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JP6432465B2 - 接合体、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、ヒートシンク、接合体の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法、及び、ヒートシンクの製造方法 - Google Patents

接合体、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、ヒートシンク、接合体の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法、及び、ヒートシンクの製造方法 Download PDF

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Description

この発明は、アルミニウム部材と、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材とが接合されてなる接合体、絶縁層の一方の面に回路層が形成されたパワーモジュール用基板にヒートシンクが接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板、ヒートシンク本体に金属部材層が形成されたヒートシンク、接合体の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法、及び、ヒートシンク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、ハイブリッド自動車等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）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）などからなるセラミックス基板と、この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接合して形成した回路層と、を備え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。なお、パワージュール用基板としては、セラミックス基板の他方の面に金属層を形成したものも提供されている。
例えば、特許文献１に示すパワーモジュールにおいては、セラミックス基板の一方の面及び他方の面にＡｌからなる回路層及び金属層が形成されたパワーモジュール用基板と、この回路層上にはんだ材を介して接合された半導体素子と、を備えた構造とされている。
そして、パワーモジュール用基板の下側には、ヒートシンクが接合されており、半導体素子からパワーモジュール用基板側に伝達された熱を、ヒートシンクを介して外部へ放散する構成とされている。
ところで、特許文献１に記載されたパワーモジュールのように、回路層及び金属層をＡｌで構成した場合には、表面にＡｌの酸化皮膜が形成されるため、はんだ材によって半導体素子やヒートシンクを接合することができない。
そこで、従来、例えば特許文献２に開示されているように、回路層及び金属層の表面に無電解めっき等によってＮｉめっき膜を形成した上で、半導体素子やヒートシンクをはんだ接合している。
また、特許文献３には、はんだ材の代替として、酸化銀粒子と有機物からなる還元剤とを含む酸化銀ペーストを用いて、回路層と半導体素子、及び、金属層とヒートシンクとを接合する技術が提案されている。
しかしながら、特許文献２に記載されたように、回路層表面及び金属層表面にＮｉめっき膜を形成したパワーモジュール用基板においては、半導体素子及びヒートシンクを接合するまでの過程においてＮｉめっき膜の表面が酸化等によって劣化し、はんだ材を介して接合した半導体素子及びヒートシンクとの接合信頼性が低下するおそれがあった。また、Ｎｉめっき工程では、不要な領域にＮｉめっきが形成されて電食等のトラブルが発生しないように、マスキング処理を行うことがある。このように、マスキング処理をした上でめっき処理をする場合、回路層表面及び金属層表面にＮｉめっき膜を形成する工程に多大な労力が必要となり、パワーモジュールの製造コストが大幅に増加してしまうといった問題があった。
また、特許文献３に記載されたように、酸化銀ペーストを用いて回路層と半導体素子、及び、金属層とヒートシンクを接合する場合には、Ａｌと酸化銀ペーストの焼成体との接合性が悪いために、予め回路層表面及び金属層表面にＡｇ下地層を形成する必要があった。
そこで、特許文献４には、回路層及び金属層を、Ａｌ層とＣｕ層の積層構造としたパワーモジュールが提案されている。この場合、回路層及び金属層の表面にはＣｕ層が配置されるため、はんだ材を用いて半導体素子及びヒートシンクを良好に接合することができる。また、ＣｕはＡｌに比べて変形抵抗が大きいことから、このパワーモジュールにヒートサイクルが負荷された際に、回路層表面及び金属層表面が大きく変形することを抑制でき、はんだ層におけるクラックの発生を防止して、半導体素子と回路層及びヒートシンクと金属層の接合信頼性を向上させることが可能となる。
なお、特許文献４に記載されたパワーモジュールにおいては、回路層及び金属層として、Ａｌ層とＣｕ層とがＴｉ層を介して接合された接合体が用いられている。ここで、Ａｌ層とＴｉ層との間には、拡散層が形成されており、この拡散層は、Ａｌ層側から順に、Ａｌ−Ｔｉ層、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層、Ａｌ−Ｔｉ−Ｃｕ層と、を有している。
特許第３１７１２３４号公報 特開２００４−１７２３７８号公報 特開２００８−２０８４４２号公報 特許第３０１２８３５号公報
ところで、特許文献４に記載されたパワーモジュールにおいては、回路層及び金属層のうちＡｌ層とＴｉ層との接合界面に、硬くて脆い金属間化合物層であるＡｌ−Ｔｉ層やＡｌ−Ｔｉ−Ｃｕ層が形成されているので、ヒートサイクル等が負荷された際にクラックの起点となるといった問題があった。
さらには、Ａｌ層上にＴｉ箔を介してＣｕ板等を積層し、Ａｌ層とＴｉ箔との界面が溶融する温度にまで加熱する場合、接合界面に液相が生じてコブが生じたり、厚さが変動したりするため、接合信頼性が低下する問題があった。
ここで、特許文献２のＮｉめっきの代替として、特許文献４に記載されたように、Ａｌからなる回路層及び金属層の表面にＴｉ箔を介してＮｉ板を接合してＮｉ層を形成することも考えられる。さらには、特許文献３の酸化銀ペーストを用いる際に、Ａｌからなる回路層及び金属層の表面にＴｉ箔を介してＡｇ板を接合してＡｇ下地層を形成することも考えられる。
しかしながら、特許文献４に記載された方法で、Ｎｉ層やＡｇ層を形成すると、Ｃｕ層を形成した場合と同様に、Ａｌ層とＴｉ層との接合界面に、Ａｌ−Ｔｉ層、Ａｌ−Ｔｉ−Ｎｉ層、Ａｌ−Ｔｉ−Ａｇ層等の硬くて脆い金属間化合物層が形成されたり、接合界面にコブが生じたりすること等によって、接合信頼性が低下するおそれがあった。
以上のように、従来は、アルミニウム部材と、銅、ニッケル、銀のいずれかからなる金属部材とを良好に接合することができず、接合信頼性に優れた接合体を得ることはできなかった。
また、内部に冷却媒体の流路等が形成された複雑な構造のヒートシンクにおいては、比較的固相線温度が低いアルミニウム鋳物合金を用いて製造されることがある。このようなヒートシンクにおいては、特許文献４に記載されたように、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材と接合した場合に、接合温度を十分に上昇させることができず、ＴｉとＣｕとを接合することができなかった。
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、比較的固相線温度の低いアルミニウム合金からなるアルミニウム部材と、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材とが良好に接合された接合体、この接合体を有するヒートシンク付パワーモジュール用基板及びヒートシンク、この接合体の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法、ヒートシンク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、本発明の接合体は、アルミニウム合金からなるアルミニウム部材と、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材とが接合された接合体であって、前記アルミニウム部材は、固相線温度が、前記金属部材を構成する金属元素とアルミニウムとの共晶温度未満とされたアルミニウム合金で構成されており、前記アルミニウム部材と前記金属部材との接合部には、Ｔｉ層が形成されており、前記アルミニウム部材と前記Ｔｉ層、及び、前記Ｔｉ層と前記金属部材とが、それぞれ固相拡散接合されていることを特徴としている。
なお、本発明において、金属部材は、銅又は銅合金、ニッケル又はニッケル合金、もしくは銀又は銀合金で構成されたものとしている。
この構成の接合体によれば、固相線温度が前記金属部材を構成する金属元素とアルミニウムとの共晶温度未満とされたアルミニウム合金で構成されたアルミニウム部材と金属部材との接合部にＴｉ層が形成され、前記金属部材と前記Ｔｉ層、及び、前記Ｔｉ層と前記アルミニウム部材が、それぞれ固相拡散接合されているので、Ｔｉ層によってアルミニウム部材のＡｌ原子と、金属部材の金属（Ｃｕ，Ｎｉ，Ａｇ）原子が相互に拡散することを抑制でき、前記アルミニウム部材と前記金属部材との接合部に液相が生じて、硬くて脆い金属間化合物層が厚く形成されることを抑制できる。よって、接合信頼性が良好な接合体を得ることができる。
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、絶縁層と、この絶縁層の一方の面に形成された回路層と、前記絶縁層の他方の面に形成された金属層と、こ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、前記金属層は、前記ヒートシンクとの接合面が銅、ニッケル、又は銀で構成され、前記ヒートシンクは、固相線温度が、前記金属層の接合面を構成する金属元素とアルミニウムとの共晶温度未満とされたアルミニウム合金で構成されており、前記金属層と前記ヒートシンクとの接合部には、Ｔｉ層が形成されており、前記金属層と前記Ｔｉ層、及び、前記Ｔｉ層と前記ヒートシンクとが、それぞれ固相拡散接合されてい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によれば、前記ヒートシンクとの接合面が銅、ニッケル、又は銀で構成された金属層とヒートシンクとの接合部にＴｉ層が形成され、前記金属層と前記Ｔｉ層、及び、前記Ｔｉ層と前記ヒートシンクが、それぞれ固相拡散接合されているので、Ｔｉ層によってヒートシンクのＡｌ原子と、金属層（前記ヒートシンクとの接合面）の金属（Ｃｕ，Ｎｉ，Ａｇ）原子が相互に拡散することを抑制でき、前記ヒートシンクと前記金属層との接合部に液相が生じて、硬くて脆い金属間化合物層が厚く形成されることを抑制できる。よって、ヒートシンクとパワーモジュール用基板との接合信頼性を向上させることができる。
また、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、ヒートシンクが、固相線温度が前記金属層の接合面を構成する金属元素とアルミニウムとの共晶温度未満とされたアルミニウム合金で構成されているので、流路等を有する複雑な構造のヒートシンクを構成することができ、ヒートシンクの放熱特性を向上させることが可能となる。
本発明のヒートシンクは、ヒートシンク本体と、前記ヒートシンク本体に接合された金属部材層と、を備えたヒートシンクであって、前記金属部材層は、銅、ニッケル、又は銀からなり、前記ヒートシンク本体は、固相線温度が前記金属部材層を構成する金属元素とアルミニウムとの共晶温度未満とされたアルミニウム合金で構成されており、前記ヒートシンク本体と前記金属部材層との接合部には、Ｔｉ層が形成されており、前記ヒートシンク本体と前記Ｔｉ層、及び、前記Ｔｉ層と前記金属部材層とが、それぞれ固相拡散接合されていることを特徴としている。
この構成のヒートシンクによれば、ヒートシンク本体が、固相線温度が前記金属部材層を構成する金属元素とアルミニウムとの共晶温度未満とされたアルミニウム合金で構成されているので、流路等を有する複雑な構造のヒートシンク本体を構成することができる。また、このヒートシンク本体に、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材層が形成されているので、ヒートシンクと他の部材とをはんだ等を介して良好に接合することができる。また、アルミニウム合金よりも熱伝導性の良い金属で金属部材層を形成した場合には、熱を金属部材層で面方向に広げることができ、放熱特性を大幅に向上することができる。
そして、ヒートシンク本体と金属部材層との接合部にＴｉ層が形成され、前記金属部材層と前記Ｔｉ層、及び、前記Ｔｉ層と前記ヒートシンク本体が、それぞれ固相拡散接合されているので、Ｔｉ層によってヒートシンク本体のＡｌ原子と、金属部材層の金属（Ｃｕ，Ｎｉ，Ａｇ）原子が相互に拡散することを抑制でき、ヒートシンク本体と金属部材層との接合部に液相が生じて硬くて脆い金属間化合物層が厚く形成されることを抑制できる。よって、ヒートシンク本体と金属部材層との接合信頼性が良好なヒートシンクを得ることができる。
本発明の接合体の製造方法は、上述の接合体の製造方法であって、前記Ｔｉ層となるＴｉ材と前記金属部材とを固相拡散接合するＴｉ／金属部材接合工程と、前記Ｔｉ材が接合された金属部材と前記アルミニウム部材とを固相拡散接合するアルミニウム部材／Ｔｉ接合工程と、を備えていることを特徴としている。
この構成の接合体の製造方法によれば、Ｔｉ／金属部材接合工程によってＴｉ層となるＴｉ材と金属部材とを固相拡散接合した後に、前記Ｔｉ材が接合された金属部材と前記アルミニウム部材とを固相拡散接合しているので、Ｔｉ材と金属部材との接合条件（温度、時間）を比較的自由に設定することができ、Ｔｉ層と金属部材層とを確実に固相拡散接合することが可能となる。また、アルミニウム部材／Ｔｉ接合工程においては、アルミニウム部材が溶融しない低温条件でＴｉ層とアルミニウム部材とを固相拡散接合することができる。
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は、上述の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Ｔｉ層となるＴｉ材と前記金属層とを固相拡散接合するＴｉ／金属層接合工程と、前記Ｔｉ材が接合された金属層と前記ヒートシンクとを固相拡散接合するヒートシンク／Ｔｉ接合工程と、を備えてい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によれば、Ｔｉ／金属層接合工程によってＴｉ層となるＴｉ材と金属層とを固相拡散接合した後に、前記Ｔｉ材が接合された金属層と前記ヒートシンクとを固相拡散接合しているので、Ｔｉ材と金属層との接合条件（温度、時間）を比較的自由に設定することができ、Ｔｉ層と金属層とを確実に固相拡散接合することが可能となる。また、ヒートシンク／Ｔｉ接合工程においては、ヒートシンクが溶融しない低温条件でＴｉ層とヒートシンクとを固相拡散接合することができる。
本発明のヒートシンクの製造方法は、上述のヒートシンクの製造方法であって、前記Ｔｉ層となるＴｉ材と前記金属部材層とを固相拡散接合するＴｉ／金属部材層接合工程と、前記Ｔｉ材が接合された金属部材層と前記ヒートシンク本体とを固相拡散接合するヒートシンク本体／Ｔｉ接合工程と、を備えていることを特徴としている。
この構成のヒートシンクの製造方法によれば、Ｔｉ／金属部材層接合工程によってＴｉ層となるＴｉ材と金属部材層とを固相拡散接合した後に、前記Ｔｉ材が接合された金属部材層と前記ヒートシンク本体とを固相拡散接合しているので、Ｔｉ材と金属部材層との接合条件（温度、時間）を比較的自由に設定することができ、Ｔｉ層と金属部材層とを確実に固相拡散接合することが可能となる。また、ヒートシンク本体／Ｔｉ接合工程においては、ヒートシンク本体が溶融しない低温条件でＴｉ層とヒートシンク本体とを固相拡散接合することができる。
本発明によれば、比較的固相線温度の低いアルミニウム合金からなるアルミニウム部材と、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材とが良好に接合された接合体、この接合体を有するヒートシンク付パワーモジュール用基板及びヒートシンク、この接合体の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法、ヒートシンクの製造方法を提供することが可能となる。
本発明の第一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を備えたパワーモジュールの概略説明図である。 図１における金属層のＣｕ層と第２Ｔｉ層との接合界面の拡大説明図である。 図１におけるヒートシンクと第２Ｔｉ層との接合界面の拡大説明図である。 第一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製造方法を説明するフロー図である。 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の概略説明図である。 本発明の第二実施形態に係るヒートシンクの概略説明図である。 図６における金属部材層とＴｉ層との接合界面の拡大説明図である。 第二実施形態に係るヒートシンクの製造方法を説明するフロー図である。 第二実施形態に係るヒートシンクの製造方法の概略説明図である。 本発明の他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を備えたパワーモジュール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。
図１に、本発明の第一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を用い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、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の一方の面（図１において上面）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に接合されたヒートシンク３１と、を備えている。
パワーモジュール用基板１０は、絶縁層を構成するセラミックス基板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、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化珪素）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）等の絶縁性の高いセラミックスで構成され、本実施形態では、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミニウム）で構成されている。また、セラミックス基板１１の厚さは、０．２ｍｍ以上１．５ｍｍ以下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、図５に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板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９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）の圧延板（アルミニウム板２２）がセラミックス基板１１に接合されることで形成されている。なお、回路層１２となるアルミニウム板２２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、図１に示すように、セラミックス基板１１の他方の面に配設されたＡｌ層１３Ａと、このＡｌ層１３Ａのうちセラミックス基板１１が接合された面と反対側の面にＴｉ層１５を介して積層されたＣｕ層１３Ｂと、を有している。
Ａｌ層１３Ａは、図５に示すように、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からなるアルミニウム板２３Ａが接合されることにより形成されている。接合されるアルミニウム板２３Ａ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。
Ｃｕ層１３Ｂは、Ａｌ層１３Ａの他方の面に、第１Ｔｉ層１５を介して銅又は銅合金からなる銅板２３Ｂが接合されることにより形成されている。銅板２３Ｂの厚さは０．０５ｍｍ以上１ｍｍ以下の範囲内に設定されることが好ましいが、これに限定されることはない。本実施形態では、接合される銅板２３Ｂは、無酸素銅からなり、厚さは０．５ｍｍに設定されている。
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り、本実施形態では、図１に示すように、冷却媒体が流通する流路３２が設けられている。このヒートシンク３１は、固相線温度が金属層１３の接合面（Ｃｕ層１３Ｂ）を構成するＣｕとＡｌとの共晶温度（５４８℃）未満とされたアルミニウム合金で構成されており、具体的には、ＪＩＳ Ｈ ２１１８：２００６で規定されたダイカスト用アルミニウム合金であるＡＤＣ１２（固相線温度５１５℃）で構成されている。なお、このＡＤＣ１２は、Ｃｕを１．５〜３．５ｍａｓｓ％の範囲内、Ｓｉを９．６〜１２．０ｍａｓｓ％の範囲内で含むアルミニウム合金である。ヒートシンク３１を構成するアルミニウム合金の固相線温度は５１５℃以上５４８℃以下未満としてもよいが、これに限定されることはない。
そして、ヒートシンク３１と金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）との接合部には、第２Ｔｉ層３５が形成されており、金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）と第２Ｔｉ層３５、及び、第２Ｔｉ層３５とヒートシンク３１とが、それぞれ固相拡散接合されている。
図２に示すように、金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）と第２Ｔｉ層３５との接合界面には、Ｃｕ−Ｔｉ層３６が形成されている。本実施形態においては、このＣｕ−Ｔｉ層３６の厚さｔ１が、１μｍ≦ｔ１≦８μｍの範囲内とされている。このＣｕ−Ｔｉ層３６の厚さｔ１は、２μｍ≦ｔ１≦６.５μｍの範囲内とすることが好ましいが、これに限定されることはない。
また、本実施形態では、図３に示すように、ヒートシンク３１と第２Ｔｉ層３５との接合界面には、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層３７が形成されている。このＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層３７は、第２Ｔｉ層３５側に形成された第１Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層３７Ａと、ヒートシンク３１側に形成された第２Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層３７Ｂとを備えている。
第１Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層３７Ａと第２Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層３７Ｂは、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ相からなり、第２Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層３７ＢのＳｉ濃度が、第１Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層３７ＡのＳｉ濃度よりも低くなっている。第１Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層３７ＡのＳｉ濃度は１０ａｔ％以上３０ａｔ％以下とされており、第２Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層３７ＢのＳｉ濃度は０．６ａｔ％以上１０ａｔ％未満とされている。第１Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層３７ＡのＳｉ濃度は、１５ａｔ％以上２５ａｔ％以下、第２Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層３７ＢのＳｉ濃度は２ａｔ％以上５ａｔ％以下とすることが好ましいが、これに限定されることはない。
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用基板３０の製造方法について、図４及び図５を参照して説明する。
（アルミニウム板積層工程Ｓ０１）
まず、図５に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に、回路層１２となるアルミニウム板２２を、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔２６を介して積層した。
また、セラミックス基板１１の他方の面に、Ａｌ層１３Ａとなるアルミニウム板２３Ａ、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔２６を介して積層した。なお、本実施形態では、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔２６として、厚さ１０μｍのＡｌ−８ｍａｓｓ％Ｓｉ合金箔を用いた。
（回路層及びＡｌ層形成工程Ｓ０２）
そして、積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２（０．１０〜３．４３ＭＰａ））した状態で真空加熱炉内に配置し加熱して、アルミニウム板２２とセラミックス基板１１を接合して回路層１２を形成する。また、セラミックス基板１１とアルミニウム板２３Ａを接合してＡｌ層１３Ａを形成する。
ここで、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６４３℃以下、保持時間は３０分以上１８０分以下の範囲内に設定されることが好ましい。
（Ｃｕ層（金属層）形成工程Ｓ０３及びＴｉ／金属層接合工程Ｓ０４）
次に、Ａｌ層１３Ａの他方の面側に、第１チタン箔２５を介してＣｕ層１３Ｂとなる銅板２３Ｂを積層する。さらに、本実施形態では、銅板２３Ｂの他方の面側に、第２チタン箔４５を積層する。ここで、第１チタン箔２５及び第２チタン箔４５の純度は９９ｍａｓｓ％以上とされている。また、第１チタン箔２５及び第２チタン箔４５の厚さは３μｍ以上４０μｍ以下に設定されており、本実施形態では、１０μｍに設定されている。
そして、積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２（０．１０〜３．４３ＭＰａ））した状態で真空加熱炉内に配置し加熱して、Ａｌ層１３Ａと第１チタン箔２５、及び第１チタン箔２５と銅板２３Ｂとを固相拡散接合し、金属層１３を形成する。さらに、銅板２３Ｂ（Ｃｕ層１３Ｂ）と第２チタン箔４５とを固相拡散接合し、第２Ｔｉ層３５を形成する。
ここで、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６４３℃以下、保持時間は３０分以上１８０分以下の範囲内に設定されることが好ましい。上記加熱温度は６３０℃以上６４３℃以下、保持時間は４５分以上１２０分以下の範囲内に設定することがより好ましいが、これに限定されることはない。
なお、Ａｌ層１３Ａ、第１チタン箔２５、銅板２３Ｂ、第２チタン箔４５のうち固相拡散接合されるそれぞれの接合面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされている。
（ヒートシンク／Ｔｉ接合工程Ｓ０５）
次に、第２Ｔｉ層３５とヒートシンク３１とを積層し、積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２（０．１０〜３．４３ＭＰａ））した状態で真空加熱炉内に配置し加熱して、第２Ｔｉ層３５とヒートシンク３１とを固相拡散接合する。なお、第２Ｔｉ層３５、ヒートシンク３１のうち固相拡散接合されるそれぞれの接合面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされている。
ここで、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４００℃以上５２０℃以下、保持時間は３時間以上２４時間以下の範囲内に設定されることが好ましい。なお、上記加熱温度は４８０℃以上５２０℃以下、保持時間は１８時間以上２４時間以下の範囲内に設定することがより好ましいが、これに限定されることはない。
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用基板３０が製造される。
（半導体素子接合工程Ｓ０６）
次いで、回路層１２の一方の面（表面）に、はんだ層２となるはんだ材を介して半導体素子３を積層し、還元炉内においてはんだ接合する。
上記のようにして、本実施形態であ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に係るヒートシンク付パワーモジュール用基板３０によれば、金属層１３がＡｌ層１３ＡとＣｕ層１３Ｂとを有し、このＣｕ層１３Ｂがヒートシンク３１との接合面とされており、金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）とヒートシンク３１との接合部に第２Ｔｉ層３５が形成され、金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）と第２Ｔｉ層３５、第２Ｔｉ層３５とヒートシンク３１とがそれぞれ固相拡散接合されているので、第２Ｔｉ層３５によって、ヒートシンク３１中のＡｌとＣｕ層１３Ｂ中のＣｕとが相互拡散することを抑制でき、接合部に、硬くて脆い金属間化合物が厚く形成されることを防止できる。よって、ヒートシンク３１とパワーモジュール用基板１０との接合信頼性を向上させることができる。
また、本実施形態では、ヒートシンク３１が、固相線温度が金属層１３の接合面（Ｃｕ層１３Ｂ）を構成するＣｕとＡｌとの共晶温度（５４８℃）未満とされたアルミニウム合金で構成されており、具体的には、ＪＩＳ Ｈ ２１１８：２００６で規定されたダイカスト用アルミニウム合金であるＡＤＣ１２（固相線温度５１５℃）で構成されているので、流路３２を有する複雑な構造のヒートシンク３１を構成することができ、放熱性能を向上させることが可能となる。
そして、本実施形態では、金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）と第２Ｔｉ層３５となる第２チタン箔４５とを固相拡散接合した後に、ヒートシンク３１と第２Ｔｉ層３５とを固相拡散接合しているので、金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）と第２Ｔｉ層３５との固相拡散温度を、ヒートシンク３１を構成するアルミニウム合金の固相線温度（５１５℃）以上に設定することができ、金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）と第２Ｔｉ層３５とを確実に固相拡散接合することが可能となる。本実施形態では、金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）と第２Ｔｉ層３５との接合界面に、厚さｔ１が１μｍ≦ｔ１≦８μｍの範囲内とされたＣｕ−Ｔｉ層３６が形成されているので、金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）と第２Ｔｉ層３５とが確実に接合されていることになる。
また、ヒートシンク３１と第２Ｔｉ層３５とを低温条件で固相拡散接合することができ、ヒートシンク３１が溶融することを抑制することが可能となる。そのため、ヒートシンク３１と第２Ｔｉ層３５との固相拡散温度を、ヒートシンク３１を構成するアルミニウム合金の固相線温度（５１５℃）未満に設定することも可能であるが、これに限定されることはない。
さらに、本実施形態においては、Ｃｕ層（金属層）形成工程Ｓ０３とＴｉ／金属層接合工程Ｓ０４とを同時に実施する構成とされているので、製造工程を簡略化することができ、製造コストを低減可能である。
さらに、本実施形態では、ヒートシンク３１と金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）との接合部に、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層３７が形成されており、第２Ｔｉ層３５側に形成された第１Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層３７ＡのＳｉ濃度が、ヒートシンク３１側に形成された第２Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層３７ＢのＳｉ濃度よりも高いので、Ｓｉ濃度が高い第１Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層３７ＡによってＴｉ原子がヒートシンク３１側に拡散することが抑制され、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層３７の厚さを薄くすることができる。
また、ヒートシンク３１側に形成された第２Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層３７Ｂに含まれるＳｉ濃度が０．６ａｔ％以上１０ａｔ％未満とされているので、Ａｌ原子が第２Ｔｉ層３５側に過剰に拡散することが抑制され、第２Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層３７Ｂの厚さを薄くすることができる。さらには、第２Ｔｉ層３５側に形成された第１Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層３７Ａに含まれるＳｉ濃度が１０ａｔ％以上３０ａｔ％以下とされているので、Ｔｉ原子がヒートシンク３１側に過剰に拡散することが抑制され、第１Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層３７Ａの厚さを薄くすることができる。
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場合があるが、本実施形態では、Ａｌ層１３Ａ、第１チタン箔２５、銅板２３Ｂ、第２チタン箔４５、ヒートシンク３１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確実に接合することが可能である。
（第二実施形態）
次に、本発明の第二実施形態であるヒートシンクについて説明する。図６に、本発明の第二実施形態に係るヒートシンク１０１を示す。
このヒートシンク１０１は、ヒートシンク本体１１０と、ヒートシンク本体１１０の一方の面（図６において上側）に積層された銅、ニッケル又は銀からなる金属部材層１１８と、を備えている。金属板１２８の厚さは、０．００１ｍｍ以上３ｍｍ以下であることが好ましいが、これに限定されることはない。本実施形態では、金属部材層１１８は、図９に示すように、厚さ２ｍｍの無酸素銅の圧延板からなる金属板１２８を接合することによって構成されている。
ヒートシンク本体１１０は、冷却媒体が流通する流路１１１が設けられている。このヒートシンク本体１１０は、固相線温度が金属部材層１１８を構成する金属元素（本実施形態ではＣｕ）とＡｌとの共晶温度（５４８℃）未満とされたアルミニウム合金で構成されており、具体的には、ＪＩＳ Ｈ ２１１８：２００６で規定されたダイカスト用アルミニウム合金であるＡＤＣ５（固相線温度５３５℃）で構成されている。なお、このＡＤＣ５は、Ｍｇを４．１〜８．５ｍａｓｓ％の範囲内で含むアルミニウム合金である。ヒートシンク本体１１０を構成するアルミニウム合金の固相線温度は５１５℃以上５４８℃未満としてもよいが、これに限定されることはない。
ここで、ヒートシンク本体１１０と金属部材層１１８との接合部には、Ｔｉ層１１５が形成されている。
そして、金属部材層１１８とＴｉ層１１５、及び、Ｔｉ層１１５とヒートシンク本体１１０とが、それぞれ固相拡散接合されている。
また、図７に示すように、金属部材層１１８とＴｉ層１１５との接合界面には、Ｃｕ−Ｔｉ層１１６が形成されている。本実施形態においては、このＣｕ−Ｔｉ層１１６の厚さｔ１が、１μｍ≦ｔ１≦８μｍの範囲内とされている。Ｃｕ−Ｔｉ層１１６の厚さｔ１は、２μｍ≦ｔ１≦６．５μｍの範囲内とすることが好ましいが、これに限定されることはない。
次に、本実施形態であるヒートシンク１０１の製造方法について、図８及び図９を参照して説明する。
（Ｔｉ／金属部材層接合工程Ｓ１０１）
まず、図９に示すように、金属部材層１１８となる金属板１２８と、Ｔｉ層１１５となるチタン箔１２５とを積層し、積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２（０．１０〜３．４３ＭＰａ））した状態で真空加熱炉内に配置し加熱することにより、金属板１２８とチタン箔１２５とを固相拡散接合する。なお、金属板１２８、チタン箔１２５のうち固相拡散接合されるそれぞれの接合面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされている。また、チタン箔１２５の純度は９９ｍａｓｓ％以上とされており、チタン箔１２５の厚さは３μｍ以上４０μｍ以下に設定されており、本実施形態では、１０μｍに設定されている。
ここで、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６７０℃以下、保持時間は３０分以上１８０分以下の範囲内に設定されることが好ましい。なお、上記加熱温度は６３０℃以上６７０℃以下、保持時間は４５分以上１２０分以下の範囲内に設定することがより好ましいが、これに限定されることはない。
（ヒートシンク本体／Ｔｉ接合工程Ｓ１０２）
次に、Ｔｉ層１１５とヒートシンク本体１１０とを積層し、積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２（０．１０〜３．４３ＭＰａ））した状態で真空加熱炉内に配置し加熱して、Ｔｉ層１１５とヒートシンク本体１１０とを固相拡散接合する。なお、Ｔｉ層１１５、ヒートシンク本体１１０のうち固相拡散接合されるそれぞれの接合面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされている。
ここで、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４００℃以上５２０℃以下、保持時間は３時間以上２４時間以下の範囲内に設定されることが好ましい。なお、上記加熱温度は４８０℃以上５２０℃以下、保持時間は１８時間以上２４時間以下の範囲内に設定することがより好ましいが、これに限定されることはない。
このようにして、本実施形態であるヒートシンク１０１が製造される。
以上のような構成とされた本実施形態に係るヒートシンク１０１によれば、ヒートシンク本体１１０の一方の面に、無酸素銅の圧延板からなる金属板１２８を接合することによって金属部材層１１８が形成されているので、熱を金属部材層１１８によって面方向に広げることができ、放熱特性を大幅に向上させることができる。また、はんだ等を用いて他の部材とヒートシンク１０１とを良好に接合することができる。
また、ヒートシンク本体１１０が、固相線温度が金属部材層１１８を構成する金属元素（本実施形態ではＣｕ）とＡｌとの共晶温度（５４８℃）未満とされたアルミニウム合金で構成されており、具体的には、ＪＩＳ Ｈ ２１１８：２００６で規定されたダイカスト用アルミニウム合金であるＡＤＣ５（固相線温度５３５℃）で構成されているので、流路等を有する複雑な構造のヒートシンク本体１１０を構成することができる。
そして、ヒートシンク本体１１０と金属部材層１１８との接合部にＴｉ層１１５が形成されており、金属部材層１１８とＴｉ層１１５、及び、Ｔｉ層１１５とヒートシンク本体１１０が、それぞれ固相拡散接合されているので、Ｔｉ層１１５によってヒートシンク本体１１０のＡｌ原子と、金属部材層１１８のＣｕ原子が相互に拡散することを抑制でき、ヒートシンク本体１１０と金属部材層１１８との接合部に液相が生じて硬くて脆い金属間化合物層が厚く形成されることを抑制できる。よって、ヒートシンク本体１１０と金属部材層１１８との接合信頼性が良好なヒートシンク１０１を得ることができる。
また、本実施形態では、Ｔｉ／金属部材層接合工程Ｓ１０１によってＴｉ層１１５となるチタン箔１２５と金属部材層１１８となる金属板１２８とを固相拡散接合した後に、Ｔｉ層１１５とヒートシンク本体１１０とを固相拡散接合しているので、Ｔｉ／金属部材層接合工程Ｓ１０１におけるチタン箔１２５と金属板１２８との接合条件（温度、時間）を比較的自由に設定することができ、Ｔｉ層１１５と金属部材層１１８とを確実に固相拡散接合することが可能となる。本実施形態では、金属部材層１１８とＴｉ層１１５との接合界面に、厚さｔ１が１μｍ≦ｔ１≦８μｍの範囲内とされたＣｕ−Ｔｉ層１１６が形成されているので、金属部材層１１８とＴｉ層１１５とが確実に接合されていることになる。
また、ヒートシンク本体／Ｔｉ接合工程Ｓ１０２においては、ヒートシンク本体１１０が溶融しない低温条件でＴｉ層１１５とヒートシンク本体１１０とを固相拡散接合することができる。
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。
例えば、上記の実施形態では、金属部材層として銅からなるＣｕ層とが接合される場合について説明したが、Ｃｕ層に代えて、ニッケル又はニッケル合金からなるＮｉ層、もしくは銀又は銀合金からなるＡｇ層が接合されても良い。
Ｃｕ層に代えてＮｉ層を形成した場合には、はんだ付け性が良好となり、他の部材との接合信頼性を向上できる。さらに、固相拡散接合によってＮｉ層を形成する場合には、無電解めっき等でＮｉめっき膜を形成する際に行われるマスキング処理が不要なので、製造コストを低減できる。この場合、Ｎｉ層の厚さは１μｍ以上３０μｍ以下とすることが望ましい。Ｎｉ層の厚さが１μｍ未満の場合には他の部材との接合信頼性の向上の効果が無くなるおそれがあり、３０μｍを超える場合にはＮｉ層が熱抵抗体となり効率的に熱を伝達できなくなるおそれがある。また、固相拡散接合によってＮｉ層を形成する場合、固相拡散接合は、前述の実施形態と同様の条件で形成することができる。上記Ｎｉ層の厚さは１μｍ以上１５μｍ以下とすることがより好ましいが、これに限定されることはない。
Ｃｕ層に代えてＡｇ層を形成した場合には、例えば酸化銀粒子と有機物からなる還元剤とを含む酸化銀ペーストを用いて他の部材を接合する際に、酸化銀が還元された銀とＡｇ層とが同種の金属同士の接合となるため、接合信頼性を向上させることができる。さらには、熱伝導率の良好なＡｇ層が形成されるので、熱を面方向に拡げて効率的に伝達することができる。この場合、Ａｇ層の厚さは１μｍ以上２０μｍ以下とすることが望ましい。Ａｇ層の厚さが１μｍ未満の場合には他の部材との接合信頼性を向上の効果が無くなるおそれがあり、２０μｍを超える場合には接合信頼性向上の効果が観られなくなり、コストの増加を招く。また、固相拡散接合によってＡｇ層を形成する場合、固相拡散接合は、前述の実施形態と同様の条件で形成することができる。上記Ａｇ層の厚さは１μｍ以上１０μｍ以下とすることがより好ましいが、これに限定されることはない。
さらに、第一の実施形態では、金属層１３を、Ａｌ層１３ＡとＣｕ層１３Ｂとを有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、図１０に示すように、金属層全体を銅又は銅合金で構成してもよい。この図１０に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板２３０においては、セラミックス基板１１の他方の面（図１０において下側）に銅板がＤＢＣ法あるいは活性金属ろう付け法等によって接合され、銅又は銅合金からなる金属層２１３が形成されている。そして、この金属層２１３とＴｉ層２３５、Ｔｉ層２３５とヒートシンク３１とが、それぞれ固相拡散接合されている。なお、図１０に示すパワーモジュール用基板２１０においては、回路層２１２も銅又は銅合金によって構成されたものとされている。
また、第一の実施形態において、回路層を純度９９ｍａｓｓ％のアルミニウム板を接合することで形成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、他のアルミニウム又はアルミニウム合金、銅又は銅合金等の他の金属で構成したものであってもよい。また、回路層をＡｌ層とＣｕ層の２層構造のものとしてもよい。これは、図１０に示すパワーモジュール用基板でも同様である。
また、第一の実施形態において回路層及びＡｌ層形成工程Ｓ０２とＣｕ層（金属層）形成工程Ｓ０３及びＴｉ／金属層接合工程Ｓ０４を別々に行ったが、これに限らず、一括して行うこともできる。即ち、セラミックス基板の一方の面にＡｌ−Ｓｉ系のろう材箔２６を介してアルミニウム板２２を積層し、他方の面にセラミックス基板側から、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔２６、アルミニウム板２３Ａ、第１チタン箔２５、銅板２３Ｂ、第２チタン箔４５を積層し、積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２（０．１０〜３．４３ＭＰａ））した状態で、保持時間３０分以上１８０分以下とし、加熱（６００℃以上６４３℃以下）することでパワーモジュール用基板１０を製造ができる。
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。
（実施例１）
表１に示すアルミニウム板（５０ｍｍ×５０ｍｍ×厚さ５ｍｍ）及び金属板（４０ｍｍ×４０ｍｍ）を準備した。また、純度９９ｍａｓｓ％、厚さ１０μｍのチタン箔を準備した。
本発明例１〜６においては、表１の金属板とチタン箔とを表１に示す条件で固相拡散接合した。その後、チタン箔が接合された金属板とアルミニウム板を表１に示す条件で固相拡散接合した。
なお、比較例１，２においては、金属板とチタン箔とアルミニウム板との接合を同時に実施した。
このようにして製造された接合体における金属板とＴｉ層との接合部を断面観察し、金属板を構成する金属元素とＴｉとの金属間化合物層の厚さを測定した。また、アルミニウム板と金属板との接合部の接合率を測定した。評価の具体的手順を以下に示す。
（断面観察及び金属板を構成する金属元素とＴｉとの金属間化合物層の厚さの測定）
接合体の断面を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。次に、金属板とＴｉ層の接合部をＥＰＭＡ（日本電子株式会社社製ＪＸＡ−８５３０Ｆ）によって、倍率２０００倍の視野（縦４５μｍ；横６０μｍ）で５視野観察し、Ｔｉのマッピングを行った。金属間化合物層の面積を求め、その面積を測定視野の幅の寸法で除して厚さを算出し、５視野の平均を金属間化合物層の厚さとした。
銅からなる金属板を用いた場合は、Ｔｉ濃度が１９ａｔ％以上６７ａｔ％以下の領域を金属間化合物層とした。
ニッケルからなる金属板を用いた場合は、Ｔｉ濃度が２５ａｔ％以上６７ａｔ％以下の領域を金属間化合物層とした。
銀からなる金属板を用いた場合は、Ｔｉ濃度が５０ａｔ％以上６７ａｔ％以下の領域を金属間化合物層とした。
（接合率評価）
接合体のアルミニウム板と金属板との接合部の接合率について超音波探傷装置（株式会社日立パワーソリューションズ製ＦｉｎｅＳＡＴ２００）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、すなわちアルミニウム板の面積（５０ｍｍ×５０ｍｍ）とした。超音波探傷像を二値化処理した画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
以上の評価の結果を表１に示す。
Figure 0006432465
金属板とチタン箔とアルミニウム板との接合を同時に実施し、接合温度をアルミニウム板の固相線温度未満に設定した比較例１においては、金属板とチタン箔（Ｔｉ層）とが十分に接合されなかった。
金属板とチタン箔とアルミニウム板との接合を同時に実施し、接合温度をアルミニウム板の固相線温度以上に設定した比較例２においては、アルミニウム板の一部が溶融してしまい、接合率が大幅に低下した。なお、比較例２では、アルミニウム板の一部が溶融したため、金属間化合物の層の厚さが測定できなかった。
これに対して、金属板とチタン箔（Ｔｉ層）とを接合した後に、Ｔｉ層とアルミニウム板とを接合した本発明例１〜６においては、金属板とチタン箔（Ｔｉ層）とを比較的高温条件で固相拡散接合でき、金属板とＴｉ層とを確実に接合することができた。また、固相線温度未満の温度条件でアルミニウム板とＴｉ層とを確実に接合することができた。
（実施例２）
表２に示すアルミニウム板（５０ｍｍ×５０ｍｍ×厚さ５ｍｍ）及び金属板（４０ｍｍ×４０ｍｍ）を準備した。また、純度９９ｍａｓｓ％、厚さ１０μｍのチタン箔を準備した。
本発明例１１〜１７においては、表２の金属板とチタン箔とを表２に示す条件で固相拡散接合した。その後、チタン箔が接合された金属板とアルミニウム板を表２に示す条件で固相拡散接合した。
このようにして製造された接合体における金属板とＴｉ層との接合部を断面観察し、金属板を構成する金属元素とＴｉとの金属間化合物層の厚さを測定した。厚さの測定方法は、実施例１と同様とした。
また、第１Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層及び第２Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層のＳｉ濃度は次のように求めた。
接合体を積層方向に機械切断し、得られた断面を厚さ約３０μｍまで機械研磨し、断面試料とする。その後、接合界面付近に４ｋＶのアルゴンイオンを上下（積層方向と垂直の面）から４度の角度で入射させ、スパッタリングで断面試料に穴が開くまで薄片化する。穴の縁がエッジ状になって電子線が透過可能な厚さ０．１μｍ程度となるので、この部分をＴＥＭ及びＥＤＳで測定した。ＴＥＭ及びＥＤＳの測定は、ＦＥＩ社製Ｔｉｔａｎ ＣｈｅｍｉＳＴＥＭ（ＥＤＳ検出器付）、加速電圧：２００ｋＶ、ビーム径：５ｎｍ、倍率：１万倍で行った。
ＴＥＭ及びＥＤＳで測定では、Ｔｉ層側からアルミニウム板側（アルミニウム部材側）に向かってＳｉのライン分析を行い、最初に出現したＳｉのピークを第１Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層のＳｉ濃度とし、そのピークからアルミニウム板側に１５０ｎｍ離れた箇所を第２Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層のＳｉ濃度とした。
また、冷熱サイクル試験後のアルミニウム板と金属板との接合部の接合率を測定した。冷熱サイクル試験は、エスペック株式会社製冷熱衝撃試験機ＴＳＢ‐５１を使用し、各接合体に対して、液相（フッ素系不活性液体（３Ｍ社製フロリナート））で、−４０℃×５分および１５０℃×５分を４０００サイクル繰り返した。接合率の測定方法は実施例１と同様とした。
Figure 0006432465
Figure 0006432465
第２Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層のＳｉ濃度が０．６ａｔ％〜９．６ａｔ％とされた本発明例１２〜１６では、初期の接合率及び冷熱サイクル後の接合率が高く、接合信頼性に優れた接合体が得られた。
一方、第２Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層のＳｉ濃度が０．３ａｔ％であった本発明例１１では、初期の接合率が本発明例１２〜１４と比べ、若干低下した。
また、第２Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層のＳｉ濃度が１１．９ａｔ％であった本発明例１７では、Ｓｉ濃度が高いことから接合界面が硬くなり、接合信頼性が若干低下した。
１０、２１０ パワーモジュール用基板
１１ セラミックス基板
１３，２１３ 金属層
１３Ｂ Ｃｕ層（金属部材）
３１ ヒートシンク（アルミニウム部材）
３５ 第２Ｔｉ層（Ｔｉ層）
４５ 第２チタン箔（Ｔｉ材）
１０１ ヒートシンク
１１０ ヒートシンク本体
１１５ Ｔｉ層
１１８ 金属部材層

Claims (6)

  1. アルミニウム合金からなるアルミニウム部材と、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材とが接合された接合体であって、
    前記アルミニウム部材は、固相線温度が、前記金属部材を構成する金属元素とアルミニウムとの共晶温度未満とされたアルミニウム合金で構成されており、
    前記アルミニウム部材と前記金属部材との接合部には、Ｔｉ層が形成されており、前記アルミニウム部材と前記Ｔｉ層、及び、前記Ｔｉ層と前記金属部材とが、それぞれ固相拡散接合されていることを特徴とする接合体。
  2. 絶縁層と、この絶縁層の一方の面に形成された回路層と、前記絶縁層の他方の面に形成された金属層と、こ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、
    前記金属層は、前記ヒートシンクとの接合面が銅、ニッケル、又は銀で構成され、
    前記ヒートシンクは、固相線温度が、前記金属層の前記接合面を構成する金属元素とアルミニウムとの共晶温度未満とされたアルミニウム合金で構成されており、
    前記金属層と前記ヒートシンクとの接合部には、Ｔｉ層が形成されており、前記金属層と前記Ｔｉ層、及び、前記Ｔｉ層と前記ヒートシンクとが、それぞれ固相拡散接合され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。
  3. ヒートシンク本体と、前記ヒートシンク本体に接合された金属部材層と、を備えたヒートシンクであって、
    前記金属部材層は、銅、ニッケル、又は銀からなり、
    前記ヒートシンク本体は、固相線温度が、前記金属部材層を構成する金属元素とアルミニウムとの共晶温度未満とされたアルミニウム合金で構成されており、
    前記ヒートシンク本体と前記金属部材層との接合部には、Ｔｉ層が形成されており、前記ヒートシンク本体と前記Ｔｉ層、及び、前記Ｔｉ層と前記金属部材層とが、それぞれ固相拡散接合されていることを特徴とするヒートシンク。
  4. 請求項１に記載の接合体の製造方法であって、
    前記Ｔｉ層となるＴｉ材と前記金属部材とを固相拡散接合するＴｉ／金属部材接合工程と、
    前記Ｔｉ材が接合された金属部材と前記アルミニウム部材とを固相拡散接合するアルミニウム部材／Ｔｉ接合工程と、
    を備えていることを特徴とする接合体の製造方法。
  5. 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であって、
    前記Ｔｉ層となるＴｉ材と前記金属層とを固相拡散接合するＴｉ／金属層接合工程と、
    前記Ｔｉ材が接合された金属層と前記ヒートシンクとを固相拡散接合するヒートシンク／Ｔｉ接合工程と、
    を備え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の製造方法。
  6. 請求項３に記載のヒートシンクの製造方法であって、
    前記Ｔｉ層となるＴｉ材と前記金属部材層とを固相拡散接合するＴｉ／金属部材層接合工程と、
    前記Ｔｉ材が接合された金属部材層と前記ヒートシンク本体とを固相拡散接合するヒートシンク本体／Ｔｉ接合工程と、
    を備えていることを特徴とするヒートシンクの製造方法。
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