JP5614485B2 - ヒートシンク付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、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

Description

この発明は、絶縁層（セラミックス基板）の一方の面に回路層が配設されるとともに他方の面に金属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、このヒートシンク付パワーモジュール用基板に半導体素子が搭載されたヒートシンク付パワーモジュール、及びヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法に関するものである。

各種の半導体素子のうちでも、電気自動車や電気車両などを制御するために用いられる大電力制御用のパワー素子では、発熱量が多いことから、これを搭載する基板としては、例えばＡｌＮ（窒化アルミ）などからなるセラミックス基板（絶縁層）の一方の面及び他方の面に導電性に優れた金属板を回路層及び金属層として接合したパワーモジュール用基板が、従来から広く用いられている。

そして、このようなパワーモジュール用基板は、その回路層上に、はんだ材を介してパワー素子としての半導体素子（電子部品）が搭載され、パワーモジュールとされる。また、金属層の下方にはヒートシンクが接合され、放熱させる構造とされている。

従来、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを接合する方法として、例えば、特許文献１には、パワーモジュール用基板の金属層とヒートシンクとの間にグリースを介在させてネジ留めによって接合する方法が記載されている。また、特許文献２には、パワーモジュール用基板の金属層とヒートシンクとを、はんだを介して接合する方法が記載されている。

特開２００４−２８８８２８号公報 特開２００９−２２４５７１号公報

しかしながら、特許文献１及び特許文献２に示したように、グリースやはんだを介して金属層とヒートシンクとを接合した場合、金属層やヒートシンクと比べてグリースやはんだの熱抵抗が大きいために、金属層とヒートシンクとの接合部において電子部品（半導体素子）から発生する熱の放散が不十分となって温度が上昇し、電子部品の性能が低下するおそれがある。特に、グリースを用いた場合には、ヒートサイクル及びパワーサイクルが負荷された際に、グリースが劣化したり、グリースの内部に空隙が生じたりする場合があり、接合部においてさらに熱抵抗が大きくなる問題が生じる。そのため、電子部品の使用時において、金属層とヒートシンクとの接合部における熱抵抗を低下させて電子部品からの熱を十分に放散することが求められている。

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、互いに接合される金属層及びヒートシンクの一方がアルミニウム又はアルミニウム合金で構成され、他方が銅又は銅合金で構成されている場合において、金属層とヒートシンクの接合部における熱抵抗を小さくし、電子部品の温度上昇を抑制可能なヒートシンク付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、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。

前述の課題を解決するために、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、前記絶縁層の他方の面に金属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金属層に接合されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、前記金属層及び前記ヒートシンクの一方がアルミニウム又はアルミニウム合金で構成され、他方が銅又は銅合金で構成され、前記金属層と前記ヒートシンクとが、固相拡散接合され、前記金属層と前記ヒートシンクとの接合界面には、ＣｕとＡｌからなる金属間化合物層が形成されており、銅又は銅合金からなる前記金属層又は前記ヒートシンクと前記金属間化合物層との界面には、酸化物が前記界面に沿って層状に分散していることを特徴としている。

本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板によれば、金属層及びヒートシンクの一方がアルミニウム又はアルミニウム合金で構成され、他方が銅又は銅合金で構成され、これらの金属層とヒートシンクとが固相拡散接合によって接合されているので、グリースやはんだを介して接合されている場合と比較して、金属層とヒートシンクとの接合部における熱抵抗を小さくすることができる。
また、金属層とヒートシンクとが、固相拡散接合によって強固に接合されており、ヒートサイクルが負荷された場合において、金属層とヒートシンクとの界面に剥離が生じることが抑制され、金属層とヒートシンクとの接合部の接合信頼性を向上させることができる。
さらに、金属層とヒートシンクとが固相拡散接合されているので、金属層とヒートシンクとの接合部に隙間が生じ難く、接合部の熱伝導性を良好にし、熱抵抗を小さくすることができる。
また、前記アルミニウム又はアルミニウム合金と、前記銅又は銅合金との共晶温度未満で保持し固相拡散接合した場合には、金属層とヒートシンクとの間に液相が形成されない。そのため、金属層とヒートシンクとの間にアルミニウムと銅との化合物が多量に生成せず、金属層とヒートシンクとの接合部の接合信頼性を向上させることが可能である。
また、絶縁層の他方の面に変形抵抗が小さ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を配設した場合、ヒートサイクルが負荷された際に、絶縁層とヒートシンクとの熱膨張係数の差に起因して生じる熱応力を金属層が吸収するので、絶縁層に割れが発生することを抑制できる。
また、絶縁層の他方の面に熱伝導性に優れる銅又は銅合金で構成された金属層を配設した場合、半導体素子からの熱を効率的にヒートシンク側へと伝達することが可能である。
また、ヒートシンクが熱伝導性に優れる銅又は銅合金、若しくはアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されているので、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の放熱性を向上させることが可能である。

また、金属層とヒートシンクとの接合界面に、ＣｕとＡｌからなる金属間化合物層が形成されていることから、金属層又はヒートシンク中のＡｌ（アルミニウム原子）とヒートシンク又は金属層中のＣｕ（銅原子）とが十分に相互拡散しており、金属層とヒートシンクとが強固に接合されている。
また、銅又は銅合金からなる金属層又はヒートシンクと金属間化合物層との接合界面には、酸化物が、界面に沿って層状に分散していることから、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層又はヒートシンクの表面に形成された酸化膜が破壊されて固相拡散接合が十分に進行している。

さらに、金属間化合物層は、複数の金属間化合物が金属層とヒートシンクとの接合界面に沿って積層した構造とされていることが好ましい。この場合、脆い金属間化合物層が大きく成長してしまうことを抑制できる。また、金属層又はヒートシンク中のＡｌとヒートシンク又は金属層中のＣｕとが相互拡散することにより、金属層側からヒートシンク側に向けてそれぞれの組成に適した金属間化合物が層状に形成されることから、接合界面近傍の特性を安定させることができる。
具体的には、金属間化合物層には、θ相、η２相、ζ２相の３種の金属間化合物が積層しているので、金属間化合物層の内部における体積変動が小さくなり、内部歪みが抑えられることになる。

ここで、銅又は銅合金からなる金属層又はヒートシンクの平均結晶粒径が５０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内とされ、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層又はヒートシンクの平均結晶粒径が５００μｍ以上とされていることが好ましい。この場合、金属層、ヒートシンクの平均結晶粒径が比較的大きく設定されているので、金属層、ヒートシンクには、不要な歪が蓄積されておらず、疲労特性が良好となる。したがって、ヒートサイクル負荷において、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの間に生じる熱応力に対する接合信頼性が向上する。

また、本発明のヒートシンク付パワーモジュールは、前記ヒートシンク付パワーモジュール用基板と、前記回路層の一方側に接合された半導体素子と、を備えることを特徴としている。
本発明のヒートシンク付パワーモジュールによれば、上述のように金属層とヒートシンクとの接合部における熱抵抗が小さくされているので、半導体素子からの熱をヒートシンク側へと効率的に伝達することが可能である。また、ヒートシンクが熱伝導性に優れる銅又は銅合金、若しくはアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されているので、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の放熱性を向上させることができる。そして、半導体素子の温度上昇を抑制して、所定の温度で半導体素子を動作させることができ、動作の安定性を向上させることが可能となる。
また、絶縁層の他方の面に変形抵抗の小さ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が配設された場合、絶縁層の割れを抑制し、ヒートシンク付パワーモジュールの信頼性を向上させることができる。
また、金属層が熱伝導性に優れる銅又は銅合金で構成されている場合、半導体素子から発生する熱をヒートシンク側へとさらに効率的に伝達することができる。そして、半導体素子の温度上昇を抑制して、所定の温度で半導体素子を動作させることができ、動作の安定性を向上させることが可能となる。

また、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法は、絶縁層の一方の面に回路層が配設され、前記絶縁層の他方の面に金属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金属層に接合されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法であって、前記金属層及び前記ヒートシンクの一方をアルミニウム又はアルミニウム合金で構成し、他方を銅又は銅合金で構成し、前記金属層と前記ヒートシンクとを積層し、前記金属層と前記ヒートシンクに対して積層方向に３ｋｇｆ／ｃｍ ^２ 以上３５ｋｇｆ／ｃｍ ^２ 以下の荷重を負荷した状態で、アルミニウムと銅との共晶温度未満で保持し、前記金属層と前記ヒートシンクとを固相拡散接合することにより、前記金属層と前記ヒートシンクとの接合界面に、ＣｕとＡｌからなる金属間化合物層を形成するとともに、前記銅又は銅合金からなる前記金属層又は前記ヒートシンクと前記金属間化合物層との界面に酸化物を前記界面に沿って層状に分散させることを特徴としている。

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によれば、金属層及びヒートシンクの一方がアルミニウム又はアルミニウム合金で構成され、他方が銅又は銅合金で構成され、前記金属層と前記ヒートシンクとを固相拡散接合によって接合する構成とされているので、グリースやはんだを介して接合されている場合と比較して、金属層とヒートシンクとの接合部における熱抵抗が小さいヒートシンク付パワーモジュール用基板を得ることができる。
また、上述したように、金属層とヒートシンクとの接合界面に、ＣｕとＡｌからなる金属間化合物層が形成されるとともに、金属層又はヒートシンクと金属間化合物層との界面に酸化物が層状に分散しているので、金属層とヒートシンクとが強固に接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板を得ることができる。

本発明によれば、互いに接合される金属層及びヒートシンクの一方がアルミニウム又はアルミニウム合金で構成され、他方が銅又は銅合金で構成されている場合において、金属層とヒートシンクの接合部における熱抵抗を小さくし、電子部品の温度上昇を抑制可能なヒートシンク付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、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１実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュール、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール用基板の概略説明図である。 図１の金属層とヒートシンクとの接合部の拡大図である。 本発明の第１実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュールの製造方法を説明するフロー図である。 本発明の第１実施形態に係るパワーモジュール用基板の製造方法の概略説明図である。 本発明の第２実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュール、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール用基板の概略説明図である。 図５の金属層とヒートシンクとの接合部の拡大図である。 本発明の他の実施形態に係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。 本発明の他の実施形態に係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。 本発明の他の実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュール用基板における金属層とヒートシンクとの接合界面の概略説明図である。 図９のヒートシンクと金属間化合物層との界面の拡大説明図である。 本発明の他の実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュール用基板における金属層とヒートシンクとの接合界面の概略説明図である。 図１１の金属層と金属間化合物層との界面の拡大説明図である。 ＣｕとＡｌの２元状態図である。

（第１実施形態）
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実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール１、ヒートシンク付パワーモジュール用基板３０、パワーモジュール用基板１０を示す。
このヒートシンク付パワーモジュール１は、ヒートシンク付パワーモジュール用基板３０と、このヒートシンク付パワーモジュール用基板３０の一方側（図１において上側）にはんだ層２を介して接合された半導体素子３と、を備えている。

はんだ層２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材（いわゆる鉛フリーはんだ材）とされており、ヒートシンク付パワーモジュール用基板３０と半導体素子３とを接合するものである。

半導体素子３は、半導体を備えた電子部品であり、必要とされる機能に応じて種々の半導体素子が選択される。本実施形態では、ＩＧＢＴ素子とされている。

ヒートシンク付パワーモジュール用基板３０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の他方側（図１において下側）に接合されたヒートシンク３１とを備えている。

そして、パワーモジュール用基板１０は、図１で示すように、セラミックス基板１１（絶縁層）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）に形成された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面（図１において下面）に形成された金属層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。

回路層１２は、セラミックス基板１１の一方の面（図１において上面）に、金属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）の圧延板からなるアルミニウム板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（図１において下面）に、金属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１３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）の圧延板からなるアルミニウム板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。第１実施形態においては、金属層１３の平均結晶粒径が５００μｍ以上とされている。

ヒートシンク３１は、パワーモジュール用基板１０側の熱を放散するためのものである。ヒートシンク３１は、熱伝導性が良好な銅又は銅合金で構成されており、本実施形態においては、無酸素銅で構成されている。さらに、第１実施形態においては、ヒートシンク３１の平均結晶粒径が５０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内とされている。
このヒートシンク３１の内部には、冷却用の流体が流れるための流路３２が設けられている。
そして、本実施形態においては、パワーモジュール用基板１０の金属層１３とヒートシンク３１とが、固相拡散接合によって接合されている。

金属層１３とヒートシンク３１との接合界面には、図２に示すように、金属間化合物層４１が形成されている。
金属間化合物層４１は、金属層１３のＡｌ（アルミニウム原子）と、ヒートシンク３１のＣｕ（銅原子）とが相互拡散することによって形成されるものである。この金属間化合物層４１においては、金属層１３からヒートシンク３１に向かうに従い、漸次Ａｌの濃度が低くなり、かつＣｕの濃度が高くなる濃度勾配を有している。

この金属間化合物層４１は、ＡｌとＣｕからなる金属間化合物で構成されており、本実施形態では、複数の金属間化合物が接合界面に沿って積層した構造とされている。ここで、この金属間化合物層４１の厚さｔは、１μｍ以上８０μｍ以下の範囲内、好ましくは、５μｍ以上８０μｍ以下の範囲内に設定されている。
第１実施形態では、図２に示すように、３種の金属間化合物が積層された構造とされており、金属層１３側からヒートシンク３１側に向けて順に、θ相４３、η２相４４、ζ２相４５とされている（図１３）。
また、金属間化合物層４１とヒートシンク３１との接合界面には、酸化物４６が、接合界面に沿って層状に分散している。なお、第１実施形態においては、この酸化物４６は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等のアルミニウム酸化物とされている。なお、酸化物４６は、金属間化合物層４１とヒートシンク３１との界面に分断された状態で分散しており、金属間化合物層４１とヒートシンク３１とが直接接触している領域も存在している。

次に、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール１、ヒートシンク付パワーモジュール用基板３０、パワーモジュール用基板１０の製造方法について、図３及び図４を用いて説明する。
まず、図４で示すように、セラミックス基板１１の一方の面及び他方の面に、ろう材を介してアルミニウム板２２、２３を積層する。そして、加圧・加熱後冷却することによって、セラミックス基板１１とアルミニウム板２２、２３を接合し、回路層１２及び金属層１３を形成する（回路層及び金属層接合工程Ｓ１１）。なお、このろう付けの温度は、６４０℃〜６５０℃に設定されている。
こうして、セラミックス基板１１の一方の面に回路層１２が形成され、他方の面に金属層１３が形成されたパワーモジュール用基板１０が得られる。

次に、図４で示すように、金属層１３の他方側にヒートシンク３１を積層する。そして、金属層１３とヒートシンク３１に対して積層方向に荷重を負荷した状態で、アルミニウムと銅との共晶温度未満で保持することにより、金属層１３とヒートシンク３１を固相拡散接合する（ヒートシンク接合工程Ｓ１２）。具体的には、まず、パワーモジュール用基板１０の一方側及びヒートシンク３１の他方側から荷重を負荷し、真空加熱炉の中に配置する。本実施形態においては、金属層１３及びヒートシンク３１との接触面に負荷される荷重は、３ｋｇｆ／ｃｍ^２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ^２以下とされている。そして、真空加熱の加熱温度を、アルミニウムと銅との共晶温度未満として、固相拡散接合を行い、金属層１３とヒートシンク３１とを接合する。この真空加熱の好ましい条件は、４００℃以上５４８℃以下で、１５分以上２７０分以下に保持することとされている。
本実施形態においては、金属層１３とヒートシンク３１との接合される面において、予め当該面の傷が除去されて平滑にされた後に、固相拡散接合されている。
なお、真空加熱のより好ましい加熱温度は、アルミニウムと銅の共晶温度−５℃以上共晶温度未満の範囲とされている。
上述のようにして、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３０、及びパワーモジュール用基板１０が得られる。

そして、回路層１２の一方側（表面）に、はんだ材を介して半導体素子３を載置し、還元炉内においてはんだ接合する（半導体素子接合工程Ｓ１３）。
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１が製出される。

以上のような構成とされた本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板３０によれば、アルミニウムで構成された金属層１３と、銅で構成されたヒートシンク３１とが固相拡散接合によって接合される構成とされているので、熱伝導性が悪いグリースやはんだを介して接合されている場合と比較して、金属層１３とヒートシンク３１との接合部における熱伝導性を向上させて、熱抵抗を小さくすることができる。

さらには、金属層１３とヒートシンク３１とが固相拡散接合によって接合されており、金属層１３とヒートシンク３１との接合界面に、ＣｕとＡｌからなる金属間化合物層４１が形成されていることから、金属層１３中のＡｌ（アルミニウム原子）とヒートシンク３１中のＣｕ（銅原子）とが十分に相互拡散しており、金属層１３とヒートシンク３１とが強固に接合されている。

また、金属間化合物層４１は、複数の金属間化合物が前記接合界面に沿って積層した構造とされているので、脆い金属間化合物層が大きく成長してしまうことを抑制できる。また、金属層１３中のＡｌとヒートシンク３１中のＣｕとが相互拡散することにより、金属層１３側からヒートシンク３１側に向けてそれぞれの組成に適した金属間化合物が層状に形成されることから、接合界面近傍の特性を安定させることができる。
具体的には、金属間化合物層４１は、金属層１３からヒートシンク３１側に向けて順に、θ相４３、η２相４４、ζ２相４５の３種の金属間化合物が積層しているので、金属間化合物層４１の内部における体積変動が小さくなり、内部歪みが抑えられることになる。
すなわち、固相拡散しなかった場合、例えば、液相が形成された場合には、金属間化合物が必要以上に発生し、金属間化合物層はその体積の変動が大きくなり、金属間化合物層に内部歪みが生じる。しかし、固相拡散した場合には、脆い金属間化合物層が大きく成長せずに、金属間化合物が層状に形成されるため、その内部歪みが抑えられる。

また、これらの金属間化合物層４１とヒートシンク３１の接合界面において、酸化物４６が接合界面に沿って層状に分散しているので、金属層１３の表面に形成された酸化膜が確実に破壊され、ＣｕとＡｌの相互拡散が十分に進行していることになり、金属層１３とヒートシンク３１とが確実に接合されている。

さらに、金属間化合物層４１の平均厚みが１μｍ以上８０μｍ以下の範囲内、好ましくは５μｍ以上８０μｍ以下の範囲内とされているので、金属層１３中のＡｌとヒートシンク３１中のＣｕとが十分に相互拡散していることになり、金属層１３とヒートシンク３１とが強固に接合できるとともに、金属層１３、ヒートシンク３１、比べて脆い金属間化合物層４１が必要以上に成長することが抑えられており、接合界面の特性が安定することになる。

さらに、本実施形態においては、ヒートシンク３１の平均結晶粒径が５０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内とされ、金属層１３の平均結晶粒径が５００μｍ以上とされており、金属層１３、ヒートシンク３１の平均結晶粒径が比較的大きく設定されている。よって、金属層１３、ヒートシンク３１には、不要な歪が蓄積されておらず、疲労特性が良好となる。したがって、ヒートサイクル負荷において、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク３１との間に生じる熱応力に対する接合信頼性が向上する。

また、パワーモジュール用基板１０の金属層１３とヒートシンク３１に対して積層方向に荷重を負荷した状態で固相拡散接合する構成とされているので、金属層１３とヒートシンク３１との接合部に隙間が生じ難く、接合部の熱伝導性を良好にすることができる。
さらに、アルミニウムと銅の共晶温度未満で保持することにより固相拡散接合されているので、金属層１３とヒートシンク３１との間に液相が形成されない。そのため、金属層１３とヒートシンク３１との間にアルミニウムと銅の化合物が多量に生成されず、金属層１３とヒートシンク３１との接合部の接合信頼性を向上させることができる。

また、セラミックス基板１１の一方の面及び他方の面に変形抵抗が小さいアルミニウムで構成された回路層１２及び金属層１３が配設されており、ヒートサイクルが負荷された場合にセラミックス基板１１に生じる熱応力を回路層１２及び金属層１３が吸収するので、セラミックス基板１１に割れが発生することを抑制できる。
また、ヒートシンク３１が熱伝導性に優れる銅で構成されているので、ヒートシンク付パワーモジュール用基板３０の放熱性を向上させることが可能である。

上述のようなヒートシンク付パワーモジュール用基板３０を用いたヒートシンク付パワーモジュール１においては、金属層１３とヒートシンク３１との接合部における熱抵抗が小さくなっているので、半導体素子３から発生する熱を効率的に放散することができる。さらには、金属層１３とヒートシンク３１との接合強度が高いため、ヒートサイクルが負荷された場合に、接合界面の剥離が生じ難く、ヒートシンク付パワーモジュール１の熱抵抗の上昇を抑制することができる。また、ヒートシンク３１が熱伝導性に優れる銅で構成されているので、半導体素子３からの熱をさらに効率的に放散することが可能である。
本発明のヒートシンク付パワーモジュール１によれば、このように半導体素子３からの熱を効率的に放散し、半導体素子３の温度上昇を抑制することができるので、所定の温度で半導体素子３を動作させ、動作の安定性を向上させることが可能となる。
また、回路層１２及び金属層１３が変形抵抗の小さいアルミニウムで構成されているので、セラミックス基板１１に割れが発生することを抑制し、ヒートシンク付パワーモジュール１の信頼性を向上させることができる。

また、固相拡散接合は、セラミックス基板１１の一方の面及び他方の面に、回路層１２及び金属層１３を形成し、金属層１３の他方側にヒートシンク３１を配置した後に、金属層１３及びヒートシンク３１に対して、３ｋｇｆ／ｃｍ^２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ^２以下の荷重が負荷された状態で、４００℃以上５４８℃以下で、１５分以上２７０分以下保持する構成とされている。このようにして、金属層１３とヒートシンク３１とが十分に密着した状態で、金属層１３中にヒートシンク３１の銅原子を固相拡散させ、ヒートシンク３１中に金属層１３のアルミニウム原子を固相拡散させて金属層１３とヒートシンク３１を接合することにより、金属層１３の他方側にヒートシンク３１を確実に形成することができる。

さらに、このように固相拡散接合を行うことで、金属層１３とヒートシンク３１との間に隙間が生じることを抑制して金属層１３とヒートシンク３１とを接合することができるので、金属層１３とヒートシンク３１との接合界面における熱伝導性を良好にし、熱抵抗を小さくすることができ、半導体素子３から生じる熱をヒートシンク３１側へと効率的に放散することが可能である。

固相拡散接合する際に、金属層１３及びヒートシンク３１に対して負荷される荷重が３ｋｇｆ／ｃｍ^２未満の場合は、金属層１３とヒートシンク３１とを十分に接合させることが困難となり、金属層１３とヒートシンク３１との間に隙間が生じる場合がある。また、３５ｋｇｆ／ｃｍ^２を超える場合には、負荷される荷重が高すぎてセラミックス基板１１に割れが発生することがある。このような理由により、固相拡散接合の際に負荷される荷重は、上記の範囲に設定されている。

固相拡散接合する際の温度が４００℃未満の場合には、アルミニウム原子と銅原子とが十分に拡散せず、固相拡散による接合が困難となる。また、５４８℃を超える場合には、金属層１３とヒートシンク３１との間に液相が形成されてアルミニウムと銅の化合物が多量に生成するので、金属層１３とヒートシンク３１との接合が阻害され、接合信頼性が低下する。このような理由により、固相拡散接合の際の温度は、上記の範囲に設定されている。

また、固相拡散接合時における真空加熱の好ましい温度は、アルミニウムと銅の共晶温度から共晶温度−５℃以上共晶温度未満の範囲とされている。このような真空加熱の温度を選択したときには、金属層１３とヒートシンク３１との間に液相が形成されないのでアルミニウムと銅の化合物が多量に生成せず、固相拡散接合の接合信頼性が良好となることに加えて、固相拡散接合の際の拡散速度が速く、比較的短時間で固相拡散接合できるため上記のように設定されている。

固相拡散接合時の加熱の保持時間が、１５分未満の場合は、保持時間が短過ぎるために固相拡散が十分に生じ難く、接合が不十分となることがあり、２７０分を超える場合は、製造コストが増加するため、上記の範囲に設定されている。

また、固相拡散接合する際に、接合される面に傷がある場合、固相拡散接合時に隙間が生じるが、金属層１３とヒートシンク３１との接合される面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされた後に、固相拡散接合されているので、それぞれの接合界面に隙間が生じることを抑制して接合することが可能である。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
図５に、本発明の第２実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール１０１、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１３０、パワーモジュール用基板１１０を示す。なお、第１実施形態と同様の構成のものについては、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

ヒートシンク付パワーモジュール１０１は、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１３０と、このヒートシンク付パワーモジュール用基板１３０の一方側（図５において上側）にはんだ層２を介して接合された半導体素子３と、を備えている。
ヒートシンク付パワーモジュール用基板１３０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の他方側（図５において下側）に接合されたヒートシンク１３１とを備えている。
そして、パワーモジュール用基板１１０は、図５で示すように、セラミックス基板１１（絶縁層）と、このセラミックス基板１１の一方の面（図５において上面）に形成された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面（図５において下面）に形成された金属層１１３と、を備えている。

金属層１１３は、セラミックス基板１１の他方の面（図５において下面）に、金属板が接合されることにより形成されている。第２実施形態においては、金属層１１３は、無酸素銅で構成されている。この金属層１１３の平均結晶粒径は５０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内とされている。

ヒートシンク１３１は、アルミニウム合金（Ａ６０６３）で構成され、内部には流路１３２が形成されている。第２実施形態においては、ヒートシンク１３１の平均結晶粒径が５００μｍ以上とされている。
そして、パワーモジュール用基板１１０の金属層１１３とヒートシンク１３１とが、固相拡散接合によって接合されている。

金属層１１３とヒートシンク１３１との接合界面には、図６に示すように、金属間化合物層１４１が形成されている。
金属間化合物層１４１は、金属層１１３のＣｕ（銅原子）と、ヒートシンク１３１のＡｌ（アルミニウム原子）とが相互拡散することによって形成されるものである。この金属間化合物層１４１においては、ヒートシンク１３１から金属層１１３に向かうに従い、漸次Ａｌの濃度が低くなり、かつＣｕの濃度が高くなる濃度勾配を有している。

この金属間化合物層１４１は、ＡｌとＣｕからなる金属間化合物で構成されており、第２実施形態では、複数の金属間化合物が接合界面に沿って積層した構造とされている。ここで、この金属間化合物層１４１の厚さｔは、１μｍ以上８０μｍ以下の範囲内、好ましくは、５μｍ以上８０μｍ以下の範囲内に設定されている。
第２実施形態では、図６に示すように、３種の金属間化合物が積層された構造とされており、ヒートシンク１３１側から金属層１１３側に向けて順に、θ相４３、η２相４４、ζ２相４５とされている。
また、金属間化合物層１４１と金属層１１３との接合界面には、酸化物４６が、接合界面に沿って層状に分散している。なお、第２実施形態においては、この酸化物４６は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等のアルミニウム酸化物とされている。なお、酸化物４６は、金属間化合物層１４１と金属層１１３との界面に分断された状態で分散しており、金属間化合物層１４１と金属層１１３とが直接接触している領域も存在している。

次に、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール１０１、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１３０、パワーモジュール用基板１１０の製造方法について説明する。
まず、セラミックス基板１１の一方の面に、金属層１１３となる銅板を接合し、他方の面に回路層１２となるＡｌ板を接合した。本実施形態では、銅板として無酸素銅を、Ａｌ板として４Ｎアルミニウムを用い、セラミックス基板と銅板の接合を活性金属ろう付け法で、セラミックス基板とＡｌ板の接合をＡｌ−Ｓｉ系ろう材を用いた接合で行った。

次に、金属層１１３の他方側にヒートシンク１３１を積層する。そして、金属層１１３とヒートシンク１３１に対して積層方向に荷重を負荷した状態で、アルミニウムと銅との共晶温度未満で保持することにより、金属層１１３とヒートシンク１３１を固相拡散接合する。固相拡散接合の条件は第１実施形態と同様である。
上述のようにして、第２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１３０、及びパワーモジュール用基板１１０が得られる。

そして、回路層１２の一方側（表面）に、はんだ材を介して半導体素子３を載置し、還元炉内においてはんだ接合する。
このようにして、本発明の第２実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール１０１が製出される。

以上のような構成とされた第２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１３０によれば、銅で構成された金属層１１３と、アルミニウム合金（Ａ６０６３）で構成されたヒートシンク１３１とが固相拡散接合によって接合される構成とされているので、熱伝導性が悪いグリースやはんだを介して接合されている場合と比較して、金属層１１３とヒートシンク１３１との接合部における熱伝導性を向上させて、熱抵抗を小さくすることができる。

さらには、金属層１１３とヒートシンク１３１とが固相拡散接合によって接合されており、金属層１１３とヒートシンク１３１との接合界面に、ＣｕとＡｌからなる金属間化合物層１４１が形成されていることから、金属層１１３中のＣｕ（銅原子）とヒートシンク１３１中のＡｌ（アルミニウム原子）とが十分に相互拡散しており、金属層１１３とヒートシンク１３１とが強固に接合されている。

また、これらの金属間化合物層１４１と金属層１１３の接合界面において、酸化物４６が接合界面に沿って層状に分散しているので、ヒートシンク１３１の表面に形成された酸化膜が確実に破壊され、ＣｕとＡｌの相互拡散が十分に進行していることになり、金属層１１３とヒートシンク１３１とが確実に接合されている。

さらに、金属間化合物層１４１の平均厚みが１μｍ以上８０μｍ以下の範囲内、好ましくは５μｍ以上８０μｍ以下の範囲内とされているので、金属層１１３中のＣｕとヒートシンク１３１中のＡｌとが十分に相互拡散していることになり、金属層１１３とヒートシンク１３１とが強固に接合できるとともに、金属層１１３、ヒートシンク１３１に比べて脆い金属間化合物層１４１が必要以上に成長することが抑えられており、接合界面の特性が安定することになる。

さらに、第２実施形態においては、ヒートシンク１３１の平均結晶粒径が５００μｍ以上とされ、金属層１１３の平均結晶粒径が５０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内とされており、金属層１１３、ヒートシンク１３１の平均結晶粒径が比較的大きく設定されている。よって、金属層１１３、ヒートシンク１３１には、不要な歪が蓄積されておらず、疲労特性が良好となる。したがって、ヒートサイクル負荷において、パワーモジュール用基板１１０とヒートシンク１３１との間に生じる熱応力に対する接合信頼性が向上する。

さらに、第２実施形態においては金属層１１３が無酸素銅で構成されているので、半導体素子３からの熱を拡げて効率的にヒートシンク１３１側へと伝達し熱抵抗を小さくできる。

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。

なお、上記の実施形態においては、回路層が純度９９．９９％の４Ｎアルミニウムで構成されている場合について説明したが、これに限定されるものではなく、純度９９％のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）、アルミニウム合金、銅、又は銅合金で構成されても良い。銅や銅合金で回路層を形成した場合には、半導体素子からの熱を回路層で面方向に拡げ、効率的にパワーモジュール用基板側へ放散することが可能である。

また、上記の実施形態においては、金属層が純度９９．９９％の純アルミニウムで構成されている場合について説明したが、純度９９％のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）やアルミニウム合金で構成されても良い。また、ヒートシンクがアルミニウム合金（Ａ６０６３）で構成されている場合について説明したが、純度９９．９９％の純アルミニウムや他のアルミニウム合金で構成されていても良い。
また、金属層又はヒートシンクが無酸素銅で構成される場合について説明したが、タフピッチ銅や銅合金で構成されても良い。また、ヒートシンクの内部に流路が設けられている場合について説明したが、流路は設けられていなくても良い。また、ヒートシンクは放熱フィンを備えていても良い。
例えば、金属層をアルミニウム合金で構成し、ヒートシンクを銅合金で構成した場合には、固相拡散接合時の加熱の温度をアルミニウム合金と銅合金との共晶温度未満とすれば良く、金属層を構成する金属とヒートシンクを構成する金属に応じた共晶温度未満とすれば良い。

また、絶縁層としてＡｌＮからなるセラミックス基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、Ｓｉ_３Ｎ_４やＡｌ_２Ｏ_３等からなるセラミックス基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良い。

また、上記の実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板において、セラミックス基板の一方の面に、回路層としてアルミニウム板が接合されている場合について説明したが、例えば図７のヒートシンク付パワーモジュール用基板２３０に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に、回路層２１２として、半導体素子などが接合されるダイパッド２３２と、外部端子として用いられるリード部２３３とを有する銅板を接合しても良い。ここで、セラミックス基板１１と上述の銅板との接合方法としては、例えば活性金属ロウ付け法やＤＢＣ法などによる接合方法が挙げられる。また、図７に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板２３０では、ダイパッド２３２とセラミックス基板１１とが接合されている。

また、図８に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板３３０に示すように、回路層３１２が、アルミニウム層３１２Ａと、このアルミニウム層３１２Ａの一方側に接合された銅層３１２Ｂとを備え、この銅層３１２Ｂは、ダイパッド３３２とリード部３３３とを有する銅板からなる構成とされても良い。このヒートシンク付パワーモジュール用基板３３０では、アルミニウム層３１２Ａと、ダイパッド３３２とが、固相拡散接合によって接合されている。
ここで、アルミニウム層３１２Ａの厚さは、０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下とされていることが好ましい。また、銅層３１２Ｂの厚さは、０．１ｍｍ以上６．０ｍｍ以下とされていることが好ましい。

また、第１実施形態では、金属層１３とヒートシンク３１との接合界面には、金属間化合物層４１が形成され、この金属間化合物層４１は、金属層１３側からヒートシンク３１側に向けて順に、θ相４３、η２相４４、ζ２相４５が積層して構成されている場合について説明したが、これに限定されるものではない。
具体的には、金属層１３とヒートシンク３１との接合界面において、金属層１３側からヒートシンク３１側に向けて順に、アルミニウムの比率が低くなるように、複数のＣｕ及びＡｌからなる金属間化合物が積層されていても良い。また、図９に示すように、金属層１３とヒートシンク３１との接合界面には、金属層１３側からヒートシンク３１側に向けて順に、前述の接合界面に沿って、θ相４４３、η２相４４４が積層し、さらにζ２相４４５、δ相４４７、及びγ２相４４８のうち少なくとも一つの相が積層して構成されていても良い（図１３）。

また、第１実施形態では、金属間化合物層４１とヒートシンク３１との接合界面には、酸化物４６が、接合界面に沿って層状に分散している場合について説明したが、例えば図１０に示すように、金属間化合物層４４１とヒートシンク３１との界面に沿って、酸化物４４６が、ζ２相４４５、δ相４４７、及びγ２相４４８のうち少なくとも一つの相で構成された層の内部に層状に分散している構成とされても良い。なお、この酸化物４４６は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等のアルミニウム酸化物とされている。

また、第２実施形態では、金属層１１３とヒートシンク１３１との接合界面には、金属間化合物層１４１が形成され、この金属間化合物層１４１は、ヒートシンク１３１側から金属層１１３側に向けて順に、θ相４３、η２相４４、ζ２相４５が積層して構成されている場合について説明したが、これに限定されるものではない。
具体的には、金属層１１３とヒートシンク１３１との接合界面において、ヒートシンク１３１側から金属層１１３側に向けて順に、アルミニウムの比率が低くなるように、複数のＣｕ及びＡｌからなる金属間化合物が積層されていても良い。また、図１１に示すように、金属層１１３とヒートシンク１３１との接合界面には、ヒートシンク１３１側から金属層１１３側に向けて順に、前述の接合界面に沿って、θ相５４３、η２相５４４が積層し、さらにζ２相５４５、δ相５４７、及びγ２相５４８のうち少なくとも一つの相が積層して構成されていても良い。

また、第２実施形態では、金属間化合物層１４１と金属層１１３との接合界面には、酸化物４６が、接合界面に沿って層状に分散している場合について説明したが、例えば図１２に示すように、金属間化合物層５４１と金属層１１３との界面に沿って、酸化物５４６がζ２相５４５、δ相５４７、及びγ２相５４８のうち少なくとも一つの相で構成された層の内部に層状に分散している構成とされても良い。なお、この酸化物５４６は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等のアルミニウム酸化物とされている。

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。
図３のフロー図に記載した手順に従って、表１及び表２に示す条件で金属層とヒートシンクとを固相拡散接合して作製されたヒートシンク付パワーモジュール用基板を用いて、本発明例１−１〜１−７、本発明例２−１〜２−７、比較例１及び比較例２のヒートシンク付パワーモジュールを作製した。
なお、セラミックス基板は、ＡｌＮで構成され、４０ｍｍ×４０ｍｍ、厚さ０．６３５ｍｍのものを使用した。
また、回路層は、４Ｎアルミニウムの圧延板で構成され、３７ｍｍ×３７ｍｍ、厚さ０．６ｍｍのものを使用した。

金属層は、本発明例１−１〜１−７、及び比較例１については、４Ｎアルミニウムの圧延板で構成され、３７ｍｍ×３７ｍｍ、厚さ１．６ｍｍのものを使用した。
また、本発明例２−１〜２−７、及び比較例２については、無酸素銅の圧延板で構成され、３７ｍｍ×３７ｍｍ、厚さ０．３ｍｍのものを使用した。

ヒートシンクは、本発明例１−１〜１−７、及び比較例１については、無酸素銅で構成され、ヒートシンクの内部に冷却用の流路を有するものを用いた。
また、本発明例２−１〜２−７、及び比較例２については、アルミニウム合金（Ａ６０６３）で構成され、ヒートシンクの内部に冷却用の流路を有するものを用いた。
半導体素子は、ＩＧＢＴ素子とし、１２．５ｍｍ×９．５ｍｍ、厚さ０．２５ｍｍのものを使用した。
このようにして作製したヒートシンク付パワーモジュールに対して、以下の評価を実施した。

（ヒートサイクル試験）
ヒートサイクル試験は、ヒートシンク付パワーモジュールに対して、−４０℃←→１２５℃のヒートサイクルを負荷することにより行う。本実施例では、このヒートサイクルを３０００回実施した。
このヒートサイクル試験前後における、金属層とヒートシンクとの界面における接合率及びヒートシンク付パワーモジュールの熱抵抗を測定した。

（酸化物の評価方法）
クロスセクションポリッシャ（日本電子株式会社製ＳＭ−０９０１０）を用いて、イオン加速電圧：５ｋＶ、加工時間：１４時間、遮蔽板からの突出量：１００μｍでイオンエッチングした断面を走査型電子顕微鏡（カール ツァイスＮＴＳ社製ＵＬＴＲＡ５５）を用いて、加速電圧：１ｋＶ、ＷＤ：２．５ｍｍでＩｎ−Ｌｅｎｓ像、組成像の撮影及びＥＤＳ分析を行った。
本発明例１−１〜１−７及び２−１〜２−７では、Ｉｎ−Ｌｅｎｓ像を撮影すると、Ｃｕと金属間化合物層の界面に沿って層状に分散した白いコンラストが得られた。また同条件にて組成像を撮影すると、前記箇所はＡｌより暗いコントラストになっていた。さらにＥＤＳ分析から前記箇所に酸素が濃集していた。以上のことからＣｕと金属間化合物層との界面には、酸化物が、前記界面に沿って層状に分散していることを確認した。
また、比較例１及び比較例２ではこのような酸化物は確認されなかった。

（金属層とヒートシンクとの接合界面の接合率評価）
ヒートサイクル試験前後のヒートシンク付パワーモジュールに対して、金属層とヒートシンクとの接合界面の接合率について超音波探傷装置を用いて評価し、以下の式から算出した。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、すなわち金属層の面積とした。超音波探傷像において剥離は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）×１００

（熱抵抗評価）
熱抵抗は、次のようにして測定した。半導体素子としてヒータチップを用い、１００Ｗの電力で加熱し、熱電対を用いてヒータチップの温度を実測した。また、ヒートシンクを流通する冷却媒体（エチレングリコール：水＝９：１）の温度を実測した。そして、ヒータチップの温度と冷却媒体の温度差を電力で割った値を熱抵抗とした。

金属層を４Ｎアルミニウム、ヒートシンクを無酸素銅とした本発明例１−１〜１−７、及び比較例１の評価結果を表１に示す。
金属層を無酸素銅、ヒートシンクをアルミニウム合金（Ａ６０６３）とした本発明例２−１〜２−７、及び比較例２の評価結果を表２に示す。

表１、表２に示すように、Ｃｕと金属間化合物層の界面に沿って層状に分散した酸化物が無い比較例１及び比較例２では、ヒートサイクル試験前の接合率は高かったものの、ヒートサイクル試験後の接合率は低下し、熱抵抗は上昇した。これは、固相拡散接合時の温度をアルミニウムと銅との共晶温度以上としたためと推察される。
一方、本発明である本発明例１−１〜１−７及び２−１〜２−７では、Ｃｕと金属間化合物層の界面に沿って層状に分散した酸化物があるため、ヒートサイクル試験前及び試験後における接合率は共に高く、さらに、ヒートサイクル試験前後の熱抵抗は共に低かった。
よって、本発明例１−１〜１−７及び２−１〜２−７では、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た。

１、１０１ ヒートシンク付パワーモジュール
３ 半導体素子
１０、１１０ パワーモジュール用基板
１１ セラミックス基板
１２、２１２、３１２ 回路層
１３、１１３ 金属層
３０、１３０、２３０、３３０ ヒートシンク付パワーモジュール用基板
３１、１３１ ヒートシンク
４１、１４１、４４１、５４１ 金属間化合物層

Claims (3)

1. 絶縁層の一方の面に回路層が配設され、前記絶縁層の他方の面に金属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金属層に接合されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、
   前記金属層及び前記ヒートシンクの一方がアルミニウム又はアルミニウム合金で構成され、
   他方が銅又は銅合金で構成され、
   前記金属層と前記ヒートシンクとが、固相拡散接合され、
   前記金属層と前記ヒートシンクとの接合界面には、ＣｕとＡｌからなる金属間化合物層が形成されており、
   銅又は銅合金からなる前記金属層又は前記ヒートシンクと前記金属間化合物層との界面には、酸化物が前記界面に沿って層状に分散し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. 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と、前記回路層の一方側に接合された半導体素子と、を備えることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール。
3. 絶縁層の一方の面に回路層が配設され、前記絶縁層の他方の面に金属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金属層に接合されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法であって、
   前記金属層及び前記ヒートシンクの一方をアルミニウム又はアルミニウム合金で構成し、他方を銅又は銅合金で構成し、
   前記金属層と前記ヒートシンクとを積層し、前記金属層と前記ヒートシンクに対して積層方向に３ｋｇｆ／ｃｍ ^２ 以上３５ｋｇｆ／ｃｍ ^２ 以下の荷重を負荷した状態で、アルミニウムと銅との共晶温度未満で保持し、前記金属層と前記ヒートシンクとを固相拡散接合することにより、
   前記金属層と前記ヒートシンクとの接合界面に、ＣｕとＡｌからなる金属間化合物層を形成するとともに、前記銅又は銅合金からなる前記金属層又は前記ヒートシンクと前記金属間化合物層との界面に酸化物を前記界面に沿って層状に分散させることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。

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