(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に半導体素子が接合されるＮｉ又はＮｉ合金で形成されたＮｉ層と、前記Ｎｉ層の片側に積層状に配置されたＴｉ又はＴｉ合金で形成されたＴｉ層とが放電プラズマ焼結法により接合されるとともに、
前記Ｔｉ層と、前記Ｔｉ層の前記Ｎｉ層配置側とは反対側に積層状に配置されたＡｌ又はＡｌ合金で形成されたＡｌ層とが放電プラズマ焼結法により接合されていることを特徴とする絶縁基板用積層材。
【請求項２】
前記Ａｌ層と、前記Ａｌ層の前記Ｔｉ層配置側とは反対側に積層状に配置されたろう材層とが放電プラズマ焼結法により接合されている請求項１記載の絶縁基板用積層材。
【請求項３】
前記Ｎｉ層と前記Ｔｉ層との接合界面に、前記Ｎｉ層のＮｉと前記Ｔｉ層のＴｉとが合金化してなる厚さ７μｍ以下の第１合金層が形成されている請求項１又は２記載の絶縁基板用積層材。
【請求項４】
前記Ｔｉ層と前記Ａｌ層との接合界面に、前記Ｔｉ層のＴｉと前記Ａｌ層のＡｌとが合金化してなる厚さ５μｍ以下の第２合金層が形成されている請求項１〜３のいずれかに記載の絶縁基板用積層材。
【請求項５】
前記Ａｌ層は、純度４Ｎ以上の純Ａｌで形成されている請求項１〜４のいずれかに記載の絶縁基板用積層材。
【請求項６】
表面に半導体素子が接合されるＮｉ又はＮｉ合金で形成されたＮｉ層と、前記Ｎｉ層の片側に積層状に配置されるＴｉ又はＴｉ合金で形成されたＴｉ層とを放電プラズマ焼結法により接合する第１接合工程と、
前記第１接合工程の後で、前記Ｔｉ層と、前記Ｔｉ層の前記Ｎｉ層配置側とは反対側に積層状に配置されるＡｌ又はＡｌ合金で形成されたＡｌ層とを放電プラズマ焼結法により接合する第２接合工程と、を含んでいることを特徴とする絶縁基板用積層材の製造方法。
【請求項７】
前記第１接合工程では、前記Ｎｉ層と前記Ｔｉ層とを、これらの層の接合界面に前記Ｎｉ層のＮｉと前記Ｔｉ層のＴｉとが合金化してなる厚さ７μｍ以下の第１合金層が形成されるように、放電プラズマ焼結法により接合する請求項６記載の絶縁基板用積層材の製造方法。
【請求項８】
前記第２接合工程では、前記Ｔｉ層と前記Ａｌ層とを、これらの層の接合界面に前記Ｔｉ層のＴｉと前記Ａｌ層のＡｌとが合金化してなる厚さ５μｍ以下の第２合金層が形成されるように、放電プラズマ焼結法により接合する請求項６又は７記載の絶縁基板用積層材の製造方法。
【請求項９】
前記第１接合工程では、前記Ｎｉ層と前記Ｔｉ層とを、これらの層の周囲を放電プラズマ焼結用筒状ダイで包囲しない状態で放電プラズマ焼結法により接合する請求項６〜８のいずれかに記載の絶縁基板用積層材の製造方法。
【請求項１０】
前記第２接合工程では、前記Ｔｉ層と前記Ａｌ層とを、これらの層の周囲を放電プラズマ焼結用筒状ダイで包囲しない状態で放電プラズマ焼結法により接合する請求項６〜９のいずれかに記載の絶縁基板用積層材の製造方法。
【請求項１１】
前記第１接合工程では、
前記Ｎｉ層と前記Ｔｉ層との第１未接合積層体を複数準備するとともに、前記複数の第１未接合積層体を互いに隣り合う各第１未接合積層体間に導電性離型板を介して積層し、
次いで、前記各第１未接合積層体のＮｉ層とＴｉ層とを放電プラズマ焼結法により一括して接合する請求項６〜８のいずれかに記載の絶縁基板用積層材の製造方法。
【請求項１２】
前記第１接合工程では、
前記Ｎｉ層と前記Ｔｉ層との第１未接合積層体を複数準備するとともに、前記複数の第１未接合積層体を互いに隣り合う各第１未接合積層体間に導電性離型板を介して積層し、
次いで、前記複数の第１未接合積層体の周囲を放電プラズマ焼結用筒状ダイで包囲しない状態で前記各第１未接合積層体のＮｉ層とＴｉ層とを放電プラズマ焼結法により一括して接合する請求項６〜８のいずれかに記載の絶縁基板用積層材の製造方法。
【請求項１３】
前記第２接合工程では、
前記Ｔｉ層と前記Ａｌ層との第２未接合積層体を複数準備するとともに、前記複数の第２未接合積層体を互いに隣り合う各第２未接合積層体間に導電性離型板を介して積層し、
次いで、前記各第２未接合積層体のＴｉ層とＡｌ層とを放電プラズマ焼結法により一括して接合する請求項６〜８、１１及び１２のいずれかに記載の絶縁基板用積層材の製造方法。
【請求項１４】
前記第２接合工程では、
前記Ｔｉ層と前記Ａｌ層との第２未接合積層体を複数準備するとともに、前記複数の第２未接合積層体を互いに隣り合う各第２未接合積層体間に導電性離型板を介して積層し、
次いで、前記複数の第２未接合積層体の周囲を放電プラズマ焼結用筒状ダイで包囲しない状態で前記各第２未接合積層体のＴｉ層とＡｌ層とを放電プラズマ焼結法により一括して接合する請求項６〜８、１１及び１２のいずれかに記載の絶縁基板用積層材の製造方法。
【請求項１５】
前記第２接合工程では、前記Ｔｉ層と、前記Ａｌ層と、前記Ａｌ層の前記Ｔｉ層配置側とは反対側に積層状に配置されるろう材層とを放電プラズマ焼結法により同時に接合する請求項６又は７記載の絶縁基板用積層材の製造方法。
【請求項１６】
前記第２接合工程では、前記Ｔｉ層と前記Ａｌ層と前記ろう材層とを、前記Ｔｉ層と前記Ａｌ層との接合界面に前記Ｔｉ層のＴｉと前記Ａｌ層のＡｌとが合金化してなる厚さ５μｍ以下の第２合金層が形成されるように、放電プラズマ焼結法により同時に接合する請求項１５記載の絶縁基板用積層材の製造方法。
【請求項１７】
前記第２接合工程では、前記Ｔｉ層と前記Ａｌ層と前記ろう材層とを、これらの層の周囲を放電プラズマ焼結用筒状ダイで包囲しない状態で放電プラズマ焼結法により同時に接合する請求項１５又は１６記載の絶縁基板用積層材の製造方法。
【請求項１８】
前記第２接合工程では、
前記Ｔｉ層と前記Ａｌ層と前記ろう材層との第２未接合積層体を複数準備するとともに、前記複数の第２未接合積層体を互いに隣り合う各第２未接合積層体間に導電性離型板を介して積層し、
次いで、前記各第２未接合積層体のＴｉ層とＡｌ層とろう材層とを放電プラズマ焼結法により一括して同時に接合する請求項１５又は１６記載の絶縁基板用積層材の製造方法。
【請求項１９】
前記第２接合工程では、
前記Ｔｉ層と前記Ａｌ層と前記ろう材層との第２未接合積層体を複数準備するとともに、前記複数の第２未接合積層体を互いに隣り合う各第２未接合積層体間に導電性離型板を介して積層し、
次いで、前記複数の第２未接合積層体の周囲を放電プラズマ焼結用筒状ダイで包囲しない状態で前記各第２未接合積層体のＴｉ層とＡｌ層とろう材層とを放電プラズマ焼結法により一括して同時に接合する請求項１５又は１６記載の絶縁基板用積層材の製造方法。
【請求項２０】
前記Ａｌ層は、純度４Ｎ以上の純Ａｌで形成されている請求項６〜１９のいずれかに記載の絶縁基板用積層材の製造方法。
【請求項２１】
請求項１〜５のいずれかに記載の積層材を備えていることを特徴とする絶縁基板。
【請求項２２】
請求項１〜５のいずれかに記載の積層材のＮｉ層の表面に半導体チップがはんだ付けにより接合されていることを特徴とする半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子の放熱に用いられる絶縁基板用積層材、その製造方法、絶縁基板及び半導体モジュール関する。
【０００２】
なお本明細書では、「板」の語は「箔」を含む意味で用いられる。
【背景技術】
【０００３】
パワー半導体モジュール等の半導体モジュールは、半導体素子の動作により半導体素子から発生した熱を放出するため、放熱部材（例：ヒートシンク、冷却器）を備えている。さらに、この半導体モジュールでは、半導体素子と放熱部材との間に、半導体素子から発生した熱を放熱部材に伝達するための放熱用絶縁基板が配置されている。この絶縁基板は、熱的には伝導体であるが電気的には絶縁体として機能するものであり、具体的には、電気絶縁層としてのセラミック層と、その片面上に接合された配線層（回路層）を含む金属層と、を備えている（例えば特許文献１〜４参照）。そして、絶縁基板の金属層上に半導体素子がはんだ付けにより接合される。
【０００４】
金属層を構成する層として、近年、Ａｌ又はＡｌ合金で形成されたＡｌ層が用いられてきている。その理由は、Ａｌ層は電気特性及び熱特性に優れているし、またＡｌ層を用いると絶縁基板の製造コストの引下げを図ることができるからである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−３２８０１２号公報
【特許文献２】特開２００４−２３５５０３号公報
【特許文献３】特開２００６−３０３３４６号公報
【特許文献４】特開２００９−１４７１２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、Ａｌ層ははんだ接合性が悪い。そのため、半導体素子をはんだ付けにより接合できるように、Ａｌ層の表面にＮｉ層としてＮｉめっき層を形成することが行われるが、この場合には、Ａｌ層とＮｉめっき層との接合界面に強度の弱い合金層が形成されてしまう。その結果、冷熱サイクルに伴い発生する熱応力（熱歪み）によってこの合金層で割れや剥離が生じ易くなり、またはＮｉ層の表面の変形（凹凸）が生じ易くなる。
【０００７】
本発明は、上述した技術背景に鑑みてなされたもので、その目的は、絶縁基板に用いられる積層材であって、はんだ接合性が良好であり、接合界面での割れや剥離及びＮｉ層の表面の変形（凹凸）の発生を防止できる積層材、その製造方法、絶縁基板及び半導体モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は以下の手段を提供する。
【０００９】
［１］  表面に半導体素子が接合されるＮｉ又はＮｉ合金で形成されたＮｉ層と、前記Ｎｉ層の片側に積層状に配置されたＴｉ又はＴｉ合金で形成されたＴｉ層とが放電プラズマ焼結法により接合されるとともに、
前記Ｔｉ層と、前記Ｔｉ層の前記Ｎｉ層配置側とは反対側に積層状に配置されたＡｌ又はＡｌ合金で形成されたＡｌ層とが放電プラズマ焼結法により接合されていることを特徴とする絶縁基板用積層材。
【００１０】
［２］  前記Ａｌ層と、前記Ａｌ層の前記Ｔｉ層配置側とは反対側に積層状に配置されたろう材層とが放電プラズマ焼結法により接合されている前項１記載の絶縁基板用積層材。
【００１１】
［３］  前記Ｎｉ層と前記Ｔｉ層との接合界面に、前記Ｎｉ層のＮｉと前記Ｔｉ層のＴｉとが合金化してなる厚さ７μｍ以下の第１合金層が形成されている前項１又は２記載の絶縁基板用積層材。
【００１２】
［４］  前記Ｔｉ層と前記Ａｌ層との接合界面に、前記Ｔｉ層のＴｉと前記Ａｌ層のＡｌとが合金化してなる厚さ５μｍ以下の第２合金層が形成されている前項１〜３のいずれかに記載の絶縁基板用積層材。
【００１３】
［５］  前記Ａｌ層は、純度４Ｎ以上の純Ａｌで形成されている前項１〜４のいずれかに記載の絶縁基板用積層材。
【００１４】
［６］  表面に半導体素子が接合されるＮｉ又はＮｉ合金で形成されたＮｉ層と、前記Ｎｉ層の片側に積層状に配置されるＴｉ又はＴｉ合金で形成されたＴｉ層とを放電プラズマ焼結法により接合する第１接合工程と、
前記第１接合工程の後で、前記Ｔｉ層と、前記Ｔｉ層の前記Ｎｉ層配置側とは反対側に積層状に配置されるＡｌ又はＡｌ合金で形成されたＡｌ層とを放電プラズマ焼結法により接合する第２接合工程と、を含んでいることを特徴とする絶縁基板用積層材の製造方法。
【００１５】
［７］  前記第１接合工程では、前記Ｎｉ層と前記Ｔｉ層とを、これらの層の接合界面に前記Ｎｉ層のＮｉと前記Ｔｉ層のＴｉとが合金化してなる厚さ７μｍ以下の第１合金層が形成されるように、放電プラズマ焼結法により接合する前項６記載の絶縁基板用積層材の製造方法。
【００１６】
［８］  前記第２接合工程では、前記Ｔｉ層と前記Ａｌ層とを、これらの層の接合界面に前記Ｔｉ層のＴｉと前記Ａｌ層のＡｌとが合金化してなる厚さ５μｍ以下の第２合金層が形成されるように、放電プラズマ焼結法により接合する前項６又は７記載の絶縁基板用積層材の製造方法。
【００１７】
［９］  前記第１接合工程では、前記Ｎｉ層と前記Ｔｉ層とを、これらの層の周囲を放電プラズマ焼結用筒状ダイで包囲しない状態で放電プラズマ焼結法により接合する前項６〜８のいずれかに記載の絶縁基板用積層材の製造方法。
【００１８】
［１０］  前記第２接合工程では、前記Ｔｉ層と前記Ａｌ層とを、これらの層の周囲を放電プラズマ焼結用筒状ダイで包囲しない状態で放電プラズマ焼結法により接合する前項６〜９のいずれかに記載の絶縁基板用積層材の製造方法。
【００１９】
［１１］  前記第１接合工程では、
前記Ｎｉ層と前記Ｔｉ層との第１未接合積層体を複数準備するとともに、前記複数の第１未接合積層体を互いに隣り合う各第１未接合積層体間に導電性離型板を介して積層し、
次いで、前記各第１未接合積層体のＮｉ層とＴｉ層とを放電プラズマ焼結法により一括して接合する前項６〜８のいずれかに記載の絶縁基板用積層材の製造方法。
【００２０】
［１２］  前記第１接合工程では、
前記Ｎｉ層と前記Ｔｉ層との第１未接合積層体を複数準備するとともに、前記複数の第１未接合積層体を互いに隣り合う各第１未接合積層体間に導電性離型板を介して積層し、
次いで、前記複数の第１未接合積層体の周囲を放電プラズマ焼結用筒状ダイで包囲しない状態で前記各第１未接合積層体のＮｉ層とＴｉ層とを放電プラズマ焼結法により一括して接合する前項６〜８のいずれかに記載の絶縁基板用積層材の製造方法。
【００２１】
［１３］  前記第２接合工程では、
前記Ｔｉ層と前記Ａｌ層との第２未接合積層体を複数準備するとともに、前記複数の第２未接合積層体を互いに隣り合う各第２未接合積層体間に導電性離型板を介して積層し、
次いで、前記各第２未接合積層体のＴｉ層とＡｌ層とを放電プラズマ焼結法により一括して接合する前項６〜８、１１及び１２のいずれかに記載の絶縁基板用積層材の製造方法。
【００２２】
［１４］  前記第２接合工程では、
前記Ｔｉ層と前記Ａｌ層との第２未接合積層体を複数準備するとともに、前記複数の第２未接合積層体を互いに隣り合う各第２未接合積層体間に導電性離型板を介して積層し、
次いで、前記複数の第２未接合積層体の周囲を放電プラズマ焼結用筒状ダイで包囲しない状態で前記各第２未接合積層体のＴｉ層とＡｌ層とを放電プラズマ焼結法により一括して接合する前項６〜８、１１及び１２のいずれかに記載の絶縁基板用積層材の製造方法。
【００２３】
［１５］  前記第２接合工程では、前記Ｔｉ層と、前記Ａｌ層と、前記Ａｌ層の前記Ｔｉ層配置側とは反対側に積層状に配置されるろう材層とを放電プラズマ焼結法により同時に接合する前項６又は７記載の絶縁基板用積層材の製造方法。
【００２４】
［１６］  前記第２接合工程では、前記Ｔｉ層と前記Ａｌ層と前記ろう材層とを、前記Ｔｉ層と前記Ａｌ層との接合界面に前記Ｔｉ層のＴｉと前記Ａｌ層のＡｌとが合金化してなる厚さ５μｍ以下の第２合金層が形成されるように、放電プラズマ焼結法により同時に接合する前項１５記載の絶縁基板用積層材の製造方法。
【００２５】
［１７］  前記第２接合工程では、前記Ｔｉ層と前記Ａｌ層と前記ろう材層とを、これらの層の周囲を放電プラズマ焼結用筒状ダイで包囲しない状態で放電プラズマ焼結法により同時に接合する前項１５又は１６記載の絶縁基板用積層材の製造方法。
【００２６】
［１８］  前記第２接合工程では、
前記Ｔｉ層と前記Ａｌ層と前記ろう材層との第２未接合積層体を複数準備するとともに、前記複数の第２未接合積層体を互いに隣り合う各第２未接合積層体間に導電性離型板を介して積層し、
次いで、前記各第２未接合積層体のＴｉ層とＡｌ層とろう材層とを放電プラズマ焼結法により一括して同時に接合する前項１５又は１６記載の絶縁基板用積層材の製造方法。
【００２７】
［１９］  前記第２接合工程では、
前記Ｔｉ層と前記Ａｌ層と前記ろう材層との第２未接合積層体を複数準備するとともに、前記複数の第２未接合積層体を互いに隣り合う各第２未接合積層体間に導電性離型板を介して積層し、
次いで、前記複数の第２未接合積層体の周囲を放電プラズマ焼結用筒状ダイで包囲しない状態で前記各第２未接合積層体のＴｉ層とＡｌ層とろう材層とを放電プラズマ焼結法により一括して同時に接合する前項１５又は１６記載の絶縁基板用積層材の製造方法。
【００２８】
［２０］  前記Ａｌ層は、純度４Ｎ以上の純Ａｌで形成されている前項６〜１９のいずれかに記載の絶縁基板用積層材の製造方法。
【００２９】
［２１］  前項１〜５のいずれかに記載の積層材を備えていることを特徴とする絶縁基板。
【００３０】
［２２］  前項１〜５のいずれかに記載の積層材のＮｉ層の表面に半導体チップがはんだ付けにより接合されていることを特徴とする半導体モジュール。
【発明の効果】
【００３１】
本発明は以下の効果を奏する。
【００３２】
前項［１］記載の絶縁基板用積層材は、Ｎｉ層を備えているので、はんだ接合性が良好である。したがって、半導体素子をこのＮｉ層の表面にはんだ付けにより確実に接合することができる。
【００３３】
さらに、Ｎｉ層とＡｌ層との間にＴｉ層が配置されているので、次の効果を奏する。すなわち、もしＮｉ層とＡｌ層との間にＴｉ層を配置しないでＮｉ層とＡｌ層とを直接接合した場合には、Ｎｉ層とＡｌ層との接合界面に強度の弱い合金層が形成されてしまい、その結果、冷熱サイクルに伴い発生する熱応力（熱歪み）によってこの合金層で割れや剥離が生じ易くなる。これに対して、前項［１］記載の積層材では、Ｎｉ層とＡｌ層との間にＴｉ層が配置されているので、そのような強度の弱い合金層は形成されない。これにより、熱応力による積層材の接合界面での割れや剥離の発生を防止できるし、更にはＮｉ層の表面の変形（凹凸）の発生も防止することができる。
【００３４】
しかも、Ｎｉ層とＴｉ層とを放電プラズマ焼結法により接合することによって、Ｎｉ層とＴｉ層との接合界面にはＮｉ層のＮｉとＴｉ層のＴｉとが合金化してなる第１合金層が形成される。この第１合金層は、Ｎｉ−Ｔｉ系超弾性合金相を含み、しかもＮｉとＴｉとの組成比が厚さ方向に徐々に変化する傾斜材料構造を採る。したがって、この第１合金層は熱応力を確実に緩和・吸収する役割を果たす。そのため、積層材の接合界面での割れや剥離の発生及びＮｉ層の表面の変形の発生を確実に防止することができる。
【００３５】
その上、Ｎｉ層とＴｉ層との接合手段と、Ｔｉ層とＡｌ層との接合手段がいずれも放電プラズマ焼結法であることにより、接合前後の各層の寸法変化を少なくすることができる。これにより、高い寸法精度を有する積層材を得ることができる。
【００３６】
さらに、Ｔｉ層とＡｌ層との接合手段として放電プラズマ焼結法を採用することにより、接合手段としてクラッド接合を採用する場合に比べて、厚さの厚いＡｌ層をＴｉ層と接合することが可能となる。そのため、Ａｌ層を配線層として確実に機能させることができる。
【００３７】
前項［２］記載の積層材では、Ａｌ層とろう材層とが接合されているので、このろう材層を、積層材と絶縁基板の所定の層（例：セラミック層）とを接合する際のろう材として用いることができる。そのため、積層材と絶縁基板の所定の層とを容易に接合することができる。
【００３８】
前項［３］記載の積層材では、Ｎｉ層とＴｉ層との接合界面に形成される第１合金層は、一般に熱電導率が低いが、この第１合金層の厚さが７μｍ以下であることにより、第１合金層が形成されることによる積層材の熱伝導率の低下を防止することができる。
【００３９】
前項［４］記載の積層材では、Ｔｉ層とＡｌ層との接合界面に形成される第２合金層は、当該積層材において一番脆弱な相を含む層となるが、この第２合金層の厚さが５μｍ以下であることにより、Ｔｉ層とＡｌ層との接合界面での割れや剥離の発生を防止することができる。
【００４０】
前項［５］記載の積層材では、Ａｌ層が純度４Ｎ以上の純Ａｌで形成されることにより、Ａｌ層を配線層として好適に用いることができる。
【００４１】
前項［６］記載の絶縁基板用積層材の製造方法では、前項［１］記載の積層材を製造することができる。
【００４２】
前項［７］記載の積層材の製造方法によれば、Ｎｉ層とＴｉ層とを、これらの層の接合界面に厚さ７μｍ以下の第１合金層が形成されるように、放電プラズマ焼結法により接合することにより、第１合金層が形成されることによる積層材の熱伝導率の低下を防止することができる。
【００４３】
前項［８］記載の積層材の製造方法によれば、Ｔｉ層とＡｌ層とを、これらの層の接合界面に厚さ５μｍ以下の第２合金層が形成されるように、放電プラズマ焼結法により接合することにより、第２合金層が形成されることによる接合界面での割れや剥離の発生を防止することができる。
【００４４】
前項［９］記載の積層材の製造方法によれば、Ｎｉ層とＴｉ層とを、これらの層の周囲を放電プラズマ焼結用筒状ダイで包囲しない状態で放電プラズマ焼結法により接合することにより、放電プラズマ焼結法による接合の際にこれらの層のセッティング作業及び接合後における取り出し作業を容易に行うことができる。これにより、接合作業を迅速に行うことができるし、放電プラズマ焼結装置についての設備費の低減を図ることができる。
【００４５】
前項［１０］記載の積層材の製造方法によれば、Ｔｉ層とＡｌ層とを、これらの層の周囲を放電プラズマ焼結用筒状ダイで包囲しない状態で放電プラズマ焼結法により接合することにより、前項［９］記載の積層材の製造方法と同じく、放電プラズマ焼結法による接合の際にこれらの層のセッティング作業及び接合後における取り出し作業を容易に行うことができる。これにより、接合作業を迅速に行うことができるし、放電プラズマ焼結装置についての設備費の低減を図ることができる。
【００４６】
前項［１１］記載の積層材の製造方法によれば、各第１未接合積層体のＮｉ層とＴｉ層とを放電プラズマ焼結法により一括して接合することにより、Ｎｉ層とＴｉ層との接合体を大量に製造することができる。これにより、積層材の製造コストを引き下げることができる。
【００４７】
前項［１２］記載の積層材の製造方法によれば、各第１未接合積層体のＮｉ層とＴｉ層とを放電プラズマ焼結法により一括して接合することにより、Ｎｉ層とＴｉ層との接合体を大量に製造することができる。これにより、積層材の製造コストを引き下げることができる。
【００４８】
さらに、複数の第１未接合積層体の周囲を放電プラズマ焼結用筒状ダイで包囲しない状態で放電プラズマ焼結法による接合を行うことにより、放電プラズマ焼結法による接合の際にこれらの第１未接合積層体のセッティング作業及び接合後における取り出し作業を容易に行うことができる。これにより、接合作業を迅速に行うことができるし、放電プラズマ焼結装置についての設備費の低減を図ることができる。
【００４９】
前項［１３］記載の積層材の製造方法によれば、各第２未接合積層体のＴｉ層とＡｌ層とを放電プラズマ焼結法により一括して接合することにより、積層材を大量に製造することができる。これにより、積層材の製造コストを引き下げることができる。
【００５０】
前項［１４］記載の積層材の製造方法によれば、各第２未接合積層体のＴｉ層とＡｌ層とを放電プラズマ焼結法により一括して接合することにより、積層材を大量に製造することができる。これにより、積層材の製造コストを引き下げることができる。
【００５１】
さらに、複数の第２未接合積層体の周囲を放電プラズマ焼結用筒状ダイで包囲しない状態で放電プラズマ焼結法による接合を行うことにより、放電プラズマ焼結法による接合の際にこれらの第２未接合積層体のセッティング作業及び接合後における取り出し作業を容易に行うことができる。これにより、接合作業を迅速に行うことができるし、放電プラズマ焼結装置についての設備費の低減を図ることができる。
【００５２】
前項［１５］記載の積層材の製造方法によれば、Ｔｉ層とＡｌ層とろう材層とを放電プラズマ焼結法により同時に接合することにより、ろう材層を備えた積層材を作業能率良く得ることができる。また、こうして得られた積層材によれば、ろう材層を、積層材と絶縁基板の所定の層（例：セラミック層）とを接合する際のろう材として用いることができ、そのため、積層材と絶縁基板の所定の層とを容易に接合することができる。
【００５３】
前項［１６］記載の積層材の製造方法によれば、Ｔｉ層とＡｌ層とろう材層とを、Ｔｉ層とＡｌ層との接合界面に厚さ５μｍ以下の第２合金層が形成されるように、放電プラズマ焼結法により接合することにより、第２合金層が形成されることによる接合界面での割れや剥離の発生を防止することができる。
【００５４】
前項［１７］記載の積層材の製造方法によれば、Ｔｉ層とＡｌ層とろう材層とを、これらの層の周囲を放電プラズマ焼結用筒状ダイで包囲しない状態で放電プラズマ焼結法により接合することにより、放電プラズマ焼結法による接合の際にこれらの層のセッティング作業及び接合後における取り出し作業を容易に行うことができる。これにより、接合作業を迅速に行うことができるし、放電プラズマ焼結装置についての設備費の低減を図ることができる。
【００５５】
前項［１８］記載の積層材の製造方法によれば、各第２未接合積層体のＴｉ層とＡｌ層とろう材層とを放電プラズマ焼結法により一括して同時に接合することにより、積層材を大量に製造することができる。これにより、積層材の製造コストを引き下げることができる。
【００５６】
前項［１９］記載の積層材の製造方法によれば、各第２未接合積層体のＴｉ層とＡｌ層とろう材層とを放電プラズマ焼結法により一括して同時に接合することにより、積層材を大量に製造することができる。これにより、積層材の製造コストを引き下げることができる。
【００５７】
さらに、複数の第２未接合積層体の周囲を放電プラズマ焼結用筒状ダイで包囲しない状態で放電プラズマ焼結法による接合を行うことにより、放電プラズマ焼結法による接合の際にこれらの第２未接合積層体のセッティング作業及び接合後における取り出し作業を容易に行うことができる。これにより、接合作業を迅速に行うことができるし、放電プラズマ焼結装置についての設備費の低減を図ることができる。
【００５８】
前項［２０］記載の積層材の製造方法によれば、Ａｌ層が純度４Ｎ以上の純Ａｌで形成されることにより、Ａｌ層を配線層として好適に用いることができる。
【００５９】
前項［２１］記載の絶縁基板は、上記［１］〜［５］のいずれかに記載の積層材と同様の利点を有する。
【００６０】
前項［２２］記載の半導体モジュールは、上記［１］〜［５］のいずれかに記載の積層材と同様の利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態に係る積層材を用いて製造された絶縁基板を備えた半導体モジュールの正面図である。
【図２】図２は、同積層材の断面図である。
【図３】図３は、同積層材の製造工程の一例を示す概略断面図である。
【図４】図４は、Ｎｉ層とＴｉ層とを筒状ダイを用いて放電プラズマ焼結法により接合する第１接合工程を示す断面図である。
【図５】図５は、Ｔｉ層とＡｌ層とろう材層とを筒状ダイを用いて放電プラズマ焼結法により同時に接合する第２接合行程を示す断面図である。
【図６】図６は、同第１接合工程においてＮｉ層とＴｉ層とを筒状ダイを用いないで放電プラズマ焼結法により接合する場合を示す断面図である。
【図７】図７は、同第１接合工程において各第１未接合積層体のＮｉ層とＴｉ層とを筒状ダイを用いて放電プラズマ焼結法により一括して接合する場合を示す断面図である。
【図８】図８は、同第１接合工程において各第１未接合積層体のＮｉ層とＴｉ層とを筒状ダイを用いないで放電プラズマ焼結法により一括して接合する場合を示す断面図である。
【図９】図９は、同第２接合工程においてＴｉ層とＡｌ層とろう材層とを筒状ダイを用いないで放電プラズマ焼結法により同時に接合する場合を示す断面図である。
【図１０】図１０は、同第２接合工程において各第２未接合積層体のＴｉ層とＡｌ層とろう材層とを筒状ダイを用いて放電プラズマ焼結法により一括して同時に接合する場合を示す断面図である。
【図１１】図１１は、同第２接合工程において各第１２接合積層体のＴｉ層とＡｌ層とろう材層とを筒状ダイを用いないで放電プラズマ焼結法により一括して同時に接合する場合を示す断面図である。
【図１２】図１２は、本発明の第２実施形態に係る積層材の製造工程の一例を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００６２】
次に、本発明の幾つかの実施形態について図面を参照して以下に説明する。
【００６３】
なお、以下の説明において、各図面の上下を上下というものとする。また、各図面には、全図面を通じて同一部材には同一符号が付されている。
【００６４】
図１において、２０は本発明の第１実施形態に係る半導体モジュールである。この半導体モジュール２０は、ＩＧＢＴモジュール、ＭＯＳＦＥＴモジュール、サイリスタモジュール、ダイオードモジュール等であり、半導体素子２１と絶縁基板１５と放熱部材１７とを備えている。絶縁基板１５は、半導体素子２１と放熱部材１７との間に配置されており、半導体素子２１から発生した熱を放熱部材１７に伝達する役割を果たす。そのため、絶縁基板１５は、優れた電気絶縁性と高い熱伝導性とを兼ね備えることが要求される。
【００６５】
半導体素子２１は、ＩＧＢＴチップ、ＭＯＳＦＥＴチップ、サイリスタチップ、ダイオードチップ等である。
【００６６】
放熱部材１７は、空冷式又は水冷式のヒートシンクや冷却器などであり、金属製であり、具体的には例えばＡｌ又はＡｌ合金製である。本第１実施形態では、放熱部材１７は例えば放熱フィンを有するヒートシンクである。
【００６７】
図２に示すように、絶縁基板１５は、本発明の第１実施形態に係る積層材１Ａを用いて製造されたものであり、詳述すると、本第１実施形態の積層材１Ａと、セラミック層１０と、金属ベース層１２とを含んでいる。
【００６８】
セラミック層１０は、絶縁基板１５における電気絶縁層として機能するセラミックで形成されたものであり、好ましくはＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、Ｙ２Ｏ３、ＣａＯ、ＢＮ及びＢｅＯからなる群より選択される１種又は２種以上のセラミックで形成されたものである。このセラミック層１０は、セラミック板から提供されて形成されたものである。セラミック層１０の厚さは例えば３００〜１０００μｍである。因みに、セラミック層１０を形成するセラミックの融点又は分解点は、ＡｌＮ：２２００℃、Ａｌ２Ｏ３：２０５０℃、Ｓｉ３Ｎ４：１９００℃、Ｙ２Ｏ３：２４００℃、ＣａＯ：２５７０℃、ＢＮ：３０００℃、ＢｅＯ：２５７０℃である。なお、セラミック層１０の大きさは、電気絶縁性を確実に確保するため他の層よりも若干大きく設定されるのが望ましい。
【００６９】
金属ベース層１２は、セラミック層１０と放熱部材１７との間に配置されるものであり、熱応力の緩和を図ることを目的とするものである。この金属ベース層１２は、金属板から提供されて形成されたものであり、例えばＡｌ又はＡｌ合金で形成されている。そして、この金属ベース層１２がセラミック層１０の下面側に積層状にセラミック層１０とろう付けにより接合されている。金属ベース層１２とセラミック層１０との接合界面には、金属ベース層１２とセラミック層１０とを接合したろう材層１１が形成されている。金属ベース層１２の下面側には放熱部材１７が金属ベース層１２とろう付け等により接合される。
【００７０】
本第１実施形態の積層材１Ａは、セラミック層１０の片面側（本第１実施形態ではセラミック層１０の上面側）に積層状にセラミック層とろう付けにより接合されるものであり、Ｎｉ層２、Ｔｉ層４、Ａｌ層６、ろう材層７などを備えている。なお図面では、ろう材層７は他の層と区別し易くするためドットハッチングで図示されている。
【００７１】
Ｎｉ層２は、その表面２ａ（上面）に半導体素子２１がはんだ付けにより接合されるものである。このＮｉ層２は、Ｎｉ又はＮｉ合金で形成されており、詳述すると、Ｎｉ板又はＮｉ合金板から提供されて形成されたものである。
【００７２】
Ｔｉ層４は、Ｎｉ層２の表面２ａ側とは反対側（即ち下側）に積層状に配置されている。そして、Ｎｉ層２とＴｉ層４とが放電プラズマ焼結法により接合されている。このＴｉ層４は、Ｔｉ又はＴｉ合金で形成されており、詳述するとＴｉ板又はＴｉ合金板から提供されて形成されたものである。
【００７３】
さらに、Ｎｉ層２とＴｉ層４との接合界面には、Ｎｉ層２のＮｉとＴｉ層４のＴｉとが合金化してなる第１合金層３が形成されている。この第１合金層３は、Ｎｉ層２とＴｉ層４とを放電プラズマ焼結法により接合した時に形成されたものであり、Ｎｉ−Ｔｉ系超弾性合金相を含んでいる。しかも、この第１合金層３は、ＮｉとＴｉとの組成比が厚さ方向に徐々に変化する傾斜材料構造を採る。そのため、この第１合金層３は、熱応力（熱歪み）を確実に緩和・吸収する役割を果たす。これにより、積層材１Ａの接合界面での割れや剥離の発生及び積層材１ＡのＮｉ層２の表面２ａの変形（凹凸）の発生を確実に防止することができる。Ｎｉ−Ｔｉ系超弾性合金相は、詳述すると例えばＮｉＴｉ超弾性合金相である。
【００７４】
Ａｌ層６は、Ｔｉ層４のＮｉ層２配置側とは反対側（即ち下側）に積層状に配置されている。そして、Ｔｉ層４とＡｌ層６とが放電プラズマ焼結法により接合されている。このＡｌ層６は、Ａｌ又はＡｌ合金で形成されており、詳述すると例えばＡｌ板又はＡｌ合金板から提供されて形成されたものである。特に、このＡｌ層６は、絶縁基板１５の配線層として機能するとともに応力緩和機能を有するものであり、そのため純度４Ｎ以上（即ち純度９９．９９質量％以上）の純アルミニウムで形成されるのが良い。
【００７５】
さらに、Ｔｉ層４とＡｌ層６との接合界面には、Ｔｉ層４のＴｉとＡｌ層６のＡｌとが合金化してなる第２合金層５が形成されている。この第２合金層５は、Ｔｉ層４とＡｌ層６とを放電プラズマ焼結法により接合した時に形成されたものであり、Ｔｉ−Ａｌ系合金相を含んでいる。
【００７６】
ここで、上述したように第１合金層３はＮｉ−Ｔｉ系超弾性合金相を含んでおり、このＮｉ−Ｔｉ系超弾性合金相は熱応力を緩和・吸収する。しかし、Ｎｉ−Ｔｉ系超弾性合金の熱伝導率は１２．１Ｗ／ｍ・Ｋであり、この値はＡｌの熱伝導率２３６Ｗ／ｍ・Ｋと比べて著しく低い。したがって、第１合金層３の厚さはなるべく薄い方が積層材１Ａ（更には絶縁基板１５）の熱伝導率の低下を防止できる点で望ましく、特に７μｍ以下であることが良い。第１合金層３の厚さの下限は限定されるものではないが、特に２μｍであることが熱応力を確実に緩和・吸収しうる点で特に望ましい。
【００７７】
第２合金層５の厚さはなるべく薄い方が積層材１Ａ（更には絶縁基板１５）の接合界面での割れや剥離の発生を防止できる点で望ましく、特に５μｍ以下であることが良い。第２合金層５の厚さの下限は限定されるものではないが、特に０．８μｍであることが特に望ましい。
【００７８】
Ｎｉ層２及びＴｉ層４の厚さは限定されるものではない。しかし、Ｎｉの熱伝導率は９０．７Ｗ／ｍ・Ｋ、Ｔｉの熱伝導率は２１．９Ｗ／ｍ・Ｋであり、これらの熱伝導率はＡｌの熱伝導率２３６Ｗ／ｍ・Ｋと比べて著しく低い。したがって、Ｎｉ層２及びＴｉ層４の厚さはなるべく薄い方が、積層材１Ａ（更には絶縁基板１５）の熱伝導率の低下を防止できる点で望ましい。そこで、Ｎｉ層２の厚さは１５０μｍ以下、及び、Ｔｉ層４の厚さは１００μｍ以下であることが特に望ましい。一方、Ｎｉ層２の厚さの下限は５μｍ、Ｔｉ層４の厚さの下限は２μｍであることが各層２、４の特性を確実に発揮しうる点で特に望ましい。
【００７９】
Ａｌ層６の厚さは限定されるものではないが、Ａｌ層６を絶縁基板１５の配線層及び応力緩和層として確実に機能させるため、なるべく厚い方が望ましい。しかるに、本第１実施形態では、Ａｌ層６はＴｉ層４とクラッド接合により接合されるのではなく放電プラズマ焼結法により接合されるので、厚さ０．１〜２．０ｍｍという厚いＡｌ層６をＴｉ層４と接合することができる。そのため、Ａｌ層６を配線層及び応力緩和層として確実に機能させることができる。
【００８０】
ろう材層７は、積層材１Ａとセラミック層１０とをろう付けにより接合する際に用いられるものであり、積層材１ＡのＡｌ層６のＴｉ層４配置側とは反対側（即ち下側）に積層状に配置されている。そして、Ａｌ層６とろう材層７とが放電プラズマ焼結法により接合されている。このろう材層７は、Ａｌ系ろう材板（例：Ａｌ−Ｓｉ系合金のろう材板）から提供されて形成された層であることが望ましい。このろう材層７の厚さは限定されるものではないが、積層材１Ａとセラミック層１０とをろう付けにより確実に接合できるようにするため、更には、熱伝導率の低下を防止するため、１０〜７０μｍの範囲に設定されるのが特に望ましい。
【００８１】
次に、本第１実施形態の積層材１Ａ及び絶縁基板１５の製造方法の一例について、図３〜５を参照して以下に説明する。
【００８２】
図３に示すように、Ｎｉ層２とＴｉ層４とを互いに隣接させて放電プラズマ焼結法により積層状に接合する。この工程を「第１接合工程」という。この第１接合工程では、Ｎｉ層２とＴｉ層４とを、Ｎｉ層２とＴｉ層４との接合界面に厚さ７μｍ以下の第１合金層３が形成されるように放電プラズマ焼結法により接合することが特に望ましい。
【００８３】
ここで、放電プラズマ焼結（Spark Plasma Sintering：ＳＰＳ）法は、一般に、粉体を焼結するため又は部材同士を接合するために適用されるものであり、本第１実施形態では部材同士を接合するために適用されている。なお、この放電プラズマ焼結法は、「ＳＰＳ接合法」、「パルス通電圧接法（Pulsed Current Hot Pressing：ＰＣＨＰ）」等とも呼ばれている。図３において、「ＳＰＳ法」とは放電プラズマ焼結法を意味している。
【００８４】
第１接合工程においてＮｉ層２とＴｉ層４とを放電プラズマ焼結法により接合する場合には、図４に示すように、まず、放電プラズマ焼結装置３０に備えられた筒状ダイ３１内にＮｉ層２とＴｉ層４とを積層状に配置する。これにより、Ｎｉ層２とＴｉ層４との未接合積層体８（当該未接合積層体８を説明の便宜上「第１未接合積層体８」という。以下同じ。）の周囲がダイ３１で包囲される。ダイ３１は導電性を有するものであり、例えば黒鉛製である。次いで、第１未接合積層体８をその厚さ方向に上下一対のパンチ３２、３２で挟む。各パンチ３２は導電性を有するものであり、例えば黒鉛製である。また、各パンチ３２の基部には電極３３が電気的に接続されている。そして、例えば１〜１０Ｐａの真空雰囲気中、又は、窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気中にて、両パンチ３２、３２で第１未接合積層体８をその厚さ方向に加圧しつつ、両パンチ３２、３２間の通電を確保した状態で両パンチ３２、３２間にパルス電流を通電することで第１未接合積層体８を加熱し、これによりＮｉ層２とＴｉ層４とを接合する。こうして得られたＮｉ層２とＴｉ層４との接合体８Ｚを、説明の便宜上「第１接合体８Ｚ」という（図３参照）。また、この接合により、第１接合体８ＺのＮｉ層２とＴｉ層４との接合界面に第１合金層３が形成される。この第１合金層３は、上述したようにＮｉ−Ｔｉ系超弾性合金相を含み、しかもＮｉとＴｉとの組成比が厚さ方向に徐々に変化する傾斜材料構造を採る。この接合では、厚さ７μｍ以下の第１合金層３が形成されるように接合条件（例：加熱温度、加熱温度の保持時間、昇温速度、加圧力）を設定するのが望ましい。この接合条件について具体的に例示すると、加熱温度は６００〜７００℃、加熱温度の保持時間は５〜２０ｍｉｎ、室温から加熱温度への昇温速度は５〜５０℃／ｍｉｎ、第１未接合積層体８への加圧力は１０〜２０ＭＰａである。
【００８５】
次いで、図３に示すように、第１接合体８ＺのＴｉ層４と、Ａｌ層６と、ろう材層７とを、Ｔｉ層４とＡｌ層６とを隣接させ且つＡｌ層６とろう材層７とを隣接させて放電プラズマ焼結法により積層状に同時に接合する。この工程を「第２接合工程」という。この第２接合工程では、Ｔｉ層４とＡｌ層６とろう材層７とを、Ｔｉ層４とＡｌ層６との接合界面に厚さ５μｍ以下の第２合金層５が形成されるように放電プラズマ焼結法により接合することが特に望ましい。
【００８６】
第２接合工程においてＴｉ層４とＡｌ層６とろう材層７とを放電プラズマ焼結法により同時に接合する場合には、図５に示すように、まず、筒状ダイ３１内にＴｉ層４とＡｌ層６とろう材層７とを積層状に配置する。これにより、Ｔｉ層４とＡｌ層６とろう材層７との未接合積層体９（当該未接合積層体９を説明の便宜上、「第２未接合積層体９」という。以下同じ。）の周囲がダイ３１で包囲される。次いで、第２未接合積層体９をその厚さ方向に上下一対のパンチ３２、３２で挟む。そして、例えば１〜１０Ｐａの真空雰囲気中、又は、窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気中にて、両パンチ３２、３２で第２未接合積層体９をその厚さ方向に加圧しつつ、両パンチ３２、３２間の通電を確保した状態で両パンチ３２、３２間にパルス電流を通電することで第２未接合積層体９を加熱し、これによりＴｉ層４とＡｌ層６とろう材層７とを同時に接合する。また、この接合により、Ｔｉ層４とＡｌ層６との接合界面に第２合金層５が形成される。この第２合金層５は上述したようにＴｉ−Ａｌ系合金相を含んでいる。この接合では、厚さ５μｍ以下の第２合金層５が形成されるように接合条件（例：加熱温度、加熱温度の保持時間、昇温速度、加圧力）を設定するのが望ましい。この接合条件について具体的に例示すると、加熱温度は５００〜５６０℃、加熱温度の保持時間は５〜２０ｍｉｎ、室温から加熱温度への昇温速度は５〜５０℃／ｍｉｎ、第２未接合積層体９への加圧力は１０〜２０ＭＰａである。
【００８７】
以上の工程を経ることで、本第１実施形態の積層材１Ａが得られる。
【００８８】
この積層材１Ａを用いて絶縁基板１５が製造される。その製造方法について例示すると次のとおりである。
【００８９】
図３に示すように、この積層材１Ａとセラミック層１０と金属ベース層１２とをろう付けにより接合する。これにより、絶縁基板１５が得られる。ここで、積層材１Ａはろう材層７を備えているので、このろう材層７をろう材として用いることにより積層材１Ａとセラミック層１０とを容易に接合することができる。なお本発明では、積層材１Ａとセラミック層１０と金属ベース層１２とを炉内ろう付けにより同時に接合しても良い。
【００９０】
こうして得られた絶縁基板１５では、図１及び２に示すように、その金属ベース層１２の下面に放熱部材１７がろう付け等により接合されるとともに、Ｎｉ層２の表面２ａに半導体素子２１がはんだ付けにより接合される。これにより半導体モジュール２０が得られる。
【００９１】
本第１実施形態の積層材１Ａ及びその製造方法は、次の利点を有している。
【００９２】
本第１実施形態の積層材１Ａは、Ｎｉ層２を備えているので、はんだ接合性が良好である。したがって、半導体素子２１をこのＮｉ層２の表面２ａにはんだ付けにより確実に接合することができる。
【００９３】
さらに、Ｎｉ層２とＡｌ層６との間にＴｉ層４が配置されているので、次の効果を奏する。すなわち、もしＮｉ層２とＡｌ層６との間にＴｉ層４を配置しないでＮｉ層２とＡｌ層６とを直接接合した場合には、Ｎｉ層２とＡｌ層６との接合界面に強度の弱い合金層が形成されてしまい、その結果、冷熱サイクルに伴い発生する熱応力（熱歪み）によってこの合金層で割れや剥離が生じ易くなる。これに対して、本第１実施形態の積層材１Ａでは、Ｎｉ層２とＡｌ層６との間にＴｉ層４が配置されているので、そのような強度の弱い合金層は形成されない。これにより、熱応力（熱歪み）による積層材の接合界面での割れや剥離の発生を防止できるし、更にはＮｉ層２の表面２ａの変形（凹凸）の発生も防止することができる。
【００９４】
しかも、Ｎｉ層２とＴｉ層４とを放電プラズマ焼結法により接合することによって、Ｎｉ層２とＴｉ層４との接合界面に第１合金層３が形成される。この第１合金層３は、Ｎｉ−Ｔｉ系超弾性合金相を含み、しかもＮｉとＴｉとの組成比が厚さ方向に徐々に変化する傾斜材料構造を採る。したがって、この第１合金層３は、積層材１Ａや絶縁基板１５に発生する熱応力を確実に緩和・吸収する役割を果たす。
【００９５】
ここで、積層材１Ａや絶縁基板１５に発生する熱応力について具体的に例示すると、次のとおりである。すなわち、絶縁基板１５の金属ベース層１２と放熱部材１７との接合が例えばろう付けにより行われる場合、このろう付けの際に絶縁基板１５の温度は室温から約６００℃に上昇し、ろう付け後に室温に戻る。また、積層材１ＡのＮｉ層２の表面２ａに半導体素子２１がはんだ付けにより接合される際に絶縁基板１５の温度は室温から約３００℃に上昇し、はんだ付け後に室温に戻る。さらに、半導体モジュール２０の動作の際に半導体素子２１の温度は室温から１５０〜３００℃程度に上昇し、その動作の停止後に室温に戻る。このような冷熱サイクルによって積層材１Ａや絶縁基板１５に熱応力（熱歪み）が発生する。しかるに、本第１実施形態の積層材１Ａや絶縁基板１５では、この熱応力は第１合金層３により緩和・吸収される。これにより、積層材１Ａの接合界面での割れや剥離の発生及びＮｉ層２の表面２ａの変形の発生を確実に防止することができる。
【００９６】
その上、Ｎｉ層２とＴｉ層４との接合手段、及び、Ｔｉ層４とＡｌ層６とろう材層７との接合手段がいずれも放電プラズマ焼結法であることにより、接合前後の各層の寸法変化を少なくすることができる。これにより、高い寸法精度を有する積層材１Ａを得ることができる。
【００９７】
しかも、図４に示すように、第１接合工程では、Ｎｉ層２とＴｉ層４との第１未接合積層体８の周囲を放電プラズマ焼結用ダイ３１で包囲した状態で第１未接合積層体８のＮｉ層２とＴｉ層４とを放電プラズマ焼結法により接合しているので、両パンチ３２、３２間の通電を確実に確保することができ、もって安定した温度制御を行うことができる。これにより、この接合を確実に行うことができる。これと同様に、図５に示すように、第２接合工程では、Ｔｉ層４とＡｌ層６とろう材層７との第２未接合積層体９の周囲をダイ３１で包囲した状態で第２未接合積層体９のＴｉ層４とＡｌ層６とろう材層７とを放電プラズマ焼結法により接合しているので、両パンチ３２、３２間の通電を確実に確保することができ、もって安定した温度制御を行うことができる。これにより、この接合を確実に行うことができる。
【００９８】
さらに、Ｔｉ層４とＡｌ層６との接合手段として放電プラズマ焼結法を採用することにより、接合手段としてクラッド接合を採用する場合に比べて、厚さの厚いＡｌ層６をＴｉ層４と接合することが可能となる。具体的に示すと、Ｔｉ層４とＡｌ層６との接合手段としてクラッド接合を採用し、厚さ１００μｍ以下のＴｉ層４を用いた場合、安定した接合を行うためにはＴｉ層４の厚さと同じ程度の厚さのＡｌ層６しかＴｉ層４と接合することができない。これに対して、接合手段として放電プラズマ焼結法を採用する場合には、厚さ０．１〜２．０ｍｍという厚いＡｌ層６をＴｉ層４と接合することができる。そのため、Ａｌ層６を配線層及び応力緩和層として確実に機能させることができる。
【００９９】
さらに、Ａｌ層６とろう材層７とが接合されているので、このろう材層７を、積層材１Ａとセラミック層１０とをろう付けにより接合する際のろう材として用いることができる。そのため、積層材１Ａとセラミック層１０とを容易に接合することができる。
【０１００】
さらに、Ｔｉ層４とＡｌ層６とろう材層７とを放電プラズマ焼結法により同時に接合することにより、ろう材層７を備えた積層材１Ａを作業能率良く得ることができる。
【０１０１】
ここで、上記第１実施形態の積層材１Ａでは全ての層２、４、６、７が導電性を有している。そのため、放電プラズマ焼結用ダイ３１を必ずしも用いなくても上下両パンチ３２、３２間の通電を確保し得て、放電プラズマ焼結法による接合を行うことができる。以下に、その接合方法を含め、上記第１実施形態の積層材１Ａの製造方法の幾つかの変形例を説明する。
【０１０２】
図６は、第１接合工程においてＮｉ層２とＴｉ層４とをダイ３１を用いないで放電プラズマ焼結法により接合する場合を示す断面図である。
【０１０３】
同図に示した第１接合工程では、Ｎｉ層２とＴｉ層４との第１未接合積層体８の周囲はダイで包囲されていない。次いで、第１未接合積層体８をその厚さ方向に上下一対のパンチ３２、３２で挟む。そして、真空雰囲気中、又は、窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気中にて、両パンチ３２、３２で第１未接合積層体８をその厚さ方向に加圧しつつ、両パンチ３２、３２間の通電を確保した状態で両パンチ３２、３２間にパルス電流を通電することで第１未接合積層体８を加熱し、これによりＮｉ層２とＴｉ層４とを接合する。また、この接合により、Ｎｉ層２とＴｉ層４との接合界面に第１合金層３が形成される。この接合に適用される接合条件は、上記第１実施形態の第１接合工程で適用した接合条件と同じである。
【０１０４】
同図に示した第１接合工程では、Ｎｉ層２とＴｉ層４との第１未接合積層体８を、第１未接合積層体８の周囲をダイで包囲しない状態で放電プラズマ焼結法により接合するので、放電プラズマ焼結法による接合の際にこれらの層２、４のセッティング作業及び接合後における取り出し作業を容易に行うことができる。これにより、接合作業を迅速に行うことができるし、放電プラズマ焼結装置３０についての設備費の低減を図ることができる。
【０１０５】
図７は、第１接合工程において各第１未接合積層体８のＮｉ層２とＴｉ層４とをダイ３１を用いて放電プラズマ焼結法により一括して接合する場合を示す断面図である。
【０１０６】
同図に示した第１接合工程では、Ｎｉ層２とＴｉ層４との第１未接合積層体８を複数準備する。同図では、準備した第１未接合積層体８の個数は例えば３個である。なお本発明では、第１未接合積層体８の個数は３個であることに限定されるものではなく、２〜４０個であっても良いし、４０個を超えても良い。
【０１０７】
次いで、ダイ３１内において、複数の第１未接合積層体８を互いに隣り合う各第１未接合積層体８、８間に導電性離型板３５を介して積層する。つまり、ダイ３１内において、互いに隣り合う２個の第１未接合積層体８、８の間に導電性離型板３５が介在されるように、複数の第１未接合積層体８を積層する。これにより、複数の第１未接合積層体８の周囲がダイ３１で包囲される。導電性離型板３５は、互いに隣り合う第１未接合積層体８、８同士が接合しないようにする役割を有するものであり、更に、第１未接合積層体８とは接合しないものである。この導電性離型板３５は、導電性を有し更に接合時に溶融しない耐熱性を有する板であることが望ましく、例えばカーボン板（グラファイト板・シートを含む）からなるものである。次いで、複数の第１未接合積層体８を一括してその厚さ方向に上下一対のパンチ３２、３２で挟む。そして、真空雰囲気中、又は、窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気中にて、両パンチ３２、３２で複数の第１未接合積層体８をその厚さ方向に加圧しつつ、両パンチ３２、３２間の通電を確保した状態で両パンチ３２、３２間にパルス電流を通電することで複数の第１未接合積層体８を加熱し、これにより各第１未接合積層体８のＮｉ層２とＴｉ層４とを一括して接合する。また、この接合により、各第１未接合積層体８のＮｉ層２とＴｉ層４との接合界面に第１合金層３が形成される（図３参照）。この接合に適用される接合条件は、上記第１実施形態の第１接合工程で適用した接合条件と同じである。
【０１０８】
同図に示した第１接合工程では、各第１未接合積層体８のＮｉ層２とＴｉ層４とを放電プラズマ焼結法により一括して接合するので、Ｎｉ層２とＴｉ層４との第１接合体８Ｚを大量に製造することができる。これにより、積層材１Ａの製造コストを引き下げることができる。
【０１０９】
図８は、第１接合工程において各第１未接合積層体８のＮｉ層２とＴｉ層４とをダイ３１を用いないで放電プラズマ焼結法により一括して接合する場合を示す断面図である。
【０１１０】
同図に示した第１接合工程では、Ｎｉ層２とＴｉ層４との第１未接合積層体８を複数準備する。同図では、準備した第１未接合積層体８の個数は例えば３個である。なお本発明では、第１未接合積層体８の個数は３個であることに限定されるものではなく、２〜４０個であっても良いし、４０個を超えても良い。
【０１１１】
次いで、複数の第１未接合積層体８を互いに隣り合う各第１未接合積層体８、８間に導電性離型板３５を介して積層する。つまり、互いに隣り合う２個の第１未接合積層体８、８の間に導電性離型板３５が介在されるように、複数の第１未接合積層体８を積層する。このとき、複数の第１未接合積層体８の周囲はダイで包囲されていない。次いで、複数の第１未接合積層体８を一括してその厚さ方向に上下一対のパンチ３２、３２で挟む。そして、真空雰囲気中、又は、窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気中にて、両パンチ３２、３２で複数の第１未接合積層体８をその厚さ方向に加圧しつつ、両パンチ３２、３２間の通電を確保した状態で両パンチ３２、３２間にパルス電流を通電することで複数の第１未接合積層体８を加熱し、これにより各第１未接合積層体８のＮｉ層２とＴｉ層４とを一括して接合する。また、この接合により、各第１未接合積層体８のＮｉ層２とＴｉ層４との接合界面に第１合金層３が形成される（図３参照）。この接合に適用される接合条件は、上記第１実施形態の第１接合工程で適用した接合条件と同じである。
【０１１２】
同図に示した第１接合工程では、Ｎｉ層２とＴｉ層４との第１未接合積層体８を、第１未接合積層体８の周囲をダイで包囲しない状態で放電プラズマ焼結法により接合するので、放電プラズマ焼結法による接合の際にこれらの層２、４のセッティング作業及び接合後における取り出し作業を容易に行うことができる。これにより、接合作業を迅速に行うことができるし、放電プラズマ焼結装置３０についての設備費の低減を図ることができる。
【０１１３】
さらに、各第１未接合積層体８のＮｉ層２とＴｉ層４とを放電プラズマ焼結法により一括して接合するので、Ｎｉ層２とＴｉ層４との第１接合体８Ｚを大量に製造することができる。これにより、積層材１Ａの製造コストを引き下げることができる。
【０１１４】
図９は、第２接合工程において第１接合体８ＺのＴｉ層４と、Ａｌ層６と、ろう材層７とをダイ３１を用いないで放電プラズマ焼結法により接合する場合を示す断面図である。
【０１１５】
同図に示した第２接合工程では、Ｔｉ層４とＡｌ層６とろう材層７との第２未接合積層体９の周囲はダイで包囲されていない。次いで、第２未接合積層体９をその厚さ方向に上下一対のパンチ３２、３２で挟む。そして、真空雰囲気中、又は、窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気中にて、両パンチ３２、３２で第２未接合積層体９をその厚さ方向に加圧しつつ、両パンチ３２、３２間の通電を確保した状態で両パンチ３２、３２間にパルス電流を通電することで第２未接合積層体９を加熱し、これによりＴｉ層４とＡｌ層６とろう材層７とを同時に接合する。また、この接合により、Ｔｉ層４とＡｌ層６との接合界面に第２合金層５が形成される（図３参照）。この接合に適用される接合条件は、上記第１実施形態の第２接合工程で適用した接合条件と同じである。
【０１１６】
同図に示した第２接合工程では、Ｔｉ層４とＡｌ層６とろう材層７との第２未接合積層体９を、第２未接合積層体９の周囲をダイで包囲しない状態で放電プラズマ焼結法により接合するので、放電プラズマ焼結法による接合の際にこれらの層４、６、７のセッティング作業及び接合後における取り出し作業を容易に行うことができる。これにより、接合作業を迅速に行うことができるし、放電プラズマ焼結装置３０についての設備費の低減を図ることができる。
【０１１７】
図１０は、第２接合工程において各第２未接合積層体９のＴｉ層４とＡｌ層６とろう材層７とをダイ３１を用いて放電プラズマ焼結法により一括して接合する場合を示す断面図である。
【０１１８】
同図に示した第２接合工程では、Ｔｉ層４とＡｌ層６とろう材層７との第２未接合積層体９を複数準備する。同図では、準備した第２未接合積層体９の個数は例えば３個である。なお本発明では、第２未接合積層体９の個数は３個であることに限定されるものではなく、２〜４０個であっても良いし、４０個を超えても良い。
【０１１９】
次いで、ダイ３１内において、複数の第２未接合積層体９を互いに隣り合う各第２未接合積層体９、９間に導電性離型板３５を介して積層する。つまり、ダイ３１内において、互いに隣り合う２個の第２未接合積層体９、９の間に導電性離型板３５が介在されるように、複数の第２未接合積層体９を積層する。これにより、複数の第２未接合積層体９の周囲がダイ３１で包囲される。次いで、複数の第２未接合積層体９を一括してその厚さ方向に上下一対のパンチ３２、３２で挟む。そして、真空雰囲気中、又は、窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気中にて、両パンチで複数の第２未接合積層体をその厚さ方向に加圧しつつ、両パンチ間の通電を確保した状態で両パンチ３２、３２間にパルス電流を通電することで複数の第２未接合積層体９を加熱し、これにより各第２未接合積層体９のＴｉ層４とＡｌ層６とろう材層７を一括して同時に接合する。また、この接合により、各第２未接合積層体９のＴｉ層４とＡｌ層６との接合界面に第２合金層５が形成される（図３参照）。この接合に適用される接合条件は、上記第１実施形態の第２接合工程で適用した接合条件と同じである。
【０１２０】
同図に示した第１接合工程では、各第２未接合積層体９のＴｉ層４とＡｌ層６とろう材層７とを放電プラズマ焼結法により一括して同時に接合するので、積層材１Ａを大量に製造することができる。これにより、積層材１Ａの製造コストを引き下げることができる。
【０１２１】
図１１は、第２接合工程において各第２未接合積層体９のＴｉ層４とＡｌ層６とろう材層７とをダイ３１を用いないで放電プラズマ焼結法により一括して同時に接合する場合を示す断面図である。
【０１２２】
同図に示した第２接合工程では、Ｔｉ層４とＡｌ層６とろう材層７との第１未接合積層体９を複数準備する。同図では、準備した第２未接合積層体９の個数は例えば３個である。なお本発明では、第２未接合積層体９の個数は３個であることに限定されるものではなく、２〜４０個であっても良いし、４０個を超えても良い。
【０１２３】
次いで、複数の第２未接合積層体９を互いに隣り合う各第２未接合積層体９、９間に導電性離型板３５を介して積層する。つまり、互いに隣り合う２個の第２未接合積層体９、９の間に導電性離型板３５が介在されるように、複数の第２未接合積層体９を積層する。このとき、複数の第２未接合積層体９の周囲はダイで包囲されていない。次いで、複数の第２未接合積層体９を一括してその厚さ方向に上下一対のパンチ３２、３２で挟む。そして、真空雰囲気中、又は、窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気中にて、両パンチ３２、３２で複数の第２未接合積層体９をその厚さ方向に加圧しつつ、両パンチ３２、３２間の通電を確保した状態で両パンチ３２、３２間にパルス電流を通電することで複数の第２未接合積層体９を加熱し、これにより各第２未接合積層体９のＴｉ層４とＡｌ層６とろう材層７とを一括して同時に接合する。また、この接合により、各第２未接合積層体９のＴｉ層４とＡｌ層６との接合界面に第２合金層５が形成される（図３参照）。この接合に適用される接合条件は、上記第１実施形態の第２接合工程で適用した接合条件と同じである。
【０１２４】
同図に示した第２接合工程では、Ｔｉ層４とＡｌ層６とろう材層７との第２未接合積層体８を、第２未接合積層体８の周囲をダイで包囲しない状態で放電プラズマ焼結法により接合するので、放電プラズマ焼結法による接合の際にこれらの層４、６、７のセッティング作業及び接合後における取り出し作業を容易に行うことができる。これにより、接合作業を迅速に行うことができるし、放電プラズマ焼結装置３０についての設備費の低減を図ることができる。
【０１２５】
さらに、各第２未接合積層体９のＴｉ層４とＡｌ層６とろう材層７とを放電プラズマ焼結法により一括して同時に接合するので、積層材１Ａを大量に製造することができる。これにより、積層材１Ａの製造コストを引き下げることができる。
【０１２６】
図１２は、本発明の第２実施形態に係る積層材１Ｂの製造工程の一例を示す概略断面図である。同図には、上記第１実施形態の積層材１Ａの構成要素と同一又は対応する構成要素に同一の符号が付されている。
【０１２７】
本第２実施形態の積層材１Ｂは、上記第１実施形態の積層材１Ａからろう材層７を除いたものである。すなわち、この積層材１Ｂは、Ｎｉ層２とＴｉ層４とＡｌ層６とを備える一方、ろう材層７を備えていないものである。そして、この積層材１Ｂは、セラミック層１０の片面側に積層状にセラミック層１０とろう付けにより接合されるものである。このろう付けの際には、積層材１Ｂとは別体のろう材層７がろう材として用いられる。
【０１２８】
本第２実施形態の積層材１Ｂの製造方法は、Ａｌ層６にろう材層７が接合されないことを除いて上記第１実施形態の積層材１Ａの製造方法と同じである。
【０１２９】
以上で本発明の幾つかの実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で様々に変更可能である。
【０１３０】
また、本発明は、上記第１実施形態及び第２実施形態で適用した技術的思想を組み合わせて構成して良い。
【実施例】
【０１３１】
本発明の具体的な幾つかの実施例を以下に示す。ただし、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【０１３２】
＜実施例１＞
本実施例１では、図１２に示した上記第２実施形態の積層材１Ｂを製造した。
【０１３３】
Ｎｉ層２、Ｔｉ層４及びＡｌ層６として、それぞれ次の円盤状の板を準備した。
【０１３４】
Ｎｉ層２：直径１００ｍｍ×厚さ０．０２ｍｍの純Ｎｉ板
Ｔｉ層４：直径１００ｍｍ×厚さ０．１ｍｍの純Ｔｉ板
Ａｌ層６：直径１００ｍｍ×厚さ０．６ｍｍの純Ａｌ板。
【０１３５】
Ｎｉ層２を形成するＮｉ板の純度はＪＩＳ（日本工業規格）１種である。Ｔｉ層４を形成するＴｉ板の純度はＪＩＳ１種である。Ａｌ層６を形成するＡｌ板の純度は４Ｎ（即ち９９．９９質量％）である。
【０１３６】
次いで、第１接合工程では、Ｎｉ層２とＴｉ層４とを、黒鉛製の円筒状ダイ３１を用いて放電プラズマ焼結法により積層状に接合した。すなわち、Ｎｉ層２とＴｉ層４との第１未接合積層体８の周囲をダイ３１で包囲した状態で、３Ｐａの真空雰囲気中にて第１未接合積層体８のＮｉ層２とＴｉ層４とを放電プラズマ焼結法により接合した。これにより、Ｎｉ層２とＴｉ層４との第１接合体８Ｚを得た。また、この接合により、Ｎｉ層２とＴｉ層４との接合界面にＮｉ層２のＮｉとＴｉ層４のＴｉとが合金化してなる厚さ２μｍの第１合金層３が形成された。この第１合金層３は、ＮｉＴｉ超弾性合金相を含み、しかもＮｉとＴｉとの組成比が厚さ方向に徐々に変化する傾斜材料構造を採る。
【０１３７】
この第１接合工程では、直径１００ｍｍの黒鉛製の上下各パンチ３２、３２を用いた。第１接合工程で適用した接合条件は、加熱温度６５０℃、加熱温度の保持時間５ｍｉｎ、昇温速度３５℃／ｍｉｎ、加圧力２０ＭＰａである。
【０１３８】
次いで、第２接合工程では、第１接合体８ＺのＴｉ層４と、Ａｌ層６とを、黒鉛製の円筒状ダイ３１を用いて放電プラズマ焼結法により積層状に接合した。すなわち、Ｔｉ層４とＡｌ層６との第２未接合積層体８の周囲をダイ３１で包囲した状態で、３Ｐａの真空雰囲気中にて第２未接合積層体８のＴｉ層４とＡｌ層６とを放電プラズマ焼結法により接合した。これにより、所望する積層材（厚さ０．７２ｍｍ）１Ｂを得た。また、この接合により、Ｔｉ層４とＡｌ層６との接合界面にＴｉ層４のＴｉとＡｌ層６のＡｌとが合金化してなる厚さ１μｍの第２合金層５が形成された。この第２合金層５はＴｉＡｌ合金相を含んでいる。
【０１３９】
この第２接合工程では、直径１００ｍｍの黒鉛製の上下各パンチ３２、３２を用いた。第２接合工程で適用した接合条件は、加熱温度５３０℃、加熱温度の保持時間５ｍｉｎ、昇温速度３５℃／ｍｉｎ、加圧力２０ＭＰａである。なお、Ｔｉ層４とＡｌ層６とを接合する前に、Ａｌ層６が接合されるＴｉ層４の表面をブラシ研磨して当該表面上の酸化皮膜を予め除去した。
【０１４０】
次いで、こうして得られた積層材１Ｂを縦７０ｍｍ×横７０ｍｍの大きさに切断後、積層材１Ｂと、ろう材層７と、セラミック層１０と、ろう材層１１と、金属ベース層１２とを炉内ろう付けにより積層状に同時に接合した。この工程を「ろう付け工程」という。これにより、絶縁基板１５を得た。
【０１４１】
このろう付け工程では、セラミック層１０としてＡｌＮ板（縦７０ｍｍ×横７０ｍｍ×厚さ１ｍｍ）と、各ろう材層７、１１としてＡｌ−８質量％Ｓｉのろう材板（縦７０ｍｍ×横７０ｍｍ×厚さ０．０４ｍｍ）と、金属ベース層１２として純度が４Ｎの純Ａｌ板（縦７０ｍｍ×横７０ｍｍ×厚さ０．６ｍｍ）とを用いた。ろう付け工程で適用したろう付け条件は、加熱温度６００℃、加熱温度の保持時間１５ｍｉｎ、印加荷重６ｇ／ｃｍ２である。
【０１４２】
次いで、こうして得られた絶縁基板１５に対して−４０〜１２５℃の冷熱サイクル試験を１０００回繰り返して実施したところ、絶縁基板１５の各接合界面での割れや剥離及び絶縁基板１５のＮｉ層２の表面２ａの変形は発生しなかった。
【０１４３】
＜実施例２＞
本第２実施例では、図３に示した上記第１実施形態の積層材１Ａを製造した。
【０１４４】
Ｎｉ層２、Ｔｉ層４、Ａｌ層６及びろう材層７として、それぞれ次の円盤状の板を準備した。
【０１４５】
Ｎｉ層２  ：直径１００ｍｍ×厚さ０．０２ｍｍの純Ｎｉ板
Ｔｉ層４  ：直径１００ｍｍ×厚さ０．１ｍｍの純Ｔｉ板
Ａｌ層６  ：直径１００ｍｍ×厚さ０．６ｍｍの純Ａｌ板
ろう材層７：直径１００ｍｍ×厚さ０．０４ｍｍのろう材板。
【０１４６】
Ｎｉ層２を形成するＮｉ板の純度はＪＩＳ１種である。Ｔｉ層４を形成するＴｉ板の純度はＪＩＳ１種である。Ａｌ層６を形成するＡｌ板の純度は４Ｎである。ろう材層７を形成するろう材板の組成はＡｌ−８質量％Ｓｉである。
【０１４７】
次いで、第１接合工程では、図６に示すように、Ｎｉ層２とＴｉ層４とを、放電プラズマ焼結用ダイを用いないで放電プラズマ焼結法により積層状に接合した。すなわち、Ｎｉ層２とＴｉ層４との第１未接合積層体８の周囲をダイで包囲しない状態で、３Ｐａの真空雰囲気中にて第１未接合積層体８のＮｉ層２とＴｉ層４とを放電プラズマ焼結法により接合した。これにより、Ｎｉ層２とＴｉ層４との第１接合体８Ｚを得た（図３参照）。また、この接合により、Ｎｉ層２とＴｉ層４との接合界面にＮｉ層２のＮｉとＴｉ層４のＴｉとが合金化してなる厚さ２μｍの第１合金層３が形成された。この第１合金層３は、ＮｉＴｉ超弾性合金相を含み、しかもＮｉとＴｉとの組成比が厚さ方向に徐々に変化する傾斜材料構造を採る。
【０１４８】
この第１接合工程では、直径１００ｍｍの黒鉛製の上下各パンチ３２、３２を用いた。第１接合工程で適用した接合条件は、加熱温度６５０℃、加熱温度の保持時間５ｍｉｎ、昇温速度３５℃／ｍｉｎ、加圧力２０ＭＰａである。
【０１４９】
次いで、第２接合工程では、図９に示すように、第１接合体８ＺのＴｉ層４と、Ａｌ層６と、ろう材層７とを、ダイを用いないで放電プラズマ焼結法により積層状に同時に接合した。すなわち、Ｔｉ層４とＡｌ層６とろう材層７との第２未接合積層体９の周囲をダイで包囲しない状態で、３Ｐａの真空雰囲気中にて第２未接合積層体９のＴｉ層４とＡｌ層６とろう材層７とを放電プラズマ焼結法により同時に接合した。これにより、所望する積層材（厚さ０．７６ｍｍ）１Ａを得た（図３参照）。また、この接合により、Ｔｉ層４とＡｌ層６との接合界面にＴｉ層４のＴｉとＡｌ層６のＡｌとが合金化してなる厚さ１μｍの第２合金層５が形成された。この第２合金層５はＴｉＡｌ合金相を含んでいる。
【０１５０】
この第２接合工程では、直径１００ｍｍの黒鉛製の上下各パンチを用いた。第２接合工程で適用した接合条件は、加熱温度５３０℃、加熱温度の保持時間５ｍｉｎ、昇温速度３５℃／ｍｉｎ、加圧力２０ＭＰａである。なお、Ｔｉ層４とＡｌ層６とを接合する前に、Ａｌ層６が接合されるＴｉ層４の表面をブラシ研磨して当該表面上の酸化皮膜を予め除去した。
【０１５１】
次いで、図３に示すように、こうして得られた積層材１Ａを縦７０ｍｍ×横７０ｍｍの大きさに切断後、積層材１Ａと、セラミック層１０と、ろう材層１１と、金属ベース層１２とを炉内ろう付けにより積層状に同時に接合した［ろう付け工程］。これにより、絶縁基板１５を得た。
【０１５２】
このろう付け工程では、セラミック層１０としてＡｌＮ板（縦７０ｍｍ×横７０ｍｍ×厚さ１ｍｍ）と、ろう材層１１としてＡｌ−８質量％Ｓｉのろう材板（縦７０ｍｍ×横７０ｍｍ×厚さ０．０４ｍｍ）と、金属ベース層１２として純度が４Ｎの純Ａｌ板（縦７０ｍｍ×横７０ｍｍ×厚さ０．６ｍｍ）とを用いた。ろう付け工程で適用したろう付け条件は、加熱温度６００℃、加熱温度の保持時間１５ｍｉｎ、印加荷重６ｇ／ｃｍ２である。
【０１５３】
次いで、こうして得られた絶縁基板１５に対して−４０〜１２５℃の冷熱サイクル試験を１０００回繰り返して実施したところ、絶縁基板１５の各接合界面での割れや剥離及び絶縁基板１５のＮｉ層２の表面２ａの変形は発生しなかった。
【０１５４】
＜実施例３＞
本第３実施例では、図３に示した上記第１実施形態の積層材１Ａを製造した。
【０１５５】
Ｎｉ層２、Ｔｉ層４、Ａｌ層６及びろう材層７として、それぞれ次の円盤状の板を準備した。
【０１５６】
Ｎｉ層２  ：直径１００ｍｍ×厚さ０．０２ｍｍの純Ｎｉ板
Ｔｉ層４  ：直径１００ｍｍ×厚さ０．１ｍｍの純Ｔｉ板
Ａｌ層６  ：直径１００ｍｍ×厚さ０．６ｍｍの純Ａｌ板。
【０１５７】
ろう材層７：直径１００ｍｍ×厚さ０．０４ｍｍのろう材板。
【０１５８】
Ｎｉ層２を形成するＮｉ板の純度はＪＩＳ１種である。Ｔｉ層４を形成するＴｉ板の純度はＪＩＳ１種である。Ａｌ層６を形成するＡｌ板の純度は４Ｎである。ろう材層７を形成するろう材板の組成はＡｌ−８質量％Ｓｉである。
【０１５９】
次いで、第１接合工程では、Ｎｉ層２とＴｉ層４との第１未接合積層体８を３０個準備した。そして、図８に示すように、これらの第１未接合積層体８を互いに隣り合う各第１未接合積層体８、８間に導電性離型板３５を介して積層した。導電性離型板３５は、直径１００ｍｍ×厚さ２ｍｍの円盤状のカーボン板からなるものである。そして、各第１未接合積層体８のＮｉ層２とＴｉ層４とを、ダイを用いないで放電プラズマ焼結法により積層状に一括して接合した。すなわち、これらの第１未接合積層体８の周囲をダイで包囲しない状態で、３Ｐａの真空雰囲気中にて各第１未接合積層体８のＮｉ層２とＴｉ層４とを放電プラズマ焼結法により一括して接合した。これにより、Ｎｉ層２とＴｉ層４との第１接合体８Ｚを３０個得た。また、この接合により、各第１接合体８ＺのＮｉ層２とＴｉ層４との接合界面にＮｉ層２のＮｉとＴｉ層４のＴｉとが合金化してなる厚さ２μｍの第１合金層３が形成された。この第１合金層３は、ＮｉＴｉ超弾性合金相を含み、しかもＮｉとＴｉとの組成比が厚さ方向に徐々に変化する傾斜材料構造を採る。
【０１６０】
この第１接合工程では、直径１００ｍｍの黒鉛製の上下各パンチ３２、３２を用いた。第１接合工程で適用した接合条件は、加熱温度６５０℃、加熱温度の保持時間５ｍｉｎ、昇温速度３５℃／分、加圧力２０ＭＰａである。
【０１６１】
次いで、第２接合工程では、第１接合体８ＺのＴｉ層４とＡｌ層６とろう材層７との第２未接合積層体９を３０個順次した。そして、図１１に示すように、これらの第２未接合積層体９を互いに隣り合う各第２未接合積層体９、９間に導電性離型板３５を介して積層した。導電性離型板３５は、直径１００ｍｍ×厚さ２ｍｍの円盤状のカーボン板からなるものである。そして、各第２未接合積層体９のＴｉ層４とＡｌ層６とろう材層７とを、ダイを用いないで放電プラズマ焼結法により積層状に一括して同時に接合した。すなわち、これらの第２未接合積層体９の周囲をダイで包囲しない状態で、３Ｐａの真空雰囲気中にて各第２未接合積層体９のＴｉ層４とＡｌ層６とろう材層７とを放電プラズマ焼結法により一括して同時に接合した。これにより、所望する積層材（厚さ０．７６ｍｍ）１Ａを３０個得た。また、この接合により、各積層材１ＡのＴｉ層４とＡｌ層６との接合界面にＴｉ層４のＴｉとＡｌ層６のＡｌとが合金化してなる厚さ１μｍの第２合金層５が形成された。この第２合金層５はＴｉＡｌ合金相を含んでいる。
【０１６２】
この第２接合工程では、直径１００ｍｍの黒鉛製の上下各パンチ３２、３２を用いた。第２接合工程で適用した接合条件は、加熱温度５３０℃、加熱温度の保持時間５ｍｉｎ、昇温速度３５℃／分、加圧力２０ＭＰａである。なお、Ｔｉ層４とＡｌ層６とを接合する前に、Ａｌ層６が接合されるＴｉ層４の表面をブラシ研磨して当該表面上の酸化皮膜を除去した。
【０１６３】
次いで、これらの積層材１Ａの中から任意に選択した一個の積層材１Ａを縦７０ｍｍ×横７０ｍｍの大きさに切断後、積層材１Ａと、セラミック層１０と、ろう材層１１と、金属ベース層１２とを炉内ろう付けにより積層状に同時に接合した［ろう付け工程］。これにより、絶縁基板１５を得た。
【０１６４】
このろう付け工程では、セラミック層１０としてＡｌＮ板（縦７０ｍｍ×横７０ｍｍ×厚さ１ｍｍ）と、ろう材層１１としてＡｌ−８質量％Ｓｉのろう材板（縦７０ｍｍ×横７０ｍｍ×厚さ０．０４ｍｍ）と、金属ベース層１２として純度が４Ｎの純Ａｌ板（縦７０ｍｍ×横７０ｍｍ×厚さ０．６ｍｍ）とを用いた。ろう付け工程で適用したろう付け条件は、加熱温度６００℃、加熱温度の保持時間１５ｍｉｎ、印加荷重６ｇ／ｃｍ２である。
【０１６５】
次いで、こうして得られた絶縁基板１５に対して−４０〜１２５℃の冷熱サイクル試験を１０００回繰り返して実施したところ、絶縁基板１５の各接合界面での割れや剥離及び絶縁基板１５のＮｉ層２の表面２ａの変形は発生しなかった。
【０１６６】
＜比較例１＞
Ｎｉ層２、Ｔｉ層４、Ａｌ層６、ＡｌＮ層１０、金属ベース層１２及び複数のろう材層として、それぞれ次の板を準備した。
【０１６７】
Ｎｉ層２        ：縦７０ｍｍ×横７０ｍｍ×厚さ０．０２ｍｍの純Ｎｉ板
Ｔｉ層４        ：縦７０ｍｍ×横７０ｍｍ×厚さ０．１ｍｍの純Ｔｉ板
Ａｌ層６        ：縦７０ｍｍ×横７０ｍｍ×厚さ０．６ｍｍの純Ａｌ板
ＡｌＮ層１０    ：縦７０ｍｍ×横７０ｍｍ×厚さ１ｍｍのＡｌＮ板
金属ベース層１２：縦７０ｍｍ×横７０ｍｍ×厚さ０．６ｍｍの純Ａｌ板
各ろう材層      ：縦７０ｍｍ×横７０ｍｍ×厚さ０．０４ｍｍのろう材板。
【０１６８】
Ｎｉ層２を形成するＮｉ板の純度はＪＩＳ１種である。Ｔｉ層４を形成するＴｉ板の純度はＪＩＳ１種である。Ａｌ層６を形成するＡｌ板の純度は４Ｎである。金属ベース層１２を形成するＡｌ板の純度は４Ｎである。ろう材層を形成するろう材板の組成はＡｌ−８質量％Ｓｉである。
【０１６９】
次いで、Ｎｉ層２とろう材層とＴｉ層４とろう材層とＡｌ層６とろう材層とＡｌＮ層１０とろう材層と金属ベース層１２とをこの順に積層した。そして、これらの層を炉内ろう付けにより積層状に同時に接合した［ろう付け工程］。これにより、絶縁基板を得た。
【０１７０】
このろう付け工程で適用したろう付け条件は、加熱温度６００℃、加熱温度の保持時間１５ｍｉｎ、印加荷重６ｇ／ｃｍ２である。
【０１７１】
こうして得られた絶縁基板では、Ｎｉ層２とＴｉ層４との接合界面に介在するろう材層と、Ｔｉ層４とＡｌ層６との接合界面に介在するろう材層とに、それぞれろう付け時の熱応力により割れが発生した。
【産業上の利用可能性】
【０１７２】
本発明は、絶縁基板用積層材及びその製造方法に利用可能である。
【符号の説明】
【０１７３】
１Ａ、１Ｂ：積層材
２：Ｎｉ層
３：第１合金層
４：Ｔｉ層
５：第２合金層
６：Ａｌ層
７：ろう材層
８：第１未接合積層体
８Ｚ：第１接合体
９：第２未接合積層体
１０：セラミック層
１２：金属ベース層
１５：絶縁基板
１７：放熱部材
２０：半導体モジュール
２１：半導体素子
３０：放電プラズマ焼結装置
３１：ダイ
３２：パンチ
３５：導電性離型板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【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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