(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板の一方の面に回路層が形成され、セラミックス基板の他方の面に金属層が形成されてなり、前記回路層の表面に電子部品が搭載されるパワーモジュール用基板であって、
前記回路層は、０．２％耐力が４０ＭＰａ以上７０ＭＰａ以下のアルミニウム又はアルミニウム合金で構成され、
前記金属層は、０．２％耐力が１０ＭＰａ以上２０ＭＰａ以下のアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されており、
前記回路層と前記セラミックス基板との間の接合強度が、前記金属層と前記セラミックス基板との間の接合強度よりも低く設定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２】
前記回路層と前記セラミックス基板との間のピーリング強度が、１００Ｎ／ｃｍ以上１５０Ｎ／ｃｍ以下とされており、
前記金属層と前記セラミックス基板との間のピーリング強度が、１５０Ｎ／ｃｍ以上とされてい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。
【請求項３】
前記回路層の厚さが、０．１ｍｍ以上０．２５ｍｍ以下とされていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載されたパワーモジュール用基板を製造するパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記回路層となる金属板と前記セラミックス基板とを接合する回路層接合工程と、前記金属層となる金属板と前記セラミックス基板とを接合する金属層接合工程と、を有し、
前記回路層接合工程では、温度５９０℃以上６３０℃以下、荷重１ｋｇｆ／ｃｍ２以上１５ｋｇｆ／ｃｍ２以下の条件で接合を行い、
前記金属層接合工程では、温度６００℃以上６５５℃以下、荷重３ｋｇｆ／ｃｍ２以上３０ｋｇｆ／ｃｍ２以下の条件で接合を行う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５】
前記回路層接合工程では、Ａｌ−Ｓｉ系又はＡｌ−Ｇｅ系のろう材を用いて接合する構成とされ、
前記金属層接合工程では、Ａｌ−Ｃｕ系又はＡｌ−Ａｇ系のろう材を用いて接合す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の製造方法。
【請求項６】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載されたパワーモジュール用基板を製造するパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記回路層となる金属板と前記セラミックス基板とを接合する回路層接合工程と、前記金属層となる金属板と前記セラミックス基板とを接合する金属層接合工程と、を有し、
前記回路層接合工程では、Ａｌ−Ｓｉ系又はＡｌ−Ｇｅ系のろう材を用いて接合する構成とされ、
前記金属層接合工程は、前記金属層となる金属板及び前記セラミックス基板の接合面の少なくとも一方にＣｕを固着してＣｕ固着層を形成するＣｕ固着工程と、前記Ｃｕ固着層を介して、前記セラミックス基板と前記金属板とを積層する積層工程と、積層された前記セラミックス基板と前記金属板を積層方向に加圧するとともに加熱し、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、この溶融金属領域を凝固させることによって、前記セラミックス基板と前記金属板とを接合する凝固工程と、を有す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の製造方法。
【請求項７】
前記Ｃｕ固着工程では、Ｃｕに加えて、Ｓｉ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着することを特徴とする請求項６に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項８】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板と、このパワーモジュール用基板を冷却するヒートシンクと、を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基板。
【請求項９】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板と、このパワーモジュール用基板上に搭載される電子部品と、を備えたことを特徴とするパワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体素子等の電子部品が搭載される回路層を備えたパワーモジュール用基板、このパワーモジュール用基板の製造方法、このパワーモジュール基板を用いたヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子の中でも電力供給のためのパワー素子は発熱量が比較的高いため、これを搭載する基板としては、例えば、特許文献１に示すように、ＡｌＮ（窒化アルミ）からなるセラミックス基板上に、回路層となるＡｌ（アルミニウム）の金属板がＡｌ−Ｓｉ系のろう材を介して接合されたパワーモジュール用基板が広く用いられている。
また、例えば特許文献２−４に示すように、セラミックス基板の上にアルミニウム合金部材を溶湯接合法によって接合して回路層を形成したパワーモジュール用基板が提案されている。
このようなパワーモジュール用基板においては、回路層の上に、はんだ層を介してパワー素子としての半導体素子が搭載され、パワーモジュールとして使用される。
【０００３】
ここで、上述のパワーモジュールにおいては、使用時に熱サイクルが負荷されることになる。すると、セラミックス基板とアルミニウムとの熱膨張係数の差による応力がセラミックス基板と回路層との接合界面に作用し、接合信頼性が低下するおそれがある。そこで、従来は、純度が９９．９９％以上の４Ｎアルミニウム等の比較的変形抵抗の小さなアルミニウムで回路層を構成し、熱応力を回路層の変形によって吸収することで、接合信頼性の向上を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−３２８０８７号公報
【特許文献２】特開２００２−３２９８１４号公報
【特許文献３】特開２００５−２５２１３６号公報
【特許文献４】特開２００７−０９２１５０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、回路層を純度が９９．９９％以上（４Ｎアルミニウム）等の比較的変形抵抗の小さなアルミニウムで構成した場合、熱サイクルを負荷した際に、回路層の表面にうねりやシワが発生してしまうといった問題があった。このように回路層の表面にうねりやシワが発生すると、はんだ層にクラックが発生してしまうため、パワーモジュールの信頼性が低下することになる。
【０００６】
特に、最近では、環境負荷の観点から、はんだ層として、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｃｕ系の鉛フリーはんだ材が使用されることが多くなっている。これらの鉛フリーはんだ材は、従来のＳｎ−Ｐｂ系はんだ材に比べて変形抵抗が大きいため、回路層のうねりやシワによって、はんだ層にクラックが生じやすい傾向にある。
また、最近は、パワーモジュールの小型化・薄肉化が進められるとともに、その使用環境も厳しくなってきており、半導体素子等の電子部品からの発熱量が大きくなっているため、熱サイクルの温度差が大きく、回路層の表面にうねりやシワが発生しやすい傾向にある。
【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、回路層の表面にうねりやシワが発生することを抑制でき、はんだ層におけるクラックの発生を防止できるパワーモジュール用基板、このパワーモジュール用基板の製造方法、このパワーモジュール用基板を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュール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】
このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明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回路層が形成され、セラミックス基板の他方の面に金属層が形成されてなり、前記回路層の表面に電子部品が搭載されるパワーモジュール用基板であって、前記回路層は、０．２％耐力が４０ＭＰａ以上７０ＭＰａ以下のアルミニウム又はアルミニウム合金で構成され、前記金属層は、０．２％耐力が１０ＭＰａ以上２０ＭＰａ以下のアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されており、前記回路層と前記セラミックス基板との間の接合強度が、前記金属層と前記セラミックス基板との間の接合強度よりも低く設定されていることを特徴としている。
【０００９】
この構成のパワーモジュール用基板によれば、回路層が、０．２％耐力が４０ＭＰａ以上７０ＭＰａ以下のアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されているので、回路層の変形抵抗が大きく、熱サイクル負荷時におけるうねりやシワの発生を抑制することが可能となる。
また、金属層が、０．２％耐力が１０ＭＰａ以上２０ＭＰａ以下のアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されているので、金属層とセラミックス基板との熱膨張係数の差に起因する熱歪みを、金属層によって十分に吸収することができ、金属層とセラミックス基板との間の接合信頼性を向上させることができる。
【００１０】
なお、上述のように回路層の変形抵抗が大きいことから、熱サイクル負荷時において回路層が変形しにくく、セラミックス基板と回路層との熱膨張係数の差に起因する熱歪みを十分に吸収することができない。そこで、本発明においては、回路層とセラミックス基板との間の接合強度を、金属層とセラミックス基板との間の接合強度よりも低く設定している。
これにより、回路層がセラミックス基板に強固に拘束されなくなり、セラミックス基板と回路層との熱膨張係数の差に起因する熱歪みの発生を抑制することができる。また、上述のように金属層が熱歪みを十分に吸収することが可能であることから、金属層がセラミックス基板に拘束されても、接合界面に亀裂等が発生することが抑制される。
【００１１】
ここで、回路層の０．２％耐力が４０ＭＰａ以上とされているので、回路層におけるうねりやシワの発生を確実に抑制することができる。また、回路層の０．２％耐力が７０ＭＰａ以下とされているので、回路層の変形抵抗が必要以上に大きくならず、接合界面に大きなせん断力が作用することを防止できる。
さらに、金属層の０．２％耐力が１０ＭＰａ以上とされているので、金属層自体の剛性が確保され、大きく変形することを防止できる。また、金属層の０．２％耐力が２０ＭＰａ以下とされているので、熱歪みを確実に吸収することができる。
【００１２】
本発明のパワーモジュール用基板において、前記回路層と前記セラミックス基板との間のピーリング強度が、１００Ｎ／ｃｍ以上１５０Ｎ／ｃｍ以下とされており、前記金属層と前記セラミックス基板との間のピーリング強度が、１５０Ｎ／ｃｍ以上とされていてもよい。
この場合、ピーリング強度を用いて、前記回路層と前記セラミックス基板との間の接合強度及び前記金属層と前記セラミックス基板との間の接合強度を規定している。なお、本発明におけるピーリング強度は、長さ１００ｍｍ、幅５ｍｍのサイズのアルミニウム板（回路層及び金属層）を用いて、ＪＩＳ  Ｃ  ６４７１に規定される方法に従って、短辺の端から回路層及び金属層を剥離し、その応力を測定したものである。なお、引き剥がし角度を９０°、引き剥がし速度を５０ｍｍ／ｍｉｎとしている。
【００１３】
そして、前記回路層と前記セラミックス基板との間のピーリング強度が、１００Ｎ／ｃｍ以上とされているので、回路層とセラミックス基板とを確実に接合することが可能となる。また、前記回路層と前記セラミックス基板との間のピーリング強度が、１５０Ｎ／ｃｍ以下とされているので、回路層がセラミックス基板に強固に拘束されず、熱歪みの発生を抑制することができる。
さらに、前記金属層と前記セラミックス基板との間のピーリング強度が、１５０Ｎ／ｃｍ以上とされているので、金属層とセラミックス基板とを確実に接合することが可能となる。なお、前記金属層と前記セラミックス基板との間のピーリング強度が強くても、金属層自体が変形し易いので、接合界面近傍において亀裂等が発生することを防止できる。
【００１４】
前記回路層の厚さが、０．１ｍｍ以上０．２５ｍｍ以下とされた構成としてもよい。
この場合、回路層の厚さが０．１ｍｍ以上とされているので、導電性を確保することができ、半導体素子と電気的に接続することができる。
また、回路層の厚さが０．２５ｍｍ以下とされているので、回路層全体の剛性が必要以上に高くならず、セラミックス基板の割れ等を防止することができる。
【００１５】
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、前述のパワーモジュール用基板を製造するパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記回路層となる金属板と前記セラミックス基板とを接合する回路層接合工程と、前記金属層となる金属板と前記セラミックス基板とを接合する金属層接合工程と、を有し、前記回路層接合工程では、温度５９０℃以上６３０℃以下、荷重１ｋｇｆ／ｃｍ２以上１５ｋｇｆ／ｃｍ２以下の条件で接合を行い、前記金属層接合工程では、温度６００℃以上６５５℃以下、荷重３ｋｇｆ／ｃｍ２以上３０ｋｇｆ／ｃｍ２以下の条件で接合を行うことを特徴としている。
【００１６】
この構成のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、回路層接合工程における接合条件が温度５９０℃以上６３０℃以下、荷重１ｋｇｆ／ｃｍ２以上１５ｋｇｆ／ｃｍ２以下とされ、金属層接合工程における接合条件が、温度６００℃以上６５５℃以下、荷重３ｋｇｆ／ｃｍ２以上３０ｋｇｆ／ｃｍ２以下とされているので、前記回路層と前記セラミックス基板との間の接合強度を、前記金属層と前記セラミックス基板との間の接合強度よりも低く設定することができる。
なお、このような接合条件を実現するために、回路層を、液相線温度が６３５℃以上６５８℃以下のアルミニウム又はアルミニウム合金で構成し、金属層を、液相線温度が６４３℃以上６６１℃以下のアルミニウム又はアルミニウム合金で構成することが好ましい。また、回路層接合工程における温度及び荷重と、金属層接合工程における温度及び荷重が重なる場合には、回路層接合工程と金属層接合工程と同時に実施することも可能となる。
【００１７】
上述のパワーモジュール用基板の製造方法において、前記回路層接合工程では、Ａｌ−Ｓｉ系又はＡｌ−Ｇｅ系のろう材を用いて接合する構成とされ、前記金属層接合工程では、Ａｌ−Ｃｕ系又はＡｌ−Ａｇ系のろう材を用いて接合する構成としてもよい。
この場合、Ａｌ―Ｓｉ系又はＡｌ−Ｇｅ系のろう材は、Ａｌ−Ｃｕ系又はＡｌ−Ａｇ系のろう材に比べて接合強度が低くなる傾向にある。よって、前記回路層と前記セラミックス基板との間の接合強度を、前記金属層と前記セラミックス基板との間の接合強度よりも低く設定することができる。
【００１８】
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、前述のパワーモジュール用基板を製造するパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記回路層となる金属板と前記セラミックス基板とを接合する回路層接合工程と、前記金属層となる金属板と前記セラミックス基板とを接合する金属層接合工程と、を有し、前記回路層接合工程では、Ａｌ−Ｓｉ系又はＡｌ−Ｇｅ系のろう材を用いて接合する構成とされ、前記金属層接合工程は、前記金属層となる金属板及び前記セラミックス基板の接合面の少なくとも一方にＣｕを固着してＣｕ固着層を形成するＣｕ固着工程と、前記Ｃｕ固着層を介して、前記セラミックス基板と前記金属板とを積層する積層工程と、積層された前記セラミックス基板と前記金属板を積層方向に加圧するとともに加熱し、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、この溶融金属領域を凝固させることによって、前記セラミックス基板と前記金属板とを接合する凝固工程と、を有することを特徴としている。
【００１９】
この構成のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、回路層とセラミックス基板との接合がＡｌ―Ｓｉ系又はＡｌ−Ｇｅ系のろう材によって接合され、金属層とセラミックス基板との接合は、Ｃｕを用いた液相拡散接合によって接合されることになる。
ここで、Ｃｕはアルミニウムの強度を大幅に向上させる効果を有することから、金属層の接合界面近傍の強度が向上し、金属層とセラミックス基板との接合強度が高くなる。よって、前記回路層と前記セラミックス基板との間の接合強度を、前記金属層と前記セラミックス基板との間の接合強度よりも低く設定することができる。
【００２０】
上述のパワーモジュール用基板の製造方法において、前記Ｃｕ固着工程では、Ｃｕに加えて、Ｓｉ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着する構成としてもよい。
前述の添加元素は、アルミニウムの融点を低下させるものであることから、比較的低温の条件下で、金属層とセラミックス基板とを確実に接合することができる。
【００２１】
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、前述のパワーモジュール用基板と、このパワーモジュール用基板を冷却するヒートシンクと、を備えたことを特徴としている。
この構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板によれば、パワーモジュール用基板を冷却するヒートシンクを備えているので、パワーモジュール用基板をヒートシンクによって効率的に冷却することができる。
【００２２】
本発明のパワーモジュールは、前述のパワーモジュール用基板と、このパワーモジュール用基板上に搭載される電子部品と、を備えたことを特徴としている。
この構成のパワーモジュールによれば、セラミックス基板と回路層との接合強度が高く、かつ、回路層と半導体素子との間に形成されたはんだ層におけるクラックの発生を抑制できるので、使用環境が厳しい場合であっても、その信頼性を飛躍的に向上させることが可能となる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、回路層の表面にうねりやシワが発生することを抑制でき、はんだ層におけるクラックの発生を防止できるパワーモジュール用基板、このパワーモジュール用基板の製造方法、このパワーモジュール用基板を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１の実施形態であ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１の実施形態であ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示すフロー図である。
【図３】本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。
【図４】本発明の第２の実施形態であ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５】本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板の金属層のＣｕ濃度分布を示す説明図である。
【図６】本発明の第２の実施形態であ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示すフロー図である。
【図７】本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。
【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の拡大説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
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１に、本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールを示す。
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の表面にはんだ層２を介して接合された半導体素子３と、ヒートシンク４０とを備えている。ここで、はんだ層２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材（いわゆる無鉛はんだ材）とされている。なお、本実施形態では、回路層１２とはんだ層２との間にＮｉ膜（図示なし）が設けられている。
【００２６】
ヒートシンク４０は、半導体素子３が搭載されるパワーモジュール用基板１０を冷却するためのものであり、図１に示すように、天板部４１と、冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路４２とを備えている。ヒートシンク４０（天板部４１）は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態においては、Ａ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。
【００２７】
パワーモジュール用基板１０は、図１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１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（図１において下面）に配設された金属層１３と、を備えている。
【００２８】
セラミックス基板１１は、回路層１２と金属層１３との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高い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ｔ０は、０．２ｍｍ≦ｔ０≦１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、ｔ０＝０．６３５ｍｍに設定されている。また、このセラミックス基板１１の曲げ強度は４００ＭＰａ以上とされている。
【００２９】
回路層１２は、図３に示すように、セラミックス基板１１の一方の面（図３において上面）に、導電性を有する金属板２２が接合されることにより形成されている。
そして、回路層１２は、純度が９８質量％以下で、０．２％耐力が４０ＭＰａ以上７０ＭＰａ以下のアルミニウム又はアルミニウム合金の圧延板からなる金属板２２が、セラミックス基板１１に接合されることにより形成されている。
本実施形態では、金属板２２は、Ａ３００３合金の圧延板とされている。そして、回路層１２の厚さｔ１は、０．１ｍｍ≦ｔ１≦０．２５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、ｔ１＝０．２ｍｍに設定されている。
【００３０】
金属層１３は、図３に示すように、セラミックス基板１１の他方の面（図３において下面）に、金属板２３が接合されることにより形成されている。
この金属層１３は、純度が９９質量％以上で、０．２％耐力が１０ＭＰａ以上２０ＭＰａ以下のアルミニウム又はアルミニウム合金の圧延板からなる金属板２３が、セラミックス基板１１に接合されることにより形成されている。
本実施形態では、金属板２３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）の圧延板とされている。そして、金属層１３の厚さｔ２は、０．２５ｍｍ≦ｔ２≦３．６ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、ｔ２＝２．０ｍｍに設定されている。
【００３１】
そして、回路層１２とセラミックス基板１１との接合強度が、金属層１３とセラミックス基板１１との接合強度よりも低く設定されている。
具体的には、回路層１２とセラミックス基板１１との間のピーリング強度ＰＦ１が、１００Ｎ／ｃｍ≦ＰＦ１≦１５０Ｎ／ｃｍとされ、金属層１３とセラミックス基板１１との間のピーリング強度ＰＦ２が、ＰＦ２≧１５０Ｎ／ｃｍとされており、さらに、ＰＦ１＜ＰＦ２とされている。
【００３２】
なお、本実施形態におけるピーリング強度は、長さ１００ｍｍ、幅５ｍｍ、厚さ０．６ｍｍのＡ３００３合金からなるアルミニウム板（回路層１２）、及び、長さ１００ｍｍ、幅５ｍｍ、厚さ１．３ｍｍの４Ｎアルミニウムからなるアルミニウム板（金属層１３）を用いて、ＪＩＳ  Ｃ  ６４７１に規定される方法に従って、短辺の端から回路層１２及び金属層１３をセラミックス基板１１から剥離し、その応力を測定したものである。なお、引き剥がし角度を９０°、引き剥がし速度を５０ｍｍ／ｍｉｎとした。
【００３３】
以下に、前述の構成のパワーモジュール用基板１０の製造方法について、図２及び図３を参照して説明する。
【００３４】
（金属層接合工程Ｓ０１）
まず、図３に示すように、セラミックス基板１１と金属層１３となる金属板２３とを、ろう材２５を介して接合する。本実施形態では、ろう材２５として、Ａｌ−１０質量％Ｃｕからなる厚さ８０〜１００μｍのろう材箔を用いている。
積層されたセラミックス基板１１と金属板２３とを積層方向に荷重（３〜５ｋｇｆ／ｃｍ２）をかけた状態で真空加熱炉内に装入して加熱し、セラミックス基板１１と金属板２３との界面に溶融金属領域を形成する。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６４０℃以上６５０℃以下の範囲内に設定している。
そして、これを冷却することによって、セラミックス基板１１と金属板２３との界面に形成された溶融金属領域を凝固し、セラミックス基板１１と金属板２３とを接合する。
【００３５】
（回路層接合工程Ｓ０２）
次に、図３に示すように、回路層１２となる金属板２２とセラミックス基板１１とを、ろう材２４を介して接合する。本実施形態では、ろう材２４として、Ａｌ−７．５質量％Ｓｉからなる厚さ５〜１５μｍのろう材箔を用いている。
積層された金属板２２とセラミックス基板１１とを積層方向に荷重（１．５〜２．５ｋｇｆ／ｃｍ２）をかけた状態で真空加熱炉内に装入して加熱し、金属板２２とセラミックス基板１１との界面に溶融金属領域を形成する。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６２０℃以上６３０℃以下の範囲内に設定している。
そして、これを冷却することによって、金属板２２とセラミックス基板１１との界面に形成された溶融金属領域を凝固し、金属板２２とセラミックス基板１１とを接合する。
このようにして、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０が製出される。
【００３６】
（ヒートシンク接合工程Ｓ０３）
次に、パワーモジュール用基板１１とヒートシンク４０とを接合する。このヒートシンク接合工程Ｓ０３においては、ヒートシンク４０の接合面に、Ａｇペーストを塗布して、１５０〜２００℃で乾燥した後に３００〜５００℃で焼成を行うことによりＡｇ層を形成する。なお、Ａｇペーストの厚さは、乾燥後で約０．０２〜２００μｍとした。また、Ａｇ層におけるＡｇ量は、０．０１ｍｇ／ｃｍ２以上１０ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されている。
【００３７】
ここで使用されるＡｇペーストは、Ａｇ粉末と、樹脂と、溶剤と、分散剤と、を含有し、Ａｇ粉末の含有量が、Ａｇペースト全体の６０質量％以上９０質量％以下とされており、残部が樹脂、溶剤、分散剤とされている。なお、本実施形態では、Ａｇ粉末の含有量は、Ａｇペースト全体の８５質量％とされている。
また、本実施形態では、Ａｇペーストの粘度が１０Ｐａ・ｓ以上５００Ｐａ・ｓ以下、より好ましくは５０Ｐａ・ｓ以上３００Ｐａ・ｓ以下に調整されている。
【００３８】
Ａｇ粉末は、その粒径が０．０５μｍ以上１．０μｍ以下とされており、本実施形態では、平均粒径０．８μｍのものを使用した。
溶剤は、沸点が２００℃以上のものが適しており、例えば、α−テルピネオール、ブチルカルビトールアセテート、ジエチレンクリコールジブチルエーテル等を適用することができる。なお、本実施形態では、ジエチレンクリコールジブチルエーテルを用いている。
樹脂は、Ａｇペーストの粘度を調整するものであり、５００℃以上で分解されるものが適しており、例えば、アクリル樹脂、アルキッド樹脂等を適用することができる。なお、本実施形態では、エチルセルロースを用いている。
また、本実施形態では、ジカルボン酸系の分散剤を添加している。なお、分散剤を添加することなくＡｇペーストを構成してもよい。
【００３９】
次に、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク４０とを積層し、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し、パワーモジュール用基板１０の金属層１３とヒートシンク４０との間に溶融金属領域を形成する。
この溶融金属領域は、Ａｇ層のＡｇが金属層１３側及びヒートシンク４０側に拡散することによって、金属層１３及びヒートシンク４０のＡｇ層近傍のＡｇ濃度が上昇して融点が低くなることにより形成されるものである。
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６３０℃以下の範囲内に設定している。
【００４０】
次に、溶融金属領域が形成された状態で温度を一定に保持しておく。すると、溶融金属領域中のＡｇが、さらに金属層１３側及びヒートシンク４０側へと拡散していくことになる。これにより、溶融金属領域であった部分のＡｇ濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していくことになる。つまり、ヒートシンク４０と金属層１３とは、いわゆる液相拡散接合（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｐｈａｓｅ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって接合されているのである。
【００４１】
（半導体素子接合工程Ｓ０４）
この半導体素子接合工程Ｓ０４においては、回路層１２の一面側にＮｉ膜を形成し、このＮｉ膜の上に、はんだ材を介して半導体素子３を載置し、還元炉内においてはんだ接合する。
これにより、はんだ層２を介して半導体素子３がパワーモジュール用基板１０上に接合され、本実施形態であるパワーモジュール１が製出されることになる。
【００４２】
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及びパワーモジュール１によれば、回路層１２が、０．２％耐力が４０ＭＰａ以上７０ＭＰａ以下のアルミニウム又はアルミニウム合金で構成され、具体的にはＡ３００３合金で構成されているので、回路層１２の変形抵抗が大きくなり、熱サイクル負荷時におけるうねりやシワの発生を抑制することが可能となる。よって、鉛フリーはんだ材からなるはんだ層２にクラックが発生することが防止され、熱抵抗の上昇を抑えることができる。
なお、回路層１２の０．２％耐力が４０ＭＰａ以上とされているので、回路層１２におけるうねり及びシワの発生を確実に抑制することができる。また、回路層１２の０．２％耐力が７０ＭＰａ以下とされているので、回路層１２の変形抵抗が必要以上に大きくならず、セラミックス基板１１に大きな曲げ応力が作用することを防止できる。
【００４３】
一方、金属層１３が、０．２％耐力が１０ＭＰａ以上２０ＭＰａ以下のアルミニウム又はアルミニウム合金で構成され、具体的には４Ｎアルミニウムで構成されているので、セラミックス基板１１と金属層１３との熱膨張係数の差に起因する熱歪みを、金属層１３によって十分に吸収することができ、金属層１３とセラミックス基板１１との間の接合信頼性を向上させることができる。また、セラミックス基板１１に大きな曲げ応力が作用することを防止できる。
なお、金属層１３の０．２％耐力が１０ＭＰａ以上とされているので、金属層１３自体の強度が確保され、大きく変形することを防止できる。また、金属層１３の０．２％耐力が２０ＭＰａ以下とされているので、熱歪みを確実に吸収することができる。
【００４４】
そして、本実施形態においては、回路層１２とセラミックス基板１１との接合強度が、セラミックス基板１１と金属層１３との接合強度よりも低く設定されており、具体的には、回路層１２とセラミックス基板１１との間のピーリング強度ＰＦ１が１００Ｎ／ｃｍ≦ＰＦ１≦１５０Ｎ／ｃｍとされ、金属層１３とセラミックス基板１１との間のピーリング強度ＰＦ２が、ＰＦ２≧１５０Ｎ／ｃｍとされており、さらに、ＰＦ１＜ＰＦ２とされている。
これにより、回路層１２がセラミックス基板１１に強固に拘束されなくなり、セラミックス基板１１と回路層１２との熱膨張係数の差に起因する熱歪みの発生を抑制することができる。また、金属層１３が熱歪みを十分に吸収することが可能であることから、金属層１３がセラミックス基板１１に強固に拘束されても、接合界面に亀裂等が発生することが抑制される。さらに、セラミックス基板１１に作用する曲げ応力を小さくすることができ、セラミックス基板１１の割れを防止できる。
【００４５】
また、本実施形態では、回路層１２の厚さｔ１が、０．１ｍｍ≦ｔ１≦０．２５ｍｍの範囲内に設定されており、具体的にはｔ１＝０．２ｍｍに設定されているので、導電性を確保することができるとともに、回路層１２全体の剛性が必要以上に高くならず、セラミックス基板１１に大きな曲げ応力が作用することがなく、セラミックス基板１１の割れ等を防止することができる。
【００４６】
さらに、本実施形態では、セラミックス基板１１がＡｌＮで構成され、その厚さｔ０がｔ０＝０．６３５ｍｍに設定され、かつ、セラミックス基板１１の曲げ強度は４００ＭＰａ以上とされているので、Ａ３００３合金からなる金属板２２を接合して回路層１２を形成した場合であっても、セラミックス基板１１に割れが発生することを防止できる。
【００４７】
本実施形態であるパワーモジュール用基板においては、はんだ層２におけるクラックの発生が抑制され、かつ、回路層１２とセラミックス基板１１、セラミックス基板１１と金属層１３とが確実に接合され、セラミックス基板１１の割れが防止されていることから、信頼性に優れたパワーモジュール１を構成することができる。
【００４８】
また、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０の製造方法によれば、金属層接合工程Ｓ０１において、ろう材としてＡｌ−１０質量％Ｃｕを用いており、接合条件が、温度６００℃以上６５５℃以下、荷重３ｋｇｆ／ｃｍ２以上３０ｋｇｆ／ｃｍ２以下とされており、回路層接合工程Ｓ０２において、ろう材としてＡｌ−７．５質量％Ｓｉを用いており、接合条件が温度５９０℃以上６３０℃以下、荷重１ｋｇｆ／ｃｍ２以上１５ｋｇｆ／ｃｍ２以下されているので、回路層１２とセラミックス基板１１との間の接合強度を、金属層１３とセラミックス基板１１との間の接合強度よりも低く設定することができる。
【００４９】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図４に、本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールを示す。
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の表面にはんだ層１０２を介して接合された半導体素子１０３と、ヒートシンク１４０とを備えている。ここで、はんだ層１０２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材（いわゆる無鉛はんだ材）とされている。なお、本実施形態では、回路層１１２とはんだ層１０２との間にＮｉ膜（図示なし）が設けられている。
【００５０】
ヒートシンク１４０は、半導体素子１０３が搭載されるパワーモジュール用基板１１０を冷却するためのものである。本実施形態では、図４に示すように、熱伝導性が良好なＡ６０６３（アルミニウム合金）で構成された放熱板とされている。なお、ヒートシンク１４０の厚さｔ３は、３ｍｍ≦ｔ３≦１０ｍｍの範囲内に設定されており、具体的にはｔ３＝５ｍｍに設定されている
【００５１】
パワーモジュール用基板１１０は、図４に示すように、セラミックス基板１１１と、このセラミックス基板１１１の一方の面（図４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１１１の他方の面（図４において下面）に配設された金属層１１３と、を備えている。
【００５２】
セラミックス基板１１１は、回路層１１２と金属層１１３との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高いＳｉ３Ｎ４（窒化珪素）で構成されている。また、セラミックス基板１１１の厚さｔ０は、０．２ｍｍ≦ｔ０≦１．０ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、ｔ０＝０．３２ｍｍに設定されている。また、このセラミックス基板１１１の曲げ強度は６００ＭＰａ以上とされている。
【００５３】
回路層１１２は、図７に示すように、セラミックス基板１１１の一方の面（図７において上面）に、導電性を有する金属板１２２が接合されることにより形成されている。
そして、回路層１１２は、純度が９８質量％以下で、０．２％耐力が４０ＭＰａ以上７０ＭＰａ以下のアルミニウム又はアルミニウム合金の圧延板からなる金属板１２２が、セラミックス基板１１１に接合されることにより形成されている。
本実施形態では、金属板１２２は、Ａ６０６３合金の圧延板とされている。そして、回路層１１２の厚さｔ１は、０．１ｍｍ≦ｔ１≦０．２５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、ｔ１＝０．２ｍｍに設定されている。
【００５４】
金属層１１３は、図７に示すように、セラミックス基板１１１の他方の面（図７において下面）に、金属板１２３が接合されることにより形成されている。
この金属層１１３は、純度が９９質量％以上で、０．２％耐力が１０ＭＰａ以上２０ＭＰａ以下のアルミニウム又はアルミニウム合金の圧延板からなる金属板１２３が、セラミックス基板１１１に接合されることにより形成されている。
本実施形態では、金属板１２３は、純度が９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる２Ｎアルミニウム）の圧延板とされている。そして、金属層１１３の厚さｔ２は、０．２ｍｍ≦ｔ２≦２．０ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、ｔ２＝１．５ｍｍに設定されている。
【００５５】
また、本実施形態においては、図５に示すように、セラミックス基板１１１と金属層１１３（金属板１２３）との接合界面において、金属層１１３（金属板１２３）にＣｕが固溶している。
金属層１１３の接合界面近傍には、接合界面から積層方向に離間するにしたがい漸次Ｃｕ濃度が低下する濃度傾斜層１３２が形成されている。ここで、金属層１１３の接合界面近傍のＣｕ濃度が０．０５質量％以上５質量％以下の範囲内に設定されている。
なお、金属層１１３の接合界面近傍のＣｕ濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって、接合界面から５０μｍの位置で５点測定した平均値である。また、図５のグラフは、金属層１１３（金属板１２３）の中央部分において積層方向にライン分析を行い、前述の５０μｍ位置での濃度を基準として求めたものである。
【００５６】
そして、回路層１１２とセラミックス基板１１１との接合強度が、金属層１１３とセラミックス基板１１１との接合強度よりも低く設定されている。
具体的には、回路層１１２とセラミックス基板１１１との間のピーリング強度ＰＦ１が、１００Ｎ／ｃｍ≦ＰＦ１≦１５０Ｎ／ｃｍとされ、金属層１１３とセラミックス基板１１１との間のピーリング強度ＰＦ２が、ＰＦ２≧１５０Ｎ／ｃｍとされており、さらに、ＰＦ１＜ＰＦ２とされている。
【００５７】
なお、本実施形態におけるピーリング強度は、長さ１００ｍｍ、幅５ｍｍ、厚さ０．６ｍｍのＡ６０６３合金からなるアルミニウム板（回路層１１２）、及び、長さ１００ｍｍ、幅５ｍｍ、厚さ１．３ｍｍの２Ｎアルミニウムからなるアルミニウム板（金属層１１３）を用いて、ＪＩＳ  Ｃ  ６４７１に規定される方法に従って、短辺の端から回路層１１２及び金属層１１３をセラミックス基板１１１から剥離し、その応力を測定したものである。なお、引き剥がし角度を９０°、引き剥がし速度を５０ｍｍ／ｍｉｎとした。
【００５８】
以下に、前述の構成のパワーモジュール用基板１１０の製造方法について、図６から図８を参照して説明する。
【００５９】
（回路層接合工程Ｓ１０１）
まず、図７に示すように、回路層１１２となる金属板１２２とセラミックス基板１１１とを、ろう材１２４を介して接合する。本実施形態では、ろう材１２４として、Ａｌ−７．５質量％Ｓｉからなる厚さ５〜１５μｍのろう材箔を用いている。
積層された金属板１２２とセラミックス基板１１１とを積層方向に荷重（圧力１．５〜２．５kｇｆ／ｃｍ２）をかけた状態で真空加熱炉内に装入して加熱し、金属板１２２とセラミックス基板１１１との界面に溶融金属領域を形成する。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６３０℃以上６４０℃以下の範囲内に設定している。
そして、これを冷却することによって、金属板１２２とセラミックス基板１１１との界面に形成された溶融金属領域を凝固し、金属板１２２とセラミックス基板１１１とを接合する。
【００６０】
（金属層接合工程Ｓ１０２）
次に、金属層１１３となる金属板１２３の一面に、スパッタリングによってＣｕを固着してＣｕ層１２５を形成する（Ｃｕ固着工程）。Ｃｕ層１２５におけるＣｕ量は、０．０８ｍｇ／ｃｍ２以上２．７ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されている。
金属板１２３をセラミックス基板１１１の他方の面側に積層する（積層工程）。このとき、図７に示すように、金属板１２３のＣｕ層１２５が形成された面がセラミックス基板１１１を向くように、金属板１２３を積層する。
【００６１】
次に、セラミックス基板１１１、金属板１２３を積層方向に荷重（圧力９〜１３kｇｆ／ｃｍ２）をかけた状態で真空加熱炉内に装入して加熱し、セラミックス基板１１１と金属板１２３との界面にそれぞれ溶融金属領域１２８を形成する（加熱工程）。ここで、溶融金属領域１２８は、図８に示すように、Ｃｕ層１２５のＣｕが金属板１２３に向けて拡散することによって、金属板１２３のＣｕ層１２５近傍のＣｕ濃度が上昇して融点が低くなることにより形成されるものである。
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６２０℃以上６３０℃以下の範囲内に設定している。
【００６２】
次に、溶融金属領域１２８が形成された状態で温度を一定に保持しておく。すると、溶融金属領域１２８中のＣｕが、さらに金属板１２３側へと拡散していくことになる。これにより、溶融金属領域１２８であった部分のＣｕ濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していくことになる（凝固工程）。つまり、セラミックス基板１１１と金属板１２３とは、いわゆる液相拡散接合（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｐｈａｓｅ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって接合されているのである。
【００６３】
（ヒートシンク接合工程Ｓ１０３）
次に、パワーモジュール用基板１１１とヒートシンク１４０とを接合する。このヒートシンク接合工程Ｓ１０３においては、ヒートシンク１４０の接合面に、Ａｇをスパッタリングによって固着することによりＡｇ層を形成する。なお、Ａｇ層におけるＡｇ量は、００．０８ｍｇ／ｃｍ２以上５．４ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されている。
【００６４】
パワーモジュール用基板１１１とヒートシンク１４０とを積層し、積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で、雰囲気加熱炉内に装入して加熱し、金属層１１３とヒートシンク１４０との間に溶融金属領域を形成する。このとき、Ａｇ層のＡｇが金属層１１３及びヒートシンク１４０に向けて拡散し、Ａｇ層近傍のＡｇ濃度が上昇して融点が低くなることにより、溶融金属領域が形成される。ここで、本実施形態では、雰囲気加熱炉内は、窒素ガス雰囲気とされており、加熱温度は５５０℃以上６２０℃以下の範囲内に設定している。
【００６５】
そして、溶融金属領域が形成された状態で温度を一定に保持しておく。すると、溶融金属領域中のＡｇが、さらに金属層１１３側及びヒートシンク１４０側へと拡散していくことになる。これにより、溶融金属領域であった部分のＡｇ濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していくことになる。つまり、金属層１１３とヒートシンク１４０とは、いわゆる液相拡散接合（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｐｈａｓｅ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって接合されているのである。
【００６６】
（半導体素子接合工程Ｓ１０４）
この半導体素子接合工程Ｓ１０４においては、回路層１１２の一面側にＮｉ膜を形成し、このＮｉ膜の上に、はんだ材を介して半導体素子１０３を載置し、還元炉内においてはんだ接合する。
これにより、はんだ層１０２を介して半導体素子１０３がパワーモジュール用基板１１０上に接合され、本実施形態であるパワーモジュール１０１が製出されることになる。
【００６７】
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及びパワーモジュール１０１によれば、回路層１１２がＡ６０６３合金で構成され、金属層１１３が２Ｎアルミニウムで構成されているので、第１の実施形態と同様に、回路層１１２のうねり及びシワの発生が抑制され、はんだ層１０２におけるクラックの発生を抑制することができる。
【００６８】
また、本実施形態では、セラミックス基板１１１と金属層１１３との接合界面において、金属層１１３にＣｕが固溶しているので、金属層１１３のうちセラミックス基板１１１との接合界面近傍部分の強度を向上させることができる。また、金属層１１３のうちセラミックス基板１１１との接合界面近傍におけるＣｕ濃度が０．０５質量％以上とされているので、金属層１１３の接合界面側部分を確実に強化することができ、金属層１１３における亀裂の発生を防止できる。また、金属層１１３のうちセラミックス基板１１１との接合界面近傍におけるＣｕ濃度が５質量％以下とされているので、金属層１１３の接合界面の強度が必要以上に高くなることを防止できる。よって、このパワーモジュール用基板１１０に冷熱サイクルが負荷された際の熱応力を金属層１１３で吸収することができ、セラミックス基板１１１の割れ等を防止できる。
【００６９】
また、本実施形態においては、回路層１１２とセラミックス基板１１１との接合がＡｌ―７．５質量％Ｓｉのろう材によって接合され、セラミックス基板１１１と金属層１１３との接合は、Ｃｕを用いた液相拡散接合によって接合されている。ここで、Ｃｕはアルミニウムの強度を大幅に向上させる効果を有することから、金属層１１３の接合界面近傍の強度が向上し、金属層１１３とセラミックス基板１１１との接合強度が高くなる。よって、回路層１１２とセラミックス基板１１１との間の接合強度を、金属層１１３とセラミックス基板１１１との間の接合強度よりも低く設定することができる。
【００７０】
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、セラミックス基板として、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４を例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、高強度Ａｌ２Ｏ３等の他のセラミックス基板を用いてもよい。なお、セラミックス基板の厚さが０．２ｍｍから０．４ｍｍまでの場合には、曲げ強度が６００ＭＰａ以上、セラミックス基板の厚さが０．４ｍｍを超えて１．５ｍｍまでの場合には、曲げ強度が４００ＭＰａ以上であることが好ましい。
【００７１】
また、回路層を構成するアルミニウム材料として、Ａ３００３合金、Ａ６０６３合金を例に挙げて説明したが、これに限定されることはない。０．２％耐力が４０ＭＰａ以上７０ＭＰａ以下であれば、他のアルミニウム及びアルミニウム合金であってもよい。
同様に、金属層を構成するアルミニウム材料として、４Ｎアルミ、２Ｎアルミを例に挙げて説明したが、これに限定されることはない。０．２％耐力が１０ＭＰａ以上２０ＭＰａ以下であれば、他のアルミニウム及びアルミニウム合金であってもよい
【００７２】
また、ヒートシンクをアルミニウム合金で構成したものとして説明したが、他の材料で構成されたものであってもよい。さらに、ヒートシンクの構造に特に限定はなく、種々の構成のヒートシンクを用いることができる。
【００７３】
さらに、パワーモジュール用基板を構成した後にヒートシンクと接合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、回路層とセラミックス基板との接合、セラミックス基板と金属層との接合と、同時にヒートシンクを接合してもよい。
また、ヒートシンクを液相拡散接合によって接合するものとして説明下が、これに限定されることはなく、ろう付け、はんだ付け等で接合してもよい。
【実施例１】
【００７４】
本発明の有効性を確認するために行った比較実験について説明する。
まず、回路層とセラミックス基板、セラミックス基板と金属層のピーリング強度を測定した。長さ１００ｍｍ、幅５ｍｍ、厚さ０．６ｍｍの回路層形成用金属板と、長さ１００ｍｍ、幅５ｍｍ、厚さ１．３ｍｍの金属層形成用金属板と、３０ｍｍ×３０ｍｍのセラミックス基板と、を準備した。なお、セラミックス基板の材質、厚さについては、表１に示すものとした。また、表１に示すように、回路層形成用金属板は、Ａ３００３合金又はＡ６０６３合金又は４Ｎアルミニウムとし、金属層形成用金属板は、純度９９．９９質量％以上の純アルミニウム（４ＮＡｌ）とした。
【００７５】
回路層形成用金属板とセラミックス基板との接合については、Ａｌ−１０質量％Ｓｉからなる厚さ２０μｍのろう材箔を用いて、荷重３ｋｇｆ／ｃｍ２で実施したものを「Ｓｉろう材」と表記した。また、Ａｌ−１０質量％Ｃｕからなる厚さ９０μｍのろう材箔を用いて、荷重３ｋｇｆ／ｃｍ２で接合したものを「Ｃｕろう材」と表記した。なお、接合温度は、表１に示すとおりである。
【００７６】
セラミックス基板と金属層形成用金属板との接合については、Ａｌ−１０質量％Ｃｕからなる厚さ９０μｍのろう材箔を用いて、荷重３ｋｇｆ／ｃｍ２実施したものを「Ｃｕろう材」と表記した。また、金属層形成用金属板にＣｕをスパッタリングによって１ｍｇ／ｃｍ２固着し、荷重３ｋｇｆ／ｃｍ２で液相拡散接合したものを「ＴＬＰ」と表記した。  
なお、セラミックス基板と金属層形成用金属板との接合は、セラミックス基板と回路層形成用金属板との接合と同時に実施しており、接合温度も同一である。
【００７７】
上述のようにして、回路層形成用金属板とセラミックス基板、セラミックス基板と金属層形成用金属板とを接合し、ピーリング強度測定用試験片を作製した。
このピーリング強度測定用試験片を用いて、ＪＩＳ  Ｃ  ６４７１に規定される方法に従って、短辺の端から回路層及び金属層を、引き剥がし角度を９０°、引き剥がし速度を５０ｍｍ／ｍｉｎの条件で剥離し、その応力を測定した。測定結果を表１に示す。
【００７８】
【表１】
0005699882.tif 000002
【００７９】
実施例１−４では、回路層とセラミックス基板との接合にＳｉろう材を使用し、金属層とセラミックス基板との接合にＣｕろう材を使用することによって、回路層側の接合強度を金属層側の接合強度よりも低くできることが確認された。
実施例５、６及び比較例１では、回路層とセラミックス基板との接合にＳｉろう材を使用し、金属層とセラミックス基板との接合にＴＬＰを用いることによって、回路層側の接合強度を金属層側の接合強度よりも低くできることが確認された。
比較例２、３では、回路層とセラミックス基板との接合にＣｕろう材を使用し、金属層とセラミックス基板との接合にＴＬＰを用いることによって、回路層側の接合強度が金属層側の接合強度と同等となることが確認された。
【実施例２】
【００８０】
次に、熱サイクル試験を実施した。
２８ｍｍ×２８ｍｍの回路層形成用金属板と、２９ｍｍ×２９ｍｍの金属層形成用金属板と、３０ｍｍ×３０ｍｍのセラミックス基板と、を準備した。なお、回路層形成用金属板、金属層形成用金属板、セラミックス基板の材質、厚さについては、表２に示すものとした。また、表２に示すように、回路層形成用金属板は、Ａ３００３合金又はＡ６０６３合金又は４Ｎアルミニウムとし、金属層形成用金属板は、純度９９．９９質量％以上の純アルミニウム（４ＮＡｌ）とした。
【００８１】
回路層形成用金属板とセラミックス基板との接合については、Ａｌ−１０質量％Ｓｉからなる厚さ２０μｍのろう材箔を用いて、荷重３ｋｇｆ／ｃｍ２で実施したものを「Ｓｉろう材」と表記した。また、Ａｌ−１０質量％Ｃｕからなる厚さ９０μｍのろう材箔を用いて、荷重３ｋｇｆ／ｃｍ２で接合したものを「Ｃｕろう材」と表記した。なお、接合温度は、表２に示すとおりである。
【００８２】
セラミックス基板と金属層形成用金属板との接合については、Ａｌ−１０質量％Ｃｕからなる厚さ９０μｍのろう材箔を用いて、荷重３ｋｇｆ／ｃｍ２実施したものを「Ｃｕろう材」と表記した。また、金属層形成用金属板にＣｕをスパッタリングによって１ｍｇ／ｃｍ２固着し、荷重３ｋｇｆ／ｃｍ２で液相拡散接合したものを「ＴＬＰ」と表記した。
なお、セラミックス基板と金属層形成用金属板との接合は、回路層形成用金属板の接合と同時に実施しており、接合温度も同一である。
【００８３】
次に、得られたパワーモジュール用基板を用いて、熱サイクル試験を実施した。具体的には、冷熱サイクル（−４５℃←→１２５℃）を３０００回繰り返した後に、試験片を観察し、回路層表面のうねり状態、セラミックス基板の割れの有無、回路層とセラミックス基板との剥離状態、について評価した。結果を表２に示す。
なお、うねりについては、半径が２μｍの球状先端を有し、テーパ角が９０°の円錐を触針として用い、２．５（ｍｍ／基準長さ）×５区間の距離を、荷重４ｍＮ，速度１ｍｍ／ｓで表面を走査して区間平均の粗さ曲線を測定し、その算術平均粗さＲａ（ＪＩＳ  Ｂ０６０１−１９９４）を算出した。
【００８４】
【表２】
0005699882.tif 000003
【００８５】
回路層を、０．２％耐力が４０ＭＰａ以上７０ＭＰａ以下の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、うねりが抑制されることが確認された。
また、回路層とセラミックス基板との接合強度が金属層とセラミックス基板との接合強度よりも低く設定されたものでは、セラミックス基板の割れ、回路層とセラミックス基板との剥離が防止されることが確認された。
【符号の説明】
【００８６】
１、１０１  パワーモジュール
２、１０２  はんだ層
３、１０３  半導体素子（電子部品）
１０、１１０  パワーモジュール用基板
１１、１１１  セラミックス基板
１２、１１２  回路層
１３、１１３  金属層
４０、１４０  ヒートシンク
【図１】
0005699882.tif 000004
【図２】
0005699882.tif 000005
【図３】
0005699882.tif 000006
【図４】
0005699882.tif 000007
【図５】
0005699882.tif 000008
【図６】
0005699882.tif 000009
【図７】
0005699882.tif 000010
【図８】
0005699882.tif 000011