(57)【要約】【課題】パワーサイクル及びヒートサイクル負荷時においても、金属部材の表面にうねりやシワが発生することを抑制でき、被接合部材との接合信頼性を向上させることが可能なはんだ接合構造、このはんだ接合構造を利用したパワーモジュール、放熱板付パワーモジュール用基板及び冷却器付パワーモジュール用基板を提供する。【解決手段】金属部材１３と、被接合部材２１と、をはんだ材を用いて接合するはんだ接合構造４０であって、金属部材１３の表面に形成されたガラス層４１と、このガラス層４１に積層されたＡｇ層４２と、このＡｇ層４２に積層されたはんだ層４３と、を備えており、Ａｇ層４２の平均厚さが１μｍ以上２０μｍ以下とされ、Ａｇ層４２の被覆率がガラス層４１の表面の８０％以上とされていることを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属部材と、被接合部材と、をはんだ材を用いて接合するはんだ接合構造であって、
前記金属部材の表面に形成されたガラス層と、このガラス層に積層されたＡｇ層と、このＡｇ層に積層されたはんだ層と、を備えており、
前記Ａｇ層の平均厚さが１μｍ以上２０μｍ以下とされ、前記Ａｇ層の被覆率が前記ガラス層の表面の８０％以上とされていることを特徴とするはんだ接合構造。
【請求項２】
前記金属部材が、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム部材であることを特徴とする請求項１に記載のはんだ接合構造。
【請求項３】
絶縁層の一方の面に金属部材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、前記回路層の一方の面に接合された半導体素子と、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の接合部が請求項１又は請求項２に記載のはんだ接合構造とされていることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項４】
絶縁層の一方の面に回路層が配設され、前記絶縁層の他方の面に金属層が配設されたパワーモジュール用基板と、このパワーモジュール用基板の前記金属層の面側に接合された放熱板と、を備えた放熱板付パワーモジュール用基板であって、
前記放熱板の接合面及び前記金属層の接合面の少なくとも一方が金属部材とされており、
前記放熱板と前記金属層との接合部が請求項１又は請求項２に記載のはんだ接合構造とされていることを特徴とする放熱板付パワーモジュール用基板。
【請求項５】
絶縁層の一方の面に回路層が配設され、前記絶縁層の他方の面に金属層が配設されたパワーモジュール用基板と、このパワーモジュール用基板の前記金属層の面側に接合された冷却器と、を備えた冷却器付パワーモジュール用基板であって、
前記冷却器の接合面及び前記金属層の接合面のうち少なくとも一方が金属部材とされており、
前記冷却器と前記金属層との接合部が請求項１又は請求項２に記載のはんだ接合構造とされていることを特徴とする冷却器付パワーモジュール用基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、金属部材と、被接合部材と、をはんだ材を用いて接合するはんだ接合構造、このはんだ接合構造を利用したパワーモジュール、放熱板付パワーモジュール用基板及び冷却器付パワーモジュール用基板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
上述のはんだ接合構造としては、例えば、特許文献１、２に示すようなパワーモジュールが挙げられる。
パワーモジュールは、セラミックス基板の一方の面に回路層となる金属板が接合されてなるパワーモジュール用基板と、回路層の一方の面に搭載されるパワー素子（半導体素子）と、を備えている。
また、パワーモジュール用基板の他方の面側には、パワー素子（半導体素子）からの熱を放散するために、放熱板や冷却器が配設されることがある。さらに、パワーモジュール用基板においては、セラミックス基板の他方の面に金属層となる金属板が接合され、この金属層と上述の放熱板や冷却器が接合される構成とされているものがある。
【０００３】
上述のパワーモジュールにおいては、回路層とパワー素子（半導体素子）とは、はんだ材を介して接合される。すなわち、回路層が金属部材とされ、パワー素子（半導体素子）が被接合部材とされた、はんだ接合構造をなしているのである。
また、パワーモジュール用基板と放熱板及び冷却器についても、はんだ材を介して接合されることがある。この場合、金属層あるいは放熱板及び冷却器のいずれか一方が金属部材とされ、他方が被接合部材とされた、はんだ接合構造をなすことになる。
【０００４】
ここで、回路層、金属層、放熱板及び冷却器等の金属部材がアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されたアルミニウム部材とされている場合には、アルミニウム部材の表面にアルミニウムの酸化皮膜が形成されるため、そのままでは、はんだ接合を良好に行うことができない。そこで、従来は、回路層（アルミニウム部材）の表面にＮｉめっき膜を形成した上で、はんだ接合していた。
また、回路層、金属層、放熱板及び冷却器等の金属部材が銅又は銅合金で構成された銅部材とされている場合には、溶融したはんだ材と銅とが反応して、回路層、金属層、放熱板及び冷却器等の銅部材の内部にはんだ材の成分が侵入し、特性が変化してしまうといった問題があった。
【０００５】
そこで、従来は、例えば特許文献３に開示されているように、回路層の表面に無電解めっき等によってＮｉめっき膜を形成し、このＮｉめっき膜上にはんだ材を配設して半導体素子を接合していた。
さらに、特許文献４には、Ｎｉめっき膜を設けることなく、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層とはんだ層とを導通させる導電接合層を形成することができる導電性組成物が記載されており、上記回路層と被接合部材とをガラス層、Ａｇ層及びはんだ層を介して接合している構造が開示されている。
【０００６】
また、上述のパワーモジュールにおいては、その使用時にパワーサイクル及びヒートサイクルが負荷されることになる。ここで、パワーモジュールにパワーサイクル及びヒートサイクルが負荷された場合には、セラミックス基板とアルミニウムとの熱膨張係数の差による応力がセラミックス基板と回路層との接合界面に作用し、接合信頼性が低下するおそれがあった。そこで、従来は、純度が９９．９９％以上の４Ｎアルミニウム等の比較的変形抵抗の小さな金属材料で回路層を構成して、上述の熱応力を回路層の変形によって吸収することで、接合信頼性の向上を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−３１１５２６号公報
【特許文献２】特開２００８−２２７３３６号公報
【特許文献３】特開２００４−１７２３７８号公報
【特許文献４】特開２０１０−２８７５５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、回路層を純度が９９．９９％以上（４Ｎアルミニウム）等の比較的変形抵抗の小さな金属材料で構成した場合、パワーサイクル及びヒートサイクルを負荷した際に、回路層の表面にうねりやシワが発生してしまうといった問題があった。回路層の表面にうねりやシワが発生すると、半導体素子との間に介在するはんだ層にクラックが生じてしまうため、パワーモジュールの信頼性が低下することになる。
また、特許文献４では、焼成によって、前記回路層表面に自然発生した酸化皮膜と反応して前記回路層と導通する導電接合層を形成することはできるものの、回路層と半導体素子とのはんだ接合後に生じる回路層表面のうねりやシワに対する視点はなかった。
【０００９】
特に、最近では、パワーモジュールの小型化・薄肉化が進められるとともに、その使用環境も厳しくなってきており、半導体素子等の電子部品からの発熱量が大きくなっているため、パワーサイクル及びヒートサイクルの温度差が大きく、回路層の表面にうねりやシワが発生しやすい傾向にある。
このように、金属部材と被接合部材とをはんだ接合した場合、金属部材にうねりやシワが生じると、はんだ材にクラックが生じて接合信頼性が低下することになる。
【００１０】
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、パワーサイクル及びヒートサイクル負荷時においても、金属部材の表面にうねりやシワが発生することを抑制でき、被接合部材との接合信頼性を向上させることが可能なはんだ接合構造、このはんだ接合構造を利用したパワーモジュール、放熱板付パワーモジュール用基板及び冷却器付パワーモジュール用基板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】
【００１１】
このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明のはんだ接合構造は、金属部材と、被接合部材と、をはんだ材を用いて接合するはんだ接合構造であって、前記金属部材の表面に形成されたガラス層と、このガラス層に積層されたＡｇ層と、このＡｇ層に積層されたはんだ層と、を備えており、前記Ａｇ層の平均厚さが１μｍ以上２０μｍ以下とされ、前記Ａｇ層の被覆率が前記ガラス層の表面の８０％以上とされていることを特徴としている。
【００１２】
金属部材の表面上にＡｇ層が形成されている場合、金属部材の表面におけるうねりやシワの発生が抑制される。これは、Ａｇが比較的硬い金属であることから、Ａｇ層によって金属部材の塑性変形を抑制するためと推測される。ここで、前記Ａｇ層の平均厚さが１μｍ以上２０μｍ以下とし、前記Ａｇ層の被覆率を前記ガラス層の表面の８０％以上とすることで、金属部材の表面におけるうねりやシワの発生を確実に抑制することが可能となる。
ここで、Ａｇ層の平均厚さが１μｍ未満の場合には、金属部材の塑性変形を十分に抑制することができないおそれがある。一方、Ａｇ層の平均厚さが２０μｍを超える場合には、Ａｇ層を容易に形成することができない。詳述すると、Ａｇは、はんだ材の中に拡散していく性質を有することから、Ａｇ層を厚く形成するためには、Ａｇを必要以上に使用する必要があり、コストが大幅に増加してしまう。そこで、Ａｇ層の平均厚さを１μｍ以上２０μｍ以下に設定しているのである。
【００１３】
また、金属部材の表面にガラス層が形成されているので、金属部材の表面に存在する酸化皮膜をこのガラス層に反応させて除去することができ、金属部材と被接合部材とをはんだ材を介して確実に接合することが可能となる。よって、金属部材の表面にＮｉめっき膜等を設ける必要がない。
【００１４】
前記金属部材が、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム部材であることが好ましい。
アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム部材は、比較的変形抵抗が小さく変形しやすい傾向にある。特に、純度が９９．９９％以上の４Ｎアルミニウム等においては、さらに変形し易く、上述したうねりやシワが発生しやすい。そこで、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム部材の表面上にＡｇ層を形成することによって、アルミニウム部材の表面にうねりやシワが発生することを抑制することができる。
【００１５】
本発明のパワーモジュールは、絶縁層の一方の面に金属部材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、前記回路層の一方の面に接合された半導体素子と、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の接合部が上述のはんだ接合構造とされていることを特徴としている。
【００１６】
このような構成とされた本発明のパワーモジュールにおいては、金属部材となる回路層と、被接合部材となる半導体素子とが、ガラス層、Ａｇ層、はんだ層を介して接合されているので、Ａｇ層によって回路層の表面のうねりやシワの発生を抑制することが可能となる。
したがって、はんだ層におけるクラックの発生を抑制でき、半導体素子の接合信頼性に優れたパワーモジュールを提供することが可能となる。
【００１７】
本発明の放熱板付パワーモジュール用基板は、絶縁層の一方の面に回路層が配設され、前記絶縁層の他方の面に金属層が配設されたパワーモジュール用基板と、このパワーモジュール用基板の前記金属層の面側に接合された放熱板と、を備えた放熱板付パワーモジュール用基板であって、前記放熱板の接合面及び前記金属層の接合面の少なくとも一方が金属部材とされており、前記放熱板と前記金属層との接合部が上述のはんだ接合構造とされていることを特徴としている。
【００１８】
このような構成とされた本発明の放熱板付パワーモジュール用基板においては、前記放熱板の接合面及び前記金属層の接合面のうち少なくとも一方が金属部材とされていることから、前記金属層の接合面を有する部材及び前記放熱板の接合面を有する部材の一方が上述の金属部材に該当し、他方が被接合部材に該当することになる。そして、この金属部材と、被接合部材とが、ガラス層、Ａｇ層、はんだ層を介して接合されているので、Ａｇ層によって金属部材の表面のうねりやシワの発生を抑制することが可能となる。
したがって、パワーモジュール用基板と放熱板との接合信頼性が向上し、放熱板によって熱を効率的に放散させることが可能となる。
【００１９】
本発明の冷却器付パワーモジュール用基板は、絶縁層の一方の面に回路層が配設され、前記絶縁層の他方の面に金属層が配設されたパワーモジュール用基板と、このパワーモジュール用基板の前記金属層の面側に接合された冷却器と、を備えた冷却器付パワーモジュール用基板であって、前記冷却器の接合面及び前記金属層の接合面のうち少なくとも一方が金属部材とされており、前記冷却器と前記金属層との接合部が上述のはんだ接合構造とされていることを特徴としている。
【００２０】
このような構成とされた本発明の冷却器付パワーモジュール用基板においては、前記冷却器の接合面及び前記金属層の接合面のうち少なくとも一方が金属部材とされていることから、前記金属層の接合面を有する部材及び前記冷却器の接合面を有する部材の一方が上述の金属部材に該当し、他方が被接合部材に該当することになる。そして、この金属部材と、被接合部材とが、ガラス層、Ａｇ層、はんだ層を介して接合されているので、Ａｇ層によって金属部材の表面のうねりやシワの発生を抑制することが可能となる。
したがって、冷却器とパワーモジュール用基板との接合信頼性が向上し、冷却器によってパワーモジュール用基板を効率的に冷却することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、パワーサイクル及びヒートサイクル負荷時においても、金属部材の表面にうねりやシワが発生することを抑制でき、被接合部材との接合信頼性を向上させることが可能なはんだ接合構造、このはんだ接合構造を利用したパワーモジュール、放熱板付パワーモジュール用基板及び冷却器付パワーモジュール用基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第一の実施形態である放熱板付パワーモジュール用基板及びパワーモジュールの概略説明図である。
【図２】図１における金属層と放熱板との接合部の拡大説明図である。
【図３】図１における回路層と半導体素子との接合部の拡大説明図である。
【図４】本発明の実施形態において用いられるＡｇペーストの製造方法を示すフロー図である。
【図５】図１の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】本発明の第二の実施形態である冷却器付パワーモジュール用基板及びパワーモジュールの概略説明図である。
【図７】図６における緩衝層と冷却器との接合部の拡大説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下に、本発明の実施形態であるはんだ接合構造について、添付した図面を参照して説明する。
図１に、本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール１及び放熱板付パワーモジュール用基板２０を示す。
このパワーモジュール１は、回路層１２及び金属層１３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）に搭載された半導体素子３と、金属層１３の他方の面（図１において下面）に接合された放熱板２１と、この放熱板２１の他方の面側に積層された冷却器３１と、を備えている。
【００２４】
パワーモジュール用基板１０は、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。
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）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。
【００２５】
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。
【００２６】
金属層１３は、セラミックス基板１１の他方の面に、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９９．９９％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。
【００２７】
放熱板２１は、前述のパワーモジュール用基板１０からの熱を面方向に拡げるものであり、本実施形態では、熱伝導性に優れた銅板とされている。
冷却器３１は、図１に示すように、冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路３２を備えている。冷却器３１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。
なお、放熱板２１と冷却器３１とは、図１に示すように、固定ネジ２２によって締結されている。
【００２８】
そして、図２に示すように、４Ｎアルミニウムからなる金属層１３と銅からなる放熱板２１との間の第１接合部４０においては、金属層１３の他方の面（図２において下面）に形成された第１ガラス層４１と、この第１ガラス層４１の他方の面に積層された第１Ａｇ層４２と、この第１Ａｇ層４２の他方の面に積層された第１はんだ層４３と、を備えている。
【００２９】
また、図３に示すように、４Ｎアルミニウムからなる回路層１２と半導体素子３との間の第２接合部５０においては、回路層１２の一方の面（図３において上面）に形成された第２ガラス層５１と、この第２ガラス層５１の一方の面に積層された第２Ａｇ層５２と、この第２Ａｇ層５２の一方の面に積層された第２はんだ層５３と、を備えている。
【００３０】
ここで、第１はんだ層４３及び第２はんだ層５３は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材（いわゆる鉛フリーはんだ材）で構成されている。また、第１はんだ層４３及び第２はんだ層５３の厚さｔｈは、２０μｍ≦ｔｈ≦６００μｍの範囲内に設定されている。
【００３１】
第１ガラス層４１及び第２ガラス層５１は、その厚さｔｇが０．０５μｍ≦ｔｇ≦１０μｍの範囲内に設定されている。
ここで、半導体素子３が搭載される回路層１２の一方の面に形成された第２ガラス層５１においては、その内部に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。この導電性粒子は、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。なお、第２ガラス層５１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。
【００３２】
そして、第１Ａｇ層４２は、第１ガラス層４１の表面の８０％以上を被覆するように形成されている。さらに、第２Ａｇ層５２は、第２ガラス層５１の表面の８０％以上を被覆するように形成されている。
また、第１Ａｇ層４２及び第２Ａｇ層５２は、その平均厚さｔａが１μｍ≦ｔａ≦２０μｍの範囲内に設定されている。好ましくは、１．５μｍ≦ｔａ≦１０μｍの範囲内とされている。
ここで、第１接合部４０及び第２接合部５０は、金属層１３及び回路層１２の表面に以下に説明するＡｇペーストを塗布・焼成してＡｇ焼成層を形成し、このＡｇ焼成層の表面にはんだ材を介して放熱板２１及び半導体素子３を接合することによって形成されるものである。
【００３３】
次に、本実施形態において使用されるＡｇペーストについて説明する。
このＡｇペーストは、Ａｇ粉末と、ＺｎＯを含有するガラス粉末と、樹脂と、溶剤と、分散剤と、を含有しており、Ａｇ粉末とガラス粉末とからなる粉末成分の含有量が、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粉末とガラス粉末とからなる粉末成分の含有量は、Ａｇペースト全体の８５質量％とされている。
また、この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。
【００３４】
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、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、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。
【００３５】
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Ａｇペーストを構成してもよい。
【００３６】
ここで、本実施形態において用いられるガラス粉末のガラス組成は、Ｂｉ２Ｏ３：６８質量％以上９３質量％以下、ＺｎＯ：１質量％以上２０質量％以下、Ｂ２Ｏ３：１質量％以上１１質量％以下、ＳｉＯ２：５質量％以下、Ａｌ２Ｏ３：５質量％以下、Ｆｅ２Ｏ３：５質量％以下、ＣｕＯ：５質量％以下、ＣｅＯ２：５質量％以下、ＺｒＯ２：５質量％以下、アルカリ金属酸化物：２質量％以下、アルカリ土類金属酸化物：７質量％以下、とされている。
すなわち、Ｂｉ２Ｏ３、ＺｎＯ、Ｂ２Ｏ３を必須成分とし、これに、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、ＣｕＯ、ＣｅＯ２、ＺｒＯ２、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ等のアルカリ金属酸化物、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＢａＯ、ＳｒＯ等のアルカリ土類金属酸化物が、必要に応じて適宜添加されたものである。
【００３７】
このようなＺｎＯを含有するガラス粉末は、次のようにして製造される。原料として、上述の各種酸化物、炭酸塩もしくはアンモニウム塩を用いる。この原料を、白金坩堝、アルミナ坩堝または石英坩堝等に装入して、溶解炉にて溶融する。溶融条件に特に制限はないが、原料が全て液相で均一に混合されるように、９００℃以上１３００℃以下、３０分以上１２０分以下の範囲内とすることが好ましい。
得られた溶融物を、カーボン、スチール、銅板、双ロール、水等に投下して急冷することにより、均一なガラス塊を製出する。
このガラス塊を、ボールミル、ジェットミル等で粉砕し、粗大粒子を分級することにより、上述のガラス粉末が得られる。ここで、本実施形態では、ガラス粉末の中心粒径ｄ５０を０．１μｍ以上５．０μｍ以下の範囲内としている。
【００３８】
次に、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粉末とガラス粉末とを混合して混合粉末を生成する（粉末混合工程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）。
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、上述のＡｇペーストが製出されることになる。
【００３９】
次に、本実施形態であるパワーモジュールの製造方法について、図５のフロー図を用いて説明する。
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し、これらのアルミニウム板を、セラミックス基板１１の一方の面及び他方の面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（回路層及び金属層接合工程Ｓ１１）。なお、このろう付けの温度は、６４０℃〜６５０℃に設定されている。
【００４０】
次に、金属層１３の他方の面に、前述のＡｇペーストを塗布する（第１Ａｇペースト塗布工程Ｓ１２）。なお、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。
【００４１】
金属層１３の他方の面に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（第１焼成工程Ｓ１３）。これにより、第１Ａｇ焼成層（図示なし）が形成される。なお、このときの焼成温度は、３５０℃〜６４５℃に設定されている。
【００４２】
そして、第１Ａｇ焼成層の表面にはんだ材を介して放熱板２１を積層し、還元炉内においてはんだ接合する（放熱板接合工程Ｓ１４）。なお、はんだ接合は、Ａｇのはんだ食われを抑制するため、はんだ付け温度を３００℃以下で行い、保持時間を８分以内とした。
これにより、金属層１３と放熱板２１との間に、第１ガラス層４１、第１Ａｇ層４２、第１はんだ層４３を有する第１接合部４０が形成され、本実施形態である放熱板付パワーモジュール用基板２０が製出される。
【００４３】
次に、放熱板２１の他方の面側に冷却器３１を積層し、固定ネジ２２によって固定する（冷却器積層工程Ｓ１５）。
【００４４】
そして、回路層１２の一方の面に、前述のＡｇペーストを塗布する（第２Ａｇペースト塗布工程Ｓ１６）。なお、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Ａｇペーストをパターン状に形成した。
【００４５】
回路層１２の一方の面に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（第２焼成工程Ｓ１７）。これにより、第２Ａｇ焼成層（図示なし）が形成される。なお、このときの焼成温度は、３５０℃〜６４５℃に設定されている。
【００４６】
そして、第２Ａｇ焼成層の表面に、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（半導体素子接合工程Ｓ１８）。なお、はんだ接合は、Ａｇのはんだ食われを抑制するため、はんだ付け温度を３００℃以下で行い、保持時間を８分以内とした。
これにより、回路層１２と半導体素子３との間に、第２ガラス層５１、第２Ａｇ層５２、第２はんだ層５３を有する第２接合部５０が形成され、本実施形態であるパワーモジュール１が製出される。
【００４７】
以上のような構成とされた本実施形態であるパワーモジュール１においては、金属層１３と放熱板２１との間に、第１ガラス層４１、第１Ａｇ層４２、第１はんだ層４３を有する第１接合部４０が形成されており、第１Ａｇ層４２が第１ガラス層４１の表面の８０％以上を被覆するように形成され、第１Ａｇ層４２の平均厚さｔａが１μｍ≦ｔａ≦２０μｍの範囲内に設定されているので、パワーサイクル及びヒートサイクルが負荷された場合であっても、４Ｎアルミニウムからなる金属層１３の表面にうねりやシワが発生することが抑制される。よって、放熱板２１と金属層１３との接合信頼性が向上し、放熱板２１によって熱を効率的に放散させることが可能となる。
【００４８】
また、回路層１２と半導体素子３との間に、第２ガラス層５１、第２Ａｇ層５２、第２はんだ層５３を有する第２接合部５０が形成されており、第２Ａｇ層５２が第２ガラス層５１の表面の８０％以上を被覆するように形成され、第２Ａｇ層５２の平均厚さｔａが１μｍ≦ｔａ≦２０μｍの範囲内に設定されているので、パワーサイクル及びヒートサイクルが負荷された場合であっても、４Ｎアルミニウムからなる回路層１２の表面にうねりやシワが発生することが抑制される。よって、半導体素子３の接合信頼性に優れたパワーモジュール１を提供することが可能となる。
【００４９】
また、金属層１３の他方の面に第１ガラス層４１が形成され、回路層１２の一方の面に第２ガラス層５１が形成されているので、これら第１ガラス層４１及び第２ガラス層５１によって、金属層１３及び回路層１２の表面に存在する酸化皮膜を除去することができ、金属層１３と放熱板２１、回路層１２と半導体素子３とをはんだ材を介して確実に接合することが可能となる。よって、金属層１３及び回路層１２の表面にＮｉめっき膜を設ける必要がない。
【００５０】
さらに、本実施形態においては、半導体素子３が搭載される回路層１２の一方の面に形成された第２ガラス層５１には、その内部に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ので、第２ガラス層５１において導電性が確保されることになり、回路層１２と半導体素子３とを電気的に接続することができる。
【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１０１及び冷却器付パワーモジュール用基板１３０について、図６、図７を参照して説明する。
このパワーモジュール１０１は、回路層１１２及び金属層１１３が配設されたパワーモジュール用基板１１０と、回路層１１２の一方の面（図６において上面）に搭載された半導体素子１０３と、パワーモジュール用基板１１０の他方の面側に積層された冷却器１３１と、を備えている。
【００５２】
パワーモジュール用基板１１０は、絶縁層を構成するセラミックス基板１１１と、このセラミックス基板１１１の一方の面（図６において上面）に配設された回路層１１２と、セラミックス基板１１１の他方の面（図６において下面）に配設された金属層１１３と、金属層１１３の他方の面側に配設された緩衝層１１５と、を備えている。
セラミックス基板１１１は、回路層１１２と金属層１１３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。
【００５３】
回路層１１２及び金属層１１３は、セラミックス基板１１１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、回路層１１２及び金属層１１３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）の圧延板からなるアルミニウム板がセラミックス基板１１１に接合されることにより形成されている。
【００５４】
緩衝層１１５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）で構成されている。
冷却器１３１は、図６に示すように、冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路１３２を備えている。冷却器１３１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。
【００５５】
そして、図７に示すように、Ａ６０６３（アルミニウム合金）で構成される冷却器１３１と緩衝層１１５との間の第１接合部１４０においては、冷却器１３１の一方の面に形成された第１ガラス層１４１と、この第１ガラス層１４１に積層された第１Ａｇ層１４２と、この第１Ａｇ層１４２に積層された第１はんだ層１４３と、を備えている。ここで、第１Ａｇ層１４２が第１ガラス層１４１の表面の８０％以上を被覆するように形成されており、第１Ａｇ層１４２の平均厚さｔａが１μｍ≦ｔａ≦２０μｍの範囲内に設定されている。
また、４Ｎアルミニウムからなる回路層１１２と半導体素子１０３との間の第２接合部１５０においては、回路層１１２の一方の面に形成された第２ガラス層と、この第２ガラス層に積層された第２Ａｇ層と、この第２Ａｇ層に積層された第２はんだ層と、を備えている。
【００５６】
以上のような構成とされた本実施形態であるパワーモジュール１０１及び冷却器付パワーモジュール用基板１３０においては、アルミニウム合金からなる冷却器１３１とパワーモジュール用基板１１０の緩衝層１１５との間に、第１ガラス層１４１、第１Ａｇ層１４２、第１はんだ層１４３を有する第１接合部１４０が形成されており、第１Ａｇ層１４２が第１ガラス層１４１の表面の８０％以上を被覆するように形成され、第１Ａｇ層１４２の厚さｔａが１μｍ≦ｔａ≦２０μｍの範囲内に設定されているので、パワーサイクル及びヒートサイクルが負荷された場合であっても、アルミニウム合金からなる冷却器１３１の表面にうねりやシワが発生することが抑制される。よって、冷却器１３１とパワーモジュール用基板１１０との接合信頼性が向上し、冷却器１３１によってパワーモジュール用基板１１０を効率的に冷却することができる。
【００５７】
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、パワーモジュールに用いられるはんだ接合構造を例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、金属部材と被接合部材とをはんだ接合するものであれば、用途に限定はない。
【００５８】
また、本実施形態では、回路層及び金属層を構成する金属板を純度９９．９９％の純アルミニウムの圧延板として説明したが、これに限定されることはなく、純度９９％のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）、又はＡ６０６３、Ａ３００３などのアルミニウム合金であってもよい。さらには、アルミニウム又はアルミニウム合金ではなく、銅又は銅合金等の他の金属で構成されていてもよい。
【００５９】
また、本実施形態では、放熱板及び冷却器を、アルミニウム又はアルミニウム合金、あるいは、銅又は銅合金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、他の金属材料で構成されたものであってもよい。
さらに、絶縁層としてＡｌＮからなるセラミックス基板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、Ｓｉ３Ｎ４やＡｌ２Ｏ３等からなるセラミックス基板を用いても良いし、絶縁樹脂によって絶縁層を構成してもよい。
【００６０】
また、Ａｇペーストの原料、配合量については、実施形態に記載されたものに限定されることはなく、他のガラス粉末、樹脂、溶剤、分散剤を用いてもよい。軟化温度がアルミ二ウムの融点以下、より好ましくは６００℃以下とされていればよい。
また、樹脂としては、アクリル樹脂、アルキッド樹脂等を用いてもよい。さらに、溶剤としては、α―テルピネオール、ブチルカルビトールアセテート等を用いても良い。
【実施例】
【００６１】
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。
純度９９．９９％以上のアルミニウム板からなる回路層上に、表１に示す組成のＡｇペーストを用いて、表１に示す焼成後の厚みを有するＡｇペースト焼成層を形成し、この焼成層の上に表１に示すはんだ材、はんだ付け接合条件によって半導体素子を接合した。
【００６２】
なお、セラミックス基板は、ＡｌＮで構成され、２７ｍｍ×１７ｍｍ、厚さ０．６mｍのものを使用した。
また、回路層及び金属層は、４Ｎアルミニウムで構成され、２５ｍｍ×１５ｍｍ、厚さ０．６ｍｍのものを使用した。
半導体素子は、ＩＧＢＴ素子とし、１３ｍｍ×１０ｍｍ、厚さ０．２５ｍｍのものを使用した。
【００６３】
（Ａｇ層の平均膜厚及び被覆率）
得られた試験片をダイヤモンドソーで切断し、樹脂埋めして研磨を行った後、ＥＰＭＡ（ＪＥＯＬ  ＪＸＡ−８５３０Ｆ）による元素マッピングを行った。同一試験片から平行に切断された３断面の全長を観察した。Ａｇ層の被覆率は、３断面での［Ａｇ層の被覆長さ／断面の全長］の平均値とした。Ａｇ層の平均膜厚は、３断面の元素マッピング画像を二値化処理したうえでＡｇ層の面積を求め、［Ａｇ層の面積／断面の全長］から算出した。
【００６４】
（パワーサイクル熱抵抗上昇率）
初期温度６０℃で、温度差△Ｔ＝８０℃となるようにオン・オフを繰り返す（オン・オフをそれぞれ５秒ずつ）。この条件で１０００００サイクル後の素子表面−セラミックス間の熱抵抗を測定し、初期からの上昇率を熱抵抗上昇率とした。
【００６５】
【表１】
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【００６６】
Ａｇ層の平均膜厚の厚さが１μｍ以上２０μｍ以下とされ、Ａｇ層の被覆率が８０％以上とされた試料１−５においては、パワーサイクルの熱抵抗上昇率が低く、回路層及び金属層とセラミックス基板との接合信頼性が高い。これは、回路層及び金属層の表面にうねりやシワが発生することが抑制されているためと推測される。
一方、Ａｇ層の平均膜厚が１μｍ未満とされた試料８−１０においては、パワーサイクルの熱抵抗上昇率が高く、回路層及び金属層とセラミックス基板との接合信頼性に劣ることが確認される。また、Ａｇ層の被覆率が８０％未満とされた試料６及び７においても、パワーサイクルの熱抵抗上昇率が高く、回路層及び金属層とセラミックス基板との接合信頼性が劣ることが確認される。
【符号の説明】
【００６７】
１  パワーモジュール
３  半導体素子（被接合部材）
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  回路層（金属部材、アルミニウム部材）
１３  金属層（金属部材、アルミニウム部材）
２０  放熱板付パワーモジュール用基板
２１  放熱板（被接合部材）
４０  第１接合部（はんだ接合構造）
４１  第１ガラス層（ガラス層）
４２  第１Ａｇ層（Ａｇ層）
４３  第１はんだ層（はんだ層）
５０  第２接合部（はんだ接合構造）
５１  第２ガラス層（ガラス層）
５２  第２Ａｇ層（Ａｇ層）
５３  第２はんだ層（はんだ層）
１０１  パワーモジュール
１１０  パワーモジュール用基板
１１５  緩衝層（被接合部材）
１３０  冷却器付パワーモジュール用基板
１３１  冷却器（金属部材、アルミニウム部材）
１４０  第１接合部（はんだ接合構造）
１４１  第１ガラス層（ガラス層）
１４２  第１Ａｇ層（Ａｇ層）
１４３  第１はんだ層（はんだ層）
【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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