(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａｌ／ＡｌＮ接合体の製造方法であって、
ＡｌＮの圧粉成形体を焼結して表面に多孔質層を有するＡｌＮ焼結体を得る工程と、前記多孔質層にロウ材を介してＡｌ材を接合する工程とを有し、
ＡｌＮ焼結体を得る工程では、圧力５００ｈＰａ以上２０００ｈＰａ以下のホーニング処理によって、表面粗さＲｙが１．５０μｍ以上３．３０μｍ以下とされた前記多孔質層を形成し、
Ａｌ材を接合する工程では、前記ＡｌＮ焼結体と前記Ａｌ材との間に前記ロウ材を配置して加圧及び加熱し、その後、５００℃までの冷却速度を０．５℃／分以上１．０℃／分の条件で冷却することを特徴とするＡｌ／ＡｌＮ接合体の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載のＡｌ／ＡｌＮ接合体の製造方法であって、
前記ＡｌＮ焼結体と前記Ａｌ材との間に前記ロウ材を配置した状態で、これらを真空加熱及び加圧することを特徴とするＡｌ／ＡｌＮ接合体の製造方法。
【請求項３】
請求項２に記載のＡｌ／ＡｌＮ接合体の製造方法であって、
前記ＡｌＮ焼結体と前記Ａｌ材との間に前記ロウ材を配置した状態でこれらの接合面を真空状態に置いた後、これらを加熱しロウ材に液相を発生させ、さらにこれらを加圧して、前記ＡｌＮ焼結体の多孔質層に前記ロウ材の融液を含浸させることを特徴とするＡｌ／ＡｌＮ接合体の製造方法。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載のＡｌ／ＡｌＮ接合体の製造方法であって、
前記ＡｌＮ焼結体と前記Ａｌ材との間に置いたロウ材の融液を冷却、凝固させることにより、ＡｌＮ焼結体の多孔質層にロウ材を含浸させ、ＡｌＮ焼結体とＡｌ材を接合することを特徴とするＡｌ／ＡｌＮ接合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気自動車や電気車両等、大電流・大電圧を制御する半導体装置に用いられるＡｌ／ＡｌＮ接合体の製造方法に関する。
本願は、２００４年４月５日に出願された特願２００４−１１０８７９号及び２００４年７月２９日に出願された特願２００４−２２１７００号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【背景技術】
【０００２】
従来、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大きいため、これを搭載する基板として、回路基板全体の放熱性を良好にできるものを選ぶ必要がある。このため、セラミックス基板として高い熱伝導率を有するＡｌＮ（窒化アルミニウム）基板を用いる一方、金属回路板として同じく高熱伝導率を有するＡｌ（アルミニウム）を使用したものが実用化されている（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００３】
図９に示すようなパワーモジュール４０が一例として知られている。このパワーモジュール４０では、２つのパワーモジュール基板４１が放熱体３１上にロウ材３３やハンダなどによって接合され、さらに放熱体３１が水冷式ヒートシンク３７上に雄ネジ３６を用いてネジ止め固定されている。
パワーモジュール用基板４１は、それぞれＡｌＮからなる絶縁基板（以下、ＡｌＮ基板と称する）４２の一方の面に、Ａｌからなる回路層４３を積層し、他方の面にＡｌからなる金属層４４を積層したＡｌＮ／Ａｌ接合体４５と、回路層４３上にハンダ３４を介して搭載された半導体チップ３５とを備えている。金属層４３または回路層４４として、４Ｎ−Ａｌ（純度が９９．９９％以上のアルミニウム）を用いたＡｌＮ／Ａｌ接合体としてもよい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平３−２３４０４５号公報
【特許文献２】特開２００２−１７１０３７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、前記従来のパワーモジュール用基板の技術には、以下の課題が残されている。すなわち、第１の課題として、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を、Ａｌ２Ｏ３粒子で乾式ホーニングを行い、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】
また、第２の課題として、絶縁基板としてＡｌＮを使用した場合には、熱伝導率が高く充分な放熱性が得られる反面、ＡｌＮ基板自体の強度が低いため、パワーモジュールを使用するにあたって温度サイクルを繰り返すとクラックが生じて金属回路板が剥離することがある。その結果、放熱性が低下して電子機器の動作信頼性が低下する耐熱サイクルが低いという問題があった。これは、温度サイクル試験（−４０〜１２５℃）において、特に顕著である。
【０００７】
一方、ＡｌＮ基板の製造工程におけるＡｌＮのグリーン焼結では、ＡｌＮのグリーンシートの上下に、離型のための窒化ホウ素（ＢＮ）シートを積層して焼結するため、焼結後にＡｌＮ基板の表層にＢＮが付着している。そのため、そのままではＡｌＮ基板にＡｌの金属層を接合することが困難であり、Ａｌの回路層または金属層を接合する前に、ホーニング等によりＡｌＮ基板の表層からＢＮを除去することが行われている。
【０００８】
しかし、ＢＮを除去した場合に初期の接合強度が充分に得られても、温度サイクルを繰返した場合には必ずしも充分な耐熱サイクルを確保することは困難であり、寿命のばらつきも大きい。このため、今後、普及が見込まれる電気自動車や家庭内自家発電といった温度サイクルが頻繁に繰返される用途においては充分とはいえなかった。
【００１０】
また、ＡｌＮ基板にＡｌを接合した場合に、初期の接合強度のみならず、温度サイクルの作用によって熱膨張、収縮を繰り返しても絶縁基板と放熱体との間に剥離が生じたり、絶縁基板や放熱体に反りや割れが生じたりすることなく、充分な耐熱サイクルを確保して充分な寿命が得られるＡｌＮ／Ａｌ接合体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】
【００１６】
本発明のＡｌ／ＡｌＮ接合体の製造方法は、ＡｌＮの圧粉成形体を焼結して表面に多孔質層を有するＡｌＮ焼結体を得る工程と、前記多孔質層にロウ材を介してＡｌ材を接合する工程とを有し、ＡｌＮ焼結体を得る工程では、圧力５００ｈＰａ以上２０００ｈＰａ以下のホーニング処理によって、表面粗さＲｙが１．５０μｍ以上３．３０μｍ以下とされた前記多孔質層を形成し、Ａｌ材を接合する工程では、前記ＡｌＮ焼結体と前記Ａｌ材との間に前記ロウ材を配置して加圧及び加熱し、その後、５００℃までの冷却速度を０．５℃／分以上１．０℃／分の条件で冷却することを特徴とする。
【００１７】
このＡｌ／ＡｌＮ接合体の製造方法では、ロウ材を介してＡｌ材と接合されるＡｌＮ焼結体の表面に多孔質層が形成されるので、Ａｌ材を接合する際に、ロウ材がＡｌＮ焼結体の多孔質層の気孔内に浸入し、気孔内で凝固する。したがって、ロウ材がＡｌＮ焼結体の内部に喰い付いて両者が確実に接合される。
【００２０】
本発明の他の態様のＡｌ／ＡｌＮ接合体の製造方法では、前記ＡｌＮ焼結体の多孔質層とＡｌ材との間にロウ材を配置した状態で、真空加熱及び加圧することを特徴とする。
【００２１】
このＡｌ／ＡｌＮ接合体の製造方法では、真空加熱により、ＡｌＮ焼結体の表面に形成された多孔質層の気孔内の空気が除去されて気孔内へのロウ材の浸入が容易になる。また、ロウ材及びＡｌＮ焼結体の接合面が酸化されにくい。さらに、加圧することにより、ロウ材の表面張力に抗してＡｌＮ焼結体の多孔質層の気孔内にロウ材を押し込むことができる。
【００２２】
前記製造方法において、接合面を真空状態に置いた後に加熱し、ロウ材に液相を発生させ、さらに加圧してＡｌＮ焼結体の多孔質層に液相のロウ材を含浸させてもよい。
【００２３】
このＡｌ／ＡｌＮ接合体の製造方法では、ＡｌＮ焼結体の接合面を真空状態に置いた後に、ロウ材に液相を発生させるので、ＡｌＮ焼結体の表面に形成された多孔質層の気孔内の空気が完全に除去された後に、溶融したロウ材の浸入が始まる。したがって、ロウ材が多孔質層の気孔内の隅々まで浸透する。さらに、加圧されることによりロウ材の表面張力に抗して気孔内の小さな隙間までロウ材が押し込まれる。
【００２４】
Ａｌ／ＡｌＮ間に置いたロウ材の融液を冷却、凝固させることにより、ＡｌＮ焼結体の多孔質層を介してＡｌＮ焼結体とＡｌ材を接合してもよい。
【００２５】
この場合、ＡｌＮ焼結体の表面に形成された多孔質層の気孔内に溶融したロウ材が浸入した後にロウ材の融液を冷却、凝固させることにより、ロウ材がＡｌＮ焼結体の多孔質層の内部までしっかりと固着する。
【発明の効果】
【００２７】
また、本発明のＡｌ／ＡｌＮ接合体によれば、初期の接合強度のみならず、温度サイクルの作用によって熱膨張、収縮を繰り返しても絶縁基板と放熱体との間に剥離が生じたり、絶縁基板や放熱体に反りや割れが生じたりすることなく、充分な耐熱サイクルを確保して充分な寿命が得られる。したがって、信頼性が高いＡｌＮ／Ａｌ接合体と、それを使用したセラミックス回路基板、パワーモジュールを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】参考実施形態におけるパワーモジュールを示す断面図である。
【図２】参考実施形態におけるホーニング条件に対する歪みを示すグラフである。
【図３】参考実施形態におけるホーニング度合いに対するＢＮ残留量と表面ダメージ量との関係を説明するためのグラフである。
【図４】本発明の第１の実施形態におけるＡｌＮ／Ａｌ接合体を示す概念図である。
【図５】本発明の第１の実施形態におけるＡｌＮ絶縁体とＡｌとの接合面を示す概念図である。
【図６】本発明の第１の実施形態におけるグリーン焼結後のＡｌＮ絶縁体を示す概念図である。
【図７】本発明の第１の実施形態におけるＡｌＮ絶縁体を示す概念図である。
【図８】本発明の第２の実施形態におけるＡｌＮ／Ａｌ接合体を用いたパワーモジュール用基板及びパワーモジュールを示す概念図である。
【図９】従来のＡｌＮ／Ａｌ接合体を用いたパワーモジュール用基板及びパワーモジュールを示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、パワーモジュール用基板及びパワーモジュールの参考実施形態を、図１及び図２を参照しながら説明する。
【００３０】
この参考実施形態のパワーモジュール用基板及びこれを用いたパワーモジュールは、図１に示すように、電力供給用のパワー素子を有するＳｉチップ（半導体チップ）５を搭載するものである。このパワーモジュール用基板及びパワーモジュールの構造を、その製造プロセスと合わせて説明する。まず、ＡｌＮのセラミックス基板１（例えば５０ｍｍ×３０ｍｍ、厚さ０．６３５ｍｍ）と、Ａｌ（例えば純度９９．９％以上）の金属回路基板２と、Ａｌ（例えば純度９９．９％以上）の金属板３と、ロウ材（例えばＡｌ−Ｓｉ箔、５０ｍｍ×３０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍ以下）とを準備する。
【００３１】
次に、セラミックス基板１の表面に対して所定の回数及び圧力でホーニングを行い、セラミックス基板１の金属回路基板２との接合界面における離型剤（ＢＮ）の残留量を蛍光Ｘ線分析によるＢ量（ボロン量）で５未満にすると共に、接合界面における結晶粒の歪み発生領域が全体の４０％以下となるようにする。なお、前記歪み発生領域とは、前記界面におけるセラミックス結晶粒のＴＥＭ（透過電子顕微鏡）観察（明視野像）により、結晶粒内暗部つまり転位部が４０％以上の結晶がある領域である。
【００３２】
ホーニングにより、セラミックス基板１の金属回路板２との接合界面における離型剤の残留量を蛍光Ｘ線分析によるＢ量で５未満にすると共に、図２に示すように、Ｘ線回折による結晶子サイズと格子不均一歪み測定による歪み量で０．０３％以下となるようにしてもよい。
【００３３】
次に、セラミックス基板１の上面に金属回路板２をロウ材を介して接着すると共に、セラミックス基板１の下面に、同じロウ材を介してＡｌの金属板３を同様に接着する。
この接着工程では、ロウ材をセラミックス基板１と金属回路板２及び金属板３との間に挟んで積層し、荷重をかけて６００℃以上真空中または還元雰囲気中で加熱して接合する。
【００３４】
このように得られたＡｌ／ＡｌＮ／Ａｌ接合体の金属回路板２上にレジストを印刷した後、エッチングすることにより所定の回路パターンを形成し、パワーモジュール用基板が作製される。
【００３５】
次に、前記パワーモジュール用基板の金属回路板２上面に、Ｓｉチップ５をハンダ８により接着すると共に、このパワーモジュール用基板を、金属板３を介して放熱板４上にハンダ８により接着する。このようにして、参考実施形態のパワーモジュールが作製される。
【００３６】
参考実施形態のパワーモジュール用基板及びパワーモジュールでは、セラミックス基板１の金属回路板２との接合界面における離型剤の残留量が蛍光Ｘ線分析によるＢ量で５未満であると共に、接合界面における結晶粒の歪み発生領域が全体の４０％以下または結晶粒の歪み量が０．０３％以下であるので、温度サイクル試験後においても高い接合強度を得ることができる。
すなわち、セラミックス基板１の金属回路板２との接合界面における離型剤の残留量が蛍光Ｘ線分析によるＢ量で５未満であるから、セラミックス基板１を焼結する際に含まれていた離型剤のＢＮが界面に多く残留して接合性を悪化させることを防ぐことができる。セラミックス基板１表面（接合界面）における離型剤の残留量とダメージ量とは、図３に示すように、ホーニングの度合いによって、トレードオフの関係にあり、残留量及びダメージ量がいずれも低い状態で高い接合強度が得られるためである。
【００３７】
次に、本発明の第１の実施形態におけるＡｌＮ／Ａｌ接合体及びその製造方法を、図４から図７を参照しながら説明する。
図４は、本発明の第１実施形態のＡｌＮ／Ａｌ接合体（絶縁基板）１０を示す断面図であり、このＡｌＮ／Ａｌ接合体１０は、ＡｌＮ基板（絶縁セラミック基板）１１の両面のそれぞれに、ロウ材層１４を介して、Ａｌ板（導電層）１２、１３を接合したものである。
【００３８】
ＡｌＮ／Ａｌ接合体１０のＡｌＮ基板１１は所望の大きさに形成されたものであり、一例として０．３〜１．５ｍｍ程度とされる。ＡｌＮ／Ａｌ接合体１０の形状は一般的には矩形状であるが、その他の形状であってもよい。これらの構成は、先に述べた参考実施形態にも適用できる。
【００３９】
Ａｌ板１２、１３は９９．９９質量％以上のＡｌを含有する。Ａｌ含有率を９９．９９質量％以上とすることで、Ａｌ板１２、１３の応力緩和効果が向上し、温度変化に曝された際のＡｌＮ／Ａｌ接合体１０の反りやＡｌＮ基板１１の割れが抑制される。Ａｌ板１２、１３の厚さは限定されないが、一例として０．２５〜０．６ｍｍとされる。より具体的な実施形態では、ＡｌＮ基板１１は、例えば厚さ０．６３５ｍｍ、Ａｌ板１２、１３は、例えば厚さ０．４ｍｍとされる。Ａｌ板１２、１３はＡｌＮ基板１１の全面に接合されていてもよいし、図４に示すようにＡｌＮ基板１１の周辺部を除く部分にのみ形成されていてもよい。これらの構成は、先に述べた参考実施形態にも適用できる。
【００４０】
ロウ材１４の厚さは限定されないが、一例として０．００５〜０．０５ｍｍとされる。より具体的な例では０．０３ｍｍ程度である。ロウ材１４の材質は限定されないが、好ましくは、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｍｎ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｎ系、及びＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ−Ｍｎ系などアルミニウム合金系のロウ材から選択された１種または２種以上とされる。いずれのロウ材もＡｌ含有量は７０〜９８質量％とされる。この中でも特に、Ａｌ−Ｓｉ系ロウ材が好ましい。Ａｌ−Ｓｉ系ロウ材の一例を挙げると、９５〜７５質量％のＡｌ及び３〜２０質量％のＳｉを含む合金であり、融点（共晶点）は５７７℃である。これらの構成は、先に述べた参考実施形態にも適用できる。
【００４１】
Ａｌ／ＡｌＮ接合体１０は、図５に示すように、その表面に多孔質層２１を備え、少なくとも多孔質体を形成する空間（気孔）の一部が三次元網目構造とされると共に、三次元網目構造を構成する空隙が、ＡｌＮ材の表面からＡｌＮ材の内部へ向かうにつれ広くなっている。また、三次元網目構造を有する領域は、ＡｌＮ結晶の略０．５層以上かつ３層以下とされ、三次元網目構造をなす気孔（空隙）にはロウ材１４が含浸されて凝固している。なお、本明細書において、１層とはＡｌＮ結晶粒の粒径分に相当する厚みを示しており、ＡｌＮ結晶粒の粒径は約１μｍ以上約１５μｍ以下である。
【００４２】
絶縁ＡｌＮ基板１１の表裏に接合されるＡｌ板１２、１３は、それぞれの厚みが等しくされることが好ましい。Ａｌ板１２、１３は絶縁ＡｌＮ基板１１の両面に接合されることが好ましい。厚みが異なっていたり、片側のみにＡｌ板が接合されていると絶縁ＡｌＮ基板１１に反りが発生しやすいためである。ただし、必要に応じて片側のみに適用してもよい。
【００４３】
この実施形態のＡｌ／ＡｌＮ接合体１０によれば、少なくとも多孔質層２１を形成する気孔の一部が三次元網目構造とされているので、ＡｌＮ基板１１の結晶粒と三次元網目構造の気孔部分に充填されたロウ材１４が互いに係合し、Ａｌ板１２、１３とＡｌＮ基板１１が確実に接合される。
三次元網目構造内にロウ材１４が分散、接合されているのでＡｌ／ＡｌＮ接合体、Ａｌ／ＡｌＮ接合体を構成するＡｌ板、ＡｌＮ基板が膨張、収縮を繰り返しても応力がＡｌＮ表面の結晶粒子それぞれのアンカー部で分散され、接合体初期接合のみならず、熱サイクル後においても、安定した接合を確保することができる。
【００４４】
Ａｌ／ＡｌＮ接合体１０は、三次元網目構造がＡｌＮ結晶構造の略０．５層以上に対応する範囲であるのでロウ材がＡｌＮ結晶の背後まで廻り込んでしっかりと喰いつく。また、結晶粒の略３層に対応する範囲までの気孔を三次元網目構造として使用し、ＡｌＮ基板深層の脆弱層を使用しないことにより、使用するロウ材が削減できるとともに温度サイクルによる剥離が抑制される。
【００４５】
Ａｌ／ＡｌＮ接合体１０は、三次元網目構造の空間が表面よりも内部において広いので、アンカー効果によりロウ材がＡｌＮに確実に接合される。その結果、温度サイクルによる剥離が抑制できる。
【００４６】
次に、前記ＡｌＮ／Ａｌ接合体１０の製造方法を説明する。
まず、ＡｌＮのグリーンシートの上下に離型のための窒化ホウ素（ＢＮ）シートを積層してＡｌＮのグリーン焼結することによって、図６に示すようなＡｌＮ基板の素材２２を得る。ＡｌＮ基板１１は、その表層の少なくとも一部が３次元網目構造（図示せず）をなす多孔質層２１と、さらに多孔質層２１の表層部分に形成された脆弱多孔質層２３とを有する。
【００４７】
次に、焼結後のＡｌＮ基板の素材２２の表層をホーニングして、ＡｌＮ基板１１の表層に付着したＢＮ（図示せず）を除去するとともに、ＡｌＮ基板１１の最外表層面に形成された脆弱多孔質層２３を除去する。必要に応じて、ホーニングをする前に脆弱多孔質層２３を研削してもよい。
この場合、ホーニングは、例えば♯６００のＡｌ２Ｏ３粒子を用いて、圧力５００ｈＰａ（０．４９Ｋｇ／ｃｍ２）以上かつ２５００ｈＰａ（２．４７Ｋｇ／ｃｍ２）以下の条件で、最大粗さＲｙ（ＪＩＳ Ｂ０６０１−１９９４）が１．５０〜３．３０μｍとなるように行われる。
ホーニング圧力を２５００ｈＰａ以下とすることで、図７に示すように、ＡｌＮ基板１１表層の多孔質層２１の結晶構造の表面凸凹が潰れて平面的になるのが抑制される。ホーニング圧力を５００ｈＰａ以上とすることにより、ＡｌＮ表層の多孔質層がグリーン焼結した後のＢＮを充分に除去することができ、ＡｌＮ基板１１表層にロウ材が浸入するための開口がＡｌＮ粒子間に充分に形成されてロウ材の浸入が容易となり、さらに多孔質層２１の結晶構造の表面凸凹が保持される。
【００４８】
次いで、Ａｌ板１３の上に順に、シート状のロウ材１４、ＡｌＮ基板１１、シート状のロウ材１４、及びＡｌ板１２を重ねる。これらを真空中にて、６００℃以上かつＡｌ板１２、１３の融点以下の温度に加熱し、ロウ材１４を融解して液相とする。
真空にすることによって、ＡｌＮ基板１１の表層の多孔質層２１ならびに３次元網目構造内の気孔を満たしていた空気が排出され、気孔内が真空状態となる。
その後、Ａｌ板１２、１３とＡｌＮ基板１１の接合面に５０〜３００ｋＰａ（約０．５〜３ｋｇ／ｃｍ２）の圧力を加えて３次元網目構造内の空孔（真空状態にされた気孔）に、液相とされたロウ材１４を浸入させ、その後、融液を冷却速度０．５〜１．０℃／分で約５００℃まで冷却することによって、ロウ材１４を凝固させることで、ＡｌＮ多孔質層２１を介してＡｌＮ基板１１とＡｌ板１２、１３を接合する。
【００４９】
貼り合わせる際の圧力は接合ムラを防止するためには、５０ｋＰａ以上が適当であり、接合時のＡｌＮ基板１１の割れを防止する観点からは３００ｋＰａ以下が適当である。
充分な接合強度を確保するためにはロウ材に液相が確実に発生する６００℃以上が、前述した結晶粒径を確保するためにはＡｌ板１２、１３の融点以下に加熱することが好適である。
ロウ付け後、室温まで冷却し、その後、片面のＡｌ板１２、１３を所定のパターンにエッチングし、回路を形成することによりパワーモジュール用基板を得る。
【００５０】
前記実施形態にかかるＡｌＮ／Ａｌ接合体１０の製造方法によれば、Ａｌ板１２、１３と接合されるＡｌＮ基板１１の表面に、予め多孔質層２１が形成されているので、Ａｌ板１２、１３を接合する際に、ロウ材１４が液相となりＡｌＮ基板１１の多孔質層２１の気孔内に浸入、凝固するので、ロウ材１４がＡｌＮ基板１１の内部に確実に喰い付いて確実に接合される。
【００５１】
また、ＡｌＮの最外層表面の脆弱多孔質層が加工除去されているので、ロウ材がＡｌＮ接合面に非常に強固に喰い込んでいて、接合面に力が加わってもＡｌＮ表面の表層が剥離難いのでＡｌ／ＡｌＮ接合体の接合面の剥離が抑制される。
また、ＡｌＮ基板１１のＡｌ板１２、１３と当接する面にロウ材１４を配置した状態で加圧・真空加熱するので、ＡｌＮ基板１１の表面に形成された多孔質層２１の気孔内の空気が除去されて気孔内へのロウ材１４の浸入が容易になる。また、ロウ材１４及びＡｌＮ基板１１の接合面が酸化されることがない。また、加圧することにより、融解したロウ材１４がその表面張力に抗して気孔内に押し込まれる。
【００５２】
また、ＡｌＮ基板１１の接合面を真空状態に置いた後に、ロウ材１４に液相を発生させるので、ＡｌＮ基板１１の表面に形成された多孔質層２１の気孔内の空気が完全に除去された後に、溶融したロウ材１４の浸入が始まる。従って、空気による圧縮抵抗がなくロウ材１４が多孔質層２１の気孔内の隅々まで浸透する。
さらに、加圧されることによりロウ材１４の表面張力に抗して気孔内の小さな隙間までロウ材が押し込まれる。
【００５３】
また、ＡｌＮ基板１１の表面に形成された多孔質層２１の気孔内に溶融したロウ材１４が浸入した後にロウ材１４の融液を冷却、凝固させることにより、ロウ材１４がＡｌＮ基板１１の多孔質層２１の内部までしっかりと固着する。
【００５４】
次に、本発明の第２の実施形態であるパワーモジュールを説明する。本実施形態のパワーモジュール３０には、上述した第１の実施形態において説明したパワーモジュール用基板が実装されている。図８はパワーモジュール３０を示す図である。
【００５５】
図８に示すように、パワーモジュール３０は、放熱体３１の一方の主面に１または２以上の方形のパワーモジュール用基板３２がロウ材３３によって固着されると共に、パワーモジュール用基板３２の上面にハンダ３４によって半導体チップ３５が搭載されたものである。放熱体３１はＡｌ系合金板からなる板材であって、その厚さは限定されないが、一例として３〜１０ｍｍのものが使用される。
【００５６】
パワーモジュール用基板３２は、第１の実施形態と同様のものでよい。例えば厚さ０．３〜１．５ｍｍのＡｌＮ基板１１と、ＡｌＮ基板１１の両面に接合された第１及び第２のＡｌ板１２、１３を備える。第１及び第２のＡｌ板１２、１３は、例えば厚さが０．２５〜０．６ｍｍとされる。パワーモジュール用基板３２は、例えば一辺が３０ｍｍ以下の方形状とされる。
【００５７】
パワーモジュール用基板３２は、放熱体３１にロウ材によりロウ付けされている。ロウ材としては、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｍｎ系及びＡｌ−Ｇｅ系のロウ材から選ばれる１または２以上を用いることが好ましい。
パワーモジュール用基板３２を放熱体３１へロウ付けするには、放熱体３１の上にロウ材のシート及びパワーモジュール用基板３２をこの順序で重ね、これらに荷重５０〜３００ｋＰａを加え、真空中または不活性ガス中で５８０〜６５０℃に加熱してロウ材を溶融させ、その後冷却する。ロウ材３３は融点がロウ材１４の融点より低く、５００〜６３０℃、例えば５７５℃程度のものが好適である（ただし、融点とは液相線を越える点とする）。この場合、ＡｌＮ基板１１とＡｌ板１２、１３を接合したロウ材１４は完全には溶融せずに、放熱体３１と第１のＡｌ板１３とを接合させることができる。
【００５８】
このように構成されたパワーモジュール３０は、放熱体３１の隅に形成された取付孔に雄ネジ３６が挿入され、これら雄ネジ３６が水冷式ヒートシンク３７に形成された雌ネジにそれぞれ螺合されることにより、放熱体３１の他方の面が、例えばＡｌ合金からなる水冷式ヒートシンク３７に密着接合される。
【００５９】
このように構成されたパワーモジュール３０では、上述した第１の実施形態と同様の効果を奏する。
このようなパワーモジュール用基板３２を実装したことにより、熱サイクル時に生じるパワーモジュール用基板３２の縁における収縮量の相違も比較的小さく抑制できて、パワーモジュール３０の熱サイクル寿命を延ばすことができる。その結果、パワーモジュールとしての信頼性を向上できる。
【実施例１】
【００６０】
参考実施形態にかかるパワーモジュール用基板を、より具体的に説明する。まず、ＡｌＮのセラミックス基板１（５０ｍｍ×３０ｍｍ、厚さ０．６３５ｍｍ）のサンプルをＡ〜Ｊ用意し、それぞれ異なる条件で表面処理を行った。サンプルＡ〜Ｊのそれぞれの両側に純度９９．９％以上のＡｌの金属回路板２（１００ｍｍ×５ｍｍ幅、厚さ０．４ｍｍ）及び純度９９．９％以上のＡｌの金属板３（５０ｍｍ×３０ｍｍ幅、厚さ０．４ｍｍ）を、Ａｌ−Ｓｉ箔（５０ｍｍ×５ｍｍ幅、厚さ０．１ｍｍ）を挟んだ状態で積層し、接合した。このように作製したサンプルについて、接合界面の評価及び接合強度測定を行った。
【００６１】
サンプルＡ〜Ｉは、表面のダメージを変えるために、下記のように、ホーニング回数を１〜３、ホーニング圧力を弱、中、強の３種類で行い、９種類の異なる条件で表面処理を行った。また、サンプルＪについては、表面を１０μｍだけ機械研削した。
【００６２】
サンプル：ホーニング回数：圧力
Ａ ： １ ： 弱
Ｂ ： １ ： 中
Ｃ ： １ ： 強
Ｄ ： ２ ： 弱
Ｅ ： ２ ： 中
Ｆ ： ２ ： 強
Ｇ ： ３ ： 弱
Ｈ ： ３ ： 中
Ｉ ： ３ ： 強
Ｊ ：（機械研削）
【００６３】
接合は、荷重をかけて６００℃以上真空中または還元雰囲気中で加熱して行った。また、Ａｌの金属回路板２のうち接合部以外の部分を９０度折り曲げて、接合強度測定用（ピーリング法）のサンプルとした。
このように前記サンプルで作製したパワーモジュール用基板を、超音波検査法にて初期状態及び温度サイクル後の接合性について評価した。接合強度測定用サンプルにおいても、同様に初期及び温度サイクル後（温度サイクル条件：タバイエスペック社製装置使用、−４０℃×１５ｍｉｎ〜１２５℃×１５ｍｉｎ（気槽）で３０００サイクル後）の接合強度（ピーリング強度）について測定した。初期状態及び温度サイクル後の接合性については、はがれ発生がない場合は十分良好（○）、Ａｌ接合部端部１ｍｍ以内のはがれの場合はやや不十分（△）、１ｍｍ以上の領域でのはがれの場合は不十分（×）として評価した。
【００６４】
接合界面の評価は３種類行い、第１評価は、表面処理ダメージによる歪み発生領域の観察として、界面のセラミックス結晶粒のＴＥＭ観察（明視野像）を行い、結晶粒内暗部つまり転位部が４０％以上の結晶粒をダメージ結晶粒と定義し、該ダメージ結晶粒の割合をパーセンテージで示した。
第２評価は、第１評価と同様に、歪み発生領域の観察として、界面のセラミックス結晶粒のＴＥＭ観察を行い、Ｘ線回折による結晶子サイズと格子不均一歪み測定において、Ｘ線回折による結晶子サイズと格子不均一歪み測定において得られた不均一歪み解析値を結晶粒の歪みと定義し、該ダメージを歪みで示した。なお、ＴＥＭ観察を行う場合、転位が消滅しないサンプル厚さに設定している。このようにして試験した結果を、以下の表１に示す。
【００６５】
【表１】
0005387547.tif 000002
【００６６】
サンプルＡは、接合界面における離型剤のＢＮの残留量が蛍光Ｘ線分析によるＢ量で５と多かった。これは、ホーニング不足によるものと考えられる。
【００６７】
この試験結果からわかるように、離型剤が多く残留したサンプルＡ以外で、第１評価で２９％、第２評価で０．０３％以下となったサンプルＢ〜Ｅの全てにおいて、初期接合性及び温度サイクル後の接合性が良好であり、十分に高い接合強度及び信頼性が得られた。
【００６８】
Ｂ量は、蛍光Ｘ線分光法によりＢ−Ｋα及びＡｌ−Ｋαのピーク高さを求め、Ｂ−Ｋαのピーク高さ／Ａｌ−Ｋαのピーク高さ×１０００００で求めた。蛍光Ｘ線分光法での各元素のピーク高さは以下の条件で測定した。
（共通条件）
測定装置：ＲＩＸ2100
測定径：20mm
測定雰囲気:真空
スピンあり
（Bのピーク高さ測定条件）
元素 B-Kα
ターゲット Rh
電圧 20kV
電流 20mA
フィルタ out
アッテネータ 1/1
スリット std
結晶 RX70
PHA 100-330
角度 49.5°(バックグラウンド 40.0°)
時間 150sec (バックグラウンド 75sec )
（Alのピーク高さ測定条件）
元素 Al-Kα
ターゲット Rh
電圧 20kV
電流 20mA
フィルタ out
アッテネータ 1/1
スリット std
結晶 PET
PHA 100-300
角度 144.8°
時間 45sec
【００６９】
結晶粒の歪み量は、以下の装置による以下の条件で測定した。
使用装置：ＲＩＮＴ２０００／ＰＣ ＵＬＴＩＭＡ＋試料水平ゴニオメーター（理学電気株式会社製商品名）
使用Ｘ線：ＣｕＫα
Ｘ線出力：４０ＫＶ、４０ｍＡ、カウンタモノクロメーター（グラファイト）
使用検出器：シンチレーション、
測定２θ範囲：６４から１２８°、
測定ステップ：０．０１°、
積算時間：２秒／ステップ、
スリット条件：発散スリット１°、散乱スリット１°、受光スリット０．１５ｍｍ
【００７０】
参考実施形態のパワーモジュール用基板及びパワーモジュールによれば、セラミックス基板が、金属板との接合界面における離型剤の残留量が蛍光Ｘ線分析によるＢ量で５未満であると共に、接合界面における結晶粒の歪み発生領域が全体の４０％以下または接合界面における結晶粒の歪み量が０．０３％以下であるので、初期状態及び温度サイクル試験後においても高い接合強度を得ることができる。したがって、温度変化の厳しい環境下であっても高い信頼性を有するパワーモジュールを得ることができる。
【実施例２】
【００７１】
接合前のホーニングの圧力を変化させて接合したＡｌＮ基板に、温度サイクル試験（−４５〜１２５℃）をして、１０００サイクル毎に剥離の有無を超音波検査装置で調べて剥離が生じない最大の温度サイクル数を寿命とした。
３次元網目構造の深さは、ＡｌＮ／Ａｌ界面付近の断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）により観察し、Ａｌ成分中に含まれるＳｉのＡｌＮ基板への浸入深さをＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザ）の元素面分析により測定した。
【００７２】
最大粗さＲｙは、表面粗さ計（ミツトヨ製商品名サーフテスト５０１）により、比表面積はレーザー顕微鏡（キーエンス製商品名ＶＫ８５５０）により、いずれも倍率５００倍で測定した。
３次元網目構造の深さは、サンプルを加熱処理しＡｌ表面を酸化させた後、面分析で酸素元素の侵入深さを測定する方法で測定してもよいし、ＡｌＮ基板を裏面から研磨してＡｌの露出が開始した試料をさらに研磨し、完全にＡｌＮがなくなるまでの段差を侵入深さとしてもよい。
以下に、実施例と比較例とによるＡｌＮ基板とＡｌとの剥離による寿命試験結果を記載する。
【００７３】
【表２】
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【００７４】
比較例として挙げたホーニング圧力が２．５ｈＰａ、３．０ｈＰａ、０．３ｈＰａの場合には、３次元網目構造の深さがそれぞれ０．２層、０．３層、４．０層、最大粗さがそれぞれ１．３０μｍ、１．４μｍ、４．０μｍとなる。３次元網目構造の深さが非常に浅く形成され、または最大粗さが非常に大きく形成されて、基板の凸凹を考慮した表面積と基板面の平面積との比である比表面積が２．０未満または２．７超となり不安定な状態となっている。その結果、温度サイクル後の剥離が２０００回未満（寿命１０００回）で発生している。
【００７５】
実施例１〜４によれば、３次元網目構造の深さがそれぞれ０．７〜２．９層、最大粗さが１．５〜３．３μｍとなり、比表面積が２．０〜２．７に形成されている。その結果、従来品の比較例が寿命１０００回であるのに対して、実施例１〜４では３０００サイクルまで接合面の剥離が発生せず、寿命が約３倍になることが確認された。
【００７６】
本発明の技術範囲は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、前記第１及び第２の実施形態において、図４に示すように、３次元網目構造がＡｌＮ結晶構造の約３層の場合について示したが、３次元網目構造は略０．５〜３層の範囲で存在すればよい。
また、３次元網目構造を形成する手段として、ホーニングによる場合について説明したが、エッチング等の化学的な手段によってもよい。
また、前記実施の形態で記載した加工条件は、一例を示すものであって他の加工条件によってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
この発明にかかるＡｌＮ／Ａｌ接合体の製造方法とそれを用いて製造した信頼性の高いＡｌＮ／Ａｌ接合体とそれを使用したパワーモジュール用基板及びパワーモジュールによれば、充分な耐熱サイクルを確保して充分な寿命が得られる。
【符号の説明】
【００７８】
１  セラミックス基板
２  金属回路板（金属板）
３  金属板
５  Ｓｉチップ（半導体チップ）
１０  ＡｌＮ／Ａｌ接合体（絶縁基板）
１１  ＡｌＮ基板（ＡｌＮ焼結体）
１２、１３  Ａｌ板（Ａｌ材）
１４  ロウ材
２３  脆弱多孔質層
３１  放熱体
３０  パワーモジュール
３２  パワーモジュール用基板
３５  半導体チップ（チップ）
３７  水冷式ヒートシンク
【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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