JP6171912B2 - Ag base layer-attached metal member, insulated circuit board, semiconductor device, heat sink-equipped insulating circuit board, and method for manufacturing Ag base layer-attached metal member - Google Patents

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Description

この発明は、被接合体と接合される金属部材とこの金属部材の表面に形成されたAg下地層とを備えたAg下地層付き金属部材、このAg下地層付き金属部材を有する絶縁回路基板、この絶縁回路基板を備えた半導体装置、ヒートシンク付き絶縁回路基板、及び、Ag下地層付き金属部材の製造方法に関するものである。   The present invention provides a metal member with an Ag base layer including a metal member to be joined to a body to be joined and an Ag base layer formed on the surface of the metal member, an insulating circuit board having the metal member with the Ag base layer, The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device provided with this insulating circuit board, an insulating circuit board with a heat sink, and a metal member with an Ag underlayer.

LEDやパワーモジュール等の半導体装置においては、導電材料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。
風力発電、電気自動車、ハイブリッド自動車等を制御するために用いられる大電力制御用のパワー半導体素子においては、発熱量が多いことから、これを搭載する基板としては、例えばAlN(窒化アルミ)、Al(アルミナ)などのセラミックス基板からなる絶縁層と、この絶縁層の一方の面に導電性の優れた金属を配設して形成した回路層と、を備えた絶縁回路基板が、従来から広く用いられている。なお、絶縁回路基板としては、絶縁層の他方の面に熱伝導性に優れた金属を配設して形成した金属層を備えたものも提供されている。
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 conductive material.
In power semiconductor elements for large power control used to control wind power generation, electric vehicles, hybrid vehicles, etc., the amount of heat generated is large. Therefore, for example, AlN (aluminum nitride), Al An insulating circuit board comprising an insulating layer made of a ceramic substrate such as 2 O 3 (alumina) and a circuit layer formed by disposing a metal having excellent conductivity on one surface of the insulating layer has been conventionally used. Widely used. In addition, as an insulating circuit board, a board provided with a metal layer formed by disposing a metal having excellent thermal conductivity on the other surface of the insulating layer is also provided.

例えば、特許文献1には、回路層及び金属層を構成する第一の金属板及び第二の金属板を銅板とし、この銅板をDBC法によってセラミックス基板に直接接合した絶縁回路基板が提案されている。このDBC法においては、銅と銅酸化物との共晶反応を利用することにより、銅板とセラミックス基板との界面に液相を生じさせ、銅板とセラミックス基板とを接合している。   For example, Patent Document 1 proposes an insulated circuit board in which a first metal plate and a second metal plate constituting a circuit layer and a metal layer are copper plates, and this copper plate is directly bonded to a ceramic substrate by a DBC method. Yes. In this DBC method, by utilizing a eutectic reaction between copper and copper oxide, a liquid phase is generated at the interface between the copper plate and the ceramic substrate, and the copper plate and the ceramic substrate are joined.

この特許文献1に記載された絶縁回路基板においては、回路層の表面に半導体素子等の電子部品が実装され、金属層の表面にヒートシンクベースがはんだ付けされている。そして、半導体素子等の電子部品で発生した熱を、絶縁回路基板側に伝達し、ヒートシンクベースを介して外部へ放散する構成とされている。
最近では、環境保護の観点から、半導体素子等の電子部品と回路層、ヒートシンクベースと金属層と接合する際に用いられ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系等の鉛フリーはんだが主流となっている。
In the insulated circuit board described in Patent Document 1, an electronic component such as a semiconductor element is mounted on the surface of a circuit layer, and a heat sink base is soldered on the surface of a metal layer. Then, heat generated in an electronic component such as a semiconductor element is transmitted to the insulating circuit board side and dissipated to the outside through a heat sink base.
Recently, from the viewpoint of environmental protection, as a solder material used when joining an electronic component such as a semiconductor element and a circuit layer, or a heat sink base and a metal layer, for example, Sn-Ag, Sn-In, or Sn- Lead-free solders such as Ag-Cu are the mainstream.

ここで、銅又は銅合金からなる回路層や金属層に直接はんだ接合した場合には、溶融したはんだ材と銅とが反応して回路層や金属層の内部にはんだ材の成分が侵入し、回路層や金属層の特性が劣化するおそれがある。このため、従来は、回路層や金属層の表面にNiめっき膜を形成し、はんだ接合を実施している。
また、最近では、シリコン半導体からSiC又はGaNなど化合物半導体素子の実用化が期待されており、半導体素子自体の耐熱性の向上が見込まれるため、はんだ材よりも耐熱性に優れた接合材が求められている。
Here, when directly soldering to a circuit layer or a metal layer made of copper or a copper alloy, the molten solder material reacts with copper, and the components of the solder material penetrate into the circuit layer or the metal layer, The characteristics of the circuit layer and the metal layer may be deteriorated. For this reason, conventionally, a Ni plating film is formed on the surface of a circuit layer or a metal layer, and solder bonding is performed.
Also, recently, compound semiconductor elements such as SiC or GaN are expected to be put into practical use from silicon semiconductors, and since the heat resistance of the semiconductor elements themselves is expected to be improved, there is a need for a bonding material that has better heat resistance than solder materials. It has been.

そこで、はんだ材の代替として、例えば、特許文献2には、金属粒子と有機物とを有する金属ペーストを用いて半導体素子等の電子部品やヒートシンクベースを接合する技術が提案されている。
また、特許文献3、4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やヒートシンクベースを接合する技術が提案されている。
Therefore, as an alternative to the solder material, for example, Patent Document 2 proposes a technique for joining an electronic component such as a semiconductor element or a heat sink base using a metal paste having metal particles and an organic substance.
Patent Documents 3 and 4 propose a technique for joining an electronic component such as a semiconductor element or a heat sink base using an oxide paste containing metal oxide particles and an organic reducing agent.

しかしながら、特許文献2−4に開示されたように、はんだ材を使用せずに金属ペーストあるいは酸化物ペーストを用いて半導体素子等の電子部品を接合した場合には、これらペーストの焼成体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等の電子部品に作用しやすくなり、半導体素子等の電子部品自体が破損してしまうおそれがあった。同様に、金属層とヒートシンクとの間に形成される接合層が薄くなると、絶縁回路基板とヒートシンクとの熱膨張係数の差によって生じる熱ひずみが絶縁回路基板に作用し、絶縁層に亀裂が生じるおそれがあった。   However, as disclosed in Patent Documents 2-4, when an electronic component such as a semiconductor element is joined using a metal paste or an oxide paste without using a solder material, it is made of a fired body of these pastes. Since the bonding layer is formed to be thinner than the solder material, the stress at the time of thermal cycle load tends to act on the electronic component such as a semiconductor element, and the electronic component such as the semiconductor element itself may be damaged. It was. Similarly, when the bonding layer formed between the metal layer and the heat sink becomes thin, thermal strain caused by the difference in thermal expansion coefficient between the insulating circuit board and the heat sink acts on the insulating circuit board, and the insulating layer is cracked. There was a fear.

そこで、特許文献5、6には、ガラス含有Agペーストを用いて銅からなる回路層上にAg下地層を形成した後に、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、ガラス含有Agペーストを銅からなる回路層の表面に塗布し、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下地層を形成し、このAg下地層が形成された回路層上に、はんだ材によって半導体素子を接合している。
ここで、Ag下地層は、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。このガラス層中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。
Therefore, in Patent Documents 5 and 6, there is a technique for joining a circuit layer and a semiconductor element via a solder material or Ag paste after forming an Ag underlayer on a circuit layer made of copper using a glass-containing Ag paste. Proposed. In this technique, a glass-containing Ag paste is applied to the surface of a circuit layer made of copper and baked to remove the oxide film formed on the surface of the circuit layer by reacting with glass to form an Ag underlayer. The semiconductor element is joined with a solder material on the circuit layer on which the Ag base layer is formed.
Here, the Ag underlayer 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 ensured by the conductive particles.

特開平04−162756号公報Japanese Patent Laid-Open No. 04-162756 特開2006−202938号公報JP 2006-202938 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2012−109315号公報JP 2012-109315 A 特開2013−12706号公報JP2013-12706A

ところで、特許文献5、6のガラス含有ペーストを用いて回路層の表面にAg下地層を形成し、回路層と半導体素子等の電子部品とを接合した場合、Ag下地層においてガラス層が厚く形成されると電気抵抗値が大きくなることから、回路層と半導体素子等の電子部品との間の導電性を確保できなくなるおそれがあった。
また、特許文献5、6のガラス含有ペーストを用いて金属層の表面にAg下地層を形成し、金属層とヒートシンクとを接合した場合、電気抵抗値が高くなると熱伝導性も劣化することから、金属層からヒートシンクへの熱伝達も阻害され、熱を効率的に放散することができなくなるおそれがあった。
By the way, when an Ag underlayer is formed on the surface of a circuit layer using the glass-containing pastes of Patent Documents 5 and 6, and the circuit layer and an electronic component such as a semiconductor element are joined, the glass layer is formed thick in the Ag underlayer. Then, since the electric resistance value becomes large, there is a possibility that the conductivity between the circuit layer and the electronic component such as a semiconductor element cannot be secured.
Moreover, when an Ag underlayer is formed on the surface of the metal layer using the glass-containing pastes of Patent Documents 5 and 6, and the metal layer and the heat sink are joined, thermal conductivity deteriorates as the electrical resistance value increases. Further, heat transfer from the metal layer to the heat sink is also inhibited, and there is a possibility that heat cannot be efficiently dissipated.

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、金属部材とAg下地層との接合強度に優れ、導電性及び熱伝導性を確保することができるAg下地層付き金属部材、このAg下地層付き金属部材からなる絶縁回路基板、この絶縁回路基板を用いた半導体装置及びヒートシンク付き絶縁回路基板、並びに、Ag下地層付き金属部材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 is excellent in bonding strength between a metal member and an Ag underlayer, and can provide a metal member with an Ag underlayer capable of ensuring conductivity and thermal conductivity. An object of the present invention is to provide an insulating circuit board made of a metal member with an Ag underlayer, a semiconductor device using the insulating circuit board, an insulating circuit board with a heat sink, and a method for producing a metal member with an Ag underlayer.

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Ag下地層付き金属部材は、被接合体と接合される金属部材と、この金属部材の表面に形成されたAg下地層と、を備えたAg下地層付き金属部材であって、前記金属部材のうち前記被接合体と接合される接合面には、銅又は銅合金からなる銅層が形成され、この銅層の表面には、Ag下地層が形成されており、前記Ag下地層は、複数のAg粒子が、Ag及びSnを含む金属間化合物によって結合された構造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-described object, the metal member with an Ag underlayer of the present invention includes a metal member to be bonded to a member to be bonded, and an Ag layer formed on the surface of the metal member. A copper layer made of copper or a copper alloy is formed on a joint surface of the metal member to be joined to the body to be joined. An Ag underlayer is formed on the surface, and the Ag underlayer has a structure in which a plurality of Ag particles are bonded by an intermetallic compound containing Ag and Sn.

この構成のAg下地層付き金属部材においては、金属部材のうち前記被接合体と接合される接合面に形成された銅層とAg下地層のAg及びSnを含む金属間化合物とが互いに拡散することにより、Ag下地層と銅層とが確実に接合される。そして、複数のAg粒子がAg及びSnを含む金属間化合物によって結合されているので、銅層の表面にAg粒子が積層したAg下地層を形成することができる。したがって、金属部材とAg下地層との接合強度に優れ、導電性及び熱伝導性を確保することが可能なAg下地層付き金属部材を得ることができる。   In the metal member with an Ag underlayer having this configuration, the copper layer formed on the bonding surface to be bonded to the object to be bonded and the intermetallic compound containing Ag and Sn in the Ag underlayer diffuse to each other. Thus, the Ag underlayer and the copper layer are reliably bonded. And since several Ag particle | grains are couple | bonded by the intermetallic compound containing Ag and Sn, the Ag base layer which laminated | stacked Ag particle | grains on the surface of a copper layer can be formed. Therefore, it is possible to obtain a metal member with an Ag underlayer that has excellent bonding strength between the metal member and the Ag underlayer, and that can ensure conductivity and thermal conductivity.

ここで、本発明の絶縁回路基板は、絶縁層と、この絶縁層の一方の面に配設された回路層と、を備えた絶縁回路基板であって、前記回路層のうち前記絶縁層が配設された面と反対側の面に前記銅層が備えられ、この銅層の表面にAg下地層が形成され、前記回路層及び前記Ag下地層が上述のAg下地層付き金属部材とされており、前記Ag下地層は、複数のAg粒子が、Ag及びSnを含む金属間化合物によって結合された構造とされていることを特徴としている。   Here, the insulated circuit board of the present invention is an insulated circuit board comprising an insulating layer and a circuit layer disposed on one surface of the insulating layer, and the insulating layer of the circuit layers includes the insulating layer. The copper layer is provided on the surface opposite to the disposed surface, an Ag underlayer is formed on the surface of the copper layer, and the circuit layer and the Ag underlayer are the above-described metal member with the Ag underlayer. The Ag underlayer has a structure in which a plurality of Ag particles are bonded by an intermetallic compound containing Ag and Sn.

この構成の絶縁回路基板においては、回路層のうち前記絶縁層が配設された面と反対側の面に形成された銅層とAg下地層のAg及びSnを含む金属間化合物とが互いに拡散することにより、Ag下地層と銅層とが確実に接合される。そして、複数のAg粒子がAg及びSnを含む金属間化合物によって結合されているので、銅層の表面にAg粒子が積層したAg下地層を形成することができる。よって、半導体素子等の電子部品と回路層とを確実に接合することが可能となる。また、Ag及びSnを含む金属間化合物とAgとによってAg下地層が形成されているので、回路層と半導体素子等の電子部品との間の導電性及び熱伝導性を確保することができる。   In the insulated circuit board having this configuration, the copper layer formed on the surface of the circuit layer opposite to the surface on which the insulating layer is disposed and the intermetallic compound containing Ag and Sn of the Ag underlayer diffuse each other. By doing so, the Ag underlayer and the copper layer are reliably bonded. And since several Ag particle | grains are couple | bonded by the intermetallic compound containing Ag and Sn, the Ag base layer which laminated | stacked Ag particle | grains on the surface of a copper layer can be formed. Therefore, it is possible to reliably bond the electronic component such as a semiconductor element and the circuit layer. In addition, since the Ag base layer is formed of the intermetallic compound containing Ag and Sn and Ag, it is possible to ensure conductivity and thermal conductivity between the circuit layer and the electronic component such as a semiconductor element.

また、本発明の絶縁回路基板は、絶縁層と、この絶縁層の一方の面に配設された回路層と、前記絶縁層の他方の面に配設された金属層と、を備えた絶縁回路基板であって、前記金属層のうち前記絶縁層が配設された面と反対側の面に前記銅層が備えられ、この銅層の表面に前記Ag下地層が形成され、前記金属層及び前記Ag下地層が上述のAg下地層付き金属部材とされており、前記Ag下地層は、複数のAg粒子が、Ag及びSnを含む金属間化合物によって結合された構造とされていることを特徴としている。   The insulating circuit board of the present invention includes an insulating layer, an insulating layer, a circuit layer disposed on one surface of the insulating layer, and a metal layer disposed on the other surface of the insulating layer. It is a circuit board, The said copper layer is provided in the surface on the opposite side to the surface where the said insulating layer was arrange | positioned among the said metal layers, The said Ag base layer is formed in the surface of this copper layer, The said metal layer And the Ag underlayer is the above-described metal member with an Ag underlayer, and the Ag underlayer has a structure in which a plurality of Ag particles are bonded by an intermetallic compound containing Ag and Sn. It is a feature.

この構成の絶縁回路基板においては、金属層のうち前記絶縁層が配設された面と反対側の面に形成された銅層とAg下地層のAg及びSnを含む金属間化合物とが互いに拡散することにより、Ag下地層と銅層とが確実に接合されるとともに、複数のAg粒子がAg及びSnを含む金属間化合物によって結合されているので、銅層の表面にAg粒子が積層したAg下地層を形成することができる。よって、ヒートシンクと金属層とを確実に接合することが可能となる。また、Ag及びSnを含む金属間化合物とAgとによってAg下地層が形成されているので、熱伝導性を確保することができ、絶縁回路基板側の熱をヒートシンク側へ効率的に放散することができる。   In the insulated circuit board having this configuration, the copper layer formed on the surface of the metal layer opposite to the surface on which the insulating layer is disposed and the intermetallic compound containing Ag and Sn of the Ag underlayer diffuse each other. By doing so, the Ag underlayer and the copper layer are securely joined together, and a plurality of Ag particles are bonded by an intermetallic compound containing Ag and Sn. Therefore, the Ag particles are laminated on the surface of the copper layer. An underlayer can be formed. Therefore, it is possible to reliably bond the heat sink and the metal layer. In addition, since the Ag underlayer is formed of the intermetallic compound containing Ag and Sn and Ag, the thermal conductivity can be ensured, and the heat on the insulating circuit board side can be efficiently dissipated to the heat sink side. Can do.

また、本発明の半導体装置は、上述の絶縁回路基板と、前記Ag下地層に接合された半導体素子と、を備えた半導体装置であって、前記Ag下地層と前記半導体素子とが、Ag及び酸化銀の一方又は両方と有機物とを含む接合材の焼成体からなる接合層により接合されていることを特徴としている。   According to another aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device comprising: the above-described insulating circuit substrate; and a semiconductor element bonded to the Ag base layer, wherein the Ag base layer and the semiconductor element include Ag and It is characterized by being bonded by a bonding layer made of a sintered body of a bonding material containing one or both of silver oxide and an organic substance.

この構成の半導体装置によれば、回路層のうち銅又は銅合金からなる銅層の表面に形成されたAg下地層とAg及び酸化銀の一方又は両方と有機物とを含む接合材の焼成体からなる接合層とが同種の金属同士の接合となることから、回路層と半導体素子等の電子部品とを確実に接合することができる。よって、接合信頼性に優れ、かつ、確実に回路層と電子部品とが電気的に接合された半導体装置を提供することができる。   According to the semiconductor device of this configuration, from the sintered body of the bonding material including the Ag underlayer formed on the surface of the copper layer made of copper or a copper alloy of the circuit layers, one or both of Ag and silver oxide, and the organic substance. Therefore, the circuit layer and the electronic component such as a semiconductor element can be reliably bonded to each other. Therefore, it is possible to provide a semiconductor device that is excellent in bonding reliability and in which the circuit layer and the electronic component are securely bonded.

また、本発明のヒートシンク付き絶縁回路基板は、上述の絶縁回路基板と、前記Ag下地層に接合されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付き絶縁回路基板であって、前記Ag下地層と前記ヒートシンクとが、Ag及び酸化銀の一方又は両方と有機物とを含む接合材の焼成体からなる接合層により接合されていることを特徴としている。   An insulated circuit board with a heat sink according to the present invention is an insulated circuit board with a heat sink comprising the above-described insulated circuit board and a heat sink bonded to the Ag underlayer, wherein the Ag underlayer and the heat sink Are bonded by a bonding layer made of a sintered body of a bonding material containing one or both of Ag and silver oxide and an organic substance.

この構成の半導体装置によれば、金属層のうち銅又は銅合金からなる銅層の表面に形成されたAg下地層とAg及び酸化銀の一方又は両方と有機物とを含む接合材の焼成体からなる接合層とが同種の金属同士の接合となることから、金属層とヒートシンクとを確実に接合することができる。よって、金属層とヒートシンクとが確実に接合され、絶縁回路基板側の熱をヒートシンク側に効率的に放散することが可能なヒートシンク付き絶縁回路基板を提供することができる。   According to the semiconductor device of this configuration, from the sintered body of the bonding material including the Ag underlayer formed on the surface of the copper layer made of copper or a copper alloy of the metal layer, one or both of Ag and silver oxide, and the organic substance. Therefore, the metal layer and the heat sink can be reliably bonded to each other. Therefore, it is possible to provide an insulating circuit board with a heat sink in which the metal layer and the heat sink are securely bonded and heat on the insulating circuit board side can be efficiently dissipated to the heat sink side.

また、本発明のAg下地層付き金属部材の製造方法は、被接合体と接合される金属部材と、この金属部材の表面に形成されたAg下地層と、を備えたAg下地層付き金属部材の製造方法であって、前記金属部材のうち前記被接合体が接合される接合面に、銅又は銅合金からなる銅層を配設する銅層配設工程と、前記銅層の表面に、Ag粉末とSn又はSn合金の粉末とを含有するAg下地層形成用ペーストを塗布して加熱処理することにより、複数のAg粒子がAg及びSnを含む金属間化合物によって結合された構造とされたAg下地層を形成するAg下地層形成工程と、を備えていることを特徴としている。   Moreover, the manufacturing method of the metal member with an Ag base layer of this invention is a metal member with an Ag base layer provided with the metal member joined to a to-be-joined body, and the Ag base layer formed in the surface of this metal member. A copper layer disposing step of disposing a copper layer made of copper or a copper alloy on a bonding surface to which the object to be bonded is bonded among the metal members, and a surface of the copper layer, By applying and heat-treating an Ag underlayer forming paste containing Ag powder and Sn or Sn alloy powder, a plurality of Ag particles were combined by an intermetallic compound containing Ag and Sn. And an Ag underlayer forming step for forming an Ag underlayer.

この構成のAg下地層付き金属部材の製造方法によれば、金属部材のうち前記被接合体が接合される接合面に銅又は銅合金からなる銅層を配設し、この銅層の表面にAg粉末とSn又はSn合金の粉末とを含有するAg下地層形成用ペーストを塗布して加熱処理することによりAg下地層を形成するAg下地層形成工程を備えているので、金属部材(銅層)の接合面に、複数のAg粒子がAg及びSnを含む金属間化合物によって結合された構造のAg下地層を確実に形成することができる。   According to the method of manufacturing a metal member with an Ag underlayer having this configuration, a copper layer made of copper or a copper alloy is disposed on the bonding surface of the metal member to which the object to be bonded is bonded, and the surface of the copper layer is arranged. Since there is provided an Ag underlayer forming step of forming an Ag underlayer by applying an Ag underlayer forming paste containing Ag powder and Sn or Sn alloy powder and heat-treating the metal member (copper layer) ), An Ag underlayer having a structure in which a plurality of Ag particles are bonded by an intermetallic compound containing Ag and Sn can be reliably formed.

本発明によれば、金属部材とAg下地層との接合強度に優れ、導電性及び熱伝導性を確保することができるAg下地層付き金属部材、このAg下地層付き金属部材からなる絶縁回路基板、この絶縁回路基板を用いた半導体装置及びヒートシンク付き絶縁回路基板、並びに、Ag下地層付き金属部材の製造方法を提供することが可能となる。   According to the present invention, a metal member with an Ag base layer that is excellent in bonding strength between the metal member and the Ag base layer, and can ensure electrical conductivity and thermal conductivity, and an insulating circuit board comprising the metal member with the Ag base layer It is possible to provide a semiconductor device using this insulating circuit board, an insulating circuit board with a heat sink, and a method for manufacturing a metal member with an Ag underlayer.

本発明の第1実施形態である半導体装置の概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the semiconductor device which is 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態である絶縁回路基板に設けられたAg下地層の拡大説明図である。It is expansion explanatory drawing of the Ag base layer provided in the insulated circuit board which is 1st Embodiment of this invention. CuとSnの2元状態図である。It is a binary phase diagram of Cu and Sn. AgとSnの2元状態図である。It is a binary state diagram of Ag and Sn. 本発明の第1実施形態において使用されるAg下地層形成用ペーストの製造方法のフロー図である。It is a flowchart of the manufacturing method of the paste for Ag base layer formation used in 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態である絶縁回路基板の製造方法及び半導体装置の製造方法のフロー図である。It is a flowchart of the manufacturing method of the insulated circuit board which is 1st Embodiment of this invention, and the manufacturing method of a semiconductor device. 本発明の第1実施形態である絶縁回路基板の製造方法及び半導体装置の製造方法を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the manufacturing method of the insulated circuit board which is 1st Embodiment of this invention, and the manufacturing method of a semiconductor device. 本発明の第1実施形態においてAg下地層が形成される過程を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the process in which Ag base layer is formed in 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態である半導体装置の概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the semiconductor device which is 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態である絶縁回路基板の製造方法及び半導体装置の製造方法のフロー図である。It is a flowchart of the manufacturing method of the insulated circuit board which is 2nd Embodiment of this invention, and the manufacturing method of a semiconductor device. 本発明の第2実施形態である絶縁回路基板の製造方法及び半導体装置の製造方法の概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the manufacturing method of the insulated circuit board which is 2nd Embodiment of this invention, and the manufacturing method of a semiconductor device. 本発明の第3実施形態である半導体装置の概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the semiconductor device which is 3rd Embodiment of this invention. 図10の半導体装置におけるアルミニウム層と銅層との接合界面の概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the joining interface of the aluminum layer and copper layer in the semiconductor device of FIG. CuとAlの2元状態図である。It is a binary phase diagram of Cu and Al. 本発明の第3実施形態である絶縁回路基板の製造方法及び半導体装置の製造方法のフロー図である。It is a flowchart of the manufacturing method of the insulated circuit board which is 3rd Embodiment of this invention, and the manufacturing method of a semiconductor device. 本発明の第3実施形態である絶縁回路基板の製造方法及び半導体装置の製造方法の概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the manufacturing method of the insulated circuit board which is 3rd Embodiment of this invention, and the manufacturing method of a semiconductor device. 本発明の他の実施形態である半導体装置の概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the semiconductor device which is other embodiment of this invention. 実施例において、Ag下地層の厚さ方向の電気抵抗値の測定方法を示す上面説明図である。In an Example, it is upper surface explanatory drawing which shows the measuring method of the electrical resistance value of the thickness direction of Ag base layer. 実施例において、Ag下地層の厚さ方向の電気抵抗値の測定方法を示す側面説明図である。In an Example, it is side explanatory drawing which shows the measuring method of the electrical resistance value of the thickness direction of Ag base layer.

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。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

(第1の実施形態)
まず、本発明の第1の実施形態について、図1から図8を参照して説明する。
図1に、本発明の第1実施形態である半導体装置1を示す。この半導体装置1は、絶縁回路基板10と、この絶縁回路基板10の一方の面(図1において上面)に接合層2を介して接合された半導体素子3と、を備えている。
(First embodiment)
First, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 shows a semiconductor device 1 according to a first embodiment of the present invention. The semiconductor device 1 includes an insulating circuit substrate 10 and a semiconductor element 3 bonded to one surface (upper surface in FIG. 1) of the insulating circuit substrate 10 via a bonding layer 2.

絶縁回路基板10は、絶縁層とな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(金属部材)と、を備えている。
セラミックス基板11は、絶縁性の高いAlN(窒化アルミ)、Si(窒化ケイ素)、Al(アルミナ)等で構成されている。本実施形態では、放熱性の優れたAlN(窒化アルミ)で構成されている。また、セラミックス基板11の厚さは、0.2〜1.5mmの範囲内に設定されており、本実施形態では、0.635mmに設定されている。
The insulated circuit board 10 includes a ceramic substrate 11 serving as an insulating layer, and a circuit layer 12 (metal member) disposed on one surface (upper surface in FIG. 1) of the ceramic substrate 11.
The ceramic substrate 11 is made of highly insulating AlN (aluminum nitride), Si 3 N 4 (silicon nitride), Al 2 O 3 (alumina), or the like. In this embodiment, it is comprised with AlN (aluminum nitride) excellent in heat dissipation. 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、図7に示すように、セラミックス基板11の一方の面に銅又は銅合金からなる銅板22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を構成する銅板22として、無酸素銅の圧延板が用いられている。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が搭載される搭載面されている。ここで、回路層12(銅板22)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。   As shown in FIG. 7, the circuit layer 12 is formed by bonding a copper plate 22 made of copper or a copper alloy to one surface of the ceramic substrate 11. In the present embodiment, an oxygen-free copper rolled plate is used as the copper plate 22 constituting the circuit layer 12. A circuit pattern is formed on the circuit layer 12, and one surface (the upper surface in FIG. 1) is a mounting surface on which the semiconductor element 3 is mounted. Here, the thickness of the circuit layer 12 (copper plate 22) 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.

そして、この回路層12の一方の面には、Ag下地層30が形成されている。本実施形態においては、このAg下地層30と回路層12とがAg下地層付き金属部材となる。
このAg下地層30は、図2に示すように、Ag粒子31と、Ag及びSnを含む金属間化合物32と、を備えており、複数のAg粒子31がAg及びSnを含む金属間化合物32によって結合された構造とされている。なお、このAg下地層30は、後述するAg下地層形成用ペースト50によって形成されている。ここで、Ag及びSnを含む金属間化合物32には、接合信頼性を向上させるために、Ni、Co、Ge、P、Si、In、Bi等が0.2mass%以下添加されていてもよい。
また、本実施形態では、Ag下地層30の厚さが1μm以上15μm以下の範囲内とされている。
さらに、Ag及びSnを含む金属間化合物32と回路層12とは、互いに拡散することによって、CuへのSn固溶相、η相、η´相、ε相といった合金層を形成している(図3参照)。また、Ag及びSnを含む金属間化合物32とAg粒子31とは、互いに拡散することによって、AgへのSn固溶相、ε相、ζ相といった合金層を形成している(図4参照)。
An Ag underlayer 30 is formed on one surface of the circuit layer 12. In the present embodiment, the Ag underlayer 30 and the circuit layer 12 serve as a metal member with an Ag underlayer.
As shown in FIG. 2, the Ag underlayer 30 includes Ag particles 31 and an intermetallic compound 32 containing Ag and Sn, and the plurality of Ag particles 31 includes an intermetallic compound 32 containing Ag and Sn. It is a structure joined by. The Ag underlayer 30 is formed of an Ag underlayer forming paste 50 described later. Here, Ni, Co, Ge, P, Si, In, Bi, or the like may be added to the intermetallic compound 32 containing Ag and Sn in an amount of 0.2 mass% or less in order to improve the bonding reliability. .
In the present embodiment, the thickness of the Ag underlayer 30 is in the range of 1 μm to 15 μm.
Further, the intermetallic compound 32 containing Ag and Sn and the circuit layer 12 diffuse to each other to form an alloy layer such as a Sn solid solution phase, η phase, η ′ phase, and ε phase in Cu ( (See FIG. 3). Also, the intermetallic compound 32 containing Ag and Sn and the Ag particles 31 diffuse to each other to form an alloy layer such as a Sn solid solution phase, an ε phase, and a ζ phase in Ag (see FIG. 4). .

接合層2は、Ag粒子及び酸化銀粒子の少なくとも一方又は両方と有機物とを含む接合材の焼成体とされており、本実施形態においては、酸化銀粒子と有機物からなる還元剤とを含む酸化銀ペーストの焼成体とされている。すなわち、接合層2は、酸化銀が還元されたAgの焼成体とされているのである。ここで、酸化銀を還元することにより生成される粒子は、例えば粒径10nm〜1μmと非常に微細であることから、緻密なAgの焼成層が形成されることになる。   The joining layer 2 is a fired body of a joining material containing at least one or both of Ag particles and silver oxide particles and an organic substance, and in the present embodiment, an oxidation containing silver oxide particles and a reducing agent made of an organic substance. It is a fired body of silver paste. That is, the bonding layer 2 is an Ag fired body obtained by reducing silver oxide. Here, since the particles produced by reducing silver oxide are very fine, for example, with a particle size of 10 nm to 1 μm, a dense Ag fired layer is formed.

次に、Ag下地層30を形成するAg下地層形成用ペースト50について説明する。
このAg下地層形成用ペースト50は、図8に示すように、Ag粉末51と、Sn又はSn合金の粉末52と、N雰囲気における分解温度が400℃以下のアクリル系樹脂53と、を含有している。なお、必要に応じて、溶剤及び分散剤を添加してもよい。
また、Sn合金としては、Sn−Ag合金、Sn−Cu合金、Sn−Zn−Al合金、Sn−Sb合金等を用いることができる。
また、Ag下地層形成用ペースト50にNi、Co、Ge、P、Si、In、Bi等がSn又はSn合金の粉末重量に対し0.2mass%以下添加されていてもよい。Ni、Co、Ge、P、Si、In、Bi等を添加することでSn又はSn合金の粉末が溶融した際に濡れ性が向上し、回路層との反応が進みやすくなり、接合信頼性が向上する。なお、Ni、Co、Ge、P、Si、In、Bi等を添加する場合、これらの元素とSn又はSn合金との合金(例えば、Sn−Ni合金やSn−Sb−Ni合金)として添加することが望ましい。
Next, the Ag underlayer forming paste 50 for forming the Ag underlayer 30 will be described.
As shown in FIG. 8, the Ag underlayer forming paste 50 includes an Ag powder 51, a Sn or Sn alloy powder 52, and an acrylic resin 53 having a decomposition temperature of 400 ° C. or less in an N 2 atmosphere. doing. In addition, you may add a solvent and a dispersing agent as needed.
As the Sn alloy, a Sn—Ag alloy, a Sn—Cu alloy, a Sn—Zn—Al alloy, a Sn—Sb alloy, or the like can be used.
Further, Ni, Co, Ge, P, Si, In, Bi, or the like may be added to the Ag underlayer forming paste 50 in an amount of 0.2 mass% or less based on the powder weight of Sn or Sn alloy. Addition of Ni, Co, Ge, P, Si, In, Bi, etc. improves the wettability when the Sn or Sn alloy powder is melted, facilitates the reaction with the circuit layer, and improves the bonding reliability. improves. In addition, when adding Ni, Co, Ge, P, Si, In, Bi, etc., it adds as an alloy (for example, Sn-Ni alloy or Sn-Sb-Ni alloy) of these elements and Sn or Sn alloy. It is desirable.

ここで、Ag粉末51の含有量が50mass%以上80mass%以下とされ、Sn又はSn合金の粉末52の含有量が15mass%以上35mass%以下、アクリル系樹脂53の含有量が0.1mass%以上2mass%以下、有機溶剤の含有量が0.9mass%以上18mass%以下とされている。
アクリル系樹脂53としては、メタクリル酸メチル、メタクリル酸n−ブチル、メタクリル酸i−ブチル、メタクリルサンt−ブチル、メタクリル酸2−エチルヘキシル、メタクリル酸ラウリル、メタクリル酸アルキル、メタクリル酸トリデシル、メタクリル酸ステアリル、メタクリル酸シクロヘキシル、メタクリル酸フェニル、メタクリル酸ベンジル、メタクリル酸イソボルニル、メタクリル酸グリシジル、メタクリル酸テトラヒドロフルフリル、メタクリル酸アリル、メタクリル酸2−ヒドロキシエチル、メタクリル酸2−メトキシエチル、メタクリル酸2−エトキシエチル、メタクリル酸ジメチルアミノエチル、ジメタクリル酸エチレングリコール、ジメタクリル酸1,3−ブチレングリコール等の重合体を用いることができる。
さらに、Ag粉末51の平均粒径(マイクロトラック法で測定した中心粒径d50)が0.1μm以上10μm以下とされ、Sn又はSn合金の粉末52の平均粒径(マイクロトラック法で測定した中心粒径d50)が0.5μm以上15μm以下とされている。
また、有機溶剤としては、アクリル系の樹脂を溶解することができるものを用いることができ、例えば、α−テルピネオール、ブチルカルビトールアセテート、ジエチレンクリコールジブチルエーテル等を用いることができる。本実施形態においては、α−テルピネオールを用いた。有機溶剤量としては、アクリル系樹脂重量1に対して有機溶剤7〜24倍の有機溶剤にて樹脂を溶解したものを用いた。
さらに、必要に応じて分散剤を添加することができる。分散剤を添加する場合には、上記溶剤に溶解するもので、カルボン酸系やアミン系の分散剤を用いることが望ましい。本実施形態においては、ジアミン系の分散剤を添加し、分散剤量としては、有機溶剤重量1に対して分散剤0.05〜0.50の範囲で添加することが望ましい。
Here, the content of the Ag powder 51 is 50 mass% or more and 80 mass% or less, the content of the Sn or Sn alloy powder 52 is 15 mass% or more and 35 mass% or less, and the content of the acrylic resin 53 is 0.1 mass% or more. The content of the organic solvent is not less than 2 mass% and not more than 0.9 mass% and not more than 18 mass%.
As the acrylic resin 53, methyl methacrylate, n-butyl methacrylate, i-butyl methacrylate, t-butyl methacrylate, 2-ethylhexyl methacrylate, lauryl methacrylate, alkyl methacrylate, tridecyl methacrylate, stearyl methacrylate , Cyclohexyl methacrylate, phenyl methacrylate, benzyl methacrylate, isobornyl methacrylate, glycidyl methacrylate, tetrahydrofurfuryl methacrylate, allyl methacrylate, 2-hydroxyethyl methacrylate, 2-methoxyethyl methacrylate, 2-ethoxy methacrylate Polymers such as ethyl, dimethylaminoethyl methacrylate, ethylene glycol dimethacrylate, and 1,3-butylene glycol dimethacrylate can be used.
Further, the average particle diameter of Ag powder 51 (center particle diameter d50 measured by microtrack method) is 0.1 μm or more and 10 μm or less, and the average particle diameter of Sn or Sn alloy powder 52 (center measured by microtrack method) The particle size d50) is 0.5 μm or more and 15 μm or less.
Moreover, as an organic solvent, what can melt | dissolve acrylic resin can be used, for example, (alpha)-terpineol, a butyl carbitol acetate, diethylene crycol dibutyl ether etc. can be used. In this embodiment, α-terpineol was used. As the amount of the organic solvent, one obtained by dissolving the resin in an organic solvent 7 to 24 times the organic solvent weight 1 was used.
Furthermore, a dispersing agent can be added as needed. In the case of adding a dispersant, it is preferable to use a carboxylic acid-based or amine-based dispersant that dissolves in the solvent. In the present embodiment, a diamine-based dispersant is added, and the amount of the dispersant is desirably added in the range of 0.05 to 0.50 dispersant with respect to 1 weight of the organic solvent.

次に、本実施形態で用いられるAg下地層形成用ペースト50の製造方法について、図5に示すフロー図を参照して説明する。
まず、前述したAg粉末51と、Sn又はSn合金の粉末52とを混合する(粉末混合工程S1)。また、アクリル系樹脂53、分散剤、溶剤を混合して有機混合物を生成する(有機物混合工程S2)。
Next, a method for producing the Ag underlayer forming paste 50 used in the present embodiment will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
First, the Ag powder 51 described above and Sn or Sn alloy powder 52 are mixed (powder mixing step S1). Moreover, the acrylic resin 53, the dispersant, and the solvent are mixed to produce an organic mixture (organic matter mixing step S2).

そして、粉末混合工程S1で得られた混合粉末と、有機物混合工程S2で得られた有機混合物とをミキサーによって予備混合する(予備混合工程S3)。
次いで、予備混合物を、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S4)。
混錬工程S4によって得られた混錬物を、ペーストろ過機によってろ過する(ろ過工程S5)。
このようにして、本実施形態であるAg下地層形成用ペースト50が製出されることになる。
Then, the mixed powder obtained in the powder mixing step S1 and the organic mixture obtained in the organic matter mixing step S2 are premixed by a mixer (preliminary mixing step S3).
Next, the preliminary mixture is mixed while kneading using a roll mill having a plurality of rolls (kneading step S4).
The kneaded material obtained by kneading process S4 is filtered with a paste filter (filtration process S5).
In this manner, the Ag underlayer forming paste 50 according to the present embodiment is produced.

次に、接合層2を形成する酸化銀ペーストについて説明する。
この酸化銀ペーストは、酸化銀粉末(酸化銀粒子)と、還元剤と、樹脂と、溶剤と、を含有しており、本実施形態では、これらに加えて有機金属化合物粉末を含有している。
酸化銀粉末の含有量が酸化銀ペースト全体の60mass%以上92mass%以下とされ、還元剤の含有量が酸化銀ペースト全体の5mass%以上20mass%以下とされ、有機金属化合物粉末の含有量が酸化銀ペースト全体の0mass%以上10mass%以下とされており、残部が溶剤とされている。この酸化銀ペーストにおいては、焼結によって得られる接合層2に未反応の有機物が残存することを抑制するために、分散剤及び樹脂は添加していない。
Next, the silver oxide paste that forms the bonding layer 2 will be described.
This silver oxide paste contains silver oxide powder (silver oxide particles), a reducing agent, a resin, and a solvent, and in this embodiment, in addition to these, contains an organometallic compound powder. .
The content of the silver oxide powder is 60 mass% or more and 92 mass% or less of the entire silver oxide paste, the content of the reducing agent is 5 mass% or more and 20 mass% or less of the entire silver oxide paste, and the content of the organometallic compound powder is oxidized. It is set as 0 mass% or more and 10 mass% or less of the whole silver paste, and the remainder is made into the solvent. In this silver oxide paste, a dispersant and a resin are not added in order to prevent unreacted organic matter from remaining in the bonding layer 2 obtained by sintering.

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。
有機金属化合物は、熱分解によって生成する有機酸によって酸化銀の還元反応や有機物の分解反応を促進させる作用を有するものであり、例えば蟻酸Ag、酢酸Ag、プロピオン酸Ag、安息香酸Ag、シュウ酸Agなどのカルボン酸系金属塩等が適用される。
なお、この酸化銀ペーストは、その粘度が10Pa・s以上500Pa・s以下、より好ましくは50Pa・s以上300Pa・s以下に調整されている。
The reducing agent is an organic substance having reducibility, and for example, alcohol and organic acid can be used.
The organometallic compound has an action of promoting the reduction reaction of silver oxide and the decomposition reaction of organic substances by the organic acid generated by thermal decomposition, for example, formic acid Ag, acetic acid Ag, propionic acid Ag, benzoic acid Ag, oxalic acid. A carboxylic acid metal salt such as Ag is applied.
The silver oxide paste has a viscosity adjusted to 10 Pa · s to 500 Pa · s, more preferably 50 Pa · s to 300 Pa · s.

次に、本実施形態である絶縁回路基板10及び半導体装置1の製造方法について、図6から図8を参照して説明する。
まず、Ag及び窒化物形成元素を含む銅部材接合用ペーストを用いてセラミックス基板11の一方の面に銅板22を接合し、回路層12を形成する(回路層形成工程S01)。
ここで、銅部材接合用ペーストは、Ag及び窒化物形成元素を含む粉末成分と、樹脂と、溶剤と、分散剤と、可塑剤と、還元剤と、を含有するものであり、粉末成分は、Ag及び窒化物形成元素以外に、In、Sn、Al、Mn及びZnから選択される1種又は2種以上の添加元素を含有するものとされている。本実施形態では、窒化物形成元素としてTiを用いた。
Next, a method for manufacturing the insulated circuit board 10 and the semiconductor device 1 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
First, the copper plate 22 is bonded to one surface of the ceramic substrate 11 using a copper member bonding paste containing Ag and a nitride-forming element to form the circuit layer 12 (circuit layer forming step S01).
Here, the copper member bonding paste contains a powder component containing Ag and a nitride-forming element, a resin, a solvent, a dispersant, a plasticizer, and a reducing agent. In addition to Ag and nitride forming elements, one or more additive elements selected from In, Sn, Al, Mn and Zn are included. In the present embodiment, Ti is used as the nitride forming element.

具体的には、図7に示すように、セラミックス基板11の一方の面にスクリーン印刷によって、銅部材接合用ペーストを塗布して乾燥させることにより、Ag及び窒化物形成元素層24を形成する。このAg及び窒化物形成元素層24の厚さは、乾燥後で60μm以上300μm以下とされている。次に、銅板22をセラミックス基板11の一方の面側に積層する。すなわち、セラミックス基板11と銅板22との間にAg及び窒化物形成元素層24を介在させる。   Specifically, as shown in FIG. 7, Ag and the nitride-forming element layer 24 are formed by applying and drying a copper member bonding paste on one surface of the ceramic substrate 11 by screen printing. The thickness of the Ag and nitride forming element layer 24 is set to 60 μm or more and 300 μm or less after drying. Next, the copper plate 22 is laminated on one surface side of the ceramic substrate 11. That is, the Ag and nitride forming element layer 24 is interposed between the ceramic substrate 11 and the copper plate 22.

そして、銅板22、セラミックス基板11を積層方向に加圧(圧力1〜35kgf/cm)した状態で真空加熱炉内に挿入して加熱することにより、セラミックス基板11の一方の面に回路層12を形成する。この加熱時において、Ag及び窒化物形成元素層24のAgが銅板22に向けて拡散する。このとき、銅板22の一部がCuとAgとの共晶反応によって溶融し、銅板22とセラミックス基板11との界面に、溶融金属領域が形成されることになる。そして、溶融金属領域が凝固することにより、セラミックス基板11と銅板22とが接合され、回路層12が形成される。 Then, by inserting and heating the copper plate 22 and the ceramic substrate 11 in a vacuum heating furnace in a state in which the copper plate 22 and the ceramic substrate 11 are pressurized in the stacking direction (pressure 1 to 35 kgf / cm 2 ), the circuit layer 12 is formed on one surface of the ceramic substrate 11. Form. During this heating, Ag and Ag in the nitride-forming element layer 24 diffuse toward the copper plate 22. At this time, a part of the copper plate 22 is melted by a eutectic reaction between Cu and Ag, and a molten metal region is formed at the interface between the copper plate 22 and the ceramic substrate 11. Then, when the molten metal region is solidified, the ceramic substrate 11 and the copper plate 22 are joined, and the circuit layer 12 is formed.

ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は10−6Pa以上10−3Pa以下の範囲内に、加熱温度は790℃以上850℃以下の範囲内に設定している。
なお、凝固が終了した後では、Ag及び窒化物形成元素層24のAgが十分に拡散されており、セラミックス基板11と銅板22との接合界面にAg及び窒化物形成元素層24が残存していない。
Here, in this embodiment, the pressure in the vacuum heating furnace is set in a range of 10 −6 Pa to 10 −3 Pa, and the heating temperature is set in a range of 790 ° C. to 850 ° C.
In addition, after the solidification is completed, Ag and Ag of the nitride forming element layer 24 are sufficiently diffused, and the Ag and nitride forming element layer 24 remains at the bonding interface between the ceramic substrate 11 and the copper plate 22. Absent.

次に、回路層12の一方の面にAg下地層30を形成する(Ag下地層形成工程S02)。
このAg下地層形成工程S02においては、図8(a)に示すように、上述したAg下地層形成用ペースト50を回路層12の一方の面に塗布する。
次に、このAg下地層形成用ペースト50を加熱処理する。加熱処理条件は、例えば、窒素雰囲気下で、温度400℃以上600℃以下、保持時間30分以上2時間以下とすることが好ましい。これにより、図8(b)に示すように、Ag下地層形成用ペースト50中のアクリル系樹脂が分解して除去されるとともに、Sn又はSn合金の粉末52が溶融して溶融層52aが形成される。ここで、溶融層52aのSnと回路層12の銅とが互いに拡散して合金化するとともに、Ag粉末51が溶融層52aによって囲まれて、Ag粉末51と溶融層52aのSnとが互いに拡散して合金化する。
そして、図8(c)に示すように、溶融層52aとAg及びCuの相互拡散がさらに進展し、溶融層52aは融点の高いAg及びSnを含む金属間化合物32となり、凝固することによって、複数のAg粒子31がAg及びSnを含む金属間化合物32で結合された構造のAg下地層30が形成される。
なお、Ag及びSnを含む金属間化合物32には、AgとSnの金属間化合物の他に、AgとCuの金属間化合物やCuとSnの金属間化合物が含まれる。さらに、Sn又はSn合金の粉末52としてSn合金を用いた場合、Sn合金に含まれる元素とAg、Cu、Snとの金属間化合物が含まれる。例えば、Sn又はSn合金の粉末52としてSn−Sb合金を用いた場合、Ag及びSnを含む金属間化合物32には、AgとSb、CuとSb、SnとSb等の金属間化合物が含まれる。
Next, an Ag underlayer 30 is formed on one surface of the circuit layer 12 (Ag underlayer formation step S02).
In this Ag underlayer forming step S02, the above-described Ag underlayer forming paste 50 is applied to one surface of the circuit layer 12, as shown in FIG.
Next, this Ag underlayer forming paste 50 is heat-treated. The heat treatment conditions are preferably a temperature of 400 ° C. to 600 ° C. and a holding time of 30 minutes to 2 hours in a nitrogen atmosphere, for example. As a result, as shown in FIG. 8B, the acrylic resin in the Ag underlayer forming paste 50 is decomposed and removed, and the Sn or Sn alloy powder 52 is melted to form a molten layer 52a. Is done. Here, Sn in the molten layer 52a and copper in the circuit layer 12 diffuse and alloy with each other, and the Ag powder 51 is surrounded by the molten layer 52a, and the Ag powder 51 and Sn in the molten layer 52a diffuse to each other. And alloyed.
Then, as shown in FIG. 8 (c), the mutual diffusion of the molten layer 52a and Ag and Cu further progresses, and the molten layer 52a becomes an intermetallic compound 32 containing Ag and Sn having a high melting point, and solidifies. An Ag underlayer 30 having a structure in which a plurality of Ag particles 31 are bonded by an intermetallic compound 32 containing Ag and Sn is formed.
The intermetallic compound 32 containing Ag and Sn includes an intermetallic compound of Ag and Cu and an intermetallic compound of Cu and Sn in addition to the intermetallic compound of Ag and Sn. Further, when an Sn alloy is used as the Sn or Sn alloy powder 52, an intermetallic compound of Ag, Cu, and Sn with an element contained in the Sn alloy is included. For example, when an Sn-Sb alloy is used as the Sn or Sn alloy powder 52, the intermetallic compound 32 containing Ag and Sn includes an intermetallic compound such as Ag and Sb, Cu and Sb, or Sn and Sb. .

このようにして、銅又は銅合金からなる回路層12の表面にAg下地層30が形成された本実施形態である絶縁回路基板10が製造される。   Thus, the insulated circuit board 10 which is this embodiment in which the Ag underlayer 30 is formed on the surface of the circuit layer 12 made of copper or a copper alloy is manufactured.

次に、Ag下地層30の表面に、接合層2となる酸化銀ペーストを塗布する(酸化銀ペースト塗布工程S03)。
なお、酸化銀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酸化銀ペーストを印刷した。
Next, the silver oxide paste used as the joining layer 2 is apply | coated to the surface of Ag base layer 30 (silver oxide paste application | coating process S03).
In addition, when apply | coating a silver oxide paste, various means, such as a screen printing method, an offset printing method, and a photosensitive process, are employable. In this embodiment, the silver oxide paste was printed by the screen printing method.

次に、酸化銀ペースト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、絶縁回路基板10の酸化銀ペーストの上に半導体素子3を積層する(半導体素子積層工程S04)。
そして、半導体素子3と絶縁回路基板10とを積層した状態で加熱炉内に装入し、酸化銀ペーストの焼成を行う(焼成工程S06)。このとき、半導体素子3と絶縁回路基板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。この場合、加圧圧力は0.5〜10MPaとすることが望ましい。
このようにして、Ag下地層30の上に接合層2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、本実施形態である半導体装置1が製造される。
Next, after drying with the silver oxide paste applied (for example, stored at room temperature in an air atmosphere for 24 hours), the semiconductor element 3 is stacked on the silver oxide paste of the insulating circuit board 10 (semiconductor element stacking step S04). ).
Then, the semiconductor element 3 and the insulating circuit substrate 10 are stacked in a heating furnace, and the silver oxide paste is baked (baking step S06). At this time, the semiconductor element 3 and the insulating circuit substrate 10 can be more reliably bonded by heating in a state where the semiconductor element 3 and the insulating circuit substrate 10 are pressurized in the stacking direction. In this case, the pressurizing pressure is desirably 0.5 to 10 MPa.
In this way, the bonding layer 2 is formed on the Ag base layer 30, and the semiconductor element 3 and the circuit layer 12 are bonded. Thereby, the semiconductor device 1 which is this embodiment is manufactured.

以上のような構成とされた本実施形態に係る半導体装置1及び絶縁回路基板10によれば、銅又は銅合金からなる回路層12の表面にAg下地層30が形成されており、このAg下地層30が、複数のAg粒子31がAg及びSnを含む金属間化合物32によって結合された構造とされているので、回路層12とAg及びSnを含む金属間化合物32とが強固に接合され、回路層12とAg下地層12aとの接合強度を十分に高くすることができる。そして、このAg下地層30が形成された回路層12と半導体素子3とが、酸化銀ペーストの焼成体からなる接合層2を介して接合されているので、Ag下地層30と接合層2とが同種の金属(Ag)同士の接合となり、Ag下地層30と接合層2との接合強度が向上し、絶縁回路基板10と半導体素子3との接合信頼性を向上させることが可能となる。また、Ag下地層30の電気抵抗が低く抑えられており、絶縁回路基板10と半導体素子3との間の導電性を確保することができる。   According to the semiconductor device 1 and the insulating circuit substrate 10 according to the present embodiment configured as described above, the Ag underlayer 30 is formed on the surface of the circuit layer 12 made of copper or a copper alloy. Since the ground layer 30 has a structure in which a plurality of Ag particles 31 are bonded by an intermetallic compound 32 containing Ag and Sn, the circuit layer 12 and the intermetallic compound 32 containing Ag and Sn are firmly bonded, The bonding strength between the circuit layer 12 and the Ag base layer 12a can be sufficiently increased. And since the circuit layer 12 in which this Ag foundation layer 30 was formed, and the semiconductor element 3 are joined via the joining layer 2 which consists of a baking body of a silver oxide paste, Ag foundation layer 30 and the joining layer 2 Becomes the bonding between the same kind of metals (Ag), the bonding strength between the Ag underlayer 30 and the bonding layer 2 is improved, and the bonding reliability between the insulating circuit substrate 10 and the semiconductor element 3 can be improved. In addition, the electrical resistance of the Ag base layer 30 is kept low, and electrical conductivity between the insulating circuit substrate 10 and the semiconductor element 3 can be ensured.

また、本実施形態では、Sn又はSn合金を用いているので、Ag下地層形成工程S02において、400℃以上600℃以下の温度条件で加熱処理することにより、Sn又はSn合金の粉末52を溶融させてAg及びSnを含む金属間化合物32を確実に形成することが可能となる。
さらに、本実施形態では、Ag下地層形成用ペーストが、N雰囲気における分解温度が400℃以下のアクリル系樹脂を含有しているので、Ag下地層形成工程S02において、400℃以上600℃以下の温度条件で加熱処理することにより、アクリル系樹脂が分解して除去されるので、回路層12と半導体素子3との間の電気抵抗を確実に低減することができる。
In this embodiment, since Sn or Sn alloy is used, the Sn or Sn alloy powder 52 is melted by heat treatment under the temperature condition of 400 ° C. or more and 600 ° C. or less in the Ag underlayer forming step S02. This makes it possible to reliably form the intermetallic compound 32 containing Ag and Sn.
Furthermore, in this embodiment, since the Ag base layer forming paste contains an acrylic resin having a decomposition temperature of 400 ° C. or lower in an N 2 atmosphere, in the Ag base layer forming step S02, 400 ° C. or higher and 600 ° C. or lower. Since the acrylic resin is decomposed and removed by heat treatment under the above temperature conditions, the electrical resistance between the circuit layer 12 and the semiconductor element 3 can be reliably reduced.

さらに、本実施形態では、接合層2が、酸化銀粉末と還元剤とを含む酸化銀ペーストの焼成体とされているので、酸化銀ペーストを焼成する際に、酸化銀が還元剤によって還元されて微細なAg粒子となり、接合層2を緻密な構造とすることができる。また、還元剤は、酸化銀を還元する際に分解されるため、接合層2中に残存しにくく、接合層2における導電性及び強度を確保することができる。さらに、酸化銀ペーストは、例えば300℃といった比較的低温条件で焼成することが可能であるため、半導体素子3の接合温度を低く抑えることができ、半導体素子3への熱負荷を低減することができる。   Furthermore, in this embodiment, since the bonding layer 2 is a fired body of silver oxide paste containing silver oxide powder and a reducing agent, the silver oxide is reduced by the reducing agent when the silver oxide paste is fired. Thus, the Ag layer becomes fine and the bonding layer 2 can have a dense structure. Further, since the reducing agent is decomposed when the silver oxide is reduced, it is difficult to remain in the bonding layer 2 and the conductivity and strength in the bonding layer 2 can be ensured. Furthermore, since the silver oxide paste can be fired under a relatively low temperature condition such as 300 ° C., for example, the junction temperature of the semiconductor element 3 can be kept low, and the thermal load on the semiconductor element 3 can be reduced. it can.

(第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態について、図9から図11を参照して説明する。
図9に、本発明の第2実施形態である半導体装置101を示す。この半導体装置101は、ヒートシンク付き絶縁回路基板140と、このヒートシンク付き絶縁回路基板140の一方の面(図9において上面)側に第1接合層102を介して接合された半導体素子103と、を備えている。
また、ヒートシンク付き絶縁回路基板140は、絶縁回路基板110と、この絶縁回路基板110の他方の面(図9において下面)側に第2接合層105を介して接合されたヒートシンク141と、を備えている。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 9 shows a semiconductor device 101 according to the second embodiment of the present invention. The semiconductor device 101 includes an insulating circuit board 140 with a heat sink, and a semiconductor element 103 bonded to one surface (upper surface in FIG. 9) of the insulating circuit board 140 with a heat sink via a first bonding layer 102. I have.
The insulated circuit board 140 with a heat sink includes an insulated circuit board 110 and a heat sink 141 joined to the other surface (the lower surface in FIG. 9) side of the insulated circuit board 110 via the second bonding layer 105. ing.

絶縁回路基板110は、図9に示すように、セラミックス基板111と、このセラミックス基板111の一方の面(図9において上面)に配設された回路層112(金属部材)と、セラミックス基板111の他方の面に配設された金属層113(金属部材)と、を備えている。   As shown in FIG. 9, the insulating circuit board 110 includes a ceramic substrate 111, a circuit layer 112 (metal member) disposed on one surface (the upper surface in FIG. 9) of the ceramic substrate 111, and the ceramic substrate 111. And a metal layer 113 (metal member) disposed on the other surface.

セラミックス基板111は、回路層112と金属層113との間の電気的接続を防止するものであって、本実施形態では、絶縁性の高いAlN(窒化アルミ)で構成されている。ここで、セラミックス基板111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 111 prevents electrical connection between the circuit layer 112 and the metal layer 113. In the present embodiment, the ceramic substrate 111 is made of highly insulating AlN (aluminum nitride). Here, the thickness of the ceramic substrate 111 is set within a range of 0.2 to 1.5 mm, and is set to 0.635 mm in the present embodiment.

回路層112は、図11に示すように、セラミックス基板111の一方の面に銅又は銅合金からなる銅板122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112を構成する銅板122として、無酸素銅の圧延板が用いられている。この回路層112には、回路パターンが形成されており、その一方の面が、半導体素子103が搭載される搭載面とされている。ここで、回路層112(銅板122)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0.6mmに設定されている。   As shown in FIG. 11, the circuit layer 112 is formed by bonding a copper plate 122 made of copper or a copper alloy to one surface of the ceramic substrate 111. In the present embodiment, an oxygen-free copper rolled plate is used as the copper plate 122 constituting the circuit layer 112. A circuit pattern is formed on the circuit layer 112, and one surface thereof is a mounting surface on which the semiconductor element 103 is mounted. Here, the thickness of the circuit layer 112 (copper plate 122) is set within a range of 0.1 mm to 1.0 mm, and is set to 0.6 mm in the present embodiment.

金属層113は、図11に示すように、セラミックス基板111の他方の面に銅又は銅合金からなる銅板123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113を構成する銅板123として、無酸素銅の圧延板が用いられている。ここで、金属層113(銅板123)の厚さは0.5mm以上6mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では0.6mmに設定されている。   As shown in FIG. 11, the metal layer 113 is formed by joining a copper plate 123 made of copper or a copper alloy to the other surface of the ceramic substrate 111. In the present embodiment, an oxygen-free copper rolled plate is used as the copper plate 123 constituting the metal layer 113. Here, the thickness of the metal layer 113 (copper plate 123) is set within a range of 0.5 mm to 6 mm, and is set to 0.6 mm in the present embodiment.

ヒートシンク141は、前述の絶縁回路基板110を冷却するためのものであり、本実施形態では、銅又は銅合金からなる放熱板とされている。   The heat sink 141 is for cooling the insulating circuit board 110 described above, and in this embodiment, is a heat sink made of copper or a copper alloy.

ここで、図11に示すように、回路層112の一方の面には、第1Ag下地層130aが設けられ、金属層113の他方の面には、第2Ag下地層130bが形成されている。
また、図11に示すように、ヒートシンク141のうち金属層113と接合される領域には、第3Ag下地層130cが形成されている。
本実施形態では、回路層112及び第1Ag下地層130a、金属層113及び第2Ag下地層130b、ヒートシンク141及び第3Ag下地層130cが、それぞれAg下地層付き金属部材となる。
Here, as shown in FIG. 11, the first Ag base layer 130 a is provided on one surface of the circuit layer 112, and the second Ag base layer 130 b is formed on the other surface of the metal layer 113.
In addition, as shown in FIG. 11, a third Ag base layer 130 c is formed in a region of the heat sink 141 that is bonded to the metal layer 113.
In the present embodiment, the circuit layer 112 and the first Ag underlayer 130a, the metal layer 113 and the second Ag underlayer 130b, the heat sink 141, and the third Ag underlayer 130c are each a metal member with an Ag underlayer.

これら第1Ag下地層130a、第2Ag下地層130b、第3Ag下地層130cは、Ag粒子と、Ag及びSnを含む金属間化合物と、を備えており、複数のAg粒子がAg及びSnを含む金属間化合物によって結合された構造とされている。なお、これら第1Ag下地層130a、第2Ag下地層130b、第3Ag下地層130cは、第1の実施形態で説明したAg下地層形成用ペースト50によって形成されている。
また、本実施形態では、これら第1Ag下地層130a、第2Ag下地層130b、第3Ag下地層130cの厚さが1μm以上15μm以下の範囲内とされている。
The first Ag underlayer 130a, the second Ag underlayer 130b, and the third Ag underlayer 130c include Ag particles and an intermetallic compound containing Ag and Sn, and a plurality of Ag particles includes a metal containing Ag and Sn. The structure is bound by an intercalation compound. The first Ag underlayer 130a, the second Ag underlayer 130b, and the third Ag underlayer 130c are formed by the Ag underlayer forming paste 50 described in the first embodiment.
In the present embodiment, the thicknesses of the first Ag base layer 130a, the second Ag base layer 130b, and the third Ag base layer 130c are in the range of 1 μm to 15 μm.

第1接合層102及び第2接合層105は、Ag粒子及び酸化銀粒子の少なくとも一方又は両方と有機物とを含む接合材の焼成体とされており、本実施形態においては、第1の実施形態と同様に、酸化銀粒子と有機物からなる還元剤とを含む酸化銀ペーストの焼成体とされている。   The first bonding layer 102 and the second bonding layer 105 are a fired body of a bonding material containing at least one or both of Ag particles and silver oxide particles and an organic material. In this embodiment, the first embodiment is the first embodiment. Similarly, a sintered body of a silver oxide paste containing silver oxide particles and a reducing agent made of an organic material is used.

次に、本実施形態である絶縁回路基板110及び半導体装置101の製造方法について、図10及び図11を参照して説明する。
まず、セラミックス基板111の一方の面及び他方の面に、銅板122、123を接合し、回路層112及び金属層113を形成する(回路層及び金属層形成工程S101)。
本実施形態では、Ag−Cu−Ti系ろう材124,125を介して銅板122、123を接合している。
Next, a method for manufacturing the insulated circuit board 110 and the semiconductor device 101 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
First, the copper plates 122 and 123 are joined to one surface and the other surface of the ceramic substrate 111 to form the circuit layer 112 and the metal layer 113 (circuit layer and metal layer forming step S101).
In this embodiment, the copper plates 122 and 123 are joined via the Ag—Cu—Ti brazing materials 124 and 125.

次に、回路層112の一方の面に第1Ag下地層130aを形成するとともに、金属層113の他方面に第2Ag下地層130bを形成する(第1、第2Ag下地層形成工程S102)。
この第1、第2Ag下地層形成工程S102においては、上述したAg下地層形成用ペースト50を回路層112の一方の面及び金属層113の他方の面に塗布し、加熱処理することにより形成される。
Next, the first Ag base layer 130a is formed on one surface of the circuit layer 112, and the second Ag base layer 130b is formed on the other surface of the metal layer 113 (first and second Ag base layer forming step S102).
In the first and second Ag underlayer forming step S102, the above-described Ag underlayer forming paste 50 is applied to one surface of the circuit layer 112 and the other surface of the metal layer 113, and is heated. The

このようにして、銅又は銅合金からなる回路層112の表面に第1Ag下地層130aが形成され、銅又は銅合金からなる金属層113の表面に第2Ag下地層130bが形成された本実施形態である絶縁回路基板110が製造される。   In this way, the first Ag base layer 130a is formed on the surface of the circuit layer 112 made of copper or copper alloy, and the second Ag base layer 130b is formed on the surface of the metal layer 113 made of copper or copper alloy. The insulated circuit board 110 is manufactured.

また、ヒートシンク141のうち金属層113と接合される接合面に、第3Ag下地層130cを形成する(第3Ag下地層形成工程S103)。
この第3Ag下地層形成工程S103においても、上述したAg下地層形成用ペースト50をヒートシンク141の接合面に塗布し、加熱処理することにより形成される。
Further, the third Ag base layer 130c is formed on the joint surface of the heat sink 141 to be bonded to the metal layer 113 (third Ag base layer forming step S103).
Also in the third Ag underlayer forming step S103, the above-described Ag underlayer forming paste 50 is applied to the bonding surface of the heat sink 141 and is heat-treated.

次に、第1Ag下地層130aの表面に、第1接合層102となる酸化銀ペーストを塗布するとともに、第2Ag下地層130bの表面に、第2接合層105となる酸化銀ペーストを塗布する(酸化銀ペースト塗布工程S104)。   Next, a silver oxide paste to be the first bonding layer 102 is applied to the surface of the first Ag underlayer 130a, and a silver oxide paste to be the second bonding layer 105 is applied to the surface of the second Ag underlayer 130b (see FIG. Silver oxide paste application step S104).

次に、酸化銀ペースト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、回路層112側の酸化銀ペーストに半導体素子103を積層する(半導体素子積層工程S105)。
また、酸化銀ペースト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、金属層113側の酸化銀ペーストにヒートシンク141を積層する(ヒートシンク積層工程S106)。
Next, after the silver oxide paste is applied and dried (for example, stored at room temperature in an air atmosphere for 24 hours), the semiconductor element 103 is stacked on the silver oxide paste on the circuit layer 112 side (semiconductor element stacking step S105).
In addition, after drying with the silver oxide paste applied (for example, stored at room temperature in an air atmosphere for 24 hours), the heat sink 141 is laminated on the silver oxide paste on the metal layer 113 side (heat sink lamination step S106).

そして、半導体素子103と絶縁回路基板110とヒートシンク141を積層した状態で加熱炉内に装入し、酸化銀ペーストの焼成を行う(焼成工程S107)。このとき、半導体素子103と絶縁回路基板110とヒートシンク141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。この場合、加圧圧力は0.5〜10MPaとすることが望ましい。
このようにして、半導体素子103と回路層112とが接合されるとともに、金属層113とヒートシンク141とが接合され、本実施形態である半導体装置101及びヒートシンク付き絶縁回路基板140が製造される。
Then, the semiconductor element 103, the insulating circuit substrate 110, and the heat sink 141 are stacked and placed in a heating furnace, and the silver oxide paste is baked (baking step S107). At this time, the semiconductor element 103, the insulating circuit substrate 110, and the heat sink 141 can be bonded more reliably by heating in a state where the semiconductor element 103, the insulating circuit substrate 110, and the heat sink 141 are pressed in the stacking direction. In this case, the pressurizing pressure is desirably 0.5 to 10 MPa.
In this manner, the semiconductor element 103 and the circuit layer 112 are bonded together, and the metal layer 113 and the heat sink 141 are bonded together, whereby the semiconductor device 101 and the insulated circuit board 140 with the heat sink according to the present embodiment are manufactured.

上記のような構成とされた第2実施形態である半導体装置101、ヒートシンク付き絶縁回路基板140及び絶縁回路基板110によれば、第1実施形態の半導体装置1及び絶縁回路基板10と同様の効果を奏することができる。
また、本実施形態では、金属層113の表面に第2Ag下地層130bが形成され、ヒートシンク141の接合面に第3Ag下地層130cが形成されており、これら第2、第3Ag下地層130b、130cの間に酸化銀ペーストの焼成体からなる第2接合層105が形成されているので、金属層113とヒートシンク141とを確実に接合することができる。
According to the semiconductor device 101, the insulated circuit board 140 with the heat sink, and the insulated circuit board 110 configured as described above, the same effects as those of the semiconductor device 1 and the insulated circuit board 10 of the first embodiment. Can be played.
In the present embodiment, the second Ag base layer 130b is formed on the surface of the metal layer 113, and the third Ag base layer 130c is formed on the bonding surface of the heat sink 141. These second and third Ag base layers 130b and 130c are formed. Since the second bonding layer 105 made of a sintered body of silver oxide paste is formed between the metal layer 113 and the heat sink 141, the metal layer 113 and the heat sink 141 can be bonded reliably.

そして、第2Ag下地層130b、第3Ag下地層130cが、Ag粒子と、Ag及びSnを含む金属間化合物と、を備えており、複数のAg粒子がAg及びSnを含む金属間化合物によって結合された構造とされているので、金属層113と第2Ag下地層130b、ヒートシンク141と第3Ag下地層130cとの間の熱抵抗が小さくなり、絶縁回路基板110側の熱をヒートシンク141側へと効率的に放散することが可能となる。   The second Ag base layer 130b and the third Ag base layer 130c include Ag particles and an intermetallic compound containing Ag and Sn, and a plurality of Ag particles are bonded by an intermetallic compound containing Ag and Sn. Therefore, the thermal resistance between the metal layer 113 and the second Ag underlayer 130b, the heat sink 141 and the third Ag underlayer 130c is reduced, and the heat on the insulating circuit board 110 side is efficiently transferred to the heat sink 141 side. Can be released.

(第3実施形態)
以下に、本発明の第3の実施形態について、図12から図16を参照して説明する。
図12に、本発明の第3実施形態である半導体装置201を示す。この半導体装置201は、絶縁回路基板210と、この絶縁回路基板210の一方の面(図12において上面)に接合層202を介して接合された半導体素子203と、を備えている。
(Third embodiment)
Below, the 3rd Embodiment of this invention is described with reference to FIGS. 12-16.
FIG. 12 shows a semiconductor device 201 according to the third embodiment of the present invention. The semiconductor device 201 includes an insulating circuit substrate 210 and a semiconductor element 203 bonded to one surface (upper surface in FIG. 12) of the insulating circuit substrate 210 via a bonding layer 202.

絶縁回路基板210は、図12に示すように、セラミックス基板211と、このセラミックス基板211の一方の面(図12において上面)に配設された回路層212(金属部材)と、セラミックス基板211の他方の面(図12において下面)に配設された金属層213と、を備えている。   As shown in FIG. 12, the insulated circuit board 210 includes a ceramic substrate 211, a circuit layer 212 (metal member) disposed on one surface (the upper surface in FIG. 12) of the ceramic substrate 211, and the ceramic substrate 211. And a metal layer 213 disposed on the other surface (the lower surface in FIG. 12).

セラミックス基板211は、回路層212と金属層213との間の電気的接続を防止するものであって、本実施形態では、絶縁性の高いAlN(窒化アルミ)で構成されている。ここで、セラミックス基板211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 211 prevents electrical connection between the circuit layer 212 and the metal layer 213. In the present embodiment, the ceramic substrate 211 is made of highly insulating AlN (aluminum nitride). Here, the thickness of the ceramic substrate 211 is set within a range of 0.2 to 1.5 mm, and is set to 0.635 mm in the present embodiment.

回路層212は、図12に示すように、セラミックス基板211の一方の面に形成されたアルミニウム層212Aと、このアルミニウム層212Aの一方の面側に積層された銅層212Bと、を備えている。
この回路層212には、回路パターンが形成されており、その一方の面(図12において上面)が、半導体素子203が搭載される搭載面されている。ここで、回路層212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0.6mmに設定されている。
As shown in FIG. 12, the circuit layer 212 includes an aluminum layer 212A formed on one surface of the ceramic substrate 211 and a copper layer 212B stacked on one surface side of the aluminum layer 212A. .
A circuit pattern is formed on the circuit layer 212, and one surface (the upper surface in FIG. 12) is a mounting surface on which the semiconductor element 203 is mounted. Here, the thickness of the circuit layer 212 is set within a range of 0.1 mm to 1.0 mm, and is set to 0.6 mm in the present embodiment.

ここで、アルミニウム層212Aは、図16に示すように、セラミックス基板211の一方の面にアルミニウム板222A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、アルミニウム層212Aは、純度99.99mass%以上のアルミニウムの圧延板を接合することで形成されている。
また、銅層212Bは、図16に示すように、無酸素銅の圧延板からなる銅板222Bがアルミニウム層212Aに固相拡散接合されることにより形成されている。
そして、これらのアルミニウム層212Aと銅層212Bとの界面には、図13に示すように、拡散層215が形成されている。
Here, as shown in FIG. 16, the aluminum layer 212 </ b> A is formed by bonding an aluminum plate 222 </ b> A to one surface of the ceramic substrate 211. In the present embodiment, the aluminum layer 212A is formed by joining aluminum rolled plates having a purity of 99.99 mass% or more.
Further, as shown in FIG. 16, the copper layer 212B is formed by solid phase diffusion bonding of a copper plate 222B made of an oxygen-free copper rolled plate to the aluminum layer 212A.
A diffusion layer 215 is formed at the interface between the aluminum layer 212A and the copper layer 212B as shown in FIG.

拡散層215は、アルミニウム層212AのAl原子と、銅層212BのCu原子とが相互拡散することによって形成されるものである。この拡散層215においては、アルミニウム層212Aから銅層212Bに向かうにしたがい、漸次アルミニウム原子の濃度が低くなり、かつ銅原子の濃度が高くなる濃度勾配を有している。   The diffusion layer 215 is formed by mutual diffusion of Al atoms in the aluminum layer 212A and Cu atoms in the copper layer 212B. The diffusion layer 215 has a concentration gradient in which the concentration of aluminum atoms gradually decreases and the concentration of copper atoms increases as it goes from the aluminum layer 212A to the copper layer 212B.

この拡散層215は、図13に示すように、AlとCuからなる金属間化合物で構成されており、本実施形態では、複数の金属間化合物が接合界面に沿って積層した構造とされている。ここで、この拡散層215の厚さは、1μm以上80μm以下の範囲内、好ましくは、5μm以上80μm以下の範囲内に設定されている。
本実施形態では、図13に示すように、アルミニウム層212A側から銅層212B側に向けて順に、アルミニウム層212Aと銅層212Bとの接合界面に沿って、θ相216、η2相217が積層し、さらにζ2相218a、δ相218b、及びγ2相218cのうち少なくとも一つの相が積層して構成されている(図14の状態図参照)。
また、本実施形態では、銅層212Bと拡散層215との界面に沿って、酸化物219がζ2相218a、δ相218b、又はγ2相218cからなる層の内部に層状に分散している。なお、この酸化物219は、アルミナ(Al)等のアルミニウム酸化物とされている。
As shown in FIG. 13, the diffusion layer 215 is composed of an intermetallic compound composed of Al and Cu. In this embodiment, the diffusion layer 215 has a structure in which a plurality of intermetallic compounds are stacked along the bonding interface. . Here, the thickness of the diffusion layer 215 is set in the range of 1 μm to 80 μm, preferably in the range of 5 μm to 80 μm.
In the present embodiment, as shown in FIG. 13, the θ phase 216 and the η2 phase 217 are laminated in order from the aluminum layer 212A side to the copper layer 212B side along the bonding interface between the aluminum layer 212A and the copper layer 212B. Furthermore, at least one of the ζ2 phase 218a, the δ phase 218b, and the γ2 phase 218c is laminated (see the state diagram in FIG. 14).
In the present embodiment, the oxide 219 is dispersed in a layered manner inside the layer formed of the ζ2 phase 218a, the δ phase 218b, or the γ2 phase 218c along the interface between the copper layer 212B and the diffusion layer 215. The oxide 219 is an aluminum oxide such as alumina (Al 2 O 3 ).

金属層213は、図16に示すように、セラミックス基板211の他方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板223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213を構成するアルミニウム板223として、純度99.99mass%以上のアルミニウムの圧延板が用いられている。ここで、金属層213(アルミニウム板223)の厚さは0.5mm以上6mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では1.0mmに設定されている。   As shown in FIG. 16, the metal layer 213 is formed by joining an aluminum plate 223 made of aluminum or an aluminum alloy to the other surface of the ceramic substrate 211. In the present embodiment, a rolled aluminum plate having a purity of 99.99 mass% or more is used as the aluminum plate 223 constituting the metal layer 213. Here, the thickness of the metal layer 213 (aluminum plate 223) is set within a range of 0.5 mm to 6 mm, and is set to 1.0 mm in the present embodiment.

ここで、図12に示すように、回路層212のうち銅層212Bの一方の面には、Ag下地層230が設けられている。本実施形態では、銅層212Bを備えた回路層212とAg下地層230とが、Ag下地層付き金属部材となる。
このAg下地層230は、Ag粒子と、Ag及びSnを含む金属間化合物と、を備えており、複数のAg粒子がAg及びSnを含む金属間化合物によって結合された構造とされている。なお、このAg下地層230は、第1の実施形態で説明したAg下地層形成用ペースト50によって形成されている。
また、本実施形態では、Ag下地層230の厚さが1μm以上15μm以下の範囲内とされている。
Here, as shown in FIG. 12, an Ag underlayer 230 is provided on one surface of the copper layer 212 </ b> B in the circuit layer 212. In the present embodiment, the circuit layer 212 provided with the copper layer 212B and the Ag base layer 230 are metal members with an Ag base layer.
The Ag underlayer 230 includes Ag particles and an intermetallic compound containing Ag and Sn, and has a structure in which a plurality of Ag particles are bonded by an intermetallic compound containing Ag and Sn. The Ag underlayer 230 is formed by the Ag underlayer forming paste 50 described in the first embodiment.
In the present embodiment, the thickness of the Ag underlayer 230 is in the range of 1 μm to 15 μm.

また、接合層202は、Ag粒子及び酸化銀粒子の少なくとも一方又は両方と有機物とを含む接合材の焼成体とされており、本実施形態においては、第1の実施形態と同様に、酸化銀粒子と有機物からなる還元剤とを含む酸化銀ペーストの焼成体とされている。   The bonding layer 202 is a fired body of a bonding material containing at least one or both of Ag particles and silver oxide particles and an organic substance. In this embodiment, as in the first embodiment, silver oxide is used. A sintered body of silver oxide paste containing particles and a reducing agent made of an organic material is used.

以下に、本実施形態である絶縁回路基板210及び半導体装置201の製造方法について、図15及び図16を参照して説明する。
まず、セラミックス基板211の一方の面及び他方の面に、アルミニウム板222A、223を接合し、アルミニウム層212A及び金属層213を形成する(アルミニウム層及び金属層形成工程S201)。
本実施形態では、図16に示すように、セラミックス基板211の一方の面及び他方の面に、ろう材箔224,225を介して、アルミニウム層212A及び金属層213となるアルミニウム板222A、223を積層する。本実施形態においては、ろう材箔224,225は、融点降下元素であるSiを含有したAl−Si系のろう材とされている。そして、アルミニウム板222A、223、及びセラミックス基板211を積層方向に加圧(圧力1〜35kgf/cm)した状態で、加熱炉内に挿入し加熱することにより、アルミニウム板222A、223を接合している。なお、本実施形態では、アルミニウム層及び金属層形成工程S201において、加熱温度は550℃以上650℃以下、加熱時間は30分以上180分以下とされている。
Below, the manufacturing method of the insulated circuit board 210 which is this embodiment, and the semiconductor device 201 is demonstrated with reference to FIG.15 and FIG.16.
First, aluminum plates 222A and 223 are joined to one surface and the other surface of the ceramic substrate 211 to form an aluminum layer 212A and a metal layer 213 (aluminum layer and metal layer forming step S201).
In the present embodiment, as shown in FIG. 16, aluminum plates 222A and 223 to be aluminum layers 212A and metal layers 213 are disposed on one surface and the other surface of the ceramic substrate 211 via brazing material foils 224 and 225, respectively. Laminate. In this embodiment, the brazing material foils 224 and 225 are Al—Si brazing materials containing Si that is a melting point lowering element. Then, in a state where the aluminum plates 222A and 223 and the ceramic substrate 211 are pressed in the stacking direction (pressure 1 to 35 kgf / cm 2 ), the aluminum plates 222A and 223 are joined by being inserted into a heating furnace and heated. ing. In this embodiment, in the aluminum layer and metal layer forming step S201, the heating temperature is 550 ° C. or more and 650 ° C. or less, and the heating time is 30 minutes or more and 180 minutes or less.

次に、アルミニウム層212Aの一方の面に銅板222Bを接合して銅層212Bを形成する(銅層形成工程S202)。
アルミニウム層212Aの上に銅板222Bを積層し、これらを積層方向に加圧(圧力3〜35kgf/cm)した状態で真空加熱炉内に装入して加熱することにより、アルミニウム層212Aと銅板222Bとを固相拡散接合する。ここで、銅層形成工程S202において、加熱温度は400℃以上548℃以下、加熱時間は15分以上270分以下とされている。なお、アルミニウム層212Aと銅板222Bとの固相拡散接合を行う場合には、加熱温度を、AlとCuの共晶温度(548.8℃)より5℃低い温度から共晶温度未満の温度範囲とすることが好ましい。
この銅層形成工程S202により、セラミックス基板211の一方の面にアルミニウム層212Aと銅層212Bとからなる回路層212が形成される。
Next, the copper plate 222B is joined to one surface of the aluminum layer 212A to form the copper layer 212B (copper layer forming step S202).
A copper plate 222B is laminated on the aluminum layer 212A, and the aluminum layer 212A and the copper plate are heated by placing them in a vacuum heating furnace in a state of being pressurized in the laminating direction (pressure 3 to 35 kgf / cm 2 ). 222B is solid phase diffusion bonded. Here, in copper layer formation process S202, heating temperature is 400 degreeC or more and 548 degrees C or less, and heating time is 15 minutes or more and 270 minutes or less. In the case of performing solid phase diffusion bonding between the aluminum layer 212A and the copper plate 222B, the heating temperature ranges from a temperature 5 ° C. lower than the eutectic temperature (548.8 ° C.) of Al and Cu to a temperature lower than the eutectic temperature. It is preferable that
By this copper layer forming step S202, a circuit layer 212 composed of an aluminum layer 212A and a copper layer 212B is formed on one surface of the ceramic substrate 211.

次に、回路層212の一方の面(銅層212Bの一方の面)に、Ag下地層230を形成する。(Ag下地層形成工程S203)。
このAg下地層形成工程S203においては、上述したAg下地層形成用ペースト50を銅層212Bの一方の面に塗布して加熱処理することにより、複数のAg粒子がAg及びSnを含む金属間化合物によって結合された構造とされたAg下地層230が形成される。
Next, the Ag base layer 230 is formed on one surface of the circuit layer 212 (one surface of the copper layer 212B). (Ag foundation layer forming step S203).
In this Ag underlayer forming step S203, the above-described Ag underlayer forming paste 50 is applied to one surface of the copper layer 212B and heat-treated, whereby an intermetallic compound in which a plurality of Ag particles contain Ag and Sn. As a result, an Ag underlayer 230 having a structure bonded to each other is formed.

このようにして、回路層212のうち銅又は銅合金からなる銅層212Bの表面にAg下地層230が形成された本実施形態である絶縁回路基板210が製造される。   In this way, the insulated circuit board 210 according to this embodiment in which the Ag base layer 230 is formed on the surface of the copper layer 212B made of copper or a copper alloy in the circuit layer 212 is manufactured.

次に、Ag下地層230の表面に、接合層202となる酸化銀ペーストを塗布する(酸化銀ペースト塗布工程S204)。
なお、酸化銀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酸化銀ペーストを印刷した。
Next, a silver oxide paste to be the bonding layer 202 is applied to the surface of the Ag base layer 230 (silver oxide paste application step S204).
In addition, when apply | coating a silver oxide paste, various means, such as a screen printing method, an offset printing method, and a photosensitive process, are employable. In this embodiment, the silver oxide paste was printed by the screen printing method.

次に、酸化銀ペースト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、酸化銀ペーストの上に半導体素子203を積層する(半導体素子積層工程S205)。
そして、半導体素子203と絶縁回路基板210とを積層した状態で加熱炉内に装入し、酸化銀ペーストの焼成を行う(焼成工程S206)。このとき、半導体素子203と絶縁回路基板110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。この場合、加圧圧力は0.5〜10MPaとすることが望ましい。
このようにして、半導体素子203と回路層212(銅層212B)とが接合され、本実施形態である半導体装置201が製造される。
Next, after the silver oxide paste is applied and dried (for example, stored at room temperature and air atmosphere for 24 hours), the semiconductor element 203 is stacked on the silver oxide paste (semiconductor element stacking step S205).
Then, the semiconductor element 203 and the insulating circuit substrate 210 are stacked and placed in a heating furnace, and the silver oxide paste is baked (baking step S206). At this time, the semiconductor element 203 and the insulating circuit substrate 110 can be bonded more reliably by heating in a state of being pressurized in the stacking direction. In this case, the pressurizing pressure is desirably 0.5 to 10 MPa.
In this way, the semiconductor element 203 and the circuit layer 212 (copper layer 212B) are joined, and the semiconductor device 201 according to this embodiment is manufactured.

上記のような構成とされた第2実施形態である半導体装置201及び絶縁回路基板210によれば、第1実施形態の半導体装置1及び絶縁回路基板10と同様の作用効果を奏することができる。
また、本実施形態では、回路層212が銅層212Bを有しているので、半導体素子203から発生する熱を銅層212Bで面方向に拡げることができ、絶縁回路基板210側へ効率的に熱を伝達することができる。
According to the semiconductor device 201 and the insulating circuit substrate 210 of the second embodiment configured as described above, the same operational effects as the semiconductor device 1 and the insulating circuit substrate 10 of the first embodiment can be obtained.
Further, in the present embodiment, since the circuit layer 212 includes the copper layer 212B, the heat generated from the semiconductor element 203 can be spread in the plane direction by the copper layer 212B, and efficiently to the insulating circuit board 210 side. Can transfer heat.

さらに、セラミックス基板211の一方の面に、比較的変形抵抗の小さいアルミニウム層212Aが形成されているので、ヒートサイクル負荷時に発生する熱応力をこのアルミニウム層212Aによって吸収することができ、セラミックス基板211の割れを抑制することができる。
また、回路層212の一方の面側に比較的変形抵抗の大きい銅又は銅合金からなる銅層212Bが形成されているので、パワーサイクル負荷時に、回路層212の変形を抑制することができ、パワーサイクルに対する高い信頼性を得ることが可能となる。
Furthermore, since the aluminum layer 212A having a relatively small deformation resistance is formed on one surface of the ceramic substrate 211, the thermal stress generated during the heat cycle load can be absorbed by the aluminum layer 212A. Can be prevented from cracking.
In addition, since the copper layer 212B made of copper or copper alloy having a relatively large deformation resistance is formed on one surface side of the circuit layer 212, the deformation of the circuit layer 212 can be suppressed during power cycle loading. High reliability with respect to the power cycle can be obtained.

また、本実施形態においては、アルミニウム層212Aと銅層212Bとが固相拡散接合されており、この固相拡散接合時の温度が400℃以上とされているので、Al原子とCu原子との拡散が促進され、短時間で十分に固相拡散させることができる。また、固相拡散接合する際の温度が548℃以下とされているので、AlとCuとの液相が生じることがなく、アルミニウム層212Aと銅層212Bとの接合界面にコブが生じたり、厚みが変動したりすることを抑制できる。
さらに、上述の固相拡散接合の加熱温度を、AlとCuの共晶温度(548.8℃)より5℃低い温度から共晶温度未満の範囲とした場合には、AlとCuの化合物が必要以上に形成されることを抑制できるとともに、固相拡散接合の際の拡散速度が確保され、比較的短時間で固相拡散接合することができる。
In the present embodiment, the aluminum layer 212A and the copper layer 212B are solid phase diffusion bonded, and the temperature during the solid phase diffusion bonding is 400 ° C. or higher. Diffusion is promoted and solid phase diffusion can be sufficiently achieved in a short time. In addition, since the temperature at the time of solid phase diffusion bonding is 548 ° C. or less, a liquid phase of Al and Cu does not occur, and a bump occurs at the bonding interface between the aluminum layer 212A and the copper layer 212B. It can suppress that thickness changes.
Furthermore, when the heating temperature of the above-mentioned solid phase diffusion bonding is set in a range from 5 ° C. lower than the eutectic temperature of Al and Cu (548.8 ° C.) to less than the eutectic temperature, the compound of Al and Cu is It can be suppressed from being formed more than necessary, and the diffusion rate during solid phase diffusion bonding is ensured, so that solid phase diffusion bonding can be performed in a relatively short time.

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、図17に示すように、セラミックス基板311の一方の面に銅又は銅合金からなる回路層312(金属部材)を形成し、セラミックス基板311の他方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層313を形成し、回路層312の一方の面側にAg下地層330を形成した絶縁回路基板310であってもよい。この絶縁回路基板310の回路層312上に半導体素子303を搭載し、金属層313の他方の面側にヒートシンク341を接合することにより、半導体装置301を構成してもよい。
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to this, It can change suitably in the range which does not deviate from the technical idea of the invention.
For example, as shown in FIG. 17, a circuit layer 312 (metal member) made of copper or a copper alloy is formed on one surface of a ceramic substrate 311, and a metal layer made of aluminum or an aluminum alloy is formed on the other surface of the ceramic substrate 311. The insulated circuit board 310 may be formed by forming 313 and forming the Ag underlayer 330 on one surface side of the circuit layer 312. The semiconductor device 301 may be configured by mounting the semiconductor element 303 on the circuit layer 312 of the insulating circuit substrate 310 and bonding the heat sink 341 to the other surface side of the metal layer 313.

また、回路層、金属層、銅層等を構成する銅板を、無酸素銅の圧延板として説明したが、これに限定されることはなく、他の銅又は銅合金で構成されたものであってもよい。
同様に、金属層やアルミニウム層を構成するアルミニウム板を、純度99.99mass%の純アルミニウムの圧延板として説明したが、これに限定されることはなく、純度99mass%のアルミニウム(2Nアルミニウム)等、他のアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されたものであってもよい。
Moreover, although the copper plate which comprises a circuit layer, a metal layer, a copper layer, etc. was demonstrated as a rolled plate of oxygen-free copper, it is not limited to this, It was comprised with other copper or copper alloys. May be.
Similarly, the aluminum plate constituting the metal layer or the aluminum layer has been described as a rolled plate of pure aluminum having a purity of 99.99 mass%, but is not limited to this, and aluminum having a purity of 99 mass% (2N aluminum), etc. It may be composed of other aluminum or aluminum alloy.

また、上記実施形態では、接合層が、酸化銀粉末と還元剤とを含む酸化銀ペーストの焼成体で構成されたものとして説明したが、これに限定されることなく、銀粒子を含むペーストの焼成体とされていてもよいし、Ag粉末を含む導電性接着剤を用いてもよい。   Moreover, in the said embodiment, although the joining layer demonstrated as what was comprised with the baking body of the silver oxide paste containing a silver oxide powder and a reducing agent, it is not limited to this, The paste of a silver particle is included. A fired body may be used, or a conductive adhesive containing Ag powder may be used.

また、第3の実施形態において、アルミニウム層と銅層とが固相拡散接合された構造の回路層を形成するものとして説明したが、これに限定されることはなく、回路層の一方の面側が銅又は銅合金からなる銅層とされていればよい。
さらに、金属層をアルミニウム層と銅層とが固相拡散接合された構造とし、銅層にAg下地層を形成してとヒートシンクとを接合してもよい。
In the third embodiment, the aluminum layer and the copper layer are described as forming a circuit layer having a structure in which solid phase diffusion bonding is performed. However, the present invention is not limited to this, and one surface of the circuit layer is formed. The side should just be made into the copper layer which consists of copper or a copper alloy.
Further, the metal layer may be a structure in which an aluminum layer and a copper layer are solid phase diffusion bonded, and an Ag underlayer may be formed on the copper layer and the heat sink may be bonded.

また、ヒートシンクは、本実施形態で例示してものに限定されることはなく、ヒートシンクの構造に特に限定はない。また、第1,第2、第4の実施形態においても、ヒートシンクを配置してもよい。
さらに、ヒートシンクと金属層との間に、緩衝層を設けても良い。緩衝層としては、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)からなる板材を用いることができる。
Further, the heat sink is not limited to the one exemplified in this embodiment, and the structure of the heat sink is not particularly limited. Also in the first, second, and fourth embodiments, a heat sink may be arranged.
Further, a buffer layer may be provided between the heat sink and the metal layer. As the buffer layer, a plate made of aluminum, an aluminum alloy, or a composite material containing aluminum (for example, AlSiC) can be used.

本発明の有効性を確認するために行った確認実験について説明する。   A confirmation experiment conducted to confirm the effectiveness of the present invention will be described.

(本発明例1−8)
セラミックス基板の一方の面に回路層となる銅板を活性金属ろう付け法にて接合し、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ろう付け法にて接合し、絶縁回路基板を製作した。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、表1に示す材質ものものとし、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99.99mass%以上の4Nアルミニウムとし、サイズは25mm×15mm×1.6mmとした。
(Invention Example 1-8)
A copper plate to be a circuit layer is joined to one surface of a ceramic substrate by an active metal brazing method, and an aluminum plate to be a metal layer is joined to the other surface of the ceramic substrate by a brazing method to produce an insulated circuit board. did. 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 made of the material shown in Table 1, 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 mass% or more, and the size was 25 mm × 15 mm × 1.6 mm.

回路層の表面に、実施形態で説明したAg下地層形成用ペーストを塗布して加熱処理することにより、Ag下地層を形成した。
なお、Ag下地層形成用ペーストとして、Ag粉末:75mass%(平均粒径0.8μm)、表1記載のSn又はSn合金の粉末:15mass%、アクリル系樹脂(メタクリル酸i−ブチルの重合体):1mass%、有機溶剤(α−テルピネオール):9mass%を含むものを使用した。
The Ag underlayer was formed by applying the Ag underlayer forming paste described in the embodiment to the surface of the circuit layer and performing heat treatment.
In addition, as Ag underlayer forming paste, Ag powder: 75 mass% (average particle size 0.8 μm), Sn or Sn alloy powder shown in Table 1: 15 mass%, acrylic resin (polymer of i-butyl methacrylate) ): 1 mass%, organic solvent (α-terpineol): A material containing 9 mass% was used.

次に、酸化銀ペーストとして、市販の酸化銀粉末(和光純薬工業株式会社製)と、還元剤としてミリスチルアルコールと、溶剤として2,2,4−トリメチル−1,3−ペンタンジオールモノ(2−メチルプロパノエート)と、を用いて、酸化銀粉末;80質量%、還元剤(ミリスチルアルコール);10質量%、溶剤(2,2,4−トリメチル−1,3−ペンタンジオールモノ(2−メチルプロパノエート));残部、の割合で混合したものを準備した。   Next, as a silver oxide paste, commercially available silver oxide powder (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), myristyl alcohol as a reducing agent, and 2,2,4-trimethyl-1,3-pentanediol mono (2 -Methyl propanoate), silver oxide powder; 80% by mass, reducing agent (myristyl alcohol); 10% by mass, solvent (2,2,4-trimethyl-1,3-pentanediol mono (2) -Methylpropanoate)); the mixture in the ratio of the remainder was prepared.

そして、Ag下地層上に上述の酸化銀ペーストを塗布(塗布厚さ:10μm)し、接合面にAu膜を形成した半導体素子を配置し、酸化銀ペーストを焼成することで接合層を形成して、本発明例1−8の半導体装置を作製した。
ここで、酸化銀ペーストの焼成条件は、窒素雰囲気、焼成温度300℃、焼成時間10分、加圧圧力5MPaとした。
Then, the above silver oxide paste is applied on the Ag underlayer (application thickness: 10 μm), a semiconductor element having an Au film formed on the bonding surface is disposed, and the silver oxide paste is baked to form a bonding layer. Thus, a semiconductor device of Invention Example 1-8 was produced.
Here, the firing conditions of the silver oxide paste were a nitrogen atmosphere, a firing temperature of 300 ° C., a firing time of 10 minutes, and a pressing pressure of 5 MPa.

(従来例1)
銅板からなる回路層の表面にAg下地層を形成せずに、酸化銀ペーストを焼成した接合層によって回路層と半導体素子とを接合し、従来例1の半導体装置を作製した。なお、それ以外の条件は、本発明例1−8と同様とした。
(Conventional example 1)
Without forming an Ag underlayer on the surface of the circuit layer made of a copper plate, the circuit layer and the semiconductor element were bonded by a bonding layer obtained by baking a silver oxide paste, and a semiconductor device of Conventional Example 1 was manufactured. The other conditions were the same as in Invention Example 1-8.

(従来例2)
銅板からなる回路層の表面に、ガラス含有Agペーストを用いてAg下地層を形成し、酸化銀ペーストを焼成した接合層によって回路層と半導体素子とを接合し、従来例2の半導体装置を作製した。なお、それ以外の条件は、本発明例1−8と同様とした。
回路層上にガラス含有Agペーストを塗布した後に加熱炉内に装入して、600℃で焼成することによって、回路層上にAg下地層を形成した。ここで使用したガラス含有Agペーストは、セルロース系樹脂と、Bi−ZnO−B系無鉛ガラスフリット、溶剤としてα−テルピネオール及びAgを含有するガラス含有Agペーストとした。
(Conventional example 2)
On the surface of the circuit layer made of a copper plate, an Ag underlayer is formed using a glass-containing Ag paste, and the circuit layer and the semiconductor element are bonded by a bonding layer obtained by baking a silver oxide paste, thereby manufacturing the semiconductor device of Conventional Example 2 did. The other conditions were the same as in Invention Example 1-8.
After applying the glass-containing Ag paste on the circuit layer, it was placed in a heating furnace and baked at 600 ° C. to form an Ag underlayer on the circuit layer. The glass-containing Ag paste used here was a glass-based Ag paste containing cellulose resin, Bi 2 O 3 —ZnO—B 2 O 3 lead-free glass frit, α-terpineol and Ag as solvents.

得られた各種半導体装置について、シェア強度、熱抵抗及び電気抵抗を以下の手順により評価した。評価結果を表1に示す。   About the obtained various semiconductor devices, shear strength, thermal resistance, and electrical resistance were evaluated by the following procedures. The evaluation results are shown in Table 1.

(シェア強度)
2.5mm×2.5mm×0.200mmの半導体素子を接合した半導体装置に対し、せん断強度評価試験機を用いてシェア強度を測定した。測定は、半導体装置の回路層を水平に固定し、回路層表面から50μm上方の位置をシェアツールで横から水平に押して、半導体素子が破断されたときの強度を測定した。シェアツールの移動速度は0.1mm/secとした。一条件に付き3回強度試験を行い、それらの算術平均値を測定値とした。せん断強度評価試験機として株式会社レスカ製ボンディングテスタ(Model:PTR−1101)を用いた。
(Share strength)
The shear strength was measured using a shear strength evaluation tester for a semiconductor device in which 2.5 mm × 2.5 mm × 0.200 mm semiconductor elements were joined. In the measurement, the circuit layer of the semiconductor device was fixed horizontally, the position 50 μm above the surface of the circuit layer was pushed horizontally from the side with a shear tool, and the strength when the semiconductor element was broken was measured. The moving speed of the share tool was set to 0.1 mm / sec. The strength test was performed three times for one condition, and the arithmetic average value was taken as the measured value. As a shear strength evaluation tester, a bonding tester (Model: PTR-1101) manufactured by Reska Co., Ltd. was used.

(熱抵抗)
半導体素子としてヒータチップ(13mm×10mm×0.25mm)を用いて、半導体装置を作製し、これらの半導体装置を冷却器にろう付け接合した。次に、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、冷却器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。なお、Ag下地層を形成しなかった従来例1を基準として1とし、この従来例1との比率で評価した。
(Thermal resistance)
Semiconductor devices were fabricated using heater chips (13 mm × 10 mm × 0.25 mm) as semiconductor elements, and these semiconductor devices were brazed and joined to a cooler. Next, 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 cooler 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. In addition, it set to 1 on the basis of the prior art example 1 which did not form an Ag base layer, and evaluated by the ratio with this prior art example 1.

(電気抵抗)
Ag下地層を形成した絶縁回路基板について、図18及び図19に記載された方法により、テスタ(KEITHLEY社製:2010MULTIMETER)を用いて、Ag下地層の厚さ方向の電気抵抗値を測定した。電気抵抗の測定は、Ag下地層の上面中央点と、Ag下地層の上面中央点からAg下地層端部までの距離Hとした場合に、Ag下地層端部からHだけ離れた回路層上の点と、の間で行った。
(Electrical resistance)
About the insulated circuit board in which the Ag underlayer was formed, the electrical resistance value in the thickness direction of the Ag underlayer was measured using a tester (manufactured by KEITHLEY: 2010 MULTITIMER) by the method described in FIGS. The electrical resistance is measured on a circuit layer that is separated from the Ag base layer edge by H when the upper surface center point of the Ag base layer is a distance H from the top center point of the Ag base layer to the Ag base layer edge. And went between.

Figure 0006171912
Figure 0006171912

回路層の表面にAg下地層を形成しなかった従来例1では、シェア強度、熱抵抗及び電気抵抗が本発明例に比べて高かった。
回路層の表面にガラス含有AgペーストにてAg下地層を形成した従来例2では、電気抵抗が本発明例に比べて高かった。
In Conventional Example 1 in which the Ag underlayer was not formed on the surface of the circuit layer, the shear strength, thermal resistance, and electrical resistance were higher than those of the example of the present invention.
In Conventional Example 2 in which an Ag underlayer was formed with a glass-containing Ag paste on the surface of the circuit layer, the electric resistance was higher than that in the inventive example.

これに対して、回路層の表面にAg下地層形成用ペーストを用いてAg下地層を形成した本発明例1−8においては、シェア強度が高く、熱抵抗及び電気抵抗が低い半導体装置を得ることが出来た。   On the other hand, in Example 1-8 of the present invention in which the Ag underlayer was formed on the surface of the circuit layer using the Ag underlayer forming paste, a semiconductor device having high shear strength and low thermal resistance and electrical resistance was obtained. I was able to.

1、101、201、301 半導体装置
10、110、210、310 パワーモジュール用基板
11、111、211、311 セラミックス基板
12、112、212,312 回路層
113、213、313 金属層
22、122、123 銅板
30、130、230、330 Ag下地層
31 Ag粒子
32 Ag及びSnを含む金属間化合物
50 Ag下地層形成用ペースト
51 Ag粉末
52 Sn又はSn合金の粉末
53 アクリル系樹脂
1, 101, 201, 301 Semiconductor device 10, 110, 210, 310 Power module substrate 11, 111, 211, 311 Ceramic substrate 12, 112, 212, 312 Circuit layer 113, 213, 313 Metal layer 22, 122, 123 Copper plate 30, 130, 230, 330 Ag underlayer 31 Ag particles 32 Intermetallic compound containing Ag and Sn 50 Ag underlayer forming paste 51 Ag powder 52 Sn or Sn alloy powder 53 Acrylic resin

Claims (6)

被接合体と接合される金属部材と、この金属部材の表面に形成されたAg下地層と、を備えたAg下地層付き金属部材であって、
前記金属部材のうち前記被接合体と接合される接合面には、銅又は銅合金からなる銅層が形成され、この銅層の表面に前記Ag下地層が形成されており、
前記Ag下地層は、複数のAg粒子が、Ag及びSnを含む金属間化合物によって結合された構造とされていることを特徴とするAg下地層付き金属部材。
A metal member with an Ag underlayer comprising: a metal member to be joined to the object to be joined; and an Ag underlayer formed on the surface of the metal member,
A copper layer made of copper or a copper alloy is formed on the bonding surface of the metal member to be bonded to the object to be bonded, and the Ag underlayer is formed on the surface of the copper layer.
The Ag underlayer has a structure in which a plurality of Ag particles are bonded by an intermetallic compound containing Ag and Sn.
絶縁層と、この絶縁層の一方の面に配設された回路層と、を備えた絶縁回路基板であって、
前記回路層のうち前記絶縁層が配設された面と反対側の面に銅層が備えられ、この銅層の表面にAg下地層が形成され、前記回路層及び前記Ag下地層が請求項1に記載のAg下地層付き金属部材とされており、
前記Ag下地層は、複数のAg粒子が、Ag及びSnを含む金属間化合物によって結合された構造とされていることを特徴とする絶縁回路基板。
An insulating circuit board comprising an insulating layer and a circuit layer disposed on one surface of the insulating layer,
The copper layer is provided in the surface on the opposite side to the surface where the said insulating layer is arrange | positioned among the said circuit layers, Ag base layer is formed in the surface of this copper layer, The said circuit layer and said Ag base layer are claimed. 1 is a metal member with an Ag underlayer according to 1,
The above-mentioned Ag underlayer has a structure in which a plurality of Ag particles are bonded by an intermetallic compound containing Ag and Sn.
絶縁層と、この絶縁層の一方の面に配設された回路層と、前記絶縁層の他方の面に配設された金属層と、を備えた絶縁回路基板であって、
前記金属層のうち前記絶縁層が配設された面と反対側の面に銅層が備えられ、この銅層の表面に前記Ag下地層が形成され、前記金属層及び前記Ag下地層が請求項1に記載のAg下地層付き金属部材とされており、
前記Ag下地層は、複数のAg粒子が、Ag及びSnを含む金属間化合物によって結合された構造とされていることを特徴とする絶縁回路基板。
An insulating circuit board comprising: an insulating layer; a circuit layer disposed on one surface of the insulating layer; and a metal layer disposed on the other surface of the insulating layer,
A copper layer is provided on the surface of the metal layer opposite to the surface on which the insulating layer is disposed, the Ag underlayer is formed on the surface of the copper layer, and the metal layer and the Ag underlayer are claimed. It is set as the metal member with an Ag base layer of claim | item 1,
The above-mentioned Ag underlayer has a structure in which a plurality of Ag particles are bonded by an intermetallic compound containing Ag and Sn.
請求項2に記載の絶縁回路基板と、前記回路層の前記Ag下地層に接合された半導体素子と、を備えた半導体装置であって、
前記Ag下地層と前記半導体素子とが、Ag及び酸化銀の一方又は両方と有機物とを含む接合材の焼成体からなる接合層により接合されていることを特徴とする半導体装置。
A semiconductor device comprising: the insulating circuit board according to claim 2; and a semiconductor element bonded to the Ag underlayer of the circuit layer,
The said Ag base layer and the said semiconductor element are joined by the joining layer which consists of a sintered body of the joining material containing one or both of Ag and silver oxide, and organic substance.
請求項3に記載の絶縁回路基板と、前記金属層の前記Ag下地層に接合されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付き絶縁回路基板であって、
前記Ag下地層と前記ヒートシンクとが、Ag及び酸化銀の一方又は両方と有機物とを含む接合材の焼成体からなる接合層により接合されていることを特徴とするヒートシンク付き絶縁回路基板。
An insulated circuit board with a heat sink comprising: the insulated circuit board according to claim 3; and a heat sink joined to the Ag underlayer of the metal layer,
An insulating circuit board with a heat sink, wherein the Ag underlayer and the heat sink are bonded by a bonding layer made of a sintered body of a bonding material containing one or both of Ag and silver oxide and an organic substance.
被接合体と接合される金属部材と、この金属部材の表面に形成されたAg下地層と、を備えたAg下地層付き金属部材の製造方法であって、
前記金属部材のうち前記被接合体が接合される接合面に、銅又は銅合金からなる銅層を配設する銅層配設工程と、
前記銅層の表面に、Ag粉末とSn又はSn合金の粉末とを含有するAg下地層形成用ペーストを塗布して加熱処理することにより、複数のAg粒子がAg及びSnを含む金属間化合物によって結合された構造とされたAg下地層を形成するAg下地層形成工程と、
を備えていることを特徴とするAg下地層付き金属部材の製造方法。
A method for producing a metal member with an Ag underlayer, comprising: a metal member to be joined to an object to be joined; and an Ag underlayer formed on the surface of the metal member,
A copper layer disposing step of disposing a copper layer made of copper or a copper alloy on a bonding surface to which the object to be bonded is bonded among the metal members;
By applying an Ag underlayer forming paste containing Ag powder and Sn or Sn alloy powder to the surface of the copper layer and heat-treating, a plurality of Ag particles are made of an intermetallic compound containing Ag and Sn. An Ag underlayer forming step of forming an Ag underlayer having a combined structure;
The manufacturing method of the metal member with an Ag base layer characterized by comprising.
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