JP6010926B2 - Bonding material, power module, and method of manufacturing power module - Google Patents

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Description

この発明は、金属部材と被接合体とを接合する際に用いられる接合材料、及び、この接合材料を用いたパワーモジュール及びパワーモジュールの製造方法に関するものである。   The present invention relates to a bonding material used when a metal member and an object to be bonded are bonded, a power module using the bonding material, and a method for manufacturing the power module.

例えば、ＬＥＤやパワーモジュールといった半導体装置は、金属部材からなる回路層の上に半導体素子が接合された構造とされている。
ここで、半導体素子等の電子部品を回路層上に接合する際には、例えば特許文献１に示すように、はんだ材を用いた方法が広く使用されている。最近では、環境保護の観点から、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系等の鉛フリーはんだが主流となっている。 For example, a semiconductor device such as an LED or a power module has a structure in which a semiconductor element is bonded on a circuit layer made of a metal member.
Here, when an electronic component such as a semiconductor element is bonded on a circuit layer, a method using a solder material is widely used as disclosed in Patent Document 1, for example. Recently, lead-free solders such as Sn—Ag, Sn—In, or Sn—Ag—Cu are becoming mainstream from the viewpoint of environmental protection.

ところで、特許文献１に記載されたように、はんだ材を介して半導体素子等の電子部品と回路層とを接合した場合には、高温環境下で使用した際にはんだの一部が溶融し、半導体素子等の電子部品と回路層と接合信頼性が低下するおそれがあった。
特に、最近では、半導体素子自体の耐熱性が向上しており、かつ、半導体装置が自動車のエンジンルーム等の高温環境下で使用されることがあり、従来のようにはんだ材で接合した構造では対応が困難となってきている。 By the way, as described in Patent Document 1, when an electronic component such as a semiconductor element and a circuit layer are joined via a solder material, a part of the solder melts when used in a high temperature environment, There is a possibility that the bonding reliability between the electronic component such as a semiconductor element and the circuit layer is lowered.
In particular, recently, the heat resistance of the semiconductor element itself has been improved, and the semiconductor device may be used in a high temperature environment such as an engine room of an automobile. It has become difficult to respond.

そこで、はんだ材の代替として、特許文献２、３には、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、半導体素子等の電子部品を回路上に接合する技術が提案されている。
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においては、金属酸化物粒子が還元剤によって還元されることによって生成する金属粒子が焼結することで、導電性の焼成体からなる接合層が形成され、この接合層を介して半導体素子等の電子部品が回路上に接合されることになる。
このように、金属粒子の焼成体によって接合層を形成した場合には、比較的低温条件で接合層を形成できるとともに接合層自体の融点は高くなるため、高温環境下においても接合強度が大きく低下しない。 Therefore, as an alternative to the solder material, Patent Documents 2 and 3 disclose a technique for joining an electronic component such as a semiconductor element on a circuit using an oxide paste containing metal oxide particles and a reducing agent made of an organic substance. Proposed.
In an oxide paste containing metal oxide particles and an organic reducing agent, the metal particles produced by the reduction of the metal oxide particles by the reducing agent are sintered to form a conductive fired body. A bonding layer is formed, and an electronic component such as a semiconductor element is bonded onto the circuit through the bonding layer.
As described above, when the bonding layer is formed of the fired body of metal particles, the bonding layer can be formed at a relatively low temperature and the melting point of the bonding layer itself is increased. do not do.

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

ところで、特許文献２，３に記載されたように、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た場合には、この酸化物ペーストを焼成して導電性の焼成体を形成することになる。ここで、金属部材からなる回路層の表面には、焼成時に酸化膜が形成されることになり、この酸化膜によって接合が阻害されるおそれがある。なお、焼成を非酸化雰囲気で実施した場合であっても、酸化物ペーストに含まれる酸素によって、やはり、回路層の表面が酸化されるおそれがあった。   By the way, as described in Patent Documents 2 and 3, when an oxide paste containing metal oxide particles and a reducing agent made of an organic material is used, the oxide paste is fired to form a conductive fired body. Will be formed. Here, an oxide film is formed on the surface of the circuit layer made of a metal member at the time of firing, and this oxide film may hinder the bonding. Even when firing was performed in a non-oxidizing atmosphere, the surface of the circuit layer could still be oxidized by oxygen contained in the oxide paste.

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、回路層等の金属部材と、半導体素子等の被接合材と、を確実に接合でき、高温環境下における接合信頼性を向上させることができる接合材料、及び、この接合材料を用いたパワーモジュール、パワーモジュール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 above-described circumstances, and can reliably bond a metal member such as a circuit layer and a material to be bonded such as a semiconductor element, thereby improving the bonding reliability in a high temperature environment. It is an object to provide a bonding material that can be used, a power module using the bonding material, and a method for manufacturing the power module.

このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明の接合材料は、金属部材と被接合体とを接合する際に用いられる接合材料であって、酸化銀粒子を６０質量％以上９０質量％以下、前記酸化銀粒子を還元して微細な還元Ａｇ粒子を生成する還元剤を５質量％以上１５質量％以下、前記金属部材表面の酸化膜を除去する活性剤を０．５質量％以上１０質量％以下の範囲、樹脂を０質量％以上２質量％以下の範囲で含有し、残部が溶剤と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 bonding material of the present invention is a bonding material used when bonding a metal member and an object to be bonded, and contains 60 mass of silver oxide particles. % To 90% by mass, 5% by mass to 15% by mass of a reducing agent that reduces the silver oxide particles to produce fine reduced Ag particles, and an activator that removes the oxide film on the surface of the metal member is 0.1%. It is characterized by containing 5 mass% or more and 10 mass% or less, resin in the range of 0 mass% or more and 2 mass% or less, and the remainder being a solvent.

この構成の接合材料によれば、前記金属部材の酸化膜を除去する活性剤を含んでいるので、金属部材の接合面に酸化膜が形成されたとしても、この酸化膜を除去することができ、金属部材と被接合体とを確実に接合することができる。また、酸化銀粒子と還元剤とを含有しているので、酸化銀粒子が還元されることによって生成する金属粒子が焼結することで導電性の焼成体からなる接合層が形成されることになり、高温環境下においても接合強度が低下せず、接合信頼性を向上させることが可能となる。さらに、酸化銀を還元した場合には、微細なＡｇ粒子（還元Ａｇ粒子）が生成することから、接合層を緻密な構造の焼成体によって構成することができる。   According to the bonding material of this configuration, since the activator for removing the oxide film of the metal member is included, even if the oxide film is formed on the bonding surface of the metal member, the oxide film can be removed. And a metal member and a to-be-joined body can be joined reliably. In addition, since the silver oxide particles and the reducing agent are contained, the metal particles generated by the reduction of the silver oxide particles are sintered to form a bonding layer made of a conductive fired body. Thus, the bonding strength does not decrease even in a high temperature environment, and the bonding reliability can be improved. Furthermore, when silver oxide is reduced, fine Ag particles (reduced Ag particles) are generated, so that the bonding layer can be composed of a fired body having a dense structure.

また、活性剤の含有量が０．５質量％以上とされているので、確実に金属部材表面の酸化膜を除去することができる。一方、活性剤の含有量が１０質量％以下とされているので、焼成体からなる接合層の内部に活性剤成分が過度に残存することが防止される。 Moreover , since the content of the activator is 0.5% by mass or more, the oxide film on the surface of the metal member can be reliably removed. On the other hand, since the content of the activator is 10% by mass or less, it is possible to prevent the activator component from remaining excessively in the bonding layer made of the fired body.

さらに、酸化銀粒子の含有量が６０質量％以上とされているので、焼成体からなる接合層を緻密な構造とすることができる。また、酸化銀粒子の含有量が９０質量％以下とされているので、還元剤及び活性剤の含有量を確保でき、金属部材と被接合体とを確実に接合することができる。
また、前記還元剤の含有量が５質量％以上１５質量％以下、とされているので、酸化銀粒子を還元して、微細な還元Ａｇ粒子を生成することができる。 Furthermore, since the content of silver oxide particles is 60% by mass or more, the bonding layer made of the fired body can have a dense structure. Moreover, since content of a silver oxide particle shall be 90 mass% or less, content of a reducing agent and an activator can be ensured, and a metal member and a to-be-joined body can be joined reliably.
Moreover, since content of the said reducing agent shall be 5 mass% or more and 15 mass% or less, a silver oxide particle can be reduce | restored and fine reduced Ag particle | grains can be produced | generated.

前記活性剤が、ロジン、ロジン誘導体、多価カルボン酸、ハロゲン化物のうちの１種又は２種以上であることが好ましい。
この場合、金属部材の表面に形成される酸化膜を確実に除去することが可能となり、金属部材と被接合体との接合信頼性を確実に向上させることができる。特に、金属部材が銅又は銅合金で構成されていた場合であっても、銅酸化膜を確実に除去することが可能となる。 The activator is preferably one or more of rosin, rosin derivative, polyvalent carboxylic acid and halide.
In this case, the oxide film formed on the surface of the metal member can be reliably removed, and the bonding reliability between the metal member and the object to be bonded can be reliably improved. In particular, even when the metal member is made of copper or a copper alloy, the copper oxide film can be reliably removed.

本発明のパワーモジュールは、絶縁層の一方の面に金属からなる回路層が配設されたパワーモジュール用基板と、前記回路層上に搭載される半導体素子と、を備えたパワーモジュールであって、前記回路層と前記半導体素子とが、前述の接合材料を用いて接合されており、前記回路層と前記半導体素子と間に、酸化銀が還元されたＡｇの焼成体からなる接合層が形成されていることを特徴としている。   A power module of the present invention is a power module comprising a power module substrate in which a circuit layer made of metal is disposed on one surface of an insulating layer, and a semiconductor element mounted on the circuit layer. The circuit layer and the semiconductor element are bonded using the bonding material described above, and a bonding layer made of a sintered body of Ag reduced in silver oxide is formed between the circuit layer and the semiconductor element. It is characterized by being.

この構成のパワーモジュールによれば、金属からなる回路層と半導体素子とが、前述の接合材料を用いて接合されているので、接合材料に含まれる活性剤によって、回路層の接合面に形成される酸化膜を除去することができ、回路層と半導体素子とを確実に接合することができる。また、酸化銀が還元されることで生成する微細なＡｇ粒子（還元Ａｇ粒子）を焼結させているので、接合層を緻密な構造の焼成体によって構成することができる。さらに、高温環境下においても接合強度が低下せず、接合信頼性を向上させることが可能となる。   According to the power module having this configuration, the circuit layer made of metal and the semiconductor element are bonded using the bonding material described above, and therefore, formed on the bonding surface of the circuit layer by the activator contained in the bonding material. The oxide film can be removed, and the circuit layer and the semiconductor element can be reliably bonded. In addition, since fine Ag particles (reduced Ag particles) generated by reducing silver oxide are sintered, the bonding layer can be constituted by a sintered body having a dense structure. Furthermore, the bonding strength does not decrease even in a high temperature environment, and the bonding reliability can be improved.

ここで、前記回路層が、銅又は銅合金で構成されていてもよい。
回路層を銅又は銅合金で構成した場合には、焼成時に回路層の表面に銅の酸化膜が形成されることになるが、活性剤によってこの酸化膜を確実に除去でき、回路層と半導体素子とを確実に接合することができる。
また、回路層を銅又は銅合金で構成した場合、回路層の熱伝導性が高いため、半導体素子から発生する熱を回路層で面方向に分散させることができ、放熱を促進することができる。 Here, the circuit layer may be made of copper or a copper alloy.
When the circuit layer is made of copper or a copper alloy, a copper oxide film is formed on the surface of the circuit layer during firing, but this oxide film can be reliably removed by the activator. The element can be reliably bonded.
In addition, when the circuit layer is made of copper or a copper alloy, since the heat conductivity of the circuit layer is high, heat generated from the semiconductor element can be dispersed in the plane direction by the circuit layer, and heat dissipation can be promoted. .

また、前記回路層の一方の面に、Ｎｉ又はＮｉ合金層が形成されていてもよい。
回路層がアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されている場合には、回路層の表面に安定なアルミニウムの酸化膜が形成されることになる。そこで、従来から、回路層の表面にＮｉめっき膜等のＮｉ又はＮｉ合金層を形成している。このようなＮｉ又はＮｉ合金層は、回路層が銅又は銅合金で構成されている場合でも形成されることがある。このように、回路層の一方の面にＮｉ又はＮｉ合金層を形成した場合であっても、前述の接合材料を用いることにより、Ｎｉ又はＮｉ合金層の表面に形成された酸化膜を除去でき、回路層と半導体素子とを確実に接合することができる。 A Ni or Ni alloy layer may be formed on one surface of the circuit layer.
When the circuit layer is made of aluminum or an aluminum alloy, a stable aluminum oxide film is formed on the surface of the circuit layer. Therefore, conventionally, a Ni or Ni alloy layer such as a Ni plating film is formed on the surface of the circuit layer. Such a Ni or Ni alloy layer may be formed even when the circuit layer is made of copper or a copper alloy. Thus, even when the Ni or Ni alloy layer is formed on one surface of the circuit layer, the oxide film formed on the surface of the Ni or Ni alloy layer can be removed by using the bonding material described above. The circuit layer and the semiconductor element can be reliably bonded.

本発明のパワーモジュールの製造方法は、絶縁層の一方の面に金属からなる回路層が配設されたパワーモジュール用基板と、前記回路層上に搭載される半導体素子と、を備えたパワーモジュールの製造方法であって、前記回路層と前記半導体素子との間に、前述の接合材料を配設する工程と、前記接合材料を介して前記半導体素子と前記パワーモジュール用基板とを積層する工程と、前記半導体素子と前記パワーモジュール用基板とを積層した状態で加熱して、前記回路層と前記半導体素子と間に、酸化銀が還元されたＡｇの焼成体からなる接合層を形成する工程と、を備えていることを特徴としている。   A power module manufacturing method according to the present invention includes a power module substrate in which a circuit layer made of metal is disposed on one surface of an insulating layer, and a semiconductor element mounted on the circuit layer. A method of providing the bonding material described above between the circuit layer and the semiconductor element, and a step of stacking the semiconductor element and the power module substrate via the bonding material. And heating the semiconductor element and the power module substrate in a stacked state to form a bonding layer made of a sintered body of Ag reduced in silver oxide between the circuit layer and the semiconductor element. It is characterized by having.

この構成のパワーモジュールの製造方法によれば、金属からなる回路層と半導体素子とを酸化銀を還元して生成した微細なＡｇ粒子（還元Ａｇ粒子）の焼成体からなる接合層によって接合することができる。また、接合材料に含まれる活性剤によって、回路層の接合面に形成される酸化膜を除去でき、回路層と半導体素子との接合信頼性を大幅に向上させることができる。   According to the method of manufacturing a power module having this configuration, the circuit layer made of metal and the semiconductor element are joined together by the joining layer made of a sintered body of fine Ag particles (reduced Ag particles) generated by reducing silver oxide. Can do. Moreover, the oxide contained in the bonding surface of the circuit layer can be removed by the activator contained in the bonding material, and the bonding reliability between the circuit layer and the semiconductor element can be greatly improved.

本発明によれば、回路層等の金属部材と、半導体素子等の被接合材と、を確実に接合でき、高温環境下における接合信頼性を向上させることができる接合材料、及び、この接合材料を用いたパワーモジュール、パワーモジュールの製造方法を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to reliably bond a metal member such as a circuit layer and a material to be bonded such as a semiconductor element, and to improve the bonding reliability in a high temperature environment, and the bonding material. And a method for manufacturing the power module can be provided.

本発明の実施形態である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 which is embodiment of this invention. 本発明の実施形態である接合材料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 joining material which is embodiment of this invention. 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の一方の面（図１において上面）に接合された半導体素子３と、パワーモジュール用基板１０の他方側に配設された冷却器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 element 3 bonded to one surface of the circuit layer 12 (upper surface in FIG. 1), and the other of the power module substrate 10. And a cooler 40 disposed on the side.

パワーモジュール用基板１０は、図１に示すように、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。   As shown in FIG. 1, the power module substrate 10 includes a ceramic substrate 11 constituting an insulating layer, a circuit layer 12 disposed on one surface (the upper surface in FIG. 1) of the ceramic substrate 11, and a ceramic substrate. 11 and a metal layer 13 disposed on the other surface (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、絶縁性の高いＡｌ２Ｏ３（アルミナ）で構成されている。また、セラミックス基板１１の厚さは、０．２〜１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６３５ｍｍに設定されている。 The ceramic substrate 11 prevents electrical connection between the circuit layer 12 and the metal layer 13, and is made of highly insulating Al 2 O 3 (alumina). 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、銅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９９．９９質量％以上の無酸素銅（ＯＦＣ）の圧延板を接合することで形成されている。なお、回路層１２の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．３ｍｍに設定されている。また、この回路層１２には、回路パターンが形成されており、その一方の面（図１において上面）が、半導体素子３が接合される接合面とされている。   The circuit layer 12 is formed by bonding a copper plate to one surface of the ceramic substrate 11. In the present embodiment, the circuit layer 12 is formed by joining rolled plates of oxygen-free copper (OFC) having a purity of 99.99% by mass or more. Note that the thickness of the circuit layer 12 is set within a range of 0.1 mm or more and 1.0 mm or less, and is set to 0.3 mm in the present embodiment. Further, a circuit pattern is formed on the circuit layer 12, and one surface (the upper surface in FIG. 1) is a bonding surface to which the semiconductor element 3 is bonded.

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、この金属板（金属層１３）は、純度が９９質量％以上で、０．２％耐力が３０Ｎ／ｍｍ２以下のアルミニウム又はアルミニウム合金の圧延板とされており、より具体的には、純度が９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板とされている。 The metal layer 13 is formed by bonding a metal plate to the other surface of the ceramic substrate 11. In this embodiment, the metal plate (metal layer 13) is a rolled plate of aluminum or aluminum alloy having a purity of 99% by mass or more and a 0.2% proof stress of 30 N / mm 2 or less. Specifically, it is a rolled plate of aluminum (so-called 4N aluminum) having a purity of 99.99% by mass or more.

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。この冷却器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 is made of A6063 (aluminum alloy) in the present embodiment.

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と半導体素子３との間には、銀の焼成体からなる接合層３１が形成されている。
なお、接合層３１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、半導体素子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, a bonding layer 31 made of a silver fired body is formed between the circuit layer 12 and the semiconductor element 3.
As shown in FIG. 1, the bonding layer 31 is not formed on the entire surface of the circuit layer 12 but is selectively formed only on a portion where the semiconductor element 3 is disposed.

この接合層３１は、本発明の実施形態である接合材料によって形成されるものである。
本実施形態である接合材料は、酸化銀粒子と、還元剤と、金属酸化膜を除去する活性剤と、溶剤と、樹脂と、を含有している。
具体的には、酸化銀粒子を６０質量％以上９０質量％以下、還元剤を５質量％以上１５質量％以下、前記活性剤を０．５質量％以上１０質量％以下、樹脂を０質量％以上２質量％以下の範囲で含有し、残部が溶剤とされている。
なお、本実施形態における接合材料は、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。 The bonding layer 31 is formed of a bonding material that is an embodiment of the present invention.
The bonding material according to this embodiment contains silver oxide particles, a reducing agent, an activator that removes a metal oxide film, a solvent, and a resin.
Specifically, the silver oxide particles are 60% by mass to 90% by mass, the reducing agent is 5% by mass to 15% by mass, the activator is 0.5% by mass to 10% by mass, and the resin is 0% by mass. It is contained in the range of 2% by mass or less and the remainder is a solvent.
In addition, the viscosity of the bonding material in the present embodiment 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.

酸化銀粒子は、その粒径が０．１μｍ以上４０μｍ以下とされたものを使用した。なお、このような酸化銀粉末は、市販品として入手可能なものである。   Silver oxide particles having a particle diameter of 0.1 μm or more and 40 μm or less were used. Such silver oxide powder is available as a commercial product.

還元剤は、還元性を有する有機物とされており、例えば、アルコール、有機酸を用いることができる。
アルコールであれば、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、ブチルアルコール、ペンチルアルコール、ヘキシルアルコール、オクチルアルコール、ノニルアルコール、デシルアルコール、ウンデシルアルコール、ドデシルアルコール、ラウリルアルコール、ミリスチルアルコール、セチルアルコール、ステアリルアルコール等の１級アルコールを用いることができる。なお、これら以外にも、多数のアルコール基を有する化合物を用いてもよい。
有機酸であれば、例えば、ブタン酸、ペンタン酸、ヘキサン酸、ヘプタン酸、オクタン酸、ノナン酸、デカン酸、ウンデカン酸、ドデカン酸、トリデカン酸、テトラデカン酸、ペンタデカン酸、ヘキサデカン酸、ヘプタデカン酸、オクタデカン酸、ノナンデカン酸などの飽和脂肪酸を用いることができる。なお、これら以外にも、不飽和脂肪酸を用いてもよい。
なお、接合材料を焼結して得られる接合層内部での空隙の発生を抑制するために、熱分解性に優れた分子構造を有する有機物を用いることが好ましい。 The reducing agent is an organic substance having reducibility, and for example, alcohol and organic acid can be used.
If it is an alcohol, for example, methanol, ethanol, propanol, butyl alcohol, pentyl alcohol, hexyl alcohol, octyl alcohol, nonyl alcohol, decyl alcohol, undecyl alcohol, dodecyl alcohol, lauryl alcohol, myristyl alcohol, cetyl alcohol, stearyl alcohol, etc. The primary alcohol can be used. In addition to these, compounds having a large number of alcohol groups may be used.
If it is an organic acid, for example, butanoic acid, pentanoic acid, hexanoic acid, heptanoic acid, octanoic acid, nonanoic acid, decanoic acid, undecanoic acid, dodecanoic acid, tridecanoic acid, tetradecanoic acid, pentadecanoic acid, hexadecanoic acid, heptadecanoic acid, Saturated fatty acids such as octadecanoic acid and nonanedecanoic acid can be used. In addition to these, unsaturated fatty acids may be used.
In order to suppress the generation of voids in the bonding layer obtained by sintering the bonding material, it is preferable to use an organic substance having a molecular structure excellent in thermal decomposability.

なお、酸化銀粉末と混合した後に還元反応が容易に進行しない還元剤であれば、接合材料の保存安定性が向上することになる。そこで、還元剤としては、融点が室温以上のものが好ましく、具体的には、ミリスチルアルコール、１−ドデカノール、２，５−ジメチル−２，５−ヘキサンジオール、２，２−ジメチル−１，３−プロパンジオール、１，６−ヘキサンジオール、１，２，６−ヘキサントリオール、１，１０−デカンジオール、ミリスチン酸、デカン酸等を用いることが好ましい。   In addition, if it is a reducing agent which a reduction reaction does not advance easily after mixing with silver oxide powder, the storage stability of a joining material will improve. Therefore, as the reducing agent, those having a melting point of room temperature or higher are preferable, and specifically, myristyl alcohol, 1-dodecanol, 2,5-dimethyl-2,5-hexanediol, 2,2-dimethyl-1,3. It is preferable to use propanediol, 1,6-hexanediol, 1,2,6-hexanetriol, 1,10-decanediol, myristic acid, decanoic acid and the like.

溶剤は、接合材料の保存安定性、印刷性を確保する観点から、高沸点（１５０℃〜３００℃）のものを用いることが好ましい。
具体的には、α-テルピネオール、酢酸２エチルヘキシル、酢酸３メチルブチル等を用いることができる。 It is preferable to use a solvent having a high boiling point (150 ° C. to 300 ° C.) from the viewpoint of ensuring the storage stability and printability of the bonding material.
Specifically, α-terpineol, 2-ethylhexyl acetate, 3-methylbutyl acetate, or the like can be used.

樹脂は、接合材料の取り扱い性（例えば印刷性）の向上を目的として添加されるものである。
例えば、アクリル樹脂、セルロース系樹脂、ブチラール樹脂等を適用することができる。なお、焼結時に樹脂が焼結温度以下で完全に酸化・分解して接合層内に残存しないようにするため、熱分解性の良いアクリル樹脂を用いることが好ましい。 The resin is added for the purpose of improving the handleability (for example, printability) of the bonding material.
For example, an acrylic resin, a cellulose resin, a butyral resin, or the like can be applied. In order to prevent the resin from being completely oxidized / decomposed at the sintering temperature or lower and not remaining in the bonding layer during sintering, it is preferable to use an acrylic resin having good thermal decomposability.

そして、本実施形態における活性剤は、回路層１２の接合面に形成された酸化膜を除去する作用を有するものである。本実施形態では、回路層１２が銅板で構成されていることから、銅の酸化物を除去するものであればよい。
活性剤としては、ロジン、ロジン誘導体、多価カルボン酸、ハロゲン化物のうちの１種又は２種以上を用いることができる。
ロジン及びロジン誘導体としては、トールロジン、ガムロジン、ウッドロジン、水素添加ロジン、重合ロジン、アビエチン酸等を用いることができる。
多価カルボン酸としては、コハク酸、クエン酸、グルタル酸、アジピン酸、セバシン酸、フマル酸、酒石酸、グルタミン酸、フタル酸、マレイン酸等を用いることができる。
ハロゲン化物としては、エチルアミン塩酸塩、ジエチルアミン塩酸塩、ジメチルアミン塩酸塩、トリメチルアミン塩酸塩、ジエチルアミン臭化水素酸塩、ｎ−プロピルアミン塩酸塩、ジ−ｎ−プロピルアミン塩酸塩、トリ−ｎ−プロピルアミン塩酸塩等を用いることができる。 And the activator in this embodiment has an effect | action which removes the oxide film formed in the joint surface of the circuit layer 12. FIG. In the present embodiment, since the circuit layer 12 is composed of a copper plate, any circuit that removes copper oxide may be used.
As the activator, one or more of rosin, rosin derivative, polyvalent carboxylic acid, and halide can be used.
As the rosin and rosin derivative, tall rosin, gum rosin, wood rosin, hydrogenated rosin, polymerized rosin, abietic acid and the like can be used.
As the polyvalent carboxylic acid, succinic acid, citric acid, glutaric acid, adipic acid, sebacic acid, fumaric acid, tartaric acid, glutamic acid, phthalic acid, maleic acid and the like can be used.
As halides, ethylamine hydrochloride, diethylamine hydrochloride, dimethylamine hydrochloride, trimethylamine hydrochloride, diethylamine hydrobromide, n-propylamine hydrochloride, di-n-propylamine hydrochloride, tri-n-propyl Amine hydrochloride and the like can be used.

次に、本実施形態である接合材料の製造方法について、図２に示すフロー図を参照して説明する。
まず、前述した酸化銀粉末と還元剤（固体粉末）とを混合し、混合粉末を生成する（粉末混合工程Ｓ０１）。
また、活性剤、溶剤及び樹脂を混合して、有機混合物を生成する（有機物混合工程Ｓ０２）。 Next, the manufacturing method of the joining material which is this embodiment is demonstrated with reference to the flowchart shown in FIG.
First, the above-mentioned silver oxide powder and reducing agent (solid powder) are mixed to produce a mixed powder (powder mixing step S01).
Moreover, an activator, a solvent, and resin are mixed and an organic mixture is produced | generated (organic substance mixing process S02).

粉末混合工程Ｓ０１で得られた混合粉末と、有機物混合工程Ｓ０２で得られた有機混合物と、を混合して撹拌する（撹拌工程Ｓ０３）。そして、撹拌工程Ｓ０３で得られた撹拌物を、例えば複数のロールを有するロールミル機を用いて練り込みながら混合する（混錬工程Ｓ０４）。
このようにして、本実施形態である接合材料が製出されることになる。なお、得られた接合材料は、冷蔵庫等によって低温（例えば５〜１５℃）で保存しておくことが好ましい。 The mixed powder obtained in the powder mixing step S01 and the organic mixture obtained in the organic matter mixing step S02 are mixed and stirred (stirring step S03). And the stirring thing obtained by stirring process S03 is mixed, kneading, for example using the roll mill machine which has a some roll (kneading process S04).
In this way, the bonding material according to the present embodiment is produced. In addition, it is preferable to preserve | save the obtained joining material at low temperature (for example, 5-15 degreeC) with a refrigerator etc.

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３に示すフロー図を参照して説明する。
まず、回路層１２となる銅板と、セラミックス基板１１とを接合する（回路層形成工程Ｓ１１）。ここで、セラミックス基板１１がＡｌ２Ｏ３で構成されていることから、銅板とセラミックス基板１１とを、銅（Ｃｕ）と亜酸化銅（Ｃｕ２Ｏ）の共晶域での液相を利用したＤＢＣ法（Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄｉｎｇ Ｃｏｐｐｅｒ）により接合する。具体的には、銅板とセラミックス基板１１とを接触させ、酸素が微量添加された窒素ガス雰囲気中において例えば１０７５℃で１０分加熱することで、銅板とセラミックス基板１１とが接合されることになる。 Next, the manufacturing method of the power module 1 which is this embodiment is demonstrated with reference to the flowchart shown in FIG.
First, the copper plate used as the circuit layer 12 and the ceramic substrate 11 are joined (circuit layer formation process S11). Here, since the ceramic substrate 11 is composed of Al 2 O 3 , the liquid phase in the eutectic region of copper (Cu) and cuprous oxide (Cu 2 O) is used for the copper plate and the ceramic substrate 11. Bonding is performed by the DBC method (Direct Bonding Copper). Specifically, the copper plate and the ceramic substrate 11 are brought into contact with each other, and heated in, for example, 1075 ° C. for 10 minutes in a nitrogen gas atmosphere to which a small amount of oxygen is added, thereby joining the copper plate and the ceramic substrate 11. .

次に、セラミックス基板１１の他方の面側に、金属層１３となるアルミニウム板を接合する（金属層形成工程Ｓ１２）。金属層１３となるアルミニウム板を、セラミックス基板１１の他方の面に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。なお、このろう付けの温度は、６４０℃〜６５０℃に設定されている。   Next, the aluminum plate used as the metal layer 13 is joined to the other surface side of the ceramic substrate 11 (metal layer forming step S12). An aluminum plate to be the metal layer 13 is laminated on the other surface of the ceramic substrate 11 via a brazing material, and the aluminum plate and the ceramic substrate 11 are joined by cooling after pressurization and heating. The brazing temperature is set to 640 ° C to 650 ° C.

次に、金属層１３の他方の面側に、冷却器４０をろう材を介して接合する（冷却器接合工程Ｓ１３）。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 is joined to the other surface side of the metal layer 13 via a brazing material (cooler joining step S13). Note that the brazing temperature of the cooler 40 is set to 590 ° C to 610 ° C.

そして、回路層１２の一方の面に、前述の接合材料を塗布する（接合材料塗布工程Ｓ１４）。
なお、接合材料を塗布する際には、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接合材料を回路層１２の一方の面の半導体素子３が搭載される部分に形成した。 And the above-mentioned joining material is apply | coated to one surface of the circuit layer 12 (joining material application | coating process S14).
In applying the bonding material, various means such as a screen printing method, an offset printing method, and a photosensitive process can be employed. In the present embodiment, the bonding material is formed on the portion of the circuit layer 12 on which the semiconductor element 3 is mounted by screen printing.

次に、接合材料を塗布した状態で乾燥（例えば、室温、大気雰囲気で２４時間保管）した後、接合材料の上に半導体素子３を積層する（半導体素子積層工程Ｓ１５）。
そして、半導体素子３とパワーモジュール用基板１０とを積層した状態で加熱炉内に装入し、接合材料の焼成を行う（焼成工程Ｓ１６）。このとき、荷重を０〜１０ＭＰａとし、焼成温度を１５０〜４００℃とする。
また、望ましくは半導体素子３とパワーモジュール用基板１０とを積層方向に加圧した状態で加熱することによって、より確実に接合することができる。 Next, after the bonding material is applied and dried (for example, stored at room temperature and air atmosphere for 24 hours), the semiconductor element 3 is stacked on the bonding material (semiconductor element stacking step S15).
Then, the semiconductor element 3 and the power module substrate 10 are stacked in the heating furnace, and the bonding material is fired (firing step S16). At this time, the load is set to 0 to 10 MPa, and the firing temperature is set to 150 to 400 ° C.
Desirably, the semiconductor element 3 and the power module substrate 10 can be bonded more reliably by heating them while being pressed in the stacking direction.

このようにして、半導体素子３と回路層１２との間に、銀の焼成体からなる接合層３１が形成され、半導体素子３と回路層１２とが接合される。これにより、本実施形態であるパワーモジュール１が製造される。   In this way, the bonding layer 31 made of a sintered body of silver is formed between the semiconductor element 3 and the circuit layer 12, and the semiconductor element 3 and the circuit layer 12 are bonded. Thereby, the power module 1 which is this embodiment is manufactured.

以上のような構成とされた本実施形態である接合材料においては、回路層１２の表面に形成される酸化膜（銅の酸化膜）を除去する活性剤を含んでいるので、回路層１２の表面に酸化膜が形成されたとしても、この酸化膜を除去することができ、回路層１２と半導体素子３とを確実に接合することが可能となる。
また、酸化銀粒子と還元剤とを含有しているので、酸化銀粒子が還元されることによって生成する金属Ａｇ粒子が焼結することで導電性の焼成体からなる接合層３１が形成されることになり、高温環境下においても接合強度が低下せず、接合信頼性を向上させることが可能となる。さらに、酸化銀を還元した場合には、微細なＡｇ粒子（還元Ａｇ粒子）が生成することから、接合層３１を緻密な構造の焼成体によって構成することができる。 The bonding material according to the present embodiment configured as described above includes an activator that removes an oxide film (copper oxide film) formed on the surface of the circuit layer 12. Even if an oxide film is formed on the surface, the oxide film can be removed, and the circuit layer 12 and the semiconductor element 3 can be reliably bonded.
Moreover, since the silver oxide particle and the reducing agent are contained, the joining layer 31 which consists of an electroconductive sintered body is formed by sintering the metal Ag particle produced | generated when a silver oxide particle is reduce | restored. In other words, the bonding strength does not decrease even in a high temperature environment, and the bonding reliability can be improved. Furthermore, when silver oxide is reduced, fine Ag particles (reduced Ag particles) are generated, so that the bonding layer 31 can be composed of a sintered body having a dense structure.

また、本実施形態の接合材料においては、活性剤を０．５質量％以上１０質量％以下の範囲内で含有しているので、確実に回路層１２の接合面の酸化膜を除去することができるとともに、焼成体からなる接合層３１の内部に活性剤成分が過度に残存することが防止される。よって、回路層１２と半導体素子３とを確実に接合することが可能となる。
さらに、本実施形態の接合材料においては、酸化銀粒子の含有量が６０質量％以上９０質量％以下、還元剤を５質量％以上１５質量％以下、の範囲で含有しているので、酸化銀粒子を確実に還元することができ、焼成体からなる接合層３１を緻密な構造とすることが可能となる。 In the bonding material of this embodiment, since the activator is contained in the range of 0.5% by mass or more and 10% by mass or less, the oxide film on the bonding surface of the circuit layer 12 can be surely removed. In addition, the activator component can be prevented from remaining excessively in the bonding layer 31 made of the fired body. Therefore, the circuit layer 12 and the semiconductor element 3 can be reliably bonded.
Furthermore, in the bonding material of the present embodiment, the content of silver oxide particles is in the range of 60% by mass to 90% by mass and the reducing agent is in the range of 5% by mass to 15% by mass. The particles can be reliably reduced, and the bonding layer 31 made of the fired body can have a dense structure.

本実施形態における活性剤は、銅板からなる回路層１２の接合面に形成された酸化膜（銅の酸化膜）を除去する作用を有するものとされており、具体的には、ロジン、ロジン誘導体、多価カルボン酸、ハロゲン化物のうちの１種又は２種以上とされているので、回路層１２の表面に形成される酸化膜を確実に除去することが可能となる。   The activator in the present embodiment has an action of removing an oxide film (copper oxide film) formed on the bonding surface of the circuit layer 12 made of a copper plate. Specifically, rosin, rosin derivatives In addition, since one or more of polyvalent carboxylic acid and halide are used, the oxide film formed on the surface of the circuit layer 12 can be reliably removed.

本実施形態であるパワーモジュールにおいては、回路層１２と半導体素子３とが、本実施形態である接合材料を用いて接合されているので、接合材料に含まれる活性剤によって、回路層１２の接合面に形成される酸化膜を除去することができ、回路層１２と半導体素子３とを確実に接合することができる。また、酸化銀が還元されることで生成する微細なＡｇ粒子（還元Ａｇ粒子）を焼結させているので、接合層３１を緻密な構造の焼成体によって構成することができる。さらに、高温環境下においても接合強度が低下せず、接合信頼性を向上させることが可能となる。   In the power module according to the present embodiment, since the circuit layer 12 and the semiconductor element 3 are bonded using the bonding material according to the present embodiment, the circuit layer 12 is bonded by the activator included in the bonding material. The oxide film formed on the surface can be removed, and the circuit layer 12 and the semiconductor element 3 can be reliably bonded. In addition, since the fine Ag particles (reduced Ag particles) generated by the reduction of silver oxide are sintered, the bonding layer 31 can be composed of a fired body having a dense structure. Furthermore, the bonding strength does not decrease even in a high temperature environment, and the bonding reliability can be improved.

また、本実施形態であるパワーモジュールの製造方法によれば、銅板からなる回路層１２と半導体素子３とを酸化銀を還元して生成した微細なＡｇ粒子（還元Ａｇ粒子）の焼成体からなる接合層３１によって接合することができる。また、接合材料に含まれる活性剤によって、回路層１２の接合面に形成される酸化膜を除去でき、回路層１２と半導体素子３との接合信頼性を大幅に向上させることができる。   In addition, according to the method for manufacturing a power module of the present embodiment, the circuit layer 12 made of a copper plate and the semiconductor element 3 are made of a sintered body of fine Ag particles (reduced Ag particles) generated by reducing silver oxide. Bonding can be performed by the bonding layer 31. Moreover, the oxide contained in the bonding surface of the circuit layer 12 can be removed by the activator contained in the bonding material, and the bonding reliability between the circuit layer 12 and the semiconductor element 3 can be greatly improved.

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、回路層を銅板で構成し、金属層をアルミニウム板で構成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、回路層及び金属層が銅板で構成されていてもよい。
あるいは、回路層及び金属層がアルミニウム板で構成されていてもよい。この場合、回路層の一方の面にＮｉ又はＮｉ合金からなるＮｉ層を形成することが好ましい。 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, although the circuit layer is configured by a copper plate and the metal layer is configured by an aluminum plate, the present invention is not limited to this, and the circuit layer and the metal layer may be configured by a copper plate.
Or the circuit layer and the metal layer may be comprised with the aluminum plate. In this case, it is preferable to form a Ni layer made of Ni or Ni alloy on one surface of the circuit layer.

また、銅板とセラミックス基板とを、銅（Ｃｕ）と亜酸化銅（Ｃｕ２Ｏ）の共晶域での液相を利用したＤＢＣ法により接合するものとして説明したが、これに限定されることはなく、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材を用いた活性金属法や鋳造法等によって接合するものであってもよい。
さらに、アルミニウム板とセラミックス基板とをろう付けにて接合するものとして説明したが、これに限定されることはなく、過渡液相接合法（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｂｏｎｄｉｎｇ）、鋳造法等によって接合するものであってもよい。 Also, the copper plate and the ceramic substrate, have been described as being bonded by copper (Cu) and DBC method using a cuprous oxide (Cu 2 O) a liquid phase at eutectic zone, which is limited to It may be joined by an active metal method using an Ag-Cu-Ti brazing filler metal or a casting method.
Furthermore, although it demonstrated as what joins an aluminum plate and a ceramic substrate by brazing, it is not limited to this, It joins by a transient liquid phase bonding method (Transient Liquid Phase Bonding), a casting method, etc. There may be.

また、接合材料の原料、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い。
さらに、絶縁層としてＡｌ２Ｏ３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、Ｓｉ３Ｎ４やＡｌＮ等からなるセラミックス基板を用いてもよいし、絶縁樹脂によって絶縁層を構成してもよい。 Further, the raw materials and blending amounts of the bonding material are not limited to those described in the embodiment.
Further, it is described that uses a ceramic substrate made of Al 2 O 3 as an insulating layer, is not limited thereto, may be used a ceramic substrate made of Si 3 N 4 and AlN, etc., insulation The insulating layer may be made of resin.

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し、その他の材料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。 Further, a buffer layer made of aluminum, an aluminum alloy, or a composite material containing aluminum (for example, AlSiC) may be provided between the top plate portion of the cooler and the metal layer.
Furthermore, although demonstrated as what comprised the top-plate part of the cooler with aluminum, you may be comprised with the composite material containing aluminum alloy or aluminum, etc., and may be comprised with another material. 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.

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。
本実施形態に記載された方法によって接合材料を製造した。このとき、表１に示すように、組成を変更した。 Below, the result of the confirmation experiment performed in order to confirm the effect of this invention is demonstrated.
A bonding material was manufactured by the method described in this embodiment. At this time, as shown in Table 1, the composition was changed.

そして、この接合材料を用いて、パワーモジュール用基板の回路層の上に半導体素子を接合した。
ここで、パワーモジュール用基板としては、ＤＢＣＡ基板とＤＢＡ基板の２種類を準備した。 And using this joining material, the semiconductor element was joined on the circuit layer of the board | substrate for power modules.
Here, as the power module substrate, two types of DBCA substrate and DBA substrate were prepared.

ＤＢＣＡ基板は、セラミックス基板の一方の面に回路層となる銅板を接合し、セラミックス基板の他方の面に金属層となるアルミニウム板を接合した。ここで、セラミックス基板は、ＡｌＮとし、サイズは２７ｍｍ×１７ｍｍ×０．６ｍｍとした。回路層となる銅板は、純度９９．９９質量％以上の無酸素銅（ＯＦＣ）とし、サイズは２５ｍｍ×１５ｍｍ×０．３ｍｍとした。金属層となるアルミニウム板は、純度９９．９９％以上の４Ｎアルミニウムとし、サイズは２５ｍｍ×１５ｍｍ×０．６ｍｍとした。   In the DBCA substrate, a copper plate serving as a circuit layer was bonded to one surface of the ceramic substrate, and an aluminum plate serving as a metal layer was bonded to the other surface of the ceramic substrate. Here, the ceramic substrate was AlN, and the size was 27 mm × 17 mm × 0.6 mm. The copper plate used as the circuit layer was oxygen free copper (OFC) with a purity of 99.99% by mass or more, and the size was 25 mm × 15 mm × 0.3 mm. The aluminum plate used as the metal layer was 4N aluminum having a purity of 99.99% or more, and the size was 25 mm × 15 mm × 0.6 mm.

ＤＢＡ基板は、セラミックス基板の一方の面に回路層となるアルミニウム板を接合し、セラミックス基板の他方の面に金属層となるアルミニウム板を接合した。ここで、セラミックス基板は、ＡｌＮとし、サイズは２７ｍｍ×１７ｍｍ×０．６ｍｍとした。回路層となるアルミニウム板は、純度９９．９９％以上の４Ｎアルミニウムとし、サイズは２５ｍｍ×１５ｍｍ×０．６ｍｍとした。金属層となるアルミニウム板は、純度９９．９９％以上の４Ｎアルミニウムとし、サイズは２５ｍｍ×１５ｍｍ×０．６ｍｍとした。なお、回路層の表面に、厚さ５μｍのＮｉめっき膜を形成した。   For the DBA substrate, an aluminum plate serving as a circuit layer was bonded to one surface of the ceramic substrate, and an aluminum plate serving as a metal layer was bonded to the other surface of the ceramic substrate. Here, the ceramic substrate was AlN, and the size was 27 mm × 17 mm × 0.6 mm. The aluminum plate to be the circuit layer was 4N aluminum having a purity of 99.99% or more, and the size was 25 mm × 15 mm × 0.6 mm. The aluminum plate used as the metal layer was 4N aluminum having a purity of 99.99% or more, and the size was 25 mm × 15 mm × 0.6 mm. A Ni plating film having a thickness of 5 μm was formed on the surface of the circuit layer.

半導体素子は、ＩＧＢＴ素子とし、サイズは、１３ｍｍ×１０ｍｍ×０．２５ｍｍのものを使用した。
半導体素子の接合条件は、加熱温度３００℃、加熱時間２時間、加圧圧力３ＭＰａとした。また、雰囲気は、表１に示すように、大気雰囲気又は窒素雰囲気とした。 The semiconductor element was an IGBT element, and a size of 13 mm × 10 mm × 0.25 mm was used.
The bonding conditions of the semiconductor elements were a heating temperature of 300 ° C., a heating time of 2 hours, and a pressing pressure of 3 MPa. Further, as shown in Table 1, the atmosphere was an air atmosphere or a nitrogen atmosphere.

なお、従来例として、上述のＤＢＡ基板の回路層の表面に、厚さ５μｍのＮｉめっき膜を形成し、はんだ材（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系無鉛はんだ）を介して半導体素子を載置し、還元炉内ではんだ接合した。   As a conventional example, a 5 μm-thick Ni plating film is formed on the surface of the circuit layer of the above-described DBA substrate, and a semiconductor element is placed via a solder material (Sn—Ag—Cu-based lead-free solder). Solder joining was performed in a reduction furnace.

得られた各種パワーモジュールについて、初期接合率、パワーサイクル負荷前後の熱抵抗の上昇率を評価した。
接合率は、超音波探傷装置を用いて評価し、以下の式から算出した。ここで、初期接合面積とは、接合前における接合すべき面積、すなわち半導体素子面積とした。超音波探傷像において剥離は接合部内の白色部で示されることから、この白色部の面積を剥離面積とした。
接合率 ＝ （初期接合面積−剥離面積）／初期接合面積 For the various power modules obtained, the initial bonding rate and the rate of increase in thermal resistance before and after power cycle loading were evaluated.
The joining rate was evaluated using an ultrasonic flaw detector and calculated from the following equation. Here, the initial bonding area is an area to be bonded before bonding, that is, a semiconductor element area. In the ultrasonic flaw detection image, peeling is indicated by a white portion in the joint, and thus the area of the white portion was taken as the peeling area.
Bonding rate = (initial bonding area-peeling area) / initial bonding area

熱抵抗は、次のようにして測定した。ヒータチップを１００Ｗの電力で加熱し、熱電対を用いてヒータチップの温度を実測した。また、ヒートシンクを流通する冷却媒体（エチレングリコール：水＝９：１）の温度を実測した。そして、ヒータチップの温度と冷却媒体の温度差を電力で割った値を熱抵抗とした。   The thermal resistance was measured as follows. The heater chip was heated with a power of 100 W, and the temperature of the heater chip was measured using a thermocouple. Further, the temperature of the cooling medium (ethylene glycol: water = 9: 1) flowing through the heat sink was measured. And the value which divided the temperature difference of a heater chip | tip and the temperature of a cooling medium with electric power was made into thermal resistance.

パワーサイクル試験は、ヒータチップに、１５Ｖ、１５０Ａの通電条件で、通電時間２秒、冷却時間８秒を繰り返し実施し、ＩＧＢＴ素子の温度を３０℃から１３０℃の範囲で変化させた。このパワーサイクルを２０万回実施した後、それぞれの熱抵抗の上昇率を測定した。
評価結果を表１に示す。 In the power cycle test, the heater chip was repeatedly subjected to an energization time of 2 seconds and a cooling time of 8 seconds under an energization condition of 15 V and 150 A, and the temperature of the IGBT element was changed within a range of 30 ° C to 130 ° C. After performing this power cycle 200,000 times, the rate of increase of each thermal resistance was measured.
The evaluation results are shown in Table 1.

Figure 0006010926
Figure 0006010926

はんだ材を用いた従来例においては、初期接合率は高いものの、パワーサイクル試験後に熱抵抗が大きく上昇している。高温環境下においては、接合信頼性が低下することが確認される。
一方、活性剤を添加していない比較例１−３においては、初期接合率が低い。これは、回路層表面に酸化膜を除去できないため、半導体素子と回路層とのが十分に接合できなかったためと推測される。 In the conventional example using the solder material, although the initial joining rate is high, the thermal resistance is greatly increased after the power cycle test. It is confirmed that the bonding reliability decreases under a high temperature environment.
On the other hand, in Comparative Example 1-3 in which no activator is added, the initial bonding rate is low. This is presumably because the oxide film could not be removed on the surface of the circuit layer, so that the semiconductor element and the circuit layer could not be sufficiently bonded.

これに対して、適量の活性剤を含有する本発明の実施例１−６においては、初期接合率が高く、かつ、パワーサイクル試験後の熱抵抗の上昇も抑えられている。よって、高温環境下においても接合信頼性が維持されることが確認された。   On the other hand, in Example 1-6 of the present invention containing an appropriate amount of activator, the initial bonding rate is high, and the increase in thermal resistance after the power cycle test is also suppressed. Therefore, it was confirmed that the bonding reliability was maintained even in a high temperature environment.

１ パワーモジュール
３ 半導体素子（被接合体）
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（金属部材）
３１ 接合層 1 Power module 3 Semiconductor element (bonded body)
10 Power Module Substrate 11 Ceramic Substrate (Insulating Layer)
12 Circuit layer (metal member)
31 Bonding layer

Claims (6)

金属部材と被接合体とを接合する際に用いられる接合材料であって、
酸化銀粒子を６０質量％以上９０質量％以下、前記酸化銀粒子を還元して微細な還元Ａｇ粒子を生成する還元剤を５質量％以上１５質量％以下、前記金属部材表面の酸化膜を除去する活性剤を０．５質量％以上１０質量％以下の範囲、樹脂を０質量％以上２質量％以下の範囲で含有し、残部が溶剤とされていることを特徴とする接合材料。 A joining material used when joining a metal member and an object to be joined,
60% by mass or more and 90% by mass or less of silver oxide particles , 5% by mass or more and 15% by mass or less of a reducing agent that reduces the silver oxide particles to produce fine reduced Ag particles, and removes the oxide film on the surface of the metal member A bonding material characterized in that the activator is contained in a range of 0.5 mass% to 10 mass%, the resin is contained in a range of 0 mass% to 2 mass%, and the remainder is a solvent. 前記活性剤が、ロジン、ロジン誘導体、多価カルボン酸、ハロゲン化物のうちの１種又は２種以上であることを特徴とする請求項１に記載の接合材料。   The bonding material according to claim 1, wherein the activator is one or more of rosin, rosin derivative, polyvalent carboxylic acid, and halide. 絶縁層の一方の面に金属からなる回路層が配設されたパワーモジュール用基板と、前記回路層上に搭載される半導体素子と、を備えたパワーモジュールであって、
前記回路層と前記半導体素子とが、請求項１又は請求項２に記載の接合材料を用いて接合されており、前記回路層と前記半導体素子と間に、酸化銀が還元されたＡｇの焼成体からなる接合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。 A power module comprising a power module substrate in which a circuit layer made of metal is disposed on one surface of an insulating layer, and a semiconductor element mounted on the circuit layer,
The said circuit layer and the said semiconductor element are joined using the joining material of Claim 1 or Claim 2, Between the said circuit layer and the said semiconductor element, baking of Ag by which silver oxide was reduce | restored A power module comprising a bonding layer formed of a body. 前記回路層が、銅又は銅合金で構成されていることを特徴とする請求項３に記載のパワーモジュール。   The power module according to claim 3, wherein the circuit layer is made of copper or a copper alloy. 前記回路層の一方の面に、Ｎｉ又はＮｉ合金層が形成されていることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載のパワーモジュール。   The power module according to claim 3, wherein a Ni or Ni alloy layer is formed on one surface of the circuit layer. 絶縁層の一方の面に金属からなる回路層が配設されたパワーモジュール用基板と、前記回路層上に搭載される半導体素子と、を備えたパワーモジュールの製造方法であって、
前記回路層と前記半導体素子との間に、請求項１又は請求項２に記載の接合材料を配設する工程と、
前記接合材料を介して前記半導体素子と前記パワーモジュール用基板とを積層する工程と、
前記半導体素子と前記パワーモジュール用基板とを積層した状態で加熱して、前記回路層と前記半導体素子と間に、酸化銀が還元されたＡｇの焼成体からなる接合層を形成する工程と、
を備えていることを特徴とするパワーモジュールの製造方法。 A power module manufacturing method comprising: a power module substrate in which a circuit layer made of metal is disposed on one surface of an insulating layer; and a semiconductor element mounted on the circuit layer,
Disposing the bonding material according to claim 1 or 2 between the circuit layer and the semiconductor element;
Laminating the semiconductor element and the power module substrate via the bonding material;
Heating the semiconductor element and the power module substrate in a stacked state to form a bonding layer made of a sintered body of Ag reduced in silver oxide between the circuit layer and the semiconductor element;
A method for manufacturing a power module, comprising:
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