(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の部材と第二の部材とを接合した接合体であって、
前記第一の部材および第二の部材のそれぞれの接合面は、銅、銅合金、ニッケル、ニッケル合金のうち少なくともいずれかを含む材料からなり、
互いの接合面の間には、Ｃｕ６Ｓｎ５またはＣｕ６Ｓｎ５のうち銅の一部がニッケルに置換された構造を含む金属間化合物である（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５を主成分とした金属間化合物層が形成されており、
前記金属間化合物層に含まれるＣｕ３Ｓｎの面積率が１．５％以下であり、
前記金属間化合物層に単体として存在するＳｎの面積率は１５％以下であることを特徴とする接合体。
【請求項２】
前記金属間化合物層に含まれる（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５において、ニッケルの濃度は１２ａｔ％以下であることを特徴とする請求項１記載の接合体。
【請求項３】
セラミックス基板と、前記セラミックス基板の一方の面側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側に形成された金属層と、前記金属層に接合された冷却器と、とを有する冷却器付きパワーモジュール用基板であって、
前記金属層および前記冷却器のそれぞれの接合面は、銅、銅合金、ニッケル、ニッケル合金のうち少なくともいずれかを含む材料からなり、
互いの接合面の間には、Ｃｕ６Ｓｎ５またはＣｕ６Ｓｎ５のうち銅の一部がニッケルに置換された構造を含む金属間化合物である（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５を主成分とした金属間化合物層が形成されており、
前記金属間化合物層に含まれるＣｕ３Ｓｎの面積率が１．５％以下であり、
前記金属間化合物層に単体として存在するＳｎの面積率は１５％以下であることを特徴とする冷却器付きパワーモジュール用基板。
【請求項４】
前記金属間化合物層に含まれる（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５において、ニッケルの濃度は１２ａｔ％以下であることを特徴とする請求項３記載の冷却器付きパワーモジュール用基板。
【請求項５】
前記金属層および前記冷却器のうち、少なくともいずれか一方は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる基部と、該基部のうち、少なくとも前記接合面側に形成されたニッケルを含むメッキ層と、からなることを特徴とする請求項３または４記載の冷却器付きパワーモジュール用基板。
【請求項６】
セラミックス基板と、前記セラミックス基板の一方の面側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側に形成された金属層と、前記金属層に接合された冷却器と、とを有する冷却器付きパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記金属層および前記冷却器は、それぞれの接合面が銅、銅合金、ニッケル、ニッケル合金のうち少なくともいずれかを含む材料を用い、
前記金属層および前記冷却器のうち、少なくともいずれか一方の接合面に、金属粉末として銅及びニッケルの合計量が４５ｗｔ％以上６０ｗｔ％以下、残部がスズおよび不可避不純物を含有するＣｕ−Ｓｎペーストを塗布するＣｕ−Ｓｎペースト塗布工程と、
前記金属層と前記冷却器とを互いに加圧しつつ加熱し、前記金属層と前記冷却器との間に、Ｃｕ３Ｓｎの面積率が１．５％以下かつ、Ｃｕ６Ｓｎ５またはＣｕ６Ｓｎ５のうち銅の一部がニッケルに置換された構造を含む金属間化合物である（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５を主成分とした金属間化合物層を形成する加熱工程と、
を備えたことを特徴とする冷却器付きパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項７】
前記Ｃｕ−Ｓｎペースト塗布工程における前記Ｃｕ−Ｓｎペーストの塗布量は、Ｃｕ成分が１５ｍｇ／ｃｍ２以上、１２０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲となるよう塗布することを特徴とする請求項６記載の冷却器付き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、少なくとも接合面が銅またはニッケルのうち少なくともいずれか一方を含む材料からなる部材どうしを接合してなる接合体、金属層に冷却器を接合してなる冷却器付きパワーモジュール用基板、およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＬＥＤやパワーモジュール等の半導体装置においては、導電材料からなる回路層の上に半導体素子が接合された構造とされている。
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、これ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導電性の優れた金属板を接合して形成した回路層と、を備えたパワーモジュール用基板が、従来から広く用いられている。なお、パワージュール用基板としては、セラミックス基板の他方の面に金属層を形成したものも提供されている。
【０００３】
例えば、特許文献１に示すパワーモジュールにおいては、セラミックス基板の一方の面及び他方の面にＡｌからなる回路層及び金属層が形成されたパワーモジュール用基板と、この回路層上にはんだ材を介して接合された半導体素子と、を備えた構造とされている。
そして、パワーモジュール用基板の金属層側には、ヒートシンクが接合されており、半導体素子からパワーモジュール用基板側に伝達された熱を、ヒートシンクを介して外部へ放散する構成とされている。
【０００４】
ところで、特許文献１に記載されたパワーモジュールのように、回路層及び金属層をアルミニウムで構成した場合には、表面にアルミニウムの酸化皮膜が形成されるため、はんだ材によっては半導体素子やヒートシンクを接合することができない。
そこで、従来、例えば特許文献２に開示されているように、回路層及び金属層の表面に無電解めっき等によってニッケルめっき膜を形成した上で、半導体素子やヒートシンクをはんだ接合している。
【０００５】
しかしながら、特許文献２に記載されたように、半導体素子やヒートシンクをはんだ接合した場合、高温時に原子の拡散速度の差異によってカーケンダルボイドが生じやすい。カーケンダルボイドが成長するとクラックに発展し、はんだ層が破壊されて剥離の原因となる。
【０００６】
このため、例えば特許文献３には、半導体チップと基板とを接合する際に、銅粒子とスズ粒子とを含む接合剤を用いて、Ｃｕリッチの金属間化合物であるＣｕ３Ｓｎの比率を増やす工程を経て、Ｃｕ３Ｓｎを主体とした金属間化合物層を形成して半導体チップと基板とを接合する接合方法が記載されている。
また、例えば特許文献４には、中心核がＣｕ及びＣｕとＳｎとの金属間化合物からなり、被覆層がＳｎからなるハンダ粉末が記載されている。こうしたハンダ粉末を用いて半導体チップと基板とを接合することで、Ｃｕ３Ｓｎを主体とした金属間化合物層が形成されることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３１７１２３４号公報
【特許文献２】特開２００４−１７２３７８号公報
【特許文献３】特開２０１４−１９９８５２号公報
【特許文献４】特開２０１４−１９３４７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献３や特許文献４に記載されたように、Ｃｕ３Ｓｎを主体とした金属間化合物層によって半導体チップや基板などの部材を接合する場合、金属間化合物層に存在するＣｕとＣｕ３Ｓｎとの拡散速度の差異によって生じるカーケンダルボイドの成長により、接合信頼性が低下する懸念がある。特に、高温環境に晒される可能性のあるパワーモジュール用基板を構成する部材どうしの接合に適用した場合、カーケンダルボイドの成長による接合信頼性の低下がより顕著になる。
【０００９】
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、部材どうしを接合する金属間化合物層に生じるカーケンダルボイドの発生や成長を抑制し、接合強度や接合信頼性を向上させた接合体及び冷却器付きパワーモジュール用基板を提供することを目的とする。また、こうした接合信頼性を向上させた冷却器付き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】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の接合体は、第一の部材と第二の部材とを接合した接合体であって、前記第一の部材および第二の部材のそれぞれの接合面は、銅、銅合金、ニッケル、ニッケル合金のうち少なくともいずれかを含む材料からなり、互いの接合面の間には、Ｃｕ６Ｓｎ５またはＣｕ６Ｓｎ５のうち銅の一部がニッケルに置換された構造を含む金属間化合物である（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５を主成分とした金属間化合物層が形成されており、前記金属間化合物層に含まれるＣｕ３Ｓｎの面積率が１．５％以下であり、前記金属間化合物層に単体として存在するＳｎの面積率は１５％以下であることを特徴とする。
【００１１】
本発明の接合体によれば、第一の部材と第二の部材とを、Ｃｕ６Ｓｎ５または（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５を主成分とし、Ｃｕ３Ｓｎの面積率が１．５％以下である金属間化合物層を介して接合することにより、従来のようなＣｕ３Ｓｎを主成分とした金属間化合物層を介して接合したものと比較して、カーケンダルボイドが発生及び成長が抑制され、接合信頼性や接合強度に優れた接合体を実現することができる。
Ｃｕ３Ｓｎの面積率が１．５％を超えると、カーケンダルボイドが成長することによって、接合信頼性や接合強度の低下が顕著になる。
なお、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５は、Ｃｕ６Ｓｎ５のうち銅の一部がニッケルに置換された構造を含む金属間化合物である。即ち、本発明において、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５と言った場合には、Ｃｕ６Ｓｎ５のうち銅の一部がニッケルに置換された構造の金属間化合物と、銅の一部がニッケルに置換されてないＣｕ６Ｓｎ５とが混在したものを含むものである。
なお、本発明において、面積率は金属間化合物層の断面積に対する面積率のことを示している
また、単体として存在するＳｎの面積率は１５％以下とすることで、接合体が高温環境に晒された際に、金属間化合物層の再溶融による形状の変化や、接合強度の低下を防ぐことが可能となる。
【００１２】
前記金属間化合物層に含まれる（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５において、Ｎｉの濃度は１２ａｔ％以下であることを特徴とする。
Ｎｉが過多となる場合, 脆性破壊の起点となるＮｉ３Ｓｎ４が形成される懸念がある。Ｎｉの濃度を１２ａｔ％以下に保つことによって、接合強度に優れた接合体を実現できる。
【００１４】
本発明の冷却器付きパワーモジュール用基板は、セラミックス基板と、前記セラミックス基板の一方の面側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側に形成された金属層と、前記金属層に接合された冷却器と、とを有する冷却器付きパワーモジュール用基板であって、前記金属層および前記冷却器のそれぞれの接合面は、銅、銅合金、ニッケル、ニッケル合金のうち少なくともいずれかを含む材料からなり、互いの接合面の間には、Ｃｕ６Ｓｎ５またはＣｕ６Ｓｎ５のうち銅の一部がニッケルに置換された構造を含む金属間化合物である（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５を主成分とした金属間化合物層が形成されており、前記金属間化合物層に含まれるＣｕ３Ｓｎの面積率が１．５％以下であり、前記金属間化合物層に単体として存在するＳｎの面積率は１５％以下であることを特徴とする。
【００１５】
本発明の冷却器付きパワーモジュール用基板によれば、金属層と、冷却器とを、Ｃｕ６Ｓｎ５または（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５を主成分とし、Ｃｕ３Ｓｎの面積率が１．５％以下である金属間化合物層を介して接合することにより、従来のようなＣｕ３Ｓｎを主成分とした金属間化合物層を介して接合したものと比較して、カーケンダルボイドの発生及び成長が抑制され、接合信頼性や接合強度に優れた冷却器付きパワーモジュール用基板を実現することができる。
また、単体として存在するＳｎの面積率を１５％以下とすることで、冷却器付きパワーモジュール用基板が高温環境に晒された際に、金属間化合物層の再溶融による形状の変化や、接合強度の低下を防ぐことが可能となる。より好ましくは１０％以下とするとよい。
【００１６】
前記金属間化合物層に含まれる（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５において、Ｎｉの濃度は１２ａｔ％以下であることを特徴とする。
Ｎｉが過多となる場合, 脆性破壊の起点となるＮｉ３Ｓｎ４が形成される懸念がある。Ｎｉの濃度を１２ａｔ％以下に保つことによって、接合強度に優れた冷却器付きパワーモジュール用基板を実現できる。
【００１８】
前記金属層および前記冷却器のうち、少なくともいずれか一方は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる基部と、該基部のうち、少なくとも前記接合面側に形成されたニッケルを含むメッキ層と、からなることを特徴とする。
これによって、金属層の基部や、冷却器の基部としてアルミニウムを用いた場合であっても、こうした基部にそれぞれニッケルを含むメッキ層を形成することにより、Ｃｕ６Ｓｎ５の銅の一部がニッケルに置換された（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５を主成分とした金属間化合物層を形成できる。銅の一部をニッケルに置換することによって、金属層と冷却器との接合信頼性をより一層向上させることができる。
【００１９】
本発明の冷却器付き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、前記セラミックス基板の一方の面側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側に形成された金属層と、前記金属層に接合された冷却器と、とを有する冷却器付きパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記金属層および前記冷却器は、それぞれの接合面が銅、銅合金、ニッケル、ニッケル合金のうち少なくともいずれかを含む材料を用い、前記金属層および前記冷却器のうち、少なくともいずれか一方の接合面に、金属粉末として銅及びニッケルの合計量が４５ｗｔ％以上６０ｗｔ％以下、残部がスズおよび不可避不純物を含有するＣｕ−Ｓｎペーストを塗布するＣｕ−Ｓｎペースト塗布工程と、前記金属層と前記冷却器とを互いに加圧しつつ加熱し、前記金属層と前記冷却器との間に、Ｃｕ３Ｓｎの面積率が１．５％以下かつ、Ｃｕ６Ｓｎ５またはＣｕ６Ｓｎ５のうち銅の一部がニッケルに置換された構造を含む金属間化合物である（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５を主成分とした金属間化合物層を形成する加熱工程と、を備えたことを特徴とする。
【００２０】
本発明の冷却器付きパワーモジュール用基板の製造方法によれば、金属層と、冷却器とを、Ｃｕ６Ｓｎ５または（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５を主成分とし、Ｃｕ３Ｓｎの面積率が１．５％以下である金属間化合物層を介して接合することにより、従来のようなＣｕ３Ｓｎを主成分とした金属間化合物層を介して接合したものと比較して、カーケンダルボイドが発生しにくく、接合信頼性や接合強度に優れた冷却器付きパワーモジュール用基板を製造することができる。
ここで、金属粉末の銅及びニッケルの合計量が４５ｗｔ％未満の場合、接合面の間にＳｎが主成分となる層が形成されることにより、接合強度が低下することとなる。また、銅及びニッケルの合計量が６０ｗｔ％を超えると、加熱工程時に存在するＣｕ量が多いため、形成される金属間化合物層にＣｕ３Ｓｎが多く存在することとなる。
【００２１】
前記Ｃｕ−Ｓｎペースト塗布工程における前記Ｃｕ−Ｓｎペーストの塗布量は、Ｃｕ成分が１５ｍｇ／ｃｍ２以上、１２０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲となるよう塗布することを特徴とする。
塗布するＣｕ−ＳｎペーストのＣｕ成分が１５ｍｇ／ｃｍ２未満の場合、加熱工程の際に生じる液相の量が低下し、接合性が低下するおそれがある。また、塗布するＣｕ−ＳｎペーストのＣｕ成分が１２０ｍｇ／ｃｍ２を超えると、金属間化合物層が厚く形成されることとなり、金属層や冷却器との線膨張差によって接合信頼性が低下するおそれがある。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、部材どうしを接合する金属間化合物層に生じるカーケンダルボイドの発生や成長を抑制し、接合強度や接合信頼性を向上させた接合体及び冷却器付きパワーモジュール用基板を提供することができる。こうした接合信頼性を向上させた冷却器付き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】
【００２３】
【図１】第一実施形態の冷却器付きパワーモジュール用基板を示す断面図である。
【図２】金属間化合物層を介した金属層と冷却器との接合部分を示す断面模式図である。
【図３】第二実施形態の冷却器付きパワーモジュール用基板を示す断面図である。
【図４】第一実施形態の冷却器付きパワーモジュール用基板の製造方法を段階的に示す断面図である。
【図５】第一実施形態の冷却器付きパワーモジュール用基板の製造方法を段階的に示す断面図である。
【図６】第二実施形態の冷却器付きパワーモジュール用基板の製造方法を段階的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面を参照して、本発明の接合体、冷却器付きパワーモジュール用基板、および冷却器付き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。
【００２５】
（冷却器付きパワーモジュール用基板：第一実施形態）
第一実施形態の冷却器付きパワーモジュール用基板（接合体）について、図１を参照して説明する。
図１は、本発明の第一実施形態の冷却器付きパワーモジュール用基板（接合体）を示す断面図である。
本実施形態である接合体は、セラミックス基板１１、セラミックス基板１１の一方の面側１１ａに接合された回路層１２、セラミックス基板１１の他方の面側１１ｂに接合された第一の部材として金属層１３、金属層１３のセラミックス基板１１とは反対側の面に接合された、第二の部材としての冷却器１４を備えた冷却器付きパワーモジュール用基板１０とされている。
【００２６】
また、本実施形態のパワーモジュール２０は、冷却器付きパワーモジュール用基板１０の回路層１２に、はんだ層２１を介して半導体素子２２を実装してなる。
【００２７】
セラミックス基板（絶縁層）１１は、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。本実施形態では、セラミックス基板１１は、Ｓｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）で構成されている。また、セラミックス基板１１の厚さは、例えば、０．２〜１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、０．３２ｍｍに設定されている。
【００２８】
回路層１２は、セラミックス基板１１の一方の面１１ａにアルミニウム又はアルミニウム合金からなる板材が接合されることで形成されている。アルミニウム又はアルミニウム合金としては、純度が９９質量％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）や純度が９９．９９質量％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）等を用いることができる。本実施形態では、４Ｎアルミニウムの圧延板を用いている。
また、回路層１２厚さは、０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６ｍｍに設定されている。回路層１２とセラミックス基板１１の一方の面側１１ａとは、例えば、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材によって接合されている。
【００２９】
なお、回路層１２としては、アルミニウム又はアルミニウム合金以外にも、銅や銅合金も用いることができる。例えば、無酸素銅の圧延板を接合することで回路層１２とすることもできる。回路層１２として銅や銅合金を用いれば、より一層放熱性を高めることができる。
【００３０】
金属層（第一の部材）１３は、セラミックス基板１１の他方の面１１ａに接合されたアルミニウム板又はアルミニウム合金からなる板材を接合することで形成された基部１３Ａと、この基部１３Ａのセラミックス基板１１に対する接合面とは反対側の面に形成されたニッケルを含むメッキ層１３Ｂとからなる。即ち、このメッキ層１３Ｂは、金属層（第一の部材）１３における冷却器（第二の部材）１４との接合面１３ａを構成する。
【００３１】
金属層１３の基部１３Ａは、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる板材が接合されることで形成されている。アルミニウム又はアルミニウム合金としては、純度が９９質量％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）や純度が９９．９９質量％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）等を用いることができる。本実施形態では、４Ｎアルミニウムの圧延板を用いている。
また、基部１３Ａの厚さは、０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６ｍｍに設定されている。金属層１３とセラミックス基板１１の他方の面側１１ｂとは、例えば、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材によって接合されている。
【００３２】
なお、金属層１３の基部１３Ａとしては、アルミニウム又はアルミニウム合金以外にも、銅や銅合金も用いることができる。例えば、無酸素銅の圧延板を接合することで金属層１３の基部１３Ａとすることもできる。金属層１３の基部１３Ａとして銅や銅合金を用いれば、より一層放熱性を高めることができる。
【００３３】
金属層１３を構成するメッキ層１３Ｂは、ニッケルやニッケルを含む合金などを基部１３Ａの表面にメッキしたものからなる。本実施形態では、メッキ層１３Ｂは、無電解メッキによって厚みが３μｍ以上８μｍとなるように形成したものからなる。メッキ層１３Ｂは、電解メッキによって形成することもできる。
こうしたメッキ層１３Ｂは、金属層（第一の部材）１３における冷却器（第二の部材）１４との接合面１３ａをニッケルを含む材料にする。
なお、金属層１３を構成するメッキ層１３Ｂと同様のメッキ層を、回路層１２に形成することもできる。
【００３４】
冷却器（第二の部材）１４は、金属間化合物層２３を介して金属層（第一の部材）１３に接合される。冷却器１４は、例えば半導体素子２２の動作によって生じた熱を効率よく放散させるためのものである。本実施形態の冷却器１４は、板状の金属部材である基部１４Ａと、この基部１３Ａの金属層１３と対向する面に形成されたニッケルを含むメッキ層１４Ｂとからなる。即ち、このメッキ層１４Ｂは、冷却器１４における金属層（第一の部材）１３との接合面１４ａを構成する。
【００３５】
冷却器１４を構成する基部１４Ａは、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されており、本実施形態では、Ａ６０６３で構成されている。なお、冷却器１４の基部１４Ａとしては、アルミニウム又はアルミニウム合金以外にも、銅や銅合金も用いることができる。例えば、りん脱酸銅の圧延板を用いて冷却器１４の基部１４Ａを構成することもできる。冷却器１４の基部１４Ａとして銅や銅合金を用いれば、より一層放熱性を高めることができる。
また、本実施形態の冷却器１４は、外気に対して放熱させる空冷式の冷却器の例を示したが、例えば、水などの冷媒を流通させる流路を備えた液冷式の冷却器にすることもできる。
【００３６】
冷却器１４を構成するメッキ層１４Ｂは、ニッケルやニッケルを含む合金などを基部１４Ａの表面にメッキしたものからなる。本実施形態では、メッキ層１４Ｂは、無電解メッキによって厚みが３μｍ以上８μｍ以下になるように形成したものからなる。なお、メッキ層１４Ｂは、電解メッキによって形成することもできる。こうしたメッキ層１４Ｂは、冷却器（第二の部材）１４における金属層（第一の部材）１３との接合面１４ａをニッケルを含む材料にする。
【００３７】
金属層（第一の部材）１３の接合面１３ａ（即ちメッキ層１３Ｂ）と、冷却器（第二の部材）１４の接合面１４ａ（即ちメッキ層１４Ｂ）とを互いに接合する金属間化合物層２３は、Ｃｕ６Ｓｎ５を構成する銅の一部がニッケルに置換された（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５を主成分とした層である。
金属間化合物層２３の厚さは２５μｍ〜３００μｍとされている。金属間化合物層２３の厚さを２５μｍ〜３００μｍの範囲内とすることで、より確実に金属層１３と冷却器１４を接合するとともに、必要以上に金属間化合物層２３が厚くならないため接合信頼性が向上する。
【００３８】
本実施形態においては、メッキ層１３Ｂ，１４Ｂに由来するニッケルによって、金属間化合物層２３には、Ｃｕ６Ｓｎ５を構成する銅の一部、例えば２ａｔ％程度がニッケルに置換された（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５が形成されている。
（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５が形成されることによって、接合信頼性が向上する。Ｃｕ６Ｓｎ５は、１８６℃以上で六方晶であるη−Ｃｕ６Ｓｎ５を成し、１８６℃未満では単斜晶のη’−Ｃｕ６Ｓｎ５を成す、同素変態による少なくとも二つの結晶構造を有している。
【００３９】
この２つの相の相変態に伴う体積変化は、それぞれの結晶構造及び格子定数から、理論上は約２．１５％であると見積もられ、この時、大きな内部応力が発生すると考えられる。ニッケルを含む（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５は、高温状態においても六方晶のまま相変態を起こさないが、ニッケルが過多となる場合, 脆性破壊の起点となるＮｉ３Ｓｎ４が形成され、接合信頼性が低下するおそれがある。このため、Ｃｕ６Ｓｎ５におけるニッケルは２ａｔ％以上１２ａｔ％以下とするとよい。より好ましくは５ａｔ％以上１２ａｔ％以下である。
【００４０】
図２は、金属間化合物層を介した金属層と冷却器との接合部分を示す模式図である。
図２に示す模式図では、上から順に、金属層の基部（アルミニウム板）、金属層のニッケルメッキ層、金属間化合物層、冷却器のニッケルメッキ層、冷却器の基部となっている。
ここで、金属間化合物層２３に含まれるＣｕ３Ｓｎの面積率が１．５％以下とされている。Ｃｕ３Ｓｎの面積率が１．５％を超えると、カーケンダルボイドの発生や成長を抑制することができず、接合信頼性や接合強度が低下することとなる。
【００４１】
また、金属間化合物層２３に単体として存在するＳｎの面積率は１５％以下であるとよい。単体として存在するＳｎの面積率を１５％以下とすることで、冷却器付きパワーモジュール用基板が高温環境に晒された際に、金属間化合物層２３の再溶融による形状の変化や、接合強度の低下を防ぐことが可能となる。より好ましくは、１０％以下とするとよい。
【００４２】
こうした金属間化合物層２３は、後述する製造方法において、金属層１３の接合面１３ａや冷却器１４の接合面１４ａに塗布したＣｕ−Ｓｎペーストを熱処理することによって形成される。
【００４３】
なお、冷却器付きパワーモジュール用基板１０の回路層１２に半導体素子２２を実装する際にも、上述した（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５を主成分とした金属間化合物層２３によって接合してパワーモジュール２０を形成することができる。
【００４４】
以上のような第一実施形態の本発明の冷却器付きパワーモジュール用基板（接合体）１０によれば、金属層（第一の部材）１３と、冷却器（第二の部材）１４とを、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５を主成分とし、Ｃｕ３Ｓｎの面積率が１．５％以下である金属間化合物層２３を介して接合することにより、従来のようなＣｕ３Ｓｎを主成分とした金属間化合物層を介して接合したものと比較して、カーケンダルボイドの発生や成長が抑制され、接合信頼性や接合強度に優れた冷却器付きパワーモジュール用基板（接合体）１０を実現することができる。
【００４５】
また、金属層（第一の部材）１３の基部１３Ａや、冷却器（第二の部材）１４の基部１４Ａとしてアルミニウムを用いた場合であっても、こうした基部１３Ａ，１４Ａにそれぞれニッケルメッキ層１３Ｂ，１４Ｂを形成することにより、金属層（第一の部材）１３の接合面１３ａや、冷却器（第二の部材）１４の接合面１４ａを、Ｃｕ−Ｓｎペーストを用いて接合可能な、ニッケルを含む材料にすることができる。
【００４６】
そして、金属層（第一の部材）１３と冷却器（第二の部材）１４との互いの接合面１３ａ，１４ａをニッケルメッキ層１３Ｂ，１４Ｂにすることで、金属間化合物層２３を構成するＣｕ６Ｓｎ５の銅の一部がニッケルに置換された（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５となる。銅の一部をニッケルに置換することによって、金属層（第一の部材）１３と冷却器（第二の部材）１４との接合信頼性をより一層向上させることができる。
【００４７】
（冷却器付きパワーモジュール用基板：第二実施形態）
第二実施形態の冷却器付きパワーモジュール用基板（接合体）について、図３を参照して説明する。
図３は、本発明の第二実施形態の冷却器付きパワーモジュール用基板（接合体）を示す断面図である。
本実施形態である接合体は、セラミックス基板３１、セラミックス基板３１の一方の面側３１ａに接合された回路層３２、セラミックス基板３１の他方の面側３１ｂに接合された第一の部材として金属層３３、金属層３３のセラミックス基板３１とは反対側の面に重ねて接合された、第二の部材としての冷却器３４を備えた冷却器付きパワーモジュール用基板３０とされている。
【００４８】
また、本実施形態のパワーモジュール４０は、冷却器付きパワーモジュール用基板３０の回路層３２に、はんだ層２１を介して半導体素子２２を実装してなる。
【００４９】
セラミックス基板（絶縁層）３１は、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。本実施形態では、セラミックス基板１１は、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）で構成されている。また、セラミックス基板１１の厚さは、例えば、０．２〜１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６３５ｍｍに設定されている。
【００５０】
回路層３２は、無酸素銅等の純銅や銅合金からなる板材がセラミックス基板３１の一方の面側３１ａに接合されることで形成されている。回路層３２の厚さは０．０５ｍｍ以上１ｍｍ以下の範囲内に設定されることが好ましいが、これに限定されることはない。本実施形態では、回路層３２の厚さは０．３ｍｍに設定されている。
こうした回路層３２とセラミックス基板３１の一方の面側３１ａとは、ＤＢＣ法あるいは活性金属ろう付け法によって接合されている。
【００５１】
金属層（第一の部材）３３は、無酸素銅等の純銅や銅合金からなる板材がセラミックス基板３１の他方の面側３１ｂに接合されることで形成されている。金属層３３の厚さは０．０５ｍｍ以上１ｍｍ以下の範囲内に設定されることが好ましいが、これに限定されることはない。本実施形態において、回路層３２の厚さは０．３ｍｍに設定されている。
こうした金属層３３とセラミックス基板３１の他方の面側３１ｂとは、ＤＢＣ法あるいは活性金属ろう付け法によって接合されている。
【００５２】
冷却器（第二の部材）３４は、金属間化合物層４３を介して金属層（第一の部材）３３に接合される。冷却器３４は、例えば半導体素子２２の動作によって生じた熱を効率よく放散させるためのものであり、無酸素銅やりん脱酸銅等の純銅やＺｒ添加銅等の銅合金から形成されている。本実施形態の冷却器３４は、りん脱酸銅からなる放熱板によって形成されている。
【００５３】
金属層（第一の部材）３３の接合面３３ａと、冷却器（第二の部材）３４の接合面３４ａとを互いに接合する金属間化合物層４３は、Ｃｕ６Ｓｎ５を主成分とした金属間化合物からなる層である。
【００５４】
こうした金属間化合物層４３は、後述する製造方法において、金属層３３の接合面３３ａや冷却器３４の接合面３４ａに塗布したＣｕ−Ｓｎペーストを熱処理することによって形成される。
【００５５】
金属間化合物層４３は、Ｃｕ６Ｓｎ５を主成分とした層である。金属間化合物層４３の厚さは２５μｍ〜３００μｍとされている。金属間化合物層４３の厚さを２５μｍ〜３００μｍの範囲内とすることで、より確実に金属層３３と冷却器３４を接合するとともに、必要以上に金属間化合物層４３が厚くならないため接合信頼性が向上する。
ここで、金属間化合物層４３に含まれるＣｕ３Ｓｎの面積率は１．５％以下とされている。Ｃｕ３Ｓｎの面積率が１．５％を超えると、カーケンダルボイドの発生や成長を抑制することができず、接合信頼性や接合強度が低下することとなる。
また、金属間化合物層４３に単体として存在するＳｎの面積率は１５％以下であるとよい。単体として存在するＳｎの面積率を１５％以下とすることで、冷却器付きパワーモジュール用基板が高温環境に晒された際に、金属間化合物層４３の再溶融による形状の変化や、接合強度の低下を防ぐことが可能となる。より好ましくは、１０％以下とするとよい。
【００５６】
なお、冷却器付きパワーモジュール用基板３０の回路層３２に半導体素子２２を実装する際にも、上述したＣｕ６Ｓｎ５を主成分とした金属間化合物層４３によって接合してパワーモジュール４０を形成することができる。
【００５７】
以上のような第二実施形態の冷却器付きパワーモジュール用基板（接合体）３０によれば、金属層（第一の部材）３３と、冷却器（第二の部材）３４とを、Ｃｕ６Ｓｎ５を主成分とし、Ｃｕ３Ｓｎの面積率が１．５％以下である金属間化合物層４３を介して接合することにより、従来のようなＣｕ３Ｓｎを主成分とした金属間化合物層を介して接合したものと比較して、カーケンダルボイドの発生や成長を抑制し、接合信頼性や接合強度に優れた冷却器付きパワーモジュール用基板（接合体）３０を実現することができる。
【００５８】
また、金属層（第一の部材）３３や、冷却器（第二の部材）３４として銅や銅合金からなる部材を用いることにより、これらの接合面にメッキ層を形成することなく、直接に銅やスズを含むＣｕ−Ｓｎペーストを用いて接合することができる。これにより、パワーモジュール用基板（接合体）３０の製造が容易になる。
【００５９】
なお、上述した各実施形態で用いた金属層（第一の部材）や冷却器（第二の部材）の構成材料は一例であり、これ以外の材料を用いて金属層（第一の部材）や冷却器（第二の部材）を形成し、Ｃｕ６Ｓｎ５を主成分とした金属間化合物層によって接合することができる。
【００６０】
例えば、金属層（第一の部材）をアルミニウムから構成し、回路層をアルミニウムと銅とを接合した２層構造とすることができる。また、金属層（第一の部材）をアルミニウムと銅とを接合した２層構造とし、回路層をアルミニウムから構成することができる。更に、金属層（第一の部材）および回路層の両方をアルミニウムと銅とを接合した２層構造とすることもできる。
また、第一の部材や第二の部材として、アルミニウム、銅、ＡｌＳｉＣ、ＭｇＳｉＣなどを任意の組み合わせとして用いることができる。このうち、アルミニウム、ＡｌＳｉＣ、ＭｇＳｉＣを第一の部材や第二の部材として用いる場合には、少なくとも接合面にニッケルメッキ層を形成する。また、第一の部材や第二の部材として銅を用いる場合には、特にメッキ層を形成する必要はない。
【００６１】
また、冷却器付きパワーモジュール用基板として、金属層や冷却器の基部をアルミニウムで形成し、接合面に銅板を接合したものを用いて、Ｃｕ６Ｓｎ５を主成分とした金属間化合物層によって接合することもできる。この場合、接合面にニッケルメッキ層を形成しても、あるいは形成しなくても、金属層と冷却器とを接合することができる。ニッケルメッキ層を形成すれば、Ｃｕ６Ｓｎ５を構成する銅の一部がニッケルに置換されるので、ニッケルメッキをしない場合と比較して、更に接合信頼性を向上させることができる。
【００６２】
（冷却器付きパワーモジュール用基板の製造方法：第一実施形態）
次に、第一実施形態の冷却器付きパワーモジュール用基板の製造方法について説明する。この実施形態は、図１に示す構成の冷却器付きパワーモジュール用基板を製造する工程である。
図４、図５は、第一実施形態の冷却器付き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。
まず、図４（ａ）に示すように、パワーモジュール用基板を形成する。
例えば、厚みが０．３２ｍｍのＳｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）からなるセラミックス基板１１を用意し、一方の面側１１ａに、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材箔Ｆを介して、厚みが０．６ｍｍのアルミニウム圧延板Ｍ１を積層する。また、セラミックス基板１１の他方の面側１１ｂに、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材箔Ｆを介して、厚みが０．６ｍｍのアルミニウム圧延板Ｍ２を積層する。
【００６３】
次に、図４（ｂ）に示すように、この積層物を積層方向に加圧した状態で、真空加熱炉Ｈ内に配置し加熱して、セラミックス基板１１の一方の面側１１ａおよび他方の面側１１ｂに、それぞれアルミニウム圧延板Ｍ１，Ｍ２をそれぞれ接合し、回路層１２及び金属層１３（第一の部材）の基部１３Ａを形成する。接合条件としては、積層物の加圧力は、例えば１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２（０．１０〜３．４３ＭＰａ）、加熱温度は、６００℃以上６５０℃以下、保持時間は３０分以上１８０分以下の範囲内に設定することが好ましい。
【００６４】
次に、図４（ｃ）に示すように、金属層１３の基部１３Ａの表面及び冷却器１４の基部１４Ａの表面に無電解若しくは電解ニッケルメッキで、ニッケルメッキ層を形成する。無電解ニッケルメッキとしては、Ｎｉ−ＰメッキやＮｉ−Ｂメッキを用いることができる。ニッケルメッキ層の厚さは３μｍ〜８μｍとするとよい。なお、本実施形態においては、ニッケルメッキ層の表面どうしが接合面となる。これにより、基部１３Ａおよびメッキ層１３Ｂからなる金属層１３と、基部１４Ａおよびメッキ層１４Ｂからなる冷却器１４が形成される。
【００６５】
次に、図５（ａ）に示すように、金属層１３の接合面１３ａ、冷却器１４の接合面１４ａのいずれか一方、また両方に、Ｃｕ−Ｓｎペーストを塗布する（Ｃｕ−Ｓｎペースト塗布工程）。本実施形態では、冷却器１４の接合面１４ａにＣｕ−Ｓｎペーストを塗布している。Ｃｕ−Ｓｎペーストの冷却器１４の接合面１４ａへの塗布量は、Ｃｕ成分が１５ｍｇ／ｃｍ２以上、１２０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲にすることが好ましい。
塗布するＣｕ−ＳｎペーストのＣｕ成分が１５ｍｇ／ｃｍ２未満の場合、後述する加熱工程の際に生じる液相の量が低下し、接合性が低下するおそれがある。また、塗布するＣｕ−ＳｎペーストのＣｕ成分が１２０ｍｇ／ｃｍ２を超えると、金属間化合物層２３が厚く形成されることとなり、金属層や冷却器との線膨張差によって接合信頼性が低下するおそれがある。
【００６６】
ここで、本発明に用いられるＣｕ−Ｓｎペーストについて説明する。
Ｃｕ−Ｓｎペーストは、金属粉末と有機物を混合して得られるペーストである。
金属粉末としては、Ｃｕコア−Ｓｎ粉末、Ｃｕ−Ｓｎ合金粉末又はＣｕ粉末とＳｎ粉末の混合粉末が用いられる。
Ｃｕコア−Ｓｎ粉末は、中心（コア）がＣｕで形成され、そのコアをＳｎで被覆した粒子からなる粉末である。Ｃｕコア−Ｓｎ粉末の組成は、Ｃｕ量が４５ｗｔ％〜６０ｗｔ％、残部Ｓｎ及び不可避不純物とするとよい。
Ｃｕ−Ｓｎ合金粉末は、組成が、Ｃｕ：４５ｗｔ〜６０ｗｔ％、残部Ｓｎ及び不可避不純物とされた合金粉末である。
Ｃｕ粉末とＳｎ粉末の混合粉末は、Ｃｕ粉末：４５ｗｔ％〜６０ｗｔ％、Ｓｎ粉末：４０ｗｔ％〜５５ｗｔ％となるよう混合した粉末である。
なお、金属粉末においてＣｕ＋Ｎｉが４５ｗｔ％〜６０ｗｔ％かつＮｉが１ｗｔ％〜５ｗｔ％の範囲となるようＮｉが含有されていてもよい。Ｎｉが５ｗｔ％を超えて含有した場合、金属間化合物層に脆性破壊の起点となるＮｉ３Ｓｎ４が形成され、接合信頼性が低下するおそれがある。
これらのＣｕコア−Ｓｎ粉末、Ｃｕ−Ｓｎ合金粉末、Ｃｕ粉末やＳｎ粉末は、湿式還元法やアトマイズ法によって得ることができる。また、これらの粉末の平均粒径は４μｍ〜５０μｍとするとよい。
Ｃｕ−Ｓｎペーストは前述の金属粉末と樹脂、溶剤、フラックス等の有機物を混合して得られるペーストである。
金属粉末の含有量は、Ｃｕ−Ｓｎペースト全体の６０ｗｔ％〜８０ｗｔ％以下とされている。
また、Ｃｕ−Ｓｎペーストは、その粘度が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。
樹脂は、Ｃｕ−Ｓｎペーストの粘度を調整するものであり、アクリル樹脂が好適に用いられる。樹脂の含有量は、Ｃｕ−Ｓｎペースト全体の３％〜７％とするとよい。
溶剤は、α−テルピネオール、ジエチレングリコール等を用いることができる。溶剤の含有量はＣｕ−Ｓｎペースト全体の１５％〜２５％とするとよい。
フラックスは、ＳｎやＣｕの酸化膜を除去するために含有されており、アビエチン酸等を用いることができる。フラックスの含有量は、好ましくはＣｕ−Ｓｎペースト全体の４％〜１０％とするとよい。
また、必要に応じて分散剤を添加しても良い。分散剤としては、アニオン性界面活性剤等を用いることができる。分散剤の添加量は、Ｃｕ−Ｓｎペースト全体の０％〜３％とするとよい。
本実施形態のＣｕ−Ｓｎペーストは、Ｃｕコア−Ｓｎ粉末（Ｃｕ：４５ｗｔ％、残部Ｓｎ及び不可避不純物）を７５％、樹脂としてアクリル樹脂を５％、溶剤としてα−テルピネオールを１５％、フラックスとしてアビエチン酸を５％含有している。
【００６７】
そして、図５（ｂ）に示すように、金属層１３の接合面１３ａと前述したＣｕ−Ｓｎペーストが塗布された冷却器１４の接合面１４ａとを対面させ、積層させる。そして、この積層体を真空加熱炉Ｈ内に配置し加熱する（加熱工程）。接合条件としては、積層体の荷重は、積層方向に０．０５ｋｇｆ／ｃｍ２〜５ｋｇｆ／ｃｍ２、加熱温度は２８０℃以上３６０℃以下、保持時間は１０分以上３０分以下の範囲内に設定することが好ましい。
【００６８】
こうした加熱工程において、まず、Ｓｎが融点に到達して溶融し、液相が生成する。なお、一部はＣｕとＳｎとの共晶反応により溶融する。そして、生成した液相にＣｕが溶解し、Ｃｕ６Ｓｎ５が発生し、成長する。本実施形態では、メッキ層１２Ａ，１３Ａを構成するＮｉが液相に拡散するため、Ｃｕ６Ｓｎ５のＣｕの一部がＮｉに置換された形で（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５が形成される。そして、温度一定のまま保持することで、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５の形成が進み、液相が凝固することとなる。即ち、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していく等温凝固が生じている。このようにして凝固が進行した後に、常温まで冷却を行う。これにより、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５を主成分とした接合層２３によって金属層１３の接合面１３ａと冷却器１４の接合面１４ａとが接合された第一実施形態の冷却器付きパワーモジュール用基板１０が得られる（図１を参照）。
【００６９】
以上のような、本発明の冷却器付きパワーモジュール用基板の製造方法によれば、金属層１３の接合面１３ａと冷却器１４の接合面１４ａとを、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５を主成分とし、Ｃｕ３Ｓｎの面積率が１．５％以下である金属間化合物層２３を介して接合することにより、従来のようなＣｕ３Ｓｎを主成分とした金属間化合物層を介して接合したものと比較して、カーケンダルボイドの発生や成長を抑制し、接合信頼性や接合強度に優れた冷却器付きパワーモジュール用基板１０を製造することができる。
【００７０】
また、金属層１３や、冷却器１４としてアルミニウムを用いた場合であっても、それぞれニッケルメッキ層１３Ｂ，１４Ｂを形成することにより、金属層１３の接合面１３ａや、冷却器１４の接合面１４ａを、Ｃｕ−Ｓｎペーストを用いて接合可能な、ニッケルを含む材料にすることができる。
【００７１】
そして、金属層１３と冷却器１４との互いの接合面１３ａ，１４ａをニッケルメッキ層１３Ｂ，１４Ｂにすることで、接合層２３を構成するＣｕ６Ｓｎ５の銅の一部がニッケルに置換された（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５となる。銅の一部をニッケルに置換することによって、金属層（第一の部材）１３と冷却器１４との接合信頼性をより一層向上させることができる。
【００７２】
（冷却器付きパワーモジュール用基板の製造方法：第二実施形態）
次に、第二実施形態の冷却器付きパワーモジュール用基板の製造方法について説明する。この実施形態は、図３に示す構成の冷却器付きパワーモジュール用基板を製造する工程である。
図６は、第二実施形態の冷却器付き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。
まず、図６（ａ）に示すように、パワーモジュール用基板を形成する。
例えば、厚みが０．３２ｍｍのＳｉ３Ｎ４（窒化珪素）からなるセラミックス基板３１を用意し、一方の面側３１ａに厚みが０．２ｍｍの無酸素銅の圧延板Ｍ３を、またセラミックス基板３１の他方の面側３１ｂに厚みが０．２ｍｍの無酸素銅の圧延板Ｍ４を、それぞれ、例えば、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉろう材やＡｇ−Ｔｉ系ろう材等を用いた活性金属ろう付け法によって接合する。
【００７３】
次に、図６（ｂ）に示すように、この積層物を積層方向に加圧した状態で、真空加熱炉Ｈ内に配置し加熱して、セラミックス基板３１の一方の面側３１ａおよび他方の面側３１ｂに、それぞれ無酸素銅の圧延板Ｍ３，Ｍ４を接合し、回路層３２および金属層３３を形成する。接合条件としては、積層物の加圧力は、例えば１ｋｇｆ／ｃｍ２〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２（０．１０ＭＰａ〜３．４３ＭＰａ）程度、加熱温度は、７９０℃以上８５０℃以下、保持時間は１０分以上３０分以下の範囲内に設定することが好ましい。
【００７４】
次に、銅合金（りん脱酸銅）によって形成された放熱板からなる冷却器３４を用意する。そして、図６（ｃ）に示すように、前述したＣｕ−Ｓｎペーストを、金属層３３の接合面３３ａ、冷却器３４の接合面３４ａのいずれか一方、また両方に塗布し、Ｃｕ−Ｓｎペースト層Ｂを形成する（Ｃｕ−Ｓｎペースト塗布工程）。本実施形態では、冷却器３４の接合面３４ａにＣｕ−Ｓｎペースト層Ｂを形成している。Ｃｕ−Ｓｎペーストの冷却器３４の接合面３４ａへの塗布量は、Ｃｕ−ＳｎペーストのＣｕ成分が１５ｍｇ／ｃｍ２以上、１２０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲にすることが好ましい。塗布するＣｕ−ＳｎペーストのＣｕ成分が１５ｍｇ／ｃｍ２未満の場合、後述する加熱工程の際に生じる液相の量が低下し、接合性が低下するおそれがある。また、塗布するＣｕ−ＳｎペーストのＣｕ成分が１２０ｍｇ／ｃｍ２を超えると、金属間化合物層４３が厚く形成されることとなり、金属層や冷却器との線膨張差によって接合信頼性が低下するおそれがある。
【００７５】
次に、図６（ｄ）に示すように、Ｃｕ−Ｓｎペースト層Ｂを挟むようにして金属層３３の接合面３３ａと冷却器３４の接合面３４ａとを対面させる。そして、この積層物を真空加熱炉Ｈ内に配置し加熱する。（加熱工程）。接合条件としては、積層物の荷重は、例えば０．０５ｋｇｆ／ｃｍ２〜５ｋｇｆ／ｃｍ２、加熱温度は、２８０℃以上３６０℃以下、保持時間は１０分以上３０分以下の範囲内に設定することが好ましい。
【００７６】
こうした加熱工程において、Ｃｕ６Ｓｎ５を主成分としてＣｕ３Ｓｎの面積率が１．５％以下である金属間化合物層４３が形成される。これにより、Ｃｕ６Ｓｎ５を主成分とした金属間化合物層４３によって金属層３３の接合面３３ａと冷却器３４の接合面３４ａとが接合された第二実施形態の冷却器付きパワーモジュール用基板３０が得られる（図３を参照）。
【００７７】
以上のような、本発明の冷却器付きパワーモジュール用基板の製造方法によれば、金属層３３の接合面３３ａと冷却器３４の接合面３４ａとを、Ｃｕ６Ｓｎ５を主成分とし、Ｃｕ３Ｓｎの面積率が１．５％以下である金属間化合物層４３を介して接合することにより、従来のようなＣｕ３Ｓｎを主成分とした接合層を介して接合したものと比較して、カーケンダルボイドの発生や成長を抑制し、接合信頼性や接合強度に優れた冷却器付きパワーモジュール用基板３０を製造することができる。
【００７８】
本発明の実施形態を説明したが、これらの各実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら各実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、追加、ないし変更を行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【実施例】
【００７９】
以下、本実施形態の効果を検証した実験例を示す。
まず、前述の実施形態に記載された方法によって表１記載のパワーモジュール用基板を作製した。
「Ｓｉ３Ｎ４−ＤＢＡ」は、第一実施形態の製造方法に記載した方法によって作製した。なお、セラミックス基板はＳｉ３Ｎ４からなる厚さ０．３２ｍｍの板（４０ｍｍ×４０ｍｍ）を用い、回路層及び金属層の形成は、厚さ０．６ｍｍの４Ｎ−Ａｌ板（３７ｍｍ×３７ｍｍ）をＡｌ−Ｓｉろう材を用いて接合することで行った。そして、無電解Ｎｉメッキを行い、金属層表面に厚さ５μｍのＮｉ−Ｐメッキを施した。「ＡｌＮ−ＤＢＡ」は、セラミックス基板を厚さ０．６３５ｍｍのＡｌＮ板（４０ｍｍ×４０ｍｍ）とした以外は「Ｓｉ３Ｎ４−ＤＢＡ」と同様した。
「Ｓｉ３Ｎ４−ＡＭＢ」は、第二実施形態に記載した製造方法によって作製した。なお、セラミックス基板はＳｉ３Ｎ４からなる厚さ０．３２ｍｍの板（４０ｍｍ×４０ｍｍ）を用い、回路層及び金属層の形成は、厚さ０．２ｍｍの無酸素銅板（３７ｍｍ×３７ｍｍ）をＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉろう材を用いて接合することで行った。
得られたパワーモジュール用基板と表１記載の冷却器をＣｕ−Ｓｎペーストを介して積層し、接合した。なお、Ｃｕ−Ｓｎペーストの金属粉末は、表１記載の組成となるようにした。Ｃｕ−Ｓｎペーストは上述した方法によって作製し、塗布量は表１記載の通りとした。また、Ｃｕ−Ｓｎペーストは冷却器側にスクリーン印刷によって塗布した。
冷却器は、りん脱酸銅以外は無電解Ｎｉメッキを施し、厚さ５μｍのＮｉ−Ｐメッキを施した。また、冷却器は、厚さ３ｍｍの板状（５０ｍｍ×６０ｍｍ）とした。接合の条件は表１記載の通りとした。
そして、得られた各冷却器付パワーモジュール用基板に対し、金属間化合物層の断面におけるＣｕ３Ｓｎ及びＳｎの面積率、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５中のＮｉ量を測定した。また、初期接合率及び冷熱サイクル後における接合率と強度を測定した。
【００８０】
（Ｃｕ３Ｓｎ及び単体のＳｎの面積率、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５中のＮｉ量の測定）
金属間化合物層の断面の組成像をＥＰＭＡ（日本電子（株）製ＦＥ‐ＥＰＭＡ ＪＸＡ−８５３０Ｆ、倍率２５０倍）によって取得し、金属間化合物層の面積を求めた。この際、ボイドは除外した。組成像を二値化し、白色部をＳｎとみなし、その面積を求め、金属間化合物層の面積で割ることによって、単体のＳｎの面積率を求めた。
次に、組成像のＥＰＭＡマッピング（Ｃｕ，Ｎｉ，Ｓｎ）から、Ｃｕ＋Ｎｉの量が４９ａｔ％〜６０ａｔ％の範囲内にある領域をＣｕ６Ｓｎ５及び（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５であるとみなし、Ｃｕ６Ｓｎ５及び（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５の面積を求めた。そして、金属間化合物層の面積から、Ｃｕ６Ｓｎ５及び（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５の面積と単体のＳｎの面積とを引いた面積をＣｕ３Ｓｎの面積とし、金属間化合物層の面積で割ることによってＣｕ３Ｓｎの面積率を求めた。
また、Ｃｕ６Ｓｎ５及び（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５の領域において、ＥＰＭＡによってＮｉの量を求め、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５中のＮｉ量とした。
（初期接合率）
接合率の評価は、冷却器付パワーモジュール用基板に対し、パワーモジュール用基板の金属層と冷却器との界面の接合率について超音波探傷装置（株式会社日立パワーソリューションズ製ＦｉｎｅＳＡＴ２００）を用いて評価し、以下の式から接合率を算出した。
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、すなわち金属層の面積とした。
（接合率）＝｛（初期接合面積）−（剥離面積）｝／（初期接合面積）
超音波探傷像を二値化処理した画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剥離面積とした。
（冷熱サイクル後の接合率、冷熱サイクル後の強度）
冷熱衝撃試験機（エスペック株式会社製ＴＳＡ−７２ＥＳ）を使用し、冷却器付パワーモジュール用基板に対して、気相で、−４０℃×３０分←→２５０℃×３０分の７００サイクルを実施した。
この後、パワーモジュール用基板の金属層と冷却器との接合率を上述した方法で評価した。
また、冷熱サイクル後の強度は、冷熱サイクル後の冷却器付パワーモジュール用基板のパワーモジュール用基板部分に対し、水平に荷重を掛け、破断するまでに掛けた荷重の最大値をサイクル後の接合強度とした。
評価結果を表１に示す。
【００８１】
【表１】
0006569511.tif 000002
【００８２】
表１に示す結果によれば、Ｃｕ−Ｓｎペーストの金属粉末のＣｕ量が６０ｗｔ％を超えた比較例１では、金属間化合物層のＣｕ３Ｓｎの面積率が１．５％を超えており、冷熱サイクル後の接合率が低く、接合信頼性が低下していることが分かった。
また、Ｃｕ−Ｓｎペーストの金属粉末のＣｕ量が４５ｗｔ％未満とした比較例２では、冷熱サイクル後の接合強度が低下することが分かった。
一方、本件発明例である実施例１〜実施例１８では、接合信頼性が高く、接合強度の高い冷却器付きパワーモジュール用基板が得られることが分かった。
【符号の説明】
【００８３】
１０，３０  冷却器付きパワーモジュール用基板
１１，３１  セラミックス基板
１２，３２  回路層
１３，３３  金属層
１４，３４  冷却器
２３，４３  金属間化合物層
【図１】
0006569511.tif 000003
【図２】
0006569511.tif 000004
【図３】
0006569511.tif 000005
【図４】
0006569511.tif 000006
【図５】
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【図６】
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