JP2013202648A - はんだ接合構造、パワーモジュール、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、並びに、はんだ接合構造の製造方法、パワーモジュールの製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】銅及び銅合金からなる銅部材をはんだ付けする際に、はんだ材による銅部材の変質を防止できるとともに、銅部材と被接合材とを確実にはんだ接合することが可能なはんだ接合構造を提供する。
【解決手段】銅又は銅合金からなる銅部材１３と、被接合部材２１と、をはんだ材を用いて接合するはんだ接合構造４０であって、銅部材１３の表面に形成されたガラス層４１と、このガラス層４１に積層されたＡｇ層４２と、このＡｇ層４２に積層されたはんだ層４３と、を備えており、前記Ａｇ層４２には、結晶性の酸化物粒子４４が分散されていることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

この発明は、銅又は銅合金からなる銅部材と、被接合部材と、をはんだ材を用いて接合するはんだ接合構造、このはんだ接合構造を利用したパワーモジュール、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、並びに、はんだ接合構造の製造方法、パワーモジュールの製造方法、ヒートシンク付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。

上述のはんだ接合構造としては、例えば、特許文献１、２に示すようなパワーモジュールが挙げられる。
パワーモジュールは、絶縁基板の一方の面に回路層となる金属板が接合されてなるパワーモジュール用基板と、回路層の一方の面に搭載されるパワー素子（半導体素子）と、を備えている。
また、パワーモジュール用基板の他方の面側には、パワー素子（半導体素子）からの熱を放散するために、放熱板や冷却器などのヒートシンクが配設されることがある。このとき、絶縁基板と放熱板や冷却器などのヒートシンクとの熱膨張係数に起因する熱応力を緩和するために、パワーモジュール用基板においては、絶縁基板の他方の面に金属層となる金属板が接合され、この金属層と上述の放熱板や冷却器などのヒートシンクが接合される構成とされているものがある。

上述のパワーモジュールにおいては、回路層とパワー素子（半導体素子）とは、はんだ材を介して接合される。すなわち、回路層が金属部材とされ、パワー素子（半導体素子）が被接合部材とされた、はんだ接合構造をなしているのである。
また、パワーモジュール用基板と放熱板及び冷却器などのヒートシンクについても、はんだ材を介して接合されることがある。この場合、金属層あるいはヒートシンク（放熱板及び冷却器等）のいずれか一方が金属部材とされ、他方が被接合部材とされた、はんだ接合構造をなすことになる。

ここで、回路層、金属層、ヒートシンク等の金属部材が銅又は銅合金で構成された銅部材とされている場合には、溶融したはんだ材と銅とが反応して、回路層、金属層、ヒートシンク（放熱板及び冷却器等）の銅部材の内部にはんだ材の成分が侵入し、銅部材の特性が変化してしまうといった問題があった。
そこで、従来は、例えば特許文献３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４には、Ｎｉめっき膜を設けることなく、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層とはんだ層とを導通させる導電接合層を形成することができる導電性組成物が記載されており、上記回路層と被接合部材とをガラス層、Ａｇ層及びはんだ層を介して接合した構造が開示されている。

特開２００２−０７６５５１号公報 特開２００８−２２７３３６号公報 特開２００４−１７２３７８号公報 特開２０１０−２８７５５４号公報

ところで、特許文献３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、Ｎｉめっき工程では、不要な領域にＮｉめっきが形成されて電食等のトラブルが発生しないように、マスキング処理を行うことがある。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。

また、特許文献４に開示された導電組成物を用いて、回路層とはんだ層とを導通させる導電接合層を形成した場合には、Ａｇがはんだ材側に拡散してＡｇ食われが生じることがある。すると、ガラス層とはんだ材とが接触することになり、はんだの濡れ不良が生じ、接合部の内部にボイドが発生するおそれがあった。このため、銅部材である回路層と被接合材である半導体素子との接合信頼性が低下するといった問題があった。特に、最近では、上述のパワーモジュール等においては、自動車のエンジンルーム等の高温環境下で使用されることがあり、耐熱性の向上が求められている。耐熱性を向上させるために、融点の高いはんだ材を用いた場合には、はんだ付け温度が高くなるため、上述のボイドが発生し易い状況にある。

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、銅及び銅合金からなる銅部材をはんだ付けする際に、はんだ材による銅部材の変質を防止できるとともに、銅部材と被接合材とを確実にはんだ接合することが可能なはんだ接合構造、このはんだ接合構造を利用したパワーモジュール、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、並びに、はんだ接合構造の製造方法、パワーモジュールの製造方法、ヒートシンク付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。

本発明は、上述の知見に基づいてなされたものであって、本発明のはんだ接合構造は、銅又は銅合金からなる銅部材と、被接合部材と、をはんだ材を用いて接合するはんだ接合構造であって、前記銅部材の表面に形成されたガラス層と、このガラス層に積層されたＡｇ層と、前記Ａｇ層に積層されたはんだ層と、を備えており、前記Ａｇ層には、結晶性の酸化物粒子が分散されていることを特徴としている。

この構成のはんだ接合構造によれば、Ａｇ層には、結晶性の酸化物粒子が分散されているので、Ａｇがはんだ材側へ拡散することが抑制される。そして、はんだ材がガラス層と直接接触することがなくなり、銅部材と被接合部材との間の接合層にボイドが生成することを抑制できる。よって、銅部材と被接合部材とのはんだ接合構造の信頼性を向上させることが可能となる。

また、銅部材の表面にガラス層及びＡｇ層が形成されているので、銅部材とはんだ材とが直接接触することがなくなり、溶融したはんだ材と銅とが反応して銅部材の内部にはんだ材の成分が侵入することを防止することができる。よって、銅部材の変質を防止することができ、銅部材の表面にＮｉめっき膜等を設ける必要がない。

さらに、前記結晶性の酸化物粒子は、酸化チタン、酸化ケイ素、酸化亜鉛のうちいずれか１種または２種以上をからなることが好ましい。
酸化チタン、酸化ケイ素、酸化亜鉛から選択される結晶性の酸化物粒子が、はんだと接合されたＡｇ層中に分散されると、Ａｇがはんだ材側へ拡散することが抑制される。Ａｇ中に酸化物粒子が分散していることにより、焼成時においてＡｇ層がネッキングする面積が少なくなる。このように焼結されたＡｇ層に対してはんだ接合を行うと、完全にネッキングしたＡｇ層と比較して、Ａｇのはんだ材側への拡散が生じ難くなるため、はんだ材に対するＡｇ喰われを抑制することができる。

本発明のパワーモジュールは、絶縁層の一方の面に銅部材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、前記回路層の一方の面に接合された半導体素子と、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接合部が上述のはんだ接合構造とされていることを特徴としている。

このような構成とされた本発明のパワーモジュールにおいては、銅部材となる回路層と、被接合部材となる半導体素子とが、ガラス層、結晶性の酸化物粒子が分散されたＡｇ層、はんだ層を介して接合されているので、Ａｇがはんだ材側へ拡散することが抑制されてＡｇ層の形成が維持でき、高温条件ではんだ付けを行った場合でも、接合部におけるボイドの発生を抑制される。よって、銅部材となる回路層と半導体素子とを確実にはんだ接合することができ、半導体素子の接合信頼性に優れ、かつ、耐熱性に優れたパワーモジュールを提供することが可能となる。また、はんだ材と回路層とが直接接触することがなく、回路層の変質を抑制することができる。

本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、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、このパワーモジュール用基板の他方の面側に接合されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、前記ヒートシンクの接合面及び前記パワーモジュール用基板の接合面のうち少なくとも一方は、銅部材で構成されており、前記ヒートシンクと前記パワーモジュール用基板との接合部が上述のはんだ接合構造とされていることを特徴としている。

このような構成とされた本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、前記パワーモジュール用基板の接合面及び前記ヒートシンクの接合面のうち少なくとも一方は、銅部材で構成されていることから、前記パワーモジュール用基板の接合面を有する部材及び前記ヒートシンクの接合面を有する部材の一方が上述のはんだ接合構造の銅部材に該当し、他方が被接合部材に該当することになる。そして、この銅部材と、被接合部材とが、ガラス層、結晶性の酸化物粒子が分散されたＡｇ層、はんだ層を介して接合されているので、Ａｇがはんだ材側へ拡散することを抑制してＡｇ層を維持することができ、高温条件ではんだ付けを行った場合でも、接合部におけるボイドの発生を抑制される。
したがって、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの接合信頼性が向上し、ヒートシンクによって熱を効率的に放散させることが可能となる。
なお、ヒートシンクとしては、板状の放熱板、内部に冷媒が流通する冷却器、フィンが形成された液冷、空冷放熱器、ヒートパイプなど、熱の放散によって温度を下げることを目的とした金属部品が含まれる。

本発明のはんだ接合構造の製造方法は、銅又は銅合金からなる銅部材と、被接合部材と、をはんだ材を用いて接合するはんだ接合構造の製造方法であって、前記銅部材の表面にガラス及び結晶性の酸化物粒子を含有するＡｇペーストを塗布する塗布工程と、前記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、前記Ａｇペーストの焼成体からなるＡｇ焼成層の表面にはんだ材を介して被接合部材をはんだ接合するはんだ接合工程と、を備え、前記Ａｇ焼成層には、結晶性の酸化物粒子が分散されていることを特徴とする。

このような製造方法によれば、Ａｇ焼結層に結晶性の酸化物粒子が分散させることができるので、Ａｇがはんだ材側へ拡散することが抑制され、ガラス層及びＡｇ層を有するはんだ接合構造を製造することができる。よって、高温条件ではんだ接合した場合であっても、接合部にボイドが発生することを抑制することができ、接合信頼性に優れ、かつ、耐熱性に優れたはんだ接合構造を製造することが可能となる。

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前記銅部材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、前記回路層の一方の面に接合された半導体素子と、を備え、前記回路層と前記半導体素子とがはんだ接合部を介して接合されたパワーモジュールの製造方法であって、前記はんだ接合部を上述のはんだ接合構造の製造方法によって形成することを特徴としている。

また、本発明のヒートシンク付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回路層が配設された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他方の面側に接合されたヒートシンクと、を備え、前記ヒートシンクの接合面及び前記パワーモジュール用基板の接合面のうち少なくとも一方は、前記銅部材で構成されており、前記ヒートシンクと前記パワーモジュール用基板とがはんだ接合部を介して接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法であって、前記はんだ接合部を上述のはんだ接合構造の製造方法によって形成することを特徴としている。

上述のようなパワーモジュール、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法によれば、はんだ接合部において、結晶性の酸化物粒子が分散したＡｇ焼成層を形成することができることから、Ａｇがはんだ材側へ拡散することが抑制されて、Ａｇ層の形成を維持することができる。よって、はんだ材とガラス層とが直接接触することが抑制され、はんだ接合部におけるボイドの発生を抑えることができ、銅部材と被接合材とを確実にはんだ接合することができる。また、はんだ材と銅部材とが直接接触することが抑制されているので、銅部材の変質を抑制できる。

本発明によれば、銅及び銅合金からなる銅部材をはんだ付けする際に、はんだ材による銅部材の変質を防止できるとともに、銅部材と被接合材とを確実にはんだ接合することが可能なはんだ接合構造、このはんだ接合構造を利用したパワーモジュール、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、並びに、はんだ接合構造の製造方法、パワーモジュールの製造方法、ヒートシンク付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。

本発明の第一の実施形態である放熱板付パワーモジュール用基板及びパワーモジュールの概略説明図である。 図１における金属層と放熱板との接合部の拡大説明図である。 図１における回路層と半導体素子との接合部の拡大説明図である。 本発明の実施形態において用いられるＡｇペーストの製造方法を示すフロー図である。 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。 本発明の第二の実施形態である冷却器付パワーモジュール用基板及びパワーモジュールの概略説明図である。 図６における金属層と冷却器との接合部の拡大説明図である。

以下に、本発明の実施形態であるはんだ接合構造、パワーモジュール、放熱板付パワーモジュール用基板について、添付した図面を参照して説明する。
図１に、本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール１及び放熱板付パワーモジュール用基板２０を示す。この実施形態では、ヒートシンクとして、放熱板２１を用いた。
このパワーモジュール１は、回路層１２及び金属層１３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）に搭載された半導体素子３と、金属層１３の他方の面（図１において下面）に接合された放熱板２１と、この放熱板２１の他方の面側に積層された冷却器３１と、を備えている。

パワーモジュール用基板１０は、絶縁層を構成する絶縁基板１１と、この絶縁基板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、絶縁基板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。

絶縁基板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、例えばＡｌＮ（窒化アルミ）、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化珪素）、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）等の絶縁性の高いセラミックスで構成され、本実施形態では、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）で構成されている。また、絶縁基板１１の厚さは、０．２ｍｍ以上１．５ｍｍ以下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、絶縁基板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、タフピッチ銅の圧延板からなる銅板が絶縁基板１１に接合されることにより形成されている。

金属層１３は、絶縁基板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、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絶縁基板１１に接合されることで形成されている。

放熱板２１は、前述のパワーモジュール用基板１０からの熱を面方向に拡げるものであり、本実施形態では、熱伝導性に優れた銅板とされている。
冷却器３１は、図１に示すように、冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路３２を備えている。冷却器３１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。
なお、放熱板２１と冷却器３１とは、図１に示すように、固定ネジ２２によって締結されている。

そして、図２に示すように、アルミニウムからなる金属層１３と銅からなる放熱板２１とは、放熱板接合部４０を介して接合されている。この放熱板接合部４０においては、放熱板２１の一方の面（図２において上面）に形成された第１ガラス層４１と、この第１ガラス層４１の一方の面に積層された第１Ａｇ層４２と、金属層１３の他方の面（図２において下面）に形成された第２ガラス層４６と、この第２ガラス層４６の他方の面に積層された第２Ａｇ層４７と、この第１Ａｇ層４２と第２Ａｇ層４７との間に介在する放熱板側はんだ層４３と、を備えている。

また、図３に示すように、タフピッチ銅からなる回路層１２と半導体素子３とは、半導体素子接合部５０を介して接合されている。この半導体素子接合部５０においては、回路層１２の一方の面（図３において上面）に形成された第３ガラス層５１と、この第３ガラス層５１の一方の面に積層された第３Ａｇ層５２と、この第３Ａｇ層５２の一方の面に積層された半導体素子側はんだ層５３と、を備えている。

ここで、放熱板側はんだ層４３及び半導体素子側はんだ層５３は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｓｂ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材（いわゆる鉛フリーはんだ材）で構成されている。また、放熱板側はんだ層４３及び半導体素子側はんだ層５３の厚さｔｈは、２０μｍ≦ｔｈ≦６００μｍの範囲内に設定されている。

第１ガラス層４１、第２ガラス層４６及び第３ガラス層５１は、その厚さｔｇが０．０５μｍ≦ｔｇ≦１０μｍの範囲内に設定されている。
ここで、第１ガラス層４１及び第３ガラス層５１においては、そ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が分散されている。この導電性粒子は、Ａｇ又はＣｕの少なくとも一方を含有する結晶性粒子とされている。
また、第２ガラス層４６においては、そ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が分散されている。この導電性粒子は、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、第１ガラス層４１、第２ガラス層４６及び第３ガラス層５１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。

そして、第１Ａｇ層４２、第２Ａｇ層４７及び第３Ａｇ層５２には、それぞれ、結晶性の酸化物粒子４４、４８、５４が分散されている。結晶性の酸化物粒子４４、４８、５４は、酸化チタン、酸化ケイ素、酸化亜鉛のうちいずれか１種又は２種以上からなるとされている。また、結晶性の酸化物粒子の結晶粒径は、０．１μｍ以上５μｍ以下とされており、本実施形態では、平均粒径０．５μｍであった。
この結晶性の酸化物粒子は、第１Ａｇ層４２、第２Ａｇ層４７及び第３Ａｇ層５２の断面の元素分析から同定することができる。元素分析手法として、例えば、ＥＰＭＡやＥＤＳなどの電子線による分析手法を用いればよい。

また、第１Ａｇ層４２、第２Ａｇ層４７及び第３Ａｇ層５２は、その厚さｔａが１μｍ≦ｔａ≦１００μｍの範囲内に設定されている。好ましくは、１．５μｍ≦ｔａ≦５０μｍの範囲内とされている。
ここで、放熱板接合部４０及び半導体素子接合部５０は、金属層１３及び回路層１２の表面、並びに、放熱板２１の表面に以下に説明するＡｇペーストを塗布・焼成してＡｇ焼成層を形成し、このＡｇ焼成層の表面にはんだ材を介して、放熱板２１と金属層１３及び回路層１２と半導体素子３を接合することによって形成されるものである。

次に、本実施形態において使用される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、結晶性の酸化物粉末と、樹脂と、分散剤とを含有しており、Ａｇ粉末の含有量が、Ａｇペースト全体の６０質量％以上９０質量％以下とされており、残部がガラス粉末、結晶性の酸化物粉末、樹脂、溶剤、分散剤とされている。なお、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。

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種または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。
また、ガラス粉末は必要に応じて、酸化アルミニウム、酸化鉄、酸化銅、酸化セレン、酸化ジルコニウム、アルカリ金属酸化物、アルカリ土類金属酸化物などを含有していても良い。
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が８５／１５とされている。
さらに、Ａｇ粉末の重量Ａと結晶性の酸化物粉末の重量Ｏとの重量比Ａ／Ｏは、９０／１０から９９／１の範囲内とされている。

結晶性の酸化物粉末は、例えば、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化ケイ素の粉末であり、いずれか１種または２種以上の結晶性の酸化物粉末を選択すれば良い。
結晶性の酸化物粉末は、その結晶粒径が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０．５μｍものを使用した。
なお、Ａｇ粉末及び結晶性の酸化物粉末の結晶粒径は、レーザー回折散乱方式による粒度分布測定方法で測定すればよい。

溶剤は、沸点が２００℃以上のものが適しており、例えば、αテルピオネール、ブチルカルビトールアセテート、ジエチレングリコールジブチルエーテル等を適用することができる。なお、本実施形態では、αテルピネオールを用いている。
樹脂は、Ａｇペーストの粘度を調整するものであり、窒素雰囲気で分解されるアクリル樹脂が最も好ましい。
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導電性組成物を構成してもよい。

次に、本実施形態で用いられる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、ガラス粉末と、結晶性の酸化物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、樹脂及び分散剤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。

以下に、本実施形態であるパワーモジュールの製造方法について、図５のフロー図を用いて説明する。
まず、回路層１２となる銅板と絶縁基板１１とを接合する（回路層形成工程Ｓ１１）。ここで、絶縁基板１１がＡｌ_２Ｏ_３で構成されていることから、銅板と絶縁基板１１とを、銅と酸素の共晶反応を利用したＤＢＣ法により接合する。具体的には、タフピッチ銅からなる銅板と、絶縁基板１１とを接触させ、窒素ガス雰囲気中で１０７５℃、１０分加熱することで、銅板と絶縁基板１１とが接合されることになる。

次に、絶縁基板１１の他方の面側に金属層１３となるアルミニウム板を接合する（金属層形成工程Ｓ１２）。絶縁基板１１とアルミニウム板とを、ろう材を介して積層し、ろう付けによって絶縁基板１１とアルミニウム板を接合する。このとき、ろう材としては、例えば、厚さ２０〜１１０μｍのＡｌ−Ｓｉ系ろう材箔を用いることができ、ろう付け温度は６００〜６２０℃とすることが好ましい。

次に、放熱板２１の一方の面に、前述のＡｇペーストを塗布する（第１Ａｇペースト塗布工程Ｓ１３）。
また、金属層１３の他方の面にも、前述のＡｇペーストを塗布する（第２Ａｇペースト塗布工程Ｓ１４）。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。

放熱板２１の一方の面に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（第１焼成工程Ｓ１５）。これにより、第１Ａｇ焼成層（図示なし）が形成される。
また、金属層１３の他方の面に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（第２焼成工程Ｓ１６）。これにより、第２Ａｇ焼成層（図示なし）が形成される。
なお、このときの焼成温度は、３５０℃〜６４５℃に設定されている。

そして、放熱板２１の一方の面に形成された第１Ａｇ焼成層と、金属層１３の他方の面に形成された第２Ａｇ焼成層との間に、はんだ材を介在させて、パワーモジュール用基板１０と放熱板２１とを積層し、還元炉内においてはんだ接合する（放熱板接合工程Ｓ１７）。

これにより、金属層１３と放熱板２１との間に、第１ガラス層４１、結晶性の酸化物粒子４４が分散された第１Ａｇ層４２、放熱板側はんだ層４３、第２ガラス層４６、結晶性の酸化物粒子４８が分散された第１Ａｇ層４７、を有する放熱板接合部４０が形成され、本実施形態である放熱板付パワーモジュール用基板２０が製出される。

次に、放熱板２１の他方の面側に冷却器３１を積層し、固定ネジ２２によって固定する（冷却器積層工程Ｓ１８）。

そして、回路層１２の一方の面に、前述のＡｇペーストを塗布する（第３Ａｇペースト塗布工程Ｓ２１）。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。

回路層１２の一方の面に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（第３焼成工程Ｓ２２）。これにより、第３Ａｇ焼成層（図示なし）が形成される。なお、このときの焼成温度は、３５０℃〜６４５℃に設定されている。

そして、第３Ａｇ焼成層の表面に、はんだ材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する（半導体素子接合工程Ｓ２３）。
これにより、回路層１２と半導体素子３との間に、第３ガラス層５１、結晶性の酸化物粒子５４が分散された第３Ａｇ層５２、半導体素子側はんだ層５３を有する半導体素子接合部５０が形成され、本実施形態であるパワーモジュール１が製出される。

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、金属層１３と放熱板２１との間に、第１ガラス層４１、第１Ａｇ層４２、放熱板側はんだ層４３、第２Ａｇ層４７、第２ガラス層４６を有する放熱板接合部４０が形成されており、第１Ａｇ層４２及び第２Ａｇ層４７には、結晶性の酸化物粒子４４、４８が含有されている。そのため、放熱板接合工程Ｓ１７において、Ａｇが液相のはんだ材側へ拡散することが抑制され、第１Ａｇ層４２及び第２Ａｇ層４７の形成を維持することができる。

よって、放熱板側はんだ層４３を形成するはんだ材が第１ガラス層４１及び第２ガラス層４６に直接接触することがなくなり、放熱板接合部４０の内部にボイドが生じることを抑制できる。さらに、本実施形態では、アルミニウム製の金属層１３の他方の面（接合面）に第２ガラス層４６が形成されているので、金属層１３の他方の面に形成された酸化被膜を除去できる。したがって、放熱板２１と金属層１３との接合信頼性が向上し、放熱板２１によって熱を効率的に放散させることが可能となる。
また、銅製の放熱板２１の一方の面（接合面）に第１ガラス層４１及び第１Ａｇ層４２が形成されているので、放熱板２１とはんだ材とが直接接触することがなくなり、放熱板２１内へはんだ成分が侵入して放熱板２１の特性が変化してしまうことを抑制できる。

さらに、本実施形態においては、銅板からなる回路層１２と半導体素子３との間に、第３ガラス層５１、第３Ａｇ層５２、半導体素子側はんだ層５３、を有する半導体素子接合部５０が形成されており、前述の第３Ａｇ層５２には、結晶性の酸化物粒子５４が含有されている。そのため、半導体素子接合工程Ｓ２３において、Ａｇが液相のはんだ内に拡散することが抑制され、第３Ａｇ層５２の形成を維持することができる。

よって、半導体素子側はんだ層５３を形成するはんだ材が第３ガラス層５１に直接接触することがなくなり、半導体素子接合部５０の内部にボイドが生じることを抑制できる。これにより、回路層１２と半導体素子３との接合信頼性が向上することになる。
また、銅板からなる回路層１２の一方の面（接合面）に第３ガラス層５１及び第３Ａｇ層５２が形成されているので、回路層１２とはんだ材とが直接接触することがなくなり、回路層１２内へはんだ成分が侵入して回路層１２の特性が変化してしまうことを抑制できる。

また、本実施形態では、結晶性の酸化物粒子４４、４８、５４は、酸化チタン、酸化ケイ素、酸化亜鉛のうちいずれか１種または２種以上からなる粒子で構成されているので、Ａｇがはんだへ拡散することを抑制する効果が大きい。よって、第１Ａｇ層４２、第２Ａｇ層４７及び第３Ａｇ層５２を確実に形成することが可能となる。

さらに、本実施形態においては、半導体素子３が搭載される回路層１２の一方の面に形成された第３ガラス層５１には、そ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が分散されているので、第３ガラス層５１において導電性が確保されることになり、回路層１２と半導体素子３とを電気的に接続することができる。

次に、本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール１０１及び冷却器付パワーモジュール用基板１３０について、図６、図７を参照して説明する。なお、この実施形態では、ヒートシンクとして冷却器１３１を用いた。
このパワーモジュール１０１は、回路層１１２及び金属層１１３が配設されたパワーモジュール用基板１１０と、回路層１１２の一方の面（図６において上面）に搭載された半導体素子１０３と、パワーモジュール用基板１１０の他方の面側に積層された冷却器１３１と、を備えている。

パワーモジュール用基板１１０は、絶縁層を構成する絶縁基板１１１と、この絶縁基板１１１の一方の面（図６において上面）に配設された回路層１１２と、絶縁基板１１１の他方の面（図６において下面）に配設された金属層１１３と、を備えている。
絶縁基板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ＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。

回路層１１２及び金属層１１３は、絶縁基板１１１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及び金属層１１３は、タフピッチ銅の圧延板からなる銅板が絶縁基板１１１に接合されることにより形成されている。なお、銅板と絶縁基板１１１との接合は、活性金属法等を用いることができる。

冷却器１３１は、図６に示すように、冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路１３２を備えている。冷却器１３１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。

そして、図７に示すように、Ａ６０６３（アルミニウム合金）で構成される冷却器１３１と金属層１１３との間の冷却器接合部１４０においては、銅板からなる金属層１１３の他方の面に形成された第１ガラス層１４１と、この第１ガラス層１４１に積層された第１Ａｇ層１４２と、冷却器１３１の一方の面に形成された第２ガラス層１４６と、この第２ガラス層１４６に積層された第２Ａｇ層１４７と、第１Ａｇ層１４２と第２Ａｇ層１４７との間に介在される冷却器側はんだ層１４３と、を備えている。ここで、第１Ａｇ層１４２と第２Ａｇ層１４７には、結晶性の酸化物粒子１４４、１４８が分散されている。

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１０１及び冷却器付パワーモジュール用基板１３０においては、アルミニウム合金からなる冷却器１３１と銅板からなる金属層１１３との間に、第１ガラス層１４１、第１Ａｇ層１４２、冷却器側はんだ層１４３、第２Ａｇ層１４７、第２ガラス層１４６、を有する冷却器接合部１４０が形成されている。さらに、第１Ａｇ層１４２と第２Ａｇ層１４７には、結晶性の酸化物粒子１４４，１４８が分散されているので、Ａｇがはんだ材側へ拡散することが抑制される。これにより、冷却器側はんだ層１４３を構成するはんだ材と第１ガラス層１４１及び第２ガラス層１４６とが直接接触せず、冷却器接合部１４０の内部にボイドが生成することを抑制することができる。よって、冷却器１３１とパワーモジュール用基板１１０との接合信頼性が向上し、冷却器１３１によってパワーモジュール用基板１１０を効率的に冷却することができる。
また、銅板からなる金属層１１３の他方の面（接合面）に第１ガラス層１４１及び第１Ａｇ層１４２が形成されているので、金属層１１３とはんだ材とが直接接触することがなくなり、金属層１１３内へはんだ成分が侵入して金属層１１３の特性が変化してしまうことを抑制できる。

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、パワーモジュールに用いられるはんだ接合構造を例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、銅部材（電極部材）と被接合部材とをはんだ接合するものであれば、用途に限定はない。特に、ＬＥＤ素子、ペルチェ素子などのパワーサイクル若しくはヒートサイクルが発生する素子との接合部材に適している。
また、ヒートシンクとして、放熱板及び冷却器を用いて説明したが、これに限られるものではなく、フィンが形成された空冷、液冷放熱器、ヒートパイプなどであってもよい。

また、本実施形態では、銅部材となる回路層及び金属層を構成する金属板としてタフピッチ銅の圧延板をあげて説明したが、これに限定されることはなく、その他の銅又は銅合金で構成されていてもよい。
さらに、絶縁層としてＡｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮからなる絶縁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、Ｓｉ_３Ｎ_４等からなる絶縁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。

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。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。
さらに、溶剤としては、ブチルカルビトールアセテート、ジエチレングリコールジブチルエーテル等を用いても良い。

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。
タフピッチ銅からなる回路層上に、表１に示す組成のＡｇペーストを焼成してなる焼成層を形成し、この焼成層の上にＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系無鉛はんだを用いて、還元炉内において半導体素子を接合した。はんだ付けの条件は、ピーク温度での保持時間として３５０℃−３０ｍｉｎとした。

Ａｇペーストの塗布厚さを１０μｍとした。また、焼成温度を５７５℃、焼成時間を１０分とした。これにより、焼成層の厚さは約８μｍ、ガラス層の厚さが約１μｍのＡｇ焼成層を得た。

なお、絶縁基板は、ＡｌＮで構成され、３０ｍｍ×２０ｍｍ、厚さ０．６ｍｍのものを使用した。
また、回路層及び金属層は、タフピッチ銅で構成され、１３ｍｍ×１０ｍｍ、厚さ０．６ｍｍのものを使用した。
半導体素子は、ＩＧＢＴ素子とし、１２．５ｍｍ×９．５ｍｍ、厚さ０．２５ｍｍのものを使用した。
ヒートシンクとしては、４０．０ｍｍ×４０．０ｍｍ×２．５ｍｍの冷却板を使用した。

（接合率）
はんだ接合性を評価するために、超音波探傷装置を用いて、以下の式からＩＧＢＴ素子と回路層との接合率を求めた。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）×１００
なお、パワーモジュール用基板に冷熱サイクル試験を行い、初期の接合率と冷熱サイクル試験後の接合率とを比較した。冷熱サイクルは、−４０℃×５分←→１２５℃×３分、３０００サイクルとした。

（Ａｇ層の残存部の割合評価）
冷熱サイクル試験後に、試験片をダイヤモンドソーで切断し、断面を樹脂埋めして研磨を行い、ＥＰＭＡによる元素分析（マッピング）を実施した。はんだ接合部の断面をＥＰＭＡで分析することにより、はんだ層、Ａｇ食われ層、Ａｇ層残存部に分類し、Ａｇ層残存部／Ａｇ層全体の断面積割合を評価した。なお、Ａｇ層全体とは、Ａｇペーストを焼成したときの断面積のことである。

表１に示すように、本発明例１から本発明例６においては、冷熱サイクル試験後のＡｇ残存部が多く、初期接合率、及び、冷熱サイクル後の接合率が高い。
一方、比較例１および比較例２においては、冷熱サイクル試験後のＡｇ残存部が少なく、初期接合率、及び、冷熱サイクル後の接合率が低い。
以上のことから、本発明例によれば、銅板からなる回路層と半導体素子とを確実にはんだ接合できることが確認された。

１ パワーモジュール
３ 半導体素子（被接合部材）
１０ パワーモジュール用基板
１１ 絶縁基板（絶縁層）
１２ 回路層（銅部材）
１３ 金属層（被接合部材）
２０ 放熱板付パワーモジュール用基板（ヒートシンク付パワーモジュール用基板）
２１ 放熱板（銅部材）
４０ 放熱板接合部（はんだ接合構造）
４１ 第１ガラス層（ガラス層）
４２ 第１Ａｇ層（Ａｇ層）
４３ 放熱板側はんだ層（はんだ層）
４４ 結晶性の酸化物粒子
５０ 半導体素子接合部（はんだ接合構造）
５１ 第３ガラス層（ガラス層）
５２ 第３Ａｇ層（Ａｇ層）
５３ 半導体素子側はんだ層（はんだ層）
５４ 結晶性の酸化物粒子
１０１ パワーモジュール
１１０ パワーモジュール用基板
１１３ 金属層（銅部材）
１３０ 冷却器付パワーモジュール用基板（ヒートシンク付パワーモジュール用基板）
１３１ 冷却器（被接合部材）
１４０ 冷却器接合部（はんだ接合構造）
１４１ 第１ガラス層（ガラス層）
１４２ 第１Ａｇ層（Ａｇ層）
１４３ 冷却器側はんだ層（はんだ層）
１４４ 結晶性の酸化物粒子

Claims (8)

1. 銅又は銅合金からなる銅部材と、被接合部材と、をはんだ材を用いて接合するはんだ接合構造であって、
   前記銅部材の表面に形成されたガラス層と、このガラス層に積層されたＡｇ層と、前記Ａｇ層に積層されたはんだ層と、を備えており、
   前記Ａｇ層には、結晶性の酸化物粒子が分散されていることを特徴とするはんだ接合構造。
2. 前記結晶性の酸化物粒子は、酸化チタン、酸化ケイ素、酸化亜鉛のうちいずれか１種または２種以上からなることを特徴とする請求項１に記載のはんだ接合構造。
3. 絶縁層の一方の面に前記銅部材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、前記回路層の一方の面に接合された半導体素子と、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接合部が請求項１または請求項２に記載のはんだ接合構造とされていることを特徴とするパワーモジュール。
4. 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、このパワーモジュール用基板の他方の面側に接合されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、
   前記ヒートシンクの接合面及び前記パワーモジュール用基板の接合面のうち少なくとも一方は、前記銅部材で構成されており、
   前記ヒートシンクと前記パワーモジュール用基板との接合部が請求項１または請求項２に記載のはんだ接合構造とされていることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板。
5. 銅又は銅合金からなる銅部材と、被接合部材と、をはんだ材を用いて接合するはんだ接合構造の製造方法であって、
   前記銅部材の表面にガラス及び結晶性の酸化物粒子を含有するＡｇペーストを塗布する塗布工程と、前記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、前記Ａｇペーストの焼成体からなるＡｇ焼成層の表面にはんだ材を介して被接合部材をはんだ接合するはんだ接合工程と、を備え、
   前記Ａｇ焼成層には、結晶性の酸化物粒子が分散されていることを特徴とするはんだ接合構造の製造方法。
6. 前記結晶性の酸化物粒子は、酸化チタン、酸化ケイ素、酸化亜鉛のうちいずれか１種または２種以上からなることを特徴とする請求項５に記載のはんだ接合構造の製造方法。
7. 絶縁層の一方の面に前記銅部材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、前記回路層の一方の面に接合された半導体素子と、を備え、前記回路層と前記半導体素子とがはんだ接合部を介して接合されたパワーモジュールの製造方法であって、
   前記はんだ接合部を請求項５または請求項６に記載のはんだ接合構造の製造方法によって形成することを特徴とするパワーモジュールの製造方法。
8. 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、このパワーモジュール用基板の他方の面側に接合されたヒートシンクと、を備え、前記ヒートシンクの接合面及び前記パワーモジュール用基板の接合面のうち少なくとも一方は、前記銅部材で構成されており、前記ヒートシンクと前記パワーモジュール用基板とがはんだ接合部を介して接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法であって、
   前記はんだ接合部を請求項５または請求項６に記載のはんだ接合構造の製造方法によって形成することを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。

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