JP2012109314A - Power module substrate, power module substrate with cooler, and manufacturing methods of the power module and the power module substrate - Google Patents

Power module substrate, power module substrate with cooler, and manufacturing methods of the power module and the power module substrate Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power module substrate which easily and reliably joins a semiconductor element to a circuit layer through a solder material, and to provide the power module substrate with a cooler and manufacturing methods of the power module and the power module substrate.SOLUTION: In a power module substrate 10, a circuit layer 12 made of aluminum or aluminum alloy is disposed on one surface of an insulation layer 11, and a semiconductor element 3 is disposed on the circuit layer 12 through a solder layer 2. An Ag sintering layer 30, formed by a sintered body of Ag paste containing lead free glass containing ZnO, is formed on one surface of the circuit layer 12.

Description

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

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

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

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

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

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

この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、回路層上に半導体素子をはんだ材を介して、容易に、かつ、確実に接合することが可能なパワーモジュール用基板、冷却器付パワーモジュール用基板、パワーモジュール及びこのパワーモジュール用基板の製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the circumstances described above, and is a power module substrate and a cooler capable of easily and surely joining a semiconductor element to a circuit layer via a solder material. It is an object of the present invention to provide a power module substrate, a power module, and a method for manufacturing the power module substrate.

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

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

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

また、前記Ａｇ焼成層は、その厚さ方向における電気抵抗値Ｐが０．５Ω以下に設定されていることが好ましい。
前記Ａｇ焼成層の厚さ方向における電気抵抗値Ｐが０．５Ω以下とされているので、Ａｇ焼成層及びはんだ材を介して半導体素子と回路層との間で電気を確実に導通することが可能となり、信頼性の高いパワーモジュールを構成することができる。さらに、半導体素子と回路層との間の電気の導通を確保するためには、前記Ａｇ焼成層の厚さ方向における電気抵抗値Ｐを０．２Ω以下とすることが好ましい。
なお、本発明においては、Ａｇ焼成層の厚さ方向における電気抵抗値Ｐは、Ａｇ焼成層の上面と回路層の上面との間の電気抵抗としている。これは、回路層を構成するアルミニウムの電気抵抗がＡｇ焼成層の厚さ方向の電気抵抗に比べて非常に小さいためである。なお、この電気抵抗値Ｐの測定は、Ａｇ焼成層の上面中央点と、Ａｇ焼成層の上面中央点からＡｇ焼成層端部までの距離Ｈとした場合にＡｇ焼成層端部からＨだけ離れた回路層上の点と、の間で行うこととした。 Moreover, it is preferable that the electrical resistance value P in the thickness direction of the Ag fired layer is set to 0.5Ω or less.
Since the electrical resistance value P in the thickness direction of the Ag fired layer is 0.5Ω or less, it is possible to reliably conduct electricity between the semiconductor element and the circuit layer via the Ag fired layer and the solder material. This makes it possible to configure a highly reliable power module. Furthermore, in order to ensure electrical continuity between the semiconductor element and the circuit layer, the electrical resistance value P in the thickness direction of the Ag fired layer is preferably 0.2Ω or less.
In the present invention, the electrical resistance value P in the thickness direction of the Ag fired layer is the electrical resistance between the upper surface of the Ag fired layer and the upper surface of the circuit layer. This is because the electrical resistance of aluminum constituting the circuit layer is very small compared to the electrical resistance in the thickness direction of the Ag fired layer. The electrical resistance value P is measured by separating the upper surface center point of the Ag fired layer and the distance H from the upper surface center point of the Ag fired layer to the Ag fired layer end by H from the Ag fired layer end. Between the points on the circuit layer.

また、前記無鉛ガラスのガラス組成が、Ｂｉ２Ｏ３：６８質量％以上９３質量％以下、ＺｎＯ：１質量％以上２０質量％以下、Ｂ２Ｏ３：１質量％以上１１質量％以下、ＳｉＯ２：５質量％以下、Ａｌ２Ｏ３：５質量％以下、Ｆｅ２Ｏ３：５質量％以下、ＣｕＯ：５質量％以下、ＣｅＯ２：５質量％以下、ＺｒＯ２：５質量％以下、アルカリ金属酸化物：２質量％以下、アルカリ土類金属酸化物：７質量％以下、とされていることが好ましい。
これらの酸化物を含有した無鉛ガラスは、その軟化温度が比較的低くなり、低温でＡｇペーストを焼成することが可能となり、Ａｇペーストの焼成時の熱によってアルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層が劣化することを防止できる。
ここで、アルカリ金属酸化物の含有量は、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ等のアルカリ金属の酸化物の合計量とする。
また、アルカリ土類金属酸化物の含有量は、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＢａＯ、ＳｒＯ等のアルカリ土類金属の酸化物の合計量とする。 The glass composition of the lead-free glass, Bi 2 O 3: 68 wt% or more 93 wt% or less, ZnO: 1% by weight to 20% by weight, B 2 O 3: 1 wt% to 11 wt% or less, SiO 2: 5 wt% or less, Al 2 O 3: 5 wt% or less, Fe 2 O 3: 5 wt% or less, CuO: 5 wt% or less, CeO 2: 5 wt% or less, ZrO 2: 5 wt% or less, It is preferable that alkali metal oxides: 2% by mass or less, alkaline earth metal oxides: 7% by mass or less.
Lead-free glass containing these oxides has a relatively low softening temperature, making it possible to fire the Ag paste at low temperatures, and the circuit layer made of aluminum or aluminum alloy deteriorates due to the heat during firing of the Ag paste. Can be prevented.
Here, the content of the alkali metal oxide is the total amount of alkali metal oxides such as Li 2 O, Na 2 O, and K 2 O.
The content of the alkaline earth metal oxide is the total amount of alkaline earth metal oxides such as MgO, CaO, BaO, and SrO.

さらに、前記絶縁層が、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４又はＡｌ２Ｏ３から選択されるセラミックス基板であることが好ましい。
ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４又はＡｌ２Ｏ３から選択されるセラミックス基板は、絶縁性及び強度に優れており、パワーモジュール用基板の信頼性の向上を図ることができる。また、このセラミックス基板上にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属板をろう付けすることによって、容易に回路層を形成することが可能となる。 Furthermore, it is preferable that the insulating layer is a ceramic substrate selected from AlN, Si 3 N 4 or Al 2 O 3 .
The ceramic substrate selected from AlN, Si 3 N 4 or Al 2 O 3 has excellent insulation and strength, and can improve the reliability of the power module substrate. Further, it is possible to easily form a circuit layer by brazing a metal plate made of aluminum or an aluminum alloy on the ceramic substrate.

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

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

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

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

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

本発明によれば、回路層上に形成した無鉛ガラスを含有するＡｇペーストの焼成体からなるＡｇ焼成層に半導体素子を、容易に、かつ、確実にはんだ接合することが可能なパワーモジュール用基板、冷却器付パワーモジュール用基板、パワーモジュール及びこのパワーモジュール用基板の製造方法を提供することができる。   According to the present invention, a power module substrate capable of easily and surely soldering a semiconductor element to an Ag fired layer made of a fired body of an Ag paste containing lead-free glass formed on a circuit layer. A power module substrate with a cooler, a power module, and a method for manufacturing the power module substrate can be provided.

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

以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。図１に本発明の実施形態であるパワーモジュールを示す。
このパワーモジュール１は、回路層１２が配設されたパワーモジュール用基板１０と、回路層１２の表面にはんだ層２を介して接合された半導体チップ３と、冷却器４０とを備えている。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 shows a power module according to an embodiment of the present invention.
The power module 1 includes a power module substrate 10 on which a circuit layer 12 is disposed, a semiconductor chip 3 bonded to the surface of the circuit layer 12 via a solder layer 2, and a cooler 40.

パワーモジュール用基板１０は、絶縁層を構成するセラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の一方の面（図１において上面）に配設された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面（図１において下面）に配設された金属層１３とを備えている。
セラミックス基板１１は、回路層１２と金属層１３との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。また、セラミックス基板１１の厚さは、０．２〜１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６３５ｍｍに設定されている。 The power module substrate 10 includes a ceramic substrate 11 constituting an insulating layer, a circuit layer 12 disposed on one surface of the ceramic substrate 11 (upper surface in FIG. 1), and the other surface of the ceramic substrate 11 (FIG. 1 and a metal layer 13 disposed on the lower surface.
The ceramic substrate 11 prevents electrical connection between the circuit layer 12 and the metal layer 13, and is made of highly insulating AlN (aluminum nitride). In addition, the thickness of the ceramic substrate 11 is set within a range of 0.2 to 1.5 mm, and in this embodiment is set to 0.635 mm.

回路層１２は、セラミックス基板１１の一方の面に、導電性を有する金属板が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、回路層１２は、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなるアルミニウム板がセラミックス基板１１に接合されることにより形成されている。   The circuit layer 12 is formed by bonding a conductive metal plate to one surface of the ceramic substrate 11. In the present embodiment, the circuit layer 12 is formed by joining an aluminum plate made of a rolled plate of aluminum (so-called 4N aluminum) having a purity of 99.99% or more to the ceramic substrate 11.

金属層１３は、セラミックス基板１１の他方の面に、金属板が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層１３は、回路層１２と同様に、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなるアルミニウム板がセラミックス基板１１に接合されることで形成されている。   The metal layer 13 is formed by bonding a metal plate to the other surface of the ceramic substrate 11. In the present embodiment, the metal layer 13 is formed by joining an aluminum plate made of a rolled plate of aluminum (so-called 4N aluminum) having a purity of 99.99% or more, like the circuit layer 12, to the ceramic substrate 11. Has been.

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

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

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

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

さらに、このＡｇ焼成層３０の厚さ方向の電気抵抗値Ｐが０．５Ω以下に設定されている。ここで、本実施形態においては、Ａｇ焼成層３０の厚さ方向における電気抵抗値Ｐは、Ａｇ焼成層３０の上面と回路層１２の上面との間の電気抵抗値としている。これは、回路層１２を構成する４Ｎアルミニウムの電気抵抗がＡｇ焼成層３０の厚さ方向の電気抵抗に比べて非常に小さいためである。なお、この電気抵抗の測定の際には、図４及び図５に示すように、Ａｇ焼成層３０の上面中央点と、Ａｇ焼成層３０の上面中央点からＡｇ焼成層３０端部までの距離Ｈに対してＡｇ焼成層３０端部からＨだけ離れた回路層１２上の点と、の間の電気抵抗を測定することとしている。   Furthermore, the electrical resistance value P in the thickness direction of the Ag fired layer 30 is set to 0.5Ω or less. Here, in this embodiment, the electrical resistance value P in the thickness direction of the Ag fired layer 30 is an electrical resistance value between the upper surface of the Ag fired layer 30 and the upper surface of the circuit layer 12. This is because the electric resistance of 4N aluminum constituting the circuit layer 12 is very small compared to the electric resistance in the thickness direction of the Ag fired layer 30. In the measurement of the electrical resistance, as shown in FIGS. 4 and 5, the upper surface center point of the Ag fired layer 30 and the distance from the upper surface center point of the Ag fired layer 30 to the edge of the Ag fired layer 30. The electrical resistance between the point on the circuit layer 12 that is separated from the end of the Ag fired layer 30 by H by H is measured.

また、本実施形態では、回路層１２が純度９９．９９％のアルミニウムで構成されていることから、回路層１２の表面（図３において上面）には、大気中で自然発生したアルミニウム酸化皮膜１２Ａが形成されているが、前述のＡｇ焼成層３０が形成された部分においては、このアルミニウム酸化皮膜１２Ａが除去されており、回路層１２上に直接、Ａｇ焼成層３０が形成されている。つまり、回路層１２を構成するアルミニウムと無鉛ガラス層３１とが直接接合されているのである。   In the present embodiment, since the circuit layer 12 is made of aluminum having a purity of 99.99%, the aluminum oxide film 12A naturally generated in the atmosphere is formed on the surface of the circuit layer 12 (upper surface in FIG. 3). However, the aluminum oxide film 12A is removed at the portion where the Ag fired layer 30 is formed, and the Ag fired layer 30 is formed directly on the circuit layer 12. That is, the aluminum constituting the circuit layer 12 and the lead-free glass layer 31 are directly joined.

ここで、回路層１２上に自然発生するアルミニウム酸化皮膜１２Ａの厚さｔｏが、４ｎｍ≦ｔｏ≦６ｎｍとされている。また、本実施形態においては、無鉛ガラス層３１の厚さｔｇが０．０１μｍ≦ｔｇ≦５μｍ、Ａｇ層３２の厚さｔａが１μｍ≦ｔａ≦１００μｍ、Ａｇ焼成層３０全体の厚さｔｇ＋ｔａが１．０１μｍ≦ｔｇ＋ｔａ≦１０５μｍとなるように構成されている。   Here, the thickness to of the aluminum oxide film 12A that naturally occurs on the circuit layer 12 is set to 4 nm ≦ to ≦ 6 nm. In the present embodiment, the lead-free glass layer 31 has a thickness tg of 0.01 μm ≦ tg ≦ 5 μm, the Ag layer 32 has a thickness ta of 1 μm ≦ ta ≦ 100 μm, and the total thickness tg + ta of the Ag fired layer 30 is 1. .01 μm ≦ tg + ta ≦ 105 μm.

次に、Ａｇ焼成層３０を構成するＡｇペーストについて説明する。
このＡｇペーストは、Ａｇ粉末と、ＺｎＯを含有する無鉛ガラス粉末と、樹脂と、溶剤と、分散剤と、を含有しており、Ａｇ粉末と無鉛ガラス粉末とからなる粉末成分の含有量が、Ａｇペースト全体の６０質量％以上９０質量％以下とされており、残部が樹脂、溶剤、分散剤とされている。なお、本実施形態では、Ａｇ粉末と無鉛ガラス粉末とからなる粉末成分の含有量は、Ａｇペースト全体の８５質量％とされている。
また、このＡｇペーストは、その粘度が１０Ｐａ・ｓ以上５００Ｐａ・ｓ以下、より好ましくは５０Ｐａ・ｓ以上３００Ｐａ・ｓ以下に調整されている。 Next, the Ag paste constituting the Ag fired layer 30 will be described.
This Ag paste contains an Ag powder, a lead-free glass powder containing ZnO, a resin, a solvent, and a dispersant, and the content of the powder component composed of the Ag powder and the lead-free glass powder is It is set as 60 mass% or more and 90 mass% or less of the whole Ag paste, and the remainder is made into resin, a solvent, and a dispersing agent. In the present embodiment, the content of the powder component composed of Ag powder and lead-free glass powder is set to 85% by mass of the entire Ag paste.
The viscosity of this Ag paste is adjusted to 10 Pa · s or more and 500 Pa · s or less, more preferably 50 Pa · s or more and 300 Pa · s or less.

Ａｇ粉末は、その粒径が０．０５μｍ以上１．０μｍ以下とされており、本実施形態では、平均粒径０．８μｍのものを使用した。
無鉛ガラス粉末は、主成分としてＢｉ２Ｏ３、ＺｎＯ、Ｂ２Ｏ３を含むものとされており、そのガラス転移温度が３００℃以上４５０℃以下、軟化温度が６００℃以下、結晶化温度が４５０℃以上とされている。また、Ａｇ粉末の重量Ａと無鉛ガラス粉末の重量Ｇとの重量比Ａ／Ｇは、８０／２０から９９／１の範囲内に調整されており、本実施形態では、Ａ／Ｇ＝８０／５とした。 The Ag powder has a particle size of 0.05 μm or more and 1.0 μm or less. In this embodiment, an Ag powder having an average particle size of 0.8 μm was used.
The lead-free glass powder contains Bi 2 O 3 , ZnO, and B 2 O 3 as main components, and has a glass transition temperature of 300 ° C. or higher and 450 ° C. or lower, a softening temperature of 600 ° C. or lower, and a crystallization temperature. 450 ° C. or higher. The weight ratio A / G between the weight A of the Ag powder and the weight G of the lead-free glass powder is adjusted within a range of 80/20 to 99/1. In this embodiment, A / G = 80 / It was set to 5.

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

ここで、本実施形態において用いられる無鉛ガラス粉末について詳細に説明する。本実施形態における無鉛ガラス粉末のガラス組成は、
Ｂｉ２Ｏ３：６８質量％以上９３質量％以下、
ＺｎＯ：１質量％以上２０質量％以下、
Ｂ２Ｏ３：１質量％以上１１質量％以下、
ＳｉＯ２：５質量％以下、
Ａｌ２Ｏ３：５質量％以下、
Ｆｅ２Ｏ３：５質量％以下、
ＣｕＯ：５質量％以下、
ＣｅＯ２：５質量％以下、
ＺｒＯ２：５質量％以下、
アルカリ金属酸化物：２質量％以下、
アルカリ土類金属酸化物：７質量％以下、
とされている。 Here, the lead-free glass powder used in the present embodiment will be described in detail. The glass composition of the lead-free glass powder in this embodiment is
Bi 2 O 3 : 68 mass% or more and 93 mass% or less,
ZnO: 1% by mass or more and 20% by mass or less,
B 2 O 3 : 1% by mass or more and 11% by mass or less,
SiO 2 : 5% by mass or less,
Al 2 O 3 : 5% by mass or less,
Fe 2 O 3 : 5% by mass or less,
CuO: 5 mass% or less,
CeO 2 : 5% by mass or less,
ZrO 2 : 5% by mass or less,
Alkali metal oxide: 2% by mass or less,
Alkaline earth metal oxide: 7% by mass or less,
It is said that.

すなわち、Ｂｉ２Ｏ３、ＺｎＯ、Ｂ２Ｏ３を必須成分とし、これに、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、ＣｕＯ、ＣｅＯ２、ＺｒＯ２、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ等のアルカリ金属酸化物、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＢａＯ、ＳｒＯ等のアルカリ土類金属酸化物が、必要に応じて適宜添加されたものである。ここで、これらの酸化物を上述の範囲内とした理由を以下に示す。 That is, Bi 2 O 3 , ZnO, B 2 O 3 is an essential component, and this includes SiO 2 , Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 , CuO, CeO 2 , ZrO 2 , Li 2 O, Na 2 O, Alkali metal oxides such as K 2 O and alkaline earth metal oxides such as MgO, CaO, BaO and SrO are appropriately added as necessary. Here, the reason why these oxides are within the above-mentioned range is shown below.

（Ｂｉ２Ｏ３）
Ｂｉ２Ｏ３は、無鉛ガラス粉末の主原料となるものであり、融点を低くするために必須の成分である。Ｂｉ２Ｏ３の含有量が６８質量％未満であると、軟化温度が高くなってしまう。一方、Ｂｉ２Ｏ３の含有量が９３質量％を超えると、結晶化温度が低くなってしまう。このため、Ｂｉ２Ｏ３の含有量を６８質量％以上９３質量％以下とした。 (Bi 2 O 3 )
Bi 2 O 3 is a main raw material of the lead-free glass powder, and is an essential component for lowering the melting point. When the content of Bi 2 O 3 is less than 68 wt%, the softening temperature becomes high. On the other hand, when the content of Bi 2 O 3 exceeds 93% by mass, the crystallization temperature is lowered. For this reason, the content of Bi 2 O 3 and 68 wt% or more 93 wt% or less.

（ＺｎＯ）
ＺｎＯは、Ｂｉ２Ｏ３を含有する無鉛ガラスの結晶化を抑制する効果を有する。ＺｎＯの含有量が１質量％未満であると、結晶化抑制の効果を十分に奏功せしめることができない。一方、ＺｎＯの含有量が２０質量％を超えると、軟化温度が高くなってしまう。このため、ＺｎＯの含有量を１質量％以上２０質量％以下とした。 (ZnO)
ZnO has the effect of suppressing crystallization of lead-free glass containing Bi 2 O 3 . When the content of ZnO is less than 1% by mass, the effect of suppressing crystallization cannot be sufficiently achieved. On the other hand, when the content of ZnO exceeds 20% by mass, the softening temperature becomes high. For this reason, content of ZnO was made into 1 mass% or more and 20 mass% or less.

（Ｂ２Ｏ３）
Ｂ２Ｏ３は、ガラス化のために必須の成分である。Ｂ２Ｏ３の含有量が１質量％未満であると、ガラス化が不十分となり、容易に結晶化してしまう。一方、Ｂ２Ｏ３の含有量が１１質量％を超えると、軟化温度が高くなってしまう。このため、Ｂ２Ｏ３の含有量を１質量％以上１１質量％以下とした。 (B 2 O 3 )
B 2 O 3 is an essential component for vitrification. If the content of B 2 O 3 is less than 1% by mass, vitrification becomes insufficient and crystallization occurs easily. On the other hand, when the content of B 2 O 3 exceeds 11% by mass, the softening temperature is increased. For this reason, the content of B 2 O 3 and 1 wt% to 11 wt% or less.

（ＳｉＯ２）
ＳｉＯ２は、ガラスの化学的耐久性や結晶化を抑制する効果を有する。ＳｉＯ２の含有量が５質量％を超えると、ガラス転移温度が高くなり、低温での焼成を行うことができなくなる。このため、ＳｉＯ２の含有量は５質量％以下とした。 (SiO 2 )
SiO 2 has an effect of suppressing chemical durability and crystallization of glass. When the content of SiO 2 exceeds 5% by mass, the glass transition temperature becomes high and firing at a low temperature cannot be performed. Therefore, the content of SiO 2 was 5 mass% or less.

（Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２）
Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２は、ガラスの化学的耐久性や結晶化を抑制する効果を有する。Ａｌ２Ｏ３の含有量、あるいは、ＺｒＯ２の含有量が５質量％を超えると、ガラス転移温度が高くなり、ガラス化が困難となる。このため、Ａｌ２Ｏ３の含有量、ＺｒＯ２の含有量をそれぞれ５質量％以下とした。 (Al 2 O 3 , ZrO 2 )
Al 2 O 3 and ZrO 2 have the effect of suppressing the chemical durability and crystallization of glass. When the content of Al 2 O 3 or the content of ZrO 2 exceeds 5% by mass, the glass transition temperature becomes high and vitrification becomes difficult. Therefore, content of Al 2 O 3, and ZrO 2 content of 5 wt% or less, respectively.

（Ｆｅ２Ｏ３、ＣｕＯ、ＣｅＯ２）
Ｆｅ２Ｏ３、ＣｕＯ、ＣｅＯ２は、Ｂｉ２Ｏ３を含有する無鉛ガラスの結晶化を抑制する効果を有する。Ｆｅ２Ｏ３の含有量、ＣｕＯの含有量、ＣｅＯ２の含有量がそれぞれ５質量％を超えると、ガラス転移温度が高くなり、ガラス化が困難となる。このため、Ｆｅ２Ｏ３の含有量、ＣｕＯの含有量、ＣｅＯ２の含有量をそれぞれ５質量％以下とした。 (Fe 2 O 3 , CuO, CeO 2 )
Fe 2 O 3 , CuO, and CeO 2 have an effect of suppressing crystallization of lead-free glass containing Bi 2 O 3 . When the content of Fe 2 O 3, the content of CuO, and the content of CeO 2 exceed 5% by mass, the glass transition temperature becomes high and vitrification becomes difficult. For this reason, the content of Fe 2 O 3, the content of CuO, and the content of CeO 2 were each 5% by mass or less.

（アルカリ金属酸化物）
アルカリ金属酸化物は、原料由来成分として含有されるものである。アルカリ金属酸化物の含有量の合計が２質量％を超えると、結晶化しやすくなり、ガラス化が困難となる。このため、アルカリ金属酸化物の含有量の合計を２質量％以下とした。 (Alkali metal oxide)
The alkali metal oxide is contained as a raw material-derived component. When the total content of the alkali metal oxides exceeds 2% by mass, crystallization becomes easy and vitrification becomes difficult. For this reason, the sum total of content of the alkali metal oxide was made into 2 mass% or less.

（アルカリ土類金属酸化物）
アルカリ土類金属酸化物は、ガラスの物性を微調整するために含有されるものである。アルカリ土類金属酸化物の含有量の合計が７質量％を超えると、ガラス転移温度が高くなり、ガラス化が困難となる。このため、アルカリ土類金属酸化物の含有量の合計を７質量％以下とした。 (Alkaline earth metal oxide)
The alkaline earth metal oxide is contained in order to finely adjust the physical properties of the glass. When the total content of the alkaline earth metal oxides exceeds 7% by mass, the glass transition temperature becomes high and vitrification becomes difficult. For this reason, the total content of alkaline earth metal oxides was set to 7% by mass or less.

このようなＺｎＯを含有する無鉛ガラス粉末は、次のようにして製造される。原料として、上述の各種酸化物、炭酸塩もしくはアンモニウム塩を用いる。この原料を、白金坩堝、アルミナ坩堝または石英坩堝等に装入して、溶解炉にて溶融する。溶融条件に特に制限はないが、原料が全て液相で均一に混合されるように、９００℃以上１３００℃以下、３０分以上１２０分以下の範囲内とすることが好ましい。
得られた溶融物を、カーボン、スチール、銅板、双ロール、水等に投下して急冷することにより、均一なガラス塊を製出する。
このガラス塊を、ボールミル、ジェットミル等で粉砕し、粗大粒子を分級することにより、無鉛ガラス粉末が得られる。ここで、本実施形態では、無鉛ガラス粉末の中心粒径ｄ５０を０．１μｍ以上５．０μｍ以下の範囲内としている。 Such a lead-free glass powder containing ZnO is produced as follows. The above-mentioned various oxides, carbonates or ammonium salts are used as raw materials. This raw material is charged into a platinum crucible, an alumina crucible, a quartz crucible or the like and melted in a melting furnace. Although there is no restriction | limiting in particular in melting conditions, It is preferable to set it as the range of 900 degreeC or more and 1300 degrees C or less and 30 minutes or more and 120 minutes or less so that all the raw materials may be mixed uniformly by a liquid phase.
The obtained melt is dropped on carbon, steel, copper plate, twin rolls, water, etc., and rapidly cooled to produce a uniform glass lump.
The glass lump is pulverized with a ball mill, a jet mill or the like, and coarse particles are classified to obtain a lead-free glass powder. Here, in this embodiment, the center particle diameter d50 of the lead-free glass powder is set in the range of 0.1 μm or more and 5.0 μm or less.

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

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

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

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

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

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

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

以上のような構成とされた本実施形態であるパワーモジュール用基板１０及びパワーモジュール１においては、純度９９．９９％以上のアルミニウム板をセラミックス基板１１にろう付けして構成された回路層１２の表面に、無鉛ガラスを含有するＡｇペーストの焼成体からなるＡｇ焼成層３０が形成されているので、このＡｇ焼成層３０上にはんだ層２を形成して半導体チップ３を接合することができる。つまり、従来のようにＮｉめっき膜を形成する必要がなく、比較的簡単に、かつ、確実に回路層１２上に半導体チップ３を接合することが可能となるのである。よって、Ｎｉめっき膜を形成した場合に生じる不具合が無くなり、パワーモジュール１を良好に製出することができる。   In the power module substrate 10 and the power module 1 according to the present embodiment configured as described above, the circuit layer 12 is configured by brazing an aluminum plate having a purity of 99.99% or more to the ceramic substrate 11. Since the Ag fired layer 30 made of a fired body of Ag paste containing lead-free glass is formed on the surface, the solder layer 2 can be formed on the Ag fired layer 30 to join the semiconductor chip 3. That is, it is not necessary to form a Ni plating film as in the prior art, and the semiconductor chip 3 can be bonded onto the circuit layer 12 relatively easily and reliably. Therefore, the trouble which arises when forming a Ni plating film is lost, and the power module 1 can be produced satisfactorily.

ここで、Ａｇ焼成層３０が、図３に示すように、無鉛ガラス層３１と、この無鉛ガラス層３１の上に形成されたＡｇ層３２と、を備えているので、回路層１２の表面に自然発生したアルミニウム酸化皮膜１２Ａを無鉛ガラス層３１中に溶融させて除去することができ、回路層１２表面に直接無鉛ガラス層３１（Ａｇ焼成層３０）を形成することができる。
そして、この無鉛ガラス層３１内部には、粒径が数ナノメートル程度とされた微細な導電性粒子３３が分散されているので、無鉛ガラス層３１においても導電性を確保することができる。具体的には、本実施形態では、無鉛ガラス層３１を含めたＡｇ焼成層３０の厚さ方向の電気抵抗値Ｐが０．５Ω以下に設定されているのである。
したがって、Ａｇ焼成層３０及びはんだ層２を介して半導体チップ３と回路層１２との間で電気を確実に導通することが可能となり、信頼性の高いパワーモジュール１を構成することができる。 Here, the Ag fired layer 30 includes a lead-free glass layer 31 and an Ag layer 32 formed on the lead-free glass layer 31, as shown in FIG. The naturally generated aluminum oxide film 12A can be melted and removed in the lead-free glass layer 31, and the lead-free glass layer 31 (Ag fired layer 30) can be formed directly on the surface of the circuit layer 12.
Since the fine conductive particles 33 having a particle size of about several nanometers are dispersed inside the lead-free glass layer 31, the lead-free glass layer 31 can also have conductivity. Specifically, in this embodiment, the electrical resistance value P in the thickness direction of the Ag fired layer 30 including the lead-free glass layer 31 is set to 0.5Ω or less.
Therefore, electricity can be reliably conducted between the semiconductor chip 3 and the circuit layer 12 via the Ag fired layer 30 and the solder layer 2, and the highly reliable power module 1 can be configured.

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

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

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

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、回路層及び金属層を構成する金属板を純度９９．９９％の純アルミニウムの圧延板としたものとして説明したが、これに限定されることはなく、純度９９％のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）であってもよく、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されていればよい。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to this, It can change suitably in the range which does not deviate from the technical idea of the invention.
For example, the metal plate constituting the circuit layer and the metal layer has been described as a rolled plate of pure aluminum having a purity of 99.99%, but is not limited to this, and aluminum having a purity of 99% (2N aluminum) It may be sufficient if it is comprised with aluminum or aluminum alloy.

また、Ａｇペーストの原料、配合量については、実施形態に記載されたものに限定されることはなく、他の無鉛ガラス粉末、樹脂、溶剤、分散剤を用いてもよい。軟化温度がアルミ二ウムの融点以下、より好ましくは６００℃以下とされていればよい。
また、樹脂としては、アクリル樹脂、アルキッド樹脂等を用いてもよい。さらに、溶剤としては、α―テルピネオール、ブチルカルビトールアセテート等を用いても良い。 Moreover, about the raw material of Ag paste, and the compounding quantity, it is not limited to what was described in embodiment, You may use another lead-free glass powder, resin, a solvent, and a dispersing agent. The softening temperature should just be below melting | fusing point of aluminum, More preferably, it is 600 degrees C or less.
As the resin, an acrylic resin, an alkyd resin, or the like may be used. Further, α-terpineol, butyl carbitol acetate or the like may be used as the solvent.

また、形成されるＡｇ焼成層における無鉛ガラス層とＡｇ層の厚さ比は、図３に例示したものに限定されることはない。
さらに、絶縁層としてＡｌＮからなるセラミックス基板を用いたものとして説明したが、これに限定されることはなく、Ｓｉ３Ｎ４やＡｌ２Ｏ３等からなるセラミックス基板を用いても良いし、絶縁樹脂によって絶縁層を構成してもよい。 Further, the thickness ratio between the lead-free glass layer and the Ag layer in the formed Ag fired layer is not limited to that illustrated in FIG.
Further, it is described that uses a ceramic substrate made of AlN as an insulating layer, is not limited thereto, it may be used a ceramic substrate made of Si 3 N 4 or Al 2 O 3, or the like, insulating The insulating layer may be made of resin.

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

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

以下に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験の結果について説明する。
本発明例１として、前述の実施形態に記載されたパワーモジュール用基板を準備した。すなわち、純度９９．９９％以上のアルミニウム板からなる回路層上にＡｇ焼成層を形成したものを本発明例１とした。なお、このときの無鉛ガラス粉末として、Ｂｉ２Ｏ３を９０．６質量％、ＺｎＯを２．６質量％、Ｂ２Ｏ３を６．８質量％、を含む無鉛ガラス粉末を用いた。また、樹脂としてエチルセルロースを、溶剤としてジエチレンクリコールジブチルエーテルを用いた。さらに、ジカルボン酸系の分散剤を添加した。
従来例として、前述の実施形態に記載されたパワーモジュール用基板において、Ａｇ焼成層の代わりに、回路層表面に厚さ５μｍのＮｉめっき膜を形成したものを準備した。 Below, the result of the confirmation experiment performed in order to confirm the effect of this invention is demonstrated.
As Example 1 of the present invention, the power module substrate described in the above embodiment was prepared. That is, Invention Example 1 was obtained by forming an Ag fired layer on a circuit layer made of an aluminum plate having a purity of 99.99% or more. As lead-free glass powder of this time, the Bi 2 O 3 90.6 wt%, the ZnO 2.6 wt%, the B 2 O 3 6.8 wt%, with lead-free glass powder containing. Further, ethyl cellulose was used as the resin, and diethylene glycol dibutyl ether was used as the solvent. Furthermore, a dicarboxylic acid-based dispersant was added.
As a conventional example, the power module substrate described in the above-described embodiment was prepared by forming a 5 μm thick Ni plating film on the surface of the circuit layer instead of the Ag fired layer.

これら本発明例１と従来例について、はんだ濡れ性を評価した。はんだ濡れ性の評価は、ＪＩＳ Ｚ ３１９７に規定された広がり試験によって評価した。広がり率Ｓは、試料（Ａｇ焼成層又はＮｉめっき膜）上に直径ｄのボール状のはんだ材を載置し、これを所定温度に加熱して形成されたはんだ層の高さｈを測定し、（ｄ−ｈ）／ｄ×１００で算出される指標である。この広がり率Ｓが大きいほど、はんだ材との濡れ性が良く、はんだ層を介して半導体チップを強固に接合できることになる。
ここで、本実施例では、はんだ材としてＰｂ−１０ｗｔ％Ｓｎ材を用いて、３５０℃で０．１時間保持後のはんだ層の高さを測定した。結果を表１に示す。 With respect to these inventive example 1 and the conventional example, the solder wettability was evaluated. The evaluation of the solder wettability was performed by a spread test defined in JIS Z 3197. The spreading rate S is determined by measuring the height h of a solder layer formed by placing a ball-shaped solder material having a diameter d on a sample (Ag fired layer or Ni plating film) and heating it to a predetermined temperature. , (D−h) / d × 100. The larger the spreading ratio S, the better the wettability with the solder material, and the stronger the semiconductor chip can be bonded via the solder layer.
Here, in this example, the height of the solder layer after being held at 350 ° C. for 0.1 hour was measured using a Pb-10 wt% Sn material as the solder material. The results are shown in Table 1.

Figure 2012109314
Figure 2012109314

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

次に、前述の実施形態に記載されたパワーモジュール用基板において、Ａｇ焼成層の厚さ方向の電気抵抗値Ｐを測定した結果を説明する。
Ａｇ焼成層のＡｇ層厚さｔａ、無鉛ガラス層厚さｔｇを変更するとともに、Ａｇ粉末の重量Ａと無鉛ガラス粉末の重量Ｇとの重量比Ａ／Ｇを変更し、本発明例２〜６を製出した。なお、無鉛ガラス粉末として、Ｂｉ２Ｏ３を９０．６質量％、ＺｎＯを２．６質量％、Ｂ２Ｏ３を６．８質量％、を含む無鉛ガラス粉末を用いた。また、樹脂としてエチルセルロースを、溶剤としてジエチレンクリコールジブチルエーテルを用いた。さらに、ジカルボン酸系の分散剤を添加した。また、Ａｇ焼成層を上面視して一辺の長さが１５ｍｍの正方形状に成形した。
このようにして得られた本発明例２〜６の試料について、図４及び図５に記載された方法により、テスタ（ＫＥＩＴＨＬＥＹ社製：２０１０ＭＵＬＴＩＭＥＴＥＲ）を用いて、Ａｇ焼成層の厚さ方向の電気抵抗値Ｐを測定した。測定結果を表２に示す。 Next, the result of measuring the electrical resistance value P in the thickness direction of the Ag fired layer in the power module substrate described in the above embodiment will be described.
While changing the Ag layer thickness ta and the lead-free glass layer thickness tg of the Ag fired layer, the weight ratio A / G between the weight A of the Ag powder and the weight G of the lead-free glass powder was changed, and Examples 2-6 of the present invention Was produced. As lead-free glass powder, the Bi 2 O 3 90.6 wt%, the ZnO 2.6 wt%, the B 2 O 3 6.8 wt%, with lead-free glass powder containing. Further, ethyl cellulose was used as the resin, and diethylene glycol dibutyl ether was used as the solvent. Furthermore, a dicarboxylic acid-based dispersant was added. Further, the Ag fired layer was formed into a square shape having a side length of 15 mm as viewed from above.
For the samples of Invention Examples 2 to 6 obtained in this way, using the tester (manufactured by KEITHLEY: 2010 MULTITIMER) according to the method described in FIG. 4 and FIG. The resistance value P was measured. The measurement results are shown in Table 2.

Figure 2012109314
Figure 2012109314

本発明例２〜６のいずれにおいても、Ａｇ焼成層の厚さ方向の電気抵抗値Ｐが０．５Ω以下とされていることが確認された。また、無鉛ガラス粉末の比率を小さく、かつ、無鉛ガラス層の厚さｔｇを薄く形成することにより、Ａｇ焼成層の厚さ方向の電気抵抗値Ｐが小さくなることが確認された。   In any of Invention Examples 2 to 6, it was confirmed that the electrical resistance value P in the thickness direction of the Ag fired layer was 0.5Ω or less. Moreover, it was confirmed that the electrical resistance value P in the thickness direction of the Ag fired layer is reduced by forming the lead-free glass powder in a small proportion and forming the lead-free glass layer with a small thickness tg.

次に、無鉛ガラス粉末の組成を変更して、無鉛ガラス粉末の軟化温度、結晶化温度、ガラス転移温度を調整した。これらの無鉛ガラス粉末を用いて、Ａｇペーストを構成した。
Ａｇ粉末の重量Ａと無鉛ガラス粉末の重量Ｇとの重量比Ａ／Ｇを９７．５／２．５とした。また、Ａｇ粉末と、無鉛ガラス粉末と、樹脂（エチルセルロース）と、溶剤（ジエチレンクリコールジブチルエーテル）と、を混合した。本実施例では、Ａｇ粉末と無鉛ガラス粉末からなる粉末成分の含有量が８５質量％、樹脂が３質量％、溶剤が１２質量％となるように、粉末成分、樹脂および溶剤の添加量を調整した。 Next, the composition of the lead-free glass powder was changed to adjust the softening temperature, crystallization temperature, and glass transition temperature of the lead-free glass powder. Using these lead-free glass powders, an Ag paste was constructed.
The weight ratio A / G between the weight A of the Ag powder and the weight G of the lead-free glass powder was 97.5 / 2.5. Moreover, Ag powder, lead-free glass powder, resin (ethyl cellulose), and a solvent (diethylene glycol dibutyl ether) were mixed. In this example, the addition amount of the powder component, the resin and the solvent is adjusted so that the content of the powder component composed of Ag powder and lead-free glass powder is 85 mass%, the resin is 3 mass%, and the solvent is 12 mass%. did.

ここで、上述の無鉛ガラス粉末について、軟化温度、ガラス転移温度、結晶化温度を測定した。測定結果を表３、４に示す。
軟化温度は、理学電機社製サーモフレックスを用いて熱機械分析（ＴＭＡ）を実施し、その降伏点（屈服点）の温度とした。
ガラス転移温度、結晶化温度は、ＢＲＵＫＥＲ ＡＸＳ社製ＴＧ−ＴＤＡ２０００Ｓを用いて示差熱分析（ＴＧ−ＤＴＡ）を実施することで測定した。上記の無鉛ガラス粉末を１０℃／ｍｉｎで昇温し、熱量変化曲線に現れる吸熱ピークの温度をガラス転移温度とし、ガラス転移温度よりも高い温度領域で生じる発熱ピークの温度を結晶化温度とした。 Here, the softening temperature, glass transition temperature, and crystallization temperature of the above lead-free glass powder were measured. The measurement results are shown in Tables 3 and 4.
The softening temperature was the temperature of the yield point (deflection point) by performing thermomechanical analysis (TMA) using Thermoflex manufactured by Rigaku Corporation.
The glass transition temperature and the crystallization temperature were measured by performing differential thermal analysis (TG-DTA) using TG-TDA2000S manufactured by BRUKER AXS. The lead-free glass powder is heated at 10 ° C./min, the temperature of the endothermic peak appearing in the calorie change curve is defined as the glass transition temperature, and the temperature of the exothermic peak generated in the temperature region higher than the glass transition temperature is defined as the crystallization temperature. .

そして、このＡｇペーストを用いて、上述の実施形態で開示されたパワーモジュール用基板１０のＡｇ焼成層３０を形成した。なお、回路層１２の表面にＡｇペーストを塗布するＡｇペースト塗布工程Ｓ１３では、Ａｇペーストの塗布厚さを１０μｍとした。また、焼成工程Ｓ１４では、焼成温度を５７５℃、焼成時間を１０分とした。これにより、Ａｇ層３２の厚さｔａが８μｍ程度、無鉛ガラス層３１の厚さｔｇが１μｍ程度とされたＡｇ焼成層３０を形成した。   Then, using this Ag paste, the Ag fired layer 30 of the power module substrate 10 disclosed in the above embodiment was formed. In the Ag paste application step S13 in which the Ag paste is applied to the surface of the circuit layer 12, the application thickness of the Ag paste is set to 10 μm. In the firing step S14, the firing temperature was 575 ° C. and the firing time was 10 minutes. Thereby, the Ag fired layer 30 in which the thickness ta of the Ag layer 32 was about 8 μm and the thickness tg of the lead-free glass layer 31 was about 1 μm was formed.

そして、Ａｇ焼成層３０の表面に、はんだ材（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系無鉛はんだ）を介して半導体チップ３を載置し、還元炉内においてはんだ接合した。
なお、本実施例では、セラミックス基板１１を３０ｍｍ×２０ｍｍとし、回路層１２を１３ｍｍ×１０ｍｍとし、半導体チップ３を１２．５ｍｍ×９．５ｍｍとした。 Then, the semiconductor chip 3 was placed on the surface of the Ag fired layer 30 via a solder material (Sn—Ag—Cu lead-free solder), and soldered in a reduction furnace.
In this embodiment, the ceramic substrate 11 is 30 mm × 20 mm, the circuit layer 12 is 13 mm × 10 mm, and the semiconductor chip 3 is 12.5 mm × 9.5 mm.

このようにして得られたパワーモジュール１の接合信頼性を評価した。接合信頼性の評価として、冷熱サイクル（−４５℃−１２５℃）を２０００回繰り返した後の接合率を比較した。結果を表３、４に示す。
なお、接合率は、以下の式で算出した。ここで、初期接合面積とは、接合前における接合すべき面積のこととした。
接合率 ＝ （初期接合面積−剥離面積）／初期接合面積
接合率が８５％より大きく１００％以下を「優」
接合率が７５％より大きく８５％以下を「良」
接合率が５０％より大きく７５％以下を「可」
接合率が５０％以下を「不可」とした。 The joining reliability of the power module 1 obtained in this way was evaluated. As an evaluation of the bonding reliability, the bonding rates after 2000 times of the thermal cycle (−45 ° C. to 125 ° C.) were compared. The results are shown in Tables 3 and 4.
In addition, the joining rate was computed with the following formula | equation. Here, the initial bonding area is an area to be bonded before bonding.
Bonding rate = (initial bonding area-peeling area) / initial bonding area When the bonding rate is greater than 85% and 100% or less, “excellent”
"Good" with a joining rate greater than 75% and less than 85%
Bonding rate is greater than 50% and 75% or less
A bonding rate of 50% or less was regarded as “impossible”.

Figure 2012109314
Figure 2012109314

Figure 2012109314
Figure 2012109314

実施例１〜８については、冷熱サイクルを２０００回繰り返した後の接合率が良好であり、十分な接合強度が得られていることが確認される。
また、試料Ａ〜Ｅにおいては、冷熱サイクルを２０００回繰り返した後の接合率が実用性は満足するものの、実施例１〜８と比較すると接合率が低くなっている。特に、無鉛ガラス粉末にＺｎＯが含有されていない試料Ｄ，Ｅでは、結晶化温度が３３０℃、４０３℃と低くなり、接合率が大幅に低下した。 About Examples 1-8, the joining rate after repeating a thermal cycle 2000 times is favorable, and it is confirmed that sufficient joining strength is obtained.
In Samples A to E, although the practicability is satisfactory in the joining rate after 2000 cycles of the cooling and heating cycle, the joining rate is lower than in Examples 1 to 8. In particular, in the samples D and E in which ZnO is not contained in the lead-free glass powder, the crystallization temperatures are lowered to 330 ° C. and 403 ° C., and the joining rate is greatly reduced.

１ パワーモジュール
２ はんだ層
３ 半導体チップ（半導体素子）
１０ パワーモジュール用基板
１１ セラミックス基板
１２ 回路層
１２Ａ アルミニウム酸化皮膜
３０ Ａｇ焼成層
３１ 無鉛ガラス層
３２ Ａｇ層
３３ 導電性粒子
４０ 冷却器 1 Power Module 2 Solder Layer 3 Semiconductor Chip (Semiconductor Element)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Power module substrate 11 Ceramic substrate 12 Circuit layer 12A Aluminum oxide film 30 Ag baking layer 31 Lead-free glass layer 32 Ag layer 33 Conductive particle 40 Cooler

Claims (9)

絶縁層の一方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層が配設され、この回路層上にはんだ層を介して半導体素子が配設されるパワーモジュール用基板であって、
前記回路層の一方の面には、ＺｎＯ含有の無鉛ガラスを含有するＡｇペーストの焼成体からなるＡｇ焼成層が形成されていることを特徴とするパワーモジュール用基板。 A power module substrate in which a circuit layer made of aluminum or an aluminum alloy is disposed on one surface of an insulating layer, and a semiconductor element is disposed on the circuit layer via a solder layer,
A power module substrate comprising an Ag fired layer formed of a fired body of an Ag paste containing ZnO-containing lead-free glass on one surface of the circuit layer. 前記Ａｇ焼成層は、前記回路層上に形成された無鉛ガラス層と、この無鉛ガラス層の上に形成されたＡｇ層と、を備えていることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール用基板。   2. The power module according to claim 1, wherein the Ag fired layer includes a lead-free glass layer formed on the circuit layer and an Ag layer formed on the lead-free glass layer. Substrate. 前記Ａｇ焼成層は、その厚さ方向における電気抵抗値Ｐが０．５Ω以下に設定されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のパワーモジュール用基板。   3. The power module substrate according to claim 1, wherein the Ag fired layer has an electric resistance value P in the thickness direction set to 0.5Ω or less. 4. 前記無鉛ガラスのガラス組成が、
Ｂｉ２Ｏ３：６８質量％以上９３質量％以下、
ＺｎＯ：１質量％以上２０質量％以下、
Ｂ２Ｏ３：１質量％以上１１質量％以下、
ＳｉＯ２：５質量％以下、
Ａｌ２Ｏ３：５質量％以下、
Ｆｅ２Ｏ３：５質量％以下、
ＣｕＯ：５質量％以下、
ＣｅＯ２：５質量％以下、
ＺｒＯ２：５質量％以下、
アルカリ金属酸化物：２質量％以下、
アルカリ土類金属酸化物：７質量％以下、
とされていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板。 The glass composition of the lead-free glass is
Bi 2 O 3 : 68 mass% or more and 93 mass% or less,
ZnO: 1% by mass or more and 20% by mass or less,
B 2 O 3 : 1% by mass or more and 11% by mass or less,
SiO 2 : 5% by mass or less,
Al 2 O 3 : 5% by mass or less,
Fe 2 O 3 : 5% by mass or less,
CuO: 5 mass% or less,
CeO 2 : 5% by mass or less,
ZrO 2 : 5% by mass or less,
Alkali metal oxide: 2% by mass or less,
Alkaline earth metal oxide: 7% by mass or less,
The power module substrate according to any one of claims 1 to 3, wherein the power module substrate is configured as described above. 前記絶縁層が、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４又はＡｌ２Ｏ３から選択される絶縁基板であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板。 5. The power module substrate according to claim 1, wherein the insulating layer is an insulating substrate selected from AlN, Si 3 N 4, or Al 2 O 3 . 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板と、このパワーモジュール用基板の前記絶縁層の他方の面側に配設された冷却器と、を備えていることを特徴とする冷却器付パワーモジュール用基板。   A power module substrate according to any one of claims 1 to 5, and a cooler disposed on the other surface side of the insulating layer of the power module substrate. A power module board with a cooler. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板と、このパワーモジュール用基板の前記回路層の一方の面側に配設された半導体素子と、を備え、前記半導体素子は、はんだ層を介して接合されていることを特徴とするパワーモジュール。   A power module substrate according to any one of claims 1 to 5, and a semiconductor element disposed on one surface side of the circuit layer of the power module substrate, the semiconductor element Is a power module characterized by being joined via a solder layer. 絶縁層の一方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層が配設され、この回路層上にはんだ層を介して半導体素子が配設されるパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記回路層の一方の面に無鉛ガラスを含有するＡｇペーストを塗布する塗布工程と、Ａｇペーストを塗布した状態で加熱処理して前記Ａｇペーストを焼成する焼成工程と、を備え、
前記回路層の一方の面に、無鉛ガラスを含有するＡｇペーストの焼成体からなるＡｇ焼成層を形成することを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。 A method for producing a power module substrate in which a circuit layer made of aluminum or an aluminum alloy is disposed on one surface of an insulating layer, and a semiconductor element is disposed on the circuit layer via a solder layer,
An application step of applying an Ag paste containing lead-free glass on one surface of the circuit layer; and a baking step of baking the Ag paste by heat treatment in a state where the Ag paste is applied,
A method for manufacturing a power module substrate, comprising forming an Ag fired layer made of a fired body of an Ag paste containing lead-free glass on one surface of the circuit layer. 前記焼成工程における焼成温度が、３５０℃以上６４５℃以下であることを特徴とする請求項８に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。   The method for producing a power module substrate according to claim 8, wherein a firing temperature in the firing step is 350 ° C. or more and 645 ° C. or less.
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