JP2013168240A - はんだ下地層形成用ペースト - Google Patents

Abstract

【課題】金属部材上に配設され、焼成されることによって、金属部材表面に発生した酸化皮膜と反応して金属部材上にはんだ下地層を形成し、パワーサイクル及びヒートサイクル負荷時においても、金属部材の表面にうねりやシワが発生することを抑制できるはんだ下地層形成用ペーストを提供する。
【解決手段】金属部材上に配設され、焼成されることによって、前記金属部材上にはんだ下地層を形成するはんだ下地層形成用ペーストであって、銀粉末と、ガラス粉末と、結晶性の酸化物粉末と、樹脂と、溶剤と、を含有していることを特徴とする。
【選択図】なし

Description

この発明は、金属部材上に配設され、焼成されることによって前記金属部材上にはんだ下地層を形成するはんだ下地層形成用ペーストに関するものである。

金属部材と被接合材とをはんだ接合して構成されるものとしては、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、セラミックス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、ヒートシンクとして放熱板や冷却器が配設されることがある。

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。

なお、回路層等がアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されたアルミニウム部材とされている場合には、回路層の表面にアルミニウムの酸化皮膜が形成されるため、そのままでは、はんだ接合を良好に行うことができない。
また、回路層等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、回路層等の銅部材の内部にはんだ材の成分が侵入し、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、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。

ここで、上述のパワーモジュールにおいては、その使用時にパワーサイクル及びヒートサイクルが負荷されることになる。パワーモジュールにパワーサイクル及びヒートサイクルが負荷された場合には、セラミックス基板と回路層との熱膨張係数の差による応力がセラミックス基板と回路層との接合界面に作用し、接合信頼性が低下するおそれがあった。そこで、従来は、純度が９９．９９％以上の４Ｎアルミニウム等の比較的変形抵抗の小さな金属部材で回路層を構成して、上述の熱応力を回路層の変形によって吸収することで、接合信頼性の向上を図っている。
また、特許文献３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（はんだ下地層）を形成することができる導電性組成物（はんだ下地層形成用ペースト）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ている構造が開示されている。

特開２００７−３１１５２６号公報 特開２００８−２２７３３６号公報 特開２０１０−２８７５５４号公報

ところで、回路層を純度が９９．９９％以上（４Ｎアルミニウム）等の比較的変形抵抗の小さな金属部材で構成した場合、パワーサイクル及びヒートサイクルを負荷した際に、回路層の表面にうねりやシワが発生してしまうといった問題があった。回路層の表面にうねりやシワが発生すると、パワーモジュールの信頼性が低下することになる。
また、特許文献３では、焼成によって、前記回路層表面に自然発生した酸化皮膜と反応して前記回路層と導通する導電接合層を形成することはできるものの、回路層と半導体素子とのはんだ接合後に生じる回路層表面のうねりやシワに対する視点はなかった。

特に、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おり、半導体素子等の電子部品からの発熱量が大きくなっている。そのため、パワーサイクル及びヒートサイクルの条件が厳しくなっており、回路層の表面にうねりやシワが発生しやすい傾向にあり、パワーモジュールの信頼性低下の問題があった。
なお、このようなうねりは、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの接合部分においても問題となる。

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、金属部材上に配設され、焼成されることによって、金属部材表面に発生した酸化皮膜と反応して金属部材上にはんだ下地層を形成し、パワーサイクル及びヒートサイクル負荷時においても、金属部材の表面にうねりやシワが発生することを抑制できるはんだ下地層形成用ペーストを提供することを目的とする。

本発明者等は鋭意研究した結果、金属部材の一方の面にＡｇ層が形成されている場合、ヒートサイクル負荷時においても、はんだの変形が抑制され、金属部材の表面におけるうねりやシワの発生が抑制されることを見出した。これは、Ａｇ層によって金属部材の塑性変形が抑制されるためと推測される。

しかしながら、ヒートサイクル負荷時において局所的に金属部材が塑性変形し、うねりやしわが生じることがあった。そしてさらに検討した結果、Ａｇがはんだ内に拡散してＡｇ喰われが生じた箇所において、はんだ内部にクラックが生じる場合があることが分かった。すなわち、Ａｇ喰われが生じた箇所では、Ａｇ層が十分に形成されずに金属部材の表面が局所的に塑性変形を生じて、うねりやシワが発生し、はんだ内部にクラックが生じるおそれがあることが判明した。

本発明は、上述の知見に基づいてなされたものであって、本発明のはんだ下地層形成用ペーストは、金属部材上に配設され、焼成されることによって、前記金属部材上にはんだ下地層を形成するはんだ下地層形成用ペーストであって、銀粉末と、ガラス粉末と、結晶性の酸化物粉末と、樹脂と、溶剤と、を含有していることを特徴としている。

この構成のはんだ下地層形成用ペーストによれば、結晶性の酸化物粉末と、銀粉末とを備えており、焼成することにより、銀粉末がＡｇ層を形成し、さらに結晶性の酸化物粒子が前記Ａｇ層内部に分散された前記はんだ下地層を形成することが可能となる。また、金属部材上にはんだ材を介して被接合部材を接合する場合において、Ａｇ層内部に分散した結晶性の酸化物粒子は、はんだ接合時にＡｇがはんだ内に拡散することを抑制して、Ａｇ層を維持することができる。そのため、ヒートサイクル負荷時においても、金属部材におけるうねりやしわの発生を抑制することが可能となる。

また、ガラス粉末と銀粉末とを備えており、焼成することにより生成される前記はんだ下地層が、ガラス粉末が軟化して形成されるガラス層と、ガラス層上に銀粉末が焼結されたＡｇ層とを備えているので、前記ガラス層が前記金属部材上の酸化皮膜と反応して当該酸化皮膜を除去することになり、金属部材の表面に直接接合されたはんだ下地層を形成することが可能となる。また、このはんだ下地層は、ガラス層内部に導電性粒子が分散されているので、この導電性粒子によって導電性が確保されることになる。よって、例えば、回路層上にはんだ材を介して半導体素子を接合する場合において、このはんだ下地層形成用ペーストを焼成して得られるはんだ下地層によって回路層と半導体素子とを導通させることが可能となり、パワーモジュールなどの半導体装置を構成することができる。すなわち、このはんだ下地層形成用ペーストを用いることにより、導電性かつ熱伝導性が良好なはんだ下地層を形成することが可能となる。

ここで、前記銀粉末の含有量が、６０質量％以上９０質量％以下とされ、前記ガラス粉末は、前記銀粉末の重量Ａと前記ガラス粉末の重量Ｇの比Ａ／Ｇが、８０／２０から９９／１の範囲内に設定され、前記結晶性の酸化物粉末は、前記銀粉末の重量Ａと前記結晶性の酸化物粉末の重量Ｏの比Ａ／Ｏが、９０／１０から９９／１の範囲内に設定されていることが好ましい。

この場合、前記銀粉末の含有量が６０質量％以上とされているので、上述のはんだ下地層に導電性を付与することができる。また、前記銀粉末の含有量が９０質量％以下とされているので、流動性が確保され、金属部材に塗布することが可能となる。
さらに、前記銀粉末の重量Ａと前記ガラス粉末の重量Ｇの比Ａ／Ｇが、８０／２０から９９／１の範囲内に設定されているので、ガラス層とＡｇ層とを確実に形成することができる。

さらに、銀粉末の重量Ａと結晶性の酸化物粉末の重量Ｏの比Ａ／Ｏにおいて、結晶性の酸化物粉末の重量Ｏが９０／１０以下とされているので、上述したはんだ下地層の抵抗値を増大させることがなく、導電性が良好なはんだ下地層を形成することができる。導電性が良好なので、熱伝達にも優れるはんだ下地層とすることができる。また、銀粉末の重量Ａと結晶性の酸化物粉末の重量Ｏの比Ａ／Ｏにおいて、結晶性の酸化物粉末の重量Ｏが９９／１以上とされているので、Ａｇ層中に分散された結晶性の酸化物粒子により、Ａｇがはんだへ拡散することを抑制することができる

また、前記結晶性の酸化物粉末が、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粉末が、はんだと接合されたＡｇ層中に分散されると、Ａｇがはんだ内部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のはんだ内部への拡散が生じ難くなるため、はんだに対するＡｇ喰われを抑制することができる。

また、前記ガラス粉末の軟化温度が６００℃以下とされていることが望ましい。
この場合、ガラス粉末の軟化温度が６００℃以下とされているので、比較的低温でこのはんだ下地層形成用ペーストを焼成してもガラスが流動することができ、はんだ下地層を形成することが可能となる。そのため、はんだ下地層形成用ペーストを焼成する際に金属部材が劣化することを防止することができる。

また、前記ガラス粉末が、酸化鉛、酸化亜鉛、酸化ケイ素、酸化ホウ素、酸化リン及び、酸化ビスマスのいずれか１種又は２種以上を含有していることが好ましい。
これらの酸化物を含有したガラス粉末は、その軟化温度が比較的低くなり、焼成温度を低く設定することができる。また、結晶化温度が比較的高くなり、はんだ下地層形成用ペースト内部での流動性が確保され、金属部材との密着性が向上することになる。

さらに、前記銀粉末の粒径が、０．０５μｍ以上１．０μｍ以下とされていることが望ましい。
この場合、銀粉末の粒径が０．０５μｍ以上１．０μｍ以下とされているので、このはんだ下地層形成用ペーストを前記回路層上に塗布した際に、導電性粒子が均一に分散することになり、このはんだ下地層形成用ペーストを焼成することによって均一な導電性を有するはんだ下地層を形成することが可能となり、はんだ下地層を介して半導体素子と回路層とを確実に導通させることができる。

本発明によれば、金属部材上に配設され、焼成されることによって、金属部材表面に発生した酸化皮膜と反応して金属部材上にはんだ下地層を形成し、はんだ接合時においてＡｇ喰われを防ぐことによって、パワーサイクル及びヒートサイクル負荷時においても、金属部材の表面にうねりやシワが発生することを抑制できるはんだ下地層形成用ペーストを提供することができる。

本発明のはんだ下地層形成用ペーストの製造方法を示すフロー図である。 本発明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２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２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。 図２のパワーモジュールの製造方法を示すフロー図である。

以下に、本発明の実施形態であるはんだ下地層形成用ペースト及びこのはんだ下地層形成用ペーストを用いたパワーモジュール用基板、パワーモジュールについて添付した図面を参照して説明する。

まず、本実施形態であるはんだ下地層形成用ペーストについて説明する。このはんだ下地層形成用ペーストは銀粉末と、ガラス粉末と、結晶性の酸化物粉末と、樹脂と、を含有しており、銀粉末の含有量が、はんだ下地層形成用ペースト全体の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、及び溶剤とされている。なお、本実施形態では、はんだ下地層形成用ペーストの粘度が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。

銀粉末は、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。ガラス粉末は、ガラス塊を、ボールミル、ジェットミル等で粉砕し、粗大粒子を分級することにより得ることができる。
また、銀粉末の重量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、銀粉末の重量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、酸化シリコンの粉末であり、いずれか１種または２種以上の金属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０．１μｍ以上５μｍ以下とされており、本実施形態では、平均粒径０．５μｍのものを使用した。
なお、銀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、ジエチレングリコールジブチルエーテルを用いている。
樹脂は、はんだ下地層形成用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。

次に、本実施形態であるはんだ下地層形成用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、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、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、本実施形態であるはんだ下地層形成用ペーストが製出されることになる。

次に、本実施形態であるはんだ下地層形成用ペーストを用いて構成されたパワーモジュール１及びパワーモジュール用基板１０について、図２を用いて説明する。
図２で示すように、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２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２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。

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。

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２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２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３に示すように、４Ｎアルミニウムからなる金属層１３と銅からなる放熱板２１との間の第１接合部４０においては、金属層１３の他方の面（図３において下面）に形成された第１ガラス層４１と、この第１ガラス層４１の他方の面に積層された第１Ａｇ層４２と、この第１Ａｇ層４２の他方の面に積層された第１はんだ層４３と、を備えている。

また、図４に示すように、４Ｎアルミニウムからなる回路層１２と半導体素子３との間の第２接合部５０においては、回路層１２の一方の面（図４において上面）に形成された第２ガラス層５１と、この第２ガラス層５１の一方の面に積層された第２Ａｇ層５２と、この第２Ａｇ層５２の一方の面に積層された第２はんだ層５３と、を備えている。

ここで、第１はんだ層４３及び第２はんだ層５３は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｓｂ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、第１はんだ層４３及び第２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及び第２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２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及び第２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及び第２Ａｇ層５２には、それぞれ、結晶性の酸化物粒子４４及び結晶性の酸化物粒子５４が分散されている。この結晶性の酸化物粒子は、第１Ａｇ層４２および第２Ａｇ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及び第２Ａｇ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、第１接合部４０及び第２接合部５０は、金属層１３及び回路層１２の表面にはんだ下地層形成用ペーストを塗布・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及び半導体素子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となるアルミニウム板及び金属層１３となるアルミニウム板を準備し、これらのアルミニウム板を、セラミックス基板１１の一方の面及び他方の面にそれぞれろう材を介して積層し、加圧・加熱後冷却することによって、前記アルミニウム板とセラミックス基板１１とを接合する（回路層及び金属層接合工程Ｓ１１）。なお、このろう付けの温度は、６４０℃〜６５０℃に設定されている。

次に、金属層１３の他方の面に、前述のはんだ下地層形成用ペーストを塗布する（第１はんだ下地層形成用ペースト塗布工程Ｓ１２）。なお、はんだ下地層形成用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。

金属層１３の他方の面に、はんだ下地層形成用ペーストを塗布した状態で、加熱炉内に装入してはんだ下地層形成用ペーストの焼成を行う（第１焼成工程Ｓ１３）。これにより、第１Ａｇ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１Ａｇ焼成層の表面にはんだ材を介して放熱板２１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Ｓ１４）。
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、第１はんだ層４３を有する第１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Ｓ１５）。

そして、回路層１２の一方の面に、前述のはんだ下地層形成用ペーストを塗布する（第２はんだ下地層形成用ペースト塗布工程Ｓ１６）。なお、はんだ下地層形成用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はんだ下地層形成用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、はんだ下地層形成用ペーストを塗布した状態で、加熱炉内に装入してはんだ下地層形成用ペーストの焼成を行う（第２焼成工程Ｓ１７）。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、第２Ａｇ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Ｓ１８）。
これにより、回路層１２と半導体素子３との間に、第２ガラス層５１、結晶性の酸化物粒子５４が分散された第２Ａｇ層５２、第２はんだ層５３を有する第２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はんだ下地層形成用ペーストによれば、結晶性の酸化物粉末と、銀粉末とを備えており、焼成することにより、銀粉末がＡｇ層を形成し、さらに結晶性の酸化物粒子４４、５４が前記Ａｇ層内部に分散されたはんだ下地層を形成することが可能となる。また、回路層１２及び金属層１３にはんだ材を介して被接合部材を接合する場合において、Ａｇ層内部に分散した結晶性の酸化物粒子４４、５４は、はんだ接合時に、はんだがＡｇに拡散することを抑制して、第１Ａｇ層４２、第２Ａｇ層５２の形成を維持して第１はんだ層４３、第２はんだ層５３に生じるクラックを抑制できる。そのため、ヒートサイクル負荷時においても、Ａｇ膜が残存していることによりアルミニウムの表面の塑性変形を抑制することができ、結果として回路層１２及び金属層１３におけるうねりやしわの発生を抑制することが可能となる。

また、ガラス粉末と銀粉末とを備えており、焼成することにより生成されるはんだ下地層が、ガラス粉末が軟化して形成されるガラス層４１、５１と、ガラス層４１、５１に銀粉末が焼結されたＡｇ層４２、５２とを備えているので、ガラス層４１、５１が回路層１２及び金属層１３のアルミニウム酸化皮膜と反応してアルミニウム酸化皮膜を除去することになり、回路層１２及び金属層１３の表面に直接接合されたはんだ下地層を形成することが可能となる。また、ガラス層５１の内部に導電性粒子が分散されているので、この導電性粒子によって導電性が確保されることになる。

よって、例えば、回路層１２上にはんだ材を介して半導体素子３を接合する場合において、このはんだ下地層形成用ペーストを焼成して得られるはんだ下地層によって回路層１２と半導体素子３とを導通させることが可能となり、パワーモジュール１などの半導体装置を構成することができる。すなわち、はんだ下地層形成用ペーストを用いることにより、導電性が良好なはんだ下地層を形成することが可能となる。
また、導電性が良好なので、熱伝達に優れるはんだ下地層とすることができ、パワーモジュール用基板から放熱板へと効率的に熱を伝達させることができる。

また、銀粉末の含有量が６０質量％以上とされているので、上述の導電性を有するはんだ下地層を確実に形成することができる。また、銀粉末の含有量が９０質量％以下とされているので、流動性が確保され、回路層１２及び金属層１３に塗布することが可能となる。
また、銀粉末の重量Ａとガラス粉末の重量Ｇの比Ａ／Ｇが、８０／２０から９９／１の範囲内に設定されているので、ガラス層４１、５１とＡｇ層４２、５２とを確実に形成することができる。

さらに、銀粉末の重量Ａと結晶性の酸化物粉末の重量Ｏの重量比Ａ／Ｏにおいて、結晶性の酸化物粉末の重量Ｏが９０／１０以下とされているので、上述したはんだ下地層の抵抗値を増大させることがなく、導電性が良好なはんだ下地層を形成することができる。導電性が良好なので、熱伝達にも優れるはんだ下地層とすることができる。また、銀粉末の重量Ａと結晶性の酸化物粉末の重量Ｏの比Ａ／Ｏにおいて、結晶性の酸化物粉末の重量Ｏが９９／１以上とされているので、Ａｇ層４２、５２中に分散された結晶性の酸化物粒子４４、５４により、Ａｇがはんだへ拡散することを抑制することができる

また、結晶性の酸化物粉末は、酸化チタン、酸化ケイ素、酸化亜鉛から選択されるので、はんだと接合されたＡｇ層中に分散されると、Ａｇがはんだ内部へ拡散することを抑制することができる。

また、ガラス粉末の軟化温度が６００℃以下とされているので、比較的低温でこのはんだ下地層形成用ペーストを焼成してもガラスが流動することができるので、はんだ下地層を形成することが可能となり、はんだ下地層形成用ペーストを焼成する際にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層１２及び金属層１３が劣化することを防止することができる。

また、ガラス粉末が、酸化鉛、酸化亜鉛、酸化ケイ素、酸化ホウ素、酸化リン及び、酸化ビスマスのいずれか１種又は２種以上を含有されることとされているので、その軟化温度が比較的低くなり、焼成温度を低く設定することができる。また、結晶化温度が比較的高くなり、はんだ下地層形成用ペースト内部での流動性が確保され、回路層１２及び金属層１３との密着性を向上させることができる。

さらに、銀粉末の粒径が、０．０５μｍ以上１．０μｍ以下とされているので、このはんだ下地層形成用ペーストを回路層１２及び金属層１３に塗布した際に、導電性粒子が均一に分散することになり、このはんだ下地層形成用ペーストを焼成することによって導電性を有するはんだ下地層を均一に形成することが可能となる。

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。

本実施形態では、回路層及び金属層を構成する金属板を純度９９．９９％の純アルミニウムの圧延板として説明したが、これに限定されることはなく、他のアルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム部材とされていてもよいし、銅又は銅合金からなる銅部材とされていてもよいし、他の金属からなる金属部材であってもよい。
また、本実施形態では、金属層を放熱板に接合する場合について説明したが、これに限られるものではなく、冷却器、フィンが形成された空冷、液冷放熱器、ヒートパイプなどのヒートシンクに接合する構成としてもよい。
さらに、絶縁層としてＡｌＮからなるセラミックス基板を用いたものとして説明したが、これに限定されることはなく、Ｓｉ_３Ｎ_４やＡｌ_２Ｏ_３等からなるセラミックス基板を用いても良いし、絶縁樹脂によって絶縁層を構成してもよい。

また、はんだ下地層形成用ペーストの原料、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。軟化温度が金属部材の融点以下、より好ましくは６００℃以下とされていればよい。
また、溶剤としては、α―テルピネオール、ブチルカルビトールアセテート等を用いても良い。

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。
純度９９．９９％以上のアルミニウム板からなる回路層上に、表１に示す組成のはんだ下地層形成用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。なお、はんだ下地層形成用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のはんだ下地層を得た。

なお、セラミックス基板は、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、４Ｎアルミニウムで構成され、１３ｍｍ×１０ｍｍ、厚さ０．６ｍｍのものを使用した。
半導体素子は、ＩＧＢＴ素子（ヒータチップ）とし、１２．５ｍｍ×９．５ｍｍ、厚さ０．２５ｍｍのものを使用した。

（パワーサイクル試験）
上述のようにして得られた試験片に対して、次にようにパワーサイクル試験を行った。
ＩＧＢＴ素子（ヒータチップ）に１５Ｖ、１５０Ａの通電条件で、通電時間２秒、冷却時間８秒を繰り返し実施し、ＩＧＢＴ素子（ヒータチップ）の温度を３０℃から１３０℃の範囲で変化させた。本実施例では、このパワーサイクルを１０万回実施した。
（Ａｇ層の残存部の割合評価）
パワーサイクル試験の後に、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喰われ層、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、はんだ接合前のはんだ下地層形成用ペーストを焼成したときのＡｇ層の全断面積のことである。
（熱抵抗測定）
上述したパワーサイクル試験において、初期熱抵抗と、試験後の熱抵抗とを測定した。熱抵抗測定は、次のように実施した。まず、ＩＧＢＴ素子（ヒータチップ）を１００Wの電力で加熱し、熱電対を用いてＩＧＢＴ素子（ヒータチップ）の温度を測定した。また、ヒートシンク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、ＩＧＢＴ素子（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。

表１に示すように、実施例１から実施例９においては、結晶性の酸化物粉末が含まれているため、パワーサイクル試験後のＡｇ残存部が多く、熱抵抗率の上昇率が小さくなっており、回路層及び金属層とセラミックス基板との接合信頼性が高い。実施例１から実施例６は、Ａ（銀粉末の重量）／Ｏ（結晶性の酸化物粉末の重量）が９０／１０から９９／１の範囲内とされており、実施例７から実施例９と比べて、熱抵抗率の上昇率が小さく、接合信頼性が高いことがわかる。
一方、比較例１および比較例２においては、結晶性の酸化物粒子を含有しないために、パワーサイクル後の熱抵抗率の上昇率が大きくなったため、接合信頼性が実施例１から実施例９と比較して劣った。

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 セラミックス基板
１２ 回路層（金属部材）
１３ 金属層（金属部材）
２０ 放熱板付パワーモジュール用基板
２１ 放熱板（被接合部材）
４０ 第１接合部
４１ 第１ガラス層（ガラス層）
４２ 第１Ａｇ層（Ａｇ層）
４３ 第１はんだ層（はんだ層）
４４ 結晶性の酸化物粒子
５０ 第２接合部
５１ 第２ガラス層（ガラス層）
５２ 第２Ａｇ層（Ａｇ層）
５３ 第２はんだ層（はんだ層）
５４ 結晶性の酸化物粒子

Claims (6)

1. 金属部材上に配設され、焼成されることによって、前記金属部材上にはんだ下地層を形成するはんだ下地層形成用ペーストであって、
   銀粉末と、ガラス粉末と、結晶性の酸化物粉末と、樹脂と、溶剤と、を含有していることを特徴とするはんだ下地層形成用ペースト。
2. 前記銀粉末の含有量が、６０質量％以上９０質量％以下とされ、
   前記ガラス粉末は、前記銀粉末の重量Ａと前記ガラス粉末の重量Ｇの比Ａ／Ｇが、８０／２０から９９／１の範囲内に設定され、
   前記結晶性の酸化物粉末は、前記銀粉末の重量Ａと前記結晶性の酸化物粉末の重量Ｏの比Ａ／Ｏが、９０／１０から９９／１の範囲内に設定されていることを特徴とする請求項１に記載のはんだ下地層形成用ペースト。
3. 前記結晶性の酸化物粉末が、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種以上からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のはんだ下地層形成用ペースト。
4. 前記ガラス粉末の軟化温度が６００℃以下とされていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のはんだ下地層形成用ペースト。
5. 前記ガラス粉末が、酸化鉛、酸化亜鉛、酸化ケイ素、酸化ホウ素、酸化リン及び、酸化ビスマスのいずれか１種又は２種以上を含有していることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のはんだ下地層形成用ペースト。
6. 前記銀粉末の粒径が、０．０５μｍ以上１．０μｍ以下とされていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のはんだ下地層形成用ペースト。

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