(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム部材と、このアルミニウム部材に積層された銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材と、を備えた接合体の製造方法であって、
前記アルミニウム部材は、第１アルミニウム部材と、この第１アルミニウム部材に接合されるとともに前記金属部材に接合される第２アルミニウム部材とを有し、
前記第２アルミニウム部材は、接合前の状態において純度９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウムで構成されるとともに、前記第１アルミニウム部材及び前記金属部材との積層方向の厚さが５０μｍ以上２５０μｍ以下の範囲内とされており、
前記第１アルミニウム部材と前記第２アルミニウム部材とを接合する第１アルミニウム部材／第２アルミニウム部材接合工程と、前記第２アルミニウム部材と前記金属部材とを接合する第２アルミニウム部材／金属部材接合工程と、を有し、
前記第１アルミニウム部材／第２アルミニウム部材接合工程では、前記第１アルミニウム部材と第２アルミニウム部材とを、Ｓｉの含有量が０．１０ｍｇ／ｃｍ２以上０．４０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内とされたＳｉ層を介して積層して加熱処理することにより、前記Ｓｉ層のＳｉを前記第１アルミニウム部材側及び前記第２アルミニウム部材側に拡散させることによって接合し、
前記第２アルミニウム部材／金属部材接合工程では、前記第２アルミニウム部材と前記金属部材との間にＴｉ材を介在させ、前記第２アルミニウム部材と前記金属部材とを積層し、積層した前記第２アルミニウム部材と前記金属部材とを加熱し、Ｓｉが拡散された前記第２アルミニウム部材と前記Ｔｉ材、及び、前記Ｔｉ材と前記金属部材とをそれぞれ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】
前記第１アルミニウム部材／第２アルミニウム部材接合工程と、前記第２アルミニウム部材／金属部材接合工程とを同時に行う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、を備えたパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記回路層は、アルミニウム層と、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材層と、が接合された接合体からなり、前記アルミニウム層は、前記絶縁層と接合される第１アルミニウム層と、この第１アルミニウム層に接合されるとともに前記金属部材層と接合される第２アルミニウム層とを有し、
前記回路層を、請求項１又は請求項２に記載された接合体の製造方法によって形成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】
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、を備えたパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記金属層は、アルミニウム層と、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材層と、が接合された接合体からなり、前記アルミニウム層は、前記絶縁層と接合される第１アルミニウム層と、この第１アルミニウム層に接合されるとともに前記金属部材層と接合される第２アルミニウム層とを有し、
前記金属層を、請求項１又は請求項２に記載された接合体の製造方法によって形成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】
前記絶縁層と前記第１アルミニウム部材とを接合する絶縁層／第１アルミニウム部材接合工程を有し、
この絶縁層／第１アルミニウム部材接合工程と、前記第１アルミニウム部材／第２アルミニウム部材接合工程と、前記第２アルミニウム部材／金属部材接合工程を同時に行うことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
【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、この金属層に接合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、
前記金属層及び前記ヒートシンクのいずれか一方がアルミニウムからなるアルミニウム部材とされ、前記金属層及び前記ヒートシンクのいずれか他方が銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材とされており、前記アルミニウム部材は、第１アルミニウム部材と、この第１アルミニウム部材に接合されるとともに前記金属部材に接合される第２アルミニウム部材とを有し、
前記金属層と前記ヒートシンクとを請求項１又は請求項２に記載された接合体の製造方法によって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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、アルミニウム部材と、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、セラミックス基板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の製造方法、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他方の面側には、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直接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、及び、金属層とヒートシンクと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、回路層表面及び金属層表面に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。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。
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及び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。
【０００６】
そこで、特許文献４には、回路層及び金属層を、アルミニウム層と銅層の積層構造としたパワーモジュールが提案されている。このパワーモジュールにおいては、アルミニウム層と銅層とがＴｉ層を介して接合された構造とされており、アルミニウム層とＴｉ層との間には、拡散層が形成されている。この拡散層は、アルミニウム層側から順に、Ａｌ−Ｔｉ層、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層、Ａｌ−Ｔｉ−Ｃｕ層と、を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【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】特許第３０１２８３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、特許文献４に記載されたパワーモジュールにおいては、回路層及び金属層のうちアルミニウム層とＴｉ層との接合界面に、硬くて脆い金属間化合物層であるＡｌ−Ｔｉ層やＡｌ−Ｔｉ−Ｃｕ層が形成されているので、ヒートサイクル等が負荷された際にクラックの起点となるといった問題があった。
さらには、アルミニウム層上にＴｉ箔を介してＣｕ板等を積層し、アルミニウム層とＴｉ箔との界面が溶融する温度にまで加熱する場合、接合界面に液相が生じてコブが生じたり、厚さが変動したりするため、接合信頼性が低下する問題があった。
【０００９】
ここで、特許文献２のＮｉめっきの代替として、特許文献４に記載されたように、Ａｌからなる回路層及び金属層の表面にＴｉ箔を介してＮｉ板を接合してＮｉ層を形成することも考えられる。さらには、特許文献３の酸化銀ペーストを用いる際に、Ａｌからなる回路層及び金属層の表面にＴｉ箔を介してＡｇ板を接合してＡｇ層を形成することも考えられる。
しかしながら、特許文献４に記載された方法で、Ｎｉ層やＡｇ層を形成すると、Ｃｕ層を形成した場合と同様に、アルミニウム層とＴｉ層との接合界面に、Ａｌ−Ｔｉ層、Ａｌ−Ｔｉ−Ｎｉ層、Ａｌ−Ｔｉ−Ａｇ層等の硬くて脆い金属間化合物層が形成されたり、接合界面にコブが生じたりすること等によって、接合信頼性が低下するおそれがあった。
【００１０】
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、アルミニウム部材と、銅、ニッケル、銀のいずれかからなる金属部材とが良好に接合され、ヒートサイクルが負荷された際に接合部におけるクラックの発生を抑制でき、接合信頼性が良好な接合体を製造可能な接合体の製造方法、パワーモジュール用基板の製造方法、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。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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、アルミニウム部材と、このアルミニウム部材に積層された銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材と、を備えた接合体の製造方法であって、前記アルミニウム部材は、第１アルミニウム部材と、この第１アルミニウム部材に接合されるとともに前記金属部材に接合される第２アルミニウム部材とを有し、前記第２アルミニウム部材は、接合前の状態において純度９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウムで構成されるとともに、前記第１アルミニウム部材及び前記金属部材との積層方向の厚さが５０μｍ以上２５０μｍ以下の範囲内とされており、前記第１アルミニウム部材と前記第２アルミニウム部材とを接合する第１アルミニウム部材／第２アルミニウム部材接合工程と、前記第２アルミニウム部材と前記金属部材とを接合する第２アルミニウム部材／金属部材接合工程と、を有し、前記第１アルミニウム部材／第２アルミニウム部材接合工程では、前記第１アルミニウム部材と第２アルミニウム部材とを、Ｓｉの含有量が０．１０ｍｇ／ｃｍ２以上０．４０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内とされたＳｉ層を介して積層して加熱処理することにより、前記Ｓｉ層のＳｉを前記第１アルミニウム部材側及び前記第２アルミニウム部材側に拡散させることによって接合し、前記第２アルミニウム部材／金属部材接合工程では、前記第２アルミニウム部材と前記金属部材との間にＴｉ材を介在させ、前記第２アルミニウム部材と前記金属部材とを積層し、積層した前記第２アルミニウム部材と前記金属部材とを加熱し、Ｓｉが拡散された前記第２アルミニウム部材と前記Ｔｉ材、及び、前記Ｔｉ材と前記金属部材とをそれぞれ固相拡散接合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。
【００１２】
この構成の接合体の製造方法によれば、第２アルミニウム部材が、接合前の状態において純度９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウムで構成されるとともに前記第１アルミニウム部材及び前記金属部材との積層方向の厚さが５０μｍ以上２５０μｍ以下の範囲内とされており、第１アルミニウム部材／第２アルミニウム部材接合工程では、第１アルミニウム部材と第２アルミニウム部材とを、Ｓｉの含有量が０．１０ｍｇ／ｃｍ２以上０．４０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内とされたＳｉ層を介して積層して加熱処理することにより、前記Ｓｉ層のＳｉを前記第１アルミニウム部材側及び前記第２アルミニウム部材側に拡散させることによって接合しているので、第２アルミニウム部材のうち金属部材との接合面にまでＳｉが拡散することになる。
【００１３】
そして、前記第２アルミニウム部材／金属部材接合工程では、前記第２アルミニウム部材と前記金属部材との間にＴｉ材を介在させ、前記第２アルミニウム部材と前記金属部材とを積層し、積層した前記第２アルミニウム部材と前記金属部材とを加熱し、前記第２アルミニウム部材と前記Ｔｉ材、及び、前記Ｔｉ材と前記金属部材とをそれぞれ固相拡散接合しているので、前記第２アルミニウム部材とＴｉ材とが固相拡散接合する際に、前記第２アルミニウム部材中に拡散されたＳｉによってＴｉ材中のＴｉ原子がアルミニウム部材側に必要以上に拡散することを抑制でき、ＡｌとＴｉとの金属間化合物が厚く形成されることを抑制できる。
また、Ｔｉ材によって、アルミニウム部材中のＡｌと金属部材中のＣｕ、Ｎｉ又はＡｇとが相互拡散することを抑制でき、第２アルミニウム部材と金属部材との接合界面に硬くて脆い金属間化合物が厚く形成されることを防止できる。
よって、ヒートサイクルが負荷された際に接合部におけるクラックの発生を抑制でき、接合信頼性が良好な接合体を得ることができる。
【００１４】
なお、第２アルミニウム部材の前記第１アルミニウム部材及び前記金属部材との積層方向の厚さ（すなわち、第２アルミニウム部材の厚さ）が５０μｍ未満の場合あるいはＳｉ層におけるＳｉの含有量が０．４０ｍｇ／ｃｍ２を超える場合には、第２アルミニウム部材中に過剰にＳｉが拡散されて第２アルミニウム部材の融点が低下し、第１アルミニウム部材／第２アルミニウム部材接合工程及び前記第２アルミニウム部材／金属部材接合工程において、第２アルミニウム部材が溶融してしまうおそれがある。そして、第２アルミニウム部材が溶融することによって第１アルミニウム部材も溶融することとなり、さらに、Ｔｉ材の一部が消失することで、Ａｌと金属部材が接触し、硬くて脆いＡｌと金属部材の元素（Ｃｕ、Ｎｉ又はＡｇ）の金属間化合物が大量に発生し、セラミックス基板と第１アルミニウム部材の接合信頼性が低下するおそれがある。
一方、第２アルミニウム部材の前記第１アルミニウム部材及び前記金属部材との積層方向の厚さ（すなわち、第２アルミニウム部材の厚さ）が２５０μｍを超える場合あるいはＳｉ層におけるＳｉの含有量が０．１０ｍｇ／ｃｍ２未満の場合には、第２アルミニウム部材の金属部材との接合面にまで十分にＳｉが拡散せず、ＳｉによってＴｉとＡｌとの拡散を抑制する効果が得られないおそれがある。
よって、本発明では、第２アルミニウム部材の前記第１アルミニウム部材及び前記金属部材との積層方向の厚さを５０μｍ以上２５０μｍ以下の範囲内、Ｓｉ層におけるＳｉの含有量を０．１０ｍｇ／ｃｍ２以上０．４０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内に規定している。
【００１５】
本発明の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、を備えたパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記回路層は、アルミニウム層と、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材層と、が接合された接合体からなり、前記アルミニウム層は、前記絶縁層と接合される第１アルミニウム層と、この第１アルミニウム層に接合されるとともに前記金属部材層と接合される第２アルミニウム層とを有し、前記回路層を、前述の接合体の製造方法によって形成することを特徴としている。
【００１６】
この構成のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、上述の接合体の製造方法によって前記接合体からなる前記回路層を形成しているので、回路層を構成するアルミニウム層と金属部材層との接合部に、硬くて脆い金属間化合物が厚く形成されることを防止でき、ヒートサイクルが負荷された際に接合部におけるクラックの発生を抑制できる。
【００１７】
また、本発明の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、を備えたパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記金属層は、アルミニウム層と、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材層と、が接合された接合体からなり、前記アルミニウム層は、前記絶縁層と接合される第１アルミニウム層と、この第１アルミニウム層に接合されるとともに前記金属部材層と接合される第２アルミニウム層とを有し、前記金属層を、前述の接合体の製造方法によって形成することを特徴としている。
【００１８】
この構成のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、上述の接合体の製造方法によって前記接合体からなる前記金属層を形成しているので、金属層を構成するアルミニウム層と金属部材層との接合部に、硬くて脆い金属間化合物が厚く形成されることを防止でき、ヒートサイクルが負荷された際に接合部におけるクラックの発生を抑制できる。
【００１９】
ここで、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法においては、前記絶縁層と前記第１アルミニウム部材とを接合する絶縁層／第１アルミニウム部材接合工程を有し、この絶縁層／第１アルミニウム部材接合工程と、前記第１アルミニウム部材／第２アルミニウム部材接合工程と、前記第２アルミニウム部材／金属部材接合工程を同時に行うことが好ましい。
この場合、絶縁層、第１アルミニウム層、第２アルミニウム層、金属部材層を同時に形成することができ、製造工程を簡略化して低コストでパワーモジュール用基板を製造することができる。
【００２０】
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、この金属層に接合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、前記金属層及び前記ヒートシンクのいずれか一方がアルミニウムからなるアルミニウム部材とされ、前記金属層及び前記ヒートシンクのいずれか他方が銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材とされており、前記アルミニウム部材は、第１アルミニウム部材と、この第１アルミニウム部材に接合されるとともに前記金属部材に接合される第２アルミニウム部材とを有し、前記金属層と前記ヒートシンクとを前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。
【００２１】
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、上述の接合体の製造方法によって前記金属層と前記ヒートシンクとを接合しているので、金属層とシートシンクとの接合部に、硬くて脆い金属間化合物が厚く形成されることを防止でき、ヒートサイクルが負荷された際に接合部におけるクラックの発生を抑制できる。よって、接合信頼性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。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、アルミニウム部材と、銅、ニッケル、銀のいずれかからなる金属部材とが良好に接合され、ヒートサイクルが負荷された際に接合部におけるクラックの発生を抑制でき、接合信頼性が良好な接合体を製造可能な接合体の製造方法、パワーモジュール用基板の製造方法、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。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第一の実施形態に係る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における回路層のアルミニウム層（第２アルミニウム層）とＴｉ層との接合界面の拡大説明図である。
【図３】図１における金属層のアルミニウム層（第２アルミニウム層）とＴｉ層との接合界面の拡大説明図である。
【図４】本発明の第一の実施形態に係る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５】本発明の第一の実施形態に係る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６】本発明の第二の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７】図６の金属層（第２アルミニウム層）とＴｉ層との接合界面の拡大説明図である。
【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９】第二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１０】実施例（本発明例１）における回路層（接合体）の観察写真及び接合部断面の元素マッピングである。
【図１１】比較例（比較例１）において溶融した回路層（接合体）の観察写真及び接合部断面の元素マッピングである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
（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、パワーモジュール用基板１０と、このパワーモジュール用基板１０の一方の面（図１において上面）に第１はんだ層２を介して接合された半導体素子３と、パワーモジュール用基板１０の下側に第２はんだ層４２を介して接合されたヒートシンク４１と、を備えている。
【００２５】
半導体素子３は、Ｓｉ等の半導体材料で構成されている。パワーモジュール用基板１０と半導体素子３とを接合する第１はんだ層２は、例えば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。
【００２６】
ヒートシンク４１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。ヒートシンク４１は、銅又は銅合金で構成されており、本実施形態では無酸素銅で構成されている。パワーモジュール用基板１０とヒートシンク４１とを接合する第２はんだ層４２は、例えば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。
【００２７】
そして、本実施形態に係る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２０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３０と、を備えている。
【００２８】
セラミックス基板１１は、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）等で構成されている。本実施形態では、強度に優れたＳｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）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、０．３２ｍｍに設定されている。
【００２９】
回路層２０は、図１に示すように、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２１と、このアルミニウム層２１の一方の面にＴｉ層２５を介して積層された銅層２２（金属部材層）と、を有している。
また、アルミニウム層２１は、セラミックス基板１１側に位置する第１アルミニウム層２１Ａとこの第１アルミニウム層２１Ａに積層された第２アルミニウム層２１Ｂとを備えている。
ここで、回路層２０におけるアルミニウム層２１の厚さ（第１アルミニウム層２１Ａと第２アルミニウム層２１Ｂとの合計厚さ）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０．３２ｍｍに設定されている。
また、回路層２０における銅層２２の厚さは、０．１ｍｍ以上６．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、１．８ｍｍに設定されている。
【００３０】
金属層３０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アルミニウム層３１と、このアルミニウム層３１の他方の面にＴｉ層３５を介して積層された銅層３２（金属部材層）と、を有している。
また、アルミニウム層３１は、セラミックス基板１１側に位置する第１アルミニウム層３１Ａとこの第１アルミニウム層３１Ａに積層された第２アルミニウム層３１Ｂとを備えている。
ここで、金属層３０におけるアルミニウム層３１の厚さ（第１アルミニウム層３１Ａと第２アルミニウム層３１Ｂとの合計厚さ）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０．４ｍｍに設定されている。
また、金属層３０における銅層３２の厚さは、０．１ｍｍ以上６．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、１．８ｍｍに設定されている。
【００３１】
アルミニウム層２１、３１は、図５に示すように、セラミックス基板１１の一方の面及び他方の面に、第１アルミニウム板５１Ａ，６１Ａ（第１アルミニウム部材）と第２アルミニウム板５１Ｂ，６１Ｂ（第２アルミニウム部材）とが接合されることにより形成されている。
ここで、第１アルミニウム層２１Ａ，３１Ａとなる第１アルミニウム板５１Ａ，６１Ａ、及び、第２アルミニウム層２１Ｂ，３１Ｂとなる第２アルミニウム板５１Ｂ，６１Ｂは、純度が９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）で構成されている。
【００３２】
銅層２２、３２は、アルミニウム層２１、３１の一方の面及び他方の面に、Ｔｉ層２５、３５を介して銅又は銅合金からなる銅板５２、６２（金属部材）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、銅層２２、３２を構成する銅板５２，６２は、無酸素銅の圧延板とされている。
【００３３】
Ｔｉ層２５、３５は、第２アルミニウム板５１Ｂ、６１Ｂと銅板５２、６２とがチタン箔５５、６５を介して積層され、固相拡散接合されることにより形成されるものである。ここで、チタン箔５５、６５の純度は９９ｍａｓｓ％以上とされている。また、チタン箔５５、６５の厚さは３μｍ以上４０μｍ以下に設定されており、本実施形態では、１０μｍに設定されている。
そして、アルミニウム層２１，３１（第２アルミニウム層２１Ｂ、３１Ｂ）とＴｉ層２５、３５との接合界面には、図２及び図３に示すように、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６、３６が形成されている。
【００３４】
Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６、３６は、アルミニウム層２１，３１（第２アルミニウム層２１Ｂ、３１Ｂ）のＡｌ原子と、Ｔｉ層２５，３５のＴｉ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。Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６、３６の厚さは、０．５μｍ以上１０μｍ以下に設定されており、本実施形態においては３μｍとされている。
このＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６、３６は、図２及び図３に示すように、Ｔｉ層２５、３５側に形成された第１Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６Ａ、３６Ａと、アルミニウム層２１，３１（第２アルミニウム層２１Ｂ、３１Ｂ）側に形成された第２Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６Ｂ、３６Ｂと、を備えている。すなわち、アルミニウム層２１、３１（第２アルミニウム層２１Ｂ、３１Ｂ）と銅層２２、３２との接合部には、Ｔｉ層２５、３５と、第１Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６Ａ、３６Ａと、第２Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６Ｂ、３６Ｂとが形成されているのである。
【００３５】
これら、第１Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６Ａ、３６Ａと第２Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６Ｂ、３６Ｂは、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ相からなり、第２Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６Ｂ、３６ＢのＳｉ濃度が、第１Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６Ａ、３６ＡのＳｉ濃度よりも低くなっている。なお、本実施形態において、第１Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６Ａ、３６Ａ及び第２Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６Ｂ、３６Ｂに含まれるＳｉは、後述するように第２アルミニウム層２１Ｂ、３１Ｂに拡散されたＳｉがＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６、３６中に拡散し、濃化したものである。
第１Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６Ａ、３６ＡのＳｉ濃度は、１０ａｔ％以上３０ａｔ％以下とされており、本実施形態では２０ａｔ％とされている。第２Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６Ｂ、３６ＢのＳｉ濃度は、１ａｔ％以上１０ａｔ％以下とされており、本実施形態では３ａｔ％とされている。
【００３６】
次に、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０の製造方法について、図４及び図５を参照して説明する。
【００３７】
（アルミニウム板及び銅板積層工程Ｓ０１）
まず、図５に示すように、セラミックス基板１１の一方の面（図５において上面）に、ろう材箔５６を介して、第１アルミニウム層２１Ａとなる第１アルミニウム板５１Ａを積層し、さらに、この第１アルミニウム板５１Ａに、Ｓｉの含有量が０．１０ｍｇ／ｃｍ２以上０．４０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内とされたＳｉ層５７を介して、第２アルミニウム層２１Ｂとなる第２アルミニウム板５１Ｂを積層し、そして、この第２アルミニウム板５１Ｂに、チタン箔５５を介して銅層２２となる銅板５２を積層する。
また、セラミックス基板１１の他方の面（図５において下面）に、ろう材箔６６を介して、第１アルミニウム層３１Ａとなる第１アルミニウム板６１Ａを積層し、さらに、この第１アルミニウム板６１Ａに、Ｓｉの含有量が０．１０ｍｇ／ｃｍ２以上０．４０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内とされたＳｉ層６７を介して、第２アルミニウム層３１Ｂとなる第２アルミニウム板６１Ｂを積層し、そして、この第２アルミニウム板６１Ｂに、チタン箔６５を介して銅層３２となる銅板６２を積層する。
ここで、本実施形態では、Ｓｉ層５７，６７として、Ａｌ−７．５ｍａｓｓ％Ｓｉ合金箔（厚さ１０μｍ）を用いた。なお、このＳｉ層５７、６７におけるＳｉの含有量は、０．２０ｍｇ／ｃｍ２とされる。
また、第２アルミニウム板５１Ｂ，６１Ｂは、板厚が５０μｍ以上２５０μｍ以下の範囲内とされており、本実施形態では、１２０μｍとされている。
【００３８】
（回路層及び金属層形成工程Ｓ０２）
次いで、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。
これにより、第１アルミニウム板５１Ａとセラミックス基板１１及びセラミックス基板１１と第１アルミニウム板６１Ａを接合する（絶縁層／第１アルミニウム部材接合工程）。
また、第１アルミニウム板５１Ａと第２アルミニウム板５１Ｂ及び第１アルミニウム板６１Ａと第２アルミニウム板６１Ｂを接合する（第１アルミニウム部材／第２アルミニウム部材接合工程）。
さらに、第２アルミニウム板５１Ｂと銅板５２及び第２アルミニウム板６１Ｂと銅板６２を接合する（第２アルミニウム部材／金属部材接合工程）。
【００３９】
ここで、第１アルミニウム板５１Ａとセラミックス基板１１及びセラミックス基板１１と第１アルミニウム板６１Ａは、ろう材箔５６、６６によって接合される。
また、第１アルミニウム板５１Ａと第２アルミニウム板５１Ｂ及び第１アルミニウム板６１Ａと第２アルミニウム板６１Ｂは、Ｓｉ層５７，６７のＳｉが、第１アルミニウム板５１Ａと第２アルミニウム板５１Ｂ及び第１アルミニウム板６１Ａと第２アルミニウム板６１Ｂに拡散することで接合される。このとき、第２アルミニウム板５１Ｂ、６１Ｂのうち銅板５２、６２との接合面にまで、Ｓｉ層５７，６７のＳｉが拡散することになる。
そして、第２アルミニウム板５１Ｂと銅板５２及び第２アルミニウム板６１Ｂと銅板６２は、第２アルミニウム板５１Ｂとチタン箔５５及び第２アルミニウム板６１Ｂとチタン箔６５とが固相拡散接合されるとともに、チタン箔５５と銅板５２及びチタン箔６５と銅板６２とが固相拡散接合されることによって接合される。
【００４０】
なお、回路層及び金属層形成工程Ｓ０２における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。また、より好ましい加熱温度は、６３０℃以上６４３℃以下の範囲内とされている。本実施形態においては、積層方向に１２ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力を負荷し、加熱温度６４０℃、保持時間６０分の条件で実施した。
なお、第２アルミニウム板５１Ｂ、６１Ｂ、チタン箔５５、６５、及び銅板５２、６２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た後に、固相拡散接合されている。
上記のようにして、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０が製造される。
【００４１】
（ヒートシンク接合工程Ｓ０３）
次に、パワーモジュール用基板１０の金属層３０に、はんだ材を介してヒートシンク４１を積層し、還元炉内においてはんだ接合する。
【００４２】
（半導体素子接合工程Ｓ０４）
次に、回路層２０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。
【００４３】
以上のような構成とされた本実施形態に係るパワーモジュール用基板１０の製造方法によれば、第２アルミニウム層２１Ｂ，３１Ｂとなる第２アルミニウム板５１Ｂ，６１Ｂが、接合前の状態で純度９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウムで構成されるとともに、その厚さが５０μｍ以上２５０μｍ以下の範囲内とされており、第１アルミニウム部材／第２アルミニウム部材接合工程では、第１アルミニウム板５１Ａ，６１Ａと第２アルミニウム板５１Ｂ，６１Ｂとを、Ｓｉの含有量が０．１０ｍｇ／ｃｍ２以上０．４０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内とされたＳｉ層５７，６７を介して積層して加熱処理することで接合しているので、Ｓｉ層５７，６７のＳｉが、第２アルミニウム板５１Ｂ，６１Ｂの金属板５２，６２との接合面にまで拡散することになる。
【００４４】
そして、第２アルミニウム部材／金属部材接合工程では、第２アルミニウム板５１Ｂ，６１Ｂと銅板５２，６２との間にＴｉ箔５５，６５を介在させ、第２アルミニウム板５１Ｂ，６１Ｂと銅板５２，６２とを積層し、第２アルミニウム板５１Ｂ，６１ＢとＴｉ箔５５，６５、及び、Ｔｉ箔５５，６５と銅板５２，６２とをそれぞれ固相拡散接合しているので、第２アルミニウム板５１Ｂ，６１ＢとＴｉ箔５５，６５とが固相拡散接合される際に、第２アルミニウム板５１Ｂ，６１Ｂ中に拡散されたＳｉによってＴｉ箔５５，６５中のＴｉ原子が第２アルミニウム板５１Ｂ，６１Ｂ側に必要以上に拡散することを抑制でき、ＡｌとＴｉとの金属間化合物が厚く形成されることを抑制できる。
また、Ｔｉ箔５５，６５によって、第２アルミニウム板５１Ｂ，６１Ｂ中のＡｌ原子と銅板５２，６２のＣｕ原子とが相互拡散することを抑制でき、第２アルミニウム板５１Ｂ，６１Ｂと銅板５２，６２との接合界面に硬くて脆い金属間化合物が厚く形成されることを防止できる。
よって、ヒートサイクルが負荷された際に接合部におけるクラックの発生を抑制でき、接合信頼性が良好な回路層２０及び金属層３０を得ることができる。
【００４５】
さらに、本実施形態では、回路層２０及び金属層３０において、アルミニウム層２１，３１（第２アルミニウム層２１Ｂ、３１Ｂ）と銅層２２，３２との接合部には、Ｔｉ層２５、３５と、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６、３６とが形成された構成とされており、硬いＡｌ−Ｔｉ−Ｃｕ層やＡｌ−Ｔｉ層が形成されていないので、ヒートサイクルが負荷された際に、回路層２０及び金属層３０にクラックが発生することを抑制することができる。
【００４６】
さらに、Ｔｉ層２５、３５側に形成された第１Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６Ａ，３６ＡのＳｉ濃度が、アルミニウム層２１、３１（第２アルミニウム層２１Ｂ，３１Ｂ）側に形成された第２Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６Ｂ、３６ＢのＳｉ濃度よりも高いので、Ｓｉ濃度が高い第１Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６Ａ，３６ＡによってＴｉ原子が第２アルミニウム層２１Ｂ、３１Ｂ側に拡散することが抑制され、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６、３６の厚さを薄くすることができる。そして、このようにＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６、３６の厚さを薄くすることで、ヒートサイクルが負荷された際にアルミニウム層２１、３１（第２アルミニウム層２１Ｂ，３１Ｂ）と銅層２２，３２との接合部に割れが発生することを抑制可能となる。
【００４７】
また、アルミニウム層２１、３１（第２アルミニウム層２１Ｂ，３１Ｂ）側に形成された第２Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６Ｂ、３６Ｂに含まれるＳｉ濃度が１ａｔ％以上１０ａｔ％以下とされているので、Ａｌ原子がＴｉ層２５，３５側に過剰に拡散することが抑制され、第２Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６Ｂ、３６Ｂの厚さを薄くすることができる。
さらには、Ｔｉ層２５、３５側に形成された第１Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６Ａ，３６Ａに含まれるＳｉ濃度が１０ａｔ％以上３０ａｔ％以下とされているので、Ｔｉ原子がアルミニウム層２１、３１側に過剰に拡散することが抑制され、第１Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６Ａ，３６Ａの厚さを薄くすることができる。
【００４８】
また、本実施形態では、第１アルミニウム板５１Ａとセラミックス基板１１及びセラミックス基板１１と第１アルミニウム板６１Ａの接合（絶縁層／第１アルミニウム部材接合工程）と、第１アルミニウム板５１Ａと第２アルミニウム板５１Ｂ及び第１アルミニウム板６１Ａと第２アルミニウム板６１Ｂの接合（第１アルミニウム部材／第２アルミニウム部材接合工程）と、第２アルミニウム板５１Ｂと銅板５２及び第２アルミニウム板６１Ｂと銅板６２の接合（第２アルミニウム部材／金属部材接合工程）と、を同時に実施しているので、パワーモジュール用基板１０の製造コストを大幅に低減することが可能となる。
【００４９】
さらに、本実施形態では、回路層２０及び金属層３０の表面に、比較的変形抵抗の大きい銅層２２，３２が形成されているので、ヒートサイクルが負荷された際に回路層２０及び金属層３０の表面の変形が抑制され、半導体素子３と回路層２０を接合する第１はんだ層２及びヒートシンク４１と金属層３０を接合する第２はんだ層４２にクラック等が生じることを抑制でき、接合信頼性を向上できる。
また、熱伝導率の良好な銅層２２，３２が回路層２０及び金属層３０の表面に形成されているので、半導体素子３からの熱を面方向に拡げて効率的にヒートシンク４１側に伝達することができる。
【００５０】
また、本実施形態においては、第２アルミニウム板５１Ｂ、６１Ｂとチタン箔５５、６５、及び銅板５２、６２とチタン箔５５、６５との固相拡散接合は、積層方向へ１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力をかけられた状態で６００℃以上６４３℃以下に保持することで行われる構成とされているので、第２アルミニウム板５１Ｂ、６１Ｂと銅板５２，６２の界面で液相を生成させることなく、第２アルミニウム板５１Ｂ、６１Ｂ及び銅板５２、６２中にＴｉ原子を固相拡散させ、チタン箔５５，６５中にＡｌ原子及びＣｕ原子を固相拡散させて、第２アルミニウム板５１Ｂ、６１Ｂ、チタン箔５５、６５、銅板５２、６２を確実に接合することができる。
【００５１】
ここで、固相拡散接合する際に積層方向にかかる圧力が１ｋｇｆ／ｃｍ２未満の場合は、第２アルミニウム板５１Ｂ、６１Ｂ、チタン箔５５，６５、銅板５２，６２の接合界面に隙間が生じるおそれがある。また、上記圧力が３５ｋｇｆ／ｃｍ２を超える場合には、負荷される荷重が高すぎるために、セラミックス基板１１に割れが発生するおそれがある。このような理由により、固相拡散接合の際にかかる圧力は、上記の範囲に設定されている。
【００５２】
また、固相拡散接合する際の温度が６００℃以上の場合には、Ａｌ原子、Ｔｉ原子、及びＣｕ原子の拡散が促進され、短時間で十分に固相拡散させることができる。また、６４３℃以下の場合には、アルミニウムの溶融による液相が生じて接合界面にコブが生じたり、厚さが変動したりすることを抑制できる。そのため、固相拡散接合の好ましい温度範囲は、上記の範囲に設定されている。
【００５３】
また、固相拡散接合する際に、接合される面に傷がある場合、固相拡散接合時に隙間が生じる場合があるが、本実施形態では、第２アルミニウム板５１Ｂ、６１Ｂ、銅板５２，６２、及びチタン箔５５，６５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して接合することが可能である。
【００５４】
（第二実施形態）
次に、本発明の第二実施形態について説明する。なお、第一実施形態と同一の構成のものについては、同一の符号を付して記載し、詳細な説明を省略する。
図６に、本発明の第二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１３０を備えたパワーモジュール１０１を示す。
このパワーモジュール１０１は、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１３０と、このヒートシンク付パワーモジュール用基板１３０の一方の面（図６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。
【００５５】
ヒートシンク付パワーモジュール用基板１３０は、パワーモジュール用基板１１０と、このパワーモジュール用基板１１０の他方の面（図６において下面）側にＴｉ層１１５を介して積層されたヒートシンク１３１（金属部材）と、を備えている。
【００５６】
パワーモジュール用基板１１０は、図６に示すように、セラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の一方の面に配設された回路層１１２と、セラミックス基板１１の他方の面に配設された金属層１１３と、を備えている。
【００５７】
回路層１１２は、図９に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に、導電性を有するアルミニウム板１２２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、回路層１１２は、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）の圧延板を接合することで形成されている。なお、接合されるアルミニウム板１２２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。
【００５８】
金属層１１３は、図６に示すように、セラミックス基板１１側に形成された第１アルミニウム層１１３Ａと、この第１アルミニウム層１１３Ａに積層された第２アルミニウム層１１３Ｂと、を備えている。
ここで、第１アルミニウム層１１３Ａは、図９に示すように、セラミックス基板１１の他方の面に、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）からなる第１アルミニウム板１２３Ａが接合されることによって形成されている。
また、第２アルミニウム層１１３Ｂは、第１アルミニウム板１２３Ａの他方の面に、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）からなる第２アルミニウム板１２３Ｂが接合されることによって形成されている。
なお、第１アルミニウム板１２３Ａと第２アルミニウム板１２３Ｂの合計厚さは、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。
また、第２アルミニウム板１２３Ｂの厚さが５０μｍ以上２５０μｍ以下の範囲内とされており、本実施形態では、１２０μｍとされている。
【００５９】
ヒートシンク１３１は、パワーモジュール用基板１１０側の熱を放散するためのものである。ヒートシンク１３１は、銅又は銅合金で構成されており、本実施形態では無酸素銅で構成されている。
そして、金属層１１３（アルミニウム部材）とヒートシンク１３１（金属部材）とが、Ｔｉ層１１５を介して接合されている。
【００６０】
Ｔｉ層１１５は、アルミニウムからなる金属層１１３（第２アルミニウム層１１３Ｂ）と、銅からなるヒートシンク１３１とがチタン箔１２５を介して積層され、固相拡散接合されることにより形成されるものである。
そして、金属層１１３（第２アルミニウム層１１３Ｂ）とＴｉ層１１５との接合界面には、図７に示すように、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１１６が形成されている。
Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１１６は、第一の実施形態におけるＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６、３６と同様の構成とされ、Ｔｉ層１１５側に形成された第１Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１１６Ａと、金属層１１３（第２アルミニウム層１１３Ｂ）側に形成された第２Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１１６Ｂとを備えている。
【００６１】
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１３０の製造方法について、図８、図９を参照して説明する。
【００６２】
（アルミニウム板及びヒートシンク積層工程Ｓ１０１）
まず、図９に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔１２６を介して、回路層１１２となるアルミニウム板１２２を積層する。また、セラミックス基板１１の他方の面に、ろう材箔１２６を介して第１アルミニウム板１２３Ａを積層する。
さらに、第１アルミニウム板１２３Ａと第２アルミニウム板１２３Ｂとを、Ｓｉの含有量が０．１０ｍｇ／ｃｍ２以上０．４０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内とされたＳｉ層１２７を介して積層する。なお、本実施形態では、第１アルミニウム板１２３Ａの表面に、Ｓｉを蒸着することによってＳｉ層１２７が形成されている。
そして、第２アルミニウム板１２３Ｂの他方の面側に、チタン箔１２５を介してヒートシンク１３１を積層する。
【００６３】
（アルミニウム板及びヒートシンク接合工程Ｓ１０２）
次いで、アルミニウム板１２２、セラミックス基板１１、第１アルミニウム板１２３Ａ、第２アルミニウム板１２３Ｂ及びヒートシンク１３１の積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空加熱炉内に配置し加熱する。
これにより、アルミニウム板１２２とセラミックス基板１１及びセラミックス基板１１と第１アルミニウム板１２３Ａを接合する（絶縁層／第１アルミニウム部材接合工程）。
また、第１アルミニウム板１２３Ａと第２アルミニウム板１２３Ｂを接合する（第１アルミニウム部材／第２アルミニウム部材接合工程）。
さらに、第２アルミニウム板１２３Ｂとヒートシンク１３１を接合する（第２アルミニウム部材／金属部材接合工程）。
【００６４】
ここで、アルミニウム板１２２とセラミックス基板１１及びセラミックス基板１１と第１アルミニウム板１２３Ａは、ろう材箔１２６によって接合される。
また、第１アルミニウム板１２３Ａと第２アルミニウム板１２３Ｂは、Ｓｉ層１２７のＳｉが、第１アルミニウム板１２３Ａと第２アルミニウム板１２３Ｂに拡散することで接合される。このとき、第２アルミニウム板１２３Ｂのうちヒートシンク１３１との接合面にまで、Ｓｉ層１２７のＳｉが拡散することになる。
そして、第２アルミニウム板１２３Ｂとヒートシンク１３１は、第２アルミニウム板１２３Ｂとチタン箔１２５とが固相拡散接合されるとともに、チタン箔１２５とヒートシンク１３１とが固相拡散接合されることによって接合される。
【００６５】
（半導体素子接合工程Ｓ１０３）
次に、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１３０（回路層１１２）の一方の面に、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１０１が製造される。
【００６６】
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１３０の製造方法によれば、第１アルミニウム板１２３Ａと、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウムで構成されるとともに板厚が５０μｍ以上２５０μｍ以下の範囲内とされた第２アルミニウム板１２３Ｂとが、Ｓｉの含有量が０．１０ｍｇ／ｃｍ２以上０．４０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内とされたＳｉ層１２７を介して接合されているので、第２アルミニウム板１２３Ｂのヒートシンク１３１との接合面にまでＳｉ層１２７中のＳｉが拡散することになる。
【００６７】
そして、第２アルミニウム板１２３Ｂとヒートシンク１３１との間にチタン箔１２５を介在させ、第２アルミニウム板１２３Ｂとチタン箔１２５、及び、チタン箔１２５とヒートシンク１３１とをそれぞれ固相拡散接合しているので、第２アルミニウム板１２３Ｂとチタン箔１２５とが固相拡散接合する際に、第２アルミニウム板１２３Ｂに拡散されたＳｉによってチタン箔１２５中のＴｉ原子が第２アルミニウム板１２３Ｂ側に必要以上に拡散することを抑制でき、ＡｌとＴｉとの金属間化合物が厚く形成されることを抑制できる。
【００６８】
また、チタン箔１２５によって、第２アルミニウム板１２３Ｂ中のＡｌ原子とヒートシンク１３１中のＣｕ原子とが相互拡散することを抑制でき、第２アルミニウム板１２３Ｂとヒートシンク１３１との接合界面に硬くて脆い金属間化合物が厚く形成されることを防止できる。
よって、ヒートサイクルが負荷された際に接合部におけるクラックの発生を抑制でき、接合信頼性が良好なヒートシンク付パワーモジュール用基板１３０を得ることができる。
【００６９】
また、本実施形態では、セラミックス基板１１と第１アルミニウム板１２３Ａの接合（絶縁層／第１アルミニウム部材接合工程）と、第１アルミニウム板１２３Ａと第２アルミニウム板１２３Ｂの接合（第１アルミニウム部材／第２アルミニウム部材接合工程）と、第２アルミニウム板１２３Ｂとヒートシンク１３１の接合（第２アルミニウム部材／金属部材接合工程）と、を同時に実施しているので、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１３０の製造コストを大幅に低減することが可能となる。
【００７０】
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、アルミニウム層と、金属部材層として銅からなる銅層とが接合される場合について説明したが、銅層に代えて、ニッケル又はニッケル合金からなるニッケル層、もしくは銀又は銀合金からなる銀層が接合されても良い。
【００７１】
銅層に代えてニッケル層を形成した場合には、はんだ付け性が良好となり、半導体素子やヒートシンク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ニッケル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、ニッケル層の厚さは１μｍ以上３０μｍ以下とすることが望ましい。ニッケル層の厚さが１μｍ未満の場合には半導体素子やヒートシンク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を超える場合にはニッケル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ニッケル層を形成する場合、固相拡散接合は、前述の実施形態と同様の条件で形成することができる。
【００７２】
銅層に代えて銀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半導体素子やヒートシンクを接合する際に、酸化銀が還元された銀と銀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、熱伝導率の良好な銀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、銀層の厚さは１μｍ以上２０μｍ以下とすることが望ましい。銀層の厚さが１μｍ未満の場合には半導体素子やヒートシンク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銀層を形成する場合、固相拡散接合は、前述の実施形態と同様の条件で形成することができる。
【００７３】
さらに、上記実施の形態では、アルミニウム層となるアルミニウム板を積層し、さらにその上にチタン箔を介して銅層となる銅板を積層し、加圧加熱することで接合体を形成したが、チタン箔及び銅板の代わりにＴｉ／Ｃｕからなるクラッド材を用いることができる。また、第２アルミニウム板、チタン箔及び銅板の代わりに、Ａｌ／Ｔｉ／Ｃｕの３層からなるクラッド材を用いることもできる。
また、銅層に代えてニッケル層を形成する場合、Ｔｉ／Ｎｉからなるクラッド材やＡｌ／Ｔｉ／Ｎｉからなるクラッド材を用いることができる。
さらに、銅層に代えて銀層を形成する場合、Ｔｉ／Ａｇからなるクラッド材やＡｌ／Ｔｉ／Ａｇからなるクラッド材を用いることができる。
【実施例】
【００７４】
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。
【００７５】
（本発明例１〜９、比較例１〜４）
表１記載のセラミックス基板の一方の面に、表１記載の第１アルミニウム板及び第２アルミニウム板を積層し、さらにその上にチタン箔を介して表１記載の金属板（金属部材）を積層した。また、セラミックス基板の他方の面には、金属層となる純度９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム板（厚さ０．６ｍｍ）を積層した。ここで、第１アルミニウム板とセラミックス基板、及び、金属層となるアルミニウム板とセラミックス基板との間には、Ａｌ−７．５ｍａｓｓ％Ｓｉのろう材箔（厚さ１２μｍ）を介して積層した。
ここで、第１アルミニウム板と第２アルミニウム板との間に、表１に記載のＳｉ層を形成した。
【００７６】
次いで、表２に示す条件で加熱処理を行い、セラミックス基板の一方の面に第１アルミニウム層、第２アルミニウム層及び金属板からなる回路層を形成した。また、セラミックス基板の他方の面に金属層を形成した。
回路層の一方の面にはんだ材を介して半導体素子を接合し、本発明例１〜９、比較例１〜４のパワーモジュールを得た。
【００７７】
このようにして製造されたパワーモジュール用基板の回路層におけるアルミニウム層（第２アルミニウム層）と金属部材層との接合部を断面観察し、接合部におけるＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層及びラメラ組織の有無を確認した。なお、ラメラ組織が存在する場合には、アルミニウム層と金属部材層との接合部に液相が生じたことになる。さらに、パワーモジュールに対して、ヒートサイクル試験を行い、試験後のアルミニウム層（第２アルミニウム層）と金属部材層との接合部の接合率を測定した。また、アルミニウム層（第２アルミニウム層）と金属部材層との接合部の初期の接合率（ヒートサイクル試験前の接合率）も測定した。評価の具体的手順を以下に示す。
【００７８】
（断面観察）
回路層の断面をクロスセクションポリッシャ（日本電子株式会社製ＳＭ−０９０１０）を用いて、イオン加速電圧：５ｋＶ、加工時間：１４時間、遮蔽板からの突出量：１００μｍでイオンエッチングした後に、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いてアルミニウム層（アルミニウム部材）と金属部材層（金属部材）との接合部の観察を行った。また、ＥＰＭＡ分析装置を用いて、元素マッピングを行い、ラメラ組織（アルミニウム層内にＡｌと金属部材の元素（Ｃｕ、Ｎｉ又はＡｇ）の金属間化合物が発生している箇所）の有無を確認した。観察例を図１０（本発明例１）及び図１１（比較例１）に示す。
また、ＥＰＭＡ分析装置を用いて、接合部の組成分析を行い、Ｔｉ層とＡｌ層との間の接合界面に、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層が形成されているかどうかを確認した。
【００７９】
（ヒートサイクル試験）
ヒートサイクル試験は、パワーモジュールに対して、−４０℃←→１２５℃のヒートサイクルを負荷することにより行う。本実施例では、このヒートサイクルを３０００回実施した。
このヒートサイクル試験前後における、アルミニウム層（第２アルミニウム層）と金属部材層との界面における接合率を測定した。
【００８０】
（アルミニウム層と金属部材層との接合部の接合率評価）
パワーモジュール用基板の回路層において、アルミニウム層（第２アルミニウム層）と金属部材層及びアルミニウム層（第１アルミニウム層）とセラミックス基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層の面積とした。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。
接合率（％）＝｛（初期接合面積）−（剥離面積）｝／（初期接合面積）×１００
【００８１】
【表１】
0006287681.tif 000002
【００８２】
【表２】
0006287681.tif 000003
【００８３】
Ｓｉ層を設けなかった比較例３及び第２アルミニウム板の板厚が厚い比較例２においては、第２アルミニウム板に拡散するＳｉ量が不足し、ＳｉによってＴｉとＡｌとの拡散を抑制することができず、金属部材層と第２アルミニウム層を接合することができなかった。なお、比較例２及び比較例３については、金属部材層と第２アルミニウム層を接合できなかったため、断面観察、ヒートサイクル試験及び接合率評価を行っていない。
Ｓｉ層のＳｉ含有量が多い比較例４及び第２アルミニウム板の板厚が薄い比較例１においては、第２アルミニウム板に拡散するＳｉ量が過剰となり、接合時に第２アルミニウム板が溶融し、ラメラ組織が観察され、第１アルミニウム板とセラミックス基板との接合信頼性が低下することが確認された。
【００８４】
これに対して、本発明例１〜９では、アルミニウム層（第２アルミニウム層）と金属部材層との初期接合率は９８％以上と高く、ヒートサイクル試験後の接合率も高いままであり、接合信頼性の高いパワーモジュールであることが確認された。
【符号の説明】
【００８５】
１０  パワーモジュール用基板（接合体）
１１  セラミックス基板（絶縁層）
２０  回路層
３０  金属層
２１、３１  アルミニウム層（アルミニウム部材）
２１Ａ、３１Ａ  第１アルミニウム層（第１アルミニウム部材）  
２１Ｂ、３１Ｂ  第２アルミニウム層（第２アルミニウム部材）  
２２、３２  銅層（金属部材）
２５、３５  Ｔｉ層
４５、５５  チタン箔（Ｔｉ材）
１３０  ヒートシンク付パワーモジュール用基板（接合体）
１１３  金属層（アルミニウム部材）
１１３Ａ  第１アルミニウム層（第１アルミニウム部材）
１１３Ｂ  第２アルミニウム層（第２アルミニウム部材）
１３１  ヒートシンク（金属部材）
【図１】
0006287681.tif 000004
【図２】
0006287681.tif 000005
【図３】
0006287681.tif 000006
【図４】
0006287681.tif 000007
【図５】
0006287681.tif 000008
【図６】
0006287681.tif 000009
【図７】
0006287681.tif 000010
【図８】
0006287681.tif 000011
【図９】
0006287681.tif 000012
【図１０】
0006287681.tif 000013
【図１１】
0006287681.tif 000014