(57)【要約】【課題】第一部材と第二部材とを、金属粒子と有機物とを有する金属ペーストや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接合する際に、有機物の分解反応や金属酸化物粒子の還元反応によるガスを接合層の外部へと排出し、第一部材と第二部材とを十分に接合することが可能な接合体の製造方法を提供する。【解決手段】第一部材３の接合面及び第二部材１２の接合面の少なくとも一方に、接合面の周縁部に開口する溝部３５を形成する溝部形成工程と、第一部材３と第二部材１２との間に、金属粒子及び金属酸化物粒子の少なくとも一方または両方と有機物とを含む接合材を配置する接合材配置工程と、第一部材３と第二部材１２との間に介在させた前記接合材を焼結する焼成工程と、を備え、第一部材３と第二部材１２とを、前記接合材の焼成体からなる接合層３８を介して接合する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一部材と第二部材とが接合層によって接合されてなる接合体の製造方法であって、
前記接合層と前記第一部材との接合面における前記第一部材の接合面側及び前記接合層と前記第二部材との接合面における前記第二部材の接合面側の少なくとも一方に、前記接合層の周縁部に開口する溝部を形成する溝部形成工程と、
前記第一部材と前記第二部材との間に、金属粒子及び金属酸化物粒子の少なくとも一方または両方と有機物とを含む接合材を配置する接合材配置工程と、
前記第一部材と前記第二部材との間に介在させた前記接合材を焼結する焼成工程と、を備え、
前記第一部材と前記第二部材とを、前記接合材の焼成体からなる接合層を介して接合することを特徴とする接合体の製造方法。
【請求項２】
前記第一部材の接合面側及び前記第二部材の接合面側の少なくとも一方に、下地層が形成され、この下地層に前記溝部を形成することを特徴とする請求項１に記載の接合体の製造方法。
【請求項３】
前記接合層の面積に対する前記溝部の面積の比率が０．１％以上７．５％以下とされていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の接合体の製造方法。
【請求項４】
前記第一部材の接合面側及び前記第二部材の接合面側の少なくとも一方に形成される溝部の幅が８０μｍ以上１５００μｍ以下、前記溝部の深さが１μｍ以上２００μｍ以下、前記溝部の長さが０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下、とされていることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の接合体の製造方法。
【請求項５】
絶縁層の一方の面に金属からなる回路層が配設されたパワーモジュール用基板と、前記回路層上に搭載される半導体素子と、を備えたパワーモジュールの製造方法であって、
前記回路層と前記半導体素子とを、請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の接合体の製造方法によって接合することを特徴とするパワーモジュールの製造方法。
【請求項６】
請求項５に記載されたパワーモジュールの製造方法に用いられるパワーモジュール用基板であって、
絶縁層と、前記絶縁層の一方の面に配設された金属からなる回路層と、を有し、前記回路層の表面のうち半導体素子との接合面に、当該接合面の周縁部に開口する溝部が形成されていることを特徴とするパワーモジュール用基板。
【請求項７】
請求項５に記載されたパワーモジュールの製造方法に用いられるパワーモジュール用基板であって、
前記回路層上に下地層が形成されており、前記下地層に、前記溝部が形成されていることを特徴とするパワーモジュール用基板。
【請求項８】
絶縁層の一方の面に金属からなる回路層が配設されたパワーモジュール用基板と、前記回路層上に搭載される半導体素子と、を備えたパワーモジュールであって、
前記回路層と前記半導体素子とが、請求項１又は請求項２に記載の接合体の製造方法によって接合されており、前記回路層と前記半導体素子との間に、金属粒子及び金属酸化物粒子の少なくとも一方または両方と有機物とを含む接合材の焼成体からなる接合層が形成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、第一部材と第二部材とが接合されてなる接合体の製造方法、この接合体の製造方法を用いたパワーモジュールの製造方法、このパワーモジュールの製造方法に用いられるパワーモジュール用基板、及び、前述のパワーモジュールの製造方法によって製造され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。
例えば、特許文献１に示すパワーモジュールにおいては、セラミックス基板の一方の面に金属からなる回路層が形成されたパワーモジュール用基板と、この回路層上に接合される半導体素子と、を備えた構造とされている。そして、パワーモジュール用基板の他方側に放熱板が接合されており、半導体素子で発生した熱を、パワーモジュール用基板側に伝達し、放熱板を介して外部へ放散する構成とされている。
【０００３】
ここで、半導体素子等の電子部品を回路層上に接合する際には、例えば特許文献１に示すように、はんだ材を用いた方法が広く使用されている。最近では、環境保護の観点から、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系等の鉛フリーはんだが主流となっている。
【０００４】
ところで、特許文献１に記載されたように、はんだ材を介して半導体素子等の電子部品と回路層とを接合した場合には、高温環境下で使用した際にはんだの一部が溶融し、半導体素子等の電子部品と回路層と接合信頼性が低下するおそれがあった。
特に、最近では、シリコン半導体からＳｉＣ又はＧａＮなど化合物半導体素子の実用化が期待され、半導体素子自体の耐熱性が向上しており、従来のようにはんだ材で接合した構造では対応が困難となってきている。
【０００５】
そこで、はんだ材の代替として、特許文献２、３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、半導体素子等の電子部品を回路上に接合する技術が提案されている。
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においては、金属酸化物粒子が還元剤によって還元されることによって生成する金属粒子が焼結することで、導電性の焼成体からなる接合層が形成され、この接合層を介して半導体素子等の電子部品が回路上に接合されることになる。
【０００６】
また、特許文献４には、金属粒子と有機物とを有する金属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。
特許文献４に記載された金属ペーストにおいては、金属粒子と有機物とを含有しており、金属粒子が焼結することで、導電性の焼成体からなる接合層が形成され、この接合層を介して半導体素子等の電子部品が回路層上に接合されることになる。
【０００７】
このように、金属粒子の焼成体によって接合層を形成した場合には、比較的低温条件で接合層を形成できるとともに接合層自体の融点は高くなるため、高温環境下においても接合強度が大きく低下しない。
【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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、特許文献２，３に記載されたように、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た場合には、この酸化物ペーストを焼成して導電性の焼成体を形成することになる。ここで、酸化物ペーストが焼結される際には、金属酸化物粒子の還元反応や有機物の分解反応によるガスが発生する。
また、特許文献４に記載されたように、金属粒子と有機物とを有する金属ペーストを焼成する際には、有機物の分解反応によってガスが発生する。
【００１０】
例えば、上述したパワーモジュールにおいて、半導体素子と回路層とを金属ペースト又は酸化物ペーストによって接合する場合、金属ペースト又は酸化物ペーストの焼結は、温度の不均一性などから半導体素子と回路層の接合面の周縁部から中央部に向けて進行してしまう場合がある。このため、接合面の中央部で金属ペースト又は酸化物ペーストが焼結する時点では、接合面の周縁部の焼結が完了しており、接合面の中央部で発生した有機物の分解反応や金属酸化物粒子の還元反応によるガスが接合層内部に残存してしまい、半導体素子と回路層とを接合できなくなるおそれがあった。このため、半導体素子と回路層との間の熱抵抗が大きくなり、半導体素子から発生する熱をパワーモジュール用基板側へ効率よく伝達することができなくなるおそれがあった。
このような問題は、上述したパワーモジュールのみでなく、ＬＥＤ等の他の半導体装置においても同様である。
【００１１】
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、第一部材と第二部材とを、金属粒子と有機物とを有する金属ペーストや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接合する際に、有機物の分解反応や金属酸化物粒子の還元反応によるガスを接合層の外部へと排出し、第一部材と第二部材とを十分に接合することが可能な接合体の製造方法、この接合体の製造方法を用いたパワーモジュールの製造方法、このパワーモジュールの製造方法に用いられるパワーモジュール用基板、及び、前述のパワーモジュールの製造方法によって製造された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】
【００１２】
このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明の接合体の製造方法は、第一部材と第二部材とが接合層によって接合されてなる接合体の製造方法であって、前記接合層と前記第一部材との接合面における前記第一部材の接合面側及び前記接合層と前記第二部材との接合面における前記第二部材の接合面側の少なくとも一方に、前記接合層の周縁部に開口する溝部を形成する溝部形成工程と、前記第一部材と前記第二部材との間に、金属粒子及び金属酸化物粒子の少なくとも一方または両方と有機物とを含む接合材を配置する接合材配置工程と、前記第一部材と前記第二部材との間に介在させた前記接合材を焼結する焼成工程と、を備え、前記第一部材と前記第二部材とを、前記接合材の焼成体からなる接合層を介して接合することを特徴としている。
【００１３】
この構成の接合体の製造方法によれば、前記接合層と前記第一部材との接合面における前記第一部材の接合面側及び前記接合層と前記第二部材との接合面における前記第二部材の接合面側の少なくとも一方に、前記接合層の周縁部に開口する溝部を形成する溝部形成工程を備えているので、前記第一部材と前記第二部材との間に介在させた前記接合材を焼結する焼成工程において、第一部材及び第二部材の接合面の周縁部から中央部に向けて焼結が進行しても、接合面の中央部で発生する有機物の分解反応や金属酸化物粒子の還元反応によるガスが前述の溝部を介して外部へと排出されることになり、接合材の焼成体からなる接合層内にガスが残存しない。よって、第一部材と第二部材とを確実に接合することが可能となる。
【００１４】
ここで、前記第一部材の接合面側及び前記第二部材の接合面側の少なくとも一方に、下地層が形成され、この下地層に前記溝部を形成する構成としてもよい。
この場合、前記第一部材及び前記第二部材の少なくとも一方を加工する必要がなく、下地層をパターン状に設けることで上述の溝部を形成することが可能となる。また、溝部の寸法や形状を比較的簡単に設定することができ、接合面の中央部で発生する有機物の分解反応や金属酸化物粒子の還元反応によるガスを、確実に接合層の外部へと排出することが可能となる。
【００１５】
ここで、前記接合層の面積に対する溝部の面積の比率が０．１％以上７．５％以下とされていることが好ましい。
この場合、溝部の面積比が０．１％以上とされているので、有機物の分解反応や金属酸化物粒子の還元反応によるガスを接合層の外部へと円滑に排出することができる。
一方、溝部の面積比が７．５％以下とされているので、溝部の面積が必要以上に大きくならず、半導体素子と回路層との間の熱抵抗が大きくなることを抑制できる。
【００１６】
また、前記第一部材の接合面側及び前記第二部材の接合面側の少なくとも一方に形成される溝部の幅が８０μｍ以上１５００μｍ以下、前記溝部の深さが１μｍ以上２００μｍ以下、前記溝部の長さが０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下、とされていることが好ましい。
この場合、溝部の幅が８０μｍ以上、深さが１μｍ以上、長さが０．５ｍｍ以上とされているので、有機物の分解反応や金属酸化物粒子の還元反応によるガスを接合層の外部へと円滑に排出することができる。
一方、溝部の幅が１５００μｍ以下、長さが３ｍｍ以下とされているので、溝部のサイズが必要以上に大きくならず、半導体素子と回路層との間の熱抵抗が大きくなることを抑制できる。さらに、溝部の深さが２００μｍ以下とされているので、接合時に半導体素子等に曲げ応力が負荷されることを抑制でき、半導体素子の破損を未然に防止することができる。
【００１７】
本発明のパワーモジュールの製造方法は、絶縁層の一方の面に金属からなる回路層が配設されたパワーモジュール用基板と、前記回路層上に搭載される半導体素子と、を備えたパワーモジュールの製造方法であって、前記回路層と前記半導体素子とを、前述の接合体の製造方法によって接合することを特徴としている。
この構成のパワーモジュールの製造方法によれば、半導体素子と回路層との間の接合層内に、有機物の分解反応や金属酸化物粒子の還元反応によるガスが残存することを抑制でき、半導体素子と回路層とを確実に接合することができる。よって、半導体素子と回路層との間の熱抵抗を抑えることができ、半導体素子から発生する熱をパワーモジュール用基板側へ効率よく伝達することができる。
【００１８】
本発明のパワーモジュール用基板は、前述のパワーモジュールの製造方法に用いられるパワーモジュール用基板であって、絶縁層と、前記絶縁層の一方の面に配設された金属からなる回路層と、を有し、前記回路層の表面のうち半導体素子との接合面に、当該接合面の周縁部に開口する溝部が形成されていることを特徴としている。
【００１９】
この構成のパワーモジュール用基板によれば、前記回路層の表面のうち半導体素子との接合面に、当該接合面の周縁部まで延在する溝部が形成されていることから、金属粒子及び金属酸化物粒子の少なくとも一方または両方と有機物とを含む接合材を用いて回路層の表面に半導体素子を接合しても、半導体素子と回路層との間の接合層内に有機物の分解反応や金属酸化物粒子の還元反応によるガスが残存することを抑制でき、半導体素子と回路層とを確実に接合することができる。
【００２０】
ここで、前記回路層上に下地層が形成されており、前記下地層に、前記溝部が形成されていることが好ましい。
この場合、回路層に加工を行うことなく、下地層をパターン状に設けることで、前述の溝部を形成することが可能となる。
【００２１】
本発明のパワーモジュールは、絶縁層の一方の面に金属からなる回路層が配設されたパワーモジュール用基板と、前記回路層上に搭載される半導体素子と、を備えたパワーモジュールであって、前記回路層と前記半導体素子とが、前述の接合体の製造方法によって接合されており、前記回路層と前記半導体素子との間に、金属粒子及び金属酸化物粒子の少なくとも一方または両方と有機物とを含む接合材の焼成体からなる接合層が形成されていることを特徴としている。
【００２２】
この構成のパワーモジュールによれば、半導体素子と回路層とが金属粒子及び金属酸化物粒子の少なくとも一方または両方と有機物とを含む接合材の焼成体からなる接合層を介して接合されており、この接合層内に有機物の分解反応や金属酸化物粒子の還元反応によるガスが残存することが抑制されることから、半導体素子と回路層との間の熱抵抗が小さく、半導体素子で発生する熱をパワーモジュール用基板側へと効率良く伝達することが可能となる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、第一部材と第二部材とを、金属粒子と有機物とを有する金属ペーストや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接合する際に、有機物の分解反応や金属酸化物粒子の還元反応によるガスを接合層の外部へと排出し、第一部材と第二部材とを十分に接合することが可能な接合体の製造方法、この接合体の製造方法を用いたパワーモジュールの製造方法、このパワーモジュールの製造方法に用いられるパワーモジュール用基板、及び、前述のパワーモジュールの製造方法によって製造されたパワーモジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一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】図１に示すパワーモジュールの回路層と半導体素子との接合界面の拡大説明図である。
【図３】図１に示すパワーモジュールに用いられるパワーモジュール用基板の回路層の上面図である。
【図４】図１に示すパワーモジュールに用いられるパワーモジュール用基板の断面図である。
【図５】図１に示すパワーモジュールの製造方法を示すフロー図である。
【図６】本発明の他の実施形態であるパワーモジュールの回路層と半導体素子との接合界面の拡大説明図である。
【図７】本発明の他の実施形態であるパワーモジュールの回路層と半導体素子との接合界面の拡大説明図である。
【図８】本発明の他の実施形態であるパワーモジュールの回路層と半導体素子との接合界面の拡大説明図である。
【図９】本発明の他の実施形態であるパワーモジュールに用いられるパワーモジュール用基板の回路層の上面図である。
【図１０】本発明の他の実施形態であるパワーモジュールに用いられるパワーモジュール用基板の回路層の上面図である。
【図１１】本発明の他の実施形態である半導体装置（ＬＥＤ装置）の概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
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。
本実施形態である接合体の製造方法は、半導体素子３を第一部材とし、パワーモジュール用基板１０の回路層１２を第二部材とし、これら半導体素子３と回路層１２（パワーモジュール用基板１０）とを接合することにより、接合体としてのパワーモジュール１を製造するものである。図１に、本実施形態であるパワーモジュール１を示す。
【００２６】
このパワーモジュール１は、回路層１２が配設されたパワーモジュール用基板１０と、回路層１２の一方の面（図１において上面）に接合された半導体素子３と、パワーモジュール用基板１０の他方側に配設された冷却器４０とを備えている。
【００２７】
パワーモジュール用基板１０は、図１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の他方の面（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。
【００２８】
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、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）、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）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。
【００２９】
回路層１２は、セラミックス基板１１の一方の面に、導電性を有するアルミニウム、銅等の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、回路層１２は、純度９９．９９質量％以上のアルミニウムの圧延板を接合することで形成されている。なお、回路層１２の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ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。また、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が接合される接合面とされている。
この回路層１２の一方の面には、後述するガラス含有Ａｇペーストの焼成体からなる下地層３１が形成されている。
【００３０】
金属層１３は、セラミックス基板１１の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金、銅又は銅合金等の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、この金属板（金属層１３）は、純度が９９質量％以上のアルミニウム又はアルミニウム合金の圧延板とされており、より具体的には、純度が９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板とされている。ここで、金属層１３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。
【００３１】
冷却器４０は、前述の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、パワーモジュール用基板１０と接合される天板部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。この冷却器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、Ａ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。
【００３２】
半導体素子３は、Ｓｉ等の半導体材料で構成されており、回路層１２との接合面には、Ｎｉ、Ａｕ等からなる表面処理膜３ａが形成されている。
【００３３】
そして、図１に示すパワーモジュール１においては、回路層１２と半導体素子３との間に、前述した下地層３１及び接合層３８が形成されている。
なお、下地層３１及び接合層３８は、図１に示すように、回路層１２の表面全体には形成されておらず、半導体素子３が配設される部分、すなわち、半導体素子３との接合面にのみ選択的に形成されている。
【００３４】
ここで、下地層３１は、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。この下地層３１は、図２に示すように、回路層１２側に形成されたガラス層３２と、このガラス層３２上に形成されたＡｇ層３３と、を備えている。
ガラス層３２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が分散されている。なお、ガラス層３２内の導電性粒子は、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３３の内部には、粒径が数マイクロメートル程度の微細なガラス粒子が分散されている。
【００３５】
なお、この下地層３１の厚さ方向の電気抵抗値Ｐが０．５Ω以下とされている。ここで、本実施形態においては、下地層３１の厚さ方向における電気抵抗値Ｐは、下地層３１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を構成する無酸素銅（ＯＦＣ）の電気抵抗が下地層３１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、下地層３１の上面中央点と、下地層３１の前記上面中央点から下地層３１端部までの距離と同距離分だけ下地層３１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。
【００３６】
下地層３１を構成するガラス含有Ａｇペーストは、Ａｇ粉末と、ＺｎＯを含有する無鉛ガラス粉末と、樹脂と、溶剤と、分散剤と、を含有しており、Ａｇ粉末と無鉛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。なお、本実施形態では、Ａｇ粉末と無鉛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。
無鉛ガラス粉末は、主成分としてＢｉ２Ｏ３、ＺｎＯ、Ｂ２Ｏ３を含むものとされており、そのガラス転移温度が３００℃以上４５０℃以下、軟化温度が６００℃以下、結晶化温度が４５０℃以上とされている。
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。
【００３７】
この下地層３１の上、すなわちＡｇ層３３の上に形成された接合層３８は、金属粒子及び金属酸化物粒子の少なくとも一方または両方と有機物とを含む接合材の焼成体とされており、本実施形態では、後述するように、酸化銀と還元剤とを含む酸化銀ペーストの焼成体とされている。すなわち、接合層３８は、酸化銀が還元されたＡｇの焼成体とされているのである。ここで、酸化銀を還元することにより生成されるＡｇ層３３表面に析出する粒子は、例えば粒径１０ｎｍ〜１μｍと非常に微細であることから、緻密なＡｇの焼成層が形成されることになる。なお、この接合層３８においては、下地層３１のＡｇ層３３で観察されたガラス粒子は存在していない、若しくは、非常に少ない。
【００３８】
この接合層３８を構成する酸化銀ペーストは、酸化銀粉末と、還元剤と、樹脂と、溶剤と、を含有しており、本実施形態では、これらに加えて有機金属化合物粉末を含有している。
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、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。この酸化銀ペーストにおいては、焼結によって得られる接合層３８に未反応の有機物が残存することを抑制するために、分散剤及び樹脂は添加していない。
還元剤は、還元性を有する有機物とされており、例えば、アルコール、有機酸を用いることができる。
有機金属化合物は、熱分解によって生成する有機酸によって酸化銀の還元反応や有機物の分解反応を促進させる作用を有するものであり、例えば蟻酸Ａｇ、酢酸Ａｇ、プロピオン酸Ａｇ、安息香酸Ａｇ、シュウ酸Ａｇなどのカルボン酸系金属塩等が適用される。
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。
【００３９】
そして、本実施形態においては、図３及び図４に示すように、回路層１２の一方の面のうち半導体素子３との接合面には、この接合面の周縁部に開口する溝部３５が形成されている。すなわち、溝部３５は、回路層１２の一方の面のうち下地層３１が形成された領域の周縁部にまで延在するように形成されているのである。
この溝部３５は、下地層３１がパターン状に配置されることによって画成されたものであり、溝部３５の部分には下地層３１が形成されていない。
【００４０】
ここで、溝部３５の幅Ｗは、８０μｍ≦Ｗ≦１５００μｍ、溝部３５の深さＨは、１μｍ≦Ｈ≦２００μｍ、溝部３５の長さＬは、０．５ｍｍ≦Ｌ≦３ｍｍ、の範囲内にそれぞれ設定されている。さらに、半導体素子３（第一部材）の接合面とパワーモジュール用基板１０の回路層１２（第二部材）の接合面とが接合する面積に対する溝部の面積の比率は０．１％以上７．５%以下の範囲内に設定されている。
また、本実施形態では、図３に示すように、半導体素子３との接合面の中央部から接合面がなす四角形の各辺に向かう４本の溝部３５が配設されている。
【００４１】
次に、本実施形態であるパワーモジュール１の製造方法について、図５に示すフロー図を参照して説明する。
まず、セラミックス基板１１の上面に回路層１２となる厚さ０．６ｍｍのアルミニウム板と、下面に金属層１３となる厚さ１．６ｍｍのアルミニウム板を、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（回路層形成工程Ｓ０１、金属層形成工程Ｓ０２）。なお、このろう付けの温度は、６２０℃〜６５０℃に設定されている。
【００４２】
次に、金属層１３の他方の面側に、冷却器４０をろう材を介して接合する（冷却器接合工程Ｓ０３）。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。
【００４３】
次に、回路層１２の表面に下地層３１を形成するとともに、溝部３５を形成する（溝部形成工程Ｓ０４）。
まず、回路層１２の表面に、下地層３１となるガラス含有Ａｇペーストを塗布する（下地ペースト塗布工程Ｓ４１）。
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ペーストを回路層１２の半導体素子３が接合される接合面に形成した。
このとき、ガラス含有Ａｇペーストを、溝部３５を形成する領域には塗布しないように、パターン状に塗布することになる。
【００４４】
次に、回路層１２表面にガラス含有Ａｇペーストを塗布した状態で乾燥した後、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（第一焼成工程Ｓ４２）。なお、このときの焼成温度は３５０〜６４５℃に設定されている。
下地ペースト塗布工程Ｓ４１及び第一焼成工程Ｓ４２により、回路層１２の一方の面に、ガラス層３２とＡｇ層３３とを備えた下地層３１が形成される。
【００４５】
このようにして、回路層１２の一方の面に溝部３５が形成されたパワーモジュール用基板１０が製造されることになる。
【００４６】
次に、下地層３１の表面に、酸化銀ペーストを塗布する（酸化銀ペースト塗布工程Ｓ０５）。
なお、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。
【００４７】
次に、酸化銀ペーストを塗布した状態で乾燥（例えば、室温、大気雰囲気で２４時間保管）した後、酸化銀ペーストの上に半導体素子３を積層する（半導体素子積層工程Ｓ０６）。
そして、半導体素子３とパワーモジュール用基板１０とを積層した状態で加熱炉内に装入し、酸化銀ペーストの焼成を行う（第二焼成工程Ｓ０７）。このとき、荷重を０〜１０ＭＰａとし、焼成温度を１５０〜４００℃とする。
また、望ましくは半導体素子３とパワーモジュール用基板１０とを積層方向に加圧した状態で加熱することによって、より確実に接合することができる。この場合、加圧圧力は０．５〜１０ＭＰａが望ましい。
この第二焼成工程Ｓ０７においては、酸化銀ペーストが焼成される際に、酸化銀の還元反応及び有機物の分解反応によるガスが発生する。
【００４８】
このとき、酸化銀ペーストは、下地層３１の表面に存在するため、図２に示すように、下地層３１に形成された溝部３５の領域には、接合層３８が形成されないこととなる。
このようにして、下地層３１の上に接合層３８が形成され、半導体素子３と回路層１２とが接合される。これにより、本実施形態であるパワーモジュール１が製造される。
【００４９】
以上のような構成とされた本実施形態によれば、回路層１２のうち半導体素子３との接合面に形成された下地層３１に、この接合面の周縁部に開口する溝部３５を形成し、この下地層３１の上に酸化銀ペーストを介在させて半導体素子３を接合しているので、酸化銀ペーストの焼成によって、接合面の中央部で酸化銀の還元反応及び有機物の分解反応によるガスが発生しても、このガスを、溝部３５を介して外部へと排出することができ、半導体素子３と下地層３１との間に形成される接合層３８の内部にガスが残存することを抑制できる。よって、半導体素子と回路層とを確実に接合でき、半導体素子と回路層との間の熱抵抗を抑えられ、半導体素子から発生する熱をパワーモジュール用基板側へ効率よく伝達することができる。
【００５０】
また、本実施形態では、回路層１２の一方の面に形成された下地層３１に溝部３５を形成しているので、回路層１２自体に加工を行う必要がなく、下地層３１となるガラス含有Ａｇペーストをパターン状に塗布し、焼成することで、溝部３５を形成することが可能となる。よって、溝部３５の形状、パターンを比較的自由に設計することができ、酸化銀の還元反応及び有機物の分解反応によるガスを確実に接合層３８の外部へと排出することができる。
【００５１】
また、本実施形態では、接合層３８の面積に対する溝部の面積の比率が０．１％以上７．５％以下とされているので、酸化銀の還元反応及び有機物の分解反応によるガスを接合層３８の外部へと円滑に排出することができる。
また、溝部の面積比が７．５％以下とされているので、溝部のサイズが必要以上に大きくならず、半導体素子３と回路層１２との間の熱抵抗が大きくなることを抑制できる。
【００５２】
また、本実施形態では、溝部３５の幅ＷがＷ≧８０μｍ、溝部３５の深さＨがＨ≧１μｍ、溝部３５の長さＬがＬ≧０．５ｍｍ、とされているので、酸化銀の還元反応及び有機物の分解反応によるガスを接合層３８の外部へと円滑に排出することができる。
また、溝部３５の幅ＷがＷ≦１５００μｍ、溝部３５の長さＬがＬ≦３mｍとされているので、溝部３５のサイズが必要以上に大きくならず、半導体素子３と回路層１２との間の熱抵抗が大きくなることを抑制できる。さらに、溝部３５の深さＨがＨ≦２００μｍとされているので、接合時に半導体素子３に曲げ応力が負荷されることを抑制でき、半導体素子３の破損を未然に防止することができる。
【００５３】
また、本実施形態では、下地層３１が、回路層１２の一方の面に形成されたガラス層３２と、このガラス層３２上に積層されたＡｇ層３３と、を備えているので、回路層１２の表面に形成されている酸化皮膜をガラス層３２に反応させて除去することができ、回路層１２と半導体素子３とを確実に接合することができる。
しかも、本実施形態では、ガラス層３２内部に、粒径が数ナノメートル程度とされた微細な導電性粒子が分散されていて、ガラス層３２においても導電性が確保されており、具体的には、ガラス層３２を含めた下地層３１の厚さ方向の電気抵抗値Ｐが０．５Ω以下に設定されているので、下地層３１及び接合層３８を介して半導体素子３と回路層１２との間で電気を確実に導通することが可能となり、信頼性の高いパワーモジュール１を構成することができる。
【００５４】
また、本実施形態では、接合層３８が、酸化銀と還元剤とを含む酸化銀ペーストの焼成体とされているので、酸化銀ペーストを焼成する際に、酸化銀が還元剤によって還元されて微細な銀粒子となり、接合層３８を緻密な構造とすることができる。また、還元剤は、酸化銀を還元する際に分解されるため、接合層３８中に残存しにくく、接合層３８における導電性及び強度を確保することができる。さらに、例えば３００℃といった比較的低温条件で焼成することが可能となるため、半導体素子３の接合温度を低く抑えることができ、半導体素子３への熱負荷を低減することができる。
【００５５】
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、回路層及び金属層をアルミニウム板で構成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、回路層及び金属層がアルミニウム合金板、銅板又は銅合金板で構成されていてもよい。あるいは、回路層が銅板又は銅合金板で構成され、金属層がアルミニウム板又はアルミニウム合金板で構成されていてもよい。
【００５６】
また、本実施形態では、回路層の一方の面に形成された下地層に溝部を形成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、例えば図６に示すパワーモジュール１０１のように、回路層１１２の一方の面に溝部１３５を形成し、その上に、下地層１３１を形成し、接合層１３８を介して半導体素子１０３を接合してもよい。
なお、回路層１１２の一方の面に溝部１３５を形成する際には、プレス、研削、エッチング、表面処理等の手法を適用することができる。
【００５７】
あるいは、図７に示すパワーモジュール２０１のように、半導体素子２０３の接合面に形成された表面処理膜２０３ａに溝部２３５を形成し、接合層２３８を介して、下地層２３１が形成された回路層２１２と半導体素子２０３とを接合してもよい。
なお、半導体素子２０３の接合面に、Ｎｉ、Ａｕ等の表面処理膜２０３ａをパターン状に形成することで、上述の溝部２３５を形成することができる。
【００５８】
また、本実施形態では、図３に示すパターンで溝部３５を形成したもので説明したが、溝部の形成パターンに限定はない。例えば、図８に示すように、回路層３１２上に形成された下地層３３１において、接合面の中央から接合面がなす四角形の角部に向かうように溝部３３５を形成してもよい。
あるいは、図９に示すように、回路層４１２上に形成された下地層４３１において、接合面の中央から接合面がなす四角形の各辺に向かうように複数の溝部４３５を形成してもよい。
【００５９】
また、本実施形態では、下地層の表面に酸化銀ペーストを塗布したが、下地層表面及び溝部上部に酸化銀ペーストを塗布してもよい。この場合、図１０に示すパワーモジュール５０１のように、溝部５３５の上部にも接合層５３８が形成されるが、酸化銀ペーストの塗布時に、溝部５３５には酸化銀ペーストが一部しか充填されないため、空隙Ｓが確保される。よって、この空隙Ｓを介して、酸化銀の還元反応及び有機物の分解反応によるガスを接合層５３８の外部へと排出することができる。
【００６０】
さらに、本実施形態では、酸化銀を含む酸化銀ペーストを用いるものとして説明したが、これに限定されることはなく、銀粉末と、樹脂と、溶剤とからなるＡｇペーストを用いてもよい。この場合、加熱時に銀粉末が焼結するとともに、樹脂や溶剤などの有機物の分解反応によるガスが溝部を介して外部へと排出されることで、緻密な接合層を形成することができる。
また、酸化銀粉末と銀粉末とが混合されたペーストを用いることもできる。さらに、金や銅など他の金属粒子または金属酸化物粒子を含むペーストであってもよい。
【００６１】
また、本実施形態では、半導体装置として、パワーモジュールを例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、導電性材料からなる回路層上に半導体素子が搭載された半導体装置で有ればよい。
例えば、図１１に示すように、ＬＥＤ素子（半導体素子）を搭載したＬＥＤ装置（半導体装置）であってもよい。
【００６２】
図１１に示すＬＥＤ装置７０１は、発光素子７０３と、導電性材料からなる回路層７１２と、を備えている。なお、発光素子７０３は、ボンディングワイヤ７０７によって回路層７１２と電気的に接続されており、発光素子７０３及びボンディングワイヤ７０７が封止材７０８によって封止された構造とされている。回路層７１２の一方の面には、下地層７３１が設けられており、発光素子７０３の裏面には、導電性反射膜７１６及び保護膜７１５が設けられている。そして、下地層７３１の上に、金属粒子及び金属酸化物粒子の少なくとも一方または両方と有機物とを含む接合材の焼成体からなる接合層７３８が形成されており、発光素子７０３と回路層７１２とが、下地層７３１及び接合層７３８を介して接合された構造とされている。
このようなＬＥＤ装置７０１においても、回路層７１２の接合面、発光素子７０３の接合面又は接合層７３８の少なくともいずれかに、接合面の周縁部に開口する溝部を形成することで、有機物の分解反応や金属酸化物粒子の還元反応によるガスを、溝部を介して外部へと排出することができ、接合層７３８内にガスが残存することを抑制できる。
【実施例】
【００６３】
以下に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験の結果について説明する。
まず、本実施形態で例示したパワーモジュール用基板を用いて、溝部の形状、パターンを変更し、本発明例１−９のパワーモジュールを作製した。本発明例１−６は回路層をアルミニウム板で構成し、本発明例７−９は回路層を銅板で構成した。
また、従来例として、溝部を形成せずに、回路層と半導体素子とを接合し、パワーモジュールを作製した。なお、従来例１は回路層をアルミニウム板で構成し、従来例２は銅板で構成した。
【００６４】
本発明例１−６及び、従来例１のパワーモジュール用基板については、まず、セラミックス基板の両方の面に回路層および金属層となるアルミニウム板を接合した。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。回路層となるアルミニウム板は、純度９９．９９質量％以上の４Ｎアルミニウムとし、サイズは２５ｍｍ×１５ｍｍ×０．３ｍｍとした。金属層となるアルミニウム板は、純度９９．９９％以上の４Ｎアルミニウムとし、サイズは２５ｍｍ×１５ｍｍ×０．６ｍｍとした。
半導体素子は、ＩＧＢＴ素子とし、サイズは、１３ｍｍ×１０ｍｍ×０．２５ｍｍのものを使用した。
【００６５】
そして、実施形態で例示したガラス含有Ａｇペーストを用いて下地層を形成した。この下地層をパターン状に形成することで、溝部を形成した。従来例１のパワーモジュール用基板については溝部を形成しなかった。なお、焼成条件は、ガラス含有Ａｇペーストの塗布厚さを１０μｍとし、焼成温度を５７５℃、焼成時間を１０分とした。
【００６６】
そして、実施形態で例示した酸化銀ペーストを用いて、半導体素子と回路層とを接合した。なお、焼成条件は、酸化銀ペーストの塗布厚さを５０μｍとし、焼成温度を３００℃、焼成時間を２時間とした。さらに、半導体素子の加圧圧力を３ＭＰａとした。
【００６７】
次に、本発明例７−９及び、従来例２のパワーモジュール用基板については、まず、セラミックス基板の一方の面に回路層となる銅板を接合し、セラミックス基板の他方の面には金属層となるアルミニウム板を接合した。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。回路層となる銅板は、純度９９．９９質量％の無酸素銅とし、サイズは２５ｍｍ×１５ｍｍ×０．３ｍｍとした。金属層となるアルミニウム板は、純度９９．９９％以上の４Ｎアルミニウムとし、サイズは２５ｍｍ×１５ｍｍ×０．６ｍｍとした。
半導体素子は、ＩＧＢＴ素子とし、サイズは、１３ｍｍ×１０ｍｍ×０．２５ｍｍのものを使用した。
【００６８】
そして、実施形態で例示したガラス含有Ａｇペーストを用いて下地層を形成した。この下地層をパターン状に形成することで、溝部を形成した。従来例２のパワーモジュール用基板については溝部を形成しなかった。なお、焼成条件は、ガラス含有Ａｇペーストの塗布厚さを１０μｍとし、焼成温度を５７５℃、焼成時間を１０分とした。
【００６９】
そして、実施形態で例示した酸化銀ペーストを用いて、半導体素子と回路層とを接合した。なお、焼成条件は、酸化銀ペーストの塗布厚さを５０μｍとし、焼成温度を３００℃、焼成時間を２時間とした。さらに、半導体素子の加圧圧力を３ＭＰａとした。
【００７０】
得られた各種パワーモジュールについて、初期接合率、熱抵抗を評価した。
接合率は、超音波探傷装置を用いて評価し、以下の式から算出した。ここで、初期接合面積とは、接合前における接合すべき面積、すなわち半導体素子面積とした。超音波探傷像において非接合部分は接合部内の白色部で示されることから、この白色部の面積を非接合面積とした。
接合率  ＝  （初期接合面積−非接合面積）／初期接合面積
【００７１】
熱抵抗は、次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＝９：１）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。
なお、溝部を形成しなかった従来例１、２をそれぞれの基準として１とし、この従来例１、２との比率で評価した。回路層をアルミニウム板で構成した本発明例１−６及び従来例１の評価結果を表１に示す。回路層を銅板で構成した本発明例７−９及び従来例２の評価結果を表２に示す。
【００７２】
【表１】
2013229561.tif 000003
【００７３】
【表２】
2013229561.tif 000004
【００７４】
溝部を形成しなかった従来例１及び従来例２においては、初期接合率が７０％、６９％と低かった。これは、酸化銀の還元反応や有機成分の分解反応によるガスが接合層内部に残存したためと推測される。
一方、溝部を形成した本発明例１−６及び本発明例７−９においては、初期接合率が高く、熱抵抗も、従来例１及び従来例２に比べて低くなっていることが確認される。酸化銀の還元反応や有機成分の分解反応によるガスが接合層の外部へと排出されたためと推測される。
【符号の説明】
【００７５】
１、１０１、２０１、５０１  パワーモジュール（接合体）
３、１０３、２０３、５０３、７０３  半導体素子（第一部材）
１０  パワーモジュール用基板
１１  セラミックス基板（絶縁層）
１２、１１２、２１２、３１２、４１２、５１２、７１２  回路層（第二部材）
３５、１３５、２３５、３３５、４３５、５３５  溝部
３８、１３８、２３８、５３８、７３８  接合層
７０１  ＬＥＤ装置（接合体）
【図１】
2013229561.tif 000005
【図２】
2013229561.tif 000006
【図３】
2013229561.tif 000007
【図４】
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【図５】
2013229561.tif 000009
【図６】
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【図７】
2013229561.tif 000011
【図８】
2013229561.tif 000012
【図９】
2013229561.tif 000013
【図１０】
2013229561.tif 000014
【図１１】
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