(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅又は銅合金からなる金属部材と、炭素質部材中にマグネシウム又はマグネシウム合金が充填されたマグネシウム基複合材料とが、接合されてなる接合体の製造方法であって、
前記金属部材と前記マグネシウム基複合材料との間にチタン箔を配置して、
前記金属部材と前記チタン箔とを固相接合し、前記チタン箔と前記マグネシウム基複合材料とを銅、ニッケル、銀、アルミニウム、アルミニウムとケイ素の合金のいずれかからなる接合材を用いて液相接合することを特徴とする接合体の製造方法。
【請求項２】
前記チタン箔の厚さが、３μｍ以上８５μｍ以下の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の接合体の製造方法。
【請求項３】
前記接合材が、アルミニウムとケイ素の合金からなる接合材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】
絶縁層と、この絶縁層の一方の面に形成された銅又は銅合金からなる回路層と、前記絶縁層の他方の面に形成された銅又は銅合金からなる金属層と、を備えたパワーモジュール用基板の金属層と、炭素質部材中にマグネシウム又はマグネシウム合金が充填されたマグネシウム基複合材料であるヒートシンクとが、接合されてなる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、
前記金属層と前記マグネシウム基複合材料との間にチタン箔を配置して、
前記金属層と前記チタン箔とを固相接合し、前記チタン箔と前記マグネシウム基複合材料とを銅、ニッケル、銀、アルミニウムとケイ素の合金のいずれかからなる接合材を用いて液相接合する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５】
銅又は銅合金からなる金属部材と、炭素質部材中にマグネシウム又はマグネシウム合金が充填されたマグネシウム基複合材料とが、接合されてなる接合体であって、
前記金属部材と前記マグネシウム基複合材料との間にチタン層が配置されていて、
前記金属部材と前記チタン層とが、銅とチタンを含む金属間化合物層を介して接合されており、
前記チタン層と前記マグネシウム基複合材料とが、添加元素−マグネシウム相を含む添加元素−マグネシウム含有層を介して接合されていて、前記添加元素−マグネシウム含有層と接触している前記マグネシウム基複合材料に添加元素を含む拡散層が形成されており、
前記添加元素が銅、ニッケル、銀、アルミニウム、アルミニウムとケイ素の組合せのいずれかであることを特徴とする接合体。
【請求項６】
前記チタン層の厚さが、１μｍ以上８４μｍ以下の範囲内であることを特徴とする請求項５に記載の接合体。
【請求項７】
絶縁層と、この絶縁層の一方の面に形成された銅又は銅合金からなる回路層と、前記絶縁層の他方の面に形成された銅又は銅合金からなる金属層と、を備えたパワーモジュール用基板の金属層と、炭素質部材中にマグネシウム又はマグネシウム合金が充填されたマグネシウム基複合材料であるヒートシンクとが、接合されてなるヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、
前記金属層と前記マグネシウム基複合材料との間にチタン層が配置されていて、
前記金属層と前記チタン層とが、銅とチタンを含む金属間化合物層を介して接合されており、
前記チタン層と前記マグネシウム基複合材料とが、添加元素−マグネシウム相を含む添加元素−マグネシウム含有層を介して接合されていて、前記添加元素−マグネシウム含有層と接触している前記マグネシウム基複合材料に添加元素を含む拡散層が形成されており、
前記添加元素が銅、ニッケル、銀、アルミニウム、アルミニウムとケイ素の組合せのいずれかである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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、銅又は銅合金からなる金属部材と、炭素質部材中にマグネシウム又はマグネシウム合金が充填されたマグネシウム基複合材料とが、接合されてなる接合体の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法、接合体及びヒートシンク付パワーモジュール用基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、風力発電、電気自動車、ハイブリッド自動車等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、このようなパワー半導体素子を搭載する基板としては、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）などからなるセラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面に形成された回路層と、セラミックス基板の他方の面に形成された金属層と、を備えたパワーモジュール用基板が、従来から広く利用されている。パワーモジュール用基板の回路層および金属層としては、銅及び銅合金などの銅部材やアルミニウム及びアルミニウム合金などのアルミニウム部材が広く用いられている。
【０００３】
また、搭載した半導体素子等から発生した熱を効率的に放散させるために、パワーモジュール用基板の金属層側にヒートシンクを接合したヒートシンク付パワーモジュール用基板が提供されている。
ヒートシンクとしては、低い線膨張係数と高い熱伝導率とを有するものであることが好ましいとされている。この低い線膨張係数と高い熱伝導率とを有するヒートシンク用の材料として、ＭｇＳｉＣが知られている。このＭｇＳｉＣは、炭化ケイ素中にマグネシウム又はマグネシウム合金が充填されたものである。
【０００４】
非特許文献１には、ＭｇＳｉＣと両面Ａｌ層付きの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板とをはんだで接合することが記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】岩山功、他５名、「電鉄車輌用パワーモジュール向け新規放熱板」、ＳＥＩテクニカルレビュー、第１８４号、６１−６５頁、２０１４年１月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、最近では、パワー半導体素子等の高出力化が進められており、これを搭載するヒートシンク付パワーモジュール用基板に対して厳しいヒートサイクルが負荷されることになり、従来にも増して、ヒートサイクルに対する接合信頼性に優れたヒートシンク付パワーモジュール用基板が要求されている。ところが、非特許文献１に記載されているように、パワーモジュール用基板の金属層とヒートシンクとをはんだで接合した場合には、ヒートサイクル負荷時に、はんだにクラックが生じて接合率が低下してしまい、熱抵抗が上昇することがある。
【０００７】
従って、パワーモジュール用基板とＭｇＳｉＣとをはんだを使用しないで接合することができれば望ましい。しかしながら、本発明者の検討によると、パワーモジュール用基板の金属層として用いられる銅部材とＭｇＳｉＣとを直接接触させて加熱すると、Ｃｕ−Ｍｇの液相が多量に発生して、銅部材とＭｇＳｉＣとの間から漏れ出てしまうため、銅部材とＭｇＳｉＣとを優れた接合信頼性で接合させることは難しいことが判明した。多量のＣｕ−Ｍｇの液相が発生する理由としては、ＣｕとＭｇとが接触した状態で、ＣｕとＭｇの共晶温度以上に加熱されると、Ｃｕ−Ｍｇ混和溶融物が発生するが、接合される銅部材やＭｇＳｉＣはそれぞれ数ｍｍ程度の厚さを有するため、Ｃｕ−Ｍｇ混和溶融物が生成している接合界面にＣｕとＭｇが多量に供給され続けることとなり、銅部材とＭｇＳｉＣと間からＣｕ−Ｍｇ混和溶融物が漏れ出てしまうと考えられる。
【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、パワーモジュール用基板の金属層として広く利用されている銅や銅合金などの金属部材と、ヒートシンクとして利用できるＭｇＳｉＣに代表されるマグネシウム基複合材料とを、はんだを使用しないで、優れた接合信頼性で接合できる接合体の製造方法及び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。また、この発明は、銅や銅合金などの金属部材とマグネシウム基複合材料とを、はんだを使用しないで接合した接合体及びヒートシンク付パワーモジュール用基板を提供することもその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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、銅又は銅合金からなる金属部材と、炭素質部材中にマグネシウム又はマグネシウム合金が充填されたマグネシウム基複合材料とが、接合されてなる接合体の製造方法であって、前記金属部材と前記マグネシウム基複合材料との間にチタン箔を配置して、前記金属部材と前記チタン箔とを固相接合し、前記チタン箔と前記マグネシウム基複合材料とを銅、ニッケル、銀、アルミニウム、アルミニウムとケイ素の合金のいずれかからなる接合材を用いて液相接合することを特徴としている。なお、本発明においては、銅、ニッケル、銀はそれらの合金を含むものとする。
【００１０】
この構成の接合体の製造方法によれば、前記金属部材と前記マグネシウム基複合材料との間にチタン箔を配置しているので、このチタン箔がバリヤー膜として作用し、前記金属部材と前記マグネシウム基複合材料が直接接触することがない。よって、Ｃｕ−Ｍｇ混和溶融物が多量に発生することが抑えられる。また、前記金属部材と前記マグネシウム基複合材料との間にチタン箔を配置しているので、前記マグネシウム基複合材料と前記チタン箔とが接合され、前記チタン箔と前記金属部材とが接合されるので、前記金属部材と前記マグネシウム基複合材料とを、チタン箔を介して、強固に接合することが可能となる。従って、接合信頼性に優れた接合体を製造することが可能となる。
【００１１】
また、本発明の接合体の製造方法において、チタン箔が、３μｍ以上８５μｍ以下の範囲内であることが好ましい。この構成によれば、チタン箔の厚さが３μｍ以上であるので、前記金属部材と前記マグネシウム基複合材料が直接接触することをより確実に防止することができる。また、チタン箔の厚さが８５μｍ以下であるので、熱抵抗となるチタン箔を薄くすることができ、接合体の熱抵抗を低くすることが可能である。従って、接合信頼性と放熱特性に優れた接合体を製造することが可能となる。
【００１２】
また、本発明の接合体の製造方法において、前記接合材が、アルミニウムとケイ素の合金からなる接合材であることが好ましい。前記接合材として用いることができる、銅、ニッケル、銀、アルミニウム、アルミニウムとケイ素の合金のうち、アルミニウムとケイ素の合金は、マグネシウムとの溶融混和物を最も低い温度で発生することから、液相を保持できる時間が長くなり、前記チタン箔と前記前記マグネシウム基複合材料とを強固に接合することができる。従って、より接合信頼性に優れた接合体を製造することが可能となる。
【００１３】
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、絶縁層と、この絶縁層の一方の面に形成された銅又は銅合金からなる回路層と、前記絶縁層の他方の面に形成された銅又は銅合金からなる金属層と、を備えたパワーモジュール用基板の金属層と、炭素質部材中にマグネシウム又はマグネシウム合金が充填されたマグネシウム基複合材料であるヒートシンクとが、接合されてなる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、前記金属層と前記マグネシウム基複合材料との間にチタン箔を配置して、前記金属層と前記チタン箔とを固相接合し、前記チタン箔と前記マグネシウム基複合材料とを銅、ニッケル、銀、アルミニウム、アルミニウムとケイ素の合金のいずれかからなる接合材を用いて液相接合することを特徴としている。
【００１４】
この構成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、前記パワーモジュール用基板の金属層と前記ヒートシンクであるマグネシウム基複合材料との間にチタン箔を配置しているので、このチタン箔がバリヤー膜として作用し、前記パワーモジュール用基板の金属層と前記マグネシウム基複合材料が直接接触することがない。よって、Ｃｕ−Ｍｇ混和溶融物が多量に発生することが抑えられる。また、前記パワーモジュール用基板の金属層と前記マグネシウム基複合材料との間にチタン箔を配置しているので、前記マグネシウム基複合材料と前記チタン箔とが接合され、前記チタン箔と前記パワーモジュール用基板の金属層とが接合されるので、前記パワーモジュール用基板の金属層と前記マグネシウム基複合材料とを、チタン箔を介して、強固に接合することが可能となる。
【００１５】
本発明の接合体は、銅又は銅合金からなる金属部材と、炭素質部材中にマグネシウム又はマグネシウム合金が充填されたマグネシウム基複合材料とが、接合されてなる接合体であって、前記金属部材と前記マグネシウム基複合材料との間にチタン層が配置されていて、前記金属部材と前記チタン層とが、銅とチタンを含む金属間化合物層を介して接合されており、前記チタン層と前記マグネシウム基複合材料とが、添加元素−マグネシウム相を含む添加元素−マグネシウム含有層を介して接合されていて、前記添加元素−マグネシウム含有層と接触している前記マグネシウム基複合材料に添加元素を含む拡散層が形成されており、前記添加元素が銅、ニッケル、銀、アルミニウム、アルミニウムとケイ素の組合せのいずれかであることを特徴としている。
【００１６】
この接合体の構成によれば、前記チタン層と前記マグネシウム基複合材料とは、添加元素−マグネシウム相を含む添加元素−マグネシウム含有層を介して接合されていて、前記添加元素−マグネシウム含有層と接触している前記マグネシウム基複合材料に添加元素を含む拡散層が形成されていることによって、前記チタン層と前記マグネシウム基複合材料との接合強度が高くなる。また、前記金属部材と前記チタン層とが、銅とチタンを含む金属間化合物層を介して接合されていることによって、前記金属部材と前記チタン層との接合強度は高くなる。従って、この接合体は、前記マグネシウム基複合材料と前記金属部材との接合信頼性に優れたものとなる。
【００１７】
ここで、本発明の接合体においては、前記チタン層が、１μｍ以上８４μｍ以下の範囲内とされていることが好ましい。この構成によれば、チタン層の厚さが１μｍ以上であるので、前記金属部材中のＣｕと前記マグネシウム基複合材料中のＭｇが直接接触することなく、チタン層を介して接合されているため、接合信頼性が向上する。また、チタン層の厚さが８４μｍ以下であるので、チタン層の熱抵抗が低くなる。従って、接合信頼性と放熱特性に優れた接合体を製造することが可能となる。
【００１８】
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、絶縁層と、この絶縁層の一方の面に形成された銅又は銅合金からなる回路層と、前記絶縁層の他方の面に形成された銅又は銅合金からなる金属層と、を備えたパワーモジュール用基板の金属層と、炭素質部材中にマグネシウム又はマグネシウム合金が充填されたマグネシウム基複合材料であるヒートシンクとが、接合されてなるヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、前記金属層と前記マグネシウム基複合材料との間にチタン層が配置されていて、前記金属層と前記チタン層とが、銅とチタンを含む金属間化合物層を介して接合されており、前記チタン層と前記マグネシウム基複合材料とが、添加元素−マグネシウム相を含む添加元素−マグネシウム含有層を介して接合されていて、前記添加元素−マグネシウム含有層と接触している前記マグネシウム基複合材料に添加元素を含む拡散層が形成されており、前記添加元素が銅、ニッケル、銀、アルミニウム、アルミニウムとケイ素の組合せのいずれかであることを特徴としている。
【００１９】
このヒートシンク付パワーモジュール用基板の構成によれば、前記チタン層と前記ヒートシンクであるマグネシウム基複合材料とは、添加元素−マグネシウム相を含む添加元素−マグネシウム含有層を介して接合されていて、前記添加元素−マグネシウム含有層と接触している前記マグネシウム基複合材料に添加元素を含む拡散層が形成されていることによって、前記マグネシウム基複合材料と前記チタン層との接合強度は高くなる。また、前記パワーモジュール用基板の金属層と前記チタン層とが、銅とチタンを含む金属間化合物層を介して接合されていることによって、前記金属層と前記チタン層との接合強度は高くなる。従って、このヒートシンク付パワーモジュール用基板は、前記ヒートシンクと前記パワーモジュール用基板との接合信頼性に優れたものとなる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、銅又は銅合金などの金属部材と、ＭｇＳｉＣに代表されるマグネシウム基複合材料とを、はんだを使用しないで、優れた接合信頼性で接合できる接合体の製造方法及び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可能となる。また、本発明によれば、銅又は銅合金などの金属部材とマグネシウム基複合材料とを、はんだを使用しないで接合した接合体及びヒートシンク付パワーモジュール用基板を提供することができる。本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、その製造に際してはんだを使用しないので、ヒートサイクル負荷時に、はんだにクラックが生じることによる接合率の低下や熱抵抗の上昇が発生しないため、長期間にわたって安定して使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板を説明する概略説明図である。
【図２】本発明の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を説明する概略説明図である。
【図３】本発明の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の他の製造方法を説明する概略説明図である。
【図４】本発明の実施形態に用いられるパワーモジュール用基板とチタン箔３０とが固相接合された積層体の製造方法を説明する概略説明図である。
【図５】本発明の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板のさらに他の製造方法を説明する概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板およびその製造方法の実施形態について、添付した図面を参照して説明する。
【００２３】
図１は、本発明の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板を説明する概略説明図である。
この実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、絶縁層を構成するセラミックス基板１１と、セラミックス基板１１の一方の面（図１においては上面）に形成された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面（図１においては下面）に形成され金属層１３と、を備えたパワーモジュール用基板１０の金属層１３と、マグネシウム基複合材料２０であるヒートシンクとが、接合されてなるものである。
【００２４】
セラミックス基板１１は、例えば、絶縁性および放熱性に優れたＳｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）等のセラミックスで構成されている。セラミックス基板１１の厚さは、例えば、０．２ｍｍ以上１．５ｍｍ以下の範囲内にある。
【００２５】
回路層１２は、銅又は銅合金からなる。回路層１２は、例えば、純度９９．９６質量％以上の無酸素銅の銅板がセラミックス基板１１に、活性金属ろう材にてろう付け接合することにより成形される。回路層１２の厚さは、例えば、０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の範囲内にある。
【００２６】
金属層１３は、銅又は銅合金からなる。金属層１３は、回路層１２の同様に、純度９９．９６質量％以上の無酸素銅の銅板がセラミックス基板１１に、活性金属ろう材にてろう付け接合することにより成形される。金属層１３の厚さは、例えば、０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の範囲内にある。
【００２７】
マグネシウム基複合材料２０は、炭素質部材２１中にマグネシウム２２が充填されたものである。炭素質部材２１の例としては、炭素繊維及び炭化ケイ素を挙げることができる。マグネシウム基複合材料２０の例としては、炭化ケイ素中にマグネシウムが充填されたＭｇＳｉＣを挙げることができる。ＭｇＳｉＣの組成として、炭化ケイ素が７０体積％以上とされているとよい。マグネシウム２２としては、９９．８質量％以上マグネシウム及び不可避不純物からなる純マグネシウムや、Ｌｉ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｃａ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｚｒ等の添加元素が添加されたマグネシウム及び不可避不純物からなるマグネシウム合金を用いることができる。マグネシウム合金を用いる場合、添加元素は、合計で２０質量％以下であるとよく、特に、Ａｌは３質量％以下、Ｚｎは５質量％以下、その他の元素はそれぞれ１０質量％以下とするとよい（但し、添加元素の量はマグネシウム合金を１００とする）。マグネシウム基複合材料２０の厚さは、例えば、０．４ｍｍ以上５．０ｍｍ以下の範囲内にある。
【００２８】
本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板では、パワーモジュール用基板１０の金属層１３とマグネシウム基複合材料２０との間にはチタン層３１が配置されている。チタン層３１の厚さは、１μｍ以上８４μｍ以下の範囲内とされていることが好ましい。
【００２９】
チタン層３１は、後述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において、チタン箔を金属層１３に固相拡散接合することによって成形される。この固相拡散接合により、パワーモジュール用基板１０の金属層１３とチタン層３１との間には、銅とチタンを含む金属間化合物層５１が生成される。
【００３０】
チタン層３１とマグネシウム基複合材料２０とは、添加元素−マグネシウム相を含む添加元素−マグネシウム含有層４１を介して接合されている。マグネシウム基複合材料２０は、添加元素−マグネシウム含有層４１と接触している側の表面に添加元素を含む拡散層２３が形成されている。なお、添加元素は、銅、ニッケル、銀、アルミニウム、アルミニウムとケイ素の組合せのいずれかである。
【００３１】
添加元素−マグネシウム含有層４１は、後述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において、接合材をチタン層３１とマグネシウム基複合材料２０との間に配置して加熱することによって、マグネシウム基複合材料２０内のマグネシウムが接合材に拡散して液相が発生し、この液相が凝固することで生成した層である。すなわち、添加元素−マグネシウム含有層４１中の添加元素は、後述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において、接合材として用いられた元素である。
【００３２】
添加元素−マグネシウム含有層４１は、添加元素とマグネシウムとをモル比（添加元素：Ｍｇ）で以下の範囲内で含むことが好ましい。
添加元素が銅の場合（Ｃｕ：Ｍｇ）；９４：６〜９９．９：０．１
添加元素がニッケルの場合（Ｎｉ：Ｍｇ）；９５：５〜９９．９：０．１
添加元素が銀の場合（Ａｇ：Ｍｇ）；９５：５〜９８：２
添加元素がアルミニウムの場合及び添加元素がアルミニウムとケイ素の組み合わせの場合（Ａｌ：Ｍｇ）；７５：２５〜９８：２
なお、添加元素がアルミニウムとケイ素の組み合わせの場合のように、添加元素−マグネシウム含有層４１の添加元素−マグネシウム相中にＳｉを含有する場合、ＳｉはＭｇ２Ｓｉ粒として分散して存在している。
【００３３】
マグネシウム基複合材料２０の拡散層２３は、添加元素がマグネシウム基複合材料２０に拡散することによって生成した層である。拡散層２３の厚さは、０．１ｍｍ以上であることが好ましい。ここで、拡散層２３はマグネシウム基複合材料２０において添加元素の濃度が３ａｔ％以上の層である。拡散層２３の厚さが０．１ｍｍ以上とされているので、チタン層３１とマグネシウム基複合材料２０とが確実に接合されている。
【００３４】
本実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、パワーモジュール用基板の回路層１２に、パワー半導体素子を搭載して、ヒートシンク付パワーモジュールとして利用することができる。
【００３５】
次に、本実施形態である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、図２を参照して説明する。
まず、図２（ａ）に示すように、パワーモジュール用基板１０とチタン箔３０とを用意して、パワーモジュール用基板１０の金属層１３とチタン箔３０とが固相接合された積層体５０を作製する。
【００３６】
具体的には、はじめに、セラミックス基板１１の一方の面及び他方の面に無酸素銅からなる銅板をそれぞれ活性金属ろう材によって接合し、セラミックス基板１１の一方の面及び他方の面に回路層１２及び金属層１３が形成されたパワーモジュール用基板１０を得る。なお、活性金属ろう材には、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉろう材やＡｇ−Ｔｉろう材等が用いられる。そして、得られたパワーモジュール用基板１０の金属層１３とチタン箔３０とを積層し、積層方向に荷重を付与しながら加熱することによって、金属層１３とチタン箔３０とが固相接合された積層体５０を得る。金属層１３とチタン箔３０とが固相接合することによって、前述の金属間化合物層５１が生成する。このときの荷重は、５ｋｇｆ／ｃｍ２以上１５ｋｇｆ／ｃｍ２以下の範囲内にあることが好ましい。加熱温度は、６４０℃以上７９８℃以下の範囲内にあることが好ましい。加熱時間は、３０分以上１５０分以下の範囲内にあることが好ましい。加熱は、窒素やアルゴンなどの不活性ガスの雰囲気中又は真空中で行うことが好ましい。
【００３７】
チタン箔３０は、バリヤー膜として作用して、パワーモジュール用基板１０の金属層１３とマグネシウム基複合材料２０が直接接触することを防止する作用がある。この作用効果を発揮させるために、チタン箔３０は、パワーモジュール用基板１０の金属層１３及びマグネシウム基複合材料２０のうちの少なくとも一方よりも面積が広いことが好ましい。
また、チタン箔３０は、厚さが厚い方が、接合時（すなわち加熱時）にＣｕとＴｉの金属間化合物が成長し、チタン箔の厚さが減少しても、パワーモジュール用基板１０の金属層１３とマグネシウム基複合材料２０が直接接触すること防ぐことができるので好ましい。一方、チタン箔３０は、厚さが薄い方が、熱抵抗が低くなるので好ましい。
これらの点を考慮すると、チタン箔３０の厚さは、３μｍ以上８５μｍ以下の範囲内とされていることが好ましく、より好ましくは１０μｍ以上２０μｍ以下の範囲内とするとよい。なお、チタン層３１の厚さは加熱時における拡散により、チタン箔３０よりも薄くなる。
【００３８】
次いで、図２（ｂ）に示すように、得られた積層体５０とマグネシウム基複合材料２０とを接合材４０を介して積層して、積層方向に荷重を付与しながら加熱する。このときの荷重は、５ｋｇｆ／ｃｍ２以上１５ｋｇｆ／ｃｍ２以下の範囲内にあることが好ましい。加熱温度は、４４０℃以上６５０℃以下の範囲内にあることが好ましい。加熱時間は、１分以上３０分以下の範囲内にあることが好ましい。加熱は、窒素やアルゴンなどの不活性ガスの雰囲気中又は真空中で行うことが好ましい。
【００３９】
積層体５０とマグネシウム基複合材料２０とを接合材４０を介して積層して加熱することによって、マグネシウム基複合材料２０のマグネシウム２２が接合材４０に拡散することで液相が発生する。そして、冷却することによって液相は凝固することによって、前述の添加元素−マグネシウム含有層４１が生成する。なお、マグネシウム２２のさらなる拡散によって、液相の融点が上昇し、加熱温度を保ったまま凝固する、いわゆる等温凝固によって液相が凝固する場合もある。そして、チタン箔３０とマグネシウム基複合材料２０が液相接合されることとなる。
【００４０】
接合材４０としては、銅、ニッケル、銀、アルミニウム、アルミニウムとケイ素の合金のいずれかからなる接合材を用いることができる。
接合材４０として用いるアルミニウムとしては、純度９９％以上の純アルミニウム（２Ｎ−Ａｌ）、純度９９．９％以上の純アルミニウム（３Ｎ−Ａｌ）、純度９９．９９％以上の純アルミニウム（４Ｎ−Ａｌ）等の純アルミニウムや、Ａ１０５０、Ａ６０６３等のアルミニウムを用いることができる。
【００４１】
接合材４０は、チタン箔３０とマグネシウム基複合材料２０との間に均一に存在することが好ましい。このため、接合材４０は、マグネシウム基複合材料２０と面積が同じであることが好ましい。
また、接合材４０は、厚さが薄くなりすぎると、チタン箔３０とマグネシウム基複合材料２０との接合強度が低くなり、接合信頼性が低下することがある。一方、厚さが厚くなりすぎると接合時に液相が過剰に発生し、チタン箔３０とマグネシウム基複合材料２０との間から液相が漏れ出てしまい、ろうこぶを発生させる可能性がある。これらの点を考慮すると、接合材４０の厚さは、２μｍ以上１００μｍ以下の範囲内とすることが好ましく、１０μｍ以上８５μｍ以下の範囲内とすることがより好ましい。
【００４２】
なお、接合材４０に、アルミニウムとケイ素の合金からなる接合材を用いる場合、ケイ素の含有量は５質量％以上１２．５質量％以下の範囲内とすることができる。特に、接合材４０の厚さが比較的薄い場合に、アルミニウムとケイ素の合金からなる接合材を用いることによって液相を保持しやすくなり、接合信頼性を向上させることができる。
アルミニウムとケイ素の合金は、マグネシウムの含有量が１質量％未満であることが好ましく０．９質量％以下であることが特に好ましい。マグネシウムの含有量が上記の量よりも多いアルミニウムとケイ素の合金は、薄膜状の接合材として成形しにくくなるおそれがある。
【００４３】
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、パワーモジュール用基板１０とチタン箔３０と接合材４０とマグネシウム基複合材料２０の接合は、以下のようにして行うこともできる。
【００４４】
図３は、発明の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の他の製造方法を説明する概略説明図である。
まず、図３（ａ）に示すように、前述した方法によってパワーモジュール用基板１０とチタン箔３０とを固相拡散接合して、パワーモジュール用基板１０の（金属層１３）とチタン箔３０とが固相接合された積層体５０を作製する。
【００４５】
次に、図３（ｂ）に示すように、積層体５０のチタン箔３０と接合材４０が対向するように積層し、積層方向に、５ｋｇｆ／ｃｍ２以上１５ｋｇｆ／ｃｍ２以下の荷重を付加し、５５０℃以上６４０℃以下で加熱し、積層体５０に接合材４０が固相接合された積層体を作製する。なお、固相拡散接合は、窒素やアルゴンなどの不活性ガスの雰囲気中又は真空中で行うことができる。接合材４０としてアルミニウムとケイ素の合金を用いる場合には、真空中で行うことがより好ましい。接合材４０として純度９９．９９％以上のアルミニウムを用いる場合には窒素やアルゴンなどの不活性ガスの雰囲気中で固相拡散接合を行うことがより好ましい。
【００４６】
そして、図３（ｃ）に示すように、積層体５０に接合材４０が固相接合された積層体とマグネシウム基複合材料２０を積層し、積層方向に、５ｋｇｆ／ｃｍ２以上１５ｋｇｆ／ｃｍ２以下の荷重を付加し、４４０℃以上６５０℃以下で加熱し、積層体５０に接合材４０が固相接合された積層体にマグネシウム基複合材料２０を液相接合することで、ヒートシンク付パワーモジュール用基板を得ることができる。
【００４７】
なお、パワーモジュール用基板１０（金属層１３）とチタン箔３０とが固相接合された積層体５０を作製する方法としては、次のような方法を用いることもできる。
【００４８】
図４は、本発明の実施形態に用いられるパワーモジュール用基板とチタン箔３０とが固相接合された積層体の製造方法を説明する概略説明図である。
先ず、図４（ａ）に示すように、チタン箔３０、金属層１３となる銅板、活性金属ろう材（図示せず）、セラミックス基板１１、活性金属ろう材（図示せず）、回路層１２となる銅板、をこの順に積層し、積層方向に加圧しながら加熱する。
【００４９】
このような方法によって、図４（ｂ）に示すように、セラミックス基板と銅板の接合及びチタン箔と金属層の固相拡散接合を同時に行うことができる。活性金属ろう材としては、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉろう材やＡｇ−Ｔｉを用い、加熱温度を６４０℃以上７９８℃以下の範囲内とするとよい。なお、活性金属ろう材として、Ｃｕ−Ｐ−Ｎｉ−Ｓｎろう材とＴｉ箔を組み合わせたろう材を用いてもよい。Ｃｕ−Ｐ−Ｎｉ−Ｓｎろう材とＴｉ箔を組み合わせたろう材を用いる場合、加熱温度を比較的低温（例えば、６００℃以〜６５０℃）とした場合でも接合することが可能である。
なお、積層方向への加圧は５ｋｇｆ／ｃｍ２以上１５ｋｇｆ／ｃｍ２以下の範囲内とするとよい。
【００５０】
さらに、パワーモジュール用基板１０とチタン箔３０と接合材４０とマグネシウム基複合材料２０の接合のその他の方法として、以下のようにして行うこともできる。
【００５１】
図５は、発明の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板のさらに他の製造方法を説明する概略説明図である。
先ず、図５（ａ）に示すように、前述した方法でパワーモジュール用基板１０を作製し、パワーモジュール用基板１０の金属層１３とチタン箔３０と接合材４０を、この順で積層し、積層方向に荷重を付与しながら加熱することによって、金属層１３とチタン箔３０と接合材４０とが固相接合された積層体を得る。このときの荷重は、５ｋｇｆ／ｃｍ２以上１５ｋｇｆ／ｃｍ２以下の範囲内にあることが好ましい。加熱温度は、５５０℃以上６５０℃以下の範囲内にあることが好ましい。加熱時間は、３０分以上１５０分以下の範囲内にあることが好ましい。加熱は、窒素などの不活性ガスの雰囲気中又は真空中で行うことができる。好ましくは、真空中で行うとよい。加熱を真空中で行う場合、接合材４０として銅、ニッケル、銀、アルミニウム、のいずれかからなる接合材を用いることが好ましい。
【００５２】
そして、図５（ｂ）に示すように、金属層１３とチタン箔３０と接合材４０とが固相接合された積層体とマグネシウム基複合材料２０とを、接合材４０とマグネシウム基複合材料２０とが対向するよう積層して、積層方向に荷重を付与しながら加熱する。このときの荷重は、５ｋｇｆ／ｃｍ２以上１５ｋｇｆ／ｃｍ２以下の範囲内にあることが好ましい。加熱温度は、４４０℃以上６５０℃以下の範囲内にあることが好ましい。加熱時間は、１分以上３０分以下の範囲内にあることが好ましい。加熱は、窒素やアルゴンなどの不活性ガスの雰囲気中又は真空中で行うことが好ましい。
【実施例】
【００５３】
本発明の有効性を確認するために行った確認実験について説明する。
【００５４】
［本発明例］
ＡｌＮ製絶縁板（４０ｍｍ×４０ｍｍ、厚さ０．６３５ｍｍ）の両面に、純度９９．９６質量％以上の無酸素銅の銅板（３７ｍｍ×３７ｍｍ、厚さ０．３ｍｍ）を、活性金属ろう材（Ａｇ−２７．４質量％Ｃｕ−２．０質量％Ｔｉ）にてろう付け接合して作成したパワーモジュール用基板と、ＭｇＳｉＣ（６０ｍｍ×６０ｍｍ、厚さ５．０ｍｍ、Ｍｇ含有率１４．７％）とを用意した。
【００５５】
パワーモジュール用基板と、表１に示すチタン箔と接合材とを積層して、積層方向に１２ｋｇｆ／ｃｍ２の接合荷重を付与しながら、真空雰囲気中にて６４０℃の温度で６０分間加熱して、パワーモジュール用基板とチタン箔とからなる積層体を得た。
得られた積層体とＭｇＳｉＣを表１記載の接合材を介して積層し、積層方向に１５ｋｇｆ／ｃｍ２の接合荷重を付与しながら、窒素雰囲気中にて６１０℃の温度で１５分間加熱して、ヒートシンク付パワーモジュール用基板を作製した。
【００５６】
［従来例１］
ＡｌＮ製絶縁層（４０ｍｍ×４０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍ）の両面に、純度９９．９６質量％以上の無酸素銅の銅板（３７ｍｍ×３７ｍｍ、厚さ０．３ｍｍ）を、活性金属ろう材（Ａｇ−２７．４質量％Ｃｕ−２．０質量％Ｔｉ）にてろう付け接合して作成したパワーモジュール用基板にＭｇＳｉＣ（６０ｍｍ×６０ｍｍ、厚さ５．０ｍｍ、Ｍｇ含有率１４．７体積％）をＳｎ‐Ｓｂ系はんだ（厚さ０．３ｍｍ）を用いてはんだ付けし、従来例１のヒートシンク付パワーモジュール用基板を得た。
【００５７】
得られた本発明例及び従来例のヒートシンク付パワーモジュール用基板について、下記の評価を行った。その評価結果を表１に示す。
【００５８】
（ろうこぶの有無）
ろうこぶの有無は、ヒートシンク付パワーモジュール用基板を目視で観察し、ろうこぶが生じていたものを「○」、生じていなかったものを「◎」と評価した。
【００５９】
（熱抵抗）
熱抵抗は、次のようにして測定した。半導体素子としてヒータチップを各ヒートシンク付パワーモジュール用基板に実装し、１００Ｗの電力で加熱し、熱電対を用いてヒータチップの温度を実測した。また、ヒータチップが実装されたヒートシンク付パワーモジュールを冷却器に固定し、冷却器を流通する冷却媒体（エチレングリコール：水＝９：１）の温度を実測した。そして、ヒータチップの温度と冷却媒体の温度差を電力で割った値を熱抵抗とした。
【００６０】
（拡散層の厚さの測定）
拡散層の厚さは、ＡＭＥＴＥＫ社ＥＤＡＸ事業部製エネルギー分散型Ｘ線分析装置Ｇｅｎｅｓｉｓを用い、チタン層からＭｇＳｉＣへ積層方向に線定量分析を実施し、接合界面から添加元素の濃度が３ａｔ％を下回った境界までの距離を拡散層の厚さとした。ただし、添加元素＋Ｍｇ＋Ｓｉの濃度の合計が３０ａｔ％以下の領域はボイドを測定していることから、この領域は拡散層の厚さ測定に考慮しない。また、Ｓｉ濃度が３０ａｔ％以上の部分はＳｉＣを測定しており、この領域も拡散層の厚さ測定に考慮しない。
【００６１】
（チタン層の厚さの測定）
作製したヒートシンク付パワーモジュール用基板に対し、ＳＥＭによる断面写真観察からチタン層の厚さを測定した。
倍率２０００倍の視野（縦６４．４μｍ、幅７４．７μｍ）において、チタン層の面積を測定し、測定視野の幅の寸法で除してチタン層の厚さを求めた。５視野の平均をチタン層の厚さとした。
【００６２】
（初期接合率）
パワーモジュール用基板とヒートシンクとの接合率を評価した。具体的には、ヒートシンク付パワーモジュール用基板において、パワーモジュール用基板の金属層とヒートシンク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、すなわち金属層面積とした。超音波探傷像において非接合部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非接合部面積とした。
（接合率（％））＝｛（初期接合面積）−（非接合部面積）｝／（初期接合面積）×１００
【００６３】
（冷熱サイクル後の接合率）
冷熱サイクル後の接合率は、冷熱衝撃試験機エスペック社製ＴＳＢ−５１を使用し、ヒートシンク付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℃×３分←→１５０℃×７分の１０００サイクルを実施し、上述した方法と同じ方法で接合率を評価した。
【００６４】
【表１】
0006558272.tif 000002
【００６５】
表１の結果から、本発明例にて作製されたヒートシンク付パワーモジュール用基板は、はんだを用いた従来例１よりも、熱抵抗が低く、冷熱サイクル後の接合率が高く、接合信頼性に優れたヒートシンク付パワーモジュール用基板であることが分かる。なお、本発明例５では、ろうこぶが確認されたが、使用に問題のない程度であった。
【符号の説明】
【００６６】
１０  パワーモジュール用基板
１１  セラミックス基板
１２  回路層
１３  金属層
２０  マグネシウム基複合材料
２１  炭素質部材
２２  マグネシウム又はマグネシウム合金
２３  拡散層
３０  チタン箔
３１  チタン層
４０  接合材
４１  添加元素−マグネシウム含有層
５０  積層体
５１  金属間化合物層
【図１】
0006558272.tif 000003
【図２】
0006558272.tif 000004
【図３】
0006558272.tif 000005
【図４】
0006558272.tif 000006
【図５】
0006558272.tif 000007