(57)【要約】【課題】回路層上に半導体素子をはんだ材を介して容易にかつ確実に接合することが可能なパワーモジュール用基板、このパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュール及びこのパワーモジュール用基板の製造方法を提供する。【解決手段】絶縁層１１の一方の面に、アルミニウム又はアルミニウム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であって、回路層１２の一方の面に、コールドスプレー法によって形成された金属被膜３０が形成されており、金属被膜がＮｉ、Ｃｕ、Ａｇのいずれか一種からなることを特徴とする。また、金属被膜３０の表面を、電界放射型走査電子顕微鏡を用いて加速電圧３ｋＶ以下で観察した際に、粒径３μｍ以下の小粒子と、この小粒子が凝集して形成された粒径５μｍ以上２０μｍ以下の中粒子と、この中粒子が凝集して形成された粒径３０μｍ以上の大粒子と、が観察され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、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層が配設され、この回路層上にはんだ層を介して半導体素子が配設されるパワーモジュール用基板であって、
前記回路層の一方の面には、金属粉末をその融点以下の温度で吹き付けて成膜するコールドスプレー法によって形成された金属被膜が形成されており、
前記金属被膜が、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇのいずれか一種からなることを特徴とするパワーモジュール用基板。
【請求項２】
絶縁層の一方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層が配設され、この回路層上にはんだ層を介して半導体素子が配設されるパワーモジュール用基板であって、
前記回路層の表面には、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇのいずれか一種からなる金属被膜が形成されており、
前記金属被膜の表面を、電界放射型走査電子顕微鏡を用いて加速電圧３ｋＶ以下で観察した際に、
粒径３μｍ以下の小粒子と、
この小粒子が凝集して形成された粒径５μｍ以上２０μｍ以下の中粒子と、
この中粒子が凝集して形成された粒径３０μｍ以上の大粒子と、
が観察されることを特徴とするパワーモジュール用基板。
【請求項３】
前記金属被膜表面の算術平均粗さＲａが、０．５μｍ以上とされていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項４】
前記金属被膜の前記回路層表面に平行な面に対する投影面積Ｓｐと前記金属被膜の表面積Ｓａとの比Ｓａ／Ｓｐが、１．５以上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パワーモジュール用基板。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の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前記回路層の一方の面側に配設された半導体素子と、を備え、前記半導体素子は、はんだ層を介して接合されていることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項６】
絶縁層の一方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層が配設され、この回路層上にはんだ層を介して半導体素子が配設されるパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記回路層の一方の面に、金属粉末をその融点以下の温度で吹き付けて成膜するコールドスプレー法によって、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇのいずれか一種からなる金属被膜を形成する工程を備えていることを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項７】
前記金属粉末の粒径が５μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とする請求項６に記載の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、半導体素子が搭載される回路層を備えたパワーモジュール用基板、このパワーモジュール基板を用いたパワーモジュール、及び、このパワーモジュール用基板の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子の中でも電力供給のためのパワー素子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、特許文献１に示すように、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。
また、例えば特許文献２に示すように、一つのパワーモジュール用基板上に複数の半導体素子が搭載されたパワーモジュールも提案されている。
【０００３】
ここで、アルミニウムからなる回路層においては、表面にアルミニウムの酸化被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３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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−３２８０８７号公報
【特許文献２】特開２００６−３１０４８６号公報
【特許文献３】特開２００４−１７２３７８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３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、Ｎｉめっき膜を形成する場合に、パワーモジュール用基板全体をめっき欲内に浸漬することになり、回路層表面以外にもＮｉめっき膜が形成されることになる。また、必要部分以外へのＮｉめっき膜の形成を防止するためには、マスキング処理を行った上でめっき浴内に浸漬する必要があり、Ｎｉめっき膜の形成に多大の労力を必要としていた。
【０００６】
また、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。特に、Ｎｉめっき膜上におけるはんだ濡れ性が低下した場合には、はんだ材が十分に拡がらず、はんだ層内部にボイドが発生するおそれがあった。
ここで、特許文献２に記載されたように、パワーモジュール用基板に複数の半導体素子が搭載される場合には、これらの半導体素子を一度に接合する必要がある。すなわち、複数の半導体素子のうちの一つが接合不良を起こした場合、これを再度接合するためには、良好に接合されている他の半導体素子も再度接合することになってしまう。このため、一度の接合で確実に半導体素子を接合可能なパワーモジュール用基板が望まれている。
【０００７】
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、回路層上に半導体素子をはんだ材を介して容易にかつ確実に接合することが可能なパワーモジュール用基板、このパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュール及びこのパワーモジュール用基板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】
このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明のパワーモジュール用基板は、絶縁層の一方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層が配設され、この回路層上にはんだ層を介して半導体素子が配設されるパワーモジュール用基板であって、前記回路層の一方の面には、金属粉末をその融点以下の温度で吹き付けて成膜するコールドスプレー法によって形成された金属被膜が形成されており、前記金属被膜が、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇのいずれか一種からな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用基板によれば、コールドスプレー法によって、回路層上にＮｉ、Ｃｕ、Ａｇのいずれかからなる金属被膜が形成されるので、この金属被膜の上にはんだ層を介して半導体素子を接合することが可能となる。ここで、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇは、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系の一般的なはんだ材との接合性が良好であり、これらのはんだ材からなるはんだ層を介して半導体素子を強固に接合することができる。つまり、Ｎｉめっき膜の代替として金属被膜を用いることが可能となり、Ｎｉめっき膜を形成する際に生じる不具合が無くなり、パワーモジュールを良好に製出することができるのである。
【００１０】
また、前述の金属被膜は、金属粉末をその融点以下の温度で吹き付けて成膜するコールドスプレー法によって形成されているので、金属粉末自体が溶融することなく回路層上に積層されることになり、金属被膜の表面に金属粉末に起因する微細な凹凸が生じることになる。これにより、金属被膜の表面積が増加することになり、はんだ材の濡れ性が向上し、はんだ材を十分に拡げることができる。よって、半導体素子をはんだ接合した場合において、はんだ層内部でのボイドの発生を抑制することができ、半導体素子との接合信頼性を大幅に向上させることができる。
さらに、回路層の表面に形成された酸化アルミニウム被膜を金属粉末の衝突によって除去した上で、回路層上に金属被膜が形成されることになり、回路層と金属被膜とが強固に接合されることになる。
また、コールドスプレー法によって成膜された金属被膜においては、ピーニング効果によって、金属被膜内部及び回路層の表面に圧縮応力が生じることになり、金属被膜や回路層表面に亀裂が生じることが抑制される。
【００１１】
また、本発明のパワーモジュール用基板は、絶縁層の一方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層が配設され、この回路層上にはんだ層を介して半導体素子が配設されるパワーモジュール用基板であって、前記回路層の表面には、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇのいずれか一種からなる金属被膜が形成されており、前記金属被膜の表面を、電界放射型走査電子顕微鏡を用いて加速電圧３ｋＶ以下で観察した際に、粒径３μｍ以下の小粒子と、この小粒子が凝集して形成された粒径５μｍ以上２０μｍ以下の中粒子と、この中粒子が凝集して形成された粒径３０μｍ以上の大粒子と、が観察されることを特徴としている。
【００１２】
この構成のパワーモジュール用基板によれば、金属被膜の表面に、粒径３０μｍ以上の大粒子が配置され、この大粒子の表面に粒径５μｍ以上２０μｍ以下の中粒子が配置され、この中粒子の表面に粒径３μｍ以下の小粒子が配置されることになり、これらの粒子によって微小な凹凸が生じ、金属被膜の表面積が大きくなる。よって、はんだ材の濡れ性が向上し、はんだ層内部のボイドの発生を抑制することができ、半導体素子との接合信頼性を大幅に向上させることができる。
【００１３】
ここで、前記金属被膜表面の算術平均粗さＲａが、０．５μｍ以上とされていることが好ましい。
あるいは、前記金属被膜の前記回路層表面に平行な面に対する投影面積Ｓｐと前記金属被膜の表面積Ｓａとの比Ｓａ／Ｓｐが、１．５以上とされていることが好ましい。
これらの場合、金属被膜の表面積が確保され、はんだ材の濡れ性を確実に向上させることができる。
【００１４】
本発明に係るパワーモジュールは、前述の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前記回路層の一方の面側に配設された半導体素子と、を備え、前記半導体素子は、はんだ層を介して接合されていることを特徴としている。
この構成のパワーモジュールにおいては、回路層上に形成された金属被膜のはんだ濡れ性が良好なため、はんだ層内部のボイドの発生を抑制でき、半導体素子と回路層とを強固に接合することが可能となる。よって、接合信頼性に優れた高品質のパワーモジュールを提供することができる。
【００１５】
本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法は、絶縁層の一方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層が配設され、この回路層上にはんだ層を介して半導体素子が配設されるパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記回路層の一方の面に、金属粉末をその融点以下の温度で吹き付けて成膜するコールドスプレー法によって、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇのいずれか一種からなる金属被膜を形成する工程を備えていることを特徴としている。
【００１６】
この構成のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、前記回路層の一方の面に、金属粉末をその融点以下の温度で高速に吹き付けるコールドスプレー法によって金属被膜を形成する工程を備えているので、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層の一方の面に、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇのいずれか一種からなる金属被膜を形成することが可能となる。また、金属粉末を融点以下の温度で衝突させているので、金属粉末自体が固体のままで積層され、金属表面に微小な凹凸が形成されることになる。よって、金属被膜の表面積が大きくなり、はんだ濡れ性を大幅に向上させることができる。
【００１７】
ここで、前記金属粉末の粒径が５μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。
この場合、コールドスプレー法によって成膜される金属被膜が、粒径３μｍ以下の小粒子と、この小粒子が凝集して形成された粒径５μｍ以上２０μｍ以下の中粒子と、この中粒子が凝集して形成された粒径３０μｍ以上の大粒子と、を有する構造となる。よって、はんだ濡れ性が良好なパワーモジュール用基板を製出することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、回路層上に半導体素子をはんだ材を介して容易にかつ確実に接合することが可能なパワーモジュール用基板、このパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュール及びこのパワーモジュール用基板の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態であるパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。
【図２】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３】電界放射型走査電子顕微鏡を用いた金属被膜表面の観察写真である。
【図４】電界放射型走査電子顕微鏡を用いた金属被膜表面の観察写真である。
【図５】電界放射型走査電子顕微鏡を用いた金属被膜表面の観察写真である。
【図６】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】
【００２０】
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。図１に本発明の実施形態であるパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールを示す。
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。
【００２１】
パワーモジュール用基板１０は、図１及び図２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１及び図２において下面）に配設された金属層１３とを備えている。また、回路層１２の表面（図１及び図２において上面）には、後述する金属被膜３０が形成されている。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
そして、図１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１において上面）に形成された金属被膜３０上に、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、金属被膜３０は、図１及び図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が配設される部分等に選択的に形成されている。
【００２８】
この金属被膜３０は、金属粉末を、その融点以下の温度で衝突させて成膜するコールドスプレー法によって形成されており、本実施形態では、Ｎｉ粉末を衝突させて成膜されたＮｉ被膜とされている。この金属被膜３０の厚さｔｍは、例えは３μｍ≦ｔｍ≦１００μｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、ｔｍ＝５０μｍとされている。また、この金属被膜３０の表面には、表面に微小な凹凸が形成されている。
【００２９】
図３から図５に、前述の金属被膜３０を、電界放射型走査電子顕微鏡を用いて加速電圧３ｋＶ以下で観察した結果を示す。なお、これらの写真は、電界放射型走査電子顕微鏡（Ｋarl Zeiss Ultra55）を用いて、加速電圧３ｋＶ以下、ワーキングディスタンス５ｍｍ以下、アパチャーサイズ３０μｍの条件下で観察した結果である。
図３から図５に示すように、この金属被膜３０は、粒径３μｍ以下の小粒子３１と、この小粒子３１が凝集して形成された粒径５μｍ以上２０μｍ以下の中粒子３２と、この中粒子３２が凝集して形成された粒径３０μｍ以上の大粒子３３と、を有する構造とされている。
【００３０】
ここで、金属被膜３０が前述のように小粒子３１、中粒子３２、大粒子３３とを有していることから、金属被膜３０の表面には、図３から図５に示すように、微小な凹凸が形成されることになる。
具体的には、金属被膜３０の算術平均粗さＲａは、０．５μｍ以上とされ、より好ましくは、０．５μｍ以上１．２μｍ以下とされている。なお、金属被膜３０の算術平均粗さＲａは、接触式表面粗さ計等を用いて測定することが可能である。
また、金属被膜３０の回路層１２表面に平行な面に対する投影面積Ｓｐと金属被膜３０の表面積Ｓａとの比Ｓａ／Ｓｐが、１．５以上とされ、より好ましくは、２．０以上５．０以下とされている。ここで、金属被膜３０の表面積Ｓａは、例えばレーザ顕微鏡を用いて測定することができる。  
【００３１】
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６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Ｓ１）。なお、回路層接合工程Ｓ１におけるろう付けの温度は、６１０℃〜６５５℃に設定されている。
【００３２】
そして、回路層１２の表面に、Ｎｉからなる金属被膜３０を形成する（金属被膜形成工程Ｓ２）。この金属被膜形成工程Ｓ２においては、Ｎｉ粉末をその融点以下の温度で吹き付けて成膜するコールドスプレー法によって、金属被膜３０を形成することになる。
このコールドスプレー法は、加熱及び加圧された作動ガスを用いて金属粉末をノズルから噴出し、金属粉末を回路層１２の表面に衝突させ、粉末を塑性変形させつつ積層することによって成膜するものである。
【００３３】
ここで、Ｎｉ粉末としては、粒径が５μｍ以上１００μｍ以下に設定されたものを使用した。
また、作動ガスとしては、例えばＮ２、空気、ヘリウム等を用いることができる。また、Ｎｉ粉末を用いることから、作動ガスの温度は５５０℃〜６５０℃の範囲内に設定することが好ましく、作動ガスの圧力は、２．５ＭＰａ〜３．５ＭＰａの範囲内に設定することが好ましい。
なお、本実施形態では、作動ガスとしてＮ２を使用し、作動ガスの温度を６００℃、作動ガスの圧力を３ＭＰａに設定した。
【００３４】
このように、コールドスプレー法によって回路層１２の表面に金属被膜３０を形成することにより、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０が製出されることになる。
【００３５】
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Ｓ３）。なお、冷却器接合工程Ｓ３におけるろう付けの温度は、５７０℃〜６１０℃に設定されている。
【００３６】
そして、回路層１２上に形成された金属被膜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Ｓ４）。
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。
【００３７】
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用基板１０及びパワーモジュール１においては、回路層１２の表面に金属被膜３０が形成されているので、この金属被膜３０の上にはんだ層２を介して半導体チップ３を接合することが可能となる。特に、この金属被膜３０が、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系の一般的なはんだ材との接合性が良好なＮｉで構成されていることから、これらのはんだ材からなるはんだ層を介して半導体素子を強固に接合することができる。このように、金属被膜３０を介してはんだ層２を形成することが可能であるので、従来のように、Ｎｉめっき膜を形成する必要が無く、Ｎｉめっき膜を形成した場合に生じる不具合が無くなり、パワーモジュール１を良好に製出することができる。
【００３８】
また、この金属被膜３０が、粒径３μｍ以下の小粒子３１と、この小粒子３１が凝集して形成された粒径５μｍ以上２０μｍ以下の中粒子３２と、この中粒子３２が凝集して形成された粒径３０μｍ以上の大粒子３３と、を有する構造とされているので、金属被膜３０の表面に微小な凹凸が生じて表面積が大きくなり、はんだ材の濡れ性が向上し、はんだ層内部のボイドの発生を抑制することができ、半導体チップ３との接合信頼性を大幅に向上させることができる。
【００３９】
より具体的には、金属被膜３０の算術平均粗さＲａは、０．５μｍ以上とされ、より好ましくは、０．５μｍ以上１．２μｍ以下とされており、金属被膜３０の回路層１２表面に平行な面に対する投影面積Ｓｐと金属被膜３０の表面積Ｓａとの比Ｓａ／Ｓｐは、１．５以上とされ、より好ましくは、２．０以上５．０以下とされているので、金属被膜３０の表面積が確保されることになり、はんだ材の濡れ性を確実に向上させることができ、はんだ層２を介して確実に半導体チップ３を接合することができるのである。
なお、金属被膜３０の算術平均粗さＲａが０．５μｍ以上とされているので、はんだ濡れを確実に良くすることができる。また、金属被膜３０の算術平均粗さＲａが１．２μｍ以下とされているので、はんだボイドの発生を確実に抑制することができるのである。
【００４０】
しかも、本実施形態では、金属被膜３０が、Ｎｉ粉末をその融点以下の温度で吹き付けて成膜するコールドスプレー法によって形成されているので、Ｎｉ粉末自体が溶融することなく回路層１２上に積層されることになり、金属被膜３０の表面にＮｉ粉末に起因する微細な凹凸が生じることになる。これにより、前述のように、表面積が大きく設定された金属被膜３０を形成することが可能となる。
【００４１】
また、回路層１２の表面に形成された酸化アルミニウム被膜を金属粉末の衝突によって除去した上で、回路層１２上に金属被膜３０が形成されることになり、回路層１２と金属被膜３０とが強固に接合されることになる。さらに、コールドスプレー法によって成膜されているので、金属被膜３０の内部や回路層１２表面に圧縮応力が作用することになり、金属被膜３０や回路層１２表面に亀裂が生じることが抑制される。
【００４２】
また、回路層１２上に金属被膜３０を形成する金属被膜形成工程Ｓ２においては、Ｎｉ粉末として、粒径が５μｍ以上１００μｍ以下に設定されたものを使用し、作動ガスとしてＮ２、空気、ヘリウム等を用い、作動ガスの温度を５５０℃〜６５０℃の範囲内に設定し、作動ガスの圧力を２．５ＭＰａ〜３．５ＭＰａの範囲内に設定しているので、前述のように、粒径３μｍ以下の小粒子３１と、この小粒子３１が凝集して形成された粒径５μｍ以上２０μｍ以下の中粒子３２と、この中粒子３２が凝集して形成された粒径３０μｍ以上の大粒子３３と、を有する構造とされた金属被膜３０を形成することが可能となる。
【００４３】
また、本実施形態においては、絶縁層として絶縁性及び強度に優れたＡｌＮ（窒化アルミ）からなるセラミックス基板１１を用いているので、パワーモジュール用基板１０の信頼性の向上を図ることができる。また、このセラミックス基板１１上にアルミニウム板をろう付けすることによって、容易に回路層１２を形成することができる。
さらに、本実施形態では、セラミックス基板１１の他方側（図１において下側）に、金属層１３および緩衝層１５を介して冷却器４０が配設されているので、半導体チップ３からの発熱によってパワーモジュール１が高温となることを防止することができる。
【実施例１】
【００４４】
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。
本発明例として、前述の実施形態に記載されたパワーモジュール用基板を準備した。すなわち、純度９９．９９％以上のアルミニウム板からなる回路層上にＮｉからなる金属被膜をコールドスプレー法によって形成したものを本発明例とした。
従来例として、前述の実施形態に記載されたパワーモジュール用基板において、金属被膜の代わりに、回路層表面に厚さ５μｍのＮｉめっき膜を形成したものを準備した。
【００４５】
これら本発明例と従来例について、はんだ濡れ性を評価した。はんだ濡れ性の評価は、ＪＩＳ  Ｚ  ３１９７に規定された広がり試験によって評価した。広がり率Ｓは、試料（金属被膜又はＮｉめっき膜）上に直径ｄのボール状のはんだ材を載置し、これを所定温度に加熱して形成されたはんだ層の高さｈを測定し、（ｄ−ｈ）／ｄ×１００で算出される指標である。この広がり率Ｓが大きいほど、はんだ材との濡れ性が良く、はんだ層を介して半導体チップを強固に接合できることになる。
ここで、本実施例では、はんだ材としてＰｂ−１０ｗｔ％Ｓｎ材を用いて、３５０℃で０．１時間保持後のはんだ層の高さを測定した。
【００４６】
また、前述の本発明例と従来例について、はんだ材としてＰｂ−１０ｗｔ％Ｓｎ材を用いて半導体チップを接合し、はんだ層内のボイド率を測定した。なお、はんだ接合条件は、温度３５０℃、時間１０ｍｉｎとした。
そして、得られたはんだ層内部のボイド率を、マイクロフォーカスＸ線検査装置（TOSMICRON  6090FP）を用いて、管電圧４０ｋＶ〜７０ｋＶ、管電流２０μＡ〜１２０μＡの条件で測定した、
【００４７】
はんだ濡れ性及びはんだ層内部のボイド率を評価した結果を表１に示す。
【００４８】
【表１】
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【００４９】
Ｎｉめっき膜を形成した従来例においては、はんだの広がり率Ｓが６７〜７０％とされている。これに対して、コールドスプレー法によって金属被膜を形成した本発明例においては、はんだの広がり率Ｓが９０％以上とされており、従来例に比べて、はんだ濡れ性が大幅に向上している。
また、はんだ層内部のボイド率については、Ｎｉめっき膜を形成した従来例においては５％程度とされているのに対して、コールドスプレー法によって金属被膜を形成した本発明例においては、ボイド率が１％以下に抑えられている。
【００５０】
したがって、回路層上に金属被膜を設けた本発明例においては、Ｎｉめっき膜を形成した従来例と比べて、はんだ材が拡がりやすくなり、はんだ層内部でのボイドの発生が抑制されることになる。よって、本発明例によれば、半導体チップをはんだ層を介して容易にかつ確実に接合することができ、接合信頼性の高いパワーモジュールを構成することが可能であることが確認された。
【実施例２】
【００５１】
次に、コールドスプレー法の条件を変更して形成したＮｉ膜の算術平均粗さＲａ、Ｎｉ膜の表面積Ｓａを測定した結果を表２、表３に示す。
なお、算術平均粗さＲａの測定は、接触式表面粗さ計（ミツトヨ製ＳＶ−４１４）を用いて行った。また、Ｎｉ膜の表面積Ｓａの測定は、レーザ顕微鏡（キーエンス製ＶＫ−９７００、ＶＫ９７１０）を用いて対物倍率２０倍で測定した。
【００５２】
【表２】
2011029323.tif 000004
【００５３】
【表３】
2011029323.tif 000005
【００５４】
Ｎｉ粉末の平均粒径が小さいほど、算術平均粗さＲａが小さくなり、Ｎｉ膜の表面積Ｓａが広くなることが確認された。
【００５５】
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。
【００５６】
また、Ｎｉ粉末を用いたコールドスプレー法によって金属被膜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、Ｃｕ粉末やＡｇ粉末を用いて金属被膜を形成してもよい。
また、コールドスプレー法の成膜条件は、本実施形態に限定されることはなく、粉末の性状、形成する金属被膜の厚さや広さ、回路層の材質や表面性状等を考慮して、適宜設計変更することが好ましい。
【００５７】
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。
また、冷却器の天板部と金属層との間に、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）からなる緩衝層を設けたものとして説明したが、この緩衝層がなくてもよい。
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等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。
【符号の説明】
【００５８】
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
１１  セラミックス基板
１２  回路層
３０  金属被膜
３１  小粒子
３２  中粒子
３３  大粒子
【図１】
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【図２】
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【図６】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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