(57)【要約】【課題】金属板とセラミックス基板とが確実に接合され、熱サイクル信頼性の高いパワーモジュール用基板、このパワーモジュール基板を備えたパワーモジュール及びこの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の表面に、アルミニウムからなる金属板１２、１３が積層されて接合されたパワーモジュール用基板であって、金属板１２，１３とセラミックス基板１１とがＳｉを含有するろう材を用いて接合されるとともに、金属板１２、１３とセラミックス基板１１の接合界面３０にＣｕが添加されており、金属板１２、１３には、Ｓｉ及びＣｕが固溶しており、接合界面３０側部分におけるＳｉ濃度が０．０５〜０．５ｗｔ％，Ｃｕ濃度が０．０５〜１．０ｗｔ％の範囲内に設定されていることを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板の表面に、アルミニウムからなる金属板が積層されて接合されたパワーモジュール用基板であって、
前記金属板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、前記金属板と前記セラミックス基板の接合界面にＣｕが添加されており、
前記金属板には、Ｓｉ及びＣｕが固溶しており、前記接合界面側部分におけるＳｉ濃度が０．０５〜０．５ｗｔ％，Ｃｕ濃度が０．０５〜１．０ｗｔ％の範囲内に設定されていることを特徴とするパワーモジュール用基板。
【請求項２】
前記セラミックス基板の幅が前記金属板の幅よりも広く設定されており、前記金属板の幅方向端部においては、アルミニウム中にＳｉ，Ｃｕが固溶されたアルミニウム相と、Ｓｉの含有率が９８ｗｔ％以上とされたＳｉ相と、ＡｌとＣｕとＳｉの３元共晶組織からなる共晶相と、が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項３】
前記共晶相においては、Ｃｕを含む化合物からなる析出粒子が析出していることを特徴とする請求項２に記載の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、前記金属板と前記セラミックス基板との接合界面に、Ｓｉ濃度が前記金属板中の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、前記金属板と前記セラミックス基板との接合界面に、酸素濃度が前記金属板中及び前記セラミックス基板中の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パワーモジュール用基板と、該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】
セラミックス基板の表面に、アルミニウムからなる金属板が積層されて接合された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金属板との間にＳｉを含有するろう材を介装させて積層させる積層工程と、積層された前記セラミックス基板と前記金属板を加圧した状態で加熱し、前記ろう材を溶融させてセラミックス基板及び金属板の界面に溶融アルミニウム層を形成する溶融工程と、前記溶融アルミニウム層を凝固させる凝固工程と、を有し、
前記積層工程の前に、前記セラミックス基板の接合面及び前記ろう材のセラミックス基板側の表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パワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項８】
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ろう材のセラミックス基板側の表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６に記載の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】
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パワーモジュール用基板、このパワーモジュール基板を備えたパワーモジュール及びこのパワーモジュール用基板の製造方法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）からなるセラミックス基板上にＡｌ（アルミニウム）の金属板がＡｌ−Ｓｉ系のろう材を介して接合されたパワーモジュール用基板が用いられる。
また、この金属板は回路層として形成され、その金属板の上には、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。
なお、セラミックス基板の下面にも放熱のためにＡｌ等の金属板が接合されて金属層とされ、この金属層を介して放熱板上にパワーモジュール用基板全体が接合されたものが提案されている。
【０００３】
従来、前記回路層及び前記金属層としての金属板とセラミックス基板との良好な接合強度を得るため、例えば下記特許文献１に、セラミックス基板の表面粗さを０．５μｍ未満にしている技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平３−２３４０４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、金属板をセラミックス基板に接合する場合、単にセラミックス基板の表面粗さを低減しても十分に高い接合強度が得られず、信頼性の向上が図れないという不都合があった。例えば、セラミックス基板の表面に対して、乾式でＡｌ２Ｏ３粒子によるホーニング処理を行い、表面粗さをＲａ＝０．２μｍにしても、剥離試験で界面剥離が生じてしまう場合があることが分かった。また、研磨法により表面粗さをＲａ＝０．１μｍ以下にしても、やはり同様に界面剥離が生じてしまう場合があった。
【０００６】
特に、最近では、パワーモジュールの小型化・薄肉化が進められるとともに、その使用環境も厳しくなってきており、電子部品からの発熱量が大きくなる傾向にあり、前述のように放熱板上にパワーモジュール用基板を配設する必要がある。この場合、パワーモジュール用基板が放熱板によって拘束されるために、熱サイクル負荷時に、金属板とセラミックス基板との接合界面に大きなせん断力が作用することになるため、さらなる接合強度の向上及び信頼性の向上が求められている。
【０００７】
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、金属板とセラミックス基板とが確実に接合され、熱サイクル信頼性の高いパワーモジュール用基板、このパワーモジュール基板を備えたパワーモジュール及びこのパワーモジュール用基板の製造方法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】
【０００８】
このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明のパワーモジュール用基板は、セラミックス基板の表面に、アルミニウムからなる金属板が積層されて接合されたパワーモジュール用基板であって、前記金属板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、前記金属板と前記セラミックス基板の接合界面にＣｕが添加されており、前記金属板には、Ｓｉ及びＣｕが固溶しており、前記接合界面側部分におけるＳｉ濃度が０．０５〜０．５ｗｔ％，Ｃｕ濃度が０．０５〜１．０ｗｔ％の範囲内に設定されていることを特徴としている。
【０００９】
この構成の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金属板とがＳｉを含有するろう材を用いて接合されるとともに、前記金属板と前記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金属板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接合しても、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。
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。
【００１０】
また、前記金属板にＣｕが固溶しており、接合界面側部分のＣｕ濃度が、０．０５〜１．０ｗｔ％の範囲内に設定されているので、金属板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金属板とがＳｉを含有するろう材を用いて接合されており、前記金属板にＳｉが固溶し、接合界面側部分のＳｉ濃度が、０．０５〜０．５ｗｔ％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金属板とが強固に接合される。
【００１１】
また、前記セラミックス基板の幅が前記金属板の幅よりも広く設定されており、前記金属板の幅方向端部においては、アルミニウム中にＳｉ，Ｃｕが固溶されたアルミニウム相と、Ｓｉの含有率が９８ｗｔ％以上とされたＳｉ相と、ＡｌとＣｕとＳｉの３元共晶組織からなる共晶相と、が形成されていることが好ましい。
この場合、金属板の幅方向端部に、アルミニウム中にＳｉ，Ｃｕが固溶されたアルミニウム相以外に、Ｓｉの含有率が９８ｗｔ％以上とされたＳｉ相と、ＡｌとＣｕとＳｉの３元共晶組織からなる共晶相が形成されているので、金属板の幅方向端部を強化することが可能となる。
【００１２】
さらに、前記共晶相においては、Ｃｕを含む化合物からなる析出粒子が析出していることが好ましい。
この場合、金属板の幅方向端部に形成された共晶相において、Ｃｕを含む化合物からなる析出粒子が析出しているので、金属板の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、金属板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。
【００１３】
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、前記金属板と前記セラミックス基板との接合界面に、Ｓｉ濃度が前記金属板中の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、前記金属板と前記セラミックス基板との接合界面に、Ｓｉ濃度が前記金属板中の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金属板との接合強度が向上することになる。なお、ここで、金属板中のＳｉ濃度とは、金属板のうち接合界面から一定距離（例えば、５０ｎｍ以上）離れた部分におけるＳｉ濃度である。
【００１４】
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（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（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濃度が前記金属板中の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。
【００１５】
また、前記セラミックス基板がＳｉ３Ｎ４で構成されており、前記金属板と前記セラミックス基板との接合界面に、酸素濃度が前記金属板中及び前記セラミックス基板中の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金属板との接合界面に、酸素濃度が前記金属板中及び前記セラミックス基板中の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金属板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、金属板中及びセラミックス基板中の酸素濃度とは、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、５０ｎｍ以上）離れた部分における酸素濃度である。
【００１６】
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金属板とを強固に接合することが可能となる。
【００１７】
本発明のパワーモジュールは、前述のパワーモジュール用基板と、該パワーモジュール用基板上に搭載された電子部品と、を備える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、セラミックス基板と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、その信頼性を飛躍的に向上させることができる。
【００１８】
また、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板の表面に、アルミニウムからなる金属板が積層されて接合された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金属板との間にＳｉを含有するろう材を介装させて積層させる積層工程と、積層された前記セラミックス基板と前記金属板を加圧した状態で加熱し、前記ろう材を溶融させてセラミックス基板及び金属板の界面に溶融アルミニウム層を形成する溶融工程と、前記溶融アルミニウム層を凝固させる凝固工程と、を有し、  前記積層工程の前に、前記セラミックス基板の接合面及び前記ろう材のセラミックス基板側の表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。
【００１９】
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、前記セラミックス基板と前記金属板との間にＳｉを含有するろう材を介装させて積層させる積層工程の前に、前記セラミックス基板の接合面及び前記ろう材のセラミックス基板側の表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ので、前記セラミックス基板と前記金属板との接合界面にＣｕが確実に添加され、このＣｕによって金属板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接合しても、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。
【００２０】
ここで、前記Ｃｕ固着工程を、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ろう材の表面の少なくとも一方に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】
【００２１】
本発明によれば、金属板とセラミックス基板とが確実に接合され、熱サイクル信頼性の高いパワーモジュール用基板、このパワーモジュール基板を備えたパワーモジュール及びこのパワーモジュール用基板の製造方法を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】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幅方向端部を示す説明図である。
【図４】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５】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の製造方法を示す説明図である。
【図６】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７】本発明の第２の実施形態である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８】本発明の第２の実施形態である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９】比較実験に用いたパワーモジュール用基板を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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４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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。ここで、セラミックス基板１１と金属板２２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。
【００２６】
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。ここで、セラミックス基板１１と金属板２３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。
【００２７】
ヒートシンク４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。
また、本実施形態においては、ヒートシンク４の天板部５と金属層１３との間には、アルミニウム又はアルミニウム合金若しくはアルミニウムを含む複合材（例えばＡｌＳｉＣ等）からなる緩衝層１５が設けられている。
【００２８】
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（金属板２２）及び金属層１３（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（金属板２２）及び金属層１３（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、この濃度傾斜層３３の接合界面３０側のＳｉ濃度が０．０５〜０．５ｗｔ％，Ｃｕ濃度が０．０５〜１．０ｗｔ％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側のＳｉ濃度及びＣｕ濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）で、接合界面３０から５０μｍまでの範囲内を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（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）との接合界面３０の幅方向端部３５（図１のＢ部）においては、図３に示すように、アルミニウム中にＳｉ，Ｃｕが固溶したアルミニウム相４１と、Ｓｉの含有率が９８ｗｔ％以上とされたＳｉ相４２と、ＡｌとＣｕとＳｉの３元共晶組織からなる共晶相４３と、が形成されている。また、共晶相４３内においては、Ｃｕを含む化合物（例えばＣｕＡｌ２）からなる析出物粒子が析出している。
【００３０】
また、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４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（金属板２２）及び金属層１３（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４に示すように、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（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。
【００３１】
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。
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、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となる金属板２２（４Ｎアルミニウムの圧延板）が、厚さ１０〜３０μｍ（本実施形態では２０μｍ）のろう材箔２４を介して積層され、セラミックス基板１１の他方の面に金属層１３となる金属板２３（４Ｎアルミニウムの圧延板）が厚さ１０〜３０μｍ（本実施形態では２０μｍ）のろう材箔２５を介して積層される（積層工程）。
【００３２】
このようにして形成された積層体２０をその積層方向に加圧（圧力１〜５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空炉内に装入して加熱し、ろう材箔２４、２５を溶融する（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。この溶融工程によって、図６に示すように、回路層１２及び金属層１３となる金属板２２、２３の一部とろう材箔２４、２５とが溶融し、セラミックス基板１１の表面に溶融アルミニウム層２６、２７が形成される。
次に、積層体２０を冷却することによって溶融アルミニウム層２６、２７を凝固させる（凝固工程）。
このようにして、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、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０が製造される。
【００３３】
以上のような構成とされた本実施形態である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（金属板２２）及び金属層１３（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（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）とセラミックス基板１１の接合界面３０にＣｕが添加されているので、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（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）とを強固に接合でき、接合信頼性を大幅に向上させることができる。
【００３４】
また、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（金属板２２）及び金属層１３（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側のＣｕ濃度が０．０５〜１．０ｗｔ％の範囲内に設定されているので、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）の接合界面３０側の部分が固溶強化し、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（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側のＳｉ濃度が０．０５〜０．５ｗｔ％の範囲内に設定されているので、Ｓｉが十分に回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）中に拡散しており、ろう材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（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できる。
【００３５】
さらに、セラミックス基板１１の幅が回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）の幅よりも広く設定され、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）の幅方向端部３５に、アルミニウム中にＳｉ，Ｃｕが固溶したアルミニウム相４１と、Ｓｉの含有率が９８ｗｔ％以上とされたＳｉ相４２と、ＡｌとＣｕとＳｉの３元共晶組織からなる共晶相４３と、が形成されているので、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）の幅方向端部３５の強度が向上することになる。さらに、共晶相４３内においては、Ｃｕを含む化合物（例えばＣｕＡｌ２）からなる析出物粒子が析出しているので、幅方向端部３５を析出強化することができる。
これにより、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）の幅方向端部３５からの破断の発生を防止することができる。
【００３６】
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、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（金属板２２）及び金属層１３（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と金属板２２、２３との接合強度の向上を図ることができる。
【００３７】
次に、本発明の第２の実施形態について図７及び図８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。
【００３８】
ここで、セラミックス基板１１１と回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（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８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（金属板２２）及び金属層１３（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８に示すように、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（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。
【００３９】
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となる金属板２２、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を構成する金属板２２、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。
【００４０】
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。
【００４１】
また、ヒートシンクの天板部と金属層との間に、アルミニウム又はアルミニウム合金若しくはアルミニウムを含む複合材（例えばＡｌＳｉＣ等）からなる緩衝層を設けたものとして説明したが、この緩衝層がなくてもよい。
さらに、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。
【００４２】
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。
【００４３】
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、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】
【００４４】
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９に示すように、比較例及び実施例１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、厚さ１．０ｍｍの４Ｎアルミニウムからなる緩衝層１５とを共通に有している。
【００４５】
実施例１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となる金属板をＡｌ−Ｓｉ系ろう材を用いて接合した。
比較例は、Ｃｕを接合界面に添加することなく、セラミックス基板１１と回路層１２及び金属層１３となる金属板をＡｌ−Ｓｉ系ろう材を用いて接合した。
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１に示す。
【００４６】
【表１】
2010016349.tif 000003
【００４７】
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１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２】
【００４８】
次に、パワーモジュール用基板における金属層の成分分析結果を示す。
厚さ０．６３５ｍｍのＡｌＮからなるセラミックス基板１１に、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とを接合し、パワーモジュール用基板を作製した。
ここで、実施例２−４は、Ａｌ―７．５ｗｔ％Ｓｉろう材の表面に１．５μｍ厚さのＣｕ層を形成し、このＡｌ―７．５ｗｔ％Ｓｉろう材を用いて、セラミックス基板１１に回路層１２と金属層１３とを接合した。なお、接合温度を６１０℃、６３０℃、６５０℃の３水準とした。
実施例５−７は、セラミックス基板１１の表面に１．５μｍ厚さのＣｕ層を形成し、Ａｌ―７．５ｗｔ％Ｓｉろう材を用いて、セラミックス基板１１に回路層１２と金属層１３とを接合した。なお、接合温度を６１０℃、６３０℃、６５０℃の３水準とした。
【００４９】
これら実施例２−７について、金属層とセラミックス基板との界面の幅方向中央部、前記界面の幅方向端部におけるＣｕ濃度及びＳｉ濃度をＥＰＭＡを用いて定量分析した。結果を表２に示す。
【００５０】
【表２】
2010016349.tif 000004
【００５１】
この定量分析の結果、セラミックス基板と金属板とを、Ｃｕ層を形成するとともにＡｌ−Ｓｉ系ろう材を用いて接合することにより、幅方向中央部においては、接合界面側部分におけるＳｉ濃度が０．０５〜０．５ｗｔ％，Ｃｕ濃度が０．０５〜１．０ｗｔ％の範囲内に設定されることが確認された。また、幅方向端部においては、Ｓｉ及びＣｕが高濃度に存在していることが確認された。
【符号の説明】
【００５２】
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、２３  金属板
２４、２５  ろう材箔（ろう材）
２６、２７  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】
2010016349.tif 000005
【図２】
2010016349.tif 000006
【図３】
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【図４】
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【図５】
2010016349.tif 000009
【図６】
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【図７】
2010016349.tif 000011
【図８】
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【図９】
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