JP2015126002A - Power module substrate, method of manufacturing the same, and power module - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power module substrate, a method of manufacturing the same, and a power module, capable of reducing an electric resistance value between a semiconductor element bonded via an Ag burned layer formed on a circuit layer, and the circuit layer.SOLUTION: An alloy part 35 formed of an Ag-Al alloy is formed along four sides of an Ag layer 32, in a peripheral region of an Ag burned layer 30. That is, the alloy part 35 is formed in such a substantially square shape that surrounds the Ag layer 32 (and a glass layer 31 formed below). Such the alloy part 35 is directly connected with the circuit layer 12, and makes the Ag layer 32 and the circuit layer 12 electrically conductive with each other without intervening the glass layer 31. Thereby, the Ag layer 32 is electrically connected with the circuit layer 12 by the alloy part 35 with a low electric resistance value rather than the glass layer 31 with a relatively high electric resistance value.

Description

この発明は、絶縁層の一方の面に回路層が形成されたパワーモジュール用基板、およびその製造方法と、回路層上に半導体素子が接合されたパワーモジュールに関するものである。   The present invention relates to a power module substrate in which a circuit layer is formed on one surface of an insulating layer, a manufacturing method thereof, and a power module in which a semiconductor element is bonded on the circuit layer.

各種の半導体素子のうち、例えば、電気自動車や電気車両などを制御するために用いられる大電力制御用のパワー素子は、発熱量が多い。こうした大電力制御用のパワー素子を搭載する基板としては、例えばAlN(窒化アルミ)などからなるセラミックス基板上に導電性の優れた金属板を回路層として接合したパワーモジュール用基板が、従来から広く用いられている。
そして、このようなパワーモジュール用基板は、その回路層上に、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(例えば、特許文献1参照)。
Among various semiconductor elements, for example, a power element for high power control used for controlling an electric vehicle or an electric vehicle has a large amount of heat generation. As a substrate on which such a power element for controlling high power is mounted, for example, a power module substrate in which a metal plate having excellent conductivity is bonded as a circuit layer on a ceramic substrate made of AlN (aluminum nitride) or the like has been widely used. It is used.
In such a power module substrate, a semiconductor element as a power element is mounted on the circuit layer via a solder material (see, for example, Patent Document 1).

回路層を構成する金属としては、一般的にアルミニウム又はアルミニウム合金、或いは、銅又は銅合金が用いられている。
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自然酸化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困難である。
As the metal constituting the circuit layer, aluminum or an aluminum alloy, or copper or a copper alloy is generally used.
Here, in the circuit layer made of aluminum, since a natural oxide film of aluminum is formed on the surface, it is difficult to perform good bonding with the solder material.

一方、はんだ材を使用しない接合方法として、例えば、特許文献2には、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。
また、例えば、特許文献3、4には、はんだ材を用いずに金属酸化物粒子と有機物からなる還元剤とを含む酸化物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。
On the other hand, as a joining method that does not use a solder material, for example, Patent Document 2 proposes a technique for joining semiconductor elements using Ag nanopaste.
Further, for example, Patent Documents 3 and 4 propose a technique for joining semiconductor elements using an oxide paste containing metal oxide particles and a reducing agent made of an organic substance without using a solder material.

しかしながら、特許文献2に開示されているように、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した場合には、Agナノペーストからなる接合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。   However, as disclosed in Patent Document 2, when a semiconductor element is bonded using an Ag nano paste without using a solder material, the bonding layer made of the Ag nano paste has a thickness larger than that of the solder material. Since it is formed thin, the stress at the time of thermal cycle load tends to act on the semiconductor element, and the semiconductor element itself may be damaged.

また、特許文献3、4に開示されているように、金属酸化物と還元剤とを用いて半導体素子を接合した場合にも、やはり、酸化物ペーストの焼成層が薄く形成されることから、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、パワーモジュールの性能が劣化するおそれがあった。   In addition, as disclosed in Patent Documents 3 and 4, when a semiconductor element is bonded using a metal oxide and a reducing agent, the fired layer of the oxide paste is still formed thinly. The stress at the time of thermal cycle load tends to act on the semiconductor element, and the performance of the power module may be deteriorated.

そこで、例えば、特許文献5〜7には、ガラス含有Agペーストを用いてアルミニウム又は銅からなる回路層上にAg焼成層を形成した後に、はんだ材又はAgペーストを介して回路層と半導体素子を接合する技術が提案されている。この技術では、アルミニウム又は銅からなる回路層の表面に、ガラス含有Agペーストを塗布して焼成することによって、回路層の表面に形成されている酸化被膜をガラスに反応させて除去してAg焼成層を形成し、このAg焼成層が形成された回路層上に、はんだ材を介して半導体素子を接合している。   Therefore, for example, in Patent Documents 5 to 7, after forming an Ag fired layer on a circuit layer made of aluminum or copper using a glass-containing Ag paste, the circuit layer and the semiconductor element are bonded via a solder material or an Ag paste. Techniques for joining have been proposed. In this technique, a glass-containing Ag paste is applied to the surface of a circuit layer made of aluminum or copper and baked, whereby the oxide film formed on the surface of the circuit layer is removed by reacting with the glass to bak the Ag. A layer is formed, and a semiconductor element is joined via a solder material on the circuit layer on which the Ag fired layer is formed.

ここで、Ag焼成層は、ガラスが回路層の酸化被膜と反応することにより形成されたガラス層と、このガラス層上に形成されたAg層とを備えている。このガラス層には導電性粒子が分散しており、この導電性粒子によってガラス層の導通が確保されている。   Here, the Ag fired layer includes a glass layer formed by reacting glass with an oxide film of a circuit layer, and an Ag layer formed on the glass layer. Conductive particles are dispersed in the glass layer, and conduction of the glass layer is secured by the conductive particles.

特開2004−172378号公報JP 2004-172378 A 特開2008−208442号公報JP 2008-208442 A 特開2009−267374号公報JP 2009-267374 A 特開2006−202938号公報JP 2006-202938 A 特開2010−287869号公報JP 2010-287869 A 特開2012−109315号公報JP 2012-109315 A 特開2013−012706号公報JP 2013-012706 A

ところで、回路層とAg焼成層との接合信頼性を向上させるためには、ガラス含有Agペースト中のガラスの含有量を多くすることが効果的である。
しかしながら、ガラス含有Agペースト中のガラス含有量を増加すると、Ag焼成層においてガラス層が厚くなる。ガラス層は、導電性粒子が分散されていても、Ag層などと比較すると電気抵抗が高い。このため、ガラス層が厚くなるに従って、Ag焼成層の電気抵抗値も大きくなる傾向にあり、接合信頼性と電気抵抗値との両方をバランスさせることが難しかった。このようにAg焼成層の電気抵抗値が高いと、Ag焼成層が形成された回路層と半導体素子とをはんだ材等を介して接合した際に、回路層と半導体素子との間に電気を良好に流すことができないおそれがあった。
By the way, in order to improve the bonding reliability between the circuit layer and the Ag fired layer, it is effective to increase the glass content in the glass-containing Ag paste.
However, when the glass content in the glass-containing Ag paste is increased, the glass layer becomes thicker in the Ag fired layer. Even when conductive particles are dispersed, the glass layer has a higher electrical resistance than an Ag layer or the like. For this reason, the electrical resistance value of the Ag fired layer tends to increase as the glass layer becomes thicker, and it is difficult to balance both the bonding reliability and the electrical resistance value. When the electrical resistance value of the Ag fired layer is high in this way, when the circuit layer on which the Ag fired layer is formed and the semiconductor element are joined via a solder material or the like, electricity is supplied between the circuit layer and the semiconductor element. There was a possibility that it could not flow well.

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、回路層上に形成されたガラス層とAg層とを備えたAg焼成層を介して接合される半導体素子と、回路層との間の電気抵抗値を低減することが可能なパワーモジュール用基板およびその製造方法、パワーモジュールを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and includes a semiconductor element and a circuit layer bonded via an Ag fired layer including a glass layer and an Ag layer formed on the circuit layer. It is an object of the present invention to provide a power module substrate, a method for manufacturing the same, and a power module that can reduce the electrical resistance value between them.

上記課題を解決するために、本発明のいくつかの態様は、次のようなパワーモジュール用基板およびその製造方法、パワーモジュールを提供した。
すなわち、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形成されたAl又はAl合金からなる回路層と、該回路層上に形成されたAg焼成層とを備えたパワーモジュール用基板であって、前記Ag焼成層は、ガラス層と、このガラス層上に形成されたAg層と、AgとAlとからなり、前記Ag層と前記回路層とを電気的に接続する合金部と、を備えていることを特徴とする。
In order to solve the above problems, some aspects of the present invention provide the following power module substrate, method for manufacturing the same, and power module.
That is, the power module substrate of the present invention includes a circuit layer made of Al or Al alloy formed on one surface of the insulating layer and an Ag fired layer formed on the circuit layer. The Ag fired layer is composed of a glass layer, an Ag layer formed on the glass layer, Ag and Al, and an alloy part that electrically connects the Ag layer and the circuit layer. It is characterized by providing.

本発明のパワーモジュール用基板によれば、Ag層と回路層とを電気的に接続させる合金部が形成される。こうした合金部を構成するAgとAlとの合金は、導電性粒子が分散されたガラス層よりも電気抵抗値が低いので、Ag焼成層として比較的高抵抗なガラス層が形成されていても、合金部によって回路層とAg層との間の電気抵抗を低減し、電気を良好に流すことを可能にする。これによって、回路層とAg焼成層との接合信頼性を向上させるために、ガラスの含有量を多くしてガラス層を厚くしても、Ag層と回路層との間の電気抵抗値を低く保つことができ、接合信頼性と電気抵抗値との両方をバランスさせることが可能になる。   According to the power module substrate of the present invention, the alloy part that electrically connects the Ag layer and the circuit layer is formed. Since the alloy of Ag and Al constituting such an alloy part has a lower electrical resistance value than the glass layer in which the conductive particles are dispersed, even if a relatively high resistance glass layer is formed as the Ag fired layer, The electrical resistance between the circuit layer and the Ag layer is reduced by the alloy part, and it is possible to flow electricity well. Accordingly, in order to improve the bonding reliability between the circuit layer and the Ag fired layer, the electrical resistance value between the Ag layer and the circuit layer is lowered even if the glass layer is thickened by increasing the glass content. Therefore, it is possible to balance both the junction reliability and the electric resistance value.

前記合金部は、半導体素子が配設される素子接合領域よりも外側に形成されていることを特徴とする。
こうした構成によって、半導体素子とAg焼成層が重なる部分には合金部が形成されないので、半導体素子の接合信頼性を高く保ちつつ、Ag層と回路層との間の電気抵抗値を低くすることができる。
The alloy part is formed outside an element bonding region where a semiconductor element is disposed.
With such a configuration, an alloy portion is not formed in a portion where the semiconductor element and the Ag fired layer overlap, so that the electrical resistance value between the Ag layer and the circuit layer can be lowered while keeping the bonding reliability of the semiconductor element high. it can.

前記Ag焼成層を上面から平面視した時に、前記Ag焼成層全域の面積から素子接合領域の面積を除いた面積に対して、前記合金部の占める面積率が、1%以上、20%以下であることを特徴とする
Ag焼成層に占める合金部の面積率を所定の範囲内にすることによって、半導体素子の接合信頼性を高く保ちつつ、Ag層と回路層との間の電気抵抗値を低くすることができる。
When the Ag fired layer is viewed from above, the area ratio occupied by the alloy part is 1% or more and 20% or less with respect to the area obtained by removing the area of the element bonding region from the area of the entire Ag fired layer. By setting the area ratio of the alloy portion in the Ag fired layer to be within a predetermined range, the electrical resistance value between the Ag layer and the circuit layer can be kept high while maintaining high bonding reliability of the semiconductor element. Can be lowered.

前記Ag焼成層は、上面から平面視した時に略矩形を成し、前記合金部は、前記Ag層の四辺に沿って形成され、前記ガラス層は、前記合金部で囲まれた領域の内側に形成されていることが望ましい。
こうした構成によって、略矩形のAg焼成層全体にわたって、Ag層と回路層との間の電気抵抗値を偏りなく均等に低減することができる。
The Ag fired layer has a substantially rectangular shape when viewed from above, and the alloy part is formed along four sides of the Ag layer, and the glass layer is located inside a region surrounded by the alloy part. It is desirable that it be formed.
With such a configuration, the electrical resistance value between the Ag layer and the circuit layer can be reduced evenly over the substantially rectangular Ag fired layer.

前記合金部は、Ag−Alの固溶体またはAg−Alの金属間化合物であることを特徴とする。
合金部がAg−Alの固溶体またはAg−Alの金属間化合物であることによって安定した高い導電性を保つことができ、Ag層と回路層との間の電気抵抗値を安定して低減することができる。
The alloy part is a solid solution of Ag-Al or an intermetallic compound of Ag-Al.
The alloy part is a solid solution of Ag-Al or an intermetallic compound of Ag-Al, so that stable and high conductivity can be maintained, and the electrical resistance value between the Ag layer and the circuit layer can be stably reduced. Can do.

前記Ag−Alの金属間化合物は、δ相またはμ相であることを特徴とする。
こうした構成によって、合金部が安定した高い導電性を保つことができ、Ag層と回路層との間の電気抵抗値を安定して低減することができる。
The Ag—Al intermetallic compound is a δ phase or a μ phase.
With such a configuration, the alloy part can maintain stable and high conductivity, and the electric resistance value between the Ag layer and the circuit layer can be stably reduced.

前記Ag焼成層は、その厚さ方向における電気抵抗値が10mΩ以下であることを特徴とする。
こうした構成によって電気抵抗値を低くすることで、通電損失の少ないパワーモジュールを得ることができる。
The Ag fired layer has an electrical resistance value in the thickness direction of 10 mΩ or less.
By reducing the electrical resistance value with such a configuration, a power module with less energization loss can be obtained.

本発明のパワーモジュールは、前記各項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構成する前記Ag焼成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、前記Ag焼成層に対して接合層を介して接合されていることを特徴とする。   The power module of the present invention comprises the power module substrate according to each of the above items, and a semiconductor element disposed on one surface side of the Ag fired layer constituting the power module substrate, and the semiconductor element Is bonded to the Ag fired layer through a bonding layer.

本発明のパワーモジュールによれば、Ag層と回路層とを電気的に接続させる合金部が形成される。こうした合金部を構成するAgとAlとの合金は、導電性粒子が分散されたガラス層よりも電気抵抗値が低いので、Ag焼成層として比較的高抵抗なガラス層が形成されていても、回路層とAg層との間の電気抵抗が低減され、半導体素子と回路層との電気抵抗値を低く保つことができる。   According to the power module of the present invention, the alloy part that electrically connects the Ag layer and the circuit layer is formed. Since the alloy of Ag and Al constituting such an alloy part has a lower electrical resistance value than the glass layer in which the conductive particles are dispersed, even if a relatively high resistance glass layer is formed as the Ag fired layer, The electrical resistance between the circuit layer and the Ag layer is reduced, and the electrical resistance value between the semiconductor element and the circuit layer can be kept low.

本発明の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形成されたAl又はAl合金からなる回路層と、該回路層上に形成されたAg焼成層とを備えた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、ガラス含有Agペーストを塗布する第一塗布工程と、前記ガラス含有Agペーストの塗布領域に少なくとも一部が重なるように、Agペーストを塗布する第二塗布工程と、前記ガラス含有Agペーストと、前記Agペーストとを焼成し、ガラス層と、このガラス層上に形成されたAg層と、前記Agペーストを構成するAg及び前記回路層から拡散したAlの合金からなる前記合金部と、を形成する焼成工程と、を少なくとも備え、前記合金部は、前記Ag層と前記回路層とを、前記ガラス層を介在させずに直接、接続することを特徴とする。   The method for manufacturing a power module substrate according to the present invention includes a circuit layer made of Al or an Al alloy formed on one surface of an insulating layer, and an Ag fired layer formed on the circuit layer. A method for manufacturing a substrate, comprising: applying a glass-containing Ag paste on one surface of the circuit layer; and applying an Ag paste so that at least a part of the glass-containing Ag paste is applied to an application region. The 2nd application | coating process to apply | coat, the said glass-containing Ag paste, and the said Ag paste are baked, the glass layer, the Ag layer formed on this glass layer, Ag which comprises the said Ag paste, and the said circuit layer And a firing step for forming the alloy part made of an Al alloy diffused from the alloy part, the alloy part interposing the glass layer with the Ag layer and the circuit layer interposed therebetween. Characterized in that directly connected to.

本発明のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、ガラス含有Agペーストと、Agペーストとを焼成し、ガラス層と、このガラス層上に形成されたAg層と、該Ag層を構成するAg及び回路層を構成するAlとの合金からなる合金部を形成する焼成工程を備えることで、Ag焼成層として比較的高抵抗なガラス層よりも低抵抗な合金部が形成される。こうした合金部によってAg層と回路層とが電気的に接続されるので、回路層とAg層との間の電気抵抗を低減し、電気を良好に流すことを可能にする。これによって、回路層とAg層との間の電気抵抗を低減可能なパワーモジュール用基板の製造方法を実現することができる。   According to the method for producing a power module substrate of the present invention, the glass-containing Ag paste and the Ag paste are fired, the glass layer, the Ag layer formed on the glass layer, and the Ag constituting the Ag layer. And by providing the baking process which forms the alloy part which consists of an alloy with Al which comprises a circuit layer, a low resistance alloy part is formed rather than a glass layer with comparatively high resistance as an Ag baking layer. Since the Ag layer and the circuit layer are electrically connected by such an alloy part, the electrical resistance between the circuit layer and the Ag layer is reduced, and it is possible to flow electricity well. As a result, a method for manufacturing a power module substrate capable of reducing the electrical resistance between the circuit layer and the Ag layer can be realized.

前記焼成工程において、焼成温度を567℃以上620℃以下とすることが望ましい。焼成温度を567℃以上620℃以下とすることで、確実に液相を発生させ、合金部を形成させることができる。   In the firing step, the firing temperature is desirably 567 ° C. or higher and 620 ° C. or lower. By setting the firing temperature to 567 ° C. or more and 620 ° C. or less, it is possible to reliably generate a liquid phase and form an alloy part.

本発明によれば、Al又はAl合金からなる回路層上に形成されたAg焼成層を介して接合される半導体素子と、回路層との間の電気抵抗値を低減することが可能なパワーモジュール用基板およびその製造方法、パワーモジュールを提供することができる。   According to the present invention, a power module capable of reducing the electrical resistance value between a semiconductor element and a circuit layer bonded via an Ag fired layer formed on a circuit layer made of Al or an Al alloy. Board, a manufacturing method thereof, and a power module can be provided.

本発明の一実施形態に係るパワーモジュールを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the power module which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明のパワーモジュール用基板を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the board | substrate for power modules of this invention. Ag焼成層と回路層の接合部分を示す要部拡大断面図である。It is a principal part expanded sectional view which shows the junction part of Ag baking layer and a circuit layer. 本発明のパワーモジュール用基板を上面から見た時の平面図である。It is a top view when the board | substrate for power modules of this invention is seen from the upper surface. 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。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. 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。It is side surface explanatory drawing which shows the measuring method of the electrical resistance value P of the thickness direction of Ag baking layer. 合金部の他の形態を示す平面図である。It is a top view which shows the other form of an alloy part. 本発明のパワーモジュール用基板の製造方法の一例を段階的に示したフローチャートである。It is the flowchart which showed in stepwise an example of the manufacturing method of the board | substrate for power modules of this invention. Ag焼成層の形成を段階的に示した要部拡大断面図である。It is the principal part expanded sectional view which showed formation of Ag baking layer in steps. Ag焼成層の形成を段階的に示した要部拡大断面図である。It is the principal part expanded sectional view which showed formation of Ag baking layer in steps. Ag焼成層の形成を段階的に示した要部拡大断面図である。It is the principal part expanded sectional view which showed formation of Ag baking layer in steps.

以下、図面を参照して、本発明のパワーモジュール用基板およびその製造方法、パワーモジュールについて説明する。なお、以下に示す各実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。   Hereinafter, a power module substrate, a manufacturing method thereof, and a power module of the present invention will be described with reference to the drawings. Each embodiment described below is specifically described for better understanding of the gist of the invention, and does not limit the present invention unless otherwise specified. In addition, in the drawings used in the following description, in order to make the features of the present invention easier to understand, there is a case where a main part is shown in an enlarged manner for convenience, and the dimensional ratio of each component is the same as the actual one. Not necessarily.

図1は、本発明のパワーモジュール用基板を備えたパワーモジュールを示す断面図である。
本実施形態におけるパワーモジュール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の表面に接合層2を介して接合された半導体チップ(半導体素子)3と、冷却器40とを備えている。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a power module provided with the power module substrate of the present invention.
The power module 1 in this embodiment includes a power module substrate 10 on which a circuit layer 12 is disposed, a semiconductor chip (semiconductor element) 3 bonded to the surface of the circuit layer 12 via a bonding 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11a(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11b(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。   The power module substrate 10 includes a ceramic substrate 11 constituting an insulating layer, a circuit layer 12 disposed on one surface 11a (upper surface in FIG. 1) of the ceramic substrate 11, and the other surface 11b of the ceramic substrate 11. And a metal layer 13 (on the lower surface in FIG. 1).

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、例えば、絶縁性の高いAlN(窒化アルミニウム)や、Al(酸化アルミニウム)、Si(窒化ケイ素)などから構成されていればよく、本実施形態では、AlNを用いている。また、セラミックス基板11の厚さは、例えば、0.2〜1.5mmの範囲内に設定されており、一例として、本実施形態では、0.635mmに設定されている。 The ceramic substrate 11 prevents electrical connection between the circuit layer 12 and the metal layer 13. For example, AlN (aluminum nitride), Al 2 O 3 (aluminum oxide), Si, or the like having high insulating properties is used. 3 N 4 may be composed of such (silicon nitride), the present embodiment uses the AlN. Moreover, the thickness of the ceramic substrate 11 is set within a range of 0.2 to 1.5 mm, for example, and as an example, is set to 0.635 mm in the present embodiment.

回路層12は、セラミックス基板11の一方の面11a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。回路層12は、Al、またはAlを含む合金から構成される。本実施形態においては、回路層12は、例えば、純度が99.99mass%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 11 a of the ceramic substrate 11. The circuit layer 12 is made of Al or an alloy containing Al. In the present embodiment, the circuit layer 12 is formed, for example, by joining an aluminum plate made of a rolled plate of aluminum (so-called 4N aluminum) having a purity of 99.99 mass% 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11b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99.99mass%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 11 b of the ceramic substrate 11. In the present embodiment, the metal layer 13 is formed by bonding an aluminum plate made of a rolled plate of aluminum (so-called 4N aluminum) having a purity of 99.99 mass% or more to the ceramic substrate 11, as with the circuit layer 12. Has been.

冷却器40は、前述したパワーモジュール用基板10で生じた熱を伝搬させて放熱することによって、パワーモジュール1全体を冷却するためのものである。こうした冷却器40は、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、例えば、A6063(アルミニウム合金)で構成されている。   The cooler 40 is for cooling the entire power module 1 by propagating the heat generated in the power module substrate 10 and dissipating it. Such a cooler 40 distribute | circulates the top plate part 41 joined with the board | substrate 10 for power modules, the radiation fin 42 hung downward from this top plate part 41, and a cooling medium (for example, cooling water). The flow path 43 is provided. The cooler 40 (top plate portion 41) is preferably made of a material having good thermal conductivity. In the present embodiment, it is made of, for example, 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.

回路層12の表面(図1において上面)12aには、後述するガラス含有Agペースト、およびAgペーストを焼成することによって得られるAg焼成層30が形成されており、このAg焼成層30の表面12aに、接合層2を介して半導体チップ3が接合されている。
接合層2としては、例えば、はんだ層が挙げられる。はんだ層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ればよく、その周辺は回路層12を成すアルミニウム板が露呈されている。
A glass-containing Ag paste, which will be described later, and an Ag fired layer 30 obtained by firing the Ag paste are formed on the surface (upper surface in FIG. 1) 12a of the circuit layer 12, and the surface 12a of the Ag fired layer 30 is formed. In addition, the semiconductor chip 3 is bonded via the bonding layer 2.
An example of the bonding layer 2 is a solder layer. Examples of the solder material for forming the solder layer 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, and may be selectively formed only on a portion where the semiconductor chip 3 is disposed. The aluminum plate which comprises the circuit layer 12 is exposed to the periphery.

図2及び図3は、接合層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を示す断面図である。
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)12a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、接合層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に重なるように形成されたAg層32と、ガラス層31およびAg層32の周縁に沿って形成された合金部35と、を備えている。
2 and 3 are cross-sectional views showing the power module substrate 10 before the semiconductor chip 3 is bonded via the bonding layer 2.
In the power module substrate 10, the aforementioned Ag fired layer 30 is formed on the surface (the upper surface in FIGS. 2 and 3) 12 a of the circuit layer 12. As shown in FIG. 3, the Ag fired layer 30 overlaps the glass layer 31 and the glass layer 31 formed on the circuit layer 12 side before the semiconductor chip 3 is bonded via the bonding layer 2. The Ag layer 32 formed as described above, and the alloy part 35 formed along the periphery of the glass layer 31 and the Ag layer 32 are provided.

回路層12は、純度99.99mass%のアルミニウムで構成されているが、回路層12の表面(図3において上面)は、大気中で自然発生したアルミニウム酸化皮膜(酸化膜:Al)12Aによって覆われる。しかし、前述したAg焼成層30が形成された部分においては、アルミニウム酸化皮膜12Aは、Ag焼成層30を形成する際のガラスとの反応によって除去されている。 The circuit layer 12 is made of aluminum having a purity of 99.99 mass%, but the surface of the circuit layer 12 (upper surface in FIG. 3) is an aluminum oxide film (oxide film: Al 2 O 3 ) that is naturally generated in the atmosphere. 12A. However, in the portion where the Ag fired layer 30 is formed, the aluminum oxide film 12A is removed by the reaction with the glass when the Ag fired layer 30 is formed.

従って、この部分(回路層12のうち、ガラス層31と重なる部分)においては、回路層12上にアルミニウム酸化皮膜12Aを介さず、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。   Therefore, in this portion (the portion of the circuit layer 12 overlapping the glass layer 31), the Ag fired layer 30 is formed directly on the circuit layer 12 without the aluminum oxide film 12A interposed therebetween. That is, the aluminum constituting the circuit layer 12 and the glass layer 31 are directly bonded.

Ag焼成層30を構成するガラス層31は、そ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が分散されている。この導電性粒子33は、例えば、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。   As for the glass layer 31 which comprises the Ag baking layer 30, the fine electroconductive particle 33 whose particle size is about several nanometer is disperse | distributed inside. The conductive particles 33 are, for example, crystalline particles containing at least one of Ag or Al.

Ag焼成層30を構成するAg層32は、ガラス含有Agペーストの銀粒子の焼結体で形成され、内部に微量のガラス粒子を含む場合がある。   The Ag layer 32 constituting the Ag fired layer 30 is formed of a sintered body of silver particles of a glass-containing Ag paste, and may contain a small amount of glass particles inside.

Ag焼成層30を構成する合金部35は、AgとAlとの合金からなる。こうしたAgとAlとの合金としては、Ag−Alの固溶体、Ag−Alの金属間化合物などである。本実施形態においては、Ag−Alの金属間化合物を主体に構成されている。Ag−Alの金属間化合物としては、公知のAg−Al状態図において、δ相またはμ相の金属間化合物が好ましく挙げられる。こうした合金部35の形成方法は製造方法において述べる。   The alloy part 35 constituting the Ag fired layer 30 is made of an alloy of Ag and Al. Examples of such an alloy of Ag and Al include a solid solution of Ag—Al and an intermetallic compound of Ag—Al. In this embodiment, it is mainly composed of an Ag—Al intermetallic compound. Preferred examples of the intermetallic compound of Ag—Al include a δ phase or μ phase intermetallic compound in the known Ag—Al phase diagram. A method of forming such an alloy part 35 will be described in the manufacturing method.

このような合金部35は、導電性粒子33が分散されたガラス層31よりも電気抵抗値が低い。例えば、導電性粒子33が分散されたガラス層31の電気抵抗値は、0.01Ω〜1.0Ω程度であるのに対して、合金部35の電気抵抗値は、1mΩ〜10mΩ程度である。   Such an alloy part 35 has a lower electrical resistance value than the glass layer 31 in which the conductive particles 33 are dispersed. For example, the electrical resistance value of the glass layer 31 in which the conductive particles 33 are dispersed is about 0.01Ω to 1.0Ω, whereas the electrical resistance value of the alloy portion 35 is about 1 mΩ to 10 mΩ.

図4は、接合層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、上面から見た時の平面図である。
Ag焼成層30は、上面から平面視した時に略矩形、例えば長方形を成すように、回路層12の一部に形成されている。回路層12は、Ag焼成層30の形成部分の周囲の露呈された部分においては、アルミニウム酸化皮膜12Aによって覆われている。
FIG. 4 is a plan view of the power module substrate 10 before the semiconductor chip 3 is bonded via the bonding layer 2 when viewed from above.
The Ag fired layer 30 is formed on a part of the circuit layer 12 so as to form a substantially rectangular shape, for example, a rectangular shape when viewed from above. The circuit layer 12 is covered with the aluminum oxide film 12 </ b> A in the exposed portion around the portion where the Ag fired layer 30 is formed.

Ag焼成層30の中心付近は、接合層2を介して半導体チップ3が接合される領域である素子接合領域E1とされる。一方、この素子接合領域E1の周囲に広がる周辺領域E2においては、半導体チップ3の接合後もAg層32が露呈された状態となる。
合金部35は、Ag焼成層30の周辺領域E2において、Ag層32の四辺に沿って形成されている。即ち、本実施形態では、合金部35は、Ag層32(およびこの下層に形成されたガラス層31)を囲むような略ロ字型に形成されている。こうした合金部35は、回路層12に対して直接接続され、Ag層32と回路層12とを、ガラス層31を介在させずに電気的に導通させる(図3参照)。
The vicinity of the center of the Ag fired layer 30 is an element bonding region E1 that is a region to which the semiconductor chip 3 is bonded via the bonding layer 2. On the other hand, in the peripheral region E2 spreading around the element bonding region E1, the Ag layer 32 is exposed even after the semiconductor chip 3 is bonded.
The alloy part 35 is formed along the four sides of the Ag layer 32 in the peripheral region E2 of the Ag fired layer 30. That is, in this embodiment, the alloy part 35 is formed in a substantially square shape so as to surround the Ag layer 32 (and the glass layer 31 formed in the lower layer). Such an alloy part 35 is directly connected to the circuit layer 12 to electrically connect the Ag layer 32 and the circuit layer 12 without the glass layer 31 (see FIG. 3).

合金部35は、Ag焼成層30を上面から平面視した時に、Ag焼成層30全域の面積から素子接合領域E1の面積を除いた面積に対して、合金部35の占める面積率が、1%以上、20%以下の範囲になるように形成することが好ましい。合金部35の面積率が1%未満であると、十分な効果が得られず合金部35の電流値が大きくなり、発熱によって半導体チップ3に悪影響を与えるおそれがある。また、合金部35の面積率が20%を超えると、回路層12とAg焼成層30との接合性が低下するおそれがある。   In the alloy part 35, when the Ag fired layer 30 is viewed from the top, the area ratio of the alloy part 35 is 1% with respect to the area obtained by removing the area of the element bonding region E1 from the entire area of the Ag fired layer 30. As mentioned above, it is preferable to form so that it may become 20% or less of range. If the area ratio of the alloy part 35 is less than 1%, a sufficient effect cannot be obtained, and the current value of the alloy part 35 increases, and there is a possibility that the semiconductor chip 3 is adversely affected by heat generation. Moreover, when the area ratio of the alloy part 35 exceeds 20%, there exists a possibility that the adhesiveness of the circuit layer 12 and the Ag baking layer 30 may fall.

このように、Ag焼成層30に合金部35を形成することによって、Ag層32と回路層12とが、比較的高抵抗なガラス層31を介さずに合金部35によって直接、電気的に接続されるので、Ag焼成層30の厚さ方向の電気抵抗値Pを、例えば、10mΩ以下とすることができる。   Thus, by forming the alloy part 35 in the Ag fired layer 30, the Ag layer 32 and the circuit layer 12 are directly and electrically connected by the alloy part 35 without the glass layer 31 having a relatively high resistance. Therefore, the electrical resistance value P in the thickness direction of the Ag fired layer 30 can be set to 10 mΩ or less, for example.

なお、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。この電気抵抗の測定の際には、図5及び図6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。   In this embodiment, the electrical resistance value P in the thickness direction of the Ag fired layer 30 is the 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. When measuring the electrical resistance, as shown in FIG. 5 and FIG. 6, the upper surface center point of the Ag fired layer 30 and the distance H from the upper surface center point of the Ag fired layer 30 to the edge of the Ag fired layer 30. On the other hand, the electrical resistance between the point on the circuit layer 12 that is H apart from the end of the Ag fired layer 30 is measured.

本実施形態においては、図3に示すように、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、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。   In the present embodiment, as shown in FIG. 3, the thickness to of the aluminum oxide film 12A that naturally occurs on the circuit layer 12 is 4 nm ≦ to ≦ 6 nm. Further, 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 1.01 μm ≦ tg + ta ≦ 105 μm. It is comprised so that it may become.

なお、上述した実施形態においては、合金部35は、Ag層32の四辺に沿って形成しているが、合金部35の形状は、これに限定されるものでは無い。例えば、図7に示す他の実施形態では、平面視した時に矩形に形成したAg層32の四隅の角部に、それぞれ合金部35,35…を形成することも好ましい。こうした形態においても、Ag焼成層30全域の面積から素子接合領域E1の面積を除いた面積に対して、合金部35の占める面積率が、1%以上、20%以下の範囲になるように形成することが好ましい。
また、これ以外にも、合金部35をAg層32の四辺それぞれに沿った中間部分に形成することや、Ag層32の四辺のうち、対向する二辺だけに形成することもできる。
In the embodiment described above, the alloy part 35 is formed along the four sides of the Ag layer 32, but the shape of the alloy part 35 is not limited to this. For example, in another embodiment shown in FIG. 7, it is also preferable to form alloy portions 35, 35... At the corners of the four corners of the Ag layer 32 formed in a rectangle when viewed in plan. Also in such a form, the area ratio occupied by the alloy portion 35 is in the range of 1% or more and 20% or less with respect to the area obtained by removing the area of the element bonding region E1 from the area of the entire Ag fired layer 30. It is preferable to do.
In addition to this, the alloy part 35 can be formed in an intermediate portion along each of the four sides of the Ag layer 32, or can be formed only on two opposing sides of the four sides of the Ag layer 32.

次に、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法について説明する。
図8は、パワーモジュール用基板の製造方法の一例を段階的に示したフローチャートである。
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11a及び他方の面11b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(回路層及び金属層形成工程S11)。ろう材としては、例えば、Al−Siろう材等を用いることができる。なお、このろう付けの温度は、例えば、640℃〜650℃に設定されている。
Next, the manufacturing method of the board | substrate for power modules of this invention is demonstrated.
FIG. 8 is a flowchart showing an example of a method for manufacturing a power module substrate step by step.
First, an aluminum plate to be a circuit layer 12 and an aluminum plate to be a metal layer 13 are prepared, and these aluminum plates are laminated on one surface 11a and the other surface 11b of the ceramic substrate 11 through brazing materials, respectively. The aluminum plate and the ceramic substrate 11 are joined by cooling after pressurization and heating (circuit layer and metal layer forming step S11). As the brazing material, for example, an Al—Si brazing material or the like can be used. In addition, the temperature of this brazing is set to 640 degreeC-650 degreeC, for example.

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)。ろう材としては、例えば、Al−Siろう材等を用いることができる。なお、冷却器40のろう付けの温度は、例えば、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). As the brazing material, for example, an Al—Si brazing material or the like can be used. Note that the brazing temperature of the cooler 40 is set to, for example, 590 ° C. to 610 ° C.

次に、回路層12の表面12aに、ガラス含有Agペーストを塗布する(第一塗布工程S13)。第一塗布工程S13では、図9に示すように、回路層12を上面から平面視した時に、略矩形、例えば長方形を成すように、ガラス含有Agペースト層Pa1を形成する。こうしたガラス含有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ガラス含有Agペーストをパターン状に形成した。
また、塗布後に乾燥を行うこともできる。乾燥を行う場合、例えば、150℃で30分間行うことが望ましい。
Next, a glass-containing Ag paste is applied to the surface 12a of the circuit layer 12 (first application step S13). In the first coating step S13, as shown in FIG. 9, the glass-containing Ag paste layer Pa1 is formed so as to form a substantially rectangular shape, for example, a rectangle when the circuit layer 12 is viewed from above. When such a glass-containing Ag paste is applied, various means such as a screen printing method, an offset printing method, and a photosensitive process can be employed. In this embodiment, the glass-containing Ag paste was formed in a pattern by a screen printing method.
Moreover, it can also dry after application | coating. When drying, for example, it is desirable to perform at 150 ° C. for 30 minutes.

ここで、第一塗布工程S13で用いられるガラス含有Agペーストについて説明する。ガラス含有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、ガラス含有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。     Here, the glass containing Ag paste used by 1st application | coating process S13 is demonstrated. The glass-containing 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 the whole glass-containing Ag paste. 60 mass% or more and 90 mass% or less, and the remainder is made of resin, solvent and dispersant.

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、ガラス含有Agペースト全体の85質量%とされている。また、このガラス含有Agペーストは、その粘度が、例えば、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。   In addition, in this embodiment, content of the powder component which consists of Ag powder and glass powder is 85 mass% of the whole glass containing Ag paste. The viscosity of the glass-containing Ag paste is adjusted to, for example, 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、ガラス含有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ガラス含有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 glass-containing Ag paste, and those that decompose at 500 ° C. or higher are suitable. In this embodiment, ethyl cellulose is used.
In this embodiment, a dicarboxylic acid-based dispersant is added. In addition, you may comprise a glass containing Ag paste, without adding a dispersing agent.

こうした構成のガラス含有Agペーストを得る方法としては、例えば、Ag粉末とガラス粉末とを混合して混合粉末を生成し、また、溶剤と樹脂とを混合して有機混合物を生成して、これら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。そして、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した後、得られた混錬をペーストろ過機によってろ過することによって、ガラス含有Agペーストが製出される。   As a method for obtaining a glass-containing Ag paste having such a structure, for example, a mixed powder is produced by mixing Ag powder and glass powder, and an organic mixture is produced by mixing a solvent and a resin. The powder, the organic mixture and the dispersant are premixed with a mixer. And after mixing a premix by kneading using a roll mill machine, a glass containing Ag paste is produced by filtering the obtained kneading with a paste filter.

次に、図10に示すように、第一塗布工程S13で形成した平面視長方形のガラス含有Agペースト層Pa1の四辺に沿って、ガラス含有Agペースト層Pa1と接するように、ガラス成分を含有しないAgペーストを塗布する(第二塗布工程S14)。これにより、ガラス含有Agペースト層Pa1を取り囲むように、Agペースト層Pa2が形成される。なお、Agペースト層Pa2は、その上部のうちの一部が、ガラス含有Agペースト層Pa1と重なるように形成することが好ましい。これによって、後工程である焼成工程において形成されるAg層32と合金部35とを確実に密着させることができる。
なお、Agペースト層Pa2は、ガラス含有Agペースト層Pa1の四辺、および上面全体を覆うように形成することも好ましい。
Next, as shown in FIG. 10, the glass component is not contained so as to come into contact with the glass-containing Ag paste layer Pa1 along the four sides of the glass-containing Ag paste layer Pa1 having a rectangular shape in plan view formed in the first application step S13. An Ag paste is applied (second application step S14). Thereby, Ag paste layer Pa2 is formed so that glass-containing Ag paste layer Pa1 may be surrounded. In addition, it is preferable to form Ag paste layer Pa2 so that a part of the upper part may overlap with glass-containing Ag paste layer Pa1. Thereby, the Ag layer 32 and the alloy part 35 formed in the firing step which is a subsequent step can be reliably adhered.
The Ag paste layer Pa2 is also preferably formed so as to cover the four sides of the glass-containing Ag paste layer Pa1 and the entire upper surface.

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。   When applying the Ag paste, various means such as a screen printing method, an offset printing method, and a photosensitive process can be employed. In this embodiment, the Ag paste is formed in a pattern by a screen printing method.

ここで、第二塗布工程S14で用いられるAgペーストについて説明する。Agペーストは、Ag粉末と、樹脂と、溶剤と、分散剤と、を含有しており、Ag粉末の含有量が、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。   Here, the Ag paste used in the second application step S14 will be described. The Ag paste contains Ag powder, a resin, a solvent, and a dispersant, and the content of the Ag powder is 60% by mass or more and 90% by mass or less of the entire Ag paste, and the balance is Resins, solvents, and dispersants.

なお、本実施形態では、Ag粉末の含有量は、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、例えば、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。   In the present embodiment, the content of the Ag powder is 85% by mass of the entire Ag paste. Moreover, the viscosity of this Ag paste is adjusted to, for example, 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。
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。
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.
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.

こうした構成のAgペーストを得る方法としては、例えば、溶剤と樹脂とを混合して有機混合物を生成して、Ag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。そして、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した後、得られた混錬をペーストろ過機によってろ過することによって、Agペーストが製出される。   As a method for obtaining an Ag paste having such a configuration, for example, an organic mixture is produced by mixing a solvent and a resin, and Ag powder, the organic mixture, and a dispersant are premixed by a mixer. And after mixing a premix by kneading using a roll mill machine, Ag paste is produced by filtering the obtained kneading with a paste filter.

次に、回路層12の表面12aにガラス含有Agペーストからなるガラス含有Agペースト層Pa1と、AgペーストからなるAgペースト層Pa2とを形成した状態で、加熱炉内に装入してガラス含有Agペースト、およびAgペーストの焼成を行う(焼成工程S15)。   Next, in a state where a glass-containing Ag paste layer Pa1 made of glass-containing Ag paste and an Ag paste layer Pa2 made of Ag paste are formed on the surface 12a of the circuit layer 12, the glass-containing Ag is charged in a heating furnace. The paste and the Ag paste are baked (baking step S15).

図11に示すように、焼成工程S15では、まず、ガラス含有AgペーストおよびAgペーストに含まれるAgが焼結する。そして、Agペースト層Pa2と接する回路層12のAlと焼結したAgとが相互に拡散する。さらに拡散が進むと液相が発生し、この液相が凝固することにより、合金部35が形成される。   As shown in FIG. 11, in the firing step S15, first, the glass-containing Ag paste and Ag contained in the Ag paste are sintered. Then, Al of the circuit layer 12 in contact with the Ag paste layer Pa2 and the sintered Ag diffuse to each other. As the diffusion further proceeds, a liquid phase is generated, and this liquid phase is solidified to form an alloy part 35.

こうした合金部35を構成するAg−Al合金としては、例えば、Ag−Alの固溶体、Ag−Alの金属間化合物などが挙げられる。本実施形態においては、Ag−Alの金属間化合物を主体に構成されている。Ag−Alの金属間化合物としては、公知のAg−Al状態図において、δ相またはμ相の金属間化合物が好ましく挙げられる。   Examples of the Ag—Al alloy constituting the alloy part 35 include an Ag—Al solid solution and an Ag—Al intermetallic compound. In this embodiment, it is mainly composed of an Ag—Al intermetallic compound. Preferred examples of the intermetallic compound of Ag—Al include a δ phase or μ phase intermetallic compound in the known Ag—Al phase diagram.

焼成工程S15においては、液相を生じさせる温度まで加熱し、焼成を行う。焼成温度としては、例えば、567℃以上620℃以下に設定することが好ましい。焼成温度を567℃以上620℃以下とすることで、確実に液相を発生させ、合金部35を形成させることができる。   In baking process S15, it heats to the temperature which produces a liquid phase, and performs baking. The firing temperature is preferably set to, for example, 567 ° C. or more and 620 ° C. or less. By setting the firing temperature to 567 ° C. or more and 620 ° C. or less, a liquid phase can be generated reliably and the alloy part 35 can be formed.

また、焼成工程S15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。   Moreover, Ag baking layer 30 provided with the glass layer 31 and the Ag layer 32 is formed by baking process S15. 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12aに、ガラス層31とAg層32と合金部35とからなるAg焼成層30が形成されたパワーモジュール用基板10が製出される。   Thus, the power module substrate 10 in which the Ag fired layer 30 including the glass layer 31, the Ag layer 32, and the alloy part 35 is formed on the surface 12a of the circuit layer 12 is 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S16)。このとき、はんだ材によって形成される接合層2には、Ag焼成層30を構成する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、接合層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 S16). At this time, part or all of the Ag layer 32 constituting the Ag fired layer 30 is melted in the bonding 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 via the bonding 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、下層にガラス層31が形成されたAg層32の周囲に、合金部35が形成されている。こうした合金部35によって、Ag層32と回路層12とが電気的に接続される。   In the power module substrate 10 and the power module 1 according to the present embodiment configured as described above, the alloy part 35 is formed around the Ag layer 32 in which the glass layer 31 is formed in the lower layer. By such an alloy part 35, the Ag layer 32 and the circuit layer 12 are electrically connected.

合金部35は、導電性粒子33が分散されたガラス層31よりも電気抵抗値が低いので、Ag層32の下層に比較的高抵抗なガラス層31が形成されていても、低抵抗な合金部35によって回路層12と半導体チップ3との間の電気抵抗を低減し、電気を良好に流すことを可能にする。これによって、回路層12とAg焼成層30との接合信頼性を向上させるために、ガラスの含有量を多くしてガラス層31を厚くしても、Ag層32と回路層12との間の電気抵抗値は低く保つことができ、接合信頼性と電気抵抗値との両方をバランスさせることが可能になる。   Since the alloy part 35 has a lower electrical resistance value than the glass layer 31 in which the conductive particles 33 are dispersed, even if the glass layer 31 having a relatively high resistance is formed below the Ag layer 32, the alloy part 35 has a low resistance. The portion 35 reduces the electrical resistance between the circuit layer 12 and the semiconductor chip 3 and allows electricity to flow well. Thus, in order to improve the bonding reliability between the circuit layer 12 and the Ag fired layer 30, even if the glass layer 31 is thickened by increasing the glass content, the space between the Ag layer 32 and the circuit layer 12 is increased. The electrical resistance value can be kept low, and it is possible to balance both the junction reliability and the electrical resistance value.

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、上記実施形態では、接合層としてはんだ層を用いる場合について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば接合層としてナノAg粒子と有機物とを含むAgペーストを用いて回路層と半導体素子とを接合しても良い。
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, in the above embodiment, the case where a solder layer is used as the bonding layer has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, a circuit layer and a semiconductor using an Ag paste containing nano Ag particles and an organic substance as the bonding layer. You may join an element.

また、上述した実施形態においては、絶縁層を構成するセラミックス基板に対して接合される金属層として、アルミニウム板を例示しているが、これに限定されるものでは無い。例えば、金属層として銅板を用いることもできる。また、金属層として、セラミックス基板側から順にアルミニウム板と銅板とを接合したものをそれぞれ用いることもできる。   In the above-described embodiment, the aluminum plate is exemplified as the metal layer bonded to the ceramic substrate constituting the insulating layer. However, the present invention is not limited to this. For example, a copper plate can be used as the metal layer. Moreover, what joined the aluminum plate and the copper plate in order from the ceramic substrate side as a metal layer can also be used, respectively.

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、Ag焼成層30を構成するAg層32の周辺領域E2に、Ag層32および回路層12と接する合金部35を形成した。合金部35は、平面視長方形のAg層32の周囲の四辺に沿ってそれぞれ形成した。合金部35の高さは15μm、最大幅は300μmとした。
Below, the result of the confirmation experiment performed in order to confirm the effect of this invention is demonstrated.
As an example of the present invention, the power module substrate described in the above embodiment was prepared.
That is, the alloy part 35 in contact with the Ag layer 32 and the circuit layer 12 was formed in the peripheral region E2 of the Ag layer 32 constituting the Ag fired layer 30. The alloy portions 35 were formed along the four sides around the Ag layer 32 having a rectangular shape in plan view. The height of the alloy part 35 was 15 μm, and the maximum width was 300 μm.

比較例として、合金部35を形成しないパワーモジュール用基板を準備した。合金部35を形成しないこと以外は、本発明例と同様の構成とした。   As a comparative example, a power module substrate in which the alloy part 35 is not formed was prepared. Except not forming the alloy part 35, it was set as the structure similar to the example of this invention.

こうした本発明例と比較例のそれぞれについて、Ag焼成層の厚さ方向における電気抵抗値を測定した。電気抵抗の測定の際には、図5及び図6に示すように、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に対してAg焼成層端部からHだけ離れた回路層上の点と、の間の電気抵抗を測定した。
こうして測定された本発明例と比較例におけるAg焼成層の電気抵抗値を表1に示す。
For each of these inventive examples and comparative examples, the electrical resistance value in the thickness direction of the Ag fired layer was measured. When measuring the electrical resistance, as shown in FIGS. 5 and 6, Ag firing is performed with respect to the center point of the upper surface of the Ag fired layer and the distance H from the center point of the upper surface of the Ag fired layer to the Ag fired layer end. The electrical resistance between the points on the circuit layer separated by H from the layer edge was measured.
Table 1 shows the measured electrical resistance values of the fired Ag layers in the present invention and the comparative example.

Figure 2015126002
Figure 2015126002

表1に示す結果によれば、従来は0.5ΩであったAg焼成層の電気抵抗値が、本発明によって10mΩ以下となり、大幅な電気抵抗値の低減効果が確認された。本発明によれば、接合信頼性と電気抵抗値との両方をバランスさせることが可能なパワーモジュール用基板を得られることが確認された。   According to the results shown in Table 1, the electrical resistance value of the Ag fired layer, which was 0.5Ω in the past, was 10 mΩ or less according to the present invention, and a significant effect of reducing the electrical resistance value was confirmed. According to this invention, it was confirmed that the board | substrate for power modules which can balance both joining reliability and an electrical resistance value can be obtained.

1 パワーモジュール
2 接合層
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(絶縁層)
12 回路層
30 Ag焼成層
31 ガラス層
32 Ag層
33 導電性粒子
35 合金部
E2 周辺領域
1 Power Module 2 Bonding Layer 3 Semiconductor Chip (Semiconductor Element)
10 Power Module Substrate 11 Ceramic Substrate (Insulating Layer)
12 circuit layer 30 Ag fired layer 31 glass layer 32 Ag layer 33 conductive particle 35 alloy part E2 peripheral region

Claims (10)

絶縁層の一方の面に形成されたAl又はAl合金からなる回路層と、該回路層上に形成されたAg焼成層とを備えたパワーモジュール用基板であって、
前記Ag焼成層は、ガラス層と、このガラス層上に形成されたAg層と、AgとAlとからなり、前記Ag層と前記回路層とを電気的に接続する合金部と、を備え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 comprising a circuit layer made of Al or an Al alloy formed on one surface of an insulating layer, and an Ag fired layer formed on the circuit layer,
The Ag fired layer includes a glass layer, an Ag layer formed on the glass layer, and an alloy part made of Ag and Al and electrically connecting the Ag layer and the circuit layer. A power module substrate, comprising:
前記合金部は、半導体素子が配設される素子接合領域よりも外側に形成され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。   The power module substrate according to claim 1, wherein the alloy part is formed outside an element bonding region in which a semiconductor element is disposed. 前記Ag焼成層を上面から平面視した時に、前記Ag焼成層全域の面積から素子接合領域の面積を除いた面積に対して、前記合金部の占める面積率が、1%以上、20%以下であることを特徴とする請求項1または2に記載のパワーモジュール用基板。   When the Ag fired layer is viewed from above, the area ratio occupied by the alloy part is 1% or more and 20% or less with respect to the area obtained by removing the area of the element bonding region from the area of the entire Ag fired layer. The power module substrate according to claim 1, wherein the power module substrate is provided. 前記Ag焼成層は、上面から平面視した時に略矩形を成し、前記合金部は、前記Ag層の四辺に沿って形成され、前記ガラス層は、前記合金部で囲まれた領域の内側に形成されていることを特徴とする請求項1ないし3いずれか一項に記載のパワーモジュール用基板。   The Ag fired layer has a substantially rectangular shape when viewed from above, and the alloy part is formed along four sides of the Ag layer, and the glass layer is located inside a region surrounded by the alloy part. It forms, The board | substrate for power modules as described in any one of Claim 1 thru | or 3 characterized by the above-mentioned. 前記合金部は、Ag−Alの固溶体、またはAg−Alの金属間化合物であることを特徴とする請求項1ないし4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 alloy portion is an Ag—Al solid solution or an Ag—Al intermetallic compound. 6. 前記Ag−Alの金属間化合物は、δ相またはμ相であることを特徴とする請求項5に記載のパワーモジュール用基板。   The power module substrate according to claim 5, wherein the intermetallic compound of Ag—Al is a δ phase or a μ phase. 前記Ag焼成層は、その厚さ方向における電気抵抗値が10mΩ以下であることを特徴とする請求項1ないし6いずれか一項に記載のパワーモジュール用基板。   The power module substrate according to any one of claims 1 to 6, wherein the Ag fired layer has an electrical resistance value in the thickness direction of 10 mΩ or less. 請求項1ないし請求項7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を構成する前記Ag焼成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、前記Ag焼成層に対して接合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 7, and a semiconductor element disposed on one surface side of the Ag fired layer constituting the power module substrate, The power module, wherein the semiconductor element is bonded to the Ag fired layer via a bonding layer. 絶縁層の一方の面に形成されたAl又はAl合金からなる回路層と、該回路層上に形成されたAg焼成層とを備えた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、ガラス含有Agペーストを塗布する第一塗布工程と、
前記ガラス含有Agペーストの塗布領域に少なくとも一部が重なるように、Agペーストを塗布する第二塗布工程と、
前記ガラス含有Agペーストと、前記Agペーストとを焼成し、ガラス層と、このガラス層上に形成されたAg層と、前記Agペーストを構成するAg及び前記回路層から拡散したAlの合金からなる前記合金部と、を形成する焼成工程と、を少なくとも備え、
前記合金部は、前記Ag層と前記回路層とを、前記ガラス層を介在させずに直接、接続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 comprising a circuit layer made of Al or an Al alloy formed on one surface of an insulating layer, and an Ag fired layer formed on the circuit layer,
A first application step of applying a glass-containing Ag paste on one surface of the circuit layer;
A second application step of applying the Ag paste so that at least a portion thereof overlaps with the application region of the glass-containing Ag paste;
The glass-containing Ag paste and the Ag paste are baked to form a glass layer, an Ag layer formed on the glass layer, and an alloy of Ag diffused from the Ag and the circuit layer constituting the Ag paste. And a firing step for forming the alloy part,
The said alloy part connects the said Ag layer and the said circuit layer directly, without interposing the said glass layer, The manufacturing method of the board | substrate for power modules characterized by the above-mentioned.
前記焼成工程において、焼成温度を567℃以上620℃以下とすることを特徴とする請求項9に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。   The method for manufacturing a power module substrate according to claim 9, wherein in the firing step, a firing temperature is set to 567 ° C. or more and 620 ° C. or less.
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