JP6780561B2 - 接合体の製造方法、絶縁回路基板の製造方法、及び、接合体、絶縁回路基板 - Google Patents

Description

この発明は、セラミックス部材と、このセラミックス部材に接合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部材と、前記アルミニウム部材に接合された銅又は銅合金からなる銅部材と、を備えた接合体の製造方法、絶縁回路基板の製造方法、及び、接合体、絶縁回路基板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ＡｌＮ（窒化アルミ）、Ａｌ_２Ｏ_３（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、を備えた絶縁回路基板が、従来から広く用いられている。

また、上述の絶縁回路基板においては、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回路層とし、また、他方の面に放熱性に優れた金属板を接合して金属層とした構造のものも提供されている。
ここで、絶縁回路基板の回路層および金属層として、アルミニウム層と銅層とが積層された接合体を用いたものが提案されている。

例えば、特許文献１−４には、回路層及び金属層を、アルミニウム層と銅層とを積層した構造とした絶縁回路基板が提案されている。これらの絶縁回路基板においては、セラミックス基板側に比較的変形抵抗が低いアルミニウム層を配設することで、セラミックス基板と回路層及び金属層との熱膨張係数の差に起因する熱応力を吸収し、セラミックス基板の割れ等を抑制できる。また、熱伝導性に優れた銅層において半導体素子等で発生した熱を面方向に拡げることができ、放熱特性が向上する。

ここで、アルミニウム層と銅層とを直接接合した場合には、アルミニウムと銅とが反応して比較的脆く硬いアルミニウムと銅との金属間化合物が多量に生成してしまい、冷熱サイクル負荷時に、アルミニウム層と銅層との接合界面に割れが生じてしまうおそれがあった。このため、特許文献１−４においては、アルミニウム層と銅層との間に、チタン、クロム、ニッケル等からなるバリア層を形成している。

特開平１１−０９７８０７号公報 特開平１１−１９５８５４号公報 特開２００１−０５３４０４号公報 特開２０１４−０７２３６４号公報

ところで、最近では、絶縁回路基板に搭載されるパワー半導体素子、ＬＥＤ素子及び熱電素子等においては、発熱密度が高くなる傾向にあり、絶縁回路基板には従来にも増して、優れた放熱特性が求められている。
ここで、上述のように、アルミニウム層と銅層との間にバリア層を形成したものにおいては、バリア層の熱伝導率がアルミニウム層や銅層に比べて低いため、このバリア層が熱抵抗となり、放熱特性が低下してしまう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、アルミニウム部材と銅部材との接合界面において液相の生成を抑制し、セラミックス部材とアルミニウム部材を確実に接合できるとともに、アルミニウム部材と銅部材との間に大きな熱抵抗となるバリア層が存在せず、放熱特性に優れた接合体を製造することができる接合体の製造方法、絶縁回路基板の製造方法、及び、接合体、絶縁回路基板を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するために、本発明の接合体の製造方法は、セラミックス部材と、このセラミックス部材に接合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部材と、前記アルミニウム部材に接合された銅又は銅合金からなる銅部材と、を備えた接合体の製造方法であって、前記セラミックス部材と前記アルミニウム部材とを接合材を介して積層するとともに、前記アルミニウム部材と前記銅部材とをニッケル層を介して積層する積層工程と、積層された前記セラミックス部材、前記アルミニウム部材及び前記銅部材を積層方向に加圧した状態で加熱し、６２０℃以上６４２℃以下の温度範囲で保持する高温保持工程と、この高温保持工程の後に、５００℃以上でアルミニウムと銅の共晶温度未満の温度範囲で保持する低温保持工程と、を有しており、前記高温保持工程において、前記セラミックス部材と前記アルミニウム部材を接合するとともに前記アルミニウム部材とニッケル層及びニッケル層と前記銅部材をそれぞれ固相拡散接合し、前記低温保持工程において、前記ニッケル層のＮｉ原子を拡散させて前記ニッケル層を消失させ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、前記セラミックス部材と前記アルミニウム部材とを接合材を介して積層するとともに、前記アルミニウム部材と前記銅部材とをニッケル層を介して積層し、これを積層方向に加圧して加熱し、６２０℃以上６４２℃以下の温度範囲で保持する高温保持工程を有しているので、セラミックス部材とアルミニウム部材を確実に接合することができるとともに、アルミニウム部材とニッケル層、及び、ニッケル層と銅部材とを、それぞれ固相拡散接合によって確実に接合することができる。また、このニッケル層により、アルミニウム部材と銅部材とが直接接触することなく、液相が生じること抑制できる。

そして、高温保持工程の後に、５００℃以上でアルミニウムと銅の共晶温度未満の温度範囲で保持する低温保持工程を備えているので、前記ニッケル層のＮｉ原子を拡散させて前記ニッケル層を消失させることができる。よって、熱抵抗となるニッケル層が存在せず、放熱特性に優れた接合体を製造することができる。なお、低温保持工程の温度の上限がＡｌとＣｕの共晶温度未満とされているので、低温保持工程においてニッケル層が消失して、Ａｌを含む金属間化合物とＣｕを含む金属間化合物が直接接触した場合であっても液相が生じることを抑制できる。

ここで、本発明の接合体の製造方法においては、前記積層工程において、前記アルミニウム部材と前記銅部材との間に配設される前記ニッケル層の厚さを０．０１ｍｍ以上０．０５ｍｍ以下の範囲内とすることが好ましい。
この場合、前記積層工程において、前記アルミニウム部材と前記銅部材との間に配設される前記ニッケル層の厚さ（すなわち、接合前の状態のニッケル層の厚さ）が０．０１ｍｍ以上とされているので、高温保持工程後にニッケル層を残存させることができ、アルミニウムと銅との金属間化合物が多量に生成することを抑制できる。一方、前記積層工程において、前記アルミニウム部材と前記銅部材との間に配設される前記ニッケル層の厚さ（接合前の状態のニッケル層の厚さ）が０．０５ｍｍ以下とされているので、低温保持工程において比較的短時間でニッケル層を消失させることが可能となる。

本発明の絶縁回路基板の製造方法は、セラミックス基板の一方の面に、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層と銅又は銅合金からなる銅層とが積層されてなる回路層が形成された絶縁回路基板の製造方法であって、前記回路層を、上述の接合体の製造方法によって形成することを特徴としている。

本発明の絶縁回路基板の製造方法は、セラミックス基板の一方の面に回路層が配設され、前記セラミックス基板の他方の面に、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層と銅又は銅合金からなる銅層とが積層されてなる金属層が形成された絶縁回路基板の製造方法であって、前記金属層を、上述の接合体の製造方法によって形成することを特徴としている。

本発明の絶縁回路基板の製造方法は、セラミックス基板の一方の面に、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層と銅又は銅合金からなる銅層とが積層されてなる回路層が形成され、前記セラミックス基板の他方の面に、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層と銅又は銅合金からなる銅層とが積層されてなる金属層が形成された絶縁回路基板の製造方法であって、前記回路層及び前記金属層を、上述の接合体の製造方法によって形成することを特徴としている。

以上のような構成とされた本発明の絶縁回路基板の製造方法においては、セラミックス基板の一方の面に形成された回路層及びセラミックス基板の他方の面に形成された金属層の少なくとも一方又は両方を、上述の接合体の製造方法によって形成する構成とされているので、アルミニウム層と銅層との間に熱抵抗となるニッケル層が存在せず、放熱特性に優れた絶縁回路基板を製造することができる。また、高温保持工程においては、アルミニウム層と銅層の間にニッケル層が残存しているので、アルミニウム層と銅層とが直接接触することなく、液相が生じること抑制できる。

本発明の接合体は、セラミックス部材と、このセラミックス部材に接合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部材と、前記アルミニウム部材に接合された銅又は銅合金からなる銅部材と、を備えた接合体であって、前記アルミニウム部材と前記銅部材との接合界面においては、前記アルミニウム部材側に、ＡｌとＮｉの金属間化合物を含むＡｌ−Ｎｉ金属間化合物層が形成され、前記銅部材側に、Ｃｕの母相中にＮｉが固溶したＣｕ−Ｎｉ固溶体層が形成されており、前記Ａｌ−Ｎｉ金属間化合物層と前記Ｃｕ−Ｎｉ固溶体層とが直接積層されていることを特徴としている。

この構成の接合体においては、アルミニウム部材と銅部材との接合界面において、前記アルミニウム部材側に形成されたＡｌ−Ｎｉ金属間化合物層と、前記銅部材側に形成されたＣｕ−Ｎｉ固溶体層と、が直接積層されているので、熱抵抗となるニッケル層が残存しておらず、放熱特性に優れている。

本発明の絶縁回路基板は、セラミックス基板の一方の面に、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層と銅又は銅合金からなる銅層とが積層されてなる回路層が形成された絶縁回路基板であって、前記アルミニウム層と前記銅層との接合界面においては、前記アルミニウム層側に、ＡｌとＮｉの金属間化合物を含むＡｌ−Ｎｉ金属間化合物層が形成され、前記銅層側に、Ｃｕの母相中にＮｉが固溶したＣｕ−Ｎｉ固溶体層が形成されており、前記Ａｌ−Ｎｉ金属間化合物層と前記Ｃｕ−Ｎｉ固溶体層とが直接積層されていることを特徴としている。

本発明の絶縁回路基板は、セラミックス基板の一方の面に回路層が配設され、前記セラミックス基板の他方の面に、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層と銅又は銅合金からなる銅層とが積層されてなる金属層が形成された絶縁回路基板であって、前記アルミニウム層と前記銅層との接合界面においては、前記アルミニウム層側に、ＡｌとＮｉの金属間化合物を含むＡｌ−Ｎｉ金属間化合物層が形成され、前記銅層側に、Ｃｕの母相中にＮｉが固溶したＣｕ−Ｎｉ固溶体層が形成されており、前記Ａｌ−Ｎｉ金属間化合物層と前記Ｃｕ−Ｎｉ固溶体層とが直接積層されていることを特徴としている。

本発明の絶縁回路基板は、セラミックス基板の一方の面に、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層と銅又は銅合金からなる銅層とが積層されてなる回路層が形成され、前記セラミックス基板の他方の面に、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層と銅又は銅合金からなる銅層とが積層されてなる金属層が形成された絶縁回路基板であって、前記アルミニウム層と前記銅層との接合界面においては、前記アルミニウム層側に、ＡｌとＮｉの金属間化合物を含むＡｌ−Ｎｉ金属間化合物層が形成され、前記銅層側に、Ｃｕの母相中にＮｉが固溶したＣｕ−Ｎｉ固溶体層が形成されており、前記Ａｌ−Ｎｉ金属間化合物層と前記Ｃｕ−Ｎｉ固溶体層とが直接積層されていることを特徴としている。

これらの構成の絶縁回路基板においては、セラミックス基板の一方の面に形成された回路層及びセラミックス基板の他方の面に形成された金属層の少なくとも一方又は両方が、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とが積層された構造とされており、アルミニウム層と銅層との接合界面において、前記アルミニウム層側に形成されたＡｌ−Ｎｉ金属間化合物層と、前記銅層側に形成されたＣｕ−Ｎｉ固溶体層と、が直接積層されているので、熱抵抗となるニッケル層が残存しておらず、放熱特性に優れている。

本発明によれば、アルミニウム部材と銅部材との接合界面において液相の生成を抑制し、セラミックス部材とアルミニウム部材を確実に接合できるとともに、アルミニウム部材と銅部材との間に大きな熱抵抗となるバリア層が存在せず、放熱特性に優れた接合体を製造することができる接合体の製造方法、絶縁回路基板の製造方法、及び、接合体、絶縁回路基板を提供することができる。

本発明の実施形態である接合体及び絶縁回路基板を用いたパワーモジュールを示す断面図である。 図１に示す接合体（回路層及び金属層）の接合界面の近傍を示す要部拡大断面図である。 図１に示す絶縁回路基板の製造方法を示すフロー図である。 図１に示す絶縁回路基板の製造方法を示す説明図である。 高温保持工程及び低温保持工程における温度履歴を示すグラフである。 高温保持工程におけるアルミニウム層と銅層の接合界面の拡大説明図である。 低温保持工程におけるアルミニウム層と銅層の接合界面の拡大説明図である。 本発明の他の実施形態である接合体及び絶縁回路基板を用いたパワーモジュールを示す断面図である。 本発明の他の実施形態である接合体及び絶縁回路基板を用いたパワーモジュールを示す断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。なお、以下に示す各実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

図１に、本発明の実施形態である絶縁回路基板１０を用いたパワーモジュール１を示す。なお、本実施形態における接合体は、図１に示す絶縁回路基板１０において、セラミックス部材としてのセラミックス基板１１と、アルミニウム部材としてのアルミニウム層２１、３１及び銅部材としての銅層２２、３２が接合された回路層２０及び金属層３０とされている。

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）に第１はんだ層２を介して接合されたパワー半導体素子３と、絶縁回路基板１０の下側に第２はんだ層４２を介して接合されたヒートシンク４１と、を備えている。

パワー半導体素子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とパワー半導体素子３とを接合する第１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。

ヒートシンク４１は、絶縁回路基板１０側の熱を放散するためのものである。ヒートシンク４１は、銅又は銅合金で構成されており、本実施形態では無酸素銅で構成されている。絶縁回路基板１０とヒートシンク４１とを接合する第２はんだ層４２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。

そして、本実施形態に係る絶縁回路基板１０は、図１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１において上面）に配設された回路層２０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３０と、を備えている。

セラミックス基板１１は、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等の絶縁性の高いセラミックスで構成されている。本実施形態では、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）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２０は、図１に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に配設されたアルミニウム層２１と、このアルミニウム層２１の一方の面に積層された銅層２２と、を有している。
ここで、回路層２０におけるアルミニウム層２１の厚さは、０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ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。
また、回路層２０における銅層２２の厚さは、０．１ｍｍ以上６．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、１．０ｍｍに設定されている。

金属層３０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アルミニウム層３１と、このアルミニウム層３１の他方の面に積層された銅層３２と、を有している。
ここで、金属層３０におけるアルミニウム層３１の厚さは、０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ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。
また、金属層３０における銅層３２の厚さは、０．１ｍｍ以上６．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、１．０ｍｍに設定されている。

アルミニウム層２１、３１は、図４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、アルミニウム板５１、６１が接合されることにより形成されている。
アルミニウム層２１，３１となるアルミニウム板５１、６１は、純度が９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウムや純度９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウムで構成されている。

銅層２２、３２は、図４に示すように、アルミニウム層２１、３１の一方の面及び他方の面に、銅又は銅合金からなる銅板５２、６２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、銅層２２、３２を構成する銅板５２、６２は、無酸素銅の圧延板とされている。

ここで、アルミニウム層２１、３１と銅層２２，３２との接合界面の拡大図を図２に示す。
アルミニウム層２１，３１と銅層２２，３２との接合界面においては、アルミニウム層２１，３１側に、ＡｌとＮｉの金属間化合物を含むＡｌ−Ｎｉ金属間化合物層２５，３５が形成され、銅層２２，３２側に、Ｃｕの母相中にＮｉが固溶したＣｕ−Ｎｉ固溶体層２６，３６が形成されている。そして、これらＡｌ−Ｎｉ金属間化合物層２５，３５とＣｕ−Ｎｉ固溶体層２６，３６とが直接積層した構造とされている。

Ａｌ−Ｎｉ金属間化合物層２５，３５に含まれる金属間化合物としては、例えばＡｌ_３Ｎｉ、あるいは、Ａｌ_３Ｎｉ_２が挙げられる。
また、Ａｌ−Ｎｉ金属間化合物層２５，３５の厚さは、０．０２ｍｍ以上０．１ｍｍ以下の範囲内とされている。

Ｃｕ−Ｎｉ固溶体層２６，３６においては、Ｎｉ濃度が厚さ方向で傾斜している場合もある。なお、このＣｕ−Ｎｉ固溶体層２６，３６におけるＮｉ濃度は、例えば０．１ｍａｓｓ％以上５０ｍａｓｓ％以下の範囲内とされている。
また、Ｃｕ−Ｎｉ固溶体層２６，３６の厚さは、０．００１ｍｍ以上０．０２ｍｍ以下の範囲内とされている。

次に、本実施形態である絶縁回路基板１０の製造方法について、図３から図７を参照して説明する。

まず、図４に示すように、セラミックス基板１１の一方の面（図４において上面）に、接合材としてＡｌ−Ｓｉ系のろう材箔５８を介してアルミニウム層２１となるアルミニウム板５１を積層し、さらにその上にニッケル材５４を介して銅層２２となる銅板５２を積層する。また、セラミックス基板１１の他方の面（図４において下面）に、接合材としてＡｌ−Ｓｉ系のろう材箔６８を介してアルミニウム層３１となるアルミニウム板６１を積層し、さらにその上にニッケル材６４を介して銅層３２となる銅板６２を積層する（積層工程Ｓ０１）。
なお、ニッケル材５４，６４としては、厚さが０．０１ｍｍ以上０．０５ｍｍ以下の範囲内、純度９９ｍａｓｓ％以上の純ニッケル箔を用いることができる。

次いで、図５の温度パターン図に示すように、真空条件下において、上述の積層体を、積層方向に１．０ｋｇｆ／ｃｍ^２以上３０ｋｇｆ／ｃｍ^２以下（０．１ＭＰａ以上３．０ＭＰａ以下）の範囲内で加圧した状態で加熱し、６２０℃以上６４２℃以下の温度範囲で保持する（高温保持工程Ｓ０２）。

この高温保持工程Ｓ０２において、セラミックス基板１１とアルミニウム板５１，６１を接合するとともに、アルミニウム板５１，６１とニッケル材５４，６４及びニッケル材５４，６４と銅板５２，６２をそれぞれ固相拡散接合する。これにより、図６に示すように、アルミニウム層２１，３１及び銅層２２，３２が形成される。ここで、図６に示すように、高温保持工程Ｓ０２の後には、アルミニウム層２１，３１と銅層２２，３２の接合界面には、ニッケル層２４，３４が残存しており、このニッケル層２４，３４のアルミニウム層２１，３１側にＡｌ−Ｎｉ金属間化合物層２５，３５が形成され、ニッケル層２４，３４の銅層２２，３２側にＣｕ−Ｎｉ固溶体層２６，３６が形成される。

ここで、高温保持工程Ｓ０２における保持温度が６２０℃未満では、セラミックス基板１１とアルミニウム板５１，６１の接合や、アルミニウム板５１，６１とニッケル材５４，６４（ニッケル層２４，３４）及びニッケル材５４，６４（ニッケル層２４，３４）と銅板５２，６２の固相拡散接合が、不十分となり、セラミックス基板１１とアルミニウム板５１，６１との接合性、及び、アルミニウム板５１，６１と銅板５２，６２との接合性が低下する。
また、高温保持工程Ｓ０２における保持温度が６４２℃を超えると、アルミニウム板５１，６１とニッケル材５４，６４（ニッケル層２４，３４）の間に液相が生じ、アルミニウム板５１，６１が溶融してしまい、形状不良が発生する。
以上のことから、本実施形態では、高温保持工程Ｓ０２における保持温度を６２０℃以上６４２℃以下の範囲内に設定している。
なお、高温保持工程Ｓ０２における保持温度の下限は６３０℃以上とすることが好ましく、６３５℃以上とすることがさらに好ましい。また、高温保持工程Ｓ０２における保持温度の上限は６４０℃以下とすることが好ましい。

また、高温保持工程Ｓ０２における保持時間は、５分以上３０分以下の範囲内とすることが好ましい。
ここで、高温保持工程Ｓ０２における保持時間の下限は１０分以上とすることが好ましく、２０分以上とすることがさらに好ましい。

この高温保持工程Ｓ０２の後、図５の温度パターン図に示すように、上述の積層体を、積層方向に１．０ｋｇｆ／ｃｍ^２以上３０ｋｇｆ／ｃｍ^２以下（０．１ＭＰａ以上３．０ＭＰａ以下）の範囲内で加圧した状態で、５００℃以上でアルミニウムと銅の共晶温度未満の温度範囲で保持する（低温保持工程Ｓ０３）。

この低温保持工程Ｓ０３において、ニッケル層２４，３４のＮｉ原子を拡散させて、ニッケル層２４，３４を消失させる。すなわち、この低温保持工程Ｓ０３において、図７に示すように、ニッケル層２４，３４のＮｉ原子をアルミニウム層２１，３１側に拡散させることでＡｌ−Ｎｉ金属間化合物層２５，３５が成長し、ニッケル層２４，３４のＮｉ原子を銅層２２，３２側に拡散させることでＣｕ−Ｎｉ固溶体層２６，３６が成長することにより、ニッケル層２４，３４が消失し、Ａｌ−Ｎｉ金属間化合物層２５，３５とＣｕ−Ｎｉ固溶体層２６，３６とが直接積層されることになる。なお、ここで、ニッケル層２４，３４はＮｉ濃度が９９ｍａｓｓ％以上の層である。

ここで、低温保持工程Ｓ０３における保持温度が５００℃未満では、ニッケル層２４，３４のＮｉ原子を十分に拡散させることができず、ニッケル層２４，３４が残存し、熱抵抗が高くなる。
また、低温保持工程Ｓ０３における保持温度がアルミニウムと銅の共晶温度以上となると、ニッケル層２４，３４が消失してアルミニウム層２１，３１と銅層２２，３２とが直接接触した時点で液相が生じてしまい、形状不良が発生する。
以上のことから、本実施形態では、低温保持工程Ｓ０３における保持温度を５００℃以上でアルミニウムと銅の共晶温度未満の範囲内に設定している。
なお、低温保持工程Ｓ０３における保持温度の下限は５２０℃以上とすることが好ましく、５４０℃以上とすることがさらに好ましい。

また、低温保持工程Ｓ０３における保持時間は、ニッケル層２４，３４が消失するために要する時間以上であればよく、ニッケル層２４，３４の厚さに応じて適宜設定することが好ましい。
本実施形態では、ニッケル層２４，３４の厚さが０．０１ｍｍ以上０．０５ｍｍ以下の範囲内とされているので、低温保持工程Ｓ０３における保持時間は、例えば３０分以上３００分以下の範囲内とすることが好ましい。

以上の工程により、本実施形態である絶縁回路基板１０が製造される。

次に、絶縁回路基板１０の金属層３０に、はんだ材を介してヒートシンク４１を積層し、還元炉内においてはんだ接合する（ヒートシンク接合工程Ｓ０４）。
次いで、回路層２０の一方の面（銅層２２の表面）に、はんだ材を介してパワー半導体素子３を積層し、還元炉内においてはんだ接合する（パワー半導体素子接合工程Ｓ０５）。
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である絶縁回路基板１０の製造方法においては、セラミックス基板１１とアルミニウム板５１，６１とをろう材箔５８、６８を介して積層するとともに、アルミニウム板５１，６１と銅板５２，６２とをニッケル材５４，６４を介して積層し、これを積層方向に加圧して加熱し、６２０℃以上６４２℃以下の温度範囲で保持する高温保持工程Ｓ０２を有しているので、セラミックス基板１１とアルミニウム板５１，６１を確実に接合してアルミニウム層２１，３１を形成することができるとともに、アルミニウム板５１，６１とニッケル材５４，６４、及び、ニッケル材５４，６４と銅板５２，６２とを、それぞれ固相拡散接合によって確実に接合することで銅層２２，３２及びニッケル層２４，３４を形成することができる。また、このニッケル層２４，３４により、ＡｌとＣｕが直接接触することが無く、液相の生成を抑制することができる。

そして、この高温保持工程Ｓ０２の後に、５００℃以上でアルミニウムと銅の共晶温度未満の温度範囲で保持する低温保持工程Ｓ０３を実施するので、ニッケル層２４，３４のＮｉ原子をアルミニウム層２１，３１側及び銅層２２，３２側に拡散させることによって、このニッケル層２４，３４を消失させることができる。よって、アルミニウム層２１，３１と銅層２２，３２の接合界面に、熱抵抗となるニッケル層２４，３４が存在せず、放熱特性に優れた絶縁回路基板１０を製造することができる。さらに、低温保持工程Ｓ０３の温度の上限がアルミニウムと銅の共晶温度未満とされているので、低温保持工程Ｓ０３においてニッケル層２４，３４が消失してＡｌを含む金属間化合物とＣｕを含む金属間化合物が直接接触した場合であっても、アルミニウム層２１，３１と銅層２２，３２の接合界面において液相が生じることを抑制でき、回路層２０や金属層３０の形状不良を防止することができる。

また、本実施形態である絶縁回路基板１０においては、セラミックス基板１１の一方の面に形成された回路層２０及びセラミックス基板１１の他方の面に形成された金属層３０が、アルミニウム層２１，３１と銅層２２，３２とが積層された構造とされており、アルミニウム層２１，３１と銅層２２，３２との接合界面において、アルミニウム層２１，３１側に形成されたＡｌ−Ｎｉ金属間化合物層２５，３５と、銅層２２，３２側に形成されたＣｕ−Ｎｉ固溶体層２６，３６と、が直接積層されているので、熱抵抗となるニッケル層２４，３４が残存しておらず、放熱特性に優れている。

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、絶縁回路基板にパワー半導体素子を搭載してパワーモジュールを構成するものとして説明したが、これに限定されることはない。例えば、絶縁回路基板の回路層にＬＥＤ素子を搭載してＬＥＤモジュールを構成してもよいし、絶縁回路基板の回路層に熱電素子を搭載して熱電モジュールを構成してもよい。

また、図８に示すパワーモジュール１０１及び絶縁回路基板１１０のように、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１２０のみが銅又は銅合金からなる銅部材（銅層１２２）と、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部材（アルミニウム層１２１）とが積層されたものであってもよい。この場合、金属層１３０及びヒートシンク１４１の材質等には特に限定はない。
あるいは、図９に示すパワーモジュール２０１及び絶縁回路基板２１０のように、セラミックス基板２１１の他方の面（図９において下面）に形成された金属層２３０のみが銅又は銅合金からなる銅部材（銅層２３２）と、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部材（アルミニウム層２３１）とが積層されたものであってもよい。この場合、回路層２２０及びヒートシンク２４１の材質等には特に限定はない。

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。
ＡｌＮからなるセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ×０．６３５ｍｍｔ）の一方の面及び他方の面に、Ａｌ−７ｍａｓｓ％Ｓｉ合金からなるろう材箔（厚さ１０μｍ）を介して純度９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）からなるアルミニウム板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×０．６ｍｍｔ）、ニッケル材（３７ｍｍ×３７ｍｍ、厚さは表１に記載）、無酸素銅からなる銅板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×０．３ｍｍｔ）を順に積層し、積層体を得た。

そして、真空条件下（５×１０^−４Ｐａ）において、上述の積層体を積層方向に表１に示す圧力で加圧した状態で加熱し、表１に示す条件の高温保持工程と低温保持工程とを実施し、回路層と金属層を有する、本発明例及び比較例の絶縁回路基板を製造した。なお、従来例として、低温保持工程を実施せずに、絶縁回路基板を製造した。

上述のようにして得られた絶縁回路基板について、セラミックス基板とアルミニウム層との接合率、積層方向の熱抵抗、アルミニウム層と銅層の接合界面におけるニッケル層の有無について評価した。

（接合率）
接合率の評価は、絶縁回路基板に対し、セラミックス基板とアルミニウム層との界面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、すなわち本実施例では回路層及び金属層の面積（３７ｍｍ×３７ｍｍ）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部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。

（熱抵抗）
熱源チップ（１．０ｍｍ×１．０ｍｍ）を絶縁回路基板の一方の面側の表面に、はんだ付けした。そして、投入電力１Ｗとした際の熱源チップの温度と雰囲気温度（２５℃）から以下の式で熱抵抗を算出した。
（熱源チップ温度−雰囲気温度）／投入電力

（ニッケル層の有無）
得られた絶縁回路基板の回路層の断面を、ＥＰＭＡ（日本電子株式会社製ＪＸＡ−８５３０Ｆ）を用いアルミニウム層から銅層に向かって積層方向にＮｉ濃度のライン分析を行い、Ｎｉ濃度が９９ｍａｓｓ％以上の箇所が存在した場合、Ｎｉ層「有」とした。

低温保持工程を設けなかった従来例及び低温保持工程の保持温度が低かった比較例１では、ニッケル層が残り、熱抵抗が高かった。高温保持工程の保持温度が高かった比較例２及び低温保持工程の保持温度が高かった比較例３では、アルミニウム層が融解し、回路層及び金属層の形状不良が生じた。このため、比較例２及び比較例３では「ニッケル層の有無」「接合率」「熱抵抗」の測定が行えなかった。高温保持工程の保持温度を低くした比較例４では、セラミックス基板とアルミニウム層の接合率が低下した。
一方、高温保持工程の保持温度及び低温保持工程の保持温度を本件発明の範囲内とした本発明例１〜１１では、ニッケル層が消失し、熱抵抗が低くなっているとともに、セラミックス基板とアルミニウム層が良好に接合された絶縁回路基板を得ることができた。

１ パワーモジュール
３ パワー半導体素子
１０ 絶縁回路基板
１１ セラミックス基板
２０ 回路層
３０ 金属層
２１、３１ アルミニウム層（アルミニウム部材）
２２、３２ 銅層（銅部材）
２４，３４ ニッケル層
２５，３５ Ａｌ−Ｎｉ金属間化合物層
２６，３６ Ｃｕ−Ｎｉ固溶体層
５４、６４ ニッケル材

Claims (9)

1. セラミックス部材と、このセラミックス部材に接合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部材と、前記アルミニウム部材に接合された銅又は銅合金からなる銅部材と、を備えた接合体の製造方法であって、
   前記セラミックス部材と前記アルミニウム部材とを接合材を介して積層するとともに、前記アルミニウム部材と前記銅部材とをニッケル層を介して積層する積層工程と、
   積層された前記セラミックス部材、前記アルミニウム部材及び前記銅部材を積層方向に加圧した状態で加熱し、６２０℃以上６４２℃以下の温度範囲で保持する高温保持工程と、
   この高温保持工程の後に、５００℃以上でアルミニウムと銅の共晶温度未満の温度範囲で保持する低温保持工程と、を有しており、
   前記高温保持工程において、前記セラミックス部材と前記アルミニウム部材を接合するとともに前記アルミニウム部材とニッケル層及びニッケル層と前記銅部材をそれぞれ固相拡散接合し、
   前記低温保持工程において、前記ニッケル層のＮｉ原子を拡散させて前記ニッケル層を消失させることを特徴とする接合体の製造方法。
2. 前記積層工程において、前記アルミニウム部材と前記銅部材との間に配設される前記ニッケル層の厚さを０．０１ｍｍ以上０．０５ｍｍ以下の範囲内とすることを特徴とする請求項１に記載の接合体の製造方法。
3. セラミックス基板の一方の面に、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層と銅又は銅合金からなる銅層とが積層されてなる回路層が形成された絶縁回路基板の製造方法であって、
   前記回路層を、請求項１又は請求項２に記載の接合体の製造方法によって形成することを特徴とする絶縁回路基板の製造方法。
4. セラミックス基板の一方の面に回路層が配設され、前記セラミックス基板の他方の面に、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層と銅又は銅合金からなる銅層とが積層されてなる金属層が形成された絶縁回路基板の製造方法であって、
   前記金属層を、請求項１又は請求項２に記載の接合体の製造方法によって形成することを特徴とする絶縁回路基板の製造方法。
5. セラミックス基板の一方の面に、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層と銅又は銅合金からなる銅層とが積層されてなる回路層が形成され、前記セラミックス基板の他方の面に、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層と銅又は銅合金からなる銅層とが積層されてなる金属層が形成された絶縁回路基板の製造方法であって、
   前記回路層及び前記金属層を、請求項１又は請求項２に記載の接合体の製造方法によって形成することを特徴とする絶縁回路基板の製造方法。
6. セラミックス部材と、このセラミックス部材に接合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部材と、前記アルミニウム部材に接合された銅又は銅合金からなる銅部材と、を備えた接合体であって、
   前記アルミニウム部材と前記銅部材との接合界面においては、前記アルミニウム部材側に、ＡｌとＮｉの金属間化合物を含むＡｌ−Ｎｉ金属間化合物層が形成され、前記銅部材側に、Ｃｕの母相中にＮｉが固溶したＣｕ−Ｎｉ固溶体層が形成されており、前記Ａｌ−Ｎｉ金属間化合物層と前記Ｃｕ−Ｎｉ固溶体層とが直接積層されていることを特徴とする接合体。
7. セラミックス基板の一方の面に、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層と銅又は銅合金からなる銅層とが積層されてなる回路層が形成された絶縁回路基板であって、
   前記アルミニウム層と前記銅層との接合界面においては、前記アルミニウム層側に、ＡｌとＮｉの金属間化合物を含むＡｌ−Ｎｉ金属間化合物層が形成され、前記銅層側に、Ｃｕの母相中にＮｉが固溶したＣｕ−Ｎｉ固溶体層が形成されており、前記Ａｌ−Ｎｉ金属間化合物層と前記Ｃｕ−Ｎｉ固溶体層とが直接積層されていることを特徴とする絶縁回路基板。
8. セラミックス基板の一方の面に回路層が配設され、前記セラミックス基板の他方の面に、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層と銅又は銅合金からなる銅層とが積層されてなる金属層が形成された絶縁回路基板であって、
   前記アルミニウム層と前記銅層との接合界面においては、前記アルミニウム層側に、ＡｌとＮｉの金属間化合物を含むＡｌ−Ｎｉ金属間化合物層が形成され、前記銅層側に、Ｃｕの母相中にＮｉが固溶したＣｕ−Ｎｉ固溶体層が形成されており、前記Ａｌ−Ｎｉ金属間化合物層と前記Ｃｕ−Ｎｉ固溶体層とが直接積層されていることを特徴とする絶縁回路基板。
9. セラミックス基板の一方の面に、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層と銅又は銅合金からなる銅層とが積層されてなる回路層が形成され、前記セラミックス基板の他方の面に、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層と銅又は銅合金からなる銅層とが積層されてなる金属層が形成された絶縁回路基板であって、
   前記アルミニウム層と前記銅層との接合界面においては、前記アルミニウム層側に、ＡｌとＮｉの金属間化合物を含むＡｌ−Ｎｉ金属間化合物層が形成され、前記銅層側に、Ｃｕの母相中にＮｉが固溶したＣｕ−Ｎｉ固溶体層が形成されており、前記Ａｌ−Ｎｉ金属間化合物層と前記Ｃｕ−Ｎｉ固溶体層とが直接積層されていることを特徴とする絶縁回路基板。

Images