JP6853435B2

JP6853435B2 - パワーモジュールの製造方法

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Publication number: JP6853435B2
Application number: JP2017005685A
Authority: JP
Inventors: 智哉大開; 宗太郎大井
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2017-01-17
Filing date: 2017-01-17
Publication date: 2021-03-31
Anticipated expiration: 2037-01-17
Also published as: JP2018116995A

Description

本発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられるパワーモジュールの製造方法に関する。

大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられるパワーモジュールでは、大電流容量への対応、配線抵抗の低減を可能とするため、例えば特許文献１に示されるように、半導体素子に接続される配線が、銅からなるリードフレームによって形成され、また、エポキシ樹脂等によって半導体素子及びリードフレームの接合部分を樹脂封止する構造が採用されている。

また、この種のパワーモジュールには、例えば特許文献２に示されるように、窒化アルミニウムを始めとするセラミックス基板の一方の面に、アルミニウム板等からなる回路層が接合されるとともに、他方の面にアルミニウム板等からなる放熱層が接合されたパワーモジュール用基板が用いられる。また、このパワーモジュール用基板の放熱層に、銅等からなるヒートシンクが接合されることにより、ヒートシンク付きパワーモジュール用基板が製造される。

このパワーモジュール用基板に半導体素子及びリードフレームを接合してパワーモジュールを製造する方法としては、例えば、セラミックス基板の両面に回路層及び放熱層を接合したパワーモジュール用基板の回路層上に、半導体素子を銀焼結接合あるいははんだ付けなどの方法により接合した後、その半導体素子の上に銅からなるリードフレームをはんだ付けなどによって接合している。

特開２００１‐２９１８２３号公報特開２００５‐３２８０８７号公報

上述した製造方法において、半導体素子を搭載した後には、パワーモジュール用基板の片面に線膨張係数の小さい半導体素子が接合されているため、反りが発生することがある。この反りが発生することにより、例えば特許文献１に示すような銅からなるリードフレームを半導体素子上に接合する工程において、接合不良や半導体素子自体の損傷等が生じるおそれがある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、反りの発生を抑制し、接合不良や半導体素子の損傷等を生じることなく半導体素子及びリードフレームを接合して、簡単にパワーモジュールを製造することを目的とする。

本発明のパワーモジュールの製造方法は、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層が接合されたパワーモジュール用基板における前記回路層に半導体素子が接合されるとともに、該半導体素子に銅又は銅合金からなるリードフレームが接合されてなるパワーモジュールの製造方法であって、
前記パワーモジュール用基板の前記回路層の接合予定面にガラス含有銀ペーストを塗布して焼成することにより下地金属層を形成した後、前記回路層の前記下地金属層と前記半導体素子との間、及び前記半導体素子と前記リードフレームとの間にそれぞれ銀ペースト層を介在させた状態で、前記パワーモジュール用基板、前記半導体素子、前記リードフレームを積層し、これらを積層方向に１ＭＰａ以上２０ＭＰａ以下の加圧力を作用させた状態で１８０℃以上３５０℃以下の温度に加熱することにより前記銀ペースト層を焼結させて、前記回路層と前記半導体素子との間、及び該半導体素子と前記リードフレームとの間をそれぞれ接合する。

この製造方法では、パワーモジュール用基板の回路層に半導体素子を実装する際に、リードフレームも一括して接合するものである。このため、半導体素子は、比較的剛性が高くて変形しにくいパワーモジュール用基板とリードフレームとの間に挟まれた状態で接合され、かつ加圧されることから、反りの発生が抑制される。
この場合、接合材がはんだの場合であると、加熱によって液相が生じるので、加圧すると各部材の間から溶融はんだが流出してしまうおそれがあり、このため、加圧しないで接合することになり、均一に接合することは難しい。銀ペースト層を用いた接合の場合、液相が生成せず、焼結することによって接合されるので、十分な加圧力を作用させることができ、また、接合温度も低いので、反り発生防止に有効である。

加圧力は１ＭＰａ未満であると接合が十分でなく、２０ＭＰａを超えると半導体素子等を破損するおそれがある。加熱温度は１８０℃未満では銀ペースト層を十分に焼結させることができず、３５０℃を超えると半導体素子を破壊するおそれがある。なお、回路層がアルミニウム又はアルミニウム合金からなるので、加圧力に対して緩衝作用を有しており、半導体素子を破損することなく２０ＭＰａまでの比較的大きい加圧力を作用させることができる。

本発明のパワーモジュールの製造方法において、前記パワーモジュール用基板には、前記回路層とは反対側にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる放熱層を介して銅又は銅合金からなるヒートシンクが接合されているものとしてもよい。

このパワーモジュール用基板には、接合される半導体素子やリードフレームとは反対側に剛性の高いヒートシンクが設けられているので、より反りの発生を抑制することができる。

本発明のパワーモジュールの製造方法において、銅又は銅合金からなるスペーサを前記回路層の前記下地金属層と前記半導体素子との間又は前記半導体素子と前記リードフレームとの間の少なくともいずれかに銀ペースト層を介して介在させ、前記回路層、前記半導体素子、前記リードフレームとともに前記スペーサを同時に接合するとよい。

スペーサによってリードフレームの高さ位置（積層方向の位置）を調整することができ、適切な位置でリードフレームを引き出すことができる。また、このスペーサは半導体素子に接合されるので、半導体素子の熱を速やかに放散する効果もある。

本発明によれば、回路層、半導体素子、リードフレームを一括して接合するので、反りの問題が解消され、接合不良や半導体素子の損傷等を生じることなく接合することができ、しかも、これらを積層して一度に接合できるので、製造も容易になる。

本発明の第１実施形態に係るパワーモジュールの製造方法を示すフローチャートである。第１実施形態の製造方法により製造される経緯を工程順に示す断面図である。第１実施形態の製造方法で製造されるパワーモジュールの断面図である。下地金属層を説明する拡大断面図である。本発明の第２実施形態の製造方法により製造されるパワーモジュールの断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

１．第１実施形態
＜全体構造＞
第１実施形態で用いられるパワーモジュール用基板１０は、図２（ｂ）に示すように、絶縁層であるセラミックス基板１１と、その一方の面に形成された回路層１２と、他方の面に形成された放熱層１３とを備える。そして、図３に示すように、このパワーモジュール用基板１０の回路層１２の表面にスペーサ２０を介して半導体素子３０が搭載され、半導体素子３０にはリードフレーム４０が接合され、さらに半導体素子３０とパワーモジュール用基板１０とリードフレーム４０とをエポキシ樹脂等からなるモールド樹脂５０により封止することで、パワーモジュール１００が構成される。

パワーモジュール用基板１０を構成するセラミックス基板１１は、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化珪素）等の窒化物系セラミックス、もしくはＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）等の酸化物系セラミックスを用いることができ、厚さは０．２ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲内に設定される。

回路層１２及び放熱層１３は、純度９９．００質量％以上の純アルミニウム（（いわゆる２Ｎアルミニウム））や純度９９．９９質量％以上の純アルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）又はアルミニウム合金により形成され、例えば０．１ｍｍ〜５．０ｍｍの厚みとされ、通常はセラミックス基板１１よりも小さい平面形状の矩形状に形成されている。そして、回路層１２と放熱層１３とは、セラミックス基板１１にＡｌ‐Ｓｉ系、Ａｌ‐Ｇｅ系、Ａｌ‐Ｃｕ系、Ａｌ‐Ｍｇ系、又はＡｌ‐Ｍｎ系等の合金のろう材により接合されている。なお、回路層１２と放熱層１３は、それぞれプレス加工により所望の外形に打ち抜いたものをセラミックス基板１１に接合するか、あるいは平板状のものをセラミックス基板１１に接合した後に、エッチング加工により所望の外形に形成するか、いずれかの方法により、所望の形状に形成されている。

スペーサ２０は、導電性を有する銅又は銅合金からなるブロックにより形成されており、回路層１２と半導体素子３０との間の間隔を調整するために、これらの間に介在され、これらを電気的に接続している。
半導体素子３０は半導体を備えた電子部品であり、必要とされる機能に応じて、ＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（ＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＦＷＤ（ＦｒｅｅＷｈｅｅｌｉｎｇＤｉｏｄｅ）等の種々の半導体素子が選択される。
このような半導体素子３０には、上面及び下面に電極が設けられており、回路層１２とリードフレーム４０との間で電気的接続状態とされる。

リードフレーム４０は、無酸素銅やタフピッチ銅当の純銅、又は、りん青銅等の銅合金からなる帯板状に形成されており、厚みが０．０５ｍｍ以上３．０ｍｍ以下とされる。
そして、パワーモジュール用基板１０の回路層１２の上に、スペーサ２０、半導体素子３０、リードフレーム４０がそれぞれ銀焼結接合層７１を介して接合されている。この銀焼結接合層７１により接合するために、回路層１２の接合面には、金、銀、ニッケル等からなる下地金属層６０が形成される。なお、スペーサ２０、半導体素子３０、リードフレーム４０のそれぞれの接合予定面にも、金、銀、ニッケル等からなる下地金属層をめっきやスパッタリング等によって形成してもよい。モールド樹脂５０は、エポキシ系樹脂等からなり、パワーモジュール用基板１０の放熱層１３の裏面を除き、その側面、セラミックス基板１１、回路層１２、スペーサ２０、半導体素子３０及びリードフレーム４０の半導体素子３０への接続部分の周辺を一体に封止している。リードフレーム４０の端部は、モールド樹脂５０から外部に引き出されている。

＜第１実施形態の製造方法＞
次に、このように構成されたパワーモジュール１００を製造する方法について説明する。このパワーモジュール製造方法は、図１に示すように、パワーモジュール用基板１０を形成し［パワーモジュール用基板形成工程］、そのパワーモジュール用基板１０の回路層１２の接合予定面に下地金属層６０を形成［下地金属層形成工程］した後、回路層１２にスペーサ２０、半導体素子３０、リードフレーム４０を順に積層し、これらを一括して接合［一括接合工程］した後、モールド樹脂５０によって樹脂封止する［樹脂封止工程］ことにより形成される。以下、工程順に説明する。

［パワーモジュール用基板形成工程］
図２（ａ）に示すように、セラミックス基板１１の各面にろう材１５を介して回路層１２となるアルミニウム板１２´と放熱層１３となるアルミニウム板１３´とを積層し、これらの積層構造体を積層方向に加圧した状態で加熱し、ろう材１５を溶融させることによってそれぞれのアルミニウム板１２´，１３´とセラミックス基板１１とを接合し、回路層１２と放熱層１３とを有するパワーモジュール用基板１０を形成する（図２（ｂ）参照）。具体的には、積層構造体を加圧したまま炉に入れて、真空雰囲気中で６１０℃以上６５０℃以下の温度で１分〜６０分加熱する。

［下地金属層形成工程］
一括接合の前に、回路層１２の接合予定面に金、銀、ニッケル等からなる下地金属層６０を形成する。
この下地金属層１５は、金、銀、ニッケル等をめっきやスパッタリングによって薄膜状に形成することにより得ることができる。また、回路層１２の表面の下地金属層６０は、ガラス含有銀ペーストを塗布して焼成することによっても形成することができる。

（ガラス含有銀ペーストによる下地金属層形成方法）
回路層１２の表面にガラス含有銀ペーストによって下地金属層６０を形成する方法を説明しておくと、ガラス含有銀ペーストは、銀粉末と、ガラス（無鉛ガラス）粉末と、樹脂と、溶剤と、分散剤とを含有しており、銀粉末とガラス粉末とからなる粉末成分の含有量が、ガラス含有銀ペースト全体の６０質量％以上９０質量％以下とされ、残部が樹脂、溶剤、分散剤とされている。銀粉末は、その粒径が０．０５μｍ以上１．０μｍ以下とされており、例えば平均粒径０．８μｍのものが好適である。ガラス粉末は、主成分として酸化ビスマス（Ｂｉ_２Ｏ_３）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化ホウ素（Ｂ_２Ｏ_３）、酸化鉛（ＰｂＯ_２）、酸化リン（Ｐ_２Ｏ_５）のいずれか１種または２種以上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。例えば、酸化鉛と酸化亜鉛と酸化ホウ素とを含有し、平均粒径０．５μｍのガラス粉末が好適である。
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、例えばＡ／Ｇ＝８０／５に調整される。
溶剤は、沸点が２００℃以上のものが適しており、例えば、ジエチレングリコールジブチルエーテルが用いられる。
樹脂は、ガラス含有銀ペーストの粘度を調整するものであり、３５０℃以上で分解されるものが適している。例えば、エチルセルロースが用いられる。
また、ジカルボン酸系の分散剤が適宜添加される。分散剤を添加することなくガラス含有銀ペーストを構成してもよい。

このガラス含有銀ペーストは、銀粉末とガラス粉末とを混合した混合粉末と、溶剤と樹脂とを混合した有機混合物とを、分散剤とともにミキサーによって予備混合し、得られた予備混合物をロールミル機によって練り込みながら混合した後、得られた混練物をぺ-ストろ過機によってろ過することによって製出される。このガラス含有銀ペーストは、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以下に調整される。

このガラス含有銀ペーストをスクリーン印刷法等によって回路層１２の接合予定面に塗布し、乾燥後に３５０℃以上６４５℃以下の温度で１分以上６０分以下の時間をかけて焼成すると、図４に示すように、接合予定面側に形成されたガラス層６１と、このガラス層６１上に形成された銀層６２との二層構造の下地金属層６０が形成される。このとき、ガラス層６１が形成される際に、回路層１２の表面に自然発生していたアルミニウム酸化被膜１２ａが溶融除去されることになり、回路層１２に直接ガラス層６１が形成され、このガラス層６１の上に銀層６２が形成される。このガラス層６１が回路層１２に強固に固着されることにより、回路層１２の上に銀層６２が確実に保持固定される。
ガラス層６１には銀又はアルミニウムの少なくとも一方を含有する導電性粒子（結晶性粒子）６３が分散されるが、焼成の際にガラス層６１内部に析出したものと推測されている。また、銀層６２の内部にも微細なガラス粒子６４が分散される。このガラス粒子６４は、銀粒子の焼成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。

このようにして形成される下地金属層６０における銀層６２の平均結晶粒径が０．５μｍ以上３．０μｍ以下の範囲内に調整される。
ここで、加熱温度が３５０℃未満及び加熱温度での保持時間が１分未満の場合には、焼成が不十分となり、下地金属層６０を十分に形成することができないおそれがある。一方、加熱温度が６４５℃を超える場合及び加熱温度での保持時間が６０分を超える場合には、焼成が進行し過ぎて、熱処理後に形成される下地金属層６０における銀層６２の平均結晶粒径が０．５μｍ以上３．０μｍ以下の範囲内とならないおそれがある。
なお、下地金属層６０を確実に形成するためには、熱処理時の加熱温度の下限を４００℃以上とすることが好ましく、４５０℃以上とすることがより好ましい。また、加熱温度での保持時間は５分以上とすることが好ましく、１０分以上とすることがより好ましい。
一方、焼成の進行を確実に抑制するためには、熱処理時の加熱温度を６００℃以下とすることが好ましく、５７５℃以下とすることがより好ましい。また、加熱温度での保持時間を４５分以下とすることが好ましく、３０分以下とすることがより好ましい。

（銀ペースト層）
下地金属層６０を形成した回路層１２、スペーサ２０、半導体素子３０、リードフレーム４０の間に銀ペースト層７０を介在させた状態で、これらを積層する。
銀ペースト層７０は、粒径０．０５μｍ〜１００μｍの銀粉末と、樹脂と、溶剤と、を含有してなるペーストを塗布して形成した層である。
銀ペーストに用いられる樹脂としては、エチルセルロース等を用いることができる。銀ペーストに用いられる溶剤としては、α―テルピネオール等を用いることができる。
銀ペーストの組成としては、銀粉末の含有量が銀ペースト全体の６０質量％以上９２質量％以下とし、樹脂の含有量が銀ペースト全体の１質量％以上１０質量％以下とし、残部が溶剤とするとよい。
また、銀ペーストに、蟻酸銀、酢酸銀、プロピオン酸銀、安息香酸銀、シュウ酸銀などのカルボン酸系金属塩等の有機金属化合物粉末を銀ペースト全体の０質量％以上１０質量％以下含有させることもできる。また、必要に応じて、アルコールや有機酸等の還元剤を銀ペースト全体に対して、０質量％以上１０質量％以下含有させることもできる。
なお、この銀ペーストは、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。
この銀ペーストを回路層１２の下地金属層６０の上、スペーサ２０の表面、リードフレーム４０の表面にそれぞれ、例えばスクリーン印刷法等によって塗布して、乾燥することにより、銀ペースト層７０となる。この銀ペースト層７０は、接合時に対向する接合予定面のいずれかの表面に形成されていればよい。図２（ｃ）に示す例では、回路層１２の表面、スペーサ２０の半導体素子３０に対向する側の表面、リードフレーム４０の半導体素子３０に対向する側の表面にそれぞれ銀ペースト層７０が形成されている。

なお、銀ペースト層７０として、銀粉末を酸化銀粉末に代えた酸化銀ペーストを用いることもできる。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、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９２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。

［一括接合工程］
図２（ｃ）に示すように、回路層１２の銀ペースト層７０の上にスペーサ２０を重ね、そのスペーサ２０の銀ペースト層７０の上に半導体素子３０を重ね、その半導体素子３０の上にリードフレーム４０の銀ペースト層７０を重ねるようにして、これらを積層状態とする。
そして、積層方向に１ＭＰａ以上２０ＭＰａ以下の加圧力を作用させた状態で、１８０℃以上３５０℃以下の温度に加熱する。その温度の保持時間は１分以上６０分以下の範囲内であればよい。この熱処理によって、銀ペースト層７０が焼結して、回路層１２、スペーサ２０、半導体素子３０、リードフレーム４０の相互間で銀接合層７１を形成し、この銀接合層７１によって回路層１２、スペーサ２０、半導体素子３０、リードフレーム４０が一体に接合される。

なお、酸化銀と還元剤とを含む酸化銀ペーストからなる銀ペースト層７０を用いた場合、接合（焼成）時に、酸化銀が還元することにより析出する還元銀粒子が、例えば粒径１０ｎｍ〜１μｍと非常に微細であることから、緻密な銀接合層７１を形成して、より強固に接合することができる。

［樹脂封止工程］
以上のようにして、パワーモジュール用基板１０にスペーサ２０、半導体素子３０及びリードフレーム４０を接合した後、パワーモジュール基板１０の放熱層１３の下面を除き、パワーモジュール用基板１０、スペーサ２０、半導体素子３０及びリードフレーム４０の接続部付近を一体にモールド樹脂５０によって封止する。
具体的には、例えばエポキシ樹脂等からなる封止材を用いてトランスファーモールディング方法によってモールド樹脂５０を形成し封止する。リードフレーム４０の外側端部はモールド樹脂５０から露出させておく。

このようにして製造されるパワーモジュール１００は、半導体素子３０が、剛性の高いパワーモジュール用基板１０とリードフレーム４０との間に挟まれた状態で接合され、かつ加圧されることから、反りの発生が抑制され、このため、半導体素子３０等を破損させることなく良好な接合状態を得ることができる。また、パワーモジュール用基板１０にスペーサ２０、半導体素子３０、リードフレーム４０を一度に接合することができ、製造も容易になる。

２．第２実施形態
図５は、パワーモジュール用基板１０にヒートシンク８０を備えた第２実施形態を示している。
このヒートシンク８０を備えたパワーモジュール用基板１０は、第１実施形態と同様のパワーモジュール用基板１０の放熱層１３に、無酸素銅やタフピッチ銅等の純銅、又は、Ｃｕ−Ｚｒ合金等の銅合金からなるヒートシンク８０が接合されたものである。
このヒートシンク８０は、平板状の天板部８１と、その天板部８１の一方の面に一体に突出形成された多数のピン状フィン８２とを有している。天板部８１の厚さは０．６ｍｍ以上６．０ｍｍ以下とされる。
そして、このヒートシンク８０の天板部８１のピン状フィン８２とは反対側の表面と放熱層１３とが接合される。これらヒートシンク８０と放熱層１３とは拡散接合によって接合される。この拡散接合では、積層方向に０．３ＭＰａ以上１０ＭＰａ以下の加圧力を作用させて４００℃以上５５０℃以下の温度に加熱することにより行われる。

このヒートシンク８０を備えるパワーモジュール用基板１０の場合も、第１実施形態と同様に、回路層１２、スペーサ２０、半導体素子３０、リードフレーム４０の間に銀ペースト層７０を介在させた状態でこれらを積層し、積層方向に１ＭＰａ以上２０ＭＰａ以下の加圧力を作用させた状態で、１８０℃以上３５０℃以下の温度に１分以上６０分以下の保持時間で加熱することにより、これらを一括して接合する。なお、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層１２には一括接合の前に金、銀、ニッケル等からなる下地金属層６０が形成される。スペーサ２０、半導体素子３０、リードフレーム４０は下地金属層６０を設ける必要はないが、それぞれの接合予定面に金、銀、ニッケル等からなる下地金属層を形成しておいてもよい。
そして、一括接合後に、ヒートシンク８０の天板部８１の上面までをモールド樹脂５０によって一体に封止することにより、パワーモジュール１０１が製造される。

このヒートシンク８０を備えるパワーモジュール１０１の場合、ヒートシンク８０の剛性が高いので、反りを防止する効果がより高くなる。
図５に示す例では、ヒートシンク８０は天板部８１にピン状フィン８２を有する構造としたが、ピン状フィン８２に代えて板状フィンを有するもの、冷却流路を仕切り壁を介して複数設けた多穴管状のもの、一つの扁平な流路内に波板状のフィンを設けたもの、あるいは、フィンを有しない平板状の天板部８１のみからなるもの等としてもよい。

その他、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、いずれの実施形態においても、スペーサを設けたが、リードフレームの位置調整が不要な場合等にはスペーサを設けなくてもよい。

スペーサを設けずに、パワーモジュール用基板の回路層の上に半導体素子、リードフレームを一括で接合したもの（実施形態１）、パワーモジュール用基板の回路層の上にスペーサを介して半導体素子、リードフレームを一括して接合したもの（実施形態２）、ヒートシンクを備えるパワーモジュール用基板の回路層の上にスペーサを介して半導体素子、リードフレームを一括して接合したもの（実施形態３）の三種類を作製した。

いずれも、パワーモジュール用基板は、セラミックス基板として厚さ０．６３５ｍｍの窒化アルミニウム、回路層として厚さ０．４ｍｍの純度９９．９９％のアルミニウム、スペーサとして厚さ２．０ｍｍの無酸素銅、半導体素子として厚さ０．１５ｍｍのシリコンチップ、リードフレームとして厚さ１．０ｍｍの無酸素銅を用いた。回路層表面の下地金属層は、上述したガラス含有銀ペーストを用いて形成し、図２（ｃ）に示すように銀ペーストを塗布した後、積層して一括接合した。接合時の温度と接合時の荷重を変えて複数の試料を作製し、接合性、部材の破損、半導体素子の破損（素子の破損）の有無を確認した。

接合性は、インサイト株式会社製超音波画像測定機を用い、接合界面の超音波探傷像を取得し、接合率が９０％以上であった場合を○、９０％未満であった場合を×とした。
部材の破損の有無は、回路層の変形度合を観察し、正常の場合を○、端部に潰れが認められる場合を×とした。
半導体素子の破損の有無は、インサイト株式会社製超音波画像測定機を用い、半導体素子にクラックが認められる確率が１０％以下の場合を○、半導体素子にクラックが認められる確率が１０％を超える場合を×とした。
これらの結果を表１に示す。

この表１からわかるように、１ＭＰａ以上２０ＭＰａ以下の加圧力を作用させた状態で１８０℃以上３５０℃以下の温度で一括接合することにより、接合性が良好で、部材の破損や半導体素子の破損は確認できなかった。

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放熱層
１５ろう材
２０スペーサ
３０半導体素子
４０リードフレーム
５０モールド樹脂
６０下地金属層
６１ガラス層
６２銀層
７０銀ペースト層
７１銀接合層
８０ヒートシンク
１００，１０１パワーモジュール

Claims

セラミックス基板の一方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層が接合されたパワーモジュール用基板における前記回路層に半導体素子が接合されるとともに、該半導体素子に銅又は銅合金からなるリードフレームが接合されてなるパワーモジュールの製造方法であって、
前記パワーモジュール用基板の前記回路層の接合予定面にガラス含有銀ペーストを塗布して焼成することにより下地金属層を形成した後、前記回路層の前記下地金属層と前記半導体素子との間、及び前記半導体素子と前記リードフレームとの間にそれぞれ銀ペースト層を介在させた状態で、前記パワーモジュール用基板、前記半導体素子、前記リードフレームを積層し、これらを積層方向に１ＭＰａ以上２０ＭＰａ以下の加圧力を作用させた状態で１８０℃以上３５０℃以下の温度に加熱することにより前記銀ペースト層を焼結させて、前記回路層と前記半導体素子との間、及び該半導体素子と前記リードフレームとの間をそれぞれ接合することを特徴とするパワーモジュールの製造方法。
前記パワーモジュール用基板には、前記回路層とは反対側にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる放熱層を介して銅又は銅合金からなるヒートシンクが接合されていることを特徴とする請求項１記載のパワーモジュールの製造方法。
銅又は銅合金からなるスペーサを前記回路層の前記下地金属層と前記半導体素子との間又は前記半導体素子と前記リードフレームとの間の少なくともいずれかに銀ペースト層を介して介在させ、前記回路層、前記半導体素子、前記リードフレームとともに前記スペーサを同時に接合することを特徴とする請求項１又は２記載のパワーモジュールの製造方法。