(57)【要約】【課題】金属板とセラミックス基板とが確実に接合され、熱サイクル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、このパワーモジュール用基板を備えたパワーモジュール及びこのパワーモジュール用基板の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を提供する。【解決手段】セラミックス基板１１の表面に、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属板１２，１３が積層されて接合されたパワーモジュール用基板１０であって、金属板１２，１３には、Ａｇが固溶されており、金属板１２，１３のうちセラミックス基板１１との界面近傍におけるＡｇ濃度が０．０５質量％以上１０質量％以下の範囲内に設定され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表面に、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属板が積層されて接合されたパワーモジュール用基板であって、
前記金属板には、Ａｇが固溶されており、前記金属板のうち前記セラミックス基板との界面近傍におけるＡｇ濃度が０．０５質量％以上１０質量％以下の範囲内に設定され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】
前記金属板には、Ａｇに加えて、Ｚｎ，Ｇｅ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶されており、前記金属板のうち前記セラミックス基板との界面近傍におけるＡｇ濃度及び前記添加元素の濃度の合計が０．０５質量％以上１０質量％以下の範囲内に設定され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】
前記セラミックス基板がＡｌＮ又はＳｉ３Ｎ４で構成されており、前記金属板と前記セラミックス基板との接合界面に、酸素濃度が前記セラミックス基板の結晶粒内の酸素濃度の２倍以上とされた酸素高濃度部が形成されており、該酸素高濃度部の厚さが４ｎｍ以下とされていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項４】
前記金属板と前記セラミックス基板との接合界面には、Ａｇ濃度が前記金属板中のＡｇ濃度の２倍以上とされたＡｇ高濃度部が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項５】
前記セラミックス基板がＡｌＮで構成されており、
前記Ａｇ高濃度部を含む前記接合界面をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析したＡｌ、Ａｇ、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：Ａｇ：Ｏ：Ｎ＝５０〜９０質量％：１〜３０質量％：１〜１０質量％：２５質量％以下とされていることを特徴とする請求項４に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項６】
前記セラミックス基板がＳｉ３Ｎ４で構成されており、
前記Ａｇ高濃度部を含む前記接合界面をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析したＡｌ、Ｓｉ、Ａｇ、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：Ｓｉ：Ａｇ：Ｏ：Ｎ＝１５〜４５質量％：１５〜４５質量％：１〜３０質量％：１〜１０質量％：２５質量％以下とされていることを特徴とする請求項４に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項７】
前記セラミックス基板がＡｌ２Ｏ３で構成されており、
前記Ａｇ高濃度部を含む前記接合界面をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析したＡｌ、Ａｇ、Ｏの質量比が、Ａｌ：Ａｇ：Ｏ＝５０〜９０質量％：１〜３０質量％：４５質量％以下とされていることを特徴とする請求項４に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板と、このパワーモジュール用基板を冷却するヒートシンクと、を備えた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９】
前記セラミックス基板の一方の表面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる第一の金属板が接合され、前記セラミックス基板の他方の表面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる第二の金属板が接合されており、
前記第二の金属板のうち前記セラミックス基板との接合面とは反対側の面に、前記ヒートシンクが接合されており、
前記第二の金属板及び前記ヒートシンクには、Ａｇが固溶されており、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクの界面近傍におけるＡｇ濃度が０．０５質量％以上１０質量％以下の範囲内に設定されていることを特徴とする請求項８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１０】
前記第二の金属板及び前記ヒートシンクには、Ａｇに加えて、Ｚｎ，Ｇｅ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶されており、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクの界面近傍におけるＡｇ濃度及び前記添加元素の濃度の合計が０．０５質量％以上１０質量％以下の範囲内に設定されていることを特徴とする請求項９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１１】
前記第二の金属板の厚さが、前記第一の金属板の厚さよりも厚くなるように設定されていることを特徴とする請求項９または請求項１０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１２】
前記第二の金属板が、複数の金属板が積層されて構成されていることを特徴とする請求項９から請求項１１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。
【請求項１３】
請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板と、該パワーモジュール用基板上に搭載される電子部品と、を備えたことを特徴とするパワーモジュール。
【請求項１４】
セラミックス基板の表面に、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属板が積層されて接合されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記セラミックス基板の接合面及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方に、Ａｇを固着し、Ａｇを含有する固着層を形成する固着工程と、
前記固着層を介して前記セラミックス基板と前記金属板と積層する積層工程と、
積層された前記セラミックス基板と前記金属板を積層方向に加圧するとともに加熱し、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、
この溶融金属領域を凝固させることによって、前記セラミックス基板と前記金属板とを接合する凝固工程と、を有し、
前記固着工程において、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に、Ａｇを、０．０１ｍｇ／ｃｍ２以上１０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内で介在させ、
前記加熱工程において、Ａｇを前記金属板に向けて拡散させることにより、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に、前記溶融金属領域を形成することを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項１５】
前記固着工程では、Ａｇに加えて、Ｚｎ，Ｇｅ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着させることを特徴とする請求項１４に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項１６】
前記固着工程では、ＡｇとともにＡｌを固着させることを特徴とする請求項１４又は請求項１５に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項１７】
前記固着工程は、めっき、蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているインクの塗布によって、前記セラミックス基板の接合面及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方に、Ａｇを固着させることを特徴とする請求項１４から請求項１６のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項１８】
前記固着工程は、Ａｇペーストを前記セラミックス基板の接合面及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方に塗布することにより前記固着層を形成することを特徴とする請求項１４から請求項１６のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項１９】
セラミックス基板の一方の表面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる第一の金属板が接合され、前記セラミックス基板の他方の表面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる第二の金属板が接合されており、前記第二の金属板のうち前記セラミックス基板との接合面とは反対側の面に、前記ヒートシンクが接合されてなるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記セラミックス基板と前記第一の金属板、及び、前記セラミックス基板と前記第二の金属板とを接合するセラミックス基板接合工程と、
前記第二の金属板の一面に前記ヒートシンクを接合するヒートシンク接合工程と、を有し、
前記ヒートシンク接合工程は、
前記第二の金属板の接合面及び前記ヒートシンクの接合面のうち少なくとも一方に、Ａｇを固着してＡｇ層を形成するＡｇ層形成工程と、
前記Ａｇ層を介して前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを積層するヒートシンク積層工程と、
積層された前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを積層方向に加圧するとともに加熱し、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとの界面に溶融金属領域を形成するヒートシンク加熱工程と、
この溶融金属領域を凝固させることによって、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを接合する溶融金属凝固工程と、を有し、
前記ヒートシンク加熱工程において、前記Ａｇ層のＡｇを前記第二の金属板及び前記ヒートシンクに向けて拡散させることにより、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとの界面に、前記溶融金属領域を形成す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の製造方法。
【請求項２０】
前記セラミックス基板接合工程と、前記ヒートシンク接合工程と、を同時に行うことを特徴とする請求項１９に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項２１】
前記第二の金属板が、複数の金属板が積層されて構成されていることを特徴とする請求項１９または請求項２０に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項２２】
前記Ａｇ層形成工程は、めっき、蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているペースト及びインクなどの塗布によって前記ヒートシンクの接合面及び前記第二の金属板の接合面のうち少なくとも一方に、Ａｇを固着させることを特徴とする請求項１９から請求項２１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の製造方法。
【請求項２３】
前記Ａｇ層形成工程では、ＡｇとともにＡｌを固着させることを特徴とする請求項１９から請求項２２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の製造方法。
【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、このパワーモジュール用基板を備えたパワーモジュール、このパワーモジュール用基板の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法に関するものである。
【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素子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、例えば特許文献１に示すように、ＡｌＮ（窒化アルミ）からなるセラミックス基板上にＡｌ（アルミニウム）の金属板がろう材を介して接合されたパワーモジュール用基板が用いられる。
また、この金属板は回路層として形成され、その金属板の上には、はんだ材を介してパワー素子（半導体素子）が搭載される。
なお、セラミックス基板の下面にも放熱のためにＡｌ等の金属板が接合されて金属層とされ、この金属層を介して放熱板上にパワーモジュール用基板全体が接合されたものが提案されている。
【０００３】
また、回路層を形成する手段としては、セラミックス基板に金属板を接合した後に、この金属板に回路パターンを形成する方法の他に、例えば特許文献２に開示されているように、予め回路パターン状に形成された金属片をセラミックス基板に接合する方法が提案されている。
【０００４】
ここで、前記回路層及び前記金属層としての金属板とセラミックス基板との良好な接合強度を得るため、例えば下記特許文献３に、セラミックス基板の表面粗さを０．５μｍ未満とした技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−０８６７４４号公報
【特許文献２】特開２００８−３１１２９４号公報
【特許文献３】特開平３−２３４０４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、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に対して、乾式でＡｌ２Ｏ３粒子によるホーニング処理を行い、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。
【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、その使用環境も厳しくなってきており、搭載される半導体素子等の電子部品からの発熱量が大きくなる傾向にあり、前述のように放熱板上にパワーモジュール用基板を配設する必要がある。この場合、パワーモジュール用基板が放熱板によって拘束されるために、熱サイクル負荷時に、金属板とセラミックス基板との接合界面に大きなせん断力が作用することになり、従来にも増して、セラミックス基板と金属板との間の接合強度の向上及び信頼性の向上が求められている。
【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、金属板とセラミックス基板とが確実に接合され、熱サイクル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、このパワーモジュール用基板を備えたパワーモジュール及びこのパワーモジュール用基板の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板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】
【０００９】
このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明のパワーモジュール用基板は、セラミックス基板の表面に、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属板が積層されて接合されたパワーモジュール用基板であって、前記金属板には、Ａｇが固溶されており、前記金属板のうち前記セラミックス基板との界面近傍におけるＡｇ濃度が０．０５質量％以上１０質量％以下の範囲内に設定されていることを特徴としている。
【００１０】
この構成のパワーモジュール用基板においては、前記金属板に、Ａｇが固溶しているので、金属板の接合界面側部分が固溶強化することになる。これにより、金属板部分での破断を防止することができ、接合信頼性を向上させることができる。
ここで、前記金属板のうち前記セラミックス基板との界面近傍におけるＡｇ濃度が０．０５質量％以上とされているので、金属板の接合界面側部分を確実に固溶強化することができる。また、前記金属板のうち前記セラミックス基板との界面近傍におけるＡｇ濃度が１０質量％以下とされているので、金属板の接合界面の強度が過剰に高くなることを防止でき、このパワーモジュール用基板に冷熱サイクルが負荷された際に、熱応力を金属板で吸収することが可能となり、セラミックス基板の割れ等を防止できる。
【００１１】
また、前記金属板には、Ａｇに加えて、Ｚｎ，Ｇｅ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶されており、前記金属板のうち前記セラミックス基板との界面近傍におけるＡｇ濃度及び前記添加元素の濃度の合計が０．０５質量％以上１０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、前記金属板にＡｇに加えて、Ｚｎ，Ｇｅ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶しているので、金属板の接合界面側部分が固溶強化することになる。これにより、金属板部分での破断を防止することができ、接合信頼性を向上させることができる。
ここで、前記金属板のうち前記セラミックス基板との界面近傍におけるＡｇ及び前記添加元素の濃度の合計が０．０５質量％以上とされているので、金属板の接合界面側部分を確実に固溶強化することができる。また、前記金属板のうち前記セラミックス基板との界面近傍におけるＡｇ及び前記添加元素の濃度の合計が１０質量％以下とされているので、金属板の接合界面の強度が過剰に高くなることを防止できる。
【００１２】
さらに、前記セラミックス基板がＡｌＮ又はＳｉ３Ｎ４で構成されており、前記金属板と前記セラミックス基板との接合界面に、酸素濃度が前記セラミックス基板の結晶粒内の酸素濃度の２倍以上とされた酸素高濃度部が形成されており、該酸素高濃度部の厚さが４ｎｍ以下とされていてもよい。
この場合、ＡｌＮ又はＳｉ３Ｎ４からなるセラミックス基板とアルミニウムからなる金属板との接合界面に、酸素濃度が前記セラミックス基板の結晶粒内の酸素濃度の２倍以上とされた酸素高濃度部が形成されているので、接合界面に存在する酸素によってＡｌＮ又はＳｉ３Ｎ４からなるセラミックス基板とアルミニウムからなる金属板との接合強度が向上する。さらに、この酸素高濃度部の厚さが４ｎｍ以下とされているので、熱サイクルを負荷した際の応力によって酸素高濃度部にクラックが発生することが抑制される。
なお、ここで、前記セラミックス基板の結晶粒内の酸素濃度とは、セラミックス基板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酸素濃度である。
【００１３】
また、前記金属板と前記セラミックス基板との接合界面には、Ａｇ濃度が前記金属板中のＡｇ濃度の２倍以上とされたＡｇ高濃度部が形成されていることが好ましい。
この場合、セラミックス基板と純アルミニウムからなる金属板との接合界面に、Ａｇ濃度が前記金属板中のＡｇ濃度の２倍以上とされたＡｇ高濃度部が形成されているので、界面近傍に存在するＡｇ原子により、セラミックス基板と金属板との接合強度の向上を図ることが可能となる。
なお、金属板中のＡｇ濃度とは、金属板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Ａｇ濃度である。
【００１４】
さらに、前記セラミックス基板がＡｌＮで構成されており、前記Ａｇ高濃度部を含む前記接合界面をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析したＡｌ、Ａｇ、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：Ａｇ：Ｏ：Ｎ＝５０〜９０質量％：１〜３０質量％：１〜１０質量％：２５質量％以下とされていることが好ましい。
あるいは、前記セラミックス基板がＳｉ３Ｎ４で構成されており、前記Ａｇ高濃度部を含む前記接合界面をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析したＡｌ、Ｓｉ、Ａｇ、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：Ｓｉ：Ａｇ：Ｏ：Ｎ＝１５〜４５質量％：１５〜４５質量％：１〜３０質量％：１〜１０質量％：２５質量％以下とされていることが好ましい。
また、前記セラミックス基板がＡｌ２Ｏ３で構成されており、前記Ａｇ高濃度部を含む前記接合界面をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析したＡｌ、Ａｇ、Ｏの質量比が、Ａｌ：Ａｇ：Ｏ＝５０〜９０質量％：１〜３０質量％：４５質量％以下とされていることが好ましい。
【００１５】
接合界面に存在するＡｇ原子の質量比が３０質量％を超えると、ＡｌとＡｇとの反応物が過剰に生成されることになり、この反応物が接合を阻害するおそれがある。また、この反応物によって金属板の接合界面近傍が必要以上に強化されることになり、熱サイクル負荷時にセラミックス基板に応力が作用し、セラミックス基板が割れてしまうおそれがある。一方、Ａｇ原子の質量比が１質量％未満であると、Ａｇ原子による接合強度の向上を充分に図ることができなくなるおそれがある。よって、接合界面におけるＡｇ原子の質量比は、１〜３０質量％の範囲内とすることが好ましい。
【００１６】
ここで、エネルギー分散型Ｘ線分析法による分析を行う際のスポット径は極めて小さいため、前記接合界面の複数点（例えば、１０〜１００点）で測定し、その平均値を算出することになる。また、測定する際には、金属板の結晶粒界とセラミックス基板との接合界面は測定対象とせず、結晶粒とセラミックス基板との接合界面のみを測定対象とする。
なお、本明細書中におけるエネルギー分散型Ｘ線分析法による分析値は、日本電子製の電子顕微鏡ＪＥＭ−２０１０Ｆに搭載したサーモフィッシャーサイエンティフィック株式会社製のエネルギー分散型蛍光Ｘ線元素分析装置ＮＯＲＡＮ  Ｓｙｓｔｅｍ７を用いて加速電圧２００ｋＶで行った。
【００１７】
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、前述のパワーモジュール用基板と、このパワーモジュール用基板を冷却するヒートシンクと、を備えたことを特徴としている。
この構成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を冷却するヒートシンクを備えているので、パワーモジュール用基板に発生した熱をヒートシンクによって効率的に冷却することができる。
【００１８】
ここで、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、前記セラミックス基板の一方の表面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる第一の金属板が接合され、前記セラミックス基板の他方の表面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる第二の金属板が接合されており、前記第二の金属板のうち前記セラミックス基板との接合面とは反対側の面に、前記ヒートシンクが接合されており、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクには、Ａｇが固溶されており、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクの界面近傍におけるＡｇ濃度が０．０５質量％以上１０質量％以下の範囲内に設定されていることが好ましい。
【００１９】
この構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板によれば、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクに、Ａｇが固溶しているので、第二の金属板及びヒートシンクのそれぞれの接合界面側部分が固溶強化することになる。
そして、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクの接合界面近傍におけるＡｇ濃度が０．０５質量％以上とされているので、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクの接合界面側部分を確実に固溶強化することができる。また、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクの接合界面近傍におけるＡｇ濃度が１０質量％以下とされているので、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクの接合界面の強度が過剰に高くなることを防止でき、熱歪みを前記第二の金属板で吸収することができる。
【００２０】
また、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクには、Ａｇに加えて、Ｚｎ，Ｇｅ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶されており、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクの界面近傍におけるＡｇ濃度及び前記添加元素の濃度の合計が０．０５質量％以上１０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、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクに、Ａｇに加えて、Ｚｎ，Ｇｅ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶しているので、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクの接合界面側部分が固溶強化することになる。これにより、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクにおける破断の発生を防止することができ、接合信頼性を向上させることができる。
ここで、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクの界面近傍におけるＡｇ及び前記添加元素の濃度の合計が０．０５質量％以上とされているので、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクの界面側部分を確実に固溶強化することができる。また、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクの界面近傍におけるＡｇ及び前記添加元素の濃度の合計が１０質量％以下とされているので、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクの接合界面の強度が過剰に高くなることを防止できる。
【００２１】
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、前記第二の金属板の厚さが、前記第一の金属板の厚さよりも厚くなるように設定されていることが好ましい。
この場合、ヒートシンクが設けられている側の剛性を、その反対側の剛性と比較して高くすることができ、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の反りを抑えることができる。
【００２２】
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、前記第二の金属板が、複数の金属板が積層されて構成されていることが好ましい。
この場合、第二の金属板が、複数の金属板が積層された構造とされているので、ヒートシンクとセラミックス基板との熱膨張係数の差に起因する熱歪みをこの第二の金属板で十分に緩和することができ、セラミックス基板での割れの発生を抑制することができる。
【００２３】
本発明のパワーモジュールは、前述のパワーモジュール用基板と、該パワーモジュール用基板上に搭載された電子部品と、を備え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、セラミックス基板と金属板との接合強度が高く、使用環境が厳しい場合であっても、その信頼性を飛躍的に向上させることができる。
【００２４】
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板の表面に、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属板が積層されて接合されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記セラミックス基板の接合面及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方に、Ａｇを固着し、Ａｇを含有する固着層を形成する固着工程と、前記固着層を介して前記セラミックス基板と前記金属板と積層する積層工程と、積層された前記セラミックス基板と前記金属板を積層方向に加圧するとともに加熱し、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、この溶融金属領域を凝固させることによって、前記セラミックス基板と前記金属板とを接合する凝固工程と、を有し、前記固着工程において、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に、Ａｇを、０．０１ｍｇ／ｃｍ２以上１０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内で介在させ、前記加熱工程において、Ａｇを前記金属板に向けて拡散させることにより、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に、前記溶融金属領域を形成することを特徴としている。
【００２５】
この構成のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、前記セラミックス基板の接合面及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方にＡｇを固着し、Ａｇを含有する固着層を形成する固着工程を備えているので、前記金属板と前記セラミックス基板の接合界面には、Ａｇが介在することになる。ここで、Ａｇは、アルミニウムの融点を降下させる元素であるため、比較的低温な条件においても、金属板とセラミックス基板との界面に溶融金属領域を形成することができる。
よって、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、セラミックス基板と金属板とを強固に接合することが可能となる。
【００２６】
また、加熱工程において、Ａｇを前記金属板に向けて拡散させることにより、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に前記溶融金属領域を形成し、この溶融金属領域を凝固させることで、前記金属板と前記セラミックス基板を接合する構成としているので、ろう材箔等を用いる必要がなく、低コストで、金属板とセラミックス基板とが確実に接合されたパワーモジュール用基板を製造することができる。
【００２７】
このように、ろう材箔を使用せずに、前記セラミックス基板と前記金属板とを接合可能であることから、ろう材箔の位置合わせ作業等を行う必要がなく、例えば、予め回路パターン状に形成された金属片をセラミックス基板に接合する場合であっても、位置ズレ等によるトラブルを未然に防止することができる。
【００２８】
また、前記固着工程において、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に介在されるＡｇの固着量を０．０１ｍｇ／ｃｍ２以上としているので、セラミックス基板と金属板との界面に、溶融金属領域を確実に形成することができ、セラミックス基板と金属板とを強固に接合することが可能となる。
さらに、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に介在されるＡｇの固着量を１０ｍｇ／ｃｍ２以下としているので、固着層にクラックが発生することを防止することができ、セラミックス基板と金属板との界面に溶融金属領域を確実に形成することができる。さらに、Ａｇが過剰に金属板に向けて拡散して界面近傍の金属板の強度が過剰に高くなることを防止できる。よって、パワーモジュール用基板に冷熱サイクルが負荷された際に、熱応力を金属板で吸収することができ、セラミックス基板の割れ等を防止できる。
【００２９】
さらに、前記固着工程において、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に、Ａｇを、０．０１ｍｇ／ｃｍ２以上１０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内で介在させているので、前記金属板のうち前記セラミックス基板との界面近傍におけるＡｇ濃度が０．０５質量％以上１０質量％以下の範囲内とされたパワーモジュール用基板を製造することができる。
【００３０】
しかも、金属板及びセラミックス基板に直接固着層を形成しているので、酸化被膜は、金属板の表面にのみ形成されることになる。すると、両面に酸化被膜が形成されたろう材箔を用いた場合に比べて、金属板及びセラミックス基板の界面に存在する酸化被膜の合計厚さが薄くなるため、初期接合の歩留りを向上させることができる。
【００３１】
ここで、前記固着工程では、Ａｇに加えて、Ｚｎ，Ｇｅ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着させることが好ましい。
この場合、前記セラミックス基板の接合面及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方に、Ａｇに加えて、Ｚｎ，Ｇｅ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着し、Ａｇ及び前記添加元素を含有する固着層を形成する固着工程を備えているので、前記金属板と前記セラミックス基板の接合界面には、Ａｇに加えて、Ｚｎ，Ｇｅ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が介在することになる。ここで、添加元素であるＺｎ，Ｇｅ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉは、Ａｇと同様に、アルミニウムの融点を降下させる元素であるため、比較的低温条件において金属板とセラミックス基板との界面に溶融金属領域を形成することができる。
【００３２】
また、前記固着工程では、ＡｇとともにＡｌを固着させる構成とすることが好ましい。
この場合、ＡｇとともにＡｌを固着させているので、形成される固着層がＡｌを含有することになり、加熱工程において、この固着層が優先的に溶融して溶融金属領域を確実に形成することが可能となり、セラミックス基板と金属板とを強固に接合することができる。なお、ＡｇとともにＡｌを固着させるには、ＡｇとＡｌとを同時に蒸着してもよいし、ＡｇとＡｌの合金をターゲットとして用いてスパッタリングを行ってもよい。また、ＡｌとＡｇを積層してもよい。
【００３３】
また、前記固着工程は、めっき、蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているインクの塗布によって、前記セラミックス基板の接合面及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方にＡｇを固着させるものとすることが好ましい。
この場合、めっき、蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているインクの塗布によって、Ａｇが前記セラミックス基板の接合面及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方に確実に固着されるので、セラミックス基板と金属板との接合界面にＡｇを確実に介在させることが可能となる。また、Ａｇの固着量を精度良く調整することができ、溶融金属領域を確実に形成して、セラミックス基板と金属板とを強固に接合することが可能となる。
【００３４】
さらに、前記固着工程は、Ａｇペーストを前記セラミックス基板の接合面及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方に塗布することにより前記固着層を形成することが好ましい。
この場合、Ａｇペーストを塗布することにより確実に固着層を形成することが可能となる。また、Ａｇペーストは大気雰囲気で加熱して焼成しても、Ａｇが酸化しないことから、容易にＡｇを含有する固着層を形成することができる。
なお、Ａｇペーストを用いる場合には、大気で加熱した際の金属板の酸化を防止するために、セラミックス基板側に塗布することが好ましい。また、Ａｇペーストを塗布した状態で前記セラミックス基板と前記金属板と積層しておき、積層された前記セラミックス基板と前記金属板を積層方向に加圧するとともに加熱する際に、Ａｇペーストの焼成を行う構成としてもよい。
【００３５】
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板の一方の表面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる第一の金属板が接合され、前記セラミックス基板の他方の表面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる第二の金属板が接合されており、前記第二の金属板のうち前記セラミックス基板との接合面とは反対側の面に、前記ヒートシンクが接合されてなるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法であって、前記セラミックス基板と前記第一の金属板、及び、前記セラミックス基板と前記第二の金属板とを接合するセラミックス基板接合工程と、前記第二の金属板の一面に前記ヒートシンクを接合するヒートシンク接合工程と、を有し、前記ヒートシンク接合工程は、前記第二の金属板の接合面及び前記ヒートシンクの接合面のうち少なくとも一方に、Ａｇを固着してＡｇ層を形成するＡｇ層形成工程と、前記Ａｇ層を介して前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを積層するヒートシンク積層工程と、積層された前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを積層方向に加圧するとともに加熱し、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとの界面に溶融金属領域を形成するヒートシンク加熱工程と、この溶融金属領域を凝固させることによって、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを接合する溶融金属凝固工程と、を有し、前記ヒートシンク加熱工程において、前記Ａｇ層のＡｇを前記第二の金属板及び前記ヒートシンクに向けて拡散させることにより、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとの界面に、前記溶融金属領域を形成することを特徴としている。
【００３６】
この構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法においては、第二の金属板とヒートシンクとを接合するヒートシンク接合工程が、前記第二の金属板の接合面及び前記ヒートシンクの接合面のうち少なくとも一方に、Ａｇを固着してＡｇ層を形成するＡｇ層形成工程を備えているので、第二の金属板とヒートシンクとの接合界面には、Ａｇが介在することになる。Ａｇは、アルミニウムの融点を降下させる元素であるため、比較的低温条件において、ヒートシンクと第二の金属板との界面に溶融金属領域を形成することができる。
よって、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、ヒートシンクと第二の金属板とを強固に接合することが可能となる。
【００３７】
また、Ａｇ層内のＡｇを前記第二の金属板及びヒートシンクに向けて拡散させることにより、前記ヒートシンクと前記第二の金属板との界面に前記溶融金属領域を形成し、この溶融金属領域を凝固させることで、前記第二の金属板と前記ヒートシンクを接合する構成としているので、製造が困難なＡｌ−Ｓｉ系のろう材箔等を用いる必要がなく、低コストで、第二の金属板とヒートシンクとが確実に接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造することができる。
さらに、ろう材箔を使用せずに、前記ヒートシンクの接合面及び前記第二の金属板の接合面のうち少なくとも一方に、直接、Ａｇを固着しているので、ろう材箔の位置合わせ作業等を行う必要がない。
しかも、前記ヒートシンクの接合面及び前記第二の金属板の接合面に、直接、Ａｇを固着した場合、酸化被膜は、第二の金属板及びヒートシンクの表面にのみ形成されることになり、第二の金属板及びヒートシンクの界面に存在する酸化被膜の合計厚さが薄くなるので、初期接合の歩留りが向上する。
【００３８】
ここで、前記セラミックス基板接合工程と、前記ヒートシンク接合工程と、を同時に行うことが好ましい。
この場合、前記セラミックス基板接合工程と、前記ヒートシンク接合工程と、を同時に行うことによって、接合に掛かるコストを大幅に削減することができる。また、繰り返し加熱、冷却を行わずに済むので、このヒートシンク付パワーモジュール用基板の反りの低減を図ることができる。
【００３９】
さらに、前記第二の金属板が、複数の金属板が積層されて構成されていることが好ましい。
この場合、第二の金属板が、複数の金属板が積層された構造とされているので、ヒートシンクとセラミックス基板との熱膨張係数の差に起因する熱歪みをこの第二の金属板で十分に緩和することができ、セラミックス基板での割れの発生を抑制することができる。
【００４０】
また、前記Ａｇ層形成工程は、めっき、蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているペースト及びインクなどの塗布によって前記ヒートシンクの接合面及び前記第二の金属板の接合面のうち少なくとも一方に、Ａｇを固着させることが好ましい。
この場合、めっき、蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているペースト及びインクなどの塗布によって、Ａｇが前記ヒートシンクの接合面及び前記第二の金属板の接合面のうち少なくとも一方に固着されるので、ヒートシンクと第二の金属板との接合界面にＡｇを確実に介在させることが可能となる。また、Ａｇの固着量を精度良く調整することができ、溶融金属領域を確実に形成して、ヒートシンクと第二の金属板とを強固に接合することが可能となる。
【００４１】
さらに、前記Ａｇ層形成工程では、ＡｇとともにＡｌを固着させることが好ましい。
この場合、ＡｇとともにＡｌを固着させているので、形成されるＡｇ層がＡｌを含有することになり、ヒートシンク加熱工程において、このＡｇ層が優先的に溶融して溶融金属領域を確実に形成することが可能となり、ヒートシンクと第二の金属板とを強固に接合することができる。なお、ＡｇとともにＡｌを固着させるには、ＡｇとＡｌとを同時に蒸着してもよいし、ＡｇとＡｌの合金をターゲットとして用いてスパッタリングを行ってもよい。また、ＡｌとＡｇを積層してもよい。
【発明の効果】
【００４２】
本発明によれば、金属板とセラミックス基板とが確実に接合され、熱サイクル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、このパワーモジュール用基板を備えたパワーモジュール及びこのパワーモジュール用基板の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の第１の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】本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層及び金属層のＡｇ濃度分布及びＧｅ濃度分布を示す説明図である。
【図３】本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層及び金属層（金属板）とセラミックス基板との接合界面のＴＥＭ観察図である。
【図４】本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示すフロー図である。
【図５】本発明の第１の実施形態である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６】図５における金属板とセラミックス基板との接合界面近傍を示す説明図である。
【図７】本発明の第２の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８】本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層及び金属層のＡｇ濃度分布を示す説明図である。
【図９】本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層及び金属層（金属板）とセラミックス基板との接合界面の模式図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示すフロー図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態である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１２】本発明の第３の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１３】本発明の第３の実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層及び金属層のＡｇ濃度分布を示す説明図である。
【図１４】本発明の第３の実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層及び金属層（金属板）とセラミックス基板との接合界面の模式図である。
【図１５】本発明の第３の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示すフロー図である。
【図１６】本発明の第３の実施形態である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１７】本発明の第３の実施形態であるパワーモジュール用基板を備えた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１８】本発明の第４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１９】本発明の第４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の金属層及びヒートシンクのＡｇ濃度分布を示す説明図である。
【図２０】本発明の第４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の製造方法のフロー図である。
【図２１】本発明の第４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の製造方法を示す説明図である。
【図２２】図２１における第二の金属板（金属層）とヒートシンクとの接合界面近傍を示す説明図である。
【図２３】本発明の第５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２４】本発明の第５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の製造方法のフロー図である。
【図２５】本発明の第５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の製造方法を示す説明図である。
【図２６】本発明の第５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の製造方法を示す説明図である。
【図２７】本発明の他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。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
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、図１から図６を用いて、本発明の第１の実施形態であ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パワーモジュール、並びに、パワーモジュール用基板の製造方法について説明する。
【００４５】
図１に示すパワーモジュール１は、回路層１２が配設されたパワーモジュール用基板１０と、回路層１２の表面にはんだ層２を介して接合された半導体チップ３と、ヒートシンク４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。なお、本実施形態では、回路層１２とはんだ層２との間にＮｉめっき層（図示なし）が設けられている。
【００４６】
パワーモジュール用基板１０は、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１３とを備えている。
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。なお、本実施形態では、図１に示すように、セラミック基板１１の幅（図１の左右方向長さ）は、回路層１２及び金属層１３の幅より広く設定されている。
【００４７】
回路層１２は、図５に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に導電性を有する金属板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、回路層１２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）の圧延板からなる金属板２２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。
【００４８】
金属層１３は、図５に示すように、セラミックス基板１１の他方の面に金属板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、金属層１３は、回路層１２と同様に、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）の圧延板からなる金属板２３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。
【００４９】
ヒートシンク４は、前述のパワーモジュール用基板１０を冷却するためのものであり、パワーモジュール用基板１０と接合される天板部５と、冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路６と、を備えている。ヒートシンク４（天板部５）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、Ａ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。
また、本実施形態においては、ヒートシンク４の天板部５と金属層１３との間には、アルミニウム又はアルミニウム合金若しくはアルミニウムを含む複合材（例えばＡｌＳｉＣ等）からなる緩衝層１５が設けられている。
【００５０】
そして、図２に示すように、セラミックス基板１１と回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）との接合界面３０においては、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）に、Ａｇに加えて、Ｚｎ，Ｇｅ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶している。
回路層１２及び金属層１３の接合界面３０近傍には、接合界面３０から積層方向に離間するにしたがい漸次Ａｇ濃度及び前記添加元素の濃度が低下する濃度傾斜層３３が形成されている。ここで、回路層１２及び金属層１３の接合界面３０近傍のＡｇ濃度及び前記添加元素の濃度の合計が、０．０５質量％以上１０質量％以下の範囲内に設定されている。
【００５１】
なお、回路層１２及び金属層１３の接合界面３０近傍のＡｇ濃度及び前記添加元素の濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって、接合界面３０から５０μｍの位置で５点測定した平均値である。また、図２のグラフは、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）の中央部分において積層方向にライン分析を行い、前述の５０μｍ位置での濃度を基準として求めたものである。
ここで、本実施形態では、Ｇｅを添加元素として用いており、回路層１２及び金属層１３の接合界面３０近傍のＡｇ濃度及びＧｅ濃度の合計が０．０５質量％以上１０質量％以下に設定されている。
【００５２】
また、セラミックス基板１１と回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）との接合界面３０を透過電子顕微鏡において観察した場合には、図３に示すように、接合界面３０にＡｇが濃縮したＡｇ高濃度部３２が形成されている。このＡｇ高濃度部３２においては、Ａｇ濃度が、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）中のＡｇ濃度の２倍以上とされている。なお、このＡｇ高濃度部３２の厚さＨは４ｎｍ以下とされている。
さらに、このＡｇ高濃度部３２においては、酸素濃度が、セラミックス基板１１中の酸素濃度よりも高く設定されている。
【００５３】
なお、ここで観察する接合界面３０は、図３に示すように、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）の格子像の界面側端部とセラミックス基板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、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）中のＡｇ濃度とは、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）のうち接合界面３０から一定距離（本実施形態では、５ｎｍ以上）離れた部分（図３においてＡ点）におけるＡｇ濃度である。
また、セラミックス基板１１中の酸素濃度とは、セラミックス基板１１のうち接合界面３０から一定距離（本実施形態では、５ｎｍ以上）離れた部分（図３においてＣ点）における結晶粒内の酸素濃度である。
【００５４】
また、この接合界面３０（図３においてＢ点）をエネルギー分散型Ｘ線分析法（ＥＤＳ）で分析した際のＡｌ、Ａｇ、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：Ａｇ：Ｏ：Ｎ＝５０〜９０質量％：１〜３０質量％：１〜１０質量％：２５質量％以下の範囲内に設定されている。なお、ＥＤＳによる分析を行う際のスポット径は１〜４ｎｍとされており、接合界面３０を複数点（例えば、本実施形態では２０点）で測定し、その平均値を算出している。また、回路層１２及び金属層１３を構成する金属板２２、２３の結晶粒界とセラミックス基板１１との接合界面３０は測定対象とせず、回路層１２及び金属層１３を構成する金属板２２、２３の結晶粒とセラミックス基板１１との接合界面３０のみを測定対象としている。
【００５５】
以下に、前述の構成の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を参照して説明する。
【００５６】
（固着工程Ｓ０１）
まず、図５及び図６に示すように、金属板２２、２３のそれぞれの接合面に、スパッタリングによって、Ａｇと、Ｚｎ，Ｇｅ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着し、固着層２４、２５を形成する。
ここで、本実施形態では、Ｇｅを添加元素として用いており、固着層２４、２５におけるＡｇ量は０．０１ｍｇ／ｃｍ２以上１０ｍｇ／ｃｍ２以下、添加元素であるＧｅ量は０．０１ｍｇ／ｃｍ２以上１０ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されている。
【００５７】
（積層工程Ｓ０２）
次に、図５に示すように、金属板２２をセラミックス基板１１の一方の面側に積層し、かつ、金属板２３をセラミックス基板１１の他方の面側に積層する。このとき、図５及び図６に示すように、金属板２２、２３のうち固着層２４、２５が形成された面がセラミックス基板１１を向くように積層する。すなわち、金属板２２、２３とセラミックス基板１１との間にそれぞれ固着層２４、２５（Ａｇ及びＧｅ）を介在させているのである。このようにして積層体２０を形成する。
【００５８】
（加熱工程Ｓ０３）
次に、積層工程Ｓ０２において形成された積層体２０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し、図６に示すように、金属板２２、２３とセラミックス基板１１との界面にそれぞれ溶融金属領域２６、２７を形成する。この溶融金属領域２６、２７は、図６に示すように、固着層２４、２５のＡｇ及び添加元素（Ｇｅ）が金属板２２、２３に向けて拡散することによって、金属板２２、２３の固着層２４、２５近傍のＡｇ濃度及び添加元素濃度（Ｇｅ濃度）が上昇して融点が低くなることにより形成されるものである。なお、上述の圧力が１ｋｇｆ／ｃｍ２未満の場合には、セラミックス基板１１と金属板２２、２３との接合を良好に行うことができなくなるおそれがある。また、上述の圧力が３５ｋｇｆ／ｃｍ２を超えた場合には、金属板２２，２３が変形するおそれがある。よって、上述の加圧圧力は、１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２の範囲内とすることが好ましい。
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、加熱温度は５５０℃以上６５０℃以下の範囲内に設定している。
【００５９】
（凝固工程Ｓ０４）
次に、溶融金属領域２６、２７が形成された状態で温度を一定に保持しておく。すると、溶融金属領域２６、２７中のＡｇ及び添加元素（Ｇｅ）が、さらに金属板２２、２３に向けて拡散していくことになる。これにより、溶融金属領域２６、２７であった部分のＡｇ濃度及び添加元素濃度（Ｇｅ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とになる。つまり、セラミックス基板１１と金属板２２、２３とは、いわゆる拡散接合（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｐｈａｓｅ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって接合されているのである。このようにして凝固が進行した後に、常温にまで冷却を行う。
【００６０】
このようにして、回路層１２及び金属層１３となる金属板２２、２３とセラミックス基板１１とが接合され、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０が製造される。
【００６１】
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及びパワーモジュール１においては、金属板２２、２３の接合面にＡｇに加えて、添加元素（Ｇｅ）を固着させる固着工程Ｓ０１を備えているので、金属板２２、２３とセラミックス基板１１の接合界面３０には、Ａｇ及び添加元素（Ｇｅ）が介在することになる。ここで、Ａｇ、Ｇｅは、アルミニウムの融点を降下させる元素であるため、比較的低温条件において金属板とセラミックス基板との界面に溶融金属領域を形成することができる。
【００６２】
さらに、セラミックス基板１１と回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）とが、金属板２２、２３の接合面に形成されたＡｇ及び添加元素（Ｇｅ）を含有する固着層２４、２５のＡｇ及び添加元素（Ｇｅ）を金属板２２、２３に向けて拡散させることによって溶融金属領域２６、２７を形成し、この溶融金属領域２６、２７中のＡｇ及び添加元素（Ｇｅ）を金属板２２、２３へ拡散させて凝固させることによって接合されているので、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、セラミックス基板１１と金属板２２、２３とを強固に接合することが可能となる。
【００６３】
また、セラミックス基板１１と回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）との接合界面３０においては、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）にＡｇ及び添加元素（Ｇｅ）が固溶しており、回路層１２及び金属層１３のそれぞれの接合界面３０側のＡｇ濃度及び添加元素濃度（Ｇｅ濃度）の合計が、０．０５質量％以上１０質量％以下の範囲内に設定されているので、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）の接合界面３０側の部分が固溶強化し、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）における亀裂の発生を防止することができる。
また、加熱工程Ｓ０３において、Ａｇ及び添加元素（Ｇｅ）が十分に金属板２２、２３に向けて拡散しており、金属板２２、２３とセラミックス基板１１とが強固に接合されていることになる。
【００６４】
また、本実施形態では、セラミックス基板１１がＡｌＮで構成されており、回路層１２及び金属層１３となる金属板２２、２３とセラミックス基板１１との接合界面３０に、Ａｇが濃縮したＡｇ高濃度部３２が形成されており、このＡｇ高濃度部３２のＡｇ濃度が、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）中のＡｇ濃度の２倍以上とされているので、界面近傍に存在するＡｇ原子により、セラミックス基板と金属板との接合強度の向上を図ることが可能となる。また、このＡｇ高濃度部３２の厚さが４ｎｍ以下とされているので、熱サイクルを負荷した際の応力によってＡｇ高濃度部３２にクラックが発生することが抑制される。
【００６５】
さらに、本実施形態では、接合界面３０をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析したＡｌ、Ａｇ、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：Ａｇ：Ｏ：Ｎ＝５０〜９０質量％：１〜３０質量％：１〜１０質量％：２５質量％以下とされているので、接合界面３０に、ＡｌとＡｇとの反応物が過剰に生成して接合を阻害することを防止できるとともに、Ａｇ原子による接合強度の向上効果を充分に奏功せしめることができる。また、接合界面３０に酸素濃度の高い部分が厚く存在することが防止され、熱サイクルを負荷した際のクラックの発生を抑制することができる。
【００６６】
また、金属板の接合面にＡｇ及び添加元素（Ｇｅ）を固着させて、固着層２４、２５を形成する固着工程Ｓ０１を備えており、加熱工程Ｓ０３において、固着層２４、２５の添加元素（Ｇｅ）を金属板２２、２３に向けて拡散させることにより、セラミックス基板１１と金属板２２、２３との界面に溶融金属領域２６、２７を形成する構成としているので、製造が困難なＡｌ−Ｓｉ系のろう材箔を用いる必要がなく、低コストで、金属板２２、２３とセラミックス基板１１とが確実に接合されたパワーモジュール用基板１０を製造することができる。
【００６７】
また、ろう材箔を使用せずに、金属板２２、２３の接合面に直接固着層２４、２５を形成しているので、ろう材箔の位置合わせ作業等を行う必要がなく、確実にセラミックス基板１１と金属板２２，２３とを接合することができる。よって、このパワーモジュール用基板１０を効率良く製出することが可能となる。
しかも、金属板２２、２３の接合面に固着層２４、２５を形成しているので、金属板２２、２３とセラミックス基板１１との界面に介在する酸化被膜は、金属板２２、２３の表面にのみ存在することになるため、初期接合の歩留りを向上させることができる。
【００６８】
次に、本発明の第２の実施形態であ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パワーモジュール、並びに、パワーモジュール用基板の製造方法について、図７から図１１を参照して説明する。
【００６９】
図７に示すパワーモジュール１０１は、回路層１１２が配設されたパワーモジュール用基板１１０と、回路層１１２の表面にはんだ層２を介して接合された半導体チップ３と、ヒートシンク１４０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。なお、本実施形態では、回路層１１２とはんだ層２との間にＮｉめっき層（図示なし）が設けられている。
【００７０】
パワーモジュール用基板１１０は、セラミックス基板１１１と、このセラミックス基板１１１の一方の面（図７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１１１の他方の面（図７において下面）に配設された金属層１１３とを備えている。
セラミックス基板１１１は、回路層１１２と金属層１１３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Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）で構成されている。また、セラミックス基板１１１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。
【００７１】
回路層１１２は、セラミックス基板１１１の一方の面に導電性を有する金属板１２２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）の圧延板からなる金属板１２２がセラミックス基板１１１に接合されることにより形成されている。
金属層１１３は、セラミックス基板１１１の他方の面に金属板１２３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は、回路層１１２と同様に、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）の圧延板からなる金属板１２３がセラミックス基板１１１に接合されることで形成されている。
【００７２】
ヒートシンク１４０は、前述のパワーモジュール用基板１１０を冷却するためのものであり、パワーモジュール用基板１１０と接合される天板部１４１と、冷却媒体が流通する流路１４２と、を備えている。ヒートシンク１４０（天板部１４１）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、Ａ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。  
また、本実施形態においては、ヒートシンク１４０の天板部１４１と金属層１１３との間には、アルミニウム又はアルミニウム合金若しくはアルミニウムを含む複合材（例えばＡｌＳｉＣ等）からなる緩衝層１１５が設けられている。
【００７３】
そして、図８に示すように、セラミックス基板１１１と回路層１１２（金属板１２２）及び金属層１１３（金属板１２３）との接合界面１３０においては、回路層１１２（金属板１２２）及び金属層１１３（金属板１２３）に、Ａｇが固溶している。
詳述すると、回路層１１２及び金属層１１３の接合界面１３０近傍には、接合界面１３０から積層方向に離間するにしたがい漸次Ａｇ濃度が低下する濃度傾斜層１３３が形成されている。ここで、回路層１１２及び金属層１１３の接合界面１３０近傍のＡｇ濃度が、０．０５質量％以上１０質量％以下の範囲内に設定されている。
なお、回路層１１２及び金属層１１３の接合界面１３０近傍のＡｇ濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって、接合界面１３０から５０μｍの位置で５点測定した平均値である。また、図８のグラフは、回路層１１２（金属板１２２）及び金属層１１３（金属板１２３）の中央部分において積層方向にライン分析を行い、前述の５０μｍ位置での濃度を基準として求めたものである。
【００７４】
また、セラミックス基板１１１と回路層１１２（金属板１２２）及び金属層１１３（金属板１２３）との接合界面１３０を透過電子顕微鏡において観察した場合には、図９に示すように、接合界面１３０にＡｇが濃縮したＡｇ高濃度部１３２が形成されている。このＡｇ高濃度部１３２においては、Ａｇ濃度が、回路層１１２（金属板１２２）及び金属層１１３（金属板１２３）中のＡｇ濃度の２倍以上とされている。なお、このＡｇ高濃度部１３２の厚さＨは４ｎｍ以下とされている。
【００７５】
なお、ここで観察する接合界面１３０は、図９に示すように、回路層１１２（金属板１２２）及び金属層１１３（金属板１２３）の格子像の界面側端部とセラミックス基板１１１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、回路層１１２（金属板１２２）及び金属層１１３（金属板１２３）中のＡｇ濃度は、回路層１１２（金属板１２２）及び金属層１１３（金属板１２３）のうち接合界面１３０から一定距離（本実施形態では、５ｎｍ以上）離れた部分におけるＡｇ濃度である。
【００７６】
また、この接合界面１３０をエネルギー分散型Ｘ線分析法（ＥＤＳ）で分析した際のＡｌ、Ａｇ、Ｏの質量比が、Ａｌ：Ａｇ：Ｏ＝５０〜９０質量％：１〜３０質量％：４５質量％以下の範囲内に設定されている。なお、ＥＤＳによる分析を行う際のスポット径は１〜４ｎｍとされており、接合界面１３０を複数点（例えば、本実施形態では２０点）で測定し、その平均値を算出している。また、回路層１１２及び金属層１１３を構成する金属板１２２、１２３の結晶粒界とセラミックス基板１１１との接合界面１３０は測定対象とせず、回路層１１２及び金属層１１３を構成する金属板１２２、１２３の結晶粒とセラミックス基板１１１との接合界面１３０のみを測定対象としている。
【００７７】
以下に、前述の構成のパワーモジュール用基板の製造方法について、図１０及び図１１を参照して説明する。
【００７８】
（Ａｇペースト塗布工程Ｓ１０１）
まず、図１１に示すように、セラミックス基板１１１の一方の面及び他方の面に、スクリーン印刷によってＡｇペーストを塗布し、Ａｇペースト層１２４ａ、１２５ａを形成する。なお、Ａｇペースト層１２４ａ，１２５ａの厚さは、乾燥後で約０．０２〜２００μｍとされている。
このＡｇペースト層１２４ａ、１２５ａを１５０〜２００℃まで加熱して溶媒を除去した後に、３００〜５００℃で焼成を行い、分解Ａｇペースト層を焼成する。
【００７９】
ここで使用されるＡｇペーストは、Ａｇ粉末と、樹脂と、溶剤と、分散剤と、を含有しており、Ａｇ粉末の含有量が、Ａｇペースト全体の６０質量％以上９０質量％以下とされており、残部が樹脂、溶剤、分散剤とされている。なお、本実施形態では、Ａｇ粉末の含有量は、Ａｇペースト全体の８５質量％とされている。
また、本実施形態では、Ａｇペーストの粘度が１０Ｐａ・ｓ以上５００Ｐａ・ｓ以下、より好ましくは５０Ｐａ・ｓ以上３００Ｐａ・ｓ以下に調整されている。
【００８０】
Ａｇ粉末は、その粒径が０．０５μｍ以上１．０μｍ以下とされており、本実施形態では、平均粒径０．８μｍのものを使用した。
溶剤は、沸点が２００℃以上のものが適しており、例えば、α−テルピネオール、ブチルカルビトールアセテート、ジエチレンクリコールジブチルエーテル等を適用することができる。なお、本実施形態では、ジエチレンクリコールジブチルエーテルを用いている。
樹脂は、Ａｇペーストの粘度を調整するものであり、５００℃以上で分解されるものが適しており、例えば、アクリル樹脂、アルキッド樹脂等を適用することができる。なお、本実施形態では、エチルセルロースを用いている。
また、本実施形態では、ジカルボン酸系の分散剤を添加している。なお、分散剤を添加することなくＡｇペーストを構成してもよい。
【００８１】
（積層工程Ｓ１０２）
次に、金属板１２２をセラミックス基板１１１の一方の面側に積層し、かつ、金属板１２３をセラミックス基板１１１の他方の面側に積層する。
【００８２】
（加熱工程Ｓ１０３）
次に、金属板１２２、セラミックス基板１１１、金属板１２３を積層方向に加圧（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。このとき、昇温の過程において、４００〜５００℃の時点で，分解Ａｇペースト層内の樹脂が除去され、Ａｇ焼成層１２４、１２５が形成される。このＡｇ焼成層１２４、１２５が、本実施形態におけるＡｇ固着層となる。
そして、さらに加熱することにより、Ａｇ焼成層１２４、１２５のＡｇが金属板１２２、１２３に向けて拡散し、金属板１２２、１２３とセラミックス基板１１１との界面に溶融金属領域が形成される。ここで、本実施形態では、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６５０℃以下の範囲内に設定している。
【００８３】
（凝固工程Ｓ１０４）
次に、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き、溶融金属領域中のＡｇを、さらに金属板１２２、１２３に向けて拡散させる。すると、溶融金属領域であった部分のＡｇ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とになる。つまり、セラミックス基板１１１と金属板１２２、１２３とは、いわゆる拡散接合（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｐｈａｓｅ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって接合されているのである。このように凝固が進行した後に、常温にまで冷却を行う。
このようにして、パワーモジュール用基板１１０が製出される。
【００８４】
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１１０及びパワーモジュール１０１においては、セラミックス基板１１１と回路層１１２（金属板１２２）及び金属層１１３（金属板１２３）とが、セラミックス基板１１１の一方の面及び他方の面に形成されたＡｇ焼成層１２４、１２５のＡｇを金属板１２２、１２３に向けて拡散させることによって溶融金属領域を形成し、この溶融金属領域中のＡｇを金属板１２２、１２３へさらに拡散させて凝固させることにより接合されているので、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、セラミックス基板１１１と金属板１２２、１２３とを強固に接合することが可能となる。
【００８５】
また、セラミックス基板１１１と回路層１１２及び金属層１１３との接合界面１３０においては、回路層１１２及び金属層１１３にＡｇが固溶しており、回路層１１２及び金属層１１３のそれぞれの接合界面１３０側のＡｇ濃度が、０．０５質量％以上１０質量％以下の範囲内に設定されているので、回路層１１２及び金属層１１３の接合界面１３０側の部分が固溶強化し、回路層１１２及び金属層１１３における亀裂の発生を防止することができる。
【００８６】
また、本実施形態では、セラミックス基板１１１がＡｌ２Ｏ３で構成されており、回路層１１２及び金属層１１３となる金属板１２２、１２３とセラミックス基板１１１との接合界面１３０に、Ａｇが濃縮したＡｇ高濃度部１３２が形成されており、このＡｇ高濃度部１３２のＡｇ濃度が、回路層１１２及び金属層１１３中のＡｇ濃度の２倍以上とされているので、界面近傍に存在するＡｇ原子により、セラミックス基板と金属板との接合強度の向上を図ることが可能となる。また、このＡｇ高濃度部１３２の厚さが４ｎｍ以下とされているので、熱サイクルを負荷した際の応力によってＡｇ高濃度部１３２にクラックが発生することが抑制される。
【００８７】
さらに、本実施形態では、接合界面１３０をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析したＡｌ、Ａｇ、Ｏの質量比が、Ａｌ：Ａｇ：Ｏ＝５０〜９０質量％：１〜３０質量％：４５質量％以下とされているので、接合界面１３０に、ＡｌとＡｇとの反応物が過剰に生成して接合を阻害することを防止できるとともに、Ａｇ原子による接合強度の向上効果を充分に奏功せしめることができる。
【００８８】
また、本実施形態では、Ａｇペースト層１２４ａ、１２５ａを焼成したＡｇ焼成層１２４、１２５をＡｇ固着層としているので、セラミックス基板１１１と金属板１２２、１２３との間にＡｇを確実に介在させることができる。また、このＡｇペーストは、大気雰囲気で加熱して焼成してもＡｇが酸化しないことから、比較的容易にＡｇ焼成層１２４、１２５を形成することができる。
【００８９】
次に、本発明の第３の実施形態であ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パワーモジュール、並びに、パワーモジュール用基板の製造方法について、図１２から図１７を参照して説明する。
【００９０】
図１２に示すパワーモジュール２０１は、回路層２１２が配設されたパワーモジュール用基板２１０と、回路層２１２の表面にはんだ層２を介して接合された半導体チップ３と、ヒートシンク２４０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。なお、本実施形態では、回路層２１２とはんだ層２との間にＮｉめっき層（図示なし）が設けられている。
【００９１】
パワーモジュール用基板２１０は、セラミックス基板２１１と、このセラミックス基板２１１の一方の面（図１２において上面）に配設された回路層２１２と、セラミックス基板２１１の他方の面（図１２において下面）に配設された金属層２１３とを備えている。
セラミックス基板２１１は、回路層２１２と金属層２１３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Ｓｉ３Ｎ４（窒化珪素）で構成されている。また、セラミックス基板２１１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。
【００９２】
回路層２１２は、セラミックス基板２１１の一方の面に導電性を有する金属板２２２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２１２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）の圧延板からなる金属板２２２がセラミックス基板２１１に接合されることにより形成されている。
金属層２１３は、セラミックス基板２１１の他方の面に金属板２２３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２１３は、回路層２１２と同様に、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）の圧延板からなる金属板２２３がセラミックス基板２１１に接合されることで形成されている。
【００９３】
ヒートシンク２４０は、前述のパワーモジュール用基板２１０を冷却するためのものである。本実施形態におけるヒートシンク２４０は、パワーモジュール用基板２１０と接合される天板部２４１と、この天板部２４１に対向するように配置された底板部２４５と、天板部２４１と底板部２４５との間に介装されたコルゲートフィン２４６と、を備えており、天板部２４１と底板部２４５とコルゲートフィン２４６とによって、冷却媒体が流通する流路２４２が画成されている。
【００９４】
ここで、このヒートシンク２４０は、天板部２４１とコルゲートフィン２４６、コルゲートフィン２４６と底板部２４５が、それぞれろう付けされることによって構成されている。本実施形態では、図１７に示すように、天板部２４１及び底板部２４５は、基材層２４１Ａ、２４５Ａと、基材層２４１Ａ、２４５Ａよりも融点の低い材料からなる接合層２４１Ｂ、２４５Ｂが積層された積層アルミ板で構成されており、接合層２４１Ｂ、２４５Ｂがコルゲートフィン２４６側を向くように、天板部２４１及び底板部２４５が配設されている。つまり、天板部２４１の基材層２４１Ａが金属層２１３に接する構成とされているのである。
なお、本実施形態では、基材層２４１Ａ、２４５ＡがＡ３００３合金で構成されており、接合層２４１Ｂ、２４５ＢがＡ４０４５合金で構成されている。
【００９５】
そして、図１３に示すように、セラミックス基板２１１と回路層２１２（金属板２２２）及び金属層２１３（金属板２２３）との接合界面２３０においては、回路層２１２（金属板２２２）及び金属層２１３（金属板２２３）に、Ａｇが固溶している。
詳述すると、回路層２１２及び金属層２１３の接合界面２３０近傍には、接合界面２３０から積層方向に離間するにしたがい漸次Ａｇ濃度が低下する濃度傾斜層２３３が形成されている。ここで、回路層２１２及び金属層２１３の接合界面２３０近傍のＡｇ濃度が、０．０５質量％以上１０質量％以下の範囲内に設定されている。
なお、回路層２１２及び金属層２１３の接合界面２３０近傍のＡｇ濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって、接合界面２３０から５０μｍの位置で５点測定した平均値である。また、図１３のグラフは、回路層２１２（金属板２２２）及び金属層２１３（金属板２２３）の中央部分において積層方向にライン分析を行い、前述の５０μｍ位置での濃度を基準として求めたものである。
【００９６】
また、セラミックス基板２１１と回路層２１２（金属板２２２）及び金属層２１３（金属板２２３）との接合界面２３０を透過電子顕微鏡において観察した場合には、図１４に示すように、接合界面２３０にＡｇが濃縮したＡｇ高濃度部２３２が形成されている。このＡｇ高濃度部２３２においては、Ａｇ濃度が、回路層２１２（金属板２２２）及び金属層２１３（金属板２２３）中のＡｇ濃度の２倍以上とされている。なお、このＡｇ高濃度部２３２の厚さＨは４ｎｍ以下とされている。
さらに、このＡｇ高濃度部２３２においては、酸素濃度が、セラミックス基板２１１中の酸素濃度よりも高く設定されている。
【００９７】
なお、ここで観察する接合界面２３０は、図１４に示すように、回路層２１２（金属板２２２）及び金属層２１３（金属板２２３）の格子像の界面側端部とセラミックス基板２１１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、回路層２１２（金属板２２２）及び金属層２１３（金属板２２３）中のＡｇ濃度は、回路層２１２（金属板２２２）及び金属層２１３（金属板２２３）のうち接合界面２３０から一定距離（本実施形態では、５ｎｍ以上）離れた部分におけるＡｇ濃度である。
また、セラミックス基板２１１中の酸素濃度とは、セラミックス基板２１１のうち接合界面２３０から一定距離（本実施形態では、５ｎｍ以上）離れた部分における結晶粒内の酸素濃度である。
【００９８】
また、この接合界面２３０をエネルギー分散型Ｘ線分析法（ＥＤＳ）で分析した際のＡｌ、Ｓｉ、Ａｇ、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：Ｓｉ：Ａｇ：Ｏ：Ｎ＝１５〜４５質量％：１５〜４５質量％：１〜３０質量％：１〜１０質量％：２５質量％以下の範囲内に設定されている。なお、ＥＤＳによる分析を行う際のスポット径は１〜４ｎｍとされており、接合界面２３０を複数点（例えば、本実施形態では２０点）で測定し、その平均値を算出している。また、回路層２１２及び金属層２１３を構成する金属板２２２、２２３の結晶粒界とセラミックス基板２１１との接合界面２３０は測定対象とせず、回路層２１２及び金属層２１３を構成する金属板２２２、２２３の結晶粒とセラミックス基板２１１との接合界面２３０のみを測定対象としている。
【００９９】
以下に、前述の構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法について、図１５から図１７を参照して説明する。
【０１００】
（Ａｇペースト塗布工程Ｓ２０１）
まず、図１６に示すように、セラミックス基板２１１の一方の面及び他方の面に、スロットダイ又はインクジェット印刷によってＡｇペーストを塗布し、Ａｇペースト層２２４ａ、２２５ａを形成する。なお、Ａｇペースト層２２４ａ，２２５ａの厚さは、乾燥後で約０．０２〜２００μｍとされている。
ここで、使用されるＡｇペーストは、Ａｇ粉末と、溶剤と、分散剤と、を含有しており、Ａｇ粉末の含有量が、Ａｇペースト全体の６０質量％以上９０質量％以下とされており、残部が溶剤、分散剤とされている。なお、本実施形態では、Ａｇ粉末の含有量は、Ａｇペースト全体の８５質量％とされている。
また、本実施形態では、Ａｇペーストの粘度が１０Ｐａ・ｓ以上５００Ｐａ・ｓ以下、より好ましくは５０Ｐａ・ｓ以上３００Ｐａ・ｓ以下に調整されている。
【０１０１】
Ａｇ粉末は、その粒径が０．０２μｍ以上０．０４μｍ以下とされており、本実施形態では、平均粒径０．０３μｍのものを使用した。
溶剤は、沸点が２００℃以上のものが適しており、例えば、α−テルピネオール、ブチルカルビトールアセテート、ジエチレンクリコールジブチルエーテル等を適用することができる。なお、本実施形態では、ジエチレンクリコールジブチルエーテルを用いている。
また、本実施形態では、ジカルボン酸系の分散剤を添加している。なお、分散剤を添加することなくＡｇペーストを構成してもよい。
【０１０２】
（Ａｇペースト焼成工程Ｓ２０２）
次に、Ａｇペースト層２２４ａ、２２５ａを形成したセラミックス基板２１１を、大気雰囲気で１５０〜２００℃にまで加熱し、Ａｇ焼成層２２４，２２５を形成する。本実施形態では、このＡｇ焼成層２２４，２２５がＡｇ固着層となる。
【０１０３】
（積層工程Ｓ２０３）
次に、金属板２２２をセラミックス基板２１１の一方の面側に積層し、かつ、金属板２２３をセラミックス基板２１１の他方の面側に積層する。
【０１０４】
（加熱工程Ｓ２０４）
次に、金属板２２２、セラミックス基板２１１、金属板２２３を積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空加熱炉内に装入して加熱し、Ａｇ焼成層２２４，２２５のＡｇを金属板２２２、２２３に向けて拡散し、金属板２２２、２２３とセラミックス基板２１１との界面に溶融金属領域を形成する。
ここで、本実施形態では、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６５０℃以下の範囲内に設定している。
【０１０５】
（凝固工程Ｓ２０５）
次に、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き、溶融金属領域中のＡｇを、さらに金属板２２２、２２３に向けて拡散させる。すると、溶融金属領域であった部分のＡｇ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とになる。つまり、セラミックス基板２１１と金属板２２２、２２３とは、いわゆる拡散接合（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｐｈａｓｅ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって接合されているのである。このように凝固が進行した後に、常温にまで冷却を行う。
このようにして、パワーモジュール用基板２１０が製出される。
【０１０６】
（ヒートシンク積層工程Ｓ２０６）
次に、パワーモジュール用基板２１０の金属層２１３の他方の面側に、ヒートシンク２４０を構成する天板部２４１、コルゲートフィン２４６、底板部２４５を積層する。このとき、金属層２１３と天板部２４１との間にＡｇ固着層２２６を介在させる。本実施形態では、Ａｇ固着層２２６は、金属層２１３の他方の面に、スパッタやめっき、またＡｇペーストをスクリーン印刷することで形成されている。
また、天板部２４１の接合層２４１Ｂ及び底板部２４５の接合層２４５Ｂがコルゲートフィン２４６側を向くように、天板部２４１及び底板部２４５を積層する。
【０１０７】
（ヒートシンク加熱工程Ｓ２０７）
次に、積層されたパワーモジュール用基板２１０、天板部２４１、コルゲートフィン２４６及び底板部２４５を積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で、雰囲気加熱炉内に装入して加熱し、Ａｇ固着層２２６のＡｇを金属板２２３及び天板部２４１に向けて拡散させ、金属層２１３とヒートシンク２４０の天板部２４１との間に溶融金属領域を形成する。同時に、天板部２４１とコルゲートフィン２４６、底板部２４５とコルゲートフィン２４６との間にも、接合層２４１Ｂ、２４５Ｂを溶融させて溶融金属領域を形成する。
ここで、本実施形態では、雰囲気加熱炉内は、窒素ガス雰囲気とされており、加熱温度は５５０℃以上６３０℃以下の範囲内に設定している。
【０１０８】
（溶融金属凝固工程Ｓ２０８）
そして、冷却することにより、金属層２１３とヒートシンク２４０の天板部２４１との間に形成された溶融金属領域を凝固させることによって、金属層２１３と天板部２４１が接合される。また、天板部２４１とコルゲートフィン２４６、底板部２４５とコルゲートフィン２４６の間に形成された溶融金属領域を凝固させることによって、天板部２４１とコルゲートフィン２４６、底板部２４５とコルゲートフィン２４６とが接合される。
【０１０９】
このようにして、天板部２４１とコルゲートフィン２４６と底板部２４５とがろう付けされてヒートシンク２４０が形成されるとともに、このヒートシンク２４０とパワーモジュール用基板２１０とが接合されてヒートシンク付パワーモジュール用基板が製造されることになる。
【０１１０】
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２１０及びパワーモジュール２０１においては、セラミックス基板２１１と回路層２１２（金属板２２２）及び金属層２１３（金属板２２３）とが、セラミックス基板２１１の一方の面及び他方の面に形成されたＡｇ焼成層２２４、２２５のＡｇを金属板２２２、２２３に向けて拡散させることによって溶融金属領域を形成し、この溶融金属領域中のＡｇを金属板２２２、２２３へさらに拡散させて凝固させることにより接合されているので、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、セラミックス基板２１１と金属板２２２、２２３とを強固に接合することが可能となる。
【０１１１】
また、本実施形態では、セラミックス基板２１１がＳｉ３Ｎ４で構成されており、回路層２１２及び金属層２１３となる金属板２２２、２２３とセラミックス基板２１１との接合界面２３０に、Ａｇが濃縮したＡｇ高濃度部２３２が形成されており、このＡｇ高濃度部２３２のＡｇ濃度が、回路層２１２及び金属層２１３中のＡｇ濃度の２倍以上とされているので、界面近傍に存在するＡｇ原子により、セラミックス基板２１１と金属板２２２、２２３との接合強度の向上を図ることが可能となる。また、このＡｇ高濃度部２３２の厚さが４ｎｍ以下とされているので、熱サイクルを負荷した際の応力によってＡｇ高濃度部２３２にクラックが発生することが抑制される。
【０１１２】
さらに、本実施形態では、接合界面２３０をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析したＡｌ、Ｓｉ、Ａｇ、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：Ｓｉ：Ａｇ：Ｏ：Ｎ＝１５〜４５質量％：１５〜４５質量％：１〜３０質量％：１〜１０質量％：２５質量％以下とされているので、接合界面２３０に、ＡｌとＡｇとの反応物が過剰に生成して接合を阻害することを防止できるとともに、Ａｇ原子による接合強度の向上効果を充分に奏功せしめることができる。また、接合界面２３０に酸素濃度の高い部分が厚く存在することが防止され、熱サイクルを負荷した際のクラックの発生を抑制することができる。
【０１１３】
また、本実施形態では、Ａｇペースト層２２４ａ、２２５ａを焼成したＡｇ焼成層２２４、２２５をＡｇ固着層としているので、セラミックス基板２１１と金属板２２２、２２３との間にＡｇを確実に介在させることができる。また、このＡｇペーストは、大気雰囲気で加熱して焼成してもＡｇが酸化しないことから、比較的容易にＡｇ焼成層２２４、２２５を形成することができる。
しかも、本実施形態では、粒径が０．０２μｍ以上０．０４μｍ以下のＡｇ粒子とされ、樹脂を含有しないＡｇペーストを使用しているので、２００℃といった低温でＡｇペースト層２２４ａ、２２５ａを焼成してＡｇ焼成層２２４、２２５を形成することが可能となる。
【０１１４】
次に、本発明の第４の実施形態について、図１８から図２２を参照して説明する。
図１８に示すパワーモジュール３０１は、回路層３１２が配設されたパワーモジュール用基板３１０と、回路層３１２の表面にはんだ層２を介して接合された半導体チップ３と、ヒートシンク３４０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。なお、本実施形態では、回路層３１２とはんだ層２との間にＮｉメッキ層（図示なし）が設けられている。
【０１１５】
パワーモジュール用基板３１０は、セラミックス基板３１１と、このセラミックス基板３１１の一方の面（図１８において上面）に配設された回路層３１２と、セラミックス基板３１１の他方の面（図１８において下面）に配設された金属層３１３とを備えている。
セラミックス基板３１１は、回路層３１２と金属層３１３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３１１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。
【０１１６】
回路層３１２は、セラミックス基板３１１の一方の面に導電性を有する第一の金属板３２２が接合されることにより形成されている。
金属層３１３は、セラミックス基板３１１の他方の面に第二の金属板３２３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、第一の金属板３２２及び第二の金属板３２３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）の圧延板とされている。
【０１１７】
ヒートシンク３４０は、前述のパワーモジュール用基板３１０を冷却するためのものであり、パワーモジュール用基板３１０と接合される天板部３４１と、冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路３４２と、を備えている。ヒートシンク３４０（天板部３４１）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、Ａ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。
【０１１８】
そして、図１９に示すように、第二の金属板３２３（金属層３１３）とヒートシンク３４０との接合界面３３０においては、金属層３１３（第二の金属板３２３）及びヒートシンク３４０に、Ａｇが固溶している。
詳述すると、金属層３１３とヒートシンク３４０との接合界面３３０近傍には、接合界面３３０から積層方向に離間するにしたがい漸次Ａｇ濃度が低下する濃度傾斜層３３３、３３４が形成されている。ここで、金属層３１３とヒートシンク３４０との接合界面３３０近傍のＡｇ濃度が、０．０５質量％以上１０質量％以下の範囲内に設定されている。
【０１１９】
なお、金属層３１３とヒートシンク３４０との接合界面３３０近傍のＡｇ濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって、接合界面３３０から５０μｍの位置で５点測定した平均値である。また、図１９のグラフは、金属層３１３（金属板３２３）及びヒートシンク３４０（天板部３４１）の幅中央部分において積層方向にライン分析を行い、前述の５０μｍ位置での濃度を基準として求めたものである。
【０１２０】
以下に、前述の構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法について、図２０から図２２を参照して説明する。
【０１２１】
（Ａｇ層形成工程Ｓ３０１／固着工程Ｓ３１１）
まず、図２１に示すように、回路層３１２となる第一の金属板３２２の一面に、スパッタリングによってＡｇを固着して第１Ａｇ層３２４を形成するとともに、金属層３１３となる第二の金属板３２３の一面に、スパッタリングによってＡｇを固着して第２Ａｇ層３２５を形成する（固着工程Ｓ３１１）。
また、金属層３１３となる第二の金属板３２３の他面に、スパッタリングによってＡｇを固着してＡｇ層３２６を形成する（Ａｇ層形成工程Ｓ３０１）。
ここで、本実施形態では、第１Ａｇ層３２４、第２Ａｇ層３２５及びＡｇ層３２６におけるＡｇ量は、０．０１ｍｇ／ｃｍ２以上１０ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されている。
【０１２２】
（ヒートシンク積層工程Ｓ３０２／セラミックス基板積層工程Ｓ３１２）
次に、図２１に示すように、第一の金属板３２２をセラミックス基板３１１の一方の面側に積層し、かつ、第二の金属板３２３をセラミックス基板３１１の他方の面側に積層する（セラミックス基板積層工程Ｓ３１２）。このとき、図２１に示すように、第一の金属板３２２の第１Ａｇ層３２４、第二の金属板３２３の第２Ａｇ層３２５が形成された面がセラミックス基板３１１を向くように、第一の金属板３２２及び第二の金属板３２３を積層する。
さらに、第二の金属板３２３の他方の面側に、ヒートシンク３４０を積層する（ヒートシンク積層工程Ｓ３０２）。このとき、図２１に示すように、第二の金属板３２３のＡｇ層３２６が形成された面がヒートシンク３４０を向くように、第二の金属板３２３とヒートシンク３４０とを積層する。
すなわち、第一の金属板３２２とセラミックス基板３１１との間に第１Ａｇ層３２４を介在させ、第二の金属板３２３とセラミックス基板３１１との間に第２Ａｇ層３２５を介在させ、第二の金属板３２３とヒートシンク３４０との間にＡｇ層３２６を介在させているのである。
【０１２３】
（ヒートシンク加熱工程Ｓ３０３／セラミックス基板加熱工程Ｓ３１３）
次に、第一の金属板３２２、セラミックス基板３１１、第二の金属板３２３、ヒートシンク３４０を積層方向に加圧（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。第１Ａｇ層３２４のＡｇを第一の金属板３２２に向けて拡散させることにより、第一の金属板３２２とセラミックス基板３１１との界面に第一溶融金属領域３２７を形成する。また、第２Ａｇ層３２５のＡｇを第二の金属板３２３に向けて拡散させることにより、第二の金属板３２３とセラミックス基板３１１との界面に第二溶融金属領域３２８を形成する（セラミックス基板加熱工程Ｓ３１３）。
また、同時に、第二の金属板３２３とヒートシンク３４０との間に溶融金属領域３２９を形成する（ヒートシンク加熱工程Ｓ３０３）。溶融金属領域３２９は、図２２に示すように、Ａｇ層３２６のＡｇが第二の金属板３２３及びヒートシンク３４０に向けて拡散することによって、第二の金属板３２３及びヒートシンク３４０のＡｇ層３２６近傍のＡｇ濃度が上昇して融点が低くなることにより形成されるものである。
ここで、本実施形態では、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６５０℃以下の範囲内に設定している。
【０１２４】
（溶融金属凝固工程Ｓ３０４／第一溶融金属及び第二溶融金属凝固工程Ｓ３１４）
次に、溶融金属領域３２９が形成された状態で温度を一定に保持しておく。すると、溶融金属領域３２９中のＡｇが、さらに第二の金属板３２３及びヒートシンク３４０に向けて拡散していくことになる。これにより、溶融金属領域３２９であった部分のＡｇ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とになる。つまり、ヒートシンク３４０と第二の金属板３２３とは、いわゆる拡散接合（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｐｈａｓｅ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって接合されているのである。
【０１２５】
同様に、第一溶融金属領域３２７中のＡｇが、さらに第一の金属板３２２に向かって拡散していく。また、第二溶融金属領域３２８中のＡｇが、さらに第二の金属板３２３に向かって拡散していく。すると、第一溶融金属領域３２７、第二溶融金属領域３２８であった部分のＡｇ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とになる。これにより、セラミックス基板３１１と第一の金属板３２２、セラミックス基板３１１と第二の金属板３２３が接合される。つまり、セラミックス基板３１１と第一の金属板３２２及び第二の金属板３２３とは、いわゆる拡散接合（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｐｈａｓｅ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって接合されているのである。このようにして凝固が進行した後に、常温にまで冷却を行う。
【０１２６】
以上のようにして、回路層３１２となる第一の金属板３２２とセラミックス基板３１１とが接合され、金属層３１３となる第二の金属板３２３とセラミックス基板３１１とが接合され、かつ、第二の金属板３２３とヒートシンク３４０とが接合され、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が製造される。
【０１２７】
以上のような構成とされた本実施形態においては、金属層３１３となる第二の金属板３２３とヒートシンク３４０との間にＡｇ層３２６を形成するＡｇ層形成工程Ｓ３０１を備えているので、第二の金属板３２３とヒートシンク３４０との接合界面３３０には、Ａｇが介在することになる。このＡｇは、アルミニウムの融点を降下させる元素であるため、比較的低温条件において、ヒートシンク３４０と第二の金属板３２３との界面に溶融金属領域３２９を形成することができる。よって、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、ヒートシンク３４０と第二の金属板３２３とを強固に接合することが可能となる。
【０１２８】
また、本実施形態では、第一の金属板３２２とセラミックス基板３１１の接合面及び第二の金属板３２３とセラミックス基板３１１の接合面に、Ａｇを固着させる固着工程Ｓ３１１を備えているので、第一の金属板３２２とセラミックス基板３１１の接合界面、第二の金属板３２３とセラミックス基板３１１の接合界面にもＡｇが介在することになり、セラミックス基板３１１と第一の金属板３２２、セラミックス基板３１１と第二の金属板３２３を強固に接合することが可能となる。
【０１２９】
さらに、ヒートシンク加熱工程Ｓ３０３において、第二の金属板３２３の接合面に形成されたＡｇ層３２６のＡｇを第二の金属板３２３及びヒートシンク３４０に向けて拡散させることによって溶融金属領域３２９を形成し、溶融金属凝固工程Ｓ３０４において、溶融金属領域３２９中のＡｇをさらに第二の金属板３２３及びヒートシンク３４０に向けて拡散させることによって凝固させて、ヒートシンク３４０と第二の金属板３２３（金属層３１３）とを接合する構成としているので、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、ヒートシンク３４０と第二の金属板３２３とを強固に接合することが可能となる。
【０１３０】
また、本実施形態では、セラミックス基板３１１と第一の金属板３２２（回路層３１２）及び第二の金属板３２３（金属層３１３）についても、セラミックス基板加熱工程Ｓ３１３において、第一の金属板３２２、第二の金属板３２３の接合面に形成された第１Ａｇ層３２４、第２Ａｇ層３２５のＡｇを第一の金属板３２２、第二の金属板３２３に向けて拡散させることによって第一溶融金属領域３２７、第二溶融金属領域３２８を形成し、第一溶融金属及び第二溶融金属凝固工程Ｓ３１４において、第一溶融金属領域３２７、第二溶融金属領域３２８中のＡｇをさらに第一の金属板３２２、第二の金属板３２３に向けて拡散させることによって凝固させて、セラミックス基板３１１と第一の金属板３２２（回路層３１２）及び第二の金属板３２３（金属層３１３）とを接合する構成としているので、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、セラミックス基板３１１と第一の金属板３２２（回路層３１２）及び第二の金属板３２３（金属層３１３）とを強固に接合することが可能となる。
【０１３１】
さらに、ヒートシンク３４０と第二の金属板３２３との接合、及び、セラミックス基板３１１と第一の金属板３２２及び第二の金属板３２３との接合に、ろう材箔を使用していないので、ろう材箔の位置合わせ作業等を行う必要がなく、確実に、ヒートシンク３４０と第二の金属板３２３、セラミックス基板３１１と第一の金属板３２２及び第二の金属板３２３、をそれぞれ接合することができる。よって、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を、低コストで効率良く製出することが可能となる。
【０１３２】
また、本実施形態では、セラミックス基板３１１と第一の金属板３２２及び第二の金属板３２３との接合と、第二の金属板３２３とヒートシンク３４０との接合とを、同時に行う構成としているので、これらの接合に掛かるコストを大幅に削減することができる。また、セラミックス基板３１１に対して繰り返し加熱、冷却を行わずに済むので、このヒートシンク付パワーモジュール用基板の反りの低減を図ることができ、高品質なヒートシンク付パワーモジュール用基板を製出することができる。
【０１３３】
さらに、Ａｇ層形成工程Ｓ３０１は、スパッタリングによって第二の金属板３２３の接合面にＡｇを固着させてＡｇ層３２６を形成する構成としているので、ヒートシンク３４０と第二の金属板３２３との間にＡｇを確実に介在させることが可能となる。また、Ａｇの固着量を精度良く調整することができ、溶融金属領域３２９を確実に形成して、ヒートシンク３４０と第二の金属板３２３とを強固に接合することが可能となる。
【０１３４】
また、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においては、ヒートシンク３４０と第二の金属板３２３（金属層３１３）との接合界面３３０において、第二の金属板３２３（金属層３１３）及びヒートシンク３４０にＡｇが固溶しており、第二の金属板３２３（金属層３１３）及びヒートシンク３４０のそれぞれの接合界面３３０側のＡｇ濃度が、０．０５質量％以上１０質量％以下の範囲内に設定されているので、第二の金属板３２３（金属層３１３）及びヒートシンク３４０の接合界面３３０側の部分が固溶強化し、第二の金属板３２３（金属層３１３）及びヒートシンク３４０における亀裂の発生を防止することができる。よって、信頼性の高い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。
【０１３５】
次に、本発明の第５の実施形態について、図２３から図２６を用いて説明する。
このパワーモジュール４０１は、回路層４１２が配設されたパワーモジュール用基板４１０と、回路層４１２の表面にはんだ層２を介して接合された半導体チップ３と、ヒートシンク４４０とを備えている。
【０１３６】
パワーモジュール用基板４１０は、セラミックス基板４１１と、このセラミックス基板４１１の一方の面（図２３において上面）に配設された回路層４１２と、セラミックス基板４１１の他方の面（図２３において下面）に配設された金属層４１３とを備えている。  なお、セラミックス基板４１１は絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。
【０１３７】
回路層４１２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）の圧延板からなる第一の金属板４２２がセラミックス基板４１１に接合されることにより形成されている。
金属層４１３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）の圧延板からなる第二の金属板４２３がセラミックス基板４１１に接合されることで形成されている。
【０１３８】
ヒートシンク４４０は、前述のパワーモジュール用基板４１０を冷却するためのものである。本実施形態であるヒートシンク４４０は、パワーモジュール用基板４１０と接合される天板部４４１と、この天板部４４１に対向するように配置された底板部４４５と、天板部４４１と底板部４４５との間に介装されたコルゲートフィン４４６と、を備えており、天板部４４１と底板部４４５とコルゲートフィン４４６とによって、冷却媒体が流通する流路４４２が画成されている。
【０１３９】
ここで、このヒートシンク４４０は、天板部４４１とコルゲートフィン４４６、コルゲートフィン４４６と底板部４４５が、それぞれろう付けされることによって構成されている。本実施形態では、図２６に示すように、底板部４４５は、基材層４４５Ａと、基材層４４５Ａよりも融点の低い材料からなる接合層４４５Ｂが積層された積層アルミ板で構成されている。なお、本実施形態では、基材層４４５ＡがＡ３００３合金で構成されており、接合層４４５ＢがＡ４０４５合金で構成されている。
【０１４０】
そしてヒートシンク４４０の天板部４４１と第二の金属板４２３（金属層４１３）との接合界面においては、第二の金属板４２３（金属層４１３）及び天板部４４１に、Ａｇが固溶している。
また、第一の金属板４２２（回路層４１２）とセラミックス基板４１１との接合界面、及び、第一の金属板４２３（金属層４１３）とセラミックス基板４１１との接合界面においては、Ａｇが固溶している。
【０１４１】
以下に、前述の構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法について説明する。
【０１４２】
（固着層形成工程Ｓ４０１）
まず、図２５に示すように、回路層４１２となる第一の金属板４２２の一面に、スパッタリングによってＡｇを固着して第１Ａｇ層４２４を形成するとともに、金属層４１３となる第二の金属板４２３の一面に、スパッタリングによってＡｇを固着して第２Ａｇ層４２５を形成する。さらに、第二の金属板４２３の他面にもスパッタリングによってＡｇを固着してＡｇ層４２６を形成する。
ここで、本実施形態では、第１Ａｇ層４２４、第２Ａｇ層４２５、Ａｇ層４２６におけるＡｇ量は、は０．０１ｍｇ／ｃｍ２以上１０ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されている。
【０１４３】
（積層工程Ｓ４０２）
次に、図２５に示すように、第一の金属板４２２をセラミックス基板４１１の一方の面側に積層し、かつ、第二の金属板４２３をセラミックス基板４１１の他方の面側に積層する。このとき、図２５に示すように、第一の金属板４２２の第１Ａｇ層４２４、第二の金属板４２３の第２Ａｇ層４２５が形成された面がセラミックス基板４１１を向くように、第一の金属板４２２及び第二の金属板４２３を積層する。
さらに、第二の金属板４２３のＡｇ層４２６が形成された面側に、天板部４４１を積層配置する。
【０１４４】
（加熱工程Ｓ４０３）
次に、第一の金属板４２２、セラミックス基板４１１、第二の金属板４２３、天板部４４１を積層方向に加圧（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。第１Ａｇ層４２４のＡｇを第一の金属板４２２に向けて拡散させることにより、第一の金属板４２２とセラミックス基板４１１との界面に第一溶融金属領域４２７を形成する。第２Ａｇ層４２５のＡｇを第二の金属板４２３に向けて拡散させることにより、第二の金属板４２３とセラミックス基板４１１との界面に第二溶融金属領域４２８を形成する。
さらに、Ａｇ層４２６のＡｇを第二の金属板４２３及び天板部４４１に向けて拡散させることにより、第二の金属板４２３と天板部４４１との間に、溶融金属領域４２９を形成する。
ここで、本実施形態では、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６５０℃以下の範囲内に設定している。
【０１４５】
（溶融金属凝固工程Ｓ４０４）
次に、第一溶融金属領域４２７、第二溶融金属領域４２８が形成された状態で温度を一定に保持しておく。すると、第一溶融金属領域中４２７のＡｇが第一の金属板４２２に向けて拡散し、第二溶融金属領域４２８中のＡｇが、第二の金属板４２３に向けて拡散していくことになる。これにより、第一溶融金属領域４２７、第二溶融金属領域４２８であった部分のＡｇ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、セラミックス基板４１１と第一の金属板４２２及び第二の金属板４２３とが接合される。
また、溶融金属領域４２９が形成された状態で温度を一定に保持しておく。すると、溶融金属領域４２９中のＡｇが、第二の金属板４２３及び天板部４４１に向けて拡散していくことになる。これにより、溶融金属領域４２９であった部分のＡｇ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、第二の金属板４２３と天板部４４１とが接合される。
【０１４６】
（フィン積層工程Ｓ４０５）
次に、図２６に示すように、天板部４４１の他方の面側に、ろう材箔４４７（例えば、Ａｌ−１０％Ｓｉ合金箔等の低融点アルミニウム合金箔）、コルゲートフィン４４６、底板部４４５を積層する。このとき、底板部４４５の接合層４４５Ｂがコルゲートフィン４４６側を向くように底板部４４５を積層する。また、天板部４４１とコルゲートフィン４４６、底板部４４５とコルゲートフィン４４６との間には、例えば、ＫＡｌＦ４を主成分とするフラックス（図示なし）を介在させておく。
【０１４７】
（ろう付け工程Ｓ４０６）
次に、天板部４４１、コルゲートフィン４４６及び底板部４４５を積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で、雰囲気加熱炉内に装入して加熱し、天板部４４１とコルゲートフィン４４６、底板部４４５とコルゲートフィン４４６との間に、ろう材箔４４７及び接合層４４５Ｂを溶融させた溶融金属層を形成する。
ここで、本実施形態では、雰囲気加熱炉内は、窒素ガス雰囲気とされており、加熱温度は５５０℃以上６３０℃以下の範囲内に設定している。
そして、冷却することによって、天板部４４１とコルゲートフィン４４６、底板部４４５とコルゲートフィン４４６の間に形成された溶融金属層を凝固させ、天板部４４１とコルゲートフィン４４６、底板部４４５とコルゲートフィン４４６とをろう付けする。このとき、天板部４４１、コルゲートフィン４４６、底板部４４５の表面には、酸化被膜が形成されているが、前述のフラックスによってこれらの酸化被膜が除去されることになる。
【０１４８】
このようにして、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が製造される。
【０１４９】
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、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法においては、ヒートシンク４４０の天板部４４１と第二の金属板４２３（金属層４１３）との間にＡｇを固着させ、このＡｇを拡散させることによって溶融金属領域４２９を形成し、さらに溶融金属領域４２９中のＡｇを拡散させて、ヒートシンク４４０の天板部４４１とパワーモジュール用基板４１０とを接合しているので、比較的低温条件においても、ヒートシンク４４０の天板部４４１とパワーモジュール用基板４１０とを確実に接合することが可能となる。
【０１５０】
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、回路層及び金属層を構成する金属板を純度９９．９９％の純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、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であってもよい。
【０１５１】
また、第１の実施形態において、金属板の接合面にＡｇに加えてＧｅを固着させる構成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、Ｇｅ以外の添加元素（Ｚｎ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉ）を固着させてもよいし、これらの添加元素を固着しなくてもよい。
さらに、第１の実施形態において、スパッタによってＡｇ、Ｇｅを固着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、めっき、蒸着、ＣＶＤ、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているインクなどの塗布によって、Ａｇや添加元素を固着させてもよい。
【０１５２】
また、固着工程において、Ａｇや添加元素とともにＡｌを固着させてもよい。特に、添加元素として、Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉなどの酸化活性元素を用いる場合には、Ａｌとともに固着させることによって、これらの元素の酸化を防止することが可能となる。
【０１５３】
さらに、ヒートシンクをアルミニウムで構成したものとして説明したが、アルミニウム合金、又はアルミニウムを含む複合材等で構成されていてもよい。さらに、ヒートシンクとして冷却媒体の流路を有するもので説明したが、ヒートシンクの構造に特に限定はなく、種々の構成のヒートシンクを用いることができる。
また、本発明の第３の実施形態においては、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを同時に接合してもよい。
【０１５４】
さらに、図２７に示すように、金属層５１３を、複数の金属板５１３Ａ、５１３Ｂを積層した構造としてもよい。この場合、金属層５１３のうち一方側（図２７において上側）に位置する金属板５１３Ａがセラミックス基板５１１に接合され、他方側（図２７において下側）に位置する金属板５１３Ｂがヒートシンク５４０の天板部５４１に接合されることになる。そして、他方側に位置する金属板５１３Ｂとヒートシンク５４０の天板部５４１との間にＡｇ層を形成することで、他方側に位置する金属板５１３Ｂとヒートシンク５４０の天板部５４１とが接合されているのである。ここで、積層された金属板５１３Ａ、５１３Ｂ同士をＡｇ層を介して接合することで金属層５１３を構成してもよい。なお、図２７では、２枚の金属板５１３Ａ、５１３Ｂを積層させたものとしているが、積層する枚数に制限はない。また、積層する金属板同士の大きさ、形状が異なっていても良いし、同じ大きさ、形状に調整されたものであってもよい。さらに、これらの金属板の組成が異なっていても良い。
【実施例】
【０１５５】
本発明の有効性を確認するために行った比較実験について説明する。
厚さ０．６３５ｍｍのＡｌＮからなるセラミックス基板に、厚さ０．６ｍｍの４Ｎアルミニウムからなる回路層と、厚さ０．６ｍｍの４Ｎアルミニウムからなる金属層とを接合し、パワーモジュール用基板を作製した。
ここで、回路層及び金属層となるアルミニウム板（４Ｎアルミニウム）の接合面に、Ａｇ及び添加元素を固着して固着層を形成し、金属板とセラミックス基板とを積層して加圧加熱（温度：６５０℃、圧力：４ｋｇｆ／ｃｍ２、時間：３０分）し、金属板とセラミックス基板とを接合した。
【０１５６】
そして、固着するＡｇ及び添加元素を変更した種々の試験片を製出し、接合界面近傍（接合界面から５０μｍの位置）におけるＡｇ濃度及び添加元素の濃度をＥＰＭＡ分析した。また、これらの試験片を用いて接合信頼性の評価を行った。接合信頼性の評価としては、冷熱サイクル（−４５℃−１２５℃）を２０００回繰り返した後の接合率を比較した。結果を表１に示す。なお、接合率は、以下の式で算出した。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のこととした。
接合率  ＝  （初期接合面積−剥離面積）／初期接合面積
【０１５７】
【表１】
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【０１５８】
Ａｇの固着量が１１ｍｇ／ｃｍ２とされた比較例１では、接合界面近傍におけるＡｇ濃度が１０質量％を超えており、冷熱サイクル（−４５℃−１２５℃）を２０００回繰り返した後の接合率が６７．７％であった。これは，Ａｇの量が多く金属板が硬くなり過ぎて、冷熱サイクルによる熱応力が接合界面に負荷されたためと推測される。
また、Ａｇの固着量が０．００９ｍｇ／ｃｍ２とされた比較例２では、接合界面近傍におけるＡｇ濃度が０．０５質量％未満であり、冷熱サイクル（−４５℃−１２５℃）を２０００回繰り返した後の接合率が６０．１％であった。これは、界面に介在するＡｇ量が少なく、金属板とセラミックス基板との界面に溶融金属領域を十分に形成することができなかったためと判断される。
【０１５９】
これに対して、本発明例１−３６においては、接合界面近傍におけるＡｇ濃度あるいはＡｇ濃度と添加元素の濃度との合計が、０．０５質量％以上１０質量％以下とされており、冷熱サイクル（−４５℃−１２５℃）を２０００回繰り返した後の接合率が全て７０％以上であった。各種添加元素の拡散によって、金属板とセラミックス基板との界面に溶融金属領域を確実に形成することが可能となり、金属板とセラミックス基板とを強固に接合できたと判断される。
【符号の説明】
【０１６０】
１  パワーモジュール
３  半導体チップ（電子部品）
１０、１１０、２１０、３１０、４１０、５１０  パワーモジュール用基板
１１、１１１、２１１、３１１、４１１、５１１  セラミックス基板
１２、１１２、２１２、３１２、４１２、５１２  回路層
１３、１１３、２１３、  金属層
２２、１２２、２２２、３２２、４２２  金属板（第一の金属板）
２３、１２３、２２３、３２３、４２３  金属板（第二の金属板）
２４、２５、１２４、１２５、３２４、３２５、４２４、４２５  固着層
２６、２７  溶融金属領域
３０、１３０、２３０  接合界面
【図１】
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【図２】
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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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図３】
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