(57)【要約】【課題】半導体素子と回路層との接合強度及び冷熱サイクルでの接合信頼性に優れたパワーモジュール及びパワーモジュールの製造方法を提供する。【解決手段】セラミックス基板１１の一方の面に銅又は銅合金からなる回路層１２が配設されたパワーモジュール用基板１０と、回路層１２上に搭載される半導体素子３と、を備えたパワーモジュール１であって、回路層１２上に形成された、酸化銀が還元されたＡｇの焼結体からなるＡｇ焼結層３８によって半導体素子が接合されており、このＡｇ焼結層３８は、前記回路層と直接接合されており、その気孔率が２０％〜６０％であることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁層の一方の面に銅又は銅合金からなる回路層が配設されたパワーモジュール用基板と、前記回路層上に搭載される半導体素子と、を備えたパワーモジュールであって、
前記回路層上には、酸化銀が還元されたＡｇの焼結体からなるＡｇ焼結層によって半導体素子が接合されており、
前記Ａｇ焼結層は、前記回路層と直接接合されており、気孔率が２０％以上６０％以下であることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項２】
前記Ａｇ焼結層と前記半導体素子との間に気孔率が２０％未満のＡｇ緻密層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。
【請求項３】
絶縁層の一方の面に銅又は銅合金からなる回路層が配設されたパワーモジュール用基板と、前記回路層上に搭載される半導体素子と、を備えたパワーモジュールの製造方法であって、
前記回路層表面に、酸化銀と還元剤とを含む酸化銀ペーストを塗布する塗布工程と、
塗布された酸化銀ペーストの上に前記半導体素子を積層する積層工程と、
前記半導体素子と前記パワーモジュール用基板とを積層した状態で真空中又は不活性ガス雰囲気中で加熱して、前記回路層の上に２０％以上〜６０％以下の気孔率を有するＡｇ焼結層を形成すると共に、前記Ａｇ焼結層と前記回路層とを直接接合する接合工程と、を備え、
前記Ａｇ焼結層によって前記半導体素子と前記回路層とを接合することを特徴とするパワーモジュールの製造方法。
【請求項４】
前記酸化銀ペーストは、前記酸化銀及び前記還元剤に加えて、Ａｇ粒子を含有していることを特徴する請求項３に記載のパワーモジュールの製造方法。
【請求項５】
前記半導体素子の一方の面であって、前記回路層と接合される側の表面に気孔率２０％未満のＡｇ緻密層を形成するＡｇ緻密層形成工程を有することを特徴とする請求項３又は請求項４に記載のパワーモジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、絶縁層の一方の面に回路層が配設されたパワーモジュール用基板と前記回路層上に搭載される半導体素子とを備えたパワーモジュール、及びパワーモジュールの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車や電気車両などを制御するために用いられる大電力制御用の半導体素子は、大電流、高電圧を制御することから、例えばＡｌＮ（窒化アルミ）などの絶縁性の高い材料からなる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回路層として接合したパワーモジュール用基板に搭載して用いられる。
そして、このようなパワーモジュール用基板と半導体素子とは、例えば、特許文献１に開示されているように、パワーモジュール用基板の回路層上に形成されたはんだ材によって接合される。なお、この種のパワーモ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も金属板を接合し、その金属板を介して冷却器を接合された構造のものが知られている。
【０００３】
また、特許文献２には、はんだ材を用いずに金属化合物粒子と有機物からなる還元剤を含む接合用材料を半導体素子と銅配線との接合界面に配置して、加熱、加圧することにより半導体素子と銅配線とを接合する技術が提案されている。
さらに、特許文献３には、半導体部品と導体部材とを空孔の体積比率が５ｖｏｌ％〜７０ｖｏｌ％を有する銀の接合層を用いて半導体部品と導体部材とを金属的に接合した半導体装置が記載されている。
【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２００８−２０８４４２号公報
【特許文献３】特開２００９−９４３４１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、最近の半導体素子の高効率化により、半導体素子と回路層との接合部の電流容量が増大しており、高温環境に対応したパワーモジュールの要求が高まっている。特許文献１に記載されたパワーモジュールは、半導体素子と回路層とをはんだ材を用いて接合しており、はんだ材の再溶融や金属間化合物の成長によって、冷熱サイクルでの接合信頼性が低下するおそれがある。
【０００６】
また、特許文献２では、金属化合物粒子（酸化銀粒子）を還元して平均粒径が１００ｎｍ以下の金属粒子（Ａｇ粒子）の生成、凝集が起こりバルクな金属に変化する現象を用いて接合している。はんだ材のような接合部の再溶融、金属間化合物の成長という問題はないが、バルクな金属に変化する現象を利用していることから、緻密な接合層となり、冷熱サイクル負荷時の熱応力緩和が充分ではないという問題がある。さらに、特許文献２では、銅配線（回路層）の接合面に自然酸化膜厚以上の厚さの酸化物層を生成させ、接合時に接合材中の有機物の排出を効率的に行うことができることが記載されている。しかし、回路層の接合面に酸化物層を生成していることから、接合条件等を充分に管理しないと半導体素子との接合強度が低下するという問題がある。
【０００７】
特許文献３では、接続部間に銀を含む接合層を形成し、その接合層に占める空孔の体積比率を５ｖｏｌ％〜７０ｖｏｌ％の範囲に設定しており、冷熱サイクル負荷時の熱応力緩和を期待することができる。しかし、特許文献３では、導体部材である回路層表面にメッキ膜が形成されており、そのメッキ膜上に半導体素子を大気中で接合している。このため、メッキ膜が接合層の銀と導体部材の銅との拡散を抑制し、接合強度を高めることができないという課題がある。また、冷熱サイクル条件が厳しくなっており、メッキ膜の変形、劣化などのメッキ膜に起因した接合信頼性の低下が問題となるおそれがある。
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、半導体素子と回路層との接合強度、冷熱サイクルでの接合信頼性に優れたパワーモジュール及びパワーモジュールの製造方法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】
【０００８】
前記目的を達成するために、本発明のパワーモジュールは  絶縁層の一方の面に銅又は銅合金からなる回路層が配設されたパワーモジュール用基板と、前記回路層上に搭載される半導体素子と、を備えたパワーモジュールであって、前記回路層上には、酸化銀が還元されたＡｇの焼結体からなるＡｇ焼結層によって半導体素子が接合されており、前記Ａｇ焼結層は、前記回路層と直接接合されており、気孔率が２０％以上６０％以下であることを特徴としている。
【０００９】
この構成のパワーモジュールによれば、回路層上に酸化銀が還元されたＡｇの焼結体からなるＡｇ焼結層によって半導体素子が接合されていることから、比較的低温の条件で焼結することが可能となるため、半導体素子の接合温度を低く抑えることができ、半導体素子への熱負荷を低減することができる。また、酸化銀が還元されることによって、非常に微細なＡｇ粒子が生成し、この微細なＡｇ粒子が焼結することから、高温環境下でも充分な接合信頼性を維持することができる。
また、Ａｇ焼結層は、銅又は銅合金からなる回路層と直接接合されていることから、Ａｇ焼結層と回路層との接合強度を高めることができ、冷熱サイクル時の熱応力に対しても充分な接合信頼性を得ることができる。
【００１０】
さらに、このＡｇ焼結層は２０％以上６０％以下の気孔率を有していることから、冷熱サイクル時に発生する熱応力を緩和し、半導体素子の応力負荷を軽減することができる。ここで、気孔率が２０％未満の場合、冷熱サイクル時に発生する熱応力を充分に緩和することができなくなる。また、６０％を超える場合、Ａｇ焼結層の熱抵抗が高くなってしまう問題がある。よって、Ａｇ焼結層の気孔率を２０％以上６０％以下に設定した。上記観点から、気孔率は３０％以上５０％以下がより好ましい。
【００１１】
また、本発明のパワーモジュールでは、さらにＡｇ焼結層と前記半導体素子との間に気孔率が２０％未満のＡｇ緻密層が形成されていることが好ましい。
【００１２】
Ａｇ焼結層と半導体素子と間に気孔率２０％未満のＡｇ緻密層を形成することによって、Ａｇ焼結層と半導体素子との接合信頼性を向上させることができる。特に半導体素子の裏面側には裏面電極が設けられており、その最表面には、接触抵抗の低減などを目的として、Ａｕ膜が形成されることがある。Ａｇ緻密層は、気孔率が２０％未満であり、Ａｇ焼結層よりも緻密な構造体であることから、Ａｕ膜にも強固に接合することが可能となる。また、Ａｇ緻密層とＡｇ焼結層とはＡｇ同士の接合であることから高い接合強度を得ることができる。また、上記観点から気孔率は１０％未満がより望ましい。
【００１３】
さらに本発明のパワーモジュールの製造方法は、絶縁層の一方の面に銅又は銅合金からなる回路層が配設されたパワーモジュール用基板と、前記回路層上に搭載される半導体素子と、を備えたパワーモジュールの製造方法であって、前記回路層表面に、酸化銀と還元剤とを含む酸化銀ペーストを塗布する塗布工程と、塗布された酸化銀ペーストの上に前記半導体素子を積層する積層工程と、前記半導体素子と前記パワーモジュール用基板とを積層した状態で真空中又は不活性ガス雰囲気中で加熱して、前記回路層の上に２０％以上６０％以下の気孔率を有するＡｇ焼結層を形成するとともに、前記Ａｇ焼結層と前記回路層とを直接接合する接合工程と、を備え、前記Ａｇ焼結層によって前記半導体素子と前記回路層とを接合することを特徴としている。
【００１４】
本発明のパワーモジュールの製造方法によれば、酸化銀ペーストを用いていることから、スクリーン印刷、オフセット印刷、感光性プロセス等の種々の手段を用いて簡便に回路層上に塗布することができる。また、真空中又は不活性ガス雰囲気中で加熱して、酸化銀を還元させていることから、回路層上にＮｉメッキ膜などの保護膜を形成する必要がなく、酸化銀が還元して形成されたＡｇ焼結層と回路層とを直接接合することが可能となる。また、酸化銀ペーストには、還元剤が含まれていることから、酸化銀を還元すると同時に回路層表面の酸化膜を還元し、Ａｇ焼結層と回路層の接合強度を高めることができる。さらに、酸化銀の還元反応や有機物の分解反応によるガスを放出し、Ａｇ焼結層の気孔率を上げることが可能となる。
【００１５】
また、酸化銀ペーストには、酸化銀及び還元剤に加えて、Ａｇ粒子を含有していても良い。この場合、Ａｇ粒子が酸化銀粉末の間に介在し、酸化銀が還元されて得られるＡｇ粒子と、酸化銀ペーストに含有されたＡｇ粒子とが焼結することになり、気孔率が調整しやすくなり、また、均一な気孔を形成することが可能となる。
【００１６】
さらに、本発明のパワーモジュールの製造方法は、半導体素子の一方の面であって、回路層と接合される側の表面に気孔率２０％未満のＡｇ緻密層を形成するＡｇ緻密層形成工程を有することが好ましい。
この構成のパワーモジュールの製造方法によれば、半導体素子の回路層と接合される表面にＡｇ緻密層を形成しているので、Ａｇ焼結層と半導体素子との接合信頼性を向上させることができる。さらに、本発明の接合工程では、Ａｇ緻密層と酸化銀ペーストが焼結されることとなり、Ａｇ同士の接合であるから高い接合強度を得ることが可能となる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、熱抵抗が低く、半導体素子と回路層との接合強度、冷熱サイクルでの接合信頼性に優れたパワーモジュール及びパワーモジュールの製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態であるパワーモジュールの概略説明図である。
【図２】図１に示すパワーモジュールの回路層と半導体素子との接合界面の拡大説明図である。
【図３】図１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】
【００１９】
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。本発明の実施形態であるパワーモジュールを示す。
このパワーモジュール１は、図１に示すようにセラミックス基板１１の一方の面に回路層１２が配設されたパワーモジュール用基板１０と、回路層１２上（図１において上側）に接合された半導体素子３と、パワーモジュール用基板１０の他方の面側に配設された冷却器４０とを備えている。なお、本実施形態では、絶縁層としてセラミックス基板１１を用いている。
【００２０】
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。
【００２１】
回路層１２は、セラミックス基板１１の一方の面に、銅又は銅合金からな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％の無酸素銅の圧延板からなる銅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。
【００２２】
金属層１３は、セラミックス基板１１の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる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、純度が９９．９９％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。
【００２３】
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。この冷却器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。
なお、冷却器４０の天板部４１と金属層１３との間には、銅又は銅合金からなる放熱板を設けることもできる。
【００２４】
図２に図１に示すパワーモジュールの回路層と半導体素子との接合界面の拡大説明図を示す。図２に示すように回路層１２と半導体素子３との間には、Ａｇ焼結層３１が形成されている。なお、本実施形態では、回路層１２の一方の面にＡｇ焼結層３１が積層され、このＡｇ焼結層３１と半導体素子３との間にＡｇ緻密層３２が形成されている。
なお、Ａｇ焼結層３１は、図１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、半導体素子３が配設される部分にのみ選択的に形成されている。
【００２５】
回路層１２の上に形成されたＡｇ焼結層３１は、酸化銀が還元されたＡｇの焼結体とされており、本実施形態では、後述するように、酸化銀と還元剤とを含む酸化銀ペーストの焼結体とされている。ここで、酸化銀を還元することによってＡｇ焼結層を形成し、このＡｇ焼結層によって半導体素子を接合していることから、約３５０℃以下の低温で接合することが可能となる。また、酸化銀の還元によって、微細な金属Ａｇ粒子を生成し、その粒子径が、例えば粒径１０ｎｍ〜１μｍと非常に微細であることから、高温環境下でも回路層１２と半導体素子３との充分な接合強度及び接合信頼性を維持することができる。
【００２６】
また、回路層１２の表面には、Ｎｉなどでメッキ処理させていないため、酸化銀が、直接、回路層１２の銅又は銅合金に接触することになる。後述する接合工程において、酸化銀と還元剤とを含む酸化銀ペーストが加熱されることによって、酸化銀が還元されてＡｇ焼結体を形成し、このＡｇ焼結体と回路層１２との界面では、Ａｇ焼結体のＡｇの一部が、回路層中に固相拡散していると考えられる。すなわち、Ａｇ焼結体からなるＡｇ焼結層３１と回路層１２とは、直接接合によって固着されている。このようにＡｇ焼結層３１と回路層１２とは直接接合によって固着されていることから、接合強度を高めることができ、冷熱サイクル時の熱応力に対しても充分な接合を維持することができる。
【００２７】
さらに、Ａｇ焼結層３１は２０％以上６０％以下の気孔率を有する。本実施形態では、酸化銀が還元反応及び有機物の分解反応の際に発生するガス、及び焼結時の体積収縮などによって、Ａｇ焼結層３１に気孔が連通した開気孔が形成されている。このＡｇ焼結層は、気孔率を２０％以上６０％以下に設定していることから、冷熱サイクル時に発生する熱応力を緩和し、半導体素子の応力負荷を軽減することができる。
なお、Ａｇ焼結層３１の厚さは、冷熱サイクル時の熱応力の緩和及び接合信頼性の観点から３μｍから５０μｍの範囲に設定することが好ましい。
【００２８】
本実施形態では、半導体素子３の裏面側（図１において下側）に裏面電極（不図示）及びその表面にＡｕ膜３ａが形成されている。この半導体素子３とＡｇ焼結層３１との間には気孔率が２０％未満であるＡｇ緻密層３２が形成されている。Ａｇ緻密層は、半導体素子３の裏面にメッキ法、スパッタリング法、Ａｇペースト焼結法などによって形成することができる。
【００２９】
次に、本実施形態であるパワーモジュール１の製造方法について、図３に示すフロー図を参照して説明する。
（回路層接合工程Ｓ０１）
まず、回路層１２となる銅板と、セラミックス基板１１とを接合し、回路層１２を形成する。セラミックス基板１１の一方の面に、活性ろう材を介して銅板を積層し、いわゆる活性金属ろう付法によって、銅板とセラミックス基板１１とを接合する。本実施形態では、Ａｇ−２７．４質量％Ｃｕ−２．０質量％Ｔｉからなる活性ろう材を用いて、１０−３Ｐａの真空中にて、積層方向に１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２の範囲で加圧し、８５０℃で１０分間加熱することによって、接合している。
【００３０】
（金属層接合工程Ｓ０２）
次に、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の他方の面にＡｌ−Ｓｉ系ろう材を介して積層し、１０−３Ｐａの真空中にて、積層方向に１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２の範囲で加圧し、６５０℃で９０分間加熱することによって、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。これにより、パワーモジュール用基板１０が製出される。
【００３１】
（冷却器接合工程Ｓ０３）
さらに、金属層１３の他方の面側に、冷却器４０をＡｌ−Ｓｉ系ろう材を介して接合する。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。
【００３２】
（塗布工程Ｓ０４）
回路層１２の表面に、酸化銀ペーストを直接塗布する。ここで、回路層１２の表面とは、Ｎｉなどのめっき膜が形成されていない、銅または銅合金からなる素地表面のことである。
なお、酸化銀ペーストを塗布する際には、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酸化銀ペーストを印刷した。
【００３３】
この酸化銀ペーストは、酸化銀粉末と、還元剤と、溶剤と、を含有している。
酸化銀粉末の含有量が酸化銀ペースト全体の６０質量％以上９２質量％以下とされ、還元剤の含有量が酸化銀ペースト全体の５質量％以上１５質量％以下とされており、残部が溶剤とされている。
なお、この酸化銀ペーストは、その粘度が１０Ｐａ・ｓ以上１００Ｐａ・ｓ以下、より好ましくは３０Ｐａ・ｓ以上８０Ｐａ・ｓ以下に調整されている。
【００３４】
酸化銀粉末は、その粒径が０．１μｍ以上４０μｍ以下のものが使用できる。
【００３５】
還元剤は、還元性を有する有機物とされており、例えば、アルコール、有機酸を用いることができる。
アルコールであれば、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、ブチルアルコール、ペンチルアルコール、ヘキシルアルコール、オクチルアルコール、ノニルアルコール、デシルアルコール、ウンデシルアルコール、ドデシルアルコール、ラウリルアルコール、ミリスチルアルコール、セチルアルコール、ステアリルアルコール等の１級アルコールを用いることができる。なお、これら以外にも、エチレングリコール、ジエチレングリコール、その他のグリコール、グリセリンなどの多価アルコール類を用いてもよい。
有機酸であれば、例えば、ブタン酸、ペンタン酸、ヘキサン酸、ヘプタン酸、オクタン酸、ノナン酸、デカン酸、ウンデカン酸、ドデカン酸、トリデカン酸、テトラデカン酸、ペンタデカン酸、ヘキサデカン酸、ヘプタデカン酸、オクタデカン酸、ノナンデカン酸などの飽和脂肪酸を用いることができる。なお、これら以外にも、不飽和脂肪酸を用いてもよい。
【００３６】
なお、酸化銀粉末と混合した後に還元反応が容易に進行しない還元剤であれば、酸化銀ペーストの保存安定性が向上することになる。そこで、還元剤としては、融点が室温以上のものが好ましく、具体的には、ミリスチルアルコール、１−ドデカノール、２，５−ジメチル−２，５−ヘキサンジオール、２，２−ジメチル−１，３−プロパンジオール、１，６−ヘキサンジオール、１，２，６−ヘキサントリオール、１，１０−デカンジオール、ミリスチン酸、デカン酸等を用いることが好ましい。
【００３７】
溶剤は、酸化銀ペーストの保存安定性、印刷性を確保する観点から、高沸点（１５０℃〜３００℃）のものを用いることが好ましい。具体的には、２−メチルプロパノエート、α−テルピネオール、酢酸２−エチルヘキシル、酢酸３−メチルブチル等を用いることができる。
【００３８】
（Ａｇ緻密層形成工程Ｓ０５）
一方、半導体素子３の裏面電極表面にＡｕ膜３ａを形成する。そして、Ａｕ膜３ａの表面に、Ａｇメッキ法、Ａｇターゲットを用いたスパッタリング法又はＡｇペースト焼結法などによってＡｇ緻密層を形成することができる。本実施形態では、シアン化銀５ｇ／Ｌ、シアン化カリウム１５ｇ／Ｌのメッキ液を用い、陰極電流密度０．２Ａ／ｄｍ２で成膜し、膜厚１マイクロメートル、気孔率２０％未満のＡｇ緻密層を形成した。また、気孔率は１０％未満にすることがより望ましい。
【００３９】
（積層工程Ｓ０６及び接合工程Ｓ０７）
次に、酸化銀ペーストを塗布した状態で乾燥（例えば、室温、大気雰囲気で２４時間保管）した後、酸化銀ペーストの上に半導体素子３を積層する。
そして、半導体素子３とパワーモジュール用基板１０とを積層した状態で真空中又は不活性ガス雰囲気中で酸化銀ペーストの焼結を行うとともに、回路層１２と半導体素子３を接合する。酸化銀ペーストには、還元剤が含まれていることから、酸化銀を還元すると同時に回路層である銅板表面に形成された酸化膜も還元することとなり、Ａｇ焼結層と回路層との接合強度を高めることとなる。このとき、荷重を０〜１０ＭＰａとし、接合温度を１５０〜３５０℃とする。不活性ガスとしては、Ｎ２又はＡｒなどの希ガス類を用いることができる。真空中で行う場合には、その真空度は１．０×１０−６〜１．０×１０−１Ｐａが好ましい。本実施形態では、真空度：１．０×１０−１Ｐａで接合した。
また、望ましくは半導体素子３とパワーモジュール用基板１０とを積層方向に加圧した状態で加熱することによって、より確実に接合することができる。
このようにして、回路層１２の上にＡｇ焼結層３１が形成され、半導体素子３と回路層１２とが接合される。これにより、本実施形態であるパワーモジュール１が製造される。また、Ａｇ焼結層３１の気孔率は、酸化銀粒子の粒径、酸化銀ペーストの組成割合、特に酸化銀、還元剤の組成割合、接合温度、接合時間などの接合条件を調整することによって、制御することができる。例えば、後述する実施例における条件によって、気孔率２０％以上６０％以下を有するＡｇ焼結層３１を製出することができる。
【００４０】
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１においては、回路層１２の一方の面に、酸化銀が還元されたＡｇの焼結体からなるＡｇ焼結層３１が形成されているので、このＡｇ焼結層３１を形成する際に半導体素子３と回路層１２とを接合することが可能となる。
【００４１】
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、回路層を構成する金属板を純度９９．９９％の無酸素銅として説明したが、これに限定されるものではなく、その他の銅及び銅合金を用いてもよい。
また、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、その他のアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されていてもよい。
【００４２】
また、回路層となる銅又は銅合金からなる金属板をセラミックス基板に接合する際に、直接接合法（ＤＢＣ法）等を適用することもできる。
さらに、金属層となるアルミニウム板とセラミックス基板とをろう付けにて接合するものとして説明したが、これに限定されることはなく、過渡液相接合法（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｐｈａｓｅ  Ｂｏｎｄｉｎｇ）、鋳造法等を適用してもよい。
絶縁層としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるセラミックス基板を用いたものとして説明したが、これに限定されることはなく、Ｓｉ３Ｎ４やＡｌ２Ｏ３等からなるセラミックス基板を用いてもよい。さらに、樹脂などの絶縁体を用いることもできる。
【００４３】
また、金属層となるアルミニウム板をセラミックス基板に接合するとともに、冷却器を接合した後に、回路層上にＡｇ焼結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接合する前や、冷却器を接合する前にＡｇ焼結層を形成してもよい。
【００４４】
さらに、冷却器の天板部をアルミニウムで構成したものとして説明したが、アルミニウム合金、又はアルミニウムを含む複合材（例えばＡｌＳｉＣ等）で構成されていてもよいし、その他の材料で構成されていてもよい。さらに、冷却器として、放熱フィン及び冷却媒体の流路を有するもので説明したが、冷却器の構造に特に限定はない。
【００４５】
酸化銀ペーストの原料、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い。例えば有機金属化合物又は樹脂などを含有させることもできる。有機金属化合物は、熱分解によって生成する有機酸によって酸化銀の還元反応を促進させる作用を有する。このような作用を有する有機金属化合物としては、例えば蟻酸銀、酢酸銀、プロピオン酸銀、安息香酸銀、シュウ酸銀などのカルボン酸系金属塩等が挙げられる。
また、酸化銀ペーストは、酸化銀粉末及び還元剤に加えて、Ａｇ粒子を含有していてもよい。さらに、このＡｇ粒子の表層には、有機物を含んでいてもよい。この場合、有機物が分解する際の熱を利用して低温での焼結性を向上させることが可能となる。
【実施例】
【００４６】
以下に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験の結果について説明する。
【００４７】
本発明例、比較例及び従来例として、上述した回路層形成工程Ｓ０１及び金属層形成工程Ｓ０２により、セラミックス基板の一方の面に回路層及び他方の面に金属層を接合し、パワーモジュール用基板を製出した。
【００４８】
本実施例では、セラミックス基板１１は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で構成され、２７ｍｍ×１７ｍｍ、厚さ０．６ｍｍのものを使用した。
回路層１２は、純度９９．９９％の無酸素銅で構成され、２５ｍｍ×１５ｍｍ、厚さ０．３ｍｍのものを使用した。
金属層１３は、純度９９．９９％の純アルミニウムで構成され、２５ｍｍ×１５ｍｍ、厚さ０．６ｍｍのものを使用した。
半導体素子３は、１３ｍｍ×１０ｍｍ、厚さ０．２５ｍｍのシリコン半導体を使用した。
【００４９】
（本発明例）
本発明例としては、Ｎｉなどのメッキ膜を形成されていない回路層上に表１記載の組成を有する酸化銀ペーストを用いて、スクリーン印刷によって、塗布厚さを５０μｍの酸化銀ペースト層を形成した。酸化銀ペーストを乾燥させた後、半導体素子を酸化銀ペースト上に載置した。ここで、本発明例１，２，４及び５については、半導体素子の裏面にＡｇメッキ法によって、厚さ２μｍのＡｇ緻密層を形成した。
次に、表１に記載する炉内雰囲気、接合荷重、接合温度及び接合時間で半導体素子を接合して、本発明例のパワーモジュールを製出した。また、このときのＡｇ焼結層３１の気孔率を表１に記載する。
【００５０】
（比較例）
比較例として、比較例１では、上述のとおり製出したパワーモジュール用基板の回路層１２の表面に厚さ５μｍのＮｉメッキ膜を形成し、そのＮｉメッキ膜上に表１記載の酸化銀ペーストを用いて半導体素子３を接合したパワーモジュールを製出した。また、比較例２及び３では、Ｎｉなどのメッキ膜が形成されていない回路層１２上に、表１記載の酸化銀ペーストを用いて、半導体素子３を接合したパワーモジュールを製出した。ここで、比較例２については、本発明例と同条件で半導体素子の裏面に厚さ２μｍのＡｇ緻密層を形成した。ただし、比較例２及び３では、表１に記載のとおり、気孔率が１０％及び８０％となるＡｇ焼結層を形成した。
【００５１】
（従来例）
従来例として、上述のとおり製出したパワーモジュール用基板の回路層１２の表面に厚さ５μｍのＮｉメッキ膜を形成し、はんだ材（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系無鉛はんだ）を介して半導体素子３を載置し、還元炉内においてはんだ接合したパワーモジュールを準備した。なお、半導体素子３の加圧は無加重とした。
【００５２】
（Ａｇ焼結層及びＡｇ緻密層の気孔率測定）
Ａｇ焼結層及びＡｇ緻密層の気孔率については、次のようにして評価した。
本発明例及び比較例のパワーモジュールを切断し、Ａｇ焼結層及びＡｇ緻密層の断面を機械研磨した後、Ａｒイオンエッチング（日本電子株式会社製クロスセクションポリッシャＳＭ−０９０１０）を行い、レーザ顕微鏡（株式会社キーエンス製ＶＫ  Ｘ−２００）を用いて断面観察を実施した。
そして、得られた画像を二値化処理し、白色部をＡｇ、黒色部を気孔とした。二値化した画像から、黒色部の面積を求め、以下に示す式で気孔率を算出した。５箇所の断面で測定し、各断面の気孔率を算術平均してＡｇ焼結層及びＡｇ緻密層の気孔率とした。Ａｇ焼結層の気孔率を表１に示す。
気孔率＝黒色部（気孔）面積／Ａｇ焼結層の観察面積
【００５３】
【表１】
2014096545.tif 000003
【００５４】
（接合強度）
次に、本発明例、従来例、比較例のパワーモジュールを用いて、Ａｇ焼結層と回路層との接合強度として、シェア強度（せん断強度）を評価した。
せん断強度評価試験機を用いて、半導体素子を上にした状態で、回路層を水平に固定し、回路層表面から５０μｍ上方の位置をシェアツールで横から水平に押して、半導体素子が破断されたときの強度を測定した。シェアツールの移動速度は０．１ｍｍ／ｓｅｃとした。一条件に付き３回強度試験を行い、それらの算術平均値を測定値とした。
【００５５】
（熱抵抗）
本発明例、比較例及び従来例のパワーモジュールに、５０ｍｍ×５０ｍｍ×５ｍｍのヒートシンクの天板をろう付け接合して熱抵抗を測定した。具体的には、ヒータチップを１００Ｗの電力で加熱し、熱電対を用いてヒータチップの温度及びヒートシンクを流通する冷却媒体（エチレングリコール：水＝９：１）の温度を実測した。そして、ヒータチップの温度と冷却媒体の温度差を電力で割った値を熱抵抗とし、本発明例及び比較例の熱抵抗は、従来例の熱抵抗を１としたときの割合を算出した。
【００５６】
（冷熱サイクル特性）
冷熱サイクル特性として、冷熱サイクル試験前の接合率（初期接合率）及び冷熱サイクル試験後の接合率を評価した。
冷熱サイクル試験は、本発明例、比較例及び従来例のパワーモジュールに、５０ｍｍ×５０ｍｍ×５ｍｍのヒートシンクの天板をろう付け接合し、このヒートシンク付きパワーモジュールに対して、−４０℃←→１５０℃の熱サイクルを負荷することにより行う。本実施例では、この冷熱サイクルを３０００回実施した。
接合率は、超音波探傷装置を用いて評価し、以下の式から算出した。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、すなわち半導体素子面積とした。超音波探傷像において非接合部分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非接合面積とした。
接合率＝（初期接合面積−非接合面積）／初期接合面積
上述の方法により測定した接合強度（シェア強度）、熱抵抗及び冷熱サイクル特性の評価結果を表２に示す。
【００５７】
【表２】
2014096545.tif 000004
【００５８】
表２に示すように、回路層上にＮｉメッキを施した比較例１では、回路層とＡｇ焼結層との接合強度が高まらず、シェア強度が低くなり、冷熱サイクル試験後の接合率の低下も大きくなった。
また、比較例２では、Ａｇ焼結層の気孔率が１０％と低いため、冷熱サイクル試験での熱応力を充分緩和できず、半導体素子に割れが発生した。
比較例３では、Ａｇ焼結層の気孔率が８０％と高いため、熱抵抗が本発明と比較して高い結果となった。
さらに従来例のはんだ接合したパワーモジュールでは、熱抵抗が高く、冷熱サイクル後の接合率が低下する結果となった。
これらの比較例、従来例に対し、回路層に２０％〜６０％の気孔率を有するＡｇ焼結層を直接接合した本発明例１〜５は、熱抵抗が低く、冷熱サイクル試験後の接合率の劣化が少ない結果となった。
【００５９】
以上のことから、本発明例によれば、熱抵抗が低く、冷熱サイクル信頼性に優れたパワーモジュールを提供可能であることが確認された。
【符号の説明】
【００６０】
１  パワーモジュール
３  半導体素子
１０  パワーモジュール用基板
１１  セラミックス基板
１２  回路層
３１  Ａｇ焼結層
３２  Ａｇ緻密層
【図１】
2014096545.tif 000005
【図２】
2014096545.tif 000006
【図３】
2014096545.tif 000007