液相拡散接合用Ａｇペースト、および、この液相拡散接合用Ａｇペーストを用いたパワーモジュール用基板の製造方法
【課題】アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属部材を確実に接合することが可能な液相拡散接合用Ａｇペースト、および、この液相拡散接合用Ａｇペーストを用いた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】アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属部材を液相拡散接合する際に使用される液相拡散接合用Ａｇペーストであって、ＡｇおよびＣｕを含む金属粉末成分と、樹脂と、溶剤と、を含み、前記金属粉末成分におけるＡｇおよびＣｕの質量比Ｃｕ／Ａｇが、１／９≦Ｃｕ／Ａｇ≦４／６の範囲内に設定されていることを特徴とする。
【解決手段】アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属部材を液相拡散接合する際に使用される液相拡散接合用Ａｇペーストであって、ＡｇおよびＣｕを含む金属粉末成分と、樹脂と、溶剤と、を含み、前記金属粉末成分におけるＡｇおよびＣｕの質量比Ｃｕ／Ａｇが、１／９≦Ｃｕ／Ａｇ≦４／６の範囲内に設定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、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属部材を液相拡散接合によって接合する際に用いられる液相拡散接合用Ａｇペースト、および、この液相拡散接合用Ａｇペーストを用いた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】
アルミニウム部材を接合する際に使用される接合剤としては、例えば、特許文献１，２に示すようなＡｌ−Ｓｉ系のろう材ペーストが広く用いられている。
また、特許文献３に記載されているように、液相拡散焼結法によって金属部材同士を接合する高温はんだペーストが提案されている。
【０００３】
ところで、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属部材を接合して構成される製品としては、例えば、セラミックス基板とアルミニウム板とを接合して形成されたパワーモジュール用基板が挙げられる。
パワーモジュール用基板においては、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）の金属板が接合された構造とされている。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。また、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ヒートシンクが接合されたものも提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−１７５０６５号公報
【特許文献２】特開２００６−２３９７２４号公報
【特許文献３】特表２０１０−５１６４７８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、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いる。また、電子部品からの発熱量が大きくなる傾向にあり、前述のように、ヒートシンク上にパワーモジュール用基板を配設する必要がある。この場合、パワーモジュール用基板がヒートシンクによって拘束されるために、熱サイクル負荷時に、金属板とセラミックス基板との接合界面に大きなせん断力が作用することになり、従来にも増して、セラミックス基板と金属板との間の接合強度の向上および信頼性の向上が求められている。
【０００６】
ここで、特許文献１，２に記載されているように、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材ペーストを用いてセラミックス基板と金属板とを接合した場合には、セラミックス基板と金属板との接合強度を十分に向上させることができないといった問題があった。接合強度を向上させるためには、Ｓｉ量を増加させたり、ろう材量を多くしたり、ろう付け時間を長くしたりして、加熱時に発生する液相領域を増加させる必要がある。しかしながら、このように液相領域を増加させた場合には、余剰の液相が接合界面から滲み出して、いわゆる「ろうこぶ」が発生する。ろうこぶを有するパワーモジュール用基板に冷熱サイクルを負荷した場合には、ろうこぶを起点としてセラミックス基板に割れが発生するおそれがあった。
【０００７】
また、特許文献３に記載されているように、液相拡散焼結する高温はんだペーストを用いてセラミックス基板と金属板とを接合した場合には、焼結されたはんだ層がセラミックス基板と金属板との界面に介在することになる。すると、セラミックス基板と金属板との界面に応力が作用した際に、はんだ層に亀裂が生じるおそれがある。
このように、従来の接合方法では、セラミックス基板と金属板との接合強度を十分に向上させることができなかった。
【０００８】
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、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属部材を確実に接合することが可能な液相拡散接合用Ａｇペースト、および、この液相拡散接合用Ａｇペーストを用いた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】
【０００９】
このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明の液相拡散接合用Ａｇペーストは、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属部材を液相拡散接合する際に使用される液相拡散接合用Ａｇペーストであって、ＡｇおよびＣｕを含む金属粉末成分と、樹脂と、溶剤と、を含み、前記金属粉末成分におけるＡｇおよびＣｕの質量比Ｃｕ／Ａｇが、１／９≦Ｃｕ／Ａｇ≦４／６の範囲内に設定されていることを特徴とする。
【００１０】
この構成の液相拡散接合用Ａｇペーストによれば、金属粉末成分としてＡｇおよびＣｕを含んでいることから、金属部材の接合界面にＡｇおよびＣｕとを介在させることが可能となる。ここで、ＡｇおよびＣｕは、アルミニウムの融点を降下させる元素である。よって、金属部材の接合界面に介在されたＡｇおよびＣｕを金属部材内部へと拡散させることによって、金属部材の接合界面近傍の融点を低下させて液相を生成させ、さらに、この液相中のＡｇおよびＣｕをさらに金属部材内部へと拡散させることで融点を上昇させ、液相を凝固させて接合することが可能となる。すなわち、金属部材を液相拡散接合によって接合することができるのである。
【００１１】
また、Ｃｕは、金属部材の接合界面近傍に拡散して固溶することで金属部材を強化する作用を有しており、金属部材の接合強度を向上させることが可能となる。さらに、Ｃｕは、ろうこぶの発生を抑える作用効果を有する。よって、ろうこぶを起因とした接合性の劣化を未然に防止することができる。
【００１２】
液相拡散接合用Ａｇペーストにおいて、金属粉末成分におけるＡｇおよびＣｕの質量比Ｃｕ／Ａｇが１／９より低くなると、Ｃｕ量が不足してしまい、接合強度を十分に向上できなくなるおそれがある。また、ろうこぶが発生しやすくなる。また、金属粉末成分におけるＡｇおよびＣｕの質量比Ｃｕ／Ａｇが４／６より高くなると、Ｃｕの酸化物がペースト内に過剰に混入し、接合が阻害されるおそれがある。
そこで、本発明では、金属粉末成分におけるＡｇおよびＣｕの質量比Ｃｕ／Ａｇを、１／９≦Ｃｕ／Ａｇ≦４／６の範囲内に設定しているのである。
【００１３】
なお、金属粉末成分としては、Ａｇ粉とＣｕ粉とを混合したものであってもよいし、Ａｇ−Ｃｕ合金粉であってもよい。また、Ａｇ粉をＣｕでコーティングしたもの、あるいは、Ｃｕ粉をＡｇでコーティングしたものであってもよい。さらに、これらの混合粉末としてもよい。
【００１４】
ここで、Ｃｕを還元する還元剤を含有することが好ましい。
この場合、ペースト中に混入したＣｕの酸化物を還元することができる。よって、Ｃｕの酸化物による接合強度の劣化を抑制することができる。
【００１５】
また、前記金属粉末成分の配合量が、４０質量％以上９０質量％以下とされていることが好ましい。
この場合、前記金属粉末成分の配合量が、４０質量％以上とされているので、上述のように液相拡散接合を確実に行うことができる。また、前記金属粉末成分の配合量が、９０質量％以下とされているので、ペースト自体の流動性が確保され、金属部材の接合界面にこのペーストを容易に塗布することができる。
【００１６】
ここで、前記樹脂を、アクリル系樹脂としてもよい。
アクリル系樹脂は、真空雰囲気や不活性ガス雰囲気であっても、熱分解によって除去されるものである。よって、金属部材の接合界面に塗布した状態で、真空雰囲気、不活性ガス雰囲気で加熱することで、樹脂を除去する工程と液相拡散接合を実施する工程とを一度に実施することが可能となる。
【００１７】
あるいは、前記樹脂を、エチルセルロースとしてもよい。
エチルセルロースは、例えば３００〜５００℃といった比較的低い温度で燃焼して除去される。よって、大気雰囲気での焼成時にＣｕが酸化することを抑制することが可能となる。
【００１８】
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板の表面に、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属板が積層されて接合されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記セラミックス基板の接合面および前記金属板の接合面のうち少なくとも一方に、前述の液相拡散接合用Ａｇペーストを塗布するペースト塗布工程と、前記セラミックス基板と前記金属板と積層する積層工程と、積層された前記セラミックス基板と前記金属板を積層方向に加圧するとともに加熱し、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、この溶融金属領域を凝固させることによって、前記セラミックス基板と前記金属板とを接合する凝固工程と、を有し、前記加熱工程において、ＡｇおよびＣｕを前記金属板に向けて拡散させることにより、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に、前記溶融金属領域を形成することを特徴としている。
【００１９】
この構成のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、前記セラミックス基板の接合面および前記金属板の接合面のうち少なくとも一方に、前述の液相拡散接合用Ａｇペーストを塗布するペースト塗布工程を備えているので、前記金属板と前記セラミックス基板の接合界面には、ＡｇおよびＣｕが介在することになる。ここで、ＡｇおよびＣｕは、アルミニウムの融点を降下させる元素であるため、比較的低温な条件においても、金属板とセラミックス基板との界面に溶融金属領域を形成することができる。
よって、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、セラミックス基板と金属板とを強固に接合することが可能となる。
【００２０】
また、Ｃｕを有しているので、接合強度を確実に向上させることが可能となる。さらに、ろうこぶの発生を抑制することができる。よって、セラミックス基板と金属板との接合信頼性を大幅に向上させることができる。
さらに、ＡｇおよびＣｕを用いた液相拡散接合によって、セラミックス基板と金属板とを接合しているので、セラミックス基板と金属板とが直接接合することになる。
【００２１】
ここで、液相拡散接合用Ａｇペーストを大気雰囲気で焼成する焼成工程を備えていてもよい。
この場合、液相拡散接合用Ａｇペーストに含まれる樹脂等を大気雰囲気で燃焼させて除去することができ、セラミックス基板と金属板との界面に確実にＡｇおよびＣｕを介在させることができる。
【００２２】
また、前記液相拡散接合用Ａｇペーストは、樹脂としてアクリル系樹脂を用いた構成とされており、前記加熱工程において、液相拡散接合用Ａｇペーストを焼成する構成としてもよい。
この場合、前記液相拡散接合用Ａｇペーストは、樹脂としてアクリル系樹脂を用いた構成とされているので、樹脂を熱分解させることで除去することが可能となる。よって、大気雰囲気での液相拡散接合用Ａｇペーストの焼成を省略することができ、簡単に、パワーモジュール用基板を製造することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属部材を確実に接合することが可能な液相拡散接合用Ａｇペースト、および、この液相拡散接合用Ａｇペーストを用いた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】
【００２４】
【図１】本発明の第一の実施形態である液相拡散接合用Ａｇペーストの製造方法を示すフロー図である。
【図２】本発明の第一の実施形態である液相拡散接合用Ａｇペーストを用いたパワーモジュールの概略説明図である。
【図３】本発明の第一の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法およびヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を示すフロー図である。
【図４】本発明の第一の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。
【図５】図４における金属板とセラミックス基板との接合界面近傍を示す説明図である。
【図６】本発明の第一の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。
【図７】本発明の第二の実施形態である液相拡散接合用Ａｇペーストを用いたパワーモジュールの概略説明図である。である。
【図８】本発明の第二の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法およびヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を示すフロー図である。
【図９】本発明の第二の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法およびヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。
【図１０】塗布された液相拡散接合用Ａｇペースト中のＡｇ量およびＣｕ量を膜厚換算する方法を示す説明図である。
【図１１】ろうこぶ率を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下に、本発明の実施形態である液相拡散接合用Ａｇペーストおよびこの液相拡散接合用Ａｇペーストを用いたパワーモジュール用基板の製造方法について添付した図面を参照して説明する。
【００２６】
まず、本実施形態である液相拡散接合用Ａｇペーストについて説明する。なお、本実施形態では、液相拡散接合用Ａｇペーストを「Ａｇペースト」と称して説明する。
このＡｇペーストは、ＡｇおよびＣｕを含む金属粉末成分と、樹脂と、溶剤と、分散剤と、可塑剤と、還元剤と、を含有するものであり、金属粉末成分の含有量が、Ａｇペースト全体の４０質量％以上９０質量％以下とされている。
また、本実施形態では、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。
【００２７】
ＡｇおよびＣｕを含む金属粉末成分として、本実施形態では、銀粉末と銅粉末との混合粉末を用いている。
そして、銀粉末と銅粉末との混合粉末（金属粉末成分）におけるＡｇおよびＣｕの質量比Ｃｕ／Ａｇが、１／９≦Ｃｕ／Ａｇ≦４／６の範囲内とされており、本実施形態では、Ｃｕ／Ａｇ＝３／７に設定されている。
【００２８】
銀粉末は、その粒径が０．０５μｍ以上２．０μｍ以下とされており、本実施形態では、平均粒径０．２μｍのものを使用した。
銅粉末は、その粒径が０．０５μｍ以上５．０μｍ以下とされており、本実施形態では、平均粒径１．０μｍのものを使用した。
なお、銀粉末および銅粉末の平均粒径は、例えば、マイクロトラック法を用いることで測定することができる。本実施形態では、ｄ５０（メジアン径）を平均粒径とした。
【００２９】
樹脂は、Ａｇペーストの粘度を調整するものであり、例えば、アクリル樹脂、アルキッド樹脂等を適用することができる。なお、本実施形態では、エチルセルロースを用いている。
【００３０】
溶剤は、例えば、タピネオール系、アセテート系、シトレート系等を用いることができる。より具体的には、α−テルピネオール、テキサノ−ル、トリエチルシトレート等を適用できる。なお、本実施形態では、α−テルピネオールを用いている。
【００３１】
分散剤は、例えば、アニオン性界面活性剤、カチオン性界面活性剤等を適用することができる。なお、本実施形態では、アニオン性界面活性剤を用いている。
可塑剤は、例えば、フタル酸ジブチル、アジピン酸ジブチル等を適用することができる。なお、本実施形態では、フタル酸ブチルを用いている。
還元剤は、例えば、ロジン、アビエチン酸等を適用することができる。なお、本実施形態では、アビエチン酸を用いている。
なお、分散剤、可塑剤、還元剤は、必要に応じて添加すればよく、分散剤、可塑剤、還元剤を添加することなくＡｇペーストを構成してもよい。
【００３２】
次に、本実施形態であるＡｇペーストの製造方法について、図１に示すフロー図を参照して説明する。
まず、前述した銀粉末と銅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、混合粉末形成工程Ｓ１で得られた混合粉末と、有機物混合工程Ｓ２で得られた有機混合物と、分散剤、可塑剤、還元剤等の副添加剤と、をミキサーによって予備混合する（予備混合工程Ｓ３）。
次いで、予備混合物を、複数のロールを有する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）。
混錬工程Ｓ４によって得られた混錬物を、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、本実施形態であるＡｇペーストが製出されることになる。
【００３３】
次に、本実施形態であるＡｇペーストを用いて構成されたパワーモジュールについて、図２を用いて説明する。
図２に示すパワーモジュール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、ヒートシンク４０とを備えている。ここで、はんだ層２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材とされている。なお、本実施形態では、回路層１２とはんだ層２との間にＮｉめっき層（図示なし）が設けられている。
【００３４】
パワーモジュール用基板１０は、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２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２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。
【００３５】
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。
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。
そして、セラミックス基板１１と回路層１２との接合、および、セラミックス基板１１と金属層１３との接合に、本実施形態であるＡｇペーストが使用されている。
【００３６】
ヒートシンク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る。本実施形態におけるヒートシンク４０は、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に対向するように配置された底板部４５と、天板部４１と底板部４５との間に介装されたコルゲートフィン４６と、を備えており、天板部４１と底板部４５とコルゲートフィン４６とによって、冷却媒体が流通する流路４２が画成されている。
【００３７】
ここで、このヒートシンク４０は、天板部４１とコルゲートフィン４６、コルゲートフィン４６と底板部４５が、それぞれろう付けされることによって構成されている。本実施形態では、図６に示すように、天板部４１および底板部４５は、基材層４１Ａ、４５Ａと、基材層４１Ａ、４５Ａよりも融点の低い材料からなる接合層４１Ｂ、４５Ｂが積層された積層アルミ板で構成されており、接合層４１Ｂ、４５Ｂがコルゲートフィン４６側を向くように、天板部４１および底板部４５が配設されている。なお、本実施形態では、基材層４１Ａ、４５ＡがＡ３００３合金で構成されており、接合層４１Ｂ、４５ＢがＡ４０４５合金で構成されている。
【００３８】
以下に、前述の構成のパワーモジュール用基板１０の製造方法およびヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法について、図３から図６を参照して説明する。
【００３９】
（Ａｇペースト塗布工程Ｓ１１）
まず、図４に示すように、セラミックス基板１１の一方の面および他方の面に、スクリーン印刷によって、前述の本実施形態であるＡｇペーストを塗布し、Ａｇペースト層２４ａ、２５ａを形成する。なお、Ａｇペースト層２４ａ，２５ａの厚さは、乾燥後で約０．０２〜２００μｍとされている。
このとき、塗布されたＡｇペースト中のＡｇ量は、０．１〜１０ｍｇ／ｃｍ２の範囲内とされ、Ｃｕ量は、０．０１〜４ｍｇ／ｃｍ２の範囲内とされている。
【００４０】
（Ａｇペースト焼成工程Ｓ１２）
次に、Ａｇペースト層２４ａ、２５ａを形成したセラミックス基板１１を、大気雰囲気で加熱し、樹脂を燃焼させて除去することにより、Ａｇ焼成層２４，２５を形成する。本実施形態では、樹脂としてエチルセルロースを用いているので、５００℃以下の温度で焼成を実施することが可能となる。
なお、このＡｇペースト焼成工程Ｓ１２においては、Ａｇ焼成層２４、２５がセラミックス基板１１上に固定されていればよく、セラミックス基板１１とＡｇ焼成層２４、２５とが強固に密着させる必要はない。
【００４１】
（積層工程Ｓ１３）
次に、金属板２２をセラミックス基板１１の一方の面側に積層し、かつ、金属板２３をセラミックス基板１１の他方の面側に積層する。
【００４２】
（加熱工程Ｓ１４）
次いで、金属板２２、セラミックス基板１１、金属板２３を積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空加熱炉内に装入して加熱する。すると、図５に示すように、Ａｇ焼成層２４，２５のＡｇおよびＣｕが金属板２２、２３に向けて拡散し、金属板２２、２３とセラミックス基板１１との界面に、溶融金属領域２７，２８が形成される。
ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度は６００℃以上６５０℃以下の範囲内に設定している。
【００４３】
（凝固工程Ｓ１５）
次に、溶融金属領域２７，２８が形成された状態で温度を一定に保持しておき、溶融金属領域２７，２８中のＡｇおよびＣｕを、さらに金属板２２、２３に向けて拡散させる。すると、溶融金属領域２７，２８であった部分のＡｇ濃度およびＣｕ濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していくことになる。つまり、セラミックス基板１１と金属板２２、２３とは、いわゆる拡散接合（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって接合されているのである。このように凝固が進行した後に、常温にまで冷却を行う。なお、凝固工程Ｓ１５が終了した後では、Ａｇ焼成層２４，２５のＡｇおよびＣｕが十分に拡散されており、セラミックス基板１１と金属板２２，２３との接合界面にＡｇ焼成層２４，２５が残存することはない。
このようにして、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０が製出される。
【００４４】
（ヒートシンク積層工程Ｓ１６）
次に、パワーモジュール用基板１０の金属層１３の他方の面側に、ヒートシンク４０を構成する天板部４１、コルゲートフィン４６、底板部４５を積層する。このとき、金属層１３の他方の面に、前述のＡｇペーストを塗布して焼成し、Ａｇ焼成層２６を形成しておく。
また、天板部４１の接合層４１Ｂおよび底板部４５の接合層４５Ｂがコルゲートフィン４６側を向くように、天板部４１および底板部４５を積層する。
【００４５】
（ヒートシンク加熱工程Ｓ１７）
次に、積層されたパワーモジュール用基板１０、天板部４１、コルゲートフィン４６および底板部４５を積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で、雰囲気加熱炉内に装入して加熱し、Ａｇ焼成層２６のＡｇを金属板２３および天板部４１に向けて拡散させ、金属層１３とヒートシンク４０の天板部４１との間に溶融金属領域を形成する。同時に、天板部４１とコルゲートフィン４６、底板部４５とコルゲートフィン４６との間にも、接合層４１Ｂ、４５Ｂを溶融させて溶融金属領域を形成する。
ここで、本実施形態では、雰囲気加熱炉内は、窒素ガス雰囲気とされており、加熱温度は５５０℃以上６３０℃以下の範囲内に設定している。
【００４６】
（溶融金属凝固工程Ｓ１８）
その後、冷却して金属層１３とヒートシンク４０の天板部４１との間に形成された溶融金属領域を凝固させることによって、金属層１３と天板部４１とが接合される。また、天板部４１とコルゲートフィン４６、底板部４５とコルゲートフィン４６の間に形成された溶融金属領域を凝固させることによって、天板部４１とコルゲートフィン４６、底板部４５とコルゲートフィン４６とが接合される。
【００４７】
このようにして、天板部４１とコルゲートフィン４６と底板部４５とがろう付けされてヒートシンク４０が形成されるとともに、このヒートシンク４０とパワーモジュール用基板１０とが接合されてヒートシンク付パワーモジュール用基板が製造される。
【００４８】
このような構成とされた本実施形態であるＡｇペーストおよびこのＡｇペーストを用いたパワーモジュール用基板１０の製造方法によれば、金属粉末成分であるＡｇおよびＣｕをセラミックス基板１１と金属板２２，２３との界面に介在させることができ、これらＡｇおよびＣｕを金属板２２，２３側へと拡散させることで、溶融金属領域２７，２８を形成して凝固させることができる。すなわち、液相拡散接合により、セラミックス基板１１と金属板２２，２３とを接合することが可能となる。このように、液相拡散接合を行うことにより、セラミックス基板１１と回路層１２，金属層１３との接合界面には、Ａｇペーストの焼成層が残存しないため、このパワーモジュール用基板１０の接合信頼性を向上させることができる。
【００４９】
また、金属粉末成分としてＣｕを含有しているので、このＣｕが回路層１２，金属層１３のセラミックス基板１１との接合界面近傍に固溶し、強度が向上することになる。よって、冷熱サイクルが作用した場合であっても接合界面における回路層１２、金属層１３の亀裂の発生を防止することができる。
さらに、Ｃｕは、ろうこぶの発生を抑制する効果を有することから、ろうこぶを起点としたセラミックス基板１１の割れを未然に防止することができる。
【００５０】
また、本実施形態のＡｇペーストでは、金属粉末成分におけるＡｇおよびＣｕの質量比Ｃｕ／Ａｇを、１／９≦Ｃｕ／Ａｇ≦４／６の範囲内とし、より具体的には、Ｃｕ／Ａｇ＝３／７に設定しているので、Ｃｕ量が十分に確保されて上述の作用効果を確実に奏功せしめることができるとともに、Ａｇペースト内へのＣｕ酸化物の混入が抑えられ、接合を良好に行うことができる。
さらに、本実施形態では、ＡｇペーストにＣｕを還元する還元剤として、アビエチン酸が添加されていることから、ペースト中に混入したＣｕの酸化物を還元することができ、Ｃｕの酸化物による接合強度の劣化を抑制することができる。
【００５１】
また、銀粉末と銅粉末からなる金属粉末成分の配合量が、Ａｇペースト全体の４０質量％以上９０質量％以下とされているので、液相拡散接合を確実に行うことができるとともに、Ａｇペーストの流動性が確保され、セラミックス基板１１にスクリーン印刷等で容易に塗布することができる。
【００５２】
さらに、本実施形態では、樹脂としてエチルセルロースを用いているので、大気雰囲気において３００〜５００℃といった比較的低い温度で燃焼して除去でき、Ａｇ焼成層２４、２５を形成できる。よって、Ａｇペースト焼成工程Ｓ１２において、銅粉末が酸化することを抑制することができる。
【００５３】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
本実施形態であるＡｇペーストは、ＡｇおよびＣｕを含む金属粉末成分と、樹脂と、溶剤と、分散剤と、可塑剤と、還元剤と、を含有するものであり、金属粉末成分の含有量が、Ａｇペースト全体の４０質量％以上９０質量％以下とされている。
また、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。
【００５４】
ＡｇおよびＣｕを含む金属粉末成分として、本実施形態では、銀粉末に銅をコーティングした粉末を用いている。
そして、金属粉末成分におけるＡｇおよびＣｕの質量比Ｃｕ／Ａｇが、１／９≦Ｃｕ／Ａｇ≦４／６の範囲内とされており、本実施形態では、Ｃｕ／Ａｇ＝３／７に設定されている。
【００５５】
そして、本実施形態では、樹脂として、アクリル樹脂を用いている。また、溶剤として、テキサノールを用いている。
なお、分散剤、可塑剤、還元剤は、第一の実施形態と同様のものを用いている。
【００５６】
次に、本実施形態であるＡｇペーストを用いて構成されたパワーモジュールについて、図７を用いて説明する。
このパワーモジュール１０１は、回路層１１２が配設されたパワーモジュール用基板１１０と、回路層１１２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、ヒートシンク１４０とを備えている。
【００５７】
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７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７において下面）に配設された金属層１１３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Ｓｉ３Ｎ４（窒化珪素）で構成されている。また、セラミックス基板１１１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、０．３２ｍｍに設定されている。
【００５８】
回路層１１２は、セラミックス基板１１１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１１２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。
金属層１１３は、セラミックス基板１１１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に接合されることで形成されている。
そして、セラミックス基板１１１と回路層１１２との接合、および、セラミックス基板１１１と金属層１１３との接合に、本実施形態であるＡｇペーストが使用されている。
【００５９】
ヒートシンク１４０は、前述のパワーモジュール用基板１１０を冷却するためのものであり、パワーモジュール用基板１１０と接合される天板部１４１と、冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路１４２とを備えている。ヒートシンク１４０（天板部１４１）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。
【００６０】
以下に、前述の構成のパワーモジュール用基板１１０の製造方法およびヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法について、図８および図９を参照して説明する。
【００６１】
（Ａｇ層形成工程Ｓ１２１／Ａｇペースト塗布工程Ｓ１１１）
まず、図９に示すように、セラミックス基板１１１の一方の面および他方の面に、スクリーン印刷によって、前述の本実施形態であるＡｇペーストを塗布し、Ａｇペースト層１２４ａ、１２５ａを形成する（Ａｇペースト塗布工程Ｓ１１１）。
また、ヒートシンク１４０の天板部１４１の一方の面にも、本実施形態であるＡｇペーストを塗布し、Ａｇペースト層１２６ａを形成する。（Ａｇ層形成工程Ｓ１２１）
なお、Ａｇペースト層１２４ａ，１２５ａ、１２６ａの厚さは、乾燥後で約０．０２〜２００μｍとされている。
このとき、塗布されたＡｇペースト中のＡｇ量は、０．１〜１０ｍｇ／ｃｍ２の範囲内とされ、Ｃｕ量は、０．０１〜４ｍｇ／ｃｍ２の範囲内とされている。
【００６２】
（ヒートシンク積層工程Ｓ１２２／セラミックス基板積層工程Ｓ１１２）
次に、図９に示すように、第一の金属板１２２をセラミックス基板１１１の一方の面側に積層する。また、第二の金属板１２３をセラミックス基板１１１の他方の面側に積層する（セラミックス基板積層工程Ｓ１１２）。
さらに、第二の金属板１２３の他方の面側に、ヒートシンク１４０を積層する（ヒートシンク積層工程Ｓ１２２）。
【００６３】
（ヒートシンク加熱工程Ｓ１２３／セラミックス基板加熱工程Ｓ１１３）
次に、第一の金属板１２２、セラミックス基板１１１、第二の金属板１２３、ヒートシンク１４０を積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空加熱炉内に装入して加熱する。本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度は６００℃以上６５０℃以下の範囲内に設定している。
このとき、Ａｇペースト層１２４ａ，１２５ａ、１２６ａに含まれるアクリル樹脂が熱分解によって除去されることになり、Ａｇペースト層１２４ａ，１２５ａ、１２６ａが焼成されてＡｇ焼成層１２４、１２５，１２６が形成される。
【００６４】
そして、Ａｇ焼成層１２４のＡｇおよびＣｕを第一の金属板１２２に向けて拡散させることにより、第一の金属板１２２とセラミックス基板１１１との界面に第一溶融金属領域を形成する。また、Ａｇ焼成層１２５のＡｇおよびＣｕを第二の金属板１２３に向けて拡散させることにより、第二の金属板１２３とセラミックス基板１１１との界面に第二溶融金属領域を形成する（セラミックス基板加熱工程Ｓ１１３）。
さらに、Ａｇ焼成層１２６のＡｇおよびＣｕを第二の金属板１２３およびヒートシンク１４０に向けて拡散させることにより、第二の金属板１２３とヒートシンク１４０との間に溶融金属領域を形成する。（ヒートシンク加熱工程Ｓ１２３）。
【００６５】
（溶融金属凝固工程Ｓ１２４／第一溶融金属および第二溶融金属凝固工程Ｓ１１４）
次に、溶融金属領域が形成された状態で温度を一定に保持しておく。
すると、第二の金属板１２３とヒートシンク１４０との界面に形成された溶融金属領域中のＡｇおよびＣｕが、さらに第二の金属板１２３およびヒートシンク１４０に向けて拡散していくことになる。これにより、溶融金属領域であった部分のＡｇ濃度およびＣｕ濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していくことになる（溶融金属凝固工程Ｓ１２４）。
【００６６】
同様に、第一溶融金属領域中のＡｇおよびＣｕが、さらに第一の金属板１２２に向かって拡散していく。また、第二溶融金属領域中のＡｇおよびＣｕが、さらに第二の金属板１２３に向かって拡散していく。すると、第一溶融金属領域、第二溶融金属領域であった部分のＡｇ濃度およびＣｕ濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していくことになる（第一溶融金属および第二溶融金属凝固工程Ｓ１１４）。
このようにして凝固が進行した後に、常温にまで冷却を行う。
【００６７】
以上のようにして、回路層１１２となる第一の金属板１２２とセラミックス基板１１１とが接合され、金属層１１３となる第二の金属板１２３とセラミックス基板１１１とが接合されて本実施形態であるパワーモジュール用基板１１０が製造されるとともに、第二の金属板１２３とヒートシンク１４０とが接合され、ヒートシンク付パワーモジュール用基板が製造される。
【００６８】
このような構成とされた本実施形態であるＡｇペーストおよびこのＡｇペーストを用いたパワーモジュール用基板１１０の製造方法によれば、第一の実施形態と同様に、金属粉末成分としてＡｇおよびＣｕを含有しているので、セラミックス基板１１１と回路層１１２、金属層１１３とを強固に接合することができ、接合信頼性に優れたパワーモジュール用基板１１０を製造することができる。
【００６９】
そして、本実施形態では、Ａｇペーストの樹脂としてアクリル樹脂を用いているので、真空雰囲気であってもアクリル樹脂を熱分解によって除去することが可能となる。よって、真空雰囲気でのセラミックス基板加熱工程Ｓ１１３において、Ａｇペーストの焼成を実施することができ、大気雰囲気での加熱による焼成工程を省略することができる。
【００７０】
また、本実施形態では、セラミックス基板１１１と第一の金属板１２２および第二の金属板１２３との接合と、第二の金属板１２３とヒートシンク１４０との接合とを、同時に行う構成としているので、これらの接合に掛かるコストを大幅に削減することができる。また、セラミックス基板１１１に対して繰り返し加熱、冷却を行わずに済むので、このヒートシンク付パワーモジュール用基板の反りの低減を図ることができ、高品質なヒートシンク付パワーモジュール用基板を製出することができる。
【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、セラミックス基板とアルミニウムからなる金属板とを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、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属部材を接合する際に、本発明の液相拡散接合用Ａｇペーストを用いてもよい。
【００７２】
金属粉末成分として、銀粉末と銅粉末の混合粉末、銀粉末に銅をコーティングした粉末を例にあげて説明したが、これに限定されることはなく、Ａｇ−Ｃｕ合金粉末等を用いてもよい。
樹脂として、エチルセルロール、アクリル樹脂を例にあげて説明したが、これに限定されることはなく、他の樹脂を用いてもよい。
溶剤として、テキサノール、α―テルピネオールを例にあげて説明したが、これに限定されることはなく、他の溶剤を用いてもよい。
また、分散剤、可塑剤、還元剤についても、本実施形態に例示された以外のものを適用してもよい。
【００７３】
さらに、回路層およ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、アルミニウムまたはアルミニウム合金で構成されていればよい。
また、パワーモジュールおよびパワーモジュール用基板の構成は、本実施形態に限定されるものではなく、他の構造のものであってもよい。
【００７４】
さらに、本実施形態では、ヒートシンクとパワーモジュール用基板との接合にも、Ａｇペーストを使用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、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材を使用してヒートシンクとパワーモジュール用基板とを接合してもよい。
【実施例】
【００７５】
本発明の有効性を確認するために行った比較実験について説明する。
表１に示す条件で、液相拡散接合用Ａｇペーストを作成した。なお、金属粉末成分として、銀粉末および銅粉末を用いた。ここで、銀粉末は、三井金属鉱業株式会社及び田中貴金属工業株式会社製を使用した。また、銅粉末は、三井金属鉱業株式会社及び株式会社高純度化学研究所 を使用した。
【００７６】
また、分散剤としてアニオン性界面活性剤を、可塑剤としてアジピン酸ジブチルを、還元剤としてアビエチン酸を用いた。
金属粉末成分以外の樹脂、溶剤、分散剤、可塑剤、還元剤の混合比率は、質量比で、樹脂：溶剤：分散剤：可塑剤：還元剤＝７：７０：３：５：１５とした。
【００７７】
【表１】
【００７８】
この表１に示す液相拡散接合用Ａｇペーストを用いて、セラミックス基板とアルミニウム板とを接合して、パワーモジュール用基板を製作した。なお、アルミニウム板として純度９９．９９％以上の４Ｎアルミの圧延板を使用した。
また、ヒートシンクとしてＡ６０６３からなるアルミニウム板を、パワーモジュール用基板の金属層側に接合した。
表２に、セラミックス基板、回路層、金属層、ヒートシンクのサイズ、セラミックス基板の材質を示す。
【００７９】
【表２】
【００８０】
セラミックス基板とアルミニウム板との界面、および、アルミニウム板とヒートシンクとの界面に、表１に示す液相拡散接合用Ａｇペーストを塗布し、焼成した。塗布された液相拡散接合用ＡｇペーストにおけるＡｇおよびＣｕの固着量と膜厚換算量、焼成条件を表３に示す。
膜厚換算は、蛍光Ｘ線膜厚計（エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社製ＳＴＦ９４００）を用いて、塗布した液相拡散接合用Ａｇペーストに対し、図１０に示す箇所（９点）を各３回測定した平均値とした。なお、予め膜厚が既知のサンプルを測定して蛍光Ｘ線強度と濃度の関係を求めておき、その結果を基準として、各試料において測定された蛍光Ｘ線強度から膜厚を決定した。
【００８１】
【表３】
【００８２】
そして、表４に示す条件でセラミックス基板とアルミニウム板とを接合し、パワーモジュール用基板およびヒートシンク付パワーモジュール用基板を作成した。
なお、接合回数が「１回」のものは、セラミックス基板、アルミニウム板、ヒートシンクを同時に接合したものである。また、接合回数が「２回」のものは、セラミックス基板とアルミニウム板とを接合してパワーモジュール用基板を製作した後にヒートシンクを接合したものである。
ここで、接合は、真空加熱炉を用いて行い、真空加熱炉内の圧力は１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内に設定した。
【００８３】
上述のようにして得られたパワーモジュール用基板について、初期ボイド率、ろうこぶ率、冷熱サイクル負荷後の接合率、を評価した。評価結果を表４に示す。
初期ボイド率は、接合直後のパワーモジュール用基板を用いて、以下の式で算出した。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のこととした。
初期ボイド率 ＝ 初期ボイド面積／初期接合面積
【００８４】
ろうこぶ率は、接合直後のパワーモジュール用基板を用いて、以下の式で算出した。なお、図１１に示すように、変質部Ｚ１とは、接合面内において変質が確認された部分である。また、ろうこぶＺ２は、接合面からはみ出したものである。
ろうこぶ率 ＝ （ろうこぶの面積＋変質部の面積）／セラミックス基板の面積
【００８５】
冷熱サイクル負荷後の接合率は、冷熱サイクル（−４５℃−１２５℃）を２０００回繰り返した後のパワーモジュール用基板を用いて、以下の式で算出した。
接合率 ＝ （初期接合面積−剥離面積）／初期接合面積
【００８６】
【表４】
【００８７】
金属粉末成分としてＣｕを含有しておらず、かつ、金属粉末成分が８０質量％とされた比較例１においては、ろうこぶの発生が顕著であった。また、冷熱サイクル後には、このろうこぶを起点としてセラミックス割れが認められた。
金属粉末成分としてＣｕを含有しておらず、かつ、金属粉末成分が４０質量％とされた比較例２においては、ろうこぶの発生は抑えられているものの、冷熱サイクル後の接合率が６５％以下と低くなっている。
【００８８】
金属粉末成分におけるＣｕとＡｇの質量比Ｃｕ／Ａｇが５０／５０とされた比較例３および質量比Ｃｕ／Ａｇが８０／２０とされた比較例４においては、初期ボイド率が高く、接合の初期段階で十分に接合していないことが確認された。これは、銅の酸化物に起因するものであると推測される
【００８９】
これに対して、本発明例１−２０においては、初期ボイド率、ろうこぶ率、冷熱サイクル負荷後の接合率のいずれも良好な値を示していることが確認される。
また、樹脂としてアクリル樹脂を用いた本発明例１〜８、１３〜１６においては、大気雰囲気での焼成を行うことなく、窒素ガス雰囲気でも焼成が行われており、良好に接合することができた。
【符号の説明】
【００９０】
１、１０１ 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、１１０ パワーモジュール用基板
１２、１１２ 回路層
１３、１１３ 金属層
【技術分野】
【０００１】
この発明は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属部材を液相拡散接合によって接合する際に用いられる液相拡散接合用Ａｇペースト、および、この液相拡散接合用Ａｇペーストを用いた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】
アルミニウム部材を接合する際に使用される接合剤としては、例えば、特許文献１，２に示すようなＡｌ−Ｓｉ系のろう材ペーストが広く用いられている。
また、特許文献３に記載されているように、液相拡散焼結法によって金属部材同士を接合する高温はんだペーストが提案されている。
【０００３】
ところで、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属部材を接合して構成される製品としては、例えば、セラミックス基板とアルミニウム板とを接合して形成されたパワーモジュール用基板が挙げられる。
パワーモジュール用基板においては、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）の金属板が接合された構造とされている。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。また、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ヒートシンクが接合されたものも提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−１７５０６５号公報
【特許文献２】特開２００６−２３９７２４号公報
【特許文献３】特表２０１０−５１６４７８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、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いる。また、電子部品からの発熱量が大きくなる傾向にあり、前述のように、ヒートシンク上にパワーモジュール用基板を配設する必要がある。この場合、パワーモジュール用基板がヒートシンクによって拘束されるために、熱サイクル負荷時に、金属板とセラミックス基板との接合界面に大きなせん断力が作用することになり、従来にも増して、セラミックス基板と金属板との間の接合強度の向上および信頼性の向上が求められている。
【０００６】
ここで、特許文献１，２に記載されているように、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材ペーストを用いてセラミックス基板と金属板とを接合した場合には、セラミックス基板と金属板との接合強度を十分に向上させることができないといった問題があった。接合強度を向上させるためには、Ｓｉ量を増加させたり、ろう材量を多くしたり、ろう付け時間を長くしたりして、加熱時に発生する液相領域を増加させる必要がある。しかしながら、このように液相領域を増加させた場合には、余剰の液相が接合界面から滲み出して、いわゆる「ろうこぶ」が発生する。ろうこぶを有するパワーモジュール用基板に冷熱サイクルを負荷した場合には、ろうこぶを起点としてセラミックス基板に割れが発生するおそれがあった。
【０００７】
また、特許文献３に記載されているように、液相拡散焼結する高温はんだペーストを用いてセラミックス基板と金属板とを接合した場合には、焼結されたはんだ層がセラミックス基板と金属板との界面に介在することになる。すると、セラミックス基板と金属板との界面に応力が作用した際に、はんだ層に亀裂が生じるおそれがある。
このように、従来の接合方法では、セラミックス基板と金属板との接合強度を十分に向上させることができなかった。
【０００８】
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、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属部材を確実に接合することが可能な液相拡散接合用Ａｇペースト、および、この液相拡散接合用Ａｇペーストを用いた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】
【０００９】
このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明の液相拡散接合用Ａｇペーストは、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属部材を液相拡散接合する際に使用される液相拡散接合用Ａｇペーストであって、ＡｇおよびＣｕを含む金属粉末成分と、樹脂と、溶剤と、を含み、前記金属粉末成分におけるＡｇおよびＣｕの質量比Ｃｕ／Ａｇが、１／９≦Ｃｕ／Ａｇ≦４／６の範囲内に設定されていることを特徴とする。
【００１０】
この構成の液相拡散接合用Ａｇペーストによれば、金属粉末成分としてＡｇおよびＣｕを含んでいることから、金属部材の接合界面にＡｇおよびＣｕとを介在させることが可能となる。ここで、ＡｇおよびＣｕは、アルミニウムの融点を降下させる元素である。よって、金属部材の接合界面に介在されたＡｇおよびＣｕを金属部材内部へと拡散させることによって、金属部材の接合界面近傍の融点を低下させて液相を生成させ、さらに、この液相中のＡｇおよびＣｕをさらに金属部材内部へと拡散させることで融点を上昇させ、液相を凝固させて接合することが可能となる。すなわち、金属部材を液相拡散接合によって接合することができるのである。
【００１１】
また、Ｃｕは、金属部材の接合界面近傍に拡散して固溶することで金属部材を強化する作用を有しており、金属部材の接合強度を向上させることが可能となる。さらに、Ｃｕは、ろうこぶの発生を抑える作用効果を有する。よって、ろうこぶを起因とした接合性の劣化を未然に防止することができる。
【００１２】
液相拡散接合用Ａｇペーストにおいて、金属粉末成分におけるＡｇおよびＣｕの質量比Ｃｕ／Ａｇが１／９より低くなると、Ｃｕ量が不足してしまい、接合強度を十分に向上できなくなるおそれがある。また、ろうこぶが発生しやすくなる。また、金属粉末成分におけるＡｇおよびＣｕの質量比Ｃｕ／Ａｇが４／６より高くなると、Ｃｕの酸化物がペースト内に過剰に混入し、接合が阻害されるおそれがある。
そこで、本発明では、金属粉末成分におけるＡｇおよびＣｕの質量比Ｃｕ／Ａｇを、１／９≦Ｃｕ／Ａｇ≦４／６の範囲内に設定しているのである。
【００１３】
なお、金属粉末成分としては、Ａｇ粉とＣｕ粉とを混合したものであってもよいし、Ａｇ−Ｃｕ合金粉であってもよい。また、Ａｇ粉をＣｕでコーティングしたもの、あるいは、Ｃｕ粉をＡｇでコーティングしたものであってもよい。さらに、これらの混合粉末としてもよい。
【００１４】
ここで、Ｃｕを還元する還元剤を含有することが好ましい。
この場合、ペースト中に混入したＣｕの酸化物を還元することができる。よって、Ｃｕの酸化物による接合強度の劣化を抑制することができる。
【００１５】
また、前記金属粉末成分の配合量が、４０質量％以上９０質量％以下とされていることが好ましい。
この場合、前記金属粉末成分の配合量が、４０質量％以上とされているので、上述のように液相拡散接合を確実に行うことができる。また、前記金属粉末成分の配合量が、９０質量％以下とされているので、ペースト自体の流動性が確保され、金属部材の接合界面にこのペーストを容易に塗布することができる。
【００１６】
ここで、前記樹脂を、アクリル系樹脂としてもよい。
アクリル系樹脂は、真空雰囲気や不活性ガス雰囲気であっても、熱分解によって除去されるものである。よって、金属部材の接合界面に塗布した状態で、真空雰囲気、不活性ガス雰囲気で加熱することで、樹脂を除去する工程と液相拡散接合を実施する工程とを一度に実施することが可能となる。
【００１７】
あるいは、前記樹脂を、エチルセルロースとしてもよい。
エチルセルロースは、例えば３００〜５００℃といった比較的低い温度で燃焼して除去される。よって、大気雰囲気での焼成時にＣｕが酸化することを抑制することが可能となる。
【００１８】
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板の表面に、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属板が積層されて接合されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記セラミックス基板の接合面および前記金属板の接合面のうち少なくとも一方に、前述の液相拡散接合用Ａｇペーストを塗布するペースト塗布工程と、前記セラミックス基板と前記金属板と積層する積層工程と、積層された前記セラミックス基板と前記金属板を積層方向に加圧するとともに加熱し、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、この溶融金属領域を凝固させることによって、前記セラミックス基板と前記金属板とを接合する凝固工程と、を有し、前記加熱工程において、ＡｇおよびＣｕを前記金属板に向けて拡散させることにより、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に、前記溶融金属領域を形成することを特徴としている。
【００１９】
この構成のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、前記セラミックス基板の接合面および前記金属板の接合面のうち少なくとも一方に、前述の液相拡散接合用Ａｇペーストを塗布するペースト塗布工程を備えているので、前記金属板と前記セラミックス基板の接合界面には、ＡｇおよびＣｕが介在することになる。ここで、ＡｇおよびＣｕは、アルミニウムの融点を降下させる元素であるため、比較的低温な条件においても、金属板とセラミックス基板との界面に溶融金属領域を形成することができる。
よって、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、セラミックス基板と金属板とを強固に接合することが可能となる。
【００２０】
また、Ｃｕを有しているので、接合強度を確実に向上させることが可能となる。さらに、ろうこぶの発生を抑制することができる。よって、セラミックス基板と金属板との接合信頼性を大幅に向上させることができる。
さらに、ＡｇおよびＣｕを用いた液相拡散接合によって、セラミックス基板と金属板とを接合しているので、セラミックス基板と金属板とが直接接合することになる。
【００２１】
ここで、液相拡散接合用Ａｇペーストを大気雰囲気で焼成する焼成工程を備えていてもよい。
この場合、液相拡散接合用Ａｇペーストに含まれる樹脂等を大気雰囲気で燃焼させて除去することができ、セラミックス基板と金属板との界面に確実にＡｇおよびＣｕを介在させることができる。
【００２２】
また、前記液相拡散接合用Ａｇペーストは、樹脂としてアクリル系樹脂を用いた構成とされており、前記加熱工程において、液相拡散接合用Ａｇペーストを焼成する構成としてもよい。
この場合、前記液相拡散接合用Ａｇペーストは、樹脂としてアクリル系樹脂を用いた構成とされているので、樹脂を熱分解させることで除去することが可能となる。よって、大気雰囲気での液相拡散接合用Ａｇペーストの焼成を省略することができ、簡単に、パワーモジュール用基板を製造することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属部材を確実に接合することが可能な液相拡散接合用Ａｇペースト、および、この液相拡散接合用Ａｇペーストを用いた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】
【００２４】
【図１】本発明の第一の実施形態である液相拡散接合用Ａｇペーストの製造方法を示すフロー図である。
【図２】本発明の第一の実施形態である液相拡散接合用Ａｇペーストを用いたパワーモジュールの概略説明図である。
【図３】本発明の第一の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法およびヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を示すフロー図である。
【図４】本発明の第一の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。
【図５】図４における金属板とセラミックス基板との接合界面近傍を示す説明図である。
【図６】本発明の第一の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。
【図７】本発明の第二の実施形態である液相拡散接合用Ａｇペーストを用いたパワーモジュールの概略説明図である。である。
【図８】本発明の第二の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法およびヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を示すフロー図である。
【図９】本発明の第二の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法およびヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。
【図１０】塗布された液相拡散接合用Ａｇペースト中のＡｇ量およびＣｕ量を膜厚換算する方法を示す説明図である。
【図１１】ろうこぶ率を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下に、本発明の実施形態である液相拡散接合用Ａｇペーストおよびこの液相拡散接合用Ａｇペーストを用いたパワーモジュール用基板の製造方法について添付した図面を参照して説明する。
【００２６】
まず、本実施形態である液相拡散接合用Ａｇペーストについて説明する。なお、本実施形態では、液相拡散接合用Ａｇペーストを「Ａｇペースト」と称して説明する。
このＡｇペーストは、ＡｇおよびＣｕを含む金属粉末成分と、樹脂と、溶剤と、分散剤と、可塑剤と、還元剤と、を含有するものであり、金属粉末成分の含有量が、Ａｇペースト全体の４０質量％以上９０質量％以下とされている。
また、本実施形態では、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。
【００２７】
ＡｇおよびＣｕを含む金属粉末成分として、本実施形態では、銀粉末と銅粉末との混合粉末を用いている。
そして、銀粉末と銅粉末との混合粉末（金属粉末成分）におけるＡｇおよびＣｕの質量比Ｃｕ／Ａｇが、１／９≦Ｃｕ／Ａｇ≦４／６の範囲内とされており、本実施形態では、Ｃｕ／Ａｇ＝３／７に設定されている。
【００２８】
銀粉末は、その粒径が０．０５μｍ以上２．０μｍ以下とされており、本実施形態では、平均粒径０．２μｍのものを使用した。
銅粉末は、その粒径が０．０５μｍ以上５．０μｍ以下とされており、本実施形態では、平均粒径１．０μｍのものを使用した。
なお、銀粉末および銅粉末の平均粒径は、例えば、マイクロトラック法を用いることで測定することができる。本実施形態では、ｄ５０（メジアン径）を平均粒径とした。
【００２９】
樹脂は、Ａｇペーストの粘度を調整するものであり、例えば、アクリル樹脂、アルキッド樹脂等を適用することができる。なお、本実施形態では、エチルセルロースを用いている。
【００３０】
溶剤は、例えば、タピネオール系、アセテート系、シトレート系等を用いることができる。より具体的には、α−テルピネオール、テキサノ−ル、トリエチルシトレート等を適用できる。なお、本実施形態では、α−テルピネオールを用いている。
【００３１】
分散剤は、例えば、アニオン性界面活性剤、カチオン性界面活性剤等を適用することができる。なお、本実施形態では、アニオン性界面活性剤を用いている。
可塑剤は、例えば、フタル酸ジブチル、アジピン酸ジブチル等を適用することができる。なお、本実施形態では、フタル酸ブチルを用いている。
還元剤は、例えば、ロジン、アビエチン酸等を適用することができる。なお、本実施形態では、アビエチン酸を用いている。
なお、分散剤、可塑剤、還元剤は、必要に応じて添加すればよく、分散剤、可塑剤、還元剤を添加することなくＡｇペーストを構成してもよい。
【００３２】
次に、本実施形態であるＡｇペーストの製造方法について、図１に示すフロー図を参照して説明する。
まず、前述した銀粉末と銅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、混合粉末形成工程Ｓ１で得られた混合粉末と、有機物混合工程Ｓ２で得られた有機混合物と、分散剤、可塑剤、還元剤等の副添加剤と、をミキサーによって予備混合する（予備混合工程Ｓ３）。
次いで、予備混合物を、複数のロールを有する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）。
混錬工程Ｓ４によって得られた混錬物を、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、本実施形態であるＡｇペーストが製出されることになる。
【００３３】
次に、本実施形態であるＡｇペーストを用いて構成されたパワーモジュールについて、図２を用いて説明する。
図２に示すパワーモジュール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、ヒートシンク４０とを備えている。ここで、はんだ層２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材とされている。なお、本実施形態では、回路層１２とはんだ層２との間にＮｉめっき層（図示なし）が設けられている。
【００３４】
パワーモジュール用基板１０は、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２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２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。
【００３５】
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。
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。
そして、セラミックス基板１１と回路層１２との接合、および、セラミックス基板１１と金属層１３との接合に、本実施形態であるＡｇペーストが使用されている。
【００３６】
ヒートシンク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る。本実施形態におけるヒートシンク４０は、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に対向するように配置された底板部４５と、天板部４１と底板部４５との間に介装されたコルゲートフィン４６と、を備えており、天板部４１と底板部４５とコルゲートフィン４６とによって、冷却媒体が流通する流路４２が画成されている。
【００３７】
ここで、このヒートシンク４０は、天板部４１とコルゲートフィン４６、コルゲートフィン４６と底板部４５が、それぞれろう付けされることによって構成されている。本実施形態では、図６に示すように、天板部４１および底板部４５は、基材層４１Ａ、４５Ａと、基材層４１Ａ、４５Ａよりも融点の低い材料からなる接合層４１Ｂ、４５Ｂが積層された積層アルミ板で構成されており、接合層４１Ｂ、４５Ｂがコルゲートフィン４６側を向くように、天板部４１および底板部４５が配設されている。なお、本実施形態では、基材層４１Ａ、４５ＡがＡ３００３合金で構成されており、接合層４１Ｂ、４５ＢがＡ４０４５合金で構成されている。
【００３８】
以下に、前述の構成のパワーモジュール用基板１０の製造方法およびヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法について、図３から図６を参照して説明する。
【００３９】
（Ａｇペースト塗布工程Ｓ１１）
まず、図４に示すように、セラミックス基板１１の一方の面および他方の面に、スクリーン印刷によって、前述の本実施形態であるＡｇペーストを塗布し、Ａｇペースト層２４ａ、２５ａを形成する。なお、Ａｇペースト層２４ａ，２５ａの厚さは、乾燥後で約０．０２〜２００μｍとされている。
このとき、塗布されたＡｇペースト中のＡｇ量は、０．１〜１０ｍｇ／ｃｍ２の範囲内とされ、Ｃｕ量は、０．０１〜４ｍｇ／ｃｍ２の範囲内とされている。
【００４０】
（Ａｇペースト焼成工程Ｓ１２）
次に、Ａｇペースト層２４ａ、２５ａを形成したセラミックス基板１１を、大気雰囲気で加熱し、樹脂を燃焼させて除去することにより、Ａｇ焼成層２４，２５を形成する。本実施形態では、樹脂としてエチルセルロースを用いているので、５００℃以下の温度で焼成を実施することが可能となる。
なお、このＡｇペースト焼成工程Ｓ１２においては、Ａｇ焼成層２４、２５がセラミックス基板１１上に固定されていればよく、セラミックス基板１１とＡｇ焼成層２４、２５とが強固に密着させる必要はない。
【００４１】
（積層工程Ｓ１３）
次に、金属板２２をセラミックス基板１１の一方の面側に積層し、かつ、金属板２３をセラミックス基板１１の他方の面側に積層する。
【００４２】
（加熱工程Ｓ１４）
次いで、金属板２２、セラミックス基板１１、金属板２３を積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空加熱炉内に装入して加熱する。すると、図５に示すように、Ａｇ焼成層２４，２５のＡｇおよびＣｕが金属板２２、２３に向けて拡散し、金属板２２、２３とセラミックス基板１１との界面に、溶融金属領域２７，２８が形成される。
ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度は６００℃以上６５０℃以下の範囲内に設定している。
【００４３】
（凝固工程Ｓ１５）
次に、溶融金属領域２７，２８が形成された状態で温度を一定に保持しておき、溶融金属領域２７，２８中のＡｇおよびＣｕを、さらに金属板２２、２３に向けて拡散させる。すると、溶融金属領域２７，２８であった部分のＡｇ濃度およびＣｕ濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していくことになる。つまり、セラミックス基板１１と金属板２２、２３とは、いわゆる拡散接合（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって接合されているのである。このように凝固が進行した後に、常温にまで冷却を行う。なお、凝固工程Ｓ１５が終了した後では、Ａｇ焼成層２４，２５のＡｇおよびＣｕが十分に拡散されており、セラミックス基板１１と金属板２２，２３との接合界面にＡｇ焼成層２４，２５が残存することはない。
このようにして、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０が製出される。
【００４４】
（ヒートシンク積層工程Ｓ１６）
次に、パワーモジュール用基板１０の金属層１３の他方の面側に、ヒートシンク４０を構成する天板部４１、コルゲートフィン４６、底板部４５を積層する。このとき、金属層１３の他方の面に、前述のＡｇペーストを塗布して焼成し、Ａｇ焼成層２６を形成しておく。
また、天板部４１の接合層４１Ｂおよび底板部４５の接合層４５Ｂがコルゲートフィン４６側を向くように、天板部４１および底板部４５を積層する。
【００４５】
（ヒートシンク加熱工程Ｓ１７）
次に、積層されたパワーモジュール用基板１０、天板部４１、コルゲートフィン４６および底板部４５を積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で、雰囲気加熱炉内に装入して加熱し、Ａｇ焼成層２６のＡｇを金属板２３および天板部４１に向けて拡散させ、金属層１３とヒートシンク４０の天板部４１との間に溶融金属領域を形成する。同時に、天板部４１とコルゲートフィン４６、底板部４５とコルゲートフィン４６との間にも、接合層４１Ｂ、４５Ｂを溶融させて溶融金属領域を形成する。
ここで、本実施形態では、雰囲気加熱炉内は、窒素ガス雰囲気とされており、加熱温度は５５０℃以上６３０℃以下の範囲内に設定している。
【００４６】
（溶融金属凝固工程Ｓ１８）
その後、冷却して金属層１３とヒートシンク４０の天板部４１との間に形成された溶融金属領域を凝固させることによって、金属層１３と天板部４１とが接合される。また、天板部４１とコルゲートフィン４６、底板部４５とコルゲートフィン４６の間に形成された溶融金属領域を凝固させることによって、天板部４１とコルゲートフィン４６、底板部４５とコルゲートフィン４６とが接合される。
【００４７】
このようにして、天板部４１とコルゲートフィン４６と底板部４５とがろう付けされてヒートシンク４０が形成されるとともに、このヒートシンク４０とパワーモジュール用基板１０とが接合されてヒートシンク付パワーモジュール用基板が製造される。
【００４８】
このような構成とされた本実施形態であるＡｇペーストおよびこのＡｇペーストを用いたパワーモジュール用基板１０の製造方法によれば、金属粉末成分であるＡｇおよびＣｕをセラミックス基板１１と金属板２２，２３との界面に介在させることができ、これらＡｇおよびＣｕを金属板２２，２３側へと拡散させることで、溶融金属領域２７，２８を形成して凝固させることができる。すなわち、液相拡散接合により、セラミックス基板１１と金属板２２，２３とを接合することが可能となる。このように、液相拡散接合を行うことにより、セラミックス基板１１と回路層１２，金属層１３との接合界面には、Ａｇペーストの焼成層が残存しないため、このパワーモジュール用基板１０の接合信頼性を向上させることができる。
【００４９】
また、金属粉末成分としてＣｕを含有しているので、このＣｕが回路層１２，金属層１３のセラミックス基板１１との接合界面近傍に固溶し、強度が向上することになる。よって、冷熱サイクルが作用した場合であっても接合界面における回路層１２、金属層１３の亀裂の発生を防止することができる。
さらに、Ｃｕは、ろうこぶの発生を抑制する効果を有することから、ろうこぶを起点としたセラミックス基板１１の割れを未然に防止することができる。
【００５０】
また、本実施形態のＡｇペーストでは、金属粉末成分におけるＡｇおよびＣｕの質量比Ｃｕ／Ａｇを、１／９≦Ｃｕ／Ａｇ≦４／６の範囲内とし、より具体的には、Ｃｕ／Ａｇ＝３／７に設定しているので、Ｃｕ量が十分に確保されて上述の作用効果を確実に奏功せしめることができるとともに、Ａｇペースト内へのＣｕ酸化物の混入が抑えられ、接合を良好に行うことができる。
さらに、本実施形態では、ＡｇペーストにＣｕを還元する還元剤として、アビエチン酸が添加されていることから、ペースト中に混入したＣｕの酸化物を還元することができ、Ｃｕの酸化物による接合強度の劣化を抑制することができる。
【００５１】
また、銀粉末と銅粉末からなる金属粉末成分の配合量が、Ａｇペースト全体の４０質量％以上９０質量％以下とされているので、液相拡散接合を確実に行うことができるとともに、Ａｇペーストの流動性が確保され、セラミックス基板１１にスクリーン印刷等で容易に塗布することができる。
【００５２】
さらに、本実施形態では、樹脂としてエチルセルロースを用いているので、大気雰囲気において３００〜５００℃といった比較的低い温度で燃焼して除去でき、Ａｇ焼成層２４、２５を形成できる。よって、Ａｇペースト焼成工程Ｓ１２において、銅粉末が酸化することを抑制することができる。
【００５３】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
本実施形態であるＡｇペーストは、ＡｇおよびＣｕを含む金属粉末成分と、樹脂と、溶剤と、分散剤と、可塑剤と、還元剤と、を含有するものであり、金属粉末成分の含有量が、Ａｇペースト全体の４０質量％以上９０質量％以下とされている。
また、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。
【００５４】
ＡｇおよびＣｕを含む金属粉末成分として、本実施形態では、銀粉末に銅をコーティングした粉末を用いている。
そして、金属粉末成分におけるＡｇおよびＣｕの質量比Ｃｕ／Ａｇが、１／９≦Ｃｕ／Ａｇ≦４／６の範囲内とされており、本実施形態では、Ｃｕ／Ａｇ＝３／７に設定されている。
【００５５】
そして、本実施形態では、樹脂として、アクリル樹脂を用いている。また、溶剤として、テキサノールを用いている。
なお、分散剤、可塑剤、還元剤は、第一の実施形態と同様のものを用いている。
【００５６】
次に、本実施形態であるＡｇペーストを用いて構成されたパワーモジュールについて、図７を用いて説明する。
このパワーモジュール１０１は、回路層１１２が配設されたパワーモジュール用基板１１０と、回路層１１２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、ヒートシンク１４０とを備えている。
【００５７】
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７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７において下面）に配設された金属層１１３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Ｓｉ３Ｎ４（窒化珪素）で構成されている。また、セラミックス基板１１１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、０．３２ｍｍに設定されている。
【００５８】
回路層１１２は、セラミックス基板１１１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１１２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。
金属層１１３は、セラミックス基板１１１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に接合されることで形成されている。
そして、セラミックス基板１１１と回路層１１２との接合、および、セラミックス基板１１１と金属層１１３との接合に、本実施形態であるＡｇペーストが使用されている。
【００５９】
ヒートシンク１４０は、前述のパワーモジュール用基板１１０を冷却するためのものであり、パワーモジュール用基板１１０と接合される天板部１４１と、冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路１４２とを備えている。ヒートシンク１４０（天板部１４１）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。
【００６０】
以下に、前述の構成のパワーモジュール用基板１１０の製造方法およびヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法について、図８および図９を参照して説明する。
【００６１】
（Ａｇ層形成工程Ｓ１２１／Ａｇペースト塗布工程Ｓ１１１）
まず、図９に示すように、セラミックス基板１１１の一方の面および他方の面に、スクリーン印刷によって、前述の本実施形態であるＡｇペーストを塗布し、Ａｇペースト層１２４ａ、１２５ａを形成する（Ａｇペースト塗布工程Ｓ１１１）。
また、ヒートシンク１４０の天板部１４１の一方の面にも、本実施形態であるＡｇペーストを塗布し、Ａｇペースト層１２６ａを形成する。（Ａｇ層形成工程Ｓ１２１）
なお、Ａｇペースト層１２４ａ，１２５ａ、１２６ａの厚さは、乾燥後で約０．０２〜２００μｍとされている。
このとき、塗布されたＡｇペースト中のＡｇ量は、０．１〜１０ｍｇ／ｃｍ２の範囲内とされ、Ｃｕ量は、０．０１〜４ｍｇ／ｃｍ２の範囲内とされている。
【００６２】
（ヒートシンク積層工程Ｓ１２２／セラミックス基板積層工程Ｓ１１２）
次に、図９に示すように、第一の金属板１２２をセラミックス基板１１１の一方の面側に積層する。また、第二の金属板１２３をセラミックス基板１１１の他方の面側に積層する（セラミックス基板積層工程Ｓ１１２）。
さらに、第二の金属板１２３の他方の面側に、ヒートシンク１４０を積層する（ヒートシンク積層工程Ｓ１２２）。
【００６３】
（ヒートシンク加熱工程Ｓ１２３／セラミックス基板加熱工程Ｓ１１３）
次に、第一の金属板１２２、セラミックス基板１１１、第二の金属板１２３、ヒートシンク１４０を積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空加熱炉内に装入して加熱する。本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度は６００℃以上６５０℃以下の範囲内に設定している。
このとき、Ａｇペースト層１２４ａ，１２５ａ、１２６ａに含まれるアクリル樹脂が熱分解によって除去されることになり、Ａｇペースト層１２４ａ，１２５ａ、１２６ａが焼成されてＡｇ焼成層１２４、１２５，１２６が形成される。
【００６４】
そして、Ａｇ焼成層１２４のＡｇおよびＣｕを第一の金属板１２２に向けて拡散させることにより、第一の金属板１２２とセラミックス基板１１１との界面に第一溶融金属領域を形成する。また、Ａｇ焼成層１２５のＡｇおよびＣｕを第二の金属板１２３に向けて拡散させることにより、第二の金属板１２３とセラミックス基板１１１との界面に第二溶融金属領域を形成する（セラミックス基板加熱工程Ｓ１１３）。
さらに、Ａｇ焼成層１２６のＡｇおよびＣｕを第二の金属板１２３およびヒートシンク１４０に向けて拡散させることにより、第二の金属板１２３とヒートシンク１４０との間に溶融金属領域を形成する。（ヒートシンク加熱工程Ｓ１２３）。
【００６５】
（溶融金属凝固工程Ｓ１２４／第一溶融金属および第二溶融金属凝固工程Ｓ１１４）
次に、溶融金属領域が形成された状態で温度を一定に保持しておく。
すると、第二の金属板１２３とヒートシンク１４０との界面に形成された溶融金属領域中のＡｇおよびＣｕが、さらに第二の金属板１２３およびヒートシンク１４０に向けて拡散していくことになる。これにより、溶融金属領域であった部分のＡｇ濃度およびＣｕ濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していくことになる（溶融金属凝固工程Ｓ１２４）。
【００６６】
同様に、第一溶融金属領域中のＡｇおよびＣｕが、さらに第一の金属板１２２に向かって拡散していく。また、第二溶融金属領域中のＡｇおよびＣｕが、さらに第二の金属板１２３に向かって拡散していく。すると、第一溶融金属領域、第二溶融金属領域であった部分のＡｇ濃度およびＣｕ濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していくことになる（第一溶融金属および第二溶融金属凝固工程Ｓ１１４）。
このようにして凝固が進行した後に、常温にまで冷却を行う。
【００６７】
以上のようにして、回路層１１２となる第一の金属板１２２とセラミックス基板１１１とが接合され、金属層１１３となる第二の金属板１２３とセラミックス基板１１１とが接合されて本実施形態であるパワーモジュール用基板１１０が製造されるとともに、第二の金属板１２３とヒートシンク１４０とが接合され、ヒートシンク付パワーモジュール用基板が製造される。
【００６８】
このような構成とされた本実施形態であるＡｇペーストおよびこのＡｇペーストを用いたパワーモジュール用基板１１０の製造方法によれば、第一の実施形態と同様に、金属粉末成分としてＡｇおよびＣｕを含有しているので、セラミックス基板１１１と回路層１１２、金属層１１３とを強固に接合することができ、接合信頼性に優れたパワーモジュール用基板１１０を製造することができる。
【００６９】
そして、本実施形態では、Ａｇペーストの樹脂としてアクリル樹脂を用いているので、真空雰囲気であってもアクリル樹脂を熱分解によって除去することが可能となる。よって、真空雰囲気でのセラミックス基板加熱工程Ｓ１１３において、Ａｇペーストの焼成を実施することができ、大気雰囲気での加熱による焼成工程を省略することができる。
【００７０】
また、本実施形態では、セラミックス基板１１１と第一の金属板１２２および第二の金属板１２３との接合と、第二の金属板１２３とヒートシンク１４０との接合とを、同時に行う構成としているので、これらの接合に掛かるコストを大幅に削減することができる。また、セラミックス基板１１１に対して繰り返し加熱、冷却を行わずに済むので、このヒートシンク付パワーモジュール用基板の反りの低減を図ることができ、高品質なヒートシンク付パワーモジュール用基板を製出することができる。
【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、セラミックス基板とアルミニウムからなる金属板とを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、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属部材を接合する際に、本発明の液相拡散接合用Ａｇペーストを用いてもよい。
【００７２】
金属粉末成分として、銀粉末と銅粉末の混合粉末、銀粉末に銅をコーティングした粉末を例にあげて説明したが、これに限定されることはなく、Ａｇ−Ｃｕ合金粉末等を用いてもよい。
樹脂として、エチルセルロール、アクリル樹脂を例にあげて説明したが、これに限定されることはなく、他の樹脂を用いてもよい。
溶剤として、テキサノール、α―テルピネオールを例にあげて説明したが、これに限定されることはなく、他の溶剤を用いてもよい。
また、分散剤、可塑剤、還元剤についても、本実施形態に例示された以外のものを適用してもよい。
【００７３】
さらに、回路層およ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、アルミニウムまたはアルミニウム合金で構成されていればよい。
また、パワーモジュールおよびパワーモジュール用基板の構成は、本実施形態に限定されるものではなく、他の構造のものであってもよい。
【００７４】
さらに、本実施形態では、ヒートシンクとパワーモジュール用基板との接合にも、Ａｇペーストを使用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、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材を使用してヒートシンクとパワーモジュール用基板とを接合してもよい。
【実施例】
【００７５】
本発明の有効性を確認するために行った比較実験について説明する。
表１に示す条件で、液相拡散接合用Ａｇペーストを作成した。なお、金属粉末成分として、銀粉末および銅粉末を用いた。ここで、銀粉末は、三井金属鉱業株式会社及び田中貴金属工業株式会社製を使用した。また、銅粉末は、三井金属鉱業株式会社及び株式会社高純度化学研究所 を使用した。
【００７６】
また、分散剤としてアニオン性界面活性剤を、可塑剤としてアジピン酸ジブチルを、還元剤としてアビエチン酸を用いた。
金属粉末成分以外の樹脂、溶剤、分散剤、可塑剤、還元剤の混合比率は、質量比で、樹脂：溶剤：分散剤：可塑剤：還元剤＝７：７０：３：５：１５とした。
【００７７】
【表１】
【００７８】
この表１に示す液相拡散接合用Ａｇペーストを用いて、セラミックス基板とアルミニウム板とを接合して、パワーモジュール用基板を製作した。なお、アルミニウム板として純度９９．９９％以上の４Ｎアルミの圧延板を使用した。
また、ヒートシンクとしてＡ６０６３からなるアルミニウム板を、パワーモジュール用基板の金属層側に接合した。
表２に、セラミックス基板、回路層、金属層、ヒートシンクのサイズ、セラミックス基板の材質を示す。
【００７９】
【表２】
【００８０】
セラミックス基板とアルミニウム板との界面、および、アルミニウム板とヒートシンクとの界面に、表１に示す液相拡散接合用Ａｇペーストを塗布し、焼成した。塗布された液相拡散接合用ＡｇペーストにおけるＡｇおよびＣｕの固着量と膜厚換算量、焼成条件を表３に示す。
膜厚換算は、蛍光Ｘ線膜厚計（エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社製ＳＴＦ９４００）を用いて、塗布した液相拡散接合用Ａｇペーストに対し、図１０に示す箇所（９点）を各３回測定した平均値とした。なお、予め膜厚が既知のサンプルを測定して蛍光Ｘ線強度と濃度の関係を求めておき、その結果を基準として、各試料において測定された蛍光Ｘ線強度から膜厚を決定した。
【００８１】
【表３】
【００８２】
そして、表４に示す条件でセラミックス基板とアルミニウム板とを接合し、パワーモジュール用基板およびヒートシンク付パワーモジュール用基板を作成した。
なお、接合回数が「１回」のものは、セラミックス基板、アルミニウム板、ヒートシンクを同時に接合したものである。また、接合回数が「２回」のものは、セラミックス基板とアルミニウム板とを接合してパワーモジュール用基板を製作した後にヒートシンクを接合したものである。
ここで、接合は、真空加熱炉を用いて行い、真空加熱炉内の圧力は１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内に設定した。
【００８３】
上述のようにして得られたパワーモジュール用基板について、初期ボイド率、ろうこぶ率、冷熱サイクル負荷後の接合率、を評価した。評価結果を表４に示す。
初期ボイド率は、接合直後のパワーモジュール用基板を用いて、以下の式で算出した。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のこととした。
初期ボイド率 ＝ 初期ボイド面積／初期接合面積
【００８４】
ろうこぶ率は、接合直後のパワーモジュール用基板を用いて、以下の式で算出した。なお、図１１に示すように、変質部Ｚ１とは、接合面内において変質が確認された部分である。また、ろうこぶＺ２は、接合面からはみ出したものである。
ろうこぶ率 ＝ （ろうこぶの面積＋変質部の面積）／セラミックス基板の面積
【００８５】
冷熱サイクル負荷後の接合率は、冷熱サイクル（−４５℃−１２５℃）を２０００回繰り返した後のパワーモジュール用基板を用いて、以下の式で算出した。
接合率 ＝ （初期接合面積−剥離面積）／初期接合面積
【００８６】
【表４】
【００８７】
金属粉末成分としてＣｕを含有しておらず、かつ、金属粉末成分が８０質量％とされた比較例１においては、ろうこぶの発生が顕著であった。また、冷熱サイクル後には、このろうこぶを起点としてセラミックス割れが認められた。
金属粉末成分としてＣｕを含有しておらず、かつ、金属粉末成分が４０質量％とされた比較例２においては、ろうこぶの発生は抑えられているものの、冷熱サイクル後の接合率が６５％以下と低くなっている。
【００８８】
金属粉末成分におけるＣｕとＡｇの質量比Ｃｕ／Ａｇが５０／５０とされた比較例３および質量比Ｃｕ／Ａｇが８０／２０とされた比較例４においては、初期ボイド率が高く、接合の初期段階で十分に接合していないことが確認された。これは、銅の酸化物に起因するものであると推測される
【００８９】
これに対して、本発明例１−２０においては、初期ボイド率、ろうこぶ率、冷熱サイクル負荷後の接合率のいずれも良好な値を示していることが確認される。
また、樹脂としてアクリル樹脂を用いた本発明例１〜８、１３〜１６においては、大気雰囲気での焼成を行うことなく、窒素ガス雰囲気でも焼成が行われており、良好に接合することができた。
【符号の説明】
【００９０】
１、１０１ 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、１１０ パワーモジュール用基板
１２、１１２ 回路層
１３、１１３ 金属層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属部材を液相拡散接合する際に使用される液相拡散接合用Ａｇペーストであって、
ＡｇおよびＣｕを含む金属粉末成分と、樹脂と、溶剤と、を含み、
前記金属粉末成分におけるＡｇおよびＣｕの質量比Ｃｕ／Ａｇが、１／９≦Ｃｕ／Ａｇ≦４／６の範囲内に設定されていることを特徴とする液相拡散接合用Ａｇペースト。
【請求項２】
Ｃｕを還元する還元剤を含有することを特徴とする請求項１に記載の液相拡散接合用Ａｇペースト。
【請求項３】
前記金属粉末成分の配合量が、４０質量％以上９０質量％以下とされていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の液相拡散接合用Ａｇペースト。
【請求項４】
前記樹脂が、アクリル系樹脂であ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液相拡散接合用Ａｇペースト。
【請求項５】
前記樹脂が、エチルセルロースであ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液相拡散接合用Ａｇペースト。
【請求項６】
セラミックス基板の表面に、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属板が積層されて接合されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記セラミックス基板の接合面および前記金属板の接合面のうち少なくとも一方に、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の液相拡散接合用Ａｇペーストを塗布するペースト塗布工程と、
前記セラミックス基板と前記金属板と積層する積層工程と、
積層された前記セラミックス基板と前記金属板を積層方向に加圧するとともに加熱し、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、
この溶融金属領域を凝固させることによって、前記セラミックス基板と前記金属板とを接合する凝固工程と、を有し、
前記加熱工程において、ＡｇおよびＣｕを前記金属板に向けて拡散させることにより、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に、前記溶融金属領域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７】
液相拡散接合用Ａｇペーストを大気雰囲気で焼成する焼成工程を備えてい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用基板の製造方法。
【請求項８】
前記加熱工程において、液相拡散接合用Ａｇペーストを焼成す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用基板の製造方法。
【請求項１】
アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属部材を液相拡散接合する際に使用される液相拡散接合用Ａｇペーストであって、
ＡｇおよびＣｕを含む金属粉末成分と、樹脂と、溶剤と、を含み、
前記金属粉末成分におけるＡｇおよびＣｕの質量比Ｃｕ／Ａｇが、１／９≦Ｃｕ／Ａｇ≦４／６の範囲内に設定されていることを特徴とする液相拡散接合用Ａｇペースト。
【請求項２】
Ｃｕを還元する還元剤を含有することを特徴とする請求項１に記載の液相拡散接合用Ａｇペースト。
【請求項３】
前記金属粉末成分の配合量が、４０質量％以上９０質量％以下とされていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の液相拡散接合用Ａｇペースト。
【請求項４】
前記樹脂が、アクリル系樹脂であ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液相拡散接合用Ａｇペースト。
【請求項５】
前記樹脂が、エチルセルロースであ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液相拡散接合用Ａｇペースト。
【請求項６】
セラミックス基板の表面に、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属板が積層されて接合されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記セラミックス基板の接合面および前記金属板の接合面のうち少なくとも一方に、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の液相拡散接合用Ａｇペーストを塗布するペースト塗布工程と、
前記セラミックス基板と前記金属板と積層する積層工程と、
積層された前記セラミックス基板と前記金属板を積層方向に加圧するとともに加熱し、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、
この溶融金属領域を凝固させることによって、前記セラミックス基板と前記金属板とを接合する凝固工程と、を有し、
前記加熱工程において、ＡｇおよびＣｕを前記金属板に向けて拡散させることにより、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に、前記溶融金属領域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７】
液相拡散接合用Ａｇペーストを大気雰囲気で焼成する焼成工程を備えてい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用基板の製造方法。
【請求項８】
前記加熱工程において、液相拡散接合用Ａｇペーストを焼成す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用基板の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−１６１８１８（Ｐ２０１２−１６１８１８Ａ）
【公開日】平成２４年８月３０日（２０１２．８．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４８２３（Ｐ２０１１−２４８２３）
【出願日】平成２３年２月８日（２０１１．２．８）
【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２４年８月３０日（２０１２．８．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月８日（２０１１．２．８）
【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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