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WO2016158046A1 - ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法 - Google Patents

ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法 Download PDF

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WO2016158046A1
WO2016158046A1 PCT/JP2016/054435 JP2016054435W WO2016158046A1 WO 2016158046 A1 WO2016158046 A1 WO 2016158046A1 JP 2016054435 W JP2016054435 W JP 2016054435W WO 2016158046 A1 WO2016158046 A1 WO 2016158046A1
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WO
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heat sink
metal layer
aluminum
aluminum material
purity
Prior art date
Application number
PCT/JP2016/054435
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English (en)
French (fr)
Inventor
航 岩崎
雅人 駒崎
Original Assignee
三菱マテリアル株式会社
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Publication date
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Priority to EP16771930.1A priority patent/EP3279936B1/en
Priority to US15/562,120 priority patent/US10420223B2/en
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    • H01L2224/32225—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation

Definitions

  • the present invention includes an insulating layer, a circuit layer formed on one surface of the insulating layer, a metal layer formed on the other surface of the insulating layer, and an opposite side of the metal layer to the insulating layer.
  • the present invention relates to a method for manufacturing a power module substrate with a heat sink including a heat sink disposed on a surface.
  • a substrate on which such a power semiconductor element is mounted for example, a ceramic substrate made of AlN (aluminum nitride), Al 2 O 3 (alumina), etc., and a circuit layer formed on one surface of the ceramic substrate, A power module substrate including a metal layer formed on the other surface of the ceramic substrate has been widely used.
  • a power module substrate with a heat sink in which a heat sink is bonded to the metal layer side in order to efficiently dissipate heat generated from a mounted semiconductor element or the like.
  • a circuit layer and a metal layer of a power module substrate are made of aluminum or an aluminum alloy
  • a heat sink is made of aluminum or an aluminum alloy
  • the metal layer and the heat sink are soldered or brazed.
  • a substrate for a power module with a heat sink bonded by attaching is disclosed.
  • Patent Document 2 a circuit layer and a metal layer made of aluminum are formed on one surface and the other surface of a ceramic substrate, and a copper plate is disposed between the metal layer and the heat sink.
  • the metal layer, the copper plate, and the copper plate And a heat module substrate with a heat sink in which the heat sink and the heat sink are respectively soldered.
  • Patent Document 3 discloses a power module substrate with a heat sink in which the circuit layer and the metal layer of the power module substrate are made of aluminum or an aluminum alloy, and the heat sink is made of aluminum or an aluminum alloy. There is disclosed a technique in which a bonding material composed of copper or a copper alloy is interposed between a heat sink and a metal layer and the bonding material, and the bonding material and the heat sink are respectively solid phase diffusion bonded.
  • a bonding material composed of copper or a copper alloy is interposed between the metal layer and the heat sink, and the metal layer, the bonding material, the bonding material, and the heat sink Are solid phase diffusion bonded, and an intermetallic compound is formed at the bonding interface between the metal layer and the heat sink. Since this intermetallic compound is hard and brittle, there is a possibility that cracks or the like may occur during heat cycle loading.
  • the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and is a heat sink capable of manufacturing a power module substrate with a heat sink that can prevent cracks and the like from being generated at the bonding interface even when a heat cycle is applied. It aims at providing the manufacturing method of the board
  • a method for manufacturing a power module substrate with a heat sink is formed on an insulating layer and one surface of the insulating layer.
  • Production of a power module substrate with a heat sink comprising: a circuit layer; a metal layer formed on the other surface of the insulating layer; and a heat sink disposed on a surface of the metal layer opposite to the insulating layer.
  • a joining surface of the metal layer with the heat sink, and a joining surface of the heat sink with the metal layer are made of an aluminum material made of aluminum or an aluminum alloy, and One of the aluminum material constituting the joining surface and the aluminum material constituting the joining surface of the heat sink is a high-purity alloy having a high aluminum purity.
  • the other is a low-purity aluminum material having a low aluminum purity, and the concentration difference of contained elements other than Al between the high-purity aluminum material and the low-purity aluminum material is 1 atomic% or more,
  • the metal layer and the heat sink are characterized by solid phase diffusion bonding.
  • the joining surface of the metal layer with the heat sink and the joining surface of the heat sink with the metal layer are made of aluminum or aluminum alloy. These metal layers and a heat sink are solid-phase diffusion bonded. Usually, when solid-phase diffusion of aluminum materials is performed, since the self-diffusion rate of aluminum is slow, it takes a long time to obtain a strong solid-phase diffusion bonding, which cannot be realized industrially.
  • one of the aluminum material constituting the joining surface of the metal layer and the aluminum material constituting the joining surface of the heat sink is a high-purity aluminum material having high aluminum purity
  • the other is The aluminum purity is a low-purity aluminum material
  • the concentration difference between the high-purity aluminum material and the low-purity aluminum material other than Al is 1 atomic% or more.
  • the high-purity aluminum material and the low-purity aluminum material include Si, Cu, Mn, Fe, Mg, Zn as contained elements other than Al. , Containing one or more elements selected from Ti and Cr, and the total amount of elements other than Al in the high-purity aluminum material and the total of elements other than Al in the low-purity aluminum material It is preferable that the difference in amount is 1 atomic% or more.
  • the low-purity aluminum material is one or more selected from Si, Cu, Mn, Fe, Mg, Zn, Ti, and Cr. It contains 2 or more elements in total at least 1 atomic%, Si content is 15 atomic% or less, Cu content is 10 atomic% or less, Mn content is 2 atomic% or less, Fe content 1 atom% or less, Mg content 5 atom% or less, Zn content 10 atom% or less, Ti content 1 atom% or less, and Cr content 1 atom% or less. It is preferable.
  • the low-purity aluminum material with low purity contains one or more elements selected from Si, Cu, Mn, Fe, Mg, Zn, Ti, and Cr in total at least 1 atomic%. Therefore, by diffusing these elements to the high-purity aluminum material side, the self-diffusion of aluminum is promoted, and the metal layer and the heat sink can be reliably solid-phase diffusion bonded in a relatively short time.
  • the Si content is 15 atomic% or less
  • the Cu content is 10 atomic% or less
  • the Mn content is 2 atomic% or less
  • the Fe content is 1 atomic% or less
  • the Mg content is 5 atomic%.
  • the Zn content is limited to 10 atomic% or less
  • the Ti content is limited to 1 atomic% or less
  • the Cr content is limited to 1 atomic% or less
  • the metal layer and the heat sink are stacked, and a load of 0.3 MPa to 3.0 MPa is applied in the stacking direction.
  • the solid phase temperature (K) of the low-purity aluminum material is maintained at 90% or higher and lower than the solidus temperature of the low-purity aluminum material for 1 hour or longer, whereby the metal layer and the heat sink are solid-phased.
  • a structure in which diffusion bonding is performed is preferable.
  • FIG. 1 the board
  • the power module 1 includes a power module substrate 30 with a heat sink, and a semiconductor element 3 bonded to one surface (the upper surface in FIG. 1) of the power module substrate 30 with a heat sink via a solder layer 2.
  • the solder layer 2 is made of, for example, a Sn—Ag, Sn—In, or Sn—Ag—Cu solder material.
  • the power module substrate with heat sink 30 according to the present embodiment includes a power module substrate 10 and a heat sink 31 bonded to the power module substrate 10.
  • the power module substrate 10 has a ceramic substrate 11, a circuit layer 12 disposed on one surface (the upper surface in FIG. 1) of the ceramic substrate 11, and the other surface (lower surface in FIG. 1) of the ceramic substrate 11. And a disposed metal layer 13.
  • the ceramic substrate 11 prevents electrical connection between the circuit layer 12 and the metal layer 13, and is composed of AlN (aluminum nitride) having high insulation in this embodiment.
  • the thickness of the ceramic substrate 11 is set within a range of 0.2 mm or more and 1.5 mm or less, and is set to 0.635 mm in the present embodiment.
  • the circuit layer 12 is formed by joining an aluminum plate 22 made of aluminum or an aluminum alloy to one surface of the ceramic substrate 11.
  • a 2N aluminum rolled plate having a purity of 99 mass% or more is used as the aluminum plate 22 constituting the circuit layer 12.
  • a circuit pattern is formed on the circuit layer 12, and one surface (the upper surface in FIG. 1) is a mounting surface on which the semiconductor element 3 is mounted.
  • the thickness of the circuit layer 12 (aluminum plate 22) is set within a range of 0.1 mm or more and 1.0 mm or less, and is set to 0.6 mm in the present embodiment.
  • the metal layer 13 is formed by bonding an aluminum plate 23 made of aluminum or an aluminum alloy to the other surface of the ceramic substrate 11.
  • a 4N aluminum rolled plate having a purity of 99.99 mass% or more is used as the aluminum plate 23 constituting the metal layer 13.
  • the thickness of the metal layer 13 is set within a range of 0.1 mm to 6.0 mm, and is set to 2.0 mm in the present embodiment.
  • the heat sink 31 is for dissipating heat on the power module substrate 10 side, and in this embodiment, as shown in FIG. 1, a flow path 32 through which a cooling medium flows is provided.
  • This heat sink 31 has a concentration difference of 1 atomic% or more between aluminum constituting the metal layer 13 (in this embodiment, 4N aluminum having a purity of 99.99 mass% or more) and an aluminum alloy constituting the heat sink 31 other than Al. It is composed of materials that More preferably, the contained element other than Al may be one or more elements selected from Si, Cu, Mn, Fe, Mg, Zn, Ti and Cr.
  • the contained element other than Al one or more elements selected from Si, Cu, Mn, Fe, Mg, Zn, Ti and Cr are contained in total of 1 atomic% or more, and Si Content of 15 atomic% or less, Cu content of 10 atomic% or less, Mn content of 2 atomic% or less, Fe content of 1 atomic% or less, Mg content of 5 atomic% or less, Zn
  • the content of Cu is preferably 10 atomic% or less
  • the Ti content is 1 atomic% or less
  • the Cr content is 1 atomic% or less.
  • the heat sink 31 is composed of an ADC 12 that is an aluminum alloy for die casting defined in JIS H 2118: 2006.
  • the ADC 12 is an aluminum alloy containing Cu in a range of 1.5 mass% to 3.5 mass% and Si in a range of 9.6 mass% to 12.0 mass%.
  • the metal layer 13 and the heat sink 31 are bonded by solid phase diffusion bonding. That is, in the present embodiment, the metal layer 13 is made of 4N aluminum having a purity of 99.99 mass% or more, and the heat sink 31 is made of ADC 12 that is an aluminum alloy for die casting. The purity of aluminum is different from that of the heat sink 31, the metal layer 13 is made of a high purity aluminum material, and the heat sink 31 is made of a low purity aluminum material.
  • JXA-8530F manufactured by JEOL Ltd. is used for the bonding interface between the metal layer 13 and the heat sink 31, and the observation results of mapping by SEM and EPMA are shown in FIGS. 2 (a) to 2 (c). 2A to 2C, it is confirmed that the additive element (Cu, Si) contained in the heat sink 31 is diffused to the metal layer 13 side.
  • the diffusion depth from the bonding interface to the metal layer 13 side is set to 10 ⁇ m or more for Cu and 45 ⁇ m or more for Si. Note that Cu may be 25 ⁇ m or more, and Si may be 45 ⁇ m or more.
  • Al plate joining step S01 First, as shown in FIG. 4, the aluminum plate 22 to be the circuit layer 12 and the aluminum plate 23 to be the metal layer 13 are bonded to the ceramic substrate 11.
  • an aluminum plate 22 made of a 2N aluminum rolled plate, an aluminum plate 23 made of a 4N aluminum rolled plate, and a ceramic substrate 11 made of AlN are joined together by an Al—Si brazing material 24.
  • an aluminum plate 22 and an aluminum plate 23 are laminated on one surface and the other surface of the ceramic substrate 11 via an Al—Si brazing material 24, respectively (aluminum plate laminating step). S11).
  • the laminated ceramic substrate 11, the aluminum plate 22, and the aluminum plate 23 are loaded in a heating furnace in a vacuum or argon atmosphere with a load of 0.1 MPa or more and 3.5 MPa or less loaded in the lamination direction, By maintaining the temperature at 600 ° C. or higher and 650 ° C. or lower and 0.5 hour or longer and 3 hours or shorter, a molten metal region is formed between the ceramic substrate 11 and the aluminum plate 22 or aluminum plate 23 (heating step S12).
  • the molten metal region is solidified by cooling (solidification step S13).
  • the aluminum plate 22, the ceramic substrate 11, and the aluminum plate 23 are joined to form the circuit layer 12 and the metal layer 13.
  • substrate 10 for power modules in this embodiment is manufactured.
  • Heat sink joining step S02 Next, the heat sink 31 is bonded to the other surface of the metal layer 13 of the power module substrate 10 (the surface opposite to the bonding surface with the ceramic substrate 11).
  • the heat sink bonding step S02 first, as shown in FIG. 4, the heat sink 31 is laminated on the other surface side of the power module substrate 10 (heat sink lamination step S21).
  • the laminate of the power module substrate 10 and the heat sink 31 is loaded into a vacuum heating furnace in a state where a load of 0.3 Pa or more and 3.0 MPa or less is applied in the lamination direction. Then, solid phase diffusion bonding is performed by maintaining at least 90% of the solidus temperature (K) of the low-purity aluminum material and lower than the solidus temperature of the low-purity aluminum material for 1 hour or longer (solid phase diffusion bonding). Step S22).
  • 90% of the solidus temperature (K) of the low-purity aluminum material is a temperature of 90% when the solidus temperature of the low-purity aluminum material is expressed in absolute temperature.
  • the ADC 12 is a low-purity aluminum material, and its solidus temperature is 788 K (515 ° C.). Therefore, the heating temperature is 90% of the solidus temperature, that is, 709.2 K (436.2 ° C.) or more and less than the solidus temperature, that is, less than 788 K (515 ° C.).
  • the joint surface between the metal layer 13 and the heat sink 31 is solid-phase diffusion bonded after the scratches on the surface have been removed and smoothed in advance.
  • the surface roughness in each joining surface of the metal layer 13 and the heat sink 31 at this time is set in the range of 0.5 micrometer or less by arithmetic mean roughness Ra (JISB0601 (1994)).
  • the power module substrate 30 with a heat sink according to the present embodiment is manufactured.
  • semiconductor element bonding step S03 Next, the semiconductor element 3 is joined to one surface of the circuit layer 12 of the power module substrate 10 by soldering. Through the above steps, the power module 1 shown in FIG. 1 is produced.
  • the aluminum material forming the metal layer 13 is 4N aluminum having a purity of 99.99 mass% or more
  • the heat sink 31 Is composed of ADC12 (Cu: 1.5 mass% or more and 3.5 mass% or less, Si: 9.6 mass% or more and 12.0 mass% or less).
  • ADC12 Cu: 1.5 mass% or more and 3.5 mass% or less
  • Si 9.6 mass% or more and 12.0 mass% or less.
  • Cu and Si diffuse to the metal layer 13 side, and self-diffusion of aluminum is promoted. This makes it possible to reliably perform solid phase diffusion bonding between the metal layer and the heat sink in a relatively short time.
  • the metal layer 13 and the heat sink 31 both made of an aluminum material are solid phase diffusion bonded, as shown in FIG. 2, at the bonding interface between the heat sink 31 and the metal layer 13. No heterogeneous phase is formed. Therefore, even when a heat cycle is applied, there is no possibility that a crack or the like is generated at the bonding interface, and the power module substrate 30 with a heat sink excellent in bonding reliability with respect to the heat cycle can be manufactured.
  • the aluminum material which comprises the heat sink 31 is comprised with ADC12 (Cu: 1.5 mass% or more and 3.5 mass% or less, Si: 9.6 mass% or more and 12.0 mass% or less), Since these Cu and Si are excellent in the effect of promoting self-diffusion of aluminum, both the metal layer 13 made of an aluminum material and the heat sink 31 can be reliably solid-phase diffusion bonded in a short time. It becomes possible.
  • the Si content is 12.0 mass% or less (11.6 atomic% or less (converted value)), and the Cu content is 3.5 mass% or less (1.5 atomic%). (Conversion value)), it is possible to suppress the bonding interface from becoming harder than necessary due to these elements, and to reliably manufacture a power module substrate with a heat sink excellent in bonding reliability with respect to the heat cycle. Can do.
  • the metal layer 13 and the heat sink 31 are laminated, and a low purity of 90% or more of the solidus temperature (K) of the low-purity aluminum material in a state where a load of 0.3 MPa or more and 3.0 MPa or less is applied in the lamination direction. Since the metal layer 13 and the heat sink 31 are solid-phase diffusion bonded by holding at a holding temperature lower than the solidus temperature of the aluminum material for 1 hour or more, the diffusion movement of aluminum can be promoted, and the metal layer 13 and the heat sink 31 can be reliably joined. When the load is 0.3 MPa or more, the metal layer 13 and the heat sink 31 can be satisfactorily bonded by ensuring a sufficient contact area at the initial stage of bonding.
  • a load when a load is 3.0 Mpa or less, it can suppress that a metal layer 13 and the heat sink 31 deform
  • the holding temperature is 90% or more of the solidus temperature (K) of the low-purity aluminum material, a sufficient diffusion rate can be secured, and the metal layer 13 and the heat sink 31 can be bonded well.
  • the holding temperature is lower than the solidus temperature of the low-purity aluminum material, no liquid phase is generated, and deformation of the metal layer 13 and the heat sink 31 can be suppressed. Can be reliably solid-phase diffusion bonded.
  • the holding time is 1 hour or longer, the solid phase diffusion can be sufficiently advanced, and the metal layer 13 and the heat sink 31 can be favorably bonded.
  • the surface roughness is 0.5 ⁇ m in terms of arithmetic average roughness Ra (JIS B 0601 (1994)). Since it is set within the following range, the metal layer 13 and the heat sink 31 can be reliably brought into contact with each other, and the diffusion movement of aluminum atoms and additive elements (Cu, Si) of the heat sink 31 can be promoted. The metal layer 13 and the heat sink 31 can be reliably bonded.
  • the material of the metal layer and the heat sink is not limited to this embodiment, and one of the aluminum material constituting the joining surface of the metal layer and the aluminum material constituting the joining surface of the heat sink is made of aluminum.
  • High purity aluminum material with high purity, the other is low purity aluminum material with low aluminum purity, and the concentration difference of contained elements other than Al between high purity aluminum material and low purity aluminum material is 1 atomic% or more It only has to be.
  • the metal layer has been described as being composed of 4N aluminum having a purity of 99.99 mass%.
  • the present invention is not limited to this and is composed of other pure aluminum or aluminum alloy. It may be.
  • 2N aluminum having a purity of 99 mass% or more such as A1050 and A1085 may be used.
  • the initial impurity concentration of the metal layer is high, crystal grain growth at the junction temperature is suppressed, and grain boundary diffusion can be expected. Therefore, it becomes possible to promote the diffusion movement of the contained element from the heat sink side. .
  • the heat sink is described as being configured by the ADC 12, but the heat sink is not limited to this, and may be configured by other pure aluminum or an aluminum alloy such as A3003 or A6063.
  • the heat sink side may be made of a high purity aluminum material, and the metal layer side may be made of a low purity aluminum material.
  • the entire metal layer has been described as being made of aluminum or an aluminum alloy.
  • the present invention is not limited to this.
  • the surface should just be comprised with aluminum or aluminum alloy.
  • the metal layer 113 has a structure in which a copper layer 113A and an aluminum layer 113B are laminated, and the ceramic substrate 11 and the copper layer 113A.
  • the aluminum layer 113B and the heat sink 131 are bonded by solid phase diffusion bonding.
  • the circuit layer 112 also has a structure in which a copper layer 112 ⁇ / b> A and an aluminum layer 112 ⁇ / b> B are laminated, and the semiconductor element 3 is joined to the aluminum layer 112 ⁇ / b> B via the solder layer 2.
  • the entire heat sink has been described as being made of aluminum or an aluminum alloy.
  • the present invention is not limited to this.
  • the heat sink 231 has a structure in which an aluminum layer 231B made of aluminum or aluminum alloy and a heat sink body 231A made of copper or copper alloy are laminated.
  • the metal layer 213 and the aluminum layer 231B (heat sink 231) are solid-phase diffusion bonded.
  • the aluminum plate which comprises a circuit layer was demonstrated as what was comprised with 2N aluminum whose purity is 99 mass% or more, it is not limited to this, Purity is 99.99 mass% or more. It may be composed of pure aluminum, other pure aluminum, or an aluminum alloy.
  • the structure of the circuit layer is not limited, and the design can be changed as appropriate.
  • the circuit layer 112 may be made of copper or a copper alloy, and the circuit layer 112 has a laminated structure of a copper layer 112A and an aluminum layer 112B, as in the power module substrate 130 with heat sink and the power module 101 shown in FIG. May be.
  • the aluminum plate serving as the circuit layer and the metal layer and the ceramic substrate are described as being joined using the Al—Si brazing material, but the present invention is not limited to this, and the transient You may join using a liquid phase joining method (Transient Liquid Phase Bonding), a casting method, a metal paste method, etc.
  • a liquid phase joining method Transient Liquid Phase Bonding
  • a casting method a metal paste method, etc.
  • the insulating layer is described as being composed of a ceramic substrate made of AlN.
  • the present invention is not limited to this, and other ceramic substrates such as Si 3 N 4 and Al 2 O 3 are used. It may be used.
  • the thicknesses of the insulating layer, the circuit layer, the metal layer, and the heat sink are not limited to the present embodiment, and the design may be changed as appropriate.
  • the ceramic substrate was made of AlN, and had a size of 40 mm ⁇ 40 mm and a thickness of 0.635 mm.
  • the circuit layer was formed by bonding a 2N aluminum rolled plate (37 mm ⁇ 37 mm, thickness 0.6 mm) having a purity of 99 mass% or more to a ceramic substrate using an Al-7.5 mass% Si brazing material.
  • the metal layer was formed by bonding a rolled plate (37 mm ⁇ 37 mm, thickness 0.6 mm) made of an aluminum material shown in Table 1 to a ceramic substrate using an Al-7.5 mass% Si brazing material.
  • the heat sink was made of the materials shown in Table 2, and was 50 mm ⁇ 50 mm and 5 mm thick. Solid phase diffusion bonding between the metal layer and the heat sink was performed under the conditions shown in Table 3.
  • Example 1 the power module substrate and the Ni-plated heat sink (A6063 rolled plate, 50 mm ⁇ 50 mm, thickness 5 mm) were joined via Sn—Ag—Cu solder.
  • Conventional Example 2 the power module substrate and the heat sink (A6063 rolled plate, 50 mm ⁇ 50 mm, thickness 5 mm) were joined via an Al-10 mass% Si brazing material.
  • Conventional Example 3 a power module substrate and a heat sink (A6063 rolled plate, 50 mm ⁇ 50 mm, thickness 5 mm) were solid phase diffusion bonded via Cu foil (thickness: 200 ⁇ m).
  • the diffusion distance of contained elements is determined by conducting a line analysis using EPMA (JXA-8530F, manufactured by JEOL Ltd.) from the bonding interface between the low purity aluminum material and the high purity aluminum material toward the high purity aluminum material side. The concentration was measured, and the distance at which the concentration of the contained element was half the concentration of the contained element contained in the low-purity aluminum material was defined as the diffusion distance.
  • Heat cycle test The heat cycle test uses a thermal shock tester TSPE-51 manufactured by Espec, and the test piece (power module with heat sink) is in the liquid phase (Fluorinert) at ⁇ 40 ° C. for 5 minutes and 150 ° C. A 5-minute heat cycle was performed 4000 times. And the joining rate before and behind the heat cycle test was evaluated as follows. Moreover, the presence or absence of the ceramic crack after a heat cycle test was evaluated visually. The evaluation results are shown in Table 4.
  • the joining rate between the metal layer and the heat sink was determined using the following formula using an ultrasonic flaw detector (FineSAT 200 manufactured by Hitachi Power Solutions).
  • the initial bonding area was an area (37 mm square) to be bonded before bonding.
  • the peeling is indicated by the white portion in the joint portion. Therefore, the area of the white portion is defined as the peeling area.
  • (Bonding rate (%)) ⁇ (initial bonding area) ⁇ (peeling area) ⁇ / (initial bonding area) ⁇ 100
  • the bonding rate did not increase significantly after the heat cycle, and no ceramic cracks were confirmed, and the bonding reliability was excellent. From the above, it was confirmed that according to the present invention, it is possible to manufacture a power module substrate with a heat sink that can suppress the occurrence of cracks and the like at the joint interface even when a heat cycle is applied.
  • the metal layer and the heat sink can be reliably solid-phase diffusion bonded in a relatively short time.
  • the heat sink and the metal layer are bonded by solid phase diffusion, there is no risk of cracking at the bonding interface even when a heat cycle is applied, and a heat sink with excellent bonding reliability to the heat cycle is provided.
  • a power module substrate can be obtained.

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Abstract

　金属層の接合面を構成するアルミニウム材料及びヒートシンクの接合面を構成するアルミニウム材料のうちいずれか一方がアルミニウムの純度の高い高純度アルミニウム材料とされ、他方がアルミニウムの純度の低い低純度アルミニウム材料とされており、前記高純度アルミニウム材料と前記低純度アルミニウム材料とのＡｌ以外の含有元素の濃度差を１原子％以上とし、金属層とヒートシンクとを、固相拡散接合する。

Description

ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法
　この発明は、絶縁層と、この絶縁層の一方の面に形成された回路層と、前記絶縁層の他方の面に形成された金属層と、この金属層の前記絶縁層とは反対側の面に配置されたヒートシンクと、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に関する。
　本願は、２０１５年３月３０日に、日本に出願された特願２０１５－０６９８６０号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　一般に、風力発電、電気自動車、ハイブリッド自動車等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は、発熱量が多い。そのため、このようなパワー半導体素子を搭載する基板としては、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）などからなる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た回路層と、セラミックス基板の他方の面に形成された金属層と、を備え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、搭載した半導体素子等から発生した熱を効率的に放散させるために、金属層側にヒートシンクを接合したヒートシンク付パワーモジュール用基板が提供されている。
　例えば、特許文献１には、パワーモジュール用基板の回路層及び金属層がアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されるとともに、ヒートシンクがアルミニウム又はアルミニウム合金で構成され、金属層とヒートシンクとを、はんだ付けまたはろう付けにより接合したヒートシンク付パワーモジュール用基板が開示されている。
　また、特許文献２には、セラミックス基板の一方の面及び他方の面にアルミニウムからなる回路層及び金属層が形成され、金属層とヒートシンクとの間に銅板が配置され、金属層と銅板、銅板とヒートシンクがそれぞれはんだ付けされたヒートシンク付パワーモジュール用基板が開示されている。
　さらに、特許文献３には、パワーモジュール用基板の回路層及び金属層がアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されるとともに、ヒートシンクがアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されたヒートシンク付パワーモジュール用基板において、金属層とヒートシンクとの間に、銅又は銅合金で構成された接合材を介在させ、金属層と接合材及び接合材とヒートシンクとをそれぞれ固相拡散接合したものが開示されている。
特開２００８－０１６８１３号公報 特開２００７－２５０６３８号公報 特開２０１４－０６０２１５号公報
　ところで、最近では、パワー半導体素子等の高出力化が進められており、これを搭載するヒートシンク付パワーモジュール用基板に対して厳しいヒートサイクルが負荷されることになり、従来にも増して、ヒートサイクルに対する接合信頼性に優れたヒートシンク付パワーモジュール用基板が要求されている。
　ここで、特許文献１に記載されたヒートシンク付パワーモジュール用基板において、金属層とヒートシンクとをはんだ付けした場合には、ヒートサイクル負荷時に、はんだにクラックが生じて接合率が低下するといった問題があった。
　また、金属層とヒートシンクとをろう付けした場合には、ヒートサイクル負荷時に、セラミックス基板に割れが生じるおそれがあった。
　さらに、内部に冷却媒体の流路等が形成された複雑な構造のヒートシンクにおいては、比較的固相線温度が低いアルミニウム鋳物合金によって製造されることがあるが、このようなヒートシンクにおいては、ろう材を用いて接合することは困難であった。
　また、特許文献２に記載されたヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、金属層と銅板、銅板とヒートシンクがそれぞれはんだ付けされているので、やはり、ヒートサイクル負荷時に、はんだにクラックが生じて接合率が低下するといった問題があった。
　さらに、特許文献３に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、金属層とヒートシンクとの間に、銅又は銅合金で構成された接合材を介在させ、金属層と接合材及び接合材とヒートシンクとをそれぞれ固相拡散接合しており、金属層とヒートシンクとの接合界面に金属間化合物が形成される。この金属間化合物は、硬く脆いため、ヒートサイクル負荷時に亀裂等が発生するおそれがあった。
　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、ヒートサイクルが負荷された場合であっても接合界面においてクラック等が生じることを抑制できるヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造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。
　このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明の一態様であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法は、絶縁層と、この絶縁層の一方の面に形成された回路層と、前記絶縁層の他方の面に形成された金属層と、この金属層の前記絶縁層とは反対側の面に配置されたヒートシンクと、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、前記金属層のうち前記ヒートシンクとの接合面、及び、前記ヒートシンクのうち前記金属層との接合面は、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材料で構成されており、前記金属層の接合面を構成するアルミニウム材料及び前記ヒートシンクの接合面を構成するアルミニウム材料のうちいずれか一方がアルミニウムの純度の高い高純度アルミニウム材料とされ、他方がアルミニウムの純度の低い低純度アルミニウム材料とされており、前記高純度アルミニウム材料と前記低純度アルミニウム材料とのＡｌ以外の含有元素の濃度差を１原子％以上とし、前記金属層と前記ヒートシンクとを、固相拡散接合することを特徴としている。
　この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おいては、前記金属層のうち前記ヒートシンクとの接合面、及び、前記ヒートシンクのうち前記金属層との接合面は、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材料で構成されており、これら金属層とヒートシンクとを固相拡散接合している。通常、アルミニウム材料同士を固相拡散させる場合、アルミニウムの自己拡散速度が遅いため、強固な固相拡散接合を得るには長い時間を要し、工業的には実現できなかった。
　ここで、本発明においては、前記金属層の接合面を構成するアルミニウム材料及び前記ヒートシンクの接合面を構成するアルミニウム材料のうちいずれか一方がアルミニウムの純度の高い高純度アルミニウム材料とされ、他方がアルミニウムの純度の低い低純度アルミニウム材料とされており、前記高純度アルミニウム材料と前記低純度アルミニウム材料とのＡｌ以外の含有元素の濃度差を１原子％以上としているので、Ａｌ以外の含有元素が前記低純度アルミニウム材料側から前記高純度アルミニウム材料側へと拡散することにより、アルミニウムの自己拡散が促進され、比較的短時間で金属層とヒートシンクとを確実に固相拡散接合することが可能となる。
　そして、このようにヒートシンクと金属層とが固相拡散接合されているので、ヒートサイクルを負荷した場合であっても、接合界面に亀裂等が生じるおそれがなく、ヒートサイクルに対する接合信頼性に優れたヒートシンク付パワーモジュール用基板を得ることができる。
　本発明の一態様であ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おいては、前記高純度アルミニウム材料と前記低純度アルミニウム材料は、Ａｌ以外の含有元素として、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｍｇ，Ｚｎ，Ｔｉ及びＣｒから選択される１種又は２種以上の元素を含有し、前記高純度アルミニウム材料における前記Ａｌ以外の含有元素の合計量と前記低純度アルミニウム材料における前記Ａｌ以外の含有元素の合計量の差が１原子％以上とされていることが好ましい。
　この場合、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｍｇ，Ｚｎ，Ｔｉ及びＣｒといった元素は、アルミニウムの自己拡散を促進させる作用効果に優れていることから、ともにアルミニウム材料で構成された金属層とヒートシンクとを短時間で確実に固相拡散接合することが可能となる。
　また、本発明の一態様であ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おいては、前記低純度アルミニウム材料は、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｍｇ，Ｚｎ，Ｔｉ及びＣｒから選択される１種又は２種以上の元素を合計で１原子％以上含有するとともに、Ｓｉの含有量が１５原子％以下、Ｃｕの含有量が１０原子％以下、Ｍｎの含有量が２原子％以下、Ｆｅの含有量が１原子％以下、Ｍｇの含有量が５原子％以下、Ｚｎの含有量が１０原子％以下、Ｔｉの含有量が１原子％以下及びＣｒの含有量が１原子％以下、とされていることが好ましい。
　この場合、純度の低い低純度アルミニウム材料が、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｍｇ，Ｚｎ，Ｔｉ及びＣｒから選択される１種又は２種以上の元素を合計で１原子％以上含有しているので、これらの元素を高純度アルミニウム材料側へ拡散させることで、アルミニウムの自己拡散を促進させ、比較的短時間で金属層とヒートシンクとを確実に固相拡散接合することが可能となる。
　一方、Ｓｉの含有量が１５原子％以下、Ｃｕの含有量が１０原子％以下、Ｍｎの含有量が２原子％以下、Ｆｅの含有量が１原子％以下、Ｍｇの含有量が５原子％以下、Ｚｎの含有量が１０原子％以下、Ｔｉの含有量が１原子％以下及びＣｒの含有量が１原子％以下に制限されているので、これらの元素によって接合界面が必要以上に硬くなることを抑制でき、ヒートサイクルに対する接合信頼性に優れたヒートシンク付パワーモジュール用基板を確実に製造することができる。
　さらに、本発明の一態様であ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おいては、前記金属層と前記ヒートシンクとを積層し、積層方向に０．３ＭＰａ以上３．０ＭＰａ以下の荷重を負荷した状態で、低純度アルミニウム材料の固相線温度（Ｋ）の９０％以上、低純度アルミニウム材料の固相線温度未満の保持温度で１時間以上保持することにより、前記金属層と前記ヒートシンクとを固相拡散接合する構成とすることが好ましい。
　この場合、積層方向に０．３ＭＰａ以上３．０ＭＰａ以下の荷重を負荷した状態で、低純度アルミニウム材料の固相線温度（Ｋ）の９０％以上、低純度アルミニウム材料の固相線温度未満の保持温度で１時間以上保持するとした固相拡散接合条件を採用しているので、アルミニウムの拡散移動を促進することができ、前記金属層と前記ヒートシンクとを確実に接合することができる。
　本発明によれば、ヒートサイクルが負荷された場合であっても接合界面においてクラック等が生じることを抑制できるヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造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可能となる。
本発明の実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュールの概略説明図である。 ヒートシンク付パワーモジュール用基板の金属層とヒートシンクとの接合界面の観察結果及び分析結果を示す図である。 本発明の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュールの製造方法を示すフロー図である。 本発明の実施形態である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す説明図である。 本発明の他の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュールの概略説明図である。 本発明の他の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュールの概略説明図である。
　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。
　図１に、本発明の一実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板３０及びパワーモジュール１を示す。
　このパワーモジュール１は、ヒートシンク付パワーモジュール用基板３０と、このヒートシンク付パワーモジュール用基板３０の一方の面（図１において上面）にはんだ層２を介して接合された半導体素子３と、を備えている。
　ここで、はんだ層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。
　また、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板３０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に接合されたヒートシンク３１と、を備えている。
　パワーモジュール用基板１０は、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。
　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、本実施形態では、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミニウム）で構成されている。ここで、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、０．６３５ｍｍに設定されている。
　回路層１２は、図４に示すように、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を構成するアルミニウム板２２として、純度９９ｍａｓｓ％以上の２Ｎアルミニウムの圧延板が用いられている。この回路層１２には、回路パターンが形成されており、その一方の面（図１において上面）が、半導体素子３が搭載される搭載面とされている。ここで、回路層１２（アルミニウム板２２）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０．６ｍｍに設定されている。
　金属層１３は、図４に示すように、セラミックス基板１１の他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を構成するアルミニウム板２３として、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上の４Ｎアルミニウムの圧延板が用いられている。ここで、金属層１３（アルミニウム板２３）の厚さは０．１ｍｍ以上６．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では２．０ｍｍに設定されている。
　ヒートシンク３１は、パワーモジュール用基板１０側の熱を放散するためのものであり、本実施形態では、図１に示すように、冷却媒体が流通する流路３２が設けられている。
　このヒートシンク３１は、金属層１３を構成するアルミニウム（本実施形態では純度９９．９９ｍａｓｓ％以上の４Ｎアルミニウム）と、ヒートシンク３１を構成するアルミニウム合金のＡｌ以外の含有元素の濃度差が１原子％以上となるような材料で構成される。
　より好ましくは、Ａｌ以外の含有元素として、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｍｇ，Ｚｎ，Ｔｉ及びＣｒから選択される１種又は２種以上の元素とされているとよい。
　さらに好ましくは、Ａｌ以外の含有元素として、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｍｇ，Ｚｎ，Ｔｉ及びＣｒから選択される１種又は２種以上の元素を合計で１原子％以上含有するとともに、Ｓｉの含有量が１５原子％以下、Ｃｕの含有量が１０原子％以下、Ｍｎの含有量が２原子％以下、Ｆｅの含有量が１原子％以下、Ｍｇの含有量が５原子％以下、Ｚｎの含有量が１０原子％以下、Ｔｉの含有量が１原子％以下及びＣｒの含有量が１原子％以下とするとよい。
　本実施形態において、ヒートシンク３１は、ＪＩＳ　Ｈ　２１１８：２００６で規定されたダイカスト用アルミニウム合金であるＡＤＣ１２で構成されている。なお、このＡＤＣ１２は、Ｃｕを１．５ｍａｓｓ％以上３．５ｍａｓｓ％以下、Ｓｉを９．６ｍａｓｓ％以上１２．０ｍａｓｓ％以下の範囲で含むアルミニウム合金である。
　そして、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板３０においては、金属層１３とヒートシンク３１とが固相拡散接合によって接合されている。すなわち、本実施形態においては、金属層１３が純度９９．９９ｍａｓｓ％以上の４Ｎアルミニウムで構成されるとともに、ヒートシンク３１がダイカスト用アルミニウム合金であるＡＤＣ１２で構成されていることから、これら金属層１３とヒートシンク３１とでアルミニウムの純度が異なり、金属層１３が高純度アルミニウム材料で構成され、ヒートシンク３１が低純度アルミニウム材料で構成されている。
　ここで、金属層１３とヒートシンク３１との接合界面を日本電子株式会社製ＪＸＡ－８５３０Ｆを用い、ＳＥＭ、ＥＰＭＡによるマッピングの観察結果を、図２（ａ）～（ｃ）に示す。図２（ａ）～（ｃ）より、ヒートシンク３１に含まれる添加元素（Ｃｕ，Ｓｉ）が金属層１３側に拡散していることが確認される。なお、接合界面から金属層１３側への拡散深さは、Ｃｕが１０μｍ以上、Ｓｉが４５μｍ以上とされている。なお、Ｃｕが２５μｍ以上、Ｓｉが４５μｍ以上とされていてもよい。
　次に、上述した本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板３０の製造方法について、図３及び図４を参照して説明する。
（アルミニウム板接合工程Ｓ０１）
　まず、図４に示すように、回路層１２となるアルミニウム板２２及び金属層１３となるアルミニウム板２３と、セラミックス基板１１とを接合する。本実施形態では、２Ｎアルミニウムの圧延板からなるアルミニウム板２２及び４Ｎアルミニウムの圧延板からなるアルミニウム板２３とＡｌＮからなるセラミックス基板１１とを、それぞれＡｌ－Ｓｉ系ろう材２４によって接合する。
　このアルミニウム板接合工程Ｓ０１においては、まず、セラミックス基板１１の一方の面及び他方の面に、それぞれＡｌ－Ｓｉ系ろう材２４を介してアルミニウム板２２、アルミニウム板２３を積層する（アルミニウム板積層工程Ｓ１１）。
　次に、積層したセラミックス基板１１、アルミニウム板２２、アルミニウム板２３を積層方向に０．１ＭＰａ以上３．５ＭＰａ以下の荷重を負荷した状態で、真空またはアルゴン雰囲気の加熱炉内に装入して、６００℃以上６５０℃以下、０．５時間以上３時間以下保持することにより、セラミックス基板１１とアルミニウム板２２，アルミニウム板２３との間に溶融金属領域を形成する（加熱工程Ｓ１２）。
　その後、冷却することによって溶融金属領域を凝固させる（凝固工程Ｓ１３）。このようにして、アルミニウム板２２とセラミックス基板１１とアルミニウム板２３とを接合し、回路層１２及び金属層１３を形成する。これにより、本実施形態におけるパワーモジュール用基板１０が製造される。
（ヒートシンク接合工程Ｓ０２）
　次に、パワーモジュール用基板１０の金属層１３の他方の面（セラミックス基板１１との接合面とは反対側の面）にヒートシンク３１を接合する。
　このヒートシンク接合工程Ｓ０２においては、まず、図４に示すように、パワーモジュール用基板１０の他方の面側にヒートシンク３１を積層する（ヒートシンク積層工程Ｓ２１）。
　このパワーモジュール用基板１０とヒートシンク３１の積層体を、積層方向に０．３Ｐａ以上３．０ＭＰａ以下の荷重を負荷した状態で、真空加熱炉の中に装入する。
　そして、低純度アルミニウム材料の固相線温度（Ｋ）の９０％以上、低純度アルミニウム材料の固相線温度未満の温度で、１時間以上保持して固相拡散接合を行う（固相拡散接合工程Ｓ２２）。なお、低純度アルミニウム材料の固相線温度（Ｋ）の９０％とは、低純度アルミニウム材料の固相線温度を絶対温度で表した時の９０％の温度のことである。本実施形態では、ＡＤＣ１２が低純度アルミニウム材料とされ、その固相線温度は７８８Ｋ（５１５℃）である。よって、加熱温度は固相線温度の９０％、すなわち、７０９．２Ｋ（４３６．２℃）以上、固相線温度未満、すなわち、７８８Ｋ（５１５℃）未満とされる。
　本実施形態においては、金属層１３とヒートシンク３１の接合面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされた後に、固相拡散接合されている。なお、このときの金属層１３及びヒートシンク３１のそれぞれの接合面における表面粗さは、算術平均粗さＲａ（ＪＩＳ　Ｂ　０６０１（１９９４））で０．５μｍ以下の範囲内に設定されている。
　このようにして、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板３０が製造される。
（半導体素子接合工程Ｓ０３）
　次に、パワーモジュール用基板１０の回路層１２の一方の面に、半導体素子３をはんだ付けにより接合する。
　以上の工程により、図１に示すパワーモジュール１が製出される。
　以上のような構成とされた本実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュール用基板３０の製造方法によれば、金属層１３を構成するアルミニウム材料が純度９９．９９ｍａｓｓ％以上の４Ｎアルミニウムとされ、ヒートシンク３１を構成するアルミニウム材料がＡＤＣ１２（Ｃｕ：１．５ｍａｓｓ％以上３．５ｍａｓｓ％以下、Ｓｉ：９．６ｍａｓｓ％以上１２．０ｍａｓｓ％以下）で構成されているので、固相拡散接合時において、ヒートシンク３１のＣｕ及びＳｉが金属層１３側へと拡散し、アルミニウムの自己拡散が促進される。これにより、比較的短時間で金属層とヒートシンクとを確実に固相拡散接合することが可能となる。
　そして、本実施形態においては、ともにアルミニウム材料で構成された金属層１３とヒートシンク３１とが固相拡散接合されているので、図２に示すように、ヒートシンク３１と金属層１３との接合界面には、異相が形成されていない。
　よって、ヒートサイクルを負荷した場合であっても、接合界面に亀裂等が生じるおそれがなく、ヒートサイクルに対する接合信頼性に優れたヒートシンク付パワーモジュール用基板３０を製造することができる。
　また、本実施形態においては、ヒートシンク３１を構成するアルミニウム材料がＡＤＣ１２（Ｃｕ：１．５ｍａｓｓ％以上３．５ｍａｓｓ％以下、Ｓｉ：９．６ｍａｓｓ％以上１２．０ｍａｓｓ％以下）で構成されており、これらＣｕ及びＳｉは、アルミニウムの自己拡散を促進させる作用効果に優れていることから、ともにアルミニウム材料で構成された金属層１３とヒートシンク３１とを、短時間で確実に固相拡散接合することが可能となる。
　さらに、ヒートシンク３１を構成するアルミニウム材料において、Ｓｉの含有量が１２．０ｍａｓｓ％以下（１１．６原子％以下（換算値））、Ｃｕの含有量が３．５ｍａｓｓ％以下（１．５原子％以下（換算値））とされているので、これらの元素によって接合界面が必要以上に硬くなることを抑制でき、ヒートサイクルに対する接合信頼性に優れたヒートシンク付パワーモジュール用基板を確実に製造することができる。
　また、金属層１３とヒートシンク３１とを積層し、積層方向に０．３ＭＰａ以上３．０ＭＰａ以下の荷重を負荷した状態で、低純度アルミニウム材料の固相線温度（Ｋ）の９０％以上低純度アルミニウム材料の固相線温度未満の保持温度で１時間以上保持することにより、金属層１３とヒートシンク３１とを固相拡散接合しているので、アルミニウムの拡散移動を促進することができ、金属層１３とヒートシンク３１とを確実に接合することができる。
　荷重が０．３ＭＰａ以上の場合、接合初期の接触面積が十分に確保されることで金属層１３とヒートシンク３１とを良好に接合することができる。また、荷重が３．０ＭＰａ以下の場合、金属層１３やヒートシンク３１に変形が生じることを抑制できる。
　保持温度が低純度アルミニウム材料の固相線温度（Ｋ）の９０％以上の場合、十分な拡散速度を確保でき、金属層１３とヒートシンク３１とを良好に接合することができる。保持温度が低純度アルミニウム材料の固相線温度未満の場合、液相が発生することが無く、また、金属層１３やヒートシンク３１に変形が生じることを抑制できるため、金属層１３とヒートシンク３１とを確実に固相拡散接合することができる。
　保持時間が１時間以上の場合、固相拡散を十分に進行させることができ、金属層１３とヒートシンク３１とを良好に接合することができる。
　さらに、本実施形態においては、接合前の金属層１３及びヒートシンク３１の接合面の傷を除去するとともに、その表面粗さを、算術平均粗さＲａ（ＪＩＳ　Ｂ　０６０１（１９９４））で０．５μｍ以下の範囲内に設定しているので、金属層１３とヒートシンク３１とを確実に接触させて、アルミニウム原子、及び、ヒートシンク３１の添加元素（Ｃｕ，Ｓｉ）の拡散移動を促進させることができ、金属層１３とヒートシンク３１とを確実に接合することができる。
　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、金属層及びヒートシンクの材質は、本実施形態に限定されることはなく、金属層の接合面を構成するアルミニウム材料及びヒートシンクの接合面を構成するアルミニウム材料のうち、いずれか一方がアルミニウムの純度の高い高純度アルミニウム材料とされ、他方がアルミニウムの純度の低い低純度アルミニウム材料とされ、高純度アルミニウム材料と低純度アルミニウム材料とのＡｌ以外の含有元素の濃度差を１原子％以上とされていればよい。
　具体的には、本実施形態では、金属層を純度９９．９９ｍａｓｓ％の４Ｎアルミニウムで構成されたものとして説明したが、これに限定されることはなく、他の純アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されたものであってもよい。例えば、Ａ１０５０やＡ１０８５等の純度９９ｍａｓｓ％以上の２Ｎアルミニウムを用いてもよい。この場合、金属層の初期の不純物濃度が高いことから、接合温度における結晶粒成長が抑制され、粒界拡散が期待できるため、ヒートシンク側からの含有元素の拡散移動を促進することが可能となる。
　さらに、本実施形態では、ヒートシンクをＡＤＣ１２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、他の純アルミニウム又はＡ３００３やＡ６０６３等のアルミニウム合金で構成されたものであってもよい。
　また、ヒートシンク側が高純度アルミニウム材料とされ、金属層側が低純度アルミニウム材料で構成されていてもよい。
　また、本実施形態では、金属層全体がアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されたものとして説明したが、これに限定されることはなく、例えば図５に示すように、金属層のうちヒートシンクとの接合面がアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されていればよい。この図５に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板１３０及びパワーモジュール１０１においては、金属層１１３が、銅層１１３Ａとアルミニウム層１１３Ｂとが積層された構造とされており、セラミックス基板１１と銅層１１３Ａとが接合され、アルミニウム層１１３Ｂとヒートシンク１３１とが固相拡散接合されている。なお、図５においては、回路層１１２も銅層１１２Ａとアルミニウム層１１２Ｂとが積層された構造とされており、アルミニウム層１１２Ｂに半導体素子３がはんだ層２を介して接合されている。
　同様に、本実施形態では、ヒートシンク全体がアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されたものとして説明したが、これに限定されることはなく、例えば図６に示すように、ヒートシンクのうち金属層との接合面がアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されていればよい。この図６に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板２３０及びパワーモジュール２０１においては、ヒートシンク２３１が、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２３１Ｂと銅又は銅合金からなるヒートシンク本体２３１Ａとが積層された構造とされており、金属層２１３とアルミニウム層２３１Ｂ（ヒートシンク２３１）とが固相拡散接合されている。
　また、本実施形態では、回路層を構成するアルミニウム板を、純度が９９ｍａｓｓ％以上の２Ｎアルミニウムで構成されたものとして説明したが、これに限定されることはなく、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上の純アルミニウムや、他の純アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されたものであってもよい。
　さらに、本発明においては回路層の構造に限定はなく、適宜設計変更することができる。例えば、銅又は銅合金で構成されていてもよいし、図５に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板１３０及びパワーモジュール１０１のように、回路層１１２が銅層１１２Ａとアルミニウム層１１２Ｂとの積層構造とされていてもよい。
　さらに、本実施形態においては、回路層及び金属層となるアルミニウム板とセラミックス基板とを、Ａｌ－Ｓｉ系ろう材を用い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、過渡液相接合法（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　Ｌｉｑｕｉｄ　Ｐｈａｓｅ　Ｂｏｎｄｉｎｇ）、鋳造法、金属ペースト法等を用いて接合してもよい。
　また、本実施形態においては、絶縁層をＡｌＮからなるセラミックス基板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、Ｓｉ３Ｎ４やＡｌ２Ｏ３等の他のセラミックス基板を用いてもよい。
　さらに、絶縁層、回路層、金属層、ヒートシンクの厚さは、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。
　本発明の有効性を確認するために行った確認実験について説明する。
　図３のフロー図に記載した手順に従って、本発明例及び比較例のヒートシンク付パワーモジュール用基板を作製した。
　なお、セラミックス基板は、ＡｌＮで構成され、４０ｍｍ×４０ｍｍ、厚さ０．６３５ｍｍのものを使用した。
　回路層は、純度９９ｍａｓｓ％以上の２Ｎアルミニウムの圧延板（３７ｍｍ×３７ｍｍ、厚さ０．６ｍｍ）をＡｌ－７．５ｍａｓｓ％Ｓｉろう材を用いてセラミックス基板に接合することによって形成した。
　金属層は、表１に示すアルミニウム材料からなる圧延板（３７ｍｍ×３７ｍｍ、厚さ０．６ｍｍ）をＡｌ－７．５ｍａｓｓ％Ｓｉろう材を用いてセラミックス基板に接合することによって形成した。
　ヒートシンクは、表２記載の材質で構成され、５０ｍｍ×５０ｍｍ、厚さ５ｍｍのものを使用した。
　金属層とヒートシンクとの固相拡散接合は、表３に示す条件で実施した。
　また、従来例１から３として次のヒートシンク付パワーモジュール用基板を作製した。
　回路層となる２Ｎアルミニウムの圧延板（３７ｍｍ×３７ｍｍ、厚さ０．６ｍｍ）とＡｌＮで構成されたセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ、厚さ０．６３５ｍｍ）と金属層となる４Ｎアルミニウムの圧延板（３７ｍｍ×３７ｍｍ、厚さ０．６ｍｍ）とを、Ａｌ－７．５ｍａｓｓ％Ｓｉろう材を介して積層し、積層方向に５ｋｇｆ／ｃｍ２で加圧した状態で、真空加熱炉内に装入し、６５０℃で３０分加熱することによって接合し、パワーモジュール用基板を作製した。
　そして、従来例１では、パワーモジュール用基板とＮｉめっきを施したヒートシンク（Ａ６０６３の圧延板、５０ｍｍ×５０ｍｍ、厚さ５ｍｍ）とをＳｎ－Ａｇ－Ｃｕはんだを介して接合した。
　従来例２では、パワーモジュール用基板とヒートシンク（Ａ６０６３の圧延板、５０ｍｍ×５０ｍｍ、厚さ５ｍｍ）とをＡｌ－１０ｍａｓｓ％Ｓｉろう材を介して接合した。
　従来例３では、パワーモジュール用基板とヒートシンク（Ａ６０６３の圧延板、５０ｍｍ×５０ｍｍ、厚さ５ｍｍ）とをＣｕ箔（厚さ：２００μｍ）を介して固相拡散接合した。
（含有元素の拡散距離）
　得られた本発明例のヒートシンクと金属層との接合界面近傍の断面観察を行い、低純度アルミニウム材料側から高純度アルミニウム材料側へのＡｌ以外の含有元素の拡散距離を測定した。評価結果を表４に示す。
　含有元素の拡散距離は、低純度アルミニウム材料と高純度アルミニウム材料の接合界面から高純度アルミニウム材料側に向かってＥＰＭＡ（日本電子株式会社社製ＪＸＡ－８５３０Ｆ）によるライン分析を行い、距離と含有元素濃度を測定し、含有元素濃度が低純度アルミニウム材料に含まれている含有元素の濃度の半分となる距離を拡散距離とした。
（ヒートサイクル試験）
　ヒートサイクル試験は、冷熱衝撃試験機エスペック社製ＴＳＢ－５１を使用し、試験片（ヒートシンク付パワーモジュール）に対して、液相（フロリナート）で、－４０℃にて５分と１５０℃にて５分のヒートサイクルを４０００回実施した。
　そして、ヒートサイクル試験前後の接合率を以下のようにして評価した。また、ヒートサイクル試験後のセラミックス割れの有無を目視で評価した。評価結果を表４に示す。
（接合率）
　金属層とヒートシンクとの接合率は、超音波探傷装置（日立パワーソリューションズ社製ＦｉｎｅＳＡＴ２００）を用いて以下の式を用いて求めた。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（３７ｍｍ角）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とした。
　　（接合率（％））＝｛（初期接合面積）－（剥離面積）｝／（初期接合面積）×１００
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　従来例１では、ヒートサイクル試験後に接合率が大きく低下した。ヒートサイクルによってはんだ層にクラックが発生したためと推測される。
　従来例２では、ヒートサイクル試験後に接合率が低下し、セラミックス基板に割れが確認された。
　また、金属層とヒートシンクとを同じ純度のアルミニウム材料で構成した比較例１－３においては、上述の固相拡散条件では、金属層とヒートシンクとを接合することができなかった。
　これに対して、本発明例では、いずれもヒートサイクル後に接合率が大きく上昇しておらず、また、セラミックス割れも確認されておらず、接合信頼性に優れていた。
　以上のことから、本発明によれば、ヒートサイクルが負荷された場合であっても接合界面においてクラック等が生じることを抑制できるヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造可能であることが確認された。
　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、比較的短時間で金属層とヒートシンクとを確実に固相拡散接合することが可能となる。また、ヒートシンクと金属層とが固相拡散接合されているので、ヒートサイクルを負荷した場合であっても、接合界面に亀裂等が生じるおそれがなく、ヒートサイクルに対する接合信頼性に優れたヒートシンク付パワーモジュール用基板を得ることができる。
１、１０１、２０１　パワーモジュール
１０、１１０、２１０　パワーモジュール用基板
１１　セラミックス基板
１２、１１２、２１２　回路層
１３、１１３、２１３　金属層
３０、１３０、２３０　ヒートシンク付パワーモジュール用基板
３１、１３１、２３１　ヒートシンク

Claims (4)

  1. 　絶縁層と、この絶縁層の一方の面に形成された回路層と、前記絶縁層の他方の面に形成された金属層と、この金属層の前記絶縁層とは反対側の面に配置されたヒートシンクと、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、
    　前記金属層のうち前記ヒートシンクとの接合面、及び、前記ヒートシンクのうち前記金属層との接合面は、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材料で構成されており、
    　前記金属層の接合面を構成するアルミニウム材料及び前記ヒートシンクの接合面を構成するアルミニウム材料のうちいずれか一方がアルミニウムの純度の高い高純度アルミニウム材料とされ、他方がアルミニウムの純度の低い低純度アルミニウム材料とされており、
    　前記高純度アルミニウム材料と前記低純度アルミニウム材料とのＡｌ以外の含有元素の濃度差を１原子％以上とし、
    　前記金属層と前記ヒートシンクとを、固相拡散接合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。
  2. 　前記高純度アルミニウム材料と前記低純度アルミニウム材料は、Ａｌ以外の含有元素として、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｍｇ，Ｚｎ，Ｔｉ及びＣｒから選択される１種又は２種以上の元素を含有し、前記高純度アルミニウム材料における前記Ａｌ以外の含有元素の合計量と前記低純度アルミニウム材料における前記Ａｌ以外の含有元素の合計量の差が１原子％以上とされている請求項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。
  3. 　前記低純度アルミニウム材料は、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｍｇ，Ｚｎ，Ｔｉ及びＣｒから選択される１種又は２種以上の元素を合計で１原子％以上含有するとともに、Ｓｉの含有量が１５原子％以下、Ｃｕの含有量が１０原子％以下、Ｍｎの含有量が２原子％以下、Ｆｅの含有量が１原子％以下、Ｍｇの含有量が５原子％以下、Ｚｎの含有量が１０原子％以下、Ｔｉの含有量が１原子％以下及びＣｒの含有量が１原子％以下、とされている請求項１又は請求項２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。
  4. 　前記金属層と前記ヒートシンクとを積層し、積層方向に０．３ＭＰａ以上３．０ＭＰａ以下の荷重を負荷した状態で、前記低純度アルミニウム材料の固相線温度（Ｋ）の９０％以上、前記低純度アルミニウム材料の固相線温度未満の保持温度で１時間以上保持することにより、前記金属層と前記ヒートシンクとを固相拡散接合する請求項１から請求項３の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。
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