(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Ａｌ又はＡｌ合金からなる回路層と、前記回路層上に形成されたＡｇ焼成層とを少なくとも備えた回路基板の製造方法であって、
前記回路層上にガラスを含有するＡｇペーストを塗布する塗布工程と、
塗布した前記Ａｇペーストを焼成し、ガラスを含有するＡｇペーストの焼成体からなる前記Ａｇ焼成層を形成する焼成工程と、を備え、
前記焼成工程における前記Ａｇペーストの焼成温度は、２５０℃以上、３５０℃未満であり、
前記Ａｇペーストに含有されるガラスは、ガラスの全量を１００ｍｏｌ％とした時に、
Ｐ２Ｏ５が３０ｍｏｌ％以上、６５ｍｏｌ％以下、
ＳｎＯが３０ｍｏｌ％以上、６５ｍｏｌ％以下、
ＳｉＯ２が０．１ｍｏｌ％以上、１０ｍｏｌ％以下、
Ａｌ２Ｏ３が０．１ｍｏｌ％以上、１０ｍｏｌ％以下、
Ｂ２Ｏ３が０．１ｍｏｌ％以上、１０ｍｏｌ％以下、
の組成をもち、
前記焼成工程を経た後の前記回路基板の反り量が５０μｍ／１０ｍｍ以下であることを特徴とする回路基板の製造方法。
【請求項２】
前記塗布工程よりも前に、前記絶縁層の他方の面側に冷却器を形成する冷却器形成工程を更に備えたことを特徴とする請求項１記載の回路基板の製造方法。
【請求項３】
絶縁層の一方の面に形成されたＡｌ又はＡｌ合金からなる回路層と、絶縁層の他方の面に形成された金属層と、前記金属層上に形成されたＡｇ焼成層と、を少なくとも備えた回路基板の製造方法であって、
前記金属層上にガラスを含有するＡｇペーストを塗布する塗布工程と、
塗布した前記Ａｇペーストを焼成し、ガラスを含有するＡｇペーストの焼成体からなる前記Ａｇ焼成層を形成する焼成工程と、を備え、
前記焼成工程における前記Ａｇペーストの焼成温度は、２５０℃以上、３５０℃未満であり、
前記Ａｇペーストに含有されるガラスは、ガラスの全量を１００ｍｏｌ％とした時に、
Ｐ２Ｏ５が３０ｍｏｌ％以上、６５ｍｏｌ％以下、
ＳｎＯが３０ｍｏｌ％以上、６５ｍｏｌ％以下、
ＳｉＯ２が０．１ｍｏｌ％以上、１０ｍｏｌ％以下、
Ａｌ２Ｏ３が０．１ｍｏｌ％以上、１０ｍｏｌ％以下、
Ｂ２Ｏ３が０．１ｍｏｌ％以上、１０ｍｏｌ％以下、
の組成をもち、
前記焼成工程を経た後の前記回路基板の反り量が５０μｍ／１０ｍｍ以下であることを特徴とする回路基板の製造方法。
【請求項４】
前記Ａｇ焼成層に重ねて冷却器を形成する冷却器形成工程を更に備えたことを特徴とする請求項３記載の回路基板の製造方法。
【請求項５】
絶縁層の一方の面に形成されたＡｌ又はＡｌ合金からなる回路層と、前記回路層上に形成されたＡｇ焼成層とを少なくとも備えた回路基板であって、
前記Ａｇ焼成層は、ガラスを含有するＡｇペーストの焼成体であり、前記回路層上に形成されたガラス層と、このガラス層上に形成されたＡｇ層とからなり、
前記ガラス層には、Ｐ２Ｏ５が２５ｍｏｌ％以上、５７ｍｏｌ％以下、ＳｎＯが２５ｍｏｌ％以上、５７ｍｏｌ％以下含有されており、
前記回路基板の反り量が５０μｍ／１０ｍｍ以下であり、
ＪＩＳ  Ｋ  ５６００−５−６に規定されるクロスカット試験に基づく、前記Ａｇ焼成層と前記回路層との密着性が８５以上であることを特徴とする回路基板。
【請求項６】
絶縁層の一方の面に形成されたＡｌ又はＡｌ合金からなる回路層と、絶縁層の他方の面に形成された金属層と、前記金属層上に形成されたＡｇ焼成層と、を少なくとも備えた回路基板の製造方法であって、
前記Ａｇ焼成層は、ガラスを含有するＡｇペーストの焼成体であり、前記金属層上に形成されたガラス層と、このガラス層上に形成されたＡｇ層とからなり、
前記ガラス層には、Ｐ２Ｏ５が２５ｍｏｌ％以上、５７ｍｏｌ％以下、ＳｎＯが２５ｍｏｌ％以上、５７ｍｏｌ％以下含有されており、
前記回路基板の反り量が５０μｍ／１０ｍｍ以下であり、
ＪＩＳ  Ｋ  ５６００−５−６に規定されるクロスカット試験に基づく、前記Ａｇ焼成層と前記回路層との密着性が８５以上であることを特徴とする回路基板。
【請求項７】
前記絶縁層の他方の面に重ねて更に冷却器が形成されていることを特徴とする請求項５または６記載の回路基板。
【請求項８】
前記Ａｇ焼成層は、その厚さ方向における電気抵抗値が７．５×１０−４Ω・ｍ以下であることを特徴とする請求項５ないし７いずれか一項に記載の回路基板。
【請求項９】
前記絶縁層として、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４又はＡｌ２Ｏ３から選択される絶縁基板を用いることを特徴とする請求項５ないし８いずれか一項に記載の回路基板。
【請求項１０】
請求項５ないし９いずれか一項記載の回路基板と、この回路基板の前記回路層に接合された半導体素子と、を有することを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、絶縁層に重ねて回路層や金属層が形成された回路基板の製造方法、回路基板、および半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
各種の半導体素子のうち、例えば、電気自動車や電気車両などを制御するために用いられる大電力制御用のパワー素子は、発熱量が多い。こうした大電力制御用のパワー素子を搭載する基板としては、例えばＡｌＮ（窒化アルミ）などからなるセラミックス基板上に導電性の優れた金属板を回路層として接合したパワーモジュール用基板（回路基板）が、従来から広く用いられている。
そして、このようなパワーモジュール用基板は、その回路層上に、はんだ材を介してパワー素子としての半導体素子が搭載される（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
回路層を構成する金属としては、一般的にアルミニウム又はアルミニウム合金、或いは、銅又は銅合金が用いられている。
ここで、アルミニウムからなる回路層においては、表面にアルミニウムの自然酸化膜が形成されるため、はんだ材との接合を良好に行うことが困難である。また、銅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、回路層の導電性が劣化するといった課題があった。
【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において、Ａｇナノペーストを用いて半導体素子を接合する技術が提案されている。
また、例えば、特許文献３、４には、はんだ材を用いずに金属酸化物粒子と有機物からなる還元剤とを含む酸化物ペーストを用いて半導体素子を接合する技術が提案されている。
【０００５】
しかしながら、特許文献２に開示されているように、はんだ材を使用せずにＡｇナノペーストを用いて半導体素子を接合した場合には、Ａｇナノペーストからなる接合層がはんだ材に比べて厚みが薄く形成されるため、熱サイクル負荷時の応力が半導体素子に作用しやすくなり、半導体素子自体が破損してしまうおそれがあった。
【０００６】
また、特許文献３、４に開示されているように、金属酸化物と還元剤とを用いて半導体素子を接合した場合にも、やはり、酸化物ペーストの焼成層が薄く形成されることから、熱サイクル負荷時の応力が半導体素子に作用しやすくなり、パワーモジュールの性能が劣化するおそれがあった。
【０００７】
そこで、例えば、特許文献５〜７には、ガラス含有Ａｇペーストを用いてアルミニウム又は銅からなる回路層上にＡｇ焼成層を形成した後に、はんだ材又はＡｇペーストを介して回路層と半導体素子を接合する技術が提案されている。この技術では、アルミニウム又は銅からなる回路層の表面に、ガラス含有Ａｇペーストを塗布して焼成することによって、回路層の表面に形成されている酸化被膜をガラスに反応させて除去してＡｇ焼成層を形成し、このＡｇ焼成層が形成された回路層上に、はんだ材を介して半導体素子を接合している。
【０００８】
ここで、Ａｇ焼成層は、ガラスが回路層の酸化被膜と反応することにより形成されたガラス層と、このガラス層上に形成されたＡｇ層とを備えている。このガラス層には導電性粒子が分散しており、この導電性粒子によってガラス層の導通が確保されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−１７２３７８号公報
【特許文献２】特開２００８−２０８４４２号公報
【特許文献３】特開２００９−２６７３７４号公報
【特許文献４】特開２００６−２０２９３８号公報
【特許文献５】特開２０１０−２８７８６９号公報
【特許文献６】特開２０１２−１０９３１５号公報
【特許文献７】特開２０１３−０１２７０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、従来のガラス含有Ａｇペーストを焼成してＡｇ焼成層を形成する場合、焼成に必要な温度帯が比較的高温（例えば、３５０℃〜６５０℃程度）であったために、回路基板を構成する異種材料どうしの熱膨張率の差が大きくなり、回路基板の反り（湾曲）が大きくなりやすい。回路基板の反りが大きくなり過ぎると、絶縁層の破損や、回路層と半導体素子との接合性が低下する虞がある。
【００１１】
絶縁層を挟んだ両面に回路層、金属層を対称に形成した場合においては、接合時の加熱や冷却や荷重等のばらつきによって、反りが発生することがある。また、絶縁層の一方の側に更に冷却器などを接合した回路基板（一体型回路基板）の場合、絶縁層の両側が非対称な形状となるために特に反りが大きくなり、絶縁層の損傷や、Ａｇ焼成層上に実装する半導体素子の接合不良などを生じやすいという課題があった。また、上記の課題は冷却器を備えた回路基板のみならず、絶縁層を挟んだ両面に回路層、金属層を非対称に形成した回路基板であっても同様である。
【００１２】
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、熱膨張率が互いに異なる異種材料どうしの接合によって生じる反りを低減し、絶縁層の湾曲による損傷防止、および半導体素子の接合性を向上させることが可能な回路基板の製造方法、回路基板、および半導体装置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】
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明の一実施形態の回路基板の製造方法は、絶縁層の一方の面に形成されたＡｌ又はＡｌ合金からなる回路層と、前記回路層上に形成されたＡｇ焼成層とを少なくとも備えた回路基板の製造方法であって、前記回路層上にガラスを含有するＡｇペーストを塗布する塗布工程と、塗布した前記Ａｇペーストを焼成し、ガラスを含有するＡｇペーストの焼成体からなる前記Ａｇ焼成層を形成する焼成工程と、を備え、前記焼成工程における前記Ａｇペーストの焼成温度は、２５０℃以上、３５０℃未満であり、前記Ａｇペーストに含有されるガラスは、ガラスの全量を１００ｍｏｌ％とした時に、Ｐ２Ｏ５が３０ｍｏｌ％以上、６５ｍｏｌ％以下、ＳｎＯが３０ｍｏｌ％以上、６５ｍｏｌ％以下、ＳｉＯ２が０．１ｍｏｌ％以上、１０ｍｏｌ％以下、Ａｌ２Ｏ３が０．１ｍｏｌ％以上、１０ｍｏｌ％以下、Ｂ２Ｏ３が０．１ｍｏｌ％以上、１０ｍｏｌ％以下、の組成をもち、前記焼成工程を経た後の前記回路基板の反り量が５０μｍ／１０ｍｍ以下であることを特徴とする。
【００１４】
本発明の一実施形態の回路基板の製造方法によれば、Ａｇペーストに含有されるガラスが上述した組成を持つことによって、２５０℃以上、３５０℃未満といった低い焼成温度でＡｇ焼成層を形成することができる。このような低温焼成によって、Ａｇ焼成層を形成する際に、回路基板を構成する異種材料どうしの間で生じる熱歪を抑制できる。よって、絶縁層が製造過程で大きな反りの発生により損傷することを防止できる。また、回路層に半導体素子を実装した際に、この半導体素子が回路基板の湾曲によって剥離したり、導通不良が生じることを確実に防止できる。
【００１５】
ここで、Ｐ２Ｏ５が３０ｍｏｌ％未満ではガラス化が困難となることからガラス入りのＡｇペーストを焼成した際に、ガラス成分と回路層との反応が不十分となり回路層とＡｇ焼成層の密着性が低下する。また、６５ｍｏｌ％を超えると、耐水性や耐候性が悪化することにより、Ａｇ焼成層表面の性状が変化し半導体素子をＡｇ焼成層に接合した際に、接合不良を引き起こす。
ＳｎＯが、３０ｍｏｌ％未満ではガラス転移温度が高くなり、Ａｇペーストを焼成した際に、ガラス成分と回路層との反応が不十分となり回路層とＡｇ焼成層の密着性が低下する。また、６５ｍｏｌ％を超えると、ガラス化が困難となる。
ＳｉＯ２及びＡｌ２Ｏ３は耐水性や耐候性を付与するものだが、０．１ｍｏｌ％未満では、効果が無く、耐水性や耐候性が悪化することにより、Ａｇ焼成層表面の性状が変化し半導体素子をＡｇ焼成層に接合した際に、接合不良を引き起こすこととなる。また、１０ｍｏｌ％を超えるとガラス転移温度が上昇する。
Ｂ２Ｏ３は、耐結晶化性を向上させるものだが、０．１ｍｏｌ％未満では効果が無く、ガラス化が困難となることからガラス入りのＡｇペーストを焼成した際に、ガラス成分と回路層との反応が不十分となり回路層とＡｇ焼成層の密着性が低下することとなる。１０ｍｏｌ％を超えると分相が発生しやすくなり、Ａｇペーストを焼成した際にガラス成分と回路層との反応が不均一となり、密着性が低下する。
【００１６】
本発明の一実施形態では、前記塗布工程よりも前に、前記絶縁層の他方の面側に冷却器を形成する冷却器形成工程を更に備えたことを特徴とする。
冷却器を形成した回路基板は、絶縁層を中心とした両面で非対称な構成となるが、Ａｇ焼成層を形成する際の焼成温度を低くできるので、非対称な構成による熱歪の増大を抑制し、大きな反りの発生による絶縁層の損傷を確実に防止できる。そして、冷却器形成工程において絶縁層の他面側に重ねて冷却器を形成する際に、例えば、ろう付けなどによって３５０℃以上の高温で冷却器を接合した場合、後工程となる焼成工程でＡｇ焼成層を低温で形成できるので、前工程で接合した冷却器が３５０℃以上の高温に晒されて剥離したり、反りが増大することを確実に防止できる。
【００１７】
本発明の別な実施形態の回路基板の製造方法は、絶縁層の一方の面に形成されたＡｌ又はＡｌ合金からなる回路層と、絶縁層の他方の面に形成された金属層と、前記金属層上に形成されたＡｇ焼成層と、を少なくとも備えた回路基板の製造方法であって、前記金属層上にガラスを含有するＡｇペーストを塗布する塗布工程と、塗布した前記Ａｇペーストを焼成し、ガラスを含有するＡｇペーストの焼成体からなる前記Ａｇ焼成層を形成する焼成工程と、を備え、前記焼成工程における前記Ａｇペーストの焼成温度は、２５０℃以上、３５０℃未満であり、前記Ａｇペーストに含有されるガラスは、ガラスの全量を１００ｍｏｌ％とした時に、Ｐ２Ｏ５が３０ｍｏｌ％以上、６５ｍｏｌ％以下、ＳｎＯが３０ｍｏｌ％以上、６５ｍｏｌ％以下、ＳｉＯ２が０．１ｍｏｌ％以上、１０ｍｏｌ％以下、Ａｌ２Ｏ３が０．１ｍｏｌ％以上、１０ｍｏｌ％以下、Ｂ２Ｏ３が０．１ｍｏｌ％以上、１０ｍｏｌ％以下、の組成をもち、前記焼成工程を経た後の前記回路基板の反り量が５０μｍ／１０ｍｍ以下であることを特徴とする。
【００１８】
本発明の別な実施形態の回路基板の製造方法によれば、Ａｇペーストに含有されるガラスが上述した組成を持つことによって、２５０℃以上、３５０℃未満といった低い焼成温度でＡｇ焼成層を形成することができる。このような低温焼成によって、Ａｇ焼成層を形成する際に、回路基板を構成する異種材料どうしの間で生じる熱歪を抑制できる。よって、絶縁層が製造過程で大きな反りの発生により損傷することを防止できる。また、回路層に半導体素子を実装した際に、この半導体素子が回路基板の湾曲によって剥離したり、導通不良が生じることを確実に防止できる。
【００１９】
本発明の一実施形態では、前記Ａｇ焼成層に重ねて冷却器を形成する冷却器形成工程を更に備えたことを特徴とする。
冷却器を形成した回路基板は、絶縁層を中心とした両面で非対称な構成となるが、Ａｇ焼成層を形成する際の焼成温度を低くできるので、非対称な構成による熱歪の増大を抑制し、大きな反りの発生による絶縁層の損傷を確実に防止できる。
【００２０】
本発明の一実施形態の回路基板は、絶縁層の一方の面に形成されたＡｌ又はＡｌ合金からなる回路層と、前記回路層上に形成されたＡｇ焼成層とを少なくとも備えた回路基板であって、前記Ａｇ焼成層は、ガラスを含有するＡｇペーストの焼成体であり、前記回路層上に形成されたガラス層と、このガラス層上に形成されたＡｇ層とからなり、前記ガラス層には、Ｐ２Ｏ５が２５ｍｏｌ％以上、５７ｍｏｌ％以下、ＳｎＯが２５ｍｏｌ％以上、５７ｍｏｌ％以下含有されており、前記回路基板の反り量が５０μｍ／１０ｍｍ以下であり、ＪＩＳ  Ｋ  ５６００−５−６に規定されるクロスカット試験に基づく、前記Ａｇ焼成層と前記回路層との密着性が８５以上であることを特徴とする。
【００２１】
本発明の一実施形態の回路基板によれば、低温で焼成可能なＡｇペーストを用いてＡｇ焼成層を低温で形成することができるので、回路基板全体の反り量を５０μｍ／１０ｍｍ以下に抑えることが可能になり、絶縁層が湾曲によって損傷することを防止できる。また、反りの少ない回路基板によって、回路層に半導体素子を実装した際に、半導体素子が反りによって剥離したり、導通不良が発生することを確実に防止できる。
ここで、Ｐ２Ｏ５が２５ｍｏｌ％未満では、ガラス化が不十分なＡｇペーストを焼成しているので、ガラス成分と回路層との反応が不十分となり、回路層とＡｇ焼成層の密着性が低下する。また、５７ｍｏｌ％を超えると、耐水性や耐候性が悪化することにより、Ａｇ焼成層表面の性状が変化し、半導体素子をＡｇ焼成層に接合した際に、接合不良を引き起こすこととなる。
ＳｎＯが、２５ｍｏｌ％未満ではガラス転移温度が高いガラス成分を有するＡｇペーストを焼成することとなり、ガラス成分と回路層との反応が不十分となり回路層とＡｇ焼成層の密着性が低下する。また、５７ｍｏｌ％を超えると、ガラス化が不十分なＡｇペーストを焼成しているので、ガラス成分と回路層との反応が不十分となり、回路層とＡｇ焼成層の密着性が低下する。
【００２２】
本発明の別な実施形態の回路基板は、絶縁層の一方の面に形成されたＡｌ又はＡｌ合金からなる回路層と、絶縁層の他方の面に形成された金属層と、前記金属層上に形成されたＡｇ焼成層と、を少なくとも備えた回路基板の製造方法であって、前記Ａｇ焼成層は、ガラスを含有するＡｇペーストの焼成体であり、前記金属層上に形成されたガラス層と、このガラス層上に形成されたＡｇ層とからなり、前記ガラス層には、Ｐ２Ｏ５が２５ｍｏｌ％以上、５７ｍｏｌ％以下、ＳｎＯが２５ｍｏｌ％以上、５７ｍｏｌ％以下含有されており、前記回路基板の反り量が５０μｍ／１０ｍｍ以下であり、ＪＩＳ  Ｋ  ５６００−５−６に規定されるクロスカット試験に基づく、前記Ａｇ焼成層と前記回路層との密着性が８５以上であることを特徴とする。
【００２３】
本発明の別な実施形態の回路基板によれば、低温で焼成可能なＡｇペーストを用いてＡｇ焼成層を低温で形成することができるので、回路基板全体の反り量を５０μｍ／１０ｍｍ以下に抑えることが可能になり、絶縁層が湾曲によって損傷することを防止できる。また、反りの少ない回路基板によって、回路層に半導体素子を実装した際に、半導体素子が反りによって剥離したり、導通不良が発生することを確実に防止できる。
【００２４】
本発明の一実施形態では、前記絶縁層の他方の面に重ねて更に冷却器が形成されていることを特徴とする。
冷却器を備えた一体型の回路基板は、絶縁層を中心とした両面で非対称な構成であっても、Ａｇ焼成層を低い焼成温度で形成できるので、回路基板の反り量を５０μｍ／１０ｍｍ以下に抑制可能にする。これにより、絶縁層の反りによる損傷を確実に防止できる。また、半導体素子を実装した場合に、反りによる半導体素子の剥離や導通不良を確実に防止することができる。
【００２５】
本発明の一実施形態では、前記Ａｇ焼成層は、その厚さ方向における電気抵抗値が７．５×１０−４Ω・m以下であることを特徴とする。
これによって、Ａｇ焼成層及びはんだ層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、電気的に信頼性の高い回路基板を形成することができる。
【００２６】
本発明の一実施形態では、前記絶縁層として、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４又はＡｌ２Ｏ３から選択される絶縁基板を用いることを特徴とする。
ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４又はＡｌ２Ｏ３から選択されるセラミックス基板は、絶縁性及び強度に優れており、こうしたセラミックス基板を用いることによって、回路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アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属板を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。
【００２７】
本発明の一実施形態の半導体装置は、前記各項記載の回路基板と、この回路基板の前記回路層に重ねて接合された半導体素子と、を有することを特徴とする。
本発明の一実施形態の半導体装置によれば、２５０℃以上、３５０℃未満といった低い焼成温度でＡｇ焼成層が形成されており、回路層に実装された半導体素子が回路基板の湾曲によって剥離したり、導通不良が生じることを確実に防止することができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、低温でＡｇ焼成層の形成を可能にして、反りの低減による絶縁層の損傷防止、および半導体素子の接合性を向上させることが可能な回路基板の製造方法、回路基板、および半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の回路基板を用いた半導体装置を示す断面図である。
【図２】本発明の第一実施形態における回路基板を示す断面図である。
【図３】Ａｇ焼成層と回路層との接合部分を示す要部拡大断面図である。
【図４】本発明の第二実施形態における回路基板を示す断面図である。
【図５】Ａｇペーストの製造方法を示すフローチャートである。
【図６】本発明の第一実施形態における回路基板の製造方法を示すフローチャートである。
【図７】本発明の第二実施形態における回路基板の製造方法を示すフローチャートである。
【図８】本発明の第三実施形態における回路基板の製造方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、図面を参照して、本発明の回路基板の製造方法、回路基板、および半導体装置について説明する。なお、以下に示す各実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
【００３１】
（回路基板：第一実施形態）
図１は、本発明の第一実施形態である回路基板を備えた半導体装置を示す断面図である。
本実施形態では、半導体装置の一例として、大電力制御用のパワー素子からなる半導体素子が実装されたパワーモジュールを例示する。
パワーモジュール（半導体装置）１は、回路層１２が配設され、冷却器４０を備えた回路基板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素子（パワーモジュール素子）３とを備えている。
【００３２】
回路基板１０は、絶縁層を構成するセラミックス基板（絶縁層）１１と、このセラミックス基板１１の一面側１１ａ（図１において上面）に配設された回路層１２と、セラミックス基板１１の他面側１１ｂ（図１において下面）に配設された金属層１３とを備えている。
【００３３】
セラミックス基板（絶縁層）１１は、回路層１２と金属層１３との間の電気的接続を防止するものであって、例えば、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミニウム）や、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）などから構成されていればよく、本実施形態では、ＡｌＮを用いている。また、セラミックス基板１１の厚さは、例えば、０．２〜１．５ｍｍの範囲内に設定されており、一例として、本実施形態では、０．６３５ｍｍに設定されている。
【００３４】
回路層１２は、セラミックス基板１１の一方の面１１ａに、導電性を有する金属板が接合されることにより形成されている。回路層１２としては、Ａｌ、またはＡｌを含む合金から形成されている。例えば、純度９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（２Ｎ−Ａｌ）、純度９９．９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（３Ｎ−Ａｌ）や純度９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（４Ｎ−Ａｌ）等から形成することができる。また、回路層１２の厚さは、例えば、０．１〜２．０ｍｍの範囲内に設定されており、一例として、本実施形態では、０．６ｍｍに設定されている。さらに、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。
【００３５】
金属層１３は、セラミックス基板１１の他面側１１ｂに、金属板が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層１３は、回路層１２と同様に、純度が９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなるアルミニウム板がセラミックス基板１１に接合されることで形成されている。また、金属層１３の厚さは、例えば、０．１〜３．０ｍｍの範囲内に設定されており、一例として、本実施形態では、０．６ｍｍに設定されている。
【００３６】
冷却器４０は、前述した回路基板１０に生じた熱を伝搬させて放熱することによって、パワーモジュール１全体を冷却するためのものである。こうした冷却器４０は、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４２，４２…と、冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路４３とを備えている。冷却器４０（天板部４１）は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態においては、例えば、Ａ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。
【００３７】
なお、冷却器４０の天板部４１と放熱フィン４２，４２…とは一体の部材として形成された構成であっても、天板部４１に複数のフィン４２，４２…をろう材等で接合した構成であってもよい。天板部４１と複数のフィン４２，４２…とを別部材で構成する場合、天板部４１と複数のフィン４２，４２…とは、互いに異なる材料を用いて形成することもできる。
【００３８】
なお、冷却器４０は、冷却媒体として冷却水を流路４３に流す水冷式の冷却器とする以外にも、例えば、流路４３に冷却媒体として空気を流したり、流路４３を外気に晒す、いわゆる空冷式の冷却器であってもよい。
また、冷却器４０は、熱伝導性に優れた材料などから成る単なる板材などで構成することもでき、特に冷却媒体の流路が形成された形状でなくてもよい。
【００３９】
また、冷却器４０の天板部４１と金属層１３との間には、アルミニウム又はアルミニウム合金若しくはアルミニウムを含む複合材（例えばＡｌＳｉＣ等）からなる緩衝層を設けることもできる。緩衝層としては、例えば、純度が９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）からなる板材を用いることができる。
【００４０】
回路層１２の一面側（図１において上面）１２ａには、後述するガラス入りＡｇペーストを２５０℃以上、３５０℃未満で焼成することによって得られるＡｇ焼成層３０が形成されており、このＡｇ焼成層３０の表面に、はんだ層２を介して半導体素子３が実装される。
【００４１】
はんだ層２を形成するはんだ材としては、例えば、Ｓｎ−Ａｇ系はんだ、Ｓｎ−Ｉｎ系はんだ、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだなどが挙げられる。
なお、Ａｇ焼成層３０は、図１に示すように、回路層１２の一面側１２ａの全体には形成されておらず、少なくとも半導体素子３が配設される部分にのみ選択的に形成されていればよく、その周辺は回路層１２を成すアルミニウム板が露呈されている。
【００４２】
図２は、半導体素子を実装する前の回路基板を示す断面図である。また、図３は、Ａｇ焼成層と回路層との接合部分を示す要部拡大断面図である。
回路基板１０においては、回路層１２の一面側（図２及び図３において上面）１２ａに、前述のＡｇ焼成層３０が形成されている。このＡｇ焼成層３０は、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。そして、このガラス層３１内部には、例えば、粒径が数ナノメートル程度の微細な導電性粒子３３が分散している。この導電性粒子３３は、例えば、Ａｇ又はＡｌの少なくとも一方を含有する結晶性粒子とされている。
【００４３】
回路層１２は、純度９９．９９ｍａｓｓ％のアルミニウムで構成されているが、回路層１２の一面側１２ａは、大気中で自然発生したアルミニウム酸化皮膜（自然酸化膜：Ａｌ２Ｏ３）１２Ａによって覆われる。しかし、前述したＡｇ焼成層３０が形成された部分においては、アルミニウム酸化皮膜１２Ａは、Ａｇ焼成層３０を形成する際のガラスとの反応によって除去されている。
【００４４】
従って、この部分（回路層１２のうち、Ａｇ焼成層３０と重なる部分）においては、回路層１２上にアルミニウム酸化皮膜１２Ａを介さず、直接、Ａｇ焼成層３０が形成されている。つまり、回路層１２を構成するアルミニウムとガラス層３１とが直接接合されている。
【００４５】
Ａｇ焼成層３０を構成するガラス層３１には、Ｐ２Ｏ５が２５ｍｏｌ％以上、５７ｍｏｌ％以下、ＳｎＯが２５ｍｏｌ％以上、５７ｍｏｌ％以下の範囲で含有されている。ガラス層３１に含まれるＰ２Ｏ５やＳｎＯの含有割合を上述した範囲にするためのガラス入りＡｇペーストの組成は、製造方法において詳述する。
また、パワーモジュール用基板１０全体の反り量は、５０μｍ／１０ｍｍ以下とされている。パワーモジュール用基板１０の反り量を５０μｍ／１０ｍｍ以下にすることによって、回路層１２と半導体素子３とがはんだ層２を介して剥離することなく強固に接合され、かつ、セラミックス基板１１の湾曲による破損を防止する。
【００４６】
また、回路層１２上に自然発生するアルミニウム酸化皮膜１２Ａの厚さは、４ｎｍ≦ｔｏ≦６ｎｍとされている。また、本実施形態においては、ガラス層３１の厚さｔｇが０．０１μｍ≦ｔｇ≦５μｍ、Ａｇ層３２の厚さｔａが１μｍ≦ｔａ≦１００μｍ、Ａｇ焼成層３０全体の厚さｔｇ＋ｔａが１．０１μｍ≦ｔｇ＋ｔａ≦１０５μｍとなるように構成されていることが好ましい。
【００４７】
次に、Ａｇ焼成層３０を形成するための、ガラスを含有するＡｇペースト（ガラス入りＡｇペースト）について説明する。
ガラス入りＡｇペーストは、Ａｇ粉末と、ガラス粉末と、樹脂と、溶剤と、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、ガラス入り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、溶剤とされている。また、必要に応じて分散剤を含有しても良い。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、ガラス入りＡｇペースト全体の８５質量％とされている。
また、このガラス入り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。
【００４８】
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、ホウ酸、リン酸及び酸化ビスマスを含有している。
【００４９】
このガラス粉末の組成は、ガラス粉末の全量を１００ｍｏｌ％とした時に、Ｐ２Ｏ５が３０ｍｏｌ％以上、６５ｍｏｌ％以下、ＳｎＯが３０ｍｏｌ％以上、６５ｍｏｌ％以下、ＳｉＯ２が０．１ｍｏｌ％以上、１０ｍｏｌ％以下、Ａｌ２Ｏ３が０．１ｍｏｌ％以上、１０ｍｏｌ％以下、Ｂ２Ｏ３が０．１ｍｏｌ％以上、１０ｍｏｌ％以下とされている。ガラス粉末としてこうした組成を持つものを用いることによって、Ａｇペーストを２５０℃以上、３５０℃未満といった低温で焼成してＡｇ焼成層３０を得ることができる。
【００５０】
従来のガラス入りＡｇペーストでは、こうした２５０℃以上、３５０℃未満といった低温の焼成温度では、Ａｇ焼成層を回路層に充分に密着させることは困難であったが、本発明のように、ガラス入りＡｇペーストを構成するガラス粉末の組成を上述した範囲にすることによって、２５０℃以上、３５０℃未満といった低温の焼成温度であっても、回路層１２に対して充分に密着可能なＡｇ焼成層３０を得ることができる。そして、Ａｇ焼成層３０を２５０℃以上、３５０℃未満といった低温の焼成温度で形成することによって、回路基板１０の反り量を５０μｍ／１０ｍｍ以下に抑えることが可能になる。
【００５１】
ガラス粉末の平均粒径は、０．１μｍ以上、１．０μｍであればよい。本実施形態では、例えば、平均粒径が０．５μｍのガラス粉末を使用している。
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。
【００５２】
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ガラス入りＡｇペーストを構成してもよい。
【００５３】
次に、ガラス入りＡｇペーストの製造方法について、図４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、前述した組成範囲の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）。
【００５４】
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、前述のガラス入りＡｇペーストが製出されることになる。
【００５５】
以上のような構成の回路基板１０によれば、２５０℃以上、３５０℃未満といった低温の焼成温度に適した組成を持つガラス入りＡｇペーストを用いてＡｇ焼成層３０が形成されているので、Ａｇ焼成層３０が形成された回路基板１０の反りが少ない。これにより、回路基板１０の反り量は、５０μｍ／１０ｍｍ以下となる。よって、セラミックス基板（絶縁層）１１の平坦性が保たれ、Ａｇ焼成層３０に半導体素子３を実装した際に、この半導体素子３がＡｇ焼成層３０の湾曲によって剥離したり、導通不良の発生を確実に防止できる。
【００５６】
また、冷却器４０を形成した一体型の回路基板１０においては、セラミックス基板（絶縁層）１１を中心とした両面で非対称な構成であっても、低い焼成温度で形成したＡｇ焼成層３０によって反りが抑制されているので、セラミックス基板（絶縁層）１１の湾曲による損傷や、Ａｇ焼成層３０の湾曲による半導体素子３の剥離や導通不良を確実に防止することができる。
【００５７】
（回路基板：第二実施形態）
図５は、本発明の第二実施形態である回路基板を備えた半導体装置を示す断面図である。
本実施形態では、半導体装置の一例として、ＬＥＤ素子からなる半導体素子が実装されたＬＥＤモジュールを例示する。なお、第一実施形態と同様の構成については、同一の番号を付与し、その詳細な説明を省略する。
ＬＥＤモジュール（半導体装置）５は、回路層１２が配設され、冷却器５０を備えた回路基板２０と、回路層１２の表面に、例えば、はんだ層（図示略）などを介して接合された半導体素子（ＬＥＤ素子）６とを備えている。
【００５８】
回路基板２０は、絶縁層を構成するセラミックス基板（絶縁層）１１と、このセラミックス基板１１の一面側１１ａ（図５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の他面側１１ｂ（図５において下面）に配設された金属層１３とを備えている。
【００５９】
セラミックス基板（絶縁層）１１は、回路層１２と金属層１３との間の電気的接続を防止するものであって、例えば、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミニウム）や、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）などから構成されている。
【００６０】
回路層１２は、セラミックス基板１１の一方の面１１ａに、導電性を有する金属板が接合されることにより形成されている。回路層１２としては、Ａｌ、またはＡｌを含む合金から形成されている。
【００６１】
金属層１３は、セラミックス基板１１の他面側１１ｂに、金属板が接合されることにより形成されている。
なお、本実施形態においては、金属層１３の積層方向に沿った厚みｔ２は、回路層１２の厚みｔ１よりも厚くなるように形成されている。
【００６２】
冷却器５０は、回路基板２０に生じた熱を伝搬させて放熱することによって、ＬＥＤモジュール（半導体装置）５全体を冷却するためのものである。本実施形態における冷却器５０は、熱伝導性が良好な材質、例えばＡ６０６３（アルミニウム合金）からなる平板によって構成されている。こうした平板状の冷却器５０によって、半導体素子（ＬＥＤ素子）６の点灯で生じた熱を効率よく放熱する。
【００６３】
金属層１３と冷却器５０との間には、前述したガラス入りＡｇペーストを２５０℃以上、３５０℃未満で焼成することによって得られる、２層のＡｇ焼成層３０Ａ，３０Ｂが形成されている。また、この２層のＡｇ焼成層３０Ａ，３０Ｂの間には、接合層５２が形成されている。
【００６４】
Ａｇ焼成層３０Ａ，３０Ｂは、それぞれ金属層１３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。そして、このガラス層３１内部には、例えば、粒径が数ナノメートル程度の微細な導電性粒子が分散している。この導電性粒子は、例えば、Ａｇ又はＡｌの少なくとも一方を含有する結晶性粒子とされている。
【００６５】
Ａｇ焼成層３０Ａ，３０Ｂをそれぞれ構成するガラス層３１は、Ｐ２Ｏ５が２５ｍｏｌ％以上、５７ｍｏｌ％以下、ＳｎＯが２５ｍｏｌ％以上、５７ｍｏｌ％以下の範囲で含有されている。
また、回路基板２０の反り量は、５０μｍ／１０ｍｍ以下とされている。回路基板２０の反り量を５０μｍ／１０ｍｍ以下にすることによって、回路層１２と半導体素子（ＬＥＤ素子）６とが反りによって剥離することなく強固に接合され、かつ、セラミックス基板１１の湾曲による破損を防止する。
【００６６】
接合層５２は、本実施形態では、酸化銀が還元されたナノサイズないしサブミクロンサイズのＡｇの焼結体とされており、酸化銀と還元剤とを含む酸化銀ペーストの焼結体である。ここで、酸化銀を還元することによってＡｇ焼結体を形成し、このＡｇ焼結体によってＡｇ焼成層３０ＡとＡｇ焼成層３０Ｂとの間を接合している。これによって、約３５０℃以下の低温で接合することが可能となる。また、酸化銀の還元によって、微細な金属Ａｇ粒子を生成し、その粒子径が、例えば粒径１０ｎｍ〜１μｍと非常に微細であることから、高温環境下でも金属層１３と冷却器５０との充分な接合強度及び接合信頼性を維持することができる。
【００６７】
なお、接合層５２の形成時に、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。
【００６８】
この酸化銀ペーストは、酸化銀粉末と、還元剤と、溶剤と、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６０質量％以上９２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％以下とされており、残部が溶剤とされている。
なお、この酸化銀ペーストは、その粘度が１０Ｐａ・ｓ以上１００Ｐａ・ｓ以下、より好ましくは３０Ｐａ・ｓ以上８０Ｐａ・ｓ以下に調整されている。
【００６９】
接合層５２は、上述したＡｇの焼結体以外にも、例えば、はんだによる接合層であってもよい。接合層５２をはんだによって構成する場合、例えば、Ｓｎ−Ａｇ系はんだ、Ｓｎ−Ｉｎ系はんだ、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだなどを用いることができる。
また、酸化銀ペースト以外にも、ナノサイズやサブミクロンサイズの銀粒子を有する銀ペーストを用いることもできる。
【００７０】
以上のような構成の回路基板２０によれば、２５０℃以上、３５０℃未満といった低温の焼成温度に適した組成を持つガラス入りＡｇペーストを用いてＡｇ焼成層３０ＡおよびＡｇ焼成層３０Ｂが形成されているので、Ａｇ焼成層３０ＡおよびＡｇ焼成層３０Ｂの反りが少ない。これにより、回路基板２０の反り量は、５０μｍ／１０ｍｍ以下となる。よって、セラミックス基板（絶縁層）１１の平坦性が保たれ、回路層１２に半導体素子（ＬＥＤ素子）６を実装した際に、この半導体素子６がＡｇ焼成層３０の湾曲によって剥離したり、導通不良の発生を確実に防止できる。
【００７１】
特に、本実施形態のように金属層１３の厚みｔ２が回路層１２の厚みｔ１よりも厚い、即ち、セラミックス基板（絶縁層）１１を中心とした積層方向の上下で非対称な形状の場合、反りが生じやすいが、低温の焼成温度に適した組成を持つガラス入りＡｇペーストを用いてＡｇ焼成層３０ＡおよびＡｇ焼成層３０Ｂを形成することで、こうした反りの発生を確実に防止することができる。
また、湾曲によって半導体素子（ＬＥＤ素子）６の発光特性が変化することを防止できる。
【００７２】
また、平板状の冷却器５０を形成した一体型の回路基板２０においては、セラミックス基板（絶縁層）１１を中心とした両面で非対称な構成であっても、低い焼成温度で形成したＡｇ焼成層３０Ａ，３０Ｂによって反りが抑制されているので、セラミックス基板（絶縁層）１１の湾曲による損傷や、Ａｇ焼成層３０Ａ，３０Ｂの湾曲による半導体素子（ＬＥＤ素子）６の剥離や導通不良を確実に防止することができる。
【００７３】
上述した第一実施形態や第二実施形態においては、半導体素子としてパワーモジュール素子やＬＥＤ素子を例示したが、本発明の回路基板は、実装する半導体素子の種類が特に限定されるものではなく、各種の半導体素子を実装することができる。
【００７４】
（回路基板の製造方法：第一実施形態）
次に、図１〜３に示す第一実施形態の回路基板の製造方法（第一実施形態）について、図６に示すフローチャートを参照して説明する。
まず、回路層１２となるアルミニウム板及び金属層１３となるアルミニウム板を準備する。回路層１２や金属層１３に用いるアルミニウム板としては、例えば、純度が９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板を用いる。こうした圧延版の厚みは、例えば、０．６ｍｍ程度である。
【００７５】
これらのアルミニウム板を、セラミックス基板（絶縁層）１１の一面側１１ａ及び他面側１１ｂにそれぞれろう材を介して積層し、加圧・加熱後冷却することによって、アルミニウム板とセラミックス基板１１とを接合する（回路層接合工程Ｓ１１）。なお、接合温度は、６４０℃〜６５０℃に設定されている。
【００７６】
回路層接合工程Ｓ１１に用いるろう材としては、Ａｌ−Ｃｕ系ろう材、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材などが挙げられる。本実施形態では、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材が用いられている。回路層１２は、ろう材によってセラミックス基板（絶縁層）１１に接合した後、例えば、エッチングなどによって所定の回路パターンを形成することができる。
【００７７】
セラミックス基板（絶縁層）１１としては、絶縁性および放熱性に優れたＳｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）等のセラミックスの薄板を用いることができる。本実施形態では、セラミックス基板（絶縁層）１１は、ＡｌＮで構成されている。また、セラミックス基板（絶縁層）１１の厚さは、例えば、０．２〜１．５ｍｍの範囲内であればよく、本実施形態では、０．６３５ｍｍの厚みのものを用いている。
【００７８】
次に、金属層１３の他方の面側に、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℃に設定されている。冷却器接合工程Ｓ１２に用いるろう材としては、Ａｌ−Ｃｕ系ろう材、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材などが挙げられる。本実施形態で、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材が用いられている。
【００７９】
なお、冷却器接合工程Ｓ１２において、金属層１３の他方の面側と冷却器４０（天板部４１）との間に緩衝層を形成することも好ましい。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）であればよく、一例として、純度が９９．９８ｍａｓｓ％以上の高純度Ａｌからなる板状の部材を用いることができる。緩衝層の厚みは、例えば、０．４ｍｍ以上、２．５ｍｍ以下であればよい。こうした緩衝層を金属層１３と冷却器４０との間に形成すれば、緩衝層が応力緩衝の機能を果たす。
【００８０】
次に、回路層１２の一面側１２ａに、ガラス入りＡｇペーストを塗布する（ガラス入りＡｇペースト塗布工程Ｓ１３）。なお、ガラス入り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入りＡｇペーストを回路層１２上に形成した。
【００８１】
ガラス入りＡｇペーストは、前述したように、Ａｇ粉末と、ガラス粉末とを含み、ガラス粉末の組成は、ガラス粉末の全量を１００ｍｏｌ％とした時に、Ｐ２Ｏ５が３０ｍｏｌ％以上、６５ｍｏｌ％以下、ＳｎＯが３０ｍｏｌ％以上、６５ｍｏｌ％以下、ＳｉＯ２が０．１ｍｏｌ％以上、１０ｍｏｌ％以下、Ａｌ２Ｏ３が０．１ｍｏｌ％以上、１０ｍｏｌ％以下、Ｂ２Ｏ３が０．１ｍｏｌ％以上、１０ｍｏｌ％以下としている。こうしたガラス粉末の組成によって、ガラス入りＡｇペーストは２５０℃以上、３５０℃未満といった低温で焼成可能である。
【００８２】
回路層１２の一面側１２ａにガラス入り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入りＡｇペーストの焼成を行う（焼成工程Ｓ１４）。このときの焼成温度は、２５０℃以上、３５０℃未満に設定されている（低温焼成）。
この焼成工程Ｓ１４により、ガラス層３１とＡｇ層３２とを備えたＡｇ焼成層３０が形成される。焼成工程Ｓ１４においては、ガラス入りＡｇペーストを２５０℃以上、３５０℃未満といった低温で焼成しているので、従来のような高温焼成（例えば、３５０℃〜６５０℃程度）によってＡｇ焼成層を形成する場合と比較して、加熱による回路基板１０の反り量を小さく抑えることができる。回路基板１０の反り量は５０μｍ／１０ｍｍ以下にすることができる。
【００８３】
また、冷却器４０を接合した回路基板１０では、絶縁層１１の両側が非対称な形状となるが、Ａｇ焼成層３０を低温焼成によって形成できるので、加熱による回路基板１０の反り量が小さく抑えられる。よって、絶縁層１１の湾曲による破損や冷却器４０の剥離を防止することができる。
【００８４】
また、この焼成工程Ｓ１４において、ガラス層３１の形成により、回路層１２の表面に自然発生していたアルミニウム酸化皮膜１２Ａが溶融除去されることになり、回路層１２に直接ガラス層３１が形成される。また、ガラス層３１の内部に、粒径が数ナノメートル程度の微細なＡｇ粒子３３が分散されることになる。
【００８５】
以上の工程を経て、回路層１２の表面にＡｇ焼成層３０が形成された回路基板１０を製造することができる。
【００８６】
本実施形態では、焼成工程Ｓ１４の前工程として冷却器接合工程Ｓ１２を行い、冷却器４０を接合している。これによって、冷却器形成工程Ｓ１２において、例えば、３５０℃以上の高温で冷却器４０を接合しても、後工程である焼成工程Ｓ１４においてＡｇ焼成層３０を低温（３５０℃未満）で形成するので、冷却器４０が熱によって剥離したり、回路基板１０が３５０℃以上の高温に晒されて熱歪による反りが大きくなってしまうことを防止できる。
【００８７】
この後、半導体素子３を実装する場合には、例えば、Ａｇ焼成層３０の表面に、はんだ材を介して半導体素子３を載置し、還元炉内においてはんだ接合する（はんだ接合工程Ｓ１５）。これにより、はんだ層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（半導体装置）１を製造することができる。
【００８８】
（回路基板の製造方法：第二実施形態）
次に、図１〜３に示す第一実施形態の回路基板の別な製造方法（第二実施形態）について、図７に示すフローチャートを参照して説明する。
なお、第一実施形態の回路基板の製造方法と同様の構成については、詳細な説明を省略する。
まず、回路層１２となるアルミニウム板及び金属層１３となるアルミニウム板を準備する。これらのアルミニウム板を、セラミックス基板（絶縁層）１１の一面側１１ａ及び他面側１１ｂにそれぞれろう材を介して積層し、加圧・加熱後冷却することによって、前記アルミニウム板とセラミックス基板１１とを接合する（回路層接合工程Ｓ２１）。
【００８９】
次に、回路層１２の一面側１２ａに、ガラス入りＡｇペーストを塗布する（ガラス入りＡｇペースト塗布工程Ｓ２２）。ガラス入りＡｇペーストは、前述した第一実施形態のガラス入りＡｇペーストと同様である。
【００９０】
回路層１２の一面側１２ａにガラス入り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Ｓ２３）。このときの焼成温度は、２５０℃以上、３５０℃未満に設定されている（低温焼成）。
この焼成工程Ｓ２３により、ガラス層３１とＡｇ層３２とを備えたＡｇ焼成層３０が形成される。焼成工程Ｓ２３においては、ガラス入りＡｇペーストを２５０℃以上、３５０℃未満といった低温で焼成しているので、従来のような高温焼成（例えば、３５０℃〜６５０℃程度）によってＡｇ焼成層を形成する場合と比較して、加熱による回路基板１０の反り量を小さく抑えることができる。回路基板１０の反り量は５０μｍ／１０ｍｍ以下にすることができる。
【００９１】
次に、金属層１３の他方の面側に、冷却器４０（天板部４１）をはんだ付けによって接合する（冷却器接合工程Ｓ２４）。この時、金属層１３の他方の面側と冷却器４０（天板部４１）との間に緩衝層を形成してもよい。なお、冷却器４０のはんだ付けの温度は、３５０℃未満にすることが好ましい。これによって、焼成工程Ｓ２３の後工程として冷却器接合工程Ｓ２４を行う場合であっても、前工程で既に形成されているＡｇ焼成層３０が３５０℃以上の高温に晒されることが無く、回路基板１０の反り量を５０μｍ／１０ｍｍ以下にすることができる。
【００９２】
以上のような第二実施形態の回路基板の製造方法においても、回路層１２の表面にＡｇ焼成層３０が形成された回路基板１０を製造することができる。
【００９３】
（回路基板の製造方法：第三実施形態）
次に、図５に示す第二実施形態の回路基板の製造方法（第三実施形態）について、図８に示すフローチャートを参照して説明する。
まず、回路層１２となるアルミニウム板及び金属層１３となるアルミニウム板をそれぞれ準備する。回路層１２や金属層１３に用いるアルミニウム板としては、例えば、純度が９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板を用いる。こうした圧延版の厚みは、回路層１２が例えば、０．１ｍｍ程度、金属層１３が例えば、０．２ｍｍ程度と、金属層１３のほうが回路層１２よりも厚みが厚くなるようにする。
【００９４】
これらのアルミニウム板を、セラミックス基板（絶縁層）１１の一面側１１ａ及び他面側１１ｂにそれぞれろう材を介して積層し、加圧・加熱後冷却することによって、アルミニウム板とセラミックス基板１１とを接合する（回路層および金属層接合工程Ｓ３１）。なお、接合温度は、６４０℃〜６５０℃に設定されている。
【００９５】
回路層および金属層接合工程Ｓ３１に用いるろう材としては、Ａｌ−Ｃｕ系ろう材、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材などが挙げられる。本実施形態では、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材が用いられている。回路層１２は、ろう材によってセラミックス基板（絶縁層）１１に接合した後、例えば、エッチングなどによって所定の回路パターンを形成することができる。
【００９６】
セラミックス基板（絶縁層）１１としては、絶縁性および放熱性に優れたＳｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）等のセラミックスの薄板を用いることができる。本実施形態では、セラミックス基板（絶縁層）１１は、ＡｌＮで構成されている。また、セラミックス基板（絶縁層）１１の厚さは、例えば、０．２〜１．５ｍｍの範囲内であればよく、本実施形態では、０．６３５ｍｍの厚みのものを用いている。
【００９７】
次に、例えばＡ６０６３（アルミニウム合金）からなる平板状の冷却器５０を用意する。そして、金属層１３上および冷却器５０上に、それぞれガラス入りＡｇペーストを塗布する（ガラス入りＡｇペースト塗布工程Ｓ３２）。なお、ガラス入り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入りＡｇペーストを金属層１３上および冷却器５０上にそれぞれ形成した。なお、ガラス入りＡｇペーストは、前述した第一実施形態と同様である。
【００９８】
次に、金属層１３上にガラス入りＡｇペーストを塗布した積層物、およびガラス入りＡｇペーストを塗布した冷却器５０を、それぞれ加熱炉内に装入してガラス入りＡｇペーストの焼成を行う（焼成工程Ｓ３３）。このときの焼成温度は、２５０℃以上、３５０℃未満に設定されている（低温焼成）。
【００９９】
この焼成工程Ｓ３３により、金属層１３上にガラス入りＡｇペーストを塗布した積層物、およびガラス入りＡｇペーストを塗布した冷却器５０のそれぞれに、ガラス層３１とＡｇ層３２とを備えたＡｇ焼成層３０Ａ，３０Ｂが形成される。焼成工程Ｓ３３においては、ガラス入りＡｇペーストを２５０℃以上、３５０℃未満といった低温で焼成しているので、従来のような高温焼成（例えば、３５０℃〜６５０℃程度）によってＡｇ焼成層を形成する場合と比較して、加熱による回路基板２０の反り量を小さく抑えることができる。回路基板２０の反り量は５０μｍ／１０ｍｍ以下にすることができる。
【０１００】
次に、焼成工程Ｓ３３で形成されたＡｇ焼成層３０ＡとＡｇ焼成層３０Ｂとの間に、酸化銀粉末と還元剤と溶剤とを含有した酸化銀ペーストを塗布し、例えば、３５０℃程度の低温で加熱する。これによって、Ａｇ焼成層３０ＡとＡｇ焼成層３０Ｂとの間にナノサイズないしサブミクロンサイズのＡｇの焼結体からなる接合層５２が形成され、金属層１３と冷却器５０とがＡｇ焼成層３０Ａ，接合層５２，Ａｇ焼成層３０Ｂを介して接合される（冷却器形成工程Ｓ３４）。
【０１０１】
以上の工程を経て、金属層１３と冷却器５０とがＡｇ焼成層３０Ａ，接合層５２，Ａｇ焼成層３０Ｂを介して接合された回路基板２０を製造することができる。
この後、半導体素子（ＬＥＤ素子）６を実装する場合には、例えば、回路層１２上に、例えばはんだ材を介して半導体素子６を載置し、還元炉内においてはんだ接合することによって、ＬＥＤモジュール（半導体装置）５を製造することができる。
【０１０２】
なお、上記実施形態において、回路層上（Ａｇ焼成層上）にはんだ接合で半導体素子を実装することとして説明したが、これに限らず、ナノサイズやサブミクロンサイズの銀粒子を含む銀ペーストを用いた、Ａｇ焼結による接合を用いることもできる。
【０１０３】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【実施例】
【０１０４】
以下、本実施形態の効果を検証した検証例を示す。
（実験例１〜２５）
上記実施形態に記載した方法によって、４Ｎ−Ａｌのアルミニウム板に表１記載のガラス成分を有するガラス入りＡｇペーストを用い、焼成温度３２０℃、焼成時間３０分とし、厚さ１０μｍのＡｇ焼成層（１０ｍｍ×１０ｍｍ）を形成した。なお、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、Ａ／Ｇ＝８０／５とした。そして、表１記載の方法によってＡｇ焼成層上に半導体素子を接合した。接合方法がはんだの場合、９６．５Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕはんだを用い、Ａｇ焼結の場合には、実施形態に記載した酸化銀ペーストを用いて半導体素子を接合した。
得られたＡｇ焼成層が形成された回路基板に対し、密着性の評価を行った。さらに、半導体素子が接合された半導体装置に対し、ガラス層内のＰ２Ｏ５とＳｎＯの量及び回路層と半導体素子との密着強度を評価した。
【０１０５】
（Ａｇ焼成層と回路層との密着性評価）
ＪＩＳ  Ｋ  ５６００−５−６（クロスカット法）に規定される方法によって、Ａｇ焼成層と回路層との密着性の評価を行った。ただし、評価方法としては、テープ剥離後に残ったＡｇ焼成層の升目の数とした。即ち、数が多いほど、密着性が高いことを示している。なお、升目は１００升（１０升×１０升）とした。
（ガラス層内のＰ２Ｏ５とＳｎＯの量及び回路層と半導体素子との密着強度の評価）
ガラス層の断面をＥＤＳ（カールツァイス社製Ｕｌｔｒａ−５５）でＰ及びＳｎの定量分析を行い、ＰはＰ２Ｏ５換算、ＳｎはＳｎＯ換算し、Ｐ２Ｏ５及びＳｎＯの量とした。
回路層と半導体素子との密着強度は、シェアテストによって求められる、シェア強度（せん断強度）とした。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を確認した。なお、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１に示す。
【０１０６】
【表１】
0006565673.tif 000002
【０１０７】
表１の結果から、ガラス成分が本発明の範囲外とした実験例１，６，１０，１１，１５，１６，２０，２１，２５では、Ａｇ焼成層の密着性が悪く、また、実験例５では密着性は良いものの、半導体素子を接合した後のシェア強度が低かった。
なお、密着性の低かった、実験例１，６，１０，１１，１５，１６，２０，２１，２５は、Ａｇ焼成層が剥離したため、ガラス層内のＰ２Ｏ５とＳｎＯの量及び回路層と半導体素子との密着強度の評価は行っていない。
一方、本発明である実験例２~４、７~９、１２~１４、１７~１９、２２~２４では、密着性及び密着強度の高いパワーモジュール（半導体装置）が得られることが分かった。
【０１０８】
（実験例３０〜３４、従来例）
ＡｌＮからなるセラミックス基板の一方の面に、回路層となる厚さ０．６ｍｍの４Ｎ−Ａｌ板を、他方の面に金属層となる厚さ０．６ｍｍの４Ｎ−Ａｌ板をＡｌ−Ｓｉろう材を用い接合した。回路層上に表１記載のガラス成分を有するガラス入りＡｇペーストを用いてＡｇ焼成層を形成した。なお、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、Ａ／Ｇ＝８０／５とし、焼成温度は表１の通りとした。そして、Ａｇ焼成層が形成された回路基板に対し、Ａｇ焼成層と回路層との密着性及び反りの評価を行った。密着性の評価は上述した方法と同様とした。
（反りの評価）
反りは表面粗さ計（(株)ミツトヨ製  ＳＶ−４１４）を用い、回路面に対し、１０ｍｍの距離を反り粗さ計で３点測定し、その最低値と最高値の差を反り量とした。
結果を表２に示す。
【０１０９】
【表２】
0006565673.tif 000003
【０１１０】
表２の結果から、焼成温度２００℃と低かった実験例３０では密着性が悪かった。また、焼成温度が４００℃と高い実験例３４では、反りが大きくなることが分かった。また、従来のガラス成分を用いた場合も密着性が低いことが分かった。
一方、本発明である実験例３１~３３では、密着性も高く、反りも小さいパワーモジュール（半導体装置）が得られることが分かった。
【符号の説明】
【０１１１】
１  パワーモジュール（半導体装置）
２  はんだ層
３  半導体素子（パワーモジュール素子）
５  ＬＥＤモジュール（半導体装置）
６  半導体素子（ＬＥＤ素子）
１０  回路基板
１１  セラミックス基板（絶縁層）
１２  回路層
１２Ａ  アルミニウム酸化皮膜
２０  回路基板
３０，３０Ａ，３０Ｂ  Ａｇ焼成層
３１  ガラス層
３２  Ａｇ層
３３  Ａｇ粒子
４０  冷却器
５０  冷却器
【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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