(57)【要約】【課題】絶縁回路基板の金属層とＡｌＳｉＣなどのアルミニウム合金を母材とするヒートシンクとをろう材を用いて、ヒートシンクの母材を溶融させずに、高い接合信頼性で接合できるヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法を提供する。【解決手段】ろう材として、Ａｌ部材層と、このＡｌ部材層の表裏面の少なくとも一方の面に形成されたＭｇ層とを有する積層ろう材を用い、絶縁回路基板の金属層のヒートシンクとの接合面、ヒートシンクおよび積層ろう材のＡｌ部材層のうちの少なくとも一つを、Ｓｉ含有量が０．１原子％以上のＡｌ−Ｓｉ合金で構成し、このＡｌ−Ｓｉ合金とＭｇ層とが接触するように積層ろう材を介して、絶縁回路基板の金属層とヒートシンクとを積層して、積層体を形成する工程と、この積層体を加熱して、金属層とヒートシンクとを接合する加熱工程とを備えている製造方法。【選択図】図３
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【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を有する絶縁回路基板の前記金属層と、ヒートシンクとをろう材を用いて接合するヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法であって、
前記金属層は、前記ヒートシンクとの接合面がＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ部材で構成され、
前記ヒートシンクは、ＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ部材、もしくは炭化ケイ素質部材中にＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ部材が充填されたＡｌ基複合材料で構成されており、
前記ろう材は、ＡｌまたはＡｌ合金で構成されているＡｌ部材層と、このＡｌ部材層の表裏面の少なくとも一方の面に形成されたＭｇ層とを有する積層ろう材であり、
前記金属層の前記ヒートシンクとの接合面、前記ヒートシンクおよび前記Ａｌ部材層を構成するＡｌ部材のうちの少なくとも一つは、Ｓｉ含有量が０．１原子％以上であるＡｌ−Ｓｉ合金からなり、
前記Ａｌ−Ｓｉ合金と前記Ｍｇ層とが接触するように配置された前記積層ろう材を介して、前記金属層と前記ヒートシンクとを積層して、積層体を形成する積層工程と、
前記積層体を５５０℃以上５７５℃以下の温度範囲で加熱して、前記金属層と、ヒートシンクとを接合する加熱工程と、
を備えていることを特徴とするヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法。
【請求項２】
前記ヒートシンクを構成するＡｌ部材が前記Ａｌ−Ｓｉ合金であって、
前記積層工程において、前記Ｍｇ層が前記ヒートシンクと接触するように、前記積層ろう材を配置することを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法。
【請求項３】
前記ろう材の前記Ａｌ部材層を構成するＡｌ部材が前記Ａｌ−Ｓｉ合金であることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法。
【請求項４】
前記Ｍｇ層のＭｇ量〔Ｍｇ〕と前記ろう材の前記Ａｌ部材層のＳｉ量〔Ｓｉ〕と原子比〔Ｍｇ〕／〔Ｓｉ〕が２．０未満であることを特徴とする請求項３に記載のヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法。
【請求項５】
前記金属層の前記ヒートシンクとの接合面を構成するＡｌ部材が前記Ａｌ−Ｓｉ合金であって、
前記積層工程において、前記Ｍｇ層が前記金属層と接触するように、前記積層ろう材を配置することを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法。
【請求項６】
前記加熱工程にて、前記積層体を、積層方向に０．１ＭＰａ以上３．５ＭＰａ以下の圧力を付与しながら加熱することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法。
【請求項７】
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有する絶縁回路基板と、ヒートシンクと、を備えたヒートシンク付絶縁回路基板であって、
前記金属層は、前記ヒートシンクとの接合面がＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ部材で構成され、
前記ヒートシンクは、ＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ部材、もしくは炭化ケイ素質部材中にＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ部材が充填されたＡｌ基複合材料で構成されており、
前記金属層と前記ヒートシンクとの間に接合層が形成されており、当該接合層内に、Ｍｇ２Ｓｉ相が分散されていることを特徴とするヒートシンク付絶縁回路基板。
【請求項８】
前記接合層には、Ｓｉ相が分散されていることを特徴とする請求項７に記載のヒートシンク付絶縁回路基板。
【請求項９】
前記金属層のＡｌ部材及び前記ヒートシンクのＡｌ部材の内部に、Ｍｇ２Ｓｉ相が分散されていることを特徴とする請求項７又は請求項８に記載のヒートシンク付絶縁回路基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法、及び、ヒートシンク付絶縁回路基板に関する。
【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）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）などのセラミックスからなる絶縁基板と、この絶縁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、を備えた絶縁回路基板が、従来から広く用いられている。なお、絶縁回路基板としては、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】
また、回路層に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、絶縁回路基板の金属層側にヒートシンクを接合したヒートシンク付絶縁回路基板が提供されている。ヒートシンクの材料としては、アルミニウム合金やＡｌＳｉＣに代表される炭化ケイ素質部材中にアルミニウムもしくはアルミニウム合金が充填されたアルミニウム基複合材料などのアルミニウム系材料が広く利用されている。
【０００４】
絶縁回路基板とＡｌＳｉＣとを接合する方法としては、ろう材を用いる方法と、ＡｌＳｉＣの被覆層（スキン層）の一部を溶融させる方法が知られている。
【０００５】
特許文献１には、主に炭化ケイ素からなる多孔体に、初晶温度が６１５℃以上であるアルミニウム合金を含浸して形成されたＡｌＳｉＣ系複合体と、絶縁回路基板とを、ろう材を用いて接合することが開示されている。なお、この特許文献１の実施例では、ＡｌＳｉＣ系複合体と絶縁回路基板を、アルミニウム系ろう材を用いて５９０℃でろう付けしている。
【０００６】
特許文献２には、ヒートシンクとしてＳｉとＭｇとが所定の量で含有されたアルミニウム合金の被覆層が形成されているＡｌＳｉＣ系複合材料を用い、このＡｌＳｉＣ系複合材料の被覆層の一部を溶融させて、絶縁回路基板とＡｌＳｉＣ系複合材料とを接合することが開示されている。
【０００７】
特許文献３には、絶縁回路基板とヒートシンクとの接合を、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材にＭｇが含有されたろう材箔を用いて、５９０℃以上６３０℃以下の加熱温度で接合することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−３０６７３０号公報
【特許文献２】特開２０１４−１３８１２４号公報
【特許文献３】特開２０１３−２１４５７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
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絶縁回路基板では、パワー半導体素子等にて発生した熱を、ヒートシンクにて効率良く外部に放出できるように、絶縁回路基板とヒートシンクとを高い接合信頼性で接合することが要求される。しかしながら、特許文献１に開示されている絶縁回路基板とＡｌＳｉＣとを、アルミニウム系ろう材を用いて接合する方法では、ろう付けの接合温度が高いため、ＡｌＳｉＣの母材が部分的に溶融して、ＡｌＳｉＣが歪んで変形し、絶縁回路基板とＡｌＳｉＣとを高い接合信頼性で接合するのが難しくなることがある。また、特許文献２に記載されているＡｌＳｉＣ系複合材料の被覆層の一部を溶融させる方法においては、ＡｌＳｉＣ系複合材料の被覆層の一部のみを溶融させることが難しく、ＡｌＳｉＣの母材が部分的に溶融することがある。
【００１０】
また、特許文献３に開示されているように、絶縁回路基板とＡｌＳｉＣとを、Ｍｇ含有Ａｌ−Ｓｉ系ろう材を用いて接合する方法では、ろう付けの接合温度が高いため、ＡｌＳｉＣの母材が部分的に溶融して、ＡｌＳｉＣが歪んで変形し、絶縁回路基板とＡｌＳｉＣとを高い接合信頼性で接合するのが難しくなることがある。接合温度を下げるためには、Ｍｇ含有Ａｌ−Ｓｉ系ろう材のＭｇ含有量を多くし、ろう材の融点を下げることが考えられるが、Ｍｇ含有量を多くした場合、ろう材箔の延性が低下するために、ろう材箔を製造することが困難となる。
また、ヒートシンクとしてＡｌＳｉＣを用いた場合に限らず、ヒートシンクにアルミニウム合金を用いた場合でもアルミニウム合金母材の部分的な溶融が起こるおそれがある。
【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、絶縁回路基板の金属層とＡｌＳｉＣなどのアルミニウム合金を母材とするヒートシンクとをろう材を用いて、ヒートシンクの母材を溶融させずに、高い接合信頼性で接合できるヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法、及び、ヒートシンク付絶縁回路基板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、本発明のヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法は、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有する絶縁回路基板の前記金属層と、ヒートシンクとをろう材を用いて接合するヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法であって、前記金属層は、前記ヒートシンクとの接合面がＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ部材で構成され、前記ヒートシンクは、ＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ部材、もしくは炭化ケイ素質部材中にＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ部材が充填されたＡｌ基複合材料で構成されており、前記ろう材は、ＡｌまたはＡｌ合金で構成されているＡｌ部材層と、このＡｌ部材層の表裏面の少なくとも一方の面に形成されたＭｇ層とを有する積層ろう材であり、前記金属層の前記ヒートシンクとの接合面、前記ヒートシンクおよび前記Ａｌ層を構成するＡｌ部材のうちの少なくとも一つは、Ｓｉ含有量が０．１原子％以上であるＡｌ−Ｓｉ合金からなり、前記Ａｌ−Ｓｉ合金と前記Ｍｇ層とが接触するように配置された前記積層ろう材を介して、前記金属層と前記ヒートシンクとを積層して、積層体を形成する積層工程と、前記積層体を５５０℃以上５７５℃以下の温度範囲で加熱して、前記金属層と、ヒートシンクとを接合する加熱工程とを備えていることを特徴としている。
【００１３】
この構成のヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法によれば、ろう材として、Ａｌ部材層と、このＡｌ部材層の表裏面の少なくとも一方の面に形成されたＭｇ層とを有する積層ろう材を用い、金属層のヒートシンクとの接合面、ヒートシンクおよび積層ろう材のＡｌ部材層のうちの少なくとも一つを、Ｓｉ含有量が０．１原子％以上のＡｌ−Ｓｉ合金で構成し、このＡｌ−Ｓｉ合金とＭｇ層とが接触するように積層ろう材を介して、金属層とヒートシンクとを積層して形成した積層体を加熱して、金属層とヒートシンクとを接合する。上記の積層体を加熱すると、積層ろう材のＭｇ層のＭｇがＡｌ−Ｓｉ合金中に拡散することによって、Ａｌ−Ｓｉ合金中のＳｉと拡散してきたＭｇとが反応することによって局所的に高濃度のＭｇ２Ｓｉが生成され、ＡｌとＭｇ２ＳｉとＭｇとが共存する領域やＡｌとＭｇ２ＳｉとＳｉとが共存する領域が形成される。この領域は５７５℃以下で接合に十分な量の液相を生成することが可能である。従来のアルミニウムを主成分とするアルミニウム系ろう材、Ｍｇ含有Ａｌ−Ｓｉ系ろう材、Ｍｇ含有ろう材を皮材としたクラッド材などのろう材は、５７５℃以下では、接合に十分な量の液相を生成することができない。そして、金属層とヒートシンクとはともにＡｌ部材から構成されているので、この液相は、金属層とヒートシンクとに拡散し、両者が接合される。よって、上記の構成のヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法によれば、従来のろう材を用いた場合と比較して低温での加熱によって、ヒートシンクの母材を溶融させずに、金属層とヒートシンクとが高い接合信頼性で接合したヒートシンク付絶縁回路基板を得ることができる。
【００１４】
また、上記の積層ろう材は、Ａｌ部材層とＭｇ層とが分離した構造を有するので、Ｍｇ層のＭｇ濃度を高くできる。従来のＭｇ含有Ａｌ−Ｓｉ系ろう材やＭｇ含有ろう材を皮材としたクラッド材を用いて本件発明の効果を奏するためには、Ｍｇの濃度を高くしなければならないが、この場合、圧延性が低下し、Ｍｇ含有Ａｌ−Ｓｉ系ろう材を得ることができない。そのため、本件発明においては、上記の積層ろう材を用いている。上記の積層ろう材は、Ａｌ部材層とＭｇ層とが分離した構造を有するので、Ｍｇ層のＭｇ濃度を高くできる。Ｍｇ濃度が高いＭｇ層を有しているので、Ｍｇ層に接触しているＡｌ−Ｓｉ合金にＭｇを確実に拡散することができる。
【００１５】
また、Ｍｇ層に接触しているＡｌ−Ｓｉ合金は、Ｓｉ含有量が０．１原子％以上に設定されている。Ｓｉ含有量が０．１原子％未満だと、ＡｌとＭｇ２ＳｉとＭｇとが共存する領域やＡｌとＭｇ２ＳｉとＳｉとが共存する領域で生成する液相の量が少なくなり、金属層とヒートシンクとの接合性が低下する。
また、加熱温度が５５０℃未満の場合、液相の生成量が少なくなるため、接合性が低下する。５７５℃を超えた場合、ろうこぶやヒートシンク母材の溶融が生じる。
【００１６】
以上の理由により、上記のヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法によれば、比較的低温での加熱によって、金属層とヒートシンクとが高い接合信頼性で接合したヒートシンク付絶縁回路基板を得ることができると考えられる。
【００１７】
ここで、本発明のヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法においては、前記ヒートシンクを構成するＡｌ部材が前記Ａｌ−Ｓｉ合金であって、前記積層工程において、前記Ｍｇ層が前記ヒートシンクと接触するように、前記積層ろう材を配置してもよい。
この場合は、ヒートシンクを構成しているＡｌ−Ｓｉ合金中にＭｇ層のＭｇが拡散することによって、ＡｌとＭｇ２ＳｉとＭｇとが共存する領域やＡｌとＭｇ２ＳｉとＳｉとが共存する領域が形成される。よって、比較的低温での加熱により液相を生成して、金属層とヒートシンクとを接合することが可能となる。なお、絶縁回路基板の金属層のヒートシンクとの接合面および積層ろう材のＡｌ部材層を構成しているＡｌ部材としては、純ＡｌもしくはＳｉ含有量が０．１原子％未満のＡｌ合金を用いることができる。
【００１８】
また、本発明のヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法においては、前記ろう材の前記Ａｌ部材層を構成するＡｌ部材が前記Ａｌ−Ｓｉ合金であってもよい。
この場合は、積層ろう材のＡｌ部材層を構成しているＡｌ−Ｓｉ合金中にＭｇ層中のＭｇが拡散することによって、ＡｌとＭｇ２ＳｉとＭｇとが共存する領域やＡｌとＭｇ２ＳｉとＳｉとが共存する領域が形成される。よって、比較的低温での加熱により液相を生成して、金属層とヒートシンクとを接合することが可能となる。なお、絶縁回路基板の金属層のヒートシンクとの接合面およびヒートシンクを構成しているＡｌ部材としては、純ＡｌもしくはＳｉ含有量が０．１原子％未満のＡｌ合金を用いることができる。
【００１９】
ここで、前記Ｍｇ層のＭｇ量〔Ｍｇ〕と前記ろう材の前記Ａｌ部材層のＳｉ量〔Ｓｉ〕と原子比〔Ｍｇ〕／〔Ｓｉ〕は２．０未満であることが好ましい。
この場合、ＭｇとＳｉとが反応してＭｇ２Ｓｉが生成されるが、Ｍｇ２Ｓｉの生成に使われたＳｉ以外の余剰のＳｉが金属層とヒートシンクとの間に存在することで、接合界面の組成がＡｌ−Ｍｇ２Ｓｉ−Ｓｉの擬３元系となり、固相線温度が低くなる。よって、比較的低温条件であっても、接合界面に液相を出現させることができ、絶縁回路基板の金属層とヒートシンクとを確実に接合することができる。
【００２０】
さらに、本発明のヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法においては、前記金属層の前記ヒートシンクとの接合面を構成するＡｌ部材が前記Ａｌ−Ｓｉ合金であって、前記積層工程において、前記Ｍｇ層が前記金属層と接触するように、前記積層ろう材を配置してもよい。
この場合は、絶縁回路基板の金属層を構成しているＡｌ−Ｓｉ合金中にＭｇ層中のＭｇが拡散することによって、ＡｌとＭｇ２ＳｉとＭｇとが共存する領域やＡｌとＭｇ２ＳｉとＳｉとが共存する領域が形成される。よって、比較的低温での加熱により液相を生成して、金属層とヒートシンクとを接合することが可能となる。なお、積層ろう材のＡｌ部材層およびヒートシンクを構成しているＡｌ部材としては、純ＡｌもしくはＳｉ含有量が０．１原子％未満のＡｌ合金を用いることができる。
【００２１】
さらにまた、本発明のヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法においては、前記加熱工程にて、前記積層体を積層方向に０．１ＭＰａ以上３．５ＭＰａ以下の圧力を付与しながら加熱することが好ましい。
この場合、絶縁回路基板及びヒートシンクに亀裂や破損を生じさせずに、絶縁回路基板の金属層とヒートシンクとを高い接合信頼性で確実に接合することが可能となる。
【００２２】
本発明のヒートシンク付絶縁回路基板は、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を有する絶縁回路基板と、ヒートシンクと、を備えたヒートシンク付絶縁回路基板であって、前記金属層は、前記ヒートシンクとの接合面がＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ部材で構成され、前記ヒートシンクは、ＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ部材、もしくは炭化ケイ素質部材中にＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ部材が充填されたＡｌ基複合材料で構成されており、前記金属層と前記ヒートシンクとの間に接合層が形成されており、当該接合層内に、Ｍｇ２Ｓｉ相が分散されていることを特徴としている。
【００２３】
この構成のヒートシンク付絶縁回路基板によれば、前記金属層と前記ヒートシンクとの間に接合層が形成されており、当該接合層内に、Ｍｇ２Ｓｉ相が分散されているので、接合界面においてＭｇ層のＭｇとＡｌ−Ｓｉ合金のＳｉとが十分に反応していることになる。また、Ｍｇ層のＭｇによって、金属層の接合面及びヒートシンクの接合面に形成された酸化アルミニウム膜が除去される。
よって、絶縁回路基板の金属層とヒートシンクとの接合強度に優れたヒートシンク付絶縁回路基板を得ることができる。
【００２４】
ここで、本発明のヒートシンク付絶縁回路基板においては、前記接合層には、Ｓｉ相が分散されていることが好ましい。
この場合、前記接合層にＳｉ相が分散されていることから、金属層とヒートシンクとの接合界面に存在するＳｉ量が、Ｍｇ量に対してＭｇ２Ｓｉの構成比よりも多くなっていることになり、絶縁回路基板の金属層とヒートシンクとが確実に接合することができる。
【００２５】
また、前記金属層のＡｌ部材及び前記ヒートシンクのＡｌ部材の内部に、Ｍｇ２Ｓｉ相が分散されていることが好ましい。
この場合、接合界面に配置されたＭｇが前記金属層のＡｌ部材及び前記ヒートシンクのＡｌ部材の内部にまで拡散しており、前記金属層の接合面及びヒートシンクの接合面に形成された酸化アルミニウム膜が確実に除去されており、絶縁回路基板の金属層とヒートシンクとの接合強度に優れている。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、絶縁回路基板の金属層とＡｌＳｉＣなどのアルミニウム合金を母材とするヒートシンクとをろう材を用いて、ヒートシンクの母材を溶融させずに、高い接合信頼性で接合できるヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法、及び、ヒートシンク付絶縁回路基板を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明のヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法によって得られるヒートシンク付絶縁回路基板の一例を示す概略断面図である。
【図２】図１における金属層とヒートシンクとの接合層の拡大断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係るヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法を説明する概略断面図である。
【図４】図３に示すヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法において、接合界面の反応状態を示す説明図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係るヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法を説明する概略断面図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係るヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法を説明する概略断面図である。
【図７】本発明のヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法によって得られるヒートシンク付絶縁回路基板の別の一例を示す概略断面図である。
【図８】本発明の第４実施形態に係るヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法を説明する概略断面図である。
【図９】実施例２において接合界面の断面を観察した結果を示す観察写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、図面を参照して、本発明のヒートシンク付き絶縁回路基板、及び、ヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法の一実施形態について説明する。なお、以下に示す各実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
【００２９】
まず、本発明のヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法によって得られるヒートシンク付絶縁回路基板の構成を、図１と図２を参照して説明する。
図１は、本発明のヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法によって得られるヒートシンク付絶縁回路基板の一例を示す概略断面図である。図２は、図１における金属層とヒートシンクとの接合層の拡大断面図である。
【００３０】
図１において、ヒートシンク付絶縁回路基板１０は、絶縁回路基板２０と、絶縁回路基板２０の金属層２３に接合されたヒートシンク３０と、を備えている。
【００３１】
絶縁回路基板２０は、絶縁層となるセラミックス基板２１と、このセラミックス基板２１の一方の面（図１において上面）に形成された回路層２２と、セラミックス基板２１の他方の面（図１において下面）に形成された金属層２３と、を備えている。
【００３２】
セラミックス基板（絶縁層）２１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、セラミックス基板２１は、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）で構成されている。セラミックス基板２１の厚さは、例えば、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。
【００３３】
回路層２２は、セラミックス基板２１の一方の面にＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ部材が接合されることで形成されている。Ａｌ部材としては、純度が９９質量％以上のＡｌ（２Ｎアルミニウム）や純度が９９．９９質量％以上のＡｌ（４Ｎアルミニウム）を用いることができる。本実施形態では、４Ｎアルミニウムの圧延板を用いている。回路層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０．４ｍｍに設定されている。回路層２２とセラミックス基板２１とは、例えば、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材によって接合されている。
【００３４】
回路層２２の材料としては、Ａｌ部材以外に、ＣｕまたはＣｕ合金からなるＣｕ部材を用いることができる。例えば、セラミックス基板２１に無酸素銅の圧延板を接合して回路層２２とすることができる。また、回路層２２として、Ａｌ部材とＣｕ部材とを接合した接合体を用いてもよい。例えば、セラミックス基板２１にＡｌ部材を接合し、さらにそのＡｌ部材にＣｕ部材を接合した接合体を回路層２２とすることができる。Ａｌ部材とＣｕ部材とを接合する場合は、Ａｌ部材とＣｕ部材との間にＴｉからなるＴｉ部材を介在させることが好ましい。Ｔｉ部材を介在させることによって、後述する製造方法において、加熱工程をＡｌとＣｕの共晶温度（５４０℃）以上の温度で行うことができる。
【００３５】
金属層２３は、セラミックス基板２１の他方の面にＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ部材が接合されることで形成されている。金属層２３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０．４ｍｍに設定されている。金属層２３とセラミックス基板２１とは、例えば、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材によって接合されている。
【００３６】
ヒートシンク３０は、絶縁回路基板２０側の熱を放散するためのものである。ヒートシンク３０は、Ａｌ合金からなるＡｌ部材、もしくは炭化ケイ素質部材中にＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ部材が充填されたＡｌ基複合材料から構成されている。Ａｌ合金としては、純Ａｌ（例えば、Ａ１０５０）、Ａｌ−Ｍｎ系合金（例えば、Ａ３００３）、Ａｌ−Ｓｉ系合金（例えば、Ａ４０４３）、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金（例えば、Ａ６０６３）を用いることができる。Ａｌ基複合材料としては、ＡｌＳｉＣを用いることができる。ＡｌＳｉＣは、被覆層を有してもよいし、有していなくてもよい。
【００３７】
絶縁回路基板２０の金属層２３とヒートシンク３０との間には、接合層４０が形成されている。接合層４０は、図２に示すように、Ｍｇ２ＳｉからなるＭｇ２Ｓｉ相４１が分散された組織を有する。このＭｇ２Ｓｉ相４１が分散されている接合層４０は、次に述べる製造方法によって、金属層２３とヒートシンク３０とを接合することによって形成される。
【００３８】
なお、図２に示すように、接合層４０には、Ｓｉ単体相４２も分散している。さらに、Ｍｇ２Ｓｉ相４１は、金属層２３とヒートシンク３０の内部にも分散している。
なお、Ｍｇ２Ｓｉ相４１は、ＳｉとＭｇとの包晶反応で形成されることから、Ｍｇ２Ｓｉ相４１の中心にＳｉが存在し、このＳｉの周囲にＭｇ２Ｓｉが形成されている場合もある。
ここで、接合層４０の厚さｔは、３μｍ以上５０μｍ以下の範囲内とされている。なお、ヒートシンク３０の接合面及び金属層２３の接合面には、酸化アルミニウム膜とＭｇとが反応して形成されたＭｇ酸化物（ＭｇＯ、ＭｇＡｌ２Ｏ４（スピネル）等）が存在しており、それぞれ酸素偏析層として観察されるため、これら酸素偏析層に挟まれた領域が接合層４０となる。
【００３９】
次に、図1と図２に示す上記構成のヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法を説明する。
（第１実施形態）
図３は、第１実施形態に係るヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法を説明する断面図である。
【００４０】
第１実施形態のヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法では、先ず、図３（ａ）に示すように、絶縁回路基板２０と、積層ろう材５０Ｓと、ヒートシンク３０とを用意する。
【００４１】
本実施形態において、絶縁回路基板２０は、セラミックス基板２１の一方の面及び他方の面に純度が９９．９９質量％以上のＡｌ（４Ｎアルミニウム）の圧延板を接合することで製造されている。
【００４２】
積層ろう材５０Ｓは、Ｓｉ含有量が０．１原子％以上のＡｌ−Ｓｉ合金からなる箔状のＡｌ部材で構成されているＡｌ部材層５１Ｓと、このＡｌ部材層５１Ｓの表裏面の一方の面（図３（ａ）において下面）に形成されたＭｇ層５２とからなる。なお、Ａｌ部材層５１ＳのＳｉ含有量は１２．５原子％以下とすることが望ましい。Ｓｉ含有量が１２．５原子％を超えると、箔状のＡｌ部材とすることが難しくなる。
また、Ｍｇ層５２は、Ａｌ部材層５１の表裏両面に形成してもよい。
Ａｌ部材層５１Ｓの厚さは、３μｍ以上５０μｍ以下の範囲内にあることが好ましい。
Ｍｇ層５２は、Ｍｇ濃度が８０原子％以上であることが好ましく、９０原子％以上であることが特に好ましい。Ｍｇ層５２のＭｇ濃度が８０原子％以上であると、後述する加熱工程においてＭｇ２Ｓｉが生成し易くなる。
Ｍｇ層５２の厚さは、０．１μｍ以上１０μｍ以下の範囲内にあることが好ましい。Ｍｇ層５２の厚さが薄くなりすぎと、後述する加熱工程の際に生成するＭｇ２Ｓｉの量が少なくなり、金属層２３とヒートシンク３０とを接合するのが困難になるおそれがある。一方、Ｍｇ層５２の厚さが厚くなりすぎると、後述する加熱工程の際に、Ａｌ−Ｍｇ合金の液相が過剰に生成して、金属層２３とヒートシンク３０との接合層にろうこぶが発生するおそれがある。また、接合層にボイドが生じ、熱抵抗となるおそれがある。なお、Ｍｇ層５２をＡｌ部材層５１Ｓの表裏両面に形成した場合、Ｍｇ層５２の厚さはその合計の厚さである。
【００４３】
積層ろう材５０Ｓは、Ａｌ部材層５１Ｓの表裏面にＭｇ層５２を形成することによって製造することができる。Ｍｇ層５２を形成する方法としては、Ｍｇターゲットを用いたスパッタ法あるいはＭｇ粉末のペーストを塗布して乾燥する方法、蒸着法等を用いることができる。
【００４４】
ここで、本実施形態においては、Ｍｇ層５２のＭｇ量〔Ｍｇ〕と積層ろう材５０ＳのＡｌ部材層５１ＳのＳｉ量〔Ｓｉ〕と原子比〔Ｍｇ〕／〔Ｓｉ〕が２．０未満となるように、Ｍｇ層５２のＭｇ濃度及び厚さ、Ａｌ部材層５１ＳのＳｉ濃度及び厚さを調整している。
【００４５】
ヒートシンク３０は、純Ａｌ又はＳｉ含有量が０．１原子％以上のＡｌ−Ｓｉ合金からなるＡｌ部材、もしくは炭化ケイ素質部材中にＳｉ含有量が０．１原子％以上のＡｌ−Ｓｉ合金又は純ＡｌからなるＡｌ部材が充填されたＡｌ基複合材料（ＡｌＳｉＣ）で構成されている。
本実施形態では、ＡｌＳｉＣで構成されている。
【００４６】
次に、図３（ｂ）に示すように、絶縁回路基板２０と、積層ろう材５０Ｓと、ヒートシンク３０とを積層して積層体１１ａを形成する（積層工程）。図３（ｂ）において、積層ろう材５０Ｓは、Ｍｇ層５２がヒートシンク３０と接触するように配置されているが、本実施形態では積層ろう材５０Ｓの配置の向きに特に制限はない。積層ろう材５０ＳのＭｇ層５２が金属層２３と接触するように配置されていてもよい。
【００４７】
次に、積層体１１ａを加熱して、金属層２３とヒートシンク３０とを接合する（加熱工程）。加熱工程において、積層体１１ａを加熱することによって、積層ろう材のＭｇ層５２のＭｇがヒートシンク３０のＡｌ−Ｓｉ合金中に拡散し、Ａｌ−Ｓｉ合金中のＳｉと拡散してきたＭｇとが反応することによって高濃度のＭｇ２Ｓｉが生成され、ＡｌとＭｇ２ＳｉとＭｇとが共存する領域やＡｌとＭｇ２ＳｉとＳｉとが共存する領域が形成される。そして、金属層２３とヒートシンク３０とはともにＡｌ部材から構成されているので、この液相は、金属層２３とヒートシンク３０とに拡散し、両者が接合される。
加熱工程において、積層体１１ａの加熱温度は、５５０℃以上５７５℃以下の温度範囲である。積層体１１ａの加熱温度が低くなりすぎると、液相の生成量が少なくなるため接合性が低下する。一方、積層体１１ａの加熱温度が高くなりすぎると、ろうこぶやヒートシンク３０の母材の溶融が生じる。
本実施形態では、Ｍｇ層５２のＭｇ量〔Ｍｇ〕と積層ろう材５０ＳのＡｌ部材層５１ＳのＳｉ量〔Ｓｉ〕と原子比〔Ｍｇ〕／〔Ｓｉ〕が２．０未満となるように、Ｍｇ層５２のＭｇ濃度及び厚さ、Ａｌ部材層５１ＳのＳｉ濃度及び厚さを調整していることから、接合界面の組成がＡｌ−Ｍｇ２Ｓｉ−Ｓｉの擬３元系となり、固相線温度が低くなるため、積層体１１ａの加熱温度を低温条件とすることができる。
【００４８】
加熱工程において、積層体１１ａの加熱は、積層体１１ａを積層方向に０．１ＭＰａ以上３．５ＭＰａ以下の圧力を付与しながら行うことが好ましい。付与する圧力が低くなりすぎると、液相が絶縁回路基板２０の金属層２３とヒートシンク３０とに拡散しにくくなるおそれがある。付与する圧力が高くなりすぎると、絶縁回路基板２０及びヒートシンク３０に亀裂や破損が生じるおそれがある。
【００４９】
加熱温度での保持時間は、１０分以上１８０分以下の範囲内に設定されていることが好ましい。
加熱は、１０−６Ｐａ以上１０−２Ｐａ以下の真空又は、窒素雰囲気等の不活性雰囲気で行うことが好ましい。
【００５０】
上述のような条件で接合することにより、図２に示すように、Ｍｇ２Ｓｉ相４１が分散された接合層４０が形成される。図４に示すように、昇温過程においてＭｇ層５２のＭｇが積層ろう材５０ＳのＡｌ部材層５１Ｓの内部へと拡散し、Ｍｇ２Ｓｉ相４１が形成される。そして、加熱温度で保持している際に、液相が出現するとともに、金属層２３の接合面及びヒートシンク３０の接合面に形成された酸化アルミニウム膜２３Ａ、３０ＡとＭｇ２Ｓｉ相４１とが以下のように反応式で反応し、酸化アルミニウム膜が除去され、Ｍｇ酸化物（ＭｇＯ、ＭｇＡｌ２Ｏ４（スピネル）等）が形成される。なお、余剰のＳｉがＳｉ単体相４２として残存する。
３Ｍｇ２Ｓｉ＋８Ａｌ２Ｏ３  →  ６ＭｇＡｌ２Ｏ４＋３Ｓｉ
３Ｍｇ２Ｓｉ＋２Ａｌ２Ｏ３  →  ６ＭｇＯ＋３Ｓｉ
そして、接合後には、接合層４０の内部にＭｇ２Ｓｉ相４１及びＳｉ単体相４２が分散される。また、ヒートシンク３０及び金属層２３の内部にまでＭｇ２Ｓｉ相４１が分散されている。
【００５１】
また、Ｍｇ層５２のＭｇ量〔Ｍｇ〕と積層ろう材５０ＳのＡｌ部材層５１ＳのＳｉ量〔Ｓｉ〕と原子比〔Ｍｇ〕／〔Ｓｉ〕が２．０未満となるように、Ｍｇ層５２のＭｇ濃度及び厚さ、Ａｌ部材層５１ＳのＳｉ濃度及び厚さを調整しているので、接合界面の組成がＡｌ−Ｍｇ２Ｓｉ−Ｓｉの擬３元系となり、固相線温度が低くなる。よって、比較的低温条件であっても、接合界面に液相を出現させることができ、絶縁回路基板２０の金属層２３とヒートシンク３０とを確実に接合することができる。
【００５２】
なお、Ａｌ−Ｓｉ合金（Ｓｉ濃度１２．５ｍａｓｓ％以下）からなるＡｌ部材層５１Ｓの厚さが５０μｍを超えた場合、あるいは、Ｍｇ層５２の厚さが２．０μｍを超える場合には、液相が増加し、ろうこぶが生じるおそれがあるため、Ａｌ部材層５１Ｓの厚さは５０μｍ以下、Ｍｇ層５２の厚さは２．０μｍ以下とすることが好ましい。
【００５３】
（第２実施形態）
図５は、第１実施形態に係るヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法を説明する断面図である。
【００５４】
第２実施形態のヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法では、先ず、図５（ａ）に示すように、絶縁回路基板２０と、積層ろう材５０と、ヒートシンク３０Ｓとを用意する。
【００５５】
本実施形態において、絶縁回路基板２０は、セラミックス基板２１の一方の面及び他方の面に純度が９９．９９質量％以上のＡｌ（４Ｎアルミニウム）の圧延板を接合することで製造されている。
【００５６】
積層ろう材５０は、純ＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ部材で構成されているＡｌ部材層５１と、このＡｌ部材層５１の表裏面の一方の面（図５（ａ）において下面）に形成されたＭｇ層５２とからなる。なお、Ｍｇ層５２は、Ａｌ部材層５１の表裏両面に形成してもよい。
Ａｌ部材層５１は、純度９９．９９質量％以上の純ＡｌまたはＳｉ含有量が０．１原子％未満であるＡｌ合金で構成されていることが好ましい。Ａｌ部材層５１の厚さは、３μｍ以上５０μｍ以下の範囲内にあることが好ましい。
【００５７】
Ｍｇ層５２は、Ｍｇ濃度が８０原子％以上であることが好ましく、９０原子％以上であることが特に好ましい。Ｍｇ層５２のＭｇ濃度が８０原子％以上であると、後述する加熱工程においてＳｉが拡散し易くなり、Ｍｇ２Ｓｉが生成し易くなる。また、Ｍｇ層５２の厚さは、０．１μｍ以上１０μｍ以下の範囲内にあることが好ましい。Ｍｇ層５２の厚さが薄くなりすぎと、後述する加熱工程の際に生成するＭｇ２Ｓｉの量が少なくなり、金属層２３とヒートシンク３０Ｓとを接合するのが困難になるおそれがある。一方、Ｍｇ層５２の厚さが厚くなりすぎると、後述する加熱工程の際に、Ａｌ−Ｍｇ合金の液相が過剰に生成して、金属層２３とヒートシンク３０Ｓとの接合層にろうこぶが発生するおそれがある。
【００５８】
積層ろう材５０は、Ａｌ部材層５１の表裏面にＭｇ層５２を形成することによって製造することができる。Ｍｇ層５２を形成する方法としては、Ｍｇターゲットを用いたスパッタ法あるいはＭｇ粉末のペーストを塗布して乾燥する方法や蒸着法を用いることができる。
【００５９】
ヒートシンク３０Ｓは、Ｓｉ含有量が０．１原子％以上のＡｌ−Ｓｉ合金からなるＡｌ部材、もしくは炭化ケイ素質部材中にＳｉ含有量が０．１原子％以上のＡｌ−Ｓｉ合金からなるＡｌ部材が充填されたＡｌ基複合材料で構成されている。
本実施形態では、ヒートシンク３０Ｓは、炭化ケイ素中にＳｉ含有量が０．１原子％以上のＡｌ−Ｓｉ合金からなるＡｌ部材が充填されたＡｌＳｉＣで構成されている。
【００６０】
次に、図５（ｂ）に示すように、絶縁回路基板２０と、積層ろう材５０と、ヒートシンク３０Ｓとを積層して積層体１１ｂを形成する（積層工程）。本実施形態では、Ｍｇ層５２がヒートシンク３０Ｓと接触するように、積層ろう材５０を配置する。
【００６１】
次に、積層体１１ｂを加熱して、金属層２３とヒートシンク３０Ｓとを接合する（加熱工程）。加熱工程において、積層体１１ｂを加熱することによって、積層ろう材のＭｇ層５２のＭｇがヒートシンク３０ＳのＡｌ−Ｓｉ合金中に拡散し、Ａｌ−Ｓｉ合金中のＳｉと拡散してきたＭｇとが反応することによって高濃度のＭｇ２Ｓｉが生成され、ＡｌとＭｇ２ＳｉとＭｇとが共存する領域やＡｌとＭｇ２ＳｉとＳｉとが共存する領域が形成される。そして、金属層２３とヒートシンク３０ＳとはともにＡｌ部材から構成されているので、この液相は、金属層２３とヒートシンク３０Ｓとに拡散し、両者が接合される。
【００６２】
加熱工程において、積層体１１ｂの加熱温度は、５５０℃以上５７５℃以下の温度範囲にあることが好ましい。積層体１１ｂの加熱温度が低くなりすぎると、液相の生成量が少なくなるため接合性が低下する。一方、積層体１１ｂの加熱温度が高くなりすぎると、ろうこぶやヒートシンク３０の母材の溶融が生じる。
【００６３】
加熱工程において、積層体１１ｂの加熱は、積層体１１ｂを積層方向に０．１ＭＰａ以上３．５ＭＰａ以下の圧力を付与しながら行うことが好ましい。付与する圧力が低くなりすぎると、液相が絶縁回路基板２０の金属層２３とヒートシンク３０Ｓとに拡散しにくくなるおそれがある。付与する圧力が高くなりすぎると、絶縁回路基板２０及びヒートシンク３０Ｓに亀裂や破損が生じるおそれがある。
【００６４】
加熱工程において、積層体１１ｂの加熱温度、積層方向に付与する圧力、加熱時間および加熱条件（加熱雰囲気）は、上記の第１実施形態の場合と同様とすることができる。
【００６５】
（第３実施形態）
図６は、第３実施形態に係るヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法を説明する断面図である。なお、第３実施形態では第１実施形態および第２実施形態との相違点を中心に説明し、これらの実施形態と共通する構成要素については、同一の符号を付して再度の説明を省略する。
【００６６】
第３実施形態のヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法では、先ず、図６（ａ）に示すように、絶縁回路基板２０Ｓと、積層ろう材５０と、ヒートシンク３０とを用意する。
【００６７】
本実施形態においては、絶縁回路基板２０Ｓは、セラミックス基板２１の一方の面に純度が９９．９９質量％以上のＡｌ（４Ｎアルミニウム）の圧延板が接合され回路層２２を形成しており、他方の面にＳｉ含有量が０．１原子％以上のＡｌ−Ｓｉ合金の圧延板が接合され金属層２３Ｓを形成している。なお、Ｓｉの含有量は１２．５原子％以下であることが好ましい。Ｓｉの含有量が１２．５原子％を超えた場合、金属層２３Ｓが塑性変形しにくくなり、セラミックス基板２１との接合信頼性が低下するおそれがある。
【００６８】
積層ろう材５０は、ＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ部材で構成されているＡｌ部材層５１と、このＡｌ部材層５１の表裏面の一方の面（図６（ａ）において上面）に形成されたＭｇ層５２とからなる。
【００６９】
ヒートシンク３０は、Ａｌ合金からなるＡｌ部材、もしくは炭化ケイ素質部材中にＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ部材が充填されたＡｌ基複合材料で構成されている。
【００７０】
次に、図６（ｂ）に示すように、絶縁回路基板２０Ｓと、積層ろう材５０と、ヒートシンク３０とを積層して積層体１１ｃを形成する（積層工程）。本実施形態では、Ｍｇ層５２が金属層２３Ｓと接触するように、積層ろう材５０を配置する。
【００７１】
次に、積層体１１ｃを加熱して、金属層２３Ｓとヒートシンク３０とを接合する（加熱工程）。加熱工程において、積層体１１ｃを加熱することによって、積層ろう材のＭｇ層５２のＭｇが金属層２３Ｓに拡散し、金属層２３Ｓ中のＳｉと拡散してきたＭｇとが反応することによって高濃度のＭｇ２Ｓｉが生成され、ＡｌとＭｇ２ＳｉとＭｇとが共存する領域やＡｌとＭｇ２ＳｉとＳｉとが共存する領域が形成される。そして、金属層２３Ｓとヒートシンク３０とはともにＡｌ部材から構成されているので、この液相は、金属層２３Ｓとヒートシンク３０とに拡散し、両者が接合される。
【００７２】
加熱工程において、積層体１１ｃの加熱温度、積層方向に付与する圧力、加熱時間および加熱条件（真空加熱炉内の圧力）は、上記の第１実施形態の場合と同様とすることができる。
【００７３】
図１と図２に示す上記構成のヒートシンク付絶縁回路基板１０では、絶縁回路基板２０の金属層２３がＡｌ部材から構成されているが、金属層２３はヒートシンク３０との接合面がＡｌ部材から構成されていればよい。すなわち、絶縁回路基板２０の金属層２３は、ヒートシンクとの接合面がＡｌ部材から構成されていれば、二つの金属部材を接合した接合体としてもよい。
次に、絶縁回路基板の金属層が接合体とされているヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法について説明する。
【００７４】
図７は、本発明のヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法によって得られるヒートシンク付絶縁回路基板の金属層が接合体とされている例を示す概略断面図である。なお、図７に示すヒートシンク付絶縁回路基板では、図１と図２に示すヒートシンク付絶縁回路基板と共通する構成要素については、同一の符号を付して再度の説明を省略する。
【００７５】
図７において、ヒートシンク付絶縁回路基板６０は、絶縁回路基板７０と、絶縁回路基板の金属層に接合されたヒートシンク３０と、を備えている。
【００７６】
絶縁回路基板７０は、絶縁層となるセラミックス基板７１と、このセラミックス基板７１の一方の面（図７において上面）に形成された回路層７２と、セラミックス基板２１の他方の面（図７において下面）に形成された金属層７３と、を備えている。
【００７７】
セラミックス基板（絶縁層）７１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、セラミックス基板７１は、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）で構成されている。セラミックス基板２１の厚さは、例えば、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。
【００７８】
回路層７２は、セラミックス基板７１の一方の面にＣｕまたはＣｕ合金からなるＣｕ部材が接合されることで形成されている。Ｃｕ部材としては、無酸素銅を用いることができる。本実施形態では、無酸素銅の圧延板を用いている。回路層７２の厚さは０．０５ｍｍ以上１ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では０．３ｍｍに設定されている。回路層７２とセラミックス基板７１とは、例えば、ＤＢＣ法あるいは活性金属ろう付け法によって接合されている。
【００７９】
回路層７２の材料としては、Ｃｕ部材以外にも、Ａｌ部材を用いることができる。また、回路層７２として、Ａｌ部材とＣｕ部材とを接合した接合体を用いてもよい。例えば、セラミックス基板７１にＡｌ部材を接合し、さらにそのＡｌ部材にＣｕ部材を接合して回路層７２とすることができる。Ａｌ部材とＣｕ部材とを接合する場合は、Ａｌ部材とＣｕ部材との間にＴｉ箔を介在させることが好ましい。
【００８０】
金属層７３は、セラミックス基板７１の他方の面に接合されているＣｕ部材金属層７４と、Ｃｕ部材金属層７４のセラミックス基板７１に接合されている面とは反対側の面に接合されているＴｉ部材金属層７５と、Ｔｉ部材金属層７５のＣｕ部材金属層７４に接合されている面とは反対側の面に接合されているＡｌ部材金属層７６とから構成されている。
【００８１】
Ｃｕ部材金属層７４は、セラミックス基板７１の他方の面にＣｕまたはＣｕ合金からなるＣｕ部材が接合されることで形成されている。Ｃｕ部材としては、無酸素銅を用いることができる。本実施形態では、無酸素銅の圧延板を用いている。Ｃｕ部材金属層７４の厚さは０．０５ｍｍ以上１ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では０．３ｍｍに設定されている。Ｃｕ部材金属層７４とセラミックス基板７１とは、例えば、ＤＢＣ法あるいは活性金属ろう付け法によって接合されている。
【００８２】
Ｔｉ部材金属層７５は、ＴｉからなるＴｉ部材から構成されている。Ｔｉ部材金属層７５の厚さは０．００３ｍｍ以上０．０５０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では０．０３ｍｍに設定されている。Ｔｉ部材金属層７５とＣｕ部材金属層７４とは、例えば、固相拡散接合によって接合されている。
【００８３】
Ａｌ部材金属層７６は、ＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ部材から構成されている。Ａｌ部材金属層７６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０．４ｍｍに設定されている。Ａｌ部材金属層７６とＴｉ部材金属層７５とは、例えば、固相拡散法によって接合されている。
【００８４】
Ａｌ部材金属層７６とヒートシンク３０は、積層ろう材を用いて接合されている。Ａｌ部材金属層７６とヒートシンク３０との接合層８０は、Ｍｇ２Ｓｉ相が形成されている。
【００８５】
次に、図７に示す上記構成のヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法を説明する。
【００８６】
（第４実施形態）
図８は、第４実施形態に係るヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法を説明する断面図である。なお、第４実施形態では第１実施形態、第２実施形態および第３実施形態との相違点を中心に説明し、これらの実施形態と共通する構成要素については、同一の符号を付して再度の説明を省略する。
【００８７】
先ず、図８（ａ）に示すように、絶縁回路基板７０と、積層ろう材５０と、ヒートシンク３０とを用意する。
【００８８】
絶縁回路基板７０は、セラミックス基板２１の一方の面に回路層７２となる板材が接合され、他方の面にＣｕ部材金属層７４となる板材とＴｉ部材金属層７５となる板材とＡｌ部材金属層７６となる板材が接合され、金属層７３が形成されている。本実施形態では、Ａｌ部材金属層７６は、純度が９９．９９質量％以上のＡｌ（４Ｎアルミニウム）の圧延板が接合されることで形成されている。
【００８９】
積層ろう材５０は、ＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ部材で構成されているＡｌ部材層５１と、このＡｌ部材層５１の表裏面の一方の面（図８（ａ）において下面）に形成されたＭｇ層５２とからなる。
【００９０】
ヒートシンク３０Ｓは、Ｓｉ含有量が０．１原子％以上のＡｌ−Ｓｉ合金からなるＡｌ部材、もしくは炭化ケイ素質部材中にＳｉ含有量が０．１原子％以上のＡｌ−Ｓｉ合金からなるＡｌ部材が充填されたＡｌ基複合材料で構成されている。
【００９１】
次に、図８（ｂ）に示すように、絶縁回路基板７０と、積層ろう材５０と、ヒートシンク３０Ｓとを積層して積層体を形成する（積層工程）。本実施形態では、Ｍｇ層５２がヒートシンク３０Ｓと接触するように、積層ろう材５０を配置する。
【００９２】
次に、積層体６１を加熱して、Ａｌ部材金属層７６とヒートシンク３０Ｓとを接合する（加熱工程）。加熱工程において、積層体を加熱することによって、積層ろう材のＭｇ層５２のＭｇがヒートシンク３０ＳのＡｌ−Ｓｉ合金中に拡散し、Ａｌ−Ｓｉ合金中のＳｉと拡散してきたＭｇとが反応することによって高濃度のＭｇ２Ｓｉが生成され、ＡｌとＭｇ２ＳｉとＭｇとが共存する領域やＡｌとＭｇ２ＳｉとＳｉとが共存する領域が形成される。そして、Ａｌ部材金属層７６とヒートシンク３０ＳとはともにＡｌ部材から構成されているので、この液相は、Ａｌ部材金属層７６とヒートシンク３０Ｓとに拡散し、両者が接合される。
【００９３】
加熱工程において、積層体の加熱温度、積層方向に付与する圧力、加熱時間および加熱条件（真空加熱炉内の圧力）は、上記の第１実施形態の場合と同様とすることができる。
【００９４】
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、第１実施形態では、絶縁回路基板２０の金属層２３をＡｌ−Ｓｉ合金からなるＡｌ部材で構成して、金属層２３とヒートシンク３０の両方のＡｌ部材をＡｌ−Ｓｉ合金としてもよい。このとき、積層ろう材５０は、Ａｌ部材層５１の表裏両面にＭｇ層５２を形成して、金属層２３とヒートシンク３０の両者に、積層ろう材５０のＭｇ層５２を接触させることが好ましい。この場合、金属層２３とヒートシンク３０の両者にＭｇ層５２のＭｇが拡散するので、Ｍｇ２Ｓｉが生成しやすくなる。
【００９５】
なお、絶縁回路基板は、金属層のヒートシンクとの接合面がＡｌ部材から構成されていればよく、その他の構成に特に制限はない。絶縁回路基板の回路層および金属層は、積層体の加熱工程において溶融しないように構成されていれば、種々の材料の接合体とすることができる。
【００９６】
また、本実施形態では、絶縁回路基板の回路層にパワー半導体素子を搭載してパワーモジュールを構成するものとして説明したが、これに限定されることはない。例えば、絶縁回路基板にＬＥＤ素子を搭載してＬＥＤモジュールを構成してもよいし、絶縁回路基板の回路層に熱電素子を搭載して熱電モジュールを構成してもよい。
【実施例】
【００９７】
（実施例１）
上述した実施形態に記載した方法で表１記載の条件で各ヒートシンク付絶縁回路基板を作製した。
表１の実施形態は、各絶縁回路基板がどの実施形態に該当するかを示している。また、加熱雰囲気は真空雰囲気とした。
従来例のヒートシンク付絶縁回路基板は、積層ろう材の代わりに、Ｍｇ含有ろう材（組成：Ａｌ：Ｓｉ：Ｍｇ＝８９．１：８．８：１．１（ａｔ％））を、絶縁回路基板の金属層とヒートシンクとの間を配置した。
得られた絶縁回路基板に対し、ろうこぶの有無及び接合層の接合率を評価した。
【００９８】
（ろうこぶの有無）
ろうこぶの有無は、ヒートシンク付絶縁回路基板を目視で観察し、ろうこぶが生じていたものを「×」、生じていなかったものを「○」と評価した。
【００９９】
（接合層の接合率）
ヒートシンクと絶縁回路基板との接合層の超音波探傷像を、超音波探傷装置（株式会社日立パワーソリューションズ製ＦｉｎｅＳＡＴ２００）を用いて測定し、以下の式から接合率を算出した。
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、すなわち絶縁回路基板の金属層の面積とした。
（接合率）＝｛（初期接合面積）−（剥離面積）｝／（初期接合面積）
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層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。
結果を表１に示す。
【０１００】
【表１】
2017183716.tif 000003
【０１０１】
Ｓｉ含有量が０．１原子％未満とされた比較例１、加熱温度が５５０℃未満であった比較例２、Ａｌ−Ｓｉ合金とＭｇ層の接触が無かった比較例４、Ｍｇ含有ろう材を用いた従来例は、接合層の接合率が低かった。加熱温度が５７５℃を超えた比較例３では、ろうこぶが生じていた。
一方、本発明例のヒートシンク付絶縁回路基板では、ろうこぶが生じることもなく、接合層の接合率が高いことが確認された。
【０１０２】
（実施例２）
ＡｌＮからなるセラミックス板（４０ｍｍ×４０ｍｍ×０．６３５ｍｍｔ）の一方の面及び他方の面に純度９９．９９質量％のアルミニウム板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×０．６ｍｍｔ）を接合し、絶縁回路基板を作成した。
この絶縁回路基板とＡｌＳｉＣヒートシンク（５０ｍｍ×６０ｍｍ×５ｍｍｔ、含侵されているアルミニウムはＡＤＣ１２）とを、表２記載の積層ろう材を介して積層し、表２記載の加熱条件で接合した。接合雰囲気は１×１０−５Ｐａの真空雰囲気とした。
得られたヒートシンク付絶縁回路基板について、実施例１と同様に、ろうこぶ、及び、接合層の接合率（初期接合率）を評価した。冷熱サイクル後における接合層の接合率（冷熱サイクル後接合率）について評価した。冷熱サイクルの条件は、−４０℃←→１５０℃のサイクルを２０００回行った後の接合率を実施例１と同様の方法で評価した。
また、本発明例１のヒートシンク付絶縁回路基板において、金属層とヒートシンクの接合界面をＥＰＭＡ（日本電子株式会社製ＪＥＯＬ  ＪＸＡ−８５３０Ｆ）で観察し、ＢＥＩ像及びＯ、Ｍｇ、Ｓｉのマッピング像を取得した（図９）。
【０１０３】
【表２】
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【０１０４】
本発明例３１〜４５のヒートシンク付絶縁回路基板においても、ろうこぶが生じることがなく、接合層の接合率が高いことが確認された。
特に、前記Ｍｇ層のＭｇ量〔Ｍｇ〕と前記ろう材の前記Ａｌ部材層のＳｉ量〔Ｓｉ〕と原子比〔Ｍｇ〕／〔Ｓｉ〕が２．０未満とされた本発明例３１〜３３，３６，３７，４４，４５においては、他の本発明例に比べて冷熱サイクル後の接合率が高くなっていることが確認された。
【符号の説明】
【０１０５】
１０、６０  ヒートシンク付絶縁回路基板
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ  積層体
２０、２０Ｓ、７０  絶縁回路基板
２１、７１  セラミックス基板
２２、７２  回路層
２３、２３Ｓ、７３  金属層
３０、３０Ｓ  ヒートシンク
７４  Ｃｕ部材金属層
７５  Ｔｉ部材金属層
７６  Ａｌ部材金属層
４０、８０  接合層
４１  Ｍｇ２Ｓｉ相
５０、５０Ｓ  積層ろう材
５１、５１Ｓ  Ａｌ部材層
５２  Ｍｇ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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