(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材と、固相線温度が前記金属部材を構成する金属元素とアルミニウムとの共晶温度未満とされたアルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材と、が接合されてなる接合体の製造方法であって、
前記アルミニウム合金部材と前記金属部材との間には、純度が９９質量％以上のアルミニウムからなるアルミニウム介在層が配設されており、
前記アルミニウム合金部材と前記アルミニウム介在層とを固相拡散接合するアルミニウム合金部材／アルミニウム介在層固相拡散接合工程と、
前記アルミニウム介在層と前記金属部材とを積層し、積層方向に加圧した状態で加熱して保持することにより、前記アルミニウム介在層と前記金属部材とを固相拡散接合するアルミニウム介在層／金属部材固相拡散接合工程と、を備えており、
前記アルミニウム介在層／金属部材固相拡散接合工程においては、加熱温度を４００℃以上とすることを特徴とする接合体の製造方法。
【請求項２】
前記アルミニウム合金部材／アルミニウム介在層固相拡散接合工程と、前記アルミニウム介在層／金属部材固相拡散接合工程と、を同時に実施す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】
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金属層と、この金属層の前記絶縁層とは反対側の面に配置されたヒートシンクと、を備えた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、
前記金属層と前記ヒートシンクとの間には、純度が９９質量％以上のアルミニウムからなるアルミニウム介在層が配設されており、
前記金属層のうち前記アルミニウム介在層との接合面は、銅、ニッケル、又は銀で構成され、
前記ヒートシンクのうち前記アルミニウム介在層との接合面は、固相線温度が前記金属層の前記接合面を構成する金属元素とアルミニウムとの共晶温度未満とされたアルミニウム合金で構成されており、
前記ヒートシンクと前記アルミニウム介在層とを固相拡散接合するヒートシンク／アルミニウム介在層固相拡散接合工程と、
前記アルミニウム介在層と前記金属層とを積層し、積層方向に加圧した状態で加熱して保持することにより、前記アルミニウム介在層と前記金属層とを固相拡散接合するアルミニウム介在層／金属層固相拡散接合工程と、を備えており、
前記アルミニウム介在層／金属層固相拡散接合工程においては、加熱温度を４００℃以上と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４】
ヒートシンク／アルミニウム介在層固相拡散接合工程と、前記アルミニウム介在層／金属層固相拡散接合工程と、を同時に実施することを特徴とする請求項３に記載の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】
ヒートシンク本体と、金属部材層と、を備えたヒートシンクの製造方法であって、
前記ヒートシンク本体と前記金属部材層との間に、純度が９９質量％以上のアルミニウムからなるアルミニウム介在層が配設されており、
前記金属部材層は、銅、ニッケル、又は銀からなり、
前記ヒートシンク本体は、固相線温度が前記金属部材層を構成する金属元素とアルミニウムとの共晶温度未満とされたアルミニウム合金で構成されており、
前記ヒートシンク本体と前記アルミニウム介在層とを固相拡散接合するヒートシンク本体／アルミニウム介在層固相拡散接合工程と、
前記アルミニウム介在層と前記金属部材層とを積層し、積層方向に加圧した状態で加熱して保持することにより、前記アルミニウム介在層と前記金属部材層とを固相拡散接合するアルミニウム介在層／金属部材層固相拡散接合工程と、を備えており、
前記アルミニウム介在層／金属部材層固相拡散接合工程においては、加熱温度を４００℃以上とすることを特徴とするヒートシンクの製造方法。
【請求項６】
前記ヒートシンク本体／アルミニウム介在層固相拡散接合工程と、前記アルミニウム介在層／金属部材層固相拡散接合工程と、を同時に実施することを特徴とする請求項５に記載のヒートシンクの製造方法。
【請求項７】
銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材と、固相線温度が前記金属部材を構成する金属元素とアルミニウムとの共晶温度未満とされたアルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材と、が接合されてなる接合体であって、
前記アルミニウム合金部材と前記金属部材との間には、純度が９９質量％以上のアルミニウムからなるアルミニウム介在層が配設されており、
前記アルミニウム合金部材と前記アルミニウム介在層とが固相拡散接合され、
前記アルミニウム介在層と前記金属部材とが固相拡散接合され、前記アルミニウム介在層と前記金属部材との接合界面には、金属間化合物層が形成されており、
前記金属間化合物層は、複数の金属間化合物が接合界面に沿って積層した構造とされ、厚さが１μｍ以上８μｍ以下の範囲内とされていることを特徴とする接合体。
【請求項８】
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金属層と、この金属層の前記絶縁層とは反対側の面に配置されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、
前記金属層と前記ヒートシンクとの間には、純度が９９質量％以上のアルミニウムからなるアルミニウム介在層が配設されており、
前記金属層のうち前記アルミニウム介在層との接合面は、銅、ニッケル、又は銀で構成され、
前記ヒートシンクのうち前記アルミニウム介在層との接合面は、固相線温度が前記金属層の前記接合面を構成する金属元素とアルミニウムとの共晶温度未満とされたアルミニウム合金で構成されており、
前記ヒートシンクと前記アルミニウム介在層とが固相拡散接合され、
前記アルミニウム介在層と前記金属層とが固相拡散接合され、前記アルミニウム介在層と前記金属層との接合界面には、金属間化合物層が形成されており、
前記金属間化合物層は、複数の金属間化合物が接合界面に沿って積層した構造とされ、厚さが１μｍ以上８μｍ以下の範囲内とされてい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。
【請求項９】
ヒートシンク本体と、金属部材層と、を備えたヒートシンクであって、
前記ヒートシンク本体と前記金属部材層との間に、純度が９９質量％以上のアルミニウムからなるアルミニウム介在層が配設されており、
前記金属部材層は、銅、ニッケル、又は銀からなり、
前記ヒートシンク本体は、固相線温度が前記金属部材層を構成する金属元素とアルミニウムとの共晶温度未満とされたアルミニウム合金で構成されており、
前記ヒートシンク本体と前記アルミニウム介在層とが固相拡散接合され、
前記アルミニウム介在層と前記金属部材層とが固相拡散接合され、前記アルミニウム介在層と前記金属部材層との接合界面には、金属間化合物層が形成されており、
前記金属間化合物層は、複数の金属間化合物が接合界面に沿って積層した構造とされ、厚さが１μｍ以上８μｍ以下の範囲内とされていることを特徴とするヒートシンク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材と、固相線温度が前記金属部材を構成する金属元素とアルミニウムとの共晶温度未満とされたアルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材とが接合されてなる接合体の製造方法、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法、ヒートシンク本体と金属部材層とを備えたヒートシンクの製造方法、及び、接合体、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、ヒートシンク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Ａｌで構成した場合には、表面にＡｌの酸化皮膜が形成されるため、はんだ材によって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Ｎｉ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。
また、特許文献３には、はんだ材の代替として、酸化銀粒子と有機物からなる還元剤とを含む酸化銀ペーストを用いて、回路層と半導体素子、金属層とヒートシンクを接合する技術が提案されている。
【０００５】
しかしながら、特許文献２に記載されたように、回路層及び金属層表面にＮｉめっき膜を形成したパワーモジュール用基板においては、半導体素子及びヒートシンクを接合するまでの過程においてＮｉめっき膜の表面が酸化等によって劣化し、はんだ材を介して接合した半導体素子及びヒートシンクとの接合信頼性が低下するおそれがあった。ここで、ヒートシンクと金属層との接合が不十分であると、熱抵抗が上昇し、放熱特性が低下するおそれがあった。また、Ｎｉめっき工程では、不要な領域にＮｉめっきが形成されて電食等のトラブルが発生しないように、マスキング処理を行うことがある。このように、マスキング処理をした上でめっき処理をする場合、回路層表面及び金属層表面にＮｉめっき膜を形成する工程に多大な労力が必要となり、パワーモジュールの製造コストが大幅に増加してしまうといった問題があった。
【０００６】
また、特許文献３に記載されたように、酸化銀ペーストを用いて回路層と半導体素子、金属層とヒートシンクを接合する場合には、Ａｌと酸化銀ペーストの焼成体との接合性が悪いために、予め回路層表面及び金属層表面にＡｇ下地層を形成する必要があった。Ａｇ下地層をめっきにより形成する場合には、Ｎｉめっきと同様に多大な労力が必要となるといった問題があった。
【０００７】
そこで、特許文献４には、回路層及び金属層をＡｌ層とＣｕ層の積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。このパワーモジュール用基板においては、回路層及び金属層の表面にはＣｕ層が配置されるため、はんだ材を用いて半導体素子及びヒートシンクを良好に接合することができる。このため、積層方向の熱抵抗が小さくなり、半導体素子から発生した熱をヒートシンク側へと効率良く伝達することが可能となる。
【０００８】
また、特許文献５には、金属層及びヒートシンクの一方がアルミニウム又はアルミニウム合金で構成され、他方が銅又は銅合金で構成されており、これら前記金属層と前記ヒートシンクとが固相拡散接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板が提案されている。このヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、金属層とヒートシンクとが固相拡散接合されているので、熱抵抗が小さく、放熱特性に優れている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【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２００８−２０８４４２号公報
【特許文献４】特開２０１４−１６０７９９号公報
【特許文献５】特開２０１４−０９９５９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、内部に冷却媒体の流路等が形成された複雑な構造のヒートシンクにおいては、比較的固相線温度が低いアルミニウム鋳物合金を用いて製造されることがある。
ここで、固相線温度の低いアルミニウム鋳物合金からなるアルミニウム合金部材と、銅又は銅合金からなる金属部材とを、特許文献５に記載されたように、固相拡散接合した場合には、接合界面近傍にカーケンダルボイドが多数発生することが確認された。このようなカーケンダルボイドがパワーモジュール用基板とヒートシンクとの間に存在すると、熱抵抗が上昇し、放熱特性が低下してしまうといった問題があった。
【００１１】
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、比較的固相線温度の低いアルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材と、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材とが良好に接合され、積層方向の熱抵抗が低い接合体を製造可能な接合体の接合方法、この接合体を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法及びヒートシンクの製造方法、及び、接合体、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、ヒートシンク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】
【００１２】
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、ニッケル、又は銀からなる金属部材と、固相線温度が前記金属部材を構成する金属元素とアルミニウムとの共晶温度未満とされたアルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材と、が接合されてなる接合体の製造方法であって、前記アルミニウム合金部材と前記金属部材との間には、純度が９９質量％以上のアルミニウムからなるアルミニウム介在層が配設されており、前記アルミニウム合金部材と前記アルミニウム介在層とを固相拡散接合するアルミニウム合金部材／アルミニウム介在層固相拡散接合工程と、前記アルミニウム介在層と前記金属部材とを積層し、積層方向に加圧した状態で加熱して保持することにより、前記アルミニウム介在層と前記金属部材とを固相拡散接合するアルミニウム介在層／金属部材固相拡散接合工程と、を備えており、前記アルミニウム介在層／金属部材固相拡散接合工程においては、加熱温度を４００℃以上とすることを特徴としている。
なお、本発明において、金属部材は、銅又は銅合金、ニッケル又はニッケル合金、もしくは銀又は銀合金で構成されたものとしている。
【００１３】
この構成の接合体の製造方法によれば、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材と、固相線温度が前記金属部材を構成する金属元素とアルミニウムとの共晶温度未満とされたアルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材との間に、純度が９９質量％以上のアルミニウムからなるアルミニウム介在層が介在しており、前記アルミニウム合金部材と前記アルミニウム介在層とを固相拡散接合するアルミニウム合金部材／アルミニウム介在層固相拡散接合工程と、前記アルミニウム介在層と前記金属部材とを固相拡散接合するアルミニウム介在層／金属部材固相拡散接合工程と、を備えているので、アルミニウム合金部材と金属部材とが直接接合されておらず、アルミニウム合金部材と金属部材との間にカーケンダルボイドが多数生成することを抑制できる。これにより、積層方向の熱抵抗が低く、伝熱部材等に適した接合体を得ることができる。
【００１４】
なお、本発明の接合体の製造方法においては、アルミニウム合金部材／アルミニウム介在層固相拡散接合工程、及び、アルミニウム介在層／金属部材固相拡散接合工程の実施順序に制限はなく、アルミニウム合金部材／アルミニウム介在層固相拡散接合工程の後にアルミニウム介在層／金属部材固相拡散接合工程を実施してもよいし、アルミニウム介在層／金属部材固相拡散接合工程の後にアルミニウム合金部材／アルミニウム介在層固相拡散接合工程を実施してもよい。
あるいは、アルミニウム介在層／金属部材固相拡散接合工程と、アルミニウム合金部材／アルミニウム介在層固相拡散接合工程を、同時に実施してもよい。この場合、製造工程が少なくなり、製造コストの低減を図ることが可能となる。
【００１５】
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金属層と、この金属層の前記絶縁層とは反対側の面に配置されたヒートシンクと、を備えた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、前記金属層と前記ヒートシンクとの間には、純度が９９質量％以上のアルミニウムからなるアルミニウム介在層が配設されており、前記金属層のうち前記アルミニウム介在層との接合面は、銅、ニッケル、又は銀で構成され、前記ヒートシンクのうち前記アルミニウム介在層との接合面は、固相線温度が前記金属層の前記接合面を構成する金属元素とアルミニウムとの共晶温度未満とされたアルミニウム合金で構成されており、前記ヒートシンクと前記アルミニウム介在層とを固相拡散接合するヒートシンク／アルミニウム介在層固相拡散接合工程と、前記アルミニウム介在層と前記金属層とを積層し、積層方向に加圧した状態で加熱して保持することにより、前記アルミニウム介在層と前記金属層とを固相拡散接合するアルミニウム介在層／金属層固相拡散接合工程と、を備えており、前記アルミニウム介在層／金属層固相拡散接合工程においては、加熱温度を４００℃以上とすることを特徴としている。
【００１６】
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、前記金属層と前記ヒートシンクとの間に、純度が９９質量％以上のアルミニウムからなるアルミニウム介在層が介在しており、前記ヒートシンクと前記アルミニウム介在層とを固相拡散接合するヒートシンク／アルミニウム介在層固相拡散接合工程と、前記アルミニウム介在層と前記金属層とを固相拡散接合するアルミニウム介在層／金属層固相拡散接合工程と、を備えているので、ヒートシンクと金属層とが直接接合されておらず、ヒートシンクと金属層との間にカーケンダルボイドが多数生成することを抑制できる。よって、積層方向における熱抵抗が低く、放熱特性に優れたヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造することが可能となる。
【００１７】
なお、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においては、ヒートシンク／アルミニウム介在層固相拡散接合工程、及び、アルミニウム介在層／金属層固相拡散接合工程の実施順序に制限はなく、ヒートシンク／アルミニウム介在層固相拡散接合工程の後にアルミニウム介在層／金属層固相拡散接合工程程を実施してもよいし、アルミニウム介在層／金属層固相拡散接合工程の後にヒートシンク／アルミニウム介在層固相拡散接合工程を実施してもよい。
あるいは、ヒートシンク／アルミニウム介在層固相拡散接合工程と、アルミニウム介在層／金属層固相拡散接合工程を、同時に実施してもよい。この場合、製造工程が少なくなり、製造コストの低減を図ることが可能となるとともに、絶縁層への熱負荷を抑えることができる。
【００１８】
本発明のヒートシンクの製造方法は、ヒートシンク本体と、金属部材層と、を備えたヒートシンクの製造方法であって、前記ヒートシンク本体と前記金属部材層との間に、純度が９９質量％以上のアルミニウムからなるアルミニウム介在層が配設されており、前記金属部材層は、銅、ニッケル、又は銀からなり、前記ヒートシンク本体は、固相線温度が前記金属部材層を構成する金属元素とアルミニウムとの共晶温度未満とされたアルミニウム合金で構成されており、前記ヒートシンク本体と前記アルミニウム介在層とを固相拡散接合するヒートシンク本体／アルミニウム介在層固相拡散接合工程と、前記アルミニウム介在層と前記金属部材層とを積層し、積層方向に加圧した状態で加熱して保持することにより、前記アルミニウム介在層と前記金属部材層とを固相拡散接合するアルミニウム介在層／金属部材層固相拡散接合工程と、を備えており、前記アルミニウム介在層／金属部材層固相拡散接合工程においては、加熱温度を４００℃以上とすることを特徴としている。
【００１９】
この構成のヒートシンクの製造方法によれば、前記金属部材層と前記ヒートシンク本体との間に、純度が９９質量％以上のアルミニウムからなるアルミニウム介在層が介在し、前記ヒートシンク本体と前記アルミニウム介在層とを固相拡散接合するヒートシンク本体／アルミニウム介在層固相拡散接合工程と、前記アルミニウム介在層と前記金属部材層とを固相拡散接合するアルミニウム介在層／金属部材層固相拡散接合工程と、を備えているので、ヒートシンク本体と金属部材層とが直接接合されておらず、ヒートシンク部材と金属部材層との間にカーケンダルボイドが多数生成することを抑制できる。よって、積層方向における熱抵抗が低く、放熱特性に優れたヒートシンクを製造することが可能となる。
【００２０】
なお、本発明のヒートシンクの製造方法においては、ヒートシンク本体／アルミニウム介在層固相拡散接合工程、及び、アルミニウム介在層／金属部材層固相拡散接合工程の実施順序に制限はなく、ヒートシンク本体／アルミニウム介在層固相拡散接合工程の後にアルミニウム介在層／金属部材層固相拡散接合工程を実施してもよいし、アルミニウム介在層／金属部材層固相拡散接合工程の後にヒートシンク本体／アルミニウム介在層固相拡散接合工程を実施してもよい。
あるいは、ヒートシンク本体／アルミニウム介在層固相拡散接合工程と、アルミニウム介在層／金属部材層固相拡散接合工程を、同時に実施してもよい。この場合、製造工程が少なくなり、製造コストの低減を図ることが可能となる。
【００２１】
本発明の接合体は、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材と、固相線温度が前記金属部材を構成する金属元素とアルミニウムとの共晶温度未満とされたアルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材と、が接合されてなる接合体であって、前記アルミニウム合金部材と前記金属部材との間には、純度が９９質量％以上のアルミニウムからなるアルミニウム介在層が配設されており、前記アルミニウム合金部材と前記アルミニウム介在層とが固相拡散接合され、前記アルミニウム介在層と前記金属部材とが固相拡散接合され、前記アルミニウム介在層と前記金属部材との接合界面には、金属間化合物層が形成されており、前記金属間化合物層は、複数の金属間化合物が接合界面に沿って積層した構造とされ、厚さが１μｍ以上８μｍ以下の範囲内とされていることを特徴としている。
【００２２】
この構成の接合体によれば、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材と、前記金属部材を構成する金属元素とアルミニウムとの共晶温度未満とされたアルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材とが、純度が９９質量％以上のアルミニウムからなるアルミニウム介在層を介して接合されており、前記アルミニウム合金部材と前記アルミニウム介在層とが固相拡散接合され、前記アルミニウム介在層と前記金属部材とが固相拡散接合されているので、アルミニウム合金部材と金属部材との間におけるカーケンダルボイドの発生が抑制されており、熱抵抗が低く、伝熱部材として特に適している。
【００２３】
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金属層と、この金属層の前記絶縁層とは反対側の面に配置されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、前記金属層と前記ヒートシンクとの間には、純度が９９質量％以上のアルミニウムからなるアルミニウム介在層が配設されており、前記金属層のうち前記アルミニウム介在層との接合面は、銅、ニッケル、又は銀で構成され、前記ヒートシンクのうち前記アルミニウム介在層との接合面は、固相線温度が前記金属層の前記接合面を構成する金属元素とアルミニウムとの共晶温度未満とされたアルミニウム合金で構成されており、前記ヒートシンクと前記アルミニウム介在層とが固相拡散接合され、前記アルミニウム介在層と前記金属層とが固相拡散接合され、前記アルミニウム介在層と前記金属層との接合界面には、金属間化合物層が形成されており、前記金属間化合物層は、複数の金属間化合物が接合界面に沿って積層した構造とされ、厚さが１μｍ以上８μｍ以下の範囲内とされていることを特徴としている。
【００２４】
この構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板によれば、前記金属層と前記ヒートシンクとの間に、純度が９９質量％以上のアルミニウムからなるアルミニウム介在層が介在し、前記ヒートシンクと前記アルミニウム介在層とが固相拡散接合され、前記アルミニウム介在層と前記金属層とが固相拡散接合されているので、ヒートシンクと金属層の間におけるカーケンダルボイドの発生が抑制されており、熱抵抗が低く、放熱特性に特に優れている。
【００２５】
本発明のヒートシンクは、ヒートシンク本体と、金属部材層と、を備えたヒートシンクであって、前記ヒートシンク本体と前記金属部材層との間に、純度が９９質量％以上のアルミニウムからなるアルミニウム介在層が配設されており、前記金属部材層は、銅、ニッケル、又は銀からなり、前記ヒートシンク本体は、固相線温度が前記金属部材層を構成する金属元素とアルミニウムとの共晶温度未満とされたアルミニウム合金で構成されており、前記ヒートシンク本体と前記アルミニウム介在層とが固相拡散接合され、前記アルミニウム介在層と前記金属部材層とが固相拡散接合され、前記アルミニウム介在層と前記金属部材層との接合界面には、金属間化合物層が形成されており、前記金属間化合物層は、複数の金属間化合物が接合界面に沿って積層した構造とされ、厚さが１μｍ以上８μｍ以下の範囲内とされていることを特徴としている。
【００２６】
この構成のヒートシンクによれば、前記ヒートシンク本体と前記金属部材層との間に、純度が９９質量％以上のアルミニウムからなるアルミニウム介在層が介在しており、前記ヒートシンク本体と前記アルミニウム介在層とが固相拡散接合され、前記アルミニウム介在層と前記金属部材層とが固相拡散接合されているので、ヒートシンク本体と金属部材層との間におけるカーケンダルボイドの発生が抑制されており、熱抵抗が低く、放熱特性に特に優れている。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、比較的固相線温度の低いアルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材と、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材とが良好に接合され、積層方向の熱抵抗が低い接合体を製造可能な接合体の接合方法、この接合体を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法及びヒートシンクの製造方法、及び、接合体、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、ヒートシンクを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第一実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュール用基板を備えたパワーモジュールの概略説明図である。
【図２】第一実施形態に係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フロー図である。
【図３】第一実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法の概略説明図である。
【図４】本発明の第二実施形態に係るヒートシンクの概略説明図である。
【図５】第二実施形態に係るヒートシンクの製造方法を説明するフロー図である。
【図６】第二実施形態に係るヒートシンクの製造方法の概略説明図である。
【図７】本発明の他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備えたパワーモジュールの概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
（第一実施形態）
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。
図１に、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３０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、ヒートシンク付パワーモジュール用基板３０と、このヒートシンク付パワーモジュール用基板３０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、を備えている。
ヒートシンク付パワーモジュール用基板３０は、パワーモジュール用基板１０と、パワーモジュール用基板１０に接合されたヒートシンク３１と、を備えている。
【００３０】
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、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の他方の面に配設された金属層１３と、を備えている。
【００３１】
回路層１２は、図３に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板２２が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、回路層１２は、純度が９９質量％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）の圧延板（アルミニウム板２２）がセラミックス基板１１に接合されることで形成されている。なお、回路層１２となるアルミニウム板２２の厚さは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。
【００３２】
金属層１３は、図１に示すように、セラミックス基板１１の他方の面に配設されたＡｌ層１３Ａと、このＡｌ層１３Ａのうちセラミックス基板１１が接合された面と反対側の面に積層されたＣｕ層１３Ｂと、を有している。
Ａｌ層１３Ａは、図３に示すように、セラミックス基板１１の他方の面に、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２３Ａが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、Ａｌ層１３Ａは、純度が９９質量％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）の圧延板（アルミニウム板２３Ａ）がセラミックス基板１１に接合されることで形成されている。接合されるアルミニウム板２３Ａの厚さは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。
Ｃｕ層１３Ｂは、Ａｌ層１３Ａの他方の面に、銅又は銅合金からなる銅板２３Ｂが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、Ｃｕ層１３Ｂは、無酸素銅の圧延板（銅板２３Ｂ）が接合されることで形成されている。銅層１３Ｂの厚さは０．１ｍｍ以上６ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、１ｍｍに設定されている。
【００３３】
ヒートシンク３１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り、本実施形態では、図１に示すように、冷却媒体が流通する流路３２が設けられている。このヒートシンク３１は、固相線温度が金属層１３の接合面（Ｃｕ層１３Ｂ）を構成するＣｕとＡｌとの共晶温度（５４８℃）未満とされたアルミニウム合金で構成されており、具体的には、ＪＩＳ  Ｈ  ２１１８：２００６で規定されたダイカスト用アルミニウム合金であるＡＤＣ１２（固相線温度５１５℃）で構成されている。なお、このＡＤＣ１２は、Ｃｕを１．５〜３．５質量％の範囲内、Ｓｉを９．６〜１２．０質量％の範囲内で含むアルミニウム合金である。
【００３４】
そして、ヒートシンク３１と金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）との間には、アルミニウム介在層１８が介在している。
このアルミニウム介在層１８は、純度が９９質量％以上の２Ｎアルミニウム、純度が９９．９質量％以上の３Ｎアルミニウム又は純度が９９．９９質量％以上の４Ｎアルミニウムからなるアルミニウム板２８が接合させることで構成されている。本実施形態では、アルミニウム介在層１８を構成するアルミニウム板２８として純度が９９質量％以上の２Ｎアルミニウム板を用い、厚さは０．０５ｍｍ以上０．６ｍｍ以下の範囲内に設定されている。より望ましくは、０．０５ｍｍ以上０．３ｍｍ以下に設定される。
ここで、金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）とアルミニウム介在層１８、アルミニウム介在層１８とヒートシンク３１が、それぞれ固相拡散接合されている。
【００３５】
そして、金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）とアルミニウム介在層１８との接合界面には、金属間化合物層が形成されている。
この金属間化合物層は、アルミニウム介在層１８のＡｌ原子と、Ｃｕ層１３ＢのＣｕ原子とが相互拡散することによって形成されるものである。この金属間化合物層においては、アルミニウム介在層１８からＣｕ層１３Ｂに向かうにしたがい、漸次Ａｌ原子の濃度が低くなり、かつＣｕ原子の濃度が高くなる濃度勾配を有している。
金属間化合物層は、ＣｕとＡｌからなる金属間化合物で構成されており、本実施形態では、複数の金属間化合物が接合界面に沿って積層した構造とされている。ここで、金属間化合物層の厚さは、１μｍ以上８０μｍ以下の範囲内、好ましくは、５μｍ以上８０μｍ以下の範囲内に設定されている。
【００３６】
また、本実施形態では、金属間化合物層は、３種の金属間化合物が積層された構造とされており、アルミニウム介在層１８側からＣｕ層１３Ｂ側に向けて順に、アルミニウム介在層１８とＣｕ層１３Ｂとの接合界面に沿って、θ相、η２相が積層し、さらにζ２相、δ相、及びγ２相のうち少なくとも一つの相が積層して構成されている
また、この金属間化合物層とＣｕ層１３Ｂとの接合界面には、酸化物が接合界面に沿って層状に分散している。なお、本実施形態においては、この酸化物は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等のアルミニウム酸化物とされている。なお、酸化物は、金属間化合物層とＣｕ層１３Ｂとの界面に分断された状態で分散しており、金属間化合物層とＣｕ層１３Ｂとが直接接触している領域も存在している。また、酸化物がθ相、η２相もしくは、ζ２相、δ相、及びγ２相のうち少なくとも一つの相の内部に層状に分散している場合もある。
【００３７】
また、ヒートシンク３１とアルミニウム介在層１８との接合界面においては、それぞれの接合面に酸化物が層状に分散している。本実施形態においては、この酸化物はアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等のアルミニウム酸化物等とされている。なお、酸化物は、ヒートシンク３１とアルミニウム介在層１８との界面に分断された状態で分散しており、ヒートシンク３１とアルミニウム介在層１８とが直接接触している領域も存在している。この酸化物は、ヒートシンク３１及びアルミニウム介在層１８の表面に形成されていた酸化皮膜に起因したものと推測される。
【００３８】
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３０の製造方法について、図２及び図３を参照して説明する。
【００３９】
（アルミニウム板積層工程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、回路層１２となるアルミニウム板２２を、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔２６を介して積層する。
また、セラミックス基板１１の他方の面に、Ａｌ層１３Ａとなるアルミニウム板２３Ａ、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔２６を介して積層する。なお、本実施形態では、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔２６として、厚さ１０μｍのＡｌ−８質量％Ｓｉ合金箔を用いた。
【００４０】
（回路層及びＡｌ層形成工程Ｓ０２）
そして、積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空加熱炉内に配置し加熱して、アルミニウム板２２とセラミックス基板１１を接合して回路層１２を形成する。また、セラミックス基板１１とアルミニウム板２３Ａを接合してＡｌ層１３Ａを形成する。
ここで、真空加熱炉内の圧力は１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度は６００℃以上６４３℃以下、保持時間は３０分以上１８０分以下の範囲内に設定されることが好ましい。
【００４１】
（Ｃｕ層（金属層）形成工程Ｓ０３）
次に、Ａｌ層１３Ａの他方の面側に、Ｃｕ層１３Ｂとなる銅板２３Ｂを積層する。
【００４２】
そして、積層方向に加圧（圧力３〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空加熱炉内に配置し加熱して、Ａｌ層１３Ａと銅板２３Ｂとを固相拡散接合し、金属層１３を形成する。
ここで、真空加熱炉内の圧力は１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度は４００℃以上５４８℃以下、保持時間は５分以上２４０分以下の範囲内に設定されることが好ましい。
なお、Ａｌ層１３Ａ、銅板２３Ｂのうち固相拡散接合されるそれぞれの接合面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされている。
【００４３】
（アルミニウム介在層／金属層固相拡散接合工程Ｓ０４及びヒートシンク／アルミニウム介在層固相拡散接合工程Ｓ０５）
次に、金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）と、アルミニウム介在層１８となるアルミニウム板２８と、ヒートシンク３１と、を積層し、積層方向に加圧（圧力５〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空加熱炉内に配置し加熱して、金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）とアルミニウム介在層１８（アルミニウム板２８）、アルミニウム介在層１８（アルミニウム板２８）とヒートシンク３１をそれぞれ固相拡散接合する。なお、金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）、アルミニウム板２８、ヒートシンク３１のうち固相拡散接合されるそれぞれの接合面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされている。
ここで、真空加熱炉内の圧力は１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度は４００℃以上５２０℃以下、保持時間は０．５時間以上３時間以下の範囲内に設定されることが好ましい。
このようにして、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３０が製造される。
【００４４】
（半導体素子接合工程Ｓ０６）
次いで、回路層１２の一方の面（表面）に、はんだ材を介して半導体素子３を積層し、還元炉内においてはんだ接合する。
上記のようにして、本実施形態であるパワーモジュール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に係るヒートシンク付パワーモジュール用基板３０によれば、ヒートシンク３１が、固相線温度が金属層１３の接合面（Ｃｕ層１３Ｂ）を構成するＣｕとＡｌとの共晶温度（５４８℃）未満とされたアルミニウム合金で構成されており、具体的には、ＪＩＳ  Ｈ  ２１１８：２００６で規定されたダイカスト用アルミニウム合金であるＡＤＣ１２（固相線温度５１５℃）で構成されているので、流路３２を有する複雑な構造のヒートシンク３１を構成することができ、放熱性能を向上させることが可能となる。
【００４６】
そして、本実施形態では、金属層１３がＡｌ層１３ＡとＣｕ層１３Ｂとを有し、金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）と比較的融点の低いアルミニウム合金からなるヒートシンク３１との間に、純度が９９質量％以上のアルミニウムからなるアルミニウム介在層１８が介在しており、金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）とアルミニウム介在層１８、アルミニウム介在層１８とヒートシンク３１がそれぞれ固相拡散接合されているので、ヒートシンク３１とアルミニウム介在層１８との接合界面及びアルミニウム介在層１８と金属層１３（Ｃｕ１３Ｂ）との接合界面にカーケンダルボイドの発生を抑制することができる。よって、積層方向における熱抵抗が低く、放熱特性に優れたヒートシンク付パワーモジュール用基板３０を製造することが可能となる。
【００４７】
また、本実施形態では、アルミニウム介在層／金属層固相拡散接合工程Ｓ０４及びヒートシンク／アルミニウム介在層固相拡散接合工程Ｓ０５を同時に実施しているので、製造工程が少なくすることができ、このヒートシンク付パワーモジュール用基板３０の製造コスト低減を図ることが可能となる。
【００４８】
さらに、固相拡散接合する際に、接合面に傷がある場合には接合界面に隙間が生じるおそれがあるが、本実施形態では、Ｃｕ層１３Ｂ（銅板２３Ｂ）、アルミニウム介在層１８（アルミニウム板２８）、ヒートシンク３１の接合される面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされた後に固相拡散接合されているので、それぞれの接合界面に隙間が生じることを抑制することができ、確実に固相拡散接合することができる。
【００４９】
また、本実施形態では、金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）とアルミニウム介在層１８との接合界面に、ＣｕとＡｌの金属間化合物層からなる金属間化合物層が形成されており、この金属間化合物層は、複数の金属間化合物が接合界面に沿って積層した構造とされているので、脆い金属間化合物が大きく成長してしまうことを抑制できる。また、金属間化合物層内部における体積変動が小さくなり、内部歪みが抑えられることになる。
【００５０】
さらに、本実施形態では、Ｃｕ層１３Ｂと金属間化合物層との接合界面においては、酸化物がこれらの接合界面に沿ってそれぞれ層状に分散しているので、アルミニウム介在層１８（アルミニウム板２８）の接合面に形成された酸化膜が確実に破壊され、ＣｕとＡｌの相互拡散が十分に進行していることになり、Ｃｕ層１３Ｂとアルミニウム介在層１８とが確実に接合されている。
【００５１】
（第二実施形態）
次に、本発明の第二実施形態であるヒートシンクについて説明する。図４に、本発明の第二実施形態に係るヒートシンク１０１を示す。
このヒートシンク１０１は、ヒートシンク本体１１０と、ヒートシンク本体１１０の一方の面（図４において上側）に積層された銅、ニッケル又は銀からなる金属部材層１１７と、を備えている。本実施形態では、金属部材層１１７は、図６に示すように、無酸素銅の圧延板からなる金属板１２７を接合することによって構成されている。
【００５２】
ヒートシンク本体１１０は、冷却媒体が流通する流路１１１が設けられている。このヒートシンク本体１１０は、固相線温度が金属部材層１１７を構成する金属元素（本実施形態ではＣｕ）とＡｌとの共晶温度（５４８℃）未満とされたアルミニウム合金で構成されており、具体的には、ＪＩＳ  Ｈ  ２１１８：２００６で規定されたダイカスト用アルミニウム合金であるＡＤＣ５（固相線温度５３５℃）で構成されている。なお、このＡＤＣ５は、Ｍｇを４．１〜８．５質量％の範囲内で含むアルミニウム合金である。
【００５３】
ここで、ヒートシンク本体１１０と金属部材層１１７との間には、アルミニウム介在層１１８が介在している。
このアルミニウム介在層１１８は、純度が９９質量％以上の２Ｎアルミニウム、純度が９９．９質量％以上の３Ｎアルミニウム又は純度が９９．９９質量％以上の４Ｎアルミニウムからなるアルミニウム板１２８が接合させることで構成されている。本実施形態では、アルミニウム介在層１１８を構成するアルミニウム板１２８として純度が９９質量％以上の２Ｎアルミニウムを用い、厚さは０．０５ｍｍ以上０．６ｍｍ以下の範囲内に設定されている。より望ましくは、０．０５ｍｍ以上０．３ｍｍ以下に設定される。
ここで、金属部材層１１７とアルミニウム介在層１１８、アルミニウム介在層１１８とヒートシンク本体１１０とが、それぞれ固相拡散接合されている。
【００５４】
ここで、金属部材層１１７とアルミニウム介在層１１８との接合界面には、金属間化合物層が形成されている。
この金属間化合物層は、アルミニウム介在層１１８のＡｌ原子と、金属部材層１１７のＣｕ原子とが相互拡散することによって形成されるものである。この金属間化合物層においては、アルミニウム介在層１１８から金属部材層１１７に向かうにしたがい、漸次Ａｌ原子の濃度が低くなり、かつＣｕ原子の濃度が高くなる濃度勾配を有している。
金属間化合物層は、ＣｕとＡｌからなる金属間化合物で構成されており、本実施形態では、複数の金属間化合物が接合界面に沿って積層した構造とされている。ここで、金属間化合物層の厚さは、１μｍ以上８０μｍ以下の範囲内、好ましくは、５μｍ以上８０μｍ以下の範囲内に設定されている。
【００５５】
また、本実施形態では、金属間化合物層は、３種の金属間化合物が積層された構造とされており、アルミニウム介在層１１８側から金属部材層１１７側に向けて順に、アルミニウム介在層１１８と金属部材層１１７との接合界面に沿って、θ相、η２相が積層し、さらにζ２相、δ相、及びγ２相のうち少なくとも一つの相が積層して構成されている。
また、この金属間化合物層と金属部材層１１７との接合界面には、酸化物が接合界面に沿って層状に分散している。なお、本実施形態においては、この酸化物は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等のアルミニウム酸化物とされている。なお、酸化物は、金属間化合物層と金属部材層１１７との界面に分断された状態で分散しており、金属間化合物層と金属部材層１１７とが直接接触している領域も存在している。また、酸化物がθ相、η２相もしくは、ζ２相、δ相、及びγ２相のうち少なくとも一つの相の内部に層状に分散している場合もある。
【００５６】
また、ヒートシンク本体１１０とアルミニウム介在層１１８との接合界面においては、それぞれの接合面に酸化物が層状に分散している。本実施形態においては、この酸化物はアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等のアルミニウム酸化物とされている。なお、酸化物は、ヒートシンク本体１１０とアルミニウム介在層１１８との界面に分断された状態で分散しており、ヒートシンク本体１１０とアルミニウム介在層１１８とが直接接触している領域も存在している。この酸化物は、ヒートシンク本体１１０及びアルミニウム介在層１１８の表面に形成されていた酸化皮膜に起因したものと推測される。
【００５７】
次に、本実施形態であるヒートシンク１０１の製造方法について、図５及び図６を参照して説明する。
【００５８】
（ヒートシンク本体／アルミニウム介在層固相拡散接合工程Ｓ１０１）
まず、図６に示すように、ヒートシンク本体１１０と、アルミニウム介在層１１８となるアルミニウム板１２８とを積層し、積層方向に加圧（圧力５〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空加熱炉内に配置し加熱することにより、アルミニウム板１２８とヒートシンク本体１１０とを固相拡散接合する。なお、アルミニウム板１２８、ヒートシンク本体１１０のうち固相拡散接合されるそれぞれの接合面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされている。
ここで、真空加熱炉内の圧力は１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度は４００℃以上５２０℃以下、保持時間は３０分以上２４０分以下の範囲内に設定されることが好ましい。
【００５９】
（アルミニウム介在層／金属部材層固相拡散接合工程Ｓ１０２）
次に、図６に示すように、アルミニウム介在層１１８と金属部材層１１７となる金属板１２７とを積層し、積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空加熱炉内に配置し加熱することにより、金属板１２７とアルミニウム介在層１１８とを固相拡散接合する。なお、金属板１２７、アルミニウム介在層１１８のうち固相拡散接合されるそれぞれの接合面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされている。
ここで、真空加熱炉内の圧力は１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度は４００℃以上５４８℃以下、保持時間は１５分以上１８０分以下の範囲内に設定されることが好ましい。
このようにして、本実施形態であるヒートシンク１０１が製造される。
【００６０】
以上のような構成とされた本実施形態に係るヒートシンク１０１によれば、ヒートシンク本体１１０の一方の面側に、無酸素銅の圧延板からなる金属板１２７を接合することによって金属部材層１１７が形成されているので、熱を金属部材層１１７によって面方向に広げることができ、放熱特性を大幅に向上させることができる。また、はんだ等を用いて他の部材とヒートシンク１０１とを良好に接合することができる。
【００６１】
また、ヒートシンク本体１１０が、固相線温度が金属部材層１１７を構成する金属元素と（Ｃｕ）とＡｌとの共晶温度（５４８℃）未満とされたアルミニウム合金で構成されており、具体的には、ＪＩＳ  Ｈ  ２１１８：２００６で規定されたダイカスト用アルミニウム合金であるＡＤＣ５（固相線温度５３５℃）で構成されているので、流路等を有する複雑な構造のヒートシンク本体１１０を構成することができる。
【００６２】
そして、本実施形態では、比較的融点の低いアルミニウム合金からなるヒートシンク本体１１０と金属部材層１１７との間に、純度が９９質量％以上のアルミニウムからなるアルミニウム介在層１１８が介在しており、ヒートシンク本体１１０とアルミニウム介在層１１８、アルミニウム介在層１１８と金属部材層１１７がそれぞれ固相拡散接合されているので、ヒートシンク本体１１０とアルミニウム介在層１１８との接合界面及びアルミニウム介在層１１８と金属部材層１１７との接合界面にカーケンダルボイドの発生を抑制することができる。よって、積層方向における熱抵抗が低く、放熱特性に優れたヒートシンク１０１を製造することが可能となる。
【００６３】
また、本実施形態では、金属部材層１１７とアルミニウム介在層１１８との接合界面が、第１の実施形態のＣｕ層１３Ｂとアルミニウム介在層１８との接合界面と同様の構成とされているので、第１の実施形態と同様の作用効果を奏することが可能となる。
【００６４】
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、上記実施の形態では、金属部材層として銅からなるＣｕ層とが接合される場合について説明したが、Ｃｕ層に代えて、ニッケル又はニッケル合金からなるＮｉ層、もしくは銀又は銀合金からなるＡｇ層が接合されても良い。
【００６５】
Ｃｕ層に代えてＮｉ層を形成した場合には、はんだ付け性が良好となり、他の部材との接合信頼性を向上できる。さらに、固相拡散接合によってＮｉ層を形成する場合には、無電解めっき等でＮｉめっき膜を形成する際に行われるマスキング処理が不要なので、製造コストを低減できる。この場合、Ｎｉ層の厚さは１μｍ以上３０μｍ以下とすることが望ましい。Ｎｉ層の厚さが１μｍ未満の場合には他の部材との接合信頼性の向上の効果が無くなるおそれがあり、３０μｍを超える場合にはＮｉ層が熱抵抗体となり効率的に熱を伝達できなくなるおそれがある。また、固相拡散接合によってＮｉ層を形成する場合、Ａｌ層とＮｉの固相拡散接合については、接合温度を４００℃以上６３０℃以下に設定されるが、その他の条件は前述の実施形態と同様の条件で形成することができる。
【００６６】
Ｃｕ層に代えてＡｇ層を形成した場合には、例えば酸化銀粒子と有機物からなる還元剤とを含む酸化銀ペーストを用いて他の部材を接合する際に、酸化銀が還元された銀とＡｇ層とが同種の金属同士の接合となるため、接合信頼性を向上させることができる。さらには、熱伝導率の良好なＡｇ層が形成されるので、熱を面方向に拡げて効率的に伝達することができる。この場合、Ａｇ層の厚さは１μｍ以上２０μｍ以下とすることが望ましい。Ａｇ層の厚さが１μｍ未満の場合には他の部材との接合信頼性を向上の効果が無くなるおそれがあり、２０μｍを超える場合には接合信頼性向上の効果が観られなくなり、コストの増加を招く。また、固相拡散接合によってＡｇ層を形成する場合、Ａｌ層とＡｇの固相拡散接合については、接合温度を４００℃以上５６０℃以下に設定されるが、その他は前述の実施形態と同様の条件で形成することができる。
【００６７】
さらに、第一の実施形態では、金属層１３を、Ａｌ層１３ＡとＣｕ層１３Ｂとを有するものとして説明したが、これに限定されることはなく、図７に示すように、金属層全体を銅又は銅合金で構成してもよい。この図７に示すパワーモジュール２０１及びヒートシンク付パワーモジュール用基板２３０においては、セラミックス基板１１の他方の面（図７０において下側）に銅板がＤＢＣ法あるいは活性金属ろう付け法等によって接合され、銅又は銅合金からなる金属層２１３が形成されている。そして、この金属層２１３とヒートシンク３１と間に、アルミニウム介在層１８が介在しており、金属層２１３とアルミニウム介在層１８、アルミニウム介在層１８とヒートシンク３１が、それぞれ固相拡散接合されている。なお、図７に示すパワーモジュール用基板２１０においては、回路層２１２も銅又は銅合金によって構成されたものとされている。
【００６８】
また、第１の実施形態において、回路層を純度９９質量％のアルミニウム板を接合することで形成したものとして説明したが、これに限定されることはなく、他のアルミニウム又はアルミニウム合金、銅又は銅合金等の他の金属で構成したものであってもよい。また、回路層をＡｌ層とＣｕ層の２層構造のものとしてもよい。これは、図７に示すパワーモジュール用基板２１０でも同様である。
【００６９】
また、第１の実施形態において、アルミニウム介在層／金属層固相拡散接合工程Ｓ０４と、ヒートシンク／アルミニウム介在層固相拡散接合工程Ｓ０５とを、同時に実施するものとして説明したが、これに限定されることはなく、アルミニウム介在層／金属層固相拡散接合工程Ｓ０４を実施した後にヒートシンク／アルミニウム介在層固相拡散接合工程Ｓ０５を実施してもよいし、ヒートシンク／アルミニウム介在層固相拡散接合工程Ｓ０５を実施した後にアルミニウム介在層／金属層固相拡散接合工程Ｓ０４を実施してもよい。
【００７０】
なお、第１の実施形態において、Ｃｕ層（金属層）形成工程Ｓ０３とアルミニウム介在層／金属層固相拡散接合工程Ｓ０４を同時に行うこともできる。
また、第１の実施形態において、Ｃｕ層（金属層）形成工程Ｓ０３とアルミニウム介在層／金属層固相拡散接合工程Ｓ０４とヒートシンク／アルミニウム介在層固相拡散接合工程Ｓ０５を同時に行うこともできる。
これらの場合、接合温度は４５０℃以上５２０℃以下の範囲内とすることが好ましい。
【００７１】
さらに、第２の実施形態において、ヒートシンク本体／アルミニウム介在層固相拡散接合工程Ｓ１０１を実施した後にアルミニウム介在層／金属部材層固相拡散接合工程Ｓ１０２を実施するものとして説明したが、これに限定されることはなく、アルミニウム介在層／金属部材層固相拡散接合工程Ｓ１０２を実施した後にヒートシンク本体／アルミニウム介在層固相拡散接合工程Ｓ１０１を実施してもよいし、ヒートシンク本体／アルミニウム介在層固相拡散接合工程Ｓ１０１及びアルミニウム介在層／金属部材層固相拡散接合工程Ｓ１０２を同時に実施してもよい。
【実施例】
【００７２】
以下に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験の結果について説明する。
表１に示すアルミニウム合金板（５０ｍｍ×５０ｍｍ×厚さ５ｍｍ）及び金属板（４０ｍｍ×４０ｍｍ）を準備した。また、純度９９質量％の２Ｎアルミニウムからなるアルミニウム介在層（４０ｍｍ×４０ｍｍ×厚さ０．１ｍｍ）を準備した。
【００７３】
本発明例１〜６においては、表１の金属板とアルミニウム介在層、アルミニウム介在層とアルミニウム合金板を、それぞれ表１に示す条件で固相拡散接合した。
なお、比較例１−３においては、金属板とアルミニウム合金板との間にアルミニウム介在層を介在させずに、金属板とアルミニウム合金板とを直接固相拡散接合した。接合を同時に実施した。
【００７４】
このようにして製造された接合体において、積層方向の熱抵抗を測定した。
ヒータチップ（１３ｍｍ×１０ｍｍ×０．２５ｍｍ）を金属板の表面に半田付けし、アルミニウム合金板を冷却器にろう付け接合した。次に、ヒータチップを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、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。なお、アルミニウム介在層を介在させずにアルミニウム合金板と銅板とを直接拡散接合した比較例１を基準として１とし、この比較例１との比率で熱抵抗を評価した。評価結果を表１に示す。
【００７５】
【表１】
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【００７６】
金属板（銅板）とアルミニウム合金板とを直接固相拡散接合した比較例１においては、本発明例１〜４と比べ熱抵抗が大きくなっていることが確認される。また、金属板としてニッケルを用いた比較例２と本発明例５を比べると、比較例２の熱抵抗が大きくなっていることが確認される。同様に金属板として銀を用いた比較例３と本発明例６を比べると比較例３の熱抵抗が大きくなっていることが確認される。これは、カーケンダルボイドが形成されたためと推測される。
これに対して、金属板とアルミニウム合金板との間に純度９９質量％以上の２Ｎアルミニウムからなるアルミニウム介在層を介在させた本発明例においては、比較例に比べて熱抵抗が小さくなっていることが確認される。アルミニウム介在層を介在させることにより、カーケンダルボイドの形成が抑制されたためと推測される。
【符号の説明】
【００７７】
１０、２１０  パワーモジュール用基板
１１  セラミックス基板
１３，２１３  金属層
１３Ｂ  Ｃｕ層（金属部材）
１８  アルミニウム介在層
３１  ヒートシンク（アルミニウム合金部材）
１０１  ヒートシンク
１１０  ヒートシンク本体（アルミニウム合金部材）
１１７  金属部材層
１１８  アルミニウム介在層
【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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