(57)【要約】【課題】金属放熱板とアルミニウム板との界面に銅とアルミニウムからなる化合物層を形成することなく金属放熱板とアルミニウム板とを接合し、且つこの接合部材層が４００℃を超える耐熱温度を有することにより優れた放熱効率および耐久性を兼ね備えるセラミックス回路基板およびそれを用いた半導体モジュールを提供することを目的とする。【解決手段】セラミックス基板２の一方の面に金属回路板３が形成され、他方の面に金属放熱板４が形成された回路基板１であって、前記金属回路板および前記金属放熱板が銅または銅合金であり、前記金属放熱板に銅とアルミニウムの金属間化合物を含まない銀焼結体層２２を介してアルミニウム板２０が接合されている回路基板。【選択図】図１
2008198706.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板の一方の面に金属回路板が形成され、他方の面に金属放熱板が形成された回路基板であって、前記金属回路板および前記金属放熱板が銅または銅合金であり、前記金属放熱板に銅とアルミニウムの金属間化合物を含まない銀焼結体層を介してアルミニウム板が接合されていることを特徴とする回路基板。
【請求項２】
前記銀焼結体層の厚みが２０〜１５０μｍであることを特徴とする請求項１に記載の回路基板。
【請求項３】
前記アルミニウム板の厚みが０．２ｍｍ〜１．５ｍｍであり、かつ金属回路板の厚みT１は０．２〜０．８ｍｍであり、さらに金属回路板の厚みT１と金属放熱板の厚みT２の比、T２／T１が０．７〜１．０であることを特徴とする請求項１乃至２のいずれか１項に記載の回路基板。
【請求項４】
常温における最大反り量が２００μｍ／ｉｎｃｈ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の回路基板。
【請求項５】
前記セラミックス基板が窒化珪素セラミックスであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の回路基板。
【請求項６】
セラミックス基板の一方の面に金属回路板を形成し、他方の面に銅または銅合金からなる金属放熱板を形成してセラミックス／金属接合体を作製する第一の接合工程と、前記セラミックス／金属接合体の金属放熱板とアルミニウム板との間に銀ナノ粒子または銀化合物粒子を含む接合材料を介在させ前記セラミックス／金属接合体と前記アルミニウム板とを重ね５００℃以下で加熱する第二の接合工程とを有することを特徴とする回路基板の製造方法。
【請求項７】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の回路基板の金属回路板に半導体チップが接合され、前記回路基板のアルミニウム板に放熱ベースが接合されてなることを特徴とする半導体モジュールに存する。
【請求項８】
前記放熱ベースが銅、銅合金、またはアルミニウム合金であることを特徴とする請求項７に記載の半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に大電力で動作する半導体チップを搭載する回路基板、その製造方法およびそれを用いた半導体モジュールの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電動車両用インバータとして高電圧、大電流動作が可能なパワー半導体モジュール（例えばＩＧＢＴモジュール）が用いられている。こうした半導体モジュールにおいては、半導体チップが自己の発熱によって高温になるため、その放熱を効率よく行なうという機能が要求される。このため、この半導体モジュールにおいて、半導体チップを搭載する回路基板としては、機械的強度が高く、熱伝導率の高いセラミックス基板に金属板を接合したものが広く使用されている。ここで、金属板はセラミックス基板の両面に接合され、その一方の面は金属回路板となり、他方の面は金属放熱板となる。金属回路板は、半導体チップに電気的に接続される配線としても機能する。
【０００３】
金属回路板は配線として機能するため、セラミックス基板には高い絶縁性も要求され、金属回路板には、低い電気抵抗率も要求される。このため、セラミックス基板としては、窒化アルミニウム（熱伝導率が１７０Ｗ／ｍ・Ｋ程度）、金属板としてはアルミニウム（熱伝導率が２４０Ｗ／ｍ・Ｋ程度、電気抵抗率が３．５×１０−８Ω・ｍ）が用いられた。しかしながら、窒化アルミニウムはその機械的強度が不充分であるため、近年はより機械的強度の高い窒化珪素（熱伝導率が９０Ｗ／ｍ・Ｋ程度）が代わりに用いられている。また、金属板としては、より高い熱伝導率と低い電気抵抗率をもつ銅が好ましく用いられている。
【０００４】
この回路基板上の金属回路板に半導体チップが接合され、半導体モジュールが形成される。金属回路板は、セラミックス基板の一方の面においてその全面を覆うことはなく、所定の配線パターンに加工される。一方、金属放熱板は、放熱を目的としてセラミックス基板に接合されている。そのため、セラミックス基板の他方の面においてほぼその全面を覆って形成される。また、実際にこの半導体モジュールが機器に搭載されるに際しては、この放熱板が、同様に熱伝導率の高い材料からなる放熱ベースに接合される。同一の金属板を金属放熱板と放熱ベースを兼ねてセラミックス基板に接合することもできる。この場合、セラミックス基板の一方の面には金属回路板が形成され、他方の面にはセラミックス基板よりも大きな面積を持った金属板が接合された形態となる。
【０００５】
この半導体モジュールを含む機器がＯＮの場合には半導体チップが高温となり、ＯＦＦの場合には常温となる。さらに、寒冷地においては−２０℃程度の厳寒な条件にも至ることもある。従って、通常の使用において、この半導体モジュールは、多数回の冷熱サイクルに曝される。この半導体モジュールを構成する半導体チップ、セラミックス基板、金属放熱板（銅板）等の熱膨張率は異なる（例えば、半導体チップを構成するシリコンの熱膨張係数は３．０×１０−６／Ｋ、銅は１７×１０−６／Ｋ、窒化珪素は２．５×１０−６／Ｋ程度）ため、これらを接合した場合、この冷熱サイクルに際しては、この熱膨張差に起因した歪みが発生する。この歪みの大きさや方向は、このサイクル中で変化する。このため、この半導体モジュールにおいては、冷熱サイクルによって、セラミックス基板や半導体チップが割れたり、半導体チップと金属回路板との接続部が破断することがあった。従って、この歪みによってこの半導体モジュールの冷熱サイクルに対する耐久性が劣化する。また、破壊を生じない場合でも、高温において放熱ベースとの接合部分で大きな反りが生ずると、熱伝導が悪くなり、放熱効率が低下する。
【０００６】
また、一般に、セラミックス基板と、金属回路板や金属放熱板となる金属板との接合はろう付けを用いて行われる。この接合に要する温度は、例えば、Ａｇ−Ｃｕ系ろう材を用いた場合には、およそ７００℃以上であるため、この接合後に常温に戻った状態においては、この方法で製造された回路基板は、反りを生じている。従って、この回路基板を放熱ベースに接合して使用する場合、特に高温の場合でなくとも、これによって放熱効率が低下することがある。
【０００７】
図３には従来の半導体モジュールの断面図を示す。この半導体モジュール１１は、セラミックス基板２にろう材層５を介して接合された金属回路板３上に半導体チップ６がはんだ層７を介して接合して搭載されている。また、同様にしてセラミックス基板２にろう材層５を介して接合された金属放熱板４に放熱ベース１３が接合層１２を介して接合されている。
【０００８】
はんだ層７および接合層１２は、例えば、Ｓｎ−ＰｂはんだやＳｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだであり、その融点は１９０〜２７０℃程度である。従って、これを用いて半導体チップ６と金属回路板３を、金属放熱板４と放熱ベース１３を２１０〜２９０℃程度の温度で接合することができる。この接合温度はろう材５の融点よりも大幅に低いため、この接合に際しては金属回路板３および金属放熱板４とセラミックス基板２との接合に影響を与えることはない。はんだ層７は、冷熱サイクルに際しては、上記の半導体チップ６と金属回路板３との熱膨張差によって内部応力が加わった状態となる。フリップチップ接続を用いた場合には、このはんだ層７によって半導体チップ６と金属回路板３との電気的接続もなされる。また、放熱ベース１３は、機器側でこの回路基板１を搭載する部分である。放熱ベース１３は金属放熱板４に伝わった熱を放熱するため、熱伝導率が高く、熱容量が大きいことが望ましい。一方、放熱ベース１３は前記の通りはんだによる接合層１２を介して、回路基板１と接続されるため、回路基板１に近い熱膨張係数をもつ材料で形成することが好ましい。このため従来は例えば銅・モリブデン或いは銅・タングステン等の熱膨張係数が１０×１０−６／Ｋ前後という、金属材料としては熱膨張係数が比較的小さい材料が用いられている。このような材料を用いることで接合層１２の信頼性を確保してきた。
【０００９】
前記のような構成である図３に示す半導体モジュールは冷熱サイクルに対する高い耐久性を有しているが、銅・モリブデン或いは銅・タングステン等の低熱膨張材料はモリブデン、タングステン等の希少金属を使用するため、コスト高となること、更にはその熱伝導率が高々２００W／ｍ・Kと低いこと、比重が大きくモジュール重量が大きくなりやすいこと等の課題を有している。
【００１０】
前記課題を解決する半導体モジュールとして、図４に示す半導体モジュールがある。図４の半導体モジュールでは、放熱ベース１３は銅、銅合金もしくはアルミニウム合金の低コストで熱伝導の高い材料が使用される。一方、銅、銅合金もしくはアルミニウム合金は熱膨張係数が大きく、図３に示した回路基板とはんだによる接合層１２を介して接合すると、冷熱サイクル試験で接合層１２にクラックが発生し易い。そこで図４に示す半導体モジュールでは金属放熱板４の下にアルミニウム板２０を介してはんだによる接合層１２により、放熱ベース１３を接合している。アルミニウム板２０は金属放熱板４を形成する銅より柔らかい材料からなるため応力緩和の機能を有し、結果として接合層１２の信頼性を確保することができる。
【００１１】
なお、図４では金属放熱板を銅・アルミニウムの２層構造とする例を示したが、銅もしくは銅合金の上下両側にアルミニウム層を設けた構造や、銅もしくは銅合金層を多孔質層として応力緩和を更に改善した方法も開示されている。
【００１２】
【特許文献１】特開２００１−１８５８２６号公報
【特許文献２】特開２０００−１３８３１９号公報
【特許文献３】特開２００４−１５２９７１号公報
【非特許文献１】小山ら：軽金属溶接Ｖｏｌ．４１（２００３）Ｎｏ．２，ｐ．７５−８２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
前述した図４に示す半導体モジュールあるいは特許文献１、特許文献２および特許文献３に開示されている回路基板では、銅もしくは銅合金の金属放熱板４とアルミニウム板２０が１１００℃前後の温度で熱圧着されることで一体化されることが開示されている。しかしながら、銅とアルミニウムの直接接合においては、４００℃以上の温度になると、金属間化合物を形成し易い。そのため、１１００℃という温度にさらされると金属放熱板４とアルミニウム板２０との界面には、銅とアルミニウムからなる化合物層が形成される。そして、この化合物層は極めて脆いため、半導体モジュールの信頼性を大幅に低減してしまう。また、銅もしくは銅合金の金属放熱板４とアルミニウム板２０を接合した後に、金属放熱板４とセラミックス基板２を接合することから、金属放熱板４とセラミックス基板２の接合温度は少なくともアルミニウムの融点（６６０℃）以下としなければならず、使用する接合部材が限定されるとともに接合信頼性に問題が生じる可能性がある。
【００１４】
銅とアルミニウム界面の化合物層の生成を抑制するために、あらかじめ銅もしくは銅合金からなる金属回路板３および金属放熱板４とセラミックス基板２とを例えばＴｉを含有するＡｇ−Ｃｕ系活性ろう材を用いて７００℃〜９００℃程度の温度範囲で強固に接合した後、金属放熱板にアルミニウム板を接合する以下の方法が試みられている。
【００１５】
図５に示す半導体モジュールのような、セラミックス基板２と接合された金属放熱板４にＰｂ含有はんだ等の接合部材２１を用いてアルミニウム板２０を接合する方法では、銅とアルミニウムの接合温度が２００〜４００℃程度と低いため、界面の化合物層の生成は抑制できる。しかしながら、接合部材２１の耐熱温度が２００〜４００℃程度と低いため、金属放熱板４に接合されたアルミニウム板２０と放熱ベース１３を接合部材２１の耐熱温度以下の低温で低融点はんだ等を用いて接合しなければならず、使用できる接合部材が限定されるとともに接合信頼性に問題が生じる可能性がある。
【００１６】
また、非特許文献１では銅とアルミニウムの接合方法として、界面に化合物層の生成抑制に効果のある銀層を挟み込む方法が提案されている。しかしながら、この方法を用いて半導体モジュールを作製する場合、熱間圧延により作製した銀・銅クラッド材からなる金属放熱板４とアルミニウム板２０を、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材を用いてＡｌの融点以下の高温（５５０℃程度）で、かつ狭い温度範囲で接合しなければならず、接合時にセラミックス基板に多大な熱応力が加わるとともに回路基板のそりが大きくなり、また、接合温度を厳密に管理することも困難である。
【００１７】
本発明は、斯かる問題点に鑑みてなされたものであり、金属放熱板とアルミニウム板との界面に銅とアルミニウムからなる化合物層を形成することなく金属放熱板とアルミニウム板とを接合し、且つこの接合部材層が４００℃を超える耐熱温度を有することにより優れた放熱効率および耐久性を兼ね備えるセラミックス回路基板およびそれを用いた半導体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】
【００１８】
本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
【００１９】
請求項１記載の発明の要旨は、セラミックス基板の一方の面に金属回路板が形成され、他方の面に金属放熱板が形成された回路基板であって、前記金属回路板および前記金属放熱板が銅または銅合金であり、前記金属放熱板に銅とアルミニウムの金属間化合物を含まない銀焼結体層を介してアルミニウム板が接合されていることを特徴とする回路基板に存する。
【００２０】
請求項２記載の発明の要旨は、前記銀焼結体層の厚みが２０〜１５０μｍであることを特徴とする請求項１に記載の回路基板に存する。
【００２１】
請求項３記載の発明の要旨は、前記アルミニウム板の厚みが０．２ｍｍ〜１．５ｍｍであり、かつ金属回路板の厚みT１は０．２〜０．８ｍｍであり、さらに金属回路板の厚みT１と金属放熱板の厚みT２の比、T２／T１が０．７〜１．０であることを特徴とする請求項１乃至２のいずれか１項に記載の回路基板に存する。
【００２２】
請求項４記載の発明の要旨は、常温における最大反り量が２００μｍ／ｉｎｃｈ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の回路基板に存する。
【００２３】
請求項５記載の発明の要旨は、前記セラミックス基板が窒化珪素セラミックスであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の回路基板に存する。
【００２４】
請求項６記載の発明の要旨は、セラミックス基板の一方の面に金属回路板を形成し、他方の面に銅または銅合金からなる金属放熱板を形成してセラミックス／金属接合体を作製する第一の接合工程と、前記セラミックス／金属接合体の金属放熱板とアルミニウム板との間に銀ナノ粒子または銀化合物粒子を含む接合材料を介在させ前記セラミックス／金属接合体と前記アルミニウム板とを重ね５００℃以下で加熱する第二の接合工程とを有することを特徴とする回路基板の製造方法に存する。
【００２５】
請求項７記載の発明の要旨は、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の回路基板の金属回路板に半導体チップが接合され、前記回路基板のアルミニウム板に放熱ベースが接合されてなることを特徴とする半導体モジュールに存する。
【００２６】
請求項８記載の発明の要旨は、前記放熱ベースが銅、銅合金、またはアルミニウム合金であることを特徴とする請求項８に記載の半導体モジュールに存する。
【発明の効果】
【００２７】
本発明は以上のように構成されているので、高い放熱特性と冷熱サイクルに対する高い耐久性を兼ね備える半導体モジュールを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
【００２９】
本発明に係る回路基板は、これを用いた半導体モジュールにおいて、高い放熱特性と冷熱サイクルに対する高い耐久性を有する。この回路基板断面図が図１である。図１においては、セラミックス基板２の一方の面に金属回路板３が、他方の面に金属放熱板４が、それぞれろう材５を介して接合されている。さらに、銀焼結体層２２を介して、金属放熱板４とアルミニウム板２０とが接合される。
【００３０】
セラミックス基板２としては、高い熱伝導率、絶縁性、および機械的強度を有し、厚い金属回路板３を接合できる材料として、各種のものを用いることができる。中でも、窒化珪素セラミックスが特に好ましい。具体的には、熱伝導率が７０Ｗ／ｍ・Ｋ程度以上、３点曲げ強度が７００ＭＰａ程度以上、破壊靱性値が６ＭＰａ・ｍ１／２程度以上である窒化珪素セラミックスが好ましい。熱伝導率がこれよりも小さい場合には、回路基板の熱抵抗が大きくなることがある。３点曲げ強度や破壊靱性値がこれよりも小さな場合には、回路基板の製造時や冷熱サイクルによって発生する歪みによってクラックが発生する可能性がある。例えば、その厚さは０．３ｍｍであり、大きさは３０ｍｍ×５０ｍｍである。特にその大きさについてはその用途によって適宜決定される。さらに放熱性を向上させるためには、その厚さは、０．２ｍｍあるいは０．１ｍｍとすることが望ましい。
【００３１】
金属回路板３および金属放熱板４は銅または銅合金であり、セラミックス基板２のそれぞれの面に形成されており、さらに銀焼結体層２２を介して、金属放熱板４とアルミニウム板２０とが接合されている。アルミニウム板２０は融点や熱伝導を踏まえて、ＪＩＳ表記において、１０００系の純アルミニウム板とすることが好ましい。
【００３２】
銀ナノ粒子は極めて大きな比表面積を有するため活性度が高く、通常の焼結温度より非常に低い温度で焼結反応を起こして銀焼結体を形成する。この銀焼結体はもはや銀ナノ粒子を含んでいないためバルク材の銀と同様の融点を有する。前記銀焼結体層は平均粒子径１〜５０nmの銀ナノ粒子を含んだ粒子が焼結して形成された層であり、厚みは２０〜１５０μｍであることが好ましい。厚みが２０μｍより薄い場合は、銅とアルミニウムの化合物の生成を十分に抑制できずに、脆弱な接合層となる可能性がある。また、厚みが１５０μｍより厚い場合は、銀を主成分とする多量の接合材料を必要とするため、実質的ではない。
【００３３】
また、高い放熱特性を達成するため、金属放熱板４ならびにアルミニウム板２０は、セラミックス基板２のほぼ全面にわたり一様に形成されている場合が多く、金属放熱板４ならびにアルミニウム板２０の面積がセラミックス基板２の面積よりも大きくともよい。
【００３４】
また、より優れた応力緩和の機能を有するためには、アルミニウム板２０は、金属放熱板４と同等かもしくは金属放熱板４よりも大きいほうが好ましい。また、はんだ濡れ性の確保のために、金属回路板３の最表面にはＮｉ−Ｐメッキが施してあることが好ましい。
【００３５】
金属回路板３および金属放熱板４とセラミックス基板２とを接合するろう材としては、例えばＴｉを含有するＡｇ−Ｃｕ系活性ろう材が用いられ、これによって７００℃〜９００℃程度の温度範囲で金属回路板３と金属放熱板４がセラミックス基板２に強固に接合されている。なお、ろう材層５の厚さは２０μｍ程度と金属回路板等と比べて薄く、熱伝導率も高いため、ろう材層５の熱抵抗は他の部分と比べて無視できる。
【００３６】
以上のようなＴｉ含有Ａｇ−Ｃｕ系ろう材での接合強度は極めて高いが、その接合温度はおおよそ７００℃以上となり、アルミニウムの融点（６６０℃）を上回るため、アルミニウム板を接合する部材とはなりえない。また、アルミニウム系ろう材や熱圧着法などでも、銅とアルミニウムの直接接合のため、化合物層の生成を抑制する材料を挿入しない限り、脆性な接合層となる。銅とアルミニウムの化合物層の生成を抑制する銀板等の材料を挿入した場合でも、接合に５００℃以上の高温加熱が必要となる。本発明では、あらかじめセラミックス基板２に金属回路板３および金属放熱板４を前記ろう材にて接合した後、銅とアルミニウムの反応を抑えられる１５０〜３５０℃程度の低温で接合でき、かつ接合後に形成される銀焼結体層２２は、耐熱温度が銀の融点の９６０℃程度となり、かつ銅とアルミニウムとの化合物の生成を抑制する層となるため、脆弱な銅とアルミニウムとの化合物層がほとんど形成されずに、アルミニウム板２０を応力緩和層として確実に形成することができる。
【００３７】
また、回路基板の熱抵抗を低減するためには、回路基板の反り量を低減し、回路基板と放熱ベース等との接触を良好にすることが必要である。ろう材により、金属回路板３と金属放熱板４とをセラミックス基板２とを接合した状態では、回路基板の反りは３０μｍ／ｉｎｃｈ（１ｉｎｃｈは０．０２５４ｍ）以下である。その後、アルミニウム板２０を接合する際の温度条件などによっては基板が大きく反る場合があるが、接合条件の調整により、放熱性に支障ない反りのレベル、具体的には、常温におけるその最大反り量の絶対値を２００μｍ／ｉｎｃｈ（１ｉｎｃｈは０．０２５４ｍ）以下とすることができる。
【００３８】
この回路基板は、例えば、以下の通りにして製造できる。
【００３９】
［第一の接合工程］
絶縁性セラミックス基板２（窒化珪素セラミックス）の両面に活性金属ろう材５として例えば、Ｔｉが添加されたＡｇ−Ｃｕ系合金に代表される活性金属を印刷塗布する。次に、絶縁性セラミックス基板２とほぼ同じ長方形状の金属板である無酸素銅を両面に７００℃〜９００℃の温度で加熱接合する（セラミックス／金属接合体）。
【００４０】
その後、金属板上にレジストパターンを形成後、例えば塩化第二鉄あるいは塩化第二銅溶液によってエッチング処理を施して、回路パターンをなす金属回路板３および金属放熱板４を形成する。また、これによって露出した部分のろう材層５のエッチングは、例えば過酸化水素とフッ化アンモニウムとの混合溶液によって引き続き行われる。その後、銀焼結体層２２を介して、金属放熱板４とアルミニウム板２０を加熱接合し、図１の回路基板が製造される。なお、金属放熱板４とアルミニウム板２０は表面に錆等の接合を妨げる介在物がない状態で接合する必要があり、Ｎｉメッキ等の表面処理後に使用することが好ましい。また、回路パターン形成後の金属回路板３にはＮｉ−Ｐメッキを施すが、メッキ処理を施さないことも可能であり、この場合には、ベンゾトリアゾール等などの防錆剤を添付する。また、選択する接合部材種に応じて、ロジンなどの濡れ性向上成分を含有した防錆剤を用いる。
【００４１】
［第二の接合工程］
前記銀焼結体層２２を形成するための接合材料の主成分には、例えば銀ナノ粒子を用いることができる。平均粒子径は１〜５０nmの銀ナノ粒子を用いることが好ましい。銀ナノ粒子とバインダーおよび有機溶剤等からなるペースト（接合材料）を金属放熱板４あるいはアルミニウム板２０に印刷塗布し、１５０〜３５０℃程度の温度で加熱することで、バインダーおよび有機溶剤等は分解・蒸散し銀ナノ粒子が焼結して銀焼結体層２２が形成され、金属放熱板４とアルミニウム板２０の接合層となる。表面エネルギーが高い銀ナノ粒子を利用することにより、５００℃以下、好ましくは１５０〜３５０℃程度の低温で銅もしくは銅合金からなる金属放熱板４とアルミニウム板２０を接合することが可能であり、かつ、銅とアルミニウムの界面に銀層が存在するため、銅とアルミニウムの極めて脆い化合物層の形成が抑制され、信頼性の高い接合層とすることができる。また、形成された銀焼結体層２２の耐熱温度はＡｇの融点の９６０℃程度の高温となりえる。用いる銀ナノ粒子の平均粒子径は１〜５０nm、好ましくは、１〜２０ｎｍとするとよい。一般に、金属ナノ粒子は平均粒子径５０ｎｍ以下で融点以下の焼結温度をとる。さらに、１５０〜３５０℃程度の低温で焼結させるためには平均粒子径２０ｎｍ以下であることが好ましい。また、銀ナノ粒子は、加熱接合前の室温に近い段階での凝集を抑制するために、有機物皮膜材で覆われ溶剤中に分散させて取り扱われるが、粒子径が小さいほど凝集が容易に起こり、取り扱いが困難となるため、平均粒子径１ｎｍ以上とすることが好ましい。
【００４２】
さらに、前記銀焼結体層２２を形成するための接合材料の主成分は、前記の銀ナノ粒子と銀粉粒子とを混合した銀ナノ粒子含有粒子とすることができる。平均粒子径１〜５０nmの銀ナノ粒子と平均粒子径０．１〜１００μｍ程度の銀粉粒子とを混合した銀ナノ粒子含有粒子とすることが好ましく、銀ナノ粒子の含有比率が５％以上である銀ナノ粒子含有物としてもよい。銀粉粒子の表面に融着した銀ナノ粒子同士が１５０〜３５０℃程度の低温で加熱することによって焼結し、金属放熱板４とアルミニウム板２０を接合する銀焼結体層が形成される。含有する銀ナノ粒子の割合は５％以上（銀ナノ粒子重量／（銀ナノ粒子重量＋銀粉粒子重量）×１００≧５）とすることが好ましい。銀ナノ粒子及び銀粉粒子を低温で焼結させて、接合信頼性の高い銀焼結体層２２を得るためには、銀ナノ粒子含有物中の銀ナノ粒子の高い表面エネルギーを利用しなければならないため、銀ナノ粒子含有物中に銀ナノ粒子が５％以上含有されていることが好ましい。また、銀粉粒子の代わりに他の導電性粒子を用いても良いが、接合する銅とアルミニウムの化合物層の生成を抑制でき、かつ銀ナノ粒子との親和性が高い材料を選択する必要がある。
【００４３】
さらには、前記銀焼結体層２２を形成するための接合材料の主成分として、前記銀ナノ粒子や銀ナノ粒子含有物の代わりに酸化銀粒子や有機銀塩粒子等の銀ナノ粒子の前駆体となりえる銀化合物粒子を用いても良い。銀化合物粒子の粒径は数μｍ程度が好ましい。銀化合物粒子は塗布後、加熱することによって、分解して銀ナノ粒子を析出することができる。この方法では、１５０〜３５０℃程度の低温の加熱で銀ナノ粒子を凝集することなく析出できるため、銀ナノ粒子や銀ナノ粒子含有物を用いた場合と同様に、平均粒子径１〜５０nmの銀ナノ粒子を５％以上含んだ粒子が焼結して形成された銀焼結体層２２を形成することが可能である。また、銀化合物粒子からの銀ナノ粒子の析出を促進するために有機化合物等の還元剤を少量添加することが好ましい。また、平均粒子径０．１〜１００μｍ程度の銀粉粒子等の導電性粒子に銀化合物粒子を混合した混合物を用いてもよい。加熱することにより分解して生成した銀ナノ粒子が銀粉粒子表面に析出し、前記銀ナノ粒子含有物を用いた場合と同様の効果が得られる。
【００４４】
銀ナノ粒子の前駆体となりえる銀化合物粒子の製造方法は、有機銀塩のうちの脂肪酸銀塩の場合、例えば、脂肪酸をＮａＯＨで鹸化して各脂肪酸Ｎａ塩を調製し、これと硝酸銀を用いて脂肪酸銀塩を作製する。
【００４５】
前記銀焼結体層２２を形成するための接合材料は、ペースト状にしてスクリーン印刷する以外にも、ディッピングやインクジェット印刷により金属放熱板４もしくはアルミニウム板２０上に塗布したり、シート状にして金属放熱板４とアルミニウム板２０の間に挿入して用いてもよい。
【００４６】
図１の回路基板に、半導体チップおよび放熱ベースを接合することによって半導体モジュールを得ることができる。この半導体モジュールの断面図が図２である。図２においては、図１の回路基板１に半導体チップ６と放熱ベース１３がはんだ層７および接合層１２を介して接合される。
【００４７】
半導体チップ６は、例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）のような半導体デバイスが形成されたシリコンチップである。特にこの半導体デバイスは、大電力で動作するものとすることができる。これによる発熱がこの回路基板によって放熱される。また、半導体チップ６と配線となる金属回路板３との電気的接続は、ボンディングワイヤ（図示せず）を用いてもよいし、フリップチップ接続を用いることにより、はんだ等のバンプにより行ってもよい。さらには、半導体素子との接合信頼性（パワーサイクル特性）を向上させるため、銅および銅合金あるいは、銅とインバーとのクラッド材からなるリード板による接合を行ってもよい。
【００４８】
はんだ層７は、例えば、Ｓｎ−Ｐｂはんだ等であり、その融点は１９０〜２７０℃程度である。また、環境対応下Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｂｉ系などのＰｂフリーはんだを用いることが望ましい。
【００４９】
接合層１２も、例えば、Ｓｎ−Ｐｂはんだ等のはんだ層としてもよいが、本発明では、金属放熱板４とアルミニウム板２０の接合層を耐熱温度９６０℃程度の銀焼結体層２２としているため、５００℃以上の高温で接合層１２を形成することが可能である。そのため、接合層１２には接合温度５００℃程度のＡｌ−Ｓｉ系等のろう材を用いて、高い接合信頼性を得ることが好ましい。５００℃以上の高温で接合層１２を形成する場合は、その後に融点の低いはんだ層７を形成する。
【００５０】
なお、はんだ層７は、冷熱サイクルに際しては、上記の半導体チップ６と金属回路板３との熱膨張差によって内部応力が加わった状態となる。特に金属回路板３の厚みが０．８ｍｍを越えるような厚い場合、その内部応力は高くなり、冷熱サイクル試験にはんだ層７にクラックが入る可能性が高くなるため、金属回路板３の厚みは０．８ｍｍ以下とする必要がある。一方、金属回路板３の厚みが０．２ｍｍ未満の薄い場合にはシリコンチップから流れてくる電流を処理するには不充分な厚みであり、発熱の恐れが高くなる。
【００５１】
放熱ベース１３は、機器側でこの回路基板を搭載する部分である。放熱ベース１３は金属放熱板４に伝わった熱を放熱するため、熱伝導率が高く、熱容量が大きい。これは例えば銅、銅合金、またはアルミニウム合金からなる。放熱ベース１３の熱膨張係数は、例えば、銅が１７×１０−６／Ｋ、アルミニウムが２２×１０−６／Ｋ程度と大きい。銅合金およびアルミニウム合金の熱膨張係数もこれらに近い値となる。これらはアルミニウム板２０のない回路基板の熱膨張係数５〜８×１０−６／Ｋよりもかなり大きいため、アルミニウム板２０がない状態で回路基板を放熱ベース１３に接合した場合、接合層１２に応力が集中して破断する恐れがあるが、本発明のように金属放熱板４とアルミニウム板２０とを銀焼結体層２２を介して接合した後、回路基板を放熱ベース１３に接合した場合には、接合層１２の形成にＡｌ−Ｓｉ系のろう材等を用いることができ、かつ、柔らかいアルミニウム板２０が応力緩和層として作用することで接合層１２に集中していた応力を緩和し、接合層１２の接合信頼性を大幅に向上させることができるので、放熱性と耐久性に優れた半導体モジュールを得ることもできる。
【００５２】
この半導体モジュールは、例えば、以下の通りにして製造できる。前記回路基板のアルミニウム板２０に放熱ベースをろう材により接合し、その後、金属回路板３と半導体チップ６とを、はんだにより接合する。
【００５３】
なお、上記の例ではセラミックス基板２として窒化珪素セラミックスを用いていたが、これに限られるものではなく、同等以上の熱伝導率、３点曲げ強度、破壊靱性値、絶縁性を持つものであれば、同様に用いることができる。
【００５４】
最後に、これらの半導体モジュールにおいて−４０℃〜＋１２５℃の温度範囲の冷熱サイクルを３０００回行い、その放熱効率および耐久性を判定する。ここで、放熱効率を示す指標として、冷熱サイクル印加前後の半導体チップからの熱抵抗を測定する。ここで、熱抵抗は、ＪＩＳＡ１４１２で規定される量である。また、３０００回印加後に、はんだ層７および接合層１２および銀焼結体層２２の破損や剥離の発生を調べる。
【実施例】
【００５５】
（実施例１〜１８、比較例１〜１４）
実施例１〜１８として、表１の構成の回路基板を作製後、これに放熱ベース及び半導体チップを接合して上記の構造の半導体モジュールを作製し、冷熱サイクルを印加して、その耐久性能を調べた。同時に、比較例となる回路基板も作製し、同様の特性を調べた。
【００５６】
【表１】
2008198706.tif 000003
【００５７】
実施例および比較例において使用したセラミックス基板はすべて３０ｍｍ×５０ｍｍ×厚さ０．３ｍｍの窒化珪素セラミックス板（熱伝導率が９０Ｗ／ｍ・Ｋ程度、３点曲げ強度が７００ＭＰａ程度、破壊靱性値が６ＭＰａ・ｍ１／２程度）である。金属回路板２８ｍｍ×４８ｍｍおよび金属放熱板２８ｍｍ×４８ｍｍとしては、無酸素銅を用いた。金属回路板のパターンはすべて同一である。金属回路板および金属放熱板の接合に使用したろう材はＴｉを活性金属として含有し、組成はＡｇ−Ｃｕ系のものである。また、接合温度は約８００℃である。金属放熱板とアルミニウム板２８ｍｍ×４８ｍｍは表１に記載の材料を主成分とするペースト（接合材料）をアルミニウム板の一方の面の全面にスクリーン印刷後、加熱して接合した。接合温度及び接合層の厚みも表１に記載する。
【００５８】
実施例１〜９および比較例１〜６は、金属放熱板とアルミニウム板の接合層の効果および接合条件を調べたものである。実施例１０〜１３および比較例７〜９は、アルミニウム板の効果並びにその厚みの影響を調べたものである。実施例１４〜１５および比較例１０は回路基板の反りの影響を調べたものである。回路基板の反りはアルミニウム板の接合条件および荷重付加（１ＭＰａ程度）により可変した。実施例１６〜１８および比較例１１〜１４は金属回路板および金属放熱板の厚みと厚み比の影響を調べたものである。
【００５９】
以上の実施例および比較例について、−４０℃〜＋１２５℃の冷熱サイクルにおける特性を調べた。回路基板の反りについては、常温にて回路基板の対角線上の反り量を３次元形状測定器により測定し、対角線の長さで割った量を最大反り量（μｍ／ｉｎｃｈ）とした。ここで、金属回路板側が凸になる方向を＋とした。
【００６０】
図２に示すように、この回路基板にアルミニウム合金の放熱ベース１３をＡｌ−Ｓｉ系ろう材で接合後、半導体チップ６（パワーＭＯＳＦＥＴ）をＳｎ−３％Ａｇ−０．５％Ｃｕはんだで接合して半導体モジュールを作製し、冷熱サイクルを行った。−４０℃〜＋１２５℃の冷熱サイクル（１サイクルは７０分）を３０００回行い、その後での半導体チップ６下のはんだ層７および金属放熱板４下の銀焼結体層２２およびアルミニウム板２０下の接合層１２の破損の状況を超音波画像診断装置（日立建機製Ｈｉ−Ｆｏｃｕｓ）を用い、ボイド率（ボイドの面積／半導体チップ面積×１００）を調べた。はんだ層７、銀焼結体層２２および接合層１２の破損は、これらにおける界面のボイド率が３０００サイクル後に３０％以上となっていた場合を、破損や剥離が発生したと認定した。いずれかの箇所で破損や剥離が発生したものを不合格とした。
【００６１】
また、冷熱サイクルの印加の前後で、半導体チップ側から見た熱抵抗（℃／Ｗ）を測定した。熱抵抗は、ＪＩＳＡ１４１２で規定される量である。この測定は、半導体チップに通電することによってこれを発熱させ、そのとき温度上昇を熱抵抗評価装置（キャッツ電子製、ＭＯＤＥＬ  ＤＶＦ２４０）によって電圧換算により測定した。ここでは、単位断面積当りの量ではなく、単位を（℃／Ｗ）として測定した。初期（冷熱サイクル印加前）の熱抵抗の値が０．２５℃／Ｗ以上であったものは放熱特性が悪いために不合格と判定した。また、初期の熱抵抗がこの値より小さくとも、冷熱サイクル印加後の熱抵抗の値が２５％以上増加していたものは、はんだ層７、銀焼結体層２２もしくは接合層１２において上記の観察では判別できない程度の破損やセラミックス基板のクラック等が発生したものと考えられるため、不合格とした。以上の結果を表１にまとめて示す。
【００６２】
実施例１〜１８の回路基板は、金属放熱板４とアルミニウム板２０とを５００℃以下の低温で強固に接合することで作製できた。金属放熱板４とアルミニウム板２０との間には銀焼結体層２２が形成された。この銀焼結体層２２にはＣｕとＡｌとの反応による脆い金属間化合物は生成されていなかった。この銀焼結体層２２と金属放熱板４又はアルミニウム板２０との何れの界面においても前記の金属間化合物は生成されていなかった。金属間化合物の有無の確認は銀焼結体層２２断面を切り出し、ＳＥＭ観察およびＥＤＸによる組成分析をすることによって行った。この回路基板を用いた半導体モジュールにおいては３０００回の冷熱サイクル印加によってもはんだ層７、銀焼結体層２２および接合層１２で大きな破損を生じることがなく、冷熱サイクルの前後で低い熱抵抗値を保つことが確認できた。また、常温における最大反り量の絶対値は２００μｍ／ｉｎｃｈ以下であった。
【００６３】
これに対し、接合部材を用いずに、５００℃熱圧着にてアルミニウム板２０を接合した比較例１では、金属放熱板４とアルミニウム板２０の間に極めて脆い化合物層が形成され、この化合物層からクラックが入り、１０００サイクルで不合格となった。また、金属放熱板４とアルミニウム板２０の接合部材に融点５７０℃のＡｌ−Ｓｉ系ろう材を用いた比較例２でも比較例１と同様に金属放熱板４とアルミニウム板２０の界面に脆い化合物層が形成され、この化合物層からクラックが入り、１０００サイクルで不合格となった。また、比較例３では、銀・銅クラッド材からなる金属放熱板４とアルミニウム板２０を、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材を用いて接合を試みたが、５００℃以下の低温では接合できなかった。比較例４では平均粒子径８０ｎｍの銀ナノ粒子を用い、また、比較例５では平均粒子径１０ｎｍの銀ナノ粒子を２％含んだ銀ナノ粒子含有物を用いたが、５００℃以下の低温では金属放熱板４とアルミニウム板２０加熱接合することができなかった。比較例６では、接合材料の塗布量を少なくしたため、銀ナノ粒子含有物により形成された接合層が１０μｍと薄く、金属放熱板４とアルミニウム板２０の界面の銀焼結体層２２中に脆い化合物層が形成されてクラックが入り、１０００サイクルで不合格となった。
【００６４】
アルミニウム板２０がない比較例７は、１５００サイクルで放熱ベース１３上の接合層１２の破損が発生した。
【００６５】
アルミニウム板２０が０．１ｍｍと薄い比較例８では２０００サイクルで放熱ベース１３上の接合層１２の破損が発生した。一方、アルミニウム板２０が１．８ｍｍと厚い比較例９では初期の熱抵抗値が０．２８℃／Ｗと高く、放熱性が不充分であった。
【００６６】
回路基板の反りが大きい比較例１０では初期の熱抵抗値が０．２７℃／Ｗと高く、放熱性が不充分であった。金属回路板３の厚みＴ１が０．１ｍｍと薄い比較例１１および金属回路板３と金属放熱板４との厚み比Ｔ２／Ｔ１比が本発明外の比較例１３および１４では熱抵抗値が高く、放熱性が不充分であった。また、金属回路板３の厚みＴ１が１．０ｍｍと厚い比較例１２では半導体チップ下のはんだ層７にクラックが入り１０００サイクルで不合格となった。
【００６７】
以上実施例を示したが、これらは本発明における、ほんの一部である。いずれにしても、本発明を実施した回路基板および、前記回路基板を用いたモジュールとすることにより、放熱性に優れ、なおかつ信頼性、特に接合層の信頼性に優れたパワー半導体モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の実施の形態に係る回路基板の断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る半導体モジュールの断面図である。
【図３】従来の半導体モジュールの一例の構造の断面図である。
【図４】従来の半導体モジュールの一例の構造の断面図である。
【図５】従来の半導体モジュールの一例の構造の断面図である。
【符号の説明】
【００６９】
１  回路基板
２  セラミックス基板
３  金属回路板
４  金属放熱板
５  ろう材層
６  半導体チップ
７  はんだ層
１１  半導体モジュール
１２  接合層
１３  放熱ベース
２０  アルミニウム板
２１  接合部材層
２２  銀焼結体層
【図１】
2008198706.tif 000004
【図２】
2008198706.tif 000005
【図３】
2008198706.tif 000006
【図４】
2008198706.tif 000007
【図５】
2008198706.tif 000008