(57)【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回路層と、該回路層に形成されたＡｇ下地層とを備えたＡｇ下地層付パワーモジュール用基板であって、
前記Ａｇ下地層は、前記回路層側に形成されたガラス層と、このガラス層に積層形成されたＡｇ層とからなり、
前記ガラス層は、ガラス成分としてＢｉ２Ｏ３−ＺｎＯ−Ｂ２Ｏ３系ガラスを含み、
前記Ａｇ下地層のうち前記ガラス層とは反対側の面は、ブラスト処理が行われた面であり、
前記Ａｇ下地層は、前記Ａｇ層の前記ガラス層とは反対側の面から入射光を入射させ、ラマン分光法によって得られたラマンスペクトルにおいて、３０００ｃｍ−１から４０００ｃｍ−１の波数範囲における強度の最高値をＩＡとし、４５０ｃｍ−１から５５０ｃｍ−１の波数範囲における強度の最高値をＩＢとした時、ＩＡ／ＩＢが１．１以上であることを特徴とするＡｇ下地層付パワーモジュール用基板。
【請求項２】
前記Ａｇ下地層は、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に記載のＡｇ下地層付パワーモジュール用基板。
【請求項３】
前記Ａｇ下地層は、ガラス含有Ａｇペーストの焼成体であることを特徴とする請求項１または２記載のＡｇ下地層付パワーモジュール用基板。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項記載のＡｇ下地層付パワーモジュール用基板と、半導体素子と、を備え、
前記半導体素子は、前記Ａｇ下地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。
【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Ａｇ下地層付パワーモジュール用基板、およびこれを用いたパワーモジュール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、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、はんだ材による半導体素子との接合を良好に行うことが困難であった。
また、銅又は銅合金からなる回路層においては、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、回路層の特性が劣化するおそれがあった。
このため、従来は、特許文献１に示すように、回路層の表面にＮｉめっき膜を形成した上で、はんだ材によって半導体素子を実施していた。
【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、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。
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。
【０００６】
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、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、はんだ材を介して半導体素子を接合している。
【０００７】
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】
【０００９】
ところで、回路層とＡｇ下地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下地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下地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下地層の電気抵抗値が高いと、Ａｇ下地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。
【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、回路層上にガラス層とＡｇ層とを有するＡｇ下地層を形成した場合であっても、Ａｇ下地層における電気抵抗値を十分に低減したＡｇ下地層付パワーモジュール用基板、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】
【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Ａｇ下地層付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回路層と、該回路層に形成されたＡｇ下地層とを備えたＡｇ下地層付パワーモジュール用基板であって、前記Ａｇ下地層は、前記回路層側に形成されたガラス層と、このガラス層に積層形成されたＡｇ層とからなり、前記ガラス層は、ガラス成分としてＢｉ２Ｏ３−ＺｎＯ−Ｂ２Ｏ３系ガラスを含み、前記Ａｇ下地層のうち前記ガラス層とは反対側の面は、ブラスト処理が行われた面であり、前記Ａｇ下地層は、前記Ａｇ層の前記ガラス層とは反対側の面から入射光を入射させ、ラマン分光法によって得られたラマンスペクトルにおいて、３０００ｃｍ−１から４０００ｃｍ−１の波数範囲における強度の最高値をＩＡとし、４５０ｃｍ−１から５５０ｃｍ−１の波数範囲における強度の最高値をＩＢとした時、ＩＡ／ＩＢが１．１以上であることを特徴とする。
【００１２】
Ａｇ下地層としてラマン分光法によるラマンスペクトルの特性が上述した範囲のものは、Ａｇ下地層におけるガラス成分に含まれるＡｇイオンの移動度が高められたものであり、ガラス層を有していてもＡｇ下地層における電気抵抗値を大幅に低減することが可能となる。よって、Ａｇ下地層の導電性を高めたＡｇ下地層付パワーモジュール用基板を提供することが可能になる。
【００１３】
前記Ａｇ下地層は、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。
この場合、Ａｇ下地層の厚さ方向における電気抵抗値が１０ｍΩ以下であることから、このＡｇ下地層における導電性が確保され、Ａｇ下地層上に半導体素子を搭載することにより、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。
【００１４】
前記Ａｇ下地層は、ガラス含有Ａｇペーストの焼成体であることを特徴とする。
これにより、ガラス層と、このガラス層に積層形成されたＡｇ層とから構成することができ、Ａｇ層によってガラス層の導電性を高めることができる。
【００１６】
本発明のパワーモジュールは、前記各項記載のＡｇ下地層付パワーモジュール用基板と、半導体素子と、を備え、前記半導体素子は、前記Ａｇ下地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。
【００１７】
この構成のパワーモジュールによれば、Ａｇ下地層にガラス層を有していてもＡｇ下地層における電気抵抗値を大幅に低減することができる。よって、接合信頼性に優れ、かつ、確実に回路層と半導体素子とが電気的に接合されたパワーモジュールを提供することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、回路層上にガラス層とＡｇ層とを有するＡｇ下地層を形成した場合であっても、Ａｇ下地層における電気抵抗値を十分に低減することが可能なＡｇ下地層付パワーモジュール、パワーモジュールを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態であるパワーモジュールの概略説明図である。
【図２】本発明の実施形態であるＡｇ下地層付パワーモジュール用基板の概略説明図である。
【図３】Ａｇ下地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】Ａｇ下地層付パワーモジュール用基板の製造方法の一例を示すフロー図である。
【図５】Ａｇ下地層付パワーモジュール用基板の製造方法の一例を示す概略説明図である。
【図６】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７】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。
【図８】実施例において導電性向上処理の一例であるブラスト処理したＡｇ下地層の上面を観察した写真である。
【図９】Ａｇ下地層のラマン分光によるラマンスペクトルを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。
図１に、本発明の実施形態であるパワーモジュール１を示す。このパワーモジュール１は、Ａｇ下地層付パワーモジュール用基板１０と、このＡｇ下地層付パワーモジュール用基板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、Ａｇ下地層付パワーモジュール用基板１０の他方の面（図１において下側）に配置されたヒートシンク４１と、を備えている。半導体素子３としては、ＩＧＢＴ等のパワー半導体素子やＬＥＤ等の発光素子を用いることができる。
【００２１】
Ａｇ下地層付パワーモジュール用基板１０は、図２に示すように、絶縁層を構成するセラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の一方の面（図２において上面）に配設された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面（図２において下面）に配設された金属層１３と、回路層１２の一方の面に形成されたＡｇ下地層３０と、を備えている。
【００２２】
セラミックス基板１１は、回路層１２と金属層１３との間の電気的接続を防止するものであって、例えば、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミニウム）、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（窒化アルミニウム）で構成されている。また、セラミックス基板１１の厚さは、０．２〜１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６３５ｍｍに設定されている。
【００２３】
回路層１２は、図５に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に、導電性を有する金属板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は、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。なお、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とされている。ここで、回路層１２（金属板２２）の厚さは０．２ｍｍ以上３．０ｍｍ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。
【００２４】
金属層１３は、図５に示すように、セラミックス基板１１の他方の面に、金属板２３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、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。ここで、金属層１３（金属板２３）の厚さは０．２ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では１．６ｍｍに設定されている。
【００２５】
Ａｇ下地層３０は、例えば、ガラス成分を含むガラス含有Ａｇペーストの焼成体とされている。このＡｇ下地層３０は、半導体素子３を接合する前の状態において、図２及び図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、を備えている。
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。なお、ガラス層３１内の導電性粒子３３は、例えば透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いることで観察されるものである。
また、Ａｇ層３２の内部には、粒径が数ナノメートル程度の微細なガラス粒子（図示略）が分散されている。
なお、ガラス層３１及びＡｇ層３２は、ガラス含有Ａｇペーストが焼結する際、軟化し流動性を持ったガラスが、Ａｇの粒成長により回路層１２との界面近傍に移動させられることにより形成すると考えられている。
【００２６】
また、本実施形態では、回路層１２が純度９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウムで構成されていることから、回路層１２の表面には、大気中で自然発生したアルミニウム酸化被膜１２Ａが形成されている。ここで、前述のＡｇ下地層３０が形成された部分においては、このアルミニウム酸化被膜１２Ａが除去されており、回路層１２上に直接Ａｇ下地層３０が形成されている。つまり、図３に示すように、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のである。アルミニウム酸化被膜１２Ａは、ガラス含有Ａｇペースト中のガラスと反応することで除去される。酸化皮膜は、ガラス中にアルミ酸化物として溶解する。一部は、Bi2O3やZnO等のガラスの成分とともに複合酸化物結晶として析出するものもある。
【００２７】
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被膜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、後述するブラスト処理前のＡｇ層３２の厚さｔａが１μｍ≦ｔａ≦１００μｍ、Ａｇ下地層３０全体の厚さｔ１が１．０１μｍ≦ｔ１≦１０５μｍとなるように構成されている。
【００２８】
このような構成のＡｇ下地層３０は、ラマン分光測定装置を用いて、Ａｇ層３２のガラス層３１とは反対側の面３０Ａから入射光（光源光）を入射させ、ラマン分光法によって得られたラマンスペクトルにおいて、３０００ｃｍ−１から４０００ｃｍ−１の波数範囲における強度の最高値をＩＡとし、４５０ｃｍ−１から５５０ｃｍ−１の波数範囲における強度の最高値をＩＢとした時、ＩＡ／ＩＢが１．１以上である。
【００２９】
Ａｇ下地層３０に、例えば単波長の入射光を入射させると、Ａｇ下地層３０を構成する分子に衝突し、その一部は散乱される。この散乱光の成分は、その大部分が入射光と同じ波数のレイリー散乱光であるが、一部が入射光と異なった波数域の光であるラマン散乱光であり、入射光とラマン散乱光とのエネルギーギャップはＡｇ下地層３０の分子構造を反映している。
【００３０】
Ａｇ下地層３０を構成するＡｇ単体は、ラマン分光によって特定の波数ピークを発現しないため、Ａｇ下地層３０のラマン分光によって生じた特定の波数ピークは、Ａｇ下地層３０に含まれる酸化物によって生じていると考えられる。Ａｇ下地層３０に含まれるＡｇの量に応じて、ラマンスペクトルが変化している。例えば、波数３５００ｃｍ−１を中心とした波数３０００ｃｍ−１〜４０００ｃｍ−１の範囲において、ラマンスペクトルが変化し、波数ピークが生じている。こうした波数域での波数ピークは、Ａｇがイオン化してＡｇ＋になり、キャリアとしてのイオンの移動度に関連しており、Ａｇ下地層３０の導電性が高められていることを示している。
【００３１】
一例として、ガラス成分を５ｗｔ％含むＡｇ下地層３０を用いて、Ａｇ層３２の面３０Ａから入射光を入射させて、ラマン分光法によって得られたラマンスペクトルの測定例を図９に示す。この図９に示す測定結果の一例によれば、波数３５００ｃｍ−１を中心にしたピークが観察される。即ち、３０００ｃｍ−１から４０００ｃｍ−１の波数範囲における強度の最高値をＩＡとし、４５０ｃｍ−１から５５０ｃｍ−１の波数範囲における強度の最高値をＩＢとした時、ＩＡ／ＩＢが１．１以上であれば、Ａｇ下地層３０を構成するＡｇがイオン化してＡｇ＋になり、Ａｇ下地層３０の導電性が高いことが示されている。なお、図９中の（Ａ）のスペクトルは、ＩＡ／ＩＢが１．１以上の例を示しており、（Ｂ）のスペクトルはＩＡ／ＩＢが１．１未満の例を示している。
【００３２】
本実施形態においては、Ａｇ下地層３０の面（図３において上面）３０Ａは、導電性向上処理面とされている。即ち、Ａｇ層３２のガラス層３１とは反対側の面に、導電性向上処理を行うことによって、Ａｇのイオン化を促進させてＡｇ＋にして、Ａｇ下地層３０の導電性を向上させている。こうした導電性向上処理を行うことによって、上述したラマン分光法によって得られたラマンスペクトルのＩＡ／ＩＢを１．１以上にすることができる。
【００３３】
導電性向上処理の具体例の１つとして、ブラスト処理が挙げられる。即ち、本実施形態では、導電性向上処理面は、ブラスト面３０Ａである。このブラスト面３０Ａにおいては、Ａｇ層３２に対してブラスト砥粒を衝突させることで形成されており、ブラスト砥粒に応じた形状の凹凸を備えている。
【００３４】
ブラスト面３０Ａにおける表面粗さＲａは０．３５μｍ以上１．５０μｍ以下とすると良い。表面粗さＲａが０．３５μｍ未満だとブラスト処理が不十分となり電気抵抗が低下しない虞がある。表面粗さＲａが１．５０μｍを超えると、ブラスト面３０Ａが粗くなりすぎ、はんだ等によって半導体素子を接合する際に、ボイドが発生し、熱抵抗が上昇する虞がある。
【００３５】
このブラスト面３０Ａを形成するブラスト処理により、Ａｇ層３２には圧力が負荷されており、Ａｇ層３２内部の気孔が潰されている。また、Ａｇ層３２の一部が回路層１２と直接接触する箇所が形成される。
【００３６】
Ａｇ層３２のガラス層３１とは反対側の面に、導電性向上処理の一例として、ブラスト処理を行うと、例えば、Ａｇ下地層３０のガラス成分としてＢｉ２Ｏ３−ＺｎＯ−Ｂ２Ｏ３系ガラスを用いた場合に、Ｂ−Ｏ−Ｂの架橋構造が非架橋構造Ｂ−Ｏ−に変化し、また、ＡｇがＡｇ＋に変化する。こうしたブラスト処理などの導電性向上処理によって、Ａｇ下地層３０の厚さ方向の電気抵抗値Ｐは、例えば１０ｍΩ以下にすることができる。
【００３７】
ここで、本実施形態においては、Ａｇ下地層３０の厚さ方向における電気抵抗値はＡｇ下地層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下地層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。なお、この電気抵抗の測定の際には、図６及び図７に示すように、Ａｇ下地層３０の上面中央点と、Ａｇ下地層３０の前記上面中央点からＡｇ下地層３０端部までの距離と同距離分だけＡｇ下地層３０端部から離れた回路層１２上の点と、の間の電気抵抗を測定することとしている。
【００３８】
そして、本実施形態であるパワーモジュール１においては、半導体素子３とＡｇ下地層３０との間に接合層２が設けられている。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。
【００３９】
ヒートシンク４１は、前述のＡｇ下地層付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、冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路４２を備えている。本実施形態では、ヒートシンク４１は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる多穴管とされている。本実施形態では、金属層１３とヒートシンク４１とは、例えばＡｌ−Ｓｉ等のろう材を介して接合されている。
【００４０】
次に、Ａｇ下地層３０の形成に用いることができるガラス含有Ａｇペーストについて説明する。
このガラス含有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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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、ジエチレング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。
【００４４】
このガラス含有Ａｇペーストは、Ａｇ粉末とガラス粉末とを混合した混合粉末と、溶剤と樹脂とを混合した有機混合物とを、分散剤とともにミキサーによって予備混合し、得られた予備混合物をロールミル機によって練り込みながら混合した後、得られた混錬物をペーストろ過機によってろ過することによって製出される。
【００４５】
次に、本発明のＡｇ下地層付パワーモジュール用基板１０の製造方法の一例について、図４及び図５を参照して説明する。
まず、回路層１２となる金属板２２及び金属層１３となる金属板２３を準備し、これらの金属板２２、２３を、セラミックス基板１１の一方の面及び他方の面にそれぞれろう材２６を介して積層し、加圧・加熱後冷却することによって、金属板２２、２３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Ｓ０１）。
なお、この回路層及び金属層形成工程Ｓ０１においては、ろう材２６として、Ａｌ−７．５ｍａｓｓ％Ｓｉろう材箔を用いて、ろう付け温度を６４０℃〜６５０℃に設定した。
【００４６】
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、まず、回路層１２の一方の面に、ガラス含有Ａｇペーストを塗布する（塗布工程Ｓ２１）。なお、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。
【００４７】
回路層１２の一方の面にガラス含有Ａｇペーストを塗布した状態で、加熱炉内に装入してガラス含有Ａｇペーストの焼成を行う（焼成工程Ｓ２２）。なお、このときの焼成温度は、例えば、３５０℃〜６４５℃に設定されている。
この焼成工程Ｓ２２により、ガラス層３１とＡｇ層３２とを備えたＡｇ下地層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被膜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。
【００４８】
次に、Ａｇ下地層３０（Ａｇ層３２）のうち回路層１２とは反対側の面に対して、導電性向上処理、例えばブラスト処理を行い、ブラスト面３０Ａとする（ブラスト処理工程Ｓ２３）。
このブラスト処理工程Ｓ２３においては、ブラスト粒として新モース硬度２〜７のシリカ等のガラス粒子、セラミック粒子、金属粒子、あるいは樹脂製ビーズ等を用いることができる。本実施形態では、ガラス粒子を用いている。また、ブラスト粒の粒径は、２０μｍ以上１５０μｍ以下の範囲内とされている。
また、ブラスト圧力は、０．０５ＭＰａ以上０．８ＭＰａ以下の範囲内、加工時間を１秒以上１０秒以下の範囲内としている。
【００４９】
このようにして、Ａｇ下地層３０にブラスト処理（導電性向上処理）を行えば、ラマン分光測定装置を用いて、Ａｇ層３２のガラス層３１とは反対側の面３０Ａから入射光（光源光）を入射させ、ラマン分光法によって得られたラマンスペクトルの３０００ｃｍ−１から４０００ｃｍ−１の波数範囲における強度の最高値をＩＡとし、４５０ｃｍ−１から５５０ｃｍ−１の波数範囲における強度の最高値をＩＢとした時、ＩＡ／ＩＢが１．１以上といった、Ａｇがイオン化されて導電性が向上したＡｇ下地層３０が形成される。
【００５０】
以上のようにして、本実施形態であるＡｇ下地層付パワーモジュール用基板１０が製造される。
【００５１】
次に、金属層１３の他方の面側に、ろう材を介してヒートシンク４１を積層し、加圧・加熱後冷却することによって、ヒートシンク４１と金属層１３とを接合する（ヒートシンク接合工程Ｓ０３）。
なお、このヒートシンク接合工程Ｓ０３においては、ろう材として、Ａｌ−１０ｍａｓｓ％Ｓｉろう材箔を用いて、ろう付け温度を５９０℃〜６１０℃に設定した。
【００５２】
そして、Ａｇ下地層３０のブラスト面３０Ａに、はんだ材を介してＩＧＢＴ等のパワー半導体素子やＬＥＤ等の発光素子などの半導体素子３を載置し、還元炉内においてはんだ接合する（半導体素子接合工程Ｓ０４）。
このとき、はんだ材によって形成される接合層２には、Ａｇ下地層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を介して半導体素子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。
【００５３】
以上のような構成とされた本実施形態に係るパワーモジュール１及びＡｇ下地層付パワーモジュール用基板１０によれば、回路層１２の一方の面にガラス層３１とこのガラス層３１に積層形成されたＡｇ層３２とからなるＡｇ下地層３０が形成されており、このＡｇ下地層３０のうち回路層１２とは反対側の面に導電性向上処理、例えばブラスト処理を行ってブラスト面３０Ａを形成したので、Ａｇのイオン化を促進させてＡｇ＋になり、Ａｇ下地層３０の導電性が向上する。導電性向上処理が施されたＡｇ下地層３０は、Ａｇ層３２のガラス層３１とは反対側の面３０Ａから入射光（光源光）を入射させ、ラマン分光法によって得られたラマンスペクトルの３０００ｃｍ−１から４０００ｃｍ−１の波数範囲における強度の最高値をＩＡとし、４５０ｃｍ−１から５５０ｃｍ−１の波数範囲における強度の最高値をＩＢとした時、ＩＡ／ＩＢが１．１以上となるといった特性を示す。
【００５４】
また、このブラスト面３０Ａを形成するブラスト処理工程Ｓ０３において、Ａｇ層３２に圧力を付与することができ、Ａｇ層３２内部の気孔が潰され、さらに、Ａｇ層３２の一部に回路層１２と直接接触する部分が形成されることになり、Ａｇ下地層３０における電気抵抗値を大幅に低減することが可能となる。
【００５５】
ここで、本実施形態では、ブラスト処理工程Ｓ０３において、新モース硬度が２以上７以下の範囲とされたガラス粒子をブラスト砥粒として用いているので、ブラスト処理によってＡｇ層３２が除去されることなく、Ａｇ層３２に確実に圧力を与えることができ、Ａｇ下地層３０における電気抵抗値を大幅に低下させることが可能となる。
【００５６】
また、Ａｇ下地層３０の厚さ方向における電気抵抗値が１０ｍΩ以下とされていることから、このＡｇ下地層３０における導電性が確保され、Ａｇ下地層３０に接合層２を介して半導体素子３を接合することにより、通電損失の少ないパワーモジュール１を得ることができる。
【００５７】
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、本実施形態では、Ａｇ層３２のガラス層３１とは反対側の面３０Ａに導電性向上処理としてブラスト処理を行っているが、ブラスト処理以外にも、Ａｇ下地層３０のＡｇのイオン化を促進させて導電性を向上させる処理であればよく、特定の処理方法に限定されるものでは無い。
【００５８】
また、本実施形態では、回路層及び金属層を構成する金属板を純度９９．９９ｍａｓｓ％の純アルミニウム（４Ｎアルミニウム）の圧延板としたものとして説明したが、これに限定されることはなく、他のアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されていてもよい。また、回路層及び金属層を構成する金属板を、銅または銅合金で構成されたものとしてもよい。さらには、銅板とアルミニウム板とを固相拡散接合した構造のものとしてもよい。
【００５９】
また、アルミニウム板とセラミックス基板とをろう付けにて接合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、過渡液相接合法（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｐｈａｓｅ  Ｂｏｎｄｉｎｇ）、鋳造法等を適用してもよい。
さらに、回路層及び金属層を構成する金属板を銅又は銅合金で構成した場合には、銅又は銅合金からなる金属板をセラミックス基板に接合する際に、直接接合法（ＤＢＣ法）、活性金属ろう付け法、鋳造法等を適用することができる。
【００６０】
また、絶縁層としてＡｌＮからなるセラミックス基板を用いたものとして説明したが、これに限定されることはなく、Ｓｉ３Ｎ４やＡｌ２Ｏ３等からなるセラミックス基板を用いてもよいし、絶縁樹脂によって絶縁層を構成してもよい。
【００６１】
さらに、本実施形態では、Ａｇ下地層の上にはんだ材を介して半導体素子を接合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、酸化銀ペースト、銀粒子を含むペースト、Ａｇ粉末を含む導電性接着剤等を用いてＡｇ下地層の上に半導体素子を接合してもよい。この場合、Ａｇ同士の接合となることから、半導体素子とＡｇ下地層との接合信頼性を向上させることができる。
【００６２】
なお、酸化銀ペーストとしては、酸化銀粉末と、還元剤と、樹脂と、溶剤と、有機金属化合物粉末と、を含有するものを用いることができる。酸化銀粉末の含有量が酸化銀ペースト全体の６０質量％以上８０質量％以下とされ、還元剤の含有量が酸化銀ペースト全体の５質量％以上１５質量％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０質量％以上１０質量％以下とされており、残部が溶剤とされていることが好ましい。ここで、酸化銀ペーストにおいては、焼結後に未反応の有機物が残存することを抑制するために、分散剤や樹脂を添加しないことが好ましい。
【００６３】
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。
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】
【００６４】
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。
【００６５】
セラミックス基板の一方の面に金属板を接合して回路層を形成した。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。回路層となる金属板は、表１に示す材質ものものとし、サイズは２５ｍｍ×１５ｍｍ×０．３ｍｍとした。
なお、金属板がアルミニウム板の場合には、接合材としてＡｌ−Ｓｉ系ろう材を用いた。また、金属板が銅板の場合には、接合材として活性金属ろう材（Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉろう材）を用いた。
【００６６】
回路層の表面に、実施形態で説明したガラス含有Ａｇ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、ガラス含有Ａｇペースト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グ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。
ここで、ガラス含有ＡｇペーストにおけるＡｇ粉末の重量Ａとガラス粉末の重量Ｇとの重量比Ａ／Ｇ、及び、塗布量を調整し、表１に示すようにガラス層とＡｇ層の厚さを調整した。
【００６７】
そして、焼成したＡｇ下地層に対して、導電性向上処理として、表１に示す条件でブラスト処理を実施し、ブラスト面を形成した。形成されたブラスト面の観察結果を図８に示す。ここで、図８（ａ）はブラスト処理前のＡｇ下地層、図８（ｂ）は本発明例７の条件でブラスト処理したＡｇ下地層、図８（ｃ）は本発明例１の条件でブラスト処理したＡｇ下地層である。
なお、比較例１−３においては、ブラスト処理を実施しなかった。
【００６８】
得られた本発明例１−１２及び比較例１−３のＡｇ下地層付パワーモジュール用基板について、図６及び図７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。
【００６９】
また、ブラスト処理後のＡｇ下地層表面（ブラスト面）の表面粗さＲａを測定した。測定はレーザー顕微鏡ＶＫ−Ｘ２００（KEYENCE社製及び装置付属ソフトのVK- Analyzer）を用い、対物レンズ倍率を２０倍とし、３視野を測定し、その平均値を表面粗さＲａとした。なお、ブラスト処理を実施しなかった比較例１−３においては、表面粗さＲａの測定は行わなかった。
【００７０】
また、顕微レーザーラマン分光分析装置（株式会社  堀場製作所製：型番XploRA）を用いて、入射光（光源光）の波長を532nmとして、本発明例１−１２及び比較例１−３のＡｇ下地層のラマンスペクトルを測定した。そして、得られたラマンスペクトルの３０００ｃｍ−１から４０００ｃｍ−１の波数範囲における強度の最高値（ＩＡ）及び４５０ｃｍ−１から５５０ｃｍ−１の波数範囲における強度の最高値（ＩＢ）から、ＩＡ／ＩＢを算出した。なお、測定箇所は、Ａｇ下地層上のガラスの領域とし、積算回数は3回とした。
以上の各評価結果を表１に示す。
【００７１】
【表１】
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【００７２】
Ａｇ下地層にブラスト処理を行ってブラスト面を形成した本発明例１−１２においては、同一の厚さのガラス層及びＡｇ層を有する比較例１−３に対して、電気抵抗値が低くなっている。
本発明明例１−１２では、ラマンスペクトルの３０００ｃｍ−１から４０００ｃｍ−１の波数範囲における強度の最高値をＩＡとし、４５０ｃｍ−１から５５０ｃｍ−１の波数範囲における強度の最高値をＩＢとした時、ＩＡ／ＩＢが１．１以上であった。一方、比較例１−３では、ＩＡ／ＩＢが１．０未満であった。
以上のことから、本発明によれば、電気抵抗の低いＡｇ下地層を備えたＡｇ下地層付パワーモジュール用基板を提供可能であることが確認された。
【符号の説明】
【００７３】
１  パワーモジュール
１０  Ａｇ下地層付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下地層
３０Ａ  ブラスト面（導電性向上処理面）
３１  ガラス層
３２  Ａｇ層
【図１】
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【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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