JP5991102B2

JP5991102B2 - ヒートシンク付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、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

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Publication number: JP5991102B2
Application number: JP2012203355A
Authority: JP
Inventors: 伸幸寺▲崎▼; 長友　義幸; 義幸長友
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2012-09-14
Filing date: 2012-09-14
Publication date: 2016-09-14
Anticipated expiration: 2032-09-14
Also published as: JP2014060215A

Description

この発明は、絶縁層の一方の面に回路層が配設されるとともに前記絶縁層の他方の面に金属層が配設されたパワーモジュール用基板と、パワーモジュール用基板の他方の面側にヒートシンクと、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板、このヒートシンク付パワーモジュール用基板を備えたヒートシンク付パワーモジュール、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に関するものである。

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（絶縁層）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。
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。

例えば特許文献１に示すように、回路層及び金属層を構成する金属としては、Ａｌが用いられ、ヒートシンクを構成する金属としては、Ａｌ（Ａｌ合金）が用いられている。そして、金属層の表面にヒートシンクがろう付けまたははんだ付けされたヒートシンク付パワーモジュール用基板が開示されている。

特許文献２には、セラミックス基板の一方の面及び他方の面にＡｌで構成された回路層及び金属層が接合され、セラミックス基板の金属層側には、はんだを介してＣｕで構成された板材が接合され、さらにこの板材に、はんだを介して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が開示されている。

特開２００８−１６８１３号公報特開２００７−２５０６３８号公報

ところで、特許文献１に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、アルミニウムからなる金属層とアルミニウム合金からなるヒートシンクとが接合されている。しかし、パワーモジュールの高効率化が進められるとともに、その使用環境も厳しくなっているため、熱抵抗及び放熱性の観点から十分とは言えず、さらに低熱抵抗及び高放熱性を有するヒートシンク付パワーモジュール用基板が求められている。

また、特許文献２に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、金属層とＣｕ板材、及びヒートシンクとＣｕ板材とがはんだを介して接合されており、Ｃｕ板材による面方向への熱拡散の効果は期待できるものの、ヒートサイクル負荷条件が苛酷になったおり、はんだにクラックが生じて熱抵抗が上昇してしまうおそれがある。

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、初期の熱抵抗を低減し、かつヒートサイクル負荷時において熱抵抗の上昇を抑制可能なヒートシンク付パワーモジュール用基板、このヒートシンク付パワーモジュール用基板を備えたヒートシンク付パワーモジュール、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、前記絶縁層の他方の面側に配設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、前記金属層及び前記ヒートシンクはＡｌ又はＡｌ合金で構成され、前記金属層と前記ヒートシンクとの間に、Ｃｕ又はＣｕ合金で構成された接合材からなる銅層が形成されており、前記金属層及び前記ヒートシンクが、前記銅層と固相拡散接合されており、前記金属層と前記銅層の接合界面、及び前記ヒートシンクと前記銅層の接合界面には、ＡｌとＣｕからなる拡散層が形成されており、前記拡散層は、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とされ、前記拡散層と前記銅層との接合界面には、酸化物が、前記接合界面に沿って層状に分散していることを特徴としている。

本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板によれば、Ａｌ又はＡｌ合金で構成された金属層及びヒートシンクが、Ｃｕ又はＣｕ合金で構成された接合材からなる銅層と固相拡散接合されているので、金属層とヒートシンクとがこの銅層によって強固に接合されることになる。したがって、ヒートサイクルが負荷された場合に、金属層と銅層との接合界面、及びヒートシンクと銅層の接合界面に剥離が生じることを抑制して熱抵抗の上昇を抑制可能となり、接合信頼性を向上させることができる。
また、金属層とヒートシンクとの間に、熱伝導の良好なＣｕ又はＣｕ合金で構成された銅層が形成されているので、半導体素子からの熱を銅層の面内方向に拡げて放散させ、熱を効率的にヒートシンク側へ伝達することができ、初期の熱抵抗を低減することが可能となる。

また、金属層と銅層との接合界面、及びヒートシンクと銅層との接合界面に、ＣｕとＡｌからなる拡散層が形成されていることから、金属層中のＡｌ（アルミニウム原子）と銅層中のＣｕ（銅原子）、及びヒートシンク中のＡｌと銅層中のＣｕとが十分に相互拡散しており、金属層と銅層、及びヒートシンクと銅層とが強固に接合されている。
また、拡散層と銅層との接合界面には、酸化物が、接合界面に沿って層状に分散していることから、接合材の表面に形成された酸化膜が破壊されて固相拡散接合が十分に進行している。

ここで、前記銅層の平均結晶粒径が５０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内とされ、前記金属層の平均結晶粒径が５００μｍ以上とされていることが好ましい。
この場合、金属層及び銅層の平均結晶粒径が比較的大きく設定されているので、金属層及び銅層には、過剰な歪が蓄積されておらず、疲労特性が良好となる。したがって、ヒートサイクル負荷において、金属層と銅層との間に生じる熱応力に対する接合信頼性が向上する。

前記接合材の厚さは、０．０５ｍｍ以上３．０ｍｍ以下とされていても良い。
上記の範囲に接合材の厚さを設定することによって、半導体素子から発生する熱をヒートシンク側へ伝達する際に、熱を銅層の面内方向に拡げて効率的に伝達できるので、初期の熱抵抗を低減することが可能である。

本発明のヒートシンク付パワーモジュールは、上記のヒートシンク付パワーモジュール用基板と、前記回路層の一方側に接合された半導体素子と、を備えていることを特徴としている。
本発明のヒートシンク付パワーモジュールによれば、上記のようなヒートシンク付パワーモジュール用基板を備えているので、初期の熱抵抗が低く、ヒートサイクル負荷時においても熱抵抗の上昇を抑制して、半導体素子の動作の安定性を向上させることができる。

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、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、前記絶縁層の他方の面側に配設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の製造方法であって、前記絶縁層の他方の面に、Ａｌ又はＡｌ合金で構成された金属層を形成する金属層形成工程と、前記絶縁層の他方の面側に、Ｃｕ又はＣｕ合金で構成された接合材を介在させて、Ａｌ又はＡｌ合金で構成された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、前記ヒートシンク接合工程において、前記金属層と前記接合材、及び前記ヒートシンクと前記接合材、とを固相拡散接合する構成とされ、前記ヒートシンク接合工程において、前記金属層と前記ヒートシンクに対して、３ｋｇｆ／ｃｍ ^２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ ^２以下の荷重を負荷した状態で、４００℃以上５４８℃未満で保持することにより、前記金属層と前記接合材、及び前記ヒートシンクと前記接合材とを固相拡散接合することを特徴としている。

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によれば、Ａｌ又はＡｌ合金で構成された金属層とヒートシンクとを、Ｃｕ又はＣｕ合金で構成された接合材を介して固相拡散接合するので、金属層及びヒートシンク中のＡｌと接合材中のＣｕが相互拡散し、金属層とヒートシンクとがＣｕ又はＣｕ合金で構成された銅層によって接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板を得ることができる。

また、前記ヒートシンク接合工程において、前記金属層と前記ヒートシンクに対して、３ｋｇｆ／ｃｍ^２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ^２以下の荷重を負荷した状態で、４００℃以上５４８℃未満で保持することにより、前記金属層と前記接合材、及び前記ヒートシンクと前記接合材とを固相拡散接合することを特徴としている。
このような構成にすることで、金属層と接合材、及びヒートシンクと接合材とが、確実に固相拡散接合され、金属層とヒートシンクとの間に銅層が形成される。また、このようにして固相拡散接合を行うと、金属層と銅層、及びヒートシンクと銅層との間に隙間が生じ難いので、金属層と銅層、及びヒートシンクと銅層との接合界面における熱伝導を良好にし、熱抵抗を低減できる。さらには、ろう材で接合する場合と比較して低温で固相拡散接合することができるので、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの熱膨張係数の差に起因する反りの発生が抑制され、熱抵抗を低減できる。また、この固相拡散接合によって形成された接合界面は強固に接合されており、ヒートサイクルが負荷された場合に、剥離が生じ難く熱抵抗の上昇を抑制することができる。

本発明によれば、初期の熱抵抗を低減し、かつヒートサイクル負荷時において熱抵抗の上昇を抑制可能なヒートシンク付パワーモジュール用基板、このヒートシンク付パワーモジュール用基板を備えたヒートシンク付パワーモジュール、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提供することができる。

本発明の実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュール、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール用基板の概略説明図である。図１の金属層とヒートシンクとの接合部の拡大図である。図２の金属層と銅層との接合界面における第一拡散層の拡大説明図である。図２のヒートシンクと銅層との接合界面における第二拡散層の拡大説明図である。本発明の実施形態に係るヒートシンク付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の概略説明図である。

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パワーモジュール１、ヒートシンク付パワーモジュール用基板３０、パワーモジュール用基板１０を示す。
このヒートシンク付パワーモジュール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の一方側（図１において上側）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。

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、ヒートシンク付パワーモジュール用基板３０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、ＩＧＢＴ素子とされている。

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の他方側（図１において下側）に配設されたヒートシンク３１とを備えている。
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る。ヒートシンク３１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で構成されている。このヒートシンク３１には、冷却用の流体が流れるための流路３２が設けられている。

パワーモジュール用基板１０は、図１に示すように、セラミックス基板１１（絶縁層）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１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って、絶縁性の高い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（図１において上面）に、金属板が接合されることにより形成されている。前記金属板は純アルミニウム板、アルミニウム合金板、純銅板、銅合金板等を用いることができる。本実施形態においては、回路層１２は、純度が９９．９９％以上のＡｌ（いわゆる４ＮＡｌ）の圧延板からなるアルミニウム板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。

金属層１３は、セラミックス基板１１の他方の面（図１において下面）に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属板が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層１３は、純度が９９．９９％以上のＡｌ（いわゆる４ＮＡｌ）の圧延板からなるアルミニウム板２３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。

そして、パワーモジュール用基板１０の金属層１３とヒートシンク３１とが、銅層４０を介して固相拡散接合によって接合されている。
銅層４０は、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク３１とを接合するものである。この銅層４０は、無酸素銅の圧延板からなる接合材５０によって構成されている。なお、接合材５０の厚さは、０．０５ｍｍ以上３．０ｍｍ以下に設定されていることが好ましい。

金属層１３と銅層４０との接合界面には、図２に示すように、第一拡散層４１（拡散層）が形成されている。また、ヒートシンク３１と銅層４０との接合界面にも同様に、第二拡散層４２（拡散層）が形成されている。
第一拡散層４１は、金属層１３のＡｌ（アルミニウム原子）と、銅層４０のＣｕ（銅原子）とが相互拡散することによって形成されるものである。この第一拡散層４１においては、金属層１３から銅層４０に向かうに従い、漸次Ａｌの濃度が低くなり、かつＣｕの濃度が高くなる濃度勾配を有している。

また、第二拡散層４２は、ヒートシンク３１のＡｌ（アルミニウム原子）と、銅層４０のＣｕ（銅原子）とが相互拡散することによって形成されるものである。この第二拡散層４２においては、ヒートシンク３１から銅層４０に向かうに従い、漸次Ａｌの濃度が低くなり、かつＣｕの濃度が高くなる濃度勾配を有している。

図３に、第一拡散層４１の拡大説明図を示す。この第一拡散層４１は、ＡｌとＣｕ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、この第一拡散層４１の厚さｔ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、３種の金属間化合物が積層された構造とされており、金属層１３側から銅層４０側に向けて順に、θ相４３、η２相４４、ζ２相４５とされている。
また、第一拡散層４１と銅層４０との接合界面には、酸化物４６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４６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４６は、第一拡散層４１と銅層４０との界面に分断された状態で分散しており、第一拡散層４１と銅層４０とが直接接触している領域も存在している。

図４に、第二拡散層４２の拡大説明図を示す。この第二拡散層４２は、ＡｌとＣｕ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、この第二拡散層４２の厚さｔ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、３種の金属間化合物が積層された構造とされており、ヒートシンク３１側から銅層４０側に向けて順に、θ相４３、η２相４４、ζ２相４５とされている。

また、第二拡散層４２と銅層４０との接合界面には、酸化物４６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、酸化物４６は、第二拡散層４２と銅層４０との界面に分断された状態で分散しており、第二拡散層４２と銅層４０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４０の平均結晶粒径が５０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内とされ、金属層１３とヒートシンク３１の平均結晶粒径が５００μｍ以上とされている。

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１、ヒートシンク付パワーモジュール用基板３０、パワーモジュール用基板１０の製造方法について、図５及び図６を用いて説明する。
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、ろう材を介してアルミニウム板２２、２３を積層する。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（回路層及び金属層形成工程Ｓ１１）。なお、このろう付けの温度は、６４０℃〜６５０℃に設定されている。
こうして、パワーモジュール用基板１０が得られる。

次に、図６に示すように、パワーモジュール用基板１０の他方の面側に接合材５０と、ヒートシンク３１とを、順に配置する。そして、このパワーモジュール用基板１０、接合材５０、ヒートシンク３１を積層したものに対して、一方側及び他方側（図６において、上側及び下側）から荷重を負荷し、真空加熱炉の中に配置する。本実施形態においては、金属層１３と接合材５０、ヒートシンク３１と接合材５０との接触面に負荷される荷重は、３ｋｇｆ／ｃｍ^２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ^２以下とされている。そして、真空加熱の加熱温度を、４００℃以上５４８℃未満とし、５分以上２４０分以下保持して固相拡散接合を行い、金属層１３と接合材５０、及びヒートシンク３１と接合材５０とを接合し、銅層４０を形成する（ヒートシンク接合工程Ｓ１２）。本実施形態においては、金属層１３と接合材５０、ヒートシンク３１と接合材５０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に、固相拡散接合されている。

なお、真空加熱のより望ましい温度範囲は、アルミニウム板２３を構成する金属（４ＮＡｌ）と接合材５０を構成する金属（Ｃｕ）、及びヒートシンク３１を構成する金属（Ａ６０６３）と接合材５０を構成する金属（Ｃｕ）、の共晶温度のうち、最も低い共晶温度（共晶温度含まず）から共晶温度−５℃の範囲とされている。

こうして、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が得られる。
そして、回路層１２の一方側（表面）に、はんだ材を介して半導体素子３を載置し、還元炉内においてはんだ接合する（半導体素子接合工程Ｓ１３）。
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１が製出される。

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パワーモジュール用基板３０によれば、４ＮＡｌで構成された金属層１３及びＡ６０６３で構成されたヒートシンク３１が、銅層４０と固相拡散接合されているので、ヒートサイクルが負荷された場合に、金属層１３と銅層４０との接合界面、及びヒートシンク３１と銅層４０の接合界面に剥離が生じることを抑制して熱抵抗の上昇を抑制し、接合信頼性を向上させることができる。
また、金属層１３とヒートシンク３１との間に、熱伝導の良好なＣｕで構成された銅層４０が形成されており、半導体素子３からの熱を銅層４０の面内方向に拡げて効率的にヒートシンク側へ伝達でき、初期の熱抵抗を低減することが可能となる。

さらに、金属層１３と銅層４０との接合界面、及びヒートシンク３１と銅層４０との接合界面に、ＣｕとＡｌからなる第一拡散層４１及び第二拡散層４２が形成されていることから、金属層１３中のＡｌ（アルミニウム原子）と銅層４０中のＣｕ（銅原子）、及びヒートシンク３１中のＡｌと銅層４０中のＣｕとが十分に相互拡散しており、金属層１３と銅層４０、及びヒートシンク３１と銅層４０とが強固に接合されている。

また、第一拡散層４１及び第二拡散層４２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とされているので、脆い拡散層が大きく成長してしまうことを抑制できる。また、金属層１３中のＡｌと銅層４０中のＣｕとが相互拡散することにより、金属層１３側から銅層４０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ることから、接合界面近傍の特性を安定させることができる。さらに、ヒートシンク３１中のＡｌと銅層４０中のＣｕとが相互拡散することにより、ヒートシンク３１側から銅層４０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ることから接合界面近傍の特性を安定させることができる。
具体的には、第一拡散層４１及び第二拡散層４２は、金属層１３及びヒートシンク３１側から銅層４０側に向けて順に、θ相４３、η２相４４、ζ２相４５の３種の金属間化合物が積層しているので、第一拡散層４１及び第二拡散層４２の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。

また、これらの第一拡散層４１と銅層４０、第二拡散層４２と銅層４０の接合界面において、酸化物４６が接合界面に沿って層状に分散しているので、金属層１３及びヒートシンク３１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、金属層１３と銅層４０、及びヒートシンク３１と銅層４０とが確実に接合されている。

さらに、第一拡散層４１及び第二拡散層４２の平均厚みが１μｍ以上８０μｍ以下の範囲内、好ましくは５μｍ以上８０μｍ以下の範囲内とされているので、金属層１３中のＡｌと銅層４０中のＣｕ、及びヒートシンク３１中のＡｌと銅層４０中のＣｕとが十分に相互拡散していることになり、金属層１３と銅層４０、及びヒートシンク３１と銅層４０とが強固に接合できるとともに、金属層１３、ヒートシンク３１、及び銅層４０に比べて脆い第一拡散層４１及び第二拡散層４２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。

さらに、本実施形態においては、銅層４０の平均結晶粒径が５０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内とされ、金属層１３とヒートシンク３１の平均結晶粒径が５００μｍ以上とされており、金属層１３、ヒートシンク３１、及び銅層４０の平均結晶粒径が比較的大きく設定されている。よって、金属層１３、ヒートシンク３１、及び銅層４０には、過剰な歪が蓄積されておらず、疲労特性が良好となる。したがって、ヒートサイクル負荷において、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク３１との間に生じる熱応力に対する接合信頼性が向上する。

また、本実施形態においては、金属層１３とヒートシンク３１との間に接合材５０を介在させて積層し、金属層１３と接合材５０、及びヒートシンク３１と接合材５０に対して、３ｋｇｆ／ｃｍ^２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ^２以下の荷重を負荷した状態で、４００℃以上５４８℃未満で保持して固相拡散接合を行っている。このような条件で固相拡散接合しているので、金属層１３と接合材５０、及びヒートシンク３１と接合材５０とが、十分に密着した状態で固相拡散を行うことができ、金属層１３と銅層４０、及びヒートシンク３１と銅層４０とが確実に固相拡散接合される。また、このようにして固相拡散接合を行うと、金属層１３と銅層４０、及びヒートシンク３１と銅層４０との間に隙間が生じ難いので、金属層１３と銅層４０、及びヒートシンク３１と銅層４０との接合界面における熱伝導性を良好にし、熱抵抗を低減することができる。

さらには、ろう材で接合する場合と比較して低温で固相拡散接合することができるので、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク３１との熱膨張係数の差に起因する反りの発生が抑制され、熱抵抗を低減することができる。また、この固相拡散接合によって形成された接合界面は強固に接合されており、ヒートサイクルが負荷された場合に、剥離が生じ難く熱抵抗の上昇を抑制することができる。

また、本実施形態においては、接合材５０の好ましい厚さは、０．０５ｍｍ以上３．０ｍｍ以下とされているので、半導体素子３から発生する熱を銅層４０の面内方向に拡げて効率的にヒートシンク３１側へ伝達できるので、初期の熱抵抗を低減することが可能である。

また、本実施形態においては、固相拡散接合する際の荷重が、３ｋｇｆ／ｃｍ^２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ^２以下とされているので、金属層１３と銅層４０、及びヒートシンク３１と銅層４０とを良好に接合することができるとともに、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。

また、本実施形態においては、固相拡散接合の好ましい温度は、４００℃以上５４８℃未満とされているので、ＡｌとＣｕとの拡散を促進し、短時間で十分に固相拡散接合できるとともに、ＡｌとＣｕ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。

また、固相拡散接合時におけるより望ましい加熱温度は、共晶温度（共晶温度含まず）から共晶温度−５℃の範囲とされているので、液相が形成されずアルミニウムと銅の化合物が生成されなくなり、固相拡散接合の接合信頼性が向上するとともに、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、金属層１３と接合材５０、ヒートシンク３１と接合材５０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、本実施形態においては、金属層１３とヒートシンク３１とが接合材５０を介して固相拡散接合によって接合されており、金属層１３とヒートシンク３１との間に、はんだを介在させていないので、ヒートサイクル負荷時において接合信頼性を向上させることができ、熱抵抗の上昇を抑制することができる。また、アルミニウムや銅と比較して熱伝導性が劣るはんだを介在させていないので、金属層１３とヒートシンク３１との接合部における熱伝導性を向上させることができる。

本実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュール１は、上記のようなヒートシンク付パワーモジュール用基板３０を備えているので、初期の熱抵抗が低く、ヒートサイクル負荷時においても熱抵抗の上昇を抑制して、半導体素子の動作の安定性を向上させることが可能である。

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一方の面及び他方の面に形成される回路層及び金属層を、純度９９．９９％の純アルミニウムの圧延板として説明したが、これに限定されることはなく、純度９９％のアルミニウム（２ＮＡｌ）やアルミニウム合金等であっても良い。また、回路層は純アルミニウム板やアルミニウム合金板の他に、純銅板や銅合金板であっても良い。

また、上記の実施形態では、ヒートシンクはＡ６０６３（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ）で構成される場合について説明したが、純アルミニウムや他のＡｌ合金で構成されていても良い。

また、上記の実施形態では、銅層は無酸素銅の銅板で構成されている場合について説明したが、これに限定されることはなく、その他の純銅や銅合金の銅板で構成されても良い。

また、上記の実施形態では、絶縁層として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し、絶縁樹脂によって絶縁層を構成しても良い。

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。

（実施例）
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。
図５のフロー図に記載した手順に従って、荷重９ｋｇｆ／ｃｍ^２、温度５４０℃、９０分の条件で固相拡散接合を行い、発明例１〜４のヒートシンク付パワーモジュールを作製した。
なお、セラミックス基板は、ＡｌＮで構成され、４０ｍｍ×４０ｍｍ、厚さ０．６３５ｍｍのものを使用した。
回路層は、発明例１−３では４ＮＡｌの圧延板で構成され、３７ｍｍ×３７ｍｍ、厚さ０．６ｍｍのものを使用した。発明例４では無酸素銅の銅板で構成され、３７ｍｍ×３７ｍｍ、厚さ０．６ｍｍのものを使用した。
金属層は、４ＮＡｌの圧延板で構成され、３７ｍｍ×３７ｍｍ、厚さ０．６ｍｍのものを使用した。
接合材は、無酸素銅の圧延板で構成され、３７ｍｍ×３７ｍｍのものを使用した。接合材の厚さは、表１に示すように設定した。
ヒートシンクは、Ａ６０６３合金の圧延板で構成され、５０ｍｍ×５０ｍｍ、厚さ５ｍｍのものを使用した。
また、固相拡散接合は、真空加熱炉内の圧力が、１０^−６Ｐａ以上、１０^−３Ｐａ以下の範囲内で行った。
半導体素子は、ＩＧＢＴ素子とし、１２．５ｍｍ×９．５ｍｍ、厚さ０．２５ｍｍのものを使用した。

また、従来例１として次のヒートシンク付パワーモジュールを作製した。
回路層となるアルミニウム板（３７ｍｍ×３７ｍｍ、厚さ０．６ｍｍ）とＡｌＮで構成されたセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ、厚さ０．６３５ｍｍ）と金属層となるアルミニウム板（３７ｍｍ×３７ｍｍ、厚さ０．６ｍｍ）とを、Ａｌ−１０質量％Ｓｉのろう材箔を介して積層し、積層方向に５ｋｇｆ／ｃｍ^２で加圧した状態で、真空加熱炉内に装入し、６５０℃で３０分加熱することによって接合し、パワーモジュール用基板を作製した。次にパワーモジュール用基板とヒートシンク（Ａ６０６３合金の圧延板、５０ｍｍ×５０ｍｍ、厚さ５ｍｍ）とをＳｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだを介して接合した。そして、ＩＧＢＴ素子（１２．５ｍｍ×９．５ｍｍ、厚さ０．２５ｍｍ）をＳｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだを用いてはんだ付けし、ヒートシンク付パワーモジュールを作成した。

次に、従来例２として次のヒートシンク付パワーモジュールを作製した。
回路層となるアルミニウム板（３７ｍｍ×３７ｍｍ、厚さ０．６ｍｍ）とＡｌＮで構成されたセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ、厚さ０．６３５ｍｍ）と金属層となるアルミニウム板（３７ｍｍ×３７ｍｍ、厚さ０．６ｍｍ）とを、Ａｌ−１０質量％Ｓｉのろう材箔を介して積層し、積層方向に５ｋｇｆ／ｃｍ^２で加圧した状態で、真空加熱炉内に装入し、６５０℃で３０分加熱することによって接合し、パワーモジュール用基板を作製した。次にパワーモジュール用基板とヒートシンク（Ａ６０６３合金の圧延板、５０ｍｍ×５０ｍｍ、厚さ５ｍｍ）とを、Ａｌ−１０質量％Ｓｉのろう材箔を介して接合した。そして、ＩＧＢＴ素子（１２．５ｍｍ×９．５ｍｍ、厚さ０．２５ｍｍ）をＳｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだを用いてはんだ付けし、ヒートシンク付パワーモジュールを作成した。

（平均結晶粒径の測定）
得られた積層板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後に観察し、接合界面近傍における銅板及びアルミニウム板の平均結晶粒径を測定した。なお、この平均結晶粒径の測定は、ＪＩＳＨ０５０１記載の切断法に準拠して実施した。
（酸化物の測定方法）
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断面を走査型電子顕微鏡（カールツァイスＮＴＳ社製ＵＬＴＲＡ５５）を用いて、加速電圧：１ｋＶ、ＷＤ：２．５ｍｍでＩｎ−Ｌｅｎｓ像を撮影すると、Ｃｕと金属間化合物層の界面に沿って層状に分散した白いコンラストが得られた。また同条件にてＥＳＢ像を撮影すると、前記箇所はＡｌより暗いコントラストになっていた。さらにＥＤＳ分析から前記箇所に酸素が濃集していた。以上のことからＣｕと金属間化合物層との界面には、酸化物が、前記界面に沿って層状に分散していることを確認した。
なお、平均結晶粒径の測定及び酸化物の測定は、金属層と接合材の接合界面にて行った。

（ヒートサイクル試験）
ヒートサイクル試験は、冷熱衝撃試験機エスペック社製ＴＳＢ−５１を使用し、試験片（ヒートシンク付パワーモジュール）に対して、液相（フロリナート）で、−４０℃×５分←→１２５℃×５分の３０００サイクル実施した。
そして、ヒートサイクル試験前のヒートシンク付パワーモジュールの熱抵抗（初期の熱抵抗）、及びヒートサイクル試験後のヒートシンク付パワーモジュールの熱抵抗を測定した。

（熱抵抗評価）
熱抵抗は、次のようにして測定した。半導体素子として、ヒータチップを用い、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、ヒータチップの温度と冷却媒体の温度差を電力で割った値を熱抵抗とした。
上記の評価の結果を表１に示す。

発明例１〜４では、初期の熱抵抗が低く、ヒートサイクル試験後の熱抵抗の上昇も小さく、高い信頼性を有するヒートシンク付パワーモジュールであることが確認できた。
従来例１では、初期の熱抵抗は低いが、ヒートサイクル試験においてはんだにクラックが生じ、ヒートサイクル試験後の熱抵抗の上昇が大きくなった。
従来例２では、パワーモジュール用基板とヒートシンクとをろう付けで接合する際に反りが生じて、接合部にクラックが発生し、初期の熱抵抗が大きくなった。また、ヒートサイクル試験後の熱抵抗の上昇も大きかった。

１ヒートシンク付パワーモジュール
３半導体素子
１０パワーモジュール用基板
１１セラミックス基板
１２回路層
１３金属層
３０ヒートシンク付パワーモジュール用基板
３１ヒートシンク
４０銅層
４１第一拡散層（拡散層）
４２第二拡散層（拡散層）
４６酸化物

Claims

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、前記絶縁層の他方の面側に配設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、
前記金属層及び前記ヒートシンクはＡｌ又はＡｌ合金で構成され、
前記金属層と前記ヒートシンクとの間に、Ｃｕ又はＣｕ合金で構成された接合材からなる銅層が形成されており、
前記金属層及び前記ヒートシンクが、前記銅層と固相拡散接合されており、
前記金属層と前記銅層の接合界面、及び前記ヒートシンクと前記銅層の接合界面には、ＡｌとＣｕからなる拡散層が形成されており、
前記拡散層は、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とされ、
前記拡散層と前記銅層との接合界面には、酸化物が、前記接合界面に沿って層状に分散し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。
前記銅層の平均結晶粒径が５０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内とされ、前記金属層の平均結晶粒径が５００μｍ以上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パワーモジュール用基板。
前記接合材の厚さは、０．０５ｍｍ以上３．０ｍｍ以下とされていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
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パワーモジュール用基板と、前記回路層の一方側に接合された半導体素子と、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。
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、前記絶縁層の他方の面側に配設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の製造方法であって、
前記絶縁層の他方の面に、Ａｌ又はＡｌ合金で構成された金属層を形成する金属層形成工程と、
前記絶縁層の他方の面側に、Ｃｕ又はＣｕ合金で構成された接合材を介在させて、Ａｌ又はＡｌ合金で構成された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、
前記ヒートシンク接合工程において、前記金属層と前記接合材、及び前記ヒートシンクと前記接合材、とを固相拡散接合する構成とされ、
前記ヒートシンク接合工程において、前記金属層と前記ヒートシンクに対して、３ｋｇｆ／ｃｍ ^２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ ^２以下の荷重を負荷した状態で、４００℃以上５４８℃未満で保持することにより、前記金属層と前記接合材、及び前記ヒートシンクと前記接合材とを固相拡散接合す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。