(57)【要約】【課題】フラックスを用いてパワーモジュール用基板とヒートシンクとを接合する際に、接触防止材を用いずにセラミックス基板と金属層との剥離を防止することが可能なヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を提供する。【解決手段】加熱処理工程によって、アルミニウム板の全体に分散して存在している不純物、例えばＣｅ、Ｌａ、Ｐをアルミニウム板の表層付近に析出させる。次に、不純物除去工程でアルミニウム板の表層近傍に析出させたＣｅ、Ｌａ、Ｐを含む不純物をアルミニウム板の表面近傍から除去する。このアルミニウム板を金属層２３に適用してセラミックス基板２１と接合することにより、接合界面にＣｅ及びＬａが凝集することが抑制され、フラックス侵入時の剥離を抑制できる。セラミックス基板２１と金属層２３とが強固に接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板１０を製造できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板と、該セラミックス基板の一方の面に形成された回路層と、前記セラミックス基板の他方の面に形成された金属層とを有するパワーモジュール用基板、および前記金属層に接合された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、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法であって、
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板を非酸化雰囲気中で６３０℃以上、６６０℃以下の温度範囲で熱処理し、不純物を表面に析出させる熱処理工程と、
前記不純物を前記アルミニウム板の表面から除去する不純物除去工程と、
前記アルミニウム板を前記セラミックス基板の他方の面に接合し、金属層を形成するアルミニウム板接合工程と、
前記金属層と前記ヒートシンクとを、フラックスを用いて接合するヒートシンク接合工程と、
を順に備えたことを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項２】
前記不純物除去工程は、エッチングによって前記不純物を除去する工程であることを特徴とする請求項１記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項３】
前記アルミニウム板は、Ａｌの純度が９９．９９質量％以上のものを用いることを特徴とする請求項１または２記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項４】
前記回路層は、前記不純物が除去された前記アルミニウム板を用いることを特徴とする請求項１ないし３いずれか一項記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項５】
前記熱処理工程における加熱時間は、１２分以上、１８０分以下であることを特徴とする請求項１ないし４いずれか一項記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項６】
前記不純物除去工程において除去する不純物は、少なくともＣｅ、Ｌａを含むことを特徴とする請求項１ないし５いずれか一項記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項７】
前記不純物除去工程において除去する不純物は、更にＰを含むことを特徴とする請求項６記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、セラミックス基板と該セラミックス基板の一方の面に形成された回路層と前記セラミックス基板の他方の面に形成された金属層とを有するパワーモジュール用基板と、前記金属層とフラックスを用いて接合された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と、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
各種の半導体素子のうち、例えば、電気自動車や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素子は、電流値が高いために発熱量が多い。こうした大電力制御用のパワー素子を搭載するパワーモジュール用基板は、発熱による誤動作などを防止するために、適切に冷却を行う必要がある。このため、パワーモジュール用基板に放熱、冷却用のヒートシンクを備えたヒートシンク付パワーモジュール基板が用いられている。
【０００３】
ヒートシンク付パワーモジュール用基板としては、例えば特許文献１に記載されているように、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）からなるセラミックス基板の一方の面、および他方の面にアルミニウム板（回路層及び金属層）が接合されたパワーモジュール用基板とＡｌからなるヒートシンクとが、ろう付けによって接合されたものが提案されている。
【０００４】
また、例えば特許文献２に示す半導体モジュールの冷却装置においては、セラミックス材からなる絶縁基板の両面にＡｌからなる金属板（上部電極及び下部電極）が接合されており、上部電極に半導体素子が接合された半導体モジュールと、アルミニウムからなる冷却器の天板とがフラックスを用いたろう付けによって接合されたもの、が提案されている。
【０００５】
ここで、フラックスを用いたろう付けとしては、ＫＡｌＦ４を主成分とするフラックスを用いたノコロックろう付けがある。このノコロックろう付けは、主に、アルミニウム板同士を接合する技術であり、例えばＡｌ−Ｓｉ系ろう材箔とＫＡｌＦ４を主成分とするフラックスとを、アルミニウム板同士の間に配置し、このフラックスによってアルミニウム板の表面に形成された酸化膜を除去するとともに、ろう材の溶融を促進して、接合するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１９４２５６号公報
【特許文献２】特開２００９−１０５１６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、パワーモジュール用基板とヒートシンクをノコロックろう付けで接合する際に、フラックス成分であるＫＡｌＦ４がパワーモジュール用基板のセラミックス基板とアルミニウム板との接合面に侵入し、セラミックス基板とアルミニウム板との間の接合信頼性を低下させる懸念があった。
【０００８】
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、フラックスを用いてパワーモジュール用基板とヒートシンクとを接合する際に、セラミックス基板と金属層との剥離を防止することが可能なヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明者らが鋭意検討した結果、以下のような知見を得た。パワーモジュール用基板において、ヒートシンクが接合される金属層にＣｅ及びＬａなどの不純物が含有されている場合、セラミックス基板と金属板を接合する時にこれらＣｅ及びＬａがセラミックス基板と金属層との接合界面に凝集する。そして、セラミックス基板と金属層との接合界面にＣｅ及びＬａが凝集した状態で、ヒートシンクをフラックスを用いたろう付けで接合すると、セラミックス基板と金属層との接合界面にフラックスが侵入し、剥離が生じやすくなる。
【００１０】
本発明は、以上の知見に基づいてなされたものであって、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板と、該セラミックス基板の一方の面に形成された回路層と、前記セラミックス基板の他方の面に形成された金属層とを有するパワーモジュール用基板、および前記金属層に接合された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、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法であって、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板を非酸化雰囲気中で６３０℃以上、６６０℃以下の温度範囲で熱処理し、不純物を表面に析出させる熱処理工程と、前記不純物を前記アルミニウム板の表面から除去する不純物除去工程と、前記アルミニウム板を前記セラミックス基板の他方の面に接合し金属層を形成するアルミニウム板接合工程と、前記金属層と前記ヒートシンクとを、フラックスを用いて接合するヒートシンク接合工程と、を順に備えたことを特徴とする。
【００１１】
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法によれば、金属層を形成するためのするアルミニウム板に含まれる不純物を熱処理工程によって表面近傍に析出させ、更にこの不純物を不純物除去工程によって除去した。こうした前処理を行ったアルミニウム板をセラミックス基板に接合し金属層を形成することによって、金属層とヒートシンクとをフラックスを用いて接合しても、金属層とセラミックス基板との接合界面に不純物が凝集することが抑制され、フラックス侵入時の金属層とセラミックス基板との剥離を抑制したヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造することが可能になる。
ここで、熱処理の温度を６３０℃未満の場合、アルミニウム板に含まれる不純物を表面に析出させることができない。また、熱処理の温度が６６０℃を超えるとアルミニウム板が溶融する虞がある。よって、熱処理の温度を６３０℃以上６６０℃以下の範囲内としている。
【００１２】
本発明によれば、前記不純物除去工程は、エッチングによって前記不純物を除去する工程であることが好ましい。
アルミニウム表層をエッチングすることによって、熱処理工程で析出させた不純物をアルミニウム板の表面近傍に残存させることなく確実に除去することが可能になる。
【００１３】
本発明によれば、前記アルミニウム板は、Ａｌの純度が９９．９９質量％以上のものを用いることが好ましい。
アルミニウム板として、純度が９９．９９質量％以上のＡｌを用いることによって、ヒートシンクとセラミックス基板との熱膨張係数の差による熱ひずみを金属層で十分に吸収することができ、セラミックス基板の破損を抑制することができる。
【００１４】
本発明によれば、前記回路層は、前記不純物が除去された前記アルミニウム板を用いて形成されることが好ましい。
これによって、不純物が除去されたアルミニウム板を用いて回路層を形成することで回路層とセラミックス基板との接合界面に不純物が凝集することが抑制され、フラックス侵入時の剥離を抑制できる。よって、回路層とセラミックス基板とを強固に接合することが可能になる。
【００１５】
本発明によれば、前記熱処理工程における加熱時間は、１２分以上、１８０分以下であることが好ましい。
熱処理工程における加熱時間を１２分以上にすることよって、アルミニウム板の内部に存在する不純物を十分に表面近傍に析出させることができる。また、加熱時間を１８０分以下にすることよって、過度な加熱によるアルミニウム板の変形を防止することができる。
【００１６】
本発明によれば、前記不純物除去工程において除去する不純物は、少なくともＣｅ、Ｌａを含むことが好ましい。
アルミニウム板にＣｅ、Ｌａが含まれると、セラミックス基板と金属層との間にフラックスが侵入した際に、セラミックス基板と金属層とを剥離させる原因となりうる。アルミニウム板から除去する不純物として、少なくともＣｅ、Ｌａを含むことで、アルミニウム板とセラミックス基板を接合する際に、アルミニウム板（金属層）とセラミックス基板との接合界面にＣｅ、Ｌａが凝集することが抑制され、金属層とヒートシンクをフラックスを用いて接合した際に、フラックスが金属層とセラミックス基板の接合界面に侵入したとしても金属層とセラミックス基板との剥離を抑制したヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造することが可能になる。
【００１７】
本発明によれば、前記不純物除去工程において除去する不純物は、更にＰを含むことが好ましい。
アルミニウム板に含まれるＰも、セラミックス基板と金属層との間にフラックスが侵入した際に、セラミックス基板と金属層とを剥離させる原因となりうる。よって、ＣｅやＬａと同様にフラックス成分によってセラミックス基板と金属層との接合を剥離させる懸念があるＰを除去することで、セラミックス基板と金属層とをより一層強固に接合することが可能になる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、フラックスを用いてパワーモジュール用基板とヒートシンクとを接合する際に、セラミックス基板と金属層との剥離を防止することが可能なヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】ヒートシンク付パワーモジュール用基板を示す断面図である。
【図２】本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を段階的に示した断面図である。
【図３】本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を段階的に示した断面図である。
【図４】本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を段階的に示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照して、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法について説明する。なお、以下に示す各実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
【００２１】
（ヒートシンク付パワーモジュール用基板）
まず、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法によって得られるヒートシンク付パワーモジュール用基板の構成を、添付した図１を参照して説明する。
図１は、ヒートシンク付パワーモジュール用基板を示す断面図である。
ヒートシンク付パワーモジュール用基板１０は、パワーモジュール用基板１１と、このパワーモジュール用基板１１に接合されたヒートシンク１２とから構成されている。
【００２２】
パワーモジュール用基板１１は、セラミックス基板２１と、このセラミックス基板２１の一方の面（２１ａ側）に接合された回路層２２および他方の面（２１ｂ側）に接合された金属層２３と、から構成されている。
【００２３】
セラミックス基板２１と回路層２２および金属層２３とは、ろう材によって接合されている。このろう材としては、例えば、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材によって接合されている。Ａｌ−Ｓｉ系のろう材は、融点が５５０℃〜６２０℃程度である。
【００２４】
セラミックス基板２１は、絶縁性および耐熱性の高いセラミックスからなる基板が好適に用いられる。セラミックス基板２１を構成するセラミックスとしては、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）、Ｚｒ−Ａｌ２Ｏ３（ジルコニウム−酸化アルミニウム）などが挙げられる。本実施形態では、セラミックス基板２１としてＡｌＮを用いている。こうしたセラミックス板の厚さは、例えば、０．１〜１．０ｍｍ程度であればよい。一例として、本実施形態では、０．６３５ｍｍに設定されている。
【００２５】
回路層２２は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層用アルミニウム板５２が接合すされることで形成されている。また、金属層２３は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層用アルミニウム板５３が接合されることで形成されている。本実施形態においては、これらアルミニウム板は、高純度アルミニウム材料、例えば、純度が９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板から構成されている。
【００２６】
そして、回路層２２の一方の面（図１において上面）にははんだ層を介して半導体素子が接合される。そして、金属層２３の一方の面（図１において下面）にはシートシンク１２がフラックスを用いたろう付けによって接合される。
また、金属層２３は、例えば緩衝層として用いられる。緩衝層は、このヒートシンク付パワーモジュール用基板１０に冷熱サイクルが負荷された際に、セラミックス基板２１に発生する熱応力をこの緩衝層（金属層２３）によって吸収でき、セラミックス基板２１に割れが発生することを抑制できる。
【００２７】
これら回路層２２および金属層２３のうち、少なくともヒートシンク１２と接合される金属層２３を形成するための金属層用アルミニウム板５３は、少なくとも、Ａｌに含まれる微量元素であるＣｅ（セリウム）及びＬａ（ランタン）を含む不純物を除去したものが用いられる。このようなアルミニウム板の不純物除去は、製造方法において詳述する。
【００２８】
こうしたＣｅやＬａなどの不純物は、パワーモジュール用基板１１とヒートシンク１２とをフラックスを用いて接合する際に、回路層２２および金属層２３とセラミックス基板２１との接合部分を剥離させる原因となりうる。よって、このＣｅやＬａを極めて低濃度になるようにしたものを用い、回路層２２および金属層２３とセラミックス基板２１との接合部分の剥離を抑制させる。
【００２９】
なお、回路層２２についても、回路層２２を形成するためにＣｅ（セリウム）及びＬａ（ランタン）を含む不純物を除去した回路層用アルミニウム板を用いることが好ましい。
【００３０】
また、金属層２３や回路層２２を形成するために用いる金属層用アルミニウム板５３、回路層用アルミニウム板は、Ａｌに含まれる微量元素であるＰ（リン）を更に除去したもの用いることが好ましい。こうしたＰなどの不純物も、パワーモジュール用基板１１とヒートシンク１２とをフラックスを用いて接合する際に、回路層２２および金属層２３とセラミックス基板２１との接合部分を剥離させる原因となりうる。よって、このＰを極めて低濃度になるようにしたものを用い、回路層２２および金属層２３とセラミックス基板２１との接合部分の剥離を抑制させる。
【００３１】
ヒートシンク１２は、例えば、天板部３１と、この天板部３１に形成された複数のフィン３２，３２…から構成されている。フィン３２，３２…は、互いに所定の間隔をあけて配置された板状部材である。このようなヒートシンク１２は、フィン３２，３２…の間を冷媒である空気が流通することによって、このヒートシンク１２に接合されたパワーモジュール用基板１１から伝搬する熱を放熱する、いわゆる空冷式のヒートシンク１２である。
なお、ヒートシンク１２は、例えば、天板部３１に例えば冷却水を流通させる複数の流路を一体に形成した、いわゆる水冷式のヒートシンク１２であってもよい。
【００３２】
ヒートシンク１２を構成する天板部３１やフィン３２，３２…は、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金などから形成されている。具体的には、Ａ３００３、Ａ１０５０、４Ｎ−Ａｌ、Ａ６０６３などが挙げられる。本実施形態では、Ａ１０５０の圧延板を用いた。
【００３３】
なお、天板部３１とフィン３２，３２…とは一体の部材として形成された構成であっても、天板部３１の下面に複数のフィン３２，３２…をろう材等で接合した構成であってもよい。天板部３１と複数のフィン３２，３２…とを別部材で構成する場合、天板部３１と複数のフィン３２，３２…とは互いに異なる素材を用いて形成してもよい。
【００３４】
このようなヒートシンク１２は、パワーモジュール用基板１１の金属層２３に対して、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材と、Ｆ（フッ素）を含むフラックス、例えばＫＡｌＦ４を主成分とするフラックスを用いたノコロックろう付けによって接合されている。
【００３５】
（ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法）
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法について、添付した図２、図３、図４を参照して説明する。
図２、図３、図４は、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を段階的に示した断面図である。
【００３６】
セラミックス基板２１の一方の面２１ａおよび他方の面２１ｂに接合される回路層２２、金属層２３を形成するための回路層用アルミニウム板５２及び金属層用アルミニウム板５３（両アルミニウム板５１）を用意する。まず、両アルミニウム板５１を加熱処理する（加熱処理工程）。両アルミニウム板５１は、純度９９％以上のアルミニウム材料、純度９９．９％以上のアルミニウム材料、純度９９．９９％以上のアルミニウム材料を用いることができる。厚さは０．２ｍｍ〜２．５ｍｍに設定されている。本実施形態では純度が９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板を用い、回路層用アルミニウム５２は厚さ０．５ｍｍ、金属層用アルミニウム５３は厚さ１．５ｍｍのものを用いている。
【００３７】
図２（ａ）に示すように、加熱処理工程では、非酸化雰囲気、例えば、真空中や窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気にした加熱炉５０を用いて、両アルミニウム板５１を、６３０℃以上、６６０℃以下の温度範囲で加熱する。本実施形態では、加熱炉４２として真空加熱炉を用い、両アルミニウム板５１を加熱している。
【００３８】
また、加熱処理工程における保持時間は、１２分以上１８０分以下とすることができる。
【００３９】
こうした加熱処理工程によって、両アルミニウム板５１の全体に分散して存在している不純物、例えばＣｅ、Ｌａ、Ｐを両アルミニウム板５１の表層付近に析出させることができる。即ち、両アルミニウム板５１の加熱によってこれらＣｅ、Ｌａ、Ｐの移動性が高まり、両アルミニウム板５１の内部に存在するこれらＣｅ、Ｌａ、Ｐが両アルミニウム板５１の表層に向けて移動し、表層近傍に析出するものと考えられる。
【００４０】
次に、加熱処理工程で両アルミニウム板５１の表層近傍に析出させた、Ｃｅ、Ｌａ、Ｐを含む不純物を両アルミニウム板５１の表面近傍から除去する（不純物除去工程）。図２（ｂ）に示すように、不純物除去工程では、加熱処理工程を経た両アルミニウム板５１をエッチング液５３に浸漬する。エッチング液５３としては、アルカリ金属の水酸化物、本実施形態ではＮａＯＨ（水酸化ナトリウム）の水溶液を用いている。ＮａＯＨ水溶液のＮａＯＨ濃度は、例えば２〜１０質量％の範囲であればよく、本実施形態では５重量％としている。また、エッチング液５３の液温としては、例えば室温ないし７０℃以下の範囲であればよく、本実施形態ではエッチング液５３の液温を５０℃としている。
【００４１】
両アルミニウム板５１をエッチング液５３に浸漬する際には、エッチング液５３は静止された状態、または、所定の流速で撹拌された状態のいずれでもよい。
両アルミニウム板５１をエッチング液５３に浸漬する時間（エッチング時間）は、例えば３０秒から５分の範囲であればよく、本実施形態においてはエッチング時間を８０秒としている。
【００４２】
このような不純物除去工程によって、両アルミニウム板５１の表面から所定の深さまでの範囲がエッチング液５３によって除去される。これによって、加熱処理工程で両アルミニウム板５１の表面に析出させたＣｅ、Ｌａ、Ｐを含む不純物も、エッチング液５３によって除去される。
【００４３】
なお、この不純物除去工程では、上述したようにＮａＯＨなどのエッチング液５３によって両アルミニウム板５１の表面領域を一律に除去する以外にも、例えば、不純物を選択的に溶解可能なエッチング液を用いて、両アルミニウム板５１の表面から不純物だけを選択的に溶解させることも好ましい。
【００４４】
不純物除去工程では、両アルミニウム板５１をエッチング液５３によってエッチングした後、純水５４で水洗してから、更に酸洗液５５によって酸洗することが好ましい。酸洗液５５としては、無機酸溶液、本実施形態ではＨＮＯ３（硝酸）用いている。ＨＮＯ３の濃度は、例えば３０質量％程度のものを用いている。また、酸洗液５５の液温としては、例えば室温（２０℃）としている。
【００４５】
両アルミニウム板５１を酸洗液５５に浸漬する際には、エッチング液５３は静止された状態、または、所定の流速で撹拌された状態のいずれでもよい。
両アルミニウム板５１を酸洗液５５で酸洗する時間は、例えば２０秒程度であればよい。
不純物除去工程において、両アルミニウム板５１のエッチング後に上述した酸洗を行うことによって、水洗だけを行う場合よりもエッチング後の残渣を確実に溶解して除去することができる。
【００４６】
こうした両アルミニウム板５１の酸洗後に、再度両アルミニウム板５１を純水５４で水洗して酸洗液５５を洗い流し、不純物除去工程が完了する。
以上のようにして得られる不純物除去後の両アルミニウム板５１は、Ｃｅ、Ｌａ、Ｐといった不純物が極めて低濃度にしか存在しない。一例として、不純物除去後の両アルミニウム板５１は、ＣｅとＬａの合計濃度が２．６ｐｐｍ以下、Ｐの濃度が４ｐｐｍ以下である。
【００４７】
加熱処理工程および不純物除去工程によって得られたＣｅ、Ｌａ、Ｐといった不純物が除去された両アルミニウム板５１を、それぞれ回路層２２および金属層２３を形成するために用いる。図３（ａ）に示すように、セラミックス基板２１の一方の面（２１ａ側）に、回路層用アルミニウム板５２が、ろう材箔４１を介して積層される。また、セラミックス基板２１の他方の面（２１ｂ側）に、金属層用アルミニウム板５３が、ろう材箔４１を介して積層される。セラミックス基板２１としては、ＡｌＮが用いられる。また、ろう材箔４１としては、Ａｌ−５．０ｍａｓｓ％Ｓｉ〜Ａｌ−１０ｍａｓｓ％Ｓｉろう材が用いられる。ろう材箔４１の厚さは１０μｍ〜３０μｍの範囲内に設定される。本実施形態では、ろう材箔４１として厚さ１５μｍのＡｌ−７ｍａｓｓ％Ｓｉろう材箔を用いた。
【００４８】
次に、図３（ｂ）に示すように、回路層用アルミニウム板５２、セラミックス基板２１、金属層用アルミニウム板５３を積層方向に加圧（圧力１〜５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空加熱炉４０内に導入し、ろう材箔４１の溶融温度まで加熱する。すると、ろう材箔４１と回路層用アルミニウム板５２、金属層用アルミニウム板５３の一部とが溶融し、セラミックス基板２１の一方の面（２１ａ側）に回路層２２が、また、セラミックス基板２１の他方の面（２１ｂ側）に金属層２３が、それぞれ形成される（アルミニウム板接合工程）。なお、真空加熱時の加熱温度は、例えば５５０℃以上６５０℃以下、加熱時間は３０分以上１８０分以下とされている。本実施形態では６３０℃で９０分の条件で加熱した。
【００４９】
以上の工程によって、図３（ｃ）に示すように、セラミックス基板２１の一方の面（２１ａ側）に回路層２２が、また、セラミックス基板２１の他方の面（２１ｂ側）に金属層２３が、それぞれＡｌ−Ｓｉ系ろう材によって接合されたパワーモジュール用基板１１が得られる。
【００５０】
次に、図４（ａ）に示すように、パワーモジュール用基板１１の金属層２３に、ヒートシンク１２を接合する（ヒートシンク接合工程）。
具体的には、パワーモジュール用基板１１の金属層２３と、ヒートシンク１２の天板部３１との間に、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材箔４２と、フッ化物、例えばＫＡｌＦ４、を主成分とするフラックス４３とを介在させる。Ａｌ−Ｓｉ系ろう材箔４２としては、Ａｌ−１０ｍａｓｓ％Ｓｉ〜Ａｌ−１２ｍａｓｓ％Ｓｉろう材が用いられる。ろう材箔４２の厚さは３０μｍ〜１５０μｍの範囲内に設定される。本実施形態では、ろう材箔４２として厚さ１００μｍのＡｌ−１０ｍａｓｓ％Ｓｉろう材箔を用いた。
【００５１】
次に、積層されたパワーモジュール用基板１１、ヒートシンク１２を、加熱炉４４内に導入して加熱する。本実施形態では、加熱炉４４内は、窒素ガス雰囲気とされており、加熱温度は６１０〜６２５℃に設定されている。本実施形態においては、温度６２５℃５分の条件とした。
【００５２】
加熱炉４４での加熱時に、フラックス４３によって、金属層２３の表面や、ヒートシンク１２の天板部３１の表面に形成されているＡｌの自然酸化膜が除去される。そして、ろう材箔４２と金属層２３の一部とが溶融し、パワーモジュール用基板１１の金属層２３と、ヒートシンク１２とが、自然酸化膜を除去された状態で強固に接合される。
【００５３】
このような、パワーモジュール用基板１１とヒートシンク１２との接合時に、フラックス成分が液化、気化して、セラミックス基板２１側へと移動することがある。しかしながら、回路層２２及び金属層２３が、前工程の加熱処理工程および不純物除去工程によって、Ｃｅ、Ｌａ、Ｐなどの不純物が除去され、これらＣｅ、Ｌａ、Ｐが極めて低濃度であるアルミニウム板を用いて形成されているので、金属層２３とヒートシンクの天板部３１との接合時にフラックス成分がセラミックス基板２１と金属層２３との接合界面やセラミックス基板２１と回路層２２との接合界面に侵入しても、前工程でＡｌ−Ｓｉ系ろう材によって接合されているセラミックス基板２１と回路層２２、およびセラミックス基板２１と金属層２３とが剥離することを抑制できる。
【００５４】
以上の工程を経て、図４（ｂ）に示すように、セラミックス基板２１と回路層２２や金属層２３が強固に接合されたパワーモジュール用基板１１を有するヒートシンク付パワーモジュール用基板１０を製造することができる。
【００５５】
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。
本実施形態では、回路層用アルミニウム板５２及び金属層用アルミニウム板５３の両方に対し加熱処理工程及び不純物除去工程を施したが、回路層用アルミニウム板５２に対しては必ずしも加熱処理工程及び不純物除去工程を適用する必要はない。フラックスの侵入は、セラミックス基板と金属層との接合界面への侵入が最も多いため、金属層用アルミニウム板５３のみを上述した処理を行うことで、本発明の効果を得ることができる。
例えば、上述したように化学的にアルミニウム板５１の表面を溶解させる以外にも、両アルミニウム板５１の表面を物理的に研削、研磨することによって、加熱処理工程で両アルミニウム板５１の表面に析出させたＣｅ、Ｌａ、Ｐを含む不純物を除去することもできる。
また、フラックスの成分は、ＫＡｌＦ４に限定されるものでは無く、アルミニウム板の自然酸化膜を除去するために有効なフラックスであれば好ましく利用できる。
【実施例】
【００５６】
以下、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の効果を検証した実施例の結果を記載する。
まず、本発明例１−５と比較例１−３のサンプルを作成した。まず、パワーモジュール用基板の金属層を形成するアルミニウム板を用意した。アルミニウム板は、純度が９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の厚さ１．５ｍｍの圧延板とした。このアルミニウム板を用いて、表１記載の温度で熱処理工程を実施した。熱処理工程は真空中で６０分行った。
次に、熱処理工程を実施したアルミニウム板に対しエッチングによって不純物除去工程を実施した。エッチング液としてＮａＯＨ５％水溶液を用い、液温５０℃として表１記載の時間浸漬し、エッチング処理をした。その後、上記実施形態に記載した酸洗及び水洗を行った。なお、比較例１は熱処理工程及び不純物除去工程を実施しなかった。比較例３では不純物除去工程を実施しなかった。
【００５７】
次に、ＡｌＮからなるセラミックス基板の一方の面にＡｌ−Ｓｉ系ろう材を介して回路層用アルミニウム板（純度９９．９９％以上、厚さ０．５ｍｍ）を積層し、他方の面に金属層用アルミニウム板として本発明例１−５と比較例１−３の各アルミニウム板をＡｌ−Ｓｉ系ろう材を介して積層し、積層方向に加圧しながら６４０℃で接合し、パワーモジュール用基板を作成した。
そして、これらパワーモジュール用基板のそれぞれ金属層に、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材およびろう材箔の両面にＫＡｌＦ４を主成分とするフラックスを介してヒートシンクを積層し、ノコロックろう付けした。ヒートシンクとしては、Ａ１０５０のアルミニウム板を用いた。
【００５８】
このようにして得られた、本発明例１−５と比較例１−３のヒートシンク付パワーモジュール用基板について、金属層とヒートシンクとの接合面の剥離率を評価した。
【００５９】
「剥離率」の評価は、超音波深傷装置を用いてセラミックス基板と金属層との接合部を評価したもので、剥離率＝剥離面積／接合面積×１００の式から算出した。
ここで、剥離面積は、接合面を撮影した超音波深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測定したものである。また、接合面積は、接合前における接合すべき面積である金属層の接合面の面積とした。
剥離率が3％以上のものは×、剥離率が２％以上３％未満のものは○、２％未満のものは◎と評価した。
評価結果を表１に示す。
【００６０】
【表１】
2015185707.tif 000003
【００６１】
熱処理と不純物除去を行わなかった比較例１、熱処理温度が６３０℃未満であった比較例２及び不純物除去を行わなかった比較例３では、剥離率が３％以上であり、製品としては好ましくない状態であった。
【００６２】
６３０℃以上、６６０℃以下の温度範囲で熱処理を行い、エッチングによって不純物除去を行った本発明例１−５のアルミニウム板を用いて金属層を形成したヒートシンク付パワーモジュール用基板は、剥離率が３％未満であり、金属層とヒートシンクの剥離が抑制されていることが確認された。特に、エッチング時間を８０秒とした本発明例１−４のアルミニウムを用いたヒートシンク付パワーモジュール用基板は、剥離率が２％未満とすることが可能であった。
【符号の説明】
【００６３】
１０  ヒートシンク付パワーモジュール用基板
１１  パワーモジュール用基板
１２  ヒートシンク
２１  セラミックス基板
２２  回路層
２３  金属層
５１  アルミニウム板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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