(57)【要約】【課題】Ａｌ−Ｍｎ系合金からなるアルミニウム部材と銅又は銅合金からなる銅部材とを接合した場合であっても、アルミニウム部材の熱伝導率の低下を抑制できる接合体を提供する。【解決手段】アルミニウム合金からなるアルミニウム部材３１と、銅又銅合金からなる銅部材１３とが固相拡散接合された接合体３０であって、アルミニウム部材３１は、Ｍｎを含有するＡｌ−Ｍｎ系合金で構成されており、アルミニウム部材３１全体のＭｎ濃度Ｃ０が０．４ｍａｓｓ％以上１．５ｍａｓｓ％以下の範囲内とされ、アルミニウム部材３１内の析出物を除いた領域におけるＭｎ濃度を固溶Ｍｎ濃度Ｃ１とし、アルミニウム部材３１全体のＭｎ濃度Ｃ０から前記固溶Ｍｎ濃度Ｃ１を引いた値を析出Ｍｎ濃度Ｃ２とした場合に、前記固溶Ｍｎ濃度Ｃ１と前記析出Ｍｎ濃度Ｃ２との比Ｃ１／Ｃ２が０．１以上２．７以下の範囲内とされている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム合金からなるアルミニウム部材と、銅又銅合金からなる銅部材とが固相拡散接合された接合体であって、
前記アルミニウム部材は、Ｍｎを含有するＡｌ−Ｍｎ系合金で構成されており、前記アルミニウム部材全体のＭｎ濃度Ｃ０が０．４ｍａｓｓ％以上１．５ｍａｓｓ％以下の範囲内とされ、
前記アルミニウム部材内の析出物を除いた領域におけるＭｎ濃度を固溶Ｍｎ濃度Ｃ１とし、前記アルミニウム部材全体のＭｎ濃度Ｃ０から前記固溶Ｍｎ濃度Ｃ１を引いた値を析出Ｍｎ濃度Ｃ２とした場合に、
前記固溶Ｍｎ濃度Ｃ１と前記析出Ｍｎ濃度Ｃ２との比Ｃ１／Ｃ２が０．１以上２．７以下の範囲内とされていることを特徴とする接合体。
【請求項２】
前記アルミニウム部材におけるＣｕ，Ｓｉ，Ｆｅの合計濃度が１．５ｍａｓｓ％以下であることを特徴とする請求項１に記載の接合体。
【請求項３】
絶縁層と、この絶縁層の一方の面に形成された回路層と、前記絶縁層の他方の面に形成された金属層と、この金属層の前記絶縁層とは反対側の面に配置されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付絶縁回路基板であって、
前記金属層のうち前記ヒートシンクとの接合面は、銅又は銅合金で構成され、
前記ヒートシンクのうち前記金属層との接合面は、Ｍｎを含有するＡｌ−Ｍｎ系合金で構成されており、前記Ａｌ−Ｍｎ系合金全体のＭｎ濃度Ｃ０が０．４ｍａｓｓ％以上１．５ｍａｓｓ％以下の範囲内とされ、
前記ヒートシンクのＡｌ−Ｍｎ系合金内の析出物を除いた領域におけるＭｎ濃度を固溶Ｍｎ濃度Ｃ１とし、前記Ａｌ−Ｍｎ系合金全体のＭｎ濃度Ｃ０から前記固溶Ｍｎ濃度Ｃ１を引いた値を析出Ｍｎ濃度Ｃ２とした場合に、
前記固溶Ｍｎ濃度Ｃ１と前記析出Ｍｎ濃度Ｃ２との比Ｃ１／Ｃ２が０．１以上２．７以下の範囲内とされていることを特徴とするヒートシンク付絶縁回路基板。
【請求項４】
前記ヒートシンクのＡｌ−Ｍｎ系合金におけるＣｕ，Ｓｉ，Ｆｅの合計濃度が１．５ｍａｓｓ％以下であることを特徴とする請求項３に記載のヒートシンク付絶縁回路基板。
【請求項５】
ヒートシンク本体と、前記ヒートシンク本体に接合された銅又は銅合金からなる銅部材層と、を備えたヒートシンクであって、
前記ヒートシンク本体のうち前記銅部材層との接合面は、Ｍｎを含有するＡｌ−Ｍｎ系合金で構成されており、前記Ａｌ−Ｍｎ系合金全体のＭｎ濃度Ｃ０が０．４ｍａｓｓ％以上１．５ｍａｓｓ％以下の範囲内とされ、
前記ヒートシンク本体の前記Ａｌ−Ｍｎ系合金内の析出物を除いた領域におけるＭｎ濃度を固溶Ｍｎ濃度Ｃ１とし、前記Ａｌ−Ｍｎ系合金全体のＭｎ濃度Ｃ０から前記固溶Ｍｎ濃度Ｃ１を引いた値を析出Ｍｎ濃度Ｃ２とした場合に、
前記固溶Ｍｎ濃度Ｃ１と前記析出Ｍｎ濃度Ｃ２との比Ｃ１／Ｃ２が０．１以上２．７以下の範囲内とされていることを特徴とするヒートシンク。
【請求項６】
前記ヒートシンク本体のＡｌ−Ｍｎ系合金におけるＣｕ，Ｓｉ，Ｆｅの合計濃度が１．５ｍａｓｓ％以下であることを特徴とする請求項５に記載のヒートシンク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、Ｍｎを含有するＡｌ−Ｍｎ系合金からなるアルミニウム合金部材と、銅又銅合金からなる銅部材と、が接合された接合体、絶縁層の一方の面に回路層が形成された絶縁回路基板にヒートシンクが接合されたヒートシンク付絶縁回路基板、ヒートシンク本体に銅部材層が形成されたヒートシンクに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＬＥＤやパワーモジュール等の半導体装置においては、導電材料からなる回路層の上に半導体素子が接合された構造とされている。
風力発電、電気自動車、ハイブリッド自動車等を制御するために用いられる大電力制御用のパワー半導体素子においては、発熱量が多いことから、これを搭載する基板としては、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）などからなるセラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面に導電性の優れた金属板を接合して形成した回路層と、を備えた絶縁回路基板が、従来から広く用いられている。なお、パワージュール用基板としては、セラミックス基板の他方の面に金属層を形成したものも提供されている。
【０００３】
例えば、特許文献１に示すパワーモジュールにおいては、セラミックス基板の一方の面及び他方の面に、アルミニウム板、又は、銅板を接合することによって、回路層及び金属層が形成された絶縁回路基板と、この回路層上に接合された半導体素子と、を備えた構造とされている。
そして、絶縁回路基板の金属層側には、ヒートシンクが接合されており、半導体素子から絶縁回路基板側に伝達された熱を、ヒートシンクを介して外部へ放散する構成とされている。
【０００４】
従来、絶縁回路基板とヒートシンクとを接合する方法として、例えば特許文献２には、絶縁回路基板の金属層とヒートシンクとの間にグリースを介在させてネジ留めによって接合する方法が開示されている。
また、特許文献３には、絶縁回路基板の金属層とヒートシンクとを、はんだ材を用いて接合する方法が開示されている。
【０００５】
しかしながら、特許文献２、３に示すように、グリースやはんだ材を介して金属層とヒートシンクとを接合した場合には、金属層やヒートシンクに比べてグリースやはんだ材の熱抵抗が大きいため、金属層とヒートシンクとの接合部において熱の伝達が不十分となり、放熱特性が低下してしまうおそれがあった。
また、グリースは、ヒートサイクルやパワーサイクルが負荷された際にグリースが劣化し、熱抵抗がさらに上昇してしまうおそれがあった。
さらに、金属層やヒートシンクの接合面がアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されている場合には、その表面にＡｌの酸化皮膜が形成されるため、はんだ材によって強固に接合することができなくなるおそれがあった。
【０００６】
そこで、特許文献４においては、金属層とヒートシンクとをろう材を用いて接合する方法が提案されている。
また、特許文献５においては、銅又は銅合金からなる金属層と、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるヒートシンクとを、固相拡散接合によって接合する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３１７１２３４号公報
【特許文献２】特開２００４−２８８８２８号公報
【特許文献３】特開２００９−２２４５７１号公報
【特許文献４】特開２０１２−１６９３１８号公報
【特許文献５】特開２０１４−０９９５９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、ヒートシンクを構成するアルミニウム合金として、例えばＡ３００３合金等のＡｌ−Ｍｎ系合金が用いられることがある。このＡｌ−Ｍｎ系合金においては、Ｍｎを含む析出物が分散することにより、強度が向上するとともに、熱伝導率が比較的高く、放熱特性に優れている。
【０００９】
ここで、特許文献４に示すように、Ａｌ−Ｍｎ系合金からなるヒートシンクと絶縁回路基板の金属層とをろう材を用いて接合する場合には、接合温度がろう材の融点以上と比較的高くなり、析出していたＭｎが母相に固溶し、Ａｌ−Ｍｎ系合金からなるヒートシンク自体の熱伝導率が低下し、放熱特性が低下してしまうおそれがあった。
また、特許文献５に示すように、Ａｌ−Ｍｎ系合金からなるヒートシンクと絶縁回路基板の金属層とを固相拡散接合した場合においては、ろう付けに比べて接合温度が低いものの、やはり接合時に析出していたＭｎが母相に固溶し、Ａｌ−Ｍｎ系合金からなるヒートシンク自体の熱伝導率が低下し、放熱特性が低下してしまうおそれがあった。
【００１０】
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、Ａｌ−Ｍｎ系合金からなるアルミニウム部材と銅又は銅合金からなる銅部材とを接合した場合であっても、アルミニウム部材の熱伝導率の低下を抑制できる接合体、この接合体を備えたヒートシンク付絶縁回路基板及びヒートシンク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】
【００１１】
前述の課題を解決するために、本発明の接合体は、アルミニウム合金からなるアルミニウム部材と、銅又銅合金からなる銅部材とが固相拡散接合された接合体であって、前記アルミニウム部材は、Ｍｎを含有するＡｌ−Ｍｎ系合金で構成されており、前記アルミニウム部材全体のＭｎ濃度Ｃ０が０．４ｍａｓｓ％以上１．５ｍａｓｓ％以下の範囲内とされ、前記アルミニウム部材内の析出物を除いた領域におけるＭｎ濃度を固溶Ｍｎ濃度Ｃ１とし、前記アルミニウム部材全体のＭｎ濃度Ｃ０から前記固溶Ｍｎ濃度Ｃ１を引いた値を析出Ｍｎ濃度Ｃ２とした場合に、前記固溶Ｍｎ濃度Ｃ１と前記析出Ｍｎ濃度Ｃ２との比Ｃ１／Ｃ２が０．１以上２．７以下の範囲内とされていることを特徴としている。
【００１２】
この構成の接合体によれば、前記アルミニウム部材内の析出物を除いた領域におけるＭｎ濃度を固溶Ｍｎ濃度Ｃ１とし、前記アルミニウム部材全体のＭｎ濃度Ｃ０から前記固溶Ｍｎ濃度Ｃ１を引いた値を析出Ｍｎ濃度Ｃ２とした場合に、前記固溶Ｍｎ濃度Ｃ１と前記析出Ｍｎ濃度Ｃ２との比Ｃ１／Ｃ２が０．１以上２．７以下の範囲内とされているので、Ａｌ−Ｍｎ系合金で構成されたアルミニウム部材において、Ｍｎを含む析出物が十分に分散しており、固溶Ｍｎ量が少なく、アルミニウム部材の強度が確保されるとともに、熱伝導性が十分に確保されている。
よって、銅部材で拡げた熱をアルミニウム部材側へと効率良く伝達させることができ、放熱特性に優れた接合体を提供することができる。
【００１３】
ここで、本発明の接合体においては、前記アルミニウム部材におけるＣｕ，Ｓｉ，Ｆｅの合計濃度が１．５ｍａｓｓ％以下であることが好ましい。
この場合、前記アルミニウム部材におけるＣｕ，Ｓｉ，Ｆｅの合計濃度が１．５ｍａｓｓ％以下に制限されているので、Ｍｎを含有する析出物の生成を促進することができ、固溶Ｍｎ量を低減し、アルミニウム部材の熱伝導性をさらに十分に確保することができる。
【００１４】
本発明のヒートシンク付絶縁回路基板は、絶縁層と、この絶縁層の一方の面に形成された回路層と、前記絶縁層の他方の面に形成された金属層と、この金属層の前記絶縁層とは反対側の面に配置されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付絶縁回路基板であって、前記金属層のうち前記ヒートシンクとの接合面は、銅又は銅合金で構成され、前記ヒートシンクのうち前記金属層との接合面は、Ｍｎを含有するＡｌ−Ｍｎ系合金で構成されており、前記Ａｌ−Ｍｎ系合金全体のＭｎ濃度Ｃ０が０．４ｍａｓｓ％以上１．５ｍａｓｓ％以下の範囲内とされ、前記ヒートシンクのＡｌ−Ｍｎ系合金内の析出物を除いた領域におけるＭｎ濃度を固溶Ｍｎ濃度Ｃ１とし、前記Ａｌ−Ｍｎ系合金全体のＭｎ濃度Ｃ０から前記固溶Ｍｎ濃度Ｃ１を引いた値を析出Ｍｎ濃度Ｃ２とした場合に、前記固溶Ｍｎ濃度Ｃ１と前記析出Ｍｎ濃度Ｃ２との比Ｃ１／Ｃ２が０．１以上２．７以下の範囲内とされていることを特徴としている。
【００１５】
この構成のヒートシンク付絶縁回路基板によれば、前記ヒートシンクのＡｌ−Ｍｎ系合金内の析出物を除いた領域におけるＭｎ濃度を固溶Ｍｎ濃度Ｃ１とし、前記Ａｌ−Ｍｎ系合金全体のＭｎ濃度Ｃ０から前記固溶Ｍｎ濃度Ｃ１を引いた値を析出Ｍｎ濃度Ｃ２とした場合に、前記固溶Ｍｎ濃度Ｃ１と前記析出Ｍｎ濃度Ｃ２との比Ｃ１／Ｃ２が０．１以上２．７以下の範囲内とされているので、ヒートシンクのＡｌ−Ｍｎ系合金において、Ｍｎを含む析出物が十分に分散しており、固溶Ｍｎ量が少なく、ヒートシンクの強度が確保されるとともに、熱伝導性が十分に確保されている。
よって、銅又は銅合金からなる金属層において拡げた熱をヒートシンク側へと効率良く伝達させることができ、放熱特性に優れたヒートシンク付絶縁回路基板を提供することができる。
【００１６】
ここで、本発明のヒートシンク付絶縁回路基板においては、前記ヒートシンクのＡｌ−Ｍｎ系合金におけるＣｕ，Ｓｉ，Ｆｅの合計濃度が１．５ｍａｓｓ％以下であることが好ましい。
この場合、前記ヒートシンクのＡｌ−Ｍｎ系合金におけるＣｕ，Ｓｉ，Ｆｅの合計濃度が１．５ｍａｓｓ％以下に制限されているので、Ｍｎを含有する析出物の生成を促進することができ、固溶Ｍｎ量を低減し、前記ヒートシンクの熱伝導性をさらに十分に確保することができる。
【００１７】
本発明のヒートシンクは、ヒートシンク本体と、前記ヒートシンク本体に接合された銅又は銅合金からなる銅部材層と、を備えたヒートシンクであって、前記ヒートシンク本体のうち前記銅部材層との接合面は、Ｍｎを含有するＡｌ−Ｍｎ系合金で構成されており、前記Ａｌ−Ｍｎ系合金全体のＭｎ濃度Ｃ０が０．４ｍａｓｓ％以上１．５ｍａｓｓ％以下の範囲内とされ、前記ヒートシンク本体の前記Ａｌ−Ｍｎ系合金内の析出物を除いた領域におけるＭｎ濃度を固溶Ｍｎ濃度Ｃ１とし、前記Ａｌ−Ｍｎ系合金全体のＭｎ濃度Ｃ０から前記固溶Ｍｎ濃度Ｃ１を引いた値を析出Ｍｎ濃度Ｃ２とした場合に、前記固溶Ｍｎ濃度Ｃ１と前記析出Ｍｎ濃度Ｃ２との比Ｃ１／Ｃ２が０．１以上２．７以下の範囲内とされていることを特徴としている。
【００１８】
この構成のヒートシンクによれば、前記ヒートシンク本体のＡｌ−Ｍｎ系合金内の析出物を除いた領域におけるＭｎ濃度を固溶Ｍｎ濃度Ｃ１とし、前記Ａｌ−Ｍｎ系合金全体のＭｎ濃度Ｃ０から前記固溶Ｍｎ濃度Ｃ１を引いた値を析出Ｍｎ濃度Ｃ２とした場合に、前記固溶Ｍｎ濃度Ｃ１と前記析出Ｍｎ濃度Ｃ２との比Ｃ１／Ｃ２が０．１以上２．７以下の範囲内とされているので、ヒートシンク本体のＡｌ−Ｍｎ系合金において、Ｍｎを含む析出物が十分に分散しており、固溶Ｍｎ量が少なく、ヒートシンク本体の強度が確保されるとともに、熱伝導性が十分に確保されている。
よって、銅部材層で拡げた熱をヒートシンク本体側へと効率良く伝達させることができ、放熱特性に優れたヒートシンクを提供することができる。
【００１９】
ここで、本発明のヒートシンクにおいては、前記ヒートシンク本体のＡｌ−Ｍｎ系合金におけるＣｕ，Ｓｉ，Ｆｅの合計濃度が１．５ｍａｓｓ％以下であることが好ましい。
この場合、前記ヒートシンク本体のＡｌ−Ｍｎ系合金におけるＣｕ，Ｓｉ，Ｆｅの合計濃度が１．５ｍａｓｓ％以下に制限されているので、Ｍｎを含有する析出物の生成を促進することができ、固溶Ｍｎ量を低減し、前記ヒートシンク本体の熱伝導性をさらに十分に確保することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、Ａｌ−Ｍｎ系合金からなるアルミニウム部材と銅又は銅合金からなる銅部材とを接合した場合であっても、アルミニウム部材の熱伝導率の低下を抑制できる接合体、この接合体を備えたヒートシンク付絶縁回路基板及びヒートシンクを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第一実施形態に係るヒートシンク付絶縁回路基板を備えたパワーモジュールの概略説明図である。
【図２】図１に示すヒートシンク付絶縁回路基板におけるヒートシンクの断面観察写真である。
【図３】ＡｌとＭｎの２元状態図の一部拡大図である。
【図４】第一実施形態に係るヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法を説明するフロー図である。
【図５】第一実施形態に係るヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法の概略説明図である。
【図６】本発明の第二実施形態に係るヒートシンクの概略説明図である。
【図７】第二実施形態に係るヒートシンクの製造方法を説明するフロー図である。
【図８】第二実施形態に係るヒートシンクの製造方法の概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
（第一実施形態）
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、本発明の第一実施形態であるヒートシンク付絶縁回路基板３０を用いたパワーモジュール１を示す。
このパワーモジュール１は、ヒートシンク付絶縁回路基板３０と、このヒートシンク付絶縁回路基板３０の一方の面（図１において上面）にはんだ層２を介して接合された半導体素子３と、を備えている。
【００２３】
半導体素子３は、Ｓｉ等の半導体材料で構成されている。ヒートシンク付絶縁回路基板３０と半導体素子３とを接合する第１はんだ層２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材（いわゆる鉛フリーはんだ材）とされている。
【００２４】
ヒートシンク付絶縁回路基板３０は、絶縁回路基板１０と、絶縁回路基板１０に接合されたヒートシンク３１と、を備えている。
絶縁回路基板１０は、絶縁層を構成するセラミックス基板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。
【００２５】
セラミックス基板１１は、絶縁性および放熱性に優れた窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等のセラミックスで構成されている。本実施形態では、セラミックス基板１１は、特に放熱性の優れた窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で構成されている。また、セラミックス基板１１の厚さは、例えば、０．２ｍｍ以上１．５ｍｍ以下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。
【００２６】
回路層１２は、図５に示すように、セラミックス基板１１の一方の面（図５において上面）に、銅又は銅合金からなる銅板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、無酸素銅の圧延板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。なお、回路層１２となる銅板２２の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６ｍｍに設定されている。
【００２７】
金属層１３は、図５に示すように、セラミックス基板１１の他方の面（図５において下面）に、銅又は銅合金からなる銅板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、無酸素銅の圧延板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。なお、金属層１３となる銅板２３の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６ｍｍに設定されている。
【００２８】
ヒートシンク３１は、絶縁回路基板１０側の熱を放散するためのものであり、本実施形態では、図１に示すように、放熱板とされている。
このヒートシンク３１は、少なくとも絶縁回路基板１０の金属層１３と接合される接合面が、Ｍｎを含有するＡｌ−Ｍｎ系合金で構成されている。なお、本実施形態では、ヒートシンク３１の全体が、Ａｌ−Ｍｎ系合金で構成されている。
【００２９】
ここで、本実施形態においては、Ｍｎを含有するＡｌ−Ｍｎ系合金で構成されたヒートシンク３１と、銅又は銅合金で構成された金属層１３とが、固相拡散接合によって接合されている。
ヒートシンク３１と金属層１３の接合界面においては、ＣｕとＡｌの金属間化合物からなる金属間化合物層が形成されており、この金属間化合物層は、複数の相の金属間化合物が積層した構成とされている。
【００３０】
本実施形態においては、ヒートシンク３１を構成するＡｌ−Ｍｎ系合金全体のＭｎ濃度Ｃ０が０．４ｍａｓｓ％以上１．５ｍａｓｓ％以下の範囲内とされている。
なお、Ａｌ−Ｍｎ系合金全体のＭｎ濃度Ｃ０の下限は０．６ｍａｓｓ％以上であることが好ましく、０．８ｍａｓｓ％以上であることがさらに好ましい。一方、Ａｌ−Ｍｎ系合金全体のＭｎ濃度Ｃ０の上限は１．３ｍａｓｓ％以下であることが好ましく、１．１ｍａｓｓ％以下であることがさらに好ましい。
【００３１】
ここで、図２に、ヒートシンク３１のＡｌ−Ｍｎ系合金の組織を示す。
図２に示すように、ヒートシンク３１のＡｌ−Ｍｎ系合金は、Ｃｕの母相３２の中に、Ｍｎ含有析出物３３が分散した組織とされている。
【００３２】
そして、ヒートシンク３１のＡｌ−Ｍｎ系合金内のＭｎ含有析出物３３を除いた領域（Ｃｕの母相３２）におけるＭｎ濃度を固溶Ｍｎ濃度Ｃ１とし、Ａｌ−Ｍｎ系合金全体のＭｎ濃度Ｃ０から固溶Ｍｎ濃度Ｃ１を引いた値を析出Ｍｎ濃度Ｃ２とした場合に、固溶Ｍｎ濃度Ｃ１と析出Ｍｎ濃度Ｃ２との比Ｃ１／Ｃ２が０．１以上２．７以下の範囲内とされている。
なお、固溶Ｍｎ濃度Ｃ１と析出Ｍｎ濃度Ｃ２との比Ｃ１／Ｃ２の上限は２．１以下であることが好ましく、１．０以下であることがさらに好ましい。
【００３３】
なお、Ａｌ−Ｍｎ系合金全体のＭｎ濃度Ｃ０は、測定試料を酸に溶解して、ＩＣＰ発光分光分析によって定量することができる。
また、Ａｌ−Ｍｎ系合金内のＭｎ含有析出物３３を除いた領域（Ｃｕの母相３２）におけるＭｎ濃度である固溶Ｍｎ濃度Ｃ１は、ＥＰＭＡを用いて観察し、Ｍｎ含有析出物３３を除いた領域（Ｃｕの母相３２）を定量分析することによって測定することができる。
【００３４】
本実施形態においては、ヒートシンク３１を構成するＡｌ−Ｍｎ系合金において、固溶Ｍｎ濃度Ｃ１と析出Ｍｎ濃度Ｃ２との比Ｃ１／Ｃ２が０．１以上２．７以下の範囲内とされていることから、固溶Ｍｎ量が少なく抑えられ、Ｍｎ含有析出物３３が十分に分散した状態とされている。
なお、本実施形態においては、ヒートシンク３１が金属層１３に固相拡散接合された状態で、ヒートシンク３１を構成するＡｌ−Ｍｎ系合金におけるＭｎ含有析出物３３の分散状態が上述のように規定されているのである。
【００３５】
また、本実施形態においては、ヒートシンク３１を構成するＡｌ−Ｍｎ系合金におけるＣｕ，Ｓｉ，Ｆｅの合計濃度が１．５ｍａｓｓ％以下であってもよい。すなわち、本実施形態においては、ヒートシンク３１を構成するＡｌ−Ｍｎ系合金において、不純物として含有されるＣｕ，Ｓｉ，Ｆｅの合計含有量を上述のように規定しているのである。
なお、ヒートシンク３１を構成するＡｌ−Ｍｎ系合金におけるＣｕ，Ｓｉ，Ｆｅの合計濃度は、１．３ｍａｓｓ％以下であることが好ましく、１．１ｍａｓｓ％以下であることがさらに好ましい。また、Ｃｕ，Ｓｉ，Ｆｅのそれぞれの含有量は、０．８ｍａｓｓ％以下とすることが好ましく、０．５ｍａｓｓ％以下とすることがさらに好ましい。
【００３６】
次に、本実施形態であるヒートシンク付絶縁回路基板３０の製造方法について、図４及び図５を参照して説明する。
【００３７】
（銅板積層工程Ｓ０１）
図５に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に回路層１２となる銅板２２を活性ろう材２６を介して積層するとともに、セラミックス基板１１の他方の面に金属層１３となる銅板２３を活性ろう材２６を介して積層する。なお、本実施形態では、活性ろう材２６として、Ａｇ−２７ｍａｓｓ％Ｃｕ−１．５ｍａｓ％Ｔｉ合金のペーストを用いた。
【００３８】
（回路層及び金属層形成工程Ｓ０２）
積層した銅板２２、セラミックス基板１１、銅板２３を、積層方向に１ｋｇｆ／ｃｍ２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ２以下（０．１ＭＰａ以上３．５ＭＰａ以下）の範囲で加圧した状態で真空加熱炉内に装入して加熱し、銅板２２とセラミックス基板１１とを接合して回路層１２を形成するとともに、銅板２３とセラミックス基板１１とを接合して金属層１３を形成する。
ここで、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７９０℃以上８５０℃以下の範囲内に、加熱温度での保持時間は５分以上６０分以下の範囲内に設定されることが好ましい。
以上により、本実施形態である絶縁回路基板１０が製造される。
【００３９】
（溶体化処理工程Ｓ１１）
一方、ヒートシンク３１となるＡｌ−Ｍｎ系合金からなる圧延板を、熱処理炉５０内に装入し、加熱温度：５９０℃以上６４０℃以下、加熱温度での保持時間：４５分以上２４０分以下、の条件で熱処理し、加熱温度から２００℃までの冷却速度を３０℃／分以上とし、ＭｎをＡｌの母相中に十分に固溶させる。
なお、溶体化処理工程Ｓ１１における加熱温度の下限は６００℃以上とすることが好ましく、６１０℃以上とすることがさらに好ましい。一方、加熱温度の上限は６３５℃以下とすることが好ましく、６３０℃以下とすることがさらに好ましい。
加熱温度での保持時間の下限は６０分以上とすることが好ましく、９０分以上とすることがさらに好ましい。一方、保持時間の上限は１８０分以下とすることが好ましく、１５０分以下とすることがさらに好ましい。
加熱温度から２００℃までの冷却速度は５０℃／分以上とすることが好ましく、１００℃／分以上とすることがさらに好ましい。
【００４０】
（析出処理工程Ｓ１２）
次に、溶体化処理した圧延板（ヒートシンク３１）を、熱処理炉５０内に装入し、加熱温度：５００℃以上５６０℃以下、加熱温度での保持時間：３０時間以上１５０時間以下、の条件で熱処理し、Ｍｎ含有析出物３３を十分に析出させ、Ｍｎの固溶量を十分に低下させる。なお、このとき、図３に示すＡｌとＭｎの２元状態図から、平衡状態におけるＭｎの固溶限を算出し、固溶Ｍｎ濃度Ｃ１が目標値となる温度条件を求めることが好ましい。
ここで、析出処理工程Ｓ１２における加熱温度の上限は５４０℃以下とすることが好ましく、５２０℃以下とすることがさらに好ましい。
加熱温度での保持時間の下限は５０時間以上とすることが好ましく、１２０時間以上とすることがさらに好ましい。
【００４１】
（ヒートシンク積層工程Ｓ０３）
次に、絶縁回路基板１０の金属層１３と、溶体化処理工程Ｓ１１及び析出処理工程Ｓ１２を施した圧延板（ヒートシンク３１）を積層し、積層体を形成する。
なお、金属層１３及びヒートシンク３１のそれぞれの接合面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされている。
【００４２】
（固相拡散接合工程Ｓ０４）
次に、上述の積層体を、積層方向に加圧（圧力３〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２（０．３〜３．５ＭＰａ））するとともに加熱して、金属層１３とヒートシンク３１とを固相拡散接合する。
ここで、固相拡散接合工程Ｓ０４においては、加熱温度は４５０℃以上５２０℃未満の範囲内、加熱温度での保持時間は３０分以上２４０分以下の範囲内に設定されることが好ましい。
なお、固相拡散接合工程Ｓ０４の加圧及び加熱時に、通電加熱装置やホットプレス装置を用いることが好ましい。
【００４３】
以上のようにして、本実施形態であるヒートシンク付絶縁回路基板３０が製造される。
【００４４】
（半導体素子接合工程Ｓ０５）
次いで、回路層１２の一方の面（表面）に、はんだ材を介して半導体素子３を積層し、還元炉内においてはんだ接合する。
上記のようにして、本実施形態であるパワーモジュール１が製造される。
【００４５】
以上のような構成とされた本実施形態に係るヒートシンク付絶縁回路基板３０によれば、ヒートシンク３１を構成するＡｌ−Ｍｎ系合金全体のＭｎ濃度Ｃ０から固溶Ｍｎ濃度Ｃ１を引いた値を析出Ｍｎ濃度Ｃ２とした場合に、固溶Ｍｎ濃度Ｃ１と析出Ｍｎ濃度Ｃ２との比Ｃ１／Ｃ２が０．１以上２．７以下の範囲内とされているので、Ａｌ−Ｍｎ系合金で構成されたヒートシンク３１において、Ｍｎ含有析出物３３が十分に分散しており、固溶Ｍｎ量が少なく、ヒートシンク３１の強度が確保されるとともに、熱伝導性が十分に確保されている。
よって、銅板２３からなる金属層１３で拡げた熱をヒートシンク３１側へと効率良く伝達させることができ、放熱特性に優れたヒートシンク付絶縁回路基板３０を提供することが可能となる。
【００４６】
また、本実施形態において、ヒートシンク３１を構成するＡｌ−Ｍｎ系合金におけるＣｕ，Ｓｉ，Ｆｅの合計濃度を１．５ｍａｓｓ％以下とした場合には、Ｍｎ含有析出物３３の生成を促進することが可能となる。よって、ヒートシンク３１を構成するＡｌ−Ｍｎ系合金において、固溶Ｍｎ量を低減することができ、ヒートシンク３１の熱伝導性をさらに十分に確保することができる。
【００４７】
（第二実施形態）
次に、本発明の第二実施形態であるヒートシンクについて説明する。図６に、本発明の第二実施形態に係るヒートシンク１０１を示す。
このヒートシンク１０１は、ヒートシンク本体１１０と、ヒートシンク本体１１０の一方の面（図６において上側）に積層された銅又は銅合金からなる銅部材層１１７と、を備えている。本実施形態では、銅部材層１１７は、図８に示すように、無酸素銅の圧延板からなる銅板１２７を接合することによって構成されている。
【００４８】
ヒートシンク本体１１０は、冷却媒体が流通する流路１１１が設けられている。このヒートシンク本体１１０は、少なくとも銅部材層１１７と接合される接合面が、Ｍｎを含有するＡｌ−Ｍｎ系合金で構成されている。なお、本実施形態では、ヒートシンク本体１１０の全体が、上述のＡｌ−Ｍｎ系合金で構成されている。
【００４９】
ここで、本実施形態においては、Ｍｎを含有するＡｌ−Ｍｎ系合金で構成されたヒートシンク本体１１０と、銅又は銅合金で構成された銅部材層１１７とが、固相拡散接合によって接合されている。
ヒートシンク本体１１０と銅部材層１１７の接合界面においては、ＣｕとＡｌの金属間化合物からなる金属間化合物層が形成されており、この金属間化合物層は、複数の相の金属間化合物が積層した構成とされている。
【００５０】
そして、本実施形態においては、ヒートシンク本体１１０を構成するＡｌ−Ｍｎ系合金全体のＭｎ濃度Ｃ０が０．４ｍａｓｓ％以上１．５ｍａｓｓ％以下の範囲内とされている。
なお、Ａｌ−Ｍｎ系合金全体のＭｎ濃度Ｃ０の下限は０．６ｍａｓｓ％以上であることが好ましく、０．８ｍａｓｓ％以上であることがさらに好ましい。一方、Ａｌ−Ｍｎ系合金全体のＭｎ濃度Ｃ０の上限は１．３ｍａｓｓ％以下であることが好ましく、１．１ｍａｓｓ％以下であることがさらに好ましい。
【００５１】
さらに、ヒートシンク本体１１０のＡｌ−Ｍｎ系合金内の析出物を除いた領域におけるＭｎ濃度を固溶Ｍｎ濃度Ｃ１とし、Ａｌ−Ｍｎ系合金全体のＭｎ濃度Ｃ０から固溶Ｍｎ濃度Ｃ１を引いた値を析出Ｍｎ濃度Ｃ２とした場合に、固溶Ｍｎ濃度Ｃ１と析出Ｍｎ濃度Ｃ２との比Ｃ１／Ｃ２が０．１以上２．７以下の範囲内とされている。
なお、固溶Ｍｎ濃度Ｃ１と析出Ｍｎ濃度Ｃ２との比Ｃ１／Ｃ２の上限は２．１以下であることが好ましく、１．０以下であることがさらに好ましい。
【００５２】
本実施形態においては、ヒートシンク本体１１０を構成するＡｌ−Ｍｎ系合金において、固溶Ｍｎ濃度Ｃ１と析出Ｍｎ濃度Ｃ２との比Ｃ１／Ｃ２が０．１以上２．７以下の範囲内とされていることから、固溶Ｍｎ量が少なく抑えられ、Ｍｎ含有析出物が十分に分散した状態とされている。
なお、本実施形態においては、ヒートシンク本体１１０が銅部材層１１７に固相拡散接合された状態で、ヒートシンク本体１１０を構成するＡｌ−Ｍｎ系合金におけるＭｎ含有析出物の分散状態が上述のように規定されているのである。
【００５３】
また、本実施形態においては、ヒートシンク本体１１０を構成するＡｌ−Ｍｎ系合金におけるＣｕ，Ｓｉ，Ｆｅの合計濃度が１．５ｍａｓｓ％以下であってもよい。すなわち、本実施形態においては、ヒートシンク本体１１０を構成するＡｌ−Ｍｎ系合金において、不純物として含有されるＣｕ，Ｓｉ，Ｆｅの合計含有量を上述のように規定しているのである。
【００５４】
次に、本実施形態であるヒートシンク１０１の製造方法について、図７及び図８を参照して説明する。
【００５５】
（溶体化処理工程Ｓ１０１）
まず、Ａｌ−Ｍｎ系合金からなるヒートシンク本体１１０を、熱処理炉５０内に装入し、加熱温度：５９０℃以上６４０℃以下、加熱温度での保持時間：４５分以上２４０分以下、の条件で熱処理し、２００℃まで３０℃／分以上の冷却時間で冷却し、ＭｎをＡｌの母相中に十分に固溶させる。
【００５６】
（析出処理工程Ｓ１０２）
次に、溶体化処理工程Ｓ１０１を施したヒートシンク本体１１０を、熱処理炉５０内に装入し、加熱温度：５００℃以上５６０℃以下、加熱温度での保持時間：３０時間以上１５０時間以下、の条件で熱処理し、Ｍｎ含有析出物を十分に析出させ、Ｍｎの固溶量を十分に低下させる。なお、このとき、図３に示すＡｌとＭｎの２元状態図から、平衡状態におけるＭｎの固溶限を算出し、固溶Ｍｎ濃度Ｃ１が目標値となる温度条件を求めることが好ましい。
【００５７】
（積層工程Ｓ１０３）
次に、銅部材層１１７となる銅板１２７と、溶体化処理工程Ｓ１１及び析出処理工程Ｓ１２を施したヒートシンク本体１１０を積層し、積層体を形成する。
なお、銅部材層１１７となる銅板１２７及びヒートシンク本体１１０のそれぞれの接合面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされている。
【００５８】
（固相拡散接合工程Ｓ１０４）
次に、図８に示すように、ヒートシンク本体１１０と銅部材層１１７となる銅板１２７とを積層した積層体に対して、積層方向に加圧（圧力５〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２（０．５〜３．５ＭＰａ））した状態で真空加熱炉内に配置して加熱することにより、銅板１２７とヒートシンク本体１１０とを固相拡散接合する。
ここで、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４５０℃以上５２０℃以下の範囲内に、加熱温度での保持時間は３０分以上２４０分以下の範囲内に設定されることが好ましい。
このようにして、本実施形態であるヒートシンク１０１が製造される。
【００５９】
以上のような構成とされた本実施形態に係るヒートシンク１０１によれば、ヒートシンク本体１１０の一方の面側に、無酸素銅の圧延板からなる銅板１２７を接合することによって銅部材層１１７が形成されているので、熱を銅部材層１１７によって面方向に広げることができ、放熱特性を大幅に向上させることができる。
【００６０】
そして、本実施形態では、ヒートシンク本体１１０を構成するＡｌ−Ｍｎ系合金全体のＭｎ濃度Ｃ０から固溶Ｍｎ濃度Ｃ１を引いた値を析出Ｍｎ濃度Ｃ２とした場合に、固溶Ｍｎ濃度Ｃ１と析出Ｍｎ濃度Ｃ２との比Ｃ１／Ｃ２が０．１以上２．７以下の範囲内とされているので、Ａｌ−Ｍｎ系合金で構成されたヒートシンク本体１１０において、Ｍｎ含有析出物が十分に分散しており、固溶Ｍｎ量が少なく、ヒートシンク本体１１０の強度が確保されるとともに、熱伝導性が十分に確保されている。
よって、銅部材層１１７で拡げた熱をヒートシンク本体１１０側へと効率良く伝達させることができ、放熱特性に優れたヒートシンク１０１を提供することが可能となる。
【００６１】
また、本実施形態において、ヒートシンク本体１１０を構成するＡｌ−Ｍｎ系合金におけるＣｕ，Ｓｉ，Ｆｅの合計濃度を１．５ｍａｓｓ％以下とした場合には、Ｍｎ含有析出物の生成を促進することが可能となる。よって、ヒートシンク本体１１０を構成するＡｌ−Ｍｎ系合金において、固溶Ｍｎ量を低減することができ、ヒートシンク本体１１０の熱伝導性をさらに十分に確保することができる。
【００６２】
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、第一実施形態では、回路層及び金属層を、銅板を接合することによって形成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、回路層が、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されたものであってもよい。
また、回路層及び金属層の少なくとも一方又は両方が、アルミニウム層と銅層とが積層された構造であってもよい。
さらに、金属層等を構成する銅板として、無酸素銅の圧延板を例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、他の銅又は銅合金で構成したものであってもよい。
【００６３】
また、第一実施形態では、絶縁回路基板に半導体素子を搭載してパワーモジュールを構成するものとして説明したが、これに限定されることはない。例えば、絶縁回路基板の回路層にＬＥＤ素子を搭載してＬＥＤモジュールを構成してもよいし、絶縁回路基板の回路層に熱電素子を搭載して熱電モジュールを構成してもよい。
さらに、第一実施形態では、絶縁層をセラミックス基板で構成したもので説明したが、これに限定されることはなく、絶縁層を樹脂等で構成したものであってもよい。
また、第一実施形態では、セラミックス基板と銅板とを活性ろう材を用いて接合するものとして説明したが、セラミックス基板と銅板との接合方法に特に限定はない。
【実施例】
【００６４】
以下に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験の結果について説明する。
【００６５】
（試験片の作製）
本発明例１〜１０においては、アルミニウム鋳塊から切削によって所定形状とし、これに、表１に示す条件で溶体化処理及び析出処理を施したアルミニウム板（５０ｍｍ×５０ｍｍ、厚さ５ｍｍ）を準備した。このアルミニウム板の一方の面に、無酸素銅からなる銅板（４０ｍｍ×４０ｍｍ、厚さ５ｍｍ）を、上述の実施形態に記載した方法によって固相拡散接合した。
比較例１，２においては、アルミニウム鋳塊から切削によって所定形状とし、溶体化処理及び析出処理を施していないアルミニウム板（５０ｍｍ×５０ｍｍ、厚さ５ｍｍ）を準備した。このアルミニウム板の一方の面に、無酸素銅からなる銅板（４０ｍｍ×４０ｍｍ、厚さ５ｍｍ）を、上述の実施形態に記載した方法によって固相拡散接合した。
ここで、本発明例１〜１０及び比較例１，２においては、アルミニウム板と銅板とを積層方向に１５ｋｇｆ／ｃｍ２（１．５ＭＰａ）の荷重で押圧し、真空加熱炉で５００℃×１８０ｍｉｎの条件で固相拡散接合を実施した。
【００６６】
（アルミニウム板全体のＭｎ濃度Ｃ０）
得られた接合体のアルミニウム板全体のＭｎ濃度Ｃ０は、アルミニウム板から採取した測定試料をフッ素樹脂製容器に入れ、これに塩酸を加えて加熱分解した。その後、硝酸及びフッ化水素酸を加えてさらに分解した。これを一定量に定容し、ＩＣＰ発光分光分析装置を用いて、Ａｌ−Ｍｎ系合金全体のＭｎ濃度Ｃ０を測定した。
【００６７】
（アルミニウム板の固溶Ｍｎ濃度Ｃ１及び析出Ｍｎ濃度Ｃ２）
得られた接合体のアルミニウム板から測定試料を採取し、この測定試料を鏡面研磨し、ＥＰＭＡを用いて観察を行った。加速電圧１０ｋＶ、分析径１μｍで、析出物を除いた領域の定量分析を１０点行い、その平均値を固溶Ｍｎ濃度Ｃ１とした。
析出Ｍｎ濃度Ｃ２は、アルミニウム板全体のＭｎ濃度Ｃ０から固溶Ｍｎ濃度Ｃ１を引いて算出した。
これを、１００μｍ×１００μｍの領域に対して５視野の測定を行い、その平均値を採用した。
【００６８】
（熱抵抗の測定）
ヒータチップ（１３ｍｍ×１０ｍｍ×０．２５ｍｍ）を銅板の表面に半田付けし、アルミニウム板を冷却器にろう付け接合した。次に、ヒータチップを１００Ｗの電力で加熱し、熱電対を用いてヒータチップの温度を実測した。また、冷却器を流通する冷却媒体（エチレングリコール：水＝９：１）の温度を実測した。そして、ヒータチップの温度と冷却媒体の温度差を電力で割った値を熱抵抗とした。
なお、比較例１のヒートサイクル試験前の熱抵抗を基準として１とし、この比較例１との比率で熱抵抗を評価した。評価結果を表２に示す。
【００６９】
【表１】
2020077789.tif 000003
【００７０】
【表２】
2020077789.tif 000004
【００７１】
Ｍｎを０．６ｍａｓｓ％含有するアルミニウム合金からなり、溶体化処理及び析出処理を実施しなかった比較例１においては、固溶Ｍｎ濃度Ｃ１と析出Ｍｎ濃度Ｃ２との比Ｃ１／Ｃ２が６２．０と本発明の範囲よりも大きくなり、熱抵抗が比較的大きくなった。
Ｍｎを１．８ｍａｓｓ％含有するアルミニウム合金からなり、溶体化処理及び析出処理を実施しなかった比較例２においては、固溶Ｍｎ濃度Ｃ１が１．７８ｍａｓｓ％と高く、熱抵抗が比較例１よりも大きくなった。
【００７２】
これに対して、Ｍｎを０．４ｍａｓｓ％以上１．５ｍａｓｓ％以下の範囲内で含むアルミニウム合金からなり、溶体化処理及び析出処理を実施した本発明例１〜１０においては、固溶Ｍｎ濃度Ｃ１と析出Ｍｎ濃度Ｃ２との比Ｃ１／Ｃ２が０．１以上２．７以下の範囲内となり、熱抵抗が比較例１よりも小さくなった。
【００７３】
以上の確認実験の結果、本発明例によれば、Ａｌ−Ｍｎ系合金からなるアルミニウム部材と銅又は銅合金からなる銅部材とを接合した場合であっても、アルミニウム部材の熱伝導率の低下を抑制できる接合体を提供可能であることが確認された。
【符号の説明】
【００７４】
１０  絶縁回路基板（接合体）
１１  セラミックス基板
１３  金属層（銅部材）
３１  ヒートシンク（アルミニウム部材）
１０１  ヒートシンク（接合体）
１１０  ヒートシンク本体（アルミニウム部材）
１１７  銅部材層
【図１】
2020077789.tif 000005
【図２】
2020077789.tif 000006
【図３】
2020077789.tif 000007
【図４】
2020077789.tif 000008
【図５】
2020077789.tif 000009
【図６】
2020077789.tif 000010
【図７】
2020077789.tif 000011
【図８】
2020077789.tif 000012