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JP5672324B2 - 接合体の製造方法及びパワーモジュール用基板の製造方法 - Google Patents

接合体の製造方法及びパワーモジュール用基板の製造方法 Download PDF

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Description

この発明は、セラミックス部材と銅部材とが接合されてなる接合体の製造方法、及びセラミックス基板に銅又は銅合金からなる回路層又は金属層が接合された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。
ＬＥＤやパワーモジュール等の半導体装置においては、導電材料からなる回路層の上に半導体素子が接合された構造とされている。
風力発電、電気自動車等の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半導体素子においては、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の一方の面に導電性の優れた金属板を回路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。また、セラミックス基板の他方の面に、金属板を金属層として接合することもある。
例えば、特許文献１に示すパワーモジュール用基板においては、セラミックス基板（セラミックス部材）の一方の面及び他方の面に、銅板（銅部材）を接合することで回路層及び金属層が形成された構造とされている。このパワーモジュール用基板は、セラミックス基板の一方の面及び他方の面に、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材を介在させて銅板を配置し、加熱処理を行うことにより銅板が接合されている。
上述のＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材においては、活性金属であるＴｉが含有されているため、セラミックス基板と銅板とをＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材を介して接合する際に、ろう材の液相とセラミックス基板との濡れ性が良好となり、セラミックス基板と銅板とを良好に接合することができる。
特許第３２１１８５６号公報
ところで、特許文献１に開示されたように、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材を用いてセラミックス基板と銅板とを接合すると、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材の融点が高いため、セラミックス基板が熱により劣化してしまう問題があった。
また、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材は、高価なＡｇを含有しているため製造コストが高くなる問題もあった。
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、セラミックス部材と銅部材とを低温で接合でき、かつ製造コストが低い接合体の製造方法、及び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、本発明の接合体の製造方法は、セラミックスからなるセラミックス部材と、銅又は銅合金からなる銅部材とが接合されてなる接合体の製造方法であって、活性金属材及び融点が７１０℃以下の溶加材を介して、前記セラミックス部材と前記銅部材とを積層する積層工程と、積層された前記セラミックス部材及び前記銅部材を加熱処理する加熱処理工程と、を備えており、前記溶加材が液相線温度４５０℃以上のろう材であり、前記ろう材は、Ｃｕ−Ｐ系ろう材、Ｃｕ−Ａｌ系ろう材の中から選択されるいずれか一種であり、前記積層工程において、前記セラミックス部材側に前記溶加材を配置し、前記銅部材側に前記活性金属材を配置することを特徴としている。
なお、本発明において融点は、固相線温度としている。
本発明の接合体の製造方法によれば、活性金属材及び融点が７１０℃以下の溶加材を介して、前記セラミックス部材と前記銅部材とを積層する積層工程と、積層された前記セラミックス部材及び前記銅部材を加熱処理する加熱処理工程と、を備えているので、加熱処理工程において、溶加材が溶融した液相に活性金属が溶け込み、溶加材の液相とセラミックス基板との濡れ性が良好となる。したがって、溶加材の液相が凝固した際に、溶加材とセラミックス基板との接合が良好となる。
また、溶加材の融点が７１０℃以下とされているので、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材を用いた場合と比較して、低温で溶加材の液相を形成することができる。このような低温域で加熱処理を行うと、セラミックス部材への熱的な負荷を軽減することができる。
さらに、Ａｇを含有しない溶加材を用いてセラミックス部材と銅部材とを接合するので、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材を用いた場合よりも製造コストを低減できる。
また、前記溶加材が液相線温度４５０℃以上のろう材であることが好ましい。具体的には、前記ろう材は、Ｃｕ−Ｐ系ろう材、Ｃｕ−Ａｌ系ろう材の中から選択されるいずれか一種であることが望ましい。
このようなろう材を用いた場合、ろう材の融点が低いので、低温条件でも確実にセラミックス部材と銅部材との接合を行うことができる。
なお、Ｃｕ−Ｐ系ろう材としては、例えば、Ｃｕ−Ｐろう材、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎろう材、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉ系ろう材などを用いることができる。
また、前記積層工程において、前記セラミックス部材側に前記溶加材を配置し、前記銅部材側に前記活性金属材を配置しているので、銅部材と活性金属材とを加熱処理時に固相拡散接合によって接合することができ、接合界面にＣｕと活性金属との液相が生じて接合界面にコブが生じたり、厚みが変動したりすることを抑制可能となる。また、溶加材の液相と銅部材との間に活性金属が介在されているので、溶加材の液相と銅部材とが直接接触することがなく、接合界面にコブが生じたり、厚みが変動したりすることを確実に抑制できる。
上述のように、溶加材がセラミックス基板と良好に接合されるとともに、活性金属材と銅部材とが固相拡散接合によって接合されるので、低温条件でもセラミックス部材と銅部材とを良好に接合することができ、セラミックス部材が熱劣化することを抑制できる。
また、上述の接合体の製造方法において、前記活性金属材は、Ｔｉ材とされていることが好ましい。
この場合、溶加材の液相中にＴｉが溶け込むことで確実にセラミックス基板の表面を溶加材の液相で濡れさせることができ、セラミックス部材と銅部材とを確実に接合することが可能となる。
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一方の面に銅又は銅合金からなる回路層が配設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と前記回路層とを、上述の接合体の製造方法によって接合することを特徴としている。
この場合、比較的低温で回路層を形成することができるので、接合時にセラミックス基板が劣化することを抑制できる。
また、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一方の面に銅又は銅合金からなる回路層が配設され、他方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層が配設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と前記回路層とを上述の接合体の製造方法によって接合し、前記回路層を前記セラミックス基板の一方の面に接合した後に、前記金属層を前記セラミックス基板の他方の面に接合する構成とされていても良い。
この場合、比較的低温で回路層を形成することができるので、接合時にセラミックス基板が劣化することを抑制できる。
また、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一方の面に銅又は銅合金からなる回路層が配設され、他方の面に銅又は銅合金からなる金属層が配設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と前記回路層、及び前記セラミックス基板と前記金属層とを上述の接合体の製造方法によって接合する構成とされても良い。
この場合、比較的低温で回路層及び金属層を形成することができるので、接合時にセラミックス基板が劣化することを抑制できる。
本発明によれば、セラミックス部材と銅部材とを低温で接合でき、かつ製造コストが低い接合体の製造方法、及び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。
本発明の第一実施形態に係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。 本発明の第一実施形態に係るパワーモジュール用基板の概略説明図である。 本発明の第一実施形態に係るパワーモジュール用基板の製造方法及び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。 本発明の第一実施形態に係るパワーモジュール用基板の製造方法及びパワーモジュールの製造方法の概略説明図である。 本発明の第二実施形態に係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。 本発明の第二実施形態に係るパワーモジュール用基板の製造方法及び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。 本発明の第二実施形態に係るパワーモジュール用基板の製造方法及びパワーモジュールの製造方法の概略説明図である。 参考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。
（第一実施形態）
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。まず、本発明の第一実施形態について説明する。
本実施形態である接合体の製造方法は、セラミックス基板１１（セラミックス部材）と回路層１２（銅部材）及び金属層１３（銅部材）とを接合することにより、接合体としてパワーモジュール用基板１０を製造するものである。図１に、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０を備えたパワーモジュール１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の一方の面（図１において上面）に接合層２を介して接合された半導体素子３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）に配置されたヒートシンク３０と、を備えている。
パワーモジュール用基板１０は、図２に示すように、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２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２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、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）等のセラミックスで構成されている。本実施形態では、放熱性の優れた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の一方の面に、導電性を有する銅又は銅合金の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９９．９９質量％以上の銅の圧延板を接合することで形成されている。なお、回路層１２の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６ｍｍに設定されている。
金属層１３は、セラミックス基板１１の他方の面に、銅又は銅合金の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、回路層１２と同様に、純度９９．９９質量％以上の銅の圧延板を接合することで形成されている。なお、金属層１３の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６ｍｍに設定されている。
半導体素子３は、Ｓｉ等の半導体材料で構成されている。この半導体素子３と回路層１２は、接合層２を介して接合されている。
接合層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。
ヒートシンク３０は、前述のパワーモジュール用基板１０からの熱を放散するためのものである。本実施形態においては、ヒートシンク３０は、銅又は銅合金で構成されており、本実施形態では無酸素銅で構成されている。このヒートシンク３０には、冷却用の流体が流れるための流路３１が設けられている。なお、このヒートシンク３０と金属層１３とが、はんだ材からなるはんだ層１８によって接合されている。
次に、本実施形態に係るパワーモジュール１の製造方法について、図３のフロー図及び図４を参照して説明する。
まず、図４に示すように、セラミックス基板１１の一方の面（図４において上面）に、溶加材２５、活性金属材２６、及び回路層１２となる銅板２２を順に積層するとともに、セラミックス基板１１の他方の面（図４において下面）にも、図４に示すように、溶加材２５、活性金属材２６、及び金属層１３となる銅板２３を順に積層する。（積層工程Ｓ０１）。すなわち、セラミックス基板１１と銅板２２の間において、セラミックス基板１１側に溶加材２５を配置し、銅板２２側に活性金属材２６を配置しており、セラミックス基板１１と銅板２３の間において、セラミックス基板１１側に溶加材２５を配置し、銅板２２側に活性金属材２６を配置している。
ここで、溶加材２５は、融点が７１０℃以下のＣｕ−Ｐ系ろう材とされている。なお、Ｃｕ−Ｐ系ろう材としては、例えば、Ｃｕ−Ｐろう材、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎろう材、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材などを用いることができる。
本実施形態では、溶加材２５としてＣｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉ系ろう材箔（Ｃｕ−７ｍａｓｓ％Ｐ−１５ｍａｓｓ％Ｓｎ−１０ｍａｓｓ％Ｎｉ）を用いている。溶加材２５の厚みは、５μｍ以上１５０μｍ以下の範囲とされている。
活性金属材２６は、例えばＴｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆといった活性元素のいずれか１種又は２種以上を含有するものとされており、本実施形態では、活性金属材２６としてＴｉ箔を用いている。活性金属材２６の厚みは、１μｍ以上２０μｍ以下の範囲とされている。
次に、セラミックス基板１１、溶加材２５、活性金属材２６、及び銅板２２、２３を積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で、真空加熱炉内に装入して加熱する（加熱処理工程Ｓ０２）。ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度は５６０℃以上６５０℃以下の範囲内に、加熱時間は３０分以上３６０分以下の範囲に設定している。
この加熱処理工程Ｓ０２においては、活性金属材２６（Ｔｉ箔）と銅板２２、２３とが固相拡散接合によって接合されるとともに、溶加材２５が溶融して液相を形成し、この液相が凝固することにより、溶加材２５を介して、セラミックス基板１１と活性金属材２６とが接合されることになる。なお、固相拡散接合によって接合される活性金属材２６と銅板２２、２３との接合面は、予め平滑な面とされている。
これにより、セラミックス基板１１（セラミックス部材）の一方の面及び他方の面に回路層１２（銅部材）及び金属層１３（銅部材）が形成され、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０（接合体）が製造される。
次いで、パワーモジュール用基板１０の金属層１３の下面に、はんだ材を介してヒートシンク３０を接合する（ヒートシンク接合工程Ｓ０３）。
次に、パワーモジュール用基板１０の回路層１２の上面に、はんだ材を介して半導体素子３を接合する（半導体素子接合工程Ｓ０４）。
このようにして、本実施形態に係るパワーモジュール１が製造される。
以上のような構成とされた本実施形態のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、セラミックス基板１１と銅板２２、２３との間において、セラミックス基板１１側に融点が７１０℃以下の溶加材２５を配置し、銅板２２、２３側に活性金属材２６（本実施形態においてはＴｉ材）を配置した状態で加熱処理を行う構成とされているので、加熱時に溶加材２５が溶融した液相にＴｉが溶け込み、溶加材２５の液相とセラミックス基板１１との濡れ性が良好となる。したがって、溶加材２５の液相が凝固した際に、溶加材２５とセラミックス基板１１との接合信頼性が向上する。
また、本実施形態においては、活性金属材２６と銅板２２、２３とを積層し、加圧した状態で、温度５６０℃以上６５０℃以下に加熱し保持する構成とされているので、活性金属材２６に含まれるＴｉ原子を銅板２２、２３中に拡散させ、銅板２２、２３に含まれる銅原子を活性金属材２６中に拡散させ、活性金属材２６と銅板２２、２３とを固相拡散接合することができる。
加熱温度が５６０℃以上の場合、活性金属材２６に含まれるＴｉ原子と銅板２２、２３に含まれる銅原子との拡散が促進され、短時間で十分に固相拡散させることができる。また、加熱温度が６５０℃以下の場合、活性金属材２６と銅板２２、２３との間に液相が生じて接合界面にコブが生じたり、厚みが変動したりすることを抑制できる。そのため、加熱温度は、上記の範囲に設定されている。
また、加熱処理工程Ｓ０２において、積層方向に加圧される圧力が１ｋｇｆ／ｃｍ２以上の場合は、活性金属材２６と銅板２２、２３とを十分に接合させることができ、活性金属材２６と銅板２２、２３（回路層１２、金属層１３）との間に隙間が生じることを抑制できる。また、負荷される圧力が３５ｋｇｆ／ｃｍ２以下の場合は、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。そのため、加圧される圧力は上記の範囲に設定されている。
また、溶加材２５の融点が７１０℃以下とされているので、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材を用いた場合と比較して、低温で溶加材の液相を形成することができる。
さらに、溶加材２５と銅板２２、２３との間に活性金属材２６が介在されているので、溶加材２５の液相と銅板２２、２３とが直接接触することがなく、接合界面にコブが生じたり、厚みが変動したりすることを抑制できる。
上述のように、溶加材２５がセラミックス基板１１と良好に接合されるとともに、活性金属材２６と銅板２２、２３とが固相拡散接合によって接合されるので、セラミックス基板１１と銅板２２、２３とを良好に接合でき、セラミックス基板１１と回路層１２及び金属層１３との接合信頼性を向上させることができる。
さらに、Ａｇを含有しない溶加材２５を用いてセラミックス基板１１と銅板２２、２３とを接合するので、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材を用いた場合よりも製造コストを低減できる。
また、本実施形態においては、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を同時に接合する構成とされているので、製造工程を簡略化し、製造コストを低減できる。
さらに、活性金属材２６と銅板２２、２３との接合される面は、予め平滑な面とされているので、接合界面に隙間が生じることを抑制でき、活性金属材２６と銅板２２，２３とを確実に接合することができる。
また、本実施形態に係るパワーモジュール用基板１０、パワーモジュール１によれば、セラミックス基板１１の一方の面に銅板２２からなる回路層１２が形成されているので、半導体素子３からの熱を拡げてセラミックス基板１１側に放散することができる。また、銅板２２は変形抵抗が大きいので、ヒートサイクルが負荷された際に、回路層１２の変形が抑制され、半導体素子３と回路層１２とを接合する接合層２の変形を抑制し、接合信頼性を向上できる。
また、セラミックス基板１１の他方の面に銅板２３からなる金属層１３が形成されているので、半導体素子３からの熱を効率的にヒートシンク３０側へと伝達することができる。
（第二実施形態）
次に、本発明の第二実施形態について説明する。なお、第一実施形態と同一の構成のものについては、同一の符号を付して記載し、詳細な説明を省略する。
図５に、第二実施形態であるパワーモジュール用基板１１０を備えたパワーモジュール１０１を示す。
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の一方の面（図５において上面）に接合層２を介して接合された半導体素子３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）に配置されたヒートシンク１３０と、を備えている。
パワーモジュール用基板１１０は、図５に示すように、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５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１１の他方の面（図５において下面）に配設された金属層１１３と、を備えている。
回路層１１２は、セラミックス基板１１の一方の面に、導電性を有する銅又は銅合金の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１１２は、純度９９．９９質量％以上の銅の圧延板を接合することで形成されている。なお、回路層１１２の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．４ｍｍに設定されている。
金属層１１３は、セラミックス基板１１の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金の金属板が接合されることにより形成されている。第二実施形態においては、金属層１１３は、純度９９．９９質量％以上のアルミニウムの圧延板を接合することで形成されている。なお、金属層１１３の厚さは０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、２．１ｍｍに設定されている。
ヒートシンク１３０は、前述のパワーモジュール用基板１１０からの熱を放散するためのものである。本実施形態においては、ヒートシンク１３０は、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されており、本実施形態ではＡ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。このヒートシンク１３０には、冷却用の流体が流れるための流路１３１が設けられている。なお、このヒートシンク１３０と金属層１１３とが、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材によって接合されている。
次に、本実施形態に係るパワーモジュール１０１の製造方法について、図６のフロー図及び図７を参照して説明する。
まず、図７に示すように、セラミックス基板１１の一方の面（図７において上面）に、溶加材２５、活性金属材２６、及び回路層１１２となる銅板１２２を順に積層する（第一積層工程Ｓ１１）。すなわち、セラミックス基板１１と銅板１２２の間において、セラミックス基板１１側に溶加材２５を配置し、銅板１２２側に活性金属材２６を配置している。
ここで、第二実施形態においては、溶加材２５としてＣｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉ系ろう材箔（Ｃｕ−７ｍａｓｓ％Ｐ−１５ｍａｓｓ％Ｓｎ−１０ｍａｓｓ％Ｎｉ）を用いている。この溶加材２５の厚みは、５μｍ以上１５０μｍ以下の範囲とされている。
また、第二実施形態においては、活性金属材２６としてＴｉ箔を用いている。活性金属材２６の厚みは、１μｍ以上２０μｍ以下の範囲とされている。
次に、セラミックス基板１１、溶加材２５、活性金属材２６及び銅板１２２を積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で、真空加熱炉内に装入して加熱する（第一加熱処理工程Ｓ１２）。ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度は５６０℃以上６５０℃以下の範囲内に、加熱時間は３０分以上３６０分以下の範囲に設定している。
このようにして、セラミックス基板１１の一方の面に銅板１２２が接合され、回路層１１２が形成される。
次いで、セラミックス基板１１の他方の面（図７において下面）に、図７に示すように、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材１２７を介して金属層１１３となるアルミニウム板１２３を積層する。（第二積層工程Ｓ１３）。第二実施形態において、第二積層工程１３では、図７に示すように、アルミニウム板１２３の下方にさらにＡｌ−Ｓｉ系ろう材１２７を介してヒートシンク１３０を積層した。
次に、セラミックス基板１１、アルミニウム板１２３及びヒートシンク１３０を積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で、真空加熱炉内に装入して加熱する（第二加熱処理工程Ｓ１４）。ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度は６００℃以上６５０℃以下の範囲内に、加熱時間は３０分以上１８０分以下の範囲に設定している。
このようにして、セラミックス基板１１の他方の面にアルミニウム板１２３が接合されて金属層１１３が形成され、第二実施形態のパワーモジュール用基板１１０が製造され、さらにこのパワーモジュール用基板の下側にヒートシンク１３０が接合される。
次に、パワーモジュール用基板１１０の回路層１１２の上面に、はんだ材を介して半導体素子３を接合する（半導体素子接合工程Ｓ１５）。
このようにして、第二実施形態のパワーモジュール１０１が製造される。
以上のような構成とされた本実施形態のパワーモジュール用基板１１０の製造方法によれば、セラミックス基板１１と銅板１２２との間において、セラミックス基板１１側に融点が７１０℃以下の溶加材２５を配置し、銅板１２２側に活性金属材２６（Ｔｉ材）を配置した状態で加熱処理を行う構成とされているので、加熱時に溶加材２５が溶融した液相にＴｉが溶け込み、溶加材２５の液相とセラミックス基板１１との濡れ性が良好となる。したがって、溶加材２５の液相が凝固した際に、溶加材２５とセラミックス基板１１との接合信頼性が向上する。
また、本実施形態においては、活性金属材２６と銅板１２２とを積層し、加圧した状態で、温度５６０℃以上６５０℃以下に加熱し保持する構成とされているので、活性金属材２６と銅板１２２とを固相拡散接合することができる。
さらに、パワーモジュール１１０及びパワーモジュール１０１によれば、セラミックス基板１１の他方の面にアルミニウム板１２３からなる金属層１１３が形成されているので、冷熱サイクルが負荷された際にパワーモジュール用基板１１０とヒートシンク１３０との間に生じる熱応力を回路層１１３によって吸収することができ、セラミックス基板１１に割れが発生することを抑制することができる。
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、上記の実施形態では、セラミックス基板の他方の面に、金属層を形成する場合について説明したが、金属層は形成されていなくても良い。
なお、上記実施の形態では、溶加材は、融点が７１０℃以下のＣｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉ系ろう材とされている場合について説明したが、溶加材は融点（固相線温度）７１０℃以下かつ液相線温度４５０℃以上のろう材とされても良い。具体的には、このろう材は、Ｃｕ−Ｐ系ろう材、Ｃｕ−Ａｌ系ろう材の中から選択されるいずれか一種であることが望ましい。なお、Ｃｕ−Ｐ系ろう材としては、例えば、Ｃｕ−Ｐろう材、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎろう材などを用いることができる。このようなろう材を用いた場合、ろう材の融点が低いので、低温条件でも確実にセラミックス部材と銅部材との接合を行うことができる。
また、セラミックス部材側に活性金属材を配置し、銅部材側にろう材を配置し、加熱処理をすることにより、セラミックス部材と銅部材とを接合することもできる。例えば、図８に示すように、セラミックス部材２１１上にスパッタリング等により活性金属材２２６を配置し、活性金属材２２６と銅部材２２２との間に溶加材２２５を配置して、これらを積層し、積層方向に加圧して加熱処理を行うことにより活性金属材２２６と銅部材２２２とを接合することが可能である。
また、上記の実施形態では、パワーモジュール用基板の他方の面にヒートシンクを接合する場合について説明したが、ヒートシンクは接合されていなくても良い。
また、上記の実施形態では、パワーモジュール用基板とヒートシンクとをはんだ材又はろう材で接合する場合について説明したが、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの間にグリースを介してネジ止めなどによって固定する構成とされても良い。
また、第二実施形態では、金属層とヒートシンクとを同時に接合する場合について説明したが、金属層を先に接合した後に、ヒートシンクを金属層に接合する構成とされても良い。
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。
本発明例１〜６，９及び参考例７，８，１０については、ＡｌＮからなるセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ×０．６３５ｍｍｔ）の一方の面及び他方の面に表１に示す溶加材、活性金属材、純度９９．９９％の銅からなる銅板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×０．３ｍｍｔ）を積層する。
本発明例１１についてはＡｌＮからなるセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ×０．６３５ｍｍｔ）の一方の面に表１に示す溶加材、活性金属材、純度９９．９９％の銅からなる銅板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×０．３ｍｍｔ）を積層した。
なお、活性金属の位置が銅部材側（銅板側）とされた本発明例１〜６，９，１１及び参考例７，８については、セラミックス基板／溶加材／活性金属材／銅板の順に積層し、活性金属の位置がセラミックス基板側とされた参考例１０についてはセラミックス基板／活性金属材／溶加材／銅板の順に積層した。
そして、本発明例１〜６，９及び参考例７，８，１０については、積層方向に圧力１５ｋｇｆ／ｃｍ２で加圧した状態で真空加熱炉内に装入し、加熱することによってセラミックス基板の一方の面及び他方の面に銅板を接合し、回路層及び金属層を形成した。ここで、真空加熱炉内の圧力を１０−６Ｐａ以上、１０−３Ｐａ以下の範囲内に設定し、加熱温度及び加熱時間は表１に示す条件とした。このようにして本発明例１〜６，９及び参考例７，８，１０のパワーモジュール用基板を得た。
本発明例１１については積層方向に圧力１５ｋｇｆ／ｃｍ２で加圧した状態で真空加熱炉内に装入し、加熱することによってセラミックス基板の一方の面に銅板を接合し、回路層を形成した。ここで、真空加熱炉内の圧力を１０−６Ｐａ以上、１０−３Ｐａ以下の範囲内に設定し、加熱温度及び加熱時間は表１に示す条件とした。冷却後、セラミックス基板の他方の面にＡｌ−Ｓｉ系ろう材を介して純度９９．９９質量％のアルミニウムからなるアルミニウム板を積層し、積層方向に５ｋｇｆ／ｃｍ２で加圧した状態で真空加熱炉内に装入し、６４０℃で３０分間加熱することによってセラミックス基板の他方の面にアルミニウム板を接合し、本発明例１１のパワーモジュール基板を得た。
次いで、上述のパワーモジュール用基板の金属層の他方の面側にヒートシンクを接合した。ヒートシンクは、りん脱酸銅からなる銅板（５０ｍｍ×６０ｍｍ×５ｍｍｔ）とした。接合条件は、Ｓｎ−Ｓｂ系のはんだ材を用いて、２７０℃で加熱することによる接合とした。
このようにして、本発明例１〜６，９，１１及び参考例７，８，１０のヒートシンク付パワーモジュール用基板を作製した。
上述のようにして得られた本発明例のヒートシンク付パワーモジュール用基板に対して、回路層とセラミックス基板との接合率及び、冷熱サイクル試験後の回路層とセラミックス基板との接合率を評価した。冷熱サイクルの試験方法と、接合率の評価方法を以下に説明する。
（冷熱サイクル試験）
冷熱サイクル試験は、冷熱衝撃試験機エスペック社製ＴＳＢ−５１を使用し、ヒートシンク付パワーモジュール用基板に対して、液相（フロリナート）で、−４０℃×５分←→１２５℃×５分の３０００サイクルを実施した。
（セラミックス基板と回路層との接合率評価）
ヒートシンク付パワーモジュール用基板に対し、セラミックス基板と回路層との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、すなわち本実施例では回路層の面積とした。超音波探傷像において剥離は接合部内の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。なお、セラミックス基板及び回路層にクラックが生じた場合、このクラックは超音波探傷像において白色部で示され、クラックも剥離面積として評価されることになる。
（接合率（％））＝｛（初期接合面積）−（剥離面積）｝／（初期接合面積）×１００
以上の評価の結果を表１に示す。
Figure 0005672324
融点が７１０℃以下の溶加材を用いた本発明例１〜６，９，１１及び参考例７，８，１０においては、初期の接合率は高く、冷熱サイクルが負荷された後も高い接合率を維持しており、パワーモジュール用基板が得られることが確認された。
１０、１１０ パワーモジュール用基板
１１ セラミックス基板（セラミックス部材）
１２、１１２ 回路層（銅部材）
１３ 金属層（銅部材）
２５、２２５ 溶加材
２６、２２６ 活性金属材
１１３ 金属層
２１１ セラミックス部材
２２２ 銅部材

Claims (5)

  1. セラミックスからなるセラミックス部材と、銅又は銅合金からなる銅部材とが接合されてなる接合体の製造方法であって、
    活性金属材及び融点が７１０℃以下の溶加材を介して、前記セラミックス部材と前記銅部材とを積層する積層工程と、
    積層された前記セラミックス部材及び前記銅部材を加熱処理する加熱処理工程と、を備えており、
    前記溶加材が液相線温度４５０℃以上のろう材であり、前記ろう材は、Ｃｕ−Ｐ系ろう材、Ｃｕ−Ａｌ系ろう材の中から選択されるいずれか一種であり、
    前記積層工程において、前記セラミックス部材側に前記溶加材を配置し、前記銅部材側に前記活性金属材を配置することを特徴とする接合体の製造方法。
  2. 前記活性金属材は、Ｔｉ材とされていることを特徴とする請求項１に記載の接合体の製造方法。
  3. セラミックス基板の一方の面に銅又は銅合金からなる回路層が配設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と前記回路層とを、請求項１又は請求項２に記載の接合体の製造方法によって接合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。
  4. セラミックス基板の一方の面に銅又は銅合金からなる回路層が配設され、他方の面に銅又は銅合金からなる金属層が配設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と前記回路層、及び前記セラミックス基板と前記金属層とを請求項１又は請求項２に記載の接合体の製造方法によって接合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。
  5. セラミックス基板の一方の面に銅又は銅合金からなる回路層が配設され、他方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層が配設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と前記回路層とを請求項１又は請求項２に記載の接合体の製造方法によって接合し、
    前記回路層を前記セラミックス基板の一方の面に接合した後に、前記金属層を前記セラミックス基板の他方の面に接合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。
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