WO2014088025A1 - パワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール、パワーモジュール用基板の製造方法、銅板接合用ペースト、及び接合体の製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明に係わるパワーモジュール用基板は、セラミックス基板（１１）の表面に銅または銅合金からなる銅板が積層されて接合されたパワーモジュール用基板であって、銅板とセラミックス基板（１１）との間において、セラミックス基板（１１）の表面に酸化物層（３１）が形成されているとともに、Ａｇ－Ｃｕ共晶組織層（３２）の厚さが１５μｍ以下とされている。

Description

パワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール、パワーモジュール用基板の製造方法、銅板接合用ペースト、及び接合体の製造方法

　この発明は、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用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール、パワーモジュール用基板の製造方法、銅板接合用ペースト、及び接合体の製造方法に関するものである。
　本願は、２０１２年１２月０６日に日本に出願された特願２０１２－２６７３００号について優先権を主張し、その内容をここに援用する。

　半導体素子の中でも電力供給のためのパワーモジュールは、発熱量が比較的高いため、これを搭載する基板としては、例えば、ＡｌＮ（窒化アルミ）、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化ケイ素）などからなるセラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面側に第一の金属板が接合されて構成された回路層と、セラミックス基板の他方の面側に第二の金属板が接合されて構成された金属層と、を備えたパワーモジュール用基板が用いられる。
　このようなパワーモジュール基板では、回路層の上に、はんだ材を介してパワー素子等の半導体素子が搭載される。

　例えば、特許文献１には、第一の金属板（回路層）及び第二の金属板（金属層）としてアルミニウム板を用いてなるパワーモジュール用基板が提案されている。
　また、特許文献２、３には、第一の金属板（回路層）及び第二の金属板（金属層）を銅板とし、この銅板を、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系のろう材を用いた活性金属法によってセラミックス基板に接合してなるパワーモジュール用基板が提案されている。

特許第３１７１２３４号公報 特開昭６０－１７７６３４号公報 特許第３２１１８５６号公報

　ところで、特許文献１に記載されたパワーモジュール用基板においては、回路層を構成する第一の金属板としてアルミニウム板が用いられている。ここで、銅とアルミニウムとを比較すると、アルミニウムの熱伝導率が低いことから、回路層としてアルミニウム板を用いた場合には、銅板を用いた場合に比べて回路層上に搭載された電気部品等の発熱体からの熱を拡げて放散することができない。このため、電子部品の小型化や高出力化により、パワー密度が上昇した場合には、熱を十分に放散することができなくなるおそれがあった。

　ここで、特許文献２，３においては、回路層を銅板で構成していることから、回路層上に搭載された電気部品等の発熱体からの熱を効率的に放散することが可能となる。
　ところで、特許文献２，３に記載されたように、銅板とセラミックス基板とを活性金属法によって接合した場合には、銅板とセラミックス基板との接合部に、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系のろう材が溶融して凝固することによってＡｇ－Ｃｕ共晶組織層が形成されることになる。

　このＡｇ－Ｃｕ共晶組織層は非常に硬いことから、上述のパワーモジュール用基板に冷熱サイクルが負荷された際に、セラミックス基板と銅板との熱膨張係数の差に起因するせん断応力が作用したときに、Ａｇ－Ｃｕ共晶組織層が変形せずに、セラミックス基板に割れ等が発生するといった問題があった。

　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、Ａｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス基板に銅または銅合金からなる銅板が接合されてなり、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板の割れの発生を抑制できるパワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール及び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。また、銅板とセラミックス基板とを接合した場合であっても、硬いＡｇ－Ｃｕ共晶組織層が厚く形成されることがなく、セラミックス基板における割れの発生を抑制でき、かつ、確実に銅板とセラミックス基板とを接合することができる銅板接合用ペースト、及び、この銅板接合用ペーストを用いた接合体の製造方法を提供することを目的とする。

　（１）本発明の一態様におけるパワーモジュール用基板は、Ａｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス基板の表面に銅または銅合金からなる銅板が積層されて接合されたパワーモジュール用基板であって、前記銅板と前記セラミックス基板との間において、前記セラミックス基板の表面に酸化物層が形成されているとともに、Ａｇ－Ｃｕ共晶組織層の厚さが１５μｍ以下とされている。

　この構成のパワーモジュール用基板においては、銅または銅合金からなる銅板とＡｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス基板との接合部において、Ａｇ－Ｃｕ共晶組織層の厚さが１５μｍ以下とされているので、冷熱サイクル負荷時にＡｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス基板と銅板との熱膨張係数の差に起因するせん断応力が作用した場合であっても、銅板側が適度に変形することになり、Ａｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス基板の割れを抑制することができる。
　また、Ａｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス基板に含有された酸素と反応することで前記セラミックス基板の表面に酸化物層が形成されることになり、前記セラミックス基板と酸化物層とが強固に結合することができる。

　（２）本発明の他の態様におけるパワーモジュール用基板は、（１）に記載のパワーモジュール用基板であって、前記酸化物層は、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂから選択される１種又は２種以上の元素の酸化物を含有している。
　この場合、前記セラミックス基板と前記酸化物層とが強固に結合することになり、セラミックス基板と銅板とを強固に接合することができる。

　（３）本発明の他の態様におけるヒートシンク付パワーモジュール用基板は、（１）又は（２）に記載の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を冷却するヒートシンクと、を備えている。
　この構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板によれば、パワーモジュール用基板で発生した熱をヒートシンクによって放散することができる。また、銅板とセラミックス基板とが確実に接合されているので、パワーモジュール用基板の熱をヒートシンク側へと確実に伝達することが可能となる。

　（４）本発明の他の態様におけるパワーモジュールは、（１）又は（２）に記載のパワーモジュール用基板と、前記回路層上に搭載された電子部品と、を備えている。
　この構成のパワーモジュールによれば、回路層上に搭載された電子部品からの熱を効率的に放散することができ、電子部品のパワー密度（発熱量）が向上した場合であっても、十分に対応することができる。

　（５）本発明の他の態様におけるパワーモジュール用基板の製造方法は、Ａｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス基板の表面に銅または銅合金からなる銅板が積層されて接合されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記セラミックス基板の接合面及び前記銅板の接合面のうち少なくとも一方に、Ａｇと酸化物形成元素とを含有するＡｇ及び酸化物形成元素層を形成するＡｇ及び酸化物形成元素層形成工程と、このＡｇ及び酸化物形成元素層を介して前記セラミックス基板と前記銅板と積層する積層工程と、積層された前記セラミックス基板と前記銅板を積層方向に加圧するとともに加熱し、前記セラミックス基板と前記銅板との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、この溶融金属領域を凝固させることによって、前記セラミックス基板と前記銅板とを接合する凝固工程と、を有し、前記加熱工程において、Ａｇを前記銅板側に拡散させることにより前記セラミックス基板と前記銅板との界面に前記溶融金属領域を形成するとともに、前記セラミックス基板の表面に酸化物層を形成することを特徴としている。

　この構成のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、前記加熱工程において、Ａｇを前記銅板側に拡散させることにより前記セラミックス基板と前記銅板との界面に前記溶融金属領域を形成しているので、溶融金属領域の厚さを薄く抑えることができ、Ａｇ－Ｃｕ共晶組織層の厚さを１５μｍ以下とすることができる。また、前記加熱工程において、前記セラミックス基板の表面に酸化物層を形成する構成としているので、Ａｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス基板と銅板とを強固に接合することができる。

　（６）本発明の他の態様におけるパワーモジュール用基板の製造方法は、（５）に記載のパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記酸化物形成元素は、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂから選択される１種又は２種以上の元素である。
　この場合、前記セラミックス基板の表面に、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂの酸化物を含む酸化物層を形成することができ、Ａｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス基板と銅板とを強固に接合することが可能となる。

　（７）本発明の他の態様におけるパワーモジュール用基板の製造方法は、（５）又は（６）に記載のパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記Ａｇ及び酸化物形成元素層形成工程では、Ａｇ及び酸化物形成元素以外に、Ｉｎ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｍｎ及びＺｎから選択される１種又は２種以上の添加元素を配設させる。
　この場合、前記加熱工程において、前記溶融金属領域をさらに低い温度で形成することができ、Ａｇ－Ｃｕ共晶組織層の厚さをさらに薄くすることができる。

　（８）本発明の他の態様におけるパワーモジュール用基板の製造方法は、（５）～（７）のいずれかに記載のパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記Ａｇ及び酸化物形成元素層形成工程では、Ａｇ及び酸化物形成元素を含有するＡｇ及び酸化物形成元素層含有ペーストを塗布する。
　この場合、Ａｇ及び酸化物形成元素を含有する酸化物形成元素層含有ペーストを塗布することで、前記セラミックス基板の接合面及び前記銅板の接合面のうち少なくとも一方に、確実にＡｇ及び酸化物形成元素層を形成することが可能となる。

　（９）本発明の他の態様におけるパワーモジュール用基板の製造方法は、（８）に記載のパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記Ａｇ及び酸化物形成元素層含有ペーストは、前記酸化物形成元素の水素化物を含有している。
　この場合、酸化物形成元素の水素化物の水素が還元剤として作用するので、銅板の表面に形成された酸化膜等を除去でき、Ａｇの拡散及び酸化物層の形成を確実に行うことができる。

　（１０）本発明の他の態様における銅板接合用ペーストは、銅または銅合金からなる銅板とＡｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス基板とを接合する際に使用される銅板接合用ペーストであって、Ａｇおよび酸化物形成元素を含む粉末成分と、樹脂と、溶剤と、を含む。

　この構成の銅板接合用ペーストにおいては、Ａｇおよび酸化物形成元素を含む粉末成分を有しているので、銅板とＡｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス基板との接合部に塗布して加熱した際に、粉末成分中のＡｇが銅板側に拡散することによって、ＣｕとＡｇの反応による溶融金属領域が形成されることになる。そして、この溶融金属領域が凝固することで、銅板とＡｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス基板とが接合される。
　すなわち、Ａｇの銅板への拡散によって溶融金属領域が形成されることから、接合部において溶融金属領域が必要以上に形成されなくなり、接合後（凝固後）に形成されるＡｇ－Ｃｕ共晶組織層の厚さが薄くなるのである。このように、硬いＡｇ－Ｃｕ共晶組織層の厚さが薄く形成されることから、Ａｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス基板における割れの発生を抑制することができる。

　（１１）本発明の他の態様における銅板接合用ペーストは、（１０）に記載の銅板接合用ペーストであって、前記粉末成分は、前記酸化物形成元素の水素化物を含有している。
　この場合、酸化物形成元素の水素化物の水素が還元剤として作用するので、銅板の表面に形成された酸化膜等を除去でき、Ａｇの拡散及び酸化物層の形成を確実に行うことができる。

　（１２）本発明の他の態様における接合体の製造方法は、銅または銅合金からなる銅板とＡｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス基板とが接合されてなる接合体の製造方法であって、前記銅板と前記セラミックス基板との間に、（１０）又は（１１）に記載の銅板接合用ペーストを介在させた状態で加熱処理を行い、前記銅板と前記セラミックス基板とを接合する。

　この場合、前述の銅板接合用ペーストを介在させた状態で加熱処理を行っていることから、銅板接合用ペーストに含有されたＡｇを銅板側に拡散させることで、溶融金属領域を形成することができ、この溶融金属領域を凝固させることにより銅板と前記セラミックス基板とを接合できる。よって、硬いＡｇ－Ｃｕ共晶組織層の厚さが薄く形成されることから、前記セラミックス基板における割れの発生を抑制することができる。
　また、前記セラミックス基板の表面に酸化物層を形成することができ、銅板と前記セラミックス基板との接合強度の向上を図ることができる。

　本発明によれば、Ａｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス基板に銅または銅合金からなる銅板が接合されてなり、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板の割れの発生を抑制できるパワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール及び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。また、銅板とＡｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス基板とを接合した場合であっても、硬いＡｇ－Ｃｕ共晶組織層が厚く形成されることがなく、セラミックス基板における割れの発生を抑制でき、かつ、確実に銅板とセラミックス基板とを接合することができる銅板接合用ペースト、及び、この銅板接合用ペーストを用いた接合体の製造方法を提供することができる。

本発明の第一の実施形態である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を用いたヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュールの概略説明図である。 図１における回路層とＡｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス基板の接合界面の拡大説明図である。 本発明の第一の実施形態において、回路層となる銅板とセラミックス基板を接合する際に使用されるＡｇ及び酸化物形成元素を含有する銅板接合用ペーストの製造方法を示すフロー図である。 本発明の第一の実施形態である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を用いたヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を示すフロー図である。 本発明の第一の実施形態である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を用いたヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。 セラミックス基板と銅板との接合工程を示す拡大説明図である。 本発明の第二の実施形態であるパワーモジュール用基板の概略説明図である。 図７における回路層及び金属層とセラミックス基板の接合界面の拡大説明図である。 本発明の第二の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示すフロー図である。 本発明の第二の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。 本発明の他の実施形態である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を用いたヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。 本発明の他の実施形態である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を用いたヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。 本発明の他の実施形態である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を用いたヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。 実施例における膜厚の測定箇所を示す説明図である。

　以下に、本発明の実施形態であるパワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュールについて、添付した図面を参照して説明する。なお、以下本発明の実施形態に記載したセラミックス基板はＡｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス基板のことである。

（第一の実施形態）
　まず、第一の実施形態について説明する。図１に、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０を用いたヒートシンク付パワーモジュール用基板５０及びパワーモジュール１を示す。
　このパワーモジュール１は、回路層１２が配設されたパワーモジュール用基板１０と、回路層１２の表面にはんだ層２を介して接合された半導体素子３（電子部品）と、緩衝板４１と、ヒートシンク５１とを備えている。ここで、はんだ層２は、例えばＳｎ－Ａｇ系、Ｓｎ－Ｉｎ系、若しくはＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ系のはんだ材とされている。なお、本実施形態では、回路層１２とはんだ層２との間にＮｉめっき層（図示なし）が設けられている。

　パワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の一方の面（第一の面であり、図１において上面）に配設された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面（第二の面であり、図１において下面）に配設された金属層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Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）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。

　回路層１２は、図５に示すように、セラミックス基板１１の第一の面（図５において上面）に、銅板２２が接合されることにより形成されている。回路層１２の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．３ｍｍに設定されている。また、この回路層１２には、回路パターンが形成されており、その一方の面（図１において上面）が、半導体素子３が搭載される搭載面とされている。回路層１２の他方の面（図１において下面）は、セラミックス基板１１の第一の面と接合されている。
　本実施形態においては、銅板２２（回路層１２）は、純度９９．９９質量％以上の無酸素銅（ＯＦＣ）の圧延板とされている。なお、この銅板は銅合金の圧延板とされてもよい。
　ここで、セラミックス基板１１と回路層１２との接合には、後述するＡｇ及び酸化物形成元素を含有する銅板接合用ペーストが使用されている。

　金属層１３は、図５に示すように、セラミックス基板１１の第二の面（図５において下面）に、アルミニウム板２３が接合されることにより形成されている。金属層１３の厚さは０．６ｍｍ以上６．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６ｍｍに設定されている。
　本実施形態においては、アルミニウム板２３（金属層１３）は、純度が９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板とされている。

　緩衝板４１は、冷熱サイクルによって発生する歪みを吸収するものであり、図１に示すように、金属層１３の他方の面（図１において下面）に形成されている。金属層の一方の面は、セラミックス基板１１の第二の面と接合されている。緩衝板４１の厚さは０．５ｍｍ以上７．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．９ｍｍに設定されている。
　本実施形態においては、緩衝板４１は、純度が９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板とされている。

　ヒートシンク５１は、前述のパワーモジュール用基板１０からの熱を放散するためのものである。本実施形態におけるヒートシンク５１は、パワーモジュール用基板１０と緩衝板４１を介して接合されている。
　本実施形態においては、ヒートシンク５１は、アルミニウム及びアルミニウム合金で構成されており、具体的にはＡ６０６３合金の圧延板とされている。また、ヒートシンク５１の厚さは１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、５ｍｍに設定されている。

　図２に、セラミックス基板１１と回路層１２との接合界面の拡大図を示す。セラミックス基板１１の表面には、銅板接合用ペーストに含有された酸化物形成元素の酸化物からなる酸化物層３１が形成されている。
　そして、この酸化物層３１に積層するようにＡｇ－Ｃｕ共晶組織層３２が形成されている。ここで、Ａｇ－Ｃｕ共晶組織層３２の厚さは１５μｍ以下とされている。

　次に、前述の構成のパワーモジュール用基板１０の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板５０の製造方法について説明する。
　上述のように、セラミックス基板１１と回路層１２となる銅板２２の接合には、Ａｇ及び酸化物形成元素を含有する銅板接合用ペーストが使用されている。そこで、まず、銅板接合用ペーストについて説明する。

　銅板接合用ペーストは、Ａｇおよび酸化物形成元素を含む粉末成分と、樹脂と、溶剤と、分散剤と、可塑剤と、還元剤と、を含有するものである。
　ここで、粉末成分の含有量が、銅板接合用ペースト全体の４０質量％以上９０質量％以下とされている。
　また、本実施形態では、銅板接合用ペーストの粘度が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。

　酸化物形成元素は、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂから選択される１種又は２種以上の元素であることが好ましく、本実施形態では、酸化物形成元素としてＴｉを含有している。
　ここで、粉末成分の組成は、ペーストを適度な厚みで塗布するため、酸化物形成元素（本実施形態ではＴｉ）の含有量が０．４質量％以上７５質量％以下とされ、残部がＡｇ及び不可避不純物とされていることが望ましい。本実施形態では、Ｔｉを１０質量％含んでおり、残部がＡｇ及び不可避不純物とされている。

　また、本実施形態においては、Ａｇ及び酸化物形成元素（Ｔｉ）を含む粉末成分として、ＡｇとＴｉとの合金粉末を使用している。この合金粉末は、アトマイズ法によって作製されたものであり、作製された合金粉末を篩い分けすることによって、粒径を４０μｍ以下、好ましくは２０μｍ以下、さらに好ましくは１０μｍ以下に設定している。
　なお、この合金粉末の粒径は、例えば、マイクロトラック法を用いることで測定することができる。

　樹脂は、銅板接合用ペーストの粘度を調整するものであり、例えば、エチルセルロース、メチルセルロース、ポリメチルメタクリレート、アクリル樹脂、アルキッド樹脂等を適用することができる。
　溶剤は、前述の粉末成分の溶媒となるものであり、例えば、メチルセルソルブ、エチルセルソルブ、テルピネオール、トルエン、テキサノ－ル、トリエチルシトレート等を適用できる。

　分散剤は、粉末成分を均一に分散させるものであり、例えば、アニオン性界面活性剤、カチオン性界面活性剤等を適用することができる。
　可塑剤は、銅板接合用ペーストの成形性を向上させるものであり、例えば、フタル酸ジブチル、アジピン酸ジブチル等を適用することができる。
　還元剤は、粉末成分の表面に形成された酸化皮膜等を除去するものであり、例えば、ロジン、アビエチン酸等を適用することができる。なお、本実施形態では、アビエチン酸を用いている。
　なお、分散剤、可塑剤、還元剤は、必要に応じて添加すればよく、分散剤、可塑剤、還元剤を添加することなく銅板接合用ペーストを構成してもよい。

　ここで、銅板接合用ペーストの製造方法について、図３に示すフロー図を参照して説明する。
　まず、前述のように、Ａｇと酸化物形成元素（Ｔｉ）とを含有する合金粉末をアトマイズ法によって作製し、これを篩い分けすることによって粒径４０μｍ以下の合金粉末を得る（合金粉末作製工程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、合金粉末作製工程Ｓ０１で得られた合金粉末と、有機物混合工程Ｓ０２で得られた有機混合物と、分散剤、可塑剤、還元剤等の副添加剤と、をミキサーによって予備混合する（予備混合工程Ｓ０３）。
　次いで、予備混合物を、複数のロールを有する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）。
　混錬工程Ｓ０４によって得られた混錬物を、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、上述の銅板接合用ペーストが製出されることになる。

　次に、この銅板接合用ペーストを用いた本実施形態であるパワーモジュール用基板１０の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板５０の製造方法について、図４から図６を参照して説明する。

（Ａｇ及び酸化物形成元素層形成工程Ｓ１１）
　まず、図５に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に、スクリーン印刷によって、前述の銅板接合用ペーストを塗布して乾燥させることにより、Ａｇ及び酸化物形成元素層２４を形成する。なお、Ａｇ及び酸化物形成元素層２４の厚さは、乾燥後で６０μｍ以上３００μｍ以下とされている。

（積層工程Ｓ１２）
　次に、銅板２２をセラミックス基板１１の第一の面側に積層する。すなわち、セラミックス基板１１と銅板２２との間に、Ａｇ及び酸化物形成元素層２４を介在させている。

（加熱工程Ｓ１３）
　次いで、銅板２２、セラミックス基板１１を積層方向に加圧（圧力１～３５ｋｇｆ／ｃｍ^２）した状態で真空加熱炉内に装入して加熱する。すると、図６に示すように、Ａｇ及び酸化物形成元素層２４のＡｇが銅板２２に向けて拡散する。このとき、銅板２２の一部がＣｕとＡｇとの反応によって溶融し、銅板２２とセラミックス基板１１との界面に、溶融金属領域２７が形成されることになる。
　ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は１０^－６Ｐａ以上１０^－３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度は７９０℃以上８５０℃以下の範囲内に設定している。

（凝固工程Ｓ１４）
　次に、溶融金属領域２７を凝固させることにより、セラミックス基板１１と銅板２２とを接合する。なお、凝固工程Ｓ１４が終了した後では、Ａｇ及び酸化物形成元素層２４のＡｇが十分に拡散されており、セラミックス基板１１と銅板２２との接合界面にＡｇ及び酸化物形成元素層２４が残存することはない。溶融金属領域２７は、真空加熱炉の加熱を止めて自然冷却などで冷却されることによって凝固される。

（金属層接合工程Ｓ１５）
　次に、セラミックス基板１１の第二の面側に金属層１３となるアルミニウム板２３を接合する。本実施形態では、図５に示すように、セラミックス基板１１の第二の面側に、金属層１３となるアルミニウム板２３が厚さ５～５０μｍ（本実施形態では１４μｍ）のろう材箔２５を介して積層される。なお、本実施形態においては、ろう材箔２５は、融点降下元素であるＳｉを含有したＡｌ－Ｓｉ系のろう材とされている。
　次に、セラミックス基板１１、アルミニウム板２３を積層方向に加圧（圧力１～３５ｋｇｆ／ｃｍ^２）した状態で加熱炉内に装入して加熱する。すると、ろう材箔２５とアルミニウム板２３の一部とが溶融し、アルミニウム板２３とセラミックス基板１１との界面に溶融金属領域が形成される。ここで、加熱温度は５５０℃以上６５０℃以下、加熱時間は３０分以上１８０分以下とされている。
　次に、アルミニウム板２３とセラミックス基板１１との界面に形成された溶融金属領域を凝固させることにより、セラミックス基板１１とアルミニウム板２３とを接合する。
　このようにして、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０が製出される。

（緩衝板及びヒートシンク接合工程Ｓ１６）
　次に、図５に示すように、パワーモジュール用基板１０の金属層１３の他方の面側（図５において下側）に、緩衝板４１と、ヒートシンク５１と、を、それぞれろう材箔４２，５２を介して積層する。すなわち、金属層１３の他方の面に緩衝板４１の一方の面（図５において上側）が対向するように金属層１３の他方の面に緩衝板４１をろう材箔４２を介して積層し、さらにその緩衝板４１の他方の面（図５において下側）にヒートシンク５１をろう材箔５２を介して積層する。
　本実施形態では、ろう材箔４２，５２は、厚さ５～５０μｍ（本実施形態では１４μｍ）とされ、融点降下元素であるＳｉを含有したＡｌ－Ｓｉ系のろう材とされている。
　次に、パワーモジュール用基板１０、緩衝板４１、ヒートシンク５１を積層方向に加圧（圧力１～３５ｋｇｆ／ｃｍ^２）した状態で加熱炉内に装入して加熱する。すると、金属層１３と緩衝板４１との界面及び緩衝板４１とヒートシンク５１との界面に、それぞれ溶融金属領域が形成される。ここで、加熱温度は５５０℃以上６５０℃以下、加熱時間は３０分以上１８０分以下とされている。

　次に、金属層１３と緩衝板４１との界面及び緩衝板４１とヒートシンク５１との界面にそれぞれ形成された溶融金属領域を凝固させることにより、パワーモジュール用基板１０と緩衝板４１とヒートシンク５１とを接合する。
　これにより、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板５０が製出されることになる。

　そして、回路層１２の表面に、はんだ材を介して半導体素子３を載置し、還元炉内においてはんだ接合する。
　これにより、はんだ層２を介して半導体素子３が回路層１２上に接合されたパワーモジュール１が製出されることになる。

　以上のような構成とされた本実施形態であるパワーモジュール用基板１０によれば、銅板２２からなる回路層１２とセラミックス基板１１との接合部において、Ａｇ－Ｃｕ共晶組織層３２の厚さが１５μｍ以下とされているので、冷熱サイクル負荷時にセラミックス基板１１と回路層１２との熱膨張係数の差に起因するせん断応力が作用した場合であっても、回路層１２側が適度に変形することになり、セラミックス基板１１の割れを抑制することができる。
　また、セラミックス基板１１の表面に酸化物層３１が形成されているので、セラミックス基板１１と回路層１２とを確実に接合することができる。

　また、本実施形態では、セラミックス基板１１がＡｌ_２Ｏ_３で構成されているので、銅板接合用ペーストに含有された酸化物形成元素とセラミックス基板１１とが反応することによって、セラミックス基板１１の表面に酸化物層３１が形成されることになり、セラミックス基板１１と酸化物層３１とが強固に結合することになる。
　さらに、酸化物層３１が、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂから選択される１種又は２種以上の元素の酸化物を含有しており、本実施形態では、具体的に酸化物層３１がＴｉＯ_２を含有しているので、セラミックス基板１１と酸化物層３１とが強固に結合することになり、セラミックス基板１１と回路層１２とを強固に接合することができる。

　また、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板５０及びパワーモジュール１によれば、パワーモジュール用基板１０で発生した熱をヒートシンク５１によって放散することができる。また、回路層１２とセラミックス基板１１とが確実に接合されているので、回路層１２の搭載面に搭載された半導体素子３から発生する熱をヒートシンク５１側へと確実に伝達させることができ、半導体素子３の温度上昇を抑制することができる。よって、半導体素子３のパワー密度（発熱量）が向上した場合であっても、十分に対応することができる。

　さらに、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板５０及びパワーモジュール１は、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク５１との間に緩衝板４１が配設されているので、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク５１との熱膨張係数の差に起因する歪を緩衝板４１の変形によって吸収することができる。

　また、本実施形態においては、Ａｇ及び酸化物形成元素層形成工程Ｓ１１と、積層工程Ｓ１２と、加熱工程Ｓ１３と、凝固工程Ｓ１４と、を有している。Ａｇ及び酸化物形成元素層形成工程Ｓ１１は、セラミックス基板１１の接合面にＡｇと酸化物形成元素とを含有するＡｇ及び酸化物形成元素層２４を形成する。積層工程Ｓ１２は、このＡｇ及び酸化物形成元素層２４を介してセラミックス基板１１と銅板２２とを積層する。加熱工程Ｓ１３は、積層されたセラミックス基板１１と銅板２２とを積層方向に加圧するとともに加熱し、セラミックス基板１１と銅板２２との界面に溶融金属領域２７を形成する。凝固工程Ｓ１４は、この溶融金属領域２７を凝固させることによってセラミックス基板１１と銅板２２とを接合する。加熱工程Ｓ１３において、Ａｇを銅板２２側に拡散させることによりセラミックス基板１１と銅板２２との界面に溶融金属領域２７を形成しているので、溶融金属領域２７の厚さを薄く抑えることができ、Ａｇ－Ｃｕ共晶組織層３２の厚さを１５μｍ以下とすることができる。さらに、加熱工程Ｓ１３において、セラミックス基板１１の表面に酸化物層３１を形成する構成としているので、セラミックス基板１１と銅板２２とを強固に接合することができる。

　さらに、本実施形態では、Ａｇ及び酸化物形成元素層形成工程Ｓ１１において、Ａｇ及び酸化物形成元素を含有する銅板接合用ペーストを塗布する構成としているので、セラミックス基板１１の接合面に、確実にＡｇ及び酸化物形成元素層２４を形成することが可能となる。

　また、本実施形態で使用した銅板接合用ペーストにおける粉末成分の組成が、酸化物形成元素の含有量が０．４質量％以上７５質量％以下とされ、残部がＡｇ及び不可避不純物とされているので、セラミックス基板１１の表面に酸化物層３１を形成することができる。このように、酸化物層３１を介してセラミックス基板１１と銅板２２からなる回路層１２とが接合されているので、セラミックス基板１１と回路層１２との接合強度の向上を図ることができる。

　また、本実施形態では、粉末成分を構成する粉末、すなわち、Ａｇと酸化物形成元素（Ｔｉ）とを含有する合金粉末の粒径が４０μｍ以下とされているので、この銅板接合用ペーストを薄く塗布することが可能となる。よって、接合後（凝固後）に形成されるＡｇ－Ｃｕ共晶組織層３２の厚さを薄くすることが可能となる。

　また、粉末成分の含有量が、４０質量％以上９０質量％以下とされているので、Ａｇを銅板２２へと拡散させて確実に溶融金属領域２７を形成し、銅板２２とセラミックス基板１１とを接合することができる。また、上述の粉末成分の含有量により、溶剤の含有量が確保されることになり、セラミックス基板１１の接合面に銅板接合用ペーストを確実に塗布でき、Ａｇ及び酸化物形成元素層２４を確実に形成することができる。

　また、本実施形態では、銅板接合用ペーストは必要に応じて分散剤を含有しているので、粉末成分を分散させることができ、Ａｇの拡散を均一に行うことができる。また、酸化物層３１を均一に形成することができる。
　さらに、本実施形態では、銅板接合用ペーストは必要に応じて可塑剤を含有しているので、銅板接合用ペーストの形状を比較的自由に成形することができ、セラミックス基板１１の接合面に確実に塗布することができる。
　また、本実施形態では、銅板接合用ペーストは必要に応じて還元剤を含有しているので、還元剤の作用により、粉末成分の表面に形成された酸化皮膜等を除去でき、Ａｇの拡散及び酸化物層３１の形成を確実に行うことができる。

（第二の実施形態）
　次に、第二の実施形態について説明する。図７に、本実施形態であるパワーモジュール用基板１１０を示す。
　このパワーモジュール用基板１１０は、セラミックス基板１１１と、このセラミックス基板１１１の一方の面（第一の面であり、図７において上面）に配設された回路層１１２と、セラミックス基板１１１の他方の面（第二の面であり、図７において下面）に配設された金属層１１３と、を備えている。
　セラミックス基板１１１は、回路層１１２と金属層１１３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Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）で構成されている。また、セラミックス基板１１１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、０．３２ｍｍに設定されている。

　回路層１１２は、図１０に示すように、セラミックス基板１１１の第一の面（図１０において上面）に、銅板１２２が接合されることにより形成されている。回路層１１２の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６ｍｍに設定されている。また、この回路層１１２には、回路パターンが形成されており、その一方の面（図７において上面）が、半導体素子が搭載される搭載面とされている。回路層１１２の他方の面（図７において下面）は、セラミックス基板１１１の第一の面と接合されている。
　本実施形態においては、銅板１２２（回路層１１２）は、純度９９．９９質量％以上の無酸素銅（ＯＦＣ）の圧延板とされている。

　金属層１１３は、図１０に示すように、セラミックス基板１１１の第二の面（図１０において下面）に、銅板１２３が接合されることにより形成されている。金属層１１３の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６ｍｍに設定されている。
　本実施形態においては、銅板１２３（金属層１１３）は、純度９９．９９質量％以上の無酸素銅（ＯＦＣ）の圧延板とされている。

　ここで、セラミックス基板１１１と回路層１１２との接合、及び、セラミックス基板１１１と金属層１１３との接合には、後述するＡｇ及び酸化物形成元素を含有する銅板接合用ペーストが使用されている。

　図８に、セラミックス基板１１１と回路層１１２及び金属層１１３との接合界面の拡大図を示す。セラミックス基板１１１の表面には、銅板接合用ペーストに含有された酸化物形成元素の酸化物からなる酸化物層１３１が形成されている。
　また、本実施形態では、第一の実施形態で観察されたＡｇ－Ｃｕ共晶組織層が明確に観察されない構成とされている。

　次に、前述の構成のパワーモジュール用基板１１０の製造方法について説明する。
　上述のように、セラミックス基板１１１と回路層１１２となる銅板１２２との接合には、Ａｇ及び酸化物形成元素を含有する銅板接合用ペーストが使用されている。そこで、まず、銅板接合用ペーストについて説明する。

　本実施形態で用いられる銅板接合用ペーストは、Ａｇ及び酸化物形成元素を含む粉末成分と、樹脂と、溶剤と、分散剤と、可塑剤と、還元剤と、を含有するものである。
　そして、粉末成分は、Ａｇ及び酸化物形成元素以外に、Ｉｎ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｍｎ及びＺｎから選択される１種又は２種以上の添加元素を含有するものとされており、本実施形態では、Ｓｎを含有している。

　ここで、粉末成分の含有量が、銅板接合用ペースト全体の４０質量％以上９０質量％以下とされている。
　また、本実施形態では、銅板接合用ペーストの粘度が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。

　酸化物形成元素は、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂから選択される１種又は２種以上の元素であることが好ましく、本実施形態では、酸化物形成元素としてＺｒを含有している。
　ここで、粉末成分の組成は、酸化物形成元素（本実施形態ではＺｒ）の含有量が０．４質量％以上７５質量％以下とされ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｍｎ及びＺｎから選択される１種又は２種以上の添加元素（本実施形態ではＳｎ）の含有量が０質量％以上５０質量％以下とされ、残部がＡｇ及び不可避不純物とされている。ただし、Ａｇの含有量は２５質量％以上である。本実施形態では、Ｚｒ；４０質量％、Ｓｎ；２０質量％を含んでおり、残部がＡｇ及び不可避不純物とされている。

　また、本実施形態においては、粉末成分として、要素粉末（Ａｇ粉末、Ｚｒ粉末、Ｓｎ粉末）を用いている。これらのＡｇ粉末、Ｚｒ粉末、Ｓｎ粉末は、粉末成分全体が上述の組成となるように、配合されているのである。
　これらのＡｇ粉末、Ｚｒ粉末、Ｓｎ粉末は、それぞれ粒径を４０μｍ以下、好ましくは２０μｍ以下、さらに好ましくは１０μｍ以下に設定している。
　なお、これらのＡｇ粉末、Ｚｒ粉末、Ｓｎ粉末の粒径は、例えば、マイクロトラック法を用いることで測定することができる。

　ここで、樹脂、溶剤は、第一の実施形態と同様のものが適用されている。また、本実施形態においても、必要に応じて分散剤、可塑剤、還元剤が添加されている。
　また、本実施形態で用いられる銅板接合用ペーストは、第一の実施形態で示した製造方法に準じて製造されている。すなわち、合金粉末の代わりに、Ａｇ粉末、Ｚｒ粉末、Ｓｎ粉末を用いた以外は、第一の実施形態と同様の手順で製造されているのである。

　次に、この銅板接合用ペーストを用いた本実施形態であるパワーモジュール用基板１１０の製造方法について、図９及び図１０を参照して説明する。

（Ａｇ及び酸化物形成元素層形成工程Ｓ１１１）
　まず、図１０に示すように、セラミックス基板１１１の第一の面及び第二の面に、スクリーン印刷によって、前述の本実施形態である銅板接合用ペーストを塗布し、Ａｇ及び酸化物形成元素層１２４，１２５を形成する。なお、Ａｇ及び酸化物形成元素層１２４，１２５の厚さは、乾燥後で６０μｍ以上３００μｍ以下とされている。

（積層工程Ｓ１１２）
　次に、銅板１２２をセラミックス基板１１１の第一の面側に積層する。また、銅板１２３をセラミックス基板１１１の第二の面側に積層する。すなわち、セラミックス基板１１１と銅板１２２、セラミックス基板１１１と銅板１２３との間に、Ａｇ及び酸化物形成元素層１２４，１２５を介在させている。

（加熱工程Ｓ１１３）
　次いで、銅板１２２、セラミックス基板１１１、銅板１２３を積層方向に加圧（圧力１～３５ｋｇｆ／ｃｍ^２）した状態で真空加熱炉内に装入して加熱する。すると、Ａｇ及び酸化物形成元素層１２４のＡｇが銅板１２２に向けて拡散するとともに、Ａｇ及び酸化物形成元素層１２５のＡｇが銅板１２３に向けて拡散する。

　このとき、銅板１２２のＣｕとＡｇとが反応によって溶融し、銅板１２２とセラミックス基板１１１との界面に、溶融金属領域が形成される。また、銅板１２３のＣｕとＡｇとが反応によって溶融し、銅板１２３とセラミックス基板１１１との界面に、溶融金属領域が形成される。
　ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は１０^－６Ｐａ以上１０^－３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度は７９０℃以上８５０℃以下の範囲内に設定している。

（凝固工程Ｓ１１４）
　次に、溶融金属領域を凝固させることにより、セラミックス基板１１１と銅板１２２、１２３とを接合する。なお、凝固工程Ｓ１１４が終了した後では、Ａｇ及び酸化物形成元素層１２４，１２５のＡｇが十分に拡散されており、セラミックス基板１１１と銅板１２２、１２３との接合界面にＡｇ及び酸化物形成元素層１２４、１２５が残存することはない。溶融金属領域は、真空加熱炉の加熱を止めて自然冷却などで冷却されることによって凝固される。

　このようにして、本実施形態であるパワーモジュール用基板１１０が製出される。
　このパワーモジュール用基板１１０には、回路層１１２の上に半導体素子が搭載されるとともに、金属層１１３の他方側にヒートシンクが配設されることになる。

　以上のような構成とされた本実施形態であるパワーモジュール用基板１１０によれば、銅板１２２からなる回路層１１２とセラミックス基板１１１との接合部において、Ａｇ－Ｃｕ共晶組織層の厚さが１５μｍ以下とされており、本実施形態では、明確にＡｇ－Ｃｕ共晶組織層が観察されなくなるほど薄くなっているので、冷熱サイクル負荷時にセラミックス基板１１１と回路層１１２との熱膨張係数の差に起因するせん断応力が作用した場合であっても、回路層１１２側が適度に変形することになり、セラミックス基板１１１の割れを抑制することができる。
　また、セラミックス基板１１１の表面に酸化物層１３１が形成されているので、セラミックス基板１１１と回路層１１２とを確実に接合することができる。

　また、Ａｇの銅板１２２，１２３への拡散によって溶融金属領域が形成されることから、セラミックス基板１１１と銅板１２２、１２３との接合部において溶融金属領域が必要以上に形成されなくなり、接合後（凝固後）に形成されるＡｇ－Ｃｕ共晶組織層の厚さが薄くなる。よって、セラミックス基板１１１における割れの発生を抑制することができる。

　また、本実施形態では、酸化物形成元素としてＺｒを含有しているので、Ａｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス基板１１１とＺｒが反応して酸化物層１３１が形成されることになり、セラミックス基板１１１と銅板１２２，１２３とを確実に接合することができる。
　そして、本実施形態では、粉末成分として、Ａｇ及び酸化物形成元素（本実施形態ではＺｒ）以外に、Ｉｎ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｍｎ及びＺｎから選択される１種又は２種以上の添加元素（本実施形態ではＳｎ）を含有しているので、溶融金属領域をさらに低い温度で形成することができ、形成されるＡｇ－Ｃｕ共晶組織層の厚さをさらに薄くすることが可能となる。

　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、酸化物形成元素としてＴｉ、Ｚｒ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、Ｈｆ，Ｎｂ等の他の酸化物形成元素であってもよい。
　また、銅板接合用ペースト（Ａｇ及び酸化物形成元素層含有ペースト）に含まれる粉末成分がＴｉＨ_２、ＺｒＨ_２等の酸化物形成元素の水素化物を含んでいてもよい。この場合、酸化物形成元素の水素化物の水素が還元剤として作用するので、銅板の表面に形成された酸化膜等を除去でき、Ａｇの拡散及び酸化物層の形成を確実に行うことができる。
　また、第二の実施形態において、添加元素としてＳｎを添加したものとして説明したが、これに限定されることはなく、Ｉｎ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｍｎ及びＺｎから選択される１種又は２種以上の添加元素を用いてもよい。

　粉末成分を構成する粉末の粒径を４０μｍ以下としたもので説明したが、これに限定されることはなく、粒径に限定はない。
　また、分散剤、可塑剤、還元剤を含むものとして説明したが、これに限定されることはなく、これらを含んでいなくてもよい。これら分散剤、可塑剤、還元剤は、必要に応じて添加すればよい。

　さらに、アルミニウム板とセラミックス基板、あるいは、アルミニウム板同士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、鋳造法、金属ペースト法等を適用してもよい。また、アルミニウム板とセラミックス基板、アルミニウム板と天板、あるいは、その他のアルミニウム材間に、Ｃｕ，Ｓｉ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ，Ｌｉを配し、過渡液相接合法（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　Ｌｉｑｕｉｄ　Ｐｈａｓｅ　Ｂｏｎｄｉｎｇ）を用いて接合してもよい。

　また、本発明のパワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板は、図５、図６及び図１０に示す製造方法で製造されたパワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板に限定されることはなく、他の製造方法で製造されたパワーモジュール用基板等であってもよい。

　例えば、図１１に示すように、セラミックス基板２１１の第一の面にＡｇ及び酸化物形成元素層２２４を介して回路層２１２となる銅板２２２を接合し、セラミックス基板２１１の第二の面にろう材箔２２５を介して金属層２１３となるアルミニウム板２２３を接合する（セラミックス基板２１１の第二の面と金属層２１３となるアルミニウム板２２３の一方の面とがろう材箔２２５を介して接合される）とともに、アルミニウム板２２３の他方の面にろう材箔２５２を介してヒートシンク２５１を接合してもよい。このようにして、パワーモジュール用基板２１０と、ヒートシンク２５１と、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板２５０が製造されることになる。

　また、図１２に示すように、セラミックス基板３１１の第一の面にＡｇ及び酸化物形成元素層３２４を介して回路層３１２となる銅板３２２を接合し、セラミックス基板３１１の第二の面にろう材箔３２５を介して金属層３１３となるアルミニウム板３２３を接合する（セラミックス基板３１１の第二の面と金属層３１３となるアルミニウム板３２３の一方の面とがろう材箔３２５を介して接合される）ことで、パワーモジュール用基板３１０を製造する。その後、金属層３１３の他方の面にろう材箔３５２を介してヒートシンク３５１を接合してもよい。このようにして、パワーモジュール用基板３１０と、ヒートシンク３５１と、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板３５０が製造されることになる。

　さらに、図１３に示すように、セラミックス基板４１１の第一の面にＡｇ及び酸化物形成元素層４２４を介して回路層４１２となる銅板４２２を接合し、セラミックス基板４１１の第二の面にろう材箔４２５を介して金属層４１３となるアルミニウム板４２３を接合する（セラミックス基板４１１の第二の面と金属層４１３となるアルミニウム板４２３の一方の面とがろう材箔４２５を介して接合される）とともに、アルミニウム板４２３の他方の面にろう材箔４４２を介して緩衝板４４１を接合し（アルミニウム板４２３の他方の面と緩衝板４４１の一方の面とをろう材箔４４２を介して接合し）、この緩衝板４４１の他方の面にろう材箔４５２を介してヒートシンク４５１を接合してもよい。このようにして、パワーモジュール用基板４１０と、緩衝板４４１と、ヒートシンク４５１と、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板４５０が製造されることになる。

　本発明の有効性を確認するために行った比較実験について説明する。表１、表２、表３に示す条件で各種ペーストを作成した。なお、表１では、粉末成分として合金粉末を使用した。表２では、粉末成分として各元素の粉末（要素粉末）を使用した。表３では、粉末成分として各元素の粉末（要素粉末）を使用し、酸化物形成元素については酸化物形成元素の水素化物の粉末を使用した。なお、表３には、酸化物形成元素の水素化物の要素粉混合比の他に、酸化物形成元素の含有量（活性金属含有量）も併せて記載した。
　また、分散剤としてアニオン性界面活性剤を、可塑剤としてアジピン酸ジブチルを、還元剤としてアビエチン酸を用いた。
　粉末成分以外の樹脂、溶剤、分散剤、可塑剤、還元剤の混合比率は、質量比で、樹脂：溶剤：分散剤：可塑剤：還元剤＝７：７０：３：５：１５とした。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　
 

　　　　　　　　　　　　　　　　　　
 

　　　　　　　　　　　　　　　　　　
 

　この表１、表２、表３に示す各種ペーストを用いてセラミックス基板と銅板とを接合することによって、図１０に示す構造及び製造方法で製造されたパワーモジュール用基板、図１１、図１２に示す構造及び製造方法で製造されたヒートシンク付パワーモジュール用基板、図５、図１３に示す構造及び製造方法で製造されたヒートシンク付パワーモジュール用基板を作製した。

　図１０に示すパワーモジュール用基板においては、Ａｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス基板の第一の面及び第二の面に、上述の各種ペーストを用いて銅板を接合し、回路層及び金属層が銅板で構成されたパワーモジュール用基板とした。なお、銅板として無酸素銅の圧延板を使用した。

　図１１、図１２に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板は、Ａｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス基板の第一の面に、上述の各種ペーストを用いて銅板を接合して回路層とした。
　また、Ａｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス基板の第二の面に、アルミニウム板をろう材を介して接合して金属層を形成した。すなわち、セラミックス基板の第二の面と金属層の一方の面とをろう材を介して接合した。なお、アルミニウム板として純度９９．９９質量％以上の４Ｎアルミを使用し、ろう材としてＡｌ－７．５質量％Ｓｉ、厚さ２０μｍのろう材箔を用いた。
　さらに、金属層の他方の面側に、ヒートシンクとしてＡ６０６３からなるアルミニウム板を、ろう材を介してパワーモジュール用基板の金属層側に接合した。なお、ろう材としてＡｌ－７．５質量％Ｓｉ、厚さ７０μｍのろう材箔を用いた。

　図５、図１３に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板は、Ａｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス基板の第一の面に、上述の各種ペーストを用いて銅板を接合して回路層とした。
　また、Ａｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス基板の第二の面に、アルミニウム板をろう材を介して接合して金属層を形成した。すなわち、セラミックス基板の第二の面と金属層の一方の面とをろう材を介して接合した。なお、アルミニウム板として純度９９．９９質量％以上の４Ｎアルミニウムを使用し、ろう材としてＡｌ－７．５質量％Ｓｉ、厚さ１４μｍのろう材箔を用いた。
　さらに、金属層の他方の面に、緩衝板として４Ｎアルミニウムからなるアルミニウム板をろう材を介して接合した。すなわち、金属層の他方の面と緩衝板の一方の面とをろう材を介して接合した。なお、ろう材としてＡｌ－７．５質量％Ｓｉ、厚さ１００μｍのろう材箔を用いた。
　また、緩衝板の他方の面側に、ヒートシンクとしてＡ６０６３からなるアルミニウム板を、ろう材を介してパワーモジュール用基板の金属層側に接合した。なお、ろう材としてＡｌ－７．５質量％Ｓｉ、厚さ１００μｍのろう材箔を用いた。

　なお、Ａｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス基板と銅板との接合は、表４、表５、表６に示す条件で実施した。
　また、Ａｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス基板とアルミニウム板をろう付けする際の接合条件は、真空雰囲気、加圧圧力１２ｋｇｆ／ｃｍ^２、加熱温度６５０℃、加熱時間３０分とした。さらに、アルミニウム板同士をろう付けする際の接合条件は、真空雰囲気、加圧圧力６ｋｇｆ／ｃｍ^２、加熱温度６１０℃、加熱時間３０分とした。

　Ａｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス基板のサイズを表４、表５、表６に示す。
　銅板のサイズは、３７ｍｍ×３７ｍｍ×０．３ｍｍとした。
　金属層となるアルミニウム板のサイズは、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の場合は３７ｍｍ×３７ｍｍ×２．１ｍｍとし、ヒートシンク及び緩衝板付パワーモジュール用基板の場合は３７ｍｍ×３７ｍｍ×０．６ｍｍとした。
　ヒートシンクとなるアルミニウム板のサイズは、５０ｍｍ×６０ｍｍ×５ｍｍとした。
　緩衝板となるアルミニウム板のサイズは、４０ｍｍ×４０ｍｍ×０．９ｍｍとした。

　また、表４、表５、表６に、上述の各種ペーストを用いて構成したパワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、ヒートシンク及び緩衝板付パワーモジュール用基板の構造及び製造方法について記載した。
　構造「ＤＢＣ」が図１０に示すパワーモジュール用基板、
　構造「Ｈ－１」が図１１に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板、
　構造「Ｈ－２」が図１２に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板、
　構造「Ｂ－１」が図１３に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板、
　構造「Ｂ－２」が図５に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板、である。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　
 

　　　　　　　　　　　　　　　　　　
 

　　　　　　　　　　　　　　　　　　
 

　ここで、膜厚換算量（換算平均膜厚）を次のように測定し表７、表８、表９に示した。
　まず、Ａｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス基板と銅板との界面に、表１、表２、表３に示す各種ペーストを塗布して乾燥した。乾燥された各種ペーストにおける各元素の膜厚換算量（換算平均膜厚）を測定した。
　膜厚は、蛍光Ｘ線膜厚計（エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社製ＳＴＦ９４００）を用いて、塗布した各種ペーストに対し、図１４に示す箇所（９点）を各３回測定した平均値とした。なお、予め膜厚が既知のサンプルを測定して蛍光Ｘ線強度と濃度の関係を求めておき、その結果を基準として、各試料において測定された蛍光Ｘ線強度から各元素の膜厚換算量を決定した。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　
 

　　　　　　　　　　　　　　　　　　
 

　　　　　　　　　　　　　　　　　　
 

　上述のようにして得られたパワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板について、セラミックス割れ、冷熱サイクル負荷後の接合率、酸化物層の有無、Ａｇ－Ｃｕ共晶組織層の厚さを評価した。評価結果を表１０、表１１、表１２に示す。

　セラミックス割れは、冷熱サイクル（－４５℃から１２５℃）を５００回繰り返す毎にクラックの発生の有無を確認し、クラックが確認された回数で評価した。
　冷熱サイクル負荷後の接合率は、冷熱サイクル（－４５℃から１２５℃）を４０００回繰り返した後のパワーモジュール用基板を用いて、以下の式で算出した。なお、３５００回を満たさないうちにクラックが発生した場合には、４０００回繰り返した後の接合率については評価しなかった。
　　接合率　＝　（初期接合面積－剥離面積）／初期接合面積

　酸化物層は、ＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザー）による酸化物形成元素のマッピングから銅板／Ａｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス基板界面での酸化物形成元素の存在を確認して実施した。上記の方法により酸化物が確認できたものを表では「有」とし、確認できなかったものを「無」と記載した。
　Ａｇ－Ｃｕ共晶組織層の厚さは、銅板／Ａｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス基板界面のＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザー）による反射電子像から、倍率２０００倍の視野（縦４５μｍ；横６０μｍ）において接合界面に連続的に形成されたＡｇ－Ｃｕ共晶組織層の面積を測定し、測定視野の幅の寸法で除して求め、５視野の平均をＡｇ－Ｃｕ共晶組織層の厚さとした。なお、銅板とＡｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス基板との接合部に形成されたＡｇ－Ｃｕ共晶組織層のうち、接合界面から厚さ方向に連続的に形成されていない領域を含めずに、Ａｇ－Ｃｕ共晶組織層の面積を測定した。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　
 

　　　　　　　　　　　　　　　　　　
 

　　　　　　　　　　　　　　　　　　
 

　比較例１、２、５１、５２においては、共晶組織厚さが１５μｍを超えており、少ないサイクル数でＡｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス基板にクラックが発生した。
　また、従来例１及び従来例５１では、共晶組織厚さが１５μｍを超えており、比較例と同様に少ないサイクル数でＡｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス基板にクラックが発生した。
　一方、共晶組織厚さが１５μｍ以下とされた本発明例１－２０、５１－７０、８１－８６においては、Ａｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス基板におけるクラックの発生が抑制されていることが確認される。
　以上の結果から、本発明例によれば、冷熱サイクル負荷時におけるＡｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス基板の割れの発生を抑制できるパワーモジュール用基板を提供できることが確認された。

　本発明によれば、Ａｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス基板に銅または銅合金からなる銅板が接合されてなり、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板の割れの発生を抑制できるパワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール及び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。また、銅板とＡｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス基板とを接合した場合であっても、硬いＡｇ－Ｃｕ共晶組織層が厚く形成されることがなく、セラミックス基板における割れの発生を抑制でき、かつ、確実に銅板とセラミックス基板とを接合することができる銅板接合用ペースト、及び、この銅板接合用ペーストを用いた接合体の製造方法を提供することができる。

１　パワーモジュール３　半導体素子（電子部品）
１０、１１０、２１０、３１０、４１０　パワーモジュール用基板
１１、１１１、２１１、３１１、４１１　セラミックス基板
１２、１１２、２１２、３１２、４１２　回路層
１３、１１３、２１３、３１３、４１３　金属層
２２、１２２、１２３、２２２、３２２、４２２　銅板
２３、２２３、３２３、４２３　アルミニウム板
３１、１３１　酸化物層
３２　Ａｇ－Ｃｕ共晶組織層
４１、４４１　緩衝板
５０、２５０、３５０、４５０　ヒートシンク付パワーモジュール用基板
５１、２５１、３５１、４５１　ヒートシンク

Claims (13)

1. 　Ａｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス基板の表面に銅または銅合金からなる銅板が積層されて接合されたパワーモジュール用基板であって、
   　前記銅板と前記セラミックス基板との間において、前記セラミックス基板の表面に酸化物層が形成されているとともに、Ａｇ－Ｃｕ共晶組織層の厚さが１５μｍ以下とされていることを特徴とするパワーモジュール用基板。
2. 　前記酸化物層は、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂから選択される１種又は２種以上の元素の酸化物を含有している請求項１に記載のパワーモジュール用基板。
3. 　請求項１又は請求項２に記載の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を冷却するヒートシンクと、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板。
4. 　請求項１又は請求項２に記載のパワーモジュール用基板と、該パワーモジュール用基板上に搭載される電子部品と、を備えたパワーモジュール。
5. 　Ａｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス基板の表面に銅または銅合金からなる銅板が積層されて接合されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、
   　前記セラミックス基板の接合面及び前記銅板の接合面のうち少なくとも一方に、Ａｇと酸化物形成元素とを含有するＡｇ及び酸化物形成元素層を形成するＡｇ及び酸化物形成元素層形成工程と、
   　このＡｇ及び酸化物形成元素層を介して前記セラミックス基板と前記銅板と積層する積層工程と、
   　積層された前記セラミックス基板と前記銅板を積層方向に加圧するとともに加熱し、前記セラミックス基板と前記銅板との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、
   　この溶融金属領域を凝固させることによって、前記セラミックス基板と前記銅板とを接合する凝固工程と、を有し、
   　前記加熱工程において、Ａｇを前記銅板側に拡散させることにより前記セラミックス基板と前記銅板との界面に前記溶融金属領域を形成するとともに、前記セラミックス基板の表面に酸化物層を形成することを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。
6. 　前記酸化物形成元素は、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂから選択される１種又は２種以上の元素である請求項５に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
7. 　前記Ａｇ及び酸化物形成元素層形成工程では、Ａｇ及び酸化物形成元素以外に、Ｉｎ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｍｎ及びＺｎから選択される１種又は２種以上の添加元素を配設させる請求項５に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
8. 　前記Ａｇ及び酸化物形成元素層形成工程では、Ａｇ及び酸化物形成元素以外に、Ｉｎ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｍｎ及びＺｎから選択される１種又は２種以上の添加元素を配設させる請求項６に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
9. 　前記Ａｇ及び酸化物形成元素層形成工程では、Ａｇ及び酸化物形成元素を含有するＡｇ及び酸化物形成元素層含有ペーストを塗布する請求項５から請求項８のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
10. 　前記Ａｇ及び酸化物形成元素層含有ペーストは、前記酸化物形成元素の水素化物を含有している請求項９に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
11. 　銅または銅合金からなる銅板とＡｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス基板とを接合する際に使用される銅板接合用ペーストであって、
    　Ａｇおよび酸化物形成元素を含む粉末成分と、樹脂と、溶剤と、を含むことを特徴とする銅板接合用ペースト。
12. 　前記粉末成分は、前記酸化物形成元素の水素化物を含有している請求項１１に記載の銅板接合用ペースト。
13. 　銅または銅合金からなる銅板とセラミックス基板とが接合されてなる接合体の製造方法であって、
    　前記銅板と前記セラミックス基板との間に、請求項１１又は請求項１２に記載の銅板接合用ペーストを介在させた状態で加熱処理を行い、前記銅板と前記セラミックス基板とを接合することを特徴とする接合体の製造方法。
     

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