JP5504842B2 - 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、パワーモジュール及びパワーモジュール用基板の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられるパワーモジュール用基板、このパワーモジュール用基板を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール及びこの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。

半導体素子の中でも電力供給のためのパワー素子は、発熱量が比較的高いため、これを搭載する基板としては、例えば特許文献１に示すように、ＡｌＮ（窒化アルミ）からなるセラミックス基板上にＡｌ（アルミニウム）の金属板がろう材を介して接合されたパワーモジュール用基板が用いられる。
また、この金属板は回路層として形成され、その金属板の上には、はんだ材を介してパワー素子（半導体素子）が搭載される。
なお、セラミックス基板の下面にも放熱のためにＡｌ等の金属板が接合されて金属層とされ、この金属層を介して放熱板上にパワーモジュール用基板全体が接合されたものが提案されている。

また、回路層を形成する手段としては、セラミックス基板に金属板を接合した後に、この金属板に回路パターンを形成する方法の他に、例えば特許文献２に開示されているように、予め回路パターン状に形成された金属片をセラミックス基板に接合する方法が提案されている。

ここで、前記回路層及び前記金属層としての金属板とセラミックス基板との良好な接合強度を得るため、例えば下記特許文献３に、セラミックス基板の表面粗さを０．５μｍ未満とした技術が開示されている。

特開２００３−０８６７４４号公報 特開２００８−３１１２９４号公報 特開平３−２３４０４５号公報

しかしながら、金属板をセラミックス基板に接合する場合、単にセラミックス基板の表面粗さを低減しても十分に高い接合強度が得られず、信頼性の向上が図れないという不都合があった。例えば、セラミックス基板の表面に対して、乾式でＡｌ_２Ｏ_３粒子によるホーニング処理を行い、表面粗さをＲａ＝０．２μｍにしても、剥離試験で界面剥離が生じてしまう場合があることが分かった。また、研磨法により表面粗さをＲａ＝０．１μｍ以下にしても、やはり同様に界面剥離が生じてしまう場合があった。

特に、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、電子部品からの発熱量が大きくなる傾向にあり、前述のように放熱板上にパワーモジュール用基板を配設する必要がある。この場合、パワーモジュール用基板が放熱板によって拘束されるために、熱サイクル負荷時に、金属板とセラミックス基板との接合界面に大きなせん断力が作用することになり、従来にも増して、セラミックス基板と金属板との間の接合強度の向上及び信頼性の向上が求められている。

この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、金属板とセラミックス基板とが確実に接合され、セラミックス基板と金属板との間の接合強度の向上及び信頼性の向上を図ることができるパワーモジュール用基板、このパワーモジュール基板を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール及びこの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、本発明のパワーモジュール用基板は、セラミックス基板の表面に、アルミニウムからなる金属板が積層されて接合されたパワーモジュール用基板であって、前記セラミックス基板と前記金属板は、接合面に固着した添加元素を前記金属板側に拡散させることによって前記セラミックス基板と前記金属板との接合界面に溶融金属領域を形成するとともに、前記溶融金属領域を一定の温度で保持し、前記添加元素を前記金属板側にさらに拡散させることにより、前記溶融金属領域を凝固させることによって接合されており、前記セラミックス基板は、酸素又は窒素を含有しており、前記金属板には、Ｃｕ，Ｓｉ，Ａｇ及びＧｅから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶しており、さらに、前記金属板と前記セラミックス基板との界面部分には、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ及びＭｏから選択される１種又は２種以上の活性元素が介在しており、前記金属板と前記セラミックス基板との界面近傍には、接合界面から積層方向に離間するにしたがい漸次前記添加元素の濃度が低下する濃度傾斜層が形成されていることを特徴としている。

この構成のパワーモジュール用基板においては、前記金属板にＣｕ，Ｓｉ，Ａｇ及びＧｅから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶しているので、金属板の接合界面側部分が固溶強化することになる。これにより、金属板部分での破断を防止することができ、セラミックス基板と金属板との接合信頼性を向上させることができる。

そして、前記セラミックス基板が酸素又は窒素を含有しており、前記金属板と前記セラミックス基板との界面部分に、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ及びＭｏから選択される１種又は２種以上の活性元素が介在していることから、セラミックス基板と活性元素とが、酸素又は窒素を介して反応することになり、セラミックス基板と金属板との接合強度の向上を図ることができる。すなわち、これらの活性元素は、酸化物生成自由エネルギー又は窒化物生成自由エネルギーが低く、活性元素単体よりも酸化物又は窒化物を生成した方が安定することになる。よって、セラミックス基板と金属板との接合界面において、これらの活性元素が確実に反応し、セラミックス基板と金属板との接合強度の向上を図ることができる。

また、前記セラミックス基板は窒素を含有しており、前記セラミックス基板と前記金属板との接合界面に、前記活性元素と窒素とを含む窒素化合物からなる窒化物層が形成されていることが好ましい。
この場合、セラミックス基板が窒素を含有しており、この窒素と活性元素とが反応することによって接合界面に窒化物層が形成されているので、この窒化物層によってセラミックス基板と金属板との接合強度の向上を図ることができる。なお、この窒化物層は、活性元素とセラミックス基板の窒素との反応によって生成していることからセラミックス基板との接合強度は極めて高くなる。

また、前記セラミックス基板は酸素を含有しており、前記セラミックス基板と前記金属板との接合界面に、前記活性元素と酸素とを含む酸素化合物からなる酸化物層が形成されていることが好ましい。
この場合、セラミックス基板が酸素を含有しており、この酸素と活性元素とが反応することによって接合界面に酸化物層が形成されているので、この酸化物層によってセラミックス基板と金属板との接合強度の向上を図ることができる。なお、この酸化物層は、活性元素とセラミックス基板の酸素との反応によって生成していることからセラミックス基板との接合強度は極めて高くなる。

また、前記金属板のうち前記セラミックス基板との接合界面から５０μｍまでの範囲内における前記添加元素の濃度の合計が０．０５質量％以上１０質量％以下の範囲内に設定されていることが好ましい。
前記金属板のうち前記セラミックス基板との界面近傍（接合界面から５０μｍまでの範囲内）における前記添加元素の濃度の合計が０．０５質量％以上とされているので、金属板の接合界面側部分を確実に固溶強化することができる。また、前記金属板のうち前記セラミックス基板との界面近傍における前記添加元素の濃度の合計が１０質量％以下とされているので、金属板の接合界面の強度が過剰に高くなることを防止でき、このパワーモジュール用基板に冷熱サイクルが負荷された際に、熱応力を金属板で吸収することができ、セラミックス基板の割れ等を防止できる。

本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、前述のパワーモジュール用基板と、このパワーモジュール用基板を冷却するヒートシンクと、を備えたことを特徴としている。
この構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板によれば、パワーモジュール用基板を冷却するヒートシンクを備えているので、パワーモジュール用基板に発生した熱をヒートシンクによって効率的に冷却することができる。

本発明のパワーモジュールは、前述のパワーモジュール用基板と、該パワーモジュール用基板上に搭載された電子部品と、を備えることを特徴としている。
この構成のパワーモジュールによれば、セラミックス基板と金属板との接合強度が高く、使用環境が厳しい場合であっても、その信頼性を飛躍的に向上させることができる。

本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板の表面に、アルミニウムからなる金属板が積層されて接合されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記セラミックス基板は、酸素又は窒素を含有しており、前記セラミックス基板の接合面及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方に、Ｃｕ，Ｓｉ，Ａｇ及びＧｅから選択される１種又は２種以上の添加元素と、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ及びＭｏから選択される１種又は２種以上の活性元素と、を固着する固着工程と、前記セラミックス基板と前記金属板と積層する積層工程と、積層された前記セラミックス基板と前記金属板を積層方向に加圧するとともに加熱し、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、この溶融金属領域を凝固させることによって、前記セラミックス基板と前記金属板とを接合する凝固工程と、を有し、前記加熱工程において、固着した前記添加元素を前記金属板側に拡散させることにより、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に、前記溶融金属領域を形成し、前記凝固工程において、前記溶融金属領域を一定の温度で保持し、前記添加元素を前記金属板側に拡散させることにより、前記溶融金属領域を凝固させ、前記金属板と前記セラミックス基板との界面近傍に、接合界面から積層方向に離間するにしたがい漸次前記添加元素の濃度が低下する濃度傾斜層を形成することを特徴としている。

この構成のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、前記セラミックス基板の接合面及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方に、Ｃｕ，Ｓｉ，Ａｇ及びＧｅから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着する固着工程を備えているので、前記金属板と前記セラミックス基板の接合界面には、Ｃｕ，Ｓｉ，Ａｇ及びＧｅから選択される１種又は２種以上の添加元素が介在することになる。ここで、前記添加元素は、アルミニウムの融点を降下させる元素であるため、比較的低温条件において、金属板とセラミックス基板との界面に溶融金属領域を形成することができる。特に、Ｃｕは、Ａｌに対して反応性の高い元素であるため、接合界面近傍にＣｕが存在することによってアルミニウムからなる金属板の表面が活性化することになる。
よって、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、セラミックス基板と金属板とを強固に接合することが可能となる。

また、加熱工程において、Ｃｕ，Ｓｉ，Ａｇ及びＧｅから選択される１種又は２種以上の添加元素を前記金属板側に拡散させることにより、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に前記溶融金属領域を形成し、この溶融金属領域を凝固させることで、前記金属板と前記セラミックス基板を接合する構成としているので、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔等を用いる必要がなく、低コストで、金属板とセラミックス基板とが確実に接合されたパワーモジュール用基板を製造することができる。
このように、ろう材箔を使用せずに、前記セラミックス基板と前記金属板とを接合可能であることから、ろう材箔の位置合わせ作業等を行う必要がなく、例えば、予め回路パターン状に形成された金属片をセラミックス基板に接合する場合であっても、位置ズレ等によるトラブルを未然に防止することができる。

そして、セラミックス基板が酸素又は窒素を含有しており、固着工程において、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ及びＭｏから選択される１種又は２種以上の活性元素を固着しているので、接合界面部分に活性元素が介在することになる。この活性元素は、セラミックス基板と反応することになり、セラミックス基板と金属板との接合強度をさらに向上させることが可能となる。すなわち、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ及びＭｏといった活性元素は、酸化物生成自由エネルギー又は窒化物生成自由エネルギーが低く、活性元素単体よりも酸化物又は窒化物を生成した方が安定することになる。よって、セラミックス基板と金属板との接合界面において、これらの活性元素が確実に反応し、セラミックス基板と金属板との接合強度の向上を図ることができる。

また、前記固着工程において、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に介在される前記添加元素の固着量を０．１ｍｇ／ｃｍ^２以上２０ｍｇ／ｃｍ^２ 以下とすることが好ましい。
この場合、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に介在される前記添加元素の固着量を０．１ｍｇ／ｃｍ^２以上としているので、セラミックス基板と金属板との界面に、溶融金属領域を確実に形成することができ、セラミックス基板と金属板とを強固に接合することが可能となる。
さらに、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に介在される前記添加元素の固着量を２０ｍｇ／ｃｍ^２以下としているので、固着層にクラックが発生することを防止することができ、セラミックス基板と金属板との界面に溶融金属領域を確実に形成することができる。さらに、前記添加元素が過剰に金属板側に拡散して界面近傍の金属板の強度が過剰に高くなることを防止できる。よって、パワーモジュール用基板に冷熱サイクルが負荷された際に、熱応力を金属板で吸収することができ、セラミックス基板の割れ等を防止できる。

なお、前記セラミックス基板の接合面及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方に直接前記添加元素及び前記活性元素を固着させる構成としているが、生産性の観点から、金属板の接合面に前記添加元素及び前記活性元素を固着させることが好ましい。セラミックス基板の接合面に前記添加元素及び前記活性元素を固着する場合、一枚毎のセラミックス基板にそれぞれ前記添加元素及び前記活性元素を固着しなければならない。これに対して、金属板の接合面へ前記添加元素及び前記活性元素を固着する場合には、ロール状に巻かれた長尺の金属条に対し、その一端から他端にまで連続的に前記添加元素及び前記活性元素を固着することが可能となり、生産性に優れている。

また、前記固着工程では、前記添加元素及び前記活性元素とともにＡｌを固着させる構成とすることが好ましい。
この場合、前記添加元素及び前記活性元素とともにＡｌを固着させているので、形成される固着層がＡｌを含有することになり、加熱工程において、この固着層が優先的に溶融して溶融金属領域を確実に形成することが可能となり、セラミックス基板と金属板とを強固に接合することができる。なお、前記添加元素及び前記活性元素とともにＡｌを固着させるには、前記添加元素及び前記活性元素とＡｌとを同時に蒸着してもよいし、前記添加元素及び前記活性元素とＡｌの合金をターゲットとしてスパッタリングしてもよい。

また、前記固着工程は、蒸着、ＣＶＤ又はスパッタリングによって前記セラミックス基板の接合面及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方に前記添加元素及び前記活性元素を固着させるものとすることが好ましい。
この場合、蒸着、ＣＶＤ又はスパッタリングによって、前記添加元素及び前記活性元素が前記セラミックス基板の接合面及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方に確実に固着されるので、セラミックス基板と金属板との接合界面に前記添加元素及び前記活性元素を確実に介在させることが可能となる。また、前記添加元素及び前記活性元素の固着量を精度良く調整することができ、溶融金属領域を確実に形成して、セラミックス基板と金属板とを強固に接合することが可能となる。

本発明によれば、金属板とセラミックス基板とが確実に接合され、セラミックス基板と金属板との間の接合強度の向上及び信頼性の向上を図ることができるパワーモジュール用基板、このパワーモジュール基板を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール及びこのパワーモジュール用基板の製造方法を提供することが可能となる。

本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。 本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層及び金属層のＳｉ濃度及びＣｕ濃度を示す説明図である。 本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層及び金属層（金属板）とセラミックス基板との接合界面の模式図である。 本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示すフロー図である。 本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。 図５における金属板とセラミックス基板との接合界面近傍を示す説明図である。 本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。 本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層及び金属層のＣｕ濃度及びＧｅ濃度を示す説明図である。 本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層及び金属層（金属板）とセラミックス基板との接合界面の模式図である。 本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示すフロー図である。 本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。

以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。図１に本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板及びパワーモジュールを示す。
このパワーモジュール１は、回路層１２が配設されたパワーモジュール用基板１０と、回路層１２の表面にはんだ層２を介して接合された半導体チップ３と、ヒートシンク４０とを備えている。ここで、はんだ層２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材とされている。なお、本実施形態では、回路層１２とはんだ層２との間にＮｉメッキ層（図示なし）が設けられている。

パワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の一方の面（図１において上面）に配設された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面（図１において下面）に配設された金属層１３とを備えている。
セラミックス基板１１は、回路層１２と金属層１３との間の電気的接続を防止するものである。本実施形態では、セラミックス基板１１は絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。また、セラミックス基板１１の厚さは、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。なお、本実施形態では、図１に示すように、セラミック基板１１の幅は、回路層１２及び金属層１３の幅より広く設定されている。

回路層１２は、図５に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に導電性を有する金属板２２が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、回路層１２は、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板２２がセラミックス基板１１に接合されることにより形成されている。

金属層１３は、図５に示すように、セラミックス基板１１の他方の面に金属板２３が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層１３は、回路層１２と同様に、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）の圧延板からなる金属板２３がセラミックス基板１１に接合されることで形成されている。

ヒートシンク４０は、前述のパワーモジュール用基板１０を冷却するためのものであり、パワーモジュール用基板１０と接合される天板部４１と、冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路４２と、を備えている。ヒートシンク４０（天板部４１）は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態においては、Ａ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。
また、本実施形態においては、ヒートシンク４０の天板部４１と金属層１３との間には、アルミニウム又はアルミニウム合金若しくはアルミニウムを含む複合材（例えばＡｌＳｉＣ等）からなる緩衝層１５が設けられている。

そして、図２に示すように、セラミックス基板１１と回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）との接合界面３０においては、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）にＳｉ、Ｃｕ、Ａｇ及びＧｅから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶している。
回路層１２及び金属層１３の接合界面３０近傍には、接合界面３０から積層方向に離間するにしたがい漸次添加元素の濃度が低下する濃度傾斜層３３が形成されている。ここで、この濃度傾斜層３３の接合界面３０側（回路層１２及び金属層１３の接合界面３０近傍）の前記添加元素濃度の合計が、０．０５質量％以上５質量％以下の範囲内に設定されている。

ここで、本実施形態では、ＣｕとＳｉを添加元素として用いており、回路層１２及び金属層１３の接合界面３０近傍のＳｉ濃度が０．０５質量％以上０．５質量％以下、Ｃｕ濃度が０．０５質量％以上１質量％以下の範囲内に設定されている。
なお、回路層１２及び金属層１３の接合界面３０近傍の前記添加元素濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）で、接合界面３０から５０μｍまでの範囲内を５点測定した平均値である。

また、セラミックス基板１１と回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）との接合界面３０には、図３に示すように、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ及びＭｏから選択される１種又は２種以上の活性元素が介在している。なお、本実施形態では、活性元素としてＴｉが介在している。

ここで、接合界面３０部分には、活性金属であるＴｉと窒素とを含む窒素化合物からなる窒化物層３２が形成されている。この窒化物層３２は、活性金属であるＴｉとセラミック基板１１の窒素とが反応することによって生じたものである。なお、この窒化物層３２の厚さＨは、例えば０．１μｍ以上５μｍ以下とされている。

以下に、前述の構成のパワーモジュール用基板１０の製造方法について、図４から図６を参照して説明する。

（固着工程Ｓ０１）
まず、図５及び図６に示すように、金属板２２、２３のそれぞれの接合面に、スパッタリングによって、添加元素であるＳｉ及びＣｕ、並びに、活性元素であるＴｉを固着し、固着層２４、２５を形成する。
本実施形態では、固着層２４、２５におけるＳｉ量は０．００２ｍｇ／ｃｍ^２以上１．２ｍｇ／ｃｍ^２以下、Ｃｕ量は０．０８ｍｇ／ｃｍ^２以上２．７ｍｇ／ｃｍ^２以下、活性元素であるＴｉ量は０．０４ｍｇ/ｃｍ^２以上２．３ｍｇ/ｃｍ^２以下に設定されている。

（積層工程Ｓ０２）
次に、図５に示すように、金属板２２をセラミックス基板１１の一方の面側に積層し、かつ、金属板２３をセラミックス基板１１の他方の面側に積層する。このとき、図５及び図６に示すように、金属板２２、２３のうち固着層２４、２５が形成された面がセラミックス基板１１を向くように積層する。すなわち、金属板２２、２３とセラミックス基板１１との間にそれぞれ固着層２４、２５（Ｓｉ、Ｃｕ及びＴｉ）を介在させているのである。このようにして積層体２０を形成する。

（加熱工程Ｓ０３）
次に、積層工程Ｓ０２において形成された積層体２０を、その積層方向に加圧（圧力１〜５ｋｇｆ／ｃｍ^２）した状態で加熱炉内に装入して加熱し、図６に示すように、金属板２２、２３とセラミックス基板１１との界面にそれぞれ溶融金属領域２７、２８を形成する。この溶融金属領域２７、２８は、図６に示すように、固着層２４、２５のＳｉ及びＣｕが金属板２２、２３側に拡散することによって、金属板２２、２３の固着層２４、２５近傍のＳｉ濃度、Ｃｕ濃度が上昇して融点が低くなることにより形成されるものである。
このとき、活性金属であるＴｉは、セラミックス基板１１を構成するＡｌＮと反応し、Ｔｉと窒素とを含む窒素化合物（例えばＴｉＮ）が生成し、窒化物層３２が形成されることになる。
なお、本実施形態では、加熱炉内の雰囲気をＮ_２ガス雰囲気としており、加熱温度は、５５０℃以上６５０℃以下の範囲内に設定している。

（凝固工程Ｓ０４）
次に、溶融金属領域２７、２８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２７、２８中のＳｉ、Ｃｕが、さらに金属板２２、２３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２７、２８であった部分のＳｉ濃度、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とになる。つまり、セラミックス基板１１と金属板２２、２３とは、いわゆる等温拡散接合（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって接合されているのである。このようにして凝固が進行した後に、常温にまで冷却を行う。

このようにして、回路層１２及び金属層１３となる金属板２２、２３とセラミックス基板１１とが接合され、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０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パワーモジュール用基板１０及びパワーモジュール１においては、金属板２２、２３の接合面に添加元素としてＳｉ、Ｃｕを固着させる固着工程Ｓ０１を備えているので、金属板２２、２３とセラミックス基板１１の接合界面３０には、Ｓｉ及びＣｕが介在することになる。ここで、Ｃｕは、Ａｌに対して反応性の高い元素であるため、接合界面３０にＣｕが存在することによってアルミニウムからなる金属板２２、２３の表面が活性化することになる。よって、セラミックス基板１１と金属板２２、２３とを強固に接合することが可能となる。

さらに、セラミックス基板１１と回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）とが、金属板２２、２３の接合面に形成された固着層２４、２５のＳｉ及びＣｕを金属板２２、２３側に拡散させることによって溶融金属領域２７、２８を形成し、この溶融金属領域２７、２８中のＳｉ及びＣｕをさらに金属板２２、２３へ拡散させることによって凝固させて接合しているので、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、セラミックス基板１１と金属板２２、２３とを強固に接合することが可能となる。

また、セラミックス基板１１と回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）との接合界面３０においては、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）にＳｉ及びＣｕが固溶しており、回路層１２及び金属層１３のそれぞれの接合界面３０側のＳｉ濃度が０．０５質量％以上０．５質量％以下、Ｃｕ濃度が０．０５質量％以上１質量％以下の範囲内に設定されているので、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）の接合界面３０側の部分が固溶強化し、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）における亀裂の発生を防止することができる。
また、加熱工程Ｓ０３においてＳｉ、Ｃｕ及び前記添加元素が十分に金属板２２、２３側に拡散しており、金属板２２、２３とセラミックス板１１とが強固に接合されていることになる。

そして、セラミックス基板１１がＡｌＮで構成されており、金属板２２，２３とセラミックス基板１１との接合界面３０に、活性元素としてＴｉが介在しており、より具体的には、接合界面３０にＴｉと窒素とを含む窒素化合物からなる窒化物層３２が形成されているので、この窒化物層３２によってセラミックス基板１１と金属板２２，２３との接合強度の向上を図ることができる。なお、この窒化物層３２は、活性元素であるＴｉとセラミックス基板１１の窒素との反応によって生成していることからセラミックス基板１１との接合強度は極めて高い。

また、金属板２２，２３の接合面に、添加元素であるＳｉ及びＣｕと活性元素であるＴｉを固着させて固着層２４、２５を形成する固着工程Ｓ０１を備えており、加熱工程Ｓ０３において、固着層２４、２５のＳｉ及びＣｕを金属板２２、２３側に拡散させることにより、セラミックス基板１１と金属板２２、２３との界面に溶融金属領域２７、２８を形成する構成としているので、製造が困難なＡｌ−Ｓｉ系のろう材箔を用いる必要がなく、低コストで、金属板２２、２３とセラミックス基板１１とが確実に接合されたパワーモジュール用基板１０を製造することが可能となる。

また、本実施形態では、固着工程Ｓ０１において、セラミックス基板１１と金属板２２、２３との界面に介在されるＳｉ量及びＣｕ量及を、Ｓｉ；０．００２ｍｇ／ｃｍ^２以上、Ｃｕ；０．０８ｍｇ／ｃｍ^２以上としているので、セラミックス基板１１と金属板２２、２３との界面に、溶融金属領域２７、２８を確実に形成することができ、セラミックス基板１１と金属板２２、２３とを強固に接合することが可能となる。

さらに、セラミックス基板１１と金属板２２、２３との界面に介在されるＳｉ量及びＣｕ量を、Ｓｉ；１．２ｍｇ／ｃｍ^２以下、Ｃｕ；２．７ｍｇ／ｃｍ^２以下としているので、固着層２４、２５にクラックが発生することを防止することができ、セラミックス基板１１と金属板２２，２３との界面に溶融金属領域２７，２８を確実に形成することができる。さらに、Ｓｉ、Ｃｕ及び前記添加元素が過剰に金属板２２，２３側に拡散して界面近傍の金属板２２，２３の強度が過剰に高くなることを防止できる。よって、パワーモジュール用基板１０に冷熱サイクルが負荷された際に、熱応力を回路層１２、金属層１３（金属板２２，２３）で吸収することができ、セラミックス基板１１の割れ等を防止できる。

また、ろう材箔を使用せずに、金属板２２、２３の接合面に直接固着層２４、２５を形成しているので、ろう材箔の位置合わせ作業等を行う必要がなく、確実にセラミックス基板１１と金属板２２，２３とを接合することができる。
しかも、金属板２２、２３の接合面に固着層２４、２５を形成しているので、金属板２２、２３とセラミックス基板１１との界面に介在する酸化被膜は、金属板２２、２３の表面にのみ存在することになるため、接合をＮ_２雰囲気下で行うことが可能となる。よって、このパワーモジュール用基板１０を効率良く製出することが可能となり、製造コストを大幅に削減することが可能となる。

次に、本発明の第２の実施形態について図７から図１１を参照して説明する。
このパワーモジュール１０１は、回路層１１２が配設されたパワーモジュール用基板１１０と、回路層１１２の表面にはんだ層２を介して接合された半導体チップ３と、ヒートシンク４０とを備えている。ここで、はんだ層２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材とされている。なお、本実施形態では、回路層１２とはんだ層２との間にＮｉメッキ層（図示なし）が設けられている。

パワーモジュール用基板１１０は、セラミックス基板１１１と、このセラミックス基板１１１の一方の面（図７において上面）に配設された回路層１１２と、セラミックス基板１１１の他方の面（図７において下面）に配設された金属層１１３とを備えている。
セラミックス基板１１１は、回路層１１２と金属層１１３との間の電気的接続を防止するものである。本実施形態では、セラミックス基板１１１は絶縁性の高いＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）で構成されている。また、セラミックス基板１１１の厚さは、０．２〜０．８ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、０．３２ｍｍに設定されている。

回路層１１２は、セラミックス基板１１１の一方の面に導電性を有する金属板１２２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は、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）の圧延板からなる金属板１２２がセラミックス基板１１１に接合されることにより形成されている。

金属層１１３は、セラミックス基板１１１の他方の面に金属板１２３が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層１１３は、回路層１１２と同様に、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）の圧延板からなる金属板１２３がセラミックス基板１１１に接合されることで形成されている。

ヒートシンク１４０は、前述のパワーモジュール用基板１１０を冷却するためのものであり、パワーモジュール用基板１１０と接合される天板部１４１を備えている。本実施形態では、この天板部１４１の下方側に、コルゲートフィン１４６と底板部１４５とが配設されており、これら天板部１４１、コルゲートフィン１４６及び底板部１４５によって、冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路１４２が画成されている。
なお、ヒートシンク１４０（天板部１４１）は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態においては、Ａ３００３（アルミニウム合金）で構成されている。

そして、図８に示すように、セラミックス基板１１１と回路層１１２（金属板１２２）及び金属層１１３（金属板１２３）との接合界面１３０においては、回路層１１２（金属板１２２）及び金属層１１３（金属板１２３）にＳｉ、Ｃｕ、Ａｇ及びＧｅから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶している。
回路層１１２及び金属層１１３の接合界面１３０近傍には、接合界面１３０から積層方向に離間するにしたがい漸次添加元素の濃度が低下する濃度傾斜層１３３が形成されている。ここで、この濃度傾斜層１３３の接合界面１３０側（回路層１１２及び金属層１１３の接合界面１３０近傍）の前記添加元素濃度の合計が、０．０５質量％以上５質量％以下の範囲内に設定されている。

ここで、本実施形態では、ＣｕとＧｅを添加元素として用いており、回路層１１２及び金属層１１３の接合界面１３０近傍のＣｕ濃度が０．０５質量％以上１質量％以下、Ｇｅ濃度が０．０５質量％以上１質量％以下の範囲内に設定されている。
なお、回路層１１２及び金属層１１３の接合界面１３０近傍の前記添加元素濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）で、接合界面１３０から５０μｍまでの範囲内を５点測定した平均値である。

また、セラミックス基板１１１と回路層１１２（金属板１２２）及び金属層１１３（金属板１２３）との接合界面１３０には、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ及びＭｏから選択される１種又は２種以上の元素が介在している。なお、本実施形態では、活性元素としてＨｆが介在している。
ここで、接合界面１３０部分には、活性金属であるＨｆと酸素とを含む酸素化合物からなる酸化物層１３２が形成されている。この酸化物層１３２は、活性金属であるＨｆとセラミック基板１１１の酸素とが反応することによって生じたものである。なお、この酸化物層１３２の厚さＨは、例えば０．１μｍ以上５μｍ以下とされている。

以下に、前述の構成のパワーモジュール用基板１１０の製造方法について、図１０及び図１１を参照して説明する。

（第１固着工程Ｓ１０）
まず、図１１に示すように、金属板１２２、１２３のそれぞれの接合面に、スパッタリングによって、添加元素であるＣｕ及びＧｅを固着し、第１固着層１２４Ａ、１２５Ａを形成する。
本実施形態では、第１固着層１２４Ａ、１２５ＡにおけるＣｕ量は０．０８ｍｇ／ｃｍ^２以上２．７ｍｇ／ｃｍ^２以下、Ｇｅ量は０．００２ｍｇ／ｃｍ^２以上２．５ｍｇ／ｃｍ^２以下に設定されている。

（第２固着工程Ｓ１１）
次に、金属板１２２、１２３の第１固着層１２４Ａ、１２５Ａの上に、スパッタリングによって、活性元素であるＨｆを固着し、第２固着層１２４Ｂ、１２５Ｂを形成する。本実施形態では、第２固着層１２４Ｂ、１２５ＢにおけるＨｆ量は０．１ｍｇ／ｃｍ^２以上６．７ｍｇ／ｃｍ^２以下に設定されている。
（積層工程Ｓ１２）
次に、金属板１２２をセラミックス基板１１１の一方の面側に積層し、かつ、金属板１２３をセラミックス基板１１１の他方の面側に積層する。このとき、図１１に示すように、金属板１２２、１２３のうち第１固着層１２４Ａ、１２５Ａ、第２固着層１２４Ｂ、１２５Ｂが形成された面がセラミックス基板１１１を向くように積層する。すなわち、金属板１２２、１２３とセラミックス基板１１１との間にそれぞれ第１固着層１２４Ａ、１２５Ａ（Ｃｕ、Ｇｅ）及び第２固着層１２４Ｂ、１２５Ｂ（Ｈｆ）を介在させているのである。このようにして積層体を形成する。

（加熱工程Ｓ１３）
次に、積層工程Ｓ１２において形成された積層体を、その積層方向に加圧（圧力１〜５ｋｇｆ／ｃｍ^２）した状態で加熱炉内に装入して加熱し、図１１に示すように、金属板１２２、１２３とセラミックス基板１１１との界面にそれぞれ溶融金属領域１２７、１２８を形成する。この溶融金属領域１２７、１２８は、図１１に示すように、第１固着層１２４Ａ、１２５ＡのＣｕ及びＧｅが金属板１２２、１２３側に拡散することによって、金属板１２２、１２３の第１固着層１２４Ａ、１２５Ａ近傍のＣｕ濃度、Ｇｅ濃度が上昇して融点が低くなることにより形成されるものである。
このとき、活性金属であるＨｆは、セラミックス基板１１１を構成するＡｌ_２Ｏ_３と反応し、Ｈｆと酸素とを含む酸素化合物（例えばＨｆＯ_２）が生成し、酸化物層１３２が形成されることになる。
なお、本実施形態では、加熱炉内の雰囲気をＮ_２ガス雰囲気としており、加熱温度は、５５０℃以上６５０℃以下の範囲内に設定している。

（凝固工程Ｓ１４）
次に、溶融金属領域１２７、１２８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１２７、１２８中のＣｕ、Ｇｅが、さらに金属板１２２、１２３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１２７、１２８であった部分のＣｕ濃度、Ｇｅ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とになる。つまり、セラミックス基板１１１と金属板１２２、１２３とは、いわゆる等温拡散接合（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって接合されているのである。このようにして凝固が進行した後に、常温にまで冷却を行う。

このようにして、回路層１１２及び金属層１１３となる金属板１２２、１２３とセラミックス基板１１１とが接合され、本実施形態であるパワーモジュール用基板１１０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パワーモジュール用基板１１０及びパワーモジュール１０１においては、金属板１２２、１２３の接合面に添加元素としてＣｕ、Ｇｅを固着させる第１固着工程Ｓ１０を備えているので、金属板１２２、１２３とセラミックス基板１１１の接合界面１３０には、Ｃｕ及びＧｅが介在することになる。ここで、Ｃｕは、Ａｌに対して反応性の高い元素であるため、接合界面１３０にＣｕが存在することによってアルミニウムからなる金属板１２２、１２３の表面が活性化することになる。よって、セラミックス基板１１１と金属板１２２、１２３とを強固に接合することが可能となる。

そして、セラミックス基板１１１がＡｌ_２Ｏ_３で構成されており、金属板１２２，１２３とセラミックス基板１１１との接合界面１３０に、活性元素としてＨｆが介在しており、より具体的には、接合界面１３０にＨｆと酸素とを含む酸素化合物からなる酸化物層１３２が形成されているので、この酸化物層１３２によってセラミックス基板１１１と金属板１２２，１２３との接合強度の向上を図ることができる。なお、この酸化物層１３２は、活性元素であるＨｆとセラミックス基板１１１の酸素との反応によって生成していることからセラミックス基板１１１との接合強度は極めて高い。

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、回路層及び金属層を構成する金属板を純度９９．９９％の純アルミニウムの圧延板としたものとして説明したが、これに限定されることはなく、純度９９％のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）であってもよい。

また、固着工程において、金属板の接合面にＣｕ，Ｓｉ，Ａｇ及びＧｅから選択される１種又は２種以上の添加元素及びＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ及びＭｏ等の活性元素を固着させる構成としたものとして説明したが、これに限定されることはなく、セラミックス基板の接合面に前記添加元素及び前記活性元素を固着させてもよいし、セラミックス基板の接合面及び金属板の接合面に、それぞれ前記添加元素及び前記活性元素を固着させてもよい。
また、固着工程において、前記添加元素及び前記活性元素とともにＡｌを固着させてもよい。
さらに、固着工程において、スパッタによって前記添加元素及び前記活性元素を固着するものとして説明したが、これに限定されることはなく、蒸着やＣＶＤ等で前記添加元素及び前記活性元素を固着させてもよい。

また、セラミックス基板と金属板との接合を、Ｎ_２雰囲気の加熱炉を用いて行うものとして説明したが、これに限定されることはなく、真空炉を用いてセラミックス基板と金属板との接合を行ってもよい。この場合の真空度は、１０^−６〜１０^−３Ｐａの範囲内とすることが好ましい。
さらに、セラミックス基板をＡｌＮ、又は、Ａｌ_２Ｏ_３で構成されたものとして説明したが、これに限定されることはなく、Ｓｉ_３Ｎ_４等の他のセラミックスで構成されていてもよい。

また、ヒートシンクをアルミニウムで構成したものとして説明したが、アルミニウム合金、又はアルミニウムを含む複合材等で構成されていてもよい。さらに、ヒートシンクとして冷却媒体の流路を有するもので説明したが、ヒートシンクの構造に特に限定はなく、種々の構成のヒートシンクを用いることができる。例えば、第２の実施形態における天板部のみを放熱板としてパワーモジュール用基板に接合したものであってもよい。

さらに、本実施形態では、ヒートシンクの上に一つのパワーモジュール用基板が接合された構成として説明したが、これに限定されることはなく、一つのヒートシンクの上に複数のパワーモジュール用基板が接合されていてもよい。

１ パワーモジュール
３ 半導体チップ（電子部品）
１０、１１０ パワーモジュール用基板
１１、１１１ セラミックス基板
１２、１１２ 回路層
１３、１１３ 金属層
２２、２３、１２２、１２３ 金属板
２４、２５ 固着層
２７、２８、１２７、１２８ 溶融金属領域
３０、１３０ 接合界面
３２ 窒化物層
１２４Ａ，１２５Ａ 第１固着層（固着層）
１２４Ｂ，１２５Ｂ 第２固着層（固着層）
１３２ 酸化物層

Claims (10)

1. セラミックス基板の表面に、アルミニウムからなる金属板が積層されて接合されたパワーモジュール用基板であって、
   前記セラミックス基板と前記金属板は、接合面に固着した添加元素を前記金属板側に拡散させることによって前記セラミックス基板と前記金属板との接合界面に溶融金属領域を形成するとともに、前記溶融金属領域を一定の温度で保持し、前記添加元素を前記金属板側にさらに拡散させることにより、前記溶融金属領域を凝固させることによって接合されており、
   前記セラミックス基板は、酸素又は窒素を含有しており、
   前記金属板には、Ｃｕ，Ｓｉ，Ａｇ及びＧｅから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶しており、
   さらに、前記金属板と前記セラミックス基板との界面部分には、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ及びＭｏから選択される１種又は２種以上の活性元素が介在しており、
   前記金属板と前記セラミックス基板との界面近傍には、接合界面から積層方向に離間するにしたがい漸次前記添加元素の濃度が低下する濃度傾斜層が形成されていることを特徴とするパワーモジュール用基板。
2. 前記セラミックス基板は窒素を含有しており、前記セラミックス基板と前記金属板との接合界面に、前記活性元素と窒素とを含む窒化物層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール用基板。
3. 前記セラミックス基板は酸素を含有しており、前記セラミックス基板と前記金属板との接合界面に、前記活性元素と酸素とを含む酸化物層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール用基板。
4. 前記金属板のうち前記セラミックス基板との接合界面から５０μｍまでの範囲内における前記添加元素の濃度の合計が０．０５質量％以上５質量％以下の範囲内に設定されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板と、該パワーモジュール用基板を冷却するヒートシンクと、を備えたことを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板。
6. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板と、該パワーモジュール用基板上に搭載される電子部品と、を備えたことを特徴とするパワーモジュール。
7. セラミックス基板の表面に、アルミニウムからなる金属板が積層されて接合されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、
   前記セラミックス基板は、酸素又は窒素を含有しており、
   前記セラミックス基板の接合面及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方に、Ｃｕ，Ｓｉ，Ａｇ及びＧｅから選択される１種又は２種以上の添加元素と、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ及びＭｏから選択される１種又は２種以上の活性元素と、を固着する固着工程と、
   前記セラミックス基板と前記金属板と積層する積層工程と、
   積層された前記セラミックス基板と前記金属板を積層方向に加圧するとともに加熱し、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、
   この溶融金属領域を凝固させることによって、前記セラミックス基板と前記金属板とを接合する凝固工程と、を有し、
   前記加熱工程において、固着した前記添加元素を前記金属板側に拡散させることにより、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に、前記溶融金属領域を形成し、
   前記凝固工程において、前記溶融金属領域を一定の温度で保持し、前記添加元素を前記金属板側に拡散させることにより、前記溶融金属領域を凝固させ、
   前記金属板と前記セラミックス基板との界面近傍に、接合界面から積層方向に離間するにしたがい漸次前記添加元素の濃度が低下する濃度傾斜層を形成することを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。
8. 前記固着工程において、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に介在される前記添加元素の固着量を０．１ｍｇ／ｃｍ^２以上２０ｍｇ／ｃｍ^２ 以下としたことを特徴とする請求項７に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
9. 前記固着工程では、前記添加元素及び前記活性元素とともにＡｌを固着させることを特徴とする請求項７及び請求項８に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
10. 前記固着工程は、蒸着、ＣＶＤ又はスパッタリングによって前記セラミックス基板の接合面及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方に、前記添加元素及び前記活性元素を固着させることを特徴とする請求項７から請求項９のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。

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