(57)【要約】【課題】アルミニウム部材と、銅、ニッケル、銀のいずれかからなる金属部材とが良好に接合され、ヒートサイクルが負荷された際に接合部におけるクラックの発生を抑制でき、接合信頼性が良好な接合体、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を提供する。【解決手段】アルミニウム部材と金属部材との接合部には、前記金属部材側に位置するＴｉ層１５と、前記Ｔｉ層と前記アルミニウム部材との間に位置し、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、が形成されており、前記Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層は、前記Ｔｉ層側に形成された第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、前記アルミニウム部材側に形成され前記第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層よりもＳｉ濃度が低い第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、を備え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】
アルミニウムからなるアルミニウム部材と、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材とが接合された接合体であって、
前記アルミニウム部材と前記金属部材との接合部には、
前記金属部材側に位置するＴｉ層と、
前記Ｔｉ層と前記アルミニウム部材との間に位置し、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、が形成されており、
前記Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層は、
前記Ｔｉ層側に形成された第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、
前記アルミニウム部材側に形成され前記第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層よりもＳｉ濃度が低い第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、を備えていることを特徴とする接合体。
【請求項２】
前記第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層に含まれるＳｉ濃度が１ａｔ％以上であることを特徴とする請求項１に記載の接合体。
【請求項３】
絶縁層と、前記絶縁層の一方の面に形成された回路層と、を備え、
前記回路層が請求項１又は請求項２に記載の接合体からなり、
前記回路層は、前記絶縁層の一方の面に形成され前記アルミニウム部材からなるＡｌ層と、このＡｌ層の一方の面に形成され前記金属部材からなる金属部材層と、を有し、
前記Ａｌ層と前記金属部材層との接合部には、
前記金属部材層側に位置するＴｉ層と、
前記Ｔｉ層と前記Ａｌ層との間に位置し、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、が形成されており、
前記Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層は、
前記Ｔｉ層側に形成された第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、
前記Ａｌ層側に形成され前記第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層よりもＳｉ濃度が低い第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、を備え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４】
前記絶縁層の他方の面に形成された金属層を備え、
前記金属層が請求項１又は請求項２に記載の接合体からなり、
前記金属層は、前記絶縁層の他方の面に形成され前記アルミニウム部材からなるＡｌ層と、このＡｌ層のうち前記絶縁層が形成された面と反対側の面に形成され前記金属部材からなる金属部材層と、を有し、
前記Ａｌ層と前記金属部材層との接合部には、
前記金属部材層側に位置するＴｉ層と、
前記Ｔｉ層と前記Ａｌ層との間に位置し、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、が形成されており、
前記Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層は、
前記Ｔｉ層側に形成された第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、
前記Ａｌ層側に形成され前記第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層よりもＳｉ濃度が低い第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、を備えていることを特徴とする請求項３に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項５】
絶縁層と、この絶縁層の一方の面に形成された回路層と、前記絶縁層の他方の面に形成された金属層と、この金属層に接合されたヒートシンクと、を備え、
前記金属層と前記ヒートシンクとが請求項１又は請求項２に記載の接合体からなり、
前記金属層及び前記ヒートシンクの接合面の一方がアルミニウムで構成され、
前記金属層及び前記ヒートシンクの接合面の他方が銅、ニッケル、又は銀で構成され、
前記金属層と前記ヒートシンクとの接合部には、
前記接合面が銅、ニッケル、又は銀からなる前記金属層又は前記ヒートシンク側に位置するＴｉ層と、
前記接合面がアルミニウムからなる前記金属層又は前記ヒートシンクと、前記Ｔｉ層との間に位置し、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、が形成されており、
前記Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層は、
前記Ｔｉ層側に形成された第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、
前記接合面がＡｌからなる前記金属層又は前記ヒートシンク側に形成され前記第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層よりもＳｉ濃度が低い第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、を備え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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、アルミニウム部材と、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材とが接合されてなる接合体、絶縁層の一方の面に回路層が形成されたパワーモジュール用基板、及び、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に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＬＥＤやパワーモジュール等の半導体装置においては、導電材料からなる回路層の上に半導体素子が接合された構造とされている。
風力発電、電気自動車等の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半導体素子においては、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（窒化アルミニウム）などからなるセラミックス基板（絶縁層）の一方の面に導電性の優れた金属板を回路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。また、セラミックス基板の他方の面に、金属板を金属層として接合することもある。
【０００３】
例えば、特許文献１に示すパワーモジュールにおいては、セラミックス基板の一方の面にＡｌからなる回路層（アルミニウム部材）が形成されたパワーモジュール用基板と、この回路層上にはんだ材を介して接合された半導体素子と、を備えた構造とされている。そして、パワーモジュール用基板の下側にヒートシンクが接合されており、半導体素子で発生した熱を、パワーモジュール用基板側に伝達し、ヒートシンクを介して外部へ放散する構成とされている。
【０００４】
ところで、特許文献１に記載されたパワーモジュールのように、回路層をＡｌで構成した場合には、表面にＡｌの酸化皮膜が形成されるため、はんだ材によって半導体素子を接合することができない。
そこで、従来、例えば特許文献２に開示されているように、回路層やヒートシンクの表面に無電解めっき等によってＮｉめっき膜を形成した上で、はんだ材で接合している。
また、特許文献３には、はんだ材の代替として、酸化銀粒子と有機物からなる還元剤とを含む酸化銀ペーストを用いて半導体素子を接合する技術が提案されている。
【０００５】
さらに、特許文献４には、回路層をＡｌ層とＣｕ層で構成したパワーモジュールが提案されている。この場合、回路層の表面にはＣｕ層が配置されるため、はんだ材を用いて半導体素子を良好に接合することができる。また、ＣｕはＡｌに比べて変形抵抗が大きいことから、このパワーモジュールにヒートサイクルが負荷された際に、回路層表面が大きく変形することを抑制でき、はんだ層におけるクラックの発生を防止して、半導体素子と回路層との接合信頼性を向上させることが可能となる。
なお、特許文献４に記載されたパワーモジュールにおいては、回路層として、Ａｌ層とＣｕ層とがＴｉ層を介して接合された接合体が用いられている。ここで、Ａｌ層とＴｉ層との間には、拡散層が形成されており、この拡散層は、Ａｌ層側から順に、Ａｌ−Ｔｉ層、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層、Ａｌ−Ｔｉ−Ｃｕ層と、を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３１７１２３４号公報
【特許文献２】特開２００４−１７２３７８号公報
【特許文献３】特開２００８−２０８４４２号公報
【特許文献４】特許第３０１２８３５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２に記載されたように、回路層表面にＮｉめっき膜を形成したパワーモジュール用基板においては、半導体素子を接合するまでの過程においてＮｉめっき膜の表面が酸化等によって劣化し、はんだ材を介して接合した半導体素子との接合信頼性が低下するおそれがあった。また、Ｎｉめっき工程では、不要な領域にＮｉめっきが形成されて電食等のトラブルが発生しないように、マスキング処理を行うことがある。このように、マスキング処理をした上でめっき処理をする場合、回路層部分にＮｉめっき膜を形成する工程に多大な労力が必要となり、パワーモジュールの製造コストが大幅に増加してしまうといった問題がある。
【０００８】
さらに、特許文献３に記載されたように、酸化銀ペーストを用いて回路層と半導体素子を接合する場合には、Ａｌと酸化銀ペーストの焼成体との接合性が悪いために、予め回路層の表面にＡｇ下地層を形成する必要があった。
【０００９】
また、特許文献４に記載されたパワーモジュールにおいては、回路層のうちＡｌ層とＴｉ層との接合界面に、硬いＡｌ−Ｔｉ層やＡｌ−Ｔｉ−Ｃｕ層が形成されているので、ヒートサイクルが負荷された際にクラックの起点となるといった問題があった。
さらには、Ａｌ層上にＴｉ箔を介してＣｕ板等を積層し、Ａｌ層とＴｉ箔との界面が溶融する温度にまで加熱する場合、接合界面に液相が生じてコブが生じたり、厚さが変動したりするため、接合信頼性が低下する問題があった。
【００１０】
ここで、特許文献２のＮｉめっきの代替として、特許文献４に記載されたように、Ａｌからなる回路層の上にＴｉ箔を介してＮｉ板を接合してＮｉ層を形成することも考えられる。さらには、特許文献３の酸化銀ペーストを用いる際に、Ａｌからなる回路層の上にＴｉ箔を介してＡｇ板を接合してＡｇ下地層を形成することも考えられる。
しかしながら、特許文献４に記載された方法で、Ｎｉ層やＡｇ層を形成すると、Ｃｕ層を形成した場合と同様に、Ａｌ層とＴｉ層との接合界面に、Ａｌ−Ｔｉ層、Ａｌ−Ｔｉ−Ｎｉ層、Ａｌ−Ｔｉ−Ａｇ層等の硬い層が形成されたり、接合界面にコブが生じたりすること等によって、接合信頼性が低下するおそれがあった。
以上のように、従来は、アルミニウム部材と、銅、ニッケル、銀のいずれかからなる金属部材とを良好に接合することができず、接合信頼性に優れた接合体を得ることはできなかった。
【００１１】
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、アルミニウム部材と、銅、ニッケル、銀のいずれかからなる金属部材とが良好に接合され、ヒートサイクルが負荷された際に接合部におけるクラックの発生を抑制でき、接合信頼性が良好な接合体、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】
【００１２】
前述の課題を解決するために、本発明の接合体は、アルミニウムからなるアルミニウム部材と、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材とが接合された接合体であって、前記アルミニウム部材と前記金属部材との接合部には、前記金属部材側に位置するＴｉ層と、前記Ｔｉ層と前記アルミニウム部材との間に位置し、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、が形成されており、前記Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層は、前記Ｔｉ層側に形成された第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、前記アルミニウム部材側に形成され前記第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層よりもＳｉ濃度が低い第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、を備えていることを特徴としている。
【００１３】
本発明の接合体によれば、アルミニウムからなるアルミニウム部材と、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材との接合部には、Ｔｉ層と、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層とが形成されており、硬いＡｌ−Ｔｉ−Ｃｕ層やＡｌ−Ｔｉ層等が形成されていないので、ヒートサイクルが負荷された際に、接合部にクラックが発生することを抑制し、アルミニウム部材と金属部材との接合信頼性を向上できる。
さらに、Ｔｉ層側に形成された第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層が、アルミニウム部材側に形成された第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層のＳｉ濃度よりも高いので、Ｓｉ濃度が高い第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層によってＴｉ原子がアルミニウム部材側に拡散することが抑制され、第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層及び第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層の厚さを薄くすることができ、ヒートサイクルが負荷された際に、接合部にクラックが発生することを抑制可能となる。
なお、本発明において、アルミニウムは純アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されたものとし、金属部材は、銅又は銅合金、ニッケル又はニッケル合金、もしくは銀又は銀合金で構成されたものとしている。
【００１４】
また、上記接合体において、前記第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層に含まれるＳｉ濃度が１ａｔ％以上であることが好ましい。
この場合、アルミニウム部材側に形成された第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層が十分なＳｉ濃度を有しているので、アルミニウム部材を構成するＡｌ原子がＴｉ層側に過剰に拡散することが抑制され、第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層、及び第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層の厚さを薄くすることができる。
【００１５】
本発明のパワーモジュール用基板は、絶縁層と、前記絶縁層の一方の面に形成された回路層と、を備え、前記回路層が前述の接合体からなり、前記回路層は、前記絶縁層の一方の面に形成され前記アルミニウム部材からなるＡｌ層と、このＡｌ層の一方の面に形成され前記金属部材からなる金属部材層と、を有し、前記Ａｌ層と前記金属部材層との接合部には、前記金属部材層側に位置するＴｉ層と、前記Ｔｉ層と前記Ａｌ層との間に位置し、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、が形成されており、前記Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層は、前記Ｔｉ層側に形成された第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、前記Ａｌ層側に形成され前記第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層よりもＳｉ濃度が低い第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、を備えていることを特徴としている。
【００１６】
本発明のパワーモジュール用基板によれば、回路層において、Ａｌ層と金属部材層との接合部には、Ｔｉ層と、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層とが形成されており、硬いＡｌ−Ｔｉ−Ｃｕ層やＡｌ−Ｔｉ層等が形成されていないので、ヒートサイクルが負荷された際に、回路層にクラックが発生することを抑制することができる。したがって、パワーモジュールにおいて、半導体素子とパワーモジュール用基板との接合信頼性を向上できる。
さらに、Ｔｉ層側に形成された第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層のＳｉ濃度が、Ａｌ層側に形成された第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層のＳｉ濃度よりも高いので、Ｔｉ原子がＡｌ層側に拡散することが抑制され、第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層、及び第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層の厚さを薄くすることができる。
【００１７】
また、この場合、絶縁層の一方の面に比較的変形抵抗の小さいＡｌ層が形成されているので、ヒートサイクルが負荷された際に生じる熱応力をＡｌ層が吸収し、セラミックス基板に割れが発生することを抑制できる。
さらに、Ａｌ層の一方の面に銅又は銅合金からなるＣｕ層が形成されている場合、Ｃｕ層はＡｌ層に比べて変形抵抗が大きいことから、ヒートサイクルが負荷された際に回路層の変形が抑制され、半導体素子と回路層を接合するはんだ層の変形を抑制し、接合信頼性を向上できる。また、熱伝導率の良好なＣｕ層が回路層の一方側に形成されているので、半導体素子からの熱を拡げて効率的にパワーモジュール用基板側に伝達することができる。
また、Ａｌ層の一方の面にニッケル又はニッケル合金からなるＮｉ層が形成されている場合、はんだ付け性が良好となり、半導体素子との接合信頼性が向上する。
また、Ａｌ層の一方の面に銀又は銀合金からなるＡｇ層が形成されている場合、例えば酸化銀粒子と有機物からなる還元剤とを含む酸化銀ペーストを用いて半導体素子を接合する際に、酸化銀が還元された銀とＡｇ層とが同種の金属同士の接合となるため、接合信頼性を向上させることができる。また、熱伝導率の良好なＡｇ層が回路層の一方側に形成されているので、半導体素子からの熱を拡げて効率的にパワーモジュール用基板側に伝達することができる。
【００１８】
また、本発明のパワーモジュール用基板は、前記絶縁層の他方の面に形成された金属層を備え、前記金属層が前述の接合体からなり、前記金属層は、前記絶縁層の他方の面に形成され前記アルミニウム部材からなるＡｌ層と、このＡｌ層のうち前記絶縁層が形成された面と反対側の面に形成され前記金属部材からなる金属部材層と、を有し、前記Ａｌ層と前記金属部材層との接合部には、前記金属部材層側に位置するＴｉ層と、前記Ｔｉ層と前記Ａｌ層との間に位置し、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、が形成されており、前記Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層は、前記Ｔｉ層側に形成された第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、前記Ａｌ層側に形成され前記第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層よりもＳｉ濃度が低い第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、を備えた構成とされても良い。
【００１９】
この場合、金属層において、Ａｌ層と金属部材層との接合部には、Ｔｉ層と、第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層とが形成されており、硬いＡｌ−Ｔｉ−Ｃｕ層やＡｌ−Ｔｉ層等が形成されていないので、ヒートサイクルが負荷された際に、金属層にクラックが発生することを抑制することができる。したがって、金属層とヒートシンクとを接合した場合に、金属層とヒートシンクとの接合信頼性を向上させることができる。
【００２０】
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、絶縁層と、この絶縁層の一方の面に形成された回路層と、前記絶縁層の他方の面に形成された金属層と、この金属層に接合されたヒートシンクと、を備え、前記金属層と前記ヒートシンクとが前述の接合体からなり、前記金属層及び前記ヒートシンクの接合面の一方がアルミニウムで構成され、前記金属層及び前記ヒートシンクの接合面の他方が銅、ニッケル、又は銀で構成され、前記金属層と前記ヒートシンクとの接合部には、前記接合面が銅、ニッケル、又は銀からなる前記金属層又は前記ヒートシンク側に位置するＴｉ層と、前記接合面がアルミニウムからなる前記金属層又は前記ヒートシンクと、前記Ｔｉ層との間に位置し、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、が形成されており、前記Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層は、前記Ｔｉ層側に形成された第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、前記接合面がアルミニウムからなる前記金属層又は前記ヒートシンク側に形成され前記第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層よりもＳｉ濃度が低い第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、を備えていることを特徴としている。
【００２１】
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、金属層とヒートシンクとの接合部には、Ｔｉ層と、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層とが形成されており、硬いＡｌ−Ｔｉ−Ｃｕ層やＡｌ−Ｔｉ層等が形成されていないので、ヒートサイクルが負荷された際に、金属層とヒートシンクとの接合部にクラックが発生することを抑制でき、接合信頼性の向上を図ることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、アルミニウム部材と、銅、ニッケル、銀のいずれかからなる金属部材とが良好に接合され、ヒートサイクルが負荷された際に接合部におけるクラックの発生を抑制でき、接合信頼性が良好な接合体、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を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第一実施形態に係るパワーモジュールの概略説明図である。
【図２】図１のＡｌ層とＴｉ層との接合界面の拡大説明図である。
【図３】第一実施形態に係るパワーモジュールの製造方法を説明するフロー図である。
【図４】第一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５】本発明の第二実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュールの概略説明図である。
【図６】図５の金属層とＴｉ層との接合界面の拡大説明図である。
【図７】第二実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュールの製造方法を説明するフロー図である。
【図８】第二実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュールの製造方法の概略説明図である。
【図９】本発明の他の実施形態に係るパワーモジュールの概略説明図である。
【図１０】本発明の他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１１】本発明例１−１の接合体におけるアルミニウム部材と金属部材との接合部のＳＥＭ像である。
【図１２】比較例１−１の接合体におけるアルミニウム部材と金属部材との接合部のＳＥＭ像である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
（第一実施形態）
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。まず、本発明の第一実施形態について説明する。
図１に、本発明の第一実施形態に係るパワーモジュール１を示す。このパワーモジュール１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の一方の面（図１において上面）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。
【００２５】
パワーモジュール用基板１０は、絶縁層を構成するセラミックス基板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）に配設された回路層１２（接合体）と、セラミックス基板１１の他方の面に配設された金属層１３と、を備えている。
【００２６】
セラミックス基板１１は、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）等で構成されている。本実施形態では、放熱性の優れたＡｌＮ（窒化アルミニウム）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。
【００２７】
回路層１２は、図１に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に配設されたＡｌ層１２Ａと、このＡｌ層１２Ａの一方の面にＴｉ層１５を介して積層されたＣｕ層１２Ｂ（金属部材層）と、を有している。
Ａｌ層１２Ａは、セラミックス基板１１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（アルミニウム部材）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、Ａｌ層１２Ａは、純度９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる２Ｎアルミニウム）の圧延板を接合することで形成されている。前記純度９９質量％以上のアルミニウムの圧延板には、０．０８質量％以上０．９５質量％以下のＳｉが含有されているとよい。なお、接合されるアルミニウム板の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．４ｍｍに設定されている。
【００２８】
Ｃｕ層１２Ｂは、Ａｌ層１２Ａの一方の面（図１において上面）に、Ｔｉ層１５を介して銅又は銅合金からなる銅板（金属部材）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、Ｃｕ層１２Ｂは、無酸素銅の圧延板がＡｌ層１２Ａに、Ｔｉ箔を介して固相拡散接合されることにより形成されている。なお、接合される銅板の厚さは０．１ｍｍ以上６．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、１．０ｍｍに設定されている。
【００２９】
Ｔｉ層１５は、Ａｌ層１２Ａと銅板とがチタン箔を介して積層され、固相拡散接合されることにより形成されるものである。ここで、チタン箔の純度は９９％以上とされている。また、チタン箔の厚さは３μｍ以上４０μｍ以下に設定されており、本実施形態では、１０μｍに設定されている。
そして、Ａｌ層１２ＡとＴｉ層１５との接合界面には、図２に示すように、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６が形成されている。
【００３０】
Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６は、Ａｌ層１２ＡのＡｌ原子と、Ｔｉ層１５のＴｉ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。Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６の厚さは、０．５μｍ以上１０μｍ以下に設定されており、本実施形態においては３μｍとされている。このＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６は、図２に示すように、Ｔｉ層１５側に形成された第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６Ａと、Ａｌ層１２Ａ側に形成された第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６Ｂとを備えている。すなわち、Ａｌ層１２ＡとＣｕ層１２Ｂとの接合部には、Ｔｉ層１５と、第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６Ａと、第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６Ｂとが形成されているのである。
【００３１】
これら、第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６Ａと第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６Ｂは、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ相からなり、第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６ＢのＳｉ濃度が、第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６ＡのＳｉ濃度よりも低くなっている。なお、本実施形態において、第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６Ａ及び第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６Ｂに含まれるＳｉは、２Ｎアルミニウムの圧延板中に不純物として含まれるＳｉがＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６中に拡散し、濃化したものである。
第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６ＡのＳｉ濃度は、１０ａｔ％以上３０ａｔ％以下とされており、本実施形態では２０ａｔ％とされている。第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６ＢのＳｉ濃度は、１ａｔ％以上１０ａｔ％以下とされており、本実施形態では３ａｔ％とされている。
【００３２】
金属層１３は、セラミックス基板１１の他方の面（図１において下面）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１３は、純度が９９質量％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）の圧延板がセラミックス基板１１に接合されることで形成されている。なお、金属層１３となるアルミニウム板の厚さは０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、１．６ｍｍに設定されている。
【００３３】
半導体素子３は、Ｓｉ等の半導体材料で構成されている。この半導体素子３と回路層１２は、はんだ層２を介して接合されている。
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系のはんだ材（いわゆる鉛フリーはんだ材）とされており、パワーモジュール用基板１０と半導体素子３とを接合するものである。
【００３４】
次に、本実施形態であるパワーモジュール１の製造方法について、図３及び図４を参照して説明する。
まず、図４に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に、Ａｌ層１２Ａとなるアルミニウム板２２Ａを積層し、さらにその上にチタン箔２５を介してＣｕ層１２Ｂとなる銅板２２Ｂを積層する。一方、セラミックス基板１１の他方の面には、金属層１３となるアルミニウム板２３を積層する（アルミニウム板及び銅板積層工程Ｓ０１）。ここで、本実施形態においては、アルミニウム板２２Ａ、２３とセラミックス基板１１との間には、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔２６を介して積層した。
【００３５】
次いで、積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空加熱炉内に配置し加熱して、Ａｌ層１２Ａ及び金属層１３を形成するとともに、Ａｌ層１２Ａとチタン箔２５、及び銅板２２Ｂとチタン箔２５を固相拡散接合し、回路層１２及び金属層１３を形成する（回路層及び金属層形成工程Ｓ０２）。
【００３６】
ここで、真空加熱炉内の圧力は１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度は６００℃以上６４３℃以下、保持時間は３０分以上１８０分以下の範囲内に設定されることが好ましい。また、より好ましい加熱温度は、６３０℃以上６４３℃以下の範囲内とされている。本実施形態においては、積層方向に１２ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力を負荷し、加熱温度６４０℃、保持時間６０分の条件で実施した。
なお、アルミニウム板２２Ａ、チタン箔２５、及び銅板２２Ｂ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。
上記のようにして、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０が製造される。
【００３７】
次に、回路層１２の一方の面（表面）に、はんだ材を介して半導体素子３を積層し、還元炉内においてはんだ接合する（半導体素子接合工程Ｓ０３）。
上記のようにして、本実施形態であるパワーモジュール１が製造される。
【００３８】
以上のような構成とされた本実施形態に係るパワーモジュール１及びパワーモジュール用基板１０によれば、回路層１２においてＡｌ層１２ＡとＣｕ層１２Ｂとの接合部には、Ｔｉ層１５と、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６とが形成された構成とされており、硬いＡｌ−Ｔｉ−Ｃｕ層やＡｌ−Ｔｉ層が形成されていないので、ヒートサイクルが負荷された際に、回路層１２にクラックが発生することを抑制することができる。したがって、パワーモジュール１において、半導体素子３とパワーモジュール用基板１０との接合信頼性を向上可能である。
【００３９】
さらに、Ｔｉ層１５側に形成された第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６ＡのＳｉ濃度が、Ａｌ層１２Ａ側に形成された第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６ＢのＳｉ濃度よりも高いので、Ｓｉ濃度が高い第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６ＡによってＴｉ原子がＡｌ層１２Ａ側に拡散することが抑制され、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６の厚さを薄くすることができる。そして、このようにＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６の厚さを薄くすることで、ヒートサイクルが負荷された際にＡｌ層１２ＡとＣｕ層１２Ｂとの接合部に割れが発生することを抑制可能となる。
【００４０】
また、Ａｌ層１２Ａ側に形成された第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６Ｂに含まれるＳｉ濃度が１ａｔ％以上１０ａｔ％以下とされているので、Ａｌ原子がＴｉ層１５側に過剰に拡散することが抑制され、第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６Ｂの厚さを薄くすることができる。
さらには、Ｔｉ層１５側に形成された第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６Ａに含まれるＳｉ濃度が１０ａｔ％以上３０ａｔ％以下とされているので、Ｔｉ原子がＡｌ層１２Ａ側に過剰に拡散することが抑制され、第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６Ａの厚さを薄くすることができる。
【００４１】
また、本実施形態においては、セラミックス基板１１の一方の面及び他方の面に、アルミニウム板２２Ａ、チタン箔２５、銅板２２Ｂ、及びアルミニウム板２３を一度に接合する構成とされているので、製造工程を簡略化することができ、製造コストを低減可能である。
【００４２】
また、セラミックス基板１１の一方の面に比較的変形抵抗の小さいＡｌ層１２Ａが形成されているので、ヒートサイクルが負荷された際に生じる熱応力をＡｌ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。
さらに、Ａｌ層１２Ａの一方の面には、比較的変形抵抗の大きいＣｕ層１２Ｂが形成されているので、ヒートサイクルが負荷された際に回路層１２の変形が抑制され、半導体素子３と回路層１２を接合するはんだ層２の変形を抑制し、接合信頼性を向上できる。
また、熱伝導率の良好なＣｕ層１２Ｂが回路層１２の一方側に形成されているので、半導体素子３からの熱を拡げて効率的にパワーモジュール用基板１０側に伝達することができる。
【００４３】
また、本実施形態においては、Ａｌ層１２Ａ（アルミニウム板２２Ａ）とチタン箔２５、及び銅板２２Ｂとチタン箔２５との固相拡散接合は、積層方向へ１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力をかけられた状態で６００℃以上６４３℃以下に保持することで行われる構成とされているので、Ａｌ層とＴｉ層の界面で液相を生成させることなく、Ａｌ層１２Ａ及び銅板２２Ｂ中にＴｉ原子を拡散させ、チタン箔２５中にＡｌ原子及びＣｕ原子を固相拡散させて固相拡散接合し、Ａｌ層１２Ａ、チタン箔２５、及び銅板２２Ｂを確実に接合することができる。
【００４４】
固相拡散接合する際に積層方向にかかる圧力が１ｋｇｆ／ｃｍ２未満の場合は、Ａｌ層１２Ａ、チタン箔２５、及び銅板２２Ｂを十分に接合させることが困難となり、接合界面に隙間が生じる場合がある。また、３５ｋｇｆ／ｃｍ２を超える場合には、負荷される荷重が高すぎるために、セラミックス基板１１に割れが発生することがある。このような理由により、固相拡散接合の際にかかる圧力は、上記の範囲に設定されている。
【００４５】
固相拡散接合する際の温度が６００℃以上の場合には、Ａｌ原子、Ｔｉ原子、及びＣｕ原子の拡散が促進され、短時間で十分に固相拡散させることができる。また、６４３℃以下の場合には、アルミニウムの溶融による液相が生じて接合界面にコブが生じたり、厚さ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範囲は、上記の範囲に設定されている。
【００４６】
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、本実施形態では、アルミニウム板２２Ａ、銅板２２Ｂ、及びチタン箔２５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。
【００４７】
（第二実施形態）
次に、本発明の第二実施形態について説明する。なお、第一実施形態と同一の構成のものについては、同一の符号を付して記載し、詳細な説明を省略する。
【００４８】
図５に、本発明の第二実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュール１０１を示す。このヒートシンク付パワーモジュール１０１は、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１３０と、このヒートシンク付パワーモジュール用基板１３０の一方の面（図５において上面）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。
ヒートシンク付パワーモジュール用基板１３０は、パワーモジュール用基板１１０と、このパワーモジュール用基板１１０の下側にＴｉ層１１５を介して積層されたヒートシンク１３１（金属部材）と、を備えている。
【００４９】
パワーモジュール用基板１１０は、図５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５において上面）に配設された回路層１１２と、セラミックス基板１１の他方の面（図５において下面）に配設された金属層１１３（Ａｌ層）と、を備えている。
【００５０】
回路層１１２は、セラミックス基板１１の一方の面（図５において上面）に、導電性を有す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、回路層１１２は、純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）の圧延板を接合することで形成されている。なお、接合されるアルミニウム板の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下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。
【００５１】
金属層１１３は、セラミックス基板１１の一方の面（図５において上面）に、導電性を有する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、金属層１１３は、純度９９質量％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）の圧延板を接合することで形成されている。前記純度９９質量％以上のアルミニウムの圧延板には、０．０８質量％以上０．９５質量％以下のＳｉが含有されているとよい。なお、接合されるアルミニウム板の厚さは０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下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。
【００５２】
ヒートシンク１３１は、パワーモジュール用基板１１０側の熱を放散するためのものである。ヒートシンク１３１は、銅又は銅合金で構成されており、本実施形態では無酸素銅で構成されている。このヒートシンク１３１には、冷却用の流体が流れるための流路１３２が設けられている。
そして、これら金属層１１３とヒートシンク１３１とが、Ｔｉ層１１５を介して接合されている。
【００５３】
Ｔｉ層１１５は、アルミニウムからなる金属層１１３と、銅からなるヒートシンク１３１とがチタン箔を介して積層され、固相拡散接合されることにより形成されるものである。このチタン箔の純度は９９％以上とされている。チタン箔の厚さは３μｍ以上４０μｍ以下に設定されており、本実施形態では、１０μｍに設定されている。
そして、金属層１１３とＴｉ層１１５との接合界面には、図６に示すように、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１１６が形成されている。
【００５４】
Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１１６は、金属層１１３のＡｌ原子と、Ｔｉ層１１５のＴｉ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。Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１１６の厚さは、０．５μｍ以上１０μｍ以下に設定されており、本実施形態においては３μｍとされている。このＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１１６は、図６に示すように、Ｔｉ層１１５側に形成された第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１１６Ａと、金属層１１３側に形成された第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１１６Ｂとを備えている。すなわち、金属層１１３とヒートシンク１３１との接合部には、Ｔｉ層１１５と、第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１１６Ａと、第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１１６Ｂとが形成されているのである。
【００５５】
これら、第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１１６Ａと第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１１６Ｂは、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ相からなり、第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１１６ＢのＳｉ濃度が、第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１１６ＡのＳｉ濃度よりも低くなっている。
第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１１６ＡのＳｉ濃度は、１０ａｔ％以上３０ａｔ％以下とされており、本実施形態では２０ａｔ％とされている。第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１１６ＢのＳｉ濃度は、１ａｔ％以上１０ａｔ％以下とされており、本実施形態では３ａｔ％とされている。
【００５６】
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１０１、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１３０の製造方法について、図７及び図８を参照して説明する。
【００５７】
まず、図８に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔２６を介して、回路層１１２となるアルミニウム板１２２を積層する。また、セラミックス基板１１の他方の面に、ろう材箔２６を介して金属層１１３となるアルミニウム板１２３を積層する。そして、セラミックス基板１１の他方の面側（図９において下側）に、さらにチタン箔１２５を介してヒートシンク１３１を積層する（アルミニウム板及びヒートシンク積層工程Ｓ１１）。
【００５８】
次いで、アルミニウム板１２２、１２３、セラミックス基板１１、及びヒートシンク１３１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配置し加熱して、セラミックス基板１１の一方の面及び他方の面に、回路層１１２及び金属層１１３を形成するとともに、金属層１１３とチタン箔１２５、及びヒートシンク１３１とチタン箔１２５を固相拡散接合し、金属層１１３とヒートシンク１３１とを接合する（回路層、金属層、及びヒートシンク接合工程Ｓ１２）。
【００５９】
ここで、真空加熱炉内の圧力は、１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度は６００℃以上６４３℃以下、保持時間は３０分以上１８０分以下の範囲内に設定されることが好ましい。また、より好ましい加熱温度は、６３０℃以上６４３℃以下の範囲内とされている。本実施形態においては、積層方向に２０ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力を負荷し、加熱温度６４０℃、保持時間６０分の条件で実施した。
なお、アルミニウム板１２３、チタン箔１２５、及びヒートシンク１３１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。
上記のようにして、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１３０及びパワーモジュール用基板１１０が製造される。
【００６０】
次に、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１３０（回路層１１２）の一方の面に、はんだ材を介して半導体素子３を積層し、還元炉内においてはんだ接合する（半導体素子接合工程Ｓ１３）。
上記のようにして、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール１０１が製造される。
【００６１】
以上のような構成とされた本実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュール１０１及びヒートシンク付パワーモジュール用基板１３０によれば、金属層１１３とヒートシンク１３１との接合部には、Ｔｉ層１１５と、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１１６とが形成された構成とされており、硬いＡｌ−Ｔｉ−Ｃｕ層やＡｌ−Ｔｉ層が形成されていないので、ヒートサイクルが負荷された際に、金属層１１３とヒートシンク１３１との接合部にクラックが発生することを抑制することができる。したがって、ヒートシンク付パワーモジュール１０１において、金属層１１３とヒートシンク１３１との接合信頼性を向上可能となる。
【００６２】
さらに、Ｔｉ層１１５側に形成された第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１１６ＡのＳｉ濃度が、金属層１１３側に形成された第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１１６ＢのＳｉ濃度よりも高いので、Ｓｉ濃度が高い第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１１６ＡによってＴｉ原子が金属層１１３に拡散することが抑制され、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１１６の厚さを薄くすることができる。
【００６３】
また、本実施形態においては、セラミックス基板１１の一方の面及び他方の面に、回路層１１２及び金属層１１３を形成し、さらに金属層１１３とヒートシンク１３１とを同時に接合することができるので、製造工程を簡略化することができ、製造コストを低減可能である。
【００６４】
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。
【００６５】
なお、上記実施の形態では、Ａｌ層と、金属部材層として銅からなるＣｕ層とが接合される場合について説明したが、Ｃｕ層に代えて、ニッケル又はニッケル合金からなるＮｉ層、もしくは銀又は銀合金からなるＡｇ層が接合されても良い。
【００６６】
例えば、Ｃｕ層に代えてＮｉ層を形成した場合には、はんだ付け性が良好となり、半導体素子との接合信頼性を向上できる。さらに、固相拡散接合によってＮｉ層を形成する場合には、無電解めっき等でＮｉめっき膜を形成する際に行われるマスキング処理が不要なので、製造コストを低減できる。この場合、Ｎｉ層の厚さは１μｍ以上３０μｍ以下とすることが望ましい。Ｎｉ層の厚さが１μｍ未満の場合には半導体素子との接合信頼性の向上の効果が無くなるおそれがあり、３０μｍを超える場合にはＮｉ層が熱抵抗体となり効率的にパワーモジュール用基板側に熱を伝達できなくなるおそれがある。
また、固相拡散接合によってＮｉ層を形成する場合、固相拡散接合は、前記第一実施形態においてＣｕ層を形成した場合と同様の条件で形成することができる。
【００６７】
また、Ｃｕ層に代えてＡｇ層を形成した場合には、例えば酸化銀粒子と有機物からなる還元剤とを含む酸化銀ペーストを用いて半導体素子を接合する際に、酸化銀が還元された銀とＡｇ層とが同種の金属同士の接合となるため、接合信頼性を向上させることができる。さらには、熱伝導率の良好なＡｇ層が回路層の一方側に形成されるので、半導体素子からの熱を拡げて効率的にパワーモジュール用基板側に伝達することができる。この場合、Ａｇ層の厚さは１μｍ以上２０μｍ以下とすることが望ましい。Ａｇ層の厚さが１μｍ未満の場合には半導体素子との接合信頼性を向上の効果が無くなるおそれがあり、２０μｍを超える場合には接合信頼性向上の効果が観られなくなり、コストの増加を招く。
また、固相拡散接合によってＡｇ層を形成する場合、固相拡散接合は、前記第一実施形態においてＣｕ層を形成した場合と同様の条件で形成することができる。
【００６８】
また、図９に示すように、金属層２１３が、セラミックス基板１１の他方の面に形成されたＡｌ層２１３Ａと、Ａｌ層２１３Ａのうちセラミックス基板１１が接合された面と反対側の面に、Ｔｉ層２１５を介して固相拡散接合されたＣｕ層２１３Ｂと、を有する構成とされても良い。
【００６９】
この金属層２１３を備えたパワーモジュール２０１においては、ヒートサイクルが負荷された際に、セラミックス基板１１に生じる熱応力をＡｌ層２１３Ａによって吸収し、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。また、Ａｌ層２１３Ａの下側には、Ｃｕ層２１３Ｂが形成されているので、半導体素子３側からの熱を効率的に放散できる。
【００７０】
なお、第一実施形態では、チタン箔を介して、２Ｎアルミニウムからなるアルミニウム板と無酸素銅からなる銅板とを積層し、固相拡散接合する場合について説明したが、Ｓｉの含有量が２Ｎアルミニウムよりも少ない４Ｎアルミニウムからなるアルミニウム板と銅板とをチタン箔を介して固相拡散接合した場合には、接合界面にＡｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層は形成されず、Ａｌ３Ｔｉ層（Ａｌ−Ｔｉ層）が厚く成長することになる。４Ｎアルミニウムからなるアルミニウム板と銅板とを接合する場合、例えば図１０に示すように、４Ｎアルミニウムからなるアルミニウム板３２２Ａの上に、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔３２６、チタン箔３２５、銅板３２２Ｂを順に積層し、固相拡散接合することによって、パワーモジュール用基板１０と同様に第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層及び第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層を形成することができ、ヒートサイクルが負荷された際に回路層に割れが生じることを抑制可能となる。
【００７１】
また、第一実施形態において、金属層がアルミニウム又はアルミニウム合金で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、銅や銅合金で構成されても良い。
また、第二実施形態において、金属層がアルミニウム又はアルミニウム合金で構成され、ヒートシンクが銅又は銅合金で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、金属層が銅又は銅合金で構成され、ヒートシンクがアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されても良い。
【００７２】
また、第一実施形態において、Ａｌ層となるアルミニウム板を積層しその上にチタン箔を介してＣｕ層となる銅板を積層し加圧・加熱を行い回路層を形成したが、銅板に代えて銅からなるリードフレーム（金属部材）を用いることができる。
【００７３】
また、上記実施の形態では、セラミックス基板の一方の面及び他方の面に、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔を介してアルミニウム板を接合す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、過渡液相接合法（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｐｈａｓｅ  Ｂｏｎｄｉｎｇ）を適用しても良い。
【００７４】
さらに、上記実施の形態では、セラミックス基板１１の一方の面に、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔を介して、Ａｌ層となるアルミニウム板を積層し、さらにその上にチタン箔を介してＣｕ層となる銅板を積層し、加圧加熱することで接合体を形成したが、チタン箔及び銅板の代わりにＴｉ／Ｃｕからなるクラッド材を用いることができる。また、アルミニウム板、チタン箔及び銅板の代わりに、Ａｌ／Ｔｉ／Ｃｕの３層からなるクラッド材を用いることもできる。
また、Ｃｕ層に代えてＮｉ層を形成する場合、Ｔｉ／Ｎｉからなるクラッド材やＡｌ／Ｔｉ／Ｎｉからなるクラッド材を用いることができる。
さらに、Ｃｕ層に代えてＡｇ層を形成する場合、Ｔｉ／Ａｇからなるクラッド材やＡｌ／Ｔｉ／Ａｇからなるクラッド材を用いることができる。
【実施例】
【００７５】
（実施例１）
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。
本発明例１−１〜１−７の接合体として、表１に示すように、Ｓｉを０．２５質量％含有する２Ｎアルミニウム板からなるアルミニウム部材（１０ｍｍ×１０ｍｍ、厚さ０．６ｍｍ）の一方の面に、チタン箔を介して表１記載の金属部材からなる板（２ｍｍ×２ｍｍ、厚さ０．３ｍｍ）を積層し、上述の実施形態に記載した方法によって表１に示す条件で固相拡散接合した。
【００７６】
また、比較例１−１の接合体として、純度９９．９９％以上のアルミニウム板からなるアルミニウム部材（１０ｍｍ×１０ｍｍ、厚さ０．６ｍｍ）の一方の面に、チタン箔を介して無酸素銅の板からなる金属部材（２ｍｍ×２ｍｍ、厚さ０．３ｍｍ）を積層し、本発明例１−１の接合体と同様にして表１に示す条件で固相拡散接合した。
このようにして得られた接合体に対して、接合体の断面観察、及びシェアテストを実施した。
【００７７】
（断面観察）
接合体の断面をクロスセクションポリッシャ（日本電子株式会社製ＳＭ−０９０１０）を用いて、イオン加速電圧：５ｋＶ、加工時間：１４時間、遮蔽板からの突出量：１００μｍでイオンエッチングした後に、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いてＡｌ層（アルミニウム部材）と金属部材層（金属部材）との接合部の観察を行った。また、ＥＰＭＡ分析装置を用いて、接合部の組成分析を行い、Ｔｉ層とＡｌ層との間の接合界面（図１１、１２において、Ｔｉ層とアルミニウム部材との間の界面）に、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層が形成されているかどうかを確認した。
【００７８】
（シェアテスト）
接合体にシェアテストを実施し、シェア強度（せん断強度）を測定した。なお、シェアテストは、国際電気標準会議の規格ＩＥＣ  ６０７４９−１９に準拠して実施した。
【００７９】
断面観察の結果の一例として、本発明例１−１の断面観察の結果（ＳＥＭ像）を図１１に、比較例１−１の断面観察の結果（ＳＥＭ像）を図１２に示す。また、表１に、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層の有無、接合体のシェアテストの測定結果を示す。
【００８０】
【表１】
2014177031.tif 000003
【００８１】
本発明例１−１では、図１１に示すように、Ｔｉ層とＡｌ層（アルミニウム部材）の間に、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層が確認された。このＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層の厚さは薄く形成されていることを確認した。このようなＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層が本発明例１−２〜１−７においても形成されていることも確認した。
一方、比較例１−１では、Ｔｉ層とＡｌ層との間に、Ａｌ−Ｔｉ層が形成されており、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層は確認されなかった。図１２に示すように、比較例１−１のＡｌ−Ｔｉ層の厚さは、本発明例１−１〜１−７のＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と比べて厚く形成されており、その接合界面にクラックが観察された。
また、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層が確認されなかった比較例１−１では、シェア強度は２８ＭＰａであったのに対し、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層が確認された本発明例１−１〜１−７ではシェア強度が７９ＭＰａ以上と大幅に高いことが確認された。
【００８２】
（実施例２）
本発明例２−１〜２−７のパワーモジュールを次のようにして製造した。セラミックス基板の一方の面に、Ａｌ層となるＳｉを０．２５質量％含有する２Ｎアルミニウム板（厚さ０．６ｍｍ）を積層し、さらにその上にチタン箔を介して表２記載の金属部材からなる板を積層する。また、セラミックス基板の他方の面には、金属層となる純度９９．９９％以上の４Ｎアルミニウム板（厚さ０．６ｍｍ）を積層する。ここで、アルミニウム板とセラミックス基板との間には、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔を介して積層した。次いで、表２に示す条件で加熱処理を行い、セラミックス基板の一方の面及び他方の面にＡｌ層及び金属層を形成するとともに、Ａｌ層、チタン箔、金属部材からなる板を固相拡散接合して回路層を形成した。そして、回路層の一方の面にはんだ材を介して半導体素子を接合した。
【００８３】
比較例２−１のパワーモジュールは、Ａｌ層として純度９９．９９％以上の４Ｎアルミニウムを用いたこと以外は、本発明例２−１のパワーモジュールと同様にして製造した。なお、加熱処理は、表２に示す条件で実施した。
このようにして製造されたパワーモジュールの回路層におけるＡｌ層と金属部材層との接合部において、実施例１と同様にして、Ａｌ−Ｓｉ−Ｔｉ層の有無を確認した。さらに、パワーモジュールに対して、ヒートサイクル試験を行い、試験後のＡｌ層と金属部材層との接合部の接合率を測定した。また、Ａｌ層と金属部材層との接合部の初期の接合率（ヒートサイクル試験前の接合率）も測定した。ヒートサイクル試験と接合率の測定は、以下のようにして行った。
【００８４】
（ヒートサイクル試験）
ヒートサイクル試験は、パワーモジュールに対して、−４０℃←→１２５℃のヒートサイクルを負荷することにより行う。本実施例では、このヒートサイクルを４０００回実施した。
このヒートサイクル試験前後における、Ａｌ層と金属部材層との界面における接合率を測定した。
【００８５】
（Ａｌ層と金属部材層との接合部の接合率評価）
ヒートサイクル試験前後のパワーモジュールに対して、Ａｌ層と金属部材層との接合部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。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Ａｌ層の面積とした。超音波探傷像において剥離は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）×１００
以上の評価の結果を表２に示す。
【００８６】
【表２】
2014177031.tif 000004
【００８７】
Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層が確認されなかった比較例２−１では、初期の接合率は７２．５％と低く、ヒートサイクル試験後には接合率は大幅に低下した。
一方、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層が確認された本発明例２−１〜２−７では初期接合率は９７．８％以上と高く、ヒートサイクル試験後の接合率も高いままであり、接合信頼性の高いパワーモジュールであることが確認された。
【符号の説明】
【００８８】
１０、１１０  パワーモジュール用基板
１１  セラミックス基板（絶縁層）
１２  回路層（接合体）
１２Ａ、２１３Ａ  Ａｌ層
１２Ｂ、２１３Ｂ  Ｃｕ層（金属部材層）
１３  金属層
１５、１１５、２１５  Ｔｉ層
１６、１１６  Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層
１６Ａ、１１６Ａ  第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層
１６Ｂ、１１６Ｂ  第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層
１１２  回路層
１１３  金属層（Ａｌ層）
１３０  ヒートシンク付パワーモジュール用基板
１３１  ヒートシンク（金属部材）
２１３  金属層（接合体）
【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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