(57)【要約】【課題】金属部材と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下地層付き金属部材、この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、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１２と、この金属部材１２のうち前記被接合体との接合面に形成された下地層３０と、を備えた下地層付き金属部材であって、金属部材１２の前記接合面を構成する接合面金属と、下地層３０を構成する下地層金属と、が互いに異なる金属材料とされており、下地層３０は、金属部材１２の前記接合面に、前記下地層金属の粉末を堆積することによって形成されており、金属部材１２の前記接合面と下地層３０との間に拡散層３２が形成され、この拡散層３２の厚さが１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の範囲内とされている。【選択図】図２
2015149349.tif 000002
【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、この金属部材のうち前記被接合体との接合面に形成された下地層と、を備えた下地層付き金属部材であって、
前記金属部材の前記接合面を構成する接合面金属と、前記下地層を構成する下地層金属と、が互いに異なる金属材料とされており、
前記下地層は、前記金属部材の前記接合面に、前記下地層金属の粉末を堆積することによって形成されており、
前記金属部材の前記接合面と前記下地層との間に拡散層が形成され、この拡散層の厚さが１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の範囲内とされていることを特徴とする下地層付き金属部材。
【請求項２】
前記下地層における空隙率が１０％以上５０％以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項１に記載の下地層付き金属部材。
【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、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は、被接合体と接合される接合面とされ、この接合面に下地層が形成され、前記回路層と前記下地層とが請求項１又は請求項２に記載の下地層付き金属部材とされており、
前記下地層は、前記回路層の前記接合面に、前記下地層を構成する下地層金属の粉末を堆積することによって形成されており、
前記回路層の前記接合面と前記下地層との間に拡散層が形成され、この拡散層の厚さが１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の範囲内とされていることを特徴とする絶縁回路基板。
【請求項４】
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は、被接合体と接合される接合面とされ、この接合面に下地層が形成され、前記回路層と前記下地層とが請求項１又は請求項２に記載の下地層付き金属部材とされており、
前記下地層は、前記金属層の前記接合面に、前記下地層を構成する下地層金属の粉末を堆積することによって形成されており、
前記金属層の前記接合面と前記下地層との間に拡散層が形成され、この拡散層の厚さが１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の範囲内とされていることを特徴とする絶縁回路基板。
【請求項５】
請求項３に記載の絶縁回路基板と、前記回路層に接合された半導体素子と、を備えたことを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項４に記載の絶縁回路基板と、前記金属層に接合されたヒートシンクと、を備えた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７】
請求項１又は請求項２に記載の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、前記下地層を構成する下地層金属の粉末をプラズマダスト法によって堆積することにより、前記下地層を形成することを特徴とする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金属部材の接合面に形成された下地層とを備えた下地層付き金属部材、この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及びヒートシンク付き絶縁回路基板、並びに、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はんだ材等によって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、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形成された導電性の優れた金属からなる回路層と、を備えた絶縁回路基板が、従来から広く用いられている。
また、絶縁回路基板として、絶縁層の他方の面に熱伝導性に優れた金属からなる金属層を形成し、この金属層とヒートシンクを接合したものが提供されている。
【０００３】
上述の絶縁回路基板において、回路層及び金属層を構成する金属としては、アルミニウム又はアルミニウム合金、あるいは、銅又は銅合金が用いられている。
ここで、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層に半導体素子をはんだ接合する場合には、表面にアルミニウムの酸化皮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かった。
また、銅又は銅合金からなる回路層に半導体素子をはんだ接合する場合には、溶融したはんだ材と銅とが反応して回路層の内部にはんだ材の成分が侵入し、回路層の特性が変化するおそれがあった。
【０００４】
そこで、従来は、例えば特許文献１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。しかし、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、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。なお、このような問題は、金属層にヒートシンクをはんだ接合する場合でも同様に生じていた。
【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。
【０００６】
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。
【０００７】
そこで、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ペーストをアルミニウム又は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】
【０００８】
【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
【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】
【０００９】
ところで、特許文献５〜７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５〜７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。
【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、金属部材と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下地層付き金属部材、この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、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】
【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、この金属部材のうち前記被接合体との接合面に形成された下地層と、を備えた下地層付き金属部材であって、前記金属部材の前記接合面を構成する接合面金属と、前記下地層を構成する下地層金属と、が互いに異なる金属材料とされており、前記下地層は、前記金属部材の前記接合面に、前記下地層金属の粉末を堆積することによって形成されており、前記金属部材の前記接合面と前記下地層との間に拡散層が形成され、この拡散層の厚さが１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の範囲内とされていることを特徴としている。
【００１２】
この構成の下地層付き金属部材においては、前記金属部材の前記接合面と前記下地層との間に拡散層が形成され、この拡散層の厚さが１０ｎｍ以上とされているので、下地層と金属部材との間の接合強度を確保することができる。また、前記拡散層の厚さが３００ｎｍ以下とされているので、金属部材が必要以上に硬化することなく、下地層付き金属部材と被接合体との接合体に対して冷熱サイクルを負荷した際に、被接合体に割れ等が発生することを抑制できる。
また、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下地層が、下地層金属の粉末を堆積することによって形成されているので、下地層は多孔質な構造となり、上述の冷熱サイクル負荷時に金属部材及び被接合体との間に作用する熱ひずみをこの下地層で吸収することができる。
【００１３】
ここで、本発明の下地層付き金属部材においては、前記下地層における空隙率が１０％以上５０％以下の範囲内とされていることが好ましい。
この場合、前記下地層の空隙率が１０％以上とされているので、金属部材及び被接合体との間に作用する熱ひずみを下地層で吸収することができ、金属部材や被接合体に割れ等が発生することを抑制できる。
一方、前記下地層の空隙率が５０％以下とされているので、下地層の電気抵抗や熱抵抗が上昇することを抑制できる。
【００１４】
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は、被接合体と接合される接合面とされ、この接合面に下地層が形成され、前記回路層と前記下地層とが上述の下地層付き金属部材とされており、前記下地層は、前記回路層の前記接合面に、前記下地層を構成する下地層金属の粉末を堆積することによって形成されており、前記回路層の前記接合面と前記下地層との間に拡散層が形成され、この拡散層の厚さが１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の範囲内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接合面に下地層が形成されているので、はんだや金属ペースト等の接合材を用いて回路層に半導体素子等の電子部品を確実に接合することができる。また、下地層及び回路層が、上述の下地層付き金属部材とされているので、下地層と接合層との間の接合強度を確保することができるとともに、冷熱サイクルを負荷した場合であっても、回路層と半導体素子等の電子部品との接合信頼性を向上させることができる。また、半導体素子等の電子部品と回路層との間の電気抵抗、熱抵抗を低くすることができる。
【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は、被接合体と接合される接合面とされ、この接合面に下地層が形成され、前記回路層と前記下地層とが上述の下地層付き金属部材とされており、前記下地層は、前記金属層の前記接合面に、前記下地層を構成する下地層金属の粉末を堆積することによって形成されており、前記金属層の前記接合面と前記下地層との間に拡散層が形成され、この拡散層の厚さが１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の範囲内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下地層が形成されているので、はんだや金属ペースト等の接合材を用いて金属層にヒートシンク等を確実に接合することができる。また、下地層及び金属層が、上述の下地層付き金属部材とされているので、下地層と接合層との間の接合強度を確保することができるとともに、冷熱サイクルを負荷した場合であっても、金属層とヒートシンクとの接合信頼性を向上させることができる。また、ヒートシンクと金属層との間の熱抵抗を低くすることができる。
【００１８】
また、本発明の半導体装置は、上述の絶縁回路基板と、前記回路層に接合された半導体素子と、を備えたことを特徴としている。
この構成の半導体装置によれば、回路層と半導体素子等の電子部品とを、はんだや金属ペースト等の接合材を用いて確実に接合することができる。よって、冷熱サイクル負荷時の接合信頼性に優れ、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。
【００１９】
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、前記金属層に接合されたヒートシンクと、を備えたことを特徴としている。
この構成のヒートシンク付き絶縁回路基板によれば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。
【００２０】
また、本発明の下地層付き金属部材の製造方法は、上述の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、前記下地層を構成する下地層金属の粉末をプラズマダスト法によって堆積することにより、前記下地層を形成することを特徴としている。
【００２１】
この構成の下地層付き金属部材の製造方法によれば、金属部材の接合面に、前記下地層を構成する下地層金属の粉末をプラズマダスト法により堆積しているので、適度な空隙率の下地層を形成することができる。また、金属部材の接合面と下地層金属の粉末とがプラズマによって活性化されて接合されているので、金属部材と下地層との接合強度を確保することができるとともに、金属部材と下地層との間の電気抵抗及び熱抵抗を低く抑えることが可能となる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、金属部材と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下地層付き金属部材、この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、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】
【００２３】
【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】図１の半導体装置において、回路層の表面に形成された下地層の概略説明図である。
【図３】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４】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５】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６】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７】本発明の第２実施形態である絶縁回路基板の製造方法の概略説明図である。
【図８】本発明の第２実施形態であるヒートシンク付き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９】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１０】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１１】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１２】本発明の第４実施形態である半導体装置の概略説明図である。
【図１３】図１１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４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４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】本発明の実施形態において、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１８】本発明の実施形態において、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】
【００２４】
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。
【００２５】
（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４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。
【００２６】
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。
【００２７】
回路層１２は、図４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。
【００２８】
そして、この回路層１２の一方の面には、Ａｇからなる下地層３０が形成されている。ここで、本実施形態では、回路層１２と下地層３０とが下地層付き金属部材とされ、回路層１２を構成するＣｕが接合面金属とされ、下地層３０を構成するＡｇが下地層金属とされている。
この下地層３０は、図２に示すように、回路層１２の表面に、Ａｇ粉末３１が堆積されることによって形成されている。
【００２９】
ここで、下地層３０と回路層１２との接合界面には、回路層１２のＣｕと下地層３０のＡｇとが互いに拡散することによって形成された拡散層３２が形成されている。この拡散層３２の厚さは、１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の範囲内とされている。
また、下地層３０は、多孔質な構造とされており、その空隙率は１０％以上５０％以下の範囲内とされている。
【００３０】
半導体素子３は、Ｓｉ等の半導体材料で構成されている。この半導体素子３と回路層１２は、接合層２を介して接合されている。
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の焼成体が形成されることになる。
【００３１】
ここで、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。
【００３２】
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。
【００３３】
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３及び図４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。
【００３４】
具体的には、図４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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
次に、回路層１２の一方の面に下地層３０を形成する（下地層形成工程Ｓ０２）。
この下地層形成工程Ｓ０２においては、図４に示すように、回路層１２の表面に対して、プラズマダスト法により、Ａｇ粉末３１を堆積することで形成される。すなわち、プラズマと共にＡｇ粉末３１を回路層１２の一方の面に吹き付けることで下地層３０を形成している。本実施形態では、Ａｇ粉末３１として、平均粒径０．２μｍ以上１５μｍ以下の範囲内のものを使用した。また、プラズマダスト法の条件として、回路層１２側の温度を１５０℃以下とし、Ａｇ粉末３１の噴射速度を１００ｍｍ／秒以上５００ｍｍ／秒以下の範囲内とし、キャリアガス流量を０．５ＮＬ／分以上５．０ＮＬ／分以下の範囲内とし、プラズマガスの流量を２０ＮＬ／分以上５０ＮＬ／分以下の範囲内とした。なお、Ａｇ粉末３１のキャリアガスとして窒素、プラズマガスとして窒素＋５体積％水素を用いた。
【００３８】
このようにして、銅からなる回路層１２の表面にＡｇからなる下地層３０が形成された絶縁回路基板１０が製造される。
【００３９】
次に、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。
【００４０】
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Ｓ０５）。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、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。
【００４１】
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、銅からなる回路層１２の表面にＡｇからなる下地層３０が形成されており、この下地層３０と回路層１２との間に、ＣｕとＡｇとが互いに拡散して形成された拡散層３２が形成されており、この拡散層３２の厚さが１０ｎｍ以上とされているので、回路層１２と下地層３０とが確実に接合されることになり、これら回路層１２と下地層３０との間の接合強度を確保することができる。
また、拡散層３２の厚さが３００ｎｍ以下とされているので、半導体装置１に対して冷熱サイクルを負荷した場合でも、下地層３０に割れ等が発生することが抑制でき、半導体素子３の冷熱サイクルに対する接合信頼性を向上させることができる。
【００４２】
さらに、下地層３０が多孔質な構造とされており、本実施形態では、下地層３０の空隙率が１０％以上とされているので、半導体装置１に対して冷熱サイクルを負荷した場合でも、半導体素子３に熱応力が作用することを抑制でき、半導体素子３の割れを抑制することができる。
また、下地層３０の空隙率が５０％以下とされているので、この下地層３０の電気抵抗や熱抵抗が上昇することを抑制できる。よって、半導体素子３と回路層１２とを確実に電気的に接続できるとともに、半導体素子３で発生した熱を絶縁回路基板１０側へと効率良く伝達することができる。
【００４３】
（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５から図８を参照して説明する。
図５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５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５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。
【００４４】
絶縁回路基板１１０は、図５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５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。
【００４５】
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。
【００４６】
回路層１１２は、図７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。
【００４７】
金属層１１３は、図７に示すように、セラミックス基板１１１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を構成するアルミニウム板１２３として、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）の圧延板が用いられている。ここで、金属層１１３（アルミニウム板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１．０ｍｍに設定されている。
【００４８】
ヒートシンク１４１は、絶縁回路基板１１０側の熱を放散するためのものである。ヒートシンク１４１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（Ａｌ合金）で構成されている。このヒートシンク１４１には、冷却用の流体が流れるための流路１４２が設けられている。
【００４９】
そして、図５に示すように、回路層１１２の一方の面には、第１下地層１３０ａが設けられ、金属層１１３の他方の面には、第２下地層１３０ｂが形成されている。また、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３下地層１３０ｃが形成されている。
ここで、本実施形態では、回路層１１２と第１下地層１３０ａ、金属層１１３と第２下地層１３０ｂ、ヒートシンク１４１と第３下地層１３０ｃが、それぞれ下地層付き金属部材とされており、回路層１１２を構成するＣｕ、金属層１１３及びヒートシンク１４１を構成するＡｌが接合面金属とされ、第１下地層１３０ａ、第２下地層１３０ｂ、第３下地層１３０ｃを構成するＡｇが下地層金属とされている。
【００５０】
第１下地層１３０ａは、図７に示すように、回路層１１２の表面に、Ａｇ粉末１３１が堆積されることによって形成されており、第１下地層１３０ａと回路層１１２の接合界面には、回路層１１２のＣｕと第１下地層１３０ａのＡｇとが互いに拡散することによって形成された拡散層が形成されている。ここで、この拡散層の厚さは、１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の範囲内とされている。
また、第１下地層１３０ａは、多孔質な構造とされており、その空隙率は１０％以上５０％以下の範囲内とされている。
【００５１】
第２下地層１３０ｂ及び第３下地層１３０ｃは、図７及び図８に示すように、金属層１１３の表面及びヒートシンク１４１の接合面に、Ａｇ粉末１３１が堆積されることによって形成されており、第２下地層１３０ｂと金属層１１３の接合界面及び第３下地層１３０ｃとヒートシンク１４１の接合界面には、金属層１１３及びヒートシンク１４１のＡｌと第２下地層１３０ｂ及び第３下地層１３０ｃのＡｇとが互いに拡散することによって形成された拡散層が形成されている。ここで、この拡散層の厚さは、１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の範囲内とされている。
また、第２下地層１３０ｂ及び第３下地層１３０ｃは、多孔質な構造とされており、その空隙率は１０％以上５０％以下の範囲内とされている。
【００５２】
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。
【００５３】
次に、本実施形態である絶縁回路基板１１０、ヒートシンク付き絶縁回路基板１４０及び半導体装置１０１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、セラミックス基板１１１の一方の面に、銅板１２２を接合して回路層１１２を形成する（回路層形成工程Ｓ１０１）。本実施形態では、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材１２４を用いて銅板１２２を接合している。
【００５４】
次に、セラミックス基板１１１の他方の面に、アルミニウム板１２３を接合して金属層１１３を形成する（金属層形成工程Ｓ１０２）。本実施形態では、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材１２５を用いてアルミニウム板１２３を接合している。
【００５５】
次に、回路層１１２の一方の面に第１下地層１３０ａを形成するとともに、金属層１１３の他方面に第２下地層１３０ｂを形成する（第１、第２下地層形成工程Ｓ１０３）。
この第１、第２下地層形成工程Ｓ１０３においては、図７に示すように、回路層１１２及び金属層１１３の表面に対して、プラズマダスト法により、Ａｇ粉末１３１を堆積することで、第１下地層１３０ａ及び第２下地層１３０ｂを形成している。すなわち、プラズマと共にＡｇ粉末１３１を回路層１１２及び金属層１１３の表面に吹き付けることで第１下地層１３０ａ及び第２下地層１３０ｂを形成している。ここで、Ａｇ粉末１３１として、平均粒径０．２μｍ以上１５μｍ以下の範囲内のものを使用した。また、プラズマダスト法の条件として、回路層１１２及び金属層１１３側の温度を１５０℃以下とし、Ａｇ粉末１３１の噴射速度を１００ｍｍ／秒以上５００ｍｍ／秒以下の範囲内とし、キャリアガス流量を０．５ＮＬ／分以上５．０ＮＬ／分以下の範囲内とし、プラズマガスの流量を２０ＮＬ／分以上５０ＮＬ／分以下の範囲内とした。なお、Ａｇ粉末１３１のキャリアガスとして窒素、プラズマガスとして窒素＋５体積％水素を用いた。
【００５６】
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１下地層１３０ａが形成され、アルミニウム又アルミニウム合金からなる金属層１１３の表面に第２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。
【００５７】
また、図８に示すように、ヒートシンク１４１のうち金属層１１３と接合される接合面に、第３下地層１３０ｃを形成する（第３下地層形成工程Ｓ１０４）。
この第３Ａｇ下地層形成工程Ｓ１０４においても、上述した第１、第２下地層形成工程Ｓ１０３と同様に、ヒートシンク１４１の表面に対して、プラズマダスト法により、Ａｇ粉末１３１を堆積することで、第３下地層１３０ｃを形成している。
【００５８】
次に、第１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２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Ｓ１０５）。
【００５９】
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Ｓ１０６）。
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Ｓ１０７）。
【００６０】
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Ｓ１０８）。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。
【００６１】
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、アルミニウムからなる金属層１１３の表面に第２下地層１３０ｂが形成され、アルミニウム合金からなるヒートシンク１４１の接合面に第３下地層１３０ｃが形成されており、これら第２、第３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。
【００６２】
そして、第２下地層１３０ｂと金属層１１３との接合界面及び第３下地層１３０ｃとヒートシンク１４１との接合界面に、ＡｌとＡｇとが互いに拡散して形成された拡散層が形成されており、この拡散層の厚さが１０ｎｍ以上とされているので、金属層１１３と第２下地層１３０ｂ及びヒートシンク１４１と第３下地層１３０ｃが確実に接合されることになり、これら金属層１１３と第２下地層１３０ｂ及びヒートシンク１４１と第３下地層１３０ｃとの間の接合強度を確保することができる。
また、拡散層の厚さが３００ｎｍ以下とされているので、半導体装置１０１に対して冷熱サイクルを負荷した場合でも、第２下地層１３０ｂ及び第３下地層１３０ｃに割れ等が発生することが抑制でき、ヒートシンク１４１と絶縁回路基板１１０とを確実に接合することができる。
【００６３】
さらに、第２下地層１３０ｂ及び第３下地層１３０ｃが多孔質な構造とされており、本実施形態では、第２下地層１３０ｂ及び第３下地層１３０ｃの空隙率が１０％以上とされているので、半導体装置１０１に対して冷熱サイクルを負荷した場合でも、熱ひずみを第２下地層１３０ｂ及び第３下地層１３０ｃで吸収することができ、セラミックス基板１１１の割れを抑制することができる。
また、第２下地層１３０ｂ及び第３下地層１３０ｃの空隙率が５０％以下とされているので、これら第２下地層１３０ｂ及び第３下地層１３０ｃの熱抵抗が上昇することを抑制できる。よって、絶縁回路基板１１０側の熱をヒートシンク１４１へと効率良く伝達して放散することが可能となる。
【００６４】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３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、ヒートシンク付き絶縁回路基板２４０と、このヒートシンク付き絶縁回路基板２４０の一方の面（図９において上面）側に第１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。
また、ヒートシンク付き絶縁回路基板２４０は、絶縁回路基板２１０と、この絶縁回路基板２１０の他方の面（図９において下面）側に第２接合層２０５を介して接合されたヒートシンク２４１と、を備えている。
【００６５】
絶縁回路基板２１０は、図９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９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の他方の面に配設された金属層２１３（金属部材）と、を備えている。
【００６６】
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Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）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。
【００６７】
回路層２１２は、図１１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又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板２２２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２１２を構成するアルミニウム板２２２として、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）の圧延板が用いられている。この回路層２１２には、回路パターンが形成されており、その一方の面が、半導体素子２０３が搭載される搭載面とされている。ここで、回路層２１２（アルミニウム板２２２）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。
【００６８】
金属層２１３は、図１１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（４Ｎ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。
【００６９】
ヒートシンク２４１は、絶縁回路基板２１０側の熱を放散するためのものである。ヒートシンク２４１は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態では、銅又は銅合金からなる放熱板とされている。
【００７０】
そして、図９に示すように、回路層２１２の一方の面には、第１下地層２３０ａが設けられ、金属層２１３の他方の面には、第２下地層２３０ｂが形成されている。
ここで、本実施形態では、回路層２１２と第１下地層２３０ａ及び金属層２１３と第２下地層２３０ｂが、それぞれ下地層付き金属部材とされており、回路層２１２及び金属層２１３を構成するＡｌが接合面金属とされ、第１下地層２３０ａ及び第２下地層２３０ｂを構成するＣｕが下地層金属とされている。
【００７１】
第１下地層２３０ａ及び第２下地層２３０ｂは、図１１に示すように、回路層２１２及び金属層２１３の表面に、Ｃｕ粉末２３１が堆積されることによって形成されており、第１下地層２３０ａと回路層２１２の接合界面及び第２下地層２３０ｂと金属層２１３の接合界面には、回路層２１２及び金属層２１３のＡｌと第１下地層２３０ａ及び第２下地層２３０ｂのＣｕとが互いに拡散することによって形成された拡散層が形成されている。ここで、この拡散層の厚さは、１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の範囲内とされている。
また、第１下地層２３０ａ及び第２下地層２３０ｂは、多孔質な構造とされており、その空隙率は１０％以上５０％以下の範囲内とされている。
【００７２】
第１接合層２０２及び第２接合層２０５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接合層２０２及び第２接合層２０５の厚さは、２０μｍ以上６００μｍ以下の範囲内に設定されている。
【００７３】
次に、本実施形態である絶縁回路基板２１０、ヒートシンク付き絶縁回路基板２４０及び半導体装置１０１の製造方法について、図１０、図１１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、ろう材箔２２４、２２５を介して、回路層２１２及び金属層２１３となるアルミニウム板２２２、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２２２、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して、セラミックス基板２１１の一方の面及び他方の面に回路層２１２及び金属層２１３を形成する（回路層及び金属層形成工程Ｓ２０１）。ここで、回路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。
【００７４】
次に、回路層２１２の一方の面に第１下地層２３０ａを形成するとともに、金属層２１３の他方面に第２下地層２３０ｂを形成する（第１、第２下地層形成工程Ｓ２０２）。
この第１、第２下地層形成工程Ｓ２０３においては、図１１に示すように、回路層２１２及び金属層２１３の表面に対して、プラズマダスト法により、Ｃｕ粉末２３１を堆積することで、第１下地層２３０ａ及び第２下地層２３０ｂを形成している。すなわち、プラズマと共にＣｕ粉末２３１を回路層２１２及び金属層２１３の表面に吹き付けることで第１下地層２３０ａ及び第２下地層２３０ｂを形成している。ここで、Ｃｕ粉末２３１として、平均粒径０．２μｍ以上１５μｍ以下の範囲内のものを使用した。また、プラズマダスト法の条件として、回路層２１２及び金属層２１３側の温度を１５０℃以下とし、Ｃｕ粉末２３１の噴射速度を１００ｍｍ／秒以上５００ｍｍ／秒以下の範囲内とし、キャリアガス流量を０．５ＮＬ／分以上５．０ＮＬ／分以下の範囲内とし、プラズマガスの流量を２０ＮＬ／分以上５０ＮＬ／分以下の範囲内とした。なお、Ｃｕ粉末２３１のキャリアガスとして窒素、プラズマガスとして窒素＋５体積％水素を用いた。
【００７５】
このようにして、アルミニウムからなる回路層２１２の表面にＣｕからなる第１下地層２３０ａが形成され、アルミニウムからなる金属層２１３の表面にＣｕからなる第２下地層２３０ｂ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。
【００７６】
次に、第１下地層２３０ａの表面に、第１接合層２０２となるはんだ材を介して半導体素子２０３を積層する（半導体素子積層工程Ｓ２０３）。
また、第２下地層２３０ｂの表面に、第２接合層２０５となるはんだ材を介してヒートシンク２４１を積層する（ヒートシンク積層工程Ｓ２０４）。
そして、半導体素子２０３と絶縁回路基板２１０とヒートシンク２４１を積層した状態で加熱炉内に装入し、はんだ付けを行う（はんだ付け工程Ｓ２０５）。
【００７７】
このようにして、半導体素子２０３と回路層２１２とが接合されるとともに、金属層２１３とヒートシンク２４１とが接合され、本実施形態である半導体装置２０１及びヒートシンク付き絶縁回路基板２４０が製造される。
【００７８】
上記のような構成とされた第３実施形態である半導体装置２０１、ヒートシンク付き絶縁回路基板２４０及び絶縁回路基板２１０によれば、第２実施形態の半導体装置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、アルミニウムからなる回路層２１２の表面にＣｕからなる第１下地層２３０ａが形成されており、第１下地層２３０ａと半導体素子２０３との間にはんだ材からなる第１接合層２０２が形成されているので、半導体素子２０３と回路層２１２とを確実に接合することができる。
さらに、アルミニウムからなる金属層２１３の表面にＣｕからなる第２下地層２３０ｂが形成されており、第２下地層２３０ｂとヒートシンク２４１との間にはんだ材からなる第２接合層２０５が形成されているので、金属層２１３とヒートシンク２４１とを確実に接合することができる。
【００７９】
（第４実施形態）
以下に、本発明の第４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４実施形態である半導体装置３０１を示す。この半導体装置３０１は、絶縁回路基板３１０と、この絶縁回路基板３１０の一方の面（図１２において上面）に接合層３０２を介して接合された半導体素子３０３と、を備えている。
【００８０】
絶縁回路基板３１０は、図１２に示すように、セラミックス基板３１１と、このセラミックス基板３１１の一方の面（図１２において上面）に配設された回路層３１２（金属部材）と、セラミックス基板３１１の他方の面（図１２において下面）に配設された金属層３１３と、を備えている。
【００８１】
セラミックス基板３１１は、回路層３１２と金属層３１３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３１１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。
【００８２】
回路層３１２は、図１２に示すように、セラミックス基板３１１の一方の面に形成されたアルミニウム層３１２Ａと、このアルミニウム層３１２Ａの一方の面側に積層された銅層３１２Ｂと、を備えている。
この回路層３１２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３０３が搭載される搭載面されている。ここで、回路層３１２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。
【００８３】
ここで、アルミニウム層３１２Ａは、図１６に示すように、セラミックス基板３１１の一方の面にアルミニウム板３２２Ａ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３１２Ａ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３１２Ｂは、図１６に示すように、無酸素銅の圧延板からなる銅板３２２Ｂがアルミニウム層３１２Ａ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３１２Ａと銅層３１２Ｂとの界面には、図１３に示すように、金属間化合物層３１５が形成されている。
【００８４】
金属間化合物層３１５は、アルミニウム層３１２ＡのＡｌ原子と、銅層３１２Ｂ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。この金属間化合物層３１５においては、アルミニウム層３１２Ａから銅層３１２Ｂ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。
【００８５】
この金属間化合物層３１５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、この金属間化合物層３１５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３１２Ａ側から銅層３１２Ｂ側に向けて順に、アルミニウム層３１２Ａと銅層３１２Ｂとの接合界面に沿って、θ相３１６、η２相３１７が積層し、さらにζ２相３１８ａ、δ相３１８ｂ、及びγ２相３１８ｃ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３１２Ｂと金属間化合物層３１５との界面に沿って、酸化物３１９がζ２相３１８ａ、δ相３１８ｂ、又はγ２相３１８ｃ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３１９は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等のアルミニウム酸化物とされている。
【００８６】
金属層３１３は、図１６に示すように、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アルミニウム板３２３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３１３を構成するアルミニウム板３２３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３１３（アルミニウム板３２３）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。
【００８７】
そして、図１２に示すように、回路層３１２のうち銅層３１２Ｂの一方の面には、Ａｇからなる下地層３３０が設けられている。本実施形態では、銅層３１２Ｂを備えた回路層３１２と下地層３３０とが下地層付き金属部材とされ、銅層３１２Ｂを構成するＣｕが接合面金属とされ、下地層３３０を構成するＡｇが下地層金属とされている。
【００８８】
下地層３３０は、図１６に示すように、銅層３１２Ｂの表面にＡｇ粉末３３１が堆積されることによって形成されており、下地層３３０と銅層３１２Ｂの接合界面には、銅層３１２ＢのＣｕと下地層３３０のＡｇとが互いに拡散することによって形成された拡散層が形成されている。ここで、この拡散層の厚さは、１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の範囲内とされている。
また、下地層３３０は、多孔質な構造とされており、その空隙率は１０％以上５０％以下の範囲内とされている。
【００８９】
接合層３０２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。
【００９０】
以下に、本実施形態である絶縁回路基板３１０及び半導体装置３０１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３１１の一方の面及び他方の面に、アルミニウム板３２２Ａ、３２３を接合し、アルミニウム層３１２Ａ及び金属層３１３を形成する（アルミニウム層及び金属層形成工程Ｓ３０１）。
本実施形態では、図１６に示すように、セラミックス基板３１１の一方の面及び他方の面に、ろう材箔３２４，３２５を介して、アルミニウム層３１２Ａ及び金属層３１３となるアルミニウム板３２２Ａ、３２３を積層する。本実施形態においては、ろう材箔３２４，３２５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３２２Ａ、３２３、及びセラミックス基板３１１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３２２Ａ、３２３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Ｓ３０１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。
【００９１】
次に、アルミニウム層３１２Ａの一方の面に銅板３２２Ｂを接合して銅層３１２Ｂを形成する（銅層形成工程Ｓ３０２）。
アルミニウム層３１２Ａの上に銅板３２２Ｂ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３１２Ａと銅板３２２Ｂとを固相拡散接合する。ここで、銅層形成工程Ｓ３０２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３１２Ａと銅板３２２Ｂ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Ｓ３０２により、セラミックス基板３１１の一方の面にアルミニウム層３１２Ａと銅層３１２Ｂとからなる回路層３１２が形成される。
【００９２】
次に、回路層３１２の一方の面（銅層３１２Ｂの一方の面）に、下地層３３０を形成する。（下地層形成工程Ｓ３０３）。
この下地層形成工程Ｓ３０３においては、図１６に示すように、回路層３１２（銅層３１２Ｂ）の表面に対して、プラズマダスト法により、Ａｇ粉末３３１を堆積することで、下地層３３０を形成している。すなわち、プラズマと共にＡｇ粉末３３１を回路層３１２（銅層３１２Ｂ）の表面に吹き付けることで下地層３３０を形成している。ここで、Ａｇ粉末１３１として、平均粒径０．２μｍ以上１５μｍ以下の範囲内のものを使用した。また、プラズマダスト法の条件として、回路層３１２側の温度を１５０℃以下とし、Ａｇ粉末３３１の噴射速度を１００ｍｍ／秒以上５００ｍｍ／秒以下の範囲内とし、キャリアガス流量を０．５ＮＬ／分以上５．０ＮＬ／分以下の範囲内とし、プラズマガスの流量を２０ＮＬ／分以上５０ＮＬ／分以下の範囲内とした。なお、Ａｇ粉末３３１のキャリアガスとして窒素、プラズマガスとして窒素＋５体積％水素を用いた。
【００９３】
このようにして、回路層３１２のうち銅又は銅合金からなる銅層３１２Ｂの表面に下地層３３０が形成された本実施形態である絶縁回路基板３１０が製造される。
【００９４】
次に、下地層３３０の表面に、接合層３０２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Ｓ３０４）。
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。
【００９５】
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３０３を積層する（半導体素子積層工程Ｓ３０５）。
そして、半導体素子３０３と絶縁回路基板３１０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Ｓ３０６）。このとき、半導体素子３０３と絶縁回路基板３１０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３０３と回路層３１２（銅層３１２Ｂ）とが接合され、本実施形態である半導体装置３０１が製造される。
【００９６】
上記のような構成とされた第４実施形態である半導体装置３０１及び絶縁回路基板３１０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３１２が銅層３１２Ｂを有しているので、半導体素子３０３から発生する熱を銅層３１２Ｂで面方向に拡げることができ、絶縁回路基板３１０側へ効率的に熱を伝達することができる。
【００９７】
さらに、セラミックス基板３１１の一方の面に、比較的変形抵抗の小さいアルミニウム層３１２Ａ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３１２Ａによって吸収することができ、セラミックス基板３１１の割れを抑制することができる。
また、回路層３１２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３１２Ｂが形成されているので、パワーサイクル負荷時に、回路層３１２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。
【００９８】
また、本実施形態においては、アルミニウム層３１２Ａと銅層３１２Ｂ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３１２Ａと銅層３１２Ｂ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。
【００９９】
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、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、回路層、金属層、アルミニウム層等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。
【０１００】
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やはんだ材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。
【０１０１】
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。これら緩衝層を接合する接合面に下地層を形成してもよい。
【実施例１】
【０１０２】
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。
次に示す絶縁回路基板を用いて、各種半導体装置（パワーモジュール）を作製した。
絶縁回路基板は、セラミックス基板の一方の面及び他方の面に、表１に示す金属板を接合して製作した。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。回路層及び金属層となる金属板は２５ｍｍ×１５ｍｍとした。
また、半導体素子のサイズは、１３ｍｍ×１０ｍｍ×０．２５ｍｍのものを使用した。
【０１０３】
本発明例１−８及び比較例１−２においては、回路層及び金属層となる金属板の厚さを０．６ｍｍとし、回路層の表面にプラズマダスト法によってＡｇ粉末又はＣｕ粉末を堆積し、下地層を形成した。Ａｇ粉末として平均粒径１．０μｍのものを使用した。Ｃｕ粉末として平均粒径１．０μｍのものを使用した。また、プラズマダスト法の条件として、キャリアガス流量を１．５ＮＬ／分、プラズマガスの流量を４０ＮＬ／分とした。なお、Ａｇ粉末及びＣｕ粉末のキャリアガスとして窒素を、プラズマガスとして窒素＋５体積％水素を用いた。
【０１０４】
本発明例９においては、図１５のフロー図に記載した手順に従って、絶縁回路基板を作製した。セラミックス基板は、ＡｌＮで構成され、厚さ０．６３５ｍｍのものを使用した。また、回路層のアルミニウム層は、４Ｎアルミニウムの圧延板で構成され、厚さ０．１ｍｍのものを使用した。回路層の銅層は、無酸素銅の圧延板で構成され、厚さ０．３ｍｍのものを使用した。金属層は、４Ｎアルミニウムの圧延板で構成され、厚さ１．６ｍｍのものを使用した。固相拡散接合は、積層方向に１０ｋｇｆ／ｃｍ２の加圧を行いながら、温度５３５℃、９０分の条件で行った。銅層上への下地層の形成は本発明例１−８及び比較例１−２と同様に行った。
【０１０５】
比較例３においては、回路層の表面に下地層を形成しなかった。
従来例１−２においては、ガラス含有Ａｇペーストを用いてＡｇ下地層を形成した。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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
そして、下地層又は回路層の表面に、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、半導体素子を接合した。ここで、酸化銀ペーストの焼成条件は、真空雰囲気、焼成温度３００℃、焼成時間１０分、加圧圧力５ＭＰａとした。
【０１０８】
得られた半導体装置について、拡散層の厚さ、電気抵抗、シェア強度、冷熱サイクル前後の接合率、冷熱サイクル後の半導体素子割れについて評価した。なお、電気抵抗については半導体素子を接合する前に測定した。
【０１０９】
（拡散層の厚さ）
ＴＥＭ（日本電子株式会社製電界放射形電子顕微鏡ＪＥＭ−２０１０Ｆ）にて絶縁回路基板の断面の測定を行い、ＥＤＳ分析により拡散層の位置を特定し、暗視野像により拡散層の厚さを測定した。測定結果を表１に示す。
【０１１０】
（電気抵抗）
下地層を形成した絶縁回路基板について、図１７及び図１８に記載された方法により、テスタ（ＫＥＩＴＨＬＥＹ社製：２０１０ＭＵＬＴＩＭＥＴＥＲ）を用いて、下地層の厚さ方向の電気抵抗値を測定した。測定結果を表２に示す。
【０１１１】
（シェアテスト）
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。半導体素子を上にして回路層を水平に固定し、半導体素子をシェアツールで横から水平に押圧して、回路層と半導体素子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。評価結果を表２に示す。
【０１１２】
（冷熱サイクル前後の接合率）
超音波探傷装置を用いて、以下の式から半導体素子と回路層との接合率を求めた。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、すなわち半導体素子面積とした。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。
（接合率）＝｛（初期接合面積）−（剥離面積）｝／（初期接合面積）×１００
なお、半導体装置に冷熱サイクル試験を行い、初期の接合率と冷熱サイクル試験後の接合率とを比較した。冷熱サイクルは、−４０℃×５分←→１２５℃×３分、３０００サイクルとした。評価結果を表２に示す。
【０１１３】
（冷熱サイクル後の半導体素子割れ）
各発明例、比較例及び従来例の半導体装置を５個ずつ作成し、−４０℃×５分←→１２５℃×３分、３０００サイクルの冷熱サイクルを負荷した後に、半導体素子の割れを目視にて確認した。割れた個数が０個であったものを◎と、１個割れていたものを○と、２個以上割れていたものを×と評価した。評価結果を表２に示す。
【０１１４】
【表１】
2015149349.tif 000003
【０１１５】
【表２】
2015149349.tif 000004
【０１１６】
拡散層の厚さが１０ｎｍ未満であった比較例１及び下地層を形成しなかった比較例３では接合強度（シェア強度）が低く、冷熱サイクル試験後の接合率も低下した。
拡散層の厚さが３００ｎｍを超えた比較例２では、冷熱サイクル後の半導体素子割れが多かった。
また、ガラス含有Ａｇペーストにて下地層を形成した従来例１及び従来例２では電気抵抗が高かった。
【０１１７】
これに対して、回路層の表面に、プラズマダスト法により下地層を形成し、拡散層の厚さが１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下とされた本発明例１−９においては、接合強度及び接合率が高いと共に電気抵抗の低い半導体装置が得られることが確認された。
【実施例２】
【０１１８】
次に、実施例１と同様の方法で、表３記載の金属板を用いて、回路層の表面にプラズマダスト法により下地層を形成し、本発明例１１−１９の絶縁回路基板を製造した。また、プラズマダスト法においてキャリアガス流量を１．５ＮＬ／分、プラズマガスの流量を４０ＮＬ／分、回路層の加熱温度を１００℃とした。なお、本発明例１８は、本発明例９と同様の方法で製造した。この下地層における空隙率を測定した。また、本発明例１１−１９の絶縁回路基板に半導体素子を接合することで半導体装置を製造し、熱抵抗、冷熱サイクル負荷後の半導体素子の割れを評価した。半導体素子の接合は実施例１と同様の方法で行った。
【０１１９】
（空隙率）
下地層の断面を、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いて観察し、空隙率の面積を解析し、（空隙率）＝（空隙の面積）／（下地層全体の面積）×１００の式により空隙率を求めた。測定結果を表３に示す。
【０１２０】
（熱抵抗）
半導体素子としてヒータチップを用いて、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、本発明例１３を基準として１とし、この本発明例１３との比率で評価した。評価結果を表３に示す。
【０１２１】
（冷熱サイクル後の半導体素子割れ）
実施例１と同様の評価を行った。評価結果を表３に示す。
【０１２２】
【表３】
2015149349.tif 000005
【０１２３】
下地層の空隙率が１０％以上５０％以下の場合、熱抵抗が低く、かつ、冷熱サイクル負荷後の半導体素子の割れを確実に抑制できることが確認された。
【符号の説明】
【０１２４】
１、１０１、２０１、３０１  半導体装置
３、１０３、２０３、３０３  半導体素子
１０、１１０、２１０、３１０  絶縁回路基板
１２、１１２、２１２、３１２  回路層（金属部材）
３０  下地層
３１  Ａｇ粉末（下地層金属の粉末）
３２  拡散層
１１３、２１３、３１３  金属層（金属部材）
１３０ａ、２３０ａ  第１下地層（下地層）
１３０ｂ、２３０ｂ  第２下地層（下地層）
１４０、２４０  ヒートシンク付き絶縁回路基板
１４１、２４１  ヒートシンク
【図１】
2015149349.tif 000006
【図２】
2015149349.tif 000007
【図３】
2015149349.tif 000008
【図４】
2015149349.tif 000009
【図５】
2015149349.tif 000010
【図６】
2015149349.tif 000011
【図７】
2015149349.tif 000012
【図８】
2015149349.tif 000013
【図９】
2015149349.tif 000014
【図１０】
2015149349.tif 000015
【図１１】
2015149349.tif 000016
【図１２】
2015149349.tif 000017
【図１３】
2015149349.tif 000018
【図１４】
2015149349.tif 000019
【図１５】
2015149349.tif 000020
【図１６】
2015149349.tif 000021
【図１７】
2015149349.tif 000022
【図１８】
2015149349.tif 000023