特許 6973674 絶縁回路基板

(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】6973674

(24)【登録日】2021年11月8日

(45)【発行日】2021年12月1日

(54)【発明の名称】絶縁回路基板

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/14 20060101AFI20211118BHJP

   H01L 23/13 20060101ALI20211118BHJP

   H05K 1/03 20060101ALI20211118BHJP

   H05K 3/38 20060101ALI20211118BHJP

   H01L 23/36 20060101ALN20211118BHJP

【ＦＩ】

   H01L23/14 M

   H01L23/12 C

   H05K1/03 610D

   H05K1/03 630H

   H05K3/38 C

   !H01L23/36 C

【請求項の数】6

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2021-40435(P2021-40435)

(22)【出願日】2021年3月12日

(65)【公開番号】特開2021-153180(P2021-153180A)

(43)【公開日】2021年9月30日

【審査請求日】2021年8月6日

(31)【優先権主張番号】特願2020-47956(P2020-47956)

(32)【優先日】2020年3月18日

(33)【優先権主張国】JP

【早期審査対象出願】

(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】櫻井 晶

(72)【発明者】

【氏名】寺▲崎▼ 伸幸

【審査官】 井上 和俊

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１３／２４８１３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１２−５９８３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１９／１４６４６４（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２３／１４

Ｈ０１Ｌ ２３／１３

Ｈ０５Ｋ １／０３

Ｈ０５Ｋ ３／３８

Ｈ０１Ｌ ２３／３６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

セラミックス基板の表面に、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が積層されて接合された絶縁回路基板であって、
前記アルミニウム板には、前記セラミックス基板との接合界面においてＣｕが固溶しており、
前記接合界面と、前記接合界面から積層方向に１００μｍの位置とで、ＡｌとＣｕの濃度（ｍａｓｓ％）の合計が１００となるようにして、それぞれ５点のＣｕ濃度とその平均値を求め、接合界面におけるＣｕ濃度Ａ（ｍａｓｓ％），接合界面から１００μｍの位置におけるＣｕ濃度Ｂ（ｍａｓｓ％）を算出し、
前記接合界面におけるＣｕ濃度Ａｍａｓｓ％と前記接合界面から前記アルミニウム板側へ厚さ方向に１００μｍの位置におけるＣｕ濃度Ｂｍａｓｓ％との比Ｂ／Ａが０．３０以上０．８５以下であることを特徴とする絶縁回路基板。

【請求項2】

前記アルミニウム板において、前記接合界面から厚さ方向に１００μｍの位置におけるＣｕ濃度Ｂが０．０４ｍａｓｓ％以上０．９６ｍａｓｓ％以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項１に記載の絶縁回路基板。

【請求項3】

−６５℃で５分保持と１５０℃で５分保持を１サイクルとする冷熱サイクルを２０００回実施した後に、前記アルミニウム板の前記接合界面から厚さ方向に１００μｍまでの領域に、前記アルミニウム板の結晶粒界および結晶粒内にＡｌとＣｕを含むＡｌ−Ｃｕ化合物粒子が析出することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の絶縁回路基板。

【請求項4】

接合界面から前記アルミニウム板側へ厚さ方向に５０μｍの範囲内において、−６５℃で５分保持と１５０℃で５分保持を１サイクルとする冷熱サイクルを２０００回実施した後に析出した前記Ａｌ−Ｃｕ化合物粒子の個数密度が０．５０個／μｍ^２以上８．５０個／μｍ^２以下の範囲内であることを特徴とする請求項３に記載の絶縁回路基板。

【請求項5】

−６５℃で５分保持と１５０℃で５分保持を１サイクルとする冷熱サイクルを２０００回実施した後に析出した前記Ａｌ−Ｃｕ化合物粒子の円相当径の平均が３０ｎｍ以上１３０ｎｍ以下の範囲内であることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の絶縁回路基板。

【請求項6】

前記アルミニウム板と前記セラミックス基板の接合界面において、前記接合界面の幅方向の端部から中心に向かって１ｍｍの範囲内でのＡｌ−Ｃｕ共晶相の面積率が３０％以下であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の絶縁回路基板。

【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、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が接合されてなる絶縁回路基板に関するものである。

【背景技術】

【0002】

パワーモジュール、ＬＥＤモジュール及び熱電モジュールにおいては、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とされている。
また、上述の絶縁回路基板においては、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接合して回路層とし、また、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。
さらに、回路層に搭載した素子等から発生した熱を効率的に放散させるために、絶縁回路基板の金属層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。

【0003】

例えば、特許文献１に示す絶縁回路基板においては、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るとともに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、この回路層上にはんだ材を介して接合された半導体素子と、を備えた構造とされている。
ここで、セラミックス基板と回路層及び金属層となるアルミニウム板を接合する際には、通常、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材が用いられている。

【0004】

ここで、上述の絶縁回路基板には、冷熱サイクルを負荷した場合であっても接合信頼性を十分に確保する必要があった。
そこで、特許文献２には、セラミックス基板およびアルミニウム板の接合面の少なくとも一方にＣｕを固着してＣｕ層を形成し、このＣｕ層を介して積層したセラミックス基板とアルミニウム板とを積層方向に加圧して加熱し、セラミックス基板とアルミニウム板とをさらに強固に接合する技術が提案されている。
この特許文献２においては、Ｃｕがアルニウム板側に拡散しており、接合界面から５０μｍ以内の範囲内におけるＣｕ濃度が０．０５〜５ｗｔ％の範囲内とされ、アルミニウム板の幅方向端部にはＡｌとＣｕの共晶相が形成されており、接合信頼性に優れている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特許第３１７１２３４号公報

【特許文献2】特許第５３５９９５３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、最近では、半導体素子がＳｉＣ等で構成され、従来よりも高温で動作する高温半導体デバイスが提供されている。
このため、上述の絶縁回路基板においては、従来よりも厳しい環境下で使用されることになり、過酷な冷熱サイクルを負荷した場合であっても、セラミックス基板の割れや回路層の変形等を抑制することが求められている。

【0007】

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、厳しい冷熱サイクルを負荷した場合であっても、セラミックス基板の割れやアルミニウム板の変形等を抑制でき、セラミックス基板と回路層との接合信頼性に優れた絶縁回路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】

【0008】

上述の課題を解決するために、本発明の絶縁回路基板は、セラミックス基板の表面に、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が積層されて接合された絶縁回路基板であって、前記アルミニウム板には、前記セラミックス基板との接合界面においてＣｕが固溶しており、前記接合界面と、前記接合界面から積層方向に１００μｍの位置とで、ＡｌとＣｕの濃度（ｍａｓｓ％）の合計が１００となるようにして、それぞれ５点のＣｕ濃度とその平均値を求め、接合界面におけるＣｕ濃度Ａ（ｍａｓｓ％），接合界面から１００μｍの位置におけるＣｕ濃度Ｂ（ｍａｓｓ％）を算出し、前記接合界面におけるＣｕ濃度Ａｍａｓｓ％と前記接合界面から前記アルミニウム板側へ厚さ方向に１００μｍの位置におけるＣｕ濃度Ｂｍａｓｓ％との比Ｂ／Ａが０．３０以上０．８５以下であることを特徴としている。

【0009】

この構成の絶縁回路基板によれば、前記アルミニウム板の前記セラミックス基板との接合界面側においてＣｕが固溶しており、前記接合界面におけるＣｕ濃度Ａｍａｓｓ％と前記接合界面から前記アルミニウム板側へ厚さ方向に１００μｍの位置におけるＣｕ濃度Ｂｍａｓｓ％との比Ｂ／Ａが０．３０以上０．８５以下とされているので、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の内部にまで十分にＣｕが拡散しており、アルミニウム板の接合界面近傍にはＣｕが過飽和に固溶した領域が形成される。このため、冷熱サイクル負荷後におけるアルミニウム板の変形やアルミニウム板内でのクラックの発生を抑制できる。
また、ＣｕがＡｌの母相中に固溶しているので、硬いＡｌ−Ｃｕの共晶相が形成されておらず、セラミックス基板の割れの発生を抑制することができる。

【0010】

ここで、本発明の絶縁回路基板においては、前記アルミニウム板において、前記接合界面から厚さ方向に１００μｍの位置におけるＣｕ濃度Ｂが０．０４ｍａｓｓ％以上０．９６ｍａｓｓ％以下の範囲内とされていることが好ましい。
この場合、アルミニウム板の内部に向けて十分にＣｕが拡散しており、アルミニウム板の接合界面近傍にはＣｕが過飽和に固溶した領域が十分に形成される。このため、冷熱サイクル負荷後におけるアルミニウム板の変形やアルミニウム板内でのクラックの発生をさらに抑制することが可能となる。

【0011】

さらに、本発明の絶縁回路基板においては、−６５℃で５分保持と１５０℃で５分保持を１サイクルとする冷熱サイクルを２０００回実施した後に、前記アルミニウム板の前記接合界面から厚さ方向に１００μｍまでの領域に、前記アルミニウム板の結晶粒界および結晶粒内にＡｌとＣｕを含むＡｌ−Ｃｕ化合物粒子が析出することが好ましい。
この場合、アルミニウム板の接合界面近傍がＡｌ−Ｃｕ化合物粒子によって強化されており、冷熱サイクル負荷後におけるアルミニウム板の変形やアルミニウム板内でのクラックの発生を確実に抑制できる。

【0012】

また、本発明の絶縁回路基板においては、接合界面から前記アルミニウム板側へ厚さ方向に５０μｍの範囲内において、−６５℃で５分保持と１５０℃で５分保持を１サイクルとする冷熱サイクルを２０００回実施した後に析出した前記Ａｌ−Ｃｕ化合物粒子の個数密度が０．５０個／μｍ^２以上８．５０個／μｍ^２以下の範囲内であることが好ましい。
この場合、接合界面から前記アルミニウム板側へ厚さ方向に５０μｍの範囲内において、−６５℃で５分保持と１５０℃で５分保持を１サイクルとする冷熱サイクルを２０００回実施した後に析出した前記Ａｌ−Ｃｕ化合物粒子の個数密度が０．５０個／μｍ^２以上とされているので、接合界面近傍のアルミニウム板の変形抵抗が上昇し、アルミニウム板の変形をさらに抑制することができる。また、前記Ａｌ−Ｃｕ化合物粒子の個数密度が８．５０個／μｍ^２以下とされているので、接合界面近傍のアルミニウム板が必要以上に硬くならず、セラミックス基板の割れをさらに抑制することができる。

【0013】

さらに、本発明の絶縁回路基板においては、−６５℃で５分保持と１５０℃で５分保持を１サイクルとする冷熱サイクルを２０００回実施した後に析出した前記Ａｌ−Ｃｕ化合物粒子の円相当径の平均が３０ｎｍ以上１３０ｎｍ以下の範囲内であることが好ましい。
この場合、−６５℃で５分保持と１５０℃で５分保持を１サイクルとする冷熱サイクルを２０００回実施した後に析出した前記Ａｌ−Ｃｕ化合物粒子の円相当径の平均が上述の範囲内とされているので、接合界面近傍のアルミニウム板を十分に析出強化することができ、前記アルミニウム板の変形をさらに抑制することができる。

【0014】

また、本発明の絶縁回路基板においては、前記アルミニウム板と前記セラミックス基板の接合界面において、前記接合界面の幅方向の端部から中心に向かって１ｍｍの範囲内でのＡｌ−Ｃｕ共晶相の面積率が３０％以下であることが好ましい。
この場合、前記アルミニウム板と前記セラミックス基板の接合界面において、Ａｌ−Ｃｕ共晶相の面積率が３０％以下に制限されているので、硬いＡｌ−Ｃｕ共晶相が少なく、セラミックス基板の割れの発生を抑制することができる。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、厳しい冷熱サイクルを負荷した場合であっても、セラミックス基板の割れや回路層（金属層）の変形等を抑制でき、セラミックス基板と回路層（金属層）との接合信頼性に優れた絶縁回路基板を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の実施形態である絶縁回路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】本発明の実施形態である絶縁回路基板における回路層（金属層）とセラミックス基板の接合界面の拡大説明図である。

【図3】本発明の実施形態である絶縁回路基板の回路層（アルミニウム板）および金属層（アルミニウム板）とセラミックス基板との接合界面の観察写真である。（ａ）が冷熱サイクル負荷前であり、（ｂ）が冷熱サイクル負荷後である。

【図4】図３（ｂ）の拡大写真である。

【図5】図１に示す絶縁回路基板およびパワーモジュールの製造方法を示すフロー図である。

【図6】本発明の実施形態である絶縁回路基板の製造方法を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

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。

【0018】

図１に、本発明の実施形態である絶縁回路基板１０、および、この絶縁回路基板１０を用いたパワーモジュール１を示す。
図１に示すパワーモジュール１は、絶縁回路基板１０と、絶縁回路基板１０の一方側（図１において上側）にはんだ層２を介して接合された半導体素子３と、絶縁回路基板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３１と、を備えている。

【0019】

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。

【0020】

絶縁回路基板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）に形成された金属層１３と、を備えている。

【0021】

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、絶縁性の高いＳｉ_３Ｎ_４（窒化ケイ素）で構成されている。また、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おり、本実施形態では、０．３２ｍｍに設定されている。

【0022】

回路層１２は、セラミックス基板１１の一方の面に、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、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２２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。

【0023】

金属層１３は、セラミックス基板１１の他方の面にアルミニウム板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、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。

【0024】

ヒートシンク３１は、絶縁回路基板１０側の熱を放散するためのものである。ヒートシンク３１は、熱伝導性が良好なアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されており、本実施形態においては、Ａ６０６３合金で構成されている。このヒートシンク３１の厚さは、３ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲内に設定されている。
なお、ヒートシンク３１と絶縁回路基板１０の金属層１３とは、ろう材を用いて接合されている。

【0025】

そして、本実施形態においては、図２に示すように、回路層１２および金属層１３においては、セラミックス基板１１との接合界面においてＣｕが固溶しており、接合界面におけるＣｕ濃度Ａｍａｓｓ％と接合界面から回路層１２および金属層１３側へ厚さ方向に１００μｍの位置におけるＣｕ濃度Ｂｍａｓｓ％との比Ｂ／Ａが０．３０以上０．８５以下とされている。
すなわち、接合界面から回路層１２および金属層１３側へ厚さ方向に１００μｍの位置においても、Ｃｕが十分に存在していることになる。
比Ｂ／Ａが、０．３０未満であると、接合界面が固くなり接合信頼性が悪化したり、回路層１２（金属層１３）にＣｕが十分拡散せず、回路層１２（金属層１３）に変形および割れが生じたりするおそれがある。
比Ｂ／Ａが、０．８５を超えると、Ｃｕが拡散しすぎて、回路層１２（金属層１３）全体が硬くなり回路層が温度サイクルで受ける応力を緩和することができず割れが生じるおそれがある。
なお、接合界面におけるＣｕ濃度Ａｍａｓｓ％と接合界面から回路層１２および金属層１３側へ厚さ方向に１００μｍの位置におけるＣｕ濃度Ｂｍａｓｓ％との比Ｂ／Ａの上限は、０．７０以下であることが好ましく、０．５０以下であることがより好ましい。

【0026】

ここで、本実施形態においては、回路層１２および金属層１３において、接合界面から厚さ方向に１００μｍの位置におけるＣｕ濃度Ｂが０．０４ｍａｓｓ％以上０．９６ｍａｓｓ％以下の範囲内とされていることが好ましい。
なお、接合界面から厚さ方向に１００μｍの位置におけるＣｕ濃度Ｂの下限は０．１０ｍａｓｓ％以上であることがより好ましく、０．１４ｍａｓｓ％以上であることがさらに好ましい。一方、接合界面から厚さ方向に１００μｍの位置におけるＣｕ濃度Ｂの上限は０．５０ｍａｓｓ％以下であることがより好ましく、０．４５ｍａｓｓ％以下であることがさらに好ましい。

【0027】

また、本実施形態においては、回路層１２および金属層１３とセラミックス基板１１の接合界面の幅方向の端部から中心に向かって１ｍｍの範囲内でのＡｌ−Ｃｕ共晶相の面積率が３０％以下に制限されていることが好ましい。
なお、回路層１２および金属層１３とセラミックス基板１１の接合界面におけるＡｌ−Ｃｕ共晶相の面積率は２０％以下であることがさらに好ましく、１７％以下であることがより好ましい。Ａｌ−Ｃｕ共晶相の面積率の下限値は、０％であってもよく、６．２％以上であってもよい。

【0028】

さらに、本実施形態においては、−６５℃で５分保持と１５０℃で５分保持を１サイクルとする冷熱サイクルを２０００回実施した後に、回路層１２および金属層１３の接合界面から厚さ方向に１００μｍまでの領域に、回路層１２および金属層１３の結晶粒界および結晶粒内にＡｌとＣｕを含むＡｌ−Ｃｕ化合物粒子が析出することが好ましい。

【0029】

ここで、図３および図４に、本実施形態である絶縁回路基板１０の回路層１２および金属層１３とセラミックス基板１１との接合界面の観察結果を示す。
図３（ａ）に示すように、冷熱サイクルを負荷する前の状態では、回路層１２および金属層１３には、Ａｌ−Ｃｕ化合物粒子が存在しておらず、Ａｌの母相中にＣｕが固溶した組織とされている。
−６５℃で５分保持と１５０℃で５分保持を１サイクルとする冷熱サイクルを２０００回実施した後では、図３（ｂ）および図４に示すように、結晶粒が微細化されており、結晶粒界および結晶粒内にＡｌとＣｕを含むＡｌ−Ｃｕ化合物粒子１５が確認される。

【0030】

本実施形態においては、接合界面から回路層１２および金属層１３側へ厚さ方向に５０μｍの範囲内において、−６５℃で５分保持と１５０℃で５分保持を１サイクルとする冷熱サイクルを２０００回実施した後に析出したＡｌ−Ｃｕ化合物粒子１５の個数密度が０．５０個／μｍ^２以上８．５０個／μｍ^２以下の範囲内であることが好ましい。
なお、Ａｌ−Ｃｕ化合物粒子の個数密度は０．６０個／μｍ^２以上であることがさらに好ましく、０．７５個／μｍ^２以上であることがより好ましい。また、Ａｌ−Ｃｕ化合物粒子の個数密度は８．３０個／μｍ^２以下であることがさらに好ましく、８．１０個／μｍ^２以下であることがより好ましい。本実施形態においては、粒径が０．０１μｍ以上２μｍ以下の範囲内のＡｌ−Ｃｕ化合物粒子を対象として、個数密度を算出している。なお、個数密度の算出においては、粒子形状が円形状でない場合は、最も短い部分（短径）で判断する。

【0031】

さらに、本実施形態においては、−６５℃で５分保持と１５０℃で５分保持を１サイクルとする冷熱サイクルを２０００回実施した後に析出したＡｌ−Ｃｕ化合物粒子の円相当径の平均が３０ｎｍ以上１３０ｎｍ以下の範囲内であることが好ましい。
なお、Ａｌ−Ｃｕ化合物粒子１５の円相当径の平均は３７μｍ以上であることがさらに好ましく、４５μｍ以上であることがより好ましい。Ａｌ−Ｃｕ化合物粒子１５の円相当径の平均は１２５μｍ以下であることがさらに好ましく、１２０μｍ以下であることがより好ましい。

【0032】

次に、本実施形態である絶縁回路基板１０およびパワーモジュール１を製造する方法について、図５および図６を用いて説明する。

【0033】

（Ｃｕ層形成工程Ｓ０１）
まず、図５および図６に示すように、回路層１２となるアルミニウム板２２および金属層１３となるアルミニウム板２３とセラミックス基板１１の接合面の少なくとも一方にＣｕ層２６を形成する。本実施形態では、図６に示すように、セラミックス基板１１の両面にそれぞれＣｕ層２６を形成している。なお、Ｃｕ層２６の形成方法に特に制限はなく、スパッタ、蒸着、ＣＶＤ、めっき、ペースト、箔材等の既存の手段を適宜用いることができる。
ここで、Ｃｕ層２６におけるＣｕの固着量は、０．０８ｍｇ／ｃｍ^２以上２．０ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内とすることが好ましい。

【0034】

（積層工程Ｓ０２）
次に、セラミックス基板１１の一方の面にＣｕ層２６を介して回路層１２となるアルミニウム板２２を積層し、セラミックス基板１１の他方の面にＣｕ層２６を介して金属層１３となるアルミニウム板２３を積層する。

【0035】

（接合工程Ｓ０３）
次いで、回路層１２となるアルミニウム板２２、セラミックス基板１１、金属層１３となるアルミニウム板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、アルミニウム板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、アルミニウム板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。

【0036】

ここで、接合工程Ｓ０３においては、積層方向への加圧荷重を０．０９８ＭＰａ以上２．９４ＭＰａ以下の範囲内とする。
また、接合温度は６００℃以上６５０℃以下の範囲内とし、接合温度での保持時間は１８０分以下とする。
そして、ＡｌとＣｕの共晶温度（５４８℃）から接合温度までの昇温速度を、５℃／分以上２０℃／分以下の範囲内とする。

【0037】

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１０が製造される。

【0038】

（ヒートシンク接合工程Ｓ０４）
次に、この絶縁回路基板１０の金属層１３の他方側に、ろう材を介してヒートシンク３１を積層し、絶縁回路基板１０とヒートシンク３１とを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を接合する。

【0039】

（半導体素子接合工程Ｓ０５）
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。
上記のようにして、図１に示すパワーモジュール１が製造される。

【0040】

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１０によれば、回路層１２および金属層１３のセラミックス基板１１との接合界面側においてＣｕが固溶しており、接合界面におけるＣｕ濃度Ａｍａｓｓ％と接合界面から回路層１２および金属層１３側へ厚さ方向に１００μｍの位置におけるＣｕ濃度Ｂｍａｓｓ％との比Ｂ／Ａが０．３０以上０．８５以下とされているので、アルミニウムからなる回路層１２および金属層１３の内部にまで十分にＣｕが拡散しており、回路層１２および金属層１３の接合界面近傍にはＣｕが過飽和に固溶した領域が形成されることになる。このため、回路層１２および金属層１３が強化され、冷熱サイクル負荷後における回路層１２および金属層１３の変形や回路層１２および金属層１３内でのクラックの発生を抑制できる。

【0041】

また、ＣｕがＡｌの母相中に固溶しているので、硬いＡｌ−Ｃｕの共晶相が形成されておらず、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、本実施形態において、回路層１２および金属層１３とセラミックス基板１１の接合界面の幅方向の端部から中心に向かって１ｍｍの範囲内でのＡｌ−Ｃｕ共晶相の面積率が３０％以下である場合には、硬いＡｌ−Ｃｕ共晶相が少なく、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。

【0042】

本実施形態において、回路層１２および金属層１３のセラミックス基板１１との接合界面から厚さ方向に１００μｍの位置におけるＣｕ濃度Ｂが０．０４ｍａｓｓ％以上０．９６ｍａｓｓ％以下の範囲内とされている場合には、回路層１２および金属層１３の内部に向けて十分にＣｕが拡散しており、冷熱サイクル負荷後における回路層１２および金属層１３の変形や回路層１２および金属層１３内でのクラックの発生をさらに抑制できる。

【0043】

本実施形態において、−６５℃で５分保持と１５０℃で５分保持を１サイクルとする冷熱サイクルを２０００回実施した後に、回路層１２および金属層１３のセラミックス基板１１との接合界面から厚さ方向に１００μｍまでの領域において、回路層１２および金属層１３の結晶粒界および結晶粒内にＡｌとＣｕを含むＡｌ−Ｃｕ化合物粒子１５が析出している場合には、回路層１２および金属層１３のセラミックス基板１１との接合界面近傍がＡｌ−Ｃｕ化合物粒子１５によって強化されており、冷熱サイクル負荷後における回路層１２および金属層１３の変形や回路層１２および金属層１３内でのクラックの発生を確実に抑制できる。

【0044】

本実施形態において、接合界面から回路層１２および金属層１３側へ厚さ方向に５０μｍの範囲内において、−６５℃で５分保持と１５０℃で５分保持を１サイクルとする冷熱サイクルを２０００回実施した後に析出したＡｌ−Ｃｕ化合物粒子の個数密度が、０．５０個／μｍ^２以上８．５０個／μｍ^２以下の範囲内である場合には、回路層１２および金属層１３の接合界面近傍の変形抵抗が上昇し、回路層１２および金属層１３の変形をさらに抑制することができるとともに、回路層１２および金属層１３の接合界面近傍が必要以上に硬くならず、セラミックス基板１１の割れをさらに抑制することができる。

【0045】

本実施形態において、Ａｌ−Ｃｕ化合物粒子１５の円相当径の平均が３０ｎｍ以上１３０ｎｍ以下の範囲内である場合には、回路層１２および金属層１３の接合界面近傍部分を十分に析出強化することができ、回路層１２および金属層１３の変形をさらに抑制することができる。

【0046】

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、セラミックス基板を窒化ケイ素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、アルミナで構成されていてもよいし、窒化アルミニウムで構成されていてもよい。

【0047】

また、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。

【0048】

また、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ろう付け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、固相拡散接合、ＴＬＰ等の他の接合方法を適用してもよい。
さらに、本実施形態では、ヒートシンクをアルミニウムからなるものとして説明したが、これに限定されることはなく、銅等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あってもよい。また、ヒートシンクと絶縁回路基板の間に、例えば、４Ｎ−アルミニウムからなる緩衝層を設けてもよい。

【実施例】

【0049】

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。

【0050】

（実施例１）
表１に示すセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ）を準備し、このセラミックス基板の一方の面および他方の面に、スパッタ法によりＣｕ層を形成した。このときのＣｕの固着量を表１に示す。
そして、セラミックス基板の一方の面にＣｕ層を介して４Ｎアルミニウムからなるアルミニウム板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×０．４ｍｍｔ）を積層し、セラミックス基板の他方の面にＣｕ層を介して４Ｎアルミニウムからなるアルミニウム板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×０．４ｍｍｔ）を積層した。

【0051】

そして、表１に示す条件で、アルミニウム板とセラミックス基板とを接合し、絶縁回路基板を製造した。なお、表１に記載の昇温速度は、ＡｌとＣｕの共晶温度（５４８℃）から接合温度までの昇温速度を示す。
得られた絶縁回路基板の金属層に４Ｎ−アルミニウム(厚さ０．９ｍｍ)の緩衝層を介してヒートシンク（５０ｍｍ×６０ｍｍ, 厚さ５ｍｍのアルミニウム板（Ａ６０６３））を接合し、ヒートシンク付絶縁回路基板を得た。なお、金属層と緩衝層及び緩衝層とヒートシンクの接合はＡｌ−Ｓｉ箔を用いたろう付けにより行った。

【0052】

得られたヒートシンク付絶縁回路基板について、アルミニウム板の接合界面におけるＣｕ濃度Ａ、接合界面からアルミニウム板の内部へ１００μｍの位置におけるＣｕ濃度Ｂ、初期接合率、冷熱サイクル試験後のＡｌ−Ｃｕ化合物粒子の有無、冷熱サイクル試験後の接合率、冷熱サイクル試験後の基板の割れの有無、について評価した。

【0053】

（Ｃｕ濃度Ａ，Ｃｕ濃度Ｂ）
ヒートシンク付絶縁回路基板を積層方向に沿う断面で切断し、基板の幅方向中央の断面において、電子線マイクロアナライザー（日本電子社製 ＪＸＡ−８５３０Ｆ）を用いて、倍率５００倍，加速電圧１５ｋＶの条件で、接合界面と接合界面から積層方向に１００μｍの位置でＣｕについて定量分析を行った。観察領域において、接合界面と接合界面から積層方向に１００μｍの位置とでそれぞれ５点のＣｕ濃度とその平均値を求め、接合界面におけるＣｕ濃度Ａ（ｍａｓｓ％），接合界面から１００μｍの位置におけるＣｕ濃度Ｂ（ｍａｓｓ％）を得た。この時、ＡｌとＣｕの濃度（ｍａｓｓ％）の合計が１００となるようにして、Ｃｕ濃度を算出した。

【0054】

（初期接合率）
アルミニウム板とセラミックス基板との接合率を評価した。具体的には、ヒートシンク付絶縁回路基板において、アルミニウム板とセラミックス基板との界面の接合率について超音波探傷装置（株式会社日立パワーソリューションズ製ＦｉｎｅＳＡＴ２００）を用いて評価し、以下の式から算出した。ここで、初期接合面積とは、接合前における接合すべき面積、すなわち回路層の面積とした。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、この白色部の面積を剥離面積（非接合部面積）とした。
（接合率）＝｛（初期接合面積）−（非接合部面積）｝／（初期接合面積）×１００

【0055】

（冷熱サイクル試験）
冷熱衝撃試験機エスペック社製ＴＳＢ−５１を使用し、ヒートシンク付絶縁回路基板に対して、液槽（フロリナート）で、−６５℃×５分←→１５０℃×５分の冷熱サイクルを２０００回実施した。

【0056】

（冷熱サイクル試験後のＡｌ−Ｃｕ化合物粒子の有無）
上記冷熱サイクル後のヒートシンク付絶縁回路基板について、積層方向に切断した後、基板の幅方向中央の断面において走査型電子顕微鏡（カールツァイス社製 ＧｅｍｉｎｉＳＥＭ ５００）を用いて、倍率５０００倍，加速電圧５．０ｋＶの条件で、アルミニウム板とセラミックス基板との接合界面を含む領域（１７μｍ×２３μｍ）を観察した。
この観察では、ＳＥＭ画像及びＣｕ，Ａｌの元素ＭＡＰを取得し、ＳＥＭ画像にて白色で観察される粒状の領域が観察され、かつ、この領域においてＣｕとＡｌが共存していた場合、Ａｌ−Ｃｕ化合物粒子が「有」と評価した。そしてアルミニウム板の接合界面から厚さ方向に１００μｍまでの領域を観察し、Ａｌ−Ｃｕ化合物粒子の有無を評価した。
そしてアルミニウム板の接合界面から厚さ方向に１００μｍまでの領域を観察し、Ａｌ−Ｃｕ化合物粒子の有無を評価した。

【0057】

（冷熱サイクル試験後の接合率）
冷熱サイクル試験後のヒートシンク付絶縁回路基板について、上述のように超音波探傷装置（株式会社日立パワーソリューションズ製ＦｉｎｅＳＡＴ２００）を用いて評価し、接合率を算出した。

【0058】

（冷熱サイクル試験後の基板の割れの有無）
冷熱サイクル試験後のヒートシンク付絶縁回路基板について、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）を用いて基板の割れの有無を評価した。回路層、金属層、セラミックス基板のいずれかに割れが確認された場合を「有」と評価した。

【0059】

【表1】

【0060】

【表2】

【0061】

接合界面におけるＣｕ濃度Ａｍａｓｓ％と接合界面からアルミニウム板側へ厚さ方向に１００μｍの位置におけるＣｕ濃度Ｂｍａｓｓ％との比Ｂ／Ａが０．３０未満又は０．８５越とされた比較例１〜４においては、冷熱サイクル試験後の接合率が低く、冷熱サイクル試験後に基板に割れが認められた。

【0062】

これに対して、接合界面におけるＣｕ濃度Ａｍａｓｓ％と接合界面からアルミニウム板側へ厚さ方向に１００μｍの位置におけるＣｕ濃度Ｂｍａｓｓ％との比Ｂ／Ａが０．３０以上０．８５以下とされた本発明例１〜８においては、冷熱サイクル試験後においても接合率が十分に高く、かつ、基板に割れが確認されなかった。

【0063】

（実施例２）
表３に示すセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ）を準備し、このセラミックス基板の一方の面および他方の面に、スパッタ法によりＣｕ層を形成した。このときのＣｕの固着量を表３に示す。
そして、セラミックス基板の一方の面にＣｕ層を介して４Ｎアルミニウムからなるアルミニウム板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×０．４ｍｍｔ）を積層し、セラミックス基板の他方の面にＣｕ層を介して４Ｎアルミニウムからなるアルミニウム板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×０．４ｍｍｔ）を積層した。
そして、表３に示す条件で、アルミニウム板とセラミックス基板とを接合し、絶縁回路基板を製造した。

【0064】

得られた絶縁回路基板について、アルミニウム板の接合界面におけるＣｕ濃度Ａ、接合界面からアルミニウム板の内部へ１００μｍの位置におけるＣｕ濃度Ｂ、初期接合率、冷熱サイクル試験後の接合率、冷熱サイクル試験後の基板の割れの有無、について、実施例１と同様の手順で評価した。
また、接合界面のＡｌ−Ｃｕ共晶相の面積率、冷熱サイクル試験後のＡｌ−Ｃｕ化合物粒子の個数密度、Ａｌ−Ｃｕ化合物粒子の円相当径の平均を、以下のように評価した。

【0065】

（接合界面のＡｌ−Ｃｕ共晶相の面積率）
接合界面において、幅方向の端部から中心に向かって１ｍｍの範囲におけるＢＳＥ像を走査型電子顕微鏡（カールツァイス社製 ＧｅｍｉｎｉＳＥＭ ５００）により得て、このＢＳＥ像を２値化処理した。Ａｌ−Ｃｕ共晶相の面積、および、接合界面の端部から１ｍｍまでの範囲の面積を求め、以下の式により、接合界面のＡｌ−Ｃｕ共晶相の面積率を算出した。
（Ａｌ−Ｃｕ共晶相の面積率）＝(Ａｌ−Ｃｕ共晶相の面積)／（端部から中心に向かって１ｍｍまでの面積）×１００

【0066】

（冷熱サイクル試験後のＡｌ−Ｃｕ化合物粒子の個数密度）
上記冷熱サイクル試験後の絶縁回路基板について、積層方向に切断した後、基板の幅方向中央の断面において、上述した方法によりＡｌ−Ｃｕ化合物粒子の有無を確認した。Ａｌ−Ｃｕ化合物粒子が確認された領域（接合界面からアルミニウム板側へ厚さ方向に５０μｍの範囲内）において、走査型電子顕微鏡（カールツァイス社製 ＧｅｍｉｎｉＳＥＭ ５００）の１０００倍のＡＳＢ像を取得し、Ａｌ−Ｃｕ化合物粒子が白色となるようにＡＳＢ像を二値化した。
そして、Ａｌ−Ｃｕ化合物粒子の個数を計測し、測定範囲の面積で割ることにより、個数密度を算出した。なお、個数密度の算出は、粒径が０．０１μｍ以上２μｍ以下の範囲内のＡｌ−Ｃｕ化合物粒子を対象として算出している。また、粒子形状が円形状でない場合の粒径は、最も短い部分（短径）で判断している。さらに、粒子の一部が測定範囲外にあるなどして、粒子の形状が不明である場合、この粒子は除外して計測した。

【0067】

（冷熱サイクル試験後のＡｌ−Ｃｕ化合物粒子の円相当径の平均）
個数密度を求めたときと同様にして、ＡＳＢ像を二値化した。その後、測定領域内の各Ａｌ−Ｃｕ化合物粒子の面積を求め、この面積から円相当半径を算出し平均値を求めた。この平均値を表に示す。なお、面積を求める際に、粒子の一部が測定範囲外にあるなどして、面積を求められない場合、この粒子は除外した。

【0068】

【表3】

【0069】

【表4】

【0070】

本発明例１１，１３，１５，１７，１８においては、接合界面からアルミニウム板側へ厚さ方向に５０μｍの範囲内において、−６５℃で５分保持と１５０℃で５分保持を１サイクルとする冷熱サイクルを２０００回実施した後に析出したＡｌ−Ｃｕ化合物粒子の個数密度が０．５０個／μｍ^２以上８．５０個／μｍ^２以下の範囲内であった。前記Ａｌ−Ｃｕ化合物粒子の円相当径の平均が３０ｎｍ以上１３０ｎｍ以下の範囲内であった。アルミニウム板とセラミックス基板の接合界面において、接合界面の幅方向の端部から中心に向かって１ｍｍの範囲内でのＡｌ−Ｃｕ共晶相の面積率が３０．０％以下であった。冷熱サイクル試験後においても接合率が十分に高く、かつ、基板に割れが確認されなかった。

【0071】

また、本発明例１２では、Ａｌ−Ｃｕ共晶相の面積率が３２．０％であった。本発明例１４では、冷熱サイクル試験後のＡｌ−Ｃｕ化合物粒子の個数密度が８．７０個／μｍ^２であり、かつＡｌ−Ｃｕ化合物粒子の円相当径が２７ｎｍであった。本発明例１６では、冷熱サイクル試験後のＡｌ−Ｃｕ化合物粒子の個数密度が０．４７個／μｍ^２であり、かつＡｌ−Ｃｕ化合物粒子の円相当径が１３３ｎｍであった。これら本発明例１２，１４，１６に比べて、本発明例１１，１３，１５，１７，１８では、Ａｌ−Ｃｕ共晶相の面積率が３０．０％以下であり、冷熱サイクル試験後のＡｌ−Ｃｕ化合物粒子の個数密度が０．５０個／μｍ^２以上８．５０個／μｍ^２以下の範囲内であり、かつＡｌ−Ｃｕ化合物粒子の円相当径が３０ｎｍ以上１３０ｎｍ以下の範囲内であった。本発明例１２，１４，１６に比べて、本発明例１１，１３，１５，１７，１８においては、接合率がさらに優れていることが確認された。

【0072】

本実施例の結果から、本発明例によれば、厳しい冷熱サイクルを負荷した場合であっても、セラミックス基板の割れや回路層（金属層）の変形等を抑制でき、セラミックス基板と回路層との接合信頼性に優れた絶縁回路基板を提供可能であることが確認された。

【符号の説明】

【0073】

１ パワーモジュール
３ 半導体素子
１０ 絶縁回路基板
１１ セラミックス基板
１２ 回路層
１３ 金属層
１５ Ａｌ−Ｃｕ化合物粒子
２２，２３ アルミニウム板

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】