JP5640548B2 - 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。

さらに、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。

また、セラミックス基板と金属板とのろう付けする際には、融点を低く設定するためにＳｉを７．５質量％以上含有するＡｌ−Ｓｉ系合金のろう材箔が使用されることが多い。このようにＳｉを比較的多く含有するＡｌ−Ｓｉ系合金においては、延性が不十分であることから圧延等によって箔材を製造するのが困難であった。

さらに、ろう材箔を用いた場合、金属板とセラミックス基板との界面部分には、金属板の表面、ろう材箔の両面の３つの面において酸化被膜が存在することになり、酸化被膜の合計厚さが厚くなる傾向にあった。

さらに、セラミックス基板と金属板との間にろう材箔を配置し、これらを積層方向に加圧して加熱することになるが、この加圧に際してろう材箔の位置がずれないように、ろう材箔、セラミックス基板及び金属板を積層配置する必要があった。
特に、特許文献２に記載されているように、予め回路パターン状に形成された金属片をろう材箔を介して接合する場合には、接合面の形状が複雑なため、さらに、ろう材箔、セラミックス基板及び金属板の位置精度を向上させる必要があった。
なお、ろう材箔の位置がずれた場合には、セラミックス基板と金属板との間に溶融金属層を十分に形成することができず、セラミックス基板と金属板との間の接合強度が低下するおそれがある。

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、容易に、かつ、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熱サイクル信頼性の高いパワーモジュール用基板を得ることができる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ＳｉとＣｕを固着させるＳｉ及びＣｕ固着工程と、固着したＳｉ及びＣｕを介して前記セラミックス基板と前記金属板とを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Ｓｉ及びＣｕ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、Ｓｉ；０．００２ｍｇ／ｃｍ^２以上１．２ｍｇ／ｃｍ^２以下、Ｃｕ；０．０８ｍｇ／ｃｍ^２以上２．７ｍｇ／ｃｍ^２以下を介在させ、前記加熱工程において、固着させたＳｉ及びＣｕ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、前記溶融金属領域が形成された状態で温度を一定に保持し、前記溶融金属領域中のＳｉ及びＣｕをさらに前記金属板側に拡散させることにより、温度を一定に保持した状態で前記溶融金属領域の凝固を進行させ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おいては、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Ｓｉ及びＣｕを固着させるＳｉ及びＣｕ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、ＳｉとＣｕと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、固着したＳｉ及びＣｕ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、製造が困難な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。

また、ろう材箔を使用せずに、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Ｓｉ及びＣｕを固着しているので、ろう材箔の位置合わせ作業等を行う必要がない。よって、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。

しかも、金属板及びセラミックス基板に直接Ｓｉ及びＣｕを固着した場合、酸化被膜は、金属板の表面にのみ形成されることになり、金属板及びセラミックス基板の界面に存在する酸化被膜の合計厚さが薄くなるので、初期接合の歩留りが向上する。

また、前記Ｓｉ及びＣｕ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Ｓｉ量及びＣｕ量を、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、Ｓｉ及びＣｕを固着して形成された部分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、Ｓｉ及びＣｕ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。

また、前記Ｓｉ及びＣｕ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、Ｓｉ；０．００２ｍｇ／ｃｍ^２以上１．２ｍｇ／ｃｍ^２以下、Ｃｕ；０．０８ｍｇ／ｃｍ^２以上２．７ｍｇ／ｃｍ^２以下を介在させているので、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５．０質量％以下の範囲内に設定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。

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Ｓｉ及び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Ｓｉ及びＣｕを固着させることが好ましい。
また、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、Ｓｉ及びＣｕをそれぞれ単独で固着して、Ｃｕ層及びＳｉ層を形成してもよい。あるいは、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、Ｓｉ及びＣｕを同時に固着させてＳｉとＣｕとの混在層を形成してもよい。

ここで、前記Ｓｉ及びＣｕ固着工程では、Ｓｉ及びＣｕ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、Ｓｉ及びＣｕとともにＡｌを固着させているので、形成されるＳｉ及びＣｕ層がＡｌを含有することになり、このＳｉ及びＣｕ層が優先的に溶融することになり、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、Ｓｉ及びＣｕとともにＡｌを固着させるには、Ｓｉ及びＣｕとＡｌとを同時に蒸着してもよいし、Ｓｉ及び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、Ｓｉ及びＣｕとＡｌを積層させてもよい。

また、前記Ｓｉ及びＣｕ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Ｓｉ及びＣｕ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、Ｓｉ及びＣｕ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Ｓｉ及びＣｕを確実に介在させることが可能となる。また、Ｓｉ及びＣｕ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、容易に、かつ、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熱サイクル信頼性の高いパワーモジュール用基板を得ることができる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濃度分布及びＣｕ濃度分布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の回路層及び金属層のＳｉ濃度分布及びＣｕ濃度分布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。 実施例の評価結果を示すグラフである。

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４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、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４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５と、冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路６と、を備えている。ヒートシンク４（天板部５）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４の天板部５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の幅方向中央部（図１のＡ部）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、接合界面３０から積層方向に離間するにしたがい漸次Ｓｉ濃度及びＣｕ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側のＳｉ濃度が０．０５質量％以上０．５質量％以下の範囲内に、Ｃｕ濃度が０．０５質量％以上５．０質量％以下の範囲内に設定されている。
なお、濃度傾斜層３３の接合界面３０側のＳｉ濃度及びＣｕ濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって、接合界面３０から５０μｍの位置で５点測定した平均値である。また、図２のグラフは、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）の中央部分において積層方向にライン分析を行い、前述の５０μm位置での濃度を基準として求めたものである。

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の幅方向端部（図１のＢ部）においては、アルミニウムの母相中にＣｕを含む化合物が析出したＣｕ析出部３５が形成されている。ここで、このＣｕ析出部３５におけるＣｕ濃度は、０．５質量％以上５．０質量％以下の範囲内に設定されており、アルミニウム中の固溶量を大幅に超えるＣｕが含有されている。
なお、Ｃｕ析出部３５のＣｕ濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）で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を透過電子顕微鏡において観察した場合には、図３に示すように、接合界面３０にＳｉが濃縮したＳｉ高濃度部３２が形成されている。このＳｉ高濃度部３２においては、Ｓｉ濃度が、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）中のＳｉ濃度よりも５倍以上高くなっている。なお、このＳｉ高濃度部３２の厚さＨは４ｎｍ以下とされている。
ここで、観察する接合界面３０は、図３に示すように、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）の格子像の界面側端部とセラミックス基板１１の格子像の界面側端部との間の中央を基準面Ｓとする。

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。

（Ｓｉ及びＣｕ固着工程Ｓ１）
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Ｓｉ及びＣｕを固着し、ＳｉとＣｕとの混在層２４、２５を形成する。ここで、混在層２４、２５におけるＳｉ量及びＣｕ量は、Ｓｉ；０．００２ｍｇ／ｃｍ^２以上１．２ｍｇ／ｃｍ^２以下、Ｃｕ；０．０８ｍｇ／ｃｍ^２以上２．７ｍｇ／ｃｍ^２以下に設定されている。

（積層工程Ｓ２）
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のうち混在層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との間にそれぞれ混在層２４、２５（Ｓｉ及びＣｕ）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Ｓ３）
次に、積層工程Ｓ２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１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ^２）した状態で真空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２６、２７を形成する。この溶融金属領域２６、２７は、図６に示すように、混在層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の混在層２４、２５近傍のＳｉ濃度及び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。なお、上述の圧力が１ｋｇｆ／ｃｍ^２未満の場合には、セラミックス基板１１と金属板２２、２３との接合を良好に行うことができなくなるおそれがある。また、上述の圧力が３５ｋｇｆ／ｃｍ^２を超えた場合には、金属板２２，２３が変形するおそれがある。よって、積層体２０を加圧する際の圧力は、１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ^２の範囲内とすることが好ましい。
ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力を１０^−６〜１０^−３Ｐａ、加熱温度を６１０℃以上６５５℃以下の範囲内に設定している。

（凝固工程Ｓ４）
次に、溶融金属領域２６、２７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２６、２７中のＳｉ及び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２６、２７であった部分のＳｉ濃度及び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Ｓｉ及びＣｕを固着させるＳｉ及びＣｕ固着工程Ｓ１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とＣｕと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ＳｉとＣｕとの混在層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２６、２７を形成し、この溶融金属領域２６、２７中のＳｉ及びＣｕを金属板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の幅方向中央部においては、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、接合界面３０から積層方向に離間するにしたがい漸次Ｓｉ濃度及びＣｕ濃度が低下する濃度傾斜層３３が形成されており、この濃度傾斜層３３の接合界面３０側のＳｉ濃度が０．０５質量％以上０．５質量％以下の範囲内に、Ｃｕ濃度が０．０５質量％以上５．０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Ｓ３においてＳｉ及びＣｕ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。

さらに、本実施形態では、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、Ｓｉ濃度が、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）中のＳｉ濃度の５倍以上とされたＳｉ高濃度部３２が形成されているので、接合界面３０に存在するＳｉ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。

また、金属板の接合面にＳｉ及びＣｕを固着させて混在層２４、２５を形成するＳｉ及びＣｕ固着工程Ｓ１を備えており、加熱工程Ｓ３において、混在層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２６、２７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、Ｓｉ及びＣｕ固着工程Ｓ１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２６、２７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、ＳｉとＣｕの混在層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２６，２７を確実に形成することができる。さらに、Ｓｉ及びＣｕ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Ｓｉ及びＣｕを固着して混在層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。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る。
しかも、金属板２２、２３の接合面に混在層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、初期接合の歩留りを向上させることができる。
さらに、本実施形態では、金属板２２、２３の接合面に直接Ｓｉ及びＣｕを固着して混在層２４、２５を形成する構成としているので、Ｓｉ及びＣｕ固着工程Ｓ１を効率良く行うことができる。

次に、本発明の第２の実施形態について図７から図１０を参照して説明する。
この第２の実施形態であるパワーモジュール用基板においては、セラミックス基板１１１がＳｉ_３Ｎ_４で構成されている。

ここで、図７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の幅方向中央部においては、回路層１１２（金属板１２２）及び金属層１１３（金属板１２３）にＳｉ及びＣｕが固溶しており、接合界面１３０から積層方向に離間するにしたがい漸次Ｓｉ濃度及びＣｕ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側のＳｉ濃度が０．０５質量％以上０．５質量％以下の範囲内に、Ｃｕ濃度が０．０５質量％以上５．０質量％以下の範囲内に設定されている。
なお、濃度傾斜層１３３の接合界面１３０側のＳｉ濃度及びＣｕ濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって、接合界面３０から５０μｍの位置で５点測定した平均値である。また、図７のグラフは、回路層１１２（金属板１２２）及び金属層１１３（金属板１２３）の中央部分において積層方向にライン分析を行い、前述の５０μm位置での濃度を基準として求めたものである。

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を透過電子顕微鏡において観察した場合には、図８に示すように、接合界面１３０に酸素が濃縮した酸素高濃度部１３２が形成されている。この酸素高濃度部１３２においては、酸素濃度が、回路層１１２（金属板１２２）及び金属層１１３（金属板１２３）中の酸素濃度よりも高くなっている。なお、この酸素高濃度部１３２の厚さＨは４ｎｍ以下とされている。
なお、ここで観察する接合界面１３０は、図８に示すように、回路層１１２（金属板１２２）及び金属層１１３（金属板１２３）の格子像の界面側端部とセラミックス基板１１１の格子像の接合界面側端部との間の中央を基準面Ｓとする。

以下に、前述の構成のパワーモジュール用基板の製造方法について、図９及び図１０を参照して説明する。なお、本実施形態では、Ｓｉ及びＣｕ固着工程が、Ｃｕ固着工程Ｓ１０とＳｉ固着工程Ｓ１１とに分離されている。

（Ｃｕ固着工程Ｓ１０）
まず、図１０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Ｃｕを固着し、Ｃｕ層１２４Ａ、１２５Ａを形成する。ここで、Ｃｕ層１２４Ａ、１２５ＡにおけるＣｕ量は、Ｃｕ；０．０８ｍｇ／ｃｍ^２以上２．７ｍｇ／ｃｍ^２以下に設定されている。

（Ｓｉ固着工程Ｓ１１）
次に、金属板１２２、１２３のそれぞれの接合面に形成されたＣｕ層１２４Ａ、１２５Ａの上に、スパッタリングによってＳｉを固着し、Ｓｉ層１２４Ｂ、１２５Ｂを形成する。ここで、Ｓｉ層１２４Ｂ、１２５ＢにおけるＳｉ量は、Ｓｉ；０．００２ｍｇ／ｃｍ^２以上１．２ｍｇ／ｃｍ^２以下に設定されている。

（積層工程Ｓ１２）
次に、図１０に示すように、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１０に示すように、金属板１２２、１２３のうちＣｕ層１２４Ａ、１２５Ａ及びＳｉ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Ｃｕ層１２４Ａ、１２５Ａ及びＳｉ層１２４Ｂ、１２５Ｂ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１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ^２）した状態で真空加熱炉内に装入して加熱し、図１０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１２６、１２７を形成する。この溶融金属領域１２６、１２７は、図１０に示すように、Ｃｕ層１２４Ａ、１２５Ａ及びＳｉ層１２４Ｂ、１２５ＢのＳｉ及びＣｕが金属板１２２、１２３側に拡散することによって、金属板１２２、１２３のＣｕ層１２４Ａ、１２５Ａ及びＳｉ層１２４Ｂ、１２５Ｂ近傍のＳｉ濃度及び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。
ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力を１０^−６〜１０^−３Ｐａ、加熱温度を６１０℃以上６５５℃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１２６、１２７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１２６、１２７中のＳｉ及びＣｕ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１２６、１２７であった部分のＳｉ濃度及び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１１１と金属板１２２、１２３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。

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が製造されることになる。

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においては、金属板1２２、1２３の接合面にＣｕを固着させるＣｕ固着工程Ｓ１０及びＳｉを固着させるＳｉ固着工程Ｓ１１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、ＳｉとＣｕと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。

さらに、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）とが、金属板１２２、１２３の接合面に形成されたＣｕ層１２４Ａ、１２５ＡとＳｉ層１２４Ｂ、１２５ＢのＣｕ及びＳｉを金属板１２２、１２３側に拡散させることによって溶融金属領域１２６、１２７を形成し、この溶融金属領域１２６、１２７中のＳｉ及びＣｕを金属板１２２、１２３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１１１と金属板１２２、１２３とを強固に接合することが可能となる。

また、本実施形態では、セラミックス基板１１１がＳｉ_３Ｎ_４で構成されており、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との接合界面１３０に、酸素濃度が回路層１１２及び金属層１１３を構成する金属板１２２、１２３中の酸素濃度よりも高くされた酸素高濃度部１３２が生成されているので、この酸素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。また、この酸素高濃度部１３２の厚さが４ｎｍ以下とされているので、熱サイクルを負荷した際の応力によって酸素高濃度部１３２にクラックが発生することが抑制される。

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、Ｓｉ及びＣｕ固着工程において、金属板の接合面にＳｉ及びＣｕ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Ｓｉ及びＣｕを固着させてもよい。あるいは、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Ｓｉ及びＣｕを固着させてもよい。
さらに、Ｓｉ及びＣｕ固着工程において、スパッタによってＳｉ及びＣｕ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Ｓｉ及びＣｕを固着させてもよい。また、Ｓｉ及びＣｕ固着工程において、Ｓｉ及びＣｕとともにＡｌを固着させてもよい。

また、第２の実施形態において、Ｓｉ及びＣｕ固着工程を、Ｃｕ固着工程Ｓ１０の後にＳｉ固着工程Ｓ１１を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、Ｓｉ固着工程の後にＣｕ固着工程を行う構成としてもよい。
さらに、セラミックス基板と金属板との接合を、真空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、Ｎ_２雰囲気、Ａｒ雰囲気やＨｅ雰囲気などでセラミックス基板と金属板との接合を行ってもよい。

また、ヒートシンクの天板部と金属層との間に、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）からなる緩衝層を設けたものとして説明したが、この緩衝層がなくてもよい。
さらに、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。

また、セラミックス基板をＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４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、Ａｌ_２Ｏ_３等の他のセラミックスで構成されていてもよい。

本発明の有効性を確認するために行った確認実験について説明する。
厚さ０．６ｍｍの４Ｎアルミニウムからなる金属板を２枚準備し、これら金属板の片面に真空蒸着によってＳｉ及びＣｕを固着させ、これら２枚の金属板を４０ｍｍ角で厚さ０．６３５ｍｍのＡｌＮからなるセラミックス基板の両面に、それぞれ蒸着面がセラミックス基板を向くようにして積層し、積層方向に圧力１〜５ｋｇｆ／ｃｍ^２で加圧した状態で真空加熱炉（真空度１０^−３〜１０^−５Ｐａ）で６３０〜６５０℃に加熱し、セラミックス基板と回路層及び金属層とを備えたパワーモジュール用基板を製出した。

そして、固着したＳｉ量及びＣｕ量を変量した種々の試験片を製出した。
このようにして成形されたパワーモジュール用基板の金属層側に、４Ｎアルミニウムからなる厚さ０．９ｍｍの緩衝層を介して、ヒートシンクの天板に相当する５０ｍｍ×６０ｍｍ、厚さ５ｍｍのアルミニウム板（Ａ６０６３）を接合した。
これらの試験片を−４５℃〜１０５℃の冷熱サイクルに負荷し、冷熱サイクルを２０００回繰り返した後の接合率を比較した。評価結果を図１１に示す。
なお、接合率は、以下の式で算出した。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のこととした。
接合率 ＝ （初期接合面積−剥離面積）／初期接合面積
ここで、冷熱サイクルを２０００回繰り返した後の接合率が７０％未満のものを×、接合率が７０％以上８５％未満のものを△、接合率が８５％以上のものを○とした。

Ｓｉ量を０．００１ｍｇ／ｃｍ^２、Ｃｕ量を０．０５ｍｇ／ｃｍ^２としたものでは、冷熱サイクル負荷後の接合率が７０％未満であった。界面に介在するＳｉ量、Ｃｕ量が少なく、金属板とセラミックス基板との界面に溶融金属領域を十分に形成することができないためと判断される。
また、Ｓｉ量を１．４ｍｇ／ｃｍ^２、又は、Ｃｕ量を３．２ｍｇ／ｃｍ^２としたものにおいても、冷熱サイクル負荷後の接合率が７０％未満であった。これは、Ｓｉ及びＣｕの量が多く金属板が硬くなり過ぎて、冷熱サイクルによる熱応力が接合界面に負荷されたためと推測される。

一方、Ｓｉ量を０．００２ｍｇ／ｃｍ^２以上１．２ｍｇ／ｃｍ^２以下、Ｃｕ量を０．０８ｍｇ／ｃｍ^２以上２．７ｍｇ／ｃｍ^２以下としたものでは、冷熱サイクル負荷後の接合率が７０％以上であった。Ｓｉ，Ｃｕの拡散によって、金属板とセラミックス基板との界面に溶融金属領域を確実に形成することが可能となり、金属板とセラミックス基板とを強固に接合できたと判断される。

特に、Ｓｉ量を〔Ｓｉ〕、Ｃｕ量を〔Ｃｕ〕とした場合において、
〔Ｃｕ〕＋２×〔Ｓｉ〕≦３
但し、０．００２ｍｇ／ｃｍ^２≦〔Ｓｉ〕≦１．２ｍｇ／ｃｍ^２
０．０８ｍｇ／ｃｍ^２≦〔Ｃｕ〕≦２．７ｍｇ／ｃｍ^２
の関係を満足する条件では、冷熱サイクル負荷後の接合率が８５％以上となり、さらに強固に金属板とセラミックス基板とを接合できることが確認された。これは、上記の関係を超えるＳｉ，Ｃｕが固着された場合、金属板が、Ｓｉ，Ｃｕによる固溶硬化によって硬くなりすぎて接合率にバラツキが生じるためと推測される。

次に、厚さ０．６ｍｍの４Ｎアルミニウムからなる金属板を２枚準備し、これら金属板の片面に真空蒸着によってＳｉ及びＣｕを固着させ、これら２枚の金属板を４０ｍｍ角で厚さ０．６３５ｍｍのＡｌＮからなるセラミックス基板の両面に、それぞれ蒸着面がセラミックス基板を向くようにして積層し、積層方向に圧力５〜３５ｋｇｆ／ｃｍ^２で加圧した状態で真空加熱炉（真空度１０^−３〜１０^−５Ｐａ）で６３０〜６５０℃に加熱し、セラミックス基板と回路層及び金属層とを備えたパワーモジュール用基板を製出した。

そして、固着したＳｉ量及びＣｕ量を変量した種々の試験片を製出した。
このようにして成形されたパワーモジュール用基板の金属層側に、４Ｎアルミニウムからなる厚さ０．９ｍｍの緩衝層を介して、ヒートシンクの天板に相当する５０ｍｍ×６０ｍｍ、厚さ５ｍｍのアルミニウム板（Ａ６０６３）を接合した。
これらの試験片を−４５℃〜１０５℃の冷熱サイクルに負荷し、冷熱サイクルを２０００回繰り返した後の接合率を比較した。評価結果を表１から表３に示す。
なお、接合率は、以下の式で算出した。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のこととした。
接合率 ＝ （初期接合面積−剥離面積）／初期接合面積

また、これらの試験片について、金属板のうちセラミックス基板の接合界面近傍（接合界面から５０μｍ）のＳｉ濃度を、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって測定した。測定結果を表１から表３に併せて示す。

Ｓｉ固着量及びＣｕ固着量が本発明の範囲外とされた比較例１−１６においては、冷熱サイクルを２０００回繰り返した後の接合率が７０％未満であった。
これに対して、Ｓｉ固着量及びＣｕ固着量が本発明の範囲内とされた実施例１−４８においては、冷熱サイクルを２０００回繰り返した後の接合率が７０％を超えていた。

また、Ｓｉ層の固着量を０．００１ｍｇ／ｃｍ^２とした比較例１では、界面のＳｉ濃度が０．０３９質量％となった。Ｓｉ層の固着量を１．３９８ｍｇ／ｃｍ^２とした比較例１１−１６では、界面のＳｉ濃度が０．５質量％を超えていた。これに対して、Ｓｉ層の固着量を０．１１６５〜１．１６５ｍｇ／ｃｍ^２とした実施例１−４８では、界面のＳｉ濃度が、０．２〜０．５質量％の範囲内となることが確認された。

同様に、Ｃｕ層の固着量を０．００５ｍｇ／ｃｍ^２とした比較例１では、界面のＣｕ濃度が０．０２７質量％となった。Ｃｕ層の固着量を３．１３６ｍｇ／ｃｍ^２とした比較例２−１０では、界面のＣｕ濃度が６質量％を超えていた。これに対して、Ｃｕ層の固着量を０．４４８〜２．６８８ｍｇ／ｃｍ^２とした実施例１−４８では、界面のＣｕ濃度が、０．４５〜５質量％の範囲内となることが確認された。

１ パワーモジュール
３ 半導体チップ（電子部品）
１０ 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 混在層
２６、２７、１２６、１２７ 溶融金属領域
３０、１３０ 接合界面
１２４Ａ、１２５Ａ Ｃｕ層
１２４Ｂ、１２５Ｂ Ｓｉ層

Claims (3)

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の製造方法であって、
   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ＳｉとＣｕを固着させるＳｉ及びＣｕ固着工程と、
   固着したＳｉ及びＣｕを介して前記セラミックス基板と前記金属板とを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Ｓｉ及びＣｕ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、Ｓｉ；０．００２ｍｇ／ｃｍ^２以上１．２ｍｇ／ｃｍ^２以下、Ｃｕ；０．０８ｍｇ／ｃｍ^２以上２．７ｍｇ／ｃｍ^２以下を介在させ、
   前記加熱工程において、固着させたＳｉ及びＣｕ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、前記溶融金属領域が形成された状態で温度を一定に保持し、前記溶融金属領域中のＳｉ及びＣｕをさらに前記金属板側に拡散させることにより、温度を一定に保持した状態で前記溶融金属領域の凝固を進行させ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。
2. 前記Ｓｉ及びＣｕ固着工程では、Ｓｉ及びＣｕとともに、Ａｌを固着させ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の製造方法。
3. 前記Ｓｉ及びＣｕ固着工程は、めっき、蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているペースト及びインクなどの塗布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Ｓｉ及びＣｕを固着させることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。

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