(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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接合された接合体であって、
前記アルミニウム合金部材は、Ｓｉ濃度が１ｍａｓｓ％以上２５ｍａｓｓ％以下の範囲内とされたアルミニウム合金で構成され、
前記アルミニウム合金部材と前記金属部材とが固相拡散接合されており、
前記アルミニウム合金部材と前記金属部材との接合界面に、前記アルミニウム合金部材のＡｌと前記金属部材の金属元素とが拡散して形成された化合物層を備え、
この化合物層の内部に、Ｍｇの濃度が３ｍａｓｓ％以上とされたＭｇ濃化層が形成されており、前記Ｍｇ濃化層の厚さが７μｍ以上３０μｍ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２】
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、
前記金属層のうち前記ヒートシンクとの接合面は、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金属層との接合面は、Ｓｉ濃度が１ｍａｓｓ％以上２５ｍａｓｓ％以下の範囲内とされたアルミニウム合金で構成され、
前記ヒートシンクと前記金属層とが固相拡散接合されており、
前記ヒートシンクと前記金属層との接合界面に、前記ヒートシンクのＡｌと前記金属層の接合面を構成する金属元素とが拡散して形成された化合物層を備え、
この化合物層の内部に、Ｍｇの濃度が３ｍａｓｓ％以上とされたＭｇ濃化層が形成されており、前記Ｍｇ濃化層の厚さが７μｍ以上３０μｍ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３】
ヒートシンク本体と、前記ヒートシンク本体に接合された金属部材層と、を備えたヒートシンクであって、
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、Ｓｉ濃度が１ｍａｓｓ％以上２５ｍａｓｓ％以下の範囲内とされたアルミニウム合金で構成され、
前記ヒートシンク本体と前記金属部材層とが固相拡散接合されており、
前記ヒートシンク本体と前記金属部材層との接合界面に、前記ヒートシンク本体のＡｌと前記金属部材層を構成する金属元素とが拡散して形成された化合物層を備え、
この化合物層の内部に、Ｍｇの濃度が３ｍａｓｓ％以上とされたＭｇ濃化層が形成されており、前記Ｍｇ濃化層の厚さが７μｍ以上３０μｍ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。
【請求項４】
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は、Ｓｉ濃度が１ｍａｓｓ％以上２５ｍａｓｓ％以下の範囲内とされたアルミニウム合金で構成されており、
接合前の前記アルミニウム合金部材において、少なくとも前記金属部材との接合面から深さ方向に５０μｍまでの領域におけるＭｇ濃度を４．９ｍａｓｓ％以上１５ｍａｓｓ％以下の範囲内とし、
このアルミニウム合金部材と前記金属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５】
前記アルミニウム合金部材と前記金属部材とを積層し、積層方向に加圧しながら通電して加熱することにより、前記アルミニウム合金部材と前記金属部材とを固相拡散接合することを特徴とする請求項４に記載の接合体の製造方法。
【請求項６】
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、
前記金属層のうち前記ヒートシンクとの接合面は、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金属層との接合面は、Ｓｉ濃度が１ｍａｓｓ％以上２５ｍａｓｓ％以下の範囲内とされたアルミニウム合金で構成されており、
接合前の前記ヒートシンクにおいて、少なくとも前記金属層との接合面から深さ方向に５０μｍまでの領域におけるＭｇ濃度を４．９ｍａｓｓ％以上１５ｍａｓｓ％以下の範囲内とし、
このヒートシンクと前記金属層とを固相拡散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７】
前記ヒートシンクと前記金属層とを積層し、積層方向に加圧しながら通電して加熱することにより、前記ヒートシンクと前記金属層とを固相拡散接合することを特徴とする請求項６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８】
ヒートシンク本体と、前記ヒートシンク本体に接合された金属部材層と、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、Ｓｉ濃度が１ｍａｓｓ％以上２５ｍａｓｓ％以下の範囲内とされたアルミニウム合金で構成されており、
接合前の前記ヒートシンク本体において、少なくとも前記金属部材層との接合面から深さ方向に５０μｍまでの領域におけるＭｇ濃度を４．９ｍａｓｓ％以上１５ｍａｓｓ％以下の範囲内とし、
このヒートシンク本体と前記金属部材層とを固相拡散接合することを特徴とするヒートシンクの製造方法。
【請求項９】
前記ヒートシンク本体と前記金属部材層とを積層し、積層方向に加圧しながら通電して加熱することにより、前記ヒートシンク本体と前記金属部材層とを固相拡散接合することを特徴とする請求項８に記載のヒートシンクの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、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接合されてなる接合体、絶縁層の一方の面に回路層が形成されたパワーモジュール用基板にヒートシンクが接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板、ヒートシンク本体に金属部材層が形成されたヒートシンク、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、及び、ヒートシンク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、Ｓｉを比較的多く含む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、Ｓｉを比較的多く含む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、ニッケル、又は銀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、接合界面近傍に相互拡散の不均衡によって生じる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、Ｓｉを比較的多く含む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、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及びヒートシンク、及び、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、ヒートシンク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】
【００１２】
前述の課題を解決するために、本発明の接合体は、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接合された接合体であって、前記アルミニウム合金部材は、Ｓｉ濃度が１ｍａｓｓ％以上２５ｍａｓｓ％以下の範囲内とされたアルミニウム合金で構成され、前記アルミニウム合金部材と前記金属部材とが固相拡散接合されており、前記アルミニウム合金部材と前記金属部材との接合界面に、前記アルミニウム合金部材のＡｌと前記金属部材の金属元素とが拡散して形成された化合物層を備え、この化合物層の内部に、Ｍｇの濃度が３ｍａｓｓ％以上とされたＭｇ濃化層が形成されており、前記Ｍｇ濃化層の厚さが７μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされてい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】
この構成の接合体によれば、前記アルミニウム合金部材と前記金属部材との接合界面に、前記アルミニウム合金部材のＡｌと前記金属部材の金属元素とが拡散して形成された化合物層を備え、この化合物層の内部に、Ｍｇの濃度が３ｍａｓｓ％以上とされたＭｇ濃化層が形成されており、前記Ｍｇ濃化層の厚さが７μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされているので、このＭｇ濃化層によって金属部材を構成する金属元素の拡散移動が妨げられて、カーケンダルボイドの発生が抑制されることになり、積層方向の熱抵抗を低くすることができる。
【００１４】
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、前記金属層のうち前記ヒートシンクとの接合面は、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金属層との接合面は、Ｓｉ濃度が１ｍａｓｓ％以上２５ｍａｓｓ％以下の範囲内とされたアルミニウム合金で構成され、前記ヒートシンクと前記金属層とが固相拡散接合されており、前記ヒートシンクと前記金属層との接合界面に、前記ヒートシンクのＡｌと前記金属層の接合面を構成する金属元素とが拡散して形成された化合物層を備え、この化合物層の内部に、Ｍｇの濃度が３ｍａｓｓ％以上とされたＭｇ濃化層が形成されており、前記Ｍｇ濃化層の厚さが７μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされていることを特徴としている。
【００１５】
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、前記ヒートシンクと前記金属層との接合界面に、前記ヒートシンクのＡｌと前記金属層の接合面を構成する金属元素とが拡散して形成された化合物層を備え、この化合物層の内部に、Ｍｇの濃度が３ｍａｓｓ％以上とされたＭｇ濃化層が形成されており、前記Ｍｇ濃化層の厚さが７μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされているので、このＭｇ濃化層によって金属層を構成する金属元素の拡散移動が妨げられて、カーケンダルボイドの発生が抑制されることになる。このため、積層方向の熱抵抗が低く、放熱特性に特に優れている。
【００１６】
本発明のヒートシンクは、ヒートシンク本体と、前記ヒートシンク本体に接合された金属部材層と、を備えたヒートシンクであって、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、Ｓｉ濃度が１ｍａｓｓ％以上２５ｍａｓｓ％以下の範囲内とされたアルミニウム合金で構成され、前記ヒートシンク本体と前記金属部材層とが固相拡散接合されており、前記ヒートシンク本体と前記金属部材層との接合界面に、前記ヒートシンク本体のＡｌと前記金属部材層を構成する金属元素とが拡散して形成された化合物層を備え、この化合物層の内部に、Ｍｇの濃度が３ｍａｓｓ％以上とされたＭｇ濃化層が形成されており、前記Ｍｇ濃化層の厚さが７μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされていることを特徴としている。
【００１７】
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接合界面に、前記ヒートシンク本体のＡｌと前記金属部材層を構成する金属元素とが拡散して形成された化合物層を備え、この化合物層の内部に、Ｍｇの濃度が３ｍａｓｓ％以上とされたＭｇ濃化層が形成されており、前記Ｍｇ濃化層の厚さが７μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされているので、この前記Ｍｇ濃化層によって金属部材層を構成する金属元素の拡散移動が妨げられて、カーケンダルボイドの発生が抑制されることになる。このため、積層方向の熱抵抗が低く、放熱特性に特に優れている。
【００１８】
本発明の接合体の製造方法は、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は、Ｓｉ濃度が１ｍａｓｓ％以上２５ｍａｓｓ％以下の範囲内とされたアルミニウム合金で構成されており、接合前の前記アルミニウム合金部材において、少なくとも前記金属部材との接合面から深さ方向に５０μｍまでの領域におけるＭｇ濃度を４．９ｍａｓｓ％以上１５ｍａｓｓ％以下の範囲内とし、このアルミニウム合金部材と前記金属部材とを固相拡散接合することを特徴としている。
【００１９】
この構成の接合体の製造方法によれば、接合前の前記アルミニウム合金部材において、少なくとも前記金属部材との接合面から深さ方向に５０μｍまでの領域におけるＭｇ濃度を４．９ｍａｓｓ％以上１５ｍａｓｓ％以下の範囲内としているので、固相拡散接合時に金属部材を構成する金属元素が必要以上に拡散移動することを、接合面近傍に存在するＭｇによって抑制することができ、カーケンダルボイドの発生を抑制することができる。
【００２０】
ここで、本発明の接合体の製造方法においては、前記アルミニウム合金部材と前記金属部材とを積層し、積層方向に加圧しながら通電して加熱することにより、前記アルミニウム合金部材と前記金属部材とを固相拡散接合することが好ましい。
この場合、前記アルミニウム合金部材と前記金属部材とを積層方向に加圧しながら通電加熱しているので、昇温速度を速くすることができ、比較的短時間で固相拡散接合を行うことが可能となる。これにより、例えば大気中で接合した場合でも、接合面の酸化の影響が小さく、前記アルミニウム合金部材と前記金属部材とを良好に接合することができる。
【００２１】
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、前記金属層のうち前記ヒートシンクとの接合面は、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金属層との接合面は、Ｓｉ濃度が１ｍａｓｓ％以上２５ｍａｓｓ％以下の範囲内とされたアルミニウム合金で構成されており、接合前の前記ヒートシンクにおいて、少なくとも前記金属層との接合面から深さ方向に５０μｍまでの領域におけるＭｇ濃度を４．９ｍａｓｓ％以上１５ｍａｓｓ％以下の範囲内とし、このヒートシンクと前記金属層とを固相拡散接合することを特徴としている。
【００２２】
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、接合前の前記ヒートシンクにおいて、少なくとも前記金属層との接合面から深さ方向に５０μｍまでの領域におけるＭｇ濃度を４．９ｍａｓｓ％以上１５ｍａｓｓ％以下の範囲内としているので、固相拡散接合時に金属層の接合面を構成する金属元素が必要以上に拡散移動することを、接合面近傍に存在するＭｇによって抑制することができ、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を製造することが可能となる。
【００２３】
ここで、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、前記ヒートシンクと前記金属層とを積層し、積層方向に加圧しながら通電して加熱することにより、前記ヒートシンクと前記金属層とを固相拡散接合することが好ましい。
この場合、前記ヒートシンクと前記金属層とを積層方向に加圧しながら通電加熱しているので、昇温速度を速くすることができ、比較的短時間で固相拡散接合を行うことが可能となる。これにより、例えば大気中で接合した場合でも、接合面の酸化の影響が小さく、前記ヒートシンクと前記金属層とを良好に接合することができる。
【００２４】
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、前記ヒートシンク本体に接合された金属部材層と、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、Ｓｉ濃度が１ｍａｓｓ％以上２５ｍａｓｓ％以下の範囲内とされたアルミニウム合金で構成されており、接合前の前記ヒートシンク本体において、少なくとも前記金属部材層との接合面から５０μｍまでの領域におけるＭｇ濃度を４．９ｍａｓｓ％以上１５ｍａｓｓ％以下の範囲内とし、このヒートシンク本体と前記金属部材層とを固相拡散接合することを特徴としている。
【００２５】
この構成のヒートシンクの製造方法によれば、接合前の前記ヒートシンク本体において、少なくとも前記金属部材層との接合面から深さ方向に５０μｍまでの領域におけるＭｇ濃度を４．９ｍａｓｓ％以上１５ｍａｓｓ％以下の範囲内としているので、固相拡散接合時に金属部材層を構成する金属元素が必要以上に拡散移動することを、接合面近傍に存在するＭｇによって抑制でき、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を製造することが可能となる。
【００２６】
ここで、本発明のヒートシンクの製造方法においては、前記ヒートシンク本体と前記金属部材層とを積層し、積層方向に加圧しながら通電して加熱することにより、前記ヒートシンク本体と前記金属部材層とを固相拡散接合することが好ましい。
この場合、前記ヒートシンク本体と前記金属部材層とを積層方向に加圧しながら通電加熱しているので、昇温速度を速くすることができ、比較的短時間で固相拡散接合を行うことが可能となる。これにより、例えば大気中で接合した場合でも、接合面の酸化の影響が小さく、前記ヒートシンク本体と前記金属部材層とを良好に接合することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、Ｓｉを比較的多く含む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、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及びヒートシンク、及び、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、ヒートシンク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】
【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】図１に示す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金属層（Ｃｕ層）との接合界面の断面拡大説明図である。
【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を説明するフロー図である。
【図４】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５】図４に示す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、接合前のヒートシンクの接合面にＭｇを添加する方法を示す説明図である。
【図６】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７】図６に示すヒートシンクのヒートシンク本体と金属部材層との接合界面の断面拡大説明図である。
【図８】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９】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１０】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。
【図１１】通電加熱法によって固相拡散接合を行う状況を示す概略説明図である。
【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】
セラミックス基板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、セラミックス部材１１は、特に放熱性の優れた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。
【００３２】
回路層１２は、図４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。
【００３３】
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４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。
Ｃｕ層１３Ｂは、図４に示すように、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。
【００３４】
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、Ｓｉ濃度が１ｍａｓｓ％以上２５ｍａｓｓ％以下の範囲内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１．５ｍａｓｓ％以上３．５ｍａｓｓ％以下の範囲内、Ｓｉを９．６ｍａｓｓ％以上１２．０ｍａｓｓ％以下の範囲内で含むアルミニウム合金である。
【００３５】
ここで、ヒートシンク３１と金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）とは、固相拡散接合されている。
金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）とヒートシンク３１との接合界面には、図２に示すように、ＡｌとＣｕを含有する化合物層３８が形成されている。
この化合物層３８は、ヒートシンク３１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。この化合物層３８においては、ヒートシンク３１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。
【００３６】
この化合物層３８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、化合物層３８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。
本実施形態では、化合物層３８は、３種の金属間化合物が積層された構造とされており、ヒートシンク３１側からＣｕ層１３Ｂ側に向けて順に、ヒートシンク３１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。
【００３７】
また、この化合物層３８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、化合物層３８とＣｕ層１３Ｂとの界面に分断された状態で分散しており、化合物層３８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。
【００３８】
そして、この化合物層３８の内部には、図２に示すように、Ｍｇの濃度が３ｍａｓｓ％以上とされたＭｇ濃化層４０が形成されており、このＭｇ濃化層４０の厚さが１μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされている。
【００３９】
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３から図５を参照して説明する。
【００４０】
（アルミニウム板積層工程Ｓ０１）
まず、図４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−８ｍａｓｓ％Ｓｉ合金箔を用いた。
【００４１】
（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６５０℃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。
【００４２】
（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。
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】
（ヒートシンク準備工程Ｓ０４）
次に、接合するヒートシンク３１を準備する。このとき、図５に示すように、ヒートシンク３１のうち金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）と接合される接合面から深さ方向に５０μｍまでの領域３１ＡにおけるＭｇ濃度を０．３ｍａｓｓ％以上１５ｍａｓｓ％以下の範囲内とする。
本実施形態においては、図５に示すように、ヒートシンク３１のうち金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）と接合される接合面に、厚さ２μｍ以上２５μｍ以下のＭｇ箔４１を配置し、熱処理炉４５に装入し、温度：４２０℃以上５００℃以下、保持時間：３０ｍｉｎ以上２４０ｍｉｎ以下の条件で熱処理を行うことで、Ｍｇをヒートシンク３１側に拡散させ、接合面から深さ方向に５０μｍまでの領域３１ＡにおけるＭｇ濃度を０．３ｍａｓｓ％以上１５ｍａｓｓ％以下の範囲内としている。なお、この熱処理時における熱処理炉４５の炉内雰囲気は、例えば窒素雰囲気下、真空雰囲気下とすることが好ましい。
なお、Ｍｇ箔以外にも、Ａｌ−Ｍｇ箔やＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ箔などＭｇを含有する種々の箔を用いることができる。さらに、箔以外でもスパッタ等によって接合面にＭｇを配置し、熱処理することでＭｇを拡散させることもできる。
また、接合面から深さ方向に５０μｍまでの領域３１ＡにおけるＭｇ濃度が１５ｍａｓｓ％を超える場合、接合面から深さ方向に研磨や切削することでＭｇ濃度を０．３ｍａｓｓ％以上１５ｍａｓｓ％以下の範囲内とすることもできる。
【００４４】
（金属層／ヒートシンク接合工程Ｓ０５）
次に、金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）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）とヒートシンク３１を固相拡散接合する。なお、金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）及びヒートシンク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０．２５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。
この金属層／ヒートシンク接合工程Ｓ０５において、Ｃｕ層１３Ｂ中のＣｕ原子がヒートシンク３１側に拡散していき、図２に示すように、化合物層３８が形成されるとともに、この化合物層３８内にＭｇ濃化層４０が形成される。
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。
【００４５】
（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。
【００４６】
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、Ｓｉ濃度が１ｍａｓｓ％以上２５ｍａｓｓ％以下の範囲内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（Ｓｉ濃度９．６ｍａｓｓ％以上１２．０ｍａｓｓ％以下）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。
【００４７】
そして、本実施形態では、ヒートシンク３１と金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）との接合界面に、ＡｌとＣｕの金属間化合物からなる化合物層３８が形成されており、この化合物層３８の内部に、Ｍｇの濃度が３ｍａｓｓ％以上とされたＭｇ濃化層４０が形成され、このＭｇ濃化層４０の厚さが１μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされているので、このＭｇ濃化層４０によって金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）のＣｕ原子の拡散移動が妨げられることになり、カーケンダルボイドの発生を抑制することができる。また、金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）のＣｕ原子を十分にヒートシンク３１側に拡散させることができ、ヒートシンク３１と金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）とを確実に固相拡散接合することができる。
よって、このヒートシンク付パワーモジュール用基板３０においては、積層方向における熱抵抗が低く、放熱特性の劣化を抑制することが可能となる。
【００４８】
ここで、Ｍｇ濃化層４０の厚さが１μｍ未満の場合には、Ｃｕ原子の拡散移動を十分に抑制することができず、カーケンダルボイドの発生を抑えることができないおそれがある。一方、Ｍｇ濃化層４０の厚さが３０μｍを超える場合には、Ｃｕ原子の拡散が不足し、接合が不十分となるおそれがある。
以上のことから、本実施形態においては、Ｍｇ濃化層４０の厚さを１μｍ以上３０μｍ以下の範囲内に設定している。
なお、カーケンダルボイドの発生を確実に抑制するためには、Ｍｇ濃化層４０の厚さの下限を７μｍ以上とすることが好ましく、１０μｍ以上とすることがさらに好ましい。また、ヒートシンク３１と金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）とを確実に固相拡散接合するためには、Ｍｇ濃化層４０の厚さの上限を２５μｍ以下とすることが好ましく、２０μｍ以下とすることがさらに好ましい。
【００４９】
さらに、本実施形態では、金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）とヒートシンク３１との接合界面に、ＣｕとＡｌの化合物層からなる化合物層３８が形成されており、この化合物層３８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、化合物層３８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。
また、本実施形態では、Ｃｕ層１３Ｂと化合物層３８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、ヒートシンク３１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とヒートシンク３１とが確実に接合されている。
【００５０】
また、本実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板３０の製造方法によれば、ヒートシンク準備工程Ｓ０４において、接合前のヒートシンク３１として、ヒートシンク３１のうち金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）と接合される接合面から深さ方向に５０μｍまでの領域３１ＡにおけるＭｇ濃度を０．３ｍａｓｓ％以上１５ｍａｓｓ％以下の範囲内とした構成のものを準備しているので、金属層／ヒートシンク接合工程Ｓ０５において、ヒートシンク３１と金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）を固相拡散接合した際に、Ｃｕ層１３ＢのＣｕ原子が必要以上に拡散移動することを抑制でき、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。
【００５１】
さらに、本実施形態においては、ヒートシンク３１のうち金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）と接合される接合面に、厚さ２μｍ以上２５μｍ以下のＭｇ箔４１を配置し、温度：４２０℃以上５００℃以下、保持時間：３０ｍｉｎ以上２４０ｍｉｎ以下の条件で熱処理を行うことで、Ｍｇをヒートシンク３１側に拡散させることで、接合面から深さ方向に５０μｍまでの領域３１ＡにおけるＭｇ濃度を０．３ｍａｓｓ％以上１５ｍａｓｓ％以下の範囲内としているので、金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）との接合面にＭｇを配置することができ、その後の金属層／ヒートシンク接合工程Ｓ０５において、Ｍｇ濃化層４０を形成することが可能となる。
【００５２】
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）、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、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。
【００５３】
（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６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６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９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。
【００５４】
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、Ｓｉ濃度が１ｍａｓｓ％以上２５ｍａｓｓ％以下の範囲内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、Ｓｉを９．６ｍａｓｓ％以上１２ｍａｓｓ％以下の範囲内、Ｍｇを０．３ｍａｓｓ％以上１５ｍａｓｓ％以下の範囲内で含むアルミニウム合金で構成されている。
【００５５】
ここで、ヒートシンク本体１１０と金属部材層１１７は、固相拡散接合されている。
ヒートシンク本体１１０と金属部材層１１７との接合界面には、図７に示すように、化合物層１３８が形成されている。この化合物層１３８は、ヒートシンク本体１１０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。この化合物層１３８においては、ヒートシンク本体１１０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。
【００５６】
この化合物層１３８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、化合物層１３８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。
また、本実施形態では、化合物層１３８は、３種の金属間化合物が積層された構造とされており、ヒートシンク本体１１０側から金属部材層１１７側に向けて順に、ヒートシンク本体１１０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。
【００５７】
さらに、この化合物層１３８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、化合物層１３８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、化合物層１３８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。
【００５８】
そして、この化合物層１３８の内部には、図７に示すように、Ｍｇの濃度が３ｍａｓｓ％以上とされたＭｇ濃化層１４０が形成されており、このＭｇ濃化層１４０の厚さが１μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされている。
【００５９】
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８及び図９を参照して説明する。
【００６０】
（ヒートシンク本体準備工程Ｓ１０１）
まず、接合するヒートシンク本体１１０を準備する。このとき、ヒートシンク本体１１０のうち金属部材層１１７と接合される接合面から深さ方向に５０μｍまでの領域におけるＭｇ濃度を０．３ｍａｓｓ％以上１５ｍａｓｓ％以下の範囲内とする。
本実施形態においては、上述のように、ヒートシンク本体１１０を構成するアルミニウム合金にＭｇを添加することにより、ヒートシンク本体１１０全体が、Ｍｇを０．３ｍａｓｓ％以上１５ｍａｓｓ％以下の範囲内で含むことになる。
【００６１】
（ヒートシンク本体／金属部材層接合工程Ｓ１０２）
次に、図９に示すように、ヒートシンク本体１１０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とヒートシンク本体１１０とを固相拡散接合する。なお、金属板１２７、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０．２５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。
このヒートシンク本体／金属部材層接合工程Ｓ１０２において、金属板１２７中のＣｕ原子がヒートシンク本体１１０側に拡散していき、図７に示すように、化合物層１３８が形成され、この化合物層１３８の内部にＭｇ濃化層１４０が形成される。
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。
【００６２】
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。
【００６３】
また、ヒートシンク本体１１０が、Ｓｉ濃度が１ｍａｓｓ％以上２５ｍａｓｓ％以下の範囲内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、Ｓｉを９．６ｍａｓｓ％以上１２ｍａｓｓ％以下の範囲内、Ｍｇを０．３ｍａｓｓ％以上１５ｍａｓｓ％以下の範囲内で含むアルミニウム合金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。
【００６４】
そして、本実施形態では、ヒートシンク本体１１０と金属部材層１１７との接合界面には、図７に示すように、化合物層１３８が形成され、この化合物層１３８の内部には、図７に示すように、Ｍｇの濃度が３ｍａｓｓ％以上とされたＭｇ濃化層１４０が形成されており、このＭｇ濃化層１４０の厚さが１μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされているので、このＭｇ濃化層１４０によって金属部材層１１７のＣｕ原子の拡散移動が妨げられることになり、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なり、放熱特性に優れている。
また、Ｍｇ濃化層１４０の厚さが３０μｍ以下とされているので、Ｃｕ原子の拡散が必要以上に制限されておらず、ヒートシンク本体１１０と金属部材層１１７とを確実に固相拡散接合することができる。
【００６５】
また、本実施形態では、金属部材層１１７とヒートシンク本体１１０との接合界面が、第一実施形態のＣｕ層１３Ｂとヒートシンク３１との接合界面と同様の構成とされているので、第一実施形態と同様の作用効果を奏することが可能となる。
【００６６】
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、金属層（Ｃｕ層）又は金属部材層として銅からなるＣｕ層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。
【００６７】
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５２０℃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。
【００６８】
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５２０℃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。
【００６９】
さらに、第一実施形態では、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１０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１０に示す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１０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とが、固相拡散接合されている。なお、図１０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。
【００７０】
また、第一実施形態において、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、純度９９．９９質量％以上の純アルミニウムや、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１０に示すパワーモジュール用基板２１０でも同様である。
【００７１】
また、第一の実施形態の金属層／ヒートシンク接合工程Ｓ０５においては、金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）とヒートシンク３１とを積層し、積層方向に加圧した状態で真空加熱炉内に配置して加熱する構成とし、第二の実施形態のヒートシンク本体／金属部材層接合工程Ｓ１０２においては、ヒートシンク本体１１０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５〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空加熱炉内に配置して加熱する構成として、説明したが、これに限定されることはなく、図１１に示すように、アルミニウム合金部材３０１（ヒートシンク３１、ヒートシンク本体１１０）と金属部材３０２（金属層１３、金属部材層１１７）とを固相拡散接合する際に通電加熱法を適用してもよい。
【００７２】
通電加熱を行う場合には、図１１に示すように、アルミニウム合金部材３０１と金属部材３０２とを積層し、これらの積層体を、カーボン板３１１，３１１を介して一対の電極３１２、３１２によって積層方向に加圧するとともに、アルミニウム合金部材３０１及び金属部材３０２に対して通電を行う。すると、ジュール熱によってカーボン板３１１，３１１及びアルミニウム合金部材３０１と金属部材３０２が加熱され、アルミニウム合金部材３０１と金属部材３０２とが固相拡散接合される。
【００７３】
上述の通電加熱法においては、アルミニウム合金部材３０１及び金属部材３０２が直接通電加熱されることから、昇温速度を例えば３０〜１００℃／ｍｉｎと比較的速くすることができ、短時間で固相拡散接合を行うことができる。これにより、接合面の酸化の影響が小さく、例えば大気雰囲気でも接合することが可能となる。また、アルミニウム合金部材３０１及び金属部材３０２の抵抗値や比熱によっては、これらアルミニウム合金部材３０１及び金属部材３０２に温度差が生じた状態で接合することも可能となり、熱膨張の差を小さくし、熱応力の低減を図ることもできる。
【００７４】
ここで、上述の通電加熱法においては、一対の電極３１２，３１２による加圧荷重は、３０ｋｇｆ／ｃｍ２以上１００ｋｇｆ／ｃｍ２以下の範囲内とすることが好ましい。
また、通電加熱法を適用する場合には、アルミニウム合金部材３０１及び金属部材３０２の表面粗さは、算術平均粗さＲａで０．３μｍ以上０．６μｍ以下、または、最大高さＲｚで１．３μｍ以上２．３μｍ以下の範囲内とすることが好ましい。通常の固相拡散接合では、接合面の表面粗さは小さいことが好ましいが、通電加熱法の場合には、接合面の表面粗さが小さすぎると、界面接触抵抗が低下し、接合界面を局所的に加熱することが困難となるため、上述の範囲内とすることが好ましい。
【００７５】
なお、第一の実施形態の金属層／ヒートシンク接合工程Ｓ０５に上述の通電加熱法を用いることも可能であるが、その場合、セラミックス基板１１が絶縁体であるため、例えば、カーボンからなる冶具等でカーボン板３１１，３１１を短絡する必要がある。接合条件は、上述したアルミニウム部材３０１と銅部材３０２の接合と同様である。
また、金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）とヒートシンク３１の表面粗さについては、上述したアルミニウム部材３０１及び銅部材３０２の場合と同様である。
【実施例】
【００７６】
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。
【００７７】
（試験片の作製）
表１に示すアルミニウム合金板（５０ｍｍ×５０ｍｍ、厚さ５ｍｍ）の一方の面に、表１に示す金属板（４０ｍｍ×４０ｍｍ、厚さは表１参照）を、上述の実施形態に記載した方法によって固相拡散接合した。
本発明例１−１０及び比較例１−５においては、アルミニウム板と金属板とを積層方向に１５ｋｇｆ／ｃｍ２の荷重で押圧し、真空加熱炉で５００℃×１８０ｍｉｎの条件で固相拡散接合を実施した。
本発明例１１−１５においては、アルミニウム合金板と銅板とを図１１に示す通電加熱法によって固相拡散接合した。なお、電極に加圧荷重を１５ｋｇｆ／ｃｍ２とし、加熱温度（銅板温度）を５１０℃、加熱温度での保持時間を５ｍｉｎとし、昇温速度を８０℃／ｍｉｎとした。また、接合雰囲気を大気雰囲気とした。
【００７８】
（Ｍｇ濃化層の厚さ）
固相拡散接合されたアルミニウム合金板と金属板との接合体の断面観察を行い、接合界面に形成されたＭｇ濃化層の厚さを以下のように測定した。評価結果を表１に示す。
Ｍｇ濃化層の厚さは、アルミニウム合金板と金属板の接合界面のＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザー）によるＭｇマッピング像から、Ｍｇ濃度が３ｍａｓｓ％以上の領域の面積を測定し、測定視野の幅の寸法で除して厚さを求め、５視野の平均をＭｇ濃化層の厚さとした。なお、測定は倍率：２０００倍で行い、アルミニウム合金板と金属板の接触面を中心に積層方向に５０μｍの範囲で行った。
【００７９】
（ヒートサイクル試験）
次に、このようにして製造された接合体において、ヒートサイクル試験を実施した。冷熱衝撃試験機エスペック社製ＴＳＢ−５１を使用し、試験片（ヒートシンク付パワーモジュール）に対して、液相（フロリナート）で、−４０℃で５分、１５０℃で５分のヒートサイクルを４０００回実施した。
そして、ヒートサイクル試験前における接合体の積層方向の熱抵抗と接合率、及び、ヒートサイクル試験後における接合体の積層方向の熱抵抗と接合率を以下のようにして評価した。
【００８０】
（接合率評価）
接合体のアルミニウム板と金属板との接合部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、すなわちアルミニウム板の面積とした。超音波探傷像において剥離は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１に示す。
接合率（％）＝｛（初期接合面積）−（剥離面積）｝／（初期接合面積）×１００
【００８１】
（熱抵抗の測定）
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、Ｍｇ濃化層が形成されていない比較例１のヒートサイクル試験前の熱抵抗を基準として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。
【００８２】
【表１】
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【００８３】
Ｍｇ濃化層を形成しなかった比較例１においては、本発明例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４と本発明例９を比べると、比較例４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５と本発明例１０を比べると比較例５の熱抵抗が大きくなっていることが確認される。これらは、カーケンダルボイドが形成されたためと推測される。
【００８４】
また、Ｍｇ濃化層の厚さが本発明の上限を超えた比較例２においては、接合率が低く、かつ、熱抵抗が大きくなった。Ｍｇ濃化層が厚く形成されているため、金属板の金属元素の拡散が抑制されたためと推測される。
さらに、Ｍｇ濃化層の厚さが本発明の下限よりも薄い比較例３においては、比較例１と同様に、抵抗が大きくなっていることが確認される。カーケンダルボイドの発生を十分に抑制できなかったためと推測される。
【００８５】
これに対して、Ｍｇ濃化層の厚さが本発明の範囲内とされ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おり、接合率も十分高くなっていることが確認される。適正な厚さのＭｇ濃化層を形成させることにより、金属板を構成する金属元素の拡散が抑制され、カーケンダルボイドの発生が抑制されたためと推測される。
また、通電加熱法を適用した本発明例１１−１５においては、大気中で接合してもアルミニウム合金板と金属板とが良好に接合されていた。
さらに、ヒートサイクル試験後の熱抵抗の上昇や接合率の低下がほぼ観られず、接合信頼性の高い接合体が得られることが確認された。
【００８６】
以上の結果から、本発明によれば、Ｓｉを比較的多く含む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得ることが可能であることが確認された。
【符号の説明】
【００８７】
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）
３１  ヒートシンク（アルミニウム合金部材）
４０  Ｍｇ濃化層
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
１４０  Ｍｇ濃化層
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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