(57)【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一方の面に接合された第一の金属板と、前記セラミックス基板の他方の面に接合された第二の金属板と、該第二の金属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、
前記第一の金属板は、銅又は銅合金で構成され、この第一の金属板の一方の面が電子部品が搭載される搭載面とされており、
前記第二の金属板は、耐力が３０Ｎ／ｍｍ２以下のアルミニウムで構成されており、
前記ヒートシンクは、耐力が１００Ｎ／ｍｍ２以上の金属材料で構成され、その厚さが２ｍｍ以上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】
前記第二の金属板のうち前記セラミックス基板との接合界面又は前記ヒートシンクとの接合界面の少なくともいずれか一方には、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，Ｌｉのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素が固溶しており、前記第二の金属板のうち接合界面近傍における前記添加元素の濃度の合計が０．０１質量％以上５質量％以下の範囲内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パワーモジュール用基板。
【請求項３】
前記第二の金属板のうち前記セラミックス基板との接合界面には、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，Ｌｉのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素の濃度が、前記第二の金属板中の前記添加元素の濃度の２倍以上とされた添加元素高濃度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パワーモジュール用基板。
【請求項４】
前記第二の金属板のうち前記セラミックス基板との接合界面に、前記添加元素高濃度部が形成されており、
前記セラミックス基板がＡｌ２Ｏ３で構成され、前記セラミックス基板との接合界面に形成された前記添加元素高濃度部を含む前記接合界面をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析したＡｌ、添加元素、Ｏの質量比が、Ａｌ：添加元素：Ｏ＝５０〜９０質量％：１〜３０質量％：４５質量％以下とされていることを特徴とする請求項３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５】
前記第二の金属板のうち前記セラミックス基板との接合界面に、前記添加元素高濃度部が形成されており、
前記セラミックス基板がＡｌＮで構成され、前記セラミックス基板との接合界面に形成された前記添加元素高濃度部を含む前記接合界面をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析したＡｌ、添加元素、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：添加元素：Ｏ：Ｎ＝５０〜９０質量％：１〜３０質量％：１〜１０質量％：２５質量％以下とされていることを特徴とする請求項３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６】
前記第二の金属板のうち前記セラミックス基板との接合界面に、前記添加元素高濃度部が形成されており、
前記セラミックス基板がＳｉ３Ｎ４で構成され、前記添加元素がＣｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，Ｌｉのうちのいずれか１種又は２種以上とされており、
前記セラミックス基板との接合界面に形成された前記添加元素高濃度部を含む前記接合界面をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析したＡｌ、Ｓｉ、添加元素、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：Ｓｉ：添加元素：Ｏ：Ｎ＝１５〜４５質量％：１５〜４５質量％：１〜３０質量％：２〜２０質量％：２５質量％以下とされていることを特徴とする請求項３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７】
前記セラミックス基板がＡｌＮからなり、前記セラミックス基板のうち少なくとも一方の面には、Ａｌ２Ｏ３層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パワーモジュール用基板。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板と、前記第一の金属板上に搭載された電子部品と、を備えたことを特徴とするパワーモジュール。
【請求項９】
セラミックス基板と、該セラミックス基板の一方の面に接合された第一の金属板と、前記セラミックス基板の他方の面に接合された第二の金属板と、該第二の金属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、
前記第一の金属板は、銅又は銅合金で構成され、前記第二の金属板は、耐力が３０Ｎ／ｍｍ２以下のアルミニウムで構成され、前記ヒートシンクは、耐力が１００Ｎ／ｍｍ２以上の金属材料で構成されており、
前記第一の金属板と前記セラミックス基板とを接合する銅板接合工程と、前記第二の金属板と前記セラミックス基板とを接合するアルミニウム板接合工程と、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを接合するヒートシンク接合工程と、を備えており、
前記アルミニウム板接合工程又は前記ヒートシンク接合工程のうち少なくともいずれか一方においては、前記第二の金属板の接合界面にＳｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，Ｌｉのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素を配置し、前記第二の金属板を接合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。
【請求項１０】
前記アルミニウム板接合工程又は前記ヒートシンク接合工程のうち少なくともいずれか一方においては、前記添加元素が前記第二の金属板側に向けて拡散することにより、接合界面に溶融金属領域を形成し、この溶融金属領域を凝固させることによって接合することを特徴とする請求項９に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項１１】
前記第二の金属板の接合界面に配置される前記添加元素量が、０．０１ｍｇ／ｃｍ２以上１０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項９又は請求項１０に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項１２】
前記銅板接合工程の前に、前記セラミックス基板の少なくとも一方の面にＡｌ２Ｏ３層を形成するアルミナ層形成工程を行うことを特徴とする請求項９から請求項１１のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項１３】
前記アルミニウム板接合工程と前記ヒートシンク接合工程とを同時に行うことを特徴とする請求項９から請求項１２のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項１４】
前記第二の金属板の接合界面に、前記添加元素とともにアルミニウムを配置することを特徴とする請求項９から請求項１３のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項１５】
蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング、めっき又はペーストの塗布のいずれかから選択される手段により、前記第二の金属板の接合界面に前記添加元素を配置することを特徴とする請求項９から請求項１４のいずれか一項に記載の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、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パワーモジュール用基板、パワーモジュール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】
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）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）などからなるセラミックス基板の一方の面側に第一の金属板が接合されるとともに、セラミックス基板の他方の面側に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パワーモジュール用基板が用いられる。
このようなヒートシンク付パワーモジュール基板では、第一の金属板に回路パターンが形成され、この第一の金属板の上に、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。
【０００３】
例えば、特許文献１には、第一の金属板及び第二の金属板を銅板とし、この銅板をＤＢＣ法によってセラミックス基板に直接接合してなるパワーモジュール用基板が提案されている。また、特許文献１の第１図に示すように、このパワーモジュール用基板に、有機系耐熱性接着剤用いてアルミニウム製のヒートシンクを接合することで、ヒートシンク付パワーモジュール用基板が構成されている。
【０００４】
また、特許文献２には、第一の金属板及び第二の金属板としてアルミニウム板を用いてなるパワーモジュール用基板が提案されている。このパワーモジュール用基板は、第二の金属板がろう付けによってヒートシンクに接合されることにより、ヒートシンク付パワーモジュール用基板が構成されている。
【０００５】
さらに、特許文献３には、セラミックス基板の一方の面に金属板を接合し、セラミックス基板の他方の面に、鋳造法によってアルミニウム製のヒートシンクを直接形成したものが提案されている。そして、金属板としてアルミニウム板、銅板を使用することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平０４−１６２７５６号公報
【特許文献２】特許第３１７１２３４号公報
【特許文献３】特開２００２−０７６５５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、特許文献１に記載されたヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、アルミニウム製のヒートシンクとセラミックス基板との間に銅板が配設されていることから、ヒートシンクとセラミックス基板との熱膨張係数の差に起因する熱歪みを、この銅板において十分に緩和することができず、熱サイクル負荷時にセラミックス基板に割れ等が生じやすいといった問題があった。
なお、特許文献１には、ヒートシンクと第二の金属板との間に介在する有機系耐熱性接着剤によって熱歪みを緩和することが記載されているが、この有機系耐熱性接着剤が介在することで熱抵抗が高くなるため、第一の金属板の上に搭載された電気部品等の発熱体からの熱をヒートシンク側に効率的に放散することができないといった問題があった。
【０００８】
また、特許文献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においては、第一の金属板としてアルミニウム板が用いられている。
ここで、銅とアルミニウムとを比較するとアルミニウムの方が熱伝導率が低いため、第一の金属板としてアルミニウム板を用いた場合には、第一の金属板の上に搭載された電気部品等の発熱体からの熱を拡げて放散することが銅よりも劣ることになる。このため、電子部品の小型化や高出力化により、パワー密度が上昇した場合には、熱を十分に放散することができなくなるおそれがあった。
【０００９】
さらに、特許文献３に記載されたヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、セラミックス基板に直接アルミニウム製のヒートシンクを接合していることから、ヒートシンクとセラミックス基板との熱膨張係数の差に起因する熱歪みによってセラミックス基板に割れが生じやすくなる。これを防止するために、特許文献３においては、ヒートシンクの耐力を低く設定する必要があった。このため、ヒートシンク自体の強度が不足し、取扱いが非常に困難であった。
また、鋳造法によってヒートシンクを形成していることから、ヒートシンクの構造が比較的簡単になり、冷却能力の高いヒートシンクを形成することができず、熱の放散を促進することができないといった問題があった。
【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、第一の金属板の上に搭載された電子部品等の発熱体からの熱の放散を促進することができ、かつ、熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板の割れの発生を抑制し、信頼性の高いヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール、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】
【００１１】
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一方の面に接合された第一の金属板と、前記セラミックス基板の他方の面に接合された第二の金属板と、該第二の金属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、前記第一の金属板は、銅又は銅合金で構成され、この第一の金属板の一方の面が電子部品が搭載される搭載面とされており、前記第二の金属板は、耐力が３０Ｎ／ｍｍ２以下のアルミニウムで構成されており、前記ヒートシンクは、耐力が１００Ｎ／ｍｍ２以上の金属材料で構成され、その厚さが２ｍｍ以上とされていることを特徴としている。
【００１２】
この構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、電子部品が搭載される搭載面を有する第一の金属板が銅又は銅合金で構成されているので、電子部品から発生する熱を十分に拡げることができ、熱の放散を促進することができる。
また、ヒートシンクとセラミックス基板との間に、耐力が３０Ｎ／ｍｍ２以下のアルミニウムからなる第二の金属板が配設されているので、ヒートシンクとセラミックス基板との熱膨張係数の差に起因する熱歪みをこの第二の金属板で十分に緩和することができ、セラミックス基板の割れを抑制することができる。
さらに、上述のように、第二の金属板によって熱歪みを緩和することが可能であることから、ヒートシンクを、耐力が１００Ｎ／ｍｍ２以上の金属材料で構成され、その厚さが２ｍｍ以上とすることができ、ヒートシンク自体の剛性が高く、取扱いが容易となる。
また、ヒートシンクを第二の金属板に接合する構成としていることから、ヒートシンクの構造に制約がなく、冷却能力に優れたヒートシンクを採用することができる。
【００１３】
ここで、前記第二の金属板のうち前記セラミックス基板との接合界面又は前記ヒートシンクとの接合界面の少なくともいずれか一方には、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，Ｌｉのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素が固溶しており、前記第二の金属板のうち接合界面近傍における前記添加元素の濃度の合計が０．０１質量％以上５質量％以下の範囲内に設定されていることが好ましい。
この場合、前記第二の金属板に、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素が固溶しているので、前記第二の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、第二の金属板部分での破断を防止することができる。
【００１４】
また、前記第二の金属板のうち接合界面近傍における前記添加元素の濃度の合計が０．０１質量％以上とされているので、第二の金属板の接合界面側部分を確実に固溶強化することができる。また、前記第二の金属板のうち接合界面近傍における前記添加元素の濃度の合計が５質量％以下とされているので、第二の金属板の接合界面近傍の強度が過剰に高くなることを防止でき、このパワーモジュール用基板に熱サイクルが負荷された際に、熱歪みを第二の金属板で緩和することが可能となり、セラミックス基板の割れの発生を抑制できる。
【００１５】
さらに、前記第二の金属板のうち前記セラミックス基板との接合界面には、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，Ｌｉのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素の濃度が、前記第二の金属板中の前記添加元素の濃度の２倍以上とされた添加元素高濃度部が形成されていることが好ましい。
この場合、第二の金属板の接合界面に、前記添加元素の濃度が前記第二の金属板中の前記添加元素の濃度の２倍以上とされた添加元素高濃度部が形成されているので、界面近傍に存在する前記添加元素原子により、第二の金属板の接合強度の向上を図ることが可能となる。なお、第二の金属板中の前記添加元素の濃度とは、第二の金属板のうち接合界面から一定距離（例えば、５ｎｍ以上）離れた部分における前記添加元素の濃度である。
【００１６】
ここで、前記第二の金属板のうち前記セラミックス基板との接合界面に、前記添加元素高濃度部が形成されており、前記セラミックス基板がＡｌ２Ｏ３で構成され、前記セラミックス基板との接合界面に形成された前記添加元素高濃度部を含む前記接合界面をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析したＡｌ、添加元素、Ｏの質量比が、Ａｌ：添加元素：Ｏ＝５０〜９０質量％：１〜３０質量％：４５質量％以下とされていてもよい。
また、前記第二の金属板のうち前記セラミックス基板との接合界面に、前記添加元素高濃度部が形成されており、前記セラミックス基板がＡｌＮで構成され、前記セラミックス基板との接合界面に形成された前記添加元素高濃度部を含む前記接合界面をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析したＡｌ、添加元素、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：添加元素：Ｏ：Ｎ＝５０〜９０質量％：１〜３０質量％：１〜１０質量％：２５質量％以下とされていてもよい。
さらに、前記第二の金属板のうち前記セラミックス基板との接合界面に、前記添加元素高濃度部が形成されており、前記セラミックス基板がＳｉ３Ｎ４で構成され、前記添加元素がＣｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，Ｌｉのうちのいずれか１種又は２種以上とされており、前記セラミックス基板との接合界面に形成された前記添加元素高濃度部を含む前記接合界面をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析したＡｌ、Ｓｉ、添加元素、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：Ｓｉ：添加元素：Ｏ：Ｎ＝１５〜４５質量％：１５〜４５質量％：１〜３０質量％：２〜２０質量％：２５質量％以下とされていてもよい。
【００１７】
接合界面に存在する前記添加元素原子の質量比が３０質量％を超えると、過剰な添加元素によって接合強度が低下するおそれがある。また、第二の金属板の接合界面近傍が必要以上に強化されることになり、熱サイクル負荷時にセラミックス基板に応力が作用し、セラミックス基板が割れてしまうおそれがある。一方、前記添加元素原子の質量比が１質量％未満であると、添加元素原子による接合強度の向上を充分に図ることができなくなるおそれがある。よって、接合界面における添加元素原子の質量比は、１〜３０質量％の範囲内とすることが好ましいのである。
【００１８】
ここで、エネルギー分散型Ｘ線分析法による分析を行う際のスポット径は極めて小さいため、前記接合界面の複数点（例えば、１０〜１００点）で測定し、その平均値を算出することになる。また、測定する際には、第二の金属板の結晶粒界とセラミックス基板との接合界面は測定対象とせず、結晶粒とセラミックス基板との接合界面のみを測定対象とする。
なお、本明細書中におけるエネルギー分散型Ｘ線分析法による分析値は、日本電子製の電子顕微鏡ＪＥＭ−２０１０Ｆに搭載したサーモフィッシャーサイエンティフィック株式会社製のエネルギー分散型蛍光Ｘ線元素分析装置ＮＯＲＡＮ  Ｓｙｓｔｅｍ７を用いて加速電圧２００ｋＶで行った。
【００１９】
また、前記セラミックス基板がＡｌＮからなり、前記セラミックス基板のうち少なくとも一方の面には、Ａｌ２Ｏ３層が形成されていることが好ましい。
この場合、銅または銅合金からなる第一の金属板が接合されるセラミックス基板の一方の面にＡｌ２Ｏ３層が形成されていることから、このＡｌ２Ｏ３層と第一の金属板（銅板）とを、酸素と銅との共晶反応を利用したＤＢＣ法によって接合することが可能となる。よって、セラミックス基板と第一の金属板（銅板）とを、比較的容易に、かつ、確実に接合することができる。
【００２０】
本発明のパワーモジュールは、前述のヒートシンク付パワーモジュール用基板と、第一の金属板上に搭載された電子部品と、を備えたことを特徴としている。
この構成のヒートシンク付パワーモジュールによれば、第一の金属板上に搭載された電子部品からの熱を効率的に放散することができ、電子部品のパワー密度（発熱量）が向上した場合であっても、十分に対応することができる。
【００２１】
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一方の面に接合された第一の金属板と、前記セラミックス基板の他方の面に接合された第二の金属板と、該第二の金属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、前記第一の金属板は、銅又は銅合金で構成され、前記第二の金属板は、耐力が３０Ｎ／ｍｍ２以下のアルミニウムで構成され、前記ヒートシンクは、耐力が１００Ｎ／ｍｍ２以上の金属材料で構成されており、前記第一の金属板と前記セラミックス基板とを接合する銅板接合工程と、前記第二の金属板と前記セラミックス基板とを接合するアルミニウム板接合工程と、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを接合するヒートシンク接合工程と、を備えており、前記アルミニウム板接合工程又は前記ヒートシンク接合工程のうち少なくともいずれか一方においては、前記第二の金属板の接合界面にＳｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，Ｌｉのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素を配置し、前記第二の金属板を接合することを特徴としている。
【００２２】
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、前述したヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造することができる。また、前記アルミニウム板接合工程又は前記ヒートシンク接合工程のうち少なくともいずれか一方においては、前記第二の金属板の接合界面にＳｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，Ｌｉのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素を配置し、前記第二の金属板を接合する構成としているので、第二の金属板と前記セラミックス基板、あるいは、前記第二の金属板と前記ヒートシンク、を強固に接合することができる。また、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，Ｌｉといった元素は、アルミニウムの融点を降下させる元素であるため、比較的低温な条件においても、第二の金属板の接合界面に溶融金属領域を形成することができる。なお、これらの添加元素は、第二の金属板等の接合面に固着させてもよいし、接合面にこれらの添加元素を含む金属箔（ろう材箔）を配設してもよい。
【００２３】
ここで、前記アルミニウム板接合工程又は前記ヒートシンク接合工程のうち少なくともいずれか一方においては、前記添加元素が前記第二の金属板側に向けて拡散することにより、接合界面に溶融金属領域を形成し、この溶融金属領域を凝固させることによって接合することが好ましい。
この場合、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，Ｌｉのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素を前記第二の金属板側に拡散させることにより、前記第二の金属板の接合界面に前記溶融金属領域を形成し、この溶融金属領域を凝固させることで、前記第二の金属板を接合する、いわゆる拡散接合（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｐｈａｓｅ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって接合しているので、比較的低温条件でおいても、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製造することができる。
【００２４】
また、前記第二の金属板の接合界面に配置される前記添加元素量が、０．０１ｍｇ／ｃｍ２以上１０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内とされていることが好ましい。
この場合、前記第二の金属板の接合界面に配置される前記添加元素量を０．０１ｍｇ／ｃｍ２以上としているので、第二の金属板の接合界面に、溶融金属領域を確実に形成することができる。
さらに、前記第二の金属板の接合界面に配置される前記添加元素量を１０ｍｇ／ｃｍ２以下としているので、前記添加元素が過剰に第二の金属板側に拡散して接合界面近傍の第二の金属板の強度が過剰に高くなることを防止できる。よって、パワーモジュール用基板に冷熱サイクルが負荷された際に、熱歪みを第二の金属板で吸収することができ、セラミックス基板の割れ等を防止できる。
また、前記第二の金属板の接合界面に配置される前記添加元素量が、０．０１ｍｇ／ｃｍ２以上１０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内とされているので、前記第二の金属板のうち接合界面近傍における前記添加元素の濃度の合計が０．０１質量％以上５質量％以下の範囲内とされたヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造することができる。
【００２５】
さらに、前記銅板接合工程の前に、前記セラミックス基板の少なくとも一方の面にＡｌ２Ｏ３層を形成するアルミナ層形成工程を行うことが好ましい。
この場合、セラミックス基板の一方の面にＡｌ２Ｏ３層を形成することにより、銅又は銅合金からなる第一の金属板とセラミックスとをＤＢＣ法を用いて接合することが可能となる。なお、形成するＡｌ２Ｏ３層の厚さは、１μｍ以上とすることが好ましい。Ａｌ２Ｏ３層の厚さが１μｍ未満の場合、第一の金属板とセラミックスとの良好に接合できなくなるおそれがあるためである。
【００２６】
また、前記アルミニウム板接合工程と前記ヒートシンク接合工程とを同時に行うことが好ましい。
この場合、前記第二の金属板と前記セラミックス基板、前記第二の金属板と前記ヒートシンク、を同時に接合する構成としていることから、前記第二の金属板の接合工程を１回で行うことができ、このヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造コストを大幅に削減することができる。また、セラミックス基板に不要な熱負荷が作用することがなく、反り等の発生を抑制することができる。さらに、セラミックス基板の他方の面側に、第二の金属板とヒートシンクとが同時に接合されることから、セラミックス基板の他方の面側に剛性の高い部材が一度に接合されることになり、接合時におけるセラミックス基板の反りの発生を抑制することができる。
【００２７】
さらに、前記第二の金属板の接合界面に、前記添加元素とともにアルミニウムを配置することが好ましい。
この場合、前記添加元素とともにアルミニウムを配置しているので、第二の金属板の接合界面に溶融金属領域を確実に形成することが可能となる。また、添加元素の酸化損耗を抑制することができる。
【００２８】
また、蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング、めっき又はペーストの塗布のいずれかから選択される手段により、前記第二の金属板の接合界面に前記添加元素を配置することが好ましい。
この場合、蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング、めっき又はペーストの塗布のいずれかから選択される手段によって、第二の金属板の接合界面に確実に添加元素を配置することができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、第一の金属板の上に搭載された電子部品等の発熱体からの熱の放散を促進することができ、かつ、熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板の割れの発生を抑制し、信頼性の高いヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール、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】
【００３０】
【図１】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パワーモジュール用基板の第二の金属板の添加元素の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パワーモジュール用基板の第二の金属層及びヒートシンク（天板部）の添加元素の濃度分布を示す説明図である。
【図４】本発明の第１の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の第二の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の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法のフロー図である。
【図６】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の製造方法を示す説明図である。
【図７】図５におけるセラミックス基板と第二の金属板との接合界面近傍を示す説明図である。
【図８】図５における天板部と第二の金属板（金属層）との接合界面近傍を示す説明図である。
【図９】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の概略説明図である。
【図１０】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の第一の金属板とセラミックス基板との接合界面に拡大説明図である。
【図１１】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の第二の金属板の添加元素の濃度分布を示す説明図である。
【図１２】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の第二の金属層及びヒートシンク（天板部）の添加元素の濃度分布を示す説明図である。
【図１３】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の第二の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１４】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の製造方法のフロー図である。
【図１５】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の製造方法を示す説明図である。
【図１６】本発明の第３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の概略説明図である。
【図１７】本発明の第３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第二の金属板の添加元素の濃度分布を示す説明図である。
【図１８】本発明の第３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第二の金属層及びヒートシンク（天板部）の添加元素の濃度分布を示す説明図である。
【図１９】本発明の第３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第二の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２０】本発明の第３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製造方法のフロー図である。
【図２１】本発明の第３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製造方法を示す説明図である。
【図２２】本発明の他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の概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
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の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板１０及びこのヒートシンク付パワーモジュール用基板１０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、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１０と、このヒートシンク付パワーモジュール用基板１０の搭載面２２Ａ上にはんだ層２を介して接合された半導体チップ３（電子部品）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、搭載面２２Ａ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。
【００３２】
ヒートシンク付パワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板２１と、このセラミックス基板２１の一方の面（図１において上面）に接合された第一の金属板２２と、セラミックス基板２１の他方の面（図１において下面）に接合された第二の金属板２３と、からなるパワーモジュール用基板２０と、ヒートシンク１１と、を備えている。
【００３３】
セラミックス基板２１は、第一の金属板２２と第二の金属板２３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Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）で構成されている。また、セラミックス基板２１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。
【００３４】
第一の金属板２２は、銅又は銅合金で構成されており、本実施形態では、タフピッチ銅の圧延板とされている。また、その板厚は０．１〜１．０ｍｍ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。
この第一の金属板２２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、半導体チップ３が搭載される搭載面２２Ａとされている。
【００３５】
第二の金属板２３は、耐力が３０Ｎ／ｍｍ２以下のアルミニウムで構成されており、本実施形態では純度９９．９９％以上の純アルミニウム（いわゆる４Ｎアルミ）で構成されている。また、その板厚は０．６〜６ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、２．０ｍｍに設定されている。
【００３６】
ヒートシンク１１は、前述のパワーモジュール用基板２０を冷却するためのものである。本実施形態におけるヒートシンク１１は、パワーモジュール用基板２０と接合される天板部１２と、この天板部１２に積層配置される冷却部材１３と、を備えている。冷却部材１３の内部には、冷却媒体が流通する流路１４が形成されている。
ここで、天板部１２と冷却部材１３とは、固定ネジ１５によって連結される構造とされている。このため、天板部１２には、固定ネジ１５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１１の天板部１２を、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。なお、本実施形態では、天板部１２は、Ａ６０６３合金（アルミニウム合金）で構成されている。
【００３７】
そして、図２に示すように、セラミックス基板２１と第二の金属板２３との接合界面３０においては、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，Ｌｉのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素が固溶しており、本実施形態では、添加元素としてＣｕが固溶している。
ここで、第二の金属板２３の接合界面３０近傍には、接合界面３０から積層方向に離間するにしたがい漸次添加元素の濃度（本実施形態ではＣｕ濃度）が低下する濃度傾斜層３１が形成されている。また、この濃度傾斜層３１の接合界面３０側（第二の金属板２３の接合界面３０近傍）の添加元素の濃度（本実施形態ではＣｕ濃度）が、０．０１質量％以上５質量％以下の範囲内に設定されている。
なお、第二の金属板２３の接合界面３０近傍の添加元素の濃度は、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、第二の金属板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。
【００３８】
また、図３に示すように、第二の金属板２３とヒートシンク１１の天板部１２との接合界面４０においては、第二の金属板２３及び天板部１２に、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，Ｌｉのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素が固溶しており、本実施形態では、添加元素としてＣｕが固溶している。
ここで、第二の金属板２３及び天板部１２の接合界面４０近傍には、接合界面４０から積層方向に離間するにしたがい漸次添加元素の濃度（本実施形態ではＣｕ濃度）が低下する濃度傾斜層４１、４２が形成されている。また、この濃度傾斜層４１、４２の接合界面４０側（第二の金属板２３及び天板部１２の接合界面４０近傍）の添加元素の濃度（本実施形態ではＣｕ濃度）が、０．０１質量％以上５質量％以下の範囲内に設定されている。
なお、この第二の金属板２３及び天板部１２の接合界面４０近傍の添加元素の濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって、接合界面４０から５０μｍの位置で５点測定した平均値である。また、図３のグラフは、第二の金属板２３及び天板部１２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。
【００３９】
また、セラミックス基板２１と第二の金属板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４に示すように、接合界面３０に添加元素（Ｃｕ）が濃縮した添加元素高濃度部３２が形成されている。この添加元素高濃度部３２においては、添加元素の濃度（Ｃｕ濃度）が、第二の金属板２３中の添加元素の濃度（Ｃｕ濃度）の２倍以上とされている。なお、この添加元素高濃度部３２の厚さＨは４ｎｍ以下とされている。
【００４０】
なお、ここで観察する接合界面３０は、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２１の格子像の接合界面３０側端部との間の中央を基準面Ｓとする。また、第二の金属板２３中の添加元素の濃度（Ｃｕ濃度）は、第二の金属板２３のうち接合界面３０から一定距離（本実施形態では５ｎｍ）離れた部分における添加元素の濃度（Ｃｕ濃度）である。
【００４１】
また、この接合界面３０をエネルギー分散型Ｘ線分析法（ＥＤＳ）で分析した際のＡｌ、添加元素（Ｃｕ）、Ｏの質量比が、Ａｌ：添加元素（Ｃｕ）：Ｏ＝５０〜９０質量％：１〜３０質量％：４５質量％以下の範囲内に設定されている。なお、ＥＤＳによる分析を行う際のスポット径は１〜４ｎｍとされており、接合界面３０を複数点（例えば、本実施形態では２０点）で測定し、その平均値を算出している。また、第二の金属板２３の結晶粒界とセラミックス基板２１との接合界面３０は測定対象とせず、第二の金属板２３の結晶粒とセラミックス基板２１との接合界面３０のみを測定対象としている。また、エネルギー分散型Ｘ線分析法による分析値は、日本電子製の電子顕微鏡ＪＥＭ−１０Ｆに搭載したサーモフィッシャーサイエンティフィック株式会社製のエネルギー分散型蛍光Ｘ線元素分析装置ＮＯＲＡＮ  Ｓｙｓｔｅｍ７を用いて加速電圧２００ｋＶで行った。
【００４２】
以下に、前述の構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板１０の製造方法について、図５から図８を参照して説明する。
【００４３】
まず、図５及び図６に示すように、銅からなる第一の金属板２２と、セラミックス基板２１とを接合する（銅板接合工程Ｓ０１）。ここで、セラミックス基板２１がＡｌ２Ｏ３で構成されていることから、銅からなる第一の金属板２２とセラミックス基板２１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第一の金属板２２と、セラミックス基板２１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、第一の金属板２２と、セラミックス基板２１とが接合されることになる。
【００４４】
次に、セラミックス基板２１の他方の面側に第二の金属板２３を接合する（アルミニウム板接合工程Ｓ０２）とともに、第二の金属板２３とヒートシンク１１の天板部１２とを接合する（ヒートシンク接合工程Ｓ０３）。本実施形態では、これらアルミニウム板接合工程Ｓ０２と、ヒートシンク接合工程Ｓ０３と、を同時に実施することになる。
【００４５】
第二の金属板２３のセラミックス基板２１との接合面にスパッタリングによって添加元素（Ｃｕ）を固着して第１固着層５１を形成するとともに、第二の金属板２３のヒートシンク１１の天板部１２との接合面にスパッタリングによって添加元素（Ｃｕ）を固着して第２固着層５２を形成する（固着層形成工程Ｓ１１）。ここで、第１固着層５１及び第２固着層５２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、第１固着層５１及び第２固着層５２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。
【００４６】
次に、図６に示すように、第二の金属板２３をセラミックス基板２１の他方の面側に積層する。さらに、第二の金属板２３の他方の面側にヒートシンク１１の天板部１２を積層する（積層工程Ｓ１２）。
このとき、図６に示すように、第二の金属板２３の第１固着層５１が形成された面がセラミックス基板２１を向くように、かつ、第二の金属板２３の第２固着層５２が形成された面が天板部１２を向くようにして、これらを積層する。すなわち、第二の金属板２３とセラミックス基板２１との間に第１固着層５１（添加元素：Ｃｕ）を介在させ、第二の金属板２３と天板部１２との間に第２固着層５２（添加元素：Ｃｕ）を介在させているのである。
【００４７】
次に、第一の金属板２２及びセラミックス基板２１、第二の金属板２３、天板部１２をその積層方向に加圧（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（加熱工程Ｓ１３）。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。
【００４８】
すると、図７に示すように、第二の金属板２３とセラミックス基板２１との界面に第１溶融金属領域５５が形成されることになる。この第１溶融金属領域５５は、図７に示すように、第１固着層５１の添加元素（Ｃｕ）が第二の金属板２３側に拡散することによって、第二の金属板２３の第１固着層５１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形成されるものである。
また、図８に示すように、第二の金属板２３と天板部１２との界面に第２溶融金属領域５６が形成される。この第２溶融金属領域５６は、図８に示すように、第２固着層５２の添加元素（Ｃｕ）が第二の金属板２３側及び天板部１２側に拡散することによって、第二の金属板２３及び天板部１２の第２固着層５２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形成されるものである。
【００４９】
次に、第１溶融金属領域５５、第２溶融金属領域５６が形成された状態で温度を一定に保持しておく（溶融金属凝固工程Ｓ１４）。
すると、第１溶融金属領域５５中のＣｕが、さらに第二の金属板２３側へと拡散していくことになる。これにより、第１溶融金属領域５５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、セラミックス基板２１と第二の金属板２３とが接合される。
同様に、第２溶融金属領域５６中のＣｕが、さらに第二の金属板２３側及び天板部１２側へと拡散し、第２溶融金属領域５６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、第二の金属板２３と天板部１２とが接合される。
【００５０】
つまり、セラミックス基板２１と第二の金属板２３、及び、天板部１２と第二の金属板２３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。このようにして凝固が進行した後に、常温にまで冷却を行う。
【００５１】
このようにして、第一の金属板２２、セラミックス基板２１、第二の金属板２３、ヒートシンク１１の天板部１２とが接合され、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１０が製造されることになる。
【００５２】
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パワーモジュール用基板１０によれば、半導体チップ３が搭載される搭載面２２Ａを有する第一の金属板２２が、タフピッチ銅で構成されているので、半導体チップ３から発生する熱を十分に拡げることができ、この熱の放散を促進することができる。よって、パワー密度の高い半導体チップ３等の電子部品を搭載することができ、半導体パッケージの小型化、高出力化を図ることが可能となる。
【００５３】
また、ヒートシンク１１の天板部１２を、耐力が１００Ｎ／ｍｍ２以上の金属材料で構成され、その厚さが２ｍｍ以上のものとしており、本実施形態では、Ａ６０６３合金（アルミニウム合金）で構成されたものとしていることから、剛性が高く、取扱いが容易となる。よって、図１に示すように、この天板部１２を冷却部材１３に固定ネジ１５で固定することができ、冷却能力に優れたヒートシンク１１を構成することが可能となる。
【００５４】
さらに、ヒートシンク１１の天板部１２とセラミックス基板２１との間に、耐力が３０Ｎ／ｍｍ２以下のアルミニウム（本実施形態では、純度９９．９９％以上の純アルミニウム）からなる第二の金属板２３が配設されているので、ヒートシンク１１の天板部１２の剛性が高くても、ヒートシンク１１の天板部１２とセラミックス基板２１との熱膨張係数の差に起因する熱歪みをこの第二の金属板２３で十分に緩和することができ、セラミックス基板２１の割れの発生を抑制することができる。特に、本実施形態では、第二の金属層の厚さを０．６〜６ｍｍの範囲内としていることから、確実に熱歪みを吸収することができるとともに、この第二の金属板２３による熱抵抗の増大を抑制することができる。
【００５５】
また、本実施形態では、セラミックス基板２１がＡｌ２Ｏ３で構成されているので、上述のように、タフピッチ銅からなる第一の金属板２２とセラミックス基板２１とを、酸素と銅との共晶反応を利用したＤＢＣ法によって接合することができる。よって、セラミックス基板２１と第一の金属板２２との接合強度を確保することができ、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１０を構成することができる。
【００５６】
また、第二の金属板２３とセラミックス基板２１との接合界面３０、及び、第二の金属板２３とヒートシンク１１の天板部１２との接合界面４０には、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，Ｌｉのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素が固溶しており、本実施形態では、添加元素としてＣｕが固溶されているので、第二の金属板２３の接合界面３０、４０側部分が固溶強化することになり、第二の金属板２３部分での破断を防止することができる。
【００５７】
ここで、第二の金属板２３のうち接合界面３０、４０近傍における添加元素の濃度（本実施形態ではＣｕ濃度）が０．０１質量％以上５質量％以下の範囲内に設定されているので、第二の金属板２３の接合界面３０、４０近傍の強度が過剰に高くなることを防止でき、このヒートシンク付パワーモジュール用基板１０に冷熱サイクルが負荷された際に、熱歪みを第二の金属板２３で緩和することが可能となり、セラミックス基板２１の割れの発生を抑制できる。
【００５８】
また、第二の金属板２３とセラミックス基板２１との接合界面３０には、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，Ｌｉのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素の濃度（本実施形態ではＣｕ濃度）が、第二の金属板２３中の前記添加元素の濃度の２倍以上とされた添加元素高濃度部３２が形成されているので、界面近傍に存在する添加元素原子（Ｃｕ原子）により、第二の金属板２３の接合強度の向上を図ることが可能となる。
【００５９】
また、添加元素高濃度部３２を含む接合界面３０をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析したＡｌ、添加元素（Ｃｕ）、Ｏの質量比が、Ａｌ：添加元素（Ｃｕ）：Ｏ＝５０〜９０質量％：１〜３０質量％：４５質量％以下とされているので、Ａｌと添加元素（Ｃｕ）との反応物が過剰に生成されることがなく、第二の金属板２３とセラミックス基板２１との接合を良好に行うことができる。また、この反応物によって第二の金属板２３の接合界面３０近傍が必要以上に強化されることがなく、熱歪みを確実に吸収することが可能となり、熱サイクル負荷時のセラミックス基板２１の割れの発生を抑制することができる。
【００６０】
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１０の製造方法によれば、前述したヒートシンク付パワーモジュール用基板１０を製造することができる。また、アルミニウム板接合工程Ｓ０２及びヒートシンク接合工程Ｓ０３においては、第二の金属板２３の接合界面３０、４０にＳｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，Ｌｉのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素（本実施形態ではＣｕ）を配置し、第二の金属板２３を接合する構成としているので、第二の金属板２３とセラミックス基板２１、及び、第二の金属板２３とヒートシンク１１の天板部１２、をそれぞれ強固に接合することができる。また、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｌｉといった元素は、アルミニウムの融点を降下させる元素であるため、比較的低温な条件においても、第二の金属板２３の接合界面３０、４０に、第１溶融金属領域５５、第２溶融金属領域５６を形成することができる。
さらに、Ｃｕが存在することによって接合界面３０、４０近傍が活性化すると推測され、低温状況下でもセラミックス基板２１と第二の金属板２３、天板部１２と第二の金属板２３、をそれぞれ強固に接合すること可能となるのである。
【００６１】
また、本実施形態では、アルミニウム板接合工程Ｓ０２及びヒートシンク接合工程Ｓ０３においては、添加元素（Ｃｕ）が第二の金属板２３側及び天板部１２側に向けて拡散することにより、接合界面３０、４０に第１溶融金属領域５５、第２溶融金属領域５６を形成し、この第１溶融金属領域５５、第２溶融金属領域５６を凝固させることによって接合する、いわゆる拡散接合（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｐｈａｓｅ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって接合しているので、比較的低温条件で強固に接合することができ、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１０を製造することができる。
【００６２】
また、第二の金属板２３の接合面に形成される第１固着層５１及び第２固着層５２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、第１固着層５１及び第２固着層５２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ので、第二の金属板２３の接合界面３０、４０に確実に、第１溶融金属領域５５、第２溶融金属領域５６を形成することができる。また、添加元素（Ｃｕ）が過剰に第二の金属板２３側に拡散して接合界面３０、４０近傍の第二の金属板２３の強度が過剰に高くなることを防止できる。よって、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１０に熱サイクルが負荷された際に、熱歪みを第二の金属板２３で確実に吸収することができ、セラミックス基板２１の割れ等を防止できる。
【００６３】
また、本実施形態では、アルミニウム板接合工程Ｓ０２とヒートシンク接合工程Ｓ０３とを同時に行う構成としているので、第二の金属板２３の両面の接合工程を１回で行うことができ、このヒートシンク付パワーモジュール用基板１０の製造コストを大幅に削減することができる。さらに、セラミックス基板２１に不要な熱負荷が作用することがなく、反り等の発生を抑制することができる。
また、スパッタリングにより、第二の金属板２３の接合面に添加元素（Ｃｕ）を固着させることで、第１固着層５１及び第２固着層５２を形成しているので、第二の金属板２３の接合界面３０、４０に確実に添加元素を配置することができる。
【００６４】
次に、本発明の第２の実施形態について、図９から図１５を参照して説明する。
図９に示すパワーモジュール１０１は、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１１０と、このヒートシンク付パワーモジュール用基板１１０の搭載面１２２Ａ上にはんだ層２を介して接合された半導体チップ３（電子部品）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、搭載面１２２Ａ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。
【００６５】
ヒートシンク付パワーモジュール用基板１１０は、セラミックス基板１２１と、このセラミックス基板１２１の一方の面（図９において上面）に接合された第一の金属板１２２と、セラミックス基板１２１の他方の面（図９において下面）に接合された第二の金属板１２３と、からなるパワーモジュール用基板１２０と、ヒートシンク１１１と、を備えている。
【００６６】
セラミックス基板１２１は、第一の金属板１２２と第二の金属板１２３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１２１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。
【００６７】
第一の金属板１２２は、銅又は銅合金で構成されており、本実施形態では、タフピッチ銅の圧延板とされている。また、その板厚は０．１  〜１．０ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６  ｍｍに設定されている。
この第一の金属板１２２には、回路パターンが形成されており、その一方の面（図９において上面）が、半導体チップ３が搭載される搭載面１２２Ａとされている。
【００６８】
ここで、セラミックス基板１２１と第一の金属板１２２との界面には、図１０に示すように、Ａｌ２Ｏ３層１２５が形成されている。本実施形態では、このＡｌ２Ｏ３層１２５の厚さは、１μｍ以上とされている。
【００６９】
第二の金属板１２３は、耐力が３０Ｎ／ｍｍ２以下のアルミニウムで構成されており、本実施形態では純度９９．９９％以上の純アルミニウム（いわゆる４Ｎアルミ）で構成されている。また、その板厚は０．６〜６ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、２．０ｍｍに設定されている。
【００７０】
ヒートシンク１１１は、前述のパワーモジュール用基板１２０を冷却するためのものである。本実施形態におけるヒートシンク１１１は、パワーモジュール用基板１２０と接合される天板部１１２と、冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路１１４と、を備えている。
ここで、ヒートシンク１１１（天板部１１２）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１１１の天板部１１２は、Ａ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。
【００７１】
そして、図１１に示すように、セラミックス基板１２１と第二の金属板１２３との接合界面１３０においては、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，Ｌｉのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素が固溶しており、本実施形態では、添加元素としてＧｅが固溶している。
ここで、第二の金属板１２３の接合界面１３０近傍には、接合界面１３０から積層方向に離間するにしたがい漸次添加元素の濃度（本実施形態ではＧｅ濃度）が低下する濃度傾斜層１３１が形成されている。また、この濃度傾斜層１３１の接合界面１３０側（第二の金属板１２３の接合界面１３０近傍）の添加元素の濃度（本実施形態ではＧｅ濃度）が、０．０１質量％以上５質量％以下の範囲内に設定されている。
なお、第二の金属板１２３の接合界面１３０近傍の添加元素の濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって、接合界面１３０から５０μｍの位置で５点測定した平均値である。また、図１１のグラフは、第二の金属板１２３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。
【００７２】
また、図１２に示すように、第二の金属板１２３とヒートシンク１１１の天板部１１２との接合界面１４０においては、第二の金属板１２３及び天板部１１２に、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，Ｌｉのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素が固溶しており、本実施形態では、添加元素としてＧｅが固溶している。
ここで、第二の金属板１２３及び天板部１１２の接合界面１４０近傍には、接合界面１４０から積層方向に離間するにしたがい漸次添加元素の濃度（本実施形態ではＧｅ濃度）が低下する濃度傾斜層１４１、１４２が形成されている。また、この濃度傾斜層１４１、１４２の接合界面１４０側（第二の金属板１２３及び天板部１１２の接合界面１４０近傍）の添加元素の濃度（本実施形態ではＧｅ濃度）が、０．０１質量％以上５質量％以下の範囲内に設定されている。
なお、この第二の金属板１２３及び天板部１１２の接合界面１４０近傍の添加元素の濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって、接合界面１４０から５０μｍの位置で５点測定した平均値である。また、図１２のグラフは、第二の金属板１２３及び天板部１１２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。
【００７３】
また、セラミックス基板１２１と第二の金属板１２３との接合界面１３０を透過電子顕微鏡において観察した場合には、図１３に示すように、接合界面１３０に添加元素（Ｇｅ）が濃縮した添加元素高濃度部１３２が形成されている。この添加元素高濃度部１３２においては、添加元素の濃度（Ｇｅ濃度）が、第二の金属板１２３中の添加元素の濃度（Ｇｅ濃度）の２倍以上とされている。なお、この添加元素高濃度部１３２の厚さＨは４ｎｍ以下とされている。
【００７４】
なお、ここで観察する接合界面１３０は、図１３に示すように、第二の金属板１２３の格子像の界面側端部とセラミックス基板１２１の格子像の接合界面１３０側端部との間の中央を基準面Ｓとする。また、第二の金属板１２３中の添加元素の濃度（Ｇｅ濃度）は、第二の金属板１２３のうち接合界面１３０から一定距離（本実施形態では５ｎｍ）離れた部分における添加元素の濃度（Ｇｅ濃度）である。
【００７５】
また、この接合界面１３０をエネルギー分散型Ｘ線分析法（ＥＤＳ）で分析した際のＡｌ、添加元素（Ｇｅ）、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：添加元素（Ｇｅ）：Ｏ：Ｎ＝５０〜９０質量％：１〜３０質量％：１〜１０質量％：２５質量％以下の範囲内に設定されている。なお、ＥＤＳによる分析を行う際のスポット径は１〜４ｎｍとされており、接合界面１３０を複数点（例えば、本実施形態では２０点）で測定し、その平均値を算出している。また、第二の金属板１２３の結晶粒界とセラミックス基板１２１との接合界面１３０は測定対象とせず、第二の金属板１２３の結晶粒とセラミックス基板１２１との接合界面１３０のみを測定対象としている。
また、エネルギー分散型Ｘ線分析法による分析値は、日本電子製の電子顕微鏡ＪＥＭ−２０１０Ｆに搭載したサーモフィッシャーサイエンティフィック株式会社製のエネルギー分散型蛍光Ｘ線元素分析装置ＮＯＲＡＮ  Ｓｙｓｔｅｍ７を用いて加速電圧２００ｋＶで行った。
【００７６】
以下に、前述の構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板１１０の製造方法について説明する。
【００７７】
まず、図１４及び図１５に示すように、ＡｌＮからなるセラミックス基板１２１の一方の面に、Ａｌ２Ｏ３層１２５を形成する（アルミナ層形成工程Ｓ１００）。このアルミナ層形成工程Ｓ１００においては、ＡｌＮの酸化処理を１２００℃以上でＡｒ−Ｏ２混合ガス雰囲気にて行った。酸素分圧ＰＯ２を１０ｋＰａとし、水蒸気分圧ＰＨ２Ｏを０．０５ｋＰａに調整した。このように、高酸素分圧／低水蒸気分圧雰囲気にてＡｌＮの酸化処理を行うことにより、ＡｌＮとの密着性に優れた緻密なＡｌ２Ｏ３層１２５が形成されることになる。ここで、Ａｌ２Ｏ３層１２５の厚さは１μｍ以上とされている。
なお、高純度のＡｒガスを脱酸処理した後に酸素ガスを混合することによって酸素分圧を調整した。また、この雰囲気ガスをシリカゲルと五酸化二リンを充填した乾燥系に通すことで脱水処理を行った後に所定温度に調整された水中を通過させることによって水蒸気分圧を調整した。
【００７８】
次に、銅からなる第一の金属板１２２と、セラミックス基板１２１とを接合する（銅板接合工程Ｓ１０１）。ここで、ＡｌＮからなるセラミックス基板１２１の一方の面にＡｌ２Ｏ３層１２５が形成されていることから、銅からなる第一の金属板１２２とＡｌ２Ｏ３層１２５とが、銅と酸素の共晶反応を利用したＤＢＣ法により接合されることになる。具体的には、タフピッチ銅からなる第一の金属板１２２と、セラミックス基板１２１のＡｌ２Ｏ３層１２５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、第一の金属板１２２と、セラミックス基板１２１のＡｌ２Ｏ３層１２５とを接合するのである。
【００７９】
次に、セラミックス基板１２１の他方の面側に第二の金属板１２３を接合する（アルミニウム板接合工程Ｓ１０２）とともに、第二の金属板１２３とヒートシンク１１１（天板部１１２）とを接合する（ヒートシンク接合工程Ｓ１０３）。本実施形態では、これらアルミニウム板接合工程Ｓ１０２と、ヒートシンク接合工程Ｓ１０３と、を同時に実施することになる。
【００８０】
第二の金属板１２３のセラミックス基板１２１との接合面にスパッタリングによって添加元素を固着して第１固着層１５１を形成するとともに、第二の金属板１２３のヒートシンク１１１（天板部１１２）との接合面にスパッタリングによって添加元素を固着して第２固着層１５２を形成する（固着層形成工程Ｓ１１１）。ここで、第１固着層１５１及び第２固着層１５２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Ｇｅを用いており、第１固着層１５１及び第２固着層１５２におけるＧｅ量が０．０１ｍｇ／ｃｍ２以上１０ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されている。
【００８１】
次に、図１５に示すように、第二の金属板１２３をセラミックス基板１２１の他方の面側に積層する。さらに、第二の金属板１２３の他方の面側にヒートシンク１１１の天板部１１２を積層する（積層工程Ｓ１１２）。
このとき、図１５に示すように、第二の金属板１２３の第１固着層１５１が形成された面がセラミックス基板１２１を向くように、かつ、第二の金属板１２３の第２固着層１５２が形成された面が天板部１１２を向くようにして、これらを積層する。すなわち、第二の金属板１２３とセラミックス基板１２１との間に第１固着層１５１（添加元素：Ｇｅ）を介在させ、第二の金属板１２３と天板部１１２との間に第２固着層１５２（添加元素：Ｇｅ）を介在させているのである。
【００８２】
次に、第一の金属板１２２及びセラミックス基板１２１、第二の金属板１２３、天板部１１２をその積層方向に加圧（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（加熱工程Ｓ１１３）。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、加熱温度は５５０℃以上６５０℃以下の範囲内に設定している。
【００８３】
すると、第二の金属板１２３とセラミックス基板１２１との界面に第１溶融金属領域が形成されることになる。この第１溶融金属領域は、第１固着層１５１の添加元素（Ｇｅ）が第二の金属板１２３側に拡散することによって、第二の金属板１２３の第１固着層１５１近傍の添加元素の濃度（Ｇｅ濃度）が上昇して融点が低くなることにより形成されるものである。
また、第二の金属板１２３と天板部１１２との界面に第２溶融金属領域が形成される。この第２溶融金属領域は、第２固着層１５２の添加元素（Ｇｅ）が第二の金属板１２３側及び天板部１１２側に拡散することによって、第二の金属板１２３及び天板部１１２の第２固着層１５２近傍の添加元素の濃度（Ｇｅ濃度）が上昇して融点が低くなることにより形成されるものである。
【００８４】
次に、第１溶融金属領域、第２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（溶融金属凝固工程Ｓ１１４）。
すると、第１溶融金属領域中のＧｅが、さらに第二の金属板１２３側へと拡散していくことになる。これにより、第１溶融金属領域であった部分のＧｅ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、セラミックス基板１２１と第二の金属板１２３とが接合される。
同様に、第２溶融金属領域中のＧｅが、さらに第二の金属板１２３側及び天板部１１２側へと拡散し、第２溶融金属領域であった部分のＧｅ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、第二の金属板１２３と天板部１１２とが接合される。
【００８５】
つまり、セラミックス基板１２１と第二の金属板１２３、及び、天板部１１２と第二の金属板１２３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。このようにして凝固が進行した後に、常温にまで冷却を行う。
【００８６】
このようにして、第一の金属板１２２、セラミックス基板１２１、第二の金属板１２３、ヒートシンク１１１（天板部１１２）とが接合され、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１１０が製造されることになる。
【００８７】
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パワーモジュール用基板１１０によれば、上述の第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と同様の作用効果を奏することになり、第一の金属板１２２の上に搭載された半導体チップ３等の発熱体からの熱を効率良く促進することができ、かつ、熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板１２１の割れの発生を抑制し、信頼性の高いヒートシンク付パワーモジュール用基板１１０を提供することが可能となる。
【００８８】
また、本実施形態では、ＡｌＮからなるセラミックス基板１２１の一方の面に、Ａｌ２Ｏ３層１２５を形成し、このＡｌ２Ｏ３層１２５を介して、銅からなる第一の金属板１２２とセラミックス基板１２１とをＤＢＣ法によって接合していることから、第一の金属板１２２とセラミックス基板１２１とを強固に接合することができる。よって、ＡｌＮからなるセラミックス基板１２１であっても、ＤＢＣ法を利用して銅からなる第一の金属板１２２を接合することが可能となる。
【００８９】
さらに、アルミナ層形成工程Ｓ１００において、形成するＡｌ２Ｏ３層１２５の厚さを１μｍ以上としているので、第一の金属板１２２とセラミックス基板１２１とを確実に接合することが可能となる。
また、本実施形態では、高酸素分圧／低水蒸気分圧雰囲気にてＡｌＮの酸化処理を行うことにより、ＡｌＮとの密着性に優れた緻密なＡｌ２Ｏ３層１２５を形成しているので、ＡｌＮからなるセラミックス基板１２１とＡｌ２Ｏ３層１２５との間での剥離の発生を防止することが可能となる。
【００９０】
次に、本発明の第３の実施形態について、図１６から図１８を参照して説明する。
図１６に示すパワーモジュール２０１は、ヒートシンク付パワーモジュール用基板２１０と、このヒートシンク付パワーモジュール用基板２１０の搭載面２２２Ａ上にはんだ層２を介して接合された半導体チップ３（電子部品）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、搭載面２２２Ａ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。
【００９１】
ヒートシンク付パワーモジュール用基板２１０は、セラミックス基板２２１と、このセラミックス基板２２１の一方の面（図１６において上面）に接合された第一の金属板２２２と、セラミックス基板２２１の他方の面（図１６において下面）に接合された第二の金属板２２３とを備えたパワーモジュール用基板２２０と、ヒートシンク２１１と、を備えている。
【００９２】
セラミックス基板２２１は、第一の金属板２２２と第二の金属板２２３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Ｓｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）で構成されている。また、セラミックス基板２２１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、０．３２ｍｍに設定されている。
【００９３】
第一の金属板２２２は、銅又は銅合金で構成されており、本実施形態では、タフピッチ銅の圧延板とされている。また、その板厚は０．１〜１．０ｍｍ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。
この第一の金属板２２２には、回路パターンが形成されており、その一方の面（図１６において上面）が、半導体チップ３が搭載される搭載面２２２Ａとされている。
【００９４】
第二の金属板２２３は、耐力が３０Ｎ／ｍｍ２以下のアルミニウムで構成されており、本実施形態では純度９９．９９％以上の純アルミニウム（いわゆる４Ｎアルミ）で構成されている。また、その板厚は０．６〜６ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、２．０ｍｍに設定されている。
【００９５】
ヒートシンク２１１は、前述のパワーモジュール用基板２２０を冷却するためのものである。本実施形態におけるヒートシンク２１１は、パワーモジュール用基板２２０と接合される天板部２１２と、冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路２１４と、を備えている。
ここで、ヒートシンク２１１（天板部２１２）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２１１の天板部２１２は、Ａ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。
【００９６】
そして、図１７に示すように、セラミックス基板２２１と第二の金属板２２３との接合界面２３０においては、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，Ｌｉのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素が固溶しており、本実施形態では、添加元素としてＣｕが固溶している。
ここで、第二の金属板２２３の接合界面２３０近傍には、接合界面２３０から積層方向に離間するにしたがい漸次添加元素の濃度（本実施形態ではＣｕ濃度）が低下する濃度傾斜層２３１が形成されている。また、この濃度傾斜層２３１の接合界面２３０側（第二の金属板２２３の接合界面２３０近傍）の添加元素の濃度（本実施形態ではＣｕ濃度）が、０．０１質量％以上５質量％以下の範囲内に設定されている。
なお、第二の金属板２２３の接合界面２３０近傍の添加元素の濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって、接合界面２３０から５０μｍの位置で５点測定した平均値である。また、図１７のグラフは、第二の金属板２２３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。
【００９７】
また、図１８に示すように、第二の金属板２２３とヒートシンク２１１の天板部２１２との接合界面２４０においては、第二の金属板２２３及び天板部２１２に、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，Ｌｉのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素が固溶しており、本実施形態では、添加元素としてＣｕが固溶している。
ここで、第二の金属板２２３及び天板部２１２の接合界面２４０近傍には、接合界面２４０から積層方向に離間するにしたがい漸次添加元素の濃度（本実施形態ではＣｕ濃度）が低下する濃度傾斜層２４１、２４２が形成されている。また、この濃度傾斜層２４１、２４２の接合界面２４０側（第二の金属板２２３及び天板部２１２の接合界面２４０近傍）の添加元素の濃度（本実施形態ではＣｕ濃度）が、０．０１質量％以上５質量％以下の範囲内に設定されている。
なお、この第二の金属板２２３及び天板部２１２の接合界面２４０近傍の添加元素の濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって、接合界面２４０から５０μｍの位置で５点測定した平均値である。また、図１２のグラフは、第二の金属板２２３及び天板部２１２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。
【００９８】
また、セラミックス基板２２１と第二の金属板２２３との接合界面２３０を透過電子顕微鏡において観察した場合には、図１９に示すように、接合界面２３０に添加元素（Ｃｕ）が濃縮した添加元素高濃度部２３２が形成されている。この添加元素高濃度部２３２においては、添加元素の濃度（Ｃｕ濃度）が、第二の金属板２２３中の添加元素の濃度（Ｓｉ濃度）の２倍以上とされている。なお、この添加元素高濃度部２３２の厚さＨは４ｎｍ以下とされている。
【００９９】
なお、ここで観察する接合界面２３０は、図１９に示すように、第二の金属板２２３の格子像の界面側端部とセラミックス基板２２１の格子像の接合界面２３０側端部との間の中央を基準面Ｓとする。また、第二の金属板２２３中の添加元素の濃度（Ｃｕ濃度）は、第二の金属板２２３のうち接合界面２３０から一定距離（本実施形態では５ｎｍ）離れた部分における添加元素の濃度（Ｃｕ濃度）である。
【０１００】
また、この接合界面２３０をエネルギー分散型Ｘ線分析法（ＥＤＳ）で分析した際のＡｌ、Ｓｉ、添加元素（Ｃｕ）、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：Ｓｉ：添加元素（Ｃｕ）：Ｏ：Ｎ＝１５〜４５質量％：１５〜４５質量％：１〜３０質量％：２〜２０質量％：２５質量％以下の範囲内に設定されている。なお、ＥＤＳによる分析を行う際のスポット径は１〜４ｎｍとされており、接合界面２３０を複数点（例えば、本実施形態では２０点）で測定し、その平均値を算出している。また、第二の金属板２２３の結晶粒界とセラミックス基板１２１との接合界面２３０は測定対象とせず、第二の金属板２２３の結晶粒とセラミックス基板２２１との接合界面２３０のみを測定対象としている。
また、エネルギー分散型Ｘ線分析法による分析値は、日本電子製の電子顕微鏡ＪＥＭ−２０１０Ｆに搭載したサーモフィッシャーサイエンティフィック株式会社製のエネルギー分散型蛍光Ｘ線元素分析装置ＮＯＲＡＮ  Ｓｙｓｔｅｍ７を用いて加速電圧２００ｋＶで行った。
【０１０１】
以下に、前述の構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板２１０の製造方法について説明する。
【０１０２】
まず、図２０及び図２１に示すように、銅からなる第一の金属板２２２と、セラミックス基板２２１とを接合する（銅板接合工程Ｓ２０１）。ここで、Ｓｉ３Ｎ４からなるセラミックス基板２２１と第一の金属板２２２とは、いわゆる活性金属法によって接合されている。この活性金属法では、図２１に示すように、セラミックス基板２２１と第一の金属板２２２との間に、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉからなるろう材２２５を配設して、セラミックス基板２２１と第一の金属板２２２とを接合するものである。
なお、本実施形態では、Ａｇ−２７．４質量％Ｃｕ−２．０質量％Ｔｉからなるろう材２２５を用いて、１０−３Ｐａの真空中にて、８５０℃で１０分加熱することによって、セラミックス基板２２１と第一の金属板２２２とを接合している。
【０１０３】
次に、セラミックス基板２２１の他方の面側に第二の金属板２２３を接合する（アルミニウム板接合工程Ｓ２０２）とともに、第二の金属板２２３とヒートシンク２１１（天板部２１２）とを接合する（ヒートシンク接合工程Ｓ２０３）。本実施形態では、これらアルミニウム板接合工程Ｓ２０２と、ヒートシンク接合工程Ｓ２０３と、を同時に実施することになる。
【０１０４】
第二の金属板２２３のセラミックス基板２２１との接合面にスパッタリングによって添加元素（Ｃｕ）を固着して第１固着層２５１を形成するとともに、第二の金属板２２３のヒートシンク２１１の天板部２１２との接合面にスパッタリングによって添加元素（Ｃｕ）を固着して第２固着層２５２を形成する（固着層形成工程Ｓ２１１）。ここで、第１固着層２５１及び第２固着層２５２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、第１固着層２５１及び第２固着層２５２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。
【０１０５】
次に、図２１に示すように、第二の金属板２２３をセラミックス基板２２１の他方の面側に積層する。さらに、第二の金属板２２３の他方の面側にヒートシンク２１１の天板部２１２を積層する（積層工程Ｓ２１２）。
【０１０６】
そして、第一の金属板２２２及びセラミックス基板２２１、第二の金属板２２３、天板部２１２をその積層方向に加圧（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（加熱工程Ｓ２１３）。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、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、第二の金属板２２３とセラミックス基板２２１との界面に第１溶融金属領域が形成され、第二の金属板２２３と天板部２１２との界面に第２溶融金属領域が形成されることになる。
【０１０７】
次に、冷却を行うことで第１溶融金属領域、第２溶融金属領域を凝固させる（溶融金属凝固工程Ｓ２１４）。
【０１０８】
このようにして、第一の金属板２２２、セラミックス基板２２１、第二の金属板２２３、ヒートシンク２１１（天板部２１２）とが接合され、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２１０が製造されることになる。
【０１０９】
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パワーモジュール用基板２１０によれば、上述の第１、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と同様の作用効果を奏することになり、第一の金属板２２２の上に搭載された半導体チップ３等の発熱体からの熱を効率良く促進することができ、かつ、熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板２２１の割れの発生を抑制し、信頼性の高いヒートシンク付パワーモジュール用基板２１０を提供することが可能となる。
【０１１０】
また、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉのろう材２２５を用いた活性金属法によって、第一の金属板２２２とセラミックス基板２２１とを接合しているので、第一の金属板２２２及びセラミックス基板２２１に酸素を介在させることなく、パワーモジュール用基板２２０を構成することができる。
【０１１１】
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、第二の金属板を、純度９９．９９％以上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、耐力が３０Ｎ／ｍｍ２以下のアルミニウムで構成されたものであればよい。
【０１１２】
また、第２の実施形態において、ＡｌＮを酸化処理することによってＡｌ２Ｏ３層を形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く、他の手段によってセラミックス基板の表面にＡｌ２Ｏ３層を形成してもよい。
さらに、第１の実施形態及び第２の実施形態における固着層形成工程において、スパッタによって添加元素を固着するものとして説明したが、これに限定されることはなく、蒸着、ＣＶＤ、めっき又はペーストの塗布によって添加元素を固着させてもよい。
【０１１３】
また、第二の金属板とセラミックス基板、第二の金属板と天板部、との間に、それぞれ１種の添加元素を配置して接合するものとして説明したが、これに限定されることはなく、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，Ｌｉのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素を配設してもよい。
さらに、ＭｇやＣａ等の易酸化元素を用いる場合には、アルミニウムとともに添加元素を配設することが好ましい。これにより、ＭｇやＣａ等の易酸化元素が酸化損耗することを抑制することができる。
【０１１４】
また、本実施形態では、ヒートシンクの天板部をＡ６０６３合金で構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、Ａ１１００合金、Ａ３００３合金、Ａ５０５２合金、Ａ７Ｎ０１合金等の他の金属材料で構成されたものであってもよい。
さらに、ヒートシンクの構造は、本実施形態に限定されることはなく、他の構造のヒートシンクを採用してもよい。
【０１１５】
また、本実施形態では、ヒートシンクの上に一つのパワーモジュール用基板が接合された構成として説明したが、これに限定されることはなく、一つのヒートシンクの上に複数のパワーモジュール用基板が接合されていてもよい。
【０１１６】
さらに、図２２に示すように、第二の金属板３２３を、複数の金属板３２３Ａ、３２３Ｂを積層した構造としてもよい。この場合、第二の金属板３２３のうち一方側（図２２において上側）に位置する金属板３２３Ａがセラミックス基板３２１に接合され、他方側（図２２において下側）に位置する金属板３２３Ｂがヒートシンク３１１の天板部３１２に接合されることになる。なお、図２２では、２枚の金属板３２３Ａ、３２３Ｂを積層させたものとしているが、積層する枚数に制限はない。また、図２２に示すように、積層する金属板同士の大きさ、形状が異なっていても良いし、同じ大きさ、形状に調整されたものであってもよい。さらに、これらの金属板の組成が異なっていても良い。
【実施例】
【０１１７】
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。
Ａｌ２Ｏ３からなる厚さ０．６３５ｍｍのセラミックス基板と、タフピッチ銅の圧延板からなる厚さ０．６ｍｍの第一の金属板と、アルミニウムからなる厚さ２．０ｍｍの第二の金属板と、を準備した。ここで、第二の金属板においては、アルミニウムの純度を変更することにより、耐力が１０Ｎ／ｍｍ２、２５Ｎ／ｍｍ２、３５Ｎ／ｍｍ２の３種類を準備した。
また、ヒートシンクとしてアルミニウム板を準備した。ここで、ヒートシンクとなるアルミニウム板として、耐力が１４５Ｎ／ｍｍ２で厚さ５．０ｍｍ（Ａ６０６３合金）、耐力が１１０Ｎ／ｍｍ２で厚さ３．０ｍｍ（Ａ３００３合金）、耐力が９５Ｎ／ｍｍ２で厚さ５．０ｍｍ（Ａｌ−Ｓｉ合金）、耐力が１４５Ｎ／ｍｍ２で厚さ１．０ｍｍ（Ａ６０６３合金）の４種類を準備した。
【０１１８】
これらのセラミックス基板、第一の金属板、第二の金属板、ヒートシンクを、第１の実施形態に記載された方法により接合し、表１に示すように、６種類のヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造した。なお、固着層形成工程Ｓ１１におけるＣｕ量は０．９ｍｇ／ｃｍ２とした。また、加熱工程Ｓ１３における加圧圧力を５ｋｇｆ／ｃｍ２、加熱温度を６１０℃、真空加熱炉内の圧力を１０−４Ｐａとした。
【０１１９】
そして、これらの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（−４５℃−１２５℃）を２０００回繰り返し、セラミックス基板の割れの有無について確認した。また、ヒートシンクの変形についても確認した。評価結果を表１に示す。
【０１２０】
【表１】
0005577980.tif 000002
【０１２１】
第二の金属板の耐力を３５Ｎ／ｍｍ２とした比較例１においては、セラミックス基板に割れが確認された。ヒートンシンクとセラミックス基板との熱膨張係数の差に起因する熱歪みを、第二の金属板で十分緩和することができなかったためと推測される。
また、ヒートシンクを構成するアルミニウム板を耐力が９５Ｎ／ｍｍ２で厚さ５．０ｍｍ（Ａｌ−Ｓｉ合金）とした比較例２、耐力が１４５Ｎ／ｍｍ２で厚さ１．０ｍｍ（Ａ６０６３合金）とした比較例３においては、ヒートシンクの強度が不十分であってヒートシンクに変形が生じた。
【０１２２】
これに対して、耐力が３０Ｎ／ｍｍ２以下のアルミニウムからなる第二の金属板と、耐力が１００Ｎ／ｍｍ２以上で厚さが２ｍｍ以上とされたヒートシンクと、を備えた実施例１−３においては、セラミックス基板に割れは確認されなかった。また、ヒートシンクの変形も認められなかった。
【符号の説明】
【０１２３】
１、１０１、２０１、３０１  パワーモジュール
３  半導体チップ（電子部品）
１０、１１０、２１０、３１０  ヒートシンク付パワーモジュール用基板
１１、１１１、２１１、３１１  ヒートシンク
１２、１１２、２１２、３１２  天板部
２０、１２０、２２０、３２０  パワーモジュール用基板
２１、１２１、２２１、３２１  セラミックス基板
２２、１２２、２２２、３２２  第一の金属板
２２Ａ、１２２Ａ、２２２Ａ、３２２Ａ  搭載面
２３、１２３、２２３、３２３  第二の金属板
３０、１３０、２３０  接合界面（セラミックス基板／第二の金属板）
３２、１３２、２３２  添加元素高濃度部
４０、１４０、２４０  接合界面（第二の金属板／天板部）
５５  第１溶融金属領域（溶融金属領域）
５６  第２溶融金属領域（溶融金属領域）
１２５  Ａｌ２Ｏ３層  
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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