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WO2018168476A1 - 接合体の製造方法、絶縁回路基板の製造方法、及び、ヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法 - Google Patents

接合体の製造方法、絶縁回路基板の製造方法、及び、ヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法 Download PDF

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WO2018168476A1
WO2018168476A1 PCT/JP2018/007598 JP2018007598W WO2018168476A1 WO 2018168476 A1 WO2018168476 A1 WO 2018168476A1 JP 2018007598 W JP2018007598 W JP 2018007598W WO 2018168476 A1 WO2018168476 A1 WO 2018168476A1
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WO
WIPO (PCT)
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bonding
circuit board
temperature
heat sink
manufacturing
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/JP2018/007598
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English (en)
French (fr)
Inventor
遼平 湯本
長友　義幸
宗太郎 大井
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 to US16/491,028 priority patent/US11478868B2/en
Priority to KR1020197024709A priority patent/KR102401410B1/ko
Priority to EP18767708.3A priority patent/EP3597341B1/en
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    • H01L2224/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/321—Disposition
    • H01L2224/32151—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/32221—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/32225—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation

Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a joined body in which a first member and a second member are joined, a method for manufacturing an insulating circuit board to which the method for manufacturing the joined body is applied, and a method for manufacturing an insulating circuit board with a heat sink.
  • This application claims priority on March 17, 2017 based on Japanese Patent Application No. 2017-053689 filed in Japan, the contents of which are incorporated herein by reference.
  • the power module, the LED module, and the thermoelectric module have a structure in which a power semiconductor element, an LED element, and a thermoelectric element are bonded to an insulating circuit board in which a circuit layer made of a conductive material is formed on one surface of the insulating layer.
  • a metal plate having excellent conductivity is bonded to one surface of the insulating layer to form a circuit layer, and a metal plate having excellent heat dissipation is bonded to the other surface to form a metal layer.
  • Structures are also provided.
  • As the circuit layer and the metal layer a laminated plate in which different kinds of metals are laminated may be used.
  • an insulating circuit board with a heat sink is also provided in which a heat sink is joined to the other surface side of the insulating layer.
  • Patent Document 1 an insulating circuit board in which a circuit layer made of an aluminum plate is formed on one surface of a ceramic substrate and a metal layer made of an aluminum plate is formed on the other surface, and a solder is formed on the circuit layer.
  • a power module including a semiconductor element bonded via a material is disclosed.
  • Patent Document 1 also discloses an insulated circuit board with a heat sink including an insulated circuit board and a heat sink.
  • Patent Document 2 proposes an insulated circuit board in which a circuit layer is formed by bonding an aluminum plate to one surface of a ceramic substrate and solid-phase diffusion bonding a copper plate to the aluminum plate.
  • Patent Document 3 a conductive circuit layer is formed on one surface of a ceramic substrate, a heat radiator is bonded to the other surface of the insulating substrate, and a light emitting element is mounted on the circuit layer.
  • An LED module is disclosed.
  • Patent Document 4 discloses a power module substrate with a heat sink in which one of the metal layer and the heat sink of the power module substrate is made of aluminum or an aluminum alloy, and the other of the metal layer and the heat sink is made of copper or a copper alloy. Disclosed is a solid phase diffusion bonding of a layer and a heat sink.
  • Patent Documents 5 to 7 describe organic substances such as polyethylene glycol between the members to be joined.
  • a method is disclosed in which the members are joined together by pressurizing and heating the members in the laminating direction in a state where the members are aligned and temporarily fixed using the temporary fixing material included.
  • the present invention provides a method for producing a joined body capable of sufficiently discharging decomposition gas generated from an organic substance of a temporary fixing material at the time of joining from a joining interface, and capable of stably joining members to each other.
  • An insulating circuit board manufacturing method to which the manufacturing method is applied and a manufacturing method of an insulating circuit board with a heat sink are provided.
  • the manufacturing method of the joined body of the present invention is a manufacturing method of a joined body in which the first member and the second member are joined, and at least one of the joined surface of the first member and the joined surface of the second member,
  • the laminated body which arrange
  • the heating process for heating the laminate to a predetermined bonding temperature heating temperature during joining
  • the pressure is set lower than the pressurizing load P1 at the bonding temperature.
  • the heating process for heating the laminate to a predetermined bonding temperature, the applied load P2 in decomposition temperature T D of the organic material containing at least the temporary fixing material Since the pressure is set lower than the pressurization load P1 at the joining temperature, the first member and the second member are not strongly pressed when the organic matter of the temporary fixing material is decomposed to generate decomposition gas, and therefore the decomposition gas The decomposition gas can be quickly discharged from the bonding interface without being disturbed.
  • the pressurized load P1 at the bonding temperature can be set high after sufficiently discharging the decomposition gas from the interface to be bonded, the first member and the second member are not affected by the decomposition gas remaining at the interface. Can be reliably joined.
  • the decomposition temperature of the organic substance having the highest decomposition temperature is defined as “decomposition temperature T D of the organic substances contained in the temporary fixing material” in this specification.
  • the pressure load P2 is the decomposition temperature of the organic material in which the temporary fixing material contained in the case of a T D, it is preferable that the applied load in the degradation temperature range of T D -10 ° C. or higher T D + 10 ° C. .
  • the average pressure load is used.
  • the pressure load P2 in the decomposition temperature region of T D ⁇ 10 ° C. or higher and T D + 10 ° C. with respect to the decomposition temperature T D of the organic substance contained in the temporary fixing material is greater than the pressure load P1 at the bonding temperature.
  • the decomposition gas can be reliably discharged quickly from the bonding interface.
  • the pressure load P2 is preferably in the range of 0.1 MPa to 0.7 MPa.
  • the applied load P2 in decomposition temperature T D of the organic material containing at least the temporary fixing member is set relatively low in a range of 0.1MPa or more 0.7MPa or less, decomposition gases at the interface
  • the decomposition gas can be quickly and sufficiently discharged from the bonding interface without being trapped and hindered from being discharged, and the risk of the decomposition gas remaining at the bonding interface and causing defective bonding can be reduced.
  • a method for manufacturing an insulating circuit board according to the present invention is a method for manufacturing an insulating circuit board comprising an insulating layer and a metal plate bonded to at least one surface of the insulating layer, the method for manufacturing the above-described joined body.
  • the insulating layer as the first member and the metal plate as the second member are joined.
  • the insulating layer and the metal plate are bonded by the above-described manufacturing method of the joined body, the decomposition gas of the organic matter contained in the temporary fixing material is efficiently removed from the bonding interface between the insulating layer and the metal plate. Therefore, the insulating layer and the metal plate can be joined well.
  • An insulating circuit board manufacturing method of the present invention is an insulating circuit board manufacturing method comprising an insulating layer and a metal plate bonded to at least one surface of the insulating layer, wherein the metal plate includes: 1 metal plate and the 1st metal plate are made into the laminated board of the 2nd metal plate comprised with the material which is different, The said 1st metal plate as said 1st member by the manufacturing method of the above-mentioned joined body And the second metal plate as the second member.
  • the first metal plate and the second metal plate are joined by the above-described joined body manufacturing method, so that the organic metal decomposition gas contained in the temporary fixing material is removed from the first metal plate and the second metal plate.
  • the metal plate can be efficiently discharged from the joining interface, and the first metal plate and the second metal plate can be satisfactorily joined.
  • the method for manufacturing an insulating circuit board with a heat sink includes an insulating circuit board including an insulating layer and a metal plate bonded to at least one surface of the insulating layer, and the other surface side of the insulating layer.
  • a method of manufacturing an insulated circuit board with a heat sink comprising a heat sink, wherein the insulated circuit board as the first member and the heat sink as the second member are joined by the above-described joined body manufacturing method. To do.
  • the organic decomposition gas contained in the temporary fixing material is efficiently removed from the bonding interface between the insulating circuit board and the heat sink.
  • the insulating circuit board and the heat sink can be satisfactorily bonded.
  • the decomposition gas of the organic matter of the temporary fixing material at the time of bonding can be sufficiently discharged from the bonding interface, and the members can be bonded stably.
  • FIG. 1 shows a power module 1 manufactured according to an embodiment of the present invention.
  • the power module 1 includes an insulating circuit board 30 with a heat sink, and a semiconductor element 3 bonded to one side (the upper side in FIG. 1) of the insulating circuit board 30 with a heat sink via a solder layer 2.
  • the insulated circuit board 30 with a heat sink includes an insulated circuit board 10 and a heat sink 31 bonded to the other side (lower side in FIG. 1) of the insulated circuit board 10.
  • the insulated circuit board 10 and the insulated circuit board 30 with the heat sink are each manufactured according to an embodiment of the present invention.
  • the solder layer 2 is, for example, a Sn—Ag, Sn—Cu, Sn—In, or Sn—Ag—Cu solder material (so-called lead-free solder material).
  • the semiconductor element 3 is an electronic component including a semiconductor, and various semiconductor elements are selected according to the required function.
  • the insulating circuit board 10 includes a flat ceramic substrate 11 serving as an insulating layer, and a flat circuit layer 12 disposed on one surface (the upper surface in FIG. 1) of the ceramic substrate 11. And a flat metal layer 13 formed on the other surface (lower surface in FIG. 1) of the ceramic substrate 11.
  • the planar dimensions of the circuit layer 12 and the metal layer 13 are smaller than the ceramic substrate 11 in order to ensure insulation.
  • These planar shapes may be formed in any shape such as a rectangular shape depending on the application.
  • the ceramic substrate 11 prevents electrical connection between the circuit layer 12 and the metal layer 13, and is not limited, but is made of, for example, highly insulating AlN (aluminum nitride).
  • the thickness of the ceramic substrate 11 may be set within a range of 0.2 mm to 1.5 mm, and may be set to 0.635 mm, for example.
  • the circuit layer 12 is formed by joining a metal plate having high conductivity such as aluminum, aluminum alloy, copper, or copper alloy to one surface (the upper surface in FIG. 1) of the ceramic substrate 11.
  • the thickness t1 of the circuit layer 12 may be set within a range of 0.1 mm to 1.0 mm.
  • the circuit layer 12 includes an aluminum plate 22 made of a rolled plate of aluminum (hereinafter referred to as 2N aluminum) having a purity of 99.00% by mass or more and less than 99.50% by mass. It is formed by bonding to the surface.
  • the thickness t1 of the aluminum plate 22 is not limited, but is, for example, 0.6 mm.
  • the metal layer 13 is formed by joining a metal plate such as aluminum, an aluminum alloy, copper, or a copper alloy to the other surface (the lower surface in FIG. 1) of the ceramic substrate 11.
  • the thickness t2 of the metal layer 13 may be set within a range of 0.6 mm or greater and 6.0 mm or less.
  • the metal layer 13 is preferably formed by joining an aluminum plate 23 made of a rolled plate of aluminum (hereinafter, 4N aluminum) having a purity of 99.99 mass% or more to the other surface of the ceramic substrate 11.
  • 4N aluminum a rolled plate of aluminum having a purity of 99.99 mass% or more to the other surface of the ceramic substrate 11.
  • the thickness t2 of the aluminum plate 23 is not limited, but may be 1.6 mm, for example.
  • the heat sink 31 dissipates heat on the insulated circuit board 10 side.
  • the heat sink 31 is made of copper or a copper alloy having good thermal conductivity, and may be made of oxygen-free copper in the present embodiment.
  • the thickness of the heat sink 31 may be set within a range of 3 mm or more and 10 mm or less.
  • the metal layer 13 of the insulated circuit board 10 and the heat sink 31 are joined by solid phase diffusion bonding.
  • the metal plate 22 is bonded to one surface of the ceramic substrate 11 to form the circuit layer 12, and the metal plate 23 is bonded to the other surface of the ceramic substrate 11 to connect the metal layer 13. Is formed (metal plate joining step S01).
  • aluminum plates 22 and 23 made of aluminum (2N—Al) having a purity of 99% by mass or more may be used as the metal plates 22 and 23.
  • a foil-like Al—Si brazing material 26 is interposed on one surface of the ceramic substrate 11, and the metal plate 22 to be the circuit layer 12 is laminated. .
  • the planar shape of the brazing material 26 may coincide with the bottom shape of the metal plate 22 or may be slightly smaller.
  • a metal plate 23 to be the metal layer 13 is laminated on the other surface of the ceramic substrate 11 with a foil-like Al—Si brazing material 27 interposed therebetween.
  • the planar shape of the brazing material 27 may be the same as or slightly smaller than the bottom surface shape of the metal plate 23.
  • Al—Si based brazing materials 26 and 27 it is preferable to use those having a Si concentration in the range of 1% by mass to 12% by mass.
  • the thicknesses of the Al—Si brazing materials 26 and 27 are preferably in the range of 5 ⁇ m to 15 ⁇ m.
  • the temporary fixing material 40 is disposed on the bonding surface of the metal plate 22, the bonding surface of the metal plate 23, and the bonding surface of the ceramic substrate 11, and the metal plate 22, the brazing material 26, the ceramic substrate 11, and the brazing material 27.
  • the metal plates 23 are positioned with respect to each other and temporarily fixed.
  • the arrangement of the temporary fixing material 40 is not limited.
  • a linear or belt-like shape is used by using a dispenser or the like at a position away from the outer peripheral edges of the metal plate 22 and the metal plate 23 by a certain distance. It may be applied to the surface, or may be attached to a plurality of dots.
  • the temporary fixing material 40 may be applied to a part of the joint surface, the pattern-like portion, or the entire surface by screen printing.
  • the adhesion amount of the temporary fixing material 40 is preferably as small as possible within a range in which no deviation occurs in the interface temporarily fixed during the subsequent work.
  • the temporary fixing material 40 may be, for example, a kneaded product of a resin and a solvent.
  • a resin ethyl cellulose, methyl cellulose, polymethyl methacrylate, acrylic resin, styrene resin, ester resin, phenol resin, urethane resin, melamine resin, urea resin, epoxy resin, xylene resin, alkyd resin, aliphatic hydrocarbon
  • examples thereof include a resin, a butyral resin, a mylen resin, a fumaric acid resin, and one or a mixture of two or more thereof.
  • the solvent examples include methyl cellosolve, ethyl cellosolve, ⁇ -terpineol, toluene, texanol, triethyl citrate, and one or a mixture of two or more thereof.
  • the solvent evaporates after application, and the temporary fixing effect is obtained by the remaining resin.
  • polyethylene glycol (PEG) can also be used. Since polyethylene glycol (PEG) has different melting temperatures depending on the average weight molecular weight, when using solid PEG at room temperature (25 ° C), each member is laminated after heating and melting when temporarily fixing. After positioning, it is good to cool and solidify and temporarily fix.
  • saturated fatty acids such as lauric acid, myristic acid, palmitic acid, stearic acid, and one or a mixture of two or more thereof can also be used. Since such saturated fatty acids are usually solid at room temperature (25 ° C.), they can be used in the same manner as in the case of using the solid PEG at room temperature (25 ° C.).
  • a laminated body of the metal plate 22, the brazing material 26, the ceramic substrate 11, the brazing material 27, and the metal plate 23 temporarily fixed to each other is put into a vacuum heating furnace in a state where the laminated body is pressurized in a laminating direction using a pressurizing device. Charge and heat in a vacuum furnace. As a result, the metal plate 22 and the ceramic substrate 11 are joined to form the circuit layer 12, and the metal plate 23 and the ceramic substrate 11 are joined to form the metal layer 13.
  • the joining conditions in the metal plate joining step S01 are preferably a vacuum degree in a range of 10 ⁇ 6 Pa to 10 ⁇ 3 Pa, a joining temperature in a range of 560 ° C. to 655 ° C., and a holding time at the joining temperature. Is set within the range of 10 minutes to 45 minutes.
  • the decomposition temperature of the organic substance contained in the temporary fixing material 40 is T D in the temperature raising process of heating the above-described laminated body to the joining temperature, T D ⁇ 10 ° C. or higher T D +10
  • the pressure load P2 in the decomposition temperature region of ° C. is set lower than the pressure load P1 at the bonding temperature. That is, in this way, based on the decomposition temperature T D of the organic material of the temporary stopper member 40 which is disposed on the ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23, defines the applied load P2.
  • Decomposition temperature T D of the organic matter tacking member 40 contains, using thermogravimetric differential thermal analyzer (TG-DTA), in an inert gas (Ar) atmosphere temporary fixing member 40 of 10 ° C. / min temperature Heat at a temperature rate to the temperature at which the weight loss rate of the organic matter reaches 95% or more.
  • TG-DTA thermogravimetric differential thermal analyzer
  • Ar inert gas
  • the applied load P1 at the bonding temperature of the laminate described above preferably in the range of more than 0.8 MPa 3.5 MPa or less (8 kgf / cm 2 or more 35 kgf / cm 2 or less).
  • the pressure load P2 in the decomposition temperature region of T D ⁇ 10 ° C. or higher and T D + 10 ° C. is preferably 0.1 MPa or higher and 0.7 MPa or lower (1 kgf / cm 2 or higher and 7 kgf / set within a range of cm 2 or less).
  • the ratio P1 / P2 between the pressurization load P1 at the joining temperature and the pressurization load P2 in the decomposition temperature region of T D ⁇ 10 ° C. or more and T D + 10 ° C. is within the range of 1.1 or more and 35.0 or less. It is preferable that
  • the lower limit of the pressure load P1 is preferably 0.8 MPa or more (8 kgf / cm 2 or more), and more preferably 1.2 MPa or more (12 kgf / cm 2 or more).
  • the upper limit of the pressure load P1 is preferably 3.5 MPa or less (35 kgf / cm 2 or less), more preferably 2.8 MPa or less (28 kgf / cm 2 or less).
  • the lower limit of the bonding temperature is preferably 560 ° C. or higher, and more preferably 610 ° C. or higher.
  • the upper limit of the bonding temperature is preferably 655 ° C. or less, and more preferably 650 ° C. or less.
  • the lower limit of the holding time at the bonding temperature is preferably 10 minutes or more, and more preferably 15 minutes or more.
  • the upper limit of the holding time at the bonding temperature is preferably 45 minutes or less, and more preferably 30 minutes or less.
  • a heat sink 31 is laminated on the other side (lower side in FIG. 4) of the metal layer 13 of the insulating circuit substrate 10.
  • the heat sink laminate in which the insulating circuit board 10 and the heat sink 31 are laminated is placed in a vacuum heating furnace in a state of being pressurized in the laminating direction using a pressurizing device, and bonded below the eutectic temperature between aluminum and copper.
  • the metal layer 13 and the heat sink 31 are solid phase diffusion bonded (heat sink bonding step S02).
  • the temporary fixing material 40 is disposed on the bonding surface of the metal layer 13 and the bonding surface of the heat sink 31, and the metal layer 13 and the heat sink 31 are positioned and temporarily fixed.
  • the temporary fixing material 40 used in the metal plate bonding step S01 described above can be applied to the temporary fixing material 40 used in the heat sink bonding step S02.
  • the heat sink laminate in which the insulating circuit board 10 and the heat sink 31 are laminated is placed in a vacuum heating furnace while being pressurized in the lamination direction using a pressurizing apparatus, and the metal layer 13 and the heat sink 31 are solid-phased. Diffusion bonding is performed.
  • the bonding conditions in the heat sink bonding step S02 are preferably a vacuum condition in the range of 10 ⁇ 6 Pa to 10 ⁇ 3 Pa, a bonding temperature in the range of 440 ° C. to 548 ° C., and a holding time of 30 at the bonding temperature. It is set within a range of not less than 150 minutes.
  • the pressure load P12 in the decomposition temperature region of T D ⁇ 10 ° C. or higher and T D + 10 ° C. is changed to the pressure load P11 at the bonding temperature.
  • T D decomposition temperature
  • the pressure load P12 in the decomposition temperature region of T D ⁇ 10 ° C. or higher and T D + 10 ° C. is 0.1 MPa or higher and 0.7 MPa or lower (1 kgf / cm 2 or higher and 7 kgf / cm 2 or lower. ).
  • the ratio P11 / P12 of the pressurization load P11 at the joining temperature and the pressurization load P12 in the decomposition temperature region of T D ⁇ 10 ° C. or more and T D + 10 ° C. in the temperature rising process is in the range of 1.1 or more and 35.0 or less. It is preferable to be within.
  • the lower limit of the pressure load P11 is preferably 0.8 MPa or more (8 kgf / cm 2 or more), and more preferably 1.2 MPa or more (12 kgf / cm 2 or less).
  • the upper limit of the pressure load P11 is preferably 3.5 MPa or less (35 kgf / cm 2 or less), more preferably 2.8 MPa or less (28 kgf / cm 2 or less).
  • the lower limit of the bonding temperature is preferably 440 ° C. or higher, and more preferably 500 ° C. or higher.
  • the upper limit of the bonding temperature is preferably 548 ° C. or less, and more preferably 530 ° C. or less.
  • the lower limit of the holding time at the bonding temperature is preferably 30 minutes or more, and more preferably 60 minutes or more.
  • the upper limit of the holding time at the bonding temperature is preferably 150 minutes or less, and more preferably 120 minutes or less.
  • the insulated circuit board 30 with the heat sink according to the present embodiment is manufactured.
  • the semiconductor element 3 is stacked on one surface of the circuit layer 12 via a solder material, and solder-bonded in a heating furnace (semiconductor element bonding step S03).
  • the power module 1 according to the present embodiment is manufactured.
  • the metal plate bonding step S01 the heating process of heating the laminate to a bonding temperature, the decomposition temperature of the organic material temporary fixing member 40 contains was T D
  • the pressing load P2 in the decomposition temperature region of T D ⁇ 10 ° C. or higher and T D + 10 ° C. is set lower than the pressing load P1 at the bonding temperature, the organic matter of the temporary fixing material 40 is decomposed.
  • the decomposition gas is generated, the metal plates 22 and 23 and the ceramic substrate 11 are not strongly pressed, and the decomposition gas is quickly trapped without being confined at the bonding interface between the metal plates 22 and 23 and the ceramic substrate 11. Can be discharged.
  • the temperature is increased to the bonding temperature and the applied pressure is increased to the pressurized load P1, so that the decomposition gas remaining on the interface does not adversely affect the metal plates 22 and 23 and the ceramic substrate 11. Can be reliably bonded, and the insulated circuit board 10 having excellent bonding reliability can be manufactured.
  • the pressure load P2 in the decomposition temperature region of T D ⁇ 10 ° C. or higher and T D + 10 ° C. is within the range of 0.1 MPa or higher and 0.7 MPa or lower (1 kgf / cm 2 or higher and 7 kgf / cm 2 or lower)
  • the decomposition gas of the organic substance contained in the stopper 40 can be reliably discharged from the bonding interface, and the occurrence of bonding failure due to the remaining decomposition gas can be reliably suppressed.
  • the pressure load P1 at the bonding temperature was set within a range of 0.8MPa or more 3.5MPa or less (8 kgf / cm 2 or more 35 kgf / cm 2 or less), the ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23 Can be joined firmly.
  • the pressure in the decomposition temperature region of the decomposition temperature T D ⁇ 10 ° C. or higher and T D + 10 ° C. of the organic matter contained in the temporary fixing material 40 Since the load P12 is set lower than the pressurization load P11 at the joining temperature, the metal layer 13 and the heat sink 31 are not strongly pressed at the time when the organic matter of the temporary fixing material 40 is decomposed and decomposition gas is generated. Therefore, the decomposition gas can be quickly discharged from the bonding interface between the metal layer 13 and the heat sink 31.
  • the pressure load P11 at the bonding temperature can be set high after removing the decomposition gas. Therefore, the metal layer 13 and the heat sink 31 can be reliably bonded, and the insulated circuit board 30 with a heat sink excellent in bonding reliability can be manufactured.
  • the pressure load P12 in the decomposition temperature region of T D ⁇ 10 ° C. or higher and T D + 10 ° C. with respect to the decomposition temperature T D of the organic matter contained in the temporary fixing material 40 in the temperature raising process up to the bonding temperature is 0.1 MPa or higher.
  • the decomposition gas of the organic matter contained in the temporary fixing material 40 can be reliably discharged from the bonding interface, and the bonding due to the remaining decomposition gas The occurrence of defects can be reliably suppressed.
  • Pressure load P11 to 0.8MPa or more at the bonding temperature, when set in the range of 3.5MPa or less (8 kgf / cm 2 or more 35 kgf / cm 2 or less), firmly bonded to the metal layer 13 and the heat sink 31 it can.
  • the insulating circuit board 110 includes a ceramic substrate 11 (insulating layer), a circuit layer 112 formed on one surface of the ceramic substrate 11 (upper surface in FIG. 5), and the other of the ceramic substrate 11. And a metal layer 113 formed on the surface (the lower surface in FIG. 5).
  • the metal layer 113 is formed by joining a metal plate 123 to the other surface (the lower surface in FIG. 5) of the ceramic substrate 11.
  • the metal plate 123 is an aluminum plate made of aluminum or an aluminum alloy.
  • the circuit layer 112 includes an aluminum layer 112A disposed on one surface of the ceramic substrate 11, and a copper layer 112B laminated on one side (the upper side in FIG. 5) of the aluminum layer 112A. Have.
  • the aluminum layer 112 ⁇ / b> A is formed by bonding an aluminum plate 122 ⁇ / b> A to one surface of the ceramic substrate 11.
  • the aluminum layer 112A is formed by joining an aluminum plate 122A made of a rolled plate of aluminum (so-called 4N aluminum) having a purity of 99.99% by mass or more to the ceramic substrate 11.
  • Copper layer 112B is formed by being bonded to one side (upper side in FIG. 5) of aluminum layer 112A.
  • the copper layer 112B is formed by solid phase diffusion bonding of a copper plate 122B made of an oxygen-free copper rolled plate to the aluminum layer 112A.
  • an aluminum plate 122A is joined to one surface of the ceramic substrate 11 to form an aluminum layer 112A, and a metal plate (aluminum plate) 123 is joined to the other surface of the ceramic substrate 11. Then, the metal layer 113 is formed (aluminum plate joining step S101).
  • an aluminum plate 122A to be an aluminum layer 122A is laminated on one surface of the ceramic substrate 11 with an Al—Si brazing material 26 interposed therebetween, and the ceramic substrate is obtained.
  • a metal plate (aluminum plate) 123 to be the metal layer 13 is laminated with an Al—Si brazing material 27 interposed therebetween.
  • the temporary fixing material 40 is disposed on the bonding surface of the aluminum plate 122A, the bonding surface of the metal plate (aluminum plate) 123, and the bonding surface of the ceramic substrate 11, and the aluminum plate 122A, the brazing material 26, and ceramics.
  • the substrate 11, the brazing material 27, and the metal plate (aluminum plate) 123 are positioned and temporarily fixed.
  • the laminated body of the aluminum plate 122A, the brazing material 26, the ceramic substrate 11, the brazing material 27, and the metal plate (aluminum plate) 123 was charged into the vacuum heating furnace in a state where the laminated body was pressurized in the laminating direction using a pressurizing device. Then, the aluminum plate 122A and the ceramic substrate 11 are joined to form the aluminum layer 112A, and the metal plate (aluminum plate) 123 and the ceramic substrate 11 are joined to form the metal layer 113.
  • the joining conditions in the aluminum plate joining step S101 are preferably a vacuum condition in the range of 10 ⁇ 6 Pa to 10 ⁇ 3 Pa, a joining temperature in the range of 560 ° C. to 655 ° C., and a holding time at the joining temperature. It is set within a range from 10 minutes to 150 minutes.
  • the heating process of heating the laminate described above to the joining temperature, the T D -10 ° C. or higher T D + 10 ° C. relative to the decomposition temperature T D of the organic matter tacking member 40 contains decomposition
  • the pressure load P2 in the temperature region is set lower than the pressure load P1 at the bonding temperature.
  • the laminate is pressurized using a hot press apparatus.
  • the applied load P1 at the bonding temperature of the above laminated body 8 kgf / cm 2 or more 35 kgf / cm 2 or less.
  • the pressure load P2 in the decomposition temperature region of the decomposition temperature T D ⁇ 10 ° C. to T D + 10 ° C. of the organic matter contained in the temporary fixing material 40 in the temperature rising process up to the bonding temperature is 0.1 MPa to 0.7 MPa ( 1 kgf / cm 2 or more 7 kgf / cm 2 or less) is set within a range of.
  • Ratio P1 / P2 between the pressurization load P1 at the joining temperature and the pressurization load P2 in the decomposition temperature region T D ⁇ 10 ° C. or higher and T D + 10 ° C. Is preferably in the range of 1.1 to 35.0.
  • the lower limit of the pressure load P1 is preferably 0.8 MPa or more (8 kgf / cm 2 or more), and more preferably 1.2 MPa or more (12 kgf / cm 2 or more).
  • the upper limit of the pressure load P1 is preferably 3.5 MPa or less (35 kgf / cm 2 or less), more preferably 2.8 MPa or less (28 kgf / cm 2 or less).
  • the lower limit of the bonding temperature is preferably 440 ° C. or higher, and more preferably 500 ° C. or higher.
  • the upper limit of the bonding temperature is preferably 548 ° C. or less, and more preferably 530 ° C. or less.
  • the lower limit of the holding time at the bonding temperature is preferably 30 minutes or more, and more preferably 60 minutes or more.
  • the upper limit of the holding time at the bonding temperature is preferably 120 minutes or less.
  • a copper plate 122B is laminated on one side of the aluminum layer 112A, and the aluminum layer 112A and the copper plate are inserted into a vacuum heating furnace while being pressurized in the laminating direction using a pressure device.
  • 122B is solid phase diffusion bonded to form a circuit layer 112 in which an aluminum layer 112A and a copper layer 112B are stacked (copper plate bonding step S102).
  • the bonding conditions in the copper plate bonding step S102 are a vacuum condition in the range of 10 ⁇ 6 Pa to 10 ⁇ 3 Pa, a bonding temperature in the range of 440 ° C. to 548 ° C., and a holding time at the bonding temperature of 30 minutes to 150 It is set within the range of minutes.
  • the decomposition temperature of T D ⁇ 10 ° C. or more and T D + 10 ° C. with respect to the decomposition temperature T D of the organic matter contained in the temporary fixing material 40 The pressure load P22 in the region is set lower than the pressure load P21 at the bonding temperature.
  • the copper plate bonding step S102 set within a range of the applied load P21 at the bonding temperature higher than 0.8 MPa 3.5 MPa or less (8 kgf / cm 2 or more 35 kgf / cm 2 or less).
  • the pressure load P22 in the decomposition temperature region of the organic substance contained in the temporary fixing material 40 in the temperature raising process up to the bonding temperature T D ⁇ 10 ° C. or higher and T D + 10 ° C. is 0.1 MPa or higher and 0.7 MPa or lower ( 1 kgf / cm 2 or more 7 kgf / cm 2 or less) is set within the range of.
  • the ratio P21 / P22 between the pressurization load P21 at the joining temperature and the pressurization load P22 in the decomposition temperature region of T D ⁇ 10 ° C. or more and T D + 10 ° C. is within the range of 1.1 or more and 35.0 or less. Is preferred.
  • the lower limit of the pressure load P21 is preferably 0.8 MPa or more (8 kgf / cm 2 or more), and more preferably 1.2 MPa or more (12 kgf / cm 2 or more).
  • the upper limit of the pressure load P21 is preferably 3.5 MPa or less (35 kgf / cm 2 or less), more preferably 2.8 MPa or less (28 kgf / cm 2 or less).
  • the lower limit of the bonding temperature is preferably 440 ° C. or higher, and more preferably 500 ° C. or higher.
  • the upper limit of the bonding temperature is preferably 548 ° C. or less, and more preferably 530 ° C. or less.
  • the lower limit of the holding time at the bonding temperature is preferably 60 minutes or more.
  • the upper limit of the holding time at the bonding temperature is preferably 120 minutes or less.
  • the temporary fixing material is used in the temperature rising process in which the laminate is heated to the bonding temperature.
  • the pressure loads P2 and P22 in the decomposition temperature region of T D ⁇ 10 ° C. or higher and T D + 10 ° C. are set lower than the pressure loads P1 and P21 at the bonding temperature with respect to the decomposition temperature T D of the organic matter contained in 40.
  • the ceramic substrate 11 and the aluminum plate 122A, and the aluminum layer 112A and the copper plate 122B are not strongly pressed at the time when the organic matter of the temporary fixing material 40 is decomposed and a decomposition gas is generated. Gas can be discharged quickly.
  • the pressurizing loads P1 and P21 at the joining temperature can be set high. Therefore, the ceramic substrate 11 and the aluminum plate 122A, the aluminum layer 112A and the copper plate 122B can be reliably bonded, and the insulating circuit substrate 110 having excellent bonding reliability can be manufactured.
  • the pressure loads P2 and P22 in the decomposition temperature region of T D ⁇ 10 ° C. or more and T D + 10 ° C. are 0.1 MPa or more and 0.7 MPa or less (1 kgf / cm 2 or more and 7 kgf / cm 2 or less).
  • the temperature is set to be relatively low, the organic decomposition gas contained in the temporary fixing material 40 can be quickly discharged from the bonding interface, and the occurrence of bonding failure due to the remaining decomposition gas can be reliably suppressed.
  • the ceramic substrate 11 and the aluminum plate 122A, The aluminum layer 112A and the copper plate 122B can be firmly joined.
  • the power module is configured by mounting the power semiconductor element on the circuit layer of the insulating circuit board.
  • the LED module may be configured by mounting an LED element on an insulating circuit board, or the thermoelectric module may be configured by mounting a thermoelectric element on a circuit layer of the insulating circuit board.
  • the insulating layer is configured by a ceramic substrate.
  • the present invention is not limited to this, and the insulating layer may be configured by a resin or the like.
  • the ceramic substrate and the aluminum plate have been described as being bonded using a brazing material, but the present invention is not limited to this, and may be bonded by solid phase diffusion bonding. Bonding may be performed by a transient liquid phase bonding method (TLP) in which additional elements such as Cu and Si are fixed to the bonding surface and these additional elements are diffused to melt and solidify. The bonding interface may be bonded in a semi-molten state.
  • TLP transient liquid phase bonding method
  • the insulating circuit board (metal layer) and the heat sink are described as being bonded by solid phase diffusion bonding, but the present invention is not limited to this, and other bonding methods such as brazing and TLP are applied. May be.
  • the heat sink is described as being made of a copper heat sink, but the heat sink is not limited to this, and an aluminum or aluminum alloy (for example, A3003 alloy, A6063 alloy, etc.) plate, or a carbon made of SiC or the like. It may be composed of a carbonaceous composite material plate in which a porous material is impregnated with a metal, or may be provided with a flow path through which a cooling medium flows.
  • AlSiC impregnated with aluminum or an aluminum alloy can be suitably used.
  • an aluminum alloy for die casting such as A6063 alloy or ADC12 may be used.
  • an insulating circuit board with a heat sink 230 having a structure as shown in FIG. 8 can be provided. 8 an aluminum plate is bonded to one surface of the ceramic substrate 11 to form a circuit layer 212, and an aluminum plate is bonded to the other surface of the ceramic substrate 11 to form a metal layer 213. Is formed.
  • the heat sink 231 has a skin layer 231a made of an aluminum material impregnated with a SiC porous body.
  • a copper plate 250 is interposed between the insulating circuit board 210 and the heat sink 231, and the metal layer 213 and the copper plate 250 of the insulating circuit board 210 and the copper plate 250 and the skin layer 231 a of the heat sink 231 are bonded by solid phase diffusion bonding.
  • a substrate and a heat sink may be laminated, and this may be pressurized and heated in the laminating direction, and these may be joined in the same process.
  • an insulating plate in which an aluminum plate is bonded only to one surface of the ceramic substrate 11 to form a circuit layer 312 and no metal layer is formed on the other surface side of the ceramic substrate 11.
  • the substrate 310 may be the target.
  • one of the circuit layer 412 and the metal layer 413 may be made of an aluminum plate, and the other of the circuit layer 412 and the metal layer 413 may be an insulated circuit board 410 formed of another metal or the like. .
  • Example 1 A ceramic substrate made of AlN (40 mm ⁇ 40 mm ⁇ 0.635 mmt) was prepared, and an aluminum plate (37 mm ⁇ 37 mm ⁇ 0.4 mmt) made of a rolled material of aluminum or aluminum alloy described in Table 2 was provided on one surface of the ceramic substrate. An aluminum plate (37 mm ⁇ 37 mm ⁇ 0.4 mmt) made of a rolled material of aluminum or aluminum alloy described in Table 2 was laminated on the other surface of the ceramic substrate via the brazing material. As the brazing material, a brazing material foil (thickness 12 ⁇ m) made of an Al-7.5 mass% Si alloy was used.
  • the temporary fixing materials shown in Tables 1 and 2 were arranged on the bonding surface of the ceramic substrate and the aluminum plate, and the ceramic substrate, the aluminum plate, and the brazing material foil were positioned and temporarily fixed.
  • the temporary fixing material was applied by dissolving in a liquid organic solvent (selected as appropriate from various alcohols, N-methylpyrrolidone, toluene, and the like) at room temperature and discharging it with a dispenser.
  • a liquid organic solvent selected as appropriate from various alcohols, N-methylpyrrolidone, toluene, and the like
  • the laminated body was pressurized in the laminating direction using a pressure device (hot press) and heated to the joining temperature shown in Table 2 to join the ceramic substrate and the aluminum plate.
  • the degree of vacuum was 6.0 ⁇ 10 ⁇ 4 Pa.
  • T D the decomposition temperature of the organic substance contained in the temporary fixing material in the temperature raising process up to the bonding temperature
  • the pressure load from the start of heating to T D + 10 ° C. is set to a constant value P2
  • T D +10 The pressurizing load in the process of lowering the temperature after maintaining at the joining temperature beyond the temperature was set to a constant value P1. Table 2 shows these joining conditions.
  • Bondability is measured using an ultrasonic flaw detector (FineSAT 200, manufactured by Hitachi Power Solutions Co., Ltd.), and the bonding rate is calculated from the following formula. did.
  • the initial bonding area was the area to be bonded before bonding, that is, the area of the circuit layer of the insulated circuit board.
  • (Bonding rate) ⁇ (initial bonding area) ⁇ (peeling area) ⁇ / (initial bonding area)
  • the peeling is indicated by the white part in the joint, and therefore the area of the white part is defined as the peeling area.
  • a bonding rate of 90% or more was evaluated as bonding property “ ⁇ ”.
  • Example 2 A heat sink (50 mm ⁇ 60 mm ⁇ 5 mmt) made of oxygen-free copper was laminated on the metal layer of the insulated circuit board obtained in Example 1 of the present invention in Example 1.
  • temporary fixing materials shown in Tables 1 and 3 were arranged on the joint surface between the metal layer and the heat sink, and the metal layer and the heat sink were positioned and temporarily fixed.
  • the arrangement of the temporary fixing material was the same as in Example 1.
  • AlSiC and an aluminum alloy AlSiC and an aluminum alloy (A6063, A3003) are used as the material of the heat sink, they are laminated via a copper plate (37 mm ⁇ 37 mm ⁇ 0.2 mmt) between the insulating circuit board and the heat sink (AlSiC, A6063, A3003).
  • AlSiC, A6063, A3003 AlSiC, A6063, A3003
  • the laminated body was pressurized in the laminating direction using a pressure device (hot press) and heated to the joining temperature shown in Table 3 to join the ceramic substrate and the aluminum plate.
  • the degree of vacuum was 6.0 ⁇ 10 ⁇ 4 Pa.
  • the pressure load from the start of heating to T D + 10 ° C. is set to a constant value P12, and the pressure in the process of lowering the temperature after holding at the bonding temperature exceeds T D + 10 ° C.
  • the load was a constant value P11. Table 3 shows these joining conditions.
  • Bondability is the ultrasonic flaw detection image of the ultrasonic flaw detection image of the joint between the metal layer of the insulated circuit board with a heat sink and the heat sink (when AlSiC and aluminum alloy are used, the copper plate (copper layer) and the heat sink)). It was measured using HitachiSAT Power Solutions Co., Ltd. FineSAT 200), and the joining rate was calculated from the following equation.
  • the initial bonding area was the area to be bonded before bonding, that is, the area of the metal layer of the insulated circuit board with a heat sink.
  • the decomposition gas of the organic matter of the temporary fixing material at the time of bonding can be sufficiently discharged from the bonding interface, and the members can be bonded stably, so that industrial use is possible.

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Abstract

この接合体の製造方法は、第１部材（１１）の接合面及び第２部材（２２、２３）の接合面の少なくとも一方に、有機物を含有する仮止め材（４０）を配設し、仮止め材（４０）を介して前記第１部材（１１）と前記第２部材（２２、２３）とを積層して前記第１部材と前記第２部材の位置合わせを行い、前記第１部材（１１）と前記第２部材とを仮止めした積層体を形成する積層工程と、前記積層体を積層方向に加圧して加熱し、前記第１部材（１１）と前記第２部材（２２、２３）とを接合する接合工程とを備える。前記接合工程では、前記積層体を所定の接合温度にまで加熱する昇温過程において、少なくとも前記仮止め材（４０）が含有する前記有機物の分解温度ＴＤにおける加圧荷重Ｐ２を、前記接合温度における加圧荷重Ｐ１よりも低く設定する。

Description

接合体の製造方法、絶縁回路基板の製造方法、及び、ヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法
　本発明は、第１部材と第２部材が接合されてなる接合体の製造方法、及び、この接合体の製造方法を適用した絶縁回路基板の製造方法、及び、ヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法に関する。
　本願は、２０１７年３月１７日に、日本で出願された特願２０１７－０５３６８９号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　パワーモジュール、ＬＥＤモジュール及び熱電モジュールは、絶縁層の一方の面に導電材料からなる回路層を形成した絶縁回路基板に、パワー半導体素子、ＬＥＤ素子及び熱電素子が接合された構造を有する。
　上述の絶縁回路基板としては、絶縁層の一方の面に導電性に優れた金属板を接合して回路層とし、他方の面に放熱性に優れた金属板を接合して金属層を形成した構造のものも提供されている。回路層や金属層として、異種金属同士を積層した積層板が用いられることもある。
　回路層に搭載した素子等で発生した熱を効率的に放散させるために、絶縁層の他方の面側にヒートシンクを接合したヒートシンク付き絶縁回路基板も提供されている。
　例えば、特許文献１には、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム板からなる回路層が形成され、他方の面にアルミニウム板からなる金属層が形成された絶縁回路基板と、前記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パワーモジュールが開示されている。特許文献１には、絶縁回路基板とヒートシンクを備えたヒートシンク付き絶縁回路基板も開示されている。
　特許文献２には、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム板を接合し、前記アルミニウム板に銅板を固相拡散接合することにより、回路層を形成した絶縁回路基板が提案されている。
　特許文献３には、セラミックスからなる基材の一方の面に導電性の回路層が形成され、絶縁基板の他方の面に放熱体が接合され、回路層上に発光素子が搭載された構造のＬＥＤモジュールが開示されている。
　特許文献４には、パワーモジュール用基板の金属層及びヒートシンクの一方がアルミニウム又はアルミニウム合金で構成され、金属層及びヒートシンクの他方が銅又は銅合金で構成されたヒートシンク付パワーモジュール用基板において、金属層とヒートシンクとを固相拡散接合したものが開示されている。
　セラミックス基板と金属板、絶縁回路基板とヒートシンク、アルミニウム板と銅板等、部材同士を接合して接合体を得る方法として、特許文献５～７は、接合する部材の間にポリエチレングリコール等の有機物を含む仮止め材を用い、部材同士の位置合せをして仮止めした状態で、部材同士を積層方向に加圧して加熱することにより、部材同士を接合している方法を開示している。
特許第３１７１２３４号公報 特許第５４０３１２９号公報 特開２０１５－０７０１９９号公報 特開２０１４－０９９５９６号公報 特開２０１４－１７５４２５号公報 特開２０１４－２０９５９１号公報 特開２０１６－１０５４５２号公報
　ところで、上述のように仮止め材を用いて接合した際には、加熱により仮止め材の有機物が分解されて分解ガスが発生する。部材同士を積層方向に高い荷重で加圧した場合には、前記分解ガスが部材同士の接合界面から十分に排出されずに残存し、部材同士を十分に接合できなくなるといった問題があった。
　一方、部材同士を積層方向に加圧する際の荷重を低く設定した場合には、部材同士の接合強度が不足するおそれがあった。
　本発明は、接合時における仮止め材の有機物から発生する分解ガスを接合界面から十分に排出でき、部材同士を安定して接合することが可能な接合体の製造方法、及び、この接合体の製造方法を適用した絶縁回路基板の製造方法、ヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法を提供する。
　本発明の接合体の製造方法は、第１部材と第２部材が接合された接合体の製造方法であって、前記第１部材の接合面及び前記第２部材の接合面の少なくとも一方に、有機物を含有する仮止め材を配設し、前記仮止め材を介して前記第１部材と前記第２部材とを積層して、前記第１部材と前記第２部材とを仮止めした積層体を形成する積層工程と、前記積層体を積層方向に加圧して加熱し、前記第１部材と前記第２部材とを接合する接合工程とを備える。前記接合工程では、前記積層体を所定の接合温度（接合時の加熱温度）にまで加熱する昇温過程において、少なくとも前記仮止め材が含有する前記有機物の分解温度ＴＤにおける加圧荷重Ｐ２を、前記接合温度における加圧荷重Ｐ１よりも低く設定することを特徴としている。
　この方法によれば、前記接合工程では、前記積層体を所定の接合温度にまで加熱する昇温過程において、少なくとも前記仮止め材が含有する前記有機物の分解温度ＴＤにおける加圧荷重Ｐ２を、前記接合温度における加圧荷重Ｐ１よりも低く設定しているので、仮止め材の有機物が分解して分解ガスが発生する時点で第１部材及び第２部材が強く押圧されていないから、分解ガスの排出が阻害されることなく、分解ガスを接合界面から速やかに排出できる。一方、接合すべき界面から分解ガスを十分に排出した後に、接合温度における加圧荷重Ｐ１を高く設定できるから、界面に残存する分解ガスの影響を受けることなく、第１部材及び第２部材を確実に接合できる。
　仮止め材が複数種の有機物を含有している場合、分解温度が最も高い有機物の分解温度を、本明細書における「仮止め材が含有する前記有機物の分解温度ＴＤ」と定義する。
　前記加圧荷重Ｐ２は、前記仮止め材が含有する前記有機物の分解温度をＴＤとした場合に、ＴＤ－１０℃以上ＴＤ＋１０℃の分解温度領域における加圧荷重であることが好ましい。分解温度領域における加圧荷重が変動する場合には、平均加圧加重とする。この場合、前記仮止め材が含有する前記有機物の分解温度ＴＤに対してＴＤ－１０℃以上ＴＤ＋１０℃の分解温度領域における加圧荷重Ｐ２を、前記接合温度における加圧荷重Ｐ１よりも低く設定することで、確実に分解ガスを接合界面から速やかに排出できる。
　本発明の一態様の接合体の製造方法においては、前記加圧荷重Ｐ２が０．１ＭＰａ以上０．７ＭＰａ以下の範囲内であることが好ましい。この場合、少なくとも前記仮止め材が含有する前記有機物の分解温度ＴＤにおける加圧荷重Ｐ２が０．１ＭＰａ以上０．７ＭＰａ以下の範囲内と比較的低く設定されているので、分解ガスが界面に閉じ込められて排出が阻害されることなく、分解ガスを接合界面から速やかかつ十分に排出でき、接合界面に分解ガスが残存して接合不良を発生させるおそれを低減できる。
　本発明の絶縁回路基板の製造方法は、絶縁層と、前記絶縁層の少なくとも片方の面に接合された金属板とを備えた絶縁回路基板の製造方法であって、上述の接合体の製造方法によって、前記第１部材としての前記絶縁層と、前記第２部材としての前記金属板とを接合する。
　この方法によれば、上述の接合体の製造方法によって絶縁層と金属板とを接合しているので、仮止め材に含有された有機物の分解ガスを絶縁層と金属板との接合界面から効率的に排出でき、絶縁層と金属板とを良好に接合できる。
　本発明の絶縁回路基板の製造方法は、絶縁層と、前記絶縁層の少なくとも片方の面に接合された金属板と、を備えた絶縁回路基板の製造方法であって、前記金属板は、第１金属板と前記第１金属板とは異なる材質で構成された第２金属板との積層板とされており、上述の接合体の製造方法によって、前記第１部材としての前記第１金属板と前記第２部材としての前記第２金属板とを接合する。
　この方法によれば、上述の接合体の製造方法によって第１金属板と第２金属板とが接合されているので、仮止め材に含有された有機物の分解ガスを第１金属板と第２金属板との接合界面から効率的に排出でき、第１金属板と第２金属板とを良好に接合できる。
　本発明のヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法は、絶縁層と前記絶縁層の少なくとも片方の面に接合された金属板とを備えた絶縁回路基板と、前記絶縁層の他方の面側に配設されたヒートシンクとを備えたヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法であって、上述の接合体の製造方法によって、前記第１部材としての前記絶縁回路基板と前記第２部材としての前記ヒートシンクとを接合する。
　この方法によれば、上述の接合体の製造方法によって絶縁回路基板とヒートシンクとが接合されているので、仮止め材に含有された有機物の分解ガスを絶縁回路基板とヒートシンクとの接合界面から効率的に排出でき、絶縁回路基板とヒートシンクとを良好に接合できる。
　本発明によれば、接合時における仮止め材の有機物の分解ガスを接合界面から十分に排出でき、部材同士を安定して接合することが可能である。
本発明の一実施形態によって製造されたパワーモジュールの断面図である。 図１に示す絶縁回路基板の製造方法及びヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法を示すフロー図である。 図１に示す絶縁回路基板の製造方法を示す断面図である。 図１に示すヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法を示す断面図である。 本発明の第二の実施形態である絶縁回路基板の製造方法によって製造された絶縁回路基板の断面図である。 図５に示す絶縁回路基板の製造方法を示すフロー図である。 図５に示す絶縁回路基板の製造方法を示す断面図である。 本発明の他の実施形態であるヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法によって製造されたヒートシンク付き絶縁回路基板の断面図である。 本発明の他の実施形態である絶縁回路基板の製造方法によって製造された絶縁回路基板の断面図である。 本発明の他の実施形態である絶縁回路基板の製造方法によって製造された絶縁回路基板の断面図である。
　以下に、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
　図１は、本発明の一実施形態によって製造されたパワーモジュール１を示す。
　パワーモジュール１は、ヒートシンク付き絶縁回路基板３０と、ヒートシンク付き絶縁回路基板３０の一方側（図１の上側）に、はんだ層２を介して接合された半導体素子３を備えている。ヒートシンク付き絶縁回路基板３０は、絶縁回路基板１０と、絶縁回路基板１０の他方側（図１において下側）に接合されたヒートシンク３１とを備えている。絶縁回路基板１０およびヒートシンク付き絶縁回路基板３０がそれぞれ、本発明の一実施形態により製造されている。
　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）とされている。
　半導体素子３は、半導体を備えた電子部品であり、必要とされる機能に応じて種々の半導体素子が選択される。
　絶縁回路基板１０は、図１に示すように、絶縁層となる平板状のセラミックス基板１１と、セラミックス基板１１の一方の面（図１において上面）に配設された平板状の回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面（図１において下面）に形成された平板状の金属層１３とを備えている。この実施形態では、絶縁を確実にするため、セラミックス基板１１よりも、回路層１２および金属層１３の平面寸法が小さくされている。これらの平面形状は、用途に応じて矩形状などいかなる形状に形成されていてもよい。
　セラミックス基板１１は、回路層１２と金属層１３との間の電気的接続を防止するものであって、限定はされないが、例えば絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。セラミックス基板１１の厚さは、０．２ｍｍ以上１．５ｍｍ以下の範囲内に設定されていてもよく、例えば、０．６３５ｍｍに設定されていてもよい。
　回路層１２は、セラミックス基板１１の一方の面（図１において上面）に、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、または銅合金等の、高い導電性を有する金属板が接合されて形成されている。回路層１２の厚さｔ１は、０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されていてもよい。本実施形態においては、回路層１２は、好ましくは純度９９．００質量％以上９９．５０質量％未満のアルミニウム（以下、２Ｎアルミニウムという）の圧延板からなるアルミニウム板２２が、セラミックス基板１１の一方の面に接合されて形成されている。アルミニウム板２２の厚さｔ１は、限定はされないが、例えば０．６ｍｍとされている。
　金属層１３は、セラミックス基板１１の他方の面（図１において下面）に、アルミニウムやアルミニウム合金、銅や銅合金等の金属板が接合されて形成されている。金属層１３の厚さｔ２は、０．６ｍｍ以上６．０ｍｍ以下の範囲内に設定されていてもよい。本実施形態においては、金属層１３は、好ましくは純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（以下、４Ｎアルミニウム）の圧延板からなるアルミニウム板２３が、セラミックス基板１１の他方の面に接合されて形成されている。アルミニウム板２３の厚さｔ２は限定はされないが、例えば１．６ｍｍとされていてもよい。
　ヒートシンク３１は、絶縁回路基板１０側の熱を放散する。ヒートシンク３１は、熱伝導性が良好な銅又は銅合金で構成されており、本実施形態においては、無酸素銅で構成されていてもよい。ヒートシンク３１の厚さは、３ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲内に設定されていてもよい。
　本実施形態においては、絶縁回路基板１０の金属層１３とヒートシンク３１とが、固相拡散接合によって接合されている。
　次に、本実施形態である絶縁回路基板の製造方法、及び、ヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法について、図２～図４を用いて説明する。
　まず、図３で示すように、セラミックス基板１１の一方の面に金属板２２を接合して回路層１２を形成するとともに、セラミックス基板１１の他方の面に金属板２３を接合して金属層１３を形成する（金属板接合工程Ｓ０１）。
　本実施形態では、金属板２２，２３として、純度９９質量％以上のアルミニウム（２Ｎ－Ａｌ）からなるアルミニウム板２２，２３を用いてもよい。
　金属板接合工程Ｓ０１においては、図３に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に、箔状のＡｌ－Ｓｉ系のろう材２６を介在させ、回路層１２となる金属板２２を積層する。ろう材２６の平面形状は、金属板２２の底面形状と一致しているか、若干小さくてもよい。一方、セラミックス基板１１の他方の面に、箔状のＡｌ－Ｓｉ系のろう材２７を介在させ、金属層１３となる金属板２３を積層する。ろう材２７の平面形状は、金属板２３の底面形状と一致しているか、若干小さくてもよい。Ａｌ－Ｓｉ系のろう材２６，２７においては、Ｓｉ濃度が１質量％以上１２質量％以下の範囲内のものを用いることが好ましい。また、Ａｌ－Ｓｉ系のろう材２６，２７の厚さは、５μｍ以上１５μｍ以下の範囲内とすることが好ましい。
　このとき、金属板２２の接合面、金属板２３の接合面、及びセラミックス基板１１の接合面に、仮止め材４０が配設され、金属板２２、ろう材２６、セラミックス基板１１、ろう材２７、金属板２３が相互に位置決めされ、仮止めされる。
　仮止め材４０の配置は限定されないが、例えば、図３に示すように、金属板２２および金属板２３の外周縁よりも内側に一定距離離れた位置に、ディスペンサー等を用いて線状または帯状に塗布されてもよいし、あるいは、複数の点状に付着されてもよい。スクリーン印刷により仮止め材４０を接合面の一部分、パターン状部分、または全面に塗布してもよい。仮止め材４０の付着量は、以後の作業中に仮止めされた界面にずれが生じない範囲で、なるべく少ない量が好ましい。
　仮止め材４０は、例えば樹脂と溶剤の混練物であってもよい。この場合、前記樹脂としては、エチルセルロース、メチルセルロース、ポリメチルメタクリレート、アクリル樹脂、スチレン樹脂、エステル樹脂、フェノール樹脂、ウレタン樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、エポキシ樹脂、キシレン樹脂、アルキッド樹脂、脂肪族炭化水素樹脂、ブチラール樹脂、マイレン樹脂、フマル酸樹脂、およびそれらの１種または２種以上の混合物等が挙げられる。前記溶剤としては、メチルセルソルブ、エチルセルソルブ、α－テルピネオール、トルエン、テキサノール、トリエチルシトレート、およびそれらの１種または２種以上の混合物等が挙げられる。塗布後に溶剤は揮発し、残留した樹脂により仮止め効果が得られる。
　仮止め材４０としては、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）を用いることもできる。ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）は平均重量分子量によって、溶融温度が異なるため、室温（２５℃）において固体のＰＥＧを用いる場合には、仮止めする際に、加温し溶融させてから各部材を積層し、位置決めした後、冷却して固化させて仮止めするとよい。
　仮止め材４０としては、ラウリル酸、ミリスチル酸、パルミチン酸、ステアリン酸、およびそれらの１種または２種以上の混合物等の飽和脂肪酸を用いることもできる。このような飽和脂肪酸は、通常、室温（２５℃）において固体であるため、室温（２５℃）において前記固体のＰＥＧを用いる場合と同様に用いることができる。
　次いで、相互に仮止めされた金属板２２、ろう材２６、セラミックス基板１１、ろう材２７、金属板２３の積層体を、加圧装置を用いて積層方向に加圧した状態で真空加熱炉に装入し、真空加熱炉内で加熱する。これにより、金属板２２とセラミックス基板１１とを接合して回路層１２を形成し、金属板２３とセラミックス基板１１とを接合して金属層１３を形成する。
　金属板接合工程Ｓ０１における接合条件は、好ましくは、真空度が１０－６Ｐａ以上１０－３Ｐａ以下の範囲内、接合温度が５６０℃以上６５５℃以下の範囲内、上記接合温度での保持時間が１０分以上４５分以下の範囲内に設定される。
　金属板接合工程Ｓ０１では、上述の積層体を接合温度まで加熱する昇温過程において、仮止め材４０が含有する有機物の分解温度をＴＤとした場合に、ＴＤ－１０℃以上ＴＤ＋１０℃の分解温度領域における加圧荷重Ｐ２を、接合温度における加圧荷重Ｐ１よりも低く設定する。すなわち、この方法では、セラミックス基板１１と金属板２２，２３に配設した仮止め材４０の有機物の分解温度ＴＤを基準として、加圧荷重Ｐ２を規定する。
　仮止め材４０が含有する有機物の分解温度ＴＤは、熱重量示差熱分析装置（ＴＧ－ＤＴＡ）を用いて、不活性ガス（Ａｒ）雰囲気下で仮止め材４０を１０℃／分の昇温速度で加熱し、有機物の重量減少率が９５％以上となった時点の温度とする。上述のように、昇温過程、接合温度、降温過程において加圧荷重を制御するために、本実施形態においては、ホットプレス装置を用いて積層体を加圧することが好ましい。
　本実施形態では、上述の積層体の接合温度における加圧荷重Ｐ１を、好ましくは０．８ＭＰａ以上３．５ＭＰａ以下（８ｋｇｆ／ｃｍ２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ２以下）の範囲内に設定する。
　また、接合温度までの昇温過程において、ＴＤ－１０℃以上ＴＤ＋１０℃の分解温度領域における加圧荷重Ｐ２を、好ましくは０．１ＭＰａ以上０．７ＭＰａ以下（１ｋｇｆ／ｃｍ２以上７ｋｇｆ／ｃｍ２以下）の範囲内に設定する。
　これにより、接合温度における加圧荷重Ｐ１と、ＴＤ－１０℃以上ＴＤ＋１０℃の分解温度領域における加圧荷重Ｐ２との比Ｐ１／Ｐ２が、１．１以上３５．０以下の範囲内であることが好ましい。
　加圧荷重Ｐ１の下限は、０．８ＭＰａ以上（８ｋｇｆ／ｃｍ２以上）とすることが好ましく、１．２ＭＰａ以上（１２ｋｇｆ／ｃｍ２以上）とすることがさらに好ましい。加圧荷重Ｐ１の上限は３．５ＭＰａ以下（３５ｋｇｆ／ｃｍ２以下）とすることが好ましく、２．８ＭＰａ以下（２８ｋｇｆ／ｃｍ２以下）とすることがさらに好ましい。
　接合温度の下限は５６０℃以上とすることが好ましく、６１０℃以上とすることがさらに好ましい。接合温度の上限は６５５℃以下とすることが好ましく、６５０℃以下とすることがさらに好ましい。
　接合温度での保持時間の下限は１０分以上とすることが好ましく、１５分以上とすることがさらに好ましい。接合温度での保持時間の上限は４５分以下とすることが好ましく、３０分以下とすることがさらに好ましい。
　以上のような工程を経て、本実施形態である絶縁回路基板１０が製造される。
　次に、図４に示すように、絶縁回路基板１０の金属層１３の他方側（図４において下側）にヒートシンク３１を積層する。絶縁回路基板１０とヒートシンク３１とが積層されたヒートシンク積層体を、加圧装置を用いて積層方向に加圧した状態で真空加熱炉に装入し、アルミニウムと銅との共晶温度未満の接合温度で保持することにより、金属層１３とヒートシンク３１を固相拡散接合する（ヒートシンク接合工程Ｓ０２）。
　このとき、金属層１３の接合面、及び、ヒートシンク３１の接合面に、仮止め材４０が配設されており、金属層１３とヒートシンク３１とが位置決めされて仮止めされている。ヒートシンク接合工程Ｓ０２において使用される仮止め材４０は、上述した金属板接合工程Ｓ０１において使用される仮止め材４０を適用できる。
　次いで、絶縁回路基板１０とヒートシンク３１とが積層されたヒートシンク積層体を、加圧装置を用いて積層方向に加圧した状態で真空加熱炉に装入し、金属層１３とヒートシンク３１を固相拡散接合する。ヒートシンク接合工程Ｓ０２における接合条件は、好ましくは、真空条件は１０－６Ｐａ以上１０－３Ｐａ以下の範囲内、接合温度は４４０℃以上５４８℃以下の範囲内、接合温度での保持時間が３０分以上１５０分以下の範囲内に設定される。
　ヒートシンク接合工程Ｓ０２では、上述のヒートシンク積層体を接合温度まで加熱する昇温過程において、ＴＤ－１０℃以上ＴＤ＋１０℃の分解温度領域における加圧荷重Ｐ１２を、接合温度における加圧荷重Ｐ１１よりも低く設定する。すなわち、金属層１３とヒートシンク３１に配設した仮止め材４０の有機物の分解温度ＴＤを基準として加圧荷重Ｐ１２を規定する。上述のように、昇温過程、接合温度、降温過程において加圧荷重を制御するために、本実施形態においては、ホットプレス装置を用いてヒートシンク積層体を加圧することが好ましい。
　本実施形態では、上述のヒートシンク積層体の接合温度における加圧荷重Ｐ１１を０．８ＭＰａ以上３．５ＭＰａ以下（８ｋｇｆ／ｃｍ２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ２以下）の範囲内に設定する。
　また、接合温度までの昇温過程において、ＴＤ－１０℃以上ＴＤ＋１０℃の分解温度領域における加圧荷重Ｐ１２を０．１ＭＰａ以上０．７ＭＰａ以下（１ｋｇｆ／ｃｍ２以上７ｋｇｆ／ｃｍ２以下）の範囲内に設定する。
　接合温度における加圧荷重Ｐ１１と昇温過程において、ＴＤ－１０℃以上ＴＤ＋１０℃の分解温度領域における加圧荷重Ｐ１２との比Ｐ１１／Ｐ１２は、１．１以上３５．０以下の範囲内であることが好ましい。
　加圧荷重Ｐ１１の下限は０．８ＭＰａ以上（８ｋｇｆ／ｃｍ２以上）とすることが好ましく、１．２ＭＰａ以上（１２ｋｇｆ／ｃｍ２以下）とすることがさらに好ましい。加圧荷重Ｐ１１の上限は３．５ＭＰａ以下（３５ｋｇｆ／ｃｍ２以下）とすることが好ましく、２．８ＭＰａ以下（２８ｋｇｆ／ｃｍ２以下）とすることがさらに好ましい。
　接合温度の下限は４４０℃以上とすることが好ましく、５００℃以上とすることがさらに好ましい。接合温度の上限は５４８℃以下とすることが好ましく、５３０℃以下とすることがさらに好ましい。
　接合温度での保持時間の下限は３０分以上とすることが好ましく、６０分以上とすることがさらに好ましい。接合温度での保持時間の上限は１５０分以下とすることが好ましく、１２０分以下とすることがさらに好ましい。
　以上のような工程によって、本実施形態であるヒートシンク付き絶縁回路基板３０が製造される。
　次いで、回路層１２の一方の面に、はんだ材を介して半導体素子３を積層し、加熱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。
　以上のような絶縁回路基板の製造方法によれば、金属板接合工程Ｓ０１では、積層体を接合温度まで加熱する昇温過程において、仮止め材４０が含有する有機物の分解温度をＴＤとした場合に、ＴＤ－１０℃以上ＴＤ＋１０℃の分解温度領域における加圧荷重Ｐ２を、接合温度における加圧荷重Ｐ１よりも低く設定しているので、仮止め材４０の有機物が分解して分解ガスが発生する時点で金属板２２，２３とセラミックス基板１１が強く押圧されておらず、金属板２２，２３とセラミックス基板１１との接合界面に分解ガスが閉じ込められることなく、分解ガスを速やかに排出できる。また、分解ガスを除去した後に、接合温度まで温度を上げて加圧荷重Ｐ１まで加圧力を高めるので、界面に残留した分解ガスが悪影響を及ぼすことなく、金属板２２，２３とセラミックス基板１１とを確実に接合でき、接合信頼性に優れた絶縁回路基板１０を製造できる。
　ＴＤ－１０℃以上ＴＤ＋１０℃の分解温度領域における加圧荷重Ｐ２を０．１ＭＰａ以上０．７ＭＰａ以下（１ｋｇｆ／ｃｍ２以上７ｋｇｆ／ｃｍ２以下）の範囲内にした場合には、仮止め材４０が含有する有機物の分解ガスを接合界面から確実に排出でき、分解ガスの残存による接合不良の発生を確実に抑制できる。
　また、接合温度における加圧荷重Ｐ１を０．８ＭＰａ以上３．５ＭＰａ以下（８ｋｇｆ／ｃｍ２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ２以下）の範囲内に設定した場合には、セラミックス基板１１と金属板２２、２３とを強固に接合できる。
　また、ヒートシンク接合工程Ｓ０２では、ヒートシンク積層体を接合温度まで加熱する昇温過程において、仮止め材４０が含有する有機物の分解温度ＴＤ－１０℃以上ＴＤ＋１０℃の分解温度領域における加圧荷重Ｐ１２を、接合温度における加圧荷重Ｐ１１よりも低く設定しているので、仮止め材４０の有機物が分解して分解ガスが発生する時点で金属層１３とヒートシンク３１とが強く押圧されておらず、金属層１３とヒートシンク３１との接合界面から分解ガスを速やかに排出できる。また、分解ガスを除去した後に、接合温度における加圧荷重Ｐ１１を高く設定できる。したがって、金属層１３とヒートシンク３１とを確実に接合でき、接合信頼性に優れたヒートシンク付き絶縁回路基板３０を製造できる。
　接合温度までの昇温過程において仮止め材４０が含有する有機物の分解温度ＴＤに対してＴＤ－１０℃以上ＴＤ＋１０℃の分解温度領域における加圧荷重Ｐ１２を０．１ＭＰａ以上０．７ＭＰａ以下（１ｋｇｆ／ｃｍ２以上７ｋｇｆ／ｃｍ２以下）の範囲内に設定した場合には、仮止め材４０が含有する有機物の分解ガスを接合界面から確実に排出でき、分解ガスの残存による接合不良の発生を確実に抑制できる。
　接合温度における加圧荷重Ｐ１１を０．８ＭＰａ以上、３．５ＭＰａ以下（８ｋｇｆ／ｃｍ２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ２以下）の範囲内に設定した場合には、金属層１３とヒートシンク３１とを強固に接合できる。
　次に、本発明の第二の実施形態である絶縁回路基板の製造方法について、図５～図７を参照して説明する。第一の実施形態と同一の部材には同一の符号を付して、説明を省略する。
　絶縁回路基板１１０は、図５に示すように、セラミックス基板１１（絶縁層）と、セラミックス基板１１の一方の面（図５において上面）に形成された回路層１１２と、セラミックス基板１１の他方の面（図５において下面）に形成された金属層１１３とを備えている。
　金属層１１３は、図７に示すように、セラミックス基板１１の他方の面（図５において下面）に金属板１２３が接合されることによって形成されている。本実施形態では、金属板１２３は、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とされている。
　回路層１１２は、図５で示すように、セラミックス基板１１の一方の面に配設されたアルミニウム層１１２Ａと、アルミニウム層１１２Ａの一方側（図５において上側）に積層された銅層１１２Ｂとを有している。
　アルミニウム層１１２Ａは、図７に示すように、アルミニウム板１２２Ａがセラミックス基板１１の一方の面に接合されて形成されている。本実施形態においては、アルミニウム層１１２Ａは、純度が９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなるアルミニウム板１２２Ａがセラミックス基板１１に接合されて形成されている。
　銅層１１２Ｂは、アルミニウム層１１２Ａの一方側（図５において上側）に接合されて形成されている。本実施形態においては、銅層１１２Ｂは、図７に示すように、無酸素銅の圧延板からなる銅板１２２Ｂがアルミニウム層１１２Ａに固相拡散接合されて形成されている。
　本実施形態である絶縁回路基板の製造方法について、図６及び図７を参照して説明する。まず、図７で示すように、セラミックス基板１１の一方の面にアルミニウム板１２２Ａを接合してアルミニウム層１１２Ａを形成するとともに、セラミックス基板１１の他方の面に金属板（アルミニウム板）１２３を接合して金属層１１３を形成する（アルミニウム板接合工程Ｓ１０１）。
　アルミニウム板接合工程Ｓ１０１においては、図７に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に、Ａｌ－Ｓｉ系のろう材２６を介在させ、アルミニウム層１２２Ａとなるアルミニウム板１２２Ａを積層し、セラミックス基板１１の他方の面に、Ａｌ－Ｓｉ系のろう材２７を介在させ、金属層１３となる金属板（アルミニウム板）１２３を積層する。
　このとき、アルミニウム板１２２Ａの接合面、金属板（アルミニウム板）１２３の接合面、及びセラミックス基板１１の接合面に、仮止め材４０が配設されており、アルミニウム板１２２Ａ、ろう材２６、セラミックス基板１１、ろう材２７、金属板（アルミニウム板）１２３が位置決めされて仮止めされている。
　次いで、アルミニウム板１２２Ａ、ろう材２６、セラミックス基板１１、ろう材２７、金属板（アルミニウム板）１２３の積層体を、加圧装置を用いて積層方向に加圧した状態で真空加熱炉に装入し、アルミニウム板１２２Ａとセラミックス基板１１とを接合してアルミニウム層１１２Ａを形成し、金属板（アルミニウム板）１２３とセラミックス基板１１とを接合して金属層１１３を形成する。
　アルミニウム板接合工程Ｓ１０１における接合条件は、好ましくは、真空条件は１０－６Ｐａ以上１０－３Ｐａ以下の範囲内、接合温度は５６０℃以上６５５℃以下の範囲内、接合温度での保持時間が１０分以上１５０分以下の範囲内に設定される。
　アルミニウム板接合工程Ｓ１０１では、上述の積層体を接合温度まで加熱する昇温過程において、仮止め材４０が含有する有機物の分解温度ＴＤに対してＴＤ－１０℃以上ＴＤ＋１０℃の分解温度領域における加圧荷重Ｐ２を、接合温度における加圧荷重Ｐ１よりも低く設定している。上述のように、昇温過程、接合温度、降温過程において加圧荷重を制御するために、本実施形態においては、ホットプレス装置を用いて積層体を加圧している。
　本実施形態では、好ましくは、上述の積層体の接合温度における加圧荷重Ｐ１を０．８ＭＰａ以上３．５ＭＰａ以下（８ｋｇｆ／ｃｍ２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ２以下）の範囲内に設定する。また、接合温度までの昇温過程において仮止め材４０が含有する有機物の分解温度ＴＤ－１０℃以上ＴＤ＋１０℃の分解温度領域における加圧荷重Ｐ２を０．１ＭＰａ以上０．７ＭＰａ以下（１ｋｇｆ／ｃｍ２以上７ｋｇｆ／ｃｍ２以下）の範囲内に設定する。
　接合温度における加圧荷重Ｐ１と昇温過程において、少なくとも仮止め材４０が含有する有機物の分解温度ＴＤ－１０℃以上ＴＤ＋１０℃の分解温度領域における加圧荷重Ｐ２との比Ｐ１／Ｐ２が１．１以上３５．０以下の範囲内であることが好ましい。
　加圧荷重Ｐ１の下限は０．８ＭＰａ以上（８ｋｇｆ／ｃｍ２以上）とすることが好ましく、１．２ＭＰａ以上（１２ｋｇｆ／ｃｍ２以上）とすることがさらに好ましい。加圧荷重Ｐ１の上限は３．５ＭＰａ以下（３５ｋｇｆ／ｃｍ２以下）とすることが好ましく、２．８ＭＰａ以下（２８ｋｇｆ／ｃｍ２以下）とすることがさらに好ましい。
　接合温度の下限は４４０℃以上とすることが好ましく、５００℃以上とすることがさらに好ましい。接合温度の上限は５４８℃以下とすることが好ましく、５３０℃以下とすることがさらに好ましい。
　接合温度での保持時間の下限は３０分以上とすることが好ましく、６０分以上とすることがさらに好ましい。接合温度での保持時間の上限は１２０分以下とすることが好ましい。
　次に、図７で示すように、アルミニウム層１１２Ａの一方側に銅板１２２Ｂを積層し、加圧装置を用いて積層方向に加圧した状態で真空加熱炉に装入し、アルミニウム層１１２Ａと銅板１２２Ｂとを固相拡散接合し、アルミニウム層１１２Ａと銅層１１２Ｂが積層された回路層１１２を形成する（銅板接合工程Ｓ１０２）。
　銅板接合工程Ｓ１０２における接合条件は、真空条件は１０－６Ｐａ以上１０－３Ｐａ以下の範囲内、接合温度は４４０℃以上５４８℃以下の範囲内、接合温度での保持時間が３０分以上１５０分以下の範囲内に設定される。
　銅板接合工程Ｓ１０２では、上述の積層体を接合温度まで加熱する昇温過程において、仮止め材４０が含有する有機物の分解温度ＴＤに対してＴＤ－１０℃以上ＴＤ＋１０℃の分解温度領域における加圧荷重Ｐ２２を、接合温度における加圧荷重Ｐ２１よりも低く設定している。
　上述のように、昇温過程、接合温度、降温過程において加圧荷重を制御するために、本実施形態においては、ホットプレス装置を用いて積層体を加圧することが好ましい。
　本実施形態では、好ましくは、銅板接合工程Ｓ１０２では、接合温度における加圧荷重Ｐ２１を０．８ＭＰａ以上３．５ＭＰａ以下（８ｋｇｆ／ｃｍ２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ２以下）の範囲内に設定する。また、接合温度までの昇温過程において仮止め材４０が含有する有機物の分解温度ＴＤ－１０℃以上ＴＤ＋１０℃の分解温度領域における加圧荷重Ｐ２２を０．１ＭＰａ以上０．７ＭＰａ以下（１ｋｇｆ／ｃｍ２以上７ｋｇｆ／ｃｍ２以下）の範囲内に設定している。
　接合温度における加圧荷重Ｐ２１と、ＴＤ－１０℃以上ＴＤ＋１０℃の分解温度領域における加圧荷重Ｐ２２との比Ｐ２１／Ｐ２２は、１．１以上３５．０以下の範囲内であることが好ましい。
　加圧荷重Ｐ２１の下限は０．８ＭＰａ以上（８ｋｇｆ／ｃｍ２以上）とすることが好ましく、１．２ＭＰａ以上（１２ｋｇｆ／ｃｍ２以上）とすることがさらに好ましい。加圧荷重Ｐ２１の上限は３．５ＭＰａ以下（３５ｋｇｆ／ｃｍ２以下）とすることが好ましく、２．８ＭＰａ以下（２８ｋｇｆ／ｃｍ２以下）とすることがさらに好ましい。
　接合温度の下限は４４０℃以上とすることが好ましく、５００℃以上とすることがさらに好ましい。接合温度の上限は５４８℃以下とすることが好ましく、５３０℃以下とすることがさらに好ましい。接合温度での保持時間の下限は６０分以上とすることが好ましい。接合温度での保持時間の上限は１２０分以下とすることが好ましい。以上のような工程によって、本実施形態である絶縁回路基板１１０が製造される。
　以上のような構成とされた本実施形態である絶縁回路基板の製造方法によれば、アルミニウム板接合工程Ｓ１０１及び銅板接合工程Ｓ１０２では、積層体を接合温度まで加熱する昇温過程において仮止め材４０が含有する有機物の分解温度ＴＤに対してＴＤ－１０℃以上ＴＤ＋１０℃の分解温度領域における加圧荷重Ｐ２、Ｐ２２を、接合温度における加圧荷重Ｐ１、Ｐ２１よりも低く設定しているので、仮止め材４０の有機物が分解して分解ガスが発生する時点でセラミックス基板１１とアルミニウム板１２２Ａ、アルミニウム層１１２Ａと銅板１２２Ｂとが強く押圧されておらず、これらの接合界面から分解ガスを速やかに排出できる。接合温度における加圧荷重Ｐ１、Ｐ２１を高く設定できる。したがって、セラミックス基板１１とアルミニウム板１２２Ａ、アルミニウム層１１２Ａと銅板１２２Ｂとを確実に接合でき、接合信頼性に優れた絶縁回路基板１１０を製造できる。
　接合温度までの昇温過程においてＴＤ－１０℃以上ＴＤ＋１０℃の分解温度領域における加圧荷重Ｐ２、Ｐ２２を０．１ＭＰａ以上０．７ＭＰａ以下（１ｋｇｆ／ｃｍ２以上７ｋｇｆ／ｃｍ２以下）の範囲内と比較的低く設定した場合には、仮止め材４０が含有する有機物の分解ガスを接合界面から速やかに排出でき、分解ガスの残存による接合不良の発生を確実に抑制できる。また、接合温度における加圧荷重Ｐ１、Ｐ２１を０．８ＭＰａ以上３．５ＭＰａ以下（８ｋｇｆ／ｃｍ２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ２以下）の範囲内に設定した場合には、セラミックス基板１１とアルミニウム板１２２Ａ、アルミニウム層１１２Ａと銅板１２２Ｂとを強固に接合できる。
　以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
　例えば、本実施形態では、絶縁回路基板の回路層にパワー半導体素子を搭載してパワーモジュールを構成するものとして説明したが、これに限定されることはない。例えば、絶縁回路基板にＬＥＤ素子を搭載してＬＥＤモジュールを構成してもよいし、絶縁回路基板の回路層に熱電素子を搭載して熱電モジュールを構成してもよい。
　本実施形態では、絶縁層をセラミックス基板で構成したもので説明したが、これに限定されることはなく、絶縁層を樹脂等で構成したものでもよい。
　本実施形態では、セラミックス基板とアルミニウム板とをろう材を用いて接合するものとして説明したが、これに限定されることはなく、固相拡散接合によって接合してもよい。接合面にＣｕ、Ｓｉ等の添加元素を固着させ、これらの添加元素を拡散させることで溶融・凝固させる過渡液相接合法（ＴＬＰ）によって接合してもよい。接合界面を半溶融状態として接合してもよい。
　本実施形態では、絶縁回路基板（金属層）とヒートシンクとを固相拡散接合によって接合するものとして説明したが、これに限定されることはなく、ろう付け、ＴＬＰ等の他の接合方法を適用してもよい。
　本実施形態では、ヒートシンクを銅板の放熱板から成るものとして説明したが、これに限定されることはなく、アルミニウム又はアルミニウム合金（例えばＡ３００３合金、Ａ６０６３合金等）板、あるいは、ＳｉＣ等からなる炭素質の多孔質体に金属を含浸させた炭素質複合材料の板材で構成されていてもよいし、内部に冷却媒体が流通される流路を備えたものでもよい。
　炭素質複合材料としては、アルミニウム又はアルミニウム合金を含侵させたＡｌＳｉＣを好適に用いることができる。この場合、含侵させるアルミニウムとしては、Ａ６０６３合金や、ＡＤＣ１２等のダイキャスト用アルミニウム合金を用いるとよい。
　ＡｌＳｉＣ等の炭素質複合材料からなるヒートシンクを用いる場合には、例えば、図８に示すような構造のヒートシンク付き絶縁回路基板２３０を提供できる。図８に示す絶縁回路基板２１０は、セラミックス基板１１の一方の面にアルミニウム板を接合して回路層２１２が形成されるとともに、セラミックス基板１１の他方の面にアルミニウム板を接合して金属層２１３が形成されている。ヒートシンク２３１は、ＳｉＣの多孔質体に含浸されたアルミニウム材からなるスキン層２３１ａを有している。絶縁回路基板２１０とヒートシンク２３１との間に銅板２５０が介在し、絶縁回路基板２１０の金属層２１３と銅板２５０、銅板２５０とヒートシンク２３１のスキン層２３１ａとがそれぞれ固相拡散接合されている。
　本実施形態においては、アルミニウム板とセラミックス基板との接合と、絶縁回路基板とヒートシンクの接合を、別の工程で実施するものとして説明したが、これに限定されることはなく、アルミニウム板、セラミックス基板、ヒートシンクを積層して、これを積層方向に加圧して加熱し、これらの接合を同一の工程で実施してもよい。
　例えば図９に示すように、セラミックス基板１１の一方の面にのみアルミニウム板を接合して回路層３１２が形成されるとともに、セラミックス基板１１の他方の面側に金属層が形成されていない絶縁回路基板３１０を対象としてもよい。
　図１０に示すように、回路層４１２及び金属層４１３の一方をアルミニウム板からなるものとし、回路層４１２及び金属層４１３の他方を他の金属等で構成した絶縁回路基板４１０を対象としてもよい。
　以下に、本発明の効果を証明するための実施例について説明する。
（実施例１）
　ＡｌＮからなるセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ×０．６３５ｍｍｔ）を準備し、セラミックス基板の一方の面に表２記載のアルミニウム又はアルミニウム合金の圧延材からなるアルミニウム板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×０．４ｍｍｔ）をろう材を介して積層し、セラミックス基板の他方の面に表２記載のアルミニウム又はアルミニウム合金の圧延材からなるアルミニウム板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×０．４ｍｍｔ）をろう材を介して積層した。ろう材として、Ａｌ－７．５質量％Ｓｉ合金からなるろう材箔（厚さ１２μｍ）を用いた。
　このとき、セラミックス基板及びアルミニウム板の接合面に、表１及び表２に示す仮止め材を配置し、セラミックス基板、アルミニウム板、及びろう材箔の位置決めを行って仮止めした。仮止め材は、常温で液体の有機溶媒（各種アルコール、Ｎ－メチルピロリドン、トルエン等から適宜選択）に溶解させ、ディスペンサーによって吐出することによって塗布した。
　仮止め材Ｂ～Ｆを用いる場合には、仮止め材を加温し、溶融させて各部材を積層した後、冷却して凝固することによって仮止めした。
　積層体を加圧装置（ホットプレス）を用いて積層方向に加圧して表２に示す接合温度にまで加熱し、セラミックス基板とアルミニウム板とを接合した。真空度は６．０×１０－４Ｐａとした。このとき、接合温度までの昇温過程において仮止め材が含有する有機物の分解温度をＴＤとした場合に、加熱開始からＴＤ＋１０℃までの加圧荷重を一定値Ｐ２とし、ＴＤ＋１０℃を越えて接合温度での保持を経て降温する過程における加圧荷重を一定値Ｐ１とした。表２にこれらの接合条件を示す。
　上述のようにして得られた絶縁回路基板について、アルミニウム板（回路層）とセラミックス基板との接合性について評価した。評価結果を表２に示す。
（接合性の評価）
　接合性は絶縁回路基板の回路層とセラミックス基板との接合部の超音波探傷像を、超音波探傷装置（株式会社日立パワーソリューションズ製ＦｉｎｅＳＡＴ２００）を用いて測定し、以下の式から接合率を算出した。
　初期接合面積とは、接合前における接合すべき面積、即ち、絶縁回路基板の回路層の面積とした。
　（接合率）＝｛（初期接合面積）－（剥離面積）｝／（初期接合面積）
　超音波探傷像を二値化処理した画像において剥離は接合部内の白色部で示されることから、白色部の面積を剥離面積とした。
　接合率が９０％以上を接合性「○」と評価した。
（実施例２）
　実施例１の本発明例１で得られた絶縁回路基板の金属層に無酸素銅からなるヒートシンク（５０ｍｍ×６０ｍｍ×５ｍｍｔ）を積層した。
　このとき、金属層とヒートシンクの接合面に、表１及び表３に示す仮止め材を配置し、金属層とヒートシンクの位置決めを行って仮止めした。仮止め材の配置は実施例１と同様にした。
　ヒートシンクの材質としてＡｌＳｉＣ及びアルミニウム合金（Ａ６０６３，Ａ３００３）を用いた場合、絶縁回路基板とヒートシンク（ＡｌＳｉＣ、Ａ６０６３，Ａ３００３）の間に銅板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×０．２ｍｍｔ）を介して積層し、金属層と銅板とヒートシンクの位置決めを行って仮止めした。
　仮止め材Ｂ～Ｆを用いる場合には、仮止め材を加温し、溶融させて各部材を積層した後、冷却して凝固することによって仮止めした。
　積層体を加圧装置（ホットプレス）を用いて積層方向に加圧して表３に示す接合温度にまで加熱し、セラミックス基板とアルミニウム板とを接合した。真空度は６．０×１０－４Ｐａとした。このとき、接合温度までの昇温過程において、加熱開始からＴＤ＋１０℃までの加圧荷重を一定値Ｐ１２とし、ＴＤ＋１０℃を越えて接合温度での保持を経て降温する過程における加圧荷重を一定値Ｐ１１とした。表３にこれらの接合条件を示す。
　上述のようにして得られたヒートシンク付き絶縁回路基板について、金属層とヒートシンクとの接合状況を、以下のように評価した。評価結果を表３に示す。
（接合性の評価）
　接合性はヒートシンク付絶縁回路基板の金属層とヒートシンクとの接合部（ＡｌＳｉＣ及びアルミニウム合金を用いた場合は銅板（銅層）とヒートシンクの接合部）の超音波探傷像を、超音波探傷装置（株式会社日立パワーソリューションズ製ＦｉｎｅＳＡＴ２００）を用いて測定し、以下の式から接合率を算出した。
　初期接合面積とは、接合前における接合すべき面積、即ち、ヒートシンク付絶縁回路基板の金属層の面積とした。
　（接合率）＝｛（初期接合面積）－（剥離面積）｝／（初期接合面積）
　超音波探傷像を二値化処理した画像において剥離は接合部内の白色部で示されることから、白色部の面積を剥離面積とした。
　接合率が９０％以上を接合性「○」と評価した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　昇温時（分解温度ＴＤ＋１０℃まで）の加圧荷重Ｐ２が、接合温度での保持・降温時の加圧荷重Ｐ１と同一とされ、加圧荷重が２．１ＭＰａとされた比較例１、２及び比較例２１、２２においては、接合界面に有機物の残渣が残り、接合性が不十分であった。
　これに対して、昇温時（分解温度ＴＤ＋１０℃まで）の加圧荷重Ｐ２が、接合温度での保持・降温時の加圧荷重Ｐ１よりも低く設定された本発明例においては、表１に示す複数種類の仮止め材を用いた場合のいずれも接合性に優れていた。接合界面に有機物の残渣が残らなかったためと推測される。
　本発明によれば、接合時における仮止め材の有機物の分解ガスを接合界面から十分に排出でき、部材同士を安定して接合することが可能であるから、産業上の利用が可能である。
１　パワーモジュール
３　半導体素子
１０，１１０　絶縁回路基板
１１　セラミックス基板（絶縁層）
１２，１１２　回路層
１３，１１３　金属層（アルミニウム板）
３０　ヒートシンク付き絶縁回路基板
３１　ヒートシンク

Claims (6)

  1. 　第１部材と第２部材が接合された接合体の製造方法であって、
    　前記第１部材の接合面及び前記第２部材の接合面の少なくとも一方に、有機物を含有する仮止め材を配設し、前記仮止め材を介して前記第１部材と前記第２部材とを積層して、前記第１部材と前記第２部材とを仮止めした積層体を形成する積層工程と、
    　前記積層体を積層方向に加圧して加熱し、前記第１部材と前記第２部材とを接合する接合工程とを備えており、
    　前記接合工程では、前記積層体を所定の接合温度にまで加熱する昇温過程において、少なくとも前記仮止め材が含有する前記有機物の分解温度ＴＤにおける加圧荷重Ｐ２を、前記接合温度における加圧荷重Ｐ１よりも低く設定することを特徴とする接合体の製造方法。
  2. 　前記接合工程における前記加圧荷重Ｐ２は、前記仮止め材が含有する前記有機物の分解温度ＴＤに対してＴＤ－１０℃以上ＴＤ＋１０℃の分解温度領域における加圧荷重であることを特徴とする請求項１に記載の接合体の製造方法。
  3. 　前記加圧荷重Ｐ２が０．１ＭＰａ以上０．７ＭＰａ以下の範囲内であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の接合体の製造方法。
  4. 　絶縁層と、前記絶縁層の少なくとも片方の面に接合された金属板とを備えた絶縁回路基板の製造方法であって、
    　請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の接合体の製造方法によって、前記第１部材としての前記絶縁層と、前記第２部材としての前記金属板とを接合することを特徴とする絶縁回路基板の製造方法。
  5. 　絶縁層と、前記絶縁層の少なくとも片方の面に接合された金属板と、を備えた絶縁回路基板の製造方法であって、
    　前記金属板は、第１金属板と前記第１金属板とは異なる材質で構成された第２金属板との積層板とされており、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の接合体の製造方法によって、前記第１部材としての前記第１金属板と前記第２部材としての前記第２金属板とを接合することを特徴とする絶縁回路基板の製造方法。
  6. 　絶縁層と前記絶縁層の少なくとも片方の面に接合された金属板とを備えた絶縁回路基板と、前記絶縁層の他方の面側に配設されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法であって、
    　請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の接合体の製造方法によって、前記第１部材としての前記絶縁回路基板と、前記第２部材としての前記ヒートシンクとを接合することを特徴とするヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法。
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