WO2013047330A1 - 接合体 - Google Patents

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WO2013047330A1
WO2013047330A1 PCT/JP2012/074103 JP2012074103W WO2013047330A1 WO 2013047330 A1 WO2013047330 A1 WO 2013047330A1 JP 2012074103 W JP2012074103 W JP 2012074103W WO 2013047330 A1 WO2013047330 A1 WO 2013047330A1
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brazing material
ceramic substrate
circuit layer
metal
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慎二 斎藤
雄一郎 山内
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日本発條株式会社
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    • H01L2924/13055—Insulated gate bipolar transistor [IGBT]

Definitions

  • the present invention relates to a joined body in which a semiconductor element is mounted on an insulating substrate on which a circuit layer is formed.
  • a power module has a semiconductor chip (transistor) mounted on a circuit pattern made of a brazed metal plate on one surface of an insulating substrate (such as a ceramic substrate) that is a base material, and is brazed on the other surface.
  • a semiconductor chip transistor
  • This is a device in which a heat radiating plate is disposed via a metal plate (see, for example, Patent Document 1).
  • the semiconductor chip is bonded onto the circuit pattern by soldering.
  • the present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a bonded body having high bonding strength and excellent heat dissipation characteristics and heat resistance.
  • a joined body according to the present invention includes a semiconductor element and an insulating ceramic substrate on which a circuit layer for mounting the semiconductor element is formed, The semiconductor element and the circuit layer are joined by an aluminum-based brazing material.
  • the bonded body according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the ceramic substrate is made of a nitride ceramic.
  • the bonded body according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the semiconductor element is a silicon carbide element.
  • the joined body according to the present invention is characterized in that the aluminum brazing material contains at least one selected from the group consisting of germanium, magnesium, silicon, and copper.
  • the joined body according to the present invention is characterized in that the circuit layer is made of a metal selected from the group consisting of copper, silver, or gold, or an alloy containing the metal.
  • the bonded body according to the present invention includes, in the above invention, a metal selected from the group consisting of aluminum, silver, nickel, gold, or copper, or the metal between the ceramic substrate and the circuit layer.
  • a metal member made of an alloy wherein the metal member and the ceramic substrate are bonded with an aluminum-based brazing material, and the circuit layer gasses the metal or alloy powder onto the surface of the metal member through a mask. And is formed by spraying and depositing on the surface in a solid phase state.
  • the bonded body according to the present invention is the bonded body according to the above invention, wherein the bonding temperature of the first aluminum brazing material for bonding the semiconductor element and the circuit layer is the second temperature for bonding the metal member and the ceramic substrate. It is characterized by being below the joining temperature of the aluminum brazing material.
  • the bonded body according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the ceramic substrate is a DBC substrate.
  • the bonded body according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the ceramic substrate is an active metal bonded substrate in which a circuit layer made of copper or a copper alloy is bonded with an aluminum brazing material.
  • the circuit layer formed on the insulating ceramic substrate on which the circuit layer is formed and the semiconductor element are bonded to each other by the aluminum brazing material, so that the bonding strength is high, and the heat dissipation characteristics and heat resistance are increased.
  • a bonded body having excellent properties can be obtained.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a power module that is a joined body according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a flowchart showing a method for manufacturing the power module shown in FIG.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing an outline of the cold spray apparatus.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a configuration of a power module according to Modification 1 of the embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a configuration of a power module according to Modification 2 of the embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a power module that is a joined body according to an embodiment of the present invention.
  • a power module 100 shown in FIG. 1 includes a ceramic substrate 10 which is an insulating substrate, a circuit layer 20 formed on one surface of the ceramic substrate 10 with a metal member 50 interposed therebetween, and a semiconductor element mounted on the circuit layer 20. 30 and a heat dissipating member 40 provided on the surface of the ceramic substrate 10 opposite to the circuit layer 20 via a metal member 50.
  • the ceramic substrate 10 is a substantially plate-like member made of an insulating material.
  • the insulating material include nitride ceramics such as aluminum nitride and silicon nitride, and oxide ceramics such as alumina, magnesia, zirconia, steatite, forsterite, mullite, titania, silica, and sialon.
  • Nitride ceramics are preferred from the viewpoints of heat resistance and thermal conductivity.
  • the circuit layer 20 is made of, for example, a metal having good electrical conductivity such as aluminum, copper, silver, or an alloy containing the metal.
  • the circuit layer 20 is formed by a cold spray method described later.
  • a circuit pattern for transmitting an electrical signal to the semiconductor element 30 and the like is formed on the circuit layer 20.
  • the semiconductor element 30 is realized by a semiconductor element such as a diode, a transistor, or an IGBT (insulated gate bipolar transistor).
  • the semiconductor element 30 is preferably a power device that can be used at a high voltage, particularly a silicon carbide chip having excellent heat resistance, and a plurality of semiconductor elements 30 may be provided on the ceramic substrate 10 in accordance with the purpose of use.
  • the heat radiating member 40 is a metal film layer formed by a cold spray method, which will be described later, like the circuit layer 20, and has good thermal conductivity such as copper, copper alloy, aluminum, aluminum alloy, silver, silver alloy and the like. Made of metal or alloy. Heat generated from the semiconductor element 30 is released to the outside via the ceramic substrate 10 via the heat dissipation member 40. In order to increase the heat dissipation efficiency, a number of grooves that increase the surface area of the heat dissipation member 40 by cutting may be provided on the surface of the heat dissipation member 40 opposite to the surface to be joined to the ceramic substrate 10.
  • the metal member 50 is joined to the surface of the ceramic substrate 10 by an aluminum brazing material 60.
  • the metal member 50 can improve the bonding strength when the ceramic substrate 10 and the circuit layer 20 made of metal or alloy, or the ceramic substrate 10 and the heat radiating member 40 made of metal or alloy are bonded.
  • the metal member 50 is a foil-like rolled member having a thickness of about 0.01 mm to 0.2 mm, for example.
  • the coefficient of thermal expansion between the metal member 50 and the ceramic substrate 10 can be reduced during the bonding with the ceramic substrate 10 and other heat treatment processes. The damage caused by the difference is to be prevented.
  • positioned on the aluminum-type brazing material 60 it is not limited to foil shape, If a thickness is about 1 mm or less, you may arrange
  • the metal member 50 a metal or an alloy having a hardness that can be joined to the ceramic substrate 10 by brazing and can form a film by a cold spray method described later is used. Since the hardness range varies depending on the film forming conditions in the cold spray method and the like, it is not unconditionally determined, but in general, any metal member having a Vickers hardness of 100 HV or less can be applied. Specific examples include aluminum, silver, nickel, gold, copper, and alloys containing these metals.
  • the aluminum brazing material 60 can be appropriately selected according to the type of the ceramic substrate 10 and the type of the metal member 50.
  • the aluminum brazing material 60 preferably contains aluminum as a main component and contains at least one of germanium, magnesium, silicon, and copper.
  • “having aluminum as a main component” means that the mixing ratio of aluminum is 50 mass% or more.
  • Examples of the aluminum brazing material 60 used in the present embodiment include 5-45 mass% germanium, 5-15 mass% silicon, and 2-10 mass% magnesium described in Japanese Patent No. 397875.
  • a brazing material whose balance is aluminum can be preferably used.
  • it contains 12-22 mass% copper, 7-9 mass% silicon, 0.2-1 mass% magnesium, 69-77 mass% aluminum described in Japanese Patent No. 3398204.
  • a brazing material can be suitably used.
  • brazing material containing 5 to 25% by mass of copper and 0.5 to 10% by mass of nickel can be preferably used.
  • a brazing material containing 10 to 40% by weight germanium, 10 to 40% by weight silver, 2 to 10% by weight silicon, 0.1 to 5% by weight magnesium and 40 to 49% by weight aluminum It can be used suitably.
  • germanium, silicon, copper, and silver all have the effect of lowering the melting point of the brazing material when added to the aluminum-based brazing material 60. Suitable as an ingredient.
  • Aluminum-copper-silver and aluminum-germanium-silver are suitable as the main component of the aluminum-based brazing material 60 because they form eutectics having a low melting point in each ternary system.
  • magnesium reduces the oxide on the surface of the aluminum or aluminum alloy with the magnesium volatilized during brazing, thereby brazing. Since the wettability of the material is improved, the bonding strength can be improved. Also, when alumina ceramics are used as the ceramic substrate 10, the oxide film on the ceramic surface can be decomposed to improve the wettability, so that the bonding strength can be improved. Therefore, magnesium is suitable as an additive component of the aluminum brazing material 60.
  • a paste-like brazing material containing an organic solvent and an organic binder may be applied to the ceramic substrate 10 by a screen printing method.
  • a foil-like brazing material (brazing material foil) may be placed on the ceramic substrate 10.
  • a brazing material may be attached to the surface of the ceramic substrate 10 by vapor deposition or sputtering.
  • the brazing between the metal member 50 and the ceramic substrate 10 varies depending on the aluminum brazing material 60, the metal member 50, and the ceramic substrate 10 to be used, but in a vacuum or in an inert atmosphere such as nitrogen gas, 500 ° C. to The heating is performed in a temperature range of 630 ° C., preferably in a temperature range of 550 ° C. to 600 ° C.
  • FIG. 2 is a flowchart showing a method for manufacturing the power module 100 shown in FIG.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing an outline of the cold spray apparatus.
  • the aluminum brazing material 60 is disposed on the surface of the ceramic substrate 10 by screen printing or the like (step S1).
  • the metal member 50 is placed on the aluminum brazing material 60 (step S2).
  • the metal member 50 is bonded to both surfaces of the ceramic substrate 10 via the aluminum brazing material 60.
  • the metal member 50 may be disposed, and after the aluminum brazing material 60 and the metal member 50 are disposed on one surface of the ceramic substrate 10, the other surface is disposed.
  • the aluminum-based brazing material 60 and the metal member 50 may be disposed on the surface.
  • the ceramic substrate 10 on which the aluminum-based brazing material 60 and the metal member 50 are arranged is kept at a predetermined temperature for a predetermined time and subjected to heat treatment in a vacuum (step S3). By this heat treatment, the aluminum brazing material 60 is melted and a joined body of the ceramic substrate 10 and the metal member 50 is obtained.
  • the metal member 50 when the metal member 50 is bonded to both surfaces of the ceramic substrate 10, the ceramic substrate 10 on which the aluminum brazing material 60 is disposed on both surfaces is heat-treated. As a result, the metal member 50 can be bonded to both surfaces of the ceramic substrate 10.
  • FIG. 3 is a schematic view showing an outline of a cold spray apparatus used for forming a metal film layer.
  • a cold spray device 70 shown in FIG. 3 includes a gas heater 71 that heats a compressed gas, a powder supply device 72 that stores powder of a metal coating layer material, and supplies the powder to a spray gun 73.
  • a gas nozzle 74 for injecting the material powder supplied thereto onto the substrate, and valves 75 and 76 for adjusting the amount of compressed gas supplied to the gas heater 71 and the powder supply device 72 are provided.
  • the compressed gas helium, nitrogen, air or the like is used.
  • the compressed gas supplied to the gas heater 71 is, for example, 50 ° C. or higher, heated to a temperature in a range lower than the melting point of the material powder of the metal coating layer, and then supplied to the spray gun 73.
  • the heating temperature of the compressed gas is preferably 300 to 900 ° C.
  • the compressed gas supplied to the powder supply device 72 supplies the material powder in the powder supply device 72 to the spray gun 73 so as to have a predetermined discharge amount.
  • the heated compressed gas is converted into a supersonic flow (about 340 m / s or more) by the gas nozzle 74 having a divergent shape.
  • the gas pressure of the compressed gas is preferably about 1 to 5 MPa. This is because the adhesion strength of the metal film layer to the metal member 50 can be improved by adjusting the pressure of the compressed gas to this level. More preferably, the treatment is performed at a pressure of about 2 to 4 MPa.
  • the powder material supplied to the spray gun 73 is accelerated by the injection of the compressed gas into the supersonic flow, and collides with the metal member 50 on the ceramic substrate 10 at a high speed and accumulates in the solid state. Form a film.
  • the apparatus is not limited to the cold spray apparatus 70 shown in FIG. 3 as long as the apparatus can form a film by colliding the material powder against the ceramic substrate 10 in a solid phase state.
  • the circuit layer 20 is formed on the other surface of the ceramic substrate 10 by a cold spray method (step S5).
  • a metal mask having a circuit pattern formed on the metal member 50 is disposed on the circuit layer 20, and a film is formed using a metal or alloy powder forming the circuit layer 20 by a cold spray device 70 or the like. Just do it.
  • an aluminum brazing material 60 is disposed on the circuit layer 20 (step S6).
  • step S7 the semiconductor element 30 is placed on the aluminum brazing material 60 (step S7), heat-treated (step S8), and the semiconductor element is bonded onto the circuit layer 20. Thereby, the power module 100 shown in FIG. 1 is completed.
  • the aluminum brazing material 60 that joins the semiconductor element 30 to the circuit layer 20 should be the same as the aluminum brazing material 60 that joins the metal substrate 50 to the ceramic substrate 10 and the same amount of metal to be blended. Is also possible. However, the brazing temperature of the aluminum brazing material 60 that joins the semiconductor element 30 to the circuit layer 20 is selected to be lower than the brazing temperature of the aluminum brazing material 60 that joins the metal substrate 50 and the ceramic substrate 10. It is preferable.
  • the semiconductor element 30 is bonded to the circuit layer 20 formed on the ceramic substrate 10 by the aluminum brazing material 60 to obtain a bonded body having high bonding strength and excellent heat dissipation characteristics and heat resistance. be able to.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a configuration of a power module according to Modification 1 of the embodiment of the present invention.
  • the power module 200 shown in FIG. 4 is provided via the copper plate 81, the DBC substrate 80 in which the circuit layer 20 and the copper plate 81 are directly bonded to the ceramic substrate 10, the semiconductor element 30 mounted on the circuit layer 20.
  • a heat dissipating member 40 is provided via the copper plate 81, the DBC substrate 80 in which the circuit layer 20 and the copper plate 81 are directly bonded to the ceramic substrate 10, the semiconductor element 30 mounted on the circuit layer 20.
  • the circuit layer 20 of the DBC substrate 80 is made of copper or a copper alloy. Similar to the embodiment, after the aluminum brazing material 60 is disposed on the circuit layer 20 by a screen printing method or the like, the semiconductor element 30 is disposed on the aluminum brazing material 60 and then in a vacuum or in an inert atmosphere. The semiconductor element 30 is bonded onto the circuit layer 20 by heat treatment.
  • the heat dissipation member 40 is joined to the copper plate 81 by the aluminum brazing material 60.
  • a brazing material other than the aluminum brazing material 60 may be used.
  • the heat radiating member 40 may be joined to the copper plate 81 using a mechanical fastening member or the like.
  • the semiconductor element 30 is bonded to the circuit layer 20 directly bonded onto the DBC substrate 80 by the aluminum brazing material 60, thereby obtaining a bonded body having high bonding strength and excellent heat dissipation characteristics and heat resistance. be able to.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a configuration of a power module according to Modification 2 of the embodiment of the present invention.
  • the power module 300 shown in FIG. 5 includes an AMC substrate 82 in which the circuit layer 20 and the copper plate 81 are joined to the ceramic substrate 10 by the aluminum brazing material 60, the semiconductor element 30 mounted on the circuit layer 20, and the copper plate 81. And a heat dissipating member 40 provided via the.
  • a metallic brazing material other than the aluminum brazing material 60 can be used as the brazing material for joining the ceramic substrate 10, the circuit layer 20, and the copper plate 81.
  • the circuit layer 20 of the AMC substrate 82 is formed from copper or a copper alloy. Similar to the embodiment, after the aluminum brazing material 60 is disposed on the circuit layer 20 by a screen printing method or the like, the semiconductor element 30 is disposed on the aluminum brazing material 60 and then in a vacuum or in an inert atmosphere. The semiconductor element 30 is bonded onto the circuit layer 20 by heat treatment.
  • the heat dissipation member 40 is joined to the copper plate 81 by the aluminum brazing material 60.
  • a brazing material other than the aluminum brazing material 60 may be used.
  • the heat radiating member 40 may be joined to the copper plate 81 using a mechanical fastening member or the like.
  • the semiconductor element 30 is bonded to the circuit layer 20 directly bonded on the AMC substrate 82 by the aluminum brazing material 60, thereby obtaining a bonded body having high bonding strength and excellent heat dissipation characteristics and heat resistance. be able to.
  • a test piece was made of an aluminum brazing material used for the joined body according to the present embodiment, and the tensile strength was measured.
  • the aluminum brazing material has a tensile strength three times or more that of the solder materials of Comparative Examples 1 and 2. As is clear from this numerical value, durability can be improved by joining a copper plate (circuit layer) and a semiconductor element with an aluminum-based brazing material.
  • Example 1 For each material of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2, the thermal conductivity was calculated from the material configuration. Table 2 shows the calculated thermal conductivity.
  • the aluminum-based brazing material exhibits a much higher thermal conductivity than the solder materials of Comparative Examples 1 and 2. As is clear from this numerical value, when the copper plate (circuit layer) and the semiconductor element are joined with the aluminum-based brazing material, the heat dissipation characteristics can be improved.
  • the joined body according to the present invention is useful in fields where high joining strength, heat dissipation characteristics and heat resistance are required.

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Abstract

　接合強度が高く、放熱特性および耐熱性にも優れる接合体を提供する。本発明は、半導体素子３０と、半導体素子３０を実装する回路層２０が形成された絶縁性を有するセラミックス基板１０と、を備え、半導体素子３０と回路層２０は、アルミニウムを主成分とし、ゲルマニウム、マグネシウム、珪素、銅からなる群より選択される少なくも１種類を含有するアルミニウム系ろう材６０により、真空中または不活性雰囲気中でろう付けすることにより接合されている。

Description

接合体
　本発明は、回路層が形成された絶縁基板に半導体素子を実装した接合体に関する。
　従来より、産業用、自動車用などの電力制御からモータ制御まで、幅広い分野に使用される省エネルギー化のキーデバイスとして、パワーモジュールが知られている。パワーモジュールは、基材である絶縁基板（例えばセラミックス基板）の一方の面に、ろう付された金属板からなる回路パターン上に半導体チップ（トランジスタ）を実装し、他方の面に、ろう付された金属板を介して放熱板を配設した装置である（例えば、特許文献１参照）。このようなパワーモジュールにおいて、半導体チップは、回路パターン上に半田付けにより接合されている。
　一方、半導体素子を金属基板に接合する方法として、平均直径が１００ｎｍ以下の金属微粒子を有機系の溶剤に分散させた金属ナノペーストを用いた方法（例えば、特許文献２参照）が開示されている。
特開２００７－２５８４１６号公報 特開２００６－２０２９３８号公報
　特許文献１のように、半導体チップを半田により接合した場合、半田は耐熱性が低いため、熱サイクルでクラックが発生してしまうおそれがあった。
　また、特許文献２の接合方法では、金属ナノペーストは耐熱性に優れるものの、接合時にボイドが発生するおそれがあり、ボイドが生じた場合、接合部の熱抵抗が増大し放熱性が低下するという問題を有していた。
　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、接合強度が高く、放熱特性および耐熱性にも優れる接合体を提供することを目的とする。
　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る接合体は、半導体素子と、前記半導体素子を実装する回路層が形成された絶縁性を有するセラミックス基板と、を備え、前記半導体素子と前記回路層とはアルミニウム系ろう材により接合されたことを特徴とする。
　また、本発明に係る接合体は、上記発明において、前記セラミックス基板は窒化物系セラミックスからなることを特徴とする。
　また、本発明に係る接合体は、上記発明において、前記半導体素子は、炭化珪素素子であることを特徴とする。
　また、本発明に係る接合体は、上記発明において、前記アルミニウム系ろう材は、ゲルマニウム、マグネシウム、珪素、銅からなる群より選択される少なくとも１種類を含有することを特徴とする。
　また、本発明に係る接合体は、上記発明において、前記回路層は、銅、銀、または金からなる群から選択される金属、または該金属を含む合金からなることを特徴とする。
　また、本発明に係る接合体は、上記発明において、前記セラミックス基板と前記回路層との間に、アルミニウム、銀、ニッケル、金、または銅からなる群から選択される金属、または該金属を含む合金からなる金属部材を備え、前記金属部材と前記セラミックス基板とはアルミニウム系ろう材で接合され、前記回路層は、マスクを介して、前記金属部材の表面に、金属又は合金からなる粉末をガスと共に加速し、前記表面に固相状態のままで吹き付けて堆積させることによって形成されたことを特徴とする。
　また、本発明に係る接合体は、上記発明において、前記半導体素子と前記回路層を接合する第１のアルミニウム系ろう材の接合温度は、前記金属部材と前記セラミックス基板とを接合する第２のアルミニウム系ろう材の接合温度以下であることを特徴とする。
　また、本発明に係る接合体は、上記発明において、前記セラミックス基板は、ＤＢＣ基板であることを特徴とする。
　また、本発明に係る接合体は、上記発明において、前記セラミックス基板は、アルミニウム系ろう材により銅または銅合金からなる回路層を接合した活性金属接合基板であることを特徴とする。
　本発明によれば、回路層が形成された絶縁性を有するセラミックス基板上に形成された回路層と半導体素子とを、アルミニウム系ろう材により接合することにより、接合強度が高く、放熱特性および耐熱性に優れる接合体を得ることができる。
図１は、本発明の実施の形態に係る接合体であるパワーモジュールの構成を示す断面図である。 図２は、図１に示すパワーモジュールの作製方法を示すフローチャートである。 図３は、コールドスプレー装置の概要を示す模式図である。 図４は、本発明の実施の形態の変形例１に係るパワーモジュールの構成を示す断面図である。 図５は、本発明の実施の形態の変形例２に係るパワーモジュールの構成を示す断面図である。
　以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、以下の説明において参照する各図は、本発明の内容を理解し得る程度に形状、大きさ、及び位置関係を概略的に示してあるに過ぎない。即ち、本発明は各図で例示された形状、大きさ、及び位置関係のみに限定されるものではない。
（実施の形態）
　図１は、本発明の実施の形態に係る接合体であるパワーモジュールの構成を示す断面図である。図１に示すパワーモジュール１００は、絶縁基板であるセラミックス基板１０と、セラミックス基板１０の一方の面に金属部材５０を介して形成された回路層２０と、回路層２０上に実装された半導体素子３０と、セラミックス基板１０の回路層２０とは反対側の面に金属部材５０を介して設けられた放熱部材４０とを備える。
　セラミックス基板１０は、絶縁性材料からなる略板状の部材である。絶縁性材料としては、例えば、窒化アルミニウム、窒化珪素等の窒化物系セラミックスや、アルミナ、マグネシア、ジルコニア、ステアタイト、フォルステライト、ムライト、チタニア、シリカ、サイアロン等の酸化物系セラミックスが用いられる。耐熱性、熱伝導性等の観点から窒化物系セラミックスが好ましい。
　回路層２０は、例えば、アルミニウムや銅、銀等の良好な電気伝導度を有する金属または前記金属を含む合金からなる。回路層２０は、後述するコールドスプレー法によって形成される。この回路層２０には、半導体素子３０等に対して電気信号を伝達するための回路パターンが形成されている。
　半導体素子３０は、ダイオード、トランジスタ、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等の半導体素子によって実現される。なお、半導体素子３０は、高電圧で使用が可能なパワーデバイス、特に耐熱性に優れる炭化珪素チップであることが好ましく、使用の目的に合わせてセラミックス基板１０上に複数個設けられても良い。
　放熱部材４０は、回路層２０と同様に、後述するコールドスプレー法によって形成された金属皮膜層であり、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、銀、銀合金等の良好な熱伝導性を有する金属又は合金からなる。放熱部材４０を介して、半導体素子３０から発生した熱がセラミックス基板１０を介して外部に放出される。放熱効率を高めるために、放熱部材４０のセラミックス基板１０と接合される面と反対の面には、切削加工により放熱部材４０の表面積を増大させる多数の溝部を設けてもよい。
　金属部材５０は、セラミックス基板１０の表面にアルミニウム系ろう材６０により接合されている。金属部材５０は、セラミックス基板１０と金属または合金からなる回路層２０、またはセラミックス基板１０と金属または合金からなる放熱部材４０とを接合する際の、接合強度を向上しうる。
　金属部材５０は、厚さが例えば０．０１ｍｍ～０．２ｍｍ程度の箔状の圧延部材である。本実施の形態においては、このように厚さの小さい部材を用いることにより、セラミックス基板１０との接合や、その他の熱処理工程の際、金属部材５０とセラミックス基板１０との間における熱膨張率の差に起因する破損を防止することとしている。なお、アルミニウム系ろう材６０上に配置する金属部材５０としては、箔状に限定されず、厚さが約１ｍｍ以下であれば、板状の金属部材を配置しても良い。
　金属部材５０としては、セラミックス基板１０に対してろう付による接合が可能であり、且つ、後述するコールドスプレー法による皮膜形成が可能な程度の硬度を有する金属または合金が用いられる。この硬度の範囲はコールドスプレー法における成膜条件等によっても異なるため、一概には定められないが、概ね、ビッカース硬度が１００ＨＶ以下の金属部材であれば適用することができる。具体的には、アルミニウム、銀、ニッケル、金、銅、又はこれらの金属を含む合金等が挙げられる。
　アルミニウム系ろう材６０は、セラミックス基板１０の種類や、金属部材５０の種類に応じて適宜選択することができる。アルミニウム系ろう材６０は、アルミニウムを主成分とし、ゲルマニウム、マグネシウム、珪素、銅の内の少なくとも１種を含有するものが好ましい。なお、本明細書において、アルミニウムを主成分とするとは、アルミニウムの配合割合を５０質量％以上とすることを意味する。
　本実施の形態で使用されるアルミニウム系ろう材６０として、たとえば、特許第３９７７８７５号公報に記載される、５～４５質量％のゲルマニウム、５～１５質量％の珪素、２～１０質量％のマグネシウム、残部がアルミニウムであるろう材が好適に使用できる。
　また、たとえば、特許第３３９８２０４号公報に記載される、１２～２２質量％の銅、７～９質量％の珪素、０．２～１質量％のマグネシウム、６９～７７質量％のアルミニウムを含有するろう材が好適に使用できる。
　さらに、たとえば、特許第３１６８２２７号公報に記載される、５０～８０質量％のアルミニウム、５～５０質量％のゲルマニウム、４～１０質量％の珪素、０．５～５質量％のマグネシウム、０．５～２５質量％の銅、０．５～１０質量％のニッケルを含有するろう材が好適に使用できる。
　さらにまた、特許第３３９８２０３号公報に記載される、１０～４０質量％の銅、１０～４０質量％の銀、０．１～５質量％のマグネシウム、４０～４９質量％のアルミニウムを含有するろう材や、１０～４０質量％のゲルマニウム、１０～４０質量％の銀、２～１０質量％の珪素、０．１～５質量％のマグネシウム、４０～４９質量％のアルミニウムを含有するろう材が好適に使用できる。
　上記に例示したアルミニウム系ろう材６０において、ゲルマニウム、珪素、銅、銀は、いずれもアルミニウム系ろう材６０に添加することによりろう材の融点を下げる効果を有するため、アルミニウム系ろう材６０の添加成分として適している。また、アルミニウム－銅－銀、およびアルミニウム－ゲルマニウム－銀は、各３元系で融点の低い共晶を生成するため、アルミニウム系ろう材６０の主成分として適している。
　また、上記に例示したアルミニウム系ろう材６０において、マグネシウムは、金属部材５０としてアルミニウムまたはアルミニウム合金を使用する場合、ろう付け時に揮発したマグネシウムによりアルミニウムまたはアルミニウム合金表面の酸化物を還元して、ろう材の濡れ性を向上するため、接合強度を向上できる。また、セラミックス基板１０として、アルミナ系セラミックスが使用される場合も、セラミックス表面の酸化膜を分解して、濡れ性を向上できるため接合強度の向上を図ることができる。したがって、マグネシウムはアルミニウム系ろう材６０の添加成分として適している。
　アルミニウム系ろう材６０をセラミックス基板１０表面に配置する方法としては、公知の種々の方法が用いられる。例えば、有機溶剤及び有機バインダーを含むペースト状のろう材をスクリーン印刷法によってセラミックス基板１０に塗布しても良い。また、箔状のろう材（ろう材箔）をセラミックス基板１０上に載置しても良い。或いは、蒸着法やスパッタ法等によりろう材をセラミックス基板１０の表面に付着させても良い。
　金属部材５０とセラミックス基板１０とのろう付けは、使用するアルミニウム系ろう材６０、金属部材５０およびセラミックス基板１０によっても変動するが、真空中または窒素ガス等の不活性雰囲気中で、５００℃～６３０℃の温度範囲、好ましくは５５０℃～６００℃の温度範囲で加熱することにより行う。
　次に、パワーモジュール１００の製造方法について、図２および図３を参照しながら説明する。図２は、図１に示すパワーモジュール１００の製造方法を示すフローチャートである。図３は、コールドスプレー装置の概要を示す模式図である。
　まず、スクリーン印刷等によりセラミックス基板１０の表面にアルミニウム系ろう材６０を配置する（ステップＳ１）。
　続いて、アルミニウム系ろう材６０上に金属部材５０を配置する（ステップＳ２）。本実施の形態では、セラミックス基板１０の両面にアルミニウム系ろう材６０を介して金属部材５０を接合する。セラミックス基板１０の両面にアルミニウム系ろう材６０を配置後、金属部材５０を配置してもよく、またセラミックス基板１０の片面にアルミニウム系ろう材６０および金属部材５０を配置した後、もう一方の面にアルミニウム系ろう材６０および金属部材５０を配置してもよい。
　アルミニウム系ろう材６０および金属部材５０を表面に配置したセラミックス基板１０を所定時間、所定温度に保持して真空中において熱処理を施す（ステップＳ３）。この熱処理により、アルミニウム系ろう材６０が溶融し、セラミックス基板１０と金属部材５０との接合体が得られる。
　図１に示すように、セラミックス基板１０の両面に金属部材５０を接合する場合には、アルミニウム系ろう材６０を両面に配置したセラミックス基板１０を２枚の金属部材５０によって挟んだものを熱処理することにより、セラミックス基板１０の両面に金属部材５０を接合することができる。
　続いて、コールドスプレー法により金属部材５０上に金属皮膜層を積層し、放熱部材４０を形成する（ステップＳ４）。図３は、金属皮膜層の形成に使用されるコールドスプレー装置の概要を示す模式図である。
　図３に示すコールドスプレー装置７０は、圧縮ガスを加熱するガス加熱器７１と、金属皮膜層の材料の粉末を収容し、スプレーガン７３に供給する粉末供給装置７２と、加熱された圧縮ガス及びそこに供給された材料粉末を基材に噴射するガスノズル７４と、ガス加熱器７１及び粉末供給装置７２に対する圧縮ガスの供給量をそれぞれ調節するバルブ７５及び７６とを備える。
　圧縮ガスとしては、ヘリウム、窒素、空気などが使用される。ガス加熱器７１に供給された圧縮ガスは、例えば５０℃以上であって、金属皮膜層の材料粉末の融点よりも低い範囲の温度に加熱された後、スプレーガン７３に供給される。圧縮ガスの加熱温度は、好ましくは３００～９００℃である。
　一方、粉末供給装置７２に供給された圧縮ガスは、粉末供給装置７２内の材料粉末をスプレーガン７３に所定の吐出量となるように供給する。
　加熱された圧縮ガスは末広形状をなすガスノズル７４により超音速流（約３４０ｍ／ｓ以上）にされる。この際の圧縮ガスのガス圧力は、１～５ＭＰａ程度とすることが好ましい。圧縮ガスの圧力をこの程度に調整することにより、金属部材５０に対する金属皮膜層の密着強度の向上を図ることができるからである。より好ましくは、２～４ＭＰａ程度の圧力で処理すると良い。スプレーガン７３に供給された粉末材料は、この圧縮ガスの超音速流の中への投入により加速され、固相状態のまま、セラミックス基板１０上の金属部材５０に高速で衝突して堆積し、皮膜を形成する。なお、材料粉末をセラミックス基板１０に向けて固相状態で衝突させて皮膜を形成できる装置であれば、図３に示すコールドスプレー装置７０に限定されるものではない。
　放熱部材４０を形成後、セラミックス基板１０の他方の面にコールドスプレー法により回路層２０を形成する（ステップＳ５）。回路層２０は、例えば、金属部材５０の上層に回路パターンが形成されたメタルマスク等を配置し、コールドスプレー装置７０等により、回路層２０を形成する金属または合金の粉末を用いて皮膜形成を行えば良い。
　回路層２０の形成後、回路層２０上にアルミニウム系ろう材６０を配置する（ステップＳ６）。
　その後、アルミニウム系ろう材６０上に半導体素子３０を配置し（ステップＳ７）、熱処理して（ステップＳ８）、半導体素子を回路層２０上に接合する。これにより、図１に示すパワーモジュール１００が完成する。
　なお、半導体素子３０を回路層２０に接合するアルミニウム系ろう材６０は、金属基板５０をセラミックス基板１０に接合するアルミニウム系ろう材６０と、配合する金属およびその割合が同一のものを使用することも可能である。しかしながら、半導体素子３０を回路層２０に接合するアルミニウム系ろう材６０のろう付け温度が、金属基板５０とセラミックス基板１０とを接合するアルミニウム系ろう材６０のろう付け温度より低くなるものを選択することが好ましい。
　本実施の形態では、セラミックス基板１０上に形成された回路層２０に、アルミニウム系ろう材６０により半導体素子３０を接合することにより、接合強度が高く、放熱特性および耐熱性に優れる接合体を得ることができる。
　また、本実施の形態の変形例として、セラミックス基板１０として、回路層２０がセラミックス基板１０に直接接合されたＤＢＣ基板（「Ｄｉｒｅｃｔ　Ｂｏｎｄｅｄ　Ｃｏｐｐｅｒ基板」、以下、ＤＢＣ基板という）を使用したパワーモジュールを例示することができる。図４は、本発明の実施の形態の変形例１に係るパワーモジュールの構成を示す断面図である。
　図４に示すパワーモジュール２００は、回路層２０および銅板８１が直接セラミックス基板１０に接合されたＤＢＣ基板８０と、回路層２０上に実装された半導体素子３０と、銅板８１を介して設けられた放熱部材４０とを備える。
　ＤＢＣ基板８０の回路層２０は、銅または銅合金から形成される。実施の形態と同様に、回路層２０上にスクリーン印刷法等によりアルミニウム系ろう材６０を配置した後、アルミニウム系ろう材６０上に半導体素子３０を配置して、真空中または不活性雰囲気中で熱処理することにより、半導体素子３０を回路層２０上に接合する。
　放熱部材４０は、アルミニウム系ろう材６０により銅板８１と接合される。放熱部材４０の銅板８１への接合は、アルミニウム系ろう材６０以外のろう材も使用しうる。また、ろう付けのほか、機械締結部材等を使用して放熱部材４０を銅板８１に接合してもよい。
　本変形例において、ＤＢＣ基板８０上に直接接合された回路層２０に、アルミニウム系ろう材６０により半導体素子３０を接合することにより、接合強度が高く、放熱特性および耐熱性に優れる接合体を得ることができる。
　さらに、本実施の形態の変形例として、セラミックス基板１０として、回路層２０および銅板８１がセラミックス基板１０にろう材により接合されたＡＭＣ基板（「Ａｃｔｉｖｅ　Ｍｅｔａｌ　Ｂｒａｚｅｄ　Ｃｏｐｐｅｒ基板」、以下、ＡＭＣ基板という）を使用したパワーモジュールを例示することができる。図５は、本発明の実施の形態の変形例２に係るパワーモジュールの構成を示す断面図である。
　図５に示すパワーモジュール３００は、回路層２０および銅板８１が、アルミニウム系ろう材６０によりセラミックス基板１０に接合されたＡＭＣ基板８２と、回路層２０上に実装された半導体素子３０と、銅板８１を介して設けられた放熱部材４０とを備える。なお、セラミックス基板１０と、回路層２０および銅板８１とを接合するろう材は、アルミニウム系ろう材６０以外の他の金属系のろう材も使用しうる。
　ＡＭＣ基板８２の回路層２０は、銅または銅合金から形成される。実施の形態と同様に、回路層２０上にスクリーン印刷法等によりアルミニウム系ろう材６０を配置した後、アルミニウム系ろう材６０上に半導体素子３０を配置して、真空中または不活性雰囲気中で熱処理することにより、半導体素子３０を回路層２０上に接合する。
　放熱部材４０は、アルミニウム系ろう材６０により銅板８１と接合される。放熱部材４０の銅板８１への接合は、アルミニウム系ろう材６０以外のろう材も使用しうる。また、ろう付けのほか、機械締結部材等を使用して放熱部材４０を銅板８１に接合してもよい。
　本変形例において、ＡＭＣ基板８２上に直接接合された回路層２０に、アルミニウム系ろう材６０により半導体素子３０を接合することにより、接合強度が高く、放熱特性および耐熱性に優れる接合体を得ることができる。
　本実施の形態に係る接合体に使用されるアルミニウム系ろう材等によりテストピースを作製し、引張強度を測定した。
（実施例１）
　アルミニウム系ろう材（Ｇｅ　３５ｍａｓｓ％－Ｓｉ　１２ｍａｓｓ％－Ｍｇ　０．７ｍａｓｓ％－Ｃｕ　０．７ｍａｓｓ％－Ａｌ　残部、固相線温度　７２１Ｋ、液相線温度　７８３Ｋ）から長さ４０ｍｍ、幅１５ｍｍ、厚さ０．１７ｍｍのテストピースを作製し、ＪＩＳ　Ｚ２２４１に基づき引張試験を行った。表１に、試験結果を示す。なお、表１に示す引張強度は、ｎ＝５での平均値である。
（比較例１）
　Ｐｂ－Ｓｎ系半田（Ｐｂ　５０ｍａｓｓ％－Ｓｎ　５０ｍａｓｓ％）から長さ４０ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚さ０．０９ｍｍのテストピースを作製し、ＪＩＳ　Ｚ２２４１に基づき引張試験を行った。表１に、試験結果を示す。なお、表１に示す引張強度は、実施例１と同様にｎ＝５での平均値である。
（比較例２）
　Ａｇ－Ｓｎ系半田（Ａｇ　２．５ｍａｓｓ％－Ｓｎ　９７．５ｍａｓｓ％）から長さ４０ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚さ０．１１ｍｍのテストピースを作製し、ＪＩＳ　Ｚ２２４１に基づき引張試験を行った。表１に、試験結果を示す。なお、表１に示す引張強度は、実施例１と同様にｎ＝５での平均値である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１に示すように、アルミニウム系ろう材は、比較例１および２の半田材に比べて３倍以上の引張強度を示している。この数値からも明らかなように、アルミニウム系ろう材により銅板（回路層）と半導体素子とを接合すると、耐久性を高めることができる。
　実施例１、ならびに比較例１および２の各材料について、その材料構成により熱伝導率を算出した。表２に算出した熱伝導率を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表２に示すように、アルミニウム系ろう材は、比較例１および２の半田材に比べて、非常に大きな熱伝導率を示す。この数値からも明らかなように、アルミニウム系ろう材により銅板（回路層）と半導体素子とを接合すると、放熱特性を向上することが可能となる。
　以上のように、本発明にかかる接合体は、高い接合強度、ならびに放熱特性および耐熱性が要求される分野に有用である。
　１０　セラミックス基板
　２０　回路層
　３０　半導体素子
　４０　放熱部材
　５０　金属部材
　６０　アルミニウム系ろう材
　７０　コールドスプレー装置
　７１　ガス加熱器
　７２　粉末供給装置
　７３　スプレーガン
　７４　ガスノズル
　７５　バルブ
　８０　ＤＢＣ基板
　８１　銅板
　８２　ＡＭＣ基板
　１００、２００、３００　パワーモジュール

Claims (9)

  1. 　半導体素子と、
    　前記半導体素子を実装する回路層が形成された絶縁性を有するセラミックス基板と、
    　を備え、前記半導体素子と前記回路層とはアルミニウム系ろう材により接合されたことを特徴とする接合体。
  2. 　前記セラミックス基板は窒化物系セラミックスからなることを特徴とする請求項１に記載の接合体。
  3. 　前記半導体素子は、炭化珪素素子であることを特徴とする請求項１に記載の接合体。
  4. 　前記アルミニウム系ろう材は、ゲルマニウム、マグネシウム、珪素、銅からなる群より選択される少なくとも１種類を含有することを特徴とする請求項１に記載の接合体。
  5. 　前記回路層は、銅、銀、金からなる群から選択される金属、または該金属を含む合金からなることを特徴とする請求項１に記載の接合体。
  6. 　前記セラミックス基板と前記回路層との間に、アルミニウム、銀、ニッケル、金、または銅からなる群から選択される金属、または該金属を含む合金からなる金属部材を備え、
    　前記金属部材と前記セラミックス基板とはアルミニウム系ろう材で接合され、
    　前記回路層は、マスクを介して、前記金属部材の表面に、金属又は合金からなる粉末をガスと共に加速し、前記表面に固相状態のままで吹き付けて堆積させることによって形成されたことを特徴とする請求項１～５のいずれか一つに記載の接合体。
  7. 　前記半導体素子と前記回路層を接合する第１のアルミニウム系ろう材の接合温度は、前記金属部材と前記セラミックス基板とを接合する第２のアルミニウム系ろう材の接合温度以下であることを特徴とする請求項６に記載の接合体。
  8. 　前記セラミックス基板は、ＤＢＣ基板であることを特徴とする請求項１～４のいずれか一つに記載の接合体。
  9. 　前記セラミックス基板は、アルミニウムろう材により銅または銅合金からなる回路層を接合した活性金属接合基板であることを特徴とする請求項１～４のいずれか一つに記載の接合体。
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