JP6656657B2 - セラミックス／アルミニウム接合体、パワーモジュール用基板、及び、パワーモジュール - Google Patents

Description

この発明は、ＡｌＮからなるセラミックス部材とアルミニウム部材とが接合されてなるセラミックス／アルミニウム接合体、ＡｌＮからなるセラミックス基板とこのセラミックス基板に接合されたアルミニウム板とを備えたパワーモジュール用基板、及び、このパワーモジュール用基板を備えたパワーモジュールに関するものである。

ＬＥＤやパワーモジュール等の半導体装置においては、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、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）、Ａｌ_２Ｏ_３（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導電性の優れた金属板を接合して形成した回路層と、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。なお、パワージュール用基板としては、セラミックス基板の他方の面に金属板を接合して金属層が形成したものも提供されている。

例えば、特許文献１には、ＡｌＮ（窒化アルミ）からなるセラミックス基板の一方の面に回路層となるアルミニウム板がＡｌ−Ｓｉ系のろう材を介して接合され、セラミックス基板の他方の面に金属層となるアルミニウム板がＡｌ−Ｓｉ系のろう材を介して接合されたパワーモジュール用基板が提案されている。
このようなパワーモジュール用基板においては、回路層の上に、はんだ層を介してパワー素子としての半導体素子が搭載され、パワーモジュールとして使用される。また、金属層側には、はんだを介して銅製のヒートシンクが接合されることもある。

また、特許文献２−５には、Ｍｇを含むろう材を用いてセラミックス基板とアルミニウム板とを接合し、ろう材とアルミニウム板との接合界面又はろう材とセラミックス基板との接合界面にＭｇ等を偏在させたセラミックス回路基板が提案されている。
これらのセラミックス回路基板においては、偏在させたＭｇによって接合を阻害する酸化物を除去することにより、セラミックス基板とアルミニウム板との接合性の向上を図っている。

再公表ＷＯ２００３／０９０２７７号公報 特開２００１−０４４３４５号公報 特開２００１−０６２５８８号公報 特開２００１−１０２７０３号公報 特開２００１−１４４４３３号公報

ところで、最近では、パワーモジュールの小型化・薄肉化が進められるとともに、その使用環境も厳しくなってきており、冷熱サイクル負荷時に、アルミニウム板とセラミックス基板との接合界面に大きなせん断力が作用することになるため、さらなる接合信頼性の向上が求められている。

ここで、特許文献２−５においては、Ｍｇを添加することで接合性の向上を図っているが、単にＭｇを偏在させた場合には、かえってセラミックス基板とアルミニウム板との接合を阻害してしまい、接合信頼性が劣化するおそれがあった。また、偏在するＭｇによって接合界面近傍のアルミニウムが硬くなり、冷熱サイクル負荷時にセラミックス基板に割れが生じてしまうおそれがあった。

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、セラミックス部材とアルミニウム部材とが確実に接合され、冷熱サイクル負荷時の接合信頼性に優れるとともにセラミックス部材の割れの発生を抑制することができるセラミックス／アルミニウム接合体、パワーモジュール用基板、及び、このパワーモジュール用基板を備えたパワーモジュール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、本発明のセラミックス／アルミニウム接合体は、ＡｌＮからなるセラミックス部材と、アルミニウム部材とが接合されてなるセラミックス／アルミニウム接合体であって、前記アルミニウム部材のうち前記セラミックス部材との接合界面から厚さ方向に２μｍの範囲内における、電子回折図形からスピネル構造と同定され、かつ、組成がＭｇ＝６〜１２ａｔ％，Ｏ＝３０〜６０ａｔ％，Ａｌ＝残部であるＭｇ含有酸化物の面積率が２．９％以上１７．９％以下の範囲内とされており、前記アルミニウム部材のうち前記セラミックス部材との接合界面近傍領域に、Ｍｇ，Ｓｉ，Ｏが偏析した偏析部を有し、前記偏析部におけるＭｇ量［Ｍｇ］_Ｓ，Ｓｉ量［Ｓｉ］_Ｓ，Ｏ量［Ｏ］_Ｓと、接合界面から前記アルミニウム部材側に１０μｍ離間した位置におけるＭｇ量［Ｍｇ］_Ｉ，Ｓｉ量［Ｓｉ］_Ｉ，Ｏ量［Ｏ］_Ｉ、との比が、それぞれ、１＜［Ｍｇ］_Ｓ／［Ｍｇ］_Ｉ≦１５，１＜［Ｓｉ］_Ｓ／［Ｓｉ］_Ｉ≦２５，１＜［Ｏ］_Ｓ／［Ｏ］_Ｉ≦２５の範囲内とされるとともに、接合界面から前記アルミニウム部材側に１０μｍ離間した位置におけるＭｇ量［Ｍｇ］_Ｉが０．８ｍａｓｓ％以下とされていることを特徴としている。

この構成のセラミックス／アルミニウム接合体においては、前記アルミニウム部材のうち前記セラミックス部材との接合界面から厚さ方向に２μｍの範囲内に、スピネル結晶構造を有するＭｇ含有酸化物が分散している。ここで、このスピネル結晶構造を有するＭｇ含有酸化物は、アルミニウム部材の表面に形成された酸化皮膜とＭｇとが反応して生成されたものであり、このスピネル結晶構造を有するＭｇ含有酸化物が分散している場合には、Ｍｇとの反応によってアルミニウム部材の表面に形成された酸化皮膜が十分に除去されていることになる。これにより、アルミニウム部材とセラミックス部材とを確実に接合することが可能となる。

また、上述のセラミックス／アルミニウム接合体においては、Ｍｇ，Ｓｉ，Ｏが偏析した偏析部を有し、前記偏析部におけるＭｇ量［Ｍｇ］_Ｓ，Ｓｉ量［Ｓｉ］_Ｓ，Ｏ量［Ｏ］_Ｓと、接合界面から前記アルミニウム部材側に１０μｍ離間した位置におけるＭｇ量［Ｍｇ］_Ｉ，Ｓｉ量［Ｓｉ］_Ｉ，Ｏ量［Ｏ］_Ｉ、との比が、それぞれ、１＜［Ｍｇ］_Ｓ／［Ｍｇ］_Ｉ≦１５，１＜［Ｓｉ］_Ｓ／［Ｓｉ］_Ｉ≦２５，１＜［Ｏ］_Ｓ／［Ｏ］_Ｉ≦２５の範囲内とされており、アルミニウム部材のうちセラミックス部材との接合界面近傍にＭｇ，Ｓｉ，Ｏが偏析していることから、界面エネルギーが安定化し、アルミニウム部材とセラミックス部材との接合信頼性を向上させることができる。また、Ｍｇ，Ｓｉ，Ｏの偏析量が抑制されているので、アルミニウム部材のうちセラミックス部材との接合界面近傍が、過剰に硬くなることを抑制でき、セラミックス部材に亀裂等が生じることを抑制できる。
さらに、接合界面から前記アルミニウム部材側に１０μｍ離間した位置におけるＭｇ量［Ｍｇ］_Ｉが０．８ｍａｓｓ％以下とされているので、アルミニウム部材自体が硬くなることを抑制でき、アルミニウム部材の変形抵抗が上昇してしまうことを抑制できる。

ここで、本発明のセラミックス／アルミニウム接合体においては、前記偏析部において、Ｃｕ量が１．２ｍａｓｓ％以下、Ｆｅ量が０．６ｍａｓｓ％以下とされていることが好ましい。
この場合、前記偏析部において、Ｃｕ量が１．２ｍａｓｓ％以下、Ｆｅ量が０．６ｍａｓｓ％以下に制限されているので、アルミニウム部材のうちセラミックス部材との接合界面近傍が、過剰に硬くなることを抑制でき、セラミックス部材に亀裂等が生じることを抑制できる。

また、本発明のパワーモジュール用基板は、ＡｌＮからなるセラミックス基板と、このセラミックス基板に接合されたアルミニウム板とを備えたパワーモジュール用基板であって、前記アルミニウム板のうち前記セラミックス基板との接合界面から厚さ方向に２μｍの範囲内における、電子回折図形からスピネル構造と同定され、かつ、組成がＭｇ＝６〜１２ａｔ％，Ｏ＝３０〜６０ａｔ％，Ａｌ＝残部であるＭｇ含有酸化物の面積率が２．９％以上１７．９％以下の範囲内とされており、前記アルミニウム板のうち前記セラミックス基板との接合界面近傍領域に、Ｍｇ，Ｓｉ，Ｏが偏析した偏析部を有し、前記偏析部におけるＭｇ量［Ｍｇ］_Ｓ，Ｓｉ量［Ｓｉ］_Ｓ，Ｏ量［Ｏ］_Ｓと、接合界面から前記アルミニウム板側に１０μｍ離間した位置におけるＭｇ量［Ｍｇ］_Ｉ，Ｓｉ量［Ｓｉ］_Ｉ，Ｏ量［Ｏ］_Ｉ、との比が、それぞれ、１＜［Ｍｇ］_Ｓ／［Ｍｇ］_Ｉ≦１５，１＜［Ｓｉ］_Ｓ／［Ｓｉ］_Ｉ≦２５，１＜［Ｏ］_Ｓ／［Ｏ］_Ｉ≦２５の範囲内とされるとともに、接合界面から前記アルミニウム板側に１０μｍ離間した位置におけるＭｇ量［Ｍｇ］_Ｉが０．８ｍａｓｓ％以下とされていることを特徴としている。

この構成のパワーモジュール用基板においては、前記アルミニウム板のうち前記セラミックス基板との接合界面から厚さ方向に２μｍの範囲内に、スピネル結晶構造を有するＭｇ含有酸化物が分散しているので、Ｍｇとの反応によってアルミニウム板の表面に形成された酸化皮膜が十分に除去されており、アルミニウム板とセラミックス基板とを確実に接合することが可能となる。

また、上述のパワーモジュール用基板においては、アルミニウム板のうちセラミックス基板との接合界面近傍にＭｇ，Ｓｉ，Ｏが偏析しているので、界面エネルギーが安定化し、アルミニウム板とセラミックス基板との接合信頼性を向上させることができる。また、アルミニウム板のうちセラミックス基板との接合界面近傍が、過剰に硬くなることを抑制でき、このパワーモジュール用基板に冷熱サイクルを負荷した際に、セラミックス基板に亀裂等が生じることを抑制できる。
さらに、接合界面から前記アルミニウム板側に１０μｍ離間した位置におけるＭｇ量［Ｍｇ］_Ｉが０．８ｍａｓｓ％以下とされているので、アルミニウム板の変形抵抗が高くなることを抑制できる。

ここで、本発明のパワーモジュール用基板においては、前記偏析部において、Ｃｕ量が１．２ｍａｓｓ％以下、Ｆｅ量が０．６ｍａｓｓ％以下とされていることが好ましい。
この場合、前記偏析部において、Ｃｕ量が１．２ｍａｓｓ％以下、Ｆｅ量が０．６ｍａｓｓ％以下に制限されているので、アルミニウム板のうちセラミックス基板との接合界面近傍が、過剰に硬くなることを抑制でき、このパワーモジュール用基板に冷熱サイクルを負荷した際に、セラミックス基板に亀裂等が生じることを抑制できる。

本発明のパワーモジュールは、上述のパワーモジュール用基板と、半導体素子と、を備えることを特徴としている。
この構成のパワーモジュールにおいては、上述のパワーモジュール用基板を備えているので、セラミックス基板とアルミニウム板とが強固に接合されており、信頼性に特に優れている。

本発明によれば、セラミックス部材とアルミニウム部材とが確実に接合され、冷熱サイクル負荷時の接合信頼性に優れるとともにセラミックス部材の割れの発生を抑制することができるセラミックス／アルミニウム接合体、パワーモジュール用基板、及び、このパワーモジュール用基板を備えたパワーモジュールを提供することが可能となる。

本発明の実施形態であ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。 本発明の実施形態であるパワーモジュール用基板のセラミックス基板とアルミニウム板（回路層及び金属層）との接合界面近傍の概略説明図である。 本発明の実施形態であるパワーモジュール用基板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。 本発明の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法において用いられる加圧装置の説明図である。

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。本実施形態であるセラミックス／アルミニウム接合体は、ＡｌＮからなるセラミックス部材としてセラミックス基板１１、アルミニウム部材としてアルミニウム板２２が接合されてなる回路層１２、アルミニウム板２３が接合されてなる金属層１３を備えたパワーモジュール用基板１０とされている。

図１に、本発明の実施形態であるパワーモジュール用基板１０を用い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）に第１はんだ層２を介して接合された半導体素子３と、金属層１３の他方の面（図１において下面）に第２はんだ層４を介して接合されたヒートシンク４０と、を備えている。
ここで、第１はんだ層２及び第２はんだ層４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。なお、本実施形態では、回路層１２と第１はんだ層２との間、及び、金属層１３と第２はんだ層４との間にＮｉめっき層（図示なし）が設けられている。

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）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。

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金属板が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、図４に示すように、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って形成されている。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０．０５ｍｍ以上１．１ｍｍ未満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、セラミックス基板１１の他方の面に熱伝導性に優れた金属板が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、図４に示すように、金属層１３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２３がセラミックス基板１１に接合されることによって形成されている。ここで、金属層１３（アルミニウム板２３）の厚さは０．０５ｍｍ以上３．０ｍｍ未満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。

ヒートシンク４０は、前述のパワーモジュール用基板１０を冷却するためのものであり、パワーモジュール用基板１０と接合される放熱板４１と、この放熱板４１に積層配置された冷却器４２と、を備えている。
放熱板４１は、前述のパワーモジュール用基板１０からの熱を面方向に拡げるものであり、本実施形態では、熱伝導性に優れた銅板とされている。
冷却器４２は、図１に示すように、冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路４３を備えている。冷却器４２は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態においては、Ａ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。
なお、放熱板４１と冷却器４２とは、図１に示すように、固定ネジ４５によって締結されている。

そして、本実施形態では、図２に示すように、回路層１２及び金属層１３のうちセラミックス基板１１との接合界面３０から厚さ方向に２μｍの範囲内に、スピネル結晶構造を有するＭｇ含有酸化物３６が分散されている。
なお、観察されたＭｇ含有酸化物３６については、以下の方法により確認できる。
接合界面を透過型電子顕微鏡（ＦＥＩ社製Ｔｉｔａｎ ＣｈｅｍｉＳＴＥＭ、加速電圧２００ｋＶ）を用いて電子回折図形を、エネルギー分散型Ｘ線分析法（サーモサイエンティフィック社製ＮＳＳ７)を用いて組成を分析した後、電子回折図形からスピネル構造と同定された領域かつ組成がＭｇ＝６〜１２ａｔ％，Ｏ＝３０〜６０ａｔ％，Ａｌ＝残部となっている領域をＭｇ含有酸化物３６とした。なお、電子回折図形は、１ｎｍ程度に絞った電子ビームを照射することで得た（ＮＢＤ法）。

ここで、このＭｇ含有酸化物３６は、ＭｇとＡｌとを含有しており、接合界面３０から厚さ方向に２μｍの範囲内におけるＭｇ含有酸化物３６の面積率は、２％以上１８％以下の範囲内とされている。なお、観察されるＭｇ含有酸化物３６のうちの９０％以上が接合界面３０から厚さ方向に１μｍの範囲内に存在することが好ましい。

また、本実施形態では、図２に示すように、回路層１２及び金属層１３のうちセラミックス基板１１との接合界面３０近傍には、Ｍｇ，Ｓｉ，Ｏが偏析した偏析部３１が形成されている。
ここで、偏析部３１におけるＭｇ量［Ｍｇ］_Ｓ，Ｓｉ量［Ｓｉ］_Ｓ，Ｏ量［Ｏ］_Ｓと、接合界面３０から回路層１２側及び金属層１３側にＨ＝１０μｍ離間した位置におけるＭｇ量［Ｍｇ］_Ｉ，Ｓｉ量［Ｓｉ］_Ｉ，Ｏ量［Ｏ］_Ｉとの比が、それぞれ、１＜［Ｍｇ］_Ｓ／［Ｍｇ］_Ｉ≦１５，１＜［Ｓｉ］_Ｓ／［Ｓｉ］_Ｉ≦２５，１＜［Ｏ］_Ｓ／［Ｏ］_Ｉ≦２５の範囲内とされている。
なお、偏析部３１におけるＭｇ量［Ｍｇ］_Ｓが０．１ｍａｓｓ％以上１．５ｍａｓｓ％以下の範囲内、Ｓｉ量［Ｓｉ］_Ｓが０．１ｍａｓｓ％以上２．５ｍａｓｓ％以下の範囲内、Ｏ量［Ｏ］_Ｓが１．５ｍａｓｓ％以上１５ｍａｓｓ％以下の範囲内とされている。

この偏析部３１におけるＭｇ量［Ｍｇ］_Ｓ，Ｓｉ量［Ｓｉ］_Ｓ，Ｏ量［Ｏ］_Ｓは、図２に示すように、偏析部３１を含む接合界面３０部分をビーム径１ｎｍとしてＴＥＭ分析したものである。同様に、接合界面３０から回路層１２側及び金属層１３側にＨ＝１０μｍ離間した位置におけるＭｇ量［Ｍｇ］_Ｉ，Ｓｉ量［Ｓｉ］_Ｉ，Ｏ量［Ｏ］_Ｉも、ビーム径１ｎｍとしてＴＥＭ分析したものである。

また、本実施形態では、接合界面３０から回路層１２側及び金属層１３側にＨ＝１０μｍ離間した位置におけるＭｇ量［Ｍｇ］_Ｉが０．８ｍａｓｓ％以下とされている。
さらに、本実施形態においては、偏析部３１におけるＣｕ量が１．２ｍａｓｓ％以下、Ｆｅ量が０．６ｍａｓｓ％以下とされている。

次に、上述した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３及び図４を参照して説明する。

（回路層及び金属層形成工程Ｓ０１）
まず、アルミニウム板２２，２３とセラミックス基板１１とを接合し、回路層１２及び金属層１３を形成する。
本実施形態では、図３に示すように、回路層及び金属層形成工程Ｓ０１は、積層工程Ｓ１１と加熱工程Ｓ１２と溶融金属凝固工程Ｓ１３と、を備えている。

積層工程Ｓ１１では、図４に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系のろう材２４を介してアルミニウム板２２を積層するとともに、セラミックス基板１１の他方の面に、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系のろう材２５を介してアルミニウム板２３を積層し、積層体を形成する。

ここで、本実施形態では、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系のろう材２４、２５としては、Ｓｉを１ｍａｓｓ％以上１２ｍａｓｓ％以下の範囲内、Ｍｇを０．０１ｍａｓｓ％以上０．０５ｍａｓｓ％以下の範囲内で含有するアルミニウム合金からなるろう材箔を用いており、ろう材２４、２５の厚さが５μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされている。

加熱工程Ｓ１２では、上述の積層体を積層方向に加圧した状態で加熱炉２９内に装入して加熱する。すると、ろう材２４、２５とアルミニウム板２２，２３の一部とが溶融し、アルミニウム板２２、２３とセラミックス基板１１との界面にそれぞれ溶融金属領域が形成される。この加熱工程Ｓ１２の条件は、雰囲気は真空雰囲気（１０^−４Ｐａ以上１０^−３Ｐａ以下）または酸素分圧が５００ｖｏｌｐｐｍ以下の窒素雰囲気、接合温度は５８０℃以上６５０℃以下の範囲内、加熱時間は１分以上１８０分以下の範囲内とされている。

ここで、本実施形態においては、図５に示す加圧装置５０を用いて、上述の積層体を積層方向に加圧する。この加圧装置５０は、ベース板５１と、このベース板５１の上面の四隅に垂直に取り付けられたガイドポスト５２と、これらガイドポスト５２の上端部に配置された固定板５３と、ベース板５１と固定板５３との間で上下移動自在にガイドポスト５２に支持された押圧板５４と、固定板５３と押圧板５４との間に設けられて押圧板５４を下方に付勢するばね等の付勢手段５５と、固定板５３を上下させる調整ネジ５６と、を備えている。

固定板５３及び押圧板５４は、ベース板５１に対して平行に配置されており、ベース板５１と押圧板５４との間に、カーボンシート５７を介して、上述の積層体が配置される。そして、調整ネジ５６の位置を調節することによって固定板５３を上下させて、付勢手段５５により押圧板５４を押し込むことで、積層体が加圧される構造とされている。
この加圧装置５０においては、ガイドポスト５２の熱膨張係数が、付勢手段５５の熱膨張係数よりも大きく設定されており、室温で加圧した状態で接合温度まで加熱すると、加圧荷重が低下するおそれがある。

よって、この加圧装置５０を用いる加熱工程Ｓ１２では、上述の接合温度における加圧荷重が０．０１ｋｇｆ／ｃｍ^２以上１．０ｋｇｆ／ｃｍ^２未満の範囲内とされている。
ここで、上述の接合温度における加圧荷重が０．０１ｋｇｆ／ｃｍ^２未満の場合には、セラミックス基板１１の反りを矯正することができないおそれがある。また、溶融金属領域が形成された時点でアルミニウム板２２，２３の位置ズレが生じるおそれがある。一方、上述の接合温度における加圧荷重が１．０ｋｇｆ／ｃｍ^２以上の場合には、接合界面におけるＭｇの偏析量が多くなり過ぎて、接合信頼性が低下してしまうおそれがある。
以上のことから、本実施形態においては、上述の接合温度における加圧荷重が０．０１ｋｇｆ／ｃｍ^２以上１．０ｋｇｆ／ｃｍ^２未満の範囲内とされている。

溶融金属凝固工程Ｓ１３では、アルミニウム板２２、２３とセラミックス基板１１との界面にそれぞれに形成された溶融金属領域を凝固させることにより、セラミックス基板１１とアルミニウム板２２及びアルミニウム板２３とを接合する。
これにより、セラミックス基板１１に回路層１２及び金属層１３が形成された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、この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とは反対側の面）に、第２はんだ層４を介して放熱板４１を接合するとともに、この放熱板４１を固定ネジ４５によって冷却器４２に締結する。これにより、ヒートシンク４０とパワーモジュール用基板１０とが接合される。

（半導体素子搭載工程Ｓ０３）
また、回路層１２の一方の面（セラミックス基板１１とは反対側の面）に第１はんだ層２を介して半導体素子３を搭載する。これにより、本実施形態であるパワーモジュール１が製出される。

以上のような構成とされた本実施形態であるパワーモジュール用基板１０においては、回路層１２及び金属層１３のうちセラミックス基板１１との接合界面３０から厚さ方向に２μｍの範囲内に、スピネル結晶構造を有するＭｇ含有酸化物３６が分散されているので、Ｍｇとの反応によって回路層１２及び金属層１３となるアルミニウム板２２，２３の表面に形成された酸化皮膜が十分に除去されており、回路層１２とセラミックス基板１１、金属層１３とセラミックス基板１１を確実に接合することが可能となる。

ここで、本実施形態では、接合界面３０から厚さ方向に２μｍの範囲内におけるＭｇ含有酸化物３６の面積率が２％以上とされているので、回路層１２及び金属層１３となるアルミニウム板２２，２３の表面に形成された酸化皮膜を確実に除去することができ、回路層１２とセラミックス基板１１、金属層１３とセラミックス基板１１を確実に接合することが可能となる。
さらに、接合界面３０から厚さ方向に２μｍの範囲内におけるＭｇ含有酸化物３６の面積率が１８％以下とされているので、Ｍｇ含有酸化物３６が過剰に存在せず、接合界面３０近傍におけるクラックの発生等を抑制することができる。

また、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０においては、アルミニウム板２２，２３を接合してなる回路層１２及び金属層１３のうちセラミックス基板１１との接合界面３０近傍にＭｇ，Ｓｉ，Ｏが偏析した偏析部３１を有しており、偏析部３１におけるＭｇ量［Ｍｇ］_Ｓ，Ｓｉ量［Ｓｉ］_Ｓ，Ｏ量［Ｏ］_Ｓと、接合界面３０から回路層１２側及び金属層１３側にＨ＝１０μｍ離間した位置におけるＭｇ量［Ｍｇ］_Ｉ，Ｓｉ量［Ｓｉ］_Ｉ，Ｏ量［Ｏ］_Ｉ、との比が、それぞれ、１＜［Ｍｇ］_Ｓ／［Ｍｇ］_Ｉ≦１５，１＜［Ｓｉ］_Ｓ／［Ｓｉ］_Ｉ≦２５，１＜［Ｏ］_Ｓ／［Ｏ］_Ｉ≦２５の範囲内とされているので、界面エネルギーが安定化し、回路層１２及び金属層１３とセラミックス基板１１との接合信頼性を向上させることができる。
また、回路層１２及び金属層１３のうちセラミックス基板１１との接合界面３０近傍が、過剰に硬くなることを抑制でき、このパワーモジュール用基板１０に冷熱サイクルを負荷した際に、セラミックス基板１１に亀裂等が生じることを抑制できる。

ここで、［Ｍｇ］_Ｓ／［Ｍｇ］_Ｉが１以下、［Ｓｉ］_Ｓ／［Ｓｉ］_Ｉが１以下、［Ｏ］_Ｓ／［Ｏ］_Ｉが１以下の場合には、回路層１２及び金属層１３とセラミックス基板１１との接合信頼性を十分に向上させることができないおそれがある。一方、［Ｍｇ］_Ｓ／［Ｍｇ］_Ｉが１５を超え、［Ｓｉ］_Ｓ／［Ｓｉ］_Ｉが２５を超え、［Ｏ］_Ｓ／［Ｏ］_Ｉが２５を超える場合には、セラミックス基板１１に割れが生じるおそれがある。
このため、本実施形態においては、偏析部３１におけるＭｇ量［Ｍｇ］_Ｓ，Ｓｉ量［Ｓｉ］_Ｓ，Ｏ量［Ｏ］_Ｓと、接合界面３０から回路層１２側及び金属層１３側にＨ＝１０μｍ離間した位置におけるＭｇ量［Ｍｇ］_Ｉ，Ｓｉ量［Ｓｉ］_Ｉ，Ｏ量［Ｏ］_Ｉ、との比を、それぞれ、１＜［Ｍｇ］_Ｓ／［Ｍｇ］_Ｉ≦１５，１＜［Ｓｉ］_Ｓ／［Ｓｉ］_Ｉ≦２５，１＜［Ｏ］_Ｓ／［Ｏ］_Ｉ≦２５の範囲内に設定している。

さらに、接合界面３０から回路層１２側及び金属層１３側にＨ＝１０μｍ離間した位置におけるＭｇ量［Ｍｇ］_Ｉが０．８ｍａｓｓ％以下とされているので、回路層１２及び金属層１３自体が硬くなることを抑制でき、セラミックス基板１１に亀裂等が生じることを抑制できる。
特に、本実施形態においては、偏析部３１において、Ｃｕ量が１．２ｍａｓｓ％以下、Ｆｅ量が０．６ｍａｓｓ％以下に制限されているので、回路層１２及び金属層１３のうちセラミックス基板１１との接合界面３０近傍が、過剰に硬くなることを抑制でき、セラミックス基板１１に亀裂等が生じることを抑制できる。

また、本実施形態においては、加熱工程Ｓ１２において、接合温度における加圧荷重が０．０１ｋｇｆ／ｃｍ^２以上１ｋｇｆ／ｃｍ^２未満の範囲内とされているので、界面反応が過剰に起こらず、接合界面３０近傍にＭｇが過剰に偏析することを抑制して、適正量のＭｇを偏析させることが可能となる。これにより、偏析部３１におけるＭｇ量［Ｍｇ］_Ｓ，Ｓｉ量［Ｓｉ］_Ｓ，Ｏ量［Ｏ］_Ｓと、接合界面３０から回路層１２側及び金属層１３側にＨ＝１０μｍ離間した位置におけるＭｇ量［Ｍｇ］_Ｉ，Ｓｉ量［Ｓｉ］_Ｉ，Ｏ量［Ｏ］_Ｉ、との比が、それぞれ、１＜［Ｍｇ］_Ｓ／［Ｍｇ］_Ｉ≦１５，１＜［Ｓｉ］_Ｓ／［Ｓｉ］_Ｉ≦２５，１＜［Ｏ］_Ｓ／［Ｏ］_Ｉ≦２５の範囲内とされたパワーモジュール用基板１０を製造することができる。

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、本実施形態では、パワーモジュール用基板を例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、ＡｌＮからなるセラミックス部材とアルミニウム部材とを接合してなるセラミックス／アルミニウム接合体であればよい。

また、本実施形態では、回路層及び金属層を、それぞれ純度９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）の圧延板を接合することで形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、回路層及び金属層の少なくともいずれか一方が、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されたものであればよい。
具体的には、金属層がアルミニウム板で構成されている場合であれば、回路層を、銅又は銅合金からなる銅板、アルミニウムと銅との積層板等で構成してもよい。また、回路層がアルミニウム板で構成されている場合であれば、金属層を、銅又は銅合金からなる銅板、アルミニウムと銅との積層板等で構成してもよいし、金属層自体を形成しない構造としてもよい。

さらに、回路層及び金属層のはんだ接合を行う面にＮｉめっき層を形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く、Ａｇペースト等の他の手段によって下地層を構成してもよい。
また、ヒートシンクは、本実施形態で例示してものに限定されることはなく、ヒートシンクの構造に特に限定はない。

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。
回路層を構成するアルミニウム板として、表１に示す組成及び厚さの圧延板（３７ｍｍ×３７ｍｍ）を準備した。
また、セラミックス基板として、表１に示す組成及び厚さのもの（４０ｍｍ×４０ｍｍ）を準備した。
さらに、金属層を構成するアルミニウム板として、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）の圧延板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×厚さ１．６ｍｍ）を準備した。

セラミックス基板に、回路層を構成するアルミニウム板、金属層を構成するアルミニウム板を、表１に示すろう材（厚さ２０μｍ）を介して積層し、表１に示す条件でろう付けし、評価用のパワーモジュール用基板を製造した。

（偏析層及び回路層内の組成）
偏析層の組成（［Ｍｇ］_Ｓ，［Ｓｉ］_Ｓ，［Ｏ］_Ｓ，Ｃｕ，Ｆｅ）及び回路層内の組成（［Ｍｇ］_Ｉ，［Ｓｉ］_Ｉ，［Ｏ］_Ｉ）は次の方法で測定した。
得られたパワーモジュール用基板を積層方向に機械切断し、得られた断面を厚さ約５０μｍまで機械研磨し、断面試料とする。その後、接合界面付近に４ｋＶのアルゴンイオンを上下（積層方向と垂直の面）から４度の角度で入射させ、スパッタリングで断面試料に穴が開くまで薄片化する。穴の縁がエッジ状になって電子線が透過可能な厚さ０．１μｍ程度となるので、この部分をＴＥＭ及びＥＤＳで測定し、偏析層の組成を測定した。
ＴＥＭ及びＥＤＳの測定は、ＦＥＩ社製Ｔｉｔａｎ ＣｈｅｍｉＳＴＥＭ（ＥＤＳ検出器付）、加速電圧：２００ｋＶ、ビーム径：１ｎｍ、倍率：１００万倍で行った。
また、接合界面から１０μｍアルミニウム板側に離間した位置における組成を回路層内の組成とした。
測定は５箇所行い、その平均値を組成とした。 評価結果を表２に示す。

（スピネル結晶構造を有するＭｇ含有酸化物の面積率測定）
セラミックス基板と金属層との接合界面から厚さ方向に２μｍの範囲内を、透過型電子顕微鏡（ＦＥＩ社製Ｔｉｔａｎ ＣｈｅｍｉＳＴＥＭ、加速電圧２００ｋＶ）を用いて電子回折図形を、エネルギー分散型Ｘ線分析法（サーモサイエンティフィック社製ＮＳＳ７)を用いて組成を分析した後、電子回折図形からスピネル構造と同定された領域かつ組成がＭｇ＝６〜１２ａｔ％，Ｏ＝３０〜６０ａｔ％，Ａｌ＝残部となっている領域をＭｇ含有酸化物とし、Ｍｇ含有酸化物の有無を調べた。なお、電子回折図形は、１ｎｍ程度に絞った電子ビームを照射することで得た（ＮＢＤ法）。
次に、セラミックス基板と金属層との接合界面から厚さ方向に２μｍの範囲内を、透過型電子顕微鏡（ＦＥＩ社製Ｔｉｔａｎ ＣｈｅｍｉＳＴＥＭ）を用い、倍率１００００倍でＮ及びＭｇのマッピングを行い、Ｎの検出される領域とされない領域の境界を接合界面とし、ＭｇのマッピングからＭｇ濃度６〜１２ａｔ％の領域をＭｇ含有酸化物とし、２値化後に、Ｍｇ含有酸化物の面積を測定面積で割ることにより、Ｍｇ含有酸化物の面積率を求めた。測定は５ヶ所行い、その平均値を面積率とした。
スピネル結晶構造を有するＭｇ含有酸化物の接合界面から厚さ方向に２μｍの範囲内における面積率を表３に示す。

（接合率）
上述のパワーモジュール用基板の金属層の他方の面側にヒートシンクを接合した。ヒートシンクは、５０ｍｍ×６０ｍｍ×５ｍｍｔのＡ３００３合金のアルミニウム板とした。接合条件は、Ａｌ−Ｓｉろう箔を用いて、３．０ｋｇｆ／ｃｍ^２で加圧した状態で、真空中にて、６１０℃で加熱することによる接合とした。
このようにして得られたヒートシンク付パワーモジュール用基板を用いて、冷熱サイクル試験を実施した。

冷熱衝撃試験機には、エスペック株式会社製ＴＳＢ−５１を使用し、ヒートシンク付パワーモジュール用基板に対して、液相（フロリナート）で、−４０℃×５分←→１５０℃×５分の２０００サイクルを実施した。この後、回路層とセラミックス基板との接合率を以下のようにして評価した。なお、接合率の評価は、冷熱サイクル試験前（初期接合率）と冷熱サイクル試験後（サイクル後接合率）に行った。

接合率の評価は、ヒートシンク付パワーモジュール用基板に対し、セラミックス基板と金属層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、以下の式から接合率を算出した。評価結果を表３に示す。
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、すなわち本実施例では金属層の面積（３７ｍｍ×３７ｍｍ）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）

（セラミックス基板の割れ）
上述のヒートシンク付パワーモジュール用基板を用いて、冷熱サイクル試験を実施した。測定条件を以下に示す。２０００サイクル後に、セラミックス基板の割れの有無を、超音波探傷装置を用いて確認した。評価結果を表３に示す。
評価装置：エスペック株式会社製ＴＳＢ−５１
液相：フロリナート
温度条件：−４０℃×５分 ←→ １５０℃×５分

偏析部におけるＭｇ，Ｓｉ，Ｏの比が本発明の範囲内とされた本発明例１〜１８では、初期接合率が高く、また、冷熱サイクル試験後にセラミックス基板に割れが生じず、接合信頼性も高いことが確認された。
一方、Ｍｇ，Ｓｉ，Ｏの比が本発明の範囲内より小さい比較例１，４，６では接合率の低下が確認された。Ｍｇ，Ｓｉ，Ｏの比が本発明の範囲内より大きい比較例２，５，７や、［Ｍｇ］_Ｉが０．８ｍａｓｓ％を超えた比較例３では、セラミックス基板の割れが確認された。また、セラミックス基板にＡｌ_２Ｏ_３を用いた比較例８では、［Ｍｇ］_Ｓ／［Ｍｇ］_Ｉが本発明の範囲外となり、冷熱サイクル試験後の接合率が低下した。

１０ パワーモジュール用基板（セラミックス／アルミニウム接合体）
１１ セラミックス基板（セラミックス部材）
１２ 回路層（アルミニウム部材）
１３ 金属層（アルミニウム部材）
２４ Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系ろう材
２５ Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系ろう材

Claims (5)

1. ＡｌＮからなるセラミックス部材と、アルミニウム部材とが接合されてなるセラミックス／アルミニウム接合体であって、
   前記アルミニウム部材のうち前記セラミックス部材との接合界面から厚さ方向に２μｍの範囲内における、電子回折図形からスピネル構造と同定され、かつ、組成がＭｇ＝６〜１２ａｔ％，Ｏ＝３０〜６０ａｔ％，Ａｌ＝残部であるＭｇ含有酸化物の面積率が２．９％以上１７．９％以下の範囲内とされており、
   前記アルミニウム部材のうち前記セラミックス部材との接合界面近傍領域に、Ｍｇ，Ｓｉ，Ｏが偏析した偏析部を有し、
   前記偏析部におけるＭｇ量［Ｍｇ］_Ｓ，Ｓｉ量［Ｓｉ］_Ｓ，Ｏ量［Ｏ］_Ｓと、接合界面から前記アルミニウム部材側に１０μｍ離間した位置におけるＭｇ量［Ｍｇ］_Ｉ，Ｓｉ量［Ｓｉ］_Ｉ，Ｏ量［Ｏ］_Ｉ、との比が、それぞれ、
   １＜［Ｍｇ］_Ｓ／［Ｍｇ］_Ｉ≦１５，
   １＜［Ｓｉ］_Ｓ／［Ｓｉ］_Ｉ≦２５，
   １＜［Ｏ］_Ｓ／［Ｏ］_Ｉ≦２５
   の範囲内とされるとともに、接合界面から前記アルミニウム部材側に１０μｍ離間した位置におけるＭｇ量［Ｍｇ］_Ｉが０．８ｍａｓｓ％以下とされていることを特徴とするセラミックス／アルミニウム接合体。
2. 前記偏析部において、Ｃｕ量が１．２ｍａｓｓ％以下、Ｆｅ量が０．６ｍａｓｓ％以下とされていることを特徴とする請求項１に記載のセラミックス／アルミニウム接合体。
3. ＡｌＮからなるセラミックス基板と、このセラミックス基板に接合されたアルミニウム板とを備えたパワーモジュール用基板であって、
   前記アルミニウム板のうち前記セラミックス基板との接合界面から厚さ方向に２μｍの範囲内における、電子回折図形からスピネル構造と同定され、かつ、組成がＭｇ＝６〜１２ａｔ％，Ｏ＝３０〜６０ａｔ％，Ａｌ＝残部であるＭｇ含有酸化物の面積率が２．９％以上１７．９％以下の範囲内とされており、
   前記アルミニウム板のうち前記セラミックス基板との接合界面近傍領域に、Ｍｇ，Ｓｉ，Ｏが偏析した偏析部を有し、
   前記偏析部におけるＭｇ量［Ｍｇ］_Ｓ，Ｓｉ量［Ｓｉ］_Ｓ，Ｏ量［Ｏ］_Ｓと、接合界面から前記アルミニウム板側に１０μｍ離間した位置におけるＭｇ量［Ｍｇ］_Ｉ，Ｓｉ量［Ｓｉ］_Ｉ，Ｏ量［Ｏ］_Ｉ、との比が、それぞれ、
   １＜［Ｍｇ］_Ｓ／［Ｍｇ］_Ｉ≦１５，
   １＜［Ｓｉ］_Ｓ／［Ｓｉ］_Ｉ≦２５，
   １＜［Ｏ］_Ｓ／［Ｏ］_Ｉ≦２５
   の範囲内とされるとともに、接合界面から前記アルミニウム板側に１０μｍ離間した位置におけるＭｇ量［Ｍｇ］_Ｉが０．８ｍａｓｓ％以下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。
4. 前記偏析部において、Ｃｕ量が１．２ｍａｓｓ％以下、Ｆｅ量が０．６ｍａｓｓ％以下とされていることを特徴とする請求項３に記載のパワーモジュール用基板。
5. 請求項３又は請求項４に記載のパワーモジュール用基板と、半導体素子と、を備えることを特徴とするパワーモジュール。

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