功率模块用基板、自带散热器的功率模块用基板、功率模块、功率模块用基板的制造方法 ...的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及使用在控制大电流、高电压的半导体装置的功率模块用基板、自带散 热器的功率模块用基板、功率模块、功率模块用基板的制造方法、铜板接合用浆料、W及接 合体的制造方法。
[0002] 本申请主张2012年12月06日于日本申请的专利申请2012-267300号的优先权， 并将其内容援用于此。
【背景技术】
[0003] 在半导体元件中，电力供给用的功率模块也因热值比较高，因此作为搭载该功率 模块的基板例如使用一种功率模块用基板，其具备：由A1N(氮化侣），Al2〇3(氧化侣）， SisN4(氮化娃）等构成的陶瓷基板、在该陶瓷基板的一面侧接合第一金属板而构成的电路 层、W及在陶瓷基板的另一面侧接合第二金属板而构成的金属层。
[0004] 该种功率模炔基板在电路层上经由焊料而搭载功率元件等的半导体元件。
[0005] 例如，在专利文献1中提出有使用侣板作为第一金属板（电路层）W及第二金属 板（金属层）而成的功率模块用基板。
[0006] 并且，在专利文献2, 3中提出有将第一金属板（电路层）W及第二金属板（金属 层）设为铜板，且将该铜板通过使用Ag-化-Ti系的纤料的活性金属法而接合于陶瓷基板而 成的功率模块用基板。
[0007] 专利文献1 ;日本特许第3171234号公报
[0008] 专利文献2 ;日本特开昭60-177634号公报
[0009] 专利文献3 ;日本特许第3211856号公报
[0010] 然而，在专利文献1所述的功率模块用基板中，使用侣板作为构成电路层的第一 金属板。其中，若比较铜和侣，则因为侣的热传导率低，所W当使用侣板作为电路层时，与使 用铜板时相比较，无法将来自搭载于电路层上的电气组件等的发热体的热扩大并散热。因 此，通过电子组件的小型化或高输出化而提升功率密度时，有可能导致无法充分地进行散 热。
[0011] 其中，在专利文献2、3中，由于由铜板来构成电路层，因此能够有效地将来自搭载 于电路层上的电气组件等的发热体的热进行散热。
[0012] 然而，如专利文献2、3所述，通过活性金属法而接合铜板和陶瓷基板时，在铜板与 陶瓷基板的接合部，Ag-化-Ti系的纤料烙融而凝固，由此形成Ag-化共晶组织层。
[0013] 由于该Ag-化共晶组织层非常硬，因此在上述的功率模块用基板负荷冷热周期 时，当陶瓷基板与铜板的热膨胀系数之差所引起的剪切应力作用时，会有Ag-化共晶组织 层不变形地在陶瓷基板产生破裂等的问题。
【发明内容】
[0014] 本发明是有鉴于所述的情况而研发的，W提供一种在由Al2〇3构成的陶瓷基板接 合有由铜或铜合金构成的铜板而成，能够抑制冷热周期负荷时的陶瓷基板发生破裂的功率 模块用基板、自带散热器的功率模块用基板、功率模块W及功率模块用基板的制造方法为 目的。并且，W提供一种即使在接合铜板与陶瓷基板时，也不会有硬的Ag-化共晶组织层被 形成为较厚的情形，能够抑制陶瓷基板发生破裂，且能够可靠地接合铜板与陶瓷基板的铜 板接合用浆料、W及使用该铜板接合用浆料的接合体的制造方法为目的。
[0015] (1)本发明的一方式的功率模块用基板，其为在由Al2〇3构成的陶瓷基板的表面层 叠由铜或铜合金构成的铜板并接合的功率模块用基板，其中，在所述铜板与所述陶瓷基板 之间，氧化物层形成于所述陶瓷基板的表面，并且Ag-化共晶组织层的厚度被设为15ymW 下。
[0016] 此构成的功率模块用基板中，在由铜或铜合金构成的铜板与由Al2〇3构成的陶瓷 基板的接合部中，由于Ag-化共晶组织层的厚度被设为15ymW下，因此在冷热周期负荷时 在由Al2〇3构成的陶瓷基板与铜板的热膨胀系数之差所引起的剪切应力作用时，铜板侧也 会适度地变形，能够抑制由Al2〇3构成的陶瓷基板的破裂。
[0017] 并且，通过与由Al2〇3构成的陶瓷基板中含有的氧反应，氧化物层会被形成于所述 陶瓷基板的表面，所述陶瓷基板与氧化物层能够牢固地结合。
[0018] (2)本发明的其他方式的功率模块用基板，其为（1)所述的功率模块用基板，其 中，所述氧化物层含有选自Ti、Hf、Zr和Nb的一种或两种W上的元素的氧化物。
[0019] 此时，所述陶瓷基板与所述氧化物层牢固地结合，且陶瓷基板与铜板能够牢固地 接合。
[0020] (3)本发明的其他方式的自带散热器的功率模块用基板，其具备；（1)或（2)所述 的功率模块用基板；和冷却该功率模块用基板的散热器。
[0021] 根据此构成的自带散热器的功率模块用基板，能够将在功率模块用基板产生的热 通过散热器而进行散热。并且，由于铜板与陶瓷基板会被可靠地接合，因此能够将功率模块 用基板的热可靠地传达至散热器侧。
[0022] (4)本发明的其他方式的功率模块，其具备；（1)或（2)所述的功率模块用基板； 和搭载于所述电路层上的电子组件。
[0023] 根据此构成的功率模块，能够将来自搭载于电路层上的电子组件的热有效地进行 散热，即使电子组件的功率密度（热值）提升时，也能够充分地对应。
[0024] (5)本发明的其他方式的功率模块用基板的制造方法，该功率模块用基板为在由 Al2〇3构成的陶瓷基板的表面层叠由铜或铜合金构成的铜板并接合的功率模块用基板，其 特征在于，该制造方法具有；AgW及氧化物形成元素层的形成工序，在所述陶瓷基板的接 合面W及所述铜板的接合面中的至少一方，形成含有Ag和氧化物形成元素的AgW及氧化 物形成元素层；层叠工序，经由该AgW及氧化物形成元素层而层叠所述陶瓷基板与所述铜 板；加热工序，对层叠的所述陶瓷基板和所述铜板W层叠方向加压并加热，在所述陶瓷基板 与所述铜板的界面形成烙融金属区域；W及凝固工序，通过凝固该烙融金属区域而接合所 述陶瓷基板与所述铜板；在所述加热工序中，通过使Ag扩散至所述铜板侧，在所述陶瓷基 板与所述铜板的界面形成所述烙融金属区域，并且在所述陶瓷基板的表面形成氧化物层。
[0025] 根据此构成的功率模块用基板的制造方法，在所述加热工序中，通过使Ag扩散至 所述铜板侧而在所述陶瓷基板与所述铜板的界面形成所述烙融金属区域，因此能够将烙融 金属区域的厚度抑制为较薄，能够将Ag-化共晶组织层的厚度设为15ymW下。并且，在所 述加热工序中，由于被设为在所述陶瓷基板的表面形成氧化物层的构成，因此能够牢固地 接合由Al2〇3构成的陶瓷基板与铜板。
[0026] (6)本发明的其他方式的功率模块用基板的制造方法，其为（5)所述的功率模块 用基板的制造方法，其中，所述氧化物形成元素为选自Ti、Hf、Zr和Nb的一种或两种W上的 兀素。
[0027] 此时，能够在所述陶瓷基板的表面形成含Ti、Hf、Zr、佩的氧化物的氧化物层，能 够牢固地接合由Al2〇3构成的陶瓷基板与铜板。
[0028] (7)本发明的其他方式的功率模块用基板的制造方法，其为（5)或（6)所述的功率 模块用基板的制造方法，其中，在所述AgW及氧化物形成元素层的形成工序中，除了AgW 及氧化物形成元素W外，还配设选自In、Sn、Al、Mn化及化的一种或两种W上的添加元素。
[0029] 此时，在所述加热工序中，能够W更低的温度形成所述烙融金属区域，能够使 Ag-化共晶组织层的厚度变得更薄。
[0030] (8)本发明的其他方式的功率模块用基板的制造方法，其为（5)~（7)的任一项所 述的功率模块用基板的制造方法，其中，在所述AgW及氧化物形成元素层的形成工序中， 涂布含有AgW及氧化物形成元素的AgW及氧化物形成元素含有浆料。
[0031] 此时，通过涂布含有AgW及氧化物形成元素的氧化物形成元素含有浆料，能够在 所述陶瓷基板的接合面W及所述铜板的接合面中的至少一方可靠地形成AgW及氧化物形 成兀素层。
[0032] (9)本发明的其他方式的功率模块用基板的制造方法，其为（8)所述的功率模块 用基板的制造方法，其中，所述AgW及氧化物形成元素含有浆料含有所述氧化物形成元素 的氨化物。
[0033] 此时，由于氧化物形成元素的氨化物的氨作为还原剂而起作用，因此能够除去形 成于铜板的表面的氧化膜等，能够可靠地进行Ag的扩散W及氧化物层的形成。
[0034] (10)本发明的其他方式的铜板接合用浆料，其在接合由铜或铜合金构成的铜板与 由Al2〇3构成的陶瓷基板时使用，所述铜板接合用浆料包含：含AgW及氧化物形成元素的粉 末成分、树脂W及溶剂。
[0035] 此构成的铜板接合用浆料中，由于具有含AgW及氧化物形成元素的粉末成分，因 此在涂布于铜板与由AI2O3构成的陶瓷基板的接合部而加热时，粉末成分中的Ag会扩散至 铜板侧，由此形成由化与Ag的反应所产生的烙融金属区域。而且，通过该烙融金属区域凝 固，铜板与由Al2〇3构成的陶瓷基板接合。
[0036]目P，通过Ag朝铜板扩散而形成烙融金属区域，因此在接合部中烙融金属区域不会 过渡形成，在接合后（凝固后）形成的Ag-化共晶组织层的厚度变得较薄。如此，由于硬的 Ag-化共晶组织层的厚度被形成为较薄，因此能够抑制由Al2〇3构成的陶瓷基板发生破裂。
[0037] (11)本发明的其他方式的铜板接合用浆