(57)【要約】【課題】冷熱サイクル負荷時において金属層とヒートシンクとを接合するはんだにクラックが生じることを抑制し、接合信頼性の低下や熱抵抗の上昇を抑え、かつセラミックス基板に割れが生じることを抑制できるパワーモジュール用基板、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を提供する。【解決手段】セラミックス基板１１の一方の面に形成された回路層１２と、他方の面に形成された金属層１３とを備え、前記金属層１３は、前記セラミックス基板１１の他方の面に接合された第一アルミニウム層１３Ａと、この第一アルミニウム層１３Ａに固相拡散接合された第一銅層１３Ｂと、を有していることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板の一方の面に形成された回路層と、他方の面に形成された金属層と、を備えたパワーモジュール用基板であって、
前記金属層は、前記セラミックス基板の他方の面に接合された第一アルミニウム層と、この第一アルミニウム層に固相拡散接合された第一銅層と、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。
【請求項２】
前記回路層は、前記セラミックス基板の一方の面に接合された第二アルミニウム層と、この第二アルミニウム層に固相拡散接合された第二銅層と、を有し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】
請求項１または請求項２に記載のパワーモジュール用基板と、ヒートシンクとを有し、
前記第一銅層と前記ヒートシンクとが接合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４】
前記ヒートシンクがＣｕまたはＣｕ合金で構成され、前記パワーモジュール用基板と前記ヒートシンクとがはんだによって接合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】
前記ヒートシンクは、Ｎｉめっきが形成されたＡｌまたはＡｌ合金で構成され、前記パワーモジュール用基板と前記ヒートシンクとがはんだによって接合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】
請求項３から請求項５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、前記回路層の一方の面に接合された半導体素子と、を備えることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、セラミックス基板の一方の面に形成された回路層と他方の面に形成された金属層とを備えたパワーモジュール用基板、このパワーモジュール用基板にヒートシンクが接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板、このヒートシンク付パワーモジュール用基板に半導体素子が接合されたヒートシンク付パワーモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
各種の半導体素子のうちでも、電気自動車や電気車両などを制御するために用いられる大電力制御用のパワー素子においては、発熱量が多いことから、これを搭載する基板としては、例えばＡｌＮ（窒化アルミ）などからなるセラミックス基板の一方の面及び他方の面に、金属板を回路層及び金属層として接合したパワーモジュール用基板が、従来から広く用いられている。
このようなパワーモジュール用基板は、セラミックス基板の他方の面側に、熱伝導性の優れたヒートシンクが接合され、ヒートシンク付パワーモジュール用基板とされる。また、回路層上に、はんだ材を介してパワー素子としての半導体素子が搭載され、ヒートシンク付パワーモジュールとされる。
【０００３】
上記のようなパワーモジュール用基板として、例えば特許文献１には、セラミックス基板の下面に接合された４Ｎアルミニウム（４Ｎ−Ａｌ）層と、この４Ｎアルミニウム層に接合された２Ｎアルミニウム（２Ｎ−Ａｌ）層とを有する金属層を備えたパワーモジュール用基板が開示されている。そして、パワーモジュール用基板の金属層とＣｕで構成された放熱板（ヒートシンク）とが接合され、放熱板付（ヒートシンク付）パワーモジュール用基板とされている。
また、特許文献２には、セラミックス基板の下面に接合された２Ｎアルミニウム層からなる金属層を備えたパワーモジュール用基板が開示されている。
特許文献３には、セラミックス基板の下面に接合されたＣｕ層からなる金属層を備えたパワーモジュール用基板が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４０３７４２５号公報
【特許文献２】特許第４６２９０１６号公報
【特許文献３】特開平４−１６２７５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１及び特許文献２に示すパワーモジュール用基板においては、上述のように金属層がＡｌで構成されている。ここで、Ａｌは、はんだ付け性が悪いため、Ａｌで構成された金属層と放熱板とをはんだ接合する際には、表面にＮｉめっきを形成する必要があり、製造コストの増大を招いていた。また、Ｎｉめっきを施すためパワーモジュールの製造工程が長くなり、生産性が低下することも問題であった。
さらには、Ａｌは変形抵抗が比較的低いため、パワーモジュールに冷熱サイクルが負荷された場合に、パワーモジュール用基板と放熱板との間に生じる熱応力によって、はんだにクラックが生じ、接合信頼性が低下したり、熱抵抗が上昇したりする問題もあった。
【０００６】
一方、特許文献３に示すように金属層がＣｕで構成されている場合、Ｃｕは、はんだ付け性が良いため、上述したＮｉめっきが不要となる。また、Ｃｕは比較的変形抵抗が高いため、冷熱サイクルが負荷された際に、金属層におけるシワの発生を抑制し、パワーモジュール用基板と放熱板とを接合するはんだにクラックが生じることを抑制できる。
しかしながら、Ｃｕは上記のように比較的変形抵抗が高いため、冷熱サイクルが負荷された際にセラミックス基板と金属層との間に生じる熱応力により、セラミックス基板に割れが発生する場合があった。
【０００７】
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、その使用環境が厳しく、半導体素子からの発熱量が大きくなっているため、冷熱サイクルの条件が厳しくなっており、さらに信頼性の高いパワーモジュール用基板が求められている。
【０００８】
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、冷熱サイクル負荷時において金属層とヒートシンクとを接合するはんだにクラックが生じることを抑制し、接合信頼性の低下や熱抵抗の上昇を抑え、かつセラミックス基板に割れが生じることを抑制できるパワーモジュール用基板、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】
【０００９】
前述の課題を解決するために、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一方の面に形成された回路層と、他方の面に形成された金属層と、を備えたパワーモジュール用基板であって、前記金属層は、前記セラミックス基板の他方の面に接合された第一アルミニウム層と、この第一アルミニウム層に固相拡散接合された第一銅層と、を有していることを特徴としている。
【００１０】
本発明のパワーモジュール用基板によれば、セラミックス基板の他方の面に第一アルミニウム層が接合され、さらに第一アルミニウム層に第一銅層が接合されているので、パワーモジュール用基板にヒートシンクを接合する際には第一銅層とヒートシンクとが接合されることになり、金属層にＮｉめっきを形成することなく金属層とヒートシンクとを良好に接合できる。また、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを、はんだによって接合した場合に、比較的変形抵抗が高い第一銅層とヒートシンクとを接合することになるので、冷熱サイクルが負荷された際に、はんだにクラックが生じることを抑制し、接合信頼性の低下や熱抵抗の上昇を抑えることができる。
さらに、セラミックス基板の他方の面に比較的変形抵抗が小さい第一アルミニウム層が接合されているので、冷熱サイクルが負荷されてもセラミックス基板と第一銅層との間に生じる熱応力を第一アルミニウム層で吸収してセラミックス基板に割れが生じることを抑制できる。
そして、第一アルミニウム層と第一銅層とが、固相拡散接合によって接合されているので、第一アルミニウム層と第一銅層との接合信頼性を向上させることが可能である。また、冷熱サイクルが負荷された場合に、第一アルミニウム層と第一銅層との間に剥離が生じることが抑制され、金属層の熱伝導性を維持することができる。
【００１１】
また、前記回路層は、前記セラミックス基板の一方の面に接合された第二アルミニウム層と、この第二アルミニウム層に固相拡散接合された第二銅層と、を有していても良い。
この構成では、回路層が第二銅層を有しており、この第二銅層の上に半導体素子が搭載された場合には、半導体素子から発生する熱をパワーモジュール用基板側へ伝達する際に、回路層の第二銅層で面方向に拡げて効率的に放散することができる。
さらに、セラミックス基板の一方の面に、比較的変形抵抗の小さい第二アルミニウム層が形成されており、冷熱サイクルが負荷された場合にセラミックス基板と回路層との熱膨張係数の差に起因して発生する熱応力を第二アルミニウム層が吸収するので、セラミックス基板に割れが発生することを抑制できる。また、第二アルミニウム層の一方側には、比較的変形抵抗の大きい第二銅層が形成されているので、パワーサイクルが負荷された場合に、回路層の変形を抑制することができる。
また、第二アルミニウム層と第二銅層とは、固相拡散接合によって接合されているので、冷熱サイクルが負荷された場合に、第二アルミニウム層と第二銅層との間に剥離が生じることが抑制され、回路層の熱伝導性及び導電性を維持することができる。
なお、ここで、第二アルミニウム層の一方側とは、セラミックス基板と接合されていない面側のことである。
【００１２】
また、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、上述のパワーモジュール用基板と、ヒートシンクとを有し、前記第一銅層と前記ヒートシンクとが接合されていることを特徴としている。
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板によれば、パワーモジュール用基板の第一銅層がヒートシンクに接合されるので、金属層にＮｉめっきを形成することなく金属層とヒートシンクとをはんだによって接合できる。また、金属層とヒートシンクとをはんだによって接合すると、比較的変形抵抗が高い第一銅層とヒートシンクとを接合することになるので、冷熱サイクル負荷時において、はんだにクラックが発生することを抑制し、接合信頼性の低下や熱抵抗の上昇を抑えることができる。さらに、セラミックス基板の他方の面に比較的変形抵抗が小さい第一アルミニウム層が接合されているので、冷熱サイクルが負荷された際に熱応力を第一アルミニウム層で吸収でき、セラミックス基板に割れが生じることを抑制できる。
【００１３】
前記ヒートシンクがＣｕまたはＣｕ合金で構成され、前記パワーモジュール用基板と前記ヒートシンクとがはんだによって接合されていても良い。
この場合、金属層の第一銅層と、ＣｕまたはＣｕ合金で構成されたヒートシンクとをはんだによって良好に接合することができる。また、ヒートシンクが熱伝導性の良好なＣｕまたはＣｕ合金で構成されているので、パワーモジュール用基板からの熱をヒートシンク側に効率的に放散できる。
【００１４】
前記ヒートシンクは、Ｎｉめっきが形成されたＡｌまたはＡｌ合金で構成され、前記パワーモジュール用基板と前記ヒートシンクとがはんだによって接合されていても良い。
ＡｌまたはＡｌ合金で構成されたヒートシンクにＮｉめっきが形成されている場合には、上述のパワーモジュール用基板とヒートシンクとを良好にはんだ接合できる。
【００１５】
本発明のヒートシンク付パワーモジュールは、上述のヒートシンク付パワーモジュール用基板と、前記回路層の一方の面に接合された半導体素子と、を備えることを特徴としている。
この場合、上述のパワーモジュール用基板を備えているので、冷熱サイクルが負荷されても、金属層とヒートシンクを接合するはんだにクラックが生じることを抑制し、接合信頼性の低下や熱抵抗の上昇を抑えることができ、かつセラミックス基板に割れが生じることを抑制できる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、冷熱サイクル負荷時において金属層とヒートシンクとを接合するはんだにクラックが生じることを抑制し、接合信頼性の低下や熱抵抗の上昇を抑え、かつセラミックス基板に割れが生じることを抑制できるパワーモジュール用基板、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を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュール、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール用基板の概略説明図である。
【図２】金属層における第一アルミニウム層と第一銅層との接合界面の拡大説明図である。
【図３】回路層における第二アルミニウム層と第二銅層との接合界面の拡大説明図である。
【図４】本発明の実施形態に係るパワーモジュール用基板の製造方法の概略説明図である。
【図５】本発明の実施形態に係るパワーモジュールの製造方法の概略説明図である。
【図６】本発明の実施形態に係るパワーモジュールの製造方法を示すフロー図である。
【図７】本発明の他の実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュール用基板、及びパワーモジュール用基板の概略説明図である。
【図８】本発明の他の実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュール用基板における第一アルミニウム層と第一銅層との接合界面の概略説明図である。
【図９】本発明の他の実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュール用基板における第二アルミニウム層と第二銅層との接合界面の概略説明図である。
【図１０】図８における金属間化合物層と第一銅層との界面の拡大説明図である。
【図１１】図９における金属間化合物層と第二銅層との界面の拡大説明図である。
【図１２】ＣｕとＡｌの２元状態図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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、本発明の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール１、ヒートシンク付パワーモジュール用基板３０、パワーモジュール用基板１０を示す。
ヒートシンク付パワーモジュール１は、ヒートシンク付パワーモジュール用基板３０と、このヒートシンク付パワーモジュール用基板３０の一方側（図１において上側）にはんだ層２を介して接合された半導体素子３と、を備えている。
【００１９】
はんだ層２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系等のはんだ材（いわゆる鉛フリーはんだ材）とされており、ヒートシンク付パワーモジュール用基板３０と半導体素子３とを接合するものである。
半導体素子３は、半導体を備えた電子部品であり、必要とされる機能に応じて種々の半導体素子が選択される。本実施形態では、ＩＧＢＴ素子とされている。
【００２０】
ヒートシンク付パワーモジュール用基板３０は、パワーモジュール用基板１０と、このパワーモジュール用基板１０の他方側（図１において下側）に接合されたヒートシンク４０とを備えている。
【００２１】
パワーモジュール用基板１０は、図１に示すように、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）に形成された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面（図１において下面）に形成された金属層１３と、を備えている。
【００２２】
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。
【００２３】
金属層１３は、図１に示すように、セラミックス基板１１の他方の面に接合された第一アルミニウム層１３Ａと、この第一アルミニウム層１３Ａの他方側（図１において下側）に積層された第一銅層１３Ｂと、を有している。
第一アルミニウム層１３Ａは、アルミニウム板がセラミックス基板１１の他方の面に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、第一アルミニウム層１３Ａ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）の圧延板からなるアルミニウム板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、接合されるアルミニウム板の厚さは０．２ｍｍ以上３．０ｍｍ以下に設定されていることが好ましい。
【００２４】
第一銅層１３Ｂは、第一アルミニウム層１３Ａの他方側（図１において下側）に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、第一銅層１３Ｂは、無酸素銅の圧延板からなる銅板が第一アルミニウム層１３Ａに固相拡散接合されることにより形成されている。ここで、接合される銅板の厚さは、０．１ｍｍ以上４．０ｍｍ以下に設定されていることが好ましい。
そして、これらの第一アルミニウム層１３Ａと第一銅層１３Ｂとの界面には、図２に示すように、金属間化合物層１３Ｃが形成されている。
【００２５】
金属間化合物層１３Ｃは、第一アルミニウム層１３ＡのＡｌ原子と、第一銅層１３ＢのＣｕ原子とが相互拡散することによって形成されるものである。この金属間化合物層１３Ｃにおいては、第一アルミニウム層１３Ａから第一銅層１３Ｂに向かうにしたがい、漸次Ａｌ原子の濃度が低くなり、かつＣｕ原子の濃度が高くなる濃度勾配を有している。
金属間化合物層１３Ｃは、ＣｕとＡｌからなる金属間化合物で構成されており、本実施形態では、複数の金属間化合物が接合界面に沿って積層した構造とされている。ここで、金属間化合物層１３Ｃの厚さｔａは、１μｍ以上８０μｍ以下の範囲内、好ましくは、５μｍ以上８０μｍ以下の範囲内に設定されている。
本実施形態では、図２に示すように、３種の金属間化合物が積層された構造とされており、第一アルミニウム層１３Ａ側から第一銅層１３Ｂ側に向けて順に、θ相１６ａ、η２相１７ａ、ζ２相１８ａとされている。
【００２６】
また、この金属間化合物層１３Ｃと第一銅層１３Ｂとの接合界面には、酸化物１９ａが、接合界面に沿って層状に分散している。なお、本実施形態においては、この酸化物１９ａは、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等のアルミニウム酸化物とされている。なお、酸化物１９ａは、金属間化合物層１３Ｃと第一銅層１３Ｂとの界面に分断された状態で分散しており、金属間化合物層１３Ｃと第一銅層１３Ｂとが直接接触している領域も存在している。
さらに、本実施形態では、第一銅層１３Ｂの平均結晶粒径が５０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内とされ、第一アルミニウム層１３Ａの平均結晶粒径が５００μｍ以上とされている。
【００２７】
回路層１２は、図１に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に接合された第二アルミニウム層１２Ａと、この第二アルミニウム層１２Ａの一方側（図１において上側）に積層された第二銅層１２Ｂと、を有している。
第二アルミニウム層１２Ａは、アルミニウム板がセラミックス基板１１の一方の面に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、第二アルミニウム層１２Ａ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）の圧延板からなるアルミニウム板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、接合されるアルミニウム板の厚さは０．２ｍｍ以上３．０ｍｍ以下に設定されていることが好ましい。
【００２８】
第二銅層１２Ｂは、第二アルミニウム層１２Ａの一方側（図１において上側）に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、第二銅層１２Ｂは、無酸素銅の圧延板からなる銅板が第二アルミニウム層１２Ａに固相拡散接合されることにより形成されている。ここで、接合される銅板の厚さは、０．１ｍｍ以上４．０ｍｍ以下に設定されていることが好ましい。
そして、これらの第二アルミニウム層１２Ａと第二銅層１２Ｂとの界面には、図３に示すように、金属間化合物層１２Ｃが形成されている。
【００２９】
金属間化合物層１２Ｃは、第二アルミニウム層１２ＡのＡｌ原子と、第二銅層１２ＢのＣｕ原子とが相互拡散することによって形成されるものである。この金属間化合物層１２Ｃにおいては、第二アルミニウム層１２Ａから第二銅層１２Ｂに向かうにしたがい、漸次Ａｌ原子の濃度が低くなり、かつ銅原子の濃度が高くなる濃度勾配を有している。
この金属間化合物層１２Ｃは、ＣｕとＡｌからなる金属間化合物で構成されており、本実施形態では、複数の金属間化合物が接合界面に沿って積層した構造とされている。ここで、この金属間化合物層１２Ｃの厚さｔｂは、１μｍ以上８０μｍ以下の範囲内、好ましくは、５μｍ以上８０μｍ以下の範囲内に設定されている。
本実施形態では、図３に示すように、３種の金属間化合物が積層された構造とされており、第二アルミニウム層１２Ａ側から第二銅層１２Ｂ側に向けて順に、θ相１６ｂ、η２相１７ｂ、ζ２相１８ｂとされている（図１２）。
【００３０】
また、この金属間化合物層１２Ｃと第二銅層１２Ｂとの接合界面には、酸化物１９ｂが、接合界面に沿って層状に分散している。なお、本実施形態においては、この酸化物１９ｂは、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等のアルミニウム酸化物とされている。なお、酸化物１９ｂは、金属間化合物層１２Ｃと第二銅層１２Ｂとの界面に分断された状態で分散しており、金属間化合物層１２Ｃと第二銅層１２Ｂとが直接接触している領域も存在している。
さらに、本実施形態では、第二銅層１２Ｂの平均結晶粒径が５０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内とされ、第二アルミニウム層１２Ａの平均結晶粒径が５００μｍ以上とされている。
【００３１】
ヒートシンク４０は、パワーモジュール用基板１０側の熱を放散するためのものである。本実施形態では、ヒートシンク４０は、パワーモジュール用基板１０が接合される放熱板３１と冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路４２が設けられた冷却部４１からなり、放熱板３１と冷却部４１とがグリース４３を介してネジ４４によって固定されている。ヒートシンク４０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、放熱板３１は無酸素銅で構成されており、冷却部４１はＡｌ合金で構成されている。そして、ヒートシンク４０の放熱板３１と第一銅層１３Ｂとが、はんだ層３２によって接合されており、はんだ層３２は例えばＳｎ−Ｓｂ系、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材（いわゆる鉛フリーはんだ材）とされている。
【００３２】
次に、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール１、ヒートシンク付パワーモジュール用基板３０、パワーモジュール用基板１０の製造方法について、図４から図６を用いて説明する。
まず、図４に示すように、セラミックス基板１１の一方の面、他方の面に、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材（図示なし）を介してアルミニウム板２２Ａ、アルミニウム板２３Ａを積層する。そして、加圧・加熱後冷却することによって、セラミックス基板１１とアルミニウム板２２Ａ、アルミニウム板２３Ａを接合し、セラミックス基板１１に第二アルミニウム層１２Ａ及び第一アルミニウム層１３Ａを形成する（アルミニウム層形成工程Ｓ１１）。なお、このろう付けの温度は、６４０℃〜６５０℃に設定されている。
【００３３】
次に、第二アルミニウム層１２Ａの一方側（上側）に銅板２２Ｂを配置し、第一アルミニウム層１３Ａの他方側（下側）に銅板２３Ｂを配置する。そして、これらを真空加熱炉５０の中に配置し、銅板２２Ｂの一方側（上側）及び銅板２３Ｂの他方側（下側）から荷重を負荷し、真空加熱炉５０の内部を真空にして加熱処理を行う。本実施形態においては、第二アルミニウム層１２Ａ及び銅板２２Ｂ、第一アルミニウム層１３Ａ及び銅板２３Ｂ、の接触面に負荷される荷重は、３ｋｇｆ／ｃｍ２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ２以下とされている。そして、真空加熱の加熱温度を、４００℃以上５４８℃未満とし、５分以上２４０分以下保持して固相拡散接合を行い、第一アルミニウム層１３Ａに銅板２３Ｂを接合して第一銅層１３Ｂを形成すると同時に、第二アルミニウム層１２Ａに銅板２２Ｂを接合して第二銅層１２Ｂを形成する（銅層形成工程Ｓ１２）。本実施形態においては、第二アルミニウム層１２Ａと銅板２２Ｂ、第一アルミニウム層１３Ａと銅板２３Ｂの接合されるそれぞれの面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされた後に、固相拡散接合されている。
なお、真空加熱の好ましい加熱温度は、ＡｌとＣｕの共晶温度−５℃以上、共晶温度未満の範囲とされている。
こうして、回路層１２と金属層１３が形成され、本実施形態に係るパワーモジュール用基板１０が得られる。
【００３４】
次に、図５に示すように、パワーモジュール用基板１０の他方側（図５において下側）に、はんだによってヒートシンク４０（放熱板３１）を接合する（ヒートシンク（放熱板）接合工程Ｓ１３）。
次いで、ヒートシンク４０（放熱板３１）の他方側に（図５において下側）、グリース４３を介してヒートシンク４０（冷却部４１）を配設する（ヒートシンク（冷却部）配設工程Ｓ１４）。本実施形態においては、ネジ４４によって放熱板３１と冷却部４１とを接合している。こうして、ヒートシンク付パワーモジュール用基板３０が得られる。
最後に、ヒートシンク付パワーモジュール用基板３０の回路層１２の一方の面（図５において上面）に、はんだによって半導体素子３を接合する（半導体素子接合工程Ｓ１５）。
以上のようにして、本実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュール１が得られる。
【００３５】
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１、ヒートシンク付パワーモジュール用基板３０、パワーモジュール用基板１０によれば、セラミックス基板１１の他方の面（下面）に第一アルミニウム層１３Ａが接合され、この第一アルミニウム層１３Ａに第一銅層１３Ｂが接合され、さらに第一銅層１３Ｂとヒートシンク４０とを接合しているので、金属層１３にＮｉめっきを形成することなく金属層１３とヒートシンク４０とを良好に接合できる。また、比較的変形抵抗が高い第一銅層１３Ｂと放熱板３１とを接合しているので、冷熱サイクルが負荷された際に、はんだ層３２にクラックが発生することを抑制し、接合信頼性の低下や熱抵抗の上昇を抑えることが可能となる。
【００３６】
また、冷熱サイクルが負荷された場合に、セラミックス基板１１と金属層１３との間に熱応力が発生するが、セラミックス基板１１の他方の面に比較的変形抵抗が小さい第一アルミニウム層１３Ａが接合されているので、熱応力を第一アルミニウム層１３Ａで吸収することができ、セラミックス基板１１に割れが生じることを抑制できる。
そして、金属層１３の第一アルミニウム層１３Ａと第一銅層１３Ｂとが、固相拡散接合によって接合されているので、第一アルミニウム層１３Ａと第一銅層１３Ｂとの接合信頼性を向上させることが可能であり、冷熱サイクルが負荷された場合に、第一アルミニウム層１３Ａと第一銅層１３Ｂとの間に剥離が生じることが抑制され、金属層１３の熱伝導性を維持することができる。
【００３７】
さらに、回路層１２が第二銅層１２Ｂを有しており、この第二銅層１２Ｂの上に半導体素子３が搭載されているので、半導体素子３から発生する熱をパワーモジュール用基板１０側へ伝達する際に、第二銅層１２Ｂで面方向に拡げて効率的に放散することができる。
また、セラミックス基板１１の一方の面（上面）に、比較的変形抵抗の小さい第二アルミニウム層１２Ａが形成されているので、冷熱サイクルが負荷された場合にセラミックス基板１１と回路層１２との熱膨張係数の差に起因して発生する熱応力を第二アルミニウム層１２Ａが吸収し、セラミックス基板１１に割れが発生することを抑制できる。
【００３８】
また、第二アルミニウム層１２Ａの一方側には、比較的変形抵抗の大きい第二銅層１２Ｂが形成されているので、パワーサイクルが負荷された場合に、回路層１２の変形を抑制することができ、回路層１２と半導体素子３を接合するはんだにクラックが生じることを抑制できる。
また、第二アルミニウム層１２Ａと第二銅層１２Ｂとが、固相拡散接合によって接合されているので、第二アルミニウム層１２Ａと第二銅層１２Ｂとの接合信頼性を向上させることが可能であり、冷熱サイクルが負荷された場合に、第二アルミニウム層１２Ａと第二銅層１２Ｂとの間に剥離が生じることが抑制され、回路層１２の熱伝導性及び導電性を維持することができる。
【００３９】
また、本実施形態では、第一アルミニウム層１３Ａと第一銅層１３Ｂとの間、及び第二アルミニウム層１２Ａと第二銅層１２Ｂとの間には、ＣｕとＡｌの金属間化合物層からなる金属間化合物層１３Ｃ、１２Ｃが形成されている。したがって、第一アルミニウム層１３Ａ及び第二アルミニウム層１２Ａ中のＡｌが第一銅層１３Ｂ及び第二銅層１２Ｂ側へ、第一銅層１３Ｂ及び第二銅層１２Ｂ中のＣｕが第一アルミニウム層１３Ａ及び第二アルミニウム層１２Ａ側へとそれぞれ十分に相互拡散し、第一アルミニウム層１３Ａと第一銅層１３Ｂ、第二アルミニウム層１２Ａと第二銅層１２Ｂとが、確実に固相拡散接合されており、十分な接合強度を確保することができる。
【００４０】
また、第一銅層１３Ｂと金属間化合物層１３Ｃとの接合界面、及び第二銅層１２Ｂと金属間化合物層１２Ｃとの接合界面に、酸化物１９ａ、１９ｂがこれらの接合界面に沿ってそれぞれ層状に分散しているので、第一アルミニウム層１３Ａ、第二アルミニウム層１２Ａに形成された酸化膜が確実に破壊され、ＣｕとＡｌの相互拡散が十分に進行していることになり、第一アルミニウム層１３Ａ及び第一銅層１３Ｂ、第二アルミニウム層１２Ａ及び第二銅層１２Ｂとが確実に接合されている。
【００４１】
また、本実施形態では、金属間化合物層１２Ｃ、１３Ｃは、複数の金属間化合物が接合界面に沿って積層した構造とされているので、脆い金属間化合物が大きく成長してしまうことを抑制できる。
また、第一銅層１３Ｂ、第二銅層１２Ｂ中のＣｕと、第一アルミニウム層１３Ａ、第二アルミニウム層１２Ａ中のＡｌとが、それぞれ相互拡散することにより、第一銅層１３Ｂ、第二銅層１２Ｂ側から、第一アルミニウム層１３Ａ、第二アルミニウム層１２Ａ側に向けてそれぞれの組成に適した金属間化合物が層状に形成されていることから、接合界面の特性を安定させることができる。
具体的には、金属間化合物層１３Ｃ、１２Ｃは、第一アルミニウム層１３Ａ、第二アルミニウム層１２Ａ側から第一銅層１３Ｂ、第二銅層１２Ｂ側に向けて順に、θ相１６ａ、１６ｂ、η２相１７ａ、１７ｂ、ζ２相１８ａ、１８ｂの３種の金属間化合物がそれぞれ積層しているので、金属間化合物層１３Ｃ、１２Ｃ内部における体積変動が小さくなり、内部歪みが抑えられることになる。
すなわち、固相拡散しなかった場合、例えば、液相が形成された場合には、金属間化合物が必要以上に発生し、金属間化合物層はその体積の変動が大きくなり、金属間化合物層に内部歪みが生じる。しかし、固相拡散した場合には、脆い金属間化合物層が大きく成長せずに、金属間化合物が層状に形成されるため、その内部歪みが抑えられる。
【００４２】
さらに、本実施形態においては、第一アルミニウム層１３Ａ、第二アルミニウム層１２Ａの平均結晶粒径が５００μｍ以上とされ、第一銅層１３Ｂ、第二銅層１２Ｂの平均結晶粒径が５０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内とされており、第一アルミニウム層１３Ａ及び第一銅層１３Ｂ、第二アルミニウム層１２Ａ及び第二銅層１２Ｂの平均結晶粒径が比較的大きく設定されている。よって、第一アルミニウム層１３Ａ及び第一銅層１３Ｂ、第二アルミニウム層１２Ａ及び第二銅層１２Ｂに過剰な歪み等が蓄積されておらず、疲労特性が向上することになる。したがって、冷熱サイクル負荷において、パワーモジュール用基板１０に発生する熱応力に対する信頼性が向上する。
【００４３】
さらに、本実施形態においては、金属間化合物層１２Ｃ、１３Ｃの厚さｔａ、ｔｂが１μｍ以上８０μｍ以下、好ましくは５μｍ以上８０μｍ以下の範囲内とされているので、ＣｕとＡｌの相互拡散が十分に進行しており、第一アルミニウム層１３Ａ及び第一銅層１３Ｂ、第二アルミニウム層１２Ａ及び第二銅層１２Ｂを強固に接合できるとともに、脆い金属間化合物が必要以上に成長することが抑えられており、接合界面の特性が安定することになる。
【００４４】
ここで、アルミニウム板２２Ａ、２３Ａの好ましい厚さは０．２ｍｍ以上３．０ｍｍ以下とされている。アルミニウム板２２Ａ、２３Ａの厚さを０．２ｍｍ以上とすることで、冷熱サイクルにおいてセラミックス基板１１に生じる熱応力を低減でき、セラミックス基板１１にクラックが生じることを抑制できる。また、アルミニウム板２２Ａ、２３Ａの厚さを３．０ｍｍ以下とすることで、パワーサイクルにおける初期の熱抵抗を低減できる。
【００４５】
また、銅板２２Ｂの好ましい厚さは０．１ｍｍ以上４．０ｍｍ以下とされている。銅板２２Ｂを０．１ｍｍ以上とすることで、半導体素子３からの熱を第二銅層１２Ｂで拡げてより効率的に熱を伝達し、パワーサイクル負荷時の初期の熱抵抗を低減することができるので、パワーサイクルに対する信頼性をより高くすることが可能である。また、銅板２２Ｂを４．０ｍｍ以下とすることで、回路層１２の剛性を低減させ、冷熱サイクル負荷時においてセラミックス基板１１に割れが生じることを抑制できる。
【００４６】
さらに、銅板２３Ｂの好ましい厚さは０．１ｍｍ以上４．０ｍｍ以下とされている。銅板２３Ｂを０．１ｍｍ以上とすることで、銅板２３Ｂが十分な剛性を有し、冷熱サイクルにおいてはんだ層３２の変形を抑制することができる。また、銅板２３Ｂを４．０ｍｍ以下とすることで、金属層１３の剛性を低減させ、冷熱サイクル負荷時においてセラミックス基板１１に割れが生じることを抑制できる。
【００４７】
上述のようなパワーモジュール用基板１０、及びヒートシンク付パワーモジュール用基板３０を用いたヒートシンク付パワーモジュール１においては、半導体素子３から発生する熱を効率的に放散することができる。そして、半導体素子３の温度上昇を抑制して、所定の温度で半導体素子３を動作させることができ、動作の安定性を向上させることが可能となる。
【００４８】
また、本実施形態においては、第一アルミニウム層１３Ａ及び第一銅層１３Ｂ、第二アルミニウム層１２Ａ及び第二銅層１２Ｂが、固相拡散接合によって接合されているので、セラミックス基板１１の一方の面側に形成された第二アルミニウム層１２Ａと第二銅層１２Ｂとを有する回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面側に形成された第一アルミニウム層１３Ａと第一銅層１３Ｂとを有する金属層１３とを備えたパワーモジュール用基板１０を得ることができる。
【００４９】
また、固相拡散接合は、セラミックス基板１１の一方の面及び他方の面に、第二アルミニウム層１２Ａ及び第一アルミニウム層１３Ａを形成し、第二アルミニウム層１２Ａの一方側に銅板２２Ｂを配置し、第一アルミニウム層１３Ａの他方側に銅板２３Ｂを配置した後に、第二アルミニウム層１２Ａと銅板２２Ｂ、第一アルミニウム層１３Ａと銅板２３Ｂに対して、３ｋｇｆ／ｃｍ２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ２以下の荷重が負荷された状態で、４００℃以上５４８℃未満で保持する構成とされている。このような構成にすることによって、第二アルミニウム層１２Ａ及び銅板２２Ｂ、第一アルミニウム層１３Ａ及び銅板２３Ｂが十分に密着した状態で、Ａｌ原子とＣｕ原子を相互に拡散させ、第二アルミニウム層１２Ａ及び銅板２２Ｂ、第一アルミニウム層１３Ａ及び銅板２３Ｂを固相拡散接合し、第二アルミニウム層１２Ａの一方側に第二銅層１２Ｂを形成し、第一アルミニウム層１３Ａの他方側に第一銅層１３Ｂを形成することができる。
【００５０】
固相拡散接合する際に第一アルミニウム層１３Ａ及び第一銅層１３Ｂ、第二アルミニウム層１２Ａ及び第二銅層１２Ｂに対して負荷される荷重が３ｋｇｆ／ｃｍ２以上の場合は、良好に固相拡散接合でき、第一アルミニウム層１３Ａ及び第一銅層１３Ｂ、第二アルミニウム層１２Ａ及び第二銅層１２Ｂとの間に隙間が生じることを抑制できる。また、３５ｋｇｆ／ｃｍ２以下の場合には、セラミックス基板１１に割れが発生することを抑制できる。したがって、固相拡散接合の際に負荷される荷重は、上記の範囲に設定されている。
【００５１】
固相拡散接合する際の温度が４００℃以上の場合には、Ａｌ原子とＣｕ原子との拡散が促進され、短時間で十分に固相拡散させることができる。また、５４８℃未満の場合には、ＡｌとＣｕとの間で液相が生じて接合界面にコブが生じたり、厚みが変動したりすることを抑制できる。そのため、固相拡散接合の好ましい温度は、４００℃以上５４８℃未満の範囲に設定されている。
【００５２】
また、固相拡散接合時におけるより望ましい加熱温度は、ＡｌとＣｕの共晶温度−５℃以上、共晶温度（共晶温度含まず）未満の範囲とされている。このような温度範囲を選択したときには、液相が形成されずＡｌとＣｕの化合物が生成されないので、固相拡散接合の接合信頼性が良好となることに加えて、固相拡散接合の際の拡散速度が速く、比較的短時間で固相拡散接合できる。
【００５３】
また、固相拡散接合する際に、接合される面に傷がある場合、固相拡散接合時に隙間が生じる場合があるが、第一アルミニウム層１３Ａと銅板２３Ｂ、第二アルミニウム層１２Ａと銅板２２Ｂの接合される面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされた後に、固相拡散接合されているので、それぞれの接合界面に隙間が生じることを抑制して接合することが可能である。
【００５４】
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。
【００５５】
なお、上記実施の形態においては、ヒートシンク（放熱板）が無酸素銅の銅板で構成されている場合について説明したが、タフピッチ銅などの純銅や銅合金で構成されていても良い。また、ヒートシンク（放熱板）は、ＡｌやＡｌ合金で構成されていても良く、この場合には、ヒートシンク（放熱板）にＮｉめっきを施した後に、ヒートシンク（放熱板）とパワーモジュール用基板をはんだによって接合することで良好にはんだ接合できる。
【００５６】
なお、上記の実施形態においては、第一アルミニウム層１３Ａと銅板２３Ｂ、第二アルミニウム層１２Ａと銅板２２Ｂを同時に固相拡散接合する場合について説明したが、別々に固相拡散接合する構成としても良い。
また、ヒートシンクの放熱板と冷却部とをネジで固定する場合について説明したが、放熱板と冷却部との接合方法に限定はなく、例えば固相拡散接合により接合する構成としても良い。
また、上記の実施形態では、純度９９．９９％の純アルミニウムの圧延板によって第一アルミニウム層と第二アルミニウム層が構成される場合について説明したが、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）やアルミニウム合金等であっても良い。
【００５７】
また、本実施形態ではヒートシンク４０が放熱板３１と冷却部４１から構成され、パワーモジュール用基板１０と放熱板３１を接合する場合について説明したが、放熱板３１を用いることなくパワーモジュール用基板１０と冷却部４１を接合してもよい。さらに、ヒートシンクはヒートパイプ等熱を放散させる種々の構成をとることができる。
【００５８】
さらに、セラミックス基板としてＡｌＮからなるセラミックス基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やＡｌ２Ｏ３等からなるセラミックス基板を用いても良い。
また、上記の実施形態では、回路層が第二アルミニウム層と第二銅層とを有する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば第二アルミニウム層のみで回路層を構成したり、第二銅層のみで回路層を構成したりしても良い。
【００５９】
また、上記の実施形態のパワーモジュール用基板において、回路層１２は、セラミックス基板１１の一方の面に形成された第二アルミニウム層１２Ａと、この第二アルミニウム層１２Ａの一方側に銅板２２Ｂが接合されてなる第二銅層１２Ｂとを備える場合について説明したが、これに限定されるものではない。
例えば図７のパワーモジュール用基板１１０に示すように、回路層１１２が、セラミックス基板１１の一方の面に形成された第二アルミニウム層１１２Ａと、この第二アルミニウム層１１２Ａの一方側に接合された第二銅層１１２Ｂとを備え、この第二銅層１１２Ｂは、半導体素子などが接合されるダイパッド１５２と、外部端子として用いられるリード部１５３とを有する銅板からなる構成とされても良い。このパワーモジュール用基板１１０では、ダイパッド１５２と第二アルミニウム層１１２Ａとが固相拡散接合されている。ここで、第二アルミニウム層１１２Ａの厚さは、０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下とされていることが好ましい。また、第二銅層１１２Ｂの厚さは、０．１ｍｍ以上６．０ｍｍ以下とされていることが好ましい。
また、図７に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板１３０では、ヒートシンク１４０が、パワーモジュール用基板１１０の金属層１３側に、はんだ層３２を介して接合されている。
【００６０】
また、上記の実施形態では、アルミニウム層（第一アルミニウム層１３Ａ、第二アルミニウム層１２Ａ）と銅層（第一銅層１３Ｂ、第二銅層１２Ｂ）との接合界面には、金属間化合物層１３Ｃ、１２Ｃが形成され、この金属間化合物層１３Ｃ、１２Ｃは、アルミニウム層（第一アルミニウム層１３Ａ、第二アルミニウム層１２Ａ）側から銅層（第一銅層１３Ｂ、第二銅層１２Ｂ）側に向けて順に、θ相１６ａ、１６ｂ、η２相１７ａ、１７ｂ、ζ２相１８ａ、１８ｂが積層して構成されている場合について説明したが、これに限定されるものではない。
具体的には、アルミニウム層（第一アルミニウム層、第二アルミニウム層）と銅層（第一銅層、第二銅層）との接合界面において、アルミニウム層（第一アルミニウム層、第二アルミニウム層）側から銅層（第一銅層、第二銅層）側に向けて順に、アルミニウムの比率が低くなるように複数のＣｕ及びＡｌからなる金属間化合物が積層されていても良い。
【００６１】
また、図８、９に示すように、アルミニウム層（第一アルミニウム層２１３Ａ、第二アルミニウム層２１２Ａ）と銅層（第一銅層２１３Ｂ、第二銅層２１２Ｂ）との接合界面には、アルミニウム層（第一アルミニウム層２１３Ａ、第二アルミニウム層２１２Ａ）側から銅層（第一銅層２１３Ｂ、第二銅層２１２Ｂ）側に向けて順に、前述の接合界面に沿って、θ相２１６ａ、２１６ｂ、η２相２１７ａ、２１７ｂが積層し、さらにζ２相２１８ａ、２１８ｂ、δ相２１４ａ、２１４ｂ、及びγ２相２１５ａ、２１５ｂのうち少なくとも一つの相が積層して構成されていても良い（図１２）。
【００６２】
また、上記の実施形態では、金属間化合物層１３Ｃ、１２Ｃと銅層（第一銅層１３Ｂ、第二銅層１２Ｂ）との接合界面には、酸化物１９ａ、１９ｂが、接合界面に沿って層状に分散している場合について説明したが、例えば図１０、１１に示すように、金属間化合物層２１３Ｃ、２１２Ｃと銅層（第一銅層２１３Ｂ、第二銅層２１２Ｂ）との界面に沿って、酸化物２１９ａ、２１９ｂがζ２相２１８ａ、２１８ｂ、δ相２１４ａ、２１４ｂ、又はγ２相２１５ａ、２１５ｂの内部に層状に分散している構成とされても良い。なお、この酸化物２１９ａ、２１９ｂは、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等のアルミニウム酸化物とされている。
【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。
以下のようにして、本発明例１〜６、比較例１、比較例２となるパワーモジュールを作製した。
本発明例１及び本発明例５については、ＡｌＮで構成されたセラミックス基板（厚さ：０．６３５ｍｍ）の一方の面にアルミニウム板（厚さ：０．４ｍｍ）をＡｌ−Ｓｉ系ろう材を介して接合し回路層を形成した。本発明例１では４Ｎ−Ａｌのアルミニウム板を用い、本発明例２では２Ｎ−Ａｌのアルミニウム板を用いた。次に、セラミックス基板の他方の面に４Ｎ−Ａｌのアルミニウム板（厚さ：０．２ｍｍ）をＡｌ−Ｓｉ系ろう材を介して接合して第一アルミニウム層を形成した。さらに、Ｃｕ（無酸素銅）で構成された銅板を第一アルミニウム層に固相拡散接合し、金属層を形成した。このようにして得られたパワーモジュール用基板とヒートシンクをＳｎ−Ｓｂはんだによって接合した。なお、本発明例１はヒートシンクが無酸素銅から構成されており、本発明例５ではＮｉメッキを施したＡｌ合金（Ａ６０６３）から構成されたヒートシンクを用いた。そして、回路層と半導体素子をはんだによって接合し、本発明例１及び本発明例５となるヒートシンク付パワーモジュールを作製した。
【００６４】
本発明例２〜４、本発明例６については、表１に示す材質のセラミックス基板（厚さ：０．６３５ｍｍ）の一方の面及び他方の面に、表１に示す材質のアルミニウム板（厚さ：０．２ｍｍ）をＡｌ−Ｓｉ系ろう材を介して接合し、第二アルミニウム層及び第一アルミニウム層を形成した。さらに、第二アルミニウム層及び第一アルミニウム層にＣｕ（無酸素銅）で構成された銅板（厚さ：０．２ｍｍ）を固相拡散接合し、回路層及び金属層を形成した。このようにして得られたパワーモジュール用基板に、表１に示すヒートシンクをＳｎ−Ｓｂはんだによって接合し、回路層に半導体素子をはんだ接合し、本発明例２〜４及び本発明例６のヒートシンク付パワーモジュールを得た。なお、本発明例６については、Ａｌ合金（Ａ６０６３）で構成されたヒートシンクに、Ｎｉめっきを施した後にパワーモジュール用基板とヒートシンクとをはんだ接合した。
なお、上記の固相拡散接合は、真空加熱炉内の圧力が、１０−６Ｐａ以上、１０−３Ｐａ以下の範囲内で行った。
【００６５】
比較例１については、ＡｌＮで構成されたセラミックス基板（厚さ：０．６３５ｍｍ）の一方の面及び他方の面に４Ｎ−Ａｌで構成されたアルミニウム板（厚さ：０．４ｍｍ）をＡｌ−Ｓｉ系ろう材を介して接合し、回路層及び金属層が形成されたパワーモジュール用基板を作製した。パワーモジュール用基板に無酸素銅で構成されたヒートシンクをＳｎ−Ｓｂはんだによって接合した。そして、回路層と半導体素子をはんだによって接合し、比較例１となるヒートシンク付パワーモジュールを得た。
比較例２については、ＡｌＮで構成されたセラミックス基板（厚さ：０．６３５ｍｍ）の一方の面及び他方の面に無酸素銅で構成された銅板（厚さ：０．４ｍｍ）をＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材を用いた活性金属ろう付け法によって接合し、回路層及び金属層が形成されたパワーモジュール用基板を作製した。さらに、パワーモジュール用基板に無酸素銅で構成されたヒートシンクをＳｎ−Ｓｂはんだによって接合した。そして、回路層と半導体素子をはんだによって接合し、比較例２となるヒートシンク付パワーモジュールを得た。
なお、半導体素子は、ＩＧＢＴ素子とし、１２．５ｍｍ×９．５ｍｍ、厚さ０．２５ｍｍのものを使用した。
得られたヒートシンク付パワーモジュールに対して、以下の評価試験を行った。
【００６６】
（冷熱サイクル試験）
冷熱サイクル試験は、冷熱衝撃試験機エスペック社製ＴＳＢ−５１を使用し、パワーモジュールに対して、液相（フロリナート）で、−４０℃×５分←→１２５℃×５分の３０００サイクル実施した。
【００６７】
（接合率評価）
本発明例１〜６、比較例１、比較例２について、冷熱サイクル試験後のパワーモジュールに対し、セラミックス基板と金属層との界面の接合率について超音波探傷装置を用いて評価し、以下の式から算出した。さらに、本発明例１及び本発明例２については、冷熱サイクル試験後のパワーモジュールに対して、セラミックス基板と回路層との界面の接合率を評価した。
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、すなわち本実施例では金属層の面積とした。また、セラミックス基板と回路層との界面の接合率を評価する際には回路層の面積を初期接合面積とした。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。なお、セラミックス基板、金属層、及びはんだ層にクラックが生じた場合、このクラックは超音波探傷像において白色部で示され、クラックも剥離面積として評価されることになる。
（接合率（％））＝｛（初期接合面積）−（剥離面積）｝／（初期接合面積）
（熱抵抗評価）
熱抵抗は、次のようにして測定した。半導体素子としてヒータチップを用い、１００Ｗの電力で加熱し、熱電対を用いてヒータチップの温度を実測した。また、ヒートシンクを流通する冷却媒体（エチレングリコール：水＝９：１）の温度を実測した。そして、ヒータチップの温度と冷却媒体の温度差を電力で割った値を熱抵抗とし、冷熱サイクル試験後の熱抵抗上昇率を求めた。
【００６８】
（パワーサイクル試験） 
本発明例２、本発明例１については、パワーサイクル試験を行った。パワーサイクル試験として、冷却部（冷却器）中の冷却水温度、流量を一定とした状態で、ＩＧＢＴ素子への通電を、通電（ＯＮ）で素子表面温度１４０℃、非通電（ＯＦＦ）で素子表面温度８０℃となる１サイクルを１０秒毎に繰り返すようにして調整し、これを１０万回繰り返すパワーサイクル試験を実施した。
このパワーサイクル試験前後における熱抵抗を測定し、熱抵抗の上昇率を求めた。
上記の評価結果を、表１、表２に示す。
【００６９】
【表１】
2014160799.tif 000003
【００７０】
【表２】
2014160799.tif 000004
【００７１】
表１に示すように、本発明例１〜６では、金属層が第一アルミニウム層と第一銅層とを有しているため、冷熱サイクル試験後のセラミックス基板と金属層の接合率及び金属層とはんだ層の接合率が良好であり、高い信頼性を有するパワーモジュールであることが確認できた。
一方、比較例１では、金属層が４Ｎ−Ａｌのみで構成されているため、冷熱サイクル試験後のセラミックス基板と金属層の接合率は良好であるが、熱抵抗の上昇率が本発明例１〜６に比べ増大した。また、比較例２では、金属層が無酸素銅のみで構成されているため、冷熱サイクル試験後のセラミックス基板に割れが発生した。
また、表２に示すように、回路層が第二アルミニウム層と第二銅層とを有する本発明例２は、回路層が４Ｎ−Ａｌのみで構成されている本発明例１と比較して、パワーサイクル後の熱抵上昇率を低くできることが確認された。
【符号の説明】
【００７２】
１  ヒートシンク付パワーモジュール
３  半導体素子
１０、１１０  パワーモジュール用基板
１１  セラミックス基板
１２、１１２  回路層
１２Ａ、１１２Ａ  第二アルミニウム層
１２Ｂ、１１２Ｂ  第二銅層
１３  金属層
１３Ａ  第一アルミニウム層
１３Ｂ  第一銅層
３０、１３０  ヒートシンク付パワーモジュール用基板
３１  放熱板（ヒートシンク）
４０、１４０  ヒートシンク
４１  冷却部（ヒートシンク）
【図１】
2014160799.tif 000005
【図２】
2014160799.tif 000006
【図３】
2014160799.tif 000007
【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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