(57)【要約】  アルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材と、銅又は銅合金からなる銅部材と、が固相拡散接合されてなり、冷熱サイクル信頼性に優れ、かつ、放熱特性及び強度に優れた接合体を提供する。銅部材（１３Ｂ）とアルミニウム合金部材（３１）とが接合されてなる接合体であって、アルミニウム合金部材（３１）は、Ｓｉ濃度が１．５ｍａｓｓ％以上１２．５ｍａｓｓ％以下の範囲内、Ｆｅ濃度が０．１５ｍａｓｓ％以下、Ｃｕの濃度が０．０５ｍａｓｓ％以下とされ、アルミニウム合金部材（３１）と銅部材（１３Ｂ）とが固相拡散接合されており、アルミニウム合金部材（３１）側に位置するとともにθ相からなる第１金属間化合物層（４１）の厚さｔ１と、銅部材（１３Ｂ）側に位置するとともにθ相以外の非θ相からなる第２金属間化合物層（４２）の厚さｔ２との比ｔ２／ｔ１が１．２以上２．０以下の範囲内とされている。
2020111107.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅又は銅合金からなる銅部材と、Ｓｉを含有するアルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材と、が接合されてなる接合体であって、
前記アルミニウム合金は、Ｓｉ濃度が１．５ｍａｓｓ％以上１２．５ｍａｓｓ％以下の範囲内とされ、Ｆｅ濃度が０．１５ｍａｓｓ％以下、Ｃｕの濃度が０．０５ｍａｓｓ％以下とされており、
前記アルミニウム合金部材と前記銅部材とが固相拡散接合されており、
前記アルミニウム合金部材と前記銅部材との接合界面に、ＣｕとＡｌを含む金属間化合物からなる金属間化合物層を備え、
前記金属間化合物層においては、前記アルミニウム合金部材側に位置するとともにθ相からなる第１金属間化合物層と、前記銅部材側に位置するとともにθ相以外の非θ相からなる第２金属間化合物層と、が積層されており、
θ相からなる第１金属間化合物層の厚さｔ１と、非θ相からなる第２金属間化合物層の厚さｔ２との比ｔ２／ｔ１が１．２以上２．０以下の範囲内とされていることを特徴とする接合体。
【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、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絶縁回路基板であって、
前記金属層のうち前記ヒートシンクとの接合面は、銅又は銅合金で構成され、
前記ヒートシンクのうち前記金属層との接合面は、Ｓｉ濃度が１．５ｍａｓｓ％以上１２．５ｍａｓｓ％以下の範囲内とされ、Ｆｅ濃度が０．１５ｍａｓｓ％以下、Ｃｕの濃度が０．０５ｍａｓｓ％以下とされたアルミニウム合金で構成され、
前記ヒートシンクと前記金属層とが固相拡散接合されており、
前記ヒートシンクと前記金属層との接合界面に、ＣｕとＡｌを含む金属間化合物からなる金属間化合物層を備え、
前記金属間化合物層においては、前記ヒートシンク側に位置するとともにθ相からなる第１金属間化合物層と、前記金属層側に位置するとともにθ相以外の非θ相からなる第２金属間化合物層と、が積層されており、
θ相からなる第１金属間化合物層の厚さｔ１と、非θ相からなる第２金属間化合物層の厚さｔ２との比ｔ２／ｔ１が１．２以上２．０以下の範囲内と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３】
ヒートシンク本体と、前記ヒートシンク本体に接合された銅又は銅合金からなる銅部材層と、を備えたヒートシンクであって、
前記ヒートシンク本体は、Ｓｉ濃度が１．５ｍａｓｓ％以上１２．５ｍａｓｓ％以下の範囲内とされ、Ｆｅ濃度が０．１５ｍａｓｓ％以下、Ｃｕの濃度が０．０５ｍａｓｓ％以下とされたアルミニウム合金で構成され、
前記ヒートシンク本体と前記銅部材層とが固相拡散接合されており、
前記ヒートシンク本体と前記銅部材層との接合界面に、ＣｕとＡｌを含む金属間化合物からなる金属間化合物層を備え、
前記金属間化合物層においては、前記ヒートシンク本体側に位置するとともにθ相からなる第１金属間化合物層と、前記銅部材層側に位置するとともにθ相以外の非θ相からなる第２金属間化合物層と、が積層されており、
θ相からなる第１金属間化合物層の厚さｔ１と、非θ相からなる第２金属間化合物層の厚さｔ２との比ｔ２／ｔ１が１．２以上２．０以下の範囲内とされていることを特徴とするヒートシンク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、アルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材と、銅又は銅合金からなる銅部材とが接合された接合体、絶縁層の一方の面に回路層が形成された絶縁回路基板にヒートシンクが接合されたヒートシンク付絶縁回路基板、ヒートシンク本体に銅部材層が形成されたヒートシンクに関するものである。
本願は、２０１８年１１月２８日に日本に出願された特願２０１８−２２２３４７号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【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、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）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、を備えた絶縁回路基板が、従来から広く用いられている。なお、パワーモ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アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層及び金属層が形成された絶縁回路基板と、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、絶縁回路基板の金属層側には、ヒートシンクが接合されており、半導体素子から絶縁回路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。
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アルミニウム又はアルミニウム合金で構成した場合には、その表面に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といった問題があった。【０００４】
そこで、特許文献２には、回路層及び金属層をＡｌ層とＣｕ層の積層構造とした絶縁回路基板が提案されている。この絶縁回路基板においては、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。このため、積層方向の熱抵抗が小さくなり、半導体素子から発生した熱をヒートシンク側へと効率良く伝達することが可能となる。
なお、この特許文献２に示すように、ヒートシンクを放熱板とし、この放熱板を冷却部に締結ネジによってネジ止めする構造のものも提案されている。【０００５】
また、特許文献３には、金属層及びヒートシンクの一方がアルミニウム又はアルミニウム合金で構成され、他方が銅又は銅合金で構成されており、これら前記金属層と前記ヒートシンクとが固相拡散接合されたヒートシンク付絶縁回路基板が提案されている。このヒートシンク付絶縁回路基板においては、金属層とヒートシンクとが固相拡散接合されているので、熱抵抗が小さく、放熱特性に優れている。【０００６】
さらに、特許文献４には、ＡＤＣ１２等のＳｉを比較的多く含むアルミニウム合金からなるヒートシンクと銅からなる金属層とが固相拡散接合されたヒートシンク付絶縁回路基板が提案されている。また、ＡＤＣ１２等のＳｉを比較的多く含むアルミニウム合金からなるヒートシンク本体と銅からなる金属部材層とが固相拡散接合されたヒートシンクが提案されている。
ＡＤＣ１２等のＳｉを比較的多く含むアルミニウム合金においては、強度が高く、かつ、融点が低いことから、様々な形状とすることができ、放熱特性に優れたヒートシンクを構成することができる。
【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２０１４−１６０７９９号公報
【特許文献３】特開２０１４−０９９５９６号公報
【特許文献４】特開２０１６−２０８０１０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、ＡＤＣ１２等のアルミニウム合金においては、添加元素が多いため、熱伝導度が低くなる傾向にある。このため、発熱量の多い半導体素子等を搭載する場合には、放熱特性が不十分となるおそれがあった。
一方、純アルミニウムにおいては、熱伝導度は高く、放熱特性に優れている。しかしながら、純アルミニウムは、高温での軟化が著しいため、ねじ締結することは困難であった。また、線熱膨張係数が比較的大きいために反りが大きくなり、他の部材との接合が不十分となるおそれがあった。【０００９】
また、特許文献３，４に記載されたように、アルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材と、銅又は銅合金からなる銅部材と、を固相拡散接合した場合には、アルミニウム合金部材と銅部材との接合界面には、銅とアルミニウムとからなる金属間化合物層が形成される。ここで、銅とアルミニウムとからなる金属間化合物としては、図１に示すように複数の相がある。このため、アルミニウム合金部材と銅部材との接合界面に形成された金属間化合物層は、θ相、η２相、ζ２相、δ相、γ２相といった各相が形成される。
ここで、上述の金属間化合物層は、比較的硬く脆いため、冷熱サイクルを負荷した際に、金属間化合物層に割れが生じ、接合率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、アルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材と、銅又は銅合金からなる銅部材と、が固相拡散接合されてなり、冷熱サイクル信頼性に優れ、かつ、放熱特性及び強度に優れた接合体、この接合体を備えたヒートシンク付絶縁回路基板及びヒートシンク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、本発明の接合体は、銅又は銅合金からなる銅部材と、Ｓｉを含有するアルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材と、が接合されてなる接合体であって、前記アルミニウム合金は、Ｓｉ濃度が１．５ｍａｓｓ％以上１２．５ｍａｓｓ％以下の範囲内とされ、Ｆｅ濃度が０．１５ｍａｓｓ％以下、Ｃｕの濃度が０．０５ｍａｓｓ％以下とされており、前記アルミニウム合金部材と前記銅部材とが固相拡散接合されており、前記アルミニウム合金部材と前記銅部材との接合界面に、ＣｕとＡｌを含む金属間化合物からなる金属間化合物層を備え、前記金属間化合物層においては、前記アルミニウム合金部材側に位置するとともにθ相からなる第１金属間化合物層と、前記銅部材側に位置するとともにθ相以外の非θ相からなる第２金属間化合物層と、が積層されており、θ相からなる第１金属間化合物層の厚さｔ１と、非θ相からなる第２金属間化合物層の厚さｔ２との比ｔ２／ｔ１が１．２以上２．０以下の範囲内とされていることを特徴としている。【００１２】
この構成の接合体によれば、前記アルミニウム合金は、Ｓｉ濃度が１．５ｍａｓｓ％以上１２．５ｍａｓｓ％以下の範囲内とされ、Ｆｅ濃度が０．１５ｍａｓｓ％以下、Ｃｕの濃度が０．０５ｍａｓｓ％以下とされているので、アルミニウム合金部材の強度が高く、かつ、熱伝導率が比較的高くなる。よって、銅部材で拡げた熱をアルミニウム合金部材側へと効率良く伝達させることができる。【００１３】
そして、本発明においては、アルミニウム合金部材を構成する前記アルミニウム合金のＳｉ濃度が１．５ｍａｓｓ％以上１２．５ｍａｓｓ％以下の範囲内とされ、Ｆｅ濃度が０．１５ｍａｓｓ％以下、Ｃｕの濃度が０．０５ｍａｓｓ％以下とされており、前記アルミニウム合金部材と前記銅部材との接合界面に形成された金属間化合物層において、前記アルミニウム合金部材側に位置するとともにθ相からなる第１金属間化合物層の厚さｔ１と、前記銅部材側に位置するとともにθ相以外の非θ相からなる第２金属間化合物層の厚さｔ２との比ｔ２／ｔ１が１．２以上とされているので、θ相からなる第１金属間化合物層の厚さが必要以上に厚くなく、このθ相を起因とした割れの発生を抑制できる。また、銅部材側に位置する非θ相からなる第２金属間化合物層の厚さが確保されて銅部材の変形抵抗が高くなり、締結等で外力が負荷された場合であっても銅部材が容易に変形せず、金属間化合物層の割れの発生を抑制できる。
さらに、第１金属間化合物層の厚さｔ１と第２金属間化合物層の厚さｔ２との比ｔ２／ｔ１が２．０以下とされているので、アルミニウム合金部材側に位置するθ相からなる第１金属間化合物層の厚さが確保されてアルミニウム合金部材の変形抵抗が高くなり、締結等で外力が負荷された場合であってもアルミニウム合金部材が容易に変形せず、金属間化合物層の割れの発生を抑制できる。【００１４】
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、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絶縁回路基板であって、前記金属層のうち前記ヒートシンクとの接合面は、銅又は銅合金で構成され、前記ヒートシンクのうち前記金属層との接合面は、Ｓｉ濃度が１．５ｍａｓｓ％以上１２．５ｍａｓｓ％以下の範囲内とされ、Ｆｅ濃度が０．１５ｍａｓｓ％以下、Ｃｕの濃度が０．０５ｍａｓｓ％以下とされたアルミニウム合金で構成され、前記ヒートシンクと前記金属層とが固相拡散接合されており、前記ヒートシンクと前記金属層との接合界面に、ＣｕとＡｌを含む金属間化合物からなる金属間化合物層を備え、前記金属間化合物層においては、前記ヒートシンク側に位置するとともにθ相からなる第１金属間化合物層と、前記金属層側に位置するとともにθ相以外の非θ相からなる第２金属間化合物層と、が積層されており、θ相からなる第１金属間化合物層の厚さｔ１と、非θ相からなる第２金属間化合物層の厚さｔ２との比ｔ２／ｔ１が１．２以上２．０以下の範囲内とされていることを特徴としている。【００１５】
この構成のヒートシンク付絶縁回路基板によれば、前記ヒートシンクは、Ｓｉ濃度が１．５ｍａｓｓ％以上１２．５ｍａｓｓ％以下の範囲内とされ、Ｆｅ濃度が０．１５ｍａｓｓ％以下、Ｃｕの濃度が０．０５ｍａｓｓ％以下とされたアルミニウム合金で構成されているので、ヒートシンクの強度が高く、ねじ締結を行うことができるとともに、反りの発生を抑制でき、冷却器等と密着させることができる。また、ヒートシンクの熱伝導率が比較的高くなるため、放熱特性に優れている。【００１６】
そして、前記ヒートシンクと前記金属層との接合界面に形成された金属間化合物層において、前記ヒートシンク側に位置するとともにθ相からなる第１金属間化合物層の厚さｔ１と、前記金属層側に位置するとともにθ相以外の非θ相からなる第２金属間化合物層の厚さｔ２との比ｔ２／ｔ１が１．２以上とされているので、θ相からなる第１金属間化合物層の厚さが必要以上に厚くなく、このθ相を起因とした割れの発生を抑制できる。また、金属層側に位置する非θ相からなる第２金属間化合物層の厚さが確保されて金属層の変形抵抗が高くなり、締結等で外力が負荷された場合であっても金属層が容易に変形せず、金属間化合物層の割れの発生を抑制できる。
さらに、第１金属間化合物層の厚さｔ１と第２金属間化合物層の厚さｔ２との比ｔ２／ｔ１が２．０以下とされているので、ヒートシンク側に位置するθ相からなる第１金属間化合物層の厚さが確保されてヒートシンクの変形抵抗が高くなり、締結等で外力が負荷された場合であってもヒートシンクが容易に変形せず、金属間化合物層の割れの発生を抑制できる。【００１７】
本発明のヒートシンクは、ヒートシンク本体と、前記ヒートシンク本体に接合された銅又は銅合金からなる銅部材層と、を備えたヒートシンクであって、前記ヒートシンク本体は、Ｓｉ濃度が１．５ｍａｓｓ％以上１２．５ｍａｓｓ％以下の範囲内とされ、Ｆｅ濃度が０．１５ｍａｓｓ％以下、Ｃｕの濃度が０．０５ｍａｓｓ％以下とされたアルミニウム合金で構成され、前記ヒートシンク本体と前記銅部材層とが固相拡散接合されており、前記ヒートシンク本体と前記銅部材層との接合界面に、ＣｕとＡｌを含む金属間化合物からなる金属間化合物層を備え、前記金属間化合物層においては、前記ヒートシンク本体側に位置するとともにθ相からなる第１金属間化合物層と、前記銅部材層側に位置するとともにθ相以外の非θ相からなる第２金属間化合物層と、が積層されており、θ相からなる第１金属間化合物層の厚さｔ１と、非θ相からなる第２金属間化合物層の厚さｔ２との比ｔ２／ｔ１が１．２以上２．０以下の範囲内とされていることを特徴としている。【００１８】
この構成のヒートシンクによれば、前記ヒートシンク本体は、Ｓｉ濃度が１．５ｍａｓｓ％以上１２．５ｍａｓｓ％以下の範囲内とされ、Ｆｅ濃度が０．１５ｍａｓｓ％以下、Ｃｕの濃度が０．０５ｍａｓｓ％以下とされたアルミニウム合金で構成されているので、ヒートシンク本体の強度が高く、ねじ締結を行うことができるとともに、反りの発生を抑制でき、冷却器等と密着させることができる。また、ヒートシンク本体の熱伝導率が比較的高くなるため、放熱特性に優れている。【００１９】
そして、前記ヒートシンク本体と前記銅部材層との接合界面に形成された金属間化合物層において、前記ヒートシンク本体側に位置するとともにθ相からなる第１金属間化合物層の厚さｔ１と、前記銅部材層側に位置するとともにθ相以外の非θ相からなる第２金属間化合物層の厚さｔ２との比ｔ２／ｔ１が１．２以上とされているので、θ相からなる第１金属間化合物層の厚さが必要以上に厚くなく、θ相を起因とした割れの発生を抑制できる。また、銅部材層側に位置する非θ相からなる第２金属間化合物層の厚さが確保されて銅部材層の変形抵抗が高くなり、締結等で外力が負荷された場合であっても銅部材層が容易に変形せず、金属間化合物層の割れの発生を抑制できる。
さらに、第１金属間化合物層の厚さｔ１と第２金属間化合物層の厚さｔ２との比ｔ２／ｔ１が２．０以下とされているので、ヒートシンク本体側に位置するθ相からなる第１金属間化合物層の厚さが確保されてヒートシンク本体の変形抵抗が高くなり、締結等で外力が負荷された場合であってもヒートシンク本体が容易に変形せず、金属間化合物層の割れの発生を抑制できる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、アルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材と、銅又は銅合金からなる銅部材と、が固相拡散接合されてなり、冷熱サイクル信頼性に優れ、かつ、放熱特性及び強度に優れた接合体、この接合体を備えたヒートシンク付絶縁回路基板及びヒートシンクを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】ＣｕとＡｌの２元状態図である。
【図２】本発明の第一実施形態に係るヒートシンク付絶縁回路基板を備えたパワーモジュールの概略説明図である。
【図３】図２に示すヒートシンク付絶縁回路基板のヒートシンクと金属層（Ｃｕ層）との接合界面の断面拡大説明図である。
【図４】第一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フロー図である。
【図５】第一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の概略説明図である。
【図６】本発明の第二実施形態に係るヒートシンクの概略説明図である。
【図７】図６に示すヒートシンクのヒートシンク本体と銅部材層との接合界面の断面拡大説明図である。
【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の製造方法の概略説明図である。
【図１０】本発明の他の実施形態であるヒートシンク付絶縁回路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】通電加熱法によって固相拡散接合を行う状況を示す概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
（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２に、本発明の第一実施形態であるヒートシンク付絶縁回路基板３０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、ヒートシンク付絶縁回路基板３０と、このヒートシンク付絶縁回路基板３０の一方の面（図２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。
ヒートシンク付絶縁回路基板３０は、絶縁回路基板１０と、絶縁回路基板１０に接合されたヒートシンク３１と、を備えている。
【００２３】
絶縁回路基板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２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の他方の面に配設された金属層１３と、を備えている。
【００２４】
セラミックス基板１１は、絶縁性および放熱性に優れた窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）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１１は、特に放熱性の優れた窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で構成されている。また、セラミックス基板１１の厚さは、例えば、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。
【００２５】
回路層１２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は、純度が９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）または純度が９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）の圧延板（アルミニウム板２２）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１２となるアルミニウム板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２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１３Ａと、このＡｌ層１３Ａ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積層されたＣｕ層１３Ｂと、を有している。
Ａｌ層１３Ａは、図５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２３Ａ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、Ａｌ層１３Ａは、純度が９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）または純度が９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）の圧延板（アルミニウム板２３Ａ）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。接合されるアルミニウム板２３Ａ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。
Ｃｕ層１３Ｂは、図５に示すように、Ａｌ層１３Ａの他方の面に、銅又は銅合金からなる銅板２３Ｂ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１３Ｂは、無酸素銅の圧延板（銅板２３Ｂ）が接合されることで形成されている。Ｃｕ層１３Ｂの厚さは０．１ｍｍ以上６ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、１ｍｍに設定されている。
【００２７】
ヒートシンク３１は、絶縁回路基板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２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、Ｓｉ濃度が１．５ｍａｓｓ％以上１２．５ｍａｓｓ％以下の範囲内とされ、Ｆｅ濃度が０．１５ｍａｓｓ％以下、Ｃｕの濃度が０．０５ｍａｓｓ％以下とされたアルミニウム合金で構成されている。なお、このヒートシンク３１（アルミニウム合金）においては、Ｓｉ析出物が微細に分散されたものとされている。
【００２８】
ここで、ヒートシンク３１と金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）とは、固相拡散接合されている。
金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）とヒートシンク３１との接合界面には、図３に示すように、金属間化合物層４０が形成されている。この金属間化合物層４０は、ヒートシンク３１のＡｌ原子と金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）のＣｕ原子とが相互に拡散することによって形成されたものである。
【００２９】
この金属間化合物層４０は、図３に示すように、ヒートシンク３１側に配設されるとともにＣｕとＡｌの金属間化合物のθ相からなる第１金属間化合物層４１と、金属層１３側に配設されるとともにθ相以外のη２相、ζ２相、δ相、γ２相等の非θ相からなる第２金属間化合物層４２と、で構成されている。
ここで、金属間化合物層４０の厚さは、１０μｍ以上８０μｍ以下の範囲内、好ましくは、２０μｍ以上５０μｍ以下の範囲内に設定されている。
【００３０】
そして、θ相からなる第１金属間化合物層４１の厚さｔ１と、非θ相からなる第２金属間化合物層４２の厚さｔ２との比ｔ２／ｔ１が、１．２以上２．０以下の範囲内とされている。
なお、上述の厚さ比ｔ２／ｔ１の下限は１．４以上とすることが好ましく、１．５以上とすることがさらに好ましい。また、上述の厚さ比ｔ２／ｔ１の上限は１．８以下とすることが好ましく、１．６以下とすることがさらに好ましい。
【００３１】
また、θ相からなる第１金属間化合物層４１の厚さｔ１の下限は５μｍ以上とすることが好ましく、１０μｍ以上とすることがさらに好ましい。一方、θ相からなる第１金属間化合物層４１の厚さｔ１の上限は２０μｍ以下とすることが好ましく、１５μｍ以下とすることがさらに好ましい。
【００３２】
次に、本実施形態であるヒートシンク付絶縁回路基板３０の製造方法について、図４及び図５を参照して説明する。
【００３３】
（回路層及びＡｌ層形成工程Ｓ０１）
まず、図５に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に、回路層１２となるアルミニウム板２２を、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔２６を介して積層する。
また、セラミックス基板１１の他方の面に、Ａｌ層１３Ａとなるアルミニウム板２３Ａ、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔２６を介して積層する。なお、本実施形態では、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔２６として、厚さ１０μｍのＡｌ−８ｍａｓｓ％Ｓｉ合金箔を用いた。
【００３４】
そして、積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２（０．１〜３．５ＭＰａ））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２２とセラミックス基板１１を接合して回路層１２を形成する。また、セラミックス基板１１とアルミニウム板２３Ａを接合してＡｌ層１３Ａ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６５０℃以下、加熱温度での保持時間は１５分以上１８０分以下の範囲内に設定されることが好ましい。
【００３５】
（Ｃｕ層（金属層）形成工程Ｓ０２）
次に、Ａｌ層１３Ａの他方の面側に、Ｃｕ層１３Ｂとなる銅板２３Ｂを積層する。
そして、積層方向に加圧（圧力３〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２（０．３〜３．５ＭＰａ））した状態で真空加熱炉内に配置し加熱して、Ａｌ層１３Ａと銅板２３Ｂとを固相拡散接合し、金属層１３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４００℃以上５４８℃以下、加熱温度での保持時間は５分以上２４０分以下の範囲内に設定されることが好ましい。
なお、Ａｌ層１３Ａ、銅板２３Ｂのうち固相拡散接合されるそれぞれの接合面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされている。
以上のようにして、絶縁回路基板１０が製造されることになる。
【００３６】
（ヒートシンク準備工程Ｓ１１）
一方、ヒートシンク３１を準備する。まず、ヒートシンク３１の素材となるアルミニウム合金板を製造する。具体的には、Ｓｉ濃度が１．５ｍａｓｓ％以上１２．５ｍａｓｓ％以下の範囲、Ｆｅ濃度が０．１５ｍａｓｓ％以下、Ｃｕの濃度が０．０５ｍａｓｓ％以下となるように成分調整したアルミニウム合金溶湯を溶製する。そして、このアルミニウム合金溶湯を用いて、双ロール法によってアルミニウム合金板を製造する。双ロール法では、冷却速度が速くなるため、Ｓｉ析出物が微細に分散することになる。
そして、このアルミニウム合金板を加工して、ヒートシンク３１を成形する。
【００３７】
（金属層／ヒートシンク接合工程Ｓ０３）
次に、上述の絶縁回路基板１０の金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）とヒートシンク３１とを積層し、積層方向に加圧（圧力５〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２（０．５〜３．５ＭＰａ））した状態で真空加熱炉内に配置し加熱して、金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）とヒートシンク３１を固相拡散接合する。なお、金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）及びヒートシンク３１のうち固相拡散接合されるそれぞれの接合面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされている。
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４００℃以上５２０℃以下、加熱温度での保持時間は１５分以上３００分以下の範囲内に設定されることが好ましい。
【００３８】
この金属層／ヒートシンク接合工程Ｓ０３において、Ｃｕ層１３Ｂ中のＣｕ原子及びヒートシンク３１中のＡｌ原子が相互拡散し、図３に示すように、θ相からなる第１金属間化合物層４１と、非θ相からなる第２金属間化合物層４２とが積層された金属間化合物層４０が形成される。
このようにして、本実施形態であるヒートシンク付絶縁回路基板３０が製造される。
【００３９】
ここで、本実施形態では、上述のように、双ロール法によって製造されたアルミニウム合金板を用いてヒートシンク３１を成形しているので、ヒートシンク３１には、Ｓｉ析出物が微細に分散している。ＳｉはＡｌに比べてＣｕの拡散速度が速いため、Ｓｉ析出物が分散していることにより、Ｃｕの拡散が促進され、θ相が大きく成長することになる。これにより、θ相からなる第１金属間化合物層４１の厚さｔ１と、非θ相からなる第２金属間化合物層４２の厚さｔ２との比ｔ２／ｔ１が、１．２以上２．０以下の範囲内とされる。また、ヒートシンク３１には、粗大なＳｉ析出物が存在していないため、カーケンダルボイドが過剰に形成されることを抑制できる。
【００４０】
（半導体素子接合工程Ｓ０４）
次いで、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。
【００４１】
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絶縁回路基板３０によれば、ヒートシンク３１が、Ｓｉ濃度が１．５ｍａｓｓ％以上１２．５ｍａｓｓ％以下の範囲内とされ、Ｆｅ濃度が０．１５ｍａｓｓ％以下、Ｃｕの濃度が０．０５ｍａｓｓ％以下とされたアルミニウム合金で構成されているので、ヒートシンク３１の強度が高く、ねじ締結を行うことができるとともに、反りの発生を抑制することができる。また、ヒートシンク３１の熱伝導率が比較的高くなるため、放熱特性に優れている。
【００４２】
また、本実施形態においては、ヒートシンク３１と金属層１３との接合界面に形成された金属間化合物層４０において、ヒートシンク３１側に位置するとともにθ相からなる第１金属間化合物層４１の厚さｔ１と、金属層１３側に位置するとともにθ相以外の非θ相からなる第２金属間化合物層４２の厚さｔ２との比ｔ２／ｔ１が１．２以上とされている。これによって、θ相からなる第１金属間化合物層４１の厚さが必要以上に厚くなく、この第１金属間化合物層４１を起因とした割れの発生を抑制できる。また、金属層１３側に位置する非θ相からなる第２金属間化合物層４２の厚さが確保されることで、金属層１３の変形抵抗が高くなり、外力が負荷された場合であっても金属層１３が容易に変形せず、金属間化合物層４０の割れの発生を抑制できる。
さらに、第１金属間化合物層４１の厚さｔ１と第２金属間化合物層４２の厚さｔ２との比ｔ２／ｔ１が２．０以下とされているので、ヒートシンク３１側に位置するθ相からなる第１金属間化合物層４１の厚さが確保されてヒートシンク３１の変形抵抗が高くなり、外力が負荷された場合であってもヒートシンク３１が容易に変形せず、金属間化合物層４０の割れの発生を抑制できる。
【００４３】
（第二実施形態）
次に、本発明の第二実施形態であるヒートシンクについて説明する。図６に、本発明の第二実施形態に係るヒートシンク１０１を示す。
このヒートシンク１０１は、ヒートシンク本体１１０と、ヒートシンク本体１１０の一方の面（図６において上側）に積層された銅又は銅合金からなる銅部材層１１７と、を備えている。本実施形態では、銅部材層１１７は、図９に示すように、無酸素銅の圧延板からなる銅板１２７を接合することによって構成されている。
【００４４】
ヒートシンク本体１１０は、冷却媒体が流通する流路１１１が設けられている。このヒートシンク本体１１０は、Ｓｉ濃度が１．５ｍａｓｓ％以上１２．５ｍａｓｓ％以下の範囲内とされ、Ｆｅ濃度が０．１５ｍａｓｓ％以下、Ｃｕの濃度が０．０５ｍａｓｓ％以下とされたアルミニウム合金で構成されている。なお、このヒートシンク本体１１０（アルミニウム合金）においては、Ｓｉ析出物が微細に分散されたものとされている。
【００４５】
ここで、ヒートシンク本体１１０と銅部材層１１７は、固相拡散接合されている。
ヒートシンク本体１１０と銅部材層１１７との接合界面には、図７に示すように、ＡｌとＣｕを含有する金属間化合物層１４０が形成されている。この金属間化合物層１４０は、ヒートシンク本体１１０のＡｌ原子と銅部材層１１７のＣｕ原子とが相互に拡散して形成されたものである。
【００４６】
この金属間化合物層１４０は、図７に示すように、ヒートシンク本体１１０側に配設されたＣｕとＡｌの金属間化合物のθ相からなる第１金属間化合物層１４１と、銅部材層１１７側に配設されるとともにθ相以外のη２相、ζ２相、δ相、γ２相等の非θ相からなる第２金属間化合物層１４２と、で構成されている。
ここで、金属間化合物層１４０の厚さは、１０μｍ以上８０μｍ以下の範囲内、好ましくは、２０μｍ以上５０μｍ以下の範囲内に設定されている。
【００４７】
そして、θ相からなる第１金属間化合物層１４１の厚さｔ１と、非θ相からなる第２金属間化合物層１４２の厚さｔ２との比ｔ２／ｔ１が、１．２以上２．０以下の範囲内とされている。
なお、上述の厚さ比ｔ２／ｔ１の下限は１．４以上とすることが好ましく、１．５以上とすることがさらに好ましい。また、上述の厚さ比ｔ２／ｔ１の上限は１．８以下とすることが好ましく、１．６以下とすることがさらに好ましい。
【００４８】
また、θ相からなる第１金属間化合物層１４１の厚さｔ１の下限は５μｍ以上とすることが好ましく、１０μｍ以上とすることがさらに好ましい。一方、θ相からなる第１金属間化合物層１４１の厚さｔ１の上限は２０μｍ以下とすることが好ましく、１５μｍ以下とすることがさらに好ましい。
【００４９】
次に、本実施形態であるヒートシンク１０１の製造方法について、図８及び図９を参照して説明する。
【００５０】
（ヒートシンク本体準備工程Ｓ１０１）
接合するヒートシンク本体１１０を準備する。まず、ヒートシンク本体１１０の素材となるアルミニウム合金板を製造する。具体的には、Ｓｉ濃度が１．５ｍａｓｓ％以上１２．５ｍａｓｓ％以下の範囲、Ｆｅ濃度が０．１５ｍａｓｓ％以下、Ｃｕの濃度が０．０５ｍａｓｓ％以下となるように成分調整したアルミニウム合金溶湯を溶製する。そして、このアルミニウム合金溶湯を用いて、双ロール法によってアルミニウム合金板を製造する。
双ロール法では、冷却速度が速くなるため、Ｓｉ析出物が微細に分散することになる。
そして、このアルミニウム合金板を加工して、ヒートシンク本体１１０を成形する。
【００５１】
（ヒートシンク本体／銅部材層接合工程Ｓ１０２）
次に、図９に示すように、ヒートシンク本体１１０と銅部材層１１７となる銅板１２７とを積層し、積層方向に加圧（圧力５〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２（０．５〜３．５ＭＰａ））した状態で真空加熱炉内に配置して加熱することにより、銅板１２７とヒートシンク本体１１０とを固相拡散接合する。なお、銅板１２７、ヒートシンク本体１１０のうち固相拡散接合されるそれぞれの接合面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされている。
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４５０℃以上５２０℃以下、加熱温度での保持時間は１５分以上３００分以下の範囲内に設定されることが好ましい。
【００５２】
このヒートシンク本体／銅部材層接合工程Ｓ１０２において、銅部材層１１７（銅板１２７）中のＣｕ原子及びヒートシンク本体１１０中のＡｌ原子が相互拡散し、図７に示すように、θ相からなる第１金属間化合物層１４１と、非θ相からなる第２金属間化合物層１４２とが積層された金属間化合物層１４０が形成される。
このようにして、本実施形態であるヒートシンク１０１が製造される。
【００５３】
ここで、本実施形態では、上述のように、双ロール法によって製造されたアルミニウム合金板を用いてヒートシンク本体１１０を成形しているので、ヒートシンク本体１１０には、Ｓｉ析出物が微細に分散している。ＳｉはＡｌに比べてＣｕの拡散速度が速いため、Ｓｉ析出物が分散していることにより、Ｃｕの拡散が促進され、θ相が大きく成長することになる。これにより、θ相からなる第１金属間化合物層１４１の厚さｔ１と、非θ相からなる第２金属間化合物層１４２の厚さｔ２との比ｔ２／ｔ１が、１．２以上２．０以下の範囲内とされる。また、ヒートシンク本体１１０には、粗大なＳｉ析出物が存在していないため、カーケンダルボイドが過剰に形成されることを抑制できる。
【００５４】
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１０１によれば、ヒートシンク本体１１０の一方の面側に、無酸素銅の圧延板からなる銅板１２７を接合することによって銅部材層１１７が形成されているので、熱を銅部材層１１７によって面方向に広げることができ、放熱特性を大幅に向上させることができる。また、はんだ等を用いて他の部材とヒートシンク１０１とを良好に接合することができる。
【００５５】
また、本実施形態では、ヒートシンク本体１１０が、Ｓｉ濃度が１．５ｍａｓｓ％以上１２．５ｍａｓｓ％以下の範囲内とされ、Ｆｅ濃度が０．１５ｍａｓｓ％以下、Ｃｕの濃度が０．０５ｍａｓｓ％以下とされたアルミニウム合金で構成されているので、ヒートシンク本体１１０の強度が高く、ねじ締結を行うことができるとともに、反りの発生を抑制でき、冷却器等と密着させることができる。また、ヒートシンク本体１１０の熱伝導率が比較的高くなるため、放熱特性に優れている。
【００５６】
そして、ヒートシンク本体１１０と銅部材層１１７との接合界面に形成された金属間化合物層１４０において、ヒートシンク本体１１０側に位置するとともにθ相からなる第１金属間化合物層１４１の厚さｔ１と、銅部材層１１７側に位置するとともにθ相以外の非θ相からなる第２金属間化合物層１４２の厚さｔ２との比ｔ２／ｔ１が１．２以上とされているので、θ相からなる第１金属間化合物層１４１の厚さが必要以上に厚くなく、この第１金属間化合物層１４１を起因とした割れの発生を抑制できる。また、銅部材層１１７側に位置する非θ相からなる第２金属間化合物層１４２の厚さが確保されて銅部材層１１７の変形抵抗が高くなり、締結等で外力が負荷された場合であっても銅部材層１１７が容易に変形せず、金属間化合物層１４０の割れの発生を抑制できる。
さらに、第１金属間化合物層１４１の厚さｔ１と第２金属間化合物層１４２の厚さｔ２との比ｔ２／ｔ１が２．０以下とされているので、ヒートシンク本体１１０側に位置するθ相からなる第１金属間化合物層１４１の厚さが確保されてヒートシンク本体１１０の変形抵抗が高くなり、締結等で外力が負荷された場合であってもヒートシンク本体１１０が容易に変形せず、金属間化合物層１４０の割れの発生を抑制できる。
【００５７】
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、第一実施形態では、金属層１３を、Ａｌ層１３ＡとＣｕ層１３Ｂとを有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、図１０に示すように、金属層全体を銅又は銅合金で構成してもよい。この図１０に示すヒートシンク付絶縁回路基板２３０においては、セラミックス基板１１の他方の面（図１０において下側）に銅板がＤＢＣ法あるいは活性金属ろう付け法等によって接合され、銅又は銅合金からなる金属層２１３が形成されている。そして、この金属層２１３とヒートシンク３１とが、固相拡散接合されている。なお、図１０に示す絶縁回路基板２１０においては、回路層２１２も銅又は銅合金によって構成されたものとされている。
【００５８】
また、第一実施形態において、回路層を純度９９ｍａｓｓ％のアルミニウム板を接合することで形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、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上の純アルミニウムや、他のアルミニウム又はアルミニウム合金、銅又は銅合金等の他の金属で構成したものであってもよい。また、回路層をＡｌ層とＣｕ層の２層構造のものとしてもよい。これは、図１０に示す絶縁回路基板２１０でも同様である。
【００５９】
また、第一の実施形態の金属層／ヒートシンク接合工程Ｓ０３においては、金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）とヒートシンク３１とを積層し、積層方向に加圧した状態で真空加熱炉内に配置して加熱する構成とした。また、第二の実施形態のヒートシンク本体／銅部材層接合工程Ｓ１０２においては、ヒートシンク本体１１０と銅部材層１１７となる銅板１２７とを積層し、積層方向に加圧（圧力５〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２（０．５〜３．５ＭＰａ））した状態で真空加熱炉内に配置して加熱する構成として説明した。しかし、本発明はこれら第一の実施形態や第二の実施形態に限定されることはなく、図１１に示すように、アルミニウム合金部材３０１（ヒートシンク３１、ヒートシンク本体１１０）と銅部材３０２（金属層１３、銅部材層１１７）とを固相拡散接合する際に通電加熱法を適用してもよい。
【００６０】
通電加熱を行う場合には、図１１に示すように、アルミニウム合金部材３０１と銅部材３０２とを積層し、これらの積層体を、カーボン板３１１，３１１を介して一対の電極３１２、３１２によって積層方向に加圧するとともに、アルミニウム合金部材３０１及び銅部材３０２に対して通電を行う。すると、ジュール熱によってカーボン板３１１，３１１及びアルミニウム合金部材３０１と銅部材３０２が加熱され、アルミニウム合金部材３０１と銅部材３０２とが固相拡散接合される。
【００６１】
上述の通電加熱法においては、アルミニウム合金部材３０１及び銅部材３０２が直接通電加熱されることから、昇温速度を例えば３０〜１００℃／ｍｉｎと比較的速くすることができ、短時間で固相拡散接合を行うことができる。これにより、接合面の酸化の影響が小さく、例えば大気雰囲気でも接合することが可能となる。また、アルミニウム合金部材３０１及び銅部材３０２の抵抗値や比熱によっては、これらアルミニウム合金部材３０１及び銅部材３０２に温度差が生じた状態で接合することも可能となり、熱膨張の差を小さくし、熱応力の低減を図ることもできる。
【００６２】
ここで、上述の通電加熱法においては、一対の電極３１２，３１２による加圧荷重は、３０ｋｇｆ／ｃｍ２以上１００ｋｇｆ／ｃｍ２以下（３ＭＰａ以上１０ＭＰａ以下）の範囲内とすることが好ましい。
また、通電加熱法を適用する場合には、アルミニウム合金部材３０１及び銅部材３０２の表面粗さは、算術平均粗さＲａ（ＪＩＳ  Ｂ  ０６０１：２００１）で０．３μｍ以上０．６μｍ以下、または、最大高さＲｚ（ＪＩＳ  Ｂ  ０６０１：２００１）で１．３μｍ以上２．３μｍ以下の範囲内とすることが好ましい。通常の固相拡散接合では、接合面の表面粗さは小さいことが好ましいが、通電加熱法の場合には、接合面の表面粗さが小さすぎると、界面接触抵抗が低下し、接合界面を局所的に加熱することが困難となるため、上述の範囲内とすることが好ましい。
【００６３】
なお、第一の実施形態の金属層／ヒートシンク接合工程Ｓ０３に上述の通電加熱法を用いることも可能であるが、その場合、セラミックス基板１１が絶縁体であるため、例えば、カーボンからなる冶具等でカーボン板３１１，３１１を短絡する必要がある。接合条件は、上述したアルミニウム合金部材３０１と銅部材３０２の接合と同様である。
また、金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）とヒートシンク３１の表面粗さについては、上述したアルミニウム合金部材３０１及び銅部材３０２の場合と同様である。
【実施例】
【００６４】
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。【００６５】
（試験片の作製）
表１に示すアルミニウム合金板（５０ｍｍ×５０ｍｍ、厚さ５ｍｍ）の一方の面に、無酸素銅からなる銅板（４０ｍｍ×４０ｍｍ、厚さ５ｍｍ）を、上述の実施形態に記載した方法によって固相拡散接合した。なお、本発明例においては、アルミニウム合金板は、双ロール法によって製造した。比較例においては、アルミニウム合金板は、ブロック形状の鋳塊を製造し、これを熱間圧延及び冷間圧延することで製造した。
そして、本発明例及び比較例においては、アルミニウム合金板と銅板とを積層方向に１５ｋｇｆ／ｃｍ２（１．５ＭＰａ）の荷重で押圧し、真空加熱炉で５００℃において表１に示す保持時間で固相拡散接合を実施した。【００６６】
（アルミニウム合金板の硬さ）
接合体のアルミニウム合金板に対し、ナノインデンテーション法によりインデンテーション硬度を測定した（測定機器：ＥＮＴ−１１００ａ（株式会社エリオニクス））。測定は、アルミニウム合金板の厚さ方向中央部の１０箇所で行い、その平均値とした。なお、インデンテーション硬度は、バーコビッチ圧子と呼ばれる稜間角が１１４．８°以上１１５．１°以下の三角錐ダイヤモンド圧子を用いて試験荷重を５０００ｍｇｆとして負荷をかけた際の荷重―変位の相関を計測し、インデンテーション硬度＝３７．９２６×１０−３×（荷重〔ｍｇｆ〕÷変位〔μｍ〕２）の式より求めた。【００６７】
（金属間化合物層の評価）
固相拡散接合されたアルミニウム合金板と銅板との接合体の断面観察を行い、接合界面に形成された金属間化合物層において、θ相の厚さｔ１、非θ相の厚さｔ２を測定した。
ＥＰＭＡ（ＪＸＡ−８５３０Ｆ：日本電子株式会社）を用いて金属間化合物層を含む位置を厚さ方向にライン分析を実施した。ＣｕとＡｌの合計量を１００原子％として、Ｃｕ濃度が３０〜３５原子％の領域をθ相とし、Ｃｕ濃度が４６〜７２原子％の領域を非θ相とした。なお、Ｓｉ析出物により局所的なピークが存在する箇所を除外した。
そして、上述の観察を５視野で実施し、θ相の厚さｔ１の平均値、非θ相の厚さｔ２の平均値を算出した。測定結果を表１に示す。【００６８】
（冷熱サイクル試験）
次に、このようにして製造された接合体において、冷熱サイクル試験を実施した。冷熱衝撃試験機エスペック社製ＴＳＡ−７２ＥＳ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、気槽で、−５０℃で４５分、１７５℃で４５分の冷熱サイクルを２５００回実施した。
そして、冷熱サイクル試験前における接合体の積層方向の熱抵抗と接合率、及び、冷熱サイクル試験後における接合体の積層方向の熱抵抗と接合率を、以下のようにして評価した。【００６９】
（接合率評価）
接合体のアルミニウム合金板と金属板との接合部の接合率について超音波探傷装置（ＦｉｎｅＳＡＴ２００：株式会社日立ソリューションズ）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合金板の面積とした。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。評価結果を表１に示す。
接合率（％）＝｛（初期接合面積）−（剥離面積）｝／（初期接合面積）×１００【００７０】
（熱抵抗の測定）
ヒータチップ（１３ｍｍ×１０ｍｍ×０．２５ｍｍ）を金属板の表面に半田付けし、アルミニウム合金板を冷却器にろう付け接合した。次に、ヒータチップを１００Ｗの電力で加熱し、熱電対（Ｋ熱電対、クラス１）を用いてヒータチップの温度を実測した。また、冷却器を流通する冷却媒体（エチレングリコール：水＝９：１）の温度を実測した。そして、ヒータチップの温度と冷却媒体の温度差を電力で割った値を熱抵抗とした。
なお、比較例１の冷熱サイクル試験前の熱抵抗を基準として１とし、この比較例１との比率で熱抵抗を評価した。評価結果を表１に示す。【００７１】
【表１】
2020111107.tif 000003
【００７２】
比較例１においては、アルミニウム合金板のＳｉ濃度が０．２ｍａｓｓ％と本発明の範囲よりも少なく、θ相厚さｔ１と非θ相厚さｔ２との比ｔ２／ｔ１が２．８と本発明の範囲よりも大きくなり、冷熱サイクル負荷後に、接合率が低下するとともに、熱抵抗が大きく増加した。
比較例２においては、アルミニウム合金板のＳｉ濃度が１８．５ｍａｓｓ％と本発明の範囲よりも多く、θ相厚さｔ１と非θ相厚さｔ２との比ｔ２／ｔ１が１．０と本発明の範囲よりも小さくなり、冷熱サイクル負荷後に、接合率が低下するとともに、熱抵抗が大きく増加した。【００７３】
比較例３においては、アルミニウム合金板のＦｅ濃度が０．４２ｍａｓｓ％と本発明の範囲よりも多く、冷熱サイクル負荷後に、接合率が低下するとともに、熱抵抗が大きく増加した。
比較例４においては、アルミニウム合金板のＣｕ濃度が０．２６ｍａｓｓ％と本発明の範囲よりも多く、冷熱サイクル負荷後に、接合率が大きく低下するとともに、熱抵抗が大きく増加した。【００７４】
これに対して、アルミニウム合金板のＳｉ濃度、Ｆｅ濃度、Ｃｕ濃度、θ相厚さｔ１と非θ相厚さｔ２との比ｔ２／ｔ１が、それぞれ本発明の範囲内とされた本発明例１−８においては、比較例１に対して、熱抵抗が低くなった。また、冷熱サイクル負荷後においても、接合率が大きく低下することなく、かつ、熱抵抗も大きく増加しなかった。【００７５】
以上のことから、本発明例１−８によれば、アルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材と、銅又は銅合金からなる銅部材と、が固相拡散接合されてなり、冷熱サイクル信頼性に優れ、かつ、放熱特性及び強度に優れた接合体を提供可能であることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明の接合体や、この接合体を備えたヒートシンク付絶縁回路基板及びヒートシンクは、発熱量が多い大電力制御用のパワー半導体素子を備えた制御回路を有する装置、例えば、風力発電装置、電気自動車、ハイブリッド自動車等に好適に利用することができる。
【符号の説明】
【００７７】
１０、２１０  絶縁回路基板
１１  セラミックス基板
１３、２１３  金属層
１３Ｂ  Ｃｕ層（銅部材）
３１  ヒートシンク（アルミニウム合金部材）
４０  金属間化合物層
４１  第１金属間化合物層
４２  第２金属間化合物層
１０１  ヒートシンク
１１０  ヒートシンク本体（アルミニウム合金部材）
１１７  銅部材層
１４０  金属間化合物層
１４１  第１金属間化合物層
１４２  第２金属間化合物層
【図１】
2020111107.tif 000004
【図２】
2020111107.tif 000005
【図３】
2020111107.tif 000006
【図４】
2020111107.tif 000007
【図５】
2020111107.tif 000008
【図６】
2020111107.tif 000009
【図７】
2020111107.tif 000010
【図８】
2020111107.tif 000011
【図９】
2020111107.tif 000012
【図１０】
2020111107.tif 000013
【図１１】
2020111107.tif 000014
【国際調査報告】
2020111107.tif 000015
2020111107.tif 000016
2020111107.tif 000017
2020111107.tif 000018