JP2018170504A - ヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属層とヒートシンクとを確実に固相拡散接合でき、金属層とヒートシンクとの接合信頼性に優れたヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法を提供する。【解決手段】金属層は、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成され、前記金属層のインデンテーション硬度が５０ｍｇｆ／μｍ２未満であり、ヒートシンクは、絶縁回路基板との接合面が、固相線温度が６５０℃以下のアルミニウム又はアルミニウム合金で構成され、前記金属層の前記絶縁層とは反対側の面に、固相線温度が６５０℃以下の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接合層を形成するアルミニウム接合層形成工程Ｓ０２と、前記アルミニウム接合層と前記ヒートシンクの接合面との間に、銅又は銅合金からなる銅接合材を積層し、前記アルミニウム接合層と前記銅接合材、前記銅接合材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接合工程Ｓ０３と、を備えている。【選択図】図４

Description

この発明は、絶縁層の一方の面に回路層が形成されるとともに前記絶縁層の他方の面に金属層が形成された絶縁回路基板と、この絶縁回路基板の前記金属層側に接合されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法に関するものである。

パワーモジュール、ＬＥＤモジュール及び熱電モジュールにおいては、絶縁層の一方の面に導電材料からなる回路層を形成した絶縁回路基板に、パワー半導体素子、ＬＥＤ素子及び熱電素子が接合された構造とされている。
例えば、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は、動作時の発熱量が多いことから、これを搭載する基板としては、例えば窒化アルミニウムや窒化ケイ素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、を備えた絶縁回路基板が、従来から広く用いられている。なお、絶縁回路基板としては、セラミックス基板の他方の面に金属板を接合して、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には、セラミックス基板の一方の面及び他方の面にアルミニウム板または銅板からなる回路層及び金属層が形成された絶縁回路基板が開示されている。
そして、絶縁回路基板の他方の面側には、ヒートシンクが接合されており、半導体素子から絶縁回路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。

ヒートシンクの材料としては、アルミニウム合金や、例えば特許文献２に示すようなＡｌＳｉＣに代表される炭化ケイ素質部材中にアルミニウムもしくはアルミニウム合金が充填されたアルミニウム基複合材料などのアルミニウム系材料が広く利用されている。
ここで、ヒートシンクを固相線温度の低いアルミニウム合金で構成した場合には、比較的構造が複雑な形状とすることができ、放熱特性を向上させることができる。また、ヒートシンクを炭化ケイ素質部材中にアルミニウムもしくはアルミニウム合金が充填されたアルミニウム基複合材料で構成した場合には、熱膨張係数が絶縁回路基板に近似することになり、冷熱サイクル負荷時の熱歪を低く抑えることが可能となる。

ここで、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層と、アルミニウム系材料からなるヒートシンクとを接合する手段として、例えば特許文献３には、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層及びヒートシンクの間に、銅又は銅合金からなる接合材を配設し、金属層と接合材、接合材とヒートシンクとをそれぞれ固相拡散接合する方法が提案されている。

特許第３１７１２３４号公報 特開２０００−２８１４６８号公報 特開２０１４−０６０２１５号公報

ところで、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、半導体素子からの発熱量が大きくなり、冷熱サイクルの条件が厳しくなっており、従来にも増して、接合信頼性に優れ、かつ、放熱特性に優れたヒートシンク付き絶縁回路基板が求められている。

ここで、上述の絶縁回路基板においては、金属層を比較的変形抵抗の小さい金属、例えば純度９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）を用いることにより、冷熱サイクル負荷時における熱歪を金属層の変形によって吸収し、絶縁層の割れ等を抑制することが可能となる。

金属層を４Ｎアルミニウムで構成し、ヒートシンクの接合面を例えばＡＤＣ１２等のアルミニウム合金で構成し、これらを特許文献３に記載された方法で固相拡散接合する場合には、金属層とヒートシンクの接合面との固相線温度が大きく異なるため、固相拡散接合時の温度条件をアルミニウム合金の固相線温度未満とする必要があり、また、純度の高い４Ｎアルミニウムは拡散エネルギーが高く、拡散現象が起きにくいため、固相線温度が高い４Ｎアルミニウムからなる金属層のＡｌと接合材のＣｕの固相拡散が不十分となり、金属層とヒートシンクとの接合信頼性が低下してしまうおそれがあった。

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、金属層を比較的変形抵抗の小さいアルミニウム又はアルミニウム合金で構成し、ヒートシンクの接合面を比較的固相線温度が低いアルミニウム又はアルミニウム合金で構成した場合であっても、金属層とヒートシンクとを確実に固相拡散接合できるヒートシンク付き絶縁回路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、本発明のヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法は、絶縁層の一方の面に回路層が形成されるとともに前記絶縁層の他方の面に金属層が形成された絶縁回路基板と、この絶縁回路基板の前記金属層側に接合されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法であって、前記金属層は、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されており、前記金属層のインデンテーション硬度が５０ｍｇｆ／μｍ^２未満であり、前記ヒートシンクは、前記絶縁回路基板との接合面が、固相線温度が６５０℃以下のアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されており、前記金属層の前記絶縁層とは反対側の面に、固相線温度が６５０℃以下の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接合層を形成するアルミニウム接合層形成工程と、前記アルミニウム接合層と前記ヒートシンクの接合面との間に、銅又は銅合金からなる銅接合材を積層し、前記アルミニウム接合層と前記銅接合材、前記銅接合材と前記ヒートシンクとを固相拡散接合することによってヒートシンクを接合するヒートシンク接合工程と、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き絶縁回路基板の製造方法によれば、前記金属層の前記絶縁層とは反対側の面に、固相線温度が６５０℃以下の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接合層を形成するアルミニウム接合層形成工程と、前記アルミニウム接合層と前記ヒートシンクの接合面との間に、銅又は銅合金からなる銅接合材を積層し、前記アルミニウム接合層と前記銅接合材、前記銅接合材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接合工程と、を備えているので、アルミニウム接合層を構成するアルミニウム及びアルミニウム合金と、ヒートシンクの接合面を構成するアルミニウム及びアルミニウム合金との固相線温度の差を小さくすることができ、比較的低温条件で固相拡散接合した場合であっても、アルミニウム接合層のＡｌと銅接合材のＣｕ、銅接合材のＣｕとヒートシンクの接合面のＡｌを十分に拡散させることができ、絶縁回路基板とヒートシンクとを確実に接合することができる。

また、金属層は、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成され、インデンテーション硬度が５０ｍｇｆ／μｍ^２未満とされているので、ヒートシンク付き絶縁回路基板に対して冷熱サイクルを負荷した際に、金属層が変形することで熱歪を緩和することができ、絶縁層の割れ等の発生を抑制することができる。
さらに、ヒートシンクの接合面が、固相線温度が６５０℃以下のアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されているので、要求される性能に適したヒートシンクを構成することができる。

ここで、本発明のヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法においては、前記アルミニウム接合層の厚さｔａと前記金属層の厚さｔｂとの比ｔｂ／ｔａが、０．０８以上４０以下の範囲内とされていることが好ましい。
この場合、前記アルミニウム接合層の厚さｔａと前記金属層の厚さｔｂとの比ｔｂ／ｔａが０．０８以上とされているので、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成された金属層の厚さが確保され、冷熱サイクル負荷時の熱歪を金属層で吸収することができ、絶縁層の割れ等の発生を抑制することができる。
一方、前記アルミニウム接合層の厚さｔａと前記金属層の厚さｔｂとの比ｔｂ／ｔａが４０以下とされているので、例えば、金属層とアルミニウム接合層をろう付けした場合、アルミニウム接合層にろう材(液相)が侵食し、粒界が溶融することでアルミニウム接合層の表面（金属層とは反対側の面）に凹凸が生じ、生じた凹凸に起因するボイドがアルミニウム接合層と銅接合材との間に形成されることがないため、アルミニウム接合層と銅接合材とを良好に接合することができる。

また、本発明のヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法においては、前記金属層と前記アルミニウム接合層との合計厚さが２．０ｍｍ以下とされていることが好ましい。
この場合、前記金属層と前記アルミニウム接合層との合計厚さが２．０ｍｍ以下とされているので、絶縁層とヒートシンクとの間に介在する前記金属層及び前記アルミニウム接合層の合計厚さが必要以上に厚くならず、積層方向の熱抵抗を抑えることができ、放熱特性を確保することができる。

さらに、本発明のヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法においては、前記アルミニウム接合層形成工程は、前記絶縁層に前記金属層を形成する金属層形成工程と同時に実施する構成としてもよい。
この場合、前記絶縁層に前記金属層を形成する金属層形成工程と前記アルミニウム接合層形成工程とを同時に実施することで、製造工程を省略し、効率良くヒートシンク付き絶縁回路基板を製造することが可能となる。また、絶縁層への熱負荷を低減することができ、絶縁層の劣化を抑制することができる。

また、本発明のヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法においては、前記回路層は、前記絶縁層側に形成されたアルミニウム層と、このアルミニウム層に積層された銅層と、を備えており、このアルミニウム層と銅層との間に、固相線温度が６５０℃以下のアルミニウム又はアルミニウム合金からなる第２アルミニウム接合層が形成されており、前記アルミニウム接合層形成工程において、前記アルミニウム接合層と前記第２アルミニウム接合層とを形成する構成としてもよい。
この場合、回路層がアルミニウム層と銅層とが積層された構造とされているので、回路層に搭載された発熱体の熱を銅層で面方向に広げることができ、放熱特性を向上させることが可能となる。また、アルミニウム層と銅層との間に、固相線温度が６５０℃以下のアルミニウム又はアルミニウム合金からなる第２アルミニウム接合層が形成されているので、アルミニウム接合層及び第２アルミニウム接合層を構成するアルミニウム及びアルミニウム合金と、ヒートシンクの接合面を構成するアルミニウム及びアルミニウム合金との固相線温度の差を小さくすることができ、比較的低温条件で固相拡散接合した場合であっても、アルミニウム接合層のＡｌと銅接合材のＣｕ、銅接合材のＣｕとヒートシンクの接合面のＡｌ、第２アルミニウム接合層のＡｌと銅層のＣｕを十分に拡散させることができ、絶縁回路基板とヒートシンクとを確実に接合することができるとともに、アルミニウム層と銅層とが積層された回路層を形成することができる。

本発明によれば、金属層を比較的変形抵抗の小さいアルミニウム又はアルミニウム合金で構成し、ヒートシンクの接合面を比較的固相線温度が低いアルミニウム又はアルミニウム合金で構成した場合であっても、金属層とヒートシンクとを確実に固相拡散接合できるヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法を提供することが可能となる。

本発明の実施形態であるヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法によって製造されたヒートシンク付き絶縁回路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に示すヒートシンク付き絶縁回路基板における金属層とヒートシンクとの接合界面の拡大説明図である。 図１に示すヒートシンク付き絶縁回路基板に用いられるヒートシンクの概略説明図である。 本発明の実施形態であるヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法を示すフロー図である。 本発明の実施形態であるヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法を示す説明図である。 本発明の実施形態であるヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法を示す説明図である。 本発明の他の実施形態であるヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法を示すフロー図である。 本発明の他の実施形態であるヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法を示す説明図である。 本発明の他の実施形態であるヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法によって製造されたヒートシンク付き絶縁回路基板を備えたパワーモジュールの概略説明図である。 図９に示すヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法を示すフロー図である。 図９に示すヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法を示す説明図である。 図９に示すヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法を示す説明図である。

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、本発明の実施形態であるヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法によって製造されたヒートシンク付き絶縁回路基板４０、及び、このヒートシンク付き絶縁回路基板４０を用いたパワーモジュール１を示す。

図１に示すパワーモジュール１は、絶縁回路基板１０と、この絶縁回路基板１０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、絶縁回路基板１０の下側に接合されたヒートシンク４１と、を備えている。なお、ヒートシンク４１が接合された絶縁回路基板１０が、本実施形態におけるヒートシンク付き絶縁回路基板４０とされている。

半導体素子３は、Ｓｉ等の半導体材料で構成されている。絶縁回路基板１０と半導体素子３とを接合するはんだ層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）とされている。

絶縁回路基板１０は、図１に示すように、絶縁層とな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（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、絶縁性の高い窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等で構成されている。本実施形態では、窒化アルミニウムで構成されている。ここで、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、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が接合されることにより形成されている。本実施形態では、図５に示すように、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って回路層１２が形成されている。具体的には、回路層１２を構成するアルミニウム板２２として、純度９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）やＡ３００３やＡ６０６３等のアルミニウム合金の圧延板が用いられている。
この回路層１２には、回路パターンが形成されており、その一方の面（図１において上面）が、半導体素子３が搭載される搭載面されている。ここで、回路層１２の厚さは０．１ｍｍ以上２．０ｍｍ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１３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からなるアルミニウム板２３が接合されることによって形成されている。また、金属層１３のインデンテーション硬度は５０ｍｇｆ／μｍ^２未満とされている。このインデンテーション硬度は、ヒートシンク付き絶縁回路基板４０の２５℃における値である。
金属層１３を構成するアルミニウム板２３として、純度９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）、純度９９．９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（３Ｎアルミニウム）、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）等を用いることができる。
本実施形態では、金属層１３を構成するアルミニウム板２３として、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）の圧延板が用いられている。
ここで、金属層１３の厚さｔｂは０．１ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では０．３０ｍｍに設定されている。

ヒートシンク４１は、前述の絶縁回路基板１０を冷却するためのものであり、本実施形態においては、図１に示すように、熱伝導性が良好な材質で構成された放熱板とされている。
本実施形態におけるヒートシンク４１は、ＳｉＣからなる多孔質体とこの多孔質体に含浸された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材とからなるＡｌ−ＳｉＣ複合材料（いわゆるＡｌＳｉＣ）で構成されている。本実施形態では、ＳｉＣからなる多孔質体に含浸させるアルミニウム材としてＡＤＣ１２（固相線温度５７０℃）を用いている。

また、本実施形態では、ヒートシンク４１は、図３に示すように、ＡｌＳｉＣからなるヒートシンク本体４２の表面に、多孔質体に含浸されたアルミニウム材（本実施形態ではＡＤＣ１２）からなるスキン層４３が形成されている。
ここで、本実施形態では、ヒートシンク本体４２の厚さが０．５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下の範囲内とされており、スキン層４３の厚さｔｓはヒートシンク本体４２の厚さの０．０１倍以上０．１倍以下とすることが好ましい。

そして、絶縁回路基板１０の金属層１３とヒートシンク４１は、アルミニウム接合層３１と銅接合層３２とを介して接合されている。

アルミニウム接合層３１は、固相線温度が６５０℃以下の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、Ａ３００３合金（固相線温度６４３℃）で構成されている。
なお、アルミニウム接合層３１の固相線温度と、ヒートシンク４１の接合面（本実施形態ではスキン層４３）を構成するアルミニウム合金の固相線温度との温度差が８０℃以下とされている。

ここで、アルミニウム接合層３１の厚さｔａは０．０３ｍｍ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０．１ｍｍに設定されている。
そして、本実施形態においては、アルミニウム接合層３１の厚さｔａと金属層１３の厚さｔｂとの比ｔｂ／ｔａが０．０８以上４０以下の範囲内とされている。
また、金属層１３とアルミニウム接合層３１との合計厚さ（ｔａ＋ｔｂ）が２．０ｍｍ以下とされている。
なお、金属層１３とアルミニウム接合層３１とは、ろう材を用いた接合や、固相拡散接合等によって接合されている。

銅接合層３２は、銅又は銅合金で構成されており、本実施形態では、図６に示すように、無酸素銅の圧延板からなる銅板５２を接合することで形成されている。本実施形態では、銅接合層３２の厚さｔｃは０．０５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下の範囲内とされている。
ここで、アルミニウム接合層３１と銅接合層３２、及び、銅接合層３２とヒートシンク４１（スキン層４３）とは、それぞれ固相拡散接合によって接合されている。

次に、上述した本実施形態であるヒートシンク付き絶縁回路基板４０の製造方法について、図４から図６を参照して説明する。

（回路層及び金属層形成工程Ｓ０１／アルミニウム接合層形成工程Ｓ０２）
まず、図５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、ろう材２６，２７を介してアルミニウム板２２、２３を積層する。ここで、ろう材２６，２７としては、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材やＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系ろう材等を用いることが好ましい。
また、本実施形態では、金属層１３となるアルミニウム板２３の他方の面側（図５において下側）に、アルミニウム接合層３１となるクラッド材５１を積層する。このクラッド材５１は、Ａ３００３合金から成る本体層５１ａと、Ａ４０４５合金からなるろう材層５１ｂとを備えており、本体層５１ａがアルミニウム接合層３１となる。ここで、図５に示すように、金属層１３となるアルミニウム板２３側にろう材層５１ｂが向くように、クラッド材５１を積層する。

そして、上述のアルミニウム板２２、セラミックス基板１１、アルミニウム板２３、クラッド材５１を、積層方向に加圧した状態で加熱して、セラミックス基板１１とアルミニウム板２２、２３を接合して回路層１２及び金属層１３を形成するとともに、金属層１３とクラッド材５１とを接合してアルミニウム接合層３１を形成する。すなわち、本実施形態では、回路層及び金属層形成工程Ｓ０１とアルミニウム接合層形成工程Ｓ０２とを一括で実施している。

ここで、回路層及び金属層形成工程Ｓ０１／アルミニウム接合層形成工程Ｓ０２の接合条件は、雰囲気を真空とし、加圧荷重を０．１ＭＰａ以上３．５ＭＰａ以下の範囲内、加熱温度を５６０℃以上６３０℃以下の範囲内とすることが好ましい。
以上のようにして、本実施形態である絶縁回路基板１０及びアルミニウム接合層３１が形成される。

（ヒートシンク接合工程Ｓ０３）
次に、図６に示すように、アルミニウム接合層３１の他方の面側（図６において下側）に、銅接合材として無酸素銅の圧延板からなる銅板５２を介して、ヒートシンク４１を積層する。ここで、ヒートシンク４１は、スキン層４３が銅板５２側を向くように積層する。
そして、絶縁回路基板１０、アルミニウム接合層３１が接合された絶縁回路基板１０、銅板５２、ヒートシンク４１を、積層方向に加圧して加熱し、アルミニウム接合層３１と銅板５２、銅板５２とヒートシンク４１（スキン層４３）をそれぞれ固相拡散接合する。
ここで、本実施形態では、固相拡散条件として、積層方向の荷重を６ｋｇｆ／ｃｍ^２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ^２以下（０．６ＭＰａ以上３．５ＭＰａ以下）の範囲内とした。接合温度は４６０℃以上５４０℃以下の範囲内、好ましくは４８０℃以上５２０℃以下の範囲内であるとよい。保持時間は３０ｍｉｎ以上２４０ｍｉｎ以下の範囲内とした。
以上のような工程により、本実施形態であるヒートシンク付き絶縁回路基板４０が製造される。

（半導体素子接合工程Ｓ０４）
次に、ヒートシンク付き絶縁回路基板４０の回路層１２に、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、ヒートシンク付き絶縁回路基板４０の回路層１２と半導体素子３とを接合する。
以上のようにして、図１に示すパワーモジュール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ヒートシンク付き絶縁回路基板４０の製造方法によれば、金属層１３のセラミックス基板１１とは反対側の面に、固相線温度が６５０℃以下の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接合層３１を形成するアルミニウム接合層形成工程Ｓ０２と、アルミニウム接合層３１とヒートシンク４１の接合面の間に、銅又は銅合金からなる銅板５２を積層し、アルミニウム接合層３１と銅板５２、銅板５２とヒートシンク４１とを固相拡散接合することによってヒートシンク４１を接合するヒートシンク接合工程Ｓ０３と、を備えているので、アルミニウム接合層３１を構成するアルミニウム及びアルミニウム合金と、ヒートシンク４１の接合面（スキン層４３）を構成するアルミニウム及びアルミニウム合金との固相線温度の差が小さくなり、比較的低温条件で固相拡散接合した場合であっても、アルミニウム接合層３１のＡｌと銅板５２のＣｕ、銅板５２のＣｕとヒートシンク４１の接合面のＡｌとを十分に拡散させることができ、絶縁回路基板１０とヒートシンク４１とを確実に接合することができる。

また、本実施形態におけるヒートシンク付き絶縁回路基板４０においては、金属層１３が、アルミニウム又はアルミニウム合金（本実施形態では４Ｎアルミニウム）で構成され、金属層１３のインデンテーション硬度が５０ｍｇｆ／μｍ^２未満とされているので、ヒートシンク付き絶縁回路基板４０に対して冷熱サイクルを負荷した際に、金属層１３を変形させることで熱歪を緩和することができ、セラミックス基板１１の割れ等の発生を抑制することができる。

さらに、ヒートシンク４１が、ＳｉＣからなる多孔質体とこの多孔質体に含浸された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材とからなるＡｌ−ＳｉＣ複合材料（いわゆるＡｌＳｉＣ）で構成されており、具体的には、ＳｉＣからなる多孔質体に含浸させるアルミニウム材としてＡＤＣ１２（固相線温度５７０℃）を用いているので、ヒートシンク４１の熱膨張係数が絶縁回路基板１０の熱膨張係数と近似することになり、冷熱サイクル負荷時における熱歪の発生を抑制することができる。

また、本実施形態においては、アルミニウム接合層３１の厚さｔａと金属層１３の厚さｔｂとの比ｔｂ／ｔａが０．０８以上とされているので、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成された金属層１３の厚さが確保され、冷熱サイクル負荷時の熱歪を金属層１３で吸収することができ、セラミックス基板１１の割れ等の発生を抑制することができる。一方、アルミニウム接合層３１の厚さｔａと金属層１３の厚さｔｂとの比ｔｂ／ｔａが、４０以下とされているので、アルミニウム接合層３１の厚さが必要以上に厚くならず、積層方向の熱抵抗を抑えることができ、放熱特性を確保することができる。

さらに、本実施形態においては、金属層１３とアルミニウム接合層３１との合計厚さ（ｔａ＋ｔｂ）が２．０ｍｍ以下とされているので、セラミックス基板１１とヒートシンク４１との間に介在する金属層１３及びアルミニウム接合層３１の合計厚さ（ｔａ＋ｔｂ）が必要以上に厚くならず、積層方向の熱抵抗を抑えることができ、放熱特性を確保することができる。

また、本実施形態においては、アルミニウム接合層３１の固相線温度と、ヒートシンク４１の接合面（本実施形態ではスキン層４３）を構成するアルミニウム合金の固相線温度との温度差が０℃以上８０℃以下の範囲内とされているので、ヒートシンク接合工程Ｓ０３において比較的低温条件で固相拡散接合した場合でも、アルミニウム接合層３１のＡｌと銅板５２のＣｕ、銅板５２のＣｕとヒートシンク４１の接合面のＡｌとを十分に拡散させることができ、絶縁回路基板１０とヒートシンク４１とを確実に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、本実施形態では、セラミックス基板１１として、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）等の他のセラミックスで構成されたものであってもよい。また、絶縁樹脂等を用いてもよい。

また、ヒートシンクとして放熱板を例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、冷却媒体が流通する流路を備えた冷却器等であってもよい。
さらに、本実施形態では、ヒートシンクを、ＳｉＣの多孔質体にＡＤＣ１２からなるアルミニウム材を含浸させたＡｌ−ＳｉＣ複合材料（いわゆるＡｌＳｉＣ）で構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、ヒートシンクの接合面が、固相線温度が６５０℃以下のアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されていれば、その材質や構造に限定はない。

さらに、本実施形態では、回路層をアルミニウム又はアルミニウム合金で構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、回路層を銅又は銅合金等の他の金属で構成してもよいし、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層と銅又は銅合金からなる銅層が積層した構造とされていてもよい。

そして、本実施形態では、クラッド材を金属層に接合することでアルミニウム接合層を形成するものとして説明したが、アルミニウム接合層形成工程の手段については特に制限はない。
例えば、図５において、クラッド材５１の代わりに、アルミニウム接合層となるアルミニウム板（例えばＡ３００３）と、ろう材箔（例えばＡ４０４５）を積層して配置し、アルミニウム接合層を形成してもよい。この場合でも、本実施形態と同様に、回路層及び金属層形成工程Ｓ０１とアルミニウム接合層形成工程Ｓ０２とを一括で実施することができる。

また、アルミニウム接合層を固相線温度が５６５℃以上６１５℃未満のアルミニウム（例えば、Ａ５０５６合金（固相線温度：５８２℃）等）で構成する場合には、Ａｌ−Ｓｉろう材にＭｇを積層した積層ろう材を用いて、真空度：１０^−６Ｐａ以上１０^−３Ｐａ以下、温度：５６０℃以上５７５℃以下（但し、固相線温度を超えないこと）、加圧荷重：０．１ＭＰａ以上３．５ＭＰａ以下の条件で接合してもよい。
あるいは、アルミニウム接合層を固相線温度が５１０℃以上５６５℃未満のアルミニウム（例えば、ＡＤＣ１２（固相線温度：５２８℃）等）で構成する場合には、特開２０１６−１８９４４８号公報に開示されているように、ＡＤＣ１２等に含まれる合金元素を金属層側に拡散させることによって、真空度：１０^−６Ｐａ以上１０^−３Ｐａ以下、温度：４００℃以上５６０℃以下、加圧荷重：０．６ＭＰａ以上３．５ＭＰａ以下の条件で固相拡散接合してもよい。

上述のように、Ａｌ−Ｓｉろう材にＭｇを積層した積層ろう材を用いて接合する場合や、固相拡散接合する場合には、図７及び図８に示すように、回路層及び金属層形成工程Ｓ０１を実施して絶縁回路基板１０を製造した後に、アルミニウム接合層形成工程Ｓ０２を実施することになる。

すなわち、回路層及び金属層形成工程Ｓ０１として、セラミックス基板１１の一方の面及び他方の面に、ろう材２６，２７を介してアルミニウム板２２、２３を積層する。そして、真空条件下において、積層方向に加圧した状態で加熱して、セラミックス基板１１とアルミニウム板２２、２３を接合し、回路層１２及び金属層１３を形成する。
ここで、回路層及び金属層形成工程Ｓ０１における接合条件は、真空度を１０^−６Ｐａ以上１０^−３Ｐａ以下の範囲内、加圧荷重を０．１ＭＰａ以上３．５ＭＰａ以下の範囲内、加熱温度を５６０℃以上６５５℃以下の範囲内とすることが好ましい。また、ろう材２６，２７としては、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材等を用いることが好ましい。

そして、図８に示すように、この絶縁回路基板１０の金属層１３の他方の面側（図８において下側）に、アルミニウム接合層３１となるアルミニウム板５１を積層し、上述した条件で、絶縁回路基板１０の金属層１３とアルミニウム板５１とを接合し、アルミニウム接合層３１を形成することになる。
その後、図６に示すように、ヒートシンク４１を接合することにより、ヒートシンク付き絶縁回路基板４０が製造される。

また、図９に示すように、回路層１１２が、絶縁層となるセラミックス基板１１側に形成されたアルミニウム層１１２Ａと、このアルミニウム層１１２Ａに積層された銅層１１２Ｂと、を備えており、このアルミニウム層１１２Ａと銅層１１２Ｂとの間に、固相線温度が６５０℃以下のアルミニウム又はアルミニウム合金からなる第２アルミニウム接合層１１２Ｃが形成された絶縁回路基板１１０、ヒートシンク付き絶縁回路基板１４０としてもよい。
なお、このヒートシンク付き絶縁回路基板１４０においても、金属層１３、アルミニウム接合層３１、銅接合層３２、ヒートシンク４１と、を備えている。
図９に示すヒートシンク付き絶縁回路基板１４０は、以下のようにして製造される。

（アルミニウム層及び金属層形成工程Ｓ１０１／アルミニウム接合層形成工程Ｓ１０２）
まず、図１１に示すように、セラミックス基板１１の一方の面（図１１において上面）に、ろう材１２６を介してアルミニウム層となるアルミニウム板１２２Ａを積層し、さらにアルミニウム板１２２Ａの一方の面にろう材１２７を介して、第２アルミニウム接合層となるアルミニウム板１２２Ｃを積層する。
さらに、セラミックス基板１１の他方の面（図１１において下面）に、ろう材１２８を介して、金属層１３となるアルミニウム板２３を積層し、さらにアルミニウム板２３の他方の面にろう材１２９を介して、アルミニウム接合層となるアルミニウム板５１を積層する。

ここで、アルミニウム接合層３１となるアルミニウム板５１、及び、第２アルミニウム接合層１１２Ｃとなるアルミニウム板１２２Ｃは、例えばＡ６０６３合金、Ａ３００３合金等のアルミニウム合金で構成されている。
また、アルミニウム層１１２Ａとなるアルミニウム板１２２Ａ、及び、金属層１３となるアルミニウム板２３は、例えば純度９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）、純度９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）で構成されている。
さらに、ろう材１２６、１２７、１２８、１２９は、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金で構成されており、その固相線温度が６００℃以下であることが好ましい。

そして、上述のアルミニウム板１２２Ｃ、ろう材１２７、アルミニウム板１２２Ａ、ろう材１２６、セラミックス基板１１、ろう材１２８、アルミニウム板２３、ろう材１２９、アルミニウム板５１を、積層方向に加圧した状態で加熱して、セラミックス基板１１とアルミニウム板１２２Ａ及びアルミニウム板２３を接合してアルミニウム層１１２Ａ及び金属層１３を形成するとともに、アルミニウム層１１２Ａとアルミニウム板１２２Ｃを接合して第２アルミニウム接合層１１２Ｃを形成し、金属層１３とアルミニウム板５１とを接合してアルミニウム接合層３１を形成する。
ここで、接合条件は、雰囲気を真空とし、加圧荷重を０．１ＭＰａ以上３．５ＭＰａ以下の範囲内、加熱温度を６００℃以上６４０℃以下の範囲内とすることが好ましい。

（銅層形成工程Ｓ１０３／ヒートシンク接合工程Ｓ１０４）
次に、図１２に示すように、第２アルミニウム接合層１１２Ｃの一方の面（図１２において上側）に銅層１１２Ｂとなる銅板１２２Ｂを積層する。また、アルミニウム接合層３１の他方の面側（図１２において下側）に、銅接合材として無酸素銅の圧延板からなる銅板５２を介して、ヒートシンク４１を積層する。ここで、ヒートシンク４１は、スキン層４３が銅板５２側を向くように積層して積層体を形成する。

そして、この積層体を、積層方向に加圧して加熱し、第２アルミニウム接合層１１２Ｃと銅板１２２Ｂ、アルミニウム接合層３１と銅板５２、銅板５２とヒートシンク４１（スキン層４３）をそれぞれ固相拡散接合する。
ここで、本実施形態では、固相拡散条件として、積層方向の荷重を６ｋｇｆ／ｃｍ^２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ^２以下（０．６ＭＰａ以上３．５ＭＰａ以下）の範囲内とした。接合温度は４６０℃以上５４０℃以下の範囲内、好ましくは４８０℃以上５２０℃以下の範囲内であるとよい。保持時間は３０ｍｉｎ以上２４０ｍｉｎ以下の範囲内とすることが好ましい。
以上のような工程により、図９に示すヒートシンク付き絶縁回路基板１４０が製造される。

以下に、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。

（実施例１）
窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ×厚さ０．６３５ｍｍ）の一方の面に純度９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）からなる回路層（３７ｍｍ×３７ｍｍ×厚さ０．４ｍｍ）を形成するとともに、セラミックス基板の他方の面に表１に示す材質及び厚みの金属層（３７ｍｍ×３７ｍｍ）を形成した。なお、セラミックス基板と回路層及び金属層となるアルミニウム板との接合は、Ａｌ−７．５ｍａｓｓ％Ｓｉろう材箔（厚さ１２μｍ）を用いて、真空雰囲気（３×１０^−３Ｐａ）、加圧荷重６ＭＰａ、加熱温度６４５℃、保持時間４５ｍｉｎの条件で接合した。

この絶縁回路基板に、表１に示す材質及び厚みのアルミニウム接合層（３７ｍｍ×３７ｍｍ）を形成した。
アルミニウム接合層がＡ３００３合金で構成されたものは、Ａ３００３合金とＡ４０４５合金とのクラッド材を用いて、窒素雰囲気で加圧荷重１．２ＭＰａ、加熱温度６３０℃、保持時間４５ｍｉｎの条件で接合した。
アルミニウム接合層がＡＤＣ１２で構成されたものは、真空雰囲気（６×１０^−４Ｐａ）、加熱温度５００℃、加圧荷重：２０ＭＰａの条件で接合した。
アルミニウム接合層が４Ｎ−Ａｌで構成されたものは、金属層とアルミニウム接合層となる４Ｎ−Ａｌ板の間にＡｌ−７．５ｍａｓｓ％Ｓｉろう材箔（厚さ１２μｍ）を配し、真空雰囲気（６×１０^−４Ｐａ）、加熱温度６４５℃、加圧荷重：６ＭＰａの条件で接合した。

そして、アルミニウム接合層に、ＳｉＣの多孔質体に表２記載の固相線温度を持つアルミニウムを含浸させたＡｌ−ＳｉＣ複合材料（いわゆるＡｌＳｉＣ）からなるヒートシンク（５０ｍｍ×６０ｍｍ×厚さ５．０ｍｍ／スキン層厚さ０．１ｍｍ）を、銅接合材（無酸素銅の圧延：３７ｍｍ×３７ｍｍ×厚さ１．０ｍｍ）を介して積層し、これを積層方向に２１ＭＰａで加圧し、４９０℃で１５０ｍｉｎ保持し、アルミニウム接合層と銅接合材、銅接合材とヒートシンクとを固相拡散接合した。
なお、表２においてヒートシンクの材質が４Ｎ−Ａｌで構成されたものは、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上（４Ｎ−Ａｌ）のアルミニウム板（５０ｍｍ×６０ｍｍ×厚さ５．０ｍｍ）を用いた。

得られたヒートシンク付き絶縁回路基板に対して、以下のような手順で各項目について評価を行った。

（インデンテーション硬度の測定）
ヒートシンク付き絶縁回路基板の金属層に対し、ナノインデンテーション法によりインデンテーション硬度を測定した。測定は１０箇所行い、その平均値とした。なお、インデンテーション硬度は、バーコビッチ圧子と呼ばれる稜間角が１１４．８°以上１１５．１°以下の三角錐ダイヤモンド圧子を用いて試験荷重を５０００ｍｇｆとして負荷をかけた際の荷重―変位の相関を計測し、インデンテーション硬度＝３７．９２６×１０^−３×（荷重〔ｍｇｆ〕÷変位〔μｍ〕^２）の式より求めた。

（接合状態）
ヒートシンクを構成するアルミニウム（ＡｌＳｉＣの場合には含侵されているアルミニウム）とアルミニウム接合層を構成するアルミニウムのうち、固相線温度の高いアルミニウムを有する部材と銅接合材との界面の超音波探傷像を、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）を用いて測定し、以下の式から接合率を算出した。
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、すなわち銅接合材の面積とした。
（接合率）＝｛（初期接合面積）−（剥離面積）｝／（初期接合面積）
超音波探傷像を二値化処理した画像において剥離は接合層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。
接合率が９０％以上であった場合を「○」、接合率が９０％未満であった場合を「×」と評価した。

（セラミックス基板の割れ）
ヒートシンク付き絶縁回路基板に対し、−４０℃←→１５０℃の冷熱サイクルを３０００サイクル行い、冷熱サイクル後にセラミックス基板を超音波探傷装置によって観察し、割れが認められなかったものを「○」、割れが生じていたものを「×」と評価した。

金属層のインデンテーション硬度が５０ｍｇｆ／μｍ^２以上であった比較例１ではセラミックス基板に割れが生じた。アルミニウム接合層を設けなかった比較例２では、金属層と銅接合材の接合性が低下した。ヒートシンクに固相線温度が６５０℃を超えるアルミニウムを用いた比較例３では、ヒートシンクと銅接合材の接合性が低下した。アルミニウム接合層に固相線温度が６５０℃を超えるアルミニウムを用いた比較例４では、アルミニウム接合層と銅接合材の接合率が低下した。
これに対し、本発明例１〜１９では、アルミニウム接合層と銅接合材及びヒートシンクと銅接合材の接合性が高く、セラミックス基板に割れの生じないヒートシンク付絶縁回路基板が得られることが分かった。

（実施例２）
次に、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）からなるセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ×厚さ０．６３５ｍｍ）の一方の面に純度９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）からなる回路層（３７ｍｍ×３７ｍｍ×厚さ０．４ｍｍ）を形成するとともに、セラミックス基板の他方の面に表３に示す材質及び厚みの金属層（３７ｍｍ×３７ｍｍ）を形成した。
この絶縁回路基板に、表３に示す材質及び厚みのアルミニウム接合層（３７ｍｍ×３７ｍｍ）を形成した。

この実施例２においては、セラミックス基板と回路層及び金属層となるアルミニウム板と、アルミニウム接合層となるアルミニウム板を、それぞれろう材を用いて同時に接合した。なお、ろう材としては、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金（固相線温度：５１０℃）の箔材（厚さ２０μｍ）のものを用いて、加圧荷重０．５ＭＰａ、加熱温度６１０℃、保持時間５０ｍｉｎの条件で接合した。

そして、アルミニウム接合層に、ＳｉＣの多孔質体に表２記載の固相線温度を持つアルミニウムを含浸させたＡｌ−ＳｉＣ複合材料（いわゆるＡｌＳｉＣ）からなるヒートシンク（５０ｍｍ×６０ｍｍ×厚さ５．０ｍｍ／スキン層厚さ０．１ｍｍ）を、銅接合材（無酸素銅の圧延：３７ｍｍ×３７ｍｍ×厚さ１．０ｍｍ）を介して積層し、これを積層方向に２．１ＭＰａで加圧し、４９０℃で１５０ｍｉｎ保持し、アルミニウム接合層と銅接合材、銅接合材とヒートシンクとを固相拡散接合した。

得られたヒートシンク付き絶縁回路基板に対して、実施例１と同様の手順で各項目について評価を行った。評価結果を表３に示す。

回路層及び金属層とアルミニウム接合層とを同時に形成した本発明例２１〜２８においても、アルミニウム接合層と銅接合材及びヒートシンクと銅接合材の接合性が高く、セラミックス基板に割れの生じないヒートシンク付絶縁回路基板が得られることが分かった。

１０ 絶縁回路基板
１１ セラミックス基板（絶縁層）
１２ 回路層
１３ 金属層
３１ アルミニウム接合層
３２ 銅接合層
４０ ヒートシンク付き絶縁回路基板
４１ ヒートシンク
４３ スキン層（接合面）
５２ 銅板（銅接合材）

Claims (5)

1. 絶縁層の一方の面に回路層が形成されるとともに前記絶縁層の他方の面に金属層が形成された絶縁回路基板と、この絶縁回路基板の前記金属層側に接合されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法であって、
   前記金属層は、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されており、
   前記金属層のインデンテーション硬度が５０ｍｇｆ／μｍ^２未満であり、
   前記ヒートシンクは、前記絶縁回路基板との接合面が、固相線温度が６５０℃以下のアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されており、
   前記金属層の前記絶縁層とは反対側の面に、固相線温度が６５０℃以下の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接合層を形成するアルミニウム接合層形成工程と、
   前記アルミニウム接合層と前記ヒートシンクの接合面との間に、銅又は銅合金からなる銅接合材を積層し、前記アルミニウム接合層と前記銅接合材、前記銅接合材と前記ヒートシンクとを固相拡散接合することによってヒートシンクを接合するヒートシンク接合工程と、
   を備えていることを特徴とするヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法。
2. 前記アルミニウム接合層の厚さｔａと前記金属層の厚さｔｂとの比ｔｂ／ｔａが、０．０８以上４０以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法。
3. 前記金属層と前記アルミニウム接合層との合計厚さが２．０ｍｍ以下とされていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法。
4. 前記アルミニウム接合層形成工程は、前記絶縁層に前記金属層を形成する金属層形成工程と同時に実施す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ヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法。
5. 前記回路層は、前記絶縁層側に形成されたアルミニウム層と、このアルミニウム層に積層された銅層と、を備えており、このアルミニウム層と銅層との間に、固相線温度が６５０℃以下のアルミニウム又はアルミニウム合金からなる第２アルミニウム接合層が形成されており、
   前記アルミニウム接合層形成工程において、前記アルミニウム接合層と前記第２アルミニウム接合層とを形成することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法。

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