特許 7060084 絶縁回路基板用接合体の製造方法および絶縁回路基板用接合体

(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】

(24)【登録日】2022-04-18

(45)【発行日】2022-04-26

(54)【発明の名称】絶縁回路基板用接合体の製造方法および絶縁回路基板用接合体

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/36 20060101AFI20220419BHJP

   H05K 7/20 20060101ALI20220419BHJP

   H05K 3/46 20060101ALI20220419BHJP

【ＦＩ】

H01L23/36 C

H05K7/20 C

H05K3/46 U

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2020510021

(86)(22)【出願日】2019-03-25

(86)【国際出願番号】 JP2019012326

(87)【国際公開番号】W WO2019188885

(87)【国際公開日】2019-10-03

【審査請求日】2020-07-02

(31)【優先権主張番号】P 2018058136

(32)【優先日】2018-03-26

(33)【優先権主張国・地域又は機関】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】100101465

【弁理士】

【氏名又は名称】青山 正和

(72)【発明者】

【氏名】湯本 遼平

(72)【発明者】

【氏名】大開 智哉

(72)【発明者】

【氏名】北原 丈嗣

(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２０１５－２１１１２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１７０８２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１６０７９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１６７５４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１７０８２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－２１６５３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０７２５６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０１８８８７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ ２０／００－２０／２６

Ｂ３２Ｂ １／００－４３／００

Ｃ０４Ｂ ３７／００－３７／０４

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 ３／４６

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複数のアルミニウム回路層を形成するアルミニウム回路層形成工程と、
前記アルミニウム回路層のそれぞれの上に回路層用銅板を個別に積層して積層体を形成し、少なくとも一方の面に凸曲面を有しこれら凸曲面を互いに対向させて配置された一対の当て板の間に前記積層体を配置して、前記当て板を対向方向に移動することにより前記積層体を積層方向に加圧し、その加圧状態で加熱することにより、前記アルミニウム回路層に前記回路層用銅板を固相拡散接合した銅回路層を形成する銅回路層形成工程と
を有し、
前記銅回路層形成工程では、前記凸曲面のいずれかが、前記積層体において隣接する複数の前記回路層用銅板にまたがって当接するように前記当て板を配置する
ことを特徴とする絶縁回路基板用接合体の製造方法。

【請求項2】

前記当て板の前記凸曲面は、８０００ｍｍ以上６００００ｍｍ以下の曲率半径であることを特徴とする請求項１記載の絶縁回路基板用接合体の製造方法。

【請求項3】

前記当て板は炭素材シートからなることを特徴とする請求項１又は２記載の絶縁回路基板用接合体の製造方法。

【請求項4】

前記炭素材シートは、１枚以上のカーボンシートと１枚以上のグラファイトシートとの積層板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用接合体の製造方法。

【請求項5】

前記当て板は、前記一方の面が前記凸曲面、他方の面が平面であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の絶縁回路基板用接合体の製造方法。

【請求項6】

前記凸曲面は球面であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の絶縁回路基板用接合体の製造方法。

【請求項7】

前記凸曲面は円筒面であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の絶縁回路基板用接合体の製造方法。

【請求項8】

１対の前記当て板を、前記積層方向に対向する１対の加圧板の間に配置し、
１対の前記加圧板を、前記積層方向に沿って設けた少なくとも２本のガイドポストに、前記積層方向に沿って互いに接近離間可能に保持させ、
前記銅回路層形成工程において、１対の前記加圧板同士を接近させることにより１対の前記当て板を介して前記積層体を加圧する
ことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の絶縁回路基板用接合体の製造方法。

【請求項9】

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複数のアルミニウム回路層と、
各前記アルミニウム回路層の上に個別に固相拡散接合された銅回路層と、
各前記アルミニウム回路層と各前記銅回路層との間に介在する金属間化合物層と
を有し、
前記金属間化合物層は、隣接する前記銅回路層の間隙に臨む端部から５０μｍの位置を境界として、該境界より中央側の平均厚みをｔ１、前記境界より端部側の平均厚みをｔ２としたときに、これら厚みの比率ｔ２／ｔ１が３０％以上である
ことを特徴とする絶縁回路基板用接合体。

【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パワーモジュール用基板などの絶縁回路基板用接合体の製造方法および絶縁回路基板用接合体に関する。本願は、２０１８年３月２６日に出願された特願２０１８－５８１３６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】

パワーモジュール用基板として、窒化アルミニウムを始めとするセラミックス基板からなる絶縁層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ものが知られており、金属層にはヒートシンクが接合される。

【0003】

例えば特許文献１に開示されているヒートシンク付パワーモジュール用基板は、セラミックス基板からなる絶縁層の一方の面にアルミニウム層と銅層との二層構造の回路層が形成され、セラミックス基板（絶縁層）の他方の面には、アルミニウム層と銅層との二層構造の金属層が接合されており、この金属層の銅層にアルミニウムからなるヒートシンクが接合される。

【0004】

このヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法では、セラミックス基板の両面にまずアルミニウム板をろう付けし、その後、一方側に銅板を積層し、他方側には銅板とヒートシンクのアルミニウム板とを積層して、この積層体を積層方向に加圧しながら加熱することにより、アルミニウムと銅とを固相拡散接合する。その際、特許文献１では、ヒートシンクの接合面を、ヒートシンク接合温度で生じるパワーモジュール用基板の金属層表面の反りに合わせ、凸形状に形成して接合している。

【0005】

この固相拡散接合においては、バネにより付勢される一対の加圧板の間に積層体を配置し、セラミックス基板の外周より外側に設けられた一対のガイドポストに固定された固定板で付勢することにより加圧板間を接近させて、積層体に荷重を付与している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２０１６－７２５６３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、ガイドポストは、積層体の直上には設置することはできないため、セラミックス基板の外周よりも内側では荷重が付与されにくい傾向がある。セラミックス基板とアルミニウム板との接合は、ろう付けにより液相が生じるため、全面でほぼ均一に接合されるが、アルミニウム層と銅層との間は固相による接合であるため、その接触状態が接合に大きく影響する。上記の加圧板を用いた接合では、回路層の外周に荷重が集中しやすい反面、それより内側では荷重が付与されにくく、金属層の外周部以外では接合不良が発生するおそれがある。特に、回路層が複数に分離している場合に、隣接する回路層用銅板の間隙に臨む内側の端部において固相拡散接合による十分な金属間化合物層が形成されずに、接合不良が発生し易い。

【0008】

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、隣接する回路層用銅板の間隙に臨む内側の端部にも均一な荷重を付与して、接合不良の発生を防止することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の絶縁回路基板用接合体の製造方法は、セラミックス基板の一方の面に複数のアルミニウム回路層を形成するアルミニウム回路層形成工程と、前記アルミニウム回路層のそれぞれの上に回路層用銅板を個別に積層し、少なくとも一方の面に凸曲面を有しこれら凸曲面を互いに対向させて配置したされた１対の当て板の間に前記積層体を配置して、前記当て板を対向方向に移動することにより前記積層体を積層方向に加圧し、その加圧状態で加熱することにより、前記アルミニウム回路層に前記回路層用銅板を固相拡散接合した銅回路層を形成する銅回路層形成工程とを有し、前記銅回路層形成工程では、前記凸曲面のいずれかが、前記積層体において隣接する複数の前記回路層用銅板にまたがって当接するように前記当て板を配置する。

【0010】

この製造方法によれば、銅回路層形成工程において、隣接する回路層用銅板にまたがって当て板の凸曲面が当接するので、従来、荷重が付与されにくかったセラミックス基板の中央部における回路層用銅板の端部にも、外周端部と同様に荷重が付与されやすくなる。

【0011】

本発明の絶縁回路基板用接合体の製造方法の好ましい実施態様は、前記当て板の前記凸曲面は、８０００ｍｍ以上６００００ｍｍ以下の曲率半径であるとよい。この範囲の曲率半径であると、隣接する銅回路層の端部にまで十分な厚さで金属間化合物層を形成して、良好な接合を得ることができる。

【0012】

本発明の絶縁回路基板用接合体の製造方法の好ましい実施態様は、前記当て板は炭素材シートからなるとよい。また、炭素材シートとしては１枚以上のカーボンシートと１枚以上のグラファイトシートとの積層板を用いることができる。

【0013】

炭素材シートを用いることにより、当て板と積層体との固着を防止できる。また、炭素材シートのクッション性により、凸曲面の外周側から中央部に向かって、荷重が徐々に大きくなる緩やかな加圧勾配が得られ、回路層用銅板を全面にわたってより均一に加圧し接合することができる。

【0014】

本発明の絶縁回路基板用接合体の製造方法において、前記凸曲面は球面であってもよく、あるいは円筒面であってもよい。凸曲面の形状は積層体の回路層用銅板の数や配置状態に応じて適宜に設定するとよい。

【0015】

本発明の絶縁回路基板用接合体において、前記当て板は、前記一方の面が前記凸曲面、他方の面が平面であってもよい。例えば、当て板を挟んで積層された複数組の積層体の最外部に配置された当て板においては、回路層用銅板を押圧しない面は平面であってもよく、この平面全面で加圧板からの押圧力を受けることができる。

【0016】

本発明の絶縁回路基板用接合体の製造方法の好ましい実施態様は、１対の前記当て板を、前記積層方向に対向する１対の加圧板の間に配置し、１対の前記加圧板を、前記積層方向に沿って延設した少なくとも２本のガイドポストに、前記積層方向に沿って互いに接近離間可能に保持させ、１対の前記加圧板同士を接近させることにより１対の前記当て板を介して前記積層体を加圧するとよい。

【0017】

２本のガイドポストに保持させた１対の加圧板間では積層体を均一に加圧することが難しいが、当て板の凸曲面を用いることにより、積層体の中央部にも十分な荷重を加えることができる。

【0018】

本発明の絶縁回路基板用接合体は、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複数のアルミニウム回路層と、各前記アルミニウム回路層の上に個別に固相拡散接合された銅回路層と、各前記アルミニウム回路層と各前記銅回路層との間に介在する金属間化合物層とを有し、前記金属間化合物層は、隣接する前記銅回路層の間隙に臨む端部から５０μｍの位置を境界として、該境界より中央側の平均厚みをｔ１、前記境界より端部側の平均厚みをｔ２としたときに、これら厚みの比率ｔ２／ｔ１が３０％以上である。

【0019】

複数の銅回路層の間隙に臨む部分の金属間化合物層の平均厚みｔ２が、それより中央側の金属間化合物層の平均厚みの３０％以上であるので、端部まで十分に固相拡散接合されており、十分な接合状態を維持することができる。

【0020】

なお、この絶縁回路基板用接合体は、複数の回路層を有する絶縁回路基板としてそのまま用いる、あるいは、隣接する銅回路層の間でセラミックス基板にスクライブラインを形成しておき、これを分割することにより絶縁回路基板単体とする、などの使用形態が可能である。

【発明の効果】

【0021】

本発明によれば、隣接する銅回路層の間隙に臨む内側の端部にも均一な荷重を付与して、接合不良の発生を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】本発明の実施形態に係る絶縁回路基板用接合体の製造方法により製造された絶縁回路基板用接合体を示す側面図である。

【図2】図１に示した絶縁回路基板用接合体の平面図である。

【図3A】絶縁回路基板用接合体の製造方法を工程順に示す側面図である。

【図3B】絶縁回路基板用接合体の製造方法を工程順に示す側面図である。

【図3C】絶縁回路基板用接合体の製造方法を工程順に示す側面図である。

【図3D】絶縁回路基板用接合体の製造方法を工程順に示す側面図である。

【図4】加圧装置の側面図である。

【図5】図４のＡ－Ａ矢視図である。

【図6】他の実施形態の絶縁回路基板用接合体（パワーモジュール用基板）を示す平面図である。

【図7】試料４の回路層の端部におけるアルミニウム層と銅層との界面付近の断面顕微鏡写真である。

【図8】試料１０の回路層の端部におけるアルミニウム層と銅層との界面付近の断面顕微鏡写真である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下、本発明の実施形態について説明する。図１及び図２は、本発明の製造方法により製造される絶縁回路基板用接合体の例として複数個のパワーモジュール用基板（絶縁回路基板）１を製造するための絶縁回路基板用接合体１０を示す。図示例では、４個のパワーモジュール用基板１を製造することができる。

【0024】

絶縁回路基板用接合体１０は、セラミックス基板１１と、セラミックス基板１１の一方の面（表面）に接合された複数の回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面（裏面）に接合された複数の放熱層１３とを有する。平面サイズは、個々の回路層１２において１辺が５ｍｍ以上１００ｍｍ以下の正方形であり、各回路層１２の間隙ｇは１ｍｍ以上２０ｍｍ以下である。この実施形態では、放熱層１３も同じ間隙ｇで配置されている。

【0025】

セラミックス基板１１は、回路層１２と放熱層１３の間の電気的接続を防止する絶縁材であって、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）等により形成され、その板厚は０．２ｍｍ～１．５ｍｍである。

【0026】

この実施形態においては、セラミックス基板１１には、これを４個に等分割するためのスクライブライン１５が平面視十字状に形成されている。

【0027】

回路層１２及び放熱層１３は、いずれも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層と、銅又は銅合金からなる銅層との二層構造とされている。

【0028】

この場合、回路層１２においては、スクライブライン１５により分割される各領域ごとに、アルミニウム回路層１２１と銅回路層１２２とが積層状態に接合されており、隣接する回路層１２の間隙ｇに沿ってスクライブライン１５がセラミックス基板１１上に形成される。

【0029】

回路層１２となるアルミニウム層をアルミニウム回路層１２１、放熱層１３となるアルミニウム層をアルミニウム放熱層１３１とするが、特に区別しない場合は、単にアルミニウム層と称す。

【0030】

これらアルミニウム層１２１，１３１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、純度９９．００質量％以上又は純度９９．９９質量％以上の純アルミニウムが応力緩和のために好ましい。また、これらアルミニウム層１２１，１３１の厚みは０．１ｍｍ～１．０ｍｍが好適である。アルミニウム回路層１２１とアルミニウム放熱層１３１とは同じ厚みでもよいが、異なる厚みとしてもよい。

【0031】

これらアルミニウム層１２１，１３１は、セラミックス基板１１の両面に例えばＡｌ－Ｓｉ系のろう材を介してアルミニウム板を積層し、これらを積層方向に加圧して加熱するろう付けによって接合されることにより形成される。

【0032】

一方、回路層１２となる銅層及び放熱層１３となる銅層についても、アルミニウム層と同様、回路層１２となる銅層を銅回路層１２２、放熱層１３となる銅層を銅放熱層１３２とするが、特に区別しない場合は、単に銅層と称す。

【0033】

これら銅層１２２，１３２には、銅又は銅合金を用いることができるが、無酸素銅が好適である。平面サイズは、アルミニウム層と同じでもよいが、図示例では、アルミニウム層よりわずかに小さく形成されている。板厚は０．１ｍｍ以上６．０ｍｍ以下が好適であり、銅回路層１２２と銅放熱層１３２とは同じ厚みでもよいが、異なる厚みとしてもよい。

【0034】

銅回路層１２２は、各アルミニウム回路層１２１のそれぞれの上に個別に銅板を固相拡散接合することにより形成され、銅放熱層１３２は、アルミニウム放熱層１３１に銅板を固相拡散接合することにより形成される。

【0035】

次に、この絶縁回路基板用接合体１０の製造方法について説明する。この実施形態の場合は、図３Ａ～３Ｄに示すように、スクライブライン形成工程（図３Ａ）、アルミニウム層接合工程（図３Ｂ）、銅層接合工程（図３Ｃ）、分割工程（図３Ｄ）の順で製造される。

【0036】

（スクライブライン形成工程）
セラミックス基板１１に、複数のパワーモジュール用基板１に分割するためのスクライブライン１５を形成する。スクライブライン１５は、図３Ａに示すように、レーザ加工により形成できる。具体的には、セラミックス基板１１の表面に、ＣＯ_２レーザ、ＹＡＧレーザ、ＹＶО４レーザ、ＹＬＦレーザ等のレーザ光Ｌを照射することにより、スクライブライン１５の加工を行う。

【0037】

（アルミニウム層形成工程（アルミニウム回路層形成工程））
図３Ｂに示すように、セラミックス基板１１の表面に、複数の回路層用アルミニウム板２１をろう材箔５０を介して積層するとともに、セラミックス基板１１の裏面に、複数の放熱層用アルミニウム板３１をろう材箔５０を介して積層する。複数の回路層用アルミニウム板２１および複数の放熱層用アルミニウム板３１は、セラミックス基板１１のスクライブライン１５により区画されたそれぞれの形成領域に積層する。ここではろう付けにろう材箔５０を用いるが、セラミックス基板１１の表面にろう材のペーストを塗布してもよい。

【0038】

そして、これら回路層用アルミニウム板２１、放熱層用アルミニウム板３１、セラミックス基板１１及びろう材箔５０の積層体を真空雰囲気中で積層方向に加圧した状態で６４０℃～６５０℃に加熱することによりろう付けする。

【0039】

これにより、セラミックス基板１１の一方の面に複数のアルミニウム回路層１２１が形成され、他方の面に複数のアルミニウム放熱層１３１が形成される。

【0040】

（銅層形成工程（銅回路層形成工程））
図３Ｃに示すように、セラミックス基板１１の表面に接合された各アルミニウム回路層１２１の上に、回路層用銅板２２を積層する。同様にして、セラミックス基板１１の裏面に接合されたアルミニウム放熱層１３１に放熱層用銅板３２を積層する。

【0041】

回路層用銅板２２は、複数のアルミニウム回路層１２１のそれぞれに個別に積層する。放熱層用銅板３２も、複数のアルミニウム放熱層１３１のそれぞれに個別に積層する。

【0042】

そして、この積層体４０を積層方向に加圧した状態で銅とアルミニウムの共晶温度未満で加熱し、各アルミニウム回路層１２１と回路層用銅板２２との間、及びアルミニウム放熱層１３１と放熱層用銅板３２との間をそれぞれ固相拡散接合する。

【0043】

図４及び図５は、この固相拡散接合時に用いられる加圧装置６０を示している。この加圧装置６０は、ベース板（固定側加圧板）６１と、ベース板６１の上面に垂直に取り付けられた複数のガイドポスト６２と、これらガイドポスト６２の上端部にガイドポスト６２に沿って移動自在に支持されたバックアップ板６３と、これらベース板６１とバックアップ板６３との間で上下移動自在にガイドポスト６２に支持された加圧板（可動側加圧板）６４と、バックアップ板６３と加圧板６４との間に設けられて加圧板６４を下方に付勢するばね等の付勢手段６５とを備えている。バックアップ板６３および加圧板６４は、ベース板６１に対して平行に配置される。

【0044】

ガイドポスト６２は、少なくとも２本が、ベース板６１の上面に垂直に設けられている。各ガイドポスト６２の上端にねじ部６２ａが形成されており、バックアップ板６３の上面でねじ部６２ａにナット６６が螺合している。本実施形態では、ベース板６１と加圧板６４との間に、複数組の積層体４０が上下に重ねて配置される。この場合、積層体４０は、ガイドポスト６２の内側に配置され、ナット６６をガイドポスト６２のねじ部６２ａにねじ込むことにより、両加圧板６１，６４の間で積層方向に加圧される。

【0045】

なお、ガイドポスト６２は、２本には限定されず、ベース板６１の上面の四隅に１本ずつ、４本設けられてもよい。また、積層体４０は、一組のものがベース板６１と加圧板６４との間に配置されてもよい。ガイドポスト６２のねじ部６２ａにナット６６をねじ込むことにより加圧することとしたが、加圧のための手段は、この構成に限らず、ホットプレス等も用いることができる。

【0046】

この工程において、積層体４０の両面には、積層体４０の面方向の中央部に加圧力を有効に作用させるために当て板７０が配置される。

【0047】

当て板７０は、両面が凸曲面７０ａに形成されている。凸曲面７０ａは、曲率半径Ｒが８０００ｍｍ以上６００００ｍｍ以下の曲面とされる。

【0048】

当て板７０は、積層体４０の隣接する回路層１２の間隙ｇ、及び放熱層１３の間隙ｇに、凸曲面７０ａ（図３参照）が対向するようにして配置される。なお、回路層１２に接しない当て板７０の表面（例えばベース板６１や加圧板６４に接する面）は平面であってもよい。

【0049】

凸曲面７０ａは、本実施形態では平面視矩形状の回路層１２が、その一つの隅部を相互に接近させた状態で４個配置されているので、この４個の隅部が集合する部分で最も突出する球面状に形成されているが、回路層１２の配置数等によって球面以外に、円筒面も用いることができる。例えば、２個の回路層が並んで配置される場合には、凸曲面を円筒面状に形成し、その円筒の軸方向を２個の回路層の間の間隙に沿わせて配置すればよい。また、球面、円筒面以外にも、回転楕円体表面などの曲面であってもよい。その曲率半径Ｒ＝８０００ｍｍ～６００００ｍｍの範囲内で、単一の曲率半径のもの、あるいは複数の曲率半径の組み合わせからなるものとしてもよく、回路層の数や配置に合わせて適宜に設定することができる。

【0050】

当て板７０は、炭素材シートからなる。炭素材シートとしては、例えばカーボンシートとグラファイトシートとの積層板を用いることができる。カーボンシートは、例えば、旭グラファイト株式会社製Ｇ－３４７（熱伝導率１１６Ｗ／ｍＫ、弾性率１０．８ＧＰａ）を用いることができる。グラファイトシートは、例えば、旭グラファイト株式会社製Ｔ－５（熱伝導率７５．４Ｗ／ｍＫ、弾性率１１．４ＧＰａ）や東洋炭素株式会社製黒鉛シートＰＦ（圧縮率４７％、復元率１４％）などを用いることができる。

【0051】

このように構成した加圧装置６０に、複数の積層体４０を当て板７０を介在させた状態で配置する。この場合、各積層体４０の回路層用銅板２２及び放熱層用銅板３２にそれぞれ当て板７０の凸曲面７０ａが当接するように配置する。

【0052】

そして、０．３ＭＰａ以上３．５ＭＰａ以下の圧力で加圧保持し、真空雰囲気中で４００℃以上５４８℃末満の加熱温度で５分以上２４０分以下保持することにより、銅とアルミニウムとの固相拡散によって回路層用銅板２２及び放熱層用銅板３２をそれぞれアルミニウム回路層１２１及びアルミニウム放熱層１３１に接合する。

【0053】

このようにして製造された絶縁回路基板用接合体１０は、セラミックス基板１１の一方の面にアルミニウム回路層１２１、銅回路層１２２が順次積層状態に接合され、セラミックス基板１１の他方の面にアルミニウム放熱層１３１、銅放熱層１３２が順次積層状態に接合されている。

【0054】

そして、アルミニウム回路層１２１と銅回路層１２２との間、及びアルミニウム放熱層１３１と銅放熱層１３２との間には、アルミニウムと銅との固相拡散接合による金属間化合物層Ｍ（図７参照）が形成されている。

【0055】

この銅板接合工程において、回路層用銅板２２及び放熱層用銅板３２に当て板７０の凸曲面７０ａを当接させて加圧したことにより、金属間化合物層Ｍは、アルミニウム回路層１２１と銅回路層１２２との間、及びアルミニウム放熱層１３１と銅放熱層１３２との間の全面にわたってほぼ均一な厚みで形成される。

【0056】

この金属間化合物層Ｍの平均厚みは１２μｍ以上４０μｍ以下であり、隣接する銅回路層１２２の間隙ｇに臨む端部から５０μｍの位置を境界として、その境界より中央側の平均厚みをｔ１、境界より端部側の平均厚みをｔ２としたときに、これら厚みの比率ｔ２／ｔ１が３０％以上である。

【0057】

（分割工程）
最後に、図３Ｄに示すように、セラミックス基板１１をスクライブライン１５に沿って複数に分割して個片化する。

【0058】

以上説明したように、本実施形態の製造方法によれば、回路層用銅板２２及び放熱層用銅板３２に当て板７０の凸曲面７０ａを当接させて加圧したことにより、アルミニウム回路層１２１と銅回路層１２２との間、及びアルミニウム放熱層１３１と銅放熱層１３２との間に、固相拡散接合による金属間化合物層Ｍを全面にわたってほぼ均一な厚みで形成することができ、接合不良を生じることなく、強固に接合することができる。

【0059】

この場合、凸曲面７０ａの曲率半径Ｒが８０００ｍｍ未満では、曲率半径が小さすぎることから、間隙ｇに臨む銅回路層１２２及び銅放熱層１３２の端部付近に荷重が集中し過ぎて、逆に、外周縁部付近の荷重が不足して、外周縁部に接合不良を招くおそれがある。凸曲面７０ａの曲率半径Ｒが６００００ｍｍを超えると、平面に近くなるので、間隙ｇに臨む銅回路層１２２及び銅放熱層１３２の端部付近の接合の改善効果が乏しくなる。

【0060】

なお、上記実施形態では、セラミックス基板１１にスクライブライン１５を形成して、複数個のパワーモジュール用基板１を製造する方法としたが、スクライブライン１５を有しないセラミックス基板１１により、１個のパワーモジュール用基板（絶縁回路基板）１を製造する場合（図６）でも、回路層１２が複数に分離されている場合には本発明を適用することができる。

【0061】

図６の絶縁回路基板用接合体１００は、セラミックス基板１１の一方の面に、回路層１２が二つに分離された状態に形成されており、それぞれアルミニウム回路層１２１を介して銅回路層１２２が積層状態に接合されている。セラミックス基板１１の他方の面には、一つのアルミニウム放熱層１３１を介して一つの銅放熱層１３２が積層状態に接合されてなる一つの放熱層１３が形成されている。

【0062】

この絶縁回路基板用接合体１００も、セラミックス基板１１にアルミニウム回路層１２１及びアルミニウム放熱層１３１をろう付けにより接合状態に形成した後、アルミニウム回路層１２１に回路層用銅板２２及びアルミニウム放熱層１３１に放熱層用銅板３２を固相拡散接合する。その際に、凸曲面７０ａを有する当て板７０を用いて加圧することにより、回路層用銅板２２の間隙ｇに臨む端部付近にも加圧力を作用させて、アルミニウム回路層１２１に強固に接合した銅回路層１２２を形成することができる。

【0063】

この場合、個々の回路層１２の平面サイズは、５ｍｍ以上１００ｍｍ以下の正方形であり、回路層１２の間隙ｇは１ｍｍ以上２０ｍｍ以下とされる。

【0064】

この絶縁回路基板用接合体１００は、銅回路層１２２及び銅放熱層１３２を形成後、そのままパワーモジュール用基板（絶縁回路基板）１として適用される。

【0065】

その他、本発明は、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム層と銅層との二層構造からなる回路層を形成する場合に適用することができ、セラミックス基板の他方の面に実施形態のように二層構造の放熱層を有しない場合でもよい。

【実施例】

【0066】

アルミニウム板接合工程として、絶縁層を形成するセラミックス基板（４０ｍｍ×８０ｍｍ、板厚０．６３５ｍｍのＡｌＮ）の表面に、２枚のアルミニウム板（３８ｍｍ×３８ｍｍ、板厚０．２５ｍｍの４Ｎ－Ａｌ）を２ｍｍの間隙をあけて積層し、セラミックス基板の他方の面に１枚のアルミニウム板（３８ｍｍ×7
８ｍｍ、板厚０．２５ｍｍの４Ｎ－Ａｌ）を積層して、それぞれろう付けにより接合してアルミニウム層を形成した。ろう材としては、Ａｌ－Ｓｉろう箔（厚さ１４μｍ）を使用し、積層方向に０．３ＭＰａの圧力を加え、温度６４０℃で４０分加熱して接合した。

【0067】

銅板接合工程として、セラミックス基板の表面に形成されたアルミニウム層の上に銅板（３７ｍｍ×３７ｍｍ、板厚０．３ｍｍ、無酸素銅）を位置決めして積層するとともに、セラミックス基板の裏面に形成されたアルミニウム層の上に銅板（３７ｍｍ×７７ｍｍ、板厚０．３ｍｍ、無酸素銅）を積層し、表１に示す各曲率半径の当て板を用いて、積層方向に１ＭＰａの圧力を加え、真空雰囲気中において温度５４０℃で９０分加熱し、固相拡散接合した。

【0068】

このようにして作製した試料１～１１につき、回路層の略中央を通過し端面に略直交する切断面を顕微鏡にて観察し、回路層におけるアルミニウム層と銅層との間に介在する金属間化合物層を確認した。隣接する回路層の間隙に臨む端部から５０μｍ位置より中央側の金属間化合物層の平均厚みｔ１と、端部から５０μｍ位置より端部側の金属間化合物層の平均厚みｔ２とを測定し、その厚み比率ｔ２／ｔ１を求めた。

【0069】

また、接合性の評価として、得られた試料１～１１の銅回路層の上にはんだを搭載し、２８５℃×１０分のリフロー後に、図２に示すＢ－Ｂ線（回路層の略中央を通過し端面に略直交する線上）に沿う矢視断面部の顕微鏡観察により、金属間化合物層を確認した。２０倍の株式会社キーエンス製ＶＫ－Ｘ２１０顕微鏡観察により、端部の金属間化合物層に破壊（クラック）が認められたものを「不良」とし、クラックが認められなかったものを「良」とした。これらの結果を表１に示す。

【0070】

【表1】

【0071】

凸曲面の曲率半径Ｒが８０００ｍｍ～６００００ｍｍの試料１～８は、接合性の評価が全て「良」であった。その場合の金属間化合物層の厚み比率は３３．３％以上であり、３０％以上であれば良好な結果が得られると認められる。

【0072】

図７は、はんだリフロー前の試料４のアルミニウム層と銅層との端部におけるＢ－Ｂ線に沿う矢視断面部の顕微鏡写真であり、図８は、はんだリフロー前の試料１０の顕微鏡写真である。図７では端部の縁まで金属間化合物層Ｍが形成されてアルミニウム層と銅層とが接合されているのに対して、図８では端部の縁に未接合部分が生じている。

【産業上の利用可能性】

【0073】

絶縁回路基板用接合体において、隣接する銅回路層の間隙に臨む内側の端部にも均一な荷重を付与して、接合不良の発生を防止できる。

【符号の説明】

【0074】

１ パワーモジュール用基板（絶縁回路基板）
１０ 絶縁回路基板用接合体
１１ セラミックス基板
１２ 回路層
１３ 放熱層
１５ スクライブライン
２１ 回路層用アルミニウム板
２２ 回路層用銅板
３１ 放熱層用アルミニウム板
３２ 放熱層用銅板
４０ 積層体
５０ ろう材箔
６０ 加圧装置
６１ ベース板（固定側加圧板）
６２ ガイドポスト
６２ａ ねじ部
６３ バックアップ板
６４ 加圧板（可動側加圧板）
６５ ナット
７０ 当て板
７０ａ 凸曲面
１００ 絶縁回路基板用接合体（パワーモジュール用基板）
１２１ アルミニウム回路層（アルミニウム層）
１２２ 銅回路層（銅層）
１３１ アルミニウム放熱層（アルミニウム層）
１３２ 銅放熱層（銅層）
Ｍ 金属間化合物層

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図3D】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】