JP5160201B2 - はんだ材料及びその製造方法、接合体及びその製造方法、並びにパワー半導体モジュール及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、はんだ材料及びその製造方法、接合体及びその製造方法、並びにパワー半導体モジュール及びその製造方法に関する。詳細には、鉛フリーのはんだ材料、これを用いた接合体、パワー半導体モジュール及びこれらの製造方法に関する。

これまで、はんだ材料としては鉛（Ｐｂ）系はんだ材料が広く用いられていた。特に、Ｐｂ−Ｓｎはんだ材料を用い、鉛（Ｐｂ）と錫（Ｓｎ）の比率を変えることによって、融点を１８３〜３００℃前後の範囲で変化させて、そのはんだ付け温度に適したはんだ材料を得ていた（例えば、非特許文献１参照。）。
しかし、鉛は毒性を有するために使用廃止の方向にあり、鉛フリーのはんだ材料の開発が望まれている。

このようなはんだ材料に対する要求の中、例えば、Ｓｎ−Ａｇ合金、Ｓｎ−Ｃｕ合金などの種々の組成の錫（Ｓｎ）系はんだ材料が提案されている。
しかし、錫系はんだ材料の融点は２２０℃程度であるが故に、２２０℃程度で溶融してしまい、また、２００℃前後において引っ張り強度が著しく低下してしまう。

はんだ材料で接合される接合体の例としては、パワー半導体モジュールがある。
パワー半導体モジュールは、通常、パワー半導体と電流通電部とが電気的に絶縁されるよう、パワー半導体に絶縁体を設けた構成となっている。このパワー半導体と絶縁体とは、はんだなどによって接合されている。

また、パワー半導体モジュールでは、半導体素子から発生する熱を効率よく放散するために、あるいは一時的に熱を分散するために、放熱板が設けられ、この放熱板と上記絶縁体とは、はんだなどによって接合されている。
したがって、パワー半導体モジュールでは、半導体素子と絶縁体との間、及び絶縁体と放熱板との間の２箇所を接合することが一般的である。

これまではパワー半導体モジュールの２箇所の接合部に、鉛と錫の比率を変えた上述のＰｂ−Ｓｎはんだ材料が適用されていた。
次世代のパワー半導体素子であるＧａＮやＳｉＣは、２００℃以上の耐熱性を有し、且つ絶縁破壊電界及び飽和電子密度等が大きいことから、高い動作電圧を用いて大電流を扱うことが可能である。この電流の大きさに起因して半導体素子からの発熱が２００℃程度にまで上昇するため、はんだによる接合部分に対しても２００℃以上の耐熱性が要求されている。

融点が２５０℃を超える無害なはんだ材料は、未だ研究段階において散見するに留まり、実用化されているものは極めて少ない。特殊な用途向けにＡｕ−Ｓｎ合金（融点２８０℃）を用いる例があるが、この合金は全体の８０％がＡｕであるために非常に高価な材料であり、民生機器への適用は困難である。

また、融点が２５０℃を超える無害な接合材料の１種として、Ａｇ系のロウ材料が一般的に知られているが、それらの融点は６００℃以上と高く、このような温度で溶融し接合させると半導体素子を壊したり変質させてしまうために、本用途に用いることができない。半導体モジュールの製造工程を考慮すると、接合時の加熱に適用し得る上限温度は、４５０℃程度である。

このような状況から、融点の高いはんだ材料として、亜鉛系の材料が検討されている。例えば、Ｚｎ−Ａｌ合金にＧｅやＭｇを添加したはんだ材料（例えば、特許文献１参照。）、Ｚｎ−Ａｌ合金にＭｇとＳｎを添加したはんだ材料（例えば、特許文献２参照。）、Ｚｎ−Ａｌ合金にＭｇとＩｎを添加したはんだ材料（例えば、特許文献３参照。）、Ｚｎ−Ａｌ合金にＧｅとＳｎとＩｎを添加したはんだ材料（例えば、特許文献４参照。）、Ｚｎ−Ａｌ合金にＧｅとＭｇを添加したはんだ材料（例えば、特許文献５〜７参照。）、Ｚｎ−Ａｌ合金にＧｅとＰを添加したはんだ材料（例えば、特許文献８参照。）、Ｚｎ−Ａｌ合金にＧｅとＭｇとＰを添加したはんだ材料（例えば、特許文献９参照。）などが開示されている。
特開平１１−２８８９５５号公報 特開平１１−２０８４８７号公報 特開平１１−１７２３５４号公報 特開平１１−１７２３５３号公報 特開平１１−１７２３５２号公報 特開２０００−２０８５３３号公報 特開２０００−６１６８６号公報 特開２００４−３５８５４０号公報 特開２００４−３５８５３９号公報 馬場陽一郎「ＨＶインバータ品質確保の取り組み」溶接学会全国大会講演概要、第７７章（２００５−９）

本発明の第一の課題は、緻密に接合することのできる、亜鉛を主成分とするはんだ材料を提供することである。
本発明の第二の課題は、耐熱性が高く緻密に接合された接合体およびパワー半導体モジュールを提供することである。
本発明の第三の課題は、緻密な接合を可能とするはんだ材料、接合体、およびパワー半導体モジュールのそれぞれの製造方法を提供することである。

亜鉛を主成分とするはんだ材料は、融点が高く耐熱性に優れるが、表面が自然酸化されやすく、且つその酸化膜は還元され難いという性質を有している。そのため、還元性雰囲気において亜鉛を主成分とするはんだ材料を溶融温度付近にまで加熱しても、表面のすべての酸化膜を除去することが困難である。

そこで従来は表面の酸化膜を除去するため、はんだ接合のはんだ溶解時にスクラブなどの物理的な外力を付与している。物理的な外力により表面の酸化膜が破れて、溶融したはんだ材料が流出し、被接合面とはんだ材料とが接触して接合する。
しかし、この方法では破れた酸化膜がはんだ材料の表面付近に残存し、緻密な接合を阻害していることが明らかとなった。緻密に接合していない接合体は、接合部で熱抵抗や電気抵抗を増大させる。特に接合体としてパワー半導体モジュールを作製した場合、そのパワー半導体モジュールの接合部では発熱密度と電流量が大きくなり、熱抵抗や電気抵抗に対する影響が甚大となる。

他方、表面の酸化膜を薬液の使用により化学的に除去しようとしても、酸化膜が溶解する前に、薬液がはんだ材料の端部などの微細な隙間からはんだ材料内に浸入し、はんだ材料が先に溶解してしまう。結果、酸化膜除去という本来の目的を達成し難い。

表面の酸化膜を除去する他の方法としては、機械的な研磨も考えられるが、亜鉛を主成分とするはんだ材料の表面は酸化されやすいため、大気中で機械的に研磨すると再び速やかに酸化膜が生成される。また、機械的な研磨の作業を還元雰囲気中で行なう方法では、研磨装置全体を還元雰囲気に置く必要があるため、安全上あるいは設備的に困難である。

特に、パワー半導体モジュールでは、被接合体の接合面に合わせて、はんだ材料の形状も箔状であることが、均一な接合を行なう観点から好ましい。そのため、はんだ材料の体積に対する表面積が増加し、自然酸化膜の占める割合も増加しやすいという問題を抱えている。

以上を勘案して鋭意研究を行ったところ、本発明の課題解決には、以下の発明が有効であることが見出された。

請求項１に記載の発明は、亜鉛を主成分とする材料の表面における酸化膜を除去した後に、又は前記酸化膜が存在しない状態で、前記酸化膜よりもその酸化物が還元され易い金属を主成分とする被覆層を前記表面に設けた、亜鉛を主成分とするはんだ材料である。

請求項１に記載の発明では、亜鉛を主成分とするはんだ材料（以下、「Ｚｎ系はんだ材料」と称する場合がある。）の表面に存在する酸化膜を除去し、或いは、該酸化膜が存在しない状態で、その後、再度酸化膜が生成するのを防ぐよう、前記酸化膜よりもその酸化物が還元され易い金属（以下、「易還元金属」と称する場合がある。）を主成分とする被覆層を形成する。本発明では、酸化膜を除去し被覆層を有するＺｎ系はんだ材料を利用することで、接合面での酸化膜の残存による望ましくない接合状態を回避し、緻密な接合を可能とする。

ここで、酸化膜の再度の生成を抑えるのに、「表面に生成する酸化膜よりもその酸化物が還元され易い金属を主成分とする材料」を被覆層に用いるのは、被覆層の表面に自然酸化膜が生成したとしても、その自然酸化膜は還元によって容易に除去できるからである。つまり、このような易還元金属の自然酸化膜は、はんだ接合の溶融のための加熱で還元され得る。したがって、自然酸化膜によって接合が阻害されることなく、はんだ材料と被接合面とが緻密に接合できる。

なお、「表面に酸化膜が存在しない状態」とは、そもそも酸化膜が生成していない状態であって、亜鉛を主成分とするはんだ材料の表面に存在する酸化膜の除去を要しない場合を意味する。具体的には、例えば、亜鉛を主成分とする材料の切り出し加工を還元雰囲気下などで行なった場合、当該はんだ材料の表面には酸化膜は生成しない。

請求項２に記載の発明は、前記被覆層が、銅を主成分とする層であることを特徴とする請求項１に記載の亜鉛を主成分とするはんだ材料である。

酸化膜の再度の生成を抑えるのに、銅を主成分とする材料が好適であるのは、大きくは以下の観点からである。
（１）銅の表面に生成する自然酸化膜は、還元などによって容易に除去できる。
（２）接合時に生じる亜鉛系はんだ材料の溶融状態で、表面の銅は亜鉛系はんだに溶け込み、接合後には銅の層が消失する。よって、銅をはんだ材料の表面に備えても、接合後の接合体の耐久性に大きな影響を与えない。

請求項３に記載の発明は、前記亜鉛を主成分とする材料が、亜鉛単体、又はＺｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ａｌ_ｘＭ_ｙ（ｘは０．０２〜０．１０であり、ｙは０〜０．０２であり、Ｍは亜鉛及びアルミニウム以外の金属を表す。）で表される合金であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の亜鉛を主成分とするはんだ材料である。

Ｚｎ系はんだ材料は、高熱伝導率で、高導電であり、且つ軟らかい性質を持つため、箔状はんだの作製が容易であるという利点を有する。また、Ｚｎ系はんだ材料は、融点が約３３０〜４２０℃であり、耐熱性に優れ、かつ操作性に優れる。
更なるはんだ接合における操作性を考慮すると、亜鉛単体（融点：４２０℃）よりも融点を下げることが望ましい場合がある。亜鉛にアルミニウムを添加したＺｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ａｌ_ｘＭ_ｙで表される合金は、融点（固相線温度）が３８０℃程度に降下しているので、実用的である。

請求項４に記載の発明は、前記被覆層の厚さが、５ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の亜鉛を主成分とするはんだ材料である。

本発明では、接合後の接合面では、はんだ材料の表面の被覆層が消失していることが、接合後の被覆層による予期せぬ影響を避ける観点から望ましい。これを実現するために、被覆層の接合前の厚さは５００ｎｍ以下であることが好適である。一方、Ｚｎ系はんだ材料の表面で酸化膜の生成を抑えるには、被覆層の膜厚は５ｎｍ以上とすることが好適である。

請求項５に記載の発明は、
第１部材と第２部材とを有し、
前記第１部材と第２部材の間が、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の、被覆層を表面に有する亜鉛を主成分とするはんだ材料で接合されてなり、
前記亜鉛を主成分とするはんだ材料で接合した後の接合面では、前記被覆層が消失していることを特徴とする接合体である。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のＺｎ系はんだ材料によって接合した接合体である。
本発明のＺｎ系はんだ材料を用いた接合体は、酸化膜によって接合が阻害されないため、緻密に接合している。そのため、接合体の接合部における熱抵抗や電気抵抗の増大を抑えることができる。

請求項６に記載の発明は、第１部材および第２部材の被接合面に、ニッケル層が設けられてなることを特徴とする請求項５に記載の接合体である。

請求項６に記載の発明では、Ｚｎ系はんだ材料とニッケル層とが接触する。亜鉛（Ｚｎ）とニッケル（Ｎｉ）は、接触した状態で高温になっても不要な反応生成物を生成させ難い。よって、冷熱サイクルに晒されても接合界面で不要な反応生成物を生成させにくい。
したがって、請求項６に記載の発明によれば、緻密な接合ができることに加え、不要な反応生成物の生成を抑えることができる。結果、反応生成物に起因するクラックの発生が防止でき、界面での剥離などの不具合の発生が抑えられる。

請求項７に記載の発明は、接合前の前記ニッケル層の表面に、亜鉛との反応性が高く亜鉛と合金を生成する金属表面層を備え、接合後の接合面では、前記金属表面層が消失していることを特徴とする請求項６に記載の接合体である。

亜鉛は濡れ性の低い物質である。はんだ材料が接合の加熱時に濡れ広がらないと、均一に接合することができず、被接合部材が傾いた状態で接合してしまうなど、不具合を発生させる場合がある。
そこで、請求項７にかかる発明では、被接合面に、亜鉛との反応性が高く亜鉛と合金を生成する金属表面層を備えて、Ｚｎ系はんだ材料の濡れ性を向上させる。溶融Ｚｎ系はんだ材料は、金属表面層と接触することで合金を形成し、さらに反応性金属を求めて濡れ拡がることにより濡れ性が向上しているものと推測される。

一方で、濡れ性を向上させるために形成した前記金属表面層が、はんだ接合後も残存すると、パワー半導体モジュールを製品として使用する際に、冷熱サイクルによって金属表面層の金属と亜鉛とで不要な反応生成物を生成させる場合がある。そこで、請求項７にかかる発明では、前記金属表面層は、はんだ材料が濡れ広がった後は、亜鉛のはんだ浴中に取り込まれて消失させるようにする。

これにより、請求項７に記載の発明によれば、被接合部材が傾いて接合されるなどの不具合を発生させ難く、接合部での接合が均一であるパワー半導体モジュールを得ることができる。

請求項８に記載の発明は、
パワー半導体素子と、絶縁基板と、放熱板と、を有し、
前記パワー半導体素子と前記絶縁基板との間の第一接合部、及び前記絶縁基板と前記放熱板との間の第二接合部の少なくとも一方が、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の、被覆層を表面に有する亜鉛を主成分とするはんだ材料で接合されてなり、
前記亜鉛を主成分とするはんだ材料で接合した後の接合面では、前記被覆層が消失していることを特徴とするパワー半導体モジュールである。

請求項８に記載の発明は、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のＺｎ系はんだ材料によって接合したパワー半導体モジュールである。
本発明のＺｎ系はんだ材料を用いたパワー半導体モジュールは、酸化膜によって接合が阻害されないため、緻密に接合している。そのため、パワー半導体モジュールの接合部で熱抵抗や電気抵抗の増大を抑えることができる。

請求項９に記載の発明は、前記パワー半導体素子が、ＧａＮ又はＳｉＣを用いて形成されてなることを特徴とする請求項８に記載のパワー半導体モジュールである。

本発明において接合部に用いられるＺｎ系はんだ材料の融点は約３３０℃〜４２０℃である。よって、次世代のパワー半導体素子であるＧａＮやＳｉＣを用いて２００℃を超えた高温での繰り返し使用に対しても、接合部において亀裂や剥離などの不具合を生じさせない信頼性の高いパワー半導体モジュールとなる。

請求項１０に記載の発明は、前記絶縁基板がＳｉ_３Ｎ_４層であり、Ｓｉ_３Ｎ_４層の両表面に銅で形成される導電層を備えることを特徴とする請求項８又は請求項９に記載のパワー半導体モジュールである。

絶縁基板のパワー半導体素子側に備える導電層は、当該導電層からパワー半導体素子に電気を効率よく伝導させることが好ましい。また絶縁基板は、パワー半導体素子と放熱板との間に設置されるため、効率よく伝熱することが望ましい。
したがって、絶縁基板としては、絶縁性があることは勿論、熱伝導が良好であることが好ましく、さらに高い導電性と高い熱伝導率を有する導電層を備えることが好ましい。請求項１０に記載の発明によれば、これら物性的な要求を満たすことができる。
また、請求項１０におけるＣｕ／Ｓｉ_３Ｎ_４／Ｃｕ積層体は、冷熱サイクルなどの試験に対しても、クラックなどの不具合を発生させ難い。

請求項１１に記載の発明は、前記放熱板が、モリブデン（Ｍｏ）層の両面に銅（Ｃｕ）層を有するＣｕ層／Ｍｏ層／Ｃｕ層の積層体であることを特徴とする請求項８〜請求項１０のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュールである。

Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕの積層体は熱伝導率が高く、放熱板としての機能を効果的に発揮する。また、Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕの積層体は熱膨張係数が４ｐｐｍ／Ｋ程度となり、パワー半導体素子の熱膨張係数の値に近くなる。その結果、冷熱サイクル時に顕著な熱応力が生じず、亀裂や剥離などの不具合を発生させない。

請求項１２に記載の発明は、前記放熱板におけるＣｕ層／Ｍｏ層／Ｃｕ層の厚さの比率が、１／５／１〜１／１２／１であることを特徴とする請求項１１に記載のパワー半導体モジュールである。

Ｃｕ層／Ｍｏ層／Ｃｕ層の積層体の中でも、各層の厚さの比率が、１／５／１〜１／１２／１の場合に、熱伝導率と熱膨張係数とのバランスが良好となり、放熱板としての機能を効果的に発揮する。

請求項１３に記載の発明は、
前記パワー半導体素子、前記絶縁基板及び前記放熱板のうち、亜鉛を主成分とするはんだ材料で接合される被接合部材が、その被接合面にニッケル層を有することを特徴とする請求項８〜請求項１２のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュールである。

請求項１３に記載の発明によれば、冷熱サイクルに晒されても不要な反応生成物の生成を抑えることができ、結果、反応生成物に起因するクラックの発生が防止され、界面での剥離などの不具合の発生が抑えられる。

請求項１４に記載の発明は、接合前の前記ニッケル層の表面に、亜鉛との反応性が高く亜鉛と合金を生成する金属表面層を備え、接合後の接合面では、前記金属表面層が消失していることを特徴とする請求項１３に記載のパワー半導体モジュールである。

請求項１４に記載の発明では、Ｚｎ系はんだ材料の濡れ性が向上しているため、傾いて接合されるなどの不具合を発生させ難く、接合が均一なパワー半導体モジュールを得ることができる。

請求項１５に記載の発明は、
亜鉛を主成分とする材料における表面の酸化膜を除去し、又は前記酸化膜が存在しない状態で、
前記表面に、前記酸化膜よりもその酸化物が還元され易い金属を主成分とする被覆層を設けることを特徴とする、
亜鉛を主成分とするはんだ材料の製造方法である。

請求項１６に記載の発明は、前記酸化膜の除去を、プラズマによって行なうことを特徴とする請求項１５に記載の亜鉛を主成分とするはんだ材料の製造方法である。

請求項１７に記載の発明は、前記酸化膜の除去を、めっき前処理液によって行なうことを特徴とする請求項１５に記載の亜鉛を主成分とするはんだ材料の製造方法である。

Ｚｎ系はんだ材料の表面における自然酸化膜を除去する方法として、プラズマ又はめっき前処理液を適用することが好適である。これらの方法を適用すれば、スクラブなどの物理的な外力の利用では達成し得なかった精巧な酸化膜の除去を実現できる。

請求項１８に記載の発明は、真空中で、前記被覆層を前記表面に設けることを特徴とする請求項１５又は請求項１６に記載の亜鉛を主成分とするはんだ材料の製造方法である。

真空中で、Ｚｎ系はんだ材料の表面に前記被覆層（好ましくは銅を主成分とする層）を設ければ、前記酸化膜を除去したＺｎ系はんだ材料の表面に再び酸化膜を生成させることなく、被覆層を形成することができる。

請求項１９に記載の発明は、
亜鉛を主成分とする材料における表面の酸化膜を除去し、又は前記酸化膜が存在しない状態で、前記酸化膜よりもその酸化物が還元され易い金属を主成分とする被覆層が前記表面に設けられてなる亜鉛を主成分とするはんだ材料を、請求項１５〜請求項１８のいずれか１項に記載の製造方法によって準備し、
第１部材と第２部材の間に前記亜鉛を主成分とするはんだ材料を挟持し、
加熱して、前記第１部材と第２部材を接合し且つ前記被覆層を消失させることを特徴とする、
接合体の製造方法である。

はんだ材料の前記被覆層は、接合時の加熱によってめっき浴に取り込まれて消失する。被覆層の表面に酸化膜が生成したとしても、この酸化膜は還元され易いので、接合時の加熱によって還元され得る。
つまり、請求項１９に記載の発明によれば、別途工程を増やすことなく、接合時の加熱によって、前記被覆層の消失および被覆層の表面の酸化膜の還元を行なうことが可能である。
また、請求項１９に記載の発明では、前述の亜鉛を主成分とするはんだ材料を適用するため、第１部材と第２部材とを緻密に接合できる。

請求項２０に記載の発明は、
被接合面にニッケル層を設けた第１部材および第２部材を用いることを特徴とする請求項１９に記載の接合体の製造方法である。

請求項２１に記載の発明は、
接合前に、前記ニッケル層の表面に、亜鉛との反応性が高く亜鉛と合金を生成する金属表面層を設け、
接合時の前記加熱によって、前記金属表面層を消失させることを特徴とする請求項２０に記載の接合体の製造方法である。

請求項２１に記載の発明によれば、第１部材と第２部材とを緻密に接合できるのに加え、はんだの濡れ性が向上し、傾いて接合されるなどの不具合が発生し難い。
また、請求項２１に記載の発明では、別途工程を増やすことなく、接合時の加熱によって、付設した前記金属表面層を消失させることができる。

請求項２２に記載の発明は、
接合前の前記金属表面層の厚さが、３ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項２１に記載の接合体の製造方法である。

請求項２３に記載の発明は、
接合前の前記金属表面層の厚さが、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項２１に記載の接合体の製造方法である。

接合後の接合界面では金属表面層を消失させる。金属表面層が消失するような条件は、接合時の加熱温度や加熱時間などによって調節することができるが、金属表面層の厚さとしては、３ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることが好ましく、より好ましくは１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。

請求項２４に記載の発明は、
亜鉛を主成分とする材料における表面の酸化膜を除去し、又は前記酸化膜が存在しない状態で、前記酸化膜よりもその酸化物が還元され易い金属を主成分とする被覆層が前記表面に設けられてなる亜鉛を主成分とするはんだ材料を、請求項１５〜請求項１８のいずれか１項に記載の製造方法によって準備し、
パワー半導体素子と絶縁基板との間の第一接合部、及び絶縁基板と前記放熱板との間の第二接合部の少なくとも一方に、前記亜鉛を主成分とするはんだ材料を挟持し、
加熱して、接合し且つ前記被覆層を消失させることを特徴とする、
パワー半導体モジュールの製造方法である。

請求項２４に記載の発明によれば、パワー半導体モジュールの部材を緻密に接合することができる。
また、請求項２４に記載の発明によれば、別途工程を増やすことなく、接合時の加熱によって、前記被覆層の消失および被覆層の表面の酸化膜の還元を行なうことが可能である。

請求項２５に記載の発明は、
前記パワー半導体素子、前記絶縁基板及び前記放熱板のうち、前記亜鉛を主成分とするはんだ材料で接合される被接合部材が、その被接合面にニッケル層を備えることを特徴とする請求項２４に記載のパワー半導体モジュールの製造方法である。

請求項２６に記載の発明は、
接合前に、前記ニッケル層の表面に、亜鉛との反応性が高く亜鉛と合金を生成する金属表面層を設け、
接合時の前記加熱により、前記金属表面層を消失させることを特徴とする請求項２５に記載のパワー半導体モジュールの製造方法である。

請求項２６に記載の発明によれば、緻密に接合できるのに加え、はんだの濡れ性が向上し、傾いて接合されるなどの不具合が発生し難い。
また、請求項２６に記載の発明では、別途工程を増やすことなく、接合時の加熱によって、付設した前記金属表面層を消失させることができる。

請求項２７に記載の発明は、
接合前の前記金属表面層の厚さが、３ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項２６に記載のパワー半導体モジュールの製造方法である。

請求項２８に記載の発明は、
接合前の前記金属表面層の厚さが、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項２６に記載のパワー半導体モジュールの製造方法である。
である。

本発明によれば、緻密に接合することのできる亜鉛を主成分とするはんだ材料を提供することができる。
また、本発明によれば、耐熱性が高く緻密に接合された接合体およびパワー半導体モジュールを提供することができる。
さらに、本発明によれば、緻密な接合を可能とする亜鉛を主成分とするはんだ材料、接合体、およびパワー半導体モジュールのそれぞれの製造方法を提供することができる。

＜Ｚｎ系はんだ材料＞
本発明の亜鉛を主成分とするはんだ材料は、表面の酸化膜を除去した後に、又は酸化膜が存在しない状態で、該表面に前記酸化膜よりもその酸化物が還元され易い金属を主成分とする被覆層を前記表面に設けたものである。
以下、本発明では、被覆層を設けるなどの表面処理を施す前の亜鉛を主成分とする材料を、「Ｚｎ系材料」と称する場合があり、表面処理を施した後の本発明の亜鉛を主成分とするはんだ材料を、「Ｚｎ系はんだ材料」と称する場合がある。また、前記酸化膜よりもその酸化物が還元され易い金属を、「易還元金属」と称する場合がある。

本発明において、「亜鉛を主成分とする」とは、亜鉛を８０質量％以上含むことをいう。

具体的に、Ｚｎ系材料およびＺｎ系はんだ材料としては、亜鉛単体、Ｚｎ−Ａｌ合金、Ｚｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ａｌ_ｘＭ_ｙで表される合金、或いはこれらの２種類以上を組み合わせたものを挙げることができる。
更に、これら亜鉛単体、Ｚｎ−Ａｌ合金、Ｚｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ａｌ_ｘＭ_ｙで表される合金、又はこれらの２種類以上を併用したものに、添加物としてＧｅ、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｐ等を添加したものも適用することができる。このようなＺｎ系材料としては、特開平１１−２８８９５５号公報、特開平１１−２０８４８７号公報、特開平１１−１７２３５４号公報、特開平１１−１７２３５３号公報、特開平１１−１７２３５２号公報、特開２０００−２０８５３３号公報、特開２０００−６１６８６号公報、特開２００４−３５８５４０号公報、特開２００４−３５８５３９号公報などのＺｎ系材料を挙げることができる。
本発明では、亜鉛の自然酸化膜に起因する問題が解決されるので、亜鉛は単体であっても合金であっても、或いは添加物が含まれていても、同様の効果を奏することができる。

ここで、Ｚｎ単体の融点は約４２０℃である。約４２０℃での接合も可能であるが、接合部材への熱によるダメージを考慮して、これよりも融点を低くすることも好適な態様である。
具体的な事例としては、パワー半導体モジュールの場合を挙げることができる。パワー半導体モジュールの１回目の接合に用いるはんだ材料として亜鉛単体を適用することは可能であるが、半導体素子の熱による破壊を防止するには４５０℃よりも融点を低くすることが望ましい。

このような場合には、亜鉛にアルミニウムを添加して融点（固相線温度）を降下させるよう、亜鉛とアルミニウムの合金とすることが好ましい。また、亜鉛とアルミニウムの他に、２質量％以下の金属Ｍを含有してもよい。すなわち、Ｚｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ａｌ_ｘＭ_ｙで表される合金を適用することが好ましい。

Ｚｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ａｌ_ｘＭ_ｙで表される合金において、Ａｌの含有率（ｘの範囲）は、好ましくは、２質量％以上１０質量％以下であり、３質量％以上８質量％以下であることがより好ましい。
Ａｌを含まない場合（ｘが０の場合）には上述のように融点は約４２０℃であって、Ａｌの含有率が増加するに従い、溶解終了温度（液相線温度）は徐々に降下し、Ａｌの含有率が約２質量％で溶解終了温度（液相線温度）が約４１０℃となり、Ａｌの含有率が約４〜６質量％で液相線温度が約３８２℃となる。Ａｌの含有率が約６質量％よりも多くなると、溶解し始める温度（固相線温度）と溶解の完了する温度（液相線温度）との差が大きくなり、Ａｌの含有率が１０質量％の場合には、固相線温度が約３８２℃で、液相線温度が約４１０℃となる。Ａｌの含有率が１０質量％よりも多くなると固相線温度と液相線温度との温度差が３０℃よりも大きくなるので作業性が低下する可能性がある。

また、Ｚｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ａｌ_ｘＭ_ｙで表される合金における金属Ｍは、亜鉛及びアルミニウム以外の金属を表し、銅などを挙げることができる。銅を２質量％以下含有させると、濡れ性が良好となり密着性が向上する。なお銅を２質量％含有しても液相線温度は殆ど変化しない。
Ｚｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ａｌ_ｘＭ_ｙで表される合金において、金属Ｍの含有量（ｙの範囲）としては、０〜２質量％であり、好ましくは０〜１．５質量％である。金属Ｍの含有量が２質量％よりも多くなると、溶解完了までの温度差が３０℃よりも大きくなるので作業性が低下し、接合する際に位置ずれや接合部材の傾斜等の不具合が発生し易くなる。

Ｚｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ａｌ_ｘＭ_ｙで表される合金の調製方法は特に制限されず、公知の合金調製方法を適宜適用することができる。

Ｚｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ａｌ_ｘＭ_ｙで表される合金によって接合する場合、合金の液相線温度よりも数十℃高い温度で接合することが、接合部を一様に溶融させ、充分な流動性を得る観点から好ましい。例えば、３８２℃の液相線温度を有するＺｎ_９５．８Ａｌ_４Ｃｕ_０．２合金の場合には、４１０℃〜４４０℃程度で接合することが好ましい。

本発明におけるＺｎ系材料は、はんだ接合に用いる前に表面処理が施される。
図１（Ａ）に示すように、Ｚｎ系材料５０が大気中に放置されると、その表面には自然酸化膜５０１が形成される。前記表面処理では、図１（Ｂ）に示すように、Ｚｎ系材料５０の表面の酸化膜５０１を除去した後に、図１（Ｃ）に示すように、当該表面に易還元金属を主成分とする被覆層５１を設けて、表面処理したＺｎ系はんだ材料５５を得る。

Ｚｎ系材料の表面の酸化膜を除去できるのであれば、除去の方法は特に限定されないが、プラズマ又はめっき前処理液によって除去することが好ましく、特にプラズマによって除去することが好ましい。

プラズマによって除去する際は、真空中で行なうことが好ましい。より好ましくは、真空中にアルゴンガスを微量導入して高周波電力を印加する方法（逆スパッタリング）であることが、酸化膜の除去後に酸化膜が生じないという観点から好ましい。具体的に高周波とは、１４ＭＨｚ程度である。プラズマ放電を行なう時間は、除去する酸化膜の量によって異なるため、適宜調整することが好ましい。

なお、Ｚｎ系材料５０の表面に酸化膜が存在していないのであれば、上記酸化膜の除去の工程は省略することができる。

Ｚｎ系材料の表面の酸化膜を除去した後に、或いは表面に酸化膜が存在しない状態で、表面で酸化膜が生成しないよう易還元金属を主成分とする被覆層５１を設ける。
プラズマによって酸化膜を除去した場合には、その後該酸化膜を生成させないためには、真空中で被覆層５１を形成することが好ましい。特に、プラズマでの酸化膜除去の工程を真空中で行なっている場合には、引き続き、その真空環境下で金属層を形成させることが好ましい。

易還元金属としては、銅（Ｃｕ）、金ｕ（Ａｕ）、錫（Ｓｎ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、などを挙げることができ、銅（Ｃｕ）、金ｕ（Ａｕ）、銀（Ａｇ）などがより好適である。
特に、銅を主成分とすることが、（１）銅の表面に生成する自然酸化膜の還元のしやすさ、（２）亜鉛系はんだ浴へ溶け込み易く、接合後にこの銅層を消失させることができる、という観点から好適である。

前記銅を主成分とする被覆層とは、銅を５０質量％以上含む層をいい、銅単体であっても、これに添加物を添加したものであってもよい。
銅を主成分とする被覆層に添加する添加物としては、Ａｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｍｎなどを挙げることができる。

被覆層５１は、プラズマによって酸化膜を除去した場合には、スパッタリング、蒸着などによって形成することが好ましく、スパッタリングで形成することがより簡易な方法であり好ましい。
被覆層５１を形成するときのスパッタリングの条件は特に限定されず、直流電流であっても交流電流であってもよい。使用電力も適宜設定することが好ましい。

一方、めっき前処理液によって、亜鉛表層を除去することで、表面に生成した酸化膜を除去することもできる。
めっき前処理液によって前記酸化膜を除去した場合には、被覆層５１をめっきにより形成することが好ましい。特に、酸化膜除去のために使用しためっき浴から空気中に試料を引き上げることなく、引き続き同じめっき浴で金属層の形成のためのめっきを行なうことが、酸化膜を生成させない観点から好ましい。

接合前の被覆層５１の厚さは、５ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることが好ましく、１０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下であることがより好ましく、２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることがさらに好ましい。
被覆層５１の厚さが薄すぎると、被覆層５１が島状に形成され、部分的にＺｎ系材料５０が露出し、空気中に取り出した際に酸化膜が生成することがある。一方、被覆層５１が厚すぎると、接合の条件によっては、内部のＺｎ系材料５０が溶融の際に接合面に現出せず、あるいは接合工程後も被覆層５１が接合界面に残存することがある。

＜接合体＞
本発明の接合体は、第１部材と第２部材とを有し、前記第１部材と第２部材の間が、上述のＺｎ系はんだ材料５５で接合され、Ｚｎ系はんだ材料５５で接合した後の接合面では、前記被覆層５１が消失している。

［第一の実施形態の接合体及びその製造方法］
第一の実施形態の接合体の製造手順の一例を図２に示す。図２（Ａ）では接合前の各部材を示し、得られる接合体３００を図２（Ｂ）に示す。
第１部材１０１と第２部材１０２の被接合面には、ニッケル（Ｎｉ）層１１１，１１２をそれぞれ備えることが好ましい。Ｎｉ層１１１，１１２を備えることで、Ｚｎ系はんだ材料５５との界面において不要な反応生成物の生成を抑えることができ、温度変化に対しても耐性が高くなる。

Ｎｉ層１１１，１１２の厚みは、０．１μｍ〜１０μｍであることが好ましく、０．５μｍ〜８μｍであることがより好ましい。この膜厚の範囲内では、接合時にはんだ材料に溶け込み消失する恐れが少なく、且つ接合体全体に対する熱膨張係数への影響が少ない。
Ｎｉ層１１１，１１２は、スパッタリングやめっき、蒸着等によって形成することができる。

更にＮｉ層１１１，１１２の表面には、酸化防止や触れ性確保のために、薄いＡｕ層（図示せず）が設けられていてもよい。なお、この薄いＡｕ層は、接合時にはんだ浴に溶け込み、最終的なパワー半導体モジュールには殆ど残存しない。

このようなＡｕ層の厚さは、０．０１μｍ〜０．５μｍ程度であることが好ましく、より好ましくは、０．０３μｍ〜０．１μｍである。

まず、図１に示すようにして上述の方法により表面処理を施したＺｎ系はんだ材料５５を準備する。このＺｎ系はんだ材料５５は、酸化膜５０１が除去されたＺｎ系材料５０の表面に、被覆層５１が設けられたものである。

次に、図２（Ａ）に示すように、第１部材１０１及び第２部材１０２の表面に設けられたＮｉ層１１１，１１２が対向するように配置し、その間に前記表面処理を施したＺｎ系はんだ材料５５を挟む。したがって、第１部材１０１／Ｎｉ層１１１／被覆層５１／Ｚｎ系材料５０／被覆層５１／Ｎｉ層１１２／第２部材１０２の順に積層した状態で、リフロー法等を利用して接合して、接合体を形成する。

Ｚｎ系はんだ材料５５の表面の被覆層５１は、易還元金属を主成分として形成されている。酸素存在下でＺｎ系はんだ材料５５を放置すると、被覆層５１の表面に易還元金属（好ましくは銅）の酸化膜が生成するが、易還元金属の酸化膜は亜鉛の酸化膜よりも還元しやすい。したがって、還元ガス雰囲気下で接合を行うと、Ｚｎ系材料５０が溶融する温度（約４００℃）よりも低い温度で、易還元金属の酸化膜が還元して、易還元金属が露出する。例えば易還元金属が銅の場合には、約２００℃で酸化銅の酸化膜が還元されて、銅が露出する

さらに加熱すると、Ｚｎ系材料５０が溶融し始める。そのときの体積膨張により、Ｚｎ系はんだ材料５０の表面の薄い被覆層５１が破れ、内部に存在する溶融したＺｎ系材料５０が、被接合面上に濡れ広がる。

このとき、Ｚｎ系はんだ材料５５の表面に設けられた被覆層５１は非常に薄く、Ｚｎ系材料５０の体積に比べて桁違いに少ない。よって、被覆層５１は溶融したＺｎ系材料５０のはんだ浴の中に取り込まれて、図２（Ｂ）に示すように接合界面には残存しない。接合後の接合部は、被覆層５１を取り込んで、接合部５７となる。

接合温度は、Ｚｎ系はんだ材料５５の融点よりも３０℃〜６０℃程度高い温度で行うことが好ましい。
接合の際には、不活性ガス又は還元ガス雰囲気下で行なうが、上述のように、被覆層５１の表面に生成した酸化膜を還元するには、還元ガス雰囲気下で行なうことが好ましい。

［第二の実施形態の接合体及びその製造方法］
第二の実施形態の接合体の製造手順の一例を図３に示す。図３（Ａ）では接合前の各部材を示し、得られる接合体を図３（Ｂ）に示す。第１部材１０１と第２部材１０２の形状や大きさに特に制限はなく、図３では、第１部材１０１の被接合面が、第２部材１０２の被接合面よりも大きい場合で説明する。

図３（Ａ）に示すように、第１部材１０１と第２部材１０２のそれぞれの接合面の表面にＮｉ層１１１，１１２を形成する。更に、Ｎｉ層１１１，１１２の上に、亜鉛との反応性が高く亜鉛と合金を生成する金属表面層１２１，１２２を形成する。

ここで、「亜鉛との反応性が高い金属」とは、亜鉛に対して数秒程度で合金を形成するような金属で、その反応量も大きい金属を意味する。具体的には、亜鉛との反応性が高く亜鉛と合金を生成する金属（反応性金属）としては、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）などが挙げられる。

特に、金属表面層は銅を主成分とする層（Ｃｕ系層）であることが、（１）亜鉛に対する反応性の高さ、（２）Ｚｎ系はんだ浴へ溶け込み易く接合後に銅層を消失させることができる、という観点から好適である。

銅を主成分とする層（Ｃｕ系層）とは、Ｃｕを５０質量％以上含む金属層をいう。銅単体であっても銅合金であってもよく、更にこれらに添加物を添加したものであってもよい。銅合金としては、Ｃｕ−Ａｕ、Ｃｕ−Ａｇ、Ｃｕ−Ｎｉ、Ｃｕ−Ｓｎなどを挙げることができる。銅を主成分とする層に添加する添加物としては、亜鉛（Ｚｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）などを挙げることができる。

Ｃｕ系層は、より好ましくはＣｕを６５質量％以上含む金属層であり、更に好ましくはＣｕを８０質量％以上含む金属層である。

Ｚｎは濡れ性の低い物質であるが、溶融したＺｎと反応して合金を作り易い金属（反応性金属）をＺｎ系はんだ材料５５の接合面に設けることで、Ｚｎ系はんだ材料５５の濡れ性を向上させている。詳細には、接合時の加熱において、Ｚｎ系はんだ材料５５が融点を超えて溶融した際に、Ｚｎ系はんだ材料５５は、反応性金属と合金の生成反応を起こしながら反応性金属を求めて自ら拡がるという現象を利用している。

なお、第一の実施形態の接合体のように、金属表面層１２１，１２２を第１部材１０１と第２部材１０２のそれぞれの接合面の表面に設けない場合には、接合の加熱時に被接合部材に外圧を加えながら擦動させれば、被接合部材を傾けさせずに接合することは可能である。
しかし、第二の実施形態の接合体では、第一の実施形態の接合体のように加熱しながら外圧を加えるという煩雑な操作を行なわなくとも、被接合部材を傾けさせずに接合することができる。

なお、濡れ性を向上させるために形成した前記金属表面層１２１，１２２が、はんだ接合後も残存すると、パワー半導体モジュールを製品として使用する際に、冷熱サイクルによってＺｎと反応性金属とで不要な反応生成物を生成させる場合がある。

そのような不要な反応生成物は、通常、脆い物質であったり、硬い物質であったりするので、その不要な反応生成物の存在する位置を起点にクラックが発生し、その結果、接合部材のクラックの発生や接合界面から生じる剥離などの不具合を発生させ易い。
そこで、金属表面層１２１，１２２は、はんだ材料が濡れ拡がった後は、Ｚｎのはんだ浴中に取り込み消失させることが望ましい。

はんだ材料が濡れ拡がった後の接合界面で、金属表面層１２１，１２２が消失するような金属表面層１２１，１２２の厚さは、はんだ接合時の加熱温度や加熱時間、更にははんだ材料の種類などによって異なるため、一概に決めることはできず、適宜好適な膜厚を採用することが望ましい。
しかしながら、概ね、３ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることが好ましく、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましい。膜厚が薄すぎると、接合部分が島状となり均一に接合することができない場合がある。一方、１０００ｎｍよりも厚い場合には、Ｚｎ系はんだ浴中に全てが取り込まれず、金属表面層１２１，１２２が残存する場合がある。

金属表面層１２１，１２２は、スパッタリングやめっき、蒸着等によって形成することができる。

第１部材１０１と第２部材１０２の接合は、図３（Ａ）に示すように、第１部材１０１と第２部材１０２におけるそれぞれの金属表面層１２１，１２２が対向するように配置し、その間に、上述の表面処理を施したＺｎ系はんだ材料５５を挟む。したがって、第１部材１０１／Ｎｉ層１１１／金属表面層１２１／被覆層５１／Ｚｎ系材料５０／被覆層５１／金属表面層１２２／Ｎｉ層１１２／第２部材１０２の順に積層した状態で、リフロー法等を利用して接合して、接合部５７が形成される。

ここで、第二の実施形態の接合体において、濡れ広がったＺｎ系はんだ材料５５の状態を、図３（Ｂ）を参照しながら説明する。
本実施形態においては、金属表面層１２１，１２２を備えたことにより亜鉛の濡れ性が向上しているため、図３（Ｂ）に示すように、接合の加熱によってはんだ材料が均一に濡れ広がる。濡れ広がった結果、形成された接合部５７はフィレットと呼ばれる裾広がりの形状となる場合がある。このような接合形状であっても均一に接合しているのであれば問題ないが、フィレットの広がりを抑制する方法としては、以下の方法を例示することができる。

例えば、図４（Ａ）（Ｂ）に示すように、第１部材１０１に設ける金属表面層１２１の面積を第１部材１０１の面積よりも小さくする方法が挙げられる。
所望の面積の金属表面層１２１を形成するには、第１部材１０１板上にマスキングシートなどを貼ってメッキしたり、或いは、開口部を有するマスク部材を装着してスパッタリングしたりすればよい。したがって、この方法では簡易な方法で、はんだ材料の濡れ広がる面積を制御することができる。

なお、本発明の技術は、濡れ性に最も影響のある界面の状態を直接的に変えるので、図４（Ａ）（Ｂ）に示すように、はんだ材料の濡れ広がる範囲を制御することが容易である。
これに対して、従来のように、はんだ材料に他の物質を添加して濡れ性を向上させる方法では、濡れ性に直接影響を及ぼす界面のみならず、はんだ材料全体も改質されているので、はんだ材料が濡れ広がる範囲を制御することは、本発明に比べて困難である。

また、図５（Ａ）（Ｂ）に示すように、予めはんだ材料の広がりを抑止する部分にレジスト７０等をパターニングしておくことで、はんだ材料の濡れ広がりを制御することができる。
接合後に不要なレジストを除去することも可能であり、耐熱性の高いレジストの場合には、そのまま残存させておいてもよい。

なお、Ｚｎ系はんだ材料５５で接合した後の接合面では、金属表面層１２１，１２２が消失していることが好ましい。金属表面層１２１，１２２を適用していたかを接合後の接合体から確認するには、図３（Ｂ）に示すように、金属表面層１２１が残存している領域Ａによって行うことも可能である。

濡れ性向上のために、第１部材１０１と第２部材１０２の接合面の表面に、金属表面層１２１，１２２を設けた以外は、第一の実施形態と同様であるので、その他の説明を省略する。

＜パワー半導体モジュール＞
本発明のパワー半導体モジュールは、パワー半導体素子と、絶縁基板と、放熱板と、を有する。パワー半導体素子と絶縁基板との間の第一接合部、及び絶縁基板と放熱板との間の第二接合部の少なくとも一方が、前記Ｚｎ系はんだ材料５５で接合されていればよく、第一接合部と第二接合部の両方がＺｎ系はんだ材料５５で接合されていてもよい。

［第一の実施形態のパワー半導体モジュール及びその製造方法］
図６に、本発明のパワー半導体モジュール１０の要部断面図を模式的に示す。
パワー半導体モジュール１０は、パワー半導体素子２０と絶縁部３０と放熱板４０とを有する。パワー半導体素子２０と絶縁部３０との間は第一接合部５００によって接合される。絶縁部３０と放熱板４０との間は第二接合部６００によって接合される。

パワー半導体モジュール１０は、車載用インバータなどに用いられるものである。パワー半導体モジュール１０の周辺には図示しない内燃機関が設けられているために、パワー半導体モジュール１０が置かれている環境はかなり高温となっている。さらに、パワー半導体素子として次世代のＧａＮやＳｉＣを用いた場合には、パワー半導体素子２０からの発熱が大きく、パワー半導体モジュール１０の温度が上昇する。

パワー半導体素子が自身の発する熱や高温の周囲環境によって破壊するのを防ぐよう、冷却水が流動する冷却管（図示せず）が設けられ、冷却管とパワー半導体素子との間に放熱板４０が設けられる。

したがって、一般的にパワー半導体モジュールに求められる性能としては、第一に冷熱サイクルに対して亀裂、剥離などの不具合を生じさせないことであり、第二に絶縁基板によって確実に絶縁させることであり、第三にパワー半導体素子から発せられた熱を放熱板までなるべく蓄積することなく伝えることである。

冷熱サイクルに対して亀裂、剥離などを発生させないためには、半導体素子、絶縁基板、放熱板及び接合部材などの部材そのものが温度変化に対して耐久性がなければならず、加えて、冷熱サイクルにおいて不要な反応生成物を発生させないことが重要である。かかる反応生成物は脆い物質であったり、硬すぎる物質であったりして、反応生成物が発生した部位を起点として亀裂や剥離等を起こしやすい。
また、各部材の熱膨張係数が近い値であることも、冷熱サイクルによる亀裂や剥離などの発生を抑制するのに重要である。熱膨張係数が全く異なる部材を接合すると、冷熱サイクルによって繰り返し起こる部材の体積変化によって、亀裂や剥離等を発生させやすくなる。

本発明の接合体であるパワー半導体モジュールでは、第一接合部５００及び第二接合部６００の少なくとも一方に、Ｚｎ系はんだ材料５５を用いて接合しているため、接合部分の耐熱性はパワー半導体モジュールの動作に十分耐えるものである。また、表面の自然酸化膜を除去した後に前記被覆層を設けたＺｎ系はんだ材料５５で接合しているため、接合界面に不要な亜鉛の酸化膜が存在せず、緻密に接合している。その結果、接合部分での熱抵抗や電気抵抗の増大を抑えることができる。

なお、本発明のパワー半導体モジュールでは、Ｚｎ系はんだ材料５５を、第一接合部５００及び第二接合部６００のいずれに適用してもよく、また、第一接合部５００を先に接合し次に第二接合部６００を接合してもよいし、第二接合部６００を先に接合した後、第一接合部５００を接合してもよい。
しかし、いずれにしても２回目のはんだ付けの温度が、１回目に用いたはんだ材料の融点よりも高いと、２回目のはんだ付けの際に１回目にはんだ付けした部分が溶融して、位置ずれを起こしたり傾斜したりといった不具合を発生させてしまう。

この問題を回避するため、一般的に、１回目に用いるはんだ材料の融点は、２回目に用いるはんだ材料の融点よりも高くなるように、はんだの材料を選択する。好適には、２回目の接合に用いるはんだ材料の融点は、１回目の接合に用いるはんだ材料の融点よりも３０℃以上低いことが望ましい。

つまり１回目の接合に、融点が約３３０℃〜４２０℃のＺｎ系はんだ材料５５を適用した場合、２回目の接合に用いるはんだ材料は、Ｚｎ系はんだ材料５５の融点よりも３０℃以上低い融点を有するものとすることが好ましい。一方で、パワー半導体からの発熱を考慮すると、２回目の接合に用いるはんだ材料の融点は２００℃以上であることが望ましい。よって、１回目の接合に、Ｚｎ系はんだ材料５５を適用した場合には、２回目の接合に用いるはんだ材料は、融点が２３０℃〜３００℃程度のものを適用することが好ましい。

他方、２回目の接合に、Ｚｎ系はんだ材料５５を適用した場合には、１回目の接合に用いるはんだ材料は、Ｚｎ系はんだ材料５５の融点よりも３０℃以上高い固相線温度を有するものであることが好ましい。一方で、はんだ付けの際の加熱によって半導体素子が破壊されるのを防ぐには、融点が６５０℃以下、好ましくは４５０℃以下であることが好ましい。よって、２回目の接合にＺｎ系はんだ材料５５を適用した場合には、１回目の接合に用いるはんだ材料は、融点が４５０〜６５０℃のものを適用することが好ましい。

上記から、Ｚｎ系はんだ材料５５は、その融点が約３３０℃〜４２０℃であるという観点から１回目の接合に用いることが好ましく、２回目の接合に用いるはんだ材料は、２３０℃〜３００℃程度の融点を有する材料を適用することが好ましい。

そこで、２回目の接合に用いるはんだ材料としては、Ｂｉ系はんだ材料（融点：約２７０℃）やＡｕ系はんだ材料（融点：約２８０℃）、Ｓｎ−Ｓｂ系はんだ材料（融点：約２５０℃）などを挙げることができる。これらの中でも、２回目の接合に用いるはんだ材料としては、Ｂｉ系はんだ材料を適用することが、貴金属を用いないというコスト面、安全性の観点から好適である。

なお、大量の熱を発する半導体素子に近い側の第一接合部５００には、融点の高いＺｎ系はんだ材料５５を適用し、半導体素子から遠い側の第二接合部６００には、Ｂｉ系はんだ材料等を適用することが好適である。

したがって、以下、図６に示す第一の実施形態では、第一接合部５００にはＺｎ系はんだ材料５５を適用し、第二接合部６００にはその他のはんだ材料を適用する場合について説明する。

（第一接合部）
本発明における第一接合部５００は、パワー半導体素子２０と絶縁部３０との間を接合するために設けられる。第一接合部５００では、亜鉛を主成分とするはんだ材料を適用する。
なお、図６のパワー半導体モジュールでは、Ｚｎ系材料５０及び被覆層５１を点線で図示しているが、接合後の第一接合部５００では、被覆層５１は取り込まれ消失している。

（Ｚｎ系はんだ材料に対する被接合面）
Ｚｎ系はんだ材料を接合部材として用いる場合には、接合する部材の被接合面には、Ｎｉ層を備えることが好ましい。つまり、第一の実施形態では、第一接合部５００にＺｎ系はんだ材料５５を適用するので、パワー半導体素子２０と絶縁部３０のそれぞれの被接合面にＮｉ層２２,３８を備えることが好適である。Ｎｉ層２２,３８を備えることで、Ｚｎ系はんだ材料５５との界面において不要な反応生成物の生成を抑えることができ、温度変化に対しても耐性が高くなる。

Ｚｎ系はんだ材料５５との被接合面に設けるＮｉ層２２,３８の厚みは、０．１μｍ〜１０μｍであることが好ましく、０．５μｍ〜８μｍであることがより好ましい。０．１μｍよりも薄いと、接合時にはんだ材料に溶け込み消失する恐れがあり、１０μｍよりも厚いと、パワー半導体モジュール全体の熱膨張係数に影響を与え、熱応力を生じさせるようになることがある。
Ｎｉ層２２,３８は、スパッタリングやめっき、蒸着等によって形成することができる。

（第二接合部）
本発明における第二接合部６００は、絶縁部３０と放熱板４０との間を接合するために設けられる。第二接合部６００の材質としては特に制限されないが、第一の実施形態では上記第一接合部５００に約３３０〜４２０℃の融点を有するＺｎ系はんだ材料５５を適用するため、製造工程上、２３０℃〜３００℃程度の融点を有する材料を適用することが好ましい。

上記融点を有するはんだ材料としては、Ｂｉ系はんだ材料（融点：約２７０℃）やＡｕ系はんだ材料（融点：約２８０℃）、Ｓｎ−Ｓｂ系はんだ材料（融点：約２５０℃）などを適用することができる。

Ｂｉ系はんだ材料としては、Ｂｉ単体のほかに、Ｂｉに銅、Ｎｉ、Ａｇを添加したものなどを挙げることができるが、下記（１）〜（４）に記載のＢｉ系はんだ材料であることが固相線温度を低下させない観点から好ましい。
更に、下記（１）〜（４）に記載のＢｉ系はんだ材料の中でも、Ｂｉの脆性の高さを解消して機械的強度を高める観点からは、下記（２）〜（４）のＢｉ系はんだ材料であることが好ましい。

（１）Ｂｉ単体
（２）Ｂｉ中にＣｕＡｌＭｎ合金粒子を分散させたＢｉ−ＣｕＡｌＭｎ
（３）ＢｉにＣｕを添加した材料
（４）ＢｉにＮｉを添加した材料

また、Ａｕ系はんだ材料としては、Ａｕ−２０Ｓｎ（融点２８０℃）、Ａｕ−１２．５Ｇｅ（融点３６１℃）などを挙げることができる。

Ｓｎ−Ｓｂ系はんだ材料としては、Ｓｎ−５Ｓｂ（融点２３６℃）、Ｓｎ−９Ｓｂ（融点２４６℃）などを挙げることができる。

第二接合部６００に対する被接合部材の表面には、第二接合部６００のはんだ材料に応じて、金属膜（図示せず）を適宜設けることもできる。

（パワー半導体素子）
パワー半導体素子２０としては、特に制限することなく用途に応じて適宜適用することができ、一般的なＳｉ基板なども適用できる。
本発明では、次世代素子としてＧａＮ基板やＳｉＣ基板などを用いた場合であっても、第一接合部５００に用いるＺｎ系はんだ材料５５の融点（固相線温度）が約３３０〜４２０℃のため、半導体素子の繰り返し使用によって放熱される２００℃を超える高温に対しても、亀裂や剥離などの不具合を生じさせない信頼性の高いパワー半導体モジュールとなる。

第一の実施形態では、第一接合部５００にＺｎ系はんだ材料５５を適用するので、パワー半導体素子２０は、第一接合部５００側の表面にＮｉ層２２を設ける。Ｚｎ系はんだ材料５５とＮｉ層２２との界面においては、冷熱サイクルによる界面に存在する生成物の成長速度は非常に遅いので、温度変化に対しても耐性が高くなる。

更にＮｉ層２２の表面には、酸化防止やぬれ性（密着性）確保のために、薄いＡｕ層（図示せず）が設けられていてもよい。なお、この薄いＡｕ層は、接合時にはんだ浴に溶け込み、最終的なパワー半導体モジュールには殆ど残存しない。

このようなＡｕ層の厚さは、０．０１μｍ〜０．５μｍ程度であることが好ましく、より好ましくは、０．０３μｍ〜０．１μｍである。Ａｕ層は、スパッタリングやめっき、蒸着等によって形成することができる。

（絶縁部）
絶縁部３０における絶縁基板３２としては、絶縁性を確保できるものであれば特に制限されず適用することができるが、好ましくは冷熱サイクル時に顕著な熱応力を生じさせないよう、半導体素子の熱膨張係数と同程度の熱膨張係数を有するものである。

具体的に好適な絶縁基板３２としては、ＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ａｌ_２Ｏ_３などで形成されるものを挙げることができ、この中でも熱伝導率及び熱膨張係数の観点から、Ｓｉ_３Ｎ_４又はＡｌＮが好適である。更に、Ｓｉ_３Ｎ_４の破壊強度はＡｌＮの破壊強度よりも高く、絶縁部材自体の寿命が長くなることから、絶縁基板３２としてはＳｉ_３Ｎ_４であることがより好適である。

また、絶縁基板３２におけるパワー半導体素子側の表面から半導体素子に電気を通すために絶縁基板３２の表面に導電層３４を設ける。また、温度変化に対するそりを抑制するために、放熱板４０側にも導電層３６を設けることが好ましい。

絶縁基板３２としてＡｌＮのセラミックスを用いる場合には、導電層３４、３６としては、Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｎｉなどが好適であり、この中でもＡｌ及びＣｕが好ましい。ＡｌＮの表面にＡｌ層を設けると、温度変化に対して塑性変形を生じ、熱応力を緩和でき、Ｃｕ層を設けると導電率が高いことから薄くすることができ、熱応力を緩和できるため好適である。
つまり、ＡｌＮのセラミックスを絶縁基板３２として適用する場合には、絶縁部３０としては、Ｃｕ／Ｓｉ_３Ｎ_４／Ｃｕ積層体又はＡｌ／Ｓｉ_３Ｎ_４／Ａｌ積層体であることが好ましい。

一方、絶縁基板３２としてＳｉ_３Ｎ_４のセラミックスを用いる場合には、導電層３４、３６としては、Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｎｉなどが好適であり、この中でもＡｌ及びＣｕが好ましく、Ｃｕであることがより好ましい。Ｃｕは導電率が高いことからＣｕ層を設けると導電率が高いことから薄くすることができ、熱応力を緩和できるため好適である。また、Ｃｕ／Ｓｉ_３Ｎ_４／Ｃｕ積層体は、冷熱サイクル試験においても破壊され難く、絶縁部３０としての信頼性が高い。

絶縁基板３２に備える導電層３４、３６の厚さは、０．０１ｍｍ〜１ｍｍであることが好ましく、０．１ｍｍ〜０．８ｍｍであることがより好ましい。導電層３４、３６の厚さが０．０１ｍｍ未満の場合には、横方向への電流による損失及び発熱が無視できなくなり、１ｍｍを超える場合には、パワー半導体モジュール全体の熱膨張係数に影響を与え、熱応力を生じさせるようになるため好ましくない。

絶縁基板３２の両表面に導電層３４、３６を貼付する方法は特に制限されず、ロウ付けなどの公知の方法を適宜採用することができる。

Ｚｎ系はんだ材料５５を適用する第一接合部５００側の絶縁部３０の表面には、Ｎｉ層３８を設けることが好ましい。上述の通り、Ｚｎ系はんだ材料５５は、Ｎｉ層との界面においては、冷熱サイクルによる界面に存在する生成物の成長速度は非常に遅いので、Ｎｉ層３８を設けることで温度変化に対しても亀裂や剥離などの不具合を生じさせない。

Ｎｉ層３８の厚みは、０．１μｍ〜１０μｍであることが好ましく、３μｍ〜８μｍであることがより好ましい。０．１μｍよりも薄いと、接合時にはんだ材料に溶け込み消失する恐れがあり、１０μｍよりも厚いと、パワー半導体モジュール全体の熱膨張係数に影響を与え、熱応力を生じさせるようになるため好ましくない。

更にＮｉ層３８の表面には、酸化防止や触れ性確保のために、薄いＡｕ層（図示せず）が設けられていてもよい。なお、この薄いＡｕ層は、接合時にはんだ浴に溶け込み、最終的なパワー半導体モジュールには殆ど残存しない。

このようなＡｕ層の厚さは、０．０１μｍ〜０．５μｍ程度であることが好ましく、より好ましくは、０．０３μｍ〜０．１μｍである。

第二接合部６００側の絶縁部３０の表面には、第二接合部６００のはんだ材料に応じて、金属膜（図示せず）を適宜設けることもできる。

（放熱板）
放熱板４０としては、放熱性を有するものであれば特に制限されず適用することができるが、熱伝導率が充分高く放熱板としての機能に優れ、また半導体素子の熱膨張係数に近いものを用いることが好ましい。

具体的に好適な放熱板４０としては、Ｍｏ、Ｃｕ−Ｍｏ合金、Ａｌ−ＳｉＣ、Ｃｕ、Ａｌなどで形成されるものを挙げることができ、この中でも高い熱伝導率とパワー半導体素子に近い熱膨張係数を有することから、Ｍｏが好適である。

Ｍｏを放熱板に用いる場合には、はんだによる接合を可能とする観点から、Ｍｏの両面に他の金属層を設けることが好ましく、このような金属層としては、Ｃｕ、Ｎｉなどを挙げることができ、この中でもＣｕが好ましい。特に、放熱板４０が、Ｍｏの表面にＣｕ層を設けたＣｕ層４４／Ｍｏ層４２／Ｃｕ層４６の積層体であることが、熱伝導率と熱膨張係数との調整を図る観点から好適である。

このように、放熱板４０が、Ｃｕ層４４／Ｍｏ層４２／Ｃｕ層４６で構成される積層体である場合、各層の厚さの比率が、１／５／１〜１／１２／１であることが好ましく、１／７／１〜１／９／１であることがより好ましい。１／５／１よりもＭｏ層が薄くなると、パワー半導体素子の熱膨張係数から離れた熱膨張係数を有することになるため好ましくない。１／１２／１よりもＭｏ層が厚くなると、放熱板としての放熱機能が充分に発揮され難くなり、好ましくない。

具体的な層の厚さとしては、Ｃｕ層４４、４６は、０．０５ｍｍ〜１ｍｍであることが好ましく、０．２ｍｍ〜０．５ｍｍであることがより好ましい。Ｍｏ層４２の厚さは、１ｍｍ〜７ｍｍであることが好ましく、２ｍｍ〜４ｍｍであることがより好ましい。

Ｃｕ層４４／Ｍｏ層４２／Ｃｕ層４６で構成される積層体は、放熱機能を充分に発揮させるため、全体の厚さは１ｍｍ〜８ｍｍであることが好ましく、２ｍｍ〜５ｍｍであることがより好ましい。

第二接合部６００側の放熱板４０の表面には、第二接合部６００のはんだ材料に応じて、金属膜（図示せず）を適宜設けることもできる。

第一の実施形態のパワー半導体モジュールの製造手順の一例を図７に示す。

（Ｚｎ系はんだ材料の準備）
まず、上述の方法により表面処理を施したＺｎ系はんだ材料５５を準備する。このＺｎ系はんだ材料５５は、酸化膜５０１が除去され、且つ表面に被覆層５１が設けられている。

（第一接合部の接合）
次に、図７（Ａ）に示すように、パワー半導体素子２０と絶縁部３０とが対向するように配置し、その間に前記表面処理を施したＺｎ系はんだ材料５５を挟む。Ｚｎ系はんだ材料５５は、Ｚｎ系材料５０の表面に被覆層５１を備えたものである。したがって、パワー半導体素子２０／Ｎｉ層２２／被覆層５１／Ｚｎ系材料５０／被覆層５１／Ｎｉ層３８／絶縁部３０の順に積層した状態で、リフロー法等を利用して接合して、第一接合部５００を形成する。

Ｚｎ系はんだ材料５５の表面に設けられた被覆層５１の表面には、易還元金属の酸化膜が生成する。しかし、易還元金属の酸化膜は亜鉛の酸化膜よりも還元されやすく、還元ガス雰囲気下で接合を行った際に、Ｚｎ系はんだ材料５５が溶融する温度（約４００℃）よりも低い温度（易還元金属が銅の場合は約２００℃）において、易還元金属の酸化膜が還元されて、易還元金属（好ましくは銅）が露出する。

さらに加熱すると、Ｚｎ系材料５０が溶融し始める。そのときの体積膨張により、Ｚｎ系材料５０の表面に設けられた被覆層が破れ、内部に存在する溶融したＺｎ系材料５０が、被接合面上に濡れ広がる。

このとき、Ｚｎ系はんだ材料５５の表面に設けられた被覆層５１は非常に薄く、Ｚｎ系材料５０の体積に比べて桁違いに少ないため、溶融したＺｎ系材料５０のはんだ浴の中に取り込まれて、図７（Ｂ）に示すように、接合界面には残存しない。

接合温度は、Ｚｎ系はんだ材料５５の融点よりも３０℃〜６０℃程度高い温度で行うことが好ましい。

接合の際には、不活性ガス又は還元ガス雰囲気下で行なうが、上述のように、前記被覆層の表面に生成した酸化膜を還元するには、還元ガス雰囲気下で行なうことが好ましい。

形成された第一接合部５００の層の厚さは、熱伝導及び熱応力の観点から５μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましく、１０μｍ以上２００μｍ以下であることがより好ましい。

（第二接合部の接合）
第二接合部６００による接合では、図７（Ｃ）に示すように、第一接合部５００によってパワー半導体素子２０と接合した絶縁部３０と、放熱板４０とを用い、絶縁部３０と放熱板４０とが対向するように配置し、その間に第二接合部６００に用いるはんだ材料を挟み、絶縁部３０／はんだ材料６０／放熱板４０の順に積層した状態で、リフロー法等を利用して接合し、図６に示すパワー半導体モジュールを得る。

第一接合部５００による接合と同様に、第二接合部６００による接合でも、不活性ガス又は還元ガス雰囲気下で接合する。第二接合部６００の接合温度は、第二接合部６００のはんだ材料の融点よりも３０℃〜６０℃程度高い温度で、かつ第一接合部５００に用いたＺｎ系はんだ材料５５の融点よりも３０℃以上低い温度で接合することが好ましい。

１回目の接合に用いるＺｎ系はんだ材料５５の融点は、２回目に用いるはんだ材料の融点よりも高いので、２回目のはんだ付けの際に１回目にはんだ付けした部分が溶融して、位置ずれを起こしたり傾斜したりといった不具合が生じない。
また、第一の実施形態では、大量の熱を発する半導体素子に近い側の第一接合部５００には、より融点の高いＺｎ系はんだ材料５５を適用し、半導体素子から遠い側の第二接合部６００には、第一接合部５００に用いたＺｎ系はんだ材料５５よりも融点の低いはんだ材料を適用するので、更に耐熱性に優れたパワー半導体モジュールとなる。

第二接合部６００の厚さは、熱伝導及び熱応力の観点から５μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましく、１０μｍ以上３００μｍ以下であることがより好ましい。

［第二の実施形態のパワー半導体モジュール］
第一の実施形態のパワー半導体モジュールでは、第一接合部５００にＺｎ系はんだ材料５５を適用し、第二接合部６００にはＺｎ系はんだ材料５５よりも融点の低いはんだ材料を適用したが、第二の実施形態のパワー半導体モジュールでは、第一接合部５００にＺｎ系はんだ材料５５よりも融点の低いはんだ材料を適用し、第二接合部６００にＺｎ系はんだ材料５５を適用する。
第二の実施形態のパワー半導体モジュールでは、第二接合部６００を先に接合し、第一接合部５００を２回目に接合する。Ｚｎ系はんだ材料５５を用いる第二接合部６００の被接合面には、Ｎｉ層を設けることが好ましい。その他については、第一の実施形態のパワー半導体モジュールと同様であるので、説明を省略する。

［第三の実施形態のパワー半導体モジュール］
Ｚｎ系はんだ材料５５に含まれる合金組成の種類や添加剤の種類、添加剤の添加量を変えることで、融点が大きく変わる場合には、第一接合部と第二接合部の両者に、Ｚｎ系はんだ材料５５を適用することができる。
この場合においても、２回目の接合に用いるはんだ材料の融点は、１回目の接合に用いるはんだ材料の融点よりも３０℃以上低いことが望ましく、且つパワー半導体からの発熱を考慮して２００℃以上であることが望ましい。
さらに、融点のより高い方のはんだ材料を第一接合部に適用し、それよりも融点の低いはんだ材料を第二接合部に適用することが、パワー半導体素子２０からの発熱を考慮した場合に好ましい。
第三の実施形態のパワー半導体モジュールでは、第一接合部５００と第二接合部６００の被接合面に、Ｎｉ層を設けることが好ましい。その他については、第一の実施形態のパワー半導体モジュールと同様であるので、説明を省略する。

［第四の実施形態のパワー半導体モジュール］
第二の実施形態の接合体と同様に、Ｚｎ系はんだ材料５５の濡れ性を向上させるために、被接合面に金属表面層を設ける。図８では、第一接合部にＺｎ系はんだ材料５５を適用した場合として説明する。
図８（Ａ）（Ｂ）に示すように、Ｎｉ層２２,３８の表面に、金属表面層２４,３９を設ける。金属表面層２４,３９は、はんだ材料が濡れ広がった後は、亜鉛のはんだ浴中に取り込まれて消失させることが望ましい。

金属表面層２４,３９は、第二の実施形態の接合体で説明した金属表面層１２１，１２２と同義である。
また、濡れ性向上のために、Ｚｎ系はんだ材料５５の接合面であるパワー半導体素子２０及び絶縁部３０の表面に、金属表面層２４,３９を設けた以外は、第一の実施形態のパワー半導体モジュールと同様であるので、その他の説明を省略する。

なお、第四の実施形態では、第一接合部５００にＺｎ系はんだ材料５５を適用したため、パワー半導体素子２０及び絶縁部３０の表面に、金属表面層２４,３９を設けたが、Ｚｎ系はんだ材料５５を第二接合部６００に適用する場合には、絶縁部３０及び放熱板４０の接合面に金属表面層２４，３９を設ける。

＜効果＞
本発明の製造方法によって得られたパワー半導体モジュールは、Ｚｎ系はんだ材料５５と被接合面との間に酸化膜が存在しないので、緻密な接合界面を得ることができる。その結果、接合部の熱抵抗の増大を抑えることが可能であり、パワー半導体素子で発生した熱を、効率よく冷却水などの冷却媒体に伝えることができる。
また、熱膨張係数差に伴い、接合部に熱応力がかかる場合でも、接合部に空隙などの欠陥が少ないために、クラックなどが入り難く、冷熱サイクルに対して信頼性の高いパワー半導体モジュールとなる。

以下では実施例により本発明を説明するが、本発明のパワー半導体モジュールの製造方法の一例について述べるものであり、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

［実施例１］
図７（Ａ）（Ｂ）に従い、パワー半導体素子と絶縁基板とをＺｎ系はんだ材料５５で接合して、図７（Ｂ）に示す構成の評価試験体−１を作製した。

＜パワー半導体素子の準備＞
ＧａＮを用いたパワー半導体素子２０を準備し、その最表面にＮｉ層２２をスパッタリングで形成した。Ｎｉ層２２の表面にはＡｕ層（図示せず）をスパッタリングで形成した。

＜絶縁部の準備＞
一方、絶縁基板３２としてのＳｉ_３Ｎ_４のセラミックス板の両面にロウ付けによってＣｕ層３４、３６を貼り付け、Ｃｕ層３４／Ｓｉ_３Ｎ_４層３２／Ｃｕ層３６の積層体を作製した。更にこの積層体のＣｕ層の表面にＮｉ層３８をメッキにより形成し絶縁部３０を作製した。なお、メッキの際には、メッキしない面はマスキングシートなどを貼って保護した。

＜第一接合部の準備＞
亜鉛に４質量％のＡｌを添加したはんだ材料（Ｚｎ_0.96Ａｌ_0.04合金：融点３８０℃）を準備し、圧延により、厚さ０．１ｍｍの箔状に加工した。次に、そのはんだ箔をスパッタリング装置に入れ、逆スパッタリングにより、はんだ箔表面をエッチングした。エッチングは、真空中にアルゴンガスを注入した状態で、１３．５６ＭＨｚの高周波で、１００Ｗの電圧でプラズマを発生させて行なった。エッチングの時間は、１５分とした。

次に、高真空を維持したまま、真空装置内で試料を移動させ、試料の表面に銅をスパッタリングにより成膜した。スパッタリングは直流で行い、電圧は４０Ｗとし、別途測定しておいた成膜速度から、膜厚が５０ｎｍになるように、スパッタリングの時間を調整した。

銅を成膜したはんだ箔を真空装置から取り出して、はんだ箔を裏返した後、同様に逆スパッタリングによるエッチングと、銅の成膜を行い、真空装置から取り出した。

＜第一接合部の接合＞
上記準備したパワー半導体素子２０のＮｉ層２２と、絶縁部３０のＮｉ層３８とを対向するように配置し、その間にＺｎ_0.96Ａｌ_0.04層５０を挟み込んだ状態で、位置決めをするためのカーボン治具にセットし、電気炉に入れた。
電気炉の炉心管には、５ｖｏｌ％の水素ガスを含む窒素ガスが常時流入され、内部は還元性雰囲気となっている。その状態で、室温から４３０℃まで３０分かけて昇温させた後、５分間４３０℃の状態を保ち、その後、常温付近まで冷却してから取り出して、評価試験体−１を得た。

＜接合面の観察＞
評価試験体−１は、始めに超音波探傷によって、接合面全体を非破壊で観察した後に、評価試験体−１を切断して断面を研磨した後に、その断面を電子顕微鏡により観察した。
その結果、評価試験体−１の接合面には若干のボイドが確認されたものの、全体的に緻密な接合であることが分かった。
また、評価試験体−１の接合界面近傍に銅が残存している様子は見られず、はんだが溶融した際に、はんだ浴に取り込まれたものと思われる。

［比較例１］
実施例１の評価試験体−１と同様の構成で、但し、逆スパッタリングや銅の成膜を行なっていないＺｎ_0.96Ａｌ_0.04合金を第一接合部に適用して、比較の評価試験体−２を作製した。こ
ここで、第一接合部の接合の際に、Ｚｎ_0.96Ａｌ_0.04合金の表面に生成した自然酸化膜を破って内部のＺｎ_0.96Ａｌ_0.04合金を接合面に流出させるよう、パワー半導体素子２０と絶縁部３０の間にＺｎ_0.96Ａｌ_0.04層を挟み込んだ状態で、パワー半導体素子２０及び絶縁部３０に外圧を加えた。

得られた比較の評価試験体−２についても、実施例１と同様にして接合面を観察した。その結果、比較の評価試験体−２では、接合されていない部分が多く観察された。これは、はんだ箔に精製していた自然酸化膜は破れてはんだ材料は流出したものの、酸化膜が接合部に残存し、その部分が未接合になったものと思われる。

［実施例２］
実施例１では、自然酸化膜の除去とその後の銅膜の形成を、逆スパッタリングとスパッタリングとによって行なったが、実施例２では、めっきによって行なった。

亜鉛に４質量％のＡｌを添加したはんだ材料（Ｚｎ_0.96Ａｌ_0.04合金：融点３８０℃）を準備し、圧延により、厚さ０．１ｍｍの箔状に加工した。次に、そのはんだ箔を、酸化膜を除去する前処理液に入れ、その後銅めっき液に漬けた。めっきの条件は、めっき厚が５０ｎｍになるように、予め求めていためっき厚とめっき時間との関係から調整した。

めっき後に試料を、実施例１と同様の方法で接合体を作製して、評価試験体−３を得た。

得られた評価試験体−３について、実施例１と同様にして接合面を観察した。その結果、評価試験体−３では、若干のボイドが発生するなど接合が完全ではない部分が見られたが、全体としては緻密な接合であることが分かった。

［実施例３］
図８（Ａ）（Ｂ）に従い、パワー半導体素子と絶縁基板とをＺｎ系はんだ材料５５で接合して、図８（Ｂ）に示す構成の評価試験体−４を作製した。

＜パワー半導体素子の準備＞
接合面が１ｃｍ^２のＧａＮパワー半導体素子２０を準備し、その最表面にＮｉ層２２をスパッタリングで形成した。Ｎｉ層２２の表面にはＣｕ層２４をスパッタリングで形成した。Ｎｉ層２２とＣｕ層２４の厚さを電子顕微鏡で観測したところ、Ｎｉ層２２の厚さは、０．７μｍであり、Ｃｕ層２４の厚さは、５０ｎｍであった。

＜絶縁部の準備＞
一方、絶縁基板３２としてのＳｉ_３Ｎ_４のセラミックス板の両面にロウ付けによってＣｕ層３４、３６を貼り付け、Ｃｕ層３４／Ｓｉ_３Ｎ_４層３２／Ｃｕ層３６の積層体を作製した。
更にこの積層体のＣｕ層の表面にＮｉ層３８をメッキにより形成し、更にＮｉ層３８の上にＣｕ層３９をスパッタリングにより成膜し、絶縁部３０を作製した。なお、メッキの際には、メッキしない面はマスキングシートなどを貼って保護した。Ｃｕ層３９の厚さは、５０ｎｍであった。

上記のようにして準備したパワー半導体素子と絶縁部を用いた以外は、実施例１と同様にして、評価試験体−４を得た。
得られた評価試験体−４について、実施例１と同様の方法で接合面の観察を行なった。その結果、評価試験体−４の接合面は実施例１における評価試験体−１の接合面よりも、緻密な接合であることが分かった。
また、評価試験体−４の接合界面近傍に銅が残存している様子は見られず、はんだが溶融した際に、はんだ浴に取り込まれたものと思われる。

亜鉛を主成分とする材料の表面処理法を説明する図である。 本実施形態の接合体の製造方法の一例を説明する図である。（Ａ）は接合前の状態を示し、（Ｂ）は接合後の接合体の状態を示す。 金属表面層を被接合面に設けたときの亜鉛を主成分とするはんだ材料について、濡れ拡がりの様子を説明する図である。 金属表面層を被接合面に設けたときの亜鉛を主成分とするはんだ材料について、濡れ拡がりの制御方法の一例を示す図であり、（Ａ）は接合前の状態を説明する図であり、（Ｂ）は接合後の状態を説明する図である。 金属表面層を被接合面に設けたときの亜鉛を主成分とするはんだ材料について、濡れ拡がりの制御方法の他の一例を示す図であり、（Ａ）は接合前の状態を説明する図であり、（Ｂ）は接合後の状態を説明する図である。 第一の実施形態のパワー半導体モジュールの構成を説明する図である。 第一の実施形態のパワー半導体モジュールの製造方法の一例を説明する図である。 第二の実施形態のパワー半導体モジュールの製造方法の一例を説明する図である。

符号の説明

１０ パワー半導体モジュール
２０ パワー半導体素子
２２，３８，１１１，１１２ ニッケル（Ｎｉ）層
２４，３９，１２１，１２２ 金属表面層
３０ 絶縁部
３２ 絶縁基板
３４、３６ 導電層
４０ 放熱板
４２ モリブデン（Ｍｏ）層
４４、４６ 銅（Ｃｕ）層
５１ Ｚｎ系はんだ材料表面の酸化膜よりも還元され易い金属を主成分とする被覆層
５５ 亜鉛を主成分とするはんだ材料（Ｚｎ系はんだ材料）
５７ 接合部
７０ レジスト
１０１ 第１部材
１０２ 第２部材
５００ 第一接合部
５０１ 酸化膜
６００ 第二接合部

Claims (28)

1. 亜鉛を主成分とする材料の表面における酸化膜を除去した後に、又は前記酸化膜が存在しない状態で、前記酸化膜よりもその酸化物が還元され易い金属を主成分とする被覆層を前記表面に設けた、亜鉛を主成分とするはんだ材料。
2. 前記被覆層が、銅を主成分とする層であることを特徴とする請求項１に記載の亜鉛を主成分とするはんだ材料。
3. 前記亜鉛を主成分とする材料が、亜鉛単体、又はＺｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ａｌ_ｘＭ_ｙ（ｘは０．０２〜０．１０であり、ｙは０〜０．０２であり、Ｍは亜鉛及びアルミニウム以外の金属を表す。）で表される合金であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の亜鉛を主成分とするはんだ材料。
4. 前記被覆層の厚さが、５ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の亜鉛を主成分とするはんだ材料。
5. 第１部材と第２部材とを有し、
   前記第１部材と第２部材の間が、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の、被覆層を表面に有する亜鉛を主成分とするはんだ材料で接合されてなり、
   前記亜鉛を主成分とするはんだ材料で接合した後の接合面では、前記被覆層が消失していることを特徴とする接合体。
6. 第１部材および第２部材の被接合面に、ニッケル層が設けられてなることを特徴とする請求項５に記載の接合体。
7. 接合前の前記ニッケル層の表面に、亜鉛との反応性が高く亜鉛と合金を生成する金属表面層を備え、接合後の接合面では、前記金属表面層が消失していることを特徴とする請求項６に記載の接合体。
8. パワー半導体素子と、絶縁基板と、放熱板と、を有し、
   前記パワー半導体素子と前記絶縁基板との間の第一接合部、及び前記絶縁基板と前記放熱板との間の第二接合部の少なくとも一方が、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の、被覆層を表面に有する亜鉛を主成分とするはんだ材料で接合されてなり、
   前記亜鉛を主成分とするはんだ材料で接合した後の接合面では、前記被覆層が消失していることを特徴とするパワー半導体モジュール。
9. 前記パワー半導体素子が、ＧａＮ又はＳｉＣを用いて形成されてなることを特徴とする請求項８に記載のパワー半導体モジュール。
10. 前記絶縁基板がＳｉ_３Ｎ_４層であり、Ｓｉ_３Ｎ_４層の両表面に銅で形成される導電層を備えることを特徴とする請求項８又は請求項９に記載のパワー半導体モジュール。
11. 前記放熱板が、モリブデン（Ｍｏ）層の両面に銅（Ｃｕ）層を有するＣｕ層／Ｍｏ層／Ｃｕ層の積層体であることを特徴とする請求項８〜請求項１０のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール。
12. 前記放熱板におけるＣｕ層／Ｍｏ層／Ｃｕ層の厚さの比率が、１／５／１〜１／１２／１であることを特徴とする請求項１１に記載のパワー半導体モジュール。
13. 前記パワー半導体素子、前記絶縁基板及び前記放熱板のうち、前記亜鉛を主成分とするはんだ材料で接合される被接合部材が、その被接合面にニッケル層を有することを特徴とする請求項８〜請求項１２のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール。
14. 接合前の前記ニッケル層の表面に、亜鉛との反応性が高く亜鉛と合金を生成する金属表面層を備え、接合後の接合面では、前記金属表面層が消失していることを特徴とする請求項１３に記載のパワー半導体モジュール。
15. 亜鉛を主成分とする材料における表面の酸化膜を除去し、又は前記酸化膜が存在しない状態で、
    前記表面に、前記酸化膜よりもその酸化物が還元され易い金属を主成分とする被覆層を設けることを特徴とする、
    亜鉛を主成分とするはんだ材料の製造方法。
16. 前記酸化膜の除去を、プラズマによって行なうことを特徴とする請求項１５に記載の亜鉛を主成分とするはんだ材料の製造方法。
17. 前記酸化膜の除去を、めっき前処理液によって行なうことを特徴とする請求項１５に記載の亜鉛を主成分とするはんだ材料の製造方法。
18. 真空中で、前記被覆層を前記表面に設けることを特徴とする請求項１５又は請求項１６に記載の亜鉛を主成分とするはんだ材料の製造方法。
19. 亜鉛を主成分とする材料における表面の酸化膜を除去し、又は前記酸化膜が存在しない状態で、前記酸化膜よりもその酸化物が還元され易い金属を主成分とする被覆層が前記表面に設けられてなる亜鉛を主成分とするはんだ材料を、請求項１５〜請求項１８のいずれか１項に記載の製造方法によって準備し、
    第１部材と第２部材の間に前記亜鉛を主成分とするはんだ材料を挟持し、
    加熱して、前記第１部材と第２部材を接合し且つ前記被覆層を消失させることを特徴とする、
    接合体の製造方法。
20. 被接合面にニッケル層を設けた第１部材および第２部材を用いることを特徴とする請求項１９に記載の接合体の製造方法。
21. 接合前に、前記ニッケル層の表面に、亜鉛との反応性が高く亜鉛と合金を生成する金属表面層を設け、
    接合時の前記加熱によって、前記金属表面層を消失させることを特徴とする請求項２０に記載の接合体の製造方法。
22. 接合前の前記金属表面層の厚さが、３ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項２１に記載の接合体の製造方法。
23. 接合前の前記金属表面層の厚さが、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項２１に記載の接合体の製造方法。
24. 亜鉛を主成分とする材料における表面の酸化膜を除去し、又は前記酸化膜が存在しない状態で、前記酸化膜よりもその酸化物が還元され易い金属を主成分とする被覆層が前記表面に設けられてなる亜鉛を主成分とするはんだ材料を、請求項１５〜請求項１８のいずれか１項に記載の製造方法によって準備し、
    パワー半導体素子と絶縁基板との間の第一接合部、及び絶縁基板と前記放熱板との間の第二接合部の少なくとも一方に、前記亜鉛を主成分とするはんだ材料を挟持し、
    加熱して、接合し且つ前記被覆層を消失させることを特徴とする、
    パワー半導体モジュールの製造方法。
25. 前記パワー半導体素子、前記絶縁基板及び前記放熱板のうち、前記亜鉛を主成分とするはんだ材料で接合される被接合部材が、その被接合面にニッケル層を備えることを特徴とする請求項２４に記載のパワー半導体モジュールの製造方法。
26. 接合前に、前記ニッケル層の表面に、亜鉛との反応性が高く亜鉛と合金を生成する金属表面層を設け、
    接合時の前記加熱により、前記金属表面層を消失させることを特徴とする請求項２５に記載のパワー半導体モジュールの製造方法。
27. 接合前の前記金属表面層の厚さが、３ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項２６に記載のパワー半導体モジュールの製造方法。
28. 接合前の前記金属表面層の厚さが、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項２６に記載のパワー半導体モジュールの製造方法。

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