(57)【要約】【課題】Ｂｉ含有はんだ箔の製造方法及びＢｉ含有はんだ箔を提供すること。また、耐熱性が高く緻密に接合された接合体、及びパワー半導体モジュールを提供すること。【解決手段】本発明のＢｉ含有はんだ箔の製造方法では、ビスマス（Ｂｉ）を含むはんだ材料の粉末を粉末圧延法によりシート化する。前記はんだ材料の粉末における長辺と短辺の比は、１．２以上３．０以下が好適であり、該粉末の平均粒径は５μｍ以上２００μｍ以下が好適である。前記粉末圧延法による圧延は、−２０℃以上２６９℃以下で行なわれることが好ましい。また、本発明の接合体およびパワー半導体モジュールでは、接合部に前記Ｂｉ含有はんだ箔が用いられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ビスマス（Ｂｉ）を含むはんだ材料の粉末を粉末圧延法によりシート化することを特徴とするＢｉ含有はんだ箔の製造方法。
【請求項２】
前記ビスマス（Ｂｉ）を含むはんだ材料の粉末が、Ｂｉ粉末を３０質量％以上含有することを特徴とする請求項１に記載のＢｉ含有はんだ箔の製造方法。
【請求項３】
前記Ｂｉ粉末の平均粒径が、５μｍ以上２００μｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載のＢｉ含有はんだ箔の製造方法。
【請求項４】
前記Ｂｉ粉末における、各粉末粒子の長辺と短辺の比が、１．２以上３．０以下の範囲にあることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のＢｉ含有はんだ箔の製造方法。
【請求項５】
前記Ｂｉ粉末とＣｕＡｌＭｎ合金粉末を混合し、粉末圧延法によりシート化することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のＢｉ含有はんだ箔の製造方法。
【請求項６】
前記Ｂｉ粉末とＣｕ粉末を混合し、粉末圧延法によりシート化することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のＢｉ含有はんだ箔の製造方法。
【請求項７】
前記粉末圧延法による圧延が、−２０℃以上２６９℃以下で行なわれることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載のＢｉ含有はんだ箔の製造方法。
【請求項８】
ビスマス（Ｂｉ）を含むはんだ材料の粉末を粉末圧延法によってシート化してなることを特徴とするＢｉ含有はんだ箔。
【請求項９】
平均厚さが３０μｍ以上２５０μｍ以下であることを特徴とする請求項８に記載のＢｉ含有はんだ箔。
【請求項１０】
第１部材と第２部材とを有し、
前記第１部材と第２部材の間が、請求項８又は請求項９に記載のＢｉ含有はんだ箔で接合されてなることを特徴とする接合体。
【請求項１１】
パワー半導体素子と、絶縁基板と、放熱板と、を有し、
前記パワー半導体素子と前記絶縁基板との間の第一接合部、及び前記絶縁基板と前記放熱板との間の第二接合部の少なくとも一方が、請求項８又は請求項９に記載のＢｉ含有はんだ箔で接合されてなることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項１２】
前記パワー半導体素子が、ＧａＮ又はＳｉＣで形成されてなることを特徴とする請求項１１に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項１３】
前記絶縁基板がＳｉ３Ｎ４層であり、Ｓｉ３Ｎ４層の両表面に銅（Ｃｕ）で形成される導電層を備えることを特徴とする請求項１１又は請求項１２に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項１４】
前記放熱板が、モリブデン（Ｍｏ）層の両面に銅（Ｃｕ）層を有するＣｕ層／Ｍｏ層／Ｃｕ層の積層体であることを特徴とする請求項１１〜請求項１３のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール。
【請求項１５】
前記放熱板におけるＣｕ層／Ｍｏ層／Ｃｕ層の厚さの比率が、１／５／１〜１／１２／１であることを特徴とする請求項１４に記載のパワー半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｂｉ含有はんだ箔の製造方法、Ｂｉ含有はんだ箔、接合体、及びパワー半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリット車のインバータ用パワーモジュール構造のように、大面積でかつ積層型の実装構造では、絶縁基板や放熱基板などの被接合体が均一に接合されるよう、シート状のはんだ箔が好適に用いられている。現在、インバータの接合では、例えば厚さ１００μｍ、幅２ｃｍのはんだシートをロール状に巻きつけて接合用機器に搭載し、所定の長さで切り取り、ロボットアームによって被接合体上の所定の位置に配置するよう精密にプログラムされている。
【０００３】
これまでシート状のはんだ箔には、延性に優れた鉛（Ｐｂ）系はんだ材料が広く用いられていた。特に、Ｐｂ−Ｓｎはんだ材料が汎用され、鉛（Ｐｂ）と錫（Ｓｎ）の比率を変えて融点を１８３〜３００℃前後の範囲で変動させ、種々の融点を有するはんだ材料を得ていた（例えば、非特許文献１参照。）。しかし、鉛は毒性を有することから使用廃止の方向にあり、鉛フリーのはんだ材料の開発が望まれている。
【０００４】
このようなはんだ材料に対する要求の中、鉛フリーのはんだ材料として、Ｓｎ−Ａｇ合金、Ｓｎ−Ｃｕ合金などのＳｎ系はんだ材料が提案されている。しかし、Ｓｎ系はんだ材料の融点は２２０℃程度であるが故に、２００℃前後において引っ張り強度が著しく低下し、２００℃を超える熱を発する次世代パワー半導体素子に実用することは困難であった。
【０００５】
そこで、融点が約２７０℃であり、耐熱性に優れた接合体が得られるという観点から、ビスマス（Ｂｉ）系はんだ材料が検討されている。
しかし一方で、Ｂｉ系はんだ材料は、延性が低く脆性を有することが知られている（例えば非特許文献２参照。）。特にせん断に弱く、衝撃や熱応力による歪みが蓄積すると、該歪みを起点とした破壊が生じやすい。
【０００６】
延性を改善する方策として、Ｓｎ−Ｂｉ系のはんだ材料では、第３成分の添加が検討されている。例えば、Ａｇの添加により組織の微細化を図る方法（例えば、特許文献１参照。）、Ｓｂの添加によりＳｎのβ相からα相への変態抑制を図る方法（例えば、特許文献２参照。）、Ｉｎを添加する方法（例えば、特許文献３参照。）等である。
更に、２５〜５５質量％のＢｉを含有し、残部がＳｎと不可避不純物とからなるＳｎ−Ｂｉ系はんだ材料も、延性が向上するとの報告がある（例えば、特許文献４参照。）
【０００７】
また、Ｂｉ系はんだ材料の脆性を解消すべく、Ｂｉに熱弾性型マルテンサイト変態を生じる合金、具体的にはＭｎ、Ａｌを含むＣｕ基合金、を組み合わせたはんだ材料が提案されている（例えば、特許文献５参照。）。
【０００８】
しかしながら、上記技術は、はんだ組成を変更する方法である。更に、上記技術により延性が改善されたとするＢｉ系はんだ材料であっても、インゴットをそのまま圧延し、シートにできるようになるまで延性は改善せず、はんだ箔に加工することができなかった。
【０００９】
これまで、加工性の低いはんだ材料は、フラックスを混練したはんだペーストをスクリーン印刷して、はんだ付けを行なっていた。ところが、インバータ接合部ではフラックス残渣を残存させないことが望ましく、フラックスを使用しないことが望まれている。
【００１０】
シート状に加工し難いはんだ材料は、ペレット状や塊状のままはんだ付けすることも可能ではあるが、接合面が大きい場合には均一に接合させることが極めて困難である。
このように、シート状に加工し難いはんだ材料、特に、融点の高いＢｉ系はんだ材料を容易にシート状に加工する方法が望まれていた。
【００１１】
ところで、一般的なシート化法として、インゴットを圧延する方法のほか、材料を粉砕して粉末にした後に圧力をかけてシート化する方法がある。この方法の一例として粉末圧延法がある。
【００１２】
具体的には、例えば、粉末圧延法を適用したニッケルロウ材シートの作製方法が開示されている（例えば、特許文献６参照。）。そのほか粉末圧延法は、鋼板の作製技術として提案されている（例えば、特許文献７及び８参照。）
【００１３】
また、銅（Ｃｕ）等の金属ボールと、錫（Ｓｎ）等のはんだボールを配合し、予め全体を均一に圧縮し、Ｓｎ等のはんだボールを金属ボール間に塑性流動させ、隙間をはんだ（塑性変形後のＳｎ系はんだ）で充填した複合成形体とし、これを圧延する方法が提案されている（例えば、特許文献９及び１０参照。）。
この方法では、金属ボールとしてＣｕのほかアルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、亜鉛（Ｚｎ）−アルミニウム（Ａｌ）系合金、金（Ａｕ）−錫（Ｓｎ）系合金などを適用できるとしている。
【特許文献１】特開平８−２５２６８８号公報
【特許文献２】特開平７−４００７９号公報
【特許文献３】特開平８−１５０４９３号公報
【特許文献４】特開２０００−１４１０７９号公報
【特許文献５】特開２００５−３１３２３０号公報
【特許文献６】特開２００４−８２２１８号公報
【特許文献７】特開平６−０２５８７０号公報
【特許文献８】特開２００２−２７５６０１号公報
【特許文献９】特開２００２−３０１５８８号公報
【特許文献１０】特開２００２−３０５２１３号公報
【非特許文献１】馬場陽一郎「ＨＶインバータ品質確保の取り組み」溶接学会全国大会講演概要、第７７章（２００５−９）
【非特許文献２】日本金属学会誌，ｖｏｌ．５７（１９９３），４５５−４６２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の課題は、Ｂｉ含有はんだ箔の製造方法、及びＢｉ含有はんだ箔を提供することである。
また、本発明の課題は、耐熱性が高く緻密に接合された接合体、及びパワー半導体モジュールを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
Ｂｉ系はんだ材料は脆性が高く、インゴットをそのまま圧延しても粉砕されるだけで一体化せず、シートを得ることができない。よって、脆性の高いＢｉ系はんだ材料は、単に圧延するだけではシート状に加工することができない。
【００１６】
ここで、シート状に加工する方法の１つとして粉末圧延法がある。しかし従来の粉末圧延法は、鋼板やニッケル、更にはＣｕ／Ｓｎなどの成形に用いられており、延性を有する材料を用いる方法である。Ｃｕ／Ｓｎのシート化を説明する上述の特許文献９及び１０では、延性を有するＳｎがＣｕの間に塑性流動してシート化すると説明しており、この記載からも明らかなように粉末圧延法では延性材料を１種以上用いることが常識であった。
また、本発明に至る発明者らの研究過程において、脆性的な金属材料であるガラスやセラミックスなどの珪素（Ｓｉ）材料は、粉末圧延法を適用してもシート化が困難であることが判明した。
【００１７】
以上の事実から、脆性材料は、粉末圧延法を採用してもシート化できないと考えられていたが、本発明者らの更なる鋭意研究により、Ｂｉ系材料の形状等を工夫することによって、粉末圧延によってＢｉ系はんだシート化が可能であることが判明した。
以上、発明者らの鋭意研究により、本発明の課題は下記発明によって解決されることが明らかとなった。
【００１８】
すなわち、請求項１に記載の発明は、
ビスマス（Ｂｉ）を含むはんだ材料の粉末を粉末圧延法によりシート化することを特徴とするＢｉ含有はんだ箔の製造方法である。
【００１９】
請求項２に記載の発明は、
前記ビスマス（Ｂｉ）を含むはんだ材料の粉末が、Ｂｉ粉末を３０質量％以上含有することを特徴とする請求項１に記載のＢｉ含有はんだ箔の製造方法である。
【００２０】
請求項３に記載の発明は、
前記Ｂｉ粉末の平均粒径が、５μｍ以上２００μｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載のＢｉ含有はんだ箔の製造方法である。
【００２１】
請求項４に記載の発明は、
前記Ｂｉ粉末における、各粉末粒子の長辺と短辺の比が、１．２以上３．０以下の範囲にあることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のＢｉ含有はんだ箔の製造方法である。
【００２２】
請求項５に記載の発明は、
前記Ｂｉ粉末とＣｕＡｌＭｎ合金粉末を混合し、粉末圧延法によりシート化することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のＢｉ含有はんだ箔の製造方法である。
【００２３】
請求項６に記載の発明は、
前記Ｂｉ粉末とＣｕ粉末を混合し、粉末圧延法によりシート化することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のＢｉ含有はんだ箔の製造方法である。
【００２４】
請求項７に記載の発明は、
前記粉末圧延法による圧延が、−２０℃以上２６９℃以下で行なわれることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載のＢｉ含有はんだ箔の製造方法である。
【００２５】
請求項８に記載の発明は、
ビスマス（Ｂｉ）を含むはんだ材料の粉末を粉末圧延法によってシート化してなることを特徴とするＢｉ含有はんだ箔である。
【００２６】
請求項９に記載の発明は、
平均厚さが３０μｍ以上２５０μｍ以下であることを特徴とする請求項８に記載のＢｉ含有はんだ箔である。
【００２７】
請求項１０に記載の発明は、
第１部材と第２部材とを有し、
前記第１部材と第２部材の間が、請求項８又は請求項９に記載のＢｉ含有はんだ箔で接合されてなることを特徴とする接合体である。
【００２８】
請求項１１に記載の発明は、
パワー半導体素子と、絶縁基板と、放熱板と、を有し、
前記パワー半導体素子と前記絶縁基板との間の第一接合部、及び前記絶縁基板と前記放熱板との間の第二接合部の少なくとも一方が、請求項８又は請求項９に記載のＢｉ含有はんだ箔で接合されてなることを特徴とするパワー半導体モジュールである。
【００２９】
請求項１２に記載の発明は、
前記パワー半導体素子が、ＧａＮ又はＳｉＣで形成されてなることを特徴とする請求項１１に記載のパワー半導体モジュールである。
【００３０】
請求項１３に記載の発明は、
前記絶縁基板がＳｉ３Ｎ４層であり、Ｓｉ３Ｎ４層の両表面に銅（Ｃｕ）で形成される導電層を備えることを特徴とする請求項１１又は請求項１２に記載のパワー半導体モジュールである。
【００３１】
請求項１４に記載の発明は、
前記放熱板が、モリブデン（Ｍｏ）層の両面に銅（Ｃｕ）層を有するＣｕ層／Ｍｏ層／Ｃｕ層の積層体であることを特徴とする請求項１１〜請求項１３のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュールである。
【００３２】
請求項１５に記載の発明は、
前記放熱板におけるＣｕ層／Ｍｏ層／Ｃｕ層の厚さの比率が、１／５／１〜１／１２／１であることを特徴とする請求項１４に記載のパワー半導体モジュールである。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、Ｂｉ含有はんだ箔の製造方法及びＢｉ含有はんだ箔を提供することができる。また、本発明によれば、耐熱性が高く緻密に接合された接合体及びパワー半導体モジュールを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、図面を参照して、本発明のＢｉ含有はんだ箔の製造方法、該方法により得られるＢｉ含有はんだ箔、更に、Ｂｉ含有はんだ箔で接合する接合体、接合体の一例としてパワー半導体モジュールを説明する。
【００３５】
〔第一の実施形態の製造方法〕
第一の実施形態では、純Ｂｉはんだ箔の製造方法を説明する。なお、ここでいう純Ｂｉはんだ箔は、純度１００％のＢｉはんだ箔のみを意味するものではなく、原料に含まれる不純物を含んでいてもよい。
【００３６】
図１は、本実施形態で用いるはんだ箔の製造装置（粉末圧延機）の模式図である。図１において、符号２は純Ｂｉはんだ箔、４はＢｉ粉末、６，７は圧延ロールである。
はんだ箔の製造装置（粉末圧延機）は、図１に示すように、１対の圧延ロール６，７で構成されている。図示しないが加熱装置を備えてもよい。１対の圧延ロール６，７は、互いの周面が所定間隔を隔てて平行対峙するように配置されている。
【００３７】
Ｂｉ粉末４は、上記１対の圧延ロール６，７の間隙に上方から供給され、圧延ロール６，７が矢印Ｘ方向に回転駆動されることにより、圧延ロール６，７の間に形成された空隙に順次送り込まれる。そして、Ｂｉ粉末４は、圧延ロール６，７によって押圧されつつ下方のＹ方向に順次送り出されてシート状に成形され、純Ｂｉはんだ箔２を形成する。
【００３８】
Ｂｉ含有はんだ材料は脆性が高く、インゴットをそのまま圧延しても粉砕されるだけで一体化しないのに対して、粉末の形状としてから圧延した場合には一体化される理由について以下のように推測するが、本発明は当該推測によって限定されない。
【００３９】
Ｂｉ含有はんだ材料のインゴットを圧延すると、インゴット内に存在する各結晶粒の脆性は低いものの、圧延による変形を生じようとするが、すべり面が少ないために均一な厚さに圧延変形する前に結晶粒間に多数の亀裂が生じる。そのため、比較的大きなＢｉ含有はんだインゴットでは、数％の圧延率で破壊してしまう。しかし、Ｂｉ含有はんだ材料を粉末状態にして粉末圧延を施すと、圧延による各粉末結晶の変形が脆性の範囲内で生じ、かつＢｉの再結晶化温度が室温付近であるために、各粉末粒子が密着しやすく密着変形し、その結果一体化してシート化されると推測される。
【００４０】
また、脆性的な材料であるＳｉ材料は粉末圧延法でシート化できないのに対して、Ｂｉ含有はんだ材料は粉末圧延法によってシート化できる理由は、再結晶温度との各材料の融点の違いによるものと推測する。粉末圧延法では再結晶温度よりも高い温度で圧延したときに粉末が一体化するものと推測されるが、Ｓｉ材料の再結晶化温度はＳｉの融点が１４１４℃（１６８７Ｋ）であるゆえに、再結晶化温度は約４５０℃（８４０Ｋ）となり、室温付近の粉末の圧延では一体化し難いと推測される。しかしながら、本発明は当該推測によって限定されない
【００４１】
Ｂｉ粉末４の平均粒径は、目的のシート膜厚よりも小さいことが好ましく、２００μｍ以下であることが更に好ましい。また、平均粒径は５μｍ以上であることが好適である。より好適には、Ｂｉ粉末４の平均粒径は、１０μｍ以上１５０μｍ以下であり、更に好適には２０μｍ以上１００μｍ以下である。
前記平均粒径が上記範囲内にあると、圧延ロール６，７の間で適度な圧力が付与され、また脆性的な性質の支配が緩和される。
なお、Ｂｉ粉末４の平均粒径とは、光学顕微鏡によって、１００個の粉末を測定したときの算術平均値をいう。
【００４２】
Ｂｉ粉末４の形状は、球状、ロッド状、不定形状などいずれであってもよいが、圧延ロール６，７からの圧力が効率的に付与されることから、ロッド状の粉末が好適である。
ロッド状粉末における長辺と短辺の比は、１．２以上３．０以下であることが好ましく、１．３以上２．８以下であることがより好ましく、１．５以上２．５以下であることが更に好ましい。当該比率が上記範囲内にあると、圧延によって各ロッドの圧延時の変形と密着が促進され、気孔率の上昇を抑えることができる。
【００４３】
ここで、ロッド状粉末の長辺及び短辺は、光学顕微鏡により１００個の粉末を測定し決定される値である。ロッド状粉末の形状を長方体に近似して、辺長をａ、ｂ、ｃとしたときに、ａ、ｂ、ｃのうち最も短いものを短辺とし、最も長いものを長辺とする。
【００４４】
なお、ロッド状粉末における平均粒径とは、前記辺長ａ、ｂ、ｃのそれぞれの平均値を１００個の粉末から求め、下記式によって算出した値をいう。
ロッド状粉末の平均粒径＝（辺長ａの平均値＋辺長ｂの平均値＋辺長ｃの平均値）／３
【００４５】
Ｂｉ粉末４は、公知の方法によって作製することができる。例えば、乳鉢やらいかい機による粉砕、更にアトマイズ法などによる粉末作製技術を適用することができる。
【００４６】
ロット状のＢｉ粉末４は、インゴット状または針状のＢｉ原料をハンマー等で細かく砕き、その後、乳鉢やらいかい機により、３０分程度粉砕を行うことによって作製することができる。
【００４７】
粉砕やアトマイズ法によって作製した粉末は、圧延時に圧力が均一に付与されるよう、分級することが好ましい。分級は公知の方法を適用することができ、乾式、湿式のいずれの方法でもよい。乾式としては、風力分級、静電気分級などの方法があり、湿式としては、沈降分級などの方法がある。
【００４８】
圧延時の温度は、−２０℃以上２６９℃以下であることが好ましく、−５℃以上１００℃以下であることがより好ましく、０℃以上５０℃以下であることが更に好ましい。−２０℃未満ではＢｉの再結晶温度（約０℃）を大幅に下回り、２７０℃以上ではＢｉの融点以上であるため、シート化し難い。なお、この圧延時の温度は、粉末が圧延変形を受けて発する熱、及びロールと粉末の接触により発生する熱を考慮に入れたものである。
上記温度範囲であれば、圧延ロール６，７に加熱装置（図示せず）を備えて加熱してもよく、或いは圧延ロール６，７通過後に加熱してもよい。
【００４９】
〔第二の実施形態の製造方法〕
第二の実施形態の製造方法では、Ｂｉのほかに他金属又は合金を含むはんだ箔（以下「Ｂｉ系はんだ箔」と称する）の製造方法を説明する。
図２は、第二の実施形態の製造方法を説明する図である。図２において、符号４はＢｉ粉末、５は他金属粉末又は合金粉末、６，７は圧延ロール、８はＢｉ系はんだ箔である。
第二の実施形態の製造方法では、前述のＢｉ粉末４とともに、他金属粉末又は合金粉末５を用いる点で第一の実施形態の製造方法と異なるが、それ以外は第一の実施形態の製造方法と同様である。
【００５０】
Ｂｉ粉末４、及び他金属粉末又は合金粉末５は、圧延ロール６，７によって押圧されつつ下方のＹ方向に順次送り出されてシート状に成形され、Ｂｉ系はんだ箔８を形成する。
なお、本実施形態のＢｉ系はんだ箔の製造方法では、脆性的なＢｉ含有材料をシート化できるという利点に加えて、製造工程を簡易化できるという利点を有する。
【００５１】
従来のＢｉ系はんだ材料の作製では、Ｂｉに添加する他金属又は合金の粉末（ＣｕＡｌＭｎ合金粉末やＣｕ粉末等）を準備し、Ｂｉに分散させて、Ｂｉを含有するはんだ材料のインゴットを作製していた。インゴットにする際には、Ｂｉ中での他金属粉末又は合金粉末の分散性を高めるなどの煩雑な調整が必要であった。しかし本実施形態によれば、先立ってインゴットを作製することなく、Ｂｉ系はんだ箔を得ることができるため、作製工程を簡略化することができる。
具体的には、本実施形態のＢｉ系はんだ箔の製造方法では、他金属粉末又は合金粉末５とＢｉ粉末４を準備し、これら粉末を所望の比率で上記粉末圧延装置に供給すればよい。
【００５２】
Ｂｉ系はんだ箔８の組成は、Ｂｉを含有するのであれば特に制限されない。Ｂｉの特性（例えば、高融点）を活かすには、Ｂｉ系はんだ箔中、Ｂｉを３０質量％以上含有することが好適である。Ｂｉ系はんだ箔８の組成は、はんだの用途に応じて適宜変更することができる。
Ｂｉ系はんだ箔８としては、ＢｉにＣｕ、Ｎｉ、Ａｇを添加したものなどを挙げることができるが、Ｂｉの脆性を解消して機械的強度を高め、固相線温度を低下させない観点からは、下記（１）〜（３）に記載のＢｉ系はんだ箔であることが好ましい。更に、液相線温度の上昇の観点からは、下記（１）又は（２）のＢｉ系はんだ箔であることが好ましい。
【００５３】
（１）Ｂｉ中にＣｕＡｌＭｎ合金粉末を分散させたＢｉ−ＣｕＡｌＭｎ
（２）ＢｉにＣｕを添加した材料
（３）ＢｉにＮｉを添加した材料
【００５４】
（１）Ｂｉ−ＣｕＡｌＭｎ
ＣｕＡｌＭｎ合金はマルテンサイト変態の性質を有する。マルテンサイト変態の性質を有する金属の合金相は、温度や応力に基づいてマルテンサイト相又は母相のいずれかの状態をとる。金属の合金相がマルテンサイト相の場合には、金属は極めて柔軟性に富んでおり、外力に基づいて容易に形状を変えることができる。このため、外力に基づく応力が緩和される。更に、冷熱サイクルが繰り返されたとしても、柔軟に形状を変えることができるので、応力に基づく疲労の蓄積が抑制される。また、金属の合金相が母相の場合は、金属は外力に基づいてマルテンサイト相に相移転し、弾性変形するので、外力が除荷されれば、記憶された元の形状に回復することができる。このため、金属にかかる応力が緩和されるとともに、その応力の蓄積が抑制される。
【００５５】
したがって、マルテンサイト変態の性質を有するＣｕＡｌＭｎ合金をバルク金属であるＢｉに加えることによって、外力からの応力を緩和するとともに、その応力の蓄積を制御することができる。その結果、Ｂｉに特有のせん断強度の弱さや脆さが解消される。
【００５６】
さらに、ＣｕＡｌＭｎ合金は毒性が少なく、添加するバルク金属の融点（液相線温度や固相線温度）に与える影響も少ない。また、ＣｕＡｌＭｎ合金は電気抵抗が小さいため、ＣｕＡｌＭｎ合金に電流が流れる状況下においても好適に利用することができる。
【００５７】
ＣｕＡｌＭｎ合金粉末の調製方法は特に制限されず、合金粉末の公知の調製方法を適宜適用することができる。調整方法の一例を下記に示すがこれに限定されない。
まず、Ｃｕ、Ａｌ、ＭｎをＡｒ雰囲気下で高周波溶解炉によって溶解し前駆体であるＣｕＡｌＭｎ合金インゴットを作製する。インゴットには必要に応じて、後述の添加元素を添加してもよい。次に、得られたインゴットをアトマイズ法等の粉末作製技術を利用して粉末化し、ＣｕＡｌＭｎ合金粉末を得る。
【００５８】
ＣｕＡｌＭｎ合金において、Ｍｎの含有率は０．０１質量％以上２０質量％以下であり、Ａｌの含有率は３質量％以上１３質量％以下であり、残部がＣｕであることが好ましい。この組成比に調整することによって、マルテンサイト変態の性質が顕著に表れ、はんだによって形成された結合部が破壊されるのを抑制することができる。
【００５９】
また、ＣｕＡｌＭｎ合金に、Ａｇ、Ｎｉ，Ａｕ、Ｓｎ，Ｐ，Ｚｎ、Ｃｏ，Ｆｅ、Ｂ、Ｓｂ、Ｇｅを添加すると、Ｂｉとの整合性を向上させ、マルテンサイト相を安定化させる効果があるので、これら添加元素を添加する態様も好ましい。
ＣｕＡｌＭｎ合金における上記添加元素の含有率は、０．００１〜１０質量％であることが好ましい。添加元素が０．００１質量％よりも少ないと、添加元素を添加する上記効果が得られ難い。添加元素が１０質量％よりも多いとＣｕＡｌＭｎ合金がマルテンサイト相を呈することができなくなる。
【００６０】
ＣｕＡｌＭｎ合金粉末の表面をＮｉやＡｕでめっきすることも好適である。粉末表面のめっき層の膜厚を調整することによって、ＣｕＡｌＭｎ粉末の分散性を向上させることができる。好適なめっき層の膜厚は、０．０１μｍ以上５μｍ以下であり、０．０１μｍ以上３μｍ以下がより好適である。
【００６１】
ＣｕＡｌＭｎ合金粉末の粒径を調整すると、Ｂｉ−ＣｕＡｌＭｎの応力緩和能力等を調整することができる。具体的には、ＣｕＡｌＭｎ合金粉末の粒径は、０．０１μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましく、０．０１μｍ以上２０μｍ以下であることがより好ましい。
また、ＣｕＡｌＭｎ合金粉末の粒径は、Ｂｉ粉末の粒径に対して（ＣｕＡｌＭｎ合金粉末の粒径／Ｂｉ粉末の粒径）、０．００００５倍以上２．５倍以下であることが粉末同士を均一に混合する観点から好ましく、０．０００１倍以上０．５倍以下であることがより好ましく、０．０００５倍以上０．２５倍以下であることが更に好ましい。
【００６２】
ＣｕＡｌＭｎ合金粉末の形状は、球状、ロッド状、不定形状などいずれであってもよいが、シート成型後のはんだ内の熱安定性および応力緩和、強度向上の観点から、球状の粉末が好適である。
【００６３】
Ｂｉ−ＣｕＡｌＭｎ中のＣｕＡｌＭｎ合金の含有率は、０．５質量％以上２０質量％以下であることが好ましく、１質量％以上１５質量％以下であることがより好ましい。ＣｕＡｌＭｎ合金の含有率が上記範囲内にある場合、マルテンサイト変態の性質を有する物質を添加した上記効果が得られ、且つＢｉの特性である融点の高さを維持できる。Ｂｉ−ＣｕＡｌＭｎ中のＣｕＡｌＭｎ合金の含有率は、ＣｕＡｌＭｎ合金粉末とＢｉ粉末とを上記質量比で配合することで調節できる。
【００６４】
（３）ＢｉにＣｕを添加した材料
ＢｉにＣｕを添加したはんだ材料では、Ｂｉの脆性が抑えられ、機械的強度が高まる。この原因は明らかになっていないが、微細なＣｕがＢｉ中に分散することによるものと思われる。
Ｂｉの脆性を抑えるという観点からは、Ｃｕの含有率は０．０１質量％以上であることが好ましく、より好適には０．１質量％以上であり、更に好適には０．４質量％以上である。
一方、Ｃｕを多く添加すると液相線温度が上昇する。よって、はんだによる接合時の加熱温度を考慮すると、Ｃｕの含有率は５質量％以下が好ましく、より好適には２質量％以下であり、更に好適には１質量％以下である。
【００６５】
Ｃｕ含有のＢｉはんだ箔は、先立ってＣｕ含有のＢｉインゴットを作製することなく調製することができる。具体的には、Ｃｕ単体粉末とＢｉ単体粉末を準備し、これら粉末を所望の比率で上記粉末圧延装置に供給すればよい。
【００６６】
Ｃｕ粉末の粒径は、Ｂｉ粉末の粒径に対して（Ｃｕ粉末の粒径／Ｂｉ粉末の粒径）、０．００００５倍以上２．５倍以下であることが好ましく、０．０００１倍以上０．５倍以下であることがより好ましく、０．０００５倍以上０．２５倍以下であることが更に好ましい。
【００６７】
Ｃｕ粉末の形状は、球状、ロッド状、不定形状などいずれであってもよいが、シート成型後のはんだ内の熱安定性および、強度向上の観点から、球状の粉末が好適である。
【００６８】
（４）ＢｉにＮｉを添加した材料
ＢｉにＮｉを添加した材料では、Ｂｉの脆性が改善され、機械的強度が高まる。この原因は明らかになっていないが、微細なＢｉ３Ｎｉの化合物相がＢｉ中に分散することによるものと思われる。
【００６９】
Ｂｉの脆性を低く抑えるという観点からは、Ｎｉの含有率は０．０１質量％以上であることが好ましく、より好適には０．１質量％以上であり、更に好適には０．４質量％以上である。
一方、Ｎｉを多く添加すると、Ｃｕを添加したときと同様に、液相線温度が上昇する。したがって、はんだによる接合時の加熱温度を考慮すると、Ｎｉの含有率は７質量％以下であることが好ましく、より好適には２質量％以下であり、更に好適には１質量％以下である。
【００７０】
Ｎｉ含有Ｂｉはんだ箔は、先立ってＮｉ含有のＢｉインゴットを作製することなく調製することができる。具体的には、Ｎｉ単体粉末とＢｉ単体粉末を準備し、これら粉末を所望の比率で上記粉末圧延装置に供給すればよい。
【００７１】
Ｎｉ粉末の粒径は、Ｂｉ粉末の粒径に対して（Ｎｉ粉末の粒径／Ｂｉ粉末の粒径）、０．００００５倍以上２．５倍以下であることが好ましく、０．０００１倍以上０．５倍以下であることがより好ましく、０．０００５倍以上０．２５倍以下であることが更に好ましい。
【００７２】
Ｎｉ粉末の形状は、球状、ロッド状、不定形状などいずれであってもよいが、シート成型後のはんだ内の熱安定性および、強度向上の観点から、球状の粉末が好適である。
【００７３】
〔Ｂｉ含有はんだ箔〕
上述の製造方法によって得られる純Ｂｉはんだ箔２及びＢｉ系はんだ箔８（以下「Ｂｉ含有はんだ箔」と称する）は、原料として用いた粉末同士が密着し形成された緻密で均一な箔である。前記粉末圧延装置に供給する原料の種類、及びその配合比を変えることで、所望の組成のＢｉ含有はんだ箔を得ることができる。
【００７４】
Ｂｉ含有はんだ箔の厚さは、前記圧延ロール６，７間の距離や圧力を調節することで、所望の厚さとすることができる。具体的には、Ｂｉ含有はんだ箔の厚さは、５μｍ以上５００μｍ以下とすることができ、後述の接合体での接合部の厚みを考慮すれば、３０μｍ以上２００μｍ以下の厚みであることが望ましく、５０μｍ以上１５０μｍ以下がより望ましい。但し、用途に応じて、Ｂｉ含有はんだ箔の厚さは適宜調整できる。
ここで、Ｂｉ含有はんだ箔の厚さとは、マイクロメータによって任意の５箇所を測定したときの平均厚さをいう。
【００７５】
〔第一の実施形態の接合体〕
図３に、第一の実施形態の接合体の概略図を示す。接合体３００は、第１部材１０１と第２部材１０２とを有し、前記第１部材１０１と第２部材１０２の間が、上述のＢｉ含有はんだ箔９で接合される。
Ｂｉ含有はんだ箔９は緻密で均一なため、ボイドなどによる未接合部分が減少し、緻密で均一に接合した接合体を得ることができる。また、ペレット状や塊状のはんだ材料を適用するときのように、接合時に加熱しながらスクラブと呼ばれる外圧・摺動することを要しない。よって、接合時の作業も簡易化される。
【００７６】
接合体３００の作製方法を説明する。
第１部材１０１と第２部材１０２との間に前記Ｂｉ含有はんだ箔９を挟む（図３（Ａ））。この積層した状態で、リフロー法等を利用して接合し、接合体３００を形成する（図４（Ｂ））。
接合は、Ｂｉ含有はんだ箔９の融点よりも３０℃〜６０℃程度高い温度で行うことが好ましい。接合の際には、不活性ガス又は還元ガス雰囲気下で行なう。
【００７７】
〔第二の実施形態の接合体〕
図４に、第二の実施形態の接合体の概略図を示す。第二の実施形態の接合体３１０では、第１部材１０１と第２部材１０２の被接合面に、銅（Ｃｕ）層１１１，１１２をそれぞれ備える。Ｃｕ層１１１，１１２を備えることで、Ｂｉ含有はんだ材料９との界面において不要な反応生成物の生成を抑えることができ、温度変化に対する耐性が高くなる。 
【００７８】
Ｃｕ層１１１，１１２の厚みは、０．１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましく、０．５μｍ以上８μｍ以下であることがより好ましい。この膜厚の範囲内では、接合時にはんだ材料に溶け込み消失し難く、且つ接合体３１０全体の熱膨張係数に関する影響が少ない。 
Ｃｕ層１１１，１１２は、スパッタリングやめっき、蒸着等によって形成することができる。 
【００７９】
更にＣｕ層１１１，１１２の表面には、酸化防止や触れ性確保のために、薄いＡｕ層（図示せず）が設けられていてもよい。なお、この薄いＡｕ層は、接合時にはんだ浴に溶け込み、最終的なパワー半導体モジュールには殆ど残存しない。 
このようなＡｕ層の厚さは、０．０１μｍ以上０．５μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは、０．０３μｍ以上０．１μｍ以下である。 
【００８０】
接合体３１０の作製方法を説明する。
第１部材１０１及び第２部材１０２の表面に設けられたＣｕ層１１１，１１２を対向するように配置し、その間に前記Ｂｉ含有はんだ箔９を挟む（図４（Ａ））。この積層した状態で、リフロー法等を利用して接合し、接合体３１０を形成する（図４（Ｂ））。
接合は、Ｂｉ含有はんだ箔９の融点よりも３０℃〜６０℃程度高い温度で行うことが好ましい。接合の際には、不活性ガス又は還元ガス雰囲気下で行なう。
【００８１】
〔パワー半導体モジュール〕
図５に、本実施形態のパワー半導体モジュール１０の要部の断面模式図を示す。
本実施形態のパワー半導体モジュール１０は、パワー半導体素子２０と絶縁部３０と放熱板４０とを有する。パワー半導体素子２０と絶縁部３０との間は第一接合部５００によって接合される。絶縁部３０と放熱板４０との間は第二接合部６００によって接合される。
【００８２】
パワー半導体モジュール１０は、車載用インバータなどに用いられるものである。パワー半導体モジュール１０の周辺には図示しない内燃機関が設けられているために、パワー半導体モジュール１０を配置する環境はかなりの高温となる。さらに、パワー半導体素子として次世代のＧａＮやＳｉＣを用いた場合には、パワー半導体素子２０からの発熱が大きく、パワー半導体モジュール１０の温度が上昇する。これらの熱によってパワー半導体素子が破壊するのを防ぐよう、冷却水が流動する冷却管（図示せず）を設け、冷却管とパワー半導体素子との間に放熱板４０を設ける。
【００８３】
本実施形態のパワー半導体モジュール１０では、第一接合部５００及び第二接合部６００の少なくとも一方が、前記Ｂｉ含有はんだ箔９で接合されていればよく、第一接合部５００と第二接合部６００の両方がＢｉ含有はんだ箔９で接合されていてもよい。
【００８４】
接合体の一態様であるパワー半導体モジュール１０では、第一接合部５００又は第二接合部６００に、Ｂｉ含有はんだ箔９を用いて接合しているため、接合部分はパワー半導体モジュールの動作に十分耐える耐熱性を有する。また、Ｂｉ含有はんだ箔９は緻密で均一であるためボイドの発生が抑えられ、緻密で均一な接合部を形成することができる。また、ボイドなどによる未接合部分の発生が抑えられるため、接合部での熱抵抗や電気抵抗の増大を抑えることができる。更に、ペレット状や塊状のはんだ材料を適用するときのように、接合時に加熱しながらスクラブと呼ばれる外圧・摺動することを要しない。よって、接合時の作業も簡易化される。
【００８５】
本実施形態のパワー半導体モジュールでは、第一接合部５００を先に接合し次に第二接合部６００を接合してもよいし、第二接合部６００を先に接合した後、第一接合部５００を接合してもよい。
しかし、いずれにしても２回目のはんだ付けの温度が、１回目に用いたはんだ材料の融点よりも高いと、２回目のはんだ付けの際に１回目にはんだ付けした部分が溶融して、位置ずれを起こしたり傾斜したりといった不具合を発生させる。
【００８６】
この問題を回避するため、１回目に用いるはんだ材料の融点は、２回目に用いるはんだ材料の融点よりも高くなるよう、はんだの材料を選択する。好適には、２回目の接合に用いるはんだ材料の融点は、１回目の接合に用いるはんだ材料の融点よりも３０℃以上低いことが望ましい。
【００８７】
はんだ付けによってパワー半導体素子２０を破壊しないよう、はんだ付け時の加熱温度の上限は６５０℃、より好ましくは４５０℃であるという観点から、約２７０℃の融点を有するＢｉ含有はんだ箔９は２回目の接合に用いることが好ましい。
【００８８】
２回目の接合にＢｉ含有はんだ箔９を適用した場合、１回目の接合に用いるはんだ材料は、Ｂｉ含有はんだ箔９の融点２７０℃よりも充分に高い融点を有する材料であることが望ましい。よって、１回目の接合に用いるはんだ材料としては、主成分がＺｎである合金材料などを挙げることができ、その一例としてＺｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金（融点：３８２℃）を挙げることができる。
Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金において、Ａｌの含有率（ｘの範囲）は、好ましくは、２質量％以上１０質量％以下であり、３質量％以上８質量％以下であることがより好ましい。Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金における金属Ｍは、亜鉛及びアルミニウム以外の金属を表し、Ｃｕなどを挙げることができる。Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金において、金属Ｍの含有量（ｙの範囲）としては、０〜２質量％であり、好ましくは０〜１．５質量％である。
【００８９】
Ｂｉ含有はんだ材料によって接合する部材の被接合面には、Ｃｕ層を備えることが好ましい。Ｃｕ層を備えることで、Ｂｉとの界面において不要な反応生成物の生成を抑えることができる。半導体モジュールのように、過酷な冷熱サイクルにおいて、反応生成物が生成すると、この反応生成物が存在する位置を起点にクラックが発生したり、脆い反応生成物の場合には、反応生成物が割れてクラックの発生の原因となり得る。 
【００９０】
Ｂｉ含有はんだ箔９の被接合面に設けるＣｕ層の厚みは、０．１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましく、０．５μｍ以上５μｍ以下であることがより好ましい。０．１μｍよりも薄いと、接合時にはんだ材料に溶け込み消失する恐れがあり、１０μｍよりも厚いと、パワー半導体モジュール全体の熱膨張係数に影響を与え、熱応力を生じさせるようになるため好ましくない。 
Ｃｕ層は、スパッタリングやめっき、蒸着等によって形成することができる。 
【００９１】
半導体素子から遠い側の第二接合部６００には、Ｂｉ含有はんだ箔９を適用し、大量の熱を発する半導体素子に近い側の第一接合部５００には、Ｂｉ含有はんだ箔９よりも融点の高いはんだ材料を適用することが好適である。 
したがって、下記第一の実施形態のパワー半導体モジュールでは、第二接合部６００にＢｉ含有はんだ箔９をパワー半導体モジュールについて説明する。 
【００９２】
［第一の実施形態のパワー半導体モジュール］
（パワー半導体素子）
パワー半導体素子２０としては、特に制限することなく用途に応じて適宜適用することができ、一般的なＳｉ基板なども適用できる。
【００９３】
（絶縁部）
絶縁部３０における絶縁基板３２としては、絶縁性を確保できるものであれば特に制限されず適用することができるが、好ましくは冷熱サイクル時に顕著な熱応力を生じさせないよう、半導体素子の熱膨張係数と同程度の熱膨張係数を有するものである。
【００９４】
具体的に好適な絶縁基板３２としては、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３などで形成されるものを挙げることができ、この中でも熱伝導率及び熱膨張係数の観点から、Ｓｉ３Ｎ４又はＡｌＮが好適である。更に、Ｓｉ３Ｎ４の破壊強度はＡｌＮの破壊強度よりも高く、絶縁部材自体の寿命が長くなることから、絶縁基板３２としてはＳｉ３Ｎ４であることがより好適である。
【００９５】
また、絶縁基板３２におけるパワー半導体素子側の表面から半導体素子に電気を通すために絶縁基板３２の表面に導電層３４を設ける。また、温度変化に対するそりを抑制するために、放熱板４０側にも導電層３６を設けることが好ましい。
【００９６】
絶縁基板３２としてＡｌＮのセラミックスを用いる場合には、導電層３４、３６としては、Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｎｉなどが好適であり、この中でもＡｌ及びＣｕが好ましい。ＡｌＮの表面にＡｌ層を設けると、温度変化に対して塑性変形を生じ、熱応力を緩和でき、Ｃｕ層を設けると導電率が高いことから薄くすることができ、熱応力を緩和できるため好適である。
つまり、ＡｌＮのセラミックスを絶縁基板３２として適用する場合には、絶縁部３０としては、Ｃｕ／ＡｌＮ／Ｃｕ積層体又はＡｌ／ＡｌＮ／Ａｌ積層体であることが好ましい。
【００９７】
他方、絶縁基板３２としてＳｉ３Ｎ４のセラミックスを用いる場合には、導電層３４、３６としては、Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｎｉなどが好適であり、この中でもＡｌ及びＣｕが好ましく、Ｃｕであることがより好ましい。Ｃｕは導電率が高いことからＣｕ層を設けると導電率が高いことから薄くすることができ、熱応力を緩和できるため好適である。また、Ｃｕ／Ｓｉ３Ｎ４／Ｃｕ積層体は、冷熱サイクル試験においても破壊され難く、絶縁部３０としての信頼性が高い。
【００９８】
絶縁基板３２に備える導電層３４、３６の厚さは、０．０１ｍｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましく、０．１ｍｍ以上０．８ｍｍ以下であることがより好ましい。導電層３４、３６の厚さが０．０１ｍｍ未満の場合には、横方向への電流による損失及び発熱が無視できなくなり、１ｍｍを超える場合には、パワー半導体モジュール全体の熱膨張係数に影響を与え、熱応力を生じさせるようになるため好ましくない。
【００９９】
絶縁基板３２の両表面に導電層３４、３６を貼付する方法は特に制限されず、ロウ付けなどの公知の方法を適宜採用することができる。
【０１００】
Ｂｉ含有はんだ箔９を適用する第二接合部６００側の絶縁部３０の表面には、Ｃｕ層（図示せず）を設けることが好ましい。但し、導電層３６がＣｕ層の場合には、更にＣｕ層を設けなくともよい。
上述の通り、Ｂｉ含有はんだ箔９は、Ｃｕ層との界面においては、冷熱サイクルによる界面に存在する生成物の成長速度が非常に遅いので、Ｃｕ層を設けることで温度変化に対しても亀裂や剥離などの不具合を生じさせない。
【０１０１】
Ｂｉ含有はんだ箔９の界面にＣｕ層を別途設ける場合には、当該Ｃｕ層の厚みは、０．１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましく、３μｍ以上８μｍ以下であることがより好ましい。０．１μｍよりも薄いと、接合時にはんだ材料に溶け込み消失する恐れがあり、１０μｍよりも厚いと、パワー半導体モジュール全体の熱膨張係数に影響を与える可能性がある。
【０１０２】
更にＣｕ層の表面には、酸化防止や触れ性確保のために、薄いＡｕ層（図示せず）が設けられていてもよい。なお、この薄いＡｕ層は、接合時にはんだ浴に溶け込み、最終的なパワー半導体モジュールには殆ど残存しない。
このようなＡｕ層の厚さは、０．０１μｍ以上０．５μｍ以下程度であることが好ましく、より好ましくは、０．０３μｍ以上０．１μｍ以下である。
【０１０３】
第一接合部５００側の絶縁部３０の表面には、第一接合部５００のはんだ材料に応じて、金属膜（図示せず）を適宜設けることもできる。
【０１０４】
（放熱板）
放熱板４０としては、放熱性を有するものであれば特に制限されず適用することができるが、熱伝導率が充分高く放熱板としての機能に優れ、また半導体素子の熱膨張係数に近いものを用いることが好ましい。
【０１０５】
具体的に好適な放熱板４０としては、Ｍｏ、Ｃｕ−Ｍｏ合金、Ａｌ−ＳｉＣ、Ｃｕ、Ａｌなどで形成されるものを挙げることができ、この中でも高い熱伝導率とパワー半導体素子に近い熱膨張係数を有することから、Ｍｏが好適である。
【０１０６】
Ｍｏを放熱板に用いる場合には、はんだによる接合を可能とする観点から、Ｍｏの両面に他の金属層を設けることが好ましく、このような金属層としては、Ｃｕ、Ｎｉなどを挙げることができ、この中でもＣｕが好ましい。特に、放熱板４０が、Ｍｏの表面にＣｕ層を設けたＣｕ層４４／Ｍｏ層４２／Ｃｕ層４６の積層体であることが、熱伝導率と熱膨張係数との調整を図る観点から好適である。
【０１０７】
このように、放熱板４０が、Ｃｕ層４４／Ｍｏ層４２／Ｃｕ層４６で構成される積層体である場合、各層の厚さの比率が、１／５／１〜１／１２／１であることが好ましく、１／７／１〜１／９／１であることがより好ましい。１／５／１よりもＭｏ層が薄くなると、パワー半導体素子の熱膨張係数から離れた熱膨張係数を有することになるため好ましくない。１／１２／１よりもＭｏ層が厚くなると、放熱板としての放熱機能が充分に発揮され難くなり、好ましくない。
【０１０８】
具体的な層の厚さとしては、Ｃｕ層４４、４６は、０．０５ｍｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましく、０．２ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であることがより好ましい。Ｍｏ層４２の厚さは、１ｍｍ以上７ｍｍ以下であることが好ましく、２ｍｍ以上４ｍｍ以下であることがより好ましい。
【０１０９】
Ｃｕ層４４／Ｍｏ層４２／Ｃｕ層４６で構成される積層体は、放熱機能を充分に発揮させるため、全体の厚さは１ｍｍ以上８ｍｍ以下であることが好ましく、２ｍｍ以上５ｍｍ以下であることがより好ましい。
【０１１０】
Ｂｉ含有はんだ箔９を適用する第二接合部６００側の放熱板４０の表面には、Ｃｕ層（図示せず）を設けることが好ましい。但し、層４４がＣｕ層の場合には、更にＣｕ層を設けなくともよい。
上述の通り、Ｂｉ含有はんだ箔９は、Ｃｕ層との界面においては、冷熱サイクルによる界面に存在する生成物の成長速度は非常に遅いので、Ｃｕ層を設けることで温度変化に対しても亀裂や剥離などの不具合を生じさせない。
【０１１１】
層４４の表面にＣｕ層を別途設ける場合には、当該Ｃｕ層の厚みは、０．１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましく、３μｍ以上８μｍ以下であることがより好ましい。０．１μｍよりも薄いと、接合時にはんだ材料に溶け込み消失する恐れがあり、１０μｍよりも厚いと、パワー半導体モジュール全体の熱膨張係数に影響を与える可能性がある。
【０１１２】
更にＣｕ層の表面には、酸化防止や触れ性確保のために、薄いＡｕ層（図示せず）が設けられていてもよい。なお、この薄いＡｕ層は、接合時にはんだ浴に溶け込み、最終的なパワー半導体モジュールには殆ど残存しない。
このようなＡｕ層の厚さは、０．０１μｍ以上０．５μｍ以下程度であることが好ましく、より好ましくは、０．０３μｍ以上０．１μｍ以下である。
【０１１３】
第一の実施形態のパワー半導体モジュールの製造手順の一例を示す。
まず、第一接合部５００の接合を行なう。
パワー半導体素子２０と絶縁部３０とが対向するように配置し、その間にＢｉ含有はんだ箔９よりも融点の高いはんだ材料（例えば、前述のＺｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金（融点：３８２℃）など）を挟む。この積層した状態で、リフロー法等を利用して接合し、第一接合部５００を形成する。接合温度は、適用するはんだ材料の融点よりも３０℃〜６０℃程度高い温度で行うことが好ましい。接合の際には、不活性ガス又は還元ガス雰囲気下で行なうが、上述のように、前記被覆層の表面に生成した酸化膜を還元するには、還元ガス雰囲気下で行なうことが好ましい。
形成された第一接合部５００の層の厚さは、熱伝導及び熱応力の観点から５μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましく、１０μｍ以上２００μｍ以下であることがより好ましく、５０μｍ以上１５０μｍ以下であることが更に好ましい。
【０１１４】
次に第二接合部６００の接合を行なう。
第二接合部６００による接合では、絶縁部３０と放熱板４０とが対向するように配置し、その間にＢｉ含有はんだ箔９を挟み、この積層した状態で、リフロー法等を利用して接合し、パワー半導体モジュール１０を得る。なお、絶縁部３０は第一接合部５００によって、先立ってパワー半導体素子２０に接合されている。
【０１１５】
第一接合部５００による接合と同様に、第二接合部６００による接合においても、不活性ガス又は還元ガス雰囲気下で接合する。第二接合部６００の接合温度は、第二接合部６００のＢｉ含有はんだ箔９の融点よりも３０℃〜６０℃程度高い温度で、かつ第一接合部５００に用いたはんだ材料の融点よりも３０℃以上低い温度で接合することが好ましい。
Ｂｉ含有はんだ箔９によって形成される第二接合部６００の厚さは、熱伝導及び熱応力の観点から、５μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましく、１０μｍ以上３００μｍ以下であることがより好ましく、５０μｍ以上１５０μｍ以下であることが更に好ましい。
【０１１６】
１回目の接合に用いるはんだ材料の融点は、２回目に用いるＢｉ含有はんだ箔９の融点よりも高いので、２回目のはんだ付けの際に１回目にはんだ付けした部分が溶融して位置ずれを起こしたり傾斜したりといった不具合が生じない。
また、第一の実施形態では、大量の熱を発する半導体素子に近い側の第一接合部５００には、より融点の高いはんだ材料を適用し、半導体素子から遠い側の第二接合部６００には、第一接合部５００に用いたはんだ材料よりも融点の低いＢｉ含有はんだ箔９を適用するので、更に耐熱性に優れたパワー半導体モジュールとなる。
【０１１７】
［第二の実施形態のパワー半導体モジュール］
第一の実施形態のパワー半導体モジュールでは、第二接合部６００にＢｉ含有はんだ箔９を適用し、第一接合部５００にはＢｉ含有はんだ箔９よりも融点の高いはんだ材料を適用したが、第二の実施形態のパワー半導体モジュールでは、第一接合部５００にＢｉ含有はんだ箔９を適用し、第二接合部６００にＢｉ含有はんだ箔９よりも融点の高いはんだ材料を適用する。
第二の実施形態のパワー半導体モジュールでは、第二接合部６００を先に接合し、第一接合部５００を２回目に接合する。Ｂｉ含有はんだ箔９を用いる第一接合部５００の被接合面、つまりパワー半導体素子２０と絶縁部３０の表面には、Ｃｕ層を設けることが好ましい。但し、絶縁部３０の導電層３４がＣｕ層の場合には、絶縁部３０の表面に更にＣｕ層を設けなくともよい。その他については、第一の実施形態のパワー半導体モジュールと同様であるので、説明を省略する。
【０１１８】
［第三の実施形態のパワー半導体モジュール］
第三の実施形態のパワー半導体モジュールでは、第一接合部５００にＢｉ含有はんだ箔９を適用し、第二接合部６００にＢｉ含有はんだ箔９よりも融点の低いはんだ材料を適用する。但し、第二接合部６００に適用するはんだ材料は、半導体素子からの発熱を考慮し、融点が２００℃以上のものとする。
第三の実施形態のパワー半導体モジュールでは、Ｂｉ含有はんだ箔９によって第一接合部５００を先に接合し、第二接合部６００を２回目に接合する。Ｂｉ含有はんだ箔９を用いる第一接合部５００の被接合面、つまりパワー半導体素子２０と絶縁部３０の表面には、Ｃｕ層を設けることが好ましい。但し、絶縁部３０の導電層３４がＣｕ層の場合には、絶縁部３０の表面に更にＣｕ層を設けなくともよい。その他については、第一の実施形態のパワー半導体モジュールと同様であるので、説明を省略する。
【０１１９】
［第四の実施形態のパワー半導体モジュール］
Ｂｉ含有はんだ箔９に含まれる合金組成の種類や添加剤の種類、添加剤の添加量を変えることで、融点が大きく変わる場合には、第一接合部と第二接合部の両者に、Ｂｉ含有はんだ材料を適用することができる。
この場合においても、２回目の接合に用いるはんだ材料の融点は、１回目の接合に用いるはんだ材料の融点よりも３０℃以上低いことが望ましく、且つパワー半導体からの発熱を考慮して２００℃以上であることが望ましい。
また、パワー半導体素子２０からの発熱を考慮し、より融点の高いはんだ材料を第一接合部に適用し、それよりも融点の低いはんだ材料を第二接合部に適用することが好ましい。
第四の実施形態のパワー半導体モジュールでは、第一接合部５００と第二接合部６００の被接合面に、Ｃｕ層を設けることが好ましい。但し、絶縁部３０の導電層３４、３６がＣｕ層の場合には、絶縁部３０の表面に更にＣｕ層を設けなくともよい。また、放熱板４０がＣｕ層４４を備える場合には、放熱板４０の表面に更にＣｕ層を設けなくともよい。その他については、第一の実施形態のパワー半導体モジュールと同様であるので、説明を省略する。
【０１２０】
なお、第一から第四の実施形態のパワー半導体モジュールでは、Ｂｉ含有はんだ箔９で接合する被接合面の表面にはＣｕ層を設けているが、必ずしも必要ではなく、設けなくともよい。
【実施例】
【０１２１】
以下では実施例により本発明を説明するが、本発明のＢｉ含有はんだ箔の製造方法の一例について述べるものであり、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【０１２２】
［実施例１］
（純Ｂｉ粉末の作製）
純Ｂｉインゴットをハンマー等で砕き、その後、らいかい機によって粉砕し、純Ｂｉ粉末を調製した。得られた純Ｂｉ粉末の形状を電子顕微鏡で観察したところ、長辺１５０〜５０μｍ、短辺８０〜２０μｍのロッド形状であった。また、純Ｂｉ粉末の平均粒径を上述の方法で測定したところ、７０μｍであった。
【０１２３】
（ＣｕＡｌＭｎ合金粉末の作製）
Ｃｕ８２質量％、Ａｌ９質量％、Ｍｎ９質量％をＡｒ雰囲気下で高周波溶解炉によって溶解し、マルテンサイト相を有するＣｕＡｌＭｎ合金インゴットを作製した。得られたインゴットをアルゴンガス雰囲気中で溶解し、噴射圧力５ＭＰａのガスアトマイズ法により粉末化し、ＣｕＡｌＭｎ合金粉末を得た。このＣｕＡｌＭｎ合金粉末を、２５０μｍ、１５０μｍ、５３μｍ、２０μｍのふるい目のふるいにて分級し、５３μｍ以上の粉末を除いた。
得られたＣｕＡｌＭｎ合金粉末の平均粒径を上述の方法で測定したところ、平均粒径３６μｍ、粒度分布幅をレーザー回折散乱方法で測定したところ、２．０であった。また、得られたＣｕＡｌＭｎ合金粉末の形状を電子顕微鏡で観察したところ、形状は球形であった。
【０１２４】
分級したＣｕＡｌＭｎ合金粉末は、滴下法を利用して、表面にＮｉをめっきした。
Ｎｉめっき層の膜厚を断面観察によって測定したところ、厚い箇所でも５μｍであった。なお、１０個のＣｕＡｌＭｎ合金粉末を測定したときのＮｉめっき層の平均膜厚は、０．８μｍであった。
【０１２５】
（粉末圧延）
準備した純Ｂｉ粉末１００ｇと、ＮｉめっきしたＣｕＡｌＭｎ合金粉末１０ｇを容器に投入し、充分攪拌した後、大野ロール製作所製粉末圧延機に図１のように粉末を充填した。圧延の条件は以下の通りである。
・温度：２０℃
・ロール直径：１５ｃｍ
・ロール間距離：２４０μｍ
・ロール回転速度：８ｒｐｍ
【０１２６】
（Ｂｉ含有はんだ箔）
図６に、得られたＢｉ含有はんだ箔の外観写真を示し、図７にその断面組織の電子顕微鏡写真を示す。得られたＢｉ含有はんだ箔は、幅２ｃｍ、長さ１０ｃｍ以上、厚さ２５０μｍであった。なお、圧延条件を変更することで、より長いはんだ箔が作製できることを確認している。
図７に示す断面組織写真により、ＣｕＡｌＭｎ合金粉末がＢｉ中に均一に分散していることが確認された。
【０１２７】
［実施例２］
パワー半導体素子と絶縁基板を、実施例１で作製したＢｉ含有はんだ箔で接合し、図８に示す構成の評価試験体−１を作製した。
Ｓｉ３Ｎ４のセラミックス板の両面に、厚さ１５０μｍのＣｕ層３４、３６をロウ付けによって貼り付け、Ｃｕ層３４／Ｓｉ３Ｎ４層３２／Ｃｕ層３６の積層体を作製した。
また、ＧａＮを用いたパワー半導体素子２０を準備し、その最表面にＣｕ層２２をスパッタリングで形成した。Ｃｕ層２２の厚さを電子顕微鏡で確認したところ、約３μｍであった。
【０１２８】
上記準備したパワー半導体素子２０のＣｕ層２２と、絶縁部３０のＣｕ層３４とが対向するように配置し、その間に実施例１で作製したＢｉ含有はんだ箔を挟み込んだ状態で、位置決めをするためのカーボン治具にセットし、電気炉に入れた。
電気炉の炉心管には５体積％の水素ガスを含む窒素ガスを常時流入し、内部を還元性雰囲気とした。その状態で、室温から３２０℃まで３０分かけて昇温させた後、５分間３２０℃の状態を保ち、その後、常温付近まで冷却してから取り出して、評価試験体−１を得た。
【０１２９】
＜接合面の観察＞
評価試験体−１は、始めに超音波探傷によって、接合面全体を非破壊で観察した後に、評価試験体−１を切断して断面を研磨し、その断面を電子顕微鏡により観察した。
その結果、評価試験体−１の接合面にはボイドが全く確認されず、緻密で均一な接合であることが分かった。
【０１３０】
［比較例１］
実施例１で作製した純Ｂｉ粉末１００ｇと、ＮｉめっきしたＣｕＡｌＭｎ合金粉末１０ｇをアルゴンガス雰囲気中で溶解し、鋳型に鋳込み、インゴットを作製した。表面を研磨後、１．０ｃｍ×１．０ｃｍ×１．０ｃｍに切り出し、冷間圧延によって目的厚さ２５０μｍまで圧延させることを試みた。しかし、厚さが０．８ｍｍになったところで、試料にクラックが入り、シートを形成することができなかった。
【０１３１】
［実施例３］
実施例１と同様にして、純Ｂｉインゴットをハンマー等で、砕き、その後、らいかい機によって粉砕し、純Ｂｉ粒子を調製した。らいかい機の粉砕時間を半分にし、得られた純Ｂｉ粒子の形状を電子顕微鏡で観察したところ、長辺２５０〜１５０μｍ、短辺８０〜２０μｍのロッド状であった。また、純Ｂｉ粒子の平均粒径を上述の方法で測定したところ、１７０μｍであった。
【０１３２】
この純Ｂｉ粒子を用いて、実施例１と同様の方法で圧延したところ、Ｂｉ含有はんだ箔が得られた。このＢｉ含有はんだ箔を断面組織写真にて観察したところ、ＣｕＡｌＭｎ合金粉末がＢｉ中に均一に分散していることが確認された。
【０１３３】
［実施例４］
純Ｃｕの板材をアルゴンガス雰囲気中で溶解し、噴射圧力５ＭＰａのガスアトマイズ法により粉末化し、Ｃｕ粉末を得た。このＣｕ粉末を、２５０μｍ、１５０μｍ、５３μｍ、２０μｍのふるい目のふるいにて分級し、５３μｍ以上の粉末を除いた。
得られたＣｕ粉末の平均粒径を上述の方法で測定したところ、平均粒径２５μｍ、粒度分布幅をレーザー回折散乱方法で測定したところ、１．８であった。また、得られたＣｕ粉末の形状を電子顕微鏡で観察したところ、形状は球形であった。
【０１３４】
実施例１と同様にして、但しＣｕＡｌＭｎ合金粉末を上記Ｃｕ粉末に代えて圧延を行なったところ、Ｂｉ含有はんだ箔を得ることができた。
得られたＣｕ含有のＢｉ含有はんだ箔を断面組織写真にて観察すると、Ｃｕ粉末がＢｉ中に均一に分散していることが確認された。
【０１３５】
［実施例５］
実施例１と同様の方法で、但し、ロール回転速度を８ｒｐｍから１５ｒｐｍに変え、ロール間距離を２４０μｍから２５μｍに変えて、圧延を行なった。
得られたＢｉ含有はんだ箔は、幅５ｃｍ以上長さ１５ｃｍ以上、厚さ３０μｍであった、なお、圧延条件を変更することでより長いはんだ箔が作製できることを確認している。
【図面の簡単な説明】
【０１３６】
【図１】第一の実施形態のＢｉ含有はんだ箔の製造方法に用いる製造装置（粉末圧延機）の模式図である。
【図２】第二の実施形態のＢｉ含有はんだ箔の製造方法を説明する図である。
【図３】第一の実施形態の接合体の概略図である。
【図４】第二の実施形態の接合体の概略図である。
【図５】本実施形態のパワー半導体モジュール１０の要部の断面模式図である。
【図６】実施例１で得られたＢｉ含有はんだ箔の外観写真である。
【図７】実施例１で得られたＢｉ含有はんだ箔の断面組織の電子顕微鏡写真である。
【図８】実施例２の評価試験体−１の構成概略図である。
【符号の説明】
【０１３７】
２      純Ｂｉはんだ箔
４      Ｂｉ粉末
６，７  圧延ロール
８      Ｂｉ系はんだ箔
９      Ｂｉ含有はんだ箔
１０    パワー半導体モジュール
２０    パワー半導体素子
２２，３８  銅（Ｃｕ）層
３０    絶縁部
３２    絶縁基板
３４、３６  導電層
４０    放熱板
４２    モリブデン（Ｍｏ）層
４４、４６  銅（Ｃｕ）層
１０１  第１部材
１０２  第２部材
１１１，１１２  銅（Ｃｕ）層
３００、３０１  接合体
５００  第一接合部
６００  第二接合部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図８】
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【図６】
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【図７】
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