(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板の少なくとも一方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属板をろう付けにより接合してなり、前記金属板の前記セラミックス基板とは反対面にフラックスを用いたろう付けによりヒートシンクが接合されるパワーモジュール用基板であって、
前記金属板の側縁から２００μｍの幅の領域内で前記金属板と前記セラミックス基板との接合界面から５μｍの深さの範囲内の前記金属板の断面を走査型電子顕微鏡により倍率３０００倍の視野で観察した際に、隣合う残留酸化物間の距離が１μｍ以下である連続残留酸化物であって前記接合界面に沿って２μｍ以上連続して存在する連続残留酸化物の合計長さが、前記視野の長さに対して７０％以下であることを特徴とするパワーモジュール用基板。
【請求項２】
セラミックス基板の少なくとも一方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属板をろう付けにより接合してパワーモジュール用基板を製造する方法であって、前記セラミックス基板と接合する前の金属板として、エッチング処理又はブラスト処理にて表面層を除去することにより、電子線マイクロアナライザを用いて加速電圧１０ｋV、電流１００ｍＡ、ビーム径１００μｍで測定した酸素カウント量から分析した酸素濃度が１．５質量％以下であり、厚さ方向のＸ線電子分光分析により測定した酸化物厚さが３５Å以下であるものを用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３】
前記金属板を前記セラミックス基板に接合する前に、前記金属板の表面層を１．３μｍ以上除去することを特徴とする請求項２記載の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に接合する前の金属板表面の算術平均粗さＲａが０．０５μｍ以上０．３０μｍ以下であることを特徴とする請求項３記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項５】
前記算術平均粗さＲａは、前記金属板の圧延方向の算術平均粗さとその直角方向の算術平均粗さとの差が０．１０μｍ以下であることを特徴とする請求項４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】
本発明は、大電流、高電圧を制御するパワーモジュールを構成するパワーモジュール用基板及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、大電流、高電圧を制御する半導体装置として、半導体チップ等の電子部品をパワーモジュール用基板上に搭載した構成のパワーモジュールが知られている。パワーモジュールを製造する方法として、例えば、特許文献１および特許文献２に記載された方法が知られている。これらの製造方法では、まずセラミックス基板の一方の面にろう材を介して回路層となる金属板を積層し、セラミックス基板の他方の面にろう材を介して放熱層となる金属板を積層して、これらを積層方向に加圧するとともに加熱し、セラミックス基板と各金属板とを接合し、パワーモジュール用基板を製造する。次いで、放熱層の、セラミックス基板が接合されている面とは反対側の面に、ろう材を介してヒートシンクの天板部を積層し、この積層方向に加圧するとともに加熱して放熱層とヒートシンクとを接合することにより、ヒートシンク付パワーモジュール用基板が製造される。
【０００３】
このヒートシンクとパワーモジュール用基板の金属板との間の接合方法としては、真空ろう付け、はんだ付け、ねじ止め、フラックスを用いたろう付け法などが適用される。
特許文献３では、ヒートシンクの天板とパワーモジュール用基板の金属板との接合方法として、フラックスを塗布したろう付け法が記載されている。このろう付け法は、フッ化物系のフラックスをろう材面に塗布してろう材面の酸化物を除去し、非酸化性雰囲気中で加熱して接合するろう付け法であり、高価な設備が不要で、比較的容易に安定したろう付けが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３１１５２７号公報
【特許文献２】特開２００２−００９２１２号公報
【特許文献３】特開２００９−１０５１６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このようなパワーモジュール用基板において、セラミックス基板と金属板とのろう付け接合部に微小なボイドが生じる場合があり、この微小ボイドが生じた状態でパワーモジュール用基板とヒートシンクとを接合すると、セラミックス基板と金属板との接合界面で剥離が生じるおそれがある。特に、特許文献３記載のようなフラックスを用いたろう付け法によりヒートシンクを接合する場合に顕著になる。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、接合部の微小ボイドを少なくして、剥離の発生を防止したパワーモジュール用基板及びそ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】
【０００７】
本発明者は、セラミックス基板と金属板との接合部に生じる微小ボイドの低減について鋭意研究した結果、セラミックス基板と接合する前の金属板表面に酸化物が付着している場合、この酸化物が接合部に残留することにより、酸化物に付属するように微小ボイドが発生することを見出した。したがって、この接合部に残留する酸化物を少なくすれば、微小ボイドも低減することができると考えた。ただし、この酸化物がセラミックス基板と金属板との接合部に分散し、わずかずつ点在するだけの状態である場合には剥離にまでは至らず、接合部の端部に特定の大きさで残留する酸化物があると、剥離の原因になることがわかった。そして、その接合部の端部に残留する酸化物は、セラミックス基板と金属板とのろう付け時に溶融したろう材とともに流動して端部に集まることにより生じ易くなることを見出した。
本発明は、かかる知見の下、以下の解決手段とした。
【０００８】
すなわち、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少なくとも一方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属板をろう付けにより接合してなり、前記金属板の前記セラミックス基板とは反対面にフラックスを用いたろう付けによりヒートシンクが接合されるパワーモジュール用基板であって、前記金属板の側縁から２００μｍの幅の領域内で前記金属板と前記セラミックス基板との接合界面から５μｍの深さの範囲内の前記金属板の断面を走査型電子顕微鏡により倍率３０００倍の視野で観察した際に、隣合う残留酸化物間の距離が１μｍ以下である連続残留酸化物であって前記接合界面に沿って２μｍ以上連続して存在する連続残留酸化物の合計長さが、前記視野の長さに対して７０％以下であることを特徴とする。
連続残留酸化物とは、接合界面に沿って存在する残留酸化物のうち、長さが２μｍ以上有するものとし、２μｍ以上の長さの残留酸化物が観察視野内に複数存在する場合は、それらの合計の長さが観察視野の長さの７０％以下とされる。長さが２μｍ未満の残留酸化物であっても、隣合う残留酸化物間の距離が１μｍ以下の場合は連続しているとみなす。
この接合部の端部に連続残留酸化物が７０％を超えて存在すると、その金属板とヒートシンクとの接合時にセラミックス基板と金属板との接合界面において、金属板の端部で剥離が生じるおそれがある。
【０００９】
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少なくとも一方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属板をろう付けにより接合してパワーモジュール用基板を製造する方法であって、前記セラミックス基板と接合する前の金属板として、エッチング処理又はブラスト処理にて表面層を除去することにより、電子線マイクロアナライザを用いて加速電圧１０ｋV、電流１００ｍＡ、ビーム径１００μｍで測定した酸素カウント量から分析した酸素濃度が１．５質量％以下であり、厚さ方向のＸ線電子分光分析により測定した酸化物厚さが３５Å以下であるものを用いることを特徴とする。
セラミックス基板と接合する前の金属板として、その酸素濃度及び酸化物厚さが上記測定値内のものを用いることにより、接合後の連続残留酸化物を低減して微小ボイドの発生を抑制することができる。
【００１０】
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法において、前記金属板を前記セラミックス基板に接合する前に、前記金属板の表面層を１．３μｍ以上除去することを特徴とする。
金属板の酸化物としては一般には金属板表面に形成される酸化膜が想定される。しかし、この酸化膜を単純に除去するだけでは接合部の残留酸化物は消滅しない。本発明者は、この酸化膜以外に付着する酸化物について調査研究したところ、金属板の圧延時の磨耗粉等が金属板表面に埋まり込んでおり、この磨耗粉等の酸化物が接合部に残留していることを見出した。この磨耗粉等は、金属板表面の酸化膜に比べて粗大であることから、これを除去するためには、表面層を１．３μｍ以上除去することが必要である。その除去方法としてはエッチング処理が好適であるが、ブラスト処理や、ブラスト処理とエッチング処理とを併用するものであってもよい。
【００１１】
本発明の製造方法において、前記セラミックス基板に接合する前の金属板表面の算術平均粗さＲａが０．０５μｍ以上０．３０μｍ以下であるとよい。
金属板の表面に生じる微細な凹凸により酸化物が分断されるとともに、ろう付け時に溶融したろう材も分断して接合面内を等方的に流動し、その結果、酸化物が特定の端部に集中することが抑制され、２μｍ以上連続して存在する連続残留酸化物を低減することができる。
本発明の製造方法において、前記算術平均粗さＲａは、前記金属板の圧延方向の算術平均粗さとその直角方向の算術平均粗さとの差が０．１０μｍ以下であるとよい。
金属板の表面状態がより等方的になるので、剥離の異方性が低減し、剥離率の低減効果をより向上させることができる。。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のパワーモジュール用基板及びその製造方法によれば、セラミックス基板と金属板との接合部内の微小ボイドを低減して、金属板の端部の剥離の発生を防止することができ、接合信頼性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係るパワーモジュールの全体構成を示す縦断面図である。
【図２】セラミックス基板と金属板との接合部の要部を模式化して示す拡大縦断面図である。
【図３】パワーモジュール用基板のろう付け時の積層状態を示す正面図である。
【図４】剥がれ長さを説明するための金属板の平面図である。
【図５】比較例６の接合部を示すＳＥＭ断面写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係るパワーモジュール用基板１０を用いたパワーモジュール１００を示している。このパワーモジュール１００は、パワーモジュール用基板１０と、パワーモジュール用基板１０の表面に搭載された半導体チップ等の電子部品２０と、この電子部品２０とは反対面でパワーモジュール用基板１０に接合されたヒートシンク３０とから構成される。
【００１５】
パワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板１１と、セラミックス基板１１の両面に積層された金属板１２，１３とを備える。このパワーモジュール用基板１０において、セラミックス基板１１の一方の表面に積層された金属板１２は回路層となり、その表面に電子部品２０がはんだ付けされる。また、他方の金属板１３は放熱層とされ、その表面にヒートシンク３０が取り付けられる。
【００１６】
セラミックス基板１１は、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）により形成され、その厚さは例えば６３５μｍである。
【００１７】
金属板１２，１３は、いずれも純度９９質量％以上のアルミニウムが用いられ、ＪＩＳ規格では、１０００番台のアルミニウム、特に１Ｎ９０（純度９９．９質量％以上：いわゆる３Ｎアルミニウム）または１Ｎ９９（純度９９．９９質量％以上：いわゆる４Ｎアルミニウム）を用いることができる。また、ＪＩＳ  Ａ３００３，Ａ６０６３などのアルミニウム合金を用いることもできる。金属板１２，１３は、例えば一辺が３０ｍｍの四角形平板状に設けられている。
【００１８】
このパワーモジュール用基板１０においては、放熱層となる金属板１３に熱サイクル時のセラミックス基板１１とヒートシンク３０との間の熱伸縮差に対する緩衝機能を持たせたるため、回路層となる金属板１２よりも肉厚に形成されたものを用いている。例えば、金属板１２の厚さは６００μｍ、金属板１３の厚さは１６００μｍである。また、放熱層となる金属板１３には、純度の高いアルミニウム（例えば１Ｎ９９）を用いるのが好ましい。
【００１９】
そして、これら金属板１２，１３とセラミックス基板１１とは、ろう付けにより接合されている。ろう材としては、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系またはＡｌ−Ｍｎ系等の合金が使用される。
この場合、金属板１２，１３とセラミックス基板１１との接合部は、金属板１２，１３の側縁から２００μｍの幅の領域内で金属板１３とセラミックス基板１１との接合界面から５μｍの深さの範囲内の金属板１２，１３の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により倍率３０００倍の視野で観察した際に、接合界面に沿って２μｍ以上連続して存在する連続残留酸化物の合計長さが、視野の長さに対して７０％以下とされる。
この連続残留酸化物とは、接合界面に沿って存在する残留酸化物のうち、長さが２μｍ以上有するものとし、２μｍ以上の長さの残留酸化物が観察視野内に複数存在する場合は、それらの合計の長さが観察視野の長さの７０％以下とされる。長さが２μｍ未満の残留酸化物であっても、隣合う残留酸化物間の距離が１μｍ以下の場合は連続しているとみなす。
【００２０】
図２に示すセラミックス基板１１と金属板１３との断面図により説明すると、セラミックス基板１１５と金属板１３との接合界面Ｔに沿って残留酸化物が存在する場合、２μｍ以上連続するものを連続残留酸化物Ｑとし、相互間隔が１μｍ以上離間して存在する酸化物を単独の酸化物Ｒとし、連続残留酸化物Ｑの長さのみを合計して連続残留酸化物の長さ（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３）とする。ＳＥＭによる観察視野の長さがＬである場合、連続残留酸化物の長さは観察視野の長さに対して（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３）／Ｌの比率（百分率）で存在していることになる。
【００２１】
ヒートシンク３０は、その形状等は特に限定されないが、熱伝導が良好な材質、例えばＡ３０００台のアルミニウム合金により形成され、冷却媒体（例えば冷却水）を流通させるための複数の流路３０ａが形成されている。このヒートシンク３０とパワーモジュール用基板１０の放熱層となる金属板１３とはろう付けにより接合され、ろう材としては、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系またはＡｌ−Ｍｎ系等の合金が用いられる。
【００２２】
なお、回路層となる金属板１２の表面にはＮｉ−Ｐ等のめっき層２１が形成され、そのめっき層の上に電子部品２０が接合される。この電子部品２０の接合には、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系，Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｓｂ系、Ｚｎ−Ａｌ系もしくはＰｂ−Ｓｎ系等のはんだ材が用いられる。図１中符号２２がそのはんだ接合層を示す。また、電子部品２０と金属板１２の端子部との間は、アルミニウムからなるボンディングワイヤ２３により接続される。
【００２３】
このパワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板１１と各金属板１２，１３を接合することにより形成され、その後で金属板１３にヒートシンク３０が接合される。具体的には、まず、金属板１２，１３を、シート材からプレス加工により形成する。この場合、回路層となる金属板１２は単にシート材から打ち抜くことにより形成される。一方、放熱層となる金属板１３は、シート材を打ち抜き加工される。
【００２４】
次に、両金属板１２，１３の表面をエッチング処理する。
エッチング液として５％ＮａＯＨ溶液を用い、液温を５０℃として金属板１２，１３を所定時間浸漬することによりエッチング処理する。処理時間は、金属板１２，１３の表面層を１．３μｍ以上除去できる時間とする。エッチング深さは、金属板１２，１３の処理前の重量と処理後の重量との差によりエッチング量を算出し、金属板１２，１３の比重及び面積との関係で求められる。
このエッチング処理により、金属板１２，１３の表面は、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）を用いて加速電圧１０ｋV、電流１００ｍＡ、ビーム径１００μｍで測定した酸素カウント量から分析した酸素濃度が１．５質量％以下であり、厚さ方向のＸ線電子分光分析（ＸＰＳ）により測定した酸化物厚さが３５Å以下となる。
Ｘ線電子分光分析の測定条件は、Ｘ線源の出力１００Ｗ、パスエネルギー２６ｅＶ、測定ステップ０．０５ｅＶ、分析領域としてビーム径１００μｍ×１．４ｍｍ、検出角度９０°であり、検出深さが８０Åとされる。そして、酸化物厚さは、このＸ線電子分光分析により得られたスペクトルから酸化物由来の酸化物ピークと母材の金属ピークとを波形分離し、これらのデータ解析により、金属ピークの面積比を次の（１）式に代入することにより得られる。
ｄ＝２．６８×ｌｎ（１／Ａ）×１０…（１）
ｄ：酸化物厚さ（Å）
Ａ：金属ピークの面積比
【００２５】
また、このエッチング処理を施した金属板１２，１３の表面は、算術平均粗さＲａで０．０５μｍ以上０．３０μｍ以下とされ、凹凸状に形成される。この場合、金属板１２，１３は圧延により形成されるが、その圧延方向の算術平均粗さとその直角方向の算術平均粗さとの差は０．１０μｍ以下とされ、圧延の際に生じる圧延筋等が除去され、表面粗さに方向性のない状態とされる。
【００２６】
次に、金属板１３の基板接合面１３ｂにろう材を介してセラミックス基板１１を積層し、このセラミックス基板１１の上にろう材を介して他方の金属板１２を積層する。この場合、ろう材は、金属板１２，１３をシート材からプレス加工により打ち抜く際にシート材にろう材箔を貼付しておき、このろう材箔ごと打ち抜くことにより、ろう材箔が貼付された金属板１２，１３を形成するとよい。そして、これら積層したセラミックス基板１１および各金属板１２，１３を厚さ方向に加圧しながら真空雰囲気中で加熱することによりろう付けする。
【００２７】
より具体的には、図３に示すように、セラミックス基板１１および両金属板１２，１３からなるユニットを多数組積層するとともに、各ユニットの間にカーボン板、グラファイト板等からなるクッション層２５を配置し、これらを積層状態で加圧、加熱する。この時の加圧力は０．１〜２．５ＭＰａ、加熱温度は６３０〜６５５℃、加熱時間は１〜６０分とする。このろう付け工程において、セラミックス基板１１と金属板１２，１３との間のろう材が溶融し、両者を固着する。これにより、金属板１３の基板接合面１３ｂとセラミックス基板１１との間をろう付けされて、パワーモジュール用基板１０が形成される。
【００２８】
この場合、セラミックス基板１１と金属板１２，１３との間のろう材が溶融して流動状態となるが、金属板１２，１３の表面粗さが前述したＲａで０．０５μｍ以上０．３０μｍ以下、圧延方向の算術平均粗さとその直角方向の算術平均粗さとの差は０．１０μｍ以下とされていることにより、溶融状態のろう材が一箇所に集中することなく分散して等方的に流動する。
金属板に圧延筋が残っていると、ろう材の流動が圧延筋に沿ったものとなり、そのような表面状態の金属板表面に酸化物が残存していると、その酸化物がろう材とともに流動して圧延筋の端部に集中することになる。これに対して、この実施形態の金属板１２，１３を用いることにより、金属板１２，１３表面の酸化物が低減されているとともに、わずかに酸化物が残存していたとしても、ろう材が分散して等方的に流動するため、酸化物が特定の端部に集中することがない。そして、この酸化物に微小ボイドが付属していた場合でも、その微小ボイドが接合部の特定箇所に集中することなく分散する。
【００２９】
このように製造されることにより、金属板１２，１３の側縁から２００μｍの幅の領域内で金属板１２，１３とセラミックス基板１１との接合界面から５μｍの深さの範囲内の金属板１２，１３の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により倍率３０００倍の視野で観察した際に、接合界面に沿って２μｍ以上連続して存在する連続残留酸化物の合計長さが、視野の長さに対して７０％以下とされる。そして、回路層となる金属板１２の表面にＮｉ−Ｐ等のめっき層２１を形成してパワーモジュール用基板１０が得られる。
【００３０】
次に、このパワーモジュール用基板１０の放熱層となる金属板１３とヒートシンク３０とをフラックスを用いたろう付け法（ノコロックろう付け法）により接合して、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク３０とを接合する。このろう付け法は、ろう材面に金属表面の酸化物を除去するフッ化物系フラックスを塗布して、非酸化性雰囲気（例えばＮ２雰囲気）中で６００〜６１５℃に加熱して、ろう付けする方法である。
【００３１】
このフラックスには、ＫＡｌＦ４、Ｋ２ＡｌＦ５、Ｋ３ＡｌＦ６等が用いられる。金属板１３とヒートシンク３０とを接合するろう材は、例えばＡｉ−Ｓｉ系合金が用いられ、ヒートシンク３０の表面に予めクラッドされているか、ろう材箔の形態でヒートシンク３０に重ねることにより供給される。
【００３２】
このろう付け工程において、パワーモジュール用基板１０は６００℃以上に加熱されるため、セラミックス基板１１と金属板１２，１３との接合部に大きなボイドが生じているとボイドからフラックスが侵入し、剥離の原因になる。この実施形態のパワーモジュール用基板１０はボイドが生じていたとしても、前述したように微小で分散しているため、剥離を生じさせることはない。
【００３３】
また、このヒートシンク３０との接合においてフラックスが用いられる場合、そのフラックスが金属板１３の側面１３ｃを這い上がって金属板１３とセラミックス基板１１との接合部を侵食すると、接合部にクラックが生じ、剥離が生じるおそれがある。
このフラックスは、ろう付けの際に金属表面の酸化物を洗い流して清浄化するものであり、このフラックスの侵入を防止するためには、フラックスが反応し易い酸化物が存在しなければよい。このパワーモジュール用基板１０は前述したようにセラミックス基板１１と放熱層となる金属板１３との接合部の側縁から所定幅の領域内の連続残留酸化物が少ないので、この端部からのフラックスが侵入することがなく、剥離の発生を防止することができる。
【００３４】
以上説明したように、このパワーモジュール用基板１０は、その金属板１３とヒートシンク３０とがフラックスを用いたろう付けにより接合される場合でも、セラミックス基板１１と金属板１３との接合部に金属板の端部の剥離が発生することが防止され、接合信頼性の高いパワーモジュール用基板１０とすることができる。
【実施例】
【００３５】
本発明の効果確認のために以下の実験を行った。
１Ｎ９９アルミニウムからなる厚さ０．６ｍｍの圧延材を３０ｍｍ×３０ｍｍに打ち抜き、表１に示すエッチング処理又はブラスト処理を施し、その処理による金属板表面の除去深さを測定した。除去深さは、金属板の処理前の重量と処理後の重量との差により除去量を算出し、金属板の比重及び面積との関係で求めた。
また、表面を処理した金属板について、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）を用いて加速電圧１０ｋV、電流１００ｍＡ、ビーム径１００μｍで測定した酸素カウント量から酸素濃度を分析するとともに、厚さ方向のＸ線電子分光分析（ＸＰＳ）により酸化物厚さを測定した。
Ｘ線電子分光分析の測定条件は、Ｘ線源の出力１００Ｗ、パスエネルギー２６ｅＶ、測定ステップ０．０５ｅＶ、分析領域としてビーム径１００μｍ×１．４ｍｍ、検出角度９０°であり、検出深さが８０Åとされ、前述の（１）式により厚さを求めた。
また、金属板表面の算術平均粗さを圧延方向及びその直角方向でそれぞれ測定した。
【００３６】
この金属板を厚さ１５μｍ、３０ｍｍ×３０ｍｍのＡｌ−７．５質量％Ｓｉからなるろう材箔を介して厚さ０．６３５ｍｍの窒化アルミニウムからなるセラミックス基板の両面に積層し、これらの積層方向に荷重をかけて、真空中で６３０℃〜６５０℃の温度で接合した。
得られたパワーモジュール用基板の断面観察により、金属板の側縁から１００μｍ〜２００μｍの部分でセラミックス基板と金属板との接合界面から５μｍの深さの範囲内の金属板の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により倍率３０００倍の視野で観察し、接合界面に沿って２μｍ以上連続して存在する連続残留酸化物の合計長さを測定した。
この場合、ＳＥＭはＣａｒｌ  Ｚｅｉｓｓ社製Ｕｌｔｒａ５５を以下の条件で使用した。
観察面：化学研磨による鏡面（蒸着なし）
Ｓｉｇｎａｌ  Ａ：Ｉｎ−ｌｅｎｓ
Ｍａｇ：３．００ＫＸ
ＷＤ：４．０ｍｍ
ＥＨＴ：１ｋＶ（加速電圧）
また、長さが２μｍ未満の残留酸化物であっても、隣合う残留酸化物間の距離が１μｍ以下の場合は連続しているものとした。
【００３７】
次に、厚さ５ｍｍのＡ１０５０アルミニウム材からなるヒートシンクに、森田化学製のノコロックフラックス「ＦＬ−７」を塗布し、Ａｌ−１０質量％Ｓｉからなる厚さ７０μｍのろう材箔を挟んでパワーモジュール用基板の金属板を重ね合わせ、窒素雰囲気にて６１０℃に加熱して接合した。
接合後のセラミックス基板とヒートシンクに接合されている金属板との間の接合界面の剥離率と、液相冷熱サイクル試験後の剥離率とを測定した。液相冷熱サイクル試験は、−４０℃の液槽と１００℃の液槽とにそれぞれ１０分ずつ交互に浸漬する操作を３０００サイクル繰り返す試験である。
端部剥離率は、超音波探傷装置を用いて接合部を評価し、端部剥離率＝端部剥離部の面積／初期接合面積の式から算出した。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、すなわち放熱層の金属板面積とした。また、端部剥離部とは、剥離が金属板の端縁にまで至っている剥離部、つまり、金属板の端縁に開口部を有する剥離部とした。超音波探傷像において、剥離は接合部内の白色部で示されることから、この白色部のうち、金属板の端縁に開口部を有する端部剥離部の面積を測定した。
剥がれ長さは、超音波探傷装置を用いて、液相冷熱サイクル試験後における放熱層の金属板の四辺の中心位置における剥がれ長さから求めた。具体的には、図４に示すとおり、金属板の圧延方向（Ｘ方向）及びその垂直方向（Ｙ方向）の対向する二辺の中心位置における夫々の剥がれＡの長さＳ１，Ｓ２及びＳ３，Ｓ４を測定し、Ｘ方向及びＹ方向ごとの平均値（Ｓ１＋Ｓ２）／２，（Ｓ3＋Ｓ4）／２とした。なお、剥がれの長さＳ１〜Ｓ4は、剥がれＡの最先端から最短の辺に垂線を下ろしたときの長さとした。
これらの結果を表１に示す。
【００３８】
【表１】
0005614423.tif 000002
【００３９】
表１において、表面処理方法のうち、（１）ブラスト〜（２）ブラストの条件は以下の通りである。
（１）ブラスト：樹脂コートした砥粒による粒度＃８０００のブラスト処理
（２）ブラスト：樹脂コートした砥粒による粒度＃３０００のブラスト処理
【００４０】
この表１の結果に示される通り、連続残留酸化物長さの比率が７０％以下であると、ヒートシンクを接合した初期の状態における剥離率が極めて小さいことがわかる。これは微小ボイドが存在していれば、超音波探傷像の白色部に反映するところ、残留酸化物長さの比率が小さいことから、その分微小ボイドも少なく、剥離率が小さくなったものと想定される。そして、この連続残留酸化物長さの比率が７０％以下のパワーモジュール用基板は、その後の冷熱サイクル試験後においても剥離率が小さく、長期的信頼性の高い接合状態を維持することができる。
図５は比較例６のＳＥＭによる断面写真であり、図の下部がセラミックス基板、上部が金属板を示している。この図４では、セラミックス基板と金属板との接合界面における金属板側に接合界面に沿って白く並んで見えるのが残留酸化物であり、比較的大きい長さで存在していることがわかる。
【００４１】
また、表１の結果では、この残留酸化物長さの比率を７０％以下の接合部とするために、ＥＰＭＡを用いて分析した酸素濃度が１．５質量％以下、ＸＰＳ分析により測定した酸化物厚さが３５Å以下の金属板を用いることが有効であり、その場合、金属板の表面を深さ１．３μｍ以上除去することで確実に酸素濃度が１．５質量％以下、酸化物厚さが３５Å以下の金属板とすることができることがわかる。
また、金属板の表面粗さがＲａ０．０５μｍ〜０．３０μｍであると、冷熱サイクル後の剥離率低減効果が顕著であり、さらに圧延方向とその直角方向との表面粗さの差が０．１０μｍ以下であると、剥離の異方性が低減し、剥離率の低減効果がより向上していることがわかる。
【符号の説明】
【００４２】
１０  パワーモジュール用基板
１１  セラミックス基板
１２  金属板
１３  金属板
１３ａ  ヒートシンク接合面
１３ｂ  基板接合面
１３ｃ  側面
２０  電子部品
２１  めっき層
２２  はんだ接合層
２３  ボンディングワイヤ
２５  クッション層
３０  ヒートシンク
３０ａ  流路
１００  パワーモジュール
Ｔ  接合界面
Ｑ  連続残留酸化物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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