功率模块用基板、带散热器的功率模块用基板、功率模块、功率模块用基板的制造方法及带散热器的功率模块用基板的制造方法

摘要

本发明提供一种功率模块用基板，为具备陶瓷基板和在该陶瓷基板的表面层压而接合有铝或铝合金制的金属板的功率模块用基板，在所述金属板中，固溶有Ag或选自Zn、Ge、Mg、Ca、Ga及Li中的一种或两种以上的添加元素，所述金属板中的与所述陶瓷基板的界面附近的Ag浓度设定在0.05质量％以上10质量％以下，或者所述金属板中的与所述陶瓷基板的界面附近的Zn、Ge、Mg、Ca、Ga及Li的总计浓度设定在0.01质量％以上5质量％以下。

说明书

技术领域

本发明涉及一种控制大电流、高电压的在半导体装置中使用的功率模块用 基板、带散热器的功率模块用基板、具备该功率模块用基板的功率模块、该功 率模块用基板的制造方法及带散热器的功率模块用基板的制造方法。

本申请基于2009年10月22日向日本申请的日本专利申请2009-243259号、 2010年3月2日向日本申请的日本专利申请2010-045747号、2010年4月12 日向日本申请的日本专利申请2010-091366号、2010年9月28日向日本申请的 日本专利申请2010-217590号和日本专利申请2010-217591号主张优先权，在此 引用其内容。

背景技术

在半导体元件中用于电力供给的功率元件的发热量比较高。作为搭载该功 率元件的基板，例如，如专利文献1所示，使用如下功率模块用基板：在由AlN (氮化铝)构成的陶瓷基板上通过钎料接合有Al(铝)金属板。

并且，该金属板形成为电路层，在其金属板上通过焊料搭载有功率元件(半 导体元件)。

另外，提出有在陶瓷基板的下表面接合Al等金属板而形成金属层，在该金 属层上接合散热器的带散热器的功率模块用基板。

并且，作为形成电路层的手段，提出有在陶瓷基板上接合金属板之后，在 该金属板上形成电路图案的方法。另外，例如如专利文献2公开的那样，还提 出有将预先形成为电路图案的金属片接合于陶瓷基板上的方法。

在此，为了获得所述金属板与陶瓷基板的良好的接合强度，例如在专利文 献3中公开有将陶瓷基板的表面粗糙度设为不到0.5μm的技术。

但是，将金属板接合于陶瓷基板时，存在仅降低陶瓷基板的表面粗糙度也 不能获得充分高的接合强度，不能实现可靠性的提高的问题。例如，即使以干 式方式对陶瓷基板的表面进行利用Al₂O₃颗粒的珩磨处理，将表面粗糙度设为 Ra＝0.2μm，在剥离试验中有时也产生界面剥离。并且，即使通过研磨法将表面 粗糙度设为Ra＝0.1μm以下，也有时产生界面剥离。

尤其，最近在进行功率模块的小型化、薄型化的同时，其使用环境也日趋 严峻。另外，来自被搭载的半导体元件等电子零件的发热量有变大的趋势，需 要在散热器上配设功率模块用基板。此时，因功率模块用基板受散热器约束， 所以在热循环负荷时，巨大的剪切力作用于金属板与陶瓷基板的接合界面。因 此，与以往相比，更加要求陶瓷基板与金属板之间的接合强度的提高及可靠性 的提高。

专利文献1：日本专利公开2003-086744号公报

专利文献2：日本专利公开2008-311294号公报

专利文献3：日本专利公开平3-234045号公报

发明内容

本发明的功率模块用基板的一方案如下：为具备陶瓷基板和在该陶瓷基板 的表面层压而接合有铝或铝合金制的金属板的功率模块用基板，其中，在所述 金属板中，固溶有Ag或选自Zn、Ge、Mg、Ca、Ga及Li中的一种或两种以上 的添加元素，所述金属板中的与所述陶瓷基板的界面附近的Ag浓度设定在0.05 质量％以上10质量％以下，或者所述金属板中的与所述陶瓷基板的界面附近的 Zn、Ge、Mg、Ca、Ga及Li的总计浓度设定在0.01质量％以上5质量％以下。

在该构成的功率模块用基板中，金属板的接合界面侧部分变得固溶强化。 由此，可防止金属板部分处的断裂，能够提高接合可靠性。

在此，由于所述金属板中的与所述陶瓷基板的界面附近的Ag浓度设定在 0.05质量％以上，或者Zn、Ge、Mg、Ca、Ga及Li的总计浓度设定在0.01质量 ％以上，所以可切实地固溶强化金属板的接合界面侧部分。并且，由于所述金属 板中的与所述陶瓷基板的界面附近的Ag浓度设定在10质量％以下，或者Zn、 Ge、Mg、Ca、Ga及Li的总计浓度设定在5质量％以下，所以可防止金属板的 接合界面的强度变得过高。于是，在该功率模块用基板上负荷冷热循环时，可 由金属板吸收热应力，可防止陶瓷基板的破裂等。

在本发明的功率模块用基板的一方案中，也可以为在所述金属板中，除了 Ag之外，还固溶有选自Zn、Ge、Mg、Ca、Ga及Li中的一种或两种以上的元 素，所述金属板中的与所述陶瓷基板的界面附近的Ag和Zn、Ge、Mg、Ca、 Ga及Li的总计浓度设定在0.05质量％以上10质量％以下。

此时，金属板的接合界面侧部分切实地固溶强化。由此，可防止金属板部 分处的断裂，能够提高接合可靠性。

在此，由于所述金属板中的与所述陶瓷基板的界面附近的Ag和Zn、Ge、 Mg、Ca、Ga及Li的总计浓度设定在0.05质量％以上，所以可切实地固溶强化 金属板的接合界面侧部分。并且，由于所述金属板中的与所述陶瓷基板的界面 附近的Ag和Zn、Ge、Mg、Ca、Ga及Li的总计浓度设定在10质量％以下，所 以可防止金属板的接合界面的强度变得过高。

本发明的功率模块用基板的一方案中，也可以为所述陶瓷基板由AlN或 Si₃N₄构成，在所述金属板与所述陶瓷基板的接合界面，形成有氧浓度高于所述 金属板中及所述陶瓷基板中的氧浓度的氧高浓度部，该氧高浓度部的厚度可以 为4nm以下。并且，添加元素为Ag时，所述氧高浓度部为所述陶瓷基板的晶 粒内的氧浓度的2倍以上。

此时，通过存在于接合界面的氧，提高由AlN或Si₃N₄构成的陶瓷基板与铝 制金属板的接合强度。进而，由于该氧高浓度部的厚度为4nm以下，通过负荷 热循环时的应力抑制在氧高浓度部产生裂纹。

另外，在此，所述陶瓷基板的晶粒内的氧浓度是指，陶瓷基板中距离接合 界面一定距离(例如，5nm以上)的那部分的氧浓度。

本发明的功率模块用基板的一方案中，在所述金属板与所述陶瓷基板的接 合界面，也可以形成有所述添加元素的浓度为所述金属板中的所述添加元素的 浓度的2倍以上的添加元素高浓度部。

此时，通过存在于界面附近的所述添加元素原子，能够实现陶瓷基板与金 属板的接合强度的提高。

另外，金属板中的所述添加元素的浓度是指，金属板中距离接合界面一定 距离(例如，5nm以上)的那部分的所述添加元素的浓度。

本发明的功率模块用基板的一方案中，也可以为所述陶瓷基板由AlN构成， 用能量分散型X射线分析法分析含所述添加元素高浓度部的所述接合界面时， Al、所述添加元素、O、N的质量比为Al∶添加元素∶O∶N＝50～90质量％∶1～30质 量％∶1～10质量％∶25质量％以下。

或者，本发明的功率模块用基板的一方案中，也可以为所述陶瓷基板由Si₃N₄构成，用能量分散型X射线分析法分析含所述添加元素高浓度部的所述接合界 面时，Al、Si、所述添加元素、O、N的质量比为Al∶Si∶添加元素∶O∶N＝15～45质 量％∶15～45质量％∶1～30质量％∶1～10质量％∶25质量％以下。

另外，本发明的功率模块用基板的一方案中，也可以为所述陶瓷基板由 Al₂O₃构成，用能量分散型X射线分析法分析含所述添加元素高浓度部的所述接 合界面时，Al、所述添加元素、O的质量比为Al∶添加元素∶O＝50～90质量％∶1～30 质量％∶45质量％以下。

存在于接合界面的所述添加元素原子的质量比超过30质量％时，Al与添加 元素的反应产物生成过多，该反应产物有可能阻碍接合。另外，由于该反应产 物，金属板的接合界面附近被强化为所需以上，在热循环负荷时应力作用于陶 瓷基板，陶瓷基板有可能断裂。另一方面，所述添加元素原子的质量比小于1 质量％时，有可能无法充分实现基于添加元素原子的接合强度的提高。因此，接 合界面中的添加元素原子的质量比优选为1～30质量％的范围内。

在此，进行基于能量分散型X射线分析法的分析时，由于斑点直径极小， 在所述接合界面的多个点(例如10～100个点)测定，并算出其平均值。而且， 测定时，没有将金属板的晶界与陶瓷基板的接合界面作为测定对象，仅将晶粒 与陶瓷基板的接合界面作为测定对象。

并且，本说明书中的基于能量分散型X射线分析法的分析值是使用搭载在 日本电子制造的电子显微镜JEM-2010F上的Thermo Fisher Scientific公司(サ一 モフイツシヤ一サイエンテイフイツク株式会社)制造的能量分散型荧光X射 线元素分析装置NORAN System7，以加速电压200kV进行。

本发明的带散热器的功率模块用基板的一方案为具有：所述陶瓷基板；接 合在该陶瓷基板的一个表面上的铝或铝合金制的第一金属板；接合在所述陶瓷 基板的另一个表面上的铝或铝合金制的第二金属板；以及接合在所述第二金属 板中的与所述陶瓷基板的接合面相反侧的面上的散热器。而且，在所述第二金 属板及所述散热器中，固溶有Ag或选自Zn、Ge、Mg、Ca、Ga及Li中的一种 或两种以上的添加元素。所述第二金属板及所述散热器的界面附近的Ag浓度设 定在0.05质量％以上10质量％以下，或者所述第二金属板及所述散热器的界面 附近的Zn、Ge、Mg、Ca、Ga及Li的总计浓度设定在0.01质量％以上5质量％ 以下。

根据该构成的带散热器的功率模块用基板，因为所述第二金属板及所述散 热器固溶有Ag或选自Zn、Ge、Mg、Ca、Ga及Li中的一种或两种以上的添加 元素，因此所述第二金属板及所述散热器的各自的接合界面侧部分得到固溶强 化。

而且，所述第二金属板及所述散热器的接合界面附近的Ag浓度设定在0.05 质量％以上，或者Zn、Ge、Mg、Ca、Ga及Li的总计浓度设定在0.01质量％以 上，因此可切实地固溶强化所述第二金属板及所述散热器的接合界面侧部分。 而且，所述第二金属板及所述散热器的接合界面附近的Ag浓度设定在10质量 ％以下，或者Zn、Ge、Mg、Ca、Ga及Li的总计浓度设定在5质量％以下，可 防止所述第二金属板及所述散热器的接合界面的强度变得过高，可由所述第二 金属板吸收热变形。

本发明的带散热器的功率模块用基板的一方案中，也可以在所述第二金属 板及所述散热器中，除了Ag之外，还固溶有选自Zn、Ge、Mg、Ca、Ga及Li 中的一种或两种以上的元素，所述第二金属板及所述散热器的界面附近的Ag和 Zn、Ge、Mg、Ca、Ga及Li的总计浓度设定在0.05质量％以上10质量％以下。

此时，所述第二金属板及所述散热器的接合界面侧部分固溶强化，可防止 第二金属板及所述散热器中的断裂的发生，可提高接合可靠性。

在此，所述第二金属板及所述散热器的界面附近的Ag和Zn、Ge、Mg、Ca、 Ga及Li的总计浓度设定在0.05质量％以上，因此可切实地固溶强化所述第二金 属板及所述散热器的界面侧部分。而且，所述第二金属板及所述散热器的界面 附近的Ag和Zn、Ge、Mg、Ca、Ga及Li的总计浓度设定在10质量％以下，可 防止所述第二金属板及所述散热器的接合界面的强度变得过高。

本发明的功率模块的特征在于，具备本发明的一方案的功率模块用基板及 搭载于所述功率模块用基板上的电子零件。

根据该构成的功率模块，陶瓷基板与金属板的接合强度高，即使是在使用 环境严峻的情况下，也可以显著地提高其可靠性。

本发明的功率模块用基板的制造方法的一方案为具备陶瓷基板和在该陶瓷 基板的表面层压而接合有铝或铝合金制的金属板的功率模块用基板的制造方 法。该制造方法具有：固着工序，在所述陶瓷基板的接合面及所述金属板的接 合面中的至少一方，固着选自Ag、Zn、Ge、Mg、Ca、Ga及Li中的一种或两 种以上的添加元素，形成含有该添加元素的固着层；层压工序，在介入所述固 着层的状态下，层压所述陶瓷基板和所述金属板；加热工序，在层压方向上对 被层压的所述陶瓷基板和所述金属板进行加压的同时进行加热，在所述陶瓷基 板与所述金属板的界面形成熔融金属区域；以及凝固工序，通过凝固该熔融金 属区域来接合所述陶瓷基板与所述金属板。而且，在所述层压工序中，使所述 添加元素在0.01mg/cm²以上10mg/cm²以下的范围内介入在所述陶瓷基板与所述 金属板的界面。在所述加热工序中，通过使所述添加元素向所述金属板扩散， 从而在所述陶瓷基板与所述金属板的界面形成所述熔融金属区域。

根据该构成的功率模块用基板的制造方法，在所述金属板及所述陶瓷基板 的接合界面中介入选自Ag、Zn、Ge、Mg、Ca、Ga及Li中的一种或两种以上 的添加元素。在此，由于Ag、Zn、Ge、Mg、Ca、Ga及Li这样的元素为降低 铝的熔点的元素，因此在比较低温条件下，可在金属板与陶瓷基板的界面形成 熔融金属区域。

从而，即使在较低温、短时间的接合条件下接合，也能牢固接合陶瓷基板 与金属板。

另外，无需使用钎料箔等，就可以低成本制造出切实地接合金属板与陶瓷 基板的功率模块用基板。

由于不使用钎料箔就可接合所述陶瓷基板与所述金属板，因此无需进行钎 料箔的对位作业等。因此，例如将预先形成为电路图案状的金属片接合于陶瓷 基板时，也可将由错位等引起的问题防患于未然。

并且，在所述层压工序中，将介入于所述陶瓷基板与所述金属板的界面的 所述添加元素的固着量设为0.01mg/cm²以上，因此在陶瓷基板与金属板的界面 可切实地形成熔融金属区域，并可牢固地接合陶瓷基板与金属板。

进而，将介入于所述陶瓷基板与所述金属板的界面的所述添加元素的固着 量设为10mg/cm²以下，因此可防止在固着层中产生裂纹，并可在陶瓷基板与金 属板的界面切实地形成熔融金属区域。进而，能够防止所述添加元素过于向金 属板侧扩散而使得界面附近的金属板的强度过于变高。由此，在功率模块用基 板负荷冷热循环时，可由金属板吸收热应力，并可防止陶瓷基板的破裂等。

进而，在所述层压工序中，使所述添加元素在0.01mg/cm²以上10mg/cm²以下的范围内介入于所述陶瓷基板与所述金属板的界面，因此可制造所述金属 板中的与所述陶瓷基板的界面附近中的Ag浓度为0.05质量％以上10质量％以 下，或者Zn、Ge、Mg、Ca、Ga及Li的总计浓度为0.01质量％以上5质量％以 下的功率模块用基板。

而且，由于在金属板及陶瓷基板上直接形成固着层，因此氧化被膜只形成 在金属板的表面。于是，与使用了在两面形成氧化被膜的钎料箔时相比，存在 于金属板及陶瓷基板的界面的氧化被膜的总计厚度变薄，因此能够提高初始接 合的合格率。

并且，所述陶瓷基板的接合面和所述金属板的接合面中的至少一方直接固 着所述添加元素，但从生产率的观点考虑，优选在金属板的接合面固着所述添 加元素。

另外，也可以在所述陶瓷基板的接合面和所述金属板的接合面中的至少一 方，分别单独固着所述添加元素而形成多层添加元素层。

本发明的功率模块用基板的制造方法的一方案中，也可以在所述固着工序 中，将Al与所述添加元素一起固着。

此时，由于将Al与所述添加元素一起固着，因此所形成的固着层含有Al。 因此，在加热工序中，该固着层能够优先熔融而切实形成熔融金属区域，并能 够牢固地接合陶瓷基板和金属板。并且，能够防止Mg、Ca、Li等氧化活性元素 的氧化。另外，为了将Al与所述添加元素一起固着，可同时蒸镀所述添加元素 和Al。也可将所述添加元素与Al的合金作为靶进行溅射。另外，也可层压Al 及添加元素。

本发明的功率模块用基板的制造方法的一方案中，优选所述固着工序通过 在所述陶瓷基板的接合面及所述金属板的接合面中的至少一方涂布Ag浆料而 形成所述固着层。

此时，通过涂布Ag浆料能够切实地形成固着层。另外，Ag浆料即使在大 气气氛中加热烧成，Ag也不会氧化，因此可容易形成含有Ag的固着层。

并且，使用Ag浆料时，为了防止在大气中加热时的金属板的氧化，优选涂 布在陶瓷基板侧。另外，也可以在涂布Ag浆料的状态下层压所述陶瓷基板与所 述金属板，对被层压的所述陶瓷基板与所述金属板进行加热时，进行Ag浆料的 烧成。

本发明的带散热器的功率模块用基板的制造方法的一方案为具备陶瓷基板、 与该陶瓷基板一个表面接合的铝或铝合金制的第一金属板、与所述陶瓷基板的 另一个表面接合的铝或铝合金制的第二金属板以及接合在所述第二金属板中的 与所述陶瓷基板的接合面相反侧的面上的所述散热器的带散热器的功率模块用 基板的制造方法。该制造方法具有：陶瓷基板接合工序，接合所述陶瓷基板与 所述第一金属板、以及接合所述陶瓷基板与所述第二金属板；以及散热器接合 工序，在所述第二金属板的一面，接合所述散热器。所述散热器接合工序具有： 添加元素层形成工序，在所述第二金属板的接合面与所述散热器的接合面中的 至少一方固着选自Ag、Zn、Ge、Mg、Ca、Ga和Li中的一种或两种以上的添 加元素而形成添加元素层；散热器层压工序，在介入所述添加元素层的状态下 层压所述第二金属板与所述散热器；散热器加热工序，在层压方向上对被层压 的所述第二金属板与所述散热器进行加压的同时进行加热，在所述第二金属板 与所述散热器的界面形成熔融金属区域；以及熔融金属凝固工序，通过凝固该 熔融金属区域，接合所述第二金属板与所述散热器。在所述散热器加热工序中， 通过使所述添加元素层的添加元素扩散到所述第二金属板和所述散热器，在所 述第二金属板与所述散热器的界面形成所述熔融金属区域。

该构成的带散热器的功率模块用基板的制造方法中，在第二金属板与散热器 的接合界面中介入选自Ag、Zn、Ge、Mg、Ca、Ga和Li中的一种或两种以上 的添加元素。该添加元素为降低铝的熔点的元素，因此可在较低温条件下，在 散热器与第二金属板的界面形成熔融金属区域。

因此，即使在较低温、短时间的接合条件下接合，也能够牢固地接合散热器 与第二金属板。

另外，无需使用制造困难的Al-Si系的钎料箔等，就能够以低成本制造第二 金属板与散热器切实接合的带散热器的功率模块用基板。

进而，不使用钎料箔，在所述散热器的接合面和所述第二金属板的接合面 中的至少一方直接固着添加元素，因此无需进行钎料箔的对位操作等。

而且，在所述散热器的接合面和所述第二金属板的接合面上直接固着添加 元素的情况下，氧化被膜只形成在第二金属板和散热器的表面，由此存在于第 二金属板和散热器的界面的氧化被膜的总计厚度变薄，因此能够提高初始接合 的合格率。

本发明的带散热器的功率模块用基板的制造方法的一方案中，也可以为所述 陶瓷基板接合工序和所述散热器接合工序同时进行。

此时，同时进行所述陶瓷基板接合工序和所述散热器接合工序，因此可以大 幅削减它们的接合所需的成本。而且，无需进行反复加热、冷却来完成，因此 可以实现该带散热器的功率模块用基板的翘曲的减少。

本发明的带散热器的功率模块用基板的制造方法的一方案中，所述添加元素 层形成工序中，还可以将Al与所述添加元素一起固着。

此时，在散热器加热工序中，该添加元素层能够优先熔融而切实形成熔融 金属区域，并能够牢固地接合散热器和第二金属板。并且，能够防止Mg、Ca、 Li等氧化活性元素的氧化。另外，为了将Al与所述添加元素一起固着，可同时 蒸镀所述添加元素和Al。也可将所述添加元素与Al的合金作为靶进行溅射。另 外，也可层压Al及添加元素。

并且，上述本发明的带散热器的功率模块用基板及其制造方法的一方案中， 所述第二金属板的厚度可以厚于所述第一金属板的厚度。

此时，可以使设置有散热器侧的刚性相对高于与其相反侧的刚性。由此可 以抑制带散热器的功率模块用基板的翘曲。

进而，本发明的带散热器的功率模块用基板及其制造方法的一方案中，所 述第二金属板也可以层压多个金属板而构成。

此时，可以用该第二金属板充分缓和起因于散热器与陶瓷基板的热膨胀系 数之差的热变形，可以抑制在陶瓷基板中的破裂的产生。

并且，上述本发明的功率模块用基板的制造方法或带散热器的功率模块用 基板的制造方法的一方案中，所述固着工序也可以通过电镀、蒸镀、CVD、溅 射、冷喷涂或者分散有粉末的浆料及油墨等的涂布，在所述陶瓷基板、所述金 属板、所述散热器或所述第二金属板的任意一个接合面中固着所述添加元素。

此时，能够使所述添加元素切实介入于接合界面。并且，可高精度调节所 述添加元素的固着量，并可以牢固地接合陶瓷基板与金属板、或者散热器与所 述第二金属板。

并且，使用含有所述添加元素的浆料时，为了防止在大气中加热时的金属 板的氧化，优选涂布在陶瓷基板侧。另外，也可以在涂布含有所述添加元素的 浆料的状态下层压所述陶瓷基板与所述金属板，在层压方向上对被层压的所述 陶瓷基板与所述金属板进行加压的同时进行加热时，进行含有所述添加元素的 浆料的烧成。

根据本发明，能够提供金属板与陶瓷基板切实接合且热循环可靠性高的功 率模块用基板、带散热器的功率模块用基板、具备该功率模块用基板的功率模 块及该功率模块用基板的制造方法、带散热器的功率模块用基板的制造方法。

附图说明

图1是使用本发明的第一实施方式的功率模块用基板的功率模块的简要说 明图。

图2是表示本发明的第一实施方式的功率模块用基板的电路层及金属层的 Ag浓度分布及Ge浓度分布的说明图。

图3是本发明的第一实施方式的功率模块用基板的电路层及金属层(金属 板)与陶瓷基板的接合界面的TEM观察图。

图4是表示本发明的第一实施方式的功率模块用基板的制造方法的流程图。

图5是表示本发明的第一实施方式的功率模块用基板的制造方法的说明图。

图6是表示图5中的金属板与陶瓷基板的接合界面附近的说明图。

图7是使用本发明的第二实施方式的功率模块用基板的功率模块的简要说 明图。

图8是表示本发明的第二实施方式的功率模块用基板的电路层及金属层的 Ag浓度分布的说明图。

图9是本发明的第二实施方式的功率模块用基板的电路层及金属层(金属 板)与陶瓷基板的接合界面的示意图。

图10是表示本发明的第二实施方式的功率模块用基板的制造方法的流程 图。

图11是表示本发明的第二实施方式的功率模块用基板的制造方法的说明 图。

图12是使用本发明的第三实施方式的功率模块用基板的功率模块的简要说 明图。

图13是表示本发明的第三实施方式的功率模块用基板的电路层及金属层的 Ag浓度分布的说明图。

图14是本发明的第三实施方式的功率模块用基板的电路层及金属层(金属 板)与陶瓷基板的接合界面的示意图。

图15是表示本发明的第三实施方式的功率模块用基板的制造方法的流程 图。

图16是表示本发明的第三实施方式的功率模块用基板的制造方法的说明 图。

图17是表示本发明的第三实施方式的具备功率模块用基板的带散热器的功 率模块用基板的制造方法的说明图。

图18是使用本发明的第四实施方式的带散热器的功率模块用基板的功率模 块的简要说明图。

图19是表示本发明的第四实施方式的带散热器的功率模块用基板的金属层 及散热器的Ag浓度分布的说明图。

图20是表示本发明的第四实施方式的带散热器的功率模块用基板的制造方 法的流程图。

图21是表示本发明的第四实施方式的带散热器的功率模块用基板的制造方 法的说明图。

图22是表示图21中的第二金属板(金属层)与散热器的接合界面附近的 说明图。

图23是使用本发明的第五实施方式的带散热器的功率模块用基板的功率模 块的简要说明图。

图24是表示本发明的第五实施方式的带散热器的功率模块用基板的制造方 法的流程图。

图25是表示本发明的第五实施方式的带散热器的功率模块用基板的制造方 法的说明图。

图26是表示本发明的第五实施方式的带散热器的功率模块用基板的制造方 法的说明图。

图27是表示本发明的第六实施方式的功率模块用基板的电路层及金属层的 添加元素(Ge)的浓度分布的说明图。

图28是表示本发明的第七实施方式的功率模块用基板的电路层及金属层的 添加元素(Mg)的浓度分布的说明图。

图29是表示本发明的第八实施方式的功率模块用基板的电路层及金属层的 添加元素(Zn)的浓度分布的说明图。

图30是表示本发明的第九实施方式的带散热器的功率模块用基板的金属层 及散热器的添加元素(Ge)的浓度分布的说明图。

图31是本发明的其他实施方式的使用带散热器的功率模块用基板的功率模 块的简要说明图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

首先，利用图1～图6说明本发明的第一实施方式。

图1所示的功率模块1具备有：功率模块用基板10，配设有电路层12；半 导体芯片3，通过焊层2接合于电路层12的表面；及散热器4。在此，焊层2 例如为Sn-Ag系、Sn-In系、或者Sn-Ag-Cu系的焊料。另外，在本实施方式中， 电路层12与焊层2之间设置有Ni镀层(未图示)。

功率模块用基板10具备有：陶瓷基板11；电路层12，配设于该陶瓷基板 11的一面(在图1中为上表面)；及金属层13，配设于陶瓷基板11的另一面 (在图1中为下表面)。

陶瓷基板11是防止电路层12与金属层13之间的电连接的基板，由绝缘性 高的AlN(氮化铝)构成。并且，陶瓷基板11的厚度设定在0.2～1.5mm的范 围内，在本实施方式中设定为0.635mm。另外，如图1所示，在本实施方式中， 陶瓷基板11的宽度(图1的左右方向长度)设定为宽于电路层12及金属层13 的宽度。

电路层12通过在陶瓷基板11的一面接合具有导电性的金属板22而形成。 在本实施方式中，形成电路层12的金属板22是纯度为99.99％以上的铝(所谓 4N铝)轧制板。

金属层13通过在陶瓷基板11的另一面接合金属板23而形成。在本实施方 式中，形成金属层13的金属板23是纯度为99.99％以上的铝(所谓4N铝)轧 制板。

散热器4用于冷却上述功率模块用基板10。该散热器4具备有：顶板部5， 与功率模块用基板10相接合；及流路6，用于使冷却介质(例如冷却水)流通。 散热器4的顶板部5优选由热传导性良好的材质构成，在本实施方式中，由A6063 (铝合金)构成。

并且，在本实施方式中，散热器4的顶板部5与金属层13之间设置有缓冲 层15。该缓冲层15由铝或铝合金或者含有铝的复合材料(例如AlSiC等)构成。

而且，如图2所示，在陶瓷基板11与电路层12(金属板22)及金属层13 (金属板23)的接合界面30中，在电路层12(金属板22)及金属层13(金属 板23)中，除了Ag之外，还固溶有选自Zn、Ge、Mg、Ca、Ga及Li中的一种 或两种以上的元素作为添加元素。

在电路层12及金属层13的接合界面30的附近处形成有Ag和选自Zn、Ge、 Mg、Ca、Ga及Li中的一种或两种以上的元素浓度随着从接合界面30沿层压方 向离开而逐渐降低的浓度倾斜层33。电路层12及金属层13的接合界面30附近 的Ag浓度及选自Zn、Ge、Mg、Ca、Ga及Li中的一种或两种以上的元素的总 计浓度设定在0.05质量％以上10质量％以下的范围内。

在本实施方式中，除了Ag之外还固溶有Ge作为添加元素，且电路层12 及金属层13的接合界面30附近的Ag浓度和Ge浓度的总计设定在0.05质量％ 以上10质量％以下。

另外，电路层12及金属层13的接合界面30附近的Ag浓度及Ge浓度是通 过EPMA分析(斑点直径30μm)在距离接合界面30的50μm位置进行5点测 定的平均值。并且，图2的图表是在电路层12(金属板22)及金属层13(金属 板23)的中央部分在层压方向上进行线性分析，并将所述50μm位置处的浓度 作为基准而求出的图表。

并且，在透射电子显微镜中观察陶瓷基板11与电路层12(金属板22)及 金属层13(金属板23)的接合界面30时，如图3所示，在接合界面30形成有 浓缩Ag的Ag高浓度部32。在该Ag高浓度部32中，Ag浓度是电路层12(金 属板22)及金属层13(金属板23)中的Ag浓度的2倍以上。另外，该Ag高 浓度部32的厚度H为4nm以下。

进而，在该Ag高浓度部32中，氧浓度比陶瓷基板11中的氧浓度高。

另外，如图3所示，在此观察的接合界面30中，将电路层12(金属板22) 及金属层13(金属板23)的晶格像的界面侧端部与陶瓷基板11的晶格像的接 合界面侧端部之间的中央设为基准面S。并且，电路层12(金属板22)及金属 层13(金属板23)中的Ag浓度是指，距离电路层12(金属板22)及金属层 13(金属板23)中的接合界面30一定距离(本实施方式中为5nm以上)的那 部分(图3中A点)的Ag浓度。

并且，陶瓷基板11中的氧浓度是指，距离陶瓷基板11中的接合界面30一 定距离(本实施方式中为5nm以上)的那部分(图3中C点)的晶粒内的氧浓 度。

并且，通过能量分散型X射线分析法(EDS)分析该接合界面30(图3中 B点)时的Al、Ag、O、N的质量比为Al∶Ag∶O∶N＝50～90质量％∶1～30质量％∶1～10 质量％∶25质量％以下。进行基于EDS的分析时的斑点直径为1～4nm。在多个点 (例如在本实施方式中为20个点)测定接合界面30，算出其平均值。而且，没 有将构成电路层12和金属层13的金属板22、23的晶界与陶瓷基板11的接合 界面30作为测定对象，仅将构成电路层12和金属层13的金属板22、23的晶 粒与陶瓷基板11的接合界面30作为测定对象。

以下，参照图4至图6对本发明第一实施方式的功率模块用基板10的制造 方法进行说明。

(固着工序S01)

首先，如图5及图6所示，通过溅射，在金属板22、23的各接合面固着 Ag和选自Zn、Ge、Mg、Ca、Ga及Li中的一种或两种以上的元素作为添加元 素，形成固着层24、25。

在此，在本实施方式中，使用Ag和Ge作为添加元素。固着层24、25中的 Ag量设定在0.01mg/cm²以上10mg/cm²以下。Ge量设定在0.01mg/cm²以上 10mg/cm²以下。

(层压工序S02)

接着，如图5所示，将金属板22层压在陶瓷基板11的一面侧。并且，将 金属板23层压在陶瓷基板11的另一面侧。此时，如图5及图6所示，以金属 板22、23中形成有固着层24、25的面朝向陶瓷基板11的方式层压。即，在金 属板22与陶瓷基板11之间介入有固着层24(Ag及Ge)，金属板23与陶瓷基 板11之间介入有固着层25(Ag及Ge)。如此形成层压体20。

(加热工序S03)

接着，将在层压工序S02中形成的层压体20以向其层压方向加压(压力为 1～35kgf/cm²)的状态下装入真空加热炉内进行加热。由此，如图6所示，在金 属板22与陶瓷基板11的界面形成熔融金属区域26，在金属板23与陶瓷基板 11的界面形成熔融金属区域27。如图6所示，该熔融金属区域26、27是通过 如下而形成的：固着层24、25的Ag及Ge向金属板22、23扩散，从而金属板 22、23的固着层24、25附近的Ag浓度及Ge浓度上升，熔点降低，由此来形 成熔融金属区域26、27。另外，上述压力不到1kgf/cm²时，有可能无法良好地 进行陶瓷基板11与金属板22、23的接合。并且，上述压力超过35kgf/cm²时， 金属板22、23有可能变形。从而，上述加压压力优选设在1～35kgf/cm²的范围 内。

在此，本实施方式中，真空加热炉内的压力设定在10^-3～10^-6Pa的范围内， 加热温度设定在550℃以上650℃以下的范围内。

(凝固工序S04)

接着，在形成有熔融金属区域26、27的状态下将温度保持为恒定。这样， 熔融金属区域26、27中的Ag及Ge进一步向金属板22、23侧扩散。由此，曾 为熔融金属区域26、27的部分的Ag浓度及Ge浓度逐渐降低，熔点上升，在将 温度保持为恒定的状态下进行凝固。即，陶瓷基板11和金属板22、23通过所 谓扩散接合(Transient Liquid Phase Diffusion Bonding)而接合。如此，进行凝 固之后冷却至常温。

如此，成为电路层12及金属层13的金属板22、23与陶瓷基板11接合， 制造出本实施方式的功率模块用基板10。

在如以上构成的本实施方式的功率模块用基板10及功率模块1中，由于具 备有在金属板22、23的接合面固着Ag及Ge的固着工序S01，所以在金属板 22、23与陶瓷基板11的接合界面30介入有Ag及Ge。在此，由于Ag及Ge 为降低铝的熔点的元素，因此在较低温的条件下，也能够在金属板与陶瓷基板 的界面形成熔融金属区域。

进而，通过固着层24、25的Ag及Ge向金属板22、23扩散来接合陶瓷基 板11与电路层12(金属板22)及金属层13(金属板23)，因此即使在较低温、 短时间的接合条件下接合，也能够牢固接合陶瓷基板11与金属板22、23。

并且，在陶瓷基板11与电路层12(金属板22)及金属层13(金属板23) 的接合界面30中，在电路层12(金属板22)及金属层13(金属板23)固溶有 Ag及Ge。而且，电路层12及金属层13的各接合界面30侧的Ag及Ge总计浓 度设定在0.05质量％以上10质量％以下。因此，电路层12(金属板22)及金属 层13(金属板23)的接合界面30侧的部分固溶强化，能够防止电路层12(金 属板22)及金属层13(金属板23)中的龟裂的产生。

并且，在加热工序S03中Ag及Ge充分向金属板22、23侧扩散，以牢固 接合金属板22、23和陶瓷基板11。

另外，在本实施方式中，陶瓷基板11由AlN构成，成为电路层12和金属 层13的在金属板22、23与陶瓷基板11的接合界面30形成有浓缩Ag的Ag高 浓度部32。该Ag高浓度部32的Ag浓度成为电路层12(金属板22)及金属层 13(金属板23)中的Ag浓度的2倍以上，因此能够通过存在于界面附近的Ag 原子实现陶瓷基板与金属板的接合强度的提高。另外，该Ag高浓度部32的厚 度为4nm以下，因此能抑制通过负荷热循环时的应力导致在Ag高浓度部32中 产生裂纹。

进而，本实施方式中通过能量分散型X射线分析法分析接合界面30时的 Al、Ag、O、N的质量比为Al∶Ag∶O∶N＝50～90质量％∶1～30质量％∶1～10质量％∶25 质量％以下，因此能够防止在接合界面30中Al与Ag的反应产物生成过多而阻 碍接合的问题，同时可以充分起到由于Ag原子实现的接合强度的提高效果。并 且，防止接合界面30中存在厚的氧浓度高的部分，可抑制负荷热循环时的裂纹 的产生。

并且，无需在金属板的接合面使用制造困难的Al-Si系的钎料箔，能够以低 成本制造功率模块用基板10。进而，无需进行钎料箔的对位作业等，就能够切 实接合陶瓷基板11与金属板22、23。从而，能够有效制造出该功率模块用基板 10。

而且，由于在金属板22、23的接合面形成有固着层24、25，由此介入于金 属板22、23与陶瓷基板11的界面的氧化被膜只存在于金属板22、23的表面， 因此能够提高初始接合的合格率。

接着，参照图7至图11对本发明的第二实施方式进行说明。

图7所示的功率模块101具备有：功率模块用基板110，配设有电路层112； 半导体芯片3，通过焊层2接合于电路层112的表面；及散热器140。

功率模块用基板110具备有：陶瓷基板111；电路层112，配设于该陶瓷基 板111的一面(在图7中为上表面)；及金属层113，配设于陶瓷基板111的另 一面(在图7中为下表面)。

陶瓷基板111由绝缘性高的Al₂O₃(氧化铝)构成。并且，陶瓷基板111的 厚度设定在0.2～1.5mm的范围内，在本实施方式中设定为0.635mm。

电路层112通过在陶瓷基板111的一面接合具有导电性的第一金属板122 而形成。

金属层113通过在陶瓷基板111的另一面接合第二金属板123而形成。

在本实施方式中，第一金属板122和第二金属板123是纯度为99.99％以上 的铝轧制板。

散热器140用于冷却所述功率模块用基板110。该散热器140具备有：顶板 部141，与功率模块用基板110相接合；及流路142，用于使冷却介质流通。散 热器140的顶板部141优选由热传导性良好的材质构成，在本实施方式中，由 A6063(铝合金)构成。

在本实施方式中，散热器140的顶板部141与金属层113之间设置有缓冲 层115，该缓冲层115由铝或铝合金或者含有铝的复合材料(例如AlSiC等)构 成。

而且，如图8所示，在陶瓷基板111与电路层112(金属板122)及金属层 113(金属板123)的接合界面130中，在电路层112(金属板122)及金属层 113(金属板123)中，固溶有Ag。

具体来讲，在电路层112及金属层113的接合界面130的附近处形成有Ag 浓度随着从接合界面130向层压方向离开而逐渐降低的浓度倾斜层133。在此， 电路层112及金属层113的接合界面130附近的Ag浓度设定在0.05质量％以上 10质量％以下。

另外，电路层112及金属层113的接合界面130附近的Ag浓度是通过EPMA 分析(斑点直径30μm)在距离接合界面130的50μm位置进行5点测定的平均 值。并且，图8的图表是在电路层112(金属板122)及金属层113(金属板123) 的中央部分在层压方向上进行线性分析，并将所述50μm位置处的浓度作为基准 而求出的图表。

并且，在透射电子显微镜中观察陶瓷基板111与电路层112(金属板122) 及金属层113(金属板123)的接合界面130时，如图9所示，在接合界面130 形成有浓缩Ag的Ag高浓度部132。在该Ag高浓度部132中，Ag浓度是电路 层112(金属板122)及金属层113(金属板123)中的Ag浓度的2倍以上。另 外，该Ag高浓度部132的厚度H为4nm以下。

另外，如图9所示，在此观察的接合界面130中，将电路层112(金属板 122)及金属层113(金属板123)的晶格像的界面侧端部与陶瓷基板111的晶 格像的接合界面侧端部之间的中央设为基准面S。并且，电路层112(金属板122) 及金属层113(金属板123)中的Ag浓度是指，距离电路层112(金属板122) 及金属层113(金属板123)中的接合界面130一定距离(本实施方式中为5nm 以上)的部分的Ag浓度。

并且，通过能量分散型X射线分析法(EDS)分析该接合界面130时的Al、 Ag、O的质量比为Al∶Ag∶O＝50～90质量％∶1～30质量％∶45质量％以下。另外， 进行基于EDS的分析时的斑点直径为1～4nm。在多个点(例如在本实施方式中 为20个点)测定接合界面130，算出其平均值。而且，没有将构成电路层112 和金属层113的金属板122、123的晶界与陶瓷基板111的接合界面130作为测 定对象，仅将构成电路层112和金属层113的金属板122、123的晶粒与陶瓷基 板111的接合界面130作为测定对象。

以下，参照图10及图11对上述构成的功率模块用基板的制造方法进行说 明。

(Ag浆料涂布工序S101)

首先，如图11所示，通过网版印刷在陶瓷基板111的一面及另一面涂布 Ag浆料，形成Ag浆料层124a、125a。另外，Ag浆料层124a、125a的厚度干 燥后约为0.02～200μm。

将该Ag浆料层124a、125a加热至150～200℃除去溶剂之后，在300～500℃ 下进行烧成，对分解Ag浆料层进行烧成。

在此使用的Ag浆料含有Ag粉末、树脂、溶剂和分散剂。而且，Ag粉末的 含量为Ag浆料整体的60质量％以上90质量％以下，剩余部分为树脂、溶剂和 分散剂。另外，Ag粉末的含量设为Ag浆料整体的85质量％。

并且，本实施方式中，Ag浆料的粘度调整为10Pa·s以上500Pa·s以下，更 优选调整为50Pa·s以上300Pa·s以下。

Ag粉末的粒径为0.05μm以上1.0μm以下，本实施方式中使用平均粒径为 0.8μm的Ag粉末。

溶剂适合沸点为200℃以上的溶剂，例如可以使用α-萜品醇、丁基卡必醇乙 酸酯、二甘醇二丁醚等。并且，本实施方式中，使用二甘醇二丁醚。

树脂是调整Ag浆料粘度，适合在500℃以上分解的树脂。例如，可以适用 丙烯酸树脂、醇酸树脂等。本实施方式中使用乙基纤维素。

另外，本实施方式中添加二羧酸类的分散剂。而且，也可以不添加分散剂 来构成Ag浆料。

(层压工序S102)

接着，将金属板122层压在陶瓷基板111的一面侧。并且，将金属板123 层压在陶瓷基板111的另一面侧。

(加热工序S103)

接着，将金属板122、陶瓷基板111和金属板123在层压方向加压(压力为 1～35kgf/cm²)的状态下装入真空加热炉内进行加热。此时，在升温过程中，在 400～500℃的时点除去分解Ag浆料层内的树脂，形成Ag烧成层124、125。该 Ag烧成层124、125形成本实施方式中的Ag固着层。

而且，通过进一步加热，Ag烧成层124、125的Ag向着金属板122、123 扩散，在金属板122、123与陶瓷基板111的界面分别形成熔融金属区域。在此， 本实施方式中，真空加热炉内的压力设定在10^-6Pa以上10^-3Pa以下，加热温度 设定在600℃以上650℃以下。

(凝固工序S104)

接着，在形成有熔融金属区域的状态下将温度保持为恒定，熔融金属区域 中的Ag进一步向金属板122、123扩散。由此，曾为熔融金属区域的部分的Ag 浓度逐渐降低，熔点上升，在温度保持为恒定的状态下进行凝固。即，陶瓷基 板111与金属板122、123通过所谓扩散接合(Transient Liquid Phase Diffusion  Bonding)而接合。如此，进行凝固之后冷却至常温。

如此，制造出功率模块用基板110。

在成为如以上构成的本实施方式的功率模块用基板110和功率模块101中， 陶瓷基板111与电路层112(金属板122)使形成在陶瓷基板111的一面的Ag 烧成层124的Ag向着金属板122扩散而接合。另外，陶瓷基板111与金属层 113(金属板123)使形成在陶瓷基板111的另一面的Ag烧成层125的Ag向着 金属板123扩散而接合。因此，即使在比较低温、短时间的接合条件下接合， 也能够牢固接合陶瓷基板111与金属板122、123。

另外，在陶瓷基板111与电路层112的接合界面及陶瓷基板111与金属层 113的接合界面130中，电路层112及金属层113中固溶有Ag。于是，电路层 112及金属层113的各自的接合界面130侧的Ag浓度设定为0.05质量％以上10 质量％以下，由此，电路层112及金属层113的接合界面130侧的部分固溶强化， 可以防止电路层112及金属层113中的龟裂的产生。

另外，在本实施方式中，陶瓷基板111由Al₂O₃构成，在成为电路层112和 金属层113的金属板122、123与陶瓷基板111的接合界面130形成有浓缩Ag 的Ag高浓度部132。而且，该Ag高浓度部132的Ag浓度成为电路层112及金 属层113中的Ag浓度的2倍以上，因此能够通过存在于界面附近的Ag原子实 现陶瓷基板和金属板的接合强度的提高。另外，该Ag高浓度部132的厚度为 4nm以下，因此能抑制通过负荷热循环时的应力导致在Ag高浓度部132中产生 裂纹。

进而，本实施方式中通过能量分散型X射线分析法分析该接合界面130时 的Al、Ag、O的质量比为Al∶Ag∶O＝50～90质量％∶1～30质量％∶45质量％以下， 因此能够防止在接合界面130中Al与Ag的反应产物生成过多而阻碍接合的问 题。另外，可以充分起到基于Ag原子的接合强度的提高效果。

另外，本实施方式中，将烧成Ag浆料层124a、125a的Ag烧成层124、125 作为Ag固着层，因此可以在陶瓷基板111与金属板122、123之间切实地介入 Ag。另外，该Ag浆料即使在大气气氛中加热而烧成也不会使Ag氧化，因此可 以比较容易地形成Ag烧成层124、125。

接着，参照图12至图17对本发明的第三实施方式进行说明。

图12所示的功率模块201具备有：功率模块用基板210，配设有电路层212； 半导体芯片3，通过焊层2接合于电路层212的表面；及散热器240。

功率模块用基板210具备有：陶瓷基板211；电路层212，配设于该陶瓷基 板211的一面(在图12中为上表面)；及金属层213，配设于陶瓷基板211的 另一面(在图12中为下表面)。

陶瓷基板211由绝缘性高的Si₃N₄(氮化硅)构成。并且，陶瓷基板211的 厚度设定在0.2～1.5mm的范围内，在本实施方式中设定为0.32mm。

电路层212通过在陶瓷基板211的一面接合具有导电性的第一金属板222 而形成。

金属层213通过在陶瓷基板211的另一面接合第二金属板223而形成。

在本实施方式中，第一金属板222和第二金属板223是纯度为99.99％以上 的铝轧制板。

本实施方式的散热器240具备有：顶板部241，与功率模块用基板210相接 合；底板部245，与该顶板部241相对配置；及波纹状散热片246，介入在顶板 部241与底板部245之间而安装。通过顶板部241、底板部245和波纹状散热片 246分成流通冷却介质的流路242。

该散热器240通过顶板部241与波纹状散热片246、波纹状散热片246与底 板部245分别被钎焊而形成。本实施方式中，如图17所示，顶板部241及底板 部245由层压铝板构成，该层压铝板层压基材层241A、245A和由熔点低于基 材层241A、245A的材料构成的接合层241B、245B而成，以接合层241B、245B 向着波纹状散热片246侧的方式配设顶板部241及底板部245。

本实施方式中，基材层241A、245A由A3003合金构成，接合层241B、245B 由A4045合金构成。

如图13所示，在陶瓷基板211与电路层212(金属板222)及金属层213(金 属板223)的接合界面230，电路层212(金属板222)及金属层213(金属板223) 中固溶有Ag。

具体来讲，在电路层212及金属层213的接合界面230的附近处形成有Ag 浓度随着从接合界面230向层压方向离开而逐渐降低的浓度倾斜层233。在此， 电路层212及金属层213的接合界面230附近的Ag浓度设定在0.05质量％以上 10质量％以下。

电路层212及金属层213的接合界面230附近的Ag浓度是通过EPMA分 析(斑点直径30μm)在距离接合界面230的50μm位置进行5点测定的平均值。 图13的图表是在电路层212(金属板222)及金属层213(金属板223)的中央 部分在层压方向上进行线性分析，并将所述50μm位置处的浓度作为基准而求出 的图表。

在透射电子显微镜中观察陶瓷基板211与电路层212(金属板222)及金属 层213(金属板223)的接合界面230时，如图14所示，在接合界面230形成 有浓缩Ag的Ag高浓度部232。在该Ag高浓度部232中，Ag浓度为电路层212 (金属板222)及金属层213(金属板223)中的Ag浓度的2倍以上。另外， 该Ag高浓度部232的厚度H为4nm以下。

进而，在该Ag高浓度部232中，氧浓度比陶瓷基板211中的氧浓度高。

另外，如图14所示，在此观察的接合界面230中，将电路层212(金属板 222)及金属层213(金属板223)的晶格像的界面侧端部与陶瓷基板211的晶 格像的接合界面侧端部之间的中央设为基准面S。并且，电路层212(金属板222) 及金属层213(金属板223)中的Ag浓度是指，距离电路层212(金属板222) 及金属层213(金属板223)中的接合界面230一定距离(本实施方式中为5nm 以上)的部分的Ag浓度。

并且，陶瓷基板211中的氧浓度是指，距离陶瓷基板211中的接合界面230 一定距离(本实施方式中为5nm以上)的部分的晶粒内的氧浓度。

并且，通过能量分散型X射线分析法(EDS)分析该接合界面230时的Al、 Si、Ag、O、N的质量比为Al∶Si∶Ag∶O∶N＝15～45质量％∶15～45质量％∶1～30质量 ％∶1～10质量％∶25质量％以下。进行基于EDS的分析时的斑点直径为1～4nm。 在多个点(例如在本实施方式中为20个点)测定接合界面230，算出其平均值。 而且，没有将构成电路层212和金属层213的金属板222、223的晶界与陶瓷基 板211的接合界面230作为测定对象，仅将构成电路层212和金属层213的金 属板222、223的晶粒与陶瓷基板211的接合界面230作为测定对象。

以下，参照图15及图17对上述构成的带散热器的功率模块用基板的制造 方法进行说明。

(Ag浆料涂布工序S201)

首先，如图16所示，通过喷枪或喷墨印刷在陶瓷基板211的一面及另一面 涂布Ag浆料，形成Ag浆料层224a、225a。Ag浆料层224a、225a的厚度干燥 后约为0.02～200μm。

在此使用的Ag浆料含有Ag粉末、溶剂和分散剂。Ag粉末的含量为Ag浆 料整体的60质量％以上90质量％以下，剩余部分为溶剂和分散剂。本实施方式 中，Ag粉末的含量设为Ag浆料整体的85质量％。

本实施方式中，Ag浆料的粘度调整为10Pa·s以上500Pa·s以下，更优选调 整为50Pa·s以上300Pa·s以下。

Ag粉末的粒径为0.02μm以上0.04μm以下，本实施方式中使用平均粒径为 0.03μm的Ag粉末。

溶剂适合沸点为200℃以上的溶剂。例如可以使用α-萜品醇、丁基卡必醇乙 酸酯、二甘醇二丁醚等。本实施方式中，使用二甘醇二丁醚。

另外，本实施方式中添加二羧酸类的分散剂。而且，也可以不添加分散剂 来构成Ag浆料。

(Ag浆料烧成工序S202)

接着，将形成有Ag浆料层224a、225a的陶瓷基板211在大气气氛下加热 至150～200℃，形成Ag烧成层224、225。本实施方式中，该Ag烧成层224、 225形成Ag固着层。

(层压工序S203)

接着，将金属板222层压在陶瓷基板211的一面侧。并且，将金属板223 层压在陶瓷基板211的另一面侧。

(加热工序S204)

接着，将金属板222、陶瓷基板211和金属板223在层压方向加压(压力为 1～35kgf/cm²)的状态下装入真空加热炉内进行加热。这样，通过Ag烧成层224、 225的Ag向着金属板222、223扩散，在金属板222、223与陶瓷基板211的界 面形成熔融金属区域。

在此，本实施方式中，真空加热炉内的压力设定在10^-6Pa以上10^-3Pa以下， 加热温度设定在600℃以上650℃以下。

(凝固工序S205)

接着，在形成有熔融金属区域的状态下将温度保持为恒定，熔融金属区域 中的Ag向金属板222、223扩散。由此，曾为熔融金属区域的部分的Ag浓度 逐渐降低，熔点上升，在温度保持为恒定的状态下进行凝固。即，陶瓷基板211 与金属板222、223通过所谓扩散接合(Transient Liquid Phase Diffusion Bonding) 而接合。如此，进行凝固之后冷却至常温。

如此，制造出功率模块用基板210。

(散热器层压工序S206)

接着，在功率模块用基板210的金属层213的另一面侧，层压顶板部241、 波纹状散热片246和底板部245。此时，在金属层213与顶板部241之间介入 Ag固着层226。本实施方式中，Ag固着层226通过溅射、电镀并网版印刷Ag 浆料形成在金属层213的另一面。

另外，以顶板部241的接合层241B及底板部245的接合层245B向着波纹 状散热片246侧的方式层压顶板部241及底板部245。

(散热器加热工序S207)

接着，在层压方向上对被层压的功率模块用基板210、顶板部241、波纹状 散热片246及底板部245进行加压(压力1～35kgf/cm²)的状态下，装入到气氛 加热炉内进行加热。通过Ag固着层226的Ag向着金属层213和顶板部241扩 散，在金属层213与散热器240的顶板部241之间形成熔融金属区域。同时， 顶板部241与波纹状散热片246、底板部245与波纹状散热片246之间通过熔融 接合层241B、245B形成熔融金属区域。

在此，本实施方式中，气氛加热炉内为氮气气氛，加热温度设定为550℃以 上630℃以下的范围内。

(熔融金属凝固工序S208)

通过进行冷却，形成在金属层213和散热器240的顶板部241之间的熔融 金属区域凝固，接合金属层213和顶板部241。另外，形成在顶板部241与波纹 状散热片246、底板部245与波纹状散热片246之间的熔融金属区域凝固，接合 顶板部241与波纹状散热片246、底板部245与波纹状散热片246。

由此，顶板部241、波纹状散热片246和底板部245被钎焊而形成散热器 240。接合该散热器240与功率模块用基板210来制造带散热器的功率模块用基 板。

在成为如以上构成的本实施方式的功率模块用基板210和功率模块201中， 陶瓷基板211与电路层212(金属板222)及金属层213(金属板223)使形成 在陶瓷基板211的一面及另一面的Ag烧成层224、225的Ag向着金属板222、 223扩散而接合，因此即使在比较低温、短时间的接合条件下，也能够牢固接合 陶瓷基板211与金属板222、223。

另外，在本实施方式中，在成为电路层212和金属层213的金属板222、223 与陶瓷基板211的接合界面230上形成有浓缩Ag的Ag高浓度部232。而且， 该Ag高浓度部232的Ag浓度成为电路层212及金属层213中的Ag浓度的2 倍以上。因此，能够通过存在于界面附近的Ag原子实现陶瓷基板211与金属板 222、223的接合强度的提高。另外，该Ag高浓度部232的厚度为4nm以下， 因此可抑制通过负荷热循环时的应力导致在Ag高浓度部232中产生裂纹。

进而，本实施方式中通过能量分散型X射线分析法分析接合界面230时的 Al、Si、Ag、O、N的质量比为Al∶Si∶Ag∶O∶N＝15～45质量％∶15～45质量％∶1～30 质量％∶1～10质量％∶25质量％以下，因此能够防止在接合界面230中Al与Ag 的反应产物生成过多而阻碍接合的问题。另外，可以充分起到基于Ag原子的接 合强度的提高效果。并且，防止接合界面230中存在厚的氧浓度高的部分，可 抑制负荷热循环时的裂纹的产生。

另外，本实施方式中，将烧成Ag浆料层224a、225a的Ag烧成层224、225 作为Ag固着层，因此可以在陶瓷基板211与金属板222、223之间切实地介入 Ag。另外，该Ag浆料即使在大气气氛中加热而烧成也不会使Ag氧化，因此可 以比较容易地形成Ag烧成层224、225。

而且，本实施方式中，使用粒径为0.02μm以上0.04μm以下的Ag粒子，并 使用不含有树脂的Ag浆料，因此能够在200℃左右的低温下对Ag浆料层224a、 225a进行烧成形成Ag烧成层224、225。

接着，参照图18至图22对本发明的第四实施方式进行说明。

图18所示的功率模块301具备有：功率模块用基板310，配设有电路层312； 半导体芯片3，通过焊层2接合于电路层312的表面；及散热器340。

功率模块用基板310具备有：陶瓷基板311；电路层312，配设于该陶瓷基 板311的一面(在图18中为上表面)；及金属层313，配设于陶瓷基板311的 另一面(在图18中为下表面)。

陶瓷基板311由绝缘性高的AlN(氮化铝)构成。并且，陶瓷基板311的 厚度设定在0.2～1.5mm的范围内，在本实施方式中设定为0.635mm。

电路层312通过在陶瓷基板311的一面接合具有导电性的第一金属板322 而形成。

金属层313通过在陶瓷基板311的另一面接合第二金属板323而形成。

在本实施方式中，第一金属板322和第二金属板323是纯度为99.99％以上 的铝轧制板。

散热器340用于冷却所述功率模块用基板310。该散热器340具备有：顶板 部341，与功率模块用基板310相接合；及流路342，用于使冷却介质(例如冷 却水)流通。散热器340的顶板部341优选由热传导性良好的材质构成，在本 实施方式中，由A6063(铝合金)构成。

而且，在第二金属板323(金属层313)与散热器340的接合界面330中， 在金属层313(第二金属板323)与散热器340中固溶有Ag。

具体来讲，如图19所示，在金属层313与散热器340的接合界面330的附 近处形成有Ag浓度随着从接合界面330向层压方向离开而逐渐降低的浓度倾斜 层333、334。在此，金属层313与散热器340的接合界面330附近的Ag浓度 设定在0.05质量％以上10质量％以下。

金属层313与散热器340的接合界面330附近的Ag浓度是通过EPMA分 析(斑点直径30μm)在距离接合界面330的50μm位置进行5点测定的平均值。 并且，图19的图表是在金属层313(金属板323)和散热器340(顶板部341) 的宽度中央部分在层压方向上进行线性分析，并将所述50μm位置处的浓度作为 基准而求出的图表。

以下，参照图20至图22对上述构成的带散热器的功率模块用基板的制造 方法进行说明。

(Ag层形成工序S301/固着工序S311)

首先，如图21所示，通过溅射在形成电路层312的第一金属板322的一面 固着Ag而形成第一Ag层324。通过溅射在形成金属层313的第二金属板323 的一面固着Ag而形成第二Ag层325(固着工序S311)。

进而，通过溅射在形成金属层313的第二金属板323的另一面固着Ag而形 成Ag层326(Ag层形成工序S301)。

在此，本实施方式中，第一Ag层324、第二Ag层325及Ag层326中的 Ag量设定为0.01mg/cm²以上10mg/cm²以下。

(散热器层压工序S302/陶瓷基板层压工序S312)

接着，如图21所示，在陶瓷基板311的一面侧层压第一金属板322。另外， 在陶瓷基板311的另一面侧层压第二金属板323(陶瓷基板层压工序S312)。 此时，如图21所示，以第一金属板322的形成有第一Ag层324的面、第二金 属板323的形成有第二Ag层325的面向着陶瓷基板311的方式层压第一金属板 322和第二金属板323。

进而，在第二金属板323的另一面侧，层压散热器340(散热器层压工序 S302)。此时，如图21所示，以第二金属板323的形成有Ag层326的面向着 散热器340的方式层压第二金属板323与散热器340。

即，使第一Ag层324介入于第一金属板322与陶瓷基板311之间，使第二 Ag层325介入于第二金属板323与陶瓷基板311之间，使Ag层326介入于第 二金属板323与散热器340之间。

(散热器加热工序S303/陶瓷基板加热工序S313)

接着，在层压方向上对第一金属板322、陶瓷基板311、第二金属板323和 散热器340进行加压(压力1～35kgf/cm²)的状态下装入真空加热炉内进行加热。 通过第一Ag层324的Ag向着第一金属板322扩散，在第一金属板322与陶瓷 基板311的界面形成第一熔融金属区域327。通过第二Ag层325的Ag向着第 二金属板323扩散，在第二金属板323与陶瓷基板311的界面形成第二熔融金 属区域328。(陶瓷基板加热工序S313)

另外，同时在第二金属板323与散热器340之间形成熔融金属区域329(散 热器加热工序S303)。如图22所示，熔融金属区域329通过Ag层326的Ag 向着第二金属板323和散热器340扩散，第二金属板323和散热器340的Ag层 326附近的Ag浓度上升并熔点降低来形成。

本实施方式中，真空加热炉内的压力设定为10^-6Pa以上10^-3Pa以下，加热 温度设定为600℃以上650℃以下。

(熔融金属凝固工序S304/第一熔融金属及第二熔融金属凝固工序S314)

接着，在形成有熔融金属区域329的状态下将温度保持为一定。这样，熔 融金属区域329中的Ag进一步向着第二金属板323和散热器340扩散。由此， 曾为熔融金属区域329的部分的Ag浓度渐渐降低，熔点上升，并在将温度保持 为一定的状态下进行凝固。即，散热器340与第二金属板323通过所谓扩散接 合(Transient Liquid Phase Diffusion Bonding)而接合。

同样地，第一熔融金属区域327中的Ag进一步向着第一金属板322扩散。 另外，第二熔融金属区域328中的Ag进一步向着第二金属板323扩散。这样， 曾为第一熔融金属区域327、第二熔融金属区域328的部分的Ag浓度渐渐降低， 熔点上升，将温度保持为一定的状态下进行凝固。由此，接合陶瓷基板311与 第一金属板322、陶瓷基板311与第二金属板323。即，陶瓷基板311与第一金 属板322和第二金属板323通过所谓扩散接合(Transient Liquid Phase Diffusion  Bonding)而接合。如此进行凝固之后，冷却至常温。

如上所述，接合形成电路层312的第一金属板322与陶瓷基板311。接合形 成金属层313的第二金属板323与陶瓷基板311。接合第二金属板323与散热器 340。由此，制造本实施方式的带散热器的功率模块用基板。

如上所述构成的本实施方式中，在第二金属板323与散热器340的接合界 面330中介入有Ag。该Ag为降低Al的熔点的元素，因此可以在较低温条件下， 在散热器340与第二金属板323的界面形成熔融金属区域329。由此，即使在比 较低温、短时间的接合条件下接合，也能够牢固地接合散热器340与第二金属 板323。

而且，本实施方式在第一金属板322与陶瓷基板311的接合界面、第二金 属板323与陶瓷基板311的接合界面也有Ag介入，因此能够牢固地接合陶瓷基 板311与第一金属板322、陶瓷基板311与第二金属板323。

进而，通过使形成在第二金属板323的接合面的Ag层326的Ag向着第二 金属板323和散热器340扩散来接合散热器340与第二金属板323(金属层313)， 因此在较低温、短时间的接合条件下接合，也能够牢固地接合散热器340与第 二金属板323。

而且，本实施方式中，通过使形成在第一金属板322、第二金属板323的接 合面的第一Ag层324、第二Ag层325的Ag向着第一金属板322、第二金属板 323扩散来接合陶瓷基板311与第一金属板322(电路层312)及第二金属板323 (金属层313)，因此即使在较低温、短时间的接合条件下接合，也能够牢固地 接合陶瓷基板311与第一金属板322(电路层312)及第二金属板323(金属层 313)。

进而，在散热器340与第二金属板323的接合、以及陶瓷基板311与第一 金属板322及第二金属板323的接合中不使用钎料箔，因此无需进行钎料箔的 对位操作等。因此，能够以低成本效率良好地制出本实施方式的带散热器的功 率模块用基板。

而且，本实施方式中，同时进行陶瓷基板311与第一金属板322及第二金 属板323的接合、以及第二金属板323与散热器340的接合，因此可以大幅削 减它们的接合所需的成本。而且，对陶瓷基板311无需进行反复加热、冷却来 完成，因此可以实现该带散热器的功率模块用基板的翘曲的减少。

进而，Ag层形成工序S301中，通过溅射在第二金属板323的接合面固着 Ag来形成Ag层326，因此能够在散热器340与第二金属板323之间切实地介 入Ag。而且，可以精度良好地调整Ag的固着量，切实地形成熔融金属区域329， 能够牢固地接合散热器340与第二金属板323。

而且，本实施方式的带散热器的功率模块用基板中，在散热器340与第二 金属板323(金属层313)的接合界面330中，第二金属板323(金属层313) 和散热器340固溶有Ag，第二金属板323(金属层313)及散热器340的各自 的接合界面330侧的Ag浓度设定为0.05质量％以上10质量％以下。由此，第 二金属板323(金属层313)和散热器340的接合界面330侧的部分固溶强化， 可以防止第二金属板323(金属层313)和散热器340中的龟裂的产生。由此， 可以提供可靠性高的带散热器的功率模块用基板。

接着，使用图23至图26说明本发明的第五实施方式。

该功率模块401具备有：功率模块用基板410，配设有电路层412；半导体 芯片3，通过焊层2接合于电路层412的表面；及散热器440。

功率模块用基板410具备有：陶瓷基板411；电路层412，配设于该陶瓷基 板411的一面(在图23中为上表面)；及金属层413，配设于陶瓷基板411的 另一面(在图23中为下表面)。并且，陶瓷基板411由绝缘性高的AlN(氮化 铝)构成。

电路层412通过由纯度为99.99％以上的铝(所谓4N铝)轧制板形成的第 一金属板422与陶瓷基板411接合而形成。

金属层413通过由纯度为99.99％以上的铝(所谓4N铝)轧制板形成的第 二金属板423与陶瓷基板411接合而形成。

散热器440用于冷却上述功率模块用基板410。散热器440具备有：顶板部 441，与功率模块用基板410相接合；底板部445，与该顶板部441相对配置； 及波纹状散热片446，介入在顶板部441与底板部445之间而安装。通过顶板部 441、底板部445和波纹状散热片446分成流通冷却介质的流路442。

该散热器440通过顶板部441与波纹状散热片446、波纹状散热片446与底 板部445分别被钎焊而形成。本实施方式中，如图26所示，底板部445由层压 铝板构成，该层压铝板层压基材层445A和由熔点低于基材层445A的材料构成 的接合层445B而成。并且，本实施方式中，基材层445A由A3003合金构成， 接合层445B由A4045合金构成。

而且，在散热器440的顶板部441与第二金属板423(金属层413)的接合 界面，第二金属板423(金属层413)及顶板部441中固溶有Ag。

另外，在第一金属板422(电路层412)与陶瓷基板411的接合界面、及第 一金属板423(金属层413)及陶瓷基板411的接合界面中固溶有Ag。

以下，对上述构成的带散热器的功率模块用基板的制造方法进行说明。

(固着层形成工序S401)

首先，如图25所示，通过溅射在形成电路层412的第一金属板422的一面 固着Ag而形成第一Ag层424。而且，通过溅射在形成金属层413的第二金属 板423的一面固着Ag而形成第二Ag层425。进而，在第二金属板423的另一 面通过溅射固着Ag而形成Ag层426。

在此，本实施方式中，第一Ag层424、第二Ag层425、Ag层426中的Ag 量设定为0.01mg/cm²以上10mg/cm²以下。

(层压工序S402)

接着，在陶瓷基板411的一面侧层压第一金属板422。在陶瓷基板411的另 一面侧层压第二金属板423。此时，如图25所示，以第一金属板422的形成有 第一Ag层424的面、第二金属板423的形成有第二Ag层425的面向着陶瓷基 411的方式层压第一金属板422及第二金属板423。

进而，在第二金属板423的形成有Ag层426的面侧层压配置顶板部441。

(加热工序S403)

接着，在层压方向上对第一金属板422、陶瓷基板411、第二金属板423与 顶板部441进行加压(压力1～35kgf/cm²)的状态下装入真空加热炉内进行加热。 通过第一Ag层424的Ag向着第一金属板422扩散，在第一金属板422与陶瓷 基板411的界面形成第一熔融金属区域427。而且，通过第二Ag层425的Ag 向着第二金属板423扩散，在第二金属板423与陶瓷基板411的界面形成第二 熔融金属区域428。进而，通过Ag层426的Ag向着第二金属板423及顶板部 441扩散，在第二金属板423与顶板部441之间形成熔融金属区域429。

在此，本实施方式中，真空加热炉内的压力设定为10^-6Pa以上10^-3Pa以下， 加热温度设定为600℃以上650℃以下。

(熔融金属凝固工序S404)

接着，在形成有第一熔融金属区域427、第二熔融金属区域428的状态下将 温度保持为一定。第一熔融金属区域427中的Ag向着第一金属板422扩散。第 二熔融金属区域428中的Ag向着第二金属板423扩散。曾为第一熔融金属区域 427、第二熔融金属区域428的部分的Ag浓度渐渐降低，熔点上升，将温度保 持为一定的状态下进行凝固。由此，接合陶瓷基板411与第一金属板422及第 二金属板423。

而且，在形成有熔融金属区域429的状态下将温度保持为一定。熔融金属 区域429中的Ag向着第二金属板423及顶板部441扩散。曾为熔融金属区域 429的部分的Ag浓度渐渐降低，熔点上升，将温度保持为一定的状态下进行凝 固。由此，接合第二金属板423与顶板部441。

(散热片层压工序S405)

接着，如图26所示，在顶板部441的另一面侧层压钎料箔447(例如、 Al-10％Si合金箔等低熔点铝合金箔)、波纹状散热片446和底板部445。此时， 以底板部445的接合层445B向着波纹状散热片446侧的方式层压底板部445。 而且，顶板部441与波纹状散热片446、底板部445与波纹状散热片446之间介 入例如KAlF₄为主要成分的焊剂(未图示)。

(钎焊工序S406)

接着，在层压方向上对顶板部441、波纹状散热片446和底板部445进行加 压(压力1～35kgf/cm²)的状态下，装入气氛加热炉内进行加热。于是，在顶板 部441与波纹状散热片446之间形成使钎料箔447熔融而成的熔融金属层。另 外，在底板部445与波纹状散热片446之间形成使接合层445B熔融而成的熔融 金属层。

在此，本实施方式中，气体加热炉内为氮气气氛，加热温度设定为550℃以 上630℃以下的范围内。

通过冷却，使形成在顶板部441与波纹状散热片446之间的熔融金属层凝 固，对顶板部441与波纹状散热片446进行钎焊。另外，使形成在底板部445 与波纹状散热片446之间的熔融金属层凝固，对底板部445与波纹状散热片446 进行钎焊。此时，顶板部441、波纹状散热片446、底板部445的表面形成有氧 化被膜，但通过上述焊剂除去该氧化被膜。

由此，制造本实施方式的带散热器的功率模块用基板。

如上所述构成的本实施方式的带散热器的功率模块用基板、带散热器的功 率模块用基板的制造方法中，在散热器440的顶板部441与第二金属板423(金 属层413)之间固着Ag，因此可以通过向着顶板部441和第二金属板423扩散 该Ag来接合散热器440的顶板部441与功率模块用基板410，因此即使在较低 温条件下，也能够切实地接合散热器440的顶板部441与功率模块用基板410。

以下，参照图1及图27说明本发明的第六实施方式。

除了固溶在电路层12(金属板22)及金属层13(金属板23)的添加元素 不同以外，第六实施方式的功率模块与第一实施方式相同。因此，省略共同部 分的说明，使用图1及其符号来说明不同点。

第六实施方式的功率模块1，在图1中，电路层12(金属板22)与金属层 13(金属板23)中固溶有总计浓度为0.01质量％以上5质量％以下的范围内的 选自Zn，Ge，Mg，Ca，Ga和Li中的一种或两种以上的添加元素。

在电路层12及金属层13的接合界面30附近，形成有在层压方向上随着自 接合界面30离开添加元素浓度逐渐降低的浓度倾斜层33。在此，本实施方式中， 使用Ge作为添加元素，电路层12及金属层13的接合界面30附近的Ge浓度设 定为0.01质量％以上5质量％以下。图27中示出电路层12及金属层13的添加 元素(Ge)的浓度分布。

另外，在该接合界面30中观察到浓缩添加元素(Ge)的添加元素高浓度部。

在该添加元素高浓度部中，添加元素浓度(Ge浓度)为电路层12(金属板 22)及金属层13(金属板23)中的添加元素浓度(Ge浓度)的2倍以上。并且， 该添加元素高浓度部的厚度H为4nm以下。

进而，在添加元素高浓度部中，氧浓度高于陶瓷基板11中的氧浓度。

在此，添加元素浓度(Ge浓度)的定义与第一实施方式中的Ag浓度相同， 氧浓度也与第一实施方式中的定义相同。

通过能量分散型X射线分析法(EDS)分析该接合界面30时的Al、添加元 素(Ge)、O、N的质量比为Al∶添加元素(Ge)∶O∶N＝50～90质量％∶1～30质量 ％∶1～10质量％∶25质量％以下的范围内。另外，基于EDS的分析条件与第一实 施方式相同。

该功率模块用基板1通过与第一实施方式相同的方法制造。只是在固着工 序中，在金属板22、23的各自的接合面通过溅射固着0.01mg/cm²以上10mg/cm²以下的添加元素(Ge)。

如上所述构成的本实施方式中，Ge为降低铝熔点的元素，因此可以在较 低温条件下在金属板22、23与陶瓷基板11的界面形成熔融金属区域。

进而，即使在较低温、短时间的接合条件下接合陶瓷基板11与电路层 12(金属板22)及金属层13(金属板23)，也能够牢固地接合陶瓷基板11 与金属板22、23。

另外，在陶瓷基板11与电路层12(金属板22)及金属层13(金属板 23)的接合界面30中，通过Ge固溶强化，可以防止电路层12(金属板22) 及金属层13(金属板23)中的龟裂的产生。

另外，本实施方式中，成为电路层12和金属层13的在金属板22、23与陶 瓷基板11的接合界面30形成有浓缩添加元素(Ge)的添加元素高浓度部，因 此能够实现陶瓷基板11与金属板22、23的接合强度的提高。另外，该添加元 素高浓度部的厚度为4nm以下，因此能抑制通过负荷热循环时的应力导致在添 加元素高浓度部中产生裂纹。

进而，本实施方式中，接合界面30的Al∶添加元素(Ge)∶O∶N＝50～90质量 ％∶1～30质量％∶1～10质量％∶25质量％以下，因此能够防止添加元素存在过多而 阻碍接合的问题。可以充分起到基于添加元素原子(Ge原子)的接合强度的提 高效果。并且，防止接合界面30中存在厚的氧浓度高的部分，可抑制负荷热循 环时的裂纹的产生。

并且，由于在陶瓷基板11与金属板22、23的界面形成熔融金属区域，无 需使用Al-Si系的钎料箔，能够以低成本制造切实地接合金属板22、23与陶瓷 基板11的功率模块用基板10。

另外，本实施方式中，由于Ge量为0.01mg/cm²以上，因此可以在陶瓷基 板11与金属板22、23的界面切实地形成熔融金属区域。

进而，由于Ge量为10mg/cm²以下，因此可防止添加元素(Ge)过多地向 着金属板22、23扩散而使得界面附近的金属板22、23的强度变得过高。由此， 功率模块用基板10中负荷冷热循环时，热应力可由电路层12、金属层13吸收， 可防止陶瓷基板11的断裂等。

并且，无需进行钎料箔的对位作业等，能够有效制造出该功率模块用基板 10。

而且，由于在金属板22、23的接合面形成有固着层24、25，由此介入于金 属板22、23与陶瓷基板11的界面的氧化被膜只存在于金属板22、23的表面， 因此能够提高初始接合的合格率。

以下，参照图7及图28说明本发明的第七实施方式。

除了固溶在电路层112(金属板122)及金属层113(金属板123)的添加 元素不同以外，第七实施方式的功率模块与第二实施方式相同。因此，省略共 同部分的说明，使用图7及其符号来说明不同点。

第七实施方式的功率模块101，在图7中，电路层112(金属板122)及金 属层113(金属板123)中固溶有总计浓度为0.01质量％以上5质量％以下的范 围内的选自Ag、Zn、Ge、Mg、Ca、Ga和Li中的一种或两种以上的添加元素。

具体来讲，在电路层112及金属层113的接合界面130附近，形成有在层 压方向上随着自接合界面130离开添加元素浓度逐渐降低的浓度倾斜层133。

在此，本实施方式中，使用Mg作为添加元素，电路层112及金属层113 的接合界面130附近的Mg浓度设定为0.01质量％以上5质量％以下。图28中 示出电路层112及金属层113的添加元素(Mg)的浓度分布。

另外，在接合界面130中观察到浓缩添加元素(Mg)的添加元素高浓度部。 在该添加元素高浓度部中，添加元素浓度(Mg浓度)为电路层112(金属板122) 及金属层113(金属板123)中的添加元素浓度(Mg浓度)的2倍以上。并且， 该添加元素高浓度部的厚度H为4nm以下。

此外，通过能量分散型X射线分析法(EDS)分析该接合界面130时的Al、 添加元素(Mg)、O的质量比为Al∶添加元素(Mg)∶O＝50～90质量％∶1～30质 量％∶45质量％以下的范围内。另外，基于EDS的分析条件与第二实施方式相同。

该功率模块用基板通过与第二实施方式相同的方法制造。只是代替Ag浆料 涂布工序，在陶瓷基板111的一面及另一面通过蒸镀固着0.01mg/cm²以上 10mg/cm²以下的添加元素(Mg)。并且，加热工序中的加热温度为600℃以上 650℃以下。

如上所述构成的本实施方式中，通过固着在陶瓷基板111的一面及另一 面的Mg向着金属板122、123扩散而接合，因此即使在较低温、短时间的接 合条件下也能够牢固地接合陶瓷基板111与金属板122、123。

另外，陶瓷基板111与电路层112及金属层113的接合界面130中Mg 固溶强化，可以防止电路层112及金属层113中的龟裂的产生。

另外，本实施方式中，形成有浓缩添加元素(Mg)的添加元素高浓度部， 因此能够通过存在于界面附近的添加元素原子(Mg原子)实现陶瓷基板111与 金属板122、123的接合强度的提高。另外，该添加元素高浓度部的厚度为4nm 以下，因此能抑制通过负荷热循环时的应力导致在添加元素高浓度部中产生裂 纹。

进而，本实施方式中，接合界面130的Al∶添加元素(Mg)∶O＝50～90质量 ％∶1～30质量％∶45质量％以下，因此能够防止在接合界面130中Al与添加元素 (Mg)的反应产物生成过多而阻碍接合的问题。另外，可以充分起到基于添加 元素原子(Mg原子)的接合强度的提高效果。

以下，参照图12及图29说明本发明的第八实施方式。

除了固溶在电路层212(金属板222)及金属层213(金属板223)的添加 元素不同以外，第八实施方式的功率模块与第三实施方式相同。因此，省略共 同部分的说明，使用图12及其符号来说明不同点。

第八实施方式的功率模块201，在图12中，电路层212(金属板222)与金 属层213(金属板223)中固溶有总计浓度为0.01质量％以上5质量％以下的范 围内的选自Zn、Ge、Mg、Ca、Ga和Li中的一种或两种以上的添加元素。

具体来讲，在电路层212及金属层213的接合界面230附近，形成有在层 压方向上随着自接合界面230离开添加元素浓度逐渐降低的浓度倾斜层233。

本实施方式中，使用Zn作为添加元素，电路层212及金属层213的接合界 面230附近的Zn浓度设定为0.01质量％以上5质量％以下。图29中示出电路 层212及金属层213的添加元素(Zn)的浓度分布。

另外，在接合界面230中观察到浓缩添加元素(Zn)的添加元素高浓度部。 在该添加元素高浓度部中，添加元素浓度(Zn浓度)为电路层212(金属板222) 及金属层213(金属板223)中的添加元素浓度(Zn浓度)的2倍以上。该添加 元素高浓度部的厚度H为4nm以下。

该添加元素高浓度部的氧浓度高于陶瓷基板211中的氧浓度。

在此，添加元素浓度(Zn浓度)的定义与第三实施方式中的Ag浓度相同， 氧浓度也与第三实施方式的定义相同。

此外，通过能量分散型X射线分析法(EDS)分析该接合界面230时的Al、 Si、添加元素(Zn)、O、N的质量比为Al∶Si∶添加元素(Zn)∶O∶N＝15～45质量 ％∶15～45质量％∶1～30质量％∶1～10质量％∶25质量％以下。另外，基于EDS的分 析条件与第三实施方式相同。

该功率模块用基板210通过与第三实施方式相同的方法制造。只是本实施 方式中，代替Ag浆料烧成工序，在金属板222、223的表面通过电镀固着 0.01mg/cm²以上10mg/cm²以下的添加元素(Zn)(电镀工序)。并且，加热工序 中的加热温度为600℃以上650℃以下。而且，电镀厚度为1μm～5μm的范围内。

另外，散热器层压工序中，金属层213与顶板部241之间介入含有添加元 素(Zn)的固着层。本实施方式中，固着层通过在金属层213的另一面实施溅 射或电镀来形成。

如上所述构成的本实施方式的功率模块用基板210及功率模块201，通 过使电镀的添加元素(Zn)向着金属板222、223侧扩散而接合，因此即使 在较低温、短时间的接合条件下也能够牢固地接合陶瓷基板211与金属板 222、223。

另外，本实施方式中，形成有浓缩添加元素(Zn)的添加元素高浓度部， 因此能够通过存在于界面附近的添加元素原子(Zn原子)实现陶瓷基板211与 金属板222、223的接合强度的提高。另外，该添加元素高浓度部的厚度为4nm 以下，因此能抑制通过负荷热循环时的应力导致在添加元素高浓度部中产生裂 纹。

进而，本实施方式中，接合界面230的Al∶Si∶添加元素(Zn)∶O∶N＝15～45 质量％∶15～45质量％∶1～30质量％∶1～10质量％∶25质量％以下，因此能够防止在接 合界面230中Al与添加元素(Zn)的反应产物生成过多而阻碍接合的问题，同 时可以充分起到基于添加元素原子(Zn原子)的接合强度的提高效果。另外， 可以防止接合界面230中存在厚的氧浓度高的部分，可抑制负荷热循环时的裂 纹的产生。

另外，本实施方式中，通过电镀在金属板222、223固着添加元素(Zn)， 因此可在陶瓷基板211与金属板222、223之间切实地介入添加元素(Zn)。

以下，参照图18及图30说明本发明的第九实施方式。

除了固溶在金属层313(第二金属板323)及散热器340的添加元素不同以 外，第九实施方式的功率模块与第四实施方式相同。因此，省略共同部分的说 明，使用图18及其符号来说明不同点。

第九实施方式的功率模块301，在图18中，金属层313(第二金属板323) 及散热器340中固溶有总计浓度为0.01质量％以上5质量％以下的范围内的选自 Zn、Ge、Mg、Ca、Ga和Li中的一种或两种以上的添加元素。

具体来讲，在金属层313与散热器340的接合界面330附近，形成有在层 压方向上随着自接合界面330离开添加元素浓度逐渐降低的浓度倾斜层333、 334。

在此，本实施方式中，使用Ge作为添加元素，金属层313与散热器340的 接合界面330附近的Ge浓度设定为0.01质量％以上5质量％以下。图30中示 出金属层313与散热器340的添加元素(Ge)的浓度分布。

该构成的带散热器的功率模块用基板与第四实施方式同样地，通过同时实 施陶瓷基板311与金属板322、323的接合、金属板323与散热器340的接合而 制造。

如上所述构成的本实施方式中，Ge为降低铝熔点的元素，因此即使在较 低温、短时间的接合条件下接合也能够牢固地接合散热器340与第二金属板 323。

另外，本实施方式中，在接合界面介入有Ge，因此能够牢固地接合陶瓷 基板311与第一金属板322、陶瓷基板311与第二金属板323。

进而，由于在散热器340与第二金属板323的接合、以及陶瓷基板311与 第一金属板322及第二金属板323的接合中不使用钎料箔，因此无需进行钎料 箔的对位操作等。因此，能够以低成本有效地制造出本实施方式的带散热器的 功率模块用基板。

另外，本实施方式中，同时进行陶瓷基板311与第一金属板322及第二金 属板323的接合、以及第二金属板323与散热器340的接合，因此可以大幅削 减它们的接合所需的成本。而且，对陶瓷基板311无需进行反复加热、冷却来 完成，因此可以实现该带散热器的功率模块用基板的翘曲的减少，制出高品质 的带散热器的功率模块用基板。

另外，本实施方式的带散热器的功率模块用基板中，通过作为添加元素的 Ge固溶强化，可防止第二金属板323(金属层313)及散热器340中的龟裂的产 生。由此，可提供可靠性高的带散热器的功率模块用基板。

以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不局限于此，在不脱 离本发明的技术思想的范围可适当变更。

例如，对于将构成电路层及金属层的金属板作为纯度99.99％的纯铝轧制板 的情况进行了说明，但并不局限于此，也可以是纯度为99％以上的铝(2N铝) 或铝合金。

另外，对作为添加元素使用Ag、Ge、Mg、Zn的情况进行了说明，但并不 局限于此，也可以使用选自Ag、Zn、Ge、Mg、Ca、Ga和Li中的一种或两种 以上的添加元素。

进而，对通过溅射、浆料的涂布、电镀来固着添加元素的情况进行了说明， 但不局限于此，也可以通过蒸镀、CVD、冷喷涂或分散有粉末的油墨的涂布来 固着所述添加元素。

另外，也可以将Al与Ag、Zn、Ge、Mg、Ca、Ga和Li一起固着。特别是， 作为添加元素使用Mg、Ca、Li等氧化活性元素时，通过与Al一起固着，能够 防止这些元素的氧化。

进而，对由铝构成散热器的情况进行了说明，但也可以由铝合金或含有铝 的复合材料等构成。另外，对具有冷却介质的流路作为散热器的情况进行了说 明，但散热器的结构并无特别限定，可使用各种构成的散热器。

进而，如图31所示，金属层1013也可以为层压多个金属板1013A、1013B 的结构。该情况下，位于金属层1013中的一方侧(图31中为上侧)的金属板 1013A与陶瓷基板1011接合，位于另一方侧(图31中为下侧)的金属板1013B 与散热器1040的顶板部1041接合。于是，在位于另一方侧的金属板1013B与 散热器1040的顶板部1041之间介入选自Ag、Zn、Ge、Mg、Ca、Ga和Li中 的一种或两种以上的添加元素，由此接合位于另一方侧的金属板1013B与散热 器1040的顶板部1041。在此，也可以为被层压的金属板1013A、1013B之间介 入所述添加元素而构成金属层1013。另外，图31中为层压两张金属板1013A、 1013B，但对层压的张数没有限制。而且，层压的金属板之间的尺寸、形状可以 不同，也可以调整为相同的尺寸、形状。进而，这些金属板的组成也可以不同。

实施例

(实施例1)

对为了确认本发明的有效性而进行的比较实验进行说明。

在由厚度为0.635mm的AlN构成的陶瓷基板上，接合由厚度为0.6mm的 4N铝构成的电路层和由厚度为0.6mm的4N铝构成的金属层，制作出了功率模 块用基板。

在此，在成为电路层及金属层的铝板(4N铝)的接合面固着选自Ag、Zn、 Ge、Mg、Ca、Ga和Li中的一种或两种以上的添加元素而形成固着层，层压金 属板与陶瓷基板并加压加热(温度：650℃、压力：4kgf/cm²、时间：30分钟)， 接合了金属板与陶瓷基板。

而且，制出变更了固着的添加元素的各种试样，通过EPMA分析了接合界 面附近(距接合界面50μm的位置)的添加元素的浓度。并且，使用这些试样进 行了接合可靠性的评价。作为接合可靠性的评价，比较了反复2000次冷热循环 (-45℃～125℃)后的接合率。将结果示于表1。另外，用下式计算接合率。 在此，初始接合面积是指接合前的应接合的面积。

接合率＝(初始接合面积-剥离面积)/初始接合面积

[表1]

在Ag的固着量为11mg/cm²的比较例1中，接合界面附近的Ag浓度超过 了10质量％，反复2000次冷热循环(-45℃～125℃)后的接合率为67.7％。 判断其原因为Ag量多而金属板变得过硬，冷热循环引起的热应力负荷到接合界 面。

此外，在Ag的固着量为0.009mg/cm²的比较例2中，接合界面附近的Ag 浓度小于0.05质量％，反复2000次冷热循环(-45℃～125℃)后的接合率为 60.1％。判断其原因为介入于界面的Ag量少，在金属板与陶瓷基板的界面无法 充分形成熔融金属区域。

与此相对，本发明例1～36中，接合界面附近的Ag浓度或选自Ag、Zn、 Ge、Mg、Ca、Ga和Li中的一种或两种以上的添加元素的总计浓度为0.05质量 ％以上10质量％以下，反复2000次冷热循环(-45℃～125℃)后的接合率为 均为70％以上。判断出通过各种添加元素的扩散，能够在金属板与陶瓷基板的 界面切实地形成熔融金属区域，可牢固地接合金属板与陶瓷基板。

(实施例2)

对为了确认本发明的有效性而进行的比较实验进行说明。

在由厚度为0.635mm的AlN构成的陶瓷基板上，接合由厚度为0.6mm的 4N铝构成的电路层和由厚度为0.6mm的4N铝构成的金属层，制作出了功率模 块用基板。

在此，在成为电路层及金属层的铝板(4N铝)的接合面固着选自Zn、Ge、 Mg、Ca、Ga和Li中的一种或两种以上的添加元素而形成固着层，层压金属板 与陶瓷基板并加压加热(温度：650℃、压力：4kgf/cm²、时间：30分钟)，接 合了金属板与陶瓷基板。

而且，制出变更了固着的添加元素的各种试样，通过EPMA分析了接合界 面附近(距接合界面50μm的位置)的添加元素的浓度。并且，使用这些试样进 行了接合可靠性的评价。作为接合可靠性的评价，比较了反复2000次冷热循环 (-45℃～125℃)后的接合率。将结果示于表2、表3。另外，用下式计算接 合率。在此，初始接合面积是指接合前的应接合的面积。

接合率＝(初始接合面积-剥离面积)/初始接合面积

[表2]

[表3]

固着层的选自Zn、Ge、Mg、Ca、Ga和Li中的一种或两种以上的添加元素 的固着量的总计为10.35mg/cm²的比较例11中，反复2000次冷热循环(-45℃～ 125℃)后的接合率为65.9％。判断其原因为添加元素的量多而金属板变得过硬， 冷热循环引起的热应力负荷到接合界面。

固着层的添加元素的固着量为0.009mg/cm²的比较例12中，反复2000次冷 热循环(-45℃～125℃)后的接合率为59.8％。判断其原因为介入于界面的添 加元素量少，在金属板与陶瓷基板的界面无法充分形成熔融金属区域。

与此相对，本发明例41～83中，反复2000次冷热循环(-45℃～125℃) 后的接合率均为70％以上。判断出通过各种添加元素的扩散，能够在金属板与 陶瓷基板的界面切实地形成熔融金属区域，可牢固地接合金属板与陶瓷基板。

产业上的可利用性

根据本发明，通过固溶强化金属板的接合界面侧部分，可防止在金属板部 分的断裂，可提高接合可靠性。

符号说明

1、101、201、301、401、1001 功率模块

3 半导体芯片(电子零件)

10、110、210、310、410、1010 功率模块用基板

11、111、211、311、411、1011 陶瓷基板

12、112、212、312、412、1012 电路层

13、113、213、313、413、1013 金属层

22、122、222、322、422 金属板(第一金属板)

23、123、223、323、423 金属板(第二金属板)