JP6221590B2 - 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

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、本願請求項１に記載の発明は、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低熱膨張高弾性金属層を少なくとも１層備えた下部回路金属板と、を含む絶縁基板と、金属製の冷却器と、超高温接合層とを有する。そして、冷却器の、超高温接合層との接合面に、該超高温接合層の周囲に沿った枠体を形成する。枠体は、超高温接合層が、下部回路金属板に対して平面視で縮小相似形状に形成されるように、超高温接合層の形成時に生じる濡れ拡がりを抑制する形状とされる。

本発明によれば、熱応力が集中する位置と、セラミック基板の接合部が破断し易い位置とを離間させることができるので、温度差が大きい冷熱サイクルストレスに対して、高い耐性を有する接合構造体を提供することができる。

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。

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。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。

冷却器１００の上面には、上記の超高温接合層１０が設けられ、該超高温接合層１０の周囲には、溝枠体１７（枠体）が形成されている。即ち、超高温接合層１０が接する冷却器１００上面の周囲には、一定の深さを有し矩形状をなす溝枠体１７が形成されている。そして、冷却器１００の、溝枠体１７内面側となる部分、即ち、図１に示す台座部１７ａの形状（内部形状）は、下部回路金属板１２の形状に対して、平面視した際に縮小相似形状とされている。更に、台座部１７ａ及び下部回路金属板１２の重心と中心線が一致するように（換言すれば、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。

即ち、冷却器１００の、超高温接合層１０との接合面には、超高温接合層１０の周囲に沿った溝枠体１７（枠体）が形成されている。そして、該溝枠体１７は、超高温接合層１０が、下部回路金属板１２に対して平面視で縮小相似形状に形成されるように、超高温接合層１０の形成時に生じる濡れ拡がりを抑制する形状とされている。

また、図１に示す符号１６は、溝枠体１７により形成される台座部１７ａと接合しない下部回路金属板１２の非接合領域を示している。上面から見た場合の（平面視した場合の）非接合領域１６の形状は、等幅の帯状となる。従って、非接合領域１６は、下部回路金属板１２の周囲に亘って等幅に形成されている。この際、非接合領域１６の幅は、下部回路金属板１２の厚みを基準として、±０．２ｍｍの範囲であることが望ましい。

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、６３Ｆｅ−３２Ｎｉ−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板を用いることができる。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に示す如くの上面に溝枠体１７が形成されたフィン構造の冷却器１００を作製する。また、溝枠体１７は、エッチング加工により形成することも可能である。溝枠体１７を形成する工程は、冷却器１００の、下部回路金属板１２との接触面に、該下部回路金属板１２よりも狭い面積となる領域を囲むように、溝を形成する（枠体形成工程）。

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。

その後、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）。

この際、溝枠体１７が存在することにより、超高温接合層１０の形成時に生じる濡れ拡がりが抑制されるので、超高温接合層１０は、下部回路金属板１２に対して平面視で縮小相似形状となるように形成されることとなる。

次に、上述した第１実施形態に係る接合構造体の作用について説明する。一般に、セラミック基板１１と、これよりも小さい寸法の回路金属板（下部回路金属板１２、上部回路金属板１３）との接合部において、最も破断しやすい位置は、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位置は、薄い金属板片周縁の接合界面付近である。

このように、第１実施形態に係る絶縁基板と冷却器の接合構造体１０００では、冷却器１００の上面に溝枠体１７を形成することにより、超高温接合層１０が下部回路金属板１２よりも小面積となるようにしている。このため、上記の熱応力が集中し易い位置は、溝枠体１７の周縁部である。また、セラミック基板１１の接合部が最も破断し易い位置である下部回路金属板１２の周縁部が、熱応力の最も集中しやすい溝枠体１７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、下部回路金属板１２の周縁部に生じる熱応力が相対的に弱まり、結果として、当該部位での熱疲労の進行が遅くなり、クラックの発生が抑制される。このため、冷熱サイクルストレスに対して、耐性を高めることができる。

即ち、第１実施形態に係る接合構造体１０００では、冷却器１００の、超高温接合層１０との接合面に、該超高温接合層１０の周囲に沿った溝枠体１７を形成し、この溝枠体１７は、超高温接合層１０が、下部回路金属板１２に対して平面視で縮小相似形状に形成されるように、超高温接合層１０の形成時に生じる濡れ拡がりを抑制する形状とされている。従って、熱応力が集中する位置と、セラミック基板１１の接合部が破断し易い位置とを離間させることができるので、温度差が大きい冷熱サイクルストレスに対して、高い耐性を有する接合構造体を提供することができる。

また、冷却器１００と下部回路金属板１２とを接合させた際に、下部回路金属板１２の周囲に生じる非接合領域１６は、下部回路金属板１２の周囲に亘って等幅であり、非接合領域１６の幅は、下部回路金属板１２の厚みを基準として±０．２ｍｍ以内の範囲であるので、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。

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］
図２は、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２０００の構成を示す断面図である。第２実施形態に係る接合構造体２０００は、前述した第１実施形態と同様に、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。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２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。

冷却器１００の上面には、上記の超高温接合層１０が設けられ、該超高温接合層１０は下部回路金属板１２よりも平面視した際の面積が小さくなっている。更に、冷却器１００上面の、超高温接合層１０の周囲部となる領域には、レジスト枠体１８が設けられている。該レジスト枠体１８は、例えば、塗布により形成されたレジスト膜である。そして、冷却器１００の、レジスト枠体１８の内面側となる領域、即ち、図２に示すレジスト枠体１８の内部となる内面領域１８ａの形状（内部形状）は、下部回路金属板１２の形状に対して、平面視した際に縮小相似形状とされている。更に、内面領域１８ａ及び下部回路金属板１２の重心と中心線が一致するように（換言すれば、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。

即ち、冷却器１００の、超高温接合層１０との接合面には、超高温接合層１０の周囲に沿ったレジスト枠体１８（枠体）が形成されている。そして、該レジスト枠体１８は、超高温接合層１０が、下部回路金属板１２に対して平面視で縮小相似形状に形成されるように、超高温接合層１０の形成時に生じる濡れ拡がりを抑制する形状とされている。

また、図２に示す符号１６は、レジスト枠体１８により形成される内面領域１８ａと接合しない下部回路金属板１２の非接合領域を示している。上面から見た場合の（平面視した場合の）非接合領域１６の形状は等幅の帯状となる。この際、非接合領域１６の幅は、前述した第１実施形態と同様に、下部回路金属板１２の厚みを基準として、±０．２ｍｍの範囲であることが望ましい。

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、６３Ｆｅ−３２Ｎｉ−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板を用いることができる。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２に示す如くの、上面にレジスト枠体１８が形成されたフィン構造の冷却器１００を作製する。レジスト枠体１８は、レジスト膜を塗布することにより、形成することができる（枠体形成工程）。レジスト枠体１８を形成する工程は、冷却器１００の、下部回路金属板１２との接触面に、該下部回路金属板１２よりも狭い面積となる領域を囲むように、レジスト膜を塗布する。

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２に示した構造の接合構造体２０００が完成する（接合工程）。

この際、レジスト枠体１８が存在することにより、超高温接合層１０の形成時に生じる濡れ拡がりが抑制されるので、超高温接合層１０は、下部回路金属板１２に対して平面視で縮小相似形状となるように形成されることとなる。

次に、上述した第２実施形態に係る接合構造体の作用について説明する。一般に、セラミック基板１１と、これよりも小さい寸法の回路金属板（下部回路金属板１２、上部回路金属板１３）との接合部において、最も破断しやすい位置は、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位置は、薄い金属板片周縁の接合界面付近である。

第２実施形態に係る絶縁基板と冷却器との接合構造体では、冷却器１００の上面にレジスト枠体１８を形成することにより、超高温接合層１０が下部回路金属板１２よりも小面積となるようにしている。このため、上記の熱応力が集中し易い位置は、レジスト枠体１８の周縁部である。また、セラミック基板１１の接合部が最も破断し易い位置である下部回路金属板１２の周縁部が、熱応力の最も集中しやすいレジスト枠体１８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、下部回路金属板１２の周縁部に生じる熱応力が相対的に弱まり、結果として、当該部位での熱疲労の進行が遅くなり、クラックの発生が抑制される。このため、冷熱サイクルストレスに対して、耐性を高めることができる。

即ち、第２実施形態に係る接合構造体では、冷却器１００の、超高温接合層１０との接合面に、該超高温接合層１０の周囲に沿ったレジスト枠体１８を形成し、このレジスト枠体１８は、超高温接合層１０が、下部回路金属板１２に対して平面視で縮小相似形状に形成されるように、超高温接合層１０の形成時に生じる濡れ拡がりを抑制する形状とされている。従って、熱応力が集中する位置と、セラミック基板１１の接合部が破断し易い位置とを離間させることができるので、温度差が大きい冷熱サイクルストレスに対して、高い耐性を有する接合構造体を提供することができる。

［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、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３０００の構成を示す断面図である。第３実施形態に係る接合構造体３０００は、前述した第１、第２実施形態と同様に、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。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３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。

冷却器１００の上面には、上記の超高温接合層１０が設けられ、該超高温接合層１０は下部回路金属板１２よりも平面視した際の面積が小さくなっている。更に、冷却器１００上面の、超高温接合層１０の周囲部となる領域には、粗面枠体１９が設けられている。そして、冷却器１００の、粗面枠体１９の内面側（枠体内部）となる領域、即ち、図３に示す内面領域１９ａの形状（内面形状）は、下部回路金属板１２の形状に対して、平面視した際に縮小相似形状とされている。更に、内面領域１９ａ及び下部回路金属板１２の重心と中心線が一致するように（換言すれば、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。

即ち、冷却器１００の、超高温接合層１０との接合面には、超高温接合層１０の周囲に沿った粗面枠体１９（枠体）が形成されている。粗面枠体１９は、表面粗度が粗い帯からなる粗面部である。そして、該粗面枠体１９は、超高温接合層１０が、下部回路金属板１２に対して平面視で縮小相似形状に形成されるように、超高温接合層１０の形成時に生じる濡れ拡がりを抑制する形状とされている。

また、図３に示す符号１６は、粗面枠体１９により形成される内面領域１９ａと接合しない下部回路金属板１２の非接合領域を示している。上面から見た場合の（平面視した場合の）非接合領域１６の形状は等幅の帯状となる。この際、非接合領域１６の幅は、前述した第１、第２実施形態と同様に、下部回路金属板１２の厚みを基準として、±０．２ｍｍの範囲であることが望ましい。

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、６３Ｆｅ−３２Ｎｉ−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板を用いることができる。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３実施形態に係る接合構造体３０００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３に示す如くの上面に粗面枠体１９が形成されたフィン構造の冷却器１００を作製する。粗面枠体１９を形成する工程は、冷却器１００の、下部回路金属板１２との接触面に、該下部回路金属板１２よりも狭い面積となる領域を囲むように、表面粗度の粗い帯を形成する（枠体形成工程）。

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３に示した構造の接合構造体３０００が完成する（接合工程）。

この際、粗面枠体１９が存在することにより、超高温接合層１０の形成時に生じる濡れ拡がりが抑制され、超高温接合層１０は、下部回路金属板１２に対して平面視で縮小相似形状となるように形成されることとなる。

次に、上述した第３実施形態に係る接合構造体の作用について説明する。一般に、セラミック基板１１と、これよりも小さい寸法の回路金属板（下部回路金属板１２、上部回路金属板１３）との接合部において、最も破断しやすい位置は、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位置は、薄い金属板片周縁の接合界面付近である。

第３本実施形態に係る絶縁基板と冷却器の接合構造体では、冷却器１００の上面に粗面枠体１９を形成することにより、超高温接合層１０が下部回路金属板１２よりも小面積となるようにしている。このため、上記の熱応力が集中し易い位置は、粗面枠体１９の周縁部である。また、セラミック基板１１の接合部が最も破断し易い位置である下部回路金属板１２の周縁部が、熱応力の最も集中しやすい粗面枠体１９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、下部回路金属板１２の周縁部に生じる熱応力が相対的に弱まり、結果として、当該部位での熱疲労の進行が遅くなり、クラックの発生が抑制される。このため、冷熱サイクルストレスに対して、耐性を高めることができる。

即ち、第３実施形態に係る接合構造体では、冷却器１００の、超高温接合層１０との接合面に、該超高温接合層１０の周囲に沿った粗面枠体１９を形成し、この粗面枠体１９は、超高温接合層１０が、下部回路金属板１２に対して平面視で縮小相似形状に形成されるように、超高温接合層１０の形成時に生じる濡れ拡がりを抑制する形状とされている。従って、熱応力が集中する位置と、セラミック基板１１の接合部が破断し易い位置とを離間させることができるので、温度差が大きい冷熱サイクルストレスに対して、高い耐性を有する接合構造体を提供することができる。また、粗面枠体１９は、第２実施形態で示したレジスト枠体１８よりも安価であるので、コストダウンを図ることができる。

［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、熱的、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。

次いで、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。

その後、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。

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、前述した第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を介して該上部回路金属板１３に電気的、熱的、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と、該パワー半導体装置チップ２１の上部電極（図示省略）と他の上部回路金属板１３の要素を電気的に接続するボンディングワイヤ２２とから構成される。

そして、接合構造体２０００の構成、及びその製造方法については、第２実施形態で説明しており、更に、接合構造体２０００以外の構成、及び製造方法は、上述の第４実施形態で説明しているので、詳細な説明を省略する。第５実施形態に係るパワー半導体モジュールについても、前述した第４実施形態と同様の効果を達成することができる。

［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、熱的、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と、該パワー半導体装置チップ２１の上部電極（図示省略）と他の上部回路金属板１３の要素を電気的に接続するボンディングワイヤ２２とから構成される。

そして、接合構造体３０００の構成、及びその製造方法については、第３実施形態で説明しており、更に、接合構造体３０００以外の構成、及び製造方法は、上述の第４実施形態で説明しているので、詳細な説明を省略する。第６実施形態に係るパワー半導体モジュールについても、前述した第４、第５実施形態と同様の効果を達成することができる。

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 下部回路金属板
１３ 上部回路金属板
１５ 台座
１６ 非接合領域
１７ 溝枠体
１８ レジスト枠体
１９ 粗面枠体
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
１００ 冷却器
２００ 絶縁基板
１０００，２０００，３０００ 絶縁基板と冷却器の接合構造体
４０００，５０００，６０００ パワー半導体モジュール

Claims (26)

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低熱膨張高弾性金属層を少なくとも１層備えた下部回路金属板と、を含む絶縁基板と、
   金属製の冷却器と、
   融点または固相線温度が６００℃以上であり、前記下部回路金属板と前記冷却器とを接合し、且つ、平面視の面積が前記下部回路金属板よりも小さい超高温接合層と、を有し、
   前記冷却器の、前記超高温接合層との接合面に、該超高温接合層の周囲に沿った枠体が形成され、
   前記枠体は、前記超高温接合層が、前記下部回路金属板に対して平面視で縮小相似形状に形成されるように、前記超高温接合層の形成時に生じる濡れ拡がりを抑制する形状とされていることを特徴とする絶縁基板と冷却器の接合構造体。
2. 前記枠体は、切削、またはエッチング加工で形成された溝枠体であり、前記冷却器の溝枠体の内部形状と、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ていることを特徴とする請求項１記載の絶縁基板と冷却器の接合構造体。
3. 前記枠体は、塗布で形成されたレジスト膜であり、前記冷却器のレジスト膜の内部形状と、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ていることを特徴とする請求項１記載の絶縁基板と冷却器の接合構造体。
4. 前記枠体は、表面粗度の粗い粗面部であり、前記冷却器の粗面部の内部形状と、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ていることを特徴とする請求項１記載の絶縁基板と冷却器の接合構造体。
5. 前記冷却器と前記下部回路金属板とを接合させた際に、前記下部回路金属板の周囲に生じる非接合領域は、下部回路金属板の周囲に亘って等幅であり、
   前記非接合領域の幅は、前記下部回路金属板の厚みを基準として±０．２ｍｍ以内の範囲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〜請求項５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。
7. 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〜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. 前記超高温接合層は、ＡｇとＣｕを基材とする合金、またはＡｇ、またはＡｕとＣｕを基材とする合金であ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. 前記超高温接合層は、Ａｇを２４ｍａｓｓ％、Ｃｕを１５ｍａｓｓ％含むＩｎ合金、及び、Ａｕを３０ｍａｓｓ％、Ｃｕを１０ｍａｓｓ％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９に記載の絶縁基板と冷却器の接合構造体。
    
    
11. 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１１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。
13. 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１２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、
    前記冷却器の、前記下部回路金属板との接触面に、該下部回路金属板よりも狭い面積を囲む枠体を形成する枠体形成工程と、
    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、
    前記枠体形成工程は、枠体の形状を、前記超高温接合剤により形成される超高温接合層が、前記下部回路金属板に対して平面視で縮小相似形状となるように、前記超高温接合層の形成時に生じる濡れ拡がりを抑制する形状としたこと
    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. 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。
17. 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１６に記載のパワー半導体モジュール。
18. 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１６または請求項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、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１６〜請求項１８のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール。
20. 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１６〜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１６〜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１６〜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１６〜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２３に記載のパワー半導体モジュール。
25. 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、
    前記冷却器の、前記下部回路金属板との接触面に、該下部回路金属板よりも狭い面積を囲む枠体を形成する枠体形成工程と、
    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、
    前記枠体形成工程は、枠体の形状を、前記超高温接合剤により形成される超高温接合層が、前記下部回路金属板に対して平面視で縮小相似形状となるように、前記超高温接合層の形成時に生じる濡れ拡がりを抑制する形状とすることにより、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。
26. 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２５に記載のパワー半導体モジュールの製造方法。

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