特許 5957848 パワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、及び、パワーモジュール用基板の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5957848

(24)【登録日】2016年7月1日

(45)【発行日】2016年7月27日

(54)【発明の名称】パワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、及び、パワーモジュール用基板の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/12 20060101AFI20160714BHJP

   H01L 23/36 20060101ALI20160714BHJP

   H05K 1/02 20060101ALI20160714BHJP

【ＦＩ】

   H01L23/12 J

   H01L23/12 D

   H01L23/36 C

   H05K1/02 F

   H05K1/02 D

【請求項の数】7

【全頁数】25

(21)【出願番号】特願2011-241396(P2011-241396)

(22)【出願日】2011年11月2日

(65)【公開番号】特開2013-98423(P2013-98423A)

(43)【公開日】2013年5月20日

【審査請求日】2014年9月25日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006264

【氏名又は名称】三菱マテリアル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100064908

【弁理士】

【氏名又は名称】志賀 正武

(74)【代理人】

【識別番号】100108578

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 詔男

(74)【代理人】

【識別番号】100129403

【弁理士】

【氏名又は名称】増井 裕士

(74)【代理人】

【識別番号】100142424

【弁理士】

【氏名又は名称】細川 文広

(72)【発明者】

【氏名】長瀬 敏之

(72)【発明者】

【氏名】青木 慎介

(72)【発明者】

【氏名】長友 義幸

【審査官】 原田 貴志

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００５−０３２７９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１１９６５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−０８６７４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１６４４１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２８１４９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６１−２３０３４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０４−３０５０７２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２３／１２、２３／３６

Ｈ０５Ｋ １／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

セラミックス基板の一方の面側に回路層が形成され、この回路層の一方の面に電子部品が搭載されるパワーモジュール用基板であって、
前記回路層は、銅または銅合金で構成され、前記セラミックス基板の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層が形成されており、
前記セラミックス基板と前記回路層との間には、前記セラミックス基板の一方の面に接合されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなる緩衝アルミ層と、前記回路層の他方の面に接合された補助セラミックス板と、が介装されており、
前記セラミックス基板と前記補助セラミックス板とが同一の材質で構成されており、
前記補助セラミックス板には、厚さ方向に貫通する複数のスリットが設けられていることを特徴とするパワーモジュール用基板。

【請求項2】

前記緩衝アルミ層が、純度９９．９８質量％以上のアルミニウムで構成されていることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール用基板。

【請求項3】

前記回路層の厚さｔｃが、０．１ｍｍ≦ｔｃ≦３ｍｍとされ、補助セラミックス板の厚さｔｓが、０．１５ｍｍ≦ｔｓ≦１ｍｍとされ、前記緩衝アルミ層の厚さｔａが、０．４ｍｍ≦ｔａ≦３ｍｍとされていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のパワーモジュール用基板。

【請求項4】

請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板と、このパワーモジュール用基板の他方の面側に配設されたヒートシンクと、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。

【請求項5】

請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板を製出するパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記回路層となる銅板と前記補助セラミックス板とを接合する銅板接合工程と、前記補助セラミックス板と前記緩衝アルミ層となるアルミニウム板とを接合するアルミニウム板接合工程と、を有し、
前記銅板接合工程では、前記銅板と前記補助セラミックス板とを、固相温度が前記アルミニウム板の融点未満とされた接合材を用いて接合する構成とされており、
前記銅板接合工程と前記アルミニウム板接合工程とを同時に行うことを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。

【請求項6】

前記アルミニウム板接合工程は、前記補助セラミックス板の接合面及び前記アルミニウム板の接合面のうち少なくとも一方に、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着し、前記添加元素を含有する固着層を形成する固着工程と、前記固着層を介して前記補助セラミックス板と前記アルミニウム板と積層する積層工程と、積層された前記補助セラミックス板と前記アルミニウム板とを積層方向に加圧するとともに加熱し、前記補助セラミックス板と前記アルミニウム板との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、この溶融金属領域を凝固させることによって、前記補助セラミックス板と前記アルミニウム板とを接合する凝固工程と、を有し、前記加熱工程において、前記固着層の元素を前記アルミニウム板側に拡散させることにより、前記補助セラミックス板と前記アルミニウム板との界面に、前記溶融金属領域を形成することを特徴とする請求項５に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。

【請求項7】

前記緩衝アルミ層と前記セラミックス基板とを接合するセラミックス基板接合工程を有し、前記銅板接合工程と前記アルミニウム板接合工程と前記セラミックス基板接合工程とを同時に行うことを特徴とする請求項５または請求項６に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられるパワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、及び、パワーモジュール用基板の製造方法
に関するものである。

【背景技術】

【0002】

半導体素子の中でも電力供給のためのパワー素子は、発熱量が比較的高いため、これを搭載する基板としては、例えば、ＡｌＮ（窒化アルミ）、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化ケイ素）などからなるセラミックス基板の一方の面側に回路層が形成され、セラミックス基板の他方の面側に金属層が形成されたパワーモジュール用基板が用いられる。このパワーモジュール用基板においては、金属層を介してヒートシンクが接続され、ヒートシンク付パワーモジュール用基板とされる。また、回路層の上に、はんだ層を介してパワー素子としての半導体素子が搭載され、パワーモジュールとされる。

【0003】

上述のパワーモジュール用基板として、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をろう付けして回路層とし、セラミックス基板の他方の面にアルミニウム板をろう付けして金属層としたものが提案されている。
また、特許文献２には、セラミックス基板の一方の面に金属板を接合して回路層とし、セラミックス基板の他方の面側に、鋳造法によってアルミニウム層を形成して金属層としたパワーモジュール用基板が開示されている。

【0004】

上述のパワーモジュールにおいては、使用時に熱サイクルが負荷されることになる。すると、セラミックス基板と回路層及び金属層との接合界面には、セラミックス基板とアルミニウムとの熱膨張係数の差によって熱応力が作用し、セラミックス基板と回路層及び金属層との接合信頼性が低下するおそれがあった。ここで、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）等の比較的変形抵抗の小さな金属で回路層及び金属層を構成し、熱応力を回路層及び金属層の変形によって吸収することにより、接合信頼性の向上を図ることが可能となる。

【0005】

ところで、回路層を、４Ｎアルミニウム等の比較的変形抵抗の小さな金属で構成した場合、熱サイクルを負荷した際に、回路層の表面にうねりやシワが発生してしまうといった問題があった。回路層の表面にうねりやシワが発生した場合には、はんだ層にクラックが発生し、パワーモジュールの信頼性が低下することになる。
特に、最近では、環境負荷の観点から、はんだ層として、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｃｕ系の鉛フリーはんだ材が使用されることが多くなっている。これらの鉛フリーはんだ材は、従来のＳｎ−Ｐｂ系はんだ材に比べて変形しにくく、回路層のうねりやシワによって、はんだ層にクラックが生じやすい傾向にある。
また、最近は、パワーモジュールの小型化・薄肉化が進められるとともに、その使用環境も厳しくなってきており、半導体素子等の電子部品からの発熱量が大きくなっているため、熱サイクルの温度差が大きく、回路層の表面にうねりやシワが発生しやすい傾向にある。

【0006】

ここで、例えば特許文献１，２には、回路層として銅板を用いたものが開示されている。回路層を銅板で構成した場合には、銅板の変形抵抗がアルミニウムに比べて大きいことから、回路層におけるうねりやシワの発生を抑制することが可能となる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特許第３１７１２３４号公報

【特許文献2】特開２００２−０７６５５１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

ところで、特許文献１，２のように、回路層を銅板で構成した場合には、熱サイクルによって銅板が加工硬化して変形しにくくなる。すると、熱応力が回路層で吸収されずにセラミックス基板に作用し、セラミックス基板が割れてしまうおそれがあった。セラミックス基板が割れると、セラミックス基板の一方側に位置する半導体素子及び回路層と、セラミックス基板の他方側に位置する金属層及びヒートシンクと、が電気的に接続されてしまい、パワーモジュール用基板として使用することができなくなってしまう。このため、回路層として銅板を用いる場合には、セラミックス基板の厚さを厚くしたり、セラミック基板の強度を向上させたりする必要があった。

【0009】

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、回路層を変形抵抗が大きな銅または銅合金で構成しても、セラミックス基板の一方側と他方側とで絶縁性を確保することができるパワーモジュール用基板、このパワーモジュール用基板を用いたヒートシンク付パワーモジュール用基板、及び、パワーモジュール用基板の製造方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

このような課題を解決して、上述の目的を達成するために、本発明のパワーモジュール用基板は、セラミックス基板の一方の面側に回路層が形成され、この回路層の一方の面に電子部品が搭載されるパワーモジュール用基板であって、前記回路層は、銅または銅合金で構成され、前記セラミックス基板の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層が形成されており、前記セラミックス基板と前記回路層との間には、前記セラミックス基板の一方の面に接合されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなる緩衝アルミ層と、前記回路層の他方の面に接合された補助セラミックス板と、が介装されており、前記セラミックス基板と前記補助セラミックス板とが同一の材質で構成されており、前記補助セラミックス板には、厚さ方向に貫通する複数のスリットが設けられていることを特徴としている。

【0011】

この構成のパワーモジュール用基板においては、回路層が銅または銅合金で構成されているので、変形抵抗が大きく、熱サイクルを負荷しても回路層表面にうねりやシワが生じにくい。よって、はんだ層におけるクラックの発生を抑制することが可能となる。
そして、前記セラミックス基板と前記回路層との間には、前記セラミックス基板の一方の面に接合されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなる緩衝アルミ層と、前記回路層の他方の面に接合された補助セラミックス板と、が介装されているので、回路層とセラミックス基板との熱膨張係数の差に起因する熱応力を緩衝アルミ層で吸収することができ、セラミックス基板の割れを防止できる。よって、セラミックス基板の一方側と他方側とで絶縁性を確保することができる。なお、補助セラミックス板においては、回路層との熱膨張係数の差に起因する熱応力によって割れが生じることもあるが、緩衝アルミ層と回路層とが電気的に接続されたとしても、セラミックス基板で絶縁されていれば、パワーモジュール用基板として使用することができる。
また、前記セラミックス基板の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層が形成されているので、セラミックス基板の他方側にヒートシンク等の金属部材を接合した際に、金属部材とセラミックス基板との熱膨張係数の差に起因する熱応力を、金属層で吸収することができる。

【0012】

また、前記補助セラミックス板には、厚さ方向に貫通する複数のスリットが設けられているので、補助セラミックス板が容易に変形するため、緩衝アルミ層と補助セラミックス板の変形によって、回路層とセラミックス基板との熱膨張係数の差に起因する熱応力を効率的に吸収することができ、セラミックス基板の割れを確実に防止することができる。
さらに、あらかじめ補助セラミックス板にスリットを形成しておくことで、熱応力によって補助セラミックス板が不規則に割れてしまうことを防止できる。

【0013】

前記緩衝アルミ層が、純度９９．９８質量％以上のアルミニウムで構成されていることが好ましい。
この場合、前記緩衝アルミ層の変形抵抗が小さくなり、この緩衝アルミ層の変形によって、熱応力を効率的に吸収することができる。

【0014】

前記回路層の厚さｔｃが、０．１ｍｍ≦ｔｃ≦３ｍｍとされ、前記補助セラミックス板の厚さｔｓが、０．１５ｍｍ≦ｔｓ≦１ｍｍとされ、前記緩衝アルミ層の厚さｔａが、０．４ｍｍ≦ｔａ≦３ｍｍとされていることが好ましい。
この場合、前記回路層の厚さｔｃが、ｔｃ≧０．１ｍｍとされているので、回路層における導電性を確保することができる。また、前記回路層の厚さｔｃが、ｔｃ≦３ｍｍとされているので、回路層の変形抵抗が必要以上に大きくならず、発生する熱応力を抑制することができる。
また、前記補助セラミックス板の厚さｔｓが、ｔｓ≧０．１５ｍｍとされているので、回路層と確実に接合することができる。また、前記補助セラミックス板の厚さｔｓが、ｔｓ≦１ｍｍとされているので、熱抵抗を抑えることができ、熱を効率良く放散することができる。
さらに、前記緩衝アルミ層の厚さｔａが、ｔａ≧０．４ｍｍとされているので、前記緩衝アルミ層において熱応力を確実に吸収することができる。また、前記緩衝アルミ層の厚さｔａが、ｔａ≦３ｍｍとされているので、熱抵抗を抑えることができ、熱を効率良く放散することができる。

【0016】

本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、上述のパワーモジュール用基板と、このパワーモジュール用基板の他方の面側に配設されたヒートシンクと、を備えていることを特徴としている。
この構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板によれば、セラミックス基板の割れが防止されることにより、セラミックス基板の一方側に配設された半導体素子等の電子部品と、セラミックス基板の他方側に配設されたヒートシンクとの間で、絶縁性を確保することができる。

【0017】

本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、上述のパワーモジュール用基板を製出するパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記回路層となる銅板と前記補助セラミックス板とを接合する銅板接合工程と、前記補助セラミックス板と前記緩衝アルミ層となるアルミニウム板とを接合するアルミニウム板接合工程と、を有し、前記銅板接合工程では、前記銅板と前記補助セラミックス板とを、固相温度が前記アルミニウム板の融点未満とされた接合材を用いて接合する構成とされており、前記銅板接合工程と前記アルミニウム板接合工程とを同時に行うことを特徴としている。

【0018】

この構成のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、前記回路層となる銅板と前記補助セラミックス板とを接合する銅板接合工程と、前記補助セラミックス板と前記緩衝アルミ層となるアルミニウム板とを接合するアルミニウム板接合工程とを、同時に行う構成としていることから、補助セラミックス板に反りが生じることを抑制できる。また、前記銅板と前記補助セラミックス板とを、固相温度が前記アルミニウム板の融点未満とされた接合材を用いて接合するので、前記アルミニウム板の融点未満の温度条件であっても、補助セラミックス板と銅板とを確実に接合することができる。

【0019】

前記アルミニウム板接合工程は、前記補助セラミックス板の接合面及び前記アルミニウム板の接合面のうち少なくとも一方に、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着し、前記添加元素を含有する固着層を形成する固着工程と、前記固着層を介して前記補助セラミックス板と前記アルミニウム板と積層する積層工程と、積層された前記補助セラミックス板と前記アルミニウム板とを積層方向に加圧するとともに加熱し、前記補助セラミックス板と前記アルミニウム板との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、この溶融金属領域を凝固させることによって、前記補助セラミックス板と前記アルミニウム板とを接合する凝固工程と、を有し、前記加熱工程において、前記固着層の元素を前記アルミニウム板側に拡散させることにより、前記補助セラミックス板と前記アルミニウム板との界面に、前記溶融金属領域を形成する構成としても良い。
この場合、緩衝アルミ層となるアルミニウム板と補助セラミックス板とが、いわゆる液相拡散接合法（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって接合されているので、緩衝アルミ層と補助セラミックス板とを強固に接合することができる。

【0020】

前記緩衝アルミ層と前記セラミックス基板とを接合するセラミックス基板接合工程を有し、前記銅板接合工程と前記アルミニウム板接合工程と前記セラミックス基板接合工程とを同時に行う構成としてもよい。
この場合、前記緩衝アルミ層と前記セラミックス基板とを接合するセラミックス基板接合工程と、前記銅板接合工程と前記アルミニウム板接合工程とを同時に行うことで、製造工程を省略でき、製造コストを低減することができる。

【発明の効果】

【0021】

本発明によれば、回路層を、変形抵抗が大きな銅または銅合金で構成しても、セラミックス基板の一方側と他方側とで絶縁性を確保することができるパワーモジュール用基板、このパワーモジュール用基板を用いたヒートシンク付パワーモジュール用基板、及び、パワーモジュール用基板の製造方法を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。

【図2】図１に示すパワーモジュールの製造方法のフロー図である。

【図3】本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。

【図4】本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。

【図5】本発明の第１の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の製造方法を示す説明図である。

【図6】本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。

【図7】本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板の緩衝アルミ層の補助セラミックス板との界面における添加元素の濃度分布を示す説明図である。

【図8】本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板の緩衝アルミ層とセラミックス基板、セラミックス基板と金属層との界面における添加元素の濃度分布を示す説明図である。

【図9】本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板（ヒートシンク付パワーモジュール用基板）の金属層及びヒートシンク（放熱板）における添加元素の濃度分布を示す説明図である。

【図10】本発明の第２の実施形態であるパワーモジュールの製造方法のフロー図である。

【図11】本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板（ヒートシンク付パワーモジュール用基板）の製造方法を示す説明図である。

【図12】図１１における緩衝アルミ層と補助セラミックス板との接合界面近傍を示す説明図である。

【図13】図１１における緩衝アルミ層とセラミックス基板、セラミックス基板と金属層との接合界面近傍を示す説明図である。

【図14】図１１における金属層とヒートシンクとの接合界面近傍を示す説明図である。

【図15】実施例において、パワーモジュール用基板の厚さ方向の電気抵抗値の測定方法を示す上面説明図である。

【図16】実施例において、パワーモジュール用基板の厚さ方向の電気抵抗値の測定方法を示す側面説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。
図１に、本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュールを示す。
このパワーモジュール１は、回路層１２が配設されたパワーモジュール用基板１０と、回路層１２の表面にはんだ層２を介して接合された半導体素子３と、パワーモジュール用基板１０の他方側（図１において下側）に配設されたヒートシンク４０とを備えている。ここで、はんだ層２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材とされている。なお、本実施形態では、回路層１２とはんだ層２との間にＮｉメッキ層（図示なし）が設けられている。

【0024】

パワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の一方の面側（図１において上側）に配設された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面（図１において下面）に接合された金属層１３とを備えている。
そして、セラミックス基板１１と回路層１２との間には、セラミックス基板１１の一方の面に接合されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなる緩衝アルミ層１６と、緩衝アルミ層１６の一方の面に接合されるとともに回路層１２の他方の面に接合された補助セラミックス板１７と、が配設されている。

【0025】

セラミックス基板１１は、一方の面側に配設された回路層１２と他方の面側に配設された金属層１３との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。また、セラミックス基板１１の厚さｔ_０は、０．２ｍｍ≦ｔ_０≦１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、ｔ_０＝０．６３５ｍｍに設定されている。

【0026】

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

【0027】

回路層１２は、図３に示すように、補助セラミックス板１７の一方の面に、銅又は銅合金からなる銅板２２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１２は、無酸素銅によって形成されている。
また、回路層１２の厚さｔｃは、０．１ｍｍ≦ｔｃ≦３ｍｍとされており、本実施形態では、ｔｃ＝１．０ｍｍとされている。

【0028】

緩衝アルミ層１６は、図３に示すように、補助セラミックス板１７の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板２６が接合されることにより形成されている。緩衝アルミ層１６は、アルミニウム又はアルミニウム合金を用いることができるが、本実施形態では、純度が９９．９９質量％以上のアルミニウム板２６が補助セラミックス板１７に接合されることで形成されている。
また、緩衝アルミ層１６の厚さｔａは、０．４ｍｍ≦ｔａ≦３ｍｍとされており、本実施形態では、ｔａ＝２．０ｍｍとされている。

【0029】

補助セラミックス板１７は、例えばＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４等のセラミックス材料で構成されており、本実施形態では、ＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。補助セラミックス板１７の厚さｔｓは、０．１５ｍｍ≦ｔｓ≦１ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、ｔｓ＝０．６３５ｍｍに設定されている。
そして、本実施形態においては、図１又は図３に示すように、補助セラミックス板１７に、厚さ方向に延在する複数のスリット１８が設けられており、このスリット１８によって、補助セラミックス板１７が予め分割されているのである。

【0030】

ヒートシンク４０は、前述のパワーモジュール用基板１０を冷却するためのものであり、パワーモジュール用基板１０と接合される天板部４１と、冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路４２と、を備えている。ヒートシンク４０（天板部４１）は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態においては、Ａ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。

【0031】

以下に、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０、ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュール１の製造方法について、図２から図５を参照して説明する。
このパワーモジュール１の製造方法は、図２に示すように、銅板２２と補助セラミックス板１７とを接合する銅板接合工程Ｓ０１と、補助セラミックス板１７とアルミニウム板２６とを接合するアルミニウム板接合工程Ｓ０２と、緩衝アルミ層１６とセラミックス基板１１及びセラミックス基板１１と金属層１３となるアルミニウム板２３とを接合するセラミックス基板接合工程Ｓ０３と、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク４０とを接合するヒートシンク接合工程Ｓ０４と、回路層１２の一面に半導体素子３を接合する半導体素子接合工程Ｓ０５と、を備えている。

【0032】

（銅板接合工程Ｓ０１／アルミニウム板接合工程Ｓ０２）
まず、図３に示すように、補助セラミックス板１７の一方の面側（図３において上側）に、ろう材５０を介して銅板２２を積層する。また、補助セラミックス板１７の他方の面側（図３において下側）に第１ろう材５１を介してアルミニウム板２６を積層する。
ここで、アルミニウム板２６と補助セラミックス板１７との間に介在される第１ろう材５１は、Ａｌ−Ｓｉ系合金とされており、本実施形態では、Ａｌ−７．５質量％Ｓｉからなる厚さ５〜３０μｍのろう材箔を用いている。

【0033】

そして、銅板２２と補助セラミックス板１７との間に介在されるろう材５０は、その固相温度がアルミニウム板２６の融点未満とされている。具体的には、ろう材５０は、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系合金に、Ｉｎ，Ｂｉ，Ｌｉ，Ｓｎから選択される１種又は２種以上の低融点元素が添加された構成とされており、本実施形態では、Ａｇ−２４質量％Ｃｕ−２質量％Ｔｉ−１４質量％Ｉｎ合金とされている。また、ろう材５０の厚さは１０〜１００μｍとされている。

【0034】

次に、積層された銅板２２、補助セラミックス板１７、アルミニウム板２６を、積層方向に加圧（圧力１．５〜３５ｋｇｆ／ｃｍ^２）した状態で真空加熱炉内に装入して加熱し、銅板２２と補助セラミックス板１７との界面に溶融金属領域６０を形成し、補助セラミックス板１７とアルミニウム板２６との界面に第１溶融金属領域６１を形成する。
ここで、本実施形態では、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６３０℃以上６５５℃以下の範囲内に設定している。

【0035】

ついで、上述の溶融金属領域６０及び第１溶融金属領域６１を凝固させることによって、銅板２２と補助セラミックス板１７、補助セラミックス板１７とアルミニウム板２６とを接合する。すなわち、本実施形態においては、銅板接合工程Ｓ０１とアルミニウム板接合工程Ｓ０２とが同時に実施されているのである。

【0036】

（セラミックス基板接合工程Ｓ０３）
次に、図４に示すように、緩衝アルミ層１６の他方の面側に第２ろう材５２を介してセラミックス基板１１を積層し、セラミックス基板１１の他方の面側に第３ろう材５３を介して金属層１３となるアルミニウム板２３を積層する。
ここで、第２ろう材５２及び第３ろう材５３は、本実施形態では、Ａｌ−７．５質量％Ｓｉ合金とされている。また、第２ろう材５２及び第３ろう材５３の厚さは５〜３０μｍとされている。

【0037】

積層された回路層１２、補助セラミックス板１７及び緩衝アルミ層１６とセラミックス基板１１とアルミニウム板２３とを積層方向に加圧（圧力１．５〜３５ｋｇｆ／ｃｍ^２）した状態で真空加熱炉内に装入して加熱し、緩衝アルミ層１６とセラミックス基板１１との間に第２溶融金属領域６２を形成し、セラミックス基板１１とアルミニウム板２３との間に第３溶融金属領域６３を形成する。
ここで、本実施形態では、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６３０℃以上６５５℃以下の範囲内に設定している。

【0038】

ついで、上述の第２溶融金属領域６２及び第３溶融金属領域６３を凝固させることによって、緩衝アルミ層１６とセラミックス基板１１、セラミックス基板１１とアルミニウム板２３とを接合する。
このようにして、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０が製出される。

【0039】

（ヒートシンク接合工程Ｓ０４）
次に、図５に示すように、パワーモジュール用基板１０の金属層１３の他方側（図５において下側）に、第４ろう材５４を介してヒートシンク４０を積層する。この第４ろう材５４は、第２ろう材５２、第３ろう材５３よりも固相温度が低い合金で構成されており、本実施形態では、Ａｌ−１０質量％Ｓｉ合金とされている。また、第４ろう材５４の厚さは５０〜１００μｍとされている。

【0040】

積層されたパワーモジュール用基板１０とヒートシンク４０とを積層方向に加圧（圧力１．５〜２０ｋｇｆ／ｃｍ^２）した状態で真空加熱炉内に装入して加熱し、金属層１３とヒートシンク４０との間に第４溶融金属領域６４を形成する。
そして、この第４溶融金属領域６４を凝固させることで、ヒートシンク４０とパワーモジュール用基板１０とを接合する。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が製出される。

【0041】

（半導体素子接合工程Ｓ０５）
次に、回路層１２の表面に形成されたＮｉメッキ層（図示なし）の上に、はんだ材を介して半導体素子３を載置し、還元炉内においてはんだ接合する。これにより、半導体素子３が、はんだ層２を介してパワーモジュール用基板１０上に接合され、本実施形態であるパワーモジュール１が製出される。

【0042】

以上のような構成とされた本実施形態によれば、回路層１２が、変形抵抗が比較的大きい銅板２２によって構成されているので、回路層１２表面におけるうねりやシワの発生を抑制することができる。よって、鉛フリーはんだ材を用いた場合であっても、はんだ層２におけるクラックの発生を抑制することができる。

【0043】

そして、セラミックス基板１１と回路層１２との間に、緩衝アルミ層１６と補助セラミックス板１７とが介装されているので、回路層１２とセラミックス基板１１との熱膨張係数の差に起因する熱応力を緩衝アルミ層１６で吸収することができ、セラミックス基板１１の割れを防止できる。よって、セラミックス基板１１の一方側と他方側とで絶縁性を確保することができる。

【0044】

また、本実施形態では、補助セラミックス板１７に、厚さ方向に延在する複数のスリット１８が設けられているので、補助セラミックス板１７が容易に変形することになり、緩衝アルミ層１６と補助セラミックス板１７の変形によって、回路層１２とセラミックス基板１１との熱膨張係数の差に起因する熱応力を効率的に吸収することができる。さらに、あらかじめ補助セラミックス板１７にスリットを形成しておくことで、熱応力によって補助セラミックス板１７が不規則に割れてしまうことを防止できる。
さらに、本実施形態では、緩衝アルミ層１６が、４Ｎアルミニウムで構成されているので、緩衝アルミ層１６の変形抵抗が小さくなり、この緩衝アルミ層１６の変形によって、熱応力を効率的に吸収することができる。

【0045】

また、回路層１２の厚さｔｃが、０．１ｍｍ≦ｔｃ≦３ｍｍとされ、本実施形態では、ｔｃ＝１．０ｍｍとされているので、回路層１２における導電性を確保することができるとともに、回路層１２の変形抵抗が必要以上に大きくならず、セラミックス基板１１の割れの発生を抑制することができる。
さらに、補助セラミックス板１７の厚さｔｓが、０．１５ｍｍ≦ｔｓ≦１ｍｍとされ、本実施形態では、ｔｓ＝０．６３５ｍｍとされているので、回路層１２と確実に接合することができるとともに、積層方向の熱抵抗を抑えることができ、熱をヒートシンク４０側に向けて効率良く放散することができる。
また、緩衝アルミ層１６の厚さｔａが、０．４ｍｍ≦ｔａ≦３ｍｍとされ、本実施形態では、ｔａ＝２．０ｍｍとされているので、緩衝アルミ層１６において熱応力を確実に吸収することができるとともに、積層方向の熱抵抗を抑えることができ、熱をヒートシンク４０側に向けて効率良く放散することができる。

【0046】

また、本実施形態では、セラミックス基板１１の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層１３が形成されており、この金属層１３を介してヒートシンク４０が接合されているので、ヒートシンク４０とセラミックス基板１１との熱膨張係数の差に起因する熱応力を、金属層１３で吸収することができ、セラミックス基板１１の割れの防止及びヒートシンク４０とセラミックス基板１１との接合信頼性の向上を図ることができる。

【0047】

そして、本実施形態では、回路層１２を形成する銅板接合工程Ｓ０１と、緩衝アルミ層１６を形成するアルミニウム板接合工程Ｓ０２とを、同時に実施する構成としているので、補助セラミックス板１７における反りの発生を抑えることができる。
また、銅板接合工程Ｓ０１において、固相温度がアルミニウム板２６の融点未満とされたろう材５０を用いているので、アルミニウム板２６の融点未満の温度条件においても、銅板２２と補助セラミックス板１７とを確実に接合することができる。
本実施形態では、ろう材５０として、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系合金に、Ｉｎ，Ｂｉ，Ｌｉ，Ｓｎから選択される１種又は２種以上の低融点元素を添加した合金、具体的には、Ａｇ−２４質量％Ｃｕ−２質量％Ｔｉ−１４質量％Ｉｎ合金を用いているので、固相温度が６２０℃となり、アルミニウム板２６の融点未満の温度条件で銅板２２と補助セラミックス板１７とを強固に接合することができる。

【0048】

次に、本発明の第２の実施形態について、図６から図１３を参照して説明する。
本実施形態であるパワーモジュール１０１は、回路層１１２が配設されたパワーモジュール用基板１１０と、回路層１１２の表面にはんだ層１０２を介して接合された半導体素子１０３と、パワーモジュール用基板１１０の他方側（図６において下側）に配設されたヒートシンク１４０とを備えている。ここで、はんだ層１０２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材とされている。なお、本実施形態では、回路層１１２とはんだ層１０２との間にＮｉメッキ層（図示なし）が設けられている。

【0049】

パワーモジュール用基板１１０は、セラミックス基板１１１と、このセラミックス基板１１１の一方の面側（図６において上側）に配設された回路層１１２と、セラミックス基板１１１の他方の面（図６において下面）に接合された金属層１１３とを備えている。
そして、セラミックス基板１１１と回路層１１２との間には、セラミックス基板１１１の一方の面に接合された緩衝アルミ層１１６と、緩衝アルミ層１１６の一方の面に接合されるとともに回路層１１２の他方の面に接合された補助セラミックス板１１７と、が配設されている。

【0050】

セラミックス基板１１１は、一方の面側に配設された回路層１１２と他方の面側に金属層１１３との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高いＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）で構成されている。また、セラミックス基板１１１の厚さｔ_０は、０．２ｍｍ≦ｔ_０１≦１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、ｔ_０＝０．６３５ｍｍに設定されている。

【0051】

金属層１１３は、図１１に示すように、セラミックス基板１１１の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板１２３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１１３は、純度が９９．９９質量％以上のアルミニウム板１２３がセラミックス基板１１１に接合されることで形成されている。

【0052】

回路層１１２は、図１１に示すように、補助セラミックス基板１１７の一方の面に、銅又は銅合金からなる銅板１２２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１１２は、無酸素銅によって形成されている。
また、回路層１１２の厚さｔｃが０．１ｍｍ≦ｔｃ≦０．６ｍｍとされ、本実施形態では、ｔｃ＝１．０ｍｍとされている。

【0053】

緩衝アルミ層１１６は、図１１に示すように、補助セラミックス板１１７の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板１２６が接合されることにより形成されている。緩衝アルミ層１１６は、アルミニウム又はアルミニウム合金を用いることができるが、本実施形態では、純度が９９．９９質量％以上のアルミニウム板１２６が補助セラミックス板１１７に接合されることで形成されている。
また、緩衝アルミ層１１６の厚さｔａが０．４ｍｍ≦ｔａ≦３．０ｍｍとされ、本実施形態では、ｔａ＝１．５ｍｍとされている。

【0054】

補助セラミックス板１１７は、例えばＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４等のセラミックス材料で構成されており、本実施形態では、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）で構成されている。補助セラミックス板１１７の厚さｔｓは、０．１５ｍｍ≦ｔｓ≦１ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、ｔｓ＝０．３ｍｍに設定されている。

【0055】

ヒートシンク１４０は、前述のパワーモジュール用基板１１０を冷却するためのものである。本実施形態では、ヒートシンク１４０は、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成された放熱板とされている。

【0056】

そして、図７に示すように、補助セラミックス板１１７と緩衝アルミ層１１６との接合界面においては、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶しており、本実施形態では、添加元素としてＣｕが固溶している。
ここで、緩衝アルミ層１１６の補助セラミックス板１１７との接合界面近傍には、接合界面から積層方向に離間するにしたがい漸次添加元素の濃度（本実施形態ではＣｕ濃度）が低下する濃度傾斜層１７１が形成されている。また、この濃度傾斜層１７１の接合界面側（緩衝アルミ層１１６の補助セラミックス板１１７との接合界面近傍）の添加元素の濃度（本実施形態ではＣｕ濃度）が、０．０１質量％以上５質量％以下の範囲内に設定されている。
なお、緩衝アルミ層１１６の補助セラミックス板１１７との接合界面近傍の添加元素の濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって、接合界面から５０μｍの位置で５点測定した平均値である。また、図７のグラフは、緩衝アルミ層１１６の中央部分において積層方向にライン分析を行い、縦軸のＣｕ濃度は前述の５０μｍ位置でのＣｕ濃度を基準として求めたものである。

【0057】

また、図８に示すように、緩衝アルミ層１１６とセラミックス基板１１１、セラミックス基板１１１と金属層１１３との接合界面においては、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶しており、本実施形態では、添加元素としてＣｕが固溶している。
ここで、緩衝アルミ層１１６及び金属層１１３とセラミックス基板１１１との接合界面近傍には、接合界面から積層方向に離間するにしたがい漸次添加元素の濃度（本実施形態ではＣｕ濃度）が低下する濃度傾斜層１７２，１７３が形成されている。また、この濃度傾斜層１７２，１７３の接合界面側（緩衝アルミ層１１６及び金属層１１３のセラミックス基板１１１との接合界面近傍）の添加元素の濃度（本実施形態ではＣｕ濃度）が、０．０１質量％以上５質量％以下の範囲内に設定されている。
なお、緩衝アルミ層１１６及び金属層１１３のセラミックス基板１１１との接合界面近傍の添加元素の濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって、接合界面から５０μｍの位置で５点測定した平均値である。また、図８のグラフは、緩衝アルミ層１１６及び金属層１１３の中央部分において積層方向にライン分析を行い、縦軸のＣｕ濃度は前述の５０μｍ位置でのＣｕ濃度を基準として求めたものである。

【0058】

さらに、図９に示すように、金属層１１３とヒートシンク１４０との接合界面においては、金属層１１３及びヒートシンク１４０に、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶しており、本実施形態では、添加元素としてＣｕが固溶している。
ここで、金属層１１３及びヒートシンク１４０の接合界面近傍には、接合界面から積層方向に離間するにしたがい漸次添加元素の濃度（本実施形態ではＣｕ濃度）が低下する濃度傾斜層１７４、１７５が形成されている。また、この濃度傾斜層１７４、１７５の接合界面側（金属層１１３及びヒートシンク１４０の接合界面近傍）の添加元素の濃度（本実施形態ではＣｕ濃度）が、０．０１質量％以上５質量％以下の範囲内に設定されている。
なお、この金属層１１３及びヒートシンク１４０の接合界面近傍の添加元素の濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって、接合界面から５０μｍの位置で５点測定した平均値である。また、図９のグラフは、金属層１１３及びヒートシンク１４０の中央部分において積層方向にライン分析を行い、縦軸のＣｕ濃度は前述の５０μｍ位置でのＣｕ濃度を基準として求めたものである。

【0059】

以下に、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およびパワーモジュール１０１の製造方法について、図１０から図１４を参照して説明する。
このパワーモジュール１０１の製造方法は、銅板１２２と補助セラミックス板１１７とを接合する銅板接合工程Ｓ１０１と、補助セラミックス板１１１と緩衝アルミ層１１６となるアルミニウム板１２６とを接合するアルミニウム板接合工程Ｓ１０２と、緩衝アルミ層１１６とセラミックス基板１１１、セラミックス基板１１１と金属層１１３となるアルミニウム板１２３とを接合するセラミックス基板接合工程Ｓ１０３と、パワーモジュール用基板１１０とヒートシンク１４０とを接合するヒートシンク接合工程Ｓ１０４と、回路層１１２の一面に半導体素子１０３を接合する半導体素子接合工程Ｓ１０５と、を備えている。

【0060】

（銅板接合工程Ｓ１０１／アルミニウム板接合工程Ｓ１０２／セラミックス基板接合工程Ｓ１０３／ヒートシンク接合工程Ｓ１０４）
まず、図１１に示すように、アルミニウム板１２６の一方の面にスパッタリングによって添加元素（Ｃｕ）を固着して第１固着層１５１を形成するとともに、アルミニウム板１２６の他方の面にスパッタリングによって添加元素（Ｃｕ）を固着して第２固着層１５２を形成する。また、アルミニウム板１２３の一方の面にスパッタリングによって添加元素（Ｃｕ）を固着して第３固着層１５３を形成するとともに、アルミニウム板１２３の他方の面にスパッタリングによって添加元素（Ｃｕ）を固着して第４固着層１５４を形成する。ここで、第１固着層１５１、第２固着層１５２、第３固着層１５３及び第４固着層１５４における添加元素量は０．０１ｍｇ／ｃｍ^２以上１０ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内とされており、本実施形態では、添加元素としてＣｕを用いており、第１固着層１５１、第２固着層１５２、第３固着層１５３及び第４固着層１５４におけるＣｕ量が０．０８ｍｇ／ｃｍ^２以上２．７ｍｇ／ｃｍ^２以下に設定されている。

【0061】

そして、図１１に示すように、補助セラミックス板１１７の他方の面側（図１１において下側）に、アルミニウム板１２６を積層し、アルミニウム板１２６の他方の面側にセラミックス基板１１１を積層し、セラミックス基板１１１の他方の面側にアルミニウム板１２３を積層し、さらに、アルミニウム板１２３の他方の面側にヒートシンク１４０を積層する。
また、補助セラミックス板１１７の一方の面側（図１１において上側）に、ろう材１５０を介して銅板１２２を積層する。

【0062】

ここで、銅板１２２と補助セラミックス板１１７との間に介在されるろう材１５０は、その固相温度がアルミニウム板１２３、１２６、ヒートシンク１４０の融点未満とされている。具体的には、ろう材１５０は、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系合金に、Ｉｎ，Ｂｉ，Ｌｉ，Ｓｎから選択される１種又は２種以上の低融点元素が添加された合金とされており、本実施形態では、Ａｇ−２４質量％Ｃｕ−２質量％Ｔｉ−１４質量％Ｉｎ合金とされている。また、ろう材１５０の厚さは１０〜１００μｍとされている。

【0063】

次に、銅板１２２、補助セラミックス板１１７、アルミニウム板１２６、セラミックス基板１１１、アルミニウム板１２３、ヒートシンク１４０を、その積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ^２）した状態で真空加熱炉内に装入して加熱する。ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は１０^−３〜１０^−６Ｐａの範囲内に設定し、加熱温度は６３０℃以上６５５℃以下の範囲内に設定している。

【0064】

すると、ろう材１５０が溶融することにより、銅板１２２と補助セラミックス板１１７との界面に溶融金属領域１６０が形成される。
また、補助セラミックス板１１７とアルミニウム板１２６との界面に第１溶融金属領域１６１が形成される。
さらに、アルミニウム板１２６とセラミックス基板１１１との界面に第２溶融金属領域１６２が形成され、セラミックス基板１１１とアルミニウム板１２３との界面に第３溶融金属領域１６３が形成される。
また、アルミニウム板１２３とヒートシンク１４０との界面に第４溶融金属領域１６４が形成される。

【0065】

ここで、補助セラミックス板１１７とアルミニウム板１２６との界面に形成される第１溶融金属領域１６１は、図１２に示すように、第１固着層１５１の添加元素（Ｃｕ）がアルミニウム板１２６側に拡散することによって、アルミニウム板１２６の第１固着層１５１近傍の添加元素の濃度（Ｃｕ濃度）が上昇して融点が低くなることにより形成されるものである。

【0066】

また、アルミニウム板１２６とセラミックス基板１１１との界面に形成される第２溶融金属領域１６２及びセラミックス基板１１１とアルミニウム板１２３との界面に形成される第３溶融金属領域１６３は、図１３に示すように、第２固着層１５２の添加元素（Ｃｕ）がアルミニウム板１２６側に、第３固着層１５３の添加元素（Ｃｕ）がアルミニウム板１２３側に拡散することによって、アルミニウム板１２６の第２固着層１５２近傍の添加元素の濃度（Ｃｕ濃度）及びアルミニウム板１２３の第３固着層１５３近傍の添加元素の濃度（Ｃｕ濃度）が上昇して融点が低くなることにより形成されるものである。

【0067】

また、アルミニウム板１２３とヒートシンク１４０との界面に形成される第４溶融金属領域１６４は、図１４に示すように、第４固着層１５４の添加元素（Ｃｕ）がアルミニウム板１２３側及びヒートシンク１４０側に拡散することによって、アルミニウム板１２３及びヒートシンク１４０の第４固着層１５４近傍の添加元素の濃度（Ｃｕ濃度）が上昇して融点が低くなることにより形成されるものである。

【0068】

次に、第１溶融金属領域１６１、第２溶融金属領域１６２、第３溶融金属領域１６３、第４融金属領域１６４が形成された状態で温度を一定に保持しておく。
すると、第１溶融金属領域１６１、第２溶融金属領域１６２、第３溶融金属領域１６３、第４溶融金属領域１６４中のＣｕが、さらに拡散し、第１溶融金属領域１６１、第２溶融金属領域１６２、第３溶融金属領域１６３、第４溶融金属領域１６４であった部分のＣｕ濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していく。これにより、補助セラミックス板１１７とアルミニウム板１２６、アルミニウム板１２６とセラミックス基板１１１、セラミックス基板１１１とアルミニウム板１２３、アルミニウム板１２３とヒートシンク１４０とが接合される。

【0069】

つまり、補助セラミックス板１１７とアルミニウム板１２６、アルミニウム板１２６とセラミックス基板１１１、セラミックス基板１１１とアルミニウム板１２３、アルミニウム板１２３とヒートシンク１４０は、いわゆる液相拡散接合（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって接合されているのである。このようにして凝固が進行した後に、常温にまで冷却を行う。
そして、冷却する過程において、銅板１２２と補助セラミックス板１１７との界面に形成された溶融金属領域１６０が凝固し、銅板１２２と補助セラミックス板１１７とが接合される。

【0070】

このようにして、銅板１２２、補助セラミックス板１１７、アルミニウム板１２６、セラミックス基板１１１、アルミニウム板１２３、ヒートシンク１４０が接合され、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が製造されることになる。すなわち、本実施形態においては、銅板接合工程Ｓ１０１と、アルミニウム板接合工程Ｓ１０２と、セラミックス基板接合工程Ｓ１０３と、ヒートシンク接合工程Ｓ１０４とが、同時に実施されているのである。

【0071】

（半導体素子接合工程Ｓ１０５）
次に、回路層１１２の表面に形成されたＮｉメッキ層（図示なし）の上に、はんだ材を介して半導体素子１０３を載置し、還元炉内においてはんだ接合する。これにより、半導体素子１０３が、はんだ層１０２を介してパワーモジュール用基板１１０上に接合され、本実施形態であるパワーモジュール１０１が製出される。

【0072】

以上のような構成とされた本実施形態によれば、回路層１１２が銅板１２２によって構成され、金属層１１３がアルミニウム板１２３で構成されているので、第１の実施形態と同様の作用効果を奏することが可能となる。
また、本実施形態では、回路層１１２となる銅板１２３と、セラミックス基板１１１と、金属層１１３となるアルミニウム板１２３と、ヒートシンク１４０と、同時に接合する構成とされていることから、接合時におけるセラミックス基板１１１の反りの発生を抑制することができる。また、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造コストを低減することができる。

【0073】

本実施形態では、補助セラミックス板１１７と緩衝アルミ層１１６、緩衝アルミ層１１６とセラミックス基板１１１とが、いわゆる液相拡散接合法によって接合されているので、補助セラミックス板１１７と緩衝アルミ層１１６、緩衝アルミ層１１６とセラミックス基板１１１とを強固に接合できる。

【0074】

さらに、本実施形態では、セラミックス基板１１１と金属層１１３となるアルミニウム板１２３とについても液相拡散接合法によって接合されているので、セラミックス基板１１１と金属層１１３とが強固に接合され、接合信頼性に優れたパワーモジュール用基板１０を製造することができる。
さらに、本実施形態では、アルミニウム板１２３とヒートシンク１４０との接合も、液相拡散接合法によって接合されているので、アルミニウム板１２３とヒートシンク１４０とを強固に接合できる。

【0075】

また、本実施形態では、緩衝アルミ層１１６のうち補助セラミックス板１１７との接合界面近傍及びセラミックス基板１１１との接合界面近傍に、添加元素であるＣｕが固溶しているので、緩衝アルミ層１１６の接合界面近傍の強度を向上させることができる。
具体的には、緩衝アルミ層１１６のうち補助セラミックス板１１７及びセラミックス基板１１１との接合界面近傍におけるＣｕ濃度が０．０５質量％以上とされているので、緩衝アルミ層１１６の接合界面側部分を確実に強化することができ、緩衝アルミ層１１６における亀裂の発生を防止できる。また、緩衝アルミ層１１６のうち補助セラミックス板１１７及びセラミックス基板１１１との接合界面近傍におけるＣｕ濃度が５質量％以下とされているので、緩衝アルミ層１１６の接合界面の強度が必要以上に高くなることを防止できる。よって、このパワーモジュール用基板１１０に熱サイクルが負荷された際の熱応力を緩衝アルミ層１１６で吸収することができ、セラミックス基板１１１の割れ等を防止できる。

【0076】

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、補助セラミックス板及びセラミックス基板として、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３で構成されたものを例示して説明したが、これに限定されることはなく、Ｓｉ_３Ｎ_４等の他のセラミックス材料で構成されたものであってもよい。

【0077】

また、本実施形態においては、回路層とセラミックス基板との間に、一つの緩衝アルミ層と一つの補助セラミックス板が介装されたものとして説明したが、これに限定されることはなく、複数の緩衝アルミ層及び複数の補助セラミックス板が介装された構成としてもよい。

【0078】

さらに、第１の実施形態において、補助セラミックス板に、厚さ方向に貫通したスリットを設けたものとして説明したが、これに限定されることはなく、厚さ方向に貫通しない溝部を形成してもよい。この場合、冷熱サイクルによって熱応力が負荷された際に、この溝部を起点として補助セラミックス板が割れることになり、不規則な割れの発生を抑制することが可能となる。

【0079】

また、第２の実施形態において、添加元素としてＣｕを固着し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、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，Ｌｉのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素を固着してもよい。
なお、ＭｇやＣａ等の易酸化元素を用いる場合には、アルミニウムとともに添加元素を固着することが好ましい。これにより、ＭｇやＣａ等の易酸化元素が酸化損耗することを抑制することができる。

【0080】

また、第２の実施形態において、アルミニウム板にＣｕを固着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、補助セラミックス板、セラミックス基板やヒートシンク側に添加元素を固着してもよい。
さらに、スパッタによってＣｕを固着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、めっき、蒸着、ＣＶＤ、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているペースト又はインクなどの塗布等でＣｕを固着させてもよい。

【0081】

また、本実施形態では、ヒートシンクをＡ６０６３合金で構成したものとして説明したが、これに限定されることはなく、Ａ１１００合金、Ａ３００３合金、Ａ５０５２合金、Ａ７Ｎ０１合金等の他の金属材料で構成されたものであってもよい。
さらに、ヒートシンクの構造は、本実施形態に限定されることはなく、他の構造のヒートシンクを採用してもよい。

【0082】

また、本実施形態では、ヒートシンクの上に一つのパワーモジュール用基板が接合された構成として説明したが、これに限定されることはなく、一つのヒートシンクの上に複数のパワーモジュール用基板が接合されていてもよい。

【実施例】

【0083】

以下に、本発明の効果を確認すべく実施した確認実験の結果について説明する。
表１に示す銅板、補助セラミックス板、緩衝アルミ層、セラミックス基板、金属層、ヒートシンクを備えた、ヒートシンク付パワーモジュール用基板を製出し、評価した。

【0084】

（本発明例１−６）
銅板と補助セラミックス板との接合には、Ａｇ−２４質量％Ｃｕ−２質量％Ｔｉ−１４質量％Ｉｎ合金からなり、厚さ５０μｍのろう材を用いた。
補助セラミックス板と緩衝アルミ層となるアルミニウム板との接合には、Ａｌ−７．５質量％Ｓｉ合金からなり、厚さ２０μｍのろう材を用いた。
銅板と補助セラミックス板と緩衝アルミ層となるアルミニウム板とを、積層方向に圧力１５ｋｇｆ／ｃｍ^２で加圧した状態で、真空炉（圧力１０^−４Ｐａ、温度６５０℃）に装入し、銅板と補助セラミックス板、補助セラミックス板と緩衝アルミ層となるアルミニウム板を同時に接合した。

【0085】

次に、緩衝アルミ層とセラミックス基板、セラミックス基板と金属層となるアルミニウム板、金属層となるアルミニウム板とヒートシンクとの接合には、Ａｌ−１０質量％Ｓｉ合金からなり、厚さ５０μｍのろう材を用いた。
銅板、補助セラミックス板及び緩衝アルミ層と、セラミックス基板と、金属層となるアルミニウム板と、ヒートシンクとを、積層方向に圧力３．５ｋｇｆ／ｃｍ^２で加圧した状態で、真空炉（圧力１０^−４Ｐａ、温度６１０℃）に装入し、緩衝アルミ層とセラミックス基板、セラミックス基板と金属層となるアルミニウム板、金属層となるアルミニウム板とヒートシンクとを同時に接合した。
なお、本発明例４−６においては、補助セラミックス板として、７ｍｍ間隔で複数のスリットが形成されたものを用いた。

【0086】

（本発明例７−１２）
銅板と補助セラミックス板との接合には、Ａｇ−２４質量％Ｃｕ−２質量％Ｔｉ−１４質量％Ｉｎ合金からなり、厚さ５０μｍのろう材を用いた。
また、緩衝アルミ層となるアルミニウム板の両面及び金属層となるアルミニウム板の両面に、スパッタリングによってＣｕを固着した。Ｃｕの固着量は、０．１５ｍｇ／ｃｍ^２とした。

【0087】

銅板、補助セラミックス板、緩衝アルミ層となるアルミニウム板、セラミックス基板、金属層となるアルミニウム板、ヒートシンクを、積層し、これを積層方向に圧力２０ｋｇｆ／ｃｍ^２で加圧した状態で、真空炉（圧力１０^−４Ｐａ、温度６５０℃）に装入し、銅板と補助セラミックス板、補助セラミックス板と緩衝アルミ層となるアルミニウム板、緩衝アルミ層となるアルミニウム板とセラミックス基板、セラミックス基板と金属層となるアルミニウム板、金属層となるアルミニウム板とヒートシンクと、を同時に接合した。
なお、本発明例１０−１２においては、補助セラミックス板として、７ｍｍ間隔で複数のスリットが形成されたものを用いた。

【0088】

（比較例１，２）
比較例として、セラミックス基板の一方の面に銅板を接合し、セラミックス基板の他方の面に金属層となるアルミニウム板を接合し、かつ、金属層とヒートシンクを接合して、ヒートシンク付パワーモジュール用基板を製出した。

【0089】

比較例１においては、銅板とセラミックス基板との接合には、Ａｇ−２４質量％Ｃｕ−２質量％Ｔｉ−１４質量％Ｉｎ合金からなり、厚さ５０μｍのろう材を用いた。また、セラミックス基板と金属層となるアルミニウム板との接合には、Ａｌ−７．５質量％Ｓｉ合金からなり、厚さ２０μｍのろう材を用いた。
銅板とセラミックス基板と金属層となるアルミニウム板とを、積層方向に圧力１５ｋｇｆ／ｃｍ^２で加圧した状態で、真空炉（圧力１０^−４Ｐａ、温度６５０℃）に装入し、銅板とセラミックス基板、セラミックス基板と金属層となるアルミニウム板を同時に接合し、パワーモジュール用基板を製出した。

【0090】

パワーモジュール用基板とヒートシンクとの接合には、Ａｌ−１０質量％Ｓｉ合金からなり、厚さ５０μｍのろう材を用いた。パワーモジュール用基板とヒートシンクとを積層方向に圧力３．５ｋｇｆ／ｃｍ^２で加圧した状態で、真空炉（圧力１０^−４Ｐａ、温度６１０℃）に装入し、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを接合した。

【0091】

比較例２においては、銅板とセラミックス基板との接合には、Ａｇ−２４質量％Ｃｕ−２質量％Ｔｉ−１４質量％Ｉｎ合金からなり、厚さ５０μｍのろう材を用いた。
また、金属層となるアルミニウム板の両面に、スパッタリングによってＣｕを固着した。Ｃｕの固着量は、０．１５ｍｇ／ｃｍ^２とした。
銅板、セラミックス基板、金属層となるアルミニウム板、ヒートシンクを、積層し、これを積層方向に圧力２０ｋｇｆ／ｃｍ^２で加圧した状態で、真空炉（圧力１０^−４Ｐａ、温度６５０℃）に装入し、銅板とセラミックス基板、セラミックス基板と金属層となるアルミニウム板、金属層となるアルミニウム板とヒートシンクと、を同時に接合した。

【0092】

（冷熱サイクル前後の電気抵抗値評価）
得られたヒートシンク付パワーモジュール用基板について、冷熱サイクル試験を実施し、冷熱サイクル負荷前後の電気抵抗値の変化について評価した。
電気抵抗値は、図１５及び図１６に示すように、回路層上の中心点Ａとヒートシンク上の点Ｂ間をテスタ（ＫＥＩＴＨＬＥＹ社製：２０１０ＭＵＬＴＩＭＥＴＥＲ）を用いて、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の積層方向の電気抵抗値を測定した。なお、ヒートシンク上の点Ｂは、点Ａから回路層の最短の端部を求め、点Ａと前記端部を通る直線上であって、点Ａと前記端部の距離Ｈと同距離だけ前記端部から離れたところからヒートシンク上に垂線を下ろした地点とした。ここで、電気抵抗値が１０^１０Ω以上の場合には、〇と評価し、１０^８Ω未満の場合には、×と評価した。

【0093】

冷熱サイクルは、エスペック株式会社製ＴＳＢ−５１を用いて、液相としてフロリナート（住友スリーエム株式会社製）を使用して実施した。−４０℃×５分←→１２５℃×５分を１サイクルとして３０００サイクル実施した。そして、冷熱サイクル負荷前後の電気抵抗値を測定した。評価結果を表２に示す。

【0094】

（セラミックス基板の外周部クラック観察）
冷熱サイクル負荷後のヒートシンク付パワーモジュール用基板について、外観から観察できるセラミックス基板の外周部でのクラックの有無を観察した。セラミックス基板の外周部のいずれかにクラックが認められたものは×とし、クラックが認められなかったものは〇と評価した。評価結果を表２に示す。

【0095】

【表1】

【0096】

【表2】

【0097】

本発明例においては、冷熱サイクル負荷前後で電気抵抗値が大きく変化せず、絶縁性が確保されていることが確認される。
これに対して、比較例１，２においては、冷熱サイクル負荷後に電気抵抗値が大幅に低下しており、十分に絶縁されていないことが確認される。これは、セラミックス基板に割れが生じたためと推測される。
以上のことから、本発明によれば、回路層を銅板で構成しても、セラミックス基板の割れを防止でき、絶縁性を確保することができる。

【符号の説明】

【0098】

１， １０１ パワーモジュール
２， １０２ はんだ層
３， １０３ 半導体素子（電子部品）
１０，１１０ パワーモジュール用基板
１１，１１１ セラミックス基板
１２，１１２ 回路層
１３，１１３ 金属層
１６，１１６ 緩衝アルミ層
１７，１１７ 補助セラミックス板
１８ スリット
４０，１４０ ヒートシンク
５０，１５０ ろう材（接合材）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】