(57)【要約】【課題】金属部材とＡｇ下地層との接合強度に優れ、導電性及び熱伝導性を確保することができるＡｇ下地層付き金属部材、このＡｇ下地層付き金属部材からなる絶縁回路基板、この絶縁回路基板を用いた半導体装置及びヒートシンク付き絶縁回路基板、並びに、Ａｇ下地層付き金属部材の製造方法を提供する。【解決手段】被接合体と接合される金属部材と、この金属部材の表面に形成されたＡｇ下地層３０と、を備えたＡｇ下地層付き金属部材であって、前記金属部材のうち前記被接合体と接合される接合面には、銅又は銅合金からなる銅層が形成され、この銅層の表面には、Ａｇ下地層３０が形成されており、Ａｇ下地層３０は、複数のＡｇ粒子３１が、Ａｇ及びＳｎを含む金属間化合物３２によって結合された構造とされている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被接合体と接合される金属部材と、この金属部材の表面に形成されたＡｇ下地層と、を備えたＡｇ下地層付き金属部材であって、
前記金属部材のうち前記被接合体と接合される接合面には、銅又は銅合金からなる銅層が形成され、この銅層の表面に前記Ａｇ下地層が形成されており、
前記Ａｇ下地層は、複数のＡｇ粒子が、Ａｇ及びＳｎを含む金属間化合物によって結合された構造とされていることを特徴とするＡｇ下地層付き金属部材。
【請求項２】
絶縁層と、この絶縁層の一方の面に配設された回路層と、を備えた絶縁回路基板であって、
前記回路層のうち前記絶縁層が配設された面と反対側の面に銅層が備えられ、この銅層の表面にＡｇ下地層が形成され、前記回路層及び前記Ａｇ下地層が請求項１に記載のＡｇ下地層付き金属部材とされており、
前記Ａｇ下地層は、複数のＡｇ粒子が、Ａｇ及びＳｎを含む金属間化合物によって結合された構造とされていることを特徴とする絶縁回路基板。
【請求項３】
絶縁層と、この絶縁層の一方の面に配設された回路層と、前記絶縁層の他方の面に配設された金属層と、を備えた絶縁回路基板であって、
前記金属層のうち前記絶縁層が配設された面と反対側の面に銅層が備えられ、この銅層の表面に前記Ａｇ下地層が形成され、前記金属層及び前記Ａｇ下地層が請求項１に記載のＡｇ下地層付き金属部材とされており、
前記Ａｇ下地層は、複数のＡｇ粒子が、Ａｇ及びＳｎを含む金属間化合物によって結合された構造とされていることを特徴とする絶縁回路基板。
【請求項４】
請求項２に記載の絶縁回路基板と、前記回路層の前記Ａｇ下地層に接合された半導体素子と、を備えた半導体装置であって、
前記Ａｇ下地層と前記半導体素子とが、Ａｇ及び酸化銀の一方又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により接合されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項３に記載の絶縁回路基板と、前記金属層の前記Ａｇ下地層に接合されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付き絶縁回路基板であって、
前記Ａｇ下地層と前記ヒートシンクとが、Ａｇ及び酸化銀の一方又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により接合されていることを特徴とするヒートシンク付き絶縁回路基板。
【請求項６】
被接合体と接合される金属部材と、この金属部材の表面に形成されたＡｇ下地層と、を備えたＡｇ下地層付き金属部材の製造方法であって、
前記金属部材のうち前記被接合体が接合される接合面に、銅又は銅合金からなる銅層を配設する銅層配設工程と、
前記銅層の表面に、Ａｇ粉末とＳｎ又はＳｎ合金の粉末とを含有するＡｇ下地層形成用ペーストを塗布して加熱処理することにより、複数のＡｇ粒子がＡｇ及びＳｎを含む金属間化合物によって結合された構造とされたＡｇ下地層を形成するＡｇ下地層形成工程と、
を備えていることを特徴とするＡｇ下地層付き金属部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、被接合体と接合される金属部材とこの金属部材の表面に形成されたＡｇ下地層とを備えたＡｇ下地層付き金属部材、このＡｇ下地層付き金属部材を有する絶縁回路基板、この絶縁回路基板を備えた半導体装置、ヒートシンク付き絶縁回路基板、及び、Ａｇ下地層付き金属部材の製造方法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。
風力発電、電気自動車、ハイブリッド自動車等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においては、発熱量が多いことから、これを搭載する基板としては、例えばＡｌＮ（窒化アルミ）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）などのセラミックス基板からなる絶縁層と、この絶縁層の一方の面に導電性の優れた金属を配設して形成した回路層と、を備えた絶縁回路基板が、従来から広く用いられている。なお、絶縁回路基板としては、絶縁層の他方の面に熱伝導性に優れた金属を配設して形成した金属層を備えたものも提供されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、回路層及び金属層を構成する第一の金属板及び第二の金属板を銅板とし、この銅板をＤＢＣ法によってセラミックス基板に直接接合した絶縁回路基板が提案されている。このＤＢＣ法においては、銅と銅酸化物との共晶反応を利用することにより、銅板とセラミックス基板との界面に液相を生じさせ、銅板とセラミックス基板とを接合している。
【０００４】
この特許文献１に記載された絶縁回路基板においては、回路層の表面に半導体素子等の電子部品が実装され、金属層の表面にヒートシンクベースがはんだ付けされている。そして、半導体素子等の電子部品で発生した熱を、絶縁回路基板側に伝達し、ヒートシンクベースを介して外部へ放散する構成とされている。
最近では、環境保護の観点から、半導体素子等の電子部品と回路層、ヒートシンクベースと金属層と接合する際に用いられ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系等の鉛フリーはんだが主流となっている。
【０００５】
ここで、銅又は銅合金からなる回路層や金属層に直接はんだ接合した場合には、溶融したはんだ材と銅とが反応して回路層や金属層の内部にはんだ材の成分が侵入し、回路層や金属層の特性が劣化するおそれがある。このため、従来は、回路層や金属層の表面にＮｉめっき膜を形成し、はんだ接合を実施している。
また、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、はんだ材よりも耐熱性に優れた接合材が求められている。
【０００６】
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等の電子部品やヒートシンクベースを接合する技術が提案されている。
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やヒートシンクベースを接合する技術が提案されている。
【０００７】
しかしながら、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等の電子部品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等の電子部品に作用しやすくなり、半導体素子等の電子部品自体が破損してしまうおそれがあった。同様に、金属層とヒートシンクとの間に形成される接合層が薄くなると、絶縁回路基板とヒートシンクとの熱膨張係数の差によって生じる熱ひずみが絶縁回路基板に作用し、絶縁層に亀裂が生じるおそれがあった。
【０００８】
そこで、特許文献５、６には、ガラス含有Ａｇペーストを用いて銅からなる回路層上にＡｇ下地層を形成した後に、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、ガラス含有Ａｇペーストを銅からなる回路層の表面に塗布し、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下地層を形成し、このＡｇ下地層が形成された回路層上に、はんだ材によって半導体素子を接合している。
ここで、Ａｇ下地層は、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。このガラス層中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】特開平０４−１６２７５６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
【特許文献５】特開２０１２−１０９３１５号公報
【特許文献６】特開２０１３−１２７０６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、特許文献５、６のガラス含有ペーストを用いて回路層の表面にＡｇ下地層を形成し、回路層と半導体素子等の電子部品とを接合した場合、Ａｇ下地層においてガラス層が厚く形成されると電気抵抗値が大きくなることから、回路層と半導体素子等の電子部品との間の導電性を確保できなくなるおそれがあった。
また、特許文献５、６のガラス含有ペーストを用いて金属層の表面にＡｇ下地層を形成し、金属層とヒートシンクとを接合した場合、電気抵抗値が高くなると熱伝導性も劣化することから、金属層からヒートシンクへの熱伝達も阻害され、熱を効率的に放散することができなくなるおそれがあった。
【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、金属部材とＡｇ下地層との接合強度に優れ、導電性及び熱伝導性を確保することができるＡｇ下地層付き金属部材、このＡｇ下地層付き金属部材からなる絶縁回路基板、この絶縁回路基板を用いた半導体装置及びヒートシンク付き絶縁回路基板、並びに、Ａｇ下地層付き金属部材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】
【００１２】
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Ａｇ下地層付き金属部材は、被接合体と接合される金属部材と、この金属部材の表面に形成されたＡｇ下地層と、を備えたＡｇ下地層付き金属部材であって、前記金属部材のうち前記被接合体と接合される接合面には、銅又は銅合金からなる銅層が形成され、この銅層の表面には、Ａｇ下地層が形成されており、前記Ａｇ下地層は、複数のＡｇ粒子が、Ａｇ及びＳｎを含む金属間化合物によって結合された構造とされていることを特徴としている。
【００１３】
この構成のＡｇ下地層付き金属部材においては、金属部材のうち前記被接合体と接合される接合面に形成された銅層とＡｇ下地層のＡｇ及びＳｎを含む金属間化合物とが互いに拡散することにより、Ａｇ下地層と銅層とが確実に接合される。そして、複数のＡｇ粒子がＡｇ及びＳｎを含む金属間化合物によって結合されているので、銅層の表面にＡｇ粒子が積層したＡｇ下地層を形成することができる。したがって、金属部材とＡｇ下地層との接合強度に優れ、導電性及び熱伝導性を確保することが可能なＡｇ下地層付き金属部材を得ることができる。
【００１４】
ここで、本発明の絶縁回路基板は、絶縁層と、この絶縁層の一方の面に配設された回路層と、を備えた絶縁回路基板であって、前記回路層のうち前記絶縁層が配設された面と反対側の面に前記銅層が備えられ、この銅層の表面にＡｇ下地層が形成され、前記回路層及び前記Ａｇ下地層が上述のＡｇ下地層付き金属部材とされており、前記Ａｇ下地層は、複数のＡｇ粒子が、Ａｇ及びＳｎを含む金属間化合物によって結合された構造とされていることを特徴としている。
【００１５】
この構成の絶縁回路基板においては、回路層のうち前記絶縁層が配設された面と反対側の面に形成された銅層とＡｇ下地層のＡｇ及びＳｎを含む金属間化合物とが互いに拡散することにより、Ａｇ下地層と銅層とが確実に接合される。そして、複数のＡｇ粒子がＡｇ及びＳｎを含む金属間化合物によって結合されているので、銅層の表面にＡｇ粒子が積層したＡｇ下地層を形成することができる。よって、半導体素子等の電子部品と回路層とを確実に接合することが可能となる。また、Ａｇ及びＳｎを含む金属間化合物とＡｇとによってＡｇ下地層が形成されているので、回路層と半導体素子等の電子部品との間の導電性及び熱伝導性を確保することができる。
【００１６】
また、本発明の絶縁回路基板は、絶縁層と、この絶縁層の一方の面に配設された回路層と、前記絶縁層の他方の面に配設された金属層と、を備えた絶縁回路基板であって、前記金属層のうち前記絶縁層が配設された面と反対側の面に前記銅層が備えられ、この銅層の表面に前記Ａｇ下地層が形成され、前記金属層及び前記Ａｇ下地層が上述のＡｇ下地層付き金属部材とされており、前記Ａｇ下地層は、複数のＡｇ粒子が、Ａｇ及びＳｎを含む金属間化合物によって結合された構造とされていることを特徴としている。
【００１７】
この構成の絶縁回路基板においては、金属層のうち前記絶縁層が配設された面と反対側の面に形成された銅層とＡｇ下地層のＡｇ及びＳｎを含む金属間化合物とが互いに拡散することにより、Ａｇ下地層と銅層とが確実に接合されるとともに、複数のＡｇ粒子がＡｇ及びＳｎを含む金属間化合物によって結合されているので、銅層の表面にＡｇ粒子が積層したＡｇ下地層を形成することができる。よって、ヒートシンクと金属層とを確実に接合することが可能となる。また、Ａｇ及びＳｎを含む金属間化合物とＡｇとによってＡｇ下地層が形成されているので、熱伝導性を確保することができ、絶縁回路基板側の熱をヒートシンク側へ効率的に放散することができる。
【００１８】
また、本発明の半導体装置は、上述の絶縁回路基板と、前記Ａｇ下地層に接合された半導体素子と、を備えた半導体装置であって、前記Ａｇ下地層と前記半導体素子とが、Ａｇ及び酸化銀の一方又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により接合されていることを特徴としている。
【００１９】
この構成の半導体装置によれば、回路層のうち銅又は銅合金からなる銅層の表面に形成されたＡｇ下地層とＡｇ及び酸化銀の一方又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とが同種の金属同士の接合となることから、回路層と半導体素子等の電子部品とを確実に接合することができる。よって、接合信頼性に優れ、かつ、確実に回路層と電子部品とが電気的に接合された半導体装置を提供することができる。
【００２０】
また、本発明のヒートシンク付き絶縁回路基板は、上述の絶縁回路基板と、前記Ａｇ下地層に接合されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付き絶縁回路基板であって、前記Ａｇ下地層と前記ヒートシンクとが、Ａｇ及び酸化銀の一方又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により接合されていることを特徴としている。
【００２１】
この構成の半導体装置によれば、金属層のうち銅又は銅合金からなる銅層の表面に形成されたＡｇ下地層とＡｇ及び酸化銀の一方又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とが同種の金属同士の接合となることから、金属層とヒートシンクとを確実に接合することができる。よって、金属層とヒートシンクとが確実に接合され、絶縁回路基板側の熱をヒートシンク側に効率的に放散することが可能なヒートシンク付き絶縁回路基板を提供することができる。
【００２２】
また、本発明のＡｇ下地層付き金属部材の製造方法は、被接合体と接合される金属部材と、この金属部材の表面に形成されたＡｇ下地層と、を備えたＡｇ下地層付き金属部材の製造方法であって、前記金属部材のうち前記被接合体が接合される接合面に、銅又は銅合金からなる銅層を配設する銅層配設工程と、前記銅層の表面に、Ａｇ粉末とＳｎ又はＳｎ合金の粉末とを含有するＡｇ下地層形成用ペーストを塗布して加熱処理することにより、複数のＡｇ粒子がＡｇ及びＳｎを含む金属間化合物によって結合された構造とされたＡｇ下地層を形成するＡｇ下地層形成工程と、を備えていることを特徴としている。
【００２３】
この構成のＡｇ下地層付き金属部材の製造方法によれば、金属部材のうち前記被接合体が接合される接合面に銅又は銅合金からなる銅層を配設し、この銅層の表面にＡｇ粉末とＳｎ又はＳｎ合金の粉末とを含有するＡｇ下地層形成用ペーストを塗布して加熱処理することによりＡｇ下地層を形成するＡｇ下地層形成工程を備えているので、金属部材（銅層）の接合面に、複数のＡｇ粒子がＡｇ及びＳｎを含む金属間化合物によって結合された構造のＡｇ下地層を確実に形成することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、金属部材とＡｇ下地層との接合強度に優れ、導電性及び熱伝導性を確保することができるＡｇ下地層付き金属部材、このＡｇ下地層付き金属部材からなる絶縁回路基板、この絶縁回路基板を用いた半導体装置及びヒートシンク付き絶縁回路基板、並びに、Ａｇ下地層付き金属部材の製造方法を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１実施形態である半導体装置の概略説明図である。
【図２】本発明の第１実施形態である絶縁回路基板に設けられたＡｇ下地層の拡大説明図である。
【図３】ＣｕとＳｎの２元状態図である。
【図４】ＡｇとＳｎの２元状態図である。
【図５】本発明の第１実施形態において使用されるＡｇ下地層形成用ペーストの製造方法のフロー図である。
【図６】本発明の第１実施形態である絶縁回路基板の製造方法及び半導体装置の製造方法のフロー図である。
【図７】本発明の第１実施形態である絶縁回路基板の製造方法及び半導体装置の製造方法を示す説明図である。
【図８】本発明の第１実施形態においてＡｇ下地層が形成される過程を示す説明図である。
【図９】本発明の第２実施形態である半導体装置の概略説明図である。
【図１０】本発明の第２実施形態である絶縁回路基板の製造方法及び半導体装置の製造方法のフロー図である。
【図１１】本発明の第２実施形態である絶縁回路基板の製造方法及び半導体装置の製造方法の概略説明図である。
【図１２】本発明の第３実施形態である半導体装置の概略説明図である。
【図１３】図１０の半導体装置におけるアルミニウム層と銅層との接合界面の概略説明図である。
【図１４】ＣｕとＡｌの２元状態図である。
【図１５】本発明の第３実施形態である絶縁回路基板の製造方法及び半導体装置の製造方法のフロー図である。
【図１６】本発明の第３実施形態である絶縁回路基板の製造方法及び半導体装置の製造方法の概略説明図である。
【図１７】本発明の他の実施形態である半導体装置の概略説明図である。
【図１８】実施例において、Ａｇ下地層の厚さ方向の電気抵抗値の測定方法を示す上面説明図である。
【図１９】実施例において、Ａｇ下地層の厚さ方向の電気抵抗値の測定方法を示す側面説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。
【００２７】
（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態について、図１から図８を参照して説明する。
図１に、本発明の第１実施形態である半導体装置１を示す。この半導体装置１は、絶縁回路基板１０と、この絶縁回路基板１０の一方の面（図１において上面）に接合層２を介して接合された半導体素子３と、を備えている。
【００２８】
絶縁回路基板１０は、絶縁層とな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（金属部材）と、を備えている。
セラミックス基板１１は、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、０．２〜１．５ｍｍ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。
【００２９】
回路層１２は、図７に示すように、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銅板２２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を構成する銅板２２として、無酸素銅の圧延板が用いられている。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（図１において上面）が、半導体素子３が搭載される搭載面されている。ここで、回路層１２（銅板２２）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０．３ｍｍに設定されている。
【００３０】
そして、この回路層１２の一方の面には、Ａｇ下地層３０が形成されている。本実施形態においては、このＡｇ下地層３０と回路層１２とがＡｇ下地層付き金属部材となる。
このＡｇ下地層３０は、図２に示すように、Ａｇ粒子３１と、Ａｇ及びＳｎを含む金属間化合物３２と、を備えており、複数のＡｇ粒子３１がＡｇ及びＳｎを含む金属間化合物３２によって結合された構造とされている。なお、このＡｇ下地層３０は、後述するＡｇ下地層形成用ペースト５０によって形成されている。ここで、Ａｇ及びＳｎを含む金属間化合物３２には、接合信頼性を向上させるために、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｇｅ、Ｐ、Ｓｉ、Ｉｎ、Ｂｉ等が０．２ｍａｓｓ％以下添加されていてもよい。
また、本実施形態では、Ａｇ下地層３０の厚さが１μｍ以上１５μｍ以下の範囲内とされている。
さらに、Ａｇ及びＳｎを含む金属間化合物３２と回路層１２とは、互いに拡散することによって、ＣｕへのＳｎ固溶相、η相、η´相、ε相といった合金層を形成している（図３参照）。また、Ａｇ及びＳｎを含む金属間化合物３２とＡｇ粒子３１とは、互いに拡散することによって、ＡｇへのＳｎ固溶相、ε相、ζ相といった合金層を形成している（図４参照）。
【００３１】
接合層２は、Ａｇ粒子及び酸化銀粒子の少なくとも一方又は両方と有機物とを含む接合材の焼成体とされており、本実施形態においては、酸化銀粒子と有機物からなる還元剤とを含む酸化銀ペーストの焼成体とされている。すなわち、接合層２は、酸化銀が還元されたＡｇの焼成体とされているのである。ここで、酸化銀を還元することにより生成される粒子は、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。
【００３２】
次に、Ａｇ下地層３０を形成するＡｇ下地層形成用ペースト５０について説明する。
このＡｇ下地層形成用ペースト５０は、図８に示すように、Ａｇ粉末５１と、Ｓｎ又はＳｎ合金の粉末５２と、Ｎ２雰囲気における分解温度が４００℃以下のアクリル系樹脂５３と、を含有している。なお、必要に応じて、溶剤及び分散剤を添加してもよい。
また、Ｓｎ合金としては、Ｓｎ−Ａｇ合金、Ｓｎ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ｚｎ−Ａｌ合金、Ｓｎ−Ｓｂ合金等を用いることができる。
また、Ａｇ下地層形成用ペースト５０にＮｉ、Ｃｏ、Ｇｅ、Ｐ、Ｓｉ、Ｉｎ、Ｂｉ等がＳｎ又はＳｎ合金の粉末重量に対し０．２ｍａｓｓ％以下添加されていてもよい。Ｎｉ、Ｃｏ、Ｇｅ、Ｐ、Ｓｉ、Ｉｎ、Ｂｉ等を添加することでＳｎ又はＳｎ合金の粉末が溶融した際に濡れ性が向上し、回路層との反応が進みやすくなり、接合信頼性が向上する。なお、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｇｅ、Ｐ、Ｓｉ、Ｉｎ、Ｂｉ等を添加する場合、これらの元素とＳｎ又はＳｎ合金との合金（例えば、Ｓｎ−Ｎｉ合金やＳｎ−Ｓｂ−Ｎｉ合金）として添加することが望ましい。
【００３３】
ここで、Ａｇ粉末５１の含有量が５０ｍａｓｓ％以上８０ｍａｓｓ％以下とされ、Ｓｎ又はＳｎ合金の粉末５２の含有量が１５ｍａｓｓ％以上３５ｍａｓｓ％以下、アクリル系樹脂５３の含有量が０．１ｍａｓｓ％以上２ｍａｓｓ％以下、有機溶剤の含有量が０．９ｍａｓｓ％以上１８ｍａｓｓ％以下とされている。
アクリル系樹脂５３としては、メタクリル酸メチル、メタクリル酸ｎ−ブチル、メタクリル酸ｉ−ブチル、メタクリルサンｔ−ブチル、メタクリル酸２−エチルヘキシル、メタクリル酸ラウリル、メタクリル酸アルキル、メタクリル酸トリデシル、メタクリル酸ステアリル、メタクリル酸シクロヘキシル、メタクリル酸フェニル、メタクリル酸ベンジル、メタクリル酸イソボルニル、メタクリル酸グリシジル、メタクリル酸テトラヒドロフルフリル、メタクリル酸アリル、メタクリル酸２−ヒドロキシエチル、メタクリル酸２−メトキシエチル、メタクリル酸２−エトキシエチル、メタクリル酸ジメチルアミノエチル、ジメタクリル酸エチレングリコール、ジメタクリル酸１，３−ブチレングリコール等の重合体を用いることができる。
さらに、Ａｇ粉末５１の平均粒径（マイクロトラック法で測定した中心粒径ｄ５０）が０．１μｍ以上１０μｍ以下とされ、Ｓｎ又はＳｎ合金の粉末５２の平均粒径（マイクロトラック法で測定した中心粒径ｄ５０）が０．５μｍ以上１５μｍ以下とされている。
また、有機溶剤としては、アクリル系の樹脂を溶解することができるものを用いることができ、例えば、α−テルピネオール、ブチルカルビトールアセテート、ジエチレンクリコールジブチルエーテル等を用いることができる。本実施形態においては、α−テルピネオールを用いた。有機溶剤量としては、アクリル系樹脂重量１に対して有機溶剤７〜２４倍の有機溶剤にて樹脂を溶解したものを用いた。
さらに、必要に応じて分散剤を添加することができる。分散剤を添加する場合には、上記溶剤に溶解するもので、カルボン酸系やアミン系の分散剤を用いることが望ましい。本実施形態においては、ジアミン系の分散剤を添加し、分散剤量としては、有機溶剤重量１に対して分散剤０．０５〜０．５０の範囲で添加することが望ましい。
【００３４】
次に、本実施形態で用いられるＡｇ下地層形成用ペースト５０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５１と、Ｓｎ又はＳｎ合金の粉末５２とを混合する（粉末混合工程Ｓ１）。また、アクリル系樹脂５３、分散剤、溶剤を混合して有機混合物を生成する（有機物混合工程Ｓ２）。
【００３５】
そして、粉末混合工程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下地層形成用ペースト５０が製出されることになる。
【００３６】
次に、接合層２を形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（酸化銀粒子）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６０ｍａｓｓ％以上９２ｍａｓｓ％以下とされ、還元剤の含有量が酸化銀ペースト全体の５ｍａｓｓ％以上２０ｍａｓｓ％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０ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下とされており、残部が溶剤とされている。こ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２に未反応の有機物が残存することを抑制するために、分散剤及び樹脂は添加していない。
【００３７】
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。
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や有機物の分解反応を促進させる作用を有するものであり、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適用される。
なお、この酸化銀ペーストは、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。
【００３８】
次に、本実施形態である絶縁回路基板１０及び半導体装置１の製造方法について、図６から図８を参照して説明する。
まず、Ａｇ及び窒化物形成元素を含む銅部材接合用ペーストを用いてセラミックス基板１１の一方の面に銅板２２を接合し、回路層１２を形成する（回路層形成工程Ｓ０１）。
ここで、銅部材接合用ペーストは、Ａｇ及び窒化物形成元素を含む粉末成分と、樹脂と、溶剤と、分散剤と、可塑剤と、還元剤と、を含有するものであり、粉末成分は、Ａｇ及び窒化物形成元素以外に、Ｉｎ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｍｎ及びＺｎから選択される１種又は２種以上の添加元素を含有するものとされている。本実施形態では、窒化物形成元素としてＴｉを用いた。
【００３９】
具体的には、図７に示すように、セラミックス基板１１の一方の面にスクリーン印刷によって、銅部材接合用ペーストを塗布して乾燥させることにより、Ａｇ及び窒化物形成元素層２４を形成する。このＡｇ及び窒化物形成元素層２４の厚さは、乾燥後で６０μｍ以上３００μｍ以下とされている。次に、銅板２２をセラミックス基板１１の一方の面側に積層する。すなわち、セラミックス基板１１と銅板２２との間にＡｇ及び窒化物形成元素層２４を介在させる。
【００４０】
そして、銅板２２、セラミックス基板１１を積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空加熱炉内に挿入して加熱することにより、セラミックス基板１１の一方の面に回路層１２を形成する。この加熱時において、Ａｇ及び窒化物形成元素層２４のＡｇが銅板２２に向けて拡散する。このとき、銅板２２の一部がＣｕとＡｇとの共晶反応によって溶融し、銅板２２とセラミックス基板１１との界面に、溶融金属領域が形成されることになる。そして、溶融金属領域が凝固することにより、セラミックス基板１１と銅板２２とが接合され、回路層１２が形成される。
【００４１】
ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度は７９０℃以上８５０℃以下の範囲内に設定している。
なお、凝固が終了した後では、Ａｇ及び窒化物形成元素層２４のＡｇが十分に拡散されており、セラミックス基板１１と銅板２２との接合界面にＡｇ及び窒化物形成元素層２４が残存していない。
【００４２】
次に、回路層１２の一方の面にＡｇ下地層３０を形成する（Ａｇ下地層形成工程Ｓ０２）。
このＡｇ下地層形成工程Ｓ０２においては、図８（ａ）に示すように、上述したＡｇ下地層形成用ペースト５０を回路層１２の一方の面に塗布する。
次に、このＡｇ下地層形成用ペースト５０を加熱処理する。加熱処理条件は、例えば、窒素雰囲気下で、温度４００℃以上６００℃以下、保持時間３０分以上２時間以下とすることが好ましい。これにより、図８（ｂ）に示すように、Ａｇ下地層形成用ペースト５０中のアクリル系樹脂が分解して除去されるとともに、Ｓｎ又はＳｎ合金の粉末５２が溶融して溶融層５２ａが形成される。ここで、溶融層５２ａのＳｎと回路層１２の銅とが互いに拡散して合金化するとともに、Ａｇ粉末５１が溶融層５２ａによって囲まれて、Ａｇ粉末５１と溶融層５２ａのＳｎとが互いに拡散して合金化する。
そして、図８（ｃ）に示すように、溶融層５２ａとＡｇ及びＣｕの相互拡散がさらに進展し、溶融層５２ａは融点の高いＡｇ及びＳｎを含む金属間化合物３２となり、凝固することによって、複数のＡｇ粒子３１がＡｇ及びＳｎを含む金属間化合物３２で結合された構造のＡｇ下地層３０が形成される。
なお、Ａｇ及びＳｎを含む金属間化合物３２には、ＡｇとＳｎの金属間化合物の他に、ＡｇとＣｕの金属間化合物やＣｕとＳｎの金属間化合物が含まれる。さらに、Ｓｎ又はＳｎ合金の粉末５２としてＳｎ合金を用いた場合、Ｓｎ合金に含まれる元素とＡｇ、Ｃｕ、Ｓｎとの金属間化合物が含まれる。例えば、Ｓｎ又はＳｎ合金の粉末５２としてＳｎ−Ｓｂ合金を用いた場合、Ａｇ及びＳｎを含む金属間化合物３２には、ＡｇとＳｂ、ＣｕとＳｂ、ＳｎとＳｂ等の金属間化合物が含まれる。
【００４３】
このようにして、銅又は銅合金からなる回路層１２の表面にＡｇ下地層３０が形成された本実施形態である絶縁回路基板１０が製造される。
【００４４】
次に、Ａｇ下地層３０の表面に、接合層２となる酸化銀ペーストを塗布する（酸化銀ペースト塗布工程Ｓ０３）。
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。
【００４５】
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、絶縁回路基板１０の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Ｓ０４）。
そして、半導体素子３と絶縁回路基板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（焼成工程Ｓ０６）。このとき、半導体素子３と絶縁回路基板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。この場合、加圧圧力は０．５〜１０ＭＰａとすることが望ましい。
このようにして、Ａｇ下地層３０の上に接合層２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、本実施形態である半導体装置１が製造される。
【００４６】
以上のような構成とされた本実施形態に係る半導体装置１及び絶縁回路基板１０によれば、銅又は銅合金からなる回路層１２の表面にＡｇ下地層３０が形成されており、このＡｇ下地層３０が、複数のＡｇ粒子３１がＡｇ及びＳｎを含む金属間化合物３２によって結合された構造とされているので、回路層１２とＡｇ及びＳｎを含む金属間化合物３２とが強固に接合され、回路層１２とＡｇ下地層１２ａとの接合強度を十分に高くすることができる。そして、このＡｇ下地層３０が形成された回路層１２と半導体素子３とが、酸化銀ペーストの焼成体からなる接合層２を介して接合されているので、Ａｇ下地層３０と接合層２とが同種の金属（Ａｇ）同士の接合となり、Ａｇ下地層３０と接合層２との接合強度が向上し、絶縁回路基板１０と半導体素子３との接合信頼性を向上させることが可能となる。また、Ａｇ下地層３０の電気抵抗が低く抑えられており、絶縁回路基板１０と半導体素子３との間の導電性を確保することができる。
【００４７】
また、本実施形態では、Ｓｎ又はＳｎ合金を用いているので、Ａｇ下地層形成工程Ｓ０２において、４００℃以上６００℃以下の温度条件で加熱処理することにより、Ｓｎ又はＳｎ合金の粉末５２を溶融させてＡｇ及びＳｎを含む金属間化合物３２を確実に形成することが可能となる。
さらに、本実施形態では、Ａｇ下地層形成用ペーストが、Ｎ２雰囲気における分解温度が４００℃以下のアクリル系樹脂を含有しているので、Ａｇ下地層形成工程Ｓ０２において、４００℃以上６００℃以下の温度条件で加熱処理することにより、アクリル系樹脂が分解して除去されるので、回路層１２と半導体素子３との間の電気抵抗を確実に低減することができる。
【００４８】
さらに、本実施形態では、接合層２が、酸化銀粉末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Ａｇ粒子となり、接合層２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２中に残存しにくく、接合層２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、酸化銀ペーストは、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であるため、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。
【００４９】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について、図９から図１１を参照して説明する。
図９に、本発明の第２実施形態である半導体装置１０１を示す。この半導体装置１０１は、ヒートシンク付き絶縁回路基板１４０と、このヒートシンク付き絶縁回路基板１４０の一方の面（図９において上面）側に第１接合層１０２を介して接合された半導体素子１０３と、を備えている。
また、ヒートシンク付き絶縁回路基板１４０は、絶縁回路基板１１０と、この絶縁回路基板１１０の他方の面（図９において下面）側に第２接合層１０５を介して接合されたヒートシンク１４１と、を備えている。
【００５０】
絶縁回路基板１１０は、図９に示すように、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９において上面）に配設された回路層１１２（金属部材）と、セラミックス基板１１１の他方の面に配設された金属層１１３（金属部材）と、を備えている。
【００５１】
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、本実施形態では、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。ここで、セラミックス基板１１１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。
【００５２】
回路層１１２は、図１１に示すように、セラミックス基板１１１の一方の面に銅又は銅合金からなる銅板１２２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を構成する銅板１２２として、無酸素銅の圧延板が用いられている。この回路層１１２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１０３が搭載される搭載面とされている。ここで、回路層１１２（銅板１２２）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。
【００５３】
金属層１１３は、図１１に示すように、セラミックス基板１１１の他方の面に銅又は銅合金からなる銅板１２３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１１３を構成する銅板１２３として、無酸素銅の圧延板が用いられている。ここで、金属層１１３（銅板１２３）の厚さは０．５ｍｍ以上６ｍｍ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。
【００５４】
ヒートシンク１４１は、前述の絶縁回路基板１１０を冷却するためのものであり、本実施形態では、銅又は銅合金からなる放熱板とされている。
【００５５】
ここで、図１１に示すように、回路層１１２の一方の面には、第１Ａｇ下地層１３０ａが設けられ、金属層１１３の他方の面には、第２Ａｇ下地層１３０ｂが形成されている。
また、図１１に示すように、ヒートシンク１４１のうち金属層１１３と接合される領域には、第３Ａｇ下地層１３０ｃが形成されている。
本実施形態では、回路層１１２及び第１Ａｇ下地層１３０ａ、金属層１１３及び第２Ａｇ下地層１３０ｂ、ヒートシンク１４１及び第３Ａｇ下地層１３０ｃが、それぞれＡｇ下地層付き金属部材となる。
【００５６】
これら第１Ａｇ下地層１３０ａ、第２Ａｇ下地層１３０ｂ、第３Ａｇ下地層１３０ｃは、Ａｇ粒子と、Ａｇ及びＳｎを含む金属間化合物と、を備えており、複数のＡｇ粒子がＡｇ及びＳｎを含む金属間化合物によって結合された構造とされている。なお、これら第１Ａｇ下地層１３０ａ、第２Ａｇ下地層１３０ｂ、第３Ａｇ下地層１３０ｃは、第１の実施形態で説明したＡｇ下地層形成用ペースト５０によって形成されている。
また、本実施形態では、これら第１Ａｇ下地層１３０ａ、第２Ａｇ下地層１３０ｂ、第３Ａｇ下地層１３０ｃの厚さが１μｍ以上１５μｍ以下の範囲内とされている。
【００５７】
第１接合層１０２及び第２接合層１０５は、Ａｇ粒子及び酸化銀粒子の少なくとも一方又は両方と有機物とを含む接合材の焼成体とされており、本実施形態においては、第１の実施形態と同様に、酸化銀粒子と有機物からなる還元剤とを含む酸化銀ペーストの焼成体とされている。
【００５８】
次に、本実施形態である絶縁回路基板１１０及び半導体装置１０１の製造方法について、図１０及び図１１を参照して説明する。
まず、セラミックス基板１１１の一方の面及び他方の面に、銅板１２２、１２３を接合し、回路層１１２及び金属層１１３を形成する（回路層及び金属層形成工程Ｓ１０１）。
本実施形態では、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材１２４，１２５を介して銅板１２２、１２３を接合している。
【００５９】
次に、回路層１１２の一方の面に第１Ａｇ下地層１３０ａを形成するとともに、金属層１１３の他方面に第２Ａｇ下地層１３０ｂを形成する（第１、第２Ａｇ下地層形成工程Ｓ１０２）。
この第１、第２Ａｇ下地層形成工程Ｓ１０２においては、上述したＡｇ下地層形成用ペースト５０を回路層１１２の一方の面及び金属層１１３の他方の面に塗布し、加熱処理することにより形成される。
【００６０】
このようにして、銅又は銅合金からなる回路層１１２の表面に第１Ａｇ下地層１３０ａが形成され、銅又は銅合金からなる金属層１１３の表面に第２Ａｇ下地層１３０ｂが形成された本実施形態である絶縁回路基板１１０が製造される。
【００６１】
また、ヒートシンク１４１のうち金属層１１３と接合される接合面に、第３Ａｇ下地層１３０ｃを形成する（第３Ａｇ下地層形成工程Ｓ１０３）。
この第３Ａｇ下地層形成工程Ｓ１０３においても、上述したＡｇ下地層形成用ペースト５０をヒートシンク１４１の接合面に塗布し、加熱処理することにより形成される。
【００６２】
次に、第１Ａｇ下地層１３０ａの表面に、第１接合層１０２となる酸化銀ペーストを塗布するとともに、第２Ａｇ下地層１３０ｂの表面に、第２接合層１０５となる酸化銀ペーストを塗布する（酸化銀ペースト塗布工程Ｓ１０４）。
【００６３】
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、回路層１１２側の酸化銀ペーストに半導体素子１０３を積層する（半導体素子積層工程Ｓ１０５）。
また、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、金属層１１３側の酸化銀ペーストにヒートシンク１４１を積層する（ヒートシンク積層工程Ｓ１０６）。
【００６４】
そして、半導体素子１０３と絶縁回路基板１１０とヒートシンク１４１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（焼成工程Ｓ１０７）。このとき、半導体素子１０３と絶縁回路基板１１０とヒートシンク１４１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。この場合、加圧圧力は０．５〜１０ＭＰａとすることが望ましい。
このようにして、半導体素子１０３と回路層１１２とが接合されるとともに、金属層１１３とヒートシンク１４１とが接合され、本実施形態である半導体装置１０１及びヒートシンク付き絶縁回路基板１４０が製造される。
【００６５】
上記のような構成とされた第２実施形態である半導体装置１０１、ヒートシンク付き絶縁回路基板１４０及び絶縁回路基板１１０によれば、第１実施形態の半導体装置１及び絶縁回路基板１０と同様の効果を奏することができる。
また、本実施形態では、金属層１１３の表面に第２Ａｇ下地層１３０ｂが形成され、ヒートシンク１４１の接合面に第３Ａｇ下地層１３０ｃが形成されており、これら第２、第３Ａｇ下地層１３０ｂ、１３０ｃの間に酸化銀ペーストの焼成体からなる第２接合層１０５が形成されているので、金属層１１３とヒートシンク１４１とを確実に接合することができる。
【００６６】
そして、第２Ａｇ下地層１３０ｂ、第３Ａｇ下地層１３０ｃが、Ａｇ粒子と、Ａｇ及びＳｎを含む金属間化合物と、を備えており、複数のＡｇ粒子がＡｇ及びＳｎを含む金属間化合物によって結合された構造とされているので、金属層１１３と第２Ａｇ下地層１３０ｂ、ヒートシンク１４１と第３Ａｇ下地層１３０ｃとの間の熱抵抗が小さくなり、絶縁回路基板１１０側の熱をヒートシンク１４１側へと効率的に放散することが可能となる。
【００６７】
（第３実施形態）
以下に、本発明の第３の実施形態について、図１２から図１６を参照して説明する。
図１２に、本発明の第３実施形態である半導体装置２０１を示す。この半導体装置２０１は、絶縁回路基板２１０と、この絶縁回路基板２１０の一方の面（図１２において上面）に接合層２０２を介して接合された半導体素子２０３と、を備えている。
【００６８】
絶縁回路基板２１０は、図１２に示すように、セラミックス基板２１１と、このセラミックス基板２１１の一方の面（図１２において上面）に配設された回路層２１２（金属部材）と、セラミックス基板２１１の他方の面（図１２において下面）に配設された金属層２１３と、を備えている。
【００６９】
セラミックス基板２１１は、回路層２１２と金属層２１３との間の電気的接続を防止するものであって、本実施形態では、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。ここで、セラミックス基板２１１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。
【００７０】
回路層２１２は、図１２に示すように、セラミックス基板２１１の一方の面に形成されたアルミニウム層２１２Ａと、このアルミニウム層２１２Ａの一方の面側に積層された銅層２１２Ｂと、を備えている。
この回路層２１２には、回路パターンが形成されており、その一方の面（図１２において上面）が、半導体素子２０３が搭載される搭載面されている。ここで、回路層２１２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。
【００７１】
ここで、アルミニウム層２１２Ａは、図１６に示すように、セラミックス基板２１１の一方の面にアルミニウム板２２２Ａ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、アルミニウム層２１２Ａは、純度９９．９９ｍａｓｓ％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。
また、銅層２１２Ｂは、図１６に示すように、無酸素銅の圧延板からなる銅板２２２Ｂがアルミニウム層２１２Ａに固相拡散接合されることにより形成されている。
そして、これらのアルミニウム層２１２Ａと銅層２１２Ｂとの界面には、図１３に示すように、拡散層２１５が形成されている。
【００７２】
拡散層２１５は、アルミニウム層２１２ＡのＡｌ原子と、銅層２１２ＢのＣｕ原子とが相互拡散することによって形成されるものである。この拡散層２１５においては、アルミニウム層２１２Ａから銅層２１２Ｂに向かうにしたがい、漸次アルミニウム原子の濃度が低くなり、かつ銅原子の濃度が高くなる濃度勾配を有している。
【００７３】
この拡散層２１５は、図１３に示すように、ＡｌとＣｕからなる金属間化合物で構成されており、本実施形態では、複数の金属間化合物が接合界面に沿って積層した構造とされている。ここで、この拡散層２１５の厚さは、１μｍ以上８０μｍ以下の範囲内、好ましくは、５μｍ以上８０μｍ以下の範囲内に設定されている。
本実施形態では、図１３に示すように、アルミニウム層２１２Ａ側から銅層２１２Ｂ側に向けて順に、アルミニウム層２１２Ａと銅層２１２Ｂとの接合界面に沿って、θ相２１６、η２相２１７が積層し、さらにζ２相２１８ａ、δ相２１８ｂ、及びγ２相２１８ｃのうち少なくとも一つの相が積層して構成されている（図１４の状態図参照）。
また、本実施形態では、銅層２１２Ｂと拡散層２１５との界面に沿って、酸化物２１９がζ２相２１８ａ、δ相２１８ｂ、又はγ２相２１８ｃからなる層の内部に層状に分散している。なお、この酸化物２１９は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等のアルミニウム酸化物とされている。
【００７４】
金属層２１３は、図１６に示すように、セラミックス基板２１１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アルミニウム板２２３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２１３を構成するアルミニウム板２２３として、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウムの圧延板が用いられている。ここで、金属層２１３（アルミニウム板２２３）の厚さは０．５ｍｍ以上６ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では１．０ｍｍに設定されている。
【００７５】
ここで、図１２に示すように、回路層２１２のうち銅層２１２Ｂの一方の面には、Ａｇ下地層２３０が設けられている。本実施形態では、銅層２１２Ｂを備えた回路層２１２とＡｇ下地層２３０とが、Ａｇ下地層付き金属部材となる。
このＡｇ下地層２３０は、Ａｇ粒子と、Ａｇ及びＳｎを含む金属間化合物と、を備えており、複数のＡｇ粒子がＡｇ及びＳｎを含む金属間化合物によって結合された構造とされている。なお、このＡｇ下地層２３０は、第１の実施形態で説明したＡｇ下地層形成用ペースト５０によって形成されている。
また、本実施形態では、Ａｇ下地層２３０の厚さが１μｍ以上１５μｍ以下の範囲内とされている。
【００７６】
また、接合層２０２は、Ａｇ粒子及び酸化銀粒子の少なくとも一方又は両方と有機物とを含む接合材の焼成体とされており、本実施形態においては、第１の実施形態と同様に、酸化銀粒子と有機物からなる還元剤とを含む酸化銀ペーストの焼成体とされている。
【００７７】
以下に、本実施形態である絶縁回路基板２１０及び半導体装置２０１の製造方法について、図１５及び図１６を参照して説明する。
まず、セラミックス基板２１１の一方の面及び他方の面に、アルミニウム板２２２Ａ、２２３を接合し、アルミニウム層２１２Ａ及び金属層２１３を形成する（アルミニウム層及び金属層形成工程Ｓ２０１）。
本実施形態では、図１６に示すように、セラミックス基板２１１の一方の面及び他方の面に、ろう材箔２２４，２２５を介して、アルミニウム層２１２Ａ及び金属層２１３となるアルミニウム板２２２Ａ、２２３を積層する。本実施形態においては、ろう材箔２２４，２２５は、融点降下元素であるＳｉを含有したＡｌ−Ｓｉ系のろう材とされている。そして、アルミニウム板２２２Ａ、２２３、及びセラミックス基板２１１を積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で、加熱炉内に挿入し加熱することにより、アルミニウム板２２２Ａ、２２３を接合している。なお、本実施形態では、アルミニウム層及び金属層形成工程Ｓ２０１において、加熱温度は５５０℃以上６５０℃以下、加熱時間は３０分以上１８０分以下とされている。
【００７８】
次に、アルミニウム層２１２Ａの一方の面に銅板２２２Ｂを接合して銅層２１２Ｂを形成する（銅層形成工程Ｓ２０２）。
アルミニウム層２１２Ａの上に銅板２２２Ｂを積層し、これらを積層方向に加圧（圧力３〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空加熱炉内に装入して加熱することにより、アルミニウム層２１２Ａと銅板２２２Ｂとを固相拡散接合する。ここで、銅層形成工程Ｓ２０２において、加熱温度は４００℃以上５４８℃以下、加熱時間は１５分以上２７０分以下とされている。なお、アルミニウム層２１２Ａと銅板２２２Ｂとの固相拡散接合を行う場合には、加熱温度を、ＡｌとＣｕの共晶温度（５４８．８℃）より５℃低い温度から共晶温度未満の温度範囲とすることが好ましい。
この銅層形成工程Ｓ２０２により、セラミックス基板２１１の一方の面にアルミニウム層２１２Ａと銅層２１２Ｂとからなる回路層２１２が形成される。
【００７９】
次に、回路層２１２の一方の面（銅層２１２Ｂの一方の面）に、Ａｇ下地層２３０を形成する。（Ａｇ下地層形成工程Ｓ２０３）。
このＡｇ下地層形成工程Ｓ２０３においては、上述したＡｇ下地層形成用ペースト５０を銅層２１２Ｂの一方の面に塗布して加熱処理することにより、複数のＡｇ粒子がＡｇ及びＳｎを含む金属間化合物によって結合された構造とされたＡｇ下地層２３０が形成される。
【００８０】
このようにして、回路層２１２のうち銅又は銅合金からなる銅層２１２Ｂの表面にＡｇ下地層２３０が形成された本実施形態である絶縁回路基板２１０が製造される。
【００８１】
次に、Ａｇ下地層２３０の表面に、接合層２０２となる酸化銀ペーストを塗布する（酸化銀ペースト塗布工程Ｓ２０４）。
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。
【００８２】
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２０３を積層する（半導体素子積層工程Ｓ２０５）。
そして、半導体素子２０３と絶縁回路基板２１０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（焼成工程Ｓ２０６）。このとき、半導体素子２０３と絶縁回路基板１１０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。この場合、加圧圧力は０．５〜１０ＭＰａとすることが望ましい。
このようにして、半導体素子２０３と回路層２１２（銅層２１２Ｂ）とが接合され、本実施形態である半導体装置２０１が製造される。
【００８３】
上記のような構成とされた第２実施形態である半導体装置２０１及び絶縁回路基板２１０によれば、第１実施形態の半導体装置１及び絶縁回路基板１０と同様の作用効果を奏することができる。
また、本実施形態では、回路層２１２が銅層２１２Ｂを有しているので、半導体素子２０３から発生する熱を銅層２１２Ｂで面方向に拡げることができ、絶縁回路基板２１０側へ効率的に熱を伝達することができる。
【００８４】
さらに、セラミックス基板２１１の一方の面に、比較的変形抵抗の小さいアルミニウム層２１２Ａが形成されているので、ヒートサイクル負荷時に発生する熱応力をこのアルミニウム層２１２Ａによって吸収することができ、セラミックス基板２１１の割れを抑制することができる。
また、回路層２１２の一方の面側に比較的変形抵抗の大きい銅又は銅合金からなる銅層２１２Ｂが形成されているので、パワーサイクル負荷時に、回路層２１２の変形を抑制することができ、パワーサイクルに対する高い信頼性を得ることが可能となる。
【００８５】
また、本実施形態においては、アルミニウム層２１２Ａと銅層２１２Ｂとが固相拡散接合されており、この固相拡散接合時の温度が４００℃以上とされているので、Ａｌ原子とＣｕ原子との拡散が促進され、短時間で十分に固相拡散させることができる。また、固相拡散接合する際の温度が５４８℃以下とされているので、ＡｌとＣｕとの液相が生じることがなく、アルミニウム層２１２Ａと銅層２１２Ｂとの接合界面にコブが生じたり、厚みが変動したりすることを抑制できる。
さらに、上述の固相拡散接合の加熱温度を、ＡｌとＣｕの共晶温度（５４８．８℃）より５℃低い温度から共晶温度未満の範囲とした場合には、ＡｌとＣｕの化合物が必要以上に形成されることを抑制できるとともに、固相拡散接合の際の拡散速度が確保され、比較的短時間で固相拡散接合することができる。
【００８６】
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、図１７に示すように、セラミックス基板３１１の一方の面に銅又は銅合金からなる回路層３１２（金属部材）を形成し、セラミックス基板３１１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層３１３を形成し、回路層３１２の一方の面側にＡｇ下地層３３０を形成した絶縁回路基板３１０であってもよい。この絶縁回路基板３１０の回路層３１２上に半導体素子３０３を搭載し、金属層３１３の他方の面側にヒートシンク３４１を接合することにより、半導体装置３０１を構成してもよい。
【００８７】
また、回路層、金属層、銅層等を構成する銅板を、無酸素銅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、他の銅又は銅合金で構成されたものであってもよい。
同様に、金属層やアルミニウム層を構成するアルミニウム板を、純度９９．９９ｍａｓｓ％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９９ｍａｓｓ％のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）等、他のアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されたものであってもよい。
【００８８】
また、上記実施形態では、接合層が、酸化銀粉末と還元剤とを含む酸化銀ペーストの焼成体で構成されたものとして説明したが、これに限定されることなく、銀粒子を含むペーストの焼成体とされていてもよいし、Ａｇ粉末を含む導電性接着剤を用いてもよい。
【００８９】
また、第３の実施形態において、アルミニウム層と銅層とが固相拡散接合された構造の回路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、回路層の一方の面側が銅又は銅合金からなる銅層とされていればよい。
さらに、金属層をアルミニウム層と銅層とが固相拡散接合された構造とし、銅層にＡｇ下地層を形成してとヒートシンクとを接合してもよい。
【００９０】
また、ヒートシンクは、本実施形態で例示してものに限定されることはなく、ヒートシンクの構造に特に限定はない。また、第１，第２、第４の実施形態においても、ヒートシンクを配置してもよい。
さらに、ヒートシンクと金属層との間に、緩衝層を設けても良い。緩衝層としては、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）からなる板材を用いることができる。
【実施例】
【００９１】
本発明の有効性を確認するために行った確認実験について説明する。
【００９２】
（本発明例１−８）
セラミックス基板の一方の面に回路層となる銅板を活性金属ろう付け法にて接合し、セラミックス基板の他方の面に金属層となるアルミニウム板をろう付け法にて接合し、絶縁回路基板を製作した。ここで、セラミックス基板は、ＡｌＮとし、サイズは２７ｍｍ×１７ｍｍ×０．６ｍｍとした。回路層となる銅板は、表１に示す材質ものものとし、サイズは２５ｍｍ×１５ｍｍ×０．３ｍｍとした。金属層となるアルミニウム板は、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上の４Ｎアルミニウムとし、サイズは２５ｍｍ×１５ｍｍ×１．６ｍｍとした。
【００９３】
回路層の表面に、実施形態で説明したＡｇ下地層形成用ペーストを塗布して加熱処理することにより、Ａｇ下地層を形成した。
なお、Ａｇ下地層形成用ペーストとして、Ａｇ粉末：７５ｍａｓｓ％（平均粒径０．８μｍ）、表１記載のＳｎ又はＳｎ合金の粉末：１５ｍａｓｓ％、アクリル系樹脂（メタクリル酸ｉ−ブチルの重合体）：１ｍａｓｓ％、有機溶剤（α−テルピネオール）：９ｍａｓｓ％を含むものを使用した。
【００９４】
次に、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、の割合で混合したものを準備した。
【００９５】
そして、Ａｇ下地層上に上述の酸化銀ペーストを塗布（塗布厚さ：１０μｍ）し、接合面にＡｕ膜を形成した半導体素子を配置し、酸化銀ペーストを焼成することで接合層を形成して、本発明例１−８の半導体装置を作製した。
ここで、酸化銀ペーストの焼成条件は、窒素雰囲気、焼成温度３００℃、焼成時間１０分、加圧圧力５ＭＰａとした。
【００９６】
（従来例１）
銅板からなる回路層の表面にＡｇ下地層を形成せずに、酸化銀ペーストを焼成した接合層によって回路層と半導体素子とを接合し、従来例１の半導体装置を作製した。なお、それ以外の条件は、本発明例１−８と同様とした。
【００９７】
（従来例２）
銅板からなる回路層の表面に、ガラス含有Ａｇペーストを用いてＡｇ下地層を形成し、酸化銀ペーストを焼成した接合層によって回路層と半導体素子とを接合し、従来例２の半導体装置を作製した。なお、それ以外の条件は、本発明例１−８と同様とした。
回路層上にガラス含有Ａｇペーストを塗布した後に加熱炉内に装入して、６００℃で焼成することによって、回路層上にＡｇ下地層を形成した。ここで使用したガラス含有Ａｇペーストは、セルロース系樹脂と、Ｂｉ２Ｏ３−ＺｎＯ−Ｂ２Ｏ３系無鉛ガラスフリット、溶剤としてα−テルピネオール及びＡｇを含有するガラス含有Ａｇペーストとした。
【００９８】
得られた各種半導体装置について、シェア強度、熱抵抗及び電気抵抗を以下の手順により評価した。評価結果を表１に示す。
【００９９】
（シェア強度）
２．５ｍｍ×２．５ｍｍ×０．２００ｍｍの半導体素子を接合した半導体装置に対し、せん断強度評価試験機を用いてシェア強度を測定した。測定は、半導体装置の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。せん断強度評価試験機として株式会社レスカ製ボンディングテスタ（Ｍｏｄｅｌ：ＰＴＲ−１１０１）を用いた。
【０１００】
（熱抵抗）
半導体素子としてヒータチップ（１３ｍｍ×１０ｍｍ×０．２５ｍｍ）を用いて、半導体装置を作製し、これらの半導体装置を冷却器にろう付け接合した。次に、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実測した。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た。なお、Ａｇ下地層を形成しなかった従来例１を基準として１とし、この従来例１との比率で評価した。
【０１０１】
（電気抵抗）
Ａｇ下地層を形成した絶縁回路基板について、図１８及び図１９に記載された方法により、テスタ（ＫＥＩＴＨＬＥＹ社製：２０１０ＭＵＬＴＩＭＥＴＥＲ）を用いて、Ａｇ下地層の厚さ方向の電気抵抗値を測定した。電気抵抗の測定は、Ａｇ下地層の上面中央点と、Ａｇ下地層の上面中央点からＡｇ下地層端部までの距離Ｈとした場合に、Ａｇ下地層端部からＨだけ離れた回路層上の点と、の間で行った。
【０１０２】
【表１】
2015115539.tif 000003
【０１０３】
回路層の表面にＡｇ下地層を形成しなかった従来例１では、シェア強度、熱抵抗及び電気抵抗が本発明例に比べて高かった。
回路層の表面にガラス含有ＡｇペーストにてＡｇ下地層を形成した従来例２では、電気抵抗が本発明例に比べて高かった。
【０１０４】
これに対して、回路層の表面にＡｇ下地層形成用ペーストを用いてＡｇ下地層を形成した本発明例１−８においては、シェア強度が高く、熱抵抗及び電気抵抗が低い半導体装置を得ることが出来た。
【符号の説明】
【０１０５】
１、１０１、２０１、３０１  半導体装置
１０、１１０、２１０、３１０  パワーモジュール用基板
１１、１１１、２１１、３１１  セラミックス基板
１２、１１２、２１２，３１２  回路層
１１３、２１３、３１３  金属層
２２、１２２、１２３  銅板
３０、１３０、２３０、３３０  Ａｇ下地層
３１  Ａｇ粒子
３２  Ａｇ及びＳｎを含む金属間化合物
５０  Ａｇ下地層形成用ペースト
５１  Ａｇ粉末
５２  Ｓｎ又はＳｎ合金の粉末
５３  アクリル系樹脂
【図１】
2015115539.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2015115539.tif 000018
【図１６】
2015115539.tif 000019
【図１７】
2015115539.tif 000020
【図１８】
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【図１９】
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