JP5493762B2 - ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法 - Google Patents

Description

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ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法に関するものである。

半導体素子の中でも電力供給のためのパワーモジュールは、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、ＡｌＮ（窒化アルミ）やＳｉ_３Ｎ_４（窒化ケイ素）などからなるセラミックス基板上にＡｌ（アルミニウム）の第一の金属板が接合されるとともに、基板の反対側にＡｌ（アルミニウム）の第二の金属板を介してヒートシンクが接続されたヒートシンク付パワーモジュール用基板が用いられる。
このようなヒートシンク付パワーモジュール基板では、第一の金属板は回路層として形成され、第一の金属板の上には、はんだ材を介してパワー素子の半導体チップが搭載される。

従来、前述のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、例えば特許文献１に記載されているように、以下の手順で製造される。
まず、セラミックス基板の一方の面にろう材を介して第一の金属板を積層し、セラミックス基板の他方の面にろう材を介して第二の金属板を積層して、これを積層方向に所定の圧力で加圧するとともに加熱し、セラミックス基板と第一の金属板及び第二の金属板とを接合させる（セラミックス基板接合工程）。
次に、第二の金属板のうちセラミックス基板とは反対側の面に、ろう材を介してヒートシンクの天板部を積層し、積層方向に所定の圧力で加圧するとともに加熱し、これにより第二の金属板とヒートシンクの天板部とを接合させる（ヒートシンク接合工程）。

ここで、パワーモジュール用基板を冷却するためのヒートシンクとしては、天板部とこの天板部から立設されたフィン部とを備えたものが提案されている。従来、天板部とフィン部との接合には、例えば特許文献２に示すように、ろう付けが利用されている。このようなろう付けを行う場合、アルミニウム材の表面やろう材の表面に酸化被膜が存在するため、酸化被膜を除去するためのフラックスが使用されることがある。

ここで、天板部とフィン部とを接合してヒートシンクを形成する工程（ヒートシンク形成工程）については、パワーモジュール用基板と天板部とを接合した後にフィン部を接合したり、予め天板部にフィン部を接合した状態でパワーモジュール用基板を接合したりしていた。

特開２００２−００９２１２号公報 特開２００３−３１８５７８号公報

ところで、ヒートシンクのフィン部は、その肉厚がうすく、かつ、例えばＡ３００３といったアルミニウム合金で構成されており、比較的低い温度で溶融してしまうことから、このフィン部を天板部にろう付け等で接合する場合には、接合温度を低く設定する必要があった。また、上述のように、フラックスを用いて酸化被膜を除去していることから、フィン部の接合は窒素ガス雰囲気で行っていた。

一方、セラミックス基板と金属板とを接合してパワーモジュール用基板を製出する際には、接合温度が低いと接合強度が不足し、熱サイクル負荷の信頼性が低下するおそれがある。このため、接合温度を高く設定する必要があった。また、ろう材を介して接合する場合、金属板の表面及びろう材の表面に形成された酸化被膜を除去するために、真空雰囲気で接合を行っていた。

そこで、上述のように、まず、セラミックス基板と金属板とを高温で接合してパワーモジュール用基板を製出しておき、その後、このパワーモジュール用基板とヒートシンクの天板部とを接合していたのである。
このように、ヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造する際には、接合工程を２回又は３回行う必要があり、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造コストが増加してしまうといった問題があった。

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、セラミックス基板と金属板の接合、ヒートシンクの天板部とフィン部との接合及び天板部とパワーモジュール用基板の接合を、同時に行い、低コストで製作することが可能であるとともに、セラミックス基板と金属板との接合強度が高く信頼性の高いヒートシンク付パワーモジュールを製出することができるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を提供することを目的とする。

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の製造方法は、セラミックス基板と、該セラミックス基板の表面に一面が接合されたアルミニウムからなる第一の金属板と、前記セラミックス基板の裏面に一面が接合されたアルミニウムからなる第二の金属板と、該第二の金属板の他面に接合されたヒートシンクと、を備えるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法であって、前記ヒートシンクは、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる天板部と、この天板部から立設されたフィン部と、を備えており、前記第一の金属板の一面と前記セラミックス基板の表面のうちの少なくとも一方と、前記第二の金属板の一面と前記セラミックス基板の裏面のうちの少なくとも一方とに、Ｃｕを固着して、固着層を形成する固着層形成工程と、前記第二の金属板と前記天板部との間に介在層を形成する介在層形成工程と、前記天板部と前記フィン部との間に接合層を形成する接合層形成工程と、前記固着層を介して前記セラミックス基板と前記第一の金属板及び前記第二の金属板とを積層し、前記介在層を介して前記第二の金属板と前記天板部とを積層し、前記接合層を介して前記天板部と前記フィン部とを積層する積層工程と、積層された前記第一の金属板と前記セラミックス基板と前記第二の金属板と前記天板部と前記フィン部と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第一の金属板との界面に第１溶融金属領域を形成し、前記セラミックス基板と前記第二の金属板との界面に第２溶融金属領域を形成するとともに、前記第二の金属板と前記天板部との界面及び前記天板部と前記フィン部との界面に、溶融金属部を形成する加熱工程と、これら第１溶融金属領域、第２溶融金属領域、溶融金属部が形成された状態で温度を一定に保持し、その状態で凝固を進行させることによって、前記第一の金属板と前記セラミックス基板、前記セラミックス基板と前記第二の金属板、前記第二の金属板と前記天板部、前記天板部と前記フィン部とを接合する凝固工程と、を有し、前記加熱工程において、前記固着層の元素を前記第一の金属板及び前記第二の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第一の金属板との界面に第１溶融金属領域を形成するとともに前記セラミックス基板と前記第二の金属板との界面に第２溶融金属領域を形成する構成とされており、前記第一の金属板と前記セラミックス基板、前記セラミックス基板と前記第二の金属板、前記第二の金属板と前記天板部、前記天板部と前記フィン部とを、同時に接合することを特徴としている。

この構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法においては、前記第一の金属板と前記セラミックス基板、前記セラミックス基板と前記第二の金属板、前記第二の金属板と前記天板部、前記天板部と前記フィン部とを、同時に接合する構成としていることから、接合工程を１回で行うことができ、このヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造コストを大幅に削減することができる。また、パワーモジュール用基板に不要な熱負荷が作用することがなく、反り等の発生を抑制することができる。

そして、前記セラミックス基板と前記第一、第二の金属板との界面部分に、Ｃｕを固着した固着層を形成し、前記固着層の元素を前記第一、第二の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第一、第二の金属板との界面に第１、第２溶融金属領域を形成し、この第１、第２溶融金属領域を凝固させることで、セラミックス基板と第一、第二の金属板を接合する構成としているので、比較的低温条件下であっても、セラミックス基板と第一、第二の金属板とを強固に接合することが可能となる。すなわち、Ｃｕは、アルミニウムの融点を降下させる元素であるため、Ｃｕを第一、第二の金属板側に拡散させることで、低温条件下でも第１、第２溶融金属領域を確実に形成することができるのである。さらに、Ｃｕが存在することによって接合界面が活性化すると推測され、低温状況下でもセラミックス基板と第一、第二の金属板とを強固に接合することが可能となる。

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Ｃｕ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Ｃｕ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Ｃｕを固着する場合、一枚毎のセラミックス基板にそれぞれＣｕ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Ｃｕ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Ｃｕを固着することが可能となり、生産性に優れている。

ここで、前記接合層形成工程において、前記天板部と前記フィン部との界面に、ろう材とともに酸化被膜を除去するためのフラックスを配設することが好ましい。
アルミニウム又はアルミニウム合金からなる板材の表面には酸化被膜が存在しているが、本発明では、フラックスによって酸化被膜を除去してフィン部と天板部とをろう付けしていることから、低温条件下でもフィン部と天板部とを強固に接合することができる。
また、このように、フィン部と天板部とをフラックスを用いる場合には、従来、窒素ガス雰囲気でろう付けを行っていた。本発明では、セラミックス基板と第一の金属板及び第二の金属板との接合を、Ｃｕの拡散を利用して行っていることから、窒素ガス雰囲気でセラミックス基板と第一の金属板及び第二の金属板との接合を行うことができる。

また、前記固着層形成工程において、前記第一の金属板の一面と前記セラミックス基板の表面のうちの少なくとも一方と、前記第二の金属板の一面と前記セラミックス基板の裏面のうちの少なくとも一方とに、Ｃｕに加えて、Ｓｉ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉ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ことが好ましい。
Ｓｉ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉといった元素は、アルミニウムの融点をさらに降下させる元素であるため、比較的低温条件であっても、第一、第二の金属板とセラミックス基板との界面に、第１、第２溶融金属領域を確実に形成することができる。

さらに、前記固着層形成工程では、ＣｕとともにＡｌを固着させることが好ましい。
この場合、Ｃｕ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、第一、第二の金属板とセラミックス基板との界面に第１、第２溶融金属領域を確実に形成することが可能となり、第一、第二の金属板とセラミックス基板とを強固に接合することができる。なお、ＣｕとともにＡｌを固着させるには、ＣｕとＡｌとを同時に蒸着してもよいし、Ｃｕ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、前記介在層形成工程においては、前記第二の金属板の他面と前記天板部の接合面のうちの少なくとも一方に、Ｃｕ又はＳｉのうちの少なくとも１種以上を固着し、前記介在層として金属固着層を形成することが好ましい。
この場合、前記介在層形成工程において、前記ヒートシンクの天板部と前記第二の金属板との界面部分に、介在層として、Ｃｕ又はＳｉのうちの１種以上を固着した金属固着層を形成し、この金属固着層の元素を前記天板部及び前記第二の金属板側に拡散させることにより、天板部と第二の金属板との界面に溶融金属領域（溶融金属部）を形成し、この溶融金属領域を凝固させることで、天板部と第二の金属板を接合する構成としているので、比較的低温条件下であっても、天板部と第二の金属板とを強固に接合することが可能となる。

ここで、前記介在層形成工程において、前記第二の金属板の他面と前記ヒートシンクの接合面のうち少なくとも一方に、Ｃｕ又はＳｉのうちの少なくとも１種以上に加えて、Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉ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ことが好ましい。
Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉといった元素は、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も、ヒートシンクの天板部と第二の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。

また、前記介在層形成工程では、前記第二の金属板の他面と前記ヒートシンクの接合面のうち少なくとも一方に、Ｃｕ又はＳｉのうちの１種以上とともにＡｌを固着させることが好ましい。
この場合、Ｃｕ又はＳｉのうちの１種以上とともにＡｌを固着させているので、形成される金属固着層がＡｌを含有することになり、ヒートシンク加熱工程において、この金属固着層が優先的に溶融し、天板部と第二の金属板との界面に溶融金属領域（溶融金属部）を確実に形成することが可能となり、天板部と第二の金属板とを強固に接合することができる。なお、Ｃｕ又はＳｉのうちの１種以上とともにＡｌを固着させるには、Ｃｕ又はＳｉとＡｌとを同時に蒸着してもよいし、Ｃｕ又はＳｉ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。

本発明によれば、セラミックス基板と金属板の接合、ヒートシンクの天板部とフィン部との接合及び天板部とパワーモジュール用基板の接合を、同時に行い、低コストで製作することが可能であるとともに、セラミックス基板と金属板との接合強度が高く信頼性の高いヒートシンク付パワーモジュールを製出することができるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を提供することが可能となる。

本発明の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製造方法によって製出された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の概略説明図である。 本発明の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の回路層、金属層のＣｕ濃度分布及びＧｅ濃度分布を示す説明図である。 本発明の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の金属層及びヒートシンク（天板部）のＣｕ濃度分布及びＧｅ濃度分布を示す説明図である。 本発明の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法のフロー図である。 本発明の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。 図５におけるセラミックス基板と第一、第二の金属板（回路層、金属層）との接合界面近傍を示す説明図である。 図５における天板部と第二の金属板（金属層）との接合界面近傍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及びこの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、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って、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、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、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る。本実施形態におけるヒートシンク４０は、パワーモジュール用基板１０と接合される天板部４１と、この天板部４１に対向するように配置された底板部４５と、天板部４１と底板部４５との間に介装されたコルゲートフィン４６と、を備えており、天板部４１と底板部４５とコルゲートフィン４６とによって、冷却媒体が流通する流路４２が画成されている。

ここで、このヒートシンク４０は、天板部４１とコルゲートフィン４６、コルゲートフィン４６と底板部４５が、それぞれろう付けされることによって構成されている。本実施形態では、図５に示すように、天板部４１及び底板部４５は、基材層４１Ａ、４５Ａと、基材層４１Ａ、４５Ａよりも融点の低い材料からなる接合層４１Ｂ、４５Ｂが積層された積層アルミ板で構成されており、接合層４１Ｂ、４５Ｂがコルゲートフィン４６側を向くように、天板部４１及び底板部４５が配設されている。つまり、天板部４１の基材層４１Ａが金属層１３に接する構成とされているのである。
なお、本実施形態では、基材層４１Ａ，４５ＡがＡ３００３合金で構成されており、接合層４１Ｂ、４５ＢがＡ４０４５合金で構成されている。

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、Ｃｕに加えてＳｉ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉ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。なお、本実施形態では、添加元素としてＧｅが固溶している。

ここで、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Ｃｕ濃度及びＧｅ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Ｃｕと添加元素（本実施形態ではＧｅ）の合計の濃度が、０．０５質量％以上５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Ｃｕ濃度及びＧｅ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、図３に示すように、金属層１３（金属板２３）と天板部４１との接合界面３６においては、金属層１３（金属板２３）及び天板部４１に、Ｃｕに加えてＳｉ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉ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。なお、本実施形態では、添加元素としてＧｅが固溶している。
金属層１３及び天板部４１の接合界面３６近傍には、接合界面３６から積層方向に離間するにしたがい漸次Ｃｕ濃度及びＧｅ濃度が低下する濃度傾斜層３８、３９が形成されている。ここで、この濃度傾斜層３８、３９の接合界面３６側（金属層１３及び天板部４１の接合界面３６近傍）のＣｕと添加元素（本実施形態ではＧｅ）の合計の濃度が、０．０５質量％以上５質量％以下の範囲内に設定されている。
なお、金属層１３及び天板部４１の接合界面３６近傍のＣｕの濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）で、接合界面３６から５０μｍまでの範囲内を５点測定した平均値である。

以下に、前述の構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法について説明する。

（固着層形成工程Ｓ０１）
まず、図５に示すように、回路層１２となる金属板２２の一面に、スパッタリングによってＣｕを固着して第１固着層２４を形成するとともに、金属層１３となる金属板２３の一面に、スパッタリングによってＣｕを固着して第２固着層２５を形成する
ここで、本実施形態では、Ｃｕとともに、Ｓｉ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着しており、より具体的には、ＣｕとＧｅとを固着している。第１固着層２４及び第２固着層２５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。

（介在層形成工程Ｓ０２）
また、金属板２３の他面にＣｕを固着して、介在層として金属固着層２６を形成する。ここで、本実施形態では、Ｃｕとともに、Ｓｉ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着しており、より具体的には、ＣｕとＧｅとを固着している。金属固着層２６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。

（接合層形成工程Ｓ０３）
さらに、天板部４１とコルゲートフィン４６との間に接合層を形成する。本実施形態では、上述のように、天板部４１及び底板部４５に予め接合層４１Ｂ，４５Ｂが形成されている。

（積層工程Ｓ０４）
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。さらに、金属板２３の他方の面側に天板部４１、コルゲートフィン４６、底板部４５を積層する。
このとき、図５に示すように、金属板２２の第１固着層２４、金属板２３の第２固着層２５が形成された面がセラミックス基板１１を向くように、金属板２２、２３を積層する。すなわち、金属板２２、２３とセラミックス基板１１との間にそれぞれ第１固着層２４、第２固着層２５を介在させているのである。また、金属板２３の金属固着層２６が形成された面が、天板部４１側を向くように配置し、金属板２３と天板部４１との間に金属固着層２６を介在させる。
さらに、天板部４１の接合層４１Ｂ及び底板部４５の接合層４５Ｂがコルゲートフィン４６側を向くように、天板部４１及び底板部４５が配置され、天板部４１とコルゲートフィン４６、底板部４５とコルゲートフィン４６との間に、例えば、ＫＡｌＦ_４を主成分とするフラックス（図示なし）が供給される。

（加熱工程Ｓ０５）
次に、金属板２２、セラミックス基板１１、金属板２３、天板部４１、コルゲートフィン４６、底板部４５を積層方向に加圧（圧力０〜３ｋｇｆ／ｃｍ^２）した状態で、雰囲気加熱炉内に装入して加熱する。
これにより、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第一溶融金属領域２７、第二溶融金属領域２８を形成する。また、図７に示すように、金属板２３と天板部４１との界面に溶融金属領域２９を形成する。さらに、接合層４１Ｂ、４５Ｂが溶融することで、天板部４１とコルゲートフィン４６、コルゲートフィン４６と底板部４５との界面に溶融金属層が形成される。
ここで、本実施形態では、雰囲気加熱炉内は窒素ガス雰囲気とされており、加熱温度は５５０℃以上６３０℃以下の範囲内に設定している。

（溶融金属凝固工程Ｓ０６）
次に、第一溶融金属領域２７、第二溶融金属領域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、第一溶融金属領域２７、第二溶融金属領域２８中のＣｕ及びＧｅ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、第一溶融金属領域２７、第二溶融金属領域２８であった部分のＣｕ濃度及び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。これにより、セラミックス基板１１と金属板２２、２３とが接合される。
同様に、溶融金属領域２９中のＣｕ及びＧｅが、さらに金属板２３側及び天板部４１側へと拡散し、溶融金属領域２９であった部分のＣｕ濃度及び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。これにより、金属板２３と天板部４１とが接合される。

つまり、セラミックス基板１１と金属板２２，２３、及び、天板部４１と金属板２３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。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。
また、天板部４１とコルゲートフィン４６、底板部４５とコルゲートフィン４６の間に形成された溶融金属層が凝固することによって、天板部４１とコルゲートフィン４６、底板部４５とコルゲートフィン４６とがろう付けされることになる。このとき、天板部４１、コルゲートフィン４６、底板部４５の表面には、酸化被膜が形成されているが、前述のフラックスによってこれらの酸化被膜が除去されることになる。

このようにして、天板部４１とコルゲートフィン４６と底板部４５とがろう付けされてヒートシンク４０が形成されるとともに、このヒートシンク４０とパワーモジュール用基板１０とが接合され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が製造される。

以上のような構成とされた本実施形態によれば、セラミックス基板１１と金属板２２，２３とを接合する工程と、天板部４１とコルゲートフィン４６と底板部４５とを接合してヒートシンク４０を形成する工程と、金属板２３と天板部４１とを接合する工程と、を同時に行う構成としていることから、接合工程を１回で行うことができ、このヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造コストを大幅に削減することができる。また、パワーモジュール用基板に不要な熱負荷が作用することがなく、反り等の発生を抑制することができる。

そして、セラミックス基板１１と金属板２２，２３との界面部分に、Ｃｕ及びＧｅを固着した第１、第２固着層２４、２５を形成し、第１、第２固着層２４、２５のＣｕ及びＢＧｅ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との界面に第１、第２溶融金属領域２７，２８を形成し、この第１、第２溶融金属領域２７，２８を凝固させることで、セラミックス基板１１と金属板２２，２３を接合する構成としているので、比較的低温条件下であっても、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。すなわち、Ｃｕ及びＧｅは、アルミニウムの融点を降下させる元素であるため、Ｃｕ及びＧｅを金属板２２，２３側に拡散させることで、低温条件下でも第１、第２溶融金属領域２７，２８を確実に形成することができるのである。
さらに、Ｃｕが存在することによって接合界面近傍が活性化すると推測され、低温状況下で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可能となるのである。

また、天板部４１とコルゲートフィン４６、コルゲートフィン４６と底板部４５との接合を、酸化被膜を除去するためのフラックスを用いたろう付けによって行っているので、天板部４１とコルゲートフィン４６、コルゲートフィン４６と底板部４５とを確実に接合することができる。

ここで、ヒートシンク４０を、フラックスを用いたろう付けによって形成する場合、窒素ガス雰囲気で５５０℃以上６３０℃以下の温度条件で接合することになるが、本実施形態では、前述のように、セラミックス基板１１と金属板２２，２３との接合に、Ｃｕと添加元素（Ｇｅ）とを用いていて、前述のように、低温条件での接合及び窒素ガス雰囲気での接合が可能なことから、セラミックス基板１１と金属板２２，２３との接合と同時に、天板部４１とコルゲートフィン４６と底板部４５とを、ろう付けによって接合してヒートシンク４０を製出することができる。よって、このヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造工程を省略することができ、製作コストの削減を図ることができる。

さらに、本実施形態では、金属板２３と天板部４１との間に、ＣｕとともにＧｅを固着させ、これらＣｕとＧｅを拡散させることによって溶融金属領域２９を形成し、さらに溶融金属領域２９中のＣｕとＧｅを拡散させて、ヒートシンク４０の天板部４１とパワーモジュール用基板１０とを接合しているので、比較的低温条件においても、ヒートシンク４０の天板部４１とパワーモジュール用基板１０とを確実に接合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、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、セラミックス基板をＡｌＮ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、Ａｌ_２Ｏ_３等の他のセラミックスで構成されていてもよい。

さらに、固着層形成工程において、スパッタによってＣｕや添加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Ｃｕや添加元素を固着させてもよい。
また、固着層形成工程において、Ｃｕや添加元素とともにＡｌを固着する構成としてもよい。

さらに、ヒートシンクの天板部と金属層（金属板）とを、金属固着層を用いて接合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、天板部と金属層とをろう付けによって接合してもよい。すなわち、介在層としてろう材を配設してもよい。
また、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。

また、天板部及び底板部が、基材層と接合層とを備えた積層アルミ材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、コルゲートフィンを、例えばＡ３００３からなる芯材とこの芯材の両面にＡ４０４５からなる接合層とを備えたクラッド材で構成してもよい。この場合、天板部及び底板部は、単純なアルミニウム板を用いることができる。

また、天板部、コルゲートフィン、底板部の材質は、本実施形態に限定されることはない。
さらに、コルゲートフィンの形状等を含め、ヒートシンクの構造も本実施形態に限定されるものではない。

３ 半導体チップ（電子部品）
１０ パワーモジュール用基板
１１ セラミックス基板
１２ 回路層（第一の金属板）
１３ 金属層（第二の金属板）
４０ ヒートシンク
２４ 第１固着層（固着層）
２５ 第２固着層（固着層）
２６ 金属固着層（介在層）
２７ 第一溶融金属領域
２８ 第二溶融金属領域
２９ 溶融金属領域（溶融金属部）
４１Ｂ 接合層

Claims (7)

1. セラミックス基板と、該セラミックス基板の表面に一面が接合されたアルミニウムからなる第一の金属板と、前記セラミックス基板の裏面に一面が接合されたアルミニウムからなる第二の金属板と、該第二の金属板の他面に接合されたヒートシンクと、を備えるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法であって、
   前記ヒートシンクは、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる天板部と、この天板部から立設されたフィン部と、を備えており、
   前記第一の金属板の一面と前記セラミックス基板の表面のうちの少なくとも一方と、前記第二の金属板の一面と前記セラミックス基板の裏面のうちの少なくとも一方とに、Ｃｕを固着して、固着層を形成する固着層形成工程と、
   前記第二の金属板と前記天板部との間に介在層を形成する介在層形成工程と、
   前記天板部と前記フィン部との間に接合層を形成する接合層形成工程と、
   前記固着層を介して前記セラミックス基板と前記第一の金属板及び前記第二の金属板とを積層し、前記介在層を介して前記第二の金属板と前記天板部とを積層し、前記接合層を介して前記天板部と前記フィン部とを積層する積層工程と、
   積層された前記第一の金属板と前記セラミックス基板と前記第二の金属板と前記天板部と前記フィン部と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第一の金属板との界面に第１溶融金属領域を形成し、前記セラミックス基板と前記第二の金属板との界面に第２溶融金属領域を形成するとともに、前記第二の金属板と前記天板部との界面及び前記天板部と前記フィン部との界面に、溶融金属部を形成する加熱工程と、
   これら第１溶融金属領域、第２溶融金属領域、溶融金属部が形成された状態で温度を一定に保持し、その状態で凝固を進行させることによって、前記第一の金属板と前記セラミックス基板、前記セラミックス基板と前記第二の金属板、前記第二の金属板と前記天板部、前記天板部と前記フィン部とを接合する凝固工程と、を有し、
   前記加熱工程において、前記固着層の元素を前記第一の金属板及び前記第二の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第一の金属板との界面に第１溶融金属領域を形成するとともに前記セラミックス基板と前記第二の金属板との界面に第２溶融金属領域を形成する構成とされており、
   前記第一の金属板と前記セラミックス基板、前記セラミックス基板と前記第二の金属板、前記第二の金属板と前記天板部、前記天板部と前記フィン部とを、同時に接合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。
   
2. 前記接合層形成工程において、前記天板部と前記フィン部との界面に、ろう材とともに酸化被膜を除去するためのフラックスを配設することを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
3. 前記固着層形成工程において、前記第一の金属板の一面と前記セラミックス基板の表面のうちの少なくとも一方と、前記第二の金属板の一面と前記セラミックス基板の裏面のうちの少なくとも一方とに、Ｃｕに加えて、Ｓｉ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉ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ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
4. 前記固着層形成工程では、ＣｕとともにＡｌを固着させ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ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
5. 前記介在層形成工程においては、前記第二の金属板の他面と前記天板部の接合面のうちの少なくとも一方に、Ｃｕ又はＳｉのうちの少なくとも１種以上を固着し、前記介在層として金属固着層を形成することを特徴とする請求項１から請求項４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の製造方法。
6. 前記介在層形成工程において、前記第二の金属板の他面と前記ヒートシンクの接合面のうち少なくとも一方に、Ｃｕ又はＳｉのうちの少なくとも１種以上に加えて、Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉ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ことを特徴とする請求項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。
7. 前記介在層形成工程では、前記第二の金属板の他面と前記ヒートシンクの接合面のうち少なくとも一方に、Ｃｕ又はＳｉのうちの１種以上とともにＡｌを固着させることを特徴とする請求項５又は請求項６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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