(57)【要約】【課題】従来よりも高い温度までの冷熱サイクルを負荷した場合であっても、銅部材とチタン層との接合界面において剥離が生じることを抑制でき、特に信頼性に優れた銅／チタン／アルミニウム接合体を提供する。【解決手段】銅又は銅合金からなる銅部材２２と、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部材２１とが、チタン層２５を介して接合されてなる銅／チタン／アルミニウム接合体であって、銅部材２２とチタン層２５との接合界面には、ＣｕとＴｉを含有する金属間化合物２７が形成されており、銅部材２２とチタン層２５との接合界面において、金属間化合物２７が形成されていない金属間化合物未形成部２８の接合界面に沿った長さＬｉの最大値が２０μｍ以下であり、金属間化合物未形成部２８の接合界面に沿った長さの合計ΣＬｉと、前記接合界面の全体長さＬ０との比ΣＬｉ／Ｌ０が０．１６以下である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅又は銅合金からなる銅部材と、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部材とが、チタン層を介して接合されてなる銅／チタン／アルミニウム接合体であって、
前記銅部材と前記チタン層との接合界面には、ＣｕとＴｉを含有する金属間化合物が形成されており、
前記銅部材と前記チタン層との接合界面において、前記金属間化合物が形成されていない金属間化合物未形成部の接合界面に沿った長さＬｉの最大値が２０μｍ以下であり、前記金属間化合物未形成部の接合界面に沿った長さの合計ΣＬｉと、前記接合界面の全体長さＬ０との比ΣＬｉ／Ｌ０が０．１６以下であることを特徴とする銅／チタン／アルミニウム接合体。
【請求項２】
セラミックス基板と、前記セラミックス基板の一方の面に形成された回路層と、を備えた絶縁回路基板であって、
前記回路層は、請求項１に記載の銅／チタン／アルミニウム接合体であることを特徴とする絶縁回路基板。
【請求項３】
セラミックス基板と、前記セラミックス基板の一方の面に形成された回路層と、前記セラミックス基板の他方の面に形成された金属層と、を備えた絶縁回路基板であって、
前記金属層は、請求項１に記載の銅／チタン／アルミニウム接合体であることを特徴とする絶縁回路基板。
【請求項４】
セラミックス基板と、前記セラミックス基板の一方の面に形成された回路層と、前記セラミックス基板の他方の面に形成された金属層と、を備えた絶縁回路基板であって、
前記回路層及び前記金属層は、請求項１に記載の銅／チタン／アルミニウム接合体であることを特徴とする絶縁回路基板。
【請求項５】
セラミックス基板と、前記セラミックス基板の一方の面に形成された回路層と、前記セラミックス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き絶縁回路基板であって、
前記金属層及び前記ヒートシンクが、請求項１に記載の銅／チタン／アルミニウム接合体であることを特徴とするヒートシンク付き絶縁回路基板。
【請求項６】
請求項２から請求項４のいずれか一項に記載の絶縁回路基板と、前記回路層の一方の面側に接合されたパワー半導体素子と、を備えていることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項７】
請求項５に記載のヒートシンク付き絶縁回路基板と、前記回路層の一方の面側に接合されたパワー半導体素子と、を備えていることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項８】
請求項２から請求項４のいずれか一項に記載の絶縁回路基板と、前記回路層の一方の面側に接合されたＬＥＤ素子と、を備えていることを特徴とするＬＥＤモジュール。
【請求項９】
請求項５に記載のヒートシンク付き絶縁回路基板と、前記回路層の一方の面側に接合されたＬＥＤ素子と、を備えていることを特徴とするＬＥＤモジュール。
【請求項１０】
請求項２から請求項４のいずれか一項に記載の絶縁回路基板と、前記回路層の一方の面側に接合された熱電素子と、を備えていることを特徴とする熱電モジュール。
【請求項１１】
請求項５に記載のヒートシンク付き絶縁回路基板と、前記回路層の一方の面側に接合された熱電素子と、を備えていることを特徴とする熱電モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、銅又は銅合金からなる銅部材と、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部材とが、チタン層を介して接合されてなる銅／チタン／アルミニウム接合体、および、これを備えた絶縁回路基板、ヒートシンク付き絶縁回路基板、パワーモジュール、ＬＥＤモジュール、熱電モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
パワーモジュール、ＬＥＤモジュール及び熱電モジュールにおいては、絶縁層の一方の面に導電材料からなる回路層を形成した絶縁回路基板に、パワー半導体素子、ＬＥＤ素子及び熱電素子が接合された構造とされている。
例えば、風力発電、電気自動車、ハイブリッド自動車等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は、動作時に発熱量が多いことから、これを搭載する基板として、耐熱性、絶縁性に優れた窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）からなるセラミックス基板（絶縁層）が広く用いられている。
【０００３】
また、上述の絶縁回路基板においては、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接合して形成した回路層とし、また、他方の面に放熱性に優れた金属層を接合して一体化させた構造のものも提供されている。
ここで、絶縁回路基板（パワーモジュール用基板）の回路層および金属層として、アルミニウム層と銅層とが積層された接合体を用いることが検討されている。例えば、特許文献１には、回路層及び金属層を、アルミニウム層と銅層とがチタン層を介して接合した構成としたものが提案されている。
【０００４】
さらに、上述のパワーモジュール、ＬＥＤモジュール及び熱電モジュールにおいては、回路層に搭載した半導体素子等から発生した熱を効率的に放散させるために、絶縁回路基板の金属層側にヒートシンクを接合したヒートシンク付絶縁回路基板も使用されている。
例えば、特許文献１においては、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ており、金属層とヒートシンクとをチタン層を介して接合したヒートシンク付き絶縁回路基板が提案されている。
また、
【０００５】
そして、上述した絶縁回路基板及びヒートシンク付き絶縁回路基板においては、超音波検査等によって、セラミックス基板とアルミニウム層、アルミニウム層とチタン層、チタン層と銅層の各接合界面の接合状態が評価されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第５７２５０６１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、最近では、絶縁回路基板に搭載されるパワー半導体素子、ＬＥＤ素子及び熱電素子等においては、発熱密度が高くなる傾向にあり、絶縁回路基板には従来にも増して、さらに高い温度までの冷熱サイクルに対する信頼性が求められている。
ここで、上述のように、アルミニウム層と銅層とがチタン層を介して接合した構造を有する絶縁回路基板及びヒートシンク付き絶縁回路基板においては、従来よりも高い温度までの冷熱サイクルを負荷した際に、銅層とチタン層との接合界面において剥離が生じることがあった。
【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、従来よりも高い温度までの冷熱サイクルを負荷した場合であっても、銅部材とチタン層との接合界面において剥離が生じることを抑制でき、特に信頼性に優れた銅／チタン／アルミニウム接合体、および、これを備えた絶縁回路基板、ヒートシンク付き絶縁回路基板、パワーモジュール、ＬＥＤモジュール、熱電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】
上述の課題を解決するために、本発明者らが鋭意検討した結果、銅層とチタン層との接合界面には、銅とチタンの金属間化合物が形成されているが、接合界面の一部にこの金属間化合物が形成されていない領域（金属間化合物未形成部）があり、従来よりも高い温度までの冷熱サイクルを負荷した場合に、この金属間化合物未形成部において剥離が生じているとの知見を得た。なお、この金属間化合物未形成部は、冷熱サイクル負荷前において超音波検査では検出することができないものであった。
【００１０】
本発明は、上述の知見に基づいてなされたものであって、本発明の銅／チタン／アルミニウム接合体は、銅又は銅合金からなる銅部材と、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部材とが、チタン層を介して接合されてなる銅／チタン／アルミニウム接合体であって、前記銅部材と前記チタン層との接合界面には、ＣｕとＴｉを含有する金属間化合物が形成されており、前記銅部材と前記チタン層との接合界面において、前記金属間化合物が形成されていない金属間化合物未形成部の接合界面に沿った長さＬｉの最大値が２０μｍ以下であり、前記金属間化合物未形成部の接合界面に沿った長さの合計ΣＬｉと、前記接合界面の全体長さＬ０との比ΣＬｉ／Ｌ０が０．１６以下であることを特徴としている。
【００１１】
この構成の銅／チタン／アルミニウム接合体によれば、前記銅部材と前記チタン層との接合界面において、前記金属間化合物が形成されていない金属間化合物未形成部の接合界面に沿った長さＬｉの最大値が２０μｍ以下とされているので、銅部材とチタン層との間でＣｕとＴｉとが十分に相互拡散して上述の金属間化合物が形成されており、銅部材とチタン層との接合信頼性に優れている。
また、前記金属間化合物未形成部の接合界面に沿った長さの合計ΣＬｉと、前記接合界面の全体長さＬ０との比ΣＬｉ／Ｌ０が０．１６以下とされているので、ＣｕとＴｉを含有する金属間化合物が形成されていない領域の存在比率が小さく、従来よりも高い温度までの冷熱サイクルを負荷した場合においても、金属間化合物未形成部を起点として剥離が生じることを抑制することが可能となる。
【００１２】
本発明の絶縁回路基板は、セラミックス基板と、前記セラミックス基板の一方の面に形成された回路層と、を備えた絶縁回路基板であって、前記回路層は、前項に記載の銅／チタン／アルミニウム接合体であることを特徴としている。
【００１３】
この構成の絶縁回路基板によれば、回路層が上述の銅／チタン／アルミニウム接合体で構成されているので、回路層上に発熱密度の高い素子を搭載しても、銅部材とチタン層との接合界面において剥離が生じることが抑制されることになり、信頼性に優れている。
【００１４】
また、本発明の絶縁回路基板は、セラミックス基板と、前記セラミックス基板の一方の面に形成された回路層と、前記セラミックス基板の他方の面に形成された金属層と、を備えた絶縁回路基板であって、前記金属層は、前項に記載の銅／チタン／アルミニウム接合体であることを特徴としている。
【００１５】
この構成の絶縁回路基板によれば、金属層が上述の銅／チタン／アルミニウム接合体で構成されているので、銅部材とチタン層との接合信頼性に優れており、回路層に搭載された素子からの熱を、金属層を介して効率的に放熱することができる。
【００１６】
さらに、本発明の絶縁回路基板は、セラミックス基板と、前記セラミックス基板の一方の面に形成された回路層と、前記セラミックス基板の他方の面に形成された金属層と、を備えた絶縁回路基板であって、前記回路層及び前記金属層は、前項に記載の銅／チタン／アルミニウム接合体であることを特徴としている。
【００１７】
この構成の絶縁回路基板によれば、回路層及び金属層が上述の銅／チタン／アルミニウム接合体で構成されているので、回路層上に発熱密度の高い素子を搭載しても、銅部材とチタン層との接合界面において剥離が生じることが抑制され、信頼性に優れている。また、回路層に搭載された素子からの熱を、金属層を介して効率的に放熱することができる。
【００１８】
本発明のヒートシンク付き絶縁回路基板は、セラミックス基板と、前記セラミックス基板の一方の面に形成された回路層と、前記セラミックス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き絶縁回路基板であって、前記金属層及び前記ヒートシンクが、前項に記載の銅／チタン／アルミニウム接合体であることを特徴としている。
【００１９】
この構成のヒートシンク付き絶縁回路基板によれば、金属層及びヒートシンクが、上述の銅／チタン／アルミニウム接合体とされているので、高負荷時においても、金属層とヒートシンクとの間に形成された銅部材とチタン層との接合界面において剥離が生じることが抑制され、信頼性に優れている。
【００２０】
本発明のパワーモジュールは、前項に記載の絶縁回路基板と、前記回路層の一方の面側に接合されたパワー半導体素子と、を備えていることを特徴としている。
また、本発明のパワーモジュールは、前項に記載のヒートシンク付き絶縁回路基板と、前記回路層の一方の面側に接合されたパワー半導体素子と、を備えていることを特徴としている。
【００２１】
本発明のＬＥＤモジュールは、前項に記載の絶縁回路基板と、前記回路層の一方の面側に接合されたＬＥＤ素子と、を備えていることを特徴としている。
また、本発明のＬＥＤモジュールは、前項に記載のヒートシンク付き絶縁回路基板と、前記回路層の一方の面側に接合されたＬＥＤ素子と、を備えていることを特徴としている。
【００２２】
本発明の熱電モジュールは、前項に記載の絶縁回路基板と、前記回路層の一方の面側に接合された熱電素子と、を備えていることを特徴としている。
また、本発明の熱電モジュールは、前項に記載のヒートシンク付き絶縁回路基板と、前記回路層の一方の面側に接合された熱電素子と、を備えていることを特徴としている。
【００２３】
本発明のパワーモジュール、ＬＥＤモジュール及び熱電モジュールによれば、上述の銅／チタン／アルミニウム接合体を有しており、高負荷時においても銅部材とチタン層との接合界面において剥離が生じることが抑制され、パワーモジュール、ＬＥＤモジュール及び熱電モジュールの信頼性を向上させることを可能にする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、従来よりも高い温度までの冷熱サイクルを負荷した場合であっても、銅部材とチタン層との接合界面において剥離が生じることを抑制でき、特に信頼性に優れた銅／チタン／アルミニウム接合体、および、これを備えた絶縁回路基板、ヒートシンク付き絶縁回路基板、パワーモジュール、ＬＥＤモジュール、熱電モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１の実施形態である銅／チタン／アルミニウム接合体、絶縁回路基板およびパワーモジュールを示す断面図である。
【図２】図１に示す銅／チタン／アルミニウム接合体（回路層及び金属層）の接合界面の近傍を示す要部拡大断面図である。
【図３】図１に示す絶縁回路基板およびパワーモジュールの製造方法を示すフロー図である。
【図４】図１に示す絶縁回路基板の製造方法を示す説明図である。
【図５】本発明の第２の実施形態である銅／チタン／アルミニウム接合体、ヒートシンク付き絶縁回路基板、およびパワーモジュールを示す断面図である。
【図６】図５に示す銅／チタン／アルミニウム接合体（金属層とヒートシンク）の接合界面の近傍を示す要部拡大断面図である。
【図７】図５に示すヒートシンク付き絶縁回路基板およびパワーモジュールの製造方法を示すフロー図である。
【図８】図５に示すヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法を示す説明図である。
【図９】本発明の他の実施形態である銅／チタン／アルミニウム接合体、絶縁回路基板およびパワーモジュールを示す断面図である。
【図１０】本発明の他の実施形態である銅／チタン／アルミニウム接合体、絶縁回路基板およびパワーモジュールを示す断面図である。
【図１１】比較例において使用した加圧治具の説明図である。
【図１２】本発明例１の銅／チタン／アルミニウム接合体における接合界面の断面の組成像である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。なお、以下に示す各実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
【００２７】
（第１の実施形態）
図１に、本発明の第１の実施形態である絶縁回路基板１０を用いたパワーモジュール１を示す。なお、本実施形態における接合体は、図１に示す絶縁回路基板１０において、アルミニウム部材としてアルミニウム層２１及び銅部材として銅層２２がチタン層２５を介して接合されてなる回路層２０、アルミニウム部材としてアルミニウム層３１及び銅部材として銅層３２がチタン層３５を介して接合されてなる金属層３０とされている。
【００２８】
図１に示すパワーモジュール１は、絶縁回路基板１０と、この絶縁回路基板１０の一方の面（図１において上面）に第１はんだ層２を介して接合されたパワー半導体素子３と、絶縁回路基板１０の下側に第２はんだ層４２を介して接合されたヒートシンク４１と、を備えている。なお、ヒートシンク４１が接合された絶縁回路基板１０が、本実施形態におけるヒートシンク付き絶縁回路基板４０とされている。
【００２９】
パワー半導体素子３は、Ｓｉ等の半導体材料で構成されている。絶縁回路基板１０とパワー半導体素子３とを接合する第１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）とされている。
【００３０】
ヒートシンク４１は、絶縁回路基板１０側の熱を放散するためのものである。ヒートシンク４１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。絶縁回路基板１０とヒートシンク４１とを接合する第２はんだ層４２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）とされている。
【００３１】
そして、本実施形態に係る絶縁回路基板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）に配設された回路層２０と、セラミックス基板１１の他方の面（図１において下面）に配設された金属層３０と、を備えている。
【００３２】
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、強度に優れたＳｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）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、０．３２ｍｍに設定されている。
【００３３】
回路層２０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アルミニウム層２１と、このアルミニウム層２１の一方の面にチタン層２５を介して積層された銅層２２と、を有している。
ここで、回路層２０におけるアルミニウム層２１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。
また、回路層２０における銅層２２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。
【００３４】
金属層３０は、図１に示すように、セラミックス基板１１の他方の面に配設されたアルミニウム層３１と、このアルミニウム層３１の他方の面にチタン層３５を介して積層された銅層３２と、を有している。
ここで、金属層３０におけるアルミニウム層３１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０．４ｍｍに設定されている。
また、金属層３０における銅層３２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。
【００３５】
ここで、アルミニウム層２１、３１は、図４に示すように、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５１、６１が接合されることにより形成されている。
アルミニウム層２１，３１となるアルミニウム板５１、６１は、純度が９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）で構成されている。すなわち、Ｓｉの含有量が０．０３ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下の範囲内とされている。
【００３６】
銅層２２、３２は、アルミニウム層２１、３１の一方の面及び他方の面に、チタン層２５、３５を介して銅又は銅合金からなる銅板５２、６２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、銅層２２、３２を構成する銅板５２、６２は、無酸素銅の圧延板とされている。
なお、アルミニウム層２１、３１とチタン層２５、３５、チタン層２５，３５と銅層２２、３２は、それぞれ固相拡散接合されている。
【００３７】
ここで、アルミニウム層２１、３１とチタン層２５、３５との接合界面には、図２に示すように、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６、３６が形成されている。
このＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６、３６は、アルミニウム層２１、３１のＡｌ原子と、チタン層２５、３５のＴｉ原子とが相互拡散することによって形成されたＡｌ３Ｔｉに、アルミニウム層２１、３１のＳｉが固溶することにより形成されたものである。
Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６、３６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。
【００３８】
また、チタン層２５、３５と銅層２２、３２との接合界面には、図２に示すように、ＴｉとＣｕを含有する金属間化合物相２７，３７が形成されている。
この金属間化合物相２７，３７は、銅層２２、３２のＣｕ原子と、チタン層２５、３５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。
なお、チタン層２５、３５と銅層２２、３２との接合界面においては、図２に示すように、上述の金属間化合物相２７，３７が形成されていない領域（金属間化合物未形成部２８，３８）が存在することがある。
【００３９】
ここで、本実施形態では、この金属間化合物未形成部２８、３８の接合界面に沿った長さＬｉの最大値が２０μｍ以下とされている。
また、金属間化合物未形成部２８、３８の接合界面に沿った長さの合計ΣＬｉと、接合界面の全体長さＬ０との比ΣＬｉ／Ｌ０が０．１６以下とされている。
本実施形態においては、チタン層２５、３５と銅層２２、３２との接合界面を観察した結果、観察された金属間化合物未形成部２８、３８の接合界面に沿った長さＬｉの最大値が２０μｍ以下とされており、観察された金属間化合物未形成部２８、３８の接合界面に沿った長さの合計ΣＬｉと、観察視野における接合界面の全体長さＬ０との比ΣＬｉ／Ｌ０が０．１６以下とされている。
【００４０】
なお、チタン層２５、３５と銅層２２、３２との接合界面を観察する際には、絶縁回路基板１０の断面観察をＥＰＭＡによって行い、チタン層２５、３５と銅層２２、３２との接合界面を含む領域（縦１００μｍ×横２００μｍ）のＣｕ及びＴｉの元素ＭＡＰを取得し、Ｃｕ濃度が５ａｔ％以上かつＴｉ濃度が１６ａｔ％以上７０ａｔ％以下の領域を金属間化合物相２７、３７とし、接合界面におけるこれら金属間化合物相２７、３７の間の領域を金属間化合物未形成部２８、３８の接合界面に沿った長さＬｉとした。このような測定を１０視野で実施し、金属間化合物未形成部２８、３８の接合界面に沿った長さＬｉの最大値、及び、観察された金属間化合物未形成部２８、３８の接合界面に沿った長さの合計ΣＬｉと、観察視野における接合界面の全体長さＬ０との比ΣＬｉ／Ｌ０を算出した。
【００４１】
次に、本実施形態である絶縁回路基板１０の製造方法について、図３及び図４を参照して説明する。
【００４２】
まず、図４に示すように、セラミックス基板１１の一方の面（図４において上面）に、アルミニウム層２１となるアルミニウム板５１を積層し、さらにその上にチタン材５５を介して銅層２２となる銅板５２を積層する。また、セラミックス基板１１の他方の面（図４において下面）に、アルミニウム層３１となるアルミニウム板６１を積層し、さらにその上にチタン材６５を介して銅層３２となる銅板６２を積層する。ここで、本実施形態においては、アルミニウム板５１、６１とセラミックス基板１１との間には、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔５８，６８を介して積層した。（積層工程Ｓ０１）
【００４３】
次いで、真空条件下において、積層方向に８ｋｇｆ／ｃｍ２以上２０ｋｇｆ／ｃｍ２以下の範囲で加圧した状態で加熱して、アルミニウム板５１とセラミックス基板１１とを接合し、さらにアルミニウム板５１とチタン材５５、チタン材５５と銅板５２とを固相拡散することにより、回路層２０を形成する。また、アルミニウム板６１とセラミックス基板１１とを接合し、さらにアルミニウム板６１とチタン材６５、チタン材６５と銅板６２とを固相拡散することにより、金属層３０を形成する。（回路層及び金属層形成工程Ｓ０２）
【００４４】
ここで、本実施形態では、真空条件は１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度は６３０℃以上６４３℃以下、保持時間は２１０分以上３６０分以下の範囲内に設定した。
そして、本実施形態では、接合温度において加圧圧力が上述の範囲内となるように、ホットプレス装置を用いて加圧及び加熱を実施した。
なお、アルミニウム板５１、６１、チタン材５５、６５、及び銅板５２、６２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、本実施形態である絶縁回路基板１０が製造される。
【００４５】
次に、絶縁回路基板１０の金属層３０に、はんだ材を介してヒートシンク４１を積層し、還元炉内においてはんだ接合する（ヒートシンク接合工程Ｓ０３）。
このようにして、本実施形態であるヒートシンク付絶縁回路基板４０が製造される。
次いで、回路層２０の一方の面（銅層２２の表面）に、はんだ材を介してパワー半導体素子３を積層し、還元炉内においてはんだ接合する（パワー半導体素子接合工程Ｓ０４）。
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。
【００４６】
以上のような構成とされた本実施形態である絶縁回路基板１０においては、回路層２０がアルミニウム層２１とチタン層２５と銅層２２とがそれぞれ固相拡散された構造とされるとともに、金属層３０がアルミニウム層３１とチタン層３５と銅層３２とがそれぞれ固相拡散接合された構造とされており、銅層２２、３２とチタン層２５、３５との接合界面において、ＣｕとＴｉを含有する金属間化合物相２７，３７が形成されていない金属間化合物未形成部２８、３８の接合界面に沿った長さＬｉの最大値が２０μｍ以下とされているので、銅層２２、３２とチタン層２５、３５との間でＣｕとＴｉとが十分に相互拡散しており、銅層２２、３２とチタン層２５、３５との接合信頼性に優れている。
【００４７】
また、銅層２２、３２とチタン層２５、３５との接合界面において、金属間化合物未形成部２８、３８の接合界面に沿った長さの合計ΣＬｉと、接合界面の全体長さＬ０との比ΣＬｉ／Ｌ０が０．１６以下とされているので、金属間化合物未形成部２８、３８の存在比率が小さく、高い温度までの冷熱サイクルを負荷した場合であっても、金属間化合物未形成部２８、３８を起点として剥離が生じることを抑制することが可能となる。
【００４８】
以上のように、回路層２０における銅層２２とチタン層２５との接合信頼性に優れていることから、回路層２０上に発熱密度の高いパワー半導体素子３を搭載しても、銅層２２とチタン層２５との接合界面において剥離が生じることを抑制することができる。
また、金属層３０における銅層３２とチタン層３５との接合信頼性に優れていることから、回路層２０上に搭載されたパワー半導体素子３からの熱を、金属層３０を介してヒートシンク４１側へと効率的に放熱することができる。
【００４９】
また、本実施形態では、セラミックス基板１１の一方の面及び他方の面に比較的変形抵抗の小さいアルミニウム層２１，３１が形成されているので、冷熱サイクルが負荷された際に生じる熱応力をアルミニウム層２１，３１の変形によって吸収でき、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、アルミニウム層２１，３１のうちセラミックス基板１１が形成された面と反対側の面には、比較的変形抵抗の大きい銅層２２、３２が形成されているので、冷熱サイクルが負荷された際に回路層２０及び金属層３０の表面の変形が抑制され、回路層２０とパワー半導体素子３を接合する第１はんだ層２、及び、金属層３０とヒートシンク４１を接合する第２はんだ層４２における亀裂の発生を抑制でき、接合信頼性を向上できる。
【００５０】
また、本実施形態においては、セラミックス基板１１と、アルミニウム板５１，６１と、チタン材５５、６５と、銅板５２、６２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。
また、本実施形態においては、アルミニウム板５１、６１と、チタン材５５、６５と、銅板５２、６２との固相拡散接合は、積層方向へ８〜２０ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力をかけられた状態で６３０℃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原子とＴｉ原子、及びＴｉ原子とＣｕ原子とを相互拡散させ、チタン材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、アルミニウム板５１，６１と、チタン材５５、６５と、銅板５２、６２を確実に接合することができる。
【００５１】
そして、本実施形態では、加熱温度において積層方向への加圧圧力が上述の範囲内となるようにホットプレス装置を用いているので、チタン層２５、３５と銅層２２、３２との間でＴｉ原子とＣｕ原子との相互拡散を十分に促進することができ、上述の金属間化合物未形成部２８，３８の接合界面に沿った長さＬｉ、及び、接合界面の全体長さＬ０との比ΣＬｉ／Ｌ０を上述の範囲内とすることができる。
【００５２】
（第２の実施形態）
図５に、本発明の第２の実施形態であるヒートシンク付き絶縁回路基板１４０を用いたパワーモジュール１０１を示す。なお、第１の実施形態と同一の部材には、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
また、本実施形態における接合体は、図５に示すヒートシンク付き絶縁回路基板１４０において、アルミニウム部材である金属層１３０と、銅部材であるヒートシンク１４１とが、チタン層１４５を介して接合されたものである。
【００５３】
図５に示すパワーモジュール１０１は、ヒートシンク付き絶縁回路基板１４０と、このヒートシンク付き絶縁回路基板１４０の一方の面（図５において上面）に第１はんだ層２を介して接合されたパワー半導体素子３と、を備えている。また、本実施形態であるヒートシンク付き絶縁回路基板１４０は、絶縁回路基板１１０と、この絶縁回路基板１１０の金属層１３０に接合されたヒートシンク１４１とを備えている。
【００５４】
ヒートシンク１４１は、絶縁回路基板１１０側の熱を放散するためのものである。ヒートシンク１４１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。
【００５５】
絶縁回路基板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１２０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１３０と、を備えている。
【００５６】
回路層１２０は、図８に示すように、セラミックス基板１１の一方の面（図８において上面）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１５１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１２０は、純度が９９％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、回路層１２０となるアルミニウム板１５１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。
【００５７】
金属層１３０は、図８に示すように、セラミックス基板１１の他方の面（図８において下面）にアルミニウム板１６１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１３０を構成するアルミニウム板１６１は、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）の圧延板とされている。なお、接合されるアルミニウム板１６１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。
【００５８】
そして、本実施形態であるヒートシンク付き絶縁回路基板１４０においては、図５に示すように、金属層１３０とヒートシンク１４１とがチタン層１４５を介して接合されている。
なお、金属層１３０とチタン層１４５、チタン層１４５とヒートシンク１４１は、それぞれ固相拡散接合されている。
【００５９】
ここで、金属層１３０とチタン層１４５との接合界面には、図６に示すように、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１４６が形成されている。
このＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１４６は、金属層１３０のＡｌ原子と、チタン層１４５のＴｉ原子とが相互拡散することによって形成されたＡｌ３Ｔｉに、金属層１３０のＳｉが固溶することにより形成されたものである。
Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１４６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。
【００６０】
また、チタン層１４５とヒートシンク１４１との接合界面には、図６に示すように、ＴｉとＣｕを含有する金属間化合物相１４７が形成されている。
この金属間化合物相１４７は、ヒートシンク１４１のＣｕ原子と、チタン層１４５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。
なお、チタン層１４５とヒートシンク１４１との接合界面においては、図２に示すように、上述の金属間化合物相１４７が形成されていない領域（金属間化合物未形成部１４８）が存在することがある。
【００６１】
ここで、本実施形態では、この金属間化合物未形成部１４８の接合界面に沿った長さＬｉの最大値が２０μｍ以下とされている。
また、金属間化合物未形成部１４８の接合界面に沿った長さの合計ΣＬｉと、観察視野における接合界面の全体長さＬ０との比ΣＬｉ／Ｌ０が０．１６以下とされている。
なお、チタン層１４５とヒートシンク１４１との接合界面の観察は、第１の実施形態と同様の条件で実施した。
【００６２】
次に、本実施形態であるヒートシンク付き絶縁回路基板１４０の製造方法について、図７及び図８を参照して説明する。
【００６３】
まず、図８に示すように、セラミックス基板１１の一方の面（図８において上面）に、回路層１２０となるアルミニウム板１５１を積層し、セラミックス基板１１の他方の面（図８において下面）に、金属層１３０となるアルミニウム板１６１を積層する。また、金属層１３０となるアルミニウム板１６１の他方の面側に、チタン材１６５を介してヒートシンク１４１を積層する（積層工程Ｓ１０１）。
なお、本実施形態においては、アルミニウム板１５１、１６１とセラミックス基板１１との間には、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔５８，６８を介して積層した。
【００６４】
次いで、真空条件下において、積層方向に８ｋｇｆ／ｃｍ２以上２０ｋｇｆ／ｃｍ２以下の範囲で加圧した状態で加熱して、アルミニウム板１５１とセラミックス基板１１とを接合し、回路層１２０を形成する。また、アルミニウム板１６１とセラミックス基板１１とを接合し、金属層１３０を形成する。（回路層及び金属層形成工程Ｓ１０２）。
同時に、アルミニウム板１６１とチタン材１６５、チタン材１６５とヒートシンク１４１とをそれぞれ固相拡散接合する（ヒートシンク接合工程Ｓ１０３）。
【００６５】
ここで、本実施形態では、真空条件は１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度は６３０℃以上６４３℃以下、保持時間は２１０分以上３６０分以下の範囲内に設定した。
そして、本実施形態では、接合温度において加圧圧力が上述の範囲内となるように、ホットプレス装置を用いて加圧及び加熱を実施した。
なお、アルミニウム板１６１、チタン材１６５、及びヒートシンク１４１のそれぞれの接合面は、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き絶縁回路基板１４０が製造される。
【００６６】
次に、絶縁回路基板１１０の回路層１２０の一方の面に、はんだ材を介してパワー半導体素子３を積層し、還元炉内においてはんだ接合する（パワー半導体素子接合工程Ｓ１０４）。
上記のようにして、本実施形態であるパワーモジュール１０１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き絶縁回路基板１４０においては、アルミニウム部材である金属層１３０とチタン層１４５、チタン層１４５と銅部材であるヒートシンク１４１とがそれぞれ固相拡散接合された構造とされており、ヒートシンク１４１とチタン層１４５との接合界面において、ＣｕとＴｉを含有する金属間化合物相１４７が形成されていない金属間化合物未形成部１４８の接合界面に沿った長さＬｉの最大値が２０μｍ以下とされているので、ヒートシンク１４１とチタン層１４５との間でＣｕとＴｉとが十分に相互拡散しており、ヒートシンク１４１とチタン層１４５との接合信頼性に優れている。
【００６８】
また、ヒートシンク１４１とチタン層１４５との接合界面において、金属間化合物未形成部１４８の接合界面に沿った長さの合計ΣＬｉと、接合界面の全体長さＬ０との比ΣＬｉ／Ｌ０が０．１６以下とされているので、金属間化合物未形成部１４８の存在比率が小さく、高い温度までの冷熱サイクルを負荷した場合であっても、金属間化合物未形成部１４８を起点として剥離が生じることを抑制することが可能となる。
【００６９】
以上のように、アルミニウム部材である金属層１３０と銅部材であるヒートシンク１４１とがチタン層１４５を介して接合されており、ヒートシンク１４１とチタン層１４５との接合信頼性に優れているので、高温までの冷熱サイクルが負荷された場合であっても、ヒートシンク１４１とチタン層１４５との接合界面における剥離の発生を抑制でき、回路層１２０上に搭載されたパワー半導体素子３からの熱を、金属層１３０を介してヒートシンク１４１側へと効率的に放熱することができる。
【００７０】
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。
【００７１】
例えば、本実施形態では、絶縁回路基板にパワー半導体素子を搭載してパワーモジュールを構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い。例えば、絶縁回路基板の回路層にＬＥＤ素子を搭載してＬＥＤモジュールを構成してもよいし、絶縁回路基板の回路層に熱電素子を搭載して熱電モジュールを構成してもよい。
【００７２】
また、図９に示すパワーモジュール２０１及び絶縁回路基板２１０のように、回路層２２０のみが銅又は銅合金からなる銅部材（銅層２２２）と、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部材（アルミニウム層２２１）とが、チタン層（２２５）を介して接合されてなる銅／チタン／アルミニウム接合体で構成されていてもよい。
あるいは、図１０に示すパワーモジュール３０１及び絶縁回路基板３１０のように、金属層３３０のみが銅又は銅合金からなる銅部材（銅層３３２）と、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部材（アルミニウム層３３１）とが、チタン層（３３５）を介して接合されてなる銅／チタン／アルミニウム接合体で構成されていてもよい。
【００７３】
さらに、本実施形態では、アルミニウム層とチタン層とが固相拡散接合されたものとして説明したが、これに限定されることはなく、チタン層と銅層とが固相拡散接合され、チタン層と銅層との接合界面にＣｕとＴｉを含有する金属間化合物が形成された構造の銅／チタン／アルミニウム接合体であればよい。
【実施例】
【００７４】
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。
ＡｌＮからなるセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ×０．６３５ｍｍｔ）の一方の面及び他方の面に、Ａｌ−７ｍａｓｓ％Ｓｉ合金からなるろう材箔（厚さ１０μｍ）を介して純度９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）からなるアルミニウム板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×０．６ｍｍｔ）、チタン材（３７ｍｍ×３７ｍｍ×０．０２０ｍｍｔ）、表１に示すＣｕ板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×０．３ｍｍｔ）を順に積層し、積層体を得た。
【００７５】
そして、真空条件下（５×１０−４Ｐａ）において、ホットプレス装置を用いて、上述の積層体を積層方向に表１に示す圧力で加圧した状態で加熱した。ここで、接合条件は、表１に示す条件とした。このようにして本発明例１〜１０及び比較例１〜３の絶縁回路基板を得た。
【００７６】
一方、従来例においては、図１１に示すように、ステンレス製の加圧治具４００を用いて上述の積層体Ｓを加圧し、真空加熱炉に装入した。この加圧治具４００は、ベース板４０１と、ベース板４０１の上面の四隅に垂直に取り付けられたガイドポスト４０２と、これらガイドポスト４０２の上端部に固定された固定板４０３と、これらベース板４０１と固定板４０３との間で上下移動自在にガイドポスト４０２に支持された押圧板４０４と、固定板４０３と押圧板４０４との間に設けられて押圧板４０４を下方に付勢するばね等の付勢手段４０５とを備え、ベース板４０１と押圧板４０４との間に、上述の積層体Ｓが配設される。
この構成の加圧治具を用いた場合、加圧治具４００のガイドポスト４０２等の熱膨張により、加熱温度での加圧圧力は表１に示す条件よりも低くなっている。
以上のようにして、従来例の絶縁回路基板を得た。
【００７７】
（金属間化合物未形成部）
上述のようにして得られた絶縁回路基板に対して、銅層とチタン層との接合界面の観察を行い、金属間化合物未形成部の接合界面に沿った長さＬｉ、及び、観察視野における接合界面の全体長さＬ０との比Ｌｉ／Ｌ０を測定した。
本実施例では、絶縁回路基板の断面観察を、ＥＰＭＡ（日本電子株式会社製ＪＸＡ−８５３９Ｆ）を用いて行い、銅層とチタン層との接合界面を含む領域（縦１００μｍ×横２００μｍ）のＣｕ及びＴｉの元素ＭＡＰを取得し、Ｃｕ濃度が５ａｔ％以上かつＴｉ濃度が１６ａｔ％以上７０ａｔ％以下の領域を金属間化合物相とし、接合界面におけるこれら金属間化合物相の間の領域を金属間化合物未形成部の接合界面に沿った長さＬｉとした。このような測定を１０視野で実施し、金属間化合物未形成部の接合界面に沿った長さＬｉの最大値、及び、観察された金属間化合物未形成部の接合界面に沿った長さの合計ΣＬｉと、観察視野における接合界面の全体長さＬ０との比ΣＬｉ／Ｌ０を算出した。評価結果を表２に示す。また、本発明例１におけるＥＰＭＡ像を図１１に示す。
【００７８】
（冷熱サイクル試験）
冷熱衝撃試験機（エスペック株式会社製ＴＳＡ−７２ＥＳ）を使用し、絶縁回路基板に対して、気相で、−４０℃×５分←→１７５℃×５分の１０００サイクルを実施した。
この後、銅層とチタン層との接合率を以下のようにして評価した。なお、接合率の評価は、冷熱サイクル試験前（初期接合率）と冷熱サイクル試験後（サイクル後接合率）に行った。
【００７９】
接合率の評価は、絶縁回路基板に対し、銅層とチタン層との界面の接合率について超音波探傷装置（株式会社日立パワーソリューションズ製ＦｉｎｅＳＡＴ２００）を用いて評価し、以下の式から接合率を算出した。
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、すなわち本実施例では回路層及び金属層の面積（３７ｍｍ×３７ｍｍ）とした。
（接合率）＝｛（初期接合面積）−（剥離面積）｝／（初期接合面積）
超音波探傷像を二値化処理した画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。
これらの結果を表２に記載した。
【００８０】
【表１】
2018046106.tif 000003
【００８１】
【表２】
2018046106.tif 000004
【００８２】
比較例１においては、接合温度が６２０℃と低く設定されており、金属間化合物未形成部長さＬｉが３７μｍと本発明の範囲より大きく、上述の長さ比ΣＬｉ／Ｌ０が０．２５と本発明の範囲よりも大きくなった。これにより、冷熱サイクル試験後の接合率が８６．５％と低くなった。
【００８３】
比較例２においては、接合温度での保持時間が６０ｍｉｎと短く設定されており、上述の長さ比ΣＬｉ／Ｌ０が０．２８と本発明の範囲よりも大きくなった。これにより、冷熱サイクル試験後の接合率が８５．７％と低くなった。
【００８４】
比較例３においては、加圧荷重が５ｋｇｆ／ｃｍ２と低く設定されており、金属間化合物未形成部長さＬｉが３１μｍと本発明の範囲よりも大きくなった。これにより、冷熱サイクル試験後の接合率が８７．４％と低くなった。
【００８５】
従来例においては、図１１に示す加圧治具を用いて加圧していることから加圧温度において加圧荷重が低くなっており、金属間化合物未形成部長さＬｉが４２μｍと大きく、上述の長さ比ΣＬｉ／Ｌ０が０．２５と本発明の範囲よりも大きくなった。これにより、冷熱サイクル試験後の接合率が８２．０％と低くなった。
【００８６】
これに対して、金属間化合物未形成部長さＬｉが２０μｍ以下とされ、上述の長さ比ΣＬｉ／Ｌ０が０．１６以下とされた本発明例１−１０においては、冷熱サイクル試験後の接合率が全て９０．６％以上とされており、冷熱サイクル試験における接合信頼性に優れていた。また、本発明例１−７，１０と本発明例８及び本発明例９では、銅板の材質を変更したが、いずれも冷熱サイクル後の接合率は高くなった。
【００８７】
以上のことから、本発明例によれば、従来よりも高い温度までの冷熱サイクルを負荷した場合であっても、銅部材とチタン層との接合界面において剥離が生じることを抑制でき、特に信頼性に優れた銅／チタン／アルミニウム接合体を得ることができた。
【符号の説明】
【００８８】
１  パワーモジュール
３  パワー半導体素子
１０  絶縁回路基板
１１  セラミックス基板
２０  回路層
３０  金属層
２１、３１  アルミニウム層（アルミニウム部材）
２２、３２  銅層（銅部材）
２５、３５  チタン層
２７、３７  金属間化合物相
２８、３８  金属間化合物未形成部
１０１  パワーモジュール
１１０  絶縁回路基板
１３０  金属層（アルミニウム部材）
１４１  ヒートシンク（銅部材）
１４０  ヒートシンク付き絶縁回路基板
【図１】
2018046106.tif 000005
【図２】
2018046106.tif 000006
【図３】
2018046106.tif 000007
【図４】
2018046106.tif 000008
【図５】
2018046106.tif 000009
【図６】
2018046106.tif 000010
【図７】
2018046106.tif 000011
【図８】
2018046106.tif 000012
【図９】
2018046106.tif 000013
【図１０】
2018046106.tif 000014
【図１１】
2018046106.tif 000015
【図１２】
2018046106.tif 000016