(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム部材と、被接合部材と、をはんだ材を用いて接合するはんだ接合構造であって、
前記アルミニウム部材の表面に形成されたガラス層と、このガラス層に積層されたＡｇ層と、前記Ａｇ層に積層されたはんだ層と、を備えており、
前記Ａｇ層には、結晶性の酸化物粒子が分散されており、
３０℃から１３０℃のパワーサイクル試験を１０万回実施した後の前記Ａｇ層の残存割合が９８．５％以上であることを特徴とするはんだ接合構造。
【請求項２】
前記結晶性の酸化物粒子は、酸化チタン、酸化ケイ素、酸化亜鉛のうちいずれか１種または２種以上からなることを特徴とする請求項１に記載のはんだ接合構造。
【請求項３】
絶縁層の一方の面に前記アルミニウム部材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、前記回路層の一方の面に接合された半導体素子と、を備えたパワーモジュールであって、
前記回路層と前記半導体素子との接合部が請求項１または請求項２に記載のはんだ接合構造とされていることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項４】
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、このパワーモジュール用基板の他方の面側に接合されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、
前記ヒートシンクの接合面及び前記パワーモジュール用基板の接合面のうち少なくとも一方は、前記アルミニウム部材で構成されており、
前記ヒートシンクと前記パワーモジュール用基板との接合部が請求項１または請求項２に記載のはんだ接合構造とされていることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板。
【請求項５】
請求項１に記載されたはんだ接合構造を製造するはんだ接合構造の製造方法であって、
前記アルミニウム部材の表面にガラス及び結晶性の酸化物粒子を含有するＡｇペーストを塗布する塗布工程と、前記Ａｇペーストを塗布した状態で加熱処理して前記Ａｇペーストを焼成する焼成工程と、前記Ａｇペーストの焼成体からなるＡｇ焼成層の表面にはんだ材を介して前記被接合部材をはんだ接合するはんだ接合工程と、を備え、
前記Ａｇ焼成層には、結晶性の酸化物粒子が分散されていることを特徴とするはんだ接合構造の製造方法。
【請求項６】
前記結晶性の酸化物粒子は、酸化チタン、酸化ケイ素、酸化亜鉛のうちいずれか１種または２種以上からなることを特徴とする請求項５に記載のはんだ接合構造の製造方法。
【請求項７】
絶縁層の一方の面に前記アルミニウム部材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、前記回路層の一方の面に接合された半導体素子と、を備え、前記回路層と前記半導体素子とをはんだ接合部とするパワーモジュールの製造方法であって、
前記はんだ接合部を請求項５または請求項６に記載のはんだ接合構造の製造方法によって形成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８】
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、このパワーモジュール用基板の他方の面側に接合されたヒートシンクと、を備え、前記ヒートシンクの接合面及び前記パワーモジュール用基板の接合面のうち少なくとも一方は、前記アルミニウム部材で構成されており、前記ヒートシンクと前記パワーモジュール用基板とがはんだ接合部とするヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記はんだ接合部を請求項５または請求項６に記載のはんだ接合構造の製造方法によって形成することを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム部材と、被接合部材と、をはんだ材を用いて接合するはんだ接合構造、このはんだ接合構造を利用したパワーモジュール、ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びそれらの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
上述のはんだ接合構造としては、例えば、特許文献１、２に示すようなパワーモジュールが挙げられる。
パワーモジュールは、セラミックス基板の一方の面に回路層となるＡｌ（アルミニウム）の金属板が接合されてなるパワーモジュール用基板と、回路層の一方の面に搭載されるパワー素子（半導体素子）と、を備えている。
また、パワーモジュール用基板の他方の面側には、パワー素子（半導体素子）からの熱を放散するために、ヒートシンクとして放熱板や冷却器などが配設されることがある。
【０００３】
上述のパワーモジュールにおいては、回路層とパワー素子（半導体素子）とは、はんだ材を介して接合される。すなわち、回路層がアルミニウム部材とされ、パワー素子（半導体素子）が被接合部材とされた、はんだ接合構造をなしているのである。
また、パワーモジュール用基板とヒートシンクについても、はんだ材を介して接合されることがある。
なお、回路層等のアルミニウム部材においては、その表面にアルミニウムの酸化皮膜が形成されるため、そのままでは、はんだ接合を良好に行うことができない。そこで、従来は、回路層（アルミニウム部材）の表面にＮｉめっき膜を形成し、このＮｉめっき膜を下地層としてはんだ接合を行っていた。
【０００４】
ここで、上述のパワーモジュールにおいては、その使用時にパワーサイクル及びヒートサイクルが負荷されることになる。パワーモジュールにパワーサイクル及びヒートサイクルが負荷された場合には、セラミックス基板とアルミニウムとの熱膨張係数の差による応力がセラミックス基板と回路層との接合界面に作用し、接合信頼性が低下するおそれがあった。そこで、従来は、純度が９９．９９％以上の４Ｎアルミニウム等の比較的変形抵抗の小さなアルミニウムで回路層を構成して、上述の熱応力を回路層の変形によって吸収することで、接合信頼性の向上を図っている。
また、特許文献３には、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記載されており、上記回路層と被接合部材とをガラス層、Ａｇ層及びはんだ層を介して接合している構造が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−３１１５２６号公報
【特許文献２】特開２００８−２２７３３６号公報
【特許文献３】特開２０１０−２８７５５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、回路層を純度が９９．９９％以上（４Ｎアルミニウム）等の比較的変形抵抗の小さなアルミニウムで構成した場合、パワーサイクル及びヒートサイクルを負荷した際に、回路層の表面にうねりやシワが発生してしまうといった問題があった。回路層の表面にうねりやシワが発生すると、パワーモジュールの信頼性が低下することになる。
また、特許文献３では、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はできるものの、回路層と半導体素子とのはんだ接合後に生じる回路層表面のうねりやシワに対する視点はなかった。
【０００７】
特に、最近では、パワーモジュールの小型化・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、半導体素子等の電子部品からの発熱量が大きくなっている。そのため、パワーサイクル及びヒートサイクルの条件が厳しくなっており、回路層の表面にうねりやシワが発生しやすい傾向にあり、パワーモジュールの信頼性低下の問題があった。
なお、このようなうねりやシワは、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの接合部分においても問題となる。
【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、パワーサイクル及びヒートサイクル負荷時においても、アルミニウム部材の表面にうねりやシワが発生することを抑制でき、被接合部材との接合信頼性を向上させることが可能なはんだ接合構造、このはんだ接合構造を利用したパワーモジュール、ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びそれら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】
【０００９】
本発明者等は鋭意研究した結果、アルミニウム部材の一方の面にＡｇ層が形成されている場合、ヒートサイクル負荷時においても、はんだの変形が抑制され、アルミニウム部材の表面におけるうねりやシワの発生が抑制されることを見出した。これは、Ａｇはアルミニウムよりも硬い金属であることから、Ａｇ層によってアルミニウム部材の塑性変形が抑制されるためと推測される。
【００１０】
そして、さらに検討を進めた結果、Ａｇがはんだ内に拡散してＡｇ食われが生じた箇所において、はんだ内部にクラックが生じる場合があることが分かった。すなわち、Ａｇ食われが生じた箇所では、アルミニウム部材の表面が局所的に塑性変形を生じて、うねりやシワが発生し、はんだ内部にクラックが生じるおそれがあることが判明した。
【００１１】
本発明は、上述の知見に基づいてなされたものであって、本発明のはんだ接合構造は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム部材と、被接合部材と、をはんだ材を用いて接合するはんだ接合構造であって、前記アルミニウム部材の表面に形成されたガラス層と、このガラス層に積層されたＡｇ層と、前記Ａｇ層に積層されたはんだ層と、を備えており、前記Ａｇ層には、結晶性の酸化物粒子が分散されており、３０℃から１３０℃のパワーサイクル試験を１０万回実施した後の前記Ａｇ層の残存割合が９８．５％以上であることを特徴としている。
【００１２】
この構成のはんだ接合構造によれば、Ａｇ層には、結晶性の酸化物粒子が分散されているので、Ａｇがはんだ内に拡散することが抑制される。そして、アルミニウム部材に生じるうねりやシワの発生を抑制して、はんだに生じるクラックの発生を防ぐことができるので、被接合部材とのはんだ接合構造の信頼性を向上させることが可能となる。
【００１３】
また、アルミニウム部材の表面にガラス層が形成されているので、アルミニウム部材の表面に存在する酸化皮膜をこのガラス層に反応させて除去することができ、アルミニウム部材と被接合部材とをはんだ材を介して確実に接合することが可能となる。よって、アルミニウム部材の表面にＮｉめっき膜等を設ける必要がない。
【００１４】
さらに、前記結晶性の酸化物粒子は、酸化チタン、酸化ケイ素、酸化亜鉛のうちいずれか１種または２種以上をからなることが好ましい。
酸化チタン、酸化ケイ素、酸化亜鉛から選択される結晶性の酸化物粒子が、はんだと接合されたＡｇ層中に分散されると、Ａｇがはんだ内部へ拡散することが抑制される。Ａｇ中に酸化物粒子が分散していることにより、焼成時においてＡｇ層がネッキングする面積が少なくなる。このように焼結されたＡｇ層に対してはんだ接合を行うと、完全にネッキングしたＡｇ層と比較して、Ａｇのはんだ内部への拡散が生じ難くなるため、はんだに対するＡｇ喰われを抑制することができる。
【００１５】
本発明のパワーモジュールは、絶縁層の一方の面にアルミニウム部材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、前記回路層の一方の面に接合された半導体素子と、を備えたパワーモジュールであって、前記回路層と前記半導体素子との接合部が上述のはんだ接合構造とされていることを特徴としている。
【００１６】
このような構成とされた本発明のパワーモジュールにおいては、アルミニウム部材となる回路層と、被接合部材となる半導体素子とが、ガラス層、結晶性の酸化物粒子が分散されたＡｇ層、はんだ層を介して接合されている。そのため、Ａｇがはんだへ拡散することが抑制されて、Ａｇ層の形成を維持することができ、回路層の表面のうねりやシワの発生を抑制することが可能となる。
したがって、はんだ層におけるクラックの発生を抑制でき、半導体素子の接合信頼性に優れたパワーモジュールを提供することが可能となる。
【００１７】
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、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、このパワーモジュール用基板の他方の面側に接合されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、前記ヒートシンクの接合面及び前記パワーモジュール用基板の接合面のうち少なくとも一方は、アルミニウム部材で構成されており、前記ヒートシンクと前記パワーモジュール用基板との接合部が上述のはんだ接合構造とされていることを特徴としている。
【００１８】
このような構成とされた本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、前記パワーモジュール用基板の接合面及び前記ヒートシンクの接合面のうち少なくとも一方は、アルミニウム部材で構成されていることから、前記パワーモジュール用基板の接合面を有する部材及び前記ヒートシンクの接合面を有する部材の一方が上述のはんだ接合構造のアルミニウム部材に該当し、他方が被接合部材に該当することになる。そして、このアルミニウム部材と、被接合部材とが、ガラス層、結晶性の酸化物粒子が分散されたＡｇ層、はんだ層を介して接合されている。そのため、Ａｇがはんだへ拡散することを抑制してＡｇ層を維持することができ、アルミニウム部材の表面のうねりやシワの発生を抑制することが可能となる。
したがって、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの接合信頼性が向上し、ヒートシンクによって熱を効率的に放散させることが可能となる。
なお、ヒートシンクとしては、板状の放熱板、内部に冷媒が流通する冷却器、フィンが形成された液冷、空冷放熱器、ヒートパイプなど、熱の放散によって温度を下げることを目的とした金属部品が含まれる。
【００１９】
本発明のはんだ接合構造の製造方法は、上述のはんだ接合構造を製造するはんだ接合構造の製造方法であって、前記アルミニウム部材の表面にガラス及び結晶性の酸化物粒子を含有するＡｇペーストを塗布する塗布工程と、前記Ａｇペーストを塗布した状態で加熱処理して前記Ａｇペーストを焼成する焼成工程と、前記Ａｇペーストの焼成体からなるＡｇ焼成層の表面にはんだ材を介して前記被接合部材をはんだ接合するはんだ接合工程と、を備え、前記Ａｇ焼成層には、結晶性の酸化物粒子が分散されていることを特徴とする。
【００２０】
このような製造方法によれば、Ａｇ焼結層に結晶性の酸化物粒子が分散させることができるので、はんだ接合工程においてＡｇがはんだ内に拡散することが抑制できるはんだ接合構造を製造することができる。そして、アルミニウム部材に生じるうねりやシワの発生を抑制して、はんだに生じるクラックの発生を防ぐことができるので、被接合部材とのはんだ接合構造の信頼性を向上させることが可能となる。
【００２１】
本発明のパワーモジュールの製造方法では、絶縁層の一方の面にアルミニウム部材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、回路層の一方の面に接合された半導体素子と、を備え、回路層と半導体素子とをはんだ接合部とするパワーモジュールの製造方法であって、このはんだ接合部を上述のはんだ接合構造の製造方法によって形成することを特徴とする。
【００２２】
また、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法では、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、このパワーモジュール用基板の他方の面側に接合されたヒートシンクと、を備え、ヒートシンクの接合面及び前記パワーモジュール用基板の接合面のうち少なくとも一方は、前記アルミニウム部材で構成されており、前記ヒートシンクと前記パワーモジュール用基板とがはんだ接合部とするヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法であって、このはんだ接合部を上述のはんだ接合構造の製造方法によって形成することを特徴とする。
【００２３】
上述のようなはんだ接合構造、パワーモジュール及びヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法によれば、はんだ接合部において、結晶性の酸化物粒子が分散したＡｇ焼成層を形成することができることから、はんだ接合時においてＡｇがはんだへ拡散することが抑制されて、Ａｇ層の形成を維持することができ、アルミニウム部材の表面のうねりやシワの発生を抑制することが可能となる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、パワーサイクル及びヒートサイクル負荷時においても、アルミニウム部材の表面にうねりやシワが発生することを抑制でき、被接合部材との接合信頼性を向上させることが可能なはんだ接合構造、このはんだ接合構造を利用したパワーモジュール、ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びそれらの製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第一の実施形態である放熱板付パワーモジュール用基板及びパワーモジュールの概略説明図である。
【図２】図１における金属層と放熱板との接合部の拡大説明図である。
【図３】図１における回路層と半導体素子との接合部の拡大説明図である。
【図４】本発明の実施形態において用いられるＡｇペーストの製造方法を示すフロー図である。
【図５】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６】本発明の第二の実施形態である冷却器付パワーモジュール用基板及びパワーモジュールの概略説明図である。
【図７】図６における緩衝層と冷却器との接合部の拡大説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下に、本発明の実施形態であるはんだ接合構造について、添付した図面を参照して説明する。
図１に、本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール１及び放熱板付パワーモジュール用基板２０を示す。この実施形態では、ヒートシンクとして、放熱板２１を用いた。
このパワーモジュール１は、回路層１２及び金属層１３が配設されたパワーモジュール用基板１０と、回路層１２の一方の面（図１において上面）に搭載された半導体素子３と、金属層１３の他方の面（図１において下面）に接合された放熱板２１と、この放熱板２１の他方の面側に積層された冷却器３１と、を備えている。
【００２７】
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１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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
放熱板２１は、前述のパワーモジュール用基板１０からの熱を面方向に拡げるものであり、本実施形態では、熱伝導性に優れた銅板とされている。
冷却器３１は、図１に示すように、冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路３２を備えている。冷却器３１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、放熱板２１と冷却器３１とは、図１に示すように、固定ネジ２２によって締結されている。
【００３１】
そして、図２に示すように、４Ｎアルミニウムからなる金属層１３と銅からなる放熱板２１との間の第１接合部４０においては、金属層１３の他方の面（図２において下面）に形成された第１ガラス層４１と、この第１ガラス層４１の他方の面に積層された第１Ａｇ層４２と、この第１Ａｇ層４２の他方の面に積層された第１はんだ層４３と、を備えている。
【００３２】
また、図３に示すように、４Ｎアルミニウムからなる回路層１２と半導体素子３との間の第２接合部５０においては、回路層１２の一方の面（図３において上面）に形成された第２ガラス層５１と、この第２ガラス層５１の一方の面に積層された第２Ａｇ層５２と、この第２Ａｇ層５２の一方の面に積層された第２はんだ層５３と、を備えている。
【００３３】
ここで、第１はんだ層４３及び第２はんだ層５３は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｓｂ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材（いわゆる鉛フリーはんだ材）で構成されている。また、第１はんだ層４３及び第２はんだ層５３の厚さｔｈは、２０μｍ≦ｔｈ≦６００μｍの範囲内に設定されている。
【００３４】
第１ガラス層４１及び第２ガラス層５１は、その厚さｔｇが０．０５μｍ≦ｔｇ≦１０μｍの範囲内に設定されている。
ここで、第１ガラス層４１及び第２ガラス層５１においては、そ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が分散されている。この導電性粒子は、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、第１ガラス層４１及び第２ガラス層５１内の導電性粒子は、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。
【００３５】
そして、第１Ａｇ層４２及び第２Ａｇ層５２には、それぞれ、結晶性の酸化物粒子４４及び結晶性の酸化物粒子５４が分散されている。結晶性の酸化物粒子４４、５４は、酸化チタン、酸化ケイ素、酸化亜鉛のうちいずれか１種又は２種以上からなるとされている。また、結晶性の酸化物粒子の結晶粒径は、０．１μｍ以上５μｍ以下とされており、本実施形態では、平均粒径０．５μｍであった。
この結晶性の酸化物粒子は、第１Ａｇ層４２および第２Ａｇ層５２の断面の元素分析から同定することができる。元素分析手法として、例えば、ＥＰＭＡやＥＤＳなどの電子線による分析手法を用いればよい。
【００３６】
また、第１Ａｇ層４２及び第２Ａｇ層５２は、その厚さｔａが１μｍ≦ｔａ≦１００μｍの範囲内に設定されている。好ましくは、１．５μｍ≦ｔａ≦５０μｍの範囲内とされている。
ここで、第１接合部４０及び第２接合部５０は、金属層１３及び回路層１２の表面に以下に説明するＡｇペーストを塗布・焼成してＡｇ焼成層を形成し、このＡｇ焼成層の表面にはんだ材を介して放熱板２１及び半導体素子３を接合することによって形成されるものである。
【００３７】
次に、本実施形態において使用されるＡｇペーストについて説明する。
このＡｇペーストはＡｇ粉末と、ガラス粉末と、結晶性の酸化物粉末と、樹脂と、分散剤とを含有しており、Ａｇ粉末の含有量が、Ａｇペースト全体の６０質量％以上９０質量％以下とされており、残部がガラス粉末、結晶性の酸化物粉末、樹脂、溶剤、分散剤とされている。なお、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。
【００３８】
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。
【００３９】
ガラス粉末は、例えば、酸化鉛、酸化亜鉛、酸化ケイ素、酸化ホウ素、酸化リン及び酸化ビスマスのいずれか１種または２種以上を含有しており、その軟化温度が６００℃以下とされている。
また、ガラス粉末は必要に応じて、酸化アルミニウム、酸化鉄、酸化銅、酸化セレン、酸化ジルコニウム、アルカリ金属酸化物、アルカリ土類金属酸化物などを含有していても良い。
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おり、本実施形態では、Ａ／Ｇが８５／１５とされている。
さらに、Ａｇ粉末の重量Ａと結晶性の酸化物粉末の重量Ｏとの重量比Ａ／Ｏは、９０／１０から９９／１の範囲内とされている。
【００４０】
結晶性の酸化物粉末は、例えば、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化ケイ素の粉末であり、いずれか１種または２種以上の結晶性の酸化物粉末を選択すれば良い。
結晶性の酸化物粉末は、その結晶粒径が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０．５μｍものを使用した。
なお、Ａｇ粉末及び結晶性の酸化物粉末の結晶粒径は、レーザー回折散乱方式による粒度分布測定方法で測定すればよい。
【００４１】
溶剤は、沸点が２００℃以上のものが適しており、例えば、αテルピオネール、ブチルカルビトールアセテート、ジエチレング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、αテルピネオールを用いている。
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、エチルセルロース、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。
【００４２】
次に、本実施形態で用いられるＡｇペーストの製造方法について、図４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、結晶性の酸化物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、樹脂及び分散剤を混合して有機混合物を生成する（有機物混合工程Ｓ２）。
【００４３】
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Ａｇペーストが製出されることになる。
【００４４】
次に、本実施形態であるパワーモジュールの製造方法について、図５のフロー図を用いて説明する。
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（回路層及び金属層接合工程Ｓ１１）。なお、このろう付けの温度は、６４０℃〜６５０℃に設定されている。
【００４５】
次に、金属層１３の他方の面に、前述のＡｇペーストを塗布する（第１Ａｇペースト塗布工程Ｓ１２）。なお、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。
【００４６】
金属層１３の他方の面にＡｇペーストを塗布した状態で、加熱炉内に装入してＡｇペーストの焼成を行う（第１焼成工程Ｓ１３）。これにより、第１Ａｇ焼成層（図示なし）が形成される。なお、このときの焼成温度は、３５０℃〜６４５℃に設定されている。
そして、第１Ａｇ焼成層の表面にはんだ材を介して放熱板２１を積層し、還元炉内においてはんだ接合する（放熱板接合工程Ｓ１４）。
これにより、金属層１３と放熱板２１との間に、第１ガラス層４１、結晶性の酸化物粒子４４が分散された第１Ａｇ層４２、第１はんだ層４３を有する第１接合部４０が形成され、本実施形態である放熱板付パワーモジュール用基板２０が製出される。
【００４７】
次に、放熱板２１の他方の面側に冷却器３１を積層し、固定ネジ２２によって固定する（冷却器積層工程Ｓ１５）。
【００４８】
そして、回路層１２の一方の面に、前述のＡｇペーストを塗布する（第２Ａｇペースト塗布工程Ｓ１６）。なお、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Ａｇペーストをパターン状に形成した。
【００４９】
回路層１２の一方の面にＡｇペーストを塗布した状態で、加熱炉内に装入してＡｇペーストの焼成を行う（第２焼成工程Ｓ１７）。これにより、第２Ａｇ焼成層（図示なし）が形成される。なお、このときの焼成温度は、３５０℃〜６４５℃に設定されている。
【００５０】
そして、第２Ａｇ焼成層の表面に、はんだ材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する（半導体素子接合工程Ｓ１８）。
これにより、回路層１２と半導体素子３との間に、第２ガラス層５１、結晶性の酸化物粒子５４が分散された第２Ａｇ層５２、第２はんだ層５３を有する第２接合部５０が形成され、本実施形態であるパワーモジュール１が製出される。
【００５１】
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、金属層１３と放熱板２１との間に、第１ガラス層４１、第１Ａｇ層４２、第１はんだ層４３を有する第１接合部４０が形成されており、回路層１２と半導体素子３との間に、第２ガラス層５１、第２Ａｇ層５２、第２はんだ層５３を有する第２接合部５０が形成されている。この第１Ａｇ層４２及び第２Ａｇ層５２には、結晶性の酸化物粒子４４、５４が含有されている。そのため、はんだ付け工程において、Ａｇが液相のはんだ内に拡散することが抑制され、Ａｇ層の形成を維持することができる。そして、パワーサイクル及びヒートサイクルが負荷された場合であっても、４Ｎアルミニウムからなる金属層１３及び回路層１２の表面にうねりやシワが発生することが抑制される。よって、放熱板２１と金属層１３との接合信頼性、及び半導体素子３と回路層１２との接合信頼性が向上し、放熱板２１によって熱を効率的に放散させることが可能となる。
【００５２】
また、本実施形態では、結晶性の酸化物粒子４４、５４は、酸化チタン、酸化ケイ素、酸化亜鉛のうちいずれか１種または２種以上からなる粒子で構成されているので、Ａｇがはんだへ拡散することを抑制する効果が大きい。
【００５３】
また、金属層１３の他方の面に第１ガラス層４１が形成され、回路層１２の一方の面に第２ガラス層５１が形成されているので、これら第１ガラス層４１及び第２ガラス層５１によって、金属層１３及び回路層１２の表面に存在する酸化皮膜を除去することができ、金属層１３と放熱板２１、回路層１２と半導体素子３とをはんだ材を介して確実に接合することが可能となる。よって、金属層１３及び回路層１２の表面にＮｉめっき膜を設ける必要がない。
【００５４】
さらに、本実施形態においては、半導体素子３が搭載される回路層１２の一方の面に形成された第２ガラス層５１には、そ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が分散されているので、第２ガラス層５１において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とを電気的に接続することができる。
【００５５】
次に、本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール１０１及び冷却器付パワーモジュール用基板１３０について、図６、図７を参照して説明する。なお、この実施形態では、ヒートシンクとして冷却器１３１を用いた。
このパワーモジュール１０１は、回路層１１２及び金属層１１３が配設されたパワーモジュール用基板１１０と、回路層１１２の一方の面（図６において上面）に搭載された半導体素子１０３と、パワーモジュール用基板１１０の他方の面側に積層された冷却器１３１と、を備えている。
【００５６】
パワーモジュール用基板１１０は、絶縁層を構成するセラミックス基板１１１と、このセラミックス基板１１１の一方の面（図６において上面）に配設された回路層１１２と、セラミックス基板１１１の他方の面（図６において下面）に配設された金属層１１３と、金属層１１３の他方の面側に配設された緩衝層１１５と、を備えている。
セラミックス基板１１１は、回路層１１２と金属層１１３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。
【００５７】
回路層１１２及び金属層１１３は、セラミックス基板１１１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１１２及び金属層１１３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１１１に接合されることにより形成されている。
【００５８】
緩衝層１１５は、アルミニウム又はアルミニウム合金、銅又は銅合金若しくはアルミニウムを含む複合材（例えばＡｌＳｉＣ等）で構成されている。
冷却器１３１は、図６に示すように、冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路１３２を備えている。冷却器１３１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。
【００５９】
そして、図７に示すように、Ａ６０６３（アルミニウム合金）で構成される冷却器１３１と緩衝層１１５との間の第１接合部１４０においては、冷却器１３１の一方の面に形成された第１ガラス層１４１と、この第１ガラス層１４１に積層された第１Ａｇ層１４２と、この第１Ａｇ層１４２に積層された第１はんだ層１４３と、を備えている。ここで、第１Ａｇ層１４２には、結晶性の酸化物粒子１４４が分散されている。
【００６０】
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１０１及び冷却器付パワーモジュール用基板１３０においては、アルミニウム合金からなる冷却器１３１とパワーモジュール用基板１１０の緩衝層１１５との間に、第１ガラス層１４１、第１Ａｇ層１４２、第１はんだ層１４３を有する第１接合部１４０が形成されている。さらに、第１Ａｇ層１４２には、結晶性の酸化物粒子１４４が分散されているので、はんだ接合時において、Ａｇがはんだ内に拡散することが抑制される。その結果、アルミニウム合金からなる冷却器１３１の表面にうねりやシワが発生することが抑制される。よって、冷却器１３１とパワーモジュール用基板１１０との接合信頼性が向上し、冷却器１３１によってパワーモジュール用基板１１０を効率的に冷却することができる。
【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、パワーモジュールに用いられるはんだ接合構造を例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、アルミニウム部材（電極部材）と被接合部材とをはんだ接合するものであれば、用途に限定はない。特に、ＬＥＤ素子、ペルチェ素子などのパワーサイクル若しくはヒートサイクルが発生する素子との接合部材に適している。
また、ヒートシンクとして、放熱板及び冷却器を用いて説明したが、これに限られるものではなく、フィンが形成された空冷、液冷放熱器、ヒートパイプなどであってもよい。
【００６２】
また、本実施形態では、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）であってもよい。
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良いし、絶縁樹脂によって絶縁層を構成してもよい。
【００６３】
また、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く、他のガラス粉末、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、ブチルカルビトールアセテート、ジエチレングリコールジブチルエーテル等を用いても良い。
【実施例】
【００６４】
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Ａｇペーストを焼成してなる焼成層を形成し、この焼成層の上にＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系無鉛はんだを用いて、還元炉内において半導体素子を接合した。表１のＡ／Ｇは、（Ａｇ粉末の重量）／（ガラス粉末の重量）、Ａ／Ｏは、（Ａｇ粉末の重量）／（結晶性の酸化物粉末の重量））を意味している。なお、Ａｇペーストの塗布厚さを１０μｍとした。また、焼成温度を５７５℃、焼成時間を１０分とした。これにより、焼成層の厚さは約８μｍ、ガラス層の厚さが約１μｍのＡｇ焼成層を得た。
【００６５】
なお、セラミックス基板は、ＡｌＮで構成され、３０ｍｍ×２０ｍｍ、厚さ０．６ｍｍのものを使用した。
また、回路層及び金属層は、４Ｎアルミニウムで構成され、１３ｍｍ×１０ｍｍ、厚さ０．６ｍｍのものを使用した。
半導体素子は、ＩＧＢＴ素子とし、１２．５ｍｍ×９．５ｍｍ、厚さ０．２５ｍｍのものを使用した。
【００６６】
（パワーサイクル試験）
上述のようにして得られた試験片のＩＧＢＴ素子に、１５Ｖ、１５０Ａの通電条件で、通電オンを２秒、通電オフを８秒、の条件で通電を繰り返し実施し、ヒータチップの温度を３０℃から１３０℃の範囲で変化させた。このパワーサイクルを１０万回実施した。
（Ａｇ層の残存部の割合評価）
パワーサイクル試験の後に、試験片をダイヤモンドソーで切断し、断面を樹脂埋めして研磨を行い、ＥＰＭＡによる元素分析（マッピング）を実施した。はんだ接合部の断面をＥＰＭＡで分析することにより、はんだ層、Ａｇ食われ層、Ａｇ層残存部に分類し、Ａｇ層残存部／Ａｇ層全体の断面積割合を評価した。なお、Ａｇ層全体とは、はんだ接合前のＡｇペーストを焼成したときのＡｇ層の全断面積のことである。
（熱抵抗測定）
パワーサイクル試験時の初期熱抵抗と、試験後の熱抵抗とを測定した。熱抵抗測定は、次のように実施した。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を測定した。また、冷却器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、初期熱抵抗に対するパワーサイクル試験後の熱抵抗の上昇率を算出した。
（Ａｇ層中における結晶性の酸化物粒子の確認）
結晶性の酸化物粒子は、ガラスフリットのように熱処理時に流動せず、かつ他の物質とそれほど反応しないため、添加したままの状態でＡｇ膜中に存在する。そのため酸化物粒子は、ＳＥＭのような断面観察手法により確認できる。また、ＥＤＳやＥＰＭＡといった分析手法を用いることによっても酸化物の種類を同定することができる。
【００６７】
【表１】
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【００６８】
表１に示すように、発明例１から発明例６においては、Ａｇ層の内部に結晶性の酸化物粒子が分散されている。そのため、はんだ接合工程後においてＡｇ残存部が十分に存在し、パワーサイクル後の熱抵抗率の上昇率が小さく、回路層及び金属層とセラミックス基板との接合信頼性が高い。
一方、比較例１および比較例２においては、Ａｇ層が結晶性の酸化物粒子を含有しないために、Ａｇ残存部が減少してしまい、パワーサイクル後の熱抵抗の上昇率が大きくなったため、接合信頼性が発明例と比較して劣った。
【符号の説明】
【００６９】
１  パワーモジュール
３  半導体素子（被接合部材）
１０  パワーモジュール用基板
１１  セラミックス基板（絶縁層）
１２  回路層（アルミニウム部材）
１３  金属層（アルミニウム部材）
２０  放熱板付パワーモジュール用基板（ヒートシンク付パワーモジュール用基板）
２１  放熱板（被接合部材、ヒートシンク）
４０  第１接合部（はんだ接合構造）
４１  第１ガラス層（ガラス層）
４２  第１Ａｇ層（Ａｇ層）
４３  第１はんだ層（はんだ層）
４４  結晶性の酸化物粒子
５０  第２接合部（はんだ接合構造）
５１  第２ガラス層（ガラス層）
５２  第２Ａｇ層（Ａｇ層）
５３  第２はんだ層（はんだ層）
５４  結晶性の酸化物粒子
１０１  パワーモジュール
１１０  パワーモジュール用基板
１１５  緩衝層（被接合部材）
１３０  冷却器付パワーモジュール用基板（ヒートシンク付パワーモジュール用基板）
１３１  冷却器（アルミニウム部材、ヒートシンク）
１４０  第１接合部（はんだ接合構造）
１４１  第１ガラス層（ガラス層）
１４２  第１Ａｇ層（Ａｇ層）
１４３  第１はんだ層（はんだ層）
１４４  結晶性の酸化物粒子
【図１】
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【図２】
0005915233.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
0005915233.tif 000007
【図６】
0005915233.tif 000008
【図７】
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