(57)【要約】【課題】絶縁層上に複数の金属層が積層されるパワーモジュール用基板において、所望の微細な回路パターンを確実に形成する。【解決手段】絶縁層を形成するセラミックス基板の表面上に、回路層を形成するアルミニウム板を積層載置して接合するアルミニウム板接合工程と、前記アルミニウム板上に第１レジスト層を形成する第１レジスト形成工程と、前記アルミニウム板をエッチングしてアルミニウム回路層を形成するアルミニウム層エッチング工程と、少なくとも前記アルミニウム回路層の上面全面を覆うように銅板を積層載置し、銅とアルミニウムの共晶温度未満で加熱し前記アルミニウム回路層と前記銅板とを固相拡散接合する銅板接合工程と、前記銅板上に第２レジスト層を形成する第２レジスト形成工程と、前記銅板をエッチングして所望形状の銅回路層を形成する銅層エッチング工程とを有するパワーモジュール用基板の製造方法。【選択図】図８
2015070063.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁層とこの絶縁層の表面に形成された回路層とを有するパワーモジュール用基板の製造方法であって、
絶縁層を形成するセラミックス基板の表面上に、回路層を形成する所定の大きさのアルミニウム板を積層載置して接合するアルミニウム板接合工程と、
前記セラミックス基板に接合された前記アルミニウム板上に第１レジスト層を形成する第１レジスト形成工程と、
前記第１レジスト層が形成された前記アルミニウム板をエッチングしてアルミニウム回路層を形成するアルミニウム層エッチング工程と、
前記第１レジスト層を除去した後、少なくとも前記アルミニウム回路層の上面全面を覆うように銅板を積層載置し、銅とアルミニウムの共晶温度未満で加熱し前記アルミニウム回路層と前記銅板とを固相拡散接合する銅板接合工程と、
前記アルミニウム回路層に接合された前記銅板上に第２レジスト層を形成する第２レジスト形成工程と、
前記第２レジスト層が形成された前記銅板をエッチングして銅回路層を形成する銅層エッチング工程と、
を有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２】
前記アルミニウム板接合工程において、前記セラミックス基板の裏面上に、放熱層を形成する所定の大きさの放熱用アルミニウム板を積層載置し、この放熱用アルミニウム板を前記アルミニウム板とともに前記セラミックス基板に接合し、
前記銅板接合工程において、前記セラミックス基板の裏面上に接合された前記放熱用アルミニウム板上の所定位置に、放熱用銅板を位置決めして積層載置し、前記放熱用アルミニウム板と前記放熱用銅板とを固相拡散接合することにより、
前記絶縁層の裏面に、前記放熱用アルミニウム板および前記放熱用銅板が積層されてなる放熱層を形成することを特徴とする請求項１に記載の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】
本発明は、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の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
各種の半導体素子のうちでも、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においては、発熱量が大きく、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）などからなるセラミックス基板等の絶縁層上に回路層として導電性の優れた金属板を接合したパワーモジュール用基板に搭載される。
【０００３】
このようなパワーモジュール用基板は、回路層上に半導体素子（パワー素子）がはんだ材を介して搭載されることによりパワーモジュールとされる。この種のパワーモジュール用基板として、セラミックス基板の下面に接合された熱伝導性に優れるヒートシンクによって放熱する構造が知られている。回路層を構成する金属としては、Ａｌ（アルミニウム）やＣｕ（銅）等が用いられている。そして、回路層にレジストを印刷して所定の形状にエッチングすることにより、回路パターンを形成することができる。
【０００４】
パワーモジュールにおいては、比較的変形抵抗の小さなアルミニウム板で回路層が構成されることにより、周辺環境の温度変化によるヒートサイクルの負荷に対して、セラミックス基板とアルミニウム回路層との間に生じる熱応力を回路層が吸収できる。しかしながら、アルミニウム回路層に接合された半導体素子の発熱によるパワーサイクルの負荷によって、半導体素子とアルミニウム回路層とを接合するはんだにクラックが生じ、パワーモジュールの信頼性が低下する場合がある。
【０００５】
また、アルミニウムは銅と比較して熱伝導性が低いので、アルミニウム板で構成された回路層は銅で構成された回路層と比較して放熱性が劣る。さらに、アルミニウムは表面に酸化皮膜が形成されるため、そのままでは、アルミニウム回路層と半導体素子とをはんだで良好に接合することは困難である。
【０００６】
一方、回路層が銅板で構成されている場合には、銅は変形抵抗が比較的高いため、半導体素子の発熱によるパワーサイクルの負荷によってセラミックス基板と銅回路層との間に熱応力が生じ、セラミックス基板に割れが発生する場合がある。
【０００７】
特に、近年のパワーモジュールは、小型化・薄肉化が進められるとともに、半導体素子の発熱量が増大し、ヒートサイクルおよびパワーサイクルの条件が厳しくなるなど、その使用環境も厳しくなってきている。このため、アルミニウムで回路層を構成した場合は、放熱性が不足して、パワーサイクルの負荷による信頼性の低下が問題となる。一方、銅で回路層を構成した場合は、熱応力の吸収が不足して、ヒートサイクルの負荷による信頼性の低下が問題となる。
【０００８】
このように、銅で構成された回路層は、パワーサイクルに対する信頼性は高いものの、ヒートサイクルに対する信頼性が低く、アルミニウムで構成された回路層は、ヒートサイクルに対する信頼性は高いものの、パワーサイクルに対する信頼性が低い。
【０００９】
これに対し、例えば特許文献１では、セラミックス基板にアルミニウム層またはアルミニウム合金層と銅層または銅合金層とを順に積層形成することにより、層間整合性を高め、接合を強化した積層構造を提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００３−７８０８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
セラミックス基板に接合した金属板に対してウェットエッチングにより回路パターンを形成する場合、エッチングによる金属の溶解は、回路層の表面側からセラミックス基板に向けて厚さ方向に進行するとともに、レジストマスクの下部で面方向にも少なからず進行する。厚さ方向のエッチングに時間がかかると面方向にも溶解が広がるため、金属板の板厚が大きいほど回路パターン間の最低距離が大きくなり、エッチングにより微細な回路パターンを形成することは難しくなる。
【００１２】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、絶縁層上に複数の金属層が積層されるパワーモジュール用基板において、所望の微細な回路パターンを確実に形成することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、絶縁層とこの絶縁層の表面に形成された回路層とを有するパワーモジュール用基板の製造方法であって、絶縁層を形成するセラミックス基板の表面上に、回路層を形成する所定の大きさのアルミニウム板を積層載置して接合するアルミニウム板接合工程と、前記セラミックス基板に接合された前記アルミニウム板上に第１レジスト層を形成する第１レジスト形成工程と、前記第１レジスト層が形成された前記アルミニウム板をエッチングしてアルミニウム回路層を形成するアルミニウム層エッチング工程と、前記第１レジスト層を除去した後、少なくとも前記アルミニウム回路層の上面全面を覆うように銅板を積層載置し、銅とアルミニウムの共晶温度未満で加熱し前記アルミニウム回路層と前記銅板とを固相拡散接合する銅板接合工程と、前記アルミニウム回路層に接合された前記銅板上に第２レジスト層を形成する第２レジスト形成工程と、前記第２レジスト層が形成された前記銅板をエッチングして銅回路層を形成する銅層エッチング工程と、を有する。
【００１４】
この製造方法によれば、アルミニウム板と銅板とが固相拡散によって強固に接合されるので、熱応力による剥離が抑制され、ヒートサイクルおよびパワーサイクルによる負荷に対する信頼性の高いパワーモジュール用基板を実現できる。また、セラミックス基板にアルミニウム板を接合してエッチングした後に、銅板を接合してエッチングするので、１度のエッチングにより深いエッチング溝を形成する必要がなく、厚さ方向に対するエッチング溝幅の差を小さく抑えることができる。
【００１５】
そして、このように製造されたパワーモジュール用基板は、熱伝導率の高い銅板上に半導体素子が搭載されることにより、半導体素子から発生する熱を銅板で面方向に広げて放散させ、パワーモジュール用基板に対するパワーサイクルによる負荷を緩和させることができるとともに、セラミックス基板と銅板との間に変形抵抗の小さいアルミニウム回路層が備えられることにより、セラミックス基板と銅板との熱膨張係数の差に起因する熱応力をアルミニウム回路層で吸収させ、パワーモジュール用基板に対するヒートサイクルによる負荷を緩和させることができる。
【００１６】
この製造方法の前記アルミニウム板接合工程において、前記セラミックス基板の裏面上に、放熱層を形成する所定の大きさの放熱用アルミニウム板を積層載置し、この放熱用アルミニウム板を前記アルミニウム板とともに前記セラミックス基板に接合し、前記銅板接合工程において、前記セラミックス基板の裏面上に接合された前記放熱用アルミニウム板上の所定位置に、放熱用銅板を位置決めして積層載置し、前記放熱用アルミニウム板と前記放熱用銅板とを固相拡散接合することにより、前記絶縁層の裏面に、前記放熱用アルミニウム板および前記放熱用銅板が積層されてなる放熱層を形成してもよい。
【００１７】
この場合、放熱層の表面が銅であり、アルミニウム製のヒートシンクを比較的低温のはんだ付けにより接合できるので、各層間の接合強度を低下させるおそれがない。また、銅板接合工程において、放熱用銅板上にさらにアルミニウム製のヒートシンクを積層して加熱処理することにより、放熱用アルミニウム板と放熱用銅板とを固相拡散接合するとともに、放熱用銅板とヒートシンクとを固相拡散接合することも可能である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、セラミックス基板上にアルミニウム層と銅層とが積層されるパワーモジュール用基板において、各層間を確実に接合し、所望の微細な回路パターンを形成することができる。これにより、パワーサイクルおよびヒートサイクルによる負荷に対する信頼性の高いパワーモジュール用基板の小型化が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法により製造されたパワーモジュール用基板にヒートシンクおよび半導体素子が接合されてなるパワーモジュールを示す側面図である。
【図２】本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法の一実施形態におけるアルミニウム板接合工程を示す平面図（ａ）および側面図（ｂ）である。
【図３】本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法の一実施形態における第１レジスト形成工程を示す平面図（ａ）およびＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う部分断面図（ｂ）である。
【図４】本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法の一実施形態におけるアルミニウム層エッチング工程を示す平面図（ａ）およびＩＶ−ＩＶ線に沿う部分断面図（ｂ）である。
【図５】本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法の一実施形態における銅板接合工程を示す平面図（ａ）およびＶ−Ｖ線に沿う部分断面図（ｂ）である。
【図６】本発明に係るパワーモジュール用基板の製造における銅とアルミニウムとの固相拡散接合状態を示す断面図である。
【図７】本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法の一実施形態における第２レジスト形成工程を示す平面図（ａ）およびＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う部分断面図（ｂ）である。
【図８】本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法の一実施形態における銅層エッチング工程を示す平面図（ａ）およびＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿う部分断面図（ｂ）である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法の実施形態について説明する。図１に、本発明に係る製造方法により製造されたパワーモジュール用基板１０に半導体素子１２およびヒートシンク１４が接合されてなるヒートシンク付パワーモジュール１６を示す。
【００２１】
パワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板２０と、セラミックス基板２０の一方の面（表面）２０ａに接合されたアルミニウム回路層２３と、このアルミニウム回路層２３に接合された銅回路層２５と、セラミック基板２０の他方の面（裏面）２０ｂに接合されたアルミニウム放熱層２７と、このアルミニウム放熱層２７に接合された銅放熱層２９とを有する。
【００２２】
パワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板２０上にアルミニウム板２２および放熱用アルミニウム板２６を接合するアルミニウム板接合工程（図２）と、アルミニウム板２２および放熱用アルミニウム板２６上に所望形状の第１レジスト層３０，３１を形成する第１レジスト形成工程（図３）と、第１レジスト層３０の形状に応じてアルミニウム板２２をエッチングして所望形状のアルミニウム回路層２３を形成するとともに、第１レジスト層３１の形状に応じて放熱用アルミニウム板２６をエッチングしてアルミニウム放熱層２７を形成するアルミニウム層エッチング工程（図４）と、アルミニウム回路層２３の上面全面を覆うように回路用銅板２４を積層載置するとともに、アルミニウム放熱層２７の上面全面を覆うように放熱用銅板２８を積層載置し、アルミニウム回路層２３と回路用銅板２４、およびアルミニウム放熱層２７と放熱用銅板２８とを固相拡散接合する銅板接合工程（図５）と、回路用銅板２４上に所望形状の第２レジスト層３２を形成するとともに、放熱用銅板２８上に所望形状の第２レジスト層３３を形成する第２レジスト形成工程（図７）と、第２レジスト層３２の形状に応じて回路用銅板２４をエッチングして所望形状の銅回路層２５を形成するとともに、第２レジスト層３３の形状に応じて放熱用銅板２８をエッチングして所望形状の銅放熱層２９を形成する銅層エッチング工程（図８）とを行うことにより製造される。
【００２３】
より具体的には、まず図２に示すように、アルミニウム板接合工程において、絶縁層を形成するセラミックス基板２０の表面２０ａ上の所定位置に、半導体素子１２が接合される回路層を形成する所定の大きさのアルミニウム板２２を積層載置し、アルミニウム板２２の下面全面をセラミックス基板２０の表面２０ａに接合するとともに、セラミックス基板２０の裏面２０ｂ上の所定位置に、ヒートシンク１４が接合される放熱層を形成する放熱用アルミニウム板２６を積層載置し、放熱用アルミニウム板２６の下面全面をセラミックス基板２０の裏面２０ｂに接合する。
【００２４】
セラミックス基板２０は、回路層を形成するアルミニウム板２２と放熱層を形成する放熱用アルミニウム板２６との間の電気的接続を防止する絶縁材であって、例えばＡｌＮ（窒化アルミ），ＡｌＯ３，Ｓｉ３Ｎ４等で形成され、その板厚は０．２ｍｍ〜１．５ｍｍである。アルミニウム板２２，放熱用アルミニウム板２６は例えば純度９９．９９％以上、板厚０．１ｍｍ〜１．０ｍｍのアルミニウム圧延板である。これらのアルミニウム板２２，放熱用アルミニウム板２６とセラミックス基板２０とを、例えばＡｌ−Ｓｉ系のろう材を用いて６４０℃〜６５０℃でろう付する。アルミニウム板２２，放熱用アルミニウム板２６の板厚を０．１ｍｍ以上とすることにより、応力緩衝効果を確保することができる。
【００２５】
次に、図３に示すように、第１レジスト形成工程において、セラミックス基板２０の表面２０ａ上に接合されたアルミニウム板上に、所望形状の第１レジスト層３０を形成するとともに、セラミックス基板２０の裏面２０ｂ上に接合された放熱用アルミニウム板２６上に、所望形状の第１レジスト層３１を形成する。第１レジスト層３０，３１は、例えばレジストインキをアルミニウム板２２，放熱用アルミニウム板２６の各表面にスクリーン印刷することにより形成される。第１レジスト層３０，３１には、エッチング液をアルミニウム板２２および放熱用アルミニウム板２６に接触させるための溝３０ａ，３１ａが設けられている。
【００２６】
次に、図４に示すように、アルミニウム層エッチング工程において、第１レジスト層３０が形成されたアルミニウム板２２をエッチングして、第１レジスト層３０に形成された溝３０ａに沿ってアルミニウムを除去し、所望形状のエッチング溝２３ａを有するアルミニウム回路層２３を形成するとともに、第１レジスト層３１が形成された放熱用アルミニウム板２６をエッチングして、第１レジスト層３１に形成された溝３１ａに沿ってアルミニウムを除去し、所望形状のエッチング溝２７ａを有するアルミニウム放熱層２７を形成する。エッチング液としては、例えばアルミニウムに対して十分なエッチング性を有するＦｅＣｌ３溶液を用いることができる。この工程において、アルミニウム板２２および放熱用アルミニウム板２６の板厚が比較的小さいので、エッチング時間が短くてすみ、板厚方向に対するエッチング溝２３ａ，２７ａの溝幅の差が小さく抑えられる。
【００２７】
次に、図５に示すように、銅板接合工程において、第１レジスト層３０，３１を除去した後、アルミニウム回路層２３の上面全面を覆うように回路用銅板２４を積層載置するとともに、アルミニウム放熱層２７の上面全面を覆うように放熱用銅板２８を積層載置し、銅とアルミニウムの共晶温度未満で加熱しアルミニウム回路層２３と回路用銅板２４およびアルミニウム放熱層２７と放熱用銅板２８とを固相拡散接合する。
【００２８】
回路用銅板２４，放熱用銅板２８は、０．０５ｍｍ以上６．０ｍｍ以下の厚さを有する無酸素銅の圧延板であり、例えば各面に対して３ｋｇｆ／ｃｍ２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ２以下で加圧保持され、４００℃以上５４８℃未満の加熱温度を５分以上２４０分以下保持する真空加熱により、それぞれアルミニウム回路層２３，アルミニウム放熱層２７に固相拡散接合される。
【００２９】
これら回路用銅板２４，放熱用銅板２８の板厚を０．０５ｍｍ以上とすることにより、半導体素子１２からの熱を回路用銅板２４および放熱用銅板２８で拡げて熱をより効率的に伝達し、パワーサイクル負荷時の初期の熱抵抗を低減することができるので、パワーサイクルに対する信頼性をより高くすることができる。また、回路用銅板２４，放熱用銅板２８の板厚を６．０ｍｍ以下とすることにより、回路層および放熱層の剛性を低減させ、ヒートサイクル負荷時においてセラミックス基板２０に割れが生じることを抑制できる。
【００３０】
固相拡散のための真空加熱における加熱温度は、アルミニウム板２２（アルミニウム回路層２３）を構成する金属（Ａｌ）と回路用銅板２４を構成する金属（Ｃｕ）の共晶温度、放熱用アルミニウム板２６（アルミニウム放熱層２７）を構成する金属（Ａｌ）と放熱用銅板２８を構成する金属（Ｃｕ）の共晶温度のうち、最も低い共晶温度（共晶温度含まず）から共晶温度−５℃の範囲が好ましい。
【００３１】
ここで、銅板接合工程におけるアルミニウム（アルミニウム板２２、放熱用アルミニウム板２６）と銅（回路用銅板２４、放熱用銅板２８）との間における固相拡散接合について、アルミニウム板２２と回路用銅板２４との接合を例として図６を参照して説明する。アルミニウム板２２と回路用銅板２４とは、アルミニウム板２２のアルミニウム原子と回路用銅板２４の銅原子とが相互拡散することによって、拡散層４０を形成して接合される。この拡散層４０においては、アルミニウム板２２から回路用銅板２４に向かうにしたがい、漸次アルミニウム原子の濃度が低くなり、かつ銅原子の濃度が高くなる濃度勾配を有する。
【００３２】
拡散層４０は、ＣｕとＡｌとからなる金属間化合物で構成されており、本実施形態では図６に示すように、複数の金属間化合物が界面に沿って積層された構成となっている。拡散層４０は、厚さｔの平均が１μｍ以上８０μｍ以下の範囲内、好ましくは、５μｍ以上８０μｍ以下の範囲内に設定され、アルミニウム板２２側から回路用銅板２４側に向けて順にθ相４１、η２相４２、ζ２相４３の３種の金属間化合物が積層されている。なお、この拡散層は、アルミニウム板２２側から回路用銅板２４側に向けて順に、接合界面に沿って、θ相、η２相が積層し、さらにζ２相、δ相、及びγ２相のうち少なくとも一つの相が積層した構造であってもよい。
【００３３】
さらに、回路用銅板２４と固相拡散接合により形成された拡散層４０との界面に沿って、酸化物４４が層状に分散している。本実施形態においては、この酸化物４４はアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等のアルミニウム酸化物である。酸化物４４は、拡散層４０と回路用銅板２４との界面に分断された状態で分散しており、拡散層４０と回路用銅板２４とが直接接触している領域も存在する。この酸化物４４は、回路用銅板２４と拡散層４０との界面に沿って拡散層４０の内部に層状に分散していてもよい。なお、本実施形態では、回路用銅板２４の平均結晶粒径は５０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内、アルミニウム板２２の平均結晶粒径は５００μｍ以上である。
【００３４】
次に、図７に示すように、第２レジスト形成工程において、アルミニウム回路層２３に接合された回路用銅板２４上に第２レジスト層３２を形成するとともに、放熱用銅板２８上に第２レジスト層３３を形成する。第２レジスト層３２，３３は、第１レジスト３０，３１と同様に、例えばレジストインキを回路用銅板２４および放熱用銅板２８の各表面にスクリーン印刷することにより形成される。第２レジスト層３２，３３には、第１レジスト３０，３１の溝３０ａ，３１ａと同様の形状で、すなわちアルミニウム層エッチング工程においてアルミニウム回路層２３および回路用銅板２４に形成された各エッチング溝２３ａ，２７ａと同様の形状で、エッチング液を回路用銅板２４および放熱用銅板２８に接触させるための溝３２ａ，３３ａが設けられる。
【００３５】
そして、図８に示すように、銅層エッチング工程において、第２レジスト層３２が形成された回路用銅板２４をエッチングして、アルミニウム回路層２３のエッチング溝２３ａに接続するようにエッチング溝２５ａを形成し、所望形状の銅回路層２５を形成するとともに、第２レジスト層３３が形成された放熱用銅板２８をエッチングして、アルミニウム放熱層２７のエッチング溝２７ａに接続するようにエッチング溝２９ａを形成し、所望形状の銅放熱層２９を形成する。エッチング液としては、銅に対して十分なエッチング性を有する例えば硝酸溶液を用いることができる。この工程においても、回路用銅板２４および放熱用銅板２８の板厚が比較的小さいので、エッチング時間が短くてすみ、板厚方向に対するエッチング溝２５ａ，２９ａの溝幅の差が小さく抑えられる。
【００３６】
以上説明したように、この製造方法によれば、アルミニウム板と銅板とが固相拡散によって強固に接合されるので、熱応力による剥離が抑制され、ヒートサイクルおよびパワーサイクルによる負荷に対する信頼性の高いパワーモジュール用基板を実現できる。また、セラミックス基板にアルミニウム板を接合してエッチングした後に、銅板を接合してエッチングするので、１度のエッチングにより深いエッチング溝を形成する必要がなく、厚さ方向に対するエッチング溝幅の差を小さく抑えることができる。
【００３７】
また、このように製造されたパワーモジュール用基板１０においては、アルミニウム板と銅板とを積層してなる回路層において、アルミニウム回路層２３中のＡｌが回路用銅板２４側へ、回路用銅板２４中のＣｕがアルミニウム回路層２３側へと十分に相互拡散し、アルミニウム回路層２３と回路用銅板２４との間に、ＣｕとＡｌの拡散層４０が形成されている。したがって、アルミニウム回路層２３と銅回路層２５とが確実に固相拡散接合され、接合強度を確保することができる。
【００３８】
また、銅回路層２５と拡散層４０との界面および銅放熱層２５と拡散層４０との界面に沿って酸化物４４が層状に分散しているので、アルミニウム回路層２３およびアルミニウム放熱層２７に形成された酸化膜が確実に破壊され、ＣｕとＡｌの相互拡散が十分に進行していることになり、銅回路層２５および放熱用銅板２８と各拡散層４０とが確実に接合されている。
【００３９】
さらに、各拡散層４０において、複数の金属間化合物が接合界面に沿って積層されるので、脆い金属間化合物が大きく成長してしまうことが抑制されている。また、銅回路層２５中のＣｕとアルミニウム回路層２３中のＡｌとが相互拡散することにより銅回路層２５側からアルミニウム回路層２３側に向けて、また銅放熱層２９中のＣｕとアルミニウム放熱層２７中のＡｌとが相互拡散することにより銅放熱層２９側からアルミニウム放熱層２７側に向けて、それぞれの組成に適した金属間化合物が層状に形成されるので、接合界面の特性を安定させることができる。
【００４０】
具体的には、拡散層４０は、アルミニウム回路層２３側から銅回路層２５側に向けて順に、またアルミニウム放熱層２７側から銅方根雨層２９側に向けて順に、θ相４１、η２相４２、ζ２相４３の３種の金属間化合物が積層またはθ相、η２相が積層し、さらにζ２相、δ相、及びγ２相のうち少なくとも一つの相が積層しているので、拡散層４０内部における体積変動が小さく、内部歪みが抑えられる。
【００４１】
また、アルミニウム回路層２３，アルミニウム放熱層２７および銅回路層２５，銅放熱層２９の平均結晶粒径が比較的大きく、アルミニウム回路層２３およびアルミニウム放熱層２７の平均結晶粒径が５００μｍ以上、銅回路層２５および銅放熱層２９の平均結晶粒径が５０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内に設定されている。これにより、アルミニウム回路層２３と銅回路層２５、あるいはアルミニウム放熱層２７と銅放熱層２９との間に過剰な歪み等が蓄積されず、疲労特性が向上する。したがって、ヒートサイクル負荷において、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク１４との間に生じる熱応力に対する接合信頼性が向上する。
【００４２】
さらに、拡散層４０の平均厚さｔが１μｍ以上８０μｍ以下、好ましくは５μｍ以上８０μｍ以下の範囲内であることにより、ＣｕとＡｌとの相互拡散が十分に進行しており、アルミニウム回路層２３と銅回路層２５およびアルミニウム放熱層２７と銅放熱層２９を強固に接合できるとともに、アルミニウム回路層２３，アルミニウム放熱層２７および銅回路層２５，銅放熱層２９に比べて脆い金属間化合物が必要以上に成長することが抑えられ、接合界面の特性が安定する。
【００４３】
以上説明したように、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、セラミックス基板上に複数の金属層が積層されるパワーモジュール用基板において、各層間を確実に接合できるとともに、エッチングによる溝形状の崩れが小さく、所望の回路パターンを高い寸法精度で確実に形成できるので、搭載された半導体素子からの放熱性を向上させ、パワーモジュール用基板の小型が実現できる。
【００４４】
なお、本発明は前記実施形態の構成のものに限定されるものではなく、細部構成においては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
【００４５】
例えば、銅板接合工程において、放熱用銅板に対してさらにアルミニウム製またはアルミニウム合金製のヒートシンクも同時に固相拡散接合してもよい。この場合、銅放熱層と同様の形状を有する放熱用銅板を接合し、この放熱用銅板に対する第２レジスト層形成工程および銅エッチング工程は行わない。
【００４６】
また、放熱層は、前記実施形態のように銅板を含む構成と、銅板を含まずアルミニウム板のみで形成する構成と、いずれの形態であってもよい。
【００４７】
なお、上記実施形態では純度９９．９９％のアルミニウム板を用いたが、これに限らず、純度９９％又は純度９９．９％のアルミニウム板やアルミニウム合金からなる板を用いることもできる。また、無酸素銅からなる銅板を用いたが、これに限らず、他の純銅からなる銅板又は銅合金からなる銅板を用いることもできる。
【符号の説明】
【００４８】
１０  パワーモジュール用基板
１２  半導体素子
１４  ヒートシンク
１６  ヒートシンク付パワーモジュール
２０  セラミックス基板（絶縁層）
２０ａ  表面
２０ｂ  裏面
２２  アルミニウム板
２３  アルミニウム回路層
２３ａ  エッチング溝
２４  回路用銅板（回路層）
２５  銅回路層
２６  放熱用アルミニウム板
２７  アルミニウム放熱層
２７ａ  エッチング溝
２８  放熱用銅板（放熱層）
２９  銅放熱層
２９ａ  溝
３０，３１  第１レジスト層
３２，３３  第２レジスト層
３２ａ，３３ａ  溝
４０  拡散層
４１  θ相
４２  η２相
４３  ζ２相
４４  酸化物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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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