JP2010287869A - Substrate used for power module, substrate used for power module with cooling device, power module, and method for manufacturing substrate used for power module - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a substrate used for a power module which can easily and certainly join a semiconductor element on a circuit layer via a soldering material, a substrate used for a power module with a cooling device, a power module, and to provide a method for manufacturing the substrate used for the power module. <P>SOLUTION: The substrate 10 used for the power module is arranged, in a manner such that a circuit layer 12 made of aluminum or aluminum alloy is located on one surface of an insulating layer 11 and a semiconductor element 3 is located on the circuit layer 12 via a soldering layer 2, and on one surface of the circuit layer 12, an Ag burnt layer 30, made of a burnt body of Ag paste containing glass is formed. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

この発明は、半導体素子が搭載される回路層を備えたパワーモジュール用基板、このパワーモジュール基板を備えた冷却器付パワーモジュール用基板、このパワーモジュール、及び、このパワーモジュール用基板の製造方法に関するものである。   The present invention relates to a power module substrate including a circuit layer on which a semiconductor element is mounted, a power module substrate with a cooler including the power module substrate, the power module, and a method of manufacturing the power module substrate. Is.

半導体素子の中でも電力供給のためのパワー素子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)からなるセラミックス基板上にAl(アルミニウム)の金属板がAl−Si系のろう材を介して接合されたパワーモジュール用基板が広く用いられている。
この金属板は回路層とされ、回路層の上には、はんだ材を介してパワー素子としての半導体素子が搭載される。なお、セラミックス基板の下面にも放熱のためにAl等の金属板が接合されて金属層とされ、この金属層を介して冷却器が接合されたものが提案されている。
Among semiconductor elements, a power element for supplying power has a relatively high calorific value. For example, an Al (aluminum) metal plate is Al on a ceramic substrate made of AlN (aluminum nitride). A substrate for a power module joined through a Si-based brazing material is widely used.
This metal plate is used as a circuit layer, and a semiconductor element as a power element is mounted on the circuit layer via a solder material. It has been proposed that a metal plate such as Al is joined to the lower surface of the ceramic substrate to form a metal layer for heat dissipation, and a cooler is joined via the metal layer.

ここで、アルミニウムからなる回路層においては、表面にアルミニウムの酸化皮膜が形成されるため、はんだ材との接合を良好に行うことができない。
そこで、従来は、例えば特許文献1に開示されているように、回路層の表面に無電解めっき等によってNiめっき膜を形成し、このNiめっき膜上にはんだ材を配設して半導体素子を接合していた。
また、特許文献2には、はんだ材を用いずにAgナノペーストを用いて半導体素子を接合する技術が提案されている。
Here, since the aluminum oxide film is formed on the surface of the circuit layer made of aluminum, it cannot be satisfactorily bonded to the solder material.
Therefore, conventionally, as disclosed in, for example, Patent Document 1, a Ni plating film is formed on the surface of a circuit layer by electroless plating or the like, and a solder material is disposed on the Ni plating film to provide a semiconductor element. It was joined.
Patent Document 2 proposes a technique for joining semiconductor elements using Ag nanopaste without using a solder material.

特開2004−172378号公報JP 2004-172378 A 特開2006−202938号公報JP 2006-202938 A

ところで、特許文献1に記載されたように、回路層表面にNiめっき膜を形成したパワーモジュール用基板においては、半導体素子を接合するまでの過程においてNiめっき膜の表面が酸化等によって劣化し、はんだ材を介して接合した半導体素子との接合信頼性が低下するおそれがあった。
また、パワーモジュール用基板に冷却器をろう付けで接合する場合には、回路層表面にNiめっき膜を形成した後にろう付け等を行うとNiめっき膜が劣化してしまうため、パワーモジュール用基板と冷却器とをろう付けして冷却器付パワーモジュール用基板を形成した後に、めっき浴内にこの冷却器付パワーモジュール用基板全体を浸漬させていた。このため、回路層以外の部分にもNiめっき膜が形成されることになる。ここで、冷却器がアルミニウム及びアルミニウム合金で構成されていた場合には、アルミニウムからなる冷却器とNiめっき膜との間で電食が進行するおそれがある。このため、Niめっき工程においては、冷却器部分にNiめっき膜が形成されないようにマスキング処理を行う必要があった。このように、マスキング処理をした上でめっき処理をすることになるため、回路層部分にNiめっき膜を形成するのには多大な労力が必要であり、パワーモジュールの製造コストが大幅に増加するといった問題があった。
By the way, as described in Patent Document 1, in the power module substrate in which the Ni plating film is formed on the surface of the circuit layer, the surface of the Ni plating film is deteriorated by oxidation or the like in the process until the semiconductor element is joined, There is a possibility that the reliability of bonding with a semiconductor element bonded via a solder material may be reduced.
In addition, when a cooler is joined to a power module substrate by brazing, the Ni plating film deteriorates if brazing is performed after forming the Ni plating film on the surface of the circuit layer. And the cooler were brazed to form a power module substrate with a cooler, and then the entire power module substrate with a cooler was immersed in the plating bath. For this reason, the Ni plating film is also formed on portions other than the circuit layer. Here, when the cooler is made of aluminum and an aluminum alloy, there is a possibility that electrolytic corrosion proceeds between the cooler made of aluminum and the Ni plating film. Therefore, in the Ni plating process, it is necessary to perform a masking process so that the Ni plating film is not formed on the cooler portion. As described above, since the plating process is performed after the masking process is performed, a great amount of labor is required to form the Ni plating film on the circuit layer portion, and the manufacturing cost of the power module is greatly increased. There was a problem.

一方、特許文献2に開示されたように、はんだ材を使用せずにAgナノペーストを用いて半導体素子を接合する場合には、Agナノペーストからなる層がはんだ材に比べて厚みが薄く形成されるため、熱サイクル負荷時の応力が半導体素子に作用しやすくなり、半導体素子自体が破損してしまうおそれがあった。
また、前述のように、アルミニウムからなる回路層においては、表面にアルミニウムの酸化皮膜が形成されており、特許文献2に記載されたAgナノペーストのみを用いて半導体素子を接合することはできず、やはり、アルミニウム表面にAgやNiからなる介在層を形成する必要があった(特許文献2段落番号0014参照)。
On the other hand, as disclosed in Patent Document 2, when joining a semiconductor element using Ag nano paste without using a solder material, the layer made of Ag nano paste is formed thinner than the solder material. For this reason, the stress at the time of thermal cycle load tends to act on the semiconductor element, and the semiconductor element itself may be damaged.
Further, as described above, an aluminum oxide film is formed on the surface of a circuit layer made of aluminum, and a semiconductor element cannot be bonded using only the Ag nanopaste described in Patent Document 2. After all, it was necessary to form an intervening layer made of Ag or Ni on the aluminum surface (see paragraph number 0014 of Patent Document 2).

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、回路層上に半導体素子をはんだ材を介して、容易に、かつ、確実に接合することが可能なパワーモジュール用基板、冷却器付パワーモジュール用基板、パワーモジュール及びこの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。   The present invention has been made in view of the circumstances described above, and is a power module substrate and a cooler capable of easily and surely joining a semiconductor element to a circuit layer via a solder material. It is an object of the present invention to provide a power module substrate, a power module, and a method for manufacturing the power module substrate.

このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明のパワーモジュール用基板は、絶縁層の一方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層が配設され、この回路層上にはんだ層を介して半導体素子が配設されるパワーモジュール用基板であって、前記回路層の一方の面には、ガラスを含有するAgペーストの焼成体からなるAg焼成層が形成されていることを特徴としている。   In order to solve such problems and achieve the above object, the power module substrate of the present invention is provided with a circuit layer made of aluminum or an aluminum alloy on one surface of the insulating layer. A power module substrate on which a semiconductor element is disposed via a solder layer, and an Ag fired layer made of a fired body of an Ag paste containing glass is formed on one surface of the circuit layer. It is characterized by being.

この構成のパワーモジュール用基板によれば、回路層の一方の面に、ガラスを含有するAgペーストの焼成体からなるAg焼成層が形成されているので、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層の表面に形成されている酸化皮膜を除去することができ、Ag焼成層を介してアルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層上にはんだ材を介して半導体素子を接合することが可能となる。つまり、Niめっき膜の代替としてAg焼成層を形成しているのである。よって、パワーモジュール用基板をめっき液等に浸漬する必要がなく、マスキング処理等の面倒な作業を削減することができる。
また、半導体素子の接合にはんだ材を用いていることから、はんだ材の厚みを厚く形成することが可能となり、熱サイクル負荷時の応力が半導体素子に作用することを抑制でき、半導体素子自体の破損を防止することができる。
According to the power module substrate having this configuration, the surface of the circuit layer made of aluminum or aluminum alloy is formed on one surface of the circuit layer because the Ag fired layer made of a fired body of Ag paste containing glass is formed. It is possible to remove the oxide film formed on the semiconductor element, and it is possible to bond the semiconductor element to the circuit layer made of aluminum or aluminum alloy via the Ag fired layer via the solder material. That is, an Ag fired layer is formed as an alternative to the Ni plating film. Therefore, it is not necessary to immerse the power module substrate in a plating solution or the like, and troublesome work such as masking processing can be reduced.
Further, since the solder material is used for joining the semiconductor elements, it is possible to increase the thickness of the solder material, and it is possible to suppress the stress during the thermal cycle load from acting on the semiconductor element, and the semiconductor element itself Breakage can be prevented.

ここで、前記Ag焼成層は、前記回路層上に形成されたガラス層と、このガラス層の上に形成されたAg層と、を備えていることが好ましい。
この場合、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層の表面に形成されているアルミニウムの酸化皮膜をガラス層に反応させて除去することができ、回路層と半導体素子とをはんだ材を介して確実に接合することができる。
Here, it is preferable that the Ag fired layer includes a glass layer formed on the circuit layer and an Ag layer formed on the glass layer.
In this case, the aluminum oxide film formed on the surface of the circuit layer made of aluminum or an aluminum alloy can be removed by reacting with the glass layer, and the circuit layer and the semiconductor element are securely bonded via the solder material. can do.

また、前記Ag焼成層は、その厚さ方向における電気抵抗値Pが0.5Ω以下に設定されていることが好ましい。
前記Ag焼成層の厚さ方向における電気抵抗値Pが0.5Ω以下とされているので、Ag焼成層及びはんだ材を介して半導体素子と回路層との間で電気を確実に導通することが可能となり、信頼性の高いパワーモジュールを構成することができる。さらに、半導体素子と回路層との間の電気の導通を確保するためには、前記Ag焼成層の厚さ方向における電気抵抗値Pを0.2Ω以下とすることが好ましい。
なお、本発明においては、Ag焼成層の厚さ方向における電気抵抗値Pは、Ag焼成層の上面と回路層の上面との間の電気抵抗としている。これは、回路層を構成するアルミニウムの電気抵抗がAg焼成層の厚さ方向の電気抵抗に比べて非常に小さいためである。なお、この電気抵抗値Pの測定は、Ag焼成層の上面中央点と、Ag焼成層の上面中央点からAg焼成層端部までの距離Hとした場合にAg焼成層端部からHだけ離れた回路層上の点と、の間ので行うこととした。
Moreover, it is preferable that the electrical resistance value P in the thickness direction of the Ag fired layer is set to 0.5Ω or less.
Since the electrical resistance value P in the thickness direction of the Ag fired layer is 0.5Ω or less, it is possible to reliably conduct electricity between the semiconductor element and the circuit layer via the Ag fired layer and the solder material. This makes it possible to configure a highly reliable power module. Furthermore, in order to ensure electrical continuity between the semiconductor element and the circuit layer, the electrical resistance value P in the thickness direction of the Ag fired layer is preferably 0.2Ω or less.
In the present invention, the electrical resistance value P in the thickness direction of the Ag fired layer is the electrical resistance between the upper surface of the Ag fired layer and the upper surface of the circuit layer. This is because the electrical resistance of aluminum constituting the circuit layer is very small compared to the electrical resistance in the thickness direction of the Ag fired layer. The electrical resistance value P is measured by separating the upper surface center point of the Ag fired layer and the distance H from the upper surface center point of the Ag fired layer to the Ag fired layer end by H from the Ag fired layer end. Between the points on the circuit layer.

また、前記ガラスが、酸化鉛、酸化亜鉛、酸化ケイ素、酸化ホウ素、酸化リン及び酸化ビスマスのいずれか1種又は2種以上を含有していることが好ましい。
この場合、ガラスの軟化点が比較的低くなり、低温でAgペーストを焼成することが可能となり、Agペーストの焼成時の熱によってアルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層が劣化することを防止できる。
The glass preferably contains one or more of lead oxide, zinc oxide, silicon oxide, boron oxide, phosphorus oxide and bismuth oxide.
In this case, the softening point of the glass becomes relatively low, the Ag paste can be fired at a low temperature, and the circuit layer made of aluminum or aluminum alloy can be prevented from being deteriorated by heat during firing of the Ag paste.

さらに、前記絶縁層が、AlN、Si又はAlから選択されるセラミックス基板であることが好ましい。
AlN、Si又はAlから選択されるセラミックス基板は、絶縁性及び強度に優れており、パワーモジュール用基板の信頼性の向上を図ることができる。また、このセラミックス基板上にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属板をろう付けすることによって、容易に回路層を形成することが可能となる。
Furthermore, it is preferable that the insulating layer is a ceramic substrate selected from AlN, Si 3 N 4 or Al 2 O 3 .
The ceramic substrate selected from AlN, Si 3 N 4 or Al 2 O 3 has excellent insulation and strength, and can improve the reliability of the power module substrate. Further, it is possible to easily form a circuit layer by brazing a metal plate made of aluminum or an aluminum alloy on the ceramic substrate.

本発明に係る冷却器付パワーモジュール用基板は、前述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の前記絶縁層の他方の面側に配設された冷却器と、を備えていることを特徴としている。
この構成の冷却器付パワーモジュール用基板によれば、回路層上に前述のAg焼成層が形成されているので、はんだ材を介して半導体素子を接合することができる。
なお、冷却器は、絶縁層の他方の面に直接接合する必要はなく、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層やアルミニウム又はアルミニウム合金若しくはアルミニウムを含む複合材(例えばAlSiC等)からなる緩衝層を介して、絶縁層の他方の面側に接合されていればよい。
A power module substrate with a cooler according to the present invention includes the power module substrate described above and a cooler disposed on the other surface side of the insulating layer of the power module substrate. It is a feature.
According to the power module substrate with a cooler having this configuration, the above-mentioned Ag fired layer is formed on the circuit layer, so that the semiconductor element can be joined via the solder material.
Note that the cooler does not need to be directly bonded to the other surface of the insulating layer, but via a metal layer made of aluminum or an aluminum alloy or a buffer layer made of a composite material containing aluminum, an aluminum alloy, or aluminum (for example, AlSiC). Thus, it is only necessary to be bonded to the other surface side of the insulating layer.

本発明に係るパワーモジュールは、前述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の前記回路層の一方の面側に配設された半導体素子と、を備え、前記半導体素子は、はんだ層を介して接合されていることを特徴としている。
この構成のパワーモジュールにおいては、はんだ材を介して半導体素子が接合されていることから、熱サイクル負荷時の応力がはんだ材によって緩和され、半導体素子の破損を抑制することができる。よって、熱サイクル信頼性を大幅に向上させることができる。また、Niめっき膜を形成する必要がないため、生産コストの大幅な削減を図ることができる。
A power module according to the present invention includes the power module substrate described above and a semiconductor element disposed on one surface side of the circuit layer of the power module substrate, and the semiconductor element includes a solder layer. It is characterized by being joined via.
In the power module having this configuration, since the semiconductor element is joined via the solder material, the stress during the heat cycle load is relieved by the solder material, and damage to the semiconductor element can be suppressed. Therefore, thermal cycle reliability can be greatly improved. Further, since it is not necessary to form a Ni plating film, the production cost can be greatly reduced.

本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法は、絶縁層の一方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層が配設され、この回路層上にはんだ層を介して半導体素子が配設されるパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記回路層の一方の面にガラス粉末を含有するAgペーストを塗布する塗布工程と、Agペーストを塗布した状態で加熱処理して前記Agペーストを焼成する焼成工程と、を備え、前記回路層の一方の面に、ガラスを含有するAgペーストの焼成体からなるAg焼成層を形成することを特徴としている。   In the method for manufacturing a power module substrate according to the present invention, a circuit layer made of aluminum or an aluminum alloy is disposed on one surface of the insulating layer, and a semiconductor element is disposed on the circuit layer via a solder layer. A method for manufacturing a power module substrate comprising: an application step of applying an Ag paste containing glass powder to one surface of the circuit layer; and heat-treating the Ag paste in a state where the Ag paste is applied, and firing the Ag paste. A firing step of forming an Ag firing layer made of a fired body of an Ag paste containing glass on one surface of the circuit layer.

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、ガラス粉末を含有するAgペーストを塗布する塗布工程と、Agペーストを塗布した状態で加熱処理して前記Agペーストを焼成する焼成工程と、を備えているので、回路層の一方の面にAg焼成層を形成することができる。また、ガラス粉末を含有するAgペーストを使用しているので、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層の表面に形成されている酸化皮膜を除去することが可能となり、回路層上にAg焼成層を確実に形成することができる。   According to the method for manufacturing a power module substrate having this configuration, an application step of applying an Ag paste containing glass powder, and a baking step of baking the Ag paste by heat treatment in a state where the Ag paste is applied. Thus, an Ag fired layer can be formed on one surface of the circuit layer. Moreover, since the Ag paste containing glass powder is used, it becomes possible to remove the oxide film formed on the surface of the circuit layer made of aluminum or aluminum alloy, and the Ag fired layer is surely provided on the circuit layer. Can be formed.

ここで、前記焼成工程における焼成温度が、350℃以上645℃以下であることが好ましい。
焼成工程における焼成温度が350℃以上とされているので、Agペーストを焼成してAg焼成層を確実に形成することができる。また、焼成温度が645℃以下とされているので、焼成工程におけるアルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層の劣化を防止することができる。
Here, the firing temperature in the firing step is preferably 350 ° C. or higher and 645 ° C. or lower.
Since the firing temperature in the firing step is 350 ° C. or higher, the Ag paste can be fired to reliably form the Ag fired layer. Moreover, since the firing temperature is 645 ° C. or lower, it is possible to prevent deterioration of the circuit layer made of aluminum or aluminum alloy in the firing step.

本発明によれば、回路層上に半導体素子を、容易に、かつ、確実に接合することが可能なパワーモジュール用基板、冷却器付パワーモジュール用基板、パワーモジュール及びこの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。   According to the present invention, a power module substrate, a power module substrate with a cooler, a power module, and a power module substrate capable of easily and reliably joining a semiconductor element on a circuit layer. A method can be provided.

本発明の実施形態であるパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the power module using the board | substrate for power modules which is embodiment of this invention. 本発明の実施形態であるパワーモジュール用基板を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the board | substrate for power modules which is embodiment of this invention. 図2のパワーモジュール用基板における回路層表面の拡大説明図である。FIG. 3 is an enlarged explanatory diagram of a circuit layer surface in the power module substrate of FIG. 2. 本発明の実施形態において、Ag焼成層の厚さ方向の電気抵抗値Pの測定方法を示す上面説明図である。In embodiment of this invention, it is upper surface explanatory drawing which shows the measuring method of the electrical resistance value P of the thickness direction of Ag baking layer. 本発明の実施形態において、Ag焼成層の厚さ方向の電気抵抗値Pの測定方法を示す側面説明図である。In embodiment of this invention, it is side explanatory drawing which shows the measuring method of the electrical resistance value P of the thickness direction of Ag baking layer. Agペーストの製造方法を示すフロー図である。It is a flowchart which shows the manufacturing method of Ag paste. 図1のパワーモジュールの製造方法を示すフロー図である。It is a flowchart which shows the manufacturing method of the power module of FIG.

以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。図1に本発明の実施形態であるパワーモジュールを示す。
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チップ3と、冷却器40とを備えている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 shows a power module according to an embodiment of the present invention.
The power module 1 includes a power module substrate 10 on which a circuit layer 12 is disposed, a semiconductor chip 3 bonded to the surface of the circuit layer 12 via a solder layer 2, and a cooler 40.

パワーモジュール用基板10は、絶縁層を構成するセラミックス基板11と、このセラミックス基板11の一方の面(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(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AlN(窒化アルミ)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。
The power module substrate 10 includes a ceramic substrate 11 constituting an insulating layer, a circuit layer 12 disposed on one surface of the ceramic substrate 11 (upper surface in FIG. 1), and the other surface of the ceramic substrate 11 (FIG. 1 and a metal layer 13 disposed on the lower surface.
The ceramic substrate 11 prevents electrical connection between the circuit layer 12 and the metal layer 13, and is made of highly insulating AlN (aluminum nitride). In addition, the thickness of the ceramic substrate 11 is set within a range of 0.2 to 1.5 mm, and in this embodiment is set to 0.635 mm.

回路層12は、セラミックス基板11の一方の面に、導電性を有する金属板が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、回路層12は、純度が99.99%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)の圧延板からなるアルミニウム板がセラミックス基板11に接合されることにより形成されている。   The circuit layer 12 is formed by bonding a conductive metal plate to one surface of the ceramic substrate 11. In the present embodiment, the circuit layer 12 is formed by joining an aluminum plate made of a rolled plate of aluminum (so-called 4N aluminum) having a purity of 99.99% or more to the ceramic substrate 11.

金属層13は、セラミックス基板11の他方の面に、金属板が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層13は、回路層12と同様に、純度が99.99%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)の圧延板からなるアルミニウム板がセラミックス基板11に接合されることで形成されている。   The metal layer 13 is formed by bonding a metal plate to the other surface of the ceramic substrate 11. In the present embodiment, the metal layer 13 is formed by joining an aluminum plate made of a rolled plate of aluminum (so-called 4N aluminum) having a purity of 99.99% or more, like the circuit layer 12, to the ceramic substrate 11. Has been.

冷却器40は、前述のパワーモジュール用基板10を冷却するためのものであり、パワーモジュール用基板10と接合される天板部41と、この天板部41から下方に向けて垂設された放熱フィン42と、冷却媒体(例えば冷却水)を流通するための流路43とを備えている。冷却器40(天板部41)は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態においては、A6063(アルミニウム合金)で構成されている。   The cooler 40 is for cooling the power module substrate 10 described above. The top plate portion 41 joined to the power module substrate 10 and the top plate portion 41 are suspended downward. The heat radiation fin 42 and the flow path 43 for distribute | circulating a cooling medium (for example, cooling water) are provided. The cooler 40 (top plate portion 41) is preferably made of a material having good thermal conductivity, and in this embodiment, is made of A6063 (aluminum alloy).

また、本実施形態においては、冷却器40の天板部41と金属層13との間には、アルミニウム又はアルミニウム合金若しくはアルミニウムを含む複合材(例えばAlSiC等)からなる緩衝層15が設けられている。   In the present embodiment, a buffer layer 15 made of aluminum, an aluminum alloy, or a composite material containing aluminum (for example, AlSiC) is provided between the top plate portion 41 of the cooler 40 and the metal layer 13. Yes.

そして、図1に示すパワーモジュール1においては、回路層12の表面(図1において上面)に、後述するAgペーストを焼成して形成されたAg焼成層30が形成されており、このAg焼成層30の表面に、はんだ層2を介して半導体チップ3が接合されている。ここで、はんだ層2を形成するはんだ材としては、例えばSn−Ag系、Sn−In系、若しくはSn−Ag−Cu系が挙げられる。
なお、Ag焼成層30は、図1に示すように、回路層12の表面全体には形成されておらず、半導体チップ3が配設される部分にのみ選択的に形成されている。
In the power module 1 shown in FIG. 1, an Ag fired layer 30 is formed on the surface of the circuit layer 12 (upper surface in FIG. 1) by firing an Ag paste described later. A semiconductor chip 3 is bonded to the surface of 30 via a solder layer 2. Here, examples of the solder material for forming the solder layer 2 include Sn—Ag, Sn—In, and Sn—Ag—Cu.
As shown in FIG. 1, the Ag fired layer 30 is not formed on the entire surface of the circuit layer 12 but is selectively formed only on a portion where the semiconductor chip 3 is disposed.

図2及び図3に、はんだ層2を介して半導体チップ3を接合する前のパワーモジュール用基板10を示す。
このパワーモジュール用基板10においては、回路層12の表面(図2及び図3において上面)に、前述のAg焼成層30が形成されている。このAg焼成層30は、はんだ層2を介して半導体チップ3を接合する前の状態では、図3に示すように、回路層12側に形成されたガラス層31と、このガラス層31上に形成されたAg層32と、を備えている。そして、このガラス層31内部には、粒径が数ナノメートル程度の微細な導電性粒子33が分散されている。この導電性粒子33は、Ag又はAlの少なくとも一方を含有する結晶性粒子とされている。
2 and 3 show the power module substrate 10 before the semiconductor chip 3 is joined via the solder layer 2.
In the power module substrate 10, the aforementioned Ag fired layer 30 is formed on the surface of the circuit layer 12 (upper surface in FIGS. 2 and 3). As shown in FIG. 3, the Ag fired layer 30 is in a state before the semiconductor chip 3 is joined via the solder layer 2, and a glass layer 31 formed on the circuit layer 12 side and on the glass layer 31. And a formed Ag layer 32. In the glass layer 31, fine conductive particles 33 having a particle size of about several nanometers are dispersed. The conductive particles 33 are crystalline particles containing at least one of Ag and Al.

さらに、このAg焼成層30の厚さ方向の電気抵抗値Pが0.5Ω以下に設定されている。ここで、本実施形態においては、Ag焼成層30の厚さ方向における電気抵抗値Pは、Ag焼成層30の上面と回路層12の上面との間の電気抵抗値としている。これは、回路層12を構成する4Nアルミニウムの電気抵抗がAg焼成層30の厚さ方向の電気抵抗に比べて非常に小さいためである。なお、この電気抵抗の測定の際には、図4及び図5に示すように、Ag焼成層30の上面中央点と、Ag焼成層30の上面中央点からAg焼成層30端部までの距離Hに対してAg焼成層30端部からHだけ離れた回路層12上の点と、の間の電気抵抗を測定することとしている。   Furthermore, the electrical resistance value P in the thickness direction of the Ag fired layer 30 is set to 0.5Ω or less. Here, in this embodiment, the electrical resistance value P in the thickness direction of the Ag fired layer 30 is an electrical resistance value between the upper surface of the Ag fired layer 30 and the upper surface of the circuit layer 12. This is because the electric resistance of 4N aluminum constituting the circuit layer 12 is very small compared to the electric resistance in the thickness direction of the Ag fired layer 30. In the measurement of the electrical resistance, as shown in FIGS. 4 and 5, the upper surface center point of the Ag fired layer 30 and the distance from the upper surface center point of the Ag fired layer 30 to the edge of the Ag fired layer 30. The electrical resistance between the point on the circuit layer 12 that is separated from the end of the Ag fired layer 30 by H by H is measured.

また、本実施形態では、回路層12が純度99.99%のアルミニウムで構成されていることから、回路層12の表面(図3において上面)には、大気中で自然発生したアルミニウム酸化皮膜12Aが形成されているが、前述のAg焼成層30が形成された部分においては、このアルミニウム酸化皮膜12Aが除去されており、回路層12上に直接、Ag焼成層30が形成されている。つまり、回路層12を構成するアルミニウムとガラス層31とが直接接合されているのである。   In the present embodiment, since the circuit layer 12 is made of aluminum having a purity of 99.99%, the aluminum oxide film 12A naturally generated in the atmosphere is formed on the surface of the circuit layer 12 (upper surface in FIG. 3). However, the aluminum oxide film 12A is removed at the portion where the Ag fired layer 30 is formed, and the Ag fired layer 30 is formed directly on the circuit layer 12. That is, the aluminum constituting the circuit layer 12 and the glass layer 31 are directly joined.

ここで、回路層12上に自然発生するアルミニウム酸化皮膜12Aの厚さtoが、4nm≦to≦6nmとされている。また、本実施形態においては、ガラス層31の厚さtgが0.01μm≦tg≦5μm、Ag層32の厚さtaが1μm≦ta≦100μm、Ag焼成層30全体の厚さtg+taが1.01μm≦tg+ta≦105μmとなるように構成されている。   Here, the thickness to of the aluminum oxide film 12A that naturally occurs on the circuit layer 12 is set to 4 nm ≦ to ≦ 6 nm. In this embodiment, the thickness tg of the glass layer 31 is 0.01 μm ≦ tg ≦ 5 μm, the thickness ta of the Ag layer 32 is 1 μm ≦ ta ≦ 100 μm, and the total thickness tg + ta of the Ag fired layer 30 is 1. The configuration is such that 01 μm ≦ tg + ta ≦ 105 μm.

次に、Ag焼成層30を構成するAgペーストについて説明する。
このAgペーストは、Ag粉末と、ガラス粉末と、樹脂と、溶剤と、分散剤と、を含有しており、Ag粉末とガラス粉末とからなる粉末成分の含有量が、Agペースト全体の60質量%以上90質量%以下とされており、残部が樹脂、溶剤、分散剤とされている。なお、本実施形態では、Ag粉末とガラス粉末とからなる粉末成分の含有量は、Agペースト全体の85質量%とされている。
また、このAg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以下に調整されている。
Next, the Ag paste constituting the Ag fired layer 30 will be described.
This Ag paste contains Ag powder, glass powder, resin, solvent, and dispersant, and the content of the powder component composed of Ag powder and glass powder is 60 mass of the entire Ag paste. % To 90% by mass, with the remainder being a resin, a solvent, and a dispersant. In addition, in this embodiment, content of the powder component which consists of Ag powder and glass powder is 85 mass% of the whole Ag paste.
The viscosity of this Ag paste is adjusted to 10 Pa · s or more and 500 Pa · s or less, more preferably 50 Pa · s or more and 300 Pa · s or less.

Ag粉末は、その粒径が0.05μm以上1.0μm以下とされており、本実施形態では、平均粒径0.8μmのものを使用した。
ガラス粉末は、例えば、酸化鉛、酸化亜鉛、酸化ケイ素、酸化ホウ素、酸化リン及び酸化ビスマスのいずれか1種又は2種以上を含有しており、その軟化温度が600℃以下とされている。本実施形態では、酸化鉛と酸化亜鉛と酸化ホウ素とからなり、平均粒径が0.5μmのガラス粉末を使用した。
また、Ag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の範囲内に調整されており、本実施形態では、A/G=80/5とした。
The Ag powder has a particle size of 0.05 μm or more and 1.0 μm or less. In this embodiment, an Ag powder having an average particle size of 0.8 μm was used.
The glass powder contains, for example, any one or more of lead oxide, zinc oxide, silicon oxide, boron oxide, phosphorus oxide and bismuth oxide, and the softening temperature is 600 ° C. or less. In the present embodiment, glass powder made of lead oxide, zinc oxide and boron oxide and having an average particle size of 0.5 μm was used.
The weight ratio A / G between the weight A of the Ag powder and the weight G of the glass powder is adjusted within the range of 80/20 to 99/1. In this embodiment, A / G = 80/5 It was.

溶剤は、沸点が200℃以上のものが適しており、本実施形態では、ジエチレンクリコールジブチルエーテルを用いている。
樹脂は、Agペーストの粘度を調整するものであり、500℃以上で分解されるものが適している。本実施形態では、エチルセルロースを用いている。
また、本実施形態では、ジカルボン酸系の分散剤を添加している。なお、分散剤を添加することなくAgペーストを構成してもよい。
A solvent having a boiling point of 200 ° C. or higher is suitable. In this embodiment, diethylene glycol dibutyl ether is used.
The resin is used to adjust the viscosity of the Ag paste, and a resin that decomposes at 500 ° C. or higher is suitable. In this embodiment, ethyl cellulose is used.
In this embodiment, a dicarboxylic acid-based dispersant is added. In addition, you may comprise Ag paste, without adding a dispersing agent.

次に、Agペーストの製造方法について、図6に示すフロー図を参照して説明する。まず、前述したAg粉末とガラス粉末とを混合して混合粉末を生成する(混合粉末形成工程S1)。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S2)。
そして、混合粉末と有機混合物と分散剤とをミキサーによって予備混合する(予備混合工程S3)。次に、予備混合物を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S4)。得られた混錬をペーストろ過機によってろ過する(ろ過工程S5)。このようにして、前述のAgペーストが製出されることになる。
Next, the manufacturing method of Ag paste is demonstrated with reference to the flowchart shown in FIG. First, the above-mentioned Ag powder and glass powder are mixed to produce a mixed powder (mixed powder forming step S1). Moreover, a solvent and resin are mixed and an organic mixture is produced | generated (organic substance mixing process S2).
Then, the mixed powder, the organic mixture, and the dispersant are premixed by a mixer (preliminary mixing step S3). Next, the preliminary mixture is mixed while being kneaded using a roll mill (kneading step S4). The obtained kneading is filtered with a paste filter (filtration step S5). In this way, the aforementioned Ag paste is produced.

次に、本実施形態であるパワーモジュール1の製造方法について、図7に示すフロー図を参照して説明する。
まず、回路層12となるアルミニウム板及び金属層13となるアルミニウム板を準備し、これらのアルミニウム板を、セラミックス基板11の一方の面及び他方の面にそれぞれろう材を介して積層し、加圧・加熱後冷却することによって、前記アルミニウム板とセラミックス基板11とを接合する(回路層接合工程S11)。なお、このろう付けの温度は、640℃〜650℃に設定されている。
Next, the manufacturing method of the power module 1 which is this embodiment is demonstrated with reference to the flowchart shown in FIG.
First, an aluminum plate to be the circuit layer 12 and an aluminum plate to be the metal layer 13 are prepared, and these aluminum plates are laminated on one surface and the other surface of the ceramic substrate 11 through brazing materials, respectively, and pressed. -The said aluminum plate and the ceramic substrate 11 are joined by cooling after a heating (circuit layer joining process S11). The brazing temperature is set to 640 ° C to 650 ° C.

次に、金属層13の他方の面側に、緩衝層15を介して冷却器40(天板部41)をろう材を介して接合する(冷却器接合工程S12)。なお、冷却器40のろう付けの温度は、590℃〜610℃に設定されている。   Next, the cooler 40 (top plate portion 41) is joined to the other surface side of the metal layer 13 via the buffer layer 15 via the brazing material (cooler joining step S12). Note that the brazing temperature of the cooler 40 is set to 590 ° C to 610 ° C.

そして、回路層12の表面に、前述のAgペーストを塗布する(Agペースト塗布工程S13)。なお、Agペーストを塗布する際には、スクリーン印刷法、オフセット印刷法、感光性プロセス等の種々の手段を採用することができる。本実施形態では、スクリーン印刷法によってAgペーストをパターン状に形成した。   And the above-mentioned Ag paste is apply | coated to the surface of the circuit layer 12 (Ag paste application | coating process S13). In addition, when apply | coating Ag paste, various means, such as a screen printing method, an offset printing method, and a photosensitive process, are employable. In this embodiment, the Ag paste is formed in a pattern by a screen printing method.

回路層12表面にAgペーストを塗布した状態で、加熱炉内に装入してAgペーストの焼成を行う(焼成工程S14)。なお、このときの焼成温度は、350℃〜645℃に設定されている。
この焼成工程S14により、ガラス層31とAg層32とを備えたAg焼成層30が形成される。このとき、ガラス層31によって、回路層12の表面に自然発生していたアルミニウム酸化皮膜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31が形成される。また、ガラス層31の内部に、粒径が数ナノメートル程度の微細な導電性粒子33が分散されることになる。この導電性粒子33は、Ag又はAlの少なくとも一方を含有する結晶性粒子とされており、焼成の際にガラス層31内部に析出したものと推測される。
In a state where the Ag paste is applied to the surface of the circuit layer 12, the Ag paste is charged into the heating furnace and the Ag paste is fired (firing step S <b> 14). The firing temperature at this time is set to 350 ° C. to 645 ° C.
By this firing step S14, the Ag fired layer 30 including the glass layer 31 and the Ag layer 32 is formed. At this time, the glass layer 31 melts and removes the aluminum oxide film 12A naturally generated on the surface of the circuit layer 12, and the glass layer 31 is directly formed on the circuit layer 12. In addition, fine conductive particles 33 having a particle size of about several nanometers are dispersed inside the glass layer 31. The conductive particles 33 are crystalline particles containing at least one of Ag or Al, and are presumed to have precipitated in the glass layer 31 during firing.

こうして、回路層12の表面にAg焼成層30が形成されたパワーモジュール用基板10及び冷却器付パワーモジュール用基板が製出される。   Thus, the power module substrate 10 having the Ag fired layer 30 formed on the surface of the circuit layer 12 and the power module substrate with a cooler are produced.

そして、Ag焼成層30の表面に、はんだ材を介して半導体チップ3を載置し、還元炉内においてはんだ接合する(はんだ接合工程S15)。このとき、はんだ材によって形成されるはんだ層2には、Ag焼成層30のAg層32の一部又は全部が溶融することになる。
これにより、はんだ層2を介して半導体チップ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。
Then, the semiconductor chip 3 is placed on the surface of the Ag fired layer 30 via a solder material, and soldered in a reduction furnace (solder joining step S15). At this time, part or all of the Ag layer 32 of the Ag fired layer 30 is melted in the solder layer 2 formed of the solder material.
Thereby, the power module 1 in which the semiconductor chip 3 is bonded onto the circuit layer 12 through the solder layer 2 is produced.

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及びパワーモジュール1においては、純度99.99%以上のアルミニウム板をセラミックス基板11にろう付けして構成された回路層12の表面に、ガラスを含有するAgペーストの焼成体からなるAg焼成層30が形成されているので、このAg焼成層30上にはんだ層2を形成して半導体チップ3を接合することができる。つまり、従来のようにNiめっき膜を形成する必要がなく、比較的簡単に、かつ、確実に回路層12上に半導体チップ3を接合することが可能となるのである。よって、Niめっき膜を形成した場合に生じる不具合が無くなり、パワーモジュール1を良好に製出することができる。   In the power module substrate 10 and the power module 1 according to the present embodiment configured as described above, the circuit layer 12 is configured by brazing an aluminum plate having a purity of 99.99% or more to the ceramic substrate 11. Since an Ag fired layer 30 made of a fired body of Ag paste containing glass is formed on the surface, the solder layer 2 can be formed on the Ag fired layer 30 to join the semiconductor chip 3. That is, it is not necessary to form a Ni plating film as in the prior art, and the semiconductor chip 3 can be bonded onto the circuit layer 12 relatively easily and reliably. Therefore, the trouble which arises when forming a Ni plating film is lost, and the power module 1 can be produced satisfactorily.

ここで、Ag焼成層30が、図3に示すように、ガラス層31と、このガラス層31の上に形成されたAg層32と、を備えているので、回路層12の表面に自然発生したアルミニウム酸化皮膜12Aをガラス層31中に溶融させて除去することができ、回路層12表面に直接ガラス層31(Ag焼成層30)を形成することができる。
そして、このガラス層31内部には、粒径が数ナノメートル程度とされた微細な導電性粒子33が分散されているので、ガラス層31においても導電性を確保することができる。具体的には、本実施形態では、ガラス層31を含めたAg焼成層30の厚さ方向の電気抵抗値Pが0.5Ω以下に設定されているのである。
したがって、Ag焼成層30及びはんだ層2を介して半導体チップ3と回路層12との間で電気を確実に導通することが可能となり、信頼性の高いパワーモジュール1を構成することができる。
Here, the Ag fired layer 30 includes a glass layer 31 and an Ag layer 32 formed on the glass layer 31 as shown in FIG. The aluminum oxide film 12A thus obtained can be removed by melting in the glass layer 31, and the glass layer 31 (Ag fired layer 30) can be formed directly on the surface of the circuit layer 12.
And since the fine electroconductive particle 33 by which the particle size was about several nanometers is disperse | distributed in this glass layer 31, also in the glass layer 31, electroconductivity can be ensured. Specifically, in this embodiment, the electrical resistance value P in the thickness direction of the Ag fired layer 30 including the glass layer 31 is set to 0.5Ω or less.
Therefore, electricity can be reliably conducted between the semiconductor chip 3 and the circuit layer 12 via the Ag fired layer 30 and the solder layer 2, and the highly reliable power module 1 can be configured.

また、Ag焼成層30を構成するAgペーストが、Ag粉末と、酸化鉛と酸化亜鉛と酸化ホウ素とからなるガラス粉末と、を含有しており、ガラス粉末の軟化温度が600℃以下に設定されているので、比較的低温でAgペーストを焼成することが可能となる。具体的には、焼成温度を350℃以上645℃以下に設定することができる。よって、Agペーストの焼成に伴う回路層12の劣化や回路層12とセラミックス基板11との接合強度の低下等のトラブルを未然に防止することができ、高品質のパワーモジュール用基板10及びパワーモジュール1を製出することが可能となる。   The Ag paste constituting the Ag fired layer 30 contains Ag powder and glass powder composed of lead oxide, zinc oxide and boron oxide, and the softening temperature of the glass powder is set to 600 ° C. or lower. Therefore, the Ag paste can be fired at a relatively low temperature. Specifically, the firing temperature can be set to 350 ° C. or higher and 645 ° C. or lower. Therefore, it is possible to prevent problems such as deterioration of the circuit layer 12 and reduction in bonding strength between the circuit layer 12 and the ceramic substrate 11 due to firing of the Ag paste, and the high-quality power module substrate 10 and power module can be prevented. 1 can be produced.

さらに、Ag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ので、回路層12表面にAgペーストを塗布するAgペースト塗布工程S13において、スクリーン印刷法等を適用することが可能なり、Ag焼成層30を半導体チップ3が配設される部分のみに選択的に形成することができる。よって、Agペーストの使用量を削減することが可能となり、このパワーモジュール用基板10及びパワーモジュール1の製造コストを大幅に削減することができる。   Furthermore, since the viscosity of the Ag paste is adjusted to 10 Pa · s or more and 500 Pa · s or less, more preferably 50 Pa · s or more and 300 Pa · s or less, in the Ag paste application step S13 for applying the Ag paste to the surface of the circuit layer 12 Thus, it is possible to apply a screen printing method or the like, and the Ag fired layer 30 can be selectively formed only on the portion where the semiconductor chip 3 is disposed. Therefore, the amount of Ag paste used can be reduced, and the manufacturing costs of the power module substrate 10 and the power module 1 can be greatly reduced.

また、本実施形態においては、絶縁層として絶縁性及び強度に優れたAlN(窒化アルミ)からなるセラミックス基板11を用いているので、パワーモジュール用基板10の信頼性の向上を図ることができる。また、このセラミックス基板11上にアルミニウム板をろう付けすることによって、容易に回路層12を形成することができる。
さらに、本実施形態では、セラミックス基板11の他方側(図1において下側)に、金属層13および緩衝層15を介して冷却器40が配設されているので、半導体チップ3からの発熱によってパワーモジュール1が高温となることを防止することができる。
In this embodiment, since the ceramic substrate 11 made of AlN (aluminum nitride) having excellent insulation and strength is used as the insulating layer, the reliability of the power module substrate 10 can be improved. Further, the circuit layer 12 can be easily formed by brazing an aluminum plate on the ceramic substrate 11.
Furthermore, in the present embodiment, the cooler 40 is disposed on the other side (lower side in FIG. 1) of the ceramic substrate 11 with the metal layer 13 and the buffer layer 15 interposed therebetween. It can prevent that the power module 1 becomes high temperature.

以下に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験の結果について説明する。
本発明例1として、前述の実施形態に記載されたパワーモジュール用基板を準備した。すなわち、純度99.99%以上のアルミニウム板からなる回路層上にAg焼成層を形成したものを本発明例1とした。
従来例として、前述の実施形態に記載されたパワーモジュール用基板において、Ag焼成層の代わりに、回路層表面に厚さ5μmのNiめっき膜を形成したものを準備した。
Below, the result of the confirmation experiment performed in order to confirm the effect of this invention is demonstrated.
As Example 1 of the present invention, the power module substrate described in the above embodiment was prepared. That is, Invention Example 1 was obtained by forming an Ag fired layer on a circuit layer made of an aluminum plate having a purity of 99.99% or more.
As a conventional example, the power module substrate described in the above-described embodiment was prepared by forming a 5 μm thick Ni plating film on the surface of the circuit layer instead of the Ag fired layer.

これら本発明例1と従来例について、はんだ濡れ性を評価した。はんだ濡れ性の評価は、JIS Z 3197に規定された広がり試験によって評価した。広がり率Sは、試料(Ag焼成層又はNiめっき膜)上に直径dのボール状のはんだ材を載置し、これを所定温度に加熱して形成されたはんだ層の高さhを測定し、(d−h)/d×100で算出される指標である。この広がり率Sが大きいほど、はんだ材との濡れ性が良く、はんだ層を介して半導体チップを強固に接合できることになる。
ここで、本実施例では、はんだ材としてPb−10wt%Sn材を用いて、350℃で0.1時間保持後のはんだ層の高さを測定した。結果を表1に示す。
With respect to these inventive example 1 and the conventional example, the solder wettability was evaluated. The evaluation of the solder wettability was performed by a spread test defined in JIS Z 3197. The spreading rate S is determined by measuring the height h of a solder layer formed by placing a ball-shaped solder material having a diameter d on a sample (Ag fired layer or Ni plating film) and heating it to a predetermined temperature. , (D−h) / d × 100. The larger the spreading ratio S, the better the wettability with the solder material, and the stronger the semiconductor chip can be bonded via the solder layer.
Here, in this example, the height of the solder layer after being held at 350 ° C. for 0.1 hour was measured using a Pb-10 wt% Sn material as the solder material. The results are shown in Table 1.

Figure 2010287869
Figure 2010287869

Niめっき膜を形成した従来例においては、広がり率Sが67〜70%とされている。これに対して、Ag焼結層を形成した本発明例1においては、広がり率Sが70〜72%とされており、従来例と同等以上のはんだ濡れ性を有していることが確認される。
したがって、回路層上にAg焼成層を設けた本発明例1においても、Niめっき膜を形成した従来例と同様に、はんだ層を介して半導体チップを接合してパワーモジュールを構成することが可能であることが確認された。
In the conventional example in which the Ni plating film is formed, the spreading rate S is 67 to 70%. On the other hand, in the present invention example 1 in which the Ag sintered layer is formed, the spreading rate S is 70 to 72%, and it is confirmed that the solder wettability is equal to or higher than that of the conventional example. The
Therefore, also in the present invention example 1 in which the Ag fired layer is provided on the circuit layer, it is possible to configure the power module by joining the semiconductor chip via the solder layer as in the conventional example in which the Ni plating film is formed. It was confirmed that.

次に、前述の実施形態に記載されたパワーモジュール用基板において、Ag焼成層の厚さ方向の電気抵抗値Pを測定した結果を説明する。
Ag焼成層のAg層厚さta、ガラス層厚さtgを変更するとともに、Ag粉末の重量Aとガラス粉末の重量Gとの重量比A/Gを変更し、本発明例2−6を製出した。なお、このときのガラス粉末としては、PbO−ZnO−SiO系ガラスを用いた。また、Ag焼成層を上面視して一辺の長さが15mmの正方形状に成形した。
このようにして得られた本発明例2−6の試料について、図4及び図5に記載された方法により、テスタ(KEITHLEY社製:2010MULTIMETER)を用いて、Ag焼成層の厚さ方向の電気抵抗値Pを測定した。測定結果を表2に示す。
Next, the result of measuring the electrical resistance value P in the thickness direction of the Ag fired layer in the power module substrate described in the above embodiment will be described.
In addition to changing the Ag layer thickness ta and the glass layer thickness tg of the Ag fired layer, the weight ratio A / G between the weight A of the Ag powder and the weight G of the glass powder was changed to produce Invention Example 2-6. I put it out. Note that PbO—ZnO—SiO 2 -based glass was used as the glass powder at this time. Further, the Ag fired layer was formed into a square shape having a side length of 15 mm as viewed from above.
About the sample of the present invention example 2-6 obtained in this manner, by using the tester (manufactured by KEITHLEY: 2010 MULTITIMER) according to the method described in FIG. 4 and FIG. The resistance value P was measured. The measurement results are shown in Table 2.

Figure 2010287869
Figure 2010287869

本発明例2−6のいずれにおいても、Ag焼成層の厚さ方向の電気抵抗値Pが0.5Ω以下とされていることが確認された。また、ガラス粉末の比率を小さく、かつ、ガラス層の厚さtgを薄く形成することにより、Ag焼成層の厚さ方向の電気抵抗値Pが小さくなることが確認された。   In any of Invention Examples 2-6, it was confirmed that the electrical resistance value P in the thickness direction of the Ag fired layer was 0.5Ω or less. It was also confirmed that the electrical resistance value P in the thickness direction of the Ag fired layer was reduced by reducing the glass powder ratio and reducing the thickness tg of the glass layer.

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、回路層及び金属層を構成する金属板を純度99.99%の純アルミニウムの圧延板と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、純度99%のアルミニウム(2Nアルミニウム)であってもよく、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されていればよい。
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to this, It can change suitably in the range which does not deviate from the technical idea of the invention.
For example, the metal plate constituting the circuit layer and the metal layer has been described as a rolled plate of pure aluminum having a purity of 99.99%, but is not limited to this, and aluminum having a purity of 99% (2N aluminum) It may be sufficient if it is comprised with aluminum or aluminum alloy.

また、Agペーストの原料、配合量については、実施形態に記載されたものに限定されることはなく、他のガラス粉末、樹脂、溶剤、分散剤を用いてもよい。
例えば、ガラス粉末は、酸化鉛、酸化亜鉛、酸化ケイ素、酸化ホウ素、酸化リン及び酸化ビスマスのいずれか1種又は2種以上を主成分として含有していれば、その他にアルカリ金属や遷移金属等を有していてもよく、軟化温度がアルミ二ウムの融点以下、より好ましくは600℃以下とされていればよい。
また、樹脂としては、アクリル樹脂、アルキッド樹脂等を用いてもよい。さらに、溶剤としては、α―テルピネオール、ブチルカルビトールアセテート等を用いても良い。
Moreover, about the raw material and compounding quantity of Ag paste, it is not limited to what was described in embodiment, You may use another glass powder, resin, a solvent, and a dispersing agent.
For example, if the glass powder contains one or more of lead oxide, zinc oxide, silicon oxide, boron oxide, phosphorus oxide, and bismuth oxide as a main component, an alkali metal, transition metal, etc. The softening temperature may be not higher than the melting point of aluminum, more preferably not higher than 600 ° C.
As the resin, an acrylic resin, an alkyd resin, or the like may be used. Further, α-terpineol, butyl carbitol acetate or the like may be used as the solvent.

また、形成されるAg焼成層におけるガラス層とAg層の厚さ比は、図3に例示したものに限定されることはない。
さらに、絶縁層としてAlNからなるセラミックス基板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、SiやAl等からなるセラミックス基板を用いても良いし、絶縁樹脂によって絶縁層を構成してもよい。
Further, the thickness ratio between the glass layer and the Ag layer in the formed Ag fired layer is not limited to that illustrated in FIG.
Further, it is described that uses a ceramic substrate made of AlN as an insulating layer, is not limited thereto, it may be used a ceramic substrate made of Si 3 N 4 or Al 2 O 3, or the like, insulating The insulating layer may be made of resin.

また、回路層となるアルミニウム板をセラミックス基板にろう付けするとともに、冷却器をろう付けした後に、回路層上にAg焼成層を形成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、アルミニウム板をセラミックス基板にろう付けする前や、冷却器をろう付けする前に、Ag焼成層を形成してもよい。   Moreover, while brazing the aluminum board used as a circuit layer to a ceramic substrate, and brazing a cooler, it demonstrated as what forms an Ag baking layer on a circuit layer, but it is not limited to this, The Ag fired layer may be formed before brazing the aluminum plate to the ceramic substrate or before brazing the cooler.

また、冷却器の天板部と金属層との間に、アルミニウム又はアルミニウム合金若しくはアルミニウムを含む複合材(例えばAlSiC等)からなる緩衝層を設けたものとして説明したが、この緩衝層がなくてもよい。
さらに、冷却器の天板部をアルミニウムで構成したものとして説明したが、アルミニウム合金、又はアルミニウムを含む複合材等で構成されていてもよい。さらに、冷却器として、放熱フィン及び冷却媒体の流路を有するもので説明したが、冷却器の構造に特に限定はない。
Moreover, although demonstrated as what provided the buffer layer which consists of aluminum, the aluminum alloy, or the composite material containing aluminum (for example, AlSiC etc.) between the top plate part of the cooler and the metal layer, this buffer layer is not provided. Also good.
Furthermore, although demonstrated as what comprised the top-plate part of the cooler with aluminum, you may be comprised with the composite material etc. which contain aluminum alloy or aluminum. Furthermore, although it demonstrated as a cooler having the radiation fin and the flow path of a cooling medium, there is no limitation in particular in the structure of a cooler.

1 パワーモジュール
2 はんだ層
3 半導体チップ(半導体素子)
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
12A アルミニウム酸化皮膜
30 Ag焼成層
31 ガラス層
32 Ag層
33 導電性粒子
40 冷却器
1 Power Module 2 Solder Layer 3 Semiconductor Chip (Semiconductor Element)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Power module substrate 11 Ceramic substrate 12 Circuit layer 12A Aluminum oxide film 30 Ag firing layer 31 Glass layer 32 Ag layer 33 Conductive particle 40 Cooler

Claims (9)

絶縁層の一方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層が配設され、この回路層上にはんだ層を介して半導体素子が配設されるパワーモジュール用基板であって、
前記回路層の一方の面には、ガラスを含有するAgペーストの焼成体からなるAg焼成層が形成されていることを特徴とするパワーモジュール用基板。
A power module substrate in which a circuit layer made of aluminum or an aluminum alloy is disposed on one surface of an insulating layer, and a semiconductor element is disposed on the circuit layer via a solder layer,
A power module substrate, wherein an Ag fired layer made of a fired body of an Ag paste containing glass is formed on one surface of the circuit layer.
前記Ag焼成層は、前記回路層上に形成されたガラス層と、このガラス層の上に形成されたAg層と、を備えていることを特徴とする請求項1に記載のパワーモジュール用基板。   2. The power module substrate according to claim 1, wherein the Ag fired layer includes a glass layer formed on the circuit layer and an Ag layer formed on the glass layer. . 前記Ag焼成層は、その厚さ方向における電気抵抗値Pが0.5Ω以下に設定されていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のパワーモジュール用基板。   3. The power module substrate according to claim 1, wherein the Ag fired layer has an electric resistance value P in the thickness direction set to 0.5Ω or less. 4. 前記ガラスが、酸化鉛、酸化亜鉛、酸化ケイ素、酸化ホウ素、酸化リン及び酸化ビスマスのいずれか1種又は2種以上を含有していることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板。   4. The glass according to claim 1, wherein the glass contains one or more of lead oxide, zinc oxide, silicon oxide, boron oxide, phosphorus oxide and bismuth oxide. The power module substrate according to one item. 前記絶縁層が、AlN、Si又はAlから選択される絶縁基板であることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板。 5. The power module substrate according to claim 1, wherein the insulating layer is an insulating substrate selected from AlN, Si 3 N 4, or Al 2 O 3 . 請求項1から請求項5のいずれか一項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の前記絶縁層の他方の面側に配設された冷却器と、を備えていることを特徴とする冷却器付パワーモジュール用基板。   A power module substrate according to any one of claims 1 to 5, and a cooler disposed on the other surface side of the insulating layer of the power module substrate. A power module board with a cooler. 請求項1から請求項5のいずれか一項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の前記回路層の一方の面側に配設された半導体素子と、を備え、前記半導体素子は、はんだ層を介して接合されていることを特徴とするパワーモジュール。   A power module substrate according to any one of claims 1 to 5, and a semiconductor element disposed on one surface side of the circuit layer of the power module substrate, the semiconductor element Is a power module characterized by being joined via a solder layer. 絶縁層の一方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層が配設され、この回路層上にはんだ層を介して半導体素子が配設されるパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記回路層の一方の面にガラスを含有するAgペーストを塗布する塗布工程と、Agペーストを塗布した状態で加熱処理して前記Agペーストを焼成する焼成工程と、を備え、
前記回路層の一方の面に、ガラスを含有するAgペーストの焼成体からなるAg焼成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。
A method for producing a power module substrate in which a circuit layer made of aluminum or an aluminum alloy is disposed on one surface of an insulating layer, and a semiconductor element is disposed on the circuit layer via a solder layer,
An application step of applying an Ag paste containing glass on one surface of the circuit layer; and a baking step of baking the Ag paste by heat treatment in a state where the Ag paste is applied,
A method for manufacturing a power module substrate, comprising forming an Ag fired layer made of a fired body of an Ag paste containing glass on one surface of the circuit layer.
前記焼成工程における焼成温度が、350℃以上645℃以下であることを特徴とする請求項8に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。   The method for producing a power module substrate according to claim 8, wherein a firing temperature in the firing step is 350 ° C. or more and 645 ° C. or less.
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