(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム又はアルミニウム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】
前記チタン箔と前記マグネシウム基複合材料とを、前記接合材を用いて液相接合する際に、前記マグネシウム基複合材料と前記チタン箔との間にマグネシウムを介在させることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の接合体の製造方法。
【請求項５】
前記金属部材と前記チタン箔とを、接合材を用いた液相接合もしくは固相拡散接合によって接合することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の接合体の製造方法。
【請求項６】
前記金属部材と前記チタン箔とを、銅、ニッケル、銀、マグネシウム、ケイ素、アルミニウムとケイ素の合金、アルミニウムとマグネシウムの合金、又はアルミニウムとケイ素とマグネシウムの合金、アルミニウム合金芯材の片面または両面にアルミニウムとケイ素とマグネシウムの合金皮材を積層したクラッド材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請求項５に記載の接合体の製造方法。
【請求項７】
絶縁層と、この絶縁層の一方の面に形成された回路層と、前記絶縁層の他方の面に形成されたアルミニウム又はアルミニウム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８】
アルミニウム又はアルミニウム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、アルミニウム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、アルミニウムの何れかであることを特徴とする接合体。
【請求項９】
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８に記載の接合体。
【請求項１０】
絶縁層と、この絶縁層の一方の面に形成された回路層と、前記絶縁層の他方の面に形成されたアルミニウム又はアルミニウム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アルミニウム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、アルミニウムの何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、アルミニウム又はアルミニウム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金属層としては、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アルミニウム部材とＭｇＳｉＣとを直接接触させて加熱すると、Ａｌ−Ｍｇの液相が多量に発生して、アルミニウム部材とＭｇＳｉＣとの間から漏れ出てしまうため、アルミニウム部材と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Ａｌ−Ｍｇの液相が発生する理由としては、ＡｌとＭｇとが接触した状態で、ＡｌとＭｇの共晶温度以上に加熱されると、Ａｌ−Ｍｇ混和溶融物が発生するが、接合されるアルミニウム部材やＭｇＳｉＣはそれぞれ数ｍｍ程度の厚さを有するため、Ａｌ−Ｍｇ混和溶融物が生成している接合界面にＡｌとＭｇが多量に供給され続けることとなり、アルミニウム部材とＭｇＳｉＣと間からＡｌ−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アルミニウムやアルミニウム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、アルミニウムやアルミニウム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、アルミニウム又はアルミニウム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（本願では単にマグネシウムと称す）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、アルミニウム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、Ａｌ−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を接合されるので、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、アルミニウムのうち、アルミニウムとマグネシウムと溶融混和物が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】
また、本発明の接合体の製造方法において、前記チタン箔と前記マグネシウム基複合材料とを、接合材を用いて液相接合する際には、前記マグネシウム基複合材料と前記チタン箔との間にマグネシウムを介在させてもよい。この構成によれば、接合材の溶融物中のマグネシウムの含有量を均一にできるので、前記マグネシウム基複合材料と前記チタン箔とを均一な強さで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。
【００１４】
さらに、本発明の接合体の製造方法において、前記チタン箔と前記金属部材との接合を、接合材を用いた液相接合もしくは固相拡散接合によって接合することが好ましい。この構成によれば、前記チタン箔と前記金属部材とをより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。
【００１５】
さらにまた、本発明の接合体の製造方法において、前記チタン箔と前記金属部材とを液相接合する場合、前記接合材は、銅、ニッケル、銀、マグネシウム、ケイ素、アルミニウムとケイ素の合金、アルミニウムとマグネシウムの合金、又はアルミニウムとケイ素とマグネシウムの合金、アルミニウム合金芯材の片面または両面にアルミニウムとケイ素とマグネシウムの合金皮材を積層したクラッド材であることが好ましい。この構成によれば、前記チタン箔と前記金属部材とをさらに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。
【００１６】
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回路層と、前記絶縁層の他方の面に形成されたアルミニウム又はアルミニウム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。
【００１７】
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、Ａｌ−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。
【００１８】
本発明の接合体は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属部材と、炭素質部材中にマグネシウム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、アルミニウム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、アルミニウムの何れかであることを特徴としている。
【００１９】
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アルミニウム−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アルミニウム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、アルミニウム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。
【００２０】
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Ａｌ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。
【００２１】
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回路層と、前記絶縁層の他方の面に形成されたアルミニウム又はアルミニウム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アルミニウム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、アルミニウムの何れかであることを特徴としている。
【００２２】
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アルミニウム−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アルミニウム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部材と前記チタン層とが、アルミニウム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】
【００２３】
本発明によれば、アルミニウムやアルミニウム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、アルミニウムやアルミニウム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】
【００２４】
【図１】本発明の第一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２】本発明の第二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】本発明の第三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４】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概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
（第一実施形態）
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。
図１は、本発明の第一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。
【００２６】
図１においてパワーモジュール用基板１０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）に形成されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層１３と、を備えている。
【００２７】
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。
【００２８】
回路層１２は、例えば、セラミックス基板１１の一方の面に、金属板が接合されることにより形成されている。金属板の例としては、銅又は銅合金からなる銅板、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板を挙げることができる。回路層１２は、二種以上の金属層の積層体でもよい。回路層１２として用いることができる積層体しては、アルミニウム板の上に銅板を固相拡散接合によって積層した積層体を挙げることができる。回路層１２は、純度が９９質量％（２Ｎ）以上であることが好ましい。回路層１２の厚さは、例えば、０．１ｍｍ以上６．０ｍｍ以下の範囲内にある。
【００２９】
金属層１３は、例えば、セラミックス基板１１の一方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板が接合されることにより形成されている。金属層１３は、純度が９９質量％（２Ｎ）以上のアルミニウムであることが好ましく、純度が９９．９９質量％（４Ｎ）以上のアルミニウムであることがより好ましい。金属層１３の厚さは、例えば、０．１ｍｍ以上６．０ｍｍ以下の範囲内にある。
【００３０】
ヒートシンク付パワーモジュール用基板のヒートシンクとして用いる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。
【００３１】
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との間にチタン箔３０を配置する。そして、マグネシウム基複合材料２０とチタン箔３０とを接合し、チタン箔３０と金属層１３とを液相接合することによって、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とを接合する。
【００３２】
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ＡｌとＴｉの金属間化合物の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。
【００３３】
第一実施形態では、チタン箔３０とマグネシウム基複合材料２０との接合に、ヒートシンク接合用接合材４０を用いる。ヒートシンク接合用接合材４０としては、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できる。好ましくはアルミニウムやアルミニウム合金の箔材を用いるとよい。アルミニウム合金の例としては、アルミニウムとケイ素（Ａｌ−Ｓｉ）の合金、アルミニウムとマグネシウム（Ａｌ−Ｍｇ）の合金、アルミニウムとケイ素とマグネシウム（Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ）の合金を挙げることができる。また、例えば、アルミニウム合金（例えばＡ３００３）を芯材とし、皮材をＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金とした両面クラッド材や片面クラッド材を用いることもできる。
【００３４】
ヒートシンク接合用接合材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、ヒートシンク接合用接合材４０は、金属層１３と面積が同じであることが好ましい。
また、ヒートシンク接合用接合材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、ヒートシンク接合用接合材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。
【００３５】
第一実施形態では、パワーモジュール用基板１０の金属層１３とチタン箔３０との接合に、パワーモジュール用基板接合用接合材５０を用いる。パワーモジュール用基板接合用接合材５０としては、銅、ニッケル、銀、マグネシウム、ケイ素、アルミニウムとケイ素（Ａｌ−Ｓｉ）の合金、アルミニウムとマグネシウム（Ａｌ−Ｍｇ）の合金、又はアルミニウムとケイ素とマグネシウムの合金（Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ）を用いることができる。また、例えば、アルミニウム合金（例えばＡ３００３）を芯材とし、皮材をＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金とした両面クラッド材や片面クラッド材を用いることもできる。
【００３６】
パワーモジュール用基板接合用接合材５０は、金属層１３とチタン箔３０との間に均一に存在することが好ましい。このため、パワーモジュール用基板接合用接合材５０は、金属層１３と面積が同じであることが好ましい。
また、パワーモジュール用基板接合用接合材５０の厚さは、１００μｍ以下であるとよく、好ましくは７５μｍ以下、さらに好ましくは５０μｍ以下であるとよい。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と金属層１３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おそれがある。
【００３７】
第一実施形態では、図１に示すように、パワーモジュール用基板１０とマグネシウム基複合材料２０との間に、パワーモジュール用基板１０の金属層１３側から、パワーモジュール用基板接合用接合材５０、チタン箔３０、ヒートシンク接合用接合材４０、マグネシウム基複合材料２０の順に積層して、積層体を得る。
次いで、得られた積層体を、積層方向に荷重を付与しながら、加熱することによって、ヒートシンク付パワーモジュール用基板を作製する。積層体に付与する荷重は、５ｋｇｆ／ｃｍ２以上１５ｋｇｆ／ｃｍ２以下の範囲内にあることが好ましい。積層体の加熱温度は、４６０℃以上６１０℃以下の範囲内にあることが好ましい。積層体の加熱時間は、１分以上３０分以下の範囲内にあることが好ましい。積層体の加熱は、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。
この積層体を加熱することによって、金属層１３とチタン箔３０との間には液相が発生する。また、チタン箔３０とマグネシウム基複合材料２０との間においては、マグネシウム基複合材料２０のマグネシウム２２がヒートシンク接合用接合材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。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。
【００３８】
（第二実施形態）
次に、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の第二実施形態について説明する。
図２は、本発明の第二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。
【００３９】
第二実施形態では、ヒートシンク接合用接合材４０とマグネシウム基複合材料２０との間に、マグネシウム箔６０を介在させている。マグネシウム箔６０は、チタン箔３０とヒートシンク接合用接合材４０との間に介在させてもよい。
チタン箔３０とマグネシウム基複合材料２０との接合時の加熱によってマグネシウム基複合材料２０のマグネシウム２２はヒートシンク接合用接合材４０へ拡散し、液相（ヒートシンク接合用接合材４０に含まれる銅、ニッケル、銀、アルミニウムのいずれかの元素とＭｇの混和溶融物）が発生するが、マグネシウム基複合材料２０の表面には炭素質部材２１が存在しているため、炭素質部材２１によってヒートシンク接合用接合材４０へのマグネシウム２２の拡散が抑制されるおそれがある。マグネシウム２２の拡散が不十分であると、液相の発生も不均一となり、チタン箔３０とマグネシウム基複合材料２０とを均一な強さで接合することが困難となるおそれがある。マグネシウム箔６０は、ヒートシンク接合用接合材４０へのマグネシウムの拡散及び液相の発生を均一にして、チタン箔３０とマグネシウム基複合材料２０とを均一な強さで接合させる作用がある。このため、マグネシウム箔６０は、ヒートシンク接合用接合材４０と面積が同じであることが好ましい。
なお、マグネシウム箔６０として、純度８９．０質量％以上９９．９質量％以下のマグネシウム箔を用いるとよい。
また、マグネシウム箔６０は、厚さが厚くなりすぎると、ヒートシンク接合用接合材４０とマグネシウム箔６０間で発生した液相がマグネシウム基複合材料２０に到達せずチタン箔３０とマグネシウム基複合材料２０とが接合性が低下するおそれがある。このため、マグネシウム箔６０の厚さは、１００μｍ以下とするとよく、望ましくは５０μｍ以下、さらに望ましくは１０μｍ以下とするとよい。
【００４０】
第二実施形態では、図２に示すように、パワーモジュール用基板１０とマグネシウム基複合材料２０との間に、パワーモジュール用基板１０の金属層１３側から、パワーモジュール用基板接合用接合材５０、チタン箔３０、ヒートシンク接合用接合材４０、マグネシウム箔６０、マグネシウム基複合材料２０の順で積層して、積層体を得る。次いで、得られた積層体を積層方向に荷重を付与しながら、加熱することによって、ヒートシンク付パワーモジュール用基板を作製する。積層体の加熱時に付与する荷重、加熱温度、加熱時間、加熱雰囲気は、第一実施形態と同じである。
【００４１】
（第三実施形態）
次に、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の第三実施形態について説明する。
図３は、本発明の第三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。
【００４２】
第三実施形態では、第一実施形態においてパワーモジュール用基板１０の金属層１３とチタン箔３０との接合に使用したパワーモジュール用基板接合用接合材５０を省略している。
すなわち、第三実施形態では金属層１３とチタン箔３０とを固相拡散によって接合する。この第三実施形態では、金属層１３には、高純度のアルミニウム、特に４Ｎもしくはそれ以上の高純度のアルミニウムを用いることが好ましい。
【００４３】
第三実施形態では、図３に示すように、パワーモジュール用基板１０とマグネシウム基複合材料２０との間に、パワーモジュール用基板１０の金属層１３側から、チタン箔３０、ヒートシンク接合用接合材４０、マグネシウム基複合材料２０の順で積層して、積層体を得る。次いで、得られた積層体を積層方向に荷重を付与しながら、加熱することによって、ヒートシンク付パワーモジュール用基板を作製する。積層体の加熱時に付与する荷重、加熱温度、加熱時間、加熱雰囲気は、第一実施形態と同じである。なお、接合荷重については、１２ｋｇｆ／ｃｍ２以上１５ｋｇｆ／ｃｍ２以下とすることがより好ましい。
【００４４】
以上、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法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。
【００４５】
例えば、第三の実施形態において、マグネシウム箔６０を、ヒートシンク接合用接合材４０とマグネシウム基複合材料２０との間、あるいはチタン箔３０とヒートシンク接合用接合材４０との間に介在させてもよい。
【００４６】
また、第一から第三の実施形態では、チタン箔３０とマグネシウム基複合材料２０との接合と、金属層１３とチタン箔３０との接合を同時に行っているが、それぞれの接合を分けて行ってもよい。例えば、チタン箔３０とマグネシウム基複合材料２０とを接合した後に、金属層１３とチタン箔３０とを接合してもよいし、また、金属層１３とチタン箔３０とを接合した後にチタン箔３０とマグネシウム基複合材料２０とを接合してもよい。
【００４７】
次に、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、図４を参照しながら説明する。
図４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の概略説明図である。
【００４８】
図４に示されているヒートシンク付パワーモジュール用基板は、上述のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法の実施形態によって製造されたものである。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４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４においては下面）に形成されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層１３と、を備えたパワーモジュール用基板１０の金属層１３と、炭素質部材２１中にマグネシウム２２が充填された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。
【００４９】
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。
【００５０】
前記チタン層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て、前記添加元素−マグネシウム含有層４１と接触している前記マグネシウム基複合材料２０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、アルミニウムの何れかである。
【００５１】
添加元素−マグネシウム含有層４１は、接合時の加熱によって、マグネシウムがヒートシンク接合用接合材４０に拡散することにより、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。
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（Ａｌ：Ｍｇ）；７５：２５〜９８：２
なお、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は、Ｓｉを含有するヒートシンク接合用接合材４０（例えば、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材）を用いた場合、Ｍｇ２Ｓｉ粒が分散して存在している。
【００５２】
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。
【００５３】
パワーモジュール用基板１０の金属層１３とチタン層３１とは、アルミニウムとチタンを含む金属間化合物層５１を介して接合されている。金属間化合物層５１は、チタン層３１と金属層１３との接合を、パワーモジュール用基板接合用接合材５０を用いた場合には、接合時の加熱によって発生したアルミニウム溶融物とチタン箔３０との反応によって生成した層である。なお、パワーモジュール用基板接合用接合材５０として、Ａｌ―Ｓｉの合金、Ａｌ−Ｍｇの合金又はＭｇ−Ｓｉ−Ａｌの合金、アルミニウム合金（例えばＡ３００３）を芯材とし皮材をＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金とした両面クラッド材や片面クラッド材を用いた場合には、金属間化合物層５１は、アルミニウムとチタンとケイ素を含む。また、金属層１３とチタン層３１との接合を、パワーモジュール用基板接合用接合材５０を用いずに、固相拡散により行った場合は、金属間化合物層５１は、金属層１３とチタン層３１との反応によって生成した層となる。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。
【００５４】
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。
【実施例】
【００５５】
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。
【００５６】
［本発明例１〜２１］
ＡｌＮ製絶縁層（４０ｍｍ×４０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍ）の両面に、４Ｎアルミニウム層（３７ｍｍ×３７ｍｍ、厚さ０．４ｍｍ）が形成され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体積％）とを用意した。
パワーモジュール用基板とＭｇＳｉＣの間に、表１に示すマグネシウム箔、ヒートシンク接合用接合材、チタン箔、そしてパワーモジュール用基板接合用接合材を、ＭｇＳｉＣ／マグネシウム箔／ヒートシンク接合用接合材／チタン箔／パワーモジュール用基板接合用接合材／パワーモジュール用基板の順で積層して積層体を得た。次いで、得られた積層体を、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。
【００５７】
［従来例１］
ＡｌＮ製絶縁層（４０ｍｍ×４０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍ）の両面に、４Ｎアルミニウム層（３７ｍｍ×３７ｍｍ、厚さ０．４ｍｍ）が形成され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。
【００５８】
【表１】
0006531644.tif 000002
【００５９】
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２に示す。
【００６０】
（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。
【００６１】
（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。
【００６２】
（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。
【００６３】
（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。
【００６４】
（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
【００６５】
（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。
【００６６】
【表２】
0006531644.tif 000003
【００６７】
表２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、マグネシウム箔、ヒートシンク接合用接合材、パワーモジュール用基板接合用接合材の厚さが厚い本発明例５，１０，１２では、ろうこぶが確認されたが、何れも使用に問題のない程度であった。
【符号の説明】
【００６８】
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  ヒートシンク接合用接合材
４１  添加元素−マグネシウム含有層
５０  パワーモジュール用基板接合用接合材
５１  金属間化合物層
６０  マグネシウム箔
【図１】
0006531644.tif 000004
【図２】
0006531644.tif 000005
【図３】
0006531644.tif 000006
【図４】
0006531644.tif 000007