JP2015072959A - 絶縁基板と冷却器の接合構造体、その製造方法、パワー半導体モジュール、及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】温度差が大きい冷熱サイクルストレスに対して、高い耐性を有する絶縁基板と冷却器の接合構造体、接合構造体の製造方法、パワー半導体モジュール、及びパワー半導体モジュールの製造方法を提供する。【解決手段】平板形状のセラミック基板１１と、該セラミック基板１１の上面に接合された上部回路金属板１３と、セラミック基板１１の下面に接合された下部回路金属板１２からなる絶縁基板２００を備える。更に、金属製の冷却器１００を備える。そして、下部回路金属板１２の下面と冷却器１００の上面を接合する接合層と、を有し、下部回路金属板１２は、低熱膨張高弾性金属層を少なくとも１層備え、接合層は、融点または固相線温度が６００℃以上である超高温接合層１０であることを特徴とする。【選択図】 図１

Description

本発明は、温度差が大きい冷熱サイクルストレスに対して、高い耐性を有する絶縁基板と冷却器の接合構造体、及びこの接合構造体を備えるパワー半導体モジュール、接合構造体の製造方法、及びパワー半導体モジュールの製造方法に関する。

炭化珪素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）、ダイヤモンド（Ｃ）等のワイドバンドギャップ半導体を用いたパワー半導体装置は、高い半導体接合温度（Ｔｊ）であっても、従来のシリコン（Ｓｉ）やガリウム砒素（ＧａＡｓ）を用いたパワー半導体装置に比べてオン抵抗が低く、高速スイッチイングが可能であるという利点がある。このため、半導体装置が小面積（大電流密度）となり、且つ、システムを構成する受動部品や冷却器の小型化を図ることができるので、小型軽量で低価格なパワーエレクトロニクスシステムが実現できると期待されている。

このようなパワーエレクトロニクスシステムを実現するためには、高い半導体接合温度Ｔｊ（例えば、最大値Ｔｊｍａｘが２５０℃）で作動することは勿論のこと、広範囲の温度変動ΔＴｊ（例えば、Ｔｊ＝−４０℃〜２５０℃）でも故障なく作動するパワー半導体モジュールが実現されなくてはならない。しかしながら、現在のＳｉパワー半導体モジュールの作動温度はＴｊ＝−４０℃〜１２５℃であり、半導体接合温度Ｔｊを上記のように高温まで拡張させたパワー半導体モジュールを作製することは容易でない。

このような問題を解決するため、特開２００８−２７０３５３号公報（特許文献１）に記載された半導体モジュールが提案されている。該特許文献１では、下記のようなＳｉＣパワー半導体モジュールが開示されている。即ち、該パワー半導体モジュールは、水冷ジャケットの上にＭｏを基材とする放熱板をネジ留めした水冷冷却器の上に、厚さ５０μｍのＣｕ電極両面貼り絶縁基板（窒化珪素セラミック基板）と、半導体素子とを高温はんだで接合し、積み上げる構成としている。以下、電極両面貼り絶縁基板を単に「絶縁基板」と称することにする。このパワー半導体モジュールでは、最大半導体接合温度Ｔｊｍａｘが２００℃、温度範囲ΔＴｊが２４０℃、の冷熱サイクル試験で、２０００サイクル程度に耐えられる信頼度を有することが開示されている。

一方、非特許文献１には、Ｔｊｍａｘ＝２５０℃で作動するＳｉＣパワー半導体モジュールが開示されている。このパワー半導体モジュールは、冷却器（空冷冷却フィン）の上に厚さ０．３ｍｍのＣｕ電極両面貼り絶縁基板（窒化珪素セラミック基板）と、半導体素子とを高温はんだ等で接合し、積み上げる構成としている。このモジュールは、特許文献１に示されているモジュールの部品で高価であるＭｏ放熱板を省き、絶縁基板と冷却フィンを接合した構成としている。

特開２００８−２７０３５３号

谷本智ほか, Mate 2012 (2012年1月横浜) 論文集, p. 107

しかしながら、上述の特許文献１に開示されたパワー半導体モジュールにおいては、（ａ）放熱板を水冷ジャケットにネジ止めする冷却器構造をとっているため、放熱板と水冷ジャケットとの間に本質的に気相のギャップが生じて、この間の熱抵抗が高いという問題がある。（ｂ）特に、放熱板と水冷ジャケットの熱膨張係数の差が大きい場合には、このギャップの幅が温度変化や冷熱サイクルの進行とともに変動して、この結果、熱抵抗が大きく変動する問題もあった。これは放熱板と冷却器がバイメタル効果によって湾曲運動することが原因である。（ｃ）更に、Ｔｊｍａｘ＝２００℃に設計限界があるため、２００℃より高い温度Ｔｊｍａｘで、且つ、より広いΔＴｊサイクル（例えば、温度範囲Ｔｊ＝−４０℃〜２５０℃（ΔＴｊ＝２９０℃））の環境で作動させようとすると、絶縁基板と放熱板との間のＢｉ系はんだ接合層（Ｂｉ−ＣｕＡｌＭｎなど）が急速に疲労して破断するという問題があった。これは接合材の基材となるＢｉの融点が約２７０℃（合金になると更に融点が下がることにも注意）とＴｊｍａｘに近い上に、Ｂｉが元来脆く延性に乏しい性質の金属であるからである。

一方、非特許文献１に開示されたパワー半導体モジュールでは、上述したように、高価な放熱板を省いた上に、両面電極貼り絶縁基板（窒化珪素）と冷却器とを高温はんだ（Ａｕ−Ｓｎはんだ）で接合する構成としているため、絶縁基板の金属電極板と冷却器との間に気相のギャップはなく、この間の熱抵抗は非常に小さなものになっている。この意味で非特許文献１のパワー半導体モジュールは上記特許文献１のパワー半導体モジュールの問題（ａ）と（ｂ）を解決していると言うことができる。

しかしながら、（ｄ）Ｔｊｍａｘを２５０℃付近まで上げ、且つ、広いΔＴｊサイクルの環境で、例えば、温度範囲Ｔｊ＝−４０℃〜２５０℃の環境で作動させようとすると、特許文献１の絶縁基板と放熱器の接合はんだ層で観察された不良（上記問題（ｃ）と同様の不良）、即ち、縁基板と冷却器との間の高温はんだ接合層（Ａｕ−Ｓｎ）が急速に疲労して破断するという問題があった。

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、温度差が大きい冷熱サイクルストレスに対して、高い耐性を有する絶縁基板と冷却器の接合構造体、接合構造体の製造方法、パワー半導体モジュール、及びパワー半導体モジュールの製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の絶縁基板と冷却器との接合構造体は、平板形状のセラミック基板、上部回路金属板、及び下部回路金属板からなる絶縁基板と、金属製の冷却器と、を備える。また、下部回路金属板の下面と冷却器の上面を接合する接合層と、を有し、下部回路金属板は、低熱膨張高弾性金属層を少なくとも１層備え、接合層は、融点または固相線温度が６００℃以上である超高温接合層である。

本発明の絶縁基板と冷却器との接合構造体では、下部回路金属板に低熱膨張高弾性金属層を備え、且つ、融点または固相線温度が６００℃以上である超高温接合層を用いているので、温度差が大きい冷熱サイクルストレスに対して、耐性を高めることが可能となる。

本発明の第１実施形態に係る絶縁基板と冷却器の接合構造体の構成を示す要部断面図である。 本発明の第２実施形態に係る絶縁基板と冷却器の接合構造体の構成を示す要部断面図である。 本発明の第３実施形態に係る絶縁基板と冷却器の接合構造体の構成を示す要部断面図である。 本発明の第４実施形態に係るパワー半導体モジュールの構成を示す要部断面図である。 本発明の第５実施形態に係るパワー半導体モジュールの構成を示す要部断面図である。 本発明の第６実施形態に係るパワー半導体モジュールの構成を示す要部断面図である。 本発明に係る試験品と従来の試験品を用いた場合の試験結果を示す説明図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下に示す絶縁基板と冷却器の接合構造体、及びこれを用いたパワー半導体モジュールの断面図において、各層の厚さは理解を促進するために誇張して記載している。

［第１実施形態に係る絶縁基板と冷却器の接合構造体］
図１は、本発明の第１実施形態に係る絶縁基板と冷却器の接合構造体１０００（以下、単に「接合構造体１０００」と略す）の構成を示す断面図である。第１実施形態に係る接合構造体１０００は、金属製の冷却器１００と、絶縁基板２００と、冷却器１００と絶縁基板２００とを接合する超高温接合層１０と、から構成されている。本発明の重要な構造上の特徴の１つである超高温接合層１０は、ＡｇとＣｕを基材とし、６００℃以上に融点または固相線温度（溶け始める温度）を有する合金接合材（純Ａｇも含む）を融解して形成した接合層である。超高温接合層１０を形成する接合材としては、基材にＩｎを添加した、Ａｇ−２４％、Ｃｕ−１５％Ｉｎ合金や、基材にＳｎを添加した、Ａｕ−３０％、Ｃｕ−１０％Ｓｎ合金（ｍａｓｓ％、以下同様）が挙げられる。なお、これ以外の組成比の合金、これ以外の元素を添加した合金を用いることも可能である。

冷却器１００は、空冷、水冷の冷却方式を問わない。即ち、図１のような冷却フィン構造のものでも、また、前述した特許文献１に開示されている水冷ジャケット構造でも良い。材質は、上記した超高温接合層１０の接合作業温度にて融解、変形せずに、且つ、延性が高く（高延性であり）、加工性の高い金属材料が望ましい。また、瞬時耐熱６００℃以上の金属材料からなることが望ましい。製造原価が廉価で、この要件に最も適合するものとして、ＣｕまたはＣｕを基材とする合金（真鍮など）を挙げることができる。

絶縁基板２００は、平板形状をなすセラミック基板１１と、該セラミック基板１１の下面に、周知のダイレクトボンド法、或いは、活性金属接合法で接合された下部回路金属板１２と、セラミック基板１１の上面に、やはりダイレクトボンド法、或いは、活性金属接合法で接合された上部回路金属板１３と、を有する構造をなしている。この接合層（図示省略）の融点は、前述の超高温接合層１０よりも、３０℃以上高いことを要件とする。ダイレクトボンド法や活性金属接合法で接合した接合層は、一般的にはこの要件を満足する。

本発明のセラミック基板１１として、靭性が高い窒化珪素（ＳｉＮ）が推奨される。また、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ベリリア（ＢｅＯ）を用いることもできる。セラミック基板１１の厚みは、０．１ｍｍ〜２ｍｍの範囲であることが望ましく、実用的には０．３１ｍｍ程度の厚さにするのが好適である。なお、セラミック基板１１は、複数枚重ねて設けられる場合もある。

下部回路金属板１２は、融点が１３５０℃以上、且つ、低熱膨張を呈する高弾性金属層（低熱膨張高弾性金属層）を少なくとも１層含む単層または多層に構成されている。ここで、低熱膨張高弾性とは、室温における合成線熱膨張係数が８ｐｐｍ／℃以下である金属板と定義する。下部回路金属板１２に適した材料としては、単体元素材料としてＭｏやＷが挙げられる。単体合金材料としては、ＣｕＷ（焼結）やＣｕＭｏ（焼結）の板材ほか、ＫｏｖａｒやＡｌｌｏｙ４２などの板材も適している。６４Ｆｅ−３６Ｎｉ合金や６４Ｆｅ−３６Ｎｉ−５Ｃｏ合金、３６．５Ｆｅ−５４Ｃｏ−９．５Ｃｒ合金等の、超低熱膨張合金板の両面に冶金学的方法でＣｕ板を接合させて形成したクラッド板材も下部回路金属板１２として好適である。

また、前述した単体元素材料板材（ＭｏやＷ）や単体合金材料板材（ＣｕＷなど）の両面に薄いＣｕ板を冶金学的に接合させたクラッド板材も適用することができる。下部回路金属板１２の厚みは実用上０．１ｍｍ〜２ｍｍの範囲であることが望ましく、０．２ｍｍ〜１ｍｍの範囲であることがより望ましい。

一方、上部回路金属板１３として、通常のＣｕ板を用いることをできる。しかし、絶縁基板２００を作製するときに生産性の向上を図る観点と、作製後に反りが発生するという問題を軽減する観点から、上部回路金属板１３は下部回路金属板１２と同じ構造、且つ、同じ厚みにするのが好ましい。なお、上部回路金属板１３は用途に応じてパターニングされているものとする。

次に、第１実施形態に係る接合構造体１０００の製造方法について説明する。初めに、冷却器１００と絶縁基板２００をそれぞれ独立に準備する（準備工程）。

一例として、ＣｕまたはＣｕを基材とする合金（真鍮など）で冷却器１００を作製する場合で説明すると、切削、鋳造、圧延する等の周知の加工法を用いてＣｕまたはその合金を加工し、図１に示す如くのフィン構造の冷却器１００を作製する。

一方、絶縁基板２００を作製するためには、所定の材質、層構造、厚みを有する下部回路金属板１２と上部回路金属板１３との間に、所定の厚み、材質を有するセラミック基板１１を挟持し、且つ加圧したところで、周知のダイレクトボンド法（ＤＣＢ法）または活性金属接合法でセラミック基板１１と下部回路金属板１２、上部回路金属板１３とを接合させ、これを絶縁基板２００とする。

活性金属接合法を用いて接合する場合には、セラミック基板１１と各回路金属板１２，１３との間に、接合処理前にＴｉ−Ｃｕ−Ａｇ等の活性金属接合材を介在させるものとする。また、ダイレクトボンド法が適用できるのは、接合面がＣｕ箔で覆われているクラッド材回路金属板に限られる。

次いで、冷却器１００と絶縁基板２００を準備する準備工程が終了すると、冷却器１００と絶縁基板２００を十分に有機洗浄し、その後、冷却器１００または絶縁基板２００の接合予定部分に超高温接合剤（Ａｇ−２４％、Ｃｕ−１５％Ｉｎ合金など）をスクリーン印刷して、オーブンで乾燥させる。即時に超高温接合剤を介在させるように、冷却器１００と絶縁基板２００を重ね合わせる（重ね合わせ工程）。その後、加圧した状態で、不活性ガス雰囲気または真空雰囲気で、超高温接合剤の融点よりも３０℃以上高い温度まで上昇させる。その後、徐々に冷却すると、強固な超高温接合層１０が形成され、図１に示した構造の接合構造体１０００が完成する（接合工程）。

本発明の効果を検証するために、図７に示すように、前述の非特許文献１の構造に基づく比較例の試験品＃１と本実施形態に基づく試験品＃３〜＃５を作製し（１品種あたり最低３個用意）、−４０℃〜２５０℃の範囲で、冷熱サイクル試験（３０００サイクル）を実施した。絶縁基板（セラミック基板）と冷却器（空冷フィン）の縦と横の寸法は２０ｍｍ×１８ｍｍであり、全試験品で共通であった。冷却器１００はタフピッチ銅製で、切削加工で作製し、その高さは約２０ｍｍである。絶縁基板２００の上部回路金属板１３、下部回路金属板１２の縦と横の寸法は１９ｍｍ×１７ｍｍで、各回路金属板１２，１３は、その縦横の中心線がセラミック基板の中心線と一致するように、セラミック基板の両面に活性金属接合法で接合されている。

比較例の試験品＃１では、冷却器１００と絶縁基板２００とが共晶Ａｕ−Ｓｎ高温はんだ（融点２８０℃）で接合され、絶縁基板２００の上部回路金属板１３と下部回路金属板１２は無酸素Ｃｕの単板で構成されている。この２点の相違を除けば、比較例の試験品♯１の断面構造は見かけ上、図１と同じである。

また、比較例の試験品＃２は、第１実施形態の効果を解析するために特別に作製した試験品である。該試験品＃２では、冷却器１００と絶縁基板２００とが第１実施形態に基づく超高温接合層１０で接合されているが、絶縁基板２００の上部回路金属板１３、及び下部回路金属板１２は、非特許文献１の構造と同様に、無酸素Ｃｕの単板で構成されている。

故障モードを確認するためのサーベイ冷熱サイクル試験を行った結果、試験品＃１はＡｕ−Ｓｎ高温はんだ接合層の外縁が起点となって、同はんだ層にクラックが発生し、次第に中心部に向かってクラックが進展し、遂には、絶縁基板が冷却器から完全に遊離する故障モードであることが判明した。

一方、試験品＃２と第１実施形態に係る試験品♯３，♯４，♯５では、絶縁基板２００の下部回路金属板１２の外縁が起点となりクラックが発生し、そのクラックがセラミック基板１１と下部回路金属板１２との間の接合層または接合界面近傍のセラミック基板１１の表面に沿って中心に向かって進展して行く故障モードが観察された。しかし、試験品♯３，♯４，♯５では、３０００サイクル終了後でも絶縁基板２００が冷却器１００から完全に離脱するような激しい故障は観察されなかった。

こうして、比較例の試験品＃１と＃２と第１実施形態に係る試験品♯３，♯４，♯５の故障モードが明らかになったことを受けて、寿命を決定するための−４０℃〜２５０℃の冷熱サイクルにて本試験を実施した。この試験で、「寿命」は「下部回路金属板の４隅コーナー部でＡｕ−Ｓｎ高温はんだ層、または下部回路基板−セラミック基板接合層に沿って起こった上記クラックの進展が２ｍｍに達したときのサイクル数」と定義した。ここで、クラックの検出場所をコーナー部と限定したのはクラックの発生時期が最も早く、クラックの進展速度が最も大きいからである。

試験開始後、累積２０サイクル後、５０サイクル後、１００サイクル後、２００サイクル後、５００サイクル後に、これ以降は５００サイクル毎に試験を中断し、その時々のクラックの発生を光学顕微鏡で仔細に観察した。試験は累積３０００サイクルで打ち切った。クラックの進展の深さを光学顕微鏡で観察するのが難しい場合は、その時点で試験品を１つ抜き出し、該試験品のコーナー部分の断面電子顕微鏡観察を行い、クラックの進展の深さを計測し、寿命に達しているか否かを判断した。

図７に、寿命試験の結果（サイクル寿命）を示している。一般に、ある部品を民生や産業の製品に適用する場合、規定された冷熱サイクル試験条件で、１０００サイクル以上の寿命が必要とされている。この指標に照らして、非特許文献１の方式を採用した従来技術に基づく試験品＃１の結果を見ると、試験品＃１の寿命２０サイクルは民生や産業の製品に適用できる寿命水準に遠く及ばないことがわかる。

これに対して、本願の第１実施形態に係る各種試験品＃３〜＃５は、すべて寿命が１０００サイクルを大きく超え、１５００サイクル以上に達している。これらの事実から、第１実施形態に係る接合構造体１０００は、非特許文献１で開示されている従来技術の問題点、即ち、前述した（ｄ）絶縁基板と冷却器との間の高温はんだ接合層（Ａｕ−Ｓｎ）が急速に疲労して破断するという問題を解決している。前述したように、非特許文献１に開示された技術では、特許文献１の問題点（ａ）と（ｂ）を解決したものの、（ｃ）と同等の課題（ｄ）については解決できなった。しかるに、本願の第１実施形態に係る接合構造体１０００は、非特許文献１の従来技術の問題（ｄ）を解決したのであるから、特許文献１の従来技術の問題点（ａ）〜（ｃ）を同時に解決したと言うこともできる。

次に、本発明の第１実施形態に係る接合構造体１０００の作用について説明する。第１実施形態で為した２つの構造改良のうち、超高温接合層１０だけを採用した試験品＃２は、試験品＃１と比べると、冷熱サイクル寿命を１００サイクルまで延ばすと共に、クラックの発生地点を、下部回路金属板と冷却器との接合層（試験品＃１）から、セラミック基板と下部回路金属板との接合層（試験品＃２）に転換させていることがわかる。

この事実から、超高温接合層１０は、冷熱サイクルストレス疲労に対して非常に強い耐性を呈する作用があり、その結果として、非特許文献１（試験品＃１）で問題となっていた「Ａｕ−Ｓｎ高温はんだ接合層でクラックが発生、進展する」という劣化モードを解決できる、という作用が発生したことが理解される。しかしながら、この劣化モードが解決された結果、試験品＃２（寿命１００サイクル）では、これまでその陰に隠れていたセラミック基板と下部回路金属板との接合層の疲労劣化モードが顕在化したと解釈すると、現象をよく説明できる。

次に、比較例の試験品＃２と第１実施形態に係る試験品＃３，＃４の結果を比較すると、試験品＃３及び＃４は、故障モードが変化することなく、冷熱サイクル寿命を極めて大幅に延長させる作用があることがわかる。第１実施形態に係る試験品＃３及び＃４と、比較例の試験品＃２との相違は、融点が１３５０℃以上、且つ、低熱膨張を呈する金属層を少なくとも１層含む単層または多層の低熱膨張高弾性が試作品♯３，♯４の下部回路金属板１２に含まれている点である。冷却器１００とセラミック基板１１の中間位置にある「低熱伸縮性」の金属板が、熱伸縮し易いＣｕ製の冷却器１００と、熱伸縮し難いセラミック基板１１との間で生じる大きな冷熱サイクルストレスを大略引き受け、それに耐えることによって、セラミック基板と下部回路金属板との接合層には過大な冷熱サイクルストレスが伝播しないようにしたと考えると、図７に示した結果を合理的に説明できる。

このようにして、第１実施形態に係る接合構造体１０００では、下部回路金属板１２に、低熱膨張高弾性金属層を少なくとも１層備え、且つ、接合層として、融点または固相線温度が６００℃以上である超高温接合層を用いるので、従来よりも高いＴｊｍａｘ、広いΔＴｊサイクルの環境下においても、高い信頼性で機能する接合構造体を提供できる。従って、温度差が大きい冷熱サイクルストレスに対して、耐性を高めることが可能となる。

また、下部回路金属板１２は、合成線熱膨張係数が８ｐｐｍ／℃以下である材料を用いるので、温度差が大きい冷熱サイクルストレスに対して、より一層耐性を高めることが可能となる。更に、低熱膨張高弾性金属層は、Ｍｏ、Ｗ、ＣｕＷ、ＣｕＭｏ、Ｋｏｖａｒ、Ａｌｌｏｙ４、６４Ｆｅ−３６Ｎｉ合金、６３Ｆｅ−３２Ｎｉ−５Ｃｏ合金、３６．５Ｆｅ−５４Ｃｏ−９．５Ｃｒ合金、の何れかの金属材料から選ばれた１層以上の板材で形成されるので、温度差が大きい冷熱サイクルストレスに対して、より一層耐性を高めることが可能となる。

また、下部回路金属板１２の厚みが、０．１ｍｍ〜２ｍｍの範囲であるので、温度差が大きい冷熱サイクルストレスに対して、より一層耐性を高めることが可能となる。更に、超高温接合層１０として、ＡｇとＣｕを基材する合金、またはＡｇを用いることにより、温度差が大きい冷熱サイクルストレスに対して、より一層耐性を高めることが可能となる。

また、超高温接合層１０として、Ａｇを２４％、Ｃｕを１５％含むＩｎ合金、及び、Ａｕを３０％、Ｃｕを１０％含むＳｎ合金、のうちのいずれかを用いることにより、温度差が大きい冷熱サイクルストレスに対して、より一層耐性を高めることが可能となる。更に、セラミック基板１１を、窒化珪素（ＳｉＮ）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ベリリア（ＢｅＯ）から選ばれた１つとすることにより、温度差が大きい冷熱サイクルストレスに対して、より一層耐性を高めることが可能となる。

また、セラミック基板１１の厚みを、０．１ｍｍ〜２ｍｍの範囲とすることにより、温度差が大きい冷熱サイクルストレスに対して、より一層耐性を高めることが可能となる。更に、冷却器１００として、瞬時耐熱６００℃以上で、且つ、高延性の金属材料を用いることにより、温度差が大きい冷熱サイクルストレスに対して、より一層耐性を高めることが可能となる。

また、冷却器１００として、ＣｕまたはＣｕを基材とする合金を用いることにより、温度差が大きい冷熱サイクルストレスに対して、より一層耐性を高めることが可能となる。

［第２実施形態に係る絶縁基板と冷却器の接合構造体］
ある部品を、屋外の酷環境で使用される製品に適用する場合、規定された冷熱サイクル試験条件下で、その部品には寿命３０００サイクル以上の寿命を達成することが信頼性の目安とされている。第２実施形態及び後述の第３実施形態では、この条件を満足するようにしている。

図２は、本発明の第２実施形態に係る接合構造体２０００の構成を示す要部断面図である。前述した図１と同一部分には同一符号を付して、説明を省略する。第２実施形態に係る接合構造体２０００と、前述した第１実施形態に係る接合構造体１０００とで相違する点は、絶縁基板２０１の下部回路金属板１２ａのみである。以下では、下部回路金属板１２ａの付近についてのみ説明する。下部回路金属板１２ａは、融点が１３５０℃以上、且つ、低熱膨張を呈する金属層を少なくとも１層含む単層または多層の低熱膨張高弾性から成っている。

この低熱膨張高弾性の定義は、下部回路金属板１２ａに適する材料、及び厚みも前述した第１実施形態の下部回路金属板１２と同一であるので説明を省略する。また、下部回路金属板１２ａは、図２から明らかなように、断面の外形が逆台形（セラミック面が上底、超高温接合面が下底）に形成されている。これは、下部回路金属板１２ａの底面の端部に逆テーパ部１４が形成されていると表現することもできる。即ち、下部回路金属板１２ａの周縁は、該下部回路金属板１２ａの、超高温接合層１０との接合面を下側の底面とした逆テーパ形状となっている。

端部に逆テーパ部１４が形成された結果、第２実施形態に係る接合構造体２０００を上部から透視した場合、下部回路金属板１２ａと冷却器１００との接合面（超高温接合層１０）が、セラミック基板１１と下部回路金属板１２ａとの接合面の周縁よりも、テーパの水平成分の分だけ内部に後退した配置となる。テーパ角度（テーパ無しを９０°とする）は、０°に近い方が冷熱サイクル信頼性には良い結果を与える。しかし、超高温接合層１０との有効面積が減少して放熱性が低下するという別の問題が発生するので、実用上はテーパ角度が３５°〜８５°の範囲が望ましく、４５°〜７５°の範囲がより一層望ましい。

次に、図２に示した第２実施形態に係る接合構造体２０００の製造方法について説明する。初めに、冷却器１００と絶縁基板２０１をそれぞれ独立に準備する。

冷却器１００の作製方法は、第１実施形態で示した作製方法と同一であるので説明を省略する。絶縁基板２０１を作製するためには、まず、所定の材質、層構造、厚みを有する下部回路金属板１２ａと、上部回路金属板１３を用意する。ここで、下部回路金属板１２ａは、端部断面に逆テーパ部１４を備えるように加工される（加工工程）。上部回路金属板１３についても同様のテーパ形状としても良い。

逆テーパ部１４の形成方法は、切削加工が最も一般的である。これ以外に、上部回路金属板１３が化学的に活性な材料である場合には、ウェットエッチングで回路パターンを形成するときにエッチング条件を適正化して逆テーパ部１４を形成することもできる。下部回路金属板１２ａと上部回路金属板１３が用意できたら、第１実施形態に示した製造過程と同様に、下部回路金属板１２ａと上部回路金属板１３の間に所定の厚み、材質のセラミック基板１１を挟持し、且つ加圧する。そして、周知のダイレクトボンド法、または活性金属接合法でセラミック基板１１と下部回路金属板１２ａ、上部回路金属板１３とを接合させ、絶縁基板２０１とする。

その後、冷却器１００と絶縁基板２０１を超高温接合剤（上記Ａｇ−２４％、Ｃｕ−１５％Ｉｎ合金など）で接合させて、超高温接合層１０を形成する。その後、接合構造体２０００を完成させるまでの製造工程は、前述した第１実施形態の作製方法と同様であるので説明を省略する。

第２実施形態に係る接合構造体２０００の効果を検証するために、第１実施形態に係る接合構造体１０００の試験品＃４（図７参照）の下部回路金属板１２（ＣＩＣクラッド板、厚み０．３５ｍｍ）にウェットエンチングで約６０°の逆テーパをつけた第２実施形態に係る接合構造体２０００の試験品＃６を作製して、−４０℃〜２５０℃冷熱サイクル寿命試験（３０００サイクル打ち切り）を実施した。試験法は、前述した第１実施形態で詳述したので説明を省略する。

その結果、クラックの発生、進展を含むすべての不良を発生させることなく、所望の３０００サイクルを終了することに成功した。この結果は、図７に示す通りである。なお、セラミック基板をＡｌＮ基板とし、下部回路金属板１２ａをＣＩＣクラッド材、またはＭｏとした試験品でも３０００サイクル超を達成できる。

下部回路金属板１２ａに逆テーパ部１４を形成した試験品＃６が、逆テーパ部１４を形成しない試験品＃４より冷熱サイクル寿命が延びた理由は、定性的に以下のようにして説明される。試験品＃４では、熱伸縮し易いＣｕ製冷却器１００と熱伸縮し難いセラミック基板１１との間で生起する大きな冷熱サイクルストレスを、下部回路金属板１２に含まれる低熱膨張高弾性が減殺して、サイクル寿命を延ばすことができる。しかし、減殺しきれない残余の冷熱サイクルストレスは、セラミック基板１１と下部回路金属板１２との界面に印加され、サイクル数の経過と共に疲労が進む。特に、水平構造が不連続となるセラミック基板１１と下部回路金属板１２との接合部の周縁は構造的に脆い上に、残余ストレスが最も集中し易い場所でもあるから、クラックの起点となり易く、ひと度クラックが生じると、速い速度で進展し易い性質を帯びている。

これに対して、第２実施形態に係る試験品＃６の下部回路金属板１２ａにおいては、逆テーパ部１４が接合周縁部に集中する残余ストレスを分散させ和らげる効果がある。これに加えて、下部回路金属板１２ａの周縁部は、逆テーパ部１４の傾斜によって薄くなっていて、クラックが発生し難くなっている。これら２つの効果が相乗的に作用し、クラックが発生をするサイクル数を、３０００サイクル以上にさせたものと考えられる。

このようにして、第２実施形態に係る絶縁基板と冷却器の接合構造体２０００では、下部回路金属板１２の周縁が、該下部回路金属板１２の、超高温接合層１０との接合面を下側の底面とした逆テーパ形状となっている。即ち、逆テーパ部１４が形成されている。そして、該逆テーパ部１４により、接合周縁部に集中する残余ストレスを分散させるので、温度差が大きい冷熱サイクルストレスに対して、より一層耐性を高めることが可能となる。

また、下部回路金属板の周縁に形成される逆テーパ部１４のテーパ角度を、３５°〜８５°の範囲とすることにより、温度差が大きい冷熱サイクルストレスに対して、より一層耐性を高めることが可能となる。

［第３実施形態に係る絶縁基板と冷却器の接合構造体］
図３は、第３実施形態に係る接合構造体３０００の構成を示す要部断面図である。前述した図１と同一部分には同一符号を付して、説明を省略する。第３実施形態に係る接合構造体３０００は、第１実施形態に係る接合構造体１０００と同様に、基本構造は、冷却器１０１と、絶縁基板２００と、冷却器１０１と絶縁基板２００とを接合する超高温接合層１０と、から構成されている。

冷却器１０１は、空冷、水冷の冷却方式を問わない。図３のような冷却フィン構造のものでも、特許文献１記載の水冷ジャケット構造でもよい。材質は、超高温接合層１０の接合作業温度に耐え（融解したり変形したりしない）、且つ、高延性であり加工性の高い金属材料が望ましい。製造原価が低くこの要件に最も適合するのは、ＣｕまたはＣｕを基材とする合金（真鍮など）である。図１に示した冷却器１００と対比すると、第３実施形態に係る接合構造体３０００では、冷却器１０１の上面に台座１５が設けられている点で相違する。この台座１５は、後から接合するのではなく、冷却器１０１と一体化されたものである。台座１５の高さは０．１ｍｍ〜１ｍｍの範囲であることが望ましく、０．３ｍｍ〜０．６ｍｍの範囲であることが一層望ましい。

台座１５の形状は、平面視した際に、下部回路金属板１２の形状と縮小相似形にあり、両者の重心と中心線が一致するように（言い換えると、等角写像的関係に）突き合わされて超高温接合層１０によって強固に接合されている。

符号１６は、台座１５と接合しない下部回路金属板１２の非接合領域である。上面から眺めた非接合領域１６の形状は、等幅帯状となる。非接合領域１６（等幅帯状非接合領域）の幅は、下部回路金属板１２の厚みを基準に、±０．２ｍｍ以内の範囲であることが望ましい。例えば、絶縁基板２００の下部回路金属板１２の厚みが０．３５ｍｍのとき非接合領域１６の幅は、０．３５±０．２ｍｍ（＝０．１５ｍｍ〜０．５５ｍｍ）の範囲とする。

次に、図３に示した第３実施形態に係る接合構造体３０００の製造方法を説明する。初めに、冷却器１０１と絶縁基板２００をそれぞれ独立に準備する。ＣｕまたはＣｕを基材とする合金（真鍮など）を用いて冷却器１０１を作製する場合を例に説明すると、切削、鋳造、圧延するなどの周知の加工法を用いて、Ｃｕまたはその合金を加工し、図３のような台座１５を備えたフィン構造の冷却器１０１を作製する。

絶縁基板２００の作製方法は、前述した第１実施形態で示した接合構造体１０００の製造方法で説明したので省略する。

冷却器１０１と絶縁基板２００が準備できたところで、冷却器１０１と絶縁基板２００を十分に有機洗浄した後、冷却器１００の接合予定面に超高温接合剤（Ａｇ−２４％、Ｃｕ−１５％Ｉｎ合金など）を塗布して、オーブンで乾燥させる。即時に、超高温接合剤を介在させて、冷却器１０１と絶縁基板２００を重ね合わせ、加圧した状態で、不活性ガス雰囲気または真空雰囲気で、超高温接合剤の融点よりも３０℃以上高い温度まで上昇させ、徐々に冷却する。すると、強固な超高温接合層１０が形成され、図３に示した構造の接合構造体３０００が完成する。下部回路金属板１２の内周に上述した等幅帯状の非接合領域１６を作成するために、超高温接合剤の接合形成にあたっては、アライメント手段としてのカーボン治具を使用することが推奨される。

第３実施形態に係る接合構造体３０００の効果を次のようにして検証した。即ち、図７に示した第１実施形態に係る接合構造体１０００の試験品＃４の冷却器１００を、台座１５を備えた冷却器１０１に変更して第３実施形態に係る接合構造体３０００の試験品＃７を作成した。そして、この試作品♯７について、−４０℃〜２５０℃の冷熱サイクル寿命試験（３０００サイクル打ち切り）を実施した。試験品＃７の台座１５の高さは、０．３ｍｍ、非接合領域１６の幅は０．３ｍｍであった。試験結果は、セラミック基板１１と下部回路金属板１２との接合部にも、下部回路金属板１２と台座１５との接合部にも、いかなるクラックをも発生させることなく所望の３０００サイクルを終えることができた。なお、セラミック基板をＡｌＮ基板とし、下部回路金属板１２をＣＩＣクラッド材またはＭｏとした試験品でも同様に３０００サイクル超を達成できた。

次に、第３実施形態に係る接合構造体３０００において、上記の効果が得られる理由について説明する。

一般に、セラミック基板とそれより小さな寸法の回路金属板との接合部において、最も破断しやすい場所は、回路金属板の周縁である。また一般に、膨張率の小さなセラミック基板と膨張率の大きなバルク金属基板（冷却器１０１に相当）とを、両基板より面積が小さく、且つ、両基板膨張率の間の合成膨張率を有する薄い金属板片（下部回路金属板１２に対応）を介して接合したとき、各温度において最も応力が大きくなるのは、薄い金属板片周縁の接合界面付近である。図１を見れば分かるように、前述した第１実施形態に係る接合構造体１０００は、セラミック基板の接合部の破断し易い場所と、応力が集中する位置がｘ−ｙ平面状で一致している。

しかし、第３実施形態に係る接合構造体３０００では、冷却器１０１に下部回路金属板１２よりも小面積の台座１５を設ける構成としているため、上述した熱応力が集中し易い場所は台座１５の周縁部である。一方、セラミック基板１１の接合部が最も破断し易い下部回路金属板１２の周縁部が、熱応力の最も集中し易い台座１５の周縁部と非接合領域１６の幅だけ離れる構造になっている。このため、第１実施形態と比べると、下部回路金属板１２周縁部の熱応力が相対的に弱まり、結果として、この部分での熱疲労の進行が遅くなり、クラックの発生の時期が少なくとも３０００サイクル以上に延びたと考えられる。

このようにして、第３実施形態に係る絶縁基板と冷却器の接合構造体３０００では、冷却器１０１の、下部回路金属板１２との接触側となる上面には、下部回路金属板１２に対して平面視した際に、縮小相似形状をなす台座１５が形成され、該台座１５と下部回路金属板１２とが、等角写像的関係を保ちつつ超高温接合層１０を介して接合された構成とされるので、温度差が大きい冷熱サイクルストレスに対して、耐性を高めることが可能となる。

更に、台座１５と下部回路金属板１２の接合で、該下部回路金属板１２の内縁に生じた等幅帯状非接合領域の幅を、該下部回路金属板１２の厚みを基準に±０．２ｍｍ以内の範囲とすることにより、温度差が大きい冷熱サイクルストレスに対して、耐性を高めることが可能となる。

［第４実施形態に係るパワー半導体モジュール］
図４は、本発明の第４実施形態に係るパワー半導体モジュール４０００の構成を示す要部断面図である。第４実施形態に係るパワー半導体モジュール４０００は、前述した第１実施形態に係る接合構造体１０００を備える。更に、該接合構造体１０００の上部回路金属板１３の上に載置され、且つ、耐熱接合層２０を介して上部回路金属板１３の一の要素の上面に電気的、機械的に接合されたワイドバンドギャップ半導体を用いたパワー半導体装置チップ２１を備える。また、該パワー半導体装置チップ２１の上部電極（図示省略）と、上部回路金属板１３の他の要素を電気的に接続するボンディングワイヤ２２（空間結線手段）を備えている。

空間接合手段としては、ボンディングワイヤ２２以外に、ボンディングリボン、クリップリードを用いることもできる。図４に示す接合構造体１０００は第１実施形態に示した接合構造体１０００と同一であるので、説明を省略する。

パワー半導体装置チップ２１としては、炭化珪素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）、ダイヤモンド（Ｃ）、酸化ガリウム（Ｇａ2Ｏ3）等のワイドバンドギャップ半導体を主材料として用いることができる。但し、これらに限定されるものではない。パワー半導体装置チップ２１の表面には、ワイヤボンドを可能とする厚いＡｌ膜（Ａｌパッド、図示省略）が形成され、裏面には、金属接合を可能とするＴｉ／Ｎｉ／Ａｇなどの実装電極（図示省略）が形成されている。

耐熱接合層２０の接合材料は、融点、固相線温度、及び接合プロセス温度のうちの少なくとも１つが、Ｔｊｍａｘ（パワー半導体装置チップ２１の最大作動温度）よりも３０℃以上高く、且つ、パワー半導体装置チップ２１のアセンブリプロセス耐熱温度（瞬時耐熱温度）Ｔｐｍａｘ以下である金属または合金材料を用いることが望ましい。いま、Ｔｊｍａｘ＝２５０℃、Ｔｐｍａｘ＝４５０℃とすると、この要件に適合する材料として、例えば、Ａｕ−Ｓｎはんだ、Ａｕ−Ｇｅはんだ、Ａｕ−Ｓｉはんだ、Ｚｎ−Ａｌはんだ、ＡｇやＡｕ、Ｃｕなどのナノ粒子（またはナノロッド、ナノフレーク）材などが挙げられる。しかし、前記条件を満たせば、これ以外の材料を使用することも可能である。

ボンディングワイヤ２２は、周知のＳｉパワー半導体モジュールのワイヤと同じＡｌワイヤ（合金を含む）を用いることができる。Ｃｕワイヤの外周を厚いＡｌ膜で被覆したＡｌクラッドＣｕワイヤも用いることができる。Ａｕワイヤは高温でＡｌパッドと反応してパープルプラーク不良を短時間に発生するので、その使用は望ましくない。ワイヤの径は、５０μｍ〜６００μｍの範囲であることが望ましく、１００μｍ〜３５０μｍの範囲であることがより望ましい。

第１実施形態にて示した接合構造体１０００の上部回路金属板１３の表面には、厚いＮｉめっき（図示省略）が施されている。Ｎｉめっきの上に薄いＡｕめっき（図示省略）を施すのが望ましい。Ｎｉめっきの役割は、高温雰囲気から起こる上部回路金属板１３の表面の激しい酸化を防ぐことと、高温はんだなどでパワー半導体装置チップ２１を接合するとき（耐熱接合層２０を形成するとき）接合材の濡れ性を良くすることと、サービス期間中に耐熱接合層２０と上部回路金属板１３基材との間で起こる反応を抑止することが目的である。薄いＡｕめっきの役割は、耐熱接合層２０形成までの暫時、Ｎｉめっき表面が酸化するのを防止すること、耐熱接合層２０形成のときに接合材の濡れ性を促進することが目的である。

次に、第４実施形態に係るパワー半導体モジュール４０００の製造方法について説明する。初めに、第１実施形態にて示した製造方法で説明した通りの製造工程で、接合構造体１０００を作製する。

続いて、接合構造体１０００をきれいに洗浄し、該接合構造体１０００の金属部分表面に形成された自然酸化膜を酸で除去する。更に、金属部分表面に無電解めっき法ではじめにＮｉめっき（詳細には、Ｎｉ−Ｐめっき、またはＮｉ−Ｂめっき）を被覆する（被覆工程）。次いで、Ａｕめっきを被覆する。ここで金属部分とは、上部回路金属板１３及び冷却器１００のことである。Ｎｉめっきの厚みは、０．５μｍ〜１５μｍの間が望ましく、３μｍ〜７μｍの範囲がより望ましい。Ａｕめっきの厚みは０．０１μｍ以上であればよい。本実施形態において、Ｎｉ／Ａｕめっきが必須なのは絶縁基板２００の上部回路金属板１３の表面だけであるから、めっきの材料コストを下げる観点から冷却器１００の表面に付着しないようにして、Ｎｉ／Ａｕめっきをしてもよい。

Ｎｉ／Ａｕめっきが終了したところで、ワイドバンドギャップのパワー半導体装置チップ２１と接合構造体１０００をアセトン、イソプロピルアルコール等の有機溶剤で超音波洗浄し、これらの部品の表面に付着している汚染物を除去する。また、耐熱接合層２０を形成するもとになる接合材料が板状の固体である場合には、該接合材料も同様にして洗浄する。

続いて、減圧リフロー装置のリフロー台に、接合構造体１０００を設置し、上部回路金属板１３の所定の位置に、耐熱接合層２０を形成するための耐熱接合材料、例えば、共晶Ａｕ−Ｇｅ高温はんだを載置する。もし、耐熱接合材料がペースト状のものである場合は、シリンジ等を利用して所定の位置にはんだペーストを滴下する。そして、耐熱接合材料の上にパワー半導体装置チップ２１を置き、静止させる。

ここで、上部回路金属板１３の接合させるべき位置に耐熱接合材料とパワー半導体装置チップ２１を正確に載置すると共に、リフロープロセス（熱プロセス）中のパワー半導体装置チップ２１の位置ずれを防止するために、テンプレート式カーボン治具を使用することが望ましい。

上記準備が終了したならば、リフロー工程を実行する。初めに、減圧リフロー装置の扉を閉鎖し、試料室の排気を行う。試料室内の圧力が５ミリバール以下になったら、不活性ガスを導入する。この操作を数回行い、試料室内の空気を不活性ガスで置換する。これにより、試料室は不活性ガスで充満することになる。

そして、リフロー台、或いは試料室全体を加熱して、上記各部品の温度を概ね２００℃に昇温し、約２分間この温度を保持する。このとき、蟻酸蒸気を含む不活性ガスを導入して汚染有機物の除去を促進してもよい。

その後、不活性ガス導入を停止し、排気を再開して試料室を５ミリバール以下に減圧すると共に、リフロー台（または試料室全体）を更に加熱して、接合構造体１０００と耐熱接合材料とパワー半導体装置チップ２１を耐熱接合材料の融点より約３０℃高い温度（共晶Ａｕ−Ｇｅ高温はんだの場合は約４００℃）まで昇温させ、リフローさせる。この温度は、パワー半導体装置チップ２１の瞬時耐熱温度よりも低い温度領域とする。保持時間は約１分である。

リフローが終了したら、試料室に不活性ガスを導入し降温を開始する。チャンバ内部の温度が十分低い温度まで下がったところで、完成品、即ち、第４実施形態に係るパワー半導体モジュール４０００をリフロー装置から取り出す。

最後にワイヤボンダーを用いて、ボンディングワイヤ２２（Ａｌワイヤなど）でパワー半導体装置チップ２１のＡｌパッドと上部回路金属板１３（或いは、モジュール外のリード端子など）の所定の位置を電気的に結合する（電気接続工程）。その結果、第４実施形態に係るパワー半導体モジュール４０００が完成する。

本実施形態の効果を検証するために、第４実施形態に係るパワー半導体モジュール４０００の試験品＃８を作製して、−４０℃〜２５０℃冷熱サイクル試験（３０００サイクル）を実施した。冷熱サイクル試験の方法は第１実施形態で説明した通りである。図７に示すように、試験品＃８は、第１実施形態に係る接合構造体の検証に作製した試験品＃４の上部回路金属板１３片と、市販のＳｉＣ半導体ショットキーバリアダイオードチップ（定格：耐圧６００Ｖ、１２Ａ）を、共晶Ａｕ−Ｇｅ高温はんだ（融点３５６℃）で接合させて、耐熱接合層２０とする。更に、ＳｉＣ半導体ショットキーバリアダイオードチップのＡｌパッド（アノード）と上部回路金属板１３を、直径２００μｍのＡｌボンディングワイヤを２本で接続したものとなっている。

試験結果は、図７の試験品＃８に示した通りであり、試験品＃４と同様であった。即ち、第４実施形態に係るパワー半導体モジュール４０００の寿命は、２５００サイクル、故障モードは、下部回路金属板１２とセラミック基板１１との接合層の周縁を起点とする接合層に沿ったクラック進展であった。接合層のクラックの原因、即ち、熱応力変化による接合層の疲労は、全体に占める体積が格段に大きい冷却器１００と絶縁基板２００の作用が支配するので、この結果は当然の結果である。

このように、第４実施形態に係るパワー半導体モジュール４０００は、寿命２５００サイクルを達成している。これらの事実から、非特許文献１で開示されている従来のパワー半導体モジュールの問題点である、（ｄ）絶縁基板と冷却器との間の高温はんだ接合層（Ａｕ−Ｓｎ）が早期に疲労して破断するという問題を解決している、と言うことができる。冒頭で説明したように、非特許文献１では、特許文献１の問題点（ａ）と（ｂ）を解決できるものの、非特許文献１の課題（ｄ）に等しい課題（ｃ）は解決できなかった。しかるに、第４実施形態に係るパワー半導体モジュール４０００は、非特許文献１の問題（ｄ）を解決したのであるから、特許文献１の問題点（ａ）〜（ｃ）をも同時に解決した、と言うこともできる。

このようにして、第４実施形態に係るパワー半導体モジュール４０００では、接合構造体として、第１実施形態に示した接合構造体１０００を用いている。前述したように、接合構造体１０００は、下部回路金属板１２に、低熱膨張高弾性金属層を少なくとも１層備え、且つ、接合層として、融点または固相線温度が６００℃以上である超高温接合層を用いているので、温度差が大きい冷熱サイクルストレスに対して、耐性を高めることが可能となる。

また、パワー半導体装置チップ２１は、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ダイヤモンド（Ｃ）、酸化ガリウム（Ｇａ2Ｏ3）の少なくとも一つを主材料とするので、温度差が大きい冷熱サイクルストレスに対して、耐性を高めることが可能となる。

更に、耐熱接合層２０は、融点、固相線温度、接合プロセス温度、のうちの少なくとも一つが、パワー半導体装置チップ２１の最大作動温度よりも３０℃以上高く、且つ、パワー半導体装置チップ２１のアセンブリプロセス耐熱温度以下である金属、または合金を原料として形成されるので、温度差が大きい冷熱サイクルストレスに対して、耐性を高めることが可能となる。

また、耐熱接合層２０は、Ａｕ−Ｓｎはんだ、Ａｕ−Ｇｅはんだ、Ａｕ−Ｓｉはんだ、Ｚｎ−Ａｌはんだ、から選ばれた１つ、または、ＡｇまたはＡｕまたはＣｕのナノ粒子、またはナノロッド、またはナノフレーク材から選ばれた１つ、を原料として形成された層であるので、温度差が大きい冷熱サイクルストレスに対して、耐性を高めることが可能となる。

更に、空間結線手段は、ボンディングワイヤ、ボンディングリボン、及びクリップリードから選ばれた１つであるので、温度差が大きい冷熱サイクルストレスに対して、耐性を高めることが可能となる。また、空間結線手段の材料は、ＡｌまたはＡｌの合金、或いは、Ｃｕ母材の外周をＡｌ膜で被覆したＡｌクラッドＣｕ、のいずれかであるので、温度差が大きい冷熱サイクルストレスに対して、耐性を高めることが可能となる。

更に、ボンディングワイヤの直径を、５０μｍ〜６００μｍの範囲とすることにより、温度差が大きい冷熱サイクルストレスに対して、耐性を高めることが可能となる。また、絶縁基板と冷却器の接合構造体の、上部回路金属板の表面は、Ｎｉめっきで覆われるので、温度差が大きい冷熱サイクルストレスに対して、耐性を高めることが可能となる。

更に、Ｎｉめっきの厚みを０．５μｍ〜１５μｍの範囲することにより、温度差が大きい冷熱サイクルストレスに対して、耐性を高めることが可能となる。また、リフロー工程は、耐熱接合材料の融点よりも３０℃以上高く、且つ、パワー半導体装置チップ２１の瞬時耐熱温度よりも低い温度領域で実施されるので、温度差が大きい冷熱サイクルストレスに対して、耐性を高めることが可能となる。

［第５実施形態に係るパワー半導体モジュール］
図５は、本発明の第５実施形態に係るパワー半導体モジュール５０００の構成を示す要部断面図である。第５実施形態に係るパワー半導体モジュール５０００は、前述の第２実施形態に係る接合構造体２０００と、該接合構造体２０００の上部回路金属板１３の上に載置され、且つ、耐熱接合層２０を介して上部回路金属板１３に電気的、機械的に接合されたワイドバンドギャップ半導体を用いたパワー半導体装置チップ２１を備えている。更に、該パワー半導体装置チップ２１の上部電極と上部回路金属板１３の他の要素を電気的に接続するボンディングワイヤ２２を備えている。接合構造体２０００の構造及びその製造方法は、第２実施形態にて説明したので、ここでの説明を省略する。

第５実施形態の効果を検証するために、図７に示すように、第５実施形態に係るパワー半導体モジュール５０００の試験品＃９を作製して、−４０℃〜２５０℃の冷熱サイクル試験（３０００サイクルで試験打ち切り）を実施した。冷熱サイクル試験の方法は第１実施形態で説明した通りである。試験品＃９は、第２実施形態に係る接合構造体２０００の検証に作製した試験品＃６の上部回路金属板１３片と市販のＳｉＣ半導体ショットキーバリアダイオードチップ（定格：耐圧６００Ｖ、１２Ａ）を共晶Ａｕ−Ｇｅ高温はんだ（融点３５６℃）で接合させて耐熱接合層２０とする。そして、ＳｉＣ半導体ショットキーバリアダイオードチップのＡｌパッド（アノード）と上部回路金属板１３を直径２００μｍのＡｌボンディングワイヤ２本で接続したものとなっている。

試験品＃９の試験結果は、図７に示したように、寿命は３０００サイクル超で、試験内に不良は発生しなかった。この結果は、前記接合構造体の試験品＃６の結果と同じである。これら事実から、第５実施形態に係るパワー半導体モジュール５０００は、非特許文献１で開示されている従来パワー半導体モジュールの問題点である、（ｄ）絶縁基板と冷却器との間の高温はんだ接合層（Ａｕ−Ｓｎ）が早期に疲労して破断するという問題を解決している、また、上述の第４実施形態の効果の説明した内容と同じ理由で、第５実施形態に係るパワー半導体モジュール５０００は、特許文献１の従来技術の問題点（ａ）〜（ｃ）をも同時に解決した、と言うことができる。

第５実施形態に係るパワー半導体モジュール５０００の作用は、第２実施形態に係る接合構造体２０００で説明した内容と同様であるので、説明を省略する。

［第６実施形態に係るパワー半導体モジュール］
図６は、本発明の第６実施形態に係るパワー半導体モジュール６０００の構成を示す要部断面図である。第６実施形態に係るパワー半導体モジュール６０００は、前述した第３実施形態に係る接合構造体３０００と、該接合構造体３０００の上部回路金属板１３の上に載置され、且つ、耐熱接合層２０を介して該上部回路金属板１３に電気的、機械的に接合されたワイドバンドギャップ半導体を用いたパワー半導体装置チップ２１を備える。また、該パワー半導体装置チップ２１の上部電極（図示省略）と上部回路金属板１３の他の要素を電気的に接続するボンディングワイヤ２２を備えている。

接合構造体３０００の構造及びその製造方法については、第３実施形態で説明したので、ここでの説明を省略する。

第６実施形態の効果を検証するために、図７に示すように、第６実施形態に係るパワー半導体モジュール６０００の試験品＃１０を作製して、−４０℃〜２５０℃の冷熱サイクル試験（３０００サイクルで試験打ち切り）を実施した。冷熱サイクル試験の方法は第１実施形態で説明した通りである。試験品＃１０は、第３実施形態に係る接合構造体３０００の検証に作製した試験品＃７の上部回路金属板１３片と市販のＳｉＣ半導体ショットキーバリアダイオードチップ（定格：耐圧６００Ｖ、１２Ａ）を共晶Ａｕ−Ｇｅ高温はんだ（融点３５６℃）で接合させて耐熱接合層２０とする。そして、ＳｉＣ半導体ショットキーバリアダイオードチップのＡｌパッド（アノード）と上部回路金属板１３を直径２００μｍのＡｌボンディングワイヤ２本で接続したものとなっている。

試験品＃１０の試験結果は、図７に示したように、寿命は３０００サイクル超で、試験が終了しても不良は発生しなかった。この結果は、前述した試験品＃７の結果と同じである。これら事実から、第６実施形態に係るパワー半導体モジュール６０００は、非特許文献１で開示されている従来パワー半導体モジュールの問題点、（ｄ）絶縁基板と冷却器との間の高温はんだ接合層（Ａｕ−Ｓｎ）が早期に疲労して破断するという問題を解決している、また、前述した４実施形態の効果で示した理由と同様の理由により、第６実施形態に係るパワー半導体モジュール６０００は、特許文献１の従来技術の問題点（ａ）〜（ｃ）をも同時に解決した、と言うことができる。

以上、本発明の、絶縁基板と冷却器の接合構造体、その製造方法、パワー半導体モジュール、及びその製造方法を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。

本発明は、温度差が大きい冷熱サイクルストレスに耐性の高い接合構造体を提供する上で有用である。

１０ 超高温接合層
１１ セラミック基板
１２，１２ａ 下部回路金属板
１３ 上部回路金属板
１４ 逆テーパ部
１５ 台座
１６ 非接合領域
２０ 耐熱接合層
２１ パワー半導体装置チップ
２２ ボンディングワイヤ（空間結線手段）
１００，１０１ 冷却器
２００，２０１ 絶縁基板
１０００，２０００，３０００ 絶縁基板と冷却器との接合構造体
４０００，５０００，６０００ パワー半導体モジュール

Claims (27)

1. 平板形状のセラミック基板と、該セラミック基板の上面に接合された上部回路金属板と、前記セラミック基板の下面に接合された下部回路金属板と、からなる絶縁基板と、
   金属製の冷却器と、
   前記下部回路金属板の下面と前記冷却器の上面を接合する接合層と、を有し、
   前記下部回路金属板は、低熱膨張高弾性金属層を少なくとも１層備え、
   前記接合層は、融点または固相線温度が６００℃以上である超高温接合層であることを特徴とする絶縁基板と冷却器の接合構造体。
2. 前記下部回路金属板は、合成線熱膨張係数が８ｐｐｍ／℃以下であることを特徴とする請求項１に記載の絶縁基板と冷却器の接合構造体。
3. 前記低熱膨張高弾性金属層は、Ｍｏ、Ｗ、ＣｕＷ、ＣｕＭｏ、Ｋｏｖａｒ、Ａｌｌｏｙ４、６４Ｆｅ−３６Ｎｉ合金、６３Ｆｅ−３２Ｎｉ−５Ｃｏ合金、３６．５Ｆｅ−５４Ｃｏ−９．５Ｃｒ合金、の何れかの金属材料から選ばれた１層以上の板材で形成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の絶縁基板と冷却器の接合構造体。
4. 前記下部回路金属板の厚みは、０．１ｍｍ〜２ｍｍの範囲であること特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の絶縁基板と冷却器の接合構造体。
5. 前記超高温接合層は、ＡｇとＣｕを基材する合金、またはＡｇであることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の絶縁基板と冷却器の接合構造体。
6. 前記超高温接合層は、Ａｇを２４％、Ｃｕを１５％含むＩｎ合金、及び、Ａｕを３０％、Ｃｕを１０％含むＳｎ合金、のうちのいずれかであることを特徴とする請求項５に記載の絶縁基板と冷却器の接合構造体。
7. 前記セラミック基板は、窒化珪素（ＳｉＮ）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ベリリア（ＢｅＯ）から選ばれた１つであることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の絶縁基板と冷却器の接合構造体。
8. 前記セラミック基板の厚みは０．１ｍｍ〜２ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の絶縁基板と冷却器の接合構造体。
9. 前記冷却器は、瞬時耐熱６００℃以上で、且つ、高延性の金属材料からなることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の絶縁基板と冷却器の接合構造体。
10. 前記冷却器は、Ｃｕ、またはＣｕを基材とする合金からなることを特徴とする請求項９に記載の絶縁基板と冷却器の接合構造体。
11. 前記下部回路金属板の周縁は、該下部回路金属板の、前記超高温接合層との接合面を下側の底面とした逆テーパ形状となっていることを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか１項に記載の絶縁基板と冷却器の接合構造体。
12. 前記下部回路金属板の周縁に形成されるテーパ形状のテーパ角度は、３５°〜８５°の範囲であることを特徴とする請求項１１に記載の絶縁基板と冷却器の接合構造体。
13. 前記冷却器の、前記下部回路金属板との接触側となる上面には、前記下部回路金属板に対して平面視で縮小相似形状をなす台座が形成され、該台座と前記下部回路金属板とが、等角写像的関係を保ちつつ前記超高温接合層を介して接合された構成であることを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか１項に記載の絶縁基板と冷却器の接合構造体。
14. 前記台座と前記下部回路金属板の接合で、該下部回路金属板の内縁に生じた等幅帯状非接合領域の幅は、該下部回路金属板の厚みを基準に±０．２ｍｍ以内の範囲であることを特徴とする請求項１３に記載の絶縁基板と冷却器の接合構造体。
15. 平板形状のセラミック基板、該セラミック基板の上面に接合された上部回路金属板、及び、前記セラミック基板の下面に接合された下部回路金属板からなる絶縁基板と、金属製の冷却器と、を独立に準備する準備工程と、
    前記絶縁基板と前記冷却器を、超高温接合剤を介在させて重ね合わせる重ね合わせ工程と、
    重ね合わせた絶縁基板と冷却器を加圧した状態で、不活性ガス雰囲気、或いは真空雰囲気で前記超高温接合剤の融点よりも３０℃以上高い温度まで上昇させ、その後、徐々に冷却する接合工程と、
    を備えたことを特徴とする絶縁基板と冷却器の接合構造体の製造方法。
16. 前記準備する工程の後に、前記下部回路金属板の周縁の下側の底面を、切削加工、またはウェットエッチングのいずれかにより、逆テーパ形状に加工する加工工程を備えたことを特徴とする請求項１５に記載の絶縁基板と冷却器の接合構造体の製造方法。
17. 請求項１〜請求項１４のいずれか１項に記載の絶縁基板と冷却器の接合構造体と、
    前記絶縁基板と冷却器の接合構造体に設けられる上部回路金属板の、一の要素の上面に設けられるパワー半導体装置チップと、
    前記上部回路金属板の上面と、前記パワー半導体装置チップを、電気的に且つ機械的に接合する耐熱接合層と、
    前記パワー半導体装置チップの上部電極と、前記上部回路金属板の他の要素と、を電気的に接続する空間結線手段と、
    を備えたことを特徴とするパワー半導体モジュール。
18. 前記パワー半導体装置チップは、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ダイヤモンド（Ｃ）、酸化ガリウム（Ｇａ2Ｏ3）の少なくとも一つを主材料とすることを特徴とする請求項１７に記載のパワー半導体モジュール。
19. 前記耐熱接合層は、融点、固相線温度、接合プロセス温度、のうちの少なくとも一つが、パワー半導体装置チップの最大作動温度よりも３０℃以上高く、且つ、パワー半導体装置チップのアセンブリプロセス耐熱温度以下である金属、または合金を原料として形成されることを特徴とする請求項１７または請求項１８に記載のパワー半導体モジュール。
20. 前記耐熱接合層は、Ａｕ−Ｓｎはんだ、Ａｕ−Ｇｅはんだ、Ａｕ−Ｓｉはんだ、Ｚｎ−Ａｌはんだ、から選ばれた１つ、
    または、ＡｇまたはＡｕまたはＣｕのナノ粒子、またはナノロッド、またはナノフレーク材から選ばれた１つ、
    を原料として形成された層であることを特徴とする請求項１７〜請求項１９のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール。
21. 前記空間結線手段は、ボンディングワイヤ、ボンディングリボン、及びクリップリードから選ばれた１つであることを特徴とする請求項１７〜請求項２０のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール。
22. 前記空間結線手段の材料は、ＡｌまたはＡｌの合金、或いは、Ｃｕ母材の外周をＡｌ膜で被覆したＡｌクラッドＣｕ、のいずれかであることを特徴とする請求項１７〜請求項２１のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール。
23. 前記空間結線手段は、ボンディングワイヤであり、該ボンディングワイヤの直径は、５０μｍ〜６００μｍの範囲であることを特徴とする請求項１７〜請求項２２のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール。
24. 前記絶縁基板と冷却器の接合構造体の、上部回路金属板の表面は、Ｎｉめっきで覆われていることを特徴とする請求項１７〜請求項２３のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール。
25. 前記Ｎｉめっきの厚みは０．５μｍ〜１５μｍの範囲であ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。
26. 平板形状のセラミック基板、該セラミック基板の上面に接合された上部回路金属板、及び、前記セラミック基板の下面に接合された下部回路金属板からなる絶縁基板と、金属製の冷却器を独立に準備する準備工程と、
    前記絶縁基板と前記冷却器を、超高温接合剤を介在させて重ね合わせる重ね合わせ工程と、
    重ね合わせた絶縁基板と冷却器を加圧した状態で、不活性ガス雰囲気、或いは真空雰囲気で前記超高温接合剤の融点よりも３０℃以上高い温度まで上昇させ、その後、徐々に冷却する接合工程と、により、絶縁基板と冷却器の接合構造体を作製し、
    更に、前記絶縁基板と冷却器の接合構造体の金属部分にＮｉめっきを被覆する被覆工程と、
    前記Ｎｉめっきで被覆した、絶縁基板と冷却器の接合構造体の上部回路金属板の一の要素の上面に耐熱接合材料を用いてパワー半導体装置チップを、熱プロセスで接合するリフロー工程と、
    接合したパワー半導体装置チップの上面と、前記上部回路金属板の他の要素を空間結線手段で電気的に接続する電気接続工程と、
    を備えたことを特徴とするパワー半導体モジュールの製造方法。
27. 前記リフロー工程は、耐熱接合材料の融点よりも３０℃以上高く、且つ、パワー半導体装置チップの瞬時耐熱温度よりも低い温度領域で実施され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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