(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板の一方の面に配設されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層を有するパワーモジュール用基板に用いられ、前記回路層上に配設され、焼成されることによって前記回路層と導通する導電接合層を形成するための導電性組成物であって、
銀粉末と、ＺｎＯを含有する無鉛ガラス粉末と、樹脂と、溶剤と、を含有し、
前記銀粉末及び前記無鉛ガラス粉末からなる粉末成分の含有量が、６０質量％以上９０質量％以下とされ、
前記粉末成分中における前記銀粉末の重量Ａと前記無鉛ガラス粉末の重量Ｇの比Ａ／Ｇが、８０／２０から９９／１の範囲内に設定されており、
焼成することにより生成される前記導電接合層が、前記無鉛ガラス粉末が軟化して形成される無鉛ガラス層と、前記無鉛ガラス層上に銀粉末が焼結されたＡｇ層と、を備えており、前記無鉛ガラス層内部に導電性粒子が分散されており、
前記無鉛ガラス粉末のガラス転移温度が３００℃以上４５０℃以下とされていることを特徴とする導電性組成物。
【請求項２】
前記無鉛ガラス粉末の軟化温度が６００℃以下、かつ、結晶化温度が４５０℃以上とされていることを特徴とする請求項１に記載の導電性組成物。
【請求項３】
前記無鉛ガラス粉末のガラス組成が、
Ｂｉ２Ｏ３：６８質量％以上９３質量％以下、
ＺｎＯ：１質量％以上２０質量％以下、
Ｂ２Ｏ３：１質量％以上１１質量％以下、
ＳｉＯ２：５質量％以下、
Ａｌ２Ｏ３：５質量％以下、
Ｆｅ２Ｏ３：５質量％以下、
ＣｕＯ：５質量％以下、
ＣｅＯ２：５質量％以下、
ＺｒＯ２：５質量％以下、
アルカリ金属酸化物：２質量％以下、
アルカリ土類金属酸化物：７質量％以下、
とされていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の導電性組成物。
【請求項４】
前記銀粉末の粒径が、０．０５μｍ以上１．０μｍ以下とされていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の導電性組成物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体素子が搭載されるアルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層上に配設され、焼成することによって前記回路層と導通する導電接合層を形成する導電性組成物に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子が搭載される半導体装置としては、例えば電力供給のためのパワーモジュール等が挙げられる。このパワーモジュールは発熱量が比較的高いため、これを搭載する基板としては、例えば、ＡｌＮ（窒化アルミ）からなるセラミックス基板上にＡｌ（アルミニウム）の金属板が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広く用いられている。
この金属板は回路層とされ、回路層の上には、はんだ材を介してパワー素子としての半導体素子が搭載される。なお、セラミックス基板の下面にも放熱のためにＡｌ等の金属板が接合されて金属層とされ、この金属層を介して冷却器が接合されたものが提案されている。
【０００３】
ここで、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層においては、表面にアルミニウムの酸化皮膜が形成されるため、はんだ材との接合を良好に行うことができない。
そこで、従来は、例えば特許文献１に開示されているように、回路層の表面に無電解めっき等によってＮｉめっき膜を形成し、このＮｉめっき膜上にはんだ材を配設して半導体素子を接合していた。
また、特許文献２には、はんだ材を用いずにＡｇナノペーストを用いて半導体素子を接合する技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１７２３７８号公報
【特許文献２】特開２００６−２０２９３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１に記載されたように、回路層表面にＮｉめっき膜を形成したパワーモジュール用基板においては、パワーモジュール用基板に冷却器を接合する場合には、回路層表面にＮｉめっき膜を形成した後にろう付け等を行うとＮｉめっき膜が劣化してしまうため、パワーモジュール用基板と冷却器とをろう付けして冷却器付パワーモジュール用基板を形成した後に、めっき浴内にこの冷却器付パワーモジュール用基板全体を浸漬させていた。
【０００６】
このため、冷却器等の回路層以外の部分にもＮｉめっき膜が形成されることになる。ここで、冷却器がアルミニウム及びアルミニウム合金で構成されていた場合には、アルミニウムからなる冷却器とＮｉめっき膜との間で電食が進行するおそれがある。したがって、Ｎｉめっき工程においては、冷却器部分にＮｉめっき膜が形成されないようにマスキング処理を行う必要があった。このように、マスキング処理をした上でめっき処理をすることになるため、回路層部分にＮｉめっき膜を形成するのには多大な労力が必要であり、パワーモジュールの製造コストが大幅に増加するといった問題があった。
さらに、半導体素子を接合するまでの過程においてＮｉめっき膜の表面が酸化等によって劣化し、はんだ材を介して接合した半導体素子との接合信頼性が低下するおそれがあった。
【０００７】
一方、特許文献２に開示されたＡｇナノペーストにおいては、アルミニウムからなる回路層上に半導体素子を接合する場合、回路層の表面にアルミニウムの酸化皮膜が形成されていることから、やはり、アルミニウム表面にＡｇやＮｉからなる介在層を形成する必要があった（特許文献２段落番号００１４参照）。
以上のことから、Ｎｉめっき膜を設けることなく、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層とはんだ層とを導通させる導電接合層を形成することができる導電性組成物が求められていた。
【０００８】
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、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層上に配設され、焼成によって前記回路層表面に自然発生したアルミニウム酸化皮膜と反応して前記回路層と導通する導電接合層を形成することが可能な導電性組成物を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明の導電性組成物は、セラミックス基板の一方の面に配設されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層を有するパワーモジュール用基板に用いられ、前記回路層上に配設され、焼成されることによって前記回路層と導通する導電接合層を形成するための導電性組成物であって、銀粉末と、ＺｎＯを含有する無鉛ガラス粉末と、樹脂と、溶剤と、を含有し、前記銀粉末及び前記無鉛ガラス粉末からなる粉末成分の含有量が、６０質量％以上９０質量％以下とされ、前記粉末成分中における前記銀粉末の重量Ａと前記無鉛ガラス粉末の重量Ｇの比Ａ／Ｇが、８０／２０から９９／１の範囲内に設定されており、焼成することにより生成される前記導電接合層が、前記無鉛ガラス粉末が軟化して形成される無鉛ガラス層と、前記無鉛ガラス層上に銀粉末が焼結されたＡｇ層と、を備えており、前記無鉛ガラス層内部に導電性粒子が分散されており、前記無鉛ガラス粉末のガラス転移温度が３００℃以上４５０℃以下とされていることを特徴としている。
【００１０】
この構成の導電性組成物によれば、ＺｎＯを含有する無鉛ガラス粉末と銀粉末とを備えており、焼成することにより生成される前記導電接合層が、前記無鉛ガラス粉末が軟化して形成される無鉛ガラス層と、前記無鉛ガラス層上に銀粉末が焼結されたＡｇ層と、を備えているので、前記無鉛ガラス層が前記回路層表面のアルミニウム酸化皮膜と反応することになり、前記回路層表面に直接接合された導電接合層を形成することが可能となる。また、前記無鉛ガラス層内部に導電性粒子が分散されているので、この導電性粒子によって導電性が確保されることになる。よって、例えば、回路層上にはんだ材を介して半導体素子を接合する場合において、この導電性組成物を焼成して得られる導電接合層によって回路層と半導体素子とを導通させることが可能となり、パワーモジュール等の半導体装置を構成することができる。すなわち、この導電性組成物を用いることにより、はんだ下地層（導電接合層）を形成することが可能となる。
なお、本発明における導電性組成物は、焼成することによって導電性を有する導電接合層を形成するものであり、焼成前の導電性組成物自体が導電性を有する必要はない。
【００１１】
また、前記銀粉末及び前記無鉛ガラス粉末からなる粉末成分の含有量が６０質量％以上とされているので、上述の導電接合層を確実に形成することができる。また、前記銀粉末及び前記無鉛ガラス粉末からなる粉末成分の含有量が９０質量％以下とされているので、流動性が確保され、回路層上に塗布することが可能となる。
さらに、前記銀粉末の重量Ａと前記無鉛ガラス粉末の重量Ｇの比Ａ／Ｇが、８０／２０から９９／１の範囲内に設定されているので、無鉛ガラス層とＡｇ層とを確実に形成することができる。
【００１２】
さらに、前記無鉛ガラス粉末のガラス転移温度が３００℃以上４５０℃以下とされているので、ＺｎＯを含有する無鉛ガラス粉末が良好に基板と反応し、十分な密着を得ることができるので、比較的低温で焼成しても導電接合層を確実に形成することができる。
【００１３】
さらに、前記無鉛ガラス粉末の軟化温度が６００℃以下、かつ、結晶化温度が４５０℃以上とされていることが好ましい。
この場合、無鉛ガラス粉末の軟化温度が６００℃以下とされているので、比較的低温でこの導電性組成物を焼成してもガラスが流動するので導電接合層を形成することが可能となり、導電性組成物を焼成する際にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層が劣化することを防止することができる。
また、無鉛ガラス粉末の結晶化温度が４５０℃未満であると、導電性組成物内部での流動性が劣化し、回路層との界面での反応が不十分となり、密着性が低下するおそれがある。このため、無鉛ガラス粉末の結晶化温度を４５０℃以上とした。
【００１４】
また、前記無鉛ガラス粉末のガラス組成が、Ｂｉ２Ｏ３：６８質量％以上９３質量％以下、ＺｎＯ：１質量％以上２０質量％以下、Ｂ２Ｏ３：１質量％以上１１質量％以下、ＳｉＯ２：５質量％以下、Ａｌ２Ｏ３：５質量％以下、Ｆｅ２Ｏ３：５質量％以下、ＣｕＯ：５質量％以下、ＣｅＯ２：５質量％以下、ＺｒＯ２：５質量％以下、アルカリ金属酸化物：２質量％以下、アルカリ土類金属酸化物：７質量％以下、とされていることが好ましい。
これらの酸化物を含有した無鉛ガラス粉末は、その軟化温度が比較的低くなり、焼成温度を低く設定することができる。また、結晶化温度が比較的高くなり、導電性組成物内部での流動性が確保され、回路層との密着性が向上することになる。
ここで、アルカリ金属酸化物の含有量は、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ等のアルカリ金属の酸化物の合計量とする。
また、アルカリ土類金属酸化物の含有量は、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＢａＯ、ＳｒＯ等のアルカリ土類金属の酸化物の合計量とする。
【００１５】
また、前記銀粉末の粒径が、０．０５μｍ以上１．０μｍ以下とされていることが好ましい。
この場合、銀粉末の粒径が０．０５μｍ以上１．０μｍ以下とされているので、この導電性組成物を回路層上に塗布した際に、導電性粒子が均一に分散することになり、この導電性組成物を焼成することによって均一な導電接合層を形成することが可能となり、導電接合層を介して半導体素子と回路層とを確実に導通させることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層上に配設され、焼成によって、前記回路層表面に自然発生したアルミニウム酸化皮膜と反応して前記回路層と導通する無鉛の導電接合層を形成することが可能な導電性組成物を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態である導電性組成物の製造方法を示すフロー図である。
【図２】本発明の実施形態である導電性組成物を用いたパワーモジュールの概略説明図である。である。
【図３】本発明の実施形態であるパワーモジュール用基板を示す説明図である。
【図４】回路層表面に形成された導電接合層の拡大説明図である。
【図５】本発明の実施形態において、導電接合層の厚さ方向の電気抵抗値Ｐの測定方法を示す上面説明図である。
【図６】本発明の実施形態において、導電接合層の厚さ方向の電気抵抗値Ｐの測定方法を示す側面説明図である。
【図７】図２のパワーモジュールの製造方法を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に、本発明の実施形態である導電性組成物及びこの導電性組成物を用いたパワーモジュール用基板、パワーモジュールについて添付した図面を参照して説明する。
【００１９】
まず、本実施形態である導電性組成物について説明する。この導電性組成物は、銀粉末と、ＺｎＯを含有する無鉛ガラス粉末と、樹脂と、溶剤と、分散剤と、を含有しており、銀粉末と無鉛ガラス粉末とからなる粉末成分の含有量が、導電性組成物全体の６０質量％以上９０質量％以下とされており、残部が樹脂、溶剤、分散剤とされている。なお、本実施形態では、銀粉末と無鉛ガラス粉末とからなる粉末成分の含有量は、導電性組成物全体の８５質量％とされている。
また、本実施形態では、導電性組成物の粘度が１０Ｐａ・ｓ以上５００Ｐａ・ｓ以下、より好ましくは５０Ｐａ・ｓ以上３００Ｐａ・ｓ以下に調整されている。
【００２０】
銀粉末は、その粒径が０．０５μｍ以上１．０μｍ以下とされており、本実施形態では、平均粒径０．８μｍのものを使用した。
無鉛ガラス粉末は、主成分としてＢｉ２Ｏ３、ＺｎＯ、Ｂ２Ｏ３を含むものとされており、そのガラス転移温度が３００℃以上４５０℃以下、軟化温度が６００℃以下、結晶化温度が４５０℃以上とされている。
また、銀粉末の重量Ａと無鉛ガラス粉末の重量Ｇとの重量比Ａ／Ｇは、８０／２０から９９／１の範囲内に調整されており、本実施形態では、Ａ／Ｇ＝８０／５とした。
【００２１】
溶剤は、沸点が２００℃以上のものが適しており、例えば、α−テルピネオール、ブチルカルビトールアセテート、ジエチレンクリコールジブチルエーテル等を適用することができる。なお、本実施形態では、ジエチレンクリコールジブチルエーテルを用いている。
樹脂は、導電性組成物の粘度を調整するものであり、５００℃以上で分解されるものが適しており、例えば、アクリル樹脂、アルキッド樹脂等を適用することができる。なお、本実施形態では、エチルセルロースを用いている。
また、本実施形態では、ジカルボン酸系の分散剤を添加している。なお、分散剤を添加することなく導電性組成物を構成してもよい。
【００２２】
ここで、本実施形態において用いられる無鉛ガラス粉末について詳細に説明する。本実施形態における無鉛ガラス粉末のガラス組成は、
Ｂｉ２Ｏ３：６８質量％以上９３質量％以下、
ＺｎＯ：１質量％以上２０質量％以下、
Ｂ２Ｏ３：１質量％以上１１質量％以下、
ＳｉＯ２：５質量％以下、
Ａｌ２Ｏ３：５質量％以下、
Ｆｅ２Ｏ３：５質量％以下、
ＣｕＯ：５質量％以下、
ＣｅＯ２：５質量％以下、
ＺｒＯ２：５質量％以下、
アルカリ金属酸化物：２質量％以下、
アルカリ土類金属酸化物：７質量％以下、
とされている。
【００２３】
すなわち、Ｂｉ２Ｏ３、ＺｎＯ、Ｂ２Ｏ３を必須成分とし、これに、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、ＣｕＯ、ＣｅＯ２、ＺｒＯ２、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ等のアルカリ金属酸化物、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＢａＯ、ＳｒＯ等のアルカリ土類金属酸化物が、必要に応じて適宜添加されたものである。ここで、これらの酸化物を上述の範囲内とした理由を以下に示す。
【００２４】
（Ｂｉ２Ｏ３）
Ｂｉ２Ｏ３は、無鉛ガラス粉末の主原料となるものであり、融点を低くするために必須の成分である。Ｂｉ２Ｏ３の含有量が６８質量％未満であると、軟化温度が高くなってしまう。一方、Ｂｉ２Ｏ３の含有量が９３質量％を超えると、結晶化温度が低くなってしまう。このため、Ｂｉ２Ｏ３の含有量を６８質量％以上９３質量％以下とした。
【００２５】
（ＺｎＯ）
ＺｎＯは、Ｂｉ２Ｏ３を含有する無鉛ガラスの結晶化を抑制する効果を有する。ＺｎＯの含有量が１質量％未満であると、結晶化抑制の効果を十分に奏功せしめることができない。一方、ＺｎＯの含有量が２０質量％を超えると、軟化温度が高くなってしまう。このため、ＺｎＯの含有量を１質量％以上２０質量％以下とした。
【００２６】
（Ｂ２Ｏ３）
Ｂ２Ｏ３は、ガラス化のために必須の成分である。Ｂ２Ｏ３の含有量が１質量％未満であると、ガラス化が不十分となり、容易に結晶化してしまう。一方、Ｂ２Ｏ３の含有量が１１質量％を超えると、軟化温度が高くなってしまう。このため、Ｂ２Ｏ３の含有量を１質量％以上１１質量％以下とした。
【００２７】
（ＳｉＯ２）
ＳｉＯ２は、ガラスの化学的耐久性や結晶化を抑制する効果を有する。ＳｉＯ２の含有量が５質量％を超えると、ガラス転移温度が高くなり、低温での焼成を行うことができなくなる。このため、ＳｉＯ２の含有量は５質量％以下とした。
【００２８】
（Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２）
Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２は、ガラスの化学的耐久性や結晶化を抑制する効果を有する。Ａｌ２Ｏ３の含有量、あるいは、ＺｒＯ２の含有量が５質量％を超えると、ガラス転移温度が高くなり、ガラス化が困難となる。このため、Ａｌ２Ｏ３の含有量、ＺｒＯ２の含有量をそれぞれ５質量％以下とした。
【００２９】
（Ｆｅ２Ｏ３、ＣｕＯ、ＣｅＯ２）
Ｆｅ２Ｏ３、ＣｕＯ、ＣｅＯ２は、Ｂｉ２Ｏ３を含有する無鉛ガラスの結晶化を抑制する効果を有する。Ｆｅ２Ｏ３の含有量、ＣｕＯの含有量、ＣｅＯ２の含有量がそれぞれ５質量％を超えると、ガラス転移温度が高くなり、ガラス化が困難となる。このため、Ｆｅ２Ｏ３の含有量、ＣｕＯの含有量、ＣｅＯ２の含有量をそれぞれ５質量％以下とした。
【００３０】
（アルカリ金属酸化物）
アルカリ金属酸化物は、原料由来成分として含有されるものである。アルカリ金属酸化物の含有量の合計が２質量％を超えると、結晶化しやすくなり、ガラス化が困難となる。このため、アルカリ金属酸化物の含有量の合計を２質量％以下とした。
【００３１】
（アルカリ土類金属酸化物）
アルカリ土類金属酸化物は、ガラスの物性を微調整するために含有されるものである。アルカリ土類金属酸化物の含有量の合計が７質量％を超えると、ガラス転移温度が高くなり、ガラス化が困難となる。このため、アルカリ土類金属酸化物の含有量の合計を７質量％以下とした。
【００３２】
このようなＺｎＯを含有する無鉛ガラス粉末は、次のようにして製造される。原料として、上述の各種酸化物、炭酸塩もしくはアンモニウム塩等を用いる。この原料を、白金坩堝、アルミナ坩堝または石英坩堝等に装入して、溶解炉にて溶融する。溶融条件に特に制限はないが、原料が全て液相で均一に混合されるように、９００℃以上１３００℃以下、３０分以上１２０分以下の範囲内とすることが好ましい。
得られた溶融物を、カーボン、スチール、銅板、双ロール、水等に投下して急冷することにより、均一なガラス塊を製出する。
このガラス塊を、ボールミル、ジェットミル等で粉砕し、粗大粒子を分級することにより、無鉛ガラス粉末が得られる。ここで、本実施形態では、無鉛ガラス粉末の中心粒径ｄ５０を０．１μｍ以上５．０μｍ以下の範囲内としている。
【００３３】
次に、本実施形態である導電性組成物の製造方法について、図１に示すフロー図を参照して説明する。
まず、前述した銀粉末と無鉛ガラス粉末とを混合して混合粉末を生成する（混合粉末形成工程Ｓ１）。また、溶剤と樹脂とを混合して有機混合物を生成する（有機物混合工程Ｓ２）。
そして、混合粉末形成工程Ｓ１で得られた混合粉末と、有機物混合工程Ｓ２で得られた有機混合物と、分散剤と、をミキサーによって予備混合する（予備混合工程Ｓ３）。
次いで、予備混合物を、複数のロールを有するロールミル機を用いて練り込みながら混合する（混錬工程Ｓ４）。  
混錬工程Ｓ４によって得られた混錬物を、ペーストろ過機によってろ過する（ろ過工程Ｓ５）。
このようにして、本実施形態である導電性組成物が製出されることになる。
【００３４】
次に、本実施形態である導電性組成物を用いて構成されたパワーモジュールについて、図２を用いて説明する。
このパワーモジュール１は、回路層１２が配設されたパワーモジュール用基板１０と、回路層１２の表面にはんだ層２を介して接合された半導体チップ３と、冷却器４０とを備えている。
【００３５】
パワーモジュール用基板１０は、絶縁層を構成するセラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の一方の面（図２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２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、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。
【００３６】
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、回路層１２は、純度が９９．９９％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がセラミックス基板１１に接合されることにより形成されている。
【００３７】
金属層１３は、セラミックス基板１１の他方の面に、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、金属層１３は、回路層１２と同様に、純度が９９．９９％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がセラミックス基板１１に接合されることで形成されている。
【００３８】
冷却器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と接合される天板部４１と、この天板部４１から下方に向けて垂設された放熱フィン４２と、冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路４３とを備えている。冷却器４０（天板部４１）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。
【００３９】
また、本実施形態においては、冷却器４０の天板部４１と金属層１３との間には、アルミニウム又はアルミニウム合金若しくはアルミニウムを含む複合材（例えばＡｌＳｉＣ等）からなる緩衝層１５が設けられている。
【００４０】
そして、図２に示すパワーモジュール１においては、回路層１２の表面（図２において上面）には、前述の導電性組成物を焼成して形成された導電接合層３０が形成されており、この導電接合層３０の表面に、はんだ層２を介して半導体チップ３が接合されている。ここで、はんだ層２を形成するはんだ材としては、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系が挙げられる。
なお、導電接合層３０は、図２に示すように、回路層１２の表面全体には形成されておらず、半導体チップ３が配設される部分にのみ選択的に形成されている。
【００４１】
図３及び図４に、はんだ層２を介して半導体チップ３を接合する前のパワーモジュール用基板１０を示す。
このパワーモジュール用基板１０においては、回路層１２の表面（図３及び図４において上面）に、前述の導電接合層３０が形成されている。この導電接合層３０は、はんだ層２を介して半導体チップ３を接合する前の状態では、図３に示すように、回路層１２側に形成された無鉛ガラス層３１と、この無鉛ガラス層３１上に形成されたＡｇ層３２と、を備えている。そして、この無鉛ガラス層３１内部には、粒径が数ナノメートル程度の微細な導電性粒子３３が分散されている。本実施形態においては、この導電性粒子３３は、Ａｇ又はＡｌの少なくとも一方を含有する結晶性粒子とされている。なお、無鉛ガラス層３１内の導電性粒子３３は、例えば透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いることで観察されるものである。
【００４２】
この導電接合層３０の厚さ方向の電気抵抗値Ｐは、０．５Ω以下、より好ましくは０．２Ω以下に設定されている。ここで、導電接合層３０の厚さ方向の電気抵抗値Ｐは、導電接合層３０の上面と回路層１２の上面との間の電気抵抗としている。これは、回路層１２を構成する４Ｎアルミニウムの電気抵抗が導電接合層３０の厚さ方向の電気抵抗に比べて非常に小さいためである。なお、この電気抵抗の測定の際には、図５及び図６に示すように、導電接合層３０の上面中央点と、導電接合層３０の上面中央点から導電接合層３０端部までの距離Ｈに対して導電接合層３０端部からＨだけ離れた回路層１２上の点と、の間の電気抵抗を測定した。
【００４３】
また、本実施形態では、回路層１２が純度９９．９９％のアルミニウムで構成されていることから、回路層１２の表面（図４において上面）には、大気中で自然発生したアルミニウム酸化皮膜１２Ａが形成されているが、前述の導電接合層３０が形成された部分においては、このアルミニウム酸化皮膜１２Ａが除去されており、回路層１２上に直接、導電接合層３０が形成されている。つまり、回路層１２を構成するアルミニウムと無鉛ガラス層３１とが直接接合されているのである。
【００４４】
ここで、回路層１２上に自然発生するアルミニウム酸化皮膜１２Ａの厚さｔｏが、４ｎｍ≦ｔｏ≦６ｎｍとされている。また、本実施形態においては、無鉛ガラス層３１の厚さｔｇが０．０１μｍ≦ｔｇ≦５μｍ、Ａｇ層３２の厚さｔａが１μｍ≦ｔａ≦１００μｍ、導電接合層３０全体の厚さｔｇ＋ｔａが１．０１μｍ≦ｔｇ＋ｔａ≦１０５μｍとなるように構成されている。
【００４５】
次に、本実施形態である導電性組成物を用いたパワーモジュール１の製造方法について、図７に示すフロー図を参照して説明する。
まず、回路層１２となるアルミニウム板及び金属層１３となるアルミニウム板を準備し、これらのアルミニウム板を、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ろう材を介して積層し、加圧・加熱後冷却することによって、前記アルミニウム板とセラミックス基板１１とを接合する（回路層接合工程Ｓ１１）。なお、このろう付けの温度は、６４０℃〜６５０℃に設定されている。
【００４６】
次に、金属層１３の他方の面側に、緩衝層１５を介して冷却器４０（天板部４１）をろう材を介して接合する（冷却器接合工程Ｓ１２）。なお、冷却器４０のろう付けの温度は、５９０℃〜６１０℃に設定されている。
【００４７】
そして、回路層１２の表面に、前述の導電性組成物を塗布する（導電性組成物塗布工程Ｓ１３）。なお、導電性組成物を塗布する際には、スクリーン印刷法、オフセット印刷法、感光性プロセス等の種々の手段を採用することができる。本実施形態では、スクリーン印刷法によって導電性組成物をパターン状に形成した。
【００４８】
回路層１２表面に導電性組成物を塗布した状態で、加熱炉内に装入して導電性組成物の焼成を行う（焼成工程Ｓ１４）。なお、このときの焼成温度は、３５０℃〜６４５℃に設定されている。
この焼成工程Ｓ１４により、無鉛ガラス層３１とＡｇ層３２とを備えた導電接合層３０が形成される。このとき、無鉛ガラス層３１によって、回路層１２の表面に自然発生していたアルミニウム酸化皮膜１２Ａが溶融除去されることになり、回路層１２に直接無鉛ガラス層３１が形成される。また、無鉛ガラス層３１の内部に、微細な導電性粒子３３が分散される。この導電性粒子３３は、Ａｇ又はＡｌの少なくとも一方を含有する結晶性粒子とされており、焼成の際に無鉛ガラス層３１内部に析出したものと推測される。
【００４９】
こうして、回路層１２の表面に導電接合層３０が形成されたパワーモジュール用基板１０及び冷却器付パワーモジュール用基板が製出されることになる。
【００５０】
そして、導電接合層３０の表面に、はんだ材を介して半導体チップ３を載置し、還元炉内においてはんだ接合する（はんだ接合工程Ｓ１５）。このとき、はんだ材によって形成されるはんだ層２には、導電接合層３０のＡｇ層３２の一部又は全部が溶融することになる。
これにより、はんだ層２を介して半導体チップ３が回路層１２上に接合されたパワーモジュール１が製出されることになる。
【００５１】
以上のような構成とされた本実施形態である導電性組成物によれば、ＺｎＯを含有する無鉛ガラス粉末と導電性に優れた銀粉末とを備えており、焼成することによって無鉛ガラス層３１とＡｇ層３２とを備えた導電接合層３０が形成され、この無鉛ガラス層３１を、純度９９．９９％以上のアルミニウムからなる回路層１２の表面に自然発生したアルミニウム酸化皮膜と反応させることができ、回路層１２を構成するアルミニウムに直接接合するように、無鉛ガラス層３１を形成することが可能となる。
【００５２】
そして、無鉛ガラス層３１の内部に、粒径が数ナノメートル程度とされた微細な導電性粒子３３が分散されているので、無鉛ガラス層３１においても導電性を確保することができる。具体的には、無鉛ガラス層３１を含めた導電接合層３０の厚さ方向の電気抵抗値Ｐが、０．５Ω以下、より好ましくは０．２Ω以下に設定されている。
よって、導電接合層３０及びはんだ層２を介して、半導体チップ３と回路層１２との間で電気を確実に導通することが可能となり、信頼性の高いパワーモジュール１を構成することができる。すなわち、本実施形態である導電性組成物は、はんだ下地層形成用ペーストとして用いることができるのである。
【００５３】
また、導電性組成物に含有される無鉛ガラス粉末のガラス転移温度が３００℃以上４５０℃以下とされているので、無鉛ガラス粉末が良好に基板と反応し、十分な密着を得ることができ、比較的低温で焼成しても導電接合層３０を確実に形成することができる。
さらに、導電性組成物に含有される無鉛ガラス粉末の軟化温度が６００℃以下に設定されているので、比較的低温で導電性組成物を焼成することが可能となる。具体的には、焼成温度を３５０℃以上６４５℃以下に設定することができる。よって、導電性組成物の焼成に伴う回路層１２の劣化や回路層１２とセラミックス基板１１との接合強度の低下等のトラブルを未然に防止することができ、高品質のパワーモジュール用基板１０及びパワーモジュール１を製出することが可能となる。
また、無鉛ガラス粉末の結晶化温度が４５０℃以上とされているので、導電性組成物内部での流動性が確保され、回路層１２との界面反応によって密着性の向上を図ることができる。
【００５４】
また、導電性組成物に含有される銀粉末の粒径が０．０５μｍ以上１．０μｍ以下とされており、本実施形態では平均粒径０．８μｍのものを使用しているので、この導電性組成物を回路層１２上に塗布した際に、銀粉末が均一に分散することになり、均一な導電接合層３０を形成することができ、はんだ層２と回路層１２とを、確実に導通させることができる。
【００５５】
また、導電性組成物の粘度が、１０Ｐａ・ｓ以上５００Ｐａ・ｓ以下、より好ましくは５０Ｐａ・ｓ以上３００Ｐａ・ｓ以下に設定され、ペースト状とされているので、回路層１２表面に導電性組成物を塗布する導電性組成物塗布工程Ｓ１３において、スクリーン印刷法等を適用することが可能なり、導電接合層３０を半導体チップ３が配設される部分のみに選択的に形成することができる。よって、導電性組成物の使用量を削減することが可能となり、このパワーモジュール用基板１０及びパワーモジュール１の製造コストを大幅に削減することができる。
【００５６】
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、形成される導電接合層における無鉛ガラス層とＡｇ層の厚さ比は、図４に例示したものに限定されることはない。
【００５７】
また、導電性組成物の原料、配合量については、実施形態に記載されたものに限定されることはなく、他の無鉛ガラス粉末、樹脂、溶剤、分散剤を用いてもよい。軟化温度がアルミ二ウムの融点以下、より好ましくは６００℃以下とされていればよい。
また、樹脂としては、アクリル樹脂、アルキッド樹脂等を用いてもよい。さらに、溶剤としては、α―テルピネオール、ブチルカルビトールアセテート等を用いても良い。
【００５８】
さらに、回路層及び金属層を構成する金属板を純度９９．９９％の純アルミニウムの圧延板と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、純度９９％のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）であってもよく、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。
【００５９】
また、回路層となるアルミニウム板をセラミックス基板にろう付けするとともに、冷却器をろう付けした後に、回路層上に導電接合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、アルミニウム板をセラミックス基板にろう付けする前や、冷却器をろう付けする前に、導電接合層を形成してもよい。
【実施例１】
【００６０】
以下に、前述の実施形態に記載されたパワーモジュール用基板１０において、導電接合層３０の厚さ方向の電気抵抗値Ｐを測定した結果を説明する。
導電接合層３０のＡｇ層３２の厚さｔａ、無鉛ガラス層３１の厚さｔｇを変更するとともに、Ａｇ粉末の重量Ａと無鉛ガラス粉末の重量Ｇとの重量比Ａ／Ｇを変更し、本発明例１〜５を製出した。なお、このときの無鉛ガラス粉末として、Ｂｉ２Ｏ３を９０．６質量％、ＺｎＯを２．６質量％、Ｂ２Ｏ３を６．８質量％、を含む無鉛ガラス粉末を用いた。また、樹脂としてエチルセルロースを、溶剤としてジエチレンクリコールジブチルエーテルを用いた。さらに、ジカルボン酸系の分散剤を添加した。
また、導電接合層３０を、上面視して一辺の長さが１５ｍｍの正方形状に成形した。
このようにして得られた本発明例１〜５の試料について、図５及び図６に記載された方法により、テスタ（ＫＥＩＴＨＬＥＹ社製：２０１０ＭＵＬＴＩＭＥＴＥＲ）を用いて、導電接合層３０の厚さ方向の電気抵抗値Ｐを測定した。測定結果を表１に示す。
【００６１】
【表１】
0005585407.tif 000002
【００６２】
本発明例１〜５のいずれにおいても、導電接合層３０の厚さ方向の電気抵抗値Ｐが０．５Ω以下とされていることが確認された。また、無鉛ガラス粉末の比率を小さく、かつ、無鉛ガラス層３１の厚さｔｇを薄く形成することにより、導電接合層３０の厚さ方向の電気抵抗値Ｐが小さくなることが確認された。
【実施例２】
【００６３】
次に、無鉛ガラス粉末の組成を変更して、無鉛ガラス粉末の軟化温度、結晶化温度、ガラス転移温度を調整した。これらの無鉛ガラス粉末を用いて、導電性組成物を構成した。
Ａｇ粉末の重量Ａと無鉛ガラス粉末の重量Ｇとの重量比Ａ／Ｇを９７．５／２．５とした。また、Ａｇ粉末と、無鉛ガラス粉末と、樹脂（エチルセルロース）と、溶剤（ジエチレンクリコールジブチルエーテル）と、を混合した。本実施例では、Ａｇ粉末と無鉛ガラス粉末からなる粉末成分の含有量が８５質量％、樹脂が３質量％、溶剤が１２質量％となるように、粉末成分、樹脂および溶剤の添加量を調整した。
【００６４】
ここで、上述の無鉛ガラス粉末について、軟化温度、ガラス転移温度、結晶化温度を測定した。測定結果を表２、３に示す。
軟化温度は、理学電機社製サーモフレックスを用いて熱機械分析（ＴＭＡ）を実施し、その降伏点（屈服点）の温度とした。
ガラス転移温度、結晶化温度は、ＢＲＵＫＥＲ  ＡＸＳ社製ＴＧ−ＤＴＡ２０００Ｓを用いて示差熱分析（ＴＧ−ＤＴＡ）を実施することで測定した。上記の無鉛ガラス粉末を１０℃／ｍｉｎで昇温し、熱量変化曲線に現れる吸熱ピークの温度をガラス転移温度とし、ガラス転移温度よりも高い温度領域で生じる発熱ピークの温度を結晶化温度とした。
【００６５】
そして、この導電性組成物を用いて、上述の実施形態で開示されたパワーモジュール用基板１０の導電接合層３０を形成した。なお、回路層１２の表面に導電性組成物を塗布する導電性組成物塗布工程Ｓ１３では、導電性組成物の塗布厚さを１０μｍとした。また、焼成工程Ｓ１４では、焼成温度を５７５℃、焼成時間を１０分とした。これにより、Ａｇ層３２の厚さｔａが８μｍ程度、無鉛ガラス層３１の厚さｔｇが１μｍ程度とされた導電接合層３０を形成した。
【００６６】
そして、導電接合層３０の表面に、はんだ材（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系無鉛はんだ）を介して半導体チップ３を載置し、還元炉内においてはんだ接合した。
なお、本実施例では、セラミックス基板１１を３０ｍｍ×２０ｍｍとし、回路層１２を１３ｍｍ×１０ｍｍとし、半導体チップ３を１２．５ｍｍ×９．５ｍｍとした。
【００６７】
このようにして得られたパワーモジュール１の接合信頼性を評価した。接合信頼性の評価として、冷熱サイクル（−４５℃−１２５℃）を２０００回繰り返した後の接合率を比較した。結果を表２、３に示す。
なお、接合率は、以下の式で算出した。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のこととした。
接合率  ＝  （初期接合面積−剥離面積）／初期接合面積
接合率が８５％より大きく１００％以下を「優」
接合率が７５％より大きく８５％以下を「良」
接合率が５０％より大きく７５％以下を「可」
接合率が５０％以下を「不可」とした。
【００６８】
【表２】
0005585407.tif 000003
【００６９】
【表３】
0005585407.tif 000004
【００７０】
実施例１〜８については、冷熱サイクルを２０００回繰り返した後の接合率が良好であり、十分な接合強度が得られていることが確認される。
また、試料Ａ〜Ｅにおいては、冷熱サイクルを２０００回繰り返した後の接合率が実用性は満足するものの、実施例１〜８と比較すると接合率が低くなっている。特に、無鉛ガラス粉末にＺｎＯが含有されていない試料Ｄ，Ｅでは、結晶化温度が３３０℃、４０３℃と低くなり、接合率が大幅に低下した。
【符号の説明】
【００７１】
１  パワーモジュール
２  はんだ層
３  半導体チップ（半導体素子）
１０  パワーモジュール用基板
１２  回路層
１２Ａ  アルミニウム酸化皮膜
３０  導電接合層
３１  無鉛ガラス層
３２  Ａｇ層
３３  導電性粒子
【図１】
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【図２】
0005585407.tif 000006
【図３】
0005585407.tif 000007
【図４】
0005585407.tif 000008
【図５】
0005585407.tif 000009
【図６】
0005585407.tif 000010
【図７】
0005585407.tif 000011