(57)【要約】【課題】セラミックス部材とＣｕ部材とを良好に接合することができる接合体の製造方法、及び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】Ｐを３ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下含有するＣｕ−Ｐ系ろう材と、活性金属材とを介して、セラミックス部材１１とＣｕ部材１２とを積層する積層工程と、積層された前記セラミックス部材及び前記Ｃｕ部材を加熱処理する加熱処理工程と、を備えていることを特徴とする接合体の製造方法。前記積層工程において、前記セラミックス部材側に前記Ｃｕ−Ｐ系ろう材を配置し、前記Ｃｕ部材側に前記活性金属材を配置することが好ましい。【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部材とが接合されてなる接合体の製造方法であって、
Ｐを３ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下含有するＣｕ−Ｐ系ろう材と、活性金属材とを介して、前記セラミックス部材と前記Ｃｕ部材とを積層する積層工程と、
積層された前記セラミックス部材及び前記Ｃｕ部材を加熱処理する加熱処理工程と、を備えていることを特徴とする接合体の製造方法。
【請求項２】
前記積層工程において、前記セラミックス部材側に前記Ｃｕ−Ｐ系ろう材を配置し、前記Ｃｕ部材側に前記活性金属材を配置することを特徴とする請求項１記載の接合体の製造方法。
【請求項３】
前記Ｃｕ−Ｐ系ろう材は、Ｃｕ−Ｐろう材、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎろう材、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材、Ｃｕ−Ｐ−Ｚｎろう材の中から選択されるいずれか１種であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の接合体の製造方法。
【請求項４】
前記活性金属材は、Ｔｉを含有す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接合体の製造方法。
【請求項５】
セラミックス基板の一方の面にＣｕ又はＣｕ合金からなる回路層が配設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と前記回路層とを、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の接合体の製造方法によって接合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６】
セラミックス基板の一方の面にＣｕ又はＣｕ合金からなる回路層が配設され、他方の面にＣｕ又はＣｕ合金からなる金属層が配設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と前記回路層、及び前記セラミックス基板と前記金属層を請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の接合体の製造方法によって接合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７】
セラミックス基板の一方の面にＣｕ又はＣｕ合金からなる回路層が配設され、他方の面にＡｌ又はＡｌ合金からなる金属層が配設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と前記回路層とを請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の接合体の製造方法によって接合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。
【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部材とが接合されてなる接合体の製造方法、及びセラミックス基板の一方の面にＣｕ又はＣｕ合金からなる回路層が配設された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】
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板とを接合し回路層を形成すると、セラミックス基板とろう材との接合界面には、Ｃｕ、Ｍｇ、又はＴｉを含む金属間化合物層が厚く形成される。
このセラミックス基板とろう材との接合界面に形成される金属間化合物層は、硬いため、セラミックス基板と回路層との接合率が悪化し、セラミックス基板と回路層とを良好に接合できないおそれがあった。
【０００６】
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、セラミックス部材とＣｕ部材とを良好に接合することができる接合体の製造方法、及び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】
【０００７】
前述の課題を解決するために、本発明の接合体の製造方法は、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部材とが接合されてなる接合体の製造方法であって、Ｐを３ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下含有するＣｕ−Ｐ系ろう材と、活性金属材とを介して、前記セラミックス部材と前記Ｃｕ部材とを積層する積層工程と、積層された前記セラミックス部材及び前記Ｃｕ部材を加熱処理する加熱処理工程と、を備えていることを特徴としている。
【０００８】
本発明の接合体の製造方法によれば、Ｐを３ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下含有するＣｕ−Ｐ系ろう材と活性金属材とを介して、前記セラミックス部材と前記Ｃｕ部材とを積層する積層工程と、積層された前記セラミックス部材及び前記Ｃｕ部材を加熱処理する加熱処理工程とを備えているので、加熱処理工程において、Ｃｕ−Ｐ系ろう材に含まれるＰと活性金属材に含まれる活性元素とが結合してＰを含有する金属間化合物が形成され、この金属間化合物にＰが取り込まれることにより、セラミックス部材側にＣｕ層が形成される。このとき、セラミックス部材とＣｕ層との接合界面に硬い金属間化合物層が形成されないので、セラミックス部材とＣｕ部材との接合率が向上し、セラミックス部材とＣｕ部材とを良好に接合できる。
また、Ｐを３ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下含有するＣｕ−Ｐ系ろう材は、融点が低いので、比較的低温でセラミックス部材とＣｕ部材とを接合でき、接合時にセラミックス部材にかかる熱的な負荷を軽減することができる。
ここで、活性金属材は、例えばＴｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆといった活性元素のいずれか１種又は２種以上を含有するものとされている。また、活性金属材の形状は、例えば箔や粉末などとされている。
【０００９】
また、前記セラミックス部材側に前記Ｃｕ−Ｐ系ろう材を配置し、前記Ｃｕ部材側に前記活性金属材を配置することが好ましい。
この構成では、Ｃｕ部材と活性金属材とを加熱処理することにより、Ｃｕ部材と活性金属材とを固相拡散接合によって接合することができる。したがって、Ｃｕ−Ｐ系ろう材の融液が凝固することで、確実にセラミックス部材とＣｕ部材とを接合することが可能となる。
【００１０】
また、前記Ｃｕ−Ｐ系ろう材は、Ｃｕ−Ｐろう材、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎろう材、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材、Ｃｕ−Ｐ−Ｚｎろう材の中から選択されるいずれか１種とされていることが好ましい。
このようなろう材を用いた場合、ろう材の融点が低いので、低温条件でも確実にセラミックス部材とＣｕ部材との接合を行うことができる。また、セラミックス部材とＣｕ部材の接合時において、ろう材に含まれるＰなどが活性金属材に含まれる元素と結合して金属間化合物を形成し、セラミックス部材側に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層を確実に形成することができる。
【００１１】
また、上述の接合体の製造方法において、前記活性金属材は、Ｔｉを含有することが好ましい。
この場合、加熱処理工程において、ＴｉとＣｕ−Ｐ系ろう材に含まれるＰとが結合してＰ及びＴｉを含有する金属間化合物が形成され、この金属間化合物にＰが取り込まれることにより、セラミックス部材側にＣｕ層が確実に形成される。したがって、セラミックス部材とＣｕ層との接合界面に硬い金属間化合物層が形成されることを確実に抑制し、セラミックス部材とＣｕ部材との接合率を向上させ、セラミックス部材とＣｕ部材とを良好に接合できる。
【００１２】
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一方の面にＣｕ又はＣｕ合金からなる回路層が配設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と前記回路層とを、上述の接合体の製造方法によって接合することを特徴としている。
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、加熱処理工程において、活性金属材とＰとが結合してＰを含有する金属間化合物が形成され、この金属間化合物にＰが取り込まれることにより、セラミックス基板側にＣｕ層が形成される。このとき、セラミックス基板とＣｕ層との接合界面に硬い金属間化合物層が形成されないので、セラミックス基板と回路層との接合率が向上し、セラミックス基板と回路層とを良好に接合できる。
また、Ｃｕ−Ｐ系ろう材は融点が低く、比較的低温でセラミックス基板の一方の面に回路層を形成することができるので、回路層の形成時にセラミックス基板が熱劣化することを抑制できる。
【００１３】
また、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一方の面にＣｕ又はＣｕ合金からなる回路層が配設され、他方の面にＣｕ又はＣｕ合金からなる金属層が配設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と前記回路層、及び前記セラミックス基板と前記金属層を上述の接合体の製造方法によって接合する構成とされても良い。
この構成では、セラミックス基板の一方の面及び他方の面において、活性金属材とＣｕ−Ｐ系ろう材に含まれるＰとが結合してＰを含有する金属間化合物が形成されることによりＣｕ層が形成され、セラミックス基板とＣｕ層との接合界面に硬い金属間化合物層が形成されないので、セラミックス基板と回路層、及びセラミックス基板と金属層の接合率が向上し、セラミックス基板と回路層、及びセラミックス基板と金属層とを良好に接合することができる。
また、比較的低温で、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形成することができるので、セラミックス基板が熱劣化することを抑制できる。
また、このパワーモジュール用基板の製造方法においては、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、同時に形成でき、セラミックス基板にかかる熱的な負荷を低減するとともに、製造コストを低減することも可能である。
【００１４】
また、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一方の面にＣｕ又はＣｕ合金からなる回路層が配設され、他方の面にＡｌ又はＡｌ合金からなる金属層が配設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と前記回路層とを上述の接合体の製造方法によって接合する構成とされても良い。
また、比較的低温で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形成することができるので、セラミックス基板が熱劣化することを抑制できる。
また、このパワーモジュール用基板の製造方法においても、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形成でき、セラミックス基板にかかる熱的な負荷を低減するとともに、製造コストを低減することも可能である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、セラミックス部材とＣｕ部材とを良好に接合することができる接合体の製造方法、及びパワーモジュール用基板の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【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９】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を説明するフロー図である。
【図１１】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１４】図１３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１５】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１６】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】
【００１７】
（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の製造方法は、セラミックス基板１１（セラミックス部材）と回路層１２（Ｃｕ部材）とを接合することにより、接合体としてパワーモジュール用基板１０を製造するものである。図１に、本実施形態に係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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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、活性金属材及びＣｕ−Ｐ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。
ここで、本実施形態において、Ｃｕ−Ｐ系ろう材のＰの含有量は、３ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下とされている。以下に、Ｐの含有量が３ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下に設定されている理由について説明する。
【００２１】
（Ｐ：３ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下）
Ｐは、ろう材の融点を低下させる作用効果を有する元素である。また、このＰは、Ｐが酸化することで発生するＰ酸化物により、ろう材表面を覆うことでろう材の酸化を防止するとともに、溶融したろう材の表面を流動性の良いＰ酸化物が覆うことでろう材の濡れ性を向上させる作用効果を有する元素である。
Ｐの含有量が３ｍａｓｓ％未満では、ろう材の融点を低下させる効果が十分に得られずろう材の融点が上昇したり、ろう材の流動性が不足し、セラミックス基板１１と回路層１２との接合性が低下したりするおそれがある。また、Ｐの含有量が１０ｍａｓｓ％超では、脆い金属間化合物が多く形成され、セラミックス基板１１と回路層１２との接合性や接合信頼性が低下するおそれがある。
このような理由からＣｕ−Ｐ系ろう材に含まれるＰの含有量は、３ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下の範囲内に設定されている。
【００２２】
ここで、Ｃｕ−Ｐ系ろう材においては、Ｓｎを０．５ｍａｓｓ％以上２５ｍａｓｓ％以下含有していても良い。また、Ｃｕ−Ｐ系ろう材は、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｎのうちいずれか１種または２種以上を２ｍａｓｓ％以上２０ｍａｓｓ％以下含有していても良い。さらに、Ｃｕ−Ｐ系ろう材は、Ｚｎを０．５ｍａｓｓ％以上５０ｍａｓｓ％以下含有していても良い。以下に、これらの元素を含有する場合、その含有量が上述の範囲内に設定されている理由について説明する。
【００２３】
（Ｓｎ：０．５ｍａｓｓ％以上２５ｍａｓｓ％以下）
Ｓｎは、ろう材の融点を低下させる作用効果を有する元素である。
Ｓｎの含有量が０．５ｍａｓｓ％以上では、ろう材の融点を確実に低くすることができる。また、Ｓｎの含有量が２５ｍａｓｓ％以下では、ろう材の低温脆化を抑制することができ、セラミックス基板と回路層との接合信頼性を向上させることができる。
このような理由からＣｕ−Ｐ系ろう材にＳｎを含有させる場合、その含有量は０．５ｍａｓｓ％以上２５ｍａｓｓ％以下の範囲内に設定されている。
【００２４】
（Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｎ：２ｍａｓｓ％以上２０ｍａｓｓ％以下）
Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｎは、セラミックス基板１１とろう材との界面にＰを含有する金属間化合物が形成されることを抑制する作用効果を有する元素である。
Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｎのうちいずれか１種または２種以上の含有量が２ｍａｓｓ％以上では、セラミックス基板１１とろう材との接合界面にＰを含有する金属間化合物が形成されることを抑制することができ、セラミックス基板１１と回路層１２との接合信頼性が向上する。また、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｎのうちいずれか１種または２種以上の含有量が２０ｍａｓｓ％以下では、ろう材の融点が上昇することを抑制し、ろう材の流動性が低下することを抑え、セラミックス基板１１と回路層１２との接合性を向上させることができる。
このような理由からＣｕ−Ｐ系ろう材にＮｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｎのうちいずれか１種または２種以上を含有させる場合、その含有量は２ｍａｓｓ％以上２０ｍａｓｓ％以下の範囲内に設定されている。
【００２５】
（Ｚｎ：０．５ｍａｓｓ％以上５０ｍａｓｓ％以下）
Ｚｎは、ろう材の耐酸化性を向上させる作用効果を有する元素である。
Ｚｎの含有量が０．５ｍａｓｓ％以上では、ろう材の耐酸化性を十分に確保し、接合性を向上させることができる。また、Ｚｎの含有量が５０ｍａｓｓ％以下では、脆い金属間化合物が多く形成されることを防止し、セラミックス基板１１と回路層１２との接合信頼性を確保することができる。
このような理由からＣｕ−Ｐ系ろう材にＺｎを含有させる場合、その含有量は０．５ｍａｓｓ％以上５０ｍａｓｓ％以下の範囲内に設定されている。
【００２６】
Ｃｕ−Ｐ系のろう材として、具体的には、Ｃｕ−Ｐろう材、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉ系ろう材、Ｃｕ−Ｐ−Ｚｎ系ろう材、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｍｎ系ろう材、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｃｒ系ろう材、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｆｅ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。
また、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２４の組成は、具体的には、Ｃｕ−７ｍａｓｓ％Ｐ−１５ｍａｓｓ％Ｓｎ−１０ｍａｓｓ％Ｎｉとされている。ここで、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２４の厚さは、５μｍ以上１５０μｍ以下とされている。
【００２７】
活性金属材は、例えばＴｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆといった活性元素のいずれか１種又は２種以上を含有するものとされている。また、活性金属材の形状は、箔や粉末などとされている。
第一実施形態では、活性金属材として、Ｔｉ箔２５を用いており、Ｔｉ箔２５の厚さは、６μｍ以上２５μｍ以下とされている。
すなわち、第一実施形態において、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。
【００２８】
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（Ｃｕ層）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。
【００２９】
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。
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。
【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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
なお、本実施形態においては、厚さ２０μｍのＣｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２４及び厚さ７μｍ、純度９９．８％のＴｉ箔２５を用いた。
【００３３】
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。
【００３４】
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。ここで、固相拡散接合されるＴｉ箔２５とＣｕ板２２との接合面は、予め平滑な面とされている。
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。
【００３５】
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。
【００３６】
以上のような構成とされ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、Ｔｉ箔２５（活性金属材）及びＣｕ−Ｓｎ−Ｎｉ−Ｐろう材２４（Ｃｕ−Ｐ系ろう材）を介して、セラミックス基板１１とＣｕ板２２とを積層する積層工程Ｓ０１と、積層されたセラミックス基板１１及びＣｕ板２２を加熱処理する加熱処理工程Ｓ０２とを備えているので、加熱処理工程Ｓ０２において、Ｔｉ箔２５とＣｕ−Ｓｎ−Ｎｉ−Ｐろう材２４に含まれるＰ及びＮｉとが結合して回路層１２側に第二金属間化合物層１７が形成され、この第二金属間化合物層１７にＰが取り込まれることにより、セラミックス基板１１側にＣｕ−Ｓｎ層１４（Ｃｕ層）が形成される。すなわち、セラミックス基板１１とＣｕ−Ｓｎ層１４との接合界面に硬い金属間化合物層が形成されないので、セラミックス基板１１と回路層１２との接合率が向上し、セラミックス基板１１と回路層１２とを良好に接合できる。
【００３７】
また、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｎｉ−Ｐろう材２４を介してセラミックス基板１１と回路層１２とを接合しており、このＣｕ−Ｓｎ−Ｎｉ−Ｐろう材２４は、融点が低いので、比較的低温でセラミックス基板１１と回路層１２とを接合でき、接合時にセラミックス基板１１にかかる熱的な負荷を軽減することができる。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
さらに、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。
また、Ｔｉ箔２５とＣｕ板２２との接合される面は、予め平滑な面とされているので、接合界面に隙間が生じることを抑制でき、Ｔｉ箔２５とＣｕ板２２とを確実に接合することができる。
【００４１】
また、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は変形抵抗が大きいので、ヒート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。
【００４２】
（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６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６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。
【００４３】
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（Ｃｕ部材）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（Ｃｕ部材）とを備えている。
【００４４】
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（Ｃｕ−Ｐ系ろう材）、Ｔｉ箔１２５（活性金属材）、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１１参照）。ここで、第二実施形態において、Ｔｉ箔１２５の厚さは、０．５μｍ以上５μｍ以下とされている。
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。
【００４５】
図８に、セラミックス基板１１と回路層１１２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１１２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、回路層１１２とＣｕ−Ｓｎ層１１４との間に位置しＰ、Ｎｉ、及びＴｉを含有する金属間化合物層１１７と、が形成されている。
【００４６】
Ｃｕ−Ｓｎ層１１４は、ＳｎがＣｕ中に固溶した層である。このＣｕ−Ｓｎ層１１４は、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２４に含まれるＰ及びＮｉが、回路層１１２側に形成された金属間化合物層１１７に取り込まれることにより形成される層である。
【００４７】
金属間化合物層１１７は、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２４に含まれるＰ及びＮｉが、Ｔｉ箔１２５に含まれるＴｉと結合することにより形成される。金属間化合物層１１７は、Ｐ−Ｎｉ−Ｔｉ相１１７ａと、Ｐ−Ｔｉ相１１７ｂと、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｔｉ相１１７ｃのいずれか一種以上を有する。
本実施形態において、金属間化合物層１１７は、図８に示すように、Ｐ−Ｎｉ−Ｔｉ相１１７ａと、Ｐ−Ｔｉ相１１７ｂと、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｔｉ相１１７ｃとを有している。
【００４８】
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箔１２５、純度９９．９９質量％以上のＣｕ板１２２を積層し、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１１参照）。
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。
【００４９】
図９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。本実施形態においては、セラミックス基板１１と金属層１１３との接合界面には、図９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との間に位置しＰ、Ｎｉ、及びＴｉを含有する金属間化合物層１１７と、が形成されている。この金属間化合物層１１７は、Ｐ−Ｎｉ−Ｔｉ相１１７ａと、Ｐ−Ｔｉ相１１７ｂと、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｔｉ相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。
【００５０】
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。
【００５１】
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１０のフロー図及び図１１を参照して説明する。
まず、図１１に示すように、セラミックス基板１１の一方の面（図１１において上面）に、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２４、Ｔｉ箔１２５、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１１において下面）にも、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２４、Ｔｉ箔１２５、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１２５を配置している。なお、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とし、厚さは２０μｍとした。また、Ｔｉ箔１２５として、厚さ１μｍ、純度９９．８％のＴｉ箔を用いた。
【００５２】
次に、セラミックス基板１１、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２４、Ｔｉ箔１２５、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分以下の範囲内に設定している。
【００５３】
この加熱処理工程Ｓ１３においては、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２４が溶融して液相を形成し、この液相にＴｉ箔１２５が溶け込み、液相が凝固することにより、セラミックス基板１１とＣｕ板１２２、１２３とが接合されることになる。このとき、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２４中に含まれるＰ及びＮｉは、Ｔｉ箔１２５のＴｉと結合し、金属間化合物層１１７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を含ま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１１２が形成され、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。
【００５４】
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。
【００５５】
以上のような構成とされた本実施形態のパワーモジュール用基板１１０の製造方法によれば、第一実施形態で説明したように、セラミックス基板１１と回路層１１２との接合界面、及びセラミックス基板１１と金属層１１３との接合界面において、セラミックス基板１１とＣｕ−Ｓｎ層１１４との接合界面に硬い金属間化合物層が形成されないので、セラミックス基板１１と回路層１１２、及びセラミックス基板１１と金属層１１３との接合率が向上し、セラミックス基板１１と回路層１１２、及びセラミックス基板１１と金属層１１３を良好に接合できる。
また、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を同時に接合することができるので製造コストを低減できる。
【００５６】
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。
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。
【００５７】
（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１２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１２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１２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。
【００５８】
パワーモジュール用基板２１０は、図１３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１３において上面）に配設された回路層２１２（Ｃｕ部材）と、セラミックス基板１１の他方の面（図１３において下面）に配設された金属層２１３（Ａｌ部材）とを備えている。
【００５９】
回路層２１２は、セラミックス基板１１の一方の面にＣｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２４（Ｃｕ−Ｐ系ろう材）、Ｔｉペースト２２５、無酸素銅からなるＣｕ板２２２を順に積層し、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１６参照）。ここで、Ｔｉペースト２２５は、例えば、Ｔｉ粉末（活性金属材）と、樹脂と、溶剤とを含有するペーストである。
樹脂としては、例えば、エチルセルロース、メチルセルロース、ポリメチルメタクリレート、アクリル樹脂、アルキッド樹脂等を用いることができる。また、溶剤としては、例えば、メチルセルソルブ、エチルセルソルブ、テルピネオール、トルエン、テキサノ−ル、トリエチルシトレート等を用いることができる。
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、０．３ｍｍに設定されている。
【００６０】
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、図１４に示すように、Ｃｕ−Ｓｎ層２１４（Ｃｕ層）が形成されている。そして、このＣｕ−Ｓｎ層２１４には、Ｐ、Ｎｉ、及びＴｉを含有する金属間化合物２１７が分散している。
【００６１】
Ｃｕ−Ｓｎ層２１４は、ＳｎがＣｕ中に固溶した層である。このＣｕ−Ｓｎ層２１４は、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２４に含まれるＰ及びＮｉが、金属間化合物２１７に取り込まれることにより形成される層である。
【００６２】
金属間化合物２１７は、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２４に含まれるＰ及びＮｉが、Ｔｉ粉末の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、金属間化合物２１７は、図１４に示すように、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｔｉ相２１７ｃ、Ｐ−Ｔｉ相２１７ｂ、Ｐ−Ｎｉ−Ｔｉ相２１７ａと、を有している。これらの相は、Ｃｕ−Ｓｎ層２１４中に存在するＴｉ粒子２１８を囲うようにＣｕ−Ｎｉ−Ｔｉ相２１７ｃ、Ｐ−Ｔｉ相２１７ｂ、及びＰ−Ｎｉ−Ｔｉ相２１７ａが、内側から順に年輪状に形成されている。なお、このＴｉ粒子２１８が存在せず、金属間化合物２１７のみが年輪状に形成されているものも存在する。また、この年輪状に形成された金属間化合物２１７を構成するＣｕ−Ｎｉ−Ｔｉ相２１７ｃ、Ｐ−Ｔｉ相２１７ｂ、及びＰ−Ｎｉ−Ｔｉ相２１７ａは、一部消失し不連続となっていることもある。
【００６３】
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１６参照）。
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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１５のフロー図及び図１６を参照して説明する。
【００６６】
まず、図１６に示すように、回路層２１２となるＣｕ板２２２の下面（接合面）に、スクリーン印刷法によりＴｉペースト２２５を塗布した後、乾燥させ、セラミックス基板１１の一方の面（図１６において上面）に、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２４、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１６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）。ここで、第一積層工程Ｓ２１においては、Ｃｕ板２２２に塗布及び乾燥させたＴｉペースト２２５とＣｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２４とが重なるように配置する。
【００６７】
本実施形態においては、このＴｉペースト２２５に含有されるＴｉ粉の粒径は、５μｍ以上４０μｍ以下とされている。また、Ｔｉペースト２２５中のＴｉ粉の含有量は４０質量％以上９０質量％以下とすることが好ましい。
また、Ｔｉペースト２２５は、Ｔｉ量が２ｍｇ／ｃｍ２以上１０ｍｇ／ｃｍ２以下となるように塗布することが望ましい。
また、乾燥は１２０℃以上１５０℃以下で、１０分以上３０分以下の範囲で行うことが好ましい。
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、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とし、厚さは２０μｍとした。
【００６８】
次に、セラミックス基板１１、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２４、Ｔｉペースト２２５、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。
【００６９】
この加熱処理工程Ｓ２４においては、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２４が溶融して液相を形成し、この液相にＴｉペースト２２５が溶け込み、凝固することにより、セラミックス基板１１とＣｕ板２２２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。
【００７０】
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。
【００７１】
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の製造方法においては、Ｔｉ粉末（活性金属材）を含有するＴｉペースト２２５及びＣｕ−Ｓｎ−Ｎｉ−Ｐろう材２４を介して、セラミックス基板１１とＣｕ板２２２とを積層する第一積層工程Ｓ２１と、積層されたセラミックス基板１１及びＣｕ板２２２を加熱処理する加熱処理工程Ｓ２４とを備えているので、加熱処理工程Ｓ２４において、Ｔｉ粉末のＴｉとＣｕ−Ｓｎ−Ｎｉ−Ｐろう材２４に含まれるＰ及びＮｉとが結合して金属間化合物２１７が形成され、この金属間化合物２１７にＰが取り込まれることにより、Ｃｕ−Ｓｎ層２１４が形成される。このとき、金属間化合物２１７は、Ｃｕ−Ｓｎ層２１４中に分散しており、セラミックス基板１１とＣｕ−Ｓｎ層２１４との接合界面に硬い金属間化合物層が形成されないので、セラミックス基板１１と回路層２１２との接合率が向上し、セラミックス基板１１と回路層２１２とを良好に接合できる。
【００７２】
また、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、製造工程を簡略化するとともに製造に要する時間を短縮し、製造コストを低減できる。さらに、一回の加熱処理でＣｕ板２２２とＡｌ板２２３を接合できるので、Ｃｕ板２２２とＡｌ板２２３を別々に接合する場合と比較して、セラミックス基板１１にかかる熱負荷を低減でき、セラミックス基板１１の反りを小さくしたり、セラミックス基板１１の割れの発生を抑制したりすることが可能となる。
【００７３】
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、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。
また、セラミックス基板１１の他方の面にＡｌ板２２３からなる金属層２１３が形成されているので、ヒートサイクル負荷時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。
【００７４】
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。
【００７５】
なお、第三実施形態においては、Ｔｉペーストを塗布する際には、スクリーン印刷法を用いる場合について説明したが、オフセット印刷法、感光性プロセス等の種々の手段を採用することができる。
また、第三実施形態においては、Ｔｉペースト２２５をＣｕ板２２２側に配置し、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２４をセラミックス基板１１側に配置する場合について説明したが、Ｔｉペースト２２５をセラミックス基板１１側に配置し、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２４をＣｕ板２２２側に配置する構成としても良い。
また、第三実施形態においては、ＴｉペーストとＣｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材とを、セラミックス基板とＣｕ板との間に配置する場合について説明したが、Ｔｉペーストに限定されるものではなく、例えば、Ｔｉ粉末（活性金属材）とＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材とをセラミックス基板とＣｕ板との間に配置する構成とされても良い。
さらに、第三実施形態においては、第一積層工程Ｓ２１において、Ｔｉペーストの脱脂を行うこともできる。この場合、Ｔｉペーストに含有されている樹脂の残渣量が減り、接合性がより向上する。
【００７６】
なお、上記実施の形態では、接合材としてＡｌ−Ｓｉ系ろう材を介してセラミックス基板とＡｌ板を接合する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、過渡液相接合法（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｐｈａｓｅ  Ｂｏｎｄｉｎｇ、ＴＬＰ）を適用して接合しても良い。過渡液相接合法では、Ａｌ板のうちセラミックス基板との接合面に、スパッタリング法などによってＳｉ、Ｃｕ等の添加元素を固着して固着層を形成した後に、セラミックス基板とＡｌ板を積層し、積層方向に加圧し、加熱処理を行うことでセラミックス基板とＡｌ板を接合することができる。すなわち、過渡液相接合法では、接合材として固着層を介してセラミックス基板とＡｌ板を積層し、Ｃｕ板とＡｌ板とを同時に接合することができる。
過渡液相接合法において、積層方向に加圧する際の圧力は、１ｋｇｆ／ｃｍ２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ２以下とされている。また、加熱処理における加熱温度及び加熱時間は、６００℃以上６５０℃以下、３０分以上３６０分以下とされている。
なお、固着層の添加元素として、Ｓｉ、Ｃｕの他に、Ｚｎ、Ｇｅ、Ａｇ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｇａ、又はＬｉ等の添加元素を用いても良い。
【００７７】
また、接合材として金属粒子と有機物とを有する金属ペーストを用いることでセラミックス基板とＡｌ板を接合することもできる。金属ペーストとしては、例えばＡｇ粒子と有機物とを有するＡｇペーストが挙げられる。具体的には、セラミックス基板の他方の面に、スクリーン印刷法などによってＡｇペーストを塗布し、Ａｇペーストを介してセラミックス基板とＡｌ板を積層し加熱処理を行うことで、Ａｌ板をセラミックス基板に接合できる。Ａｇペーストを用いて接合する場合、積層方向に加圧する際の圧力は、１ｋｇｆ／ｃｍ２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ２以下とされている。また、加熱処理における加熱温度及び加熱時間は、６００℃以上６５０℃以下、３０分以上３６０分以下とされている。
【００７８】
また、上記の実施形態では、金属層とヒートシンクとをＡｌ−Ｓｉ系ろう材を介して接合する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば上述した過渡液相接合法（ＴＬＰ）を適用し、固着層を介して金属層とヒートシンクとを接合しても良い。また、Ａｇ粒子と有機物とを有するＡｇペーストを介して金属層とヒートシンクとを接合しても良い。
【００７９】
また、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、第一実施形態及び第二実施形態では、Ｔｉ箔を用いる場合について説明したが、Ｃｕ部材の一方の面に活性金属材を配設したＣｕ部材／活性金属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活性金属を配設し、用いることもできる。
さらに、活性金属材の一方の面にＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材を配設した活性金属材／ろう材クラッド材や、Ｃｕ部材、活性金属材、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材の順に積層されたＣｕ部材／活性金属材／ろう材クラッドを用いることができる。
【００８０】
さらに、ヒートシンクとして冷却用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、例えば空冷方式のヒートシンクであってもよい。また、ヒートシンクは、放熱フィンを有していても良い。
また、上記の実施形態では、パワーモジュール用基板の他方の面にヒートシンクを接合する場合について説明したが、ヒートシンクは接合されていなくても良い。
また、上記の実施形態では、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。
【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及び表２に示す活性金属材、Ｃｕ−Ｐ系ろう材（４０μｍｔ）、無酸素銅からなるＣｕ板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×０．３ｍｍｔ）を積層する。
なお、活性金属材の種類が粉末の場合は、その活性金属の粉末を含有するペーストをスクリーン印刷法によってセラミックス基板又はＣｕ板に塗布し積層した。ここで、ペーストは、粒径５〜４０μｍの活性金属材の粉末と、アクリル樹脂と、テキサノールとを含有するものとした。塗布量は、表２に記載した量とした。また、活性金属材とＣｕ−Ｐ系ろう材の配置は、表１及び表２に示す配置とした。
なお、比較例１については、セラミックス基板とＣｕ板との間に活性金属材を介在させずに、Ｃｕ−Ｐ系ろう材のみを介在させる構成とした。
【００８２】
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及び表２の条件に設定した。なお、Ｃｕ−Ｐ系ろう材にＺｎが含まれる場合は、真空加熱炉で加熱するのではなく、窒素雰囲気で加熱を行った。
このようにして、本発明例１〜２４、比較例１〜３のパワーモジュール用基板を得た。
【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。また、本発明例１〜１９、比較例１〜３のパワーモジュール用基板については、回路層とセラミックス基板との接合界面において、活性金属層の有無を確認した。接合率の評価方法、及び活性金属層の有無の確認方法を以下に説明する。
【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
（活性金属層の有無の確認方法）
回路層とセラミックス基板との接合界面において、ＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザー）による活性金属材の元素のマッピングを取得し、活性金属層の有無を確認した。
【００８５】
【表１】
2015043393.tif 000003
【００８６】
【表２】
2015043393.tif 000004
【００８７】
表１及び表２に示されるように、本発明例１〜２４については、Ｃｕ−Ｐ系ろう材及び活性金属材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、活性金属材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。
また、比較例２及び比較例３は、Ｃｕ−Ｐ系ろう材に含まれるＰの含有量が本発明の範囲外であるため、セラミックス基板と回路層との接合率が、本発明例と比較して劣った。
【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３及び表４に示す活性金属材、Ｃｕ−Ｐ系ろう材（４０μｍｔ）、無酸素銅からなるＣｕ板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×０．３ｍｍｔ）を積層する。なお、活性金属材の種類が粉末の場合は、実施例１と同様に、その活性金属の粉末を含有するペーストをスクリーン印刷法によってセラミックス基板又はＣｕ板に塗布し積層した。活性金属材とＣｕ−Ｐ系ろう材との配置は、表３及び表４に示す配置とした。
【００８９】
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３及び表４に示す条件とした。なお、Ｃｕ−Ｐ系ろう材にＺｎが含まれる場合は、真空加熱炉で加熱するのではなく、窒素雰囲気で加熱を行った。
このようにして本発明例４１〜５２のパワーモジュール用基板を得た。
【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した。また、本発明例４１〜４７のパワーモジュール用基板については、回路層とセラミックス基板の接合界面において、活性金属層の有無について確認した。
なお、接合率の評価、及び活性金属層の有無の確認については、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３及び表４に示す。
【００９２】
【表３】
2015043393.tif 000005
【００９３】
【表４】
2015043393.tif 000006
【００９４】
表３及び表４に示されるように、本発明例４１〜５２については、Ｃｕ−Ｐ系ろう材及び活性金属材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４１〜５２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４１〜５２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。
【００９５】
（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５及び表６に示す活性金属材、Ｃｕ−Ｐ系ろう材（４０μｍｔ）、無酸素銅からなるＣｕ板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×０．３ｍｍｔ）を積層する。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。なお、活性金属材の種類が粉末の場合は、実施例１と同様に、その活性金属の粉末を含有するペーストをスクリーン印刷法によってセラミックス基板又はＣｕ板に塗布し積層した。活性金属材とＣｕ−Ｐ系ろう材との配置は、表５及び表６に示す配置とした。
また、従来例６１、６２については、セラミックス基板とＣｕ板との間に活性金属材を介在させずに、Ｃｕ−Ｐ系ろう材のみを介在させる構成とした。
【００９６】
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５及び表６に示す条件とした。なお、Ｃｕ−Ｐ系ろう材にＺｎが含まれる場合は、真空加熱炉で加熱するのではなく、窒素雰囲気で加熱を行った。
なお、Ｃｕ−Ｐ系ろう材の温度がＡｌ板の融点を超える場合には、セラミックス基板の一方の面に回路層を形成した後に、セラミックス基板の他方の面に金属層を形成した。
以上のようにして本発明例６１〜７４のパワーモジュール用基板を得た。
【００９７】
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した。また、本発明例６１〜６７のパワーモジュール用基板については、回路層とセラミックス基板の接合界面において、活性金属層の有無について確認した。接合率の評価、冷熱サイクル試験、及び活性金属層の有無の確認は、実施例２と同様にして実施した。
以上の評価の結果を表５及び表６に示す。
【００９８】
【表５】
2015043393.tif 000007
【００９９】
【表６】
2015043393.tif 000008
【０１００】
表５及び表６に示されるように、本発明例６１〜７４については、Ｃｕ−Ｐ系ろう材及び活性金属材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６１〜７４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６１〜７４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。
【符号の説明】
【０１０１】
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）
１１３、２１３  金属層（Ｃｕ部材）
２５、１２５  Ｔｉ箔（活性金属材、Ｔｉ材）
【図１】
2015043393.tif 000009
【図２】
2015043393.tif 000010
【図４】
2015043393.tif 000011
【図５】
2015043393.tif 000012
【図６】
2015043393.tif 000013
【図７】
2015043393.tif 000014
【図９】
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【図１０】
2015043393.tif 000016
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１５】
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【図１６】
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【図３】
2015043393.tif 000022
【図８】
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【図１４】
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