パワーモジュール、及び、パワーモジュールの製造方法
【課題】回路層の一方の面に半導体素子が確実に接合され、熱サイクル及びパワーサイクル信頼性に優れたパワーモジュール及びパワーモジュールの製造方法を提供する。
【解決手段】絶縁層１１の一方の面に回路層１２が配設されたパワーモジュール用基板１０と、回路層１２上に搭載される半導体素子３と、を備えたパワーモジュール１であって、回路層１２の一方の面には、ガラス成分を含有するガラス含有Ａｇペーストの焼成体からなる第１焼成層３１が形成されており、この第１焼成層３１の上に、酸化銀が還元されたＡｇの焼成体からなる第２焼成層３８が形成されていることを特徴とする。
【解決手段】絶縁層１１の一方の面に回路層１２が配設されたパワーモジュール用基板１０と、回路層１２上に搭載される半導体素子３と、を備えたパワーモジュール１であって、回路層１２の一方の面には、ガラス成分を含有するガラス含有Ａｇペーストの焼成体からなる第１焼成層３１が形成されており、この第１焼成層３１の上に、酸化銀が還元されたＡｇの焼成体からなる第２焼成層３８が形成されていることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、絶縁層の一方の面に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、このパワーモジュールの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
各種の半導体素子のうちでも、電気自動車や電気車両などを制御するために用いられる大電力制御用のパワー素子は、発熱量が多いことから、これを搭載する基板としては、例えばＡｌＮ（窒化アルミ）などからなるセラミックス基板上に導電性の優れた金属板を回路層として接合したパワーモジュール用基板が、従来から広く用いられている。
そして、このようなパワーモジュール用基板は、その回路層上に、はんだ材を介してパワー素子としての半導体素子が搭載される。なお、この種のパワーモジュール用基板としては、セラミックス基板の下面にも放熱のために熱伝導性に優れた金属板を接合し、その金属板を介して冷却器を接合して、放熱させる構造としたものが知られている。
【０００３】
回路層を構成する金属としては、アルミニウム又はアルミニウム合金、或いは、銅又は銅合金が用いられている。
ここで、アルミニウムからなる回路層においては、表面にアルミニウムの酸化皮膜が形成されるため、はんだ材との接合を良好に行うことができない。また、銅からなる回路層においては、溶融したはんだ材と銅とが反応して回路層の内部にはんだ材の成分が侵入し、回路層の導電性が劣化するといった問題がある。
【０００４】
そこで、従来は、例えば特許文献１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。
また、特許文献２には、はんだ材を用いずにＡｇナノ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。
さらに、特許文献３、４には、はんだ材を用いず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て半導体素子を接合する技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１７２３７８号公報
【特許文献２】特開２００６−２０２９３８号公報
【特許文献３】特開２００８−２０８４４２号公報
【特許文献４】特開２００９−２６７３７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、特許文献１に記載されたように、回路層表面にＮｉめっき膜を形成したパワーモジュール用基板においては、半導体素子を接合するまでの過程においてＮｉめっき膜の表面が酸化等によって劣化し、はんだ材を介して接合した半導体素子との接合信頼性が低下するおそれがあった。
また、パワーモジュール用基板に冷却器をろう付けで接合する場合には、回路層表面にＮｉめっき膜を形成した後にろう付け等を行えば、Ｎｉめっき膜が劣化してしまうため、通常は、パワーモジュール用基板と冷却器とをろう付けして冷却器付パワーモジュール用基板を形成した後に、めっき浴内にその冷却器付パワーモジュール用基板全体を浸漬させることが行なわれている。この場合、回路層以外の部分にもＮｉめっき膜が形成されることになるが、冷却器がアルミニウムやアルミニウム合金で構成されていた場合には、アルミニウムからなる冷却器とＮｉめっき膜との間で電食が進行するおそれがある。そのため、Ｎｉめっき工程においては、冷却器部分にＮｉめっき膜が形成されないように、マスキング処理を行う必要があった。このように、マスキング処理をした上でめっき処理をする場合、回路層部分にＮｉめっき膜を形成するためだけの工程に多大な労力が必要となり、パワーモジュールの製造コストが大幅に増加してしまうといった問題がある。
【０００７】
一方、特許文献２に開示されたように、はんだ材を使用せずにＡｇナノペーストを用いて半導体素子を接合した場合には、Ａｇナノペーストからなる接合層がはんだ材に比べて厚みが薄く形成されるため、熱サイクル負荷時の応力が半導体素子に作用しやすくなり、半導体素子自体が破損してしまうおそれがあった。
【０００８】
さらに、特許文献３、４に開示されたように、金属酸化物と還元剤とを用いて半導体素子を接合した場合には、やはり、酸化物ペーストの焼成層が薄く形成されることから、熱サイクル負荷時の応力が半導体素子に作用しやすくなる。
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、電子部品からの発熱量が大きくなる傾向にある。このため、パワーモジュールの使用時において、回路層と半導体素子との接合界面に作用する応力も増加する傾向にあり、従来にも増して、回路層と半導体素子との間の接合信頼性の向上が求められている。
【０００９】
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、回路層の一方の面に半導体素子が確実に接合され、熱サイクル及びパワーサイクル信頼性に優れたパワーモジュール及びパワーモジュール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】
【００１０】
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は、絶縁層の一方の面に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、前記回路層の一方の面には、ガラス成分を含有するガラス含有Ａｇペーストの焼成体からなる第１焼成層が形成されており、この第１焼成層の上に、酸化銀が還元されたＡｇの焼成体からなる第２焼成層が形成されていることを特徴としている。
【００１１】
この構成のパワーモジュールによれば、回路層の一方の面に、ガラス成分を含有するガラス含有Ａｇペーストの焼成体からなる第１焼成層が形成されているので、ガラス成分によって回路層の表面に形成されている酸化皮膜を除去することができ、この第１焼成層と回路層との接合強度を確保することができる。
また、この第１焼成層の上に、酸化銀が還元されたＡｇの焼成体からなる第２焼成層が形成されているので、この第２焼成層を形成する際に半導体素子を接合することが可能となる。ここで、酸化銀を還元した場合には、微細なＡｇ粒子が生成することから、第２焼成層を緻密な構造とすることができる。
さらに、第１焼成層及び第２焼成層が積層されているので、回路層と半導体素子との間に介在する接合層の厚さを確保することができる。よって、熱サイクル負荷時の応力が半導体素子に作用することを抑制でき、半導体素子自体の破損を防止することができる。
【００１２】
ここで、前記第１焼成層は、回路層の一方の面に形成されたガラス層と、このガラス層上に積層されたＡｇ層と、を備えており、前記Ａｇ層には、ガラス粒子が分散している構成とすることが好ましい。
この場合、回路層の表面に形成されている酸化皮膜をガラス層に反応させて除去することができ、回路層と半導体素子とを確実に接合することができる。
【００１３】
ここで、前記第２焼成層は、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ことが好ましい。
この場合、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確実に還元されて微細なＡｇ粒子が生成し、第２焼成層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、第２焼成層中に残存しにくく、第２焼成層における導電性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、半導体素子の接合温度を低く抑えることができ、半導体素子への熱負荷を低減することができる。
【００１４】
前記酸化銀ペーストは、前記酸化銀及び前記還元剤に加えて、Ａｇ粒子を含有していてもよい。
この場合、酸化銀が還元されて得られるＡｇ粒子と、酸化銀ペーストに含有されたＡｇ粒子とが焼結することになり、第２焼成層をさらに緻密な構造とすることができる。また、Ａｇ粒子の平均粒径としては、２０ｎｍ以上８００ｎｍ以下が望ましい。
【００１５】
さらに、前記絶縁層が、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４又はＡｌ２Ｏ３から選択されるセラミックス基板であることが好ましい。
ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４又はＡｌ２Ｏ３から選択されるセラミックス基板は、絶縁性及び強度に優れており、パワーモジュールの信頼性の向上を図ることができる。また、このセラミックス基板上に金属板を接合することによって、容易に回路層を形成することが可能となる。
【００１６】
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、前記回路層の一方の面に、ガラス成分を含有するガラス含有Ａｇペーストを塗布し、加熱処理することにより、前記第１焼成層を形成する工程と、前記第１焼成層の上に、酸化銀と還元剤とを含む酸化銀ペーストを塗布する工程と、塗布された酸化銀ペーストの上に半導体素子を積層する工程と、前記半導体素子と前記パワーモジュール用基板とを積層した状態で加熱して、前記第１焼成層の上に第２焼成層を形成する工程と、を備え、前記半導体素子と前記回路層とを接合することを特徴としている。
【００１７】
この構成のパワーモジュールの製造方法によれば、前記回路層の一方の面に、ガラス成分を含有するガラス含有Ａｇペーストを塗布し、加熱処理することにより、前記第１焼成層を形成する工程を備えているので、回路層の表面に形成された酸化皮膜を除去でき、回路層と第１焼成層とを確実に接合することができる。
また、前記第１焼成層の上に、酸化銀と還元剤とを含む酸化銀ペーストを塗布する工程と、塗布された酸化銀ペーストの上に半導体素子を積層する工程と、前記半導体素子と前記パワーモジュール用基板とを積層した状態で加熱して、前記第１焼成層の上に第２焼成層を形成する工程と、を備えているので、第２焼成層を焼成する際に前記半導体素子と前記回路層とを接合することができる。
【００１８】
ここで、第２焼成層を形成する工程における前記酸化銀ペーストの焼成温度が、１５０℃以上４００℃以下であることが好ましい。
この場合、前記酸化銀ペーストの焼成温度が４００℃以下とされているので、酸化銀ペーストを焼成して半導体素子を接合する際の温度を低く抑えることができ、半導体素子への熱負荷を低減することができる。また、前記酸化銀ペーストの焼成温度が１５０℃以上とされているので、酸化銀ペーストに含まれる還元剤等を除去することができ、第２焼成層における導電性及び強度を確保することができる。
【００１９】
また、前記第１焼成層を形成する工程における前記ガラス含有Ａｇペーストの焼成温度が、３５０℃以上６４５℃以下であることが好ましい。
この場合、前記ガラス含有Ａｇペーストの焼成温度が３５０℃以上とされているので、ガラス含有Ａｇペースト内の有機成分等を除去でき、第１焼成層を確実に形成することができる。また、前記ガラス含有Ａｇペーストの焼成温度が６４５℃以下とされているので、回路層や絶縁層の熱劣化を防止することができる。
【００２０】
さらに、前記第２焼成層を形成する工程において、前記半導体素子と前記パワーモジュール用基板とを積層方向に加圧した状態で加熱することが好ましい。
この場合、より確実に半導体素子とパワーモジュール用基板とを接合することが可能となる。
【００２１】
また、前記酸化銀ペーストは、前記酸化銀及び前記還元剤に加えて、Ａｇ粒子を含有していてもよい。
この場合、Ａｇ粒子が酸化銀粉末の間に介在し、酸化銀が還元されて得られるＡｇ粒子と、酸化銀ペーストに含有されたＡｇ粒子とが焼結することになり、第２焼成層をさらに緻密な構造とすることができる。また、接合時における半導体素子の加圧圧力を低く設定することができる。また、Ａｇ粒子の平均粒径としては、２０ｎｍ以上８００ｎｍ以下が望ましい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、回路層の一方の面に半導体素子が確実に接合され、熱サイクル及びパワーサイクル信頼性に優れたパワーモジュール及びパワーモジュールの製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の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２の回路層表面の拡大説明図である。
【図４】ガラス含有Ａｇペーストの製造方法を示すフロー図である。
【図５】酸化銀ペーストの製造方法を示すフロー図である。
【図６】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７】本発明例１の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断面観察写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
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。図１に本発明の実施形態であるパワーモジュールを示す。
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チップ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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
また、本実施形態においては、冷却器４０の天板部４１と金属層１３との間には、アルミニウムまた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）からなる緩衝層１５が設けられている。
【００３０】
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との間には、第１焼成層３１及び第２焼成層３８が形成されている。ここで、回路層１２の一方の面に第１焼成層３１が積層され、この第１焼成層３１の上に第２焼成層３８が積層され、この第２焼成層３８の上に半導体素子３が積層されているのである。
なお、第１焼成層３１及び第２焼成層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、半導体チップ３が配設される部分にのみ選択的に形成されている。
【００３１】
ここで、第１焼成層３１は、後述するように、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。この第１焼成層３１は、図２及び図３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３４が分散されている。この導電性粒子３４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、ガラス層３２内の導電性粒子３４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、粒径が数ナノメートル程度の微細なガラス粒子３５が分散されている。
【００３２】
なお、この第１焼成層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、第１焼成層３１の厚さ方向における電気抵抗値Ｐは、第１焼成層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４Ｎアルミニウムの電気抵抗が第１焼成層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、第１焼成層３１の上面中央点と、第１焼成層３１の前記上面中央点から第１焼成層３１端部までの距離と同距離分だけ第１焼成層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。
【００３３】
また、本実施形態では、回路層１２が純度９９．９９％のアルミニウムで構成されていることから、回路層１２の表面には、大気中で自然発生したアルミニウム酸化皮膜が形成されている。ここで、前述の第１焼成層３１が形成された部分においては、このアルミニウム酸化皮膜が除去されており、回路層１２上に直接第１焼成層３１が形成されている。つまり、回路層１２を構成するアルミニウムとガラス層３２とが直接接合されているのである。
本実施形態においては、ガラス層３２の厚さｔｇが０．０１μｍ≦ｔｇ≦５μｍ、Ａｇ層３３の厚さｔａが１μｍ≦ｔａ≦１００μｍ、第１焼成層３１全体の厚さｔ１が１．０１μｍ≦ｔ１≦１０５μｍとなるように構成されている。
【００３４】
この第１焼成層３１の上、すなわちＡｇ層３３の上に形成された第２焼成層３８は、酸化銀が還元されたＡｇ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。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、この第２焼成層３８においては、第１焼成層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。このガラス粒子の濃淡によって、第１焼成層３１のＡｇ層３３と第２焼成層３８との判別を行うことが可能となる。
本実施形態においては、第２焼成層３８の厚さｔ２が５μｍ≦ｔ２≦５０μｍとされている。
【００３５】
次に、第１焼成層３１を構成するガラス含有Ａｇペーストについて説明する。
このガラス含有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。
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。
【００３６】
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。
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、Ａｇ粉末の重量Ａと無鉛ガラス粉末の重量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。
【００３７】
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、ガラス含有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ガラス含有Ａｇペーストを構成してもよい。
【００３８】
ここで、本実施形態において用いられる無鉛ガラス粉末について詳細に説明する。本実施形態における無鉛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。
【００３９】
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。
【００４０】
このようなＺｎＯを含有する無鉛ガラス粉末は、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、無鉛ガラス粉末が得られる。ここで、本実施形態では、無鉛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。
【００４１】
次に、ガラス含有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粉末と無鉛ガラス粉末とを混合して混合粉末を生成する（混合粉末形成工程Ｓ０１）。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Ｓ０２）。
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Ｓ０３）。
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Ｓ０４）。
そして、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Ｓ０５）。
このようにして、前述のガラス含有Ａｇペーストが製出されることになる。
【００４２】
次に、第２焼成層３８を構成する酸化銀ペーストについて説明する。
この酸化銀ペーストは、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８０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。ここで、酸化銀ペーストにおいては、焼結によって得られる第２焼成層３８に未反応の有機物が残存することを抑制するために、分散剤や樹脂は添加していない。
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。
【００４３】
酸化銀粉末は、その粒径が０．１μｍ以上４０μｍ以下とされたものを使用した。なお、このような酸化銀粉末は、市販品として入手可能なものである。
【００４４】
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。
アルコールであれば、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、ブチルアルコール、ペンチルアルコール、ヘキシルアルコール、オクチルアルコール、ノニルアルコール、デシルアルコール、ウンデシルアルコール、ドデシルアルコール、ラウリルアルコール、ミリスチルアルコール、セチルアルコール、ステアリルアルコール等の１級アルコールを用いることができる。なお、これら以外にも、多数のアルコール基を有する化合物を用いてもよい。
有機酸であれば、例えば、ブタン酸、ペンタン酸、ヘキサン酸、ヘプタン酸、オクタン酸、ノナン酸、デカン酸、ウンデカン酸、ドデカン酸、トリデカン酸、テトラデカン酸、ペンタデカン酸、ヘキサデカン酸、ヘプタデカン酸、オクタデカン酸、ノナンデカン酸などの飽和脂肪酸を用いることができる。なお、これら以外にも、不飽和脂肪酸を用いてもよい。
【００４５】
なお、酸化銀粉末と混合した後に還元反応が容易に進行しない還元剤であれば、酸化銀ペーストの保存安定性が向上することになる。そこで、還元剤としては、融点が室温以上のものが好ましく、具体的には、ミリスチルアルコール、１−ドデカノール、２，５−ジメチル−２，５−ヘキサンジオール、２，２−ジメチル−１，３−プロパンジオール、１，６−ヘキサンジオール、１，２，６−ヘキサントリオール、１，１０−デカンジオール、ミリスチン酸、デカン酸等を用いることが好ましい。
【００４６】
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を促進させる作用を有する。このような作用を有する有機金属化合物としては、例えば蟻酸Ａｇ、酢酸Ａｇ、プロピオン酸Ａｇ、安息酸Ａｇ、シュウ酸Ａｇなどのカルボン酸系金属塩等が挙げられる。
【００４７】
溶剤は、酸化銀ペーストの保存安定性、印刷性を確保する観点から、高沸点（１５０℃〜３００℃）のものを用いることが好ましい。
具体的には、α-テルピネオール、酢酸２エチルヘキシル、酢酸３メチルブチル等を用いることができる。
【００４８】
次に、上述の酸化銀ペースト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、前述した酸化銀粉末と、還元剤（固体）と、有機金属化合物粉末と、を混合し、固体成分混合物を生成する（固体成分混合工程Ｓ１１）。
次に、この固体成分混合物に、溶剤を添加して撹拌する（撹拌工程Ｓ１２）。
そして、撹拌物を、ロールミル機（例えば３本ロールミル）を用いて練り込みながら混合する（混練工程Ｓ１３）。
このようにして、前述の酸化銀ペーストが製出されることになる。なお、得られた酸化銀ペーストは、冷蔵庫等によって低温（例えば５〜１５℃）で保存しておくことが好ましい。
【００４９】
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６に示すフロー図を参照して説明する。
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（回路層接合工程Ｓ２１）。なお、このろう付けの温度は、６４０℃〜６５０℃に設定されている。
【００５０】
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Ｓ２２）。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。
【００５１】
そして、回路層１２の表面に、ガラス含有Ａｇペーストを塗布する（ガラス含有Ａｇペースト塗布工程Ｓ２３）。
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の半導体チップ３が搭載される部分に形成した。
【００５２】
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１焼成工程Ｓ２４）。なお、このときの焼成温度は３５０〜６４５℃に設定されている。
この第１焼成工程Ｓ２４により、回路層１２の一方の面に、ガラス層３２とＡｇ層３３とを備えた第１焼成層３１が形成される。このとき、ガラス層３２によって、回路層１２の表面に自然発生していたアルミニウム酸化皮膜が溶融除去されることになり、回路層１２に直接ガラス層３２が形成される。
【００５３】
また、ガラス層３２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３４が分散されることになる。この導電性粒子３４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おり、焼成の際にガラス層３２内部に析出したものと推測される。
さらに、Ａｇ層３３の内部に、粒径が数ナノメートル程度の微細なガラス粒子３５が分散されることになる。このガラス粒子３５は、Ａｇ粒子の焼結が進行していく過程で、残存したガラス成分が凝集したものと推測される。
【００５４】
次に、第１焼成層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Ｓ２５）。
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。
【００５５】
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Ｓ２６）。
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２焼成工程Ｓ２７）。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０〜１０ＭＰａが望ましい。
【００５６】
このようにして、第１焼成層３１の上に第２焼成層３８が形成され、半導体チップ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。
【００５７】
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、回路層１２の一方の面に、ガラス成分を含有するガラス含有Ａｇペーストの焼成体からなる第１焼成層３１が形成され、この第１焼成層３１の上に、酸化銀が還元されたＡｇの焼成体からなる第２焼成層３８が形成されているので、この第２焼成層３８を形成する際に半導体素子３と回路層１２とを接合することが可能となる。
【００５８】
さらに、第１焼成層３１及び第２焼成層３８が積層されているので、回路層１２と半導体素子３との間に介在する接合層の厚さを確保することができる。よって、熱サイクル負荷時の応力が半導体素子３に作用することを抑制でき、半導体素子３自体の破損を防止することができる。
【００５９】
また、第２焼成層３８は、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、第２焼成層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、第２焼成層３８中に残存しにくく、第２焼成層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。
【００６０】
また、本実施形態であるパワーモジュール１においては、第１焼成層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。
【００６１】
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３４が分散されているので、ガラス層３２においても導電性を確保することができる。具体的には、本実施形態では、ガラス層３２を含めた第１焼成層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。
したがって、第１焼成層３１及び第２焼成層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。
【００６２】
また、本実施形態においては、絶縁層として絶縁性及び強度に優れたＡｌＮ（窒化アルミ）からなるセラミックス基板１１を用いているので、パワーモジュール用基板１０の信頼性の向上を図ることができる。また、このセラミックス基板１１上にアルミニウム板をろう付けすることによって、容易に回路層１２を形成することができる。
さらに、本実施形態では、セラミックス基板１１の他方側（図１において下側）に、金属層１３および緩衝層１５を介して冷却器４０が配設されているので、半導体チップ３からの発熱によってパワーモジュール１が高温となることを防止することができる。
【００６３】
また、本実施形態であるパワーモジュール１の製造方法においては、回路層１２の一方の面に、ガラス含有Ａｇペーストを塗布するガラス含有Ａｇペースト塗布工程Ｓ２３と、乾燥後のガラス含有Ａｇペーストを焼成して第１焼成層３１を形成する第１焼成工程Ｓ２４と、を備えているので、回路層１２の上に、ガラス層３２及びＡｇ層３３からなる第１焼成層３１を形成することができる。
【００６４】
また、第１焼成層３１の上に酸化銀ペーストを塗布する酸化銀ペースト塗布工程Ｓ２５と、塗布された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Ｓ２６と、半導体素子３とパワーモジュール用基板１０とを積層するとともに加熱して、第１焼成層３１の上に第２焼成層３８を形成する第２焼成工程Ｓ２７と、を備えているので、半導体素子３と回路層１２とを、第１焼成層３１及び第２焼成層３８を介して接合することができる。また、より望ましくは、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して接合する。
【００６５】
また、第２焼成層３８を形成する第２焼成工程Ｓ２７における焼成温度が４００℃以下とされているので、接合時における半導体素子３への熱負荷を低減することができる。また、第２焼成工程Ｓ２７における焼成温度が１５０℃以上とされているので、酸化銀ペーストに含まれる還元剤等を除去することができ、第２焼成層３８における導電性及び強度を確保することができる。
【００６６】
また、第１焼成層３１を形成する第１焼成工程Ｓ２４における焼成温度が３５０℃以上とされているので、ガラス含有Ａｇペーストを焼成して第１焼成層３１を確実に形成することができる。また、第１焼成工程Ｓ２４における焼成温度が６４５℃以下とされているので、回路層１２やセラミックス基板１１の劣化を防止することができる。
【００６７】
また、本実施形態においては、酸化銀ペーストに、有機金属化合物が添加されているので、この有機金属化合物が熱分解することによって生成される有機酸により、酸化銀の還元反応が促進されることになる。
さらに、酸化銀ペーストに混合する還元剤として、室温で固体であるものを用いているので、焼成前に還元反応が進行することを防止できる。
また、酸化銀ペーストには、分散剤や樹脂が添加されていないことから、第２焼成層３８に有機物が残存することを防止できる。
【００６８】
さらに、酸化銀ペーストの粘度が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ので、第１焼成層３１の上に酸化銀ペーストを塗布する酸化銀ペースト塗布工程Ｓ２５において、スクリーン印刷法等を適用することが可能なり、第２焼成層３８を半導体素子３が配設される部分のみに選択的に形成することができる。よって、酸化銀ペーストの使用量を削減することが可能となり、このパワーモジュール１の製造コストを大幅に削減することができる。
【００６９】
また、本実施形態では、第１焼成層３１を構成するガラス含有Ａｇペーストが、Ａｇ粉末と、ＺｎＯを含有する無鉛ガラス粉末と、を含有しており、無鉛ガラス粉末の軟化温度が６００℃以下に設定されているので、比較的低温でガラス含有Ａｇペーストを焼成することが可能となる。具体的には、第１焼成層を形成する第１焼成工程Ｓ２４における焼成温度を３５０℃以上６４５℃以下に設定することができる。よって、ガラス含有Ａｇペーストの焼成に伴う回路層１２の劣化や回路層１２とセラミックス基板１１との接合強度の低下等のトラブルを未然に防止することができ、高品質のパワーモジュール１を製出することが可能となる。
【００７０】
さらに、ガラス含有Ａｇ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ので、回路層１２表面にガラス含有Ａｇペーストを塗布するガラス含有Ａｇペースト塗布工程Ｓ２３において、スクリーン印刷法等を適用することが可能なり、第１焼成層３１を半導体素子３が配設される部分のみに選択的に形成することができる。よって、ガラス含有Ａｇペーストの使用量を削減することが可能となり、このパワーモジュール１の製造コストを大幅に削減することができる。
【００７１】
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、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、他のアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されていてもよい。また、回路層及び金属層を構成する金属板を、純銅、または、銅合金で構成されたものとしてもよい。
【００７２】
また、アルミニウム板とセラミックス基板とをろう付けに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、過渡液相接合法（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｂｏｎｄｉｎｇ）、鋳造法等を適用してもよい。
さらに、回路層及び金属層を構成する金属板を銅又は銅合金で構成した場合には、銅又は銅合金からなる金属板をセラミックス基板に接合する際に、直接接合法（ＤＢＣ法）、活性金属法、鋳造法等を適用することができる。
【００７３】
また、ガラス含有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い。例えば、無鉛ガラス粉末を用いるものとして説明したが、鉛を含有するガラスであってもよい。
さらに、酸化銀ペーストの原料、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い。例えば有機金属化合物を含有しないものであってもよい。
また、第１焼成層３１におけるガラス層３２とＡｇ層３３の厚さ、第２焼成層３８の厚さについても、本実施形態に限定されるものではない。
【００７４】
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よいし、絶縁樹脂によって絶縁層を構成してもよい。
【００７５】
また、回路層となるアルミニウム板をセラミックス基板に接合するとともに、冷却器を接合した後に、回路層上に第１焼成層を形成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、アルミニウム板をセラミックス基板に接合する前や、冷却器を接合する前に第１焼成層を形成してもよい。
【００７６】
また、冷却器の天板部と金属層との間に、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）からなる緩衝層を設けたものとして説明したが、この緩衝層を備えていなくてもよい。
さらに、冷却器の天板部をアルミニウムで構成したものとして説明したが、アルミニウム合金、又はアルミニウムを含む複合材等で構成されていてもよいし、その他の材料で構成されていてもよい。さらに、冷却器として、放熱フィン及び冷却媒体の流路を有するもので説明したが、冷却器の構造に特に限定はない。
【００７７】
また、酸化銀ペーストは、酸化銀粉末及び還元剤に加えて、Ａｇ粒子を含有していてもよい。Ａｇ粒子が酸化銀粉末の間に介在することにより、酸化銀が還元されて得られるＡｇとこのＡｇ粒子とが焼結することになり、第２焼成層をさらに緻密な構造とすることができる。これにより、接合時における半導体素子の加圧圧力を低く設定することが可能となる。
さらに、このＡｇ粒子の表層には、有機物を含んでいてもよい。この場合、有機物が分解する際の熱を利用して低温での焼結性を向上させることが可能となる。
【実施例１】
【００７８】
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。
【００７９】
（本発明例）
本発明例として、前述の実施形態に記載されたパワーモジュール１を準備した。すなわち、純度９９．９９％以上のアルミニウム板からなる回路層１２上に、ガラス含有Ａｇペーストの焼成体からなる第１焼成層３１を形成し、かつ、この第１焼成層３１の上に、酸化銀ペーストの焼成体からなる第２焼成層３８を形成して半導体素子３を接合した。
【００８０】
なお、セラミックス基板１１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１２及び金属層１３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３は、ＩＧＢＴ素子とし、１３ｍｍ×１０ｍｍ、厚さ０．２５ｍｍのものを使用した。
【００８１】
このとき、ガラス含有Ａｇペーストのガラス粉末として、Ｂｉ２Ｏ３を９０．６質量％、ＺｎＯを２．６質量％、Ｂ２Ｏ３を６．８質量％、を含む無鉛ガラス粉末を用いた。また、樹脂としてエチルセルロースを、溶剤としてジエチレンクリコールジブチルエーテルを用いた。さらに、ジカルボン酸系の分散剤を添加した。
【００８２】
また、酸化銀ペーストは、２種類準備した。
本発明例１では、市販の酸化銀粉末（和光純薬工業株式会社製）と、還元剤としてミリスチルアルコールと、溶剤として２，２，４−トリメチル−１，３−ペンタンジオールモノ（２−メチルプロパノエート）と、を用いて、酸化銀粉末；８０質量％、還元剤（ミリスチルアルコール）；１０質量％、溶剤（２，２，４−トリメチル−１，３−ペンタンジオールモノ（２−メチルプロパノエート））；残部、の割合で混合した酸化銀ペーストを用いた。
本発明例２では、市販の酸化銀粉末（和光純薬工業株式会社製）と、還元剤としてミリスチルアルコールと、有機金属化合物として酢酸銀粉末と、溶剤として２，２，４−トリメチル−１，３−ペンタンジオールモノ（２−メチルプロパノエート）と、を用いて、酸化銀粉末；７５質量％、還元剤（ミリスチルアルコール）；８質量％、有機金属化合物（酢酸Ａｇ）；８質量％、溶剤（２，２，４−トリメチル−１，３−ペンタンジオールモノ（２−メチルプロパノエート））；残部、の割合で混合した酸化銀ペーストを用いた。
【００８３】
なお、回路層１２の表面にガラス含有Ａｇペーストを塗布するガラス含有Ａｇペースト塗布工程Ｓ２３では、ガラス含有Ａｇペーストの塗布厚さを１０μｍとした。また、第１焼成工程Ｓ２４では、焼成温度を５７５℃、焼成時間を１０分とした。
また、第１焼成層３１の上に酸化銀ペーストを塗布する酸化銀ペースト塗布工程Ｓ２５では、酸化銀ペーストの塗布厚さを５０μｍとした。また、第２焼成工程Ｓ２７では、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３の加圧圧力を３ＭＰａとした。
【００８４】
（従来例）
従来例として、上述の回路層１２の表面に厚さ５μｍのＮｉめっき膜を形成し、はんだ材（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系無鉛はんだ）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したパワーモジュールを準備した。なお、半導体素子３の加圧圧力を０ＭＰａとした。
【００８５】
（比較例）
比較例１、２として、上述の回路層１２の表面に、本発明例１，２で使用する酸化銀ペーストを直接回路層１２の表面に塗布して半導体素子３を接合した。焼成条件は、本発明例１，２と同様とした。なお、半導体素子３の加圧圧力を３ＭＰａとした。
【００８６】
（ＳＥＭ観察）
まず、本発明例１のパワーモジュールにおいて、回路層と半導体素子との接合界面を倍率２００倍でＳＥＭ観察した。結果を図７に示す。なお、（ａ）が二次電子像、（ｂ）が試料の面分析結果（Ａｇマップ）、（ｃ）が試料の面分析結果（Ｂｉマップ）である。
図７（ｃ）より、回路層の表面にガラス成分であるＢｉが層状に分布しており、ガラス層が形成されていることが確認される。また、図７（ｂ）および（ｃ）より、ガラス層の上には、Ａｇの母相中にガラス粒子が分散されたＡｇ層が確認される。さらに、この倍率では、Ａｇ層の上に形成された第２焼成層にガラス粒子が分散されていないことが確認される。
【００８７】
（評価）
次に、本発明例、従来例、比較例のパワーモジュールを用いて、冷熱サイクル試験及びパワーサイクル試験し、冷熱サイクル試験後の接合率並びに熱抵抗の上昇率、及びパワーサイクル試験後の熱抵抗の上昇率を評価した。
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剥離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剥離面積とした。
接合率 ＝ （初期接合面積−剥離面積）／初期接合面積
【００８８】
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。
【００８９】
冷熱サイクル試験は、試験片に対して、−４０℃←→１１０℃の熱サイクルを負荷することにより行う。本実施例では、この冷熱サイクルを３０００回実施した。
パワーサイクル試験は、ヒータチップに、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、ＩＧＢＴ素子の温度を３０℃から１３０℃の範囲で変化させた。本実施例では、このパワーサイクルを２０万回実施した。
この冷熱サイクル試験後、接合率及び熱抵抗の上昇率を測定した。また、パワーサイクル試験後、熱抵抗の上昇率を測定した。
その評価結果を表１に示す。
【００９０】
【表１】
【００９１】
回路層の表面に酸化銀ペーストを直接塗布して半導体素子を接合した比較例１，２においては、半導体素子と回路層との間の接合層で剥離が生じた。また、接合率も低く、熱サイクル試験、パワーサイクル試験においても、熱抵抗の上昇率が極めて高かった。この結果から、単に酸化銀ペーストを用いて半導体素子を接合しても、十分な接合強度を得られなかった。
【００９２】
また、回路層の表面にＮｉめっき膜を形成し、半導体素子をはんだ付けした従来例においては、半導体素子と回路層との間の接合層で剥離は生じておらず、接合率及び熱サイクル試験においても良好な結果が得られている。しかしながら、パワーサイクル試験においては、熱抵抗の上昇率が３０．２％と高く、接合信頼性を十分に確保することができなかった。
【００９３】
これに対して、回路層の表面にガラス含有Ａｇペーストの焼成体を形成し、この焼成体の上に酸化銀ペーストを塗布して半導体素子を接合した本発明例１，２においては、半導体素子と回路層との間の接合層で剥離は生じておらず、接合率も９８．２％、９８．３％と高い値を示した。さらに、熱サイクル試験、パワーサイクル試験においても、熱抵抗の大幅な上昇は認められなかった。
【実施例２】
【００９４】
次に、粒径２０ｎｍ以上８００ｎｍ以下のＡｇ粒子を含有した酸化銀ペーストを用いてパワーモジュールを構成し、冷熱サイクル試験及びパワーサイクル試験を実施し、冷熱サイクル試験後の接合率並びに熱抵抗の上昇率、及びパワーサイクル試験後の熱抵抗の上昇率を評価した。
【００９５】
本発明例３−５に用いた酸化銀ペーストは、本発明例１及び比較例１で用いた酸化銀ペーストに、平均粒径４０ｎｍのＡｇ粉を添加したものである。なお、酸化銀粉末とＡｇ粉との混合比は、質量比で酸化銀粉末：Ａｇ粉＝９：１とした。
本発明例６−８に用いた酸化銀ペーストは、本発明例２及び比較例２で用いた酸化銀ペーストに、平均粒径８００ｎｍのＡｇ粉を添加したものである。なお、酸化銀粉末とＡｇ粉との混合比は、質量比で酸化銀粉末：Ａｇ粉＝９：１とした。
本発明例９−１１に用いた酸化銀ペーストは、本発明例１及び比較例１で用いた酸化銀ペーストに、平均粒径４０ｎｍのＡｇ粉を添加したものである。なお、酸化銀粉末とＡｇ粉との混合比は、質量比で酸化銀粉末：Ａｇ粉＝９：１とした。
回路層１２に関して、本発明例３−８はＡｌ、本発明例９−１１はＣｕであるものを用いた。
【００９６】
そして、本発明例１，２と同様にパワーモジュールを作製した。このとき、第２焼成工程Ｓ２７における半導体素子３の加圧圧力を表２に示すように変更した。評価結果を表２に示す。
【００９７】
【表２】
【００９８】
本発明例３−５及び本発明例６−８を比較すると、第２焼成工程Ｓ２７における半導体素子３の加圧圧力が０ＭＰａあるいは１ＭＰａと低く設定した場合であっても、加圧圧力を３ＭＰａとした場合と同等の接合信頼性が得られることが確認される。すなわち、粒径２０ｎｍ以上８００ｎｍ以下のＡｇ粒子を含有した酸化銀ペーストを用いることによって、第２焼成工程Ｓ２７における半導体素子３の加圧圧力を低く設定できるのである。
【００９９】
以上のことから、本発明例によれば、熱サイクル信頼性及びパワーサイクル信頼性に優れたパワーモジュールを提供可能であることが確認される。
【符号の説明】
【０１００】
１ パワーモジュール
３ 半導体素子
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
３１ 第１焼成層
３２ ガラス層
３３ Ａｇ層
３４ 導電性粒子
３５ ガラス粒子
３８ 第２焼成層
【技術分野】
【０００１】
この発明は、絶縁層の一方の面に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、このパワーモジュールの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
各種の半導体素子のうちでも、電気自動車や電気車両などを制御するために用いられる大電力制御用のパワー素子は、発熱量が多いことから、これを搭載する基板としては、例えばＡｌＮ（窒化アルミ）などからなるセラミックス基板上に導電性の優れた金属板を回路層として接合したパワーモジュール用基板が、従来から広く用いられている。
そして、このようなパワーモジュール用基板は、その回路層上に、はんだ材を介してパワー素子としての半導体素子が搭載される。なお、この種のパワーモジュール用基板としては、セラミックス基板の下面にも放熱のために熱伝導性に優れた金属板を接合し、その金属板を介して冷却器を接合して、放熱させる構造としたものが知られている。
【０００３】
回路層を構成する金属としては、アルミニウム又はアルミニウム合金、或いは、銅又は銅合金が用いられている。
ここで、アルミニウムからなる回路層においては、表面にアルミニウムの酸化皮膜が形成されるため、はんだ材との接合を良好に行うことができない。また、銅からなる回路層においては、溶融したはんだ材と銅とが反応して回路層の内部にはんだ材の成分が侵入し、回路層の導電性が劣化するといった問題がある。
【０００４】
そこで、従来は、例えば特許文献１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。
また、特許文献２には、はんだ材を用いずにＡｇナノ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。
さらに、特許文献３、４には、はんだ材を用いず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て半導体素子を接合する技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１７２３７８号公報
【特許文献２】特開２００６−２０２９３８号公報
【特許文献３】特開２００８−２０８４４２号公報
【特許文献４】特開２００９−２６７３７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、特許文献１に記載されたように、回路層表面にＮｉめっき膜を形成したパワーモジュール用基板においては、半導体素子を接合するまでの過程においてＮｉめっき膜の表面が酸化等によって劣化し、はんだ材を介して接合した半導体素子との接合信頼性が低下するおそれがあった。
また、パワーモジュール用基板に冷却器をろう付けで接合する場合には、回路層表面にＮｉめっき膜を形成した後にろう付け等を行えば、Ｎｉめっき膜が劣化してしまうため、通常は、パワーモジュール用基板と冷却器とをろう付けして冷却器付パワーモジュール用基板を形成した後に、めっき浴内にその冷却器付パワーモジュール用基板全体を浸漬させることが行なわれている。この場合、回路層以外の部分にもＮｉめっき膜が形成されることになるが、冷却器がアルミニウムやアルミニウム合金で構成されていた場合には、アルミニウムからなる冷却器とＮｉめっき膜との間で電食が進行するおそれがある。そのため、Ｎｉめっき工程においては、冷却器部分にＮｉめっき膜が形成されないように、マスキング処理を行う必要があった。このように、マスキング処理をした上でめっき処理をする場合、回路層部分にＮｉめっき膜を形成するためだけの工程に多大な労力が必要となり、パワーモジュールの製造コストが大幅に増加してしまうといった問題がある。
【０００７】
一方、特許文献２に開示されたように、はんだ材を使用せずにＡｇナノペーストを用いて半導体素子を接合した場合には、Ａｇナノペーストからなる接合層がはんだ材に比べて厚みが薄く形成されるため、熱サイクル負荷時の応力が半導体素子に作用しやすくなり、半導体素子自体が破損してしまうおそれがあった。
【０００８】
さらに、特許文献３、４に開示されたように、金属酸化物と還元剤とを用いて半導体素子を接合した場合には、やはり、酸化物ペーストの焼成層が薄く形成されることから、熱サイクル負荷時の応力が半導体素子に作用しやすくなる。
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、電子部品からの発熱量が大きくなる傾向にある。このため、パワーモジュールの使用時において、回路層と半導体素子との接合界面に作用する応力も増加する傾向にあり、従来にも増して、回路層と半導体素子との間の接合信頼性の向上が求められている。
【０００９】
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、回路層の一方の面に半導体素子が確実に接合され、熱サイクル及びパワーサイクル信頼性に優れたパワーモジュール及びパワーモジュール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】
【００１０】
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は、絶縁層の一方の面に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、前記回路層の一方の面には、ガラス成分を含有するガラス含有Ａｇペーストの焼成体からなる第１焼成層が形成されており、この第１焼成層の上に、酸化銀が還元されたＡｇの焼成体からなる第２焼成層が形成されていることを特徴としている。
【００１１】
この構成のパワーモジュールによれば、回路層の一方の面に、ガラス成分を含有するガラス含有Ａｇペーストの焼成体からなる第１焼成層が形成されているので、ガラス成分によって回路層の表面に形成されている酸化皮膜を除去することができ、この第１焼成層と回路層との接合強度を確保することができる。
また、この第１焼成層の上に、酸化銀が還元されたＡｇの焼成体からなる第２焼成層が形成されているので、この第２焼成層を形成する際に半導体素子を接合することが可能となる。ここで、酸化銀を還元した場合には、微細なＡｇ粒子が生成することから、第２焼成層を緻密な構造とすることができる。
さらに、第１焼成層及び第２焼成層が積層されているので、回路層と半導体素子との間に介在する接合層の厚さを確保することができる。よって、熱サイクル負荷時の応力が半導体素子に作用することを抑制でき、半導体素子自体の破損を防止することができる。
【００１２】
ここで、前記第１焼成層は、回路層の一方の面に形成されたガラス層と、このガラス層上に積層されたＡｇ層と、を備えており、前記Ａｇ層には、ガラス粒子が分散している構成とすることが好ましい。
この場合、回路層の表面に形成されている酸化皮膜をガラス層に反応させて除去することができ、回路層と半導体素子とを確実に接合することができる。
【００１３】
ここで、前記第２焼成層は、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ことが好ましい。
この場合、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確実に還元されて微細なＡｇ粒子が生成し、第２焼成層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、第２焼成層中に残存しにくく、第２焼成層における導電性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、半導体素子の接合温度を低く抑えることができ、半導体素子への熱負荷を低減することができる。
【００１４】
前記酸化銀ペーストは、前記酸化銀及び前記還元剤に加えて、Ａｇ粒子を含有していてもよい。
この場合、酸化銀が還元されて得られるＡｇ粒子と、酸化銀ペーストに含有されたＡｇ粒子とが焼結することになり、第２焼成層をさらに緻密な構造とすることができる。また、Ａｇ粒子の平均粒径としては、２０ｎｍ以上８００ｎｍ以下が望ましい。
【００１５】
さらに、前記絶縁層が、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４又はＡｌ２Ｏ３から選択されるセラミックス基板であることが好ましい。
ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４又はＡｌ２Ｏ３から選択されるセラミックス基板は、絶縁性及び強度に優れており、パワーモジュールの信頼性の向上を図ることができる。また、このセラミックス基板上に金属板を接合することによって、容易に回路層を形成することが可能となる。
【００１６】
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、前記回路層の一方の面に、ガラス成分を含有するガラス含有Ａｇペーストを塗布し、加熱処理することにより、前記第１焼成層を形成する工程と、前記第１焼成層の上に、酸化銀と還元剤とを含む酸化銀ペーストを塗布する工程と、塗布された酸化銀ペーストの上に半導体素子を積層する工程と、前記半導体素子と前記パワーモジュール用基板とを積層した状態で加熱して、前記第１焼成層の上に第２焼成層を形成する工程と、を備え、前記半導体素子と前記回路層とを接合することを特徴としている。
【００１７】
この構成のパワーモジュールの製造方法によれば、前記回路層の一方の面に、ガラス成分を含有するガラス含有Ａｇペーストを塗布し、加熱処理することにより、前記第１焼成層を形成する工程を備えているので、回路層の表面に形成された酸化皮膜を除去でき、回路層と第１焼成層とを確実に接合することができる。
また、前記第１焼成層の上に、酸化銀と還元剤とを含む酸化銀ペーストを塗布する工程と、塗布された酸化銀ペーストの上に半導体素子を積層する工程と、前記半導体素子と前記パワーモジュール用基板とを積層した状態で加熱して、前記第１焼成層の上に第２焼成層を形成する工程と、を備えているので、第２焼成層を焼成する際に前記半導体素子と前記回路層とを接合することができる。
【００１８】
ここで、第２焼成層を形成する工程における前記酸化銀ペーストの焼成温度が、１５０℃以上４００℃以下であることが好ましい。
この場合、前記酸化銀ペーストの焼成温度が４００℃以下とされているので、酸化銀ペーストを焼成して半導体素子を接合する際の温度を低く抑えることができ、半導体素子への熱負荷を低減することができる。また、前記酸化銀ペーストの焼成温度が１５０℃以上とされているので、酸化銀ペーストに含まれる還元剤等を除去することができ、第２焼成層における導電性及び強度を確保することができる。
【００１９】
また、前記第１焼成層を形成する工程における前記ガラス含有Ａｇペーストの焼成温度が、３５０℃以上６４５℃以下であることが好ましい。
この場合、前記ガラス含有Ａｇペーストの焼成温度が３５０℃以上とされているので、ガラス含有Ａｇペースト内の有機成分等を除去でき、第１焼成層を確実に形成することができる。また、前記ガラス含有Ａｇペーストの焼成温度が６４５℃以下とされているので、回路層や絶縁層の熱劣化を防止することができる。
【００２０】
さらに、前記第２焼成層を形成する工程において、前記半導体素子と前記パワーモジュール用基板とを積層方向に加圧した状態で加熱することが好ましい。
この場合、より確実に半導体素子とパワーモジュール用基板とを接合することが可能となる。
【００２１】
また、前記酸化銀ペーストは、前記酸化銀及び前記還元剤に加えて、Ａｇ粒子を含有していてもよい。
この場合、Ａｇ粒子が酸化銀粉末の間に介在し、酸化銀が還元されて得られるＡｇ粒子と、酸化銀ペーストに含有されたＡｇ粒子とが焼結することになり、第２焼成層をさらに緻密な構造とすることができる。また、接合時における半導体素子の加圧圧力を低く設定することができる。また、Ａｇ粒子の平均粒径としては、２０ｎｍ以上８００ｎｍ以下が望ましい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、回路層の一方の面に半導体素子が確実に接合され、熱サイクル及びパワーサイクル信頼性に優れたパワーモジュール及びパワーモジュールの製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の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２の回路層表面の拡大説明図である。
【図４】ガラス含有Ａｇペーストの製造方法を示すフロー図である。
【図５】酸化銀ペーストの製造方法を示すフロー図である。
【図６】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７】本発明例１の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断面観察写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
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。図１に本発明の実施形態であるパワーモジュールを示す。
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チップ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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
また、本実施形態においては、冷却器４０の天板部４１と金属層１３との間には、アルミニウムまた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）からなる緩衝層１５が設けられている。
【００３０】
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との間には、第１焼成層３１及び第２焼成層３８が形成されている。ここで、回路層１２の一方の面に第１焼成層３１が積層され、この第１焼成層３１の上に第２焼成層３８が積層され、この第２焼成層３８の上に半導体素子３が積層されているのである。
なお、第１焼成層３１及び第２焼成層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、半導体チップ３が配設される部分にのみ選択的に形成されている。
【００３１】
ここで、第１焼成層３１は、後述するように、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。この第１焼成層３１は、図２及び図３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３４が分散されている。この導電性粒子３４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、ガラス層３２内の導電性粒子３４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、粒径が数ナノメートル程度の微細なガラス粒子３５が分散されている。
【００３２】
なお、この第１焼成層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、第１焼成層３１の厚さ方向における電気抵抗値Ｐは、第１焼成層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４Ｎアルミニウムの電気抵抗が第１焼成層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、第１焼成層３１の上面中央点と、第１焼成層３１の前記上面中央点から第１焼成層３１端部までの距離と同距離分だけ第１焼成層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。
【００３３】
また、本実施形態では、回路層１２が純度９９．９９％のアルミニウムで構成されていることから、回路層１２の表面には、大気中で自然発生したアルミニウム酸化皮膜が形成されている。ここで、前述の第１焼成層３１が形成された部分においては、このアルミニウム酸化皮膜が除去されており、回路層１２上に直接第１焼成層３１が形成されている。つまり、回路層１２を構成するアルミニウムとガラス層３２とが直接接合されているのである。
本実施形態においては、ガラス層３２の厚さｔｇが０．０１μｍ≦ｔｇ≦５μｍ、Ａｇ層３３の厚さｔａが１μｍ≦ｔａ≦１００μｍ、第１焼成層３１全体の厚さｔ１が１．０１μｍ≦ｔ１≦１０５μｍとなるように構成されている。
【００３４】
この第１焼成層３１の上、すなわちＡｇ層３３の上に形成された第２焼成層３８は、酸化銀が還元されたＡｇ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。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、この第２焼成層３８においては、第１焼成層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。このガラス粒子の濃淡によって、第１焼成層３１のＡｇ層３３と第２焼成層３８との判別を行うことが可能となる。
本実施形態においては、第２焼成層３８の厚さｔ２が５μｍ≦ｔ２≦５０μｍとされている。
【００３５】
次に、第１焼成層３１を構成するガラス含有Ａｇペーストについて説明する。
このガラス含有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。
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。
【００３６】
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。
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、Ａｇ粉末の重量Ａと無鉛ガラス粉末の重量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。
【００３７】
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、ガラス含有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ガラス含有Ａｇペーストを構成してもよい。
【００３８】
ここで、本実施形態において用いられる無鉛ガラス粉末について詳細に説明する。本実施形態における無鉛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。
【００３９】
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。
【００４０】
このようなＺｎＯを含有する無鉛ガラス粉末は、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、無鉛ガラス粉末が得られる。ここで、本実施形態では、無鉛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。
【００４１】
次に、ガラス含有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粉末と無鉛ガラス粉末とを混合して混合粉末を生成する（混合粉末形成工程Ｓ０１）。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Ｓ０２）。
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Ｓ０３）。
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Ｓ０４）。
そして、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Ｓ０５）。
このようにして、前述のガラス含有Ａｇペーストが製出されることになる。
【００４２】
次に、第２焼成層３８を構成する酸化銀ペーストについて説明する。
この酸化銀ペーストは、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８０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。ここで、酸化銀ペーストにおいては、焼結によって得られる第２焼成層３８に未反応の有機物が残存することを抑制するために、分散剤や樹脂は添加していない。
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。
【００４３】
酸化銀粉末は、その粒径が０．１μｍ以上４０μｍ以下とされたものを使用した。なお、このような酸化銀粉末は、市販品として入手可能なものである。
【００４４】
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。
アルコールであれば、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、ブチルアルコール、ペンチルアルコール、ヘキシルアルコール、オクチルアルコール、ノニルアルコール、デシルアルコール、ウンデシルアルコール、ドデシルアルコール、ラウリルアルコール、ミリスチルアルコール、セチルアルコール、ステアリルアルコール等の１級アルコールを用いることができる。なお、これら以外にも、多数のアルコール基を有する化合物を用いてもよい。
有機酸であれば、例えば、ブタン酸、ペンタン酸、ヘキサン酸、ヘプタン酸、オクタン酸、ノナン酸、デカン酸、ウンデカン酸、ドデカン酸、トリデカン酸、テトラデカン酸、ペンタデカン酸、ヘキサデカン酸、ヘプタデカン酸、オクタデカン酸、ノナンデカン酸などの飽和脂肪酸を用いることができる。なお、これら以外にも、不飽和脂肪酸を用いてもよい。
【００４５】
なお、酸化銀粉末と混合した後に還元反応が容易に進行しない還元剤であれば、酸化銀ペーストの保存安定性が向上することになる。そこで、還元剤としては、融点が室温以上のものが好ましく、具体的には、ミリスチルアルコール、１−ドデカノール、２，５−ジメチル−２，５−ヘキサンジオール、２，２−ジメチル−１，３−プロパンジオール、１，６−ヘキサンジオール、１，２，６−ヘキサントリオール、１，１０−デカンジオール、ミリスチン酸、デカン酸等を用いることが好ましい。
【００４６】
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を促進させる作用を有する。このような作用を有する有機金属化合物としては、例えば蟻酸Ａｇ、酢酸Ａｇ、プロピオン酸Ａｇ、安息酸Ａｇ、シュウ酸Ａｇなどのカルボン酸系金属塩等が挙げられる。
【００４７】
溶剤は、酸化銀ペーストの保存安定性、印刷性を確保する観点から、高沸点（１５０℃〜３００℃）のものを用いることが好ましい。
具体的には、α-テルピネオール、酢酸２エチルヘキシル、酢酸３メチルブチル等を用いることができる。
【００４８】
次に、上述の酸化銀ペースト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、前述した酸化銀粉末と、還元剤（固体）と、有機金属化合物粉末と、を混合し、固体成分混合物を生成する（固体成分混合工程Ｓ１１）。
次に、この固体成分混合物に、溶剤を添加して撹拌する（撹拌工程Ｓ１２）。
そして、撹拌物を、ロールミル機（例えば３本ロールミル）を用いて練り込みながら混合する（混練工程Ｓ１３）。
このようにして、前述の酸化銀ペーストが製出されることになる。なお、得られた酸化銀ペーストは、冷蔵庫等によって低温（例えば５〜１５℃）で保存しておくことが好ましい。
【００４９】
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６に示すフロー図を参照して説明する。
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（回路層接合工程Ｓ２１）。なお、このろう付けの温度は、６４０℃〜６５０℃に設定されている。
【００５０】
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Ｓ２２）。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。
【００５１】
そして、回路層１２の表面に、ガラス含有Ａｇペーストを塗布する（ガラス含有Ａｇペースト塗布工程Ｓ２３）。
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の半導体チップ３が搭載される部分に形成した。
【００５２】
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１焼成工程Ｓ２４）。なお、このときの焼成温度は３５０〜６４５℃に設定されている。
この第１焼成工程Ｓ２４により、回路層１２の一方の面に、ガラス層３２とＡｇ層３３とを備えた第１焼成層３１が形成される。このとき、ガラス層３２によって、回路層１２の表面に自然発生していたアルミニウム酸化皮膜が溶融除去されることになり、回路層１２に直接ガラス層３２が形成される。
【００５３】
また、ガラス層３２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３４が分散されることになる。この導電性粒子３４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おり、焼成の際にガラス層３２内部に析出したものと推測される。
さらに、Ａｇ層３３の内部に、粒径が数ナノメートル程度の微細なガラス粒子３５が分散されることになる。このガラス粒子３５は、Ａｇ粒子の焼結が進行していく過程で、残存したガラス成分が凝集したものと推測される。
【００５４】
次に、第１焼成層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Ｓ２５）。
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。
【００５５】
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Ｓ２６）。
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２焼成工程Ｓ２７）。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０〜１０ＭＰａが望ましい。
【００５６】
このようにして、第１焼成層３１の上に第２焼成層３８が形成され、半導体チップ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。
【００５７】
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、回路層１２の一方の面に、ガラス成分を含有するガラス含有Ａｇペーストの焼成体からなる第１焼成層３１が形成され、この第１焼成層３１の上に、酸化銀が還元されたＡｇの焼成体からなる第２焼成層３８が形成されているので、この第２焼成層３８を形成する際に半導体素子３と回路層１２とを接合することが可能となる。
【００５８】
さらに、第１焼成層３１及び第２焼成層３８が積層されているので、回路層１２と半導体素子３との間に介在する接合層の厚さを確保することができる。よって、熱サイクル負荷時の応力が半導体素子３に作用することを抑制でき、半導体素子３自体の破損を防止することができる。
【００５９】
また、第２焼成層３８は、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、第２焼成層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、第２焼成層３８中に残存しにくく、第２焼成層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。
【００６０】
また、本実施形態であるパワーモジュール１においては、第１焼成層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。
【００６１】
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３４が分散されているので、ガラス層３２においても導電性を確保することができる。具体的には、本実施形態では、ガラス層３２を含めた第１焼成層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。
したがって、第１焼成層３１及び第２焼成層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。
【００６２】
また、本実施形態においては、絶縁層として絶縁性及び強度に優れたＡｌＮ（窒化アルミ）からなるセラミックス基板１１を用いているので、パワーモジュール用基板１０の信頼性の向上を図ることができる。また、このセラミックス基板１１上にアルミニウム板をろう付けすることによって、容易に回路層１２を形成することができる。
さらに、本実施形態では、セラミックス基板１１の他方側（図１において下側）に、金属層１３および緩衝層１５を介して冷却器４０が配設されているので、半導体チップ３からの発熱によってパワーモジュール１が高温となることを防止することができる。
【００６３】
また、本実施形態であるパワーモジュール１の製造方法においては、回路層１２の一方の面に、ガラス含有Ａｇペーストを塗布するガラス含有Ａｇペースト塗布工程Ｓ２３と、乾燥後のガラス含有Ａｇペーストを焼成して第１焼成層３１を形成する第１焼成工程Ｓ２４と、を備えているので、回路層１２の上に、ガラス層３２及びＡｇ層３３からなる第１焼成層３１を形成することができる。
【００６４】
また、第１焼成層３１の上に酸化銀ペーストを塗布する酸化銀ペースト塗布工程Ｓ２５と、塗布された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Ｓ２６と、半導体素子３とパワーモジュール用基板１０とを積層するとともに加熱して、第１焼成層３１の上に第２焼成層３８を形成する第２焼成工程Ｓ２７と、を備えているので、半導体素子３と回路層１２とを、第１焼成層３１及び第２焼成層３８を介して接合することができる。また、より望ましくは、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して接合する。
【００６５】
また、第２焼成層３８を形成する第２焼成工程Ｓ２７における焼成温度が４００℃以下とされているので、接合時における半導体素子３への熱負荷を低減することができる。また、第２焼成工程Ｓ２７における焼成温度が１５０℃以上とされているので、酸化銀ペーストに含まれる還元剤等を除去することができ、第２焼成層３８における導電性及び強度を確保することができる。
【００６６】
また、第１焼成層３１を形成する第１焼成工程Ｓ２４における焼成温度が３５０℃以上とされているので、ガラス含有Ａｇペーストを焼成して第１焼成層３１を確実に形成することができる。また、第１焼成工程Ｓ２４における焼成温度が６４５℃以下とされているので、回路層１２やセラミックス基板１１の劣化を防止することができる。
【００６７】
また、本実施形態においては、酸化銀ペーストに、有機金属化合物が添加されているので、この有機金属化合物が熱分解することによって生成される有機酸により、酸化銀の還元反応が促進されることになる。
さらに、酸化銀ペーストに混合する還元剤として、室温で固体であるものを用いているので、焼成前に還元反応が進行することを防止できる。
また、酸化銀ペーストには、分散剤や樹脂が添加されていないことから、第２焼成層３８に有機物が残存することを防止できる。
【００６８】
さらに、酸化銀ペーストの粘度が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ので、第１焼成層３１の上に酸化銀ペーストを塗布する酸化銀ペースト塗布工程Ｓ２５において、スクリーン印刷法等を適用することが可能なり、第２焼成層３８を半導体素子３が配設される部分のみに選択的に形成することができる。よって、酸化銀ペーストの使用量を削減することが可能となり、このパワーモジュール１の製造コストを大幅に削減することができる。
【００６９】
また、本実施形態では、第１焼成層３１を構成するガラス含有Ａｇペーストが、Ａｇ粉末と、ＺｎＯを含有する無鉛ガラス粉末と、を含有しており、無鉛ガラス粉末の軟化温度が６００℃以下に設定されているので、比較的低温でガラス含有Ａｇペーストを焼成することが可能となる。具体的には、第１焼成層を形成する第１焼成工程Ｓ２４における焼成温度を３５０℃以上６４５℃以下に設定することができる。よって、ガラス含有Ａｇペーストの焼成に伴う回路層１２の劣化や回路層１２とセラミックス基板１１との接合強度の低下等のトラブルを未然に防止することができ、高品質のパワーモジュール１を製出することが可能となる。
【００７０】
さらに、ガラス含有Ａｇ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ので、回路層１２表面にガラス含有Ａｇペーストを塗布するガラス含有Ａｇペースト塗布工程Ｓ２３において、スクリーン印刷法等を適用することが可能なり、第１焼成層３１を半導体素子３が配設される部分のみに選択的に形成することができる。よって、ガラス含有Ａｇペーストの使用量を削減することが可能となり、このパワーモジュール１の製造コストを大幅に削減することができる。
【００７１】
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、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、他のアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されていてもよい。また、回路層及び金属層を構成する金属板を、純銅、または、銅合金で構成されたものとしてもよい。
【００７２】
また、アルミニウム板とセラミックス基板とをろう付けに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、過渡液相接合法（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｂｏｎｄｉｎｇ）、鋳造法等を適用してもよい。
さらに、回路層及び金属層を構成する金属板を銅又は銅合金で構成した場合には、銅又は銅合金からなる金属板をセラミックス基板に接合する際に、直接接合法（ＤＢＣ法）、活性金属法、鋳造法等を適用することができる。
【００７３】
また、ガラス含有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い。例えば、無鉛ガラス粉末を用いるものとして説明したが、鉛を含有するガラスであってもよい。
さらに、酸化銀ペーストの原料、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い。例えば有機金属化合物を含有しないものであってもよい。
また、第１焼成層３１におけるガラス層３２とＡｇ層３３の厚さ、第２焼成層３８の厚さについても、本実施形態に限定されるものではない。
【００７４】
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よいし、絶縁樹脂によって絶縁層を構成してもよい。
【００７５】
また、回路層となるアルミニウム板をセラミックス基板に接合するとともに、冷却器を接合した後に、回路層上に第１焼成層を形成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、アルミニウム板をセラミックス基板に接合する前や、冷却器を接合する前に第１焼成層を形成してもよい。
【００７６】
また、冷却器の天板部と金属層との間に、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）からなる緩衝層を設けたものとして説明したが、この緩衝層を備えていなくてもよい。
さらに、冷却器の天板部をアルミニウムで構成したものとして説明したが、アルミニウム合金、又はアルミニウムを含む複合材等で構成されていてもよいし、その他の材料で構成されていてもよい。さらに、冷却器として、放熱フィン及び冷却媒体の流路を有するもので説明したが、冷却器の構造に特に限定はない。
【００７７】
また、酸化銀ペーストは、酸化銀粉末及び還元剤に加えて、Ａｇ粒子を含有していてもよい。Ａｇ粒子が酸化銀粉末の間に介在することにより、酸化銀が還元されて得られるＡｇとこのＡｇ粒子とが焼結することになり、第２焼成層をさらに緻密な構造とすることができる。これにより、接合時における半導体素子の加圧圧力を低く設定することが可能となる。
さらに、このＡｇ粒子の表層には、有機物を含んでいてもよい。この場合、有機物が分解する際の熱を利用して低温での焼結性を向上させることが可能となる。
【実施例１】
【００７８】
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。
【００７９】
（本発明例）
本発明例として、前述の実施形態に記載されたパワーモジュール１を準備した。すなわち、純度９９．９９％以上のアルミニウム板からなる回路層１２上に、ガラス含有Ａｇペーストの焼成体からなる第１焼成層３１を形成し、かつ、この第１焼成層３１の上に、酸化銀ペーストの焼成体からなる第２焼成層３８を形成して半導体素子３を接合した。
【００８０】
なお、セラミックス基板１１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１２及び金属層１３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３は、ＩＧＢＴ素子とし、１３ｍｍ×１０ｍｍ、厚さ０．２５ｍｍのものを使用した。
【００８１】
このとき、ガラス含有Ａｇペーストのガラス粉末として、Ｂｉ２Ｏ３を９０．６質量％、ＺｎＯを２．６質量％、Ｂ２Ｏ３を６．８質量％、を含む無鉛ガラス粉末を用いた。また、樹脂としてエチルセルロースを、溶剤としてジエチレンクリコールジブチルエーテルを用いた。さらに、ジカルボン酸系の分散剤を添加した。
【００８２】
また、酸化銀ペーストは、２種類準備した。
本発明例１では、市販の酸化銀粉末（和光純薬工業株式会社製）と、還元剤としてミリスチルアルコールと、溶剤として２，２，４−トリメチル−１，３−ペンタンジオールモノ（２−メチルプロパノエート）と、を用いて、酸化銀粉末；８０質量％、還元剤（ミリスチルアルコール）；１０質量％、溶剤（２，２，４−トリメチル−１，３−ペンタンジオールモノ（２−メチルプロパノエート））；残部、の割合で混合した酸化銀ペーストを用いた。
本発明例２では、市販の酸化銀粉末（和光純薬工業株式会社製）と、還元剤としてミリスチルアルコールと、有機金属化合物として酢酸銀粉末と、溶剤として２，２，４−トリメチル−１，３−ペンタンジオールモノ（２−メチルプロパノエート）と、を用いて、酸化銀粉末；７５質量％、還元剤（ミリスチルアルコール）；８質量％、有機金属化合物（酢酸Ａｇ）；８質量％、溶剤（２，２，４−トリメチル−１，３−ペンタンジオールモノ（２−メチルプロパノエート））；残部、の割合で混合した酸化銀ペーストを用いた。
【００８３】
なお、回路層１２の表面にガラス含有Ａｇペーストを塗布するガラス含有Ａｇペースト塗布工程Ｓ２３では、ガラス含有Ａｇペーストの塗布厚さを１０μｍとした。また、第１焼成工程Ｓ２４では、焼成温度を５７５℃、焼成時間を１０分とした。
また、第１焼成層３１の上に酸化銀ペーストを塗布する酸化銀ペースト塗布工程Ｓ２５では、酸化銀ペーストの塗布厚さを５０μｍとした。また、第２焼成工程Ｓ２７では、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３の加圧圧力を３ＭＰａとした。
【００８４】
（従来例）
従来例として、上述の回路層１２の表面に厚さ５μｍのＮｉめっき膜を形成し、はんだ材（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系無鉛はんだ）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したパワーモジュールを準備した。なお、半導体素子３の加圧圧力を０ＭＰａとした。
【００８５】
（比較例）
比較例１、２として、上述の回路層１２の表面に、本発明例１，２で使用する酸化銀ペーストを直接回路層１２の表面に塗布して半導体素子３を接合した。焼成条件は、本発明例１，２と同様とした。なお、半導体素子３の加圧圧力を３ＭＰａとした。
【００８６】
（ＳＥＭ観察）
まず、本発明例１のパワーモジュールにおいて、回路層と半導体素子との接合界面を倍率２００倍でＳＥＭ観察した。結果を図７に示す。なお、（ａ）が二次電子像、（ｂ）が試料の面分析結果（Ａｇマップ）、（ｃ）が試料の面分析結果（Ｂｉマップ）である。
図７（ｃ）より、回路層の表面にガラス成分であるＢｉが層状に分布しており、ガラス層が形成されていることが確認される。また、図７（ｂ）および（ｃ）より、ガラス層の上には、Ａｇの母相中にガラス粒子が分散されたＡｇ層が確認される。さらに、この倍率では、Ａｇ層の上に形成された第２焼成層にガラス粒子が分散されていないことが確認される。
【００８７】
（評価）
次に、本発明例、従来例、比較例のパワーモジュールを用いて、冷熱サイクル試験及びパワーサイクル試験し、冷熱サイクル試験後の接合率並びに熱抵抗の上昇率、及びパワーサイクル試験後の熱抵抗の上昇率を評価した。
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剥離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剥離面積とした。
接合率 ＝ （初期接合面積−剥離面積）／初期接合面積
【００８８】
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。
【００８９】
冷熱サイクル試験は、試験片に対して、−４０℃←→１１０℃の熱サイクルを負荷することにより行う。本実施例では、この冷熱サイクルを３０００回実施した。
パワーサイクル試験は、ヒータチップに、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、ＩＧＢＴ素子の温度を３０℃から１３０℃の範囲で変化させた。本実施例では、このパワーサイクルを２０万回実施した。
この冷熱サイクル試験後、接合率及び熱抵抗の上昇率を測定した。また、パワーサイクル試験後、熱抵抗の上昇率を測定した。
その評価結果を表１に示す。
【００９０】
【表１】
【００９１】
回路層の表面に酸化銀ペーストを直接塗布して半導体素子を接合した比較例１，２においては、半導体素子と回路層との間の接合層で剥離が生じた。また、接合率も低く、熱サイクル試験、パワーサイクル試験においても、熱抵抗の上昇率が極めて高かった。この結果から、単に酸化銀ペーストを用いて半導体素子を接合しても、十分な接合強度を得られなかった。
【００９２】
また、回路層の表面にＮｉめっき膜を形成し、半導体素子をはんだ付けした従来例においては、半導体素子と回路層との間の接合層で剥離は生じておらず、接合率及び熱サイクル試験においても良好な結果が得られている。しかしながら、パワーサイクル試験においては、熱抵抗の上昇率が３０．２％と高く、接合信頼性を十分に確保することができなかった。
【００９３】
これに対して、回路層の表面にガラス含有Ａｇペーストの焼成体を形成し、この焼成体の上に酸化銀ペーストを塗布して半導体素子を接合した本発明例１，２においては、半導体素子と回路層との間の接合層で剥離は生じておらず、接合率も９８．２％、９８．３％と高い値を示した。さらに、熱サイクル試験、パワーサイクル試験においても、熱抵抗の大幅な上昇は認められなかった。
【実施例２】
【００９４】
次に、粒径２０ｎｍ以上８００ｎｍ以下のＡｇ粒子を含有した酸化銀ペーストを用いてパワーモジュールを構成し、冷熱サイクル試験及びパワーサイクル試験を実施し、冷熱サイクル試験後の接合率並びに熱抵抗の上昇率、及びパワーサイクル試験後の熱抵抗の上昇率を評価した。
【００９５】
本発明例３−５に用いた酸化銀ペーストは、本発明例１及び比較例１で用いた酸化銀ペーストに、平均粒径４０ｎｍのＡｇ粉を添加したものである。なお、酸化銀粉末とＡｇ粉との混合比は、質量比で酸化銀粉末：Ａｇ粉＝９：１とした。
本発明例６−８に用いた酸化銀ペーストは、本発明例２及び比較例２で用いた酸化銀ペーストに、平均粒径８００ｎｍのＡｇ粉を添加したものである。なお、酸化銀粉末とＡｇ粉との混合比は、質量比で酸化銀粉末：Ａｇ粉＝９：１とした。
本発明例９−１１に用いた酸化銀ペーストは、本発明例１及び比較例１で用いた酸化銀ペーストに、平均粒径４０ｎｍのＡｇ粉を添加したものである。なお、酸化銀粉末とＡｇ粉との混合比は、質量比で酸化銀粉末：Ａｇ粉＝９：１とした。
回路層１２に関して、本発明例３−８はＡｌ、本発明例９−１１はＣｕであるものを用いた。
【００９６】
そして、本発明例１，２と同様にパワーモジュールを作製した。このとき、第２焼成工程Ｓ２７における半導体素子３の加圧圧力を表２に示すように変更した。評価結果を表２に示す。
【００９７】
【表２】
【００９８】
本発明例３−５及び本発明例６−８を比較すると、第２焼成工程Ｓ２７における半導体素子３の加圧圧力が０ＭＰａあるいは１ＭＰａと低く設定した場合であっても、加圧圧力を３ＭＰａとした場合と同等の接合信頼性が得られることが確認される。すなわち、粒径２０ｎｍ以上８００ｎｍ以下のＡｇ粒子を含有した酸化銀ペーストを用いることによって、第２焼成工程Ｓ２７における半導体素子３の加圧圧力を低く設定できるのである。
【００９９】
以上のことから、本発明例によれば、熱サイクル信頼性及びパワーサイクル信頼性に優れたパワーモジュールを提供可能であることが確認される。
【符号の説明】
【０１００】
１ パワーモジュール
３ 半導体素子
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
３１ 第１焼成層
３２ ガラス層
３３ Ａｇ層
３４ 導電性粒子
３５ ガラス粒子
３８ 第２焼成層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁層の一方の面に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、
前記回路層の一方の面には、ガラス成分を含有するガラス含有Ａｇペーストの焼成体からなる第１焼成層が形成されており、
この第１焼成層の上に、酸化銀が還元されたＡｇの焼成体からなる第２焼成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。
【請求項２】
前記第１焼成層は、回路層の一方の面に形成されたガラス層と、このガラス層上に積層されたＡｇ層と、を備えており、
前記Ａｇ層には、ガラス粒子が分散し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。
【請求項３】
前記第２焼成層は、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ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のパワーモジュール。
【請求項４】
前記酸化銀ペーストは、前記酸化銀及び前記還元剤に加えて、Ａｇ粒子を含有していることを特徴とする請求項３に記載のパワーモジュール。
【請求項５】
前記絶縁層が、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４又はＡｌ２Ｏ３から選択されるセラミックス基板であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のパワーモジュール。
【請求項６】
絶縁層の一方の面に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、
前記回路層の一方の面に、ガラス成分を含有するガラス含有Ａｇペーストを塗布し、加熱処理することにより、第１焼成層を形成する工程と、
前記第１焼成層の上に、酸化銀と還元剤とを含む酸化銀ペーストを塗布する工程と、
塗布された酸化銀ペーストの上に半導体素子を積層する工程と、
前記半導体素子と前記パワーモジュール用基板とを積層した状態で加熱して、前記第１焼成層の上に第２焼成層を形成する工程と、を備え、
前記半導体素子と前記回路層とを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７】
第２焼成層を形成する工程における前記酸化銀ペーストの焼成温度が、１５０℃以上４００℃以下であることを特徴とする請求項６に記載のパワーモジュールの製造方法。
【請求項８】
前記第１焼成層を形成する工程における前記ガラス含有Ａｇペーストの焼成温度が、３５０℃以上６４５℃以下であることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載のパワーモジュールの製造方法。
【請求項９】
前記第２焼成層を形成する工程において、前記半導体素子と前記パワーモジュール用基板とを積層方向に加圧した状態で加熱することを特徴とする請求項６から請求項８のいずれか一項に記載のパワーモジュールの製造方法。
【請求項１０】
前記酸化銀ペーストは、前記酸化銀及び前記還元剤に加えて、Ａｇ粒子を含有していることを特徴とする請求項６から請求項９のいずれか一項に記載のパワーモジュールの製造方法。
【請求項１】
絶縁層の一方の面に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、
前記回路層の一方の面には、ガラス成分を含有するガラス含有Ａｇペーストの焼成体からなる第１焼成層が形成されており、
この第１焼成層の上に、酸化銀が還元されたＡｇの焼成体からなる第２焼成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。
【請求項２】
前記第１焼成層は、回路層の一方の面に形成されたガラス層と、このガラス層上に積層されたＡｇ層と、を備えており、
前記Ａｇ層には、ガラス粒子が分散し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。
【請求項３】
前記第２焼成層は、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ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のパワーモジュール。
【請求項４】
前記酸化銀ペーストは、前記酸化銀及び前記還元剤に加えて、Ａｇ粒子を含有していることを特徴とする請求項３に記載のパワーモジュール。
【請求項５】
前記絶縁層が、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４又はＡｌ２Ｏ３から選択されるセラミックス基板であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のパワーモジュール。
【請求項６】
絶縁層の一方の面に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、
前記回路層の一方の面に、ガラス成分を含有するガラス含有Ａｇペーストを塗布し、加熱処理することにより、第１焼成層を形成する工程と、
前記第１焼成層の上に、酸化銀と還元剤とを含む酸化銀ペーストを塗布する工程と、
塗布された酸化銀ペーストの上に半導体素子を積層する工程と、
前記半導体素子と前記パワーモジュール用基板とを積層した状態で加熱して、前記第１焼成層の上に第２焼成層を形成する工程と、を備え、
前記半導体素子と前記回路層とを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７】
第２焼成層を形成する工程における前記酸化銀ペーストの焼成温度が、１５０℃以上４００℃以下であることを特徴とする請求項６に記載のパワーモジュールの製造方法。
【請求項８】
前記第１焼成層を形成する工程における前記ガラス含有Ａｇペーストの焼成温度が、３５０℃以上６４５℃以下であることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載のパワーモジュールの製造方法。
【請求項９】
前記第２焼成層を形成する工程において、前記半導体素子と前記パワーモジュール用基板とを積層方向に加圧した状態で加熱することを特徴とする請求項６から請求項８のいずれか一項に記載のパワーモジュールの製造方法。
【請求項１０】
前記酸化銀ペーストは、前記酸化銀及び前記還元剤に加えて、Ａｇ粒子を含有していることを特徴とする請求項６から請求項９のいずれか一項に記載のパワーモジュールの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−１２７０６（Ｐ２０１３−１２７０６Ａ）
【公開日】平成２５年１月１７日（２０１３．１．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１１１４０（Ｐ２０１２−１１１４０）
【出願日】平成２４年１月２３日（２０１２．１．２３）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月１７日（２０１３．１．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年１月２３日（２０１２．１．２３）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
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