(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、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、及び、前記ヒートシンクのうち前記金属層との接合面は、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材料で構成されており、
前記金属層の接合面を構成するアルミニウム材料及び前記ヒートシンクの接合面を構成するアルミニウム材料のうちいずれか一方がアルミニウムの純度の高い高純度アルミニウム材料とされ、他方がアルミニウムの純度の低い低純度アルミニウム材料とされており、
前記高純度アルミニウム材料と前記低純度アルミニウム材料とのＡｌ以外の含有元素の濃度差を１原子％以上とし、
前記金属層と前記ヒートシンクとを、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２】
前記高純度アルミニウム材料と前記低純度アルミニウム材料は、Ａｌ以外の含有元素として、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｍｇ，Ｚｎ，Ｔｉ及びＣｒから選択される１種又は２種以上の元素を含有し、これらの元素の合計量の差が１原子％以上とされていることを特徴とする請求項１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３】
前記低純度アルミニウム材料は、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｍｇ，Ｚｎ，Ｔｉ及びＣｒから選択される１種又は２種以上の元素を合計で１原子％以上含有するとともに、Ｓｉの含有量が１５原子％以下、Ｃｕの含有量が１０原子％以下、Ｍｎの含有量が２原子％以下、Ｆｅの含有量が１原子％以下、Ｍｇの含有量が５原子％以下、Ｚｎの含有量が１０原子％以下、Ｔｉの含有量が１原子％以下及びＣｒの含有量が１原子％以下、とされていることを特徴とする請求項１又は請求項２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４】
前記金属層と前記ヒートシンクとを積層し、積層方向に０．３ＭＰａ以上３．０ＭＰａ以下の荷重を負荷した状態で、前記低純度アルミニウム材料の固相線温度（Ｋ）の９０％以上、前記低純度アルミニウム材料の固相線温度未満の保持温度で１時間以上保持することにより、前記金属層と前記ヒートシンクとを固相拡散接合することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項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に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、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、このようなパワー半導体素子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形成された回路層と、セラミックス基板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が、従来から広く用いられている。
また、搭載した半導体素子等から発生した熱を効率的に放散させるために、金属層側にヒートシンクを接合したヒートシンク付パワーモジュール用基板が提供されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、パワーモジュール用基板の回路層及び金属層がアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されるとともにヒートシンクがアルミニウム又はアルミニウム合金で構成され、金属層とヒートシンクとを、はんだ付けまたはろう付けにより接合したヒートシンク付パワーモジュール用基板が開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、セラミックス基板の一方の面及び他方の面にアルミニウムからなる回路層及び金属層が形成され、金属層とヒートシンクとの間に銅板が配置され、金属層と銅板、銅板とヒートシンクがそれぞれはんだ付けされたヒートシンク付パワーモジュール用基板が開示されている。
【０００５】
さらに、特許文献３には、パワーモジュール用基板の回路層及び金属層がアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されるとともにヒートシンクがアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されたヒートシンク付パワーモジュール用基板において、金属層とヒートシンクとの間に、銅又は銅合金で構成された接合材を介在させ、金属層と接合材及び接合材とヒートシンクとをそれぞれ固相拡散接合したものが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−０１６８１３号公報
【特許文献２】特開２００７−２５０６３８号公報
【特許文献３】特開２０１４−０６０２１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、最近では、パワー半導体素子等の高出力化が進められており、これを搭載するヒートシンク付パワーモジュール用基板に対して厳しいヒートサイクルが負荷されることになり、従来にも増して、ヒートサイクルに対する接合信頼性に優れたヒートシンク付パワーモジュール用基板が要求されている。
【０００８】
ここで、特許文献１に記載されたヒートシンク付パワーモジュール用基板において、金属層とヒートシンクとをはんだ付けした場合には、ヒートサイクル負荷時に、はんだにクラックが生じて接合率が低下するといった問題があった。
また、金属層とヒートシンクとをろう付けした場合には、ヒートサイクル負荷時に、セラミックス基板に割れが生じるおそれがあった。
さらに、内部に冷却媒体の流路等が形成された複雑な構造のヒートシンクにおいては、比較的固相線温度が低いアルミニウム鋳物合金によって製造されることがあるが、このようなヒートシンクにおいては、ろう材を用いて接合することは困難であった。
【０００９】
また、特許文献２に記載されたヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、金属層と銅板、銅板とヒートシンクがそれぞれはんだ付けされているので、やはり、ヒートサイクル負荷時に、はんだにクラックが生じて接合率が低下するといった問題があった。
【００１０】
さらに、特許文献３に示す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の間に、銅又は銅合金で構成された接合材を介在させ、金属層と接合材及び接合材とヒートシンクとをそれぞれ固相拡散接合しており、金属層とヒートシンクとの接合界面に金属間化合物が形成される。この金属間化合物は、硬く脆いため、ヒートサイクル負荷時に亀裂等が発生するおそれがあった。
【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、ヒートサイクルが負荷された場合であっても接合界面においてクラック等が生じることを抑制できるヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造可能な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】
【００１２】
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、及び、前記ヒートシンクのうち前記金属層との接合面は、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材料で構成されており、前記金属層の接合面を構成するアルミニウム材料及び前記ヒートシンクの接合面を構成するアルミニウム材料のうちいずれか一方がアルミニウムの純度の高い高純度アルミニウム材料とされ、他方がアルミニウムの純度の低い低純度アルミニウム材料とされており、前記高純度アルミニウム材料と前記低純度アルミニウム材料とのＡｌ以外の含有元素の濃度差を１原子％以上とし、前記金属層と前記ヒートシンクとを、固相拡散接合することを特徴としている。
【００１３】
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おいては、前記金属層のうち前記ヒートシンクとの接合面、及び、前記ヒートシンクのうち前記金属層との接合面は、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材料で構成されており、これら金属層とヒートシンクとを固相拡散接合している。通常、アルミニウム材料同士を固相拡散させる場合、アルミニウムの自己拡散速度が遅いため、強固な固相拡散接合を得るには長い時間を要することになり、工業的には実現できなかった。
【００１４】
ここで、本発明においては、前記金属層の接合面を構成するアルミニウム材料及び前記ヒートシンクの接合面を構成するアルミニウム材料のうちいずれか一方がアルミニウムの純度の高い高純度アルミニウム材料とされ、他方がアルミニウムの純度の低い低純度アルミニウム材料とされており、前記高純度アルミニウム材料と前記低純度アルミニウム材料とのＡｌ以外の含有元素の濃度差を１原子％以上としているので、Ａｌ以外の含有元素が前記低純度アルミニウム材料側から前記高純度アルミニウム材料側へと拡散することにより、アルミニウムの自己拡散が促進され、比較的短時間で金属層とヒートシンクとを確実に固相拡散接合することが可能となる。
【００１５】
そして、このようにヒートシンクと金属層とが固相拡散接合されているので、ヒートサイクルを負荷した場合であっても、接合界面に亀裂等が生じるおそれがなく、ヒートサイクルに対する接合信頼性に優れた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。
【００１６】
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、前記高純度アルミニウム材料と前記低純度アルミニウム材料は、Ａｌ以外の含有元素として、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｍｇ，Ｚｎ，Ｔｉ及びＣｒから選択される１種又は２種以上の元素を含有し、これらの元素の合計量の差が１原子％以上とされていることが好ましい。
この場合、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｍｇ，Ｚｎ，Ｔｉ及びＣｒといった元素は、アルミニウムの自己拡散を促進させる作用効果に優れていることから、ともにアルミニウム材料で構成された金属層とヒートシンクとを短時間で確実に固相拡散接合することが可能となる。
【００１７】
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、前記低純度アルミニウム材料は、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｍｇ，Ｚｎ，Ｔｉ及びＣｒから選択される１種又は２種以上の元素を合計で１原子％以上含有するとともに、Ｓｉの含有量が１５原子％以下、Ｃｕの含有量が１０原子％以下、Ｍｎの含有量が２原子％以下、Ｆｅの含有量が１原子％以下、Ｍｇの含有量が５原子％以下、Ｚｎの含有量が１０原子％以下、Ｔｉの含有量が１原子％以下及びＣｒの含有量が１原子％以下、とされていることが好ましい。
【００１８】
この場合、純度の低い低純度アルミニウム材料が、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｍｇ，Ｚｎ，Ｔｉ及びＣｒから選択される１種又は２種以上の元素を合計で１原子％以上含有しているので、これらの元素を高純度アルミニウム材料側へ拡散させることで、アルミニウムの自己拡散を促進させ、比較的短時間で金属層とヒートシンクとを確実に固相拡散接合することが可能となる。
一方、Ｓｉの含有量が１５原子％以下、Ｃｕの含有量が１０原子％以下、Ｍｎの含有量が２原子％以下、Ｆｅの含有量が１原子％以下、Ｍｇの含有量が５原子％以下、Ｚｎの含有量が１０原子％以下、Ｔｉの含有量が１原子％以下及びＣｒの含有量が１原子％以下に制限されているので、これらの元素によって接合界面が必要以上に硬くなることを抑制でき、ヒートサイクルに対する接合信頼性に優れたヒートシンク付パワーモジュール用基板を確実に製造することができる。
【００１９】
さらに、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、前記金属層と前記ヒートシンクとを積層し、積層方向に０．３ＭＰａ以上３．０ＭＰａ以下の荷重を負荷した状態で、低純度アルミニウム材料の固相線温度（Ｋ）の９０％以上、低純度アルミニウム材料の固相線温度未満の保持温度で1時間以上保持することにより、前記金属層と前記ヒートシンクとを固相拡散接合する構成とすることが好ましい。
この場合、積層方向に０．３ＭＰａ以上３．０ＭＰａ以下の荷重を負荷した状態で、低純度アルミニウム材料の固相線温度（Ｋ）の９０％以上、低純度アルミニウム材料の固相線温度未満の保持温度で1時間以上保持するとした固相拡散接合条件を採用しているので、アルミニウムの拡散移動を促進することができ、前記金属層と前記ヒートシンクとを確実に接合することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、ヒートサイクルが負荷された場合であっても接合界面においてクラック等が生じることを抑制できるヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造可能な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】
【００２１】
【図１】本発明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及びパワーモジュールの概略説明図である。
【図２】図２に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板の金属層とヒートシンクとの接合界面の観察結果及び分析結果を示す図である。
【図３】本発明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の製造方法を示すフロー図である。
【図４】本発明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の製造方法を示す説明図である。
【図５】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及びパワーモジュールの概略説明図である。
【図６】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及びパワーモジュールの概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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及びパワーモジュール１を示す。
【００２３】
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。
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。
また、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。
【００２４】
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（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。
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ものであって、本実施形態では、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。ここで、セラミックス基板１１の厚さは、０．２ｍｍ以上１．５ｍｍ以下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。
【００２５】
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を構成するアルミニウム板２２として、純度９９ｍａｓｓ％以上の２Ｎアルミニウムの圧延板が用いられている。この回路層１２には、回路パターンが形成されており、その一方の面（図１において上面）が、半導体素子３が搭載される搭載面とされている。ここで、回路層１２（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。
【００２６】
金属層１３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２３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を構成するアルミニウム板２３として、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上の４Ｎアルミニウムの圧延板が用いられている。ここで、金属層１３（アルミニウム板２３）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２．０ｍｍに設定されている。
【００２７】
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、金属層１３を構成するアルミニウム（本実施形態では純度９９．９９ｍａｓｓ％以上の４Ｎアルミニウム）とヒートシンク３１構成するアルミニウム合金のＡｌ以外の含有元素の濃度差が１原子％以上となるような材料で構成される。
より好ましくは、Ａｌ以外の含有元素として、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｍｇ，Ｚｎ，Ｔｉ及びＣｒから選択される１種又は２種以上の元素とされているとよい。
さらに好ましくは、Ａｌ以外の含有元素として、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｍｇ，Ｚｎ，Ｔｉ及びＣｒから選択される１種又は２種以上の元素を合計で１原子％以上含有するとともに、Ｓｉの含有量が１５原子％以下、Ｃｕの含有量が１０原子％以下、Ｍｎの含有量が２原子％以下、Ｆｅの含有量が１原子％以下、Ｍｇの含有量が５原子％以下、Ｚｎの含有量が１０原子％以下、Ｔｉの含有量が１原子％以下及びＣｒの含有量が１原子％以下とするとよい。
本実施形態においては、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で構成されている。なお、このＡＤＣ１２は、Ｃｕを１．５ｍａｓｓ％以上３．５ｍａｓｓ％以下、Ｓｉを９．６ｍａｓｓ％以上１２．０ｍａｓｓ％以下の範囲で含むアルミニウム合金である。
【００２８】
そして、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においては、金属層１３とヒートシンク３１とが固相拡散接合によって接合されている。すなわち、本実施形態においては、金属層１３が純度９９．９９ｍａｓｓ％以上の４Ｎアルミニウムで構成されるとともに、ヒートシンク３１がダイカスト用アルミニウム合金であるＡＤＣ１２で構成されていることから、これら金属層１３とヒートシンク３１とでアルミニウムの純度が異なり、金属層１３が高純度アルミニウム材料で構成され、ヒートシンク３１が低純度アルミニウム材料で構成されていることになる。
【００２９】
ここで、図２に示すように、金属層１３とヒートシンク３１との接合界面を観察した結果、ヒートシンク３１に含まれる添加元素（Ｃｕ，Ｓｉ）が金属層１３側に拡散していることが確認される。なお、接合界面から金属層１３側への拡散深さは、Ｃｕが２５μｍ以上、Ｓｉが４５μｍ以上とされている。
【００３０】
次に、上述した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及び図４を参照して説明する。
【００３１】
（アルミニウム板接合工程Ｓ０１）
まず、図４に示すように、回路層１２となるアルミニウム板２２及び金属層１３となるアルミニウム板２３と、セラミックス基板１１とを接合する。本実施形態では、２Ｎアルミニウムの圧延板からなるアルミニウム板２２及び４Ｎアルミニウムの圧延板からなるアルミニウム板２３とＡｌＮからなるセラミックス基板１１とを、それぞれＡｌ−Ｓｉ系ろう材２４によって接合する。
【００３２】
このアルミニウム板接合工程Ｓ０１においては、まず、セラミックス基板１１の一方の面及び他方の面に、それぞれＡｌ−Ｓｉ系ろう材２４を介してアルミニウム板２２、アルミニウム板２３を積層する（アルミニウム板積層工程Ｓ１１）。
次に、積層したセラミックス基板１１、アルミニウム板２２、アルミニウム板２３を積層方向に０．１ＭＰａ以上３．５ＭＰａ以下の荷重を負荷した状態で、真空またはアルゴン雰囲気の加熱炉内に装入して、６００℃以上６５０℃以下、０．５時間以上３時間以下保持することにより、セラミックス基板１１とアルミニウム板２２，アルミニウム板２３との間に溶融金属領域を形成する（加熱工程Ｓ１２）。
その後、冷却することによって溶融金属領域を凝固させる（凝固工程Ｓ１３）。このようにして、アルミニウム板２２とセラミックス基板１１とアルミニウム板２３とを接合し、回路層１２及び金属層１３を形成する。これにより、本実施形態におけるパワーモジュール用基板１０が製造される。
【００３３】
（ヒートシンク接合工程Ｓ０２）
次に、パワーモジュール用基板１０の金属層１３の他方の面（セラミックス基板１１との接合面とは反対側の面）にヒートシンク３１を接合する。
このヒートシンク接合工程Ｓ０２においては、まず、図４に示すように、パワーモジュール用基板１０の他方の面側にヒートシンク３１を積層する（ヒートシンク積層工程Ｓ２１）。
【００３４】
そして、このパワーモジュール用基板１０とヒートシンク３１の積層体を、積層方向に
０．３Ｐａ以上３．０ＭＰａ以下の荷重を負荷した状態で、真空加熱炉の中に装入する。そして、低純度アルミニウム材料の固相線温度（Ｋ）の９０％以上、低純度アルミニウム材料の固相線温度未満の温度で、１時間以上保持して固相拡散接合を行う（固相拡散接合工程Ｓ２２）。なお、低純度アルミニウム材料の固相線温度（Ｋ）の９０％とは、低純度アルミニウム材料の固相線温度を絶対温度で表した時の９０％の温度のことである。本実施形態では、ＡＤＣ１２が低純度アルミニウム材料とされ、その固相線温度は７８８Ｋ（５１５℃）である。よって、加熱温度は固相線温度の９０％、すなわち、７０９．２Ｋ（４３６．２℃）以上、固相線温度未満、すなわち、７８８Ｋ（５１５℃）未満とされる。
【００３５】
本実施形態においては、金属層１３とヒートシンク３１の接合面は、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。なお、このときの金属層１３及びヒートシンク３１のそれぞれの接合面における表面粗さは、算術平均粗さＲａ（ＪＩＳ  Ｂ  ０６０１（１９９４））で０．５μｍ以下の範囲内に設定されている。
【００３６】
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。
【００３７】
（半導体素子接合工程Ｓ０３）
次に、パワーモジュール用基板１０の回路層１２の一方の面に、半導体素子３をはんだ付けにより接合する。
以上の工程により、図１に示すパワーモジュール１が製出される。
【００３８】
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の製造方法によれば、金属層１３を構成するアルミニウム材料が純度９９．９９ｍａｓｓ％以上の４Ｎアルミニウムとされ、ヒートシンク３１を構成するアルミニウム材料がＡＤＣ１２（Ｃｕ：１．５ｍａｓｓ％以上３．５ｍａｓｓ％以下、Ｓｉ：９．６ｍａｓｓ％以上１２．０ｍａｓｓ％以下）で構成されているので、固相拡散接合時において、ヒートシンク３１のＣｕ及びＳｉが金属層１３側へと拡散し、アルミニウムの自己拡散が促進されることになる。これにより、比較的短時間で金属層とヒートシンクとを確実に固相拡散接合することが可能となる。
【００３９】
そして、本実施形態においては、ともにアルミニウム材料で構成された金属層１３とヒートシンク３１とが固相拡散接合されているので、図２に示すように、ヒートシンク３１と金属層１３との接合界面には、異相が形成されていない。
よって、ヒートサイクルを負荷した場合であっても、接合界面に亀裂等が生じるおそれがなく、ヒートサイクルに対する接合信頼性に優れたヒートシンク付パワーモジュール用基板３０を製造することができる。
【００４０】
また、本実施形態においては、ヒートシンク３１を構成するアルミニウム材料がＡＤＣ１２（Ｃｕ：１．５ｍａｓｓ％以上３．５ｍａｓｓ％以下、Ｓｉ：９．６ｍａｓｓ％以上１２．０ｍａｓｓ％以下）で構成されており、これらＣｕ及びＳｉは、アルミニウムの自己拡散を促進させる作用効果に優れていることから、ともにアルミニウム材料で構成された金属層１３とヒートシンク３１とを、短時間で確実に固相拡散接合することが可能となる。
【００４１】
さらに、ヒートシンク３１を構成するアルミニウム材料において、Ｓｉの含有量が１２．０ｍａｓｓ％以下（１１．６原子％以下）、Ｃｕの含有量が３．５ｍａｓｓ％以下（１．５原子％以下）とされているので、これらの元素によって接合界面が必要以上に硬くなることを抑制でき、ヒートサイクルに対する接合信頼性に優れたヒートシンク付パワーモジュール用基板を確実に製造することができる。
【００４２】
また、金属層１３とヒートシンク３１とを積層し、積層方向に０．３ＭＰａ以上３．０ＭＰａ以下の荷重を負荷した状態で、低純度アルミニウム材料の固相線温度（Ｋ）の９０％以上低純度アルミニウム材料の固相線温度未満の保持温度で１時間以上保持することにより、金属層１３とヒートシンク３１とを固相拡散接合しているので、アルミニウムの拡散移動を促進することができ、金属層１３とヒートシンク３１とを確実に接合することができる。
荷重が０．３ＭＰａ以上の場合、接合初期の接触面積が十分に確保されることで金属層１３とヒートシンク３１とを良好に接合することができる。また、荷重が３．０ＭＰａ以下の場合、金属層１３やヒートシンク３１に変形が生じることを抑制できる。
保持温度が低純度アルミニウム材料の固相線温度（Ｋ）の９０％以上の場合、十分な拡散速度を確保でき、金属層１３とヒートシンク３１とを良好に接合することができる。保持温度が低純度アルミニウム材料の固相線温度未満の場合、液相が発生することが無く、また、金属層１３やヒートシンク３１に変形が生じることを抑制できるため、金属層１３とヒートシンク３１とを確実に固相拡散接合することができる。
保持時間が１時間以上の場合、固相拡散を十分に進行させることができ、金属層１３とヒートシンク３１とを良好に接合することができる。
【００４３】
さらに、本実施形態においては、接合前の金属層１３及びヒートシンク３１の接合面の傷を除去するとともに、その表面粗さを、算術平均粗さＲａ（ＪＩＳ  Ｂ  ０６０１（１９９４））で０．５μｍ以下の範囲内に設定しているので、金属層１３とヒートシンク３１とを確実に接触させて、アルミニウム原子、及び、ヒートシンク３１の添加元素（Ｃｕ，Ｓｉ）の拡散移動を促進させることができ、金属層１３とヒートシンク３１とを確実に接合することができる。
【００４４】
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、金属層及びヒートシンクの材質は、本実施形態に限定されることはなく、金属層の接合面を構成するアルミニウム材料及びヒートシンクの接合面を構成するアルミニウム材料のうちいずれか一方がアルミニウムの純度の高い高純度アルミニウム材料とされ、他方がアルミニウムの純度の低い低純度アルミニウム材料とされ、高純度アルミニウム材料と低純度アルミニウム材料とのＡｌ以外の含有元素の濃度差を１原子％以上とされていればよい。
【００４５】
具体的には、本実施形態では、金属層を純度９９．９９ｍａｓｓ％の４Ｎアルミニウムで構成されたものとして説明したが、これに限定されることはなく、他の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であってもよい。例えば、Ａ１０５０やＡ１０８５等の純度９９ｍａｓｓ％以上の２Ｎアルミニウムを用いてもよい。この場合、金属層の初期の不純物濃度が高いことから、接合温度における結晶粒成長が抑制され、粒界拡散が期待できるため、ヒートシンク側からの含有元素の拡散移動を促進することが可能となる。
【００４６】
さらに、本実施形態では、ヒートシンクをＡＤＣ１２で構成したものとして説明したが、これに限定されることはなく、他の純アルミニウム又はＡ３００３やＡ６０６３等のアルミニウム合金で構成されたものであってもよい。
また、ヒートシンク側が高純度アルミニウム材料とされ、金属層側が低純度アルミニウム材料で構成されていてもよい。
【００４７】
また、本実施形態では、金属層全体が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て説明したが、これに限定されることはなく、例えば図５に示すように、金属層のうちヒートシンクとの接合面がアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されていればよい。この図５に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板１３０及びパワーモジュール１０１においては、金属層１１３が、銅層１１３Ａとアルミニウム層１１３Ｂとが積層された構造とされており、セラミックス基板１１と銅層１１３Ａとが接合され、アルミニウム層１１３Ｂとヒートシンク１３１とが固相拡散接合されている。なお、図５においては、回路層１１２も銅層１１２Ａとアルミニウム層１１２Ｂとが積層された構造とされており、アルミニウム層１１２Ｂに半導体素子３がはんだ層２を介して接合されている。
【００４８】
同様に、本実施形態では、ヒートシンク全体が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て説明したが、これに限定されることはなく、例えば図６に示すように、ヒートシンクのうち金属層との接合面がアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されていればよい。この図６に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板２３０及びパワーモジュール２０１においては、ヒートシンク２３１が、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層２３１Ｂと銅又は銅合金からなるヒートシンク本体２３１Ａとが積層された構造とされており、金属層２１３とアルミニウム層２３１Ｂ（ヒートシンク２３１）とが固相拡散接合されている。
【００４９】
また、本実施形態では、回路層を構成するアルミニウム板を、純度が９９ｍａｓｓ％以上の２Ｎアルミニウムで構成され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９９．９９ｍａｓｓ％以上の純アルミニウムや、他の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であってもよい。
さらに、本発明においては回路層の構造に限定はなく、適宜設計変更することができる。例えば、銅又は銅合金で構成されていてもよいし、図５に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板１３０及びパワーモジュール１０１のように、回路層１１２が銅層１１２Ａとアルミニウム層１１２Ｂとの積層構造とされていてもよい。
【００５０】
さらに、本実施形態においては、回路層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を、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材を用いて接合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、過渡液相接合法（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｐｈａｓｅ  Ｂｏｎｄｉｎｇ）、鋳造法、金属ペースト法等を用いて接合してもよい。
【００５１】
また、本実施形態においては、絶縁層をＡｌＮからなるセラミックス基板で構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、Ｓｉ３Ｎ４やＡｌ２Ｏ３等の他のセラミックス基板を用いてもよい。
さらに、絶縁層、回路層、金属層、ヒートシンクの厚さは、本実施形態に限定されることはなく、適宜設計変更してもよい。
【実施例】
【００５２】
本発明の有効性を確認するために行った確認実験について説明する。
図５のフロー図に記載した手順に従って、本発明例及び比較例のヒートシンク付パワーモジュール用基板を作製した。
なお、セラミックス基板は、ＡｌＮで構成され、４０ｍｍ×４０ｍｍ、厚さ０．６３５ｍｍのものを使用した。
【００５３】
回路層は、純度９９ｍａｓｓ％以上の２Ｎアルミニウムの圧延板（３７ｍｍ×３７ｍｍ、厚さ０．６ｍｍ）をＡｌ−７．５ｍａｓｓ％Ｓｉろう材を用いてセラミックス基板に接合することによって形成した。
金属層は、表１に示すアルミニウム材料からなる圧延板（３７ｍｍ×３７ｍｍ、厚さ０．６ｍｍ）をＡｌ−７．５ｍａｓｓ％Ｓｉろう材を用いてセラミックス基板に接合することによって形成した。
ヒートシンクは、表２記載の材質で構成され、５０ｍｍ×５０ｍｍ、厚さ５ｍｍのものを使用した。
金属層とヒートシンクとの固相拡散接合は、表３に示す条件で実施した。
【００５４】
また、従来例１から３として次のヒートシンク付パワーモジュール用基板を作製した。
回路層となる２Ｎアルミニウムの圧延板（３７ｍｍ×３７ｍｍ、厚さ０．６ｍｍ）とＡｌＮで構成されたセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ、厚さ０．６３５ｍｍ）と金属層となる４Ｎアルミニウムの圧延板（３７ｍｍ×３７ｍｍ、厚さ０．６ｍｍ）とを、Ａｌ−７．５ｍａｓｓ％Ｓｉろう材を介して積層し、積層方向に５ｋｇｆ／ｃｍ２で加圧した状態で、真空加熱炉内に装入し、６５０℃で３０分加熱することによって接合し、パワーモジュール用基板を作製した。
【００５５】
そして、従来例１では、パワーモジュール用基板とＮｉめっきを施したヒートシンク（Ａ６０６３の圧延板、５０ｍｍ×５０ｍｍ、厚さ５ｍｍ）とをＳｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだを介して接合した。
従来例２では、パワーモジュール用基板とヒートシンク（Ａ６０６３の圧延板、５０ｍｍ×５０ｍｍ、厚さ５ｍｍ）とをＡｌ−１０ｍａｓｓ％Ｓｉろう材を介して接合した。
従来例３では、パワーモジュール用基板とヒートシンク（Ａ６０６３の圧延板、５０ｍｍ×５０ｍｍ、厚さ５ｍｍ）とをＣｕ箔（厚さ：２００μｍ）を介して固相拡散接合した。
【００５６】
（含有元素の拡散距離）
得られた本発明例のヒートシンクと金属層との接合界面近傍の断面観察を行い、低純度アルミニウム材料側から高純度アルミニウム材料側へのＡｌ以外の含有元素の拡散距離を測定した。評価結果を表４に示す。
含有元素の拡散距離は、低純度アルミニウム材料と高純度アルミニウム材料の接合界面から高純度アルミニウム材料側に向かってＥＰＭＡ（日本電子株式会社社製ＪＸＡ−８５３０Ｆ）によるライン分析を行い、距離と含有元素濃度を測定し、含有元素濃度が半分となる距離を拡散距離とした。
【００５７】
（ヒートサイクル試験）
ヒートサイクル試験は、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℃×５分←→１５０℃×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後の接合率を以下のようにして評価した。また、ヒートサイクル試験後のセラミックス割れの有無を目視で評価した。評価結果を表４に示す。
【００５８】
（接合率）
金属層とヒートシンクとの接合率は、超音波探傷装置（日立パワーソリューションズ社製ＦｉｎｅＳＡＴ２００）を用いて以下の式を用いて求めた。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（３７ｍｍ角）とした。超音波探傷像を二値化処理した画像において剥離は接合部内の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）
【００５９】
【表１】
0006332108.tif 000002
【００６０】
【表２】
0006332108.tif 000003
【００６１】
【表３】
0006332108.tif 000004
【００６２】
【表４】
0006332108.tif 000005
【００６３】
従来例１では、ヒートサイクル試験後に接合率が大きく低下した。ヒートサイクルによってはんだ層にクラックが発生したためと推測される。
従来例２では、ヒートサイクル試験後に接合率が低下し、セラミックス基板に割れが確認された。
また、金属層とヒートシンクとを同じ純度のアルミニウム材料で構成した比較例１−３においては、上述の固相拡散条件では、金属層とヒートシンクとを接合することができなかった。
【００６４】
これに対して、本発明例によれば、いずれもヒートサイクル後に接合率が大きく上昇しておらず、また、セラミックス割れも確認されておらず、接合信頼性に優れている。
以上のことから、本発明によれば、ヒートサイクルが負荷された場合であっても接合界面においてクラック等が生じることを抑制できるヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造可能であることが確認された。
【符号の説明】
【００６５】
１、１０１、２０１  パワーモジュール
１０、１１０、２１０  パワーモジュール用基板
１１  セラミックス基板
１２、１１２、２１２  回路層
１３、１１３、２１３  金属層
３０、１３０、２３０  ヒートシンク付パワーモジュール用基板
３１、１３１、２３１  ヒートシンク
【図１】
0006332108.tif 000006
【図２】
0006332108.tif 000007
【図３】
0006332108.tif 000008
【図４】
0006332108.tif 000009
【図５】
0006332108.tif 000010
【図６】
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