(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワーモジュール用基板であって、
セラミックス基板と、
純アルミニウムからなる金属板と、
前記セラミックス基板と前記金属板とを接合し、融点降下元素を含有するろう材と、
を含み、
前記金属板においては、前記融点降下元素の濃度が、前記金属板と前記セラミックス基板との接合界面から離間するにしたがい漸次低くなるように分布し、
前記金属板と前記セラミックス基板との接合界面付近においては、前記接合界面の法線方向に配向した［００１］方位の結晶粒の発生領域が、前記接合界面の全体領域の９５％以上とされていることを特徴とするパワーモジュール用基板。
【請求項２】
請求項１に記載のパワーモジュール用基板であって、
前記融点降下元素がＳｉであることを特徴とするパワーモジュール用基板。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のパワーモジュール用基板と、
前記パワーモジュール用基板上に搭載される電子部品と、
を備えたことを特徴とするパワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられるパワーモジュール用基板及びパワーモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子の中でも電力供給のためのパワーモジュールは発熱量が比較的高いことが知られている。そのため、パワーモジュールを搭載する基板としては、例えば、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）のセラミックス基板上にＡｌ（アルミニウム）の金属板がＡｌ−Ｓｉ（シリコン）系のろう材を介して接合されたパワーモジュール用基板が用いられる。
また、この金属板は回路層として形成され、その金属板の上には、はんだ材を介してパワー素子の半導体チップが搭載される。
なお、セラミックス基板の下面にも放熱のためにＡｌ等の金属板が接合された金属層が形成され、この金属層を介して放熱板上にパワーモジュール用基板全体が接合されたパワーモジュールが提案されている。
【０００３】
従来、前記回路層及び前記金属層としての金属板とセラミックス基板との良好な接合強度を得るため、ＡｌＮセラミックス基板の表面粗さを０．５μｍ未満にしている技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平３−２３４０４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、金属板をセラミックス基板に接合する場合、単にセラミックス基板の表面粗さを低減しても十分に高い接合強度が得られず、信頼性の向上が図れないという不都合があった。
例えば、セラミックス基板の表面に対して、乾式でＡｌ２Ｏ３粒子によるホーニング処理を行い、表面粗さをＲａ＝０．２μｍにしても、剥離試験で界面剥離が生じてしまう場合があることが分かった。
また、研磨法により表面粗さをＲａ＝０．１μｍ以下にしても、やはり同様に界面剥離が生じてしまう場合があった。
【０００５】
特に、最近では、パワーモジュールの小型化・薄肉化が進められるとともに、その使用環境が厳しくなってきており、発熱量が大きな電子部品がより一層に一般的に用いられている。そのため、前述のように放熱板上にパワーモジュール用基板を配設する必要がある。
この場合、パワーモジュール用基板が放熱板によって拘束されるために、熱サイクル負荷時に、金属板とセラミックス基板との接合界面に大きなせん断力が作用する。そのため、さらなる接合強度の向上及び信頼性の向上が求められている。
【０００６】
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、金属板とセラミックス基板との接合界面若しくは接合界面近傍での破断の進展を防止して高い接合強度が得られるパワーモジュール用基板及びこのパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュール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】
【００１１】
このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明のパワーモジュール用基板は、パワーモジュール用基板であって、セラミックス基板と、純アルミニウムからなる金属板と、前記セラミックス基板と前記金属板とを接合し、融点降下元素を含有するろう材と、を含み、前記金属板においては、前記融点降下元素の濃度が、前記金属板と前記セラミックス基板との接合界面から離間するにしたがい漸次低くなるように分布し、前記金属板と前記セラミックス基板との接合界面付近においては、前記接合界面の法線方向に配向した［００１］方位の結晶粒の発生領域が、前記接合界面の全体領域の９５％以上とされていることを特徴としている。
【００１２】
この構成のパワーモジュール用基板によれば、前記金属板と前記セラミックス基板との接合界面付近において、前記接合界面の法線方向に配向した［００１］方位の結晶粒の発生領域が、前記接合界面の全体領域の９５％以上とされているので、ろう材によって接合された接合界面近傍においてセラミックス基板と金属板との結晶組織が一体となって接合される。
これにより、セラミックス基板と金属板との界面に熱サイクルによるせん断力が作用した場合においても、せん断力による歪みが金属板のうち接合界面から離れた部分まで熱サイクル中に結晶粒が微細化することで吸収され、接合界面若しくは接合界面近傍での破断の進展を防止することができる。従って、このパワーモジュール用基板の信頼性の向上を図ることができる。
また、金属板において、ろう材に含有された融点降下元素の濃度分布が前記金属板と前記セラミックス基板との接合界面から離間するにしたがい低くなるように分布しているので、金属板の強度変化が滑らかになり、応力集中する部分がなく、金属板における破断の進展を防止できる。
【００１３】
ここで、前記融点降下元素は、Ｓｉであることが好ましい。
この場合、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材を用いることによって、セラミックス基板と金属板とを簡単に、かつ、確実に接合することができる。
また、Ｓｉの濃度変化によって金属板の硬度が変化するが、この硬度が滑らかに変化しているので、応力集中がなく、金属板における破断の進展を防止できる。
【００１４】
本発明のパワーモジュールは、前述のパワーモジュール用基板と、前記パワーモジュール用基板上に搭載された電子部品と、を備えることを特徴としている。
この構成のパワーモジュールによれば、セラミックス基板と金属板との接合界面若しくは接合界面近傍での破断の進展を防止することが可能となり、使用環境が厳しい場合であっても、その信頼性を飛躍的に向上させることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、金属板とセラミックス基板との接合界面若しくは接合界面近傍での破断の進展を防止して高い接合強度が得られるパワーモジュール用基板及びこのパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールを提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
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に本発明の実施形態であるパワーモジュール用基板及びパワーモジュールを示す。
このパワーモジュール１は、回路層１２が配設されたパワーモジュール用基板１０と、回路層１２の表面にはんだ層２を介して接合された半導体チップ３と、ヒートシンク４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との間にＮｉメッキ層（図示なし）が設けられている。
【００１７】
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（第１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（第２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基板であり、例えばＡｌＮ（窒化アルミ）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化珪素）等の絶縁性の高いセラミックスで構成されており、本実施形態では、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。
【００１８】
回路層１２は、セラミックス基板１１の一方の面に導電性を有する金属板２２がろう付け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９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板２２がセラミックス基板１１にろう付けされることにより形成されている。
ここで、本実施形態においては、融点降下元素としてＳｉを含有したＡｌ−Ｓｉ系のろう材を用いており、ろう付けによってＳｉが拡散することで、回路層１２には図２に示すようなＳｉの濃度分布が生じている。
即ち、セラミックス基板１１と金属層１３（回路層１２）との接合界面から離れるにしたがって、Ｓｉの濃度が減少するような濃度分布が金属層１３の内部において生じている。また、後述するように、接合界面におけるＳｉの濃度の平均は、０．２７ｗｔ％である。また、Ｓｉの濃度が半減値となる、接合界面からの距離の平均は、０．１９８ｍｍである。
【００１９】
金属層１３は、セラミックス基板１１の他方の面に金属板２３がろう付け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、金属層１３は、回路層１２と同様に、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板２３がセラミックス基板１１にろう付けされることで形成されている。
本実施形態においてはＡｌ−Ｓｉ系のろう材を用いており、ろう付けによってＳｉが拡散することで金属層１３には図２に示すようなＳｉの濃度分布が生じている。
【００２０】
ヒートシンク４は、前述のパワーモジュール用基板１０を冷却するための部材であり、パワーモジュール用基板１０と接合される天板部５と冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路６とを備えている。
ヒートシンク４（天板部５）は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態においては、Ａ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。
また、本実施形態においては、ヒートシンク４の天板部５と金属層１３との間には、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる緩衝層１５が設けられている。
【００２１】
そして、このような積層構造とされるパワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板１１と回路層１２（金属板２２）との接合界面付近における接合界面から９０μｍまでの範囲、及びセラミックス基板１１と金属層１３（金属板２３）との接合界面付近における接合界面から９０μｍまでの範囲において、接合界面の法線方向に配向した［００１］方位の結晶粒の発生領域が接合界面の全体領域の９５％以上とされている。
【００２２】
このようなパワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板の表面に、純アルミニウムからなる金属板が融点降下元素を含有するろう材によって接合されている。
具体的に、パワーモジュール用基板１０は、以下のようにして製造される。
図３（ａ）及び図４（ａ）に示すように、ＡｌＮからなるセラミックス基板１１と、回路層１２となる金属板２２（４Ｎアルミニウムの圧延板）と、金属層１３となる金属板２３（４Ｎアルミニウムの圧延板）とを準備する。
その後、図３（ｂ）に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に、金属板２２が、厚さ１５〜３０μｍ、本実施形態では２０μｍのろう材箔２４を介して積層される。セラミックス基板１１の他方の面に金属板２３が厚さ１５〜３０μｍ、本実施形態では２０μｍのろう材箔２５を介して積層される。
ここで、ろう材箔２４，２５の組成に含まれるＳｉ含有量は、７．５〜１１．０ｗｔ％であることが好ましい。
【００２３】
図３（ｃ）及び図４（ｂ）に示すように、このようにして形成された積層体２０をその積層方向に加圧した状態で真空炉内に装入して加熱し、ろう材箔２４，２５を溶融する（溶融工程）。
ここで、加熱条件は、接合面への圧力が２〜３ｋｇｆ／ｃｍ２に設定されている。また、接合温度は、６４５〜６５５℃に設定されている。
この溶融工程によって、図４（ｂ）に示すように、回路層１２及び金属層１３となる金属板２２，２３の一部とろう材箔２４，２５とが溶融し、セラミックス基板１１の表面に溶融アルミニウム層２６，２７が形成される。
【００２４】
次に、図４（ｃ）に示すように、積層体２０を冷却することによって溶融アルミニウム層２６，２７を凝固させる（凝固工程）。
このとき、回路層１２及び金属層１３となる金属板２２，２３の結晶方位に揃うように結晶成長させて溶融アルミニウム層２６，２７を凝固させる。
ここで、回路層１２及び金属層１３となる金属板２２，２３が４Ｎアルミニウムの圧延板であるので、ピーク温度にまで加熱する過程において回路層１２及び金属層１３とセラミックス基板１１との接合界面近傍の結晶は、［００１］方位に配向することになる。
このようにして本実施形態であるパワーモジュール用基板１０が製造される。
【００２５】
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及び付パワーモジュール１においては、回路層１２及び金属層１３となる金属板２２，２３とセラミックス基板１１とがろう付けによって接合されている。これら金属板２２，２３とセラミックス基板１１との間に配したろう材箔２４，２５が加熱により溶解することで溶融アルミニウム層２６，２７が形成される。この溶融アルミニウム層２６，２７を凝固させる際には、金属板２２，２３の結晶方位に揃えて結晶成長させているので、金属板２２，２３とセラミックス基板１１の接合界面近傍において金属板２２，２３の結晶に連なる結晶粒が形成され、溶融アルミニウム層２６，２７と金属板２２，２３とが一体となって接合される。
【００２６】
これにより、セラミックス基板１１と回路層１２及び金属層１３（金属板２２，２３）との界面に熱サイクルによるせん断力が作用した場合において、せん断力による歪みが回路層１２及び金属層１３（金属板２２，２３）のうち接合界面から離れた部分まで熱サイクル中に結晶粒が微細化することで吸収され、接合界面若しくは接合界面近傍での破断の進展が防止され、信頼性の向上を図ることが可能となる。
【００２７】
ここで、熱サイクル負荷が加わることに起因する結晶の微細化の原理について説明する。
熱サイクル負荷がない場合において、セラミックス基板１１と回路層１２（金属層１３）との接合界面における結晶粒径は、通常、例えば、０．６ｍｍ程度であり、比較的大きな粒径である。ところが、熱サイクル負荷が加わるにしたがって、接合界面に大きなせん断力が作用し、結晶粒が徐々に微細化されていく。
また、熱サイクル負荷に伴う微細化の速度に着目すると、［１０１］方位及び［１１１］方位の結晶は、微細化の速度が速い。即ち、熱サイクル負荷に伴うせん断力が作用すると、［１０１］方位及び［１１１］方位の結晶は優先的に歪みを受けてしまい、クラックが生じ、破断が進展してしまう。
そのため、接合界面の結晶が［１０１］方位又は［１１１］方位に揃っている従来のパワーモジュール用基板においては、微細化の速度が速いため、結晶粒が微細化されやすく、微細化された結晶の粒界に沿ってクラックが生じ、容易に破断してしまうという問題があった。
これに対し、［００１］方位の結晶は、［１０１］方位又は［１１１］方位の結晶に比べて、微細化の速度が遅い。即ち、熱サイクル負荷に伴うせん断力が作用した場合であっても、［００１］方位の結晶はせん断歪みを受けにくく、結晶粒が微細化が抑制され、クラックの発生及び破断の進展が防止される。
そのため、接合界面の結晶が［００１］方位に揃っている本実施形態のパワーモジュール用基板においては、熱サイクル負荷に起因して結晶粒が微細化された場合であっても、結晶の粒界においてクラックが生じることが抑制され、破断が防止されている。
【００２８】
本実施形態では、回路層１２及び金属層１３となる金属板２２，２３を、ろう付け前の状態において純度９９．９９％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）で構成された圧延板としているので、ピーク温度にまで加熱する過程において金属板２２，２３の表面の結晶方位が［００１］方向に配位することになり、溶融アルミニウム層２６，２７も［００１］方向に成長する。
具体的には、金属板２２，２３とセラミックス基板１１との接合界面付近において、接合界面の法線方向に配向した［００１］方位の結晶粒の発生領域が接合界面の全体領域の９５％以上とされている。
このため、回路層１２及び金属層１３（金属板２２，２３）とセラミックス基板１１との界面近傍の結晶が接合界面の法線方向に、つまり、熱サイクルによって発生するせん断力の作用方向に対して直交する方向に配向することになり、熱サイクル負荷時における接合界面及び接合界面近傍での破断の進展を確実に抑制することができる。
【００２９】
また、金属板２２，２３とセラミックス基板１１とのろう付けには、融点降下元素としてＳｉを含有したＡｌ−Ｓｉ系のろう材を用いており、回路層１２及び金属層１３には、図２に示すように、Ｓｉ（融点降下元素）の濃度が回路層１２及び金属層１３（金属板２２，２３）とセラミックス基板１１との接合界面から離間するにしたがい低くなるような濃度分布が生じている。
ここで、Ｓｉの濃度変化によって回路層１２及び金属層１３（金属板２２，２３）の硬度が変化することになるが、その変化が滑らかとなるので、回路層１２及び金属層１３（金属板２２，２３）において応力集中する部分が生じることがなくなり、回路層１２及び金属層１３（金属板２２，２３）における破断の進展を防止できる。
【００３０】
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、上記の実施形態においてはセラミックス基板としてＡｌＮ（窒化アルミニウム）で構成された基板を用いる場合について説明したが、セラミックス基板の材料は、絶縁性を有していればよく、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣ等であってもよい。
また、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材に限定されることはなく、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系等のろう材を使用してもよい。
【００３１】
さらに、ヒートシンクがアルミニウムで構成された場合を説明したが、アルミニウム合金、銅や銅合金で構成されていてもよい。
さらに、ヒートシンクが冷却媒体の流路を有する場合を説明したが、ヒートシンクの構造に特に限定はない。
【実施例】
【００３２】
（第１実施例）
本発明の有効性を確認するために行った比較実験について説明する。
図５は、比較実験における試験片として用いたパワーモジュール用基板を示す断面図である。
図５に示すパワーモジュール用基板の試験片は、厚さ０．６３５ｍｍのＡｌＮからなるセラミックス基板１１と、厚さ０．６ｍｍの４Ｎアルミニウムからなる回路層１２と、厚さ０．６ｍｍの４Ｎアルミニウムからなる金属層１３と、厚さ５ｍｍの２Ｎアルミニウムからなる天板部５と、厚さ１．０ｍｍの４Ｎアルミニウムからなる緩衝層１５とを有している。
比較実験では、従来のパワーモジュール用基板の製造方法によって得られた試験片（以下、「比較例の試験片」と称する）と、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法によって得られた試験片（以下、「実施例の試験片」と称する）とを用意し、各試験片における接合界面の評価及び接合強度の測定を行った。
なお、比較例の試験片は、ろう材厚１０〜１７μｍ，ろう材に含まれるＳｉ含有量５．０〜７．５ｗｔ％，及び接合温度６３５〜６４２℃の作製条件によって作製されている。
また、実施例の試験片は、ろう材厚２０〜３０μｍ，ろう材に含まれるＳｉ含有量７．５〜１１．０ｗｔ％，及び接合温度６４５〜６５５℃の作製条件によって作製されている。
【００３３】
（接合界面の評価）
まず、接合界面の評価について説明する。
この接合界面の評価に際しては、電子後方散乱回折像（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｂａｃｋ  Ｓｃａｔｔｅｒ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ  Ｐａｔｔｅｒｎｓ）法（以下、ＥＢＳＰ法と称す）に基づき、接合界面付近の結晶方位を測定した。
ＥＢＳＰ法は、ＳＥＭ（走査電子顕微鏡）にＥＢＳＰ検出器を接続し、収束電子ビームを試料表面に照射したときに発生する個々の結晶の回折像（ＥＢＳＰ）の方位を解析、方位データと測定点の位置情報から材料の結晶方位を測定する方法である。その測定結果は結晶方位マップ（ＩＰＦ（Ｉｎｖｅｒｓｅ  Ｐｏｌｅ  Ｆｉｇｕｒｅ）Ｍａｐ）として示される。
【００３４】
図６は、ＥＢＳＰ法を説明するための図であって、試料を照射する電子線と試験片との相対位置を示す斜視図である。
なお、図６においては、アルミニウム（Ａｌ）からなる金属層と窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるセラミックス基板とが接合された試料が示されている。図６に示す試料と図５に示す試験片とは構成が若干異なるが、図５に示す試験片をＥＢＳＰ法によって評価する場合であっても、図６と同じように試験片を配置し、ＥＢＳＰ法による評価が行なわれる。
【００３５】
次に、上記比較実験において採用したＥＢＳＰ法の測定条件について説明する。
まず、試料の測定面（断面）に対する測定範囲は、Ｗ１８０μｍ×９０μｍとした。測定ステップは、０．６μｍとした。取り込み時間は、０．０７ｓｅｃ／ｐｏｉｎｔとした。また、ＳＥＭの条件としては、加速電圧を１５ｋＶとし、ビーム電流を約１．２ｎＡとし、ＷＤを１５ｍｍとした。また、ＣＰ加工（条件：５ｋＶ，１２ｈｒ）を試料に施すことにより、試験片（試料）における金属層（Ａｌ）とセラミックス基板（ＡｌＮ）との界面に直交する方向に断面を形成した。
【００３６】
次に、上記の測定条件に基づいて、図６に示すように試料の断面に電子線（収束電子ビーム）を照射し、電子ビームの照射に伴って発生する個々の結晶の回折像（ＥＢＳＰ）の方位を解析し、方位データと測定点の位置情報から材料の結晶方位を測定した。また、本実施においては、図６に示す符号ＮＤ及びＲＤの方向から回折像を得た。また、比較例の試験片と実施例の試験片との各々について、回折像を得た。
【００３７】
図７（ａ），図７（ｂ），図８（ａ），及び図８（ｂ）は、上記ＥＢＳＰ法によって得られたＩＰＦマップを示す模式図である。
通常、ＥＢＳＰ法によって得られたＩＰＦマップにおいては、微細粒の方位、結晶の歪み、結晶粒群、結晶粒の生成状況、結晶粒の配列等の結晶構造が、赤、青、緑からなる３原色の組合せによってカラーマッピング化されて表される。図７（ａ），図７（ｂ），図８（ａ），及び図８（ｂ）は、カラーマッピング化されたＩＰＦマップにおける結晶方位を模式的に示すものである。
図７（ａ）及び図７（ｂ）は、比較例の試験片におけるＡｌの金属層とＡｌＮのセラミックス基板との界面近傍の結晶方位を示している。また、図７（ａ）は図６の符号ＮＤで示された方向から得られた回折像に基づくＩＰＦマップの模式図である。また、図７（ｂ）は図６の符号ＲＤで示された方向から得られた回折像に基づくＩＰＦマップの模式図である。
図８（ａ）及び図８（ｂ）は、実施例の試験片におけるＡｌの金属層とＡｌＮのセラミックス基板との界面近傍の結晶方位を示している。また、図８（ａ）は図６の符号ＮＤで示された方向から得られた回折像に基づくＩＰＦマップの模式図である。また、図８（ｂ）は図６の符号ＲＤで示された方向から得られた回折像に基づくＩＰＦマップの模式図である。
【００３８】
まず、図７（ａ）及び図７（ｂ）を参照して、比較例の試験片におけるＩＰＦマップについて説明する。
図７（ａ）のＩＰＦマップの模式図に示すように、Ａｌの金属層とＡｌＮのセラミックス基板との界面近傍に、符号（１）〜（５）で示されたＡｌの結晶領域が分布している。ここで、領域（１）は、［１１１］方位の結晶と［１０１］方位の結晶とが混在している領域である。また、領域（２）は、［１１１］方位の結晶と［００１］方位の結晶とが混在している領域である。また、領域（３）は、［１０１］方位の結晶領域である。また、領域（４）は、［００１］方位の結晶が高い割合で存在しているものの、［１１１］方位の結晶及び［１０１］方位の結晶が点状に存在している領域である。また、領域（５）は、［００１］方位の結晶領域である。
また、図７（ｂ）のＩＰＦマップの模式図に示すように、Ａｌの金属層とＡｌＮのセラミックス基板との界面近傍に、符号（６）〜（１０）で示されたＡｌの結晶領域が分布している。ここで、領域（６）は、［１１１］方位の結晶と［１０１］方位の結晶とが混在している領域である。また、領域（７）は、［１０１］方位の結晶と［００１］方位の結晶とが混在している領域である。また、領域（８）は、［１１１］方位の結晶領域である。また、領域（９）は、［００１］方位の結晶と［１０１］方位の結晶とが混在している領域である。また、領域（９）においては［１１１］方位の結晶及び［１０１］方位の結晶が点状に存在している領域である。また、領域（５）は、［００１］方位の結晶と［１１１］方位の結晶とが混在している領域である。
【００３９】
次に、図８（ａ）及び図８（ｂ）を参照して、実施例の試験片におけるＩＰＦマップについて説明する。
図８（ａ）のＩＰＦマップの模式図に示すように、Ａｌの金属層とＡｌＮのセラミックス基板との界面近傍に、符号（１１），（１２）で示されたＡｌの結晶領域が分布している。ここで、領域（１１）は、［００１］方位の結晶の領域であり、［１１１］方位の結晶及び［１０１］方位の結晶が点状に存在している領域である。また、領域（１２）は、［００１］方位の結晶領域である。
また、図８（ｂ）のＩＰＦマップの模式図に示すように、Ａｌの金属層とＡｌＮのセラミックス基板との界面近傍に、符号（１３），（１４）で示されたＡｌの結晶領域が分布している。ここで、領域（１３）は、［００１］方位の結晶の領域であり、［１１１］方位の結晶及び［１０１］方位の結晶が点状に存在している領域である。また、領域（１４）は、［００１］方位の結晶領域である。
【００４０】
上記のように、比較例の試験片と実施例の試験片とを比較してみると、比較例の試験片においては、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、領域（１）〜（３），（６）〜（８）が存在している。即ち、Ａｌの金属層とＡｌＮのセラミックス基板との界面に、［１１１］方位の結晶と［１０１］方位の結晶とが高い割合で存在している。換言すると、領域（１）〜（３），（６）〜（８）には、［００１］方位の結晶が殆ど存在していない。
一方、実施例の試験片においては、図８（ａ）及び図８（ｂ）に示すように、領域（１１）〜（１４）が存在している。即ち、Ａｌの金属層とＡｌＮのセラミックス基板との界面に、［００１］方位の結晶が高い割合で存在していることが分かる。換言すると、領域（１１）〜（１４）には、［１１１］方位の結晶と［１０１］方位の結晶とが殆ど存在していない。
以上述べたように、Ａｌの金属層とＡｌＮのセラミックス基板とが接合されている界面近傍に着目すると、実施例の試験片における［００１］方位の結晶の占有率が、比較例の試験片における［００１］方位の結晶の占有率よりも高いことが分かる。
【００４１】
図９は、実施例の試験片をＥＢＳＰ法によって測定したＩＰＦマップを模式的に示したものであり、図８（ａ）及び図８（ｂ）に示した部分とは異なるＩＰＦマップである。
図９において符号Ａがアルミニウムの金属板の部分を示し、この部分は大半が［００１］方位の結晶である。
また、符号Ｂはセラミックス基板を示しており、このセラミックス基板との界面付近に界面に沿って複数の結晶が並んでいる。
そのうち、符号Ｃで示す結晶が［００１］方位の結晶であり、その他の符号Ｄ１、Ｄ２の各結晶は［００１］以外の方位の結晶であることを示している。
【００４２】
（［００１］方位を有する結晶の占有率の算出）
次に、実施例の試験片における［００１］方位を有する結晶の占有率を算出した結果について説明する。
占有率の算出方法は、実施例の試験片における［００１］方位の結晶のＩＰＦマップを１８０μｍの視野範囲で１０視野分測定し、その測定結果から接合界面付近の断面において、基準長さに対して接合界面の法線方向に［００１］方位が配向した結晶の発生領域の長さを測定した。そして、結晶の発生領域の長さに基づいて、［００１］方位を有する結晶の占有率を算出した。また、同時に結晶の平均粒径も測定した。なお、結晶方位に関しては±５°の範囲を同一の方位とみなした。
その結果、実施例の試験片において、接合界面の法線方向に配向した［００１］方位の結晶粒の発生領域が、前記接合界面の全体領域の９５％以上であるという結果が得られた。
【００４３】
（接合強度の測定）
次に、接合強度の測定について説明する。
接合強度の測定としては、まず、比較例の試験片と実施例の試験片とを準備した。比較例の試験片としては、界面近傍における［００１］方位の結晶の占有率が３０％，４５％，及び５０％である３つの試験片１〜３を用意した。また、実施例の試験片としては、界面近傍における［００１］方位の結晶の占有率が９５％，９７％，及び９８％である３つの試験片１〜３を用意した。これら６つの試験片の各々に対して熱サイクル試験を行なった。この熱サイクル試験は、−４５℃〜１２５℃の温度変化を１つの熱サイクルとし、これを４０００回繰り返すものである。その後、６つの試験片の各々について接合率を算出し、各試験片の接合率を比較した。
評価結果を表１に示す。
【００４４】
【表１】
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【００４５】
表１から明らかなように、［００１］方位に配向した結晶の占有率が低い比較例１〜３においては、熱サイクル試験後の接合率が低く、熱サイクル信頼性に劣ることが確認された。
一方、［００１］方位に配向した結晶の占有率が９５％以上とされた実施例１〜３においては、４０００回の熱サイクルを行なった後においても接合率が８５％以上となり、熱サイクル信頼性が向上することが確認された。
【００４６】
（第２実施例）
第２実施例においては、上記実施形態のパワーモジュール用基板を構成する金属層１３の内部の濃度分布を測定した結果について説明する。
図１０（ａ）〜図１０（ｃ）は、図２に示すセラミックス基板１１と金属層１３（回路層１２）との接合界面から離れるにしたがって濃度が減少するＳｉの濃度分布をＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｚｅｒ）によって測定した結果である（ＤＢＡのＳｉライン分析結果）。
図１０（ａ）〜図１０（ｃ）において、横軸は距離を示しており、縦軸はＳｉの濃度を示している。また、「ＡｌＮ側」とは、セラミックス基板１１と金属層１３との接合界面の位置を示しており、即ち、接合界面からの距離が０ｍｍであることを示している。また、図１０（ａ）及び図１０（ｃ）においては、接合界面からの距離が増加するにしたがって、図中左方向にＳｉの濃度が減少する分布が示されている。一方、図１０（ｂ）においては、接合界面からの距離が増加するにしたがって、図中右方向にＳｉの濃度が減少する分布が示されている。いずれも、金属層１３中において、接合界面から離れるにしたがって変化するＳｉの濃度分布を示している。
図１０（ａ）においては、接合界面におけるＳｉの濃度が０．２８ｗｔ％であり、金属層１３の表面（接合界面の反対面）におけるＳｉの濃度が０．０８ｗｔ％であるという測定結果が得られた。また、Ｓｉの濃度が半減値となる、接合界面からの距離は、０．２０３ｍｍであるという結果（測定結果１）が得られた。
図１０（ｂ）においては、接合界面におけるＳｉの濃度が０．２８ｗｔ％であり、金属層１３の表面におけるＳｉの濃度が０．０９ｗｔ％であるという測定結果が得られた。また、Ｓｉの濃度が半減値となる、接合界面からの距離は、０．１９２ｍｍであるという結果（測定結果２）が得られた。
図１０（ｃ）においては、接合界面におけるＳｉの濃度が０．２６ｗｔ％であり、金属層１３の表面におけるＳｉの濃度が０．０７ｗｔ％であるという測定結果が得られた。また、Ｓｉの濃度が半減値となる、接合界面からの距離は、０．２００ｍｍであるという結果（測定結果３）が得られた。
これらの測定結果１〜３を表２に示す。
【００４７】
【表２】
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【００４８】
表２に示すように、接合界面におけるＳｉの濃度の平均（Ａｖｅ．）は、０．２７ｗｔ％である。また、金属層１３の表面におけるＳｉの濃度の平均（Ａｖｅ．）は、０．０８ｗｔ％である。また、Ｓｉの濃度が半減値となる、接合界面からの距離の平均（Ａｖｅ．）は、０．１９８ｍｍであるという結果が得られた。
以上のように、本発明のパワーモジュール用基板においては、ろう材に含まれているＳｉがセラミックス基板１１と金属層１３との界面近傍において拡散しており、Ｓｉの濃度は、セラミックス基板１１から離れるにしたがって漸次低くなるように分布している。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施形態である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構成を示す断面図である。
【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回路層及び金属層のＳｉ濃度分布を示す説明図である。
【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断面図である。
【図４】図３における金属板とセラミックス基板との接合界面近傍を示す断面図である。
【図５】本発明の有効性を確認するための比較実験における試験片として用いたパワーモジュール用基板を示す断面図である。
【図６】第１実施例におけるＥＢＳＰ法を説明するための斜視図である。
【図７】ＥＢＳＰ法によって得られたＩＰＦマップの模式図である。
【図８】ＥＢＳＰ法によって得られたＩＰＦマップの示す模式図である。
【図９】ＥＢＳＰ法によって得られたＩＰＦマップの模式図である。
【図１０】第２実施例におけるＳｉの濃度分布を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１…パワーモジュール、２…半導体チップ（電子部品）、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、２２、２３…金属板、２４、２５…ろう材箔（ろう材）、２６、２７…溶融アルミニウム層
【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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