(57)【要約】      （修正有）【課題】低エネルギーで製造可能であるとともに、反り、ろう付け不良の発生を最小限に抑えることが可能なヒートシンク付きパワーモジュール用基板及びこれを備えたパワーモジュール、並びに、ヒートシンク付き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】セラミックス基板１１と、セラミックス基板の表面及び裏面にそれぞれ接合されたアルミニウムからなる第一の金属板１２及び第二の金属板１３と、第二の金属板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４とを備え、第一の金属板及び第二の金属板のそれぞれとセラミックス基板とがＳｉを含有するろう材を用いて接合されるとともに、接合界面にＣｕが添加されており、各金属板にはＳｉ及びＣｕが固溶しており、それぞれの前記接合界面から５０μｍの範囲におけるＳｉ濃度が０．０５〜１ｗｔ％，Ｃｕ濃度が０．０５〜４ｗｔ％の範囲内に設定されている。【選択図】図１
2010258420.tif 000002
【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、
前記第一の金属板及び前記第二の金属板のそれぞれと前記セラミックス基板とがＳｉを含有するろう材を用いて接合されるとともに、前記セラミックス基板とのそれぞれの接合界面にＣｕが添加されており、
前記第一の金属板及び前記第二の金属板には、Ｓｉ及びＣｕが固溶しており、それぞれの前記接合界面から５０μmの範囲におけるＳｉ濃度が０．０５〜１．０ｗｔ％，Ｃｕ濃度が０．０５〜４．０ｗｔ％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きパワーモジュール用基板。
【請求項２】
前記第二の金属板の厚さが、前記第一の金属板の厚さ以上となるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク付きパワーモジュール用基板。
【請求項３】
前記セラミックス基板の幅が前記第一の金属板及び前記第二の金属板の幅よりも広く設定されており、
前記第一の金属板及び前記第二の金属板のそれぞれの幅方向端部には、Ｃｕを含む化合物がアルミニウム中に析出したＣｕ析出部が形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒートシンク付きパワーモジュール用基板。
【請求項４】
前記セラミックス基板がＡｌＮ又はＡｌ２Ｏ３で構成されており、
前記第一の金属板及び前記第二の金属板のそれぞれと前記セラミックス基板との接合界面に、Ｓｉ濃度が前記第一の金属板及び前記第二の金属板のそれぞれに含まれるＳｉ濃度の５倍以上とされたＳｉ高濃度部が形成されてい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きパワーモジュール用基板。
【請求項５】
前記セラミックス基板がＳｉ３Ｎ４で構成されており、
前記第一の金属板及び前記第二の金属板のそれぞれと前記セラミックス基板との接合界面に、酸素濃度が前記第一の金属板、前記第二の金属板及び前記セラミックス基板のそれぞれに含まれる酸素濃度よりも高くされた酸素高濃度部が形成されており、
該酸素高濃度部の厚さが４ｎｍ以下とされてい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きパワーモジュール用基板。
【請求項６】
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きパワーモジュール用基板と、
該ヒートシンク付き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７】
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き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第二の金属板のそれぞれとの間にＳｉを含有する第一のろう材を介装させて積層させる第一の積層工程と、
積層された前記セラミックス基板と前記第一の金属板及び前記第二の金属板とを加圧した状態で加熱し、前記第一のろう材を溶融させてセラミックス基板と前記第一の金属板及び前記第二の金属板のそれぞれとの界面に第一の溶融アルミニウム層を形成する第一の溶融工程と、
前記第一の溶融アルミニウム層を凝固させる第一の凝固工程と、
前記第二の金属板と前記ヒートシンクとの間にＳｉを含有する第二のろう材を介装させて積層させる第二の積層工程と、
積層された前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを加圧した状態で加熱し、前記第二のろう材を溶融させて前記第二の金属板とヒートシンクとの界面に第二の溶融アルミニウム層を形成する第二の溶融工程と、
前記第二の溶融アルミニウム層を凝固させる第二の凝固工程と、を有し、
前記第一の積層工程の前に、前記セラミックス基板の接合面及び前記第一のろう材のセラミックス基板側となる一面のうち少なくとも一方にＣｕを固着させるＣｕ固着工程を有していることを特徴とするヒートシンク付きパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項８】
前記第一の積層工程と前記第二の積層工程、前記第一の溶融工程と前記第二の溶融工程、及び、前記第一の凝固工程と前記第二の凝固工程のそれぞれを同時に行うことを特徴とする請求項７に記載のヒートシンク付きパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項９】
前記Ｃｕ固着工程は、蒸着又はスパッタリングによって前記セラミックス基板の接合面及び前記第一のろう材の前記一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７または請求項８に記載のヒートシンク付きパワーモジュール用基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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きのヒートシンク付きパワーモジュール用基板及びパワーモジュール、並びに、ヒートシンク付きパワーモジュール用基板の製造方法に関する。
【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モジュール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きパワーモジュール用基板が用いられる。
従来、このようなヒートシンク付きパワーモジュール用基板は、以下のように製造される。すなわち、まず基板の表面に、基板と金属板との接合に適するろう材を介して第一の金属板及び第二の金属板を重ねて、所定の圧力で加圧しながら、該ろう材が溶融する温度まで加熱し、これにより基板と第一の金属板及び第二の金属板とを接合させる。次に、第二の金属板に、金属板とヒートシンクとの接合に適するろう材を介してヒートシンクを重ねて、所定の圧力で加圧しながら、該ろう材が溶融する温度まで加熱し、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ことで製造される（例えば、特許文献１参照）。
また、このようなヒートシンク付きパワーモジュール基板では、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−９２１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１のようなヒートシンク付きパワーモジュール用基板では、基板と、アルミニウムからなる第一の金属板及び第二の金属板とを上記所定のろう材により接合する際には、第二の金属板にヒートシンクを接合する際の温度と比較しても高温となる。このため、近年、低エネルギー化が求められる中で、より低温環境化で接合して製造可能な構造が求められていた。また、第一の金属板及び第二の金属板を基板に接合する温度が高温であるが故に、接合して冷却した際に熱収縮による反りが発生しやすく、また、加熱時において接合に寄与せずに漏れ出すろう材が顕著に認められ、ろう材が漏れ出すことで生じるろうしみ、ろう瘤による製品不良が発生しやすい問題があった。
【０００５】
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、低エネルギーで製造可能であるとともに、反り、ろう付け不良の発生を最小限に抑えることが可能なヒートシンク付きパワーモジュール用基板及びこれを備えたパワーモジュール、並びに、ヒートシンク付きパワーモジュール用基板の製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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き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、前記第一の金属板及び前記第二の金属板のそれぞれと前記セラミックス基板とがＳｉを含有するろう材を用いて接合されるとともに、前記セラミックス基板とのそれぞれの接合界面にＣｕが添加されており、前記第一の金属板及び前記第二の金属板には、Ｓｉ及びＣｕが固溶しており、それぞれの前記接合界面から５０μmの範囲におけるＳｉ濃度が０．０５〜１ｗｔ％，Ｃｕ濃度が０．０５〜４ｗｔ％の範囲内に設定されていることを特徴としている。
【０００７】
この構成のヒートシンク付きパワーモジュール用基板においては、セラミックス基板とアルミニウムからなる第一の金属板及び第二の金属板のそれぞれとがＳｉを含有するろう材を用いて接合されるとともに、第一の金属板及び第二の金属板のそれぞれとセラミックス基板の接合界面にＣｕが添加されている。ここで、Ｃｕは、Ａｌに対して反応性の高い元素であるため、接合界面にＣｕが存在することによってアルミニウムからなる第一の金属板及び第二の金属板のそれぞれの表面が活性化することになる。よって、一般的なＡｌ−Ｓｉ系のろう材を用いて、比較的低温、短時間の接合条件でセラミックス基板と金属板とを強固に接合することができ、低エネルギー化を図ることができる。また、比較的低温で接合することができることで、第二の金属板とヒートシンクとの接合と同時に実施することが可能であり、同時実施とすることでさらに低エネルギー化を図ることができる。また、比較的低温の条件で接合することで、冷却後の熱収縮を最小限とすることができ、反りの発生を抑えることができるとともに、加熱時におけるろう材の漏れ出しを抑えて、ろうしみやろう瘤による製品不良の発生を抑えることができる。
なお、Ｃｕを接合界面に添加する方法としては、セラミックス基板及びろう材の表面にＣｕを蒸着、スパッタリング及びメッキ等によって固着してもよいし、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材中にＣｕを含有させてもよい。
【０００８】
また、第一の金属板及び第二の金属板のそれぞれにＣｕが固溶しており、前記接合界面から５０μmの範囲におけるＣｕ濃度が、０．０５〜４ｗｔ％の範囲内に設定されているので、第一の金属板及び第二の金属板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。これにより、金属板部分での破断を防止することができ、接合信頼性を向上させることができる。
さらに、セラミックス基板とアルミニウムからなる第一の金属板及び第二の金属板のそれぞれとがＳｉを含有するろう材を用いて接合されており、第一の金属板及び第二の金属板のそれぞれにＳｉが固溶し、前記接合界面から５０μmの範囲におけるＳｉ濃度が、０．０５〜１ｗｔ％の範囲内に設定されているので、ろう材が確実に溶融してＳｉが十分に金属板に拡散しており、セラミックス基板と第一の金属板及び第二の金属板のそれぞれとが強固に接合される。
【０００９】
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以上となるように設定されている構成を採用することが好ましい。
この場合に、ヒートシンクが設けられている側の剛性を、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。
【００１０】
また、前記セラミックス基板の幅が前記第一の金属板及び前記第二の金属板の幅よりも広く設定されており、前記第一の金属板及び前記第二の金属板のそれぞれの幅方向端部には、Ｃｕを含む化合物がアルミニウム中に析出したＣｕ析出部が形成された構成を採用することが好ましい。
この場合、第一の金属板及び第二の金属板のそれぞれの幅方向端部にＣｕ析出部が形成されているので、各幅方向端部を析出強化することが可能となる。これにより、第一の金属板及び第二の金属板のそれぞれの幅方向端部からの破断の発生を防止することができ、接合信頼性を向上させることができる。
【００１１】
ここで、前記セラミックス基板がＡｌＮ又はＡｌ２Ｏ３で構成されており、前記第一の金属板及び前記第二の金属板のそれぞれと前記セラミックス基板との接合界面に、Ｓｉ濃度が前記第一の金属板及び前記第二の金属板のそれぞれに含まれるＳｉ濃度の５倍以上とされたＳｉ高濃度部が形成されていてもよい。
この場合、第一の金属板及び第二の金属板のそれぞれとセラミックス基板との接合界面に、Ｓｉ濃度が各金属板に含まれるＳｉ濃度の５倍以上とされたＳｉ高濃度部が形成されているので、接合界面に存在するＳｉ原子によってＡｌＮ又はＡｌ２Ｏ３からなるセラミックス基板とアルミニウムからなる第一の金属板及び第二の金属板のそれぞれとの接合強度が向上することになる。
なお、ここで、各金属板中のＳｉ濃度とは、当該金属板のうち接合界面から一定距離（例えば、５ｎｍ）離れた部分におけるＳｉ濃度である。
【００１２】
接合界面に高濃度で存在するＳｉは、主にろう材中に含有されたＳｉであると考えられる。接合時に、Ｓｉはアルミニウム（第一の金属板または第二の金属板）中に拡散し、接合界面から減少することになるが、セラミックスとアルミニウム（第一の金属板または第二の金属板）との界面部分が不均一核生成のサイトとなってＳｉ原子が界面部分に残存し、Ｓｉ濃度が各金属板に含まれるＳｉ濃度の５倍以上とされたＳｉ高濃度部が形成されることになる。
【００１３】
また、前記セラミックス基板がＳｉ３Ｎ４で構成されており、前記第一の金属板及び前記第二の金属板のそれぞれと前記セラミックス基板との接合界面に、酸素濃度が前記第一の金属板、前記第二の金属板及び前記セラミックス基板のそれぞれに含まれる酸素濃度よりも高くされた酸素高濃度部が形成されており、該酸素高濃度部の厚さが４ｎｍ以下とされていてもよい。
この場合、Ｓｉ３Ｎ４からなるセラミックス基板と、アルミニウムからなる第一の金属板及び第二の金属板のそれぞれとの接合界面に、酸素濃度が各金属板及びセラミックス基板に含まれる酸素濃度よりも高くされた酸素高濃度部が形成されているので、接合界面に存在する酸素によってＳｉ３Ｎ４からなるセラミックス基板とアルミニウムからなる第一の金属板及び第二の金属板のそれぞれとの接合強度が向上する。さらに、この酸素高濃度部の厚さが４ｎｍ以下とされているので、熱サイクルを負荷した際の応力によって酸素高濃度部にクラックが発生することが抑制される。
なお、ここで、各金属板中及びセラミックス基板中の酸素濃度とは、当該金属板及びセラミックス基板のうち接合界面から一定距離（例えば、５ｎｍ）離れた部分における酸素濃度である。
【００１４】
また、接合界面に高濃度で存在する酸素は、セラミックス基板の表面に存在する酸素及びろう材の表面に形成された酸化膜から取り込まれたものであると考えられる。ここで、酸素濃度が接合界面において高濃度に存在するということは、これらの酸化膜等が確実に除去されるように十分に加熱されていることになり、セラミックス基板と第一の金属板及び第二の金属板のそれぞれとを強固に接合することが可能となる。
【００１５】
本発明のパワーモジュールは、上記のヒートシンク付きパワーモジュール用基板と、該ヒートシンク付き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、低エネルギーで製造可能であるとともに、反りや、ろうしみやろう瘤による製品不良を抑えることができ、信頼性の向上を図ることができる。
【００１６】
また、本発明の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き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第二の金属板のそれぞれとの間にＳｉを含有する第一のろう材を介装させて積層させる第一の積層工程と、積層された前記セラミックス基板と前記第一の金属板及び前記第二の金属板とを加圧した状態で加熱し、前記第一のろう材を溶融させてセラミックス基板と前記第一の金属板及び前記第二の金属板のそれぞれとの界面に第一の溶融アルミニウム層を形成する第一の溶融工程と、前記第一の溶融アルミニウム層を凝固させる第一の凝固工程と、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとの間にＳｉを含有する第二のろう材を介装させて積層させる第二の積層工程と、積層された前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを加圧した状態で加熱し、前記第二のろう材を溶融させて前記第二の金属板とヒートシンクとの界面に第二の溶融アルミニウム層を形成する第二の溶融工程と、前記第二の溶融アルミニウム層を凝固させる第二の凝固工程と、を有し、前記第一の積層工程の前に、前記セラミックス基板の接合面及び前記第一のろう材のセラミックス基板側となる一面のうち少なくとも一方にＣｕを固着させるＣｕ固着工程を有していることを特徴としている。
【００１７】
この構成のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、セラミックス基板と第一の金属板及び第二の金属板のそれぞれとの間にＳｉを含有する第一のろう材を介装させて積層させる第一の積層工程の前に、セラミックス基板の接合面及び第一のろう材のセラミックス基板側の一面のうち少なくとも一方にＣｕを固着させるＣｕ固着工程を有している。このため、セラミックス基板と第一の金属板及び第二の金属板のそれぞれとの接合界面にＣｕが確実に添加され、このＣｕによって第一の金属板及び第二の金属板のそれぞれの表面が活性化され、一般的なＡｌ−Ｓｉ系のろう材を用いて比較的低温、短時間の接合条件でセラミックス基板と金属板とを強固に接合することができ、低エネルギー化を図ることができる。また、比較的低温で接合することができることで、第二の金属板とヒートシンクとの接合と同時に実施することが可能であり、同時実施とすることでさらに低エネルギー化を図ることができる。また、比較的低温の条件で接合することで、冷却後の熱収縮を最小限とすることができ、反りの発生を抑えることができるとともに、加熱時におけるろうの漏れ出しを抑えて、ろうしみやろう瘤による製品不良の発生を抑えることができる。
【００１８】
ここで、前記第一の積層工程と前記第二の積層工程、前記第一の溶融工程と前記第二の溶融工程、及び、前記第一の凝固工程と前記第二の凝固工程のそれぞれを同時に行うことが好ましい。
この場合、積層、溶融、凝固の各工程を１回実施すれば良くなるので、２回実施するのに比較して、エネルギーの消費を低く抑えることができる。また、繰り返し加熱、冷却を行わずに済むので、反りの低減も図ることができる。
【００１９】
また、前記Ｃｕ固着工程は、蒸着又はスパッタリングによって前記セラミックス基板の接合面及び前記第一のろう材の前記一面のうち少なくとも一方にＣｕを固着させるものとすることが好ましい。
この場合、蒸着又はスパッタリングによって、Ｃｕが前記セラミックス基板の接合面及び前記ろう材の表面の少なくとも一方に確実に固着され、セラミックス基板と金属板との接合界面にＣｕを確実に存在させることが可能となる。これにより、Ｃｕによって金属板の表面が活性化され、セラミックス基板と金属板とを強固に接合することが可能となる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、ヒートシンク付きパワーモジュール用基板及びこれを備えたパワーモジュールを、低エネルギーで製造可能であるとともに、反り、ろう付け不良の発生を最小限に抑えることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施形態であるヒートシンク付き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きパワーモジュール用基板の回路層及び金属層のＳｉ濃度分布及び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きパワーモジュール用基板の回路層及び金属層（金属板）とセラミックス基板との接合界面の模式図である。
【図４】本発明の第１の実施形態であるヒートシンク付き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における金属板とセラミックス基板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き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きパワーモジュール用基板の回路層及び金属層（金属板）とセラミックス基板との接合界面の模式図である。
【図８】比較実験に用いたヒートシンク付きパワーモジュール用基板を示す説明図である。
【図９】比較実験における反り計測の詳細を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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、金属層１３及びヒートシンク４を有するヒートシンク付きパワーモジュール用基板（以下、単にパワーモジュール用基板と称す）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。
【００２３】
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の表面（図１において上面）に積層された回路層１２と、セラミックス基板１１の裏面（図１において下面）に積層された金属層１３と、金属層１３に積層されたヒートシンク４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（図１の左右方向長さ）は、回路層１２及び金属層１３の幅より広く設定されている。
【００２４】
回路層１２は、セラミックス基板１１の表面に導電性を有する第一の金属板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）の圧延板からなる第一の金属板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。ここで、セラミックス基板１１と第一の金属板２２との接合には、融点降下元素であるＳｉを含有したＡｌ−Ｓｉ系のろう材を用いている。
【００２５】
金属層１３は、セラミックス基板１１の裏面に第二の金属板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）の圧延板からなる第二の金属板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。ここで、セラミックス基板１１と第二の金属板２３の接合には、第一の金属板２２との接合同様に融点降下元素であるＳｉを含有したＡｌ−Ｓｉ系のろう材を用いている。ここで、金属層１３の厚さとしては、回路層１２の厚さ以上に設定されていることが好ましい。
【００２６】
ヒートシンク４は、上記セラミックス基板１１、回路層１２及び金属層１３を冷却するためのものであり、金属層１３のセラミックス基板１１と接合される一面と反対側の他面と接合される天板部５と冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路６とを備えている。ヒートシンク４（天板部５）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。ここで、ヒートシンク４と第二の金属板２３との接合には、Ａｌ−Ｓｉ系やＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系など、Ａｌ系のろう材を用いている。
【００２７】
そして、図２に示すように、セラミックス基板１１と回路層１２（第一の金属板２２）及び金属層１３（第二の金属板２３）との接合界面３０の幅方向中央部（図１のＡ部）においては、回路層１２（第一の金属板２２）及び金属層１３（第二の金属板２３）にＳｉ，Ｃｕが固溶しており、接合界面３０から積層方向に離間するにしたがい漸次Ｓｉ，Ｃｕの濃度が低下する濃度傾斜層３３が形成されている。ここで、回路層１２及び金属層１３における濃度傾斜層３３の接合界面３０近傍（接合界面３０から５０μmの範囲内）のＳｉ濃度が０．０５〜１ｗｔ％，Ｃｕ濃度が０．０５〜４ｗｔ％の範囲内に設定されている。
なお、濃度傾斜層３３の接合界面３０近傍のＳｉ濃度及びＣｕ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、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）の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。
【００２８】
また、セラミックス基板１１と回路層１２（第一の金属板２２）及び金属層１３（第二の金属板２３）との接合界面３０の幅方向端部（図１のＢ部）においては、アルミニウムの母相中にＣｕを含む化合物が析出したＣｕ析出部３５が形成されている。ここで、このＣｕ析出部３５におけるＣｕ濃度は、０．５〜５．０ｗｔ％の範囲内に設定されており、アルミニウム中の固溶量を大幅に超えるＣｕが含有されている。
なお、Ｃｕ析出部３５のＣｕ濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）で５点測定した平均値である。
【００２９】
また、セラミックス基板１１と回路層１２（第一の金属板２２）及び金属層１３（第二の金属板２３）との接合界面３０を透過電子顕微鏡において観察した場合には、図３に示すように、接合界面３０にＳｉが濃縮したＳｉ高濃度部３２が形成されている。このＳｉ高濃度部３２においては、Ｓｉ濃度が、回路層１２（第一の金属板２２）及び金属層１３（第二の金属板２３）中のＳｉ濃度よりも５倍以上高くなっている。なお、このＳｉ高濃度部３２の厚さＨは４ｎｍ以下とされている。
ここで、観察する接合界面３０は、図３に示すように、回路層１２（第一の金属板２２）及び金属層１３（第二の金属板２３）の格子像の界面側端部とセラミックス基板１１の格子像の界面側端部との間の中央を基準面Ｓとする。
【００３０】
このようなパワーモジュール用基板１０は、以下のようにして製造される。
図４に示すように、ＡｌＮからなるセラミックス基板１１の両面に、スパッタリングによってＣｕが固着される（Ｃｕ固着工程）。
そして、セラミックス基板１１の表面に、回路層１２となる第一の金属板２２（４Ｎアルミニウムの圧延板）が、厚さ１５〜３０μｍ（本実施形態では２０μｍ）の第一のろう材箔２４を介して積層され、セラミックス基板１１の裏面に金属層１３となる第二の金属板２３（４Ｎアルミニウムの圧延板）が同様に厚さ１５〜３０μｍ（本実施形態では２０μｍ）の第一のろう材箔２４を介して積層される（第一の積層工程）。さらに、金属層１３となる第二の金属板２３のセラミック基板１１が積層された一面と反対側の他面に、ヒートシンク４が、厚さ１５〜３０μｍ（本実施形態では２０μｍ）の第二のろう材箔２５を介して積層される（第二の積層工程）。以上のようにして、第一の金属板２２、第一のろう材箔２４、セラミックス基板１１、第一のろう材箔２４、第二の金属板２３、第二のろう材箔２５、及びヒートシンク４によって構成される積層体２０が形成される。ここで、第一のろう材箔２４としては、上記のとおりＡｌ−Ｓｉ系が選択される。また、第二のろう材箔２５としては、上記のとおりＡｌ系が選択される。
【００３１】
そして、この積層体２０をその積層方向に加圧（圧力１〜３ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空炉内に装入して、例えばハロゲンヒータを利用して加熱し、第一のろう材箔２４を溶融し（第一の溶融工程）、また、第二のろう材箔２５を溶融する（第二の溶融工程）。ここで真空炉内の真空度は、１０−３Ｐａ〜１０−５Ｐａとされている。また、上記のとおり、セラミックス基板１１と第一の金属板２２及び第二の金属板２３のそれぞれとの接合界面にＣｕが確実に添加され、このＣｕによって第一の金属板２２及び第二の金属板２３のそれぞれの表面が活性化され、一般的なＡｌ−Ｓｉ系のろう材を用いて、第二の金属板２３とヒートシンク４とを接合可能な比較的低温の接合温度でセラミックス基板１１と、第一の金属板２２及び第二の金属板２３とを接合することが可能である。このため、積層体２０全体を、第二の金属板２３とヒートシンク４とを接合可能な温度まで加熱することによって、第一、第二の溶融工程が同時に実施され、図５に示すように、回路層１２及び金属層１３となる第一の金属板２２及び第二の金属板２３の一部と、第一のろう材箔２４とが溶融し、セラミックス基板１１の両面に第一の溶融アルミニウム層２６が形成され、また、第二の金属板２３及びヒートシンク４の一部と、第二のろう材箔２５とが溶融し、第二の金属板２３とヒートシンク４との間に第二の溶融アルミニウム層２７が形成される。
次に、積層体２０を冷却することによって第一の溶融アルミニウム層２６を凝固させ（第一の凝固工程）、また、第二の溶融アルミニウム層２７を凝固させる（第二の凝固工程）。このようにして、回路層１２及び金属層１３となる第一の金属板２２及び第二の金属板２３のそれぞれとセラミックス基板１１とが接合され、また、金属層１３となる第二の金属板２３とヒートシンク４とが接合され、本実施形態であるヒートシンク付きパワーモジュール用基板１０が製造される。
【００３２】
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きパワーモジュール用基板１０及びパワーモジュール１においては、セラミックス基板１１と回路層１２（第一の金属板２２）及び金属層１３（第二の金属板２３）とが、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材を用いて接合されるとともに、回路層１２（第一の金属板２２）及び金属層１３（第二の金属板２３）とセラミックス基板１１の接合界面３０にＣｕが添加されている。このため、接合界面３０に存在するＣｕとＡｌとが溶融反応し、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（第一の金属板２２）及び金属層１３（第二の金属板２３）とを強固に接合でき、低エネルギーでの接合を可能とするとともに、接合信頼性を大幅に向上させることができる。また、比較的低温で接合することができることで、上記のとおり第一の積層工程と第二の積層工程、第一の溶融工程と第二の溶融工程、及び、第一の凝固工程と第二の凝固工程を、それぞれ同時に実施することが可能であり、同時実施とすることでさらなる低エネルギー化を図ることができる。また、比較的低温の条件で接合することで、第一の凝固工程及び第二の凝固工程による冷却後のパワーモジュール用基板１０の各層の熱収縮を最小限とすることができ、反りの発生を抑えることができるとともに、第一の溶融工程及び第二の溶融工程での加熱時におけるろう材の漏れ出しを抑えて、ろうしみやろう瘤による製品不良の発生を抑えることができる。なお、第一の溶融工程と第二の溶融工程とを同時に実施する場合には、ヒートシンクの接合も真空雰囲気中で実施する必要があるが、ハロゲンヒータによる輻射熱を利用した加熱とすることで、効率良く加熱して生産性の向上を図ることができる。また、金属層１３（第二の金属板２３）の厚さが、回路層１２（第一の金属板２２）の厚さ以上に設定されていることで、ヒートシンク４が設けられている側の剛性を、反対側となる回路層１２が設けられている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。
【００３３】
また、セラミックス基板１１と回路層１２（第一の金属板２２）及び金属層１３（第二の金属板２３）との接合界面３０の幅方向中央部（図１のＡ部）においては、回路層１２（第一の金属板２２）及び金属層１３（第二の金属板２３）にＳｉ，Ｃｕが固溶しており、接合界面３０から積層方向に離間するにしたがい漸次Ｓｉ，Ｃｕの濃度が低下する濃度傾斜層３３が形成されており、この濃度傾斜層３３の接合界面３０近傍（接合界面３０から５０μmの範囲内）のＣｕ濃度が０．０５〜４ｗｔ％の範囲内に設定されているので、回路層１２（第一の金属板２２）及び金属層１３（第二の金属板２３）の接合界面３０側の部分が固溶強化し、回路層１２（第一の金属板２２）及び金属層１３（第二の金属板２３）における破断の発生を防止することができる。
また、この濃度傾斜層３３の接合界面３０近傍（接合界面３０から５０μmの範囲内）のＳｉ濃度が０．０５〜１ｗｔ％の範囲内に設定されているので、Ｓｉが十分に回路層１２（第一の金属板２２）及び金属層１３（第二の金属板２３）中に拡散しており、第一のろう材箔２４が確実に溶融して凝固されることでセラミックス基板１１と回路層１２（第一の金属板２２）及び金属層１３（第二の金属板２３）とを強固に接合することができる。
【００３４】
さらに、セラミックス基板１１の幅（図１の左右方向長さ）が回路層１２（第一の金属板２２）及び金属層１３（第二の金属板２３）の幅よりも広く設定され、回路層１２（第一の金属板２２）及び金属層１３（第二の金属板２３）の幅方向端部に、Ｃｕを含む化合物がアルミニウム中に析出したＣｕ析出部３５が形成されているので、回路層１２（第一の金属板２２）及び金属層１３（第二の金属板２３）の幅方向端部が析出強化することになる。これにより、回路層１２（第一の金属板２２）及び金属層１３（第二の金属板２３）の幅方向端部からの破断の発生を防止することができる。
【００３５】
また、本実施形態では、セラミックス基板１１がＡｌＮで構成されており、第一の金属板２２、２３とセラミックス基板１１との接合界面３０に、Ｓｉ濃度が、回路層１２（第一の金属板２２）及び金属層１３（第二の金属板２３）中のＳｉ濃度の５倍以上とされたＳｉ高濃度部３２が形成されているので、接合界面３０に存在するＳｉによってセラミックス基板１１と第一の金属板２２、２３との接合強度の向上を図ることができる。
【００３６】
次に、本発明の第２の実施形態について図６及び図７を参照して説明する。なお、第１の実施形態と同一の部材には同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
この第２の実施形態であるパワーモジュール用基板１１０においては、セラミックス基板１１１がＳｉ３Ｎ４で構成されている点が第１の実施形態と異なっている。
【００３７】
ここで、セラミックス基板１１１と回路層１２（第一の金属板２２）及び金属層１３（第二の金属板２３）との接合界面３０を透過電子顕微鏡において観察した場合には、図７に示すように、接合界面３０に酸素が濃縮した酸素高濃度部１３２が形成されている。この酸素高濃度部１３２においては、酸素濃度が、回路層１２（第一の金属板２２）及び金属層１３（第二の金属板２３）中の酸素濃度よりも高くなっている。なお、この酸素高濃度部１３２の厚さＨは４ｎｍ以下とされている。
なお、ここで観察する接合界面３０は、図７に示すように、回路層１２（第一の金属板２２）及び金属層１３（第二の金属板２３）の格子像の界面側端部とセラミックス基板１１１の格子像の接合界面側端部との間の中央を基準面Ｓとする。
【００３８】
以上のような構成とされた第２の本実施形態であるパワーモジュール用基板１１０においては、回路層１２及び金属層１３となる第一の金属板２２及び第二の金属板２３とセラミックス基板１１１との接合界面３０に、酸素濃度が回路層１２及び金属層１３を構成する第一の金属板２２及び第二の金属板２３中の酸素濃度よりも高くされた酸素高濃度部１３２が生成されているので、この酸素によってセラミックス基板１１１と第一の金属板２２、２３との接合強度の向上を図ることができる。
また、この酸素高濃度部１３２の厚さが４ｎｍ以下とされているので、熱サイクルを負荷した際の応力によって酸素高濃度部１３２にクラックが発生することが抑制される。
【００３９】
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。
【００４０】
また、ヒートシンクをアルミニウムで構成したものとして説明したが、アルミニウム合金、又はアルミニウムを含む複合材等で構成されていてもよい。さらに、ヒートシンクとして冷却媒体の流路を有するもので説明したが、ヒートシンクの構造に特に限定はない。
【００４１】
また、第１の実施形態において、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、Ａｌ２Ｏ３等の他のセラミックスで構成されていてもよい。
【００４２】
また、セラミックス基板の表面にＣｕを固着させるＣｕ固着工程を有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、第一のろう材箔の表面にＣｕを固着させてもよい。また、スパッタでなく蒸着やメッキ等でＣｕを固着させてもよい。さらには、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材中にＣｕを添加してもよい。
【実施例１】
【００４３】
本発明の有効性を確認するために行った比較実験について説明する。
図８に示すように、実施例及び比較例においては、厚さ０．６３５ｍｍのＡｌＮからなるセラミックス基板１１と、厚さ０．６ｍｍの４Ｎアルミニウムからなる回路層１２と、４Ｎアルミニウムからなる金属層１３と、厚さ５ｍｍのアルミニウム合金（Ａ６０６３）からなる天板部５とを共通に有している。なお、セラミックス基板１１の外形は、正方形で、縦、横３２ｍｍである。また、ヒートシンク４に相当する天板部５の外形は、長方形で縦５０ｍｍ、横７０ｍｍである。また、回路層１２の厚さが０．６ｍｍであるのに対して、金属層１３の厚さとしては、実施例、比較例とも、厚さを１．０ｍｍ、１．５ｍｍ、２．０ｍｍとした。
【００４４】
実施例では、セラミックス基板１１の表面にＣｕをスパッタリングによって固着させた後に、回路層１２及び金属層１３となる第一の金属板２２及び第二の金属板２３を第一のろう材２４となるＡｌ−Ｓｉ系ろう材（Ａｌ−７．５％Ｓｉ）を用いて接合するとともに、ヒートシンク４を第二のろう材２５となるＡｌ−Ｓｉ系ろう材（Ａｌ−１０．５％Ｓｉ）を用いて接合した。第一のろう材２４及び第二のろう材２５はともに厚さが２０μｍ〜３０μｍの範囲のものを使用した。また、溶融時における接合温度は６００〜６１５度、接合圧力は２〜４ｋｇ／ｃｍ２であった。そして、凝固後における接合界面部分におけるＳｉ濃度は０．０５〜１ｗｔ％、Ｃｕ濃度が０．０５〜４ｗｔ％であった。
【００４５】
比較例では、Ｃｕを接合界面に添加せず、それ故にセラミックス基板１１と回路層１２及び金属層１３との接合温度が天板部５を形成するアルミニウム合金（Ａ６０６３）の融点より高くなることから、セラミックス基板１１と回路層１２及び金属層１３との接合（接合温度６５０度）と、金属層１３と天板部５との接合（接合温度６００〜６１５度）とを別々に実施した。使用するろう材、各接合時の接合圧力は、実施例と同じである。
【００４６】
そして、製造後の実施例及び比較例のパワーモジュール用基板１０の反りを計測した。図９に示すように、反りの計測は、接触式形状測定器を使用し、セラミックス基板１１上、及び、天板部５上の双方で、図示する測定線Ｘ、Ｙに沿って行った。また、計測は、パワーモジュール用基板１１を製造完了した直後、回路層１２の半導体素子を搭載する表面にはんだ付けを行った後、さらに、冷熱サイクルを１０００サイクル実施した後と、３回行った。計測結果を表１に示す。
【００４７】
【表１】
2010258420.tif 000003
【００４８】
表１に示すように、全体として、接合界面にＣｕを添加し、セラミックス基板１１と第一の金属板２２及び第二の金属板２３の接合、並びに、第二の金属板２３と天板部５との接合を同時に実施した実施例Ａ、Ｂ、Ｃの方が、比較例Ａ、Ｂ、Ｃと比較して反りが小さくなることが確認された。また、第二の金属板２３の厚さが厚いほど、反りが小さくなることが確認された。
【実施例２】
【００４９】
次に、上記実施例Ａと、比較例Ａのそれぞれについて、ろうしみ面積率を測定した。ここで、実施例Ａでは、接合温度を６１０、６１５、６２０℃と３種類として、それぞれでパワーモジュール用基板１０を製造し、ろうしみ面積率を測定した。また、比較例Ａでは、セラミックス基板１１と第一の金属板２２及び第二の金属板２３とを接合する際の接合温度を６４５、６４８、６５０℃と３種類として、それぞれでパワーモジュール用基板１０を製造し、ろうしみ面積率を測定した。なお、ろうしみ面積率の測定は、製造したパワーモジュール用基板１０を回路層１２側から平面視して撮影して画像を取得し、該画像を２値化処理してろうしみに相当する範囲の面積を画像上にて測定することによって行われ、ろうしみ面積にはろう瘤も含まれている。計測結果を表２に示す。
【００５０】
【表２】
2010258420.tif 000004
【００５１】
表２に示すように、全体として、接合温度を低くできる実施例Ａでは、比較して高い比較例Ａに比してろうしみ面積率を抑えることができることが確認された。また、同様の実施例Ａにおいても、接合温度を低くすることで、ろうしみ面積率をさらに抑えることができることが確認された。
【実施例３】
【００５２】
次に、金属層１３の厚さを回路層１２の厚さと同じ０．６ｍｍｍとした以外、上記実施例Ａ及び比較例Ａと同じ条件で製造した実施例Ｄ及び比較例Ｄを用いて接合信頼性の評価を行った。接合信頼性の評価としては、熱サイクル（−４５℃−１２５℃）を繰り返した後の接合率を比較した。評価結果を表３に示す。
【００５３】
【表３】
2010258420.tif 000005
【００５４】
接合界面にＣｕが添加されておらず、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材を用いて接合された比較例Ｄにおいては、熱サイクルを１０００回負荷した時点では接合率が１００％近くであったが２０００回負荷した時点では接合率の低下が認められ、３０００回負荷した時点では９１．５％まで低下している。
一方、接合界面に、Ｃｕが添加された実施例Ｄにおいては、２０００回負荷しても接合率は低下せず、３０００回負荷後でも接合率は９９．２％であった。
この確認実験により、本発明によれば、接合界面にＣｕを添加することによって、熱サイクル信頼性が向上することが確認された。
【実施例４】
【００５５】
実施例Ｅ−Ｇ及び比較例Ｅ、Ｆにおいては、厚さ０．６３５ｍｍのＡｌＮからなるセラミックス基板１１と、厚さ０．６ｍｍの４Ｎアルミニウムからなる回路層１２と、厚さ０．６ｍｍの４Ｎアルミニウムからなる金属層１３と、厚さ５ｍｍのアルミニウム合金（Ａ６０６３）からなる天板部５とを共通に有している。なお、セラミックス基板１１の外形は、正方形で、縦、横３２ｍｍである。また、ヒートシンク４に相当する天板部５の外形は、長方形で縦５０ｍｍ、横７０ｍｍである。
【００５６】
実施例Ｅ−Ｇ及び比較例Ｅ、Ｆでは、セラミックス基板１１の表面にＣｕをスパッタリングによって固着させた後に、回路層１２及び金属層１３となる第一の金属板２２及び第二の金属板２３を第一のろう材２４となるＡｌ−Ｓｉ系ろう材（Ａｌ−７．５％Ｓｉ）を用いて接合するとともに、ヒートシンク４を第二のろう材２５となるＡｌ−Ｓｉ系ろう材（Ａｌ−１０．５％Ｓｉ）を用いて接合した。なお、溶融時における接合温度は６００〜６１５度、接合圧力は２〜４ｋｇ／ｃｍ２であった。
【００５７】
ここで、Ｃｕの固着量、及び、第一のろう材２４及び第二のろう材２５の厚さを変更することで、接合界面近傍（接合界面から５０μｍ）におけるＣｕ濃度及びＳｉ濃度を調整した。
これらの試験片を用いて、接合信頼性の評価を行った。接合信頼性の評価としては、熱サイクル（−４５℃−１２５℃）を繰り返した後の接合率を比較した。評価結果を表４に示す。なお、接合率は、以下の式で算出した。ここで、初期接合面積とは、接合前における接合すべき面積のこととした。
接合率  ＝  （初期接合面積−剥離面積）／初期接合面積
【００５８】
【表４】
2010258420.tif 000006
【００５９】
表４に示すように、接合界面近傍（接合界面から５０μｍ）におけるＣｕ濃度が０．０５ｗｔ％未満及びＳｉ濃度が０．０５ｗｔ％未満の比較例Ｅ、あるいは、接合界面近傍（接合界面から５０μｍ）におけるＣｕ濃度が４ｗｔ％超及びＳｉ濃度が１ｗｔ％超の比較例Ｆにおいては、接合率が６９％未満であり、接合信頼性に劣ることが確認された。
これに対して、接合界面近傍（接合界面から５０μｍ）におけるＣｕ濃度が０．０５ｗｔ％以上４ｗｔ％以下、及び、Ｓｉ濃度が０．０５ｗｔ％以上１ｗｔ％以下、とされた本発明例Ｅ，Ｆ，Ｇにおいては、接合率が７０％以上であり、接合信頼性が向上することが確認された。
【符号の説明】
【００６０】
１，１０１  パワーモジュール
２  半導体チップ（電子部品）
１０，１１０  パワーモジュール用基板
１１、１１１  セラミックス基板
１２  回路層
１３  金属層
２２  第一の金属板
２３  第二の金属板
２４  第一のろう材箔（第一のろう材）
２５  第二のろう材箔（第二のろう材）
２６  第一の溶融アルミニウム層
２７  第二の溶融アルミニウム層
３０  接合界面
３２  Ｓｉ高濃度部
１３２  酸素高濃度部
【図１】
2010258420.tif 000007
【図２】
2010258420.tif 000008
【図３】
2010258420.tif 000009
【図４】
2010258420.tif 000010
【図５】
2010258420.tif 000011
【図６】
2010258420.tif 000012
【図７】
2010258420.tif 000013
【図８】
2010258420.tif 000014
【図９】
2010258420.tif 000015