特許 6201771 ヒートシンク付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】6201771

(24)【登録日】2017年9月8日

(45)【発行日】2017年9月27日

(54)【発明の名称】ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/40 20060101AFI20170914BHJP

   H01L 23/36 20060101ALI20170914BHJP

【ＦＩ】

   H01L23/40 F

   H01L23/36 C

【請求項の数】7

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2014-5754(P2014-5754)

(22)【出願日】2014年1月16日

(65)【公開番号】特開2015-135850(P2015-135850A)

(43)【公開日】2015年7月27日

【審査請求日】2016年9月29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】100142424

【弁理士】

【氏名又は名称】細川 文広

(72)【発明者】

【氏名】松尾 拓也

(72)【発明者】

【氏名】石塚 博弥

【審査官】 豊島 洋介

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−１６９３１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０９１４１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０２１７１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−４１６２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ １／００−３／０８

Ｂ２３Ｋ ３１／０２

Ｂ２３Ｋ ３３／００

Ｈ０１Ｌ ２３／１２−２３／１５

Ｈ０１Ｌ ２３／２９

Ｈ０１Ｌ ２３／３４−２３／３６

Ｈ０１Ｌ ２３／３７３−２３／４２７

Ｈ０１Ｌ ２３／４４

Ｈ０１Ｌ ２３／４６７−２３／４７３

Ｈ０１Ｌ ２５／００−２５／０７

Ｈ０１Ｌ ２５／１０−２５／１１

Ｈ０１Ｌ ２５／１６−２５／１８

Ｈ０５Ｋ ７／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

絶縁基板の一方の面に形成された導電体からなる回路層、および前記絶縁基板の他方の面に形成された金属層を有するパワーモジュール用基板と、前記金属層側に接合されるヒートシンクと、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法であって、
ろう材を用いて前記パワーモジュール用基板に前記ヒートシンクを接合する接合工程を備え、
前記接合工程では、前記ろう材の冷却固化過程において、前記ろう材の接合温度から該ろう材の固相線温度より１０℃低い温度までの温度領域を温度降下させる際に、前記ヒートシンクの接合面における、中心部と端部との冷却速度差が５．０×１０^−３（℃／分）以内になるように冷却制御を行う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の製造方法。

【請求項2】

前記パワーモジュール用基板と前記ヒートシンクとを接合することを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。

【請求項3】

前記パワーモジュール用基板と前記ヒートシンクとの間には緩衝層を備えており、前記ヒートシンクは、前記緩衝層に接合されることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。

【請求項4】

前記パワーモジュール用基板は、１つの前記緩衝層に対して複数配置されることを特徴とする請求項３に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。

【請求項5】

前記接合面の面積は、１８ｃｍ^２以上であることを特徴とする請求項１ないし４いずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。

【請求項6】

前記接合面の前記中心部と前記端部との距離は、３０ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１ないし５いずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。

【請求項7】

前記ヒートシンクはアルミニウムを含む材料からなり、前記ろう材は、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材を用いることを特徴とする請求項１ないし６いずれか一項に記載のヒートシンク付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、絶縁層の一方の面に形成された回路層、および他方の面に形成された金属層を有するパワーモジュール用基板に対してヒートシンクを接合してなるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法に関するものであり、更に詳しくは、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの接合に関する。

【背景技術】

【0002】

各種の半導体素子のうち、例えば、電気自動車や電気車両などを制御するために用いられる大電力制御用のパワー素子は、電流値が高いために発熱量が多い。こうした大電力制御用のパワー素子を搭載する基板としては、例えばＡｌＮ（窒化アルミ）などからなるセラミックス基板上に導電性の優れた金属板を回路層として接合したパワーモジュール用基板が、従来から広く用いられている。

【0003】

このようなパワーモジュール用基板は、その回路層上に形成されるパワー素子としての半導体素子（電子部品）の発熱による高温化を抑制するために、金属層の下方にヒートシンクが接合され、放熱を効率よく促進させる構造となっている。

【0004】

従来、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを接合する方法として、例えば、特許文献１には、パワーモジュール用基板の金属層とヒートシンクとの間にグリースを介在させてネジ留めによって接合する方法が記載されている。また、特許文献２には、パワーモジュール用基板の金属層とヒートシンクとを、はんだ層を介して接合する方法が記載されている。

【0005】

しかしながら、特許文献１及び特許文献２に示したように、グリースやはんだ層を介して金属層とヒートシンクとを接合した場合、金属層やヒートシンクと比べてグリースやはんだの熱抵抗が大きいために、金属層とヒートシンクとの接合部において電子部品（半導体素子）から発生する熱の放散が不十分となって温度が上昇し、比較的融点の低いはんだ層の劣化を招くおそれがあった。
このため、金属層とヒートシンクとの接合部の耐熱性を更に高める目的で、はんだよりも接合温度が高く、熱抵抗の小さいＡｌ−Ｓｉ系ろう材などを用いて金属層とヒートシンクとを接合する方法も知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００４−２８８８２８号公報

【特許文献2】特開２００９−２２４５７１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、半導体素子の多機能化に伴う外形形状の大型化や、複数の半導体素子の一括配列などによってパワーモジュール用基板が大型化すると、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの接合面の面積も大きくなる。接合面の面積が大きくなると、接合工程において、ろう材が接合温度から室温に向けて冷却される際に、接合面の中心部と端部との冷却速度の差が大きくなる。即ち、接合面の端部に近いほど冷却速度が高くなり、接合面の中心部では端部に比べて冷却速度が遅くなる。その結果、ろう材の冷却固化過程において、接合面の中心部と端部とで大きな温度差が生じる。
また、緩衝層の設けられたパワーモジュール基板であっても、緩衝層とヒートシンクとの接合面において、前述のような温度差が生じる。

【0008】

こうした温度差が生じると、接合面での熱収縮の不均一によって、接合面にボイドや空隙などの接合不良部位が生じる懸念がある。パワーモジュール用基板とヒートシンクとの接合面又は緩衝層とヒートシンクとの接合面に接合不良部位が生じると、放熱性の低下や、冷熱サイクルによる剥離などの不具合を引き起こす原因となる。

【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、接合面に接合不良部位を生じさせることなくパワーモジュール用基板とヒートシンクとを接合又は緩衝層とヒートシンクとを接合することが可能なヒートシンク付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】

上記課題を解決するために、本発明のいくつかの態様は、次のようヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を提供した。
すなわち、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法は、絶縁基板の一方の面に形成された導電体からなる回路層、および前記絶縁基板の他方の面に形成された金属層を有するパワーモジュール用基板と、前記金属層側に接合されるヒートシンクと、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法であって、ろう材を用いて前記パワーモジュール用基板に前記ヒートシンクを接合する接合工程を備え、前記接合工程では、前記ろう材の冷却固化過程において、前記ろう材の接合温度から該ろう材の固相線温度より１０℃低い温度までの温度領域を温度降下させる際に、前記ヒートシンクの接合面における、中心部と端部との冷却速度差が５．０×１０^−３（℃／分）以内になるように冷却制御を行うことを特徴とする。

【0011】

本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法によれば、溶融したろう材が固化する温度範囲である、接合温度から固相線温度より１０℃低い温度までの温度領域を温度降下させる際に、接合面の中心部と端部との冷却速度差が５．０×１０^−３（℃／分）以内になるように冷却制御を行うことによって、接合面の中心部と端部との温度差による熱収縮の不均一が極めて小さく抑えられる。これによって、接合面の面積が大きくても、冷却後のヒートシンクの接合面にボイドや空隙が生じることがない。

【0012】

本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法は、前記パワーモジュール用基板と前記ヒートシンクとを接合することを特徴とする。
これによって、パワーモジュール用基板で生じた熱を、迅速にヒートシンクに伝搬させ、効率よく放熱することが可能になる。また、接合面の面積が大きくても、接合面の中心部と端部との冷却速度差が５．０×１０^−３（℃／分）以内になるように冷却制御を行うことによって、冷却後のヒートシンクと金属層との接合面にボイドや空隙が生じることがなく、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを隙間なく密着して接合させることが可能になる。

【0013】

前記パワーモジュール用基板と前記ヒートシンクとの間には緩衝層を備えており、前記ヒートシンクは、前記緩衝層に接合されることを特徴とする。
パワーモジュール用基板とヒートシンクとの間に緩衝層を形成することによって、パワーモジュール用基板の熱膨張係数と、ヒートシンクの熱膨張係数との差によって冷熱サイクルが負荷された際の熱応力を緩和し、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの剥離を防止することができる。また、接合面の面積が大きくても、接合面の中心部と端部との冷却速度差が５．０×１０^−３（℃／分）以内になるように冷却制御を行うことによって、冷却後のヒートシンクと緩衝層との接合面にボイドや空隙が生じることがなく、緩衝層とヒートシンクとを隙間なく密着して接合させることが可能になる。

【0014】

前記パワーモジュール用基板は、１つの前記緩衝層に対して複数配置されることを特徴とする。
これによって、緩衝層をパワーモジュール用基板の数に合わせて分割して形成するといった手間の掛かる工程が省略でき、製造工程をより簡略化することができる。

【0015】

前記接合面の面積は、１８ｃｍ^２以上であることを特徴とする。
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法によれば、接合面の面積が１８ｃｍ^２以上の大面積であっても、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを隙間なく密着して接合させることが可能になる。

【0016】

前記接合面の前記中心部と前記端部との距離は、３０ｍｍ以上であることを特徴とする。
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法によれば、接合面の中心部と端部との距離が３０ｍｍ以上であっても、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを隙間なく密着して接合させることが可能になる。

【0017】

前記ヒートシンクはアルミニウムを含む材料からなり、前記ろう材は、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材を用いることを特徴とする。
ろう材としてＡｌ−Ｓｉ系ろう材を選択することによって、金属層と、アルミニウムを含む材料からなるヒートシンクとのろう付の接合性が高まり、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを強固に接合させることが可能になる。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、接合面に接合不良部位を生じさせることなくパワーモジュール用基板とヒートシンクとを接合又は緩衝層とヒートシンクとを接合することが可能なヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】ヒートシンク付パワーモジュールの一例を示す断面図である。

【図2】本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を段階的に示した断面図である。

【図3】本発明の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したフローチャートである。

【図4】接合面の様子を示した平面図である。

【図5】ヒートシンク付パワーモジュールの他の実施形態を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

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

【0021】

（第一実施形態）
まず、最初に、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法によって製造されるヒートシンク付パワーモジュール用基板の構成について説明する。
図１は、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の一例を示す断面図である。
ヒートシンク付パワーモジュール用基板１は、パワーモジュール用基板１０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）に接合されたヒートシンク３０とを備えている。

【0022】

パワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板１１（絶縁層）と、このセラミックス基板１１の一方の面１１ａ（図１において上面）に形成された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面１１ｂ（図１において下面）に形成された金属層１３と、を備えている。

【0023】

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、例えば、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミニウム）や、Ａｌ_２Ｏ_３（酸化アルミニウム）、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化ケイ素）などから構成されていればよく、本実施形態では、ＡｌＮを用いている。また、セラミックス基板１１の厚さは、例えば、０．２〜１．５ｍｍの範囲内に設定されており、一例として、本実施形態では、０．６３５ｍｍに設定されている。

【0024】

回路層１２は、セラミックス基板１１の一方の面１１ａに、導電性を有する金属板が接合されることにより形成されている。回路層１２としては、Ａｌ、またはＡｌを含む合金、Ｃｕなどが挙げられる。本実施形態においては、回路層１２は、例えば、純度が９９．９９ｍａｓｓ％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。また、回路層１２の厚さは、例えば、０．１〜５ｍｍの範囲内に設定されている。

【0025】

金属層１３は、セラミックス基板１１の他方の面１１ｂに、金属板が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層１３は、回路層１２と同様に、純度が９９．９９ｍａｓｓ％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。また、金属層１３の厚さは、例えば、０．１〜５ｍｍの範囲内に設定されている。

【0026】

こうしたパワーモジュール用基板１０を構成する回路層１２の一方の面１２ａ（図１において上面）には、はんだ層２を介して半導体素子３が接合されている。
半導体素子３は、例えば、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。本実施形態では、ＩＧＢＴ素子とされている。

【0027】

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）などが挙げられる。
パワーモジュール用基板１０と、はんだ層２を介して接合された半導体素子３とからパワーモジュール２０が構成される。

【0028】

ヒートシンク（冷却器）３０は、半導体素子３に電流が流れることによって生じる熱を伝搬させて放熱することによって、パワーモジュール２０を冷却するためのものである。こうしたヒートシンク３０は、熱伝導性が良好なアルミニウム、アルミニウム合金、ＡｌＳｉＣ、Ａｌ−Ｃ等、アルミニウムを含む材料で構成されていることが好ましい。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。このヒートシンク３１の内部には、冷却用の流体（冷媒）が流れるための流路３２が設けられている。

【0029】

なお、ヒートシンク（冷却器）３０は、上述したような、冷却用の流体、例えば冷却水による冷却を行う水冷方式のヒートシンク以外にも、多数の放熱フィンを設けて外気との接触面積を増加させ、空気によって冷却を行う空冷方式のヒートシンクであってもよい。

【0030】

金属層１３と、ヒートシンク３０の一方の面３０ａ（図１において上面）とは、ろう材によって接合されている。金属層１３とヒートシンク３０とを接合するためのろう材としては、例えば、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材、Ａｌ−Ｇｅ系ろう材等が挙げられる。本実施形態ではＡｌ−Ｓｉ系ろう材を用いた。なお、こうしたろう材による接合は、接合面にろう材箔を配し、このろう材箔を溶融したのち冷却することによって行われる。

【0031】

図４に示すように、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板１における、金属層１３とヒートシンク３０との接合面Ｇは、その面積が１８ｃｍ^２以上である。本実施形態では、金属層１３は、横３６ｍｍ×縦５０ｍｍ×厚み０．４ｍｍの四角板状を成し、ヒートシンク３０との接合面Ｇの面積は１８ｃｍ^２となっている。

【0032】

また、こうした接合面Ｇにおける中心部Ｐと、この中心部Ｐから最も遠い端部Ｋとの距離Ｌは３０ｍｍ以上である。本実施形態では、金属層１３の中心部Ｐと、四角形の四隅の角Ｋとの間の距離が３０ｍｍとなっている。

【0033】

以上のような構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法について説明する。図２は、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を段階的に示した断面図である。また、図３は、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法のフローチャートである。
まず、図２（ａ）に示すように、セラミックス基板１１の一方の面１１ａ及び他方の面１１ｂに、それぞれろう材箔Ｈを介してアルミニウム板２２、２３を積層する。ろう材箔Ｈとしては、例えば、Ａｌ−７．５ｍａｓｓ％Ｓｉのろう材箔が選択される。

【0034】

セラミックス基板１１、ろう材箔Ｈ、およびアルミニウム板２２、２３の積層物を治具で挟み込む。こうした治具は、積層物に対して所定の加圧力を印加する。そして、例えば真空加熱炉中で、接合温度まで真空加熱する。こうした接合温度は、ろう材箔Ｈの溶融温度以上に設定される。一例として、溶融温度は６４５℃に設定され、３０分間保持される。

【0035】

こうした真空加熱によって、図２（ｂ）に示すように、セラミックス基板１１の一方の面１１ａに回路層１２が形成され、他方の面１１ｂに金属層１３が形成されたパワーモジュール用基板１０が得られる（回路層および金属層接合工程Ｓ１１）。

【0036】

次に、図２（ｃ）に示すように、金属層１３の他方の面１３ｂに、ろう材箔Ｈを介してヒートシンク３０を積層する。ろう材箔Ｈとしては、例えば、厚さ５μｍ〜１００μｍのＡｌ−１０．５ｍａｓｓ％Ｓｉろう材からなるろう材箔が選択される。

【0037】

パワーモジュール用基板１０、ろう材箔Ｈ、およびヒートシンク３０からなる積層物を治具で挟み込む。そして、図２（ｄ）に示すように、こうした積層物に対して所定の加圧力を印加させた状態で、例えば真空加熱炉中で、接合温度まで真空加熱する。こうした接合温度は、ろう材箔Ｈの溶融温度以上に設定される。一例として、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材を用いた本実施形態では、溶融温度は６１０〜６１５℃に設定され、３０分間保持される。

【0038】

この後、真空加熱炉中で室温まで冷却され、ろう材が固化することによって、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク３０とが接合面Ｇで接合され、図２（ｅ）に示すように、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク３０とが接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板１が得られる（ヒートシンク接合工程Ｓ１２）。
る。

【0039】

このようなヒートシンク接合工程Ｓ１２において、ろう材を溶融温度（６１０〜６１５℃）まで昇温させて３０分間保持した後の、ろう材の冷却固化過程では、真空加熱炉中の冷却速度が所定の範囲となるように制御される。
図４は、ヒートシンク３０と金属層１３とを上から平面視した時の平面図である。本実施形態では、ヒートシンク３０の一方の面３０ａの面積よりも、金属層１３の他方の面１３ｂの面積のほうが小さいので、接合面Ｇの面積は金属層１３の他方の面１３ｂと同等である。

【0040】

そして、こうした接合面Ｇにおいて、中心部Ｐと、この中心部Ｑから最も離れた端部（即ち、金属層１３の周縁のうち、四隅の角部）Ｋとの冷却速度差が５．０×１０^−３（℃／分）以内になるように、真空加熱炉を冷却制御する。こうした接合面Ｇの中心部Ｐと端部Ｋとの冷却速度差を５．０×１０^−３（℃／分）以内に制御する温度範囲は、少なくとも、ろう材の冷却固化過程において、ろう材の接合温度からろう材の固相線温度より１０℃低い温度までの温度領域を温度降下させる際に行う。

【0041】

接合面Ｇの中心部Ｐと端部Ｋとの冷却速度差を５．０×１０^−３（℃／分）以内に制御するための真空加熱炉の冷却速度の具体例として、炉内温度が６１５℃から５００℃まで降下する時の冷却速度を１．０（℃／分）〜０．２５（℃／分）の範囲に制御することが例示できる。

【0042】

本実施形態のように、接合面Ｇの面積（即ち、金属層１３の他方の面１３ｂの面積）が、１８ｃｍ^２を超えるような大きな面積の場合、温度制御せずに室温まで放冷した場合、接合面Ｇの中心部Ｐと端部Ｋとの冷却速度差が大きくなり過ぎて、熱収縮の不均一により接合面Ｇにボイドや空隙が生じることがある。

【0043】

しかし、ろう材が溶融状態から固化する温度範囲である、ろう材の接合温度からろう材の固相線温度より１０℃低い温度までの温度領域において、接合面Ｇの中心部Ｐと端部Ｋとの冷却速度差が５．０×１０^−３（℃／分）以内になるように冷却制御することによって、接合面Ｇの面積が１８ｃｍ^２を超えるような大きな面積であっても、接合面Ｇの中心部Ｐと端部Ｋとの熱収縮の不均一が極めて小さく抑えられる。これによって、冷却後のヒートシンク３０と金属層１３との接合面Ｇにボイドや空隙が生じることがなく、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク３０とを隙間なく密着して接合することができる。

【0044】

こうしたヒートシンク接合工程Ｓ１２を経て得られたヒートシンク付パワーモジュール用基板１の回路層１２の一方の面１２ａに、はんだ層２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（半導体素子接合工程Ｓ１３）。
このようにして、ヒートシンク付パワーモジュールが得られる。

【0045】

こうして得られたヒートシンク付パワーモジュールは、パワーモジュール２０とヒートシンク３０とが、ろう材によって隙間なく密着して接合されているので、半導体素子３で生じた熱を効率よくヒートシンク３０に導いて放熱させることができる。また、パワーモジュール２０とヒートシンク３０とが、ボイドや空隙などが無く密着して接合されているので、多数回の冷熱サイクルを経てもパワーモジュール２０とヒートシンク３０とが剥離を引き起こすことが無く、長期間にわたって高い放熱特性を維持することができる。

【0046】

（第二実施形態）
図５は、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法によって製造されるヒートシンク付パワーモジュール用基板の別な実施形態を示す断面図である。なお、図１に示す第一実施形態と同様の構成には同一の符号を付し、その詳細な説明を略す。
この実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板５０は、２つのパワーモジュール用基板１０，１０と、パワーモジュール用基板１０の他方側（図５において下側）に接合されたヒートシンク３０と、パワーモジュール用基板１０，１０およびヒートシンク３０の間に配された緩衝層５１とを備えている。

【0047】

パワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板１１（絶縁層）と、このセラミックス基板１１の一方の面１１ａに形成された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面１１ｂに形成された金属層１３と、を備えている。

【0048】

緩衝層５１は、アルミニウムを含む材料、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、アルミニウム複合材料などから構成されている。本実施形態では、アルミニウム合金から構成される。こうした緩衝層５１は、パワーモジュール用基板１０の熱膨張係数と、ヒートシンク３０の熱膨張係数との差により、冷熱サイクルが負荷された際の熱応力を緩和し、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク３０との剥離を防止する。

【0049】

このような緩衝層５１には、複数のパワーモジュール用基板１０を接合することができる。即ち、本実施形態では、１つの緩衝層５１に対して２つのパワーモジュール用基板１０，１０を配置した例を示している。

【0050】

以上の構成の第二実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板５０の製造方法におけるヒートシンク接合工程では、金属層１３と緩衝層５１の一方の面５１ａとの間、およびヒートシンク３０と緩衝層５１の他方の面５１ｂとの間に、それぞれＡｌ−Ｓｉ系ろう材からなるろう材箔が配され、真空加熱炉によって接合温度まで昇温、保持された後、冷却される。これによって、複数のパワーモジュール用基板１０，１０と、ヒートシンク３０とが、緩衝層５１を介して接合される。

【0051】

このような接合工程においても、第一実施形態と同様に、それぞれの接合面Ｇにおいて、中心部と、この中心部から最も離れた端部（即ち、長方形板状の緩衝層５１の周縁のうち、四隅の角部）との冷却速度差が５．０×１０^−３（℃／分）以内になるように、真空加熱炉を冷却制御する。こうした接合面の中心部と端部との冷却速度差を５．０×１０^−３（℃／分）以内に制御する温度範囲は、少なくとも、ろう材の冷却固化過程において、ろう材の接合温度からろう材の固相線温度より１０℃低い温度までの温度領域を温度降下させる際に行う。それぞれの接合面Ｇの中心部と端部との冷却速度差を５．０×１０^−３（℃／分）以内に制御するために、真空加熱炉の冷却速度を、炉内温度が６１５℃から５００℃まで降下する際に、例えば、１．０（℃／分）〜０．２５（℃／分）の範囲に制御する。

【0052】

これによって、金属層１３と緩衝層５１との間、およびヒートシンク３０と緩衝層５１との間のそれぞれの接合面Ｇの面積が１８ｃｍ^２を超えるような大きな面積であっても、接合面Ｇの中心部と端部との熱収縮の不均一が極めて小さく抑えられる。従って、冷却後の金属層１３と緩衝層５１との間、およびヒートシンク３０と緩衝層５１との間の接合面Ｇにボイドや空隙が生じることがなく、パワーモジュール用基板１０，１０とヒートシンク３０とを、緩衝層５１を介して隙間なく密着して接合することができる。

【0053】

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、上述した実施形態においては、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの接合に用いるろう材としてＡｌ−Ｓｉ系ろう材を例示したが、これに限定されるものではなく、例えば、Ａｌ−Ｇｅ系ろう材、Ａｇ−Ｃｕ系ろう材など、各種ろう材を用いることもできる。なお、接合工程においては、接合に用いるろう材の種類に応じて適切な接合温度が選択されればよく、ろう材の固相線温度は、それぞれのろう材の公知の状態図に基づいて設定すればよい。

【0054】

また、上述した実施形態においては、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１と半導体素子との接合にはんだを用いる場合を例示したが、これに限定されるものではなく、例えばナノＡｇ粒子と有機物とを含むＡｇペーストを用いてヒートシンク付パワーモジュール用基板に半導体素子を接合しても良い。

【実施例】

【0055】

以下に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験の結果について説明する。
本発明例、および比較例として、図５に示す緩衝層を有するヒートシンク付パワーモジュール用基板を用いた。各部の材質とサイズは以下のとおりである。
回路層：（４Ｎ−Ａｌ）０．４ｍｍｔ×３６ｍｍ×５０ｍｍ
回路層とセラミックス基板との接合材：（Ａｌ−7.5mass%Ｓｉろう材）０．０１７ｍｍｔ×３６ｍｍ×５０ｍｍ
セラミックス基板：（ＡｌＮ）０．６３５ｍｍｔ×３８．８ｍｍ×５２．８ｍｍ
金属層とセラミックス基板との接合材：（Ａｌ−7.5mass%Ｓｉろう材）０．０１７ｍｍｔ×３６ｍｍ×５０ｍｍ
金属層：（４Ｎ−Ａｌ）０．４ｍｍｔ×３６ｍｍ×５０ｍｍ
金属層と緩衝層との接合材：（Ａｌ−10.5mass%Ｓｉろう材）０．０５ｍｍｔ×３６ｍｍ×５０ｍｍ
緩衝層：（４Ｎ−Ａｌ）２．１ｍｍｔ×５２．８ｍｍ×７９ｍｍ
ヒートシンクと緩衝層との接合材：（Ａｌ−10.5mass%Ｓｉろう材）０．０５ｍｍｔ×５２．８ｍｍ×７９ｍｍ
ヒートシンク：（Ａ６０６３）５ｍｍｔ×８７ｍｍ×１０５ｍｍ
なお、１つの緩衝層に対して２つのパワーモジュール用基板を間隔を開けて並列に配置した。

【0056】

以上のようなヒートシンク付パワーモジュール用基板を上述の実施形態に記載した通りに製造した。ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造時に、金属層と緩衝層との接合、およびヒートシンクと緩衝層との接合を行う接合工程において、本発明例、および比較例とでヒートシンクと緩衝層の接合面の中心部と、この中心部から最も遠い端部となる角部の冷却速度を変えて、該接合面での剥離率を検証した。
冷却速度は、接合面の中心部と、この中心部から最も遠い端部となる角部にそれぞれ小孔を形成し、熱電対を挿入して、冷却時における温度変化を測定した。この温度変化から冷却速度を算出した。
また、温度変化の測定範囲は、Ａｌ−Ｓｉろう材の接合温度（６１０〜６１５℃）から固相線温度より１０℃低い温度までの範囲とした。なお、前記温度範囲を温度降下させる際の炉内の冷却速度を次の通りとした。
本発明例１・・・炉内温度の冷却速度を０．２５（℃／分）に制御
本発明例２・・・炉内温度の冷却速度を１．０（℃／分）に制御
比較例１・・・炉内温度の温度制御を行わず自然放冷したもの
なお、剥離率の測定は、超音波探傷装置でヒートシンクと緩衝層との接合界面を測定し、測定結果を接合不良部が白色となるように二値化処理を行い、接合界面の面積（緩衝層の面積）を１００としたときの接合不良部の面積の割合を算出し、剥離率とした。
得られた接合面の中心部の冷却速度、接合面の端部の冷却速度、端部と中心部の冷却速度差及び剥離率を表１に示す。

【0057】

【表1】

【0058】

表１に示す結果によれば、接合面における中心部と端部との冷却速度差が５８．０×１０^−３（℃／分）では剥離率は９．５１％であった（比較例１）。一方、接合面における中心部と端部との冷却速度差を生じさせないで冷却した場合、剥離率は２．５８％であった（本発明例１）。また、冷却速度差が３．０×１０^−３では、剥離率は３．４２％であった（本発明例２）。

【符号の説明】

【0059】

１ ヒートシンク付パワーモジュール用基板
３ 半導体素子
１０ パワーモジュール用基板
１１ セラミックス基板（絶縁層）
１２ 回路層
１３ 金属層
３０ ヒートシンク

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】