功率模塊用基板、及其制造方法和功率模塊的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明以連結(jié)Ag層(32)與擴(kuò)展到Ag層(32)的周圍的電路層的暴露部分的方式，形成有細(xì)長的槽(35)。槽(35)為從Ag層(32)的表面貫穿玻璃層(31)及鋁氧化皮膜(12A)而到達(dá)電路層(12)的表面(12a)的細(xì)長的凹部。槽(35)中形成有沿著槽(35)的內(nèi)面(35a)而Ag層(32)的局部被延展的延長部(36)。在槽(35)的形成部分中，Ag層(32)與電路層(12)通過延長部(36)由電阻值較低的Ag直接電連接。
【專利說明】
功率模塊用基板、及其制造方法和功率模塊
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 該發(fā)明設(shè)及一種在絕緣層的一個(gè)表面形成有電路層的功率模塊用基板、及其制造 方法和在電路層上接合有半導(dǎo)體元件的功率模塊。
[0002] 本申請主張基于2013年12月25日于日本申請的專利申請2013-267199號的優(yōu)先 權(quán)，并將其內(nèi)容援用于此。
【背景技術(shù)】
[0003] 各種半導(dǎo)體元件中，例如為了控制電動汽車或電動車輛等而使用的大功率控制用 的功率元件的發(fā)熱量較多。作為搭載運(yùn)種大功率控制用的功率元件的基板，從W往就廣泛 使用例如在由AlN(氮化侶)等構(gòu)成的陶瓷基板上將導(dǎo)電性優(yōu)異的金屬板作為電路層來接合 的功率模塊用基板。
[0004] 并且，運(yùn)種功率模塊用基板在其電路層上經(jīng)由焊錫材料搭載有作為功率元件的半 導(dǎo)體元件(例如，參考專利文獻(xiàn)1)。
[0005] 作為構(gòu)成電路層的金屬，通?？墒褂脗H或侶合金、或者銅或銅合金。
[0006] 在此，由侶構(gòu)成的電路層中，在表面形成有侶的自然氧化膜，因此難W良好地進(jìn)行 與焊錫材料的接合。并且由銅構(gòu)成的電路層中，有如下課題:烙化的焊錫材料與銅反應(yīng)而焊 錫材料的成分進(jìn)入到電路層的內(nèi)部，使電路層的導(dǎo)電性劣化。
[0007] 另一方面，作為未使用焊錫材料的接合方法，例如在專利文獻(xiàn)2中提出有使用Ag納 米漿料來接合半導(dǎo)體元件的技術(shù)。
[000引并且，例如在專利文獻(xiàn)3、4中提出有未使用焊錫材料而是使用包含金屬氧化物粒 子和由有機(jī)物構(gòu)成的還原劑的氧化物漿料來接合半導(dǎo)體元件的技術(shù)。
[0009] 然而，如專利文獻(xiàn)2中所公開，未使用焊錫材料而是使用Ag納米漿料來接合半導(dǎo)體 元件的情況下，與焊錫材料相比，由Ag納米漿料構(gòu)成的接合層的厚度形成得較薄，所W負(fù)載 熱循環(huán)時(shí)的應(yīng)力容易作用于半導(dǎo)體元件而有可能導(dǎo)致半導(dǎo)體元件本身破損。
[0010] 并且，如專利文獻(xiàn)3、4中所公開，使用金屬氧化物和還原劑來接合半導(dǎo)體元件的情 況下，氧化物漿料的燒成層也依然形成得較薄，所W負(fù)載熱循環(huán)時(shí)的應(yīng)力容易作用于半導(dǎo) 體元件而有可能使功率模塊的性能劣化。
[ocm]于是，例如專利文獻(xiàn)5~7中提出有如下技術(shù):使用含玻璃的Ag漿料在由侶或銅構(gòu) 成的電路層上形成Ag燒成層之后，經(jīng)由焊錫材料或Ag漿料來接合電路層和半導(dǎo)體元件。在 該技術(shù)中，在由侶或銅構(gòu)成的電路層的表面涂布含玻璃的Ag漿料并燒成，由此使形成于電 路層的表面的氧化皮膜與玻璃進(jìn)行反應(yīng)而去除，從而形成Ag燒成層，并在形成有該Ag燒成 層的電路層上經(jīng)由焊錫材料來接合半導(dǎo)體元件。
[0012] 在此，Ag燒成層具備有通過玻璃與電路層的氧化皮膜進(jìn)行反應(yīng)來形成的玻璃層及 形成于該玻璃層上的Ag層。該玻璃層中分散有導(dǎo)電性粒子，通過該導(dǎo)電性粒子可確保玻璃 層的導(dǎo)通。
[0013] 專利文獻(xiàn)1:日本特開2004-172378號公報(bào)(A)
[0014] 專利文獻(xiàn)2:日本特開2008-208442號公報(bào)(A)
[0015] 專利文獻(xiàn)3:日本特開2009-267374號公報(bào)(A)
[0016] 專利文獻(xiàn)4:日本特開2006-202938號公報(bào)(A)
[0017] 專利文獻(xiàn)5:日本特開2010-287869號公報(bào)(A)
[001引專利文獻(xiàn)6:日本特開2012-109315號公報(bào)(A)
[0019] 專利文獻(xiàn)7:日本特開2013-012706號公報(bào)(A)
[0020] 但是，為了提高電路層與Ag燒成層的接合可靠性，有效的是使含玻璃的Ag漿料中 的玻璃的含量增加。
[0021 ]然而，若增加含玻璃的Ag漿料中的玻璃含量，則在Ag燒成層中玻璃層變厚。玻璃層 即便其中分散有導(dǎo)電性粒子，與Ag層等進(jìn)行比較時(shí)電阻也較高。因此，隨著玻璃層變厚，Ag 燒成層的電阻值也有變大的傾向，很難使接合可靠性與電阻值運(yùn)兩者平衡。如此，若Ag燒成 層的電阻值較高，則經(jīng)由焊錫材料等接合形成有Ag燒成層的電路層與半導(dǎo)體元件時(shí)，有可 能無法使電在電路層與半導(dǎo)體元件之間良好地流通。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0022] 該發(fā)明是鑒于前述的情況而完成的，其目的在于提供一種能夠降低半導(dǎo)體元件與 電路層之間的電阻值的功率模塊用基板及其制造方法和功率模塊，所述半導(dǎo)體元件經(jīng)由具 備形成于電路層上的玻璃層及Ag層的Ag燒成層來接合。
[0023] 為了解決上述課題，本發(fā)明的幾個(gè)方式中提供如下功率模塊用基板及其制造方法 和功率模塊。
[0024] 目P，本發(fā)明的功率模塊用基板為具備形成于絕緣層的一個(gè)表面的電路層及形成于 該電路層上的Ag燒成層的功率模塊用基板，所述功率模塊用基板的特征在于，所述Ag燒成 層由玻璃層及形成于該玻璃層上的Ag層構(gòu)成，并形成有連結(jié)所述Ag層與所述電路層的槽， 所述Ag層具有沿著所述槽的內(nèi)面延伸到所述電路層的延長部，所述延長部使所述Ag層與所 述電路層電連接。
[0025] 根據(jù)本發(fā)明的功率模塊用基板，W連結(jié)Ag層與擴(kuò)展到Ag層的周圍的電路層的暴露 部分的方式形成槽。在運(yùn)種槽的內(nèi)面形成從構(gòu)成Ag燒成層的Ag層拉伸的由Ag構(gòu)成的延長 部，能夠通過該延長部使Ag層與電路層電連接。
[0026] 構(gòu)成運(yùn)種延長部的Ag的電阻值低于分散有導(dǎo)電性粒子的玻璃層的電阻值，因此即 使作為Ag燒成層形成有較高電阻的玻璃層，也能夠降低電路層與Ag層之間的電阻使電良好 地流通。由此，為了提高電路層與Ag燒成層的接合可靠性，即使增加玻璃的含量并加厚玻璃 層，也能夠較低地保持Ag層與電路層之間的電阻值，并能夠使接合可靠性與電阻值運(yùn)兩者 平衡。
[0027] 本發(fā)明的特征在于，所述槽W連結(jié)所述Ag層中的、比配設(shè)有半導(dǎo)體元件的元件接 合區(qū)域更向外側(cè)擴(kuò)展的周邊區(qū)域與所述電路層的方式形成。
[0028] 通過運(yùn)種結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體元件與Ag燒成層重疊的部分未形成有槽，因此能夠較高地 保持半導(dǎo)體元件的接合可靠性的同時(shí)，能夠降低Ag層與電路層之間的電阻值。
[0029] 本發(fā)明的特征在于，所述槽到達(dá)比形成于所述電路層的表面的氧化膜更深的位 置。
[0030] 通過運(yùn)種結(jié)構(gòu)，能夠使比存在于電路層的表面的高電阻的氧化膜更靠下層的電路 層和Ag層在由Ag構(gòu)成的延長部導(dǎo)通，因此能夠更進(jìn)一步降低Ag層與電路層之間的電阻值。
[0031] 優(yōu)選所述Ag燒成層在俯視觀察時(shí)呈大致矩形，優(yōu)選所述槽分別形成于所述Ag層的 四個(gè)邊。
[0032] 通過運(yùn)種結(jié)構(gòu)，遍及整個(gè)大致矩形的Ag燒成層，能夠無偏差地均等地降低Ag層與 電路層之間的電阻值。
[0033] 本發(fā)明的特征在于，所述槽沿其延長方向的長度為0.3mmW上且5.OmmW下。
[0034] 將槽的長度設(shè)為0.3mmW上，由此能夠可靠地降低Ag層與電路層之間的電阻值。并 且，將槽的長度設(shè)為5mmW下，由此能夠較高地保持Ag燒成層與電路層之間的接合可靠性。
[0035] 本發(fā)明的特征在于，所述槽沿其厚度方向的深度為lOwnW上且200wiiW下。
[0036] 將槽的深度設(shè)為10皿W上，由此能夠可靠地降低Ag層與電路層之間的電阻值。并 且，將槽的深度設(shè)為200皿W下，由此能夠較高地保持Ag燒成層與電路層之間的接合可靠 性。
[0037] 本發(fā)明的特征在于，相對于形成有該槽的Ag燒成層的一邊的長度，所述槽的與其 延長方向成直角的寬度為5% W上且75% W下。
[0038] 通過運(yùn)種結(jié)構(gòu)，能夠降低Ag層與電路層之間的電阻值的同時(shí)，能夠較高地保持Ag 燒成層與電路層的接合可靠性。
[0039] 本發(fā)明的特征在于，所述Ag燒成層在其厚度方向上的電阻值為IOmQ W下。
[0040] 通過運(yùn)種結(jié)構(gòu)使電阻值降低，由此能夠得到導(dǎo)電損耗較少的功率模塊。
[0041 ]本發(fā)明的功率模塊的特征在于，具備:上述各項(xiàng)記載的功率模塊用基板;及配置于 構(gòu)成該功率模塊用基板的所述Ag燒成層的一個(gè)表面?zhèn)鹊陌雽?dǎo)體元件，所述半導(dǎo)體元件經(jīng)由 接合層與所述Ag燒成層接合。
[0042] 根據(jù)本發(fā)明的功率模塊，W連結(jié)Ag層與擴(kuò)展到Ag層的周圍的電路層的暴露部分的 方式形成槽，并通過槽的內(nèi)面的由Ag構(gòu)成的延長部電連接Ag層與電路層。由此，即使作為Ag 燒成層形成有較高電阻的玻璃層，也能夠降低電路層與Ag層之間的電阻，所W能夠較低地 保持半導(dǎo)體元件與電路層的電阻值。
[0043] 在此，本發(fā)明的功率模塊用基板中，功率循環(huán)試驗(yàn)中優(yōu)選將導(dǎo)電時(shí)間5秒、溫度差 80°C的條件的功率循環(huán)負(fù)載20萬次時(shí)的熱阻上升率小于2%。
[0044] 對功率模塊反復(fù)負(fù)載功率循環(huán)的情況下，若在半導(dǎo)體元件與電路層之間的接合層 中的局部存在電阻較高的部分，則產(chǎn)生部分烙化，并在該部分反復(fù)產(chǎn)生烙化和凝固。于是， 有可能W該部分烙化的部位為起點(diǎn)在接合層和Ag燒成層產(chǎn)生龜裂并導(dǎo)致熱阻上升。如上所 述，在本發(fā)明中由于較低地保持半導(dǎo)體元件與電路層之間的電阻值，因此即使對功率模塊 反復(fù)負(fù)載功率循環(huán)的情況下，也能夠抑制對接合層和Ag燒成層的熱負(fù)載，不會提前破壞運(yùn) 些接合層和Ag燒成層而能夠?qū)崿F(xiàn)對功率循環(huán)的可靠性的提高。另外，由于上述的功率循環(huán) 試驗(yàn)的條件為對接合層及Ag燒成層施加最大負(fù)載，所W若在該條件下負(fù)載功率循環(huán)20萬次 時(shí)的熱阻上升率被設(shè)為小于2%，則在通常的使用中能夠得到充分的可靠性。
[0045] 本發(fā)明的功率模塊用基板的制造方法中，所述功率模塊用基板具備形成于絕緣層 的一個(gè)表面的電路層及形成于該電路層上的Ag燒成層的功率模塊用基板，所述制造方法的 特征在于，至少具備:涂布工序，在所述電路層的一個(gè)表面涂布含玻璃的Ag漿料;燒成工序， 燒成所述Ag漿料來形成Ag燒成層，所述Ag燒成層由玻璃層和形成于該玻璃層上的Ag層構(gòu) 成;及槽形成工序，在所述Ag層中形成連結(jié)比配設(shè)有半導(dǎo)體元件的元件接合區(qū)域更向外側(cè) 擴(kuò)展的周邊區(qū)域與所述電路層的槽，所述槽形成工序中，W將所述Ag層的局部沿著所述槽 的內(nèi)面拉伸的方式形成延長部，通過該延長部使所述Ag層與所述電路層電連接。
[0046] 根據(jù)本發(fā)明的功率模塊用基板的制造方法，具備W連結(jié)Ag層與擴(kuò)展到Ag層的周圍 的電路層的暴露部分的方式形成槽的槽形成工序，由此在槽的內(nèi)面形成從構(gòu)成Ag燒成層的 Ag層拉伸的由Ag構(gòu)成的延長部，能夠通過該延長部使Ag層與電路層電連接。
[0047] 運(yùn)種Ag的電阻值低于分散有導(dǎo)電性粒子的玻璃層的電阻值，因此即使作為Ag燒成 層形成有較高電阻的玻璃層，也能夠降低電路層與Ag層之間的電阻，并能夠使電力良好地 流通。由此，能夠?qū)崿F(xiàn)可降低電路層與Ag層之間的電阻的功率模塊用基板的制造方法。
[0048] 本發(fā)明的特征在于，所述槽形成工序?yàn)閺乃鯝g層的一個(gè)表面朝向所述電路層并 W擠壓所述Ag層的方式形成線狀的劃線的工序。
[0049] 根據(jù)運(yùn)種結(jié)構(gòu)，僅W前端尖銳的夾具等從Ag層朝向電路層形成劃線，能夠同時(shí)且 容易地形成連結(jié)Ag層與電路層的槽、及槽的內(nèi)面的由Ag構(gòu)成的延長部。
[0050] 根據(jù)本發(fā)明，能夠提供一種可降低經(jīng)由形成于電路層上的Ag燒成層來接合的半導(dǎo) 體元件與電路層之間的電阻值的功率模塊用基板及其制造方法和功率模塊。
【附圖說明】
[0051] 圖1是表示本發(fā)明的一實(shí)施方式所設(shè)及的功率模塊的剖視圖。
[0052] 圖2是表示本發(fā)明的功率模塊用基板的剖視圖。
[0053] 圖3是表示Ag燒成層與電路層的接合部分的主要部分放大剖視圖。
[0054] 圖4是從上面觀察本發(fā)明的功率模塊用基板時(shí)的俯視圖。
[0055] 圖5是表示槽形成部分的主要部分放大剖視圖。
[0056] 圖6是表示Ag燒成層的厚度方向的電阻值P的測定方法的頂視說明圖。
[0057] 圖7是表示Ag燒成層的厚度方向的電阻值P的測定方法的側(cè)視說明圖。
[0058] 圖8是階段性地表示本發(fā)明的功率模塊用基板的制造方法的一例的流程圖。
[0059] 圖9A是表示槽形成工序的初期階段的主要部分放大剖視圖。
[0060] 圖9B是表示槽形成工序的后期階段的主要部分放大剖視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0061] W下，參考附圖對本發(fā)明的功率模塊用基板及其制造方法和功率模塊進(jìn)行說明。 另外，W下所示的各實(shí)施方式是為了更好地理解發(fā)明的宗旨而進(jìn)行具體說明，只要沒有特 別指定，并不限定于本發(fā)明。并且，W下的說明中所使用的附圖為了容易了解本發(fā)明的特 征，為方便起見，有時(shí)放大表示主要部分的局部，各構(gòu)成要件的尺寸比率等不一定與實(shí)際相 同。
[0062] 圖1是表示具備本發(fā)明的功率模塊用基板的功率模塊的剖視圖。
[0063] 本實(shí)施方式中的功率模塊1具備有:配設(shè)有電路層12的功率模塊用基板10、在電路 層12的表面經(jīng)由接合層2接合的半導(dǎo)體忍片(半導(dǎo)體元件)3、及冷卻器40。
[0064] 功率模塊用基板10具備有:構(gòu)成絕緣層的陶瓷基板11、配設(shè)于該陶瓷基板11的一 個(gè)表面Ila(圖I中上表面）的電路層12、及配設(shè)于陶瓷基板11的另一個(gè)表面Ub(圖I中下表 面)的金屬層13。
[0065] 陶瓷基板11為防止電路層12與金屬層13之間的電連接的基板，例如，由絕緣性較 高的AlN(氮化侶）或Al2〇3(氧化侶）、Si3N4(氮化娃)等構(gòu)成即可，本實(shí)施方式中使用A1N。并 且，陶瓷基板11的厚度例如設(shè)定在0.2~1.5mm的范圍內(nèi)，作為一例，本實(shí)施方式中設(shè)定成 0.635mm〇
[0066] 電路層12通過在陶瓷基板11的一個(gè)表面Ila接合具有導(dǎo)電性的金屬板來形成。作 為電路層12可舉出AU或包含Al的合金、Cu等。本實(shí)施方式中，電路層12例如通過由純度為 99.99質(zhì)量％ W上的侶(所謂的4N侶）的社制板構(gòu)成的侶板接合于陶瓷基板11來形成。
[0067] 金屬層13通過在陶瓷基板11的另一個(gè)表面Ub接合金屬板來形成。本實(shí)施方式中， 與電路層12相同地，金屬層13通過由純度為99.99質(zhì)量％ W上的侶(所謂的4N侶）的社制板 構(gòu)成的侶板接合于陶瓷基板11來形成。
[0068] 冷卻器40為用于通過擴(kuò)散由前述的功率模塊用基板10產(chǎn)生的熱來散熱從而冷卻 整個(gè)功率模塊1的裝置。運(yùn)種冷卻器40具備有：與功率模塊用基板10接合的頂板部41、從該 頂板部41朝向下方垂直設(shè)置的散熱片42、及用于流通冷卻介質(zhì)（例如冷卻水）的流路43。冷 卻器40 (頂板部41)優(yōu)選由導(dǎo)熱性良好的材質(zhì)構(gòu)成，本實(shí)施方式中，例如由A6063 (侶合金)構(gòu) 成。
[0069] 并且，本實(shí)施方式中，冷卻器40的頂板部41與金屬層13之間設(shè)置有由侶或侶合金 或者包含侶的復(fù)合材(例如AlSiC等)構(gòu)成的緩沖層15。
[0070] 電路層12的表面（圖1中上表面）12a形成有通過燒成后述的Ag漿料而得到的Ag燒 成層30,該Ag燒成層30的表面12a經(jīng)由接合層2接合有豐導(dǎo)體 I。、片3。
[0071] 作為接合層2,例如可舉出焊錫層。作為形成焊錫層的焊錫材料例如可舉出Sn-Ag 類、Sn-In類、或者Sn-Ag-Qi類。
[0072] 另外，如圖1所示，Ag燒成層30不形成于電路層12的整個(gè)表面，僅選擇性地形成于 配設(shè)有半導(dǎo)體忍片3的部分即可，其周邊暴露有成為電路層12的侶板。
[0073] 并且，作為本實(shí)施方式的功率模塊1構(gòu)成為，在功率循環(huán)試驗(yàn)中將導(dǎo)電時(shí)間5秒、溫 度差80°C的條件的功率循環(huán)負(fù)載20萬次時(shí)的熱阻上升率小于2%。
[0074] 若進(jìn)行詳述，作為半導(dǎo)體忍片3向電路層12焊接IGBT元件，并且接合由侶合金構(gòu)成 的連接配線。并且，將通電（ON)下元件表面溫度為140°C、非通電（OFF)下元件表面溫度為60 °C作為1次循環(huán)，對IGBT元件的通電調(diào)節(jié)為每10秒反復(fù)1次循環(huán)，將該功率循環(huán)反復(fù)20萬次 之后，熱阻上升率被設(shè)為小于2%。
[0075] 圖2及圖3是表示經(jīng)由接合層2接合半導(dǎo)體忍片3之前的功率模塊用基板10的剖視 圖。
[0076] 該功率模塊用基板10中，在電路層12的表面（圖2及圖3中上表面）12a形成有前述 的Ag燒成層30。如圖3所示，該Ag燒成層30在經(jīng)由接合層2接合半導(dǎo)體忍片3之前的狀態(tài)下， 具備有形成于電路層12側(cè)的玻璃層31及形成于該玻璃層31上的Ag層32。并且，該玻璃層31 內(nèi)部分散有粒徑為幾納米左右的微細(xì)的導(dǎo)電性粒子33。該導(dǎo)電性粒子33例如設(shè)為含有Ag或 Al中的至少一個(gè)的結(jié)晶性粒子。
[0077] 電路層12由純度為99.99質(zhì)量％的侶構(gòu)成，但是電路層12的表面（圖3中上表面）由 大氣中自然產(chǎn)生的侶氧化皮膜(氧化膜:Ab化）12A包覆。然而，形成有前述的Ag燒成層30的 部分中，侶氧化皮膜12A通過與形成Ag燒成層30時(shí)的玻璃進(jìn)行反應(yīng)來被去除。
[0078] 從而，該部分（電路層12中與Ag燒成層30重疊的部分）中，不經(jīng)由侶氧化皮膜12A而 是直接在電路層12上形成有Ag燒成層30。即，構(gòu)成電路層12的侶與玻璃層31直接接合。
[0079] 圖4是從上面觀察經(jīng)由接合層2接合半導(dǎo)體忍片3之前的功率模塊用基板10時(shí)的俯 視圖。
[0080] 從上面俯視觀察時(shí)，Ag燒成層30W成為大致矩形、例如長方形的方式形成于電路 層12的局部。電路層12中，在形成Ag燒成層30部分的周圍所暴露的部分由侶氧化皮膜12A包 覆。
[0081] Ag燒成層30的中屯、附近設(shè)為作為經(jīng)由接合層2接合半導(dǎo)體忍片3的區(qū)域的元件接 合區(qū)域E1。另一方面，擴(kuò)展到該元件接合區(qū)域El的周圍的周邊區(qū)域E2成為接合半導(dǎo)體忍片3 后也暴露有Ag層32的狀態(tài)。
[0082] 并且，W連結(jié)Ag燒成層30的周邊區(qū)域E2與擴(kuò)展到Ag燒成層30的周圍的電路層12的 暴露部分的方式形成有細(xì)長的槽35。槽35優(yōu)選例如在俯視觀察時(shí)為長方形的Ag燒成層30的 四個(gè)邊中的每個(gè)邊中央形成一處，總計(jì)形成有4個(gè)槽35、35……。
[0083] 圖5是表示Ag燒成層形成有槽的部分的主要部分放大剖視圖。分別形成于Ag燒成 層30的四個(gè)邊的槽35為從Ag層32的表面（圖5中上表面)32a貫穿玻璃層31及侶氧化皮膜12A 而到達(dá)電路層12的表面12a的細(xì)長的凹部。
[0084] 槽35形成為沿其延長方向（長度方向）的長度U參考圖4)例如成為0.3mmW上且 5.0111111^下。并且，槽35形成為沿其厚度方向的深度0成為10^1^上且200^1^下。運(yùn)種槽35 的深度D可根據(jù)構(gòu)成Ag燒成層30的玻璃層31和Ag層32的厚度適當(dāng)調(diào)節(jié)。
[0085] 另外，槽35形成為，相對于形成有該槽35的Ag燒成層30的一邊的長度，槽35的與其 延長方向成直角的寬度W為5% W上且75% W下。
[0086] 在各自的槽35中沿著槽35的內(nèi)面35a形成有Ag層32的局部被延展的延長部36。運(yùn) 種延長部36是在形成槽35時(shí)通過夾具拉伸構(gòu)成Ag層32的、比較柔軟的金屬Ag來形成，從Ag 層32延伸并到達(dá)電路層12的表面12曰。通過運(yùn)種延長部36,在槽35的形成部分中，由電阻值 較低的Ag使Ag層32與電路層12直接電連接。另外，對槽35的形成方法進(jìn)行后述。
[0087] 如此，通過形成于槽35的延長部36,由Ag使Ag層32與電路層12電連接，由此Ag燒成 層30的厚度方向的電阻值P例如成為IOmQ W下。
[0088] 另外，在此，本實(shí)施方式中，Ag燒成層30的厚度方向上的電阻值P設(shè)為Ag燒成層30 的上表面與電路層12的上表面之間的電阻值。運(yùn)是因?yàn)闃?gòu)成電路層12的4N侶的電阻與Ag燒 成層30的厚度方向的電阻相比非常小。如圖6及圖7所示，測定該電阻時(shí)設(shè)為測定Ag燒成層 30的上表面中央點(diǎn)與電路層12上的如下點(diǎn)之間的電阻，電路層12上的點(diǎn)為相對于從Ag燒成 層30的上表面中央點(diǎn)至Ag燒成層30端部的距離H，從Ag燒成層30端部僅遠(yuǎn)離H的點(diǎn)。
[0089] 如圖3所示，本實(shí)施方式中，在電路層12上自然產(chǎn)生的侶氧化皮膜12A的厚度to設(shè) 為4皿< to < 6皿。并且，如下構(gòu)成:玻璃層31的厚度tg成為0.01皿< tg < 5皿，Ag層32的厚度 化成為1皿 < 化< 100皿，整個(gè)Ag燒成層30的厚度tgWa成為1.01皿< tg+化< 105皿。
[0090] 接著，對本發(fā)明的功率模塊用基板的制造方法進(jìn)行說明。
[0091 ]圖8是階段性地表示功率模塊用基板的制造方法的一例的流程圖。
[0092] 首先，準(zhǔn)備成為電路層12的侶板及成為金屬層13的侶板，將運(yùn)些侶板分別經(jīng)由針 料層壓于陶瓷基板11的一個(gè)表面Ila及另一個(gè)表面lib,并進(jìn)行加壓、加熱后冷卻，由此接合 所述侶板與陶瓷基板11 (電路層及金屬層接合工序Sl 1)。作為針料例如能夠使用Al-Si針料 等。另外，該針焊的溫度例如設(shè)定成640°C~650°C。
[0093] 接著，在金屬層13的另一個(gè)表面?zhèn)雀糁彌_層15經(jīng)由針料來接合冷卻器40(頂板 部41)(冷卻器接合工序S12)。作為針料，例如能夠使用Al-Si針料等。另外，冷卻器40的針焊 的溫度例如設(shè)定成590°C~610°C。
[0094] 并且，在電路層12的表面12a涂布Ag漿料(涂布工序S13)。另外，涂布Ag漿料時(shí)能夠 采用網(wǎng)版印刷法、膠版印刷法、感光性工藝等的各種方法。在本實(shí)施方式中通過網(wǎng)版印刷法 將Ag漿料形成為圖案狀。
[00M]在此，對涂布工序S13中所使用的Ag漿料進(jìn)行說明。Ag漿料含有Ag粉末、玻璃粉末、 樹脂、溶劑、及分散劑，由Ag粉末和玻璃粉末構(gòu)成的粉末成分的含量設(shè)為整個(gè)Ag漿料的60質(zhì) 量％ W上且90質(zhì)量％ W下，剩余部分設(shè)為樹脂、溶劑、及分散劑。
[0096] 另外，在本實(shí)施方式中由Ag粉末和玻璃粉末構(gòu)成的粉末成分的含量設(shè)為整個(gè)Ag漿 料的85質(zhì)量％。并且，該Ag漿料的粘度例如調(diào)節(jié)為10化? sW上且500Pa ? sW下，更優(yōu)選調(diào) 節(jié)為50化? sW上且300Pa ? sW下。
[0097] Ag粉末的粒徑設(shè)為0.05皿W上且1.0皿W下，在本實(shí)施方式中使用平均粒徑為0.8 皿的粉末。
[0098] 玻璃粉末例如含有氧化鉛、氧化鋒、氧化娃、氧化棚、氧化憐及氧化祕中的任意一 種或兩種W上，其軟化溫度設(shè)為60(TC W下。在本實(shí)施方式中使用由氧化鉛、氧化鋒及氧化 棚構(gòu)成、平均粒徑為0.5WI1的玻璃粉末。
[0099] 并且，Ag粉末的重量A與玻璃粉末的重量G的重量比A/G調(diào)節(jié)在80/20至99/1的范圍 內(nèi)，在本實(shí)施方式中設(shè)為A/G = 80/5。
[0100] 溶劑適合沸點(diǎn)為200°C W上的溶劑，在本實(shí)施方式中使用二乙二醇二下酸。
[0101] 樹脂為調(diào)節(jié)Ag漿料的粘度的樹脂，適合在500°C W上時(shí)分解的樹脂。在本實(shí)施方式 中使用乙基纖維素。
[0102] 并且，在本實(shí)施方式中添加有二簇酸類的分散劑。另外，也可W不添加分散劑而構(gòu) 成Ag漿料。
[0103] 作為獲得運(yùn)樣構(gòu)成的Ag漿料的方法，例如，混合Ag粉末和玻璃粉末來生成混合粉 末，并且，混合溶劑和樹脂來生成有機(jī)混合物，通過攬拌機(jī)對運(yùn)些混合粉末、有機(jī)混合物及 分散劑進(jìn)行初步混合。并且，使用漉磨機(jī)將初步混合物捏合的同時(shí)混合，之后由漿料過濾機(jī) 過濾所獲得的混煉物，由此制造出Ag漿料。
[0104] 在電路層12的表面12a涂布Ag漿料的狀態(tài)下，裝入加熱爐內(nèi)進(jìn)行Ag漿料的燒成(燒 成工序S14)。另外，此時(shí)的燒成溫度例如設(shè)定為350°C~645°C。
[0105] 通過該燒成工序S14,形成有具備玻璃層31及Ag層32的Ag燒成層30。此時(shí)，通過玻 璃層31，在電路層12的表面自然產(chǎn)生的侶氧化皮膜12A被烙化去除，在電路層12直接形成玻 璃層31。并且，玻璃層31的內(nèi)部分散有粒徑為幾納米左右的微細(xì)的導(dǎo)電性粒子33。該導(dǎo)電性 粒子33含有Ag或Al的至少一個(gè)的結(jié)晶性粒子，推測為燒成時(shí)從玻璃層31內(nèi)部析出的粒子。
[0106] 接著，W連結(jié)所形成的Ag燒成層30的周邊區(qū)域E2與擴(kuò)展到Ag燒成層30的周圍的電 路層12的暴露部分的方式，形成槽35(槽形成工序S15)。
[0107] 圖9A及圖9B是階段性地表示槽形成工序S15的主要部分放大剖視圖。圖9A是表示 槽形成工序的初期階段的主要部分放大剖視圖。圖9B是表示槽形成工序的后期階段的主要 部分放大剖視圖。
[0108] 如圖9A所示，在槽形成工序S15中，沿著預(yù)先設(shè)定的槽35的形成預(yù)定線Q，例如從Ag 層32的表面32a壓入前端尖銳的形狀的硬質(zhì)夾具M(jìn)。
[0109] 并且，如圖9B所示，夾具M(jìn)的前端Mc到達(dá)電路層12的程度、例如至1.00皿~100皿左 右的深度在Ag燒成層30形成槽35。將運(yùn)種夾具M(jìn)壓入Ag層32時(shí)，切割出的Ag層32的端部被夾 具M(jìn)拉伸，作為與Ag層32相連的延長部36延伸至電路層12。運(yùn)是因?yàn)闃?gòu)成Ag層32的Ag富于展 性、延性。由此，Ag層32與電路層12通過低于玻璃層31的電阻值的Ag電連接。
[0110] 并且，使夾具M(jìn)從Ag燒成層30的周邊區(qū)域E2移動至擴(kuò)展到Ag燒成層30的周圍的電 路層12的暴露部分(參考圖4)。由此，包覆電路層12的暴露部分的侶氧化皮膜12A被削掉，露 出電路層12的Al,并且，該露出的Al與從Ag層32拉伸的延長部36的Ag連接。
[0111] 如W上所述，在槽形成工序S15中，如通過夾具M(jìn)擠壓Ag層32,從Ag燒成層30的周邊 區(qū)域E2至電路層12的暴露部分形成線狀的劃線，由此形成槽35。
[0112] 如此，制造出在電路層12的表面12a形成有Ag燒成層30的功率模塊用基板10。
[0113] 并且，在Ag燒成層30的表面經(jīng)由焊錫材料載置半導(dǎo)體忍片3,在還原爐內(nèi)進(jìn)行焊接 (焊接工序S16)。此時(shí)，構(gòu)成Ag燒成層30的Ag層32的局部或全部烙化到通過焊錫材料形成的 接合層2。
[0114] 由此，制造出半導(dǎo)體忍片3經(jīng)由接合層2接合于電路層12上的功率模塊1。
[0115] 作為如W上構(gòu)成的本實(shí)施方式的功率模塊用基板10及功率模塊1中，W連結(jié)Ag燒 成層30的周邊區(qū)域E2與擴(kuò)展到Ag燒成層30的周圍的電路層12的暴露部分的方式，形成有槽 35。運(yùn)種槽35的內(nèi)面形成從構(gòu)成Ag燒成層30的Ag層32拉伸的由Ag構(gòu)成的延長部36,通過該 延長部36,使Ag層32與電路層12電連接。
[0116] 運(yùn)種Ag電阻值低于分散有導(dǎo)電性粒子33的玻璃層31的電阻值，所W即使作為Ag燒 成層30形成有較高電阻的玻璃層31，也能夠降低電路層12與半導(dǎo)體忍片3之間的電阻，能夠 使電良好地流通。由此，為了提高電路層12與Ag燒成層30的接合可靠性，即使增加玻璃的含 量且使玻璃層31加厚，也能夠較低地保持Ag層32與電路層12之間的電阻值，并能夠使接合 可靠性與電阻值運(yùn)兩者平衡。
[0117] 并且，作為本實(shí)施方式的功率模塊1，在功率循環(huán)試驗(yàn)中，構(gòu)成為將導(dǎo)電時(shí)間5秒、 溫度差80°C的功率循環(huán)負(fù)載20萬次時(shí)的熱阻上升率小于2%，所W功率循環(huán)負(fù)載時(shí)也不會 提前破壞接合層2和Ag燒成層30,能夠?qū)崿F(xiàn)可靠性的提高。
[0118] 若進(jìn)行詳述，對功率模塊1反復(fù)負(fù)載功率循環(huán)的情況下，若在電路層12與半導(dǎo)體忍 片3之間局部存在電阻較高的部分，則產(chǎn)生部分烙化，在該部分反復(fù)產(chǎn)生烙化和凝固。于是， 有可能W該部分烙化的部位為起點(diǎn)在接合層2和Ag燒成層30產(chǎn)生龜裂，并導(dǎo)致熱阻上升。在 本實(shí)施方式中，如上述，能夠較低地保持半導(dǎo)體忍片3與電路層12之間的電阻值，因此即使 對功率模塊1反復(fù)負(fù)載功率循環(huán)的情況下，也不會提前破壞接合層2和Ag燒成層30,并能夠 實(shí)現(xiàn)對功率循環(huán)的可靠性的提高。
[0119] W上，對本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行了說明，但是本發(fā)明并不限定于此，在不脫離其發(fā) 明的技術(shù)思想的范圍內(nèi)可適當(dāng)變更。
[0120] 例如，在上述實(shí)施方式中，對作為接合層使用焊錫層的情況進(jìn)行了說明，但是并不 限定于此，例如也可作為接合層使用包括納米Ag粒子和有機(jī)物的Ag漿料來接合電路層與半 導(dǎo)體元件。
[0121] 并且，在上述的實(shí)施方式中，槽35在俯視觀察時(shí)為長方形的Ag燒成層30的四個(gè)邊 中的每個(gè)邊中央形成一處，總計(jì)形成有4個(gè)，但是槽的形成個(gè)數(shù)和形成部位并不限定于此。 例如，也可在俯視觀察時(shí)為矩形的Ag燒成層的四個(gè)邊中任意一邊形成槽。并且，也可在Ag燒 成層的任意一邊形成多個(gè)槽。此時(shí)，優(yōu)選形成為雙方的槽彼此的間隔成為等間隔。
[0122] 并且，在上述的實(shí)施方式中，槽35的形狀形成為底部呈純角的形狀，但是槽的形狀 并不限定于此，例如槽的底部也可為平坦的形狀或槽的底部呈彎曲面的形狀等。并且，槽形 成工序中，適當(dāng)選擇具有目標(biāo)槽形狀的夾具即可。
[0123] 并且，在上述的實(shí)施方式中，作為接合于構(gòu)成絕緣層的陶瓷基板的電路層及金屬 層，可例示有侶板，但是并不限定于此。例如，作為電路層及金屬層能夠分別使用銅板。并 且，作為電路層能夠使用銅板，作為金屬層能夠使用侶板。并且，作為電路層及金屬層，也能 夠分別使用從陶瓷基板側(cè)依次接合侶板和銅板的板。
[0124] 實(shí)施例
[0125] W下，對為了確認(rèn)本發(fā)明的效果而進(jìn)行的確認(rèn)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行說明。
[0126] (實(shí)施例1)
[0127] 作為本發(fā)明例，準(zhǔn)備前述的實(shí)施方式中所記載的功率模塊用基板。
[0128] 目P，W連結(jié)Ag燒成層30的周邊區(qū)域E2與擴(kuò)展到Ag燒成層30的周圍的電路層12的暴 露部分的方式，形成槽35。槽35在俯視觀察時(shí)為長方形的Ag燒成層30的四個(gè)邊中的每個(gè)邊 中央形成一處，總計(jì)形成有4個(gè)。各個(gè)槽35的長度設(shè)為3mm、深度設(shè)為50WI1、寬度設(shè)為2mm。
[0129] 作為比較例，準(zhǔn)備未形成槽的功率模塊用基板。除了未形成槽W外，設(shè)為與本發(fā)明 例相同的結(jié)構(gòu)。
[0130] 對運(yùn)種本發(fā)明例與比較例的每一個(gè)基板測定Ag燒成層的厚度方向上的電阻值。如 圖6及圖7所示，測定電阻時(shí)，測定Ag燒成層的上表面中央點(diǎn)與電路層上的如下點(diǎn)之間的電 阻，電路層上的點(diǎn)為相對于從Ag燒成層的上表面中央點(diǎn)至Ag燒成層端部的距離H，從Ag燒成 層端部僅遠(yuǎn)離H的點(diǎn)。
[0131] 將運(yùn)樣測定的本發(fā)明例與比較例中的Ag燒成層的電阻值示于表1。
[0132] [表 1] 「01331
[0134] ~根據(jù)表1所示的結(jié)果，W往為0.5 Q的Ag燒成層的電阻值，根據(jù)本發(fā)明成為IOmQ W 下，可確認(rèn)到大幅的電阻值的降低效果。根據(jù)本發(fā)明，可確認(rèn)到獲得能夠使接合可靠性與電 阻值運(yùn)兩者平衡的功率模塊用基板。
[0135] (實(shí)施例2)
[0136] 準(zhǔn)備在前述的實(shí)施例1中使用的本發(fā)明例及比較例的功率模塊用基板，在該功率 模塊用基板的電路層上作為半導(dǎo)體元件焊接IGBT元件。并且，功率模塊用基板的金屬層側(cè) 配設(shè)有散熱片。
[0137] 在此，陶瓷基板由AlN構(gòu)成，使用27mmX 17mm、厚度為0.6mm的板。并且，電路層由4N 侶構(gòu)成，使用25mmX15mm、厚度為0.6mm的板。金屬層由4N侶構(gòu)成，使用25mmX15mm、厚度為 0.6mm的板。半導(dǎo)體元件作為IGBT元件，使用13mm X 10mm、厚度為0.25mm的元件。作為散熱片 使用40.0 mm X 40.0 mm X 2.5mm的侶板（A6063)。
[013引另外，半導(dǎo)體元件（IGBT元件）中作為焊錫材料使用Sn-化類焊錫，設(shè)為氨3vol%還 原氣氛、加熱溫度(加熱對象物溫度)330°C及保持時(shí)間5分鐘的條件進(jìn)行焊接。
[0139] (功率循環(huán)試驗(yàn)）
[0140] 通電（ON)下元件表面溫度為140°C、非通電（OFF)下元件表面溫度為60°C作為1次 循環(huán)，對IGBT元件的通電調(diào)節(jié)為每10秒反復(fù)1次循環(huán)，將該功率循環(huán)反復(fù)20萬次。并且，對從 初期狀態(tài)開始的熱阻的上升率進(jìn)行評價(jià)。另外，在本實(shí)施例中，將功率循環(huán)試驗(yàn)反復(fù)進(jìn)行3 次。
[0141] (熱阻測定）
[0142] 作為熱阻，使用熱阻測試儀(TE沈C公司制造4324-KT)測定瞬態(tài)熱阻。施加功率設(shè) 為100W、施加時(shí)間設(shè)為100ms，測定施加功率前后的柵極-發(fā)射極之間的電壓差，由此求出熱 阻。熱阻的測定是在上述的功率循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，每5萬次循環(huán)實(shí)施測定。另外，熱阻的上升率設(shè) 為3次試驗(yàn)的平均值。將評價(jià)結(jié)果示于表2。
[0143] [表 2]
[0144]
[0145] 比較例中，負(fù)載10萬次功率循環(huán)的時(shí)刻，熱阻的上升率超過1%，隨著循環(huán)次數(shù)增 加熱阻也上升。
[0146] 相對于此，根據(jù)本發(fā)明例，即使負(fù)載20萬次功率循環(huán)，也幾乎看不到熱阻的上升。
[0147] 由W上可知，根據(jù)本發(fā)明例，可確認(rèn)到能夠提供功率循環(huán)可靠性優(yōu)異的功率模塊。
[0148] 產(chǎn)業(yè)上的可使用性
[0149] 通過本申請發(fā)明，能夠提供可靠性較高且具有優(yōu)異性能的功率模塊。
[0150] 符號說明
[0151] 1-功率模塊，2-接合層，3-半導(dǎo)體忍片(半導(dǎo)體元件），10-功率模塊用基板，11-陶 瓷基板(絕緣層），12-電路層，30-Ag燒成層，31-玻璃層，32-Ag層，33-導(dǎo)電性粒子，35-槽， 36-延長部，E2-周邊區(qū)域。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種功率模塊用基板，其具備形成于絕緣層的一個(gè)表面的電路層及形成于該電路層 上的Ag燒成層，所述功率模塊用基板的特征在于， 所述Ag燒成層由玻璃層與形成于該玻璃層上的Ag層構(gòu)成， 形成有連結(jié)所述Ag層與所述電路層的槽， 所述Ag層具有沿著所述槽的內(nèi)面延伸到所述電路層的延長部， 所述延長部使所述Ag層與所述電路層電連接。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率模塊用基板，其特征在于， 所述槽以連結(jié)所述Ag層中的、比配設(shè)有半導(dǎo)體元件的元件接合區(qū)域更向外側(cè)擴(kuò)展的周 邊區(qū)域與所述電路層的方式形成。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的功率模塊用基板，其特征在于， 所述槽到達(dá)比形成于所述電路層的表面的氧化膜更深的位置。4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的功率模塊用基板，其特征在于， 在俯視觀察時(shí)，所述Ag燒成層呈大致矩形，所述槽分別形成于所述Ag層的四個(gè)邊。5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的功率模塊用基板，其特征在于， 所述槽沿其延長方向的長度為〇.3mm以上且5. Omm以下。6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的功率模塊用基板，其特征在于， 所述槽沿其厚度方向的深度為l〇ym以上且200μηι以下。7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的功率模塊用基板，其特征在于， 相對于形成有所述槽的Ag燒成層的一邊的長度，所述槽的與其延長方向成直角的寬度 為5%以上且75%以下。8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的功率模塊用基板，其特征在于， 所述Ag燒成層在其厚度方向上的電阻值為ΙΟπιΩ以下。9. 一種功率模塊，其特征在于， 具備根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的功率模塊用基板及半導(dǎo)體元件，所述半導(dǎo)體元 件配設(shè)于構(gòu)成該功率模塊用基板的所述Ag燒成層的一個(gè)表面?zhèn)?，所述半?dǎo)體元件經(jīng)由接合 層與所述Ag燒成層接合。10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的功率模塊，其特征在于， 功率循環(huán)試驗(yàn)中，將導(dǎo)電時(shí)間5秒、溫度差80°C的條件的功率循環(huán)負(fù)載20萬次時(shí)的熱阻 上升率小于2 %。11. 一種功率模塊用基板的制造方法，所述功率模塊用基板具備形成于絕緣層的一個(gè) 表面的電路層及形成于該電路層上的Ag燒成層，所述制造方法的特征在于，至少具備： 涂布工序，在所述電路層的一個(gè)表面涂布含玻璃的Ag漿料； 燒成工序，燒成所述Ag漿料來形成Ag燒成層，所述Ag燒成層由玻璃層和形成于該玻璃 層上的Ag層構(gòu)成;及 槽形成工序，形成連結(jié)所述Ag層與所述電路層的槽， 所述槽形成工序中，以將所述Ag層的局部沿著所述槽的內(nèi)面拉伸的方式形成延長部， 通過該延長部使所述Ag層與所述電路層電連接。12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的功率模塊用基板的制造方法，其特征在于， 所述槽形成工序?yàn)橐詮乃鯝g層的一個(gè)表面朝向所述電路層擠壓所述Ag層的方式形 成線狀的劃線的工序。
【文檔編號】H01L23/40GK105849895SQ201480070571
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2014年12月22日
【發(fā)明人】西元修司, 長友義幸
【申請人】三菱綜合材料株式會社