(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平均粒子径が２０〜１００μｍのＡｌＮ粒子を、Ａｌ２Ｏ３粒子またはＹ２Ｏ３粒子の少なくとも一種類により被覆してなる複合粒子を含み、２０μｍ以上ＡｌＮ粒子の平均粒子径値以下の範囲から選択される所定値未満の粒子径を有する微粒子が５体積％未満である、溶射用複合粉体材料。
【請求項２】
２０μｍ未満の粒子径を有する微粒子が、５体積％未満である、請求項１に記載の溶射用複合粉体材料。
【請求項３】
室温における安息角が、５５°未満である、請求項１または２に記載の溶射用複合粉体材料。
【請求項４】
室温におけるＣａｒｒの流動性指数が、７０以上である、請求項１〜３のいずれかに記載の溶射用複合粉体材料。
【請求項５】
前記Ａｌ２Ｏ３粒子またはＹ２Ｏ３粒子の平均粒子径が、２０μｍ未満である、請求項１〜４のいずれかに記載の溶射用複合粉体材料。
【請求項６】
前記Ａｌ２Ｏ３粒子またはＹ２Ｏ３粒子による被覆の厚みが、１〜３０μｍである、請求項１〜５のいずれかに記載の溶射用複合粉体材料。
【請求項７】
平均粒子径が２０〜１００μｍのＡｌＮ粒子を、Ａｌ２Ｏ３粒子またはＹ２Ｏ３粒子の少なくとも一種類で被覆する工程と、
前記工程により得られた粒子混合物から、２０μｍ以上、ＡｌＮ粒子の平均粒子径値以下の範囲から選択される所定値未満の粒子径を有する微粒子を分級により除去する工程と
を含む方法により調製される、溶射用複合粉体材料。
【請求項８】
前記分級により除去する工程が、２０μｍ未満の平均粒子径を有する微粒子が５体積％未満となるように実施される、請求項７に記載の溶射用複合粉体材料。
【請求項９】
前記被覆する工程が、メカノヒュージョン法又は、スプレードライ法による、請求項７または８に記載の溶射用複合粉体材料。
【請求項１０】
半導体素子と、
前記半導体素子の一方の面に接合された溶射絶縁基板であって、銅もしくはアルミニウムからなる基材の一方の面に、請求項１〜９に記載の溶射用複合粉体材料を溶射してなる溶射膜を備える溶射絶縁基板と、
前記半導体素子の他方の面に接合された外部回路との接続用プリント基板と
を含む部材を、封止材で封止してなる半導体装置であって、
前記溶射絶縁基板の前記溶射膜面に、溶射により製造された冷却体をさらに含む半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶射用複合粉体材料に関する。本発明は、特には、半導体装置の絶縁基板の製造において特に有用な溶射用複合粉体材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、従来のパワー半導体用の絶縁層としては、銅板と銅板との間に絶縁性のセラミック層を活性金属や、ロウ付けなどの手法で接合した構造体が使用されている。しかし、その製造工程は長く、生産性が低いものである。
【０００３】
またこのような構造体を樹脂で封止してなる半導体モジュールを用いて、熱衝撃試験を行うと、突出したセラミック層を起点にしてクラックが発生し、絶縁信頼性上問題が生じる場合があった。
【０００４】
プラズマ溶射を用いた構造やプロセスに関する手法としては、平均的な直径が１μｍ以上１０μｍ未満の略球状をした窒化アルミニウム粒子からなる溶射膜が形成されてなる窒化アルミニウム溶射部材が提案されている（特許文献１を参照）。しかし、特許文献１においては、他の部材との混合粉末を使用しているに過ぎず、また特許文献１に記載の製造方法は、必ずしも、生産性や絶縁信頼性が満足できるものではなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開2009-235558号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
溶射部材を製造するにあたって、生産性を向上させうる溶射用複合粉体材料、並びに、このような溶射用複合粉体材料を用いて、高い生産性で製造しうる溶射絶縁基板並びに半導体装置が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものである。すなわち、本発明は、一実施形態によれば、溶射用複合粉体材料であって、平均粒子径が２０〜１００μｍのＡｌＮ粒子を、Ａｌ２Ｏ３粒子またはＹ２Ｏ３粒子の少なくとも一種類により被覆してなる複合粒子を含み、２０μｍ以上ＡｌＮ粒子の平均粒子径値以下の範囲から選択される所定値未満の平均粒子径を有する微粒子が、５体積％未満である。
【０００８】
前記溶射用複合粉体材料において、２０μｍ未満の平均粒子径を有する微粒子が、５体積％未満であることが好ましい。
【０００９】
前記溶射用複合粉体材料において、室温における安息角が、５５°未満であることが好ましい。
【００１０】
前記溶射用複合粉体材料において、室温におけるＣａｒｒの流動性指数が、７０以上であることが好ましい。
【００１１】
前記溶射用複合粉体材料において、前記Ａｌ２Ｏ３粒子またはＹ２Ｏ３粒子の平均粒子径が、２０μｍ未満であることが好ましい。
【００１２】
前記溶射用複合粉体材料において、前記Ａｌ２Ｏ３粒子またはＹ２Ｏ３粒子による被覆の厚みが、１〜３０μｍであることが好ましい。
【００１３】
本発明は、別の実施形態によれば、溶射用複合粉体材料であって、平均粒子径が２０〜１００μｍのＡｌＮ粒子を、Ａｌ２Ｏ３粒子またはＹ２Ｏ３粒子の少なくとも一種類で被覆する工程と、前記工程により得られた粒子混合物から、２０μｍ以上ＡｌＮ粒子の平均粒子径値以下の範囲から選択される所定値未満の粒子径を有する微粒子を、分級により除去する工程とを含む方法により調製される。
【００１４】
前記溶射用複合粉体材料において、前記分級により除去する工程が、２０μｍ未満の平均粒子径を有する微粒子が５体積％未満となるように実施されることが好ましい。
【００１５】
前記溶射用複合粉体材料において、前記被覆する工程が、メカノヒュージョン法又は、スプレードライ法によることが好ましい。
【００１６】
本発明は、また別の実施形態によれば、銅もしくはアルミニウムからなる基材の一方の面に、前述のいずれかの溶射用複合粉体材料を溶射してなる溶射膜を備える、溶射絶縁基板である。
【００１７】
本発明は、さらにまた別の実施形態によれば、半導体装置であって、半導体素子と、前記半導体素子の一方の面に接合された前述の溶射絶縁基板と、前記半導体素子の他方の面に接合された外部回路との接続用プリント基板とを含む部材を、封止材で封止してなる。
【００１８】
前記半導体装置において、前記溶射絶縁基板の前記溶射膜面に、溶射により取り付けられた冷却体をさらに含むことが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る溶射用複合粉体材料は、溶射により例えば、半導体装置を構成する基板の製造において、生産性の向上に寄与することができる。また、本発明に係る溶射用複合粉体材料を用いて製造された溶射絶縁基板は、半導体モジュールの製造において、放熱グリースなどの放熱材を使用することなく、アルミ放熱フィンに取り付けることができる点で、非常に有利である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、第１実施形態に係る複合粒子の概念図（ａ）及び電子顕微鏡による１０００倍の拡大写真（ｂ）である。
【図２】図２は、第１実施形態に係る複合粒子を構成するＡｌＮ粒子の概念図（ａ）及び電子顕微鏡による５００倍の拡大写真（ｂ）である。
【図３】図３は、第２実施形態による溶射絶縁基板及びその製造方法を模式的に示す断面図である。
【図４】図４は、パワー半導体モジュールにおける、本発明に係る溶射絶縁基板及び素子構成の一部を示す概念図である。
【図５】図５は、本発明に係る溶射絶縁基板を用いた、半導体モジュールの断面構造を示す概念図である。
【図６】図６は、溶射用複合粉体材料の製造において、分級前の粒子混合物の粒子径分布を、レーザ回折散乱式粒度分布測定器により測定した結果を示すグラフである。
【図７】図７は、溶射用複合粉体材料の製造において、分級後の粒子混合物の粒子径分布を、レーザ回折散乱式粒度分布測定器により測定した結果を示すグラフである。
【図８】図８は、パワー半導体モジュールにおける、従来技術に係る絶縁基板及び素子構成の一部を示す概念図である。
【図９】図９は、熱衝撃試験後の比較例の半導体モジュールの、Ｘ線透過写真に基づく部分的な模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。ただし、本発明は、以下に説明する実施の形態によって限定されるものではない。
【００２２】
［第１実施形態：溶射用複合粉体材料］
本発明は、第１実施形態によれば、溶射用複合粉体材料であって、平均粒子径が２０〜１００μｍのＡｌＮ粒子を、Ａｌ２Ｏ３粒子またはＹ２Ｏ３粒子の少なくとも一種類により被覆してなる複合粒子を含み、２０μｍ以上ＡｌＮ粒子の平均粒子径値以下の範囲から選択される所定値未満の平均粒子径を有する微粒子が、５体積％未満である。
【００２３】
図１に、本実施形態に係る複合粒子の概念図及び電子顕微鏡による写真を示す。複合粒子の概念的な断面図である図１（ａ）を参照すると、複合粒子１は、ＡｌＮ粒子１１を、Ａｌ２Ｏ３粒子またはＹ２Ｏ３粒子、あるいはそれらの両方１２で被覆してなる。また、図１（ｂ）を参照すると、複合粒子１は、その表面に、Ａｌ２Ｏ３粒子及び／またはＹ２Ｏ３粒子１２が付着していることがわかる。
【００２４】
次に、図２は、本実施形態に係る複合粒子を構成するＡｌＮ粒子の概念図及び電子顕微鏡による写真を示す。図２（ａ）を参照すると、ＡｌＮ粒子１１の形状としては、図示するように、断面が略円形、すなわち、略球状のものが好ましいが、プラズマ溶射に用いることができる形状であればよく、ほかにも、角柱状、破砕状および平板状であってもよい。図２（ｂ）を参照すると、ＡｌＮ粒子は、２〜５μｍ程度のＡｌＮ微粒子をスプレードライ法で造粒後、高温熱処理により焼結した粒子径約５０μｍの粒子である。
【００２５】
ＡｌＮ粒子１１は、レーザ回折・散乱法による粒度分布測定装置により測定した平均粒子径が、２０〜１００μｍ、好ましくは、３０〜９０μｍ、より好ましくは、４０〜７０μｍのものを用いる。これは、平均粒子径が１００μｍより大きいと溶射に適さず、２０μｍ未満では、膜のＡｌＮ比率が低くなり、好ましい特性が得られないためである。かかるＡｌＮ粒子１１は、前述のようにスプレードライ法で造粒後、高温熱処理により焼結して得られたものが好ましい。
【００２６】
再び図１（ａ）を参照すると、Ａｌ２Ｏ３粒子及び／またはＹ２Ｏ３粒子１２による被覆層の厚みは、例えば、１〜３０μｍであってよく、好ましくは、１〜２０μｍ、より好ましくは、１〜１０μｍである。被覆層が３０μｍよりも厚いと、ＡｌＮ粒子１１の熱伝導性が生かせない場合がある。一方、被覆層が１μｍよりも薄いと、被覆による十分な効果が得られない場合がある。被覆に用いるＡｌ２Ｏ３粒子またはＹ２Ｏ３粒子としては、レーザ回折・散乱法による粒度分布測定装置により測定した平均粒子径が、例えば、０．１〜２０μｍであり、好ましくは、０．２〜１５μｍであり、さらにより好ましくは、０．３〜１２μｍである。平均粒子径が２０μｍよりも大きいと、ＡｌＮ粒子の被覆がしにくい場合がある。一方、平均粒子径が０．１よりも小さいと、バインダーとしての機能が果たせない場合がある。
【００２７】
ＡｌＮ粒子を被覆するに際し、Ａｌ２Ｏ３粒子またはＹ２Ｏ３粒子、あるいはそれらの両方を用いることができる。Ａｌ２Ｏ３粒子とＹ２Ｏ３粒子との両方を用いる場合には、それらの粒子径は、同一でも異なっていても良い。また、Ａｌ２Ｏ３粒子とＹ２Ｏ３粒子との両方を用いる場合の質量比は、６０：４０〜９５：５程度とすることが好ましいが、これらには限定されない。
【００２８】
本実施形態による複合粒子１は、ＡｌＮ粒子１１の表面全体が、Ａｌ２Ｏ３粒子及び／またはＹ２Ｏ３粒子１２により被覆されていることが好ましいが、部分的に被覆されていない箇所が存在してもよい。
【００２９】
本実施形態による溶射用複合粉体材料は、上記の複合粒子１を含み、所定の微粒子の含有量が５体積％未満であることを特徴とする。所定の微粒子とは、上記複合粒子１よりも粒子径が小さく、溶射装置の閉塞をもたらしうる粒子であって、具体的には、２０μｍ以上、ＡｌＮ粒子の平均粒子径値以下の範囲から選択される所定値未満の平均粒子径を有する微粒子をいう。例えば、ＡｌＮ粒子１１の平均粒子径値が１００μｍの場合には、所定値は、２０〜１００μｍの範囲から目的及び用途に応じて選択することができる。所定値の選択基準としては、溶射装置の仕様や、溶射により製造する対象物の仕様があり得るが、これらには限定されない。したがって、ＡｌＮ粒子１１の平均粒子径値が１００μｍの場合には、例えば、平均粒子径が７０μｍ未満の微粒子が５体積％未満、あるいは平均粒子径が５０μｍ未満の微粒子が５体積％未満、あるいは平均粒子径が３０μｍ未満の微粒子が５体積％未満、あるいは平均粒子径が２０μｍ未満の微粒子が５体積％未満であってよい。また、例えば、ＡｌＮ粒子１１の平均粒子径値が、５０μｍの場合には、所定値は２０〜５０μｍの範囲から選択することができ、例えば、平均粒子径が４０μｍ未満の微粒子が５体積％未満、あるいは平均粒子径が３０μｍ未満の微粒子が５体積％未満、あるいは平均粒子径が２０μｍ未満の微粒子が５体積％未満であってよい。なお、ＡｌＮ粒子１１の平均粒子径が、例えば１００μｍ程度と大きい場合には、ＡｌＮ粒子の平均粒子径が、例えば２０〜３０μｍと小さい場合と比較して、上記所定の微粒子が生じにくく、所定値を２０μｍとした場合でも、１００μｍとした場合でも、所定の微粒子の体積割合を５体積％未満程度とすることができ、装置の配管閉塞を防止することが可能である。
【００３０】
当該所定値未満の平均粒子径を有する微粒子の含有量は、好ましくは３％体積以下、より好ましくは２体積％以下、さらに好ましくは１体積％以下である。最も好ましくは、当該微粒子を実質的に含まない。所定値未満の平均粒子径を有する微粒子が、５体積％未満、あるいはそれ以下の好ましい体積％未満となっていることは、例えば、レーザ回折散乱式粒度分布測定器により確認することができる。
【００３１】
次に、本実施形態に係る溶射用複合粉体材料を製造方法の観点から説明する。第１実施形態による溶射用複合粉体材料の好ましい製造方法は、平均粒子径が２０〜１００μｍのＡｌＮ粒子を、Ａｌ２Ｏ３粒子またはＹ２Ｏ３粒子の少なくとも一種類で被覆する工程と、前記工程により得られた粒子混合物から、２０μｍ以上ＡｌＮ粒子の平均粒子径値以下の範囲から選択される所定値未満の粒子径を有する微粒子を分級により除去する工程とを含む。
【００３２】
（１）被覆工程
第１工程として、ＡｌＮ粒子を、Ａｌ２Ｏ３粒子またはＹ２Ｏ３粒子の少なくとも一種類で被覆する工程を実施する。ＡｌＮ粒子を、Ａｌ２Ｏ３粒子またはＹ２Ｏ３粒子については、先に説明した平均粒子径を有するものを用いることができる。Ａｌ２Ｏ３粒子及び／またはＹ２Ｏ３粒子によるＡｌＮ粒子の被覆は、種々の方法により実施することができ、当業者であれば、特定の方法に限定されることなく、適切な方法を実施することができる。好ましくは、メカノヒュージョン法又は、スプレードライ法によることができる。
【００３３】
一例として、スプレードライ法によるＡｌ２Ｏ３粒子及び／またはＹ２Ｏ３粒子によるＡｌＮ粒子の被覆は、ＡｌＮ粒子と、Ａｌ２Ｏ３粒子及び／またはＹ２Ｏ３粒子と、バインダー樹脂と、分散剤と、溶媒とを湿式のボールミル処理により、スラリー化し、次いで、スプレードライ法により、噴霧乾燥することで複合粒子を製造することができる。
【００３４】
この場合、バインダー樹脂としては、例えば、ポリビニルブチラール樹脂、ポリビニルアルコール、ロジン、澱粉、等を用いることができるが、これらには限定されない。また、分散剤としては、多価アルコールエステル等を用いることができるが、これには限定されない。溶媒としては、例えば、エタノール、アセトン、アセトニトリルなどの、これらの粒子や樹脂と反応性の低い汎用の有機溶媒を用いることができるが、これらには限定されない。
【００３５】
また、上記の所望の厚みで、ＡｌＮ粒子の表面に、Ａｌ２Ｏ３粒子及び／またはＹ２Ｏ３粒子の被覆層を設けるためには、ＡｌＮ粒子１００質量部に対し、Ａｌ２Ｏ３粒子及び／またはＹ２Ｏ３粒子の総質量が、例えば、６０〜５質量部となるように、好ましくは、４０〜１０質量部となるように、スラリーを調製することができる。さらに、その際の、バインダー樹脂の添加量は、ＡｌＮ粒子１００質量部に対し、例えば、２０〜０．１質量部、好ましくは、１０〜１質量部である。分散剤の添加量は、ＡｌＮ粒子１００質量部に対し、例えば、５〜０．００１質量部、好ましくは、１〜０．０１質量部である。また、溶媒の量は、ＡｌＮ粒子１００質量部に対し、例えば、５０〜５００質量部、好ましくは１００〜３００質量部である。
【００３６】
スプレードライ法を用いて製造した複合粒子においては、緻密なＡｌＮ焼結粒子と、Ａｌ２Ｏ３粒子、Ｙ２Ｏ３粒子とは、バインダー樹脂により接合している。
【００３７】
あるいは、乾式プロセスとして、メカノヒュージョン法を用いて複合粒子を製造することもできる。この場合も、ＡｌＮ粒子１００質量部に対し、Ａｌ２Ｏ３粒子及び／またはＹ２Ｏ３粒子の総質量が、例えば、６５〜５質量部となるように、好ましくは４０〜１０質量部となるように、これらの粒子を混合することで、上記の所望の厚みで、ＡｌＮ粒子の表面に、Ａｌ２Ｏ３粒子及び／またはＹ２Ｏ３粒子の被覆層を設けることができる。
【００３８】
被覆工程により得られた粒子混合物は、いずれの方法を用いた場合でも、目的とする複合粒子以外に、目的外の微粒子が、通常、混入する。目的外の微粒子としては、例えば、被覆されなかったＡｌＮ粒子や、ＡｌＮ粒子表面に付着することなく残存するＡｌ２Ｏ３粒子やＹ２Ｏ３粒子があるが、これらには限定されない。
【００３９】
（２）分級工程
第２工程として、被覆工程により得られた粒子混合物から、２０μｍ以上ＡｌＮ粒子の平均粒子径値以下の範囲から選択される所定値未満の粒子径を有する微粒子を分級により除去する分級工程を実施する。具体的には、目的とする複合粒子と、それ以外の粒子を含みうる、上記工程の反応生成物から、所定値未満の粒子径を有する微粒子を除去する。上記所定値を基準とする理由は、ＡｌＮ粒子の平均粒子径以上の粒子径で分級すると、目的の複合粒子を分級するおそれがある上に、粉体の収率が低くなり、経済的に不利益だからである。一方、２０μｍよりも小さい所定値で分級すると、粉体の凝集の原因となり得る微粒子を含んだ溶射用複合粉体材料となり、溶射時の配管閉塞の可能性が高くなるためである。
【００４０】
分級には、例えば、気流分級やふるい分級などの方法を用いることができる。気流分級は、比較的小さい粒子を除去するために好ましく用いられ、市販の気流分級装置を用い実施することができる。この分級を経ることで、ＡｌＮ粒子の平均粒子径未満の粒子径を有する微粒子、例えば、１００μ未満、７０μ未満、５０μ未満、４０μｍ未満、あるいは３０μ未満の粒子径を有する微粒子を除去し、特に好ましくは、２０μｍ未満の粒子径を有する微粒子を概ね除去し、粉体の凝集を回避することができる。
【００４１】
ある実施形態においては、前記分級により除去する工程が、所定値未満の平均粒子径を有する微粒子が５体積％未満となるように実施されることが好ましく、２０μｍ未満の平均粒子径を有する微粒子が５体積％未満となるように実施されることがより好ましい。分級工程を経た溶射用複合粉体材料において、特定の値未満の平均粒子径を有する微粒子が、５体積％未満となっていることは、例えば、レーザ回折散乱式粒度分布測定器により確認することができる。微粒子の量を特定の量まで低減するまで、上記分級方法を組み合わせて、繰り返し分級工程を実施することが好ましい。特定の値未満の平均粒子径を有する微粒子、例えば、２０μｍ未満の平均粒子径を有する微粒子が、より好ましくは、２体積％未満、さらに好ましくは、１体積％未満となるまで、分級を行うことができる。
【００４２】
また、任意選択的な工程として、被覆工程により得られた粒子混合物から、過大な粒子をふるい分級などの分級により除去する工程を含んでもよい。粒子径が大きすぎると溶射の粉体が配管内で搬送されにくくなるためである。過大な粒子の粒子径は、被覆工程において用いるＡｌＮ粒子の平均粒子径及びＡｌ２Ｏ３粒子及び／またはＹ２Ｏ３粒子の被覆層の厚みに起因する複合粒子の粒子径との関係で相対的に決定されるべきものであり、特定の粒子径には限定されない。例えば、粒子径が１３０μｍより大きい粒子、粒子径が１２０μｍより大きい粒子、粒子径が１００μｍより大きい粒子を過大な粒子ということができる。
【００４３】
他の任意選択的な工程として、水分率・溶剤含有率の低減のための工程を実施してもよい。このような工程は、分級後の粒子混合物を、温度が、例えば、７０〜１００℃、好ましくは８０℃程度の熱風乾燥方法により、乾燥することにより実施することができるが、乾燥の方法は特定の方法には限定されない。
【００４４】
このようにして得られた溶射用複合粉体材料は、室温における安息角が、５５°未満であることが好ましい。室温における安息角は、例えば、R.L.Carr, Chem. Eng., pp.163-168, 18(1965)に定義されている方法により測定することができ、測定装置としては、例えば、セイシン企業のマルチテスターＭＴ１００１などの、粉体測定装置を用いることができる。室温における安息角が、５５°未満であると、溶射用複合粉体材料全体として、凝集しにくいといった利点がある。
【００４５】
また、室温におけるＣａｒｒの流動性指数が、７０以上であることが好ましい。室温におけるＣａｒｒの流動性指数もまた、上記文献の開示に基づいて、同様の装置を用いて測定し、得ることができる。Ｃａｒｒの流動性指数が、７０以上である場合にも、上記と同様に、粉体の凝集が起こりにくいといった利点がある。
【００４６】
かかる製造方法による溶射用複合粉体材料においては、上記所定値未満の粒子径を有する微粒子が除去され、好ましくは、５体積％未満となっている。このような溶射用複合粉体材料は、溶射に用いる装置、例えば、流動床式型の粉体供給装置の配管を閉塞させることがなく、連続的に溶射を実施することができる。そのため、本実施形態による溶射用複合粉体材料を用いて、溶射部材を製造する際の生産性が高い。
【００４７】
［第２実施形態：溶射絶縁基板］
本発明は、第２実施形態によれば、溶射絶縁基板であって、銅もしくはアルミニウムからなる基材の一方の面に、第１実施形態による溶射用複合粉体材料を溶射してなる溶射膜を備える溶射絶縁基板である。
【００４８】
図３は、本実施形態による溶射絶縁基板及びその製造方法を模式的に示す断面図である。図３（ｃ）を参照すると、溶射絶縁基板３０は、基材２０の一方の面に、溶射膜１０を備えてなる。
【００４９】
基材２０は、銅もしくはアルミニウムからなるブロックであってよく、その厚みは、用途に合わせて当業者が適宜決定することができるが、通常、０．３〜１０ｍｍ、好ましくは、０．５〜５ｍｍである。溶射膜１０の厚みは、例えば、０．０２０〜１．５ｍｍ、好ましくは、０．２〜１．０ｍｍである。厚みが、０．０２０ｍｍよりも薄いと、絶縁性が得られない場合があり、１．５ｍｍよりも厚いと、膜の密着力が低下する場合があるためである。溶射膜１０は、第１実施形態による溶射用複合粉体材料を、基材２０に溶射することによって得ることができる。
【００５０】
次に、第２実施形態による溶射絶縁基板を、その製造方法の観点から説明する。溶射絶縁基板の製造方法は、銅もしくはアルミニウムからなる基材の一方の面を粗面化する工程と、粗面化された基材に、第１実施形態による溶射用複合粉体材料を溶射する工程とを含む。
【００５１】
図３（ａ）は、基材２０を模式的に示す断面図である。これのような基材２０に対し、その一方の表面を粗面化する工程を実施する。粗面化は、既知のブラスト処理などにより実施することができる。図３（ｂ）は、ブラスト処理後の基材２０を模式的に示す断面図である。
【００５２】
次いで、溶射用複合粉体材料を溶射する工程を実施する。ここでは、大気プラズマ溶射、高速フレーム溶射などの方法を適宜用いて、第１実施形態による溶射用複合粉体材料を、粗面化された基材に溶射する。図３（ｃ）に、その結果得られる溶射絶縁基板３０を示す。このようにして得られた溶射絶縁基板３０は、その側面が概ね平坦であり、突出した構造などを含まず、比較的単純な構造な構造となっている。さらに、製造工程も短く経済的であるため、従来技術による絶縁基板と比較して、有利に用いることができる。
【００５３】
このような溶射絶縁基板３０を、半導体装置の一例である、半導体モジュールにおいて用いる場合を例に挙げてさらに説明する。図４は、パワー半導体モジュールにおける、基板及び素子構成の一部を示す概念図である。図４において、溶射絶縁基板３０の基材２０側に、接合層２２を介して、半導体素子２１が載置されている。半導体素子２１は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor：ＩＧＢＴ）や、フライ・ホイール・ダイオード（Fly Wheel Diode：ＦＷＤ）であってよいが、これらには限定されない。一方、溶射絶縁基板３０の溶射膜１０側には、冷却体であるアルミフィン２３が設けられ、図示しない他の部材とともに封止材により封止されて、半導体モジュール１００を構成する。
【００５４】
図示するように、溶射膜１０とアルミフィン２３との間には、シリコーングリース等の放熱材が存在しない。アルミフィン２３を、溶射膜１０上に、溶射により製造することができるためである。このような構成とすることにより、グリースの不均一性、すなわち、空気を包含することに基づく熱抵抗増大を抑制できるといった利点がある。
【００５５】
アルミフィン２３の溶射による製造は、コールドスプレー法により、例えば、特定の形状になるようにマスクを通して溶射することにより、あるいは、溶射ノズルの移動パターンを特定の形状になるようにプログラミングして溶射することにより、実施することができる。図４のアルミフィン２３は、汎用の櫛型の形状のフィンを概念的に示したものであるが、フィン形状、厚さ、サイズ、ピッチは限定されるものではない。また、フィンの材料は、高熱伝導性で、軽く安価なアルミニウムが好ましく用いられるが、これには限定されない。熱伝導性、加工性、軽量性に優れる他の金属、例えば銅を用いることもできる。
【００５６】
図８に、パワー半導体モジュールにおける、従来技術に係る絶縁基板及び素子構成の一部を示す概念図を示す。従来技術による半導体モジュール２００は、セラミックスからなる絶縁層の両面に銅ブロックを直接接合したＤＢＣ（登録商標）基板１３０を用い、その上面に、接合層１２２を解して、半導体素子１２１が載置されている。そして、基板１３０の下面には、放熱材の層１２４を介して、アルミフィン１２３が取り付けられている。このような従来技術の構成では、ＤＢＣ（登録商標）基板１３０の製造に多くの工程がかかるほか、中心の絶縁層が突出した構造を有することに起因する、絶縁信頼性の問題があった。これに対して、図４に示す、本実施形態に係る溶射絶縁基板３０は、このような不利益がないものとなっている。さらに詳細には、本実施形態に係る溶射絶縁基板３０は、単純な構造で製造工程が短く、生産性に優れている。さらには、本実施形態に係る溶射絶縁基板３０は、その構造に起因して、熱衝撃試験時の封止材のクラックをなくすことができ、信頼性が向上したものとなっている。
【００５７】
［第３実施形態：半導体装置］
本発明は、第３実施形態によれば、半導体装置であって、半導体素子と、前記半導体素子の一方の面に接合された第２実施形態による溶射絶縁基板と、前記半導体素子の他方の面に接合された外部回路との接続用プリント基板とを含む部材を、封止材で封止してなる。半導体装置は任意選択的に、溶射により取り付けられた冷却体を備えてもよい。
【００５８】
図５は、第３実施形態に係る半導体装置の一例である、半導体モジュール１００の断面構造を示す図である。半導体モジュール１００においては、銅基材２０の下面に溶射膜１０を設けた溶射絶縁基板３０が設けられる。そして、各溶射絶縁基板３０の、溶射膜１０面には、アルミフィン２３が溶射により取り付けられている。溶射絶縁基板３０の銅基材２０側の面である上面には、導電接合層２２ａを介して、ＳｉＣパワー半導体素子２１が複数個搭載され取り付けられている。さらにＳｉＣパワー半導体素子２１の上面には、導電接合層２２ｂによりインプラントピン２８を備えたインプラント方式プリント基板２９が取り付けられている。インプラント方式プリント基板２９の上面と、銅基材２０の上面には、それぞれ、外部接続端子２７が取り付けられ、半導体モジュール１００の外部との電気的接続が可能に構成されている。ＳｉＣパワー半導体素子２１の周囲は、熱硬化性樹脂からなる封止層２４で絶縁封止されており、半導体モジュール１００を構成している。なお、本明細書において、上面、下面とは、説明の目的で、図中の上下を指す相対的な用語であって、半導体装置の使用態様等との関係で上下を限定するものではない。また、図１は概念図であって、プリント基板２９、インプラントピン２８等の部材構成は、図示する形態には限定されない。また、封止層２４の溶射絶縁基板３０及び半導体素子２１が存在しない箇所には、図示しない取付金具が設けられていてもよい。
【００５９】
なお、図示する実施形態においては、複数の溶射絶縁基板３０を備えて構成されるモジュールにおいて、各溶射絶縁基板３０に、独立した別個の冷却体であるアルミフィン２３が設けられているが、モジュール全体に１つの冷却体が設けられる実施形態も可能である。さらに、溶射により溶射膜１０面に直接設けられた冷却体以外に、放熱グリースを介して、取り付けられたアルミフィンやその他の冷却体であってもよく、その場合も、溶射絶縁基板ごとに冷却体が取り付けられていてもよく、モジュール全体に１つの冷却体が設けられていてもよい。
【００６０】
次に、第２実施形態による半導体モジュール１００を、その製造方法の観点から説明する。ＳｉＣパワー半導体モジュールの製造方法は、主として、溶射絶縁基板３０、半導体素子２１、並びにプリント基板２９が接合された部材を組み立てる工程と、前記部材を樹脂封止する工程とから構成される。
【００６１】
溶射絶縁基板３０、半導体素子２１、並びにプリント基板２９が接合された部材を組み立てる工程は、第２実施形態にしたがい、アルミフィン２３からなる冷却体が溶射により取り付けられた溶射絶縁基板３０を製造する工程と、溶射絶縁基板３０の基材２０面に、導電接合層２２ａにより１以上のＳｉＣパワー半導体素子２１を搭載する工程と、ＳｉＣパワー半導体素子２１の溶射絶縁基板３０とは反対側の面に、導電接合層２２ｂにより、インプラントピン２８を有するインプラント方式のプリント基板２９を取り付ける工程と、前記基材２０及び前記プリント基板２９に外部接続端子２７を接続する工程とを含む。このような組み立て工程及び使用する部材の仕様等については、従来技術に開示される、通常の方法に従ってよい。例えば、出願人による、特開2013-004729号公報や、特開2012-191010号公報において説明した各工程を適用することができる。また、冷却体として溶射により取り付けられたフィンを備える半導体モジュールにおいては、フィンが取り付けられた溶射絶縁基板３０を組み立てることもできるし、組み立てた後にフィンをとりつけることもできる。
【００６２】
樹脂封止する工程は、予め通常の方法で減圧脱泡した、エポキシ樹脂などの封止材２４で、溶射絶縁基板３０、半導体素子２１、並びにプリント基板２９が接合された部材を封止する。封止は、トランスファー成形、液状トランスファー成形、射出成型等の成形法により、所定の形状に成形することにより実施する。その後、封止材２４を構成する熱硬化性樹脂を所定の温度及び時間条件で、例えば、１００〜１８０℃で、１〜１０分、熱硬化させて封止工程を完了する。封止層２４は、異なる熱硬化性樹脂やナノコンポジット樹脂からなる２種類以上の異なる層から構成されていてもよい。
【００６３】
第３実施形態による半導体モジュール１００によれば、特には、使用雰囲気が高温、例えば、１７５℃以上となる半導体装置において、溶射絶縁基板３０を用いることにより半導体装置の信頼性を高めると共に、コストを低減することができる。
【実施例】
【００６４】
以下に、実施例により、本発明をより詳細に説明する。以下の実施例は、本発明の例示であって、本発明を限定するものではない。
【００６５】
（実施例１）
平均粒子径が５０μｍの球状ＡｌＮ焼結粉（トクヤマ製）を８０質量部と、平均粒子径が１μｍのＡｌ２Ｏ３を１５質量部と、平均粒子径が０．４μｍのＹ２Ｏ３を５質量部と、エタノールと、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）樹脂を５質量部と、と分散剤（ＳＮ  ディスパーサント９２２８  サンノプコ株式会社製）を０．５質量部とを混ぜ、ボールミルによりスラリー化した。次いで、回転数９０００ｒｐｍ、ディスク径５０ｍｍのスプレードライ装置（大川原化工機株式会社製）により、目的とする複合粒子を含む粒子混合物を得た。そして、気流分級機（株式会社セイシン企業製  型式Ｎ−０１）を用いて、回転数２０００ｒｐｍ、ブロワー流量１．４ｍ３／ｈ、処理速度６００ｇ／ｈの条件で、気流分級を実施した。さらに、ふるい分級（振動式ふるい器網目７５μｍ）により、粒子混合物の粒子径を調整後、乾燥して、実施例１の溶射用複合粉体材料を得た。
【００６６】
以上のようにして得られた実施例１の溶射用複合粉体材料について、粉体の安息角、粒度分布、Ｃａｒｒの流動性指数と、溶射時での配管の閉塞の有無を評価した。Ｃａｒｒの流動性指数、安息角は、文献の定義に従い、マルチテスターＭＴ１００１（株式会社セイシン企業製）を用いて測定した。一方、粒度分布は、レーザ回折散乱式粒度分布測定器  ＬＭＳ２０００ｅ（株式会社セイシン企業製）を用いて測定した。
【００６７】
さらに、実施例１の溶射用複合粉体材料を用いて、溶射絶縁基板を製造した。厚さ１ｍｍのＣｕ基材にブラスト処理をして、粗面化した。その後、以下の溶射条件で大気プラズマ溶射を行い、厚さ２００μｍ以上の溶射膜を作製した。
［溶射条件］
電流          ６００Ａ
溶射距離      １２０ｍｍ
ガス流量      Ａｒ  ６０ｓｌｍ、Ｈ２  ９ｓｌｍ
ガン移動速度  ４５ｍ／ｍｉｎ
パス回数      ８０回以上
【００６８】
（実施例２）
実施例１において、セラミックスの配合を、平均粒子径が５０μｍの球状ＡｌＮ焼結粉（トクヤマ製）を６０質量部と、Ａｌ２Ｏ３（平均粒子径１０μｍ）３５質量部、平均粒子径が０．４μｍのＹ２Ｏ３を５質量部に変更した以外は、実施例１と同様に溶射用複合粉体材料を製造し、評価した。
【００６９】
（実施例３）
実施例１において、セラミックスの配合を、平均粒子径が２０μｍの球状ＡｌＮ焼結粉（トクヤマ製）を６０質量部と、Ａｌ２Ｏ３（平均粒子径１μｍ）を２０質量部、ＡｌＮ（粒子径１０μｍ）を２０質量部に変更した以外は、実施例１と同様に溶射用複合粉体材料を製造した。
【００７０】
（実施例４）
実施例３において、セラミックスの配合を、平均粒子径が２０μｍの球状ＡｌＮ焼結粉（トクヤマ製）を６０質量部と、Ａｌ２Ｏ３（平均粒子径１０μｍ）を４０質量部に変更した以外は、実施例３と同様に溶射用複合粉体材料を製造した。
【００７１】
（実施例５）
実施例４において、セラミックスの配合を、平均粒子径が２０μｍの球状ＡｌＮ焼結粉（トクヤマ製）を４０質量部と、Ａｌ２Ｏ３（平均粒子径１０μｍ）を６０質量部に変更した以外は、実施例３と同様に溶射用複合粉体材料を製造した。
【００７２】
（実施例６）
実施例１において、セラミックスの配合を平均粒子径が１００μｍの球状ＡｌＮ焼結粉（トクヤマ製）８０質量部とＡｌ２Ｏ３（平均粒子径１μｍ）２０質量部に変更した以外は、実施例１と同様に溶射用複合粉体材料を製造した。この場合のふるい分級は、振動式ふるい器で、網目１２５μｍのものを用いて実施した。
【００７３】
（比較例１〜３）
比較例１は、実施例１において、粉体の分級を実施しなかった以外は実施例１と同様に行った。比較例２は、実施例３において、粉体の分級を実施しなかった以外は実施例３と同様に行った。比較例３は、実施例６において粉体の分級を実施しなかった以外は実施例６と同様に行った。
【００７４】
これらの粉体を用いてプラズマ溶射を行った際の、配管の閉塞についての結果を下記表１に示す。配管の閉塞の有無の判定基準は、溶射開始後、２０分間の間に閉塞が無いこととした。表１に示すように、本発明の実施例１〜６においては配管の閉塞が無く連続的に生産が可能となった。また、このように分級を行うことで、粉体の物性を事前に評価する事により、粉体および製造工程の管理が可能になる。
【００７５】
【表１】
0006428121.tif 000002
【００７６】
（粒度分布測定）
実施例１による溶射用複合粉体材料の製造において、複合粒子を製造する工程を経た後、分級工程前の粒子混合物について、粒度分布測定を行った。粒度分布の測定は、レーザ回折散乱式粒度分布測定器を用いて、行った。結果を図６に示す。グラフにおいて、実線は体積比率、破線は累積体積比率、一点鎖線は分級を行った粒子径を示す。分級工程前の粒子混合物には、粒子径が２０μｍ未満の微粒子の存在に起因する分布ピークが見られる。この分布ピークは、被覆されなかったＡｌ２Ｏ３粒子、Ｙ２Ｏ３粒子に起因するものである。また、その総量は、本実施例においては、１０体積％程度になることがグラフからわかる。また、実線で表される分布の右側の大きなピークは、Ａｌ２Ｏ３粒子及びＹ２Ｏ３粒子に被覆されたＡｌＮ粒子からなる複合粒子を表す。
【００７７】
次いで、分級工程後の粒子混合物について、同様に粒度分布測定を行った結果を図７に示す。グラフにおいて、実線、破線、一点鎖線は、図６と同じ意味内容を示す。分級工程後の粒子混合物には、粒子径が２０μｍ未満の微粒子の存在に起因する小さな分布ピークが消失しており、粒子径が２０μｍ未満の微粒子は、０．０４体積％程度であることがグラフからわかる。
【００７８】
（熱衝撃試験）
実施例１〜６及び比較例１〜３で製造した溶射絶縁基板を用いて、図５に示すような半導体モジュールを製造した。封止材としては、ナガセケムテックス製エポキシ樹脂を用い、200℃で、4時間、熱硬化させた。得られた半導体モジュールについて、熱衝撃試験を行った。具体的には、低温側は、−４０℃で３０分保持、高温側は１５０℃で３０分保持を１サイクルとし、これを３００サイクル実施した。試験後の半導体装置の、封止樹脂部におけるクラックの存在を目視とＸ線透過観察で確認したが、クラックは存在しなかった。一方、溶射絶縁基板に代えて、図８に示す従来技術による構造のＤＢＣ基板を用いた以外は上記と同様にして、比較例の半導体モジュールを組み立て、比較例の半導体モジュールに対し、同様の熱衝撃試験を行った。熱衝撃試験後の比較例の半導体モジュールの、Ｘ線透過写真に基づく部分的な模式図を、図９に示す。比較例の半導体モジュール２００において、封止層２４には、ＤＢＣ基板１３０の突出した基板の先端を起点に、内部クラック１４０の発生が見られた。この結果から、基板構造の相違に起因する、本発明の溶射絶縁基板の効果が示された。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明に係る溶射用複合粉体材料は、インバータサーボ、ＵＰＳ、電源機器など向けのパワー半導体用の絶縁基板、及びこれを用いた半導体装置の製造において有用である。
【符号の説明】
【００８０】
１      複合粒子
１１    ＡｌＮ粒子
１２    Ａｌ２Ｏ３粒子、Ｙ２Ｏ３粒子の被覆層
１０    溶射膜
２０    基材
３０    溶射絶縁基板
１００  半導体装置
２１    ＳｉＣ半導体素子ａ
２２ａ  導電接合層
２２ｂ  導電接合層
２３    アルミフィン（冷却体）
２４    封止層
２８    インプラントピン
２９    インプラント方式プリント基板
１３０  ＤＢＣ（登録商標）基板
１４０  クラック
２００  従来技術による半導体モジュール
【図１】
0006428121.tif 000003
【図２】
0006428121.tif 000004
【図３】
0006428121.tif 000005
【図４】
0006428121.tif 000006
【図５】
0006428121.tif 000007
【図６】
0006428121.tif 000008
【図７】
0006428121.tif 000009
【図８】
0006428121.tif 000010
【図９】
0006428121.tif 000011