パワーモジュール用基板、冷却器付パワーモジュール用基板、パワーモジュール及びパワーモジュール用基板の製造方法
【課題】回路層上に半導体素子をはんだ材を介して、容易に、かつ、確実に接合することが可能なパワーモジュール用基板、冷却器付パワーモジュール用基板、パワーモジュール及びこのパワーモジュール用基板の製造方法を提供する。
【解決手段】絶縁層１１の一方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層１２が配設され、この回路層１２上にはんだ層２を介して半導体素子３が配設されるパワーモジュール用基板１０であって、回路層１２の一方の面には、ガラスを含有するＡｇペーストの焼成体からなるＡｇ焼成層３０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、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層１２が配設され、この回路層１２上にはんだ層２を介して半導体素子３が配設されるパワーモジュール用基板１０であって、回路層１２の一方の面には、ガラスを含有するＡｇペーストの焼成体からなるＡｇ焼成層３０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、半導体素子が搭載される回路層を備えたパワーモジュール用基板、このパワーモジュール基板を備えた冷却器付パワーモジュール用基板、このパワーモジュール、及び、このパワーモジュール用基板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、これを搭載する基板としては、例えば、ＡｌＮ（窒化アルミ）からなるセラミックス基板上にＡｌ（アルミニウム）の金属板がＡｌ−Ｓｉ系のろう材を介して接合されたパワーモジュール用基板が広く用いられている。
この金属板は回路層とされ、回路層の上には、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、セラミックス基板の下面にも放熱のためにＡｌ等の金属板が接合されて金属層とされ、この金属層を介して冷却器が接合されたものが提案されている。
【０００３】
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。
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１７２３７８号公報
【特許文献２】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】
【０００５】
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うとＮｉめっき膜が劣化してしまうため、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、めっき浴内にこの冷却器付パワーモジュール用基板全体を浸漬させていた。このため、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。ここで、冷却器がアルミニウム及び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。このため、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ことになるため、回路層部分にＮｉめっき膜を形成するのには多大な労力が必要であり、パワーモジュールの製造コストが大幅に増加するといった問題があった。
【０００６】
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する場合には、Ａｇナノペーストからなる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。
また、前述のように、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ており、特許文献２に記載されたＡｇナノペーストのみを用いて半導体素子を接合することはできず、やはり、アルミニウム表面にＡｇやＮｉからなる介在層を形成する必要があった（特許文献２段落番号００１４参照）。
【０００７】
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、回路層上に半導体素子をはんだ材を介して、容易に、かつ、確実に接合することが可能なパワーモジュール用基板、冷却器付パワーモジュール用基板、パワーモジュール及びこのパワーモジュール用基板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】
【０００８】
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用基板は、絶縁層の一方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層が配設され、この回路層上にはんだ層を介して半導体素子が配設されるパワーモジュール用基板であって、前記回路層の一方の面には、ガラスを含有するＡｇペーストの焼成体からなるＡｇ焼成層が形成されていることを特徴としている。
【０００９】
この構成のパワーモジュール用基板によれば、回路層の一方の面に、ガラスを含有するＡｇペーストの焼成体からなるＡｇ焼成層が形成されているので、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる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、Ａｇ焼成層を介してアルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層上にはんだ材を介して半導体素子を接合することが可能となる。つまり、Ｎｉめっき膜の代替としてＡｇ焼成層を形成しているのである。よって、パワーモジュール用基板をめっき液等に浸漬する必要がなく、マスキング処理等の面倒な作業を削減することができる。
また、半導体素子の接合にはんだ材を用いていることから、はんだ材の厚みを厚く形成することが可能となり、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。
【００１０】
ここで、前記Ａｇ焼成層は、前記回路層上に形成されたガラス層と、このガラス層の上に形成されたＡｇ層と、を備えていることが好ましい。
この場合、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層の表面に形成されているアルミニウムの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はんだ材を介して確実に接合することができる。
【００１１】
また、前記Ａｇ焼成層は、その厚さ方向における電気抵抗値Ｐが０．５Ω以下に設定されていることが好ましい。
前記Ａｇ焼成層の厚さ方向における電気抵抗値Ｐが０．５Ω以下とされているので、Ａｇ焼成層及びはんだ材を介して半導体素子と回路層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を構成することができる。さらに、半導体素子と回路層との間の電気の導通を確保するためには、前記Ａｇ焼成層の厚さ方向における電気抵抗値Ｐを０．２Ω以下とすることが好ましい。
なお、本発明においては、Ａｇ焼成層の厚さ方向における電気抵抗値Ｐは、Ａｇ焼成層の上面と回路層の上面との間の電気抵抗としている。これは、回路層を構成するアルミニウムの電気抵抗がＡｇ焼成層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、この電気抵抗値Ｐの測定は、Ａｇ焼成層の上面中央点と、Ａｇ焼成層の上面中央点からＡｇ焼成層端部までの距離Ｈとした場合にＡｇ焼成層端部からＨだけ離れた回路層上の点と、の間ので行うこととした。
【００１２】
また、前記ガラスが、酸化鉛、酸化亜鉛、酸化ケイ素、酸化ホウ素、酸化リン及び酸化ビスマスのいずれか１種又は２種以上を含有していることが好ましい。
この場合、ガラスの軟化点が比較的低くなり、低温でＡｇペーストを焼成することが可能となり、Ａｇペーストの焼成時の熱によってアルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層が劣化することを防止できる。
【００１３】
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、パワーモジュール用基板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アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属板をろう付けすることによって、容易に回路層を形成することが可能となる。
【００１４】
本発明に係る冷却器付パワーモジュール用基板は、前述の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絶縁層の他方の面側に配設された冷却器と、を備えていることを特徴としている。
この構成の冷却器付パワーモジュール用基板によれば、回路層上に前述のＡｇ焼成層が形成されているので、はんだ材を介して半導体素子を接合することができる。
なお、冷却器は、絶縁層の他方の面に直接接合する必要はなく、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層や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）からなる緩衝層を介して、絶縁層の他方の面側に接合されていればよい。
【００１５】
本発明に係るパワーモジュールは、前述の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回路層の一方の面側に配設された半導体素子と、を備え、前記半導体素子は、はんだ層を介して接合されていることを特徴としている。
この構成のパワーモジュールにおいては、はんだ材を介して半導体素子が接合されていることから、熱サイクル負荷時の応力がはんだ材によって緩和され、半導体素子の破損を抑制することができる。よって、熱サイクル信頼性を大幅に向上させることができる。また、Ｎｉめっき膜を形成する必要がないため、生産コストの大幅な削減を図ることができる。
【００１６】
本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法は、絶縁層の一方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層が配設され、この回路層上にはんだ層を介して半導体素子が配設されるパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記回路層の一方の面にガラス粉末を含有するＡｇペーストを塗布する塗布工程と、Ａｇペーストを塗布した状態で加熱処理して前記Ａｇペーストを焼成する焼成工程と、を備え、前記回路層の一方の面に、ガラスを含有するＡｇペーストの焼成体からなるＡｇ焼成層を形成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用基板の製造方法によれば、ガラス粉末を含有するＡｇペーストを塗布する塗布工程と、Ａｇペーストを塗布した状態で加熱処理して前記Ａｇペーストを焼成する焼成工程と、を備えているので、回路層の一方の面にＡｇ焼成層を形成することができる。また、ガラス粉末を含有するＡｇペーストを使用しているので、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる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可能となり、回路層上にＡｇ焼成層を確実に形成することができる。
【００１８】
ここで、前記焼成工程における焼成温度が、３５０℃以上６４５℃以下であることが好ましい。
焼成工程における焼成温度が３５０℃以上とされているので、Ａｇペーストを焼成してＡｇ焼成層を確実に形成することができる。また、焼成温度が６４５℃以下とされているので、焼成工程におけるアルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層の劣化を防止することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、回路層上に半導体素子を、容易に、かつ、確実に接合することが可能なパワーモジュール用基板、冷却器付パワーモジュール用基板、パワーモジュール及びこのパワーモジュール用基板の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態であるパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。
【図２】本発明の実施形態であるパワーモジュール用基板を示す説明図である。
【図３】図２のパワーモジュール用基板における回路層表面の拡大説明図である。
【図４】本発明の実施形態において、Ａｇ焼成層の厚さ方向の電気抵抗値Ｐの測定方法を示す上面説明図である。
【図５】本発明の実施形態において、Ａｇ焼成層の厚さ方向の電気抵抗値Ｐの測定方法を示す側面説明図である。
【図６】Ａｇペーストの製造方法を示すフロー図である。
【図７】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。
【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。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の表面にはんだ層２を介して接合された半導体チップ３と、冷却器４０とを備えている。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。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。
【００２６】
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１５が設けられている。
【００２７】
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の表面（図１において上面）に、後述するＡｇペーストを焼成して形成されたＡｇ焼成層３０が形成されており、このＡｇ焼成層３０の表面に、はんだ層２を介して半導体チップ３が接合されている。ここで、はんだ層２を形成するはんだ材としては、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系が挙げられる。
なお、Ａｇ焼成層３０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。
【００２８】
図２及び図３に、はんだ層２を介して半導体チップ３を接合する前のパワーモジュール用基板１０を示す。
このパワーモジュール用基板１０においては、回路層１２の表面（図２及び図３において上面）に、前述のＡｇ焼成層３０が形成されている。このＡｇ焼成層３０は、はんだ層２を介して半導体チップ３を接合する前の状態では、図３に示すように、回路層１２側に形成されたガラス層３１と、このガラス層３１上に形成されたＡｇ層３２と、を備えている。そして、このガラス層３１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３３が分散されている。この導電性粒子３３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。
【００２９】
さらに、このＡｇ焼成層３０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。ここで、本実施形態においては、Ａｇ焼成層３０の厚さ方向における電気抵抗値Ｐは、Ａｇ焼成層３０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Ａｇ焼成層３０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、図４及び図５に示すように、Ａｇ焼成層３０の上面中央点と、Ａｇ焼成層３０の上面中央点からＡｇ焼成層３０端部までの距離Ｈに対してＡｇ焼成層３０端部からＨだけ離れた回路層１２上の点と、の間の電気抵抗を測定することとしている。
【００３０】
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（図３において上面）には、大気中で自然発生したアルミニウム酸化皮膜１２Ａが形成されているが、前述のＡｇ焼成層３０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１２Ａが除去されており、回路層１２上に直接、Ａｇ焼成層３０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３１とが直接接合されているのである。
【００３１】
ここで、回路層１２上に自然発生するアルミニウム酸化皮膜１２Ａの厚さｔｏが、４ｎｍ≦ｔｏ≦６ｎｍとされている。また、本実施形態においては、ガラス層３１の厚さｔｇが０．０１μｍ≦ｔｇ≦５μｍ、Ａｇ層３２の厚さｔａが１μｍ≦ｔａ≦１００μｍ、Ａｇ焼成層３０全体の厚さｔｇ＋ｔａが１．０１μｍ≦ｔｇ＋ｔａ≦１０５μｍとなるように構成されている。
【００３２】
次に、Ａｇ焼成層３０を構成する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、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。
【００３３】
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、例えば、酸化鉛、酸化亜鉛、酸化ケイ素、酸化ホウ素、酸化リン及び酸化ビスマスのいずれか１種又は２種以上を含有しており、その軟化温度が６００℃以下とされている。本実施形態では、酸化鉛と酸化亜鉛と酸化ホウ素とからなり、平均粒径が０．５μｍのガラス粉末を使用した。
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。
【００３４】
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。
【００３５】
次に、Ａｇペースト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、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（混合粉末形成工程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、前述のＡｇペーストが製出されることになる。
【００３６】
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７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Ｓ１１）。なお、このろう付けの温度は、６４０℃〜６５０℃に設定されている。
【００３７】
次に、金属層１３の他方の面側に、緩衝層１５を介して冷却器４０（天板部４１）をろう材を介して接合する（冷却器接合工程Ｓ１２）。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。
【００３８】
そして、回路層１２の表面に、前述のＡｇペーストを塗布する（Ａｇペースト塗布工程Ｓ１３）。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。
【００３９】
回路層１２表面に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（焼成工程Ｓ１４）。なお、このときの焼成温度は、３５０℃〜６４５℃に設定されている。
この焼成工程Ｓ１４により、ガラス層３１とＡｇ層３２とを備えたＡｇ焼成層３０が形成される。このとき、ガラス層３１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１２Ａが溶融除去されることになり、回路層１２に直接ガラス層３１が形成される。また、ガラス層３１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３３が分散されることになる。この導電性粒子３３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３１内部に析出したものと推測される。
【００４０】
こうして、回路層１２の表面にＡｇ焼成層３０が形成されたパワーモジュール用基板１０及び冷却器付パワーモジュール用基板が製出される。
【００４１】
そして、Ａｇ焼成層３０の表面に、はんだ材を介して半導体チップ３を載置し、還元炉内においてはんだ接合する（はんだ接合工程Ｓ１５）。このとき、はんだ材によって形成されるはんだ層２には、Ａｇ焼成層３０のＡｇ層３２の一部又は全部が溶融することになる。
これにより、はんだ層２を介して半導体チップ３が回路層１２上に接合されたパワーモジュール１が製出される。
【００４２】
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用基板１０及びパワーモジュール１においては、純度９９．９９％以上のアルミニウム板をセラミックス基板１１にろう付けして構成された回路層１２の表面に、ガラスを含有するＡｇペーストの焼成体からなるＡｇ焼成層３０が形成されているので、このＡｇ焼成層３０上にはんだ層２を形成して半導体チップ３を接合することができる。つまり、従来のようにＮｉめっき膜を形成する必要がなく、比較的簡単に、かつ、確実に回路層１２上に半導体チップ３を接合することが可能となるのである。よって、Ｎｉめっき膜を形成した場合に生じる不具合が無くなり、パワーモジュール１を良好に製出することができる。
【００４３】
ここで、Ａｇ焼成層３０が、図３に示すように、ガラス層３１と、このガラス層３１の上に形成されたＡｇ層３２と、を備えているので、回路層１２の表面に自然発生したアルミニウム酸化皮膜１２Ａをガラス層３１中に溶融させて除去することができ、回路層１２表面に直接ガラス層３１（Ａｇ焼成層３０）を形成することができる。
そして、このガラス層３１内部には、粒径が数ナノメートル程度とされた微細な導電性粒子３３が分散されているので、ガラス層３１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３１を含めたＡｇ焼成層３０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ある。
したがって、Ａｇ焼成層３０及びはんだ層２を介して半導体チップ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。
【００４４】
また、Ａｇ焼成層３０を構成するＡｇペーストが、Ａｇ粉末と、酸化鉛と酸化亜鉛と酸化ホウ素とからなるガラス粉末と、を含有しており、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Ａｇペーストを焼成することが可能となる。具体的には、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、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用基板１０及びパワーモジュール１を製出することが可能となる。
【００４５】
さらに、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Ａｇペーストを塗布するＡｇペースト塗布工程Ｓ１３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、Ａｇ焼成層３０を半導体チップ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、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用基板１０及びパワーモジュール１の製造コストを大幅に削減することができる。
【００４６】
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。
【実施例１】
【００４７】
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。
本発明例１として、前述の実施形態に記載されたパワーモジュール用基板を準備した。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上にＡｇ焼成層を形成したものを本発明例１とした。
従来例として、前述の実施形態に記載されたパワーモジュール用基板において、Ａｇ焼成層の代わりに、回路層表面に厚さ５μｍのＮｉめっき膜を形成したものを準備した。
【００４８】
これら本発明例１と従来例について、はんだ濡れ性を評価した。はんだ濡れ性の評価は、ＪＩＳ Ｚ ３１９７に規定された広がり試験によって評価した。広がり率Ｓは、試料（Ａｇ焼成層又はＮｉめっき膜）上に直径ｄのボール状のはんだ材を載置し、これを所定温度に加熱して形成されたはんだ層の高さｈを測定し、（ｄ−ｈ）／ｄ×１００で算出される指標である。この広がり率Ｓが大きいほど、はんだ材との濡れ性が良く、はんだ層を介して半導体チップを強固に接合できることになる。
ここで、本実施例では、はんだ材としてＰｂ−１０ｗｔ％Ｓｎ材を用いて、３５０℃で０．１時間保持後のはんだ層の高さを測定した。結果を表１に示す。
【００４９】
【表１】
【００５０】
Ｎｉめっき膜を形成した従来例においては、広がり率Ｓが６７〜７０％とされている。これに対して、Ａｇ焼結層を形成した本発明例１においては、広がり率Ｓが７０〜７２％とされており、従来例と同等以上のはんだ濡れ性を有していることが確認される。
したがって、回路層上にＡｇ焼成層を設けた本発明例１においても、Ｎｉめっき膜を形成した従来例と同様に、はんだ層を介して半導体チップを接合してパワーモジュールを構成することが可能であることが確認された。
【実施例２】
【００５１】
次に、前述の実施形態に記載されたパワーモジュール用基板において、Ａｇ焼成層の厚さ方向の電気抵抗値Ｐを測定した結果を説明する。
Ａｇ焼成層のＡｇ層厚さｔａ、ガラス層厚さｔｇを変更するとともに、Ａｇ粉末の重量Ａとガラス粉末の重量Ｇとの重量比Ａ／Ｇを変更し、本発明例２−６を製出した。なお、このときのガラス粉末としては、ＰｂＯ−ＺｎＯ−ＳｉＯ２系ガラスを用いた。また、Ａｇ焼成層を上面視して一辺の長さが１５ｍｍの正方形状に成形した。
このようにして得られた本発明例２−６の試料について、図４及び図５に記載された方法により、テスタ（ＫＥＩＴＨＬＥＹ社製：２０１０ＭＵＬＴＩＭＥＴＥＲ）を用いて、Ａｇ焼成層の厚さ方向の電気抵抗値Ｐを測定した。測定結果を表２に示す。
【００５２】
【表２】
【００５３】
本発明例２−６のいずれにおいても、Ａｇ焼成層の厚さ方向の電気抵抗値Ｐが０．５Ω以下とされていることが確認された。また、ガラス粉末の比率を小さく、かつ、ガラス層の厚さｔｇを薄く形成することにより、Ａｇ焼成層の厚さ方向の電気抵抗値Ｐが小さくなることが確認された。
【００５４】
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、純度９９％のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）であってもよく、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されていればよい。
【００５５】
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。
例えば、ガラス粉末は、酸化鉛、酸化亜鉛、酸化ケイ素、酸化ホウ素、酸化リン及び酸化ビスマスのいずれか１種又は２種以上を主成分として含有していれば、その他にアルカリ金属や遷移金属等を有していてもよく、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。
【００５６】
また、形成されるＡｇ焼成層におけるガラス層とＡｇ層の厚さ比は、図３に例示したものに限定されることはない。
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。
【００５７】
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ろう付けするとともに、冷却器をろう付けした後に、回路層上にＡｇ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ろう付けする前や、冷却器をろう付けする前に、Ａｇ焼成層を形成してもよい。
【００５８】
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、この緩衝層がなくてもよい。
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。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。
【符号の説明】
【００５９】
１ パワーモジュール
２ はんだ層
３ 半導体チップ（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
１２ 回路層
１２Ａ アルミニウム酸化皮膜
３０ Ａｇ焼成層
３１ ガラス層
３２ Ａｇ層
３３ 導電性粒子
４０ 冷却器
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体素子が搭載される回路層を備えたパワーモジュール用基板、このパワーモジュール基板を備えた冷却器付パワーモジュール用基板、このパワーモジュール、及び、このパワーモジュール用基板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、これを搭載する基板としては、例えば、ＡｌＮ（窒化アルミ）からなるセラミックス基板上にＡｌ（アルミニウム）の金属板がＡｌ−Ｓｉ系のろう材を介して接合されたパワーモジュール用基板が広く用いられている。
この金属板は回路層とされ、回路層の上には、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、セラミックス基板の下面にも放熱のためにＡｌ等の金属板が接合されて金属層とされ、この金属層を介して冷却器が接合されたものが提案されている。
【０００３】
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。
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１７２３７８号公報
【特許文献２】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】
【０００５】
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うとＮｉめっき膜が劣化してしまうため、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、めっき浴内にこの冷却器付パワーモジュール用基板全体を浸漬させていた。このため、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。ここで、冷却器がアルミニウム及び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。このため、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ことになるため、回路層部分にＮｉめっき膜を形成するのには多大な労力が必要であり、パワーモジュールの製造コストが大幅に増加するといった問題があった。
【０００６】
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する場合には、Ａｇナノペーストからなる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。
また、前述のように、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ており、特許文献２に記載されたＡｇナノペーストのみを用いて半導体素子を接合することはできず、やはり、アルミニウム表面にＡｇやＮｉからなる介在層を形成する必要があった（特許文献２段落番号００１４参照）。
【０００７】
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、回路層上に半導体素子をはんだ材を介して、容易に、かつ、確実に接合することが可能なパワーモジュール用基板、冷却器付パワーモジュール用基板、パワーモジュール及びこのパワーモジュール用基板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】
【０００８】
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用基板は、絶縁層の一方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層が配設され、この回路層上にはんだ層を介して半導体素子が配設されるパワーモジュール用基板であって、前記回路層の一方の面には、ガラスを含有するＡｇペーストの焼成体からなるＡｇ焼成層が形成されていることを特徴としている。
【０００９】
この構成のパワーモジュール用基板によれば、回路層の一方の面に、ガラスを含有するＡｇペーストの焼成体からなるＡｇ焼成層が形成されているので、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる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、Ａｇ焼成層を介してアルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層上にはんだ材を介して半導体素子を接合することが可能となる。つまり、Ｎｉめっき膜の代替としてＡｇ焼成層を形成しているのである。よって、パワーモジュール用基板をめっき液等に浸漬する必要がなく、マスキング処理等の面倒な作業を削減することができる。
また、半導体素子の接合にはんだ材を用いていることから、はんだ材の厚みを厚く形成することが可能となり、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。
【００１０】
ここで、前記Ａｇ焼成層は、前記回路層上に形成されたガラス層と、このガラス層の上に形成されたＡｇ層と、を備えていることが好ましい。
この場合、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層の表面に形成されているアルミニウムの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はんだ材を介して確実に接合することができる。
【００１１】
また、前記Ａｇ焼成層は、その厚さ方向における電気抵抗値Ｐが０．５Ω以下に設定されていることが好ましい。
前記Ａｇ焼成層の厚さ方向における電気抵抗値Ｐが０．５Ω以下とされているので、Ａｇ焼成層及びはんだ材を介して半導体素子と回路層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を構成することができる。さらに、半導体素子と回路層との間の電気の導通を確保するためには、前記Ａｇ焼成層の厚さ方向における電気抵抗値Ｐを０．２Ω以下とすることが好ましい。
なお、本発明においては、Ａｇ焼成層の厚さ方向における電気抵抗値Ｐは、Ａｇ焼成層の上面と回路層の上面との間の電気抵抗としている。これは、回路層を構成するアルミニウムの電気抵抗がＡｇ焼成層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、この電気抵抗値Ｐの測定は、Ａｇ焼成層の上面中央点と、Ａｇ焼成層の上面中央点からＡｇ焼成層端部までの距離Ｈとした場合にＡｇ焼成層端部からＨだけ離れた回路層上の点と、の間ので行うこととした。
【００１２】
また、前記ガラスが、酸化鉛、酸化亜鉛、酸化ケイ素、酸化ホウ素、酸化リン及び酸化ビスマスのいずれか１種又は２種以上を含有していることが好ましい。
この場合、ガラスの軟化点が比較的低くなり、低温でＡｇペーストを焼成することが可能となり、Ａｇペーストの焼成時の熱によってアルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層が劣化することを防止できる。
【００１３】
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、パワーモジュール用基板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アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属板をろう付けすることによって、容易に回路層を形成することが可能となる。
【００１４】
本発明に係る冷却器付パワーモジュール用基板は、前述の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絶縁層の他方の面側に配設された冷却器と、を備えていることを特徴としている。
この構成の冷却器付パワーモジュール用基板によれば、回路層上に前述のＡｇ焼成層が形成されているので、はんだ材を介して半導体素子を接合することができる。
なお、冷却器は、絶縁層の他方の面に直接接合する必要はなく、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層や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）からなる緩衝層を介して、絶縁層の他方の面側に接合されていればよい。
【００１５】
本発明に係るパワーモジュールは、前述の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回路層の一方の面側に配設された半導体素子と、を備え、前記半導体素子は、はんだ層を介して接合されていることを特徴としている。
この構成のパワーモジュールにおいては、はんだ材を介して半導体素子が接合されていることから、熱サイクル負荷時の応力がはんだ材によって緩和され、半導体素子の破損を抑制することができる。よって、熱サイクル信頼性を大幅に向上させることができる。また、Ｎｉめっき膜を形成する必要がないため、生産コストの大幅な削減を図ることができる。
【００１６】
本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法は、絶縁層の一方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層が配設され、この回路層上にはんだ層を介して半導体素子が配設されるパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記回路層の一方の面にガラス粉末を含有するＡｇペーストを塗布する塗布工程と、Ａｇペーストを塗布した状態で加熱処理して前記Ａｇペーストを焼成する焼成工程と、を備え、前記回路層の一方の面に、ガラスを含有するＡｇペーストの焼成体からなるＡｇ焼成層を形成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用基板の製造方法によれば、ガラス粉末を含有するＡｇペーストを塗布する塗布工程と、Ａｇペーストを塗布した状態で加熱処理して前記Ａｇペーストを焼成する焼成工程と、を備えているので、回路層の一方の面にＡｇ焼成層を形成することができる。また、ガラス粉末を含有するＡｇペーストを使用しているので、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる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可能となり、回路層上にＡｇ焼成層を確実に形成することができる。
【００１８】
ここで、前記焼成工程における焼成温度が、３５０℃以上６４５℃以下であることが好ましい。
焼成工程における焼成温度が３５０℃以上とされているので、Ａｇペーストを焼成してＡｇ焼成層を確実に形成することができる。また、焼成温度が６４５℃以下とされているので、焼成工程におけるアルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層の劣化を防止することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、回路層上に半導体素子を、容易に、かつ、確実に接合することが可能なパワーモジュール用基板、冷却器付パワーモジュール用基板、パワーモジュール及びこのパワーモジュール用基板の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態であるパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。
【図２】本発明の実施形態であるパワーモジュール用基板を示す説明図である。
【図３】図２のパワーモジュール用基板における回路層表面の拡大説明図である。
【図４】本発明の実施形態において、Ａｇ焼成層の厚さ方向の電気抵抗値Ｐの測定方法を示す上面説明図である。
【図５】本発明の実施形態において、Ａｇ焼成層の厚さ方向の電気抵抗値Ｐの測定方法を示す側面説明図である。
【図６】Ａｇペーストの製造方法を示すフロー図である。
【図７】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。
【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。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の表面にはんだ層２を介して接合された半導体チップ３と、冷却器４０とを備えている。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。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。
【００２６】
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１５が設けられている。
【００２７】
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の表面（図１において上面）に、後述するＡｇペーストを焼成して形成されたＡｇ焼成層３０が形成されており、このＡｇ焼成層３０の表面に、はんだ層２を介して半導体チップ３が接合されている。ここで、はんだ層２を形成するはんだ材としては、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系が挙げられる。
なお、Ａｇ焼成層３０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。
【００２８】
図２及び図３に、はんだ層２を介して半導体チップ３を接合する前のパワーモジュール用基板１０を示す。
このパワーモジュール用基板１０においては、回路層１２の表面（図２及び図３において上面）に、前述のＡｇ焼成層３０が形成されている。このＡｇ焼成層３０は、はんだ層２を介して半導体チップ３を接合する前の状態では、図３に示すように、回路層１２側に形成されたガラス層３１と、このガラス層３１上に形成されたＡｇ層３２と、を備えている。そして、このガラス層３１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３３が分散されている。この導電性粒子３３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。
【００２９】
さらに、このＡｇ焼成層３０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。ここで、本実施形態においては、Ａｇ焼成層３０の厚さ方向における電気抵抗値Ｐは、Ａｇ焼成層３０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Ａｇ焼成層３０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、図４及び図５に示すように、Ａｇ焼成層３０の上面中央点と、Ａｇ焼成層３０の上面中央点からＡｇ焼成層３０端部までの距離Ｈに対してＡｇ焼成層３０端部からＨだけ離れた回路層１２上の点と、の間の電気抵抗を測定することとしている。
【００３０】
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（図３において上面）には、大気中で自然発生したアルミニウム酸化皮膜１２Ａが形成されているが、前述のＡｇ焼成層３０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１２Ａが除去されており、回路層１２上に直接、Ａｇ焼成層３０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３１とが直接接合されているのである。
【００３１】
ここで、回路層１２上に自然発生するアルミニウム酸化皮膜１２Ａの厚さｔｏが、４ｎｍ≦ｔｏ≦６ｎｍとされている。また、本実施形態においては、ガラス層３１の厚さｔｇが０．０１μｍ≦ｔｇ≦５μｍ、Ａｇ層３２の厚さｔａが１μｍ≦ｔａ≦１００μｍ、Ａｇ焼成層３０全体の厚さｔｇ＋ｔａが１．０１μｍ≦ｔｇ＋ｔａ≦１０５μｍとなるように構成されている。
【００３２】
次に、Ａｇ焼成層３０を構成する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、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。
【００３３】
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、例えば、酸化鉛、酸化亜鉛、酸化ケイ素、酸化ホウ素、酸化リン及び酸化ビスマスのいずれか１種又は２種以上を含有しており、その軟化温度が６００℃以下とされている。本実施形態では、酸化鉛と酸化亜鉛と酸化ホウ素とからなり、平均粒径が０．５μｍのガラス粉末を使用した。
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。
【００３４】
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。
【００３５】
次に、Ａｇペースト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、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（混合粉末形成工程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、前述のＡｇペーストが製出されることになる。
【００３６】
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７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Ｓ１１）。なお、このろう付けの温度は、６４０℃〜６５０℃に設定されている。
【００３７】
次に、金属層１３の他方の面側に、緩衝層１５を介して冷却器４０（天板部４１）をろう材を介して接合する（冷却器接合工程Ｓ１２）。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。
【００３８】
そして、回路層１２の表面に、前述のＡｇペーストを塗布する（Ａｇペースト塗布工程Ｓ１３）。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。
【００３９】
回路層１２表面に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（焼成工程Ｓ１４）。なお、このときの焼成温度は、３５０℃〜６４５℃に設定されている。
この焼成工程Ｓ１４により、ガラス層３１とＡｇ層３２とを備えたＡｇ焼成層３０が形成される。このとき、ガラス層３１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１２Ａが溶融除去されることになり、回路層１２に直接ガラス層３１が形成される。また、ガラス層３１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３３が分散されることになる。この導電性粒子３３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３１内部に析出したものと推測される。
【００４０】
こうして、回路層１２の表面にＡｇ焼成層３０が形成されたパワーモジュール用基板１０及び冷却器付パワーモジュール用基板が製出される。
【００４１】
そして、Ａｇ焼成層３０の表面に、はんだ材を介して半導体チップ３を載置し、還元炉内においてはんだ接合する（はんだ接合工程Ｓ１５）。このとき、はんだ材によって形成されるはんだ層２には、Ａｇ焼成層３０のＡｇ層３２の一部又は全部が溶融することになる。
これにより、はんだ層２を介して半導体チップ３が回路層１２上に接合されたパワーモジュール１が製出される。
【００４２】
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用基板１０及びパワーモジュール１においては、純度９９．９９％以上のアルミニウム板をセラミックス基板１１にろう付けして構成された回路層１２の表面に、ガラスを含有するＡｇペーストの焼成体からなるＡｇ焼成層３０が形成されているので、このＡｇ焼成層３０上にはんだ層２を形成して半導体チップ３を接合することができる。つまり、従来のようにＮｉめっき膜を形成する必要がなく、比較的簡単に、かつ、確実に回路層１２上に半導体チップ３を接合することが可能となるのである。よって、Ｎｉめっき膜を形成した場合に生じる不具合が無くなり、パワーモジュール１を良好に製出することができる。
【００４３】
ここで、Ａｇ焼成層３０が、図３に示すように、ガラス層３１と、このガラス層３１の上に形成されたＡｇ層３２と、を備えているので、回路層１２の表面に自然発生したアルミニウム酸化皮膜１２Ａをガラス層３１中に溶融させて除去することができ、回路層１２表面に直接ガラス層３１（Ａｇ焼成層３０）を形成することができる。
そして、このガラス層３１内部には、粒径が数ナノメートル程度とされた微細な導電性粒子３３が分散されているので、ガラス層３１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３１を含めたＡｇ焼成層３０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ある。
したがって、Ａｇ焼成層３０及びはんだ層２を介して半導体チップ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。
【００４４】
また、Ａｇ焼成層３０を構成するＡｇペーストが、Ａｇ粉末と、酸化鉛と酸化亜鉛と酸化ホウ素とからなるガラス粉末と、を含有しており、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Ａｇペーストを焼成することが可能となる。具体的には、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、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用基板１０及びパワーモジュール１を製出することが可能となる。
【００４５】
さらに、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Ａｇペーストを塗布するＡｇペースト塗布工程Ｓ１３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、Ａｇ焼成層３０を半導体チップ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、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用基板１０及びパワーモジュール１の製造コストを大幅に削減することができる。
【００４６】
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。
【実施例１】
【００４７】
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。
本発明例１として、前述の実施形態に記載されたパワーモジュール用基板を準備した。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上にＡｇ焼成層を形成したものを本発明例１とした。
従来例として、前述の実施形態に記載されたパワーモジュール用基板において、Ａｇ焼成層の代わりに、回路層表面に厚さ５μｍのＮｉめっき膜を形成したものを準備した。
【００４８】
これら本発明例１と従来例について、はんだ濡れ性を評価した。はんだ濡れ性の評価は、ＪＩＳ Ｚ ３１９７に規定された広がり試験によって評価した。広がり率Ｓは、試料（Ａｇ焼成層又はＮｉめっき膜）上に直径ｄのボール状のはんだ材を載置し、これを所定温度に加熱して形成されたはんだ層の高さｈを測定し、（ｄ−ｈ）／ｄ×１００で算出される指標である。この広がり率Ｓが大きいほど、はんだ材との濡れ性が良く、はんだ層を介して半導体チップを強固に接合できることになる。
ここで、本実施例では、はんだ材としてＰｂ−１０ｗｔ％Ｓｎ材を用いて、３５０℃で０．１時間保持後のはんだ層の高さを測定した。結果を表１に示す。
【００４９】
【表１】
【００５０】
Ｎｉめっき膜を形成した従来例においては、広がり率Ｓが６７〜７０％とされている。これに対して、Ａｇ焼結層を形成した本発明例１においては、広がり率Ｓが７０〜７２％とされており、従来例と同等以上のはんだ濡れ性を有していることが確認される。
したがって、回路層上にＡｇ焼成層を設けた本発明例１においても、Ｎｉめっき膜を形成した従来例と同様に、はんだ層を介して半導体チップを接合してパワーモジュールを構成することが可能であることが確認された。
【実施例２】
【００５１】
次に、前述の実施形態に記載されたパワーモジュール用基板において、Ａｇ焼成層の厚さ方向の電気抵抗値Ｐを測定した結果を説明する。
Ａｇ焼成層のＡｇ層厚さｔａ、ガラス層厚さｔｇを変更するとともに、Ａｇ粉末の重量Ａとガラス粉末の重量Ｇとの重量比Ａ／Ｇを変更し、本発明例２−６を製出した。なお、このときのガラス粉末としては、ＰｂＯ−ＺｎＯ−ＳｉＯ２系ガラスを用いた。また、Ａｇ焼成層を上面視して一辺の長さが１５ｍｍの正方形状に成形した。
このようにして得られた本発明例２−６の試料について、図４及び図５に記載された方法により、テスタ（ＫＥＩＴＨＬＥＹ社製：２０１０ＭＵＬＴＩＭＥＴＥＲ）を用いて、Ａｇ焼成層の厚さ方向の電気抵抗値Ｐを測定した。測定結果を表２に示す。
【００５２】
【表２】
【００５３】
本発明例２−６のいずれにおいても、Ａｇ焼成層の厚さ方向の電気抵抗値Ｐが０．５Ω以下とされていることが確認された。また、ガラス粉末の比率を小さく、かつ、ガラス層の厚さｔｇを薄く形成することにより、Ａｇ焼成層の厚さ方向の電気抵抗値Ｐが小さくなることが確認された。
【００５４】
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、純度９９％のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）であってもよく、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されていればよい。
【００５５】
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。
例えば、ガラス粉末は、酸化鉛、酸化亜鉛、酸化ケイ素、酸化ホウ素、酸化リン及び酸化ビスマスのいずれか１種又は２種以上を主成分として含有していれば、その他にアルカリ金属や遷移金属等を有していてもよく、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。
【００５６】
また、形成されるＡｇ焼成層におけるガラス層とＡｇ層の厚さ比は、図３に例示したものに限定されることはない。
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。
【００５７】
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ろう付けするとともに、冷却器をろう付けした後に、回路層上にＡｇ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ろう付けする前や、冷却器をろう付けする前に、Ａｇ焼成層を形成してもよい。
【００５８】
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、この緩衝層がなくてもよい。
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。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。
【符号の説明】
【００５９】
１ パワーモジュール
２ はんだ層
３ 半導体チップ（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
１２ 回路層
１２Ａ アルミニウム酸化皮膜
３０ Ａｇ焼成層
３１ ガラス層
３２ Ａｇ層
３３ 導電性粒子
４０ 冷却器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁層の一方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層が配設され、この回路層上にはんだ層を介して半導体素子が配設されるパワーモジュール用基板であって、
前記回路層の一方の面には、ガラスを含有するＡｇペーストの焼成体からなるＡｇ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用基板。
【請求項２】
前記Ａｇ焼成層は、前記回路層上に形成されたガラス層と、このガラス層の上に形成されたＡｇ層と、を備え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用基板。
【請求項３】
前記Ａｇ焼成層は、その厚さ方向における電気抵抗値Ｐが０．５Ω以下に設定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用基板。
【請求項４】
前記ガラスが、酸化鉛、酸化亜鉛、酸化ケイ素、酸化ホウ素、酸化リン及び酸化ビスマスのいずれか１種又は２種以上を含有していることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項５】
前記絶縁層が、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４又はＡｌ２Ｏ３から選択される絶縁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用基板。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の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絶縁層の他方の面側に配設された冷却器と、を備え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。
【請求項７】
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の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回路層の一方の面側に配設された半導体素子と、を備え、前記半導体素子は、はんだ層を介して接合されていることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項８】
絶縁層の一方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層が配設され、この回路層上にはんだ層を介して半導体素子が配設されるパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記回路層の一方の面にガラスを含有するＡｇペーストを塗布する塗布工程と、Ａｇペーストを塗布した状態で加熱処理して前記Ａｇペーストを焼成する焼成工程と、を備え、
前記回路層の一方の面に、ガラスを含有するＡｇペーストの焼成体からなるＡｇ焼成層を形成することを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項９】
前記焼成工程における焼成温度が、３５０℃以上６４５℃以下であることを特徴とする請求項８に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項１】
絶縁層の一方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層が配設され、この回路層上にはんだ層を介して半導体素子が配設されるパワーモジュール用基板であって、
前記回路層の一方の面には、ガラスを含有するＡｇペーストの焼成体からなるＡｇ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用基板。
【請求項２】
前記Ａｇ焼成層は、前記回路層上に形成されたガラス層と、このガラス層の上に形成されたＡｇ層と、を備え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用基板。
【請求項３】
前記Ａｇ焼成層は、その厚さ方向における電気抵抗値Ｐが０．５Ω以下に設定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用基板。
【請求項４】
前記ガラスが、酸化鉛、酸化亜鉛、酸化ケイ素、酸化ホウ素、酸化リン及び酸化ビスマスのいずれか１種又は２種以上を含有していることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項５】
前記絶縁層が、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４又はＡｌ２Ｏ３から選択される絶縁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用基板。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の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絶縁層の他方の面側に配設された冷却器と、を備え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。
【請求項７】
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の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回路層の一方の面側に配設された半導体素子と、を備え、前記半導体素子は、はんだ層を介して接合されていることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項８】
絶縁層の一方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層が配設され、この回路層上にはんだ層を介して半導体素子が配設されるパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記回路層の一方の面にガラスを含有するＡｇペーストを塗布する塗布工程と、Ａｇペーストを塗布した状態で加熱処理して前記Ａｇペーストを焼成する焼成工程と、を備え、
前記回路層の一方の面に、ガラスを含有するＡｇペーストの焼成体からなるＡｇ焼成層を形成することを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項９】
前記焼成工程における焼成温度が、３５０℃以上６４５℃以下であることを特徴とする請求項８に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
【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２０１０−２８７８６９（Ｐ２０１０−２８７８６９Ａ）
【公開日】平成２２年１２月２４日（２０１０．１２．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１７２１６５（Ｐ２００９−１７２１６５）
【出願日】平成２１年７月２３日（２００９．７．２３）
【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２２年１２月２４日（２０１０．１２．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月２３日（２００９．７．２３）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]