(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁層の一方の面に回路層が配設されたパワーモジュール用基板と、このパワーモジュール用基板の他方の面側に接合されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、
前記ヒートシンクの接合面及び前記パワーモジュール用基板の接合面が、それぞれアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されており、
前記パワーモジュール用基板は、前記絶縁層の他方の面側にアルミニウム又はアルミニウム合金の圧延板からなる金属層が形成され、この金属層と前記ヒートシンクとが接合されており、
前記ヒートシンクと前記パワーモジュール用基板との接合界面には、Ａｌ−Ｓｉ共晶組織にＭｇを含むＭｇ含有化合物（ＭｇＯを除く）が分散した接合層が形成されており、
前記接合層の厚さが５μｍ以上８０μｍ以下の範囲内とされるとともに、前記接合層におけるＭｇＯの含有量が２０面積％以下と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２】
前記ヒートシンクの接合面及び前記パワーモジュール用基板の接合面の少なくとも一方が、Ｍｇを含有したＭｇ含有アルミニウム合金で構成されており、
前記Ｍｇ含有アルミニウム合金で構成された接合面の界面近傍には、Ｍｇ含有化合物の存在比率が減少したＭｇ低減領域が形成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パワーモジュール用基板。
【請求項３】
前記接合層に分散されたＭｇ含有化合物が、ＭｇＳｉ系化合物又はＭｇＡｌＯ系化合物を含む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パワーモジュール用基板。
【請求項４】
絶縁層の一方の面に回路層が配設されたパワーモジュール用基板と、このパワーモジュール用基板の他方の面側に接合されたヒートシンクと、を備えた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、
前記ヒートシンクの接合面及び前記パワーモジュール用基板の接合面が、それぞれアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されており、
前記パワーモジュール用基板は、前記絶縁層の他方の面側にアルミニウム又はアルミニウム合金の圧延板からなる金属層が形成され、この金属層と前記ヒートシンクとが接合されており、
前記ヒートシンクと前記パワーモジュール用基板との接合界面に、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材とＭｇとを介在させ、前記ヒートシンクと前記パワーモジュール用基板とを積層し、積層方向に０．００１ＭＰａ以上０．５ＭＰａ以下の条件で加圧した状態で、窒素雰囲気中において常圧でフラックスを使用せずにろう付けを実施し、前記ヒートシンクと前記パワーモジュール用基板との接合界面に、Ａｌ−Ｓｉ共晶組織にＭｇを含むＭｇ含有化合物（ＭｇＯを除く）が分散した接合層を、厚さが５μｍ以上８０μｍ以下の範囲内、前記接合層におけるＭｇＯの含有量が２０面積％以下となるように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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ヒートシンクの接合面及びパワーモジュール用基板の接合面がそれぞれアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されたヒートシンク付パワーモジュール用基板、及び、ヒートシンク付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】
上述のヒートシンク付パワーモジュール用基板としては、例えば、特許文献１〜３に開示されたものが提案されている。
特許文献１、２に記載されたヒートシンク付パワーモジュール用基板は、ＡｌＮ（窒化アルミ）からなるセラミックス基板の両面にＡｌ（アルミニウム）の金属板（回路層及び金属層）が接合されてなるパワーモジュール用基板と、アルミニウムからなるヒートシンクとが、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材を用いたろう付けによって接合されている。
【０００３】
また、特許文献３に示す半導体モジュールの冷却装置においては、セラミックス材からなる絶縁基板の両面にＡｌ（アルミニウム）の金属板（上部電極及び下部電極）が接合されており、上部電極に半導体素子が接合された半導体モジュールと、アルミニウムからなる冷却器の天板とが、フラックスを用いたろう付けによって接合されたものが提案されている。
このフラックスを用いたろう付けは、主に、アルミニウム部材同士を接合する技術であり、例えばＡｌ−Ｓｉ系ろう材箔とフラックスとを、アルミニウム部材同士の間に配置し、フラックスによってアルミニウム部材の表面に形成された酸化膜を除去するとともに、ろう材の溶融を促進して、接合するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−０９３２２５号公報
【特許文献２】特開２００９−１３５３９２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】
ここで、アルミニウム部材においては、その表面にアルミニウムの酸化皮膜が形成されるため、単に、ろう付けを行っても良好に接合することができない。
そこで、特許文献１，２においては、真空炉を用いて真空雰囲気内でろう付けを行うことにより、アルミニウムの酸化皮膜の影響を抑制して、アルミニウム部材同士を接合している。
しかしながら、ろう付けを行う際の真空度が低いであった場合には、酸化皮膜の影響を十分に抑制することができず、接合信頼性が劣るおそれがあった。真空度を高くしようとすると、多くの時間と労力が必要となり、ろう付けを効率良くできなくなるとともに、コストが大幅に増加してしまうといった問題があった。
【０００６】
一方、特許文献３においては、フラックスによってアルミニウムの酸化皮膜を除去してアルミニウム部材同士を接合していることから、真空雰囲気でろう付けを行う必要がなく、窒素ガス等の非酸化雰囲気中において常圧条件でろう付けを行うことが可能となる。
しかしながら、フラックスを用いていることから、ろう付け作業が煩雑になるといった問題があった。また、上述のように、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを接合する際にフラックスを用いた場合には、フラックス成分の一部が揮発して、パワーモジュール用基板のセラミックス基板と金属板との接合界面等に侵入し、セラミックス基板と金属板との接合信頼性を低下させてしまうおそれがあった。
【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、フラックスを用いることなく常圧条件下において強固にろう付けされてなるヒートシンク付パワーモジュール用基板及び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、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、絶縁層の一方の面に回路層が配設されたパワーモジュール用基板と、このパワーモジュール用基板の他方の面側に接合されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、前記ヒートシンクの接合面及び前記パワーモジュール用基板の接合面が、それぞれアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されており、前記パワーモジュール用基板は、前記絶縁層の他方の面側にアルミニウム又はアルミニウム合金の圧延板からなる金属層が形成され、この金属層と前記ヒートシンクとが接合されており、前記ヒートシンクと前記パワーモジュール用基板との接合界面には、Ａｌ−Ｓｉ共晶組織にＭｇを含むＭｇ含有化合物（ＭｇＯを除く）が分散した接合層が形成されており、前記接合層の厚さが５μｍ以上８０μｍ以下の範囲内とされるとともに、前記接合層におけるＭｇＯの含有量が２０面積％以下とされていることを特徴としている。
【０００９】
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、Ａｌ−Ｓｉ共晶組織にＭｇを含むＭｇ含有化合物（ＭｇＯを除く）が分散した接合層が形成されており、前記接合層の厚さが５μｍ以上８０μｍ以下の範囲内とされているので、ヒートシンクとパワーモジュール用基板とが、強固に接合されることになる。すなわち、Ａｌ−Ｓｉ共晶組織に分散しているＭｇ含有化合物は、アルミニウムの酸化物とＭｇとが反応することにより生成されるものであることから、ヒートシンクの接合面及びパワーモジュール用基板の接合面に形成されたアルミニウムの酸化皮膜が除去されていることになり、ヒートシンクとパワーモジュール用基板とが、強固に接合されるのである。
【００１０】
Ａｌ−Ｓｉ共晶組織にＭｇを含むＭｇ含有化合物（ＭｇＯを除く）が分散した接合層の厚さが５μｍ未満の場合には、ヒートシンクの接合面及びパワーモジュール用基板の接合面に形成されたアルミニウムの酸化皮膜の除去が不十分であって、ヒートシンクとパワーモジュール用基板とを強固に接合できないおそれがある。一方、前記接合層の厚さが８０μｍより大きい場合には、接合層内部でクラック等が生じるおそれがある。
このため、Ａｌ−Ｓｉ共晶組織にＭｇを含むＭｇ含有化合物（ＭｇＯを除く）が分散した接合層の厚さを５μｍ以上８０μｍ以下の範囲内に規定しているのである。
ＭｇＯは、冷熱サイクル負荷時においてクラックの起点になるため、好ましくない。また、ＭｇＯ自体が大きく成長し、ろう付けを阻害することになる。このため、前記接合層におけるＭｇＯの含有量が２０面積％以下に抑制することが好ましいのである。
【００１１】
ここで、前記ヒートシンクの接合面及び前記パワーモジュール用基板の接合面の少なくとも一方が、Ｍｇを含有したＭｇ含有アルミニウム合金で構成されており、前記Ｍｇ含有アルミニウム合金で構成された接合面の界面近傍には、Ｍｇ含有化合物の存在比率が減少したＭｇ低減領域が形成されていることとしてもよい。
この場合、前記ヒートシンクの接合面及び前記パワーモジュール用基板の接合面の少なくとも一方に含有されたＭｇの一部が接合界面で作用し、前記ヒートシンクの接合面及び前記パワーモジュール用基板の接合面に形成されたアルミニウムの酸化皮膜と反応してＭｇ含有化合物となり、Ａｌ−Ｓｉ共晶組織にＭｇを含むＭｇ含有化合物（ＭｇＯを除く）が分散した接合層が形成されることになる。また、前記Ｍｇ含有アルミニウム合金で構成された接合面の界面近傍には、Ｍｇ含有化合物の存在比率が減少したＭｇ低減領域が形成されているので、このＭｇ低減領域においては、変形抵抗が低くなり、応力緩和層として機能することになる。
【００１３】
さらに、前記接合層に分散されたＭｇ含有化合物が、ＭｇＳｉ系化合物又はＭｇＡｌＯ系化合物を含むことが好ましい。
ＭｇＳｉ系化合物及びＭｇＡｌＯ系化合物は、Ｍｇがアルミニウムの酸化物と反応することによって生成し、微細な粒子状に分散するため、前記ヒートシンクの接合面及び前記パワーモジュール用基板の接合面に形成されたアルミニウムの酸化皮膜を確実に除去されることになり、ヒートシンクとパワーモジュール用基板とが強固に接合され、接合信頼性に優れた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となる。
【００１４】
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、絶縁層の一方の面に回路層が配設されたパワーモジュール用基板と、このパワーモジュール用基板の他方の面側に接合されたヒートシンクと、を備えた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、前記ヒートシンクの接合面及び前記パワーモジュール用基板の接合面が、それぞれアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されており、前記パワーモジュール用基板は、前記絶縁層の他方の面側にアルミニウム又はアルミニウム合金の圧延板からなる金属層が形成され、この金属層と前記ヒートシンクとが接合されており、前記ヒートシンクと前記パワーモジュール用基板との接合界面に、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材とＭｇとを介在させ、前記ヒートシンクと前記パワーモジュール用基板とを積層し、積層方向に０．００１ＭＰａ以上０．５ＭＰａ以下の条件で加圧した状態で、窒素雰囲気中において常圧でフラックスを使用せずにろう付けを実施し、前記ヒートシンクと前記パワーモジュール用基板との接合界面に、Ａｌ−Ｓｉ共晶組織にＭｇを含むＭｇ含有化合物（ＭｇＯを除く）が分散した接合層を、厚さが５μｍ以上８０μｍ以下の範囲内、前記接合層におけるＭｇＯの含有量が２０面積％以下となるように形成することを特徴としている。
【００１５】
このような構成とされた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によれば、前記ヒートシンクと前記パワーモジュール用基板との接合界面に、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材とＭｇとを介在させているので、フラックスを用いることなく常圧条件でろう付けしても、前記ヒートシンクの接合面及び前記パワーモジュール用基板の接合面に形成された酸化皮膜を除去でき、前記ヒートシンクと前記パワーモジュール用基板とを確実に接合することが可能となる。
【００１６】
また、前記ヒートシンクと前記パワーモジュール用基板とを積層し、積層方向に加圧した状態でろう付けを実施しているので、前記ヒートシンクと前記パワーモジュール用基板とが面で接触し、接合界面に存在するＭｇが揮発して雰囲気中に抜けることを抑制でき、Ａｌ−Ｓｉ共晶組織にＭｇを含むＭｇ含有化合物（ＭｇＯを除く）が分散した接合層を形成することが可能となる。なお、雰囲気中に揮発したＭｇは、酸素と反応してＭｇＯとなり、接合を阻害するおそれがあることから、Ｍｇの揮発を抑える必要がある。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、フラックスを用いることなく常圧条件下において強固にろう付けされてなるヒートシンク付パワーモジュール用基板及び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ことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第一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概略説明図である。
【図２】図１における金属層とヒートシンクとの接合部の拡大説明図である。
【図３】図１の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フロー図である。
【図４】本発明の第二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概略説明図である。
【図５】図４における金属層とヒートシンクとの接合部の拡大説明図である。
【図６】図４の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フロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に、本発明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を用いたパワーモジュールを示す。
このパワーモジュール１は、ヒートシンク付パワーモジュール用基板４０と、このヒートシンク付パワーモジュール用基板４０の一方側（図１において上側）の面にはんだ層２を介して接合された半導体素子（電子部品）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。
【００２０】
ヒートシンク付パワーモジュール用基板４０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を冷却するヒートシンク４１と、を備えている。
パワーモジュール用基板１０は、絶縁基板１１と、この絶縁基板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、絶縁基板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。
【００２１】
絶縁基板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、例えばＡｌＮ（窒化アルミ）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化珪素）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）等の絶縁性の高いセラミックスで構成され、本実施形態では、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）で構成されている。また、絶縁基板１１の厚さは、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。
【００２２】
回路層１２は、絶縁基板１１の一方の面に銅又は銅合金からなる銅板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を構成する銅板として、タフピッチ銅の圧延板が用いられている。この回路層１２には、回路パターンが形成されており、その一方の面（図１において上面）が、半導体素子３が搭載される搭載面されている。
【００２３】
金属層１３は、絶縁基板１１の他方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板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を構成するアルミニウム板として、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）の圧延板が用いられている。
【００２４】
本実施形態におけるヒートシンク４１は、パワーモジュール用基板１０と接合される天板部４２と、この天板部４２に積層配置される冷却部材４３と、を備えている。冷却部材４３の内部には、冷却媒体が流通する流路４４が形成されている。
ここで、天板部４２と冷却部材４３とは、固定ネジ４５によって連結される構造とされている。このため、天板部４２には、固定ネジ４５をねじ込んでも容易に変形しないように剛性を確保する必要がある。そこで、本実施形態では、ヒートシンク４１の天板部４２を、０．２％耐力が１００Ｎ／ｍｍ２以上の金属材料で構成し、その厚さを２ｍｍ以上としている。
【００２５】
具体的には、パワーモジュール用基板１０と接合される天板部４２は、Ｍｇを含有したＭｇ含有アルミニウム合金で構成されており、本実施形態では、天板部４２は、Ａ６０６３合金（Ｍｇ；０．４５質量％以上０．９質量％以下）で構成されている。
【００２６】
そして、図２に示すように、４Ｎアルミニウムからなる金属層１３とＡ６０６３合金からなる天板部４２との間には、接合層５０が形成されている。この接合層５０は、Ａｌ−Ｓｉ共晶組織からなる母相５１の内部に、Ｍｇを含むＭｇ含有化合物５２が分散した構造とされている。ここで、接合層５０の厚さｔは、５μｍ≦ｔ≦８０μｍの範囲内とされている。
なお、接合層５０の厚さｔは、断面観察を実施し、接合層５０が水平になるように位置合わせを行い、接合層５０の面積Ａを測定し、この面積Ａを接合層５０の水平方向長さＬで割ることで算出した。
【００２７】
この接合層５０においては、ＭｇＯの含有量が２０面積％以下とされており、本実施形態では、１０面積％以下とされている。
また、接合層５０に分散されたＭｇ含有化合物５２は、ＭｇＳｉ系化合物又はＭｇＡｌＯ系化合物を含有している。
【００２８】
ここで、天板部４２は、Ｍｇを含有したＡ６０６３合金で構成されていることから、天板部４２には、Ｍｇを含むＭｇ含有化合物４８が分散していることになる。そして、天板部４２のうち接合層５０の近傍部分には、このＭｇ含有化合物４８の存在比率が減少したＭｇ低減領域４９が形成されている。
【００２９】
次に、このヒートシンク付パワーモジュール用基板４０の製造方法について、図３のフロー図を参照して説明する。
まず、回路層１２となる銅板と、絶縁基板１１とを接合する（回路層形成工程Ｓ０１）。ここで、絶縁基板１１がＡｌ２Ｏ３で構成されていることから、銅板と絶縁基板１１とを、銅と酸素の共晶反応を利用したＤＢＣ法により接合する。具体的には、タフピッチ銅からなる銅板と、絶縁基板１１とを接触させ、窒素ガス雰囲気中で１０７５℃で１０分加熱することで、銅板と絶縁基板１１とが接合されることになる。
【００３０】
次に、絶縁基板１１の他方の面側に金属層１３となるアルミニウム板を接合する（金属層形成工程Ｓ０２）。
アルミニウム板の絶縁基板１１との接合面にスパッタリングによって添加元素（Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｌｉのいずれか１種又は２種以上）を固着して固着層を形成する。ここで、固着層における添加元素量は０．０１ｍｇ／ｃｍ２以上１０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内とされており、本実施形態では、添加元素としてＣｕを用いており、固着層におけるＣｕ量が０．０８ｍｇ／ｃｍ２以上２．７ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されている。
【００３１】
このアルミニウム板を絶縁基板１１の他方の面側に積層し、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する。ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は１０−３〜１０−６Ｐａの範囲内に設定し、加熱温度は５５０℃以上６５０℃以下の範囲内に設定している。すると、固着層の添加元素（Ｃｕ）がアルミニウム板側に拡散することによって、アルミニウム板の固着層近傍の添加元素の濃度（Ｃｕ濃度）が上昇して融点が低くなることによりアルミニウム板と絶縁基板１１との界面に溶融金属領域が形成されることになる。
【００３２】
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が、さらにアルミニウム板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、絶縁基板１１とアルミニウム板とが接合される。つまり、絶縁基板１１とアルミニウム板（金属層１３）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。そして、凝固が進行した後に、常温にまで冷却を行う。
このようにして、パワーモジュール用基板１０が製出されるのである。
【００３３】
次に、パワーモジュール用基板１０の金属層１３とヒートシンク４１の天板部４２とを接合する（ヒートシンク接合工程Ｓ０３）。
まず、パワーモジュール用基板１０の金属層１３と天板部４２との間にＡｌ−Ｓｉ系ろう材かを介在させて、パワーモジュール用基板１０と天板部４２とを積層する（積層工程Ｓ３１）。ここで、本実施形態では、Ｓｉの含有量が５．５質量％以上１１．０質量％以下、厚さが５μｍ以上１００μｍ以下のろう材箔を用いた。
【００３４】
パワーモジュール用基板１０と天板部４２とを積層方向に加圧（０．００１ＭＰａ〜０．５ＭＰａ）した状態で、非酸化雰囲気とした雰囲気炉内に装入して加熱する（加熱工程Ｓ３２）。ここで、本実施形態では、雰囲気加熱炉内を窒素ガス雰囲気とし、酸素分圧を１２０ｐｐｍ以下とし、炉内圧力を常圧とした。また、加熱温度は５９０℃以上６３０℃以下とした。すると、金属層１３と天板部４２との接合界面には、ろう材箔、金属層１３の一部及び天板部４２の一部が溶融することによって、溶融金属領域が形成されることになる。
このとき、天板部４２の接合界面近傍に分散していたＭｇ含有化合物４８中のＭｇが接合界面で作用し、天板部４２の接合面及び金属層１３の接合面に形成されていたアルミニウムの酸化被膜がＭｇと反応することによって除去されることになる。
【００３５】
そして、雰囲気炉の炉内温度を下げることによって、金属層１３と天板部４２との接合界面に形成された溶融金属領域を凝固させて、金属層１３と天板部４２とを接合する（溶融金属凝固工程Ｓ３３）。このとき、金属層１３と天板部４２との接合界面には、Ａｌ−Ｓｉ共晶組織を母相５１とする接合層５０が形成されることになる。また、この接合層５０の内部には、アルミニウムの酸化被膜がＭｇと反応することによって生成したＭｇ含有化合物（本実施形態では、ＭｇＡｌＯ系化合物）が分散されることになる。
【００３６】
さらに、天板部４２の接合界面近傍に分散していたＭｇ含有化合物４８が接合界面に作用することにより、天板部４２の接合界面近傍には、Ｍｇ含有化合物の存在比率が減少したＭｇ低減領域が形成されることになる。
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４０が製出される。
【００３７】
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４０によれば、４Ｎアルミニウムからなる金属層１３とＡ６０６３合金からなる天板部４２との接合界面に、Ａｌ−Ｓｉ共晶組織を母相５１とし、この母相５１内にＭｇ含有化合物５２が分散した構造の接合層５０が形成されており、この接合層５０の厚さが５μｍ以上８０μｍ以下の範囲内とされているので、金属層１３の接合面及び天板部４２の接合面に形成されたアルミニウムの酸化被膜が除去されており、金属層１３と天板部４２とを強固に接合することが可能となる。よって、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク４１との接合信頼性に優れたヒートシンク付パワーモジュール用基板４０を構成することができる。
【００３８】
また、接合層５０におけるＭｇＯの含有量が２０面積％以下とされているので、冷熱サイクル負荷時において接合層５０におけるクラックの発生が抑制されるとともに、ろう付けが良好に行われることになり、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク４１との接合信頼性が大幅に向上することになる。特に、本実施形態では、接合層５０におけるＭｇＯの含有量を１０面積％以下としているので、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク４１との接合信頼性を確実に向上させることが可能となる。
【００３９】
さらに、接合層５０の母相５１中に分散されたＭｇ含有化合物５２が、ＭｇＳｉ系化合物、ＭｇＡｌＯ系とされているので、接合層５０内において微細な粒子状に分散することになり、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク４１とを確実に、かつ、強固に接合することが可能となる。
【００４０】
また、天板部４２が、Ｍｇを含有したＡ６０６３合金で構成されており、天板部４２のうち接合層５０の近傍部分には、Ｍｇ含有化合物４８の存在比率が減少したＭｇ低減領域４９が形成されているので、このＭｇ低減領域４９が、変形抵抗が低く応力緩和層として機能することになる。よって、ヒートシンク４１と絶縁基板１１との熱膨張係数の差に起因する熱応力を、このＭｇ低減領域４９の変形によって緩和することができ、絶縁基板１１の割れを防止することが可能となる。
【００４１】
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４０の製造方法によれば、窒素ガス雰囲気、酸素分圧１２０ｐｐｍ以下、常圧条件で、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク４１とが接合されているので、接合信頼性に優れたヒートシンク付パワーモジュール用基板４０を、効率よく、かつ、低コストで製造することが可能となる。
さらに、フラックスを用いていないので、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク４１との接合の際に、回路層１２と絶縁基板１１の接合界面、及び、絶縁基板１１と金属層１３の接合界面に、影響が少なく、回路層１２と絶縁基板１１、及び、絶縁基板１１と金属層１３の接合信頼性の劣化を防止することができる。
【００４２】
そして、パワーモジュール用基板１０と天板部４２とを積層方向に加圧（０．００１ＭＰａ〜０．５ＭＰａ）した状態で、非酸化雰囲気とした雰囲気炉内に装入して加熱することによってろう付けしているので、パワーモジュール用基板１０と天板部４２とが面で接触し、接合界面に存在するＭｇが揮発して雰囲気中に抜けることを抑制でき、Ａｌ−Ｓｉ共晶組織にＭｇを含むＭｇ含有化合物（ＭｇＯを除く）が分散した接合層５０を形成することが可能となる。
【００４３】
以下に、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について説明する。図４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を用いたパワーモジュールを示す。
このパワーモジュール１０１は、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１４０と、このヒートシンク付パワーモジュール用基板１４０の一方側（図４において上側）の面にはんだ層２を介して接合された半導体素子（電子部品）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。
【００４４】
ヒートシンク付パワーモジュール用基板１４０は、パワーモジュール用基板１１０と、パワーモジュール用基板１１０を冷却するヒートシンク１４１と、を備えている。
パワーモジュール用基板１１０は、絶縁基板１１１と、この絶縁基板１１１の一方の面（図４において上面）に配設された回路層１１２と、絶縁基板１１１の他方の面（図４において下面）に配設された金属層１１３とを備えている。
【００４５】
絶縁基板１１１は、回路層１１２と金属層１１３との間の電気的接続を防止するものであって、例えばＡｌＮ（窒化アルミ）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化珪素）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）等の絶縁性の高いセラミックスで構成され、本実施形態では、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。また、絶縁基板１１１の厚さは、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。
【００４６】
回路層１１２は、絶縁基板１１１の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アルミニウム板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１１２を構成するアルミニウム板として、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）の圧延板が用いられている。この回路層１１２には、回路パターンが形成されており、その一方の面（図４において上面）が、半導体素子３が搭載される搭載面されている。
【００４７】
金属層１１３は、絶縁基板１１１の他方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板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１１３を構成するアルミニウム板として、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）の圧延板が用いられている。
【００４８】
本実施形態におけるヒートシンク１４１は、パワーモジュール用基板１１０と接合される天板部１４２と、冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路１４４と、を備えている。
ここで、ヒートシンク１４１（天板部１４２）は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、かつ、構造材としての剛性を確保する必要がある。そこで、本実施形態においては、ヒートシンク１４１の天板部１４２は、Ａ３００３（アルミニウム合金）で構成されている。
【００４９】
そして、図５に示すように、４Ｎアルミニウムからなる金属層１１３とＡ３００３合金からなる天板部１４２との間には、接合層１５０が形成されている。この接合層１５０は、Ａｌ−Ｓｉ共晶組織からなる母相１５１の内部に、Ｍｇを含むＭｇ含有化合物１５２が分散した構造とされている。ここで、接合層１５０の厚さｔは、５μｍ≦ｔ≦８０μｍの範囲内とされている。
なお、接合層１５０の厚さｔは、断面観察を実施し、接合層１５０が水平になるように位置合わせを行い、接合層１５０の面積Ａを測定し、この面積Ａを接合層１５０の水平方向長さＬで割ることで算出した。
【００５０】
この接合層１５０においては、ＭｇＯの含有量が２０面積％以下とされており、本実施形態では、１０面積％以下とされている。
また、接合層１５０に分散されたＭｇ含有化合物１５２は、ＭｇＳｉ系化合物又はＭｇＡｌＯ系化合物を含有している。
【００５１】
次に、このヒートシンク付パワーモジュール用基板１４０の製造方法について、図６のフロー図を参照して説明する。
まず、回路層１１２となるアルミニウム板と絶縁基板１１１とを接合する（回路層形成工程Ｓ１０１）。また、金属層１１３となるアルミニウム板と絶縁基板１１１とを接合する（金属層形成工程Ｓ１０２）。本実施形態では、これら回路層形成工程Ｓ１０１と、金属層形成工程Ｓ１０２と、を同時に実施することになる。
【００５２】
絶縁基板１１１の一方の面及び他方の面に、スクリーン印刷によって添加元素（Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｌｉのいずれか１種又は２種以上）を含むペーストを塗布して乾燥させることにより、固着層を形成する。
ここで、本実施形態では、添加元素としてＡｇを用いている。使用されるＡｇペーストは、Ａｇ粉末と、樹脂と、溶剤と、分散剤と、を含有しており、Ａｇ粉末の含有量が、Ａｇペースト全体の６０質量％以上９０質量％以下とされており、残部が樹脂、溶剤、分散剤とされている。なお、本実施形態では、Ａｇ粉末の含有量は、Ａｇペースト全体の８５質量％とされている。
【００５３】
次に、回路層１１２となるアルミニウム板、絶縁基板１１１、金属層１１３となるアルミニウム板を積層し、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する。ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は１０−３〜１０−６Ｐａの範囲内に設定し、加熱温度は５５０℃以上６５０℃以下の範囲内に設定している。すると、固着層の添加元素（Ａｇ）がアルミニウム板側に拡散することによって、アルミニウム板の固着層近傍の添加元素の濃度（Ａｇ濃度）が上昇して融点が低くなることにより、アルミニウム板と絶縁基板１１１との界面に、それぞれ溶融金属領域が形成されることになる。
【００５４】
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Ａｇが、さらにアルミニウム板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、絶縁基板１１１とアルミニウム板とが接合される。つまり、回路層１１２と絶縁基板１１１、及び、絶縁基板１１１と金属層１１３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。そして、凝固が進行した後に、常温にまで冷却を行う。
このようにして、パワーモジュール用基板１１０が製出されるのである。
【００５５】
次に、パワーモジュール用基板１１０の金属層１１３とヒートシンク１４１とを接合する（ヒートシンク接合工程Ｓ１０３）。
まず、パワーモジュール用基板１１０の金属層１１３とヒートシンク１４１との間にＡｌ−Ｓｉ系ろう材を介在させて、パワーモジュール用基板１１０とヒートシンク１４１とを積層する（積層工程Ｓ１３１）。ここで、本実施形態では、Ｓｉの含有量が５．５質量％以上１１．０質量％以下、厚さが５μｍ以上１００μｍ以下のろう材箔を用いた。また、このろう材箔に、Ｍｇを、０．１質量％以上２．５質量％以下の範囲内で含有させた。
【００５６】
パワーモジュール用基板１１０とヒートシンク１４１とを積層方向に加圧（０．００１ＭＰａ〜０．５ＭＰａ）した状態で、非酸化雰囲気とした雰囲気炉内に装入して加熱する（加熱工程Ｓ１３２）。ここで、本実施形態では、雰囲気加熱炉内を窒素ガス雰囲気とし、酸素分圧を１２０ｐｐｍ以下とした。また、炉内圧力を常圧とした。また、加熱温度は５９０℃以上６３０℃以下とした。すると、金属層１１３とヒートシンク１４１との接合界面には、ろう材箔、金属層１１３の一部及びヒートシンク１４１の一部が溶融することによって、溶融金属領域が形成されることになる。
このとき、ヒートシンク１４１の接合面及び金属層１３の接合面に形成されていたアルミニウムの酸化被膜は、ろう材箔に含有されたＭｇと反応することによって除去されることになる。
【００５７】
そして、雰囲気炉の炉内温度を下げることによって、金属層１１３とヒートシンク１４１との接合界面に形成された溶融金属領域を凝固させて、金属層１１３とヒートシンク１４１とを接合する（凝固工程Ｓ１３３）。このとき、金属層１１３とヒートシンク１４１との接合界面には、Ａｌ−Ｓｉ共晶組織を母相１５１とする接合層１５０が形成されることになる。また、この接合層１５０の内部には、アルミニウムの酸化被膜がＭｇと反応することによって生成したＭｇ含有化合物１５２（本実施形態では、ＭｇＡｌＯ系化合物）が分散されることになる。
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１４０が製出される。
【００５８】
本実施形態であるアルミニウム部材の接合構造を利用したヒートシンク付パワーモジュール用基板１４０によれば、４Ｎアルミニウムからなる金属層１１３とＡ３００３合金からなるヒートシンク１４１との接合界面に、Ａｌ−Ｓｉ共晶組織を母相１５１とし、この母相１５１内にＭｇ含有化合物１５２が分散した構造の接合層１５０が形成されており、この接合層１５０の厚さが５μｍ以上８０μｍ以下の範囲内とされているので、金属層１１３の接合面及びヒートシンク１４１の接合面に形成されたアルミニウムの酸化被膜が除去されており、金属層１１３とヒートシンク１４１とを強固に接合することが可能となる。よって、パワーモジュール用基板１１０とヒートシンク１４１との接合信頼性に優れたヒートシンク付パワーモジュール用基板１４０を構成することができる。
【００５９】
また、ろう材箔にＭｇを含有させているので、Ｍｇを含有しないアルミニウム又はアルミニウム合金で構成された金属層１１３（４Ｎアルミニウム）とヒートシンク１４１（Ａ３００３合金）とを、Ａｌ−Ｓｉ共晶組織を母相１５１とし、この母相１５１内にＭｇ含有化合物１５２が分散した構造の接合層１５０を介して接合することが可能となる。
【００６０】
そして、パワーモジュール用基板１１０とヒートシンク１４１とを積層方向に加圧（０．００１ＭＰａ〜０．５ＭＰａ）した状態で、酸素分圧を１２０ｐｐｍ以下とした非酸化雰囲気の雰囲気炉内に装入して加熱することによってろう付けしているので、パワーモジュール用基板１１０とヒートシンク１４１とが面で接触し、接合界面に存在するＭｇが揮発して雰囲気中に抜けることを抑制でき、Ａｌ−Ｓｉ共晶組織にＭｇを含むＭｇ含有化合物（ＭｇＯを除く）が分散した接合層１５０を形成することが可能となる。
【００６１】
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、ヒートシンクの構造、パワーモジュール用基板の構造に、特に限定はなく、アルミニウム部材同士を接合する構造であれば、他の構成のヒートシンク、パワーモジュール用基板であってもよい。
【００６２】
また、本実施形態では、金属層を構成するアルミニウム板を純度９９．９９％の純アルミニウムの圧延板として説明したが、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。
さらに、絶縁層としてＡｌ２Ｏ３、ＡｌＮからなるセラミックス板を用い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等からなるセラミックス板を用いても良いし、絶縁樹脂によって絶縁層を構成してもよい。
【実施例】
【００６３】
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。
表１に示すように、絶縁基板、回路層となるアルミニウム板、金属層となるアルミニウム板、を接合し、パワーモジュール用基板を作製した。
回路層となるアルミニウム板と絶縁基板、及び、絶縁基板と金属層となるアルミニウム板との接合は、次の条件で実施した。回路層となるアルミニウム板と絶縁基板と金属層となるアルミニウム板とを、Ａｌ−１０質量％Ｓｉのろう材箔を介して積層し、積層方向に５ｋｇｆ／ｃｍ２で加圧した状態で、真空加熱炉内に装入し、６５０℃で３０分加熱することによって、接合した。
【００６４】
【表１】
0005548722.tif 000002
【００６５】
そして、このパワーモジュール用基板とヒートシンク（天板部）とを、表２に示す条件で接合し、ヒートシンク付パワーモジュール用基板を作製した。
【００６６】
【表２】
0005548722.tif 000003
【００６７】
得られたヒートシンク付パワーモジュール用基板について、金属層とヒートシンクとの接合界面を観察し、接合層の厚さ、Ｍｇ含有化合物の有無、ＭｇＯ量を評価した。
接合層の厚さは、次のようにして測定した。得られたヒートシンク付パワーモジュール用基板をダイヤモンドソーで絶縁基板の対角線に沿って切断した。これを樹脂埋めし、断面を鏡面研磨して断面試料を作製した。この断面試料を観察し、ＥＰＭＡの反射電子像で、金属層とヒートシンクとの接合界面を解析する。ここで、観察された接合層を水平になるように位置調整を行って反射電子像を撮影し、２値化処理によって接合層の面積Ａを測定する。そして、この接合層の面積Ａを観察視野の水平方向長さＬで割ることによって厚さを算出した。この作業を５視野について実施し、その平均値を接合層の厚さｔとした。
【００６８】
Ｍｇ含有化合物は、上述の断面資料について、ＥＰＭＡによる元素マッピングを取得し、Ｍｇの存在する部位と同位置に存在する元素を特定して化合物の組成を判断した。本実施例１から４、及び比較例１及び２において、Ｍｇ、Ａｌ、Ｏが同位置に存在していたことからＭｇＡｌＯ系化合物が存在していることを確認した。
【００６９】
ＭｇＯ量（ＭｇＯの面積分率）については、上述のようにして作製した断面試料について、観察された接合層を水平になるように位置調整を行って反射電子像を撮影し、２値化処理によって接合層の面積Ａを測定する。次に、ＥＰＭＡによる元素マッピングを取得し、ＭｇとＯのみが共存する部位を検出し、その部位の面積を画像処理により計測するし、ＭｇＯの面積とする。そして、ＭｇＯの面積を接合層の面積Ａで割る。この作業を５視野について実施し、その平均値をＭｇＯ量（ＭｇＯの面積分率）とした。
【００７０】
また、得られたヒートシンク付パワーモジュール用基板に冷熱サイクル試験を行い、初期の接合率と冷熱サイクル試験後の接合率とを比較した。冷熱サイクルは、−４０℃×５分←→１２５℃×３分、３０００サイクルとした。
なお、接合率は、超音波探傷装置を用いて、以下の式を用いて接合率を求めた。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、すなわち金属層面積とした。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、この白色部の面積を剥離面積とした。
（接合率）＝｛（初期接合面積）−（剥離面積）｝／（初期接合面積）
評価結果を表３に示す。
【００７１】
【表３】
0005548722.tif 000004
【００７２】
Ｍｇ源がなかったため、Ｍｇ含有化合物を形成することができなかった比較例１においては、初期の接合率及び冷熱サイクル後の接合率が低かった。
また、接合層の厚さが２μｍと非常に薄かった比較例２では、Ｍｇ含有化合物は存在したが、冷熱サイクル後の接合率が低かった。
さらに、接合層の厚さが９２μmと厚かった比較例３では、接合層内でクラックが生じてしまい冷熱サイクル後の接合率が低くなった。
【００７３】
これに対して、実施例１−４においては、初期の接合率及び冷熱サイクル後の接合率がともに高く、パワーモジュール用基板とヒートシンクとが強固に接合されていることが確認される。
【符号の説明】
【００７４】
１，１０１  パワーモジュール
１０，１１０  パワーモジュール用基板
１１，１１１  絶縁基板
１２，１１２  回路層
１３，１１３  金属層
４０，１４０  ヒートシンク付パワーモジュール用基板
４１，１４１  ヒートシンク
４２，１４２  天板部
４９  Ｍｇ低減領域
５０，１５０  接合層
５２，１５２  Ｍｇ含有化合物
【図１】
0005548722.tif 000005
【図２】
0005548722.tif 000006
【図３】
0005548722.tif 000007
【図４】
0005548722.tif 000008
【図５】
0005548722.tif 000009
【図６】
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