特許 5935517 ろう材、ろう材による接合方法及び半導体モジュール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5935517

(24)【登録日】2016年5月20日

(45)【発行日】2016年6月15日

(54)【発明の名称】ろう材、ろう材による接合方法及び半導体モジュール

(51)【国際特許分類】

   B23K 35/28 20060101AFI20160602BHJP

   B23K 35/22 20060101ALI20160602BHJP

   C22C 21/00 20060101ALI20160602BHJP

   B23K 1/00 20060101ALI20160602BHJP

   B23K 1/20 20060101ALI20160602BHJP

   B23K 1/19 20060101ALI20160602BHJP

   H01L 23/40 20060101ALI20160602BHJP

   H05K 7/20 20060101ALI20160602BHJP

   B23K 35/40 20060101ALN20160602BHJP

   B23K 101/40 20060101ALN20160602BHJP

   B23K 103/16 20060101ALN20160602BHJP

【ＦＩ】

   B23K35/28 310A

   B23K35/22 310A

   C22C21/00 D

   B23K1/00 330E

   B23K1/20 E

   B23K1/19 Z

   H01L23/40 F

   H05K7/20 E

   !B23K35/40 340F

   B23K101:40

   B23K103:16

【請求項の数】6

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2012-126665(P2012-126665)

(22)【出願日】2012年6月4日

(65)【公開番号】特開2013-248657(P2013-248657A)

(43)【公開日】2013年12月12日

【審査請求日】2015年3月17日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006105

【氏名又は名称】株式会社明電舎

(74)【代理人】

【識別番号】100086232

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 博通

(74)【代理人】

【識別番号】100104938

【弁理士】

【氏名又は名称】鵜澤 英久

(74)【代理人】

【識別番号】100096459

【弁理士】

【氏名又は名称】橋本 剛

(72)【発明者】

【氏名】北寄崎 薫

【審査官】 川村 裕二

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０９−０５９０７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−０８８６８９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ ３５／００−３５／４０

Ｃ２２Ｃ ２１／００−２１／１８

Ｂ２３Ｋ １／００

Ｂ２３Ｋ １／１９

Ｂ２３Ｋ １／２０

Ｈ０１Ｌ ２３／４０

Ｈ０５Ｋ ７／２０

Ｂ２３Ｋ １０１／４０

Ｂ２３Ｋ １０３／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

Ａｌ粉末、Ｃｕ粉末、Ｓｉ粉末、Ｔｉ粉末の混合物からなるろう材において、
Ｔｉ：０．１〜２．０重量％、Ｃｕ：２２〜３２重量％、Ｓｉ：３．４〜７．４重量％、残部がＡｌと不可避的不純物からなる
ことを特徴とするろう材。

【請求項2】

前記ろう材に、さらに溶媒を混合してなる
ことを特徴とする請求項１に記載のろう材。

【請求項3】

前記ろう材は、炭素材料にアルミニウムまたはアルミニウム合金を含浸させた複合部材と、絶縁基板とを接合する
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のろう材。

【請求項4】

炭素材料にアルミニウムまたはアルミニウム合金を含浸させた複合部材に、Ａｌ粉末、Ｃｕ粉末、Ｓｉ粉末、Ｔｉ粉末の混合物からなるろう材であって、Ｔｉ：０．１〜２．０重量％、Ｃｕ：２２〜３２重量％、Ｓｉ：３．４〜７．４重量％、残部がＡｌと不可避的不純物からなるろう材を介して絶縁基板を設け、
前記複合部材と前記絶縁基板とを圧着して、当該ろう材を不活性ガス雰囲気下または真空雰囲気下で加熱しろう付けする
ことを特徴とするろう材による接合方法。

【請求項5】

半導体素子と、
当該半導体素子が設けられる配線層と、
この配線層が、炭素材料にアルミニウムまたはアルミニウム合金を含浸させた第１複合部材を介して設けられる絶縁基板と、
前記絶縁基板の前記配線層が設けられる面の反対側の面に、炭素材料にアルミニウムまたはアルミニウム合金を含浸させた第２複合部材を介して設けられる放熱器と、を有し、
前記第１複合部材と前記絶縁基板の接合部、または前記第２複合部材と前記絶縁基板の接合部の少なくとも一方の接合部を、Ａｌ粉末、Ｃｕ粉末、Ｓｉ粉末、Ｔｉ粉末の混合物からなるろう材であって、Ｔｉ：０．１〜２．０重量％、Ｃｕ：２２〜３２重量％、Ｓｉ：３．４〜７．４重量％、残部がＡｌと不可避的不純物からなるろう材で接合する
ことを特徴とする半導体モジュール。

【請求項6】

前記第１複合部材または前記第２複合部材のろう接面にニッケル層を形成する
ことを特徴とする請求項５に記載の半導体モジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ろう材及びろう材による接合方法、並びにろう材による接合部を有する半導体モジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

従来技術に係る半導体モジュール１１の断面図を図３に示す。図３に示す半導体モジュール１１において、半導体素子２は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）などであり、絶縁基板５上に形成された配線層３に設けられる。そして、絶縁基板５の配線層３が形成された面と反対側の面には、伝熱層１３を介して放熱基板１４が設けられる。

【0003】

この配線層３と伝熱層１３は、例えば、アルミニウム若しくは銅などを用いて形成される。また、放熱基板１４の伝熱層１３が設けられる面と反対側の面には、Ｏリング（図示せず）を介して水冷ジャケット７が設けられる。水冷ジャケット７内には、冷却液が流通する冷媒流路７ａが形成されている。そして、放熱基板１４と水冷ジャケット７が、ボルト８で固定される。なお、ボルト８を用いず、ろう付けにより放熱基板１４と水冷ジャケット７が接合される場合もある。

【0004】

このようなパワー半導体モジュール１１において、半導体素子２から発生する熱は、放熱基板１４を経て水冷ジャケット７に伝わり、水冷ジャケット７から放熱される（例えば、特許文献１，２）。

【0005】

絶縁基板５は、例えば、窒化アルミニウム基板、酸化アルミニウム基板、または窒化ケイ素基板などである。また、放熱基板１４及び水冷ジャケット７には、例えば、熱伝導性に優れるアルミニウムが用いられる。そして、絶縁基板５と伝熱層１３の接合や伝熱層１３と放熱基板１４の接合など各部材の接合方法には、ろう付けなどの方法が用いられる（例えば、特許文献３，４、非特許文献１）。

【0006】

絶縁基板５を構成するセラミックは、配線層３や伝熱層１３を構成するアルミニウムと比較して線膨張係数が小さい。よって、半導体素子２が発熱した場合、絶縁基板５と伝熱層１３（または、放熱基板１４）の熱膨張差により、絶縁基板５にクラックが生じたり、絶縁基板５と伝熱層１３との接合面において剥離が生じたりするおそれがあった。

【0007】

この課題を改善するために、図４に示すような、絶縁基板５と放熱基板１４との間に応力緩和層１５を介在させる半導体モジュール１２が知られている。応力緩和層１５として、例えば、ＡｌＳｉＣ複合材料が用いられる。しかしながら、ＡｌＳｉＣ複合材料を用いた場合、絶縁基板５におけるクラックの発生や絶縁基板５と伝熱層１３との剥離の発生は抑制できても、応力緩和層１５を介在させることから半導体素子２の放熱性が低下するおそれがあった。

【0008】

そこで、応力緩和層として、炭素材料にアルミニウムまたはアルミニウム合金を含浸させた複合部材を用いる半導体モジュールが提案されている（例えば、特許文献５，６）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】特開２００７−１４１９３２号公報

【特許文献2】特開２００３−８６７４４号公報

【特許文献3】特開平４−２９４８９０号公報

【特許文献4】特開平１１−１３０５５５号公報

【特許文献5】特開２０１０−９８０５９号公報

【特許文献6】特開２０１１−３５３０８号公報

【非特許文献】

【0010】

【非特許文献1】宮川 和幸、外２名、“難接合材のろう付技術に関する研究”、［online］、２００２年、山梨県工業技術センター、研究報告、Ｎｏ．１６、［平成２４年５月３０日検索］、インターネット、〈URL: http://www.pref.yamanashi.jp/yitc/Houkoku/data/H13/01.pdf〉

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

しかしながら、複合部材はろう付け性に乏しい炭素が主成分であるため、複合部材と絶縁基板の接合強度が弱くなるおそれがあり、より信頼性の高い接合を行うことが求められている。従来技術では半導体モジュールに複合部材を設ける場合、複合部材の表面に金属スキン層などを形成して、複合部材と他の部材との接合部の信頼性を確保している。

【0012】

上記事情に鑑み、本発明は、炭素材料にアルミニウムまたはアルミニウム合金を含浸させた複合部材を有する半導体モジュールにおいて、複合部材と他の部材との接合部の信頼性の向上に貢献する技術を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0013】

上記目的を達成する本発明のろう材の一態様は、０．１〜２．０重量％のＴｉと、Ｃｕを２２〜３２重量％、Ｓｉを３．４〜７．４重量％、残部がＡｌと不可避的不純物からなる混合物と、を含有することを特徴としている。

【0014】

また、上記目的を達成する本発明のろう材の他の態様は、前記ろう材が、Ａｌ粉末、Ｃｕ粉末、Ｓｉ粉末、Ｔｉ粉末の混合物に、溶媒を混合してなることを特徴としている。

【0015】

また、上記目的を達成する本発明のろう材の他の態様は、前記ろう材が、炭素材料にアルミニウムまたはアルミニウム合金を含浸させた複合部材と、絶縁基板とを接合することを特徴としている。

【0016】

また、上記目的を達成する本発明のろう材による接合方法の一態様は、炭素材料にアルミニウムまたはアルミニウム合金を含浸させた複合部材に、０．１〜２．０重量％のＴｉと、Ｃｕを２２〜３２重量％、Ｓｉを３．４〜７．４重量％、残部がＡｌと不可避的不純物からなる混合物と、を含有するろう材を介して絶縁基板を設け、前記複合部材と前記絶縁基板とを圧着して、当該ろう材を不活性ガス雰囲気下または真空雰囲気下で加熱しろう付けすることを特徴としている。

【0017】

また、上記目的を達成する本発明の半導体モジュールの一態様は、半導体素子と、当該半導体素子が設けられる配線層と、この配線層が、炭素材料にアルミニウムまたはアルミニウム合金を含浸させた第１複合部材を介して設けられる絶縁基板と、前記絶縁基板の前記配線層が設けられる面の反対側の面に、炭素材料にアルミニウムまたはアルミニウム合金を含浸させた第２複合部材を介して設けられる放熱器と、を有し、前記第１複合部材と前記絶縁基板の接合部、または前記第２複合部材と前記絶縁基板の接合部の少なくとも一方の接合部を、０．１〜２．０重量％のＴｉと、Ｃｕを２２〜３２重量％、Ｓｉを３．４〜７．４重量％、残部がＡｌと不可避的不純物からなる混合物と、を含有するろう材で接合することを特徴としている。

【0018】

また、上記目的を達成する本発明の半導体モジュールの他の態様は、前記第１複合部材または前記第２複合部材のろう接面にニッケル層を形成することを特徴としている。

【発明の効果】

【0019】

以上の発明によれば、炭素材料にアルミニウムまたはアルミニウム合金を含浸させた複合部材を有する半導体モジュールにおいて、複合部材と他の部材との接合部の信頼性の向上に貢献することができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明の実施形態に係る半導体モジュールの要部断面図である。

【図2】本発明の実施例１に係る半導体モジュールの接合方法を説明する説明図である。

【図3】従来技術に係る半導体モジュールの断面図である。

【図4】従来技術の複合部材を有する半導体モジュールの断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

本発明のろう材及びろう材による接合方法、並びにろう材による接合部を有する半導体モジュールについて、図を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において、図１，２は、本発明の実施形態に係る半導体モジュールを模式的に示したものであり、図面上の寸法比と実際の寸法比とは必ずしも一致するものではない。

【0022】

図１は、本発明の実施形態に係る半導体モジュール１の要部断面図である。図１に示すように、実施形態に係る半導体モジュール１は、半導体素子２、配線層３、伝熱層４、絶縁基板５、放熱基板６、水冷ジャケット７を有する。

【0023】

半導体素子２は、例えば、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）などのスイッチング素子であり、配線層３にはんだ付けにより設けられる。なお、半導体素子２として、スイッチング素子単独ではなく、スイッチング素子とＦＷＤ（Free Wheeling Diode）などの整流素子を有する回路など複数の素子が電気回路を形成するものを用いてもよい。

【0024】

配線層３は、伝熱層４を介して絶縁基板５に設けられる。配線層３は、例えば、アルミニウム若しくは銅を用いて形成される。

【0025】

伝熱層４は、高熱伝導性であり、絶縁基板５の線熱膨張係数に近い線熱膨張係数を有する部材であり、例えば、炭素材料（多孔質炭素材料、炭素繊維など）にアルミニウムまたはアルミニウム合金を含浸させた炭素・アルミニウム複合部材（以下、複合部材とする）が用いられる。複合部材の具体例として、多孔質炭素材料にアルミニウムを含浸させた複合部材であるＡＬＣ４００（エーエムテクノロジー社製）がある。ＡＬＣ４００の線膨張係数は、７ｐｐｍ／Ｋであり、アルミニウムの線膨張係数（１７ｐｐｍ／Ｋ）と比較して小さく、絶縁基板５として使用されるアルミナ基板（線膨張係数：８ｐｐｍ／Ｋ）、窒化アルミニウム基板（線膨張係数：４．６ｐｐｍ／Ｋ）、窒化ケイ素基板（線膨張係数：３．５ｐｐｍ／Ｋ）に近い。また、ＡＬＣ４００の熱伝導率は、４４０Ｗ／ｍＫであり、銅の熱伝導率（３９０Ｗ／ｍｋ）アルミニウムの熱伝導率（２２０Ｗ／ｍＫ）と比較して高い。なお、伝熱層４の厚さは、０．５〜６．０ｍｍが好ましい。伝熱層の厚さを０．５ｍｍ以上とすることで、炭素材料を含有する伝熱層４と配線層３を機械的な手段（ボルトで締結するなど）で固定した場合でも、伝熱層４の機械強度を確保するこができる。また、伝熱層４の厚さが厚くなるほど伝熱層４の熱伝導性が低下する。そこで、伝導層４の厚さを６．０ｍｍ以下とすることで伝熱層４の熱伝導性を良好なものとすることができる。

【0026】

絶縁基板５は、伝熱層４を介して配線層３が設けられる第１主面と、第１主面の反対側に放熱基板６を介して水冷ジャケット７が設けられる第２主面とを有する。絶縁基板５は、必要とされる絶縁特性、熱伝導性、機械的強度を勘案して、構成する材料や厚さが決定される。例えば、絶縁基板５としては、厚さ、０．３〜２．０ｍｍの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）板、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）板、または窒化ケイ素（Ｎ₄Ｓｉ₃）板などが用いられる。

【0027】

放熱基板６は、伝熱層４と同じ複合部材であり、半導体素子２で発生した熱を水冷ジャケット７に伝達する。放熱基板６の厚さは、３．０〜６．０ｍｍが好ましく、この厚さは、伝熱層４の厚さと同様に、放熱基板６の機械強度と熱伝導性を考慮して決定される。

【0028】

水冷ジャケット７は、放熱基板６を介して絶縁基板５の第２主面に設けられる。水冷ジャケット７は、例えば、熱伝導性に優れるアルミニウム製であり、その内部には、冷却液が流通する冷媒流路７ａが形成される。また、水冷ジャケット７と放熱基板６との間には、Ｏリング（図示せず）が設けられ、水冷ジャケット７と放熱基板６はボルト８で固定される。なお、ボルト８を用いず、ろう付けにより水冷ジャケット７と放熱基板６を接合してもよく、ろう材としては、例えば、Ａｌ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金などからなるシート状アルミニウムろう材が用いられる。

【0029】

本発明の実施形態に係る半導体モジュール１では、伝熱層４と絶縁基板５及び放熱基板６と絶縁基板５との接合に、Ｔｉ（チタン）を０．１〜２．０重量％含み、残部は、Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ（アルミニウム−銅−ケイ素）系合金と不可避的不純物であるＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ−Ｔｉ系合金を用いる。Ｔｉを含有するＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系合金は、共晶組成がＡｌ−２６．６Ｃｕ−５．４Ｓｉであり、その融点が５２４℃である。そこで、６００℃以下でセラミック基板（絶縁基板５）と複合部材（伝熱層４または放熱基板６）を接合するろう材として、Ｔｉを０．１〜２．０重量％含有するＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系合金を用いて、信頼性の高い接合面を得たものである。なお、Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系合金中のＣｕ量またはＳｉ量が、Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系合金の共晶組成であるＣｕ量またはＳｉ量から大きく異なると、５５０〜６００℃の温度範囲でのろう付けが困難となる。ゆえに、Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系合金に対するＣｕの含有量は、２２〜３２重量％、Ｓｉの含有量は３．４〜７．４重量％が好ましい。特に、Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系合金に対するＣｕ及びＳｉの含有量を共晶組成比（Ａｌ−２６．６Ｃｕ−５．４Ｓｉ）となるように調製することで、融点の変化が少なく、良好なろう接を行うことができるろう材を得ることができる。

【0030】

次に、具体的な実施例をあげて、本発明のろう材、ろう材による接合方法、並びにろう材による接合部を有する半導体モジュール１についてより詳細に説明する。

【0031】

［実施例１］
（１）ろう材の調製
ろう材が、１．６重量％のＴｉと、Ｃｕを２６．６重量％、Ｓｉを５．４重量％、残部がＡｌである混合物とを含有するようにＴｉ粉末（粒子径：３８μｍ以下）、Ｃｕ粉末（５０％粒子径：１μｍ）、Ｓｉ粉末（５０％粒子径：５μｍ）、Ａｌ粉末（５０％粒子径：３μｍ）を混合し、４元混合粉末を得た（いずれの粉末も高純度化学研究所製）。Ｔｉ粉末は、Ａｌ，Ｃｕ，Ｓｉ粉末と比較して粒子径が大きいので、予め乳鉢で粉砕してから他の粉末と混合した。この４元混合粉末をボールミルで１ｈ混合し、その後ペースト状となるようにエタノールを適量加えて実施例１のろう材を調製した。

【0032】

（２）ろう材による接合試料の作成
図１に示す半導体モジュール１の伝熱層４及び放熱基板６として、ＡＬＣ４００（エーエムテクノロジー社製）を用いた。また、絶縁基板５として、ＡｌＮ基板を用いた。なお、実施例の説明では、伝熱層４と絶縁基板５との接合について詳細に説明するが、放熱基板６と絶縁基板５も同様の方法で接合することができる。

【0033】

図２に示すように、伝熱層４の一面に実施例１のろう材９を塗布し、絶縁基板５上にろう材９を介して伝熱層４を設けた。なお、伝熱層４及び絶縁基板５の接合面は、ろう付け前に１ ｍｏｌ／ｌの水酸化ナトリウム水溶液中で３０分間脱脂、洗浄を行った。押圧部材１０により伝熱層４を絶縁基板５方向に押圧した状態で、アルゴンガス雰囲気中で加熱し、伝熱層４と絶縁基板５のろう付けを行った。荷重圧力は、０．０５ＭＰａであり、伝熱層４が設けられた絶縁基板５を、５２５℃−３０ｍｉｎ、５５０℃−３０ｍｉｎ、５７５℃−３０ｍｉｎ、６００℃−３０ｍｉｎ、６２５℃−３０ｍｉｎの各温度に保持して５つの接合試料を得た。表１に、実施例１，２及び比較例１，２のろう材を用いて接合した接合試料の接合条件を示す。

【0034】

【表1】

【0035】

［実施例２］
（１）ろう材の調製
ろう材が、０．８重量％のＴｉと、Ｃｕを２６．６重量％、Ｓｉを５．４重量％、残部がＡｌである混合物とを含有するようにＴｉ，Ｃｕ，Ｓｉ，Ａｌ粉末を混合し、４元混合粉末を得た（いずれの粉末も高純度化学研究所製）。各粉末は、実施例１と同じものを用いた。そして、実施例１と同様にＴｉ粉末を予め乳鉢で粉砕してから他の粉末と混合した。この４元混合粉末をボールミルで１ｈ混合し、その後ペースト状となるようにエタノールを適量加えて実施例２のろう材を調製した。

【0036】

（２）ろう材による接合方法
実施例１の接合方法と同様に、伝熱層の一面に実施例２のろう材を塗布し、絶縁基板上にろう材を介して伝熱層を設けた。押圧部材により伝熱層を絶縁基板方向に押圧した状態で、アルゴン雰囲気中、所定の接合温度まで加熱してろう付けを行い５つの接合試料を得た。

【0037】

［比較例１］
（１）ろう材の調製
ろう材が、Ｃｕが２６．６重量％、Ｓｉが５．４重量％、残部がＡｌである混合物となるようにＣｕ，Ｓｉ，Ａｌ粉末を混合し、３元混合粉末を得た（いずれの粉末も高純度化学研究所製）。各粉末は、実施例１と同じものを用いた。この３元混合粉末をボールミルで１ｈ混合し、その後ペースト状となるようにエタノールを適量加えて比較例１のろう材を調製した。

【0038】

（２）ろう材による接合方法
実施例１の接合方法と同様に、伝熱層の一面に比較例１のろう材を塗布し、絶縁基板上にろう材を介して伝熱層を設けた。押圧部材により伝熱層を絶縁基板方向に押圧した状態で、アルゴン雰囲気中、所定の接合温度まで加熱してろう付けを行い５つの接合試料を得た。

【0039】

［比較例２］
（１）ろう材の調製
ろう材が、２．５重量％のＴｉと、Ｃｕを２６．６重量％、Ｓｉを５．４重量％、残部がＡｌである混合物とを含有するようにＴｉ，Ｃｕ，Ｓｉ，Ａｌ粉末を混合し、４元混合粉末を得た（いずれの粉末も高純度化学研究所製）。各粉末は、実施例１と同じものを用いた。そして、実施例１と同様にＴｉ粉末を予め乳鉢で粉砕してから他の粉末と混合した。この４元混合粉末をボールミルで１ｈ混合し、その後ペースト状となるようにエタノールを適量加えて比較例２のろう材を調製した。

【0040】

（２）ろう材による接合方法
実施例１の接合方法と同様に、伝熱層の一面に実施例２のろう材を塗布し、絶縁基板上にろう材を介して伝熱層を設けた。押圧部材により伝熱層を絶縁基板方向に押圧した状態で、アルゴン雰囲気中、所定の接合温度まで加熱してろう付けを行い５つの接合試料を得た。

【0041】

［ろう材の評価］
（１）目視による接合部の評価
５５０℃，５７５℃，６００℃で接合した接合試料は、実施例１，２及び比較例１，２のいずれのろう材を用いた場合であっても、伝熱層と絶縁基板が良好に接合されていることが目視により確認された。

【0042】

一方、５２５℃で接合した接合試料は、実施例１，２及び比較例１，２のいずれのろう材を用いた場合であっても、接合部の一部にろう材成分が溶融しない状態が残存していることが確認された。

【0043】

また、６２５℃で接合した接合試料は、実施例１，２及び比較例１，２のいずれのろう材を用いた場合であっても、伝熱層であるＡＬＣ４００の構成成分であるＡｌの染み出し、Ａｌの染み出しによって伝熱層の表面に凹凸が形成されることが確認された。

【0044】

そこで、伝熱層に変化が起こらない温度条件（６００〜５２５℃）で接合した接合試料に対してヒートサイクル試験を行い、伝熱層と絶縁基板との間の接合部に対する評価を行った。

【0045】

（２）ヒートサイクル試験
実施例１，２及び比較例１，２の各ろう材を用いて、５２５℃，５５０℃，５７５℃，６００℃で接合した接合試料に対してヒートサイクル試験を行った。ヒートサイクル試験は、１２５℃（保持時間３０ｍｉｎ）と−４０℃（保持時間３０ｍｉｎ）とを交互に１０００サイクル繰り返す試験を行った。接合試料の接合部の評価は、ヒートサイクル試験後の伝熱層と絶縁基板との間の接合部に剥離が生じたかどうかを目視で評価した。表２に、接合部の評価結果を示す。表２では、伝熱層と絶縁基板が剥離しなかった接合試料には○を付し、伝熱層と絶縁基板に剥離が確認された接合試料には×を付した。

【0046】

【表2】

【0047】

表２に示すように、実施例１，２のろう材を用いた場合、５５０℃〜６００℃で接合したいずれの接合試料でも、ヒートサイクル試験後に伝熱層と絶縁基板の接合部に剥離が確認されず、伝熱層と絶縁基板の接合が維持されていた。一方で、比較例１，２のろう材を用いた場合、５２５℃〜６００℃で接合したいずれの接合試料でも、ヒートサイクル試験後に伝熱層と絶縁基板との接合部に剥離が確認された。

【0048】

実施例１，２のろう材は、Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系合金にＴｉを微量添加することで、Ｔｉが複合部材表面のアルミニウム酸化膜を活性化し、ろう付け面の反応を促進しているものと考えられる。Ｔｉの混合量が、０．１重量％以下では、複合部材表面のアルミニウム酸化膜を活性化できず、Ｔｉが２．０重量％以上では、４元合金の融点が高くなるとともに、金属間化合物ＴｉＡｌ₃が生成されることによりろう材が硬く脆くなると考えられる。よって、ろう材に対して０．１重量％以上２．０重量％以下のＴｉを混合することで、信頼性の高い伝熱層と絶縁基板の接合を行うことができる。

【0049】

以上のように、本発明のろう材は、０．１〜２．０重量％のＴｉと、Ｃｕを２２〜３２重量％、Ｓｉを３．４〜７．４重量％、残部がＡｌと不可避的不純物からなる混合物と、を含有することを特徴とし、このろう材及びこのろう材を用いた接合方法によれば、窒化アルミニウムなどの絶縁基板と炭素を主成分とする複合部材との接合の信頼性を向上させることができる。

【0050】

Ｔｉは、高融点なので、ろう材の融点を下げる効果は期待できないが、Ｔｉが活性金属であり複合部材表面のアルミニウム酸化膜を活性化させるためアルミニウムとの濡れ性が良く、Ｔｉと炭素はＴｉＣ（チタンカーバイド）を形成することが知られており、炭素とも濡れ性が良いものと考えられる。また、共晶組成となるＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系合金にＴｉを微量添加した場合、得られるろう材の組成は、Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系合金の共晶組成からわずかにずれるだけなので、この合金の融点は、共晶組成における融点（５２４℃）から高温側にシフトするだけであると考えられる。よって、Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系合金にＴｉを０．１〜２．０重量％添加することで、複合部材と絶縁基板との接合部の信頼性を向上させ、６００℃以下でろう接を行うことができるろう材を得ることができる。

【0051】

また、ろう材の構成成分の粉末を混合してろう材を調製することで、ろう材の成分比を容易に変化させる（または、所定の成分比となるようにろう材を調製する）ことができる。

【0052】

さらに、絶縁基板と炭素を主成分とする複合材料の接合部や絶縁基板とアルミニウムまたはアルミニウム合金の接合部などをノンフラックスで接合することができる。

【0053】

また、本発明の半導体モジュールは、絶縁基板と複合部材の接合部のろう材として、０．１〜２．０重量％のＴｉと、Ｃｕを２２〜３２重量％、Ｓｉを３．４〜７．４重量％、残部がＡｌと不可避的不純物からなる混合物と、を含有するろう材を用いることにより、ヒートサイクルを繰り返しても絶縁基板と複合部材の接合部の剥離が生じにくく、より信頼性の高い半導体モジュールを得ることができる。

【0054】

また、本発明の半導体モジュールは、放熱基板に線膨張係数が絶縁基板の線膨張係数に近い部材を用いることで、絶縁基板の反りや絶縁基板におけるクラックの発生、絶縁基板と放熱基板との接合面の剥離を防止することができる。また、絶縁基板の放熱基板が接合される面と反対側の面に絶縁基板の線膨張係数と近い線膨張係数を有する伝熱層を設けることで、絶縁基板の両面に絶縁基板の線膨張係数に近い係数を有する部材が設けられる。その結果、線膨張係数の違いによる応力の発生を低減し、絶縁基板が反ったりすることがなく、絶縁基板におけるクラックの発生や絶縁基板と放熱基板（または伝熱層）の接合面の剥離がより抑制される。

【0055】

なお、本発明のろう材及びろう材による接合方法、並びにろう材による接合部を有する半導体モジュールについて、具体例を示して詳細に説明したが、本発明のろう材及びろう材による接合方法並びに半導体モジュールは、上述した実施形態に限定されるものではない。つまり、本発明のろう材及びろう材による接合方法、並びに半導体モジュールは、本発明の特徴を損なわない範囲で適宜設計変更が可能であり、そのように変更された形態も本発明のろう材及びろう材による接合方法、並びに半導体モジュールに属する。

【0056】

例えば、実施例の説明では、共晶合金を構成する各成分の粉末を混合したろう材を用いた形態を例示して説明しているが、共晶合金粉末にＴｉ粉末を混合したろう材や、共晶合金成分に所定量のＴｉを混合したシート状のろう材を用いてもよい。また、Ｔｉと共晶組成のＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ粉末の混合物に加える溶媒は、エタノールに限定されるものではなく、適宜周知の溶媒を用いればよい。また、ろう材層の形成方法として塗布法に限らず、４元混合粉末に適量の溶媒を加えてスプレー噴霧法やスクリーン印刷法などを用いることができる。

【0057】

また、ろう材の接合時の雰囲気は、アルゴンガス雰囲気下で接合を行うことに限定されるものではなく、窒素ガス雰囲気下などの不活性ガス雰囲気下または真空雰囲気下で接合を行うことで信頼性の高い接合部を得ることができる。

【0058】

また、実施例の説明では、複合部材と窒化アルミニウム基板との接合について詳細に説明したが、本発明のろう材及びろう材による接合方法は、複合部材と他のセラミック基板（例えば、酸化アルミニウム基板や窒化ケイ素基板など）の接合に適用しても信頼性の高い接合部を得ることができる。また、本発明のろう材及びろう材による接合方法は、複合部材と絶縁基板とを接合することができることから、複合部材と複合部材、及び絶縁基板と絶縁基板の接合に適用することができることは明らかである。

【0059】

また、本発明のろう材は、金属とセラミック基板との接合を行うこともできるので、セラミック基板と金属層との接合に用いてもよい。

【0060】

また、配線層と伝熱層、伝熱層と絶縁基板、絶縁基板と放熱基板などをろう付けするにあたり、伝熱層及び放熱基板である複合部材の表面に予めニッケルメッキなどの表面処理をすると、ろう材の濡れ性が向上し、各部材間のろう付け性をより向上させることができる。

【符号の説明】

【0061】

１，１１，１２…半導体モジュール
２…半導体素子
３…配線層
４…伝熱層（第１複合部材）
５…絶縁基板
６…放熱基板（第２複合部材）
７…水冷ジャケット（放熱器）
７ａ…冷媒流路
８…ボルト
９…ろう材
１０…押圧部材
１３…伝熱層
１４…放熱基板
１５…応力緩和層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】