JP6621076B2 - 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 - 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、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に関する。

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）、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化ケイ素）などからなる絶縁基板の一方の面側に第一の金属板が接合されてなる回路層と、絶縁基板の他方の面側に第二の金属板が接合されてなる金属層と、を備えたパワーモジュール用基板が用いられる。
このようなパワーモジュール基板では、回路層の上に、はんだ材を介してパワー素子の半導体素子が搭載される。
そして、金属層の他方の面側に、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が接合される。

例えば、特許文献１には、回路層及び金属層を構成する第一の金属板及び第二の金属板を銅板とし、この銅板をＤＢＣ法によって絶縁基板に直接接合したパワーモジュール用基板が提案されている。また、特許文献１の第１図に示すように、このパワーモジュール用基板に、有機系耐熱性接着剤を用いてアルミニウム製のヒートシンクを接合することで、ヒートシンク付パワーモジュール用基板が構成されている。

また、特許文献２には、回路層及び金属層を構成する第一の金属板及び第二の金属板としてアルミニウム板を用いたパワーモジュール用基板が提案されている。このパワーモジュール用基板は、金属層にろう付けによってヒートシンクが接合されることにより、ヒートシンク付パワーモジュール用基板が構成されている。

さらに、特許文献３には、絶縁基板の一方の面に金属板を接合して回路層とし、絶縁基板の他方の面に、鋳造法によってアルミニウム製のヒートシンクを直接形成したものが提案されている。そして、回路層を構成する金属板としてアルミニウム板、銅板を使用することが開示されている。

特開平０４−１６２７５６号公報 特許第３１７１２３４号公報 特開２００２−０７６５５１号公報

ところで、特許文献１に記載されたパワーモジュール用基板及びヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、アルミニウム製のヒートシンクと絶縁基板との間に銅板が配設されていることから、ヒートシンクと絶縁基板との熱膨張係数の差に起因する熱歪みを、この銅板において十分に緩和することができず、絶縁基板に割れ等が生じやすいといった問題があった。なお、特許文献１には、ヒートシンクと金属層との間に介在する有機系耐熱性接着剤によって熱歪みを緩和することが記載されているが、この有機系耐熱性接着剤が介在することで熱抵抗が高くなるため、回路層の上に搭載された電気部品等の発熱体からの熱をヒートシンク側に効率的に放散することができないといった問題があった。
また、回路層及び金属層が比較的変形抵抗が高い銅板で構成されているので、冷熱サイクルが負荷された際に、絶縁基板と銅板との間に生じる熱応力によって絶縁基板に割れが発生するおそれがあった。

また、特許文献２に記載されたパワーモジュール用基板及びヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、回路層を構成する第一の金属板としてアルミニウム板が用いられている。
ここで、アルミニウムは、銅に比べて熱伝導率が低いため、回路層を構成する第一の金属板としてアルミニウム板を用いた場合には、回路層の上に搭載された電気部品等の発熱体からの熱を拡げて放散することが銅よりも劣ることになる。このため、電子部品の小型化や高出力化により、パワー密度が上昇した場合には、熱を十分に放散することができなくなるおそれがあった。よって、パワーサイクルを負荷した際の耐久性が低下するおそれがあった。また、アルミニウムは、表面に強固な酸化皮膜が形成されることから、アルミニウム板からなる回路層の上に半導体素子を直接はんだ接合することができず、Ｎｉめっき等を行う必要があった。

さらに、特許文献３に記載されたヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、絶縁基板に直接アルミニウム製のヒートシンクを接合していることから、ヒートシンクと絶縁基板との熱膨張係数の差に起因する熱歪みによって絶縁基板に割れが生じやすくなる傾向にある。これを防止するために、特許文献３においては、ヒートシンクの耐力を低く設定する必要があった。このため、ヒートシンク自体の強度が不足し、取扱いが非常に困難であった。
また、鋳造法によってヒートシンクを形成していることから、ヒートシンクの構造が比較的簡単になり、冷却能力の高いヒートシンクを形成することができず、熱の放散を促進することができない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、回路層の上に搭載された電子部品等の発熱体からの熱の放散を促進でき、優れたパワーサイクル特性を有するとともに、冷熱サイクル負荷時における絶縁基板の割れの発生を抑制できる信頼性の高い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は、セラミックスからなる絶縁基板と、該絶縁基板の一方の面に形成された回路層と、前記絶縁基板の他方の面に形成された金属層と、を備えたパワーモジュール用基板であって、前記回路層は、前記絶縁基板にろう付け又はＴＬＰ接合された４Ｎアルミニウム、Ａ１０５０、Ａ１１００のいずれかからなる第１アルミニウム層と、この第１アルミニウム層に固相拡散接合された銅又は銅合金からなる第１銅層と、を有し、前記第１アルミニウム層と前記第１銅層との接合界面には、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の金属間化合物層が形成されており、前記金属層は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる第２アルミニウム層を有しており、前記回路層の厚さｔ_１と前記金属層の第２アルミニウム層の厚さｔ_２との関係が、ｔ_１＜ｔ_２とされてい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においては、絶縁基板の一方の面側に配置された第１アルミニウム層及び第１銅層を有する回路層の厚さｔ_１と、絶縁基板の他方の面側に配置された金属層の第２アルミニウム層の厚さｔ_２との関係が、ｔ_１＜ｔ_２とされているので、このパワーモジュール用基板に熱応力が負荷された際に、比較的厚く形成された金属層の第２アルミニウム層が変形することになり、パワーモジュール用基板における反りの発生を抑制することができる。
また、例えば、このパワーモジュール用基板の金属層側にヒートシンクを接合した場合であっても、絶縁基板とヒートシンクとの熱膨張係数の差に起因する熱歪みを、十分に厚く形成された第２アルミニウム層が変形することによって緩和することができる。

さらに、本発明のパワーモジュール用基板においては、回路層が、絶縁基板側にアルミニウム及びアルミニウム合金からなる第１アルミニウム層を備えているので、ヒートサイクルが負荷された場合に絶縁基板と回路層との熱膨張係数の差に起因して発生する熱応力を第１アルミニウム層の変形によって吸収することができ、絶縁基板の割れを抑制することが可能となる。
また、回路層が、銅又は銅合金からなる第１銅層を備えているので、第１銅層によって半導体素子等からの熱を面方向に拡げることができ、効率的に放熱することが可能となる。さらに、回路層の上に半導体素子等を良好にはんだ接合することができる。また、第１銅層は、比較的変形抵抗の大きいので、パワーサイクルが負荷された場合に、回路層の表面が変形することを抑制でき、はんだ層にクラック等が発生することを抑制できる。
そして、第１アルミニウム層と第１銅層とは、固相拡散接合によって接合されているので、第１アルミニウム層と第１銅層とが確実に接合されており、回路層の熱伝導性及び導電性を維持することができる。

ここで、本発明のパワーモジュール用基板においては、前記金属層が、前記絶縁基板に接合された前記第２アルミニウム層と、この第２アルミニウム層に固相拡散接合された銅又は銅合金からなる第２銅層と、を有する構成としてもよい。
この場合、絶縁基板の他方の面側に位置する金属層が、前記第２アルミニウム層と、この第２アルミニウム層に固相拡散接合された第２銅層と、を備えているので、このパワーモジュール用基板の金属層側にヒートシンクを接合する際には第２銅層とヒートシンクとが接合されることになる。
例えば、ヒートシンクの接合面がアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されている場合には、この第２銅層とヒートシンクとを固相拡散接合法によって接合することが可能となる。また、例えば、ヒートシンクの接合面が銅又は銅合金で構成されている場合には、この第２銅層とヒートシンクとをはんだを用いて接合することが可能となる。

また、金属層が、銅又は銅合金からなる第２銅層を備えているので、第２銅層によって熱を面方向に拡げることができ、効率的に放熱することが可能となる。
さらに、絶縁基板と第２銅層の間に比較的変形抵抗が小さい第２アルミニウム層が形成されているので、第２アルミニウム層が変形することによって熱応力が緩和されることになり、絶縁基板に割れが生じることを抑制できる。
そして、第２アルミニウム層と第２銅層とが、固相拡散接合によって接合されているので、第２アルミニウム層と第２銅層とが確実に接合されており、金属層の熱伝導性を維持することができる。

また、本発明のパワーモジュール用基板においては、前記回路層の厚さｔ_１と前記金属層の第２アルミニウム層の厚さｔ_２との関係が、ｔ_２／ｔ_１≧１．５とされていることが好ましい。
この場合、回路層の厚さｔ_１と、金属層の第２アルミニウム層の厚さｔ_２と、の関係が、ｔ_２／ｔ_１≧１．５とされているので、パワーモジュール用基板における反りの発生を確実に抑制することができる。

本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、前述のパワーモジュール用基板と、前記金属層側に接合されたヒートシンクと、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、ヒートシンクと絶縁基板との間に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる第２アルミニウム層を有する金属層が介在しており、この第２アルミニウム層の厚さｔ_２が、回路層の厚さｔ_１に対して、ｔ_１＜ｔ_２とされているので、絶縁基板とヒートシンクとの熱膨張係数の差に起因する熱歪みを、金属層の第２アルミニウム層の変形によって緩和することができ、絶縁基板の割れを抑制することができる。

本発明のパワーモジュールは、前述のパワーモジュール用基板と、前記回路層上に搭載された電子部品と、を備えていることを特徴としている。
この構成のパワーモジュールによれば、回路層上に搭載された電子部品からの熱を効率的に放散することができ、電子部品のパワー密度（発熱量）が向上した場合であっても、十分に対応することができる。また、パワーサイクル負荷時の耐久性を向上させることができる。

本発明によれば、回路層の上に搭載された電子部品等の発熱体からの熱の放散を促進でき、優れたパワーサイクル特性を有するとともに、冷熱サイクル負荷時における絶縁基板の割れの発生を抑制できる信頼性の高い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、パワーモジュールを提供することができる。

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。 図１の回路層における第１アルミニウム層と第１銅層との接合界面の拡大説明図である。 図１の金属層における第２アルミニウム層と第２銅層との接合界面の拡大説明図である。 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のフロー図である。 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示す説明図である。 本発明の第２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３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において、第一アルミニウム層と第一銅層との界面の概略説明図である。 図９における第一金属間化合物層と第一銅層との界面の拡大説明図である。 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において、第一アルミニウム層と第一銅層との界面の概略説明図である。 図１１における第一金属間化合物層と第一銅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。

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の実施形態であるパワーモジュール用基板１０、ヒートシンク付パワーモジュール用基板４０及びパワーモジュール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４０と、このヒートシンク付パワーモジュール用基板４０の一方側（図１において上側）の面にはんだ層２を介して接合された半導体素子（電子部品）３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。

ヒートシンク付パワーモジュール用基板４０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を冷却するヒートシンク４１と、を備えている。
本実施形態におけるヒートシンク４１は、パワーモジュール用基板１０と接合される天板部４２と、この天板部４２に積層配置される冷却部材４３と、を備えている。冷却部材４３の内部には、冷却媒体が流通する流路４４が形成されている。

ここで、天板部４２と冷却部材４３とは、固定ネジ４５によって連結される構造とされている。このため、天板部４２には、固定ネジ４５をねじ込んでも容易に変形しないように剛性を確保する必要がある。そこで、本実施形態では、ヒートシンク４１の天板部４２を、耐力が１００Ｎ／ｍｍ^２以上の金属材料で構成し、その厚さを２ｍｍ以上としている。なお、本実施形態では、天板部４２は、Ａ６０６３合金（アルミニウム合金）で構成されている。

パワーモジュール用基板１０は、絶縁基板１１と、この絶縁基板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、絶縁基板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。

絶縁基板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）、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化珪素）、Ａｌ_２Ｏ_３（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、ＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。また、絶縁基板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１に示すように、絶縁基板１１の一方の面（図１において上面）に配設された第１アルミニウム層１２Ａと、この第１アルミニウム層１２Ａの一方側に接合された第１銅層１２Ｂと、を有している。
本実施形態では、第１アルミニウム層１２Ａは、絶縁基板１１の一方の面に、純度が９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板が接合されることで形成されている。
また、第１銅層１２Ｂは、無酸素銅の圧延板が、第１アルミニウム層１２Ａに固相拡散接合されることによって形成されている。

金属層１３は、図１に示すように、絶縁基板１１の他方の面（図１において下面）に配設された第２アルミニウム層１３Ａと、この第２アルミニウム層１３Ａの他方側（図１において下側）に接合された第２銅層１３Ｂと、を有している。
本実施形態では、第２アルミニウム層１３Ａは、絶縁基板１１の他方の面に、純度が９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板が接合されることで形成されている。
また、第２銅層１３Ｂは、無酸素銅の圧延板が、第２アルミニウム層１３Ａに固相拡散接合されることによって形成されている。

このように、本実施形態においては、回路層１２と金属層１３とが、それぞれアルミニウム層（第１アルミニウム層１２Ａ、第２アルミニウム層１３Ａ）と銅層（第１銅層１２Ｂ、第２銅層１３Ｂ）とが固相拡散接合された接合体で構成されているのである。
ここで、固相拡散接合された第１アルミニウム層１２Ａと第１銅層１２Ｂの接合界面及び第２アルミニウム層１３Ａと第２銅層１３Ｂの接合界面には、図２及び図３に示すように、それぞれ金属間化合物層（第１金属間化合物層１２Ｃ、第２金属間化合物層１３Ｃ）が形成されている。

金属間化合物層（第１金属間化合物層１２Ｃ、第２金属間化合物層１３Ｃ）は、アルミニウム層（第１アルミニウム層１２Ａ、第２アルミニウム層１３Ａ）のアルミニウム原子と、銅層（第１銅層１２Ｂ、第２銅層１３Ｂ）の銅原子とが相互拡散することによって形成されており、アルミニウム層（第１アルミニウム層１２Ａ、第２アルミニウム層１３Ａ）から銅層（第１銅層１２Ｂ、第２銅層１３Ｂ）に向かうにしたがい、漸次アルミニウム原子の濃度が低くなり、かつ、銅原子の濃度が高くなる濃度勾配を有している。ここで、金属間化合物層（第１金属間化合物層１２Ｃ、第２金属間化合物層１３Ｃ）の厚さｔ_Ｃ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。

金属間化合物層（第１金属間化合物層１２Ｃ、第２金属間化合物層１３Ｃ）は、ＣｕとＡｌ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。
本実施形態では、図２及び図３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、アルミニウム層（第１アルミニウム層１２Ａ、第２アルミニウム層１３Ａ）側から銅層（第１銅層１２Ｂ、第２銅層１３Ｂ）側に向けて順に、θ相１６、η２相１７、ζ２相１８とされている（図１３）。

また、金属間化合物層（第１金属間化合物層１２Ｃ、第２金属間化合物層１３Ｃ）と銅層（第１銅層１２Ｂ、第２銅層１３Ｂ）との接合界面には、接合界面に沿って酸化物１９が層状に分散している。なお、本実施形態においては、この酸化物１９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。この酸化物１９は、金属間化合物層（第１金属間化合物層１２Ｃ、第２金属間化合物層１３Ｃ）と銅層（第１銅層１２Ｂ、第２銅層１３Ｂ）との界面に分断された状態で分散しており、第１金属間化合物層１２Ｃと第１銅層１２Ｂとが直接接触している領域も存在している。
さらに、本実施形態では、銅層（第１銅層１２Ｂ、第２銅層１３Ｂ）の平均結晶粒径が５０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内とされ、アルミニウム層（第１アルミニウム層１２Ａ、第２アルミニウム層１３Ａ）の平均結晶粒径が５００μｍ以上とされている。

ここで、図１に示すように、回路層１２の厚さｔ_１と、金属層１３の第２アルミニウム層１３Ａの厚さｔ_２との関係が、ｔ_１＜ｔ_２とされている。
本実施形態では、回路層１２の厚さｔ_１が０．１０ｍｍ≦ｔ_１≦３．６ｍｍの範囲内に設定され、金属層１３の第２アルミニウム層１３Ａの厚さｔ_２が、０．１５ｍｍ≦ｔ_２≦５．４ｍｍの範囲内に設定されており、回路層１２の厚さｔ_１と、金属層１３の第２アルミニウム層１３Ａの厚さｔ_２との関係がｔ_２／ｔ_１≧１．５とされている。

以下に、前述の構成のパワーモジュール用基板１０、及び、ヒートシンク付パワーモジュール用基板４０の製造方法について、図４、図５を参照して説明する。

まず、図５に示すように、絶縁基板１１の一方の面（図５において上面）及び他方の面（図５において下面）に、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材２５、２６を介して第１アルミニウム板２２Ａ、第２アルミニウム板２３Ａを積層する。そして、加圧・加熱後冷却することによって、絶縁基板１１と第１アルミニウム板２２Ａ、第２アルミニウム板２３Ａを接合し、絶縁基板１１に第１アルミニウム層１２Ａ及び第２アルミニウム層１３Ａを形成する（アルミニウム層形成工程Ｓ０１）。なお、このろう付けの温度は、６４０℃〜６５０℃に設定されている。

次に、第１アルミニウム層１２Ａの一方側（図５において上側）に第１銅板２２Ｂを配置する。また、第２アルミニウム層１３Ａの他方側（図５において下側）に，第２銅板２３Ｂを介して、ヒートシンク４１の天板部４２を積層する。そして、これらを真空加熱炉５０の中に配置し、積層方向に加圧（３ｋｇｆ／ｃｍ^２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ^２以下）し、真空雰囲気下で加熱処理を行う。本実施形態においては、加熱温度を、４００℃以上５４８℃未満とし、保持時間を５分以上２４０分以下に設定している。なお、加熱温度は、ＡｌとＣｕの共晶温度−５℃以上、共晶温度未満の範囲とすることが好ましい。また、固相拡散接合される接合面は、予め当該面の傷が除去されて平滑とされていることが好ましい。
これにより、第１アルミニウム層１２Ａに固相拡散接合された第１銅層１２Ｂ及び第２アルミニウム層１３Ａに固相拡散接合された第２銅層１３Ｂを形成する（銅層形成工程Ｓ０２）。さらに、第２銅層１３Ｂと天板部４２とを固相拡散接合によって接合する（ヒートシンク接合工程Ｓ０３）。

次いで、天板部４２の他方側にグリースを介して冷却部材４３を積層し、固定ネジ４５によって天板部４２と冷却部材４３とを連結する（冷却器連結工程Ｓ０４）。
そして、回路層１２の一方の面に、はんだによって半導体素子３を接合する（半導体素子接合工程Ｓ０５）。
このようにして、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０、ヒートシンク付パワーモジュール用基板４０およびパワーモジュール１が製造される。

以上のような構成とされた本実施形態であるパワーモジュール用基板１０によれば、絶縁基板１１の一方の面側に配置された回路層１２の厚さｔ_１と、絶縁基板１１の他方の面側に配置された金属層１３の第２アルミニウム層１３Ａの厚さｔ_２との関係が、ｔ_１＜ｔ_２とされているので、このパワーモジュール用基板１０に熱応力が負荷された際に、比較的厚く形成された金属層１３の第２アルミニウム層１３Ａが変形することにより、パワーモジュール用基板１０における反りの発生を抑制することができる。
特に、本実施形態では、回路層１２の厚さｔ_１と金属層１３の第２アルミニウム層１３Ａの厚さｔ_２との関係が、ｔ_２／ｔ_１≧１．５とされているので、パワーモジュール用基板１０における反りの発生を確実に抑制することができる。

また、本実施形態では、回路層１２が、絶縁基板１１側に第１アルミニウム層１２Ａを備えているので、ヒートサイクルが負荷された場合に絶縁基板１１と回路層１２との熱膨張係数の差に起因して発生する熱応力を第１アルミニウム層１２Ａの変形によって吸収することにより、絶縁基板１１の割れを抑制することができる。特に、本実施形態では、第１アルミニウム層１２Ａが、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上の４Ｎアルミニウムの圧延板を接合することで構成されているので、変形抵抗が小さく、熱応力を吸収して絶縁基板１１の割れを確実に抑制することができる。

さらに、回路層１２が、第１銅層１２Ｂを備えているので、第１銅層１２Ｂによって半導体素子３からの熱を面方向に拡げることができ、効率的に放熱することが可能となる。
また、回路層１２（第１銅層１２Ｂ）の上に半導体素子３を良好にはんだ接合することができる。さらに、第１銅層１２Ｂは、比較的変形抵抗が大きいことから、パワーサイクルが負荷された場合に、回路層１２の表面が変形することを抑制でき、はんだ層２にクラック等が発生することを抑制できる。特に、本実施形態では、第１銅層１２Ｂが、無酸素銅の圧延板を接合することで構成されているので、熱伝導率に優れており、放熱特性を確実に向上させることができる。
そして、第１アルミニウム層１２Ａと第１銅層１２Ｂとは、固相拡散接合によって接合されているので、第１アルミニウム層１２Ａと第１銅層１２Ｂとが確実に接合されており、回路層１２の熱伝導性及び導電性を維持することができる。

また、金属層１３が、絶縁基板１１に接合された第２アルミニウム層１３Ａと、この第２アルミニウム層１３Ａに固相拡散接合された第２銅層１３Ｂと、を有しているので、パワーモジュール用基板１０に負荷された熱応力が、第２アルミニウム層１３Ａが変形することによって緩和されることになり、絶縁基板１１に割れが生じることを抑制できる。さらに、第２銅層１３Ｂによって熱が面方向に拡げられるため、放熱特性を向上させることが可能となる。また、第２アルミニウム層１３Ａと第２銅層１３Ｂとが、固相拡散接合によって接合されているので、第２アルミニウム層１３Ａと第２銅層１３Ｂとが確実に接合されており、金属層１３の熱伝導性を維持することができる。

そして、本実施形態では、アルミニウム層（第１アルミニウム層１２Ａ、第２アルミニウム層１３Ａ）と銅層（第１銅層１２Ｂ、第２銅層１３Ｂ）との間には、金属間化合物層（第１金属間化合物層１２Ｃ、第２金属間化合物層１３Ｃ）が形成されていることから、アルミニウム層（第１アルミニウム層１２Ａ、第２アルミニウム層１３Ａ）中のＡｌが銅層（第１銅層１２Ｂ、第２銅層１３Ｂ）側へ、銅層（第１銅層１２Ｂ、第２銅層１３Ｂ）中のＣｕがアルミニウム層（第１アルミニウム層１２Ａ、第２アルミニウム層１３Ａ）側へとそれぞれ十分に相互拡散しており、アルミニウム層（第１アルミニウム層１２Ａ、第２アルミニウム層１３Ａ）と銅層（第１銅層１２Ｂ、第２銅層１３Ｂ）とが確実に接合されており、接合信頼性に優れている。

また、本実施形態では、銅層（第１銅層１２Ｂ、第２銅層１３Ｂ）と金属間化合物層（第１金属間化合物層１２Ｃ、第２金属間化合物層１３Ｃ）との接合界面には、酸化物１９がこれらの接合界面に沿ってそれぞれ層状に分散しているので、アルミニウム層（第１アルミニウム層１２Ａ、第２アルミニウム層１３Ａ）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、アルミニウム層（第１アルミニウム層１２Ａ、第２アルミニウム層１３Ａ）と銅層（第１銅層１２Ｂ、第２銅層１３Ｂ）とが確実に接合されており、回路層１２及び金属層１３において剥離が生じるおそれがない。

また、本実施形態では、金属間化合物層（第１金属間化合物層１２Ｃ、第２金属間化合物層１３Ｃ）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ので、脆い金属間化合物が大きく成長してしまうことを抑制できる。
また、本実施形態では、アルミニウム層（第１アルミニウム層１２Ａ、第２アルミニウム層１３Ａ）から銅層（第１銅層１２Ｂ、第２銅層１３Ｂ）側に向けて順に、θ相１６、η２相１７、ζ２相１８の金属間化合物がそれぞれ積層しているので、金属間化合物層（第１金属間化合物層１２Ｃ、第２金属間化合物層１３Ｃ）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、銅層（第１銅層１２Ｂ、第２銅層１３Ｂ）中のＣｕと、アルミニウム層（第１アルミニウム層１２Ａ、第２アルミニウム層１３Ａ）中のＡｌとが、それぞれ相互拡散することにより、銅層（第１銅層１２Ｂ、第２銅層１３Ｂ）側から、アルミニウム層（第１アルミニウム層１２Ａ、第２アルミニウム層１３Ａ）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ていることから、接合界面の特性を安定させることができる。

さらに、本実施形態においては、アルミニウム層（第１アルミニウム層１２Ａ、第２アルミニウム層１３Ａ）の平均結晶粒径が５００μｍ以上とされ、銅層（第１銅層１２Ｂ、第２銅層１３Ｂ）の平均結晶粒径が５０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内とされているので、アルミニウム層（第１アルミニウム層１２Ａ、第２アルミニウム層１３Ａ）に過剰な歪み等が蓄積されておらず、疲労特性が向上することになる。したがって、冷熱サイクル負荷時において、パワーモジュール用基板１０に発生する熱応力に対する信頼性が向上することになる。

さらに、本実施形態においては、金属間化合物層（第１金属間化合物層１２Ｃ、第２金属間化合物層１３Ｃ）の厚さｔ_Ｃが１μｍ以上８０μｍ以下、好ましくは５μｍ以上８０μｍ以下の範囲内とされているので、ＣｕとＡｌの相互拡散が十分に進行しており、銅層（第１銅層１２Ｂ、第２銅層１３Ｂ）とアルミニウム層（第１アルミニウム層１２Ａ、第２アルミニウム層１３Ａ）とを強固に接合できるとともに、脆い金属間化合物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。

また、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４０においては、ヒートシンク４１の天板部４２と絶縁基板１１との間に、第２アルミニウム層１３Ａを有する金属層１３が介在しており、この第２アルミニウム層１３Ａの厚さｔ_２が、回路層１２の厚さｔ_１に対して、ｔ_１＜ｔ_２とされているので、絶縁基板１１とヒートシンク４１との熱膨張係数の差に起因する熱歪みを、金属層１３の第２アルミニウム層１３Ａの変形によって緩和することができ、絶縁基板１１の割れを抑制することができる。
さらに、本実施形態では、金属層１３が第２銅層１３Ｂを有しており、この第２銅層１３Ｂとヒートシンク４１の天板部４２とが固相拡散接合されているので、パワーモジュール用基板１０側の熱を効率的にヒートシンク４１側へ伝達することができ、放熱特性を大幅に向上させることができる。

また、本実施形態であるパワーモジュール１によれば、回路層１２上に搭載された半導体素子３からの熱を効率的に放散することができ、半導体素子３のパワー密度（発熱量）が向上した場合であっても、十分に対応することができる。また、パワーサイクル負荷時の耐久性を向上させることができる。

次に、本発明の第２の実施形態について、図６を参照して説明する。
図６に示すパワーモジュール１０１は、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１４０と、このヒートシンク付パワーモジュール用基板１４０の一方側（図６において上側）の面に第１はんだ層１０２を介して接合された半導体素子（電子部品）３と、を備えている。ここで、第１はんだ層１０２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、Ｓｎ−Ｓｂ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材とされている。

ヒートシンク付パワーモジュール用基板１４０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を冷却するヒートシンク１４１と、を備えている。

パワーモジュール用基板１１０は、絶縁基板１１１と、この絶縁基板１１１の一方の面（図６において上面）に配設された回路層１１２と、絶縁基板１１１の他方の面（図６において下面）に配設された金属層１１３とを備えている。
本実施形態では、絶縁基板１１１は、ＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。また、絶縁基板１１１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１１２は、図６に示すように、絶縁基板１１の一方の面（図６において上面）に配設された第１アルミニウム層１１２Ａと、この第１アルミニウム層１１２Ａの一方側に接合された第１銅層１１２Ｂと、を有している。
本実施形態では、第１アルミニウム層１１２Ａは、絶縁基板１１１の一方の面に、純度が９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板が接合されることで形成されている。
また、第１銅層１１２Ｂは、無酸素銅の圧延板が、第１アルミニウム層１１２Ａに固相拡散接合されることによって形成されている。

金属層１１３は、図１に示すように、絶縁基板１１１の他方の面（図６において下面）に配設された第２アルミニウム層１１３Ａと、この第２アルミニウム層１１３Ａの他方側（図６において下側）に接合された第２銅層１１３Ｂと、を有している。
本実施形態では、第２アルミニウム層１１３Ａは、絶縁基板１１１の他方の面に、純度が９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板が接合されることで形成されている。
また、第２銅層１１３Ｂは、無酸素銅の圧延板が、第２アルミニウム層１１３Ａに固相拡散接合されることによって形成されている。

このように本実施形態では、第１の実施形態と同様に、回路層１１２と金属層１１３とが、それぞれアルミニウム層（第１アルミニウム層１１２Ａ、第２アルミニウム層１１３Ａ）と銅層（第１銅層１１２Ｂ、第２銅層１１３Ｂ）とが拡散接合された接合体で構成されているのである。

そして、本実施形態であるパワーモジュール用基板１１０においては、回路層１１２の厚さｔ_１と、金属層１１３の第２アルミニウム層１１３Ａの厚さｔ_２との関係が、ｔ_１＜ｔ_２とされている。
本実施形態では、回路層１１２の厚さｔ_１が０．１ｍｍ≦ｔ_１≦３．６ｍｍの範囲内に設定され、金属層１１３の第２アルミニウム層１１３Ａの厚さｔ_２が、０．１５ｍｍ≦ｔ_２≦５．４ｍｍの範囲内に設定されており、回路層１１２の厚さｔ_１と、金属層１１３の第２アルミニウム層１１３Ａの厚さｔ_２との関係がｔ_２／ｔ_１≧１．５とされている。

また、本実施形態におけるヒートシンク１４１は、銅又は銅合金からなる放熱板とされている。
このヒートシンク１４１は、パワーモジュール用基板１１０の金属層１１３と、第２はんだ層１０８を介して接合されている。また、第２はんだ層１０８は、上述の第１はんだ層１０２と同様に、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、Ｓｎ−Ｓｂ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系等の各種はんだ材を用いることができる。

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１４０においては、第１の実施形態と同様に、絶縁基板１１１の割れやパワーモジュール用基板１１０の反り等を抑制することができる。
さらに、本実施形態においては、金属層１１３が第２銅層１１３Ｂを有しているので、銅又は銅合金からなるヒートシンク１４１をはんだ層１０８を介して接合することができる。

また、回路層１１２が第１銅層１１２Ｂを有し、金属層１１３が第２銅層１１３Ｂを有しているので、パワーモジュール用基板１１０全体の剛性が確保されることになり、熱サイクル負荷時にパワーモジュール用基板１１０が変形しにくく、第２はんだ層１０８におけるクラックの発生を抑制することができる。

次に、本発明の第３の実施形態について、図７を参照して説明する。
図７に示すパワーモジュール２０１は、ヒートシンク付パワーモジュール用基板２４０と、このヒートシンク付パワーモジュール用基板２４０の一方側（図７において上側）の面にはんだ層２０２を介して接合された半導体素子（電子部品）３と、を備えている。ここで、はんだ層２０２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。

ヒートシンク付パワーモジュール用基板２４０は、パワーモジュール用基板２１０と、パワーモジュール用基板２１０を冷却するヒートシンク２４１と、を備えている。

パワーモジュール用基板２１０は、絶縁基板２１１と、この絶縁基板２１１の一方の面（図７において上面）に配設された回路層２１２と、絶縁基板２１１の他方の面（図７において下面）に配設された金属層２１３とを備えている。
本実施形態では、絶縁基板２１１は、ＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。また、絶縁基板２１１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２１２は、図７に示すように、絶縁基板２１１の一方の面（図７において上面）に配設された第１アルミニウム層２１２Ａと、この第１アルミニウム層２１２Ａの一方側に接合された第１銅層２１２Ｂと、を有している。
本実施形態では、第１アルミニウム層２１２Ａは、絶縁基板２１１の一方の面に、純度が９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板が接合されることで形成されている。また、第１銅層２１２Ｂは、無酸素銅の圧延板が、第１アルミニウム層２１２Ａに固相拡散接合されることによって形成されている。

金属層２１３は、図７に示すように、絶縁基板２１１の他方の面（図７において下面）に配設された第２アルミニウム層２１３Ａで構成されている。
本実施形態では、金属層２１３（第２アルミニウム層２１３Ａ）は、絶縁基板２１１の他方の面に、純度が９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板が接合されることで形成されている。

そして、本実施形態であるパワーモジュール用基板２１０においては、回路層２１２の厚さｔ_１と、金属層２１３の第２アルミニウム層２１３Ａの厚さｔ_２との関係が、ｔ_１＜ｔ_２とされている。
本実施形態では、回路層２１２の厚さｔ_１が０．１ｍｍ≦ｔ_１≦３．６ｍｍの範囲内に設定され、金属層２１３（第２アルミニウム層２１３Ａ）の厚さｔ_２が、０．１５ｍｍ≦ｔ_２≦５．４ｍｍの範囲内に設定されており、回路層２１２の厚さｔ_１と、金属層２１３（第２アルミニウム層２１３Ａ）の厚さｔ_２との関係がｔ_２／ｔ_１≧１．５とされている。

また、本実施形態におけるヒートシンク２４１は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる冷却器とされており、金属層２１３と接合される天板部２４２と、冷却液が流通する流路２４４と、を有している。
このヒートシンク２４１は、パワーモジュール用基板２１０の金属層２１３（第２アルミニウム層２１３Ａ）に、ろう付けによって接合されている。

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２４０においては、第１、２の実施形態と同様に、絶縁基板２１１の割れやパワーモジュール用基板２１０の反り等を抑制することができる。
さらに、本実施形態においては、金属層２１３が第２アルミニウム層２１３Ａで構成されているので、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるヒートシンク２４１と、ろう付けによって良好に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、アルミニウム層（第１アルミニウム層、第２アルミニウム層）となるアルミニウム板として、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上の４Ｎアルミニウムの圧延板を用いる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で構成されたものであってもよい。同様に、銅層（第１銅層、第２銅層）となる銅板として、無酸素銅の圧延板を用いるものとして説明したが、これに限定されることはなく、他の銅又は銅合金で構成されたものであってもよい。

また、絶縁基板として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。
さらに、絶縁基板と第１アルミニウム層及び第２アルミニウム層とをろう付けに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、過渡液相接合法（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｂｏｎｄｉｎｇ）、を適用してもよい。
また、ヒートシンクの構造等は、本実施形態に限定されることはなく、他の構造の放熱板、冷却器等であってもよい。

また、上記の実施形態のパワーモジュール用基板において、回路層１２は、絶縁基板１１の一方の面に形成された第１アルミニウム層１２Ａと、この第１アルミニウム層１２Ａの一方側に第１銅板２２Ｂが接合されてなる第１銅層１２Ｂとを備え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。
例えば図８のパワーモジュール用基板３１０に示すように、回路層３１２が、絶縁基板１１の一方の面に形成された第１アルミニウム層３１２Ａと、この第１アルミニウム層３１２Ａの一方側に接合された第１銅層３１２Ｂとを備え、この第１銅層３１２Ｂは、半導体素子などが接合されるダイパッド３３２と、外部端子として用いられるリード部３３３とを有する銅板からなる構成とされても良い。このパワーモジュール用基板３１０では、ダイパッド３３２と第１アルミニウム層３１２Ａとが固相拡散接合されている。ここで、第１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、第１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、図８に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板３４０では、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるヒートシンク３４１が、パワーモジュール用基板３１０の金属層１３側に、固相拡散接合により接合されている。

また、上記の実施形態では、アルミニウム層（第１アルミニウム層１２Ａ、第２アルミニウム層１３Ａ）と銅層（第１銅層１２Ｂ、第２銅層１３Ｂ）との接合界面には、金属間化合物層（第１金属間化合物層１２Ｃ、第２金属間化合物層１３Ｃ）が形成され、アルミニウム層側（第１アルミニウム層１２Ａ、第２アルミニウム層１３Ａ）から銅層側（第１銅層１２Ｂ、第２銅層１３Ｂ）に向けて順に、θ相１６、η２相１７、ζ２相１８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、アルミニウム層（第１アルミニウム層、第２アルミニウム層）と銅層（第１銅層、第２銅層）との接合界面において、アルミニウム層（第１アルミニウム層、第２アルミニウム層）側から銅層（第１銅層、第２銅層）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、１０に示すように、アルミニウム層（第１アルミニウム層４１２Ａ、第２アルミニウム層４１３Ａ）と銅層（第１銅層４１２Ｂ、第２銅層４１３Ｂ）との接合界面には、アルミニウム層（第１アルミニウム層４１２Ａ、第２アルミニウム層４１３Ａ）側から銅層（第１銅層４１２Ｂ、第２銅層４１３Ｂ）側に向けて順に、前述の接合界面に沿って、θ相４１６、η２相４１７が積層し、さらにζ２相４１８、δ相４１４、及びγ２相４１５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、上記の実施形態では、金属間化合物層（第１金属間化合物層１２Ｃ、第２金属間化合物層１３Ｃ）と銅層（第１銅層１２Ｂ、第２銅層１３Ｂ）との接合界面には、酸化物１９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１１、１２に示すように、金属間化合物層（第１金属間化合物層４１２Ｃ、第２金属間化合物層４１３Ｃ）と銅層（第１銅層４１２Ｂ、第２銅層４１３Ｂ）との界面に沿って、酸化物４１９が、ζ２相４１８、δ相４１４、又はγ２相４１５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４１９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。

（実施例１）
本発明の有効性を確認するために行った比較実験について説明する。
表１に示すように、絶縁基板、回路層の第１アルミニウム層となるアルミニウム板及び第１銅層となる銅板、金属層の第２アルミニウム層となるアルミニウム板及び第２銅層となる銅板を接合してパワーモジュール用基板を作製した。
回路層のサイズは３７ｍｍ×３７ｍｍ、絶縁基板のサイズは４０ｍｍ×４０ｍｍ、金属層のサイズは３７ｍｍ×３７ｍｍとした。

表２に示す「ＴＬＰ」は、絶縁基板の表面にＣｕを１．０ｍｇ／ｃｍ^２となるように固着し、積層方向に５ｋｇｆ／ｃｍ^２で加圧した状態で、１０^−３Ｐａの真空中にて、６００℃で３０分加熱することによって、アルミニウム板と絶縁基板とを接合した。
表２に示す「Ａｌ−Ｓｉロウ」は、Ａｌ―７．５質量％Ｓｉからなるろう材箔（厚さ１００μｍ）を用いて、積層方向に１２ｋｇｆ／ｃｍ^２で加圧した状態で、１０^−３Ｐａの真空中にて、６５０℃で３０分加熱することによって、アルミニウム板と絶縁基板とを接合した。
表２に示す「活性金属ロウ」は、Ａｇ−２７．４質量％Ｃｕ−２．０質量％Ｔｉからなる活性ろう材を用いて、１０^−３Ｐａの真空中にて、８５０℃で１０分加熱することによって、銅板と絶縁基板とを接合した。
表２に示す「ＤＢＣ」は、窒素ガス雰囲気中で１０７５℃で１０分加熱することにより、銅板と絶縁基板とを接合した。

第１銅層と第１アルミニウム層、第２銅層と第２アルミニウム層との固相拡散接合は、真空炉を用いて、炉内圧力３×１０^−３Ｐａ、加熱温度５３５℃、保持時間６０ｍｉｎ、加圧圧力１２ｋｇｆ／ｃｍ^２（１．１７ＭＰａ）の条件で実施した。

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、Ａ３００３合金のアルミニウム板（６０ｍｍ×７０ｍｍ×５ｍｍ）とした。
金属層が第２アルミニウム層のみで構成されたパワーモジュール用基板については、Ａｌ−Ｓｉろう箔を用いて、３．０ｋｇｆ／ｃｍ^２で加圧した状態で、真空中にて、６１０℃で加熱することによる接合とした。
金属層が第２アルミニウム層及び第２銅層で構成されたパワーモジュール用基板については、上述の固相拡散接合時に、ヒートシンクと第２銅層とを固相拡散接合した。

このようにして得られたヒートシンク付パワーモジュール用基板を用いて、冷熱サイクル試験を実施した。評価結果を表２に示す。なお、５００サイクル毎に観察を実施し、絶縁基板の割れが確認された時点でのサイクル数で評価した。測定条件を以下に示す。
評価装置：エスペック株式会社製ＴＳＢ−５１
液相：フロリナート
温度条件：−４０℃×５分 ←→ １２５℃×５分

さらに、これらのパワーモジュール用基板の回路層の一方の面側にＩＧＢＴ素子をはんだ接合した。なお、はんだ接合は、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだを使用し、水素還元雰囲気中、３００℃で接合した。
このようにして得られたパワーモジュールを用いて、パワーサイクル試験を実施した。
評価結果を表２に示す。なお、パワーサイクルを１０万回負荷した後の熱抵抗率の上昇率で評価した。

熱抵抗上昇率は、次のようにして測定した。ＩＧＢＴに通電することで加熱し、ＩＧＢＴ素子内の温度センスダイオードを用いてＩＧＢＴ素子の温度を実測した。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、ＩＧＢＴの温度と冷却媒体の温度差で規格化した値を熱抵抗上昇率とした。測定条件を以下に示す。
温度差：８０℃
温度範囲：５５℃〜１３５℃（ＩＧＢＴ素子内の温度センスダイオードで測定）
通電時間：６秒
冷却時間：４秒

回路層の厚さｔ_１が金属層の第２アルミニウム層の厚さｔ_２よりも厚く形成された比較例１においては、冷熱サイクル試験において３０００サイクル以下で絶縁基板に割れが認められた。さらに、パワーサイクル試験でも熱抵抗の上昇が認められた。
回路層の厚さｔ_１が金属層の第２アルミニウム層の厚さｔ_２と同一とされた比較例２においては、冷熱サイクル試験において２０００サイクル以下で絶縁基板に割れが認められた。さらに、パワーサイクル試験でも熱抵抗の上昇が認められた。

回路層を第１アルミニウム層のみで構成した比較例３，４においては、冷熱サイクル試験の結果は良好であるものの、パワーサイクル試験において大きく熱抵抗が上昇することが確認された。
回路層を第１銅層のみで構成した比較例５，６においては、冷熱サイクル試験において１０００サイクル以下で絶縁基板に割れが認められた。

これに対して、本発明例１−８においては、冷熱サイクル試験において３０００サイクル以上でも絶縁基板に割れが認められなかった。また、パワーサイクル試験においても、熱抵抗の上昇が抑えられていることが確認される。

以上の結果から、本発明例によれば、回路層の上に搭載された電子部品等の発熱体からの熱の放散を促進でき、優れたパワーサイクル特性を有するとともに、冷熱サイクル負荷時における絶縁基板の割れの発生を抑制できる信頼性の高い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、パワーモジュールを提供することが可能であることが確認された。

（実施例２）
次に、上述の第２の実施形態及び図６に示すように、パワーモジュール用基板の金属層とヒートシンクとを第２はんだ層を介して接合し、この第２はんだ層における接合率について評価した。
表３に示すように、絶縁基板、回路層の第１アルミニウム層となるアルミニウム板及び第１銅層となる銅板、金属層の第２アルミニウム層となるアルミニウム板及び第２銅層となる銅板を接合してパワーモジュール用基板を作製した。
回路層のサイズは３７ｍｍ×３７ｍｍ、絶縁基板のサイズは４０ｍｍ×４０ｍｍ、金属層のサイズは３７ｍｍ×３７ｍｍとした。
なお、表４に示す「ＴＬＰ」、「Ａｌ−Ｓｉロウ」は、上述の実施例１及び表２と同様の接合方法とした。

そして、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、はんだ材を介してヒートシンクを接合した。ヒートシンクとして、上述の実施例１と同様に、Ａ３００３合金のアルミニウム板（６０ｍｍ×７０ｍｍ×５ｍｍ）を用いた。
Ｓｎ−Ｓｂ系はんだを用い、Ｈ_２雰囲気下で２００℃で５分間保持した後、３００℃で１０分間保持することではんだ付けを行い、その後Ｎ_２雰囲気に置換し、冷却することにより、ヒートシンクを接合した。なお、ヒートシンクの接合面には、Ｎｉめっき膜を形成した後、はんだ付けを実施した。さらに、比較例１１においては、金属層の接合面にもＮｉめっき膜を形成した後、はんだ付けを実施した。

このようにして得られたヒートシンク付パワーモジュール用基板を用いて、冷熱サイクル試験を実施した。冷熱サイクル条件は、上述の実施例１と同様とし、３０００回の冷熱サイクルを負荷した。
そして、接合初期及び３０００回の冷熱サイクル負荷後において、第２はんだ層における接合率を測定した。評価結果を表４に示す。

回路層及び金属層をアルミニウム板で構成した比較例１１においては、冷熱サイクル後に接合率が大きく低下していた。冷熱サイクルによって第２はんだ層にクラックが生じたためと推測される。
これに対して、本発明例１１−１４においては、冷熱サイクル後においても接合率が大きく低下しなかった。本発明例１１−１４によれば、第２はんだ層におけるクラックの発生を抑制できることが確認された。

１、１０１、２０１ パワーモジュール
３ 半導体素子（電子部品）
１０、１１０、２１０、３１０ パワーモジュール用基板
１１、１１１、２１１ 絶縁基板
１２、１１２、２１２、３１２ 回路層
１２Ａ、１１２Ａ、２１２Ａ、３１２Ａ 第１アルミニウム層
１２Ｂ、１１２Ｂ、２１２Ｂ、３１２Ｂ 第１銅層
１３、１１３、２１３ 金属層
１３Ａ、１１３Ａ、２１３Ａ 第２アルミニウム層
１３Ｂ、１１３Ｂ 第２銅層
４０、１４０、２４０、３４０ ヒートシンク付パワーモジュール用基板
４１、１４１、２４１、３４１ ヒートシンク

Claims (5)

1. セラミックスからなる絶縁基板と、該絶縁基板の一方の面に形成された回路層と、前記絶縁基板の他方の面に形成された金属層と、を備えたパワーモジュール用基板であって、
   前記回路層は、前記絶縁基板にろう付け又はＴＬＰ接合された４Ｎアルミニウム、Ａ１０５０、Ａ１１００のいずれかからなる第１アルミニウム層と、この第１アルミニウム層に固相拡散接合された銅又は銅合金からなる第１銅層と、を有し、前記第１アルミニウム層と前記第１銅層との接合界面には、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の金属間化合物層が形成されており、
   前記金属層は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる第２アルミニウム層を有しており、
   前記回路層の厚さｔ_１と前記金属層の第２アルミニウム層の厚さｔ_２との関係が、ｔ_１＜ｔ_２とされていることを特徴とするパワーモジュール用基板。
2. 前記金属層が、前記絶縁基板に接合された前記第２アルミニウム層と、この第２アルミニウム層に固相拡散接合された銅又は銅合金からなる第２銅層と、を有す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。
3. 前記回路層の厚さｔ_１と前記金属層の第２アルミニウム層の厚さｔ_２との関係が、
   ｔ_２／ｔ_１≧１．５とされてい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。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板と、前記金属層側に接合されたヒートシンクと、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。
5. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板と、前記回路層上に搭載された電子部品と、を備えていることを特徴とするパワーモジュール。

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