JP2016208009A - 接合体、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、ヒートシンク、及び、接合体の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法、ヒートシンクの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的固相線温度の低いアルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材と、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材とが良好に接合され、積層方向の熱抵抗が低い接接合体を提供する。【解決手段】銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材１３Ｂと、固相線温度が金属部材１３Ｂを構成する金属元素とアルミニウムとの共晶温度未満とされたアルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材３１と、が接合されてなる接合体３０であって、アルミニウム合金部材３１と金属部材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のうち金属部材１３Ｂとの接合界面側には、結晶粒のアスペクト比が２．５以下で結晶粒径が１５μｍ以下であるＳｉ相が分散したチル層が形成されており、前記チル層の厚さが５０μｍ以上とされている。【選択図】図１

Description

この発明は、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材と、固相線温度が前記金属部材を構成する金属元素とアルミニウムとの共晶温度未満とされた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、パワーモジュール用基板と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、ヒートシンク本体と金属部材層とを備えたヒートシンク、及び、接合体の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法、ヒートシンクの製造方法に関するものである。

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）、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）などからなるセラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面に導電性の優れた金属板を接合して形成した回路層と、を備えたパワーモジュール用基板が、従来から広く用いられている。なお、パワージュール用基板としては、セラミックス基板の他方の面に金属層を形成したものも提供されている。

例えば、特許文献１に示すパワーモジュールにおいては、セラミックス基板の一方の面及び他方の面にＡｌからなる回路層及び金属層が形成されたパワーモジュール用基板と、この回路層上にはんだ材を介して接合された半導体素子と、を備えた構造とされている。
そして、パワーモジュール用基板の金属層側には、ヒートシンクが接合されており、半導体素子からパワーモジュール用基板側に伝達された熱を、ヒートシンクを介して外部へ放散する構成とされている。

ところで、特許文献１に記載されたパワーモジュールのように、回路層及び金属層をＡｌで構成した場合には、表面にＡｌの酸化皮膜が形成されるため、はんだ材によって半導体素子やヒートシンクを接合することができない。
そこで、従来、例えば特許文献２に開示されているように、回路層及び金属層の表面に無電解めっき等によってＮｉめっき膜を形成した上で、半導体素子やヒートシンクをはんだ接合している。
また、特許文献３には、はんだ材の代替として、酸化銀粒子と有機物からなる還元剤とを含む酸化銀ペーストを用いて、回路層と半導体素子、金属層とヒートシンクを接合する技術が提案されている。

しかしながら、特許文献２に記載されたように、回路層及び金属層表面にＮｉめっき膜を形成したパワーモジュール用基板においては、半導体素子及びヒートシンクを接合するまでの過程においてＮｉめっき膜の表面が酸化等によって劣化し、はんだ材を介して接合した半導体素子及びヒートシンクとの接合信頼性が低下するおそれがあった。ここで、ヒートシンクと金属層との接合が不十分であると、熱抵抗が上昇し、放熱特性が低下するおそれがあった。また、Ｎｉめっき工程では、不要な領域にＮｉめっきが形成されて電食等のトラブルが発生しないように、マスキング処理を行うことがある。このように、マスキング処理をした上でめっき処理をする場合、回路層表面及び金属層表面にＮｉめっき膜を形成する工程に多大な労力が必要となり、パワーモジュールの製造コストが大幅に増加してしまうといった問題があった。

また、特許文献３に記載されたように、酸化銀ペーストを用いて回路層と半導体素子、金属層とヒートシンクを接合する場合には、Ａｌと酸化銀ペーストの焼成体との接合性が悪いために、予め回路層表面及び金属層表面にＡｇ下地層を形成する必要があった。Ａｇ下地層をめっきにより形成する場合には、Ｎｉめっきと同様に多大な労力が必要となるといった問題があった。

そこで、特許文献４には、回路層及び金属層をＡｌ層とＣｕ層の積層構造としたパワーモジュール用基板が提案されている。このパワーモジュール用基板においては、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。

また、特許文献５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パワーモジュール用基板が提案されている。この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。

特許第３１７１２３４号公報 特開２００４−１７２３７８号公報 特開２００８−２０８４４２号公報 特開２０１４−１６０７９９号公報 特開２０１４−０９９５９６号公報

ところで、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。
ここで、固相線温度の低いアルミニウム鋳物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金属部材とを、特許文献５に記載されたように、固相拡散接合した場合には、接合界面近傍に相互拡散の不均衡によって生じるカーケンダルボイドが多数発生することが確認された。このようなカーケンダルボイドがパワーモジュール用基板とヒートシンクとの間に存在すると、熱抵抗が上昇し、放熱特性が低下してしまうといった問題があった。

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、比較的固相線温度の低いアルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材と、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材とが良好に接合され、積層方向の熱抵抗が低い接合体、この接合体を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板及びヒートシンク、及び、接合体の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法、ヒートシンクの製造方法を提供することを目的とする。

前述の課題を解決するために、本発明の接合体は、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材と、固相線温度が前記金属部材を構成する金属元素とアルミニウムとの共晶温度未満とされた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部材と前記金属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のうち前記金属部材との接合界面側には、結晶粒のアスペクト比が２．５以下で結晶粒径が１５μｍ以下であるＳｉ相が分散したチル層が形成されており、前記チル層の厚さが５０μｍ以上とされていることを特徴としている。
なお、本発明において、金属部材は、銅又は銅合金、ニッケル又はニッケル合金、もしくは銀又は銀合金で構成されたものとしている。

この構成の接合体によれば、前記アルミニウム合金部材のうち前記金属部材との接合界面側には、結晶粒のアスペクト比（長径／短径）が２．５以下で結晶粒径が１５μｍ以下であるＳｉ相が分散したチル層が形成されており、前記チル層の厚さが５０μｍとされているので、このチル層によって金属部材を構成する金属元素の拡散移動が妨げられて、カーケンダルボイドの発生が抑制されることになり、積層方向の熱抵抗を低くすることができる。

本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、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パワーモジュール用基板であって、前記金属層のうち前記ヒートシンクとの接合面は、銅、ニッケル、又は銀で構成され、前記ヒートシンクのうち前記金属層との接合面は、固相線温度が前記金属層の前記接合面を構成する金属元素とアルミニウムとの共晶温度未満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、 前記ヒートシンクのうち前記金属層との接合界面側には、結晶粒のアスペクト比が２．５以下で結晶粒径が１５μｍ以下であるＳｉ相が分散したチル層が形成されており、前記チル層の厚さが５０μｍ以上とされている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よれば、前記ヒートシンクのうち前記金属層との接合界面側に、結晶粒のアスペクト比（長径／短径）が２．５以下で結晶粒径が１５μｍ以下であるＳｉ相が分散したチル層が形成されており、前記チル層の厚さが５０μｍ以上とされているので、このチル層によって金属層を構成する金属元素の拡散移動が妨げられて、カーケンダルボイドの発生が抑制されることになり、熱抵抗が低く、放熱特性に特に優れている。

本発明のヒートシンクは、ヒートシンク本体と、前記金属部材層と、を備えたヒートシンクであって、前記金属部材層は、銅、ニッケル、又は銀からなり、前記ヒートシンク本体は、固相線温度が前記金属部材層を構成する金属元素とアルミニウムとの共晶温度未満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のうち前記金属部材層との接合界面側には、結晶粒のアスペクト比が２．５以下で結晶粒径が１５μｍ以下であるＳｉ相が分散したチル層が形成されており、前記チル層の厚さが５０μｍ以上とされていることを特徴としている。

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のうち前記金属部材層との接合界面側に、結晶粒のアスペクト比（長径／短径）が２．５以下で結晶粒径が１５μｍ以下であるＳｉ相が分散したチル層が形成されており、前記チル層の厚さが５０μｍ以上とされているので、このチル層によって金属部材層を構成する金属元素の拡散移動が妨げられて、カーケンダルボイドの発生が抑制されることになり、熱抵抗が低く、放熱特性に特に優れている。

本発明の接合体の製造方法は、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材と、固相線温度が前記金属部材を構成する金属元素とアルミニウムとの共晶温度未満とされた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の製造方法であって、 接合前の前記アルミニウム合金部材において、前記金属部材との接合面側に、結晶粒のアスペクト比が２．５以下で結晶粒径が１５μｍ以下であるＳｉ相が分散したチル層を形成するとともに、このチル層の厚さを８０μｍ以上とし、このアルミニウム合金部材と前記金属部材とを固相拡散接合することを特徴としている。

この構成の接合体の製造方法によれば、接合前の前記アルミニウム合金部材において、前記金属部材との接合面側に、結晶粒のアスペクト比が２．５以下で結晶粒径が１５μｍ以下であるＳｉ相が分散したチル層を形成するとともに、このチル層の厚さを８０μｍ以上としているので、固相拡散接合時に、金属部材を構成する金属元素が必要以上に拡散移動することを抑制でき、カーケンダルボイドの発生を抑制することができる。
なお、金属部材を構成する金属元素によっては、固相拡散接合の際に、チル層の一部に金属部材を構成する金属元素が拡散して拡散接合層が形成されることから、接合後のチル層の厚さは接合前のチル層の厚さよりも薄くなることがある。

ここで、本発明の接合体の製造方法においては、前記アルミニウム合金部材と前記金属部材とを積層し、積層方向に加圧しながら通電して加熱することにより、前記アルミニウム合金部材と前記金属部材とを固相拡散接合することが好ましい。
この場合、前記アルミニウム合金部材と前記金属部材とを積層方向に加圧しながら通電加熱しているので、昇温速度を速くすることができ、比較的短時間で固相拡散接合を行うことが可能となる。これにより、例えば大気中で接合した場合でも、接合面の酸化の影響が小さく、前記アルミニウム合金部材と前記金属部材とを良好に接合することができる。

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は、銅、ニッケル、又は銀で構成され、前記ヒートシンクのうち前記金属層との接合面は、固相線温度が前記金属層の前記接合面を構成する金属元素とアルミニウムとの共晶温度未満とされたアルミニウム合金で構成されており、接合前の前記ヒートシンクにおいて、前記金属層との接合面側に、結晶粒のアスペクト比が２．５以下で結晶粒径が１５μｍ以下であるＳｉ相が分散したチル層を形成するとともに、このチル層の厚さを８０μｍ以上とし、このヒートシンクと前記金属層とを固相拡散接合する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、接合前の前記ヒートシンクにおいて、前記金属層との接合面側に、結晶粒のアスペクト比が２．５以下で結晶粒径が１５μｍ以下であるＳｉ相が分散したチル層を形成するとともに、このチル層の厚さを８０μｍ以上としているので、固相拡散接合時に、金属層の接合面を構成する金属元素が必要以上に拡散移動することを抑制でき、カーケンダルボイドの発生を抑制することができる。
よって、積層方向における熱抵抗が低く、放熱特性に優れたヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造することが可能となる。

ここで、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法においては、前記ヒートシンクと前記金属層とを積層し、積層方向に加圧しながら通電して加熱することにより、前記ヒートシンクと前記金属層とを固相拡散接合することが好ましい。
この場合、前記ヒートシンクと前記金属層とを積層方向に加圧しながら通電加熱しているので、昇温速度を速くすることができ、比較的短時間で固相拡散接合を行うことが可能となる。これにより、例えば大気中で接合した場合でも、接合面の酸化の影響が小さく、前記ヒートシンクと前記金属層とを良好に接合することができる。

本発明のヒートシンクの製造方法は、ヒートシンク本体と、前記金属部材層と、を備えたヒートシンクの製造方法であって、前記金属部材層は、銅、ニッケル、又は銀からなり、前記ヒートシンク本体は、固相線温度が前記金属部材層を構成する金属元素とアルミニウムとの共晶温度未満とされたアルミニウム合金で構成されており、接合前の前記ヒートシンク本体において、前記金属部材層との接合面側に、結晶粒のアスペクト比が２．５以下で結晶粒径が１５μｍ以下であるＳｉ相が分散したチル層を形成するとともに、このチル層の厚さを８０μｍ以上とし、このヒートシンク本体と前記金属部材層とを固相拡散接合することを特徴としている。

この構成のヒートシンクの製造方法によれば、接合前の前記ヒートシンク本体において、前記金属部材層との接合面側に、結晶粒のアスペクト比が２．５以下で結晶粒径が１５μｍ以下であるＳｉ相が分散したチル層を形成するとともに、このチル層の厚さを８０μｍ以上としているので、固相拡散接合時に、金属部材層を構成する金属元素が必要以上に拡散移動することを抑制でき、カーケンダルボイドの発生を抑制することができる。
よって、積層方向における熱抵抗が低く、放熱特性に優れたヒートシンクを製造することが可能となる。

ここで、本発明のヒートシンクの製造方法においては、前記ヒートシンク本体と前記金属部材層とを積層し、積層方向に加圧しながら通電して加熱することにより、前記ヒートシンク本体と前記金属部材層とを固相拡散接合することが好ましい。
この場合、前記ヒートシンク本体と前記金属部材層とを積層方向に加圧しながら通電加熱しているので、昇温速度を速くすることができ、比較的短時間で固相拡散接合を行うことが可能となる。これにより、例えば大気中で接合した場合でも、接合面の酸化の影響が小さく、前記ヒートシンク本体と前記金属部材層とを良好に接合することができる。

本発明によれば、比較的固相線温度の低いアルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材と、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材とが良好に接合され、積層方向の熱抵抗が低い接合体、この接合体を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板及びヒートシンク、及び、接合体の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法、ヒートシンクの製造方法を提供することが可能となる。

本発明の第一実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュール用基板を備えたパワーモジュールの概略説明図である。 図１に示すヒートシンク付パワーモジュール用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。 第一実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を説明するフロー図である。 第一実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法の概略説明図である。 図４に示す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、接合前のヒートシンクの接合面部分の断面拡大説明図である。 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６に示すヒートシンクのヒートシンク本体と金属部材層との接合界面の断面拡大説明図である。 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。 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。 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を備えたパワーモジュールの概略説明図である。 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。 実施例においてＳｉ相の輪郭を抽出する手順を示す説明図である。

（第一実施形態）
以下に、本発明の実施形態について、添付した図面を参照して説明する。
図１に、本発明の第一実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板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。
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。

パワーモジュール用基板１０は、絶縁層を構成するセラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の一方の面（図１において上面）に配設された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面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、絶縁性および放熱性に優れたＳｉ_３Ｎ_４（窒化ケイ素）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ａｌ_２Ｏ_３（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、セラミックス部材１１は、特に放熱性の優れたＡｌＮ（窒化アルミニウム）で構成されている。また、セラミックス基板１１の厚さは、例えば、０．２ｍｍ〜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。

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は、純度が９９質量％以上のアルミニウム（２Ｎ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。

金属層１３は、図１に示すように、セラミックス基板１１の他方の面に配設されたＡｌ層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９９質量％以上のアルミニウム（２Ｎ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４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。銅層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。

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、固相線温度が金属層１３の接合面（Ｃｕ層１３Ｂ）を構成するＣｕとＡｌとの共晶温度（５４８℃）未満とされたアルミニウム合金の鋳造材で構成されており、具体的には、ＪＩＳ Ｈ ２１１８：２００６で規定されたＳｉを含有するダイカスト用アルミニウム合金であるＡＤＣ１２（固相線温度５１５℃）の鋳造材で構成されている。なお、このＡＤＣ１２は、Ｃｕを１．５質量％〜３．５質量％の範囲内、Ｓｉを９．６質量％〜１２．０質量％の範囲内で含むアルミニウム合金である。

そして、このヒートシンク３１の金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）との接合界面側には、図２に示すように、結晶粒のアスペクト比（長径／短径）が２．５以下で結晶粒径が１５μｍ以下であるＳｉ相が分散したチル層３５が形成されている。このチル層３５は、ヒートシンク３１を構成する鋳造材を形成する際に、鋳造材の表層部分（鋳型近傍部分）に形成されるものであり、鋳造材の内部と比較して、結晶粒径が微細で、アスペクト比が小さくされている。
そして、ヒートシンク付パワーモジュール用基板３０のチル層３５の厚さ（接合後のチル層の厚さ）は、５０μｍ以上とされている。

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２に示すように、金属間化合物層３８が形成されている。すなわち、ヒートシンク３１のチル層３５の上に金属間化合物層３８が積層されているのである。
この金属間化合物層３８は、ヒートシンク３１のＡｌ原子と、Ｃｕ層１３ＢのＣｕ原子とが相互拡散することによって形成されるものである。この金属間化合物層３８においては、ヒートシンク３１からＣｕ層１３Ｂに向かうにしたがい、漸次Ａｌ原子の濃度が低くなり、かつＣｕ原子の濃度が高くなる濃度勾配を有している。

この金属間化合物層３８は、ＣｕとＡｌからなる金属間化合物で構成されており、本実施形態では、複数の金属間化合物が接合界面に沿って積層した構造とされている。ここで、金属間化合物層３８の厚さは、１μｍ以上８０μｍ以下の範囲内、好ましくは、５μｍ以上８０μｍ以下の範囲内に設定されている。
なお、この金属間化合物層３８は、Ｃｕ層１３ＢのＣｕがヒートシンク３１（チル層３５）側に拡散することで形成されており、金属間化合物層３８の中には、ヒートシンク３１に含まれるＳｉ粒子が分散している。

本実施形態では、金属間化合物層３８は、３種の金属間化合物が積層された構造とされており、ヒートシンク３１側からＣｕ層１３Ｂ側に向けて順に、ヒートシンク３１とＣｕ層１３Ｂとの接合界面に沿って、θ相、η_２相が積層し、さらにζ_２相、δ相、及びγ_２相のうち少なくとも一つの相が積層して構成されている。

また、この金属間化合物層とＣｕ層１３Ｂとの接合界面には、酸化物が接合界面に沿って層状に分散している。なお、本実施形態においては、この酸化物は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等のアルミニウム酸化物とされている。なお、酸化物は、金属間化合物層とＣｕ層１３Ｂとの界面に分断された状態で分散しており、金属間化合物層とＣｕ層１３Ｂとが直接接触している領域も存在している。また、酸化物がθ相、η_２相もしくは、ζ_２相、δ相、及びγ_２相のうち少なくとも一つの相の内部に層状に分散している場合もある。

次に、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板３０の製造方法について、図３から図５を参照して説明する。

（アルミニウム板積層工程Ｓ０１）
まず、図４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−８質量％Ｓｉ合金箔を用いた。

（回路層及びＡｌ層形成工程Ｓ０２）
そして、積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ^２）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、保持時間は３０分以上１８０分以下の範囲内に設定されることが好ましい。

（Ｃｕ層（金属層）形成工程Ｓ０３）
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／ｃｍ^２）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、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。

（ヒートシンク準備工程Ｓ０４）
次に、接合するヒートシンク３１を準備する。このとき、図５に示すように、ヒートシンク３１のうち金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）と接合される接合面側に、結晶粒のアスペクト比が２．５以下で結晶粒径が１５μｍ以下とされたチル層３５Ａを形成するとともに、このチル層３５Ａの厚さを５０μｍ以上とする。
ここで、ヒートシンク３１を鋳造する際にヒートシンク３１の少なくとも接合面近傍の冷却速度を調整することで上述のチル層３５Ａの厚さを制御することができる。この場合、例えば、鋳造する際の金型の温度を２３０℃以下、望ましくは、２１０℃以下とするとよい。
また、鋳造後に表面の研削量を調整することで、チル層３５Ａの厚さを制御することもできる。

（金属層／ヒートシンク接合工程Ｓ０５）
次に、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／ｃｍ^２）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、保持時間は０．２５時間以上３時間以下の範囲内に設定されることが好ましい。
この金属層／ヒートシンク接合工程Ｓ０５において、Ｃｕ層１３Ｂ中のＣｕ原子がヒートシンク３１のチル層３５Ａ側に拡散していき、図２に示すように、金属間化合物層３８及びチル層３５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パワーモジュール用基板３０が製造される。

（半導体素子接合工程Ｓ０６）
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。

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によれば、ヒートシンク３１が、固相線温度が金属層１３の接合面（Ｃｕ層１３Ｂ）を構成するＣｕとＡｌとの共晶温度（５４８℃）未満とされたアルミニウム合金で構成されており、具体的には、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（固相線温度５１５℃）の鋳造材で構成されているので、流路３２を有する複雑な構造のヒートシンク３１を構成することができ、放熱性能を向上させることが可能となる。

そして、本実施形態では、ヒートシンク３１のうち金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）との接合界面側に、結晶粒のアスペクト比（長径／短径）が２．５以下で結晶粒径が１５μｍ以下であるＳｉ相が分散したチル層３５が形成されており、このチル層３５の厚さが５０μｍ以上とされているので、このチル層３５によって金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）のＣｕ原子の拡散移動が妨げられることになり、カーケンダルボイドの発生を抑制することができる。よって、このヒートシンク付パワーモジュール用基板３０を高温に保持した場合であっても、積層方向における熱抵抗が上昇せず、放熱特性の劣化を抑制することが可能となる。

さらに、本実施形態では、金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）とヒートシンク３１との接合界面に、ＣｕとＡｌの金属間化合物層からなる金属間化合物層３８が形成されており、この金属間化合物層３８は、複数の金属間化合物が接合界面に沿って積層した構造とされているので、脆い金属間化合物が大きく成長してしまうことを抑制できる。また、金属間化合物層３８内部における体積変動が小さくなり、内部歪みが抑えられることになる。
また、本実施形態では、Ｃｕ層１３Ｂと金属間化合物層３８との接合界面においては、酸化物がこれらの接合界面に沿ってそれぞれ層状に分散しているので、ヒートシンク３１の接合面に形成された酸化膜が確実に破壊され、ＣｕとＡｌの相互拡散が十分に進行していることになり、Ｃｕ層１３Ｂとヒートシンク３１とが確実に接合されている。

また、本実施形態の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、ヒートシンク準備工程Ｓ０４において、接合前のヒートシンク３１として、ヒートシンク３１のうち金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）と接合される接合面側に、結晶粒のアスペクト比が２．５以下で結晶粒径が１５μｍ以下であるＳｉ相が分散したチル層３５Ａを形成するとともに、このチル層３５Ａの厚さを８０μｍ以上とした構成のものを準備しているので、金属層／ヒートシンク接合工程Ｓ０５において、ヒートシンク３１と金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）を固相拡散接合した際に、Ｃｕ層１３ＢのＣｕ原子が必要以上に拡散移動することを抑制でき、カーケンダルボイドの発生を抑制することができる。
よって、積層方向における熱抵抗が低く、放熱特性に優れたヒートシンク付パワーモジュール用基板３０を製造することが可能となる。

さらに、固相拡散接合する際に、接合面に傷がある場合には接合界面に隙間が生じるおそれがあるが、本実施形態では、Ｃｕ層１３Ｂ（銅板２３Ｂ）、ヒートシンク３１の接合される面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされた後に固相拡散接合されているので、接合界面に隙間が生じることを抑制することができ、確実に固相拡散接合することができる。
なお、通常、鋳造材からなるヒートシンク３１を表面研削する際には、表層に形成されたチル層を除去することになるが、本実施形態では、鋳造時にチル層を厚く形成し、表面研削においてチル層を残存させているのである。

本実施形態において、チル層の厚さの上限は特に制限されないが、鋳造材からなるヒートシンク３１を用いる場合、５０００μｍ以下とすることが好ましい。鋳造によりヒートシンク３１を製造する場合、チル層の厚さが５０００μｍを超えるように製造することは困難である。
また、ヒートシンク３１が薄い場合には、ヒートシンク３１全体がチル層となる場合もある。この場合であっても、本実施形態と同様の作用効果を奏することが可能である。

（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、ニッケル又は銀からなる金属部材層１１７と、を備えている。本実施形態では、金属部材層１１７は、図９に示すように、無酸素銅の圧延板からなる金属板１２７を接合することによって構成されている。

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、固相線温度が金属部材層１１７を構成する金属元素（本実施形態ではＣｕ）とＡｌとの共晶温度（５４８℃）未満とされたアルミニウム合金で構成されており、具体的には、ＪＩＳ Ｈ ２１１８：２００６で規定されたＳｉを含有するダイカスト用アルミニウム合金であるＡＤＣ１４（固相線温度５０７℃）の鋳造材で構成されている。なお、このＡＤＣ１４は、Ｓｉを１６質量％〜１８質量％、Ｍｇを０．４５質量％〜０．６５質量％の範囲内で含むアルミニウム合金である。

そして、このヒートシンク本体１１０の金属部材層１１７との接合界面側には、図７に示すように、結晶粒のアスペクト比（長径／短径）が２．５以下で結晶粒径が１５μｍ以下であるＳｉ相が分散したチル層１３５が形成されている。このチル層１３５は、ヒートシンク本体１１０を構成する鋳造材を形成する際に、鋳造材の表層部分（鋳型近傍部分）に形成されるものであり、鋳造材の内部と比較して、結晶粒径が微細で、アスペクト比が小さくされている。
このチル層１３５の厚さは、５０μｍ以上とされている。

ここで、ヒートシンク本体１１０と金属部材層１１７は、固相拡散接合されている。
ヒートシンク本体１１０と金属部材層１１７との接合界面には、図７に示すように、金属間化合物層１３８が形成されている。この金属間化合物層１３８は、ヒートシンク本体１１０のＡｌ原子と、金属部材層１１７のＣｕ原子とが相互拡散することによって形成されるものである。この金属間化合物層１３８においては、ヒートシンク本体１１０から金属部材層１１７に向かうにしたがい、漸次Ａｌ原子の濃度が低くなり、かつＣｕ原子の濃度が高くなる濃度勾配を有している。

この金属間化合物層１３８は、ＣｕとＡｌからなる金属間化合物で構成されており、本実施形態では、複数の金属間化合物が接合界面に沿って積層した構造とされている。ここで、金属間化合物層１３８の厚さは、１μｍ以上８０μｍ以下の範囲内、好ましくは、５μｍ以上８０μｍ以下の範囲内に設定されている。
なお、この金属間化合物層１３８は、金属部材層１１７のＣｕがヒートシンク本体１１０（チル層１３５）側に拡散することで形成されており、金属間化合物層１３８の中には、ヒートシンク本体１１０に含まれるＭｇ粒子が分散している場合もある。

また、本実施形態では、金属間化合物層１３８は、３種の金属間化合物が積層された構造とされており、ヒートシンク本体１１０側から金属部材層１１７側に向けて順に、ヒートシンク本体１１０と金属部材層１１７との接合界面に沿って、θ相、η_２相が積層し、さらにζ_２相、δ相、及びγ_２相のうち少なくとも一つの相が積層して構成されている
また、この金属間化合物層１３８と金属部材層１１７との接合界面には、酸化物が接合界面に沿って層状に分散している。なお、本実施形態においては、この酸化物は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等のアルミニウム酸化物とされている。なお、酸化物は、金属間化合物層１３８と金属部材層１１７との界面に分断された状態で分散しており、金属間化合物層１３８と金属部材層１１７とが直接接触している領域も存在している。また、酸化物が、θ相、η_２相もしくは、ζ_２相、δ相、及びγ_２相のうち少なくとも一つの相の内部に層状に分散している場合もある。

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。

（ヒートシンク本体準備工程Ｓ１０１）
まず、接合するヒートシンク本体１１０を準備する。このとき、ヒートシンク本体１１０のうち金属部材層１１７と接合される接合面側に、第一実施形態で説明したヒートシンク３１（図５参照）と同様に、結晶粒のアスペクト比が２．５以下で結晶粒径が１５μｍ以下であるＳｉ相が分散したチル層を形成するとともに、このチル層の厚さを５０μｍ以上とする。
ここで、ヒートシンク本体１１０を鋳造する際にヒートシンク本体１１０の少なくとも接合面近傍の冷却速度を調整することで上述のチル層の厚さを制御することができる。この場合、例えば、鋳造する際の金型の温度を２３０℃以下、望ましくは、２１０℃以下とするとよい。
また、鋳造後に表面の研削量を調整することで、チル層の厚さを制御することもできる。

（ヒートシンク本体／金属部材層接合工程Ｓ１０２）
次に、図９に示すように、ヒートシンク本体１１０と金属部材層１１７となる金属板１２７とを積層し、積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ^２）した状態で真空加熱炉内に配置し加熱することにより、金属板１２７とヒートシンク本体１１０とを固相拡散接合する。なお、金属板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４００℃以上５２０℃以下、保持時間は０．２５時間以上３時間以下の範囲内に設定されることが好ましい。
このヒートシンク本体／金属部材層接合工程Ｓ１０２において、金属板１２７中のＣｕ原子がヒートシンク本体１１０のチル層側に拡散していき、図７に示すように、金属間化合物層１３８とチル層１３５とが形成される。
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。

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金属板１２７を接合することによって金属部材層１１７が形成されているので、熱を金属部材層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。

また、ヒートシンク本体１１０が、固相線温度が金属部材層１１７を構成する金属元素と（Ｃｕ）とＡｌとの共晶温度（５４８℃）未満とされたアルミニウム合金で構成されており、具体的には、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ＡＤＣ１４（固相線温度５０７℃）の鋳造材で構成されているので、流路等を有する複雑な構造のヒートシンク本体１１０を構成することができる。

そして、本実施形態では、ヒートシンク本体１１０のうち金属部材層１１７との接合界面側に、結晶粒のアスペクト比（長径／短径）が２．５以下で結晶粒径が１５μｍ以下であるＳｉ相が分散したチル層１３５が形成されており、このチル層１３５の厚さが５０μｍ以上とされているので、このチル層１３５によって金属部材層１１７のＣｕ原子の拡散移動が妨げられることになり、カーケンダルボイドの発生を抑制することができる。よって、このヒートシンク１０１を高温に保持した場合であっても、積層方向における熱抵抗が上昇せず、放熱特性の劣化を抑制することが可能となる。

また、本実施形態では、金属部材層１１７とヒートシンク本体１１０との接合界面が、第一実施形態のＣｕ層１３Ｂとヒートシンク３１との接合界面と同様の構成とされているので、第一実施形態と同様の作用効果を奏することが可能となる。

本実施形態において、チル層の厚さの上限は特に制限されないが鋳造材からなるヒートシンク本体１１０を用いる場合、５０００μｍ以下とすることが好ましい。鋳造によりヒートシンク本体１１０を製造する場合、チル層の厚さが５０００μｍを超えるように製造することは困難である。
また、ヒートシンク本体１１０が薄い場合には、ヒートシンク本体１１０全体がチル層となる場合もある。この場合であっても、本実施形態と同様の作用効果を奏することが可能である。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、上記実施の形態では、金属部材層として銅からなるＣｕ層が接合される場合について説明したが、Ｃｕ層に代えて、ニッケル又はニッケル合金からなるＮｉ層、もしくは銀又は銀合金からなるＡｇ層が接合されても良い。

Ｃｕ層に代えてＮｉ層を形成した場合には、はんだ付け性が良好となり、他の部材との接合信頼性を向上できる。さらに、固相拡散接合によってＮｉ層を形成する場合には、無電解めっき等でＮｉめっき膜を形成する際に行われるマスキング処理が不要なので、製造コストを低減できる。この場合、Ｎｉ層の厚さは１μｍ以上３０μｍ以下とすることが望ましい。Ｎｉ層の厚さが１μｍ未満の場合には他の部材との接合信頼性の向上の効果が無くなるおそれがあり、３０μｍを超える場合にはＮｉ層が熱抵抗体となり効率的に熱を伝達できなくなるおそれがある。また、固相拡散接合によってＮｉ層を形成する場合、Ａｌ層とＮｉの固相拡散接合については、接合温度を４００℃以上５２０℃以下に設定されるが、その他の条件は前述の実施形態と同様の条件で形成することができる。

Ｃｕ層に代えてＡｇ層を形成した場合には、例えば酸化銀粒子と有機物からなる還元剤とを含む酸化銀ペーストを用いて他の部材を接合する際に、酸化銀が還元された銀とＡｇ層とが同種の金属同士の接合となるため、接合信頼性を向上させることができる。さらには、熱伝導率の良好なＡｇ層が形成されるので、熱を面方向に拡げて効率的に伝達することができる。この場合、Ａｇ層の厚さは１μｍ以上２０μｍ以下とすることが望ましい。Ａｇ層の厚さが１μｍ未満の場合には他の部材との接合信頼性を向上の効果が無くなるおそれがあり、２０μｍを超える場合には接合信頼性向上の効果が観られなくなり、コストの増加を招く。また、固相拡散接合によってＡｇ層を形成する場合、Ａｌ層とＡｇの固相拡散接合については、接合温度を４００℃以上５２０℃以下に設定されるが、その他は前述の実施形態と同様の条件で形成することができる。

さらに、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パワーモジュール用基板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に示すパワーモジュール用基板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。

また、第一実施形態において、回路層を純度９９質量％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９９．９９質量％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に示すパワーモジュール用基板２１０でも同様である。

また、第一の実施形態の金属層／ヒートシンク接合工程Ｓ０５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、第二の実施形態のヒートシンク本体／金属部材層接合工程Ｓ１０２においては、ヒートシンク本体１１０と金属部材層１１７となる金属板１２７とを積層し、積層方向に加圧（圧力５〜３５ｋｇｆ／ｃｍ^２）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、説明したが、これ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）と金属部材３０２（金属層１３、金属部材層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。

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と金属部材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及び金属部材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と金属部材３０２が加熱され、アルミニウム合金部材３０１と金属部材３０２とが固相拡散接合される。

上述の通電加熱法においては、アルミニウム合金部材３０１及び金属部材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及び金属部材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及び金属部材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。

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／ｃｍ^２以上１００ｋｇｆ／ｃｍ^２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及び金属部材３０２の表面粗さは、算術平均粗さＲａで０．３μｍ以上０．６μｍ以下、または、最大高さＲｚ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。

なお、第一の実施形態の金属層／ヒートシンク接合工程Ｓ０５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部材３０１及び銅部材３０２の場合と同様である。

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。

（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、表１に示す金属板（４０ｍｍ×４０ｍｍ、厚さは表１参照）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。
本発明例１−５及び比較例１−３においては、アルミニウム合金板と金属板とを積層方向に１５ｋｇｆ／ｃｍ^２の荷重で押圧し、真空加熱炉で５００℃×１８０ｍｉｎの条件で固相拡散接合を実施した。
本発明例６−１０においては、アルミニウム合金板と銅板とを図１１に示す通電加熱法によって固相拡散接合した。なお、電極による加圧荷重を１５ｋｇｆ／ｃｍ^２とし、加熱温度（銅板温度）を５１０℃、加熱温度での保持時間を５ｍｉｎとし、昇温速度を８０℃／ｍｉｎとした。また、接合雰囲気を大気雰囲気とした。

（接合前のアルミニウム合金板におけるチル層の厚さ）
接合する前にアルミニウム板の観察を行い、接合面側に形成されたチル層の厚さを以下のように測定した。
まず、ＥＰＭＡ（日本電子株式会社製ＪＸＡ―８５３０Ｆ）を用いて、アルミニウム板の表面を、視野３６０μｍ□、加速電圧１５ｋＶ、Ｓｉコンターレベル０〜１０００の条件で、Ｓｉの面分析を実施し、図１２（ａ）に示すＳｉ分布像を得た。
得られたＳｉ分布像を８ビットグレースケールに変換し、図１２（ｂ）に示すようなＳｉ分布像を得た。
次に、Ｋａｐｕｒ−Ｓａｈｏｏ−Ｗｏｎｇ（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｅｎｔｒｏｐｙ）ｔｈｒｅｓｈｏｌｄｉｎｇ ｍｒｔｈｏｄ（Ｋａｐｕｒ，ＪＮ；Ｓａｈｏｏ，ＰＫ；Ｗｏｎｇ，ＡＣＫ（１９８５）、“Ａ Ｎｅｗ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｇｒａｙ−Ｌｅｖｅｌ Ｐｉｃｔｕｒｅ Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄｉｎｇ Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ Ｅｎｔｒｏｐｙ ｏｆ ｔｈｅ Ｈｉｓｔｏｇｒａｍ”，Ｇｒａｐｈｉｃａｌ Ｍｏｄｅｌｓ ａｎｄ Ｉｍａｇｅ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ２９（３）：２７３−２８５参照）に基づいて、図１２（ｃ）に示すように、Ｓｉ分布像を２値化した。
次に、図１２（ｄ）に示すように、２値化した画像からＳｉ相の輪郭を楕円近似により抽出した。
Ｓｉ相の輪郭を抽出した画像を基に、楕円近似から求められる長径及び短径を用いて下記式からアスペクト比及び結晶粒径を算出した。
アスペクト比＝長径／短径
結晶粒径＝長径
そして、３６０μｍ^２の面積内において、アスペクト比が２．５以下かつ結晶粒径が１５μｍ以下の条件（以下、単に条件と表す）を満たす粒子の個数と前記条件を満たさない粒子の個数を求め、条件を満たす個数／条件を満たさない個数を求めた。
上述した測定方法にて、アルミニウム板表面から板内部に向かって１０μｍ毎に測定を行い、条件を満たす個数／条件を満たさない個数が３以上の部分をチル層と定義し、厚さを求めた。
評価結果を表１に示す。

（接合後のアルミニウム合金板と金属板との接合界面におけるチル層の厚さ）
固相拡散接合されたアルミニウム合金板と金属板との接合体の断面観察を行い、接合界面に形成されたチル層の厚さを以下のように測定した。
接合体の接合界面をＥＰＭＡ（日本電子株式会社製ＪＸＡ―８５３０Ｆ）を用いて、観察し、アルミニウム合金板内部へと成長したＡｌとＣｕの金属間化合物の厚さを求め、接合前のチル層の厚さから、前記ＡｌとＣｕの金属間化合物の厚さを引いた厚さを、接合後のチル層の厚さとした。
評価結果を表１に示す。

（ヒートサイクル試験）
次に、このようにして製造された接合体において、ヒート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℃で５分、１５０℃で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における接合体の積層方向の熱抵抗、及び、ヒートサイクル試験後における接合体の積層方向の熱抵抗を以下のようにして評価した。

（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、チル層を形成せずにアルミニウム合金板と銅板とを固相拡散接合した比較例１のヒートサイクル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。

チル層を形成せずにアルミニウム合金板と金属板（銅板）とを固相拡散接合した比較例１においては、本発明例と比べ熱抵抗が大きくなっていることが確認される。また、金属板としてニッケルを用いた比較例２と本発明例４を比べると、比較例２の熱抵抗が大きくなっていることが確認される。同様に金属板として銀を用いた比較例３と本発明例５を比べると比較例３の熱抵抗が大きくなっていることが確認される。これらは、カーケンダルボイドが形成されたためと推測される。

これに対して、接合前のチル層の厚さ及び接合後のチル層の厚さを本発明の範囲内とさせた本発明例においては、比較例に比べて熱抵抗が小さくなっていることが確認される。適正な厚さのチル層を介在させることにより、金属板を構成する金属元素の拡散が抑制され、カーケンダルボイドの発生が抑制されたためと推測される。
また、通電加熱法を適用した本発明例６−１０においては、大気中で接合してもアルミニウム合金板と金属板とが良好に接合されていた。

以上の結果から、本発明によれば、比較的固相線温度の低いアルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材と、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材とが良好に接合され、積層方向の熱抵抗が低い接合体を得ることが可能であることが確認された。

１０、２１０ パワーモジュール用基板
１１ セラミックス基板
１３，２１３ 金属層
１３Ｂ Ｃｕ層（金属部材）
３１ ヒートシンク（アルミニウム合金部材）
３５ チル層
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 金属部材層
１３５ チル層

Claims (9)

1. 銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材と、固相線温度が前記金属部材を構成する金属元素とアルミニウムとの共晶温度未満とされた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部材と前記金属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のうち前記金属部材との接合界面側には、結晶粒のアスペクト比が２．５以下で結晶粒径が１５μｍ以下であるＳｉ相が分散したチル層が形成されており、
   前記チル層の厚さが５０μｍ以上とされていることを特徴とする接合体。
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パワーモジュール用基板であって、
   前記金属層のうち前記ヒートシンクとの接合面は、銅、ニッケル、又は銀で構成され、
   前記ヒートシンクのうち前記金属層との接合面は、固相線温度が前記金属層の前記接合面を構成する金属元素とアルミニウムとの共晶温度未満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、
   前記ヒートシンクのうち前記金属層との接合界面側には、結晶粒のアスペクト比が２．５以下で結晶粒径が１５μｍ以下であるＳｉ相が分散したチル層が形成されており、
   前記チル層の厚さが５０μｍ以上とされてい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。
3. ヒートシンク本体と、前記金属部材層と、を備えたヒートシンクであって、
   前記金属部材層は、銅、ニッケル、又は銀からなり、
   前記ヒートシンク本体は、固相線温度が前記金属部材層を構成する金属元素とアルミニウムとの共晶温度未満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のうち前記金属部材層との接合界面側には、結晶粒のアスペクト比が２．５以下で結晶粒径が１５μｍ以下であるＳｉ相が分散したチル層が形成されており、
   前記チル層の厚さが５０μｍ以上とされていることを特徴とするヒートシンク。
4. 銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材と、固相線温度が前記金属部材を構成する金属元素とアルミニウムとの共晶温度未満とされた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の製造方法であって、
   接合前の前記アルミニウム合金部材において、前記金属部材との接合面側に、結晶粒のアスペクト比が２．５以下で結晶粒径が１５μｍ以下であるＳｉ相が分散したチル層を形成するとともに、このチル層の厚さを８０μｍ以上とし、
   このアルミニウム合金部材と前記金属部材とを固相拡散接合することを特徴とする接合体の製造方法。
5. 前記アルミニウム合金部材と前記金属部材とを積層し、積層方向に加圧しながら通電して加熱することにより、前記アルミニウム合金部材と前記金属部材とを固相拡散接合することを特徴とする請求項４に記載の接合体の製造方法。
6. 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は、銅、ニッケル、又は銀で構成され、
   前記ヒートシンクのうち前記金属層との接合面は、固相線温度が前記金属層の前記接合面を構成する金属元素とアルミニウムとの共晶温度未満とされたアルミニウム合金で構成されており、
   接合前の前記ヒートシンクにおいて、前記金属層との接合面側に、結晶粒のアスペクト比が２．５以下で結晶粒径が１５μｍ以下であるＳｉ相が分散したチル層を形成するとともに、このチル層の厚さを８０μｍ以上とし、
   このヒートシンクと前記金属層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。
7. 前記ヒートシンクと前記金属層とを積層し、積層方向に加圧しながら通電して加熱することにより、前記ヒートシンクと前記金属層とを固相拡散接合することを特徴とする請求項６に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
8. ヒートシンク本体と、前記金属部材層と、を備えたヒートシンクの製造方法であって、
   前記金属部材層は、銅、ニッケル、又は銀からなり、
   前記ヒートシンク本体は、固相線温度が前記金属部材層を構成する金属元素とアルミニウムとの共晶温度未満とされたアルミニウム合金で構成されており、
   接合前の前記ヒートシンク本体において、前記金属部材層との接合面側に、結晶粒のアスペクト比が２．５以下で結晶粒径が１５μｍ以下であるＳｉ相が分散したチル層を形成するとともに、このチル層の厚さを８０μｍ以上とし、
   このヒートシンク本体と前記金属部材層とを固相拡散接合することを特徴とするヒートシンクの製造方法。
9. 前記ヒートシンク本体と前記金属部材層とを積層し、積層方向に加圧しながら通電して加熱することにより、前記ヒートシンク本体と前記金属部材層とを固相拡散接合することを特徴とする請求項８に記載のヒートシンクの製造方法。