特許 6687109 パワーモジュール用基板

(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】6687109

(24)【登録日】2020年4月6日

(45)【発行日】2020年4月22日

(54)【発明の名称】パワーモジュール用基板

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/13 20060101AFI20200413BHJP

   H01L 23/36 20060101ALI20200413BHJP

   H05K 3/38 20060101ALI20200413BHJP

   H05K 1/02 20060101ALI20200413BHJP

【ＦＩ】

   H01L23/12 C

   H01L23/36 C

   H05K3/38 E

   H05K1/02 F

   H05K1/02 J

【請求項の数】2

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2018-518331(P2018-518331)

(86)(22)【出願日】2017年5月17日

(86)【国際出願番号】JP2017018518

(87)【国際公開番号】WO2017200004

(87)【国際公開日】20171123

【審査請求日】2019年1月24日

(31)【優先権主張番号】特願2016-100615(P2016-100615)

(32)【優先日】2016年5月19日

(33)【優先権主張国】JP

(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】100149548

【弁理士】

【氏名又は名称】松沼 泰史

(74)【代理人】

【識別番号】100175802

【弁理士】

【氏名又は名称】寺本 光生

(74)【代理人】

【識別番号】100142424

【弁理士】

【氏名又は名称】細川 文広

(74)【代理人】

【識別番号】100140774

【弁理士】

【氏名又は名称】大浪 一徳

(72)【発明者】

【氏名】大橋 東洋

(72)【発明者】

【氏名】長友 義幸

【審査官】 平林 雅行

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１５−６５４２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−１０２５２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−３２６９４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１３／０９４２１３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００４−１７２１８２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

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

Ｈ０５Ｋ １／００−１／０２

Ｈ０５Ｋ ３／１０−３／２６

Ｈ０５Ｋ ３／３８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

セラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面に形成され、回路パターンを有する回路層と、を備えたパワーモジュール用基板であって、
前記回路層は、Ｃｕ又はＣｕ合金からなり、
この回路層と前記セラミックス基板の界面には、前記セラミックス基板側から順に、ＳｎがＣｕ中に固溶したＣｕ−Ｓｎ層と、Ｔｉを含有するＴｉ含有層とが積層されており、
前記回路層の前記回路パターンの端部の断面形状において、前記セラミックス基板の表面と前記Ｃｕ−Ｓｎ層の端面がなす角度θが８０°以上１００°以下の範囲内とされ、前記Ｃｕ−Ｓｎ層又は前記Ｔｉ含有層の前記回路層の端面からの最大突出長さＬが２μｍ以上１５μｍ以下の範囲内とさ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】

前記回路層の前記回路パターンの端部の断面形状において、前記Ｃｕ−Ｓｎ層の端面の延長上に前記Ｔｉ含有層の端面が位置し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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、セラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面に形成され、回路パターンを有する回路層と、を備えたパワーモジュール用基板に関する。
本願は、２０１６年５月１９日に、日本に出願された特願２０１６−１００６１５号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

【背景技術】

【0002】

ＬＥＤやパワーモジュール等の半導体装置は、導電材料からなる回路層の上に半導体素子が接合された構造とされている。
風力発電、電気自動車等の電気車両などを制御するために用いられる大電力制御用のパワー半導体素子においては、発熱量が多いことから、これを搭載する基板としては、例えばＡｌＮ（窒化アルミ）などからなるセラミックス基板の一方の面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。また、セラミックス基板の他方の面に、金属板を金属層として接合することもある。

【0003】

例えば、特許文献１に示す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に、Ｃｕ板を接合することで回路層が形成された構造とされている。こ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に、Ｃｕ−Ｍｇ−Ｔｉろう材を介在させてＣｕ板を配置し、加熱処理を行うことによりＣｕ板が接合されている。
ところで、特許文献１に開示されたようにＣｕ−Ｍｇ−Ｔｉろう材を介してセラミックス基板とＣｕ板とを接合すると、セラミックス基板の近傍には、Ｃｕ、Ｍｇ、又はＴｉを含む金属間化合物が形成される。

【0004】

このセラミックス基板近傍に形成される金属間化合物は硬いため、パワーモジュール用基板に冷熱サイクルが負荷された際にセラミックス基板に発生する熱応力が大きくなり、セラミックス基板にクラックが生じ易くなる問題があった。
また、セラミックス基板と回路層を接合する際に、セラミックス基板の近傍に硬い金属間化合物が形成されると、セラミックス基板と回路層との接合率が低下し、良好に接合することができないおそれがあった。

【0005】

そこで、例えば特許文献２，３には、セラミックス基板と回路層となる銅板とを、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材及びＴｉ材を用いて接合したパワーモジュール用基板が提案されている。
これら特許文献２，３に記載された発明においては、セラミックス基板側にＣｕ−Ｓｎ層が形成され、このＣｕ−Ｓｎ層の上にＴｉを含む金属化合物層が形成されることになり、セラミックス基板の近傍に硬い金属間化合物層が配設されないことから、冷熱サイクルを負荷した際にセラミックス基板に生じる熱応力を低減でき、セラミックス基板にクラックが発生することを抑制することが可能となる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特許第４３７５７３０号公報

【特許文献2】特開２０１５−０４３３９２号公報

【特許文献3】特開２０１５−０６５４２３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

ところで、特許文献２，３に示すパワーモジュール用基板においては、回路層に回路パターンを形成するためにエッチング処理を行うことがある。エッチング処理を行う際に、回路層となる銅板のエッチングに適したエッチング剤を用いた場合には、Ｃｕ−Ｓｎ層及び金属間化合物層のエッチング速度が銅板と異なることから、回路パターンの端面（エッチング端面）においては、Ｃｕ−Ｓｎ層及び金属間化合物層が残存してしまうことがあった。ここで、残存したＣｕ−Ｓｎ層及び金属間化合物層の形状によっては、回路層の回路パターンの端部に局所的に電荷が集中し、部分放電特性及び耐電圧特性が悪化するおそれがあった。

【0008】

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、セラミックス基板の一方の面に形成された回路層において、回路パターンの端部形状を規定することにより、部分放電特性及び耐電圧特性の悪化を抑制できる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】

前述の課題を解決するために、本発明のパワーモジュール用基板は、セラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面に形成され、回路パターンを有する回路層と、を備えたパワーモジュール用基板であって、前記回路層は、Ｃｕ又はＣｕ合金からなり、この回路層と前記セラミックス基板の界面には、前記セラミックス基板側から順に、ＳｎがＣｕ中に固溶したＣｕ−Ｓｎ層と、Ｔｉを含有するＴｉ含有層とが積層されており、前記回路層の前記回路パターンの端部の断面形状において、前記セラミックス基板の表面と前記Ｃｕ−Ｓｎ層の端面がなす角度θが８０°以上１００°以下の範囲内とされ、前記Ｃｕ−Ｓｎ層又は前記Ｔｉ含有層の前記回路層の端面からの最大突出長さＬが２μｍ以上１５μｍ以下の範囲内とされていることを特徴としている。

【0010】

本発明のパワーモジュール用基板によれば、前記回路層がＣｕ又はＣｕ合金からなり、この回路層と前記セラミックス基板の界面にＣｕ−Ｓｎ層とＴｉ含有層とが積層配置されており、前記回路層の前記回路パターンの端部の断面形状において、前記セラミックス基板の表面と前記Ｃｕ−Ｓｎ層の端面とがなす角度θが８０°以上１００°以下の範囲内とされているので、回路パターンの端部に鋭角形状となる箇所が形成されず、電荷が集中することを抑制できる。これにより、部分放電の発生を抑制することが可能となる。
また、前記Ｃｕ−Ｓｎ層又は前記Ｔｉ含有層の前記回路層の端面からの最大突出長さＬが２μｍ以上１５μｍ以下の範囲内とされているので、突出部分の先端に電荷が集中することを抑制することができ、部分放電特性及び耐電圧特性の悪化を抑制することが可能となる。

【0011】

ここで、本発明のパワーモジュール用基板においては、前記回路層の前記回路パターンの端部の断面形状において、前記Ｃｕ−Ｓｎ層の端面の延長上に前記Ｔｉ含有層の端面が位置していることが好ましい。
この場合、前記Ｃｕ−Ｓｎ層と前記Ｔｉ含有層とが滑らかに接続されることになり、Ｃｕ−Ｓｎ層とＴｉ含有層との界面において電荷が集中することを抑制でき、部分放電特性及び耐電圧特性の悪化をさらに抑制することが可能となる。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、セラミックス基板の一方の面に形成された回路層において、回路パターンの端部形状を規定することにより、部分放電特性及び耐電圧特性の悪化を抑制できるパワーモジュール用基板を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の実施形態に係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用基板の回路層とセラミックス基板との接合界面における断面の概略説明図である。

【図3】図１に示すパワーモジュール用基板の回路層に形成された回路パターン端部の断面形状の具体例を示す概略説明図及びＳＥＭによる観察画像である。

【図4】図１に示すパワーモジュール用基板の回路層に形成された回路パターン端部の断面形状の具体例を示す概略説明図である。

【図5】本発明の実施形態に係るパワーモジュール用基板の製造方法及びパワーモジュールの製造方法のフロー図である。

【図6】本発明の実施形態に係るパワーモジュール用基板の製造方法の概略説明図である。

【図7】本発明の実施形態におけるパワーモジュールの製造方法の概略説明図である。

【図8】本発明の他の実施形態に係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。

【発明を実施するための形態】

【0014】

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。なお、以下の説明において、「ろう材（ｂｒａｚｉｎｇ ｆｉｌｌｅｒ ｍａｔｅｒｉａｌ）」は必ずしも鉛を含む材料に限定されない。
図１に、本実施形態に係るパワーモジュール用基板１０を備えたパワーモジュール１を示す。
このパワーモジュール１は、回路層１２及び金属層１３が配設されたパワーモジュール用基板１０と、回路層１２の一方の面（図１において上面）に接合層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）に接合層３２を介して接合されたヒートシンク３０と、を備えている。

【0015】

パワーモジュール用基板１０は、図１に示すように、セラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の一方の面（図１において上面）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）に配設された金属層１３と、を備えている。

【0016】

セラミックス基板１１は、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化ケイ素）、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）等のセラミックスで構成されている。本実施形態では、放熱性の優れたＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。また、セラミックス基板１１の厚さは、０．２〜１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６３５ｍｍに設定されている。

【0017】

回路層１２は、セラミックス基板１１の一方の面に、導電性を有するＣｕ又はＣｕ合金からなるＣｕ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、回路層１２は、図６に示すように、セラミックス基板１１の一方の面にＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材２４、Ｔｉ材２５、無酸素銅からなるＣｕ板２２を積層して加熱処理し、セラミックス基板１１にＣｕ板２２を接合することで形成されている。なお、本実施形態では、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材２４として、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材を用いている。
ここで、回路層１２の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．３ｍｍに設定されている。

【0018】

金属層１３は、セラミックス基板１１の他方の面に、Ｃｕ又はＣｕ合金からなるＣｕ板２３が、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材２４を介して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、図６に示すように、金属層１３は、セラミックス基板１１の他方の面にＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材２４、Ｔｉ材２５、無酸素銅からなるＣｕ板２３を積層して加熱処理し、セラミックス基板１１にＣｕ板２３を接合することで形成されている。なお、本実施形態では、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材２４として、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材を用いている。
ここで、金属層１３の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．３ｍｍに設定されている。

【0019】

図２に、セラミックス基板１１と回路層１２（金属層１３）との接合界面の概略説明図を示す。セラミックス基板１１と回路層１２（金属層１３）との接合界面には、図２に示すように、セラミックス基板１１側に位置するＣｕ−Ｓｎ層１４と、Ｔｉを含有するＴｉ含有層１５とが積層された構造とされている。本実施形態では、Ｔｉ含有層１５は、Ｔｉ及びＰを含有する第１金属間化合物層１６と、Ｔｉ層１８と、ＣｕとＴｉを含有する第２金属間化合物層１７と、が積層された構造とされている。Ｃｕ−Ｓｎ層１４ではＳｎがＣｕ中に固溶している。第１金属間化合物層１６は主にＴｉとＰとで構成され、Ｔｉ層１８は主にＴｉで構成され、第２金属間化合物層１７は主にＣｕとＴｉで構成されるが、これらの層はその他の元素を含んでも良い。

【0020】

半導体素子３は、Ｓｉ等の半導体材料で構成されている。この半導体素子３と回路層１２は、接合層２を介して接合されている。
接合層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。

【0021】

ヒートシンク３０は、前述のパワーモジュール用基板１０からの熱を放散するためのものである。このヒートシンク３０は、Ｃｕ又はＣｕ合金で構成されており、本実施形態ではりん脱酸銅で構成されている。このヒートシンク３０には、冷却用の流体が流れるための流路３１が設けられている。なお、本実施形態においては、ヒートシンク３０と金属層１３とが、はんだ材からなる接合層３２を介して接合されている。

【0022】

そして、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０の回路層１２には、エッチング処理することによって回路パターンが形成されている。
この回路層１２の回路パターンの端部の断面形状においては、セラミックス基板１１の表面とＣｕ−Ｓｎ層１４の端面とがなす角度θが８０°以上１００°以下の範囲内とされている。また、Ｃｕ−Ｓｎ層１４又はＴｉ含有層１５の回路層１２の端面からの最大突出長さＬ（回路層１２の端面から突出するＣｕ−Ｓｎ層１４及びＴｉ含有層１５の長さの最大値）が２μｍ以上１５μｍ以下の範囲内とされている。
ここで、回路パターンの端部とは、回路パターンに含まれる配線の一端部である。回路パターンの端部の断面形状とは、セラミックス基板１１の表面に垂直であり、回路パターンの端部における配線の伸長方向に平行な断面における回路パターンの端部の形状である。角度θを求める際、当該断面におけるセラミックス基板１１とＣｕ−Ｓｎ層１４との接合端と、接合端から水平方向に２０μｍまでの範囲内におけるセラミックス基板１１表面の凹凸の最高点と最低点との中点とを結ぶ直線をセラミックス基板１１の表面と定義する。最大突出長さＬは、上記断面における回路層１２の端面のＴｉ含有層１５側端から、回路層１２の端面から突出したＣｕ−Ｓｎ層１４の端面及びＴｉ含有層１５の端面までの、セラミックス基板１１の表面に平行な方向における長さの最大値である。角度θ及び最大突出長さＬを上記範囲内とすることによる後述の効果を得るために、回路パターンに含まれる少なくとも１つの配線の一端部において角度θ及び最大突出長さＬが上記範囲に含まれることが好ましく、両端部において角度θ及び最大突出長さＬが上記範囲に含まれることがより好ましく、回路パターンの全ての配線の両端部において角度θ及び最大突出長さＬが上記範囲に含まれることがさらに好ましい。

【0023】

回路層１２の回路パターンの端部の断面形状の具体例について、図３及び図４を参照して説明する。

【0024】

図３（ａ）においては、回路パターンの端部においてセラミックス基板１１の表面とＣｕ−Ｓｎ層１４の端面とがなす角度θがほぼ９０°（８８°≦θ≦９２°）とされ、Ｃｕ−Ｓｎ層１４又はＴｉ含有層１５の回路層１２の端面からの最大突出長さＬが１５μｍ以内とされている。なお、図３（ｂ−１）は、ＳＥＭによる観察画像であり、図３（ｂ−２）は図３（ｂ−１）の回路パターン端部付近を拡大したものである。図３（ｂ−２）からわかるように、回路層１２の端面から突出した部分においても、Ｔｉ含有層１５が観察される。

【0025】

図３（ｃ）においては、回路パターンの端部においてセラミックス基板１１の表面とＣｕ−Ｓｎ層１４の端面とがなす角度θが９０°を超えて１００°以下の範囲とされ、Ｃｕ−Ｓｎ層１４又はＴｉ含有層１５の回路層１２の端面からの最大突出長さＬが１５μｍ以内とされている。また、Ｃｕ−Ｓｎ層１４の端面の延長上にＴｉ含有層１５の端面が位置している。

【0026】

図４（ａ）においては、回路パターンの端部においてセラミックス基板１１の表面とＣｕ−Ｓｎ層１４の端面とがなす角度θが９０°を超えて１００°以下の範囲とされ、Ｃｕ−Ｓｎ層１４又はＴｉ含有層１５の回路層１２の端面からの最大突出長さＬが１５μｍ以内とされている。また、Ｔｉ含有層１５の端面が、Ｃｕ−Ｓｎ層１４の端面よりも外側（回路層１２の端面から離間する方向）に突出している。

【0027】

図４（ｂ）においては、回路パターンの端部においてセラミックス基板１１の表面とＣｕ−Ｓｎ層１４の端面とがなす角度θが８０°以上９０°未満の範囲とされ、Ｃｕ−Ｓｎ層１４又はＴｉ含有層１５の回路層１２の端面からの最大突出長さＬが１５μｍ以内とされている。また、Ｔｉ含有層１５の端面が、Ｃｕ−Ｓｎ層１４の端面よりも外側に突出している。

【0028】

図４（ｃ）においては、回路パターンの端部においてセラミックス基板１１の表面とＣｕ−Ｓｎ層１４の端面とがなす角度θが９０°を超えて１００°以下の範囲とされ、Ｃｕ−Ｓｎ層１４又はＴｉ含有層１５の回路層１２の端面からの最大突出長さＬが１５μｍ以内とされている。また、Ｃｕ−Ｓｎ層１４の端面が、Ｔｉ含有層１５の端面よりも外側に突出している。

【0029】

ここで、図３（ａ）、図３（ｃ）に示す形状においては、Ｃｕ−Ｓｎ層１４の端面の延長上にＴｉ含有層１５の端面が位置しており、これらの界面に電荷が集中しにくく、部分放電特性及び耐電圧特性の悪化を十分に抑制することができる。
なお、図４（ａ）、図４（ｂ）、図４（ｃ）のような形状であっても、セラミックス基板１１の表面とＣｕ−Ｓｎ層１４の端面とがなす角度θが８０°以上１００°以下の範囲内、且つＣｕ−Ｓｎ層１４又はＴｉ含有層１５の回路層１２の端面からの最大突出長さＬが２μｍ以上１５μｍ以下の範囲内とされていれば、部分放電特性及び耐電圧特性の悪化を抑制する効果を奏することができる。
角度θは８５°以上９５°以下が好ましく、８８°以上９２°以下がより好ましいが、これに限定されない。また、最大突出長さＬは１０μｍ以下が好ましく、５μｍ以下がより好ましいが、これに限定されない。

【0030】

次に、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０の製造方法について、図５及び図６を参照して説明する。

【0031】

（積層工程Ｓ０１）
まず、図６に示すように、セラミックス基板１１の一方の面（図６において上面）に、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材２４、Ｔｉ材２５、及び回路層１２となるＣｕ板２２を順に積層するとともに、セラミックス基板１１の他方の面（図６において下面）に、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材２４、Ｔｉ材２５、及び金属層１３となるＣｕ板２３を順に積層する（図６（ａ））。すなわち、セラミックス基板１１とＣｕ板２２及びＣｕ板２３の間において、セラミックス基板１１側にＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材２４を配置し、Ｃｕ板２２，２３側にＴｉ材２５を配置している。なお、Ｔｉ材２５とＣｕ板２２、２３との接合面は、予め平滑な面とされている。

【0032】

本実施形態においては、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材２４の組成は、Ｃｕ−６．３ｍａｓｓ％Ｐ−９．３ｍａｓｓ％Ｓｎ−７ｍａｓｓ％Ｎｉとされており、その固相線温度（溶融開始温度）は６００℃とされている。また、本実施形態では、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材２４として箔材を用い、その厚さは、５μｍ以上１５０μｍ以下の範囲内とされている。

【0033】

また、Ｔｉ材２５の厚さは、０．４μｍ以上５μｍ以下の範囲内とされている。ここで、Ｔｉ材２５は、厚さが０．４μｍ以上１μｍ未満の場合には蒸着やスパッタによって成膜することが好ましく、厚さが１μｍ以上５μｍ以下の場合には箔材を用いることが好ましい。なお、Ｔｉ材２５の厚さの下限は０．４μｍ以上とすることが好ましく０．５μｍ以上とすることがさらに好ましい。Ｔｉ材２５の厚さの上限は１.５μｍ以下とすることが好ましく、０．７μｍ以下とすることがさらに好ましい。本実施形態においては、Ｔｉ材２５として、厚さ１μｍ、純度９９．８ｍａｓｓ％のＴｉ箔を用いる。

【0034】

（加熱処理工程Ｓ０２）
次に、Ｃｕ板２２、Ｔｉ材２５、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材２４、セラミックス基板１１、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材２４、Ｔｉ材２５、及びＣｕ板２３を、積層方向に加圧（圧力１ｋｇｆ／ｃｍ^２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ^２以下（０．１０ＭＰａ以上３．４３ＭＰａ以下））した状態で、真空加熱炉内に装入して加熱する（図６（ｂ））。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５６０℃以上６５０℃以下の範囲内に、加熱時間は３０分以上３６０分以下の範囲に設定している。

【0035】

この加熱処理工程Ｓ０２においては、Ｔｉ材２５とＣｕ板２２、２３とが固相拡散接合によって接合されるとともに、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材２４が溶融して液相を形成し、この液相が凝固することにより、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材２４を介して、セラミックス基板１１とＴｉ材２５とが接合される。このとき、回路層１２及び金属層１３とセラミックス基板１１との接合界面に、Ｃｕ−Ｓｎ層１４及びＴｉ含有層１５が形成される。
これにより、セラミックス基板１１の一方の面に回路層１２が形成されるとともに、他方の面に金属層１３が形成される。

【0036】

（回路パターン形成工程Ｓ０３）
次に、回路層１２に対してエッチング処理を行い、回路パターンを形成する。
本実施形態では、まず、回路層の上にレジスト膜を成膜し、Ｃｕ又はＣｕ合金からなる回路層１２をエッチングする（Ｃｕエッチング工程Ｓ３１）。このＣｕエッチング工程Ｓ３１においては、例えば、塩化第二鉄、塩化第二銅、硫酸等を含むエッチング剤を用いることが好ましい。なお、本実施形態では、Ｃｕエッチング工程Ｓ３１においては、スプレーエッチング法を用いている（図６（ｃ））。

【0037】

上述のＣｕエッチング工程Ｓ３１の後に、Ｔｉ含有層１５をエッチングする（Ｔｉエッチング工程Ｓ３２）。このＴｉエッチング工程Ｓ３２においては、例えば、過酸化水素水に有機酸アンモニウムを添加したエッチング剤を用いることが好ましい。例えば、エッチング剤として、昭和電工社製ソルファイン（ＳＥ−ＴＷ−１０）を用いることができる。
なお、エッチングの条件として、液温は７０℃〜８０℃、時間は５分〜２０分とするとよい。なお、本実施形態では、Ｔｉエッチング工程Ｓ３２においては、浸漬エッチング法を用いている（図６（ｄ））。

【0038】

そして、Ｔｉエッチング工程Ｓ３２の後に、Ｃｕ−Ｓｎ層１４をエッチングする（Ｃｕ−Ｓｎエッチング工程Ｓ３３）。このＣｕ−Ｓｎエッチング工程Ｓ３３においては、例えば、ペルオキソ二硫酸アンモニウム水溶液を用いることができる。エッチングの条件として、液温は２５℃（常温）、時間は１０分〜２０分とするとよい。なお、本実施形態では、Ｃｕ−Ｓｎエッチング工程Ｓ３３においては、浸漬エッチング法を用いている（図６（ｅ））。

【0039】

この回路パターン形成工程Ｓ０３により、回路層１２に回路パターンが形成されるとともに、回路パターンの端部の断面形状において、セラミックス基板１１の表面とＣｕ−Ｓｎ層１４の端面がなす角度θが８０°以上１００°以下の範囲内とされ、Ｃｕ−Ｓｎ層１４又はＴｉ含有層１５の回路層１２の端面からの最大突出長さＬが２μｍ以上１５μｍ以下の範囲内とされる。なお、エッチングによって最大突出長さＬを２μｍ未満とすることは困難である。
以上のような工程によって、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０が製造される。

【0040】

（ヒートシンク接合工程Ｓ０４）
そして、図７に示すように、このパワーモジュール用基板１０の金属層１３の下面に、接合層３２としてはんだ材を介してヒートシンク３０を接合する（図７（ａ））。

【0041】

（半導体素子接合工程Ｓ０５）
次に、図７に示すように、パワーモジュール用基板１０の回路層１２の上面に、はんだ材を介して半導体素子３を接合する（図７（ｂ）、（ｃ））。
これにより、図１に示すパワーモジュール１が製造される。

【0042】

以上のような構成とされた本実施形態であるパワーモジュール用基板１０によれば、Ｃｕ又はＣｕ合金からなる回路層１２に回路パターンが形成されており、この回路層１２の回路パターンの端部の断面形状において、セラミックス基板１１の表面とＣｕ−Ｓｎ層１４の端面とがなす角度θが８０°以上１００°以下の範囲内とされているので、回路パターンの端部に鋭角形状となる箇所が形成されず、電荷が集中することを抑制できる。これにより、部分放電特性及び耐電圧特性の悪化を抑制することが可能となる。

【0043】

また、Ｃｕ−Ｓｎ層１４又はＴｉ含有層１５の回路層１２の端面からの最大突出長さＬが２μｍ以上１５μｍ以下の範囲内とされているので、突出部分の先端に電荷が集中することを抑制することができ、部分放電特性及び耐電圧特性の悪化を抑制することが可能となる。

【0044】

さらに、本実施形態では、図３（ｃ）に示すように、回路層１２の回路パターンの端部の断面形状において、Ｃｕ−Ｓｎ層１４の端面の延長上にＴｉ含有層１５の端面が位置している場合には、Ｃｕ−Ｓｎ層１４とＴｉ含有層１５とが滑らかに接続されることになり、Ｃｕ−Ｓｎ層１４とＴｉ含有層１５との界面において電荷が集中することを抑制でき、部分放電特性及び耐電圧特性の悪化をさらに抑制することが可能となる。

【0045】

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。
本実施形態では、セラミックス基板の他方の面に、Ｃｕ又はＣｕ合金からなる金属層を形成したもので説明したが、これに限定されることはなく、金属層を形成しなくてもよいし、Ａｌ又はＡｌ合金からなる金属層を形成してもよい。

【0046】

具体的には、図８に示すように、セラミックス基板１１の一方の面にＣｕ又はＣｕ合金からなる回路層１２を形成し、セラミックス基板１１の他方の面にＡｌ又はＡｌ合金からなる金属層１１３を形成したパワーモジュール用基板１１０であってもよい。このパワーモジュール用基板１１０に、流路１３１を備えるヒートシンク１３０と半導体素子３とを接合することによって、図８に示すパワーモジュール１０１が構成される。

【0047】

なお、このパワーモジュール用基板１１０においては、セラミックス基板１１の一方の面にＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材及びＴｉ材を用いて銅板を接合して回路層１２を形成する工程と、セラミックス基板１１の他方の面にろう材を用いてＡｌ又はＡｌ合金からなるＡｌ板を接合する工程とを同時に行うことができる。さらに、Ａｌ製のヒートシンク１３０を用いる場合には、金属層１１３とヒートシンク１３０とをろう付けする工程も同時に行うことができる。

【0048】

また、ヒートシンクの材質や構造は、本実施形態に限定されることはなく、適宜設計変更してもよいし、ヒートシンクを有していなくてもよい。
さらに、本実施形態では、パワーモジュール用基板とヒートシンクとをはんだ材を用いて接合する構成として説明したが、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの間にグリースを介してネジ止めなどによって固定する構成とされても良い。

【0049】

また、Ｃｕエッチング工程Ｓ３１、Ｔｉエッチング工程Ｓ３２、Ｃｕ−Ｓｎエッチング工程Ｓ３３において、それぞれ使用されるエッチング剤は、本実施形態において例示したものに限定されることはなく、回路層の材質及び構造、Ｔｉ含有層の材質及び構造、Ｃｕ−Ｓｎ層の材質及び構造等によって、それぞれに適したエッチング剤を選択して使用することが好ましい。

【0050】

また、上記実施形態では、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材の箔材を用いたものを例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、粉末やペーストを用いることもできる。
さらに、上記実施形態ではＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材として、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材やＣｕ−Ｐ−Ｓｎろう材を用いるものとして説明したが、その他のＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材を用いてもよい。

【0051】

ここで、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材のＰの含有量は、３ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下とされていることが好ましい。
Ｐは、ろう材の溶融開始温度を低下させる作用効果を有する元素である。また、このＰは、Ｐが酸化することで発生するＰ酸化物により、ろう材表面を覆うことでろう材の酸化を防止するとともに、溶融したろう材の表面を流動性の良いＰ酸化物が覆うことでろう材の濡れ性を向上させる作用効果を有する元素である。
Ｐの含有量が３ｍａｓｓ％未満では、ろう材の溶融開始温度を低下させる効果が十分に得られずろう材の溶融開始温度が上昇したり、ろう材の流動性が不足し、セラミックス基板と回路層との接合性が低下したりするおそれがある。また、Ｐの含有量が１０ｍａｓｓ％超では、脆い金属間化合物が多く形成され、セラミックス基板と回路層との接合性や接合信頼性が低下するおそれがある。
このような理由からＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材に含まれるＰの含有量は、３ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下の範囲内とすることが好ましい。

【0052】

また、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材のＳｎの含有量は、０．５ｍａｓｓ％以上２５ｍａｓｓ％以下とされていることが好ましい。
Ｓｎは、ろう材の溶融開始温度を低下させる作用効果を有する元素である。Ｓｎの含有量が０．５ｍａｓｓ％以上では、ろう材の溶融開始温度を確実に低くすることができる。
また、Ｓｎの含有量が２５ｍａｓｓ％以下では、ろう材の低温脆化を抑制することができ、セラミックス基板と回路層との接合信頼性を向上させることができる。
このような理由からＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材におけるＳｎの含有量は、０．５ｍａｓｓ％以上２５ｍａｓｓ％以下の範囲内とすることが好ましい。

【0053】

また、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材は、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｎのうちいずれか１種または２種以上を２ｍａｓｓ％以上２０ｍａｓｓ％以下含有していても良い。
Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｎは、セラミックス基板とろう材との界面にＰを含有する金属間化合物が形成されることを抑制する作用効果を有する元素である。
Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｎのうちいずれか１種または２種以上の含有量が２ｍａｓｓ％以上では、セラミックス基板とろう材との接合界面にＰを含有する金属間化合物が形成されることを抑制することができ、セラミックス基板と回路層との接合信頼性が向上する。また、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｎのうちいずれか１種または２種以上の含有量が２０ｍａｓｓ％以下では、ろう材の溶融開始温度が上昇することを抑制し、ろう材の流動性が低下することを抑え、セラミックス基板と回路層との接合性を向上させることができる。
このような理由からＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材にＮｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｎのうちいずれか１種または２種以上を含有させる場合、その含有量は２ｍａｓｓ％以上２０ｍａｓｓ％以下の範囲内とすることが好ましい。

【実施例】

【0054】

＜実施例＞
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。
上述の実施形態で説明した手順により、表１及び表２に示すセラミックス基板（５０ｍｍ×６０ｍｍ×厚さ０．６３５ｍｍ（ＡｌＮ），５０ｍｍ×６０ｍｍ×厚さ０．３２ｍｍ（Ｓｉ_３Ｎ_４））の一方の面及び他方の面に、表１及び表２に示すＣｕ板（４６ｍｍ×５６ｍｍ×厚さ０．３ｍｍ）を接合し、回路層及び金属層を形成した。Ｃｕ板として、無酸素銅（表１、２の「ＯＦＣ」）又はタフピッチ銅（表１、２の「タフピッチ」）を用いた。厚さ２５μｍのＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材を用いた。
そして、回路層に対して上記実施形態に記載したエッチング処理を行うことにより、配線間距離が５００μｍの回路パターンを形成した。詳細には、Ｃｕエッチング工程Ｓ３１においては、エッチング剤として塩化鉄を用い、液温５０〜７０℃で、５〜１５分間スプレーエッチングを行った。Ｔｉエッチング工程Ｓ３２においては、エッチング剤として昭和電工社製ソルファイン（ＳＥ−ＴＷ−１０）を用い、エッチング剤の液温を７０〜８０℃として５〜２０分間浸漬エッチングを行った。Ｃｕ−Ｓｎエッチング工程Ｓ３３においては、エッチング剤として濃度１ｍｏｌ／ｄｍ^３のペルオキソ二硫酸アンモニウム水溶液を用い、エッチング剤の液温を２５℃として１０〜２０分間浸漬エッチングを行った。

【0055】

そして、得られたパワーモジュール用基板について、回路パターンの端部の断面観察を行い、セラミックス基板の表面とＣｕ−Ｓｎ層の端面とがなす角度θ、Ｃｕ−Ｓｎ層又はＴｉ含有層の回路層の端面からの最大突出長さＬを測定した。なお、表１及び表２に記載した形態は、図面のうち、どの形態であるかを示している。
断面観察は、回路層の断面（セラミックス基板の表面に垂直且つ回路パターンの端部における配線の伸長方向に平行な断面）をクロスセクションポリッシャ（日本電子株式会社製ＳＭ−０９０１０）を用いて、イオン加速電圧：５ｋＶ、加工時間：１４時間、遮蔽板からの突出量：１００μｍでイオンエッチングした後に、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて回路パターンの端部を観察した。

【0056】

また、得られたパワーモジュール用基板について、耐電特性の評価として、各パワーモジュール用基板を絶縁油（３Ｍ社製フロリナートＦＣ−７７０）に浸漬して、５秒間で０．５ｋＶ昇圧し、その後、３０秒保持するサイクルを繰り返し、保持中に放電電荷量が１０ｐＣを超した時の電圧を部分放電開始電圧とし、部分放電特性を評価した。評価結果を表１及び表２に示す。

【0057】

【表1】

【0058】

【表2】

【0059】

セラミックス基板としてＡｌＮを用いた表１の結果において、セラミックス基板の表面とＣｕ−Ｓｎ層の端面とがなす角度θが８０°以上１００°以下の範囲内であり、Ｃｕ−Ｓｎ層又はＴｉ含有層の前記回路層の端面からの最大突出長さＬが２μｍ以上１５μｍ以下の範囲内であった本発明例では、部分放電開始電圧が高く、部分放電特性及び耐電圧特性のよいパワーモジュール用基板が得られることが分かった。
セラミックス基板としてＳｉ_３Ｎ_４を用いた、表２の結果においても、ＡｌＮを用いた場合と同様であった。

【産業上の利用可能性】

【0060】

本発明によれば、セラミックス基板の一方の面に形成された回路層において、部分放電の発生を抑制できるとともに、微細な回路パターンを形成しても短絡の発生を抑制することができるので、風力発電、電気自動車等の電気車両などを制御するために用いられる大電力制御用のパワー半導体素子に好適である。

【符号の説明】

【0061】

１０、１１０ パワーモジュール用基板
１１ セラミックス基板
１２ 回路層
１４ Ｃｕ−Ｓｎ層
１５ Ｔｉ含有層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】