JP5982954B2 - Power module and method for manufacturing power module - Google Patents

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Description

この発明は、絶縁層の一方の面に回路層が配設されたパワーモジュール用基板と前記回路層上に搭載される半導体素子とを備えたパワーモジュール、及び、このパワーモジュールの製造方法に関するものである。   The present invention relates to a power module including a power module substrate having a circuit layer disposed on one surface of an insulating layer, and a semiconductor element mounted on the circuit layer, and a method for manufacturing the power module. It is.

各種の半導体素子のうちでも、電気自動車や電気車両などを制御するために用いられる大電力制御用のパワー素子は、発熱量が多いことから、これを搭載する基板としては、例えばＡｌＮ（窒化アルミ）などからなるセラミックス基板上に導電性の優れた金属板を回路層として接合したパワーモジュール用基板が、従来から広く用いられている。
そして、このようなパワーモジュール用基板は、その回路層上に、はんだ材を介してパワー素子としての半導体素子が搭載される。なお、この種のパワーモジュール用基板としては、セラミックス基板の下面にも放熱のために熱伝導性に優れた金属板を接合し、その金属板を介して冷却器を接合して、放熱させる構造としたものが知られている。 Among various semiconductor elements, a power element for high power control used for controlling an electric vehicle or an electric vehicle has a large amount of heat generation. Therefore, as a substrate on which the power element is mounted, for example, AlN (aluminum nitride) 2. Description of the Related Art Conventionally, a power module substrate in which a metal plate having excellent conductivity is bonded as a circuit layer on a ceramic substrate made of, for example, has been widely used.
In such a power module substrate, a semiconductor element as a power element is mounted on the circuit layer via a solder material. In addition, as this kind of power module substrate, a metal plate with excellent thermal conductivity is joined to the lower surface of the ceramic substrate, and a cooler is joined via the metal plate to dissipate heat. Is known.

回路層を構成する金属としては、アルミニウム又はアルミニウム合金、或いは、銅又は銅合金が用いられている。
ここで、アルミニウムからなる回路層においては、表面にアルミニウムの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。また、銅からなる回路層においては、溶融したはんだ材と銅とが反応して回路層の内部にはんだ材の成分が侵入し、回路層の導電性が劣化するといった問題がある。 As the metal constituting the circuit layer, aluminum or an aluminum alloy, or copper or a copper alloy is used.
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. Further, in the circuit layer made of copper, there is a problem that the molten solder material reacts with the copper and the components of the solder material enter the inside of the circuit layer to deteriorate the conductivity of the circuit layer.

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。
しかしながら、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。 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.
However, 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 deteriorates due to 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.

そこで、はんだ材を使用しないで半導体素子と回路層とを接合する技術が提案されている。
例えば、特許文献２には、Ａｇナノペーストを用いて半導体素子を接合する技術が提案されている。
また、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を接合する技術が提案されている。 Therefore, a technique for joining a semiconductor element and a circuit layer without using a solder material has been proposed.
For example, Patent Document 2 proposes a technique for joining semiconductor elements using Ag nanopaste.
Patent Documents 3 and 4 propose techniques for joining semiconductor elements using an oxide paste containing metal oxide particles and a reducing agent made of an organic substance.

特開２００４−１７２３７８号公報JP 2004-172378 A 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

ところで、半導体素子と回路層とを接合する場合には、半導体素子の接合面にＡｕ層を形成している。特許文献２に開示されたように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ナノペーストのＡｇとＡｕ層とが相互拡散することになる。
ここで、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、Ａｇナノペーストからなる接合層がはんだ材に比べて厚みが薄く形成されるため、熱サイクル負荷時の応力が半導体素子に作用しやすくなり、半導体素子自体が破損してしまうおそれがあった。
また、特許文献３、４に開示されたように、金属酸化物と還元剤とを用いて半導体素子を接合した場合には、やはり、酸化物ペーストの焼成層が薄く形成されることから、熱サイクル負荷時の応力が半導体素子に作用しやすくなり、パワーモジュールの性能が劣化するおそれがあった。また、ＡｇとＡｕ層との相互拡散に時間がかかってしまい、結果として、接合時間が長くなってしまうという問題があった。 By the way, when joining a semiconductor element and a circuit layer, Au layer is formed in the junction surface of a semiconductor element. When semiconductor elements are bonded using Ag nanopaste as disclosed in Patent Document 2, Ag and Au layer of Ag nanopaste are interdiffused.
Here, as disclosed in Patent Document 2, when a semiconductor element is bonded using an Ag nano paste without using a solder material, a bonding layer made of the 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.
In addition, as disclosed in Patent Documents 3 and 4, when a semiconductor element is bonded using a metal oxide and a reducing agent, the fired layer of the oxide paste is still formed thinly. The stress at the time of the cycle load tends to act on the semiconductor element, and the performance of the power module may be deteriorated. In addition, it takes time for the mutual diffusion of the Ag and Au layers, resulting in a problem that the bonding time becomes long.

特に、最近では、パワーモジュールの小型化・薄肉化が進められるとともに、その使用環境も厳しくなってきており、電子部品からの発熱量が大きくなる傾向にある。このため、パワーモジュールの使用時において、回路層と半導体素子との接合界面に作用する応力も増加する傾向にあり、従来にも増して、回路層と半導体素子との間の接合信頼性の向上及び短時間での接合が求められている。   In particular, recently, power modules have been reduced in size and thickness, and the usage environment has become severe, and the amount of heat generated from electronic components tends to increase. For this reason, when the power module is used, the stress acting on the bonding interface between the circuit layer and the semiconductor element tends to increase, and the bonding reliability between the circuit layer and the semiconductor element is improved compared to the conventional case. In addition, joining in a short time is required.

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、回路層の一方の面に半導体素子が短時間であっても確実に接合することができ、熱サイクル及びパワーサイクル信頼性に優れたパワーモジュール及びパワーモジュールの製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and can reliably bond a semiconductor element to one surface of a circuit layer even in a short time, and is excellent in thermal cycle and power cycle reliability. Another object is to provide a power module and a method for manufacturing the power module.

このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明のパワーモジュールは、絶縁層の一方の面に回路層が配設されたパワーモジュール用基板と、前記回路層上に搭載される半導体素子と、を備えたパワーモジュールであって、前記回路層の一方の面には、ガラス成分を含有するガラス含有Ａｇペーストの焼成体からなる第１焼成層が形成され、この第１焼成層の上に、酸化銀が還元されたＡｇの焼成体からなる第２焼成層が形成されており、この第２焼成層と前記半導体素子との間に、金属Ａｇ層とＡｕ層が形成されており、前記半導体素子の接合面に前記Ａｕ層が形成され、前記Ａｕ層と前記第２焼成層との間に前記金属Ａｇ層が形成され、前記Ａｕ層と前記金属Ａｇ層は相互拡散していることを特徴としている。 In order to solve such problems and achieve the above object, a power module of the present invention is mounted on a power module substrate having a circuit layer disposed on one surface of an insulating layer, and on the circuit layer. A first fired layer made of a fired body of a glass-containing Ag paste containing a glass component is formed on one surface of the circuit layer. On the fired layer, a second fired layer made of a fired body of Ag reduced in silver oxide is formed, and a metal Ag layer and an Au layer are formed between the second fired layer and the semiconductor element. The Au layer is formed on the bonding surface of the semiconductor element, the metal Ag layer is formed between the Au layer and the second fired layer, and the Au layer and the metal Ag layer are interdiffused. It is characterized by that.

この構成のパワーモジュールによれば、回路層の一方の面に、ガラス成分を含有するガラス含有Ａｇペーストの焼成体からなる第１焼成層が形成されているので、ガラス成分によって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、この第１焼成層と回路層との接合強度を確保することができる。
また、この第１焼成層の上に、酸化銀が還元されたＡｇの焼成体からなる第２焼成層が形成されているので、この第２焼成層を形成する際に半導体素子を接合することが可能となる。ここで、酸化銀を還元した場合には、微細なＡｇ粒子が生成することから、第２焼成層を構成する焼成体を緻密な構造とすることができる。
さらに、第１焼成層及び第２焼成層が積層されているので、回路層と半導体素子との間に介在する接合層の厚さを確保することができる。よって、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 having this configuration, the first fired layer made of the fired body of the glass-containing Ag paste containing the glass component is formed on one surface of the circuit layer. The formed oxide film can be removed, and the bonding strength between the first fired layer and the circuit layer can be ensured.
Moreover, since the 2nd baking layer which consists of a baking body of Ag by which silver oxide was reduced is formed on this 1st baking layer, a semiconductor element is joined when forming this 2nd baking layer. Is possible. Here, when silver oxide is reduced, fine Ag particles are generated, so that the fired body constituting the second fired layer can have a dense structure.
Furthermore, since the first fired layer and the second fired layer are laminated, the thickness of the bonding layer interposed between the circuit layer and the semiconductor element can be ensured. Therefore, it can suppress that the stress at the time of a heat cycle load acts on a semiconductor element, and can prevent damage to semiconductor element itself.

そして、第２焼成層と前記半導体素子との間に金属Ａｇ層が形成されているので、金属Ａｇ層と第２焼成層とがＡｇ同士の焼結によって接合されることになり、半導体素子と回路層とを短時間で強固に接合することができる。
すなわち、酸化銀が還元されたＡｇの焼成体からなる第２焼成層と半導体素子の接合面に形成されたＡｕ層とを直接接合した場合には、Ａｕ層と第２焼成層との相互拡散が不十分となるおそれがある。ここで、第２焼成層と前記半導体素子との間に金属Ａｇ層を形成することにより、第２焼成層と金属Ａｇ層を焼結によって短時間に強固に接合することが可能となるのである。 Since the metal Ag layer is formed between the second fired layer and the semiconductor element, the metal Ag layer and the second fired layer are joined by sintering of Ag, and the semiconductor element and The circuit layer can be firmly bonded in a short time.
That is, in the case where the second fired layer made of a fired body of Ag reduced in silver oxide and the Au layer formed on the bonding surface of the semiconductor element are directly joined, mutual diffusion between the Au layer and the second fired layer is achieved. May become insufficient. Here, by forming the metal Ag layer between the second fired layer and the semiconductor element, the second fired layer and the metal Ag layer can be firmly bonded in a short time by sintering. .

ここで、前記金属Ａｇ層の厚みが１５ｎｍ以上２．５μｍ以下であることが好ましい。
この場合、金属Ａｇ層が１５ｎｍ以上形成されていることから、第２焼成層と前記半導体素子とを確実に接合することが可能となる。一方、その厚みが２．５μｍ以下とされていることから金属Ａｇ層の銀量を抑えることができ、比較的安価に金属Ａｇ層を形成することができる。 Here, it is preferable that the thickness of the metal Ag layer is 15 nm or more and 2.5 μm or less.
In this case, since the metal Ag layer is formed with a thickness of 15 nm or more, the second fired layer and the semiconductor element can be reliably bonded. On the other hand, since the thickness is 2.5 μm or less, the amount of silver in the metal Ag layer can be suppressed, and the metal Ag layer can be formed relatively inexpensively.

前記第１焼成層は、回路層の一方の面に形成されたガラス層と、このガラス層上に積層されたＡｇ層と、を備えており、前記Ａｇ層には、ガラス粒子が分散していることが好ましい。
この場合、回路層の表面に形成されている酸化皮膜をガラス層に反応させて除去することができ、回路層と半導体素子とを確実に接合することができる。 The first fired layer includes a glass layer formed on one surface of the circuit layer, and an Ag layer laminated on the glass layer. Glass particles are dispersed in the Ag layer. Preferably it is.
In this case, the oxide film formed on the surface of the circuit layer can be removed by reacting with the glass layer, and the circuit layer and the semiconductor element can be reliably bonded.

また、前記第２焼成層は、酸化銀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ことが好ましい。
この場合、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確実に還元されて微細なＡｇ粒子が生成し、第２焼成層を緻密な焼成体で構成することができる。また、還元剤は、酸化銀を還元する際に分解されるため、第２焼成層中に残存しにくく、第２焼成層における導電性を確保することができる。さらに、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となるため、半導体素子の接合温度を低く抑えることができ、半導体素子への熱負荷を低減することができる。 The second fired layer is preferably a fired body of silver oxide paste containing silver oxide and a reducing agent.
In this case, when the silver oxide paste is fired, the silver oxide is surely reduced by the reducing agent to produce fine Ag particles, and the second fired layer can be formed of a dense fired body. Further, since the reducing agent is decomposed when the silver oxide is reduced, it is difficult to remain in the second fired layer, and the conductivity in the second fired layer can be ensured. Further, since firing can be performed under a relatively low temperature condition such as 300 ° C., the junction temperature of the semiconductor element can be kept low, and the thermal load on the semiconductor element can be reduced.

ここで、前記酸化銀ペーストは、前記酸化銀及び前記還元剤に加えて、Ａｇ粒子を含有していてもよい。
この場合、酸化銀が還元されて得られる還元Ａｇ粒子と、酸化銀ペーストに含有されたＡｇ粒子とが焼結することになり、第２焼成層をさらに緻密な焼成体で構成することができる。この場合、Ａｇ粒子の平均粒径は、２０ｎｍ以上８００ｎｍ以下が望ましい。 Here, the silver oxide paste may contain Ag particles in addition to the silver oxide and the reducing agent.
In this case, the reduced Ag particles obtained by reducing the silver oxide and the Ag particles contained in the silver oxide paste are sintered, and the second fired layer can be composed of a denser fired body. . In this case, the average particle size of the Ag particles is desirably 20 nm or more and 800 nm or less.

本発明のパワーモジュールの製造方法は、絶縁層の一方の面に回路層が配設されたパワーモジュール用基板と、前記回路層上に搭載される半導体素子と、を備えたパワーモジュールの製造方法であって、前記回路層の一方の面に、ガラス成分を含有するガラス含有Ａｇペーストを塗布し、加熱処理することにより、第１焼成層を形成する工程と、前記第１焼成層の上に、酸化銀と還元剤とを含む酸化銀ペーストを塗布する工程と、前記半導体素子の接合面にＡｕ層を形成する工程と、前記Ａｕ層の表面に金属Ａｇ膜を形成する工程と、塗布された酸化銀ペーストの上に、金属Ａｇ膜を形成した半導体素子を積層する工程と、前記半導体素子と前記パワーモジュール用基板とを積層した状態で加熱して、前記第１焼成層の上に第２焼成層を形成するとともに金属Ａｇ層を形成する工程と、を備え、前記半導体素子と前記回路層とを接合することを特徴としている。 A method for manufacturing a power module of the present invention includes a power module substrate having a circuit layer disposed on one surface of an insulating layer, and a semiconductor element mounted on the circuit layer. A step of forming a first fired layer by applying a glass-containing Ag paste containing a glass component on one surface of the circuit layer and heat-treating the same, on the first fired layer; A step of applying a silver oxide paste containing silver oxide and a reducing agent, a step of forming an Au layer on the bonding surface of the semiconductor element, and a step of forming a metal Ag film on the surface of the Au layer. A step of laminating a semiconductor element formed with a metal Ag film on the silver oxide paste, and heating the semiconductor element and the power module substrate in a laminated state; Two fired layers are formed Comprising forming a Rutotomoni metal Ag layer, and is characterized in that bonding the circuit layer and the semiconductor element.

この構成のパワーモジュールの製造方法によれば、前記回路層の一方の面に、ガラス成分を含有するガラス含有Ａｇペーストを塗布し、加熱処理することにより、前記第１焼成層を形成する工程を備えているので、回路層の表面に形成された酸化皮膜を除去でき、回路層と第１焼成層とを確実に接合することができる。
また、半導体素子の接合面に金属Ａｇ膜を形成する工程と、前記第１焼成層の上に、酸化銀と還元剤とを含む酸化銀ペーストを塗布する工程と、塗布された酸化銀ペーストの上に半導体素子を積層する工程と、前記半導体素子と前記パワーモジュール用基板とを積層した状態で加熱して、前記第１焼成層の上に第２焼成層を形成する工程と、を備えているので、酸化銀ペーストの焼成によって第２焼成層が形成されるとともに、第２焼成層と前記半導体素子との間に金属Ａｇ層が形成されることになる。よって、金属Ａｇ層と第２焼成層とがＡｇ同士の焼結によって接合されることになり、半導体素子と回路層とを短時間に強固に接合することができる。 According to the method for manufacturing a power module having this configuration, the step of forming the first fired layer by applying a glass-containing Ag paste containing a glass component to one surface of the circuit layer and heat-treating it. Since it is provided, the oxide film formed on the surface of the circuit layer can be removed, and the circuit layer and the first fired layer can be reliably bonded.
A step of forming a metal Ag film on the bonding surface of the semiconductor element; a step of applying a silver oxide paste containing silver oxide and a reducing agent on the first fired layer; and a step of applying the applied silver oxide paste. A step of laminating a semiconductor element thereon, and a step of heating the semiconductor element and the power module substrate in a laminated state to form a second fired layer on the first fired layer. Thus, the second fired layer is formed by firing the silver oxide paste, and a metal Ag layer is formed between the second fired layer and the semiconductor element. Therefore, the metal Ag layer and the second fired layer are joined by sintering of Ag, and the semiconductor element and the circuit layer can be firmly joined in a short time.

ここで、前記金属Ａｇ層の厚みが１５ｎｍ以上２．５μｍ以下であることが好ましい。
この場合、金属Ａｇ層が１５ｎｍ以上形成されていることから、第２焼成層と前記半導体素子とを確実に接合することが可能となる。一方、その厚みが２．５μｍ以下とされていることから金属Ａｇ層の銀量を抑えることができ、比較的安価に金属Ａｇ層を形成することができる。 Here, it is preferable that the thickness of the metal Ag layer is 15 nm or more and 2.5 μm or less.
In this case, since the metal Ag layer is formed with a thickness of 15 nm or more, the second fired layer and the semiconductor element can be reliably bonded. On the other hand, since the thickness is 2.5 μm or less, the amount of silver in the metal Ag layer can be suppressed, and the metal Ag layer can be formed relatively inexpensively.

また、前記酸化銀ペーストは、前記酸化銀及び前記還元剤に加えて、Ａｇ粒子を含有していることが好ましい。
この場合、Ａｇ粒子が酸化銀粉末の間に介在し、酸化銀が還元されて得られる還元Ａｇ粒子と、酸化銀ペーストに含有されたＡｇ粒子とが焼結することになり、第２焼成層をさらに緻密な構造とすることができる。また、接合時における半導体素子の加圧圧力を低く設定することができる。 Moreover, it is preferable that the said silver oxide paste contains Ag particle | grains in addition to the said silver oxide and the said reducing agent.
In this case, the Ag particles are interposed between the silver oxide powders, and the reduced Ag particles obtained by reducing the silver oxide and the Ag particles contained in the silver oxide paste are sintered, and the second fired layer Can be made into a denser structure. Moreover, the pressurization pressure of the semiconductor element at the time of joining can be set low.

本発明によれば、回路層の一方の面に半導体素子を短時間で確実に接合することができ、熱サイクル及びパワーサイクル信頼性に優れたパワーモジュール及びパワーモジュールの製造方法を提供することができる     ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the semiconductor element can be reliably joined to one side of a circuit layer for a short time, and the manufacturing method of a power module and power module excellent in thermal cycle and power cycle reliability are provided. it can

本発明の実施形態であるパワーモジュールの概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the power module which is embodiment of this invention. 図１に示すパワーモジュールの回路層と半導体素子との接合界面の拡大説明図である。FIG. 2 is an enlarged explanatory view of a bonding interface between a circuit layer and a semiconductor element of the power module shown in FIG. 1. 図２の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 FIG. 2. ガラス含有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 glass containing Ag paste. 酸化銀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 a silver oxide 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. 実施例８のパワーモジュールの回路層と半導体素子との接合界面の断面観察写真である。It is a cross-sectional observation photograph of the junction interface of the circuit layer and semiconductor element of the power module of Example 8. 実施例８のパワーモジュールの回路層と半導体素子との接合界面の断面を拡大した観察写真である。It is the observation photograph which expanded the cross section of the junction interface of the circuit layer of a power module of Example 8, and a semiconductor element. 比較例１のパワーモジュールの回路層と半導体素子との接合界面の断面観察写真である。It is a cross-sectional observation photograph of the junction interface of the circuit layer of a power module of comparative example 1, and a semiconductor element. 比較例１のパワーモジュールの回路層と半導体素子との接合界面の断面を拡大した観察写真である。It is the observation photograph which expanded the cross section of the junction interface of the circuit layer of the power module of the comparative example 1, and a semiconductor element.

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１を示す。
このパワーモジュール１は、回路層１２が配設されたパワーモジュール用基板１０と、回路層１２の一方の面（図１において上面）に接合された半導体素子３と、パワーモジュール用基板１０の他方側に配設された冷却器４０とを備えている。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 shows a power module 1 according to an embodiment of the present invention.
The power module 1 includes a power module substrate 10 on which a circuit layer 12 is disposed, a semiconductor element 3 bonded to one surface of the circuit layer 12 (upper surface in FIG. 1), and the other of the power module substrate 10. And a cooler 40 disposed on the side.

パワーモジュール用基板１０は、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, and a metal layer 13 disposed on the other surface of the ceramic substrate 11. And.
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。この冷却器４０（天板部４１）は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態においては、Ａ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。   The cooler 40 is for cooling the power module substrate 10 described above. The top plate portion 41 joined to the power module substrate 10 and the top plate portion 41 are suspended downward. The heat radiation fin 42 and the flow path 43 for distribute | circulating a cooling medium (for example, cooling water) are provided. The cooler 40 (top plate portion 41) is preferably made of a material having good thermal conductivity, and is made of A6063 (aluminum alloy) in the present embodiment.

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、アルミニウムまた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と半導体素子３との間に、第１焼成層３１及び第２焼成層３６が形成されている。ここで、回路層１２の一方の面に第１焼成層３１が積層され、この第１焼成層３１の上に第２焼成層３６が積層され、この第２焼成層３６の上に半導体素子３が積層されているのである。また、第２焼成層３６と半導体素子３との間には、金属Ａｇ層３８及びＡｕ層３９が形成されている。
なお、第１焼成層３１、第２焼成層３６は、図１に示すように、回路層１２の表面全体には形成されておらず、半導体素子３が配設される部分にのみ選択的に形成されている。 In the power module 1 shown in FIG. 1, the first fired layer 31 and the second fired layer 36 are formed between the circuit layer 12 and the semiconductor element 3. Here, the first fired layer 31 is laminated on one surface of the circuit layer 12, the second fired layer 36 is laminated on the first fired layer 31, and the semiconductor element 3 is placed on the second fired layer 36. Are stacked. Further, a metal Ag layer 38 and an Au layer 39 are formed between the second fired layer 36 and the semiconductor element 3.
As shown in FIG. 1, the first fired layer 31 and the second fired layer 36 are not formed on the entire surface of the circuit layer 12, and are selectively formed only on the portion where the semiconductor element 3 is disposed. Is formed.

ここで、第１焼成層３１は、後述するように、ガラス成分を含むガラス含有Ａｇペーストの焼成体とされている。この第１焼成層３１は、図２及び図３に示すように、回路層１２側に形成されたガラス層３２と、このガラス層３２上に形成されたＡｇ層３３と、を備えている。
ガラス層３２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３４が分散されている。この導電性粒子３４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、ガラス層３２内の導電性粒子３４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。
また、Ａｇ層３３の内部には、粒径が数ナノメートル程度の微細なガラス粒子３５が分散されている。 Here, the 1st baking layer 31 is made into the baking body of the glass containing Ag paste containing a glass component so that it may mention later. As shown in FIGS. 2 and 3, the first fired layer 31 includes a glass layer 32 formed on the circuit layer 12 side, and an Ag layer 33 formed on the glass layer 32.
In the glass layer 32, fine conductive particles 34 having a particle diameter of about several nanometers are dispersed. The conductive particles 34 are crystalline particles containing at least one of Ag or Al. In addition, the electroconductive particle 34 in the glass layer 32 is observed by using a transmission electron microscope (TEM), for example.
In addition, fine glass particles 35 having a particle size of about several nanometers are dispersed inside the Ag layer 33.

なお、この第１焼成層３１の厚さ方向の電気抵抗値Ｐが０．５Ω以下とされている。ここで、本実施形態においては、第１焼成層３１の厚さ方向における電気抵抗値Ｐは、第１焼成層３１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第１焼成層３１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、第１焼成層３１の上面中央点と、第１焼成層３１の前記上面中央点から第１焼成層３１端部までの距離と同距離分だけ第１焼成層３１端部から離れた回路層１２上の点と、の間の電気抵抗を測定することとしている。   In addition, the electrical resistance value P in the thickness direction of the first fired layer 31 is set to 0.5Ω or less. Here, in the present embodiment, the electrical resistance value P in the thickness direction of the first fired layer 31 is an electrical resistance value between the upper surface of the first fired layer 31 and the upper surface of the circuit layer 12. This is because the electrical resistance of 4N aluminum constituting the circuit layer 12 is very small compared to the electrical resistance in the thickness direction of the first fired layer 31. In the measurement of the electrical resistance, the upper center point of the first fired layer 31 and the distance from the upper surface center point of the first fired layer 31 to the end of the first fired layer 31 are the same. The electrical resistance between the point on the circuit layer 12 that is distant from the end of the first fired layer 31 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の表面には、大気中で自然発生したアルミニウム酸化皮膜が形成されている。ここで、前述の第１焼成層３１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が除去されており、回路層１２上に直接第１焼成層３１が形成されている。つまり、回路層１２を構成するアルミニウムとガラス層３２とが直接接合されているのである。
本実施形態においては、ガラス層３２の厚さｔｇが０．０１μｍ≦ｔｇ≦５μｍ、Ａｇ層３３の厚さｔａが１μｍ≦ｔａ≦１００μｍ、第１焼成層３１全体の厚さｔ１が１．０１μｍ≦ｔ１≦１０５μｍとなるように構成されている。 In the present embodiment, since the circuit layer 12 is made of aluminum having a purity of 99.99%, an aluminum oxide film naturally generated in the atmosphere is formed on the surface of the circuit layer 12. Here, in the portion where the first fired layer 31 is formed, the aluminum oxide film is removed, and the first fired layer 31 is formed directly on the circuit layer 12. That is, the aluminum constituting the circuit layer 12 and the glass layer 32 are directly bonded.
In the present embodiment, the thickness tg of the glass layer 32 is 0.01 μm ≦ tg ≦ 5 μm, the thickness ta of the Ag layer 33 is 1 μm ≦ ta ≦ 100 μm, and the total thickness t1 of the first fired layer 31 is 1.01 μm. It is comprised so that it may become <= t1 <= 105micrometer.

この第１焼成層３１の上、すなわちＡｇ層３３の上に形成された第２焼成層３６は、酸化銀が還元されたＡｇの焼成体とされており、本実施形態では、後述するように、酸化銀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。ここで、酸化銀を還元することにより析出する粒子（還元Ａｇ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の焼成体からなる第２焼成層３６が形成されることになる。   The second fired layer 36 formed on the first fired layer 31, that is, the Ag layer 33, is an Ag fired body obtained by reducing silver oxide. In the present embodiment, as will be described later. And a sintered body of silver oxide paste containing silver oxide and a reducing agent. Here, particles precipitated by reducing silver oxide (reduced Ag particles) are very fine, for example, having a particle diameter of 10 nm to 1 μm, so that the second fired layer 36 made of a dense Ag fired body is formed. Will be.

なお、この第２焼成層３６においては、第１焼成層３１のＡｇ層３３で観察されたガラス粒子は存在していない、若しくは、非常に少ない。このガラス粒子の濃淡によって、第１焼成層３１のＡｇ層３３と第２焼成層３６との判別を行うことが可能となる。
本実施形態においては、第２焼成層３６の厚さｔ２が５μｍ≦ｔ２≦５０μｍとされている。 In the second fired layer 36, the glass particles observed in the Ag layer 33 of the first fired layer 31 are not present or very few. It is possible to distinguish between the Ag layer 33 of the first fired layer 31 and the second fired layer 36 based on the density of the glass particles.
In the present embodiment, the thickness t2 of the second fired layer 36 is 5 μm ≦ t2 ≦ 50 μm.

また、半導体素子３と第２焼成層３６との間には、金属Ａｇ層３８とＡｕ層３９とが形成されている。すなわち、半導体素子３の接合面にＡｕ層３９が形成され、このＡｕ層３９と第２焼成層３６との間に金属Ａｇ層３８が形成されているのである。なお、金属Ａｇ層３８とＡｕ層３９とは、相互拡散することによって接合されている。   In addition, a metal Ag layer 38 and an Au layer 39 are formed between the semiconductor element 3 and the second fired layer 36. That is, the Au layer 39 is formed on the bonding surface of the semiconductor element 3, and the metal Ag layer 38 is formed between the Au layer 39 and the second fired layer 36. The metal Ag layer 38 and the Au layer 39 are joined by mutual diffusion.

ここで、金属Ａｇ層３８は、厚みが１５ｎｍ以上２．５μｍ以下であることが望ましい。金属Ａｇ層の形成方法としては、Ａｇ微粒子含むＡｇ微粒子分散液をＡｕ層３９の表面に塗布するスピンコーティング法、めっき法、スパッタリング法などが挙げられる。Ａｇ微粒子を含むＡｇ微粒子分散液をＡｕ層３９の表面に塗布するスピンコーティング法の場合には、粒径２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下のＡｇ微粒子を用いることが望ましい。Ａｇ微粒子なお、この金属Ａｇ層３８は、酸化銀ペーストの焼成体からなる第２焼成層３６に比べて気孔が少ないことから、第２焼成層３６との判別を行うことが可能となる。   Here, the metal Ag layer 38 preferably has a thickness of 15 nm to 2.5 μm. Examples of the method for forming the metal Ag layer include a spin coating method, a plating method, and a sputtering method in which an Ag fine particle dispersion containing Ag fine particles is applied to the surface of the Au layer 39. In the case of a spin coating method in which an Ag fine particle dispersion containing Ag fine particles is applied to the surface of the Au layer 39, it is desirable to use Ag fine particles having a particle diameter of 20 nm or more and 200 nm or less. Ag fine particles Since the metal Ag layer 38 has fewer pores than the second fired layer 36 made of a fired body of silver oxide paste, it can be distinguished from the second fired layer 36.

次に、第１焼成層３１を構成するガラス含有Ａｇペーストについて説明する。
このガラス含有Ａｇペーストは、Ａｇ粉末と、ガラス粉末と、樹脂と、溶剤と、分散剤と、を含有しており、Ａｇ粉末とガラス粉末とからなる粉末成分の含有量が、ガラス含有Ａｇペースト全体の６０質量％以上９０質量％以下とされており、残部が樹脂、溶剤、分散剤とされている。なお、本実施形態では、Ａｇ粉末とガラス粉末とからなる粉末成分の含有量は、ガラス含有Ａｇペースト全体の８５質量％とされている。
また、このガラス含有Ａｇペーストは、その粘度が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 glass containing Ag paste which comprises the 1st baking layer 31 is demonstrated.
This glass-containing Ag paste contains Ag powder, glass powder, resin, solvent, and dispersant, and the content of the powder component composed of Ag powder and glass powder is the glass-containing Ag paste. The total content is 60% by mass or more and 90% by mass or less, and the remainder is a resin, a solvent, and a dispersant. In addition, in this embodiment, content of the powder component which consists of Ag powder and glass powder is 85 mass% of the whole glass containing Ag paste.
Further, the viscosity of the glass-containing Ag paste is adjusted to 10 Pa · s or more and 500 Pa · s or less, more preferably 50 Pa · s or more and 300 Pa · s or less.

Ａｇ粉末は、その粒径が０．０５μｍ以上１．０μｍ以下とされており、本実施形態では、平均粒径０．８μｍのものを使用した。
ガラス粉末は、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とガラス粉末の重量Ｇとの重量比Ａ／Ｇは、８０／２０から９９／１の範囲内に調整されており、本実施形態では、Ａ／Ｇ＝８０／５とした。 The Ag powder has a particle size of 0.05 μm or more and 1.0 μm or less. In this embodiment, an Ag powder having an average particle size of 0.8 μm was used.
The glass powder contains 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 of 450 ° C. It is above ℃. The weight ratio A / G between the weight A of the Ag powder and the weight G of the glass powder is adjusted within the range of 80/20 to 99/1. In this embodiment, A / G = 80/5 It was.

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

ここで、本実施形態では、無鉛ガラス粉末を用いた。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, in this embodiment, lead-free glass powder was used. 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、この実施形態では、Ｂｉ２Ｏ３、ＺｎＯ、Ｂ２Ｏ３を含み、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。 That is, in this embodiment, Bi 2 O 3 , ZnO, B 2 O 3 is included, and this includes SiO 2 , Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 , CuO, CeO 2 , ZrO 2 , Li 2 O, Na Alkali metal oxides such as 2 O and K 2 O, and alkaline earth metal oxides such as MgO, CaO, BaO and SrO are appropriately added as necessary.

このようなガラス粉末は、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 glass powder is manufactured 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、ガラス含有Ａｇペーストの製造方法について、図４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Ｓ０１）。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Ｓ０２）。
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Ｓ０３）。
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Ｓ０４）。
そして、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Ｓ０５）。
このようにして、前述のガラス含有Ａｇペーストが製出されることになる。 Next, the manufacturing method of glass containing 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 S01). Moreover, a solvent and resin are mixed and an organic mixture is produced | generated (organic substance mixing process S02).
Then, the mixed powder, the organic mixture, and the dispersant are premixed by a mixer (preliminary mixing step S03).
Next, the preliminary mixture is mixed while kneading using a roll mill (kneading step S04).
And the obtained kneading is filtered with a paste filter (filtration process S05).
In this way, the above-mentioned glass-containing Ag paste is produced.

次に、第２焼成層３６を構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６０質量％以上８０質量％以下とされ、還元剤の含有量が酸化銀ペースト全体の５質量％以上１５質量％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０質量％以上１０質量％以下とされており、残部が溶剤とされている。
なお、この酸化銀ペーストは、その粘度が１０Ｐａ・ｓ以上１００Ｐａ・ｓ以下、より好ましくは３０Ｐａ・ｓ以上８０Ｐａ・ｓ以下に調整されている。 Next, the silver oxide paste which comprises the 2nd baking layer 36 is demonstrated.
This silver oxide paste contains a silver oxide powder, a reducing agent, a resin, and a solvent. In this embodiment, in addition to these, an organic metal compound powder is contained.
The content of the silver oxide powder is 60% by mass or more and 80% by mass or less of the entire silver oxide paste, and the content of the reducing agent is 5% by mass or more and 15% by mass or less of the entire silver oxide paste. The content is 0% by mass or more and 10% by mass or less of the entire silver oxide paste, and the remainder is a solvent.
The silver oxide paste has a viscosity adjusted to 10 Pa · s to 100 Pa · s, more preferably 30 Pa · s to 80 Pa · s.

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

還元剤は、還元性を有する有機物とされており、例えば、アルコール、有機酸を用いることができる。
アルコールであれば、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、ブチルアルコール、ペンチルアルコール、ヘキシルアルコール、オクチルアルコール、ノニルアルコール、デシルアルコール、ウンデシルアルコール、ドデシルアルコール、ラウリルアルコール、ミリスチルアルコール、セチルアルコール、ステアリルアルコール等の１級アルコールを用いることができる。なお、これら以外にも、２価アルコール、３価アルコール、多価のアルコール、アルコール基を有する化合物を還元剤として用いてもよい。
有機酸であれば、例えば、ブタン酸、ペンタン酸、ヘキサン酸、ヘプタン酸、オクタン酸、ノナン酸、デカン酸、ウンデカン酸、ドデカン酸、トリデカン酸、テトラデカン酸、ペンタデカン酸、ヘキサデカン酸、ヘプタデカン酸、オクタデカン酸、ノナンデカン酸などの飽和脂肪酸を用いることができる。なお、これら以外にも、不飽和脂肪酸を用いてもよい。 The reducing agent is an organic substance having reducibility, and for example, alcohol and organic acid can be used.
If it is an alcohol, for example, methanol, ethanol, propanol, butyl alcohol, pentyl alcohol, hexyl alcohol, octyl alcohol, nonyl alcohol, decyl alcohol, undecyl alcohol, dodecyl alcohol, lauryl alcohol, myristyl alcohol, cetyl alcohol, stearyl alcohol, etc. The primary alcohol can be used. In addition to these, a dihydric alcohol, a trihydric alcohol, a polyhydric alcohol, or a compound having an alcohol group may be used as the reducing agent.
If it is an organic acid, for example, butanoic acid, pentanoic acid, hexanoic acid, heptanoic acid, octanoic acid, nonanoic acid, decanoic acid, undecanoic acid, dodecanoic acid, tridecanoic acid, tetradecanoic acid, pentadecanoic acid, hexadecanoic acid, heptadecanoic acid, Saturated fatty acids such as octadecanoic acid and nonanedecanoic acid can be used. In addition to these, unsaturated fatty acids may be used.

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を促進させる作用を有する。このような作用を有する有機金属化合物としては、例えば蟻酸Ａｇ、酢酸Ａｇ、プロピオン酸Ａｇ、安息酸Ａｇ、シュウ酸Ａｇなどのカルボン酸系金属塩等が挙げられる。   The organometallic compound has an action of promoting the reduction reaction of silver oxide by an organic acid generated by thermal decomposition. Examples of the organometallic compound having such an action include carboxylic acid metal salts such as formic acid Ag, acetic acid Ag, propionic acid Ag, benzoic acid Ag, and oxalic acid Ag.

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

次に、上述の酸化銀ペースト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、前述した酸化銀粉末と、還元剤（固体）と、有機金属化合物粉末と、を混合し、固体成分混合物を生成する（固体成分混合工程Ｓ１１）。
次に、この固体成分混合物に、溶剤を添加して撹拌する（撹拌工程Ｓ１２）。
そして、撹拌物を、ロールミル機（例えば３本ロールミル）を用いて練り込みながら混合する（混練工程Ｓ１３）。
このようにして、前述の酸化銀ペーストが製出されることになる。なお、得られた酸化銀ペーストは、冷蔵庫等によって低温（例えば５〜１５℃）で保存しておくことが好ましい。 Next, the manufacturing method of the above-mentioned silver oxide paste is demonstrated with reference to the flowchart shown in FIG.
First, the above-mentioned silver oxide powder, reducing agent (solid), and organometallic compound powder are mixed to produce a solid component mixture (solid component mixing step S11).
Next, a solvent is added to the solid component mixture and stirred (stirring step S12).
Then, the agitated material is mixed while kneading using a roll mill (for example, a three-roll mill) (kneading step S13).
In this way, the aforementioned silver oxide paste is produced. In addition, it is preferable to preserve | save the obtained silver oxide paste at low temperature (for example, 5-15 degreeC) with a refrigerator.

次に、金属Ａｇ層の形成方法として、スピンコーティング法で形成した場合について説明する。この方法ではＡｇ微粒子を含むＡｇ微粒子分散液が用いられる。
この金属Ａｇ分散液は、粒径２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下のＡｇ微粒子と、沸点が５０℃以上２００℃以下の溶剤と、を含有している。
ここで、Ａｇ微粒子の含有量が６０質量％以上９５質量％以下とされており、沸点が５０℃以上２００℃以下の溶剤の含有量が５質量％以上４０質量％以下とされている。 Next, a case where the metal Ag layer is formed by a spin coating method will be described. In this method, an Ag fine particle dispersion containing Ag fine particles is used.
This metal Ag dispersion liquid contains Ag fine particles having a particle size of 20 nm or more and 200 nm or less, and a solvent having a boiling point of 50 ° C. or more and 200 ° C. or less.
Here, the content of Ag fine particles is set to 60% by mass to 95% by mass, and the content of the solvent having a boiling point of 50 ° C. to 200 ° C. is set to 5% by mass to 40% by mass.

なお、溶剤は、沸点の異なる溶剤を組み合わせたものであってもよい。なお、溶剤の具体例としては、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、ジアセトンアルコール、２−ブトキシエタノール、メチルメトキシブタノール、エチレングリコールなどのアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、酢酸エチル、酢酸ペンチル、酢酸イソブチル、シクロヘキサノン、酢酸２−エトキシエチル、メトキシ酢酸等が挙げられる。   The solvent may be a combination of solvents having different boiling points. Specific examples of the solvent include alcohols such as methanol, ethanol, isopropyl alcohol, diacetone alcohol, 2-butoxyethanol, methylmethoxybutanol, and ethylene glycol, acetone, methyl ethyl ketone, ethyl acetate, pentyl acetate, isobutyl acetate, and cyclohexanone. , 2-ethoxyethyl acetate, methoxyacetic acid and the like.

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６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Ｓ２１）。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 S21). The brazing temperature is set to 640 ° C to 650 ° C.

次に、金属層１３の他方の面側に、冷却器４０をろう材を介して接合する（冷却器接合工程Ｓ２２）。なお、冷却器４０のろう付けの温度は、５９０℃〜６１０℃に設定されている。   Next, the cooler 40 is joined to the other surface side of the metal layer 13 via a brazing material (cooler joining step S22). 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、ガラス含有Ａｇペーストを塗布する（ガラス含有Ａｇペースト塗布工程Ｓ２３）。
なお、ガラス含有Ａｇペーストを塗布する際には、スクリーン印刷法、オフセット印刷法、感光性プロセス等の種々の手段を採用することができる。本実施形態では、スクリーン印刷法によってガラス含有Ａｇペーストを回路層１２の半導体素子３が搭載される部分に形成した。 And a glass containing Ag paste is apply | coated to the surface of the circuit layer 12 (glass containing Ag paste application | coating process S23).
In addition, when apply | coating a glass containing Ag paste, various means, such as a screen printing method, an offset printing method, and a photosensitive process, are employable. In the present embodiment, the glass-containing Ag paste is formed on the portion of the circuit layer 12 where the semiconductor element 3 is mounted by screen printing.

次に、回路層１２表面にガラス含有Ａｇペーストを塗布した状態で乾燥した後、加熱炉内に装入してガラス含有Ａｇペーストの焼成を行う（第１焼成工程Ｓ２４）。なお、このときの焼成温度は３５０〜６４５℃に設定されている。
この第１焼成工程Ｓ２４により、回路層１２の一方の面に、ガラス層３２とＡｇ層３３とを備えた第１焼成層３１が形成される。このとき、ガラス層３２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が溶融除去されることになり、回路層１２に直接ガラス層３２が形成される。 Next, after drying in a state where the glass-containing Ag paste is applied to the surface of the circuit layer 12, the glass-containing Ag paste is baked by being placed in a heating furnace (first baking step S24). In addition, the firing temperature at this time is set to 350-645 degreeC.
By this first firing step S <b> 24, the first fired layer 31 including the glass layer 32 and the Ag layer 33 is formed on one surface of the circuit layer 12. At this time, the aluminum oxide film naturally generated on the surface of the circuit layer 12 is melted and removed by the glass layer 32, and the glass layer 32 is formed directly on the circuit layer 12.

また、ガラス層３２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３４が分散されることになる。この導電性粒子３４は、Ａｇ又はＡｌの少なくとも一方を含有する結晶性粒子とされており、焼成の際にガラス層３２内部に析出したものと推測される。
さらに、Ａｇ層３３の内部に、粒径が数ナノメートル程度の微細なガラス粒子３５が分散されることになる。このガラス粒子３５は、Ａｇ粒子の焼結が進行していく過程で、残存したガラス成分が凝集したものと推測される。 In addition, fine conductive particles 34 having a particle size of about several nanometers are dispersed inside the glass layer 32. The conductive particles 34 are crystalline particles containing at least one of Ag or Al, and are presumed to have precipitated in the glass layer 32 during firing.
Further, fine glass particles 35 having a particle size of about several nanometers are dispersed inside the Ag layer 33. The glass particles 35 are presumed to be agglomerated residual glass components in the course of the sintering of the Ag particles.

一方、半導体素子３の接合面にＡｕ層３９を形成する（Ａｕ層形成工程Ｓ３１）。
そして、Ａｕ層３９の表面に、上述のＡｇ微粒子分散液をスピンコーターで塗布し、金属Ａｇ膜を形成する（金属Ａｇ膜形成工程Ｓ３２）。
ここで、Ａｇ微粒子分散液の塗布方法としては、スプレーコーティング法、ディスペンサーコーティング法、スピンコーティング法、ナイフコーティング法、スリットコーティング法、インクジェットコーティング法、スクリーン印刷法、オフセット印刷法、またはダイコーティング法等が挙げられる。また、その他にもめっき法、スパッタリング法によってＡｇ層３９を形成しても良い。
また、金属Ａｇ膜の塗布厚さは、１５ｎｍ以上２．５μｍ以下の範囲内とすることが好ましい。さらに好ましくは、２０ｎｍ以上２μｍ以下とする。 On the other hand, an Au layer 39 is formed on the bonding surface of the semiconductor element 3 (Au layer forming step S31).
And the above-mentioned Ag fine particle dispersion is apply | coated to the surface of Au layer 39 with a spin coater, and a metal Ag film | membrane is formed (metal Ag film | membrane formation process S32).
Here, as a method for applying the Ag fine particle dispersion, spray coating method, dispenser coating method, spin coating method, knife coating method, slit coating method, ink jet coating method, screen printing method, offset printing method, die coating method, etc. Is mentioned. In addition, the Ag layer 39 may be formed by plating or sputtering.
Further, the coating thickness of the metal Ag film is preferably in the range of 15 nm to 2.5 μm. More preferably, it is 20 nm or more and 2 μm or less.

次に、第１焼成層３１の表面に、酸化銀ペーストを塗布する（酸化銀ペースト塗布工程Ｓ２５）。
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 is applied to the surface of the first fired layer 31 (silver oxide paste application step S25).
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、Ａｕ層３９及び金属Ａｇ膜を形成した半導体素子３を積層する（半導体素子積層工程Ｓ２６）。
そして、半導体素子３とパワーモジュール用基板１０とを積層した状態で加熱炉内に装入し、酸化銀ペーストの焼成を行う（第２焼成工程Ｓ２７）。このとき、荷重を０〜１０ＭＰａとし、焼成温度を１５０〜４００℃とする。
また、望ましくは半導体素子３とパワーモジュール用基板１０とを積層方向に加圧した状態で加熱することによって、より確実に接合することができる。この場合、加圧圧力は０．５〜１０ＭＰａが望ましい。 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 3 on which the Au layer 39 and the metal Ag film are formed is laminated on the silver oxide paste. (Semiconductor element stacking step S26).
Then, the semiconductor element 3 and the power module substrate 10 are stacked in a heating furnace, and the silver oxide paste is fired (second firing step S27). At this time, the load is set to 0 to 10 MPa, and the firing temperature is set to 150 to 400 ° C.
Desirably, the semiconductor element 3 and the power module substrate 10 can be bonded more reliably by heating them while being pressed in the stacking direction. In this case, the applied pressure is desirably 0.5 to 10 MPa.

このようにして、第１焼成層３１の上に第２焼成層３６が形成され、かつ、金属Ａｇ層３８が形成され、半導体素子３と回路層１２とが接合される。これにより、本実施形態であるパワーモジュール１が製造される。   In this way, the second fired layer 36 is formed on the first fired layer 31, the metal Ag layer 38 is formed, and the semiconductor element 3 and the circuit layer 12 are joined. Thereby, the power module 1 which is this embodiment is manufactured.

以上のような構成とされた本実施形態であるパワーモジュール１においては、回路層１２の一方の面に、ガラス成分を含有するガラス含有Ａｇペーストの焼成体からなる第１焼成層３１が形成されているので、ガラス成分によって回路層１２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、この第１焼成層３１と回路層１２との接合強度を確保することができる。   In the power module 1 according to the present embodiment configured as described above, a first fired layer 31 made of a fired body of a glass-containing Ag paste containing a glass component is formed on one surface of the circuit layer 12. Therefore, the oxide film formed on the surface of the circuit layer 12 by the glass component can be removed, and the bonding strength between the first fired layer 31 and the circuit layer 12 can be ensured.

また、この第１焼成層３１の上に、酸化銀が還元されたＡｇの焼成体からなる第２焼成層３６が形成されているので、この第２焼成層３６を形成する際に半導体素子３を接合することが可能となる。ここで、酸化銀を還元した場合には、微細な還元Ａｇ粒子が生成することから、第２焼成層３６を構成する焼成体を緻密な構造とすることができる。
さらに、第１焼成層３１及び第２焼成層３６が積層されているので、回路層１２と半導体素子３との間に介在する接合層の厚さを確保することができる。よって、熱サイクル負荷時の応力が半導体素子３に作用することを抑制でき、半導体素子３自体の破損を防止することができる。 In addition, since the second fired layer 36 made of a fired body of Ag with reduced silver oxide is formed on the first fired layer 31, the semiconductor element 3 is formed when the second fired layer 36 is formed. Can be joined. Here, when silver oxide is reduced, fine reduced Ag particles are generated, so that the fired body constituting the second fired layer 36 can have a dense structure.
Further, since the first fired layer 31 and the second fired layer 36 are laminated, the thickness of the bonding layer interposed between the circuit layer 12 and the semiconductor element 3 can be ensured. Therefore, it can suppress that the stress at the time of a heat cycle load acts on the semiconductor element 3, and damage to the semiconductor element 3 itself can be prevented.

そして、第２焼成層３６と半導体素子３との間に金属Ａｇ層３８が形成されているので、金属Ａｇ層３８と第２焼成層３６とがＡｇ同士の焼結によって接合されることになり、半導体素子３と回路層１２とを強固に接合することができる。
また、本実施形態においては、前記金属Ａｇ層の厚みが１５ｎｍ以上２．５μｍ以下とされている。この場合、金属Ａｇ層が１５ｎｍ以上形成されていることから、第２焼成層と前記半導体素子とを確実に接合することが可能となる。一方、その厚みが２．５μｍ以下とされていることから金属Ａｇ層の銀量を抑えることができ、比較的安価に金属Ａｇ層を形成することができる。 And since the metal Ag layer 38 is formed between the 2nd baking layer 36 and the semiconductor element 3, the metal Ag layer 38 and the 2nd baking layer 36 will be joined by sintering of Ag. The semiconductor element 3 and the circuit layer 12 can be firmly bonded.
In the present embodiment, the metal Ag layer has a thickness of 15 nm to 2.5 μm. In this case, since the metal Ag layer is formed with a thickness of 15 nm or more, the second fired layer and the semiconductor element can be reliably bonded. On the other hand, since the thickness is 2.5 μm or less, the amount of silver in the metal Ag layer can be suppressed, and the metal Ag layer can be formed relatively inexpensively.

また、第１焼成層３１は、回路層１２の一方の面に形成されたガラス層３２と、このガラス層３２上に積層されたＡｇ層３３と、を備えており、Ａｇ層３３には、ガラス粒子が分散しているので、回路層１２の表面に形成されている酸化皮膜をガラス層３２に反応させて除去することができ、回路層１２と半導体素子３とを確実に接合することができる。   The first fired layer 31 includes a glass layer 32 formed on one surface of the circuit layer 12 and an Ag layer 33 laminated on the glass layer 32. The Ag layer 33 includes: Since the glass particles are dispersed, the oxide film formed on the surface of the circuit layer 12 can be removed by reacting with the glass layer 32, and the circuit layer 12 and the semiconductor element 3 can be reliably bonded. it can.

さらに、第２焼成層３６が、酸化銀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、酸化銀が還元されて生成する微細なＡｇ粒子（還元Ａｇ粒子）が焼成した構造となり、第２焼成層を緻密な焼成体で構成することができる。また、還元剤は、酸化銀を還元する際に分解されるため、第２焼成層３６中に残存しにくく、第２焼成層３６における導電性を確保することができる。さらに、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となるため、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。   Further, since the second fired layer 36 is a fired body of a silver oxide paste containing silver oxide and a reducing agent, a structure in which fine Ag particles (reduced Ag particles) generated by reduction of silver oxide are fired. Thus, the second fired layer can be composed of a dense fired body. Further, since the reducing agent is decomposed when the silver oxide is reduced, it is difficult to remain in the second fired layer 36 and the conductivity in the second fired layer 36 can be ensured. Furthermore, since firing can be performed under a relatively low temperature condition such as 300 ° C., the junction temperature of the semiconductor element 3 can be kept low, and the thermal load on the semiconductor element 3 can be reduced.

また、本実施形態では、ガラス層３２内部に、粒径が数ナノメートル程度とされた微細な導電性粒子３４が分散されているので、ガラス層３２においても導電性を確保することができる。具体的には、本実施形態では、ガラス層３２を含めた第１焼成層３１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。
したがって、第１焼成層３１及び第２焼成層３６を介して半導体素子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。 Further, in the present embodiment, since the fine conductive particles 34 having a particle size of about several nanometers are dispersed inside the glass layer 32, conductivity can be ensured even in the glass layer 32. Specifically, in this embodiment, the electrical resistance value P in the thickness direction of the first fired layer 31 including the glass layer 32 is set to 0.5Ω or less.
Accordingly, it is possible to reliably conduct electricity between the semiconductor element 3 and the circuit layer 12 via the first fired layer 31 and the second fired layer 36, and the highly reliable power module 1 can be configured. it can.

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、半導体素子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 via the metal layer 13 and the buffer layer 15. It can prevent that the power module 1 becomes high temperature.

また、本実施形態であるパワーモジュール１の製造方法によれば、回路層１２の一方の面に、ガラス成分を含有するガラス含有Ａｇペーストを塗布し、加熱処理することにより、第１焼成層３１を形成する工程（ガラス含有Ａｇペースト塗布工程Ｓ２３及び第１焼成工程Ｓ２４）を備えているので、回路層１２の表面に形成された酸化皮膜を除去でき、回路層１２と第１焼成層３１とを確実に接合することができる。   Moreover, according to the manufacturing method of the power module 1 which is this embodiment, the glass-containing Ag paste containing a glass component is apply | coated to one surface of the circuit layer 12, and the 1st baking layer 31 is heat-processed. Since the oxide film formed on the surface of the circuit layer 12 can be removed, the circuit layer 12, the first fired layer 31, and the glass layer-containing Ag paste applying step S 23 and the first firing step S 24 are provided. Can be reliably joined.

また、半導体素子３の接合面にＡｕ層３９を形成する工程（Ａｕ層形成工程Ｓ３１）と、このＡｕ層３９の表面に金属Ａｇ膜を形成する工程（金属Ａｇ膜形成工程Ｓ３２）と、第１焼成層３１の上に、酸化銀と還元剤とを含む酸化銀ペーストを塗布する工程（酸化銀ペースト塗布工程Ｓ２５）と、塗布された酸化銀ペーストの上に半導体素子３を積層する工程（半導体素子積層工程Ｓ２６）と、半導体素子３とパワーモジュール用基板１０とを積層した状態で加熱して、第１焼成層３１の上に第２焼成層３６を形成する工程（第２焼成工程Ｓ２７）と、を備えているので、酸化銀ペーストの焼成によって第２焼成層３６が形成されるとともに、第２焼成層３６と半導体素子３との間に金属Ａｇ層３８が形成されることになる。よって、金属Ａｇ層３８と第２焼成層３６とがＡｇ同士の焼結によって接合されることになり、半導体素子３と回路層１２とを強固に接合することができる。   Further, a step of forming the Au layer 39 on the bonding surface of the semiconductor element 3 (Au layer forming step S31), a step of forming a metal Ag film on the surface of the Au layer 39 (metal Ag film forming step S32), 1 A step of applying a silver oxide paste containing silver oxide and a reducing agent on the fired layer 31 (silver oxide paste application step S25), and a step of laminating the semiconductor element 3 on the applied silver oxide paste ( Semiconductor element stacking step S26) and a step of heating the semiconductor element 3 and the power module substrate 10 in a stacked state to form the second fired layer 36 on the first fired layer 31 (second fired step S27). ), The second fired layer 36 is formed by firing the silver oxide paste, and the metal Ag layer 38 is formed between the second fired layer 36 and the semiconductor element 3. . Therefore, the metal Ag layer 38 and the second fired layer 36 are bonded by sintering of Ag, and the semiconductor element 3 and the circuit layer 12 can be bonded firmly.

また、本実施形態では、金属Ａｇ膜形成工程Ｓ３２においては、粒径２０ｎｍ以上 ２００ｎｍ以下のＡｇ微粒子を含むＡｇ微粒子分散液を塗布することによって金属Ａｇ膜を形成する構成とされているので、酸化銀が還元されて生成する微細なＡｇ粒子（還元Ａｇ粒子）と金属Ａｇ膜を構成するＡｇ微粒子との粒径が一致することになり、金属Ａｇ層３８と酸化銀ペーストが還元されてなる第２焼成層３６とを強固に接合することができる。   In the present embodiment, in the metal Ag film forming step S32, the metal Ag film is formed by applying an Ag fine particle dispersion containing Ag fine particles having a particle diameter of 20 nm or more and 200 nm or less. The fine Ag particles produced by reduction of silver (reduced Ag particles) have the same particle size as the Ag fine particles constituting the metal Ag film, and the metal Ag layer 38 and the silver oxide paste are reduced. 2 The fired layer 36 can be firmly bonded.

また、第２焼成層３６を形成する第２焼成工程Ｓ２７における焼成温度が４００℃以下とされているので、接合時における半導体素子３への熱負荷を低減することができる。また、第２焼成工程Ｓ２７における焼成温度が１５０℃以上とされているので、酸化銀ペーストに含まれる還元剤等を除去することができ、第２焼成層３６における導電性及び強度を確保することができる。   Further, since the firing temperature in the second firing step S27 for forming the second fired layer 36 is set to 400 ° C. or less, the thermal load on the semiconductor element 3 at the time of bonding can be reduced. Further, since the firing temperature in the second firing step S27 is 150 ° C. or higher, the reducing agent and the like contained in the silver oxide paste can be removed, and the conductivity and strength in the second fired layer 36 are ensured. Can do.

また、第１焼成層３１を形成する第１焼成工程Ｓ２４における焼成温度が３５０℃以上とされているので、ガラス含有Ａｇペーストを焼成して第１焼成層３１を確実に形成することができる。また、第１焼成工程Ｓ２４における焼成温度が６４５℃以下とされているので、回路層１２やセラミックス基板１１の劣化を防止することができる。   In addition, since the firing temperature in the first firing step S24 for forming the first fired layer 31 is 350 ° C. or higher, the first fired layer 31 can be reliably formed by firing the glass-containing Ag paste. Moreover, since the firing temperature in the first firing step S24 is 645 ° C. or lower, the deterioration of the circuit layer 12 and the ceramic substrate 11 can be prevented.

また、本実施形態においては、酸化銀ペーストに、有機金属化合物が添加されているので、この有機金属化合物が熱分解することによって生成される有機酸により、酸化銀の還元反応が促進されることになる。
さらに、酸化銀ペーストに混合する還元剤として、室温で固体であるものを用いているので、焼成前に還元反応が進行することを防止できる。 Moreover, in this embodiment, since the organometallic compound is added to the silver oxide paste, the reduction reaction of silver oxide is promoted by the organic acid generated by thermal decomposition of the organometallic compound. become.
Furthermore, since the reducing agent mixed with the silver oxide paste is a solid that is solid at room temperature, it is possible to prevent the reduction reaction from proceeding before firing.

さらに、酸化銀ペーストの粘度が１０Ｐａ・ｓ以上１００Ｐａ・ｓ以下、より好ましくは３０Ｐａ・ｓ以上８０Ｐａ・ｓ以下に調整されているので、第１焼成層３１の上に酸化銀ペーストを塗布する酸化銀ペースト塗布工程Ｓ２５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、第２焼成層３６を半導体素子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、酸化銀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１の製造コストを大幅に削減することができる。   Further, since the viscosity of the silver oxide paste is adjusted to 10 Pa · s or more and 100 Pa · s or less, more preferably 30 Pa · s or more and 80 Pa · s or less, the oxidation for applying the silver oxide paste on the first fired layer 31 is performed. In the silver paste application step S25, a screen printing method or the like can be applied, and the second fired layer 36 can be selectively formed only on the portion where the semiconductor element 3 is disposed. Therefore, the amount of silver oxide paste used can be reduced, and the manufacturing cost of the power module 1 can be greatly reduced.

また、本実施形態では、第１焼成層３１を構成するガラス含有Ａｇペーストが、Ａｇ粉末と、ガラス粉末と、を含有しており、ガラス粉末の軟化温度が６００℃以下に設定されているので、比較的低温でガラス含有Ａｇペーストを焼成することが可能となる。具体的には、第１焼成層３１を形成する第１焼成工程Ｓ２４における焼成温度を３５０℃以上６４５℃以下に設定することができる。よって、ガラス含有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１を製出することが可能となる。   Moreover, in this embodiment, since the glass containing Ag paste which comprises the 1st baking layer 31 contains Ag powder and glass powder, since the softening temperature of glass powder is set to 600 degrees C or less, The glass-containing Ag paste can be fired at a relatively low temperature. Specifically, the firing temperature in the first firing step S24 for forming the first fired layer 31 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 the firing of the glass-containing Ag paste, and a high-quality power module 1 is produced. It becomes possible to do.

さらに、ガラス含有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表面にガラス含有Ａｇペーストを塗布するガラス含有Ａｇペースト塗布工程Ｓ２３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、第１焼成層３１を半導体素子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、ガラス含有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 glass-containing 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, the glass-containing Ag paste is applied to the surface of the circuit layer 12. In the Ag paste application step S23, a screen printing method or the like can be applied, and the first fired layer 31 can be selectively formed only on the portion where the semiconductor element 3 is disposed. Therefore, it becomes possible to reduce the usage-amount of glass containing Ag paste, and can reduce the manufacturing cost of this power module 1 significantly.

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、他のアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されていてもよい。また、回路層及び金属層を構成する金属板を、純銅、または、銅合金で構成されたものとしてもよい。 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, although 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%, it is not limited to this, and is composed of other aluminum or aluminum alloy. It may be. Further, the metal plate constituting the circuit layer and the metal layer may be made of pure copper or a copper alloy.

また、アルミニウム板とセラミックス基板とをろう付けにて接合するものとして説明したが、これに限定されることはなく、過渡液相接合法（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｂｏｎｄｉｎｇ）、鋳造法等を適用してもよい。
さらに、回路層及び金属層を構成する金属板を銅又は銅合金で構成した場合には、銅又は銅合金からなる金属板をセラミックス基板に接合する際に、直接接合法（ＤＢＣ法）、活性金属法、鋳造法等を適用することができる。 Moreover, although it demonstrated as what joins an aluminum plate and a ceramic substrate by brazing, it is not limited to this, Even if it applies a transient liquid phase bonding method (Transient Liquid Phase Bonding), a casting method, etc. Good.
Furthermore, when the metal plate constituting the circuit layer and the metal layer is made of copper or a copper alloy, when joining the metal plate made of copper or copper alloy to the ceramic substrate, the direct joining method (DBC method), the activity A metal method, a casting method, or the like can be applied.

また、ガラス含有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い。例えば、無鉛ガラス粉末を用いるものとして説明したが、鉛を含有するガラスであってもよい。
さらに、酸化銀ペーストの原料、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い。例えば有機金属化合物を含有しないものであってもよい。
また、第１焼成層３１におけるガラス層３２とＡｇ層３３の厚さ、第２焼成層３６の厚さについても、本実施形態に限定されるものではない。 Moreover, about the raw material of a glass containing Ag paste, and a compounding quantity, it is not limited to what was described in embodiment. For example, although it demonstrated as using lead-free glass powder, the glass containing lead may be sufficient.
Furthermore, the raw material and blending amount of the silver oxide paste are not limited to those described in the embodiment. For example, it may not contain an organometallic compound.
Further, the thickness of the glass layer 32 and the Ag layer 33 in the first fired layer 31 and the thickness of the second fired layer 36 are not limited to the present embodiment.

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よいし、絶縁樹脂によって絶縁層を構成してもよい。 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接合するとともに、冷却器を接合した後に、回路層上に第１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接合する前や、冷却器を接合する前に第１焼成層を形成してもよい。   In addition, it has been described that the first fired layer is formed on the circuit layer after the aluminum plate to be the circuit layer is bonded to the ceramic substrate and the cooler is bonded. However, the present invention is not limited to this. The first fired layer may be formed before the plate is bonded to the ceramic substrate or before the cooler is bonded.

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、この緩衝層を備えていなくてもよい。
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し、その他の材料で構成されていてもよい。さらに、冷却器として、放熱フィン及び冷却媒体の流路を有するもので説明したが、冷却器の構造に特に限定はない。 Moreover, although it 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 provided. It does not have to be.
Furthermore, although demonstrated as what comprised the top-plate part of the cooler with aluminum, you may be comprised with the composite material containing aluminum alloy or aluminum, etc., and may be comprised with another material. Furthermore, although it demonstrated as a cooler having the radiation fin and the flow path of a cooling medium, there is no limitation in particular in the structure of a cooler.

また、酸化銀ペーストは、酸化銀粉末及び還元剤に加えて、粒径２０ｎｍ以上８００ｎｍ以下の微細Ａｇ粒子を含有していてもよい。微細Ａｇ粒子が酸化銀粉末の間に介在することにより、酸化銀が還元されて得られるＡｇとこの微細Ａｇ粒子とが焼結することになり、第２焼成層をさらに緻密な構造とすることができる。これにより、接合時における半導体素子の加圧圧力を低く設定することが可能となる。
さらに、この微細Ａｇ粒子は、有機物を含んでいてもよい。この場合、有機物が分解する際の熱を利用して低温での焼結性を向上させることが可能となる。 In addition to the silver oxide powder and the reducing agent, the silver oxide paste may contain fine Ag particles having a particle size of 20 nm to 800 nm. When the fine Ag particles are interposed between the silver oxide powders, the Ag obtained by reducing the silver oxide and the fine Ag particles are sintered, and the second fired layer has a more dense structure. Can do. Thereby, it becomes possible to set the pressurization pressure of the semiconductor element at the time of joining low.
Furthermore, the fine Ag particles may contain an organic substance. In this case, it is possible to improve the sinterability at a low temperature by using heat when the organic substance is decomposed.

また、酸化銀ペーストの焼成体からなる第２焼成層に粒径０．８μｍを超えて２０μｍ以下の金属Ａｇ粒子が分散した構成としてもよい。この場合、第２焼成層に大きな気孔が発生することを抑制することが可能となる。   Moreover, it is good also as a structure by which the metal Ag particle | grains exceeding a particle size of 0.8 micrometer and 20 micrometers or less were disperse | distributed to the 2nd baking layer which consists of a baking body of a silver oxide paste. In this case, generation of large pores in the second fired layer can be suppressed.

そして、本実施形態では、金属Ａｇ膜を、粒径２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下のＡｇ微粒子を含むＡｇ微粒子分散液を塗布することで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、金属Ａｇ膜をめっき法によって形成してもよいし、スパッタ法によって形成してもよい。なお、めっき法によって金属Ａｇ膜を形成する場合には、その膜厚を０．５μｍ以上２．５μｍ以下とすることが好ましい。また、スパッタ法によって金属Ａｇ膜を形成する場合には、その膜厚を１５ｎｍ以上３０ｎｍ以下とすることが好ましい。   In the present embodiment, the metal Ag film is described as being formed by applying an Ag fine particle dispersion containing Ag fine particles having a particle diameter of 20 nm or more and 200 nm or less. However, the present invention is not limited to this. The Ag film may be formed by a plating method or a sputtering method. In addition, when forming a metal Ag film | membrane by the plating method, it is preferable that the film thickness shall be 0.5 micrometer or more and 2.5 micrometers or less. Moreover, when forming a metal Ag film | membrane by sputtering method, it is preferable that the film thickness shall be 15 nm or more and 30 nm or less.

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。   Below, the result of the confirmation experiment performed in order to confirm the effect of this invention is demonstrated.

（実施例）
実施例として、前述の実施形態に記載されたパワーモジュール１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１２上に、ガラス含有Ａｇペーストの焼成体からなる第１焼成層３１を形成し、かつ、半導体素子３の接合面にＡｕ層３９を形成し、このＡｕ層３９の表面に金属Ａｇ膜を形成した。そして、第１焼成層３１の上に、酸化銀ペーストの焼成体からなる第２焼成層３６を形成して半導体素子３を接合した。 (Example)
As an example, the power module 1 described in the above embodiment was prepared. That is, the first fired layer 31 made of a fired body of glass-containing Ag paste is formed on the circuit layer 12 made of an aluminum plate having a purity of 99.99% or more, and the Au layer 39 is formed on the bonding surface of the semiconductor element 3. Then, a metal Ag film was formed on the surface of the Au layer 39. Then, a second fired layer 36 made of a fired body of silver oxide paste was formed on the first fired layer 31 to join the semiconductor element 3.

なお、セラミックス基板１１は、ＡｌＮで構成され、２７ｍｍ×１７ｍｍ、厚さ０．６mｍのものを使用した。
また、回路層１２及び金属層１３は、４Ｎアルミニウムで構成され、２５ｍｍ×１５ｍｍ、厚さ０．６ｍｍのものを使用した。
半導体素子３は、ＩＧＢＴ素子とし、１３ｍｍ×１０ｍｍ、厚さ０．２５ｍｍのものを使用した。 The ceramic substrate 11 is made of AlN and has a size of 27 mm × 17 mm and a thickness of 0.6 mm.
The circuit layer 12 and the metal layer 13 are made of 4N aluminum, and have a size of 25 mm × 15 mm and a thickness of 0.6 mm.
The semiconductor element 3 was an IGBT element having a size of 13 mm × 10 mm and a thickness of 0.25 mm.

このとき、ガラス含有Ａｇペーストのガラス粉末として、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。 At this time, as the glass powder of the glass-containing Ag paste, a lead-free glass powder containing 90.6% by mass of Bi 2 O 3 , 2.6% by mass of ZnO and 6.8% by mass of B 2 O 3 was used. . 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.

酸化銀ペーストは、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、の割合で混合した酸化銀ペーストを用いた。   The silver oxide paste is a 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-methylproparate) as a solvent. Noate), and silver oxide powder; 80% by mass, reducing agent (myristyl alcohol); 10% by mass, solvent (2,2,4-trimethyl-1,3-pentanediol mono (2-methylpropaline) Nooate)); the silver oxide paste mixed in the ratio of the remainder.

なお、回路層１２の表面にガラス含有Ａｇペーストを塗布するガラス含有Ａｇペースト塗布工程Ｓ２３では、ガラス含有Ａｇペーストの塗布厚さを１０μｍとした。また、第１焼成工程Ｓ２４では、焼成温度を５７５℃、焼成時間を１０分とした。
また、第１焼成層３１の上に酸化銀ペーストを塗布する酸化銀ペースト塗布工程Ｓ２５では、酸化銀ペーストの塗布厚さを５０μｍとした。また、第２焼成工程Ｓ２７では、焼成温度を３００℃、接合時間を表１に記載の時間とした。 In addition, in the glass containing Ag paste application | coating process S23 which apply | coats a glass containing Ag paste on the surface of the circuit layer 12, the application | coating thickness of the glass containing Ag paste was 10 micrometers. In the first firing step S24, the firing temperature was 575 ° C. and the firing time was 10 minutes.
In addition, in the silver oxide paste application step S25 in which the silver oxide paste is applied on the first fired layer 31, the coating thickness of the silver oxide paste was set to 50 μm. In the second firing step S27, the firing temperature was set to 300 ° C., and the joining time was set to the time shown in Table 1.

そして、金属Ａｇ膜形成工程Ｓ３２の条件を変更した。
実施例１−１２では、スピンコーティング法により金属Ａｇ膜を形成した。スピンコーティングは、粒径２０ｎｍのＡｇ微粒子をエチレングリコールの溶剤に分散させたＡｇ微粒子分散液をスピンコータ−を用いて、Ａｇ微粒子分散液を複数回滴下することによって、表１に記載の厚みを有する金属Ａｇ膜を形成した。
実施例１３−１９では、めっき法により表１に記載の厚みを有する金属Ａｇ膜を形成した。銀めっきは、シアン化銀めっき浴を用いて電解めっき法により表１に記載の厚みを有する金属Ａｇ膜を形成した。

実施例２０−２２では、スパッタ法により表１に記載の厚みを有する金属Ａｇ膜を形成した。純度９９．９質量％の銀ターゲットを用いてＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用いて、表１記載の厚みを有する金属Ａｇ膜を形成した。 And the conditions of metal Ag film formation process S32 were changed.
In Example 1-12, a metal Ag film was formed by spin coating. The spin coating has a thickness described in Table 1 by dropping an Ag fine particle dispersion liquid in which Ag fine particles having a particle diameter of 20 nm are dispersed in an ethylene glycol solvent by dropping the Ag fine particle dispersion liquid a plurality of times using a spin coater. A metal Ag film was formed.
In Examples 13-19, a metal Ag film having the thickness shown in Table 1 was formed by a plating method. Silver plating formed the metal Ag film | membrane which has the thickness of Table 1 by the electrolytic plating method using the silver cyanide plating bath.

In Examples 20-22, a metal Ag film having the thickness shown in Table 1 was formed by sputtering. A metal Ag film having a thickness shown in Table 1 was formed using an RF magnetron sputtering apparatus using a silver target having a purity of 99.9% by mass.

（比較例）
比較例１−４として、素子裏面に金属Ａｇ層を形成しないほかは、実施例と同様な条件でパワーモジュールを作製した。 (Comparative example)
As Comparative Example 1-4, a power module was manufactured under the same conditions as in the example except that the metal Ag layer was not formed on the back surface of the element.

（ＳＥＭ観察）
まず、実施例８のパワーモジュールにおいて、回路層と半導体素子との接合界面をＳＥＭ観察した結果を図７及び図８に示す。この場合、第２焼成層３６とＡｕ層３９との間に金属Ａｇ層３８が認められる。なお、図７及び図８に示すように、酸化銀ペーストの焼成体からなる第２焼成層３６には、大きな気孔が存在しており、第１焼成層３１と第２焼成層３６、第２焼成層３６と金属Ａｇ層３８とを区別することが可能となっている。
次に、金属Ａｇ膜を形成しなかった比較例１のパワーモジュールにおいて、回路層と半導体素子との接合界面をＳＥＭ観察した結果を図９及び図１０に示す。この場合、第２焼成層３６とＡｕ層３９との間に金属Ａｇ層３８が認められない。 (SEM observation)
First, in the power module of Example 8, the result of SEM observation of the bonding interface between the circuit layer and the semiconductor element is shown in FIGS. In this case, a metal Ag layer 38 is observed between the second fired layer 36 and the Au layer 39. As shown in FIGS. 7 and 8, there are large pores in the second fired layer 36 made of a fired body of silver oxide paste, and the first fired layer 31, the second fired layer 36, and the second fired layer 36 are secondly fired. It is possible to distinguish between the fired layer 36 and the metal Ag layer 38.
Next, in the power module of Comparative Example 1 in which the metal Ag film was not formed, the result of SEM observation of the bonding interface between the circuit layer and the semiconductor element is shown in FIGS. In this case, the metal Ag layer 38 is not recognized between the second fired layer 36 and the Au layer 39.

（評価）
次に、実施例、従来例、比較例のパワーモジュールを用いて、熱サイクル試験及びパワーサイクル試験を実施し、初期の接合率、熱サイクル試験後の熱抵抗の上昇率、及び、パワーサイクル試験後の熱抵抗の上昇率を評価した。
接合率は、超音波探傷装置を用いて評価し、以下の式から算出した。ここで、初期接合面積とは、接合前における接合すべき面積、すなわち半導体素子面積とした。超音波探傷像において剥離は接合部内の白色部で示されることから、この白色部の面積を剥離面積とした。
接合率 ＝ （初期接合面積−剥離面積）／初期接合面積 (Evaluation)
Next, a thermal cycle test and a power cycle test were carried out using the power modules of the examples, conventional examples, and comparative examples, and the initial joining rate, the rate of increase in thermal resistance after the thermal cycle test, and the power cycle test. Later, the rate of increase in thermal resistance was evaluated.
The joining rate was evaluated using an ultrasonic flaw detector and calculated from the following equation. Here, the initial bonding area is an area to be bonded before bonding, that is, a semiconductor element area. In the ultrasonic flaw detection image, peeling is indicated by a white portion in the joint, and thus the area of the white portion was taken as the peeling area.
Bonding rate = (initial bonding area-peeling area) / initial bonding area

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

熱サイクル試験は、試験片に対して、−４０℃←→１１０℃の熱サイクルを負荷することにより行う。本実施例では、この熱サイクルを３０００回実施した。
パワーサイクル試験は、ＩＧＢＴ素子に、１５Ｖ、１５０Ａの通電条件で、通電時間２秒、冷却時間８秒を繰り返し実施し、ＩＧＢＴ素子の温度を３０℃から１３０℃の範囲で変化させた。本実施例では、このパワーサイクルを２０万回実施した。
この熱サイクル試験後、熱抵抗の上昇率を測定した。また、パワーサイクル試験後、熱抵抗の上昇率を測定した。
その評価結果を表１に示す。 The thermal cycle test is performed by applying a thermal cycle of −40 ° C. ← → 110 ° C. to the test piece. In this example, this thermal cycle was performed 3000 times.
In the power cycle test, the IGBT element was repeatedly subjected to an energization time of 2 seconds and a cooling time of 8 seconds under an energization condition of 15 V and 150 A, and the temperature of the IGBT element was changed in the range of 30 ° C to 130 ° C. In this example, this power cycle was performed 200,000 times.
After this thermal cycle test, the rate of increase in thermal resistance was measured. Further, after the power cycle test, the rate of increase in thermal resistance was measured.
The evaluation results are shown in Table 1.

金属Ａｇ層をスピンコーティング法で形成した実施例１〜１２はいずれも、接合率、熱サイクル試験、パワーサイクル試験において良好な結果が得られた。また、めっき法で形成した実施例１３〜１７は、接合率、熱サイクル試験、パワーサイクル試験において良好な結果が得られた。なお、実施例１８，１９は、接合率において若干低い数値となったが、実用的に許容できる範囲である。さらに、スパッタリング法で形成した実施例２０〜２２は、接合率、熱サイクル試験、パワーサイクル試験において良好な結果が得られた。
一方、金属Ａｇ層を形成しなかった比較例１〜４では、短時間での接合であったため、接合性が不十分となり、熱サイクル試験、パワーサイクル試験において、実施例に劣る結果となった。 In Examples 1 to 12 in which the metal Ag layer was formed by the spin coating method, good results were obtained in the bonding rate, the thermal cycle test, and the power cycle test. In Examples 13 to 17 formed by plating, good results were obtained in the joining rate, thermal cycle test, and power cycle test. In Examples 18 and 19, although the joining rate was slightly lower, it was in a practically acceptable range. Furthermore, in Examples 20 to 22 formed by the sputtering method, good results were obtained in the joining rate, the thermal cycle test, and the power cycle test.
On the other hand, in Comparative Examples 1 to 4 in which the metal Ag layer was not formed, since the bonding was performed in a short time, the bonding property was insufficient, and in the thermal cycle test and the power cycle test, the results were inferior to the examples. .

１ パワーモジュール
３ 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
３１ 第１焼成層
３２ ガラス層
３３ Ａｇ層
３４ 導電性粒子
３５ ガラス粒子
３６ 第２焼成層
３８ 金属Ａｇ層
３９ Ａｕ層 1 Power Module 3 Semiconductor Element 10 Power Module Substrate 11 Ceramic Substrate 12 Circuit Layer 31 First Firing Layer 32 Glass Layer 33 Ag Layer 34 Conductive Particles 35 Glass Particles 36 Second Firing Layer 38 Metal Ag Layer 39 Au Layer

Claims (8)

絶縁層の一方の面に回路層が配設されたパワーモジュール用基板と、前記回路層上に搭載される半導体素子と、を備えたパワーモジュールであって、
前記回路層の一方の面には、ガラス成分を含有するガラス含有Ａｇペーストの焼成体からなる第１焼成層が形成され、
この第１焼成層の上に、酸化銀が還元されたＡｇの焼成体からなる第２焼成層が形成されており、
この第２焼成層と前記半導体素子との間に、金属Ａｇ層とＡｕ層が形成されており、前記半導体素子の接合面に前記Ａｕ層が形成され、前記Ａｕ層と前記第２焼成層との間に前記金属Ａｇ層が形成され、前記Ａｕ層と前記金属Ａｇ層は相互拡散していることを特徴とするパワーモジュール。 A power module comprising: a power module substrate having a circuit layer disposed on one surface of an insulating layer; and a semiconductor element mounted on the circuit layer,
A first fired layer made of a fired body of a glass-containing Ag paste containing a glass component is formed on one surface of the circuit layer,
On this 1st baking layer, the 2nd baking layer which consists of a baking body of Ag by which silver oxide was reduced is formed,
A metal Ag layer and an Au layer are formed between the second fired layer and the semiconductor element, the Au layer is formed on the bonding surface of the semiconductor element, and the Au layer, the second fired layer, The power module is characterized in that the metal Ag layer is formed therebetween, and the Au layer and the metal Ag layer are interdiffused . 前記金属Ａｇ層の厚みが１５ｎｍ以上２．５μｍ以下であ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。   The power module according to claim 1, wherein a thickness of the metal Ag layer is 15 nm or more and 2.5 μm or less. 前記第１焼成層は、回路層の一方の面に形成されたガラス層と、このガラス層上に積層されたＡｇ層と、を備えており、
前記Ａｇ層には、ガラス粒子が分散し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。 The first fired layer includes a glass layer formed on one surface of the circuit layer, and an Ag layer laminated on the glass layer,
The power module according to claim 1, wherein glass particles are dispersed in the Ag layer. 前記第２焼成層は、酸化銀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。   The power module according to any one of claims 1 to 3, wherein the second fired layer is a fired body of a silver oxide paste containing silver oxide and a reducing agent. 前記酸化銀ペーストは、前記酸化銀及び前記還元剤に加えて、Ａｇ粒子を含有していることを特徴とする請求項４に記載のパワーモジュール。   The power module according to claim 4, wherein the silver oxide paste contains Ag particles in addition to the silver oxide and the reducing agent. 絶縁層の一方の面に回路層が配設されたパワーモジュール用基板と、前記回路層上に搭載される半導体素子と、を備えたパワーモジュールの製造方法であって、
前記回路層の一方の面に、ガラス成分を含有するガラス含有Ａｇペーストを塗布し、加熱処理することにより、第１焼成層を形成する工程と、
前記第１焼成層の上に、酸化銀と還元剤とを含む酸化銀ペーストを塗布する工程と、
前記半導体素子の接合面にＡｕ層を形成する工程と、
前記Ａｕ層の表面に金属Ａｇ膜を形成する工程と、
塗布された酸化銀ペーストの上に、金属Ａｇ膜を形成した半導体素子を積層する工程と、
前記半導体素子と前記パワーモジュール用基板とを積層した状態で加熱して、前記第１焼成層の上に第２焼成層を形成するとともに金属Ａｇ層を形成する工程と、を備え、
前記半導体素子と前記回路層とを接合することを特徴とするパワーモジュールの製造方法。 A power module manufacturing method comprising: a power module substrate having a circuit layer disposed on one surface of an insulating layer; and a semiconductor element mounted on the circuit layer,
Applying a glass-containing Ag paste containing a glass component to one surface of the circuit layer and heat-treating it, thereby forming a first fired layer;
Applying a silver oxide paste containing silver oxide and a reducing agent on the first fired layer;
Forming an Au layer on the bonding surface of the semiconductor element;
Forming a metal Ag film on the surface of the Au layer ;
Laminating a semiconductor element on which a metal Ag film is formed on the applied silver oxide paste;
Heating the semiconductor element and the power module substrate in a stacked state to form a second fired layer on the first fired layer and forming a metal Ag layer,
A method of manufacturing a power module, comprising bonding the semiconductor element and the circuit layer. 前記半導体素子の接合面に金属Ａｇ膜を形成する工程においては、厚みが１５ｎｍ以上２．５μｍ以下からなる前記金属Ａｇ膜を形成することを特徴とする請求項６に記載のパワーモジュールの製造方法。   7. The method of manufacturing a power module according to claim 6, wherein, in the step of forming the metal Ag film on the bonding surface of the semiconductor element, the metal Ag film having a thickness of 15 nm to 2.5 μm is formed. . 前記酸化銀ペーストは、前記酸化銀及び前記還元剤に加えて、Ａｇ粒子を含有していることを特徴とする請求項６または請求項７に記載のパワーモジュールの製造方法。   The method for manufacturing a power module according to claim 6 or 7, wherein the silver oxide paste contains Ag particles in addition to the silver oxide and the reducing agent.
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