特許 6048558 冷却器付パワーモジュール用基板及びその製造方法

(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】6048558

(24)【登録日】2016年12月2日

(45)【発行日】2016年12月21日

(54)【発明の名称】冷却器付パワーモジュール用基板及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/40 20060101AFI20161212BHJP

   H01L 23/473 20060101ALI20161212BHJP

   H01L 25/07 20060101ALI20161212BHJP

   H01L 25/18 20060101ALI20161212BHJP

   H05K 7/20 20060101ALI20161212BHJP

【ＦＩ】

   H01L23/40 F

   H01L23/46 Z

   H01L25/04 C

   H05K7/20 P

   H05K7/20 E

【請求項の数】8

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2015-200784(P2015-200784)

(22)【出願日】2015年10月9日

(65)【公開番号】特開2016-82234(P2016-82234A)

(43)【公開日】2016年5月16日

【審査請求日】2016年3月8日

(31)【優先権主張番号】特願2014-211529(P2014-211529)

(32)【優先日】2014年10月16日

(33)【優先権主張国】JP

【早期審査対象出願】

【前置審査】

(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】100101465

【弁理士】

【氏名又は名称】青山 正和

(72)【発明者】

【氏名】大井 宗太郎

(72)【発明者】

【氏名】大開 智哉

(72)【発明者】

【氏名】北原 丈嗣

【審査官】 石坂 博明

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−１０９３１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１７９４６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−２１４５７６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２３／１２−２３／１５

２３／２９

２３／３４−２３／３６

２３／３７３−２３／４２７

２３／４４

２３／４６７−２３／４７３

２５／００−２５／０７

２５／１０−２５／１１

２５／１６−２５／１８

Ｈ０５Ｋ ７／２０

(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に銅又は銅合金からなる金属板を接合して回路層を形成するとともに、前記セラミックス基板の他方の面に銅又は銅合金からなる金属板を接合して第１金属層を形成する第１接合工程と、
アルミニウム又はアルミニウム合金からなる０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの厚みの金属板と前記第１金属層とを固相拡散接合により接合して第２金属層を形成する第２接合工程と、
前記第２金属層にアルミニウム合金からなる冷却器をＭｇ含有Ａｌ系ろう材を用いてろう付け接合する第３接合工程と
を有し、
前記第２接合工程において、前記第１金属層と前記第２金属層との間にチタン箔を介在させ、前記第１金属層と前記チタン箔および前記第２金属層と前記チタン箔をそれぞれ固相拡散接合し、
前記第３接合工程において、前記第２金属層と前記冷却器とをＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系ろう材を用いてろう付け接合することを特徴とする冷却器付パワーモジュール用基板の製造方法。

【請求項2】

前記チタン箔は前記第１金属層よりも面積が大きいことを特徴とする請求項１記載の冷却器付パワーモジュール用基板の製造方法。

【請求項3】

セラミックス基板の一方の面に銅又は銅合金からなる金属板を接合して回路層を形成するとともに、前記セラミックス基板の他方の面に銅又は銅合金からなる金属板を接合して第１金属層を形成する第１接合工程と、
ニッケル又はニッケル合金からなる金属板と前記第１金属層とを固相拡散接合により接合して第２金属層を形成する第２接合工程と、
前記第２金属層にアルミニウム合金からなる冷却器をＭｇ含有Ａｌ系ろう材を用いてろう付け接合する第３接合工程と
を有し、
前記第１接合工程および前記第２接合工程を同時に行うことを特徴とする冷却器付パワーモジュール用基板の製造方法。

【請求項4】

前記第２金属層は前記第１金属層よりも面積が大きいことを特徴とする請求項３記載の冷却器付パワーモジュール用基板の製造方法。

【請求項5】

前記第２接合工程において、前記第２金属層にアルミニウム板をさらに積層して前記第１金属層と前記第２金属層および前記第２金属層と前記アルミニウム板をそれぞれ固相拡散接合により接合し、
前記第３接合工程においては、前記第２金属層に代えて、前記第２金属層に接合された前記アルミニウム板に、前記冷却器をろう付け接合することを特徴とする請求項３記載の冷却器付パワーモジュール用基板の製造方法。

【請求項6】

セラミックス基板と、
前記セラミックス基板の一方の面に接合された銅又は銅合金からなる回路層と、
前記セラミックス基板の他方の面に接合された銅又は銅合金からなる第１金属層と、
前記第１金属層に接合されたニッケル又はニッケル合金からなる第２金属層と、
前記第２金属層に接合されたアルミニウム合金からなる冷却器と
を備え、
前記第１金属層中に、その表面に接合された部材中の金属原子が拡散した状態で存在しているとともに、
前記第２金属層中に、その表面に接合された部材中の金属原子が拡散した状態で存在していることを特徴とする冷却器付パワーモジュール用基板。

【請求項7】

前記第２金属層は前記第１金属層よりも面積が大きいことを特徴とする請求項６記載の冷却器付パワーモジュール用基板。

【請求項8】

前記第２金属層と前記冷却器との間に介在するアルミニウム層をさらに有することを特徴とする請求項６に記載の冷却器付パワーモジュール用基板。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられる冷却器付パワーモジュール用基板及びその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来のパワーモジュール用基板として、絶縁層となるセラミックス基板の一方の面に回路層が接合されるとともに、他方の面に放熱のための金属層が接合された構成のものが知られている。また、このパワーモジュール用基板の金属層に冷却器が接合されることで、冷却器付パワーモジュール用基板が構成される。そして、回路層上にはんだ材を介してパワー素子等の半導体素子が搭載され、パワーモジュールとなる。

【0003】

この種のパワーモジュール用基板において、回路層に熱的特性、電気的特性に優れる銅又は銅合金を用い、冷却器にはアルミニウム合金からなる構造のものを用いた冷却器付パワーモジュール用基板が普及しつつある。

【0004】

そのようなパワーモジュール用基板として、特許文献１に、セラミックス基板として窒化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム等を用い、このセラミックス基板に、金属層を直接接合法や活性金属法によって接合することが開示されており、その金属層として、銅を用いるのが好ましいと記載されている。また、そのパワーモジュール用基板に、ヒートシンクをはんだにより接合することも記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００６‐２４５４３７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ところで、金属層とヒートシンクとを接合しているはんだ層は熱抵抗が大きく、半導体素子からヒートシンクへの熱伝達を妨げ、また、熱伸縮によりはんだ層にクラックが入ってはんだ層が破壊するおそれがある。このため、熱抵抗が小さく、接合信頼性も高いろう付け接合が注目されている。

【0007】

しかしながら、ろう付け工程は、ろう材を介して積層した金属板どうしを積層方向に加圧して加熱することにより行われるものであるため、ヒートシンクとして、内部に冷却流路を形成したアルミニウム製冷却器をろう付けによりパワーモジュール用基板に接合する場合、その加圧力によってアルミニウム製冷却器が変形するおそれがある。

【0008】

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、銅又は銅合金からなる金属層をアルミニウム製冷却器にろう付けする際の変形の発生を防止し、熱抵抗が小さく、接合信頼性の高い冷却器付パワーモジュール用基板を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の冷却器付パワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板の一方の面に銅又は銅合金からなる金属板を接合して回路層を形成するとともに、前記セラミックス基板の他方の面に銅又は銅合金からなる金属板を接合して第１金属層を形成する第１接合工程と、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの厚みの金属板と前記第１金属層とを固相拡散接合により接合して第２金属層を形成する第２接合工程と、前記第２金属層にアルミニウム合金からなる冷却器をＭｇ含有Ａｌ系ろう材を用いてろう付け接合する第３接合工程とを有し、前記第２接合工程において、前記第１金属層と前記第２金属層との間にチタン箔を介在させ、前記第１金属層と前記チタン箔および前記第２金属層と前記チタン箔をそれぞれ固相拡散接合し、 前記第３接合工程において、前記第２金属層と前記冷却器とをＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系ろう材を用いてろう付け接合する。

【0010】

本発明の製造方法は、銅又は銅合金からなる第１金属層にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる第２金属層を固相拡散接合によって接合することにより、アルミニウム合金からなる冷却器をＭｇ含有Ａｌ系ろう材を用いてろう付け接合することが可能である。このろう付けは、窒素又はアルゴン等の雰囲気中で低荷重（例えば０．００１ＭＰａ〜０．５ＭＰａ）で行うことができ、剛性の低いアルミニウム製冷却器でも変形させることなく確実に接合できる。

【0012】

チタン箔を介して第１金属層と第２金属層とを固相拡散接合により接合することにより、両金属層にチタン原子を拡散させるとともに、チタン箔にアルミニウム原子及び銅原子を拡散させて、これら第１金属層、チタン箔、第２金属層を確実に接合できる。

【0013】

この場合、第２金属層を接合した後、冷却器をろう付けする際に加熱されるが、チタン箔が介在しているので、このろう付けの際にアルミニウムと銅とに拡散が生じることが防止される。

【0014】

この製造方法において、前記チタン箔は前記第１金属層よりも面積が大きいことが好ましい。この場合、銅又は銅合金からなる第１金属層の銅と、冷却器を接合するＭｇ含有Ａｌ系ろう材のアルミニウムとの接触を、より確実に防止できる。

【0015】

この製造方法において、前記第２金属層をアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる前記金属板を用いて形成する場合、冷却器を接合するろう材にアルミニウム酸化膜に対する濡れ性の低いＭｇが含有されているので、溶融したＭｇ含有Ａｌ系ろう材が、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる第２金属層の側面の酸化膜に弾かれ、第１金属層まで到達しない。これにより、銅又は銅合金からなる第１金属層と接触せず、第１金属層を変形させることが無い。

【0016】

あるいは本発明の製造方法は、セラミックス基板の一方の面に銅又は銅合金からなる金属板を接合して回路層を形成するとともに、前記セラミックス基板の他方の面に銅又は銅合金からなる金属板を接合して第１金属層を形成する第１接合工程と、ニッケル又はニッケル合金からなる金属板と前記第１金属層とを固相拡散接合により接合して第２金属層を形成する第２接合工程と、前記第２金属層にアルミニウム合金からなる冷却器をＭｇ含有Ａｌ系ろう材を用いてろう付け接合する第３接合工程とを有し、前記第１接合工程および前記第２接合工程を同時に行う。この場合、第２金属層がニッケル又はニッケル合金であることにより、第１接合工程と第２接合工程とを同時に行うことができる。第１接合工程には、例えばＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材を用いたろう付け接合が採用できる。

【0017】

この場合、ニッケル又はニッケル合金からなる前記第２金属層が前記第１金属層よりも面積が大きいと、銅又は銅合金からなる第１金属層の銅と冷却器を接合するろう材のアルミニウムとの接触をより確実に防止できるので好ましい。

【0018】

さらにこの場合、前記第２接合工程において、前記第２金属層にアルミニウム板をさらに積層して前記第１金属層と前記第２金属層および前記第２金属層と前記アルミニウム板をそれぞれ固相拡散接合により接合し、前記第３接合工程においては、前記第２金属層に代えて、前記第２金属層に接合された前記アルミニウム板に、前記冷却器をろう付け接合してもよい。

【0023】

本発明の冷却器付パワーモジュール用基板は、セラミックス基板と、前記セラミックス基板の一方の面に接合された銅又は銅合金からなる回路層と、前記セラミックス基板の他方の面に接合された銅又は銅合金からなる第１金属層と、前記第１金属層に接合されたニッケル又はニッケル合金からなる第２金属層と、前記第２金属層に接合されたアルミニウム合金からなる冷却器とを備え、前記第１金属層中に、その表面に接合された部材中の金属原子が拡散した状態で存在しているとともに、前記第２金属層中に、その表面に接合された部材中の金属原子が拡散した状態で存在している。

【0024】

この場合、ニッケル又はニッケル合金からなる前記第２金属層は前記第１金属層よりも面積が大きいことが好ましい。

【0025】

また、ニッケル又はニッケル合金からなる前記第２金属層と前記冷却器との間に介在するアルミニウム層をさらに有してもよい。

【発明の効果】

【0026】

本発明によれば、パワーモジュール用基板の銅又は銅合金からなる第１金属層に、アルミニウム合金からなる冷却器を窒素又はアルゴン雰囲気で低荷重でろう付けでき、剛性の低い冷却器でも、変形させることなく確実に接合できる。また、Ｍｇ含有Ａｌ系ろう材を用いてろう付けを行っているが、冷却器との間に第２金属層が介在することにより、溶融したＭｇ含有Ａｌ系ろう材が銅又は銅合金からなる第１金属層と接触することが無く、第１金属層を変形させることが無い。しかも、ろう付けであるので、熱抵抗が小さく、接合信頼性の高い冷却器付パワーモジュール用基板を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】本発明の第一実施形態の冷却器付パワーモジュール用基板の縦断面図である。

【図2A】図１の冷却器付パワーモジュール用基板の製造方法における第１接合工程を示した縦断面図である。

【図2B】図１の冷却器付パワーモジュール用基板の製造方法における第２接合工程を示した縦断面図である。

【図2C】図１の冷却器付パワーモジュール用基板の製造方法における第３接合工程を示した縦断面図である。

【図3】図２Ａ〜２Ｃの製造方法で用いられる加圧装置の例を示す正面図である。

【図4】本発明の第２実施形態に係る冷却器付パワーモジュール用基板の縦断面図である。

【図5】本発明の第３実施形態に係る冷却器付パワーモジュール用基板の縦断面図である。

【図6】本発明の第４実施形態に係る冷却器付パワーモジュール用基板の縦断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0028】

以下、本発明に係る冷却器付パワーモジュール用基板及びその製造方法の各実施形態について説明する。

【0029】

（第１実施形態）
図１に示す冷却器付パワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板１１と、そのセラミックス基板１１の一方の面に接合された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面に接合された第１金属層１３と、この第１金属層１３のセラミックス基板１１とは反対側の面に接合された第２金属層１４と、この第２金属層１４に接合された冷却器２０と、第１金属層１３と第２金属層１４との間に介在するチタン層４２とを有している。図１中符号４８は後述する接合層である。そして、回路層１２の上に図１の二点鎖線で示すように半導体素子３０がはんだ材により接合されて、パワーモジュールを構成する。

【0030】

セラミックス基板１１は、回路層１２と第１金属層１３との間の電気的接続を防止するものであって、窒化アルミニウム（ＡｌＮ），窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４），酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）等を用いることができるが、そのうち、窒化ケイ素が高強度であるため、好適である。このセラミックス基板１１の厚みは０．２ｍｍ以上１．５ｍｍ以下の範囲内に設定される。

【0031】

回路層１２は、電気特性に優れる銅又は銅合金から構成される。また、第１金属層１３も銅又は銅合金から構成される。これら回路層１２及び第１金属層１３は、例えば、純度９９．９６質量％以上の無酸素銅の銅板がセラミックス基板１１に例えば活性金属ろう材にてろう付け接合されることにより形成される。この回路層１２及び第１金属層１３の厚みは０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲内に設定される。

【0032】

第１金属層１３は、銅又は銅合金からなる金属板１３′がセラミックス基板１１に接合されることにより形成されている。この第１金属層１３中には、その表面に接合された部材中の金属原子が拡散した状態で存在している。

【0033】

第２金属層１４は、アルミニウム又はアルミニウム合金，あるいはニッケル又はニッケル合金（本実施形態ではアルミニウム）からなる金属板１４′が第１金属層１３に固相拡散接合により接合されることにより形成される。金属板１４′の厚みは、材質がアルミニウム又はアルミニウム合金の場合は０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲内、ニッケル又はニッケル合金の場合は５０μｍ以上に設定される。この第２金属層１４中には、その表面に接合された部材中の金属原子が拡散した状態で存在している。

【0034】

冷却器２０は、半導体素子３０の熱を放散するためのものであり、本実施形態では、水等の冷却媒体が流通する偏平な筒体２１内に、内部の流路２２を区画する複数の仕切り壁２３が偏平な筒体２１の厚さ方向に沿って形成されている。この冷却器２０は例えばアルミニウム合金（例えばＡ３００３、Ａ６０６３等）の押出成形によって形成される。そして、パワーモジュール用基板１０の第２金属層１４に、冷却器２０の筒体２１の上側に位置する天板２１ａがろう付け接合により固定されている。

【0035】

半導体素子３０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ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＦＷＤ（Ｆｒｅｅ Ｗｈｅｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）等の種々の半導体素子が選択される。

【0036】

この半導体素子３０は回路層１２にはんだ付けにより接合され、そのはんだ材は、例えばＳｎ‐Ｓｂ系、Ｓｎ‐Ａｇ系、Ｓｎ‐Ｃｕ系、Ｓｎ‐Ｉｎ系、もしくはＳｎ‐Ａｇ‐Ｃｕ系のはんだ材（いわゆる鉛フリーはんだ材）が用いられる。

【0037】

このように構成される冷却器付パワーモジュール用基板１０の製造方法について図２Ａ〜図２Ｃを参照しながら説明する。

【0038】

（第１接合工程）
まず、セラミックス基板１１の一方の面に銅又は銅合金からなる金属板１２′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の他方の面に銅又は銅合金からなる金属板１３′を接合して第１金属層１３を形成する。すなわち、図２Ａに示すように、セラミックス基板１１の両面に銀チタン（Ａｇ−Ｔｉ）系又は銀銅チタン（Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ）系の活性金属ろう材、例えばＡｇ−２７．４質量％Ｃｕ−２．０質量％Ｔｉのろう材のペーストを塗布してろう材塗布層４０を形成し、これらろう材塗布層４０の上に回路層１２及び第１金属層１３となる銅板（金属板）１２′、１３′をそれぞれ積層する。

【0039】

そして、その積層体Ｓを図３に示す加圧装置１１０によって積層方向に加圧した状態とする。

【0040】

この加圧装置１１０は、ベース板１１１と、ベース板１１１の上面の四隅に垂直に取り付けられたガイドポスト１１２と、これらガイドポスト１１２の上端部に固定された固定板１１３と、これらベース板１１１と固定板１１３との間で上下移動自在にガイドポスト１１２に支持された押圧板１１４と、固定板１１３と押圧板１１４との間に設けられて押圧板１１４を下方に付勢するばね等の付勢手段１１５とを備えている。

【0041】

固定板１１３および押圧板１１４は、ベース板１１１に対して平行に配置されており、ベース板１１１と押圧板１１４との間に前述の積層体Ｓが配置される。積層体Ｓの両面には加圧を均一にするためにクッションシート１１６が配設される。クッションシート１１６は、カーボンシートとグラファイトシートの積層板で形成されている。

【0042】

この加圧装置１１０により積層体Ｓを加圧した状態で、加圧装置１１０ごと図示略の加熱炉内に設置し、真空雰囲気下で接合温度に加熱してセラミックス板１１に銅板１２′（回路層１２）と銅板１３′（第１金属層１３）をろう付け接合する。この場合の接合条件としては、例えば０．０５ＭＰａ以上１．０ＭＰａ以下の加圧力で、８００℃以上９３０℃以下の接合温度で、１分〜６０分の加熱とする。

【0043】

このろう付けは、活性金属ろう付け法であり、ろう材中の活性金属であるＴｉがセラミックス基板１１に優先的に拡散して窒化チタン（ＴｉＮ）を形成し、銀銅（Ａｇ−Ｃｕ）合金を介して銅板１２′，１３′とセラミックス基板１１とを接合する。これにより、セラミックス基板１１の両面に回路層１２及び第１金属層１３を形成する。

【0044】

（第２接合工程）
次に、アルミニウム又はアルミニウム合金，あるいはニッケル又はニッケル合金からなる金属板１４′と第１金属層１３とを固相拡散接合により接合して第２金属層１４を形成する。すなわち、第１金属層１３のセラミックス基板１１とは反対側の面に第２金属層１４を形成する。

【0045】

この場合、第２金属層１４となるアルミニウム又はアルミニウム合金，あるいはニッケル又はニッケル合金（本実施形態ではアルミニウム）の金属板１４′を第１金属層１３に積層し、これらの積層体を前述と同様の加圧装置１１０により積層方向に加圧し、真空雰囲気下で所定の接合温度に加熱し、第１金属層１３に固相拡散接合により接合された第２金属層１４を形成する。

【0046】

図２Ｂは、第２金属層１４としてアルミニウム又はアルミニウム合金，あるいはニッケル又はニッケル合金（本実施形態ではアルミニウム）からなる金属板１４′を用いる場合を示しており、その金属板１４′と第１金属層１３との間にチタン箔４１を介在させて固相拡散接合する。このチタン箔４１は３μｍ以上４０μｍ以下の厚みに設定される。そして、０．１ＭＰａ以上３．４ＭＰａ以下に加圧し、真空雰囲気下で接合温度５８０℃以上６４０℃以下に１分以上１２０分以下加熱する。これにより、チタン箔４１と第１金属層１３との間、及びチタン箔４１と第２金属層１４との間でそれぞれ拡散接合される。そして、第１金属層１３と第２金属層１４との間にはチタン層４２が形成される。なお、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属板１４′には、例えば、純度９９％以上、純度９９．９％以上、純度９９．９９％以上の純アルミニウムや、Ａ３００３、Ａ６０６３等のアルミニウム合金を用いることができる。

【0047】

この工程において第１金属層１３と金属板１４′（第２金属層１４）とがチタン箔４１を介して固相拡散接合により接合された結果、第１金属層１３中にはその表面に接合されたチタン層４２中のＴｉが拡散した状態で存在するとともに、第２金属層１４中にもその表面に接合されたチタン層４２中のＴｉが拡散した状態で存在する。

【0048】

（第３接合工程）
次に、第２金属層１４にアルミニウム合金からなる冷却器２０をＭｇ含有Ａｌ系ろう材を用いてろう付け接合する。

【0049】

このＭｇ含有Ａｌ系ろう材としては、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ箔、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ箔やＡｌ−Ｇｅ−Ｃｕ−Ｓｉ−Ｍｇ箔等を用いることができる。また、図２Ｃに示すように、芯材の両面にＭｇ含有Ａｌ系ろう材が設けられた両面ろうクラッド材４５を用いることもできる。

【0050】

本実施形態の両面ろうクラッド材４５は、アルミニウム合金（例えばＡ３００３材）からなる芯材４６の両面にＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系のろう材層４７が形成されたクラッド材であり、芯材４６の両面にろう材を重ねて圧延することにより形成される。芯材４６の厚みは０．０５ｍｍ以上０．６ｍｍ以下であり、両面のろう材層４７は５μｍ以上１００μｍ以下の厚みである。

【0051】

この両面ろうクラッド材４５を第２金属層１４と冷却器２０との間に介在させてこれらを積層し、図３と同様の加圧装置１１０を用いて積層方向に加圧した状態で、加圧装置１１０ごと窒素雰囲気又はアルゴン雰囲気下で加熱してろう付けする。加圧力としては、例えば０．００１ＭＰａ以上０．５ＭＰａ以下とされ、接合温度としてはＡｌとＣｕの共晶温度よりも高い５８０℃以上６３０℃以下とされる。

【0052】

この第３接合工程ではろう付けの接合温度がＡｌとＣｕの共晶温度よりも高いので、もしもＡｌを含んだ溶融ろう材が銅又は銅合金からなる第１金属層１３と接触すると、銅又は銅合金からなる第１金属層１３が浸食され、第１金属層１３の変形等が生じる。

【0053】

しかしながら本実施形態では、アルミニウムからなる第２金属層１４の側面にろう材に濡れにくいアルミ酸化物が存在するため、溶融したＭｇ含有Ａｌ系ろう材（本実施形態においてはＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系のろう材）はこの第２金属層１４の側面を越えて第１金属層１３と接触することが無く、第１金属層１３を変形させることが無い。

【0054】

これは、溶融したＭｇ含有Ａｌ系ろう材が第２金属層１４及び第１金属層１３へ這い上がろうとした際に、第２金属層１４の側面に存在する酸化物がろう材をはじくバリアとしての効果が生じるためである。

【0055】

また、本実施形態では、第２金属層１４に冷却器２０をろう付けする第３接合工程時の接合温度がアルミニウムと銅との共晶温度よりも高いが、第２金属層１４と第１金属層１３との界面部分にはチタン層４２が介在しているので、第３接合工程のろう付け時にも第２金属層１４のアルミニウムと第１金属層１３の銅との間で液相が生じず、第１金属層１３が溶融することが防止される。

【0056】

なお、このろう付けの後、第２金属層１４と冷却器２０との間には、両面ろうクラッド材４５の芯材４６であったアルミニウム合金からなる接合層４８が薄く介在する。

【0057】

以上のように製造される冷却器付パワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板１１の両面に回路層１２、第１金属層１３を形成して、その第１金属層１３にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる第２金属層１４を介してアルミニウム合金製の冷却器２０をろう付けするので、Ｍｇ含有Ａｌ系ろう材を用いて低荷重でろう付けできる。また、Ｍｇ含有Ａｌ系ろう材を用いて冷却器２０のろう付けを行っているが、溶融したＭｇ含有Ａｌ系ろう材は第２金属層１４の側面で弾かれるので、銅又は銅合金からなる第１金属層１３と接触することが無く、第１金属層１３を変形させることが無い。この冷却器２０は、アルミニウム合金製で内部に流路２２を有するため、比較的剛性が低いが、このろう付けが低荷重であるので、冷却器２０を変形させることなく確実に接合できる。

【0058】

なお、本発明は、上記実施形態の構成のものに限定されるものではなく、細部構成においては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

【0059】

上記実施形態では、ＡｌとＣｕの共晶温度以上の融点を持つＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇろう材を用いているために第１金属層１３と第２金属層１４との間にチタン層４２が介在する構造としたが、ＡｌとＣｕの共晶温度未満の融点を持つＭｇ含有Ａｌ系ろう材（例えばＡｌ−１５Ｇｅ−１２Ｓｉ−５Ｃｕ−１Ｍｇ：融点５４０℃）を用いる場合、チタン層を介在させることなく第１金属層１３と第２金属層１４とを直接固相拡散接合することも可能である。この場合、第１金属層１３中には接合された第２金属層中の金属原子が拡散した状態で存在するとともに、第２金属層中には第１金属層中の金属原子が拡散した状態で存在する。

【0060】

また、この場合、第２金属層１４に冷却器２０をろう付けする時の温度がＡｌとＣｕの共晶温度未満となるので、第２金属層１４のアルミニウムと第１金属層１３の銅との間で液相が生じず、第１金属層１３が変形することが防止される。

【0061】

冷却器としては、上述のような構造に限らず平板材を用いてもよく、材質はアルミニウム合金に限らずＡｌ系またはＭｇ系の低熱線膨張材（例えばＡｌＳｉＣ等）を用いることができる。

【0062】

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態に係る冷却器付パワーモジュール用基板２１０は、図４に示すように、セラミックス基板２１１と、セラミックス基板２１１の一方の面に接合された銅又は銅合金からなる回路層２１２と、セラミックス基板２１１の他方の面に接合された銅又は銅合金からなる第１金属層２１３と、第１金属層２１３に接合されたニッケル又はニッケル合金からなる第２金属層２１４と、第２金属層２１４に接合されたアルミニウム合金からなる冷却器２０とを備える。また、第１実施形態と同様に、冷却器２０をろう付け接合するのに用いられた両面クラッド材の一部が、接合層４８として第２金属層２１４と冷却器２０との間に残存している。

【0063】

この冷却器付パワーモジュール用基板２１０では、第１金属層２１３中に、その表面に接合された第２金属層２１４中のＮｉが拡散した状態で存在しているとともに、第２金属層２１４中に、その表面に接合された第１金属層２１３中のＣｕが拡散した状態で存在している。

【0064】

また、この冷却器付パワーモジュール用基板２１０では、第２金属層２１４は第１金属層２１３よりも面積が大きい。これにより、冷却器２０を接合する際に溶融したろう材が第１金属層２１３に到達するのが防止されている。

【0065】

この冷却器付パワーモジュール用基板２１０は、上述した第１実施形態と同様の製造方法により製造されるが、第２金属層２１４がニッケルであることにより、第１接合工程および第２接合工程を同時に行うことが可能である。この場合、回路層２１２および第１金属層２１１となる各金属板をセラミックス基板２１１に、銀チタン（Ａｇ−Ｔｉ）系又は銀銅チタン（Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ）系の活性金属ろう材を用いてろう付け接合するのと同時に、第１金属層２１１となる金属板に第２金属層２１４となる金属板を固相拡散接合する。

【0066】

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態に係る冷却器付パワーモジュール用基板３１０は、図５に示すように、セラミックス基板３１１と、セラミックス基板３１１の一方の面に接合された銅又は銅合金からなる回路層３１２と、セラミックス基板３１１の他方の面に接合された銅又は銅合金からなる第１金属層３１３と、第１金属層３１３に接合されたニッケル又はニッケル合金からなる第２金属層３１４と、第２金属層３１４に接合されたアルミニウム合金からなる冷却器２０とを備え、さらに、第２金属層３１４と冷却器２０との間に介在するアルミニウム層３１５を有する。また、上記各実施形態と同様に、冷却器２０をろう付け接合するのに用いられた両面クラッド材の一部が、接合層４８としてアルミニウム層３１５と冷却器２０との間に残存している。

【0067】

この冷却器付パワーモジュール用基板３１０では、第１金属層３１３中に、その表面に接合された第２金属層３１４中のＮｉが拡散した状態で存在しているとともに、第２金属層３１４中に、その一方の表面に接合された第１金属層３１３中のＣｕと、他方の表面に接合されたアルミニウム層３１５中のＡｌが拡散した状態で存在している。

【0068】

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態に係る冷却器付パワーモジュール用基板４１０は、図６に示すように、セラミックス基板４１１と、セラミックス基板４１１の一方の面に接合された銅又は銅合金からなる回路層４１２と、セラミックス基板４１１の他方の面に接合された銅又は銅合金からなる第１金属層４１３と、第１金属層４１３に接合されたアルミニウムまたはアルミニウム合金、あるいはニッケル又はニッケル合金からなる第２金属層４１４と、第２金属層４１４に接合されたアルミニウム合金からなる冷却器２０とを備え、さらに、第１金属層４１３と第２金属層４１４との間に介在するチタン層４１５を有する。また、上記各実施形態と同様に、冷却器２０をろう付け接合するのに用いられた両面クラッド材の一部が、接合層４８として第２金属層４１４と冷却器２０との間に残存している。

【0069】

この冷却器付パワーモジュール用基板４１０では、第１金属層４１３および第２金属層４１４中に、その表面に接合されたチタン層４１５中のＴｉが拡散した状態で存在している。

【0070】

また、この冷却器付パワーモジュール用基板４１０では、第２金属層４１４およびチタン層４１５の少なくともいずれかが、第１金属層４１３よりも面積が大きい。これにより、冷却器２０を接合する際に溶融したろう材が第１金属層４１３に到達するのが防止されている。

【産業上の利用可能性】

【0071】

銅又は銅合金からなる金属層をアルミニウム製冷却器にろう付けする際の変形の発生を防止し、熱抵抗が小さく、接合信頼性の高い冷却器付パワーモジュール用基板を提供できる。

【符号の説明】

【0072】

１０，２１０，３１０，４１０ 冷却器付パワーモジュール用基板
１１，２１１，３１１，４１１ セラミックス基板
１２，２１２，３１２，４１２ 回路層
１３，２１３，３１３，４１３ 第１金属層
１４，２１４，３１４，４１４ 第２金属層
１２′，１３′ 銅板（金属板）
１４′ 金属板
２０ 冷却器
２１ 筒体
２１ａ 天板
２２ 流路
２３ 仕切り壁
３０ 半導体素子
４０ ろう材塗布層
４１ チタン箔
４２，４１５ チタン層
４５ 両面ろうクラッド材（Ｍｇ含有Ａｌ系ろう材）
４６ 芯材
４７ ろう層
４８ 接合層
３１５ アルミニウム層

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】