(57)【要約】【課題】半導体素子を効率良く冷却することができる冷却機構を備えたパワーモジュールユニット、及び、このパワーモジュールユニットの製造方法を提供する。【解決手段】半導体素子２と、半導体素子２の一方の面側に配設された第一の冷却機構１０と、半導体素子２の他方の面側に配設された第二の冷却機構２０と、を有し、第一の冷却機構１０及び第二の冷却機構２０は、絶縁基板１１，２１と、絶縁基板１１，２１の一面に形成された導電層１２，２２と、絶縁基板１１，２１の他面に接合されたヒートシンク１３，２３と、を有し、導電層１２，２２上に半導体素子２が接合される構成とされており、少なくとも第一の冷却機構１０の絶縁基板１１とヒートシンク１３との接合界面から第二の冷却機構２０の絶縁基板２１とヒートシンク２３との接合界面までの領域が、樹脂封止されたことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、半導体素子の一方の面側に配設された第一の冷却機構と、半導体素子の他方の面側に配設された第二の冷却機構と、を有し、
前記第一の冷却機構及び前記第二の冷却機構は、絶縁基板と、絶縁基板の一面に形成された導電層と、前記絶縁基板の他面に接合されたヒートシンクと、を有し、前記導電層上に前記半導体素子が接合される構成とされており、
少なくとも、前記第一の冷却機構の前記絶縁基板と前記ヒートシンクとの接合界面から、前記第二の冷却機構の前記絶縁基板と前記ヒートシンクとの接合界面までの領域が、樹脂封止されたことを特徴とするパワーモジュールユニット。
【請求項２】
前記第一の冷却機構及び前記第二の冷却機構のうち少なくとも一方において、前記ヒートシンクがアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されており、前記ヒートシンクのうち前記絶縁基板との接合界面近傍に、Ｃｕ，Ｓｉ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶されてい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ユニット。
【請求項３】
前記第一の冷却機構及び前記第二の冷却機構のうち少なくとも一方において、前記ヒートシンクと前記絶縁基板との接合界面に、少なくともＡｇ粉末が焼結されてなるＡｇ焼結層が形成されてい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ユニット。
【請求項４】
半導体素子と、半導体素子の一方の面側に配設された第一の冷却機構と、半導体素子の他方の面側に配設された第二の冷却機構と、を有し、前記第一の冷却機構及び前記第二の冷却機構は、絶縁基板と、絶縁基板の一面に形成された導電層と、前記絶縁基板の他面に接合されたヒートシンクと、を有し、前記導電層上に前記半導体素子が接合される構成とされたパワーモジュールユニットの製造方法であって、
前記第一の冷却機構及び前記第二の冷却機構を形成する冷却機構形成工程と、前記半導体素子の一方の面と前記第一の冷却機構の前記導電層とを接合するとともに前記半導体素子の他方の面と前記第二の冷却機構の前記導電層とを接合する半導体素子接合工程と、少なくとも前記第一の冷却機構の前記絶縁基板と前記ヒートシンクとの接合界面から前記第二の冷却機構の前記絶縁基板と前記ヒートシンクとの接合界面までの領域を樹脂で封止する樹脂モールド工程と、を有し、
前記冷却機構形成工程において、前記絶縁基板の他面に前記ヒートシンクを接合することを特徴とするパワーモジュールユニットの製造方法。
【請求項５】
前記ヒートシンクは、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されており、
前記冷却機構形成工程は、前記ヒートシンクの接合面と前記絶縁基板の接合面のうち少なくとも一方に、Ｃｕ，Ｓｉ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着して添加元素層を形成する添加元素層形成工程と、前記添加元素層を介して前記絶縁基板と前記ヒートシンクとを積層する積層工程と、積層された前記絶縁基板と前記ヒートシンクとを積層方向に加圧するとともに加熱し、前記絶縁基板と前記ヒートシンクとの界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、この溶融金属領域を凝固させることによって、前記絶縁基板と前記ヒートシンクとを接合する溶融金属凝固工程と、を備えており、
前記加熱工程において、前記添加元素層の添加元素を前記ヒートシンク側に拡散させることにより、前記絶縁基板と前記ヒートシンクとの界面に、前記溶融金属領域を形成することを特徴とする請求項４に記載のパワーモジュールユニットの製造方法。
【請求項６】
前記添加元素層形成工程は、前記ヒートシンクの接合面と前記絶縁基板の接合面のうち少なくとも一方に、ＡｇとＣｕとを含むＡｇ−Ｃｕペーストを塗布する構成とされており、
このＡｇ−ＣｕペーストにおけるＣｕの含有量が５質量％以上４５質量％以下に設定されていることを特徴とする請求項５に記載のパワーモジュールユニットの製造方法。
【請求項７】
前記冷却機構形成工程において、前記ヒートシンクと前記絶縁基板との間にろう材を配設し、前記ヒートシンクと前記絶縁基板とをろう付けすることを特徴とする請求項４に記載のパワーモジュールユニットの製造方法。
【請求項８】
前記冷却機構形成工程は、前記ヒートシンクの接合面と前記絶縁基板の接合面のうち少なくとも一方に、Ａｇ粉末を含むＡｇペーストを塗布するＡｇペースト塗布工程と、このＡｇペーストを焼成する焼成工程と、を備えていることを特徴とする請求項４に記載のパワーモジュールユニットの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられるパワーモジュールユニット及びパワーモジュールユニットの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子の中でも電力供給のためのパワー素子は、発熱量が比較的高いため、これを搭載するパワーモジュールとして、例えば特許文献１に示すように、ＡｌＮ（窒化アルミ）やＡｌ２Ｏ３（アルミナ）などからなるセラミックス基板の一方の面にＡｌ（アルミニウム）からなる金属板が接合されるとともにセラミックス基板の他方の面側にヒートシンクが接合され、前記金属板の上に半導体素子が搭載されたものが提案されている。
【０００３】
最近では、大電流化、高電圧化に伴い、半導体素子からの発熱量が大きくなっており、この半導体素子を効率的に冷却可能な冷却機構を備えたパワーモジュールが求められている。そこで、例えば、特許文献２には、半導体素子を内蔵した半導体モジュールの両面に、絶縁材を介して冷却管を接触配置した半導体冷却機構が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３２９１６０号公報
【特許文献２】特開２００７−１６５６２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献２に記載された半導体冷却機構においては、半導体素子を内蔵した半導体モジュールと絶縁材との間にグリスを介在させ、かつ、絶縁材と冷却管との間にもグリスを介在させ、半導体モジュールと絶縁材、絶縁材と冷却管とを接触配置している。グリスは、金属等に比べて熱伝導性が劣ることから、半導体素子を効率良く冷却することができなかった。また、グリスは、経時劣化（損耗、固化等）が激しいため、使用期間が長くなると半導体モジュールと絶縁材、絶縁材と冷却管の密着性が悪くなり、半導体素子を効率良く冷却することができなくなってしまうといった問題があった。
また、半導体モジュール、絶縁材、冷却管のそれぞれは、グリスを介在して接触配置しているため、半導体モジュール、絶縁材、及び冷却管を樹脂で一体化することができなかった。
【０００６】
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、半導体素子を効率良く冷却することができる冷却機構を備えたパワーモジュールユニット、及び、このパワーモジュールユニットの製造方法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】
【０００７】
このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明のパワーモジュールユニットは、半導体素子と、半導体素子の一方の面側に配設された第一の冷却機構と、半導体素子の他方の面側に配設された第二の冷却機構と、を有し、前記第一の冷却機構及び前記第二の冷却機構は、絶縁基板と、絶縁基板の一面に形成された導電層と、前記絶縁基板の他面に接合されたヒートシンクと、を有し、前記導電層上に前記半導体素子が接合される構成とされており、少なくとも、前記第一の冷却機構の前記絶縁基板と前記ヒートシンクとの接合界面から前記第二の冷却機構の前記絶縁基板と前記ヒートシンクとの接合界面までの領域が、樹脂封止されたことを特徴としている。
【０００８】
この構成のパワーモジュールユニットにおいては、半導体素子の一方の面側に配設された第一の冷却機構と、半導体素子の他方の面側に配設された第二の冷却機構と、を有し、半導体素子の両面から冷却を行う構造とされている。そして、前記第一の冷却機構及び前記第二の冷却機構が、絶縁基板と、絶縁基板の一面に形成された導電層と、前記絶縁基板の他面に接合されたヒートシンクと、を有している。このように、絶縁基板とヒートシンクとが接合された構造とされているので、熱伝導性に劣るグリス等を介在させる必要がなく、半導体素子から発生した熱をヒートシンクへと効率良く伝達させることができる。また、経時劣化するグリスを有していないので、信頼性に優れている。
【０００９】
なお、絶縁基板とヒートシンクとを接合していることから、絶縁基板とヒートシンクとの接合信頼性を向上させる必要がある。ここで、本発明では、少なくとも、前記第一の冷却機構の前記絶縁基板と前記ヒートシンクとの接合界面から前記第二の冷却機構の前記絶縁基板と前記ヒートシンクとの接合界面までの領域が、樹脂封止されていることから、絶縁基板とヒートシンクと接合界面に大きな応力が作用することが防止され、絶縁基板とヒートシンクとの接合信頼性が確保される。よって、信頼性に優れたパワーモジュールユニットを提供することができる。
【００１０】
ここで、前記第一の冷却機構及び前記第二の冷却機構のうち少なくとも一方において、前記ヒートシンクがアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されており、前記ヒートシンクのうち前記絶縁基板との接合界面近傍に、Ｃｕ，Ｓｉ，Ａｇ、Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶された構成としてもよい。
この場合、前記ヒートシンクのうち前記絶縁基板との接合界面近傍が、添加元素の固溶によって強化することになる。これにより、前記ヒートシンクと前記絶縁基板との接合界面に応力が作用した場合であっても、ヒートシンク部分での破断を防止することができ、前記ヒートシンクと前記絶縁基板との接合信頼性を向上させることができる。
【００１１】
また、前記第一の冷却機構及び前記第二の冷却機構のうち少なくとも一方において、前記ヒートシンクと前記絶縁基板との接合界面に、少なくともＡｇ粉末が焼結されてなるＡｇ焼結層が形成された構成とされていてもよい。
この場合、前記ヒートシンクと前記絶縁基板とがＡｇ焼結層を介して接合されることになる。Ａｇ粉末が焼成されてなるＡｇ焼結層は、熱伝導性に優れていることから、半導体素子を効率的に冷却することが可能となる。また、前記ヒートシンクと前記絶縁基板との接合界面に応力が作用した場合であっても、この応力をＡｇ焼結層で吸収することができ、前記ヒートシンクと前記絶縁基板との接合信頼性を向上させることができる。
【００１２】
本発明のパワーモジュールユニットの製造方法は、半導体素子と、半導体素子の一方の面側に配設された第一の冷却機構と、半導体素子の他方の面側に配設された第二の冷却機構と、を有し、前記第一の冷却機構及び前記第二の冷却機構は、絶縁基板と、絶縁基板の一面に形成された導電層と、前記絶縁基板の他面に接合されたヒートシンクと、を有し、前記導電層上に前記半導体素子が接合される構成とされたパワーモジュールユニットの製造方法であって、前記第一の冷却機構及び前記第二の冷却機構を形成する冷却機構形成工程と、前記半導体素子の一方の面と前記第一の冷却機構の前記導電層とを接合するとともに前記半導体素子の他方の面と前記第二の冷却機構の前記導電層とを接合する半導体素子接合工程と、少なくとも前記第一の冷却機構の前記絶縁基板と前記ヒートシンクとの接合界面から前記第二の冷却機構の前記絶縁基板と前記ヒートシンクとの接合界面までの領域を樹脂で封止する樹脂モールド工程と、を有し、前記冷却機構形成工程において、前記絶縁基板の他面に前記ヒートシンクを接合することを特徴としている。
【００１３】
この構成のパワーモジュールユニットの製造方法によれば、第一の冷却機構及び第二の冷却機構を形成する冷却機構形成工程と、前記半導体素子の一方の面と前記第一の冷却機構の前記導電層、前記半導体素子の他方の面と前記第二の冷却機構の前記導電層とを接合する半導体素子接合工程と、を備えているので、半導体素子を両面から冷却可能なパワーモジュールユニットを製造することができる。
また、前記冷却機構形成工程において、前記絶縁基板の他面に前記ヒートシンクを接合する構成とされているので、ヒートシンクと絶縁基板とが接合され、半導体素子を効率的に冷却可能なパワーモジュールユニットを製造することができる。
さらに、少なくとも前記第一の冷却機構の前記絶縁基板と前記ヒートシンクとの接合界面から前記第二の冷却機構の前記絶縁基板と前記ヒートシンクとの接合界面までの領域を樹脂で封止する樹脂モールド工程を有しているので、絶縁基板とヒートシンクと接合界面に大きな応力が作用することが防止された信頼性の高いパワーモジュールユニットを製造することができる。
【００１４】
ここで、前記ヒートシンクは、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されており、前記冷却機構形成工程は、前記ヒートシンクの接合面と前記絶縁基板の接合面のうち少なくとも一方に、Ｃｕ，Ｓｉ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着して添加元素層を形成する添加元素層形成工程と、前記添加元素層を介して前記絶縁基板と前記ヒートシンクとを積層する積層工程と、積層された前記絶縁基板と前記ヒートシンクとを積層方向に加圧するとともに加熱し、前記絶縁基板と前記ヒートシンクとの界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、この溶融金属領域を凝固させることによって、前記絶縁基板と前記ヒートシンクとを接合する溶融金属凝固工程と、備えており、前記加熱工程において、前記添加元素層の添加元素を前記ヒートシンク側に拡散させることにより、前記絶縁基板と前記ヒートシンクとの界面に、前記溶融金属領域を形成する構成としてもよい。
【００１５】
この場合、前記絶縁基板の接合面及び前記ヒートシンクの接合面のうち少なくとも一方に、Ｃｕ，Ｓｉ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着して添加元素層を形成する添加元素層形成工程を備えているので、前記絶縁基板と前記ヒートシンクとの接合界面には、Ｃｕ，Ｓｉ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が介在することになる。ここで、前記添加元素は、アルミニウムの融点を降下させる元素であるため、比較的低温条件において、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるヒートシンクと絶縁基板との界面に溶融金属領域を形成することができる。よって、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、絶縁基板とヒートシンクとを確実に接合することが可能となる。
前記添加元素層の添加元素をヒートシンク側に拡散させることにより、前記絶縁基板と前記ヒートシンクとの界面に前記溶融金属領域を形成し、この溶融金属領域を凝固させることで、前記絶縁基板と前記ヒートシンクとを接合する構成としているので、ヒートシンクのうち絶縁基板との接合界面近傍に前記添加元素が固溶することになり、ヒートシンクの前記接合界面近傍の強度を向上させることができる。
【００１６】
前記添加元素層形成工程は、前記ヒートシンクの接合面と前記絶縁基板の接合面のうち少なくとも一方に、ＡｇとＣｕとを含むＡｇ−Ｃｕぺーストを塗布する構成とされており、このＡｇ−Ｃｕペーストに含まれる金属粉末におけるＣｕの含有量が５質量％以上４５質量％以下に設定されていてもよい。
この場合、前記絶縁基板と前記ヒートシンクとの接合界面には、ＡｇとＣｕとが介在することになる。Ｃｕは、アルミニウムに対して反応性の高い元素であるため、接合界面近傍にＣｕが存在することによってアルミニウム又はアルミニウム合金からなるヒートシンクの接合面が活性化することになる。よって、前記絶縁基板と前記ヒートシンクとを強固に接合することが可能となる。また、Ｃｕは、アルミニウムの強度を向上させる効果が大きいことから、ヒートシンクの接合界面近傍を確実に固溶強化することができる。
なお、Ａｇ−Ｃｕペーストに含まれる金属粉末におけるＣｕの含有量が５質量％以上とされているので、上述のように、Ｃｕによって前記絶縁基板と前記ヒートシンクと強固に接合することが可能となる。また、Ａｇ−Ｃｕペーストに含まれる金属粉末におけるＣｕの含有量が４５質量％以下とされているので、Ｃｕ酸化物が絶縁基板の接合面あるいはヒートシンクの接合面に過剰に混入することを防ぐことができる。
【００１７】
また、前記冷却機構形成工程において、前記ヒートシンクと前記絶縁基板との間にろう材を配設し、前記ヒートシンクと前記絶縁基板とをろう付けする構成としてもよい。
この場合、融点の低いろう材を用いることで、ヒートシンクと絶縁基板との界面に溶融金属領域を形成することができ、前記ヒートシンクと前記絶縁基板とを確実に接合することができる。また、ろう材に含まれる元素がヒートシンク側に拡散することで、ヒートシンクの接合界面近傍を強化することができる。
【００１８】
さらに、前記冷却機構形成工程は、前記ヒートシンクの接合面と前記絶縁基板の接合面のうち少なくとも一方に、Ａｇ粉末を含むＡｇペーストを塗布するＡｇペースト塗布工程と、このＡｇペーストを焼成する焼成工程と、を備えた構成としてもよい。
この場合、絶縁基板とヒートシンクとを、Ａｇ粉末を含むＡｇペーストを焼成してなるＡｇ焼結層を介して接合することができる。このＡｇ焼結層は、熱伝導性に優れていることから、半導体素子を効率的に冷却することが可能となる。また、前記ヒートシンクと前記絶縁基板との接合界面に応力が作用した場合であっても、この応力をＡｇ焼結層で吸収することができ、前記ヒートシンクと前記絶縁基板との接合信頼性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、半導体素子を効率良く冷却することができる冷却機構を備えたパワーモジュールユニット、及び、このパワーモジュールユニットの製造方法を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１の実施形態であるパワーモジュールユニットの概略説明図である。
【図２】本発明の第１の実施形態であるパワーモジュールユニットにおけるヒートシンクのＡｇ濃度及びＣｕ濃度分布を示す説明図である。
【図３】本発明の第１の実施形態であるパワーモジュールユニットの製造方法のフロー図である。
【図４】本発明の第１の実施形態であるパワーモジュールユニットの第１冷却機構及び第２冷却機構の製造方法を示す説明図である。
【図５】図４におけるヒートシンクとセラミックス基板との接合界面近傍を示す説明図である。
【図６】本発明の第１の実施形態であるパワーモジュールユニットの製造方法を示す説明図である。
【図７】本発明の第２の実施形態であるパワーモジュールユニットの概略説明図である。
【図８】本発明の第２の実施形態であるパワーモジュールユニットの製造方法のフロー図である。
【図９】本発明の第２の実施形態であるパワーモジュールユニットの第１冷却機構及び第２冷却機構の製造方法を示す説明図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態であるパワーモジュールユニットの概略説明図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態であるパワーモジュールユニットの製造方法のフロー図である。
【図１２】本発明の第３の実施形態であるパワーモジュールユニットの第１冷却機構及び第２冷却機構の製造方法を示す説明図である。
【図１３】本発明の第３の実施形態であるパワーモジュールユニットを用いたパワーモジュールの一例を示す概略説明図である。
【図１４】本発明の他の実施形態であるパワーモジュールユニットの概略説明図である。
【図１５】本発明の他の実施形態であるパワーモジュールユニットの概略説明図である。
【図１６】実施例において用いたヒートシンクを示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。
本発明の第１の実施形態であるパワーモジュールユニットを図１に示す。
このパワーモジュールユニット１は、半導体素子２と、この半導体素子２の一方の面側に配設された第１冷却機構１０と、半導体素子２の他方の面側に配設された第２冷却機構２０と、を有している。
【００２２】
第１冷却機構１０は、セラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の一面に形成された導電層１２と、セラミックス基板１１の他面に接合されたヒートシンク１３と、を備えている。
また、第２冷却機構２０は、第１冷却機構１０と同様の構造とされており、セラミックス基板２１と、このセラミックス基板２１の一面に形成された導電層２２と、セラミックス基板２１の他面に接合されたヒートシンク２３と、を備えている。
【００２３】
セラミックス基板１１，２１は、導電層１２，２２とヒートシンク１３，２３との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。このセラミックス基板１１，２１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。
【００２４】
導電層１２，２２は、セラミックス基板１１，２１の一面に導電性を有する金属板３２，４２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、導電層１２，２２２は、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板３２，４２がセラミックス基板１１，２１に接合されることにより形成されている。
なお、第２冷却機構２０の導電層２２には、回路パターン（図示なし）が形成されている。
【００２５】
ヒートシンク１３，２３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おり、冷却媒体が流通する流路１３Ａ，２３Ａを備えている。本実施形態では、ヒートシンク１３，２３は、Ａ１０５０で構成されている。
【００２６】
そして、図２に示すように、セラミックス基板１１，２１とヒートシンク１３，２３との接合界面においては、ヒートシンク１３，２３側にＡｇ及びＣｕが固溶している。
ヒートシンク１３，２３のうちセラミックス基板１１，２１との接合界面近傍には、この接合界面から積層方向に離間するにしたがい漸次Ａｇ濃度及びＣｕ濃度が低下する濃度傾斜層１５，２５が形成されている。ここで、ヒートシンク１３，２３の前記接合界面近傍のＡｇ濃度が０．０５質量％以上１０質量％以下、Ｃｕ濃度が０．０５質量％以上５質量％以下の範囲内に設定されている。
なお、ヒートシンク１３，２３の前記接合界面近傍のＡｇ濃度及びＣｕ濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって、接合界面から５０μｍの位置で５点測定した平均値である。また、図２のグラフは、ヒートシンク１３，２３の中央部分において積層方向にライン分析を行い、前述の５０μｍ位置での濃度を基準として求めたものである。
【００２７】
そして、第１冷却機構１０の導電層１２と半導体素子２、及び、半導体素子２と第２冷却機構２０の導電層２２は、それぞれはんだ層３を介して接合されている。なお、本実施形態では、導電層１２，２２とはんだ層３との間にＮｉメッキ層（図示なし）が設けられている。
また、第２冷却機構２０の導電層２２は、ワイヤーボンディングによって外部接続端子６に接続されている。
【００２８】
そして、本実施形態では、図１に示すように、第１冷却機構１０のセラミックス基板１１とヒートシンク１３との接合界面から、第２冷却機構２０のセラミックス基板２１とヒートシンク２３との接合界面までの領域が、樹脂５で封止されて一体化されている。また、外部接続端子６は、その一端が樹脂５の外部へと突出するように配設されている。なお、樹脂として、例えば、エポキシ系樹脂（ＳｉＯ２フィラー入り）等を適用することができる。
【００２９】
以下に、前述の構成のパワーモジュールユニット１の製造方法について説明する。
本実施形態であるパワーモジュールユニット１の製造方法は、図３に示すように、第１冷却機構１０及び第２冷却機構２０を形成する冷却機構形成工程Ｓ０１と、第１冷却機構１０の導電層１２及び第２冷却機構２０の導電層２２と半導体素子２とを接合する半導体素子接合工程Ｓ０２と、第１冷却機構１０のセラミックス基板１１とヒートシンク１３との接合界面から第２冷却機構２０のセラミックス基板２１とヒートシンク２３との接合界面までの領域を樹脂５で封止する樹脂モールド工程Ｓ０３と、を備えている。
【００３０】
冷却機構形成工程Ｓ０１では、まず、図４に示すように、セラミックス基板１１，２１の一面及び他面に、Ａｇ粉末とＣｕ粉末とを含有するＡｇ−Ｃｕペーストを塗布して、１００〜２００℃で乾燥した後に３００〜５００℃で焼成を行うことにより、Ａｇ−Ｃｕ層３３，４３，３４，４４を形成する（Ａｇ−Ｃｕ層形成工程Ｓ１１）。Ａｇ−Ｃｕペーストの厚さは、乾燥後で約０．０２〜２００μｍとされている。また、Ａｇ−Ｃｕ層３３，４３，３４，４４におけるＡｇ量は０．５ｍｇ／ｃｍ２以上６．０ｍｇ／ｃｍ２以下、Ｃｕ量は０．２ｍｇ／ｃｍ２以上２．０ｍｇ／ｃｍ２以下とされている。
なお、このＡｇ−Ｃｕ層３３，４３，３４，４４は、この後の積層工程Ｓ１２、加熱工程Ｓ１３において、セラミックス基板１１，２１の一面及び他面から剥離しない程度の強度でセラミックス基板１１，２１に固着していればよい。
【００３１】
ここで使用されるＡｇ−Ｃｕペーストは、Ａｇ粉末及びＣｕ粉末を含む金属粉末成分と、樹脂と、溶剤と、分散剤と、可塑剤と、還元剤と、を含有するものであり、金属粉末成分の含有量が、Ａｇ−Ｃｕペースト全体の４０質量％以上９０質量％以下とされている。
また、本実施形態では、Ａｇ−Ｃｕ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。
【００３２】
Ａｇ及びＣｕを含む金属粉末成分として、本実施形態では、銀粉末と銅粉末との混合粉末を用いている。そして、銀粉末と銅粉末との混合粉末（金属粉末成分）におけるＣｕの含有量が５質量％以上４５質量％以下に設定されている。また、Ａｇ粉末、Ｃｕ粉末の混合粉末だけでなく、ＡｇＣｕ合金粉末を用いることもできる。
銀粉末は、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０．３μｍのものとした。
銅粉末は、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０．３μｍのものとした。
なお、銀粉末および銅粉末の平均粒径は、例えば、マイクロトラック法を用いることで測定することができる。本実施形態では、ｄ５０（メジアン径）を平均粒径とした。
【００３３】
樹脂は、Ａｇ−Ｃｕペーストの粘度を調整するものであり、例えば、アクリル樹脂、アルキッド樹脂等を適用することができる。なお、本実施形態では、エチルセルロースを用いている。
溶剤は、例えば、タピネオール系、アセテート系、シトレート系等を用いることができる。より具体的には、α−テルピネオール、テキサノ−ル、トリエチルシトレート等を適用できる。なお、本実施形態では、α−テルピネオールを用いている。
【００３４】
分散剤は、例えば、アニオン系界面活性剤、カチオン系界面活性剤等を適用することができる。なお、本実施形態では、アニオン系界面活性剤を用いている。
可塑剤は、例えば、フタル酸ジブチル、アジピン酸ジブチル等を適用することができる。なお、本実施形態では、フタル酸ジブチルを用いている。
還元剤は、例えば、ロジン、アビエチン酸等を適用することができる。なお、本実施形態では、アビエチン酸を用いている。
なお、分散剤、可塑剤、還元剤は、必要に応じて添加すればよく、分散剤、可塑剤、還元剤を添加することなくＡｇ−Ｃｕペーストを構成してもよい。
【００３５】
次に、図４に示すように、セラミックス基板１１，２１の一面側に金属板３２，４２を積層し、かつ、セラミックス基板１１，２１の他面側にヒートシンク１３，２３を積層する（積層工程Ｓ１２）。
【００３６】
次に、金属板３２，４２、セラミックス基板１１，２１、ヒートシンク１３，２３を積層方向に加圧（圧力３．０〜３０ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空加熱炉内に装入して加熱し、セラミックス基板１１，２１とヒートシンク１３，２３との界面に溶融金属領域３７，４７を形成する。また、同時に、金属板３２，４２とセラミックス基板１１，２１との界面にも溶融金属領域３８，４８を形成する（加熱工程Ｓ１３）。
ここで、セラミックス基板１１，２１とヒートシンク１３，２３との界面の溶融金属領域３７，４７は、図５に示すように、Ａｇ−Ｃｕ層３３，４３のＡｇ及びＣｕがヒートシンク１３，２３側に拡散し、ヒートシンク１３，２３のＡｇ−Ｃｕ層３３，４３近傍のＡｇ濃度及びＣｕ濃度が上昇して融点が低くなることによって形成されるものである。
また、金属板３２，４２とセラミックス基板１１，２１との界面の溶融金属領域３８，４８は、Ａｇ−Ｃｕ層３４，４４のＡｇ及びＣｕが金属板３２，４２側に拡散し、金属板３２，４２のＡｇ−Ｃｕ層３４、４４近傍のＡｇ濃度及びＣｕ濃度が上昇して融点が低くなることによって形成されるものである。
【００３７】
なお、上述の圧力が３．０ｋｇｆ／ｃｍ２未満の場合には、セラミックス基板１１，２１と金属板３２，４２との接合及びセラミックス基板１１，２１とヒートシンク１３，２３との接合を良好に行うことができなくなるおそれがある。また、上述の圧力が３０ｋｇｆ／ｃｍ２を超えた場合には、金属板３２，４２、ヒートシンク１３，２３が変形するおそれがある。よって、上述の加圧圧力は、３．０〜３０ｋｇｆ／ｃｍ２の範囲内とすることが好ましい。
ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度は５７０℃以上６５０℃以下の範囲内に設定している。
【００３８】
次に、セラミックス基板１１，２１とヒートシンク１３，２３との界面に溶融金属領域３７，４７が形成された状態で温度を一定に保持しておく。すると、溶融金属領域３７，４７中のＡｇ及びＣｕが、さらにヒートシンク１３，２３側へと拡散していく。これにより、溶融金属領域３７，４７であった部分のＡｇ濃度及びＣｕ濃度が徐々に低下して融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していく（溶融金属凝固工程Ｓ１４）。
【００３９】
同様に、金属板３２，４２とセラミックス基板１１，２１との界面に形成された溶融金属領域３８，４８中のＡｇ及びＣｕが、さらに金属板３２，４２側へと拡散していく。これにより、溶融金属領域３８，４８であった部分のＡｇ濃度及びＣｕ濃度が徐々に低下して融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していく。
つまり、ヒートシンク１３，２３とセラミックス基板１１，２１、金属板３２，４２とセラミックス基板１１，２１とは、いわゆる液相拡散接合（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｐｈａｓｅ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって接合されているのである。
【００４０】
以上のようにして、金属板３２，４２とセラミックス基板１１，２１とが接合され、かつ、セラミックス基板１１，２１とヒートシンク１３，２３とが接合され、第１冷却機構１０及び第２冷却機構２０が形成されることになる。
【００４１】
次に、図６に示すように、第１冷却機構１０の導電層１２と半導体素子２の一方の面とをはんだ接合する。また、第２冷却機構２０の導電層２２と半導体素子２の他方の面とをはんだ接合する（半導体素子接合工程Ｓ０２）。ここで用いられるはんだ材は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材とされている。
【００４２】
次に、外部接続端子６を配置し、この外部接続端子６と、回路パターンが形成された第２冷却機構２０の導電層２２とを、ワイヤーボンディングによって接続する。
【００４３】
そして、第１冷却機構１０、半導体素子２、第２冷却機構２０を樹脂モールドによって一体化する（樹脂モールド工程Ｓ０３）。
このとき、少なくとも第１冷却機構１０のセラミックス基板１１とヒートシンク１３との接合界面から第２冷却機構２０のセラミックス基板２１とヒートシンク２３との接合界面までの領域を樹脂封止するように、樹脂モールドを実施する。また、外部接続端子６の一端が樹脂５から外部へと突出するように配設する。
なお、樹脂モールド工程Ｓ０３は、温度１５０℃以上２００℃以下、圧力１０ＭＰａ以上２０ＭＰａ以下の条件で実施することが好ましい。
【００４４】
以上のようにして、本実施形態であるパワーモジュールユニット１が製出される。
このような構成とされたパワーモジュールユニット１を、並列配置、及び、積層配置し、外部接続端子６を介して互いに接続することで、パワーモジュール（半導体装置）を構成することが可能となる。
【００４５】
前述の構成とされた本実施形態であるパワーモジュールユニット１及びパワーモジュールユニット１の製造方法によれば、図１に示すように、第１冷却機構１０と第２冷却機構２０とによって半導体素子２を挟持する構成とされていることから、半導体素子２の両面から冷却を行うことができ、半導体素子２を効率よく冷却することができる。また、第１冷却機構１０及び第２冷却機構２０は、ヒートシンク１３，２３とセラミックス基板１１，２１、セラミックス基板１１，２１と導電層１２，２２とが直接接合されているので、半導体素子２から発生する熱を、ヒートシンク１３，２３側へと効率良く伝達させることができ、ヒートシンク１３，２３の流路１３Ａ，２３Ａを流通する冷却媒体によって半導体素子２を効率良く冷却することができる。
【００４６】
また、少なくとも第１冷却機構１０のセラミックス基板１１とヒートシンク１３との接合界面から第２冷却機構２０のセラミックス基板２１とヒートシンク２３との接合界面までの領域が、樹脂封止されているので、セラミックス基板１１，２１とヒートシンク１３，２３と接合界面に大きな応力が作用することが防止され、セラミックス基板１１，２１とヒートシンク１３，２３との接合信頼性が確保される。よって、信頼性に優れたパワーモジュールユニット１を提供することができる。すなわち、樹脂モールドを実施した場合、樹脂５内の部材には圧縮応力が作用することから、セラミックス基板１１，２１、ヒートシンク１３，２３、導電層１２，２２に対して引張応力が作用することが抑制され、これらセラミックス基板１１，２１、ヒートシンク１３，２３、導電層１２，２２における亀裂の発生が抑えられるのである。
このように、セラミックス基板１１，２１における亀裂の発生が抑制されていることから、セラミックス基板１１，２１自体の厚さを薄く構成することが可能となる。すると、積層方向の熱抵抗が低下し、さらに効率よく半導体素子２を冷却することができる。
【００４７】
また、樹脂５によって一体化されているので、取り扱いが容易であり、パワーモジュールユニット１を用いて、複雑な構造のパワーモジュール（半導体装置）を、容易に製造することができる。
【００４８】
本実施形態では、セラミックス基板１１，２１とヒートシンク１３，２３とが、Ａｇ及びＣｕを用いた液相拡散接合によって接合されているので、ヒートシンク１３，２３の接合界面近傍にＡｇ及びＣｕが固溶することになる。よって、ヒートシンク１３，２３の接合界面近傍が固溶強化されており、ヒートシンク１３，２３とセラミックス基板１１，２１との接合界面に応力が作用した場合であっても、ヒートシンク１３，２３部分での破断を防止することができ、ヒートシンク１３，２３とセラミックス基板１１，２１との接合信頼性を向上させることができる。
さらに、本実施形態では、導電層１２，２２とセラミックス基板１１，２１と接合にも、Ａｇ及びＣｕを用いた液相拡散接合を用いているので、導電層１２，２２の接合界面近傍が、Ａｇ及びＣｕの固溶によって強化されている。よって、導電層１２，２２とセラミックス基板と１１，２１の接合界面に応力が作用した場合であっても、導電層１２，２２部分での破断を防止することができる。
【００４９】
また、Ａｇ及びＣｕといった元素は、アルミニウムの融点を降下させる元素であるため、比較的低温条件において、ヒートシンク１３，２３とセラミックス基板１１，２１との界面、及び、金属板３２，４２とセラミックス基板１１，２１との界面に、それぞれ溶融金属領域３７，４７，３８，４８を形成することができる。よって、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、ヒートシンク１３，２３とセラミックス基板１１，２１、及び、金属板３２，４２とセラミックス基板１１，２１とを確実に接合することが可能となる。また、Ｃｕは、アルミニウムに対して反応性の高い元素であるため、接合界面近傍にＣｕが存在することによって、ヒートシンク１３，２３の接合面及び金属板３２，４２の接合面が活性化することになる。よって、セラミックス基板１１，２１とヒートシンク１３，２３、及び、セラミックス基板１１，２１と金属板３２，４２と強固に接合することが可能となる。
【００５０】
また、本実施形態では、セラミックス基板１１，２１の一面及び他面に、ＡｇとＣｕとを含むＡｇ−Ｃｕぺーストを塗布してＡｇ−Ｃｕ層３３，４３，３４，４４を形成するＡｇ−Ｃｕ層形成工程Ｓ１１を備えているので、セラミックス基板１１，２１とヒートシンク１３，２３、セラミックス基板１１，２１と金属板３２，４２の界面に、確実にＡｇとＣｕとを固着することができる。また、ＡｇとＣｕの固着量を精度良く調整することができる。
さらに、Ａｇ−ＣｕペーストにおけるＣｕの含有量が５質量％以上とされているので、Ｃｕによる強度向上、接合強度の向上を図ることができる。また、Ａｇ−ＣｕペーストにおけるＣｕの含有量が５質量％以上とされているので、セラミックス基板１１，２１の一面及び他面に容易に塗布することができる。
【００５１】
次に、本発明の第２の実施形態であるパワーモジュールユニット及びパワーモジュールユニットの製造方法について説明する。本発明の第２の実施形態であるパワーモジュールユニット１０１を図７に示す。
このパワーモジュールユニット１０１は、半導体素子１０２と、この半導体素子１０２の一方の面側に配設された第１冷却機構１１０と、半導体素子１０２の他方の面側に配設された第２冷却機構１２０と、を有している。
【００５２】
第１冷却機構１１０は、セラミックス基板１１１と、このセラミックス基板１１１の一面に形成された導電層１１２と、セラミックス基板１１１の他面に接合されたヒートシンク１１３と、を備えている。
また、第２冷却機構１２０は、第１冷却機構１１０と同様の構造とされており、セラミックス基板１２１と、このセラミックス基板１２１の一面に形成された導電層１２２と、セラミックス基板１２１の他面に接合されたヒートシンク１２３と、を備えている。
【００５３】
セラミックス基板１１１，１２１は、導電層１１２，１２２とヒートシンク１１３，１２３との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高いＳｉ３Ｎ４（窒化珪素）で構成されている。このセラミックス基板１１１，１２１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。
【００５４】
導電層１１２，１２２は、セラミックス基板１１１，１２１の一面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。本実施形態においては、導電層１１２，１２２は、タフピッチ銅の圧延板からなる銅板１１２Ａ，１２２Ａと４Ｎアルミニウムの圧延板からなるアルミニウム板１１２Ｂ、１２２Ｂとが積層された積層構造とされている。    
なお、第２冷却機構１２０の導電層１２２には、回路パターン（図示なし）が配設されている。
【００５５】
ヒートシンク１１３，１２３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おり、冷却媒体が流通する流路１１３Ａ，１２３Ａを備えている。本実施形態では、ヒートシンク１１３，１２３は、Ａ１０５０で構成されている。
【００５６】
そして、図７に示すように、セラミックス基板１１１，１２１とヒートシンク１１３，１２３との接合界面には、Ａｇ焼結層１１５，１２５が形成されている。また、セラミックス基板１１１，１２１と導電層１１２，１２２との接合界面にもＡｇ焼結層１１６，１２６が形成されている。さらに、導電層１１２，１２２を構成する銅板１１２Ａ，１２２Ａとアルミニウム板１１２Ｂ，１２２Ｂとの接合界面にもＡｇ焼結層１１７，１２７が形成されている。ここで、Ａｇ焼結層１１５，１２５，１１６，１２６，１１７，１２７の厚さは、５μｍ以上２００μｍ以下の範囲内に設定されている。
【００５７】
第１冷却機構１１０の導電層１１２と半導体素子１０２、及び、半導体素子１０２と第２冷却機構１２０の導電層１２２は、Ａｇ焼結層１０３を介して接合されている。
また、第２冷却機構１２０の導電層１２２は、ワイヤーボンディングによって外部接続端子１０６に接続されている。
【００５８】
そして、本実施形態では、図７に示すように、第１冷却機構１１０のセラミックス基板１１１とヒートシンク１１３との接合界面から第２冷却機構１２０のセラミックス基板１２１とヒートシンク１２３との接合界面までの領域が、樹脂１０５で封止されて一体化されている。また、外部接続端子１０６は、その一端が樹脂１０５から外部へと突出するように配設されている。なお、樹脂１０５としては、例えば、エポキシ系樹脂（ＳｉＯ２フィラー入り）等を適用することができる。
【００５９】
以下に、前述の構成のパワーモジュールユニットの製造方法について説明する。
【００６０】
本実施形態であるパワーモジュールユニット１０１の製造方法は、図８に示すように、第１冷却機構１１０及び第２冷却機構１２０を形成する冷却機構形成工程Ｓ１０１と、第１冷却機構１１０の導電層１１２及び第２冷却機構１２０の導電層１２２と半導体素子１０２とを接合する半導体素子接合工程Ｓ１０２と、第１冷却機構１１０のセラミックス基板１１１とヒートシンク１１３との接合界面から第２冷却機構１２０のセラミックス基板１２１とヒートシンク１２３との接合界面までの領域を樹脂１０５で封止する樹脂モールド工程Ｓ１０３と、を備えている。
【００６１】
冷却機構形成工程Ｓ１０１においては、まず、図９に示すように、ヒートシンク１１３，１２３の接合面にＡｇペーストを塗布してＡｇペースト層１３３，１４３を形成する（Ａｇペースト塗布工程Ｓ１１１）。また、導電層１１２，１２２を構成するアルミニウム板１１２Ｂ，１２２Ｂの両面にそれぞれＡｇペーストを塗布してＡｇペースト層１３４、１４４，１３５，１４５を形成する。そして、これらのＡｇペースト層１３３，１４３，１３４，１４４，１３５，１４５を２０〜３０℃で乾燥する。なお、Ａｇペースト層１３３，１４３，１３４，１４４，１３５，１４５の厚さは、乾燥後で約１０〜２００μｍとされている。
【００６２】
ここで使用されるＡｇペーストは、酸化Ａｇ粉末と、アルコールと、酢酸Ａｇ及び酢酸Ｃｕと、を含有しており、質量比で、酸化Ａｇ：アルコール：酢酸Ａｇ及び酢酸Ｃｕ＝９：１：２の割合で混合されている。
酸化Ａｇ粉末は、その粒径が０．０５μｍ以上１０μｍ以下とされており、本実施形態では、平均粒径２．５μｍのものとした。なお、酸化Ａｇ粉末の平均粒径は、例えば、マイクロトラック法を用いることで測定することができる。本実施形態では、ｄ５０（メジアン径）を平均粒径とした。
【００６３】
次に、図９に示すように、セラミックス基板１１１，１２１の一面側にアルミニウム板１１２Ｂ，１２２Ｂを積層し、かつ、セラミックス基板１１１，１２１の他面側にヒートシンク１１３，１２３を積層する（積層工程Ｓ１１２）。また、アルミニウム板１１２Ｂ，１２２Ｂの上に銅板１１２Ａ，１２２Ａを積層する。
【００６４】
次に、銅板１１２Ａ，１２２Ａ、アルミニウム板１１２Ｂ，１２２Ｂ、セラミックス基板１１１，１２１、ヒートシンク１１３，１２３を積層方向に加圧（圧力５〜４０ＭＰａ）した状態で、大気雰囲気で２００〜４００℃で加熱し、Ａｇペースト層１３３，１４３，１３４，１４４，１３５，１４５を焼成して、Ａｇ焼結層１１５，１２５，１１６，１２６，１１７，１２７とする（焼成工程Ｓ１１３）。これにより、セラミックス基板１１１，１２１とヒートシンク１１３，１２３とが、Ａｇ焼結層１１５，１２５を介して接合されることになる。また、アルミニウム板１１２Ｂ，１２２Ｂと銅板１１２Ａ，１２２ＡとがＡｇ焼結層１１７，１２７を介して接合されるとともに、アルミニウム板１１２Ｂ，１２２Ｂとセラミックス基板１１１，１２１とがＡｇ焼結層１１６，１２６を介して接合され、セラミックス基板１１１，１２１の一面に導電層１１２，１２２が形成されることになる。
【００６５】
以上のようにして、ヒートシンク１１３，１２３とセラミックス基板１１１，１２１とが接合され、かつ、銅板１１２Ａ，１２２Ａとアルミニウム板１１２Ｂ，１２２Ｂとセラミックス基板１１１，１２１とが接合され、第１冷却機構１１０及び第２冷却機構１２０が形成されることになる。
【００６６】
次に、第１冷却機構１１０の導電層１１２と半導体素子１０２の一方の面とを、上述のＡｇペーストを用いて接合する。また、第２冷却機構１２０の導電層１２２と半導体素子１０２の他方の面とを、上述のＡｇペーストを用いて接合する（半導体素子接合工程Ｓ１０２）。なお、上述の焼成工程Ｓ１１３において半導体素子１０２と導電層１１２，１２２とを同時接合してもよい。
【００６７】
次に、外部接続端子１０６を配置し、この外部接続端子１０６と、回路パターンが形成された第２冷却機構１２０の導電層１２２とを、ワイヤーボンディングによって接続する。
【００６８】
そして、第１冷却機構１１０、半導体素子１０２、第２冷却機構１２０を樹脂モールドによって一体化する（樹脂モールド工程Ｓ１０３）。
このとき、少なくとも第１冷却機構１１０のセラミックス基板１１１とヒートシンク１１３との接合界面から第２冷却機構１２０のセラミックス基板１２１とヒートシンク１２３との接合界面までの領域を樹脂封止するように、樹脂モールドを実施する。また、外部接続端子１０６の一端が樹脂１０５から外部へと突出するように配設する。
なお、樹脂モールド工程Ｓ１０３は、温度１５０℃以上２００℃以下、圧力１０ＭＰａ以上２０ＭＰａ以下の条件で実施することが好ましい。
【００６９】
以上のようにして、本実施形態であるパワーモジュールユニット１０１が製出される。
このような構成とされたパワーモジュールユニット１０１を、並列配置、及び、積層配置し、外部接続端子１０６を介して互いに接続することで、パワーモジュール（半導体装置）を構成することが可能となる。
【００７０】
前述の構成とされた本実施形態であるパワーモジュールユニット１０１及びパワーモジュールユニット１０１の製造方法によれば、第１の実施形態と同様に、半導体素子１０２を両面から冷却でき、かつ、セラミックス基板１１１，１２１とヒートシンク１１３，１２３とが接合されていることから、半導体素子１０２を効率よく冷却することが可能となる。
また、ヒートシンク１１３，１２３とセラミックス基板１１１，１２１との接合界面が樹脂１０５で封止されていることから、ヒートシンク１１３，１２３とセラミックス基板１１１，１２１との接合信頼性が確保され、信頼性に優れたパワーモジュールユニット１０１を提供することができる。
【００７１】
本実施形態では、第１冷却機構１１０及び第２冷却機構１２０において、ヒートシンク１１３，１２３とセラミックス基板１１１，１２１とが、Ａｇ焼結層１１５，１２５を介して接合されているので、ヒートシンク１１３，１２３とセラミックス基板１１１，１２１との接合界面に応力が作用した場合であっても、この応力をＡｇ焼結層１１５，１２５で吸収することができ、ヒートシンク１１３，１２３とセラミックス基板１１１，１２１との接合信頼性を向上させることができる。また、Ａｇ焼結層１１５，１２５は熱伝導性に優れていることから、積層方向の熱抵抗が高くならず、半導体素子１０２を効率的に冷却することができる。
【００７２】
また、本実施形態では、導電層１１２，１２２が、銅板１１２Ａ，１２２Ａとアルミニウム板１１２Ｂ，１２２Ｂとの積層構造とされていることから、熱伝導性に優れた銅板１１２Ａ，１２２Ａ部分で熱を面方向に広げることができ、半導体素子１０２をさらに効率よく冷却することができる。この銅板１１２Ａ，１２２Ａとアルミニウム板１１２Ｂ、１２２Ｂ、アルミニウム板１１２Ｂ，１２２Ｂとセラミックス基板１１１，１２１についても、Ａｇ焼結層１１６，１２６，１１７，１２７を介して接合されていることから、銅板１１２Ａ，１２２Ａとアルミニウム板１１２Ｂ，１２２Ｂ、アルミニウム板１１２Ｂ、１２２Ｂとセラミックス基板１１１，１２１の接合界面に作用する応力をＡｇ焼結層１１６，１２６，１１７，１２７で吸収することができ、銅板１１２Ａ，１２２Ａとアルミニウム板１１２Ｂ，１２２Ｂ、アルミニウム板１１２Ｂ，１２２Ｂとセラミックス基板１１１、１２１の接合信頼性を確保することができる。
【００７３】
次に、本発明の第３の実施形態であるパワーモジュールユニット及びパワーモジュールユニットの製造方法について説明する。
図１０に、本発明の第３の実施形態であるパワーモジュールユニット２０１を示す。
このパワーモジュールユニット２０１は、半導体素子２０２と、この半導体素子２０２の一方の面側に配設された第１冷却機構２１０と、半導体素子２０２の他方の面側に配設された第２冷却機構２２０と、を有している。
【００７４】
第１冷却機構２１０は、セラミックス基板２１１と、このセラミックス基板２１１の一面に形成された導電層２１２と、セラミックス基板２１１の他面に接合されたヒートシンク２１３と、を備えている。
また、第２冷却機構２２０は、第１冷却機構２１０と同様の構造とされており、セラミックス基板２２１と、このセラミックス基板２２１の一面に形成された導電層２２２と、セラミックス基板２２１の他面に接合されたヒートシンク２２３と、を備えている。
【００７５】
セラミックス基板２１１，２２１は、導電層２１２，２２２とヒートシンク２１３，２２３との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高いＡｌ２Ｏ３（アルミナ）で構成されている。このセラミックス基板２１１，２２１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、０．３２ｍｍに設定されている。
【００７６】
導電層２１２，２２２は、セラミックス基板２１１，２２１の一面に導電性を有する金属板２３２，２４２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、導電層２１２，２２２は、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板２３２，２４２がセラミックス基板２１１，２２１に接合されることにより形成されている。
なお、第２冷却機構２２０の導電層２２２には、回路パターン（図示なし）が形成されている。
【００７７】
ヒートシンク２１３，２２３は、図１０に示すように、アルミニウム又はアルミニウム合金の板材とされている。本実施形態では、ヒートシンク２１３，２２３はＡ１０５０で構成されている。
【００７８】
第１冷却機構２１０の導電層２１２と半導体素子２０２、及び、半導体素子２０２と第２冷却機構２２０の導電層２２２は、はんだ層２０３を介して接合されている。
また、第２冷却機構２２０の導電層２２２は、ワイヤーボンディングによって外部接続端子２０６に接続されている。
【００７９】
そして、本実施形態では、図１０に示すように、第１冷却機構２１０のセラミックス基板２１１とヒートシンク２１３との接合界面から第２冷却機構２２０のセラミックス基板２２１とヒートシンク２２３との接合界面までの領域が、樹脂２０５で封止されて一体化されている。また、外部接続端子２０６は、その一端が樹脂２０５から外部へと突出するように配設されている。なお、樹脂２０５としては、例えば、エポキシ系樹脂（ＳｉＯ２フィラー入り）等を適用することができる。
【００８０】
以下に、前述の構成のパワーモジュールユニット２０１の製造方法について説明する。
【００８１】
本実施形態であるパワーモジュールユニットの製造方法は、図１１に示すように、第１冷却機構２１０及び第２冷却機構２２０を形成する冷却機構形成工程Ｓ２０１と、第１冷却機構２１０の導電層２１２及び第２冷却機構２２０の導電層２２２と半導体素子２０２とを接合する半導体素子接合工程Ｓ２０２と、第１冷却機構２１０のセラミックス基板２１１とヒートシンク２１３との接合界面から第２冷却機構２２０のセラミックス基板２２１とヒートシンク２２３との接合界面までの領域を樹脂２０５で封止する樹脂モールド工程Ｓ２０３と、を備えている。
【００８２】
冷却機構形成工程Ｓ２０１では、まず、図１２に示すように、セラミックス基板２１１，２２１の一面と金属板２３２，２４２との間にＡｌ−Ｓｉ系のろう材箔２３４，２４４を配設する。また、セラミックス基板２１１，２２１の他面とヒートシンク２１３，２２３との間にＡｌ−Ｓｉ系のろう材箔２３３，２４３を配設する。ここで、本実施形態では、Ａｌ−７．５質量％Ｓｉからなり、厚さ１０〜１２μｍのろう材箔を用いている。
【００８３】
次に、金属板２３２，２４２、セラミックス基板２１１，２２１、ヒートシンク２１３，２２３を積層方向に加圧（圧力１．５〜６．０ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空加熱炉内に装入して加熱し、セラミックス基板２１１，２２１とヒートシンク２１３，２２３との界面に溶融金属領域２３７，２４７を形成する。また、同時に、金属板２３２，２４２とセラミックス基板２１１，２２１との界面に溶融金属領域２３８，２４８を形成する。
ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度は６４０℃以上６５０℃以下の範囲内に設定している。
【００８４】
そして、上述の溶融金属領域２３７，２４７，２３８，２４８を凝固させることにより、金属板２３２，２４２とセラミックス基板２１１，２２１とが接合され、セラミックス基板２１１，２２１とヒートシンク２１３，２２３とが接合される。
これにより、本実施形態における第１冷却機構２１０及び第２冷却機構２２０が形成されることになる。
【００８５】
次に、第１冷却機構２１０の導電層２１２と半導体素子２０２の一方の面とをはんだ接合する。また、第２冷却機構２２０の導電層２２２と半導体素子２０２の他方の面とをはんだ接合する（半導体素子接合工程Ｓ２０２）。ここで用いられるはんだ材は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材とされている。
【００８６】
次に、外部接続端子２０６を配置し、この外部接続端子２０６と、回路パターンが形成された第２冷却機構２２０の導電層２２２とを、ワイヤーボンディングによって接続する。
【００８７】
そして、第１冷却機構２１０、半導体素子２０２、第２冷却機構２２０を樹脂モールドによって一体化する（樹脂モールド工程Ｓ２０３）。
このとき、少なくとも第１冷却機構２１０のセラミックス基板２１１とヒートシンク２１３との接合界面から第２冷却機構２２０のセラミックス基板２２１とヒートシンク２２３との接合界面までの領域を樹脂封止するように、樹脂モールドを実施する。また、外部接続端子２０６の一端が樹脂２０５から外部へと突出するように配設する。
なお、樹脂モールド工程Ｓ２０３は、温度１５０℃以上２００℃以下、圧力１０ＭＰａ以上２０ＭＰａ以下の条件で実施することが好ましい。
【００８８】
以上のようにして、本実施形態であるパワーモジュールユニット２０１が製出される。
このような構成とされたパワーモジュールユニット２０１は、例えば図１３に示すように、ヒートシンク２１３，２２３に冷却管２５１が接合されて使用される。また、ひとつの冷却管２５１の両面に、それぞれ本実施形態であるパワーモジュールユニット２０１が接合され、積層構造のパワーモジュール２５０が構成されることになる。
【００８９】
前述の構成とされた本実施形態であるパワーモジュールユニット２０１及びパワーモジュールユニット２０１の製造方法によれば、第１、第２の実施形態と同様に、半導体素子２０２を両面から冷却でき、かつ、セラミックス基板２１１，２２１とヒートシンク２１３，２２３とが接合されていることから、半導体素子２０２を効率よく冷却することが可能となる。
また、ヒートシンク２１３，２２３とセラミックス基板２１１，２２１との接合界面が樹脂２０５で封止されていることから、セラミックス基板２１１，２２１とヒートシンク２１３，２２３との接合信頼性が確保され、信頼性に優れたパワーモジュールユニット２０１を提供することができる。
【００９０】
また、本実施形態では、第１冷却機構２１０及び第２冷却機構２２０において、ヒートシンク２１３，２２３とセラミックス基板２１１，２２１とがろう材箔２３３，２４３を用いて接合されているので、ヒートシンク２１３，２２３とセラミックス基板２１１，２２１とを確実に接合することができる。
【００９１】
そして、本実施形態では、図１３に示すように、ヒートシンク２１３，２２３としてアルミニウム又はアルミニウム合金からなる板材が用いられており、このヒートシンク２１３，２２３が、パワーモジュールユニット２０１の外部に配設された冷却管２５１に接合して使用する構成とされているので、複雑な構造のパワーモジュール２５０（半導体装置）を簡単に構成することができる。また、図１３に示すように、一つの冷却管２５１の両面にパワーモジュールユニット２０１，２０１を配設することで、積層構造とされたパワーモジュール２５０の薄型化、省スペース化を図ることができる。
【００９２】
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、絶縁基板であるセラミックス基板を、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３で構成されたものとして説明したが、これに限定されることはなく、ＳｉＣ等の他のセラミックス基板を用いてもよい。
【００９３】
また、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるヒートシンク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、銅又は銅合金からなるヒートシンクであってもよい。この場合、セラミックス基板とヒートシンクとの接合には、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ等を用いた活性金属法や、Ｃｕ−Ｃｕ２Ｏの共晶反応を利用した直接接合法（ＤＢＣ法）を適用することができる。同様に、セラミックス基板と銅板とを接合して導電層を構成してもよい。
【００９４】
第１の実施形態において、Ａｇ及びＣｕを用いた液相拡散接合によってセラミックス基板とヒートシンクとを接合する構成として説明したが、これに限定されることはなく、Ｃｕ，Ｓｉ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を用いて液相拡散接合してもよい。
さらに、Ａｇ−Ｃｕペーストを塗布することによって、ヒートシンクとセラミックス基板の界面にＡｇ及びＣｕを固着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、めっき、蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているインクなどの塗布によって、添加元素を固着させる構成としてもよい。
また、ヒートシンクとセラミックス基板との液相拡散接合を、真空加熱炉を用いて行うものとして説明したが、これに限定されることはなく、Ｎ２雰囲気、Ａｒ雰囲気及びＨｅ雰囲気等でヒートシンクとセラミックス基板との液相拡散接合を行ってもよい。
【００９５】
第２の実施形態において、導電層を銅板とアルミニウム板の積層構造とし、銅板とアルミニウム板とをＡｇ焼結層を介し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、はんだ材を用いて銅板とアルミニウム板とを接合してもよい。
また、Ａｇペーストの組成は、本実施形態に限定されることはなく、接合強度が確保されるＡｇ焼結層を形成可能なものであればよい。
【００９６】
第３の実施形態において、ヒートシンクとセラミックス基板とを、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔を用い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、Ａｌ−Ｇｅ系等の他のろう材を用いてもよいし、ろう材ペースト等を用いてもよい。
【００９７】
また、本実施形態では、第１冷却機構と第２冷却機構とが同じ構造とされたものとして説明したが、第１冷却機構と第２冷却機構とが別構造とされていてもよい。例えば、第１冷却機構として第１の実施形態で説明した冷却機構を適用し、第２冷却機構として第２の実施形態で説明した冷却機構を適用してもよい。
【００９８】
さらに、図１４に示すように、第１冷却機構３１０及び第２冷却機構３２０において、ヒートシンク３１３，３２３の両面にセラミックス基板３１１，３２１，３１５，３２５を接合してもよい。
また、図１５に示すように、第１冷却機構４１０及び第２冷却機構４２０において、ヒートシンク４１３，４２３の両面にセラミックス基板４１１，４２１，４１５，４２５を接合し、かつ、導電層４１６，４２６を形成してもよい。
このような構成のパワーモジュールユニット３０１，４０１においては、接合時の反りの発生を抑制することが可能となる。また、これらのパワーモジュールユニット３０１，４０１に対して、電子部品等を積層するように配設することが可能となる。
【実施例】
【００９９】
本発明の有効性を確認するために行った比較実験について説明する。
（本発明例）
２０ｍｍ×４０ｍｍ×０．６３５ｍｍのセラミックス基板に、１８ｍｍ×３８ｍｍ×０．６ｍｍの導電層（金属板）と、２１．２５ｍｍ×６０ｍｍ×２．５ｍｍのヒートシンクとを接合し、冷却機構を形成した。ここで、ヒートシンクは、Ａ１０５０からなる多穴管とした。ヒートシンク（多穴管）の形状は、図１６に示すように、ａ＝１．２５ｍｍ、ｂ＝１．５ｍｍ、ｃ＝１．０ｍｍ、ｄ＝０．５ｍｍとした。
【０１００】
１３ｍｍ×１０ｍｍ×０．２５ｍｍのヒータチップの一方の面と上述の冷却機構（第１冷却機構）の導電層とをはんだ接合した。また、ヒータチップの他方の面と上述の冷却機構（第２冷却機構）の導電層とをはんだ接合した。なお、はんだ材としてＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系を用いた。
そして、ヒータチップ、第１冷却機構、第２冷却機構を、樹脂モールドした。樹脂として、エポキシ系樹脂（ＳｉＯ２フィラー入り）を使用し、温度１９０℃、圧力１６ＭＰａの条件で樹脂モールドを実施した。このとき、第１冷却機構のセラミックス基板とヒートシンクとの接合界面から、第２冷却機構のセラミックス基板とヒートシンクとの接合界面までの領域を樹脂封止した。
【０１０１】
導電層、セラミックス基板の材質、セラミックス基板と導電層との接合方法、ヒートシンクとセラミックス基板の接合方法は、表１に示すものを適用した。
なお、導電層として銅板とアルミニウム板との積層板を用いる場合には、銅板の厚さを２．０ｍｍ、アルミニウム板の厚さを０．４ｍｍとした。
また、導電層として用いられる銅板はタプピッチ銅の圧延板とし、アルミニウム板は４Ｎアルミの圧延板とした。
【０１０２】
液相拡散接合は、添加元素としてＡｇ，Ｃｕを用いた。Ａｇの固着量を１．３ｍｇ／ｃｍ２とし、Ｃｕの固着量を０．５ｍｇ／ｃｍ２とした。そして、真空中（１０−５Ｔｏｒｒ）、荷重１６０ｋｇｆ、温度６２０℃で液相拡散接合を実施した。
ろう付けは、Ａｌ−７．５質量％Ｓｉのろう材箔（厚さ１５μｍ）を用いて、真空中（１０−５Ｔｏｒｒ）、荷重５０ｋｇｆ、温度６５０℃で実施した。
【０１０３】
Ａｇ焼結層による接合は、Ａｇペーストとして、Ａｇ２Ｏ粉末（株式会社ワコーケミカル製、純度９９質量％以上、粒径２〜３μｍ）、ミリスチルアルコール（和光純薬工業株式会社製）、酢酸Ａｇ（関東化学株式会社製）を含むものとし、質量比で、Ａｇ２Ｏ粉末：ミリスチルアルコール：酢酸Ａｇ＝９：１：２で混合したものを用いた。このＡｇペーストを塗布し、大気中で荷重１０ＭＰａ，温度３００℃で焼成することで接合した。
【０１０４】
（比較例）
比較例は、ヒートシンクとセラミックス基板とを、本発明例と同様に接合し、樹脂モールドを実施しない構成とした。
【０１０５】
（従来例）
従来例は、特開２００７−１６５６２０号公報に開示されているように、ヒータチップの両面に銅板をはんだ接合し、銅板とヒータチップとを樹脂モールドして、半導体モジュールとした。この半導体モジュールの両面に、それぞれグリスを介してセラミックス基板を配置した。また、セラミックス基板の外側に、それぞれグリスを介して上述のヒートシンクを配置した。なお、グリスとして信越シリコーン株式会社製Ｇ−７５１を使用し、グリスの厚さを０．１ｍｍとした。また、銅板とヒータチップとのはんだ接合、樹脂モールドは、本発明例、比較例と同様の条件で実施した。
【０１０６】
（評価）
評価として、初期熱抵抗と冷熱サイクル後の熱抵抗を測定した。また、パワーサイクル負荷時の熱抵抗の上昇率を評価した。
熱抵抗は以下のようにして測定した。ヒータチップを１００Ｗの電力で加熱し、熱電対を用いてヒータチップの温度を実測した。また、ヒートシンクを流通する冷却媒体（エチレングリコール：水＝１：１）の温度を実測した。そして、ヒータチップの温度と冷却媒体の温度差を電力で割った値を熱抵抗とした。
【０１０７】
冷熱サイクルは、エスペック株式会社製ＴＳＢ−５１を用いて、液相としてフロリナート（住友スリーエム株式会社製）を使用して実施した。−４０℃×５分←→１２５℃×５分を１サイクルとして２０００サイクル実施した。
【０１０８】
パワーサイクルは、ＩＧＢＴ素子に、１５Ｖ、１５０Ａの通電条件で、通電時間２秒、冷却時間８秒を繰り返し実施し、温度を３０℃から１３０℃の範囲で変化させた。このパワーサイクルを１０００００回実施した後、熱抵抗を測定した。そして、パワーサイクル後の熱抵抗の初期熱抵抗に対する上昇率を算出した。
評価結果を表１、表２、表３に示す。
【０１０９】
【表１】
2012178513.tif 000003
【０１１０】
【表２】
2012178513.tif 000004
【０１１１】
【表３】
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【０１１２】
従来例では、初期熱抵抗、冷熱サイクル後の熱抵抗がともに高く、ヒータチップを効率よく冷却することができなかった。これは、グリスによって熱伝導が阻害されたためと推測される。
比較例では、初期熱抵抗は低いものの、冷熱サイクル後の熱抵抗が高くなった。また、パワーサイクル後の熱抵抗の上昇率が非常に大きくなっていることが確認される。冷熱サイクル及びパワーサイクルによる応力がヒートシンクとセラミックス基板との接合界面に作用し、ヒートシンクとセラミックスとの接合が不十分となったためと推測される。
【０１１３】
これに対して、本発明例においては、初期熱抵抗、冷熱サイクル後の熱抵抗がともに低い値を示した。このように、本発明例によれば、長期間にわたって半導体素子を効率よく冷却可能なパワーモジュールユニットを提供できることが確認された。
【符号の説明】
【０１１４】
１、１０１，２０１、３０１、４０１  パワーモジュールユニット
２、１０２，２０２，３０２，４０２  半導体素子
５、１０５、２０５、３０５、４０５  樹脂
１０、１１０、２１０，３１０、４１０  第１冷却機構（第一の冷却機構）
１１、１１１、２１１、３１１、４１１  セラミックス基板（絶縁基板）
１２、１１２、２１２、３１２、４１２  導電層
１３、１１３、２１３、３１３、４１３  ヒートシンク
２０、１２０、２２０、３２０，４２０  第２冷却機構（第二の冷却機構）
２１、１２１、２２１、３２１、４２１  セラミックス基板（絶縁基板）
２２、１２２、２２２、３２２、４２２  導電層
２３、１２３、２２３、３２３、４２３  ヒートシンク
１１５、１２５  Ａｇ焼結層
Ｓ０１、Ｓ１０１、Ｓ２０１  冷却機構形成工程
Ｓ０２、Ｓ１０２、Ｓ２０２  半導体素子接合工程
Ｓ０３、Ｓ１０３、Ｓ２０３  樹脂モールド工程
Ｓ１１  Ａｇ−Ｃｕ層形成工程（添加元素層形成工程）
【図１】
2012178513.tif 000006
【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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【図１０】
2012178513.tif 000015
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2012178513.tif 000018
【図１４】
2012178513.tif 000019
【図１５】
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【図１６】
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