(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁層の一方の面に、銅または銅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たパワーモジュール用基板において；
前記回路層の前記はんだ層が形成される側の面に、ガラスを含有するＡｇペーストの焼成体からなる導電接合層が形成され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】
前記導電接合層が、前記回路層上に形成されたガラス層と、このガラス層の上に形成されたＡｇ層とからな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】
前記導電接合層は、その厚さ方向における電気抵抗値Ｐが０．５Ω以下に設定されていることを特徴とする、請求項１、請求項２のいずれかの請求項に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項４】
前記ガラスが、酸化鉛、酸化亜鉛、酸化ケイ素、酸化ホウ素、酸化リンおよび酸化ビスマスのうちから選ばれるいずれか１種または２種以上を含有していることを特徴とする、請求項１〜請求項３のうち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】
前記絶縁層が、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４およびＡｌ２Ｏ３のうちから選ばれる１種または２種以上のセラミックスからなる絶縁基板であることを特徴とする、請求項１〜請求項４のうち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６】
請求項１〜請求項５のうち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絶縁層の他方の面側に配設された冷却器とを備えていることを特徴とする、冷却器付パワーモジュール用基板。
【請求項７】
請求項１〜請求項５のうち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、前記半導体素子が、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８】
絶縁層の一方の面に、銅または銅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において；
前記回路層の前記はんだ層が形成される側の面にガラスを含有するＡｇペーストを塗布する塗布工程と、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、を備え、
前記回路層の前記はんだ層が形成される側の面に、ガラスを含有するＡｇペーストの焼成体からなる導電接合層を形成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９】
前記焼成工程における焼成温度が、３５０℃以上６４５℃以下であることを特徴とする、請求項８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】
本発明は、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、およびそのパワーモジュール基板を備えた冷却器付パワーモジュール用基板、さらにはそれを用いたパワーモジュール、および前記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】
各種の半導体素子のうちでも、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、発熱量が多いところから、これを搭載する基板（絶縁層）としては、強度および電気絶縁性が優れるばかりでなく、耐熱性に優れかつ熱伝導性も比較的良好なセラミックス、例えばＡｌＮ（窒化アルミ）などからなるセラミックス基板を用い、その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のが通常である。なおこの種のパワーモジュール用基板としては、セラミックス基板の下面にも放熱のために熱伝導性に優れた金属板（放熱用金属板）を接合し、その金属板を介して冷却器を接合して、放熱させる構造としたものが知られている。
【０００３】
このようなパワーモジュール用基板において、セラミックス基板の一方の面において回路層を構成する金属板、および他方の面における放熱用金属板としては、アルミニウムやアルミニウム合金を使用することもあるが、一般には銅（Ｃｕ）もしくは銅合金を使用することが多い。銅板もしくは銅合金板を回路層などとしてセラミックス基板表面に積層したものは、一般に銅貼り基板と称されるが、この銅貼り基板としては、最近では、セラミックス基板の表面に銅板（銅箔）を接着剤やろう材、はんだなどを用いずに直接接合する、いわゆる直接接合法、すなわちＤＢＣ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｂｏｎｄｉｎｇ  Ｃｏｐｐｅｒ）の手法によって製造したＤＢＣ基板が多用されるようになっている。ここでＤＢＣ基板の具体的な製法は、種々提案されているが、基本的には、銅板中に含まれる微量の酸化物を利用し、セラミックス基板との接合界面にＣｕ−Ｏ共晶液相を生成させ、その共晶液相をセラミックスとの接合に利用するものである。なおＣｕ−Ｏ共晶は、非酸化物に対して濡れにくいため、セラミックスとしてＡｌＮを使用している場合には、濡れ性改善のためにＡｌＮの表面に予め酸化物層を形成しておくことなども行なわれている。
【０００４】
一方、銅もしくは銅合金からなる回路層上に半導体素子を搭載するにあたっては、前述のようにはんだ材を介して半導体素子を接合するのが一般的である。その場合のはんだ材としては、従来はＰｂ−Ｓｎ系のいわゆる鉛含有はんだを使用するのが通常であったが、最近では環境汚染などの観点から、鉛を含有しない無鉛はんだ（鉛フリーはんだ）を使用する傾向が強まっている。この無鉛はんだとしては、例えばＳｎ−Ａｇ系はんだ、Ｓｎ−Ｉｎ系はんだ、Ｓｎ−Ａｇ―Ｃｕ系はんだ、Ｓｎ−Ｃｕ系はんだ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｉｎ系はんだ、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ系はんだ、Ｓｎ−Ｚｎ−Ａｌ系はんだなどがある。このようなはんだ材を使用すれば、銅、銅合金からなる回路層に高い接合力をもって半導体素子を接合することは可能である。しかしながら、これらのはんだ材を使用して接合する場合、溶融したはんだ材によって回路層が侵食されてしまうことがある。この現象はエロージョンと称されるものであり、従来の鉛含有はんだでは比較的生じにくかったが、無鉛はんだではエロージョンの発生が見逃せない問題となっている。すなわち、無鉛はんだを用いた場合、溶融したはんだ材の成分と回路層表面の銅とが反応して金属間化合物、例えばＣｕ−Ｉｎ系金属間化合物、あるいはＳｎ−Ｃｕ系金属間化合物、Ｃｕ−Ｚｎ系金属間化合物などを生成しながら、界面付近から回路層内部にはんだ材の成分が侵入する現象が生じることがある。ここで金属間化合物は、導電率が低いため、上述のような現象（エロ−ジョン）が生じれば、回路層の電気抵抗が大きくなってしまい、また極端な場合は信号回路の断線が生じてしまったりして、電気的、機能的に問題が生じたり、さらには回路層の電気抵抗の増大により回路層からの発熱量が大きくなって、もともと大電流が流れるパワーモジュール用素子としては、発熱量が極端に大きくなって、極端に温度上昇してしまうなどの不都合を招くおそれがある。
【０００５】
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の湿式プロセスによって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することが行なわれている。
また、特許文献２には、はんだ材を用いずに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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１７２３７８号公報
【特許文献２】特開２００６−２０２９３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前述の特許文献１に記載されているように、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、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。
また、パワーモジュール用基板に冷却器をろう付けで接合する場合には、回路層表面にＮｉめっき膜を形成した後にろう付け等を行えば、Ｎｉめっき膜が劣化してしまうため、通常は、パワーモジュール用基板と冷却器とをろう付けして冷却器付パワーモジュール用基板を形成した後に、めっき浴内にその冷却器付パワーモジュール用基板全体を浸漬させることが行なわれている。この場合、回路層以外の部分にもＮｉめっき膜が形成されることになるが、冷却器がアルミニウムやアルミニウム合金で構成されていた場合には、アルミニウムからなる冷却器とＮｉめっき膜との間で電食が進行するおそれがある。そのためＮｉめっき工程においては、冷却器部分にＮｉめっき膜が形成されないように、マスキング処理を行う必要があったが、このようにマスキング処理をした上でめっき処理をする場合、回路層部分にＮｉめっき膜を形成するためだけの工程に多大な労力が必要となり、パワーモジュールの製造コストが大幅に増加してしまう、という問題がある。
【０００８】
一方、特許文献２に開示されたように、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する場合には、Ａｇナノペーストからなる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。
【０００９】
本発明は、以上のような事情を背景としてなされたものであって、はんだ材を介して銅もしくは銅合金からなる回路層上に半導体素子を接合するにあたって、回路層表面に対するはんだ材の侵食が生じることなく、回路層表面へのＮｉめっきを不要としてコストダウンを図りつつ、半導体素子を容易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、冷却器付パワーモジュール用基板、パワーモジュールおよびそ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課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、上記課題に対する解決策について、鋭意実験・研究を重ねた結果、銅もしくは銅合金からなる回路層上に、ガラスを含有するＡｇペーストの焼成体からなる導電接合層を形成し、その導電接合層を介してはんだ材を配置し、半導体素子を接合することが、前述の課題を解決するために有効であることを見出し、本発明をなすに至ったのである。
【００１１】
したがって本発明の基本的な形態（第１の形態）によるパワーモジュール用基板は、絶縁層の一方の面に、銅または銅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において、前記回路層の前記はんだ層が形成される側の面に、ガラスを含有するＡｇペーストの焼成体からなる導電接合層が形成されていることを特徴としている。
【００１２】
このような本発明の基本的な形態のパワーモジュール用基板によれば、回路層の前記はんだ層が形成される側の面に、ガラスを含有するＡｇペーストの焼成体からなる導電接合層（Ａｇ焼成層）が形成されているため、その導電接合層を介して銅または銅合金からなる回路層上にはんだ材を介して半導体素子を接合することが可能となる。すなわち、先行技術におけるＮｉめっき膜の代替として導電接合層（Ａｇ焼成層）を形成しており、この導電接合層（Ａｇ焼成層）が、はんだ下地層とされているのである。したがってパワーモジュール用基板をめっき液等に浸漬する必要がなく、マスキング処理等の面倒な作業を削減することができる。
また、半導体素子を接合するためのはんだ材が直接銅または銅合金からなる回路層に接触しないため、はんだ材として、無鉛はんだ材を使用した場合でも、はんだ材成分により回路層が侵食（エロージョン）されるおそれがなく、したがってはんだ材による侵食に起因する回路層の電気抵抗の増大、断線、あるいは発熱量の増大などを防止することができる。またこのように無鉛はんだを用いても侵食の問題が生じるおそれがないところから、回路層に銅もしくは銅合金を用いたパワーモジュール用基板として、半導体素子を接合するためのはんだ材として無鉛はんだを実際に用いることが可能となり、環境汚染防止の観点からも有利となる。
さらに、半導体素子の接合にはんだ材を用いていることから、はんだ材の厚みを厚く形成することが可能となり、熱サイクル負荷時の応力が半導体素子に作用することを抑制でき、半導体素子自体の破損を防止することができる。
【００１３】
また本発明の第２の形態によるパワーモジュール用基板は、前記第１の形態のパワーモジュール用基板において、前記導電接合層が、前記回路層上に形成されたガラス層と、このガラス層の上に形成されたＡｇ層とからなり、前記ガラス層中に導電性粒子が分散していることを特徴とするものである。
【００１４】
この第２の形態によるパワーモジュール用基板では、前記導電接合層のガラス層が、導電性粒子により導電性が付与されており、したがって前記導電接合層全体としてもその厚み方向に導電性を示すため、回路層と半導体素子との間で電気的導通を確保することができる。
【００１５】
さらに本発明の第３の形態によるパワーモジュール用基板は、前記第１もしくは第２の形態のパワーモジュール用基板において、前記導電接合層の厚さ方向における電気抵抗値Ｐが０．５Ω以下に設定されていることを特徴とするものである。
この形態では、導電接合層の厚さ方向における電気抵抗値Ｐが０．５Ω以下とされているため、導電接合層およびはんだ材を介して半導体素子と回路層との間で電気を確実に導通することが可能となり、信頼性の高いパワーモジュールを構成することができる。さらに、半導体素子と回路層との間の電気の導通を確保するためには、前記導電接合層の厚さ方向における電気抵抗値Ｐを０．２Ω以下とすることが好ましい。
なお本発明においては、導電接合層の厚さ方向における電気抵抗値Ｐは、導電接合層の上面と回路層の上面との間の電気抵抗とする。これは、回路層を構成する銅もしくは銅合金の電気抵抗が導電接合層の厚さ方向の電気抵抗に比べて格段に小さいためである。なお、この電気抵抗値Ｐの測定は、導電接合層の上面中央点と、導電接合層の上面中央点から導電接合層端部までの距離Ｈとした場合に導電接合層端部からＨだけ離れた回路層上の点との間で行うこととしている。
【００１６】
さらに本発明の第４の形態によるパワーモジュール用基板は、前記第１〜第３の形態のうちいずれか１の形態のパワーモジュール用基板において、前記ガラスが、酸化鉛、酸化亜鉛、酸化ケイ素、酸化ホウ素、酸化リン、および酸化ビスマスのうちから選ばれた１種または２種以上を含有していることを特徴とするものである。
この場合、ガラスの軟化点が比較的低くなり、低温でＡｇペーストを焼成することが可能となり、Ａｇペーストの焼成時の熱によって銅または銅合金からなる回路層が劣化することを防止できる。
【００１７】
さらに本発明の第５の形態によるパワーモジュール用基板は、前記第１〜第４の形態のうちいずれか１の形態のパワーモジュール用基板において、前記絶縁層が、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４およびＡｌ２Ｏ３うちから選ばれた１種または２種以上のセラミックスからなるセラミックス基板であることを特徴とするものである。
これらのＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４およびＡｌ２Ｏ３のうちから選択されるセラミックス基板は、絶縁性および強度に優れると同時に、耐熱性に優れ、かつ熱伝導性も比較的良好であり、これらを使用することによって、パワーモジュール用基板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上に銅または銅合金からなる金属板を直接接合法（ＤＢＣ）などによって接合することによって、容易に回路層を形成することが可能となる。
【００１８】
本発明の第６の形態は、冷却器付パワーモジュール用基板についてのものである。
この第６の形態による冷却器付パワーモジュール用基板は、前記第１〜第５の形態のうちいずれか１の形態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絶縁層の他方の面側に配設された冷却器とを備えていることを特徴としている。
ここで、前記冷却器は、絶縁層の他方の面に直接接合する必要はなく、前記回路層と同様な銅または銅合金からなる放熱用金属層（放熱用金属板）や、アルミニウムまた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）からなる緩衝層を介して、絶縁層の他方の面側に接合されていればよい。
【００１９】
本発明の第７の形態は、パワーモジュールについてのものである。この第７の形態によるパワーモジュールは、前記第１〜第５の形態のうちいずれか１の形態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。
この形態のパワーモジュールにおいては、はんだ材を介して半導体素子が接合されていることから、熱サイクル負荷時の応力がはんだ材によって緩和され、熱応力による半導体素子の破損を抑制することができる。したがって熱サイクル信頼性を大幅に向上させることができ、また先行技術のようなＮｉめっき膜を形成する必要がないため、生産コストの大幅な削減を図ることができる。
【００２０】
本発明の第８の形態は、パワーモジュール用基板の製造方法についてのものである。
この第８の形態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、銅または銅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、前記回路層の前記はんだ層が形成される側の面にガラス粉末を含有するＡｇペーストを塗布する塗布工程と、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を備え、前記回路層の前記はんだ層が形成される側の面に、ガラスを含有するＡｇペーストの焼成体からなる導電接合層を形成することを特徴としている。
【００２１】
この形態のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、銅または銅合金からなる回路層にはんだ材により半導体素子を接合する以前の段階で、回路層上に導電接合層を形成しておくため、はんだ材により半導体素子を接合する際にははんだ材が回路層に直接接することがなく、そのためはんだ材により回路層が侵食（エロージョン）されてしまうことを有効に防止できる。またそれに伴い、先行技術の場合のようなＮｉめっき膜が不要となり、その結果、パワーモジュール用基板をめっき液等に浸漬する必要がなく、マスキング処理等の面倒な作業を削減することができる。
【００２２】
さらに本発明の第９の形態のパワーモジュール用基板の製造方法は、前記第８の形態のパワーモジュール用基板の製造方法において、前記焼成工程における焼成温度を、３５０℃以上６４５℃以下としたことを特徴とするものである。
この形態の製造方法では、焼成工程における焼成温度が３５０℃以上とされているため、Ａｇペーストを焼成して導電接合層を確実に形成することができる。また焼成温度が６４５℃以下とされているため、焼成工程における銅または銅合金からなる回路層の劣化を防止することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、銅もしくは銅合金からなる回路層上に、はんだ材を介して半導体素子を接合するにあたって、はんだ材が銅もしくは銅合金からなる回路層に直接接しないため、はんだ材による回路層の侵食が生じることがなく、そのためはんだ材の侵食による回路層の電気抵抗の増大や断線、さらには発熱量の増大などの不都合が生じることを未然に防止でき、またその結果、銅に対する侵食が生じやすいとされている無鉛はんだを支障なく使用することが可能となり、無鉛はんだの使用による環境汚染防止に有利となる。しかも本発明では、回路層上に先行技術の場合のようなＮｉめっき膜を形成せず、Ａｇペーストの焼成体からなる導電接合層を形成しており、このような導電接合層を形成するに当たっては、Ｎｉめっき膜形成の場合のようにめっき液等に浸漬する必要がなく、マスキング処理等の面倒な作業を削減することができる。したがって本発明によれば、回路層の電気抵抗の増大、断線、発熱量の増大などの不都合や、大幅なコスト上昇を招くことなく、半導体素子を銅もしくは銅合金からなる回路層上に確実かつ容易に接合することが可能なパワーモジュール用基板、冷却器付パワーモジュール用基板、パワーモジュールおよ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】
【００２４】
【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】図２のパワーモジュール用基板における回路層表面の拡大説明図である。
【図４】本発明の実施形態において、導電接合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５】本発明の実施形態において、導電接合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６】Ａｇペーストの製造方法を示すフロー図である。
【図７】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】
【００２５】
以下、本発明について、図面を参照してより詳細に説明する。
図１には、本発明の基本的な実施形態である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（半導体素子）３と、冷却器４０とを備えている。
【００２６】
パワーモジュール用基板１０は、前述の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）に配設された銅（Ｃｕ）もしくは銅合金（Ｃｕ合金）からなる回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面（図１において下面）に配設された放熱用金属層１３とを備えている。
セラミックス基板１１は、回路層１２と放熱用金属層１３との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性が高く、高強度を有していて、しかも耐熱性もすぐれ、熱伝導性も比較的良好な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、セラミックス基板１１の一方の面に、導電性が優れた金属である銅もしくは銅合金からな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％以上の純銅（例えば無酸素銅）の圧延板からなる銅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。
【００２８】
放熱用金属層１３は、セラミックス基板１１の他方の面に、熱伝導性が良好な金属からな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、放熱用金属層１３は、回路層１２と同様に、純度が９９．９９％以上の純銅（例えば無酸素銅）の圧延板からなる銅板がセラミックス基板１１に接合されることによって形成されている。
ここで、セラミックス基板１１の各面に回路層１２、放熱用金属層１３を形成するために、セラミックス基板１１の各面に銅板を接合するための手段は特に限定されるものではないが、セラミックス基板１１の各面と銅板との間に有機樹脂系接着剤や、ろう材、はんだ材などを介在させることなく、銅板をセラミックス基板に直接接合する直接接合法（ＤＢＣ法）を適用して、いわゆるＤＢＣ基板とすることが望ましい。また、セラミックス基板１１の一方の面に回路層１２としての銅板を接合するための手段と、セラミックス基板１１の他方の面に放熱用金属層１３としての銅板を接合するための手段とは、必ずしも同じである必要はないが、同じ手段を適用すれば、セラミックス基板１１の一方の面に回路層１２としての銅板を接合すると同時に他方の面に放熱用金属層１３としての銅板を接合することができ、製造工程数を減らして、コストの低減をはかることができ、特にＤＢＣ法を適用する場合には、セラミックス基板１１の両面に同時に銅板を直接接合することが有利である。
【００２９】
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。この冷却器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。
【００３０】
また本実施形態においては、冷却器４０の天板部４１と放熱用金属層１３との間には、アルミニウムまた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。
【００３１】
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、後述するＡｇペーストを焼成して形成されたＡｇペースト焼成体からなる導電接合層（Ａｇ焼成層）３０が形成されており、この導電接合層３０の表面に、はんだ層２を介して半導体チップ３が接合されている。すなわちこの導電接合層（Ａｇ焼成層）３０が、はんだ下地層として機能する。
ここで、はんだ層２を形成するはんだ材としては、Ｐｂ−Ｓｎ系の鉛含有はんだを使用することも許容されるが、通常は、環境汚染防止などの観点から、鉛を含有しない無鉛はんだ、例えば、Ｓｎ−Ａｇ系はんだ、Ｓｎ−Ｉｎ系はんだ、Ｓｎ−Ａｇ―Ｃｕ系はんだ、Ｓｎ−Ｃｕ系はんだ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｉｎ系はんだ、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ系はんだ、Ｓｎ−Ｚｎ−Ａｌ系はんだなどを用いることが好ましい。これらの無鉛はんだを使用した場合、それが、ろう付け加熱時（はんだ溶融時）に直接銅板に接触すれば、既に説明したように銅板を侵食するおそれがあるが、この実施形態では、はんだ材は直接には銅板に接しないため、ろう付け加熱時に銅板が侵食されることはなく、したがって無鉛はんだを支障なく使用することができる。
なお、導電接合層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る。
【００３２】
図２および図３に、はんだ層２を介して半導体チップ３を接合する前（但しＡｇペースト焼成後）のパワーモジュール用基板１０を示す。
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および図３において上面）に、後に改めて詳細に説明するように、Ａｇ粉末と、ガラス粉末と、樹脂と、溶剤と、分散剤とを含有するＡｇペーストを焼成した焼成体からなる導電接合層３０が形成されている。このＡｇペースト焼成体からなる導電接合層３０は、Ａｇペーストを焼成した後、はんだ層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上に形成されたＡｇ層３２との上下２層の構造となっており、そのうち下層のガラス層３１内部には、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、ＡｇまたはＣｕの少なくとも一方を含有する結晶性粒子とされている。そしてこのようにガラス層３１中に導電性粒子３３が分散していることから、そのガラス層３３も導電性を示し、Ａｇペースト焼成体からなる導電接合層３０全体としてもその厚み方向に導電性を示している。なお、ガラス層３１内の導電性粒子３３は、例えば透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）によって観察、測定することができる。
【００３３】
前記導電接合層３０の厚さ方向の電気抵抗値Ｐは、０．５Ω以下に設定されている。ここで、本実施形態においては、導電接合層３０の厚さ方向における電気抵抗値Ｐは、導電接合層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を構成する無酸素銅などの純銅の電気抵抗が導電接合層３０の厚さ方向の電気抵抗に比べて格段に小さいためである。なお、この電気抵抗の測定の際には、図４および図５に示すように、導電接合層３０の上面中央点と、導電接合層３０の上面中央点から導電接合層３０端部までの距離Ｈに対して導電接合層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。
【００３４】
また、本実施形態では、回路層１２が純度９９．９９％の純銅で構成されていることから、回路層１２の表面（図３において上面）に、導電接合層３０が形成されている。すなわち、回路層１２を構成する純銅とガラス層３１とが直接接合されている。なお本実施形態においては、ガラス層３１の厚さｔｇは、０．０１μｍ≦ｔｇ≦５μｍ、Ａｇ層３２の厚さｔａは、１μｍ≦ｔａ≦１００μｍ、導電接合層３０全体の厚さｔｇ＋ｔａは、１．０１μｍ≦ｔｇ＋ｔａ≦１０５μｍの各範囲内となるように構成することが望ましい。
【００３５】
次に、導電接合層３０としてのＡｇペースト焼成体を形成するための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、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、Ａｇペースト全体の６０質量％以上９０質量％以下の範囲内が望ましく、その残部は樹脂、溶剤、分散剤とする。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、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以下に調整することが好適である。
【００３６】
Ａｇ粉末は、その粒径が０．０５μｍ以上１．０μｍ以下の球形状のものが望ましく、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、酸化リンおよ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。本実施形態では、酸化ビスマス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の範囲内に調整することが望ましく、本実施形態では、Ａ／Ｇ＝８０／５とした。
【００３７】
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。
【００３８】
次に、Ａｇペースト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、前述したＡｇ粉末とガラス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、溶剤と樹脂とを混合して有機混合物を生成する（有機物混合工程Ｓ２）。
そして、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（予備混合工程Ｓ３）。次に、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する（混錬工程Ｓ４）。得られた混錬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、前述のＡｇペーストが製出されることになる。
【００３９】
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７に示すフロー図を参照して説明する。
まず、回路層１２となる銅板および放熱用金属層１３となる銅板を準備し、これらの銅板を、セラミックス基板１１の一方の面および他方の面に積層し、ＤＢＣ法によって直接接合する。この直接接合のプロセス、条件は特に限定されるものではないが、セラミックス基板１１に表面に予め大気中での焼成熱処理などの手法によって酸化物層を形成しておき、セラミックス基板の両面に銅板を積層して、窒素などの不活性雰囲気中において１０５０℃〜１０８０℃程度の高温で加熱し、その後冷却することによって、各銅板とセラミックス基板１１とを直接接合することができる。具体的には、具体的には、本実施形態では、ＡｌＮからなるセラミックス基板の両面に銅板を接合するにあたってのＤＢＣ法による接合条件としては、Ｎ２ガス雰囲気、１０６０℃の条件を適用した（回路層接合工程Ｓ１１）。
【００４０】
次に、放熱用金属層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）。なお、冷却器４０のろう付けの温度は、５９０℃〜６１０℃の範囲内が好ましい。
【００４１】
そして、回路層１２の表面に、前述のＡｇペーストを塗布する（Ａｇペースト塗布工程Ｓ１３）。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。
【００４２】
回路層１２表面に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（焼成工程Ｓ１４）。なお、このときの焼成温度は、３５０℃〜６４５℃に設定することが好ましい。
この焼成工程Ｓ１４により、ガラス層３１とＡｇ層３２とを有する導電接合層３０が形成される。このとき、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またはＣｕ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。
【００４３】
こうして、回路層１２の表面に導電接合層３０が形成されたパワーモジュール用基板１０および冷却器付パワーモジュール用基板が製出される。
【００４４】
そして、導電接合層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Ｓ１５）。このとき、はんだ材によって形成されるはんだ層２には、導電接合層３０のＡｇ層３２の一部または全部が溶融することになる。
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。
【００４５】
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およびパワーモジュール１においては、純度９９．９９％以上の銅板をセラミックス基板１１に直接接合して形成された回路層１２の表面に、ガラスを含有するＡｇペーストの焼成体からなる導電接合層３０が形成されているため、この導電接合層３０上にはんだ層２を形成して半導体チップ３を確実かつ容易に接合することができる。したがって先行技術に示されるようにＮｉめっき膜を形成する必要がなく、比較的簡単に、かつ、確実に回路層１２上に半導体チップ３を接合することが可能となるのである。したがって先行技術のごとく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。
【００４６】
ここで、導電接合層３０が、図３に示すように、ガラス層３１と、このガラス層３１の上に形成されたＡｇ層３２とからなり、そのうちガラス層３１内部には、粒径が数ナノメートル程度とされた微細な導電性粒子３３が分散されているので、ガラス層３１においても導電性を確保することができる。具体的には、本実施形態では、ガラス層３１を含めた導電接合層３０の厚さ方向の電気抵抗値Ｐが０．５Ω以下に設定されているのである。
したがって、導電接合層３０およびはんだ層２を介して半導体チップ３と回路層１２との間で電気を確実に導通することが可能となり、信頼性の高いパワーモジュール１を構成することができる。
【００４７】
また、導電接合層３０を構成するＡｇペーストが、Ａｇ粉末と、酸化鉛と酸化亜鉛と酸化ホウ素とからなるガラス粉末とを含有しており、ガラス粉末の軟化温度が６００℃以下に設定されているから、比較的低温でＡｇペーストを焼成することが可能となる。具体的には、焼成温度を３５０℃以上６４５℃以下に設定することができる。したがってＡｇペーストの焼成に伴う回路層１２の劣化や回路層１２とセラミックス基板１１との接合強度の低下等のトラブルを未然に防止することができ、高品質のパワーモジュール用基板１０およびパワーモジュール１を製出することが可能となる。
【００４８】
さらに、Ａｇペーストの粘度が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ので、回路層１２表面にＡｇペーストを塗布するＡｇペースト塗布工程Ｓ１３において、スクリーン印刷法等を適用することが可能なり、導電接合層３０を半導体チップ３が配設される部分のみに選択的に形成することができる。そのためＡｇペーストの使用量を削減することが可能となって、パワーモジュール用基板１０およびパワーモジュール１の製造コストを大幅に削減することができる。
【００４９】
また、本実施形態においては、絶縁層として絶縁性および強度に優れ、かつ耐熱性に優れるとともに熱伝導性も比較的良好なＡｌＮ（窒化アルミ）からなるセラミックス基板１１を用いているから、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上に銅板をＤＢＣ法により直接接合することによって、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、放熱用金属層１３および緩衝層１５を介して冷却器４０が配設されているから、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。
【００５０】
以下、本発明の効果を確認すべく行った確認実験の結果を本発明の実施例として、比較例とともに示す。なお以下の実施例は、本発明の効果を説明するためのものであって、実施例に記載された構成、プロセス、条件が本発明の技術的範囲を限定するものでないことはもちろんである。
【実施例１】
【００５１】
本発明例１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％以上の銅板からなる回路層上にＡｇペースト焼成体からなる導電接合層を形成したものを本発明例１とした。なお、このときのガラス粉末として、Ｂｉ２Ｏ３を90.6質量％、ＺｎＯを2.6質量％、Ｂ２Ｏ３を6.8質量％、を含む無鉛ガラス粉末を用いた。また、樹脂としてエチルセルロースを、溶剤としてジエチレンクリコールジブチルエーテルを用いた。さらに、ジカルボン酸系の分散剤を添加した。また、ＡｌＮからなるセラミックス基板に回路層としての銅板を接合するにあたっては、前述の条件のＤＢＣ法を適用した。
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、Ａｇペースト焼成体からなる導電接合層の代わりに、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。
【００５２】
これら本発明例１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（Ａｇペースト焼成体からなる導電接合層または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Ｓｎ−３．０ｗｔ％Ａｇ−０．５ｗｔ％Ｃｕ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。結果を表１に示す。
【００５３】
【表１】
0005707886.tif 000002
【００５４】
Ｎｉめっき膜を形成した従来例においては、広がり率Ｓが６７〜７０％とされている。
これに対して、Ａｇペースト焼成体からなる導電接合層を形成した本発明例１においては、広がり率Ｓが６９〜７３％とされており、従来例と同等以上のはんだ濡れ性を有していることが確認された。
またＡｇペースト焼成体からなる導電接合層自体の銅板からなる回路層に対する接合性も、本発明例１の場合は良好であることが確認された。
したがって、銅板からなる回路層上にＡｇペースト焼成体からなる導電接合層を設けた本発明例１においても、Ｎｉめっき膜を形成した従来例と同様に、はんだ層を介して半導体チップを確実に接合して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】
【００５５】
次に、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、Ａｇペースト焼成体からなる導電接合層の厚さ方向の電気抵抗値Ｐを測定した結果を説明する。
Ａｇペースト焼成体からなる導電接合層のＡｇ層厚さｔａ、ガラス層厚さｔｇを変更するとともに、Ａｇ粉末の重量Ａとガラス粉末の重量Ｇとの重量比Ａ／Ｇを変更し、本発明例２−１１を製出した。なお、このときの実施例２−６のガラス粉末としては、ＰｂＯ：７７．６質量%、ＺｎＯ：５．７質量%、ＳｉＯ２：１６．７質量%を含む鉛ガラス粉末を用いた。また、実施例７−１１のガラス粉末としては、Ｂｉ２Ｏ３：９０．６質量％、ＺｎＯ：２．６質量％、Ｂ２Ｏ３：６．８質量％を含む無鉛ガラス粉末を用いた。またいずれの実施例１−１１においても、樹脂としてはエチルセルロースを、溶剤としてはジエチレンクリコールジブチルエーテルを用い、さらに、ジカルボン酸系の分散剤を添加した。そして、導電接合層を上面視して一辺の長さが１５ｍｍの正方形状に成形した。
このようにして得られた本発明例２−１１の試料について、図４および図５に記載された方法により、テスタ（ＫＥＩＴＨＬＥＹ社製：２０１０ＭＵＬＴＩＭＥＴＥＲ）を用いて、Ａｇペースト焼成体からなる導電接合層の厚さ方向の電気抵抗値Ｐを測定した。測定結果を表２に示す。
【００５６】
【表２】
0005707886.tif 000003
【００５７】
本発明例２−１１のいずれにおいても、Ａｇペースト焼成体からなる導電接合層の厚さ方向の電気抵抗値Ｐが０．５Ω以下とされていることが確認された。また、ガラス粉末の比率を小さく、かつ、ガラス層の厚さｔｇを薄く形成することにより、Ａｇペースト焼成体からなる導電接合層の厚さ方向の電気抵抗値Ｐが小さくなることが確認された。
【００５８】
以上、本発明の実施形態および実施例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、回路層および放熱用金属層を構成する金属板として、純度９９．９９％以上の純銅からなる圧延板を用いることとして説明したが、これに限定されることはなく、純度がそれに満たない銅、あるいはＣｒやＢｅなどの合金元素を添加した銅合金アルミニウムまたはアルミニウム合金を用いることも許容される。
さらに、場合によっては、回路層の金属板に銅もしくは銅合金を用いる一方、放熱用金属層を構成する金属板としては、アルミニウムもしくはアルミニウム合金を用いることも許容される。
【００５９】
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。
例えば、ガラス粉末は、酸化鉛、酸化亜鉛、酸化ケイ素、酸化ホウ素、酸化リン、および酸化ビスマスのいずれか１種または２種以上を主成分として含有していれば、その他にアルカリ金属や遷移金属等を有していてもよいが、本発明の場合、そのガラス転移温度が３００℃以上、４５０℃以下であって、軟化温度が銅の融点以下、好ましくは６００℃以下であり、しかも結晶化温度が４５０℃以上のガラスを用いることが望ましい。
なお、環境汚染防止の観点からは、Ａｇペーストの原料に配合されるガラス粉末として、鉛を含有しないガラス、すなわち無鉛ガラスを用いることが望ましい。
【００６０】
また、Ａｇペーストに配合される樹脂は特に限定されないが、通常はアクリル樹脂、アルキッド樹脂等を用いればよい。さらに、Ａｇペーストに配合される溶剤としては、α―テルピネオール、ブチルカルビトールアセテート等を用いることができる。
【００６１】
また、形成されるＡｇペースト焼成体からなる導電接合層におけるガラス層とＡｇ層の厚さ比は、図３に例示したものに限定されることはない。
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（窒化ケイ素）Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）等からなるセラミックス基板を用いても良く、そのほか場合によっては絶縁樹脂によって絶縁層を構成することもできる。
【００６２】
また、回路層となる銅板をＤＢＣ法によりセラミックス基板に接合するとともに、冷却器をろう付けした後に、回路層上にＡｇペースト焼成体からなる導電接合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、銅板をセラミックス基板に接合する前や、冷却器をろう付けする前に、導電接合層を形成してもよい。
【００６３】
また、冷却器の天板部と放熱用金属層との間に、アルミニウムまたはアルミニウム合金、も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、この緩衝層を省くことも可能である。
さらに、冷却器の天板部をアルミニウムで構成するものとして説明したが、アルミニウム合金、またはアルミニウムを含む複合材、さらには銅、銅合金等で構成されていてもよい。また冷却器の構造については、放熱フィンおよび冷却媒体の流路を有するものとして説明したが、冷却器の構造が特に限定されないことはもちろんである。
【符号の説明】
【００６４】
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  導電接合層
３１  ガラス層
３２  Ａｇ層
３３  導電性粒子
４０  冷却器
【図１】
0005707886.tif 000004
【図２】
0005707886.tif 000005
【図３】
0005707886.tif 000006
【図４】
0005707886.tif 000007
【図５】
0005707886.tif 000008
【図６】
0005707886.tif 000009
【図７】
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