(57)【要約】【課題】回路層との接合性及び接合層との接合性に優れ、回路層と半導体素子との接合信頼性を向上させることが可能な下地層を有する回路基板、及び、この回路基板を備えた半導体装置を提供する。【解決手段】導電性材料からなる回路層１２と、この回路層１２の一方の面に形成された下地層３０と、を備えた回路基板１０であって、下地層３０は、回路層１２との界面に形成されたガラス層３２と、このガラス層３２上に積層されたＡｇ層３３と、を有し、Ａｇ層３３にはガラスが分散されており、下地層３０の表面に露出しているガラスの面積比率が５５％以下とされていることを特徴とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性材料からなる回路層と、この回路層の一方の面に形成された下地層と、を備えた回路基板であって、
前記下地層は、前記回路層との界面に形成されたガラス層と、このガラス層上に積層されたＡｇ層と、を有し、前記Ａｇ層にはガラスが分散されており、
前記下地層の表面に露出している前記ガラスの面積比率が５５％以下とされていることを特徴とする回路基板。
【請求項２】
前記下地層は、ガラス成分を含有するガラス含有Ａｇペーストの焼成体とされていることを特徴とする請求項１に記載の回路基板。
【請求項３】
前記ガラス層には、導電性粒子が分散されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の回路基板。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の回路基板と、この回路基板の下地層上に接合された半導体素子と、を備え、
前記半導体素子と前記下地層との間には、金属の焼成体からなる接合層が形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
前記接合層は、金属Ａｇ粒子及び酸化Ａｇ粒子の少なくとも一方または両方を含む接合材の焼成体とされていることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、導電性材料からなる回路層を備えた回路基板、及び、この回路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半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＬＥＤやパワーモジュール等の半導体装置においては、導電材料からなる回路層の上に半導体素子が接合された構造とされている。
例えば、風力発電、電気自動車等の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パワー半導体素子は、大電流、高電圧を制御することから、これを搭載する基板としては、例えば特許文献１に示すように、ＡｌＮ（窒化アルミ）などからなるセラミックス基板上に導電性の優れた金属板を回路層として接合したセラミックス回路基板が、従来から広く用いられている。特許文献１に示すパワーモジュールにおいては、セラミックス回路基板の他方側に放熱板が接合されており、半導体素子で発生した熱を、セラミックス回路基板側に伝達し、放熱板を介して外部へ放散する構成とされている。
【０００３】
ここで、半導体素子等の電子部品を回路層上に接合する際には、例えば特許文献１に示すように、はんだ材を用いた方法が広く使用されている。最近では、環境保護の観点から、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系等の鉛フリーはんだが主流となっている。
【０００４】
ところで、特許文献１に記載されたように、はんだ材を介して半導体素子等の電子部品と回路層とを接合した場合には、高温環境下で使用した際にはんだの一部が溶融し、半導体素子等の電子部品と回路層との接合信頼性が低下するおそれがあった。
特に、最近では、シリコン半導体からＳｉＣ又はＧａＮなど化合物半導体素子の実用化が期待されており、半導体素子自体の耐熱性の向上が見込まれるため、従来のようにはんだ材で接合した構造では対応が困難となってきている。
【０００５】
そこで、はんだ材の代替として、例えば、特許文献２には、金属粒子と有機物とを有する金属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。
特許文献２に記載された金属ペーストにおいては、金属粒子と有機物とを含有しており、金属粒子が焼結することで、導電性の焼成体からなる接合層が形成され、この接合層を介して半導体素子等の電子部品が回路層上に接合されることになる。
【０００６】
また、特許文献３、４には、金属酸化物粒子と有機物からなる還元剤とを含む酸化物ペーストを用いて、半導体素子等の電子部品を回路上に接合する技術が提案されている。
特許文献３，４に記載された酸化物ペーストにおいては、金属酸化物粒子が還元剤によって還元されることによって生成する金属粒子が焼結することで、導電性の焼成体からなる接合層が形成され、この接合層を介して半導体素子等の電子部品が回路層上に接合されることになる。
このように、金属粒子の焼成体によって接合層を形成した場合には、比較的低温条件で接合層を形成できるとともに、接合層自体の融点は高くなることから高温環境下においても接合強度が大きく低下しない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−１７２３７８号公報
【特許文献２】特開２００６−２０２９３８号公報
【特許文献３】特開２００８−２０８４４２号公報
【特許文献４】特開２００９−２６７３７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、特許文献２−４に開示されたように、はんだ材を使用せずに金属ペーストあるいは酸化物ペーストを用いて半導体素子を接合した場合には、これらペーストの焼成体からなる接合層がはんだ材に比べて厚みが薄く形成されるため、熱サイクル負荷時の応力が半導体素子に作用しやすくなり、半導体素子自体が破損してしまうおそれがあった。
そこで、回路層上に下地層を形成し、この下地層の上に金属ペーストあるいは酸化物ペーストの接合層を形成することが考えられる。
【０００９】
ここで、回路層上に下地層を形成する場合、下地層には、回路層との良好な接合性と、接合層との良好な接合性、とが求められることになる。
特に、最近では、半導体装置の小型化・薄肉化が進められるとともに、その使用環境も厳しくなってきており、半導体素子からの発熱量が大きくなる傾向にある。このため、従来にも増して、回路層と半導体素子との間の接合信頼性の向上が求められている。
【００１０】
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、回路層との接合性及び接合層との接合性に優れ、回路層と半導体素子との接合信頼性を向上させることが可能な下地層を有する回路基板、及び、この回路基板を備えた半導体装置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】
【００１１】
このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明の回路基板は、導電性材料からなる回路層と、この回路層の一方の面に形成された下地層と、を備えた回路基板であって、前記下地層は、前記回路層との界面に形成されたガラス層と、このガラス層上に積層されたＡｇ層と、を有し、前記Ａｇ層にはガラスが分散されており、前記下地層の表面に露出している前記ガラスの面積比率が５５％以下とされていることを特徴としている。
【００１２】
この構成の回路基板によれば、下地層が、前記回路層との界面に形成されたガラス層を備えているので、ガラス成分によって回路層の表面に形成されている酸化皮膜を除去することができ、下地層と回路層との接合強度を確保することができる。
また、下地層の表面に露出している前記ガラスの面積比率が５５％以下とされているので、下地層の上に、金属の焼成体からなる接合層を形成した場合に、ガラスに阻害されることなく、下地層のＡｇ層と接合層とを強固に接合することが可能となる。
【００１３】
ここで、前記下地層は、ガラス成分を含有するガラス含有Ａｇペーストの焼成体とされていることが好ましい。
この場合、ガラス成分を含有するガラス含有Ａｇペーストを焼成することで、回路層の界面に形成されたガラス層と、ガラス層の上に形成されたＡｇ層と、を備えた下地層を簡単に、かつ、確実に形成することができる。
【００１４】
また、前記ガラス層には、導電性粒子が分散されていることが好ましい。
この場合、回路層との界面に形成されたガラス層において、導電性が確保されることになり、回路層と半導体素子とを通電可能な状態で接合することができる。なお、前記ガラス層に導電性粒子が分散されることにより、下地層における厚さ方向の電気抵抗値は０．５Ω以下とされていることが好ましい。
【００１５】
本発明の半導体装置は、上述の回路基板と、この回路基板の下地層上に接合された半導体素子と、を備え、前記半導体素子と前記下地層との間には、金属の焼成体からなる接合層が形成されていることを特徴としている。
この構成の半導体装置によれば、下地層の表面に露出しているガラスの面積比率が    ５５％以下とされているので、金属の焼成体からなる接合層と下地層とが、ガラスによって阻害されることなく、強固に接合されることになる。よって、回路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。
【００１６】
ここで、前記接合層は、金属Ａｇ粒子及び酸化Ａｇ粒子の少なくとも一方または両方を含む接合材の焼成体とされていることが好ましい。
この場合、下地層のＡｇ層と、接合層とが、同じＡｇ同士の接合となるため、下地層と接合層とをさらに強固に接合することが可能となる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、回路層との接合性及び接合層との接合性に優れ、回路層と半導体素子との接合信頼性を向上させることが可能な下地層を有する回路基板、及び、この回路基板を備えた半導体装置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半導体装置（パワーモジュール）の概略説明図である。
【図２】図１に示す半導体装置（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】本発明の実施形態である回路基板の概略説明図である。
【図４】図３の回路基板に形成された下地層の拡大説明図である。
【図５】ガラス含有Ａｇペーストの製造方法を示すフロー図である。
【図６】酸化銀ペーストの製造方法を示すフロー図である。
【図７】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。
【図８】本発明の他の実施形態である半導体装置（ＬＥＤ装置）の概略説明図である。
【図９】本発明例２の回路基板の下地層表面を観察した結果を示す写真である。
【図１０】比較例１の回路基板の下地層表面を観察した結果を示す写真である。
【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。
本実施形態である半導体装置は、風力発電、電気自動車等の電気車両などを制御するために用いられるパワー半導体素子が搭載されたパワーモジュールとされている。図１に本発明の実施形態であるパワーモジュール１を示す。
このパワーモジュール１は、回路層１２が配設された回路基板１０と、回路層１２の一方の面（図１において上面）に接合された半導体素子３と、回路基板１０の他方側に配設されたヒートシンク５１とを備えている。
【００２０】
回路基板１０は、図１及び図３に示すように、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１及び図３において上面）に配設された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面（図１及び図３において下面）に配設された金属層１３とを備えている。
【００２１】
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）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）等で構成されている。本実施形態では、放熱性の優れた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、０．２ｍｍ以上１．５ｍｍ以下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。
【００２２】
回路層１２は、セラミックス基板１１の一方の面に、導電性を有するアルミニウム又はアルミニウム合金、銅又は銅合金等の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９９．９９質量％以上のアルミニウムの圧延板を接合することで形成されている。なお、回路層１２の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６ｍｍに設定されている。また、この回路層１２には、回路パターンが形成されており、その一方の面が、半導体素子３が搭載される搭載面とされている。
この回路層１２の一方の面（搭載面）には、後述するガラス含有Ａｇペーストの焼成体からなる下地層３０が形成されている。なお、下地層３０は、図１及び図３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。
【００２３】
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、銅又は銅合金等の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９９．９９質量％以上のアルミニウムの圧延板を接合することで形成されている。ここで、金属層１３の厚さは、０．２ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、１．６ｍｍに設定されている。
【００２４】
ヒートシンク５１は、前述の回路基板１０を冷却するためのものであり、図１に示すように、回路基板１０と接合される天板部５２と、この天板部５２から下方に向けて垂設された放熱フィン５３と、冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路５４とを備えている。このヒートシンク５１（天板部５２）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。
【００２５】
半導体素子３は、Ｓｉ等の半導体材料で構成されており、回路層１２との接合面（図１において下面）には、Ｎｉ、Ａｕ等からなる表面処理膜３ａが形成されている。
そして、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の一方の面に形成された下地層３０と半導体素子３との間に、金属の焼成体からなる接合層４０が形成されている。
【００２６】
ここで、回路基板１０の回路層１２の一方の面に形成された下地層３０について詳細に説明する。
下地層３０は、後述するように、ガラス成分を含むガラス含有Ａｇペーストの焼成体とされている。この下地層３０は、図２から図４に示すように、回路層１２との界面に形成されたガラス層３２と、このガラス層３２上に形成されたＡｇ層３３と、を備えている。
【００２７】
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の表面には、大気中で自然発生したアルミニウム酸化皮膜が形成されている。ここで、前述の下地層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が除去されており、回路層１２上に直接下地層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ガラス層３２とが直接接合されているのである。
本実施形態においては、ガラス層３２の厚さが０．０１μｍ以上５μｍ以下、Ａｇ層３３の厚さが１μｍ以上１００μｍ以下、下地層３０全体の厚さが１．０１μｍ以上１０５μｍ以下の範囲内となるように構成されている。
【００２８】
ガラス層３２内部には、図４に示すように、粒径が数ナノメートル程度の微細な導電性粒子３４が分散されている。この導電性粒子３４は、回路層１２を構成する金属（本実施形態ではＡｌ）又はＡｇ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、ガラス層３２内の導電性粒子３４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。この導電性粒子３４が分散していることにより、ガラス層３２においても、十分な導電性が確保されることになる。
【００２９】
なお、本実施形態においては、ガラス層３２を含む下地層３０の厚さ方向の電気抵抗値Ｐが０．５Ω以下とされている。ここで、本実施形態においては、下地層３０の厚さ方向における電気抵抗値Ｐは、下地層３０の上面と回路層１２の上面との間の電気抵抗値としている。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下地層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、下地層３０の上面中央点と、下地層３０の前記上面中央点から下地層３０端部までの距離と同距離分だけ下地層３０端部から離れた回路層１２上の点と、の間の電気抵抗を測定することとしている。
【００３０】
また、Ａｇ層３３の内部には、粒径が数マイクロメートル程度の微細なガラス３５が分散されている。
ここで、本発明の実施形態である回路基板１０においては、Ａｇ層３３中におけるガラス３５の分布に特徴を有している。Ａｇ層３３中のガラス３５は、回路層１２との界面に形成されたガラス層３２側に多く存在し、ガラス層３２から厚さ方向に離間するにしたがい、その個数が減少するように分布している。
【００３１】
そして、本発明の実施形態である回路基板１０においては、上述のようにガラス３５が分散することにより、Ａｇ層３３（下地層３０）の表面（一方の面）に露出しているガラス３５の面積比率が５５％以下とされている。
なお、Ａｇ層３３（下地層３０）の表面に露出しているガラス３５の面積比率は、電子顕微鏡による反射電子像から算出することができる。
【００３２】
この下地層３０の上、すなわちＡｇ層３３の上に形成された接合層４０は、Ａｇの焼成体とされており、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成体とされている。ここで、酸化銀を還元することによって生成する還元Ａｇ粒子は、例えば粒径１０ｎｍ〜１μｍと非常に微細であることから、緻密なＡｇの焼成層が形成されることになる。なお、この接合層４０においては、下地層３０のＡｇ層３３で観察されたガラス３５は存在していない、若しくは、非常に少なくなっており、さらにＡｇの粒径も異なっていることから、半導体素子３を接合後においても、下地層３０のＡｇ層３３と接合層４０との判別を行うことが可能となる。
なお、本実施形態においては、接合層４０の厚さが５μｍ以上５０μｍ以下の範囲内とされている。
【００３３】
次に、下地層３０を構成するガラス含有Ａｇペーストについて説明する。
このガラス含有Ａｇペーストは、Ａｇ粉末と、ＺｎＯを含有するガラス粉末と、樹脂と、溶剤と、分散剤と、を含有しており、Ａｇ粉末とガラス粉末とからなる粉末成分の含有量が、ガラス含有Ａｇペースト全体の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、Ａｇ粉末とガラス粉末とからなる粉末成分の含有量は、ガラス含有Ａｇペースト全体の８５質量％とされている。
また、このガラス含有Ａｇペーストは、その粘度が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。
【００３４】
Ａｇ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。
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、Ａｇ粉末の重量Ａとガラス粉末の重量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いる。
【００３５】
溶剤は、沸点が２００℃以上のものが適しており、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、ガラス含有Ａｇペースト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いる。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ガラス含有Ａｇペーストを構成してもよい。
【００３６】
ここで、本実施形態において用いられる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、
アルカリ土類金属酸化物：５質量％以下、
とされている。
【００３７】
すなわち、Ｂｉ２Ｏ３、ＺｎＯ、Ｂ２Ｏ３を必須成分とし、これに、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、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。
【００３８】
このようなガラス粉末は、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、ガラス粉末が得られる。ここで、本実施形態では、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。
【００３９】
次に、ガラス含有Ａｇペーストの製造方法について、図５に示すフロー図を参照して説明する。
まず、前述したＡｇ粉末と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Ｓ０１）。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Ｓ０２）。
そして、混合粉末と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Ｓ０３）。
次に、予備混合物を、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Ｓ０４）。
そして、得られた混錬をペーストろ過機によってろ過する（ろ過工程Ｓ０５）。
このようにして、前述のガラス含有Ａｇペーストが製出されることになる。
【００４０】
次に、接合層４０を構成する酸化銀ペーストについて説明する。
この酸化銀ペーストは、酸化銀粉末と、還元剤と、樹脂と、溶剤と、を含有しており、本実施形態では、これらに加えて有機金属化合物粉末を含有している。
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８０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、有機金属化合物粉末の含有量が酸化銀ペースト全体の０質量％以上１０質量％以下とされており、残部が溶剤とされている。ここで、本実施形態の酸化銀ペーストにおいては、焼結によって得られる接合層４０に未反応の有機物が残存することを抑制するために、分散剤や樹脂は添加していない。
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。
【００４１】
酸化銀粉末は、その粒径が０．１μｍ以上４０μｍ以下とされたものを使用した。
【００４２】
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、多数のアルコール基を有する化合物を用いてもよい。
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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Ａｇ、酢酸Ａｇ、プロピオン酸Ａｇ、安息香酸Ａｇ、シュウ酸Ａｇなどのカルボン酸系金属塩等が挙げられる。
【００４５】
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、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。
【００４６】
次に、上述の酸化銀ペーストの製造方法について、図６に示すフロー図を参照して説明する。
まず、前述した酸化銀粉末と、還元剤（固体）と、有機金属化合物粉末と、を混合し、固体成分混合物を生成する（固体成分混合工程Ｓ１１）。
次に、この固体成分混合物に、溶剤を添加して撹拌する（撹拌工程Ｓ１２）。
そして、撹拌物を、ロールミル機（例えば３本ロールミル）を用いて練り込みながら混合する（混練工程Ｓ１３）。
このようにして、前述の酸化銀ペーストが製出されることになる。なお、得られた酸化銀ペーストは、冷蔵庫等によって低温（例えば５〜１５℃）で保存しておくことが好ましい。
【００４７】
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７に示すフロー図を参照して説明する。
まず、セラミックス基板１１の上面に回路層１２となる厚さ０．６ｍｍのアルミニウム板と、下面に金属層１３となる厚さ１．６ｍｍのアルミニウム板を、Ａｌ−Ｓｉ系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（回路層及び金属層形成工程Ｓ２１）。なお、このろう付けの温度は、６２０℃〜６５０℃に設定されている。
【００４８】
そして、回路層１２の表面に、ガラス含有Ａｇペーストを塗布する（ガラス含有Ａｇペースト塗布工程Ｓ２２）。
なお、ガラス含有Ａｇ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ガラス含有Ａｇペーストを回路層１２の半導体素子３が搭載される部分に形成した。
【００４９】
次に、回路層１２表面にガラス含有Ａｇペーストを塗布した状態で乾燥した後、加熱炉内に装入してガラス含有Ａｇペーストの焼成を行う（下地層焼成工程Ｓ２３）。なお、このときの焼成温度は４２０℃以上６５０℃以下に設定されている。
この下地層焼成工程Ｓ２３では、乾燥後のガラス含有Ａｇペーストに含有されている樹脂が加熱によって分解し、前記ペーストに含有されているガラスが下方に向けて流動し、回路層１２の一方の面に、ガラス層３２とＡｇ層３３とを備えた下地層３０が形成される。このとき、ガラス層３２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が溶融除去されることになり、回路層１２に直接ガラス層３２が形成される。
【００５０】
また、ガラス層３２の内部に、粒径が数ナノメートル程度の微細な導電性粒子３４が分散されることになる。この導電性粒子３４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、焼成の際にガラス層３２内部に析出したものと推測される。
さらに、Ａｇ層３３の内部に、粒径が数マイクロメートル程度の微細なガラス３５が分散されることになる。このガラス３５は、Ａｇ粒子の焼結が進行していく過程で、残存したガラス成分が凝集したものと推測される。
【００５１】
ここで、本実施形態では、ガラスのガラス転位温度が４２０℃以下とされ、ガラスの流動性が確保されていることから、ガラスが下方に向けてより流動することになり、ガラス層３２を形成するとともに、Ａｇ層３３の表面に露出しているガラス３５の面積比率が５５％以下とされる。
【００５２】
次に、下地層３０の表面に、酸化銀ペーストを塗布する（酸化銀ペースト塗布工程Ｓ２４）。
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。
【００５３】
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（半導体素子積層工程Ｓ２５）。
そして、半導体素子３と回路基板１０とを積層した状態で加熱炉内に装入し、酸化銀ペーストの焼成を行う（接合層焼成工程Ｓ２６）。このとき、荷重を０〜１０ＭＰａとし、焼成温度を１５０〜４００℃とする。
また、望ましくは半導体素子３と回路基板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。
【００５４】
このようにして、下地層３０の上に接合層４０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。
【００５５】
以上のような構成とされた本実施形態である回路基板１０及びパワーモジュール１によれば、下地層３０が、回路層１２との界面に形成されたガラス層３２を備えているので、ガラス成分によって回路層１２の表面に自然発生していた酸化皮膜が溶融除去されることになり、下地層３０と回路層１２との接合強度を確保することができる。
また、下地層３０の表面に露出しているガラス３５の面積比率が５５％以下とされているので、下地層３０の上にＡｇの焼成体からなる接合層４０を形成した際に、ガラス３５に阻害されることなく、下地層３０のＡｇ層３３と接合層４０とが強固に接合されることになる。
このように、本実施形態であるパワーモジュール１においては、下地層３０によって、回路層１２と接合層４０とが強固に接合されているのである。
【００５６】
また、本実施形態では、下地層３０は、ガラス成分を含有するガラス含有Ａｇペーストの焼成体とされているので、ガラス層３２とＡｇ層３３とを備えた下地層３０を簡単にかつ確実に形成することができる。
ここで、本実施形態では、ガラス転位温度が４２０℃以下のガラスを用いているので、下地層焼成工程Ｓ２３において、ガラスが下方へと流動し、ガラス３５が回路層１２側に凝集することになり、ガラス層３２を形成するとともに、下地層３０（Ａｇ層３３）の表面に露出しているガラス３５の面積比率を５５％以下に抑制することができる。
【００５７】
また、本実施形態においては、ガラス層３２に、導電性粒子３４が分散されているので、回路層１２との界面に形成されたガラス層３２においても十分に導電性が確保されることになり、回路層１２と半導体素子３とを通電可能な状態で接合することができる。
なお、本実施形態では、ガラス層３２を含む下地層３０の厚さ方向の電気抵抗値Ｐが０．５Ω以下とされており、回路層１２と半導体素子３とを確実に通電可能な状態で接合することができる。
【００５８】
さらに、本実施形態では、接合層４０が、酸化銀ペーストの焼成体とされているので、下地層３０のＡｇ層３３と接合層４０とが同じＡｇ同士の接合となり、下地層３０と接合層４０とをさらに強固に接合することが可能となる。
また、接合層４０は、酸化銀と還元剤とを含む酸化銀ペーストの焼成体とされているので、酸化銀ペーストを焼成する際に、酸化銀が還元剤によって還元されて微細な銀粒子となり、接合層４０を緻密な構造とすることができる。また、還元剤は、酸化銀を還元する際に分解されるため、接合層４０中に残存しにくく、接合層４０における導電性及び強度を確保することができる。さらに、例えば３００℃といった比較的低温条件で焼成することが可能となるため、半導体素子３の接合温度を低く抑えることができ、半導体素子３への熱負荷を低減することができる。
【００５９】
また、本実施形態においては、酸化銀ペーストに有機金属化合物が添加されているので、この有機金属化合物が熱分解することによって生成される有機酸により、酸化銀の還元反応が促進されることになる。
さらに、酸化銀ペーストに混合する還元剤として、室温で固体であるものを用いているので、焼成前に還元反応が進行することを防止できる。
また、酸化銀ペーストには、分散剤や樹脂が添加されていないことから、接合層４０に有機物が残存することを防止できる。
【００６０】
さらに、本実施形態においては、下地層３０を構成するガラス含有Ａｇペーストの粘度が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ので、回路層１２表面にガラス含有Ａｇペーストを塗布するガラス含有Ａｇペースト塗布工程Ｓ２２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、下地層３０を半導体素子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、ガラス含有Ａｇペースト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１の製造コストを大幅に削減することができる。
【００６１】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施形態では、半導体装置として、パワー半導体素子を搭載したパワーモジュールを例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、図８に示すように、ＬＥＤ素子（半導体素子）を搭載したＬＥＤ装置（半導体装置）であってもよい。
【００６２】
図８に示すＬＥＤ装置１０１は、発光素子１０３と、導電性材料からなる回路層１１２と、を備えている。なお、発光素子１０３は、ボンディングワイヤ１０７によって回路層１１２と電気的に接続されており、発光素子１０３及びボンディングワイヤ１０７が封止材１０８によって封止された構造とされている。回路層１１２の一方の面には、下地層１３０が設けられており、発光素子１０３の裏面には、導電性反射膜１１６及び保護膜１１５が設けられている。そして、下地層１３０の上に、金属粒子及び金属酸化物粒子の少なくとも一方または両方と有機物とを含む接合材の焼成体からなる接合層１４０が形成されており、発光素子１０３と回路層１１２の下地層１３０とが接合層１４０を介して接合された構造とされている。
【００６３】
ここで、下地層１３０は、回路層１１２との界面に形成されたガラス層１３２と、このガラス層上に積層されたＡｇ層１３３と、を有し、Ａｇ層１３３にはガラスが分散されており、下地層１３０の表面に露出しているガラスの面積比率が５５％以下とされている。このようなＬＥＤ装置１０１においても、回路層１１２と下地層１３０、下地層１３０と接合層１４０とが、それぞれ強固に接合されることになり、回路層１１２と発光素子１０３との接合信頼性を向上させることができる。
【００６４】
また、本実施形態であるパワーモジュール及び回路基板においては、回路層及び金属層を構成する金属板を純度９９．９９質量％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、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。また、回路層及び金属層を構成する金属板を、純銅、または、銅合金で構成されたものとしてもよい。
【００６５】
また、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。
さらに、回路層及び金属層を構成する金属板を銅又は銅合金で構成した場合には、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）、活性金属ろう付け法、鋳造法等を適用することができる。
【００６６】
また、ガラス含有Ａｇ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。
さらに、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を含有しないものであってもよい。
また、下地層３０におけるガラス層３２とＡｇ層３３の厚さ、接合層４０の厚さについても、本実施形態に限定されるものではない。
【００６７】
さらに、絶縁層として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し、絶縁樹脂によって絶縁層を構成してもよい。
また、ヒートシンク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、ヒートシンクとして、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、ヒートシンクの構造に特に限定はない。
【００６８】
さらに、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。Ａｇ粒子が酸化銀粉末の間に介在することにより、酸化銀が還元されて得られるＡｇとこのＡｇ粒子とが焼結することになり、接合層をさらに緻密な構造とすることができる。これにより、接合時における半導体素子の加圧圧力を低く設定することが可能となる。
また、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】
【００６９】
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。
純度９９．９９％以上のアルミニウム板からなる回路層上に、表１に示す組成のガラス含有Ａｇペーストを塗布し、表１に示す焼成温度で焼成して下地層を形成し、種々の回路基板を得た。なお、ガラス含有Ａｇペーストの塗布厚さを１０μｍ、焼成時間は１０分とした。
【００７０】
まず、この回路基板の下地層表面を観察し、下地層の表面に露出しているガラスの面積比率を評価した。
下地層の表面を電子顕微鏡（Ｃａｒｌ  Ｚｅｉｓｓ社製電界放出型走査電子顕微鏡Ｕｌｔｒａ５５）を用いて、反射電子像を観察した。なお、本実施形態では、倍率３０００倍で表面観察を行った。
得られた反射電子像に対して二値化処理を行い、コントラストの暗い部分をガラスとして、ガラスの面積比率を算出した。評価結果を表１に示す。また、本発明例２及び比較例１の観察結果を図９、図１０に示す。
【００７１】
次に、この下地層の上に、酸化銀ペーストを塗布して１．５ｍｍ×１．５ｍｍ×０．２ｍｍのＳｉ板を配置し、酸化銀ペーストを焼成することで接合層を形成して、回路基板とＳｉ板とを接合し、半導体装置を形成した。
ここで、酸化銀ペーストとして、市販の酸化銀粉末（和光純薬工業株式会社製）と、還元剤としてミリスチルアルコールと、溶剤として２，２，４−トリメチル−１，３−ペンタンジオールモノ（２−メチルプロパノエート）と、を用いて、酸化銀粉末；８０質量％、還元剤（ミリスチルアルコール）；１０質量％、溶剤（２，２，４−トリメチル−１，３−ペンタンジオールモノ（２−メチルプロパノエート））；残部、の割合で混合した酸化銀ペーストを用いた。
また、酸化銀ペーストの塗布厚さを５０μｍとし、焼成温度を３００℃、焼成時間を１０分とした。さらに、Ｓｉ板の加圧圧力を３ＭＰａとした。
【００７２】
上述のようにして得られた半導体装置の断面をＥＰＭＡ観察して、下地層と接合層の界面においてガラスが存在する長さ割合を算出した。同様に、回路層との界面にガラス層が存在しているか否かを確認した。結果を表１に示す。
【００７３】
また、得られた半導体装置において、シェアテストによって、シェア強度（せん断強度）の測定を行った。Ｓｉ板を上にして回路層を水平に固定し、Ｓｉ板をシェアツールで横から水平に押圧して、Ｓｉ板と回路層との接合が破壊されたときの強度及び破壊の位置（破壊モード）を確認した。なお、強度は、３回のシェア強度試験を実施してその平均値とした。結果を表１に示す。
【００７４】
また、回路層とＳｉ板との接合率について評価した。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Ｓｉ板の接合面の面積とした。超音波探傷像において剥離は接合部内の白色部で示されることから、この白色部の面積を剥離面積とした。結果を表１に示す。
接合率  ＝  （初期接合面積−剥離面積）／初期接合面積
【００７５】
【表１】
2014107326.tif 000003
【００７６】
比較例１においては、ガラスの含有量が多いガラス含有Ａｇペーストを使用しており、下地層の表面に露出しているガラスの面積比率が６３％と高かった。また、シェアテストによって接合層と下地層の界面で破壊が生じており、シェア強度が４ＭＰａと低かった。下地層の表面に露出したガラスが、接合層と下地層との接合を阻害したためと推測される。
【００７７】
比較例２においては、ガラスの含有量が少ないガラス含有Ａｇペーストを使用しており、回路層との界面にガラス層が形成されなかった。また、シェアテストによって回路層と下地層の界面で破壊が生じており、シェア強度が１ＭＰａと低かった。ガラス含有量が少なく回路層と下地層との接合が不十分であったためと推測される。
【００７８】
これに対して、本発明例１−６においては、回路層との界面にガラス層が形成され、かつ、下地層の表面に露出しているガラスの面積比率が５５％以下とされており、シェア強度も１０ＭＰａ以上であった。以上のことから、下地層と回路層、接合層と下地層とが強固に接合されていることが確認された。
【符号の説明】
【００７９】
１  パワーモジュール（半導体装置）
３  半導体素子
１０  回路基板
１１  セラミックス基板
１２、１１２  回路層
３０、１３０  下地層
３２、１３２  ガラス層
３３、１３３  Ａｇ層
３４  導電性粒子
３５  ガラス
４０、１４０  接合層
１０１  ＬＥＤ装置（半導体装置）
１０３  発光素子（半導体素子）
【図１】
2014107326.tif 000004
【図２】
2014107326.tif 000005
【図３】
2014107326.tif 000006
【図４】
2014107326.tif 000007
【図５】
2014107326.tif 000008
【図６】
2014107326.tif 000009
【図７】
2014107326.tif 000010
【図８】
2014107326.tif 000011
【図９】
2014107326.tif 000012
【図１０】
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