(57)【要約】【課題】半導体モジュールが温度変化の大きな使用環境や、大電流通電に伴う素子からの発熱量の増大が生じた場合であっても、接合部にかかる応力や歪を軽減することができ、更には、高い信頼性を有しつつ、かつ高電気伝導、高熱伝導の配線材料を提供する。【解決手段】金属箔の表面に複合金属皮膜が施された配線材料であって、前記複合金属皮膜が、Ａｇ、Ｃｕ、及びＮｉからなる群から選ばれたいずれか１種又は２種以上の導電性金属からなる母相に、母相より低い線膨張係数を有する導電相を分散させてなることを特徴とする配線材料である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属箔の表面に複合金属皮膜が施された配線材料であって、前記複合金属皮膜が、Ａｇ、Ｃｕ、及びＮｉからなる群から選ばれたいずれか１種又は２種以上の導電性金属からなる母相に、母相より低い線膨張係数を有する導電相を分散させてなることを特徴とする配線材料。
【請求項２】
前記金属箔がＡｇ、Ｃｕ、又はＮｉのいずれか又はその合金からなることを特徴とする請求項１に記載の配線材料。
【請求項３】
前記複合金属皮膜が、Ｗ、Ｍｏ、又はＣのいずれか１種以上の導電相を分散させたことを特徴とする請求項１又は２に記載の配線材料。
【請求項４】
前記分散させた導電相が、平均粒径１〜５０μｍの粒子であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の配線材料。
【請求項５】
前記複合金属皮膜中で分散した導電相の割合が１０〜６０ｖｏｌ％であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の配線材料。
【請求項６】
前記金属箔が、セラミックス基板上に形成されたものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の配線材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワー半導体モジュール等に適用されて、低熱膨張であり、かつ高電気伝導、高熱伝導を有する配線材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワー半導体モジュールは、電力変換器の主要構成部品として自動車など幅広い分野で用いられる。とりわけ、自動車の電動化、ハイブリッド化が進められていく中で、高温雰囲気下、制御する電流容量の増大など、パワー半導体モジュールが使用される環境は厳しくなってきている。
【０００３】
従来のパワー半導体モジュールは、図１に示すように絶縁基板１４上に配線材料１３を配した絶縁回路基板の配線材料１３と半導体素子１１の電極とがはんだ１２等で接合されている。また、半導体素子１１の放熱のため、絶縁回路基板の裏面に銅箔１５等を配して、さらに高熱伝導な放熱板１６とはんだ１２等で接合している（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
ここで、シリコン（Si）系のパワー半導体は、１５０℃の温度サイクル試験に耐えられることが求められるが、冷却機構簡略化のため、パワー半導体モジュールがより高温に耐えられる高温化の要求が高い。その際、セラミックスからなる絶縁基板や半導体素子のシリコンと、配線材料との熱膨張係数差は５倍以上と大きいため、２００℃以上で動作を行う場合、応力や歪が増大し、絶縁基板と配線材料、または、配線材料と半導体素子との接合部でクラックが生じるなどの破損の一因となっている。そこで、配線材料の熱膨張係数を、絶縁基板や半導体素子の熱膨張係数（例えば、新たなパワー半導体として知られる炭化珪素（SiC）では約４．５μｍ／ｍ・Ｋ）に近づけるために低減することが求められている。
【０００５】
例えば、非特許文献１では、配線材料にＣｕ‐Ｉｎｖａｒ‐Ｃｕの低熱膨張クラッド材を適用し、高耐熱性であるＡｕ‐Ｇｅはんだを介して接合することで、冷熱サイクル試験によるクラック発生を抑制している。また、特許文献２では、配線材料に銅又は銅合金と銅よりも低い熱膨張係数を有する繊維とのクラッド材を適用し、低熱膨張化かつ、高電気導電率を達成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６-３５１７３７号公報
【特許文献２】特開２０１３-７７６６６号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Proceedings of Mate2013, 121-126 (2013)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来のＳｉ系のパワー半導体モジュールは動作保障温度が１５０℃以下であるため、水冷等の冷却機構が必須である。そこで、動作保障温度を２００℃以上まで高めることが可能なＳｉＣ系の半導体素子に置き換え、冷却機構を省くことが志向されるが、ＳｉＣ系パワー半導体モジュールの動作環境で、良好な電気導電性を維持しつつ、熱膨張係数を例えばセラミックスに近づけた配線材料が求められている。
【０００９】
しかしながら、非特許文献１のＩｎｖａｒは、低熱膨張化できるものの、熱伝導率がＣｕのおよそ３０分の１と低下し、電気抵抗率も著しく低下（５００００分の１程度）する。さらに、クラッド材であるためＣｕ‐Ｉｎｖａｒ界面が積層方向の電流損失増加の要因になる。また、特許文献２のクラッド材は、銅と繊維とが密着せずに空隙が発生し、電流損失を引き起こす可能性がある。空隙による電流損失を起こしにくくするためには、繊維にＣｕメタライズ処理やＣｕペーストの塗布により密着性を向上させたり、さらに加熱圧接を行う工程が必要となるうえ、絶縁回路基板とするには絶縁基板とクラッド材の接合にはんだ等を用いなければならないため、加熱圧接設備や工程数の増加による生産性の低下が見込まれる。
【００１０】
本発明は、上記のような従来技術の現状に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、半導体モジュールが温度変化の大きな使用環境や、大電流通電に伴う素子からの発熱量の増大が生じた場合であっても、接合部にかかる応力や歪を軽減することができ、更には、高い信頼性を有しつつ、かつ高電気伝導、高熱伝導の配線材料を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは、前記の課題を解決するため、様々な工夫を重ねた結果、導電性金属からなる母相に、母相より低い線膨張係数を有する導電相を分散させた複合金属皮膜を金属箔の表面に設けた配線材料とすることで、配線材料の熱膨張係数を絶縁基板や半導体素子の熱膨張係数に近づけることができると共に、電流が流れる経路を複合金属皮膜の母相で維持して電流損失を減らすことができ、本発明に至った。
【００１２】
すなわち、本発明の要旨は次のとおりである。
（１）  金属箔の表面に複合金属皮膜が施された配線材料であって、前記複合金属皮膜が、Ａｇ、Ｃｕ、及びＮｉからなる群から選ばれたいずれか１種又は２種以上の導電性金属からなる母相に、母相より低い線膨張係数を有する導電相を分散させてなることを特徴とする配線材料。
（２）  前記金属箔がＡｇ、Ｃｕ、又はＮｉのいずれか又はその合金からなることを特徴とする（１）に記載の配線材料。
（３）  前記複合金属皮膜が、Ｗ、Ｍｏ、又はＣのいずれか１種以上の導電相を分散させたことを特徴とする（１）又は（２）に記載の配線材料。
（４）  前記分散させた導電相が、平均粒径１〜５０μｍの粒子であることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載の配線材料。
（５）  前記複合金属皮膜中で分散した導電相の割合が１０〜６０ｖｏｌ％であることを特徴とする（１）〜（４）のいずれかに記載の配線材料。
（６）  前記金属箔が、セラミックス基板上に形成されたものであることを特徴とする（１）〜（５）のいずれかに記載の配線材料。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、温度変化の大きな使用環境や、大電流通電に伴う素子からの発熱量の増大が生じた場合であっても、絶縁基板や半導体素子との接合部にかかる応力や歪を軽減することができ、高い信頼性を有しつつ、かつ高電気伝導、高熱伝導の配線材料を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、従来のパワー半導体モジュールの例を示す模式側面図である。
【図２】図２（ａ）、（ｂ）は、本発明に係る配線材料を示す模式側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明について詳しく説明する。
一般に、パワー半導体モジュール等で用いられる絶縁回路基板は、ＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＣ、Ｓｉ3Ｎ4等のセラミックスからなる絶縁基板と金属箔との熱膨張係数の違いにより（例えばAl2O3の熱膨張係数は7.2μm/m・K程度であり、銅箔の熱膨張係数は16.5μm/m・K程度である）、２００℃以上の温度サイクルを受けた際の熱応力で、絶縁回路基板が備える金属箔と半導体素子の電極との接合部や、金属箔とセラミックス基板（絶縁基板）との界面にクラックが入り破損するおそれがある。
【００１６】
そこで、本発明に係る配線材料は、金属箔の熱膨張を抑制するために、図２に示したように、金属箔２１の片側表面を複合金属皮膜２２で被覆する（図２（ａ））。ここで、複合金属皮膜２２は、Ａｇ、Ｃｕ、及びＮｉからなる群から選ばれたいずれか１種又は２種以上の導電性金属からなる母相２４に、母相２４より低い線膨脹係数である導電相２３を分散させたことにより、金属箔２１よりも低い線膨張係数を有するようにする。このように、導電相２３を母相２４に対して合金化せずに、分散させて均一に配置することで、高抵抗となる界面や合金相を介さずに、電流が流れる経路を母相２４にて維持することができる。また、絶縁基板との熱膨張係数差をより小さくするために、前記複合金属皮膜２２を金属箔２１の両側表面に被覆するようにしてもよい（図２（ｂ））。
【００１７】
本発明の配線材料における金属箔２１は、電気伝導性に優れた金属又は金属を含む材料が適している。具体的には電気抵抗率の低いＡｇ（１５．９ｎΩ・ｍ）、Ｃｕ（１６．８ｎΩ・ｍ）、又はＮｉ（６９．３ｎΩ・ｍ）のいずれかであることが良い。ここで、Ａｇ（１８．９μｍ／ｍ・Ｋ）、Ｃｕ（１６．５μｍ／ｍ・Ｋ）、Ｎｉ（１３．４μｍ／ｍ・Ｋ）は高い熱膨張係数を有するため、特に、Ｎｉよりも高い導電性を有し、Ａｇよりも低い線熱膨張係数を有するＣｕが好ましい。なお、金属箔は、Ａｇ、Ｃｕ、又はＮｉのそれぞれの合金であっても構わない。
【００１８】
本発明の配線材料における複合金属皮膜２２の母相２４は、Ａｇ、Ｃｕ、及びＮｉからなる群から選ばれたいずれか１種又は２種以上の導電性金属であって、電気伝導性に優れている。特に、Ｎｉよりも高い導電性を有し、Ａｇよりも低い線熱膨張係数を有するＣｕが好ましい。一方、複合金属皮膜２２中に分散させる導電相２３は、電気伝導性を有し、母相２４よりも線熱膨張係数が低い材料が適している。具体的には、低膨張係数のＷ（４．５μｍ／ｍ・Ｋ）、Ｍｏ（４．８μｍ／ｍ・Ｋ）、又はＣ（例えば、ピッチ系炭素繊維など。その場合は一般に負の線熱膨張係数である。）のいずれか１種以上であるのが良い。Ｗ（５２．８ｎΩ・ｍ）、Ｍｏ（５３．４ｎΩ・ｍ）、Ｃ（例えば、ピッチ系炭素繊維など）といった分散導電相２３が電気伝導性を有することにより、複合金属皮膜２２の電気抵抗率の増加が抑制される。更に、分散導電相２３は、母相２４や金属箔２１よりも線熱膨張係数が極めて低いため、複合金属皮膜２２の線熱膨張係数は分散導電相２３の量に伴い低下する。なお、Ａｇの線熱膨張係数は１８．９μｍ／ｍ・Ｋであり、Ｃｕは１６．５μｍ／ｍ・Ｋであり、Ｎｉは１３．４μｍ／ｍ・Ｋである。
【００１９】
分散導電相２３は、母相中に均一分散するためには粒子であるのがよく、分散導電相２３の分散による複合金属皮膜２２の線熱膨張係数の低下効果や、複合金属皮膜２２の表面平滑性を維持して半導体素子や絶縁基板への貼り付け強度を維持することなどを考慮すると、分散導電相２３の平均粒径は１〜５０μｍが適している。特に、当該粒子の平均粒径は、１〜２０μｍがより好ましい。但し、本発明においては、導電相が母相中に分散されていればよく、分散導電相２３の形状は、特に粒子に限らず、チップ、短繊維など、その材質に応じて適宜選択することができる。なお、導電相２３を形成する粒子の平均粒径は、レーザー回折法によって測定した体積基準のＤ50（積算値５０％）を言う。
【００２０】
また、分散導電相２３は、複合金属皮膜２２の線熱膨張係数の低下効果や電気抵抗率が上昇することなどを考慮すると、好ましくは、複合金属皮膜２２に１０〜６０ｖｏｌ％含有することが適している。
【００２１】
金属箔２１に複合金属皮膜２２を形成する手段について特に制限はないが、好適には、電解めっきにより金属被覆する過程で金属皮膜よりも低熱膨張な分散導電相２３を金属被覆中に分散させる複合めっきにより作製することができる。具体的には、電気伝導性に優れた金属箔２１を陰極として用い、Ｗ、Ｍｏ、Ｃ等の分散導電相２３を懸濁しためっき浴に浸漬しながら、電解めっきを施すことで分散導電相２３を内包した複合金属皮膜２２を得ることができる。これ以外にも、例えば、金属箔２１表面に分散導電相２３を配置した後、電解めっきにより金属皮膜を充填することにより形成してもよい。これらのめっき法によれば、高い密着性を有し、かつ少ない工程数で配線材料を形成することができる。めっき浴については、Ａｇめっき浴、Ｃｕめっき浴、Ｎｉめっき浴等を用いることができる。その際、分散導電相２３を分散させるために各種添加剤を用いても構わない。また、分散導電相２３は、分散させるために親水化処理又はメタライズ処理を施してもよい。
【００２２】
本発明の配線材料１３は、例えば半導体素子の電極に接合することで、接合部の破損に大きな影響を及ぼす接合界面と同一面内にかかるせん断応力を低減することが可能になる。特に、半導体素子が１７０℃〜３５０℃に達する場合、熱応力の低減効果が大きい。
【００２３】
配線材料を形成するにあたっては、ＤＣＢ（Direct Copper Bonding）のようにセラミックス基板に直接結合された金属箔を利用して、セラミックス基板上に金属箔と複合金属皮膜とを有する配線材料を備えた絶縁回路基板を構成するようにしてもよく、絶縁回路基板上の半導体素子に配線材料を設けて他の回路との接続をとるようにしてもよい。また、本発明の配線材料１３は、低い熱膨張係数かつ高電気伝導性であるのに加えて、高い熱伝導性を有することから、図１における放熱板１６と絶縁基板１４との間の接合部に生じる応力や歪を低減するために、放熱板１６と接続する裏面銅箔１５との接合界面に利用することもできる。
【実施例】
【００２４】
以下、実施例により本発明について具体的に説明する。
【００２５】
（実施例１〜３１、比較例１）
アルミナ系酸化物セラミック基板（絶縁基板、厚み約３００μｍ）に各種金属箔からなる回路が直接接合された市販の絶縁回路基板において、これらの回路を金属箔２１とし、図２（ａ）のように、片面にのみ分散導電相２３を内包する複合金属皮膜２２を形成した絶縁回路基板を試作した。表１〜３には、配線材料の構成と、本発明に係る配線材料の低熱膨張化による当該絶縁回路基板の熱膨張特性を評価した結果とがあわせて示されている。これらの配線材料は、次のようにして形成した。
【００２６】
先ず、セラミックス基板上の回路（金属箔）に複合金属皮膜２２を形成するにあたり、Ｃｕめっき浴は、硫酸銅、硫酸、塩酸を主成分とする水溶液に分散導電相２３となる各種粒子（Ｗ、Ｍｏ、Ｃ）を所定の濃度になるように分散させた。また、Ｎｉめっき浴の場合は、硫酸ニッケル、塩化ニッケル、ホウ酸を主成分とする水溶液を用い、Ａｇめっき浴の場合は、銀化合物、添加剤、伝導塩を主成分とする水溶液を用いた。市販の絶縁回路基板上の各種金属箔２１は、約２０×２０ｍｍ、厚さ２００μｍのものを用い、脱脂処理、および、酸洗浄を行なった後に、各種めっき浴に浸漬し、撹拌を行いながら電解めっき（電流密度０．５〜５ＡＤＳ）を施し皮膜を厚み５０μｍ形成した。めっき後は、水等により洗浄し乾燥を行なった。比較として、分散導電相２３を添加していないめっきも行なった。なお、分散導電相の平均粒子径は、レーザー回折法によって測定した体積基準のＤ50（積算値５０％）ある。
【００２７】
上記で得られた複合金属皮膜２２に内包された分散金属相２３の粒子含有率を算定するにあたっては、皮膜を溶解した液のＩＣＰ分析により得られた質量％を体積％に換算することで算出した。なお、複合金属皮膜と下地の金属箔とが同じ金属種である場合は、下地の金属箔のみを溶解した数値を差し引いて算出した。
【００２８】
熱膨張性評価は、得られた各絶縁回路基板を−４０/２５０℃で１００回の温度サイクル試験（ＴＣＴ；Temperature Cycle Test）を行なった後、絶縁基板と配線材料との接合界面の剥離や絶縁基板のクラックなどを目視で観察することにより評価し、全て剥離した場合を不可（×）、クラックや剥離が一部生じていた場合を不良（△）、生じていない場合を良好（〇）と判定した。
【００２９】
【表１】
2016039243.tif 000003
【００３０】
【表２】
2016039243.tif 000004
【００３１】
【表３】
2016039243.tif 000005
【００３２】
これらの実施例から分かるように、本発明によれば、配線材料の熱膨張係数を絶縁基板や半導体素子の熱膨張係数に近づけながら、電流が流れる経路を複合金属皮膜の母相で維持して電流損失を減らすことができる。ここで、一般的な配線材料であるＣｕの熱膨張係数は１６．５μｍ／ｍ・Ｋであり、絶縁基板であるＡｌ2Ｏ3の熱膨張係数は７．２μｍ／ｍ・Ｋであるが、本発明に係る配線材料にすることで、ＳｉＣを用いた半導体素子を接合させる場合にその熱膨張係数（SiCは約4.5μm/m・K）との差を自ずと小さくすることができる。そのため、半導体素子との接合部にかかる応力や歪を軽減して、高い信頼性を有しつつ、かつ高電気伝導、高熱伝導の配線材料とすることができる。
【符号の説明】
【００３３】
１０：パワー半導体モジュール
１１：半導体素子
１２：はんだ
１３：配線材料
１４：絶縁基板
１５：裏面銅箔
１６：放熱板
２１：金属箔
２２：複合金属皮膜
２３：分散導電相
２４：母相
【図１】
2016039243.tif 000006
【図２】
2016039243.tif 000007