(57)【要約】【課題】固相拡散接合時に形成される接合層におけるクラックの発生を抑制し、超音波を負荷した場合であっても界面変形が生じることを抑制できる接合体を提供する。【解決手段】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１２Ａ，１３Ａと、銅又銅合金からなる銅部材１２Ｂ、１３Ｂが接合された接合体であって、アルミニウム部材１２Ａ，１３Ａと銅部材１２Ｂ、１３Ｂとの接合界面には、ＣｕとＡｌを有する接合層４０が形成されており、接合層４０は、銅部材１２Ｂ、１３Ｂ側に形成されたＣｕとＡｌの金属間化合物を有する金属間化合物層４１と、アルミニウム部材１２Ａ，１３Ａ側に形成された共晶層４５と、を備えており、共晶層４５は、ＣｕとＡｌの金属間化合物であるθ相と、Ｃｕが固溶したＡｌ相と、を備えている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、銅又銅合金からなる銅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銅部材との接合界面には、ＣｕとＡｌを有する接合層が形成されており、
前記接合層は、前記銅部材側に形成されたＣｕとＡｌの金属間化合物を有する金属間化合物層と、前記アルミニウム部材側に形成された共晶層と、を備えており、
前記共晶層は、ＣｕとＡｌの金属間化合物であるθ相と、Ｃｕが固溶したＡｌ相と、を備えていることを特徴とする接合体。
【請求項２】
絶縁層と、前記絶縁層の一方の面に形成された回路層と、を備えた絶縁回路基板であって、
前記回路層は、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層と、このアルミニウム層に接合された銅又は銅合金からなる銅層と、を有し、前記アルミニウム層と前記銅層との接合界面には、ＣｕとＡｌを有する接合層が形成されており、
前記接合層は、前記銅層側に形成されたＣｕとＡｌの金属間化合物を有する金属間化合物層と、前記アルミニウム層側に形成された共晶層と、を備えており、
前記共晶層は、ＣｕとＡｌの金属間化合物であるθ相と、Ｃｕが固溶したＡｌ相と、を備えていることを特徴とする絶縁回路基板。
【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、前記絶縁層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、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層と、このアルミニウム層に接合された銅又は銅合金からなる銅層と、を有し、前記アルミニウム層と前記銅層との接合界面には、ＣｕとＡｌを有する接合層が形成されており、
前記接合層は、前記銅層側に形成されたＣｕとＡｌの金属間化合物を有する金属間化合物層と、前記アルミニウム層側に形成された共晶層と、を備えており、
前記共晶層は、ＣｕとＡｌの金属間化合物であるθ相と、Ｃｕが固溶したＡｌ相と、を備えていることを特徴とする絶縁回路基板。
【請求項４】
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、この金属層の前記絶縁層とは反対側の面に配置されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付絶縁回路基板であって、
前記金属層のうち前記ヒートシンクとの接合面及び前記ヒートシンクのうち前記金属層との接合面のいずれか一方がアルミニウム及びアルミニウム合金で構成されたアルミニウム部材とされ、他方が銅又は銅合金で構成された銅部材とされており、
前記金属層と前記ヒートシンクとの接合界面には、ＣｕとＡｌを有する接合層が形成されており、
前記接合層は、前記銅部材側に形成されたＣｕとＡｌの金属間化合物を有する金属間化合物層と、前記アルミニウム部材側に形成された共晶層と、を備えており、
前記共晶層は、ＣｕとＡｌの金属間化合物であるθ相と、Ｃｕが固溶したＡｌ相と、を備えていることを特徴とするヒートシンク付絶縁回路基板。
【請求項５】
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本体と、前記ヒートシンク本体に接合された銅又は銅合金からなる銅部材層と、を備えたヒートシンクであって、
前記ヒートシンク本体と前記銅部材層との接合界面に、ＣｕとＡｌを有する接合層が形成されており、
前記接合層は、前記銅部材層側に形成されたＣｕとＡｌの金属間化合物を有する金属間化合物層と、前記ヒートシンク本体側に形成された共晶層と、を備えており、
前記共晶層は、ＣｕとＡｌの金属間化合物であるθ相と、Ｃｕが固溶したＡｌ相と、を備えていることを特徴とするヒートシンク。
【請求項６】
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、銅又銅合金からなる銅部材とが接合された接合体の製造方法であって、
前記アルミニウム部材と前記銅部材とを積層する積層工程と、
前記アルミニウム部材と前記銅部材とを積層方向に加圧した状態で加熱して、前記アルミニウム部材と前記銅部材との接合界面にＣｕとＡｌの金属間化合物を有する金属間化合物層を形成するとともに、前記アルミニウム部材と前記銅部材とを固相拡散接合する固相拡散接合工程と、
固相拡散接合工程後に、５４８℃以上５５３℃以下に加熱して、前記金属間化合物層の一部を、ＣｕとＡｌの金属間化合物であるθ相とＣｕが固溶したＡｌ相とを有する共晶層とする共晶層形成工程と、
を有し、
前記共晶層形成工程においては、５４８℃以上５５３℃以下の範囲における温度積分値が１℃・ｍｉｎ以上４℃・ｍｉｎ以下の範囲内とされていることを特徴とする接合体の製造方法。
【請求項７】
絶縁層と、前記絶縁層の一方の面に形成された回路層と、を備えた絶縁回路基板の製造方法であって、
前記回路層は、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層と、このアルミニウム層に接合された銅又は銅合金からなる銅層と、を有しており、
前記アルミニウム層と前記銅層とを積層する積層工程と、
前記アルミニウム層と前記銅層とを積層方向に加圧した状態で加熱して、前記アルミニウム層と前記銅層との接合界面にＣｕとＡｌの金属間化合物を有する金属間化合物層を形成するとともに、前記アルミニウム層と前記銅層とを固相拡散接合する固相拡散接合工程と、
固相拡散接合工程後に、５４８℃以上５５３℃以下に加熱して、前記金属間化合物層の一部を、ＣｕとＡｌの金属間化合物であるθ相とＣｕが固溶したＡｌ相とを有する共晶層とする共晶層形成工程と、
を有し、
前記共晶層形成工程においては、５４８℃以上５５３℃以下の範囲における温度積分値が１℃・ｍｉｎ以上４℃・ｍｉｎ以下の範囲内とされていることを特徴とする絶縁回路基板の製造方法。
【請求項８】
絶縁層と、前記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、を備えた絶縁回路基板の製造方法であって、
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層と、このアルミニウム層に接合された銅又は銅合金からなる銅層と、を有しており、
前記アルミニウム層と前記銅層とを積層する積層工程と、
前記アルミニウム層と前記銅層とを積層方向に加圧した状態で加熱して、前記アルミニウム層と前記銅層との接合界面にＣｕとＡｌの金属間化合物を有する金属間化合物層を形成するとともに、前記アルミニウム層と前記銅層とを固相拡散接合する固相拡散接合工程と、
固相拡散接合工程後に、５４８℃以上５５３℃以下に加熱して、前記金属間化合物層の一部を、ＣｕとＡｌの金属間化合物であるθ相とＣｕが固溶したＡｌ相とを有する共晶層とする共晶層形成工程と、
を有し、
前記共晶層形成工程においては、５４８℃以上５５３℃以下の範囲における温度積分値が１℃・ｍｉｎ以上４℃・ｍｉｎ以下の範囲内とされていることを特徴とする絶縁回路基板の製造方法。
【請求項９】
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、この金属層の前記絶縁層とは反対側の面に配置されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法であって、
前記金属層のうち前記ヒートシンクとの接合面及び前記ヒートシンクのうち前記金属層との接合面のいずれか一方がアルミニウム及びアルミニウム合金で構成されたアルミニウム部材とされ、他方が銅又は銅合金で構成された銅部材とされており、
前記ヒートシンクと前記金属層とを積層する積層工程と、
前記ヒートシンクと前記金属層とを積層方向に加圧した状態で加熱して、前記ヒートシンクと前記金属層との接合界面にＣｕとＡｌの金属間化合物を有する金属間化合物層を形成するとともに、前記ヒートシンクと前記金属層とを固相拡散接合する固相拡散接合工程と、
固相拡散接合工程後に、５４８℃以上５５３℃以下に加熱して、前記金属間化合物層の一部を、ＣｕとＡｌの金属間化合物であるθ相とＣｕが固溶したＡｌ相とを有する共晶層とする共晶層形成工程と、
を有し、
前記共晶層形成工程においては、５４８℃以上５５３℃以下の範囲における温度積分値が１℃・ｍｉｎ以上４℃・ｍｉｎ以下の範囲内とされていることを特徴とするヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法。
【請求項１０】
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本体と、前記ヒートシンク本体に接合された銅又は銅合金からなる銅部材層と、を備えたヒートシンクの製造方法であって、
前記ヒートシンク本体と前記銅部材層とを積層する積層工程と、
前記ヒートシンク本体と前記銅部材層とを積層方向に加圧した状態で加熱して、前記ヒートシンク本体と前記銅部材層との接合界面にＣｕとＡｌの金属間化合物を有する金属間化合物層を形成するとともに、前記ヒートシンク本体と前記銅部材層とを固相拡散接合する固相拡散接合工程と、
固相拡散接合工程後に、５４８℃以上５５３℃以下に加熱して、前記金属間化合物層の一部を、ＣｕとＡｌの金属間化合物であるθ相とＣｕが固溶したＡｌ相とを有する共晶層とする共晶層形成工程と、
を有し、
前記共晶層形成工程においては、５４８℃以上５５３℃以下の範囲における温度積分値が１℃・ｍｉｎ以上４℃・ｍｉｎ以下の範囲内とされていることを特徴とするヒートシンクの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、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部材と、銅又銅合金からなる銅部材とが接合された接合体、絶縁層の一方の面に回路層が形成された絶縁回路基板、この絶縁回路基板にヒートシンクが接合されたヒートシンク付絶縁回路基板、ヒートシンク本体に銅部材層が形成されたヒートシンク、及び、接合体の製造方法、絶縁回路基板の製造方法、ヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法、ヒートシンクの製造方法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、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、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）などからなるセラミックス基板と、このセラミックス基板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、を備えた絶縁回路基板が、従来から広く用いられている。なお、パワージュール用基板としては、セラミックス基板の他方の面に金属層を形成したものも提供されている。
【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及び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回路層及び金属層が形成された絶縁回路基板と、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、絶縁回路基板の金属層側には、ヒートシンクが接合されており、半導体素子から絶縁回路基板側に伝達された熱を、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。
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、回路層及び金属層をアルミニウム又はアルミニウム合金で構成した場合には、その表面にアルミニウム酸化物の皮膜が形成されるため、はんだ材によって半導体素子やヒートシンクを接合することができないといった問題があった。
【０００４】
そこで、特許文献２には、回路層及び金属層を、アルミニウム層と銅層の積層構造とした絶縁回路基板が提案されている。この絶縁回路基板においては、回路層及び金属層の表面には銅層が配置されるため、はんだ材を用いて半導体素子及びヒートシンクを良好に接合することができる。このため、積層方向の熱抵抗が小さくなり、半導体素子から発生した熱をヒートシンク側へと効率良く伝達することが可能となる。
なお、この特許文献２に示すように、ヒートシンクを放熱板とし、この放熱板を冷却部に締結ネジによってネジ止めする構造のものも提案されている。
【０００５】
また、特許文献３には、金属層及びヒートシンクの一方がアルミニウム又はアルミニウム合金で構成され、他方が銅又は銅合金で構成されており、これら前記金属層と前記ヒートシンクとが固相拡散接合されたヒートシンク付絶縁回路基板が提案されている。このヒートシンク付絶縁回路基板においては、金属層とヒートシンクとが固相拡散接合されているので、熱抵抗が小さく、放熱特性に優れている。
【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２０１４−１６０７９９号公報
【特許文献３】特開２０１４−０９９５９６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、上述の絶縁回路基板の回路層においては、端子材が超音波接合されることがある。
ここで、特許文献２、３に記載されたように、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部材と、銅又は銅合金からなる銅部材と、を固相拡散接合した場合には、アルミニウム部材と銅部材との接合界面には、銅とアルミニウムとからなる金属間化合物層が形成される。この金属間化合物層は硬くて脆いため、金属間化合物層が厚く形成されると、相変態及び線膨張係数の差に起因する応力によって金属間化合物層にクラックが生じることがあり、超音波を負荷した際にクラックを起点として界面変形が生じ、接合強度が低下するといった問題があった。
【０００８】
なお、ＣｕとＡｌの金属間化合物としては、図１の２元状態図に示すように、複数の相が存在しており、固相拡散接合によって形成される接合層においては、アルミニウム部材側にアルミニウムの比率の高いθ相が形成される。このθ相は、比較的軟らかいアルミニウム部材と硬い他の金属間化合物相との間に配置されるため、線膨張係数の差に起因する応力によってクラックが発生しやすい傾向にある。
【０００９】
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、固相拡散接合時に形成される接合層におけるクラックの発生を抑制し、超音波を負荷した場合であっても界面変形が生じることを抑制できる接合体、絶縁回路基板、ヒートシンク付絶縁回路基板、ヒートシンク、及び、接合体の製造方法、絶縁回路基板の製造方法、ヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法、ヒートシンク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】
【００１０】
前述の課題を解決するために、本発明の接合体は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム部材と、銅又銅合金からなる銅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銅部材との接合界面には、ＣｕとＡｌを有する接合層が形成されており、前記接合層は、前記銅部材側に形成されたＣｕとＡｌの金属間化合物を有する金属間化合物層と、前記アルミニウム部材側に形成された共晶層と、を備えており、前記共晶層は、ＣｕとＡｌの金属間化合物であるθ相と、Ｃｕが固溶したＡｌ相と、を備えていることを特徴としている。
【００１１】
この構成の接合体によれば、前記アルミニウム部材と前記銅部材との接合界面に形成された接合層が、前記銅部材側に形成されたＣｕとＡｌの金属間化合物を有する金属間化合物層と、前記アルミニウム部材側に形成された共晶層と、を備えており、前記共晶層は、ＣｕとＡｌの金属間化合物であるθ相と、Ｃｕが固溶したＡｌ相と、を備えているので、金属間化合物層のアルミニウム部材側の部分が共晶層となっており、硬い金属間化合物層と比較的軟らかいアルミニウム部材との間に共晶層が介在することになり、接合層におけるクラックの発生を抑制することができる。
よって、超音波を負荷した際であっても、前記アルミニウム部材と前記銅部材との接合界面において、クラックを起点として界面変形が生じることを抑制できる。
【００１２】
本発明の絶縁回路基板は、絶縁層と、前記絶縁層の一方の面に形成された回路層と、を備えた絶縁回路基板であって、前記回路層は、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層と、このアルミニウム層に接合された銅又は銅合金からなる銅層と、を有し、前記アルミニウム層と前記銅層との接合界面には、ＣｕとＡｌを有する接合層が形成されており、前記接合層は、前記銅層側に形成されたＣｕとＡｌの金属間化合物を有する金属間化合物層と、前記アルミニウム層側に形成された共晶層と、を備えており、前記共晶層は、ＣｕとＡｌの金属間化合物であるθ相と、Ｃｕが固溶したＡｌ相と、を備えてい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、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層と、このアルミニウム層に接合された銅又は銅合金からなる銅層と、を有しており、前記アルミニウム層と前記銅層との接合界面に形成された接合層が、前記銅層側に形成されたＣｕとＡｌの金属間化合物を有する金属間化合物層と、前記アルミニウム層側に形成された共晶層と、を備えており、前記共晶層は、ＣｕとＡｌの金属間化合物であるθ相と、Ｃｕが固溶したＡｌ相と、を備えているので、金属間化合物層のアルミニウム層側の部分が共晶層となっており、硬い金属間化合物層と比較的軟らかいアルミニウム層との間に共晶層が介在することになり、接合層におけるクラックの発生を抑制することができる。
よって、超音波を負荷した際であっても、回路層のアルミニウム層と銅層との接合界面において、クラックを起点として界面変形が生じることを抑制できる。
【００１４】
本発明の絶縁回路基板は、絶縁層と、前記絶縁層の一方の面に形成された回路層と、前記絶縁層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、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層と、このアルミニウム層に接合された銅又は銅合金からなる銅層と、を有し、前記アルミニウム層と前記銅層との接合界面には、ＣｕとＡｌを有する接合層が形成されており、前記接合層は、前記銅層側に形成されたＣｕとＡｌの金属間化合物を有する金属間化合物層と、前記アルミニウム層側に形成された共晶層と、を備えており、前記共晶層は、ＣｕとＡｌの金属間化合物であるθ相と、Ｃｕが固溶したＡｌ相と、を備えてい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、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層と、このアルミニウム層に接合された銅又は銅合金からなる銅層と、を有しており、前記アルミニウム層と前記銅層との接合界面に形成された接合層が、前記銅層側に形成されたＣｕとＡｌの金属間化合物を有する金属間化合物層と、前記アルミニウム層側に形成された共晶層と、を備えており、前記共晶層は、ＣｕとＡｌの金属間化合物であるθ相と、Ｃｕが固溶したＡｌ相と、を備えているので、金属間化合物層のアルミニウム層側の部分が共晶層となっており、硬い金属間化合物層と比較的軟らかいアルミニウム層との間に共晶層が介在することになり、接合層におけるクラックの発生を抑制することができる。
よって、超音波を負荷した際であっても、金属層のアルミニウム層と銅層との接合界面において、クラックを起点として界面変形が生じることを抑制できる。
【００１６】
本発明のヒートシンク付絶縁回路基板は、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、この金属層の前記絶縁層とは反対側の面に配置されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付絶縁回路基板であって、前記金属層のうち前記ヒートシンクとの接合面及び前記ヒートシンクのうち前記金属層との接合面のいずれか一方がアルミニウム及びアルミニウム合金で構成されたアルミニウム部材とされ、他方が銅又は銅合金で構成された銅部材とされており、前記金属層と前記ヒートシンクとの接合界面には、ＣｕとＡｌを有する接合層が形成されており、前記接合層は、前記銅部材側に形成されたＣｕとＡｌの金属間化合物を有する金属間化合物層と、前記アルミニウム部材側に形成された共晶層と、を備えており、前記共晶層は、ＣｕとＡｌの金属間化合物であるθ相と、Ｃｕが固溶したＡｌ相と、を備えていることを特徴としている。
【００１７】
この構成のヒートシンク付絶縁回路基板によれば、前記金属層のうち前記ヒートシンクとの接合面及び前記ヒートシンクのうち前記金属層との接合面のいずれか一方がアルミニウム及びアルミニウム合金で構成されたアルミニウム部材とされ、他方が銅又は銅合金で構成された銅部材とされており、前記銅部材側に形成されたＣｕとＡｌの金属間化合物を有する金属間化合物層と、前記アルミニウム部材側に形成された共晶層と、を備えており、前記共晶層は、ＣｕとＡｌの金属間化合物であるθ相と、Ｃｕが固溶したＡｌ相と、を備えているので、金属間化合物層のアルミニウム部材側の部分が共晶層となっており、硬い金属間化合物層と比較的軟らかいアルミニウム部材との間に共晶層が介在することになり、接合層におけるクラックの発生を抑制することができる。
よって、超音波を負荷した際であっても、前記金属層と前記ヒートシンクとの接合界面において、クラックを起点として界面変形が生じることを抑制できる。
【００１８】
本発明のヒートシンクは、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本体と、前記ヒートシンク本体に接合された銅又は銅合金からなる銅部材層と、を備えたヒートシンクであって、前記ヒートシンク本体と前記銅部材層との接合界面に、ＣｕとＡｌを有する接合層が形成されており、前記接合層は、前記銅部材層側に形成されたＣｕとＡｌの金属間化合物を有する金属間化合物層と、前記ヒートシンク本体側に形成された共晶層と、を備えており、前記共晶層は、ＣｕとＡｌの金属間化合物であるθ相と、Ｃｕが固溶したＡｌ相と、を備えていることを特徴としている。
【００１９】
この構成のヒートシンクによれば、前記ヒートシンク本体と前記銅部材層との接合界面に形成された接合層は、前記銅部材層側に形成されたＣｕとＡｌの金属間化合物を有する金属間化合物層と、前記ヒートシンク本体側に形成された共晶層と、を備えており、前記共晶層は、ＣｕとＡｌの金属間化合物であるθ相と、Ｃｕが固溶したＡｌ相と、を備えているので、金属間化合物層のヒートシンク本体側の部分が共晶層となっており、硬い金属間化合物層と比較的軟らかいヒートシンク本体との間に共晶層が介在することになり、接合層におけるクラックの発生を抑制することができる。
よって、超音波を負荷した際であっても、前記ヒートシンク本体と前記銅部材層との接合界面において、クラックを起点として界面変形が生じることを抑制できる。
【００２０】
本発明の接合体の製造方法は、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部材と、銅又銅合金からなる銅部材とが接合された接合体の製造方法であって、前記アルミニウム部材と前記銅部材とを積層する積層工程と、前記アルミニウム部材と前記銅部材とを積層方向に加圧した状態で加熱して、前記アルミニウム部材と前記銅部材との接合界面にＣｕとＡｌの金属間化合物を有する金属間化合物層を形成するとともに、前記アルミニウム部材と前記銅部材とを固相拡散接合する固相拡散接合工程と、固相拡散接合工程後に、５４８℃以上５５３℃以下に加熱して、前記金属間化合物層の一部を、ＣｕとＡｌの金属間化合物であるθ相とＣｕが固溶したＡｌ相とを有する共晶層とする共晶層形成工程と、を有し、前記共晶層形成工程においては、５４８℃以上５５３℃以下の範囲における温度積分値が１℃・ｍｉｎ以上４℃・ｍｉｎ以下の範囲内とされていることを特徴としている。
【００２１】
この構成の接合体の製造方法によれば、前記アルミニウム部材と前記銅部材との接合界面にＣｕとＡｌの金属間化合物を有する金属間化合物層を形成するとともに、前記アルミニウム部材と前記銅部材とを固相拡散接合する固相拡散接合工程と、この固相拡散接合工程後に、５４８℃以上５５３℃以下に加熱して、前記金属間化合物層の一部を共晶層とする共晶層形成工程を有し、前記共晶層形成工程においては、５４８℃以上５５３℃以下の範囲における温度積分値が１℃・ｍｉｎ以上４℃・ｍｉｎ以下の範囲内とされているので、金属間化合物層のうちアルミニウム部材側の部分を共晶層とすることができる。また、前記共晶層形成工程において液相を適度に発生させることができ、固相拡散接合工程において形成された金属間化合物層に作用する応力を緩和することができる。よって、金属間化合物層におけるクラックの発生を抑制することができる。
【００２２】
本発明の絶縁回路基板の製造方法は、絶縁層と、前記絶縁層の一方の面に形成された回路層と、を備えた絶縁回路基板の製造方法であって、前記回路層は、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層と、このアルミニウム層に接合された銅又は銅合金からなる銅層と、を有しており、前記アルミニウム層と前記銅層とを積層する積層工程と、前記アルミニウム層と前記銅層とを積層方向に加圧した状態で加熱して、前記アルミニウム層と前記銅層との接合界面にＣｕとＡｌの金属間化合物を有する金属間化合物層を形成するとともに、前記アルミニウム層と前記銅層とを固相拡散接合する固相拡散接合工程と、固相拡散接合工程後に、５４８℃以上５５３℃以下に加熱して、前記金属間化合物層の一部を、ＣｕとＡｌの金属間化合物であるθ相とＣｕが固溶したＡｌ相とを有する共晶層とする共晶層形成工程と、を有し、前記共晶層形成工程においては、５４８℃以上５５３℃以下の範囲における温度積分値が１℃・ｍｉｎ以上４℃・ｍｉｎ以下の範囲内とされていることを特徴としている。
【００２３】
この構成の絶縁回路基板の製造方法によれば、前記アルミニウム層と前記銅層との接合界面にＣｕとＡｌの金属間化合物を有する金属間化合物層を形成するとともに、前記アルミニウム層と前記銅層とを固相拡散接合する固相拡散接合工程と、この固相拡散接合工程後に、５４８℃以上５５３℃以下に加熱して、前記金属間化合物層の一部を共晶層とする共晶層形成工程を有し、前記共晶層形成工程においては、５４８℃以上５５３℃以下の範囲における温度積分値が１℃・ｍｉｎ以上４℃・ｍｉｎ以下の範囲内とされているので、金属間化合物層のうちアルミニウム層側の部分を共晶層とすることができる。また、前記共晶層形成工程において液相を適度に発生させることができ、固相拡散接合工程において形成された金属間化合物層に作用する応力を緩和することができる。よって、金属間化合物層におけるクラックの発生を抑制することができる。
【００２４】
本発明の絶縁回路基板の製造方法は、絶縁層と、前記絶縁層の一方の面に形成された回路層と、前記絶縁層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の製造方法であって、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層と、このアルミニウム層に接合された銅又は銅合金からなる銅層と、を有しており、前記アルミニウム層と前記銅層とを積層する積層工程と、前記アルミニウム層と前記銅層とを積層方向に加圧した状態で加熱して、前記アルミニウム層と前記銅層との接合界面にＣｕとＡｌの金属間化合物を有する金属間化合物層を形成するとともに、前記アルミニウム層と前記銅層とを固相拡散接合する固相拡散接合工程と、固相拡散接合工程後に、５４８℃以上５５３℃以下に加熱して、前記金属間化合物層の一部を、ＣｕとＡｌの金属間化合物であるθ相とＣｕが固溶したＡｌ相とを有する共晶層とする共晶層形成工程と、を有し、前記共晶層形成工程においては、５４８℃以上５５３℃以下の範囲における温度積分値が１℃・ｍｉｎ以上４℃・ｍｉｎ以下の範囲内とされていることを特徴としている。
【００２５】
この構成の絶縁回路基板の製造方法によれば、前記アルミニウム層と前記銅層との接合界面にＣｕとＡｌの金属間化合物を有する金属間化合物層を形成するとともに、前記アルミニウム層と前記銅層とを固相拡散接合する固相拡散接合工程と、この固相拡散接合工程後に、５４８℃以上５５３℃以下に加熱して、前記金属間化合物層の一部を共晶層とする共晶層形成工程を有し、前記共晶層形成工程においては、５４８℃以上５５３℃以下の範囲における温度積分値が１℃・ｍｉｎ以上４℃・ｍｉｎ以下の範囲内とされているので、金属間化合物層のうちアルミニウム層側の部分を共晶層とすることができる。また、前記共晶層形成工程において液相を適度に発生させることができ、固相拡散接合工程において形成された金属間化合物層に作用する応力を緩和することができる。よって、金属間化合物層におけるクラックの発生を抑制することができる。
【００２６】
本発明のヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法は、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、この金属層の前記絶縁層とは反対側の面に配置されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法であって、前記金属層のうち前記ヒートシンクとの接合面及び前記ヒートシンクのうち前記金属層との接合面のいずれか一方がアルミニウム及びアルミニウム合金で構成されたアルミニウム部材とされ、他方が銅又は銅合金で構成された銅部材とされており、前記ヒートシンクと前記金属層とを積層する積層工程と、前記ヒートシンクと前記金属層とを積層方向に加圧した状態で加熱して、前記ヒートシンクと前記金属層との接合界面にＣｕとＡｌの金属間化合物を有する金属間化合物層を形成するとともに、前記ヒートシンクと前記金属層とを固相拡散接合する固相拡散接合工程と、固相拡散接合工程後に、５４８℃以上５５３℃以下に加熱して、前記金属間化合物層の一部を、ＣｕとＡｌの金属間化合物であるθ相とＣｕが固溶したＡｌ相とを有する共晶層とする共晶層形成工程と、を有し、前記共晶層形成工程においては、５４８℃以上５５３℃以下の範囲における温度積分値が１℃・ｍｉｎ以上４℃・ｍｉｎ以下の範囲内とされていることを特徴としている。
【００２７】
この構成のヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法によれば、前記ヒートシンクと前記金属層との接合界面にＣｕとＡｌの金属間化合物を有する金属間化合物層を形成するとともに、前記ヒートシンクと前記金属層とを固相拡散接合する固相拡散接合工程と、この固相拡散接合工程後に、５４８℃以上５５３℃以下に加熱して、前記金属間化合物層の一部を共晶層とする共晶層形成工程を有し、前記共晶層形成工程においては、５４８℃以上５５３℃以下の範囲における温度積分値が１℃・ｍｉｎ以上４℃・ｍｉｎ以下の範囲内とされているので、金属間化合物層のうちアルミニウム部材側の部分を共晶層とすることができる。また、前記共晶層形成工程において液相を適度に発生させることができ、固相拡散接合工程において形成された金属間化合物層に作用する応力を緩和することができる。よって、金属間化合物層におけるクラックの発生を抑制することができる。
【００２８】
本発明のヒートシンクの製造方法は、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本体と、前記ヒートシンク本体に接合された銅又は銅合金からなる銅部材層と、を備えたヒートシンクの製造方法であって、前記ヒートシンク本体と前記銅部材層とを積層する積層工程と、前記ヒートシンク本体と前記銅部材層とを積層方向に加圧した状態で加熱して、前記ヒートシンク本体と前記銅部材層との接合界面にＣｕとＡｌの金属間化合物を有する金属間化合物層を形成するとともに、前記ヒートシンク本体と前記銅部材層とを固相拡散接合する固相拡散接合工程と、固相拡散接合工程後に、５４８℃以上５５３℃以下に加熱して、前記金属間化合物層の一部を、ＣｕとＡｌの金属間化合物であるθ相とＣｕが固溶したＡｌ相とを有する共晶層とする共晶層形成工程と、を有し、前記共晶層形成工程においては、５４８℃以上５５３℃以下の範囲における温度積分値が１℃・ｍｉｎ以上４℃・ｍｉｎ以下の範囲内とされていることを特徴としている。
【００２９】
この構成のヒートシンクの製造方法によれば、前記ヒートシンク本体と前記銅部材層との接合界面にＣｕとＡｌの金属間化合物を有する金属間化合物層を形成するとともに、前記ヒートシンク本体と前記銅部材層とを固相拡散接合する固相拡散接合工程と、この固相拡散接合工程後に、５４８℃以上５５３℃以下に加熱して、前記金属間化合物層の一部を共晶層とする共晶層形成工程を有し、前記共晶層形成工程においては、５４８℃以上５５３℃以下の範囲における温度積分値が１℃・ｍｉｎ以上４℃・ｍｉｎ以下の範囲内とされているので、金属間化合物層のうちヒートシンク本体側の部分を共晶層とすることができる。また、前記共晶層形成工程において液相を適度に発生させることができ、固相拡散接合工程において形成された金属間化合物層に作用する応力を緩和することができる。よって、金属間化合物層におけるクラックの発生を抑制することができる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、固相拡散接合時に形成される接合層におけるクラックの発生を抑制し、超音波を負荷した場合であっても界面変形が生じることを抑制できる接合体、絶縁回路基板、ヒートシンク付絶縁回路基板、ヒートシンク、及び、接合体の製造方法、絶縁回路基板の製造方法、ヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法、ヒートシンク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】
【００３１】
【図１】ＣｕとＡｌの２元状態図である。
【図２】本発明の第一実施形態に係る絶縁回路基板を備えたパワーモジュールの概略説明図である。
【図３】図２に示す絶縁回路基板のアルミニウム層と銅層の接合界面の断面拡大説明図である。
【図４】第一実施形態に係る絶縁回路基板の製造方法を説明するフロー図である。
【図５】第一実施形態に係る絶縁回路基板の製造方法の概略説明図である。
【図６】第一実施形態に係る絶縁回路基板の製造方法において、固相拡散接合工程及び共晶層形成工程における接合界面の拡大説明図である。
【図７】固相拡散接合工程及び共晶層形成工程で用いられる通電加熱装置の概略説明図である。
【図８】本発明の第二実施形態に係るヒートシンク付絶縁回路基板を備えたパワーモジュールの概略説明図である。
【図９】図８に示すヒートシンク付絶縁回路基板のヒートシンクと金属層との接合界面の断面拡大説明図である。
【図１０】第二実施形態に係るヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法を説明するフロー図である。
【図１１】第二実施形態に係るヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法の概略説明図である。
【図１２】本発明の第三実施形態に係るヒートシンクの概略説明図である。
【図１３】図１２に示すヒートシンクのヒートシンク本体と銅部材層との接合界面の断面拡大説明図である。
【図１４】第三実施形態に係るヒートシンクの製造方法を説明するフロー図である。
【図１５】第三実施形態に係るヒートシンクの製造方法の概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
（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。
図２に、本発明の第一実施形態である絶縁回路基板１０、及び、この絶縁回路基板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２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１２Ａ及び銅部材として銅層１２Ｂが接合されてなる回路層１２、アルミニウム部材としてアルミニウム層１３Ａ及び銅部材として銅層１３Ｂが接合されてなる金属層１３とされている。
【００３３】
図２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２において上面）に第１はんだ層２を介して接合された半導体素子３と、絶縁回路基板１０の下側に第２はんだ層８を介して接合されたヒートシンク３１と、を備えている。
【００３４】
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。
【００３５】
ヒートシンク３１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３１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た放熱板とされている。絶縁回路基板１０とヒートシンク３１とを接合する第２はんだ層８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。
【００３６】
絶縁回路基板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２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２において下面）に配設された金属層１３と、を備えている。
【００３７】
セラミックス基板１１は、絶縁性および放熱性に優れた窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等のセラミックスで構成されている。本実施形態では、セラミックス基板１１は、特に放熱性の優れた窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で構成されている。また、セラミックス基板１１の厚さは、例えば、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。
【００３８】
回路層１２は、図２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１２Ａと、このアルミニウム層１２Ａの一方の面に積層された銅層１２Ｂと、を有している。
なお、回路層１２におけるアルミニウム層１２Ａ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１２における銅層１２Ｂ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、１．２ｍｍに設定されている。
【００３９】
金属層１３は、図２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１３Ａと、このアルミニウム層１３Ａの他方の面に積層された銅層１３Ｂと、を有している。
なお、金属層１３におけるアルミニウム層１３Ａ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。
また、金属層１３における銅層１３Ｂ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、０．９ｍｍに設定されている。
【００４０】
ここで、アルミニウム層１２Ａ，１３Ａは、図５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、アルミニウム及びアルミニウム合金からなるアルミニウム板２２Ａ，２３Ａ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、アルミニウム層１２Ａ，１３Ａとなるアルミニウム板２２Ａ，２３Ａは、純度が９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）または純度が９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）で構成されている。
【００４１】
銅層１２Ｂ，１３Ｂは、図５に示すように、アルミニウム層１２Ａ，１３Ａに、銅又は銅合金からなる銅板２２Ｂ，２３Ｂ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１２Ｂ，１３Ｂを構成する銅板２２Ｂ，２３Ｂは、無酸素銅の圧延板とされている。
ここで、アルミニウム層１２Ａと銅層１２Ｂ、及び、アルミニウム層１３Ａと銅層１３Ｂは、それぞれ固相拡散接合されている。
【００４２】
そして、アルミニウム層１２Ａと銅層１２Ｂの接合界面、及び、アルミニウム層１３Ａと銅層１３Ｂの接合界面においては、図３に示すように、ＣｕとＡｌを有する接合層４０が形成されており、この接合層４０は、銅層１２Ｂ，１３Ｂ側に形成されたＣｕとＡｌの金属間化合物からなる金属間化合物層４１と、アルミニウム層１２Ａ，１３Ａ側に形成された共晶層４５と、を備えている。
【００４３】
金属間化合物層４１は、図１に示す２元状態図に示すように、複数の相の金属間化合物で構成されており、具体的には、η２相、ζ２相、δ相、及びγ２相等が積層した構成とされている。
また、本実施形態においては、金属間化合物層４１の厚さは、０．７５μｍ以上６０μｍ以下の範囲内、好ましくは、３．７５μｍ以上６０μｍ以下の範囲内に設定されている。なお、金属間化合物層４１の厚さは、図３に示す観察像から金属間化合物層４１の面積を測定し、測定された面積を観察像における接合界面の幅で割ることによって算出したものである。
【００４４】
共晶層４５は、図３に示すように、ＣｕとＡｌの金属間化合物の一種であるθ相と、Ｃｕが固溶したＡｌ相と、からなるラメラ組織を成している。図３に示す共晶層４５においては、白色部がθ相であり、黒色部がＡｌ相である。
また、本実施形態においては、共晶層４５の厚さは、１μｍ以上３０μｍ以下の範囲内、好ましくは、１μｍ以上１５μｍ以下の範囲内に設定されている。なお、共晶層４５の厚さは、図３に示す観察像から共晶層４５の面積を測定し、測定された面積を観察像における接合界面の幅で割ることによって算出したものである。
【００４５】
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４から図６を参照して説明する。
【００４６】
（アルミニウム層形成工程Ｓ０１）
図５に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に、アルミニウム層１２Ａとなるアルミニウム板２２Ａを、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔２６を介して積層するとともに、セラミックス基板１１の他方の面に、アルミニウム層１３Ａとなるアルミニウム板２３Ａを、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔２６を介して積層する。なお、本実施形態では、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔２６として、厚さ１０μｍのＡｌ−８ｍａｓｓ％Ｓｉ合金箔を用いた。
【００４７】
そして、積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２（０．１〜３．５ＭＰａ））した状態で真空加熱炉内に配置し加熱して、アルミニウム板２２Ａとセラミックス基板１１を接合してアルミニウム層１２Ａを形成する。また、セラミックス基板１１とアルミニウム板２３Ａを接合してアルミニウム層１３Ａを形成する。
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６５０℃以下、加熱温度での保持時間は１５分以上１８０分以下の範囲内に設定されることが好ましい。
【００４８】
（積層工程Ｓ０２）
次に、アルミニウム層１２Ａの一方の面側（図５において上側）に、銅層１２Ｂとなる銅板２２Ｂを積層する。また、アルミニウム層１３Ａの他方の面側（図５において下側）に、銅層１３Ｂとなる銅板２３Ｂを積層し、積層体を形成する。
なお、アルミニウム層１２Ａ，１３Ａ、銅板２２Ｂ，２３Ｂ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ている。
【００４９】
（固相拡散接合工程Ｓ０３）
次に、上述の積層体を、積層方向に加圧（圧力３〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２（０．１〜３．５ＭＰａ））するとともに加熱して、アルミニウム層１２Ａと銅板２２Ｂ、アルミニウム層１３Ａと銅板２３Ｂとを固相拡散接合する。この固相拡散接合工程Ｓ０３により、図６に示すように、アルミニウム層１２Ａと銅層１２Ｂの接合界面、及び、アルミニウム層１３Ａと銅層１３Ｂの接合界面には、金属間化合物層４１が形成される。
ここで、固相拡散接合工程Ｓ０３においては、加熱温度は、４００℃以上５４８℃未満、加熱温度での保持時間は、５分以上２４０分以下の範囲内に設定されることが好ましい。
【００５０】
（共晶層形成工程Ｓ０４）
次に、上述の固相拡散接合工程Ｓ０３に続いて、上述の積層体を、５４８℃以上５５３℃以下に加熱し、共晶層４５を形成する。この共晶層形成工程Ｓ０４により、図６に示すように、金属間化合物層４１のうちアルミニウム層１２Ａ，１３Ａ側の部分が、共晶層４５となる。
【００５１】
ここで、５４８℃以上５５３℃以下の範囲における温度積分値が１℃・ｍｉｎ未満の場合には、液相を十分に形成することができず、金属間化合物層４１の応力を十分に緩和することができないおそれがある。一方、５４８℃以上５５３℃以下の範囲における温度積分値が４℃・ｍｉｎを超える場合には、液相が過剰に生成してしまい、形状維持が困難となるおそれがある。
このため、共晶層形成工程Ｓ０４においては、５４８℃以上５５３℃以下の範囲における温度積分値を１℃・ｍｉｎ以上４℃・ｍｉｎ以下の範囲内に設定している。
なお、５４８℃以上５５３℃以下の範囲における温度積分値を１℃・ｍｉｎ以上４℃・ｍｉｎ以下の範囲内とするためには、５４８℃以上５５３℃以下から５４８℃未満までの冷却速度を２０℃／ｍｉｎ以上５０℃／ｍｉｎ以下の範囲内とすることが好ましい。
【００５２】
また、共晶層形成工程Ｓ０４において５４８℃以上５５３℃以下の範囲における温度積分値を１℃・ｍｉｎ以上４℃・ｍｉｎ以下の範囲内とするためには、固相拡散接合工程Ｓ０３及び共晶層形成工程Ｓ０４の加圧及び加熱時に、通電加熱装置やホットプレス装置を用いることが好ましい。本実施形態では、図７に示す通電加熱装置を用いている。
【００５３】
図７に示す通電加熱装置６０は、一対の電極６１，６１と、これらの電極６１，６１に対して通電する電源６２と、を備えている。上述の積層体を、カーボン板６３，６３を介して一対の電極６１、６１の間に配置する。なお、セラミックス基板１１が絶縁体であるため、例えば、カーボンからなる冶具等でカーボン板６３，６３を短絡させておく。
そして、一対の電極６１，６１によって、積層体を積層方向に加圧するとともに、電源６２から通電を行う。すると、ジュール熱によってカーボン板６３，６３及び積層体が加熱される。
これにより、固相拡散接合工程Ｓ０３及び共晶層形成工程Ｓ０４を実施することが可能となる。
【００５４】
上述の通電加熱装置６０を用いる場合、積層体が直接通電加熱されることから、昇温速度及び冷却速度を比較的速くすることができる。
なお、通電加熱装置６０を用いる場合には、アルミニウム層１２Ａ，１３Ａ及び銅板２２Ｂ，２３Ｂの表面粗さは、算術平均粗さＲａで０．３μｍ以上０．６μｍ以下、または、最大高さＲｚで１．３μｍ以上２．３μｍ以下の範囲内とすることが好ましい。通常の固相拡散接合では、接合面の表面粗さは小さいことが好ましいが、通電加熱装置６０を用いる場合には、接合面の表面粗さが小さすぎると、界面接触抵抗が低下し、接合界面を局所的に加熱することが困難となるため、上述の範囲内とすることが好ましい。
【００５５】
以上のようにして、本実施形態である絶縁回路基板１０が製造される。
【００５６】
（ヒートシンク接合工程Ｓ０５）
次に、金属層１３（銅層１３Ｂ）とヒートシンク３１とをはんだ材を介して積層し、還元炉内においてはんだ接合する。
【００５７】
（半導体素子接合工程Ｓ０６）
次いで、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。
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。
【００５８】
以上のような構成とされた本実施形態に係る絶縁回路基板１０によれば、回路層１２がアルミニウム層１２Ａと銅層１２Ｂとを有し、金属層１３がアルミニウム層１３Ａと銅層１３Ｂとを有しており、アルミニウム層１２Ａと銅層１２Ｂとの接合界面、及び、アルミニウム層１３Ａと銅層１３Ｂとの接合界面に形成された接合層４０が、銅層１２Ｂ，１３Ｂ側に形成されたＣｕとＡｌの金属間化合物からなる金属間化合物層４１と、アルミニウム層１２Ａ，１３Ａ側に形成された共晶層４５と、を備えており、この共晶層４５が、ＣｕとＡｌの金属間化合物の一種であるθ相と、Ｃｕが固溶したＡｌ相と、からなるラメラ組織を成しているので、金属間化合物層４１のうちアルミニウム層１２Ａ，１３Ａ側の部分を共晶層４５とすることができ、硬い金属間化合物層４１と比較的軟らかいアルミニウム層１２Ａ，１３Ａとの間に共晶層４５が介在することになり、接合層４０におけるクラックの発生を抑制することができる。
よって、超音波を負荷した場合であっても、回路層１２のアルミニウム層１２Ａと銅層１２Ｂの接合界面及び金属層１３のアルミニウム層１３Ａと銅層１３Ｂの接合界面において、金属間化合物層４１のクラックを起点として界面変形や強度低下の発生を抑制することができる。
【００５９】
また、本実施形態である絶縁回路基板の製造方法によれば、固相拡散接合工程Ｓ０３の後に、５４８℃以上５５３℃以下に加熱して共晶層４５を形成する共晶層形成工程Ｓ０４を有しており、共晶層形成工程Ｓ０４において、５４８℃以上５５３℃以下の範囲における温度積分値が１℃・ｍｉｎ以上４℃・ｍｉｎ以下の範囲内とされているので、共晶層形成工程Ｓ０４において液相を適度に発生させることができ、金属間化合物層４１に作用する応力を緩和することができ、金属間化合物層４１におけるクラックの発生を抑制することができる。また、金属間化合物層４１のうちアルミニウム層１２Ａ，１３Ａ側の部分を共晶層４５とすることができる。
【００６０】
（第二実施形態）
次に、本発明の第二実施形態であるヒートシンク付絶縁回路基板１３０について、添付した図面を参照して説明する。
図８に、本発明の第二実施形態であるヒートシンク付絶縁回路基板１３０、及び、このヒートシンク付絶縁回路基板１３０を用いたパワーモジュール１０１を示す。
【００６１】
このパワーモジュール１０１は、ヒートシンク付絶縁回路基板１３０と、このヒートシンク付絶縁回路基板１３０の一方の面（図８において上面）に第１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。
ヒートシンク付絶縁回路基板１３０は、絶縁回路基板１１０と、絶縁回路基板１１０に接合されたヒートシンク１３１と、を備えている。
【００６２】
絶縁回路基板１１０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８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８において下面）に配設された金属層１１３と、を備えている。
【００６３】
回路層１１２は、図１１に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に、銅又は銅合金からなる銅板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、無酸素銅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１１２となる銅板１２２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。
【００６４】
金属層１１３は、図１１に示すように、セラミックス基板１１の他方の面に、銅又は銅合金からなる銅板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、無酸素銅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１１３となる銅板１２３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。
【００６５】
ヒートシンク１３１は、絶縁回路基板１１０側の熱を放散するためのものであり、本実施形態では、図８に示すように、放熱板とされている。
このヒートシンク１３１は、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されており、本実施形態では、Ａ６０６３合金で構成されている。
【００６６】
そして、ヒートシンク１３１と金属層１１３の接合界面においては、図９に示すように、ＣｕとＡｌを有する接合層１４０が形成されており、この接合層１４０は、金属層１１３側に形成された金属間化合物層１４１と、ヒートシンク１３１側に形成された共晶層１４５と、を備えている。
【００６７】
金属間化合物層１４１は、図１に示す２元状態図に示すように複数の相の金属間化合物で構成されており、具体的には、η２相、ζ２相、δ相、及びγ２相等が積層して構成されている。
また、本実施形態においては、金属間化合物層１４１の厚さは、０．７５μｍ以上６０μｍ以下の範囲内、好ましくは、３．７５μｍ以上６０μｍ以下の範囲内に設定されている。
【００６８】
共晶層１４５は、第一実施形態と同様に、ＣｕとＡｌの金属間化合物の一種であるθ相と、Ｃｕが固溶したＡｌ相と、からなるラメラ組織を成している。
また、本実施形態においては、共晶層１４５の厚さは、１μｍ以上３０μｍ以下の範囲内、好ましくは、１μｍ以上１５μｍ以下の範囲内に設定されている。
【００６９】
次に、本実施形態であるヒートシンク付絶縁回路基板１３０の製造方法について、図１０及び図１１を参照して説明する。
【００７０】
（銅板接合工程Ｓ１０１）
図１１に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に回路層１１２となる銅板１２２を活性ろう材１２６を介して積層するとともに、セラミックス基板１１の他方の面に金属層１１３となる銅板１２３を活性ろう材１２６を介して積層する。なお、本実施形態では、活性ろう材１２６として、Ａｇ−２７ｍａｓｓ％Ｃｕ−１．５ｍａｓ％Ｔｉ合金のペーストを用いた。
【００７１】
そして、積層方向に１ｋｇｆ／ｃｍ２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ２以下（０．１ＭＰａ以上３．５ＭＰａ以下）の範囲で加圧した状態で真空加熱炉内に装入して加熱し、銅板１２２とセラミックス基板１１とを接合して回路層１１２を形成するとともに、銅板１２３とセラミックス基板１１とを接合して金属層１１３を形成する。
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、７９０℃以上８５０℃以下、加熱温度での保持時間は、５分以上６０分以下の範囲内に設定されることが好ましい。
この銅板接合工程Ｓ１０１により、絶縁回路基板１１０が製造される。
【００７２】
（ヒートシンク積層工程Ｓ１０２）
次に、絶縁回路基板１１０の金属層１１３とヒートシンク１３１とを積層し、積層体を形成する。
なお、金属層１１３及びヒートシンク１３１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ている。
【００７３】
（固相拡散接合工程Ｓ１０３）
次に、上述の積層体を、積層方向に加圧（圧力３〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２（０．３〜３．５ＭＰａ））するとともに加熱して、金属層１１３とヒートシンク１３１とを固相拡散接合する。この固相拡散接合工程Ｓ１０３により、金属層１１３とヒートシンク１３１の接合界面には、金属間化合物層１４１が形成される。
ここで、固相拡散接合工程Ｓ１０３においては、加熱温度は、４００℃以上５４８℃未満、加熱温度での保持時間は、５分以上２４０分以下の範囲内に設定されることが好ましい。
【００７４】
（共晶層形成工程Ｓ１０４）
次に、上述の固相拡散接合工程Ｓ１０３に続いて、上述の積層体を、５４８℃以上５５３℃以下に加熱し、共晶層１４５を形成する。この共晶層形成工程Ｓ１０４により、金属間化合物層１４１のうちヒートシンク１３１側の部分が、共晶層１４５となる。
ここで、上述の共晶層形成工程Ｓ１０４においては、５４８℃以上５５３℃以下の範囲における温度積分値が１℃・ｍｉｎ以上４℃・ｍｉｎ以下の範囲内とする。
なお、本実施形態においても、第一実施形態と同様に、固相拡散接合工程Ｓ１０３及び共晶層形成工程Ｓ１０４の加圧及び加熱時に、通電加熱装置やホットプレス装置を用いることが好ましい。
【００７５】
以上のようにして、本実施形態であるヒートシンク付絶縁回路基板１３０が製造される。
【００７６】
（半導体素子接合工程Ｓ１０５）
次いで、回路層１１２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。
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。
【００７７】
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絶縁回路基板１３０によれば、銅又は銅合金からなる金属層１１３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１３１との接合界面に形成された接合層１４０が、金属層１１３側に形成された金属間化合物層１４１と、ヒートシンク１３１側に形成された共晶層１４５とを備え、この共晶層１４５が、ＣｕとＡｌの金属間化合物の一種であるθ相と、Ｃｕが固溶したＡｌ相と、からなるラメラ組織を成しているので、金属間化合物層１４１のうちヒートシンク１３１側の部分を共晶層１４５とすることができ、硬い金属間化合物層１４１と比較的軟らかいヒートシンク１３１との間に共晶層１４５が介在することになり、接合層１４０におけるクラックの発生を抑制することができる。
よって、超音波を負荷した場合であっても、金属層１１３とヒートシンク１３１の接合界面において、金属間化合物層１４１のクラックを起点として界面変形や強度低下の発生を抑制することができる。
【００７８】
また、本実施形態であるヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法によれば、固相拡散接合工程Ｓ１０３の後に、５４８℃以上５５３℃以下に加熱して共晶層１４５を形成する共晶層形成工程Ｓ１０４を有しており、共晶層形成工程Ｓ１０４において、５４８℃以上５５３℃以下の範囲における温度積分値が１℃・ｍｉｎ以上４℃・ｍｉｎ以下の範囲内とされているので、共晶層形成工程Ｓ１０４において液相を適度に発生させることができ、金属間化合物層１４１に作用する応力を緩和することができ、金属間化合物層１４１におけるクラックの発生を抑制することができる。また、金属間化合物層１４１のうちヒートシンク１３１側の部分を共晶層１４５とすることができる。
【００７９】
（第三実施形態）
次に、本発明の第三実施形態であるヒートシンクについて説明する。図１２に、本発明の第二実施形態に係るヒートシンク２０１を示す。
このヒートシンク２０１は、ヒートシンク本体２１０と、ヒートシンク本体２１０の一方の面（図１２において上側）に積層された銅又は銅合金からなる銅部材層２１７と、を備えている。本実施形態では、銅部材層２１７は、図１５に示すように、ヒートシンク本体２１０の一方の面に無酸素銅の圧延板からなる銅板２２７を接合することによって構成されている。
【００８０】
ヒートシンク本体２１０は、冷却媒体が流通する流路２１１が設けられている。このヒートシンク本体２１０は、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されており、本実施形態では、Ａ６０６３合金で構成されている。
【００８１】
そして、ヒートシンク本体２１０と銅部材層２１７の接合界面においては、図１３に示すように、ＣｕとＡｌを有する接合層２４０が形成されており、この接合層２４０は、銅部材層２１７側に形成された金属間化合物層２４１と、ヒートシンク本体２１０側に形成された共晶層２４５と、を備えている。
【００８２】
金属間化合物層２４１は、図１に示す２元状態図に示すように複数の相の金属間化合物で構成されており、具体的には、η２相、ζ２相、δ相、及びγ２相等が積層して構成されている。
また、本実施形態においては、金属間化合物層２４１の厚さは、０．７５μｍ以上６０μｍ以下の範囲内、好ましくは、３．７５μｍ以上６０μｍ以下の範囲内に設定されている。
【００８３】
共晶層２４５は、第一実施形態と同様に、ＣｕとＡｌの金属間化合物の一種であるθ相と、Ｃｕが固溶したＡｌ相と、からなるラメラ組織を成している。
また、本実施形態においては、共晶層２４５の厚さは、１μｍ以上３０μｍ以下の範囲内、好ましくは、１μｍ以上１５μｍ以下の範囲内に設定されている。
【００８４】
次に、本実施形態であるヒートシンク２０１の製造方法について、図１４及び図１５を参照して説明する。
【００８５】
（積層工程Ｓ２０１）
まず、図１５に示すように、ヒートシンク本体２１０と銅部材層２１７となる銅板２２７とを積層し、積層体を形成する。
なお、ヒートシンク本体２１０及び銅部材層２１７となる銅板２２７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ている。
【００８６】
（固相拡散接合工程Ｓ２０２）
次に、上述の積層体を、積層方向に加圧（圧力３〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２（０．３〜３．５ＭＰａ））するとともに加熱して、ヒートシンク本体２１０と銅板２２７とを固相拡散接合する。この固相拡散接合工程Ｓ２０２により、ヒートシンク本体２１０と銅部材層２１７の接合界面には、金属間化合物層２４１が形成される。
ここで、固相拡散接合工程Ｓ２０２においては、加熱温度は、４００℃以上５４８℃未満、加熱温度での保持時間は、５分以上２４０分以下の範囲内に設定されることが好ましい。
【００８７】
（共晶層形成工程Ｓ２０３）
次に、上述の固相拡散接合工程Ｓ２０２に続いて、上述の積層体を、５４８℃以上５５３℃以下に加熱し、共晶層２４５を形成する。この共晶層形成工程Ｓ２０３により、金属間化合物層２４１のうちヒートシンク本体２１０側の部分が、共晶層２４５となる。
ここで、上述の共晶層形成工程Ｓ２０３においては、５４８℃以上５５３℃以下の範囲における温度積分値が１℃・ｍｉｎ以上４℃・ｍｉｎ以下の範囲内とする。
なお、本実施形態においても、第一実施形態と同様に、固相拡散接合工程Ｓ２０２及び共晶層形成工程Ｓ２０３の加圧及び加熱時に、通電加熱装置やホットプレス装置を用いることが好ましい。
【００８８】
以上のようにして、本実施形態であるヒートシンク２０１が製造される。
【００８９】
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２０１によれば、ヒートシンク本体２１０の一方の面側に、無酸素銅の圧延板からなる銅板２２７を接合することによって銅部材層２１７が形成されているので、熱を銅部材層２１７によって面方向に広げることができ、放熱特性を大幅に向上させることができる。また、はんだ等を用いて他の部材とヒートシンク２０１とを良好に接合することができる。
【００９０】
そして、本実施形態では、ヒートシンク本体２１０と銅部材層２１７との接合界面に形成された接合層２４０は、銅部材層２１７側に形成された金属間化合物層２４１と、ヒートシンク本体２１０側に形成された共晶層２４５とを備え、この共晶層２４５が、ＣｕとＡｌの金属間化合物の一種であるθ相と、Ｃｕが固溶したＡｌ相と、からなるラメラ組織を成しているので、金属間化合物層２４１のうちヒートシンク本体２１０側の部分を共晶層２４５とすることができ、硬い金属間化合物層２４１と比較的軟らかいヒートシンク本体２１０との間に共晶層２４５が介在することになり、接合層２４０におけるクラックの発生を抑制することができる。
よって、超音波を負荷した場合であっても、ヒートシンク本体２１０と銅部材層２１７との接合界面において、金属間化合物層２４１のクラックを起点として界面変形や強度低下の発生を抑制することができる。
【００９１】
また、本実施形態であるヒートシンクの製造方法によれば、固相拡散接合工程Ｓ２０２の後に、５４８℃以上５５３℃以下に加熱して共晶層２４５を形成する共晶層形成工程Ｓ２０３を有しており、共晶層形成工程Ｓ２０３において、５４８℃以上５５３℃以下の範囲における温度積分値が１℃・ｍｉｎ以上４℃・ｍｉｎ以下の範囲内とされているので、共晶層形成工程Ｓ２０３において液相を適度に発生させることができ、金属間化合物層２４１に作用する応力を緩和することができ、金属間化合物層２４１におけるクラックの発生を抑制することができる。また、金属間化合物層２４１の一部を共晶層２４５とすることができる。
【００９２】
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、第一実施形態では、回路層１２及び金属層１３を、アルミニウム層１２Ａ、１３Ａ及び銅層１２Ｂ、１３Ｂを有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、回路層１２及び金属層１３のいずれか一方がアルミニウム層と銅層を有するものであってもよい。
【００９３】
また、アルミニウム層を構成するアルミニウム板として、純度９９ｍａｓｓ％のアルミニウムの圧延板を例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上の純アルミニウムや、他のアルミニウム又はアルミニウム合金で構成したものであってもよい。
さらに、銅層等を構成する銅板として、無酸素銅の圧延板を例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、他の銅又は銅合金で構成したものであってもよい。
【００９４】
また、第一実施形態及び第二実施形態では、絶縁回路基板に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。
さらに、本実施形態では、絶縁層をセラミックス基板で構成したもので説明したが、これに限定されることはなく、絶縁層を樹脂等で構成したものであってもよい。
【００９５】
また、第一実施形態では、セラミックス基板とアルミニウム板とをろう材を用いて接合するものとして説明したが、セラミックス基板とアルミニウム板との接合方法に特に限定はない。
さらに、第二実施形態では、セラミックス基板と銅板とをろう材を用いて接合するものとして説明したが、セラミックス基板と銅板との接合方法に特に限定はない。
【実施例】
【００９６】
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。
【００９７】
（接合体の作製）
表１に示すアルミニウム板（２０ｍｍ×２０ｍｍ×厚さ３ｍｍ）の一方の面に、表１に示す銅板（１０ｍｍ×１０ｍｍ×厚さ０．３ｍｍ）を、上述の実施形態に記載した方法によって接合した。固相拡散接合工程及び共晶層形成工程は表１に示す条件で実施した。
得られた接合体に対して、以下のように評価を実施した。
【００９８】
（接合層の構造）
アルミニウム板と銅板の断面観察を行い、接合界面に形成された接合層の構造を以下のように評価した。
ＥＰＭＡ（日本電子株式会社社製ＪＸＡ−８５３０Ｆ）によって、倍率１０００倍の視野で１０視野観察し、ＣｕとＡｌのマッピングを行った。金属間化合物層および共晶層の面積を求め、その面積を測定視野の幅の寸法で除して厚さを算出し、１０視野の平均をそれぞれ金属間化合物層および共晶層の厚さとした。Ｃｕ濃度が３５ａｔ％以上７０ａｔ％以下の範囲を金属間化合物層、Ｃｕ濃度が５ａｔ％以上３５ａｔ％未満の範囲を共晶層とした。
評価結果を表１に示す。
【００９９】
（超音波接合後の剥離の有無）
得られた接合体に対して、超音波金属接合機（超音波工業株式会社製：６０Ｃ−９０４）を用いて、銅端子（１０ｍｍ×５ｍｍ×１ｍｍ厚）をコプラス量０．５ｍｍの条件で超音波接合した。
接合後に超音波探傷装置（株式会社日立ソリューションズ製ＦｉｎｅＳＡＴ２００）を用いて、アルミニウム板と銅板の接合界面を検査し、１０個中７個以上で剥離が観察されたものを「×」、１０個中３個以上７個未満で剥離が観察されたものを「△」、１０個中１個以上３個未満で剥離が観察されたものを「○」、１０個中全く確認されなかったものを「◎」と評価した。評価結果を表１に示す。
【０１００】
【表１】
2019087608.tif 000003
【０１０１】
共晶層形成工程を実施しなかった比較例１においては、金属間化合物層のうちアルミニウム板側の部分を、ＣｕとＡｌの金属間化合物であるθ相と、Ｃｕが固溶したＡｌ相と、を備えた共晶層とすることができず、超音波接合性が低下した。
共晶層形成工程における温度積分値が０．２℃・ｍｉｎとされた比較例２においては、金属間化合物層のうちアルミニウム部材側の部分を、ＣｕとＡｌの金属間化合物であるθ相と、Ｃｕが固溶したＡｌ相と、を備えた共晶層とすることができず、超音波接合性が低下した。
共晶層形成工程における温度積分値が１０．０℃・ｍｉｎとされた比較例３においては、液相が過剰に生成し、形状を保つことができなかった。このため、試験を中止した。
【０１０２】
これに対して、本発明例１−１０においては、金属間化合物層のうちアルミニウム板側の部分を、ＣｕとＡｌの金属間化合物であるθ相と、Ｃｕが固溶したＡｌ相と、を備えた共晶層とすることができ、超音波接合性に優れている。
【０１０３】
以上の確認実験の結果、本発明例によれば、固相拡散接合時に形成される接合層におけるクラックの発生を抑制し、超音波を負荷した場合であっても界面変形が生じることを抑制できる接合体を提供可能であることが確認された。
【符号の説明】
【０１０４】
１０  絶縁回路基板
１１  セラミックス基板
１２  回路層
１３  金属層
１２Ａ、１３Ａ  アルミニウム層（アルミニウム部材）
１２Ｂ、１３Ｂ  銅層（銅部材）
４０  接合層
４１  金属間化合物層
４５  共晶層
１１０  絶縁回路基板
１１３  金属層（銅部材）
１３０  ヒートシンク付絶縁回路基板
１３１  ヒートシンク（アルミニウム部材）
１４０  接合層
１４１  金属間化合物層
１４５  共晶層
２０１  ヒートシンク
２１０  ヒートシンク本体（アルミニウム部材）
２１７  銅部材層（銅部材）
２４０  接合層
２４１  金属間化合物層
２４５  共晶層
【図１】
2019087608.tif 000004
【図２】
2019087608.tif 000005
【図３】
2019087608.tif 000006
【図４】
2019087608.tif 000007
【図５】
2019087608.tif 000008
【図６】
2019087608.tif 000009
【図７】
2019087608.tif 000010
【図８】
2019087608.tif 000011
【図９】
2019087608.tif 000012
【図１０】
2019087608.tif 000013
【図１１】
2019087608.tif 000014
【図１２】
2019087608.tif 000015
【図１３】
2019087608.tif 000016
【図１４】
2019087608.tif 000017
【図１５】
2019087608.tif 000018