(57)【要約】【課題】回路層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でき、優れたパワーサイクル特性を有するとともに、冷熱サイクル負荷時における絶縁基板の割れの発生、及び、金属層とヒートシンクとの間に形成されたはんだ層におけるクラックの発生を抑制できる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】銅又は銅合金で構成され、電子部品３が第１はんだ層１０２を介して搭載される回路層１１２の厚さｔ１が０．１ｍｍ≦ｔ１≦０．６ｍｍの範囲内とされ、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て構成され、ヒートシンク１４０が第２はんだ層１０８を介して接合された金属層１１３の厚さｔ２が０．５ｍｍ≦ｔ２≦６ｍｍの範囲内とされ、回路層１１２の厚さｔ１と金属層１１３の厚さｔ２との関係が、ｔ１＜ｔ２とされている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板と、該絶縁基板の一方の面に形成された回路層と、前記絶縁基板の他方の面に形成された金属層と、前記金属層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、
前記回路層は、銅又は銅合金で構成され、この回路層の一方の面が、第１はんだ層を介して電子部品が搭載される搭載面とされており、
前記金属層は、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て構成され、前記金属層と前記ヒートシンクとが第２はんだ層を介して接合されており、
前記回路層の厚さｔ１が、０．１ｍｍ≦ｔ１≦０．６ｍｍの範囲内とされ、
前記金属層の厚さｔ２が、０．５ｍｍ≦ｔ２≦６ｍｍの範囲内とされ、
前記回路層の厚さｔ１と前記金属層の厚さｔ２との関係が、ｔ１＜ｔ２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】
前記回路層の厚さｔ１と前記金属層の厚さｔ２との関係が、ｔ２／ｔ１≧２．５と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】
前記金属層が、純度９９．０質量％以上９９．８５質量％以下のアルミニウムで構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項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】
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と、前記回路層上に搭載された電子部品と、を備えたパワーモジュールであって、
前記電子部品は、前記回路層の一方の面に第１はんだ層を介して接合され、前記金属層と前記ヒートシンクとが第２はんだ層を介して接合されていることを特徴とするパワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、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、及びパワーモジュールに関する。
【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）などからなる絶縁基板の一方の面側に第一の金属板が接合されてなる回路層と、絶縁基板の他方の面側に第二の金属板が接合されてなる金属層と、を備えたパワーモジュール用基板が用いられる。
このようなパワーモジュール基板では、回路層の上に、はんだ材を介してパワー素子の半導体素子が搭載される。
そして、金属層の他方の面側に、パワーモジュール用基板を冷却するためのヒートシンクが接合される。
【０００３】
例えば、特許文献１には、回路層及び金属層を構成する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法によって絶縁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を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、回路層及び金属層を構成する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、金属層にろう付けによってヒートシンクが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、絶縁基板の一方の面に金属板を接合して回路層とし、絶縁基板の他方の面に、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、回路層を構成する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においては、アルミニウム製のヒートシンクと絶縁基板との間に銅板が配設されていることから、ヒートシンクと絶縁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絶縁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、ヒートシンクと金属層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、回路層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においては、回路層を構成する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、回路層を構成する第一の金属板としてアルミニウム板を用いた場合には、回路層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。よって、パワーサイクルを負荷した際の耐久性が低下するおそれがあった。
【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、絶縁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、ヒートシンクと絶縁基板との熱膨張係数の差に起因する熱歪みによって絶縁基板に割れが生じやすくなる傾向にある。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、回路層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でき、優れたパワーサイクル特性を有するとともに、冷熱サイクル負荷時における絶縁基板の割れの発生を抑制でき、さらに、金属層とヒートシンクとの間に形成されたはんだ層におけるクラックの発生を抑制できる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は、絶縁基板と、該絶縁基板の一方の面に形成された回路層と、前記絶縁基板の他方の面に形成された金属層と、前記金属層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、前記回路層は、銅又は銅合金で構成され、この回路層の一方の面が、第１はんだ層を介して電子部品が搭載される搭載面とされており、前記金属層は、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て構成され、前記金属層と前記ヒートシンクとが第２はんだ層を介して接合されており、前記回路層の厚さｔ１が、０．１ｍｍ≦ｔ１≦０．６ｍｍの範囲内とされ、前記金属層の厚さｔ２が、０．５ｍｍ≦ｔ２≦６ｍｍの範囲内とされ、前記回路層の厚さｔ１と前記金属層の厚さｔ２との関係が、ｔ１＜ｔ２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、パワーモジュール用基板が、銅又は銅合金で構成された回路層と、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成された金属層と、を有し、前記回路層の厚さｔ１及び前記金属層の厚さｔ２が、上述のように規定されているので、パワーモジュール用基板の剛性が確保されることになり、熱サイクル負荷時にパワーモジュール用基板が変形しにくく、第２はんだ層におけるクラックの発生を抑制できる。
また、比較的変形抵抗の大きい銅及び銅合金で構成された回路層の厚さｔ１が０．１ｍｍ以上とされているので、大電流を流すことができ、パワー素子を搭載することができる。また、回路層の厚さｔ１が０．６ｍｍ以下とされているので、回路層によって絶縁基板が必要以上に拘束されず、絶縁基板の割れを抑制することが可能となる。
また、比較的変形抵抗の小さいアルミニウム及びアルミニウム合金で構成された金属層の厚さｔ２が０．５ｍｍ以上とされているので、金属層が変形することによってパワーモジュール用基板に負荷される応力が緩和されることになり、絶縁基板の割れを抑制することが可能となる。また、金属層の厚さｔ２が６ｍｍ以下とされているので、金属層における熱抵抗を低く抑えることができる。なお、上記観点から金属層の厚さｔ２は３ｍｍ以下とすることが望ましい。
さらに、前記回路層の厚さｔ１と前記金属層の厚さｔ２との関係が、ｔ１＜ｔ２とされているので、パワーモジュール用基板における反りの発生を抑制することができる。
【００１３】
また、上述のヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、絶縁基板とヒートシンクとの熱膨張係数の差に起因する熱歪みを、十分に厚く形成された金属層が変形することによって緩和することができるとともに、絶縁基板自体を回路層が強く拘束しないことから、絶縁基板の割れを抑制することができる。
さらに、上述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回路層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可能となる。よって、パワーサイクルを負荷した際の耐久性を向上させることができる。
【００１４】
ここで、前記回路層の厚さｔ１と前記金属層の厚さｔ２との関係が、ｔ２／ｔ１≧２．５とされていることが好ましい。
この場合、銅又は銅合金で構成された回路層の厚さｔ１と、アルミニウム及びアルミニウム合金で構成された金属層の厚さｔ２と、の関係が、ｔ２／ｔ１≧２．５とされているので、ヒートシンク付パワーモジュール用基板における反りの発生を確実に抑制することができる。
【００１５】
また、前記金属層のうち前記絶縁基板との接合界面近傍には、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、前記金属層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、前記金属層に、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おり、前記金属層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、前記金属層の接合界面側部分が固溶強化することになる。また、前記金属層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、前記金属層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、このヒートシンク付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、熱歪みを前記金属層で緩和することができ、絶縁基板の割れの発生を抑制できる。
【００１６】
さらに、前記金属層のうち前記絶縁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、前記金属層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、前記金属層の接合界面に、前記添加元素の濃度が前記金属層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、前記金属層の接合強度の向上を図ることが可能となる。なお、金属層中の前記添加元素の濃度とは、前記金属層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。
【００１７】
また、前記回路層のうち前記絶縁基板との接合界面近傍のインデンテーション硬度ＨＢ１が、６０ｍｇｆ／μｍ２≦ＨＢ１≦１２０ｍｇｆ／μｍ２の範囲内とされていることが好ましい。
この場合、前記回路層のうち前記絶縁基板との接合界面近傍のインデンテーション硬度ＨＢ１が、６０ｍｇｆ／μｍ２以上とされているので、回路層の接合界面近傍の強度が確保され、回路層自体にクラックが生じることが防止される。また、前記インデンテーション硬度ＨＢ１が、１２０ｍｇｆ／μｍ２以下とされているので、絶縁基板が回路層に強固に拘束されることがなく、絶縁基板の割れを抑制できる。
【００１８】
また、前記金属層のうち前記絶縁基板との接合界面近傍のインデンテーション硬度ＨＢ２が、３０ｍｇｆ／μｍ２≦ＨＢ２≦８０ｍｇｆ／μｍ２の範囲内とされていることが好ましい。
この場合、前記金属層のうち前記絶縁基板との接合界面近傍のインデンテーション硬度ＨＢ２が、３０ｍｇｆ／μｍ２以上とされているので、金属層の接合界面近傍の強度が確保され、金属層自体にクラックが生じることが防止される。また、前記インデンテーション硬度ＨＢ２が、８０ｍｇｆ／μｍ２以下とされているので、金属層の変形抵抗を低く抑えることができ、金属層の変形によって応力を緩和して絶縁基板の割れを抑制することが可能となる。
【００１９】
なお、回路層の接合界面近傍のインデンテーション硬度ＨＢ１及び金属層の接合界面近傍のインデンテーション硬度ＨＢ２は、接合界面から５０μｍを測定位置とし、次の測定条件にて測定した。
測定装置：株式会社エリオニクス製ＥＮＴ−１１００ａ
圧子：バーコビッチ三角錐圧子
試験荷重：５０００ｍｇｆ
分割数：５００ｓｔｅｐ
ステップインターバル：２０ｍｓｅｃ
温度：２７℃
モード：負荷−除荷試験
測定値：ＨＩＴ＝最大荷重／接触投影面積
【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、前記回路層上に搭載された電子部品と、を備えたパワーモジュールであって、前記電子部品は、前記回路層の一方の面に第１はんだ層を介して接合され、前記金属層と前記ヒートシンクとが第２はんだ層を介して接合されていることを特徴としている。
この構成のパワーモジュールによれば、回路層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。また、パワーサイクル負荷時の耐久性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、回路層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でき、優れたパワーサイクル特性を有するとともに、冷熱サイクル負荷時における絶縁基板の割れの発生を抑制でき、さらに、金属層とヒートシンクとの間に形成されたはんだ層におけるクラックの発生を抑制できる信頼性の高いヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の参考実施形態である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】本発明の参考実施形態であるパワーモジュール用基板及びヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法のフロー図である。
【図３】本発明の参考実施形態であるパワーモジュール用基板及びヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。
【図４】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を用いたパワーモジュールの概略説明図である。
【図５】本発明の実施形態であるパワーモジュール用基板及びヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法のフロー図である。
【図６】本発明の他の参考実施形態である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７】本発明の他の参考実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層と絶縁基板との拡大説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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に本発明の参考実施形態であるパワーモジュール用基板１０、ヒートシンク付パワーモジュール用基板４０及びこの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４０と、このヒートシンク付パワーモジュール用基板４０の一方側（図１において上側）の面にはんだ層２を介して接合された半導体素子（電子部品）３と、を備えている。
ここで、はんだ層２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材とされている。
【００２４】
ヒートシンク付パワーモジュール用基板４０は、パワーモジュール用基板１０と、パワーモジュール用基板１０を冷却するヒートシンク４１と、を備えている。
本実施形態におけるヒートシンク４１は、パワーモジュール用基板１０と接合される天板部４２と、この天板部４２に積層配置される冷却部材４３と、を備えている。冷却部材４３の内部には、冷却媒体が流通する流路４４が形成されている。
【００２５】
ここで、天板部４２と冷却部材４３とは、固定ネジ４５によって連結される構造とされている。このため、天板部４２には、固定ネジ４５をねじ込んでも容易に変形しないように剛性を確保する必要がある。そこで、本実施形態では、ヒートシンク４１の天板部４２を、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４２は、Ａ６０６３合金（アルミニウム合金）で構成されている。
【００２６】
パワーモジュール用基板１０は、絶縁基板１１と、この絶縁基板１１の一方の面（図１において上面）に配設された回路層１２と、絶縁基板１１の他方の面（図１において下面）に配設された金属層１３とを備えている。
【００２７】
絶縁基板１１は、回路層１２と金属層１３との間の電気的接続を防止するものであって、例えばＡｌＮ（窒化アルミ）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化珪素）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）等の絶縁性の高いセラミックスで構成され、本実施形態では、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）で構成されている。また、絶縁基板１１の厚さは、０．２ｍｍ以上１．５ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では０．６３５ｍｍに設定されている。
【００２８】
回路層１２は、絶縁基板１１の一方の面に銅又は銅合金からなる銅板２２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、図３に示すように、回路層１２を構成する銅板２２として、タフピッチ銅の圧延板が用いられている。この回路層１２には、回路パターンが形成されており、その一方の面（図１において上面）が、半導体素子３が搭載される搭載面されている。
【００２９】
金属層１３は、絶縁基板１１の他方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板２３が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、図３に示すように、金属層１３を構成するアルミニウム板２３として、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板が用いられている。なお、このアルミニウム板２３は、０．２％耐力が３０Ｎ／ｍｍ２以下とされている。
【００３０】
ここで、回路層１２（銅板２２）の厚さｔ１が、０．１ｍｍ≦ｔ１≦０．６ｍｍの範囲内に設定されて、金属層１３（アルミニウム板２３）の厚さｔ２が、０．５ｍｍ≦ｔ２≦６ｍｍの範囲内に設定されており、さらに、回路層１２の厚さｔ１と金属層１３の厚さｔ２との関係がｔ１＜ｔ２とされている。なお、回路層１２の厚さｔ１と金属層１３の厚さｔ２との関係が、ｔ２／ｔ１≧２．５とされていることが好ましい。
本実施形態では、回路層１２（銅板２２）の厚さｔ１がｔ１＝０．３ｍｍ、金属層１３（アルミニウム板２３）の厚さｔ２がｔ２＝２．０ｍｍに設定され、ｔ２／ｔ１＝６．６７とされている。
【００３１】
また、本実施形態においては、回路層１２のうち絶縁基板１１との接合界面近傍のインデンテーション硬度ＨＢ１が、６０ｍｇｆ／μｍ２≦ＨＢ１≦１２０ｍｇｆ／μｍ２の範囲内とされている。
さらに、金属層１３のうち絶縁基板１１との接合界面近傍のインデンテーション硬度ＨＢ２が、３０ｍｇｆ／μｍ２≦ＨＢ２≦８０ｍｇｆ／μｍ２の範囲内とされている。
【００３２】
そして、金属層１３のうち絶縁基板１１との接合界面近傍においては、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。
金属層１３の接合界面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、金属層１３の接合界面近傍の添加元素の濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって、金属層１３から５０μｍの位置で５点測定した平均値である。
【００３３】
また、金属層１３とヒートシンク４１の天板部４２との接合界面近傍においては、金属層１３及び天板部４２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。
金属層１３及び天板部４２の接合界面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、この金属層１３及び天板部４２の接合界面近傍の添加元素の濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって、接合界面から５０μｍの位置で５点測定した平均値である。
【００３４】
また、絶縁基板１１と金属層１３との接合界面を透過電子顕微鏡において観察した場合には、接合界面に添加元素（Ｃｕ）が濃縮した添加元素高濃度部が形成されている。この添加元素高濃度部においては、添加元素の濃度（Ｃｕ濃度）が、金属層１３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の厚さＨは４ｎｍ以下とされている。
なお、ここで観察する接合界面は、金属層１３の格子像の界面側端部と絶縁基板１１の格子像の接合界面側端部との間の中央を基準面Ｓとする。また、金属層１３中の添加元素の濃度（Ｃｕ濃度）は、金属層１３のうち接合界面から一定距離（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。
【００３５】
以下に、前述の構成の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４０の製造方法について、図２、図３を参照して説明する。
【００３６】
まず、図３に示すように、回路層１２となる銅板２２と、絶縁基板１１とを接合する（銅板接合工程Ｓ０１）。ここで、絶縁基板１１がＡｌ２Ｏ３で構成されていることから、銅板２２と絶縁基板１１とを、銅と酸素の共晶反応を利用したＤＢＣ法により接合する。具体的には、タフピッチ銅からなる銅板２２と、絶縁基板１１とを接触させ、窒素ガス雰囲気中で１０７５℃で１０分加熱することで、銅板２２と、絶縁基板１１とが接合されることになる。
【００３７】
次に、絶縁基板１１の他方の面側に金属層１３となるアルミニウム板２３を接合する（アルミニウム板接合工程Ｓ０２）とともに、アルミニウム板２３とヒートシンク４１の天板部４２とを接合する（ヒートシンク接合工程Ｓ０３）。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。
【００３８】
アルミニウム板２３の絶縁基板１１との接合面にスパッタリングによって添加元素（Ｃｕ）を固着して第１固着層５１を形成するとともに、アルミニウム板２３のヒートシンク４１の天板部４２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。
【００３９】
次に、図３に示すように、アルミニウム板２３を絶縁基板１１の他方の面側に積層する。さらに、アルミニウム板２３の他方の面側にヒートシンク４１の天板部４２を積層する（積層工程Ｓ１２）。
このとき、図３に示すように、アルミニウム板２３の第１固着層５１が形成された面が絶縁基板１１を向くように、かつ、アルミニウム板２３の第２固着層５２が形成された面が天板部４２を向くようにして、これらを積層する。
【００４０】
次に、銅板２２が接合された絶縁基板１１、アルミニウム板２３、天板部４２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。
【００４１】
すると、第１固着層５１の添加元素（Ｃｕ）がアルミニウム板２３側に拡散することにより、アルミニウム板２３と絶縁基板１１との界面に第１溶融金属領域が形成される。
また、第２固着層５２の添加元素（Ｃｕ）がアルミニウム板２３側及び天板部４２側に拡散することにより、アルミニウム板２３と天板部４２との界面に第２溶融金属領域が形成される。
【００４２】
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Ｓ１４）。
すると、第１溶融金属領域中のＣｕが、さらにアルミニウム板２３側へと拡散し、第１溶融金属領域であった部分のＣｕ濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していく。これにより、絶縁基板１１とアルミニウム板２３とが接合される。
同様に、第２溶融金属領域中のＣｕが、さらにアルミニウム板２３側及び天板部４２側へと拡散し、第２溶融金属領域であった部分のＣｕ濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していく。これにより、アルミニウム板２３と天板部４２とが接合される。
【００４３】
つまり、絶縁基板１１とアルミニウム板２３（金属層１３）、及び、天板部４２とアルミニウム板２３（金属層１３）とは、いわゆる過渡液相接合法（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｐｈａｓｅ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって接合されているのである。そして、凝固が進行した後に、常温にまで冷却を行う。
【００４４】
このようにして、銅板２２（回路層１２）、絶縁基板１１、アルミニウム板２３（金属層１３）、ヒートシンク４１の天板部４２が接合され、本実施形態である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４０が製造されることになる。
【００４５】
以上のような構成とされた本実施形態であるパワーモジュール用基板１０、ヒートシンク付パワーモジュール用基板４０によれば、銅板２２が接合されてなる回路層１２の厚さｔ１が、０．１ｍｍ≦ｔ１≦０．６ｍｍの範囲内とされ、アルミニウム板２３が接合されてなる金属層１３の厚さｔ２が、０．５ｍｍ≦ｔ２≦６ｍｍの範囲内とされ、回路層１２の厚さｔ１と金属層１３の厚さｔ２との関係が、ｔ１＜ｔ２とされているので、比較的変形抵抗の大きい銅板２２で構成された回路層１２によって絶縁基板１１が必要以上に拘束されず、かつ、比較的変形抵抗の小さいアルミニウム板２３で構成された金属層１３が十分に厚く、パワーモジュール用基板１０に負荷される応力を緩和することができ、絶縁基板１１の割れを抑制することができる。
【００４６】
また、回路層１２の厚さｔ１と金属層１３の厚さｔ２との関係が、ｔ２／ｔ１≧２．５とされ、具体的には、ｔ２／ｔ１＝６．６７とされているので、パワーモジュール用基板１０における反りの発生を抑制することができる。
【００４７】
また、半導体素子３が搭載される搭載面を有する回路層１２がタフピッチ銅で構成されているので、半導体素子３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可能となる。よって、パワーサイクルを負荷した際の耐久性を向上させることができる。
さらに、本実施形態においては、ヒートシンク４１と絶縁基板１１との間に、金属層１３が介在しているので、絶縁基板１１とヒートシンク４１との熱膨張係数の差に起因する熱歪みを、十分に厚く形成された金属層１３が変形することによって緩和することが可能となり、絶縁基板１１の割れを抑制することができる。
【００４８】
また、本実施形態では、回路層１２のうち絶縁基板１１との接合界面近傍のインデンテーション硬度ＨＢ１が、６０ｍｇｆ／μｍ２≦ＨＢ１≦１２０ｍｇｆ／μｍ２の範囲内とされているので、回路層１２の絶縁基板１１との接合界面近傍の強度が確保され、回路層１２自体にクラックが生じることが防止されるとともに、絶縁基板１１が回路層１２に強固に拘束されることがなく、絶縁基板１１の割れを抑制できる。
また、本実施形態では、金属層１３のうち絶縁基板１１との接合界面近傍のインデンテーション硬度ＨＢ２が、３０ｍｇｆ／μｍ２≦ＨＢ２≦８０ｍｇｆ／μｍ２の範囲内とされているので、金属層１３の接合界面近傍の強度が確保され、金属層１３自体にクラックが生じることが防止されるとともに、金属層１３が比較的容易に変形することから、金属層１３の変形によって応力を緩和でき、絶縁基板１１の割れを抑制できる。
【００４９】
また、本実施形態では、金属層１３と絶縁基板１１との接合界面近傍に、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が固溶されているので、金属層１３の接合界面側部分が固溶強化することになり、金属層１３部分での破断を防止することができる。
【００５０】
また、金属層１３と絶縁基板１１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（本実施形態ではＣｕ濃度）が、金属層１３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添加元素原子（Ｃｕ原子）により、金属層１３の接合強度の向上を図ることが可能となる。
【００５１】
さらに、本実施形態では、金属層１３とヒートシンク４１の天板部４２との接合界面においても、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、金属層１３の天板部４２との接合界面側部分が固溶強化することになり、金属層１３部分での破断を防止することができる。
【００５２】
また、本実施形態においては、ヒートシンク４１の天板部４２を、０．２％耐力が１００Ｎ／ｍｍ２以上の金属材料で構成し、その厚さを２ｍｍ以上のものとしており、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４２を冷却部材４３に固定ネジ４５で固定することができ、冷却能力に優れたヒートシンク４１を構成することが可能となる。
【００５３】
さらに、ヒートシンク４１の天板部４２と絶縁基板１１との間に、０．２％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）からなる金属層１３が配設されているので、ヒートシンク４１の天板部４２の剛性が高くても、ヒートシンク４１の天板部４２と絶縁基板１１との熱膨張係数の差に起因する熱歪みをこの金属層１３で十分に緩和することができ、絶縁基板１１の割れの発生を抑制することができる。
【００５４】
また、本実施形態では、絶縁基板１１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回路層１２と絶縁基板１１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、絶縁基板１１と回路層１２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パワーモジュール用基板１０を構成することができる。
【００５５】
次に、本発明の実施形態について、図４を参照して説明する。
図４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１４０と、このヒートシンク付パワーモジュール用基板１４０の一方側（図４において上側）の面に第１はんだ層１０２を介して接合された半導体素子（電子部品）３と、を備えている。ここで、第１はんだ層１０２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。
【００５６】
ヒートシンク付パワーモジュール用基板１４０は、パワーモジュール用基板１１０と、パワーモジュール用基板１１０を冷却するヒートシンク１４１と、を備えている。
【００５７】
パワーモジュール用基板１１０は、絶縁基板１１１と、この絶縁基板１１１の一方の面（図４において上面）に配設された回路層１１２と、絶縁基板１１１の他方の面（図４において下面）に配設された金属層１１３とを備えている。
【００５８】
本実施形態では、絶縁基板１１１は、ＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。また、絶縁基板１１１の厚さは、０．２ｍｍ以上１．５ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では０．６３５ｍｍに設定されている。
【００５９】
回路層１１２は、絶縁基板１１１の一方の面に銅又は銅合金からなる銅板が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、回路層１１２を構成する銅板として、無酸素銅の圧延板が用いられている。この回路層１１２には、回路パターンが形成されており、その一方の面（図４において上面）が、半導体素子３が搭載される搭載面されている。
【００６０】
金属層１１３は、絶縁基板１１１の他方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層１１３を構成するアルミニウム板として、純度９９．０質量％以上９９．８５質量％以下のアルミニウム（いわゆる２Ｎアルミニウム）の圧延板が用いられている。
【００６１】
そして、本実施形態であるパワーモジュール用基板１１０においては、回路層１１２の厚さｔ１が、０．１ｍｍ≦ｔ１≦０．６ｍｍの範囲内に設定され、金属層１１３の厚さｔ２が、０．５ｍｍ≦ｔ２≦６ｍｍの範囲内に設定されており、さらに、回路層１１２の厚さｔ１と金属層１１３の厚さｔ２との関係がｔ１＜ｔ２とされている。なお、回路層１１２の厚さｔ１と金属層１１３の厚さｔ２との関係が、ｔ２／ｔ１≧２．５とされていることが好ましい。
本実施形態では、回路層１１２の厚さｔ１がｔ１＝０．３ｍｍ、金属層１１３の厚さｔ２がｔ２＝２．０ｍｍに設定され、ｔ２／ｔ１＝６．６７とされている。
【００６２】
また、本実施形態におけるヒートシンク１４１は、銅、銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる放熱板とされている。
このヒートシンク１４１は、パワーモジュール用基板１１０の金属層１１３と、第２はんだ層１０８を介して接合されている。なお、金属層１１３の表面には、図示しないＮｉめっき膜が形成されている。なお、ヒートシンク１４１がアルミニウム又はアルミニウム合金から構成される場合、ヒートシンク１４１の表面にＮｉめっき膜が形成されていることが望ましい。また、第２はんだ層１０８は、上述の第１はんだ層１０２と同様に、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系等の各種はんだ材を用いることができる。
【００６３】
以下に、前述の構成のパワーモジュール用基板１１０、及び、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１４０の製造方法について、図５を参照して説明する。
【００６４】
まず、回路層１１２となる銅板と、絶縁基板１１１とを接合する（銅板接合工程Ｓ１０１）。本実施形態では、無酸素銅の圧延板からなる銅板と絶縁基板１１１とを、いわゆる活性金属ろう材法によって接合する。
絶縁基板１１１の一方の面に活性ろう材（Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ等）を介して回路層１１２となる銅板を積層し、絶縁基板１１１、銅板を積層方向に１ｋｇｆ／ｃｍ２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ２以下（９．８×１０４Ｐａ以上３４３×１０４Ｐａ以下）の範囲で加圧した状態で加熱炉内に装入して加熱し、回路層１１２となる銅板と絶縁基板１１１とを接合する。ここで、加熱温度は８５０℃、加熱時間は１０分とされている。
【００６５】
次に、絶縁基板１１１の他方の面側に金属層１１３となるアルミニウム板を接合する（アルミニウム板接合工程Ｓ１０２）。
絶縁基板１１１とアルミニウム板とを、ろう材を介して積層し、ろう付けによって絶縁基板１１１とアルミニウム板を接合する。このとき、ろう材としては、例えば、厚さ２０〜１１０μｍのＡｌ−Ｓｉ系ろう材箔を用いることができ、ろう付け温度は６００〜６２０℃とすることが好ましい。
これにより、本実施形態であるパワーモジュール用基板１１０が製造される。
【００６６】
次に、パワーモジュール用基板１１０とヒートシンク１４１とを接合する（ヒートシンク接合工程Ｓ１０３）。このヒートシンク接合工程Ｓ１０３においては、まず、パワーモジュール用基板１１０の金属層１１３のヒートシンク１４１との接合面にＮｉめっき膜を形成し、その後、ヒートシンク１４１と金属層１１３とを、はんだ材を用いて接合する。
これにより、金属層１１３とヒートシンク１４１との間にはんだ層１０８が形成され、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１４０が製造される。
【００６７】
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１４０においては、参考実施形態と同様に、絶縁基板１１１の割れやパワーモジュール用基板１１０の反り等を抑制することができる。
さらに、本実施形態においては、回路層１１２が銅板で構成され、この回路層１１２の厚さｔ１が０．１ｍｍ≦ｔ１≦０．６ｍｍの範囲内に設定され、さらに具体的には０．３ｍｍとされているので、パワーモジュール用基板１１０全体の剛性が確保されることになり、熱サイクル負荷時にパワーモジュール用基板１１０が変形しにくく、第２はんだ層１０８におけるクラックの発生を抑制することができる。
特に、本実施形態では、金属層１１３が、アルミニウムの含有量が９９．０質量％以上９９．８５質量％以下のアルミニウム（いわゆる２Ｎアルミニウム）の圧延板で構成されているので、熱サイクル負荷時に金属層１１３が容易に変形せず、第２はんだ層１０８におけるクラックの発生を確実に抑制することができる。
【００６８】
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、金属層となるアルミニウム板を、純度９９．９９質量％以上の純アルミニウムの圧延板、または、純度９９．０質量％以上９９．８５質量％以下の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、他のアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されたものであってもよい。
同様に、回路層となる銅板を、タフピッチ銅の圧延板、または、無酸素銅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、他の銅又は銅合金で構成されたものであってもよい。
また、ヒートシンクとして、放熱板のものを例示して説明したが、これに限定されることはなく、放熱フィンを備えた放熱板であってもよいし、内部に冷却媒体が流通される流路を備えた冷却器としてもよい。
【００６９】
また、セラミックス基板をＡｌ２Ｏ３で構成し、銅板をＤＢＣ法によって接合するもの、または、セラミックス基板をＡｌＮで構成し、銅板を活性金属ろう付け法によっ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、セラミックス基板をＳｉ３Ｎ４としてもよい。また、セラミックス基板と銅板との接合方法に制限はない。
例えば、図６及び図７に示すパワーモジュール２０１のように、セラミックス基板２１１をＡｌＮ（窒化アルミ）で構成し、このセラミックス基板２１１の一方の面にＡｌ２Ｏ３層２２５を形成し、このＡｌ２Ｏ３層２２５と銅板とをＤＢＣ法によって接合することによって、回路層２１２を形成してもよい。なお、Ａｌ２Ｏ３層２２５の厚さは、１μｍ以上とされていることが好ましい。このＡｌ２Ｏ３層２２５は、ＡｌＮの酸化処理を１２００℃以上でＡｒ−Ｏ２混合ガス雰囲気にて行うことで形成することができる。酸素分圧ＰＯ２を１０ｋＰａとし、水蒸気分圧ＰＨ２Ｏを０．０５ｋＰａに調整し、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２２５が形成される。
【００７０】
また、参考実施形態において、セラミックス基板とアルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層、及び、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層とアルミニウム又はアルミニウム合金からなるヒートシンクを過渡液相接合法によって接合したもので説明したが、これに限定されることはなく、Ａｌ−Ｓｉ系合金等のろう材を用いてもよい。
さらに、参考実施形態において、ヒートシンクとして、天板部と冷却部材とを備えた構造のものを例示して説明したが、これに限定されることはなく、放熱フィンを備えた放熱板であってもよいし、内部に冷却媒体が流通される流路を備えた冷却器としてもよい。
【実施例】
【００７１】
（参考実施例）
表１に示すように、絶縁基板、回路層となる銅板、金属層となるアルミニウム板、を、接合し、パワーモジュール用基板を作製した。
回路層のサイズは３７ｍｍ×３７ｍｍ、絶縁基板のサイズは４０ｍｍ×４０ｍｍ、金属層のサイズは３７ｍｍ×３７ｍｍとした。
【００７２】
表２に示す「活性金属ロウ」は、Ａｇ−２７．４質量％Ｃｕ−２．０質量％Ｔｉからなる活性ろう材を用いて、１０−３Ｐａの真空中にて、８５０℃で１０分加熱することによって、銅板と絶縁基板とを接合した。
表２に示す「ＤＢＣ」は、窒素ガス雰囲気中で１０７５℃で１０分加熱することにより、銅板と絶縁基板とを接合した。
【００７３】
表２に示す「ＴＬＰ」は、絶縁基板の表面にＣｕを１．０ｍｇ／ｃｍ２となるように固着し、積層方向に５ｋｇｆ／ｃｍ２で加圧した状態で、１０−３Ｐａの真空中にて、６００℃で３０分加熱することによって、アルミニウム板と絶縁基板とを接合した。
表２に示す「Ａｌ−Ｓｉロウ」は、Ａｌ―７．５質量％Ｓｉからなるろう材箔（厚さ１００、μｍ）を用いて、積層方向に１２ｋｇｆ／ｃｍ２で加圧した状態で、１０−３Ｐａの真空中にて、６５０℃で３０分加熱することによって、アルミニウム板と絶縁基板とを接合した。
【００７４】
また、上述のパワーモジュール用基板の金属層の他方の面側にヒートシンクを接合した。ヒートシンクは、５０ｍｍ×６０ｍｍ×５ｍｍｔのＡ３００３合金のアルミニウム板とした。接合条件は、Ａｌ−Ｓｉろう箔を用いて、３．０ｋｇｆ／ｃｍ２で加圧した状態で、真空中にて、６１０℃で加熱することによる接合とした。
このようにして得られたヒートシンク付パワーモジュール用基板を用いて、冷熱サイクル試験を実施した。評価結果を表２に示す。なお、５００サイクル毎に観察を実施し、絶縁基板の割れが確認された時点でのサイクル数で評価した。測定条件を以下に示す。
評価装置：エスペック株式会社製ＴＳＢ−５１
液相：フロリナート
温度条件：−４０℃×５分  ←→  １２５℃×５分
【００７５】
さらに、これらのパワーモジュール用基板の回路層の一方の面側にＩＧＢＴ素子をはんだ接合した。なお、はんだ接合は、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだを使用し、水素還元雰囲気中、３００℃で接合した。
このようにして得られたパワーモジュールを用いて、パワーサイクル試験を実施した。評価結果を表２に示す。なお、パワーサイクルを１０万回負荷した後の熱抵抗率の上昇率で評価した。
【００７６】
熱抵抗は、次のようにして測定した。ヒータチップを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た。  なお、測定条件を以下に示す。
温度差：８０℃
温度範囲：５５℃〜１３５℃（ＩＧＢＴ素子内の温度センスダイオードで測定）
通電時間：６秒
冷却時間：４秒
【００７７】
【表１】
2014112732.tif 000003
【００７８】
【表２】
2014112732.tif 000004
【００７９】
回路層となる銅板の厚さが０．７ｍｍとされた比較例１においては、冷熱サイクル試験において５００サイクル以下で絶縁基板に割れが認められた。
回路層となる銅板の厚さが金属層となるアルミニウム板の厚さよりも厚く形成された比較例２においては、冷熱サイクル試験において１０００サイクル以下で絶縁基板に割れが認められた。さらに、パワーサイクル試験でも熱抵抗の上昇が認められた。
【００８０】
回路層となる銅板の厚さと金属層となるアルミニウム板の厚さが同一とされた比較例３においては、冷熱サイクル試験において２０００サイクル以下で絶縁基板に割れが認められた。さらに、パワーサイクル試験でも、数％程度の熱抵抗の上昇が認められた。
回路層をアルミニウム板で構成した比較例４−６においては、冷熱サイクル試験の結果は良好であるものの、パワーサイクル試験において大きく熱抵抗が上昇することが確認された。
【００８１】
これに対して、参考例１−８においては、冷熱サイクル試験において２５００サイクル以上でも絶縁基板に割れが認められなかった。また、パワーサイクル試験においても、熱抵抗の上昇が抑えられていることが確認される。特に、回路層の厚さｔ１と金属層の厚さｔ２との比ｔ２／ｔ１が２．５以上とされた参考例１−６においては、冷熱サイクル試験において４０００サイクル以上でも絶縁基板に割れが認められなかった。
以上の結果から、本参考例によれば、回路層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でき、優れたパワーサイクル特性を有するとともに、冷熱サイクル負荷時における絶縁基板の割れの発生を抑制できる信頼性の高い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、パワーモジュールを提供することが可能であることが確認された。
【００８２】
（実施例）
次に、上述の実施形態に示すように、パワーモジュール用基板の金属層とヒートシンクとを第２はんだ層を介して接合し、この第２はんだ層における接合率について評価した。
表３に示すように、絶縁基板、回路層となる銅板、金属層となるアルミニウム板、を、接合し、パワーモジュール用基板を作製した。
回路層のサイズは３７ｍｍ×３７ｍｍ、絶縁基板のサイズは４０ｍｍ×４０ｍｍ、金属層のサイズは３７ｍｍ×３７ｍｍとした。
なお、表４に示す「活性金属ロウ」、「ＤＢＣ」、「ＴＬＰ」、「Ａｌ−Ｓｉロウ」は、上述の参考実施例及び表２と同様の接合方法とした。
【００８３】
そして、上述のパワーモジュール用基板の金属層の他方の面側にヒートシンクを接合した。ヒートシンクは、５０ｍｍ×６０ｍｍ×５ｍｍｔのＡ６０６３合金のアルミニウム板とした。Ｓｎ−Ｓｂ系はんだを用い、Ｈ２雰囲気下で２００℃で５分間保持した後、３００℃で１０分間保持することではんだ付けを行い、その後Ｎ２雰囲気に置換し、冷却することにより、ヒートシンクを接合した。
【００８４】
このようにして得られたヒートシンク付パワーモジュール用基板を用いて、冷熱サイクル試験を実施した。冷熱サイクル条件は、上述の参考実施例と同様とし、２０００回の冷熱サイクルを負荷した。
そして、接合初期及び２０００回の冷熱サイクル負荷後において、第２はんだ層における接合率を測定した。評価結果を表４に示す。
【００８５】
【表３】
2014112732.tif 000005
【００８６】
【表４】
2014112732.tif 000006
【００８７】
回路層及び金属層をアルミニウム板で構成した比較例１１においては、冷熱サイクル後の接合率が大きく低下していた。第２はんだ層にクラックが生じたためと推測される。
これに対して、本発明例１１−１４においては、冷熱サイクル後においても接合率が大きく低下しなかった。本発明例１１−１４によれば、第２はんだ層におけるクラックの発生を抑制できることが確認された。
【符号の説明】
【００８８】
１、１０１、２０１  パワーモジュール
３  半導体素子（電子部品）
１０、１１０、２１０  パワーモジュール用基板
１１、１１１、２１１  絶縁基板
１２、１１２、２１２  回路層
１３、１１３、２１３  金属層
２２  銅板
２３  アルミニウム板
４０、１４０、２４０  ヒートシンク付パワーモジュール用基板
４１、１４１、２４１  ヒートシンク
２２５  Ａｌ２Ｏ３層  
【図１】
2014112732.tif 000007
【図２】
2014112732.tif 000008
【図３】
2014112732.tif 000009
【図４】
2014112732.tif 000010
【図５】
2014112732.tif 000011
【図６】
2014112732.tif 000012
【図７】
2014112732.tif 000013