(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス部材と、このセラミックス部材に接合されたＡｌ又はＡｌ合金からなるアルミニウム部材と、前記アルミニウム部材に接合されたＣｕ又はＣｕ合金からなる銅部材と、を備えた接合体の製造方法であって、
前記セラミックス部材と前記アルミニウム部材とを、ろう材箔を介して積層するとともに、前記アルミニウム部材と前記銅部材とを直接積層する積層工程と、
積層された前記セラミックス部材、前記アルミニウム部材及び前記銅部材を積層方向に加圧した状態で加熱し、前記セラミックス部材と前記アルミニウム部材、及び、前記アルミニウム部材と前記銅部材を接合する接合工程と、を有し、
前記ろう材箔は、Ｃｕの含有量が３ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下、Ｍｇの含有量が１ｍａｓｓ％以上５ｍａｓｓ％以下、残部がＡｌと不可避不純物からなる組成のアルミニウム合金からなり、
前記接合工程では、積層方向への加圧の荷重を０．３ＭＰａ以上３ＭＰａ以下の範囲内、接合温度を前記ろう材箔を構成する前記アルミニウム合金の固相線温度以上５４８℃未満の範囲内とし、前記セラミックス部材と前記アルミニウム部材との接合界面に固液共存領域を形成し、前記セラミックス部材と前記アルミニウム部材とを接合するとともに、前記アルミニウム部材と前記銅部材とを固相拡散接合することを特徴とする接合体の製造方法。
【請求項２】
前記ろう材箔を構成する前記アルミニウム合金は、固相線温度が４９０℃以上とされてい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】
セラミックス基板の一方の面に、Ａｌ又はＡｌ合金からなるアルミニウム層とＣｕ又はＣｕ合金からなる銅層とが積層されてなる回路層が形成されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記セラミックス基板と前記アルミニウム層、前記アルミニウム層と銅層とを、請求項１又は請求項２に記載の接合体の製造方法によって接合することを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項４】
セラミックス基板の一方の面に回路層が配設され、前記セラミックス基板の他方の面に、Ａｌ又はＡｌ合金からなるアルミニウム層とＣｕ又はＣｕ合金からなる銅層とが積層されてなる金属層が形成されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記セラミックス基板と前記アルミニウム層、前記アルミニウム層と銅層とを、請求項１又は請求項２に記載の接合体の製造方法によって接合することを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項５】
セラミックス基板の一方の面に、Ａｌ又はＡｌ合金からなるアルミニウム層とＣｕ又はＣｕ合金からなる銅層とが積層されてなる回路層が形成され、前記セラミックス基板の他方の面に、Ａｌ又はＡｌ合金からなるアルミニウム層とＣｕ又はＣｕ合金からなる銅層とが積層されてなる金属層が形成されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記セラミックス基板と前記アルミニウム層、前記アルミニウム層と銅層とを、請求項１又は請求項２に記載の接合体の製造方法によって接合することを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、セラミックス部材と、このセラミックス部材に接合されたＡｌ又はＡｌ合金からなるアルミニウム部材と、前記アルミニウム部材に接合されたＣｕ又はＣｕ合金からなる銅部材と、を備えた接合体の製造方法、セラミックス基板とこのセラミックス基板に接合されたアルミニウム層とこのアルミニウム層に接合された銅層とを備えたパワーモジュール用基板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）、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板を接合して金属層が形成したものも提供されている。
【０００３】
回路層を構成する金属としては、Ａｌ（アルミニウム）やＣｕ（銅）等が用いられている。
例えば、特許文献１には、セラミックス基板の一方の面に、アルミニウム板からなる回路層が接合されたパワーモジュール用基板が提案されている。
また、特許文献２には、セラミックス基板の一方の面に銅板からなる回路層が接合されたパワーモジュール用基板が提案されている。
【０００４】
さらに、特許文献３から特許文献５には、回路層又は金属層を、セラミックス基板に接合されたアルミニウム層とこのアルミニウム層に接合された銅層とからなる２層構造としたパワーモジュール用基板が提案されている。
回路層又は金属層を、アルミニウム層と銅層との２層構造とすることにより、ヒートサイクル負荷時に発生する熱歪をアルミニウム層で吸収してセラミックス基板の割れを抑制できるとともに、銅層によって熱を面方向に広げることにより放熱特性を向上させることが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３１７１２３４号公報
【特許文献２】特許第３２１１８５６号公報
【特許文献３】特開２０１３−２２９５４５号公報
【特許文献４】特開２０１４−１６０７９９号公報
【特許文献５】特開２０１４−１７７０３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、特許文献３及び特許文献４においては、セラミックス基板とアルミニウム層となるアルミニウム板を接合した後に、アルミニウム層の上に銅層となる銅板を積層し、アルミニウム層と銅板とを固相拡散接合している。このため、接合工程が２回となり、製造工程が煩雑となるといった問題があった。また、２回の接合工程においてセラミックス基板がそれぞれ高温に加熱されることになり、セラミックス基板が劣化してしまうおそれがあった。
【０００７】
また、特許文献５においては、セラミックス基板とアルミニウム層となるアルミニウム板とをろう材を介して積層するとともに、アルミニウム板と銅層となる銅板とをＴｉ箔を介して積層し、積層方向に加圧した状態で６４０℃程度に加熱することにより、セラミックス基板とアルミニウム板をろう材によって接合するとともに、アルミニウム板とＴｉ箔及びＴｉ箔と銅板を固相拡散接合している。これにより、セラミックス基板とアルミニウム板と銅板とを一括で接合している。
【０００８】
しかしながら、特許文献５においては、Ｔｉ箔の挿入作業や位置決め作業が必要となり、作業効率が大幅に低下するといった問題があった。また、アルミニウム層と銅層との間にＴｉ層が形成され、このＴｉ層によって積層方向の熱抵抗が大きくなり、放熱特性が低下するおそれがあった。
さらに、セラミックス基板とアルミニウム板とを、ろう材を用いて接合しているが、セラミックス基板とアルミニウム板との接合界面に多量の液相が生じた場合には、ろう染みやろうこぶが発生するといった問題があった。
【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、セラミックス部材、アルミニウム部材及び銅部材を、比較的簡単な作業によって一括で接合することができる接合体の製造方法、及び、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】
このような課題を解決して前記目的を達成するために、本発明の接合体の製造方法は、セラミックス部材と、このセラミックス部材に接合されたＡｌ又はＡｌ合金からなるアルミニウム部材と、前記アルミニウム部材に接合されたＣｕ又はＣｕ合金からなる銅部材と、を備えた接合体の製造方法であって、前記セラミックス部材と前記アルミニウム部材とを、ろう材箔を介して積層するとともに、前記アルミニウム部材と前記銅部材とを直接積層する積層工程と、積層された前記セラミックス部材、前記アルミニウム部材及び前記銅部材を積層方向に加圧した状態で加熱し、前記セラミックス部材と前記アルミニウム部材、及び、前記アルミニウム部材と前記銅部材を接合する接合工程と、を有し、前記ろう材箔は、Ｃｕの含有量が３ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下、Ｍｇの含有量が１ｍａｓｓ％以上５ｍａｓｓ％以下、残部がＡｌと不可避不純物からなる組成のアルミニウム合金からなり、前記接合工程では、積層方向への加圧の荷重を０．３ＭＰａ以上３ＭＰａ以下の範囲内、接合温度を前記ろう材箔を構成する前記アルミニウム合金の固相線温度以上５４８℃未満の範囲内とし、前記セラミックス部材と前記アルミニウム部材との接合界面に固液共存領域を形成し、前記セラミックス部材と前記アルミニウム部材とを接合するとともに、前記アルミニウム部材と前記銅部材とを固相拡散接合することを特徴としている。
【００１１】
この構成の接合体の製造方法によれば、前記セラミックス部材と前記アルミニウム部材との間に、Ｃｕの含有量が３ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下、Ｍｇの含有量が１ｍａｓｓ％以上５ｍａｓｓ％以下、残部がＡｌと不可避不純物からなる組成のアルミニウム合金からなるろう材箔を配設しているので、接合工程で、接合温度を前記アルミニウム合金の固相線温度以上５４８℃未満としても、前記セラミックス部材と前記アルミニウム部材との接合界面に固液共存領域を形成することができ、前記セラミックス部材と前記アルミニウム部材とを接合することができる。よって、セラミックス部材とアルミニウム部材との接合と、アルミニウム部材と銅部材との固相拡散接合と、一括で行うことができる。また、アルミニウム部材と銅部材とを直接積層しているので、作業効率を大幅に向上させることができる。
【００１２】
さらに、前記セラミックス部材と前記アルミニウム部材との接合界面に固液共存領域を形成しているので、前記セラミックス部材と前記アルミニウム部材との接合界面に液相が多量に生成することがなく、液相がアルミニウム部材と銅部材との固相拡散接合に悪影響を与えることがない。また、ろう染みやろうこぶの発生を抑制することができる。
また、積層方向への加圧の荷重を０．３ＭＰａ以上３ＭＰａ以下の範囲内にしているので、前記セラミックス部材と前記アルミニウム部材との接合界面に固液共存領域した場合に、液相を前記セラミックス部材と前記アルミニウム部材との接合界面に均一に存在させることができ、前記セラミックス部材と前記アルミニウム部材とを良好に接合することができる。
【００１３】
ここで、本発明の接合体の製造方法においては、前記ろう材箔を構成する前記アルミニウム合金は、固相線温度が４９０℃以上とされていることが好ましい。
この場合、前記ろう材箔を構成する前記アルミニウム合金の固相線温度が４９０℃以上とされているので、接合工程における接合温度を比較的高く設定することができ、得られた接合体を比較的高い温度領域で使用することができる。
【００１４】
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板の一方の面に、Ａｌ又はＡｌ合金からなるアルミニウム層とＣｕ又はＣｕ合金からなる銅層とが積層されてなる回路層が形成されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記セラミックス基板と前記アルミニウム層、前記アルミニウム層と銅層とを、上述の接合体の製造方法によって接合することを特徴としている。
【００１５】
また、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板の一方の面に回路層が形成され、前記セラミックス基板の他方の面に、Ａｌ又はＡｌ合金からなるアルミニウム層とＣｕ又はＣｕ合金からなる銅層とが積層されてなる金属層が形成されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記セラミックス基板と前記アルミニウム層、前記アルミニウム層と銅層とを、上述の接合体の製造方法によって接合することを特徴としている。
【００１６】
さらに、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板の一方の面に、Ａｌ又はＡｌ合金からなるアルミニウム層とＣｕ又はＣｕ合金からなる銅層とが積層されてなる回路層が形成され、前記セラミックス基板の他方の面に、Ａｌ又はＡｌ合金からなるアルミニウム層とＣｕ又はＣｕ合金からなる銅層とが積層されてなる金属層が形成されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記セラミックス基板と前記アルミニウム層、前記アルミニウム層と銅層とを、上述の接合体の製造方法によって接合することを特徴としている。
【００１７】
これらの構成のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、セラミックス基板とアルミニウム層、アルミニウム層と銅層とを、一括で接合することができ、セラミックス基板の一方の面に形成された回路層又はセラミックス基板の他方の面に形成された金属層が、Ａｌ又はＡｌ合金からなるアルミニウム層とＣｕ又はＣｕ合金からなる銅層とが積層された構造とされたパワーモジュール用基板を効率良く製造することが可能となる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、セラミックス部材、アルミニウム部材及び銅部材を、比較的簡単な作業によって一括で接合することができる接合体の製造方法、及び、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。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法によって製造された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フロー図である。
【図３】本発明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】本発明の実施形態であるパワーモジュール用基板とヒートシンク及び半導体素子との接合方法を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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。
本実施形態において製造対象となる接合体は、セラミックス部材としてセラミックス基板１１、アルミニウム部材としてアルミニウム板２２Ａ及び銅部材として銅板２２Ｂが接合されてなる回路層１２、アルミニウム部材としてアルミニウム板２３Ａ及び銅部材として銅板２３Ｂが接合されてなる金属層１３を備えたパワーモジュール用基板１０とされている。
【００２１】
図１に、本発明の実施形態であるパワーモジュール用基板１０を用いたパワーモジュール１を示す。
このパワーモジュール１は、回路層１２及び金属層１３が配設されたパワーモジュール用基板１０と、回路層１２の一方の面（図１において上面）にはんだ層２を介して接合された半導体素子３と、金属層１３の他方の面（図１において下面）に接合されたヒートシンク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、Ｎｉめっき層（図示なし）が設けられている。
【００２２】
パワーモジュール用基板１０は、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。
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、本実施形態では、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の厚さは、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。
【００２３】
回路層１２は、図１で示すように、セラミックス基板１１の一方の面に配設されたアルミニウム層１２Ａと、このアルミニウム層１２Ａの一方側（図１において上側）に積層された銅層１２Ｂと、を有している。
この回路層１２には、回路パターンが形成されており、その一方の面（図１において上面）が、半導体素子３が搭載される搭載面されている。
【００２４】
アルミニウム層１２Ａは、図３に示すように、アルミニウム板２２Ａがセラミックス基板１１の一方の面に接合されることにより形成されている。
本実施形態においては、アルミニウム層１２Ａは、純度が９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなるアルミニウム板２２Ａ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。ここで、接合されるアルミニウム板２２Ａの厚さは０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下の範囲内に設定されていることが好ましい。
【００２５】
銅層１２Ｂは、図３に示すように、銅板２２Ｂがアルミニウム層１２Ａの一方側（図１において上側）に接合されることにより形成されている。
本実施形態においては、銅層１２Ｂは、無酸素銅の圧延板からなる銅板２２Ｂがアルミニウム層１２Ａに固相拡散接合されることにより形成されている。ここで、接合される銅板２２Ｂの厚さは０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下の範囲内に設定されていることが好ましい。
【００２６】
金属層１３は、図１で示すように、セラミックス基板１１の他方の面に配設されたアルミニウム層１３Ａと、このアルミニウム層１３Ａの他方側（図１において下側）に積層された銅層１３Ｂと、を有している。
【００２７】
アルミニウム層１３Ａは、図３に示すように、アルミニウム板２３Ａがセラミックス基板１１の一方の面に接合されることにより形成されている。
本実施形態においては、アルミニウム層１３Ａは、純度が９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなるアルミニウム板２３Ａ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。ここで、接合されるアルミニウム板２３Ａの厚さは０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下の範囲内に設定されていることが好ましい。
【００２８】
銅層１３Ｂは、図３に示すように、銅板２３Ｂがアルミニウム層１３Ａの他方側（図１において下側）に接合されることにより形成されている。
本実施形態においては、銅層１３Ｂは、無酸素銅の圧延板からなる銅板２３Ｂがアルミニウム層１３Ａに固相拡散接合されることにより形成されている。ここで、接合される銅板２３Ｂの厚さは０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下の範囲内に設定されていることが好ましい。
【００２９】
ヒートシンク４０は、パワーモジュール用基板１０側の熱を放散するためのものである。本実施形態では、ヒートシンク４０は、銅又は銅合金で構成されており、具体的には無酸素銅で構成されている。また、このヒートシンク４０には、冷却用の流体が流れるための流路４１が設けられている。
本実施形態においては、ヒートシンク４０と金属層１３の銅層１３Ｂとが、はんだ層３２を介して接合されている。このはんだ層３２は、例えばＳｎ−Ｓｂ系、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材（いわゆる鉛フリーはんだ材）とされている。
【００３０】
次に、上述した本実施形態であるパワーモジュール用基板１０の製造方法及びパワーモジュール１の製造方法について、図２から図４を参照して説明する。
【００３１】
（積層工程Ｓ０１）
まず、図３に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に、アルミニウム層１２Ａとなるアルミニウム板２２Ａを積層し、このアルミニウム板２２Ａの一方の面にＣｕ層１２Ｂとなる銅板２２Ｂを積層する。さらに、セラミックス基板１１の他方の面に、アルミニウム層１３Ａとなるアルミニウム板２３Ａを積層し、このアルミニウム板２３Ａの他方の面にＣｕ層１３Ｂとなる銅板２３Ｂを積層する。
【００３２】
ここで、この積層工程Ｓ０１においては、アルミニウム板２２Ａと銅板２２Ｂ、アルミニウム板２３Ａと銅板２３Ｂは、それぞれ直接積層されている。なお、アルミニウム板２２Ａと銅板２２Ｂ、アルミニウム板２３Ａと銅板２３Ｂの接合されるそれぞれの面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされている。
【００３３】
また、セラミックス基板１１とアルミニウム板２２Ａ、２３Ａとの間には、ろう材箔２６，２７が配設される。なお、ろう材箔２６，２７の厚さは、５μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とすることが好ましい。
そして、これらのろう材箔２６，２７は、Ｃｕの含有量が３ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下、Ｍｇの含有量が１ｍａｓｓ％以上５ｍａｓｓ％以下、残部がＡｌと不可避不純物からなる組成のアルミニウム合金で構成されている。なお、このろう材箔２６，２７を構成するアルミニウム合金の固相線温度は４９０℃以上であることが好ましい。
以下に、ろう材箔２６，２７を構成するアルミニウム合金の組成を上述のように規定した理由について説明する。
【００３４】
Ｃｕの含有量が３ｍａｓｓ％未満、及び、Ｍｇの含有量が１ｍａｓｓ％未満の場合には、ろう材箔２６，２７を構成するアルミニウム合金の固相線温度が十分に低くならず、後述する接合工程において接合温度の範囲が狭くなり、セラミックス基板１１とアルミニウム板２２Ａ，２３Ａ、及び、アルミニウム板２２Ａ、２３Ａと銅板２２Ｂ、２３Ｂとの接合が不十分となるおそれがある。
また、Ｃｕの含有量が１０ｍａｓｓ％を超える場合には、硬くなりすぎて、圧延によってろう材箔を形成することが困難となるおそれがある。さらに、Ｍｇの含有量が５ｍａｓｓ％を超える場合には、液相線温度が低く、後述する接合工程Ｓ０２において液相が多量に生成し、ろう染みやろうこぶが発生するおそれがある。
【００３５】
以上のことから、本実施形態では、ろう材箔２６，２７を構成するアルミニウム合金の組成をＣｕの含有量が３ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下、Ｍｇの含有量が１ｍａｓｓ％以上５ｍａｓｓ％以下、残部がＡｌと不可避不純物としている。
なお、Ｃｕの含有量の下限は３．５ｍａｓｓ％以上とすることが好ましく、４ｍａｓｓ％以上とすることがさらに好ましい。また、Ｃｕの含有量の上限は、８ｍａｓｓ％以下とすることが好ましく、６ｍａｓｓ％以下とすることがさらに好ましい。
さらに、Ｍｇの含有量の下限は１．５ｍａｓｓ％以上とすることが好ましく、２ｍａｓｓ％以上とすることがさらに好ましい。また、Ｍｇの含有量の上限は、４ｍａｓｓ％以下とすることが好ましく、３ｍａｓｓ％以下とすることがさらに好ましい。
【００３６】
なお、ろう材箔２６，２７を構成するアルミニウム合金に含まれる不可避不純物としては、Ａｇ、Ｂ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｙ、希土類元素、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｒｅ、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｃｏ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｚｎ、Ｃｄ，Ｈｇ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｔｌ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｂｅ、Ｎ、Ｃ、Ｓｉ、Ｌｉ、Ｈ、Ｏ、Ｓ、Ｐ等が挙げられる。これらの不可避不純物は、総量で０．１５ｍａｓｓ％以下とすることが好ましい。
特に、上述の不可避不純物の中でも、Ｓｉ，Ｇｅ，Ｆｅ，Ｃｒ，Ｍｎといった元素については、それぞれ０．０５ｍａｓｓ％未満に制限することが好ましい。
【００３７】
（接合工程Ｓ０２）
次に、積層された銅板２２Ｂ、アルミニウム板２２Ａ、セラミックス基板１１、アルミニウム板２３Ａ、銅板２３Ｂを、積層方向に加圧した状態で真空加熱炉（真空度１０−３Ｐａ以上１０−５Ｐａ以下）内に配置して加熱し、セラミックス基板１１とアルミニウム板２２Ａ，２３Ａとの接合界面に固液共存領域を形成し、セラミックス基板１１とアルミニウム板２２Ａ，２３Ｂとを接合するとともに、アルミニウム板２２Ａと銅板２２Ｂ、及び、アルミニウム板２３Ａと銅板２３Ｂをそれぞれ固相拡散接合する。
【００３８】
ここで、接合工程Ｓ０２における積層方向への加圧荷重を、０．３ＭＰａ以上３ＭＰａ以下の範囲内に設定している。
また、接合工程Ｓ０２における接合温度は、ろう材箔２６，２７を構成するアルミニウム合金の固相線温度以上５４８℃未満の範囲内に設定している。なお、上述の接合温度での保持時間は１０ｍｉｎ以上２４０ｍｉｎ以下の範囲内とすることが好ましい。
以下に、接合工程Ｓ０２における加圧荷重及び接合温度を上述のように規定した理由について説明する。
【００３９】
接合工程Ｓ０２における積層方向への加圧荷重が０．３ＭＰａ未満の場合には、セラミックス基板１１とアルミニウム板２２Ａ、２３Ａとの接合界面において液相が均一に存在せずに、接合が不十分となるおそれがある。また、アルミニウム板２２Ａと銅板２２Ｂ、アルミニウム板２３Ａと銅板２３Ｂとが十分に接触せず、これらの固相拡散接合が不十分となるおそれがある。
一方、接合工程Ｓ０２における積層方向への加圧荷重が３ＭＰａを超える場合には、セラミックス基板１１とアルミニウム板２２Ａ、２３Ａとの接合界面から液相が外部へと排出されてしまい、接合が不十分となるおそれがある。また、加熱時において、アルミニウム板２２Ａ、２３Ａの形状が維持できないおそれがある。
【００４０】
以上のことから、本実施形態においては、接合工程Ｓ０２における積層方向への加圧荷重を０．３ＭＰａ以上３ＭＰａ以下の範囲内に設定している。
なお、セラミックス基板１１とアルミニウム板２２Ａ、２３Ａ、アルミニウム板２２Ａと銅板２２Ｂ、アルミニウム板２３Ａと銅板２３Ｂを確実に接合するためには、積層方向への加圧荷重の下限値を０．５ＭＰａ以上とすることが好ましく、０．７ＭＰａ以上とすることがさらに好ましい。
また、加熱時において、アルミニウム板２２Ａ、２３Ａの形状を確実に維持するためには、積層方向への加圧荷重の上限値を２．５ＭＰａ以下とすることが好ましく、２ＭＰａ以下とすることがさらに好ましい。
【００４１】
接合工程Ｓ０２における接合温度が、ろう材箔２６，２７を構成するアルミニウム合金の固相線温度未満の場合には、液相が生じず、セラミックス基板１１とアルミニウム板２２Ａ、２３Ａとを接合することができない。
一方、接合工程Ｓ０２における接合温度が５４８℃以上の場合には、アルミニウムと銅の共晶温度以上となり、アルミニウム板２２Ａと銅板２２Ｂ、アルミニウム板２３Ａと銅板２３Ｂの界面に液相が生じ、これらを固相拡散接合することができない。
【００４２】
以上のことから、本実施形態においては、接合工程Ｓ０２における接合温度を、ろう材箔２６，２７を構成するアルミニウム合金の固相線温度以上５４８℃未満の範囲内に設定している。
なお、セラミックス基板１１とアルミニウム板２２Ａ、２３Ａ、アルミニウム板２２Ａと銅板２２Ｂ、アルミニウム板２３Ａと銅板２３Ｂ、を確実に接合するためには、接合温度の下限値を、固相線温度＋２０℃以上とすることが好ましく、固相線温度＋３０℃以上とすることがさらに好ましい。
また、アルミニウム板２２Ａと銅板２２Ｂ、アルミニウム板２３Ａと銅板２３Ｂの界面に液相が生じることを確実に抑制するためには、接合温度の上限値を、５４５℃以下とすることが好ましく、５４０℃以下とすることがさらに好ましい。
【００４３】
（ヒートシンク接合工程Ｓ０３）
次に、図４に示すように、パワーモジュール用基板１０の他方側（図４において下側）に、はんだ材３２を介してヒートシンク４０を積層し、還元炉内において、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク４０とを接合する。
【００４４】
（半導体素子接合工程Ｓ０４）
次に、図４に示すように、パワーモジュール用基板１０の回路層１２（銅層１２Ｂ）の一方の面に、はんだ材２を介して半導体素子３を積層し、還元炉内において、パワーモジュール用基板１０の回路層１２（銅層１２Ｂ）と半導体素子３とを接合する。
以上のようにして、図１に示すパワーモジュール１が製造される。
【００４５】
以上のような構成とされ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、セラミックス基板１１とアルミニウム板２２Ａ、２３Ａとの間に、Ｃｕの含有量が３ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下、Ｍｇの含有量が１ｍａｓｓ％以上５ｍａｓｓ％以下、残部がＡｌと不可避不純物からなる組成のアルミニウム合金からなるろう材箔２６，２７を配設しているので、接合工程Ｓ０２において、接合温度を、ろう材箔２６，２７を構成するアルミニウム合金の固相線温度以上５４８℃未満とすることで、セラミックス基板１１とアルミニウム板２２Ａ、２３Ａとの接合界面に固液共存領域を形成することができ、セラミックス基板１１とアルミニウム板２２Ａ、２３Ａとを接合することが可能となる。
【００４６】
また、アルミニウム板２２Ａに銅板２２Ｂを、アルミニウム板２３Ａに銅板２３Ｂを直接積層し、積層方向に加圧した状態でろう材箔２６，２７を構成するアルミニウム合金の固相線温度以上５４８℃未満に加熱しているので、アルミニウム板２２Ａと銅板２２Ｂ、アルミニウム板２３Ａと銅板２３Ｂとを、それぞれ固相拡散接合することができる。
よって、セラミックス基板１１とアルミニウム板２２Ａ，２３Ａとの接合と、アルミニウム板２２Ａ、２３Ａと銅板２２Ｂ、２３Ｂとの固相拡散接合とを、一括で行うことが可能となり、パワーモジュール用基板１０の製造効率を大幅に向上させることができる。
【００４７】
さらに、接合工程Ｓ０２において、セラミックス基板１１とアルミニウム板２２Ａ、２３Ａとの接合界面に固液共存領域を形成しているので、セラミックス基板１１とアルミニウム板２２Ａ、２３Ａとの接合界面に液相が多量に生成することがなく、液相がアルミニウム板２２Ａと銅板２２Ｂ、アルミニウム板２３Ａと銅板２３Ｂとの固相拡散接合に悪影響を与えることがない。また、ろう染みやろうこぶの発生を抑制することができる。
【００４８】
また、接合工程Ｓ０２において、積層方向への加圧の荷重を０．３ＭＰａ以上としているので、セラミックス基板１１とアルミニウム板２２Ａ，２３Ａとの接合界面に固液共存領域させた際に、セラミックス基板１１とアルミニウム板２２Ａ，２３Ａとの接合界面に液相を均一に存在させることができ、セラミックス基板１１とアルミニウム板２２Ａ，２３Ａとを良好に接合することができる。また、積層方向への加圧の荷重を３ＭＰａ以下としているので、接合工程Ｓ０２の加熱時においても、アルミニウム板２２Ａ，２３Ａの形状を維持することができる。
【００４９】
さらに、本実施形態では、ろう材箔２６，２７を構成するアルミニウム合金の固相線温度が４９０℃以上とされているので、接合工程Ｓ０２における接合温度を比較的高く設定することができ、得られたパワーモジュール用基板１０を比較的高い温度領域で使用することができる。さらに、接合工程Ｓ０２における接合温度が高くなることで、アルミニウム板２２Ａと銅板２２Ｂ、アルミニウム板２３Ａと銅板２３Ｂとを確実に固相拡散接合することが可能となる。
【００５０】
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、本実施形態では、パワーモジュール用基板を例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、セラミックス部材と、Ａｌ又はＡｌ合金からなるアルミニウム部材と、Ｃｕ又はＣｕ合金からなる銅部材とを接合した構造の接合体であればよい。
【００５１】
また、本実施形態では、回路層及び金属層を、それぞれアルミニウム層と銅層との２層構造を有するものとして説明したが、回路層又は金属層の少なくとも一方が、アルミニウム層と銅層との２層構造を有するものとされていればよい。
【００５２】
また、本実施形態では、セラミックス基板１１として、窒化アルミ（ＡｌＮ）を例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）等の他のセラミックスで構成されたものであってもよい。
また、ヒートシンクは、本実施形態で例示してものに限定されることはなく、ヒートシンクの構造に特に限定はない。
【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
表１に示すセラミックス基板（５０ｍｍ×６０ｍｍ×厚さ０．６３５ｍｍ）と、表１に示す組成のアルミニウムの圧延板（４６ｍｍ×５６ｍｍ×厚さ０．４ｍｍ）、表１に示す組成の銅の圧延板（４６ｍｍ×５６ｍｍ×厚さ０．４ｍｍ）を準備した。
【００５４】
次に、セラミックス基板の一方の面及び他方の面に、表１に示す組成のろう材箔（厚さ１７μｍ）を介してアルミニウム板を積層し、このアルミニウム板の上に銅板を積層した。
そして、積層されたセラミックス基板、アルミニウム板、銅板を、真空炉（１０−４Ｐａ）内に装入し、表２に示す荷重で積層方向に加圧し、表２に示す接合温度及び保持時間で加熱して、セラミックス基板、アルミニウム板、銅板を接合し、接合体（評価用試料）を作成した。
【００５５】
（初期接合率）
得られた接合体（評価用試料）を用いて、セラミックス基板とアルミニウム板、アルミニウム板と銅板との接合率をそれぞれ評価した。なお、接合率は、セラミックス基板の一方の面側と他方の面側の両方で行い、その平均値を算出した。
具体的には、超音波探傷装置（日立パワーソリューションズ社製ＦＩＮＥＳＡＴ）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、すなわち回路層の面積（４６ｍｍ×５６ｍｍ）とした。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。評価結果を表２に示す。
（接合率）＝｛（初期接合面積）−（非接合部面積）｝／（初期接合面積）×１００
【００５６】
（ろう染み面積率）
ろう染み面積率の測定は、上述の接合体（評価用試料）を回路層側（一方の面側）から平面視して撮影して画像を取得し、該画像を２値化処理してろう染みに相当する範囲の面積を画像上にて測定することによって行った。なお、ろうしみ面積にはろうこぶも含まれている。
【００５７】
【表１】
0006572810.tif 000002
【００５８】
【表２】
0006572810.tif 000003
【００５９】
ろう材箔のＣｕ濃度を３ｍａｓｓ％未満とした比較例１、ろう材箔のＭｇ濃度を１ｍａｓｓ％未満とした比較例２では、ろう材箔の固相線温度が５４８℃未満とならないため、接合温度５４０℃では液相が生成せず、セラミックス基板とアルミニウム板との接合を行うことができず、接合体（評価用試料）を形成することができなかった。このため、アルミニウム板と銅板との接合率についても評価しなかった。
【００６０】
荷重を０．３ＭＰａ以下とした比較例３ではセラミック基板とアルミニウム板との接合率やアルミニウム板と銅板との接合率が低下した。
接合温度を固相線温度未満とした比較例４では、液相が生成せず、セラミックス基板とアルミニウム板を接合することができず、接合体（評価用試料）を形成することができなかった。このため、アルミニウム板と銅板との接合率についても評価しなかった。
ろう材箔のＣｕ濃度が１０ｍａｓｓを超えた比較例５では、ろう材箔を製造することができなかった。
【００６１】
ろう材箔のＭｇ濃度が５ｍａｓｓ％を超えた比較例６、荷重が３ＭＰａを超えた比較例７では、ろう染み面積率が上昇した。
接合温度が５４８℃以上とされた比較例８では、アルミニウム板と銅板の間に液相が生じ、アルミニウム板と銅板とを固相拡散接合することができず、接合体（評価用試料）を形成することができなかった。このため、セラミックス基板とアルミニウム板との接合率についても評価しなかった。
【００６２】
これに対して、本発明例の接合体（評価用試料）は、接合率が高く、ろう染み面積率の低くかった。以上から、セラミックス部材、アルミニウム部材及び銅部材を、一括で接合し、セラミックス部材、アルミニウム部材及び銅部材の接合率高く、ろう染みやろうこぶの少ない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】
【００６３】
１０  パワーモジュール用基板（接合体）
１１  セラミックス基板（セラミックス部材）
１２  回路層
１３  金属層
２２Ａ  アルミニウム板（アルミニウム部材）
２３Ａ  アルミニウム板（アルミニウム部材）
２２Ｂ  銅板（銅部材）
２３Ｂ  銅板（銅部材）
【図１】
0006572810.tif 000004
【図２】
0006572810.tif 000005
【図３】
0006572810.tif 000006
【図４】
0006572810.tif 000007