JP6561886B2 - ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法に関する。

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）、Ｓｉ_３Ｎ_４（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。

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、パワーモジュール用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パワーモジュール用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。

パワーモジュール用基板と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。

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、ＡｌＳｉＣとパワーモジュール用基板とを、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ＤＢＡ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。

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、パワーモジュール用基板とＡｌＳｉＣ系複合材料とを接合することが開示されている。

特開２００３−３０６７３０号公報 特開２０１４−１３８１２４号公報

ところで、最近では、パワー半導体素子等の高出力化が進められており、これを搭載するヒートシンク付パワーモジュール用基板では、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、パワーモジュール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に開示されているパワーモジュール用基板と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が歪んで変形してしまう。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の母材の部分的に溶融することがある。

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、パワーモジュール用基板とＡｌＳｉＣなどのアルミニウム又はアルミニウム合金を母材とするヒートシンクとを、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パワーモジュール用基板の製造方法を提供することを目的とする。

前述の課題を解決するために、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法は、絶縁層と、この絶縁層の一方の面に形成された回路層と、前記絶縁層の他方の面に形成された金属層と、を備えたパワーモジュール用基板の金属層と、ヒートシンクとが、接合されてなり、前記ヒートシンクが、アルミニウムもしくはＳｉ濃度が０．１ａｔ％未満のアルミニウム合金又はＳｉ濃度が０．１ａｔ％以上のアルミニウム合金、あるいは炭化ケイ素質部材中にアルミニウムもしくはＳｉ濃度が０．１ａｔ％未満のアルミニウム合金又はＳｉ濃度が０．１ａｔ％以上の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から形成されている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、前記ヒートシンクが、Ｓｉ濃度が０．１ａｔ％以上のアルミニウム合金、あるいは炭化ケイ素質部材中にＳｉ濃度が０．１ａｔ％以上の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から形成されている場合は、前記金属層の前記ヒートシンクとの接合面が、アルミニウムもしくはＳｉ濃度が０．１ａｔ％未満のアルミニウム合金又はＳｉ濃度が０．１ａｔ％以上のアルミニウム合金から形成されているパワーモジュール用基板を用意し、前記ヒートシンクが、アルミニウムもしくはＳｉ濃度が０．１ａｔ％未満のアルミニウム合金、あるいは炭化ケイ素質部材中にアルミニウムもしくはＳｉ濃度が０．１ａｔ％未満の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から形成されている場合は、前記金属層の前記ヒートシンクとの接合面が、Ｓｉ濃度が０．１ａｔ％以上のアルミニウム合金から形成されているパワーモジュール用基板を用意する工程と、前記金属層の前記ヒートシンクとの接合面および前記ヒートシンクの前記金属層との接合面のうちの少なくとも一方の接合面に、厚さが０．１μｍ以上１０μｍ以下のＭｇ層を形成するＭｇ層形成工程と、前記金属層と、前記ヒートシンクとを、前記Ｍｇ層を介して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、前記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。

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、アルミニウムを主成分とするアルミニウム系ろう材を用いた場合と比較して低温での加熱により、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パワーモジュール用基板を得ることができる。上記の構成によって、低温での加熱によって金属層とヒートシンクとを接合できる理由としては、次のように考えられる。加熱工程において、積層体を加熱すると、Ｍｇ層のＭｇが金属層あるいはヒートシンクに拡散し、金属層あるいはヒートシンクに含まれているＳｉとＭｇ層から拡散してきたＭｇとが反応することによって高濃度のＭｇ_２Ｓｉが生成され、ＡｌとＭｇ_２ＳｉとＭｇとが共存する領域やＡｌとＭｇ_２Ｓｉ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。

また、上記の積層体は、Ｓｉを含むアルミニウム合金またはヒートシンクとＭｇを含む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、上述のような積層体の構成としている。また、Ｍｇ濃度が高いＭｇ層を有しているので、Ｓｉを含むヒートシンクにＭｇを確実に拡散することができる。
以上の理由により、上記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、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パワーモジュール用基板を得ることができると考えられる。

ここで、金属層のアルミニウム合金及びヒートシンクのアルミニウム合金の両方のＳｉ濃度が０．１ａｔ％未満だと、ＡｌとＭｇ_２ＳｉとＭｇとが共存する領域やＡｌとＭｇ_２Ｓｉ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。
Ｍｇ層厚さが０．１μｍ未満の場合、加熱時にＭｇ２Ｓｉ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。１０μｍを超えた場合、Ａｌ−Ｍｇの液相が多量に発生することとなり、ろうこぶが生じる。
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。

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、前記積層体において、前記金属層の前記ヒートシンクとの接合面および前記ヒートシンクの前記金属層との接合面の表面から厚さ５０μｍまでの範囲に存在しているＳｉの量と、前記Ｍｇ層に存在しているＭｇの量との比（Ｓｉ／Ｍｇ）が、原子比で０．０１以上９９．００以下の範囲内にあることが好ましい。
この場合、加熱工程において、パワーモジュール用基板の金属層とヒートシンクとを接合するのに必要な高濃度のＭｇ_２Ｓｉを確実に生成させることができるので、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。

さらに、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法においては、前記加熱工程にて、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、パワーモジュール用基板及びヒートシンクに亀裂や破損を生じさせずに、パワーモジュール用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。

本発明によれば、パワーモジュール用基板と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、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パワーモジュール用基板の製造方法を提供することが可能となる。

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の概略説明図である。 図１における金属層とヒートシンクとの接合部の拡大説明図である。 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の概略説明図である。 本発明の第二実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュール用基板の概略説明図である。 第二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。

以下、図面を参照して、本発明のヒートシンク付きパワーモジュール用基板の製造方法について説明する。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。

（第一実施形態）
本発明の第一実施形態について、図１〜図３を参照して説明する。
図１は、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の概略説明図である。図２は、図１における金属層とヒートシンクとの接合部の拡大説明図である。図３は、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。

ヒートシンク付パワーモジュール用基板１０は、パワーモジュール用基板２０と、パワーモジュール用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。

パワーモジュール用基板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。

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。

回路層２２は、セラミックス基板２１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部材が接合されることで形成されている。アルミニウム部材としては、純度が９９質量％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）や純度が９９．９９質量％以上のアルミニウム（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。

回路層２２の材料としては、アルミニウム部材以外に、銅又は銅合金からなる銅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、アルミニウム部材と銅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にアルミニウム部材を接合し、さらにそのアルミニウム部材に銅部材を接合した接合体を回路層２２とすることができる。アルミニウム部材と銅部材とを接合する場合は、アルミニウム部材と銅部材との間にチタンからなるチタン部材を介在させることが好ましい。チタン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、加熱工程をアルミニウムと銅の共晶温度（５４０℃）以上の温度で行うことができる。

金属層２３は、セラミックス基板２１の他方の面に接合された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部材を接合することで形成されている。アルミニウム部材としては、純度が９９質量％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）や純度が９９．９９質量％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）等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。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。なお、金属層２３となるアルミニウム板として、Ｓｉ濃度が０．１ａｔ％以上含有されているアルミニウム合金板を用いることもできる。

ヒートシンク３０は、パワーモジュール用基板２０側の熱を放散するためのものである。ヒートシンク３０としては、Ｓｉ濃度が０．１ａｔ％以上のアルミニウム合金、又は炭化ケイ素質部材中にＳｉ濃度が０．１ａｔ％以上の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から形成されている。Ｓｉ濃度が低いと、後述する製造方法において、加熱工程の際にＡｌとＭｇ_２ＳｉとＭｇとが共存する領域やＡｌとＭｇ_２ＳｉとＳｉとが共存する領域から生成される液相が発生しなくなる。アルミニウム基複合材料としては、炭化ケイ素中（炭化ケイ素：ＳｉＣ）中にアルミニウム合金が充填された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。

パワーモジュール用基板２０とヒートシンク３０との間には、接合部４０が形成されている。接合部４０は、図２に示すように、Ｍｇ_２ＳｉからなるＭｇ_２Ｓｉ相４１が分散された組織を有する。このＭｇ_２Ｓｉ相４１が分散されている接合部４０は、次に述べる製造方法において、パワーモジュール用基板２０の金属層２３とヒートシンク３０とを、Ｍｇ層を介して加熱して、パワーモジュール用基板２０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。

ここで、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について図３を参照して説明する。

先ず、図３（ａ）に示すように、パワーモジュール用基板２０の金属層２３のヒートシンク３０との接合面に、Ｍｇ層５０を形成する（Ｍｇ層形成工程）。
Ｍｇ層５０の厚さは０．１μｍ以上１０μｍ以下の範囲内に設定されている。Ｍｇ層５０の厚さが薄くなりすぎると、後述する加熱工程の際に生成するＭｇ_２Ｓｉの量が少なくなり、金属層２３とヒートシンク３０との接合性が低下する。一方、Ｍｇ層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との接合部にろうこぶが発生し易くなるおそれがある。

Ｍｇ層５０は、Ｍｇ濃度が８０ａｔ％以上であることが好ましく、９０ａｔ％以上であることが特に好ましい。Ｍｇ層５０のＭｇ濃度が低くなりすぎると、後述する加熱工程の際に、ＡｌとＭｇ_２ＳｉとＭｇとが共存する領域やＡｌとＭｇ_２ＳｉとＳｉとが共存する領域から液相が生成されにくくなるおそれがある。

また、金属層２３の接合面およびヒートシンク３０の接合面の表面から厚さ５０μｍまでの範囲に存在しているＳｉの量と、Ｍｇ層５０に存在しているＭｇの量との比（Ｓｉ／Ｍｇ）は、原子比で０．０１以上９９．０以下の範囲内にあることが好ましく、１．１以上６．７以下の範囲内にあることが特に好ましい。ＳｉとＭｇとの存在量比が上記の範囲内にあると、後述する加熱工程の際に、金属層２３とヒートシンク３０とを接合するのに必要な高濃度のＭｇ_２Ｓｉを確実に生成させることができるので、金属層２３とヒートシンク３０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。なお、Ｍｇ層５０に存在しているＭｇ量は、Ｍｇ層５０の厚さと純度と密度から求めることができる。金属層２３の接合面およびヒートシンク３０の接合面の表面から厚さ５０μｍまでの範囲に存在しているＳｉ量は、金属層２３およびヒートシンク３０のＳｉ含有量から求めることができる。

金属層２３にＭｇ層５０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、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。

次に、金属層２３とヒートシンク３０とを、Ｍｇ層５０を介して積層して積層体１１を形成する（積層工程）。

次に、積層体１１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１１を加熱することによって、Ｍｇ層５０のＭｇがヒートシンク３０のアルミニウム合金に拡散し、アルミニウム合金中の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Ｍｇ_２Ｓｉが生成され、ＡｌとＭｇ_２ＳｉとＭｇとが共存する領域やＡｌとＭｇ_２Ｓｉ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。そして、金属層２３とヒートシンク３０とは、上記のとおりアルミニウムを主成分としているため、ＡｌとＭｇ_２ＳｉとＭｇとが共存する領域ＡｌやＭｇ_２ＳｉとＳｉとが共存する領域から形成された液相は、金属層２３とヒートシンク３０の両者に拡散して、その両者を接合する。

加熱工程において、積層体１１の加熱温度は、５５０℃以上５７５℃以下の温度範囲である。積層体１１の加熱温度が低くなりすぎると、ＡｌとＭｇ_２ＳｉとＭｇとが共存する領域やＡｌとＭｇ_２ＳｉとＳｉとが共存する領域から形成される液相が生成しないため、接合性が低下する。一方、積層体１１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。

加熱工程において、積層体１１の加熱は、積層体１１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、液相がパワーモジュール用基板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、パワーモジュール用基板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。

加熱の時間は、１５分以上１８０分の範囲内に設定されていることが好ましい。
加熱は、真空加熱炉を用いて、真空加熱炉内の圧力を１０^−６Ｐａ以上１０^−２Ｐａ以下の範囲内に設定して行うことが好ましい。

（第二実施形態）
本発明の第二実施形態について、図４〜図５を参照して説明する。
図４は、本発明の第二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概略説明図である。図５は、第二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。なお、第一実施形態および第二実施形態と同一の構成のものについては、同一の符号を付して記載し、詳細な説明を省略する。

ヒートシンク付パワーモジュール用基板６０は、パワーモジュール用基板７０と、パワーモジュール用基板７０の金属層７３に接合されたヒートシンク３０と、を備えている。パワーモジュール用基板７０とヒートシンク３０との間には、前述の第一実施形態の場合と同様に、接合部４０が形成されている。

パワーモジュール用基板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４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４において下面）に形成された金属層７３と、を備えている。

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。

回路層７２は、セラミックス基板７１の一方の面に銅又は銅合金からなる銅部材が接合されることで形成されている。銅部材としては、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。

回路層７２の材料としては、銅部材以外にも、アルミニウム部材を用いることができる。また、回路層７２として、アルミニウム部材と銅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にアルミニウム部材を接合し、さらにそのアルミニウム部材に銅部材を接合して回路層７２とすることができる。

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銅部材層７４と、銅部材層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チタン部材層７５と、チタン部材層７５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アルミニウム部材層７６とから構成されている。

銅部材層７４は、銅又は銅合金からなる。銅部材としては、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。銅部材層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。銅部材層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。

チタン部材層７５は、チタンからなる。チタン部材層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０．３ｍｍに設定されている。チタン部材層７５と銅部材層７４とは、例えば、固相拡散接合によって接合されている。

アルミニウム部材層７６は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる。アルミニウム又はアルミニウム合金としては、純度が９９質量％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）や純度が９９．９９質量％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）等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。アルミニウム部材層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。アルミニウム部材層７６とチタン部材層７５とは、例えば、固相拡散接合によって接合されている。なお、アルミニウム部材層７６となるアルミニウム板として、Ｓｉ濃度が０．１ａｔ％以上含有されているアルミニウム合金板を用いることもできる。

次に、第二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について図５を参照して説明する。

先ず、図５（ａ）に示すように、パワーモジュール用基板７０のアルミニウム部材層７６（金属層７３のヒートシンク３０との接合面）に、Ｍｇ層５０を形成する（Ｍｇ層形成工程）。Ｍｇ層５０の厚さ、Ｍｇ濃度、ＳｉとＭｇとの存在量比（Ｓｉ／Ｍｇ）、そして形成方法は、第１実施形態の場合と同じある。

次に、アルミニウム部材層７６とヒートシンク３０とを、Ｍｇ層５０を介して積層して積層体６１を形成する（積層工程）。

次に、積層体６１を加熱して、アルミニウム部材層７６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６１の加熱温度、積層体６１に付与する圧力、加熱の時間、そして真空加熱炉内の圧力は、第１実施形態の場合と同じある。

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、本実施形態では、ヒートシンクが、Ｓｉ濃度が０．１ａｔ％以上のアルミニウム合金、又は炭化ケイ素質部材中にＳｉ濃度が０．１ａｔ％以上の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から形成されているが、ヒートシンクは、アルミニウム又はＳｉ濃度が０．１ａｔ％未満のアルミニウム合金、もしくは炭化ケイ素質部材中にアルミニウム又はＳｉ濃度が０．１ａｔ％未満の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から形成されていてもよい。但し、この場合は、金属層のヒートシンクとの接合面が、Ｓｉ濃度が０．１ａｔ％以上のアルミニウム合金から形成されているパワーモジュール用基板を用意する必要がある。

また、例えば、本実施形態では、Ｍｇ層が単層とされているが、Ｍｇ層の層構成については制限ない。Ｍｇ層を、アルミニウム層の表裏面のそれぞれにＭｇ層を積層した積層構造体としてもよい。

さらに、パワーモジュール用基板は、金属層のヒートシンクとの接合面がアルミニウム又はアルミニウム合金から構成されていれば、その構成に特に制限はない。パワーモジュール用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。

本発明例及び比較例のヒートシンク付パワーモジュール用基板は次のような方法で製造した。
まず、セラミックス基板の一方の面に、回路層となる純度９９．９９％以上のアルミニウム板（０．６ｍｍｔ）をＡｌ−Ｓｉ系ろう材を介して積層し、他方の面に金属層となる表１記載のアルミニウム板（０．６ｍｍｔ）をＡｌ−Ｓｉろう材を介して積層し、荷重を負荷しながら、加熱して接合しパワーモジュール用基板を得た。
次に、パワーモジュール用基板の金属層及び／又はヒートシンクにスパッタ法により、下記の表１に示すＭｇ濃度と層厚とを有するＭｇ層を形成した。ＳｉとＭｇとの存在量比（Ｓｉ／Ｍｇ）を下記の方法により測定した。その結果を表１に示す。

次いで、パワーモジュール用基板の金属層と表１記載のヒートシンクとを、Ｍｇ層を介して積層して積層体を形成した。この積層体を真空加熱炉に入れ、表１に示す荷重を付与しながら、表１に示す加熱温度にて１５分加熱して、ヒートシンク付パワーモジュール用基板を作製した。
そして、得られた各ヒートシンク付パワーモジュール用基板について、ヒートシンクとパワーモジュール用基板との接合率と、外観を下記の方法により評価した。その評価結果を、表１に示す。

（ＳｉとＭｇとの存在量比（Ｓｉ／Ｍｇ））
Ｍｇ量は、パワーモジュール用基板の金属層及び／又はヒートシンクにＭｇ層を形成した後、厚さを断面ＳＥＭ観察から、純度をＥＰＭＡから求め、Ｍｇの密度を１．７４ｇ／ｃｍ^３として算出した。パワーモジュール用基板の金属層及びヒートシンクの両方にＭｇ層が形成されている場合、その合計量をＭｇ量とした。
Ｓｉ量は、ヒートシンクのＡｌ−Ｓｉ合金中のＳｉ濃度及びパワーモジュール用基板の金属層のＳｉ濃度をパワーモジュール用基板の金属層と接合される面から厚さ方向に５０μｍの範囲内のＳｉ量を算出した。厚さは断面ＳＥＭ観察から測定した。
求められたＭｇ量とＳｉ量からＳｉとＭｇとの存在量比（Ｓｉ／Ｍｇ）を求めた。なお、Ｓｉ量は、ヒートシンクのＡｌ−Ｓｉ合金中のＳｉ濃度及びパワーモジュール用基板の金属層のＳｉ濃度の合計量である。

（ヒートシンク付パワーモジュール用基板の外観評価）
次の何れかに該当した場合を×と評価し、それ以外を○と評価した。
１．ヒートシンクとパワーモジュール用基板との接合部を目視で観察し、ろうこぶが生じていた場合。
２．ヒートシンクを目視で観察し、ろうこぶ又は亀裂が生じていた場合。

（接合部の接合率）
冷熱サイクル後の接合率を評価した。冷熱サイクルは、液相（フロリナート中）で行い、−４０℃×５分、１５０℃×５分のサイクルを２０００サイクル行った。
冷熱サイクル後の接合率はヒートシンクとパワーモジュール用基板との接合部の超音波探傷像を、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、すなわちパワーモジュール用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部内の白色部で示されることから、この白色部の面積を剥離面積とした。
評価結果を表１に示す。

Ｍｇ層の厚さが０．１μｍ未満と薄くされた比較例１、金属層及びヒートシンクのＳｉ濃度が０．１ａｔ％以下とＳｉ濃度が低い比較例３や比較例４、接合温度が低い比較例５では、接合部の接合率が低くなった。
Ｍｇ層の膜厚が１０μｍよりも厚くされた比較例２ではろうこぶが生じていた。接合温度が高かった比較例６では、ヒートシンクに亀裂が生じていた。

一方、本発明例で得られたヒートシンク付パワーモジュール用基板は、いずれもろうこぶが生じることもなく、接合部の接合率も高い値を示した。
以上のことから、本発明例によれば、パワーモジュール用基板とＡｌＳｉＣなどのアルミニウム又はアルミニウム合金を母材とするヒートシンクとを、ヒートシンクの母材を溶融させずに、確実に接合できることが確認された。

１０、６０ ヒートシンク付パワーモジュール用基板
１１、６１ 積層体
２０、７０ パワーモジュール用基板
２１、７１ セラミックス基板
２２、７２ 回路層
２３、７３ 金属層
３０ ヒートシンク
４０ 接合部
４１ Ｍｇ_２Ｓｉ相
５０ Ｍｇ層
７４ 銅部材層
７５ チタン部材層
７６ アルミニウム部材層

Claims (3)

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、を備えたパワーモジュール用基板の金属層と、ヒートシンクとが、接合されてなり、前記ヒートシンクが、アルミニウムもしくはＳｉ濃度が０．１ａｔ％未満のアルミニウム合金又はＳｉ濃度が０．１ａｔ％以上のアルミニウム合金、あるいは炭化ケイ素質部材中にアルミニウムもしくはＳｉ濃度が０．１ａｔ％未満のアルミニウム合金又はＳｉ濃度が０．１ａｔ％以上の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から形成されている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、
   前記ヒートシンクが、Ｓｉ濃度が０．１ａｔ％以上のアルミニウム合金、あるいは炭化ケイ素質部材中にＳｉ濃度が０．１ａｔ％以上の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から形成されている場合は、前記金属層の前記ヒートシンクとの接合面が、アルミニウムもしくはＳｉ濃度が０．１ａｔ％未満のアルミニウム合金又はＳｉ濃度が０．１ａｔ％以上のアルミニウム合金から形成されているパワーモジュール用基板を用意し、前記ヒートシンクが、アルミニウムもしくはＳｉ濃度が０．１ａｔ％未満のアルミニウム合金、あるいは炭化ケイ素質部材中にアルミニウムもしくはＳｉ濃度が０．１ａｔ％未満の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から形成されている場合は、前記金属層の前記ヒートシンクとの接合面が、Ｓｉ濃度が０．１ａｔ％以上のアルミニウム合金から形成されているパワーモジュール用基板を用意する工程と、
   前記金属層の前記ヒートシンクとの接合面および前記ヒートシンクの前記金属層との接合面のうちの少なくとも一方の接合面に、厚さが０．１μｍ以上１０μｍ以下のＭｇ層を形成するＭｇ層形成工程と、
   前記金属層と、前記ヒートシンクとを、前記Ｍｇ層を介して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、前記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パワーモジュール用基板の製造方法。
2. 前記積層体において、前記金属層の前記ヒートシンクとの接合面および前記ヒートシンクの前記金属層との接合面の表面から厚さ５０μｍまでの範囲に存在しているＳｉの量と、前記Ｍｇ層に存在しているＭｇの量との比（Ｓｉ／Ｍｇ）が、原子比で０．０１以上９９．０以下の範囲内に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パワーモジュール用基板の製造方法。
3. 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または請求項２に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。

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