JP2013201330A - パワーモジュールの製造方法、及びパワーモジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】良好な放熱性と基板接合部の良好な接合性を両立する鉛フリー接合技術を用いたパワーモジュールの製造方法、及びパワーモジュールを提供する。
【解決手段】焼結型のＡｇペースト４で半導体素子１および２をＣｕ無垢配線を有するセラミック基板５に、多孔質であるＡg層が空隙率が５％以上３０％未満となるように接合した後、水素還元し、固相線温度２２７℃以上のＳｎ系はんだ９でセラミック基板５をベース１０に接合する。
【選択図】図８

Description

本発明は、IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のパワー半導体素子を有するパワーモジュールの製造方法、及びパワーモジュールに関する。
電鉄用、発電用、電気自動車/ハイブリッド自動車（EV/HEV）用モータ等、大出力モータを制御するインバータには、IGBTモジュール等のパワーモジュールが使用される。比較的電力の小さいHEV/EV用IGBTモジュールについては、Sn系はんだの適用により、近年鉛フリー化が進められつつある。
一方、電鉄用の大電力を制御するパワーモジュールについては、素子接合部の耐熱性がSn系はんだでは得られないため、未だ鉛フリー化が困難な状況にある。現時点では、素子接合部に耐熱性の高い高鉛はんだが使用されることが多い。しかしながら、Pb成分が人体に悪影響を及ぼすことが指摘されるようになり、Pb入りはんだは大きな社会問題としてクローズ・アップされるとともに、EUのROHS（Restriction of Hazardous Substances Directive)指令に代表されるようにPbを含む有害物質の使用を法的に規制しようと言う動きが活発化している。このような背景から、大電力の電鉄用パワーモジュールについても、Pbフリー化が求められている。
耐熱性を必要とする素子接合部に適用するための鉛フリー接合材の候補としては、Bi系はんだ(約260℃)、Au-Snはんだ（約282℃）、Zn-Al系はんだ（約380℃）が挙げられる。
しかしながら、Bi系はんだは熱伝導率が低いため、大電流を通電する発熱の大きい半導体素子の接合には、放熱性の面でデメリットとなり適しない。また、Au-20SnはAuを主成分とするため材料コストが高くなってしまう。さらに、Zn-Al系はんだは酸化膜が強固で濡れを確保できない。このように、上記はんだにはそれぞれ課題があり、汎用的には使用できない。
一方、上記の高融点はんだ以外の高耐熱の鉛フリー接合材として、粒子と粒子が固体のまま接合する焼結型のAgペーストが開発されている。ナノオーダーのAgフィラーを約250〜400℃といったAgの融点以下の温度で接合することができる。焼結型のAgペーストは高熱伝導であり、大電流を扱うパワー半導体素子の接合に利点がある。既に、低電力用のパワーモジュールの一部に適用されている。このような焼結型Agペーストを用いる半導体素子の接合技術は、例えば非特許文献１に開示されている。
Performance comparison of traditional packaging technologies to novel bond wire less all sintered power module：P.Beckedahl etc., PCIM2011,p247-252.
しかしながら、非特許文献１に代表される従来技術では、上記接合を大気中で行う必要があるため、接合時に被接合部材が酸化してしまうという課題がある。つまり、一般的な、パワーモジュールは、図１のように半導体素子１及び２をセラミック基板５に接合した後、ワイヤボンディング８を行い、その後にセラミック基板５をベース１０に接合して組立てる。図２に示されるように、焼結型のAgペーストは、ナノサイズのAgフィラー１１の凝集を防ぐため、保護膜１２でコーティングされている。この保護膜を分解するには大気中で250℃以上の温度で熱処理することが必須となる。このため、焼結型のAgペーストを用いて、パワー半導体素子をCu無垢配線を有するセラミック基板に接合すると、Cu無垢配線が酸化してしまう。従って、セラミック基板をはんだで接合した場合に、セラミック基板のCu配線の酸化物がはんだの濡れを阻害するため、良好な接合が得られなくなる。
また、焼結型のAgペーストを半導体素子の接合に用いた従来技術の場合、図３のように、焼結型のAgペーストで半導体素子１及び２を接合したセラミック基板５を、ベース１０に導電性グリース１４を介して接触させて押し付ける構造（バネ１３等で）となっている。このため、セラミック基板をベースにはんだ接合していない。ただし、このような構造の場合、セラミック基板とベース間がグリースで充填され、金属接合がなされていないため、大電力の電鉄用パワーモジュールに適用した場合、良好な放熱性が得られない。
さらに、非特許文献１のように、半導体素子接合部とセラミック基板接合部両方に焼結型のAgペーストを用いて、素子接合とセラミック基板接合を同時に行うことも可能である。ただし、その場合、素子に比べて大面積のセラミック基板を焼結型のAgペーストで接合する必要がある。焼結型のAgペーストははんだに比べて未接合の抑制が難しいため、良好な接合を得ることが難しくなる。
また、セラミック基板のCu配線部にAu、Agめっき等を施し、酸化を抑制することも考えられるが、はんだ接合以外のワイヤボンディング工程や端子の超音波ボンディング工程が難しくなる恐れがある。
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、良好な放熱性と基板接合部の良好な接合性を両立する鉛フリー接合技術を提供するものである。
上記課題を解決するために、本発明は、焼結型のAgペーストを半導体素子接合に用いることで高耐熱な鉛フリー接合を行い、セラミック基板接合部にSn系の鉛フリーはんだを用いる。
つまり、本発明によるパワーモジュール製造方法は、半導体素子と、基板の上に設けられた配線とを、焼結型のAgペーストによって当該Agペーストを酸化させながら接合する第１の接合工程と、第１の接合工程後に、基板の配線の酸化を還元する還元工程と、基板の還元された配線と、ベースとを、はんだで接合する第２の接合工程と、を含んでいる。
また、上記製造方法で製造されたパワーモジュールは、半導体素子と、基板と、ベースと、半導体素子と基板とを接合する多孔質のAg層と、基板とベースとを接合するはんだ接合部と、を有し、多孔質のAg層において、空隙率が５％以上３０％未満となっている。
本発明に関連する更なる特徴は、本明細書の記述、添付図面から明らかになるものである。また、本発明の態様は、要素及び多様な要素の組み合わせ及び以降の詳細な記述と添付される特許請求の範囲の様態により達成され実現される。
本明細書の記述は典型的な例示に過ぎず、本発明の特許請求の範囲又は適用例を如何なる意味に於いても限定するものではないことを理解する必要がある。
以上説明したように本発明によれば、焼結型のAgペーストにより半導体素子を大気中でCu無垢配線を有するセラミック基板で接合し、還元処理を行った後に、セラミック基板をSn系はんだでベースに接合することによって、高耐熱で放熱性に優れ、接合の容易なパワーモジュールを得ることができる。
従来のパワーモジュールの接合工程を模式的に示す図である。 焼結型のAgペーストのAgフィラーと保護膜を模式的に示す図である。 半導体素子をAgで接合した従来のパワーモジュールの一例を示す断面図である。 本発明の実施形態による、多孔質のAgで接合されている素子接合部の断面図である。 本発明の実施形態によるパワーモジュールの断面図である。 本発明の実施形態による、セラミック基板のCu無垢配線部の還元により形成した粒子状の微構造を示す図である。 本発明の実施形態による、焼結型のAgペーストで半導体素子を接合したセラミック基板をベースに接合した接合部の超音波探傷像を示す図である。 本発明の実施形態による、半導体素子をAgで接合したパワーモジュールの一例を示した断面図である。
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。添付図面では、機能的に同じ要素は同じ番号で表示される場合もある。なお、添付図面は本発明の原理に則った具体的な実施形態と実装例を示しているが、これらは本発明の理解のためのものであり、決して本発明を限定的に解釈するために用いられるものではない。
本実施形態では、当業者が本発明を実施するのに十分詳細にその説明がなされているが、他の実装・形態も可能で、本発明の技術的思想の範囲と精神を逸脱することなく構成・構造の変更や多様な要素の置き換えが可能であることを理解する必要がある。従って、以降の記述をこれに限定して解釈してはならない。
（１）本発明の実施形態
本発明は、多孔質Agで半導体素子とCu無垢配線６を有するセラミック基板が接合され、セラミック基板がPbフリーはんだ（Sn系はんだ）でベースに接合されたパワーモジュール及びその製造方法を提供する。
＜多孔質Agによる接合＞
図４は、本実施形態のパワーモジュールにおいて、多孔質Agによって半導体素子１とセラミック基板５とが接合されている状態を示す図である。
半導体素子１とセラミック基板５の間の熱膨張率に差があるので、それらの収縮率が異なり、接合部付近に応力が発生する。Agが緻密になりすぎると（多孔質Agの空隙率が小さすぎると）、Agははんだに比べて硬いため、接合部が強固過ぎて、応力が半導体素子１に掛かり過ぎてしまう。このため、半導体素子１が壊れてしまう。一方、Agの空隙率が高すぎると、接合部の信頼性が減少してしまう。具体的には、多孔質のAg接合部の空隙率が５％未満の場合、Ag接合部の弾性率が高くなり応力緩衝が難しくなり、半導体素子が熱衝撃により破壊する恐れがある。一方、多孔質のAg接合部の空隙率３０％以上となると、熱衝撃により接合部にクラック進展しやすくなり接合信頼性が得られない恐れがある。
そこで、多孔質Agにおける空隙率（焼結型Agペーストの最適接合条件）は、５％以上３０未満にコントロールすることが重要である。このようにコントロールするためには、次のような条件で接合することが必要である。
接合温度：２５０℃〜３５０℃とすることが望ましい。２５０℃未満の場合に空隙率３０％以上にするには、１０ＭＰａ以上が必要となるが、接合時に半導体素子１を破壊するおそれがある。一方、３５０℃より高いと、焼結速度が速くAgの空隙率の制御が難しくなってしまう。
接合時間：昇温速度３０℃／ｍｉｎ以下、保持時間１〜３０ｍｉｎとすることが望ましい。
加圧：０．１〜１０ＭＰａとすることが望ましい。０．１ＭＰａ未満の場合、焼結型のAgペーストにおけるフィラー間の接点が確保できず、焼結の高密度化が難しいため、空隙率が３０％未満になりやすい。一方、１０ＭＰａより大きな加圧になると、半導体素子を破壊する恐れがある。
以上のような条件下でAgペーストを焼結させると、空隙率５％〜３０％の多孔質Agの接合部が得られる。そして、図４に示されるように、半導体素子１を多孔質のAg４で応力緩衝することで、信頼性の高い接合を得ることができる。
＜Cu無垢配線を有するセラミック基板＞
Cu無垢配線６を有するセラミック基板５を用いることで、図５のようにパワーモジュールにCu端子１７を超音波ボンディングすることを容易にすることが可能となる。ただし、上述のように、Agペーストを焼結させて半導体素子１とセラミック基板５を接合させるため、Cu配線６が酸化してしまう。Cu端子１７を超音波接合するためにはCu配線６が無垢の状態でなければならないため、酸化したCu配線６を後述のように還元する必要がある。なお、Cu配線６がAu、Ag、Ni等のめっきが施されている場合、Cu端子１７の超音波接合に必要な接合エネルギーが大きくなり、セラミック基板５のセラミック部にダメージを与える恐れがある。このため、Cu配線６は無垢である方が良い。
セラミック基板５とベース１０との接合にSn系はんだ９を用いることで、ボイド含有率２％未満の良好な接合が得られる。また、はんだ接合によりセラミック基板５とベース１０間が金属接合されることで良好で安定な放熱性が得られる。ベース１０にはAlSiCやCu−Mo、Cu−C、Al−C複合材等を用いることができる。これにより、熱疲労に対して高い信頼性が得られる。
＜焼結結合とはんだ結合を併用する理由＞
本実施形態では、半導体素子１とセラミック基板５との接合をAg焼結によって実現し、セラミック基板５とベース１０との接合をSn系はんだ９によって実現している。このように２つの接合を異ならしめているのは、歩留まりとの関係があるからである。つまり、一旦半導体素子１をセラミック基板５に接合した後、１つ１つ接合状態が良好か検査される。ここで不良であると判断されるとその後のプロセスからは除かれてしまう。従って、セラミック基板５とベース１０との接合を、セラミック基板５と半導体素子１との接合と同時に、焼結Agを用いて行うと、１つでも接合に不具合が生じた場合、接合に用いた部材全てを廃棄しなければならず、材料を無駄にしてしまい製造コストも高くなってしまう。
そこで、半導体素子１とセラミック基板５との接合をAg焼結によって実現し、検査後、セラミック基板５とベース１０とをはんだ接合させるようにして（２段階で分けて接合させる）、無駄を最大限防止するようにしている。
＜ハードレンジによる封止＞
上述のように、多孔質のAgで半導体素子１は、Cu無垢配線６を有するセラミック基板５に接合され、セラミック基板５は、Sn系はんだでベース１０に接合されている。この場合、各接合部の周囲は、ハードレジン（図８の９参照）で封止するようにしても良い。
パワーモジュールにおける各接合部の周囲を、トランスファーモールドによりレジン封止することにより、熱衝撃発生時の多孔質Ag接合部およびSn系はんだ接合部のひずみを小さく抑えることが可能となり、パワーモジュールの寿命を向上することができる。このとき、レジンの熱膨張率は１０ppm/K以上であることが望ましい。レジンの熱膨張率が１０ppm/k未満の場合、素子接合部の熱衝撃によるクラック進展抑制効果が小さくなるからである。
ここで、Cu無垢配線６を有するセラミック基板５のCu配線部表面には、１０〜２００nmの粒子状の微構造が形成される。この微構造（凹凸）は、焼結処理によって酸化されたCu配線を還元することによって生成される構造である。このようにすることにより、ゲルやトランスファーモールドしたハードレジンとの密着性を良くし、パワーモジュールの寿命を向上することができる。
図６は、Cu配線表面に形成した粒子状の微構造を示す図である。これにより、Cu粒子の凹凸によるアンカー効果、Cu配線６の表面面積の増加の効果により、封止樹脂との密着性を向上することができる。
＜Sn系はんだの固相線温度＞
Sn系はんだの固相線温度は、２２７℃以上であることが望ましい。はんだには、ある温度で一気に溶けてしまうものと、或る温度（固相線温度）で溶け始めて固体と液体が混ざった状態がある程度継続してから或る温度で完全に液体になるものがある。本実施形態では、上述のように、セラミック基板のCu配線部表面に微構造が生成されている（図６）。Pbフリーはんだは濡れにくいはんだ（溶けたからといって直ぐには濡れていかずにある程度の温度にならないと濡れていかないはんだ：２２７℃位が濡れていくボーダーの温度である）であり、微構造（凹凸）によって表面がフラットでない場合には特に濡れにくい。この点、融点が高いはんだの方が凹凸があるものに対して濡れようとする力が強いことが分かっている。一方、融点が低いはんだは高い温度に達するまでに溶け始めてしまう。このときのはんだの濡れの力は弱く、凹凸上では濡れきれない箇所ができ易くなり、ボイド（孔）が生成されやすくなってしまう。このボイドの生成が２％以下になるようにするためのはんだの固相線温度が２２７℃であることが発明者らの検討によって分かった。
固相線温度が２２７℃以上であるSn系はんだとしては、Sn−3〜10Cu（mass%）あるいはSn-10Sb（mass%）、Snとすることができる。
図７は、焼結型のAgペーストで半導体素子を接合したCu無垢配線６を有するセラミック基板５をSn系はんだで接合した場合に得られるセラミック基板接合部の超音波探傷像を示す図である。各種Sn系はんだ９でベース１０に接合した超音波探傷像を見ると、Sn-Pb共晶（融点１８３℃）、Sn-3Ag-0.5Cu-5In（固相線温度２０６℃）、Sn-3Ag-0.5Cu（融点２１７℃）で接合した場合、接合部に未濡れによる２％以上の未接合部（ボイド２１）が形成した。特に、融点の低いSn-Pb共晶の場合、未接合部の割合が大きくなった。その一方、Sn-3〜10Cu（固相線温度２２７℃）、Sn-10Sb（固相線温度２４０℃）、或いはSn（融点２３２℃）で接合した場合、未接合部が２％未満となり良好な接合が得られた。
以上のことから、はんだの溶融する固相線温度が２２７℃以上であれば、焼結型のAgペーストで半導体素子１を接合したCu無垢配線６を有するセラミック基板５を良好に接合できると言える。
＜パワーモジュールの製造方法１＞
本発明の実施形態によるパワーモジュールは、（i）大気中で半導体素子１を、Cu無垢配線６を有するセラミック基板５に焼結型のAgペーストで接合した後、（ii）セラミック基板５のCu無垢配線６の酸化を還元してから、（iii）Sn系はんだ９でセラミック基板５をベース１０に接合する。
焼結型のAgペーストを用いて、半導体素子１を、Cu無垢配線６を有するセラミック基板５に大気中で接合することで、Agフィラー周囲にある保護膜が分解されて良好な焼結接合ができる。
また、大気中の加熱によって酸化したCu配線を還元することによって、Sn系はんだ９がセラミック基板５に良好に濡れやすくなり、高信頼接合することができる。さらに、大気中で酸化したCu配線６を還元することによって、Cu配線表面にナノオーダーの粒子を形成することができる。これは、ゲルやハードレジンによる封止との密着性を向上する。このとき接合温度は２５０〜３５０℃であることが望ましい。２５０℃未満の温度ではAgフィラーの焼結が進みにくいため、Ag接合部の空隙率が３０％以上になる恐れがある。また、３５０℃以上の温度で接合した場合、Agフィラーの焼結が進みすぎて、空隙率が5%未満となり応力緩衝能が低下するため、接合後の冷却時に部材間の熱膨張率差に起因する応力により半導体素子１が破壊する恐れがある。還元条件は、水素濃度３％以上（４％以上がより好ましい）（残り窒素であるが、水素１００％であっても良い）、還元温度２５０℃〜３５０℃が望ましい。還元温度が２５０℃未満の場合、還元速度が遅くなり、還元に長時間を要する。一方、還元温度を３５０℃以上にした場合、半導体素子接合部のAgの焼結が進み、応力緩衝能が低減して半導体素子１の破壊に繋がる恐れがある。
＜パワーモジュールの製造方法２＞
Cu無垢配線６を有するセラミック基板５において、焼結型のAgペーストを供給する部分にのみにAuあるいはAgめっきを施す工程を、半導体素子１を、Cu無垢配線６を有するセラミック基板５に焼結型のAgペーストで接合する工程の前に実行するようにしても良い。
Cu無垢配線６を有するセラミック基板５において、焼結型Agペーストを供給する部分にAuもしくはAgの部分めっきを施すことによって、セラミック基板５と焼結型のAgペースト間の接合強度を強くすることができ、接合部の信頼性を向上することができる。
＜パワーモジュールの製造方法３＞
（i）大気中で半導体素子１を、Cu無垢配線６を有するセラミック基板５に焼結型のAgペーストで接合する工程と、（ii）セラミック基板のCu無垢配線６の酸化を還元する工程とを、リフロー炉内の大気雰囲気をH2還元雰囲気に置換することにより１回のリフロー工程で行うようにしても良い。
セラミック基板５に焼結型のAgペーストで半導体素子１を接合するリフロー工程において、大気中で焼結型のAgペーストを接合した後に、基板６を取出さない状態で雰囲気をH2還元雰囲気に置換して酸化したCu配線６を還元する。これにより、１回のリフロー工程で接合と還元を行うことができる。１回のリフロー工程で焼結型のAgペースト接合、次の工程でCu配線６の還元を行う場合に比べて工程を１つ低減することができ、組立て時間を短縮できる。また、接合してから還元するまでにセラミック基板５が汚染する危険を回避することができる。
＜パワーモジュールの製造方法４＞
セラミック基板５のCu無垢配線６の酸化を還元する工程を、水素プラズマ処理により行うようにしても良い。
焼結型のAgペーストによる接合で酸化したセラミック基板５のCu配線を、Ar+H2、N2+H2プラズマ処理することによりCu配線６を酸化還元することができる。これによっても、H2還元雰囲気によるリフロー工程と同様にCu配線表面にナノオーダーの備構造を得ることができる。
＜検査工程＞
（i）焼結型のAgペーストによる接合状態（未接合率）の検査
接合条件ごとにサンプルを抜取り、接合部の断面観察により、X線透過像を用いて、Ag部分の空隙率を確認する。未接合率（接合されていない領域の率）が５%以上の場合、発熱した半導体素子の放熱が悪くなり、素子の接合信頼性を損なう。所望の空隙率（Ag中に空孔がある率）が得られることを確認できれば、その条件で生産する。
（ii）Cu無垢配線６における配線部の色を、目視により確認する。酸化による変色が残っている場合、第２の接合工程時にはんだによる未接合率が２%未満にならないおそれがある。
（２）実施例
以下、本発明をパワー半導体モジュールに適用した実施例について、図８を用いて説明する。
窒化アルミニウムの上面にCu配線、下面にCu板をロウ付けしたセラミック基板５上に、焼結型Agペーストで半導体素子(IGBT１、ダイオード２)を大気中、３００℃２０minでリフロー炉を用いて接合を行った。そして、セラミック基板５をリフロー炉から出さない状態で、大気雰囲気を水素還元雰囲気に置換して、３００℃１０minで酸化したCuむく部分を還元した。その後、ワイヤボンディング８を行い、素子付基板を表１に示す固相線温度２２７℃以上のSn系はんだ箔でベース１０に接合した。さらに、Cu無垢ｈ基板配線６上にCu端子１７を超音波接合した後、ケース１８を取付け、接合部周辺をシリコーン樹脂１９で封止することにより、パワー半導体モジュールを作製した。
これらのパワーモジュールについて、セラミック基板接合部の接合状態をベース裏面側から、超音波探傷像により確認した。その結果を表１に示す。
Figure 2013201330
表１において、セラミック基板接合部の未接合率が２%未満の場合を○、未接合率が２%以上の場合を×とした。実施例１乃至８の全てにおいて、未接合率が２%未満となり良好な接合が得られた。
本実施例は、接合部の封止をシリコーン樹脂により行ったが、封止をトランスファーモールドで行った場合にも、封止工程より前の工程は変わらないため、未接合の少ない良好な接合が可能となる。
また、上記の実施形態に限定せず、半導体製品の組立工程において、焼結型のAgペーストで接合した後に、Cu部分にはんだ接合が全ての製品に適用することができる。
（３）比較例
上記の実施例１と同じ工程で同じ形状のパワー半導体モジュールを作製した。セラミック基板の接合に用いたはんだを表２に示す。
Figure 2013201330
比較例１乃至３の何れのはんだを用いた場合も、未接合率が２%以上となり良好な接合が得られなかった。
（４）まとめ
本発明の実施形態によれば、半導体素子と、基板の上に設けられた配線とを、焼結型のAgペーストによって当該Agペーストを酸化させながら接合し、酸化した基板上の配線の酸化を還元した後、還元された配線とベースとをはんだで接合することにより、パワーモジュールを作製する。このように酸化した配線を還元するので、焼結工程後の配線とベースとをはんだ接合できるようになるので、作製したパワーモジュールにおける放熱性が良好となる。
また、還元した後であって、はんだ接合前に、焼結接合された半導体素子及び基板を検査する。このように焼結接合とはんだ接合の２段階で接合を行い、はんだ接合前に焼結接合の状態を検査するので、材料の無駄を最大限防止し、製造コストを抑えることができるようになる。
上述のAg焼結接合は、接合温度が２５０〜３５０℃、昇温速度が３０℃／ｍｉｎ以下、保持時間が１〜３０ｍｉｎ、加圧が０．１〜１０ＭＰａで実行することが望ましい。このようにすることにより、多孔質のAgにおける空隙率を５％以上３０％未満にコントロールすることができる。焼結接合部における空隙率を５％以上３０％未満とすることにより、接合の信頼性が高いパワーモジュールを提供することが可能となる。
本実施形態では、Cu無垢配線を有するセラミック基板と、Sn系はんだ（固相線温度が２２７℃以上）を用いている。固相線温度が２２７℃以上のSn系はんだを使用することにより、はんだ接合部のボイド率を２％未満とすることが可能となり、良好なはんだ接合を実現することができる。また、ボイド率が２％未満のはんだ接合部を有するので、良好な放熱性を有する信頼性の高いパワーモジュールを提供することが可能となる。
さらに、Cu無垢配線上の焼結型のAgペーストを供給する部分にAuあるいはAgめっきを施すようにしても良い。このようにすることにより、セラミック基板と焼結型Agとの接合強度を強くすることができる。
また、Cu無垢配線は、酸化後に還元されることによって表面に生成された粒子状の微構造を有している。このようにすることにより、封止樹脂との密着性に優れたパワーモジュールを提供することができるようになる。
上述の実施形態において、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。全ての構成が相互に接続されていても良い。
また、本発明は、実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階では、その要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
１・・・半導体素子（IGBT）
２・・・半導体素子（ダイオード）
３・・・はんだ
４・・・Ag接合材
５・・・セラミック基板
６・・・Cu無垢配線
７・・・セラミック（AlN）
８・・・ワイヤ
９・・・Sn系はんだ
１０・・・ベース
１１・・・Agフィラー
１２・・・保護膜
１３・・・バネ
１４・・・導電性グリース
１５・・・Ag
１６・・・孔
１７・・・Cu端子
１８・・・ケース
１９・・・封止樹脂
２１・・・未接合部、

Claims (13)

  1. 半導体素子と、基板の上に設けられた配線とを、焼結型のAgペーストによって当該Agペーストを酸化させながら接合する第１の接合工程と、
    前記第１の接合工程後に、前記基板の配線の酸化を還元する還元工程と、
    前記基板の前記還元された配線と、ベースとを、はんだで接合する第２の接合工程と、
    を含むことを特徴とするパワーモジュール製造方法。
  2. 請求項１において、
    前記還元工程の実施後であって、前記第２の接合工程の実施前に、前記接合された半導体素子及び前記基板を検査する検査工程を含むことを特徴とするパワーモジュール製造方法。
  3. 請求項１又は２において、
    前記基板は、セラミック基板であり、
    前記配線は、Cu配線であり、
    前記はんだはSn系はんだであることを特徴とするパワーモジュール製造方法。
  4. 請求項３において、
    前記Cu配線上には、焼結型のAgペーストを供給する部分にAuあるいはAgめっきが施されており、
    さらに、前記第２の接合工程後に、前記配線の前記めっきを施されない部分に、ボンディングを行うボンディング工程を含むことを特徴とするパワーモジュール製造方法。
  5. 請求項１において、
    前記第１の接合工程は、接合温度が２５０〜３５０℃、昇温速度が３０℃／ｍｉｎ以下、保持時間が１〜３０ｍｉｎ、加圧が０．１〜１０ＭＰａで実行されることを特徴とするパワーモジュール製造方法。
  6. 請求項３において、
    前記Sn系はんだの固相線温度が２２７℃以上であり、
    前記還元工程は、水素濃度が３％以上、還元温度が２５０〜３５０℃で実行されることを特徴とするパワーモジュール製造方法。
  7. 請求項２において、
    前記第１の接合工程は、酸化雰囲気のリフロー炉内で行われ、
    前記還元工程は、前記リフロー炉内で、還元雰囲気に置換して行われ、
    前記検査工程は、前記リフロー炉の外で行われる、
    ことを特徴とするパワーモジュール製造方法。
  8. 請求項７において、
    前記第２の接合工程では、前記リフロー炉の外で、前記ベース、前記はんだ、前記基板の順で積層させ、前記リフロー炉内で、前記積層したベースと基板と基板とをはんだで接合することを特徴とするパワーモジュール製造方法。
  9. 請求項１乃至８の何れか１項において、
    前記還元工程が、水素プラズマ処理により行われることを特徴とするパワーモジュール製造方法。
  10. 半導体素子と、基板と、ベースを有するパワーモジュールであって、
    前記半導体素子と前記基板とを接合する多孔質のAg層と、
    前記基板と前記ベースとを接合するはんだ接合部と、を有し、
    前記多孔質のAg層において、空隙率が５％以上３０％未満であることを特徴とするパワーモジュール。
  11. 請求項１０において、
    前記はんだ接合部は、固相線温度が２２７℃以上のSn系はんだで形成され、そのボイド率が２％未満であることを特徴とするパワーモジュール。
  12. 請求項１０又は１１において、
    前記基板はCu配線を有し、
    前記Cu配線は、酸化後に還元されることによって表面に粒子状の微構造を有することを特徴とするパワーモジュール。
  13. 請求項１０乃至１２の何れか１項において、
    トランスファーモールドによりレンジ封止されていることを特徴とするパワーモジュール。
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