JP6085968B2 - 金属部材付パワーモジュール用基板、金属部材付パワーモジュール、及び金属部材付パワーモジュール用基板の製造方法 - Google Patents

金属部材付パワーモジュール用基板、金属部材付パワーモジュール、及び金属部材付パワーモジュール用基板の製造方法 Download PDF

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この発明は、絶縁層の一方の面に回路層が形成されるとともに前記絶縁層の他方の面に金属層が形成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金属層側に接合された金属部材を備えた金属部材付パワーモジュール用基板、この金属部材付パワーモジュール用基板の回路層に搭載された半導体素子を備えた金属部材付パワーモジュール、金属部材付パワーモジュール用基板の製造方法、及び金属部材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。
各種の半導体素子のうちでも、電気自動車や電気車両などを制御するために用いられる大電力制御用のパワー素子においては、発熱量が多いことから、これを搭載する基板としては、例えばＡｌＮ（窒化アルミ）などからなるセラミックス基板（絶縁層）上に導電性の優れた金属板を回路層として接合し、セラミックス基板の下面にも放熱のために熱伝導性に優れた金属板を金属層として接合したパワーモジュール用基板が、従来から広く用いられている。
このようなパワーモジュール用基板は、その回路層上に、はんだ材を介してパワー素子としての半導体素子が搭載される。
そして、この種のパワーモジュール用基板においては、金属層側にさらに放熱板、冷却器、緩衝板等の金属部材が接合されることがある。
例えば特許文献１には、絶縁層の一方の面にＡｌで構成された回路層が形成され、絶縁層の他方の面にＡｌで構成された金属層が形成されたパワーモジュール用基板が開示されている。そして、このパワーモジュール用基板の金属層の表面に、ろう付けによってヒートシンク（金属部材）が接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板（金属部材付パワーモジュール用基板）が開示されている。
また、特許文献２、３には、パワーモジュール用基板の金属層の表面に、ろう付けによってアルミニウムからなる緩衝層（金属部材）が接合された緩衝層付パワーモジュール用基板（金属部材付パワーモジュール用基板）が開示されている。
さらに、特許文献４には、パワーモジュール用基板の金属層の表面に、ろう付けによって金属基複合材料（アルミニウム基複合材料）からなる緩衝層（金属部材）が接合された緩衝層付パワーモジュール用基板（金属部材付パワーモジュール用基板）が開示されている。
これらの緩衝層付パワーモジュール用基板においては、緩衝層側に、さらにヒートシンクが接合されヒートシンク付パワーモジュール用基板とされている。
特開２００８−１６８１３号公報 特開２００９−１３５３９２号公報 特開２００９−２２４５７１号公報 特開２０１０−０９８０５７号公報
ところで、特許文献１〜４に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板、及び緩衝層付パワーモジュール用基板においては、パワーモジュール用基板の金属層と金属部材とが、ろう付けによって接合されている。ろう付けは、ろう付けする際の接合温度が高温（例えば約６５０℃）となるため、パワーモジュール用基板にかかる熱的な負荷が大きく、パワーモジュール用基板（特に絶縁層）が劣化することがあった。
さらに、ろう付けは、接合温度が高温であるために、パワーモジュール用基板や金属部材に生じる熱応力が大きくなり、パワーモジュール用基板や金属部材の反りが大きくなることがあった。
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、パワーモジュール用基板の金属層と金属部材との接合において、パワーモジュール用基板にかかる熱的な負荷を低減するとともに、パワーモジュール用基板及び金属部材に生じる反りを低減することができる金属部材付パワーモジュール用基板、金属部材付パワーモジュール、金属部材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。
前述の課題を解決するために、本発明の金属部材付パワーモジュール用基板は、絶縁層と、この絶縁層の一方の面に形成された回路層と、前記絶縁層の他方の面に形成された金属層と、を備えたパワーモジュール用基板、及び、このパワーモジュール用基板の前記金属層側に接合された金属部材を備えた金属部材付パワーモジュール用基板であって、前記金属層のうち前記絶縁層が配設された面と反対側の面に第一下地層が積層され、前記金属部材の前記金属層との接合面に第三下地層が積層されており、前記第一下地層は、前記金属層との界面に形成された第一ガラス層と、この第一ガラス層に積層された第一Ａｇ層と、を有し、前記第三下地層は、前記金属部材との界面に形成された第三ガラス層と、この第三ガラス層に積層された第三Ａｇ層と、を有しており、前記第一下地層と、前記第三下地層との間には、金属粒子及び酸化金属粒子の少なくとも一方又は両方を含む接合材の焼成体からなる接合層が形成されていることを特徴としている。
本発明の金属部材付パワーモジュール用基板によれば、第一下地層が、金属層との界面に形成された第一ガラス層を備えているので、ガラス成分によって金属層の表面に形成されている酸化皮膜を除去することができ、第一下地層と金属層との接合強度を確保することができる。
さらに、第一ガラス層に第一Ａｇ層が積層されているので、パワーモジュール用基板の金属層側に金属部材を配設し、金属の焼成体からなる接合層を介してパワーモジュール用基板とヒートシンクとを接合することができる。この金属の焼成体からなる接合層は、ろう付けの温度よりも低温で形成することができるので、パワーモジュール用基板と金属部材とを、比較的低温で接合することができ、パワーモジュール用基板にかかる熱的な負荷を低減して、パワーモジュール用基板の劣化を抑制できる。さらには、パワーモジュール用基板及び金属部材に生じる反りも低減することができる。
また、第一下地層と金属部材との間に金属の焼成体からなる接合層が形成されているので、パワーモジュール用基板（金属層）と金属部材とが強固に接合される。そして、前述の金属の焼成体からなる接合層は、ろう付けの温度よりも低温で形成することができるので、パワーモジュール用基板と金属部材とを、比較的低温で接合することができ、パワーモジュール用基板にかかる熱的な負荷を低減できる。さらには、パワーモジュール用基板、及び金属部材に生じる反りを低減することができる。
ここで、前記第一下地層は、ガラス成分を含有するガラス含有Ａｇペーストの焼成体とされていることが好ましい。
この場合、ガラス成分を含有するガラス含有Ａｇペーストを焼成することで、金属層の界面に形成された第一ガラス層と、第一ガラス層に積層して形成された第一Ａｇ層と、を備えた第一下地層を簡単に、かつ確実に形成することができる。
また、前記第一Ａｇ層には、ガラスが分散されており、前記第一下地層の表面に露出している前記ガラスの面積比率が５５％以下とされていることが好ましい。
この場合、第一下地層の表面に露出している前記ガラスの面積比率が５５％以下とされているので、第一下地層に、金属の焼成体からなる接合層を積層して形成した場合に、ガラスに阻害されることなく、第一下地層の第一Ａｇ層と接合層とを強固に接合することが可能となる。
また、前記回路層のうち前記絶縁層が配設された面と反対側の面には、第二下地層が形成されており、前記第二下地層は、前記回路層との界面に形成された第二ガラス層と、この第二ガラス層に積層された第二Ａｇ層と、を有していることが好ましい。
この場合、回路層のうち前記絶縁層が配設された面と反対側の面に、第二下地層が形成され、第二下地層は、回路層との界面に形成された第二ガラス層を有しているので、ガラス成分によって回路層の表面に形成されている酸化皮膜を除去することができ、回路層と第二下地層との接合強度を確保することができる。
また、第二下地層が形成されているので、金属の焼成体からなる接合層を介して半導体素子を接合することが可能となる。
さらに、前記絶縁層が、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４、又はＡｌ２Ｏ３から選択されるセラミックス基板であることが好ましい。
ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４又はＡｌ２Ｏ３から選択されるセラミックス基板は、絶縁性及び強度に優れており、パワーモジュールの信頼性の向上を図ることができる。また、このセラミックス基板の一方の面及び他方の面に金属板を接合することによって、容易に回路層及び金属層を形成することが可能となる。
本発明の金属部材付パワーモジュールは、上述の金属部材付パワーモジュール用基板と、この金属部材付パワーモジュール用基板の回路層側に搭載された半導体素子と、を備えることを特徴としている。
本発明の金属部材付パワーモジュールによれば、上述したようにパワーモジュール用基板と金属部材との接合時に生じるパワーモジュール用基板の熱劣化が低減されるとともに、パワーモジュール用基板や金属部材の反りが低減された金属部材付パワーモジュール用基板を備えているので、信頼性を向上させることができる。
また、本発明の金属部材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形成され、前記絶縁層の他方の面に金属層が形成されたパワーモジュール用基板と、前記金属層側に接合される金属部材と、を備えた金属部材付パワーモジュール用基板の製造方法であって、前記金属層のうち前記絶縁層が配設された面と反対側の面に、ガラス成分を含有するガラス含有Ａｇペーストを塗布し、加熱処理することにより、第一下地層を形成する工程と、前記金属部材のうち前記金属層との接合面に、ガラス成分を含有するガラス含有Ａｇペーストを塗布し、加熱処理することにより、第三下地層を形成する工程と、前記第一下地層の表面に、金属粒子及び酸化金属粒子の少なくとも一方又は両方を含む接合材を塗布する工程と、塗布された接合材に、前記第三下地層を形成した前記金属部材を積層する工程と、前記パワーモジュール用基板と前記金属部材とを積層した状態で加熱して、前記金属層の前記第一下地層と前記金属部材の第三下地層とを接合する接合層を形成する工程と、を備えることを特徴としている。
この構成の金属部材付パワーモジュール用基板の製造方法によれば、前記金属層のうち前記絶縁層が配設された面と反対側の面に、ガラス成分を含有するガラス含有Ａｇペーストを塗布し、加熱処理することにより、前記第一下地層を形成する工程を備えているので、金属層の表面に形成された酸化皮膜を除去でき、金属層と第一下地層とを確実に接合することができる。
さらに、前記第一下地層の上に、金属粒子及び酸化金属粒子の少なくとも一方又は両方を含む接合材を塗布する工程と、塗布された接合材に金属部材を積層する工程と、前記パワーモジュール用基板と前記金属部材とを積層した状態で加熱して、前記第一下地層と前記金属部材とを接合する接合層を形成する工程と、を備えている場合、接合層を焼成する際に第一下地層と金属部材とを強固に接合することができる。
そして、上述の接合材の焼成温度は、ろう付けの温度に比べて低温なので、パワーモジュール用基板にかかる熱的な負荷を低減し、パワーモジュール用基板の劣化を抑制できる。さらには、パワーモジュール用基板及び金属部材に生じる反りを低減することもできる。
また、前記第一下地層を形成する工程における前記ガラス含有Ａｇペーストの焼成温度が、３５０℃以上６４５℃以下であることが好ましい。
この場合、前記ガラス含有Ａｇペーストの焼成温度が３５０℃以上とされているので、ガラス含有Ａｇペースト内の有機成分等を除去でき、第一下地層を確実に形成することができる。また、前記ガラス含有Ａｇペーストの焼成温度が６４５℃以下とされているので、パワーモジュール用基板の熱劣化を防止するとともに反りを低減することができる。
また、前記接合層を形成する工程における前記接合材の焼成温度が、１５０℃以上４００℃以下であることが好ましい。
この場合、前記接合材の焼成温度が１５０℃以上とされているので、接合材に含まれる還元剤等を除去することができ、接合層における熱伝導性及び強度を確保することができる。また、前記接合材の焼成温度が４００℃以下とされているので、接合材を焼成してパワーモジュール用基板と金属部材とを接合する際の温度を低く抑えることができ、パワーモジュール用基板への熱負荷を低減することができるとともに、パワーモジュール用基板及び金属部材に生じる反りを低減できる。
本発明によれば、パワーモジュール用基板の金属層と金属部材との接合において、パワーモジュール用基板にかかる熱的な負荷を低減するとともに、パワーモジュール用基板及び金属部材に生じる反りを低減することができる金属部材付パワーモジュール用基板、金属部材付パワーモジュール、金属部材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。
本発明の一実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュールの概略説明図である。 図１に示すヒートシンク付パワーモジュールの金属層とヒートシンクとの接合界面の拡大説明図である。 図２の金属層とヒートシンクとの接合界面をさらに拡大した説明図である。 図１に示すパワーモジュールの回路層と半導体素子との接合界面の拡大説明図である。 図４の回路層と接合層との接合界面の拡大説明図である。 ガラス含有Ａｇペーストの製造方法を示すフロー図である。 酸化銀ペーストの製造方法を示すフロー図である。 図１のヒートシンク付パワーモジュールの製造方法を示すフロー図である。 （ａ）は両面焼成用治具の平面図であり、（ｂ）は両面焼成用治具の側面図である。 緩衝層付パワーモジュール用基板の概略説明図である。
以下に、本発明の一実施形態について添付した図面を参照して説明する。図１に本発明の一実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュール１（金属部材付パワーモジュール）を示す。
このヒートシンク付パワーモジュール１は、パワーモジュール用基板１０と、このパワーモジュール用基板１０の一方の面（図１において上面）に接合された半導体素子３と、このパワーモジュール用基板の他方の面（図１において下面）に接合されたヒートシンク６０（金属部材）と、を備えている。
パワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板１１（絶縁層）と、このセラミックス基板１１の一方の面（図１において上面）に形成された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面（図１において下面）に形成された金属層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。
金属層１３は、セラミックス基板１１の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金、銅又は銅合金等の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。
この金属層１３のうちセラミックス基板１１が配設された面と反対側の面（図１において下面）には、後述するガラス含有Ａｇペーストの焼成体からなる第一下地層２０が積層して形成されている。
第一下地層２０は、図２及び図３に示すように、金属層１３との界面に形成された第一ガラス層２１と、この第一ガラス層２１上に形成された第一Ａｇ層２２と、を備えている。
第一ガラス層２１の内部には、粒径が数ナノメートル程度の微細な金属粒子７１が分散されている。この金属粒子７１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、第一ガラス層２１内の金属粒子７１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。
また、第一Ａｇ層２２の内部には、粒径が数マイクロメートル程度の微細なガラス７２が分散されている。
ここで、本実施形態において、パワーモジュール用基板１０は、第一Ａｇ層２２中におけるガラス７２の分布に特徴を有している。第一Ａｇ層２２中のガラス７２は、金属層１３との界面に形成された第一ガラス層２１側に多く存在し、第一ガラス層２１から厚さ方向に離間するにしたがい、その個数が減少するように分布している。
そして、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０においては、上述のようにガラス７２が分散することにより、第一Ａｇ層２２（第一下地層２０）の表面（図２において下面）に露出しているガラス７２の面積比率が５５％以下とされている。
なお、第一Ａｇ層２２（第一下地層２０）の表面に露出しているガラス７２の面積比率は、電子顕微鏡による反射電子像から算出することができる。
また、本実施形態では、金属層１３が純度９９．９９％のアルミニウムで構成されていることから、金属層１３の表面には、大気中で自然発生したアルミニウム酸化皮膜が形成されている。ここで、前述の第一下地層２０が形成された部分においては、このアルミニウム酸化皮膜が除去されており、金属層１３に直接第一下地層２０が積層され形成されている。つまり、金属層１３を構成するアルミニウムと第一ガラス層２１とが直接接合されているのである。
本実施形態においては、第一ガラス層２１の厚さｔｇ１が０．０１μｍ≦ｔｇ１≦５μｍ、第一Ａｇ層の厚さｔａ１が１μｍ≦ｔａ１≦１００μｍ、第一下地層２０全体の厚さｔ１が１．０１μｍ≦ｔ１≦１０５μｍとなるように構成されている。
回路層１２は、セラミックス基板１１の一方の面（図１において上面）に、導電性を有するアルミニウム又はアルミニウム合金、銅又は銅合金等の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、金属層１３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に接合されることにより形成されている。また、回路層１２には、回路パターンが形成されており、その一方の面が、半導体素子３が搭載される搭載面とされている。
この回路層１２のうちセラミックス基板１１が配設された面と反対側の面（図１において上面）には、後述するガラス含有Ａｇペーストの焼成体からなる第二下地層３０が形成されている。なお、第二下地層３０は、図１に示すように、回路層１２の表面全体には形成されておらず、半導体素子３が配設される部分にのみ選択的に形成されている。
この第二下地層３０は、図４及び図５に示すように、回路層１２との界面に形成された第二ガラス層３１と、この第二ガラス層３１上に形成された第二Ａｇ層３２と、を備えている。
第二ガラス層３１の内部には、第一ガラス層２１と同様に、粒径が数ナノメートル程度の微細な金属粒子７１が分散されている。また、第二Ａｇ層３２の内部には、第一Ａｇ層２２と同様に、粒径が数マイクロメートル程度の微細なガラス７２が分散されている。また、第一Ａｇ層２２と同様に、第二Ａｇ層３２（第二下地層３０）の表面（図４において上面）に露出しているガラス７２の面積比率が５５％以下とされている。
本実施形態では、回路層１２の表面には、大気中で自然発生したアルミニウム酸化皮膜が形成されているが、前述の第二下地層３０が形成された部分においては、このアルミニウム酸化皮膜が除去されており、回路層１２に直接第二下地層３０が積層され形成されている。
また、本実施形態においては、第二ガラス層３１の厚さｔｇ２が０．０１μｍ≦ｔｇ２≦５μｍ、第二Ａｇ層３２の厚さｔａ２が１μｍ≦ｔａ２≦１００μｍ、第二下地層３０全体の厚さｔ２が１．０１μｍ≦ｔ２≦１０５μｍとなるように構成されている。
なお、この第二下地層３０の厚さ方向の電気抵抗値Ｐが０．５Ω以下とされている。ここで、本実施形態においては、第二下地層３０の厚さ方向における電気抵抗値Ｐは、第二下地層３０の上面と回路層１２の上面との間の電気抵抗値としている。これは、回路層１２を構成する４Ｎアルミニウムの電気抵抗が第二下地層３０の厚さ方向の電気抵抗に比べて非常に小さいためである。なお、この電気抵抗の測定の際には、第二下地層３０の上面中央点と、第二下地層３０の前記上面中央点から第二下地層３０の端部までの距離と同距離分だけ第二下地層３０の端部から離れた回路層１２上の点と、の間の電気抵抗を測定することとしている。
ヒートシンク６０（金属部材）は、前述のパワーモジュール用基板１０を冷却するためのものであり、パワーモジュール用基板１０と接合される天板部６１と、この天板部６１から下方に向けて垂設された放熱フィン６２と、冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路６３とを備えている。このヒートシンク６０（天板部６１）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。
このヒートシンク６０の天板部６１側の面には、後述するガラス含有Ａｇペーストの焼成体からなる第三下地層４０が形成されている。
第三下地層４０は、図２及び図３に示すように、ヒートシンク６０との界面に形成された第三ガラス層４１と、この第三ガラス層４１上に形成された第三Ａｇ層４２と、を備えている。
第三ガラス層４１の内部には、第一ガラス層２１と同様に、粒径が数ナノメートル程度の微細な金属粒子７１が分散されている。また、第三Ａｇ層４２の内部には、第一Ａｇ層２２と同様に、粒径が数マイクロメートル程度の微細なガラス７２が分散されている。さらに、第三Ａｇ層４２（第三下地層４０）の表面（図２において上面）に露出しているガラス７２の面積比率が５５％以下とされている。
また、本実施形態では、ヒートシンク６０がＡ６０６３で構成されていることから、金属層１３の表面には、大気中で自然発生したアルミニウム酸化皮膜が形成されている。ここで、前述の第三下地層４０が形成された部分においては、このアルミニウム酸化皮膜が除去されており、ヒートシンク６０に直接第三下地層４０が積層され形成されている。
なお、第三ガラス層４１の厚さ、第三Ａｇ層４３の厚さ、及び第三下地層４０の厚さは、第一ガラス層２１、第一Ａｇ層２３、及び第一下地層２０と同様の厚さとされている。
本実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュール用基板５０（金属部材付パワーモジュール用基板）は、回路層１２及び金属層１３が形成されたパワーモジュール用基板１０と、このパワーモジュール用基板１０の金属層１３側に接合されたヒートシンク６０（金属部材）とを備えている。
そして、金属層１３とヒートシンク６０は、接合層２５を介して接合されている。
接合層２５は、金属Ａｇ粒子（金属粒子）及び酸化Ａｇ粒子（酸化金属粒子）の少なくとも一方又は両方を含む接合材の焼成体とされており、本実施形態では、後述するように、酸化銀と、還元剤とを含む酸化銀ペースト（接合材）の焼成体とされている。ここで、酸化銀を還元することによって生成する還元Ａｇ粒子は、例えば粒径１０ｎｍ〜１μｍと非常に微細であることから、緻密なＡｇの焼成層が形成されることになる。なお、この接合層２５においては、第一Ａｇ層２２及び第三Ａｇ層４２で観察されたガラス７２は存在していない、若しくは、非常に少なくなっており、さらにＡｇの粒径も異なっていることから、第一下地層２０及び第三下地層４０と接合後においても、第一下地層２０、接合層２５、第三下地層４０の判別を行うことが可能である。
なお、本実施形態においては、接合層２５の厚さが５μｍ以上５０μｍ以下の範囲内とされている。
ヒートシンク付パワーモジュール１は、上述のヒートシンク付パワーモジュール用基板５０と、このヒートシンク付パワーモジュール用基板５０の回路層１２に接合された半導体素子３とを備えている。
半導体素子３と回路層１２は、金属Ａｇ粒子及び酸化Ａｇ粒子の少なくとも一方又は両方を含む接合材の焼成体からなる接合層３５を介して接合されている。なお、この接合層３５は、上述の接合層２５と同様に、酸化銀と、還元剤とを含む酸化銀ペースト（接合材）の焼成体で構成されている。
次に、第一下地層２０、第二下地層３０、及び第三下地層４０を構成するガラス含有Ａｇペーストについて説明する。
このガラス含有Ａｇペーストは、Ａｇ粉末と、ＺｎＯを含有するガラス粉末と、樹脂と、溶剤と、分散剤と、を含有しており、Ａｇ粉末とガラス粉末とからなる粉末成分の含有量が、ガラス含有Ａｇペースト全体の６０質量％以上９０質量％以下とされており、残部が樹脂、溶剤、分散剤とされている。なお、本実施形態では、Ａｇ粉末とガラス粉末とからなる粉末成分の含有量は、ガラス含有Ａｇペースト全体の８５質量％とされている。
また、このガラス含有Ａｇペーストは、その粘度が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、主成分としてＢｉ２Ｏ３、ＺｎＯ、Ｂ２Ｏ３を含むものとされており、そのガラス転移温度が３００℃以上４５０℃以下、軟化温度が６００℃以下、結晶化温度が４５０℃以上とされている。
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＝８０／５とした。
溶剤は、沸点が２００℃以上のものが適しており、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、ガラス含有Ａｇペーストの粘度を調整するものであり、５００℃以上で分解されるものが適している。本実施形態では、エチルセルロースを用いている。
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ガラス含有Ａｇペーストを構成してもよい。
ここで、本実施形態において用いられるガラス粉末について詳細に説明する。本実施形態におけるガラス粉末のガラス組成は、
Ｂｉ２Ｏ３：６８質量％以上９３質量％以下、
ＺｎＯ：１質量％以上２０質量％以下、
Ｂ２Ｏ３：１質量％以上１１質量％以下、
ＳｉＯ２：５質量％以下、
Ａｌ２Ｏ３：５質量％以下、
アルカリ土類金属酸化物：５質量％以下、
とされている。
すなわち、Ｂｉ２Ｏ３、ＺｎＯ、Ｂ２Ｏ３を必須成分とし、これに、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、アルカリ土類金属酸化物（ＭｇＯ、ＣａＯ、ＢａＯ、ＳｒＯ等）が、必要に応じて適宜添加されたものである。
このようなガラス粉末は、次のようにして製造される。原料として、上述の各種酸化物、炭酸塩もしくはアンモニウム塩を用いる。この原料を、白金坩堝、アルミナ坩堝または石英坩堝等に装入して、溶解炉にて溶融する。溶融条件に特に制限はないが、原料が全て液相で均一に混合されるように、９００℃以上１３００℃以下、３０分以上１２０分以下の範囲内とすることが好ましい。
得られた溶融物を、カーボン、スチール、銅板、双ロール、水等に投下して急冷することにより、均一なガラス塊を製出する。
このガラス塊を、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、ガラス粉末が得られる。ここで、本実施形態では、ガラス粉末の中心粒径ｄ５０を０．１μｍ以上５．０μｍ以下の範囲内としている。
次に、ガラス含有Ａｇペーストの製造方法について、図６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を混合して混合粉末を生成する（粉末混合工程Ｓ０１）。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Ｓ０２）。
そして、混合粉末と有機混合物と分散剤とをミキサーによって予備混合する（予備混合工程Ｓ０３）。
次に、予備混合物を、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Ｓ０４）。
そして、得られた混錬をペーストろ過機によってろ過する（ろ過工程Ｓ０５）。
このようにして、前述のガラス含有Ａｇペーストが製出されることになる。
次に、接合層２５、３５を構成する酸化銀ペースト（接合材）について説明する。
この酸化銀ペーストは、酸化銀粉末と、還元剤と、樹脂と、溶剤と、を含有しており、本実施形態では、これらに加えて有機金属化合物粉末を含有している。
酸化銀粉末の含有量が酸化銀ペースト全体の６０質量％以上８０質量％以下とされ、還元剤の含有量が酸化銀ペースト全体の５質量％以上１５質量％以下とされ、有機金属化合物粉末の含有量が酸化銀ペースト全体の０質量％以上１０質量％以下とされており、残部が溶剤とされている。ここで、酸化銀ペーストにおいては、焼結によって得られる接合層２５、３５に未反応の有機物が残存することを抑制するために、分散剤や樹脂は添加していない。
なお、この酸化銀ペーストは、その粘度が１０Ｐａ・ｓ以上１００Ｐａ・ｓ以下、より好ましくは３０Ｐａ・ｓ以上８０Ｐａ・ｓ以下に調整されている。
酸化銀粉末は、その粒径が０．１μｍ以上４０μｍ以下とされたものを使用した。
還元剤は、還元性を有する有機物とされており、例えば、アルコール、有機酸を用いることができる。
アルコールであれば、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、ブチルアルコール、ペンチルアルコール、ヘキシルアルコール、オクチルアルコール、ノニルアルコール、デシルアルコール、ウンデシルアルコール、ドデシルアルコール、ラウリルアルコール、ミリスチルアルコール、セチルアルコール、ステアリルアルコール等の１級アルコールを用いることができる。なお、これら以外にも、多数のアルコール基を有する化合物を用いてもよい。
有機酸であれば、例えば、ブタン酸、ペンタン酸、ヘキサン酸、ヘプタン酸、オクタン酸、ノナン酸、デカン酸、ウンデカン酸、ドデカン酸、トリデカン酸、テトラデカン酸、ペンタデカン酸、ヘキサデカン酸、ヘプタデカン酸、オクタデカン酸、ノナンデカン酸などの飽和脂肪酸を用いることができる。なお、これら以外にも、不飽和脂肪酸を用いてもよい。
なお、酸化銀粉末と混合した後に還元反応が容易に進行しない還元剤であれば、酸化銀ペーストの保存安定性が向上することになる。そこで、還元剤としては、融点が室温以上のものが好ましく、具体的には、ミリスチルアルコール、１−ドデカノール、２，５−ジメチル−２，５−ヘキサンジオール、２，２−ジメチル−１，３−プロパンジオール、１，６−ヘキサンジオール、１，２，６−ヘキサントリオール、１，１０−デカンジオール、ミリスチン酸、デカン酸等を用いることが好ましい。
有機金属化合物は、熱分解によって生成する有機酸によって酸化銀の還元反応を促進させる作用を有する。このような作用を有する有機金属化合物としては、例えば蟻酸Ａｇ、酢酸Ａｇ、プロピオン酸Ａｇ、安息香酸Ａｇ、シュウ酸Ａｇなどのカルボン酸系金属塩等が挙げられる。
溶剤は、酸化銀ペーストの保存安定性、印刷性を確保する観点から、高沸点（１５０℃〜３００℃）のものを用いることが好ましい。
具体的には、α-テルピネオール、酢酸２−エチルヘキシル、酢酸３−メチルブチル等を用いることができる。
次に、上述の酸化銀ペーストの製造方法について、図７に示すフロー図を参照して説明する。
まず、前述した酸化銀粉末と、還元剤（固体）と、有機金属化合物粉末と、を混合し、固体成分混合物を生成する（固体成分混合工程Ｓ１１）。
次に、この固体成分混合物に、溶剤を添加して撹拌する（撹拌工程Ｓ１２）。
そして、撹拌物を、ロールミル機（例えば３本ロールミル）を用いて練り込みながら混合する（混練工程Ｓ１３）。
このようにして、前述の酸化銀ペーストが製出されることになる。なお、得られた酸化銀ペーストは、冷蔵庫等によって低温（例えば５〜１５℃）で保存しておくことが好ましい。
次に、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュールの製造方法について、図８に示すフロー図を参照して説明する。
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（回路層及び金属層形成工程Ｓ２１）。なお、このろう付けの温度は、６４０℃〜６５０℃に設定されている。
次に、回路層１２及び金属層１３の表面に、ガラス含有Ａｇペーストを塗布する（ガラス含有Ａｇペースト塗布工程Ｓ２２）。
なお、ガラス含有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ガラス含有Ａｇペーストを回路層１２の半導体素子３が搭載される部分と、金属層１３及びヒートシンク６０が接合される部分とに形成した。
次いで、回路層１２及び金属層１３の表面にガラス含有Ａｇペーストを塗布した状態で乾燥した後、加熱炉内に装入してガラス含有Ａｇペーストの焼成を行う（第一下地層及び第二下地層焼成工程Ｓ２３）。なお、このときの焼成温度は３５０〜６４５℃に設定されている。
上記のように第一下地層及び第二下地層焼成工程Ｓ２３においては、ガラス含有Ａｇペーストを塗布した状態で回路層１２及び金属層１３の表面を同時に焼成している。このようにパワーモジュール用基板１０の両面を焼成するには、例えば図９に示す両面焼成用治具８０を用いれば良い。図９（ａ）は両面焼成用治具８０の平面図であり、図９（ｂ）は両面焼成用治具８０の側面図である。
両面焼成用治具８０は、図９（ａ）、（ｂ）に示すように、金属線８１が網状に配置されて構成され、側面視においてＭ字形状とされている。試料Ｓ（パワーモジュール用基板１０）は、図９（ｂ）に示すように、試料Ｓの端部が、両面焼成用治具８０のＶ字状の部分に接触するように配置される。このように試料Ｓが配置された状態で、両面焼成用治具８０を加熱炉内に配置することで、試料Ｓの両面を焼成することが可能である。
また、第一下地層及び第二下地層焼成工程Ｓ２３では、乾燥後のガラス含有Ａｇペーストに含有されている樹脂が加熱によって分解し、ガラス含有Ａｇペーストに含有されているガラス７２が、第一下地層２０については金属層１３側に、第二下地層３０については回路層１２側に向けて流動し、金属層１３の表面に第一ガラス層２１と第一Ａｇ層２２とを備えた第一下地層２０が形成され、回路層１２の表面に第二ガラス層３１と第二Ａｇ層３２とを備えた第二下地層３０が形成される。
このとき、第一ガラス層２１及び第二ガラス層３１によって、金属層１３及び回路層１２の表面に自然発生していたアルミニウム酸化皮膜が溶融除去されることになり、金属層１３及び回路層１２に直接第一ガラス層２１及び第二ガラス層３１が形成される。
また、第一ガラス層２１及び第二ガラス層３１の内部に、粒径が数ナノメートル程度の微細な金属粒子７１が分散されることになる。この金属粒子７１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おり、焼成の際に第一ガラス層２１及び第二ガラス層３１内部に析出したものと推測される。
さらに、第一Ａｇ層２２及び第二Ａｇ層３２の内部に、粒径が数マイクロメートル程度の微細なガラス７２が分散されることになる。このガラス７２は、Ａｇ粒子の焼結が進行していく過程で、残存したガラス成分が凝集したものと推測される。
ここで、ヒートシンク６０の天板部６１側の面にも、上記の第一下地層２０及び第二下地層３０の形成方法と同様にして、第三下地層４０を形成しておく。
次に、第一下地層２０及び第二下地層３０の表面に、酸化銀ペーストを塗布する（酸化銀ペースト塗布工程Ｓ２４）。
なお、酸化銀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酸化銀ペーストを印刷した。
次に、酸化銀ペーストを塗布した状態で乾燥（例えば、室温、大気雰囲気で２４時間保管）した後、酸化銀ペーストが塗布された第二下地層３０上に半導体素子３を積層し、酸化銀ペーストが塗布された第一下地層２０にヒートシンク６０を積層する（半導体素子及びヒートシンク積層工程Ｓ２５）。
そして、半導体素子３、パワーモジュール用基板１０、及びヒートシンク６０を積層した状態で加熱炉内に装入し、酸化銀ペーストの焼成を行う（接合層焼成工程Ｓ２６）。このとき、荷重を０〜１０ＭＰａとし、焼成温度を１５０〜４００℃とする。
また、望ましくは半導体素子３、パワーモジュール用基板１０、及びヒートシンク６０を積層方向に加圧した状態で加熱することによって、より確実に接合することができる。この場合、加圧圧力は０．１〜１０ＭＰａが望ましい。
このようにして、第一下地層２０と第三下地層４０との間に接合層２５が形成されパワーモジュール用基板１０とヒートシンク６０とが接合され、第二下地層３０と半導体素子３との間に接合層３５が形成されパワーモジュール用基板１０と半導体素子３とが接合される。
こうして、本実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュール１が製造される。
以上のような構成とされた本実施形態に係るパワーモジュール用基板１０、ヒートシンク付パワーモジュール用基板５０によれば、第一下地層２０が、金属層１３との界面に形成された第一ガラス層２１を備えているので、ガラス成分によって金属層１３の表面に形成されている酸化皮膜を除去することができ、第一下地層２０と金属層１３との接合強度を確保することができる。
また、ヒートシンク６０に形成された第三下地層４０が、第三ガラス層４１を備えているので、ガラス成分によってヒートシンク６０の表面に形成されている酸化被膜を除去することができ、第三下地層４０とヒートシンク６０との接合強度を確保することができる。
さらに、第一ガラス層２１及び第三ガラス層４１に、第一Ａｇ層２２及び第三Ａｇ層４２が積層されているので、パワーモジュール用基板１０の金属層１３側にヒートシンク６０を配設し、金属の焼成体からなる接合層２５を介して、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク６０とを接合することができる。
そして、金属の焼成体からなる接合層２５は、ろう付けの温度よりも低温で形成することができるので、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク６０とを、比較的低温で接合することができ、パワーモジュール用基板１０にかかる熱的な負荷を低減して、パワーモジュール用基板１０の劣化を抑制できる。さらには、パワーモジュール用基板１０及びヒートシンク６０に生じる反りも低減することができる。
また、第一下地層２０は、ガラス成分を含有するガラス含有Ａｇペーストの焼成体とされているので、金属層１３の界面に形成された第一ガラス層２１と、第一ガラス層２１に積層して形成された第一Ａｇ層２２と、を備えた第一下地層２０を簡単に、かつ確実に形成することができる。
ここで、第一Ａｇ層２２には、ガラス７２が分散されており、第一下地層２０の表面に露出しているガラス７２の面積比率が５５％以下とされているので、第一下地層２０に、金属の焼成体からなる接合層２５を積層して形成した場合に、ガラス７２に阻害されることなく、第一下地層２０の第一Ａｇ層２２と接合層２５とを強固に接合することが可能となる。また、第三Ａｇ層４２も、第一下地層２０と同様に、第三下地層４０の表面に露出しているガラス７２の面積比率が５５％以下とされているので、第三下地層４０の第三Ａｇ層４２と接合層２５とを強固に接合することが可能となる。
さらに、第一ガラス層２１には、金属粒子７１が分散されているので、金属層１３に積層された第一下地層２０の第一ガラス層２１において、熱伝導性が確保されることになり、回路層１２側からの熱を金属層１３側へ効率よく放散することができる。また、第三ガラス層４１にも、金属粒子７１が分散されているので、第三ガラス層４１において熱伝導性が確保され、パワーモジュール用基板１０からの熱をヒートシンク６０側へと効率よく放散することができる。
また、回路層１２のうちセラミックス基板１１が配設された面と反対側の面には、第二下地層３０が形成されており、第二下地層３０は、回路層１２との界面に形成された第二ガラス層３１と、この第二ガラス層３１に積層された第二Ａｇ層３２と、を有しているので、ガラス成分によって回路層１２の表面に形成されている酸化皮膜を除去することができ、回路層１２と第二下地層３０との接合強度を確保することができる。
さらに、回路層１２には第二下地層３０が形成されているので、金属の焼成体からなる接合層３５を介して、半導体素子３を接合することが可能となる。また、本実施形態では、第二Ａｇ層３２には、ガラス７２が分散されており、第二下地層３０の表面に露出しているガラス７２の面積比率が５５％以下とされているので、第二下地層３０に、金属の焼成体からなる接合層３５を積層して形成した場合に、ガラス７２に阻害されることなく、第二下地層３０の第二Ａｇ層３２と接合層３５とをより強固に接合することが可能となる。
また、この場合には、第二下地層３０及び接合層３５が積層されているので、回路層１２と半導体素子３との間に介在する層の厚さを十分に確保することができる。よって、ヒートシンク付パワーモジュール１において、熱サイクル負荷時の応力が半導体素子３に作用することを抑制でき、半導体素子３自体の破損を防止することができる。
さらに、セラミックス基板１１（絶縁層）が、ＡｌＮで構成されているので、絶縁性及び強度に優れ、ヒートシンク付パワーモジュール１の信頼性の向上を図ることができる。また、このセラミックス基板１１の一方の面及び他方の面に金属板を接合することによって、容易に回路層１２及び金属層１３を形成することが可能となる。
また、ヒートシンク付パワーモジュール用基板５０において、接合層２５は、酸化銀ペーストの焼成体とされているので、第一下地層２０の第一Ａｇ層２２と接合層２５とが、同じＡｇ同士の接合となるため、第一下地層２０と接合層２５とをさらに強固に接合することが可能となる。
本実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュール１によれば、上述したようにパワーモジュール用基板１０とヒートシンク６０との接合時に生じるパワーモジュール用基板１０の劣化や、ヒートシンク付パワーモジュール用基板５０の反りが低減されたヒートシンク付パワーモジュール用基板５０を備えているので、信頼性を向上させることができる。
また、本実施形態に係るパワーモジュール用基板の製造方法、及び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、金属層１３の表面（セラミックス基板１１が配設された面と反対側の面）に、ガラス成分を含有するガラス含有Ａｇペーストを塗布し、加熱処理することにより、第一下地層２０を形成する工程を備えているので、金属層１３の表面に形成された酸化皮膜を除去でき、金属層１３と第一下地層２０とを確実に接合することができる。
さらに、第一下地層２０の上に、酸化銀ペーストを塗布する工程と、塗布された酸化銀ペーストにヒートシンク６０を積層する工程と、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク６０とを積層した状態で加熱して、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク６０とを接合する接合層２５を形成する工程と、を備えている場合、接合層２５を焼成する際に第一下地層２０とヒートシンク６０とを強固に接合することができる。
また、第一下地層２０を形成する工程におけるガラス含有Ａｇペーストの焼成温度が、３５０℃以上６４５℃以下とされているので、ガラス含有Ａｇペースト内の有機成分等を除去でき、第一下地層２０を確実に形成することができる。また、ガラス含有Ａｇペーストの焼成温度が６４５℃以下とされているので、パワーモジュール用基板１０の熱劣化を防止するとともに反りを低減することができる。
また、接合層２５を形成する工程における酸化銀ペーストの焼成温度が４００℃以下とされているので、酸化銀ペーストを焼成してパワーモジュール用基板１０とヒートシンク６０とを接合する際の温度を低く抑えることができ、パワーモジュール用基板１０への熱負荷を低減することができるとともに、パワーモジュール用基板１０及びヒートシンク６０に生じる反りを低減できる。また、酸化銀ペーストの焼成温度が１５０℃以上とされているので、酸化銀ペーストに含まれる還元剤等を除去することができ、接合層２５における熱伝導性及び強度を確保することができる。
また、本実施形態においては、酸化銀ペーストに、有機金属化合物が添加されているので、この有機金属化合物が熱分解することによって生成される有機酸により、酸化銀の還元反応が促進されることになる。
さらに、酸化銀ペーストに混合する還元剤として、室温で固体であるものを用いているので、焼成前に還元反応が進行することを防止できる。
また、酸化銀ペーストには、分散剤や樹脂が添加されていないことから、接合層２５、３５に有機物が残存することを防止できる。
さらに、酸化銀ペーストの粘度が１０Ｐａ・ｓ以上１００Ｐａ・ｓ以下、より好ましくは３０Ｐａ・ｓ以上８０Ｐａ・ｓ以下に調整されているので、第二下地層３０の上に酸化銀ペーストを塗布する酸化銀ペースト塗布工程Ｓ２４において、スクリーン印刷法等を適用することが可能なり、接合層３５を半導体素子３が配設される部分のみに選択的に形成することができる。よって、酸化銀ペーストの使用量を削減することが可能となり、ヒートシンク付パワーモジュール１の製造コストを大幅に削減することができる。
さらに、ガラス含有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ので、回路層１２表面にガラス含有Ａｇペーストを塗布するガラス含有Ａｇペースト塗布工程Ｓ２２において、スクリーン印刷法等を適用することが可能となり、第二下地層３０を半導体素子３が配設される部分のみに選択的に形成することができる。よって、ガラス含有Ａｇペーストの使用量を削減することが可能となり、ヒートシンク付パワーモジュール１の製造コストを大幅に削減することができる。
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、上記実施の形態では、パワーモジュール用基板の金属層と、Ａ６０６３（アルミニウム合金）で構成されたヒートシンク（金属部材）とが接合される場合について説明したが、金属部材は、純アルミニウム、又はアルミニウムを含む複合材等で構成されても良い。また、金属部材は、銅、又は銅合金で構成されても良く、この場合には、金属部材の表面に第三下地層を形成しなくても接合層と金属部材とを接合することができる。
また、パワーモジュール用基板の金属層とヒートシンクとが接合される場合について説明したが、金属層と他の金属部材が接合されても良い。
具体的には、図１０に示すように、パワーモジュール用基板１０の金属層１３と緩衝層９０（金属部材）が接合された緩衝層付パワーモジュール用基板１９０（金属部材付パワーモジュール用基板）とされても良い。
緩衝層付パワーモジュール用基板１９０は、パワーモジュール用基板１０と、パワーモジュール用基板１０の金属層１３側に接合された緩衝層９０とを備えている。なお、緩衝層９０は、例えば４Ｎアルミニウムなどで構成される。
そして、緩衝層９０の表面には第三下地層４０が形成されており、第一下地層２０と第三下地層４０とが、接合層２５によって接合されている。
この緩衝層付パワーモジュール用基板１９０の緩衝層９０側には、さらにヒートシンク６０が接合されて、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１５０とされている。
上記の緩衝層付パワーモジュール用基板１９０、及びヒートシンク付パワーモジュール用基板１５０においても、上記に説明した実施形態と同様の効果を奏する。さらに、緩衝層９０が形成されているので、ヒートシンク６０と金属層１３との間に生じる熱応力を低減することができる。
なお、緩衝層９０とヒートシンク６０との接合においても、緩衝層９０とヒートシンク６０との表面にガラス含有Ａｇペーストの焼成体からなる下地層を形成し、さらに金属Ａｇ粒子及び酸化Ａｇ粒子の少なくとも一方又は両方を含む接合材の焼成体からなる接合層を形成することによって緩衝層９０とヒートシンク６０とを接合しても良い。
また、アルミニウム板とセラミックス基板とをろう付けにて接合するものとして説明したが、これに限定されることはなく、過渡液相接合法（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｂｏｎｄｉｎｇ）、鋳造法等を適用してもよい。
さらに、回路層及び金属層を構成する金属板を銅又は銅合金で構成した場合には、銅又は銅合金からなる金属板をセラミックス基板に接合する際に、直接接合法（ＤＢＣ法）、活性金属ろう付け法、鋳造法等を適用することができる。
また、ガラス含有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い。例えば、鉛を含有するガラス粉末を用いても良い。
さらに、酸化銀ペーストの原料、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い。例えば有機金属化合物を含有しないものであってもよい。
また、第一下地層、第二下地層、及び第三下地層における第一ガラス層、第二ガラス層、第三ガラス層、第一Ａｇ層、第二Ａｇ層、及び第三Ａｇ層の厚さ、接合層の厚さについても、本実施形態に限定されるものではない。
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、Ｓｉ３Ｎ４やＡｌ２Ｏ３等からなるセラミックス基板を用いてもよいし、絶縁樹脂によって絶縁層を構成してもよい。
また、回路層となるアルミニウム板をセラミックス基板に接合した後に、回路層及び金属層に第一下地層及び第二下地層を形成するものとして説明したが、これに限定されることはなく、アルミニウム板をセラミックス基板に接合する前に第一下地層を形成してもよい。
また、本実施形態においては、第一下地層と第二下地層を同時に塗布し、焼成する場合について説明したが、第一下地層と第二下地層を別々に形成しても良い。
また、パワーモジュール用基板と半導体素子、パワーモジュール用基板とヒートシンクを同時に接合する場合について説明したが、どちらか一方を先に接合しても良い。
また、ヒートシンクとして、放熱フィン及び冷却媒体の流路を有するもので説明したが、ヒートシンクの構造に特に限定はない。
また、酸化銀ペーストは、酸化銀粉末及び還元剤に加えて、Ａｇ粒子を含有していてもよい。Ａｇ粒子が酸化銀粉末の間に介在することにより、酸化銀が還元されて得られるＡｇとこのＡｇ粒子とが焼結することになり、接合層をさらに緻密な構造とすることができる。これにより、接合時における半導体素子の加圧圧力を低く設定することが可能となる。
さらに、このＡｇ粒子の表層には、有機物を含んでいてもよい。この場合、有機物が分解する際の熱を利用して低温での焼結性を向上させることが可能となる。
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。
（本発明例）
本発明例１として、前述の実施形態に記載されたヒートシンク付パワーモジュールを準備した。すなわち、パワーモジュール用基板の金属層及び回路層の表面に、ガラス含有Ａｇペーストの焼成体からなる第一下地層及び第二下地層を形成し、さらにヒートシンクに第三下地層を形成した後に、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを酸化銀ペーストの焼成体からなる接合層によって接合した。
なお、セラミックス基板は、ＡｌＮで構成され、３０ｍｍ×３０ｍｍ、厚さ０．６３５ｍｍ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、２９ｍｍ×２９ｍｍ、厚さ０．６ｍｍのものを使用した。
本発明例１において、ヒートシンクは、裏面に放熱フィンが設けられていないアルミニウム合金（Ａ６０６３合金）で構成され、６０ｍｍ×５０ｍｍ、厚さ５ｍｍの矩形板を使用した。
本発明例２において、セラミックス基板、金属層、回路層は、上述の本発明例１と同様の構成とし、ヒートシンクは、裏面に放熱フィンが設けられていない純銅で構成され、６０ｍｍ×５０ｍｍ、厚さ５ｍｍの矩形板を使用した。なお、本発明例２においては、ヒートシンクに第三下地層を形成することなく、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを酸化銀ペーストの焼成体からなる接合層によって接合した。
このとき、ガラス含有Ａｇペーストのガラス粉末として、Ｂｉ２Ｏ３を９０．６質量％、ＺｎＯを２．６質量％、Ｂ２Ｏ３を６．８質量％、を含むガラス粉末を用いた。また、樹脂としてエチルセルロースを、溶剤としてジエチレングリコールジブチルエーテルを用いた。さらに、ジカルボン酸系の分散剤を添加した。
また、酸化銀ペーストとして、市販の酸化銀粉末（和光純薬工業株式会社製）と、還元剤としてミリスチルアルコールと、溶剤として２，２，４−トリメチル−１，３−ペンタンジオールモノ（２−メチルプロパノエート）と、を用いて、酸化銀粉末；８０質量％、還元剤（ミリスチルアルコール）；１０質量％、溶剤（２，２，４−トリメチル−１，３−ペンタンジオールモノ（２−メチルプロパノエート））；残部、の割合で混合した酸化銀ペーストを用いた。
なお、回路層の表面にガラス含有Ａｇペーストを塗布するガラス含有Ａｇペースト塗布工程では、ガラス含有Ａｇペーストの塗布厚さを１０μｍとした。また、第一下地層及び第二下地層形成工程では、焼成温度を５７５℃、焼成時間を１０分とした。
また、第一下地層及び第三下地層に酸化銀ペーストを塗布する酸化銀ペースト塗布工程では、各酸化銀ペーストの塗布厚さを５０μｍとした。また、接合層焼成工程では、焼成温度を３００℃、焼成時間を２時間とした。さらに、加圧圧力を３ＭＰａとした。
（比較例）
比較例として、セラミックス基板の一方の面に金属層を形成し、他方の面に金属層を形成したパワーモジュール用基板とヒートシンクとをろう付けによって接合した。
セラミックス基板、金属層、回路層、ヒートシンクは上述の本発明例と同様の構成とした。なお、比較例では、第一下地層及び第三下地層は形成されていない。
（評価）
次に、本発明例及び比較例のヒートシンク付パワーモジュール用基板において、パワーモジュール用基板の反り量、ヒートシンクの反り量を評価した。
反り量は、パワーモジュール用基板を定盤上に載置し、レーザー変位計を用いて測定した。パワーモジュール用基板の反りは回路層の表面を測定し、ヒートシンクの反りはヒートシンクの下面を測定した。
以上の評価の結果を表１に示す。
Figure 0006085968
表１に示すように、本発明例は、パワーモジュール用基板の反り量及びヒートシンクの反り量が小さく、良好であった。
一方、比較例は、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの接合温度が高いために、パワーモジュール用基板の反り量及びヒートシンクの反り量が本発明例と比較して大きくなった。
１ ヒートシンク付パワーモジュール（金属部材付パワーモジュール）
３ 半導体素子
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
１３ 金属層
２０ 第一下地層
２１ 第一ガラス層
２２ 第一Ａｇ層
２５ 接合層
３０ 第二下地層
３１ 第二ガラス層
３２ 第二Ａｇ層
５０、１５０ ヒートシンク付パワーモジュール用基板（金属部材付パワーモジュール用基板）
６０ ヒートシンク（金属部材）
７２ ガラス
９０ 緩衝層（金属部材）
１９０ 緩衝層付パワーモジュール用基板（金属部材付パワーモジュール用基板）

Claims (9)

  1. 絶縁層と、この絶縁層の一方の面に形成された回路層と、前記絶縁層の他方の面に形成された金属層と、を備えたパワーモジュール用基板、及び、このパワーモジュール用基板の前記金属層側に接合された金属部材を備えた金属部材付パワーモジュール用基板であって、
    前記金属層のうち前記絶縁層が配設された面と反対側の面に第一下地層が積層され、前記金属部材の前記金属層との接合面に第三下地層が積層されており、
    前記第一下地層は、前記金属層との界面に形成された第一ガラス層と、この第一ガラス層に積層された第一Ａｇ層と、を有し、
    前記第三下地層は、前記金属部材との界面に形成された第三ガラス層と、この第三ガラス層に積層された第三Ａｇ層と、を有しており、
    前記第一下地層と、前記第三下地層との間には、金属粒子及び酸化金属粒子の少なくとも一方又は両方を含む接合材の焼成体からなる接合層が形成されていることを特徴とする金属部材付パワーモジュール用基板。
  2. 前記第一下地層は、ガラス成分を含有するガラス含有Ａｇペーストの焼成体とされていることを特徴とする請求項１に記載の金属部材付パワーモジュール用基板。
  3. 前記第一Ａｇ層には、ガラスが分散されており、前記第一下地層の表面に露出している前記ガラスの面積比率が５５％以下とされていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の金属部材付パワーモジュール用基板。
  4. 前記回路層のうち前記絶縁層が配設された面と反対側の面には、第二下地層が形成されており、
    前記第二下地層は、前記回路層との界面に形成された第二ガラス層と、この第二ガラス層に積層された第二Ａｇ層と、を有し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金属部材付パワーモジュール用基板。
  5. 前記絶縁層が、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４、又はＡｌ２Ｏ３から選択されるセラミックス基板であ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金属部材付パワーモジュール用基板。
  6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の金属部材付パワーモジュール用基板と、この金属部材付パワーモジュール用基板の回路層側に搭載された半導体素子と、を備えることを特徴とする金属部材付パワーモジュール。
  7. 絶縁層の一方の面に回路層が形成され、前記絶縁層の他方の面に金属層が形成されたパワーモジュール用基板と、前記金属層側に接合される金属部材と、を備えた金属部材付パワーモジュール用基板の製造方法であって、
    前記金属層のうち前記絶縁層が配設された面と反対側の面に、ガラス成分を含有するガラス含有Ａｇペーストを塗布し、加熱処理することにより、第一下地層を形成する工程と、
    前記金属部材のうち前記金属層との接合面に、ガラス成分を含有するガラス含有Ａｇペーストを塗布し、加熱処理することにより、第三下地層を形成する工程と、
    前記第一下地層の表面に、金属粒子及び酸化金属粒子の少なくとも一方又は両方を含む接合材を塗布する工程と、
    塗布された接合材に、前記第三下地層を形成した前記金属部材を積層する工程と、
    前記パワーモジュール用基板と前記金属部材とを積層した状態で加熱して、前記金属層の前記第一下地層と前記金属部材の第三下地層とを接合する接合層を形成する工程と、を備えることを特徴とする金属部材付パワーモジュール用基板の製造方法。
  8. 前記第一下地層を形成する工程における前記ガラス含有Ａｇペーストの焼成温度が、３５０℃以上６４５℃以下であることを特徴とする請求項７に記載の金属部材付パワーモジュール用基板の製造方法。
  9. 前記接合層を形成する工程における前記接合材の焼成温度が、１５０℃以上４００℃以下であることを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の金属部材付パワーモジュール用基板の製造方法。
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