パワーモジュール用基板の製造方法、ヒートシンク付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及びヒートシンク付パワーモジュール用基板
【課題】セラミックス基板に大きな反りが生じることがなく、かつ、金属層においてブローホール等の欠陥が発生することなく、回路層が銅板で構成されるとともに金属層がアルミニウム板で構成されたパワーモジュール用基板を安定して製造することができるパワーモジュール用基板の製造方法を提供する。
【解決手段】セラミックス基板１１の一方の面に、銅又は銅合金からなる銅板２２を接合して回路層１２を形成する銅板接合工程と、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を接合して金属層１３を形成するアルミニウム板接合工程と、を有し、前記銅板接合工程では、銅板２２とセラミックス基板１１とを、液相温度が前記アルミニウム板の融点未満とされた接合材２４を用いて接合する構成とされており、銅板接合工程とアルミニウム板接合工程とを同時に行うことを特徴とする。
【解決手段】セラミックス基板１１の一方の面に、銅又は銅合金からなる銅板２２を接合して回路層１２を形成する銅板接合工程と、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を接合して金属層１３を形成するアルミニウム板接合工程と、を有し、前記銅板接合工程では、銅板２２とセラミックス基板１１とを、液相温度が前記アルミニウム板の融点未満とされた接合材２４を用いて接合する構成とされており、銅板接合工程とアルミニウム板接合工程とを同時に行うことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられるパワーモジュール用基板の製造方法、ヒートシンク付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及びヒートシンク付パワーモジュール用基板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子の中でも電力供給のためのパワーモジュールは、発熱量が比較的高いため、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）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）などからなるセラミックス基板の一方の面側に回路層が形成され、セラミックス基板の他方の面側に金属層が形成されたパワーモジュール用基板が用いられる。このパワーモジュール用基板においては、金属層を介してヒートシンクが接続され、ヒートシンク付パワーモジュール用基板とされる。また、回路層の上に、はんだ層を介してパワー素子としての半導体素子が搭載され、パワーモジュールとされる。
【０００３】
上述のパワーモジュール用基板として、例えば特許文献１には、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム板をろう付けして回路層とし、セラミックス基板の他方の面にアルミニウム板をろう付けして金属層としたものが提案されている。
また、特許文献２には、セラミックス基板の一方の面に金属板を接合して回路層とし、セラミックス基板の他方の面側に、鋳造法によってアルミニウム層を形成して金属層としたパワーモジュール用基板が開示されている。
【０００４】
上述のパワーモジュールにおいては、使用時に熱サイクルが負荷されることになる。すると、セラミックス基板と回路層及び金属層との接合界面には、セラミックス基板とアルミニウムとの熱膨張係数の差によって熱応力が作用し、セラミックス基板と回路層及び金属層との接合信頼性が低下するおそれがあった。ここで、純度が９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）等の比較的変形抵抗の小さな金属で回路層及び金属層を構成し、熱応力を回路層及び金属層の変形によって吸収することにより、接合信頼性の向上を図ることが可能となる。特に、ヒートシンクを接続した場合には、ヒートシンクとセラミックス基板との熱膨張係数の差によって熱応力が発生するため、金属層によって熱応力を十分に吸収する必要がある。
【０００５】
ところで、回路層を、４Ｎアルミニウム等の比較的変形抵抗の小さな金属で構成した場合、熱サイクルを負荷した際に、回路層の表面にうねりやシワが発生してしまうといった問題があった。回路層の表面にうねりやシワが発生した場合には、はんだ層にクラックが発生し、パワーモジュールの信頼性が低下することになる。
特に、最近では、環境負荷の観点から、はんだ層として、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｃｕ系の鉛フリーはんだ材が使用されることが多くなっている。これらの鉛フリーはんだ材は、従来のＳｎ−Ｐｂ系はんだ材に比べて変形しにくく、回路層のうねりやシワによって、はんだ層にクラックが生じやすい傾向にある。
また、最近は、パワーモジュールの小型化・薄肉化が進められるとともに、その使用環境も厳しくなってきており、半導体素子等の電子部品からの発熱量が大きくなっているため、熱サイクルの温度差が大きく、回路層の表面にうねりやシワが発生しやすい傾向にある。
【０００６】
ここで、例えば特許文献２には、回路層として銅板を用いたものが開示されている。回路層を銅板で構成した場合には、銅板の変形抵抗がアルミニウムに比べて大きいことから、回路層におけるうねりやシワの発生を抑制することが可能となる。
また、特許文献２では、セラミックス基板の他方の面側にアルミニウムからなる金属層を形成することで、ヒートシンクとセラミックス基板との熱膨張係数の差による熱応力を吸収し、セラミックス基板と回路層及び金属層との接合信頼性の向上を図っている。
【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２００２−０７６５５１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２においては、セラミックス基板の一方の面側に銅板を例えば８００℃で接合した後に、セラミックス基板の他方の面側に、鋳造法によってアルミニウムからなる金属層を形成している。
ここで、セラミックス基板の一方の面に銅板を接合した状態で加熱した場合には、セラミックス基板に大きな反りが生じ、セラミックス基板に割れが発生したり、鋳造法によって形成される金属層の厚さが大きくばらついたりしてしまうおそれがあった。また、金属層の内部にブローホール等の鋳造欠陥が発生し、金属層が脆くなったり、熱伝導性が低下したりするおそれがあった。
【０００９】
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、セラミックス基板に大きな反りが生じることがなく、かつ、金属層においてブローホール等の欠陥が発生することなく、回路層が銅板で構成されるとともに金属層がアルミニウム板で構成されたパワーモジュール用基板を安定して製造することができるパワーモジュール用基板の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法、及び、パワーモジュール用基板及びヒートシンク付パワーモジュール用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】
【００１０】
このような課題を解決して、上述の目的を達成するために、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板の一方の面に回路層が形成され、前記セラミックス基板の他方の面側に金属層が形成されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、 前記セラミックス基板の一方の面に、銅又は銅合金からなる銅板を接合して前記回路層を形成する銅板接合工程と、前記セラミックス基板の他方の面に、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を接合して前記金属層を形成するアルミニウム板接合工程と、を有し、前記銅板接合工程では、前記銅板と前記セラミックス基板とを、固相温度が前記アルミニウム板の融点未満とされた接合材を用いて接合する構成とされており、前記銅板接合工程と前記アルミニウム板接合工程とを同時に行うことを特徴としている。
【００１１】
この構成のパワーモジュール用基板の製造方法においては、銅又は銅合金からなる銅板を接合して前記回路層を形成する銅板接合工程と、前記セラミックス基板の他方の面に、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を接合して前記金属層を形成するアルミニウム板接合工程と、を同時に行う構成とされていることから、接合時においてセラミックス基板に生じる反りを抑えることができ、セラミックス基板の割れを防止することができる。また、金属層がアルミニウム板を接合することで形成されているので、金属層の内部にブローホール等の欠陥がなく、金属層が脆くなったり、熱伝導性が部分的に低下することがない。
また、銅板接合工程において、固相温度が前記アルミニウム板の融点未満とされた接合材を用いて前記銅板と前記セラミックス基板とを接合する構成としていることから、アルミニウム板の融点未満の温度条件でおいても、銅板と前記セラミックス基板とを確実に接合することができる。
【００１２】
ここで、前記接合材は、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系合金に、Ｉｎ，Ｂｉ，Ｌｉ，Ｓｎから選択される１種又は２種以上の低融点元素が添加された構成とされていることが好ましい。
この場合、接合材の固相温度を前記アルミニウム板の融点未満とすることができ、銅板接合工程において、アルミニウム板の融点未満の温度条件でも、前記銅板と前記セラミックス基板とを強固に接合することができる。
【００１３】
前記アルミニウム板接合工程は、前記セラミックス基板の接合面及び前記アルミニウム板の接合面のうち少なくとも一方に、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着し、前記添加元素を含有する固着層を形成する固着工程と、前記固着層を介して前記セラミックス基板と前記アルミニウム板と積層する積層工程と、積層された前記セラミックス基板と前記アルミニウム板とを積層方向に加圧するとともに加熱し、前記セラミックス基板と前記アルミニウム板との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、この溶融金属領域を凝固させることによって、前記セラミックス基板と前記アルミニウム板とを接合する凝固工程と、を有し、前記加熱工程において、前記固着層の元素を前記アルミニウム板側に拡散させることにより、前記セラミックス基板と前記アルミニウム板との界面に、前記溶融金属領域を形成することが好ましい。
この場合、アルミニウム板とセラミックス基板とが、いわゆる液相拡散接合法（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって接合されているので、アルミニウム板とセラミックス基板とを強固に接合でき、接合信頼性に優れたパワーモジュール用基板を製造することができる。
【００１４】
前記銅板は、再結晶温度が１５０℃以下とされた銅又は銅合金で構成されていることが好ましい。
この場合、回路層となる銅板の再結晶温度が１５０℃以下とされているので、使用条件下でも銅板が再結晶することになり、回路層が必要以上に硬くならず、回路層及びセラミックス基板における亀裂の発生を抑制することができる。
なお、本明細書における再結晶温度とは、アルゴン雰囲気中で３６００秒熱処理した場合に引張強度が完全焼鈍時と冷間加工（冷間加工率５０％）時との差の中間値になった時の加熱温度とする。
また、再結晶温度が１５０℃以下とされた銅は、例えば純度が９９．９９９質量％以上のいわゆる５ＮＣｕ，６ＮＣｕを用いることができる。
【００１５】
前記アルミニウム板は、純度が９９．９８質量％以上のアルミニウムで構成されていることが好ましい。
この場合、金属層を構成するアルミニウム板が、純度９９．９８質量％以上とされているので、比較的変形抵抗が小さく、熱応力を効率的に吸収することができる。
【００１６】
前記銅板の厚さｔｃが、０．１ｍｍ≦ｔｃ≦０．６ｍｍとされ、前記アルミニウム板の厚さｔａが、０．４ｍｍ≦ｔａ≦３．０ｍｍとされており、さらに、ｔｃ＜ｔａとされていることが好ましい。
この場合、前記銅板の厚さｔｃと前記アルミニウム板の厚さｔａとがｔｃ＜ｔａとされているので、セラミックス基板の一方の面側の剛性と他方の面側の剛性とが大きく異なることがなく、セラミックス基板の反りの発生を抑制することができる。
また、銅板の厚さｔｃが、ｔｃ≧０．１ｍｍとされているので、回路層における導電性を確保することができる。また、銅板の厚さｔｃが、ｔｃ≦０．６ｍｍとされているので、回路層の変形抵抗が必要以上に大きくならず、セラミックス基板の割れの発生を抑制することができる。
さらに、アルミニウム板の厚さｔａが、ｔａ≧０．４ｍｍとされているので、金属層において熱応力を確実に吸収することができる。また、アルミニウム板の厚さｔａが、ｔａ≦３．０ｍｍとされているので、熱抵抗を抑えることができ、ヒートシンク側に熱を効率良く放散することができる。
【００１７】
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、上述のパワーモジュール用基板の製造方法によって製造されたパワーモジュール用基板に、このパワーモジュール用基板を冷却するヒートシンクが配設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であって、前記ヒートシンクと前記金属層とを接合するヒートシンク接合工程を有し、前記銅板接合工程と前記アルミニウム板接合工程と前記ヒートシンク接合工程とを同時に行うことを特徴としている。
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、回路層となる銅板と、セラミックス基板と、金属層となるアルミニウム板と、ヒートシンクと、同時に接合することから、セラミックス基板の反りの発生を抑制することができる。また、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造コストを低減することができる。
【００１８】
本発明のパワーモジュール用基板は、上述のパワーモジュール用基板の製造方法によって製造されたことを特徴としている。
この構成のパワーモジュール用基板においては、回路層が銅板で構成されているので、回路層表面におけるうねりやシワの発生を抑制することができる。また、製造時におけるセラミックス基板の反りが抑制されているので、回路層と金属層との電気的接続を確実に防止することができる。
【００１９】
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、上述のパワーモジュール用基板の製造方法によって製造されたパワーモジュール用基板と、このパワーモジュール用基板を冷却するヒートシンクと、を備えたことを特徴としている。
この構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、ヒートシンクとセラミックス基板との間にアルミニウム板からなる金属層が配設されているので、この金属層において熱応力を吸収することが可能となる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、セラミックス基板に大きな反りが生じることがなく、かつ、金属層においてブローホール等の欠陥が発生することなく、回路層が銅板で構成されるとともに金属層がアルミニウム板で構成されたパワーモジュール用基板を安定して製造することができるパワーモジュール用基板の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法、及び、パワーモジュール用基板及びヒートシンク付パワーモジュール用基板を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。
【図２】図１に示すパワーモジュールの製造方法のフロー図である。
【図３】本発明の第１の実施形態である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４】図１に示すヒートシンク付パワーモジュールの製造方法を示す説明図である。
【図５】本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。
【図６】本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板（ヒートシンク付パワーモジュール用基板）の金属層のセラミックス基板との界面における添加元素の濃度分布を示す説明図である。
【図７】本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板（ヒートシンク付パワーモジュール用基板）の金属層及びヒートシンク（放熱板）における添加元素の濃度分布を示す説明図である。
【図８】本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板（ヒートシンク付パワーモジュール用基板）のフロー図である。
【図９】本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板（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１０】図９における金属層とセラミックス基板との接合界面近傍を示す説明図である。
【図１１】図９における金属層とヒートシンクとの接合界面近傍を示す説明図である。
【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、本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板、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を示す。
このパワーモジュール１は、回路層１２が配設されたパワーモジュール用基板１０と、回路層１２の表面にはんだ層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の他方側（図１において下側）に配設されたヒートシンク４０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。なお、本実施形態では、回路層１２とはんだ層２との間にＮｉメッキ層（図示なし）が設けられている。
【００２３】
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、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。また、セラミックス基板１１の厚さｔｓは、０．２ｍｍ≦ｔｓ≦１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、ｔｓ＝０．６３５ｍｍに設定されている。
【００２４】
回路層１２は、図３に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に、銅又は銅合金からなる銅板２２が接合されることにより形成されている。この銅板２２は、再結晶温度が１５０℃以下とされた銅又は銅合金で構成されており、本実施形態では、純度が９９．９９９質量％以上の５ＮＣｕで構成されている。なお、再結晶温度とは、アルゴン雰囲気中で３６００秒熱処理した場合に引張強度が完全焼鈍時と冷間加工（冷間加工率５０％）時との差の中間値になった時の加熱温度とする。
【００２５】
金属層１３は、図３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は、純度が９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板２３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。
【００２６】
ここで、図１に示すように、回路層１２の厚さｔｃ及び金属層１３の厚さｔａは、回路層１２の厚さｔｃが０．１ｍｍ≦ｔｃ≦０．６ｍｍとされ、金属層１３の厚さｔａが０．４ｍｍ≦ｔａ≦３．０ｍｍとされ、かつ、ｔｃ＜ｔａとなるように構成されている。本実施形態では、ｔｃ＝０．３ｍｍ、ｔａ＝２．０ｍｍとされている。
【００２７】
ヒートシンク４０は、前述のパワーモジュール用基板１０を冷却するためのものであり、パワーモジュール用基板１０と接合される天板部４１と、冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路４２と、を備えている。ヒートシンク４０（天板部４１）は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態においては、Ａ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。
【００２８】
以下に、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０、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１の製造方法について、図２から図４を参照して説明する。このパワーモジュール１の製造方法は、図２に示すように、銅板２２とセラミックス基板１１とを接合する銅板接合工程Ｓ０１と、セラミックス基板１１とアルミニウム板２３とを接合するアルミニウム板接合工程Ｓ０２と、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク４０とを接合するヒートシンク接合工程Ｓ０３と、回路層１２の一面に半導体素子３を接合する半導体素子接合工程Ｓ０４と、を備えている。
【００２９】
（銅板接合工程Ｓ０１／アルミニウム板接合工程Ｓ０２）
まず、図３に示すように、セラミックス基板１１の一方の面側（図３において上側）に、第１ろう材２４を介して銅板２２を積層する。また、セラミックス基板１１の他方の面側（図３において下側）に第２ろう材２５を介してアルミニウム板２３を積層する。
ここで、アルミニウム板２３とセラミックス基板１１との間に介在される第２ろう材２５は、Ａｌ−Ｓｉ系合金とされており、本実施形態では、Ａｌ−７．５質量％Ｓｉからなる厚さ５〜３０μｍのろう材箔を用いている。
【００３０】
そして、銅板２２とセラミックス基板１１との間に介在される第１ろう材２４は、その固相温度がアルミニウム板２３の融点未満とされている。具体的には、第１ろう材２４は、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系合金に、Ｉｎ，Ｂｉ，Ｌｉ，Ｓｎから選択される１種又は２種以上の低融点元素が添加された構成とされており、本実施形態では、Ａｇ−２４質量％Ｃｕ−２質量％Ｔｉ−１４質量％Ｉｎ合金とされている。また、第１ろう材２４の厚さは１０〜１００μｍとされている。
【００３１】
次に、積層された銅板２２、セラミックス基板１１、アルミニウム板２３を、積層方向に加圧（圧力１．５〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空加熱炉内に装入して加熱し、銅板２２とセラミックス基板１１との界面に第１溶融金属領域２７を形成し、セラミックス基板１１とアルミニウム板２３との界面に第２溶融金属領域２８を形成する。
ここで、本実施形態では、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６３０℃以上６５５℃以下の範囲内に設定している。
【００３２】
ついで、上述の第１溶融金属領域２７及び第２溶融金属領域２８を凝固させることによって、銅板２２とセラミックス基板１１、セラミックス基板１１とアルミニウム板２３とを接合する。すなわち、銅板接合工程Ｓ０１とアルミニウム板接合工程Ｓ０２とが同時に実施されているのである。
このようにして、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０が製出される。
【００３３】
（ヒートシンク接合工程Ｓ０３）
次に、図４に示すように、パワーモジュール用基板１０の金属層１３の他方側（図４において下側）に、ろう材２６を介してヒートシンク４０を積層する。このろう材２６は、第１ろう材２４、第２ろう材２５よりも固相温度が低い合金で構成されており、本実施形態では、Ａｌ―１０質量％Ｓｉ合金とされている。また、ろう材２６の厚さは５０〜１００μｍとされている。
【００３４】
積層されたパワーモジュール用基板１０とヒートシンク４０とを積層方向に加圧（圧力１．５〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空加熱炉内に装入して加熱し、金属層１３とヒートシンク４０との間に溶融金属領域２９を形成する。
そして、この溶融金属領域２９を凝固させることで、ヒートシンク４０とパワーモジュール用基板１０とを接合する。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が製出される。
【００３５】
（半導体素子接合工程Ｓ０４）
次に、回路層１２の表面に形成されたＮｉメッキ層（図示なし）の上に、はんだ材を介して半導体素子３を載置し、還元炉内においてはんだ接合する。これにより、半導体素子３が、はんだ層２を介してパワーモジュール用基板１０上に接合され、本実施形態であるパワーモジュール１が製出される。
【００３６】
以上のような構成とされた本実施形態によれば、回路層１２が、変形抵抗が比較的大きい銅板２２によって構成されているので、回路層１２表面におけるうねりやシワの発生を抑制することができる。よって、鉛フリーはんだ材を用いた場合であっても、はんだ層２におけるクラックの発生を抑制することができる。
特に、本実施形態では、銅板２２が、再結晶温度が１５０℃以下の５ＮＣｕで構成されているので、銅板２２が再結晶することにより回路層１２が必要以上に硬くならず、回路層１２やセラミックス基板１１に亀裂が生じることを抑制することができる。
【００３７】
また、ヒートシンク４０とセラミックス基板１１との間に介在する金属層１３が、アルミニウム板２３で構成され、本実施形態では、４Ｎアルミニウムで構成されているので、セラミックス基板１１とヒートシンク４０との熱膨張係数の差によって生じる熱応力を金属層１３の変形によって吸収することができ、セラミックス基板１１の割れの防止及びヒートシンク４０とセラミックス基板１１との接合信頼性の向上を図ることができる。
【００３８】
そして、本実施形態では、回路層１２を形成する銅板接合工程Ｓ０１と、金属層１３を形成するアルミニウム板接合工程Ｓ０２とを、同時に実施する構成としているので、パワーモジュール用基板１１を製造する際に、セラミックス基板１１における反りの発生を抑えることができ、セラミックス基板１１の割れを防止することができる。また、アルミニウム板２３を接合することで金属層１３を形成しているので、金属層１３の内部にブローホール等の欠陥がない。
【００３９】
また、銅板接合工程Ｓ０１において、固相温度がアルミニウム板２３の融点未満とされた第１ろう材２４を用いているので、アルミニウム板２３の融点未満の温度条件でおいても、銅板２２とセラミックス基板１１とを確実に接合することができる。
本実施形態では、第１ろう材２４として、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系合金にＩｎ，Ｂｉ，Ｌｉ，Ｓｎから選択される１種又は２種以上の低融点元素を添加した合金、具体的には、Ａｇ−２４質量％Ｃｕ−２質量％Ｔｉ−１４質量％Ｉｎ合金を用いているので、固相温度が６２０℃となり、アルミニウム板２３の融点未満の温度条件で銅板２２とセラミックス基板１１とを強固に接合することができる。
【００４０】
本実施形態では、銅板２２からなる回路層１２の厚さｔｃとアルミニウム板２３からなる金属層１３の厚さｔａとがｔｃ＜ｔａとされているので、セラミックス基板１１の一方の面側の剛性と他方の面側の剛性とが大きく異なることがなく、セラミックス基板１１の反りの発生を抑制することができる。
また、銅板２２からなる回路層１２の厚さｔｃが、ｔｃ≧０．１ｍｍとされているので、回路層１２における導電性を確保することができる。また、銅板２２からなる回路層１２の厚さｔｃが、ｔｃ≦０．６ｍｍとされているので、回路層１２の変形抵抗が必要以上に大きくならず、セラミックス基板１１の割れの発生を抑制することができる。
さらに、アルミニウム板２３からなる金属層１３の厚さｔａが、ｔａ≧０．４ｍｍとされているので、金属層１３において熱応力を確実に吸収することができる。また、アルミニウム板２３からなる金属層１３の厚さが、ｔａ≦３．０ｍｍとされているので、熱抵抗を抑えることができ、ヒートシンク４０側に熱を効率良く放散することができる。
【００４１】
以下に、本発明の第２の実施形態について、図５から図１１を参照して説明する。
本実施形態であるパワーモジュール１０１は、回路層１１２が配設されたパワーモジュール用基板１１０と、回路層１１２の表面にはんだ層１０２を介して接合された半導体素子１０３と、パワーモジュール用基板１１０の他方側（図５において下側）に配設されたヒートシンク１４０とを備えている。ここで、はんだ層１０２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。なお、本実施形態では、回路層１１２とはんだ層１０２との間にＮｉメッキ層（図示なし）が設けられている。
【００４２】
パワーモジュール用基板１１０は、セラミックス基板１１１と、このセラミックス基板１１１の一方の面（図５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１１１の他方の面（図５において下面）に配設された金属層１１３とを備えている。
セラミックス基板１１１は、回路層１１２と金属層１１３との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高いＡｌ２Ｏ３（アルミナ）で構成されている。また、セラミックス基板１１１の厚さｔｓは、０．２ｍｍ≦ｔｓ≦１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、ｔｓ＝０．６３５ｍｍに設定されている。
【００４３】
回路層１１２は、図９に示すように、セラミックス基板１１１の一方の面に、銅板１２２が接合されることにより形成されている。この銅板１２２は、再結晶温度が１５０℃以下とされた銅又は銅合金で構成されており、本実施形態では、純度が９９．９９９９質量％以上の６ＮＣｕで構成されている。
【００４４】
金属層１１３は、図９に示すように、セラミックス基板１１１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１２３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１１３は、純度が９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板１２３がセラミックス基板１１１に接合されることで形成されている。
【００４５】
ここで、図５に示すように、回路層１１２の厚さｔｃ及び金属層１１３の厚さｔａは、回路層１１２の厚さｔｃが０．１ｍｍ≦ｔｃ≦０．６ｍｍとされ、金属層１１３の厚さｔａが０．４ｍｍ≦ｔａ≦３．０ｍｍとされ、かつ、ｔｃ＜ｔａとなるように構成されている。本実施形態では、ｔｃ＝０．３ｍｍ、ｔａ＝２．０ｍｍとされている。
【００４６】
ヒートシンク１４０は、前述のパワーモジュール用基板１１０を冷却するためのものである。本実施形態では、ヒートシンク１４０は、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成された放熱板とされている。
【００４７】
そして、図６に示すように、セラミックス基板１１１と金属層１１３との接合界面においては、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶しており、本実施形態では、添加元素としてＣｕが固溶している。
ここで、金属層１１３の接合界面近傍には、接合界面から積層方向に離間するにしたがい漸次添加元素の濃度（本実施形態ではＣｕ濃度）が低下する濃度傾斜層１３１が形成されている。また、この濃度傾斜層１３１の接合界面側（金属層１１３の接合界面近傍）の添加元素の濃度（本実施形態ではＣｕ濃度）が、０．０１質量％以上５質量％以下の範囲内に設定されている。
なお、金属層１１３の接合界面近傍の添加元素の濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって、接合界面から５０μｍの位置で５点測定した平均値である。また、図６のグラフは、金属層１１３の中央部分において積層方向にライン分析を行い、縦軸のＣｕ濃度は前述の５０μｍ位置でのＣｕ濃度を基準として求めたものである。
【００４８】
また、図７に示すように、金属層１１３とヒートシンク１４０との接合界面においては、金属層１１３及びヒートシンク１４０に、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶しており、本実施形態では、添加元素としてＣｕが固溶している。
ここで、金属層１１３及びヒートシンク１４０の接合界面近傍には、接合界面から積層方向に離間するにしたがい漸次添加元素の濃度（本実施形態ではＣｕ濃度）が低下する濃度傾斜層１３６、１３７が形成されている。また、この濃度傾斜層１３６、１３７の接合界面側（金属層１１３及びヒートシンク１４０の接合界面近傍）の添加元素の濃度（本実施形態ではＣｕ濃度）が、０．０１質量％以上５質量％以下の範囲内に設定されている。
なお、この金属層１１３及びヒートシンク１４０の接合界面近傍の添加元素の濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって、接合界面から５０μｍの位置で５点測定した平均値である。また、図７のグラフは、金属層１１３及びヒートシンク１４０の中央部分において積層方向にライン分析を行い、前述の５０μｍ位置での濃度を基準として求めたものである。
【００４９】
以下に、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の製造方法について、図８から図１１を参照して説明する。
こ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、銅板１２２とセラミックス基板１１１とを接合する銅板接合工程Ｓ１０１と、セラミックス基板１１１とアルミニウム板１２３とを接合するアルミニウム板接合工程Ｓ１０２と、パワーモジュール用基板１１０とヒートシンク１４０とを接合するヒートシンク接合工程Ｓ１０３と、を備えている。
【００５０】
（銅板接合工程Ｓ１０１／アルミニウム板接合工程Ｓ１０２／ヒートシンク接合工程Ｓ１０３）
まず、図９に示すように、アルミニウム板１２３の一方の面にスパッタリングによって添加元素（Ｃｕ）を固着して第１固着層１２５を形成するとともに、アルミニウム板１２３の他方の面にスパッタリングによって添加元素（Ｃｕ）を固着して第２固着層１２６を形成する。ここで、第１固着層１２５及び第２固着層１２６における添加元素量は０．０１ｍｇ／ｃｍ２以上１０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内とされており、本実施形態では、添加元素としてＣｕを用いており、第１固着層１２５及び第２固着層１２６におけるＣｕ量が０．０８ｍｇ／ｃｍ２以上２．７ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されている。
【００５１】
そして、図９に示すように、セラミックス基板１１１の他方の面側（図９において下側）に、アルミニウム板１２３を積層する。さらに、アルミニウム板１２３の他方の面側にヒートシンク１４０を積層する。
さらに、セラミックス基板１１１の一方の面側（図９において上側）に、第１ろう材１２４を介して銅板１２２を積層する。
【００５２】
ここで、銅板１２２とセラミックス基板１１１との間に介在される第１ろう材１２４は、その液相温度がアルミニウム板１２３の融点未満とされている。具体的には、第１ろう材１２４は、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系合金に、Ｉｎ，Ｂｉ，Ｌｉ，Ｓｎから選択される１種又は２種以上の低融点元素が添加された合金とされており、本実施形態では、Ａｇ−２４質量％Ｃｕ−２質量％Ｔｉ−１４質量％Ｉｎ合金とされている。また、第１ろう材１２４の厚さは１０〜１００μｍとされている。
【００５３】
次に、銅板１２２、セラミックス基板１１１、アルミニウム板１２３、ヒートシンク１４０を、その積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空加熱炉内に装入して加熱する。ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は１０−３〜１０−６Ｐａの範囲内に設定し、加熱温度は６３０℃以上６５５℃以下の範囲内に設定している。
【００５４】
すると、第１ろう材１２４が溶融することにより、銅板１２２とセラミックス基板１１１との界面に第１溶融金属領域１２７が形成される。
また、セラミックス基板１１１とアルミニウム板１２３との界面に第２溶融金属領域１２８が形成されるとともに、アルミニウム板１２３とヒートシンク１４０との界面に溶融金属領域１２９が形成される。
【００５５】
ここで、セラミックス基板１１１とアルミニウム板１２３との界面に形成される第２溶融金属領域１２８は、図１０に示すように、第１固着層１２５の添加元素（Ｃｕ）がアルミニウム板１２３側に拡散することによって、アルミニウム板１２３の第１固着層１２５近傍の添加元素の濃度（Ｃｕ濃度）が上昇して融点が低くなることにより形成されるものである。
【００５６】
また、アルミニウム板１２３とヒートシンク１４０との界面に形成される溶融金属領域１２９は、図１１に示すように、第２固着層１２６の添加元素（Ｃｕ）がアルミニウム板１２３側及びヒートシンク１４０側に拡散することによって、アルミニウム板１２３及びヒートシンク１４０の第２固着層１２６近傍の添加元素の濃度（Ｃｕ濃度）が上昇して融点が低くなることにより形成されるものである。
【００５７】
次に、第２溶融金属領域１２８、溶融金属領域１２９、が形成された状態で温度を一定に保持しておく。
すると、第２溶融金属領域１２８中のＣｕが、さらにアルミニウム板１２３側へと拡散していくことになる。これにより、第２溶融金属領域１２８であった部分のＣｕ濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していく。これにより、セラミックス基板１１１とアルミニウム板１２３とが接合される。
同様に、溶融金属領域１２９中のＣｕが、さらにアルミニウム板１２３側及びヒートシンク１４０側へと拡散し、溶融金属領域１２９であった部分のＣｕ濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していく。これにより、アルミニウム板１２３とヒートシンク１４０とが接合される。
【００５８】
つまり、セラミックス基板１１１とアルミニウム板１２３、及び、アルミニウム板１２３とヒートシンク１４０とは、いわゆる液相拡散接合（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって接合されているのである。このようにして凝固が進行した後に、常温にまで冷却を行う。
そして、冷却する過程において、銅板１２２とセラミックス基板１１１との界面に形成された第１溶融金属領域１２７が凝固し、銅板１２２とセラミックス基板１１１とが接合される。
【００５９】
このようにして、銅板１２２、セラミックス基板１１１、アルミニウム板１２３、ヒートシンク１４０が接合され、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が製造されることになる。
【００６０】
以上のような構成とされた本実施形態によれば、回路層１１２が銅板１２２によって構成され、金属層１１３がアルミニウム板１２３で構成されているので、第１の実施形態と同様の作用効果を奏することが可能となる。
また、本実施形態では、回路層１１２となる銅板１２３と、セラミックス基板１１１と、金属層１１３となるアルミニウム板１２３と、ヒートシンク１４０と、同時に接合する構成とされていることから、接合時におけるセラミックス基板１１１の反りの発生を抑制することができる。また、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造コストを低減することができる。
【００６１】
さらに、本実施形態では、セラミックス基板１１１とアルミニウム板１２３とが、いわゆる液相拡散接合法によって接合されているので、セラミックス基板１１１とアルミニウム板１２３とを強固に接合でき、接合信頼性に優れたパワーモジュール用基板１０を製造することができる。
さらに、本実施形態では、アルミニウム板１２３とヒートシンク１４０との接合も、液相拡散接合法によって接合されているので、アルミニウム板１２３とヒートシンク１４０とを強固に接合できる。
【００６２】
また、本実施形態では、金属層１１３のうちセラミックス基板１１１との接合界面近傍及びヒートシンク１４０との接合界面近傍に、添加元素であるＣｕが固溶しているので、金属層１１３の接合界面近傍の強度を向上させることができる。
具体的には、金属層１１３のうちセラミックス基板１１１との接合界面近傍におけるＣｕ濃度が０．０５質量％以上とされているので、金属層１１３の接合界面側部分を確実に強化することができ、金属層１１３における亀裂の発生を防止できる。また、金属層１１３のうちセラミックス基板１１１との接合界面近傍におけるＣｕ濃度が５質量％以下とされているので、金属層１１３の接合界面の強度が必要以上に高くなることを防止できる。よって、このパワーモジュール用基板１１０に熱サイクルが負荷された際の熱応力を金属層１１３で吸収することができ、セラミックス基板１１１の割れ等を防止できる。
【００６３】
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、セラミックス基板として、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３で構成されたものを例示して説明したが、これに限定されることはなく、Ｓｉ３Ｎ４等の他のセラミックス材料で構成されたものであってもよい。
【００６４】
また、銅板を、５ＮＣｕ、あるいは、無酸素銅にＺｒを５０質量ｐｐｍ添加した銅合金で構成したもので説明したが、これに限定されることはない。なお、銅板は、再結晶温度が１５０℃以下とされた銅又は銅合金で構成されていることが好ましい。
さらに、アルミニウム板を、４Ｎアルミニウムで構成したもので説明したが、この実施形態に限定されることはない。ただし、熱応力を確実に吸収するために、耐力が３０ＭＰａ以下のアルミニウム又はアルミニウム合金を用いることが好ましい。
【００６５】
また、第２の実施形態において、セラミックス基板とアルミニウム板、アルミニウム板とヒートシンクの間に、添加元素としてＣｕを固着し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、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，Ｌｉのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素を固着してもよい。
なお、ＭｇやＣａ等の易酸化元素を用いる場合には、アルミニウムとともに添加元素を固着することが好ましい。これにより、ＭｇやＣａ等の易酸化元素が酸化損耗することを抑制することができる。
【００６６】
また、第２の実施形態において、アルミニウム板にＣｕを固着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、セラミックス基板やヒートシンク側に添加元素を固着してもよい。
さらに、スパッタによってＣｕを固着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、めっき、蒸着、ＣＶＤ、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているペースト又はインクなどの塗布等でＣｕを固着させてもよい。
【００６７】
また、本実施形態では、ヒートシンクをＡ６０６３合金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、Ａ１１００合金、Ａ３００３合金、Ａ５０５２合金、Ａ７Ｎ０１合金等の他の金属材料で構成されたものであってもよい。
さらに、ヒートシンクの構造は、本実施形態に限定されることはなく、他の構造のヒートシンクを採用してもよい。
【００６８】
また、本実施形態では、ヒートシンクの上に一つのパワーモジュール用基板が接合された構成として説明したが、これに限定されることはなく、一つのヒートシンクの上に複数のパワーモジュール用基板が接合されていてもよい。
【符号の説明】
【００６９】
１， １０１ パワーモジュール
２， １０２ はんだ層
３， １０３ 半導体素子
１０，１１０ パワーモジュール用基板
１１，１１１ セラミックス基板
１２，１１２ 回路層
１３，１１３ 金属層
２２，１２２ 銅板
２３，１２３ アルミニウム板
２４，１２４ 第１ろう材（接合材）
４０，１４０ ヒートシンク
【技術分野】
【０００１】
この発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられるパワーモジュール用基板の製造方法、ヒートシンク付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及びヒートシンク付パワーモジュール用基板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子の中でも電力供給のためのパワーモジュールは、発熱量が比較的高いため、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）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）などからなるセラミックス基板の一方の面側に回路層が形成され、セラミックス基板の他方の面側に金属層が形成されたパワーモジュール用基板が用いられる。このパワーモジュール用基板においては、金属層を介してヒートシンクが接続され、ヒートシンク付パワーモジュール用基板とされる。また、回路層の上に、はんだ層を介してパワー素子としての半導体素子が搭載され、パワーモジュールとされる。
【０００３】
上述のパワーモジュール用基板として、例えば特許文献１には、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム板をろう付けして回路層とし、セラミックス基板の他方の面にアルミニウム板をろう付けして金属層としたものが提案されている。
また、特許文献２には、セラミックス基板の一方の面に金属板を接合して回路層とし、セラミックス基板の他方の面側に、鋳造法によってアルミニウム層を形成して金属層としたパワーモジュール用基板が開示されている。
【０００４】
上述のパワーモジュールにおいては、使用時に熱サイクルが負荷されることになる。すると、セラミックス基板と回路層及び金属層との接合界面には、セラミックス基板とアルミニウムとの熱膨張係数の差によって熱応力が作用し、セラミックス基板と回路層及び金属層との接合信頼性が低下するおそれがあった。ここで、純度が９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）等の比較的変形抵抗の小さな金属で回路層及び金属層を構成し、熱応力を回路層及び金属層の変形によって吸収することにより、接合信頼性の向上を図ることが可能となる。特に、ヒートシンクを接続した場合には、ヒートシンクとセラミックス基板との熱膨張係数の差によって熱応力が発生するため、金属層によって熱応力を十分に吸収する必要がある。
【０００５】
ところで、回路層を、４Ｎアルミニウム等の比較的変形抵抗の小さな金属で構成した場合、熱サイクルを負荷した際に、回路層の表面にうねりやシワが発生してしまうといった問題があった。回路層の表面にうねりやシワが発生した場合には、はんだ層にクラックが発生し、パワーモジュールの信頼性が低下することになる。
特に、最近では、環境負荷の観点から、はんだ層として、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｃｕ系の鉛フリーはんだ材が使用されることが多くなっている。これらの鉛フリーはんだ材は、従来のＳｎ−Ｐｂ系はんだ材に比べて変形しにくく、回路層のうねりやシワによって、はんだ層にクラックが生じやすい傾向にある。
また、最近は、パワーモジュールの小型化・薄肉化が進められるとともに、その使用環境も厳しくなってきており、半導体素子等の電子部品からの発熱量が大きくなっているため、熱サイクルの温度差が大きく、回路層の表面にうねりやシワが発生しやすい傾向にある。
【０００６】
ここで、例えば特許文献２には、回路層として銅板を用いたものが開示されている。回路層を銅板で構成した場合には、銅板の変形抵抗がアルミニウムに比べて大きいことから、回路層におけるうねりやシワの発生を抑制することが可能となる。
また、特許文献２では、セラミックス基板の他方の面側にアルミニウムからなる金属層を形成することで、ヒートシンクとセラミックス基板との熱膨張係数の差による熱応力を吸収し、セラミックス基板と回路層及び金属層との接合信頼性の向上を図っている。
【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２００２−０７６５５１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２においては、セラミックス基板の一方の面側に銅板を例えば８００℃で接合した後に、セラミックス基板の他方の面側に、鋳造法によってアルミニウムからなる金属層を形成している。
ここで、セラミックス基板の一方の面に銅板を接合した状態で加熱した場合には、セラミックス基板に大きな反りが生じ、セラミックス基板に割れが発生したり、鋳造法によって形成される金属層の厚さが大きくばらついたりしてしまうおそれがあった。また、金属層の内部にブローホール等の鋳造欠陥が発生し、金属層が脆くなったり、熱伝導性が低下したりするおそれがあった。
【０００９】
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、セラミックス基板に大きな反りが生じることがなく、かつ、金属層においてブローホール等の欠陥が発生することなく、回路層が銅板で構成されるとともに金属層がアルミニウム板で構成されたパワーモジュール用基板を安定して製造することができるパワーモジュール用基板の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法、及び、パワーモジュール用基板及びヒートシンク付パワーモジュール用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】
【００１０】
このような課題を解決して、上述の目的を達成するために、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板の一方の面に回路層が形成され、前記セラミックス基板の他方の面側に金属層が形成されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、 前記セラミックス基板の一方の面に、銅又は銅合金からなる銅板を接合して前記回路層を形成する銅板接合工程と、前記セラミックス基板の他方の面に、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を接合して前記金属層を形成するアルミニウム板接合工程と、を有し、前記銅板接合工程では、前記銅板と前記セラミックス基板とを、固相温度が前記アルミニウム板の融点未満とされた接合材を用いて接合する構成とされており、前記銅板接合工程と前記アルミニウム板接合工程とを同時に行うことを特徴としている。
【００１１】
この構成のパワーモジュール用基板の製造方法においては、銅又は銅合金からなる銅板を接合して前記回路層を形成する銅板接合工程と、前記セラミックス基板の他方の面に、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を接合して前記金属層を形成するアルミニウム板接合工程と、を同時に行う構成とされていることから、接合時においてセラミックス基板に生じる反りを抑えることができ、セラミックス基板の割れを防止することができる。また、金属層がアルミニウム板を接合することで形成されているので、金属層の内部にブローホール等の欠陥がなく、金属層が脆くなったり、熱伝導性が部分的に低下することがない。
また、銅板接合工程において、固相温度が前記アルミニウム板の融点未満とされた接合材を用いて前記銅板と前記セラミックス基板とを接合する構成としていることから、アルミニウム板の融点未満の温度条件でおいても、銅板と前記セラミックス基板とを確実に接合することができる。
【００１２】
ここで、前記接合材は、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系合金に、Ｉｎ，Ｂｉ，Ｌｉ，Ｓｎから選択される１種又は２種以上の低融点元素が添加された構成とされていることが好ましい。
この場合、接合材の固相温度を前記アルミニウム板の融点未満とすることができ、銅板接合工程において、アルミニウム板の融点未満の温度条件でも、前記銅板と前記セラミックス基板とを強固に接合することができる。
【００１３】
前記アルミニウム板接合工程は、前記セラミックス基板の接合面及び前記アルミニウム板の接合面のうち少なくとも一方に、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着し、前記添加元素を含有する固着層を形成する固着工程と、前記固着層を介して前記セラミックス基板と前記アルミニウム板と積層する積層工程と、積層された前記セラミックス基板と前記アルミニウム板とを積層方向に加圧するとともに加熱し、前記セラミックス基板と前記アルミニウム板との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、この溶融金属領域を凝固させることによって、前記セラミックス基板と前記アルミニウム板とを接合する凝固工程と、を有し、前記加熱工程において、前記固着層の元素を前記アルミニウム板側に拡散させることにより、前記セラミックス基板と前記アルミニウム板との界面に、前記溶融金属領域を形成することが好ましい。
この場合、アルミニウム板とセラミックス基板とが、いわゆる液相拡散接合法（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって接合されているので、アルミニウム板とセラミックス基板とを強固に接合でき、接合信頼性に優れたパワーモジュール用基板を製造することができる。
【００１４】
前記銅板は、再結晶温度が１５０℃以下とされた銅又は銅合金で構成されていることが好ましい。
この場合、回路層となる銅板の再結晶温度が１５０℃以下とされているので、使用条件下でも銅板が再結晶することになり、回路層が必要以上に硬くならず、回路層及びセラミックス基板における亀裂の発生を抑制することができる。
なお、本明細書における再結晶温度とは、アルゴン雰囲気中で３６００秒熱処理した場合に引張強度が完全焼鈍時と冷間加工（冷間加工率５０％）時との差の中間値になった時の加熱温度とする。
また、再結晶温度が１５０℃以下とされた銅は、例えば純度が９９．９９９質量％以上のいわゆる５ＮＣｕ，６ＮＣｕを用いることができる。
【００１５】
前記アルミニウム板は、純度が９９．９８質量％以上のアルミニウムで構成されていることが好ましい。
この場合、金属層を構成するアルミニウム板が、純度９９．９８質量％以上とされているので、比較的変形抵抗が小さく、熱応力を効率的に吸収することができる。
【００１６】
前記銅板の厚さｔｃが、０．１ｍｍ≦ｔｃ≦０．６ｍｍとされ、前記アルミニウム板の厚さｔａが、０．４ｍｍ≦ｔａ≦３．０ｍｍとされており、さらに、ｔｃ＜ｔａとされていることが好ましい。
この場合、前記銅板の厚さｔｃと前記アルミニウム板の厚さｔａとがｔｃ＜ｔａとされているので、セラミックス基板の一方の面側の剛性と他方の面側の剛性とが大きく異なることがなく、セラミックス基板の反りの発生を抑制することができる。
また、銅板の厚さｔｃが、ｔｃ≧０．１ｍｍとされているので、回路層における導電性を確保することができる。また、銅板の厚さｔｃが、ｔｃ≦０．６ｍｍとされているので、回路層の変形抵抗が必要以上に大きくならず、セラミックス基板の割れの発生を抑制することができる。
さらに、アルミニウム板の厚さｔａが、ｔａ≧０．４ｍｍとされているので、金属層において熱応力を確実に吸収することができる。また、アルミニウム板の厚さｔａが、ｔａ≦３．０ｍｍとされているので、熱抵抗を抑えることができ、ヒートシンク側に熱を効率良く放散することができる。
【００１７】
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、上述のパワーモジュール用基板の製造方法によって製造されたパワーモジュール用基板に、このパワーモジュール用基板を冷却するヒートシンクが配設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であって、前記ヒートシンクと前記金属層とを接合するヒートシンク接合工程を有し、前記銅板接合工程と前記アルミニウム板接合工程と前記ヒートシンク接合工程とを同時に行うことを特徴としている。
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、回路層となる銅板と、セラミックス基板と、金属層となるアルミニウム板と、ヒートシンクと、同時に接合することから、セラミックス基板の反りの発生を抑制することができる。また、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造コストを低減することができる。
【００１８】
本発明のパワーモジュール用基板は、上述のパワーモジュール用基板の製造方法によって製造されたことを特徴としている。
この構成のパワーモジュール用基板においては、回路層が銅板で構成されているので、回路層表面におけるうねりやシワの発生を抑制することができる。また、製造時におけるセラミックス基板の反りが抑制されているので、回路層と金属層との電気的接続を確実に防止することができる。
【００１９】
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、上述のパワーモジュール用基板の製造方法によって製造されたパワーモジュール用基板と、このパワーモジュール用基板を冷却するヒートシンクと、を備えたことを特徴としている。
この構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、ヒートシンクとセラミックス基板との間にアルミニウム板からなる金属層が配設されているので、この金属層において熱応力を吸収することが可能となる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、セラミックス基板に大きな反りが生じることがなく、かつ、金属層においてブローホール等の欠陥が発生することなく、回路層が銅板で構成されるとともに金属層がアルミニウム板で構成されたパワーモジュール用基板を安定して製造することができるパワーモジュール用基板の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法、及び、パワーモジュール用基板及びヒートシンク付パワーモジュール用基板を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。
【図２】図１に示すパワーモジュールの製造方法のフロー図である。
【図３】本発明の第１の実施形態である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４】図１に示すヒートシンク付パワーモジュールの製造方法を示す説明図である。
【図５】本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。
【図６】本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板（ヒートシンク付パワーモジュール用基板）の金属層のセラミックス基板との界面における添加元素の濃度分布を示す説明図である。
【図７】本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板（ヒートシンク付パワーモジュール用基板）の金属層及びヒートシンク（放熱板）における添加元素の濃度分布を示す説明図である。
【図８】本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板（ヒートシンク付パワーモジュール用基板）のフロー図である。
【図９】本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板（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１０】図９における金属層とセラミックス基板との接合界面近傍を示す説明図である。
【図１１】図９における金属層とヒートシンクとの接合界面近傍を示す説明図である。
【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、本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板、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を示す。
このパワーモジュール１は、回路層１２が配設されたパワーモジュール用基板１０と、回路層１２の表面にはんだ層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の他方側（図１において下側）に配設されたヒートシンク４０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。なお、本実施形態では、回路層１２とはんだ層２との間にＮｉメッキ層（図示なし）が設けられている。
【００２３】
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、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。また、セラミックス基板１１の厚さｔｓは、０．２ｍｍ≦ｔｓ≦１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、ｔｓ＝０．６３５ｍｍに設定されている。
【００２４】
回路層１２は、図３に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に、銅又は銅合金からなる銅板２２が接合されることにより形成されている。この銅板２２は、再結晶温度が１５０℃以下とされた銅又は銅合金で構成されており、本実施形態では、純度が９９．９９９質量％以上の５ＮＣｕで構成されている。なお、再結晶温度とは、アルゴン雰囲気中で３６００秒熱処理した場合に引張強度が完全焼鈍時と冷間加工（冷間加工率５０％）時との差の中間値になった時の加熱温度とする。
【００２５】
金属層１３は、図３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は、純度が９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板２３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。
【００２６】
ここで、図１に示すように、回路層１２の厚さｔｃ及び金属層１３の厚さｔａは、回路層１２の厚さｔｃが０．１ｍｍ≦ｔｃ≦０．６ｍｍとされ、金属層１３の厚さｔａが０．４ｍｍ≦ｔａ≦３．０ｍｍとされ、かつ、ｔｃ＜ｔａとなるように構成されている。本実施形態では、ｔｃ＝０．３ｍｍ、ｔａ＝２．０ｍｍとされている。
【００２７】
ヒートシンク４０は、前述のパワーモジュール用基板１０を冷却するためのものであり、パワーモジュール用基板１０と接合される天板部４１と、冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路４２と、を備えている。ヒートシンク４０（天板部４１）は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態においては、Ａ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。
【００２８】
以下に、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０、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１の製造方法について、図２から図４を参照して説明する。このパワーモジュール１の製造方法は、図２に示すように、銅板２２とセラミックス基板１１とを接合する銅板接合工程Ｓ０１と、セラミックス基板１１とアルミニウム板２３とを接合するアルミニウム板接合工程Ｓ０２と、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク４０とを接合するヒートシンク接合工程Ｓ０３と、回路層１２の一面に半導体素子３を接合する半導体素子接合工程Ｓ０４と、を備えている。
【００２９】
（銅板接合工程Ｓ０１／アルミニウム板接合工程Ｓ０２）
まず、図３に示すように、セラミックス基板１１の一方の面側（図３において上側）に、第１ろう材２４を介して銅板２２を積層する。また、セラミックス基板１１の他方の面側（図３において下側）に第２ろう材２５を介してアルミニウム板２３を積層する。
ここで、アルミニウム板２３とセラミックス基板１１との間に介在される第２ろう材２５は、Ａｌ−Ｓｉ系合金とされており、本実施形態では、Ａｌ−７．５質量％Ｓｉからなる厚さ５〜３０μｍのろう材箔を用いている。
【００３０】
そして、銅板２２とセラミックス基板１１との間に介在される第１ろう材２４は、その固相温度がアルミニウム板２３の融点未満とされている。具体的には、第１ろう材２４は、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系合金に、Ｉｎ，Ｂｉ，Ｌｉ，Ｓｎから選択される１種又は２種以上の低融点元素が添加された構成とされており、本実施形態では、Ａｇ−２４質量％Ｃｕ−２質量％Ｔｉ−１４質量％Ｉｎ合金とされている。また、第１ろう材２４の厚さは１０〜１００μｍとされている。
【００３１】
次に、積層された銅板２２、セラミックス基板１１、アルミニウム板２３を、積層方向に加圧（圧力１．５〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空加熱炉内に装入して加熱し、銅板２２とセラミックス基板１１との界面に第１溶融金属領域２７を形成し、セラミックス基板１１とアルミニウム板２３との界面に第２溶融金属領域２８を形成する。
ここで、本実施形態では、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６３０℃以上６５５℃以下の範囲内に設定している。
【００３２】
ついで、上述の第１溶融金属領域２７及び第２溶融金属領域２８を凝固させることによって、銅板２２とセラミックス基板１１、セラミックス基板１１とアルミニウム板２３とを接合する。すなわち、銅板接合工程Ｓ０１とアルミニウム板接合工程Ｓ０２とが同時に実施されているのである。
このようにして、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０が製出される。
【００３３】
（ヒートシンク接合工程Ｓ０３）
次に、図４に示すように、パワーモジュール用基板１０の金属層１３の他方側（図４において下側）に、ろう材２６を介してヒートシンク４０を積層する。このろう材２６は、第１ろう材２４、第２ろう材２５よりも固相温度が低い合金で構成されており、本実施形態では、Ａｌ―１０質量％Ｓｉ合金とされている。また、ろう材２６の厚さは５０〜１００μｍとされている。
【００３４】
積層されたパワーモジュール用基板１０とヒートシンク４０とを積層方向に加圧（圧力１．５〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空加熱炉内に装入して加熱し、金属層１３とヒートシンク４０との間に溶融金属領域２９を形成する。
そして、この溶融金属領域２９を凝固させることで、ヒートシンク４０とパワーモジュール用基板１０とを接合する。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が製出される。
【００３５】
（半導体素子接合工程Ｓ０４）
次に、回路層１２の表面に形成されたＮｉメッキ層（図示なし）の上に、はんだ材を介して半導体素子３を載置し、還元炉内においてはんだ接合する。これにより、半導体素子３が、はんだ層２を介してパワーモジュール用基板１０上に接合され、本実施形態であるパワーモジュール１が製出される。
【００３６】
以上のような構成とされた本実施形態によれば、回路層１２が、変形抵抗が比較的大きい銅板２２によって構成されているので、回路層１２表面におけるうねりやシワの発生を抑制することができる。よって、鉛フリーはんだ材を用いた場合であっても、はんだ層２におけるクラックの発生を抑制することができる。
特に、本実施形態では、銅板２２が、再結晶温度が１５０℃以下の５ＮＣｕで構成されているので、銅板２２が再結晶することにより回路層１２が必要以上に硬くならず、回路層１２やセラミックス基板１１に亀裂が生じることを抑制することができる。
【００３７】
また、ヒートシンク４０とセラミックス基板１１との間に介在する金属層１３が、アルミニウム板２３で構成され、本実施形態では、４Ｎアルミニウムで構成されているので、セラミックス基板１１とヒートシンク４０との熱膨張係数の差によって生じる熱応力を金属層１３の変形によって吸収することができ、セラミックス基板１１の割れの防止及びヒートシンク４０とセラミックス基板１１との接合信頼性の向上を図ることができる。
【００３８】
そして、本実施形態では、回路層１２を形成する銅板接合工程Ｓ０１と、金属層１３を形成するアルミニウム板接合工程Ｓ０２とを、同時に実施する構成としているので、パワーモジュール用基板１１を製造する際に、セラミックス基板１１における反りの発生を抑えることができ、セラミックス基板１１の割れを防止することができる。また、アルミニウム板２３を接合することで金属層１３を形成しているので、金属層１３の内部にブローホール等の欠陥がない。
【００３９】
また、銅板接合工程Ｓ０１において、固相温度がアルミニウム板２３の融点未満とされた第１ろう材２４を用いているので、アルミニウム板２３の融点未満の温度条件でおいても、銅板２２とセラミックス基板１１とを確実に接合することができる。
本実施形態では、第１ろう材２４として、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系合金にＩｎ，Ｂｉ，Ｌｉ，Ｓｎから選択される１種又は２種以上の低融点元素を添加した合金、具体的には、Ａｇ−２４質量％Ｃｕ−２質量％Ｔｉ−１４質量％Ｉｎ合金を用いているので、固相温度が６２０℃となり、アルミニウム板２３の融点未満の温度条件で銅板２２とセラミックス基板１１とを強固に接合することができる。
【００４０】
本実施形態では、銅板２２からなる回路層１２の厚さｔｃとアルミニウム板２３からなる金属層１３の厚さｔａとがｔｃ＜ｔａとされているので、セラミックス基板１１の一方の面側の剛性と他方の面側の剛性とが大きく異なることがなく、セラミックス基板１１の反りの発生を抑制することができる。
また、銅板２２からなる回路層１２の厚さｔｃが、ｔｃ≧０．１ｍｍとされているので、回路層１２における導電性を確保することができる。また、銅板２２からなる回路層１２の厚さｔｃが、ｔｃ≦０．６ｍｍとされているので、回路層１２の変形抵抗が必要以上に大きくならず、セラミックス基板１１の割れの発生を抑制することができる。
さらに、アルミニウム板２３からなる金属層１３の厚さｔａが、ｔａ≧０．４ｍｍとされているので、金属層１３において熱応力を確実に吸収することができる。また、アルミニウム板２３からなる金属層１３の厚さが、ｔａ≦３．０ｍｍとされているので、熱抵抗を抑えることができ、ヒートシンク４０側に熱を効率良く放散することができる。
【００４１】
以下に、本発明の第２の実施形態について、図５から図１１を参照して説明する。
本実施形態であるパワーモジュール１０１は、回路層１１２が配設されたパワーモジュール用基板１１０と、回路層１１２の表面にはんだ層１０２を介して接合された半導体素子１０３と、パワーモジュール用基板１１０の他方側（図５において下側）に配設されたヒートシンク１４０とを備えている。ここで、はんだ層１０２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。なお、本実施形態では、回路層１１２とはんだ層１０２との間にＮｉメッキ層（図示なし）が設けられている。
【００４２】
パワーモジュール用基板１１０は、セラミックス基板１１１と、このセラミックス基板１１１の一方の面（図５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１１１の他方の面（図５において下面）に配設された金属層１１３とを備えている。
セラミックス基板１１１は、回路層１１２と金属層１１３との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高いＡｌ２Ｏ３（アルミナ）で構成されている。また、セラミックス基板１１１の厚さｔｓは、０．２ｍｍ≦ｔｓ≦１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、ｔｓ＝０．６３５ｍｍに設定されている。
【００４３】
回路層１１２は、図９に示すように、セラミックス基板１１１の一方の面に、銅板１２２が接合されることにより形成されている。この銅板１２２は、再結晶温度が１５０℃以下とされた銅又は銅合金で構成されており、本実施形態では、純度が９９．９９９９質量％以上の６ＮＣｕで構成されている。
【００４４】
金属層１１３は、図９に示すように、セラミックス基板１１１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１２３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１１３は、純度が９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板１２３がセラミックス基板１１１に接合されることで形成されている。
【００４５】
ここで、図５に示すように、回路層１１２の厚さｔｃ及び金属層１１３の厚さｔａは、回路層１１２の厚さｔｃが０．１ｍｍ≦ｔｃ≦０．６ｍｍとされ、金属層１１３の厚さｔａが０．４ｍｍ≦ｔａ≦３．０ｍｍとされ、かつ、ｔｃ＜ｔａとなるように構成されている。本実施形態では、ｔｃ＝０．３ｍｍ、ｔａ＝２．０ｍｍとされている。
【００４６】
ヒートシンク１４０は、前述のパワーモジュール用基板１１０を冷却するためのものである。本実施形態では、ヒートシンク１４０は、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成された放熱板とされている。
【００４７】
そして、図６に示すように、セラミックス基板１１１と金属層１１３との接合界面においては、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶しており、本実施形態では、添加元素としてＣｕが固溶している。
ここで、金属層１１３の接合界面近傍には、接合界面から積層方向に離間するにしたがい漸次添加元素の濃度（本実施形態ではＣｕ濃度）が低下する濃度傾斜層１３１が形成されている。また、この濃度傾斜層１３１の接合界面側（金属層１１３の接合界面近傍）の添加元素の濃度（本実施形態ではＣｕ濃度）が、０．０１質量％以上５質量％以下の範囲内に設定されている。
なお、金属層１１３の接合界面近傍の添加元素の濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって、接合界面から５０μｍの位置で５点測定した平均値である。また、図６のグラフは、金属層１１３の中央部分において積層方向にライン分析を行い、縦軸のＣｕ濃度は前述の５０μｍ位置でのＣｕ濃度を基準として求めたものである。
【００４８】
また、図７に示すように、金属層１１３とヒートシンク１４０との接合界面においては、金属層１１３及びヒートシンク１４０に、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶しており、本実施形態では、添加元素としてＣｕが固溶している。
ここで、金属層１１３及びヒートシンク１４０の接合界面近傍には、接合界面から積層方向に離間するにしたがい漸次添加元素の濃度（本実施形態ではＣｕ濃度）が低下する濃度傾斜層１３６、１３７が形成されている。また、この濃度傾斜層１３６、１３７の接合界面側（金属層１１３及びヒートシンク１４０の接合界面近傍）の添加元素の濃度（本実施形態ではＣｕ濃度）が、０．０１質量％以上５質量％以下の範囲内に設定されている。
なお、この金属層１１３及びヒートシンク１４０の接合界面近傍の添加元素の濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって、接合界面から５０μｍの位置で５点測定した平均値である。また、図７のグラフは、金属層１１３及びヒートシンク１４０の中央部分において積層方向にライン分析を行い、前述の５０μｍ位置での濃度を基準として求めたものである。
【００４９】
以下に、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の製造方法について、図８から図１１を参照して説明する。
こ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、銅板１２２とセラミックス基板１１１とを接合する銅板接合工程Ｓ１０１と、セラミックス基板１１１とアルミニウム板１２３とを接合するアルミニウム板接合工程Ｓ１０２と、パワーモジュール用基板１１０とヒートシンク１４０とを接合するヒートシンク接合工程Ｓ１０３と、を備えている。
【００５０】
（銅板接合工程Ｓ１０１／アルミニウム板接合工程Ｓ１０２／ヒートシンク接合工程Ｓ１０３）
まず、図９に示すように、アルミニウム板１２３の一方の面にスパッタリングによって添加元素（Ｃｕ）を固着して第１固着層１２５を形成するとともに、アルミニウム板１２３の他方の面にスパッタリングによって添加元素（Ｃｕ）を固着して第２固着層１２６を形成する。ここで、第１固着層１２５及び第２固着層１２６における添加元素量は０．０１ｍｇ／ｃｍ２以上１０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内とされており、本実施形態では、添加元素としてＣｕを用いており、第１固着層１２５及び第２固着層１２６におけるＣｕ量が０．０８ｍｇ／ｃｍ２以上２．７ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されている。
【００５１】
そして、図９に示すように、セラミックス基板１１１の他方の面側（図９において下側）に、アルミニウム板１２３を積層する。さらに、アルミニウム板１２３の他方の面側にヒートシンク１４０を積層する。
さらに、セラミックス基板１１１の一方の面側（図９において上側）に、第１ろう材１２４を介して銅板１２２を積層する。
【００５２】
ここで、銅板１２２とセラミックス基板１１１との間に介在される第１ろう材１２４は、その液相温度がアルミニウム板１２３の融点未満とされている。具体的には、第１ろう材１２４は、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系合金に、Ｉｎ，Ｂｉ，Ｌｉ，Ｓｎから選択される１種又は２種以上の低融点元素が添加された合金とされており、本実施形態では、Ａｇ−２４質量％Ｃｕ−２質量％Ｔｉ−１４質量％Ｉｎ合金とされている。また、第１ろう材１２４の厚さは１０〜１００μｍとされている。
【００５３】
次に、銅板１２２、セラミックス基板１１１、アルミニウム板１２３、ヒートシンク１４０を、その積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空加熱炉内に装入して加熱する。ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は１０−３〜１０−６Ｐａの範囲内に設定し、加熱温度は６３０℃以上６５５℃以下の範囲内に設定している。
【００５４】
すると、第１ろう材１２４が溶融することにより、銅板１２２とセラミックス基板１１１との界面に第１溶融金属領域１２７が形成される。
また、セラミックス基板１１１とアルミニウム板１２３との界面に第２溶融金属領域１２８が形成されるとともに、アルミニウム板１２３とヒートシンク１４０との界面に溶融金属領域１２９が形成される。
【００５５】
ここで、セラミックス基板１１１とアルミニウム板１２３との界面に形成される第２溶融金属領域１２８は、図１０に示すように、第１固着層１２５の添加元素（Ｃｕ）がアルミニウム板１２３側に拡散することによって、アルミニウム板１２３の第１固着層１２５近傍の添加元素の濃度（Ｃｕ濃度）が上昇して融点が低くなることにより形成されるものである。
【００５６】
また、アルミニウム板１２３とヒートシンク１４０との界面に形成される溶融金属領域１２９は、図１１に示すように、第２固着層１２６の添加元素（Ｃｕ）がアルミニウム板１２３側及びヒートシンク１４０側に拡散することによって、アルミニウム板１２３及びヒートシンク１４０の第２固着層１２６近傍の添加元素の濃度（Ｃｕ濃度）が上昇して融点が低くなることにより形成されるものである。
【００５７】
次に、第２溶融金属領域１２８、溶融金属領域１２９、が形成された状態で温度を一定に保持しておく。
すると、第２溶融金属領域１２８中のＣｕが、さらにアルミニウム板１２３側へと拡散していくことになる。これにより、第２溶融金属領域１２８であった部分のＣｕ濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していく。これにより、セラミックス基板１１１とアルミニウム板１２３とが接合される。
同様に、溶融金属領域１２９中のＣｕが、さらにアルミニウム板１２３側及びヒートシンク１４０側へと拡散し、溶融金属領域１２９であった部分のＣｕ濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していく。これにより、アルミニウム板１２３とヒートシンク１４０とが接合される。
【００５８】
つまり、セラミックス基板１１１とアルミニウム板１２３、及び、アルミニウム板１２３とヒートシンク１４０とは、いわゆる液相拡散接合（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって接合されているのである。このようにして凝固が進行した後に、常温にまで冷却を行う。
そして、冷却する過程において、銅板１２２とセラミックス基板１１１との界面に形成された第１溶融金属領域１２７が凝固し、銅板１２２とセラミックス基板１１１とが接合される。
【００５９】
このようにして、銅板１２２、セラミックス基板１１１、アルミニウム板１２３、ヒートシンク１４０が接合され、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が製造されることになる。
【００６０】
以上のような構成とされた本実施形態によれば、回路層１１２が銅板１２２によって構成され、金属層１１３がアルミニウム板１２３で構成されているので、第１の実施形態と同様の作用効果を奏することが可能となる。
また、本実施形態では、回路層１１２となる銅板１２３と、セラミックス基板１１１と、金属層１１３となるアルミニウム板１２３と、ヒートシンク１４０と、同時に接合する構成とされていることから、接合時におけるセラミックス基板１１１の反りの発生を抑制することができる。また、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造コストを低減することができる。
【００６１】
さらに、本実施形態では、セラミックス基板１１１とアルミニウム板１２３とが、いわゆる液相拡散接合法によって接合されているので、セラミックス基板１１１とアルミニウム板１２３とを強固に接合でき、接合信頼性に優れたパワーモジュール用基板１０を製造することができる。
さらに、本実施形態では、アルミニウム板１２３とヒートシンク１４０との接合も、液相拡散接合法によって接合されているので、アルミニウム板１２３とヒートシンク１４０とを強固に接合できる。
【００６２】
また、本実施形態では、金属層１１３のうちセラミックス基板１１１との接合界面近傍及びヒートシンク１４０との接合界面近傍に、添加元素であるＣｕが固溶しているので、金属層１１３の接合界面近傍の強度を向上させることができる。
具体的には、金属層１１３のうちセラミックス基板１１１との接合界面近傍におけるＣｕ濃度が０．０５質量％以上とされているので、金属層１１３の接合界面側部分を確実に強化することができ、金属層１１３における亀裂の発生を防止できる。また、金属層１１３のうちセラミックス基板１１１との接合界面近傍におけるＣｕ濃度が５質量％以下とされているので、金属層１１３の接合界面の強度が必要以上に高くなることを防止できる。よって、このパワーモジュール用基板１１０に熱サイクルが負荷された際の熱応力を金属層１１３で吸収することができ、セラミックス基板１１１の割れ等を防止できる。
【００６３】
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、セラミックス基板として、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３で構成されたものを例示して説明したが、これに限定されることはなく、Ｓｉ３Ｎ４等の他のセラミックス材料で構成されたものであってもよい。
【００６４】
また、銅板を、５ＮＣｕ、あるいは、無酸素銅にＺｒを５０質量ｐｐｍ添加した銅合金で構成したもので説明したが、これに限定されることはない。なお、銅板は、再結晶温度が１５０℃以下とされた銅又は銅合金で構成されていることが好ましい。
さらに、アルミニウム板を、４Ｎアルミニウムで構成したもので説明したが、この実施形態に限定されることはない。ただし、熱応力を確実に吸収するために、耐力が３０ＭＰａ以下のアルミニウム又はアルミニウム合金を用いることが好ましい。
【００６５】
また、第２の実施形態において、セラミックス基板とアルミニウム板、アルミニウム板とヒートシンクの間に、添加元素としてＣｕを固着し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、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，Ｌｉのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素を固着してもよい。
なお、ＭｇやＣａ等の易酸化元素を用いる場合には、アルミニウムとともに添加元素を固着することが好ましい。これにより、ＭｇやＣａ等の易酸化元素が酸化損耗することを抑制することができる。
【００６６】
また、第２の実施形態において、アルミニウム板にＣｕを固着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、セラミックス基板やヒートシンク側に添加元素を固着してもよい。
さらに、スパッタによってＣｕを固着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、めっき、蒸着、ＣＶＤ、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているペースト又はインクなどの塗布等でＣｕを固着させてもよい。
【００６７】
また、本実施形態では、ヒートシンクをＡ６０６３合金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、Ａ１１００合金、Ａ３００３合金、Ａ５０５２合金、Ａ７Ｎ０１合金等の他の金属材料で構成されたものであってもよい。
さらに、ヒートシンクの構造は、本実施形態に限定されることはなく、他の構造のヒートシンクを採用してもよい。
【００６８】
また、本実施形態では、ヒートシンクの上に一つのパワーモジュール用基板が接合された構成として説明したが、これに限定されることはなく、一つのヒートシンクの上に複数のパワーモジュール用基板が接合されていてもよい。
【符号の説明】
【００６９】
１， １０１ パワーモジュール
２， １０２ はんだ層
３， １０３ 半導体素子
１０，１１０ パワーモジュール用基板
１１，１１１ セラミックス基板
１２，１１２ 回路層
１３，１１３ 金属層
２２，１２２ 銅板
２３，１２３ アルミニウム板
２４，１２４ 第１ろう材（接合材）
４０，１４０ ヒートシンク
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板の一方の面に回路層が形成され、前記セラミックス基板の他方の面側に金属層が形成されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記セラミックス基板の一方の面に、銅又は銅合金からなる銅板を接合して前記回路層を形成する銅板接合工程と、
前記セラミックス基板の他方の面に、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を接合して前記金属層を形成するアルミニウム板接合工程と、を有し、
前記銅板接合工程では、前記銅板と前記セラミックス基板とを、液相温度が前記アルミニウム板の融点未満とされた接合材を用いて接合する構成とされており、
前記銅板接合工程と前記アルミニウム板接合工程とを同時に行う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】
前記接合材は、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系合金に、Ｉｎ，Ｂｉ，Ｌｉ，Ｓｎから選択される１種又は２種以上の低融点元素が添加された構成とされていることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項３】
前記アルミニウム板接合工程は、前記セラミックス基板の接合面及び前記アルミニウム板の接合面のうち少なくとも一方に、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着し、前記添加元素を含有する固着層を形成する固着工程と、前記固着層を介して前記セラミックス基板と前記アルミニウム板と積層する積層工程と、積層された前記セラミックス基板と前記アルミニウム板とを積層方向に加圧するとともに加熱し、前記セラミックス基板と前記アルミニウム板との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、この溶融金属領域を凝固させることによって、前記セラミックス基板と前記アルミニウム板とを接合する凝固工程と、を有し、前記加熱工程において、前記固着層の元素を前記アルミニウム板側に拡散させることにより、前記セラミックス基板と前記アルミニウム板との界面に、前記溶融金属領域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】
前記銅板は、再結晶温度が１５０℃以下とされた銅又は銅合金で構成されてい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パワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項５】
前記アルミニウム板は、純度が９９．９８質量％以上のアルミニウムで構成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項６】
前記銅板の厚さｔｃが、０．１ｍｍ≦ｔｃ≦０．６ｍｍとされ、前記アルミニウム板の厚さｔａが、０．４ｍｍ≦ｔａ≦３．０ｍｍとされており、さらに、ｔｃ＜ｔａとされてい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パワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板の製造方法によって製造されたパワーモジュール用基板に、このパワーモジュール用基板を冷却するヒートシンクが配設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であって、
前記ヒートシンクと前記金属層とを接合するヒートシンク接合工程を有し、
前記銅板接合工程と前記アルミニウム板接合工程と前記ヒートシンク接合工程とを同時に行う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８】
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板の製造方法によって製造されたことを特徴とするパワーモジュール用基板。
【請求項９】
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板の製造方法によって製造されたパワーモジュール用基板と、このパワーモジュール用基板を冷却するヒートシンクと、を備えた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。
【請求項１】
セラミックス基板の一方の面に回路層が形成され、前記セラミックス基板の他方の面側に金属層が形成されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記セラミックス基板の一方の面に、銅又は銅合金からなる銅板を接合して前記回路層を形成する銅板接合工程と、
前記セラミックス基板の他方の面に、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を接合して前記金属層を形成するアルミニウム板接合工程と、を有し、
前記銅板接合工程では、前記銅板と前記セラミックス基板とを、液相温度が前記アルミニウム板の融点未満とされた接合材を用いて接合する構成とされており、
前記銅板接合工程と前記アルミニウム板接合工程とを同時に行う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】
前記接合材は、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系合金に、Ｉｎ，Ｂｉ，Ｌｉ，Ｓｎから選択される１種又は２種以上の低融点元素が添加された構成とされていることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項３】
前記アルミニウム板接合工程は、前記セラミックス基板の接合面及び前記アルミニウム板の接合面のうち少なくとも一方に、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着し、前記添加元素を含有する固着層を形成する固着工程と、前記固着層を介して前記セラミックス基板と前記アルミニウム板と積層する積層工程と、積層された前記セラミックス基板と前記アルミニウム板とを積層方向に加圧するとともに加熱し、前記セラミックス基板と前記アルミニウム板との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、この溶融金属領域を凝固させることによって、前記セラミックス基板と前記アルミニウム板とを接合する凝固工程と、を有し、前記加熱工程において、前記固着層の元素を前記アルミニウム板側に拡散させることにより、前記セラミックス基板と前記アルミニウム板との界面に、前記溶融金属領域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】
前記銅板は、再結晶温度が１５０℃以下とされた銅又は銅合金で構成されてい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パワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項５】
前記アルミニウム板は、純度が９９．９８質量％以上のアルミニウムで構成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項６】
前記銅板の厚さｔｃが、０．１ｍｍ≦ｔｃ≦０．６ｍｍとされ、前記アルミニウム板の厚さｔａが、０．４ｍｍ≦ｔａ≦３．０ｍｍとされており、さらに、ｔｃ＜ｔａとされてい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パワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板の製造方法によって製造されたパワーモジュール用基板に、このパワーモジュール用基板を冷却するヒートシンクが配設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であって、
前記ヒートシンクと前記金属層とを接合するヒートシンク接合工程を有し、
前記銅板接合工程と前記アルミニウム板接合工程と前記ヒートシンク接合工程とを同時に行う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８】
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板の製造方法によって製造されたことを特徴とするパワーモジュール用基板。
【請求項９】
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板の製造方法によって製造されたパワーモジュール用基板と、このパワーモジュール用基板を冷却するヒートシンクと、を備えた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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１３−９８３８７（Ｐ２０１３−９８３８７Ａ）
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４０４７８（Ｐ２０１１−２４０４７８）
【出願日】平成２３年１１月１日（２０１１．１１．１）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月１日（２０１１．１１．１）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
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