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板２２３がセラミックス基板２１１に接合されることで形成されている。
【００７１】
ヒートシンク２４０は、前述のパワーモジュール用基板２１０を冷却するためのものである。本実施形態であるヒートシンク２４０は、パワーモジュール用基板２１０と接合される天板部２４１と、この天板部２４１に対向するように配置された底板部２４５と、天板部２４１と底板部２４５との間に介装されたコルゲートフィン２４６と、を備えており、天板部２４１と底板部２４５とコルゲートフィン２４６とによって、冷却媒体が流通する流路２４２が画成されている。
【００７２】
ここで、このヒートシンク２４０は、天板部２４１とコルゲートフィン２４６、コルゲートフィン２４６と底板部２４５が、それぞれろう付けされることによって構成されている。本実施形態では、図１４に示すように、天板部２４１及び底板部２４５は、Ａ３００３合金からなる基材層２４１Ａ、２４５Ａと、Ａ４０４５合金からなる接合層２４１Ｂ、２４５Ｂとが積層された積層アルミ板で構成されており、接合層２４１Ｂ、２４５Ｂがコルゲートフィン２４６側を向くように、天板部２４１及び底板部２４５が配設されている。つまり、天板部２４１の基材層２４１Ａが金属層２１３に接する構成とされているのである。
【００７３】
そして、図１１に示すように、ヒートシンク２４０（天板部２４１の基材層２４１Ａ）と金属層２１３（金属板２２３）との接合界面２３０においては、金属層２１３（金属板２２３）及びヒートシンク２４０（天板部２４１の基材層２４１Ａ）に、Ｃｕに加えてＺｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶している。なお、本実施形態では、添加元素としてＡｇが固溶している。
【００７４】
また、回路層２１２（金属板２２２）とセラミックス基板２１１との接合界面、及び、金属層２１３（金属板２２３）とセラミックス基板２１１との接合界面においては、Ｃｕに加えてＺｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶しており、本実施形態ではＡｇが固溶している。
【００７５】
ここで、金属層２１３及びヒートシンク２４０の接合界面２３０近傍には、接合界面２３０から積層方向に離間するにしたがい漸次Ｃｕ濃度及びＡｇ濃度が低下する濃度傾斜層２３３、２３４が形成されている。ここで、この濃度傾斜層２３３、２３４の接合界面２３０側（金属層２１３及びヒートシンク２４０の接合界面２３０近傍）のＣｕと添加元素（本実施形態ではＡｇ）の合計の濃度が、０．０５質量％以上６．５質量％以下の範囲内に設定されている。
なお、金属層２１３及びヒートシンク２４０の接合界面２３０近傍のＣｕ濃度及びＡｇ濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって、接合界面２３０から５０μｍの位置で５点測定した平均値である。また、図１１のグラフは、金属層２１３（金属板２２３）及びヒートシンク２４０（天板部２４１）の幅中央部分において積層方向にライン分析を行い、前述の５０μｍ位置での濃度を基準として求めたものである。
【００７６】
以下に、前述の構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法について説明する。
【００７７】
（Ｃｕ固着工程Ｓ２０１）
まず、図１３に示すように、回路層２１２となる金属板２２２の一面に、スパッタリングによってＣｕを固着して第１Ｃｕ層２２４を形成するとともに、金属層２１３となる金属板２２３の一面に、スパッタリングによってＣｕを固着して第２Ｃｕ層２２５を形成する。なお、この第１Ｃｕ層２２４、第２Ｃｕ層２２５には、Ｃｕに加えてＺｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固着されており、本実施形態では、添加元素としてＡｇを用いている。
ここで、本実施形態では、第１Ｃｕ層２２４、第２Ｃｕ層２２５におけるＣｕ量は、０．０８ｍｇ／ｃｍ２以上２．７ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されている。また、Ａｇ量は、０．０８ｍｇ／ｃｍ２以上５．４ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されている。
【００７８】
（セラミックス基板積層工程Ｓ２０２）
次に、図１３に示すように、金属板２２２をセラミックス基板２１１の一方の面側に積層し、かつ、金属板２２３をセラミックス基板２１１の他方の面側に積層する。このとき、図１３に示すように、金属板２２２の第１Ｃｕ層２２４、金属板２２３の第２Ｃｕ層２２５が形成された面がセラミックス基板２１１を向くように、金属板２２２、２２３を積層する。すなわち、金属板２２２、２２３とセラミックス基板２１１との間にそれぞれ第１Ｃｕ層２２４、第２Ｃｕ層２２５を介在させているのである。
【００７９】
（セラミックス基板加熱工程Ｓ２０３）
次に、金属板２２２、セラミックス基板２１１、金属板２２３を積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で、真空加熱炉内に装入して加熱し、金属板２２２、２２３とセラミックス基板２１１との界面にそれぞれ第一溶融金属領域、第二溶融金属領域を形成する。
ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度は６００℃以上６５０℃以下の範囲内に設定している。
【００８０】
（第一溶融金属及び第二溶融金属凝固工程Ｓ２０４）
次に、第一溶融金属領域、第二溶融金属領域が形成された状態で温度を一定に保持しておく。すると、第一溶融金属領域、第二溶融金属領域中のＣｕ及びＡｇが、さらに金属板２２２、２２３側へと拡散していくことになる。これにより、第一溶融金属領域、第二溶融金属領域であった部分のＣｕ濃度及びＡｇ濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していく。これにより、セラミックス基板２１１と金属板２２２、２２３とが接合され、パワーモジュール用基板２１０が製出されることになる。
【００８１】
（Ｃｕ層形成工程Ｓ２０５）
次に、金属層２１３の他方の面に、スパッタリングによってＣｕ及びＡｇを固着してＣｕ層２２６を形成する。ここで、本実施形態では、Ｃｕ層２２６におけるＣｕ量は、０．０８ｍｇ／ｃｍ２以上２．７ｍｇ／ｃｍ２以下に設定され、Ａｇ量は、０．０８ｍｇ／ｃｍ２以上５．４ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されている。
【００８２】
（ヒートシンク積層工程Ｓ２０６）
次に、図１４に示すように、パワーモジュール用基板２１０の金属層２１３の他方の面側に、ヒートシンク２４０を構成する天板部２４１、コルゲートフィン２４６、底板部２４５を積層する。このとき、天板部２４１の接合層２４１Ｂ及び底板部２４５の接合層２４５Ｂがコルゲートフィン２４６側を向くように、天板部２４１及び底板部２４５を積層する。また、天板部２４１とコルゲートフィン２４６、底板部２４５とコルゲートフィン２４６との間には、例えば、ＫＡｌＦ４を主成分とするフラックス（図示なし）を介在させておく。
また、金属板２２３のＣｕ層２２６が形成された面が、ヒートシンク２４０の天板部２４１を向くように配置し、金属板２２３とヒートシンク２４０との間にＣｕ層２２６を介在させる。
【００８３】
（ヒートシンク加熱工程Ｓ２０７）
次に、積層されたパワーモジュール用基板２１０、天板部２４１、コルゲートフィン２４６及び底板部２４５を積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で、雰囲気加熱炉内に装入して加熱し、金属板２２３とヒートシンク２４０の天板部２４１との間に溶融金属領域を形成する。同時に、天板部２４１とコルゲートフィン２４６、底板部２４５とコルゲートフィン２４６との間にも、接合層２４１Ｂ、２４５Ｂを溶融させた溶融金属層を形成する。
ここで、本実施形態では、雰囲気加熱炉内は、窒素ガス雰囲気とされており、加熱温度は５５０℃以上６３０℃以下の範囲内に設定している。
【００８４】
（溶融金属凝固工程Ｓ２０８）
次に、溶融金属領域が形成された状態で温度を一定に保持しておく。すると、溶融金属領域中のＣｕ及びＡｇが、さらに金属板２２３側及びヒートシンク２４０の天板部２４１側へと拡散していくことになる。これにより、溶融金属領域であった部分のＣｕ濃度及びＡｇ濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していくことになる。つまり、ヒートシンク２４０の天板部２４１と金属板２２３とは、いわゆる拡散接合（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって接合されているのである。このようにして凝固が進行した後に、常温にまで冷却を行う。
【００８５】
また、天板部２４１とコルゲートフィン２４６、底板部２４５とコルゲートフィン２４６の間に形成された溶融金属層が凝固することによって、天板部２４１とコルゲートフィン２４６、底板部２４５とコルゲートフィン２４６とがろう付けされることになる。このとき、天板部２４１、コルゲートフィン２４６、底板部２４５の表面には、酸化被膜が形成されているが、前述のフラックスによってこれらの酸化被膜が除去される。
【００８６】
このようにして、天板部２４１とコルゲートフィン２４６と底板部２４５とがろう付けされてヒートシンク２４０が形成されるとともに、このヒートシンク２４０とパワーモジュール用基板２１０とが接合されて本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板が製造される。
【００８７】
以上のような構成とされた本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法においては、ヒートシンク２４０と金属層２１３との間に、ＣｕとともにＡｇを固着させ、これらＣｕとＡｇを拡散させることによって溶融金属領域を形成し、さらに溶融金属領域中のＣｕとＡｇを拡散させて、ヒートシンク２４０とパワーモジュール用基板２１０とを接合しているので、比較的低温条件においても、ヒートシンク２４０とパワーモジュール用基板２１０とを確実に接合することが可能となる。
【００８８】
ここで、ヒートシンク２４０を、フラックスを用いたろう付けによって形成する場合、窒素ガス雰囲気で５５０℃以上６３０℃以下の温度条件で接合することになるが、本実施形態では、ヒートシンク２４０とパワーモジュール用基板２１０との接合に、Ｃｕと添加元素（Ａｇ）とを用いていて、前述のように、低温条件での接合及び窒素ガス雰囲気での接合が可能なことから、ヒートシンク２４０とパワーモジュール用基板２１０との接合と同時に、天板部２４１とコルゲートフィン２４６と底板部２４５とを、ろう付けによって接合してヒートシンク２４０を製出することができる。よって、このヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造工程を省略することができ、製作コストの削減を図ることができる。
【００８９】
次に、本発明の第４の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュールについて、図１５から図１８を用いて説明する。
このパワーモジュール３０１は、回路層３１２が配設されたパワーモジュール用基板３１０と、回路層３１２の表面にはんだ層２を介して接合された半導体チップ３と、ヒートシンク３４０とを備えている。
【００９０】
パワーモジュール用基板３１０は、セラミックス基板３１１と、このセラミックス基板３１１の一方の面（図１５において上面）に配設された回路層３１２と、セラミックス基板３１１の他方の面（図１５において下面）に配設された金属層３１３とを備えている。 なお、セラミックス基板３１１は絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。
【００９１】
回路層３１２は、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板３２２がセラミックス基板３１１に接合されることにより形成されている。
金属層３１３は、回路層３１２と同様に、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板３２３がセラミックス基板３１１に接合されることで形成されている。
【００９２】
ヒートシンク３４０は、前述のパワーモジュール用基板３１０を冷却するためのものである。本実施形態であるヒートシンク３４０は、パワーモジュール用基板３１０と接合される天板部３４１と、この天板部３４１に対向するように配置された底板部３４５と、天板部３４１と底板部３４５との間に介装されたコルゲートフィン３４６と、を備えており、天板部３４１と底板部３４５とコルゲートフィン３４６とによって、冷却媒体が流通する流路３４２が画成されている。
ここで、このヒートシンク３４０は、天板部３４１とコルゲートフィン３４６、コルゲートフィン３４６と底板部３４５が、それぞれろう付けされることによって構成されている。
【００９３】
そしてヒートシンク３４０の天板部３４１と金属層３１３（金属板３２３）との接合界面においては、金属層３１３（金属板３２３）及び天板部３４１に、Ｃｕに加えてＺｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶している。なお、本実施形態では、添加元素としてＡｇが固溶している。
また、回路層３１２（金属板３２２）とセラミックス基板３１１との接合界面、及び、金属層３１３（金属板３２３）とセラミックス基板３１１との接合界面においては、Ｃｕに加えてＺｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶しており、本実施形態ではＡｇが固溶している。
【００９４】
以下に、前述の構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法について説明する。
【００９５】
（固着層形成工程Ｓ３０１）
まず、図１７に示すように、回路層３１２となる金属板３２２の一面に、スパッタリングによってＣｕを固着して第１Ｃｕ層３２４を形成するとともに、金属層３１３となる金属板３２３の一面に、スパッタリングによってＣｕを固着して第２Ｃｕ層３２５を形成する。さらに、金属板３２３の他面にもスパッタリングによってＣｕを固着してＣｕ層３２６を形成する。
なお、この第１Ｃｕ層３２４、第２Ｃｕ層３２５、Ｃｕ層３２６には、Ｃｕに加えてＺｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固着されており、本実施形態では、添加元素としてＡｇを用いている。
ここで、本実施形態では、第１Ｃｕ層３２４、第２Ｃｕ層３２５、Ｃｕ層３２６におけるＣｕ量は、０．０８ｍｇ／ｃｍ２以上２．７ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されている。また、Ａｇ量は、０．０８ｍｇ／ｃｍ２以上５．４ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されている。
【００９６】
（積層工程Ｓ３０２）
次に、図１７に示すように、金属板３２２をセラミックス基板３１１の一方の面側に積層し、かつ、金属板３２３をセラミックス基板３１１の他方の面側に積層する。このとき、図１７に示すように、金属板３２２の第１Ｃｕ層３２４、金属板３２３の第２Ｃｕ層３２５が形成された面がセラミックス基板３１１を向くように、金属板３２２、３２３を積層する。
さらに、金属板３２３のＣｕ層３２６が形成された面側に、天板部３４１を積層配置する。
【００９７】
（加熱工程Ｓ３０３）
次に、金属板３２２、セラミックス基板３１１、金属板３２３、天板部３４１を積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で、真空加熱炉内に装入して加熱し、金属板３２２、３２３とセラミックス基板３１１との界面にそれぞれ第一溶融金属領域、第二溶融金属領域を形成するとともに、金属板３２３と天板部３４１との間に、溶融金属領域を形成する。
ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度は６００℃以上６５０℃以下の範囲内に設定している。
【００９８】
（溶融金属凝固工程Ｓ３０４）
次に、第一溶融金属領域、第二溶融金属領域が形成された状態で温度を一定に保持しておく。すると、第一溶融金属領域、第二溶融金属領域中のＣｕ及びＡｇが、さらに金属板３２２、３２３側へと拡散していくことになる。すると、第一溶融金属領域、第二溶融金属領域であった部分のＣｕ濃度及びＡｇ濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していく。これにより、セラミックス基板３１１と金属板３２２、３２３とが接合される。
また、溶融金属領域が形成された状態で温度を一定に保持しておく。すると、溶融金属領域中のＣｕ及びＡｇが、金属板３２３及び天板部３４１側へと拡散していくことになる。すると、溶融金属領域であった部分のＣｕ濃度及びＡｇ濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していく。これにより、金属板３２３と天板部３４１とが接合される。
【００９９】
（フィン積層工程Ｓ３０５）
次に、図１８に示すように、天板部３４１の他方の面側に、ろう材箔３４７（例えば、Ａｌ−１０％Ｓｉ合金箔等の低融点アルミニウム合金箔）、コルゲートフィン３４６、底板部３４５を積層する。このとき、底板部３４５の接合層３４５Ｂがコルゲートフィン３４６側を向くように底板部３４５を積層する。また、天板部３４１とコルゲートフィン３４６、底板部３４５とコルゲートフィン３４６との間には、例えば、ＫＡｌＦ４を主成分とするフラックス（図示なし）を介在させておく。
【０１００】
（ろう付け工程Ｓ３０６）
次に、天板部３４１、コルゲートフィン３４６及び底板部３４５を積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で、雰囲気加熱炉内に装入して加熱し、天板部３４１とコルゲートフィン３４６、底板部３４５とコルゲートフィン３４６との間に、ろう材箔３４７及び接合層３４５Ｂを溶融させた溶融金属層を形成する。
ここで、本実施形態では、雰囲気加熱炉内は、窒素ガス雰囲気とされており、加熱温度は５５０℃以上６３０℃以下の範囲内に設定している。
そして、冷却することによって、天板部３４１とコルゲートフィン３４６、底板部３４５とコルゲートフィン３４６の間に形成された溶融金属層を凝固させ、天板部３４１とコルゲートフィン３４６、底板部３４５とコルゲートフィン３４６とをろう付けする。このとき、天板部３４１、コルゲートフィン３４６、底板部３４５の表面には、酸化被膜が形成されているが、前述のフラックスによってこれらの酸化被膜が除去されることになる。
【０１０１】
このようにして、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板が製造される。
【０１０２】
以上のような構成とされた本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法においては、ヒートシンク３４０の天板部３４１と金属層３１３との間に、ＣｕとともにＡｇを固着させ、これらＣｕとＡｇを拡散させることによって溶融金属領域を形成し、さらに溶融金属領域中のＣｕとＡｇを拡散させて、ヒートシンク３４０の天板部３４１とパワーモジュール用基板３１０とを接合しているので、比較的低温条件においても、ヒートシンク３４０の天板部３４１とパワーモジュール用基板３１０とを確実に接合することが可能となる。
【０１０３】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、回路層及び金属層を構成する金属板を純度９９．９９％の純アルミニウムの圧延板としたものとして説明したが、これに限定されることはなく、純度９９％のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）であってもよい。
また、セラミックス基板をＡｌＮで構成されたものとして説明したが、これに限定されることはなく、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３等の他のセラミックスで構成されていてもよい。
【０１０４】
さらに、第２、第３、第４の実施形態においては、Ｃｕ層形成工程で、Ｃｕとともに添加元素としてＧｅ又はＡｇを固着させるものとして説明したが、これに限定されることはない。添加元素として、Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上を用いても良い。ここで、Ｃｕと添加元素の固着量の合計は、０．０８ｍｇ／ｃｍ２以上１０ｍｇ／ｃｍ２以下とすることが好ましい。
【０１０５】
さらに、Ｃｕ層形成工程において、金属層となる金属板の他面にＣｕを固着させる構成としたものとして説明したが、これに限定されることはなく、ヒートシンクの接合面にＣｕを固着させてもよいし、ヒートシンクの接合面及び金属板の他面に、それぞれＣｕを固着させてもよい。
また、Ｃｕ層形成工程において、スパッタによってＣｕ及び前記添加元素を固着するものとして説明したが、これに限定されることはなく、めっき、蒸着、ＣＶＤ、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているペースト及びインクなどの塗布等でＣｕを固着させてもよい。
さらに、Ｃｕ層形成工程において、ＣｕとともにＡｌを固着する構成としてもよい。
【０１０６】
また、本実施形態では、ヒートシンクの上に一つのパワーモジュール用基板が接合された構成として説明したが、これに限定されることはなく、一つのヒートシンクの上に複数のパワーモジュール用基板が接合されていてもよい。
【０１０７】
また、第１、第２の実施形態において、ヒートシンクと金属層（金属板）との接合を、真空加熱炉を用いて行うものとして説明したが、これに限定されることはなく、Ｎ２雰囲気、Ａｒ雰囲気及びＨｅ雰囲気等でヒートシンクと金属層（金属板）との接合を行ってもよい。
さらに、セラミックス基板と金属板とをろう材を使用せずに接合したものとして説明したが、これに限定されることはなく、セラミックス基板と金属板とをろう材を使用して接合したパワーモジュール用基板を用いてもよい。
【０１０８】
また、第３の実施形態において、天板部及び底板部が、基材層と接合層とを備えた積層アルミ材で構成されたものとして説明したが、これに限定されることはなく、コルゲートフィンを、例えばＡ３００３からなる芯材とこの芯材の両面にＡ４０４５からなる接合層とを備えたクラッド材で構成してもよい。この場合、天板部及び底板部は、単純なアルミニウム板を用いることができる。
【０１０９】
また、天板部、コルゲートフィン、底板部の材質は、本実施形態に限定されることはない。
さらに、コルゲートフィンの形状等を含め、ヒートシンクの構造も本実施形態に限定されるものではない。例えば、第３、第４の実施形態における天板部のみを放熱板としてパワーモジュール用基板に接合したものであってもよい。
【０１１０】
さらに、図１９に示すように、第二の金属板４１３を、複数の金属板４１３Ａ、４１３Ｂを積層した構造としてもよい。この場合、第二の金属板４１３のうち一方側（図１９において上側）に位置する金属板４１３Ａがセラミックス基板４１１に接合され、他方側（図１９において下側）に位置する金属板４１３Ｂがヒートシンク４４０の天板部４４１に接合されることになる。そして、他方側に位置する金属板４１３Ｂとヒートシンク４４０の天板部４４１との間にＣｕ層を形成することで、他方側に位置する金属板４１３Ｂとヒートシンク４４０の天板部４４１とが接合されているのである。ここで、積層された金属板４１３Ａ、４１３Ｂ同士をＣｕ層を介して接合することで第二の金属板４１３を構成してもよい。なお、図１９では、２枚の金属板４１３Ａ、４１３Ｂを積層させたものとしているが、積層する枚数に制限はない。また、図１９に示すように、積層する金属板同士の大きさ、形状が異なっていても良いし、同じ大きさ、形状に調整されたものであってもよい。さらに、これらの金属板の組成が異なっていても良い。
【符号の説明】
【０１１１】
１０、１１０、２１０、３１０、４１０ パワーモジュール用基板
１１、１１１、２１１、３１１、４１１ セラミックス基板
１２、１１２、２１２、３１２、４１２ 回路層（第一の金属板）
１３、１１３、２１３、３１３、４１３ 金属層（第二の金属板）
４０、１４０、２４０、３４０、４４０ ヒートシンク
２４、１２４、２２４、３２４ 第１Ｃｕ層（第１金属層）
２５、１２５，２２５、３２５ 第２Ｃｕ層（第２金属層）
２６、１２６、２２６、３２６ Ｃｕ層
２７ 第一溶融金属領域
２８ 第二溶融金属領域
２９ 溶融金属領域
３０、１３０、２３０ 接合界面
【技術分野】
【０００１】
この発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、及び、パワーモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子の中でも電力供給のためのパワー素子は、発熱量が比較的高いため、これを搭載する基板としては、例えば、ＡｌＮ（窒化アルミ）やＳｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）などからなるセラミックス基板上にＡｌ（アルミニウム）の第一の金属板が接合されるとともに、基板の反対側にＡｌ（アルミニウム）の第二の金属板を介してヒートシンクが接続されたヒートシンク付パワーモジュール用基板が用いられる。
このようなヒートシンク付パワーモジュール用基板では、第一の金属板は回路層として形成され、第一の金属板の上には、はんだ材を介してパワー素子の半導体チップが搭載される。
【０００３】
従来、前述のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、例えば特許文献１に記載されているように、以下の手順で製造される。
まず、セラミックス基板の一方の面にろう材を介して第一の金属板を積層し、セラミックス基板の他方の面にろう材を介して第二の金属板を積層して、これを積層方向に所定の圧力で加圧するとともに加熱し、セラミックス基板と第一の金属板及び第二の金属板とを接合させる（セラミックス基板接合工程）。
次に、第二の金属板のうちセラミックス基板とは反対側の面に、ろう材を介してヒートシンクを積層し、積層方向に所定の圧力で加圧するとともに加熱し、これにより第二の金属板とヒートシンクとを接合させる（ヒートシンク接合工程）。
すなわち、ヒートシンク付パワーモジュール用基板は、上述のセラミックス基板接合工程と、その後に実施されるヒートシンク接合工程とによって製造されていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−００９２１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、第二の金属板とヒートシンクとをろう付けする際には、融点を低く設定するためにＳｉを７．５質量％以上含有するＡｌ−Ｓｉ系合金のろう材箔が使用されることが多い。このようにＳｉを比較的多く含有するＡｌ−Ｓｉ系合金においては、延性が不十分であることから圧延等によって箔材を製造するのが困難であった。
さらに、ヒートシンクと第二の金属板との間にろう材箔を配置し、これらを積層方向に加圧して加熱することになるが、この加圧に際してろう材箔の位置がずれないように、ろう材箔、ヒートシンク及び第二の金属板を積層配置する必要があった。
また、ろう材箔を用いた場合、第二の金属板とヒートシンクとの界面部分には、第二の金属板及びヒートシンクの表面、ろう材箔の両面の４つの面において酸化被膜が存在することになり、酸化被膜の合計厚さが厚くなる傾向にあった。
【０００６】
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、ヒートシンクと第二の金属板とを接合するヒートシンク接合工程における接合温度を低く設定しても、ヒートシンクと第二の金属板とを強固に接合でき、セラミックス基板と第一の金属板及び第二の金属板とを接合するセラミックス基板接合工程における接合温度も比較的低く設定することができ、高品質なヒートシンク付パワーモジュール用基板を提供することが可能なヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法、及び、この製造方法によって得られるヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板と、該セラミックス基板の表面に一面が接合されたアルミニウムからなる第一の金属板と、前記セラミックス基板の裏面に一面が接合されたアルミニウムからなる第二の金属板と、該第二の金属板の前記セラミックス基板と接合された前記一面と反対側の他面に接合されたアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるヒートシンクとを備えるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法であって、前記セラミックス基板と前記第一の金属板、及び、前記セラミックス基板と前記第二の金属板とを接合するセラミックス基板接合工程と、前記第二の金属板の他面に前記ヒートシンクを接合するヒートシンク接合工程と、を有し、前記ヒートシンク接合工程は、前記第二の金属板の他面と前記ヒートシンクの接合面のうち少なくとも一方にＣｕを固着してＣｕ層を形成するＣｕ層形成工程と、前記Ｃｕ層を介して前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを積層するヒートシンク積層工程と、積層された前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを積層方向に加圧するとともに加熱し、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとの界面に溶融金属領域を形成するヒートシンク加熱工程と、この溶融金属領域を凝固させることによって、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを接合する溶融金属凝固工程と、を有し、前記ヒートシンク加熱工程において、前記Ｃｕ層のＣｕを前記第二の金属板及び前記ヒートシンクに拡散させることにより、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとの界面に、前記溶融金属領域を形成することを特徴としている。
【０００８】
この構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法においては、第二の金属板の他面にヒートシンクを接合するヒートシンク接合工程が、前記第二の金属板の他面と前記ヒートシンクの接合面のうち少なくとも一方にＣｕを固着してＣｕ層を形成するＣｕ層形成工程を備えているので、第二の金属板とヒートシンクとの接合界面には、Ｃｕが介在することになる。このＣｕは、アルミニウムの融点を降下させる元素であるため、比較的低温条件において、ヒートシンクと第二の金属板との界面に溶融金属領域を形成することができる。
よって、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、ヒートシンクと第二の金属板とを強固に接合することが可能となる。
【０００９】
また、加熱工程において、Ｃｕ層内のＣｕを前記第二の金属板及びヒートシンク側に拡散させることにより、前記ヒートシンクと前記第二の金属板との界面に前記溶融金属領域を形成し、この溶融金属領域を凝固させることで、前記第二の金属板と前記ヒートシンクを接合する構成としているので、製造が困難なＡｌ−Ｓｉ系のろう材箔等を用いる必要がなく、低コストで、第二の金属板とヒートシンクとが確実に接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造することができる。
【００１０】
さらに、ろう材箔を使用せずに、前記ヒートシンクの接合面及び前記第二の金属板の他面のうち少なくとも一方に直接Ｃｕを固着しているので、ろう材箔の位置合わせ作業等を行う必要がない。
しかも、第二の金属板及びヒートシンクに直接Ｃｕを固着した場合、酸化被膜は、第二の金属板及びヒートシンクの表面にのみ形成されることになり、第二の金属板及びヒートシンクの界面に存在する酸化被膜の合計厚さが薄くなるので、初期接合の歩留りが向上する。
【００１１】
ここで、前記Ｃｕ層形成工程において、前記第二の金属板の他面と前記ヒートシンクの接合面のうち少なくとも一方に、Ｃｕに加えて、Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着することが好ましい。
この場合、第二の金属板とヒートシンクとの接合界面には、Ｃｕに加えて、Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が介在することになる。ここで、Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉといった元素は、アルミニウムの融点を降下させる元素であるため、比較的低温条件において、第二の金属板とヒートシンクとの界面に確実に溶融金属領域を形成することができる。
よって、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、第二の金属板とヒートシンクとをさらに強固に接合することが可能となる。
【００１２】
また、前記Ｃｕ層形成工程では、ＣｕとともにＡｌを固着させる構成とすることが好ましい。
この場合、ＣｕとともにＡｌを固着させているので、形成されるＣｕ層がＡｌを含有することになり、このＣｕ層が優先的に溶融し、第二の金属板とヒートシンクとの界面に溶融金属領域を確実に形成することが可能となり、第二の金属板とヒートシンクとを強固に接合することができる。なお、ＣｕとともにＡｌを固着させるには、ＣｕとＡｌとを同時に蒸着してもよいし、ＣｕとＡｌの合金をターゲットとしてスパッタリングしてもよい。さらに、ＣｕとＡｌを積層してもよい。
【００１３】
また、前記セラミックス基板接合工程は、前記セラミックス基板と前記第一の金属板との接合界面における前記セラミックス基板の接合面と前記第一の金属板の接合面のうちの少なくとも一方にＣｕ又はＳｉのうちの１種以上を固着して第１金属層を形成するとともに、前記セラミックス基板と前記第二の金属板との接合界面における前記セラミックス基板の接合面と前記第二の金属板の接合面のうちの少なくとも一方にＣｕ又はＳｉのうちの１種以上を固着して第２金属層を形成する金属固着工程と、前記第１金属層を介して前記セラミックス基板と前記第一の金属板とを積層するとともに、前記第２金属層を介して前記セラミックス基板と前記第二の金属板とを積層するセラミックス基板積層工程と、積層された前記第一の金属板と前記セラミックス基板と前記第二の金属板とを積層方向に加圧するとともに加熱し、前記第一の金属板と前記セラミックス基板との界面及び前記セラミックス基板と前記第二の金属板との界面に、第一溶融金属領域及び第二溶融金属領域を形成するセラミックス基板加熱工程と、この第一溶融金属領域及び第二溶融金属領域を凝固させることによって、前記第一の金属板と前記セラミックス基板及び前記セラミックス基板と前記第二の金属板とを接合する第一溶融金属及び第二溶融金属凝固工程と、を有し、前記セラミックス基板加熱工程において、前記第１金属層及び前記第２金属層のＣｕ又はＳｉのうちの１種以上を前記第一の金属板及び前記第二の金属板に拡散させることにより、前記第一の金属板と前記セラミックス基板との界面及び前記セラミックス基板と前記第二の金属板との界面に、前記第一溶融金属領域及び前記第二溶融金属領域を形成する構成としてもよい。
【００１４】
この場合、セラミックス基板と第一の金属板、及び、セラミックス基板と第二の金属板の接合においても、ろう材を用いる必要がなくなり、低コストで、セラミックス基板と第一の金属板及び第二の金属板とを確実に接合することができる。
また、セラミックス基板と第一の金属板及び第二の金属板の接合界面には、Ｃｕ又はＳｉのうちの１種以上が介在することになるので、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、セラミックス基板と第一の金属板及び第二の金属板とを強固に接合することが可能となる。
【００１５】
ここで、前記金属固着工程において、前記セラミックス基板と前記第一の金属板との接合界面における前記セラミックス基板の接合面と前記第一の金属板の接合面のうちの少なくとも一方に、あるいは、前記セラミックス基板と前記第二の金属板との接合界面における前記セラミックス基板の接合面と前記第二の金属板の接合面のうちの少なくとも一方に、Ｃｕ又はＳｉのうちの１種以上に加えてＺｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着することが好ましい。
【００１６】
この場合、前記セラミックス基板と前記第一の金属板との接合界面、あるいは、前記セラミックス基板と前記第二の金属板との接合界面には、Ｃｕ又はＳｉのうちの１種以上に加えてＺｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が介在することになる。ここで、Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉといった元素は、アルミニウムの融点を降下させる元素であるため、比較的低温条件において、前記セラミックス基板と前記第一の金属板との界面に第一溶融金属領域を、あるいは、前記セラミックス基板と前記第二の金属板との界面に第二溶融金属領域を、確実に形成することができる。
よって、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、セラミックス基板と第一の金属板及び第二の金属板とをさらに強固に接合することが可能となる。
【００１７】
さらに、前記セラミックス基板接合工程と、前記ヒートシンク接合工程と、を同時に行うことが好ましい。
この場合、ヒートシンク積層工程とセラミックス基板積層工程、ヒートシンク加熱工程とセラミックス基板加熱工程、溶融金属凝固工程と第一溶融金属及び第二溶融金属凝固工程と、をそれぞれ同時に行うことによって、接合に掛かるコストを大幅に削減することができる。また、繰り返し加熱、冷却を行わずに済むので、このヒートシンク付パワーモジュール用基板の反りの低減も図ることができる。
【００１８】
また、前記Ｃｕ層形成工程は、めっき、蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているペースト及びインクなどの塗布によって前記ヒートシンクの接合面及び前記第二の金属板の他面のうち少なくとも一方に、Ｃｕを固着させることが好ましい。
この場合、めっき、蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているペースト及びインクなどの塗布によって、Ｃｕが前記ヒートシンクの接合面及び前記第二の金属板の他面のうち少なくとも一方に確実に固着されるので、ヒートシンクと第二の金属板との接合界面にＣｕを確実に介在させることが可能となる。また、Ｃｕの固着量を精度良く調整することができ、溶融金属領域を確実に形成して、ヒートシンクと第二の金属板とを強固に接合することが可能となる。
【００１９】
さらに、前記第二の金属板が、複数の金属板が積層されて構成されていることが好ましい。
この場合、第二の金属板が、複数の金属板が積層された構造とされているので、ヒートシンクとセラミックス基板との熱膨張係数の差に起因する熱歪みをこの第二の金属板で十分に緩和することができ、セラミックス基板での割れの発生を抑制することができる。
【００２０】
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、セラミックス基板と、該セラミックス基板の表面に一面が接合されたアルミニウムからなる第一の金属板と、前記セラミックス基板の裏面に一面が接合されたアルミニウムからなる第二の金属板と、該第二の金属板の前記セラミックス基板と接合された前記一面と反対側の他面に接合されたアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるヒートシンクとを備え、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクには、Ｃｕが固溶されており、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクの接合界面近傍におけるＣｕ濃度が０．０５質量％以上５質量％以下の範囲内に設定されていることを特徴としている。
【００２１】
この構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板によれば、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクに、それぞれＣｕが固溶しているので、第二の金属板及びヒートシンクのそれぞれの接合界面側部分が固溶強化することになる。
ここで、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクの接合界面近傍におけるＣｕ濃度が０．０５質量％以上とされているので、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクの接合界面側部分を確実に固溶強化することができる。また、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクの接合界面近傍におけるＣｕ濃度が５質量％以下とされているので、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクの接合界面の強度が過剰に高くなることを防止でき、熱歪みを前記第二の金属板及び前記ヒートシンクで吸収することができる。
【００２２】
また、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクには、Ｃｕに加えて、Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶されていることが好ましい。
この場合、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクに、Ｃｕに加えて、Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶しているので、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクの接合界面側部分を確実に固溶強化させることができる。
【００２３】
なお、前記第一の金属板と前記セラミックス基板との接合界面近傍、あるいは、前記第二の金属板と前記セラミックス基板との接合界面近傍において、Ｃｕ又はＳｉのうちの１種以上に加えてＺｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶されていることが好ましい。
この場合、前記第一の金属板と前記セラミックス基板との接合界面近傍、あるいは、前記第二の金属板と前記セラミックス基板との接合界面近傍に、Ｃｕ又はＳｉのうちの１種以上に加えてＺｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶しているので、前記第一の金属板及び前記第二の金属板のうち前記セラミックス基板との接合界面側部分を確実に固溶強化させることができる。
【００２４】
また、前記第二の金属板の厚さが、前記第一の金属板の厚さよりも厚くなるように設定されていることが好ましい。
この場合、ヒートシンクが設けられている側の剛性を、その反対側の剛性と比較して高くすることができ、これにより冷却後の反りをさらに抑えることができる。
【００２５】
さらに、前記第二の金属板が、複数の金属板が積層されて構成されていることが好ましい。
この場合、第二の金属板が、複数の金属板が積層された構造とされているので、ヒートシンクとセラミックス基板との熱膨張係数の差に起因する熱歪みをこの第二の金属板で十分に緩和することができ、セラミックス基板での割れの発生を抑制することができる。
【００２６】
本発明のパワーモジュールは、前述のヒートシンク付パワーモジュール用基板と、該ヒートシンク付パワーモジュール用基板上に搭載される電子部品と、を備えたことを特徴としている。
この構成のパワーモジュールによれば、ヒートシンクと第二の金属板との接合強度が高く、使用環境が厳しい場合であっても、半導体素子等の電子部品からの熱を放散させることができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、ヒートシンクと第二の金属板とを接合するヒートシンク接合工程における接合温度を低く設定しても、ヒートシンクと第二の金属板とを強固に接合でき、セラミックス基板と第一の金属板及び第二の金属板とを接合するセラミックス基板接合工程における接合温度も比較的低く設定することができ、高品質なヒートシンク付パワーモジュール用基板を提供することが可能なヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法、及び、この製造方法によって得られるヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュールを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。
【図２】本発明の第１の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の金属層及びヒートシンクのＣｕ濃度分布を示す説明図である。
【図３】本発明の第１の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法のフロー図である。
【図４】本発明の第１の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。
【図５】図４における第二の金属板（金属層）とヒートシンクとの接合界面近傍を示す説明図である。
【図６】本発明の第２の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。
【図７】本発明の第２の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の金属層及びヒートシンクのＣｕ濃度分布及びＧｅ濃度分布を示す説明図である。
【図８】本発明の第２の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法のフロー図である。
【図９】本発明の第２の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の金属層及びヒートシンクのＣｕ濃度分布及びＡｇ濃度分布を示す説明図である。
【図１２】本発明の第３の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法のフロー図である。
【図１３】本発明の第３の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。
【図１４】本発明の第３の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。
【図１５】本発明の第４の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。
【図１６】本発明の第４の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法のフロー図である。
【図１７】本発明の第４の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。
【図１８】本発明の第４の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。
【図１９】本発明の他の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。
図１に本発明の第１の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュールを示す。
このパワーモジュール１は、回路層１２が配設されたパワーモジュール用基板１０と、回路層１２の表面にはんだ層２を介して接合された半導体チップ３と、ヒートシンク４０とを備えている。ここで、はんだ層２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材とされている。なお、本実施形態では、回路層１２とはんだ層２との間にＮｉメッキ層（図示なし）が設けられている。
【００３０】
パワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の一方の面（図１において上面）に配設された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面（図１において下面）に配設された金属層１３とを備えている。
セラミックス基板１１は、回路層１２と金属層１３との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。また、セラミックス基板１１の厚さは、０．２〜１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６３５ｍｍに設定されている。なお、本実施形態では、図１に示すように、セラミック基板１１の幅は、回路層１２及び金属層１３の幅より広く設定されている。
【００３１】
回路層１２は、セラミックス基板１１の一方の面に導電性を有する金属板２２が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、回路層１２は、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板２２がセラミックス基板１１に接合されることにより形成されている。
金属層１３は、セラミックス基板１１の他方の面に金属板２３が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層１３は、回路層１２と同様に、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板２３がセラミックス基板１１に接合されることで形成されている。
【００３２】
ヒートシンク４０は、前述のパワーモジュール用基板１０を冷却するためのものであり、パワーモジュール用基板１０と接合される天板部４１と、冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路４２と、を備えている。ヒートシンク４０（天板部４１）は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態においては、Ａ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。
【００３３】
そして、図２に示すように、金属層１３（金属板２３）とヒートシンク４０との接合界面３０においては、金属層１３（金属板２３）及びヒートシンク４０に、Ｃｕが固溶している。金属層１３及びヒートシンク４０の接合界面３０近傍には、接合界面３０から積層方向に離間するにしたがい漸次Ｃｕ濃度が低下する濃度傾斜層３３、３４が形成されている。ここで、この濃度傾斜層３３、３４の接合界面３０側（金属層１３及びヒートシンク４０の接合界面３０近傍）のＣｕ濃度が、０．０５質量％以上５質量％以下の範囲内に設定されている。
なお、金属層１３及びヒートシンク４０の接合界面３０近傍のＣｕの濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって、接合界面３０から５０μｍの位置で５点測定した平均値である。また、図２のグラフは、金属層１３（金属板２３）及びヒートシンク４０（天板部４１）の幅中央部分において積層方向にライン分析を行い、前述の５０μｍ位置での濃度を基準として求めたものである。
【００３４】
以下に、前述の構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法について、図３から図５を参照して説明する。
【００３５】
（Ｃｕ層形成工程Ｓ０１／Ｃｕ固着工程Ｓ１１）
まず、図４、図５に示すように、回路層１２となる金属板２２の一面に、スパッタリングによってＣｕを固着して第１Ｃｕ層２４を形成するとともに、金属層１３となる金属板２３の一面に、スパッタリングによってＣｕを固着して第２Ｃｕ層２５を形成する（Ｃｕ固着工程Ｓ１１）。
また、金属層１３となる金属板２３の他面に、スパッタリングによってＣｕを固着してＣｕ層２６を形成する（Ｃｕ層形成工程Ｓ０１）。
ここで、本実施形態では、第１Ｃｕ層２４、第２Ｃｕ層２５及びＣｕ層２６におけるＣｕ量は、０．０８ｍｇ／ｃｍ２以上２．７ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されている。
【００３６】
（ヒートシンク積層工程Ｓ０２／セラミックス基板積層工程Ｓ１２）
次に、図４に示すように、金属板２２をセラミックス基板１１の一方の面側に積層し、かつ、金属板２３をセラミックス基板１１の他方の面側に積層する（セラミックス基板積層工程Ｓ１２）。このとき、図４に示すように、金属板２２の第１Ｃｕ層２４、金属板２３の第２Ｃｕ層２５が形成された面がセラミックス基板１１を向くように、金属板２２、２３を積層する。
さらに、金属板２３の他方の面側に、ヒートシンク４０を積層する（ヒートシンク積層工程Ｓ０２）。このとき、図４に示すように、金属板２３のＣｕ層２６が形成された面がヒートシンク４０を向くように、金属板２３とヒートシンク４０とを積層する。
すなわち、金属板２２、２３とセラミックス基板１１との間にそれぞれ第１Ｃｕ層２４、第２Ｃｕ層２５を介在させ、金属板２３とヒートシンク４０との間にＣｕ層２６を介在させているのである。
【００３７】
（ヒートシンク加熱工程Ｓ０３／セラミックス基板加熱工程Ｓ１３）
次に、金属板２２、セラミックス基板１１、金属板２３、ヒートシンク４０を積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空加熱炉内に装入して加熱し、金属板２２、２３とセラミックス基板１１との界面にそれぞれ第一溶融金属領域２７、第二溶融金属領域２８を形成する（セラミックス基板加熱工程Ｓ１３）。
また、同時に、金属板２３とヒートシンク４０との間に溶融金属領域２９を形成する（ヒートシンク加熱工程Ｓ０３）。
溶融金属領域２９は、図５に示すように、Ｃｕ層２６のＣｕが金属板２３側及びヒートシンク４０側に拡散することによって、金属板２３及びヒートシンク４０のＣｕ層２６近傍のＣｕ濃度が上昇して融点が低くなることにより形成されるものである。
なお、上述の圧力が１ｋｇｆ／ｃｍ２未満の場合には、セラミックス基板１１と金属板２２、２３との接合及び金属板２３とヒートシンク４０との接合を良好に行うことができなくなるおそれがある。また、上述の圧力が３５ｋｇｆ／ｃｍ２を超えた場合には、金属板２２，２３及びヒートシンク４０が変形するおそれがある。よって、上述の加圧圧力は、１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２の範囲内とすることが好ましい。
ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度は６００℃以上６５０℃以下の範囲内に設定している。
【００３８】
（溶融金属凝固工程Ｓ０４／第一溶融金属及び第二溶融金属凝固工程Ｓ１４）
次に、溶融金属領域２９が形成された状態で温度を一定に保持しておく。すると、溶融金属領域２９中のＣｕが、さらに金属板２３側及びヒートシンク４０側へと拡散していくことになる。これにより、溶融金属領域２９であった部分のＣｕ濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していくことになる。つまり、ヒートシンク４０と金属板２３とは、いわゆる拡散接合（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって接合されているのである。このようにして凝固が進行した後に、常温にまで冷却を行う。
【００３９】
同様に、第一溶融金属領域２７、第二溶融金属領域２８中のＣｕが、さらに金属板２２、２３側へと拡散していくことになる。これにより、第一溶融金属領域２７、第二溶融金属領域２８であった部分のＣｕ濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していくことになる。これにより、セラミックス基板１１と金属板２２、２３とが接合される。
【００４０】
以上のようにして、回路層１２及び金属層１３となる金属板２２、２３とセラミックス基板１１とが接合され、かつ、金属板２３とヒートシンク４０とが接合され、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板が製造される。
【００４１】
以上のような構成とされた本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュール１においては、金属層１３となる金属板２３とヒートシンク４０との間にＣｕ層２６を形成するＣｕ層形成工程Ｓ０１を備えているので、金属板２３とヒートシンク４０との接合界面３０には、Ｃｕが介在することになる。ここで、Ｃｕは、Ａｌに対して反応性の高い元素であるため、接合界面３０にＣｕが存在することによってアルミニウムからなる金属板２３及びヒートシンク４０の表面が活性化することになる。よって、金属板２３とヒートシンク４０とを強固に接合することが可能となる。
【００４２】
また、本実施形態では、金属板２２、２３のセラミックス基板１１との接合面にＣｕを固着させるＣｕ固着工程Ｓ１１を備えているので、金属板２２、２３とセラミックス基板１１の接合界面にもＣｕが介在することになり、セラミックス基板１１と金属板２２、２３とを強固に接合することが可能となる。
【００４３】
さらに、ヒートシンク加熱工程Ｓ０３において、金属板２３の他面に形成されたＣｕ層２６のＣｕを金属板２３側及びヒートシンク４０側に拡散させることによって溶融金属領域２９を形成し、溶融金属凝固工程Ｓ０４において、溶融金属領域２９中のＣｕをさらに金属板２３側及びヒートシンク４０側へ拡散させることによって凝固させて、ヒートシンク４０と金属層１３（金属板２３）とを接合する構成としているので、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、ヒートシンク４０と金属板２３とを強固に接合することが可能となる。
【００４４】
また、本実施形態では、セラミックス基板１１と回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）についても、セラミックス基板加熱工程Ｓ１３において、金属板２２、２３の接合面に形成された第１Ｃｕ層２４、第２Ｃｕ層２５のＣｕを金属板２２、２３側に拡散させることによって第一溶融金属領域２７、第二溶融金属領域２８を形成し、第一溶融金属及び第二溶融金属凝固工程Ｓ１４において、第一溶融金属領域２７、第二溶融金属領域２８中のＣｕをさらに金属板２２、２３側へ拡散させることによって凝固させて、セラミックス基板１１と回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）とを接合する構成としているので、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、セラミックス基板１１と回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）とを強固に接合することが可能となる。
【００４５】
さらに、ヒートシンク４０と金属板２３との接合、及び、セラミックス基板１１と金属板２２、２３との接合に、ろう材箔を使用していないので、ろう材箔の位置合わせ作業等を行う必要がなく、確実に、ヒートシンク４０と金属板２３、セラミックス基板１１と金属板２２，２３、をそれぞれ接合することができる。よって、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板を、低コストで効率良く製出することが可能となる。
【００４６】
また、本実施形態では、セラミックス基板１１と金属板２２、２３との接合と、金属板２３とヒートシンク４０との接合とを、同時に行う構成としているので、これらの接合に掛かるコストを大幅に削減することができる。また、セラミックス基板１１に対して繰り返し加熱、冷却を行わずに済むので、このヒートシンク付パワーモジュール用基板の反りの低減を図ることができ、高品質なヒートシンク付パワーモジュール用基板を製出することができる。
【００４７】
さらに、Ｃｕ層形成工程Ｓ０１は、スパッタリングによって金属板２３の他面にＣｕを固着させてＣｕ層２６を形成する構成としているので、ヒートシンク４０と金属板２３との間にＣｕを確実に介在させることが可能となる。また、Ｃｕの固着量を精度良く調整することができ、溶融金属領域２９を確実に形成して、ヒートシンク４０との金属板２３とを強固に接合することが可能となる。
【００４８】
また、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、ヒートシンク４０と金属層１３（金属板２３）との接合界面３０において、金属層１３（金属板２３）及びヒートシンク４０にＣｕが固溶しており、金属層１３及びヒートシンク４０のそれぞれの接合界面３０側のＣｕ濃度が、０．０５質量％以上５質量％以下の範囲内に設定されているので、金属層１３（金属板２３）及びヒートシンク４０の接合界面３０側の部分が固溶強化し、金属層１３（金属板２３）及びヒートシンク４０における亀裂の発生を防止することができる。よって、信頼性の高いヒートシンク付パワーモジュール用基板を提供することができる。
【００４９】
次に、本発明の第２の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュールについて、図６から図９を用いて説明する。
このパワーモジュール１０１は、回路層１１２が配設されたパワーモジュール用基板１１０と、回路層１１２の表面にはんだ層２を介して接合された半導体チップ３と、ヒートシンク１４０とを備えている。
【００５０】
パワーモジュール用基板１１０は、セラミックス基板１１１と、このセラミックス基板１１１の一方の面（図６において上面）に配設された回路層１１２と、セラミックス基板１１１の他方の面（図６において下面）に配設された金属層１１３とを備えている。
セラミックス基板１１１は絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。
【００５１】
回路層１１２は、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板１２２がセラミックス基板１１１に接合されることにより形成されている。
金属層１１３は、回路層１１２と同様に、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板１２３がセラミックス基板１１１に接合されることで形成されている。
なお、本実施形態では、図６に示すように、金属層１１３の厚さが回路層１１２の厚さよりも厚くなるように設定されている。
【００５２】
ヒートシンク１４０は、前述のパワーモジュール用基板１１０を冷却するためのものであり、パワーモジュール用基板１１０と接合される天板部１４１と、冷却媒体を流通するための流路１４２と、を備えている。ヒートシンク１４０（天板部１４１）は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態においては、Ａ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。
【００５３】
そして、図７に示すように、金属層１１３（金属板１２３）とヒートシンク１４０との接合界面１３０においては、金属層１１３（金属板１２３）及びヒートシンク１４０に、Ｃｕに加えてＺｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶している。なお、本実施形態では、添加元素としてＧｅが固溶している。
【００５４】
また、回路層１１２（金属板１２２）とセラミックス基板１１１との接合界面、及び、金属層１１３（金属板１２３）とセラミックス基板１１１との接合界面においては、Ｃｕに加えてＺｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶している。なお、本実施形態では、添加元素としてＧｅが固溶している。
【００５５】
ここで、金属層１１３及びヒートシンク１４０の接合界面１３０近傍には、接合界面１３０から積層方向に離間するにしたがい漸次Ｃｕ濃度及びＧｅ濃度が低下する濃度傾斜層１３３、１３４が形成されている。ここで、この濃度傾斜層１３３、１３４の接合界面１３０側（金属層１１３及びヒートシンク１４０の接合界面１３０近傍）のＣｕと添加元素（本実施形態ではＧｅ）の合計の濃度が、０．０５質量％以上６．５質量％以下の範囲内に設定されている。
なお、金属層１１３及びヒートシンク１４０の接合界面１３０近傍のＣｕ濃度及びＧｅ濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって、接合界面１３０から５０μｍの位置で５点測定した平均値である。また、図７のグラフは、金属層１１３（金属板１２３）及びヒートシンク１４０（天板部１４１）の幅中央部分において積層方向にライン分析を行い、前述の５０μｍ位置での濃度を基準として求めたものである。
【００５６】
以下に、前述の構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法について、図８及び図９を参照して説明する。
【００５７】
（Ｃｕ固着工程Ｓ１０１）
まず、図９に示すように、回路層１１２となる金属板１２２の一面に、スパッタリングによってＣｕを固着して第１Ｃｕ層１２４を形成するとともに、金属層１１３となる金属板１２３の一面に、スパッタリングによってＣｕを固着して第２Ｃｕ層１２５を形成する。なお、この第１Ｃｕ層１２４、第２Ｃｕ層１２５には、Ｃｕに加えてＺｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固着されており、本実施形態では、添加元素としてＧｅを用いている。
【００５８】
（セラミックス基板積層工程Ｓ１０２）
次に、金属板１２２をセラミックス基板１１１の一方の面側に積層し、かつ、金属板１２３をセラミックス基板１１１の他方の面側に積層する。このとき、金属板１２２の第１Ｃｕ層１２４、金属板１２３の第２Ｃｕ層１２５が形成された面がセラミックス基板１１１を向くように、金属板１２２、１２３を積層する。
【００５９】
（セラミックス基板加熱工程Ｓ１０３）
次に、金属板１２２、セラミックス基板１１１、金属板１２３を積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空加熱炉内に装入して加熱し、金属板１２２、１２３とセラミックス基板１１１との界面にそれぞれ第一溶融金属領域、第二溶融金属領域を形成する。
ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度は６００℃以上６５０℃以下の範囲内に設定している。
【００６０】
（第一溶融金属及び第二溶融金属凝固工程Ｓ１０４）
次に、第一溶融金属領域、第二溶融金属領域が形成された状態で温度を一定に保持しておき、第一溶融金属領域、第二溶融金属領域中のＣｕを、金属板１２２、１２３側へと拡散させ、温度を一定に保持した状態で凝固させ、セラミックス基板１１１と金属板１２２、１２３を接合する。このようにして、パワーモジュール用基板１１０を製出する。
【００６１】
（Ｃｕ層形成工程Ｓ１０５／ヒートシンク積層工程Ｓ１０６）
次に、パワーモジュール用基板１１０の金属層１１３の他方の面側に、Ｃｕ及びＧｅを固着してＣｕ層１２６を形成する。このＣｕ層１２６におけるＣｕ量は、０．０８ｍｇ／ｃｍ２以上２．７ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されており、Ｇｅ量は、０．００２ｍｇ／ｃｍ２以上２．５ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されている。
そして、このＣｕ層１２６を介して、金属層１１３の他方の面側にヒートシンク１４０を積層する。
【００６２】
（ヒートシンク加熱工程Ｓ１０７）
次に、パワーモジュール用基板１１０とヒートシンク１４０を積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空加熱炉内に装入して加熱し、金属層１１３とヒートシンク１４０との間に溶融金属領域を形成する。
ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度は６００℃以上６５０℃以下の範囲内に設定している。
【００６３】
（溶融金属凝固工程Ｓ１０８）
次に、溶融金属領域が形成された状態で温度を一定に保持しておく。すると、溶融金属領域中のＣｕ及びＧｅが、さらに金属層１１３側及びヒートシンク１４０側へと拡散していくことになる。これにより、溶融金属領域であった部分のＣｕ濃度及びＧｅ濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していくことになる。このようにして凝固が進行した後に、常温にまで冷却を行う。
【００６４】
このようにして、パワーモジュール用基板１１０とヒートシンク１４０とが接合され、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板が製造される。
【００６５】
以上のような構成とされた本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュール１０１においては、ヒートシンク１４０と金属層１１３との間に、ＣｕとともにＧｅを固着させ、これらＣｕとＧｅを拡散させることによって溶融金属領域を形成し、さらに溶融金属領域中のＣｕとＧｅを拡散させて、ヒートシンク１４０とパワーモジュール用基板１１０とを接合しているので、比較的低温条件においても、ヒートシンク１４０とパワーモジュール用基板１１０とを確実に接合することが可能となる。
【００６６】
また、Ｃｕに加えてＧｅを添加し、これらＣｕとＧｅを拡散させて溶融金属領域を形成する構成としているので、ヒートシンク１４０及び金属層１１３の接合界面１３０近傍の融点をさらに低下させることができ、ヒートシンク加熱工程Ｓ１０７における接合温度を、セラミックス基板加熱工程Ｓ１０３における接合温度よりも低く設定しても、ヒートシンク１４０とパワーモジュール用基板１１０とを接合することができる。
【００６７】
さらに、本実施形態では、金属層１１３の厚さが、回路層１１２の厚さよりも厚くなるように構成されているので、セラミックス基板１１１を基準として、金属層１１３側（すなわち、ヒートシンク１４０が設けられている側）の剛性が、回路層１１２側の剛性よりも高く設定されることになり、接合後のヒートシンク付パワーモジュール用基板の反りを抑制することができる。
【００６８】
次に、本発明の第３の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュールについて、図１０から図１４を用いて説明する。
このパワーモジュール２０１は、回路層２１２が配設されたパワーモジュール用基板２１０と、回路層２１２の表面にはんだ層２を介して接合された半導体チップ３と、ヒートシンク２４０とを備えている。
【００６９】
パワーモジュール用基板２１０は、セラミックス基板２１１と、このセラミックス基板２１１の一方の面（図１０において上面）に配設された回路層２１２と、セラミックス基板２１１の他方の面（図１０において下面）に配設された金属層２１３とを備えている。 なお、セラミックス基板２１１は絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。
【００７０】
回路層２１２は、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板２２２がセラミックス基板２１１に接合されることにより形成されている。
金属層２１３は、回路層２１２と同様に、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板２２３がセラミックス基板２１１に接合されることで形成されている。
【００７１】
ヒートシンク２４０は、前述のパワーモジュール用基板２１０を冷却するためのものである。本実施形態であるヒートシンク２４０は、パワーモジュール用基板２１０と接合される天板部２４１と、この天板部２４１に対向するように配置された底板部２４５と、天板部２４１と底板部２４５との間に介装されたコルゲートフィン２４６と、を備えており、天板部２４１と底板部２４５とコルゲートフィン２４６とによって、冷却媒体が流通する流路２４２が画成されている。
【００７２】
ここで、このヒートシンク２４０は、天板部２４１とコルゲートフィン２４６、コルゲートフィン２４６と底板部２４５が、それぞれろう付けされることによって構成されている。本実施形態では、図１４に示すように、天板部２４１及び底板部２４５は、Ａ３００３合金からなる基材層２４１Ａ、２４５Ａと、Ａ４０４５合金からなる接合層２４１Ｂ、２４５Ｂとが積層された積層アルミ板で構成されており、接合層２４１Ｂ、２４５Ｂがコルゲートフィン２４６側を向くように、天板部２４１及び底板部２４５が配設されている。つまり、天板部２４１の基材層２４１Ａが金属層２１３に接する構成とされているのである。
【００７３】
そして、図１１に示すように、ヒートシンク２４０（天板部２４１の基材層２４１Ａ）と金属層２１３（金属板２２３）との接合界面２３０においては、金属層２１３（金属板２２３）及びヒートシンク２４０（天板部２４１の基材層２４１Ａ）に、Ｃｕに加えてＺｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶している。なお、本実施形態では、添加元素としてＡｇが固溶している。
【００７４】
また、回路層２１２（金属板２２２）とセラミックス基板２１１との接合界面、及び、金属層２１３（金属板２２３）とセラミックス基板２１１との接合界面においては、Ｃｕに加えてＺｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶しており、本実施形態ではＡｇが固溶している。
【００７５】
ここで、金属層２１３及びヒートシンク２４０の接合界面２３０近傍には、接合界面２３０から積層方向に離間するにしたがい漸次Ｃｕ濃度及びＡｇ濃度が低下する濃度傾斜層２３３、２３４が形成されている。ここで、この濃度傾斜層２３３、２３４の接合界面２３０側（金属層２１３及びヒートシンク２４０の接合界面２３０近傍）のＣｕと添加元素（本実施形態ではＡｇ）の合計の濃度が、０．０５質量％以上６．５質量％以下の範囲内に設定されている。
なお、金属層２１３及びヒートシンク２４０の接合界面２３０近傍のＣｕ濃度及びＡｇ濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって、接合界面２３０から５０μｍの位置で５点測定した平均値である。また、図１１のグラフは、金属層２１３（金属板２２３）及びヒートシンク２４０（天板部２４１）の幅中央部分において積層方向にライン分析を行い、前述の５０μｍ位置での濃度を基準として求めたものである。
【００７６】
以下に、前述の構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法について説明する。
【００７７】
（Ｃｕ固着工程Ｓ２０１）
まず、図１３に示すように、回路層２１２となる金属板２２２の一面に、スパッタリングによってＣｕを固着して第１Ｃｕ層２２４を形成するとともに、金属層２１３となる金属板２２３の一面に、スパッタリングによってＣｕを固着して第２Ｃｕ層２２５を形成する。なお、この第１Ｃｕ層２２４、第２Ｃｕ層２２５には、Ｃｕに加えてＺｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固着されており、本実施形態では、添加元素としてＡｇを用いている。
ここで、本実施形態では、第１Ｃｕ層２２４、第２Ｃｕ層２２５におけるＣｕ量は、０．０８ｍｇ／ｃｍ２以上２．７ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されている。また、Ａｇ量は、０．０８ｍｇ／ｃｍ２以上５．４ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されている。
【００７８】
（セラミックス基板積層工程Ｓ２０２）
次に、図１３に示すように、金属板２２２をセラミックス基板２１１の一方の面側に積層し、かつ、金属板２２３をセラミックス基板２１１の他方の面側に積層する。このとき、図１３に示すように、金属板２２２の第１Ｃｕ層２２４、金属板２２３の第２Ｃｕ層２２５が形成された面がセラミックス基板２１１を向くように、金属板２２２、２２３を積層する。すなわち、金属板２２２、２２３とセラミックス基板２１１との間にそれぞれ第１Ｃｕ層２２４、第２Ｃｕ層２２５を介在させているのである。
【００７９】
（セラミックス基板加熱工程Ｓ２０３）
次に、金属板２２２、セラミックス基板２１１、金属板２２３を積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で、真空加熱炉内に装入して加熱し、金属板２２２、２２３とセラミックス基板２１１との界面にそれぞれ第一溶融金属領域、第二溶融金属領域を形成する。
ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度は６００℃以上６５０℃以下の範囲内に設定している。
【００８０】
（第一溶融金属及び第二溶融金属凝固工程Ｓ２０４）
次に、第一溶融金属領域、第二溶融金属領域が形成された状態で温度を一定に保持しておく。すると、第一溶融金属領域、第二溶融金属領域中のＣｕ及びＡｇが、さらに金属板２２２、２２３側へと拡散していくことになる。これにより、第一溶融金属領域、第二溶融金属領域であった部分のＣｕ濃度及びＡｇ濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していく。これにより、セラミックス基板２１１と金属板２２２、２２３とが接合され、パワーモジュール用基板２１０が製出されることになる。
【００８１】
（Ｃｕ層形成工程Ｓ２０５）
次に、金属層２１３の他方の面に、スパッタリングによってＣｕ及びＡｇを固着してＣｕ層２２６を形成する。ここで、本実施形態では、Ｃｕ層２２６におけるＣｕ量は、０．０８ｍｇ／ｃｍ２以上２．７ｍｇ／ｃｍ２以下に設定され、Ａｇ量は、０．０８ｍｇ／ｃｍ２以上５．４ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されている。
【００８２】
（ヒートシンク積層工程Ｓ２０６）
次に、図１４に示すように、パワーモジュール用基板２１０の金属層２１３の他方の面側に、ヒートシンク２４０を構成する天板部２４１、コルゲートフィン２４６、底板部２４５を積層する。このとき、天板部２４１の接合層２４１Ｂ及び底板部２４５の接合層２４５Ｂがコルゲートフィン２４６側を向くように、天板部２４１及び底板部２４５を積層する。また、天板部２４１とコルゲートフィン２４６、底板部２４５とコルゲートフィン２４６との間には、例えば、ＫＡｌＦ４を主成分とするフラックス（図示なし）を介在させておく。
また、金属板２２３のＣｕ層２２６が形成された面が、ヒートシンク２４０の天板部２４１を向くように配置し、金属板２２３とヒートシンク２４０との間にＣｕ層２２６を介在させる。
【００８３】
（ヒートシンク加熱工程Ｓ２０７）
次に、積層されたパワーモジュール用基板２１０、天板部２４１、コルゲートフィン２４６及び底板部２４５を積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で、雰囲気加熱炉内に装入して加熱し、金属板２２３とヒートシンク２４０の天板部２４１との間に溶融金属領域を形成する。同時に、天板部２４１とコルゲートフィン２４６、底板部２４５とコルゲートフィン２４６との間にも、接合層２４１Ｂ、２４５Ｂを溶融させた溶融金属層を形成する。
ここで、本実施形態では、雰囲気加熱炉内は、窒素ガス雰囲気とされており、加熱温度は５５０℃以上６３０℃以下の範囲内に設定している。
【００８４】
（溶融金属凝固工程Ｓ２０８）
次に、溶融金属領域が形成された状態で温度を一定に保持しておく。すると、溶融金属領域中のＣｕ及びＡｇが、さらに金属板２２３側及びヒートシンク２４０の天板部２４１側へと拡散していくことになる。これにより、溶融金属領域であった部分のＣｕ濃度及びＡｇ濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していくことになる。つまり、ヒートシンク２４０の天板部２４１と金属板２２３とは、いわゆる拡散接合（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって接合されているのである。このようにして凝固が進行した後に、常温にまで冷却を行う。
【００８５】
また、天板部２４１とコルゲートフィン２４６、底板部２４５とコルゲートフィン２４６の間に形成された溶融金属層が凝固することによって、天板部２４１とコルゲートフィン２４６、底板部２４５とコルゲートフィン２４６とがろう付けされることになる。このとき、天板部２４１、コルゲートフィン２４６、底板部２４５の表面には、酸化被膜が形成されているが、前述のフラックスによってこれらの酸化被膜が除去される。
【００８６】
このようにして、天板部２４１とコルゲートフィン２４６と底板部２４５とがろう付けされてヒートシンク２４０が形成されるとともに、このヒートシンク２４０とパワーモジュール用基板２１０とが接合されて本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板が製造される。
【００８７】
以上のような構成とされた本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法においては、ヒートシンク２４０と金属層２１３との間に、ＣｕとともにＡｇを固着させ、これらＣｕとＡｇを拡散させることによって溶融金属領域を形成し、さらに溶融金属領域中のＣｕとＡｇを拡散させて、ヒートシンク２４０とパワーモジュール用基板２１０とを接合しているので、比較的低温条件においても、ヒートシンク２４０とパワーモジュール用基板２１０とを確実に接合することが可能となる。
【００８８】
ここで、ヒートシンク２４０を、フラックスを用いたろう付けによって形成する場合、窒素ガス雰囲気で５５０℃以上６３０℃以下の温度条件で接合することになるが、本実施形態では、ヒートシンク２４０とパワーモジュール用基板２１０との接合に、Ｃｕと添加元素（Ａｇ）とを用いていて、前述のように、低温条件での接合及び窒素ガス雰囲気での接合が可能なことから、ヒートシンク２４０とパワーモジュール用基板２１０との接合と同時に、天板部２４１とコルゲートフィン２４６と底板部２４５とを、ろう付けによって接合してヒートシンク２４０を製出することができる。よって、このヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造工程を省略することができ、製作コストの削減を図ることができる。
【００８９】
次に、本発明の第４の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュールについて、図１５から図１８を用いて説明する。
このパワーモジュール３０１は、回路層３１２が配設されたパワーモジュール用基板３１０と、回路層３１２の表面にはんだ層２を介して接合された半導体チップ３と、ヒートシンク３４０とを備えている。
【００９０】
パワーモジュール用基板３１０は、セラミックス基板３１１と、このセラミックス基板３１１の一方の面（図１５において上面）に配設された回路層３１２と、セラミックス基板３１１の他方の面（図１５において下面）に配設された金属層３１３とを備えている。 なお、セラミックス基板３１１は絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。
【００９１】
回路層３１２は、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板３２２がセラミックス基板３１１に接合されることにより形成されている。
金属層３１３は、回路層３１２と同様に、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板３２３がセラミックス基板３１１に接合されることで形成されている。
【００９２】
ヒートシンク３４０は、前述のパワーモジュール用基板３１０を冷却するためのものである。本実施形態であるヒートシンク３４０は、パワーモジュール用基板３１０と接合される天板部３４１と、この天板部３４１に対向するように配置された底板部３４５と、天板部３４１と底板部３４５との間に介装されたコルゲートフィン３４６と、を備えており、天板部３４１と底板部３４５とコルゲートフィン３４６とによって、冷却媒体が流通する流路３４２が画成されている。
ここで、このヒートシンク３４０は、天板部３４１とコルゲートフィン３４６、コルゲートフィン３４６と底板部３４５が、それぞれろう付けされることによって構成されている。
【００９３】
そしてヒートシンク３４０の天板部３４１と金属層３１３（金属板３２３）との接合界面においては、金属層３１３（金属板３２３）及び天板部３４１に、Ｃｕに加えてＺｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶している。なお、本実施形態では、添加元素としてＡｇが固溶している。
また、回路層３１２（金属板３２２）とセラミックス基板３１１との接合界面、及び、金属層３１３（金属板３２３）とセラミックス基板３１１との接合界面においては、Ｃｕに加えてＺｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶しており、本実施形態ではＡｇが固溶している。
【００９４】
以下に、前述の構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法について説明する。
【００９５】
（固着層形成工程Ｓ３０１）
まず、図１７に示すように、回路層３１２となる金属板３２２の一面に、スパッタリングによってＣｕを固着して第１Ｃｕ層３２４を形成するとともに、金属層３１３となる金属板３２３の一面に、スパッタリングによってＣｕを固着して第２Ｃｕ層３２５を形成する。さらに、金属板３２３の他面にもスパッタリングによってＣｕを固着してＣｕ層３２６を形成する。
なお、この第１Ｃｕ層３２４、第２Ｃｕ層３２５、Ｃｕ層３２６には、Ｃｕに加えてＺｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固着されており、本実施形態では、添加元素としてＡｇを用いている。
ここで、本実施形態では、第１Ｃｕ層３２４、第２Ｃｕ層３２５、Ｃｕ層３２６におけるＣｕ量は、０．０８ｍｇ／ｃｍ２以上２．７ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されている。また、Ａｇ量は、０．０８ｍｇ／ｃｍ２以上５．４ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されている。
【００９６】
（積層工程Ｓ３０２）
次に、図１７に示すように、金属板３２２をセラミックス基板３１１の一方の面側に積層し、かつ、金属板３２３をセラミックス基板３１１の他方の面側に積層する。このとき、図１７に示すように、金属板３２２の第１Ｃｕ層３２４、金属板３２３の第２Ｃｕ層３２５が形成された面がセラミックス基板３１１を向くように、金属板３２２、３２３を積層する。
さらに、金属板３２３のＣｕ層３２６が形成された面側に、天板部３４１を積層配置する。
【００９７】
（加熱工程Ｓ３０３）
次に、金属板３２２、セラミックス基板３１１、金属板３２３、天板部３４１を積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で、真空加熱炉内に装入して加熱し、金属板３２２、３２３とセラミックス基板３１１との界面にそれぞれ第一溶融金属領域、第二溶融金属領域を形成するとともに、金属板３２３と天板部３４１との間に、溶融金属領域を形成する。
ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度は６００℃以上６５０℃以下の範囲内に設定している。
【００９８】
（溶融金属凝固工程Ｓ３０４）
次に、第一溶融金属領域、第二溶融金属領域が形成された状態で温度を一定に保持しておく。すると、第一溶融金属領域、第二溶融金属領域中のＣｕ及びＡｇが、さらに金属板３２２、３２３側へと拡散していくことになる。すると、第一溶融金属領域、第二溶融金属領域であった部分のＣｕ濃度及びＡｇ濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していく。これにより、セラミックス基板３１１と金属板３２２、３２３とが接合される。
また、溶融金属領域が形成された状態で温度を一定に保持しておく。すると、溶融金属領域中のＣｕ及びＡｇが、金属板３２３及び天板部３４１側へと拡散していくことになる。すると、溶融金属領域であった部分のＣｕ濃度及びＡｇ濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していく。これにより、金属板３２３と天板部３４１とが接合される。
【００９９】
（フィン積層工程Ｓ３０５）
次に、図１８に示すように、天板部３４１の他方の面側に、ろう材箔３４７（例えば、Ａｌ−１０％Ｓｉ合金箔等の低融点アルミニウム合金箔）、コルゲートフィン３４６、底板部３４５を積層する。このとき、底板部３４５の接合層３４５Ｂがコルゲートフィン３４６側を向くように底板部３４５を積層する。また、天板部３４１とコルゲートフィン３４６、底板部３４５とコルゲートフィン３４６との間には、例えば、ＫＡｌＦ４を主成分とするフラックス（図示なし）を介在させておく。
【０１００】
（ろう付け工程Ｓ３０６）
次に、天板部３４１、コルゲートフィン３４６及び底板部３４５を積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で、雰囲気加熱炉内に装入して加熱し、天板部３４１とコルゲートフィン３４６、底板部３４５とコルゲートフィン３４６との間に、ろう材箔３４７及び接合層３４５Ｂを溶融させた溶融金属層を形成する。
ここで、本実施形態では、雰囲気加熱炉内は、窒素ガス雰囲気とされており、加熱温度は５５０℃以上６３０℃以下の範囲内に設定している。
そして、冷却することによって、天板部３４１とコルゲートフィン３４６、底板部３４５とコルゲートフィン３４６の間に形成された溶融金属層を凝固させ、天板部３４１とコルゲートフィン３４６、底板部３４５とコルゲートフィン３４６とをろう付けする。このとき、天板部３４１、コルゲートフィン３４６、底板部３４５の表面には、酸化被膜が形成されているが、前述のフラックスによってこれらの酸化被膜が除去されることになる。
【０１０１】
このようにして、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板が製造される。
【０１０２】
以上のような構成とされた本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法においては、ヒートシンク３４０の天板部３４１と金属層３１３との間に、ＣｕとともにＡｇを固着させ、これらＣｕとＡｇを拡散させることによって溶融金属領域を形成し、さらに溶融金属領域中のＣｕとＡｇを拡散させて、ヒートシンク３４０の天板部３４１とパワーモジュール用基板３１０とを接合しているので、比較的低温条件においても、ヒートシンク３４０の天板部３４１とパワーモジュール用基板３１０とを確実に接合することが可能となる。
【０１０３】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、回路層及び金属層を構成する金属板を純度９９．９９％の純アルミニウムの圧延板としたものとして説明したが、これに限定されることはなく、純度９９％のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）であってもよい。
また、セラミックス基板をＡｌＮで構成されたものとして説明したが、これに限定されることはなく、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３等の他のセラミックスで構成されていてもよい。
【０１０４】
さらに、第２、第３、第４の実施形態においては、Ｃｕ層形成工程で、Ｃｕとともに添加元素としてＧｅ又はＡｇを固着させるものとして説明したが、これに限定されることはない。添加元素として、Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上を用いても良い。ここで、Ｃｕと添加元素の固着量の合計は、０．０８ｍｇ／ｃｍ２以上１０ｍｇ／ｃｍ２以下とすることが好ましい。
【０１０５】
さらに、Ｃｕ層形成工程において、金属層となる金属板の他面にＣｕを固着させる構成としたものとして説明したが、これに限定されることはなく、ヒートシンクの接合面にＣｕを固着させてもよいし、ヒートシンクの接合面及び金属板の他面に、それぞれＣｕを固着させてもよい。
また、Ｃｕ層形成工程において、スパッタによってＣｕ及び前記添加元素を固着するものとして説明したが、これに限定されることはなく、めっき、蒸着、ＣＶＤ、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているペースト及びインクなどの塗布等でＣｕを固着させてもよい。
さらに、Ｃｕ層形成工程において、ＣｕとともにＡｌを固着する構成としてもよい。
【０１０６】
また、本実施形態では、ヒートシンクの上に一つのパワーモジュール用基板が接合された構成として説明したが、これに限定されることはなく、一つのヒートシンクの上に複数のパワーモジュール用基板が接合されていてもよい。
【０１０７】
また、第１、第２の実施形態において、ヒートシンクと金属層（金属板）との接合を、真空加熱炉を用いて行うものとして説明したが、これに限定されることはなく、Ｎ２雰囲気、Ａｒ雰囲気及びＨｅ雰囲気等でヒートシンクと金属層（金属板）との接合を行ってもよい。
さらに、セラミックス基板と金属板とをろう材を使用せずに接合したものとして説明したが、これに限定されることはなく、セラミックス基板と金属板とをろう材を使用して接合したパワーモジュール用基板を用いてもよい。
【０１０８】
また、第３の実施形態において、天板部及び底板部が、基材層と接合層とを備えた積層アルミ材で構成されたものとして説明したが、これに限定されることはなく、コルゲートフィンを、例えばＡ３００３からなる芯材とこの芯材の両面にＡ４０４５からなる接合層とを備えたクラッド材で構成してもよい。この場合、天板部及び底板部は、単純なアルミニウム板を用いることができる。
【０１０９】
また、天板部、コルゲートフィン、底板部の材質は、本実施形態に限定されることはない。
さらに、コルゲートフィンの形状等を含め、ヒートシンクの構造も本実施形態に限定されるものではない。例えば、第３、第４の実施形態における天板部のみを放熱板としてパワーモジュール用基板に接合したものであってもよい。
【０１１０】
さらに、図１９に示すように、第二の金属板４１３を、複数の金属板４１３Ａ、４１３Ｂを積層した構造としてもよい。この場合、第二の金属板４１３のうち一方側（図１９において上側）に位置する金属板４１３Ａがセラミックス基板４１１に接合され、他方側（図１９において下側）に位置する金属板４１３Ｂがヒートシンク４４０の天板部４４１に接合されることになる。そして、他方側に位置する金属板４１３Ｂとヒートシンク４４０の天板部４４１との間にＣｕ層を形成することで、他方側に位置する金属板４１３Ｂとヒートシンク４４０の天板部４４１とが接合されているのである。ここで、積層された金属板４１３Ａ、４１３Ｂ同士をＣｕ層を介して接合することで第二の金属板４１３を構成してもよい。なお、図１９では、２枚の金属板４１３Ａ、４１３Ｂを積層させたものとしているが、積層する枚数に制限はない。また、図１９に示すように、積層する金属板同士の大きさ、形状が異なっていても良いし、同じ大きさ、形状に調整されたものであってもよい。さらに、これらの金属板の組成が異なっていても良い。
【符号の説明】
【０１１１】
１０、１１０、２１０、３１０、４１０ パワーモジュール用基板
１１、１１１、２１１、３１１、４１１ セラミックス基板
１２、１１２、２１２、３１２、４１２ 回路層（第一の金属板）
１３、１１３、２１３、３１３、４１３ 金属層（第二の金属板）
４０、１４０、２４０、３４０、４４０ ヒートシンク
２４、１２４、２２４、３２４ 第１Ｃｕ層（第１金属層）
２５、１２５，２２５、３２５ 第２Ｃｕ層（第２金属層）
２６、１２６、２２６、３２６ Ｃｕ層
２７ 第一溶融金属領域
２８ 第二溶融金属領域
２９ 溶融金属領域
３０、１３０、２３０ 接合界面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板と、該セラミックス基板の表面に一面が接合されたアルミニウムからなる第一の金属板と、前記セラミックス基板の裏面に一面が接合されたアルミニウムからなる第二の金属板と、該第二の金属板の前記セラミックス基板と接合された前記一面と反対側の他面に接合されたアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるヒートシンクとを備えるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記セラミックス基板と前記第一の金属板、及び、前記セラミックス基板と前記第二の金属板とを接合するセラミックス基板接合工程と、
前記第二の金属板の他面に前記ヒートシンクを接合するヒートシンク接合工程と、を有し、
前記ヒートシンク接合工程は、
前記第二の金属板の他面と前記ヒートシンクの接合面のうち少なくとも一方にＣｕを固着してＣｕ層を形成するＣｕ層形成工程と、
前記Ｃｕ層を介して前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを積層するヒートシンク積層工程と、
積層された前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを積層方向に加圧するとともに加熱し、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとの界面に溶融金属領域を形成するヒートシンク加熱工程と、
この溶融金属領域を凝固させることによって、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを接合する溶融金属凝固工程と、を有し、
前記ヒートシンク加熱工程において、前記Ｃｕ層のＣｕを前記第二の金属板及び前記ヒートシンクに拡散させることにより、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとの界面に、前記溶融金属領域を形成することを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項２】
前記Ｃｕ層形成工程において、前記第二の金属板の他面と前記ヒートシンクの接合面のうち少なくとも一方に、Ｃｕに加えて、Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着することを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項３】
前記Ｃｕ層形成工程では、ＣｕとともにＡｌを固着させることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項４】
前記セラミックス基板接合工程は、
前記セラミックス基板と前記第一の金属板との接合界面における前記セラミックス基板の接合面と前記第一の金属板の接合面のうちの少なくとも一方にＣｕ又はＳｉのうちの１種以上を固着して第１金属層を形成するとともに、前記セラミックス基板と前記第二の金属板との接合界面における前記セラミックス基板の接合面と前記第二の金属板の接合面のうちの少なくとも一方にＣｕ又はＳｉのうちの１種以上を固着して第２金属層を形成する金属固着工程と、
前記第１金属層を介して前記セラミックス基板と前記第一の金属板とを積層するとともに、前記第２金属層を介して前記セラミックス基板と前記第二の金属板とを積層するセラミックス基板積層工程と、
積層された前記第一の金属板と前記セラミックス基板と前記第二の金属板とを積層方向に加圧するとともに加熱し、前記第一の金属板と前記セラミックス基板との界面及び前記セラミックス基板と前記第二の金属板との界面に、第一溶融金属領域及び第二溶融金属領域を形成するセラミックス基板加熱工程と、
この第一溶融金属領域及び第二溶融金属領域を凝固させることによって、前記第一の金属板と前記セラミックス基板及び前記セラミックス基板と前記第二の金属板とを接合する第一溶融金属及び第二溶融金属凝固工程と、を有し、
前記セラミックス基板加熱工程において、前記第１金属層及び前記第２金属層のＣｕ又はＳｉのうちの１種以上を前記第一の金属板及び前記第二の金属板に拡散させることにより、前記第一の金属板と前記セラミックス基板との界面及び前記セラミックス基板と前記第二の金属板との界面に、前記第一溶融金属領域及び前記第二溶融金属領域を形成することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項５】
前記セラミックス基板接合工程と、前記ヒートシンク接合工程と、を同時に行うことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項６】
前記Ｃｕ層形成工程は、めっき、蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているペースト及びインクなどの塗布によって前記ヒートシンクの接合面及び前記第二の金属板の接合面のうち少なくとも一方に、Ｃｕを固着させることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項７】
前記第二の金属板が、複数の金属板が積層されて構成されていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項８】
セラミックス基板と、
該セラミックス基板の表面に一面が接合されたアルミニウムからなる第一の金属板と、
前記セラミックス基板の裏面に一面が接合されたアルミニウムからなる第二の金属板と、
該第二の金属板の前記セラミックス基板と接合された前記一面と反対側の他面に接合されたアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるヒートシンクとを備え、
前記第二の金属板及び前記ヒートシンクには、Ｃｕが固溶されており、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクの接合界面近傍におけるＣｕ濃度が０．０５質量％以上５質量％以下の範囲内に設定されていることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板。
【請求項９】
前記第二の金属板及び前記ヒートシンクには、Ｃｕに加えて、Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶されていることを特徴とする請求項８に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
【請求項１０】
前記第一の金属板と前記セラミックス基板との接合界面近傍、あるいは、前記第二の金属板と前記セラミックス基板との接合界面近傍において、Ｃｕ又はＳｉのうちの１種以上に加えてＺｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶されていることを特徴とする請求項８又は請求項９に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
【請求項１１】
前記第二の金属板の厚さが、前記第一の金属板の厚さよりも厚くなるように設定されていることを特徴とする請求項８から請求項１０のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
【請求項１２】
前記第二の金属板が、複数の金属板が積層されて構成されていることを特徴とする請求項８から請求項１１のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
【請求項１３】
請求項８から請求項１２のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板と、
該ヒートシンク付パワーモジュール用基板上に搭載される電子部品と、を備えたことを特徴とするパワーモジュール。
【請求項１】
セラミックス基板と、該セラミックス基板の表面に一面が接合されたアルミニウムからなる第一の金属板と、前記セラミックス基板の裏面に一面が接合されたアルミニウムからなる第二の金属板と、該第二の金属板の前記セラミックス基板と接合された前記一面と反対側の他面に接合されたアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるヒートシンクとを備えるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記セラミックス基板と前記第一の金属板、及び、前記セラミックス基板と前記第二の金属板とを接合するセラミックス基板接合工程と、
前記第二の金属板の他面に前記ヒートシンクを接合するヒートシンク接合工程と、を有し、
前記ヒートシンク接合工程は、
前記第二の金属板の他面と前記ヒートシンクの接合面のうち少なくとも一方にＣｕを固着してＣｕ層を形成するＣｕ層形成工程と、
前記Ｃｕ層を介して前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを積層するヒートシンク積層工程と、
積層された前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを積層方向に加圧するとともに加熱し、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとの界面に溶融金属領域を形成するヒートシンク加熱工程と、
この溶融金属領域を凝固させることによって、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを接合する溶融金属凝固工程と、を有し、
前記ヒートシンク加熱工程において、前記Ｃｕ層のＣｕを前記第二の金属板及び前記ヒートシンクに拡散させることにより、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとの界面に、前記溶融金属領域を形成することを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項２】
前記Ｃｕ層形成工程において、前記第二の金属板の他面と前記ヒートシンクの接合面のうち少なくとも一方に、Ｃｕに加えて、Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着することを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項３】
前記Ｃｕ層形成工程では、ＣｕとともにＡｌを固着させることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項４】
前記セラミックス基板接合工程は、
前記セラミックス基板と前記第一の金属板との接合界面における前記セラミックス基板の接合面と前記第一の金属板の接合面のうちの少なくとも一方にＣｕ又はＳｉのうちの１種以上を固着して第１金属層を形成するとともに、前記セラミックス基板と前記第二の金属板との接合界面における前記セラミックス基板の接合面と前記第二の金属板の接合面のうちの少なくとも一方にＣｕ又はＳｉのうちの１種以上を固着して第２金属層を形成する金属固着工程と、
前記第１金属層を介して前記セラミックス基板と前記第一の金属板とを積層するとともに、前記第２金属層を介して前記セラミックス基板と前記第二の金属板とを積層するセラミックス基板積層工程と、
積層された前記第一の金属板と前記セラミックス基板と前記第二の金属板とを積層方向に加圧するとともに加熱し、前記第一の金属板と前記セラミックス基板との界面及び前記セラミックス基板と前記第二の金属板との界面に、第一溶融金属領域及び第二溶融金属領域を形成するセラミックス基板加熱工程と、
この第一溶融金属領域及び第二溶融金属領域を凝固させることによって、前記第一の金属板と前記セラミックス基板及び前記セラミックス基板と前記第二の金属板とを接合する第一溶融金属及び第二溶融金属凝固工程と、を有し、
前記セラミックス基板加熱工程において、前記第１金属層及び前記第２金属層のＣｕ又はＳｉのうちの１種以上を前記第一の金属板及び前記第二の金属板に拡散させることにより、前記第一の金属板と前記セラミックス基板との界面及び前記セラミックス基板と前記第二の金属板との界面に、前記第一溶融金属領域及び前記第二溶融金属領域を形成することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項５】
前記セラミックス基板接合工程と、前記ヒートシンク接合工程と、を同時に行うことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項６】
前記Ｃｕ層形成工程は、めっき、蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているペースト及びインクなどの塗布によって前記ヒートシンクの接合面及び前記第二の金属板の接合面のうち少なくとも一方に、Ｃｕを固着させることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項７】
前記第二の金属板が、複数の金属板が積層されて構成されていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項８】
セラミックス基板と、
該セラミックス基板の表面に一面が接合されたアルミニウムからなる第一の金属板と、
前記セラミックス基板の裏面に一面が接合されたアルミニウムからなる第二の金属板と、
該第二の金属板の前記セラミックス基板と接合された前記一面と反対側の他面に接合されたアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるヒートシンクとを備え、
前記第二の金属板及び前記ヒートシンクには、Ｃｕが固溶されており、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクの接合界面近傍におけるＣｕ濃度が０．０５質量％以上５質量％以下の範囲内に設定されていることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板。
【請求項９】
前記第二の金属板及び前記ヒートシンクには、Ｃｕに加えて、Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶されていることを特徴とする請求項８に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
【請求項１０】
前記第一の金属板と前記セラミックス基板との接合界面近傍、あるいは、前記第二の金属板と前記セラミックス基板との接合界面近傍において、Ｃｕ又はＳｉのうちの１種以上に加えてＺｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶されていることを特徴とする請求項８又は請求項９に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
【請求項１１】
前記第二の金属板の厚さが、前記第一の金属板の厚さよりも厚くなるように設定されていることを特徴とする請求項８から請求項１０のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
【請求項１２】
前記第二の金属板が、複数の金属板が積層されて構成されていることを特徴とする請求項８から請求項１１のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
【請求項１３】
請求項８から請求項１２のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板と、
該ヒートシンク付パワーモジュール用基板上に搭載される電子部品と、を備えたことを特徴とするパワーモジュール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【公開番号】特開２０１１−１１９６５２（Ｐ２０１１−１１９６５２Ａ）
【公開日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１９３８９３（Ｐ２０１０−１９３８９３）
【出願日】平成２２年８月３１日（２０１０．８．３１）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月３１日（２０１０．８．３１）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
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