特許 5941006 接合材、接合構造体およびその製造方法、並びに半導体モジュール

(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】5941006

(24)【登録日】2016年5月27日

(45)【発行日】2016年6月29日

(54)【発明の名称】接合材、接合構造体およびその製造方法、並びに半導体モジュール

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/13 20060101AFI20160616BHJP

   H01L 23/12 20060101ALI20160616BHJP

   H01L 23/36 20060101ALI20160616BHJP

【ＦＩ】

   H01L23/12 C

   H01L23/12 J

   H01L23/36 D

【請求項の数】15

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2013-61763(P2013-61763)

(22)【出願日】2013年3月25日

(65)【公開番号】特開2014-187252(P2014-187252A)

(43)【公開日】2014年10月2日

【審査請求日】2015年3月11日

(73)【特許権者】

【識別番号】000233273

【氏名又は名称】株式会社 日立パワーデバイス

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】児玉 一宗

(72)【発明者】

【氏名】森 睦宏

(72)【発明者】

【氏名】内藤 孝

(72)【発明者】

【氏名】藤枝 正

(72)【発明者】

【氏名】沢井 裕一

(72)【発明者】

【氏名】青柳 拓也

【審査官】 多賀 和宏

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−０３２２５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１２／１０２２６７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１０／１０９５４１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１１／０３１５９３７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開平０２−２９３３４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０４９４５０７１（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１３８５４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−０６５２９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−２７７９５３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ０３Ｃ１／００−１４／００

Ｈ０１Ｌ２３／１２−２３／１５

２３／２９

２３／３４−２３／３６

２３／３７３−２３／４２７

２３／４４

２３／４６７−２３／４７３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第一の基材と、第二の基材と、前記第一の基材と前記第二の基材を接合する接合材層と、を具備し、
前記第一の基材は２０℃における熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫより高いセラミックスであり、
前記第二の基材は２０℃における電気抵抗率が４μΩｃｍより低い金属であり、
前記接合材層は金属と酸化物を含み、
前記酸化物はＳｂまたはＢａの少なくとも一方の元素とＰとＶとを含み、
前記第一の基材と前記接合材層に含まれる金属との間の少なくとも一部に前記酸化物が存在している接合構造体。

【請求項2】

前記金属中には前記酸化物が分散している請求項１に記載の接合構造体。

【請求項3】

前記金属中には空隙が分散している請求項２に記載の接合構造体。

【請求項4】

前記酸化物はＭｎ、Ｗ、Ｚｎ、Ｆｅ、アルカリ金属の少なくとも一種類の元素を成分に含む請求項１に記載の接合構造体。

【請求項5】

前記第一の基材が酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化珪素のいずれかであり、
前記第二の基材が銅またはアルミニウムである請求項１に記載の接合構造体。

【請求項6】

前記第一の基材と第三の基材とが接合され、
前記第三の基材はアルミニウムとセラミックスの複合材料である請求項１に記載の接合構造体。

【請求項7】

前記第三の基材はアルミニウムとシリコンカーバイドとの複合材料である請求項６に記載の接合構造体。

【請求項8】

請求項７に記載の接合構造体と半導体チップを有する半導体モジュール。

【請求項9】

前記接合材層に含まれる金属が、ＡｇまたはＣｕまたはＡｌである請求項１に記載の接合構造体。

【請求項10】

前記第一の基材の少なくとも一部が窒化アルミニウム、または窒化珪素であって、表面に０．１から５μｍの範囲の主成分が酸化物となっている請求項１に記載の接合構造体。

【請求項11】

ＢａまたはＳｂのいずれかと、Ｖ、Ｐを成分に含むガラス粒子と金属粒子と溶媒とを含む請求項１に記載の接合構造体を製造するための接合材。

【請求項12】

前記ガラス粒子と前記金属粒子の総体積に対するガラス粒子の体積比率が１〜３０ｖｏｌ％である請求項１１に記載の接合材。

【請求項13】

（ａ）請求項１１または１２のいずれかの接合材を準備する工程と、
（ｂ）セラミックス基板上に前記接合用ペーストを塗布する工程と、
（ｃ）加熱することによって、前記セラミックス基板上に接合材層を形成する工程と、
（ｄ）加熱することによって、前記接合材層上に金属部材を接合する工程と、
を具備する接合構造体の製造方法。

【請求項14】

前記（ｂ）工程の前に、金属とセラミックスの複合材料と、前記セラミックス基板とは溶湯接合法によって接合する工程を具備する請求項１３の接合構造体の製造方法。

【請求項15】

前記（ｂ）工程および（ｃ）工程の加熱温度は、前記金属とセラミックスの複合材料の耐熱温度より低温である請求項１４の接合構造体の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、接合構造体に関し、例えば放熱性と絶縁性に優れた半導体モジュールに適用可能である。

【背景技術】

【0002】

半導体モジュールは、一般に、半導体チップ、電気回路、電気回路とは絶縁された放熱構造体（ヒートシンク）を備えたデバイスである。特に、電力、鉄道、自動車用の半導体モジュールは、高い動作電流密度と高い耐電圧が要求される。耐電圧が要求される半導体モジュールでは、放熱構造体と半導体チップが貼られた電気回路用金属板がセラミックス絶縁基板により隔てられた構造をとることになる。このとき、高い動作電流密度とするには、半導体チップにおける発熱を放熱構造体にいかに効率よく伝えて放熱構造体から逃すかが重要であり、各素材の熱伝導率とともに、接合箇所の熱抵抗を抑制することが重要である。

【0003】

放熱構造体には、セラミックスと金属の複合材料が用いられることがある。例として、ＳｉＣ（炭化ケイ素）のプリフォームにアルミニウムを含浸させたＡｌ−ＳｉＣ（アルミニウム炭化ケイ素）などが挙げられる（特許文献１）。Ｃｕ（銅）やＡｌ（アルミニウム）などの高熱伝導金属ではなくＡｌ−ＳｉＣを用いることの利点は次の通りである。熱膨張係数が小さくセラミックス基板と近いため、接合時の応力を低減できて接合の信頼性が高まる。また、溶湯接合によるＡｌ−ＳｉＣへのセラミックス絶縁基板の直貼が可能である（特許文献２）。はんだ材などを介さない接合のため、信頼性の高い接合となるとともに、接合箇所の熱抵抗が抑制される。

【0004】

一方、セラミックス絶縁基板と電気回路用金属板の接合には、活性金属ろう材が用いられることが多い。活性金属ろう材は、典型的にはＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ（銀−銅−チタン）から成り、８００℃程度でセラミックス絶縁基板と電気回路用金属板とを強固に接合することが可能である。一般的なろう材は、セラミックス絶縁基板に前処理を施すことなく接合することは難しいが、活性金属ろう材では含有するＴｉが多くのセラミックスに対して活性であることによって、セラミックス絶縁基板の前処理なしの接合を可能にする（特許文献３）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００３−２６８４７８号公報

【特許文献2】特開２００３−３１８３１６号公報

【特許文献3】国際公開第２０１２／１６１１４８号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

放熱用部材であるＡｌ−ＳｉＣに絶縁基板を直に貼り付けた部材は、半導体モジュールの熱抵抗の低減への寄与が期待される。しかしながら、Ａｌ−ＳｉＣは少なくともＡｌの融点（６６０℃）よりも高温では強度が著しく低下するため、セラミックス基板（絶縁基板）と電気回路用金属板との接合に、８００℃程度の高温を必要とする活性金属ろう材による接合は採用できない。

【0007】

一方、セラミックス基板（絶縁基板）にメタライズ処理をして、はんだ材によって電気回路用金属板と接合する方法もあるが、はんだ材は一般的には６０Ｗ／ｍＫと熱伝導率が他の構成部材と比較して低く、信頼性のある接合とするにはある程度の厚みが必要であるため、熱抵抗の観点から好ましくはない。また、工程も複雑となる。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
すなわち、接合構造体は、セラミックス基板と金属板とを、金属と、ＳｂまたはＢａの少なくとも一方の元素とＰとＶとを含む酸化物と、を有する接合材層を介して接合し、接合材層を構成する金属とセラミックス基板との間の少なくとも一部にＳｂまたはＢａの少なくとも一方の元素とＰとＶとを含有する酸化物が存在している。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、セラミックスと金属の複合材料を放熱構造体とし、それに接合されたセラミックス基板に対して、放熱構造体の耐熱温度より低温で金属板を接合することができる。

【0010】

また、極めて低い熱抵抗の放熱構造体とセラミックス絶縁基板と電気回路用金属板の接合構造体を提供することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】ガラス組成物の代表的なＤＴＡ曲線を示す図である。

【図2】接合性の評価用試料を示す図である。

【図3】実施例１に係る接合構造体の接合強度試験結果を示す図である。

【図4】実施例１に係る接合構造体の断面図である。

【図5】変形例１に係る接合構造体の接合強度試験結果を示す図である。

【図6】変形例１に係る接合構造体の断面図である。

【図7】実施例２に係る接合構造体の断面模式図である。

【図8】実施例３に係る半導体モジュール用基板の断面図である。

【図9】実施例３に係る半導体モジュール用基板を用いた半導体モジュールの断面図である。

【図10】実施の形態に係る接合構造体の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、実施の形態、実施例および変形例について、図面を用いて説明する。ただし、以下の説明において、同一構成要素には同一符号を付し繰り返しの説明は省略する。

【0013】

＜実施の形態＞
図１０は実施の形態に係る接合構造体の断面図である。接合構造体１００は第一の基材１０１と第二の基材１０２を接合したものである。第一の基材１０１は２０℃における熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫより高い高熱伝導セラミックス基板とする。例としては、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化珪素などが挙げられる。第二の基材１０２は２０℃における電気抵抗率が４μΩｃｍより低い金属板とする。例としては、Ｃｕ、Ａｌなどが挙げられる。第一の基材と第二の基材は接合材層１０３を介して接合される。接合材層１０３とは、接合のために基材の間に挟んだ基材とは異なる材料のことである。接合材層１０３は、金属１０４と酸化物１０５から構成され、酸化物１０５にはＶ（バナジウム）、Ｐ（リン）とともに、Ｓｂ（アンチモン）またはＢａ（バリウム）の少なくともいずれかが含まれる。また、接合材層１０３内の金属１０４とセラミックス基板１０１との間には、少なくとも一部に上述した成分の酸化物１０５が存在する。

【0014】

また、第一の基材１０１が窒化物の場合には、基材表面を酸化させると高い接合強度が得られる場合があり、この場合の第一の基材には、表面酸化膜も含まれるものとする。他のいかなる表面処理をした場合も同様に、改質された表面層も基材に含まれるものとする。

【0015】

また、接合材層１０３を構成する金属１０４と酸化物１０５との界面はそれほど強固ではないので、酸化物が凝集すると脆くなる。したがって、接合材層１０３内では金属１０４中に酸化物１０５が分散した形態となるのが好ましい。

【0016】

さらに、第一の基材（セラミックス基板）１０１と第二の基材（金属板）１０２とは熱膨張係数が大きく異なるので、熱サイクルにより剥離の問題が生じることがある。この場合には、接合材層１０３内に空隙を分散させることで、熱応力が緩和して熱サイクルに対する耐性を高めることが可能である。

【0017】

接合材層１０３の形成は、はＶ（バナジウム）、Ｐ（リン）とともに、Ｓｂ（アンチモン）またはＢａ（バリウム）を少なくとも含むガラス粒子と金属粒子に適宜溶媒を加えてペースト化したものを、第一の基材１０１に塗布して加熱することによって得られる。金属１０４中に酸化物１０５が分散した構造とすることで高強度になるとともに接合材層１０３の熱伝導率も良くなるが、このような接合材層１０３が形成されるためのガラス粒子の添加量は、ガラス粒子と金属粒子の総体積に対して１〜３０ｖｏｌ％であるのが好ましい。

【0018】

接合材層１０３の組成物は４００〜５００℃にて良好な軟化流動性を有し、Ａｌ−ＳｉＣの耐熱温度より低温でセラミックス基板との接合性が生じるとともに、４００℃以下では機械的に強固であり、はんだ材を用いた後の実装工程にも耐えられる、利便性の高い接合構造体が得られる。

【0019】

また、金属粒子はＡｇ、Ｃｕ、Ａｌとして４００〜５００℃程度で固相焼結させることで、熱伝導率が高く耐熱性に優れた接合材層が生じる。

【0020】

接合材層１０３にはガラス状態（ガラス組成物）の粒子を用いているが、接合後にもガラス状態である必要はなく、ガラスの自己結晶化、基材や接合材層１０３内の金属１０４との反応により他の物質への変化を伴っても構わない。このとき、結晶化や変化後の物質の融点が高ければ、接合の耐熱性が向上する。

【0021】

一方で、変化後の物質が脆く、接合強度を低下させるような場合も生じる。このときには、上述したガラス組成物に、Ｍｎ（マンガン）、Ｗ（タングステン）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｆｅ（鉄）、アルカリ金属を適宜含有させることで、ガラス構造がより安定に保たれ、接合強度の低下を防止できるようになる。

【0022】

なお、上述したガラス組成物はいずれも環境への配慮から無鉛とする。本開示でいう無鉛とは、ＲоＨＳ指令（Restriction of Hazardous Substances：２００６年７月１日施行）における禁止物質を指定値以下の範囲で含有することを容認するものとする。

【実施例1】

【0023】

＜ガラス組成物＞
接合材に用いるガラス組成物の作製方法について説明する。出発原料を所定の重量比となるように評量した。出発原料としては、（株）高純度化学研究所製の酸化物粉末（純度９９.９％）を用いた。一部の試料においては、Ｂａ源およびＰ源としてラサエ業（株）製のＢａ（ＰＯ_３）_２（バリウム・メタリン酸塩）を用いた。出発原料を混合して白金るつぼに入れた。混合にあたっては、原料粉末への余分な吸湿を避けることを考慮して、金属製スプーンを用いて、るつぼ内で混合した。原料混合粉末が入ったるつぼをガラス溶融炉内に設置し、加熱・融解した。１０℃／ｍｉｎの昇温速度で昇温し、設定温度（１１００〜１１５０℃）で融解しているガラスを撹拌しながら１時間保持した。その後、るつぼをガラス溶融炉から取り出し、あらかじめ１５０℃に加熱しておいた黒鉛鋳型にガラスを鋳込んだ（溶かして流し込んだ）。

【0024】

次に、鋳込まれたガラスを、あらかじめ歪取り温度に加熱しておいた歪取り炉に移動し、１時間保持により歪を除去した後、１℃／ｍｉｎの速度で室温まで冷却した。室温まで冷却したガラスを粗粉砕し、ガラス組成物のフリットを作製した。ガラス組成物のフリットは平均体積粒径が２０μｍ以下であり、ＤＴＡ（Differential Thermal Analysis）によりガラス転移温度を測定した。ＤＴＡは試料及び基準物質の温度を一定のプログラムによって変化させながら、その試料と基準物質との温度差を温度の関数として測定する方法である。

【0025】

表１に本実施例に係るガラス組成物の特性を示す。表中にはガラス軟化点（Ｔ_ｓ）が示されているが、この測定方法は次の通りである。作成したガラスは体積平均粒子径が２０μｍ以下になるまで粉砕し、５℃／ｍｉｎの昇温速度で５５０℃まで示唆熱分析（ＤＴＡ）を行うことによって、ガラス転移点（Ｔ_ｇ）を測定した。標準試料としてアルミナ粉末を、試料容器としてＡｌを用いた。図１にガラス組成物の代表的なＤＴＡ曲線を示す。図中に示すように、ガラス転移点（Ｔ_ｇ）は第一吸熱ピークの開始温度とした。この他に、第一吸熱ピーク温度として屈伏点（Ｔ_ｄ）、第二吸熱ピーク温度として軟化点（Ｔ_ｓ）、結晶化温度として発熱ピークの開始温度（Ｔ_ｃ）が求められる。接合温度は、ガラスの粒径、接合時の加圧条件と保持時間などの様々な因子に依存するため一概には規定できないが、少なくとも粘度＝１０^７．６５ ｐｏｉｓｅに相当する軟化点（Ｔ_ｓ）よりは高い温度に加熱する必要がある。

【0026】

各ガラス組成物の組成と軟化点（Ｔ_ｓ）を表１に示す。表中に示すように、組成を変えることにより軟化点（Ｔ_ｓ）を３８０〜４５０℃の広い範囲で制御可能である。接合温度、必要な耐熱性に適合したガラス組成を用いるとよい。

【0027】

【表1】

【0028】

＜ペースト＞
接合構造体を作製するにあたり、上記方法で作製したガラス組成物のフリット（粉末ガラス）と金属粒子と溶媒から成るペーストの作製方法を説明する。まず、ガラス組成物のフリットをジェットミルで平均体積粒径が２μｍ以下に粉砕した。続いて、ガラス組成物と金属粒子とを所定の配合比で混合した。混合にはメノウ乳鉢を用いた。４％の樹脂バインダーを添加した溶剤を混合してペースト化した。ここで、樹脂バインダーにはエチルセルロース、溶剤にはブチルカルビトールアセテートを用いた。エチルセルロースは３００℃程度に加熱することで揮発させることが可能であり、表１のガラスＮｏ．１〜７のガラス組成物を軟化流動させることなく除去可能である。すなわち、Ｎｏ．１〜７のガラス組成物を用いたペーストは、接合基材に塗布した後、３００℃程度に加熱して溶剤と樹脂バインダーを除去して用いる。

【0029】

＜試料および評価方法＞
接合性の簡易的な評価のため、図２に示すような試料を用いた。図２（ａ）は評価用試料の外観の斜視図であり、図２（ｂ）は評価用試料の断面図である。この試料は、セラミックス基板１に、上記方法実で作製した接合用ペーストを用いて円柱状金属基材２を接合したものである。ペーストの塗布膜は加熱によって接合材層３となる。

【0030】

強度試験は、円柱状金属基材２の側面からツールを当てて、試料が破壊されるのに要する最大の力を測定した。また、この力を接合面積である２０ｍｍ^２で除した値を、せん断接合強度として定義した。

【0031】

接合構造は、図２（ｂ）に示すような断面試料を作製し、走査型電子顕微鏡で微細組織を観察した。試料断面は、耐水研磨紙を用いて湿式で研磨した後、アルミナ粉末によるバフ研磨を施し、アルゴンイオンミリングにより平滑に仕上げた。

【0032】

＜接合構造体＞
本実施例に係る接合構造体では、セラミックス基板１の一例である酸化アルミニウム基材１ａと金属基材２の一例である無酸素銅基材２ａとを用いた。接合材の材料にはガラス組成物として表１のＮｏ．６を、金属粒子として粒径１μｍのＡｇ粒子を用いた。以下に、本実施例に係る接合構造体の作製方法について説明する。

【0033】

金属粒子とガラス組成物の総体積に対するガラス組成物の割合をガラス添加量ｘ_Ｇと定義する。ｘ_Ｇ＝０、５、１０、２０、３０、５０ｖｏｌ％の粉末混合体を各比率で混合した後、ブチルカルビトールアセテートと４ｗｔ％のエチルセルロースの混合体を適量加えてペースト化した。得られたペーストを、酸化アルミニウム基材１ａに塗布した。ホットプレート上で１５０℃に加熱してブチルカルビトールアセテートを揮発させて除去した後、大気中で３５０℃に加熱してエチルセルロースを揮発させて除去した。５００℃に加熱して、ガラスを軟化流動させて、酸化アルミニウム基板状１ａに接合材層３ａを形成した。接合材の層の上に無酸素銅基材２ａを乗せて、窒素中で５００℃に加熱することで、接合させた。なお、加熱中には無酸素銅基材２ａの上に錘をのせ、１ＭＰａで加圧した。ここで、加圧力の定義は、錘の重量を接合面積である２０ｍｍ^２で除した値として定義した。

【0034】

上記作製方法により得られた接合構造体に対して、せん断接合強度を評価した。図３は実施例１に係る接合構造体の接合強度試験結果を示す図である。図３にはペーストへのガラス組成物の添加量ｘ_Ｇとせん断接合強度Ｐとの関係が示されている。ｘ_Ｇ＝０ｖｏｌ％のときはＰ〜０であり、強度試験前に試料は剥離してしまった。ｘ_Ｇ＝５、１０ｖｏｌ％では２０ＭＰａを超える高いせん断接合強度が得られた。なお、評価装置の制約からＰ＞２０ＭＰａとなる試料の破壊前に試験を止めた。このような場合には、図中に上向の矢印で示している。ｘ_Ｇ≧２０ｖｏｌ％ではｘ_Ｇの増加にともないＰは減少する傾向があり、ｘ_Ｇ＝５０ｖｏｌ％で再び強度試験前に試料は剥離した。なお、接合が起きなかったｘ_Ｇ＝０、５０ｖｏｌ％のときは、いずれも接合材層３ａと酸化アルミニウム基材１ａの間で剥離が起きた。

【0035】

図４は実施例１に係る接合構造体の断面図である。図４には、ｘ_Ｇ＝５ｖｏｌ％、３０ｖｏｌ％、５０ｖｏｌ％のときの試料に対して電子顕微鏡により観察した断面組織が示されている。ｘ_Ｇ＝５ｖｏｌ％のときは、図４（ａ）のように、接合材層３ａ５は金属粒子同士が強固に結合することで緻密な金属焼結体４が形成されており、金属焼結体４と酸化アルミニウム基材１ａの間は、多くの部分が厚さ１００ｎｍ以下の薄い酸化物の層５１を介して接合されていた。また、金属焼結体４の中に酸化物５２や空隙６が分散した構造となっていた。ＳＥＭ−ＥＤＸにより、酸化物５１、５２の元素分析をすると、Ｖ、Ｐ、Ｓｂ、Ｂａ、Ｋ、Ｗが検出され、この部分はガラス組成物に由来すると考えられる。ＳＥＭ−ＥＤＸとは、電子顕微鏡（ＳＥＭ）付属のエネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＸ）で、ＳＥＭで像観察を行いながら、その視野に対して元素分析を行う装置で、試料に電子線を照射して得られるＸ線から、元素の種類を特定する。ただし、必ずしもガラス（非晶質）構造を保っている必要はなく、単一の組成である必要はない。実際、酸化物５１、５２は場所ごとにコントラストが異なり、一部結晶と考えられる角張った組織が観察された。ｘ_Ｇ＝３０ｖｏｌ％のときは、図４（ｂ）に示すように、接合材層３ａ３０は金属焼結体６の内部に分散する酸化物のサイズが大きくなり、また、金属焼結体４と酸化物５の界面付近で亀裂（クラック）７が観察されるようになった。さらに、ガラスが多いｘ_Ｇ＝５０ｖｏｌ％のときは、図４（ｃ）に示すように、接合材層３ａ５０は金属粒子４１が酸化物５のマトリックスの内部に分散する形態となっていた。

【0036】

高い強度が得られるｘ_Ｇの範囲は、使用するガラス組成物の成分、金属粒子の材質や粒径、接合時の温度条件や加圧力など、多数のパラメータの影響を受けるため一概には規定できないが、これらの結果は、高い接合強度を得られるときは、接合構造に次の特徴があることを示唆している。
（１）金属粒子同士が十分に結合して金属焼結体になっている。
（２）金属バルク体は酸化アルミニウム基板と極薄い酸化物の層によって接合されており、酸化物はガラス組成物の成分を含む。
（３）接合材層中の酸化物や空隙は、金属焼結体内で分散した状態で存在する。

【0037】

接合材層中の酸化物や空隙は、存在した方が良い場合と、存在しない方が良い場合がある。

【0038】

本実施例ではガラス組成物は表１のＮｏ．６を用いたが、表１の他のガラス組成物を用いることができることはいうまでもない。

【0039】

＜変形例１＞
本変形例に係る接合構造体では、セラミックス基板１の一例である窒化アルミニウム基材１ｂと無酸素銅基材２ａとを用いた。しかし、接合材の材料および接合構造体の作製方法は実施例１と同じである。ペーストへのガラス組成物の添加量ｘ_Ｇは５ｖｏｌ％である。ここでは、実施例１と全く同様の検討をした。

【0040】

図５は変形例１に係る接合構造体の接合強度試験結果を示す図である。図６は変形例１に係る接合構造体の断面図である。強度試験の結果、図５の白丸に示すように、いずれのｘ_Ｇに対しても、実施例１に係る接合構造体よりもせん断接合強度は低下した。剥離は窒化アルミニウム基材と接合材層との間で起きていた。そこで、大気中１１００℃１ｈｒの熱処理により窒化アルミニウム基材１ｂの表面に厚さ約１μｍの酸化アルミニウム層８を形成して、無酸素銅基材２ａと接合した。その結果、図５の黒丸に示すように、実施例１に係る接合構造体と同等の高い強度が得られた。このときの接合構造体の断面が図６に模式的に示されている。

【0041】

したがって、窒化物基材の場合には接合強度が低下するが、表面を酸化物にすることによって、酸化物基材と同等の接合強度が得られるようになる。今回の熱処理のような前処理によって、あらかじめ基材の表面に別の物質の層を形成した場合、本開示では、別の物質の層も含めて基材と呼ぶことにする。酸化物の厚さは約１μｍに限定されるものではなく、表面に０．１から５μｍの範囲の主成分が酸化物となっていればよい。

【0042】

＜熱伝導率＞
実施例１および変形例１に係る接合構造体に用いた接合材層の熱伝導率について、以下に説明する。
粒径１μｍのＡｇ粉末に表１のＮｏ．６のガラス粒子をｘ_Ｇ＝１０ｖｏｌ％の添加量で添加して、混合した。金型に混合粉末を充填してハンドプレス機で加圧することで、直径１０ｍｍ、厚み１ｍｍのペレットを成形した。ペレットを大気中５００℃１０ｍｉｎで加熱することで、ペレットを焼結させた。キセノンフラッシュ法により、出来上がったペレットの熱伝導率を測定したところ、１８０Ｗ／ｍＫであり、はんだ材の４０〜６０Ｗ／ｍＫと比較して極めて高い熱伝導率を得られることがわかった。

【実施例2】

【0043】

本実施例に係る接合構造体は、溶湯接合法によってセラミックスと金属の複合材料（Ａｌ−ＳｉＣ）に貼りつけられたセラミックス基板（窒化アルミニウム基板）に対して、金属板（無酸素銅の板）を貼り付けたものである。以下に、本実施例に係る接合構造体の作製方法について説明する。

【0044】

図７は実施例２に係る接合構造体の断面模式図である。図７（ａ）に示すような、厚さ１０ｍｍ、４０ｍｍ×４０ｍｍのＡｌ−ＳｉＣ基材１０に溶湯接合法で窒化アルミニウム基板１１が貼り付けられている。窒化アルミニウム基板１１の厚みは０．６４ｍｍのものを用いた。また、窒化アルミニウム基板１１の表面には厚さ約１μｍの酸化膜を事前に形成されている。

【0045】

ガラスは表１のＮｏ．６を、金属粒子には粒径１μｍのＡｇを用いて、ガラス添加量ｘ_Ｇ＝５、１０ｖｏｌ％のペーストを作製した。それぞれのペーストを窒化アルミニウム基板１１上に塗布し、ホットプレート上で１５０℃に加熱してブチルカルビトールアセテートを揮発させて除去した後、大気中で３５０℃に加熱してエチルセルロースを揮発させて除去した。５００℃に加熱して、ガラスを軟化流動させて、窒化アルミニウム基板１１上に接合材層１２を形成した。

【0046】

図７（ｂ）に示すように、接合材層１２の上に、厚さ０．３ｍｍの無酸素銅板１３を乗せて、窒素中で５００℃に加熱することで接合させた。なお、ホットプレス装置により５００℃に昇温後に１ＭＰａで加圧した。

【0047】

＜接合構造体の評価＞
本実施例で作製した接合構造体において、無酸素銅板１３をはんだごてで加熱しながらＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕの組成のはんだ材を供給し、無酸素銅板１３の全面をはんだ材によって濡らした。このときの無酸素銅板１３の温度は３００〜４００℃まで上昇したと推定されるが、この加熱によって、窒化アルミニウム基板１１と無酸素銅板１３との接合は特に問題なかった。また、接合前後で超音波探傷法により剥離箇所の有無を調べたが、とくに変化はないことがわかった。この結果から、無酸素銅板１３に対して半導体チップをはんだ材によって実装することが可能であることがわかった。

【0048】

上記評価後に、−４０℃〜１５０℃のヒートサイクルを１０００回繰り返した。ヒートサイクル後に超音波探傷法によって剥離箇所の有無を調べた。その結果、ｘ_Ｇ＝５ｖｏｌ％のときよりもｘ_Ｇ＝１０ｖｏｌ％のときの方が剥離の進展が少ないことがわかった。

【0049】

ｘ_Ｇ＝５ｖｏｌ％とｘ_Ｇ＝１０ｖｏｌ％の断面構造を走査型電子顕微鏡によって観察すると、接合材層１２中に含まれる空隙の量がｘ_Ｇ＝１０ｖｏｌ％の方が多く、均一に分散していることがわかった。なお、ここで言う空隙は、接合材層の厚み２０μｍと比較しても十分小さい大きさであり、超音波探傷法では同定できない程度である。接合材層における微細な空隙の分散は、ヒートサイクルにより生じる熱応力の緩和材となると考えられ、このことがｘ_Ｇ＝１０ｖｏｌ％の方がヒートサイクル後の剥離が起こりにくかった原因と考えられる。なお、空隙量は接合強度を低下させない範囲でガラス添加量を増加させることにより、意図的に増やすことができる。

【0050】

＜変形例２＞
これまでの実施例１、変形例１および実施例２では、ペーストに用いる金属粒子をＡｇとしたが、これは、大気中でも酸化することなく、４００〜５００℃で良好に焼結が進むためである。真空中、不活性雰囲気（窒素、アルゴン）中でのみ加熱するのであれば、粒子にＣｕやＡｌを用いても良い。また、セラミックス基板（絶縁基板）には窒化アルミニウムを用いたが、これは２０℃における熱伝導率が１８０Ｗ／ｍＫと、酸化アルミニウムの３０Ｗ／ｍＫ、窒化珪素の３０Ｗ／ｍＫと比較して高いためである。ただし、基板の強度が必要な場合には、酸化アルミニウムや窒化珪素の方が良く、用途に応じて使い分けられるべきものである。電気回路用金属板には無酸素銅を用いたが、これは半導体チップの実装にはんだ材を用いることを想定したためであり、電気回路用金属板はアルミニウムであっても接合は可能である。
本実施例によれば、セラミックスと金属の複合材料を放熱構造体とし、それに溶湯接合によって直に貼り付けたセラミックス基板に対して、放熱構造体の耐熱温度より低温で金属板の接合することができる。また、極めて低い熱抵抗の放熱構造体とセラミックス基板と電気回路用金属板の接合構造体を提供することができる。

【実施例3】

【0051】

図８は実施例３に係る半導体モジュール用基板の断面図である。これまでの実施例１、変形例１、実施例２および変形例２を組合せると、図８に示すような半導体モジュール用の基板を製造することが可能になる。本実施例に係る半導体モジュール用の基板１１０は、放熱用部材１４とセラミックス基板１５と接合材層１６と電気回路用金属板１７とを有する。放熱用部材１４は下側に放熱用のフィンを備えたフィン付の放熱構造体である。放熱用部材１４の材質は金属とセラミックスの複合材料であり、例えばＡｌ−ＳｉＣである。セラミックス基板１５とＡｌ−ＳｉＣ部材１４とは、溶湯法によって接合材を介することなく接合されている。セラミックス基板１５の材質は、例えば実施例１、変形例１、実施例２および変形例２のいずれかのセラミックス基板の材質である。電気回路用金属板１７とセラミックス基板１５とは、Ｓｂ、Ｂａの少なくとも一方と、Ｖ、Ｐを含有する酸化物と金属とからなる接合材層１６によって接合されている。接合材層１６の材質は、例えば実施例１、変形例１、実施例２および変形例２のいずれかの接合材層の材質である。電気回路用金属板１７の材質は、例えば、実施例２および変形例２のいずれかの電気回路用金属板の材質である。

【0052】

この半導体モジュール用の基板は熱抵抗に優れ、高絶縁耐圧を必要とする電力、鉄道、自動車などの半導体モジュールに適用することで、高い電流密度での運転を可能とし、半導体モジュールの小型化にも有効である。

【0053】

図９に実施例３に係る半導体モジュール用基板を用いた半導体モジュールの断面図である。半導体モジュール１１１においては、実施例３の半導体モジュール用の基板１１０の電気回路用金属板１７に珪素チップ２２を接合材２１で接合する。

【0054】

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態、実施例および変形例に基づき具体的に説明したが、本発明は、上記実施の形態、実施例および変形例に限定されるものではなく、種々変更可能であることはいうまでもない。

【符号の説明】

【0055】

１、１０１・・・第一の基材（セラミックス絶縁基板）
２、１０２・・・第二の基材（金属）
３、１０３・・・接合材層
４・・・金属焼結体
４１・・・金属粒子
５、１０５・・・酸化物
５１・・・酸化物
５２・・・酸化物
６・・・空隙
７・・・クラック
８・・・酸化物層
１０・・・金属とセラミックスとの複合材料
１１・・・セラミックス絶縁基板
１２・・・接合材層
１３・・・電気回路用金属板
１４・・・フィン付の放熱構造体
１５・・・セラミックス絶縁基板
１６・・・接合材層
１７・・・電気回路用金属板
２１・・・接合材
２２・・・珪素チップ
１００・・・接合構造体
１０４・・・金属
１１０・・・半導体モジュール用の基板
１１１・・・半導体モジュール

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】