(57)【要約】【課題】冷熱サイクルが負荷された際に、セラミックス部材にクラックが発生することを抑制できるとともに、セラミックス部材とＣｕ部材との接合信頼性を向上できる接合体、及びパワーモジュール用基板を提供する。【解決手段】セラミックス部材１１とＣｕ部材１２との接合界面には、前記セラミックス部材側に位置し、ＳｎがＣｕ中に固溶したＣｕ−Ｓｎ層１４と、前記Ｃｕ部材と前記Ｃｕ−Ｓｎ層との間に位置したＴｉ層１５と、が形成され、前記Ｃｕ部材と前記Ｔｉ層との間に、ＣｕとＴｉからなる第一金属間化合物層１６が形成され、前記Ｃｕ−Ｓｎ層と前記Ｔｉ層との間に、Ｐを含有する第二金属間化合物層１７が形成されていることを特徴とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックスからなるセラミックス部材と、Ｃｕ又はＣｕ合金からなるＣｕ部材とがＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材及びＴｉ材を介して接合された接合体であって、
前記セラミックス部材と前記Ｃｕ部材との接合界面には、
前記セラミックス部材側に位置し、ＳｎがＣｕ中に固溶したＣｕ−Ｓｎ層と、
前記Ｃｕ部材と前記Ｃｕ−Ｓｎ層との間に位置したＴｉ層と、が形成され、
前記Ｃｕ部材と前記Ｔｉ層との間に、ＣｕとＴｉからなる第一金属間化合物層が形成され、
前記Ｃｕ−Ｓｎ層と前記Ｔｉ層との間に、Ｐを含有する第二金属間化合物層が形成されていることを特徴とする接合体。
【請求項２】
前記第一金属間化合物層の厚さは、０．５μｍ以上１０μｍ以下と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Ｔｉ層の厚さが１μｍ以上１５μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の接合体。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の接合体からなり、
前記セラミックス部材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Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材及びＴｉ材を介して前記Ｃｕ部材からなるＣｕ板が接合されてなる回路層と、を備え、
前記セラミックス基板と前記回路層との接合界面には、
前記セラミックス基板側に位置し、ＳｎがＣｕ中に固溶したＣｕ−Ｓｎ層と、
前記回路層と前記Ｃｕ−Ｓｎ層との間に位置したＴｉ層と、が形成され、
前記回路層と前記Ｔｉ層との間に、ＣｕとＴｉからなる第一金属間化合物層が形成され、
前記Ｃｕ−Ｓｎ層と前記Ｔｉ層との間に、Ｐを含有する第二金属間化合物層が形成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５】
前記セラミックス基板の他方の面に金属層が形成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】
前記金属層は、
前記セラミックス基板の他方の面に、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材及びＴｉ材を介してＣｕ又はＣｕ合金からなるＣｕ板が接合されてなり、
前記セラミックス基板と前記金属層との接合界面には、
前記セラミックス基板側に位置し、ＳｎがＣｕ中に固溶したＣｕ−Ｓｎ層と、
前記金属層と前記Ｃｕ−Ｓｎ層との間に位置したＴｉ層と、が形成され、
前記金属層と前記Ｔｉ層との間に、ＣｕとＴｉからなる第一金属間化合物層が形成され、
前記Ｃｕ−Ｓｎ層と前記Ｔｉ層との間に、Ｐを含有する第二金属間化合物層が形成されていることを特徴とする請求項５に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項７】
前記金属層は、Ａｌ又はＡｌ合金からなることを特徴とする請求項５に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項８】
前記Ｔｉ層の厚さが１μｍ以上１５μｍ以下であることを特徴とする請求項４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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、セラミックス部材とＣｕ部材とが接合された接合体、及びセラミックス基板の一方の面に回路層が形成されたパワーモジュール用基板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、電気自動車等の電気車両など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ＡｌＮ（窒化アルミ）などからなる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回路層として接合したパワーモジュール用基板が、従来から広く用いられている。また、セラミックス基板の他方の面に、金属板を金属層として接合することもある。
【０００３】
例えば、特許文献１に示すパワーモジュール用基板においては、セラミックス基板（セラミックス部材）の一方の面に、Ｃｕ板（Ｃｕ部材）を接合することで回路層が形成された構造とされている。このパワーモジュール用基板は、セラミックス基板の一方の面に、Ｃｕ−Ｍｇ−Ｔｉろう材を介在させてＣｕ板を配置し、加熱処理を行うことによりＣｕ板が接合されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４３７５７３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１に開示されたようにＣｕ−Ｍｇ−Ｔｉろう材を介してセラミックス基板とＣｕ板とを接合すると、セラミックス基板の近傍には、Ｃｕ、Ｍｇ、又はＴｉを含む金属間化合物が形成される。
このセラミックス基板近傍に形成される金属間化合物は、硬いため、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セラミックス基板に発生する熱応力が大きくなり、セラミックス基板にクラックが生じ易くなる問題があった。また、上述の金属間化合物層は脆いため、冷熱サイクルが負荷された際に、金属間化合物が破壊され、セラミックス基板と回路層との接合率が悪化し、接合信頼性が低下するおそれがあった。
【０００６】
特に近年では、パワーモジュールの使用環境が厳しくなってきており、冷熱サイクルの条件が厳しくなっている。したがって、パワーモジュール用基板においては、セラミックス基板にクラックが生じ易く、かつセラミックス基板と回路層との接合信頼性が低下し易い傾向にある。
【０００７】
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、冷熱サイクルが負荷された際に、セラミックス部材にクラックが発生することを抑制できるとともに、セラミックス部材とＣｕ部材との接合信頼性を向上できる接合体、及びパワーモジュール用基板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】
【０００８】
前述の課題を解決するために、本発明の接合体は、セラミックスからなるセラミックス部材と、Ｃｕ又はＣｕ合金からなるＣｕ部材とがＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材及びＴｉ材を介して接合された接合体であって、前記セラミックス部材と前記Ｃｕ部材との接合界面には、前記セラミックス部材側に位置し、ＳｎがＣｕ中に固溶したＣｕ−Ｓｎ層と、前記Ｃｕ部材と前記Ｃｕ−Ｓｎ層との間に位置したＴｉ層と、が形成され、前記Ｃｕ部材と前記Ｔｉ層との間に、ＣｕとＴｉからなる第一金属間化合物層が形成され、前記Ｃｕ−Ｓｎ層と前記Ｔｉ層との間に、Ｐを含有する第二金属間化合物層が形成されていることを特徴としている。
【０００９】
本発明の接合体によれば、セラミックス部材とＣｕ部材との接合界面において、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材に含まれるＰが、Ｔｉ層側に形成された第二金属間化合物層に取り込まれることにより、Ｐを含有する金属間化合物を有しない若しくは非常に少ないＣｕ−Ｓｎ層がセラミックス部材側に形成されている。すなわち、セラミックス部材の近傍に硬い金属間化合物が形成されていないので、冷熱サイクルが負荷された際にセラミックス部材に生じる熱応力を低減し、セラミックス部材にクラックが発生することを抑制できる。また、脆い金属間化合物がセラミックス基板の近傍に形成されていないので、冷熱サイクルが負荷された際に、セラミックス部材とＣｕ部材との接合率の低下を抑制し、接合信頼性を向上させることができる。
【００１０】
さらに、Ｃｕ−Ｓｎ層とＣｕ部材との間にＴｉ層が形成されているので、ＳｎがＣｕ部材側に拡散することを抑制でき、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材を介してセラミックス部材とＣｕ部材とを接合する際に、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材の融点が上昇することを抑えることが可能となる。
また、Ｃｕ部材とＴｉ層との間にＣｕとＴｉからなる第一金属間化合物層が形成されているので、Ｃｕ部材のＣｕとＴｉ層のＴｉとが十分に相互に拡散しており、Ｃｕ部材とＴｉ層とが良好に接合されている。
【００１１】
また、前記第一金属間化合物層の厚さは、０．５μｍ以上１０μｍ以下とされていることが好ましい。
ＣｕとＴｉからなる第一金属間化合物層の厚さが０．５μｍ以上の場合、Ｃｕ部材のＣｕとＴｉ層のＴｉとが十分に相互に拡散しているので、接合強度を十分に確保することができる。また、第一金属間化合物層の厚さが１０μｍ以下の場合、硬い第一金属間化合物層が薄く形成されているので、冷熱サイクルが負荷された際に、セラミックス部材に発生する熱応力を低減してセラミックス部材にクラックが発生することを確実に抑制できるとともに、セラミックス部材とＣｕ部材との接合信頼性をさらに向上させることができる。
【００１２】
さらに、前記Ｔｉ層の厚さが１μｍ以上１５μｍ以下であることが好ましい。
この場合、Ｔｉ層の厚さが１μｍ以上１５μｍ以下であるので、ＳｎがＣｕ部材側に拡散することを確実に抑制でき、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材を介してセラミックス部材とＣｕ部材とを接合する際に、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材の融点が上昇することを抑えることが可能となり、また、比較的強度が高いＴｉ層が厚く形成されないことから、冷熱サイクルが負荷された際にセラミックス部材に生じる熱応力が小さくなり、クラックの発生を抑制できる。したがって、Ｔｉ層の厚さは上述の範囲が好ましい。
【００１３】
本発明のパワーモジュール用基板は、上述の接合体からなり、前記セラミックス部材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Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材を介して前記Ｃｕ部材からなるＣｕ板が接合されてなる回路層と、を備え、前記セラミックス基板と前記回路層との接合界面には、前記セラミックス基板側に位置し、ＳｎがＣｕ中に固溶したＣｕ−Ｓｎ層と、前記回路層と前記Ｃｕ−Ｓｎ層との間に位置したＴｉ層と、が形成され、前記回路層と前記Ｔｉ層との間に、ＣｕとＴｉからなる第一金属間化合物層が形成され、前記Ｃｕ−Ｓｎ層と前記Ｔｉ層との間に、Ｐを含有する第二金属間化合物層が形成されていることを特徴としている。
【００１４】
本発明のパワーモジュール用基板によれば、セラミックス基板と回路層との接合界面において、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材に含まれるＰが、Ｔｉ層側に形成された第二金属間化合物層に取り込まれることにより、Ｐを含有する金属間化合物を有しない若しくは非常に少ないＣｕ−Ｓｎ層がセラミックス基板側に形成されている。すなわち、セラミックス基板の近傍に硬い金属間化合物が形成されていないので、冷熱サイクルが負荷された際にセラミックス基板に生じる熱応力を低減し、セラミックス基板にクラックが発生することを抑制できる。また、脆い金属間化合物がセラミックス基板の近傍に形成されていないので、冷熱サイクルが負荷された際に、セラミックス基板と回路層との接合率の低下を抑制し、接合信頼性を向上させることができる。
さらに、Ｃｕ−Ｓｎ層と回路層との間に、Ｔｉ層が形成されているので、Ｓｎが回路層側に拡散することを抑制でき、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材を用いてセラミックス基板の一方の面に回路層を形成する際に、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材の融点が上昇することを抑えることが可能となる。
また、回路層とＴｉ層との間にＣｕとＴｉからなる第一金属間化合物層が形成されているので、回路層のＣｕとＴｉ層のＴｉとが十分に相互に拡散しており、回路層とＴｉ層とが良好に接合されている。
【００１５】
また、本発明のパワーモジュール用基板において、前記セラミックス基板の他方の面に金属層が形成されていることが好ましい。
この場合、セラミックス基板の他方の面に金属層が形成されているので、金属層を介してセラミックス基板側の熱を効率的に放散することができる。
【００１６】
また、前記金属層は、前記セラミックス基板の他方の面に、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材及びＴｉ材を介してＣｕ又はＣｕ合金からなるＣｕ板が接合されてなり、前記セラミックス基板と前記金属層との接合界面には、前記セラミックス基板側に位置し、ＳｎがＣｕ中に固溶したＣｕ−Ｓｎ層と、前記金属層と前記Ｃｕ−Ｓｎ層との間に位置したＴｉ層と、が形成され、前記金属層と前記Ｔｉ層との間に、ＣｕとＴｉからなる第一金属間化合物層が形成され、前記Ｃｕ−Ｓｎ層と前記Ｔｉ層との間に、Ｐを含有する第二金属間化合物層が形成されていることが好ましい。
【００１７】
この場合、セラミックス基板と金属層との接合界面において、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材に含まれるＰが、Ｔｉ層側に形成された第二金属間化合物層に取り込まれることにより、Ｐを含有する金属間化合物を有しない若しくは非常に少ないＣｕ−Ｓｎ層がセラミックス基板側に形成されている。すなわち、セラミックス基板の近傍に硬い金属間化合物が形成されていないので、冷熱サイクルが負荷された際にセラミックス基板に生じる熱応力を低減し、セラミックス基板にクラックが発生することを抑制できる。また、脆い金属間化合物がセラミックス基板の近傍に形成されていないので、冷熱サイクルが負荷された際に、セラミックス基板と金属層との接合率の低下を抑制し、接合信頼性を向上させることができる。
さらに、Ｃｕ−Ｓｎ層と金属層との間にＴｉ層が形成されているので、Ｓｎが金属層側に拡散することを抑制でき、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材を用いてセラミックス基板の他方の面に金属層を形成する際に、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材の融点が上昇することを抑えることが可能となる。また、金属層とＴｉ層との間にＣｕとＴｉからなる第一金属間化合物層が形成されているので、金属層のＣｕとＴｉ層のＴｉとが十分に相互に拡散しており、金属層とＴｉ層とが良好に接合されている。
【００１８】
また、前記金属層は、Ａｌ又はＡｌ合金からなる構成とされても良い。
この場合、Ａｌ又はＡｌ合金からなる金属層は、強度が低いので、冷熱サイクルが負荷された際に、セラミックス基板に生じる熱応力を低減することができる。
【００１９】
また、本発明のパワーモジュール用基板において、前記Ｔｉ層の厚さが１μｍ以上１５μｍ以下であることが好ましい。
この場合、Ｔｉ層の厚さが１μｍ以上１５μｍ以下であるので、Ｓｎが回路層側又は金属層側に拡散することを確実に抑制し、回路層又は金属層と比べて熱抵抗が大きいＴｉ層が厚く形成されず、パワーモジュール用基板の熱抵抗を上昇させることがない。また、この場合、比較的強度が高いＴｉ層が厚く形成されず、冷熱サイクルが負荷された際にセラミックス基板に生じる熱応力が小さくなり、クラックの発生を抑制できる。このような理由により、Ｔｉ層の厚さは上述の範囲が好ましいとされている。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、冷熱サイクルが負荷された際に、セラミックス部材にクラックが発生することを抑制できるとともに、セラミックス部材とＣｕ部材との接合信頼性を向上できる接合体、及びパワーモジュール用基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第一実施形態に係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】本発明の第一実施形態に係るパワーモジュール用基板の概略説明図である。
【図３】図２に示す回路層とセラミックス基板との接合界面における断面を撮影した電子顕微鏡写真とその概略図である。
【図４】本発明の第一実施形態に係るパワーモジュール用基板の製造方法及びパワーモジュールの製造方法を説明するフロー図である。
【図５】本発明の第一実施形態に係るパワーモジュール用基板の製造方法及びパワーモジュール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パワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。
【図７】本発明の第二実施形態に係るパワーモジュール用基板の概略説明図である。
【図８】図７に示す金属層とセラミックス基板との接合界面における断面の概略図である。
【図９】本発明の第二実施形態に係るパワーモジュール用基板の製造方法及びパワーモジュールの製造方法を説明するフロー図である。
【図１０】本発明の第二実施形態に係るパワーモジュール用基板の製造方法及びパワーモジュールの製造方法の概略説明図である。
【図１１】本発明の第三実施形態に係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１２】本発明の第三実施形態に係るパワーモジュール用基板の概略説明図である。
【図１３】本発明の第三実施形態に係るパワーモジュール用基板の製造方法及びパワーモジュールの製造方法を説明するフロー図である。
【図１４】本発明の第三実施形態に係るパワーモジュール用基板の製造方法及びパワーモジュール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】
【００２２】
（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。まず、本発明の第一実施形態について説明する。
本実施形態に係る接合体は、セラミックス部材であるセラミックス基板１１と、Ｃｕ部材であるＣｕ板２２（回路層１２）とが接合されてなるパワーモジュール用基板１０である。図１に、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０を備え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、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の一方の面（図１において上面）に接合層２を介して接合された半導体素子３とを備えている。
【００２３】
パワーモジュール用基板１０は、図２に示すように、セラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の一方の面（図２において上面）に配設された回路層１２とを備えている。
セラミックス基板１１は、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）等のセラミックスで構成されている。本実施形態では、放熱性の優れた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。
【００２４】
回路層１２は、セラミックス基板１１の一方の面に、導電性を有するＣｕ又はＣｕ合金の金属板が、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系のろう材を介して接合されることにより形成されている。Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系のろう材として、具体的には、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎろう材、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉ系ろう材、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｚｎ系ろう材、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｍｎ系ろう材、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｃｒ系ろう材などが挙げられ、本実施形態では、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２４を用いている。
なお、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材の融点は７１０℃以下であり、本実施形態で用いられるＣｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２４の融点は５８０℃である。なお、本実施形態において、融点は、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材の固相線温度としている。
【００２５】
本実施形態において、回路層１２は、セラミックス基板１１の一方の面にＣｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２４、Ｔｉ材としてＴｉ箔２５、無酸素銅からなるＣｕ板２２を積層し、加熱処理によってＣｕ板２２を接合することで形成されている（図５参照）。
なお、回路層１２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。
【００２６】
図３に、セラミックス基板１１と回路層１２との接合界面の電子顕微鏡写真及びその概略図を示す。セラミックス基板１１と回路層１２との接合界面には、図３に示すように、セラミックス基板１１側に位置するＣｕ−Ｓｎ層１４と、回路層１２とＣｕ−Ｓｎ層１４との間に位置するＴｉ層１５とが形成されている。
そして、回路層１２とＴｉ層１５との間には、ＣｕとＴｉからなる第一金属間化合物層１６が形成されている。また、Ｃｕ−Ｓｎ層１４とＴｉ層１５との間には、Ｐ及びＮｉを含有する第二金属間化合物層１７が形成されている。
【００２７】
Ｃｕ−Ｓｎ層１４は、ＳｎがＣｕ中に固溶した層である。このＣｕ−Ｓｎ層１４は、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２４に含まれるＰ及びＮｉが、Ｔｉ層１５側に形成された第二金属間化合物層１７に取り込まれることにより形成される層である。
【００２８】
Ｔｉ層１５は、上述したように、セラミックス基板１１とＣｕ板２２とを、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２４及びＴｉ箔２５を介して接合することによって形成される層である。本実施形態において、Ｔｉ層１５の厚さは、１μｍ以上１５μｍ以下とされていることが好ましい。
【００２９】
Ｔｉ層１５の厚さが１μｍ以上１５μｍ以下である場合、Ｓｎが回路層１２側に拡散することを抑制するバリア層として確実に機能し、Ｓｎの拡散を確実に抑制することができる。また、Ｃｕ板２２からなる回路層１２と比べて熱抵抗が大きいＴｉ層１５が厚く形成されないので、パワーモジュール用基板１０の熱抵抗の上昇を抑制できる。さらに、比較的強度が高いＴｉ層１５が厚く形成されないので、冷熱サイクルが負荷された際にセラミックス基板１１に生じる熱応力が小さくなり、クラックの発生を抑制できる。このような理由により、Ｔｉ層１５の厚さは上述の範囲が好ましいとされている。
【００３０】
第一金属間化合物層１６は、回路層１２のＣｕとＴｉ層１５のＴｉとが相互に拡散することによって形成される層である。ここで、ＣｕとＴｉの拡散は、固相拡散とされている。第一金属間化合物層１６はＣｕ４Ｔｉ相、Ｃｕ３Ｔｉ２相、Ｃｕ４Ｔｉ３相、ＣｕＴｉ相、ＣｕＴｉ２相のいずれか１種以上を有する。本実施形態において、第一金属間化合物層１６はＣｕ４Ｔｉ相、Ｃｕ３Ｔｉ２相、Ｃｕ４Ｔｉ３相、ＣｕＴｉ相、ＣｕＴｉ２相を有している。
また、本実施形態において、この第一金属間化合物層１６の厚さは、０．５μｍ以上１０μｍ以下とされている。
【００３１】
第一金属間化合物層１６の厚さが０．５μｍ以上の場合、回路層１２のＣｕとＴｉ層１５のＴｉとが十分に相互に拡散しており、回路層１２とＴｉ層１５との接合強度を十分に確保することができる。また、第一金属間化合物層１６の厚さが１０μｍ以下の場合、硬い第一金属間化合物層１６が薄く形成されているので、冷熱サイクルが負荷された際に、セラミックス基板１１に生じる熱応力を低減し、クラックが発生することを抑制できる。このような理由により、第一金属間化合物層１６の厚さは、上述の範囲に設定されている。
【００３２】
第二金属間化合物層１７は、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２４に含まれるＰ及びＮｉがＴｉ箔２５に含まれるＴｉと結合することにより形成される。本実施形態において、第二金属間化合物層１７は、図３に示すように、Ｃｕ−Ｓｎ層１４側から順に形成された、Ｐ−Ｎｉ−Ｔｉ層１７ａと、Ｐ−Ｔｉ層１７ｂと、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｔｉ層１７ｃとを有している。
【００３３】
半導体素子３は、Ｓｉ等の半導体材料で構成されている。この半導体素子３と回路層１２は、接合層２を介して接合されている。
接合層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。
【００３４】
次に、本実施形態に係るパワーモジュール用基板１０、及びパワーモジュール１の製造方法について、図４のフロー図及び図５を参照して説明する。
まず、図５に示すように、セラミックス基板１１の一方の面（図５において上面）に、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２４、Ｔｉ箔２５、及び回路層１２となるＣｕ板２２を順に積層する（積層工程Ｓ０１）。すなわち、セラミックス基板１１とＣｕ板２２の間において、セラミックス基板１１側にＣｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２４を配置し、Ｃｕ板２２側にＴｉ箔２５を配置している。
【００３５】
本実施形態において、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２４の組成は、Ｃｕ−７ｍａｓｓ％Ｐ−１５ｍａｓｓ％Ｓｎ−１０ｍａｓｓ％Ｎｉとされている。
また、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２４の厚みは、５μｍ以上１５０μｍ以下の範囲とされており、本実施形態では、厚さ２０μｍのＣｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材を用いている。
また、Ｔｉ箔２５の厚さは、６μｍ以上２５μｍ以下の範囲とされており、本実施形態では、厚さ１０μｍ、純度９９．８％のＴｉ箔を用いている。
【００３６】
次に、セラミックス基板１１、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２４、Ｔｉ箔２５、及びＣｕ板２２を積層方向に加圧（圧力１ｋｇｆ／ｃｍ２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ２以下）した状態で、真空加熱炉内に装入して加熱する（加熱処理工程Ｓ０２）。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、加熱時間は３０分以上３６０分以下の範囲内に設定している。
【００３７】
この加熱処理工程Ｓ０２においては、Ｔｉ箔２５とＣｕ板２２とが固相拡散接合によって接合されるとともに、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２４が溶融して液相を形成し、この液相が凝固することにより、セラミックス基板１１とＴｉ箔２５とが接合されることになる。このとき、Ｃｕ板２２（回路層１２）とＴｉ箔２５（Ｔｉ層１５）との接合界面には、ＴｉとＣｕからなる第一金属間化合物層１６が形成される。また、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２４中に含まれるＰ及びＮｉは、Ｔｉ箔２５のＴｉと結合し、第二金属間化合物層１７が形成されるとともに、セラミックス基板１１側には、Ｐ及びＮｉを含有しない若しくは非常に少ないＣｕ−Ｓｎ層１４が形成される。
これにより、セラミックス基板１１の一方の面に回路層１２が形成され、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。
【００３８】
次に、パワーモジュール用基板１０の回路層１２の上面に、はんだ材を介して半導体素子３を接合する（半導体素子接合工程Ｓ０３）。
このようにして、本実施形態に係るパワーモジュール１が製造される。
【００３９】
以上のような構成とされた本実施形態に係るパワーモジュール用基板１０によれば、セラミックス基板１１と回路層１２との接合界面において、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２４に含まれるＰ及びＮｉが、Ｔｉ層１５側に形成された第二金属間化合物層１７に取り込まれることにより、Ｐ及びＮｉを含有する金属間化合物を有しない若しくは非常に少ないＣｕ−Ｓｎ層１４がセラミックス基板１１側に形成されている。すなわち、セラミックス基板１１の近傍に硬い金属間化合物が形成されていないので、冷熱サイクルが負荷された際にセラミックス基板１１に生じる熱応力を低減し、セラミックス基板１１にクラックが発生することを抑制できる。また、脆い金属間化合物がセラミックス基板１１の近傍に形成されていないので、冷熱サイクルが負荷された際に、セラミックス基板１１と回路層１２との接合率の低下を抑制し、接合信頼性を向上させることもできる。
【００４０】
さらに、Ｃｕ−Ｓｎ層１４と回路層１２との間に、Ｔｉ層１５が形成されているので、Ｓｎが回路層１２側に拡散することを抑制でき、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２４を用いてセラミックス基板１１の一方の面に回路層１２を形成する際に、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２４の融点が上昇することを抑えることが可能となる。すなわち、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２４の融点の上昇を抑えることで、比較的低温で接合を行うことができ、セラミックス基板１１が熱劣化することを抑制できる。
【００４１】
また、Ｔｉ層１５の厚さが、好ましくは１μｍ以上１５μｍ以下とされているので、Ｓｎが回路層１２側に拡散することを確実に抑制できる。また、この場合、比較的強度が高いＴｉ層１５が薄く形成されるので、冷熱サイクルが負荷された際にセラミックス基板１１に生じる熱応力が小さくなり、クラックの発生を抑制できる。
【００４２】
また、回路層１２とＴｉ層１５との間にＣｕとＴｉからなる第一金属間化合物層１６が形成されているので、回路層１２のＣｕとＴｉ層１５のＴｉとが十分に相互に拡散しており、回路層１２とＴｉ層１５とが良好に接合されている。
【００４３】
また、第一金属間化合物層１６の厚さは、０．５μｍ以上１０μｍ以下とされているので、回路層１２のＣｕとＴｉ層１５のＴｉとが十分に相互に拡散しており、接合強度を十分に確保することができ、かつ、硬い第一金属間化合物層１６が薄く形成されており、冷熱サイクルが負荷された際に、セラミックス基板１１に発生する熱応力を低減し、クラックが発生することを抑制できる。
【００４４】
また、本実施形態に係るパワーモジュール用基板１０、パワーモジュール１によれば、セラミックス基板１１の一方の面にＣｕ板２２からなる回路層１２が形成されているので、半導体素子３からの熱を拡げてセラミックス基板１１側に放散することができる。また、Ｃｕ板２２は比較的変形抵抗が大きいので、冷熱サイクルが負荷された際に、回路層１２の変形が抑制され、半導体素子３と回路層１２とを接合する接合層２の変形を抑制し、接合信頼性を向上できる。
【００４５】
また、本実施形態のパワーモジュール用基板１０の製造方法によれば、セラミックス基板１１とＣｕ板２２との間に、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２４とＴｉ箔２５とを介在させた状態で加熱処理を行う構成とされているので、加熱時にＣｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２４が溶融した液相にＴｉが溶け込み、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２４の液相とセラミックス基板１１との濡れ性が良好となる。
【００４６】
また、加熱処理工程Ｓ０２において、加熱温度が６００℃以上の場合、セラミックス基板１１とＣｕ板２２との接合界面において、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２４を確実に溶融させることができるとともに、Ｔｉ箔２５とＣｕ板２２とを十分に固相拡散接合することができ、セラミックス基板１１とＣｕ板２２とを確実に接合可能となる。また、加熱温度が６５０℃以下の場合、セラミックス基板１１が熱劣化することを抑制できるとともに、セラミックス基板１１に生じる熱応力を低減することができる。このような理由のため、本実施形態では、加熱温度は、６００℃以上６５０℃以下の範囲内に設定されている。
【００４７】
また、加熱処理工程Ｓ０２において、加圧される圧力が１ｋｇｆ／ｃｍ２以上の場合、セラミックス基板１１とＣｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２４との液相を密着させることができ、セラミックス基板１１とＣｕ−Ｓｎ層１４とを良好に接合できる。さらに、加圧される圧力が１ｋｇｆ／ｃｍ２以上の場合、Ｔｉ箔２５とＣｕ板２２との間に隙間が生じることを抑制して固相拡散接合することができる。また、加圧される圧力が３５ｋｇｆ／ｃｍ２以下の場合、セラミックス基板１１に割れが発生することを抑制できる。このような理由のため、本実施形態では、加圧される圧力は１ｋｇｆ／ｃｍ２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ２以下の範囲内に設定されている。
【００４８】
加熱処理工程Ｓ０２において、加熱時間が３０分以上の場合、セラミックス基板１１とＣｕ板２２との接合界面において、溶融したＣｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２４に含まれるＰと、Ｔｉ箔に含まれるＴｉとが結合する時間が十分に確保され、セラミックス基板１１側にＣｕ−Ｓｎ層を確実に形成可能となる。また、加熱時間が３０分以上の場合、Ｔｉ箔２５とＣｕ板２２とを十分に固相拡散接合することができ、セラミックス基板１１とＣｕ板２２とを確実に接合可能となる。また、加熱時間が３６０分を超えても加熱時間が３６０分の場合以上にセラミックス基板１１と回路層１２との接合性が向上しない。また、加熱時間が３６０分を超えると生産性が低下してしまう。このような理由のため、本実施形態では、加熱時間は、３０分以上３６０分以下の範囲内に設定されている。
【００４９】
また、本実施形態においては、ろう材の融点が５８０℃であるＣｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２４を用いているので、低温でろう材の液相を形成することができる。なお、本実施形態において融点は、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材の固相線温度としている。
【００５０】
上述のように、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２４がセラミックス基板１１と良好に接合されるとともに、Ｔｉ箔２５とＣｕ板２２とが固相拡散接合によって接合されるので、セラミックス基板１１とＣｕ板２２とを良好に接合でき、セラミックス基板１１と回路層１２との接合信頼性を向上させることができる。
【００５１】
（第二実施形態）
次に、本発明の第二実施形態について説明する。なお、第一実施形態と同一の構成のものについては、同一の符号を付して記載し、詳細な説明を省略する。
図６に、第二実施形態に係るパワーモジュール用基板１１０を備えたパワーモジュール１０１を示す。
このパワーモジュール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の一方の面（図１において上面）に接合層２を介して接合された半導体素子３と、パワーモジュール用基板１１０の他方側（図１において下側）に配置されたヒートシンク１３０と、を備えている。
【００５２】
パワーモジュール用基板１１０は、図７に示すように、セラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の一方の面（図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１１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１１は、放熱性の優れたＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。
【００５３】
回路層１１２は、第一実施形態と同様に、セラミックス基板１１の一方の面にＣｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２４、Ｔｉ材としてＴｉ箔２５、無酸素銅からなるＣｕ板１２２を順に積層し、加熱処理によってＣｕ板１２２を接合することで形成されている（図１０参照）。
なお、回路層１１２の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、第二実施形態では、０．６ｍｍに設定されている。
【００５４】
そして、セラミックス基板１１と回路層１１２との接合界面には、第一実施形態と同様に、セラミックス基板１１側に位置するＣｕ−Ｓｎ層１４と、回路層１１２とＣｕ−Ｓｎ層１４との間に位置するＴｉ層１５とが形成されている。また、回路層１１２とＴｉ層１５との間に、ＣｕとＴｉからなる第一金属間化合物層１６が形成され、Ｃｕ−Ｓｎ層１４とＴｉ層１５との間に、Ｐ及びＮｉを含有する第二金属間化合物層１７が形成されている。
【００５５】
金属層１１３は、セラミックス基板１１の他方の面に、Ｃｕ又はＣｕ合金の金属板が、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系のろう材を介して接合されることにより形成されている。第二実施形態において、金属層１１３は、セラミックス基板１１の他方の面にＣｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２４、Ｔｉ材としてＴｉ箔２５、無酸素銅からなるＣｕ板１２３を積層し、加熱処理によってＣｕ板１２３を接合することで形成されている（図１０参照）。
この金属層１１３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。
【００５６】
図８に、セラミックス基板１１と金属層１１３との接合界面の概略図を示す。セラミックス基板１１と金属層１１３との接合界面には、図８に示すように、セラミックス基板１１側に位置するＣｕ−Ｓｎ層１１４と、金属層１１３とＣｕ−Ｓｎ層１１４との間に位置するＴｉ層１１５とが形成されている。そして、金属層１１３とＴｉ層１１５との間に、ＣｕとＴｉからなる第一金属間化合物層１１６が形成されている。また、Ｃｕ−Ｓｎ層１１４とＴｉ層１１５との間に、Ｐ及びＮｉを含有する第二金属間化合物層１１７が形成されている。この第二金属間化合物層１１７は、Ｃｕ−Ｓｎ層１１４側から順に形成された、Ｐ−Ｎｉ−Ｔｉ層１１７ａと、Ｐ−Ｔｉ層１１７ｂと、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｔｉ層１１７ｃとを有している。
すなわち、このセラミックス基板１１と金属層１１３との接合界面は、上述したセラミックス基板１１と回路層１１２との接合界面と同様の構造となっている。
【００５７】
ヒートシンク１３０は、前述のパワーモジュール用基板１１０からの熱を放散するためのものである。このヒートシンク１３０は、Ｃｕ又はＣｕ合金で構成されており、本実施形態では無酸素銅で構成されている。このヒートシンク１３０には、冷却用の流体が流れるための流路１３１が設けられている。なお、本実施形態においては、ヒートシンク１３０と金属層１１３とが、はんだ材からなるはんだ層１３２によって接合されている。
【００５８】
次に、本実施形態に係るパワーモジュール１０１の製造方法について、図９のフロー図及び図１０を参照して説明する。
まず、図１０に示すように、セラミックス基板１１の一方の面（図１０において上面）に、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２４、Ｔｉ箔２５、及び回路層１１２となるＣｕ板１２２を順に積層する（第一積層工程Ｓ１１）とともに、セラミックス基板１１の他方の面（図１０において下面）にも、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２４、Ｔｉ箔２５、及び金属層１１３となるＣｕ１２３板を順に積層する（第二積層工程Ｓ１２）。すなわち、セラミックス基板１１とＣｕ板１２２、１２３の間において、セラミックス基板１１側にＣｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２４を配置し、Ｃｕ板１２２、１２３側にＴｉ箔２５を配置している。なお、Ｔｉ箔２５の厚さは、６μｍ以上２５μｍ以下の範囲内とされており、本実施形態では厚さ８μｍのＴｉ箔２５を用いている。
【００５９】
次に、セラミックス基板１１、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２４、Ｔｉ箔２５、及びＣｕ板１２２、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（加熱処理工程Ｓ１３）。ここで、第二実施形態では、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、加熱時間は３０分以上３６０分以下の範囲に設定している。
【００６０】
この加熱処理工程Ｓ１３においては、Ｔｉ箔２５とＣｕ板１２２、１２３とが固相拡散接合によって接合されるとともに、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２４が溶融して液相を形成し、この液相が凝固することにより、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２４を介して、セラミックス基板１１とＴｉ箔２５とが接合されることになる。
これにより、セラミックス基板１１の一方の面に回路層１１２が形成されるとともに、他方の面に金属層１１３が形成され、本実施形態であるパワーモジュール用基板１１０が製造される。
【００６１】
次いで、パワーモジュール用基板１１０の金属層１１３の下面に、はんだ材を介してヒートシンク１３０を接合する（ヒートシンク接合工程Ｓ１４）。
次に、パワーモジュール用基板１１０の回路層１１２の上面に、はんだ材を介して半導体素子３を接合する（半導体素子接合工程Ｓ１５）。
このようにして、本実施形態に係るパワーモジュール１０１が製造される。
【００６２】
以上のような構成とされた第二実施形態に係るパワーモジュール用基板１１０においては、第一実施形態で説明したパワーモジュール用基板１０と同様の効果を奏する。
また、パワーモジュール用基板１１０においては、セラミックス基板１１の他方の面にＣｕ板１２３からなる金属層１１３が形成されているので、半導体素子３からの熱を、金属層１１３を介して効率的に放散することができる。
【００６３】
そして、セラミックス基板１１と金属層１１３との接合界面においては、セラミックス基板１１と回路層１１２との接合界面と同様に、セラミックス基板１１側に、ＳｎがＣｕ中に固溶したＣｕ−Ｓｎ層１１４が形成されており、セラミックス基板１１の近傍に硬い金属間化合物が形成されていないので、冷熱サイクルが負荷された際に、セラミックス基板１１に生じる熱応力を低減し、セラミックス基板１１にクラックが発生することを抑制できる。また、脆い金属間化合物層がセラミックス基板１１の近傍に形成されていないので、冷熱サイクルが負荷された際に、セラミックス基板１１と金属層１１３との接合率の低下を抑制し、接合信頼性を向上させることができる。
また、第二実施形態に係るパワーモジュール用基板１１０において、金属層１１３には、ヒートシンク１３０が接合されているので、ヒートシンク１３０から熱を効率的に放散することができる。
【００６４】
また、第二実施形態に係るパワーモジュール用基板１１０の製造方法によれば、セラミックス基板１１の一方の面に回路層１１２を、他方の面に金属層１１３を同時に接合する構成とされているので、製造工程を簡略化し、製造コストを低減できる。
【００６５】
（第三実施形態）
次に、本発明の第三実施形態について説明する。なお、第一実施形態と同一の構成のものについては、同一の符号を付して記載し、詳細な説明を省略する。
図１１に、第三実施形態に係るパワーモジュール用基板２１０を備えたパワーモジュール２０１を示す。
このパワーモジュール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の一方の面（図１１において上面）に接合層２を介して接合された半導体素子３と、パワーモジュール用基板２１０の他方側（図１１において下側）に接合層２３２を介して接合されたヒートシンク２３０と、を備えている。
【００６６】
パワーモジュール用基板２１０は、図１２に示すように、セラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の一方の面（図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１１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１１は、放熱性の優れたＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。
【００６７】
回路層２１２は、第一実施形態と同様に、セラミックス基板１１の一方の面にＣｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２４、Ｔｉ材としてＴｉ箔２５、無酸素銅からなるＣｕ板２２２を積層し、加熱処理によってＣｕ板２２２を接合することで形成されている（図１４参照）。
なお、回路層２１２の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、第三実施形態では、０．６ｍｍに設定されている。
【００６８】
そして、セラミックス基板１１と回路層２１２との接合界面には、第一実施形態と同様に、セラミックス基板１１側に位置するＣｕ−Ｓｎ層１４と、回路層２１２とＣｕ−Ｓｎ層１４との間に位置するＴｉ層１５とが形成されている。また、回路層２１２とＴｉ層１５との間に、ＣｕとＴｉからなる第一金属間化合物層１６が形成され、Ｃｕ−Ｓｎ層１４とＴｉ層１５との間に位置しＰ及びＮｉを含有する第二金属間化合物層１７が形成されている。
【００６９】
金属層２１３は、セラミックス基板１１の他方の面に、Ａｌ又はＡｌ合金の金属板が接合されることにより形成されている。第三実施形態において、金属層２１３は、セラミックス基板１１の他方の面に、純度９９．９９質量％以上のＡｌ板２２３を接合することで形成されている（図１４参照）。
この金属層２１３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、１．６ｍｍに設定されている。
【００７０】
ヒートシンク２３０は、Ａｌ又はＡｌ合金で構成されており、本実施形態ではＡ６０６３（Ａｌ合金）で構成されている。このヒートシンク２３０には、冷却用の流体が流れるための流路２３１が設けられている。なお、このヒートシンク２３０と金属層２１３とが、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材によって接合されている。
【００７１】
次に、本実施形態に係るパワーモジュール２０１の製造方法について、図１３のフロー図及び図１４を参照して説明する。
まず、図１４に示すように、セラミックス基板１１の一方の面（図１４において上面）に、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２４、Ｔｉ箔２５、及び回路層２１２となるＣｕ板２２２を順に積層する（第一積層工程Ｓ２１）とともに、セラミックス基板１１の他方の面（図１４において下面）に、接合材２２７を介して金属層２１３となるＡｌ板２２３を順に積層する（第二積層工程Ｓ２２）。そして、さらにＡｌ板２２３の下側に、接合材２４２を介してヒートシンク２３０を積層する（第三積層工程Ｓ２３）。
なお、接合材２２７、２４２は、本実施形態では、融点降下元素であるＳｉを含有したＡｌ−Ｓｉ系ろう材とされており、第三実施形態においては、Ａｌ−７．５ｍａｓｓ％Ｓｉろう材を用いている。
また、Ｔｉ箔２５の厚さは、６μｍ以上２５μｍ以下の範囲内とされ、本実施形態では厚さ１２μｍのＴｉ箔を用いている。
【００７２】
次に、セラミックス基板１１、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２４、Ｔｉ箔２５、Ｃｕ板２２２、接合材２２７、Ａｌ板２２３、接合材２４２、及びヒートシンク２３０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（加熱処理工程Ｓ２４）。ここで、第三実施形態では、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、加熱時間は３０分以上３６０分以下の範囲内に設定している。
【００７３】
この加熱処理工程Ｓ２４においては、Ｔｉ箔２５とＣｕ板２２２とが固相拡散接合によって接合されるとともに、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２４が溶融して液相を形成し、この液相が凝固することにより、セラミックス基板１１とＴｉ箔２５とが接合されることになる。また、加熱処理工程Ｓ２４においては、接合材２２７が溶融して液相を形成し、この液相が凝固することにより、接合材２２７を介してセラミックス基板１１とＡｌ板２２３とが接合される。さらに、加熱処理工程Ｓ２４においては、接合材２４２が溶融して液相を形成し、この液相が凝固することにより、接合材２４２を介してＡｌ板２２３とヒートシンク２３０とが接合される。
これにより、第三実施形態であるパワーモジュール用基板２１０が製造される。
【００７４】
次に、パワーモジュール用基板２１０の回路層２１２の上面に、はんだ材を介して半導体素子３を接合する（半導体素子接合工程Ｓ２５）。
このようにして、第三実施形態に係るパワーモジュール２０１が製造される。
【００７５】
以上のような構成とされた第三実施形態に係るパワーモジュール用基板２１０においては、第一実施形態で説明したパワーモジュール用基板１０と同様の効果を奏する。
また、第三実施形態に係るパワーモジュール用基板２１０においては、セラミックス基板１１の他方の面にＡｌ板２２３が接合されてなる金属層２１３が形成されているので、半導体素子３からの熱を、金属層２１３を介して効率的に放散することができる。また、Ａｌは比較的変形抵抗が低いので、冷熱サイクルが負荷された際に、パワーモジュール用基板２１０とヒートシンク２３０との間に生じる熱応力を金属層２１３によって吸収し、セラミックス基板１１に割れが発生することを抑制できる。
【００７６】
また、第三実施形態に係るパワーモジュール用基板２１０の製造方法によれば、セラミックス基板１１の一方の面に回路層２１２を、他方の面に金属層２１３を同時に接合するとともに、ヒートシンク２３０も金属層２１３に同時に接合する構成とされているので、製造工程を簡略化し、製造コストを低減できる。
【００７７】
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。
【００７８】
なお、第二実施形態及び第三実施形態においては、セラミックス基板の一方の面に回路層を、他方の面に金属層を同時に接合する場合について説明したが、回路層と金属層とを別々に接合しても良い。
また、第三実施形態において、回路層、金属層、及びヒートシンクを同時に接合する場合について説明したが、回路層と金属層をセラミックス基板に接合した後に、金属層とヒートシンクとを接合する構成としても良い。
また、第三実施形態において、セラミックス基板の他方の面にＡｌ−Ｓｉ系ろう材を介して金属層を接合する場合について説明したが、過渡液相接合法（ＴＬＰ）やＡｇペーストなどによって接合しても良い。
【００７９】
また、第二実施形態及び第三実施形態では、流路が設けられたヒートシンクを用いる場合について説明したが、放熱板と呼ばれる板状のものや、ピン状フィンを有するものとしてもよい。また、パワーモジュール用基板とヒートシンクとをはんだ材又はろう材で接合する場合について説明したが、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの間にグリースを介してネジ止めなどによって固定する構成とされても良い。また、第二実施形態及び第三実施形態のパワーモジュール用基板において、パワーモジュール用基板の他方の面側にヒートシンクが接合されていなくても良い。
【００８０】
なお、上記実施形態では、Ｔｉ材としてＴｉ箔を用いる場合について説明したが、Ｃｕ部材の一方の面にＴｉを配設したＣｕ部材／Ｔｉクラッド材を用いることもできる。また、Ｃｕ部材に蒸着等によってＴｉを配設し、用いることもできる。
さらに、Ｔｉ材の一方の面にＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材を配設したＴｉ材／ろう材クラッド材や、Ｃｕ部材、Ｔｉ材、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材の順に積層されたＣｕ部材／Ｔｉ材／ろう材クラッドを用いることができる。
【実施例】
【００８１】
（実施例１）
以下に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験（実施例１）の結果について説明する。
ＡｌＮからなるセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ×０．６３５ｍｍｔ）の一方の面に表１に示すＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材、Ｔｉ箔、無酸素銅からなるＣｕ板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×０．３ｍｍｔ）を順に積層する。
そして、積層方向に圧力１５ｋｇｆ／ｃｍ２で加圧した状態で真空加熱炉内に装入し、加熱することによってセラミックス基板の一方の面にＣｕ板を接合し、回路層を形成した。ここで、真空加熱炉内の圧力を１０−６Ｐａ以上、１０−３Ｐａ以下の範囲内に設定し、加熱温度及び加熱時間は、表１の条件に設定した。このようにして本発明例１−１〜１−１１のパワーモジュール用基板を得た。
【００８２】
また、比較例１のパワーモジュール用基板は、ＡｌＮからなるセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ×０．６３５ｍｍｔ）の一方の面に、表１に示すＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材、無酸素銅からなるＣｕ板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×０．３ｍｍｔ）を順に積層し、積層方向に圧力１５ｋｇｆ／ｃｍ２で加圧した状態で真空加熱炉内に装入し、加熱することによってセラミックス基板の一方の面にＣｕ板を接合し、回路層を形成することにより得た。すなわち、比較例１のパワーモジュール用基板は、セラミックス基板とＣｕ板とを接合する際に、Ｔｉ箔を介在させずに接合が行われている。
【００８３】
上述のようにして得られたパワーモジュール用基板に対して、回路層とセラミックス基板との初期の接合率を評価した。接合率の評価方法を以下に説明する。
また、セラミックス基板と回路層との接合界面における、Ｔｉ層及び第一金属間化合物層の厚さを測定した。このＴｉ層及び第一金属間化合物層の厚さの測定方法も以下に示す。
【００８４】
（接合率評価）
パワーモジュール用基板に対し、セラミックス基板と回路層との界面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、すなわち本実施例では回路層の面積とした。超音波探傷像において剥離は接合部内の白色部で示されることから、この白色部の面積を剥離面積とした。
（接合率（％））＝｛（初期接合面積）−（剥離面積）｝／（初期接合面積）×１００
【００８５】
（Ｔｉ層及び第一金属間化合物層の厚さの測定方法）
Ｔｉ層及び第一金属間化合物層の厚さは、銅板／Ｔｉ層界面のＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザー）による反射電子像から、倍率３０００倍の視野（縦３０μｍ、横４０μｍ）において、接合界面に形成されたＴｉ層の面積及び第一金属間化合物層（Ｃｕ４Ｔｉ、Ｃｕ３Ｔｉ２、Ｃｕ４Ｔｉ３、ＣｕＴｉ、ＣｕＴｉ２）の総面積を測定し、測定視野の幅の寸法で除して求め、５視野の平均をＴｉ層及び第一金属間化合物層の厚さとした。
以上の評価の結果を表１に示す。
【００８６】
【表１】
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【００８７】
表１に示されるように、本発明例１−１〜１−１１については、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材及びＴｉ箔を介在させてセラミックス基板とＣｕ板とを接合しているため、セラミックス基板と回路層との初期の接合率が高く、良好に接合されていることが確認された。
一方、比較例１は、セラミックス基板とＣｕ板との接合の際に、Ｔｉ箔を介在させずに接合が行われているため、セラミックス基板とＣｕ板（回路層）とを接合することができなかった。
【００８８】
（実施例２）
次に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験（実施例２）の結果について説明する。
ＡｌＮからなるセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ×０．６３５ｍｍｔ）の一方の面及び他方の面に、表２に示すＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材、Ｔｉ箔、無酸素銅からなるＣｕ板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×０．３ｍｍｔ）を順に積層する。
積層方向に圧力１５ｋｇｆ／ｃｍ２で加圧した状態で真空加熱炉内に装入し、加熱することによってセラミックス基板の一方の面及び他方の面にＣｕ板を接合し、回路層及び金属層を形成した。ここで、真空加熱炉内の圧力を１０−６Ｐａ以上、１０−３Ｐａ以下の範囲内に設定し、加熱温度及び加熱時間は表２に示す条件とした。このようにして本発明例２−１〜２−１１のパワーモジュール用基板を得た。
【００８９】
また、比較例２のパワーモジュール用基板は、Ｔｉ箔を介在させずに、セラミックス基板と回路層とを接合したことを除いて、本発明例２−１〜２−１１のパワーモジュール用基板と同様にして得た。
【００９０】
上述のようにして得られたパワーモジュール用基板に対して、回路層とセラミックス基板との初期の接合率、及び冷熱サイクル試験後の接合率を測定した。さらに、冷熱サイクル試験において、パワーモジュール用基板のセラミックス基板に割れが発生するまでの回数を測定するとともに、冷熱サイクル試験後の接合率を評価した。また、セラミックス基板と回路層との接合界面における、Ｔｉ層及び第一金属間化合物層の厚さを測定した。
接合率の評価、Ｔｉ層及び第一金属間化合物層の厚さ測定は、実施例１と同様にして行った。また、冷熱サイクル試験は下記の通り行った。
【００９１】
（冷熱サイクル試験）
冷熱サイクル試験は、冷熱衝撃試験機エスペック社製ＴＳＢ−５１を使用し、パワーモジュール用基板に対して、液相（フロリナート）で、−４０℃×５分←→１５０℃×５分の２０００サイクルを実施した。
以上の評価の結果を表２に示す。
【００９２】
【表２】
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【００９３】
表２に示されるように、本発明例２−１〜２−１１については、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材及びＴｉ箔を介在させてセラミックス基板とＣｕ板とを接合しているため、セラミックス基板と回路層との初期の接合率が高く、良好に接合されていることが確認された。また、本発明例２−１〜２−１１は、冷熱サイクル試験後の接合率も高く、接合信頼性が高いことが確認された。さらに、本発明例２−１〜２−１１は、冷熱サイクル試験において、セラミックス基板に割れが発生するまでのサイクル回数が多く、セラミックス基板に割れが発生しにくいことも確認された。
一方、比較例２は、セラミックス基板とＣｕ板との接合の際に、Ｔｉ箔を介在させずに接合が行われているため、セラミックス基板とＣｕ板（回路層）とを接合することができなかった。
【００９４】
（実施例３）
次に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験（実施例３）の結果について説明する。
ＡｌＮからなるセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ×０．６３５ｍｍｔ）の一方の面に、表３に示すＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材、Ｔｉ箔、無酸素銅からなるＣｕ板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×０．３ｍｍｔ）を順に積層する。また、セラミックス基板の他方の面に、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材を介して純度９９．９９％のＡｌからなるＡｌ板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×１．６ｍｍｔ）を積層する。
そして、積層方向に圧力１５ｋｇｆ／ｃｍ２で加圧した状態で真空加熱炉内に装入し、加熱することによってセラミックス基板の一方の面にＣｕ板を接合して回路層を形成し、他方の面にＡｌ板を接合して金属層を形成した。ここで、真空加熱炉内の圧力を１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内に設定し、加熱温度及び加熱時間は表３に示す条件とした。このようにして本発明例３−１〜３−１１のパワーモジュール用基板を得た。
【００９５】
また、比較例３のパワーモジュール用基板は、Ｔｉ箔を介在させずに、セラミックス基板と回路層とを接合したことを除いて、本発明例３−１〜３−１１のパワーモジュール用基板と同様にして得た。
【００９６】
上述のようにして得られたパワーモジュール用基板に対して、回路層とセラミックス基板との初期の接合率、及び冷熱サイクル試験後の接合率を評価した。また、セラミックス基板と回路層との接合界面における、Ｔｉ層及び第一金属間化合物層の厚さを測定した。
接合率の評価、冷熱サイクル試験及びＴｉ層と第一金属間化合物層の厚さ測定は、実施例２と同様にして実施した。
以上の評価の結果を表３に示す。
【００９７】
【表３】
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【００９８】
表３に示されるように、本発明例３−１〜３−１１については、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材及びＴｉ箔を介在させてセラミックス基板とＣｕ板とを接合しているため、セラミックス基板と回路層との初期の接合率が高く、良好に接合されていることが確認された。また、本発明例３−１〜３−１１は、冷熱サイクル試験後の接合率も高く、接合信頼性が高いことが確認された。さらに、本発明例３−１〜３−１１は、冷熱サイクル試験において、セラミックス基板に割れが発生するまでのサイクル回数が多く、セラミックス基板に割れが発生しにくいことも確認された。
一方、比較例３は、セラミックス基板とＣｕ板との接合の際に、Ｔｉ箔を介在させずに接合が行われているため、セラミックス基板とＣｕ板（回路層）とを接合することができなかった。
【符号の説明】
【００９９】
１０、１１０、２１０  パワーモジュール用基板（接合体）
１１  セラミックス基板（セラミックス部材）
１２、１１２、２１２  回路層（Ｃｕ部材）
１３、１１３、２１３  金属層（Ｃｕ部材）
１４、１１４  Ｃｕ−Ｓｎ層
１５、１１５  Ｔｉ層
１６、１１６  第一金属間化合物層
１７、１１７  第二金属間化合物層
２２、１２２、１２３、２２２  Ｃｕ板（Ｃｕ部材）
【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３】
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