(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、アルミニウムからなるアルミニウム部材であるアルミニウム層と、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材である金属部材層と、が接合された接合体からなり、
前記アルミニウム部材の接合面におけるＳｉ濃度を０．０３ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下の範囲内とし、
前記絶縁層の一方の面に前記アルミニウム部材を積層し、前記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、
積層した前記絶縁層と前記アルミニウム部材と前記金属部材とを加熱し、前記絶縁層と前記アルミニウム部材を接合するとともに、前記アルミニウム部材と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により、前記回路層を形成する構成とされており、前記絶縁層と前記アルミニウム部材との接合と、前記アルミニウム部材と前記Ｔｉ材との固相拡散接合と、前記Ｔｉ材と前記金属部材との固相拡散接合と、を同時に実施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、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、アルミニウムからなるアルミニウム部材であるアルミニウム層と、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材である金属部材層と、が接合された接合体からなり、
前記アルミニウム部材の接合面におけるＳｉ濃度を０．０３ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下の範囲内とし、
前記絶縁層の他方の面に前記アルミニウム部材を積層し、前記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、
積層した前記絶縁層と前記アルミニウム部材と前記金属部材とを加熱し、前記絶縁層と前記アルミニウム部材を接合するとともに、前記アルミニウム部材と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により、前記金属層を形成する構成とされており、前記絶縁層と前記アルミニウム部材との接合と、前記アルミニウム部材と前記Ｔｉ材との固相拡散接合と、前記Ｔｉ材と前記金属部材との固相拡散接合と、を同時に実施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３】
前記固相拡散接合により、前記アルミニウム部材と前記金属部材との接合部に、前記金属部材側に位置するＴｉ層と、前記Ｔｉ層と前記アルミニウム部材との間に位置し、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、を形成することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項４】
前記Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層は、前記Ｔｉ層側に形成された第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、前記アルミニウム部材側に形成され、前記第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層よりもＳｉ濃度の低い第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、を備えていることを特徴とする請求項３に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項５】
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の接合面におけるＳｉ濃度を０．０３ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下の範囲内とし、
前記絶縁層の他方の面に前記金属層となる前記アルミニウム部材又は前記金属部材を積層し、前記金属部材又は前記アルミニウム部材からなる前記ヒートシンクとの間に、Ｔｉ材を介在させ、前記アルミニウム部材と前記金属部材とを積層し、
積層した前記アルミニウム部材と前記金属部材とを加熱し、前記絶縁層と前記金属層となる前記アルミニウム部材又は前記金属部材を接合するともに、前記アルミニウム部材と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により、前記金属層と前記ヒートシンクとを接合する構成とされており、前記絶縁層と前記金属層となる前記アルミニウム部材又は前記金属部材との接合と、前記アルミニウム部材と前記Ｔｉ材との固相拡散接合と、前記Ｔｉ材と前記金属部材との固相拡散接合と、を同時に実施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６】
前記固相拡散接合により、前記アルミニウム部材と前記金属部材との接合部に、前記金属部材側に位置するＴｉ層と、前記Ｔｉ層と前記アルミニウム部材との間に位置し、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、を形成することを特徴とする請求項１又は請求項５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７】
前記Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層は、前記Ｔｉ層側に形成された第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、前記アルミニウム部材側に形成され、前記第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層よりもＳｉ濃度の低い第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、を備えてい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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、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、及び、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下側には、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、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、Ａｌ層とＣｕ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。この場合、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。また、ＣｕはＡｌに比べて変形抵抗が大きいことから、このパワーモジュールにヒートサイクルが負荷された際に、回路層表面及び金属層表面が大きく変形することを抑制でき、はんだ層におけるクラックの発生を防止して、半導体素子と回路層及びヒートシンクと金属層の接合信頼性を向上させることが可能となる。
なお、特許文献４に記載されたパワーモジュールにおいては、回路層及び金属層として、Ａｌ層とＣｕ層とがＴｉ層を介して接合された接合体が用いられている。ここで、Ａｌ層とＴｉ層との間には、拡散層が形成されており、この拡散層は、Ａｌ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Ａｌ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、Ａｌ層上にＴｉ箔を介してＣｕ板等を積層し、Ａｌ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下地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、Ａｌ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。
以上のように、従来は、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を良好に接合することができず、接合信頼性に優れた接合体を得ることはできなかった。
【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、又は銀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パワーモジュール用基板を得ることができる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、アルミニウムからなるアルミニウム部材であるアルミニウム層と、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材である金属部材層と、が接合された接合体からなり、前記アルミニウム部材の接合面におけるＳｉ濃度を０．０３ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下の範囲内とし、前記絶縁層の一方の面に前記アルミニウム部材を積層し、前記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、積層した前記絶縁層と前記アルミニウム部材と前記金属部材とを加熱し、前記絶縁層と前記アルミニウム部材を接合するとともに、前記アルミニウム部材と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により、前記回路層を形成する構成とされており、前記絶縁層と前記アルミニウム部材との接合と、前記アルミニウム部材と前記Ｔｉ材との固相拡散接合と、前記Ｔｉ材と前記金属部材との固相拡散接合と、を同時に実施することを特徴としている。
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、アルミニウムからなるアルミニウム部材であるアルミニウム層と、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材である金属部材層と、が接合された接合体からなり、前記アルミニウム部材の接合面におけるＳｉ濃度を０．０３ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下の範囲内とし、前記絶縁層の他方の面に前記アルミニウム部材を積層し、前記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、積層した前記絶縁層と前記アルミニウム部材と前記金属部材とを加熱し、前記絶縁層と前記アルミニウム部材を接合するとともに、前記アルミニウム部材と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により、前記金属層を形成する構成とされており、前記絶縁層と前記アルミニウム部材との接合と、前記アルミニウム部材と前記Ｔｉ材との固相拡散接合と、前記Ｔｉ材と前記金属部材との固相拡散接合と、を同時に実施することを特徴としている。
なお、本発明において、アルミニウム部材は純アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されたものとし、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】
この構成のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、前記アルミニウム部材の接合面におけるＳｉ濃度を０．０３ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下の範囲内とし、このアルミニウム部材と前記金属部材との間にＴｉ材を介在させた状態で加熱しているので、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、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。
また、前記アルミニウム部材とＴｉ材とが固相拡散接合する際に、アルミニウム部材の表面の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。
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パワーモジュール用基板を得ることができる。
また、回路層をアルミニウムからなるアルミニウム部材であるアルミニウム層と、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材である金属部材層と、が接合された接合体とした場合には、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。
ここで、絶縁層の一方の面に比較的変形抵抗の小さいアルミニウム層を形成した場合には、ヒートサイクルが負荷された際に生じる熱応力をアルミニウム層が吸収し、絶縁層に割れが発生することを抑制できる。
さらに、アルミニウム層に接合される金属部材層として銅又は銅合金からなるＣｕ層が形成されている場合には、Ｃｕ層はアルミニウム層に比べて変形抵抗が大きいことから、ヒートサイクルが負荷された際に回路層の変形が抑制され、半導体素子と回路層を接合するはんだ層の変形を抑制し、接合信頼性を向上できる。また、熱伝導率の良好なＣｕ層が回路層の一方側に形成されているので、半導体素子からの熱を拡げて効率的にパワーモジュール用基板側に伝達することができる。
また、アルミニウム層に接合される金属部材層としてニッケル又はニッケル合金からなるＮｉ層が形成されている場合には、はんだ付け性が良好となり、半導体素子との接合信頼性が向上する。
また、アルミニウム層に接合される金属部材層として銀又は銀合金からなるＡｇ層が形成されている場合には、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。また、熱伝導率の良好なＡｇ層が回路層の一方側に形成されているので、半導体素子からの熱を拡げて効率的にパワーモジュール用基板側に伝達することができる。
また、金属層をアルミニウムからなるアルミニウム部材であるアルミニウム層と、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材である金属部材層と、が接合された接合体とした場合には、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。
ここで、絶縁層の他方の面に比較的変形抵抗の小さいアルミニウム層を形成した場合には、ヒートサイクルが負荷された際に生じる熱応力をアルミニウム層が吸収し、絶縁層に割れが発生することを抑制できる。
さらに、アルミニウム層に接合される金属部材層として銅又は銅合金からなるＣｕ層が形成されている場合には、Ｃｕ層はアルミニウム層に比べて変形抵抗が大きいことから、ヒートサイクルが負荷された際に金属層の変形が抑制され、ヒートシンクと金属層を接合するはんだ層の変形を抑制し、接合信頼性を向上できる。
また、アルミニウム層に接合される金属部材層としてニッケル又はニッケル合金からなるＮｉ層が形成されている場合には、はんだ付け性が良好となり、ヒートシンクとの接合信頼性が向上する。
また、アルミニウム層に接合される金属部材層として銀又は銀合金からなるＡｇ層が形成されている場合には、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ヒートシンクを接合する際に、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。
【００１３】
なお、接合面におけるＳｉ濃度が０．０３ｍａｓｓ％未満の場合には、Ｔｉの拡散を抑制する作用効果が不十分となり、接合部に形成されるＡｌとＴｉとの金属間化合物が厚く形成されてしまうおそれがある。一方、Ｓｉ濃度が１．０ｍａｓｓ％を超える場合には、融点が低下して液相が生じ、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おそれがあった。
よって、本発明では、接合面におけるＳｉ濃度を０．０３ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下の範囲内に規定している。
【００１４】
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、前記固相拡散接合により、前記アルミニウム部材と前記金属部材との接合部に、前記金属部材側に位置するＴｉ層と、前記Ｔｉ層と前記アルミニウム部材との間に位置し、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、を形成することが好ましい。
この場合、アルミニウム部材と金属部材との接合部に、Ｔｉ層と、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層とが形成されており、硬くて脆いＡｌ−Ｔｉ層、Ａｌ−Ｔｉ−Ｃｕ（Ｎｉ，Ａｇ）層等の金属間化合物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、接合部にクラックが発生することを抑制でき、アルミニウム部材と金属部材との接合信頼性を向上できる。
【００１５】
また、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Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層は、前記Ｔｉ層側に形成された第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、前記アルミニウム部材側に形成され、前記第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層よりもＳｉ濃度の低い第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、を備えていることが好ましい。
この場合、前記Ｔｉ層側に形成された第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層が、アルミニウム部材側に形成された第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層のＳｉ濃度よりも高いので、Ｓｉ濃度が高い第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層によってＴｉ原子がアルミニウム部材側に拡散することが抑制され、第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層及び第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層の厚さを薄くすることができ、ヒートサイクルが負荷された際に、接合部にクラックが発生することを抑制可能となる。
【００２２】
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の接合面におけるＳｉ濃度を０．０３ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下の範囲内とし、前記絶縁層の他方の面に前記金属層となる前記アルミニウム部材又は前記金属部材を積層し、前記金属部材又は前記アルミニウム部材からなる前記ヒートシンクとの間に、Ｔｉ材を介在させ、前記アルミニウム部材と前記金属部材とを積層し、積層した前記アルミニウム部材と前記金属部材とを加熱し、前記絶縁層と前記金属層となる前記アルミニウム部材又は前記金属部材を接合するともに、前記アルミニウム部材と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により、前記金属層と前記ヒートシンクとを接合する構成とされており、前記絶縁層と前記金属層となる前記アルミニウム部材又は前記金属部材との接合と、前記アルミニウム部材と前記Ｔｉ材との固相拡散接合と、前記Ｔｉ材と前記金属部材との固相拡散接合と、を同時に実施することを特徴としている。
【００２３】
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、前記アルミニウム部材の接合面におけるＳｉ濃度を０．０３ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下の範囲内とし、このアルミニウム部材と前記金属部材との間にＴｉ材を介在させた状態で加熱しているので、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、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。
また、前記アルミニウム部材とＴｉ材とが固相拡散接合する際に、アルミニウム部材の表面の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。
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を得ることができる。
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、前記固相拡散接合により、前記アルミニウム部材と前記金属部材との接合部に、前記金属部材側に位置するＴｉ層と、前記Ｔｉ層と前記アルミニウム部材との間に位置し、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、を形成することが好ましい。
また、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Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層は、前記Ｔｉ層側に形成された第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、前記アルミニウム部材側に形成され、前記第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層よりもＳｉ濃度の低い第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、を備えていることが好ましい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、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得ることができる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】
【００２５】
【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Ａｌ層とＴｉ層との接合界面の拡大説明図である。
【図３】第一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４】第一実施形態において、Ａｌ層となるアルミニウム板の接合面におけるＳｉ濃度を調整する工程の概略説明図である。
【図５】第一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７】図６における金属層のＡｌ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】本発明の第三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１１】図１０の金属層とＴｉ層との接合界面の拡大説明図である。
【図１２】第三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１３】第三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。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
（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。
【００２７】
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１２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１３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、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、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。
【００２９】
回路層１２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Ａｌ層１２Ａと、このＡｌ層１２Ａの一方の面にＴｉ層１５を介して積層されたＣｕ層１２Ｂ（金属部材層）と、を有している。すなわち、本実施形態においては、この回路層１２が、アルミニウム部材（Ａｌ層）と金属部材（Ｃｕ層）とが接合されてなる接合体とされている。
【００３０】
Ａｌ層１２Ａは、図５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２２Ａ（アルミニウム部材）が接合されることにより形成されている。接合されるアルミニウム板２２Ａ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、０．４ｍｍに設定されている。
Ｃｕ層１２Ｂは、Ａｌ層１２Ａの一方の面（図１において上面）に、Ｔｉ層１５を介して銅又は銅合金からなる銅板２２Ｂ（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、Ｃｕ層１２Ｂは、無酸素銅の圧延板がＡｌ層１２Ａ（アルミニウム板２２Ｂ）に、チタン箔２５を介して固相拡散接合されることにより形成されている。なお、接合される銅板２２Ｂ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、１．０ｍｍに設定されている。
【００３１】
Ｔｉ層１５は、Ａｌ層１２Ａと銅板２２Ｂとがチタン箔２５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２５の純度は９９ｍａｓｓ％以上とされている。また、チタン箔２５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、Ａｌ層１２ＡとＴｉ層１５との接合界面には、図２に示すように、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６が形成されている。
【００３２】
Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６は、Ａｌ層１２ＡのＡｌ原子と、Ｔｉ層１５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１６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１６は、図２に示すように、Ｔｉ層１５側に形成された第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６Ａと、Ａｌ層１２Ａ側に形成された第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６Ｂとを備えている。すなわち、Ａｌ層１２ＡとＣｕ層１２Ｂとの接合部には、Ｔｉ層１５と、第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６Ａと、第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６Ｂとが形成されているのである。
【００３３】
これら、第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６Ａと第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６Ｂは、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ相からなり、第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６ＢのＳｉ濃度が、第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６Ａ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、第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６Ａ及び第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６Ｂに含まれるＳｉは、アルミニウム板２２Ａの接合面に存在するＳｉがＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６中に拡散し、濃化したものである。
第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６Ａ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。第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６Ｂ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。
【００３４】
金属層１３は、セラミックス基板１１の他方の面（図１において下面）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。本実施形態においては、金属層１３は、純度が９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）の圧延板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、金属層１３となるアルミニウム板の厚さは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、１．６ｍｍに設定されている。
【００３５】
半導体素子３は、Ｓｉ等の半導体材料で構成されている。この半導体素子３と回路層１２は、はんだ層２を介して接合されている。
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）とされており、パワーモジュール用基板１０と半導体素子３とを接合するものである。
【００３６】
次に、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０の製造方法及びパワーモジュール１の製造方法について、図３から図５を参照して説明する。
【００３７】
（アルミニウム板Ｓｉ濃度調整工程Ｓ０１）
まず、Ａｌ層１２Ａとなるアルミニウム板２２Ａを準備する。本実施形態では、図４に示すように、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上の４Ｎアルミニウムからなる圧延板２２Ａａ、２２Ａｂを２枚準備し、この２枚の圧延板２２Ａａ、２２Ａｂを、Ｓｉ材２７を介して積層し、加圧した状態で加熱する。すると、Ｓｉ材２７から４Ｎアルミニウムからなる圧延板２２Ａａ、２２Ａｂ側へＳｉが拡散することになる。その後、この２枚の圧延板２２Ａａ、２２Ａｂを分離し、２枚のアルミニウム板２２Ａ，２２Ａが得られる。このアルミニウム板２２Ａにおいては、Ｓｉ材２７に接した面におけるＳｉ濃度が０．０３ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下の範囲内とされている。
【００３８】
ここで、加圧の荷重は０．３ＭＰａ以上１．５ＭＰａ以下の範囲内、加熱温度は４５０℃以上５７６℃未満の範囲内、保持時間が５ｍｉｎ以上１５０ｍｉｎ以下の範囲内とされており、液相を生じさせずにＳｉを固相拡散させている。
また、Ｓｉ材としては、Ａｌ−Ｓｉ合金箔を用いてもよいし、Ｓｉを蒸着等によって固着してもよい。本実施形態では、厚さ２０μｍのＡｌ−１０ｍａｓｓ％Ｓｉ合金箔を介在させた。
なお、加熱温度、保持時間、Ｓｉ材２７のＳｉ量を調整することにより、アルミニウム板２２Ａの接合面におけるＳｉ濃度を制御することができる。
ここで、加圧の荷重を０．３ＭＰａ以上としているので、Ｓｉ材と圧延板が確実に密着し、Ｓｉの拡散が均一かつ十分に行われる。また、荷重を１．５ＭＰａ以下としているので、２枚の圧延板が接合されることなく確実に分離することが可能である。
さらに、加熱温度を４５０℃以上としているので、Ｓｉの拡散速度が遅くなることが無く生産性を向上させることができる。また、加熱温度を５７６℃未満としているので、圧延板が溶融することが無い。
また、保持時間が５ｍｉｎ以上とされているので、Ｓｉを十分に拡散させることができ、後述する回路層及び金属層形成工程Ｓ０３において、接合部に形成されるＡｌとＴｉとの金属間化合物を薄く形成することが可能である。また、保持時間が１５０ｍｉｎ以下としているので、Ｓｉが過剰に拡散されることが無く、圧延板が溶融することが無い。
【００３９】
（アルミニウム板及び銅板積層工程Ｓ０２）
次に、図５に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に、Ａｌ層１２Ａとなるアルミニウム板２２Ａを積層し、さらにその上にチタン箔２５を介してＣｕ層１２Ｂとなる銅板２２Ｂを積層する。このとき、アルミニウム板２２ＡのうちＳｉ濃度が０．０３ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下の範囲内とされた面を、銅板２２Ｂとの接合面とした。
一方、セラミックス基板１１の他方の面には、金属層１３となるアルミニウム板２３を積層する。ここで、本実施形態においては、アルミニウム板２２Ａ、２３とセラミックス基板１１との間には、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔２６を介して積層した。
【００４０】
（回路層及び金属層形成工程Ｓ０３）
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して、アルミニウム板２２Ａとセラミックス基板１１及びセラミックス基板１１とアルミニウム板２３を接合するとともに、アルミニウム板２２Ａとチタン箔２５、及び銅板２２Ｂとチタン箔２５を固相拡散接合し、回路層１２及び金属層１３を形成する。
【００４１】
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。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、アルミニウム板２２Ａ、チタン箔２５、及び銅板２２Ｂ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。
【００４２】
（半導体素子接合工程Ｓ０４）
次に、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。
【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、回路層１２がＡｌ層１２ＡとＣｕ層１２Ｂの接合体で構成されており、Ａｌ層１２Ａとなるアルミニウム板２２Ａの銅板２２Ｂとの接合面におけるＳｉ濃度が０．０３ｍａｓｓ％以上１．０  ｍａｓｓ％以下の範囲内とされ、このアルミニウム板２２Ａと銅板２２Ｂがチタン箔２５を介して積層され、アルミニウム板２２Ａとチタン箔２５及び銅板２２Ｂとチタン箔２５を固相拡散接合しているので、チタン箔２５によって、アルミニウム板２２Ａ中のＡｌと銅板２２Ｂ中のＣｕとが相互拡散することを抑制でき、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。
また、アルミニウム板２２Ａとチタン箔２５とが固相拡散接合する際に、アルミニウム板２２Ａの接合面に存在するＳｉによってチタン箔２５中のＴｉ原子がアルミニウム板２２Ａ側に必要以上に拡散することを抑制でき、接合部に形成されるＡｌとＴｉとの金属間化合物層を薄くすることが可能となる。
【００４４】
さらに、本実施形態では、アルミニウム板Ｓｉ濃度調整工程Ｓ０１において、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上の４Ｎアルミニウムからなる圧延板２２Ａａ，２２Ａｂを２枚準備し、この２枚の圧延板２２Ａａ，２２Ａｂを、Ｓｉ材２７を介して積層し、加圧した状態で加熱し、Ｓｉ材２７から４Ｎアルミニウムからなる圧延板２２Ａａ，２２Ａｂ側へＳｉを拡散させているので、接合面のＳｉ濃度が０．０３ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下とされたアルミニウム板２２Ａを得ることができる。なお、このアルミニウム板２２Ａにおいては、Ｓｉ以外の不純物量が少なく（例えばＦｅの含有量が２０ｍａｓｓｐｐｍ以下）、かつ、Ｓｉが接合面に濃化しており、形成されたＡｌ層１２Ａの変形抵抗を小さくすることができ、熱応力を十分に吸収することが可能となる。
【００４５】
また、本実施形態では、回路層１２において、Ａｌ層１２ＡとＣｕ層１２Ｂとの接合部に、Ｔｉ層１５と、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６とが形成されており、硬くて脆いＡｌ−Ｔｉ層、Ａｌ−Ｔｉ−Ｃｕ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、接合部にクラックが発生することを抑制し、Ａｌ層１２ＡとＣｕ層１２Ｂとの接合信頼性を向上できる。
【００４６】
また、本実施形態では、Ｔｉ層１５側に形成された第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６ＡのＳｉ濃度が、Ａｌ層１２Ａ側に形成された第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６ＢのＳｉ濃度よりも高いので、Ｓｉ濃度が高い第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６ＡによってＴｉ原子がＡｌ層１２Ａ側に拡散することが抑制され、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６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１６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Ａｌ層１２ＡとＣｕ層１２Ｂ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、Ａｌ層１２Ａ側に形成された第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６Ｂ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１５側に過剰に拡散することが抑制され、第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６Ｂの厚さを薄くすることができる。
さらには、Ｔｉ層１５側に形成された第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６Ａ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Ａｌ層１２Ａ側に過剰に拡散することが抑制され、第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６Ａの厚さを薄くすることができる。
【００４８】
また、本実施形態においては、セラミックス基板１１の一方の面及び他方の面に、アルミニウム板２２Ａ、チタン箔２５、銅板２２Ｂ、及びアルミニウム板２３を一度に接合する構成とされているので、製造工程を簡略化することができ、製造コストを低減可能である。
【００４９】
また、セラミックス基板１１の一方の面に比較的変形抵抗の小さいＡｌ層１２Ａ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生じる熱応力をＡｌ層１２Ａが吸収し、セラミックス基板１１に割れが発生することを抑制できる。
さらに、Ａｌ層１２Ａの一方の面には、比較的変形抵抗の大きいＣｕ層１２Ｂ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１２の変形が抑制され、半導体素子３と回路層１２を接合するはんだ層２の変形を抑制し、接合信頼性を向上できる。
また、熱伝導率の良好なＣｕ層１２Ｂが回路層１２の一方側に形成されているので、半導体素子３からの熱を拡げて効率的にパワーモジュール用基板１０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、Ａｌ層１２Ａ（アルミニウム板２２Ａ）とチタン箔２５、及び銅板２２Ｂとチタン箔２５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、Ａｌ層とＴｉ層の界面で液相を生成させることなく、Ａｌ層１２Ａ及び銅板２２Ｂ中にＴｉ原子を拡散させ、チタン箔２５中にＡｌ原子及びＣｕ原子を固相拡散させて固相拡散接合し、Ａｌ層１２Ａ、チタン箔２５、及び銅板２２Ｂを確実に接合することができる。
【００５１】
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。
【００５２】
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、アルミニウム板２２Ａ、銅板２２Ｂ、及びチタン箔２５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確実に接合することが可能である。
【００５３】
（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。
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、パワーモジュール用基板１１０の下側にはんだ層１３５を介して接合されたヒートシンク１３１と、を備えている。
【００５４】
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。
はんだ層１３５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。
【００５５】
パワーモジュール用基板１１０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６において上面）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（接合体）と、を備えている。
【００５６】
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、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は、回路層１１２は、純度が９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）の圧延板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１１２となるアルミニウム板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。
【００５７】
金属層１１３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１１３Ａ（アルミニウム部材）と、このＡｌ層１１３Ａ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Ｔｉ層１１５を介して積層されたＣｕ層１１３Ｂ（金属部材層）と、を有している。
【００５８】
Ａｌ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、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１２３Ａ１、１２３Ａ２（アルミニウム部材）が接合されることにより形成されている。接合されるアルミニウム板アルミニウム板１２３Ａ１、１２３Ａ２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、０．４ｍｍに設定されている。
Ｃｕ層１１３Ｂは、Ａｌ層１１３Ａの他方の面に、Ｔｉ層１１５を介して銅又は銅合金からなる銅板１２３Ｂ（金属部材）が接合されることにより形成されている。
【００５９】
そして、Ａｌ層１１３Ａ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１６と同様の構成とされ、Ｔｉ層１１５側に形成された第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１１６Ａと、Ａｌ層１１３Ａ側に形成された第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１１６Ｂとを備えている。
【００６０】
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から図１０を参照して説明する。
【００６１】
（アルミニウム板積層工程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、回路層１１２となるアルミニウム板１２２を、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔２６を介して積層した。
また、セラミックス基板１１の他方の面に、Ａｌ層１１３Ａとなる２枚のアルミニウム板１２３Ａ１，１２３Ａ２を積層する。このとき、セラミックス基板１１とアルミニウム板１２３Ａ１との間にＡｌ−Ｓｉ系のろう材箔２６を介在させた。また、アルミニウム板１２３Ａ１とアルミニウム板１２３Ａ２との間にはＳｉ材１２７を介在させた。Ｓｉ材１２７としては、Ｓｉ又はＡｌ−Ｓｉ合金等のＳｉ合金の板や箔を用いることができる。さらに、Ｓｉ又はＳｉ合金の粉末をＳｉ材１２７として用いることもできる。また、アルミニウム板にＳｉを蒸着させることでＳｉ材１２７を形成してもよい。なお、Ｓｉ材１２７としては、厚さ：１μｍ〜２０μｍ、Ｓｉ濃度：１ｍａｓｓ％〜１２ｍａｓｓ％のＡｌ−Ｓｉ合金箔が好適に用いられる。
本実施形態では、Ｓｉ材１２７として、厚さ１０μｍのＡｌ−７ｍａｓｓ％Ｓｉ合金箔を介在させた。また、２枚のアルミニウム板１２３Ａ１，１２３Ａ２として、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上の４Ｎアルミニウムの圧延板を用いた。
【００６２】
（回路層及びＡｌ層形成工程Ｓ１０２）
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１２２とセラミックス基板１１を接合し、回路層１１２を形成する。また、セラミックス基板１１とアルミニウム板１２３Ａ１、及び、アルミニウム板１２３Ａ１とアルミニウム板１２３Ａ２を接合し、Ａｌ層１１３Ａを形成する。
このとき、Ｓｉ材１２７中のＳｉがアルミニウム板１２３Ａ２内に拡散することにより、Ａｌ層１１３Ａの他方の面（銅板１２３Ｂとの接合面）におけるＳｉ濃度が０．０３ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下の範囲内とされる。
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６４０℃以下、保持時間は５分以上１８０分以下の範囲内に設定されることが好ましい。
【００６３】
（Ｃｕ層形成工程Ｓ１０３）
次に、Ａｌ層１１３Ａの他方の面側に、チタン箔１２５を介してＣｕ層１１３Ｂとなる銅板１２３Ｂを積層する。
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、Ａｌ層１１３Ａとチタン箔１２５、及びチタン箔１２５と銅板１２３Ｂとを固相拡散接合し、接合体からなる金属層１１３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６４０℃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。
なお、Ａｌ層１１３Ａ、チタン箔１２５、及び銅板１２３Ｂ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１１０が製造される。
【００６４】
（ヒートシンク接合工程Ｓ１０４）
次に、パワーモジュール用基板１１０の金属層１１３に、はんだ材を介してヒートシンク１３１を積層し、還元炉内においてはんだ接合する。
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１３０が製造される。
【００６５】
（半導体素子接合工程Ｓ１０５）
次いで、回路層１１２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パワーモジュール用基板１１０の製造方法によれば、金属層１１３がＡｌ層１１３ＡとＣｕ層１１３Ｂの接合体で構成されており、Ａｌ層１１３Ａの銅板１２３Ｂとの接合面におけるＳｉ濃度が０．０３ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下の範囲内とされ、Ａｌ層１１３Ａと銅板１２３Ｂがチタン箔１２５を介して積層され、Ａｌ層１１３Ａとチタン箔１２５及びチタン箔１２５と銅板１２３Ｂとを固相拡散接合しているので、チタン箔１２５によって、Ａｌ層１１３Ａ中のＡｌと銅板１２３Ｂ中のＣｕとが相互拡散することを抑制でき、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。
また、Ａｌ層１１３Ａとチタン箔１２５とが固相拡散接合する際に、Ａｌ層１１３Ａの接合面に存在するＳｉによってチタン箔１２５中のＴｉ原子がＡｌ層１１３Ａ側に必要以上に拡散することを抑制でき、接合界面に形成されるＡｌとＴｉとの金属間化合物層を薄くすることが可能となる。
【００６７】
さらに、本実施形態では、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上の４Ｎアルミニウムの圧延板からなる２枚のアルミニウム板１２３Ａ１，１２３Ａ２を、Ｓｉ材１２７を介して積層し、Ｓｉ材１２７からアルミニウム板１２３Ａ２へＳｉを拡散させているので、銅板１２３Ｂとの接合面のＳｉ濃度が０．０３ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下とされたＡｌ層１１３Ａを形成することができる。なお、このＡｌ層１１３Ａにおいては、Ｓｉ以外の不純物量が少なく（例えばＦｅの含有量が２０ｍａｓｓｐｐｍ以下）、Ａｌ層１１３Ａの変形抵抗が低く抑えられている。
【００６８】
（第三実施形態）
次に、本発明の第三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１０に、本発明の第三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２３０を備えたパワーモジュール２０１を示す。
このパワーモジュール２０１は、ヒートシンク付パワーモジュール用基板２３０と、このヒートシンク付パワーモジュール用基板２３０の一方の面（図１０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。
【００６９】
ヒートシンク付パワーモジュール用基板２３０は、パワーモジュール用基板２１０と、このパワーモジュール用基板２１０の下側にＴｉ層２１５を介して積層されたヒートシンク２３１（金属部材）と、を備えている。
【００７０】
パワーモジュール用基板２１０は、図１０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（図１０において上面）に配設された回路層２１２と、セラミックス基板１１の他方の面（図１０において下面）に配設された金属層２１３と、を備えている。
【００７１】
回路層２１２は、図１３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２２２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２１２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２２２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。
【００７２】
金属層２１３は、図１３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２２３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、金属層２１３は、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）にＳｉを０．０３ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下の範囲で添加したアルミニウム合金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２２３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。
【００７３】
ヒートシンク２３１は、パワーモジュール用基板２１０側の熱を放散するためのものである。ヒートシンク２３１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。このヒートシンク２３１には、冷却用の流体が流れるための流路２３２が設けられている。
そして、これら金属層２１３（アルミニウム部材）とヒートシンク２３１（金属部材）とが、Ｔｉ層２１５を介して接合されている。
【００７４】
Ｔｉ層２１５は、アルミニウムからなる金属層２１３と、銅からなるヒートシンク２３１とがチタン箔２２５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２１３とＴｉ層２１５との接合界面には、図１１に示すように、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２１６が形成されている。
Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２１６は、第一の実施形態におけるＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６と同様の構成とされ、Ｔｉ層２１５側に形成された第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２１６Ａと、金属層２１３側に形成された第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２１６Ｂとを備えている。
【００７５】
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２３０の製造方法について、図１２、図１３を参照して説明する。
【００７６】
（アルミニウム板及びヒートシンク積層工程Ｓ２０１）
まず、図１３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２６を介して、回路層２１２となるアルミニウム板２２２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２６を介して金属層２１３となるアルミニウム板２２３を積層する。
そして、アルミニウム板２２３の他方の面側に、チタン箔２２５を介してヒートシンク２３１を積層する。
【００７７】
（アルミニウム板及びヒートシンク接合工程Ｓ２０２）
次いで、アルミニウム板２２２、２２３、セラミックス基板１１、及びヒートシンク２３１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して、セラミックス基板１１の一方の面及び他方の面に、回路層２１２及び金属層２１３を形成するとともに、金属層２１３とチタン箔２２５、及びヒートシンク２３１とチタン箔２２５を固相拡散接合し、金属層２１３とヒートシンク２３１とを接合する。
【００７８】
（半導体素子接合工程Ｓ２０３）
次に、ヒートシンク付パワーモジュール用基板２３０（回路層２１２）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２０１が製造される。
【００７９】
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２３０の製造方法によれば、金属層２１３のうちヒートシンク２３１との接合面におけるＳｉ濃度が０．０３ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下の範囲内とされ、金属層２１３とヒートシンク２３１がチタン箔２２５を介して積層され、金属層２１３とチタン箔２２５及びチタン箔２２５とヒートシンク２３１とを固相拡散接合しているので、チタン箔２２５によって、金属層２１３中のＡｌとヒートシンク２３１中のＣｕとが相互拡散することを抑制でき、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。
また、金属層２１３とチタン箔２２５とが固相拡散接合する際に、金属層２１３の接合面に存在するＳｉによってチタン箔２２５中のＴｉ原子が金属層２１３側に必要以上に拡散することを抑制でき、接合界面に形成されるＡｌとＴｉとの金属間化合物層を薄くすることが可能となる。
【００８０】
さらに、本実施形態では、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上の４ＮアルミニウムにＳｉを添加したアルミニウム板２２３を用いて金属層２１３が形成されているので、ヒートシンクとの接合面のＳｉ濃度が０．０３ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下とされた金属層２１３を形成することができる。なお、この金属層２１３においては、Ｓｉ以外の不純物量が少なく（例えばＦｅの含有量が２０ｍａｓｓｐｐｍ以下）、変形抵抗が低く抑えられている。
【００８１】
また、本実施形態においては、セラミックス基板１１の一方の面及び他方の面に、回路層２１２及び金属層２１３を形成し、さらに金属層２１３とヒートシンク２３１とを同時に接合することができるので、製造工程を簡略化することができ、製造コストを低減可能である。
【００８２】
また、本実施形態では、金属層をアルミニウム、ヒートシンクを銅により形成したが、金属層を銅としヒートシンクをアルミニウムとすることもできる。この場合ヒートシンクは、Ｓｉ濃度が０．０３ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下とされたアルミニウム合金を用いることや、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上の４ＮアルミニウムにＳｉを添加し、金属層との接合面のＳｉ濃度が０．０３ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下とされたアルミニウムを用いることができる。
【００８３】
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、Ａｌ層と、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。
【００８４】
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、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、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。
【００８５】
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Ａｇ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。
【００８６】
さらに、上記実施の形態では、セラミックス基板１１の一方の面に、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔を介して、Ａｌ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Ｃｕ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、アルミニウム板、チタン箔及び銅板の代わりに、Ａｌ−Ｓｉ／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、Ｃｕ層に代えてＮｉ層を形成する場合、Ｔｉ／Ｎｉからなるクラッド材やＡｌ−Ｓｉ／Ｔｉ／Ｎｉからなるクラッド材を用いることができる。
さらに、Ｃｕ層に代えてＡｇ層を形成する場合、Ｔｉ／Ａｇからなるクラッド材やＡｌ−Ｓｉ／Ｔｉ／Ａｇからなるクラッド材を用いることができる。
【実施例】
【００８７】
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。
本発明例１〜６及び比較例１、２のパワーモジュールを次のようにして製造した。
表１記載のセラミックス基板の一方の面に、Ａｌ層となるアルミニウム板（厚さ０．６ｍｍ）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）を積層する。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４Ｎアルミニウム板（厚さ０．６ｍｍ）を積層する。ここで、アルミニウム板とセラミックス基板とは、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔を介して積層した。次いで、表１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及び他方の面にＡｌ層及び金属層を形成するとともに、Ａｌ層、チタン箔、金属部材からなる板を固相拡散接合して回路層を形成した。そして、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た。
【００８８】
ここで、Ａｌ層となるアルミニウム板については、第一の実施形態で説明したように、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上の４Ｎアルミニウムからなる圧延板を２枚準備し、この２枚の圧延板を、Ａｌ−Ｓｉろう材箔を介して積層し、加圧した状態で加熱した。その後、この２枚の圧延板を分離し、２枚のアルミニウム板を得た。このとき、加熱温度及び保持時間を調整することにより、アルミニウム板のＡｌ−Ｓｉろう材箔に接した面（接合面）におけるＳｉ濃度を調整した。Ｓｉ濃度は、前記アルミニウム板の接合面をＥＰＭＡの定量分析で５点測定し、その平均値とした。なお、Ｓｉ濃度はＡｌとＳｉの合計量を１００とした時の濃度とした。
【００８９】
このようにして製造されたパワーモジュールの回路層におけるＡｌ層と金属部材層との接合部を断面観察し、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層の有無を確認した。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Ａｌ層と金属部材層との接合部の接合率を測定した。また、Ａｌ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。
【００９０】
（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Ａｌ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、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。
【００９１】
（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４０００回実施した。
このヒートサイクル試験前後における、Ａｌ層と金属部材層との界面における接合率を測定した。
【００９２】
（Ａｌ層と金属部材層との接合部の接合率評価）
ヒートサイクル試験前後のパワーモジュールに対して、Ａｌ層と金属部材層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Ａｌ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
以上の評価の結果を表１に示す。
【００９３】
【表１】
0006432208.tif 000002
【００９４】
接合面のＳｉ濃度が０．０１ｍａｓｓ％と本発明の範囲よりも低かった比較例１においては、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層が形成されておらず、ヒートサイクル試験後の接合率が大幅に低下した。一方、接合面のＳｉ濃度が２．０ｍａｓｓ％と本発明の範囲よりも高かった比較例２においては、ヒートサイクル試験後の接合率が大幅に低下した。
これに対して、接合面のＳｉ濃度が０．０３ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下の範囲内とされた本発明例１〜６では、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】
【００９５】
１０、１１０、２１０  パワーモジュール用基板
１１  セラミックス基板（セラミックス部材）
１２  回路層（接合体）
１２Ａ  Ａｌ層（アルミニウム部材）
１２Ｂ  Ｃｕ層（金属部材）
１５、１１５、２１５  Ｔｉ層
１６、１１６、２１６  Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層
１６Ａ、１１６Ａ、２１６Ａ  第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層
１６Ｂ、１１６Ｂ、２１６Ｂ  第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層
２５、１２５、２２５  チタン箔（Ｔｉ材）
１１３  金属層（接合体）
１１３Ａ  Ａｌ層（アルミニウム部材）
１１３Ｂ  Ｃｕ層（金属部材）
２１３  金属層（アルミニウム部材）
２３１  ヒートシンク（金属部材）
【図１】
0006432208.tif 000003
【図２】
0006432208.tif 000004
【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】
0006432208.tif 000009
【図８】
0006432208.tif 000010
【図９】
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【図１０】
0006432208.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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