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WO2014142310A1 - 接合体、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 - Google Patents

接合体、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 Download PDF

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WO2014142310A1
WO2014142310A1 PCT/JP2014/056920 JP2014056920W WO2014142310A1 WO 2014142310 A1 WO2014142310 A1 WO 2014142310A1 JP 2014056920 W JP2014056920 W JP 2014056920W WO 2014142310 A1 WO2014142310 A1 WO 2014142310A1
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WO
WIPO (PCT)
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layer
metal
heat sink
aluminum
power module
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/JP2014/056920
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
伸幸 寺▲崎▼
長友　義幸
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Materials Corp
Original Assignee
Mitsubishi Materials Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Priority claimed from JP2013052409A external-priority patent/JP5725061B2/ja
Application filed by Mitsubishi Materials Corp filed Critical Mitsubishi Materials Corp
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Priority to EP14765031.1A priority patent/EP2974859B1/en
Priority to US14/775,137 priority patent/US9560755B2/en
Priority to KR1020157024682A priority patent/KR102130868B1/ko
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    • H10W90/734—

Definitions

  • the present invention relates to a joined body formed by joining an aluminum member and a metal member made of copper, nickel, or silver, a power module substrate, and a power module substrate with a heat sink.
  • a semiconductor device such as an LED or a power module has a structure in which a semiconductor element is bonded on a circuit layer made of a conductive material.
  • a power semiconductor element for high power control used for controlling an electric vehicle such as wind power generation or an electric vehicle
  • a large amount of heat is generated. Therefore, as a substrate on which the power semiconductor element is mounted, for example, AlN (aluminum nitride)
  • a metal plate with excellent conductivity is bonded to one or both surfaces of a ceramic substrate (insulating layer) made of a metal plate, the metal plate on one side is used as a circuit layer, and the metal plate on the other side is used as a metal layer.
  • power module substrates Conventionally, power module substrates have been widely used.
  • a power module substrate in which a circuit layer (aluminum member) made of Al is formed on one surface of a ceramic substrate and a metal layer made of Al is formed on the other surface, and this circuit And a semiconductor element bonded to the layer via a solder material.
  • a heat sink is bonded to the lower side of the power module substrate, and heat generated in the semiconductor element is transmitted to the power module substrate side and dissipated to the outside through the heat sink.
  • Patent Document 2 proposes a technique for joining a semiconductor element, a metal layer, a heat sink, and the like using a silver oxide paste containing silver oxide particles and a reducing agent made of an organic substance as an alternative to a solder material.
  • Patent Document 4 proposes a power module in which a circuit layer and a metal layer are composed of an Al layer and a Cu layer.
  • the Cu layer is disposed on the surface of the circuit layer and the metal layer, the semiconductor elements can be favorably bonded using the solder material.
  • Cu has a larger deformation resistance than Al, when the power cycle is applied to this power module, it is possible to prevent the surface of the circuit layer and the surface of the metal layer from being greatly deformed and to generate cracks in the solder layer.
  • it is possible to improve the bonding reliability between the semiconductor element and the circuit layer and the bonding reliability between the metal layer and the heat sink.
  • a joined body in which an Al layer and a Cu layer are joined via a Ti layer is used as a circuit layer and a metal layer.
  • a diffusion layer is formed between the Al layer and the Ti layer, and the diffusion layer is formed in order from the Al layer side by an Al—Ti layer, an Al—Ti—Si layer, and an Al—Ti—Cu layer. And a layer.
  • Patent Document 3 when joining a circuit layer and a semiconductor element using a silver oxide paste and joining a metal layer and a heat sink using a silver oxide paste, Al and silver oxide are used. Since the bondability of the paste to the fired body is poor, it is necessary to previously form an Ag underlayer on the surface of the circuit layer and the surface of the metal layer.
  • a hard Al—Ti layer or an Al—Ti—Cu layer is formed at the bonding interface between the Al layer and the Ti layer in the circuit layer.
  • a hard Al—Ti layer or Al—Ti—Cu layer is formed at the bonding interface between the Al layer and the Ti layer, there is a problem that it becomes a starting point of a crack when a heat cycle is applied.
  • a Cu plate or the like is laminated on the Al layer via a Ti foil and heated to a temperature at which the interface between the Al layer and the Ti foil is melted, a liquid phase is produced at the bonding interface, resulting in bumps, As the thickness fluctuates, there is a problem that the bonding reliability is lowered.
  • Patent Document 4 As an alternative to the Ni plating of Patent Document 2, as described in Patent Document 4, a Ni plate is bonded to a circuit layer made of Al and a metal layer made of Al via a Ti foil to form a Ni layer. Can also be considered. Furthermore, when using the silver oxide paste of Patent Document 3, it is also conceivable to form an Ag underlayer by joining an Ag plate via a Ti foil on a circuit layer made of Al and a metal layer made of Al. . However, when the Ni layer or the Ag layer is formed by the method described in Patent Document 4, an Al—Ti layer, an Al—Ti layer is formed at the bonding interface between the Al layer and the Ti layer, as in the case of forming the Cu layer.
  • the bonding reliability may be lowered due to formation of a hard layer such as a —Ni layer or an Al—Ti—Ag layer, or formation of bumps at the bonding interface.
  • a hard layer such as a —Ni layer or an Al—Ti—Ag layer
  • bumps at the bonding interface As described above, conventionally, an aluminum member and a metal member made of any one of copper, nickel, and silver cannot be satisfactorily bonded, and a bonded body having excellent bonding reliability cannot be obtained. . Conventionally, an Al layer and a metal member layer made of any one of Cu, Ni, and Ag cannot be satisfactorily bonded, and a power module substrate having a metal layer with excellent bonding reliability is obtained. I could't.
  • the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and when an aluminum member and a metal member made of copper, nickel, or silver are satisfactorily bonded and a heat cycle is loaded, the bonded portion It is an object of the present invention to provide a bonded body, a power module substrate, and a power module substrate with a heat sink that can suppress the occurrence of cracks in the substrate and have good bonding reliability.
  • An object of the present invention is to provide a power module substrate and a heat module substrate with a heat sink that can suppress the occurrence of cracks and have good bonding reliability.
  • a joined body in one embodiment of the present invention is a joined body in which an aluminum member made of aluminum and a metal member made of copper, nickel, or silver are joined, At the joint between the aluminum member and the metal member, there is a Ti layer located on the metal member side, an Al-- which is located between the Ti layer and the aluminum member, and Si is dissolved in Al 3 Ti.
  • a Ti—Si layer, and the Al—Ti—Si layer includes a first Al—Ti—Si layer formed on the Ti layer side and a first Al layer formed on the aluminum member side.
  • a second Al—Ti—Si layer having a lower Si concentration than the —Ti—Si layer.
  • the Ti layer and the Al—Ti—Si layer are formed at the joint portion between the aluminum member made of aluminum and the metal member made of copper, nickel, or silver, and is hard. Since no Al-Ti-Cu layer, Al-Ti layer, etc. are formed, it is possible to suppress the occurrence of cracks in the joint when a heat cycle is applied, and the reliability of joining between an aluminum member and a metal member Can be improved.
  • the first Al—Ti—Si layer formed on the Ti layer side is higher than the Si concentration of the second Al—Ti—Si layer formed on the aluminum member side, the first Al— The Ti-Si layer suppresses Ti atoms from diffusing to the aluminum member side, the thickness of the first Al-Ti-Si layer and the second Al-Ti-Si layer can be reduced, and the heat cycle is loaded When this is done, it is possible to suppress the occurrence of cracks at the joint.
  • aluminum is made of pure aluminum or aluminum alloy
  • the metal member is made of copper or copper alloy, nickel or nickel alloy, or silver or silver alloy.
  • a joined body according to another aspect of the present invention is the joined body according to (1), wherein the Si concentration contained in the second Al—Ti—Si layer is 1 at% or more in the joined body. .
  • the second Al—Ti—Si layer formed on the aluminum member side has a sufficient Si concentration, excessive diffusion of Al atoms constituting the aluminum member to the Ti layer side is suppressed.
  • the thickness of the first Al—Ti—Si layer and the second Al—Ti—Si layer can be reduced.
  • the Ti layer and the Al—Ti—Si layer are formed at the joint between the Al layer and the metal member layer, and the hard Al—Ti—Cu layer is formed. Since no layer, Al—Ti layer, or the like is formed, the occurrence of cracks in the circuit layer when a heat cycle is applied can be suppressed. Therefore, in the power module, the bonding reliability between the semiconductor element and the power module substrate can be improved. Furthermore, since the Si concentration of the first Al—Ti—Si layer formed on the Ti layer side is higher than the Si concentration of the second Al—Ti—Si layer formed on the Al layer side, Ti atoms are contained in the Al layer. Accordingly, the first Al—Ti—Si layer and the second Al—Ti—Si layer can be reduced in thickness.
  • the Al layer absorbs the thermal stress generated when the heat cycle is loaded, and the ceramic substrate is not cracked. Occurrence can be suppressed. Furthermore, when a Cu layer made of copper or a copper alloy is formed on one surface of the Al layer, the deformation resistance of the Cu layer is larger than that of the Al layer. The deformation is suppressed, the deformation of the solder layer that joins the semiconductor element and the circuit layer can be suppressed, and the bonding reliability can be improved. In addition, since the Cu layer having a good thermal conductivity is formed on one side of the circuit layer, the heat from the semiconductor element can be spread and efficiently transmitted to the power module substrate side.
  • the Ni layer made of nickel or nickel alloy is formed on one surface of the Al layer, the solderability is good and the bonding reliability with the semiconductor element is improved.
  • an Ag layer made of silver or a silver alloy is formed on one surface of the Al layer, for example, when joining semiconductor elements using a silver oxide paste containing silver oxide particles and a reducing agent made of an organic substance.
  • the silver with reduced silver oxide and the Ag layer are bonded between the same kind of metals, the bonding reliability can be improved.
  • the Ag layer having good thermal conductivity is formed on one side of the circuit layer, the heat from the semiconductor element can be spread and efficiently transmitted to the power module substrate side.
  • the power module substrate according to another aspect of the present invention is the power module substrate according to (3), including a metal layer formed on the other surface of the insulating layer, wherein the metal layer is ( 1) or the joined body according to (2), wherein the metal layer is formed on the other surface of the insulating layer and formed of the aluminum member, and the insulating layer of the Al layer is formed.
  • a metal member layer formed on the surface opposite to the surface and made of the metal member, and a Ti layer located on the metal member layer side at a joint between the Al layer and the metal member layer, An Al—Ti—Si layer in which Si is dissolved in Al 3 Ti is formed between the Ti layer and the Al layer, and the Al—Ti—Si layer is formed on the Ti layer side. Formed on the Al layer side and the first Al—Ti—Si layer formed on Serial Si concentration than the first Al-Ti-Si layer is low and the second Al-Ti-Si layer, and configurations with.
  • the Ti layer and the first Al—Ti—Si layer are formed at the joint between the Al layer and the metal member layer, and a hard Al—Ti—Cu layer or Al—Ti layer is formed. Since no layer or the like is formed, it is possible to suppress the occurrence of cracks in the metal layer when a heat cycle is loaded. Therefore, when the metal layer and the heat sink are bonded, the bonding reliability between the metal layer and the heat sink can be improved.
  • a power module substrate in another aspect of the present invention includes an insulating layer, a circuit layer formed on one surface of the insulating layer, and a metal layer formed on the other surface of the insulating layer.
  • the metal layer is made of the joined body according to (1) or (2), and is formed at a joint portion between the Al layer made of the aluminum member and the metal member layer made of the metal member.
  • the Al—Ti—Si layer has a first Al—Ti—Si layer formed on the Ti layer side and a Si concentration lower than that of the first Al—Ti—Si layer formed on the Al layer side.
  • aluminum is made of pure aluminum or an aluminum alloy
  • copper is made of pure copper or a copper alloy
  • nickel is made of pure nickel or a nickel alloy
  • silver is made of pure silver or a silver alloy.
  • the Ti layer and the Al—Ti—Si layer are formed at the joint between the Al layer and the metal member layer, and the hard Al—Ti—Cu layer is formed. Since no layer, Al—Ti layer or the like is formed, it is possible to suppress the occurrence of cracks in the metal layer when a heat cycle is applied. Therefore, when the metal layer of the power module substrate is bonded to the heat sink, the bonding reliability between the power module substrate and the heat sink can be improved. Furthermore, since the Si concentration of the first Al—Ti—Si layer formed on the Ti layer side is higher than the Si concentration of the second Al—Ti—Si layer formed on the Al layer side, Ti atoms are contained in the Al layer. Accordingly, the first Al—Ti—Si layer and the second Al—Ti—Si layer can be reduced in thickness.
  • the Al layer having a relatively small deformation resistance is formed on the other surface of the insulating layer, the Al layer absorbs the thermal stress generated when the heat cycle is loaded, and the ceramic substrate is not cracked. Occurrence can be suppressed. Furthermore, when a Cu layer made of copper or a copper alloy is formed on the surface of the Al layer opposite to the surface on which the insulating layer is formed, since the Cu layer has a larger deformation resistance than the Al layer, When the heat cycle is loaded, the deformation of the metal layer is suppressed, the deformation of the bonding layer for bonding the heat sink and the metal layer is suppressed, and the bonding reliability can be improved.
  • the solderability is good and the reliability of joining to the heat sink is improved.
  • an Ag layer made of silver or a silver alloy is formed on the surface of the Al layer opposite to the surface on which the insulating layer is formed, for example, silver oxide containing silver oxide particles and a reducing agent made of an organic substance
  • the heat sink is joined using the paste, the silver whose silver oxide is reduced and the Ag layer are joined between the same kind of metals, so that the joining reliability can be improved.
  • a power module substrate with a heat sink includes the power module substrate according to any one of (3) to (5), and a heat sink bonded to the metal layer. ing. According to the power module substrate with a heat sink, since the power module substrate and the heat sink are joined, heat from the power module substrate side can be efficiently dissipated through the heat sink.
  • a power module substrate with a heat sink according to another aspect of the present invention is the power module substrate with a heat sink according to (6), in which the metal layer and the heat sink are bonded via a solder layer.
  • the metal member layer made of copper, nickel, or silver formed on the heat sink side of the metal layer and the heat sink are joined via the solder layer, so the metal member layer and the solder layer are joined well. It is possible to improve the bonding reliability between the metal layer and the heat sink.
  • a power module substrate with a heat sink includes an insulating layer, a circuit layer formed on one surface of the insulating layer, and a metal layer formed on the other surface of the insulating layer.
  • the other of the joint surfaces of the metal layer and the heat sink is made of copper, nickel, or silver, and the joint surface of the metal layer and the heat sink is made of copper, nickel, or silver.
  • the bonding surface is made of aluminum, positioned between the Ti layer, Al 3 T
  • a Ti layer and an Al—Ti—Si layer are formed at the joint between the metal layer and the heat sink, and a hard Al—Ti—Cu layer or Al— Since the Ti layer or the like is not formed, it is possible to suppress the occurrence of cracks at the joint between the metal layer and the heat sink when a heat cycle is applied, thereby improving the joint reliability.
  • FIG. 2 is an enlarged explanatory view of a bonding interface between an Al layer and a Ti layer in FIG. It is a flowchart explaining the manufacturing method of the power module which concerns on 1st embodiment. It is a schematic explanatory drawing of the manufacturing method of the power module which concerns on 1st embodiment. It is a schematic explanatory drawing of the power module with a heat sink which concerns on 2nd embodiment of this invention.
  • FIG. 6 is an enlarged explanatory view of a bonding interface between the metal layer and the Ti layer in FIG. It is a flowchart explaining the manufacturing method of the power module with a heat sink which concerns on 2nd embodiment.
  • FIG. 15 is an enlarged explanatory view of a joint portion between a Ti layer and an Al layer in the metal layer of FIG. 14. It is a flowchart explaining the manufacturing method of the power module with a heat sink which concerns on 5th embodiment. It is a schematic explanatory drawing of the manufacturing method of the power module with a heat sink which concerns on 5th embodiment. It is a schematic explanatory drawing of the power module with a heat sink which concerns on 6th embodiment of this invention. It is a schematic explanatory drawing of the manufacturing method of the board
  • FIG. 1 shows a power module 1 according to the first embodiment of the present invention.
  • the power module 1 includes a power module substrate 10 and a semiconductor element 3 bonded to one surface (upper surface in FIG. 1) of the power module substrate 10 via a solder layer 2.
  • the power module substrate 10 includes a ceramic substrate 11 constituting an insulating layer, and a circuit layer 12 (joined body) disposed on one surface (the upper surface in FIG. 1, the first surface) of the ceramic substrate 11. And a metal layer 13 disposed on the other surface (second surface) of the ceramic substrate 11.
  • the ceramic substrate 11 is made of highly insulating AlN (aluminum nitride), Si 3 N 4 (silicon nitride), Al 2 O 3 (alumina), or the like. In this embodiment, it is comprised with AlN (aluminum nitride) excellent in heat dissipation. Further, the thickness of the ceramic substrate 11 is set within a range of 0.2 to 1.5 mm, and in this embodiment is set to 0.635 mm.
  • the circuit layer 12 includes an Al layer 12A disposed on the first surface of the ceramic substrate 11, and a Cu layer laminated on one surface of the Al layer 12A via a Ti layer 15. 12B (metal member layer).
  • the Al layer 12 ⁇ / b> A is formed by bonding an aluminum plate (aluminum member) made of aluminum or an aluminum alloy to the first surface of the ceramic substrate 11.
  • the Al layer 12A is formed by joining rolled sheets of aluminum (so-called 2N aluminum) having a purity of 99% by mass or more.
  • the aluminum rolled plate having a purity of 99% by mass or more preferably contains 0.08% by mass or more and 0.95% by mass or less of Si.
  • the thickness of the aluminum plate joined is set in the range of 0.1 mm or more and 1.0 mm or less, and is set to 0.4 mm in this embodiment.
  • the Ti layer 15 is formed by laminating an Al layer 12A and a copper plate via a titanium foil and performing solid phase diffusion bonding.
  • the purity of the titanium foil is 99% or more.
  • the thickness of the titanium foil is set to 3 ⁇ m or more and 40 ⁇ m or less, and in this embodiment, it is set to 10 ⁇ m.
  • an Al—Ti—Si layer 16 in which Si is dissolved in Al 3 Ti is formed at the bonding interface between the Al layer 12A and the Ti layer 15.
  • the Al—Ti—Si layer 16 is formed by mutual diffusion of Al atoms in the Al layer 12A and Ti atoms in the Ti layer 15.
  • the thickness of the Al—Ti—Si layer 16 is set to 0.5 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less, and in this embodiment, 3 ⁇ m.
  • the Al—Ti—Si layer 16 includes a first Al—Ti—Si layer 16A formed on the Ti layer 15 side and a second Al—Ti— layer formed on the Al layer 12A side. Si layer 16B. That is, the Ti layer 15, the first Al—Ti—Si layer 16A, and the second Al—Ti—Si layer 16B are formed at the joint between the Al layer 12A and the Cu layer 12B.
  • the first Al—Ti—Si layer 16A and the second Al—Ti—Si layer 16B are composed of an Al—Ti—Si phase in which Si is dissolved in Al 3 Ti, and the second Al—Ti—Si layer 16B.
  • the Si concentration of the first Al—Ti—Si layer 16A is lower than the Si concentration.
  • Si contained in the first Al—Ti—Si layer 16A and the second Al—Ti—Si layer 16B is composed of Si contained as an impurity in the 2N aluminum rolled plate as Al—Ti—Si. It has diffused and concentrated in the layer 16.
  • the Si concentration of the first Al—Ti—Si layer 16A is 10 at% or more and 30 at% or less, and is 20 at% in the present embodiment.
  • the Si concentration of the second Al—Ti—Si layer 16B is 1 at% or more and 10 at% or less, and is 3 at% in this embodiment.
  • the metal layer 13 is formed by joining an aluminum plate made of aluminum or an aluminum alloy to the second surface (the lower surface in FIG. 1) of the ceramic substrate 11.
  • the metal layer 13 is formed by joining a rolled plate of aluminum (2N aluminum) having a purity of 99% by mass or more to the ceramic substrate 11.
  • the thickness of the aluminum plate used as the metal layer 13 is set in the range of 0.1 mm or more and 3.0 mm or less, and is set to 1.6 mm in this embodiment.
  • the semiconductor element 3 is made of a semiconductor material such as Si.
  • the semiconductor element 3 and the circuit layer 12 are joined via the solder layer 2.
  • the solder layer 2 is made of, for example, a Sn—Ag, Sn—Cu, Sn—In, or Sn—Ag—Cu solder material (so-called lead-free solder material). The element 3 is joined.
  • an aluminum plate 22A to be an Al layer 12A is laminated on the first surface of the ceramic substrate 11, and a copper plate 22B to be a Cu layer 12B is further laminated thereon via a titanium foil 25.
  • an aluminum plate 23 to be the metal layer 13 is laminated on the second surface of the ceramic substrate 11 (aluminum plate and copper plate lamination step S01).
  • the aluminum plates 22A and 23 and the ceramic substrate 11 are laminated with an Al—Si based brazing material foil 26 interposed therebetween.
  • circuit layer and metal layer forming step S02 in a state of being pressurized in the stacking direction (pressure 1 to 35 kgf / cm 2 ), it is placed in a vacuum heating furnace and heated to form the Al layer 12A and the metal layer 13, and the Al layer 12A and the titanium foil 25, Then, the copper plate 22B and the titanium foil 25 are solid phase diffusion bonded to form the circuit layer 12 and the metal layer 13 (circuit layer and metal layer forming step S02).
  • the pressure in the vacuum heating furnace is set in the range of 10 ⁇ 6 Pa to 10 ⁇ 3 Pa
  • the heating temperature is set to 600 ° C. to 643 ° C.
  • the holding time is set in the range of 30 minutes to 180 minutes. It is preferable.
  • a more preferable heating temperature is in the range of 630 ° C. or more and 643 ° C. or less.
  • a pressure of 12 kgf / cm 2 was applied in the stacking direction, and the heating temperature was 640 ° C. and the holding time was 60 minutes.
  • Each surface to which the aluminum plate 22A, the titanium foil 25, and the copper plate 22B are bonded is solid-phase diffusion bonded after the scratches on the surfaces have been removed and smoothed in advance.
  • the power module substrate 10 according to the present embodiment is manufactured.
  • the semiconductor element 3 is laminated on one surface (front surface) of the circuit layer 12 via a solder material, and solder-bonded in a reduction furnace (semiconductor element bonding step S03). As described above, the power module 1 according to the present embodiment is manufactured.
  • the Ti layer 15 and the Al layer are formed at the junction between the Al layer 12A and the Cu layer 12B in the circuit layer 12.
  • -Ti-Si layer 16 is formed, and since no hard Al-Ti-Cu layer or Al-Ti layer is formed, the circuit layer 12 cracks when a heat cycle is applied. Can be prevented from occurring. Therefore, in the power module 1, the bonding reliability between the semiconductor element 3 and the power module substrate 10 can be improved.
  • the Si concentration of the first Al—Ti—Si layer 16A formed on the Ti layer 15 side is higher than the Si concentration of the second Al—Ti—Si layer 16B formed on the Al layer 12A side.
  • the first Al—Ti—Si layer 16A having a high concentration prevents Ti atoms from diffusing toward the Al layer 12A, and the thickness of the Al—Ti—Si layer 16 can be reduced.
  • by reducing the thickness of the Al—Ti—Si layer 16 in this way it is possible to suppress the occurrence of cracks at the joint between the Al layer 12A and the Cu layer 12B when a heat cycle is applied. Become.
  • the Si concentration contained in the second Al—Ti—Si layer 16B formed on the Al layer 12A side is 1 at% or more and 10 at% or less, Al atoms diffuse excessively on the Ti layer 15 side. Is suppressed, and the thickness of the second Al—Ti—Si layer 16B can be reduced. Furthermore, since the Si concentration contained in the first Al—Ti—Si layer 16A formed on the Ti layer 15 side is 10 at% or more and 30 at% or less, Ti atoms are excessively diffused on the Al layer 12A side. Therefore, the thickness of the first Al—Ti—Si layer 16A can be reduced.
  • the Al layer 12A having a relatively small deformation resistance is formed on the first surface of the ceramic substrate 11, the Al layer 12A absorbs the thermal stress generated when the heat cycle is loaded, and the ceramic substrate 11 It can suppress that a crack generate
  • the Cu layer 12B having a relatively large deformation resistance is formed on one surface of the Al layer 12A, the deformation of the circuit layer 12 is suppressed when a heat cycle is applied, and the semiconductor element 3 and the circuit The deformation of the solder layer 2 that joins the layer 12 can be suppressed, and the joining reliability can be improved.
  • the Cu layer 12B having good thermal conductivity is formed on one side of the circuit layer 12, heat from the semiconductor element 3 can be spread and efficiently transmitted to the power module substrate 10 side.
  • the solid phase diffusion bonding of the Al layer 12A (aluminum plate 22A) and the titanium foil 25 and the copper plate 22B and the titanium foil 25 is applied with a pressure of 1 to 35 kgf / cm 2 in the stacking direction.
  • the temperature is maintained at 600 ° C. or higher and 643 ° C. or lower, so that Ti atoms can be introduced into the Al layer 12A and the copper plate 22B without generating a liquid phase at the interface between the Al layer and the Ti layer.
  • the Al layer 12A, the titanium foil 25, and the copper plate 22B can be reliably bonded by diffusing and solid-phase diffusion bonding of Al atoms and Cu atoms in the titanium foil 25.
  • the pressure applied in the stacking direction during solid phase diffusion bonding is less than 1 kgf / cm 2, it becomes difficult to sufficiently bond the Al layer 12A, the titanium foil 25, and the copper plate 22B, and a gap is generated at the bonding interface. There is. Moreover, when it exceeds 35 kgf / cm ⁇ 2 >, since the load applied is too high, the ceramic substrate 11 may be cracked. For these reasons, the pressure applied during solid phase diffusion bonding is set in the above range.
  • the preferable temperature range of solid phase diffusion bonding is set to the above range.
  • gaps may be generated during solid phase diffusion bonding.
  • the aluminum plate 22A, the copper plate 22B, and the titanium foil 25 Since the surfaces to be joined are solid phase diffusion bonded after the scratches on the surfaces have been removed and smoothed in advance, it is possible to perform bonding while suppressing the formation of gaps at the respective bonding interfaces. .
  • FIG. 5 shows a power module 201 with a heat sink according to the second embodiment of the present invention.
  • This power module 201 with a heat sink includes a power module substrate 230 with a heat sink, and a semiconductor element 3 bonded to one surface (the upper surface in FIG. 5) of the power module substrate 230 with a heat sink via a solder layer 2. It has.
  • the power module substrate 230 with a heat sink includes a power module substrate 210 and a heat sink 231 (metal member) laminated on the lower side of the power module substrate 210 via a Ti layer 215.
  • the power module substrate 210 includes a ceramic substrate 11, a circuit layer 212 disposed on the first surface (the upper surface in FIG. 5) of the ceramic substrate 11, and the second of the ceramic substrate 11. And a metal layer 213 (Al layer) disposed on the surface (the lower surface in FIG. 5).
  • the circuit layer 212 is formed by bonding a conductive aluminum plate to the first surface (the upper surface in FIG. 5) of the ceramic substrate 11.
  • the circuit layer 212 is formed by joining rolled sheets of aluminum (4N aluminum) having a purity of 99.99% by mass or more.
  • the thickness of the aluminum plate joined is set in the range of 0.1 mm or more and 1.0 mm or less, and is set to 0.6 mm in this embodiment.
  • the metal layer 213 is formed by joining an aluminum plate made of conductive aluminum or aluminum alloy to the second surface (lower surface in FIG. 5) of the ceramic substrate 11.
  • the metal layer 213 is formed by joining aluminum (2N aluminum) rolled plates having a purity of 99% by mass or more.
  • the aluminum rolled plate having a purity of 99% by mass or more preferably contains 0.08% by mass or more and 0.95% by mass or less of Si.
  • the thickness of the aluminum plate joined is set in the range of 0.1 mm or more and 3.0 mm or less, and is set to 0.6 mm in this embodiment.
  • the heat sink 231 is for dissipating heat on the power module substrate 210 side.
  • the heat sink 231 is made of copper or a copper alloy, and is made of oxygen-free copper in this embodiment.
  • the heat sink 231 is provided with a flow path 232 for flowing a cooling fluid.
  • the metal layer 213 and the heat sink 231 are bonded via the Ti layer 215.
  • the Ti layer 215 is formed by laminating a metal layer 213 made of aluminum and a heat sink 231 made of copper via a titanium foil and performing solid phase diffusion bonding.
  • the purity of this titanium foil is 99% or more.
  • the thickness of the titanium foil is set to 3 ⁇ m or more and 40 ⁇ m or less. In the present embodiment, the thickness is set to 10 ⁇ m.
  • an Al—Ti—Si layer 216 in which Si is dissolved in Al 3 Ti is formed at the bonding interface between the metal layer 213 and the Ti layer 215.
  • the Al—Ti—Si layer 216 is formed by mutual diffusion of Al atoms in the metal layer 213 and Ti atoms in the Ti layer 215.
  • the thickness of the Al—Ti—Si layer 216 is set to 0.5 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less, and is 3 ⁇ m in this embodiment.
  • the Al—Ti—Si layer 216 includes a first Al—Ti—Si layer 216A formed on the Ti layer 215 side and a second Al—Ti— layer formed on the metal layer 213 side.
  • Si layer 216B That is, the Ti layer 215, the first Al—Ti—Si layer 216A, and the second Al—Ti—Si layer 216B are formed at the joint between the metal layer 213 and the heat sink 231.
  • the first Al—Ti—Si layer 216A and the second Al—Ti—Si layer 216B are composed of an Al—Ti—Si phase in which Si is dissolved in Al 3 Ti, and the second Al—Ti—Si layer 216B.
  • the Si concentration of the first Al—Ti—Si layer 216A is lower than the Si concentration.
  • the Si concentration of the first Al—Ti—Si layer 216A is 10 at% or more and 30 at% or less, and is 20 at% in the present embodiment.
  • the Si concentration of the second Al—Ti—Si layer 216B is 1 at% or more and 10 at% or less, and is 3 at% in this embodiment.
  • an aluminum plate 222 to be the circuit layer 212 is laminated on the first surface of the ceramic substrate 11 with an Al—Si brazing material foil 26 interposed therebetween. Further, an aluminum plate 223 to be the metal layer 213 is laminated on the second surface of the ceramic substrate 11 with the brazing material foil 26 interposed therebetween. Then, a heat sink 231 is further laminated on the second surface side (lower side in FIG. 8) of the ceramic substrate 11 via the titanium foil 225 (aluminum plate and heat sink lamination step S211).
  • the aluminum plates 222 and 223, the ceramic substrate 11, and the heat sink 231 are pressed in the stacking direction (pressure 1 to 35 kgf / cm 2 ), placed in a vacuum heating furnace and heated, and the first ceramic substrate 11 is heated.
  • the circuit layer 212 and the metal layer 213 are formed on the first surface and the second surface, and the metal layer 213 and the titanium foil 225, and the heat sink 231 and the titanium foil 225 are solid-phase diffusion bonded, and the metal layer 213 and the heat sink 231 Are joined (circuit layer, metal layer, and heat sink joining step S212).
  • the pressure in the vacuum heating furnace is set in the range of 10 ⁇ 6 Pa to 10 ⁇ 3 Pa
  • the heating temperature is set to 600 ° C. to 643 ° C.
  • the holding time is set in the range of 30 minutes to 180 minutes. It is preferred that A more preferable heating temperature is in the range of 630 ° C. or more and 643 ° C. or less.
  • a pressure of 20 kgf / cm 2 was applied in the stacking direction, and the heating temperature was 640 ° C. and the holding time was 60 minutes.
  • Each surface to which the aluminum plate 223, the titanium foil 225, and the heat sink 231 are bonded is solid-phase diffusion bonded after the scratches on the surfaces are previously removed and smoothed.
  • the power module substrate 230 with heat sink and the power module substrate 210 according to this embodiment are manufactured.
  • the semiconductor element 3 is stacked on one surface of the power module substrate 230 (circuit layer 212) with a heat sink via a solder material, and solder-bonded in a reduction furnace (semiconductor element bonding step S213).
  • the power module with heat sink 201 according to the present embodiment is manufactured.
  • the Si concentration of the first Al—Ti—Si layer 216A formed on the Ti layer 215 side is higher than the Si concentration of the second Al—Ti—Si layer 216B formed on the metal layer 213 side.
  • the first Al—Ti—Si layer 216A having a high concentration suppresses Ti atoms from diffusing into the metal layer 213, so that the thickness of the Al—Ti—Si layer 216 can be reduced.
  • the circuit layer 212 and the metal layer 213 are formed on the first surface and the second surface of the ceramic substrate 11, and the metal layer 213 and the heat sink 231 can be bonded simultaneously.
  • the manufacturing process can be simplified and the manufacturing cost can be reduced.
  • the metal layer 313 is an Al layer 313A formed on the second surface of the ceramic substrate 11, and the surface of the Al layer 313A to which the ceramic substrate 11 is bonded. And a Cu layer 313B bonded to a solid phase diffusion via a Ti layer 315 on the opposite side.
  • the thermal stress generated in the ceramic substrate 11 is absorbed by the Al layer 313A, and the generation of cracks in the ceramic substrate 11 can be suppressed. Further, since the Cu layer 313B is formed below the Al layer 313A, heat from the semiconductor element 3 side can be efficiently dissipated.
  • a metal layer was comprised with aluminum or aluminum alloy was demonstrated, it is not limited to this, You may be comprised with copper or a copper alloy.
  • the metal layer is made of aluminum or an aluminum alloy and the heat sink is made of copper or a copper alloy has been described.
  • the present invention is not limited to this, and the metal layer is made of copper or copper.
  • the heat sink may be made of aluminum or an aluminum alloy.
  • an aluminum plate to be an Al layer is laminated, and a copper plate to be a Cu layer is laminated thereon via a titanium foil, and a circuit layer is formed by pressing and heating.
  • a lead frame (metal member) made of copper can be used.
  • FIG. 13 shows a power module 501 with a heat sink according to a fifth embodiment of the present invention.
  • the power module with heat sink 501 includes a power module substrate with heat sink 530 and a semiconductor element 3 bonded to one surface (upper surface in FIG. 13) of the power module substrate with heat sink through the solder layer 2.
  • the power module substrate 530 with a heat sink includes a power module substrate 510 and a heat sink 531 bonded to the lower side of the power module substrate 510 via a solder layer 535.
  • the power module substrate 510 is disposed on the ceramic substrate 511 constituting the insulating layer and one surface (the upper surface in FIG. 14, the first surface) of the ceramic substrate 511.
  • a circuit layer 512 and a metal layer 513 disposed on the other surface (the lower surface in FIG. 15, the second surface) of the ceramic substrate 511 are provided.
  • the ceramic substrate 511 is made of highly insulating AlN (aluminum nitride), Si 3 N 4 (silicon nitride), Al 2 O 3 (alumina), or the like. In this embodiment, it is comprised with AlN (aluminum nitride) excellent in heat dissipation. In addition, the thickness of the ceramic substrate 511 is set within a range of 0.2 to 1.5 mm, and in this embodiment is set to 0.635 mm.
  • the circuit layer 512 is formed by joining an aluminum plate made of aluminum or an aluminum alloy to the first surface (the upper surface in FIG. 14) of the ceramic substrate 511.
  • the circuit layer 512 is formed by joining a rolled plate of aluminum (2N aluminum) having a purity of 99% or more to the ceramic substrate 511.
  • the thickness of the aluminum plate used as the circuit layer 512 is set in the range of 0.1 mm or more and 1.0 mm or less, and is set to 0.6 mm in this embodiment.
  • the metal layer 513 includes an Al layer 513A disposed on the second surface (the lower surface in FIG. 14) of the ceramic substrate 511, and the surface of the Al layer 513A to which the ceramic substrate 511 is bonded. And a Cu layer 513B (metal member layer) laminated via a Ti layer 515 on the opposite surface.
  • the Al layer 513A is formed by bonding an aluminum plate made of aluminum or an aluminum alloy to the second surface of the ceramic substrate 511.
  • the Al layer 513A is formed by joining aluminum (so-called 2N aluminum) rolled sheets having a purity of 99% by mass or more.
  • the aluminum rolled plate having a purity of 99% by mass or more preferably contains 0.08% by mass or more and 0.95% by mass or less of Si.
  • the thickness of the aluminum plate joined is set in the range of 0.1 mm or more and 3.0 mm or less, and is set to 0.6 mm in this embodiment.
  • a copper plate made of copper or a copper alloy is bonded to the surface of the Al layer 513A opposite to the surface on which the ceramic substrate 511 is formed (the lower surface in FIG. 14) via the Ti layer 515. It is formed by.
  • the Cu layer 513B is formed by solid-phase diffusion bonding of a rolled plate of oxygen-free copper to the Al layer 513A via a titanium foil.
  • the thickness of the copper plate joined is set in the range of 0.1 mm or more and 6.0 mm or less, and is set to 0.3 mm in this embodiment.
  • the Ti layer 515 is formed by laminating an Al layer 513A and a copper plate via a titanium foil and performing solid phase diffusion bonding.
  • the purity of the titanium foil is 99% or more.
  • the thickness of the Ti foil is set to 3 ⁇ m or more and 40 ⁇ m or less, and in this embodiment, it is set to 15 ⁇ m.
  • an Al—Ti—Si layer 516 in which Si is dissolved in Al 3 Ti is formed at the bonding interface between the Al layer 513A and the Ti layer 515.
  • the Al—Ti—Si layer 516 is formed by the mutual diffusion of Al atoms in the Al layer 512A and Ti atoms in the Ti layer 515.
  • the thickness of the Al—Ti—Si layer 516 is set to 0.5 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less, and is 5 ⁇ m in this embodiment.
  • the Al—Ti—Si layer 516 includes a first Al—Ti—Si layer 516A formed on the Ti layer 515 side and a second Al—Ti— layer formed on the Al layer 513A side. Si layer 516B. That is, the Ti layer 515, the first Al—Ti—Si layer 516A, and the second Al—Ti—Si layer 516B are formed at the junction between the Al layer 513A and the Cu layer 513B.
  • the first Al—Ti—Si layer 516A and the second Al—Ti—Si layer 516B are composed of an Al—Ti—Si phase in which Si is dissolved in Al 3 Ti, and the second Al—Ti—Si layer 516B.
  • the Si concentration is lower than the Si concentration of the first Al—Ti—Si layer 516A.
  • Si contained in the first Al—Ti—Si layer 516A and the second Al—Ti—Si layer 516B is composed of Si contained in the 2N—Al rolled plate as an impurity. It is diffused and concentrated in the Si layer 516.
  • the Si concentration of the first Al—Ti—Si layer 516A is 10 at% or more and 30 at% or less, and in this embodiment, it is 20 at%.
  • the Si concentration of the second Al—Ti—Si layer 516B is 1 at% or more and 10 at% or less, and is 3 at% in this embodiment.
  • the semiconductor element 3 is made of a semiconductor material such as Si.
  • the semiconductor element 3 and the circuit layer 512 are joined via the solder layer 2.
  • the solder layer 2 is made of, for example, Sn—Ag, Sn—Cu, Sn—In, or Sn—Ag—Cu based solder material (so-called lead-free solder material). The element 3 is joined.
  • the heat sink 531 is for dissipating heat on the power module substrate 510 side.
  • the heat sink 531 is made of copper or a copper alloy, and is made of oxygen-free copper in this embodiment.
  • the heat sink 531 is provided with a flow path 532 through which a cooling fluid flows. Similar to the solder layer 2, the solder layer 535 is, for example, a Sn—Ag, Sn—Cu, Sn—In, or Sn—Ag—Cu solder material (so-called lead-free solder material).
  • the power module substrate 510 and the heat sink 531 are joined together.
  • an aluminum plate 522 to be the circuit layer 512 is laminated on the first surface of the ceramic substrate 511.
  • an aluminum plate 523A to be an Al layer 513A is laminated on the second surface of the ceramic substrate 511, and a copper plate 523B to be a Cu layer 513B is further laminated thereon (aluminum plate and copper plate).
  • Lamination process S501 the aluminum plates 522 and 523A and the ceramic substrate 511 are laminated with an Al—Si brazing material foil 526 interposed therebetween.
  • circuit layer 512 and the Al layer 513A are formed by heating in a vacuum heating furnace under pressure in the stacking direction (pressure 1 to 35 kgf / cm 2 ), and the Al layer 513A and the titanium foil 525 are formed. Then, the copper plate 523B and the titanium foil 525 are solid phase diffusion bonded to form the circuit layer 512 and the metal layer 513 (circuit layer and metal layer forming step S502).
  • the pressure in the vacuum heating furnace is set in the range of 10 ⁇ 6 Pa to 10 ⁇ 3 Pa
  • the heating temperature is set to 600 ° C. to 643 ° C.
  • the holding time is set in the range of 30 minutes to 180 minutes. It is preferable.
  • a more preferable heating temperature is in the range of 630 ° C. or more and 643 ° C. or less.
  • a pressure of 12 kgf / cm 2 was applied in the stacking direction, and the heating temperature was 640 ° C. and the holding time was 60 minutes.
  • the surfaces to which the aluminum plate 523A, the titanium foil 525, and the copper plate 523B are bonded are solid-phase diffusion bonded after the scratches on the surfaces have been removed and smoothed in advance.
  • the power module substrate 510 according to this embodiment is manufactured.
  • a heat sink 531 is laminated on the metal layer 513 of the power module substrate 510 via a solder material, and solder-bonded in a reduction furnace (heat sink bonding step S503).
  • the power module substrate 530 with a heat sink according to the present embodiment is manufactured.
  • the semiconductor element 3 is stacked on one surface (front surface) of the circuit layer 512 via a solder material, and solder-bonded in a reduction furnace (semiconductor element bonding step S504).
  • the power module with heat sink 501 is manufactured.
  • the metal layer 513 includes the Al layer 513A and the Cu layer 513B.
  • a Ti layer 515 and an Al—Ti—Si layer 516 are formed, and no hard Al—Ti—Cu layer or Al—Ti layer is formed. It is possible to suppress the occurrence of cracks in the metal layer 513 when loaded. Therefore, the bonding reliability between the power module substrate 510 and the heat sink 531 can be improved.
  • the Si concentration of the first Al—Ti—Si layer 516A formed on the Ti layer 515 side is higher than the Si concentration of the second Al—Ti—Si layer 516B formed on the Al layer 513A side.
  • the first Al—Ti—Si layer 516A having a high concentration prevents Ti atoms from diffusing toward the Al layer 513A, and the thickness of the Al—Ti—Si layer 516 can be reduced. Further, by reducing the thickness of the Al—Ti—Si layer 516 in this way, it is possible to suppress the occurrence of cracks at the joint between the Al layer 513A and the Cu layer 513B when a heat cycle is applied. Become.
  • the Si concentration contained in the second Al—Ti—Si layer 516B formed on the Al layer 513A side is 1 at% or more and 10 at% or less, Al atoms diffuse excessively on the Ti layer 515 side. Is suppressed, and the thickness of the second Al—Ti—Si layer 516B can be reduced. Further, since the Si concentration contained in the first Al—Ti—Si layer 516A formed on the Ti layer 515 side is 10 at% or more and 30 at% or less, Ti atoms diffuse excessively on the Al layer 513A side. Therefore, the thickness of the first Al—Ti—Si layer 516A can be reduced.
  • the aluminum plate 523A, the titanium foil 525, the copper plate 523B, and the aluminum plate 522 are joined to the first surface and the second surface of the ceramic substrate 511 at one time.
  • the manufacturing process can be simplified and the manufacturing cost can be reduced.
  • the Al layer 513A having a relatively small deformation resistance is formed on the second surface of the ceramic substrate 511, the Al layer 513A absorbs the thermal stress generated when the heat cycle is loaded, and the ceramic substrate 511 receives the heat stress. It can suppress that a crack generate
  • the Cu layer 513B having a relatively large deformation resistance is formed on the surface of the Al layer 513A opposite to the surface on which the ceramic substrate 511 is formed, the metal layer 513 is subjected to a heat cycle. Therefore, the deformation of the solder layer 535 that joins the metal layer 513 and the heat sink 531 can be suppressed, and the joining reliability can be improved.
  • the Al layer 513A (aluminum plate 523A) and the titanium foil 525, and the solid phase diffusion bonding of the copper plate 523B and the titanium foil 525 are applied with a pressure of 1 to 35 kgf / cm 2 in the stacking direction.
  • the temperature is maintained at 600 ° C. or higher and 643 ° C. or lower, so that Ti atoms are diffused in the Al layer 513A and the copper plate 523B, and Al atoms and Cu atoms are solid-phased in the titanium foil 525.
  • the Al layer 513A, the titanium foil 525, and the copper plate 523B can be reliably bonded by diffusing and solid phase diffusion bonding.
  • the pressure applied in the stacking direction during solid phase diffusion bonding is less than 1 kgf / cm 2, it becomes difficult to sufficiently bond the Al layer 513A, the titanium foil 525, and the copper plate 523B, resulting in a gap at the bonding interface. There is. If it exceeds 35 kgf / cm 2 , the ceramic substrate 511 may be cracked because the applied load is too high. For these reasons, the pressure applied during solid phase diffusion bonding is set in the above range.
  • the preferable temperature range of solid phase diffusion bonding is set to the above range.
  • gaps may be generated during solid phase diffusion bonding.
  • the aluminum plate 523A, the copper plate 523B, and the titanium foil 525 Since the surfaces to be joined are solid phase diffusion bonded after the scratches on the surfaces have been removed and smoothed in advance, it is possible to perform bonding while suppressing the formation of gaps at the respective bonding interfaces. .
  • the thickness of the Ni layer is preferably 1 ⁇ m or more and 30 ⁇ m or less. If the thickness of the Ni layer is less than 1 ⁇ m, the effect of improving the reliability of bonding with the semiconductor element may be lost. If the thickness exceeds 30 ⁇ m, the Ni layer becomes a thermal resistor and efficiently heats the heat sink. May not be able to communicate.
  • the Ni layer is formed by solid phase diffusion bonding, the solid phase diffusion bonding can be formed under the same conditions as when the Cu layer is formed in the first embodiment.
  • the thickness of the Ag layer is preferably 1 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less. If the thickness of the Ag layer is less than 1 ⁇ m, the effect of improving the reliability of bonding with the semiconductor element may be lost. Invite. Further, when forming the Ag layer by solid phase diffusion bonding, the solid phase diffusion bonding can be formed under the same conditions as in the case of forming the Cu layer in the first embodiment.
  • the circuit layer 612 includes an Al layer 612A formed on the first surface (the upper surface in FIG. 18) of the ceramic substrate 511, and one surface of the Al layer 612A.
  • a Cu layer 612B that is solid-phase diffusion bonded via a Ti layer 615 (on the upper surface in FIG. 18) may be provided.
  • the thermal stress generated in the ceramic substrate 511 is absorbed by the Al layer 612A when a heat cycle is applied, and cracking of the ceramic substrate 511 is suppressed. it can. Further, since the Cu layer 612B is formed on the upper side of the Al layer 612A, the heat from the semiconductor element 3 side can be spread and efficiently dissipated to the heat sink 531 side.
  • an aluminum plate 422A (723A) made of 4N aluminum, Al— Si-type brazing material foil 426 (726), titanium foil 425 (725), and copper plate 422B (723B) are laminated in this order, and solid phase diffusion bonding is performed, so that the first Al is formed in the same manner as the power module substrate 10 (510).
  • the —Ti—Si layer and the second Al—Ti—Si layer can be formed, and the occurrence of cracks in the circuit layer or the metal layer when a heat cycle is applied can be suppressed.
  • the present invention is not limited to this and may be joined by other methods.
  • it may be joined by the above-described silver oxide paste, or may be joined by a brazing material foil.
  • a circuit layer was comprised with aluminum or aluminum alloy
  • You may be comprised with copper or a copper alloy.
  • the circuit layer may be a part of a lead frame made of copper or a copper alloy.
  • the heat sink was comprised with copper or copper alloy was demonstrated, it is not limited to this, A heat sink may be comprised with aluminum or aluminum alloy.
  • the present invention is not limited to this.
  • a transient liquid phase bonding method Transient Liquid Phase Bonding
  • an aluminum plate serving as an Al layer is laminated on the first surface or the second surface of the ceramic substrate via an Al—Si brazing material foil, and a titanium foil is further formed thereon.
  • a joined body (or a metal layer) was formed by laminating a copper plate serving as a Cu layer through the pressure and heating with pressure, but a clad material made of Ti / Cu can be used instead of the titanium foil and the copper plate. Further, a clad material composed of three layers of Al / Ti / Cu can be used instead of the aluminum plate, the titanium foil, and the copper plate.
  • a clad material made of Ti / Ni or a clad material made of Al / Ti / Ni can be used.
  • an Ag layer is formed instead of the Cu layer, a clad material made of Ti / Ag or a clad material made of Al / Ti / Ag can be used.
  • an oxygen-free copper is formed on one surface of an aluminum member (10 mm ⁇ 10 mm, thickness 0.6 mm) made of an aluminum plate having a purity of 99.99% or more with a titanium foil interposed.
  • a metal member (2 mm ⁇ 2 mm, thickness 0.3 mm) made of the above plate was laminated and solid phase diffusion bonded under the conditions shown in Table 1 in the same manner as the bonded body of Example 1-1 of the present invention. A cross-sectional observation and a shear test of the joined body were performed on the joined body thus obtained.
  • FIG. 11 shows the cross-sectional observation result (SEM image) of Inventive Example 1-1
  • FIG. 12 shows the cross-sectional observation result (SEM image) of Comparative Example 1-1
  • Table 1 shows the presence / absence of the Al—Ti—Si layer and the measurement result of the shear test of the joined body. Those in which the Al—Ti—Si layer was confirmed by the above-described method were described as “Yes” in the table, and those that could not be confirmed were described as “None”.
  • Inventive Example 1-1 As shown in FIG. 11, an Al—Ti—Si layer was confirmed between the Ti layer and the Al layer (aluminum member). It was confirmed that the Al—Ti—Si layer was thin. It was also confirmed that such an Al—Ti—Si layer was formed in Examples 1-2 to 1-7 of the present invention. On the other hand, in Comparative Example 1-1, an Al—Ti layer was formed between the Ti layer and the Al layer, and no Al—Ti—Si layer was confirmed. As shown in FIG. 12, the Al—Ti layer of Comparative Example 1-1 is formed thicker than the Al—Ti—Si layers of Invention Examples 1-1 to 1-7. Cracks were observed at the interface.
  • Example 2 The power modules of Invention Examples 2-1 to 2-7 were manufactured as follows. On one surface of the ceramic substrate, a 2N aluminum plate (thickness 0.6 mm) containing 0.25% by mass of Si serving as an Al layer is laminated, and a metal member described in Table 2 is further formed on the ceramic substrate via a titanium foil. Laminate plates made of In addition, a 4N aluminum plate (thickness: 0.6 mm) having a purity of 99.99% or more to be a metal layer is laminated on the second surface of the ceramic substrate. Here, the aluminum plate and the ceramic substrate were laminated via an Al—Si brazing material foil.
  • heat treatment is performed under the conditions shown in Table 2 to form an Al layer and a metal layer on the first and second surfaces of the ceramic substrate, and a plate made of the Al layer, titanium foil, and metal member is solid-phased.
  • a circuit layer was formed by diffusion bonding.
  • the semiconductor element was joined to one side of the circuit layer via the solder material.
  • the power module of Comparative Example 2-1 was manufactured in the same manner as the power module of Example 2-1 of the present invention except that 4N aluminum having a purity of 99.99% or more was used as the Al layer.
  • the heat treatment was performed under the conditions shown in Table 2.
  • the presence or absence of the Al—Si—Ti layer was confirmed in the joint portion between the Al layer and the metal member layer in the circuit layer of the power module thus manufactured.
  • the case where the Al—Ti—Si layer was confirmed by the same method as in Example 1 was indicated as “Yes” in the table, and the case where the Al—Ti—Si layer was not confirmed was indicated as “None”.
  • the heat cycle test was done with respect to the power module, and the joining rate of the joined part between the Al layer and the metal member layer after the test was measured. Moreover, the initial joining rate (joining rate before a heat cycle test) of the junction part of Al layer and a metal member layer was also measured.
  • the heat cycle test and the measurement of the bonding rate were performed as follows.
  • Heat cycle test The heat cycle test is performed by loading the power module with a heat cycle that repeats ⁇ 40 ° C. and 125 ° C. In this example, this heat cycle was performed 4000 times. The bonding rate at the interface between the Al layer and the metal member layer before and after the heat cycle test was measured.
  • the initial bonding area is the area to be bonded before bonding, that is, the area of the Al layer. Since peeling is indicated by a white part in the ultrasonic flaw detection image, the area of the white part is defined as a peeling area.
  • Bonding rate (%) ⁇ (initial bonding area) ⁇ (peeling area) ⁇ / (initial bonding area) ⁇ 100 The results of the above evaluation are shown in Table 2.
  • the power modules with heat sinks of Invention Examples 3-1 to 3-5 were manufactured as follows. First, an Al (2N—Al) plate having a purity of 99% or more to be a circuit layer is laminated on one surface of the ceramic substrate shown in Table 3. On the second surface of the ceramic substrate, an aluminum plate (containing Si of 0.25% by mass) with a purity of 99% or more to be an Al layer is laminated, and a copper plate of oxygen-free copper is laminated through a titanium foil. To do. Here, the aluminum plate and the ceramic substrate were laminated via an Al—Si brazing material foil.
  • heat treatment is performed under the conditions shown in Table 3 to form a circuit layer and an Al layer on the first and second surfaces of the ceramic substrate, and solid phase diffusion bonding of the Al layer, titanium foil, and copper plate is performed.
  • a metal layer was formed.
  • the metal layer of the power module substrate and the heat sink shown in Table 3 were joined using an Sn—Sb solder material.
  • a semiconductor element was bonded to one surface of the circuit layer via an Sn—Sb solder material.
  • a 2N aluminum plate containing 0.25% by mass of Si to be an Al layer is laminated on one surface of the ceramic substrate, and a metal plate constituting the metal member layer described in Table 3 is further formed on the ceramic substrate via a titanium foil. Laminate. Further, on the second surface of the ceramic substrate, an aluminum plate (containing Si of 0.25% by mass) having a purity of 99% or more, which becomes an Al layer, is laminated, and the metal member layer described in Table 3 through a titanium foil. The metal plate which comprises is laminated
  • the power module with heat sink of Comparative Example 1 was manufactured in the same manner as the power module with heat sink of Inventive Example 3-1, except that aluminum (4N aluminum) having a purity of 99.99% or more was used as the Al layer.
  • the heat treatment was performed under the conditions shown in Table 3.
  • the cross section was observed at the joint between the Al layer and the metal member layer in the metal layer of the power module with a heat sink manufactured as described above, and the presence or absence of the Al—Ti—Si layer was confirmed.
  • the thermal cycle test (heat cycle test) was performed with respect to the power module with a heat sink, and the joining rate of the ceramic substrate and metal layer after a test was evaluated.
  • the cross-sectional observation, the thermal cycle test (heat cycle test), and the evaluation of the joining rate were as described in Example 1 and Example 2. However, the number of heat cycles was set to 3000, and the joining rate was evaluated for the power module with a heat sink after the thermal cycle test (heat cycle test), and the joining rate of the joined portion between the Al layer and the metal member layer was evaluated. did.
  • the results of the above evaluation are shown in Table 3.

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Abstract

　アルミニウムからなるアルミニウム部材と、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材とが接合された接合体であって、前記アルミニウム部材と前記金属部材との接合部には、前記金属部材側に位置するＴｉ層（１５）と、前記Ｔｉ層（１５）と前記アルミニウム部材との間に位置し、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層（１６）と、が形成されており、前記Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層（１６）は、前記Ｔｉ層（１５）側に形成された第一Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層（１６Ａ）と、前記アルミニウム部材側に形成され前記第一Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層（１６Ａ）よりもＳｉ濃度が低い第二Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層（１６Ｂ）と、を備えている。

Description

接合体、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
　この発明は、アルミニウム部材と、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材とが接合されてなる接合体、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関するものである。
　本願は、２０１３年３月１４日に、日本に出願された特願２０１３－０５２４０８号及び特願２０１３－０５２４０９号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　ＬＥＤやパワーモジュール等の半導体装置においては、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。
　風力発電、電気自動車等の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半導体素子においては、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（窒化アルミニウム）などからなるセラミックス基板（絶縁層）の一方の面、又は両方の面に導電性の優れた金属板を接合した場合、一方の面の金属板を回路層とし、他方の面の金属板を金属層と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。
　例えば、特許文献１に示すパワーモジュールにおいては、セラミックス基板の一方の面にＡｌからなる回路層（アルミニウム部材）及び他方の面にＡｌからなる金属層が形成されたパワーモジュール用基板と、この回路層上にはんだ材を介して接合された半導体素子と、を備えた構造とされている。そして、パワーモジュール用基板の下側には、ヒートシンクが接合されており、半導体素子で発生した熱を、パワーモジュール用基板側に伝達し、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。
　ところで、特許文献１に記載されたパワーモジュールのように、回路層をＡｌで構成した場合には、表面にＡｌの酸化皮膜が形成されるため、はんだ材によって半導体素子を接合することができない。また、金属層をＡｌで構成した場合には、表面にＡｌの酸化皮膜が形成されるため、はんだ材によってヒートシンクを接合することができない。
　そこで、従来では、例えば特許文献２に開示されているように、回路層や金属層、ヒートシンクの表面に無電解めっき等によってＮｉめっき膜を形成した上で、はんだ材で接合している。
　また、特許文献３には、はんだ材の代替として、酸化銀粒子と有機物からなる還元剤とを含む酸化銀ペーストを用いて半導体素子、金属層及びヒートシンクなどを接合する技術が提案されている。
　さらに、特許文献４には、回路層及び金属層をＡｌ層とＣｕ層で構成したパワーモジュールが提案されている。この場合、回路層及び金属層の表面にはＣｕ層が配置されるため、はんだ材を用いて半導体素子を良好に接合することができる。また、ＣｕはＡｌに比べて変形抵抗が大きいことから、このパワーモジュールにヒートサイクルが負荷された際に、回路層表面及び金属層表面が大きく変形することを抑制でき、はんだ層におけるクラックの発生を防止して、半導体素子と回路層との接合信頼性及び金属層とヒートシンクとの接合信頼性を向上させることが可能となる。
　なお、特許文献４に記載されたパワーモジュールにおいては、回路層及び金属層として、Ａｌ層とＣｕ層とがＴｉ層を介して接合された接合体が用いられている。ここで、Ａｌ層とＴｉ層との間には、拡散層が形成されており、この拡散層は、Ａｌ層側から順に、Ａｌ－Ｔｉ層、Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層、Ａｌ－Ｔｉ－Ｃｕ層と、を有している。
特許第３１７１２３４号公報 特開２００４－１７２３７８号公報 特開２００８－２０８４４２号公報 特許第３０１２８３５号公報
　ところで、特許文献２に記載されたように、回路層表面及び金属層表面にＮｉめっき膜を形成したパワーモジュール用基板においては、回路層に半導体素子を接合するまでの過程及び金属層にヒートシンクを接合するまでの過程においてＮｉめっき膜の表面が酸化等によって劣化し、はんだ材を介して接合した半導体素子との接合信頼性及びはんだ材を介して接合したヒートシンクとの接合信頼性が低下するおそれがあった。また、Ｎｉめっき工程では、不要な領域にＮｉめっきが形成されて電食等のトラブルが発生しないように、マスキング処理を行うことがある。このように、マスキング処理をした上でめっき処理をする場合、回路層部分及び金属層部分にＮｉめっき膜を形成する工程に多大な労力が必要となり、パワーモジュールの製造コストが大幅に増加してしまうといった問題がある。
　さらに、特許文献３に記載されたように、酸化銀ペーストを用いて回路層と半導体素子を接合する場合及び酸化銀ペーストを用いて金属層とヒートシンクとを接合する場合には、Ａｌと酸化銀ペーストの焼成体との接合性が悪いために、予め回路層の表面及び金属層の表面にＡｇ下地層を形成する必要があった。
　また、特許文献４に記載されたパワーモジュールにおいては、回路層のうちＡｌ層とＴｉ層との接合界面に、硬いＡｌ－Ｔｉ層やＡｌ－Ｔｉ－Ｃｕ層が形成され、また、金属層のうちＡｌ層とＴｉ層との接合界面に、硬いＡｌ－Ｔｉ層やＡｌ－Ｔｉ－Ｃｕ層が形成されているので、ヒートサイクルが負荷された際にクラックの起点となるといった問題があった。
　さらには、Ａｌ層上にＴｉ箔を介してＣｕ板等を積層し、Ａｌ層とＴｉ箔との界面が溶融する温度にまで加熱する場合、接合界面に液相が生じてコブが生じたり、厚さが変動したりするため、接合信頼性が低下する問題があった。
　ここで、特許文献２のＮｉめっきの代替として、特許文献４に記載されたように、Ａｌからなる回路層及びＡｌからなる金属層の上にＴｉ箔を介してＮｉ板を接合してＮｉ層を形成することも考えられる。さらには、特許文献３の酸化銀ペーストを用いる際に、Ａｌからなる回路層及びＡｌからなる金属層の上にＴｉ箔を介してＡｇ板を接合してＡｇ下地層を形成することも考えられる。
　しかしながら、特許文献４に記載された方法で、Ｎｉ層やＡｇ層を形成すると、Ｃｕ層を形成した場合と同様に、Ａｌ層とＴｉ層との接合界面に、Ａｌ－Ｔｉ層、Ａｌ－Ｔｉ－Ｎｉ層、Ａｌ－Ｔｉ－Ａｇ層等の硬い層が形成されたり、接合界面にコブが生じたりすること等によって、接合信頼性が低下するおそれがあった。
　以上のように、従来は、アルミニウム部材と、銅、ニッケル、銀のいずれかからなる金属部材とを良好に接合することができず、接合信頼性に優れた接合体を得ることはできなかった。また、従来は、Ａｌ層と、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｇのいずれかからなる金属部材層とを良好に接合することができず、接合信頼性に優れた金属層を有するパワーモジュール用基板を得ることはできなかった。
　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、ニッケル、銀のいずれかからなる金属部材とが良好に接合され、ヒートサイクルが負荷された際に接合部におけるクラックの発生を抑制でき、接合信頼性が良好な接合体、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を提供することを目的とする。
　また、Ａｌ層と、銅、ニッケル、銀のいずれかからなる金属部材層とを有する金属層において、Ａｌ層と金属部材層とが良好に接合され、ヒートサイクルが負荷された際に接合部におけるクラックの発生を抑制でき、接合信頼性が良好な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、（１）本発明の一態様における接合体は、アルミニウムからなるアルミニウム部材と、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材とが接合された接合体であって、前記アルミニウム部材と前記金属部材との接合部には、前記金属部材側に位置するＴｉ層と、前記Ｔｉ層と前記アルミニウム部材との間に位置し、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層と、が形成されており、前記Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層は、前記Ｔｉ層側に形成された第一Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層と、前記アルミニウム部材側に形成され前記第一Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層よりもＳｉ濃度が低い第二Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層と、を備えている。
　上記の接合体によれば、アルミニウムからなるアルミニウム部材と、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材との接合部には、Ｔｉ層と、Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層とが形成されており、硬いＡｌ－Ｔｉ－Ｃｕ層やＡｌ－Ｔｉ層等が形成されていないので、ヒートサイクルが負荷された際に、接合部にクラックが発生することを抑制し、アルミニウム部材と金属部材との接合信頼性を向上できる。
　さらに、Ｔｉ層側に形成された第一Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層が、アルミニウム部材側に形成された第二Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層のＳｉ濃度よりも高いので、Ｓｉ濃度が高い第一Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層によってＴｉ原子がアルミニウム部材側に拡散することが抑制され、第一Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層及び第二Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層の厚さを薄くすることができ、ヒートサイクルが負荷された際に、接合部にクラックが発生することを抑制可能となる。
　なお、本発明において、アルミニウムは純アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されたものとし、金属部材は、銅又は銅合金、ニッケル又はニッケル合金、もしくは銀又は銀合金で構成されたものとしている。
　（２）本発明の他態様における接合体は、（１）に記載の接合体であって、上記接合体において、前記第二Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層に含まれるＳｉ濃度が１ａｔ％以上である。
　この場合、アルミニウム部材側に形成された第二Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層が十分なＳｉ濃度を有しているので、アルミニウム部材を構成するＡｌ原子がＴｉ層側に過剰に拡散することが抑制され、第一Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層、及び第二Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層の厚さを薄くすることができる。
　（３）本発明の他態様におけるパワーモジュール用基板は、絶縁層と、前記絶縁層の一方の面に形成された回路層と、を備え、前記回路層が（１）又は（２）に記載の接合体からなり、前記回路層は、前記絶縁層の一方の面に形成され前記アルミニウム部材からなるＡｌ層と、このＡｌ層の一方の面に形成され前記金属部材からなる金属部材層と、を有し、前記Ａｌ層と前記金属部材層との接合部には、前記金属部材層側に位置するＴｉ層と、前記Ｔｉ層と前記Ａｌ層との間に位置し、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層と、が形成されており、前記Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層は、前記Ｔｉ層側に形成された第一Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層と、前記Ａｌ層側に形成され前記第一Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層よりもＳｉ濃度が低い第二Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層と、を備えている。
　上記のパワーモジュール用基板によれば、回路層において、Ａｌ層と金属部材層との接合部には、Ｔｉ層と、Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層とが形成されており、硬いＡｌ－Ｔｉ－Ｃｕ層やＡｌ－Ｔｉ層等が形成されていないので、ヒートサイクルが負荷された際に、回路層にクラックが発生することを抑制することができる。したがって、パワーモジュールにおいて、半導体素子とパワーモジュール用基板との接合信頼性を向上できる。
　さらに、Ｔｉ層側に形成された第一Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層のＳｉ濃度が、Ａｌ層側に形成された第二Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層のＳｉ濃度よりも高いので、Ｔｉ原子がＡｌ層側に拡散することが抑制され、第一Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層、及び第二Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層の厚さを薄くすることができる。
　また、この場合、絶縁層の一方の面に比較的変形抵抗の小さいＡｌ層が形成されているので、ヒートサイクルが負荷された際に生じる熱応力をＡｌ層が吸収し、セラミックス基板に割れが発生することを抑制できる。
　さらに、Ａｌ層の一方の面に銅又は銅合金からなるＣｕ層が形成されている場合、Ｃｕ層はＡｌ層に比べて変形抵抗が大きいことから、ヒートサイクルが負荷された際に回路層の変形が抑制され、半導体素子と回路層を接合するはんだ層の変形を抑制し、接合信頼性を向上できる。また、熱伝導率の良好なＣｕ層が回路層の一方側に形成されているので、半導体素子からの熱を拡げて効率的にパワーモジュール用基板側に伝達することができる。
　また、Ａｌ層の一方の面にニッケル又はニッケル合金からなるＮｉ層が形成されている場合、はんだ付け性が良好となり、半導体素子との接合信頼性が向上する。
　また、Ａｌ層の一方の面に銀又は銀合金からなるＡｇ層が形成されている場合、例えば酸化銀粒子と有機物からなる還元剤とを含む酸化銀ペーストを用いて半導体素子を接合する際に、酸化銀が還元された銀とＡｇ層とが同種の金属同士の接合となるため、接合信頼性を向上させることができる。また、熱伝導率の良好なＡｇ層が回路層の一方側に形成されているので、半導体素子からの熱を拡げて効率的にパワーモジュール用基板側に伝達することができる。
　（４）本発明の他態様におけるパワーモジュール用基板は、（３）に記載のパワーモジュール用基板であって、前記絶縁層の他方の面に形成された金属層を備え、前記金属層が（１）又は（２）に記載の接合体からなり、前記金属層は、前記絶縁層の他方の面に形成され前記アルミニウム部材からなるＡｌ層と、このＡｌ層のうち前記絶縁層が形成された面と反対側の面に形成され前記金属部材からなる金属部材層と、を有し、前記Ａｌ層と前記金属部材層との接合部には、前記金属部材層側に位置するＴｉ層と、前記Ｔｉ層と前記Ａｌ層との間に位置し、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層と、が形成されており、前記Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層は、前記Ｔｉ層側に形成された第一Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層と、前記Ａｌ層側に形成され前記第一Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層よりもＳｉ濃度が低い第二Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層と、を備えた構成とされている。
　この場合、金属層において、Ａｌ層と金属部材層との接合部には、Ｔｉ層と、第一Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層とが形成されており、硬いＡｌ－Ｔｉ－Ｃｕ層やＡｌ－Ｔｉ層等が形成されていないので、ヒートサイクルが負荷された際に、金属層にクラックが発生することを抑制することができる。したがって、金属層とヒートシンクとを接合した場合に、金属層とヒートシンクとの接合信頼性を向上させることができる。
　（５）本発明の他態様における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、を備えたパワーモジュール用基板であって、前記金属層は（１）又は（２）に記載の接合体からなり、前記アルミニウム部材からなるＡｌ層と前記金属部材からなる金属部材層との接合部には、前記金属部材層側に位置するＴｉ層と、前記Ｔｉ層と前記Ａｌ層との間に位置し、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層と、が形成されており、前記Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層は、前記Ｔｉ層側に形成された第一Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層と、前記Ａｌ層側に形成され前記第一Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層よりもＳｉ濃度が低い第二Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層と、を備えている。
　なお、本発明において、アルミニウムは純アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されたものとし、銅は純銅又は銅合金、ニッケルは純ニッケル又はニッケル合金、銀は純銀又は銀合金で構成されたものとしている。
　上記のパワーモジュール用基板によれば、金属層において、Ａｌ層と金属部材層との接合部には、Ｔｉ層と、Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層とが形成されており、硬いＡｌ－Ｔｉ－Ｃｕ層やＡｌ－Ｔｉ層等が形成されていないので、ヒートサイクルが負荷された際に、金属層にクラックが発生することを抑制することができる。したがって、パワーモジュール用基板の金属層がヒートシンクに接合された場合、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの接合信頼性を向上できる。
　さらに、Ｔｉ層側に形成された第一Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層のＳｉ濃度が、Ａｌ層側に形成された第二Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層のＳｉ濃度よりも高いので、Ｔｉ原子がＡｌ層側に拡散することが抑制され、第一Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層、及び第二Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層の厚さを薄くすることができる。
　また、この場合、絶縁層の他方の面に比較的変形抵抗の小さいＡｌ層が形成されているので、ヒートサイクルが負荷された際に生じる熱応力をＡｌ層が吸収し、セラミックス基板に割れが発生することを抑制できる。
　さらに、Ａｌ層のうち絶縁層が形成された面と反対側の面に、銅又は銅合金からなるＣｕ層が形成されている場合、Ｃｕ層はＡｌ層に比べて変形抵抗が大きいことから、ヒートサイクルが負荷された際に金属層の変形が抑制され、ヒートシンクと金属層を接合する接合層の変形を抑制し、接合信頼性を向上できる。
　また、Ａｌ層のうち絶縁層が形成された面と反対側の面に、ニッケル又はニッケル合金からなるＮｉ層が形成されている場合、はんだ付け性が良好となり、ヒートシンクとの接合信頼性が向上する。
　また、Ａｌ層のうち絶縁層が形成された面と反対側の面に、銀又は銀合金からなるＡｇ層が形成されている場合、例えば酸化銀粒子と有機物からなる還元剤とを含む酸化銀ペーストを用いてヒートシンクを接合する際に、酸化銀が還元された銀とＡｇ層とが同種の金属同士の接合となるため、接合信頼性を向上させることができる。
　（６）本発明の他態様におけるヒートシンク付パワーモジュール用基板は、（３）から（５）のいずれか一つに記載のパワーモジュール用基板と、前記金属層に接合されたヒートシンクと、を備えている。
　上記のヒートシンク付パワーモジュール用基板によれば、パワーモジュール用基板とヒートシンクとが接合されているので、ヒートシンクを介してパワーモジュール用基板側からの熱を効率的に放散することができる。
　（７）本発明の他態様におけるヒートシンク付パワーモジュール用基板は、（６）に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、前記金属層と前記ヒートシンクとがはんだ層を介して接合されている。
　この場合、金属層のうちヒートシンク側に形成された銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材層と、ヒートシンクとがはんだ層を介して接合されているので、金属部材層とはんだ層を良好に接合することができ、金属層とヒートシンクとの接合信頼性を向上させることができる。
　（８）本発明の他態様における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、この金属層に接合されたヒートシンクと、を備え、前記金属層と前記ヒートシンクとが（１）又は（２）に記載の接合体からなり、前記金属層及び前記ヒートシンクの接合面の一方がアルミニウムで構成され、前記金属層及び前記ヒートシンクの接合面の他方が銅、ニッケル、又は銀で構成され、前記金属層と前記ヒートシンクとの接合部には、前記接合面が銅、ニッケル、又は銀からなる前記金属層又は前記ヒートシンク側に位置するＴｉ層と、前記接合面がアルミニウムからなる前記金属層又は前記ヒートシンクと、前記Ｔｉ層との間に位置し、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層と、が形成されており、前記Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層は、前記Ｔｉ層側に形成された第一Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層と、前記接合面がアルミニウムからなる前記金属層又は前記ヒートシンク側に形成され前記第一Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層よりもＳｉ濃度が低い第二Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層と、を備えている。
　上記のヒートシンク付パワーモジュール用基板によれば、金属層とヒートシンクとの接合部には、Ｔｉ層と、Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層とが形成されており、硬いＡｌ－Ｔｉ－Ｃｕ層やＡｌ－Ｔｉ層等が形成されていないので、ヒートサイクルが負荷された際に、金属層とヒートシンクとの接合部にクラックが発生することを抑制でき、接合信頼性の向上を図ることができる。
　本発明によれば、アルミニウム部材（Ａｌ層）と、銅、ニッケル、銀のいずれかからなる金属部材（金属部材層）とが良好に接合され、ヒートサイクルが負荷された際に接合部におけるクラックの発生を抑制でき、接合信頼性が良好な接合体、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。 図１のＡｌ層とＴｉ層との接合界面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を説明するフロー図である。 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ヒートシンク付パワーモジュールの概略説明図である。 図５の金属層とＴｉ層との接合界面の拡大説明図である。 第二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。 第二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の概略説明図である。 本発明の第三実施形態に係るパワーモジュールの概略説明図である。 本発明の第四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。 本発明例１－１の接合体におけるアルミニウム部材と金属部材との接合部のＳＥＭ像である。 比較例１－１の接合体におけるアルミニウム部材と金属部材との接合部のＳＥＭ像である。 本発明の第五実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュールの概略説明図である。 第五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１４の金属層におけるＴｉ層とＡｌ層との接合部の拡大説明図である。 第五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。 第五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の概略説明図である。 本発明の第六実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュールの概略説明図である。 本発明の第七実施形態に係る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。
（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。
　図１に、本発明の第一実施形態に係るパワーモジュール１を示す。
　このパワーモジュール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、を備えている。
　パワーモジュール用基板１０は、絶縁層を構成す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において上面であり、第一の面）に配設された回路層１２（接合体）と、セラミックス基板１１の他方の面（第二の面）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、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）等で構成されている。本実施形態では、放熱性の優れたＡｌＮ（窒化アルミニウム）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、図１に示すように、セラミックス基板１１の第一の面に配設されたＡｌ層１２Ａと、このＡｌ層１２Ａの一方の面にＴｉ層１５を介して積層されたＣｕ層１２Ｂ（金属部材層）と、を有している。
　Ａｌ層１２Ａは、セラミックス基板１１の第一の面に、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（アルミニウム部材）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、Ａｌ層１２Ａは、純度９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる２Ｎアルミニウム）の圧延板を接合することで形成されている。前記純度９９質量％以上のアルミニウムの圧延板には、０．０８質量％以上０．９５質量％以下のＳｉが含有されているとよい。なお、接合されるアルミニウム板の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ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。
　Ｃｕ層１２Ｂは、Ａｌ層１２Ａの一方の面（図１において上面）に、Ｔｉ層１５を介して銅又は銅合金からなる銅板（金属部材）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層１２Ｂは、無酸素銅の圧延板がＡｌ層１２Ａに、Ｔｉ箔を介して固相拡散接合されることにより形成されている。なお、接合される銅板の厚さは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。
　Ｔｉ層１５は、Ａｌ層１２Ａと銅板とがチタン箔を介して積層され、固相拡散接合されることにより形成されるものである。ここで、チタン箔の純度は９９％以上とされている。また、チタン箔の厚さは３μｍ以上４０μｍ以下に設定されており、本実施形態では、１０μｍに設定されている。
　そして、Ａｌ層１２ＡとＴｉ層１５との接合界面には、図２に示すように、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層１６が形成されている。
　Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層１６は、Ａｌ層１２ＡのＡｌ原子と、Ｔｉ層１５のＴｉ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。Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層１６の厚さは、０．５μｍ以上１０μｍ以下に設定されており、本実施形態においては３μｍとされている。
このＡｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層１６は、図２に示すように、Ｔｉ層１５側に形成された第一Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層１６Ａと、Ａｌ層１２Ａ側に形成された第二Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層１６Ｂとを備えている。すなわち、Ａｌ層１２ＡとＣｕ層１２Ｂとの接合部には、Ｔｉ層１５と、第一Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層１６Ａと、第二Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層１６Ｂとが形成されているのである。
　これら、第一Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層１６Ａと第二Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層１６Ｂは、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ－Ｔｉ－Ｓｉ相からなり、第二Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層１６ＢのＳｉ濃度が、第一Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層１６ＡのＳｉ濃度よりも低くなっている。なお、本実施形態において、第一Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層１６Ａ及び第二Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層１６Ｂに含まれるＳｉは、２Ｎアルミニウムの圧延板中に不純物として含まれるＳｉがＡｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層１６中に拡散し、濃化したものである。
　第一Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層１６ＡのＳｉ濃度は、１０ａｔ％以上３０ａｔ％以下とされており、本実施形態では２０ａｔ％とされている。第二Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層１６ＢのＳｉ濃度は、１ａｔ％以上１０ａｔ％以下とされており、本実施形態では３ａｔ％とされている。
　金属層１３は、セラミックス基板１１の第二の面（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アルミニウム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質量％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）の圧延板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。なお、金属層１３となるアルミニウム板の厚さは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、１．６ｍｍに設定されている。
　半導体素子３は、Ｓｉ等の半導体材料で構成されている。この半導体素子３と回路層１２は、はんだ層２を介して接合されている。
　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、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。
　次に、本実施形態であるパワーモジュール１の製造方法について、図３及び図４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の第一の面に、Ａｌ層１２Ａとなるアルミニウム板２２Ａを積層し、さらにその上にチタン箔２５を介してＣｕ層１２Ｂとなる銅板２２Ｂを積層する。一方、セラミックス基板１１の第二の面には、金属層１３となるアルミニウム板２３を積層する（アルミニウム板及び銅板積層工程Ｓ０１）。ここで、本実施形態においては、アルミニウム板２２Ａ、２３とセラミックス基板１１との間には、Ａｌ－Ｓｉ系のろう材箔２６を介して積層した。
　次いで、積層方向に加圧（圧力１～３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空加熱炉内に配置し加熱して、Ａｌ層１２Ａ及び金属層１３を形成するとともに、Ａｌ層１２Ａとチタン箔２５、及び銅板２２Ｂとチタン箔２５を固相拡散接合し、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Ｓ０２）。
　ここで、真空加熱炉内の圧力は１０－６Ｐａ以上１０－３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度は６００℃以上６４３℃以下、保持時間は３０分以上１８０分以下の範囲内に設定されることが好ましい。また、より好ましい加熱温度は、６３０℃以上６４３℃以下の範囲内とされている。本実施形態においては、積層方向に１２ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力を負荷し、加熱温度６４０℃、保持時間６０分の条件で実施した。
　なお、アルミニウム板２２Ａ、チタン箔２５、及び銅板２２Ｂ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。
　上記のようにして、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０が製造される。
　次に、回路層１２の一方の面（表面）に、はんだ材を介して半導体素子３を積層し、還元炉内においてはんだ接合する（半導体素子接合工程Ｓ０３）。
　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に係るパワーモジュール１及びパワーモジュール用基板１０によれば、回路層１２においてＡｌ層１２ＡとＣｕ層１２Ｂとの接合部には、Ｔｉ層１５と、Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層１６とが形成された構成とされており、硬いＡｌ－Ｔｉ－Ｃｕ層やＡｌ－Ｔｉ層が形成されていないので、ヒートサイクルが負荷された際に、回路層１２にクラックが発生することを抑制することができる。したがって、パワーモジュール１において、半導体素子３とパワーモジュール用基板１０との接合信頼性を向上可能である。
　さらに、Ｔｉ層１５側に形成された第一Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層１６ＡのＳｉ濃度が、Ａｌ層１２Ａ側に形成された第二Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層１６ＢのＳｉ濃度よりも高いので、Ｓｉ濃度が高い第一Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層１６ＡによってＴｉ原子がＡｌ層１２Ａ側に拡散することが抑制され、Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層１６の厚さを薄くすることができる。そして、このようにＡｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層１６の厚さを薄くすることで、ヒートサイクルが負荷された際にＡｌ層１２ＡとＣｕ層１２Ｂとの接合部に割れが発生することを抑制可能となる。
　また、Ａｌ層１２Ａ側に形成された第二Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層１６Ｂに含まれるＳｉ濃度が１ａｔ％以上１０ａｔ％以下とされているので、Ａｌ原子がＴｉ層１５側に過剰に拡散することが抑制され、第二Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層１６Ｂの厚さを薄くすることができる。
　さらには、Ｔｉ層１５側に形成された第一Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層１６Ａに含まれるＳｉ濃度が１０ａｔ％以上３０ａｔ％以下とされているので、Ｔｉ原子がＡｌ層１２Ａ側に過剰に拡散することが抑制され、第一Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層１６Ａの厚さを薄くすることができる。
　また、本実施形態においては、セラミックス基板１１の第一の面及び第二の面に、アルミニウム板２２Ａ、チタン箔２５、銅板２２Ｂ、及びアルミニウム板２３を一度に接合する構成とされているので、製造工程を簡略化することができ、製造コストを低減可能である。
　また、セラミックス基板１１の第一の面に比較的変形抵抗の小さいＡｌ層１２Ａが形成されているので、ヒートサイクルが負荷された際に生じる熱応力をＡｌ層１２Ａが吸収し、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。
　さらに、Ａｌ層１２Ａの一方の面には、比較的変形抵抗の大きいＣｕ層１２Ｂが形成されているので、ヒートサイクルが負荷された際に回路層１２の変形が抑制され、半導体素子３と回路層１２を接合するはんだ層２の変形を抑制し、接合信頼性を向上できる。
　また、熱伝導率の良好なＣｕ層１２Ｂが回路層１２の一方側に形成されているので、半導体素子３からの熱を拡げて効率的にパワーモジュール用基板１０側に伝達することができる。
　また、本実施形態においては、Ａｌ層１２Ａ（アルミニウム板２２Ａ）とチタン箔２５、及び銅板２２Ｂとチタン箔２５との固相拡散接合は、積層方向へ１～３５ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力をかけられた状態で６００℃以上６４３℃以下に保持することで行われる構成とされているので、Ａｌ層とＴｉ層の界面で液相を生成させることなく、Ａｌ層１２Ａ及び銅板２２Ｂ中にＴｉ原子を拡散させ、チタン箔２５中にＡｌ原子及びＣｕ原子を固相拡散させて固相拡散接合し、Ａｌ層１２Ａ、チタン箔２５、及び銅板２２Ｂを確実に接合することができる。
　固相拡散接合する際に積層方向にかかる圧力が１ｋｇｆ／ｃｍ２未満の場合は、Ａｌ層１２Ａ、チタン箔２５、及び銅板２２Ｂを十分に接合させることが困難となり、接合界面に隙間が生じる場合がある。また、３５ｋｇｆ／ｃｍ２を超える場合には、負荷される荷重が高すぎるために、セラミックス基板１１に割れが発生することがある。このような理由により、固相拡散接合の際にかかる圧力は、上記の範囲に設定されている。
　固相拡散接合する際の温度が６００℃以上の場合には、Ａｌ原子、Ｔｉ原子、及びＣｕ原子の拡散が促進され、短時間で十分に固相拡散させることができる。また、６４３℃以下の場合には、アルミニウムの溶融による液相が生じて接合界面にコブが生じたり、厚さが変動したりすることを抑制できる。そのため、固相拡散接合の好ましい温度範囲は、上記の範囲に設定されている。
　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、本実施形態では、アルミニウム板２２Ａ、銅板２２Ｂ、及びチタン箔２５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。
（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５に、本発明の第二実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュール２０１を示す。このヒートシンク付パワーモジュール２０１は、ヒートシンク付パワーモジュール用基板２３０と、このヒートシンク付パワーモジュール用基板２３０の一方の面（図５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、を備えている。
　ヒートシンク付パワーモジュール用基板２３０は、パワーモジュール用基板２１０と、このパワーモジュール用基板２１０の下側にＴｉ層２１５を介して積層されたヒートシンク２３１（金属部材）と、を備えている。
　パワーモジュール用基板２１０は、図５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の第一の面（図５において上面）に配設された回路層２１２と、セラミックス基板１１の第二の面（図５において下面）に配設された金属層２１３（Ａｌ層）と、を備えている。
　回路層２１２は、セラミックス基板１１の第一の面（図５において上面）に、導電性を有するアルミニウム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、回路層２１２は、純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）の圧延板を接合することで形成されている。なお、接合されるアルミニウム板の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６ｍｍに設定されている。
　金属層２１３は、セラミックス基板１１の第二の面（図５において下面）に、導電性を有する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、金属層２１３は、純度９９質量％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）の圧延板を接合することで形成されている。前記純度９９質量％以上のアルミニウムの圧延板には、０．０８質量％以上０．９５質量％以下のＳｉが含有されているとよい。なお、接合されるアルミニウム板の厚さは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、０．６ｍｍに設定されている。
　ヒートシンク２３１は、パワーモジュール用基板２１０側の熱を放散するためのものである。ヒートシンク２３１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。このヒートシンク２３１には、冷却用の流体が流れるための流路２３２が設けられている。
　そして、これら金属層２１３とヒートシンク２３１とが、Ｔｉ層２１５を介して接合されている。
　Ｔｉ層２１５は、アルミニウムからなる金属層２１３と、銅からなるヒートシンク２３１とがチタン箔を介して積層され、固相拡散接合されることにより形成されるものである。このチタン箔の純度は９９％以上とされている。チタン箔の厚さは３μｍ以上４０μｍ以下に設定されており、本実施形態では、１０μｍに設定されている。
　そして、金属層２１３とＴｉ層２１５との接合界面には、図６に示すように、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層２１６が形成されている。
　Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層２１６は、金属層２１３のＡｌ原子と、Ｔｉ層２１５のＴｉ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。Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層２１６の厚さは、０．５μｍ以上１０μｍ以下に設定されており、本実施形態においては３μｍとされている。このＡｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層２１６は、図６に示すように、Ｔｉ層２１５側に形成された第一Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層２１６Ａと、金属層２１３側に形成された第二Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層２１６Ｂとを備えている。すなわち、金属層２１３とヒートシンク２３１との接合部には、Ｔｉ層２１５と、第一Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層２１６Ａと、第二Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層２１６Ｂとが形成されているのである。
　これら、第一Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層２１６Ａと第二Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層２１６Ｂは、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ－Ｔｉ－Ｓｉ相からなり、第二Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層２１６ＢのＳｉ濃度が、第一Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層２１６ＡのＳｉ濃度よりも低くなっている。
　第一Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層２１６ＡのＳｉ濃度は、１０ａｔ％以上３０ａｔ％以下とされており、本実施形態では２０ａｔ％とされている。第二Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層２１６ＢのＳｉ濃度は、１ａｔ％以上１０ａｔ％以下とされており、本実施形態では３ａｔ％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２０１、ヒートシンク付パワーモジュール用基板２３０の製造方法について、図７及び図８を参照して説明する。
　まず、図８に示すように、セラミックス基板１１の第一の面に、Ａｌ－Ｓｉ系のろう材箔２６を介して、回路層２１２となるアルミニウム板２２２を積層する。また、セラミックス基板１１の第二の面に、ろう材箔２６を介して金属層２１３となるアルミニウム板２２３を積層する。そして、セラミックス基板１１の第二の面側（図８において下側）に、さらにチタン箔２２５を介してヒートシンク２３１を積層する（アルミニウム板及びヒートシンク積層工程Ｓ２１１）。
　次いで、アルミニウム板２２２、２２３、セラミックス基板１１、及びヒートシンク２３１の積層方向に加圧（圧力１～３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空加熱炉内に配置し加熱して、セラミックス基板１１の第一の面及び第二の面に、回路層２１２及び金属層２１３を形成するとともに、金属層２１３とチタン箔２２５、及びヒートシンク２３１とチタン箔２２５を固相拡散接合し、金属層２１３とヒートシンク２３１とを接合する（回路層、金属層、及びヒートシンク接合工程Ｓ２１２）。
　ここで、真空加熱炉内の圧力は、１０－６Ｐａ以上１０－３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度は６００℃以上６４３℃以下、保持時間は３０分以上１８０分以下の範囲内に設定されることが好ましい。また、より好ましい加熱温度は、６３０℃以上６４３℃以下の範囲内とされている。本実施形態においては、積層方向に２０ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力を負荷し、加熱温度６４０℃、保持時間６０分の条件で実施した。
　なお、アルミニウム板２２３、チタン箔２２５、及びヒートシンク２３１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。
　上記のようにして、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板２３０及びパワーモジュール用基板２１０が製造される。
　次に、ヒートシンク付パワーモジュール用基板２３０（回路層２１２）の一方の面に、はんだ材を介して半導体素子３を積層し、還元炉内においてはんだ接合する（半導体素子接合工程Ｓ２１３）。
　上記のようにして、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール２０１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ヒートシンク付パワーモジュール２０１及びヒートシンク付パワーモジュール用基板２３０によれば、金属層２１３とヒートシンク２３１との接合部には、Ｔｉ層２１５と、Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層２１６とが形成された構成とされており、硬いＡｌ－Ｔｉ－Ｃｕ層やＡｌ－Ｔｉ層が形成されていないので、ヒートサイクルが負荷された際に、金属層２１３とヒートシンク２３１との接合部にクラックが発生することを抑制することができる。したがって、ヒートシンク付パワーモジュール２０１において、金属層２１３とヒートシンク２３１との接合信頼性を向上可能となる。
　さらに、Ｔｉ層２１５側に形成された第一Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層２１６ＡのＳｉ濃度が、金属層２１３側に形成された第二Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層２１６ＢのＳｉ濃度よりも高いので、Ｓｉ濃度が高い第一Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層２１６ＡによってＴｉ原子が金属層２１３に拡散することが抑制され、Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層２１６の厚さを薄くすることができる。
　また、本実施形態においては、セラミックス基板１１の第一の面及び第二の面に、回路層２１２及び金属層２１３を形成し、さらに金属層２１３とヒートシンク２３１とを同時に接合することができるので、製造工程を簡略化することができ、製造コストを低減可能である。
　また、図９（第三実施形態）に示すように、金属層３１３が、セラミックス基板１１の第二の面に形成されたＡｌ層３１３Ａと、Ａｌ層３１３Ａ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に、Ｔｉ層３１５を介して固相拡散接合されたＣｕ層３１３Ｂと、を有する構成とされても良い。
　この金属層３１３を備えたパワーモジュール３０１においては、ヒート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Ａｌ層３１３Ａによって吸収し、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、Ａｌ層３１３Ａの下側には、Ｃｕ層３１３Ｂが形成されているので、半導体素子３側からの熱を効率的に放散できる。
　また、第一実施形態において、金属層がアルミニウム又はアルミニウム合金で構成され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、銅や銅合金で構成されても良い。
　また、第二実施形態において、金属層がアルミニウム又はアルミニウム合金で構成され、ヒートシンクが銅又は銅合金で構成され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、金属層が銅又は銅合金で構成され、ヒートシンクがアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されても良い。
　また、第一実施形態において、Ａｌ層となるアルミニウム板を積層しその上にチタン箔を介してＣｕ層となる銅板を積層し加圧・加熱を行い回路層を形成したが、銅板に代えて銅からなるリードフレーム（金属部材）を用いることができる。
（第五実施形態）
　図１３に、本発明の第五実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュール５０１を示す。
　ヒートシンク付パワーモジュール５０１は、ヒートシンク付パワーモジュール用基板５３０と、このヒートシンク付パワーモジュール用基板５３０の一方の面（図１３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、を備えている。
　ヒートシンク付パワーモジュール用基板５３０は、パワーモジュール用基板５１０と、パワーモジュール用基板５１０の下側にはんだ層５３５を介して接合されたヒートシンク５３１と、を備えている。
　パワーモジュール用基板５１０は、図１４に示すように、絶縁層を構成するセラミックス基板５１１と、このセラミックス基板５１１の一方の面（図１４において上面であり、第一の面）に配設された回路層５１２と、セラミックス基板５１１の他方の面（図１５において下面であり、第二の面）に配設された金属層５１３と、を備えている。
　セラミックス基板５１１は、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）等で構成されている。本実施形態では、放熱性の優れたＡｌＮ（窒化アルミニウム）で構成されている。また、セラミックス基板５１１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５１２は、セラミックス基板５１１の第一の面（図１４において上面）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、回路層５１２は、純度が９９％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）の圧延板がセラミックス基板５１１に接合されることで形成されている。なお、回路層５１２となるアルミニウム板の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６ｍｍに設定されている。
　金属層５１３は、図１３に示すように、セラミックス基板５１１の第二の面（図１４において下面）に配設されたＡｌ層５１３Ａと、このＡｌ層５１３Ａのうちセラミックス基板５１１が接合された面と反対側の面にＴｉ層５１５を介して積層されたＣｕ層５１３Ｂ（金属部材層）と、を有している。
　Ａｌ層５１３Ａは、セラミックス基板５１１の第二の面に、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、Ａｌ層５１３Ａは、純度９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる２Ｎアルミニウム）の圧延板を接合することで形成されている。前記純度９９質量％以上のアルミニウムの圧延板には、０．０８質量％以上０．９５質量％以下のＳｉが含有されているとよい。なお、接合されるアルミニウム板の厚さは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、０．６ｍｍに設定されている。
　Ｃｕ層５１３Ｂは、Ａｌ層５１３Ａのうちセラミックス基板５１１が形成された面と反対側の面（図１４において下面）に、Ｔｉ層５１５を介して、銅又は銅合金からなる銅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、Ｃｕ層５１３Ｂは、無酸素銅の圧延板がＡｌ層５１３Ａに、チタン箔を介して固相拡散接合されることにより形成されている。
　なお、接合される銅板の厚さは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、０．３ｍｍに設定されている。
　Ｔｉ層５１５は、Ａｌ層５１３Ａと銅板とがチタン箔を介して積層され、固相拡散接合されることにより形成されるものである。ここで、チタン箔の純度は９９％以上とされている。また、Ｔｉ箔の厚さは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。
　そして、Ａｌ層５１３ＡとＴｉ層５１５との接合界面には、図１５に示すように、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層５１６が形成されている。
　Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層５１６は、Ａｌ層５１２ＡのＡｌ原子と、Ｔｉ層５１５のＴｉ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。Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層５１６の厚さは、０．５μｍ以上１０μｍ以下に設定されており、本実施形態においては５μｍとされている。
　このＡｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層５１６は、図１５に示すように、Ｔｉ層５１５側に形成された第一Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層５１６Ａと、Ａｌ層５１３Ａ側に形成された第二Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層５１６Ｂとを備えている。すなわち、Ａｌ層５１３ＡとＣｕ層５１３Ｂとの接合部には、Ｔｉ層５１５と、第一Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層５１６Ａと、第二Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層５１６Ｂとが形成されているのである。
　これら、第一Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層５１６Ａと第二Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層５１６Ｂは、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ－Ｔｉ－Ｓｉ相からなり、第二Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層５１６ＢのＳｉ濃度が、第一Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層５１６ＡのＳｉ濃度よりも低くなっている。なお、本実施形態において、第一Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層５１６Ａ及び第二Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層５１６Ｂに含まれるＳｉは、２Ｎ－Ａｌの圧延板中に不純物として含まれるＳｉがＡｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層５１６中に拡散し、濃化したものである。
　第一Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層５１６ＡのＳｉ濃度は、１０ａｔ％以上３０ａｔ％以下とされており、本実施形態では２０ａｔ％とされている。第二Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層５１６ＢのＳｉ濃度は、１ａｔ％以上１０ａｔ％以下とされており、本実施形態では３ａｔ％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。この半導体素子３と回路層５１２は、はんだ層２を介して接合されている。
　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、パワーモジュール用基板５１０と半導体素子３とを接合するものである。
　ヒートシンク５３１は、パワーモジュール用基板５１０側の熱を放散するためのものである。ヒートシンク５３１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。このヒートシンク５３１には、冷却用の流体が流れるための流路５３２が設けられている。
　はんだ層５３５は、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）とされており、パワーモジュール用基板５１０とヒートシンク５３１とを接合するものである。
　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５０１の製造方法について、図１６及び図１７を参照して説明する。
　まず、図１７に示すように、セラミックス基板５１１の第一の面に、回路層５１２となるアルミニウム板５２２を積層する。一方、セラミックス基板５１１の第二の面には、Ａｌ層５１３Ａとなるアルミニウム板５２３Ａを積層し、さらにその上にチタン箔５２５を介してＣｕ層５１３Ｂとなる銅板５２３Ｂを積層する（アルミニウム板及び銅板積層工程Ｓ５０１）。ここで、本実施形態においては、アルミニウム板５２２、５２３Ａとセラミックス基板５１１との間には、Ａｌ－Ｓｉ系のろう材箔５２６を介して積層した。
　次いで、積層方向に加圧（圧力１～３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空加熱炉内に配置し加熱して、回路層５１２及びＡｌ層５１３Ａを形成するとともに、Ａｌ層５１３Ａとチタン箔５２５、及び銅板５２３Ｂとチタン箔５２５を固相拡散接合し、回路層５１２及び金属層５１３を形成する（回路層及び金属層形成工程Ｓ５０２）。
　ここで、真空加熱炉内の圧力は１０－６Ｐａ以上１０－３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度は６００℃以上６４３℃以下、保持時間は３０分以上１８０分以下の範囲内に設定されることが好ましい。また、より好ましい加熱温度は、６３０℃以上６４３℃以下の範囲内とされている。本実施形態においては、積層方向に１２ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力を負荷し、加熱温度６４０℃、保持時間６０分の条件で実施した。
　なお、アルミニウム板５２３Ａ、チタン箔５２５、及び銅板５２３Ｂ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。
　上記のようにして、本実施形態であるパワーモジュール用基板５１０が製造される。
　次に、パワーモジュール用基板５１０の金属層５１３に、はんだ材を介してヒートシンク５３１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Ｓ５０３）。
　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用基板５３０が製造される。
　次いで、回路層５１２の一方の面（表面）に、はんだ材を介して半導体素子３を積層し、還元炉内においてはんだ接合する（半導体素子接合工程Ｓ５０４）。
　上記のようにして、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール５０１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ヒートシンク付パワーモジュール５０１、ヒートシンク付パワーモジュール用基板５３０、及びパワーモジュール用基板５１０によれば、金属層５１３においてＡｌ層５１３ＡとＣｕ層５１３Ｂとの接合部には、Ｔｉ層５１５と、Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層５１６とが形成された構成とされており、硬いＡｌ－Ｔｉ－Ｃｕ層やＡｌ－Ｔｉ層が形成されていないので、ヒートサイクルが負荷された際に、金属層５１３にクラックが発生することを抑制することができる。したがって、パワーモジュール用基板５１０とヒートシンク５３１との接合信頼性を向上できる。
　さらに、Ｔｉ層５１５側に形成された第一Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層５１６ＡのＳｉ濃度が、Ａｌ層５１３Ａ側に形成された第二Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層５１６ＢのＳｉ濃度よりも高いので、Ｓｉ濃度が高い第一Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層５１６ＡによってＴｉ原子がＡｌ層５１３Ａ側に拡散することが抑制され、Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層５１６の厚さを薄くすることができる。そして、このようにＡｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層５１６の厚さを薄くすることで、ヒートサイクルが負荷された際にＡｌ層５１３ＡとＣｕ層５１３Ｂとの接合部にクラックが発生することを抑制可能となる。
　また、Ａｌ層５１３Ａ側に形成された第二Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層５１６Ｂに含まれるＳｉ濃度が１ａｔ％以上１０ａｔ％以下とされているので、Ａｌ原子がＴｉ層５１５側に過剰に拡散することが抑制され、第二Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層５１６Ｂの厚さを薄くすることができる。
　さらには、Ｔｉ層５１５側に形成された第一Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層５１６Ａに含まれるＳｉ濃度が１０ａｔ％以上３０ａｔ％以下とされているので、Ｔｉ原子がＡｌ層５１３Ａ側に過剰に拡散することが抑制され、第一Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層５１６Ａの厚さを薄くすることができる。
　また、本実施形態においては、セラミックス基板５１１の第一の面及び第二の面に、アルミニウム板５２３Ａ、チタン箔５２５、銅板５２３Ｂ、及びアルミニウム板５２２を一度に接合する構成とされているので、製造工程を簡略化することができ、製造コストを低減可能である。
　また、セラミックス基板５１１の第二の面に比較的変形抵抗の小さいＡｌ層５１３Ａが形成されているので、ヒートサイクルが負荷された際に生じる熱応力をＡｌ層５１３Ａが吸収し、セラミックス基板５１１に割れが発生することを抑制できる。
　さらに、Ａｌ層５１３Ａのうちセラミックス基板５１１が形成された面と反対側の面には、比較的変形抵抗の大きいＣｕ層５１３Ｂが形成されているので、ヒートサイクルが負荷された際に金属層５１３の変形が抑制され、金属層５１３とヒートシンク５３１とを接合するはんだ層５３５の変形を抑制し、接合信頼性を向上できる。
　また、本実施形態においては、Ａｌ層５１３Ａ（アルミニウム板５２３Ａ）とチタン箔５２５、及び銅板５２３Ｂとチタン箔５２５との固相拡散接合は、積層方向へ１～３５ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力をかけられた状態で６００℃以上６４３℃以下に保持することで行われる構成とされているので、Ａｌ層５１３Ａ及び銅板５２３Ｂ中にＴｉ原子を拡散させ、チタン箔５２５中にＡｌ原子及びＣｕ原子を固相拡散させて固相拡散接合し、Ａｌ層５１３Ａ、チタン箔５２５、及び銅板５２３Ｂを確実に接合することができる。
　固相拡散接合する際に積層方向にかかる圧力が１ｋｇｆ／ｃｍ２未満の場合は、Ａｌ層５１３Ａ、チタン箔５２５、及び銅板５２３Ｂを十分に接合させることが困難となり、接合界面に隙間が生じる場合がある。また、３５ｋｇｆ／ｃｍ２を超える場合には、負荷される荷重が高すぎるために、セラミックス基板５１１に割れが発生することがある。このような理由により、固相拡散接合の際にかかる圧力は、上記の範囲に設定されている。
　固相拡散接合する際の温度が６００℃以上の場合には、Ａｌ原子、Ｔｉ原子、及びＣｕ原子の拡散が促進され、短時間で十分に固相拡散させることができる。また、６４３℃以下の場合には、アルミニウムの溶融による液相が生じて接合界面にコブが生じたり、厚さが変動したりすることを抑制できる。そのため、固相拡散接合の好ましい温度範囲は、上記の範囲に設定されている。
　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、本実施形態では、アルミニウム板５２３Ａ、銅板５２３Ｂ、及びチタン箔５２５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。
　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。
　上記実施の形態では、Ａｌ層と、Ｃｕ層とが接合される場合について説明したが、Ｃｕ層に代えて、ニッケル又はニッケル合金からなるＮｉ層、もしくは銀又は銀合金からなるＡｇ層が接合されても良い。
　例えば、Ｃｕ層に代えてＮｉ層を形成した場合には、はんだ付け性が良好となり、はんだ材を介して金属層とヒートシンクとを接合した際に、接合信頼性を向上できる。さらに、固相拡散接合によってＮｉ層を形成する場合には、無電解めっき等でＮｉめっき膜を形成する際に行われるマスキング処理が不要なので、製造コストを低減できる。この場合、Ｎｉ層の厚さは１μｍ以上３０μｍ以下とすることが望ましい。Ｎｉ層の厚さが１μｍ未満の場合には半導体素子との接合信頼性の向上の効果が無くなるおそれがあり、３０μｍを超える場合にはＮｉ層が熱抵抗体となり効率的にヒートシンク側に熱を伝達できなくなるおそれがある。
　また、固相拡散接合によってＮｉ層を形成する場合、固相拡散接合は、前記第一実施形態においてＣｕ層を形成した場合と同様の条件で形成することができる。
　また、Ｃｕ層に代えてＡｇ層を形成した場合には、例えば酸化銀粒子と有機物からなる還元剤とを含む酸化銀ペーストを用いてヒートシンクを接合する際に、酸化銀が還元された銀とＡｇ層とが同種の金属同士の接合となるため、接合信頼性を向上させることができる。この場合、Ａｇ層の厚さは１μｍ以上２０μｍ以下とすることが望ましい。Ａｇ層の厚さが１μｍ未満の場合には半導体素子との接合信頼性の向上の効果が無くなるおそれがあり、２０μｍを超える場合には接合信頼性向上の効果が観られなくなり、コストの増加を招く。
　また、固相拡散接合によってＡｇ層を形成する場合、固相拡散接合は、前記第一実施形態においてＣｕ層を形成した場合と同様の条件で形成することができる。
　また、図１８（第六実施形態）に示すように、回路層６１２が、セラミックス基板５１１の第一の面（図１８において上面）に形成されたＡｌ層６１２Ａと、Ａｌ層６１２Ａの一方の面（図１８において上面）に、Ｔｉ層６１５を介して固相拡散接合されたＣｕ層６１２Ｂと、を有する構成とされても良い。
　この回路層６１２を備えたヒートシンク付パワーモジュール６０１においては、ヒートサイクルが負荷された際に、セラミックス基板５１１に生じる熱応力をＡｌ層６１２Ａによって吸収し、セラミックス基板５１１に割れが発生することを抑制できる。また、Ａｌ層６１２Ａの上側には、Ｃｕ層６１２Ｂが形成されているので、半導体素子３側からの熱を拡げて効率的にヒートシンク５３１側に放散できる。
　なお、上記実施形態では、チタン箔を介して、２Ｎアルミニウムからなるアルミニウム板と無酸素銅からなる銅板とを積層し、固相拡散接合する場合について説明したが、Ｓｉの含有量が２Ｎアルミニウムよりも少ない４Ｎアルミニウムからなるアルミニウム板と銅板とをチタン箔を介して固相拡散接合した場合には、接合界面にＡｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層は形成されず、Ａｌ３Ｔｉ層（Ａｌ－Ｔｉ層）が厚く成長することになる。４Ｎアルミニウムからなるアルミニウム板と銅板とを接合する場合、例えば図１０（第四実施形態）及び図１９（第七実施形態）に示すように、４Ｎアルミニウムからなるアルミニウム板４２２Ａ（７２３Ａ）、Ａｌ－Ｓｉ系のろう材箔４２６（７２６）、チタン箔４２５（７２５）、銅板４２２Ｂ（７２３Ｂ）を順に積層し、固相拡散接合することによって、パワーモジュール用基板１０（５１０）と同様に第一Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層及び第二Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層を形成することができ、ヒートサイクルが負荷された際に回路層又は金属層にクラックが生じることを抑制可能となる。
　また、上記実施形態では、はんだ材を介して金属層とヒートシンクとを接合す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、他の手法によって接合されても良い。例えば、上述の酸化銀ペーストによって接合されても良いし、ろう材箔によって接合されても良い。
　また、上記実施形態において、回路層がアルミニウム又はアルミニウム合金で構成され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、銅や銅合金で構成されても良い。また、回路層が銅又は銅合金からなるリードフレームの一部とされていてもよい。
　また、ヒートシンクが銅又は銅合金で構成され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、ヒートシンクがアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されても良い。
　また、上記実施の形態では、セラミックス基板の第一の面及び第二の面に、Ａｌ－Ｓｉ系のろう材箔を介してアルミニウム板を接合する場合について説明したが、これに限定されることはなく、過渡液相接合法（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　Ｌｉｑｕｉｄ　Ｐｈａｓｅ　Ｂｏｎｄｉｎｇ）を適用しても良い。
　さらに、上記実施の形態では、セラミックス基板の第一の面又は第二の面に、Ａｌ－Ｓｉ系のろう材箔を介して、Ａｌ層となるアルミニウム板を積層し、さらにその上にチタン箔を介してＣｕ層となる銅板を積層し、加圧加熱することで接合体（又は金属層）を形成したが、チタン箔及び銅板の代わりにＴｉ／Ｃｕからなるクラッド材を用いることができる。また、アルミニウム板、チタン箔及び銅板の代わりに、Ａｌ／Ｔｉ／Ｃｕの３層からなるクラッド材を用いることもできる。
　また、Ｃｕ層に代えてＮｉ層を形成する場合、Ｔｉ／Ｎｉからなるクラッド材やＡｌ／Ｔｉ／Ｎｉからなるクラッド材を用いることができる。
　さらに、Ｃｕ層に代えてＡｇ層を形成する場合、Ｔｉ／Ａｇからなるクラッド材やＡｌ／Ｔｉ／Ａｇからなるクラッド材を用いることができる。
（実施例１）
　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１－１～１－７の接合体として、表１に示すように、Ｓｉを０．２５質量％含有する２Ｎアルミニウム板からなるアルミニウム部材（１０ｍｍ×１０ｍｍ、厚さ０．６ｍｍ）の一方の面に、チタン箔を介して表１記載の金属部材からなる板（２ｍｍ×２ｍｍ、厚さ０．３ｍｍ）を積層し、上述の実施形態に記載した方法によって表１に示す条件で固相拡散接合した。
　また、比較例１－１の接合体として、純度９９．９９％以上のアルミニウム板からなるアルミニウム部材（１０ｍｍ×１０ｍｍ、厚さ０．６ｍｍ）の一方の面に、チタン箔を介して無酸素銅の板からなる金属部材（２ｍｍ×２ｍｍ、厚さ０．３ｍｍ）を積層し、本発明例１－１の接合体と同様にして表１に示す条件で固相拡散接合した。
　このようにして得られた接合体に対して、接合体の断面観察、及びシェアテストを実施した。
（断面観察）
　接合体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、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いてＡｌ層（アルミニウム部材）と金属部材層（金属部材）との接合部の観察を行った。また、ＥＰＭＡ分析装置を用いて、接合部の組成分析を行い、Ｔｉ層とＡｌ層との間の接合界面（図１１、１２において、Ｔｉ層とアルミニウム部材との間の界面）に、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層が形成されているかどうかを確認した。
（シェアテスト）
　接合体にシェアテストを実施し、シェア強度（せん断強度）を測定した。なお、シェアテストは、国際電気標準会議の規格ＩＥＣ　６０７４９－１９に準拠して実施した。
　断面観察の結果の一例として、本発明例１－１の断面観察の結果（ＳＥＭ像）を図１１に、比較例１－１の断面観察の結果（ＳＥＭ像）を図１２に示す。また、表１に、Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層の有無、接合体のシェアテストの測定結果を示す。
　上述の方法によりＡｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層が確認できたものを表では「有」とし、確認できなかったものを「無」と記載した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 　　　　　　　　　　　　　　　　　　
 
　本発明例１－１では、図１１に示すように、Ｔｉ層とＡｌ層（アルミニウム部材）の間に、Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層が確認された。このＡｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層の厚さは薄く形成されていることを確認した。このようなＡｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層が本発明例１－２～１－７においても形成されていることも確認した。
　一方、比較例１－１では、Ｔｉ層とＡｌ層との間に、Ａｌ－Ｔｉ層が形成されており、Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層は確認されなかった。図１２に示すように、比較例１－１のＡｌ－Ｔｉ層の厚さは、本発明例１－１～１－７のＡｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層と比べて厚く形成されており、その接合界面にクラックが観察された。
　また、Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層が確認されなかった比較例１－１では、シェア強度は２８ＭＰａであったのに対し、Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層が確認された本発明例１－１～１－７ではシェア強度が７９ＭＰａ以上と大幅に高いことが確認された。
（実施例２）
　本発明例２－１～２－７のパワーモジュールを次のようにして製造した。セラミックス基板の一方の面に、Ａｌ層となるＳｉを０．２５質量％含有する２Ｎアルミニウム板（厚さ０．６ｍｍ）を積層し、さらにその上にチタン箔を介して表２記載の金属部材からなる板を積層する。また、セラミックス基板の第二の面には、金属層となる純度９９．９９％以上の４Ｎアルミニウム板（厚さ０．６ｍｍ）を積層する。ここで、アルミニウム板とセラミックス基板との間には、Ａｌ－Ｓｉ系のろう材箔を介して積層した。次いで、表２に示す条件で加熱処理を行い、セラミックス基板の第一の面及び第二の面にＡｌ層及び金属層を形成するとともに、Ａｌ層、チタン箔、金属部材からなる板を固相拡散接合して回路層を形成した。そして、回路層の一方の面にはんだ材を介して半導体素子を接合した。
　比較例２－１のパワーモジュールは、Ａｌ層として純度９９．９９％以上の４Ｎアルミニウムを用いたこと以外は、本発明例２－１のパワーモジュールと同様にして製造した。
なお、加熱処理は、表２に示す条件で実施した。
　このようにして製造されたパワーモジュールの回路層におけるＡｌ層と金属部材層との接合部において、実施例１と同様にして、Ａｌ－Ｓｉ－Ｔｉ層の有無を確認した。実施例１と同様の方法によりＡｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層が確認できたものを表では「有」とし、確認できなかったものを「無」と記載した。さらに、パワーモジュールに対して、ヒートサイクル試験を行い、試験後のＡｌ層と金属部材層との接合部の接合率を測定した。また、Ａｌ層と金属部材層との接合部の初期の接合率（ヒートサイクル試験前の接合率）も測定した。ヒートサイクル試験と接合率の測定は、以下のようにして行った。
（ヒートサイクル試験）
　ヒートサイクル試験は、パワーモジュールに対して、－４０℃と１２５℃とを繰り返すヒートサイクルを負荷することにより行う。本実施例では、このヒートサイクルを４０００回実施した。
　このヒートサイクル試験前後における、Ａｌ層と金属部材層との界面における接合率を測定した。
（Ａｌ層と金属部材層との接合部の接合率評価）
　ヒートサイクル試験前後のパワーモジュールに対して、Ａｌ層と金属部材層との接合部の接合率について超音波探傷装置を用いて評価し、以下の式から算出した。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Ａｌ層の面積とした。超音波探傷像において剥離は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（％））＝｛（初期接合面積）－（剥離面積）｝／（初期接合面積）×１００
　以上の評価の結果を表２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 　　　　　　　　　　　　　　　　　　
 
　Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層が確認されなかった比較例２－１では、初期の接合率は７２．５％と低く、ヒートサイクル試験後には接合率は大幅に低下した。
　一方、Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層が確認された本発明例２－１～２－７では初期接合率は９７．８％以上と高く、ヒートサイクル試験後の接合率も高いままであり、接合信頼性の高いパワーモジュールであることが確認された。
（実施例３）
　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３－１～３－５のヒートシンク付パワーモジュールを次のようにして製造した。まず、表３に示すセラミックス基板の一方の面に、回路層となる純度９９％以上のＡｌ（２Ｎ－Ａｌ）板を積層する。また、セラミックス基板の第二の面には、Ａｌ層となる純度９９％以上のアルミニウム板（Ｓｉを０．２５質量％含有）を積層し、さらにチタン箔を介して無酸素銅の銅板を積層する。ここで、アルミニウム板とセラミックス基板との間には、Ａｌ－Ｓｉ系のろう材箔を介して積層した。次いで、表３に示す条件で加熱処理を行い、セラミックス基板の第一の面及び第二の面に回路層及びＡｌ層を形成するとともに、Ａｌ層、チタン箔、銅板を固相拡散接合して金属層を形成した。そして、パワーモジュール用基板の金属層と表３に示すヒートシンクとをＳｎ－Ｓｂ系のはんだ材を用いて接合した。また、回路層の一方の面に、Ｓｎ－Ｓｂ系のはんだ材を介して半導体素子を接合した。
　次に、本発明例３－６～３－８の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。セラミックス基板の一方の面に、Ａｌ層となるＳｉを０．２５質量％含有する２Ｎアルミニウム板を積層し、さらにその上にチタン箔を介して表３記載の金属部材層を構成する金属板を積層する。また、セラミックス基板の第二の面には、Ａｌ層となる純度９９％以上のアルミニウム板（Ｓｉを０．２５質量％含有）を積層し、さらにチタン箔を介して表３記載の金属部材層を構成する金属板を積層する。ここで、アルミニウム板とセラミックス基板との間には、Ａｌ－Ｓｉ系のろう材箔を介して積層した。次いで、表３に示す条件で加熱処理を行い、セラミックス基板の第一の面及び第二の面にＡｌ層を形成するとともに、Ａｌ層、チタン箔、金属部材からなる板を固相拡散接合して回路層及び金属層を形成した。
そして、パワーモジュール用基板の金属層と表３に示すヒートシンクとをＳｎ－Ｓｂ系のはんだ材を用いて接合した。また、回路層の一方の面に、Ｓｎ－Ｓｂ系のはんだ材を介して半導体素子を接合した。
　比較例１のヒートシンク付パワーモジュールは、Ａｌ層として純度９９．９９％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）を用いたこと以外は、本発明例３－１のヒートシンク付パワーモジュールと同様にして製造した。なお、加熱処理は、表３に示す条件で実施した。
　このようにして製造されたヒートシンク付パワーモジュールの金属層におけるＡｌ層と金属部材層との接合部において、断面観察を行い、Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層の有無を確認した。
　また、ヒートシンク付パワーモジュールに対して、冷熱サイクル試験（ヒートサイクル試験）を行い、試験後のセラミックス基板と金属層との接合率を評価した。
　断面観察、冷熱サイクル試験（ヒートサイクル試験）及び接合率の評価は、実施例１及び実施例２に記載の通りとした。ただし、ヒートサイクルの回数は３０００回とし、接合率の評価は冷熱サイクル試験（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に対して行い、Ａｌ層と金属部材層との接合部の接合率を評価した。
　以上の評価の結果を表３に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
 　　　　　　　　　　　　　　　　　　
 
　Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層が確認された本発明例３－１～３－８では冷熱サイクル試験後の接合率は９４．４％以上と高く、接合信頼性の高いパワーモジュールであることが確認された。
一方、Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層が確認されなかった比較例３－１では、ヒートサイクル試験後の接合率は、本発明例と比べると大幅に低下した。
　本発明によれば、アルミニウム部材（Ａｌ層）と、銅、ニッケル、銀のいずれかからなる金属部材（金属部材層）とが良好に接合され、ヒートサイクルが負荷された際に接合部におけるクラックの発生を抑制でき、接合信頼性が良好な接合体、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を提供することができる。
１０、２１０、５１０、６１０　パワーモジュール用基板
１１、５１１　セラミックス基板（絶縁層）
１２、６１２　回路層（接合体）
１２Ａ、３１３Ａ　５１３Ａ、６１２Ａ　Ａｌ層
１２Ｂ、３１３Ｂ　５１３Ｂ、６１２Ｂ　Ｃｕ層（金属部材層）
１３　金属層
１５、２１５、３１５　５１５、６１５、７１５　Ｔｉ層
１６、２１６　５１６　Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層
１６Ａ、２１６Ａ　５１６Ａ　第一Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層
１６Ｂ、２１６Ｂ　５１６Ｂ　第二Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層
２１２、５１２　回路層
２１３　金属層（Ａｌ層）
２３０、５３０、６３０　ヒートシンク付パワーモジュール用基板
２３１、５３１　ヒートシンク（金属部材）
３１３、５１３　金属層（接合体）
 

Claims (8)

  1. 　アルミニウムからなるアルミニウム部材と、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材とが接合された接合体であって、
    　前記アルミニウム部材と前記金属部材との接合部には、
    　前記金属部材側に位置するＴｉ層と、
    　前記Ｔｉ層と前記アルミニウム部材との間に位置し、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層と、が形成されており、
    　前記Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層は、
    　前記Ｔｉ層側に形成された第一Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層と、
    　前記アルミニウム部材側に形成され前記第一Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層よりもＳｉ濃度が低い第二Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層と、を備えていることを特徴とする接合体。
  2. 　前記第二Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層に含まれるＳｉ濃度が１ａｔ％以上であることを特徴とする請求項１に記載の接合体。
  3. 　絶縁層と、前記絶縁層の一方の面に形成された回路層と、を備え、
    　前記回路層が請求項１又は請求項２に記載の接合体からなり、
    　前記回路層は、前記絶縁層の一方の面に形成され前記アルミニウム部材からなるＡｌ層と、このＡｌ層の一方の面に形成され前記金属部材からなる金属部材層と、を有し、
    　前記Ａｌ層と前記金属部材層との接合部には、
    　前記金属部材層側に位置するＴｉ層と、
    　前記Ｔｉ層と前記Ａｌ層との間に位置し、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層と、が形成されており、
    　前記Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層は、
    　前記Ｔｉ層側に形成された第一Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層と、
    　前記Ａｌ層側に形成され前記第一Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層よりもＳｉ濃度が低い第二Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層と、を備えていることを特徴とするパワーモジュール用基板。
  4. 　前記絶縁層の他方の面に形成された金属層を備え、
    　前記金属層が請求項１又は請求項２に記載の接合体からなり、
    　前記金属層は、前記絶縁層の他方の面に形成され前記アルミニウム部材からなるＡｌ層と、このＡｌ層のうち前記絶縁層が形成された面と反対側の面に形成され前記金属部材からなる金属部材層と、を有し、
    　前記Ａｌ層と前記金属部材層との接合部には、
    　前記金属部材層側に位置するＴｉ層と、
    　前記Ｔｉ層と前記Ａｌ層との間に位置し、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層と、が形成されており、
    　前記Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層は、
    　前記Ｔｉ層側に形成された第一Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層と、
    　前記Ａｌ層側に形成され前記第一Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層よりもＳｉ濃度が低い第二Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層と、を備えていることを特徴とする請求項３に記載のパワーモジュール用基板。
  5. 　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、を備えたパワーモジュール用基板であって、
    　前記金属層は請求項１又は請求項２に記載の接合体からなり、
    　前記アルミニウム部材からなるＡｌ層と前記金属部材からなる金属部材層との接合部には、
    　前記金属部材層側に位置するＴｉ層と、
    　前記Ｔｉ層と前記Ａｌ層との間に位置し、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層と、が形成されており、
    　前記Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層は、
    　前記Ｔｉ層側に形成された第一Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層と、
    　前記Ａｌ層側に形成され前記第一Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層よりもＳｉ濃度が低い第二Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層と、を備えていることを特徴とするパワーモジュール用基板。
  6. 　請求項３から請求項５のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板と、前記金属層に接合されたヒートシンクと、を備え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。
  7. 　前記金属層と前記ヒートシンクとがはんだ層を介して接合されていることを特徴とする請求項６に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
  8. 　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、この金属層に接合されたヒートシンクと、を備え、
    　前記金属層と前記ヒートシンクとが請求項１又は請求項２に記載の接合体からなり、
    　前記金属層及び前記ヒートシンクの接合面の一方がアルミニウムで構成され、
    　前記金属層及び前記ヒートシンクの接合面の他方が銅、ニッケル、又は銀で構成され、
    　前記金属層と前記ヒートシンクとの接合部には、
    　前記接合面が銅、ニッケル、又は銀からなる前記金属層又は前記ヒートシンク側に位置するＴｉ層と、
    　前記接合面がアルミニウムからなる前記金属層又は前記ヒートシンクと、前記Ｔｉ層との間に位置し、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層と、が形成されており、
    　前記Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層は、
    　前記Ｔｉ層側に形成された第一Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層と、
    　前記接合面がアルミニウムからなる前記金属層又は前記ヒートシンク側に形成され前記第一Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層よりもＳｉ濃度が低い第二Ａｌ－Ｔｉ－Ｓｉ層と、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。
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