JP2018032731A - ヒートシンク付パワーモジュール用基板、及びヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】比較的条件の厳しいヒートサイクルを負荷させた場合であっても、セラミックス基板の割れや、セラミックス基板の一方の面に形成された金属層の剥離を抑制することができ、ヒートサイクル信頼性に優れたヒートシンク付パワーモジュール用基板を提供する。
【解決手段】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接合された回路層と、前記セラミックス基板の他方の面に接合された金属層と、この金属層の前記セラミックス基板とは反対側の面に接合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、前記金属層が、ＳｉＣからなる多孔質体と、この多孔質体に含浸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材とを有するＡｌ−ＳｉＣ複合材料で構成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。
【選択図】図１
【解決手段】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接合された回路層と、前記セラミックス基板の他方の面に接合された金属層と、この金属層の前記セラミックス基板とは反対側の面に接合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、前記金属層が、ＳｉＣからなる多孔質体と、この多孔質体に含浸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材とを有するＡｌ−ＳｉＣ複合材料で構成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。
【選択図】図１
Description
この発明は、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、及びヒートシンク付パワーモジュール用基板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）、Ａｌ２Ｏ３（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。
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）、Ａｌ２Ｏ３（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板または銅板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が開示されている。
そして、パワーモジュール用基板の他方の面側には、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。
そして、パワーモジュール用基板の他方の面側には、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に示すように、パワーモジュール用基板の金属層が銅板で構成されている場合には、銅は比較的変形抵抗が高いため、ヒートサイクルが負荷された際に、セラミックス基板と銅板との間に生じる熱応力によって、セラミックス基板に割れが発生しやすくなるといった問題があった。一方、金属層が変形抵抗の小さなアルミニウム板で構成されている場合には、ヒートサイクルが負荷された際に、金属層が変形することによってセラミックス基板と金属層との間に生じる熱応力を緩和することができ、セラミックス基板の割れを抑制することができる。
しかしながら、最近では、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、半導体素子からの発熱量が大きくなり、ヒートサイクルの条件が厳しくなっている。
ここで、金属層を純度が９９ｍａｓｓ％程度の２Ｎアルミニウムで構成した場合には、変形抵抗が比較的大きくなり、厳しい条件のヒートサイクルが負荷された際に十分に変形せず、金属層の界面で応力が集中して、セラミックス基板と金属層の剥離が生じ、接合信頼性が低下するおそれがあった。一方、回路層を純度が９９．９９ｍａｓｓ％以上の４Ｎアルミニウムで構成した場合には、変形抵抗が比較的小さくなり、ヒートサイクル負荷時に塑性変形したり、また繰り返し変形することで結晶粒径が微細化し、この結晶粒が微細化した領域にクラックが発生することによって、金属層の内部破断が生じ、熱抵抗が上昇するおそれがあった。
ここで、金属層を純度が９９ｍａｓｓ％程度の２Ｎアルミニウムで構成した場合には、変形抵抗が比較的大きくなり、厳しい条件のヒートサイクルが負荷された際に十分に変形せず、金属層の界面で応力が集中して、セラミックス基板と金属層の剥離が生じ、接合信頼性が低下するおそれがあった。一方、回路層を純度が９９．９９ｍａｓｓ％以上の４Ｎアルミニウムで構成した場合には、変形抵抗が比較的小さくなり、ヒートサイクル負荷時に塑性変形したり、また繰り返し変形することで結晶粒径が微細化し、この結晶粒が微細化した領域にクラックが発生することによって、金属層の内部破断が生じ、熱抵抗が上昇するおそれがあった。
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、比較的条件の厳しいヒートサイクルを負荷させた場合であっても、セラミックス基板の割れや、セラミックス基板の一方の面に形成された金属層の剥離や金属層の内部破断を抑制することができ、ヒートサイクル信頼性に優れたヒートシンク付パワーモジュール用基板およびその製造方法を提供することを目的とする。
このような課題を解決して前記目的を達成するために、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、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接合された回路層と、前記セラミックス基板の他方の面に接合された金属層と、この金属層の前記セラミックス基板とは反対側の面に接合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、前記金属層が、ＳｉＣからなる多孔質体と、この多孔質体に含浸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材とを有するＡｌ−ＳｉＣ複合材料で構成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、セラミックス基板の他方の面に形成された金属層が、ＳｉＣからなる多孔質体とこの多孔質体に含浸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材とを有するＡｌ−ＳｉＣ複合材料で構成されているので、セラミックス基板と金属層との熱膨張係数の差が小さく、厳しい条件のヒートサイクルを負荷した場合であっても、セラミックス基板と金属層との間に大きな熱応力が作用することがなく、セラミックス基板と金属層の剥離を抑制することができる。また、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料は、ＳｉＣからなる多孔質体を有しており容易に変形しないことから、アルミニウム材の結晶粒が微細化することはなく、金属層の内部破断を抑制することができる。さらに、金属層がＡｌ−ＳｉＣ複合材料で構成されているので、セラミックス基板と金属層との線膨張係数の差が小さく、またＡｌ−ＳｉＣ複合材料はヤング率が大きいため、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の反りを低減することができ、さらにセラミックス基板の割れも抑制することができる。なお、ここでの反りは、室温時の反りだけでなく、例えば、約２８０℃のはんだ付け等の高温時の反りや、高温から室温へ冷却した場合の反りも含み、これらの反りも低減することが可能である。
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においては、前記セラミックス基板と前記Ａｌ−ＳｉＣ複合材料との間に、アルミニウムとマグネシウムとケイ素を含む接合層が形成されていてもよい。
この場合、セラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料との間に形成された接合層によって、セラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料とが強固に接合されるので、セラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料の剥離を確実に抑制することができ、ヒートサイクル信頼性がより優れたものとなる。
この場合、セラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料との間に形成された接合層によって、セラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料とが強固に接合されるので、セラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料の剥離を確実に抑制することができ、ヒートサイクル信頼性がより優れたものとなる。
上記本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、前記接合層に、マグネシウム酸化物が析出していることが好ましい。
この場合、接合前のセラミックス基板と金属層であるＡｌ−ＳｉＣ複合材料との表面に形成されていた酸化被膜の酸素が、マグネシウム酸化物を形成して析出している、即ち、セラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料との接合時にマグネシウムの還元力によってその表面に存在していた酸化被膜が除去されているので、セラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料の接合強度が高くなり、セラミックス基板と金属層の剥離をより確実に抑制することができ、ヒートサイクル信頼性がさらに優れたものとなる。なお、接合層中のマグネシウム酸化物は、通常、セラミックス基板と接合層との接合界面近傍や、接合層とＡｌ−ＳｉＣ複合材料（スキン層）との界面近傍に析出している。
この場合、接合前のセラミックス基板と金属層であるＡｌ−ＳｉＣ複合材料との表面に形成されていた酸化被膜の酸素が、マグネシウム酸化物を形成して析出している、即ち、セラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料との接合時にマグネシウムの還元力によってその表面に存在していた酸化被膜が除去されているので、セラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料の接合強度が高くなり、セラミックス基板と金属層の剥離をより確実に抑制することができ、ヒートサイクル信頼性がさらに優れたものとなる。なお、接合層中のマグネシウム酸化物は、通常、セラミックス基板と接合層との接合界面近傍や、接合層とＡｌ−ＳｉＣ複合材料（スキン層）との界面近傍に析出している。
また、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、前記Ａｌ−ＳｉＣ複合材料の前記セラミックス基板側の表面に、アルミニウムとマグネシウムとケイ素を含む接合部が形成されていてもよい。
この場合、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料に充填されているアルミニウム材の接合部によって、セラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料とが強固に接合されるので、セラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料の剥離を確実に抑制することができ、ヒートサイクル信頼性がより優れたものとなる。
この場合、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料に充填されているアルミニウム材の接合部によって、セラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料とが強固に接合されるので、セラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料の剥離を確実に抑制することができ、ヒートサイクル信頼性がより優れたものとなる。
上記本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、前記接合部に、マグネシウム酸化物が析出していることが好ましい。
この場合、接合前のセラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料との表面に形成されていた酸化被膜の酸素が、マグネシウム酸化物を形成して析出している、即ち、セラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料の接合時にマグネシウムの還元力によって、その表面に存在していた酸化被膜が除去されているので、セラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料の接合強度が高くなり、セラミックス基板と金属層の剥離をより確実に抑制することができ、ヒートサイクル信頼性がさらに優れたものとなる。なお、接合部中のマグネシウム酸化物は、通常、セラミックス基板との接合界面近傍に析出している。
この場合、接合前のセラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料との表面に形成されていた酸化被膜の酸素が、マグネシウム酸化物を形成して析出している、即ち、セラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料の接合時にマグネシウムの還元力によって、その表面に存在していた酸化被膜が除去されているので、セラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料の接合強度が高くなり、セラミックス基板と金属層の剥離をより確実に抑制することができ、ヒートサイクル信頼性がさらに優れたものとなる。なお、接合部中のマグネシウム酸化物は、通常、セラミックス基板との接合界面近傍に析出している。
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においては、前記ヒートシンクが、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あるいは銅又は銅合金からなる銅部材で構成されていることが好ましい。
この場合、ヒートシンクが、熱伝導性に優れるアルミニウム部材あるいは銅部材で構成されているので、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の放熱特性を向上させることができる。
この場合、ヒートシンクが、熱伝導性に優れるアルミニウム部材あるいは銅部材で構成されているので、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の放熱特性を向上させることができる。
またさらに、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、前記回路層が、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、及びＳｉＣからなる多孔質体と、この多孔質体に含浸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材とを有するＡｌ−ＳｉＣ複合材料のいずれかで構成されていることが好ましい。
この場合、回路層が、導電性に優れるアルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、及びＡｌ−ＳｉＣ複合材料のいずれかで構成されているので、回路層の導電性を確保することができる。
この場合、回路層が、導電性に優れるアルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、及びＡｌ−ＳｉＣ複合材料のいずれかで構成されているので、回路層の導電性を確保することができる。
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、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接合された回路層と、前記セラミックス基板の他方の面に接合された金属層と、この金属層の前記セラミックス基板とは反対側の面に接合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、前記金属層は、ＳｉＣからなる多孔質体と、この多孔質体に含浸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材とを有するＡｌ−ＳｉＣ複合材料で構成され、前記セラミックス基板と前記Ａｌ−ＳｉＣ複合材料とを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層と、このアルミニウム部材層の表裏面の少なくとも一方の面に形成されたマグネシウム層とを有する積層ろう材を介して積層して、得られた積層体を５５０℃以上５７５℃以下の温度範囲で加熱することによって、前記セラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料とを接合する工程を、有し、前記積層ろう材のマグネシウム層と接触する前記Ａｌ−ＳｉＣ複合材料のアルミニウム材および前記積層ろう材のアルミニウム部材層のうちの少なくとも一方は、ケイ素含有量が０．１原子％以上であるＡｌ−Ｓｉ合金で構成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の製造方法では、積層ろう材のマグネシウム層とＡｌ−Ｓｉ合金とが接触しているので、５５０℃以上５７５℃以下の比較的低温での加熱によって、セラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料とを接合することができる。
即ち、マグネシウム層のマグネシウムがＡｌ−Ｓｉ合金層表面に存在する酸化被膜を除去するとともに、Ａｌ−Ｓｉ合金層へ拡散して、セラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料との間に、アルミニウムと、マグネシウムと、ケイ素と、拡散してきたマグネシウムとケイ素との反応によって形成されたＭｇ２Ｓｉとによって、液相が生成される。なお、この時に、液相に存在するマグネシウムによって、セラミックス基板やＡｌ−ＳｉＣ複合材料の表面の酸化被膜が除去される。そして、液相が凝固することによって、セラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料とが、アルミニウムとマグネシウムとケイ素を含む接合層を介して接合される。なお、マグネシウム酸化物はこれらの酸化被膜とマグネシウムの反応によって生じる。
これによって、セラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料は、表面の酸化被膜が消失して、接合層との密着性が向上するので、セラミックス基板と金属層とが強固に接合し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できる。また、加熱温度（接合温度）が５５０℃以上５７５℃以下と比較的低温であるので、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料のアルミニウム材が流出することによる空隙（ボイド）の発生を抑えることができ、得られたヒートシンク付パワーモジュール用基板はヒートサイクル信頼性が優れたものとなる。
即ち、マグネシウム層のマグネシウムがＡｌ−Ｓｉ合金層表面に存在する酸化被膜を除去するとともに、Ａｌ−Ｓｉ合金層へ拡散して、セラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料との間に、アルミニウムと、マグネシウムと、ケイ素と、拡散してきたマグネシウムとケイ素との反応によって形成されたＭｇ２Ｓｉとによって、液相が生成される。なお、この時に、液相に存在するマグネシウムによって、セラミックス基板やＡｌ−ＳｉＣ複合材料の表面の酸化被膜が除去される。そして、液相が凝固することによって、セラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料とが、アルミニウムとマグネシウムとケイ素を含む接合層を介して接合される。なお、マグネシウム酸化物はこれらの酸化被膜とマグネシウムの反応によって生じる。
これによって、セラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料は、表面の酸化被膜が消失して、接合層との密着性が向上するので、セラミックス基板と金属層とが強固に接合し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できる。また、加熱温度（接合温度）が５５０℃以上５７５℃以下と比較的低温であるので、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料のアルミニウム材が流出することによる空隙（ボイド）の発生を抑えることができ、得られたヒートシンク付パワーモジュール用基板はヒートサイクル信頼性が優れたものとなる。
また、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の別の製造方法は、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接合された回路層と、前記セラミックス基板の他方の面に接合された金属層と、この金属層の前記セラミックス基板とは反対側の面に接合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、前記金属層は、ＳｉＣからなる多孔質体と、この多孔質体に含浸されたケイ素含有量が０．１原子％以上であるＡｌ−Ｓｉ合金からなるアルミニウム材とを有するＡｌ−ＳｉＣ複合材料で構成され、前記セラミックス基板および前記Ａｌ−ＳｉＣ複合材料のうちの少なくとも一方の表面に、厚さが０．１μｍ以上１０μｍ以下のマグネシウム層を形成し、前記セラミックス基板と前記Ａｌ−ＳｉＣ複合材料とを、前記マグネシウム層を介して積層し、得られた積層体を５５０℃以上５７５℃以下の温度範囲で加熱することによって、前記セラミックス基板と前記Ａｌ−ＳｉＣ複合材料とを接合する工程を、有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では、マグネシウム層とＡｌ−ＳｉＣ複合材料のＡｌ−Ｓｉ合金とが接触しているので、５５０℃以上５７５℃以下の比較的低温での加熱により、セラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料とを接合することができる。
即ち、マグネシウム層のマグネシウムがセラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料の表面に存在する酸化被膜を除去するとともに、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料のアルミニウム材（即ち、Ａｌ−Ｓｉ合金）へ拡散して、セラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料との間に、アルミニウム、とマグネシウムと、ケイ素と、拡散してきたマグネシウムとケイ素との反応によって形成されたＭｇ２Ｓｉとによって、液相が生成される。そして、液相が凝固することによって、セラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料とが、アルミニウムとマグネシウムとケイ素を含む接合部を介して接合される。なお、マグネシウム酸化物はこれらの酸化被膜とマグネシウムの反応によって生じる。
これによって、セラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料は、表面の酸化被膜が消失して、接合部との密着性が向上するので、セラミックス基板と金属層とが強固に接合し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できる。また、加熱温度（接合温度）が５５０℃以上５７５℃以下と比較的低温であるので、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料のアルミニウム材が流出することによる空隙（ボイド）の発生を抑えることができ、得られたヒートシンク付パワーモジュール用基板はヒートサイクル信頼性が優れたものとなる。
即ち、マグネシウム層のマグネシウムがセラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料の表面に存在する酸化被膜を除去するとともに、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料のアルミニウム材（即ち、Ａｌ−Ｓｉ合金）へ拡散して、セラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料との間に、アルミニウム、とマグネシウムと、ケイ素と、拡散してきたマグネシウムとケイ素との反応によって形成されたＭｇ２Ｓｉとによって、液相が生成される。そして、液相が凝固することによって、セラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料とが、アルミニウムとマグネシウムとケイ素を含む接合部を介して接合される。なお、マグネシウム酸化物はこれらの酸化被膜とマグネシウムの反応によって生じる。
これによって、セラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料は、表面の酸化被膜が消失して、接合部との密着性が向上するので、セラミックス基板と金属層とが強固に接合し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できる。また、加熱温度（接合温度）が５５０℃以上５７５℃以下と比較的低温であるので、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料のアルミニウム材が流出することによる空隙（ボイド）の発生を抑えることができ、得られたヒートシンク付パワーモジュール用基板はヒートサイクル信頼性が優れたものとなる。
本発明によれば、比較的条件の厳しいヒートサイクルを負荷させた場合であっても、セラミックス基板の割れや、セラミックス基板の一方の面に形成された金属層の剥離や金属層の内部破断を抑制することができ、ヒートサイクル信頼性に優れたヒートシンク付パワーモジュール用基板およびその製造方法を提供することが可能となる。
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とそ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。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概略断面図を示す。図１において、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１は、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク２０とを備える。
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）に接合された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面（図１において下面）に接合された金属層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、絶縁性および放熱性に優れたＳｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）等のセラミックスで構成されている。本実施形態では、ＡｌＮで構成されている。セラミックス基板１１の厚さは、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。
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、絶縁性および放熱性に優れたＳｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）等のセラミックスで構成されている。本実施形態では、ＡｌＮで構成されている。セラミックス基板１１の厚さは、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。
回路層１２は、セラミックス基板１１の一方の面にアルミニウムまた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９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）や純度が９９．９９ｍａｓｓ％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１２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１２とセラミックス基板１１とは、例えば、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材によって接合されている。
金属層１３は、ＳｉＣからなる多孔質体３１とこの多孔質体に含浸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材３２とからなるＡｌ−ＳｉＣ複合材料（いわゆるＡｌＳｉＣ）３０で構成されている。アルミニウム材３２としては、純度が９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）や純度が９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）等の純アルミニウム、Ａｌ：８０ｍａｓｓ％以上９９．９９ｍａｓｓ％以下、Ｓｉ：０．０１ｍａｓｓ％以上１３．５ｍａｓｓ％以下、Ｍｇ：０．０３％以上５．０ｍａｓｓ％以下、残部：不純物の組成を有するアルミニウム合金を用いることができる。アルミニウム合金としてはまた、ＡＤＣ１２やＡ３５６等のアルミニウム合金を用いることもができる。
Ａｌ−ＳｉＣ複合材料はスキン層を有していてもよい。このスキン層は、多孔質体となるＳｉＣにアルミニウム材を溶融して含浸させてＡｌ−ＳｉＣ複合材料を製造する際に、このアルミニウム材の一部が表面に滲み出すことによって形成される層である。スキン層の厚さは、滲み出したアルミニウム材を切削加工することによって調整される。
Ａｌ−ＳｉＣ複合材料はスキン層を有していてもよい。このスキン層は、多孔質体となるＳｉＣにアルミニウム材を溶融して含浸させてＡｌ−ＳｉＣ複合材料を製造する際に、このアルミニウム材の一部が表面に滲み出すことによって形成される層である。スキン層の厚さは、滲み出したアルミニウム材を切削加工することによって調整される。
金属層１３の厚さは０．１ｍｍ〜５．０ｍｍの範囲とすることができる。なお、金属層１３の厚さはスキン層が形成されている場合はそのスキン層の厚さを含んだ厚さである。また、スキン層の片面当たりの厚さは、金属層１３の厚さの０．０１倍〜０．１倍とすることが好ましい。
なお、本実施形態のパワーモジュール用基板１０において、金属層１３の面積は、セラミックス基板１１の面積と同じか、又は、小さくなるように設定されている。
なお、本実施形態のパワーモジュール用基板１０において、金属層１３の面積は、セラミックス基板１１の面積と同じか、又は、小さくなるように設定されている。
ここで、セラミックス基板１１と金属層１３との接合部分の構造について、図２と図３とを用いて説明する。図２および図３は、セラミックス基板１１と金属層１３とが接合されている部分の一例の拡大断面図である。
図２において、セラミックス基板１１と金属層１３であるＡｌ−ＳｉＣ複合材料３０とは、接合層４０を介して接合されている。なお、図２の（ａ）は、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料３０がスキン層３３を有する場合であり、（ｂ）は、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料３０がスキン層３３を有しない場合である。
接合層４０は、アルミニウムとマグネシウムとケイ素を含む。接合層４０には、マグネシウム酸化物４１が析出している。マグネシウム酸化物４１は、セラミックス基板１１と接合層４０との接合界面近傍や、接合層４０とＡｌ−ＳｉＣ複合材料３０（スキン層３３）との界面近傍に析出している。なお、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料３０（スキン層３３）側に析出したマグネシウム酸化物４１は、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料３０（スキン層３３）の一部に入り込んでいる場合もある。マグネシウム酸化物４１は、通常、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、スピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）およびこれらの複合物である。
また、接合層４０にはＭｇ２Ｓｉが存在する場合もある。
また、接合層４０にはＭｇ２Ｓｉが存在する場合もある。
図３は、セラミックス基板１１と金属層１３であるＡｌ−ＳｉＣ複合材料３０とが、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料３０のセラミックス基板１１側の表面に形成された接合部５０を介して接合されている。なお、図３の（ａ）は、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料３０がスキン層３３を有する場合であり、この場合、接合部５０は、スキン層３３の表面に形成されている。（ｂ）は、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料３０がスキン層３３を有しない場合であり、この場合、接合部５０は、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料３０のアルミニウム材３２中に形成されている。
接合部５０は、アルミニウムとマグネシウムとケイ素を含む。接合部５０には、マグネシウム酸化物５１が析出している。マグネシウム酸化物５１は、セラミックス基板１１との界面の近傍に析出している。マグネシウム酸化物５１は、通常、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、スピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）およびこれらの複合物である。
また、接合部５０にはＭｇ２Ｓｉが存在する場合もある。
また、接合部５０にはＭｇ２Ｓｉが存在する場合もある。
ヒートシンク２０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る。本実施形態では、ヒートシンク２０は、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されている。また、このヒートシンク２０には、冷却用の流体が流れるための流路２１が設けられている。
本実施形態においては、ヒートシンク２０は、パワーモジュール用基板１０の金属層１３にろう材を用いて直接接合されている。
本実施形態においては、ヒートシンク２０は、パワーモジュール用基板１０の金属層１３にろう材を用いて直接接合されている。
次に、上述した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１の製造方法について、図４〜図６を参照して説明する。
（回路層接合工程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部材６１を、ろう材６２を介して積層する。次いで、積層方向に加圧しながら加熱することによって、セラミックス基板１１に回路層１２を接合する。
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部材６１を、ろう材６２を介して積層する。次いで、積層方向に加圧しながら加熱することによって、セラミックス基板１１に回路層１２を接合する。
（金属層接合工程Ｓ０２）
次に、図５に示すように、回路層１２を接合したセラミックス基板１１の他方の面に、金属層１３となるＡｌ−ＳｉＣ複合材料３０を、積層ろう材６３を介して積層する。
積層ろう材６３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部材層６４と、このアルミニウム部材層６４の表裏面の少なくとも一方の面に形成されたマグネシウム層６５とを有する積層ろう材を用いる。アルミニウム部材層６４の厚さは、３〜５０μｍの範囲にあることが好ましい。マグネシウム層６５の厚さは、１．０〜５．０μｍ（両面に配設される場合は、合計の厚さ）とすることが好ましい。
次に、図５に示すように、回路層１２を接合したセラミックス基板１１の他方の面に、金属層１３となるＡｌ−ＳｉＣ複合材料３０を、積層ろう材６３を介して積層する。
積層ろう材６３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部材層６４と、このアルミニウム部材層６４の表裏面の少なくとも一方の面に形成されたマグネシウム層６５とを有する積層ろう材を用いる。アルミニウム部材層６４の厚さは、３〜５０μｍの範囲にあることが好ましい。マグネシウム層６５の厚さは、１．０〜５．０μｍ（両面に配設される場合は、合計の厚さ）とすることが好ましい。
積層ろう材６３のマグネシウム層６５と接触するＡｌ−ＳｉＣ複合材料３０のアルミニウム材３２および積層ろう材６３のアルミニウム部材層６４のうちの少なくとも一方は、ケイ素含有量が０．１原子％以上であるＡｌ−Ｓｉ合金で構成されている。Ａｌ−Ｓｉ合金としては、Ａｌ−７．５〜１２．５ｍａｓｓ％Ｓｉ合金を用いることができる。例えば、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料３０のアルミニウム材３２がＡｌ−Ｓｉ合金で構成されている場合は、積層ろう材６３のアルミニウム部材層６４は、純度が９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）で構成されていてもよい。但し、この場合は、積層ろう材６３のマグネシウム層６５とＡｌ−ＳｉＣ複合材料３０とが接触するように、積層ろう材６３とＡｌ−ＳｉＣ複合材料３０とを積層することが必要である。一方、積層ろう材６３のアルミニウム部材層６４がＡｌ−Ｓｉ合金で構成されている場合は、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料３０のアルミニウム材３２は、純度が９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）で構成されていてもよい。なお、この場合は、積層ろう材６３とＡｌ−ＳｉＣ複合材料３０とを積層方法に制限はなく、積層ろう材６３のアルミニウム部材層６４とＡｌ−ＳｉＣ複合材料３０とが接触するように、積層ろう材６３とＡｌ−ＳｉＣ複合材料３０とを積層してもよい。
回路層１２を接合したセラミックス基板１１、積層ろう材６３、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料３０を積層した積層体を、積層方向に加圧しながら加熱することによって、セラミックス基板１１に金属層１３（即ち、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料３０）を接合する。本実施形態では、積層ろう材６３を用いて接合する場合の接合条件として、積層方向の荷重を０．１ＭＰａ以上３．５ＭＰａ以下（１ｋｇｆ／ｃｍ２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ２以下）の範囲内、接合温度を５５０℃以上５７５℃以下の範囲内、保持時間を１５分以上１８０分以下の範囲内とされている。なお、接合温度は、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料３０のアルミニウム材３２の流出を抑えるために、アルミニウム材３２の融点よりも低い温度であることが好ましい。
アルミニウム部材層６４がＡｌ−Ｓｉ合金である積層ろう材６３を用いて接合すると、マグネシウム層６５のマグネシウムがアルミニウム部材層６４（Ａｌ−Ｓｉ合金）に拡散して、セラミックス基板１１とＡｌ−ＳｉＣ複合材料３０との間に、アルミニウムと、マグネシウムと、ケイ素と、拡散してきたマグネシウムとケイ素との反応によって形成されたＭｇ２Ｓｉとにより、液相が生成される。なお、この時に、液相に存在するマグネシウムによって、セラミックス基板１１やＡｌ−ＳｉＣ複合材料３０の表面の酸化被膜が除去される。そして、液相が凝固することによって、図２に示すようにセラミックス基板１１とＡｌ−ＳｉＣ複合材料３０（金属層１３）とが、アルミニウムとマグネシウムとケイ素を含む接合層４０を介して接合される。なお、マグネシウム酸化物４１はこれらの酸化被膜とマグ接ネシウムの反応によって生じる。また、接合温度が高い場合や保持時間が長い場合では、接合層４０にＭｇ２Ｓｉがほとんど観察されない場合もある。
また、積層ろう材６３のマグネシウム層６５と、アルミニウム材３２がＡｌ−Ｓｉ合金で構成されているＡｌ−ＳｉＣ複合材料３０とが接触している場合は、マグネシウム層６５のマグネシウムが、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料３０の表面に存在する酸化被膜を除去するとともに、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料３０のアルミニウム材３２（即ち、Ａｌ−Ｓｉ合金）へ拡散して、Ｍｇ２Ｓｉが生成する。そして、セラミックス基板１１とＡｌ−ＳｉＣ複合材料３０との間に、アルミニウムと、マグネシウムと、ケイ素と、拡散してきたマグネシウムとケイ素との反応によって形成されたＭｇ２Ｓｉにより液相が生成される。
Ａｌ−ＳｉＣ複合材料３０のアルミニウム材３２がＡｌ−Ｓｉ合金で構成されている場合は、積層ろう材を用いる代わりに、図６に示すように、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料３０の表面にマグネシウム層６７を形成し、セラミックス基板１１とＡｌ−ＳｉＣ複合材料３０とを、マグネシウム層６７を介して積層し、得られた積層体を５５０℃以上５７５℃以下の温度範囲で加熱することによって、セラミックス基板１１とＡｌ−ＳｉＣ複合材料３０とを接合してもよい。なお、マグネシウム層６７は、セラミックス基板１１およびＡｌ−ＳｉＣ複合材料３０のうちの少なくとも一方の表面に形成されていればよい。
本実施形態では、マグネシウム層６７の厚さは、０．１μｍ以上１０μｍ以下の範囲とされている。マグネシウム層６７の厚さが薄くなりすぎると、加熱によって生成するＭｇ２Ｓｉの量が少なくなり、セラミックス基板１１とＡｌ−ＳｉＣ複合材料３０との接合強度が低下するおそれがある。一方、マグネシウム層６７の厚さが厚くなりすぎると、加熱によって、液相が過剰に生成して、セラミックス基板１１とＡｌ−ＳｉＣ複合材料３０との接合性が低下するおそれがある。
マグネシウム層６７の形成方法としては、マグネシウムターゲットを用いたスパッタ法、マグネシウム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。
本実施形態では、マグネシウム層６７を用いて接合する場合の接合条件は、積層方向の荷重を０．１ＭＰａ以上３．５ＭＰａ以下（１ｋｇｆ／ｃｍ２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ２以下）の範囲内、接合温度を５５０℃以上５７５℃以下の範囲内、保持時間を１５分以上２１０分以下の範囲内とされている。以下の範囲とされている。なお、接合温度は、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料３０のアルミニウム材３２の流出を抑えるために、アルミニウム材３２の融点よりも低い温度であることが好ましい。
マグネシウム層６７を用いて接合すると、マグネシウム層６７のマグネシウムがセラミックス基板１１とＡｌ−ＳｉＣ複合材料３０の表面に存在する酸化被膜を除去するとともに、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料３０のアルミニウム材３２（即ち、Ａｌ−Ｓｉ合金）へ拡散して、セラミックス基板１１とＡｌ−ＳｉＣ複合材料３０との間に、アルミニウムと、マグネシウムと、ケイ素と、拡散してきたマグネシウムとケイ素との反応によって形成されたＭｇ２Ｓｉとによって、液相が生成される。そして、液相が凝固することによって、図３に示すように、セラミックス基板１１とＡｌ−ＳｉＣ複合材料３０とが、アルミニウムとマグネシウムとケイ素を含む接合部５０を介して接合される。なお、マグネシウム酸化物４１はこれらの酸化被膜とマグネシウムの反応によって生じる。また、接合温度が高い場合や保持時間が長い場合では、接合部５０にＭｇ２Ｓｉがほとんど観察されない場合もある。
以上のような工程により、本実施形態におけるパワーモジュール用基板１０が製造される。
（ヒートシンク接合工程Ｓ０３）
次に、パワーモジュール用基板１０の金属層１３と、ヒートシンク２０とろう材６６を介して積層する。次いで積層方向に加圧しながら加熱することによって、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク２０とを接合する。
以上のようにして、図１に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板１が製造される。
次に、パワーモジュール用基板１０の金属層１３と、ヒートシンク２０とろう材６６を介して積層する。次いで積層方向に加圧しながら加熱することによって、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク２０とを接合する。
以上のようにして、図１に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板１が製造される。
以上のような構成とされた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１によれば、セラミックス基板１１の他方の面に形成された金属層１３が、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料３０で構成されているので、セラミックス基板１１と金属層１３との熱膨張係数の差が小さく、厳しい条件のヒートサイクルを負荷した場合であっても、セラミックス基板と金属層との間に大きな熱応力が作用することがなく、セラミックス基板と金属層の剥離を抑制することができる。また、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料３０は、ＳｉＣからなる多孔質体３１を有しており容易に変形しないことから、アルミニウム材３２の結晶粒が微細化することはなく、金属層１３の内部破断を抑制することができる。
さらに、金属層がＡｌ−ＳｉＣ複合材料で構成されているので、セラミックス基板と金属層との線膨張係数の差が小さく、またＡｌ−ＳｉＣ複合材料はヤング率が大きいため、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の反りを低減することができ、さらにセラミックス基板の割れも抑制することができる。なお、ここでの反りは、室温時の反りだけでなく、例えば、約２８０℃のはんだ付け等の高温時の反りや、高温から室温へ冷却した場合の反りも含み、これらの反りも低減することが可能である。
さらに、金属層がＡｌ−ＳｉＣ複合材料で構成されているので、セラミックス基板と金属層との線膨張係数の差が小さく、またＡｌ−ＳｉＣ複合材料はヤング率が大きいため、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の反りを低減することができ、さらにセラミックス基板の割れも抑制することができる。なお、ここでの反りは、室温時の反りだけでなく、例えば、約２８０℃のはんだ付け等の高温時の反りや、高温から室温へ冷却した場合の反りも含み、これらの反りも低減することが可能である。
また、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１の製造方法によれば、セラミックス基板１１とＡｌ−ＳｉＣ複合材料３０との表面に形成されている酸化被膜を消失させることができるので、セラミックス基板１１とＡｌ−ＳｉＣ複合材料３０とが強固に接合し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できる。また、加熱温度（接合温度）が５５０℃以上５７５℃以下と比較的低温であるので、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料のアルミニウム材が流出することによる空隙（ボイド）の発生を抑えることができ、得られたヒートシンク付パワーモジュール用基板はヒートサイクル信頼性が優れたものとなる。
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、回路層がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるアルミニウム部材で構成されている構造を例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、銅、銅合金、及びＳｉＣからなる多孔質体と、この多孔質体に含浸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材とを有するＡｌ−ＳｉＣ複合材料のいずれかで構成してもよい。
なお、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料で構成した場合、セラミックス基板の一方の面及び他方の面にそれぞれ前記Ａｌ−ＳｉＣ複合材料からなる回路層及び金属層が形成されているので、セラミックス基板の反りの発生をさらに抑制することができる。また、回路層とセラミックス基板との間においても、熱膨張係数の差が小さく、ヒートサイクルを負荷した際のセラミックス基板と回路層の剥離や回路層の内部破断を抑制することができる。
例えば、本実施形態では、回路層がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるアルミニウム部材で構成されている構造を例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、銅、銅合金、及びＳｉＣからなる多孔質体と、この多孔質体に含浸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材とを有するＡｌ−ＳｉＣ複合材料のいずれかで構成してもよい。
なお、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料で構成した場合、セラミックス基板の一方の面及び他方の面にそれぞれ前記Ａｌ−ＳｉＣ複合材料からなる回路層及び金属層が形成されているので、セラミックス基板の反りの発生をさらに抑制することができる。また、回路層とセラミックス基板との間においても、熱膨張係数の差が小さく、ヒートサイクルを負荷した際のセラミックス基板と回路層の剥離や回路層の内部破断を抑制することができる。
また、本実施形態の製造方法において、回路層がアルミニウム、アルミニウム合金、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料で構成され、かつ、ろう材６２として積層ろう材６３を用いるか又はマグネシウム層６７を介して接合する場合、回路層とセラミックス基板の接合（回路層接合工程Ｓ０１）と金属層とセラミックス基板の接合（金属層接合工程Ｓ０２）を同時に行うことも可能である。
さらに、本実施形態では、ヒートシンクがアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるアルミニウム部材で構成されている構造を例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、銅または銅合金からなる銅部材で構成してもよい。
本発明の有効性を確認するために行った確認実験について説明する。
［実験例１］
（実験例１−１〜１−１７及び１−２２〜１−２３）
表１に示すように、回路層形成用金属板と、セラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ、ＡｌＮ及びＡｌ２Ｏ３の場合：厚さ０．６３５ｍｍ、ＳｉＮの場合：０．３２ｍｍ）と、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料（ＡｌＳｉＣ）の板材（３７ｍｍ×３７ｍｍ×厚さ０．４ｍｍ（スキン層が有る場合：スキン層は両面、片面の厚さは０．１ｍｍ））と、ヒートシンクと、ろう材とを準備した。
なお、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料のアルミニウム材の融点は、ＡＤＣ１２が５７０℃、４Ｎアルミニウムが６６０℃、３Ｎアルミニウムが６５５℃、２Ｎアルミニウムが６５０℃である。
（実験例１−１〜１−１７及び１−２２〜１−２３）
表１に示すように、回路層形成用金属板と、セラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ、ＡｌＮ及びＡｌ２Ｏ３の場合：厚さ０．６３５ｍｍ、ＳｉＮの場合：０．３２ｍｍ）と、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料（ＡｌＳｉＣ）の板材（３７ｍｍ×３７ｍｍ×厚さ０．４ｍｍ（スキン層が有る場合：スキン層は両面、片面の厚さは０．１ｍｍ））と、ヒートシンクと、ろう材とを準備した。
なお、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料のアルミニウム材の融点は、ＡＤＣ１２が５７０℃、４Ｎアルミニウムが６６０℃、３Ｎアルミニウムが６５５℃、２Ｎアルミニウムが６５０℃である。
回路層形成用金属板とセラミックス基板とを下記のようにして接合して、回路層が形成されたセラミックス基板を得た。
回路層形成用金属板が４Ｎ−Ａｌの場合、セラミックス基板の一方の面に、回路層形成用金属板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×厚さ０．４ｍｍ）を、ろう材（Ａｌ−７．５ｍａｓｓ％Ｓｉ、厚さ：１２μｍ）を介して積層した。次いで、積層方向に加圧しながら加熱することによって、セラミックス基板に回路層形成用金属板を接合し、回路層が形成されたセラミックス基板を得た。なお、積層方向の荷重は０．６ＭＰａ、接合温度は６４５℃、保持時間は４５分とした。
回路層形成用金属板がＯＦＣの場合、セラミックス基板の一方の面に無酸素銅からなる銅板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×厚さ０．６ｍｍ）を、ろう材（Ａｇ−９．８ｍａｓｓ％Ｔｉ）を介して積層し、荷重０．６ＭＰａ、接合温度８３０℃、保持時間３０分の条件で接合し、回路層が形成されたセラミックス基板を得た。
回路層形成用金属板がＡｌ−ＳｉＣ複合材料の場合、セラミックス基板の一方の面に、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料（ＡｌＳｉＣ）の板材（３７ｍｍ×３７ｍｍ×厚さ０．４ｍｍ（両面にスキン層あり、片面０．１ｍｍ））を積層ろう材（Ａｌ−Ｓｉ／Ｍｇ、Ａｌ−１０．５ｍａｓｓ％Ｓｉ合金層（厚さ１０μｍ）／マグネシウム層（厚さ２μｍ））を介して積層（マグネシウム層がセラミックス基板側を向くように積層）し、荷重０．６ＭＰａ、接合温度５５０℃、保持時間４０分の条件で接合し、回路層が形成されたセラミックス基板を得た。
回路層形成用金属板が４Ｎ−Ａｌの場合、セラミックス基板の一方の面に、回路層形成用金属板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×厚さ０．４ｍｍ）を、ろう材（Ａｌ−７．５ｍａｓｓ％Ｓｉ、厚さ：１２μｍ）を介して積層した。次いで、積層方向に加圧しながら加熱することによって、セラミックス基板に回路層形成用金属板を接合し、回路層が形成されたセラミックス基板を得た。なお、積層方向の荷重は０．６ＭＰａ、接合温度は６４５℃、保持時間は４５分とした。
回路層形成用金属板がＯＦＣの場合、セラミックス基板の一方の面に無酸素銅からなる銅板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×厚さ０．６ｍｍ）を、ろう材（Ａｇ−９．８ｍａｓｓ％Ｔｉ）を介して積層し、荷重０．６ＭＰａ、接合温度８３０℃、保持時間３０分の条件で接合し、回路層が形成されたセラミックス基板を得た。
回路層形成用金属板がＡｌ−ＳｉＣ複合材料の場合、セラミックス基板の一方の面に、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料（ＡｌＳｉＣ）の板材（３７ｍｍ×３７ｍｍ×厚さ０．４ｍｍ（両面にスキン層あり、片面０．１ｍｍ））を積層ろう材（Ａｌ−Ｓｉ／Ｍｇ、Ａｌ−１０．５ｍａｓｓ％Ｓｉ合金層（厚さ１０μｍ）／マグネシウム層（厚さ２μｍ））を介して積層（マグネシウム層がセラミックス基板側を向くように積層）し、荷重０．６ＭＰａ、接合温度５５０℃、保持時間４０分の条件で接合し、回路層が形成されたセラミックス基板を得た。
次に、回路層が形成されたセラミックス基板の他方の面に、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料を、表１に示すろう材を、ろう材のマグネシウム層が表１に示す向きとなるように積層した。次いで、積層方向に加圧しながら加熱することによって、セラミックス基板にＡｌ−ＳｉＣ複合材料（金属層）を接合して、パワーモジュール用基板を作製した。なお、積層方向の荷重は１．５ＭＰａ、接合温度は５６０℃、保持時間は６０分とした。
次に、ヒートシンク材質がＡ６０６３である実験例１−１〜１−１４及び１−１６〜１−１７ではパワーモジュール用基板の金属層（Ａｌ−ＳｉＣ複合材料）とヒートシンク（Ａ６０６３、５０ｍｍ×６０ｍｍ、厚さ５．０ｍｍ）とを、表１に示すろう材（Ａｌ−１０．１原子％Ｓｉ合金層（厚さ１０μｍ）とマグネシウム層（厚さ２μｍ）とを積層）を、ろう材のマグネシウム層が表１に示す向きとなるように積層した。次いで、積層方向に加圧しながら加熱することによって、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを接合して、評価用試料（ヒートシンク付パワーモジュール用基板）を作製した。
なお、積層方向の荷重は１．５ＭＰａ、接合温度は５６０℃、保持時間は６０分とした。
なお、積層方向の荷重は１．５ＭＰａ、接合温度は５６０℃、保持時間は６０分とした。
ヒートシンクがＣｕである実験例１−１５では、パワーモジュール用基板の金属層（Ａｌ−ＳｉＣ複合材料）とヒートシンク（Ｃｕ）とを積層し、真空炉（１０−３Ｐａ）内に装入し、積層方向に荷重１．２ＭＰａで加圧し、５１０℃で１５０分保持して、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを固相拡散接合して、評価用試料を作製した。
（実験例１−１８〜１−２１）
表１に記載のセラミックス基板の一方の面に、表１に記載の回路層形成用金属板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×厚さ０．４ｍｍ）を、その他方の面に金属層となるＡｌ板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×厚さ０．４ｍｍ）を、それぞれＡｌ−Ｓｉろう材（Ａｌ−７．５ｍａｓｓ％Ｓｉ、厚さ１２μｍ）を介して積層し、荷重０．６ＭＰａ、接合温度６４５℃、保持時間４５分の条件で接合して、セラミックス基板の一方の面及び他方の面に回路層及び金属層を形成した。
金属層のセラミックス基板とは反対側の面に、ヒートシンクがＡ６０６３（５０ｍｍ×６０ｍｍ、厚さ５．０ｍｍ）の場合はＡｌ−Ｓｉろう材（Ａｌ−１０．５ｍａｓｓ％Ｓｉ、厚さ５０μｍ）を介して積層し、荷重０．６ＭＰａ、接合温度６４５℃、保持時間４５分の条件でヒートシンクを接合して、評価用試料を作製した。
ヒートシンクがＣｕの場合、無酸素銅からなるヒートシンク（５０ｍｍ×６０ｍｍ、厚さ３．０ｍｍ）を直接積層し、荷重０．６ＭＰａ、接合温度５３０℃、保持時間４５分の条件でヒートシンクを固相拡散接合した。
表１に記載のセラミックス基板の一方の面に、表１に記載の回路層形成用金属板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×厚さ０．４ｍｍ）を、その他方の面に金属層となるＡｌ板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×厚さ０．４ｍｍ）を、それぞれＡｌ−Ｓｉろう材（Ａｌ−７．５ｍａｓｓ％Ｓｉ、厚さ１２μｍ）を介して積層し、荷重０．６ＭＰａ、接合温度６４５℃、保持時間４５分の条件で接合して、セラミックス基板の一方の面及び他方の面に回路層及び金属層を形成した。
金属層のセラミックス基板とは反対側の面に、ヒートシンクがＡ６０６３（５０ｍｍ×６０ｍｍ、厚さ５．０ｍｍ）の場合はＡｌ−Ｓｉろう材（Ａｌ−１０．５ｍａｓｓ％Ｓｉ、厚さ５０μｍ）を介して積層し、荷重０．６ＭＰａ、接合温度６４５℃、保持時間４５分の条件でヒートシンクを接合して、評価用試料を作製した。
ヒートシンクがＣｕの場合、無酸素銅からなるヒートシンク（５０ｍｍ×６０ｍｍ、厚さ３．０ｍｍ）を直接積層し、荷重０．６ＭＰａ、接合温度５３０℃、保持時間４５分の条件でヒートシンクを固相拡散接合した。
得られた評価用試料（ヒートシンク付パワーモジュール用基板）を用いて、セラミックス基板と金属層との接合界面の非破壊率、セラミックス基板の割れの有無を、下記の方法により評価した。
（セラミックス基板と金属層との接合界面の非破壊率）
超音波探傷装置（インサイト社製ＩＮＳＩＧＨＴ−３００）を用いて、セラミックス基板と金属層との接合界面の非破壊率を評価した。セラミックス基板と金属層との接合界面から金属層側に５０μｍの範囲内において、超音波探傷像を取得し、二値化処理を行うと、破壊部分は白色部で示されるので、この白色部の面積を破壊面積とした。なお、破壊部分には、セラミックス基板と金属層の剥離部分及び金属層の内部破断部分が含まれている。そして、下記の式より、非破壊率を求めた。なお、初期面積は金属層の面積（３７ｍｍ×３７ｍｍ）とした。その評価結果を、表２の「冷熱サイクル前」の欄に示す。
（非破壊率）＝｛（初期面積）−（破壊面積）｝／（初期面積）×１００
超音波探傷装置（インサイト社製ＩＮＳＩＧＨＴ−３００）を用いて、セラミックス基板と金属層との接合界面の非破壊率を評価した。セラミックス基板と金属層との接合界面から金属層側に５０μｍの範囲内において、超音波探傷像を取得し、二値化処理を行うと、破壊部分は白色部で示されるので、この白色部の面積を破壊面積とした。なお、破壊部分には、セラミックス基板と金属層の剥離部分及び金属層の内部破断部分が含まれている。そして、下記の式より、非破壊率を求めた。なお、初期面積は金属層の面積（３７ｍｍ×３７ｍｍ）とした。その評価結果を、表２の「冷熱サイクル前」の欄に示す。
（非破壊率）＝｛（初期面積）−（破壊面積）｝／（初期面積）×１００
（冷熱サイクル試験後の非破壊率）
冷熱衝撃試験機エスペック社製ＴＳＢ−５１を使用し、上述の評価用試料に対して、液相（フロリナート）で、−４０℃×１０分←→１７５℃×１０分の２０００サイクルの冷熱サイクル試験を実施した。冷熱サイクル試験後のセラミックス基板と金属層との接合界面の非破壊率を上述した方法で評価した。その評価結果を、表２の「冷熱サイクル後」の欄に示す。
冷熱衝撃試験機エスペック社製ＴＳＢ−５１を使用し、上述の評価用試料に対して、液相（フロリナート）で、−４０℃×１０分←→１７５℃×１０分の２０００サイクルの冷熱サイクル試験を実施した。冷熱サイクル試験後のセラミックス基板と金属層との接合界面の非破壊率を上述した方法で評価した。その評価結果を、表２の「冷熱サイクル後」の欄に示す。
（冷熱サイクル後のセラミックス基板の割れ）
上述の冷熱サイクル試験を実施した後の評価用試料を目視にて観察し、セラミックス基板に割れが生じていたものを「×」、生じていなかったもの場合は○と評価した。その評価結果を、表２に示す。
上述の冷熱サイクル試験を実施した後の評価用試料を目視にて観察し、セラミックス基板に割れが生じていたものを「×」、生じていなかったもの場合は○と評価した。その評価結果を、表２に示す。
４Ｎ−アルミニウム板を接合して金属層とした実験例１−１８と１−２０では、冷熱サイクル後のセラミックス基板と金属層との接合界面の非破壊率が低下した。これは金属層の内部破断によるものであると考えられる。
２Ｎ−アルミニウム板を接合して金属層とした実験例１−１９と１−２１では、冷熱サイクル後のセラミックス基板と金属層との接合界面の非破壊率が低下した。これはセラミックス基板と金属層の界面の剥離によるものであると考えられる。
また、実験例１−１８〜１−２１では、４Ｎ−アルミニウム板や２Ｎ−アルミニウム板が接合されていることから、反りが大きくなり冷熱サイクル後にセラミックス基板に割れが生じた。
２Ｎ−アルミニウム板を接合して金属層とした実験例１−１９と１−２１では、冷熱サイクル後のセラミックス基板と金属層との接合界面の非破壊率が低下した。これはセラミックス基板と金属層の界面の剥離によるものであると考えられる。
また、実験例１−１８〜１−２１では、４Ｎ−アルミニウム板や２Ｎ−アルミニウム板が接合されていることから、反りが大きくなり冷熱サイクル後にセラミックス基板に割れが生じた。
一方、金属層がＡｌ−ＳｉＣ複合材料で構成されている実験例１−１〜１−１７および実験例１−２２、１−２３では、冷熱サイクル後の反りが小さく、セラミックス基板に割れが生じなかった。
但し、実験例１−２２、１−２３はセラミックス基板と金属層との接合界面の非破壊率が低下した。これは、セラミックス層と金属層（Ａｌ−ＳｉＣ複合材料）の間の接合層がケイ素を実質的に含まないためであると考えられる。
これに対して、実験例１−１〜１−１７では、冷熱サイクル後のセラミックス基板と金属層との接合界面の非破壊率の低下が抑制された。これは、セラミックス層と金属層（Ａｌ−ＳｉＣ複合材料）との間にアルミニウムとマグネシウムとケイ素を含む接合層が形成されているためであると考えられる。
但し、実験例１−２２、１−２３はセラミックス基板と金属層との接合界面の非破壊率が低下した。これは、セラミックス層と金属層（Ａｌ−ＳｉＣ複合材料）の間の接合層がケイ素を実質的に含まないためであると考えられる。
これに対して、実験例１−１〜１−１７では、冷熱サイクル後のセラミックス基板と金属層との接合界面の非破壊率の低下が抑制された。これは、セラミックス層と金属層（Ａｌ−ＳｉＣ複合材料）との間にアルミニウムとマグネシウムとケイ素を含む接合層が形成されているためであると考えられる。
図７は実験例１−１の断面ＳＥＭ像である。図７（ａ）及び図７（ａ）の一部を拡大した図７（ｂ）では、セラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料のスキン層との間に接合層が観察された。ＥＰＭＡによる元素分析により、接合層は、アルミニウムとマグネシウムとケイ素を含むことが確認された。また、セラミックス基板と接合層の接合界面近傍及びスキン層と接合層の接合界面近傍にはマグネシウム酸化物が析出していることが確認された。また、接合層内にＭｇ２Ｓｉが存在していることも確認された。
［実験例２］
（実験例２−１〜２−１４）
表３に示すように、回路層形成用金属板（実験例１と同様）と、セラミックス基板（実験例１と同様）と、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料（ＡｌＳｉＣ）の板材（実験例１と同様）と、ヒートシンクと、ろう材とを準備した。
（実験例２−１〜２−１４）
表３に示すように、回路層形成用金属板（実験例１と同様）と、セラミックス基板（実験例１と同様）と、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料（ＡｌＳｉＣ）の板材（実験例１と同様）と、ヒートシンクと、ろう材とを準備した。
セラミックス基板の一方の面に、回路層形成用金属板を、上記実験例１と同様にして接合した。
次に、表３に示すように、回路層が形成されたセラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料（金属層）の一方に、マグネシウム層を表３に記載した厚さで形成した。マグネシウム層は、蒸着法によって形成した。
次いで、セラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料とを積層した。そして、積層方向に加圧しながら加熱することによって、セラミックス基板にＡｌ−ＳｉＣ複合材料（金属層）を接合して、パワーモジュール用基板を作製した。積層方向の荷重は１５ｋｇｆ／ｃｍ２、接合温度は５６０℃、保持時間は６０分とした。
次に、実験例１と同様にしてパワーモジュール用基板の金属層（Ａｌ−ＳｉＣ複合材料）とヒートシンクとを上記実験例１と同様にして接合して、評価用試料を作製した。
作製した評価用試料（ヒートシンク付パワーモジュール用基板）を用いて、実験例１と同様に、セラミックス基板と金属層との接合界面の非破壊率、セラミックス基板の割れについて評価した。その結果を表４に示す。
セラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料とをマグネシウム層を介して接合した実験例２−１〜２−１４においても、冷熱サイクル後の反りが小さく、セラミックス基板に割れが生じなかった。
但し、実験例２−１２、２−１４はセラミックス基板と金属層との接合界面の非破壊率が低下した。実験例２−１２は、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料のセラミックス基板側の表面に形成されている接合部がケイ素を実質的に含まないためであると考えられる。実験例２−１４は、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料のセラミックス基板側の表面に形成されている接合部がマグネシウムを実質的に含まないためであると考えられる。
これに対して、実験例２−１〜２−１１および２−１３では、冷熱サイクル後のセラミックス基板と金属層との接合界面の非破壊率の低下が抑制された。これは、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料のセラミックス基板側の表面にアルミニウムとマグネシウムとケイ素を含む接合層が形成されているためであると考えられる。
但し、実験例２−１２、２−１４はセラミックス基板と金属層との接合界面の非破壊率が低下した。実験例２−１２は、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料のセラミックス基板側の表面に形成されている接合部がケイ素を実質的に含まないためであると考えられる。実験例２−１４は、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料のセラミックス基板側の表面に形成されている接合部がマグネシウムを実質的に含まないためであると考えられる。
これに対して、実験例２−１〜２−１１および２−１３では、冷熱サイクル後のセラミックス基板と金属層との接合界面の非破壊率の低下が抑制された。これは、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料のセラミックス基板側の表面にアルミニウムとマグネシウムとケイ素を含む接合層が形成されているためであると考えられる。
１ ヒートシンク付パワーモジュール用基板
１０ パワーモジュール用基板
１１ セラミックス基板
１２ 回路層
１３ 金属層
２０ ヒートシンク
２１ 流路
３０ Ａｌ−ＳｉＣ複合材料
３１ 多孔質体
３２ アルミニウム材
３３ スキン層
４０ 接合層
４１ マグネシウム酸化物
５０ 接合部
５１ マグネシウム酸化物
６１ アルミニウム部材
６２ ろう材
６３ 積層ろう材
６４ アルミニウム部材層
６５ マグネシウム層
６６ ろう材
６７ マグネシウム層
１０ パワーモジュール用基板
１１ セラミックス基板
１２ 回路層
１３ 金属層
２０ ヒートシンク
２１ 流路
３０ Ａｌ−ＳｉＣ複合材料
３１ 多孔質体
３２ アルミニウム材
３３ スキン層
４０ 接合層
４１ マグネシウム酸化物
５０ 接合部
５１ マグネシウム酸化物
６１ アルミニウム部材
６２ ろう材
６３ 積層ろう材
６４ アルミニウム部材層
６５ マグネシウム層
６６ ろう材
６７ マグネシウム層
Claims (9)
- 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接合された回路層と、前記セラミックス基板の他方の面に接合された金属層と、この金属層の前記セラミックス基板とは反対側の面に接合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、
前記金属層が、ＳｉＣからなる多孔質体と、この多孔質体に含浸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材とを有するＡｌ−ＳｉＣ複合材料で構成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。 - 前記セラミックス基板と前記Ａｌ−ＳｉＣ複合材料との間に、アルミニウムとマグネシウムとケイ素を含む接合層が形成されてい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。
- 前記接合層に、マグネシウム酸化物が析出していることを特徴とする請求項２に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
- 前記Ａｌ−ＳｉＣ複合材料の前記セラミックス基板側の表面に、アルミニウムとマグネシウムとケイ素を含む接合部が形成されている請求項１に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
- 前記接合部に、マグネシウム酸化物が析出していることを特徴とする請求項４に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
- 前記ヒートシンクが、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あるいは銅又は銅合金からなる銅部材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５のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
- 前記回路層が、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、及びＳｉＣからなる多孔質体と、この多孔質体に含浸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材とを有するＡｌ−ＳｉＣ複合材料のいずれか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６のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
- 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接合された回路層と、前記セラミックス基板の他方の面に接合された金属層と、この金属層の前記セラミックス基板とは反対側の面に接合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、
前記金属層は、ＳｉＣからなる多孔質体と、この多孔質体に含浸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材とを有するＡｌ−ＳｉＣ複合材料で構成され、
前記セラミックス基板と前記Ａｌ−ＳｉＣ複合材料とを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層と、このアルミニウム部材層の表裏面の少なくとも一方の面に形成されたマグネシウム層とを有する積層ろう材を介して積層して、得られた積層体を５５０℃以上５７５℃以下の温度範囲で加熱することによって、前記セラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料とを接合する工程を、有し、
前記積層ろう材のマグネシウム層と接触する前記Ａｌ−ＳｉＣ複合材料のアルミニウム材および前記積層ろう材のアルミニウム部材層のうちの少なくとも一方は、ケイ素含有量が０．１原子％以上であるＡｌ−Ｓｉ合金で構成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の製造方法。 - 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接合された回路層と、前記セラミックス基板の他方の面に接合された金属層と、この金属層の前記セラミックス基板とは反対側の面に接合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、
前記金属層は、ＳｉＣからなる多孔質体と、この多孔質体に含浸されたケイ素含有量が０．１原子％以上であるＡｌ−Ｓｉ合金からなるアルミニウム材とを有するＡｌ−ＳｉＣ複合材料で構成され、
前記セラミックス基板および前記Ａｌ−ＳｉＣ複合材料のうちの少なくとも一方の表面に、厚さが０．１μｍ以上１０μｍ以下のマグネシウム層を形成し、前記セラミックス基板と前記Ａｌ−ＳｉＣ複合材料とを、前記マグネシウム層を介して積層し、得られた積層体を５５０℃以上５７５℃以下の温度範囲で加熱することによって、前記セラミックス基板と前記Ａｌ−ＳｉＣ複合材料とを接合する工程を、有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。
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-
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