JP2015086085A - 積層体、絶縁性冷却板、パワーモジュールおよび積層体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】セラミックスと金属皮膜との間の密着強度が高く、かつ熱サイクル下でのセラミックス基材と金属皮膜との熱膨張差によるセラミックス基板の割れを防止しうる積層体、および絶縁性冷却板、パワーモジュールおよび積層体の製造方法を提供する。【解決手段】本発明の電子回路基板１は、絶縁性のセラミックス基材１０と、セラミックス基材１０の表面に形成された金属または合金を主成分とする中間層と、前記中間層の表面に、金属を含む粉体をガスと共に加速し、前記表面に固相状態のままで吹き付けて堆積させることによって形成された、気孔率が５〜１５％の第１金属回路層２１と、第１金属回路層２１の表面に、第１金属回路層２１を形成する金属と同一の金属を含む粉体をガスと共に加速し、前記表面に固相状態のままで吹き付けて堆積させることによって形成された、気孔率が０〜０．５％の第２金属回路層２２と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、積層体、絶縁性冷却板、パワーモジュールおよびこの積層体の製造方法に関するものである。

従来より、産業用、自動車用などの電力制御からモータ制御まで、幅広い分野に使用される省エネルギー化のキーデバイスとして、パワーモジュールが知られている。パワーモジュールは、基材である絶縁基板を介して半導体チップの放熱を行なう放熱板を有する。放熱板は、金属やセラミックス複合体からなり、冷却用の熱媒体の移動経路が形成されており、該放熱板は、絶縁基板であるセラミックス基材の表面にろう材等により接続されている。また、近年、セラミックスの熱放射を利用して放熱を行なう冷却板も開発されており、セラミックス基材の流路が形成されていない側の面に積層された半導体チップ（トランジスタ）から発生した熱を冷却板から外部に発散させることによって、パワーモジュール等の電子回路基板の冷却を行うことができる。なお、セラミックス基材と半導体チップとの間には、金属皮膜による回路パターンが形成されている。

ところで、上述したパワーモジュール等の電子回路基板において、セラミックス基材の表面に、金属または合金を主成分とする中間層を形成した後、コールドスプレー法により回路層や冷却板等の金属皮膜を形成する技術が本出願人により提案されている（例えば、特許文献１および２参照）。特許文献１および２では、中間層を介してセラミックス基材上に金属皮膜を形成することにより密着性の高い金属皮膜を形成できるものの、熱膨張差が大きいセラミックス基材と金属皮膜との密着力が高いがゆえに、耐熱性に劣るアルミナ等の基材においては熱サイクル下における熱応力により割れ等が発生するおそれがあった。

また、多孔質組織を有する下層被膜と、前記下層被膜とは構造の異なる多孔質組織を有する上層被膜とを備える二層構造の伝熱部材の製造方法が提案されている（例えば、特許文献３参照）。特許文献３では、下層被膜と上層被膜とを、コールドスプレー法により、同一の材料で密度を変えて形成することにより、絶縁部材とヒートシンクとの熱膨張差を緩和できるとしている。しかしながら、特許文献３は、直接セラミックス基材上に金属皮膜を形成する技術ではないため、セラミックス基材からなる冷却板の製造には使用することはできない。

特許第５１９１５２７号公報 特開２０１３−０１８１９０号公報 特開２００９−１２７０８６号公報

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、コールドスプレー法を用いてセラミックス基材に金属皮膜を形成させた積層体を作製する場合に、セラミックスと金属皮膜との間の密着強度が高く、かつ熱サイクル下でのセラミックス基材と金属皮膜との熱膨張差によるセラミックス基板の割れを防止しうる積層体、および絶縁性冷却板、パワーモジュールおよび積層体の製造方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる積層体は、絶縁性のセラミックス基材と、前記セラミックス基材の表面に形成された金属または合金を主成分とする中間層と、前記中間層の表面に、金属を含む粉体をガスと共に加速し、前記表面に固相状態のままで吹き付けて堆積させることによって形成された、気孔率が５〜１５％の第１金属皮膜と、前記第１金属皮膜の表面に、前記第１金属皮膜を形成する金属と同一の金属を含む粉体をガスと共に加速し、前記表面に固相状態のままで吹き付けて堆積させることによって形成された、気孔率が０〜０．５％の第２金属皮膜と、を備えることを特徴とする。

また、本発明にかかる積層体は、上記発明において、前記中間層は、金属または合金を主成分とし、前記第１金属皮膜側で層をなす第１中間層と、活性金属、または活性金属の酸化物もしくは水素化物からなり、前記第１中間層と接触すると共に、前記第１中間層と接触する面と異なる面で前記セラミックス基材と結合して積層される第２中間層と、を有し、前記第１中間層および前記第２中間層は、ろう材を前記セラミックス基材に塗布した後、熱処理することにより形成されることを特徴とする。

また、本発明にかかる積層体は、上記発明において、前記中間層は、真空中で熱処理することによって形成されることを特徴とする。

また、本発明にかかる積層体は、上記発明において、前記第２中間層は、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ゲルマニウムのいずれかの金属または金属の水素化物からなる群より選択される少なくとも１種類を含むことを特徴とする。

また、本発明にかかる積層体は、上記発明において、前記第１中間層は、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケルからなる群より選択される少なくとも１種類を含むことを特徴とする。

また、本発明にかかる積層体は、上記発明において、前記中間層は、大気中で熱処理することによって形成されることを特徴とする。

また、本発明にかかる積層体は、上記発明において、前記第２中間層は、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ゲルマニウム、硼素、珪素、アルミニウム、クロム、インジウムまたは金属の酸化物もしくは水素化物からなる群より選択される少なくとも１種類を含むことを特徴とする。

また、本発明にかかる積層体は、上記発明において、前記第１中間層は、金または銀のうち少なくとも１種類を含むことを特徴とする。

また、本発明にかかる積層体は、上記発明において、前記第１金属皮膜および前記第２金属皮膜は、銅、アルミニウム、またはこれらの金属の合金からなることを特徴とする。

また、本発明にかかる積層体は、上記発明において、前記セラミックス基材はアルミナであることを特徴とする。

また、本発明の絶縁性冷却板は、上記のいずれか１つに記載の積層体からなる絶縁性冷却板であって、前記セラミックス基材は放熱部を有し、前記第１金属皮膜および前記第２金属皮膜は回路層であることを特徴とする。

また、本発明のパワーモジュールは、上記のいずれか１つに記載の積層体を有するパワーモジュールであって、前記セラミックス基材は絶縁基板であり、前記第１金属皮膜および前記第２金属皮膜は回路層であり、前記絶縁基板の前記第１金属皮膜および前記第２金属皮膜が形成された面と異なる面に、銅またはアルミニウムを主成分とする冷却板が形成されることを特徴とする。

また、本発明の積層体の製造方法は、セラミックス基材の表面に金属皮膜が形成された積層体の製造方法であって、前記セラミックス基材の表面に、金属または合金を主成分とする中間層を形成する中間層形成ステップと、前記中間層形成ステップによって形成された前記第１中間層の表面に、金属を含む粉体をガスと共に加速し、前記表面に固相状態のままで吹き付けて堆積させることによって、気孔率が５〜１５％の第１金属皮膜を形成する第１金属皮膜形成ステップと、前記第１金属皮膜の表面に、前記第１金属皮膜を形成する金属と同一の金属を含む粉体をガスと共に加速し、前記表面に固相状態のままで吹き付けて堆積させることによって、気孔率が０〜０．５％の第２金属皮膜を形成する第２金属皮膜形成ステップと、を含むことを特徴とする。

また、本発明にかかる積層体の製造方法は、上記発明において、前記中間層形成ステップは、前記セラミックス基材の表面に対して、ろう材を配設するろう材配置ステップと、前記ろう材配置ステップで前記ろう材が配設された前記セラミックス基材を熱処理することにより、前記第１中間層、および前記第１中間層と接触すると共に、前記第１中間層と接触する面と異なる面で前記セラミックス基材と結合して積層される第２中間層を有する中間層を形成する熱処理ステップと、を含むことを特徴とする。

本発明にかかる積層体、絶縁性冷却板、パワーモジュールおよび積層体の製造方法は、コールドスプレー法により、セラミックス基材側に気孔率の大きい第１金属皮膜を形成した後、該第１金属皮膜上に気孔率の小さい第２金属皮膜を形成することにより、第１金属皮膜がセラミックス基材との熱膨張差を緩和する緩衝層として機能すると共に、第２金属皮膜の高い熱伝導率により放熱効果に優れるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態１にかかる積層体である絶縁性冷却板を使用した電子回路基板の構成を示す模式図である。 図２は、図１に示す絶縁性冷却板の要部の構成を示す断面図である。 図３は、本発明の実施の形態１にかかる絶縁性冷却板の中間層の形成を模式的に説明する断面図である。 図４は、コールドスプレー装置の概要を示す模式図である。 図５は、本発明の実施の形態２にかかる積層体を含むパワーモジュールの構成を示す模式図である。 図６は、図５に示すパワーモジュールの要部の構成を示す断面図である。 図７は、本発明の実施例１にかかる積層体の断面を示す電子写真である。 図８は、比較例３にかかる積層体の断面を示す電子写真である。

以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、以下の説明において参照する各図は、本発明の内容を理解し得る程度に形状、大きさ、および位置関係を概略的に示してあるに過ぎない。すなわち、本発明は各図で例示された形状、大きさ、および位置関係のみに限定されるものではない。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１にかかる積層体について、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態１にかかる積層体である絶縁性冷却板を使用する電子回路基板の構成を示す模式図である。図２は、図１に示す絶縁性基板の要部の構成を示す断面図である。

電子回路基板１は、絶縁基板であるとともに冷却板としての機能を有するセラミックス基材１０と、セラミックス基材１０に積層された金属回路層２０、金属回路層２０上に積層され、半田Ｃ１によって固定されている半導体チップ３０とを有する。

セラミックス基材１０は、絶縁性の部材からなり、半導体チップ３０が実装される面と反対側の面に、放熱用の流体の流路が形成された放熱部を有する。実施の形態１では、セラミックス基材１０としては、冷却板として機能させるべく、放熱性に優れたアルミナ、熱伝導性が高い窒化アルミニウムが使用されるが、これに限定されるものではない。本実施の形態１にかかる積層体は、後述する金属回路層２０により熱サイクル下での熱応力を緩和できるので、耐熱衝撃性に劣るアルミナをセラミックス基材１０の材料として使用した場合でも、熱応力による割れを防止することができる。

金属回路層２０は、セラミックス基材１０に積層された第１金属皮膜である第１金属回路層２１と、第１金属回路層２１上に積層された第２金属皮膜である第２金属回路層２２と、を有する。第１金属回路２１および第２金属回路層２２は、後述するコールドスプレー法により形成された金属皮膜層であり、例えば、銅、アルミニウム等の良好な電気伝導度を有する金属または合金からなる。第１金属回路２１および第２金属回路層２２には、半導体チップ３０などに対して電気信号を伝達させるための回路パターンが形成されている。

半導体チップ３０は、ダイオード、トランジスタ、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等の半導体素子によって実現される。なお、半導体チップ３０は、使用の目的に合わせてセラミックス基材１０上に複数個設けられてもよい。

セラミックス基材１０と第１金属回路層２１との間は、図２に示すような中間層５０が形成されている。中間層５０は、第１金属回路層２１側に形成される第１中間層５１と、セラミックス基材１０側に形成される第２中間層５２とを有する。

第１中間層５１は、アルミニウム、ニッケル、銅、銀、金のいずれかにより形成される。第１中間層５１は、第２中間層５２との接触面と異なる面で第１金属回路層２１の材料である金属または合金と金属結合を形成する。

第２中間層５２は、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ゲルマニウム、硼素、珪素、アルミニウム、クロム、インジウム、バナジウム、モリブデン、タングステン、マンガンのいずれか、またはこれらの酸化物、水素化物により形成される。第２中間層５２は、第１中間層５１との接触面と異なる面でセラミックス基材１０の材料と共有結合を形成する。

つづいて、電子回路基板１の中間層５０の形成について、図３および図４を参照して説明する。図３は、電子回路基板１における中間層の形成を模式的に示す断面図である。図４は、金属回路層の形成に使用されるコールドスプレー装置の概要を示す模式図である。

まず、図３（Ａ）に示すように、セラミックス基材１０の一方の表面に対して、スクリーン印刷法によって中間層５０として用いられるろう材５０ａを塗布する。ここで、ろう材５０ａは、第１中間層として用いられる金属または合金、および第２中間層として用いられる金属、または金属の酸化物、水素化物等を含み、有機溶剤および有機バインダーが混合されたペースト状をなす。有機溶剤としてはメチルセルソルブ、エチルセルソルブ、イソホロン、トルエン、酢酸エチル、テルピネオール、ジエチレングリコール・モノブチルエーテル、テキサノール等が使用可能であり、有機バインダーとしては、ポリイソブチルメタクリレートなどのアクリル樹脂や、エチルセルロース、メチルセルロース等の高分子化合物が使用可能である。有機溶剤および有機バインダーの混合割合は、３〜２０質量％とすることが好ましく、好適には５〜１５質量％である。

ろう材５０ａの塗布後、８００〜１０００℃の真空中または大気中で１時間熱処理する。１時間熱処理した後、ろう材５０ａは、図３（Ｂ）に示すように、第１中間層５１と第２中間層５２とに分離した状態の中間層５０となる。

ここで、真空中で熱処理する場合、第１中間層５１は金、銀、銅、アルミニウム、またはニッケルから選択される少なくとも１種の材料から形成され、第２中間層５２は、をチタン、ジルコニウム、ハフニウム、もしくはゲルマニウム、またはこれらの金属の水素化物から選択される少なくとも１種の材料から形成される。

また、大気中で熱処理する場合、第１中間層５１は金、または銀から選択される少なくとも１種の材料から形成され、第２中間層５２はチタン、ジルコニウム、ハフニウム、ゲルマニウム、硼素、珪素、アルミニウム、クロム、インジウム、バナジウム、モリブデン、タングステン、もしくはマンガン、またはこれらの金属の酸化物もしくは水素化物から選択される少なくとも１種の材料から形成される。第２中間層５２は、活性成分層をなす。真空中または大気中で熱処理して中間層を形成する場合、真空中または大気中での熱処理に対応し、上記した材料からなる第１中間層５１および第２中間層５２を形成するろう材５０ａを適宜使用すればよい。

なお、大気中で熱処理することにより形成される第１中間層５１は、大気中で溶解しても酸化しない金属であれば、第１中間層５１の材料として適用可能である。また、大気中で熱処理することにより形成される第２中間層５２は、珪素、カルシウム、チタン、ジルコニウムの窒化物、炭素化物および水素化物を用いることもできる。上述した第１中間層５１および第２中間層５２の組み合わせであれば、いかなる組み合わせでも適用可能である。第１中間層および第２中間層は、列挙した金属、または金属の酸化物もしくは水素化物のうち、少なくとも１つを含む。また、列挙した金属のいずれかを主成分とする合金を用いることも可能である。

ろう材５０ａを熱処理して、第１中間層５１と第２中間層５２とに分離した中間層５０を形成し、第１中間層５１が外部に露出した状態で、第１中間層５１の露出側の表面にコールドスプレー法を用いて第１金属回路層２１および第２金属回路層２２を形成する。コールドスプレー法による皮膜形成は、図４に示すコールドスプレー装置６０によって行われる。

コールドスプレー装置６０は、圧縮ガスを加熱するガス加熱器６１と、被溶射物に溶射する粉末材料を収容し、スプレーガン６４に供給する粉末供給装置６２と、スプレーガン６４で加熱された圧縮ガスと混合された材料粉末を基材に噴射するガスノズル６３とを備えている。

圧縮ガスとしては、ヘリウム、窒素、空気などが使用される。供給された圧縮ガスは、バルブ６５および６６により、ガス加熱器６１と粉末供給装置６２にそれぞれ供給される。ガス加熱器６１に供給された圧縮ガスは、例えば５０〜１０００℃に加熱された後、スプレーガン６４に供給される。より好ましくは、セラミックス基材１０に積層された第２中間層５２および第１中間層５１上に噴射される金属材料粉末の上限温度を、金属材料の融点以下に留めるように圧縮ガスを加熱する。粉末材料の加熱温度を金属材料の融点以下に留めることにより、金属材料の酸化を抑制できるためである。

粉末供給装置６２に供給された圧縮ガスは、粉末供給装置６２内の、例えば、粒径が１０〜１００μｍ程度の材料粉末をスプレーガン６４に所定の吐出量となるように供給する。材料粉末は、アトマイズ法、粉砕法等の機械的プロセス、または各種化学的プロセスにより製造されたいずれのものも使用可能である。加熱された圧縮ガスは先細末広形状をなすガスノズル６３により超音速流（約３４０ｍ／ｓ以上）にされる。スプレーガン６４に供給された粉末材料は、この圧縮ガスの超音速流の中への投入により加速され、固相状態のまま基材に高速で衝突して皮膜を形成する。なお、材料粉末を基材に固相状態で衝突させて皮膜を形成できる装置であれば、図４のコールドスプレー装置６０に限定されるものではない。

第１中間層５１上に積層される第１金属回路層２１は、気孔率が５〜１５％である。第１金属回路層２１の気孔率は、第１金属回路層２１の断面の電子写真について、気孔を黒、第１金属回路層２１の金属部分を白とする二元化する画像処理を行い、第１金属回路層２１に対する気孔の割合により算出した。気孔率が５〜１５％である第１金属回路層２１は、コールドスプレー法により第１金属回路層２１を形成する際の圧縮ガスの温度および圧力を調整することにより形成することができる。第１金属回路層２１を積層する際の圧縮ガスの温度は、例えば、第１金属回路層２１および第２金属回路層２２が銅粉末により形成される場合、２００℃〜６００℃であることが好ましく、３００℃〜５００℃が特に好ましい。また、第１金属回路層２１を積層する際の圧縮ガスの圧力は、例えば、第１金属回路層２１および第２金属回路層２２が銅粉末により形成される場合、１．５ＭＰａ〜２．５ＭＰａであることが好ましい。圧縮ガスの温度および圧力を上記範囲とすることにより、気孔率を５〜１５％とすることができ、第１金属回路層２１は、セラミックス基材１０と第２金属回路層２２との間の熱膨張差を緩衝することができる。

第１金属回路層２１上に積層される第２金属回路層２２は、気孔率が０〜０．５％である。第２金属回路層２２の気孔率は、０〜０．１％であることが特に好ましい。第２金属回路層２２の気孔率は、第１金属回路層２１と同様に、第２金属回路層２２の断面の電子写真における気孔の面積の割合により算出すればよい。気孔率が０〜０．５％である第２金属回路層２２は、コールドスプレー法により第２金属回路層２２を形成する際の圧縮ガスの温度および圧力を調整することにより形成することができる。第２金属回路層２２を積層する際の圧縮ガスの温度は、例えば、第１金属回路層２１および第２金属回路層２２が銅粉末により形成される場合、６００℃〜１０００℃であることが好ましく、７００℃〜９００℃が特に好ましい。また、第２金属回路層２２を積層する際の圧縮ガスの圧力は、例えば、第１金属回路層２１および第２金属回路層２２が銅粉末により形成される場合、２．５ＭＰａ〜３．５ＭＰａであることが好ましい。圧縮ガスの温度および圧力を上記範囲とすることにより、気孔率を０〜０．５％とすることができ、第２金属回路層２２は、バルク金属と同程度の熱伝導度を示し、放熱性を向上することができる。また、第２金属回路層２２は、気孔がほとんど形成されず緻密な表面を有するため、半田濡れ性がよく、半導体チップ３０の接続不良を防止することができる。

また、第２金属回路層２２の表面の算出平均粗さ（Ｒａ）は、１０μｍ以下であることが好ましい。１０μｍ以下であることにより、半田濡れ性が向上するためである。第２金属回路層２２の表面の算出平均粗さ（Ｒａ）は、５μｍ以下が更に好ましく、１μｍ以下が特に好ましい。第２金属回路層２２の表面の算出平均粗さ（Ｒａ）を１μｍ以下とするためには、第２金属回路層２２をコールドスプレー法により積層後、切削加工すればよい。本実施の形態において、第２金属回路層２２の表面の算出平均粗さ（Ｒａ）が、１０μｍ以下であれば半田付けにより半導体チップ３０を実装可能であるが、第２金属回路層２２表面を切削加工して算術平均荒さ（Ｒａ）を１μｍ以下とすることにより、半導体チップ３０の接続不良の発生をさらに低減することができる。また、表面の切削により、第２金属回路層２２の酸化層を除去できるので、電気抵抗の上昇および熱伝導率の低下を防止することができる。

実施の形態１にかかる絶縁性冷却板１は、上述したコールドスプレー装置６０によって、図１、２に示すような第１金属回路層２１および第２金属回路層２２が形成される。なお、実施の形態１において使用するろう材５０ａは、有機溶剤および有機バインダーが混合されたペースト状をなすものとして説明したが、第１中間層５１を形成する金属または合金、および第２中間層５２を形成する金属または金属の酸化物、水素化物等を含んでいれば、箔状をなすものであってもよい。

上述した実施の形態１によれば、セラミックス基材と金属回路層との密着性を向上するとともに、セラミックス基材と金属回路層との熱膨張率差により発生する熱応力を、所定の割合で気孔を有する第１金属回路層により緩和しうるため、熱サイクル下においてもセラミックス基材の割れを防止することができる。また、実施の形態１では、半導体チップを実装する第２金属回路層の表面の粗さが小さいため、半田濡れ性がよく、実装不良等の発生も抑制できるという効果を奏する。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２にかかる積層体について、図面を参照して詳細に説明する。図５は、本発明の実施の形態２にかかる積層体を含むパワーモジュールの構成を示す模式図である。図６は、図５に示すパワーモジュールの要部の構成を示す断面図である。

図５に示すパワーモジュール１００は、絶縁基板であるセラミックス基材１１０と、セラミックス基材１１０の一方の面に形成された金属回路層１２０と、金属回路層１２０上に半田Ｃ２によって接合された半導体チップ１３０と、セラミックス基材１１０の金属回路層１２０とは反対側の面に設けられた冷却フィン１４０とを備える。

実施の形態２において、セラミックス基材１１０は、絶縁性材料からなる略板状の部材であって、例えば、窒化アルミニウム、窒化珪素等の窒化物系セラミックスや、アルミナ、マグネシア、ジルコニア、ステアタイト、フォルステライト、ムライト、チタニア、シリカ、サイアロン等の酸化物系セラミックスが用いられる。

金属回路層１２０は、コールドスプレー法によって形成された金属皮膜層であり、セラミックス基材１１０に積層された第１金属皮膜である第１金属回路層１２１と、第１金属回路層１２１上に積層された第２金属皮膜である第２金属回路層１２２と、を備える。第１金属回路層１２１および第２金属回路層１２２は、例えば銅等の良好な電気伝導度を有する金属または合金からなり、第１金属回路層１２１および第２金属回路層１２２は、半導体チップ１３０等に対して電気信号を伝達するための回路パターンを形成する。

半導体チップ１３０は、実施例１と同様に、ダイオード、トランジスタ、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等の半導体素子によって実現される。なお、半導体チップ１３０は、使用の目的に合わせてセラミックス基材１１０上に複数個設けられても良い。

冷却フィン１４０は、コールドスプレー法によって形成された金属皮膜層であり、セラミックス基材１１０に積層された第１金属皮膜１４１と、第１金属皮膜１４１上に積層された第２金属皮膜１４２と、を備える。第１金属皮膜１４１および第２金属皮膜１４２は、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、銀、銀合金等の良好な熱伝導性を有する金属または合金からなる。第１金属皮膜１４１および第２金属皮膜１４２からなる冷却フィン１４０を介して、半導体チップ１３０から発生した熱がセラミックス基材１１０を介して外部に放出される。

図６に示すように、セラミックス基材１１０と第１金属回路層１２１との間、及びセラミックス基材１１０と第１金属皮膜１４１との間には、金属または合金を主成分とする中間層１５０が設けられている。中間層１５０は、第１金属回路層１２１および第１金属皮膜１４１側に形成される第１中間層１５１と、セラミックス基材１１０側に形成される第２中間層１５２とを有する。第１中間層１５１および第２中間層１５２は、実施の形態１の第１中間層５１および第２中間層５２と同様の構成を有し、セラミックス基材１１０の表面に対して、スクリーン印刷法によって中間層１５０として用いられるろう材を塗布し、８００〜１０００℃の真空中または大気中で１時間熱処理して形成したものである。

あるいは、中間層１５０は、実施の形態１の変形例と同様に、板状の金属または合金部材をセラミックス基材１１０にろう材によりろう付けすることにより形成されたものであっても良い。中間層１５０は、例えば、セラミックス基材１１０の表面にアルミニウム（Ａｌ）ろう材を介してアルミニウム（Ａｌ）箔を配置した後、所定温度で真空中または不活性ガス雰囲気中において熱処理することにより形成されたものであっても良い。

中間層１５０を形成後、コールドスプレー法により第１中間層１５１（中間層１５０が板状の金属または合金部材がろう材によりセラミックス基材１１０にろう付けされた場合は中間層１５０）上に、第１金属回路層１２１および第１金属皮膜層１４１（金属回路層１２０及び冷却フィン１４０）を形成する。

第１金属回路層１２１および第２金属回路層１２２は、それぞれ、実施の形態１の第１金属回路層２１および第２金属回路層２２と同様の気孔率を有し、実施の形態１の第１金属回路層２１および第２金属回路層２２と同様の圧縮ガス温度および圧力で積層形成される。

また、第２金属回路層１２１の表面の算出平均粗さ（Ｒａ）は、実施の形態１の第２金属回路層２２と同様に、１０μｍ以下であることが好ましい。１０μｍ以下であることにより、半田濡れ性が向上するためである。第２金属回路層１２２の表面の算出平均粗さ（Ｒａ）は、５μｍ以下が更に好ましく、１μｍ以下が特に好ましい。

第１中間層１５１上に積層される第１金属皮膜１４１は、気孔率が５〜１５％である。第１金属皮膜１４１の気孔率は、第１金属皮膜１４１の断面の電子写真における気孔の面積の割合により算出する。気孔率が５〜１５％である第１金属皮膜１４１は、コールドスプレー法により第１金属皮膜１４１を形成する際の圧縮ガスの温度および圧力を所定の範囲に調整することにより形成することができる。第１金属皮膜１４１を積層する際の圧縮ガスの温度は、例えば、第１金属皮膜１４１および第２金属皮膜１４２が銅粉末により形成される場合、２００℃〜６００℃であることが好ましく、３００℃〜５００℃が特に好ましい。また、第１金属皮膜１４１を積層する際の圧縮ガスの圧力は、例えば、第１金属皮膜１４１および第２金属皮膜１４２が銅粉末により形成される場合、１．５ＭＰａ〜２．５ＭＰａであることが好ましい。圧縮ガスの温度および圧力を上記範囲とすることにより、気孔率を５〜１５％とすることができ、第１金属皮膜１４１は、セラミックス基材１１０と第２金属皮膜１４２との間の熱膨張差を緩衝することができる。

第１金属皮膜１４１上に積層される第２金属皮膜１４２は、気孔率が０〜０．５％である。第２金属皮膜１４２の気孔率は、０〜０．１％以下であることが特に好ましい。第２金属皮膜１４２の気孔率は、第１金属皮膜１４２と同様に、第２金属皮膜１４２の断面の電子写真における気孔の面積の割合により算出すればよい。気孔率が０〜０．５％である第２金属皮膜１４２は、コールドスプレー法により第２金属皮膜１４２を形成する際の圧縮ガスの温度および圧力を調整することにより形成することができる。第２金属皮膜１４２を積層する際の圧縮ガスの温度は、例えば、第１金属皮膜１４１および第２金属皮膜１４２が銅粉末により形成される場合、６００℃〜１０００℃であることが好ましく、７００℃〜９００℃が特に好ましい。また、第２金属皮膜１４２を積層する際の圧縮ガスの圧力は、例えば、第１金属皮膜１４１および第２金属皮膜１４２が銅粉末により形成される場合、２．５ＭＰａ〜３．５ＭＰａであることが好ましい。圧縮ガスの温度および圧力を上記範囲とすることにより、気孔率を０〜０．５％とすることができ、第２金属皮膜１４２は、バルク金属と同程度の熱伝導度を示し、放熱性を向上することができる。

上述した実施の形態２によれば、セラミックス基材と金属回路層および冷却フィンとの密着性を向上するとともに、セラミックス基材と金属回路層および冷却フィンとの熱膨張率差により発生する熱応力を、所定の割合で気孔を有する第１金属回路層および第１金属皮膜により緩和しうるため、熱サイクル下においてもセラミックス基材の割れを防止することができる。また、実施の形態２では、半導体チップを実装する第２金属回路層の表面の粗さが小さいため、半田濡れ性がよく、実装不良等の発生も抑制できるという効果を奏する。

実施の形態２では、金属回路層が２つの金属回路層（第１金属回路層および第２金属回路層）、冷却フィンが２つの金属皮膜層（第１金属皮膜および第２金属皮膜）からそれぞれ形成されるパワーモジュールについて説明したが、冷却フィンを１の金属皮膜から形成し、金属回路層を２つの金属回路層（第１金属回路層および第２金属回路層）から形成しても良く、あるいは、金属回路層を１つの金属回路層から形成し、冷却フィンを１つの金属皮膜（第１金属皮膜および第２金属皮膜）から形成するものであっても、同様の効果を奏する。

本実施の形態に係る積層体の製造方法により、アルミナ系セラミックスの基材上に銅（Ｃｕ）からなる第１皮膜および第２皮膜を形成した積層体のテストピースを作製し、基材と銅皮膜との間の密着性、耐熱性、および半田濡れ性について評価を行った。

（実施例１）
実施例１として、アルミナ基材上に、ろう材を塗布した後、９７０℃の大気中で１時間保持することによって中間層を形成した。中間層は、第１中間層が銀、第２中間層が水素化チタンからなり、厚さは最も薄い部分で３０〜μｍ、厚い部分で１００μｍである。コールドスプレー法により、第１中間層の表面に銅粉末により金属回路層を形成した。使用した銅粉末は、平均粒径が２５μｍで、水アトマイズ法により製造されたものである。なお、実施例１では、第１金属回路層は、圧縮ガスとして窒素ガス（Ｎ_２）を使用し、ガス温度は４００℃、噴射圧力は２ＭＰａ、８００μｍの厚さで、気孔率は１４％である。第２金属回路層は、圧縮ガスとして窒素ガス（Ｎ_２）を使用し、ガス温度は８００℃、噴射圧力は３ＭＰａ、２００μｍの厚さで、気孔率は０．１％以下である。

（比較例１）
比較例１として、実施例１と同様にして中間層を形成した後、第１中間層の表面にコールドスプレー法により銅粉末により金属回路層を形成した。使用した銅粉末は、平均粒径が２５μｍで、水アトマイズ法により製造されたものである。なお、比較例１では、第１金属回路層として、実施例１よりも気孔率の大きい第１金属回路層（気孔率１９％）を形成するために、圧縮ガスとして窒素ガス（Ｎ_２）を使用し、ガス温度は４００℃、噴射圧力は２ＭＰａとし、８００μｍの厚さに積層したが、アルミナ基材との密着性が低く、剥離が生じた。

（比較例２）
比較例２として、実施例１と同様にして中間層を形成した後、第１中間層の表面にコールドスプレー法により銅粉末により金属回路層を形成した。使用した銅粉末は、平均粒径が２５μｍで、水アトマイズ法により製造されたものである。なお、比較例２では、第１金属回路層は、圧縮ガスとして窒素ガス（Ｎ_２）を使用し、ガス温度は４００℃、噴射圧力は３ＭＰａ、８００μｍの厚さで、気孔率は０．５％である。第２金属回路層は、圧縮ガスとして窒素ガス（Ｎ_２）を使用し、ガス温度は８００℃、噴射圧力は３ＭＰａ、２００μｍの厚さで、気孔率は０．１％以下である。

（比較例３）
比較例３として、実施例１と同様にして中間層を形成した後、第１中間層の表面にコールドスプレー法により銅粉末により金属回路層を形成した。使用した銅粉末は、平均粒径が２５μｍで、水アトマイズ法により製造されたものである。なお、比較例３では、第１金属回路層は、圧縮ガスとして窒素ガス（Ｎ_２）を使用し、ガス温度は８００℃、噴射圧力は３ＭＰａ、８００μｍの厚さで、気孔率は０．１％以下である。第２金属回路層は、圧縮ガスとして窒素ガス（Ｎ_２）を使用し、ガス温度は４００℃、噴射圧力は１ＭＰａ、２００μｍの厚さで、気孔率は１４％である。

（比較例４）
比較例４として、実施例１と同様にして中間層を形成した後、第１中間層の表面にコールドスプレー法により銅粉末により金属回路層を形成した。使用した銅粉末は、平均粒径が２５μｍで、水アトマイズ法により製造されたものである。なお、比較例４では、金属回路層を１層のみ形成した。比較例４の金属回路層は、圧縮ガスとして窒素ガス（Ｎ_２）を使用し、ガス温度は８００℃、噴射圧力は３ＭＰａ、１０００μｍの厚さで、気孔率は０．１％以下である。

実施例１、ならびに比較例１〜４の積層体について、第１金属回路層施工後のアルミナ基材と第１金属回路層との密着性、第２金属回路層施工後の第１金属回路層と第２金属回路層との密着性を目視で確認するとともに、金属回路層形成後の積層体について、３００℃で５分保持し、積層体を室温まで放冷した後、さらに３００℃で５分保持する耐熱試験を行い、アルミナ基材の割れの評価を行なった。

表１に、実施例１、ならびに比較例１〜４の積層体の構造、および金属皮膜の密着性、耐熱試験の評価結果を示す。なお、実施例１および比較例３については、第２金属回路層の表面の算術平均粗さ（Ｒａ）を測定するとともに、耐熱試験後の積層体の断面を電子写真により観察した。図７は、本発明の実施例１にかかる積層体の断面を示す電子写真（４０倍）であり、図８は、比較例３にかかる積層体の断面を示す電子写真（４０倍）である。

気孔率が１４％の第１金属回路層と、気孔率が０．１％以下の第２金属回路層を形成した実施例１の積層体は、各回路層施工後に回路層の剥離は認められず、図７に示すように、耐熱試験後、アルミナ基材の割れは生じなかった。比較例２の積層体は、実施例１の積層体と第１金属回路層の気孔率のみ異なるが、第１金属回路層の気孔率が０．５％と小さいため、耐熱試験による熱応力の緩和が十分でなく、アルミナ基材に割れが生じた。同様に、熱応力を緩和しうる、気孔率が５〜１５％の金属回路層を有しない比較例４は、耐熱試験によりアルミナ基材に割れが生じた。また、比較例３の積層体は、気孔率が０．１％以下の第１金属回路層と、気孔率が１４％の第２金属回路層とを有するが、第１金属回路層は気孔率が小さいため、耐熱試験による熱応力の緩和が十分でなく、アルミナ基材に割れが生じた（図８参照）。

一方、実施例１の第２金属回路層の表面の算術平均粗さは８．４μｍであり、半田濡れ性も良好であることが確認されたが、比較例３の第２金属回路層の表面の算術平均粗さは１２．２μｍと非常に大きいことが確認された。なお、実施例１の第１金属回路層の算術平均粗さは１１．９μｍであり、金属回路層を気孔率が５〜１５％の第１金属回路層のみを形成した場合は、熱応力を緩和できるためセラミックス基材の割れは防止できるが、半田濡れ性が悪いため、実装不良を生じやすい。

以上のように、本発明にかかる積層体、絶縁性冷却板、パワーモジュールおよびこの積層体の製造方法は、セラミックス基材と金属皮膜とを接合する場合に有用であり、特に耐熱性に劣るアルミナをセラミック基材として使用する場合に適している。

１ 電子回路基板
１０、１１０ セラミックス基材
２０、１２０ 金属回路層
２１、１２１ 第１金属回路層
２２、１２２、第２金属回路層
３０、１３０ 半導体チップ
５０、５０Ａ、１５０ 中間層
５１、１５１ 第１中間層
５２、１５２ 第２中間層
６０ コールドスプレー装置
６１ ガス加熱器
６２ 粉末供給装置
６３ ガスノズル
６４ スプレーガン
１００ パワーモジュール
１４０ 冷却フィン
１４１ 第１金属皮膜
１４２ 第２金属皮膜

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１にかかる積層体について、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態１にかかる積層体である絶縁性冷却板を使用する電子回路基板の構成を示す模式図である。図２は、図１に示す絶縁性冷却板の要部の構成を示す断面図である。

金属回路層２０は、セラミックス基材１０に積層された第１金属皮膜である第１金属回路層２１と、第１金属回路層２１上に積層された第２金属皮膜である第２金属回路層２２と、を有する。第１金属回路層２１および第２金属回路層２２は、後述するコールドスプレー法により形成された金属皮膜層であり、例えば、銅、アルミニウム等の良好な電気伝導度を有する金属または合金からなる。第１金属回路層２１および第２金属回路層２２には、半導体チップ３０などに対して電気信号を伝達させるための回路パターンが形成されている。

ここで、真空中で熱処理する場合、第１中間層５１は金、銀、銅、アルミニウム、またはニッケルから選択される少なくとも１種の材料から形成され、第２中間層５２は、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、もしくはゲルマニウム、またはこれらの金属の水素化物から選択される少なくとも１種の材料から形成される。

また、第２金属回路層２２の表面の算術平均粗さ（Ｒａ）は、１０μｍ以下であることが好ましい。１０μｍ以下であることにより、半田濡れ性が向上するためである。第２金属回路層２２の表面の算術平均粗さ（Ｒａ）は、５μｍ以下が更に好ましく、１μｍ以下が特に好ましい。第２金属回路層２２の表面の算術平均粗さ（Ｒａ）を１μｍ以下とするためには、第２金属回路層２２をコールドスプレー法により積層後、切削加工すればよい。本実施の形態において、第２金属回路層２２の表面の算術平均粗さ（Ｒａ）が、１０μｍ以下であれば半田付けにより半導体チップ３０を実装可能であるが、第２金属回路層２２表面を切削加工して算術平均荒さ（Ｒａ）を１μｍ以下とすることにより、半導体チップ３０の接続不良の発生をさらに低減することができる。また、表面の切削により、第２金属回路層２２の酸化層を除去できるので、電気抵抗の上昇および熱伝導率の低下を防止することができる。

実施の形態１にかかる電子回路基板１は、上述したコールドスプレー装置６０によって、図１、２に示すような第１金属回路層２１および第２金属回路層２２が形成される。なお、実施の形態１において使用するろう材５０ａは、有機溶剤および有機バインダーが混合されたペースト状をなすものとして説明したが、第１中間層５１を形成する金属または合金、および第２中間層５２を形成する金属または金属の酸化物、水素化物等を含んでいれば、箔状をなすものであってもよい。

半導体チップ１３０は、実施の形態１と同様に、ダイオード、トランジスタ、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等の半導体素子によって実現される。なお、半導体チップ１３０は、使用の目的に合わせてセラミックス基材１１０上に複数個設けられても良い。

あるいは、中間層１５０は、実施の形態１と同様に、板状の金属または合金部材をセラミックス基材１１０にろう材によりろう付けすることにより形成されたものであっても良い。中間層１５０は、例えば、セラミックス基材１１０の表面にアルミニウム（Ａｌ）ろう材を介してアルミニウム（Ａｌ）箔を配置した後、所定温度で真空中または不活性ガス雰囲気中において熱処理することにより形成されたものであっても良い。

また、第２金属回路層１２２の表面の算術平均粗さ（Ｒａ）は、実施の形態１の第２金属回路層２２と同様に、１０μｍ以下であることが好ましい。１０μｍ以下であることにより、半田濡れ性が向上するためである。第２金属回路層１２２の表面の算術平均粗さ（Ｒａ）は、５μｍ以下が更に好ましく、１μｍ以下が特に好ましい。

第１金属皮膜１４１上に積層される第２金属皮膜１４２は、気孔率が０〜０．５％である。第２金属皮膜１４２の気孔率は、０〜０．１％以下であることが特に好ましい。第２金属皮膜１４２の気孔率は、第１金属皮膜１４１と同様に、第２金属皮膜１４２の断面の電子写真における気孔の面積の割合により算出すればよい。気孔率が０〜０．５％である第２金属皮膜１４２は、コールドスプレー法により第２金属皮膜１４２を形成する際の圧縮ガスの温度および圧力を調整することにより形成することができる。第２金属皮膜１４２を積層する際の圧縮ガスの温度は、例えば、第１金属皮膜１４１および第２金属皮膜１４２が銅粉末により形成される場合、６００℃〜１０００℃であることが好ましく、７００℃〜９００℃が特に好ましい。また、第２金属皮膜１４２を積層する際の圧縮ガスの圧力は、例えば、第１金属皮膜１４１および第２金属皮膜１４２が銅粉末により形成される場合、２．５ＭＰａ〜３．５ＭＰａであることが好ましい。圧縮ガスの温度および圧力を上記範囲とすることにより、気孔率を０〜０．５％とすることができ、第２金属皮膜１４２は、バルク金属と同程度の熱伝導度を示し、放熱性を向上することができる。

実施の形態２では、金属回路層が２つの金属回路層（第１金属回路層および第２金属回路層）、冷却フィンが２つの金属皮膜層（第１金属皮膜および第２金属皮膜）からそれぞれ形成されるパワーモジュールについて説明したが、冷却フィンを１つの金属皮膜から形成し、金属回路層を２つの金属回路層（第１金属回路層および第２金属回路層）から形成しても良く、あるいは、金属回路層を１つの金属回路層から形成し、冷却フィンを２つの金属皮膜（第１金属皮膜および第２金属皮膜）から形成するものであっても、同様の効果を奏する。

（実施例１）
実施例１として、アルミナ基材上に、ろう材を塗布した後、９７０℃の大気中で１時間保持することによって中間層を形成した。中間層は、第１中間層が銀、第２中間層が水素化チタンからなり、厚さは最も薄い部分で３０μｍ、厚い部分で１００μｍである。コールドスプレー法により、第１中間層の表面に銅粉末により金属回路層を形成した。使用した銅粉末は、平均粒径が２５μｍで、水アトマイズ法により製造されたものである。なお、実施例１では、第１金属回路層は、圧縮ガスとして窒素ガス（Ｎ₂）を使用し、ガス温度は４００℃、噴射圧力は２ＭＰａ、８００μｍの厚さで、気孔率は１４％である。第２金属回路層は、圧縮ガスとして窒素ガス（Ｎ₂）を使用し、ガス温度は８００℃、噴射圧力は３ＭＰａ、２００μｍの厚さで、気孔率は０．１％以下である。

１ 電子回路基板
１０、１１０ セラミックス基材
２０、１２０ 金属回路層
２１、１２１ 第１金属回路層
２２、１２２、第２金属回路層
３０、１３０ 半導体チップ
５０、１５０ 中間層
５１、１５１ 第１中間層
５２、１５２ 第２中間層
６０ コールドスプレー装置
６１ ガス加熱器
６２ 粉末供給装置
６３ ガスノズル
６４ スプレーガン
１００ パワーモジュール
１４０ 冷却フィン
１４１ 第１金属皮膜
１４２ 第２金属皮膜

Claims (14)

1. 絶縁性のセラミックス基材と、
   前記セラミックス基材の表面に形成された金属または合金を主成分とする中間層と、
   前記中間層の表面に、金属を含む粉体をガスと共に加速し、前記表面に固相状態のままで吹き付けて堆積させることによって形成された、気孔率が５〜１５％の第１金属皮膜と、
   前記第１金属皮膜の表面に、前記第１金属皮膜を形成する金属と同一の金属を含む粉体をガスと共に加速し、前記表面に固相状態のままで吹き付けて堆積させることによって形成された、気孔率が０〜０．５％の第２金属皮膜と、
   を備えることを特徴とする積層体。
2. 前記中間層は、
   金属または合金を主成分とし、前記第１金属皮膜側で層をなす第１中間層と、
   活性金属、または活性金属の酸化物もしくは水素化物からなり、前記第１中間層と接触すると共に、前記第１中間層と接触する面と異なる面で前記セラミックス基材と結合して積層される第２中間層と、を有し、
   前記第１中間層および前記第２中間層は、ろう材を前記セラミックス基材に塗布した後、熱処理することにより形成されることを特徴とする請求項１に記載の積層体。
3. 前記中間層は、真空中で熱処理することによって形成されることを特徴とする請求項２に記載の積層体。
4. 前記第２中間層は、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ゲルマニウムのいずれかの金属または金属の水素化物からなる群より選択される少なくとも１種類を含むことを特徴とする請求項３に記載の積層体。
5. 前記第１中間層は、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケルからなる群より選択される少なくとも１種類を含むことを特徴とする請求項３または４に記載の積層体。
6. 前記中間層は、大気中で熱処理することによって形成されることを特徴とする請求項２に記載の積層体。
7. 前記第２中間層は、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ゲルマニウム、硼素、珪素、アルミニウム、クロム、インジウムまたは金属の酸化物もしくは水素化物からなる群より選択される少なくとも１種類を含むことを特徴とする請求項６に記載の積層体。
8. 前記第１中間層は、金または銀のうち少なくとも１種類を含むことを特徴とする請求項６または７に記載の積層体。
9. 前記第１金属皮膜および前記第２金属皮膜は、銅、アルミニウムまたはこれらの金属の合金からなることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の積層体。
10. 前記セラミックス基材はアルミナであることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の積層体。
11. 請求項１〜１０のいずれか１つに記載の積層体からなる絶縁性冷却板であって、
    前記セラミックス基材は放熱部を有し、
    前記第１金属皮膜および前記第２金属皮膜は回路層であることを特徴とする絶縁性冷却板。
12. 請求項１〜１０のいずれか１つに記載の積層体を含むパワーモジュールであって、
    前記セラミックス基材は絶縁基板であり、
    前記第１金属皮膜および前記第２金属皮膜は回路層であり、
    前記絶縁基板の前記第１金属皮膜および前記第２金属皮膜が形成された面と異なる面に、銅またはアルミニウムを主成分とする冷却板が形成されることを特徴とするパワーモジュール。
13. セラミックス基材の表面に金属皮膜が形成された積層体の製造方法であって、
    前記セラミックス基材の表面に、金属または合金を主成分とする中間層を形成する中間層形成ステップと、
    前記中間層形成ステップによって形成された前記第１中間層の表面に、金属を含む粉体をガスと共に加速し、前記表面に固相状態のままで吹き付けて堆積させることによって、気孔率が５〜１５％の第１金属皮膜を形成する第１金属皮膜形成ステップと、
    前記第１金属皮膜の表面に、前記第１金属皮膜を形成する金属と同一の金属を含む粉体をガスと共に加速し、前記表面に固相状態のままで吹き付けて堆積させることによって、気孔率が０〜０．５％の第２金属皮膜を形成する第２金属皮膜形成ステップと、
    を含むことを特徴とする積層体の製造方法。
14. 前記中間層形成ステップは、
    前記セラミックス基材の表面に対して、ろう材を配設するろう材配置ステップと、
    前記ろう材配置ステップで前記ろう材が配設された前記セラミックス基材を熱処理することにより、前記第１中間層、および前記第１中間層と接触すると共に、前記第１中間層と接触する面と異なる面で前記セラミックス基材と結合して積層される第２中間層を有する中間層を形成する熱処理ステップと、
    を含むことを特徴とする請求項１３に記載の積層体の製造方法。