WO2013147121A1 - 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

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 Download PDF

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WO2013147121A1
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heat sink
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bonding
layer
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長友　義幸
石塚　博弥
長瀬　敏之
黒光　祥郎
江戸　正和
三宅　秀幸
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三菱マテリアル株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a power module substrate with a heat sink in which a bonding surface of a heat sink and a bonding surface of a power module substrate are respectively made of aluminum or an aluminum alloy, and a method for manufacturing a power module substrate with a heat sink.
  • the power module substrate with a heat sink described in Patent Documents 1 and 2 is a power module in which Al (aluminum) metal plates (circuit layer and metal layer) are bonded to both surfaces of a ceramic substrate made of AlN (aluminum nitride).
  • the substrate for use and the heat sink made of aluminum are joined by brazing using an Al—Si based brazing material.
  • Al (aluminum) metal plates (upper electrode and lower electrode) are bonded to both surfaces of an insulating substrate made of a ceramic material, and a semiconductor element is attached to the upper electrode.
  • a joined semiconductor module and a top plate of a cooler made of aluminum are joined by brazing using a flux.
  • Brazing using this flux is a technique mainly for joining aluminum members.
  • an Al—Si brazing foil and a flux are placed between aluminum members, and the flux is applied to the surface of the aluminum member by the flux.
  • melting of the brazing material is promoted and bonding is performed.
  • Patent Documents 1 and 2 since an aluminum oxide film is formed on the surface of the aluminum member, it cannot be satisfactorily bonded even by simply brazing. Therefore, in Patent Documents 1 and 2, the aluminum member is bonded to each other while suppressing the influence of the aluminum oxide film by brazing in a vacuum atmosphere using a vacuum furnace. However, when the degree of vacuum at the time of brazing is low, the influence of the oxide film cannot be sufficiently suppressed, and there is a possibility that the bonding reliability is deteriorated. When trying to increase the degree of vacuum, a lot of time and labor are required, and there is a problem that brazing cannot be performed efficiently and the cost is greatly increased.
  • Patent Document 3 since the aluminum oxide film is removed by flux and the aluminum members are joined to each other, it is not necessary to braze in a vacuum atmosphere, and it is always in a non-oxidizing atmosphere such as nitrogen gas. Brazing can be performed under pressure conditions. However, since flux is used, there is a problem that the brazing operation becomes complicated. In addition, as described above, when flux is used when joining the power module substrate and the heat sink, a part of the flux component is volatilized, and the ceramic substrate of the power module substrate and the metal plate are joined. There was a risk of entering the interface and reducing the bonding reliability between the ceramic substrate and the metal plate.
  • the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and is a power module substrate with a heat sink that is firmly brazed under normal pressure conditions without using a flux, and a method for manufacturing a power module substrate with a heat sink The purpose is to provide.
  • a power module substrate with a heat sink includes a power module substrate having a circuit layer disposed on one surface of an insulating layer, and the power module substrate.
  • a power module substrate with a heat sink including a heat sink bonded to the other surface side of the module substrate, wherein the heat sink bonding surface and the power module substrate bonding surface are each made of aluminum or an aluminum alloy.
  • a bonding layer in which an Mg-containing compound containing Mg (excluding MgO) is dispersed in an Al—Si eutectic structure is formed at a bonding interface between the heat sink and the power module substrate. It is characterized in that the thickness of the bonding layer is in the range of 5 ⁇ m to 80 ⁇ m.
  • a bonding layer in which an Mg-containing compound containing Mg (excluding MgO) is dispersed in an Al—Si eutectic structure is formed, and the thickness of the bonding layer is 5 ⁇ m. Since the thickness is in the range of 80 ⁇ m or less, the heat sink and the power module substrate are firmly bonded. That is, since the Mg-containing compound dispersed in the Al—Si eutectic structure is generated by the reaction between the aluminum oxide and Mg, the heat sink joint surface and the power module substrate joint are formed. The aluminum oxide film formed on the surface is removed, and the heat sink and the power module substrate are firmly bonded.
  • the thickness of the bonding layer in which the Mg-containing compound containing Mg (excluding MgO) was dispersed in the Al—Si eutectic structure was less than 5 ⁇ m, it was formed on the bonding surface of the heat sink and the bonding surface of the power module substrate. The removal of the aluminum oxide film is insufficient, and the heat sink and the power module substrate may not be firmly bonded.
  • the thickness of the bonding layer is larger than 80 ⁇ m, cracks or the like may occur inside the bonding layer. For this reason, the thickness of the bonding layer in which the Mg-containing compound containing Mg (excluding MgO) is dispersed in the Al—Si eutectic structure is defined within the range of 5 ⁇ m to 80 ⁇ m.
  • At least one of the joining surface of the heat sink and the joining surface of the power module substrate is made of an Mg-containing aluminum alloy containing Mg, and in the vicinity of the interface of the joining surface made of the Mg-containing aluminum alloy Alternatively, an Mg reduced region in which the abundance ratio of the Mg-containing compound is reduced may be formed.
  • a part of Mg contained in at least one of the bonding surface of the heat sink and the bonding surface of the power module substrate acts at the bonding interface, and the bonding surface of the heat sink and the bonding surface of the power module substrate It reacts with the formed oxide film of aluminum to become an Mg-containing compound, and a bonding layer in which an Mg-containing compound containing Mg (excluding MgO) is dispersed in an Al—Si eutectic structure is formed.
  • an Mg reduction region in which the abundance ratio of the Mg-containing compound is reduced is formed in the vicinity of the interface of the joint surface made of the Mg-containing aluminum alloy. Therefore, in this Mg reduction region, the deformation resistance is low. It will function as a stress relaxation layer.
  • content of MgO in the said joining layer shall be 20 area% or less.
  • MgO is not preferable because it becomes a starting point of cracks during a cold cycle load.
  • MgO itself grows greatly and inhibits brazing. For this reason, it is preferable to suppress the content of MgO in the bonding layer to 20 area% or less.
  • the Mg-containing compound dispersed in the bonding layer includes a MgSi-based compound or a MgAlO-based compound.
  • the MgSi-based compound and the MgAlO-based compound are formed on the bonding surface of the heat sink and the bonding surface of the power module substrate because Mg is generated by reacting with an oxide of aluminum and dispersed into fine particles.
  • the aluminum oxide film is surely removed, the heat sink and the power module substrate are firmly bonded, and a power module substrate with a heat sink having excellent bonding reliability can be provided.
  • the method for manufacturing a power module substrate with a heat sink includes a power module substrate in which a circuit layer is disposed on one surface of an insulating layer, and a heat sink bonded to the other surface side of the power module substrate.
  • the heat sink joint surface and the power module substrate joint surface are each made of aluminum or an aluminum alloy, and the heat sink and the power module.
  • Al-Si brazing filler metal and Mg are interposed at the bonding interface with the substrate, and the heat sink and the power module substrate are stacked and pressurized in the stacking direction in a non-oxidizing atmosphere at normal pressure.
  • Al is brazed.
  • Mg-containing compound containing Mg to Si eutectic structure a bonding layer (excluding MgO) are dispersed, it is characterized by forming to be within the range of 5 ⁇ m or 80 ⁇ m or less in thickness.
  • an Al—Si based brazing material and Mg are interposed at the bonding interface between the heat sink and the power module substrate. Therefore, even if brazing is performed under normal pressure conditions without using a flux, the oxide film formed on the joining surface of the heat sink and the joining surface of the power module substrate can be removed, and the heat sink and the power module substrate can be removed. Can be reliably joined.
  • the heat sink and the power module substrate are laminated and brazing is performed in a state of being pressurized in the laminating direction, the heat sink and the power module substrate are in contact with each other at the bonding interface. It is possible to suppress the Mg present to volatilize and escape to the atmosphere, and it is possible to form a bonding layer in which an Mg-containing compound containing Mg (excluding MgO) is dispersed in an Al—Si eutectic structure. Note that Mg that has volatilized in the atmosphere reacts with oxygen to become MgO, which may hinder bonding, and thus Mg volatilization needs to be suppressed.
  • a power module substrate with a heat sink and a method for manufacturing a power module substrate with a heat sink that are firmly brazed under normal pressure conditions without using a flux.
  • FIG. 2 is an enlarged explanatory view of a joint portion between a metal layer and a heat sink in FIG. 1. It is a flowchart which shows the manufacturing method of the board
  • FIG. 5 is an enlarged explanatory view of a joint portion between a metal layer and a heat sink in FIG. 4. It is a flowchart which shows the manufacturing method of the board
  • FIG. 1 shows a power module using a power module substrate with a heat sink according to the first embodiment of the present invention.
  • the power module 1 includes a power module substrate 40 with a heat sink, and a semiconductor element (electronic component) bonded to one surface (upper side in FIG. 1) of the power module substrate 40 with a heat sink via a solder layer 2. 3 is provided.
  • the solder layer 2 is made of, for example, a Sn—Ag, Sn—In, or Sn—Ag—Cu solder material.
  • the power module substrate 40 with a heat sink includes a power module substrate 10 and a heat sink 41 that cools the power module substrate 10.
  • the power module substrate 10 includes an insulating substrate 11, a circuit layer 12 disposed on one surface of the insulating substrate 11 (upper surface in FIG. 1), and the other surface (lower surface in FIG. 1) of the insulating substrate 11. And a disposed metal layer 13.
  • the insulating substrate 11 prevents electrical connection between the circuit layer 12 and the metal layer 13, and is, for example, AlN (aluminum nitride), Si 3 N 4 (silicon nitride), Al 2 O 3 (alumina). In the present embodiment, it is made of Al 2 O 3 (alumina). Further, the thickness of the insulating substrate 11 is set within a range of 0.2 mm or more and 1.5 mm or less, and is set to 0.635 mm in the present embodiment.
  • the circuit layer 12 is formed by bonding a copper plate made of copper or a copper alloy to one surface of the insulating substrate 11.
  • a rolled plate of tough pitch copper is used as the copper plate constituting the circuit layer 12.
  • a circuit pattern is formed on the circuit layer 12, and one surface (the upper surface in FIG. 1) is a mounting surface on which the semiconductor element 3 is mounted.
  • the metal layer 13 is formed by joining an aluminum plate 23 made of aluminum or an aluminum alloy to the other surface of the insulating substrate 11.
  • an aluminum plate 23 made of aluminum or an aluminum alloy is used as the aluminum plate constituting the metal layer 13.
  • a rolled plate of aluminum having a purity of 99.99% or more is used.
  • the heat sink 41 in the present embodiment includes a top plate portion 42 joined to the power module substrate 10 and a cooling member 43 stacked on the top plate portion 42.
  • a flow path 44 through which a cooling medium flows is formed inside the cooling member 43.
  • the top plate portion 42 and the cooling member 43 are connected by a fixing screw 45. For this reason, it is necessary to ensure rigidity so that the top plate portion 42 is not easily deformed even if the fixing screw 45 is screwed. Therefore, in the present embodiment, the top plate portion 42 of the heat sink 41 is made of a metal material having a 0.2% proof stress of 100 N / mm 2 or more, and the thickness thereof is 2 mm or more.
  • the top plate portion 42 joined to the power module substrate 10 is made of an Mg-containing aluminum alloy containing Mg.
  • the top plate portion 42 is made of an A6063 alloy (Mg; 0.45 mass% to 0.9 mass% aluminum alloy).
  • the Mg content is preferably 0.2% by mass or more and 2.5% by mass or less, more preferably 0.5% by mass or more and 1.5% by mass or less. It is.
  • a bonding layer 50 is formed between the metal layer 13 made of 4N aluminum and the top plate portion 42 made of an A6063 alloy.
  • the bonding layer 50 has a structure in which an Mg-containing compound 52 containing Mg is dispersed in a matrix 51 composed of an Al—Si eutectic structure.
  • the thickness t of the bonding layer 50 is in the range of 5 ⁇ m ⁇ t ⁇ 80 ⁇ m. Note that the thickness t of the bonding layer 50 is obtained by performing cross-sectional observation, aligning the bonding layer 50 so as to be horizontal, measuring the area A of the bonding layer 50, and determining the area A as the horizontal of the bonding layer 50. It was calculated by dividing by the direction length L.
  • the content of MgO is 20 area% or less, and in this embodiment, the content is 10 area% or less.
  • the Mg-containing compound 52 dispersed in the bonding layer 50 contains a MgSi-based compound or a MgAlO-based compound. Specific examples of the MgSi-based compound include Mg 2 Si, and specific examples of the MgAlO-based compound include MgAl 2 O 4 .
  • the Mg-containing compound 48 containing Mg is dispersed in the top plate portion 42.
  • An Mg reduction region 49 in which the existence ratio of the Mg-containing compound 48 is reduced is formed in the vicinity of the bonding layer 50 in the top plate portion 42.
  • the Mg concentration in the Mg reduction region 49 is preferably 0 to 0.5% by mass, more preferably 0.1 to 0.3% by mass.
  • the manufacturing method of this power module substrate 40 with a heat sink will be described with reference to the flowchart of FIG.
  • the copper plate used as the circuit layer 12 and the insulating substrate 11 are joined (circuit layer formation process S01).
  • the insulating substrate 11 is made of Al 2 O 3
  • the copper plate and the insulating substrate 11 are joined by the DBC method using a eutectic reaction between copper and oxygen.
  • the copper plate made of tough pitch copper and the insulating substrate 11 are brought into contact and heated at 1075 ° C. for 10 minutes in a nitrogen gas atmosphere, so that the copper plate and the insulating substrate 11 are joined.
  • the aluminum plate used as the metal layer 13 is joined to the other surface side of the insulating substrate 11 (metal layer forming step S02).
  • An adhering element (any one or more of Si, Cu, Zn, Mg, Ge, Ca, Li) is fixed to the joint surface of the aluminum plate with the insulating substrate 11 by sputtering to form a fixed layer.
  • the amount of additive element in the fixed layer is in the range of 0.01 mg / cm 2 or more and 10 mg / cm 2 or less.
  • Cu is used as the additive element, and the amount of Cu in the fixed layer is It is set to 0.08 mg / cm 2 or more and 2.7 mg / cm 2 or less.
  • This aluminum plate is laminated on the other surface side of the insulating substrate 11 and charged in the lamination direction (pressure 1 to 35 kgf / cm 2 ) in a vacuum heating furnace and heated.
  • the pressure in the vacuum heating furnace is set in the range of 10 ⁇ 3 to 10 ⁇ 6 Pa, and the heating temperature is set in the range of 550 ° C. to 650 ° C.
  • the additive element (Cu) of the fixing layer diffuses to the aluminum plate side, thereby increasing the concentration (Cu concentration) of the additional element in the vicinity of the fixing layer of the aluminum plate and lowering the melting point. As a result, a molten metal region is formed at the interface with the metal.
  • the temperature is kept constant with the molten metal region formed.
  • Cu in the molten metal region further diffuses toward the aluminum plate side.
  • the Cu concentration in the portion that was the molten metal region gradually decreases and the melting point increases, and solidification proceeds while the temperature is kept constant.
  • the insulating substrate 11 and the aluminum plate are joined. That is, the insulating substrate 11 and the aluminum plate (metal layer 13) are bonded by so-called diffusion bonding (Transient Liquid Phase Diffusion Bonding). And after solidification progresses, it cools to normal temperature. In this way, the power module substrate 10 is produced.
  • the metal layer 13 of the power module substrate 10 and the top plate portion 42 of the heat sink 41 are bonded (heat sink bonding step S03).
  • the power module substrate 10 and the top plate portion 42 are laminated by interposing an Al—Si brazing material between the metal layer 13 of the power module substrate 10 and the top plate portion 42 (lamination step S31).
  • the Si content is 5.5% by mass or more and 11.0% by mass or less
  • the Al content is 89.0% by mass or more and 94.5% by mass or less (no Mg content)
  • An Al—Si brazing foil having a thickness of 5 ⁇ m to 100 ⁇ m was used.
  • the power module substrate 10 and the top plate portion 42 are pressurized in the stacking direction (0.001 MPa to 0.5 MPa), they are charged into an atmosphere furnace in a non-oxidizing atmosphere and heated (heating step S32).
  • the inside of the atmosphere heating furnace is a nitrogen gas atmosphere
  • the oxygen partial pressure is 120 ppm or less
  • the furnace pressure is normal pressure.
  • the heating temperature was set to 590 ° C. or higher and 630 ° C. or lower.
  • a molten metal region is formed at the bonding interface between the metal layer 13 and the top plate portion 42 by melting the brazing material foil, a part of the metal layer 13 and a part of the top plate portion 42. Become.
  • Mg in the Mg-containing compound 48 dispersed in the vicinity of the bonding interface of the top plate portion 42 acts on the bonding interface, and aluminum formed on the bonding surface of the top plate portion 42 and the bonding surface of the metal layer 13. This oxide film is removed by reacting with Mg.
  • region formed in the joining interface of the metal layer 13 and the top-plate part 42 is solidified by lowering
  • a bonding layer 50 having an Al—Si eutectic structure as the parent phase 51 is formed at the bonding interface between the metal layer 13 and the top plate portion 42.
  • an Mg-containing compound in this embodiment, an MgAlO-based compound generated by the aluminum oxide film reacting with Mg is dispersed.
  • the Mg-containing compound 48 dispersed in the vicinity of the bonding interface of the top plate portion 42 acts on the bonding interface, so that the Mg reduction ratio in which the existence ratio of the Mg-containing compound is reduced in the vicinity of the bonding interface of the top plate portion 42 is reduced. Region 49 will be formed. In this way, the power module substrate with heat sink 40 according to the present embodiment is produced.
  • the Al—Si eutectic structure is used as the matrix 51 at the bonding interface between the metal layer 13 made of 4N aluminum and the top plate portion 42 made of A6063 alloy.
  • the bonding layer 50 having a structure in which the Mg-containing compound 52 is dispersed in the matrix 51 is formed, and the thickness of the bonding layer 50 is in the range of 5 ⁇ m to 80 ⁇ m.
  • the aluminum oxide film formed on the surface and the joining surface of the top plate portion 42 is removed, and the metal layer 13 and the top plate portion 42 can be firmly joined. Therefore, the power module substrate 40 with a heat sink excellent in the bonding reliability between the power module substrate 10 and the heat sink 41 can be configured.
  • the content of MgO in the bonding layer 50 is 20 area% or less, the occurrence of cracks in the bonding layer 50 at the time of the thermal cycle load is suppressed, and brazing is performed well. Bonding reliability between the power module substrate 10 and the heat sink 41 is greatly improved. In particular, in this embodiment, since the content of MgO in the bonding layer 50 is 10 area% or less, the bonding reliability between the power module substrate 10 and the heat sink 41 can be reliably improved.
  • the Mg-containing compound 52 dispersed in the parent phase 51 of the bonding layer 50 is an MgSi-based compound or MgAlO-based material
  • the Mg-containing compound 52 is dispersed in a fine particle shape in the bonding layer 50, and the power module It becomes possible to bond the substrate 10 and the heat sink 41 securely and firmly.
  • the top plate portion 42 is made of an A6063 alloy containing Mg, and an Mg reduction region 49 in which the abundance ratio of the Mg-containing compound 48 is reduced is provided in the vicinity of the bonding layer 50 in the top plate portion 42. Since it is formed, the Mg reduction region 49 has a low deformation resistance and functions as a stress relaxation layer. Therefore, the thermal stress resulting from the difference in thermal expansion coefficient between the heat sink 41 and the insulating substrate 11 can be alleviated by the deformation of the Mg reduction region 49, and the insulating substrate 11 can be prevented from cracking.
  • the power module substrate 10 and the heat sink 41 are bonded under a nitrogen gas atmosphere, an oxygen partial pressure of 120 ppm or less, and normal pressure conditions. Therefore, it becomes possible to manufacture the power module substrate 40 with a heat sink excellent in bonding reliability efficiently and at low cost. Furthermore, since no flux is used, when the power module substrate 10 and the heat sink 41 are bonded, the bonding interface between the circuit layer 12 and the insulating substrate 11 and the bonding interface between the insulating substrate 11 and the metal layer 13 are affected. Therefore, it is possible to prevent deterioration of the bonding reliability between the circuit layer 12 and the insulating substrate 11 and between the insulating substrate 11 and the metal layer 13.
  • the power module substrate 10 and the top plate portion 42 are charged in the stacking direction (0.001 MPa to 0.5 MPa), and then charged into a non-oxidizing atmosphere furnace and heated. As a result, the power module substrate 10 and the top plate portion 42 are in contact with each other, and Mg present at the bonding interface can be prevented from volatilizing and coming out into the atmosphere. It is possible to form the bonding layer 50 in which a Mg-containing compound containing Mg (excluding MgO) is dispersed.
  • FIG. 4 shows a power module using a power module substrate with a heat sink according to the second embodiment of the present invention.
  • the power module 101 includes a power module substrate 140 with a heat sink and a semiconductor element (electronic component) bonded to a surface on one side (the upper side in FIG. 4) of the power module substrate 140 with a heat sink via a solder layer 2. 3 is provided.
  • the solder layer 2 is made of, for example, a Sn—Ag, Sn—In, or Sn—Ag—Cu solder material.
  • the power module substrate 140 with a heat sink includes a power module substrate 110 and a heat sink 141 that cools the power module substrate 110.
  • the power module substrate 110 has an insulating substrate 111, a circuit layer 112 disposed on one surface (the upper surface in FIG. 4) of the insulating substrate 111, and the other surface (lower surface in FIG. 4) of the insulating substrate 111. And a disposed metal layer 113.
  • the insulating substrate 111 prevents electrical connection between the circuit layer 112 and the metal layer 113.
  • AlN aluminum nitride
  • Si 3 N 4 silicon nitride
  • Al 2 O 3 alumina
  • the thickness of the insulating substrate 111 is set in a range of 0.2 mm or more and 1.5 mm or less, and is set to 0.635 mm in the present embodiment.
  • the circuit layer 112 is formed by joining an aluminum plate made of aluminum or an aluminum alloy to one surface of the insulating substrate 111.
  • a rolled sheet of aluminum (so-called 4N aluminum) having a purity of 99.99% or more is used as the aluminum sheet constituting the circuit layer 112.
  • a circuit pattern is formed on the circuit layer 112, and one surface (the upper surface in FIG. 4) is a mounting surface on which the semiconductor element 3 is mounted.
  • the metal layer 113 is formed by joining an aluminum plate made of aluminum or an aluminum alloy to the other surface of the insulating substrate 111.
  • a rolled sheet of aluminum (so-called 4N aluminum) having a purity of 99.99% or more is used as the aluminum sheet constituting the metal layer 113.
  • the heat sink 141 in the present embodiment includes a top plate portion 142 joined to the power module substrate 110 and a flow path 144 for circulating a cooling medium (for example, cooling water).
  • a cooling medium for example, cooling water
  • the heat sink 141 (the top plate portion 142) be made of a material having good thermal conductivity, and it is necessary to ensure rigidity as a structural material. Therefore, in the present embodiment, the top plate portion 142 of the heat sink 141 is made of A3003 (aluminum alloy).
  • a bonding layer 150 is formed between the metal layer 113 made of 4N aluminum and the top plate portion 142 made of an A3003 alloy.
  • the bonding layer 150 has a structure in which an Mg-containing compound 152 containing Mg is dispersed in a matrix 151 composed of an Al—Si eutectic structure.
  • the thickness t of the bonding layer 150 is in the range of 5 ⁇ m ⁇ t ⁇ 80 ⁇ m. Note that the thickness t of the bonding layer 150 is obtained by performing cross-sectional observation, aligning the bonding layer 150 so as to be horizontal, measuring the area A of the bonding layer 150, and determining the area A as the horizontal of the bonding layer 150. It was calculated by dividing by the direction length L.
  • the content of MgO is 20 area% or less, and in this embodiment, the content is 10 area% or less.
  • the Mg-containing compound 152 dispersed in the bonding layer 150 contains a MgSi-based compound or a MgAlO-based compound. Specific examples of the MgSi-based compound include Mg 2 Si, and specific examples of the MgAlO-based compound include MgAl 2 O 4 .
  • circuit layer formation process S101 the aluminum plate used as the circuit layer 112 and the insulating substrate 111 are joined. Further, the aluminum plate to be the metal layer 113 and the insulating substrate 111 are joined (metal layer forming step S102). In this embodiment, the circuit layer forming step S101 and the metal layer forming step S102 are performed simultaneously.
  • a paste containing an additive element (any one or more of Si, Cu, Zn, Mg, Ge, Ca, Li) is applied to one surface and the other surface of the insulating substrate 111 by screen printing and dried. By doing so, a fixed layer is formed.
  • an additive element any one or more of Si, Cu, Zn, Mg, Ge, Ca, Li
  • Ag is used as an additive element.
  • the Ag paste used contains Ag powder, a resin, a solvent, and a dispersant, and the content of the Ag powder is 60% by mass or more and 90% by mass or less of the entire Ag paste. The remainder is made of resin, solvent and dispersant. In the present embodiment, the content of the Ag powder is 85% by mass of the entire Ag paste.
  • an aluminum plate to be the circuit layer 112, an insulating substrate 111, and an aluminum plate to be the metal layer 113 are stacked, and charged into the vacuum heating furnace in a state of being pressurized in the stacking direction (pressure 1 to 35 kgf / cm 2 ). And heat.
  • the pressure in the vacuum heating furnace is set in the range of 10 ⁇ 3 to 10 ⁇ 6 Pa, and the heating temperature is set in the range of 550 ° C. to 650 ° C.
  • the additive element (Ag) of the fixing layer diffuses to the aluminum plate side, so that the concentration (Ag concentration) of the additive element in the vicinity of the fixing layer of the aluminum plate is increased and the melting point is lowered.
  • a molten metal region is formed at each interface with the substrate 111.
  • the temperature is kept constant with the molten metal region formed.
  • Ag in the molten metal region diffuses further to the aluminum plate side.
  • the Ag concentration in the molten metal region gradually decreases and the melting point increases, and solidification proceeds while the temperature is kept constant.
  • the insulating substrate 111 and the aluminum plate are joined. That is, the circuit layer 112 and the insulating substrate 111 and the insulating substrate 111 and the metal layer 113 are bonded by so-called diffusion bonding (Transient Liquid Phase Diffusion Bonding). And after solidification progresses, it cools to normal temperature. In this way, the power module substrate 110 is produced.
  • the metal layer 113 of the power module substrate 110 and the heat sink 141 are bonded (heat sink bonding step S103).
  • the power module substrate 110 and the heat sink 141 are stacked with an Al—Si brazing material interposed between the metal layer 113 of the power module substrate 110 and the heat sink 141 (stacking step S131).
  • the Si content is 5.5% by mass or more and 11.0% by mass or less
  • the Al content is 86.5% by mass or more and 94.4% by mass or less
  • the thickness is 5 ⁇ m or more.
  • An Al—Si brazing foil having a thickness of 100 ⁇ m or less was used.
  • Mg was contained in this brazing material foil within the range of 0.1 mass% or more and 2.5 mass% or less.
  • the power module substrate 110 and the heat sink 141 are pressurized (0.001 MPa to 0.5 MPa) in the stacking direction, they are charged into an atmosphere furnace in a non-oxidizing atmosphere and heated (heating step S132).
  • the inside of the atmosphere heating furnace is a nitrogen gas atmosphere, and the oxygen partial pressure is 120 ppm or less.
  • the pressure in the furnace was normal pressure.
  • the heating temperature was set to 590 ° C. or more and 630 ° C. or less.
  • a molten metal region is formed at the bonding interface between the metal layer 113 and the heat sink 141 by melting the brazing material foil, a part of the metal layer 113 and a part of the heat sink 141.
  • the aluminum oxide film formed on the bonding surface of the heat sink 141 and the bonding surface of the metal layer 13 is removed by reacting with Mg contained in the brazing material foil.
  • region formed in the joining interface of the metal layer 113 and the heat sink 141 is solidified by lowering
  • a bonding layer 150 having an Al—Si eutectic structure as a parent phase 151 is formed at the bonding interface between the metal layer 113 and the heat sink 141.
  • an Mg-containing compound 152 in this embodiment, an MgAlO-based compound
  • an Al—Si eutectic structure is formed at the bonding interface between the metal layer 113 made of 4N aluminum and the heat sink 141 made of the A3003 alloy.
  • the bonding layer 150 having a structure in which the Mg-containing compound 152 is dispersed is formed in the mother phase 151, and the thickness of the bonding layer 150 is in the range of 5 ⁇ m to 80 ⁇ m.
  • the aluminum oxide film formed on the bonding surface of the metal layer 113 and the bonding surface of the heat sink 141 is removed, and the metal layer 113 and the heat sink 141 can be firmly bonded. Therefore, it is possible to configure the power module substrate 140 with a heat sink having excellent bonding reliability between the power module substrate 110 and the heat sink 141.
  • the metal layer 113 (4N aluminum) made of aluminum or aluminum alloy not containing Mg and the heat sink 141 (A3003 alloy) are combined with an Al—Si eutectic structure.
  • the mother phase 151 can be used for bonding via the bonding layer 150 having a structure in which the Mg-containing compound 152 is dispersed in the mother phase 151.
  • the substrate was charged into a non-oxidizing atmosphere furnace having an oxygen partial pressure of 120 ppm or less. Since brazing is performed by heating, the power module substrate 110 and the heat sink 141 are in contact with each other, and Mg present at the bonding interface can be prevented from volatilizing and coming out into the atmosphere. It becomes possible to form the bonding layer 150 in which a Mg-containing compound containing Mg (excluding MgO) is dispersed in the structure.
  • the structure of the heat sink and the structure of the power module substrate are not particularly limited, and may be a heat sink or power module substrate of another configuration as long as the aluminum members are joined together.
  • the aluminum plate constituting the metal layer has been described as a rolled plate of pure aluminum having a purity of 99.99%.
  • the present invention is not limited to this, and aluminum (2N aluminum) having a purity of 99% is used.
  • aluminum (2N aluminum) having a purity of 99% is used.
  • a ceramic plate made of Al 2 O 3, AlN is not limited thereto, it may be used a ceramic plate made of Si 3 N 4 or the like, insulating
  • the insulating layer may be made of resin.
  • an insulating substrate, an aluminum plate serving as a circuit layer, and an aluminum plate serving as a metal layer were bonded to produce a power module substrate. Bonding of the aluminum plate to be the circuit layer and the insulating substrate, and the insulating substrate and the aluminum plate to be the metal layer were performed under the following conditions.
  • An aluminum plate serving as a circuit layer, an insulating substrate, and an aluminum plate serving as a metal layer are laminated through a brazing foil of Al-10% by mass Si, and a vacuum is applied in a state of being pressurized at 5 kgf / cm 2 in the laminating direction. It joined by putting in a heating furnace and heating at 650 degreeC for 30 minutes.
  • A1100 used for the metal layer in Table 1 is aluminum having an Al purity of 99% or more, and A1050 is aluminum having an Al purity of 99.50% or more.
  • the brazing material shown in Table 2 is an Al—Si based brazing material, and Table 2 shows the amount of Mg in the brazing material. Further, the Si content in each Al—Si brazing material is 10.5 mass%, and the balance is Al. In Table 2, A3003 is an aluminum alloy containing Mn as an additive element.
  • the bonding interface between the metal layer and the heat sink was observed, and the thickness of the bonding layer, the presence or absence of the Mg-containing compound, and the amount of MgO were evaluated.
  • the thickness of the bonding layer was measured as follows.
  • the obtained power module substrate with a heat sink was cut along the diagonal line of the insulating substrate with a diamond saw. This was filled with resin, and the cross section was mirror polished to prepare a cross section sample. This cross-sectional sample is observed, and the junction interface between the metal layer and the heat sink is analyzed by the reflected electron image of EPMA.
  • the reflected bonding electron image is photographed by adjusting the position of the observed bonding layer to be horizontal, and the area A of the bonding layer is measured by binarization processing. Then, the thickness was calculated by dividing the area A of the bonding layer by the horizontal length L of the observation field. This operation was performed for five visual fields, and the average value was defined as the thickness t of the bonding layer.
  • Mg-containing compound elemental mapping by EPMA was obtained for the above-mentioned cross-sectional material, and the element present at the same position as the site where Mg was present was determined to determine the composition of the compound.
  • Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2 since Mg, Al, and O were present at the same position, it was confirmed that an MgAlO-based compound was present.
  • MgO amount (MgO area fraction)
  • the cross-sectional sample produced as described above is adjusted so that the observed bonding layer is horizontal and a reflected electron image is taken, and binarization processing is performed.
  • To measure the area A of the bonding layer Next, elemental mapping by EPMA is acquired, a part where only Mg and O coexist is detected, and the area of the part is measured by image processing to obtain the MgO area. Then, the area of MgO is divided by the area A of the bonding layer. This operation was carried out for five visual fields, and the average value was defined as the MgO amount (MgO area fraction).
  • the thermal cycle test was done to the obtained power module substrate with a heat sink, and the initial joining rate and the joining rate after the thermal cycling test were compared.
  • the cooling / heating cycle was -40 ° C. ⁇ 5 minutes once, 125 ° C. ⁇ 3 minutes once, and 3000 cycles.
  • required the joining rate using the following formula
  • the initial bonding area is an area to be bonded before bonding, that is, a metal layer area.
  • peeling is indicated by a white portion in the joint, and thus the area of the white portion was taken as the peeling area.
  • (Bonding rate) ⁇ (initial bonding area) ⁇ (peeling area) ⁇ / (initial bonding area)
  • the evaluation results are shown in Table 3.
  • Comparative Example 1 In Comparative Example 1 in which the Mg-containing compound could not be formed because there was no Mg source, the initial bonding rate and the bonding rate after the thermal cycle were low. Further, in Comparative Example 2 in which the thickness of the bonding layer was as very thin as 2 ⁇ m, the Mg-containing compound was present, but the bonding rate after the thermal cycle was low. Furthermore, in Comparative Example 3 in which the thickness of the bonding layer was as large as 92 ⁇ m, cracks occurred in the bonding layer, and the bonding rate after the thermal cycle was low.
  • Example 1-4 both the initial bonding rate and the bonding rate after the thermal cycle are high, and it is confirmed that the power module substrate and the heat sink are firmly bonded.

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Abstract

　このパワーモジュール用基板は、絶縁層の一方の面に回路層が配設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の他方の面側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、前記ヒートシンクの接合面及び前記パワーモジュール用基板の接合面が、それぞれアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されており、前記ヒートシンクと前記パワーモジュール用基板との接合界面には、Ａｌ－Ｓｉ共晶組織にＭｇを含むＭｇ含有化合物（５２）（ＭｇＯを除く）が分散した接合層（５０）が形成されており、接合層（５０）の厚さｔが５μｍ以上８０μｍ以下の範囲内とされている。

Description

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
　本発明は、ヒートシンクの接合面及びパワーモジュール用基板の接合面がそれぞれアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されたヒートシンク付パワーモジュール用基板、及び、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法に関する。
　本願は、２０１２年３月３０日に、日本に出願された特願２０１２－０８３２４７号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　上述のヒートシンク付パワーモジュール用基板としては、例えば、特許文献１～３に開示されたものが提案されている。
　特許文献１、２に記載されたヒートシンク付パワーモジュール用基板は、ＡｌＮ（窒化アルミ）からなるセラミックス基板の両面にＡｌ（アルミニウム）の金属板（回路層及び金属層）が接合されてなるパワーモジュール用基板と、アルミニウムからなるヒートシンクとが、Ａｌ－Ｓｉ系のろう材を用いたろう付けによって接合されている。
　また、特許文献３に示す半導体モジュールの冷却装置においては、セラミックス材からなる絶縁基板の両面にＡｌ（アルミニウム）の金属板（上部電極及び下部電極）が接合されており、上部電極に半導体素子が接合された半導体モジュールと、アルミニウムからなる冷却器の天板とが、フラックスを用いたろう付けによって接合されたものが提案されている。
　このフラックスを用いたろう付けは、主に、アルミニウム部材同士を接合する技術であり、例えばＡｌ－Ｓｉ系ろう材箔とフラックスとを、アルミニウム部材同士の間に配置し、フラックスによってアルミニウム部材の表面に形成された酸化膜を除去するとともに、ろう材の溶融を促進して、接合するものである。
特開２０１０－０９３２２５号公報 特開２００９－１３５３９２号公報 特開２００９－１０５１６６号公報
　ここで、アルミニウム部材においては、その表面にアルミニウムの酸化皮膜が形成されるため、単に、ろう付けを行っても良好に接合することができない。
　そこで、特許文献１，２においては、真空炉を用いて真空雰囲気内でろう付けを行うことにより、アルミニウムの酸化皮膜の影響を抑制して、アルミニウム部材同士を接合している。
　しかしながら、ろう付けを行う際の真空度が低い場合には、酸化皮膜の影響を十分に抑制することができず、接合信頼性が劣るおそれがあった。真空度を高くしようとすると、多くの時間と労力が必要となり、ろう付けを効率良くできなくなるとともに、コストが大幅に増加してしまうといった問題があった。
　一方、特許文献３においては、フラックスによってアルミニウムの酸化皮膜を除去してアルミニウム部材同士を接合していることから、真空雰囲気でろう付けを行う必要がなく、窒素ガス等の非酸化雰囲気中において常圧条件でろう付けを行うことが可能となる。
　しかしながら、フラックスを用いていることから、ろう付け作業が煩雑になるといった問題があった。また、上述のように、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを接合する際にフラックスを用いた場合には、フラックス成分の一部が揮発して、パワーモジュール用基板のセラミックス基板と金属板との接合界面等に侵入し、セラミックス基板と金属板との接合信頼性を低下させてしまうおそれがあった。
　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、フラックスを用いることなく常圧条件下において強固にろう付けされてなる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、絶縁層の一方の面に回路層が配設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の他方の面側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、前記ヒートシンクの接合面及び前記パワーモジュール用基板の接合面が、それぞれアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されており、前記ヒートシンクと前記パワーモジュール用基板との接合界面には、Ａｌ－Ｓｉ共晶組織にＭｇを含むＭｇ含有化合物（ＭｇＯを除く）が分散した接合層が形成されており、前記接合層の厚さが５μｍ以上８０μｍ以下の範囲内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、Ａｌ－Ｓｉ共晶組織にＭｇを含むＭｇ含有化合物（ＭｇＯを除く）が分散した接合層が形成されており、前記接合層の厚さが５μｍ以上８０μｍ以下の範囲内とされているので、ヒートシンクとパワーモジュール用基板とが、強固に接合されることになる。すなわち、Ａｌ－Ｓｉ共晶組織に分散しているＭｇ含有化合物は、アルミニウムの酸化物とＭｇとが反応することにより生成されるものであることから、ヒートシンクの接合面及びパワーモジュール用基板の接合面に形成されたアルミニウムの酸化皮膜が除去されていることになり、ヒートシンクとパワーモジュール用基板とが、強固に接合されるのである。
　Ａｌ－Ｓｉ共晶組織にＭｇを含むＭｇ含有化合物（ＭｇＯを除く）が分散した接合層の厚さが５μｍ未満の場合には、ヒートシンクの接合面及びパワーモジュール用基板の接合面に形成されたアルミニウムの酸化皮膜の除去が不十分であって、ヒートシンクとパワーモジュール用基板とを強固に接合できないおそれがある。一方、前記接合層の厚さが８０μｍより大きい場合には、接合層内部でクラック等が生じるおそれがある。
　このため、Ａｌ－Ｓｉ共晶組織にＭｇを含むＭｇ含有化合物（ＭｇＯを除く）が分散した接合層の厚さを５μｍ以上８０μｍ以下の範囲内に規定しているのである。
　ここで、前記ヒートシンクの接合面及び前記パワーモジュール用基板の接合面の少なくとも一方が、Ｍｇを含有したＭｇ含有アルミニウム合金で構成されており、前記Ｍｇ含有アルミニウム合金で構成された接合面の界面近傍には、Ｍｇ含有化合物の存在比率が減少したＭｇ低減領域が形成されていることとしてもよい。
　この場合、前記ヒートシンクの接合面及び前記パワーモジュール用基板の接合面の少なくとも一方に含有されたＭｇの一部が接合界面で作用し、前記ヒートシンクの接合面及び前記パワーモジュール用基板の接合面に形成されたアルミニウムの酸化皮膜と反応してＭｇ含有化合物となり、Ａｌ－Ｓｉ共晶組織にＭｇを含むＭｇ含有化合物（ＭｇＯを除く）が分散した接合層が形成されることになる。また、前記Ｍｇ含有アルミニウム合金で構成された接合面の界面近傍には、Ｍｇ含有化合物の存在比率が減少したＭｇ低減領域が形成されているので、このＭｇ低減領域においては、変形抵抗が低くなり、応力緩和層として機能することになる。
　また、前記接合層におけるＭｇＯの含有量が２０面積％以下とされていることが好ましい。
　ＭｇＯは、冷熱サイクル負荷時においてクラックの起点になるため、好ましくない。また、ＭｇＯ自体が大きく成長し、ろう付けを阻害することになる。このため、前記接合層におけるＭｇＯの含有量が２０面積％以下に抑制することが好ましいのである。
　さらに、前記接合層に分散されたＭｇ含有化合物が、ＭｇＳｉ系化合物又はＭｇＡｌＯ系化合物を含むことが好ましい。
　ＭｇＳｉ系化合物及びＭｇＡｌＯ系化合物は、Ｍｇがアルミニウムの酸化物と反応することによって生成し、微細な粒子状に分散するため、前記ヒートシンクの接合面及び前記パワーモジュール用基板の接合面に形成されたアルミニウムの酸化皮膜が確実に除去されることになり、ヒートシンクとパワーモジュール用基板とが強固に接合され、接合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ことが可能となる。
　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、絶縁層の一方の面に回路層が配設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の他方の面側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、前記ヒートシンクの接合面及び前記パワーモジュール用基板の接合面が、それぞれアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されており、前記ヒートシンクと前記パワーモジュール用基板との接合界面に、Ａｌ－Ｓｉ系ろう材とＭｇとを介在させ、前記ヒートシンクと前記パワーモジュール用基板とを積層し、積層方向に加圧した状態で、非酸化雰囲気中において常圧でろう付けを実施し、前記ヒートシンクと前記パワーモジュール用基板との接合界面に、Ａｌ－Ｓｉ共晶組織にＭｇを含むＭｇ含有化合物（ＭｇＯを除く）が分散した接合層を、厚さが５μｍ以上８０μｍ以下の範囲内となるように形成することを特徴としている。
　このような構成とされた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よれば、前記ヒートシンクと前記パワーモジュール用基板との接合界面に、Ａｌ－Ｓｉ系ろう材とＭｇとを介在させているので、フラックスを用いることなく常圧条件でろう付けしても、前記ヒートシンクの接合面及び前記パワーモジュール用基板の接合面に形成された酸化皮膜を除去でき、前記ヒートシンクと前記パワーモジュール用基板とを確実に接合することが可能となる。
　また、前記ヒートシンクと前記パワーモジュール用基板とを積層し、積層方向に加圧した状態でろう付けを実施しているので、前記ヒートシンクと前記パワーモジュール用基板とが面で接触し、接合界面に存在するＭｇが揮発して雰囲気中に抜けることを抑制でき、Ａｌ－Ｓｉ共晶組織にＭｇを含むＭｇ含有化合物（ＭｇＯを除く）が分散した接合層を形成することが可能となる。なお、雰囲気中に揮発したＭｇは、酸素と反応してＭｇＯとなり、接合を阻害するおそれがあることから、Ｍｇの揮発を抑える必要がある。
　本発明によれば、フラックスを用いることなく常圧条件下において強固にろう付けされてなる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を提供することができる。
本発明の第一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。 図１の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フロー図である。 本発明の第二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説明図である。 図４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４の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フロー図である。
　以下に、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の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールを示す。
　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４０と、このヒートシンク付パワーモジュール用基板４０の一方側（図１において上側）の面にはんだ層２を介して接合された半導体素子（電子部品）３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。
　ヒートシンク付パワーモジュール用基板４０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を冷却するヒートシンク４１と、を備えている。
　パワーモジュール用基板１０は、絶縁基板１１と、この絶縁基板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、絶縁基板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。
　絶縁基板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、例えばＡｌＮ（窒化アルミ）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化珪素）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）等の絶縁性の高いセラミックスで構成され、本実施形態では、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）で構成されている。また、絶縁基板１１の厚さは、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１２は、絶縁基板１１の一方の面に銅又は銅合金からなる銅板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を構成する銅板として、タフピッチ銅の圧延板が用いられている。この回路層１２には、回路パターンが形成されており、その一方の面（図１において上面）が、半導体素子３が搭載される搭載面とされている。
　金属層１３は、絶縁基板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を構成するアルミニウム板として、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板が用いられている。
　本実施形態におけるヒートシンク４１は、パワーモジュール用基板１０と接合される天板部４２と、この天板部４２に積層配置される冷却部材４３と、を備えている。冷却部材４３の内部には、冷却媒体が流通する流路４４が形成されている。
　ここで、天板部４２と冷却部材４３とは、固定ネジ４５によって連結される構造とされている。このため、天板部４２には、固定ネジ４５をねじ込んでも容易に変形しないように剛性を確保する必要がある。そこで、本実施形態では、ヒートシンク４１の天板部４２を、０．２％耐力が１００Ｎ／ｍｍ２以上の金属材料で構成し、その厚さを２ｍｍ以上としている。
　具体的には、パワーモジュール用基板１０と接合される天板部４２は、Ｍｇを含有したＭｇ含有アルミニウム合金で構成されており、本実施形態では、天板部４２は、Ａ６０６３合金（Ｍｇ；０．４５質量％以上０．９質量％以下のアルミニウム合金）で構成されている。Ｍｇを含有したＭｇ含有アルミニウム合金において、Ｍｇの含有量は０．２質量％以上、２．５質量％以下であることが好ましく、より好ましくは０．５質量％以上、１．５質量％以下である。
　そして、図２に示すように、４Ｎアルミニウムからなる金属層１３とＡ６０６３合金からなる天板部４２との間には、接合層５０が形成されている。この接合層５０は、Ａｌ－Ｓｉ共晶組織からなる母相５１の内部に、Ｍｇを含むＭｇ含有化合物５２が分散した構造とされている。ここで、接合層５０の厚さｔは、５μｍ≦ｔ≦８０μｍの範囲内とされている。
　なお、接合層５０の厚さｔは、断面観察を実施し、接合層５０が水平になるように位置合わせを行い、接合層５０の面積Ａを測定し、この面積Ａを接合層５０の水平方向長さＬで割ることで算出した。
　この接合層５０においては、ＭｇＯの含有量が２０面積％以下とされており、本実施形態では、１０面積％以下とされている。
　また、接合層５０に分散されたＭｇ含有化合物５２は、ＭｇＳｉ系化合物又はＭｇＡｌＯ系化合物を含有している。ＭｇＳｉ系化合物として具体的には、Ｍｇ２Ｓｉ等が挙げられ、ＭｇＡｌＯ系化合物として具体的にはＭｇＡｌ２Ｏ４等が挙げられる。
　ここで、天板部４２は、Ｍｇを含有したＡ６０６３合金で構成されていることから、天板部４２には、Ｍｇを含むＭｇ含有化合物４８が分散していることになる。そして、天板部４２のうち接合層５０の近傍部分には、このＭｇ含有化合物４８の存在比率が減少したＭｇ低減領域４９が形成されている。Ｍｇ低減領域４９のＭｇ濃度は、０～０．５質量％であることが好ましく、より好ましくは０．１～０．３質量％である。
　次に、このヒートシンク付パワーモジュール用基板４０の製造方法について、図３のフロー図を参照して説明する。
　まず、回路層１２となる銅板と、絶縁基板１１とを接合する（回路層形成工程Ｓ０１）。ここで、絶縁基板１１がＡｌ２Ｏ３で構成されていることから、銅板と絶縁基板１１とを、銅と酸素の共晶反応を利用したＤＢＣ法により接合する。具体的には、タフピッチ銅からなる銅板と、絶縁基板１１とを接触させ、窒素ガス雰囲気中で１０７５℃で１０分加熱することで、銅板と絶縁基板１１とが接合されることになる。
　次に、絶縁基板１１の他方の面側に金属層１３となるアルミニウム板を接合する（金属層形成工程Ｓ０２）。
　アルミニウム板の絶縁基板１１との接合面にスパッタリングによって添加元素（Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｌｉのいずれか１種又は２種以上）を固着して固着層を形成する。ここで、固着層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、固着層におけるＣｕ量が０．０８ｍｇ／ｃｍ２以上２．７ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されている。
　このアルミニウム板を絶縁基板１１の他方の面側に積層し、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５５０℃以上６５０℃以下の範囲内に設定している。すると、固着層の添加元素（Ｃｕ）がアルミニウム板側に拡散することによって、アルミニウム板の固着層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アルミニウム板と絶縁基板１１との界面に溶融金属領域が形成されることになる。
　次に、溶融金属領域が形成された状態で温度を一定に保持しておく。すると、溶融金属領域中のＣｕが、さらにアルミニウム板側へと拡散していくことになる。これにより、溶融金属領域であった部分の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、絶縁基板１１とアルミニウム板とが接合される。つまり、絶縁基板１１とアルミニウム板（金属層１３）とは、いわゆる拡散接合（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　Ｌｉｑｕｉｄ　Ｐｈａｓｅ　Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ　Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって接合されているのである。そして、凝固が進行した後に、常温にまで冷却を行う。
　このようにして、パワーモジュール用基板１０が製出されるのである。
　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４１の天板部４２とを接合する（ヒートシンク接合工程Ｓ０３）。
　まず、パワーモジュール用基板１０の金属層１３と天板部４２との間にＡｌ－Ｓｉ系ろう材を介在させて、パワーモジュール用基板１０と天板部４２とを積層する（積層工程Ｓ３１）。ここで、本実施形態では、Ｓｉの含有量が５．５質量％以上１１．０質量％以下、Ａｌの含有量が８９．０質量％以上、９４．５質量％以下（Ｍｇ含有なし）、厚さが５μｍ以上１００μｍ以下のＡｌ－Ｓｉ系ろう材箔を用いた。
　パワーモジュール用基板１０と天板部４２とを積層方向に加圧（０．００１ＭＰａ～０．５ＭＰａ）した状態で、非酸化雰囲気とした雰囲気炉内に装入して加熱する（加熱工程Ｓ３２）。ここで、本実施形態では、雰囲気加熱炉内を窒素ガス雰囲気とし、酸素分圧を１２０ｐｐｍ以下とし、炉内圧力を常圧とした。また、加熱温度は５９０℃以上６３０℃以下とした。すると、金属層１３と天板部４２との接合界面には、ろう材箔、金属層１３の一部及び天板部４２の一部が溶融することによって、溶融金属領域が形成されることになる。
　このとき、天板部４２の接合界面近傍に分散していたＭｇ含有化合物４８中のＭｇが接合界面で作用し、天板部４２の接合面及び金属層１３の接合面に形成されていたアルミニウムの酸化被膜がＭｇと反応することによって除去されることになる。
　そして、雰囲気炉の炉内温度を下げることによって、金属層１３と天板部４２との接合界面に形成された溶融金属領域を凝固させて、金属層１３と天板部４２とを接合する（溶融金属凝固工程Ｓ３３）。このとき、金属層１３と天板部４２との接合界面には、Ａｌ－Ｓｉ共晶組織を母相５１とする接合層５０が形成されることになる。また、この接合層５０の内部には、アルミニウムの酸化被膜がＭｇと反応することによって生成したＭｇ含有化合物（本実施形態では、ＭｇＡｌＯ系化合物）が分散されることになる。
　さらに、天板部４２の接合界面近傍に分散していたＭｇ含有化合物４８が接合界面に作用することにより、天板部４２の接合界面近傍には、Ｍｇ含有化合物の存在比率が減少したＭｇ低減領域４９が形成されることになる。
　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４０が製出される。
　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４０によれば、４Ｎアルミニウムからなる金属層１３とＡ６０６３合金からなる天板部４２との接合界面に、Ａｌ－Ｓｉ共晶組織を母相５１とし、この母相５１内にＭｇ含有化合物５２が分散した構造の接合層５０が形成されており、この接合層５０の厚さが５μｍ以上８０μｍ以下の範囲内とされているので、金属層１３の接合面及び天板部４２の接合面に形成されたアルミニウムの酸化被膜が除去されており、金属層１３と天板部４２とを強固に接合することが可能となる。よって、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク４１との接合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４０を構成することができる。
　また、接合層５０におけるＭｇＯの含有量が２０面積％以下とされているので、冷熱サイクル負荷時において接合層５０におけるクラックの発生が抑制されるとともに、ろう付けが良好に行われることになり、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク４１との接合信頼性が大幅に向上することになる。特に、本実施形態では、接合層５０におけるＭｇＯの含有量を１０面積％以下としているので、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク４１との接合信頼性を確実に向上させることが可能となる。
　さらに、接合層５０の母相５１中に分散されたＭｇ含有化合物５２が、ＭｇＳｉ系化合物、ＭｇＡｌＯ系とされているので、接合層５０内において微細な粒子状に分散することになり、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク４１とを確実に、かつ、強固に接合することが可能となる。
　また、天板部４２が、Ｍｇを含有したＡ６０６３合金で構成されており、天板部４２のうち接合層５０の近傍部分には、Ｍｇ含有化合物４８の存在比率が減少したＭｇ低減領域４９が形成されているので、このＭｇ低減領域４９が、変形抵抗が低く応力緩和層として機能することになる。よって、ヒートシンク４１と絶縁基板１１との熱膨張係数の差に起因する熱応力を、このＭｇ低減領域４９の変形によって緩和することができ、絶縁基板１１の割れを防止することが可能となる。
　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４０の製造方法によれば、窒素ガス雰囲気、酸素分圧１２０ｐｐｍ以下、常圧条件で、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク４１とが接合されているので、接合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４０を、効率よく、かつ、低コストで製造することが可能となる。
　さらに、フラックスを用いていないので、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク４１との接合の際に、回路層１２と絶縁基板１１の接合界面、及び、絶縁基板１１と金属層１３の接合界面に、影響が少なく、回路層１２と絶縁基板１１、及び、絶縁基板１１と金属層１３の接合信頼性の劣化を防止することができる。
　そして、パワーモジュール用基板１０と天板部４２とを積層方向に加圧（０．００１ＭＰａ～０．５ＭＰａ）した状態で、非酸化雰囲気とした雰囲気炉内に装入して加熱することによってろう付けしているので、パワーモジュール用基板１０と天板部４２とが面で接触し、接合界面に存在するＭｇが揮発して雰囲気中に抜けることを抑制でき、Ａｌ－Ｓｉ共晶組織にＭｇを含むＭｇ含有化合物（ＭｇＯを除く）が分散した接合層５０を形成することが可能となる。
　以下に、本発明の第２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について説明する。図４に、本発明の第２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用いたパワーモジュールを示す。
　このパワーモジュール１０１は、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１４０と、このヒートシンク付パワーモジュール用基板１４０の一方側（図４において上側）の面にはんだ層２を介して接合された半導体素子（電子部品）３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。
　ヒートシンク付パワーモジュール用基板１４０は、パワーモジュール用基板１１０と、パワーモジュール用基板１１０を冷却するヒートシンク１４１と、を備えている。
　パワーモジュール用基板１１０は、絶縁基板１１１と、この絶縁基板１１１の一方の面（図４において上面）に配設された回路層１１２と、絶縁基板１１１の他方の面（図４において下面）に配設された金属層１１３とを備えている。
　絶縁基板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、例えばＡｌＮ（窒化アルミ）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化珪素）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）等の絶縁性の高いセラミックスで構成され、本実施形態では、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。また、絶縁基板１１１の厚さは、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１１２は、絶縁基板１１１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１１２を構成するアルミニウム板として、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板が用いられている。この回路層１１２には、回路パターンが形成されており、その一方の面（図４において上面）が、半導体素子３が搭載される搭載面されている。
　金属層１１３は、絶縁基板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を構成するアルミニウム板として、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板が用いられている。
　本実施形態におけるヒートシンク１４１は、パワーモジュール用基板１１０と接合される天板部１４２と、冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路１４４と、を備えている。
　ここで、ヒートシンク１４１（天板部１４２）は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、かつ、構造材としての剛性を確保する必要がある。そこで、本実施形態においては、ヒートシンク１４１の天板部１４２は、Ａ３００３（アルミニウム合金）で構成されている。
　そして、図５に示すように、４Ｎアルミニウムからなる金属層１１３とＡ３００３合金からなる天板部１４２との間には、接合層１５０が形成されている。この接合層１５０は、Ａｌ－Ｓｉ共晶組織からなる母相１５１の内部に、Ｍｇを含むＭｇ含有化合物１５２が分散した構造とされている。ここで、接合層１５０の厚さｔは、５μｍ≦ｔ≦８０μｍの範囲内とされている。
　なお、接合層１５０の厚さｔは、断面観察を実施し、接合層１５０が水平になるように位置合わせを行い、接合層１５０の面積Ａを測定し、この面積Ａを接合層１５０の水平方向長さＬで割ることで算出した。
　この接合層１５０においては、ＭｇＯの含有量が２０面積％以下とされており、本実施形態では、１０面積％以下とされている。
　また、接合層１５０に分散されたＭｇ含有化合物１５２は、ＭｇＳｉ系化合物又はＭｇＡｌＯ系化合物を含有している。ＭｇＳｉ系化合物として具体的には、Ｍｇ２Ｓｉ等が挙げられ、ＭｇＡｌＯ系化合物として具体的にはＭｇＡｌ２Ｏ４等が挙げられる。
　次に、このヒートシンク付パワーモジュール用基板１４０の製造方法について、図６のフロー図を参照して説明する。
　まず、回路層１１２となるアルミニウム板と絶縁基板１１１とを接合する（回路層形成工程Ｓ１０１）。また、金属層１１３となるアルミニウム板と絶縁基板１１１とを接合する（金属層形成工程Ｓ１０２）。本実施形態では、これら回路層形成工程Ｓ１０１と、金属層形成工程Ｓ１０２と、を同時に実施することになる。
　絶縁基板１１１の一方の面及び他方の面に、スクリーン印刷によって添加元素（Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｌｉのいずれか１種又は２種以上）を含むペーストを塗布して乾燥させることにより、固着層を形成する。
　ここで、本実施形態では、添加元素としてＡｇを用いている。使用されるＡｇペーストは、Ａｇ粉末と、樹脂と、溶剤と、分散剤と、を含有しており、Ａｇ粉末の含有量が、Ａｇペースト全体の６０質量％以上９０質量％以下とされており、残部が樹脂、溶剤、分散剤とされている。なお、本実施形態では、Ａｇ粉末の含有量は、Ａｇペースト全体の８５質量％とされている。
　次に、回路層１１２となるアルミニウム板、絶縁基板１１１、金属層１１３となるアルミニウム板を積層し、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５５０℃以上６５０℃以下の範囲内に設定している。すると、固着層の添加元素（Ａｇ）がアルミニウム板側に拡散することによって、アルミニウム板の固着層近傍の添加元素の濃度（Ａｇ濃度）が上昇して融点が低くなることにより、アルミニウム板と絶縁基板１１１との界面に、それぞれ溶融金属領域が形成されることになる。
　次に、溶融金属領域が形成された状態で温度を一定に保持しておく。すると、溶融金属領域中のＡｇが、さらにアルミニウム板側へと拡散していくことになる。これにより、溶融金属領域であった部分のＡｇ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、絶縁基板１１１とアルミニウム板とが接合される。つまり、回路層１１２と絶縁基板１１１、及び、絶縁基板１１１と金属層１１３とは、いわゆる拡散接合（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　Ｌｉｑｕｉｄ　Ｐｈａｓｅ　Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ　Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって接合されているのである。そして、凝固が進行した後に、常温にまで冷却を行う。
　このようにして、パワーモジュール用基板１１０が製出されるのである。
　次に、パワーモジュール用基板１１０の金属層１１３とヒートシンク１４１とを接合する（ヒートシンク接合工程Ｓ１０３）。
　まず、パワーモジュール用基板１１０の金属層１１３とヒートシンク１４１との間にＡｌ－Ｓｉ系ろう材を介在させて、パワーモジュール用基板１１０とヒートシンク１４１とを積層する（積層工程Ｓ１３１）。ここで、本実施形態では、Ｓｉの含有量が５．５質量％以上１１．０質量％以下、Ａｌの含有量が８６．５質量％以上、９４．４質量％以下、厚さが５μｍ以上１００μｍ以下のＡｌ－Ｓｉ系ろう材箔を用いた。また、このろう材箔に、Ｍｇを、０．１質量％以上２．５質量％以下の範囲内で含有させた。
　パワーモジュール用基板１１０とヒートシンク１４１とを積層方向に加圧（０．００１ＭＰａ～０．５ＭＰａ）した状態で、非酸化雰囲気とした雰囲気炉内に装入して加熱する（加熱工程Ｓ１３２）。ここで、本実施形態では、雰囲気加熱炉内を窒素ガス雰囲気とし、酸素分圧を１２０ｐｐｍ以下とした。また、炉内圧力を常圧とした。また、加熱温度は５９０℃以上６３０℃以下とした。すると、金属層１１３とヒートシンク１４１との接合界面には、ろう材箔、金属層１１３の一部及びヒートシンク１４１の一部が溶融することによって、溶融金属領域が形成されることになる。
　このとき、ヒートシンク１４１の接合面及び金属層１３の接合面に形成されていたアルミニウムの酸化被膜は、ろう材箔に含有されたＭｇと反応することによって除去されることになる。
　そして、雰囲気炉の炉内温度を下げることによって、金属層１１３とヒートシンク１４１との接合界面に形成された溶融金属領域を凝固させて、金属層１１３とヒートシンク１４１とを接合する（凝固工程Ｓ１３３）。このとき、金属層１１３とヒートシンク１４１との接合界面には、Ａｌ－Ｓｉ共晶組織を母相１５１とする接合層１５０が形成されることになる。また、この接合層１５０の内部には、アルミニウムの酸化被膜がＭｇと反応することによって生成したＭｇ含有化合物１５２（本実施形態では、ＭｇＡｌＯ系化合物）が分散されることになる。
　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１４０が製出される。
　本実施形態であるアルミニウム部材の接合構造を利用したヒートシンク付パワーモジュール用基板１４０によれば、４Ｎアルミニウムからなる金属層１１３とＡ３００３合金からなるヒートシンク１４１との接合界面に、Ａｌ－Ｓｉ共晶組織を母相１５１とし、この母相１５１内にＭｇ含有化合物１５２が分散した構造の接合層１５０が形成されており、この接合層１５０の厚さが５μｍ以上８０μｍ以下の範囲内とされているので、金属層１１３の接合面及びヒートシンク１４１の接合面に形成されたアルミニウムの酸化被膜が除去されており、金属層１１３とヒートシンク１４１とを強固に接合することが可能となる。よって、パワーモジュール用基板１１０とヒートシンク１４１との接合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１４０を構成することができる。
　また、ろう材箔にＭｇを含有させているので、Ｍｇを含有しないアルミニウム又はアルミニウム合金で構成された金属層１１３（４Ｎアルミニウム）とヒートシンク１４１（Ａ３００３合金）とを、Ａｌ－Ｓｉ共晶組織を母相１５１とし、この母相１５１内にＭｇ含有化合物１５２が分散した構造の接合層１５０を介して接合することが可能となる。
　そして、パワーモジュール用基板１１０とヒートシンク１４１とを積層方向に加圧（０．００１ＭＰａ～０．５ＭＰａ）した状態で、酸素分圧を１２０ｐｐｍ以下とした非酸化雰囲気の雰囲気炉内に装入して加熱することによってろう付けしているので、パワーモジュール用基板１１０とヒートシンク１４１とが面で接触し、接合界面に存在するＭｇが揮発して雰囲気中に抜けることを抑制でき、Ａｌ－Ｓｉ共晶組織にＭｇを含むＭｇ含有化合物（ＭｇＯを除く）が分散した接合層１５０を形成することが可能となる。
　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、ヒートシンクの構造、パワーモジュール用基板の構造に、特に限定はなく、アルミニウム部材同士を接合する構造であれば、他の構成のヒートシンク、パワーモジュール用基板であってもよい。
　また、本実施形態では、金属層を構成するアルミニウム板を純度９９．９９％の純アルミニウムの圧延板として説明したが、これに限定されることはなく、純度９９％のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）であってもよい。
　さらに、絶縁層としてＡｌ２Ｏ３、ＡｌＮからなるセラミックス板を用いたものとして説明したが、これに限定されることはなく、Ｓｉ３Ｎ４等からなるセラミックス板を用いても良いし、絶縁樹脂によって絶縁層を構成してもよい。
　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。
　表１に示すように、絶縁基板、回路層となるアルミニウム板、金属層となるアルミニウム板、を接合し、パワーモジュール用基板を作製した。
　回路層となるアルミニウム板と絶縁基板、及び、絶縁基板と金属層となるアルミニウム板との接合は、次の条件で実施した。回路層となるアルミニウム板と絶縁基板と金属層となるアルミニウム板とを、Ａｌ－１０質量％Ｓｉのろう材箔を介して積層し、積層方向に５ｋｇｆ／ｃｍ２で加圧した状態で、真空加熱炉内に装入し、６５０℃で３０分加熱することによって、接合した。
　表１における金属層に用いたＡ１１００はＡｌ純度が９９％以上のアルミニウムであり、Ａ１０５０はＡｌ純度が９９．５０％以上のアルミニウムである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　そして、このパワーモジュール用基板とヒートシンク（天板部）とを、表２に示す条件で接合し、ヒートシンク付パワーモジュール用基板を作製した。表２で示すロウ材はＡｌ－Ｓｉ系ロウ材であり、表２にはロウ材中のＭｇ量を示す。また、各Ａｌ－Ｓｉ系ロウ材中のＳｉの含有量は１０．５質量％、残部がＡｌである。表２において、Ａ３００３はＭｎを添加元素とするアルミニウム合金である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　得られたヒートシンク付パワーモジュール用基板について、金属層とヒートシンクとの接合界面を観察し、接合層の厚さ、Ｍｇ含有化合物の有無、ＭｇＯ量を評価した。
　接合層の厚さは、次のようにして測定した。得られたヒートシンク付パワーモジュール用基板をダイヤモンドソーで絶縁基板の対角線に沿って切断した。これを樹脂埋めし、断面を鏡面研磨して断面試料を作製した。この断面試料を観察し、ＥＰＭＡの反射電子像で、金属層とヒートシンクとの接合界面を解析する。ここで、観察された接合層を水平になるように位置調整を行って反射電子像を撮影し、２値化処理によって接合層の面積Ａを測定する。そして、この接合層の面積Ａを観察視野の水平方向長さＬで割ることによって厚さを算出した。この作業を５視野について実施し、その平均値を接合層の厚さｔとした。
　Ｍｇ含有化合物は、上述の断面資料について、ＥＰＭＡによる元素マッピングを取得し、Ｍｇの存在する部位と同位置に存在する元素を特定して化合物の組成を判断した。本実施例１から４、及び比較例１及び２において、Ｍｇ、Ａｌ、Ｏが同位置に存在していたことからＭｇＡｌＯ系化合物が存在していることを確認した。
　ＭｇＯ量（ＭｇＯの面積分率）については、上述のようにして作製した断面試料について、観察された接合層を水平になるように位置調整を行って反射電子像を撮影し、２値化処理によって接合層の面積Ａを測定する。次に、ＥＰＭＡによる元素マッピングを取得し、ＭｇとＯのみが共存する部位を検出し、その部位の面積を画像処理により計測するし、ＭｇＯの面積とする。そして、ＭｇＯの面積を接合層の面積Ａで割る。この作業を５視野について実施し、その平均値をＭｇＯ量（ＭｇＯの面積分率）とした。
　また、得られたヒートシンク付パワーモジュール用基板に冷熱サイクル試験を行い、初期の接合率と冷熱サイクル試験後の接合率とを比較した。冷熱サイクルは、－４０℃×５分を１回と、１２５℃×３分を１回とを１サイクルとし、３０００サイクルとした。
　なお、接合率は、超音波探傷装置を用いて、以下の式を用いて接合率を求めた。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、すなわち金属層面積とした。超音波探傷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。
　　（接合率）＝｛（初期接合面積）－（剥離面積）｝／（初期接合面積）
　評価結果を表３に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　Ｍｇ源がなかったため、Ｍｇ含有化合物を形成することができなかった比較例１においては、初期の接合率及び冷熱サイクル後の接合率が低かった。
　また、接合層の厚さが２μｍと非常に薄かった比較例２では、Ｍｇ含有化合物は存在したが、冷熱サイクル後の接合率が低かった。
　さらに、接合層の厚さが９２μmと厚かった比較例３では、接合層内でクラックが生じてしまい冷熱サイクル後の接合率が低くなった。
　これに対して、実施例１－４においては、初期の接合率及び冷熱サイクル後の接合率がともに高く、パワーモジュール用基板とヒートシンクとが強固に接合されていることが確認される。
１，１０１　パワーモジュール
１０，１１０　パワーモジュール用基板
１１，１１１　絶縁基板
１２，１１２　回路層
１３，１１３　金属層
４０，１４０　ヒートシンク付パワーモジュール用基板
４１，１４１　ヒートシンク
４２，１４２　天板部
４９，　Ｍｇ低減領域
５０，１５０　接合層
５２，１５２　Ｍｇ含有化合物
 

Claims (6)

  1. 　ヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、
    　絶縁層の一方の面に回路層が配設されたパワーモジュール用基板と、
    　前記パワーモジュール用基板の他方の面側に接合されたヒートシンクと、を備え、
    　前記ヒートシンクの接合面及び前記パワーモジュール用基板の接合面が、それぞれアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されており、
    　前記ヒートシンクと前記パワーモジュール用基板との接合界面には、Ａｌ－Ｓｉ共晶組織にＭｇを含むＭｇ含有化合物（ＭｇＯを除く）が分散した接合層が形成されており、
    　前記接合層の厚さが５μｍ以上８０μｍ以下の範囲内とされていることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板。
  2. 　前記ヒートシンクの接合面及び前記パワーモジュール用基板の接合面の少なくとも一方が、Ｍｇを含有したＭｇ含有アルミニウム合金で構成されており、
    　前記Ｍｇ含有アルミニウム合金で構成された接合面の接合界面近傍には、Ｍｇ含有化合物の存在比率が減少したＭｇ低減領域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。
  3. 　前記接合層におけるＭｇＯの含有量が２０面積％以下とされている請求項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。
  4. 　前記接合層に分散されたＭｇ含有化合物が、ＭｇＳｉ系化合物又はＭｇＡｌＯ系化合物を含む請求項１から請求項３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。
  5. 　絶縁層の一方の面に回路層が配設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の他方の面側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、
    　前記ヒートシンクの接合面及び前記パワーモジュール用基板の接合面が、それぞれアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されており、
    　前記ヒートシンクと前記パワーモジュール用基板との接合界面に、Ａｌ－Ｓｉ系ろう材とＭｇとを介在させ、前記ヒートシンクと前記パワーモジュール用基板とを積層し、
    　前記ヒートシンクと前記パワーモジュール用基板とを積層方向に加圧した状態で、非酸化雰囲気中において常圧でろう付けを実施し、
    　前記ヒートシンクと前記パワーモジュール用基板との接合界面に、Ａｌ－Ｓｉ共晶組織にＭｇを含むＭｇ含有化合物（ＭｇＯを除く）が分散した接合層を、厚さが５μｍ以上８０μｍ以下の範囲内となるように形成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。
  6. 　前記ろう付けにおいて、前記ヒートシンクと前記パワーモジュール用基板とを積層方向に０．００１ＭＰａ以上０．５ＭＰａ以下の条件で加圧する請求項５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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KR1020147026261A KR101548474B1 (ko) 2012-03-30 2013-03-29 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판, 및 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법
CN201380016243.8A CN104205324B (zh) 2012-03-30 2013-03-29 自带散热器的功率模块用基板及自带散热器的功率模块用基板的制造方法
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017183716A (ja) * 2016-03-25 2017-10-05 三菱マテリアル株式会社 ヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法、及び、ヒートシンク付絶縁回路基板

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011049067A1 (ja) * 2009-10-22 2011-04-28 三菱マテリアル株式会社 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、パワーモジュール、パワーモジュール用基板の製造方法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
JP5542765B2 (ja) * 2011-09-26 2014-07-09 日立オートモティブシステムズ株式会社 パワーモジュール
JP5614423B2 (ja) * 2012-03-29 2014-10-29 三菱マテリアル株式会社 パワーモジュール用基板及びその製造方法
JP2015050257A (ja) * 2013-08-30 2015-03-16 株式会社東芝 車両用電力変換装置及び鉄道車両
CN104754913B (zh) * 2013-12-27 2018-06-05 华为技术有限公司 导热复合材料片及其制作方法
JP6086150B2 (ja) * 2014-01-08 2017-03-01 三菱マテリアル株式会社 抵抗器及び抵抗器の製造方法
CN107112298A (zh) * 2014-10-16 2017-08-29 三菱综合材料株式会社 附带冷却器的功率模块用基板及其制造方法
WO2016060079A1 (ja) * 2014-10-16 2016-04-21 三菱マテリアル株式会社 冷却器付パワーモジュール用基板及びその製造方法
JP6638282B2 (ja) * 2015-09-25 2020-01-29 三菱マテリアル株式会社 冷却器付き発光モジュールおよび冷却器付き発光モジュールの製造方法
EP3358610B1 (en) * 2015-10-02 2021-09-15 Mitsui Mining and Smelting Co., Ltd. A bonding junction structure
JP6656657B2 (ja) * 2015-11-06 2020-03-04 三菱マテリアル株式会社 セラミックス／アルミニウム接合体、パワーモジュール用基板、及び、パワーモジュール
KR101956983B1 (ko) 2016-09-20 2019-03-11 현대자동차일본기술연구소 파워 모듈 및 그 제조 방법
JP7277286B2 (ja) * 2019-06-28 2023-05-18 三菱重工業株式会社 プラントの検査方法
US11776870B2 (en) * 2020-01-16 2023-10-03 Semiconductor Components Industries, Llc Direct bonded copper substrates fabricated using silver sintering

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1065075A (ja) * 1996-08-22 1998-03-06 Mitsubishi Materials Corp ヒートシンク付セラミック回路基板
JP2009105166A (ja) 2007-10-22 2009-05-14 Toyota Motor Corp 半導体モジュールの冷却装置
JP2009135392A (ja) 2007-11-06 2009-06-18 Mitsubishi Materials Corp 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
JP2010093225A (ja) 2008-03-17 2010-04-22 Mitsubishi Materials Corp ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びその製造方法、並びに、ヒートシンク付パワーモジュール、パワーモジュール用基板
JP2010247209A (ja) * 2009-04-17 2010-11-04 Mitsubishi Alum Co Ltd アルミニウム材のフラックスレスろう付け方法およびフラックスレスろう付け用アルミニウムクラッド材
JP2010258420A (ja) * 2009-03-31 2010-11-11 Mitsubishi Materials Corp ヒートシンク付きパワーモジュール用基板及びパワーモジュール、並びに、ヒートシンク付きパワーモジュール用基板の製造方法
JP2012160722A (ja) * 2011-01-14 2012-08-23 Nippon Light Metal Co Ltd 液冷一体型基板の製造方法および液冷一体型基板
JP2013093369A (ja) * 2011-10-24 2013-05-16 Showa Denko Kk 電子素子搭載用基板

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6033787A (en) 1996-08-22 2000-03-07 Mitsubishi Materials Corporation Ceramic circuit board with heat sink
JP2002064169A (ja) 2000-08-21 2002-02-28 Denki Kagaku Kogyo Kk 放熱構造体
WO2003028946A1 (en) * 2001-09-28 2003-04-10 Furukawa-Sky Aluminum Corp. Method for brazing of aluminum or aluminum alloy material and aluminum alloy brazing sheet
JP2006100770A (ja) 2004-09-01 2006-04-13 Toyota Industries Corp 回路基板のベース板の製造方法及び回路基板のベース板並びにベース板を用いた回路基板
JP4721193B2 (ja) 2005-08-11 2011-07-13 三菱電機株式会社 ヒートシンク
JP4759384B2 (ja) 2005-12-20 2011-08-31 昭和電工株式会社 半導体モジュール
JP4832419B2 (ja) * 2007-12-25 2011-12-07 トヨタ自動車株式会社 半導体モジュール
JP5724273B2 (ja) 2009-10-22 2015-05-27 三菱マテリアル株式会社 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、パワーモジュール、パワーモジュール用基板の製造方法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
JP2012061483A (ja) * 2010-09-14 2012-03-29 Mitsubishi Alum Co Ltd アルミニウム材のフラックスレスろう付方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1065075A (ja) * 1996-08-22 1998-03-06 Mitsubishi Materials Corp ヒートシンク付セラミック回路基板
JP2009105166A (ja) 2007-10-22 2009-05-14 Toyota Motor Corp 半導体モジュールの冷却装置
JP2009135392A (ja) 2007-11-06 2009-06-18 Mitsubishi Materials Corp 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
JP2010093225A (ja) 2008-03-17 2010-04-22 Mitsubishi Materials Corp ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びその製造方法、並びに、ヒートシンク付パワーモジュール、パワーモジュール用基板
JP2010258420A (ja) * 2009-03-31 2010-11-11 Mitsubishi Materials Corp ヒートシンク付きパワーモジュール用基板及びパワーモジュール、並びに、ヒートシンク付きパワーモジュール用基板の製造方法
JP2010247209A (ja) * 2009-04-17 2010-11-04 Mitsubishi Alum Co Ltd アルミニウム材のフラックスレスろう付け方法およびフラックスレスろう付け用アルミニウムクラッド材
JP2012160722A (ja) * 2011-01-14 2012-08-23 Nippon Light Metal Co Ltd 液冷一体型基板の製造方法および液冷一体型基板
JP2013093369A (ja) * 2011-10-24 2013-05-16 Showa Denko Kk 電子素子搭載用基板

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP2833400A4

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017183716A (ja) * 2016-03-25 2017-10-05 三菱マテリアル株式会社 ヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法、及び、ヒートシンク付絶縁回路基板

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