(57)【要約】【課題】回路層上に形成されたＡｇ焼成層を介して接合される半導体素子と、回路層との間の電気抵抗値を低減することが可能なパワーモジュール用基板およびその製造方法、パワーモジュールを提供する。【解決手段】Ａｇ−Ａｌ合金からなる合金部３５を、Ａｇ焼成層３０の周辺領域において、Ａｇ層３２の四辺に沿って形成する。即ち、合金部３５は、Ａｇ層３２（およびこの下層に形成されたガラス層３１）を囲むような略ロ字型に形成されている。こうした合金部３５は、回路層１２に対して直接接続され、Ａｇ層３２と回路層１２とを、ガラス層３１を介在させずに電気的に導通させる。これによって、Ａｇ層３２は、電気抵抗値が比較的高いガラス層３１よりも電気抵抗値が低い合金部３５によって、回路層１２と電気的に接続される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁層の一方の面に形成されたＡｌ又はＡｌ合金からなる回路層と、該回路層上に形成されたＡｇ焼成層とを備えたパワーモジュール用基板であって、
前記Ａｇ焼成層は、ガラス層と、このガラス層上に形成されたＡｇ層と、ＡｇとＡｌとからなり、前記Ａｇ層と前記回路層とを電気的に接続する合金部と、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。
【請求項２】
前記合金部は、半導体素子が配設される素子接合領域よりも外側に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用基板。
【請求項３】
前記Ａｇ焼成層を上面から平面視した時に、前記Ａｇ焼成層全域の面積から素子接合領域の面積を除いた面積に対して、前記合金部の占める面積率が、１％以上、２０％以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項４】
前記Ａｇ焼成層は、上面から平面視した時に略矩形を成し、前記合金部は、前記Ａｇ層の四辺に沿って形成され、前記ガラス層は、前記合金部で囲まれた領域の内側に形成されていることを特徴とする請求項１ないし３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】
前記合金部は、Ａｇ−Ａｌの固溶体、またはＡｇ−Ａｌの金属間化合物であることを特徴とする請求項１ないし４いずれか一項に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項６】
前記Ａｇ−Ａｌの金属間化合物は、δ相またはμ相であることを特徴とする請求項５に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項７】
前記Ａｇ焼成層は、その厚さ方向における電気抵抗値が１０ｍΩ以下であることを特徴とする請求項１ないし６いずれか一項に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７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を構成する前記Ａｇ焼成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、前記Ａｇ焼成層に対して接合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９】
絶縁層の一方の面に形成されたＡｌ又はＡｌ合金からなる回路層と、該回路層上に形成されたＡｇ焼成層とを備えた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、ガラス含有Ａｇペーストを塗布する第一塗布工程と、
前記ガラス含有Ａｇペーストの塗布領域に少なくとも一部が重なるように、Ａｇペーストを塗布する第二塗布工程と、
前記ガラス含有Ａｇペーストと、前記Ａｇペーストとを焼成し、ガラス層と、このガラス層上に形成されたＡｇ層と、前記Ａｇペーストを構成するＡｇ及び前記回路層から拡散したＡｌの合金からなる前記合金部と、を形成する焼成工程と、を少なくとも備え、
前記合金部は、前記Ａｇ層と前記回路層とを、前記ガラス層を介在させずに直接、接続す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１０】
前記焼成工程において、焼成温度を５６７℃以上６２０℃以下とすることを特徴とする請求項９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、絶縁層の一方の面に回路層が形成されたパワーモジュール用基板、およびその製造方法と、回路層上に半導体素子が接合されたパワーモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
各種の半導体素子のうち、例えば、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パワー素子は、発熱量が多い。こうした大電力制御用のパワー素子を搭載する基板としては、例えば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パワーモジュール用基板が、従来から広く用いられている。
そして、このようなパワーモジュール用基板は、その回路層上に、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（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
回路層を構成する金属としては、一般的にアルミニウム又はアルミニウム合金、或いは、銅又は銅合金が用いられている。
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自然酸化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困難である。
【０００４】
一方、はんだ材を使用しない接合方法として、例えば、特許文献２には、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。
また、例えば、特許文献３、４には、はんだ材を用いずに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を接合する技術が提案されている。
【０００５】
しかしながら、特許文献２に開示されているように、はんだ材を使用せずにＡｇナノペーストを用いて半導体素子を接合した場合には、Ａｇナノペースト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。
【０００６】
また、特許文献３、４に開示されているように、金属酸化物と還元剤とを用いて半導体素子を接合した場合にも、やはり、酸化物ペーストの焼成層が薄く形成されることから、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、パワーモジュールの性能が劣化するおそれがあった。
【０００７】
そこで、例えば、特許文献５〜７には、ガラス含有Ａｇペーストを用いてアルミニウム又は銅からなる回路層上にＡｇ焼成層を形成した後に、はんだ材又はＡｇペーストを介して回路層と半導体素子を接合する技術が提案されている。この技術では、アルミニウム又は銅からなる回路層の表面に、ガラス含有Ａｇペーストを塗布して焼成することによって、回路層の表面に形成されている酸化被膜をガラスに反応させて除去してＡｇ焼成層を形成し、このＡｇ焼成層が形成された回路層上に、はんだ材を介して半導体素子を接合している。
【０００８】
ここで、Ａｇ焼成層は、ガラスが回路層の酸化被膜と反応することにより形成されたガラス層と、このガラス層上に形成されたＡｇ層とを備えている。このガラス層には導電性粒子が分散しており、この導電性粒子によってガラス層の導通が確保されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【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２００９−２６７３７４号公報
【特許文献４】特開２００６−２０２９３８号公報
【特許文献５】特開２０１０−２８７８６９号公報
【特許文献６】特開２０１２−１０９３１５号公報
【特許文献７】特開２０１３−０１２７０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、回路層とＡｇ焼成層との接合信頼性を向上させるためには、ガラス含有Ａｇペースト中のガラスの含有量を多くすることが効果的である。
しかしながら、ガラス含有Ａｇペースト中のガラス含有量を増加すると、Ａｇ焼成層においてガラス層が厚くなる。ガラス層は、導電性粒子が分散されていても、Ａｇ層などと比較すると電気抵抗が高い。このため、ガラス層が厚くなるに従って、Ａｇ焼成層の電気抵抗値も大きくなる傾向にあり、接合信頼性と電気抵抗値との両方をバランスさせることが難しかった。このようにＡｇ焼成層の電気抵抗値が高いと、Ａｇ焼成層が形成された回路層と半導体素子とをはんだ材等を介して接合した際に、回路層と半導体素子との間に電気を良好に流すことができないおそれがあった。
【００１１】
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、回路層上に形成されたガラス層とＡｇ層とを備えたＡｇ焼成層を介して接合される半導体素子と、回路層との間の電気抵抗値を低減することが可能なパワーモジュール用基板およびその製造方法、パワーモジュール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】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明のいくつかの態様は、次のようなパワーモジュール用基板およびその製造方法、パワーモジュールを提供した。
すなわち、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形成されたＡｌ又はＡｌ合金からなる回路層と、該回路層上に形成されたＡｇ焼成層とを備えたパワーモジュール用基板であって、前記Ａｇ焼成層は、ガラス層と、このガラス層上に形成されたＡｇ層と、ＡｇとＡｌとからなり、前記Ａｇ層と前記回路層とを電気的に接続する合金部と、を備えていることを特徴とする。
【００１３】
本発明のパワーモジュール用基板によれば、Ａｇ層と回路層とを電気的に接続させる合金部が形成される。こうした合金部を構成するＡｇとＡｌとの合金は、導電性粒子が分散されたガラス層よりも電気抵抗値が低いので、Ａｇ焼成層として比較的高抵抗なガラス層が形成されていても、合金部によって回路層とＡｇ層との間の電気抵抗を低減し、電気を良好に流すことを可能にする。これによって、回路層とＡｇ焼成層との接合信頼性を向上させるために、ガラスの含有量を多くしてガラス層を厚くしても、Ａｇ層と回路層との間の電気抵抗値を低く保つことができ、接合信頼性と電気抵抗値との両方をバランスさせることが可能になる。
【００１４】
前記合金部は、半導体素子が配設される素子接合領域よりも外側に形成されていることを特徴とする。
こうした構成によって、半導体素子とＡｇ焼成層が重なる部分には合金部が形成されないので、半導体素子の接合信頼性を高く保ちつつ、Ａｇ層と回路層との間の電気抵抗値を低くすることができる。
【００１５】
前記Ａｇ焼成層を上面から平面視した時に、前記Ａｇ焼成層全域の面積から素子接合領域の面積を除いた面積に対して、前記合金部の占める面積率が、１％以上、２０％以下であることを特徴とする
Ａｇ焼成層に占める合金部の面積率を所定の範囲内にすることによって、半導体素子の接合信頼性を高く保ちつつ、Ａｇ層と回路層との間の電気抵抗値を低くすることができる。
【００１６】
前記Ａｇ焼成層は、上面から平面視した時に略矩形を成し、前記合金部は、前記Ａｇ層の四辺に沿って形成され、前記ガラス層は、前記合金部で囲まれた領域の内側に形成されていることが望ましい。
こうした構成によって、略矩形のＡｇ焼成層全体にわたって、Ａｇ層と回路層との間の電気抵抗値を偏りなく均等に低減することができる。
【００１７】
前記合金部は、Ａｇ−Ａｌの固溶体またはＡｇ−Ａｌの金属間化合物であることを特徴とする。
合金部がＡｇ−Ａｌの固溶体またはＡｇ−Ａｌの金属間化合物であることによって安定した高い導電性を保つことができ、Ａｇ層と回路層との間の電気抵抗値を安定して低減することができる。
【００１８】
前記Ａｇ−Ａｌの金属間化合物は、δ相またはμ相であることを特徴とする。
こうした構成によって、合金部が安定した高い導電性を保つことができ、Ａｇ層と回路層との間の電気抵抗値を安定して低減することができる。
【００１９】
前記Ａｇ焼成層は、その厚さ方向における電気抵抗値が１０ｍΩ以下であることを特徴とする。
こうした構成によって電気抵抗値を低くすることで、通電損失の少ないパワーモジュールを得ることができる。
【００２０】
本発明のパワーモジュールは、前記各項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を構成する前記Ａｇ焼成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、前記Ａｇ焼成層に対して接合層を介して接合されていることを特徴とする。
【００２１】
本発明のパワーモジュールによれば、Ａｇ層と回路層とを電気的に接続させる合金部が形成される。こうした合金部を構成するＡｇとＡｌとの合金は、導電性粒子が分散されたガラス層よりも電気抵抗値が低いので、Ａｇ焼成層として比較的高抵抗なガラス層が形成されていても、回路層とＡｇ層との間の電気抵抗が低減され、半導体素子と回路層との電気抵抗値を低く保つことができる。
【００２２】
本発明の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形成されたＡｌ又はＡｌ合金からなる回路層と、該回路層上に形成されたＡｇ焼成層とを備えた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、ガラス含有Ａｇペーストを塗布する第一塗布工程と、前記ガラス含有Ａｇペーストの塗布領域に少なくとも一部が重なるように、Ａｇペーストを塗布する第二塗布工程と、前記ガラス含有Ａｇペーストと、前記Ａｇペーストとを焼成し、ガラス層と、このガラス層上に形成されたＡｇ層と、前記Ａｇペーストを構成するＡｇ及び前記回路層から拡散したＡｌの合金からなる前記合金部と、を形成する焼成工程と、を少なくとも備え、前記合金部は、前記Ａｇ層と前記回路層とを、前記ガラス層を介在させずに直接、接続することを特徴とする。
【００２３】
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、ガラス含有Ａｇペーストと、Ａｇペーストとを焼成し、ガラス層と、このガラス層上に形成されたＡｇ層と、該Ａｇ層を構成するＡｇ及び回路層を構成するＡｌとの合金からなる合金部を形成する焼成工程を備えることで、Ａｇ焼成層として比較的高抵抗なガラス層よりも低抵抗な合金部が形成される。こうした合金部によってＡｇ層と回路層とが電気的に接続されるので、回路層とＡｇ層との間の電気抵抗を低減し、電気を良好に流すことを可能にする。これによって、回路層とＡｇ層との間の電気抵抗を低減可能なパワーモジュール用基板の製造方法を実現することができる。
【００２４】
前記焼成工程において、焼成温度を５６７℃以上６２０℃以下とすることが望ましい。焼成温度を５６７℃以上６２０℃以下とすることで、確実に液相を発生させ、合金部を形成させることができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、Ａｌ又はＡｌ合金からなる回路層上に形成されたＡｇ焼成層を介して接合される半導体素子と、回路層との間の電気抵抗値を低減することが可能なパワーモジュール用基板およびその製造方法、パワーモジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態に係るパワーモジュールを示す断面図である。
【図２】本発明のパワーモジュール用基板を示す断面図である。
【図３】Ａｇ焼成層と回路層の接合部分を示す要部拡大断面図である。
【図４】本発明のパワーモジュール用基板を上面から見た時の平面図である。
【図５】Ａｇ焼成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】Ａｇ焼成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】合金部の他の形態を示す平面図である。
【図８】本発明のパワーモジュール用基板の製造方法の一例を段階的に示したフローチャートである。
【図９】Ａｇ焼成層の形成を段階的に示した要部拡大断面図である。
【図１０】Ａｇ焼成層の形成を段階的に示した要部拡大断面図である。
【図１１】Ａｇ焼成層の形成を段階的に示した要部拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、図面を参照して、本発明のパワーモジュール用基板およびその製造方法、パワーモジュールについて説明する。なお、以下に示す各実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
【００２８】
図１は、本発明のパワーモジュール用基板を備えたパワーモジュールを示す断面図である。
本実施形態におけるパワーモジュール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の表面に接合層２を介して接合された半導体チップ（半導体素子）３と、冷却器４０とを備えている。
【００２９】
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１１ａ（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１１ｂ（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。
【００３０】
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、例えば、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミニウム）や、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）などから構成されていればよく、本実施形態では、ＡｌＮを用いている。また、セラミックス基板１１の厚さは、例えば、０．２〜１．５ｍｍの範囲内に設定されており、一例として、本実施形態では、０．６３５ｍｍに設定されている。
【００３１】
回路層１２は、セラミックス基板１１の一方の面１１ａ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。回路層１２は、Ａｌ、またはＡｌを含む合金から構成される。本実施形態においては、回路層１２は、例えば、純度が９９．９９ｍａｓｓ％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。
【００３２】
金属層１３は、セラミックス基板１１の他方の面１１ｂ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９９．９９ｍａｓｓ％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。
【００３３】
冷却器４０は、前述したパワーモジュール用基板１０で生じた熱を伝搬させて放熱することによって、パワーモジュール１全体を冷却するためのものである。こうした冷却器４０は、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、例えば、Ａ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。
【００３４】
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。
【００３５】
回路層１２の表面（図１において上面）１２ａには、後述するガラス含有Ａｇペースト、およびＡｇペーストを焼成することによって得られるＡｇ焼成層３０が形成されており、このＡｇ焼成層３０の表面１２ａに、接合層２を介して半導体チップ３が接合されている。
接合層２としては、例えば、はんだ層が挙げられる。はんだ層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、Ａｇ焼成層３０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ればよく、その周辺は回路層１２を成すアルミニウム板が露呈されている。
【００３６】
図２及び図３は、接合層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を示す断面図である。
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２及び図３において上面）１２ａに、前述のＡｇ焼成層３０が形成されている。このＡｇ焼成層３０は、接合層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側に形成されたガラス層３１と、このガラス層３１に重なるように形成されたＡｇ層３２と、ガラス層３１およびＡｇ層３２の周縁に沿って形成された合金部３５と、を備えている。
【００３７】
回路層１２は、純度９９．９９ｍａｓｓ％のアルミニウムで構成されているが、回路層１２の表面（図３において上面）は、大気中で自然発生したアルミニウム酸化皮膜（酸化膜：Ａｌ２Ｏ３）１２Ａによって覆われる。しかし、前述したＡｇ焼成層３０が形成された部分においては、アルミニウム酸化皮膜１２Ａは、Ａｇ焼成層３０を形成する際のガラスとの反応によって除去されている。
【００３８】
従って、この部分（回路層１２のうち、ガラス層３１と重なる部分）においては、回路層１２上にアルミニウム酸化皮膜１２Ａを介さず、直接、Ａｇ焼成層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３１とが直接接合されている。
【００３９】
Ａｇ焼成層３０を構成するガラス層３１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３３が分散されている。この導電性粒子３３は、例えば、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。
【００４０】
Ａｇ焼成層３０を構成するＡｇ層３２は、ガラス含有Ａｇペーストの銀粒子の焼結体で形成され、内部に微量のガラス粒子を含む場合がある。
【００４１】
Ａｇ焼成層３０を構成する合金部３５は、ＡｇとＡｌとの合金からなる。こうしたＡｇとＡｌとの合金としては、Ａｇ−Ａｌの固溶体、Ａｇ−Ａｌの金属間化合物などである。本実施形態においては、Ａｇ−Ａｌの金属間化合物を主体に構成されている。Ａｇ−Ａｌの金属間化合物としては、公知のＡｇ−Ａｌ状態図において、δ相またはμ相の金属間化合物が好ましく挙げられる。こうした合金部３５の形成方法は製造方法において述べる。
【００４２】
このような合金部３５は、導電性粒子３３が分散されたガラス層３１よりも電気抵抗値が低い。例えば、導電性粒子３３が分散されたガラス層３１の電気抵抗値は、０．０１Ω〜１．０Ω程度であるのに対して、合金部３５の電気抵抗値は、１ｍΩ〜１０ｍΩ程度である。
【００４３】
図４は、接合層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、上面から見た時の平面図である。
Ａｇ焼成層３０は、上面から平面視した時に略矩形、例えば長方形を成すように、回路層１２の一部に形成されている。回路層１２は、Ａｇ焼成層３０の形成部分の周囲の露呈された部分においては、アルミニウム酸化皮膜１２Ａによって覆われている。
【００４４】
Ａｇ焼成層３０の中心付近は、接合層２を介して半導体チップ３が接合される領域である素子接合領域Ｅ１とされる。一方、この素子接合領域Ｅ１の周囲に広がる周辺領域Ｅ２においては、半導体チップ３の接合後もＡｇ層３２が露呈された状態となる。
合金部３５は、Ａｇ焼成層３０の周辺領域Ｅ２において、Ａｇ層３２の四辺に沿って形成されている。即ち、本実施形態では、合金部３５は、Ａｇ層３２（およびこの下層に形成されたガラス層３１）を囲むような略ロ字型に形成されている。こうした合金部３５は、回路層１２に対して直接接続され、Ａｇ層３２と回路層１２とを、ガラス層３１を介在させずに電気的に導通させる（図３参照）。
【００４５】
合金部３５は、Ａｇ焼成層３０を上面から平面視した時に、Ａｇ焼成層３０全域の面積から素子接合領域Ｅ１の面積を除いた面積に対して、合金部３５の占める面積率が、１％以上、２０％以下の範囲になるように形成することが好ましい。合金部３５の面積率が１％未満であると、十分な効果が得られず合金部３５の電流値が大きくなり、発熱によって半導体チップ３に悪影響を与えるおそれがある。また、合金部３５の面積率が２０％を超えると、回路層１２とＡｇ焼成層３０との接合性が低下するおそれがある。
【００４６】
このように、Ａｇ焼成層３０に合金部３５を形成することによって、Ａｇ層３２と回路層１２とが、比較的高抵抗なガラス層３１を介さずに合金部３５によって直接、電気的に接続されるので、Ａｇ焼成層３０の厚さ方向の電気抵抗値Ｐを、例えば、１０ｍΩ以下とすることができる。
【００４７】
なお、ここで、本実施形態においては、Ａｇ焼成層３０の厚さ方向における電気抵抗値Ｐは、Ａｇ焼成層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Ａｇ焼成層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。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、Ａｇ焼成層３０の上面中央点と、Ａｇ焼成層３０の上面中央点からＡｇ焼成層３０端部までの距離Ｈに対してＡｇ焼成層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することとしている。
【００４８】
本実施形態においては、図３に示すように、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、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、Ａｇ焼成層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。
【００４９】
なお、上述した実施形態においては、合金部３５は、Ａｇ層３２の四辺に沿って形成しているが、合金部３５の形状は、これに限定されるものでは無い。例えば、図７に示す他の実施形態では、平面視した時に矩形に形成したＡｇ層３２の四隅の角部に、それぞれ合金部３５，３５…を形成することも好ましい。こうした形態においても、Ａｇ焼成層３０全域の面積から素子接合領域Ｅ１の面積を除いた面積に対して、合金部３５の占める面積率が、１％以上、２０％以下の範囲になるように形成することが好ましい。
また、これ以外にも、合金部３５をＡｇ層３２の四辺それぞれに沿った中間部分に形成することや、Ａｇ層３２の四辺のうち、対向する二辺だけに形成することもできる。
【００５０】
次に、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法について説明する。
図８は、パワーモジュール用基板の製造方法の一例を段階的に示したフローチャートである。
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１１ａ及び他方の面１１ｂ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（回路層及び金属層形成工程Ｓ１１）。ろう材としては、例えば、Ａｌ−Ｓｉろう材等を用いることができる。なお、このろう付けの温度は、例えば、６４０℃〜６５０℃に設定されている。
【００５１】
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）。ろう材としては、例えば、Ａｌ−Ｓｉろう材等を用いることができる。なお、冷却器４０のろう付けの温度は、例えば、５９０℃〜６１０℃に設定されている。
【００５２】
次に、回路層１２の表面１２ａに、ガラス含有Ａｇペーストを塗布する（第一塗布工程Ｓ１３）。第一塗布工程Ｓ１３では、図９に示すように、回路層１２を上面から平面視した時に、略矩形、例えば長方形を成すように、ガラス含有Ａｇペースト層Ｐａ１を形成する。こうしたガラス含有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ペーストをパターン状に形成した。
また、塗布後に乾燥を行うこともできる。乾燥を行う場合、例えば、１５０℃で３０分間行うことが望ましい。
【００５３】
ここで、第一塗布工程Ｓ１３で用いられるガラス含有Ａｇペーストについて説明する。ガラス含有Ａｇペーストは、Ａｇ粉末と、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。
【００５４】
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、例えば、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。
【００５５】
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、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種又は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。本実施形態では、酸化鉛と酸化亜鉛と酸化ホウ素とからなり、平均粒径が０．５μｍのガラス粉末を使用した。
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＝８０／５とした。
【００５６】
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。
【００５７】
こうした構成のガラス含有Ａｇペーストを得る方法としては、例えば、Ａｇ粉末とガラス粉末とを混合して混合粉末を生成し、また、溶剤と樹脂とを混合して有機混合物を生成して、これら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。そして、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した後、得られた混錬をペーストろ過機によってろ過することによって、ガラス含有Ａｇペーストが製出される。
【００５８】
次に、図１０に示すように、第一塗布工程Ｓ１３で形成した平面視長方形のガラス含有Ａｇペースト層Ｐａ１の四辺に沿って、ガラス含有Ａｇペースト層Ｐａ１と接するように、ガラス成分を含有しないＡｇペーストを塗布する（第二塗布工程Ｓ１４）。これにより、ガラス含有Ａｇペースト層Ｐａ１を取り囲むように、Ａｇペースト層Ｐａ２が形成される。なお、Ａｇペースト層Ｐａ２は、その上部のうちの一部が、ガラス含有Ａｇペースト層Ｐａ１と重なるように形成することが好ましい。これによって、後工程である焼成工程において形成されるＡｇ層３２と合金部３５とを確実に密着させることができる。
なお、Ａｇペースト層Ｐａ２は、ガラス含有Ａｇペースト層Ｐａ１の四辺、および上面全体を覆うように形成することも好ましい。
【００５９】
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。
【００６０】
ここで、第二塗布工程Ｓ１４で用いられるＡｇペーストについて説明する。Ａｇペーストは、Ａｇ粉末と、樹脂と、溶剤と、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、残部が樹脂、溶剤、分散剤とされている。
【００６１】
なお、本実施形態では、Ａｇ粉末の含有量は、Ａｇペースト全体の８５質量％とされている。また、このＡｇペーストは、その粘度が、例えば、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。
【００６２】
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。
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、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Ａｇペーストを構成してもよい。
【００６３】
こうした構成のＡｇペーストを得る方法としては、例えば、溶剤と樹脂とを混合して有機混合物を生成して、Ａｇ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。そして、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した後、得られた混錬をペーストろ過機によってろ過することによって、Ａｇペーストが製出される。
【００６４】
次に、回路層１２の表面１２ａにガラス含有Ａｇペーストからなるガラス含有Ａｇペースト層Ｐａ１と、ＡｇペーストからなるＡｇペースト層Ｐａ２とを形成した状態で、加熱炉内に装入してガラス含有Ａｇペースト、およびＡｇペーストの焼成を行う（焼成工程Ｓ１５）。
【００６５】
図１１に示すように、焼成工程Ｓ１５では、まず、ガラス含有ＡｇペーストおよびＡｇペーストに含まれるＡｇが焼結する。そして、Ａｇペースト層Ｐａ２と接する回路層１２のＡｌと焼結したＡｇとが相互に拡散する。さらに拡散が進むと液相が発生し、この液相が凝固することにより、合金部３５が形成される。
【００６６】
こうした合金部３５を構成するＡｇ−Ａｌ合金としては、例えば、Ａｇ−Ａｌの固溶体、Ａｇ−Ａｌの金属間化合物などが挙げられる。本実施形態においては、Ａｇ−Ａｌの金属間化合物を主体に構成されている。Ａｇ−Ａｌの金属間化合物としては、公知のＡｇ−Ａｌ状態図において、δ相またはμ相の金属間化合物が好ましく挙げられる。
【００６７】
焼成工程Ｓ１５においては、液相を生じさせる温度まで加熱し、焼成を行う。焼成温度としては、例えば、５６７℃以上６２０℃以下に設定することが好ましい。焼成温度を５６７℃以上６２０℃以下とすることで、確実に液相を発生させ、合金部３５を形成させることができる。
【００６８】
また、焼成工程Ｓ１５により、ガラス層３１とＡｇ層３２とを備えたＡｇ焼成層３０が形成される。このとき、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に直接ガラス層３１が形成される。また、ガラス層３１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３３が分散されることになる。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、焼成の際にガラス層３１内部に析出したものと推測される。
【００６９】
こうして、回路層１２の表面１２ａに、ガラス層３１とＡｇ層３２と合金部３５とからなるＡｇ焼成層３０が形成されたパワーモジュール用基板１０が製出される。
【００７０】
そして、Ａｇ焼成層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Ｓ１６）。このとき、はんだ材によって形成される接合層２には、Ａｇ焼成層３０を構成する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、接合層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。
【００７１】
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、下層にガラス層３１が形成されたＡｇ層３２の周囲に、合金部３５が形成されている。こうした合金部３５によって、Ａｇ層３２と回路層１２とが電気的に接続される。
【００７２】
合金部３５は、導電性粒子３３が分散されたガラス層３１よりも電気抵抗値が低いので、Ａｇ層３２の下層に比較的高抵抗なガラス層３１が形成されていても、低抵抗な合金部３５によって回路層１２と半導体チップ３との間の電気抵抗を低減し、電気を良好に流すことを可能にする。これによって、回路層１２とＡｇ焼成層３０との接合信頼性を向上させるために、ガラスの含有量を多くしてガラス層３１を厚くしても、Ａｇ層３２と回路層１２との間の電気抵抗値は低く保つことができ、接合信頼性と電気抵抗値との両方をバランスさせることが可能になる。
【００７３】
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、上記実施形態では、接合層としてはんだ層を用いる場合について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば接合層としてナノＡｇ粒子と有機物とを含むＡｇペーストを用いて回路層と半導体素子とを接合しても良い。
【００７４】
また、上述した実施形態においては、絶縁層を構成するセラミックス基板に対して接合される金属層として、アルミニウム板を例示しているが、これに限定されるものでは無い。例えば、金属層として銅板を用いることもできる。また、金属層として、セラミックス基板側から順にアルミニウム板と銅板とを接合したものをそれぞれ用いることもできる。
【実施例】
【００７５】
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、Ａｇ焼成層３０を構成するＡｇ層３２の周辺領域Ｅ２に、Ａｇ層３２および回路層１２と接する合金部３５を形成した。合金部３５は、平面視長方形のＡｇ層３２の周囲の四辺に沿ってそれぞれ形成した。合金部３５の高さは１５μｍ、最大幅は３００μｍとした。
【００７６】
比較例として、合金部３５を形成しないパワーモジュール用基板を準備した。合金部３５を形成しないこと以外は、本発明例と同様の構成とした。
【００７７】
こうした本発明例と比較例のそれぞれについて、Ａｇ焼成層の厚さ方向における電気抵抗値を測定した。電気抵抗の測定の際には、図５及び図６に示すように、Ａｇ焼成層の上面中央点と、Ａｇ焼成層の上面中央点からＡｇ焼成層端部までの距離Ｈに対してＡｇ焼成層端部からＨだけ離れた回路層上の点と、の間の電気抵抗を測定した。
こうして測定された本発明例と比較例におけるＡｇ焼成層の電気抵抗値を表１に示す。
【００７８】
【表１】
2015126002.tif 000003
【００７９】
表１に示す結果によれば、従来は０．５ΩであったＡｇ焼成層の電気抵抗値が、本発明によって１０ｍΩ以下となり、大幅な電気抵抗値の低減効果が確認された。本発明によれば、接合信頼性と電気抵抗値との両方をバランスさせることが可能なパワーモジュール用基板を得られることが確認された。
【符号の説明】
【００８０】
１  パワーモジュール
２  接合層
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（絶縁層）
１２  回路層
３０  Ａｇ焼成層
３１  ガラス層
３２  Ａｇ層
３３  導電性粒子
３５  合金部
Ｅ２  周辺領域
【図１】
2015126002.tif 000004
【図２】
2015126002.tif 000005
【図３】
2015126002.tif 000006
【図４】
2015126002.tif 000007
【図５】
2015126002.tif 000008
【図６】
2015126002.tif 000009
【図７】
2015126002.tif 000010
【図８】
2015126002.tif 000011
【図９】
2015126002.tif 000012
【図１０】
2015126002.tif 000013
【図１１】
2015126002.tif 000014