JP6160037B2 - 接合体の製造方法、パワーモジュールの製造方法、及び、接合体、パワーモジュール、パワーモジュール用基板 - Google Patents
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Description
この発明は、アルミニウム部材と他の部材とが接合されてなる接合体の製造方法、この接合体の製造方法を用いたパワーモジュールの製造方法、及び、接合体、パワーモジュール、パワーモジュール用基板に関するものである。
ＬＥＤやパワーモジュール等の半導体装置においては、導電材料からなる回路層の上に半導体素子が接合された構造とされている。
例えば、特許文献１に示すパワーモジュールにおいては、セラミックス基板の一方の面に金属からなる回路層が形成されたパワーモジュール用基板と、この回路層上に接合される半導体素子と、を備えた構造とされている。そして、パワーモジュール用基板の他方側に放熱板が接合されており、半導体素子で発生した熱を、パワーモジュール用基板側に伝達し、放熱板を介して外部へ放散する構成とされている。
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ここで、半導体素子等の電子部品を回路層上に接合する際には、例えば特許文献１に示すように、はんだ材を用いた方法が広く使用されている。最近では、環境保護の観点から、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系等の鉛フリーはんだが主流となっている。
ところで、特許文献１に記載されたように、はんだ材を介して半導体素子等の電子部品と回路層とを接合した場合には、高温環境下で使用した際にはんだの一部が溶融し、半導体素子等の電子部品と回路層と接合信頼性が低下するおそれがあった。
特に、最近では、シリコン半導体からＳｉＣ又はＧａＮなど化合物半導体素子の実用化が期待されており、半導体素子自体の耐熱性が向上しており、従来のようにはんだ材で接合した構造では対応が困難となってきている。
特に、最近では、シリコン半導体からＳｉＣ又はＧａＮなど化合物半導体素子の実用化が期待されており、半導体素子自体の耐熱性が向上しており、従来のようにはんだ材で接合した構造では対応が困難となってきている。
そこで、はんだ材の代替として、特許文献２、３には、酸化銀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、半導体素子等の電子部品を回路上に接合する技術が提案されている。
酸化銀粒子と有機物からなる還元剤とを含む酸化物ペーストにおいては、酸化銀粒子が還元剤によって還元されることによって生成する金属粒子が焼結することで、導電性の焼成体からなる接合層が形成され、この接合層を介して半導体素子等の電子部品が回路上に接合されることになる。
このように、金属粒子の焼成体によって接合層を形成した場合には、比較的低温条件で接合層を形成できるとともに接合層自体の融点は高くなるため、高温環境下においても接合強度が大きく低下しない。
酸化銀粒子と有機物からなる還元剤とを含む酸化物ペーストにおいては、酸化銀粒子が還元剤によって還元されることによって生成する金属粒子が焼結することで、導電性の焼成体からなる接合層が形成され、この接合層を介して半導体素子等の電子部品が回路上に接合されることになる。
このように、金属粒子の焼成体によって接合層を形成した場合には、比較的低温条件で接合層を形成できるとともに接合層自体の融点は高くなるため、高温環境下においても接合強度が大きく低下しない。
ところで、特許文献２，３に記載されたように、酸化銀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た場合には、この酸化物ペーストを焼成して導電性の焼成体を形成することになる。ここで、酸化物ペーストが焼結される際には、酸化銀粒子の還元反応や有機物の分解反応によるガスが発生する。
例えば、上述したパワーモジュールにおいて、半導体素子と回路層とを酸化物ペーストによって接合する場合、酸化物ペーストの焼結は、温度の不均一性などから半導体素子と回路層の接合面の周縁部から中央部に向けて進行してしまう場合がある。このため、接合面の中央部で酸化物ペーストが焼結する時点では、接合面の周縁部の焼結が完了しており、接合面の中央部で発生した酸化銀粒子の還元反応や有機物の分解反応によるガスが接合層内部に残存してしまい、半導体素子と回路層とを接合できなくなるおそれがあった。このため、半導体素子と回路層との間の熱抵抗が大きくなり、半導体素子から発生する熱をパワーモジュール用基板側へ効率よく伝達することができなくなるおそれがあった。
例えば、上述したパワーモジュールにおいて、半導体素子と回路層とを酸化物ペーストによって接合する場合、酸化物ペーストの焼結は、温度の不均一性などから半導体素子と回路層の接合面の周縁部から中央部に向けて進行してしまう場合がある。このため、接合面の中央部で酸化物ペーストが焼結する時点では、接合面の周縁部の焼結が完了しており、接合面の中央部で発生した酸化銀粒子の還元反応や有機物の分解反応によるガスが接合層内部に残存してしまい、半導体素子と回路層とを接合できなくなるおそれがあった。このため、半導体素子と回路層との間の熱抵抗が大きくなり、半導体素子から発生する熱をパワーモジュール用基板側へ効率よく伝達することができなくなるおそれがあった。
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、アルミニウム部材と他の部材とを、酸化銀と還元剤とを含む接合材を用いて接合する際に、酸化銀の還元反応や有機物の分解反応によるガスを接合層の外部へと排出し、アルミニウム部材と他の部材とを十分に接合することが可能な接合体の製造方法、この接合体の製造方法を用いたパワーモジュールの製造方法、及び、接合体、パワーモジュール、パワーモジュール用基板を提供することを目的とする。
このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明の接合体の製造方法は、酸化銀と還元剤とを含む接合材を用いて、アルミニウム部材と他の部材とを接合する接合体の製造方法であって、前記アルミニウム部材の接合面の表面に下地層及び下地層の非被覆部分を形成し、前記下地層の非被覆部分が前記接合面の周縁部にまで延在するように形成する下地層形成工程と、前記アルミニウム部材と前記他の部材との間に、前記接合材を配置する接合材配置工程と、前記接合材を焼結することによって、前記下地層の非被覆部分において前記アルミニウム部材と前記接合材とが接合されない非接合部を形成するとともに、前記下地層において前記アルミニウム部材と前記他の部材の間に接合層を形成する焼成工程と、を備え、前記アルミニウム部材と前記他の部材とを、前記接合層を介して接合することを特徴としている。
この構成の接合体の製造方法によれば、前記アルミニウム部材の接合面の表面に下地層及び下地層の非被覆部分を形成し、前記下地層の非被覆部分が前記接合面の周縁部にまで延在するように形成する下地層形成工程を備えている。このため、前記アルミニウム部材と前記他の部材との間に介在させた前記接合材を焼結する焼成工程において、接合材が焼結する際に、還元された銀とアルミニウムとが反応しないので、下地層の非被覆部分には焼成体が形成されず、非接合部が生じることになる。よって、アルミニウム部材及び他の部材の接合面の周縁部から中央部に向けて焼結が進行しても、接合面の中央部で発生する酸化銀の還元反応や有機物の分解反応によるガスが、非接合部を介して外部へと排出されることになり、接合材の焼成体からなる接合層内にガスが残存しない。よって、アルミニウム部材と他の部材とを確実に接合することが可能となる。なお、このアルミニウム部材は、アルミニウム又はアルミニウム合金から構成されている。
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金属からなる回路層が配設されたパワーモジュール用基板と、前記回路層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、前記回路層と前記半導体素子とを、前述の接合体の製造方法によって接合することを特徴としている。
この構成のパワーモジュールの製造方法によれば、半導体素子と回路層との間の接合層内に、酸化銀の還元反応や有機物の分解反応によるガスが残存することを抑制でき、半導体素子と回路層とを確実に接合することができる。よって、半導体素子と回路層との間の熱抵抗を抑えることができ、半導体素子から発生する熱をパワーモジュール用基板側へ効率よく伝達することができる。
この構成のパワーモジュールの製造方法によれば、半導体素子と回路層との間の接合層内に、酸化銀の還元反応や有機物の分解反応によるガスが残存することを抑制でき、半導体素子と回路層とを確実に接合することができる。よって、半導体素子と回路層との間の熱抵抗を抑えることができ、半導体素子から発生する熱をパワーモジュール用基板側へ効率よく伝達することができる。
ここで、前記非接合部の合計面積が、前記接合面全体の２％以上１０％以下とされていることが好ましい。
この場合、前記非接合部の合計面積が、前記接合面全体の１０％以下とされているので、半導体素子と回路層とが確実に接合されるとともに、半導体素子と回路層との間の熱抵抗が大きくなることを抑制できる。また、前記接合面全体の２％以上とされていることから、酸化銀の還元反応や有機物の分解反応によって生じたガスを確実に外部に排出することができる。
この場合、前記非接合部の合計面積が、前記接合面全体の１０％以下とされているので、半導体素子と回路層とが確実に接合されるとともに、半導体素子と回路層との間の熱抵抗が大きくなることを抑制できる。また、前記接合面全体の２％以上とされていることから、酸化銀の還元反応や有機物の分解反応によって生じたガスを確実に外部に排出することができる。
本発明の接合体は、アルミニウム部材と他の部材との接合体であって、前記アルミニウム部材と前記他の部材との間に、下地層及び接合層が形成されており、前記下地層は、前記アルミニウム部材側に形成されたガラス層と、このガラス層上に形成されたＡｇ層と、を備えており、前記アルミニウム部材のうち前記他の部材との接合面には、前記下地層と前記下地層の非被覆部分とが形成されており、前記下地層の非被覆部分は、前記他の部材との接合面の周縁部まで延在していることを特徴とする。
本発明のパワーモジュールは、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、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、前記回路層と前記半導体素子との間に、下地層及び接合層が形成されており、前記下地層は、前記回路層側に形成されたガラス層と、このガラス層上に形成されたＡｇ層と、を備えており、前記回路層の一方の面のうち前記半導体素子との接合面には、前記下地層と前記下地層の非被覆部分とが形成されており、前記下地層の非被覆部分は、前記半導体素子との接合面の周縁部まで延在し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よれば、半導体素子と回路層とが酸化銀と還元剤とを含む接合材の焼成体からなる接合層を介して接合されており、この接合層内に酸化銀の還元反応や有機物の分解反応によるガスが残存することが抑制されることから、半導体素子と回路層との間の熱抵抗が小さく、半導体素子で発生する熱をパワーモジュール用基板側へと効率良く伝達することが可能となる。
本発明のパワーモジュールは、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、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、前記回路層と前記半導体素子との間に、下地層及び接合層が形成されており、前記下地層は、前記回路層側に形成されたガラス層と、このガラス層上に形成されたＡｇ層と、を備えており、前記回路層の一方の面のうち前記半導体素子との接合面には、前記下地層と前記下地層の非被覆部分とが形成されており、前記下地層の非被覆部分は、前記半導体素子との接合面の周縁部まで延在し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よれば、半導体素子と回路層とが酸化銀と還元剤とを含む接合材の焼成体からなる接合層を介して接合されており、この接合層内に酸化銀の還元反応や有機物の分解反応によるガスが残存することが抑制されることから、半導体素子と回路層との間の熱抵抗が小さく、半導体素子で発生する熱をパワーモジュール用基板側へと効率良く伝達することが可能となる。
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、この回路層の上に半導体素子が接合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のうち前記半導体素子との接合面には、前記下地層と前記下地層の非被覆部分とが形成されており、前記下地層は、前記回路層側に形成されたガラス層と、このガラス層上に形成されたＡｇ層と、を備えており、前記下地層の非被覆部分は、前記半導体素子との接合面の周縁部まで延在していることを特徴とする。
ここで、前記回路層の一方の面のうち前記半導体素子との接合面に、前記接合面の周縁部まで延在する突条部が形成され、この突条部によって前記下地層の非被覆部分が形成されている構成としてもよい。
ここで、前記回路層の一方の面のうち前記半導体素子との接合面に、前記接合面の周縁部まで延在する突条部が形成され、この突条部によって前記下地層の非被覆部分が形成されている構成としてもよい。
本発明によれば、アルミニウム部材と他の部材とを、酸化銀と還元剤とを含む接合材を用いて接合する際に、酸化銀の還元反応や有機物の分解反応によるガスを接合層の外部へと排出し、アルミニウム部材と他の部材とを十分に接合することが可能な接合体の製造方法、この接合体の製造方法を用いたパワーモジュールの製造方法、及び、接合体、パワーモジュール、パワーモジュール用基板を提供することができる。
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。
本実施形態である接合体の製造方法は、半導体素子を他の部材とし、パワーモジュール用基板の回路層をアルミニウム部材とし、これら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により、接合体としてのパワーモジュールを製造するものである。図１に、本実施形態であるパワーモジュールを示す。
本実施形態である接合体の製造方法は、半導体素子を他の部材とし、パワーモジュール用基板の回路層をアルミニウム部材とし、これら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により、接合体としてのパワーモジュールを製造するものである。図１に、本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素子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。
パワーモジュール用基板１０は、図１に示すように、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（窒化アルミニウム）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）等で構成されている。本実施形態では、放熱性の優れた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。
回路層１２は、セラミックス基板１１の一方の面に、導電性を有するアルミニウム又はアルミニウム合金の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９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板を接合することで形成されている。なお、回路層１２の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６ｍｍに設定されている。また、この回路層１２には、回路パターンが形成されており、その一方の面（図１において上面）が、半導体素子３が接合される接合面とされている。
金属層１３は、セラミックス基板１１の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金、銅又は銅合金等の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、この金属板（金属層１３）は、純度が９９質量％以上のアルミニウム又はアルミニウム合金の圧延板とされており、より具体的には、純度が９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板とされている。ここで、金属層１３の厚さは、０．２ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、１．６ｍｍに設定されている。
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。
半導体素子３は、Ｓｉ等の半導体材料で構成されており、回路層１２との接合面には、Ｎｉ、Ａｕ等からなる表面処理膜３ａが形成されている。
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、前述した下地層３１及び接合層３８が形成されている。
なお、下地層３１及び接合層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、半導体素子３が配設される部分、すなわち、半導体素子３との接合面にのみ選択的に形成されている。
なお、下地層３１及び接合層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、半導体素子３が配設される部分、すなわち、半導体素子３との接合面にのみ選択的に形成されている。
ここで、下地層３１は、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。この下地層３１は、図２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が分散されている。なお、ガラス層３２内の導電性粒子は、例えば透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いることで観察されるものである。
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が分散されている。
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が分散されている。なお、ガラス層３２内の導電性粒子は、例えば透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いることで観察されるものである。
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が分散されている。
なお、この下地層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、下地層３１の厚さ方向における電気抵抗値Ｐは、下地層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を構成するアルミニウム（４Ｎアルミニウム）の電気抵抗が下地層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、下地層３１の上面中央点と、下地層３１の前記上面中央点から下地層３１端部までの距離と同距離分だけ下地層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。
下地層３１を構成するガラス含有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。
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、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。
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、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。
この下地層３１の上、すなわちＡｇ層３３の上に形成された接合層３８は、酸化銀と還元剤とを含む接合材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。すなわち、接合層３８は、酸化銀が還元されたＡｇの焼成体とされているのである。ここで、酸化銀を還元することにより析出する粒子は、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、この接合層３８においては、下地層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。
この接合層３８を構成する酸化銀ペーストは、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。この酸化銀ペーストにおいては、焼結によって得られる接合層３８に未反応の有機物が残存することを抑制するために、分散剤及び樹脂は添加しないことが望ましい。
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。
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や有機物の分解反応を促進させる作用を有するものであり、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適用される。
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。
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。この酸化銀ペーストにおいては、焼結によって得られる接合層３８に未反応の有機物が残存することを抑制するために、分散剤及び樹脂は添加しないことが望ましい。
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。
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や有機物の分解反応を促進させる作用を有するものであり、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適用される。
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。
そして、本実施形態においては、図３及び図４に示すように、回路層１２の一方の面には、半導体素子３との接合面の周縁部まで延在する下地層の非被覆部分３５が形成されている。すなわち、下地層の非被覆部分３５は、回路層１２の一方の面のうち下地層３１が形成された領域の周縁部にまで延在するように形成されているのである。
この下地層の非被覆部分３５は、回路層１２に設けられた突条部１２ａが外部に露呈された構造とされており、図２に示すように、この下地層の非被覆部分３５の領域には、下地層３１が形成されていない。
この下地層の非被覆部分３５は、回路層１２に設けられた突条部１２ａが外部に露呈された構造とされており、図２に示すように、この下地層の非被覆部分３５の領域には、下地層３１が形成されていない。
ここで、下地層の非被覆部分３５の合計面積は、接合面全体の面積に対して、面積比で２％以上１０％以下となるように構成されている。
本実施形態では、図３に示すように、半導体素子３との接合面の中央部から接合面がなす四角形の各辺に向かう４本の下地層の非被覆部分３５が配設されている。
本実施形態では、図３に示すように、半導体素子３との接合面の中央部から接合面がなす四角形の各辺に向かう４本の下地層の非被覆部分３５が配設されている。
以下に、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５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の片面に、プレス、研削、エッチング、表面処理等によって突条部１２ａを形成する（突条部形成工程Ｓ０１）。
次に、回路層１２及び金属層１３となるアルミニウム板と、セラミックス基板１１とを接合する（回路層及び金属層形成工程Ｓ０２）。回路層１２となるアルミニウム板をセラミックス基板１１の一方の面にろう材を介して積層し、金属層１３となるアルミニウム板をセラミックス基板１１の他方の面に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。なお、このろう付けの温度は、６２０℃〜６５０℃に設定されている。
まず、回路層１２となるアルミニウム板の片面に、プレス、研削、エッチング、表面処理等によって突条部１２ａを形成する（突条部形成工程Ｓ０１）。
次に、回路層１２及び金属層１３となるアルミニウム板と、セラミックス基板１１とを接合する（回路層及び金属層形成工程Ｓ０２）。回路層１２となるアルミニウム板をセラミックス基板１１の一方の面にろう材を介して積層し、金属層１３となるアルミニウム板をセラミックス基板１１の他方の面に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。なお、このろう付けの温度は、６２０℃〜６５０℃に設定されている。
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Ｓ０３）。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。
次に、回路層１２の表面に下地層３１を形成するとともに、下地層の非被覆部分３５を形成する（下地層形成工程Ｓ０４）。
まず、回路層１２の表面に、下地層３１となるガラス含有Ａｇペーストを塗布する（下地ペースト塗布工程Ｓ４１）。
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の半導体素子３が接合される接合面に形成した。
このとき、ガラス含有Ａｇペーストを、回路層１２に形成された突条部１２ａが外部に露出するようにパターン状に塗布することになる。
まず、回路層１２の表面に、下地層３１となるガラス含有Ａｇペーストを塗布する（下地ペースト塗布工程Ｓ４１）。
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の半導体素子３が接合される接合面に形成した。
このとき、ガラス含有Ａｇペーストを、回路層１２に形成された突条部１２ａが外部に露出するようにパターン状に塗布することになる。
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（下地層焼成工程Ｓ４２）。なお、このときの焼成温度は３５０〜６４５℃に設定されている。
下地ペースト塗布工程Ｓ４１及び下地層焼成工程Ｓ４２により、回路層１２の一方の面に、ガラス層３２とＡｇ層３３とを備えた下地層３１及び下地層の非被覆部分３５が形成される。
下地ペースト塗布工程Ｓ４１及び下地層焼成工程Ｓ４２により、回路層１２の一方の面に、ガラス層３２とＡｇ層３３とを備えた下地層３１及び下地層の非被覆部分３５が形成される。
次に、回路層１２と半導体素子３との間に、酸化銀ペーストを配置する（接合材配置工程Ｓ０５）。
まず、下地層３１及び下地層の非被覆部分３５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Ｓ５１）。
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。
まず、下地層３１及び下地層の非被覆部分３５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Ｓ５１）。
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。
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Ｓ５２）。この酸化銀ペースト塗布工程Ｓ５１及び半導体素子積層工程Ｓ５２により、回路層１２と半導体素子３との間に、酸化銀ペーストを配置することができる。
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（焼成工程Ｓ０６）。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０．５〜１０ＭＰａが望ましい。
この焼成工程Ｓ０６においては、通常、酸化銀ペーストの焼成が接合面の周縁部から中央部に向かって進行していくことになる。また、酸化銀ペーストが焼成される際には、酸化銀の還元反応や有機物の分解反応によるガスが発生する。
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（焼成工程Ｓ０６）。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０．５〜１０ＭＰａが望ましい。
この焼成工程Ｓ０６においては、通常、酸化銀ペーストの焼成が接合面の周縁部から中央部に向かって進行していくことになる。また、酸化銀ペーストが焼成される際には、酸化銀の還元反応や有機物の分解反応によるガスが発生する。
このようにして、下地層３１の上に接合層３８が形成され、半導体素子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。
以上のような構成とされた本実施形態によれば、回路層１２のうち半導体素子３との接合面に、酸化銀ペーストと接合されない非接合部Ｓを接合面の周縁部にまで延在するように形成することができる。接合材の焼成時に還元された銀がアルミニウムと反応しないので、図２に示すように、下地層の非被覆部分３５には、酸化銀ペーストの焼成体が形成されず、非接合部Ｓが形成されることになる。よって、酸化銀ペーストの焼成によって、接合面の中央部で酸化銀の還元反応や有機物の分解反応によるガスが発生しても、このガスを、非接合部Ｓを介して外部へと排出することができ、半導体素子３と下地層３１との間に形成される接合層３８の内部にガスが残存することを抑制できる。
これにより、半導体素子３と回路層１２とを確実に接合され、半導体素子３と回路層１２との間の熱抵抗を抑えることができ、半導体素子３から発生する熱をパワーモジュール用基板１０側へ効率よく伝達することが可能となる
これにより、半導体素子３と回路層１２とを確実に接合され、半導体素子３と回路層１２との間の熱抵抗を抑えることができ、半導体素子３から発生する熱をパワーモジュール用基板１０側へ効率よく伝達することが可能となる
本実施形態では、下地層の非被覆部分３５の合計面積は、接合面全体の面積に対して、面積比で２％以上１０％以下となるように構成されており、この下地層の非被覆部分３５によって形成される非接合部Ｓの合計面積が、接合面全体の面積の２％以上１０％以下とされるので、半導体素子３と回路層１２とが確実に接合されるとともに、半導体素子３と回路層１２との間の熱抵抗が大きくなることを抑制できる。
また、本実施形態では、下地層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。
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が分散されていて、ガラス層３２においても導電性が確保されており、具体的には、ガラス層３２を含めた下地層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ので、下地層３１及び接合層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。
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が分散されていて、ガラス層３２においても導電性が確保されており、具体的には、ガラス層３２を含めた下地層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ので、下地層３１及び接合層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。
また、本実施形態では、接合層３８が、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、接合層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、接合層３８中に残存しにくく、接合層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。
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、本実施形態では、回路層及び金属層をアルミニウム板で構成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、回路層がアルミニウム合金板で構成されていてもよい。一方、金属層は、アルミニウム板又はアルミニウム合金板、銅板又は銅合金板で構成されていてもよい。
例えば、本実施形態では、回路層及び金属層をアルミニウム板で構成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、回路層がアルミニウム合金板で構成されていてもよい。一方、金属層は、アルミニウム板又はアルミニウム合金板、銅板又は銅合金板で構成されていてもよい。
また、本実施形態では、回路層の一方の面に突条部を形成し、この突条部を露出させることで下地層の非被覆部分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、例えば、図６に示すパワーモジュール１０１のように、回路層１１２の一方の面にスクリーン印刷などによって、下地層の非被覆部分を形成することで非接合部Ｓを形成し、接合層１３８を介して半導体素子１０３を接合してもよい。このとき、下地層を形成しない非被覆部分１３５の領域には、アルミニウム部材と接合材との間で接合層１３８が形成されず、非接合部Ｓが形成されることになる。
また、本実施形態では、図３に示すパターンで下地層の非被覆部分３５を形成したもので説明したが、下地層の非被覆部分の形成パターンに限定はない。例えば、図７に示すように、回路層２１２の一方の面に、接合面の中央から接合面がなす四角形の角部に向かうように下地層の非被覆部分２３５を形成してもよい。
あるいは、図８に示すように、回路層３１２の一方の面に、接合面の中央から接合面がなす四角形の各辺に向かうように複数の下地層の非被覆部分３３５を形成してもよい。
あるいは、図８に示すように、回路層３１２の一方の面に、接合面の中央から接合面がなす四角形の各辺に向かうように複数の下地層の非被覆部分３３５を形成してもよい。
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。
次に示すパワーモジュール用基板を用いて、非接合部の面接率比率を変更し、実施例１−３のパワーモジュールを作製した。
また、従来例として、非接合部を有さない状態で回路層と半導体素子とを接合し、パワーモジュールを作製した。
次に示すパワーモジュール用基板を用いて、非接合部の面接率比率を変更し、実施例１−３のパワーモジュールを作製した。
また、従来例として、非接合部を有さない状態で回路層と半導体素子とを接合し、パワーモジュールを作製した。
パワーモジュール用基板は、セラミックス基板の一方の面に回路層、他方の面に金属層となるアルミニウム板をろう付け接合して製作した。ここで、セラミックス基板は、ＡｌＮとし、サイズは２７ｍｍ×１７ｍｍ×０．６ｍｍとした。回路層となるアルミニウム板は、純度９９．９９質量％以上の４Ｎアルミニウムとし、サイズは２５ｍｍ×１５ｍｍ×０．６ｍｍとした。金属層となるアルミニウム板は、純度９９．９９％以上の４Ｎアルミニウムとし、サイズは２５ｍｍ×１５ｍｍ×１．６ｍｍとした。
半導体素子のサイズは、１３ｍｍ×１０ｍｍ×０．２５ｍｍのものを使用した。
実施形態で例示したガラス含有Ａｇペーストを用いて、スクリーン印刷によって、アルミニウム板上に下地層を形成した。このとき、図８に示すパターンになるように下地層の非被覆部分３３５を形成した。なお、ガラス含有Ａｇペーストの塗布厚さを１０μｍとし、焼成条件は、焼成温度を５７５℃、焼成時間を１０分とした。
そして、実施形態で例示した酸化銀ペーストを用いて、半導体素子と回路層とを接合した。なお、酸化銀ペーストの塗布厚さを５０μｍとし、焼成条件は、焼成温度を３００℃、焼成時間を２時間、荷重を３ＭＰａとした。これによって、各種パワーモジュールを製出した。
得られた各種パワーモジュールについて、初期接合率、熱抵抗を評価した。
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非接合部分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非接合面積とした。
接合率 ＝ （初期接合面積−非接合面積）／初期接合面積
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非接合部分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非接合面積とした。
接合率 ＝ （初期接合面積−非接合面積）／初期接合面積
熱抵抗は、次のようにして測定した。半導体素子としてヒータチップを用いて、パワーモジュールを作製し、これらのパワーモジュールを冷却器にろう付け接合した。次に、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、冷却器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。
なお、非接合部を形成しなかった従来例を基準として１とし、この従来例との比率で評価した。評価結果を表１に示す。
なお、非接合部を形成しなかった従来例を基準として１とし、この従来例との比率で評価した。評価結果を表１に示す。
非接合部を形成しなかった従来例においては、初期接合率が７０％と低かった。これは、酸化銀の還元及び有機成分の分解反応によるガスが接合層内部に残存したためと推測される。
一方、非接合部を形成した実施例１−３においては、初期接合率が高く、熱抵抗も、従来例に比べて低くなっていることが確認される。酸化銀の還元によるガスが接合層の外部へと排出されたためと推測される。
なお、非接合部の合計面積を接合面全体の面積の２％以上１０％以下とした実施例１、２については、特に、初期接合率、熱抵抗率に優れていた。
一方、非接合部を形成した実施例１−３においては、初期接合率が高く、熱抵抗も、従来例に比べて低くなっていることが確認される。酸化銀の還元によるガスが接合層の外部へと排出されたためと推測される。
なお、非接合部の合計面積を接合面全体の面積の２％以上１０％以下とした実施例１、２については、特に、初期接合率、熱抵抗率に優れていた。
１、１０１ パワーモジュール（接合体）
３、１０３ 半導体素子（他の部材）
１０ パワーモジュール用基板
１１ セラミックス基板（絶縁層）
１２、１１２、２１２、３１２ 回路層（アルミニウム部材）
３５、１３５、２３５、３３５ 下地層の非被覆部分
Ｓ 非接合部
３、１０３ 半導体素子（他の部材）
１０ パワーモジュール用基板
１１ セラミックス基板（絶縁層）
１２、１１２、２１２、３１２ 回路層（アルミニウム部材）
３５、１３５、２３５、３３５ 下地層の非被覆部分
Ｓ 非接合部
Claims (6)
- 酸化銀と還元剤とを含む接合材を用いて、アルミニウム部材と他の部材とを接合する接合体の製造方法であって、
前記アルミニウム部材の接合面の表面に下地層及び下地層の非被覆部分を形成し、前記下地層の非被覆部分が前記接合面の周縁部にまで延在するように形成する下地層形成工程と、
前記アルミニウム部材と前記他の部材との間に、前記接合材を配置する接合材配置工程と、
前記接合材を焼結することによって、前記下地層の非被覆部分において前記アルミニウム部材と前記接合材とが接合されない非接合部を形成するとともに、前記下地層において前記アルミニウム部材と前記他の部材の間に接合層を形成する焼成工程と、を備え、
前記アルミニウム部材と前記他の部材とを、前記接合層を介して接合することを特徴とする接合体の製造方法。 - 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、
前記回路層と前記半導体素子とを、請求項１に記載の接合体の製造方法によって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。 - アルミニウム部材と他の部材との接合体であって、
前記アルミニウム部材と前記他の部材との間に、下地層及び接合層が形成されており、
前記下地層は、前記アルミニウム部材側に形成されたガラス層と、このガラス層上に形成されたＡｇ層と、を備えており、
前記アルミニウム部材のうち前記他の部材との接合面には、前記下地層と前記下地層の非被覆部分とが形成されており、
前記下地層の非被覆部分は、前記他の部材との接合面の周縁部まで延在していることを特徴とする接合体。 - 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、
前記回路層と前記半導体素子との間に、下地層及び接合層が形成されており、
前記下地層は、前記回路層側に形成されたガラス層と、このガラス層上に形成されたＡｇ層と、を備えており、
前記回路層の一方の面のうち前記半導体素子との接合面には、前記下地層と前記下地層の非被覆部分とが形成されており、
前記下地層の非被覆部分は、前記半導体素子との接合面の周縁部まで延在していることを特徴とするパワーモジュール。 - 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、この回路層の上に半導体素子が接合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のうち前記半導体素子との接合面には、前記下地層と前記下地層の非被覆部分とが形成されており、
前記下地層は、前記回路層側に形成されたガラス層と、このガラス層上に形成されたＡｇ層と、を備えており、
前記下地層の非被覆部分は、前記半導体素子との接合面の周縁部まで延在していることを特徴とするパワーモジュール用基板。 - 前記回路層の一方の面のうち前記半導体素子との接合面に、前記接合面の周縁部まで延在する突条部が形成され、この突条部によって前記下地層の非被覆部分が形成されていることを特徴とする請求項５に記載のパワーモジュール用基板。
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