JP2015095624A - 接合体及びパワーモジュール用基板 - Google Patents

Abstract

【課題】熱抵抗が十分に低く、かつ冷熱サイクルが負荷された際にセラミックス基板が割れることを抑制できる接合体、及びこの接合体からなるパワーモジュール用基板を提供する。
【解決手段】セラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の一方の面にＣｕ板が接合されてなるＣｕ層１２Ａ、１３Ａと、このＣｕ層のうち前記セラミックス基板が接合された面と反対側の面に純度９９．９５ｍａｓｓ％以上のＡｌ板が接合されてなるＡｌ層１２Ｂ、１３Ｂと、を備え、前記Ｃｕ板の厚さが０．０５ｍｍ以上とされており、前記Ａｌ板の厚さが０．２ｍｍ以上０．６ｍｍ以下とされていることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

この発明は、セラミックス基板の一方の面に金属板が接合された接合体、及びセラミックス基板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関するものである。

セラミックス基板の一方の面に金属板が接合された接合体は、例えばＬＥＤやパワーモジュール等の半導体装置に用いられている。この半導体装置は、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。

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上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うち回路層とは反対側の面に、金属板が金属層として接合されることもある。
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が搭載され、パワーモジュールとされる。

半導体素子から発生する熱をパワーモジュール用基板側に効率的に放散するパワーモジュール用基板として、例えば特許文献１には、回路層及び金属層がＣｕで構成されたパワーモジュール用基板が開示されている。

特開２００３−３０９２３４号公報

ところで、特許文献１に開示されたパワーモジュール用基板においては、回路層及び金属層が変形抵抗の大きいＣｕで構成されているので、冷熱サイクルが負荷された際にＣｕとセラミックス基板との熱膨張係数の差に起因して生じる熱応力によってセラミックス基板に割れが発生するおそれがある。

ここで、Ｃｕで構成される回路層及び金属層の厚さを薄くすることで冷熱サイクルが負荷された際に生じる熱応力を低減することが考えられる。しかしながら、回路層を薄くすると回路層に流すことができる電流が低下したり、半導体素子からの熱を回路層で拡げることができず熱抵抗が上昇したりする問題がある。また、金属層の厚さを薄くすると半導体素子側から伝達される熱を金属層から効率的に放散することが困難である。

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、熱抵抗が十分に低く、かつ冷熱サイクルが負荷された際にセラミックス基板が割れることを抑制できる接合体、及びこの接合体からなるパワーモジュール用基板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、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Ｃｕ板が接合されてなるＣｕ層と、このＣｕ層のうち前記セラミックス基板が接合された面と反対側の面に純度９９．９５ｍａｓｓ％以上のＡｌ板が接合されてなるＡｌ層と、を備え、前記Ｃｕ板の厚さが０．０５ｍｍ以上とされており、前記Ａｌ板の厚さが０．２ｍｍ以上０．６ｍｍ以下とされていることを特徴としている。

本発明の接合体によれば、セラミックス基板の一方の面に接合されるＣｕ板の厚さが０．０５ｍｍ以上とされているので、Ａｌ層側からＣｕ層に伝達される熱を拡げ、熱抵抗を低減できる。
さらにＣｕ層には０．２ｍｍ以上０．６ｍｍ以下のＡｌ層が接合されているので、熱抵抗をさらに低減することができる。また、接合されるＡｌ板の純度が９９．９５ｍａｓｓ％以上かつ板厚が０．６ｍｍ以下とされているのでＡｌ層の変形抵抗が小さく、接合体に冷熱サイクルが負荷された場合でも、セラミックス基板に生じる熱応力を低減し、セラミックス基板に割れが発生することを抑制できる。

また、本発明の接合体において、前記セラミックス基板が、ＡｌＮ及び９６％アルミナのうちいずれか一方からなり、前記Ｃｕ板の厚さが０．１５ｍｍ未満とされていることが好ましい。
この場合、セラミックス基板がＡｌＮ及び９６％アルミナのうちいずれか一方からなり、Ｃｕ板の厚さが０．１５ｍｍ未満とされているので、接合体に冷熱サイクルが負荷された際にセラミックス基板に生じる熱応力を低減し、セラミックス基板に割れが発生することを抑制できる。

また、本発明の接合体において、前記セラミックス基板が、強化アルミナ及びＳｉ_３Ｎ_４のうちいずれか一方からなり、前記Ｃｕ板の厚さが０．４５ｍｍ未満とされていても良い。
この場合、強化アルミナやＳｉ_３Ｎ_４は比較的強度が高いため、Ｃｕ板の厚さを０．４５ｍｍ未満のように比較的厚く設定しても、接合体に冷熱サイクルが負荷された際にセラミックス基板に割れが発生することを抑制できる。

また、本発明の接合体において、前記Ｃｕ層と前記Ａｌ層とが、固相拡散接合されていることが好ましい。
Ｃｕ層とＡｌ層を接合すると、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があるが、この場合、Ｃｕ層とＡｌ層とが固相拡散接合されているので、Ａｌ層とＣｕ層とを良好に接合できる。

また、前記固相拡散接合は、前記Ｃｕ層と前記Ａｌ層の積層方向に３ｋｇｆ／ｃｍ^２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ^２以下の加圧力を負荷して行われていることが好ましい。
この場合、固相拡散接合時の加圧力が３ｋｇｆ／ｃｍ^２以上とされているので、Ｃｕ層とＡｌ層との接合界面に隙間が生じることを抑制できる。また、固相拡散接合時の加圧力が３５ｋｇｆ／ｃｍ^２以下とされているので、接合時にセラミックス基板に割れが発生することを抑制できる。

また、本発明の接合体において、前記Ｃｕ層と前記Ａｌ層は、間にＴｉ箔及びＮｉ箔のうちいずれか一方を介在させて加熱処理を行うことにより接合されていても良い。
この場合、Ｃｕ層とＡｌ層との間にＴｉ箔及びＮｉ箔のいずれか一方を介在して加熱処理を行うことでＣｕ層とＡｌ層とが接合されているので、Ｎｉ又はＴｉがバリア層として働きＣｕとＡｌが直接接触することがなくなり、Ｃｕ層とＡｌ層との液相を生じることなく確実に接合することができる。

また、前記Ｃｕ層と前記Ａｌ層を、間にＴｉ箔及びＮｉ箔のうちいずれか一方を介在させて接合する際に、前記Ｃｕ層と前記Ａｌ層の積層方向に１ｋｇｆ／ｃｍ^２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ^２以下の加圧力を負荷して加熱処理を行い接合する構成とされても良い。
この場合、接合時の加圧力が１ｋｇｆ／ｃｍ^２以上とされているので、接合界面に隙間が生じることを抑制できる。また、接合時の加圧力が３５ｋｇｆ／ｃｍ^２以下とされているので、接合時にセラミックス基板に割れが発生することを抑制できる。

また、前記セラミックス基板の一方側又は他方側にヒートシンクが接合されていることが好ましい。
この場合、接合体に伝達される熱をヒートシンクから外部へと効率的に放散することができる。

本発明のパワーモジュール用基板は、前述の接合体からなり、前記セラミックス基板と、前記セラミックス基板の一方の面に形成された回路層と、を備え、前記回路層は、前記セラミックス基板の一方の面にＣｕ板が接合されてなるＣｕ層と、このＣｕ層の一方の面に純度９９．９５ｍａｓｓ％以上のＡｌ板が接合されてなるＡｌ層と、を有し、前記Ｃｕ板の厚さが０．０５ｍｍ以上とされており、前記Ａｌ板の厚さが０．２ｍｍ以上０．６ｍｍ以下とされていることを特徴としている。

本発明のパワーモジュール用基板によれば、回路層がセラミックス基板の一方の面に形成されたＣｕ層を有しているので、回路層上に半導体素子が搭載された場合に、半導体素子から発生する熱をパワーモジュール用基板側へ伝達する際に、回路層のＣｕ層で面方向に拡げて効率的に放散することができ、熱抵抗を低減可能となる。さらに、Ｃｕ層は、板厚が０．０５ｍｍ以上のＣｕ板が接合されることで形成されるので、確実に熱抵抗を低減でき、かつ回路層に比較的大きな電流を流すことができる。
さらに、回路層においてＣｕ層の一方の面には、０．２ｍｍ以上０．６ｍｍ以下のＡｌ層が接合されているので、熱抵抗をさらに低減することができる。また、接合されるＡｌ板の純度が９９．９５ｍａｓｓ％以上かつ板厚が０．６ｍｍ以下とされているのでＡｌ層の変形抵抗が小さく、パワーモジュール用基板に冷熱サイクルが負荷された場合でも、セラミックス基板に生じる熱応力を低減し、セラミックス基板に割れが発生することを抑制できる。

また、前述のパワーモジュール用基板において、前記セラミックス基板の他方の面に金属層を備え、前記金属層は、前記セラミックス基板の他方の面にＣｕ板が接合されてなるＣｕ層と、このＣｕ層のうち前記セラミックス基板が接合された面と反対側の面に純度９９．９５ｍａｓｓ％以上のＡｌ板が接合されてなるＡｌ層と、を有し、前記Ｃｕ板の厚さが０．０５ｍｍ以上とされており、前記Ａｌ板の厚さが０．２ｍｍ以上０．６ｍｍ以下とされていても良い。
この場合、金属層がセラミックス基板の他方の面に、板厚が０．０５ｍｍ以上のＣｕ板が接合されて形成されたＣｕ層を備えているので、回路層側から伝達される熱を効率的に金属層から放散することができる。また、このＣｕ層には、純度９９．９５ｍａｓｓ％以上かつ厚さが０．２ｍｍ以上０．６ｍｍ以下のＡｌ板が接合されてＡｌ層が形成されているので、さらに効率的に金属層から熱を放散することができる。また、このＡｌ層は変形抵抗が小さいので、冷熱サイクルが負荷された際にセラミックス基板に発生する熱応力をＡｌ層で吸収し、セラミックス基板に割れが発生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は、前述の接合体からなり、前記セラミックス基板と、前記セラミックス基板の一方の面に形成された回路層と、前記セラミックス基板の他方の面に形成された金属層と、を備え、前記金属層は、前記セラミックス基板の他方の面にＣｕ板が接合されてなるＣｕ層と、このＣｕ層のうち前記セラミックス基板が接合された面と反対側の面に純度９９．９５ｍａｓｓ％以上のＡｌ板が接合されてなるＡｌ層と、を有し、前記Ｃｕ板の厚さが０．０５ｍｍ以上とされており、前記Ａｌ板の厚さが０．２ｍｍ以上０．６ｍｍ以下とされていても良い。

本発明によれば、熱抵抗が十分に低く、かつ冷熱サイクルが負荷された際にセラミックス基板が割れることを抑制できる接合体、及びこの接合体からなるパワーモジュール用基板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の概略説明図である。 第一実施形態に係るパワーモジュール用基板の概略説明図である。 図１の回路層の拡大説明図である。 図１の金属層の拡大説明図である。 第一実施形態に係るパワーモジュールの製造方法のフロー図である。 第一実施形態に係る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の概略説明図である。 第二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。 第二実施形態に係るパワーモジュールの製造方法のフロー図である。 第二実施形態に係るパワーモジュールの製造方法の概略説明図である。 本発明の他の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。 本発明の他の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。 本発明の他の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。 ＣｕとＡｌの２元状態図である。

（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。
本発明の実施形態に係る接合体は、セラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の一方の面及び他方の面に形成された回路層１２及び金属層１３を備えたパワーモジュール用基板１０を構成するものである。
図１に、この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。

パワーモジュール１は、パワーモジュール用基板１０と、このパワーモジュール用基板１０の一方側（図１において上側）に、第一はんだ層２を介して接合された半導体素子３と、を備えている。なお、本実施形態においては、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、第二はんだ層３２を介してヒートシンク３０が接合されている。

第一はんだ層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、パワーモジュール用基板１０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、半導体素子３は、ＩＧＢＴ素子とされている。

第二はんだ層３２は、第一はんだ層２と同様に、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）とされている。
ヒートシンク３０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３０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（Ａｌ合金）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。

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２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り、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）、９６％アルミナ、強化アルミナ又は窒化珪素等で構成されている。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いる。第一実施形態において、セラミックス基板１１は、ＡｌＮで構成されており、厚さは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２において上面）に形成されたＣｕ層１２Ａと、このＣｕ層１２Ａ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（図２において上面）に形成されたＡｌ層１２Ｂとを有している。

Ｃｕ層１２Ａは、Ａｌ層１２Ｂの一方の面に無酸素銅の圧延板からなる厚さ０．０５ｍｍ以上のＣｕ板２２Ａ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、Ｃｕ板２２Ａの厚さの上限は、０．１５ｍｍ未満とされている。本実施形態では、Ｃｕ板２２Ａとして、厚さ０．１ｍｍのＣｕ板を用いた。
Ａｌ層１２Ｂは、純度が９９．９５ｍａｓｓ％以上のＡｌの圧延板からなるＡｌ板２２ＢがＣｕ層１２Ａの一方の面（上面）に接合されることにより形成されている。ここで、Ａｌ板２２Ｂの厚さは、０．２ｍｍ以上０．６ｍｍ以下とされている。本実施形態では、Ａｌ板２２Ｂとして、厚さ０．５ｍｍのＡｌ板を用いた。
そして、これらのＣｕ層１２ＡとＡｌ層１２Ｂとの界面には、図３に示すように、拡散層１２Ｃが形成されている。

拡散層１２Ｃは、Ａｌ層１２ＢのＡｌ原子と、Ｃｕ層１２ＡのＣｕ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。この拡散層１２Ｃにおいては、Ａｌ層１２ＢからＣｕ層１２Ａに向かうにしたがい、漸次Ａｌ原子の濃度が低くなり、かつＣｕ原子の濃度が高くなる濃度勾配を有している。

拡散層１２Ｃ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。ここで、この拡散層１２Ｃの厚さは、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。
本実施形態では、図３に示すように、ＣｕとＡｌからなる金属間化合物が積層された構造とされており、Ａｌ層１２Ｂ側からＣｕ層１２Ａ側に向けて順に、Ａｌ層１２ＢとＣｕ層１２Ａとの接合界面に沿って、θ相１６、η２相１７が積層し、さらにζ２相１８Ａ、δ相１８Ｂ及びγ２相１８Ｃのうち少なくとも一相が積層した構造とされている（図１４参照）。

また、この拡散層１２ＣとＣｕ層１２Ａ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。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。なお、酸化物１９は、拡散層１２ＣとＣｕ層１２Ａとの界面に分断された状態で分散しており、拡散層１２ＣとＣｕ層１２Ａとが直接接触している領域も存在している。また、この酸化物１９は拡散層１２ＣとＡｌ層１２Ｂとの界面に沿って、ζ２相１８Ａ、δ相１８Ｂ及びγ２相１８Ｃ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てもよい。
さらに、本実施形態では、Ｃｕ層１２Ａの平均結晶粒径が５０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内とされ、Ａｌ層１２Ｂの平均結晶粒径が５００μｍ以上とされている。

金属層１３は、セラミックス基板１１の他方の面（図２において下面）に形成されたＣｕ層１３Ａと、このＣｕ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（図２において下面）に形成されたＡｌ層１３Ｂとを有している。

Ｃｕ層１３Ａは、セラミックス基板１１の他方の面に無酸素銅の圧延板からなる厚さ０．０５ｍｍ以上のＣｕ板２３Ａ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、Ｃｕ板２３Ａの厚さの上限は、０．１５ｍｍ以下とされている。本実施形態では、Ｃｕ板２３Ａとして厚さ０．１ｍｍのＣｕ板を用いた。
Ａｌ層１３Ｂは、純度が９９．９５ｍａｓｓ％以上のＡｌの圧延板からなるＡｌ板２３Ｂが、Ｃｕ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（下面）に接合されることにより形成されている。ここで、Ａｌ板２３Ｂの厚さは、０．２ｍｍ以上０．６ｍｍ以下とされている。本実施形態では、Ａｌ板２３Ｂとして厚さ０．５ｍｍのＡｌ板を用いた。
そして、これらのＣｕ層１３ＡとＡｌ層１３Ｂとの界面には、Ｃｕ層１２ＡとＡｌ層１２Ｂとの界面と同様に、図４に示すように、拡散層１３Ｃが形成されている。

拡散層１３Ｃは、Ａｌ層１３ＢのＡｌ原子と、Ｃｕ層１３ＡのＣｕ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。この拡散層１３Ｃにおいては、Ａｌ層１３ＢからＣｕ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Ｃｕ原子の濃度が高くなる濃度勾配を有している。

拡散層１３Ｃは、拡散層１２Ｃと同様に、ＣｕとＡｌからなる金属間化合物で構成されており、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、この拡散層１３Ｃの厚さは、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。本実施形態では、図４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、Ａｌ層１３Ｂ側からＣｕ層１３Ａ側に向けて順に、Ａｌ層１３ＢとＣｕ層１３Ａとの接合界面に沿って、θ相１６、η２相１７が積層し、さらにζ２相１８Ａ、δ相１８Ｂ及びγ２相１８Ｃのうち少なくとも一相が積層した構造とされている。また、この拡散層１３ＣとＣｕ層１３Ａ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。また、この酸化物１９は拡散層１３ＣとＡｌ層１３Ｂとの界面に沿って、ζ２相１８Ａ、δ相１８Ｂ及びγ２相１８Ｃ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てもよい。
さらに、本実施形態では、Ｃｕ層１３Ａの平均結晶粒径が５０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内とされ、Ａｌ層１３Ｂの平均結晶粒径が５００μｍ以上とされている。

次に、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の製造方法について図５及び図６を参照して説明する。
まず、図６に示すように、セラミックス基板１１の一方の面及び他方の面に、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉからなる活性ろう材２５を介してＣｕ板２２Ａ、２３Ａを積層する（Ｃｕ板積層工程Ｓ１１）。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Ｃｕ板２２Ａ、２３Ａを接合し、Ｃｕ層１２Ａ、１３Ａを形成する。（Ｃｕ層形成工程Ｓ１２）。なお、このろう付けの温度は、８００℃〜９００℃に設定されている。

次に、図６に示すように、Ｃｕ層１２Ａの上面にＡｌ板２２Ｂを積層し、Ｃｕ層１３Ａの下面にＡｌ板２３Ｂを積層する（Ａｌ板積層工程Ｓ１３）。次いで、セラミックス基板１１、Ｃｕ層１２Ａ、１３Ａ、及びＡｌ板２２Ｂ、２３Ｂを積層方向に加圧して、真空加熱炉の中に装入する。本実施形態においては、積層方向に３ｋｇｆ／ｃｍ^２（２．９４×１０^５Ｐａ）以上３５ｋｇｆ／ｃｍ^２（３．４３×１０^６Ｐａ）以下の加圧力を負荷し、真空加熱炉の加熱温度を４００℃以上５４８℃未満に設定し、５分以上２４０分以下保持して固相拡散接合を行っている。この固相拡散接合により、Ｃｕ層１２Ａ、１３ＡにＡｌ板２２Ｂ、２３Ｂを接合してＡｌ層１２Ｂ、１３Ｂを形成し、回路層１２及び金属層１３が形成される（回路層及び金属層形成工程Ｓ１４）。

なお、本実施形態において、固相拡散接合する際の好ましい加熱温度は、ＡｌとＣｕとの共晶温度（５４８℃）より５℃低い温度からＡｌとＣｕとの共晶温度未満の範囲とされている。
また、本実施形態においては、Ｃｕ層１２Ａ、１３ＡとＡｌ板２２Ｂ、２３Ｂとの接合されるそれぞれの面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされた後、固相拡散接合されている。
こうして、本実施形態に係るパワーモジュール用基板１０が製造される。

次に、図６に示すように、はんだ材を介してパワーモジュール用基板１０の金属層１３とヒートシンク３０とを接合する（ヒートシンク接合工程Ｓ１５）。次いで、はんだ材を介してパワーモジュール用基板１０の回路層１２と半導体素子３とを接合する（半導体素子接合工程Ｓ１６）。
以上のようにして、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に係るパワーモジュール用基板１０及びパワーモジュール１によれば、回路層１２がセラミックス基板１１の一方の面に形成されたＣｕ層１２Ａを有しているので、回路層１２上に搭載された半導体素子３から発生する熱をパワーモジュール用基板１０側へ伝達する際に、回路層１２のＣｕ層１２Ａで面方向に拡げて効率的に放散することができ、熱抵抗を低減可能となる。さらに、Ｃｕ層１２Ａは、板厚が０．０５ｍｍ以上のＣｕ板２２Ａが接合されることで形成されるので、Ｃｕ層１２Ａが十分に厚くなり、確実に熱抵抗を低減でき、かつ回路層に大きな電流を流すことができる。

さらに、回路層１２においてＣｕ層１２Ａの一方の面には、純度９９．９５ｍａｓｓ％以上かつ厚さが０．２ｍｍ以上０．６ｍｍ以下のＡｌ板２２Ｂが接合されてＡｌ層１２Ｂが形成されているので、Ａｌ層１２Ｂの変形抵抗が小さく、パワーモジュール用基板に冷熱サイクルが負荷された場合でも、セラミックス基板１１に生じる熱応力を低減し、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、金属層１３がセラミックス基板１１の他方の面に、板厚が０．０５ｍｍ以上のＣｕ板２３Ａが接合されて形成されたＣｕ層１３Ａを備えているので、半導体素子３側から伝達される熱を効率的に金属層１３からヒートシンク３０側へ放散することができる。また、このＣｕ層１３Ａには、純度９９．９５ｍａｓｓ％以上かつ厚さが０．２ｍｍ以上０．６ｍｍ以下のＡｌ板２３Ｂが接合されてＡｌ層１３Ｂが形成されているので、さらに効率的に金属層１３からヒートシンク３０側へ熱を放散することができる。さらに、このＡｌ層１３Ｂは変形抵抗が小さいので、冷熱サイクルが負荷された際にセラミックス基板１１に発生する熱応力をＡｌ層１３Ｂで吸収し、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、本実施形態においては、Ｃｕ板２２Ａ、２３Ａの厚さが０．１５ｍｍ未満とされているので、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セラミックス基板１１に生じる熱応力を低減でき、比較的強度が低いＡｌＮによりセラミックス基板１１が構成されていても、セラミックス基板１１に割れが発生することを抑制可能である。

また、本実施形態においては、Ｃｕ層１２ＡとＡｌ層１２Ｂ、及びＣｕ層１３ＡとＡｌ層１３Ｂが固相拡散接合によって接合されているので、Ｃｕ層１２Ａ、１３Ａの表面にＡｌ層１３Ａ、１３Ｂが形成された回路層１２及び金属層１３を得ることができる。
また、Ｃｕ層１２Ａ、１３ＡとＡｌ層１２Ｂ、１３Ｂとが、３ｋｇｆ／ｃｍ^２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ^２で加圧されて４００℃以上５４８℃未満で加熱処理を行うことにより固相拡散接合されているので、Ｃｕ層１２Ａ、１３ＡとＡｌ層１２Ｂ、１３Ｂ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してＣｕ層１２Ａ、１３ＡとＡｌ層１２Ｂ、１３Ｂとを接合することができる。

固相拡散接合時の加圧力が３ｋｇｆ／ｃｍ^２（２．９４×１０^５Ｐａ）未満の場合、Ｃｕ層１２Ａ、１３ＡとＡｌ板２２Ｂ、２３Ｂとを十分に接合することが困難となり、Ｃｕ層１２Ａ、１３ＡとＡｌ層１２Ｂ、１３Ｂとの間に隙間が生じる場合がある。また、３５ｋｇｆ／ｃｍ^２（３．４３×１０^６Ｐａ）を超える場合、加圧力が高すぎるために、セラミックス基板１１に割れが発生することがあるため、固相拡散接合の際の加圧力は３ｋｇｆ／ｃｍ^２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ^２以下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℃以上の場合には、Ｃｕ原子とＡｌ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、５４８℃未満の場合には、ＣｕとＡｌとの間で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、本実施形態において固相拡散接合の温度は、４００℃以上５４８℃未満の範囲に設定されている。

また、固相拡散接合時における好ましい加熱温度は、ＣｕとＡｌとの共晶温度（５４８℃）より５℃低い温度から共晶温度未満の範囲とされており、この場合、Ｃｕ層１２Ａ、１３ＡとＡｌ層１２Ｂ、１３Ｂとの接合界面に液相が形成されず、ＣｕとＡｌとの化合物が生成されないので、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、Ｃｕ層１２Ａ、１３ＡとＡｌ層１２Ｂ、１３Ｂ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。

また、Ｃｕ層１２Ａ、１３Ａと拡散層１２Ｃ、１３Ｃとの接合界面に、酸化物１９が接合界面に沿って層状に分散しているので、Ａｌ板２２Ｂ、２３Ｂ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、Ｃｕ層１２Ａ、１３Ａと拡散層１２Ｃ、１３Ｃとが確実に接合されている。

また、本実施形態では、拡散層１２Ｃ、１３Ｃは、複数の金属間化合物がＣｕ層１２Ａ、１３ＡとＡｌ層１２Ｂ、１３Ｂとの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、Ｃｕ層１２Ａ、１３Ａ中のＣｕとＡｌ層１２Ｂ、１３Ｂ中のＡｌとが相互拡散することにより、Ａｌ層１２Ｂ、１３Ｂ側からＣｕ層１２Ａ、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。
具体的には、拡散層１２Ｃ、１３Ｃは、Ａｌ層１２Ｂ、１３Ｂ側からＣｕ層１２Ａ、１３Ａ側に向けて順に、θ相１６、η２相１７が積層し、さらにζ２相１８Ａ、δ相１８Ｂ及びγ２相１８Ｃのうち少なくとも一つの相が積層しているので、拡散層１２Ｃ、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。

さらに、本実施形態においては、Ａｌ層１２Ｂ、１３Ｂの平均結晶粒径が５００μｍ以上とされ、Ｃｕ層１２Ａ、１３Ａの平均結晶粒径が５０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内とされており、Ａｌ層１２Ｂ、１３Ｂ及びＣｕ層１２Ａ、１３Ａの平均結晶粒径が比較的大きく設定されている。よって、Ｃｕ層１２Ａ、１３Ａ及びＡｌ層１２Ｂ、１３Ｂ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。

さらに、本実施形態においては、拡散層１２Ｃ、１３Ｃの平均厚みが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、Ｃｕ層１２Ａ、１３ＡとＡｌ層１２Ｂ、１３Ｂとを強固に接合できるとともに、Ｃｕ層１２Ａ、１３Ａ及びＡｌ層１２Ｂ、１３Ｂに比べて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３０とが接合されているので、半導体素子３側からの熱をヒートシンク３０から外部へ効率的に放散することができる。

（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７に、本発明の第二実施形態に係るパワーモジュール１０１を示す。
パワーモジュール１０１は、パワーモジュール用基板１１０と、このパワーモジュール用基板１１０の一方側（図７において上側）に、第一はんだ層２を介して接合された半導体素子３と、を備えている。なお、本実施形態においては、パワーモジュール用基板１１０の他方側（図１において下側）に、第二はんだ層３２を介してヒートシンク３０が接合されている。

パワーモジュール用基板１１０は、図８に示すように、セラミックス基板１１１と、このセラミックス基板１１１の一方の面（図８において上面）に形成された回路層１１２と、セラミックス基板１１１の他方の面（図８において下面）に形成された金属層１１３と、を備えている。

セラミックス基板１１１は、ＡｌＮ（窒化アルミ）、９６％アルミナ、強化アルミナ又は窒化珪素等で構成されている。また、セラミックス基板１１１の厚さは、０．２〜１．５ｍｍの範囲内に設定されている。第二実施形態では、セラミックス基板１１１は、強化アルミナで構成されおり、厚さは０．２５ｍｍに設定されている。

回路層１１２は、セラミックス基板１１１の一方の面（図８において上面）に形成されたＣｕ層１１２Ａと、このＣｕ層１１２Ａのうちセラミックス基板１１１が接合された面と反対側の面（図８において上面）にＴｉ層１１２Ｃを介して積層されたＡｌ層１１２Ｂとを有している。

Ｃｕ層１１２Ａは、セラミックス基板１１１の一方の面に無酸素銅の圧延板からなる厚さ０．０５ｍｍ以上のＣｕ板１２２Ａ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、Ｃｕ板１２２Ａの厚さの上限は、０．４５ｍｍ未満とされている。本実施形態では、Ｃｕ板１２２Ａとして厚さ０．３ｍｍのＣｕ板を用いた。
Ａｌ層１１２Ｂは、純度が９９．９５ｍａｓｓ％以上のＡｌの圧延板からなるＡｌ板１２２ＢがＣｕ層１１２Ａの一方の面（上面）にＴｉ箔１２２Ｃを介して接合されることにより形成されている。ここで、Ａｌ板１２２Ｂの厚さは、０．２ｍｍ以上０．６ｍｍ以下とされている。本実施形態では、Ａｌ板１２２Ｂとして厚さ０．５ｍｍのＡｌ板を用いた。

Ｔｉ層１１２Ｃは、Ｃｕ層１１２ＡとＡｌ板１２２ＢとがＴｉ箔１２２Ｃを介して接合されることにより形成されるものである。ここで、Ｔｉ箔１２２Ｃの純度は９９ｍａｓｓ％以上とされている。また、Ｔｉ箔１２２Ｃ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、１５μｍに設定されている。

金属層１１３は、セラミックス基板１１１の他方の面（図８において下面）に形成されたＣｕ層１１３Ａと、このＣｕ層１１３Ａのうちセラミックス基板１１１が接合された面と反対側の面（図８において下面）にＴｉ層１１３Ｃを介して積層されたＡｌ層１１３Ｂとを有している。

Ｃｕ層１１３Ａは、セラミックス基板１１１の他方の面に無酸素銅の圧延板からなる厚さ０．０５ｍｍ以上のＣｕ板１２３Ａ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、Ｃｕ板１２３Ａの厚さの上限は、０．４５ｍｍ未満とされている。本実施形態では、Ｃｕ板１２３Ａとして厚さ０．３ｍｍのＣｕ板を用いた。
Ａｌ層１１３Ｂは、純度が９９．９５ｍａｓｓ％以上のＡｌの圧延板からなるＡｌ板１２３Ｂが、Ｃｕ層１１３Ａのうちセラミックス基板１１１が接合された面と反対側の面（下面）に、Ｔｉ箔１２３Ｃを介して接合されることにより形成されている。ここで、Ａｌ板１２３Ｂの厚さは、０．２ｍｍ以上０．６ｍｍ以下とされている。本実施形態では、Ａｌ板１２３Ｂとして厚さ０．５ｍｍのＡｌ板を用いた。

Ｔｉ層１１３Ｃは、Ｃｕ層１１３ＡとＡｌ板１２３ＢとがＴｉ箔１２３Ｃを介して積層され接合されることにより形成されるものである。ここで、Ｔｉ箔１２３Ｃの純度は９９ｍａｓｓ％以上とされている。また、Ｔｉ箔１２３Ｃ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、１５μｍに設定されている。

次に、第二実施形態に係るパワーモジュール用基板１１０、パワーモジュール１０１の製造方法について図９及び図１０を参照して説明する。
まず、図１０に示すように、セラミックス基板１１１の一方の面及び他方の面に、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉからなる活性ろう材２５を介してＣｕ板１２２Ａ、１２３Ａを積層する（Ｃｕ板積層工程Ｓ２１）。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１１１とＣｕ板１２２Ａ、１２３Ａを接合し、Ｃｕ層１１２Ａ、１１３Ａを形成する。（Ｃｕ層形成工程Ｓ２２）。なお、このろう付けの温度は、８００℃〜９００℃に設定されている。

次に、図１０に示すように、Ｃｕ層１１２Ａの上面にＴｉ箔１２２Ｃを介してＡｌ板１２２Ｂを積層し、Ｃｕ層１１３Ａの下面にＴｉ箔１２３Ｃを介してＡｌ板１２３Ｂを積層する（Ａｌ板及びＴｉ箔積層工程Ｓ２３）。次いで、積層方向に加圧して、真空加熱炉の中に装入する。第二実施形態においては、積層方向に１ｋｇｆ／ｃｍ^２（９．８×１０^４Ｐａ）以上３５ｋｇｆ／ｃｍ^２（３．４×１０^▼６Ｐａ）以下の加圧力を負荷し、真空加熱炉の加熱温度を６３０℃以上６４３℃以下に設定し、３０分以上１８０分以下保持する。これにより、Ｃｕ層１１２Ａ、１１３Ａに、Ｔｉ箔１２２Ｃ、１２３Ｃ及びＡｌ板１２２Ｂ、１２３Ｂを接合して、Ｔｉ層１１２Ｃ、１１３Ｃ及びＡｌ層１１２Ｂ、１１３Ｂを形成し、回路層１１２及び金属層１１３が形成される（回路層及び金属層形成工程Ｓ２４）。

また、本実施形態においては、Ｃｕ層１１２Ａ、１１３Ａ、Ｔｉ箔１２２Ｃ、１２３Ｃ、及びＡｌ板１２２Ｂ、１２３Ｂとの接合されるそれぞれの面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされた後、固相拡散接合されている。
こうして、本実施形態に係るパワーモジュール用基板１１０が製造される。

次に、図１０に示すように、はんだ材を介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３０とを接合する（ヒートシンク接合工程Ｓ２５）。次いで、はんだ材を介してパワーモジュール用基板１１０の回路層１１１と半導体素子３とを接合する（半導体素子接合工程Ｓ２６）。
以上のようにして、本実施形態に係るパワーモジュール１０１が製造される。

以上のような構成とされた本実施形態に係るパワーモジュール用基板１１０及びパワーモジュール１０１によれば、回路層１１２がセラミックス基板１１１の一方の面に形成されたＣｕ層１１２Ａを有しているので、回路層１１２上に搭載された半導体素子３から発生する熱をパワーモジュール用基板１１０側へ伝達する際に、回路層１１２のＣｕ層１１２Ａで面方向に拡げて効率的に放散することができ、熱抵抗を低減可能となる。
また、金属層１１３がセラミックス基板１１１の他方の面に、板厚が０．０５ｍｍ以上のＣｕ板１２３Ａが接合されて形成されたＣｕ層１１３Ａを備えているので、半導体素子３側から伝達される熱を効率的に金属層１１３からヒートシンク１３０側へ放散することもできる。

第二実施形態においては、セラミックス基板１１１が、比較的強度が高い強化アルミナによって構成されているため、Ｃｕ層１１２Ａ、１１３Ａの厚さを比較的厚く設定しても、冷熱サイクルが負荷された際にセラミックス基板１１１に割れが発生することを抑制できる。すなわち、Ｃｕ層１１２Ａ、１１３Ａとして接合されるＣｕ板１２２Ａ、１２３Ａの厚さを０．４５ｍｍ未満のように比較的厚く設定することができるため、パワーモジュール用基板１１０の熱抵抗を十分に低減することができ、かつ回路層に大きな電流を流すことができる。

また、Ｃｕ層１１２Ａ、１１３Ａに、Ｔｉ箔１２２Ｃ、１２３Ｃを介してＡｌ板１２２Ｂ、１２３Ｂを積層し、加熱処理を行い接合しているので、接合時にＴｉ箔１２２Ｃ、１２３Ｃがバリア層として働き、Ｃｕ層１１２Ａ、１１３ＡとＡｌ板１２２Ｂ、１２３Ｂとが直接接触することがないので、ＣｕとＡｌとの液相を生じることなくＴｉ層１１２Ｃ、１１３Ｃを介してＣｕ層１１２Ａ、１１３ＡとＡｌ層１１２Ｂ、１１３Ｂとを確実に接合することができる。

また、第二実施形態においては、Ａｌ板１２２Ｂ、１２３Ｂを接合する際の加圧力が１ｋｇｆ／ｃｍ^２（９．８×１０^４Ｐａ）以上とされているので、接合界面に隙間が生じることを抑制でき、かつ加圧力が３５ｋｇｆ／ｃｍ^２（３．４×１０^６Ｐａ）以下とされているので、接合時にセラミックス基板に割れが発生することを抑制できる。

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、本実施形態では、セラミックス基板の一方の面に回路層が形成され、他方の面に金属層が形成されたパワーモジュール基板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。例えば、図１１に示すように、パワーモジュール用基板２１０は、セラミックス基板１１と、セラミックス基板１１の一方の面に形成された回路層１２とを備えており、このパワーモジュール用基板２１０の一方側（上側）に半導体素子３が接合され、他方側にヒートシンク３０が接合されることによりパワーモジュール２０１が形成されていても良い。

また、回路層及び金属層が、セラミックス基板の一方の面及び他方の面に接合されたＣｕ層と、このＣｕ層に接合されたＡｌ層とを備える場合について説明したが、回路層及び金属層のうちいずれか一方のみが、上述の構成とされていても良い。例えば、図１２に示すように、金属層３１３がＣｕ層のみで構成されていても良い。また、金属層３１３をアルミニウム又はアルミニウム合金で構成することもできる。
さらに、図１３に示すように、回路層３１２がＣｕ層のみで構成されていても良い。また、回路層３１２をアルミニウム又はアルミニウム合金で構成することもできる。

また、上記実施形態では、Ｃｕ層を形成するＣｕ板として無酸素銅を用いたが、無酸素銅以外の純銅や銅合金を用いることもできる。

また、第二実施形態においては、Ｃｕ層にＴｉ箔を介してＡｌ板を積層し、加熱処理を行うことで接合する場合について説明したが、Ｔｉ箔の代わりにＮｉ箔を用いることもできる。この場合、Ｃｕ層にＮｉ箔を介してＡｌ板を積層して加熱処理を行うことにより、Ｎｉ層を介してＣｕ層とＡｌ層とを良好に接合することができる。
Ｔｉ箔に代えてＮｉ箔を用いる場合、接合時の加熱温度は、６３０℃以上６３９．９℃以下の範囲にすることが好ましい。また、接合時の加圧力は、３ｋｇｆ／ｃｍ^２以上１０ｋｇｆ／ｃｍ^２の範囲にすることが好ましい。また、Ｎｉ箔の厚さは、０．０８ｍｍ以上０．２５ｍｍ以下の範囲にすることが好ましい。

また、上記実施の形態においては、Ｃｕ層とＡｌ層とが、加熱処理を行うことによって接合され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、熱間圧延法や表面活性化による接合方法を採用することもできる。また、この場合においても、Ｃｕ層とＡｌ層との間にＴｉ箔やＮｉ箔を介在させて接合することができる。

また、上記実施の形態では、セラミックス基板の一方の面及び他方の面に、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉからなる活性ロウ材を介してＣｕ板を接合す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、例えばＤＢＣ法（Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄｉｎｇ Ｃｏｐｐｅｒ）により接合しても良い。
また、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材によって接合す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、例えばグリースを介して接合する構成とされても良い。
また、上記実施の形態では、ヒートシンクがＡ６０６３（アルミニウム合金）からな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、純アルミニウム、無酸素銅などの純銅、又は銅合金等からなる構成とされても良い。例えば、ヒートシンクが無酸素銅からなる場合、金属層のＡｌ層とヒートシンクとを固相拡散接合によって接合することもできる。
また、上記の実施形態では、ヒートシンクが放熱フィンを備えていない場合について説明したが、放熱フィンを備えていても良い。

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１〜１４、比較例１〜４）
まず、表１に示すセラミック基板の一方の面及び他方の面に活性ロウ材を介して表１に示すＣｕ板を積層し、積層方向に加圧して８５０℃で３０分保持して接合し、セラミックス基板の一方の面及び他方の面にＣｕ層を形成した。
次に、表１に示すＡｌ板をそれぞれのＣｕ層に積層した後に、真空雰囲気において表１に示す加圧力及び加熱温度条件で９０分保持して接合し、セラミックス基板の一方の面及び他方の面に、回路層及び金属層を形成した。
以上のようにして、本発明例１〜１４、比較例１〜４のパワーモジュール用基板を製造した。なお、本発明例１２については、回路層をＣｕ層のみで構成した。また、本発明例１３については、金属層をＣｕ層のみで構成した。

（本発明例１５〜２９、比較例５〜８）
表２に示すセラミック基板の一方の面及び他方の面に活性ロウ材を介して表２に示すＣｕ板を積層し、積層方向に加圧して８５０℃で３０分保持して接合し、セラミックス基板の一方の面及び他方の面にＣｕ層を形成した。次に、表２に示すＡｌ板を、純度９９ｍａｓｓ％のＴｉ箔又はＮｉ箔（２８ｍｍ×２８ｍｍ、厚さ：表２参照）を介してそれぞれのＣｕ層に積層した後に、真空雰囲気において表２に示す加圧力及び加熱温度条件で９０分保持して接合し、セラミックス基板の一方の面及び他方の面に、回路層及び金属層を形成した。
以上のようにして、本発明例１５〜２９、比較例５〜８のパワーモジュール用基板を製造した。

（従来例１）
表１に示すセラミック基板の一方の面及び他方の面に活性ロウ材を介して表１に示すＣｕ板を積層し、積層方向に加圧して８５０℃で３０分保持して接合し、従来例１のパワーモジュール用基板を製造した。
（従来例２）
表１に示すセラミック基板の一方の面及び他方の面にＡｌ−１０ｍａｓｓ％Ｓｉロウ材を介して表１に示すＡｌ板を積層し、積層方向に加圧して６４５℃で３０分保持して接合し、従来例２のパワーモジュール用基板を製造した。

なお、セラミックス基板のサイズは、３０ｍｍ×３０ｍｍ×０．６３５ｍｍｔに設定した。
また、Ｃｕ板のサイズは、２８ｍｍ×２８ｍｍ（厚さ：表１、表２参照）に設定した。
また、Ａｌ板のサイズは、２８ｍｍ×２８ｍｍ（厚さ：表１、表２参照）に設定した。

以上のようにして製造されたパワーモジュール用基板に、Ｓｎ−Ｃｕはんだ材を介して回路層とＩＧＢＴ素子とを３００℃で接合した。次いで、Ｎｉめっきを形成したＡ６０６３アルミニウム合金からなり流路を有するヒートシンク（７０ｍｍ×５０ｍｍ×１０ｍｍｔ）とパワーモジュール用基板の金属層をＳｎ−Ｃｕはんだ材を介して３００℃で接合した。

以上のようにして、本発明例１〜２９、比較例１〜８、従来例１、２のパワーモジュールを製造した。そして、これらのパワーモジュールに対して、冷熱サイクル試験を実施した。
また、熱抵抗測定用パワーモジュールについては、ＩＧＢＴ素子の代わりにヒータチップをはんだ付けし、次いでＮｉめっきをしたアルミニウム合金（Ａ６０６３）製放熱板とパワーモジュール用基板の金属層を接合し、これをグリースを介して、ヒートシンクに固定して作製した。このパワーモジュールを用いて熱抵抗測定を実施した。冷熱サイクル試験と熱抵抗測定の方法について、以下に説明する。

（冷熱サイクル試験）
冷熱サイクル試験の試験条件を以下に示す。
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
冷熱サイクルの５００サイクル毎にパワーモジュールの観察を実施し、セラミックス基板の割れが確認された時点でのサイクル数（冷熱サイクル寿命）を評価した。
なお、本発明例１〜１４、比較例１〜４及び従来例１〜２についてはサイクル数１０００回以下を×、１０００回を超え３０００回未満を○、３０００回以上を◎と評価した。
また、本発明例１５〜２９及び比較例５〜８についてはサイクル数１０００回以下を×、１０００回を超え１５００回以下を○、１５００回を超えたものを◎と評価した。

（熱抵抗測定）
ヒータチップを１００Ｗの電力で加熱し、熱電対を用いてヒータチップの温度（Ｔ１）とヒートシンク上面の温度（Ｔ２）を測定した。そして、ヒータチップとヒートシンク上面の温度差を電力で割った値を熱抵抗とした。
なお、本発明例１〜１４、比較例１〜４及び従来例１〜２については、熱抵抗の値が０．２０５（℃／Ｗ）以上を×、０．２０５（℃／Ｗ）未満を○と評価した。
また、本発明例１５〜２９及び比較例５〜８については、熱抵抗の値が０．２１５（℃／Ｗ）以上を×、０．２１５（℃／Ｗ）未満を○と評価した。
以上の試験の結果を表３、表４に示す。

表３、表４に示すように、Ｃｕ板の厚さが０．０５ｍｍ未満された比較例１、比較例５及びＡｌ板の厚さが０．２ｍｍ未満とされた比較例２、６については、熱抵抗が高かった。
また、Ａｌ板の厚さが０．６ｍｍを超えた比較例３、７及びＡｌ板の純度が９９．９５ｍａｓｓ％未満とされた比較例５、８については、セラミックス基板の割れが早期に発生し、冷熱サイクル寿命が短いことが確認された。
回路層及び金属層にＣｕ板のみを接合した従来例１では、熱抵抗は低いもののセラミックス基板の冷熱サイクル寿命が短かった。
回路層及び金属層にＡｌ板のみを接合した従来例２では、セラミックス基板の冷熱サイクル寿命は長いものの熱抵抗が高いことが確認された。
一方、本発明例１〜２９では、熱抵抗を低くすると共に、冷熱サイクルが負荷された場合でもセラミックス基板の割れが抑制し、冷熱サイクル寿命が長いパワーモジュールであることが確認された。

１、１０１、２０１ パワーモジュール
１０、１１０、２１０ パワーモジュール用基板
１１ セラミックス基板
１２、１１２、３１２ 回路層
１２Ａ、１３Ａ、１１２Ａ、１１３Ａ Ｃｕ層
１２Ｂ、１３Ｂ、１１２Ｂ、１１３Ｂ Ａｌ層
１２Ｃ、１３Ｃ 拡散層
１３、１１３、３１３ 金属層
２２Ａ、２３Ａ Ｃｕ板
２２Ｂ、２３Ｂ Ａｌ板
３０ ヒートシンク
１２２Ｃ、１２３Ｃ Ｔｉ箔

Claims (11)

1. 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Ｃｕ板が接合されてなるＣｕ層と、このＣｕ層のうち前記セラミックス基板が接合された面と反対側の面に純度９９．９５ｍａｓｓ％以上のＡｌ板が接合されてなるＡｌ層と、を備え、
   前記Ｃｕ板の厚さが０．０５ｍｍ以上とされており、
   前記Ａｌ板の厚さが０．２ｍｍ以上０．６ｍｍ以下とされていることを特徴とする接合体。
2. 前記セラミックス基板が、ＡｌＮ及び９６％アルミナのうちいずれか一方からなり、
   前記Ｃｕ板の厚さが０．１５ｍｍ未満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。
3. 前記セラミックス基板が、強化アルミナ及びＳｉ_３Ｎ_４のうちいずれか一方からなり、
   前記Ｃｕ板の厚さが０．４５ｍｍ未満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。
4. 前記Ｃｕ層と前記Ａｌ層とが、固相拡散接合されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の接合体。
5. 前記固相拡散接合は、前記Ｃｕ層と前記Ａｌ層の積層方向に３ｋｇｆ／ｃｍ^２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ^２以下の加圧力を負荷して行われていることを特徴とする請求項４に記載の接合体。
6. 前記Ｃｕ層と前記Ａｌ層は、間にＴｉ箔及びＮｉ箔のうちいずれか一方を介在させて加熱処理を行うことにより接合されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の接合体。
7. 前記Ｃｕ層と前記Ａｌ層の積層方向に１ｋｇｆ／ｃｍ^２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ^２以下の加圧力を負荷して加熱処理を行い接合されていることを特徴とする請求項６に記載の接合体。
8. 前記セラミックス基板の一方側又は他方側にヒートシンクが接合されていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の接合体。
9. 請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の接合体からなり、前記セラミックス基板と、前記セラミックス基板の一方の面に形成された回路層と、を備え、
   前記回路層は、前記セラミックス基板の一方の面にＣｕ板が接合されてなるＣｕ層と、このＣｕ層の一方の面に純度９９．９５ｍａｓｓ％以上のＡｌ板が接合されてなるＡｌ層と、を有し、
   前記Ｃｕ板の厚さが０．０５ｍｍ以上とされており、
   前記Ａｌ板の厚さが０．２ｍｍ以上０．６ｍｍ以下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。
10. 請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の接合体からなり、前記セラミックス基板と、前記セラミックス基板の一方の面に形成された回路層と、前記セラミックス基板の他方の面に形成された金属層と、を備え、
    前記金属層は、前記セラミックス基板の他方の面にＣｕ板が接合されてなるＣｕ層と、このＣｕ層のうち前記セラミックス基板が接合された面と反対側の面に純度９９．９５ｍａｓｓ％以上のＡｌ板が接合されてなるＡｌ層と、を有し、
    前記Ｃｕ板の厚さが０．０５ｍｍ以上とされており、
    前記Ａｌ板の厚さが０．２ｍｍ以上０．６ｍｍ以下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。
11. 前記セラミックス基板の他方の面に金属層を備え、
    前記金属層は、前記セラミックス基板の他方の面にＣｕ板が接合されてなるＣｕ層と、このＣｕ層のうち前記セラミックス基板が接合された面と反対側の面に純度９９．９５ｍａｓｓ％以上のＡｌ板が接合されてなるＡｌ層と、を有し、
    前記Ｃｕ板の厚さが０．０５ｍｍ以上とされており、
    前記Ａｌ板の厚さが０．２ｍｍ以上０．６ｍｍ以下とされていることを特徴とする請求項９に記載のパワーモジュール用基板。

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