(57)【要約】【課題】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が固相拡散接合され、接合界面に比較的硬い金属間化合物層が形成されることを抑制することができる接合体を提供する。【解決手段】アルミニウム合金部材３１は、Ｍｇ濃度が０．４ｍａｓｓ％以上７．０ｍａｓｓ％以下の範囲内とされ、Ｓｉ濃度が１ｍａｓｓ％未満とされたアルミニウム合金で構成され、アルミニウム合金部材３１と銅部材１３Ｂとが固相拡散接合され、アルミニウム合金部材３１と銅部材１３Ｂとの接合界面に、アルミニウム合金部材３１側に配設されたＣｕとＡｌの金属間化合物のθ相からなる第１金属間化合物層４１と、銅部材１３Ｂ側に配設されたＣｕとＡｌの金属間化合物のγ２相からなる第２金属間化合物層４２と、第１金属間化合物層４１と第２金属間化合物層４２との間に形成されたＣｕ−Ａｌ−Ｍｇ層４３と、で構成された化合物層４０が形成されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材と、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、
前記アルミニウム合金部材は、Ｍｇ濃度が０．４ｍａｓｓ％以上７．０ｍａｓｓ％以下の範囲内とされ、Ｓｉ濃度が１ｍａｓｓ％未満とされたアルミニウム合金で構成され、
前記アルミニウム合金部材と前記銅部材とが固相拡散接合されており、
前記アルミニウム合金部材と前記銅部材との接合界面に、前記アルミニウム合金部材の金属原子と前記銅部材のＣｕ原子とが拡散して形成された化合物層を備え、
この化合物層は、前記アルミニウム合金部材側に配設されたＣｕとＡｌの金属間化合物のθ相からなる第１金属間化合物層と、前記銅部材側に配設されたＣｕとＡｌの金属間化合物のγ２相からなる第２金属間化合物層と、これら第１金属間化合物層と第２金属間化合物層との間に形成されたＣｕ−Ａｌ−Ｍｇ層と、で構成されていること特徴とする接合体。
【請求項２】
前記アルミニウム合金部材の接合面にマグネシウム酸化物膜が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の接合体。
【請求項３】
前記マグネシウム酸化物膜は、結晶性の粒状体を有していることを特徴とする請求項２に記載の接合体。
【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は、銅又は銅合金で構成され、
前記ヒートシンクのうち前記金属層との接合面は、Ｍｇ濃度が０．４ｍａｓｓ％以上７．０ｍａｓｓ％以下の範囲内とされ、Ｓｉ濃度が１ｍａｓｓ％未満とされたアルミニウム合金で構成され、
前記ヒートシンクと前記金属層とが固相拡散接合されており、
前記ヒートシンクと前記金属層との接合界面に、前記アルミニウム合金の金属原子と前記銅部材のＣｕ原子とが拡散して形成された化合物層を備え、
この化合物層は、前記ヒートシンク側に配設されたＣｕとＡｌの金属間化合物のθ相からなる第１金属間化合物層と、前記金属層側に配設されたＣｕとＡｌの金属間化合物のγ２相からなる第２金属間化合物層と、これら第１金属間化合物層と第２金属間化合物層との間に形成されたＣｕ−Ａｌ−Ｍｇ層と、で構成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。
【請求項５】
前記ヒートシンクの接合面にマグネシウム酸化物膜が形成されていることを特徴とする請求項４に記載のヒートシンク付絶縁回路基板。
【請求項６】
前記マグネシウム酸化物膜は、結晶性の粒状体を有していることを特徴とする請求項５に記載のヒートシンク付絶縁回路基板。
【請求項７】
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は、Ｍｇ濃度が０．４ｍａｓｓ％以上７．０ｍａｓｓ％以下の範囲内とされ、Ｓｉ濃度が１ｍａｓｓ％未満とされたアルミニウム合金で構成され、
前記ヒートシンク本体と前記銅部材層とが固相拡散接合されており、
前記ヒートシンク本体と前記銅部材層との接合界面に、前記ヒートシンク本体の金属原子と前記銅部材層のＣｕ原子とが拡散して形成された化合物層を備え、
この化合物層は、前記ヒートシンク本体側に配設されたＣｕとＡｌの金属間化合物のθ相からなる第１金属間化合物層と、前記銅部材層側に配設されたＣｕとＡｌの金属間化合物のγ２相からなる第２金属間化合物層と、これら第１金属間化合物層と第２金属間化合物層との間に形成されたＣｕ−Ａｌ−Ｍｇ層と、で構成されていることを特徴とするヒートシンク。
【請求項８】
前記ヒートシンク本体の接合面にマグネシウム酸化物膜が形成されていることを特徴とする請求項７に記載のヒートシンク。
【請求項９】
前記マグネシウム酸化物膜は、結晶性の粒状体を有し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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、アルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材と、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Ａｌの酸化皮膜が形成されるため、はんだ材によって半導体素子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Ａｌ層とＣｕ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Ｃｕ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。
【０００６】
さらに、特許文献４には、Ｓｉ濃度が１ｍａｓｓ％以上２５ｍａｓｓ％以下のアルミニウム合金からなるヒートシンクと銅からなる金属層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。また、Ｓｉ濃度が１ｍａｓｓ％以上２５ｍａｓｓ％以下のアルミニウム合金からなるヒートシンク本体と銅からなる金属部材層とが固相拡散接合されたヒートシンクが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【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
【特許文献４】特開２０１６−２０８０１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、特許文献２−４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。ここで、銅とアルミニウムとからなる金属間化合物としては、図１に示すように複数の相がある。このため、アルミニウム部材と銅部材との接合界面に形成された金属間化合物層は、θ相、η２相、ζ２相、δ相、γ２相といった各相が積層された構造とされている。
ここで、η２相、ζ２相、δ相は、比較的硬いため、冷熱サイクルを負荷した際に、金属化合物層に割れが生じ、熱抵抗が高くなるとともに接合率が低下するといった問題があった。
【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、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であっても、接合界面に比較的硬い金属間化合物層が形成されることを抑制でき、冷熱サイクル負荷時の熱抵抗の上昇や接合率の低下を抑制することができる接合体、この接合体を備えたヒートシンク付絶縁回路基板及びヒートシンク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、アルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材と、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、前記アルミニウム合金部材は、Ｍｇ濃度が０．４ｍａｓｓ％以上７．０ｍａｓｓ％以下の範囲内とされ、Ｓｉ濃度が１ｍａｓｓ％未満とされたアルミニウム合金で構成され、前記アルミニウム合金部材と前記銅部材とが固相拡散接合されており、前記アルミニウム合金部材と前記銅部材との接合界面に、前記アルミニウム合金部材の金属原子と前記銅部材のＣｕ原子とが拡散して形成された化合物層を備え、この化合物層は、前記アルミニウム合金部材側に配設されたＣｕとＡｌの金属間化合物のθ相からなる第１金属間化合物層と、前記銅部材側に配設されたＣｕとＡｌの金属間化合物のγ２相からなる第２金属間化合物層と、これら第１金属間化合物層と第２金属間化合物層との間に形成されたＣｕ−Ａｌ−Ｍｇ層と、で構成され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、前記アルミニウム合金部材の金属原子と前記銅部材のＣｕ原子とが拡散して形成された化合物層を備え、この化合物層は、前記アルミニウム合金部材側に配設されたＣｕとＡｌの金属間化合物のθ相からなる第１金属間化合物層と、前記銅部材側に配設されたＣｕとＡｌの金属間化合物のγ２相からなる第２金属間化合物層と、これら第１金属間化合物層と第２金属間化合物層との間に形成されたＣｕ−Ａｌ−Ｍｇ層と、で構成されているので、Ｃｕ−Ａｌ−Ｍｇ層によってＣｕとＡｌの金属間化合物層の成長が抑制されることにより、比較的硬いη２相、ζ２相、δ相が形成されておらず、冷熱サイクルを負荷した際における化合物層の割れの発生を抑制することができる。
【００１２】
ここで、本発明の接合体においては、前記アルミニウム合金部材の接合面にマグネシウム酸化物膜が形成されていてもよい。
この場合、マグネシウム酸化物膜によってＡｌ原子の拡散を抑制することができ、金属間化合物が必要以上に成長することを抑制できる。これにより、冷熱サイクルを負荷した際における化合物層の割れの発生をさらに抑制することができる。
【００１３】
また、本発明の接合体においては、前記マグネシウム酸化物膜は、結晶性の粒状体を有していることが好ましい。
この場合、マグネシウム酸化物膜の強度が向上し、接合強度をさらに向上させることが可能となる。
【００１４】
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は、銅又は銅合金で構成され、前記ヒートシンクのうち前記金属層との接合面は、Ｍｇ濃度が０．４ｍａｓｓ％以上７．０ｍａｓｓ％以下の範囲内とされ、Ｓｉ濃度が１ｍａｓｓ％未満とされたアルミニウム合金で構成され、前記ヒートシンクと前記金属層とが固相拡散接合されており、前記ヒートシンクと前記金属層との接合界面に、前記アルミニウム合金の金属原子と前記銅部材のＣｕ原子とが拡散して形成された化合物層を備え、この化合物層は、前記ヒートシンク側に配設されたＣｕとＡｌの金属間化合物のθ相からなる第１金属間化合物層と、前記金属層側に配設されたＣｕとＡｌの金属間化合物のγ２相からなる第２金属間化合物層と、これら第１金属間化合物層と第２金属間化合物層との間に形成されたＣｕ−Ａｌ−Ｍｇ層と、で構成されていることを特徴としている。
【００１５】
この構成のヒートシンク付絶縁回路基板によれば、前記ヒートシンクと前記金属層との接合界面に、前記アルミニウム合金の金属原子と前記銅部材のＣｕ原子とが拡散して形成された化合物層を備え、この化合物層は、前記ヒートシンク側に配設されたＣｕとＡｌの金属間化合物のθ相からなる第１金属間化合物層と、前記金属層側に配設されたＣｕとＡｌの金属間化合物のγ２相からなる第２金属間化合物層と、これら第１金属間化合物層と第２金属間化合物層との間に形成されたＣｕ−Ａｌ−Ｍｇ層と、で構成されているので、Ｃｕ−Ａｌ−Ｍｇ層によってＣｕとＡｌの金属間化合物層の成長が抑制されることにより、比較的硬いη２相、ζ２相、δ相が形成されておらず、冷熱サイクルを負荷した際における化合物層の割れの発生を抑制することができる。
【００１６】
ここで、本発明のヒートシンク付絶縁回路基板においては、前記ヒートシンクの接合面にマグネシウム酸化物膜が形成されていてもよい。
この場合、マグネシウム酸化物膜によってＡｌ原子の拡散を抑制することができ、金属間化合物が必要以上に成長することを抑制できる。これにより、冷熱サイクルを負荷した際における化合物層の割れの発生をさらに抑制することができる。
【００１７】
また、本発明のヒートシンク付絶縁回路基板においては、前記マグネシウム酸化物膜は、結晶性の粒状体を有していることが好ましい。
この場合、マグネシウム酸化物膜の強度が向上し、接合強度をさらに向上させることが可能となる。
【００１８】
本発明のヒートシンクは、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は、Ｍｇ濃度が０．４ｍａｓｓ％以上７．０ｍａｓｓ％以下の範囲内とされ、Ｓｉ濃度が１ｍａｓｓ％未満とされたアルミニウム合金で構成され、前記ヒートシンク本体と前記銅部材層とが固相拡散接合されており、前記ヒートシンク本体と前記銅部材層との接合界面に、前記ヒートシンク本体の金属原子と前記銅部材層のＣｕ原子とが拡散して形成された化合物層を備え、この化合物層は、前記ヒートシンク本体側に配設されたＣｕとＡｌの金属間化合物のθ相からなる第１金属間化合物層と、前記銅部材層側に配設されたＣｕとＡｌの金属間化合物のγ２相からなる第２金属間化合物層と、これら第１金属間化合物層と第２金属間化合物層との間に形成されたＣｕ−Ａｌ−Ｍｇ層と、で構成され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、前記ヒートシンク本体の金属原子と前記銅部材層のＣｕ原子とが拡散して形成された化合物層を備え、この化合物層は、前記ヒートシンク本体側に配設されたＣｕとＡｌの金属間化合物のθ相からなる第１金属間化合物層と、前記銅部材層側に配設されたＣｕとＡｌの金属間化合物のγ２相からなる第２金属間化合物層と、これら第１金属間化合物層と第２金属間化合物層との間に形成されたＣｕ−Ａｌ−Ｍｇ層と、からなる構成とされているので、Ｃｕ−Ａｌ−Ｍｇ層によってＣｕとＡｌの金属間化合物層の成長が抑制され、比較的硬いη２相、ζ２相、δ相が形成されておらず、冷熱サイクルを負荷した際における金属化合物層の割れの発生を抑制することができる。
【００２０】
ここで、本発明のヒートシンクにおいては、前記ヒートシンク本体の接合面にマグネシウム酸化物膜が形成されていてもよい。
この場合、マグネシウム酸化物膜によってＡｌ原子の拡散を抑制することができ、金属間化合物が必要以上に成長することを抑制できる。これにより、冷熱サイクルを負荷した際における化合物層の割れの発生をさらに抑制することができる。
【００２１】
また、本発明のヒートシンクにおいては、前記マグネシウム酸化物膜は、結晶性の粒状体を有していることが好ましい。
この場合、マグネシウム酸化物膜の強度が向上し、接合強度をさらに向上させることが可能となる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、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であっても、接合界面に比較的硬い金属間化合物層が形成されることを抑制でき、冷熱サイクル負荷時の熱抵抗の上昇や接合率の低下を抑制することができる接合体、この接合体を備えたヒートシンク付絶縁回路基板及びヒートシンクを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【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３】図２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（Ｃｕ層）と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５】第一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６】本発明の第二実施形態に係るヒートシンクの概略説明図である。
【図７】図６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８】第二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９】第二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。
【図１０】本発明の他の実施形態であ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１１】通電加熱法によって固相拡散接合を行う状況を示す概略説明図である。
【図１２】実施例２において、本発明例１６のマグネシウム酸化物膜の観察結果を示す写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
（第一実施形態）
以下に、本発明の実施形態について、添付した図面を参照して説明する。
図２に、本発明の第一実施形態であるヒートシンク付絶縁回路基板３０を用いたパワーモジュール１を示す。
このパワーモジュール１は、ヒートシンク付絶縁回路基板３０と、このヒートシンク付絶縁回路基板３０の一方の面（図２において上面）にはんだ層２を介して接合された半導体素子３と、を備えている。
ヒートシンク付絶縁回路基板３０は、絶縁回路基板１０と、絶縁回路基板１０に接合されたヒートシンク３１と、を備えている。
【００２５】
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の他方の面に配設された金属層１３と、を備えている。
【００２６】
セラミックス基板１１は、絶縁性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、０．２〜１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６３５ｍｍに設定されている。
【００２７】
回路層１２は、図５に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板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）の圧延板（アルミニウム板２２）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１２となるアルミニウム板２２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。
【００２８】
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Ａｌ層１３Ａと、このＡｌ層１３Ａのうちセラミックス基板１１が接合された面と反対側の面に積層されたＣｕ層１３Ｂと、を有している。
Ａｌ層１３Ａは、図５に示すように、セラミックス基板１１の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板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、Ａｌ層１３Ａ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）の圧延板（アルミニウム板２３Ａ）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。接合されるアルミニウム板２３Ａ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。
Ｃｕ層１３Ｂは、図５に示すように、Ａｌ層１３Ａの他方の面に、銅又は銅合金からなる銅板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、Ｃｕ層１３Ｂは、無酸素銅の圧延板（銅板２３Ｂ）が接合されることで形成されている。Ｃｕ層１３Ｂの厚さは０．１ｍｍ以上６ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、１ｍｍに設定されている。
【００２９】
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り、本実施形態では、図２に示すように、冷却媒体が流通する流路３２が設けられている。このヒートシンク３１は、Ｍｇ濃度が０．４ｍａｓｓ％以上７．０ｍａｓｓ％以下の範囲内とされ、Ｓｉ濃度が１ｍａｓｓ％未満とされたアルミニウム合金で構成されている。なお、このアルミニウム合金においては、Ｓｉ濃度が１ｍａｓｓ％未満であり、析出Ｓｉがないことが好ましい。なお、Ｓｉ含有金属間化合物は析出していてもよい。
【００３０】
ここで、ヒートシンク３１と金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）とは、固相拡散接合されている。
金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）とヒートシンク３１との接合界面には、図３に示すように、化合物層４０が形成されている。この化合物層４０は、ヒートシンク３１の金属原子と金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）のＣｕ原子とが相互に拡散することによって形成されたものである。
【００３１】
そして、この化合物層４０は、図３に示すように、ヒートシンク３１側に配設されたＣｕとＡｌの金属間化合物のθ相からなる第１金属間化合物層４１と、金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）側に配設されたＣｕとＡｌの金属間化合物のγ２相からなる第２金属間化合物層４２と、これら第１金属間化合物層４１と第２金属間化合物層４２との間に形成されたＣｕ−Ａｌ−Ｍｇ層４３と、で構成されている。
【００３２】
本実施形態においては、Ｃｕ−Ａｌ−Ｍｇ層４３は、ＣｕとＡｌとＭｇの金属間化合物であるＣｕ６Ａｌ５Ｍｇ２、あるいは、ＣｕＡｌ２Ｍｇ、Ｃｕ３Ａｌ７Ｍｇ６、ＣｕＡｌＭｇ等で構成されている。
また、このＣｕ−Ａｌ−Ｍｇ層４３のＭｇは、ヒートシンク３１を構成するアルミニウム合金に含まれたＭｇが拡散したものである。このため、ヒートシンク３１の接合界面近傍には、Ｍｇが欠乏したＭｇ欠乏層が形成されることになる。
【００３３】
ここで、化合物層４０の厚さは、１０μｍ以上７０μｍ以下の範囲内、好ましくは、１５μｍ以上４０μｍ以下の範囲内に設定されている。
また、Ｃｕ−Ａｌ−Ｍｇ層４３の厚さは、１μｍ以上４５μｍ以下の範囲内、好ましくは、２．５μｍ以上３０μｍ以下の範囲内に設定されている。
【００３４】
なお、ヒートシンク３１と金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）との接合界面において、ヒートシンク３１の接合面にマグネシウム酸化物膜が形成されていてもよい。このマグネシウム酸化物膜は、ヒートシンク３１の表面に形成されたアルミナ皮膜が、ヒートシンク３１（アルミニウム合金）のＭｇと反応することで形成されるものである。
このマグネシウム酸化物膜は、ＭｇＯ、又は、ＭｇＡｌ２Ｏ４で構成されている。また、マグネシウム酸化物膜においては、結晶性の粒状体を有していることが好ましい。非晶質のアルミナ皮膜がＭｇと反応することで結晶性の粒状体が生成することから、結晶性の粒状体が存在することで、アルミナ皮膜とＭｇの反応が十分に進行していることになる。
【００３５】
次に、本実施形態であるヒートシンク付絶縁回路基板３０の製造方法について、図４及び図５を参照して説明する。
【００３６】
（アルミニウム板積層工程Ｓ０１）
まず、図５に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に、回路層１２となるアルミニウム板２２を、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔２６を介して積層する。
また、セラミックス基板１１の他方の面に、Ａｌ層１３Ａとなるアルミニウム板２３Ａ、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。
【００３７】
（回路層及びＡｌ層形成工程Ｓ０２）
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２２とセラミックス基板１１を接合して回路層１２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Ａｌ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、加熱温度は６００℃以上６５０℃以下の範囲内、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。
【００３８】
（Ｃｕ層（金属層）形成工程Ｓ０３）
次に、Ａｌ層１３Ａの他方の面側に、Ｃｕ層１３Ｂとなる銅板２３Ｂを積層する。
そして、積層方向に加圧（圧力３〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２（０．３〜３．５ＭＰａ））した状態で真空加熱炉内に配置し加熱して、Ａｌ層１３Ａと銅板２３Ｂとを固相拡散接合し、金属層１３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、加熱温度は４００℃以上５４８℃以下の範囲内、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。
なお、Ａｌ層１３Ａ、銅板２３Ｂのうち固相拡散接合される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。
【００３９】
（金属層／ヒートシンク接合工程Ｓ０４）
次に、金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）とヒートシンク３１とを積層し、積層方向に加圧（圧力５〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２（０．５〜３．５ＭＰａ））した状態で真空加熱炉内に配置し加熱して、金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）とヒートシンク３１を固相拡散接合する。なお、金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）及びヒートシンク３１のうち固相拡散接合される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。
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、加熱温度は４００℃以上５２０℃以下の範囲内、加熱温度での保持時間は３０分以上２４０分以下の範囲内に設定されることが好ましい。
【００４０】
この金属層／ヒートシンク接合工程Ｓ０４において、Ｃｕ層１３Ｂ中のＣｕ原子及びヒートシンク３１中のＡｌ原子及びＭｇ原子が相互拡散し、図３に示すように、第１金属間化合物層４１とＣｕ−Ａｌ−Ｍｇ層４３と第２金属間化合物層４２とからなる化合物層４０が形成される。
なお、ヒートシンク３１と金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）との接合界面において、ヒートシンク３１の表面部分にマグネシウム酸化物膜が形成されることもある。また、マグネシウム酸化物膜においては、金属層／ヒートシンク接合工程Ｓ０４の加熱温度が高く、かつ、保持時間が長くなることで、アルミナ皮膜とＭｇとの反応が促進され、非晶質から結晶質へと変化することになる。
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３０が製造される。
【００４１】
（半導体素子接合工程Ｓ０５）
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。
【００４２】
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３０によれば、ヒートシンク３１と金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）との接合界面に、ヒートシンク３１を構成するアルミニウム合金のＡｌ原子及びＭｇ原子と、金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）のＣｕ原子とが相互に拡散して形成された化合物層４０を備えており、この化合物層４０が、ヒートシンク３１側に配設されたＣｕとＡｌの金属間化合物のθ相からなる第１金属間化合物層４１と、金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）側に配設されたＣｕとＡｌの金属間化合物のγ２相からなる第２金属間化合物層４２と、これら第１金属間化合物層４１と第２金属間化合物層４２との間に形成されたＣｕ−Ａｌ−Ｍｇ層４３と、で構成されているので、Ｃｕ−Ａｌ−Ｍｇ層４３によって金属間化合物の成長が抑制され、比較的硬いη２相、ζ２相、δ相が形成されておらず、冷熱サイクルを負荷した際における化合物層４０の割れの発生を抑制することができる。
【００４３】
また、本実施形態においては、化合物層４０の厚さが１０μｍ以上とされているので、Ｃｕ原子とＡｌ原子とが十分に相互拡散しており、ヒートシンク３１と金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）を確実に固相拡散接合することができる。
さらに、本実施形態においては、化合物層４０の厚さが７０μｍ以下とされているので、金属間化合物が必要以上に成長しておらず、化合物層４０における割れの発生等を抑制することができる。
【００４４】
また、本実施形態においては、Ｃｕ−Ａｌ−Ｍｇ層４３の厚さが１μｍ以上とされているので、金属間化合物の成長を確実に抑制することができる。
さらに、本実施形態においては、Ｃｕ−Ａｌ−Ｍｇ層４３の厚さが４５μｍ以下とされているので、金属間化合物の成長が必要以上に阻害されず、ヒートシンク３１と金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）を確実に固相拡散接合することができる。
【００４５】
また、本実施形態において、ヒートシンク３１の接合面にマグネシウム酸化物膜が形成されていた場合には、マグネシウム酸化物膜によってＡｌ原子の拡散を抑制することができ、金属間化合物が必要以上に成長することを抑制できる。これにより、冷熱サイクルを負荷した際における化合物層４０の割れの発生をさらに抑制することができる。
さらに、マグネシウム酸化物膜が結晶性の粒状体を有している場合には、マグネシウム酸化物膜の強度が向上し、ヒートシンク３１と金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）との接合強度をさらに向上させることが可能となる。
【００４６】
（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について説明する。図６に、本発明の第二実施形態に係るヒートシンク１０１を示す。
このヒートシンク１０１は、ヒートシンク本体１１０と、ヒートシンク本体１１０の一方の面（図６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１１７と、を備えている。本実施形態では、銅部材層１１７は、図９に示すように、無酸素銅の圧延板からなる銅板１２７を接合することによって構成されている。
【００４７】
ヒートシンク本体１１０は、冷却媒体が流通する流路１１１が設けられている。このヒートシンク本体１１０は、Ｍｇ濃度が０．４ｍａｓｓ％以上７．０ｍａｓｓ％以下の範囲内とされ、Ｓｉ濃度が１ｍａｓｓ％未満とされたアルミニウム合金で構成されている。なお、このアルミニウム合金においては、Ｓｉ濃度が１ｍａｓｓ％未満であり、Ｓｉが母相中に固溶したものとされている。
【００４８】
ここで、ヒートシンク本体１１０と銅部材層１１７は、固相拡散接合されている。
ヒートシンク本体１１０と銅部材層１１７との接合界面には、図７に示すように、ＡｌとＣｕを含有する化合物層１４０が形成されている。この化合物層１４０は、ヒートシンク本体１１０の金属原子と銅部材層１１７のＣｕ原子とが相互に拡散して形成されたものである。
【００４９】
そして、この化合物層１４０は、図７に示すように、ヒートシンク本体１１０側に配設されたＣｕとＡｌの金属間化合物のθ相からなる第１金属間化合物層１４１と、銅部材層１１７側に配設されたＣｕとＡｌの金属間化合物のγ２相からなる第２金属間化合物層１４２と、これら第１金属間化合物層１４１と第２金属間化合物層１４２との間に形成されたＣｕ−Ａｌ−Ｍｇ層１４３と、で構成されている。
【００５０】
本実施形態においては、Ｃｕ−Ａｌ−Ｍｇ層１４３は、ＣｕとＡｌとＭｇの金属間化合物であるＣｕ６Ａｌ５Ｍｇ２、あるいは、ＣｕＡｌ２Ｍｇ、Ｃｕ３Ａｌ７Ｍｇ６、ＣｕＡｌＭｇ等で構成されている。
また、このＣｕ−Ａｌ−Ｍｇ層１４３のＭｇは、ヒートシンク本体１１０を構成するアルミニウム合金に含まれたＭｇが拡散したものである。このため、ヒートシンク本体１１０の接合界面近傍には、Ｍｇが欠乏したＭｇ欠乏層が形成されることになる。
【００５１】
なお、本実施形態においては、ヒートシンク本体１１０と銅部材層１１７との接合界面において、ヒートシンク本体１１０の表面部分にマグネシウム酸化物膜１１２が形成されている。
このマグネシウム酸化物膜１１２は、ヒートシンク本体１１０の表面に形成されたアルミナ皮膜が、ヒートシンク本体１１０（アルミニウム合金）のＭｇと反応することで形成されたものである。
【００５２】
ここで、マグネシウム酸化物膜１１２は、ＭｇＯ、又は、ＭｇＡｌ２Ｏ４で構成されている。
また、マグネシウム酸化物膜においては、結晶性の粒状体を有していることが好ましい。非晶質のアルミナ皮膜がＭｇと反応することで結晶性の粒状体が生成することから、結晶性の粒状体が存在することで、アルミナ皮膜とＭｇの反応が十分に進行していることになる。
【００５３】
次に、本実施形態であるヒートシンク１０１の製造方法について、図８及び図９を参照して説明する。
【００５４】
（ヒートシンク本体熱処理工程Ｓ１０１）
まず、接合するヒートシンク本体１１０に対して熱処理を行い、ヒートシンク本体１１０の表面にマグネシウム酸化物膜１１２を形成する。このときの熱処理条件は、雰囲気：１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内の真空または窒素雰囲気、熱処理温度：２５０℃以上４００℃以下、熱処理温度での保持時間：１０分以上３０分以下、としている。
【００５５】
（ヒートシンク本体／銅部材層接合工程Ｓ１０２）
次に、図９に示すように、ヒートシンク本体１１０と銅部材層１１７となる銅板１２７とを積層し、積層方向に加圧（圧力５〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２（０．５〜３．５ＭＰａ））した状態で真空加熱炉内に配置して加熱することにより、銅板１２７とヒートシンク本体１１０とを固相拡散接合する。なお、銅板１２７、ヒートシンク本体１１０のうち固相拡散接合される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。
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、加熱温度は４５０℃以上５２０℃以下の範囲内、加熱温度での保持時間は３０分以上２４０分以下の範囲内に設定されることが好ましい。
【００５６】
このヒートシンク本体／銅部材層接合工程Ｓ１０２において、銅板１２７中のＣｕ原子及びヒートシンク本体１１０中のＡｌ原子及びＭｇ原子が相互拡散し、図７に示すように、第１金属間化合物層１４１とＣｕ−Ａｌ−Ｍｇ層１４３と第２金属間化合物層１４２とからなる化合物層１４０が形成される。
このようにして、本実施形態であるヒートシンク１０１が製造される。
【００５７】
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１０１によれば、ヒートシンク本体１１０の一方の面側に、無酸素銅の圧延板からなる銅板１２７を接合することによって銅部材層１１７が形成されているので、熱を銅部材層１１７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１０１とを良好に接合することができる。
【００５８】
そして、本実施形態では、ヒートシンク本体１１０と銅部材層１１７との接合界面には、図７に示すように、ヒートシンク本体１１０と銅部材層１１７との接合界面に、ヒートシンク本体１１０のＡｌ原子及びＭｇ原子と銅部材層１１７を構成するＣｕ原子とが拡散して形成された化合物層１４０を備えており、この化合物層１４０は、ヒートシンク本体１１０側に配設されたＣｕとＡｌの金属間化合物のθ相からなる第１金属間化合物層１４１と、銅部材層１１７側に配設されたＣｕとＡｌの金属間化合物のγ２相からなる第２金属間化合物層１４２と、これら第１金属間化合物層１４１と第２金属間化合物層１４２との間に形成されたＣｕ−Ａｌ−Ｍｇ層１４３と、で構成されているので、Ｃｕ−Ａｌ−Ｍｇ層１４３によって金属間化合物の成長が抑制され、比較的硬いη２相、ζ２相、δ相が形成されておらず、冷熱サイクルを負荷した際における化合物層１４０の割れの発生を抑制することができる。
【００５９】
さらに、本実施形態においては、ヒートシンク本体１１０の表面にマグネシウム酸化物膜１１２が形成されているので、このマグネシウム酸化物膜１１２によってＡｌ原子が拡散することを抑制でき、金属間化合物が必要以上に成長することをさらに抑制することができる。
また、マグネシウム酸化物膜１１２が結晶性の粒状体を有している場合には、マグネシウム酸化物膜１１２の強度が向上し、ヒートシンク本体１１０と銅部材層１１７との接合強度が向上することになる。
【００６０】
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、金属層１３を、Ａｌ層１３ＡとＣｕ層１３Ｂと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、図１０に示すように、金属層全体を銅又は銅合金で構成してもよい。この図１０に示すヒートシンク付絶縁回路基板２３０においては、セラミックス基板１１の他方の面（図１０において下側）に銅板がＤＢＣ法あるいは活性金属ろう付け法等によって接合され、銅又は銅合金からなる金属層２１３が形成されている。そして、この金属層２１３とヒートシンク３１とが、固相拡散接合されている。なお、図１０に示す絶縁回路基板２１０においては、回路層２１２も銅又は銅合金によって構成されたものとされている。
【００６１】
また、第一実施形態において、回路層を純度９９ｍａｓｓ％のアルミニウム板を接合することで形成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９９．９９ｍａｓｓ％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、銅又は銅合金等の他の金属で構成したものであってもよい。また、回路層をＡｌ層とＣｕ層の２層構造のものとしてもよい。これは、図１０に示す絶縁回路基板２１０でも同様である。
【００６２】
また、第一の実施形態の金属層／ヒートシンク接合工程Ｓ０４においては、金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）とヒートシンク３１とを積層し、積層方向に加圧した状態で真空加熱炉内に配置して加熱する構成とし、第二の実施形態のヒートシンク本体／銅部材層接合工程Ｓ１０２においては、ヒートシンク本体１１０と銅部材層１１７となる銅板１２７とを積層し、積層方向に加圧（圧力５〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２（０．５〜３．５ＭＰａ））した状態で真空加熱炉内に配置して加熱する構成として、説明したが、これに限定されることはなく、図１１に示すように、アルミニウム合金部材３０１（ヒートシンク３１、ヒートシンク本体１１０）と銅部材３０２（金属層１３、銅部材層１１７）とを固相拡散接合する際に通電加熱法を適用してもよい。
【００６３】
通電加熱を行う場合には、図１１に示すように、アルミニウム合金部材３０１と銅部材３０２とを積層し、これらの積層体を、カーボン板３１１，３１１を介して一対の電極３１２、３１２によって積層方向に加圧するとともに、アルミニウム合金部材３０１及び銅部材３０２に対して通電を行う。すると、ジュール熱によってカーボン板３１１，３１１及びアルミニウム合金部材３０１と銅部材３０２が加熱され、アルミニウム合金部材３０１と銅部材３０２とが固相拡散接合される。
【００６４】
上述の通電加熱法においては、アルミニウム合金部材３０１及び銅部材３０２が直接通電加熱されることから、昇温速度を例えば３０〜１００℃／ｍｉｎと比較的速くすることができ、短時間で固相拡散接合を行うことができる。これにより、接合面の酸化の影響が小さく、例えば大気雰囲気でも接合することが可能となる。また、アルミニウム合金部材３０１及び銅部材３０２の抵抗値や比熱によっては、これらアルミニウム合金部材３０１及び銅部材３０２に温度差が生じた状態で接合することも可能となり、熱膨張の差を小さくし、熱応力の低減を図ることもできる。
【００６５】
ここで、上述の通電加熱法においては、一対の電極３１２，３１２による加圧荷重は、３０ｋｇｆ／ｃｍ２以上１００ｋｇｆ／ｃｍ２以下（３ＭＰａ以上１０ＭＰａ以下）の範囲内とすることが好ましい。
また、通電加熱法を適用する場合には、アルミニウム合金部材３０１及び銅部材３０２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、通電加熱法の場合には、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。
【００６６】
なお、第一の実施形態の金属層／ヒートシンク接合工程Ｓ０４に上述の通電加熱法を用いることも可能であるが、その場合、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３１１，３１１を短絡する必要がある。接合条件は、上述したアルミニウム合金部材３０１と銅部材３０２の接合と同様である。
また、金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）とヒートシンク３１の表面粗さについては、上述したアルミニウム合金部材３０１及び銅部材３０２の場合と同様である。
【実施例】
【００６７】
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。
【００６８】
＜実施例１＞
表１に示すアルミニウム合金板（５０ｍｍ×５０ｍｍ、厚さ５ｍｍ）の一方の面に、無酸素銅からなる銅板（４０ｍｍ×４０ｍｍ、厚さ５ｍｍ）を、上述の実施形態に記載した方法によって固相拡散接合した。本発明例６および７においては、アルミニウム合金板に対して熱処理を行い、その後、銅板と固相拡散接合した。
本発明例１−７及び比較例１−３においては、アルミニウム板と金属板とを積層方向に１５ｋｇｆ／ｃｍ２（１．５ＭＰａ）の荷重で押圧し、真空加熱炉で５００℃×１８０ｍｉｎの条件で固相拡散接合を実施した。
【００６９】
（化合物層の構造）
固相拡散接合されたアルミニウム合金板と金属板との接合体の断面観察を行い、接合界面に形成された化合物層の構造を以下のように評価した。評価結果を表１に示す。
【００７０】
（層構造）
透過型電子顕微鏡（ＦＥＩ社製Ｔｉｔａｎ  ＣｈｅｍｉＳＴＥＭ、加速電圧２００ｋＶ）を用いて電子回折図形を、エネルギー分散型Ｘ線分析法（サーモサイエンティフィック社製ＮＳＳ７)を用いて組成を分析し、形成層を決定した。なお、電子回折図形は、１ｎｍ程度に絞った電子ビームを照射することで得た（ＮＢＤ法）。
【００７１】
（冷熱サイクル試験）
次に、このようにして製造された接合体において、冷熱サイクル試験を実施した。冷熱衝撃試験機エスペック社製ＴＳＡ−７２ＥＳを使用し、試験片（ヒートシンク付パワーモジュール）に対して、気槽で、−５０℃で４５分、１７５℃で４５分のヒートサイクルを２５００回実施した。
そして、冷熱サイクル試験前における接合体の積層方向の熱抵抗と接合率、及び、冷熱サイクル試験後における接合体の積層方向の熱抵抗と接合率を、以下のようにして評価した。
【００７２】
（接合率評価）
接合体のアルミニウム板と金属板との接合部の接合率について超音波探傷装置を用いて評価し、以下の式から算出した。ここで、初期接合面積とは、接合前における接合すべき面積、すなわちアルミニウム板の面積とした。超音波探傷像において剥離は白色部で示されることから、この白色部の面積を剥離面積とした。評価結果を表１に示す。
接合率（％）＝｛（初期接合面積）−（剥離面積）｝／（初期接合面積）×１００
【００７３】
（熱抵抗の測定）
ヒータチップ（１３ｍｍ×１０ｍｍ×０．２５ｍｍ）を金属板の表面に半田付けし、アルミニウム合金板を冷却器にろう付け接合した。次に、ヒータチップを１００Ｗの電力で加熱し、熱電対を用いてヒータチップの温度を実測した。また、冷却器を流通する冷却媒体（エチレングリコール：水＝９：１）の温度を実測した。そして、ヒータチップの温度と冷却媒体の温度差を電力で割った値を熱抵抗とした。
なお、比較例１のヒートサイクル試験前の熱抵抗を基準として１とし、この比較例１との比率で熱抵抗を評価した。評価結果を表１に示す。
【００７４】
【表１】
2019083313.tif 000003
【００７５】
アルミニウム合金板のＳｉ濃度が６．０ｍａｓｓ％、Ｍｇ濃度が１２．７ｍａｓｓ％とされた比較例１においては、化合物層にθ相とＭｇ−Ｓｉ相とが存在しており、冷熱サイクル後の接合率が低く、かつ、熱抵抗が大きくなった。
アルミニウム合金板のＭｇ濃度が０．１ｍａｓｓ％とされた比較例２においては、化合物層にＣｕとＡｌの金属間化合物であるη２相、ζ２相、δ相が形成されており、冷熱サイクル後の接合率が低く、かつ、熱抵抗が大きくなった。
アルミニウム合金板のＭｇ濃度が１０．３ｍａｓｓ％とされた比較例３においては、冷熱サイクル後の接合率が低く、かつ、熱抵抗が大きくなった。化合物層にＣｕ−Ａｌ−Ｍｇ相が厚く形成されることで、金属間化合物の成長が必要以上に阻害され、金属間化合物層の厚さが不均一となり、さらにアルミニウム合金板の硬度が増加し、界面への応力負荷が増加し、これによりクラックが生じたためと推測される。
【００７６】
これに対して、本発明例によれば、化合物層にＣｕ−Ａｌ−Ｍｇ相が適正に形成されており、冷熱サイクル前後において、接合率が高く、かつ、熱抵抗を小さく抑えることができた。
【００７７】
以上のことから、本発明例１−７によれば、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が固相拡散接合され、接合界面に比較的硬い金属間化合物層が形成されることを抑制することができる接合体を提供可能であることが確認された。
【００７８】
＜実施例２＞
表２に示すアルミニウム合金板（１０ｍｍ×１０ｍｍ、厚さ３ｍｍ）の一方の面に、無酸素銅からなる銅板（２ｍｍ×２ｍｍ、厚さ１ｍｍ）を、上述の実施形態に記載した方法によって固相拡散接合した。アルミニウム板と金属板とを積層方向に１５ｋｇｆ／ｃｍ２（１．５ＭＰａ）の荷重で押圧し、表２に示す温度及び保持時間で固相拡散接合を実施した。
【００７９】
得られた接合体について、実施例１と同様の方法により、接合界面に形成された化合物層の層構造を確認した。その結果、本発明例１１−２２は、いずれも、「θ／Ｃｕ−Ａｌ−Ｍｇ／γ２」の層構造であった。
また、以下のようにして、マグネシウム酸化物膜の有無、マグネシウム酸化物膜における粒状体の有無、接合強度（シェア強度）について評価した。
【００８０】
（マグネシウム酸化物膜の有無／非晶質酸化物膜の有無／粒状体の有無）
透過型電子顕微鏡（ＦＥＩ社製Ｔｉｔａｎ  ＣｈｅｍｉＳＴＥＭ、加速電圧２００ｋＶ）を用いて倍率６００００倍で測定し、エネルギー分散型Ｘ線分析法（サーモサイエンティフィック社製ＮＳＳ７）により、Ｃｕ、Ａｌ、Ｍｇ及びＯの元素マッピングを取得した。ＣｕとＡｌが同一に存在する領域内においてＭｇとＯが同一領域に存在する領域をマグネシウム酸化物層とした。そして、マグネシウム酸化物膜における粒状体の有無を確認した。本発明例１６のマグネシウム酸化物膜の観察結果を図１２に示す。
また、１ｎｍに絞った電子ビームを用いたナノビーム回折法（ＮＢＤ法）によって電子回折図形を得た。そして、電子回折図形がハローパターンを有する場合には、非晶質酸化物膜が「有」と判断した。
【００８１】
（接合強度）
シェアテストによって、シェア強度（せん断強度）の測定を行った。銅板を上にしてアルミニウム合金板を水平に固定し、銅板をシェアツールで横から水平に押圧（シェア速度０．１ｍｍ／ｓｅｃ）して、銅板とアルミニウム合金板との接合が破壊されたときの強度及び破壊の位置（破壊モード）を確認した。なお、強度は、２０回のシェア強度試験を実施してその平均値とした。評価結果を表２に示す。
【００８２】
【表２】
2019083313.tif 000004
【００８３】
接合温度が高く、かつ、保持時間が長くなることで、接合強度がさらに向上することが確認された。アルミニウム合金板の表面に形成されたアルミナ皮膜とアルミニウム合金板のＭｇとが反応してマグネシウム酸化物膜が形成され、このマグネシウム酸化物膜において、結晶性の粒状体の割合が多くなったためと推測される。
【符号の説明】
【００８４】
１０、２１０  絶縁回路基板
１１  セラミックス基板
１３、２１３  金属層
１３Ｂ  Ｃｕ層（銅部材）
３１  ヒートシンク（アルミニウム合金部材）
４０  化合物層
４１  第１金属間化合物層
４２  第２金属間化合物層
４３  Ｃｕ−Ａｌ−Ｍｇ層
１０１  ヒートシンク
１１０  ヒートシンク本体（アルミニウム合金部材）
１１７  銅部材層
１４０  化合物層
１４１  第１金属間化合物層
１４２  第２金属間化合物層
１４３  Ｃｕ−Ａｌ−Ｍｇ層
【図１】
2019083313.tif 000005
【図２】
2019083313.tif 000006
【図３】
2019083313.tif 000007
【図４】
2019083313.tif 000008
【図５】
2019083313.tif 000009
【図６】
2019083313.tif 000010
【図７】
2019083313.tif 000011
【図８】
2019083313.tif 000012
【図９】
2019083313.tif 000013
【図１０】
2019083313.tif 000014
【図１１】
2019083313.tif 000015
【図１２】
2019083313.tif 000016