功率模块用基板、及其制造方法和功率模块的制作方法

功率模块用基板、及其制造方法和功率模块的制作方法
【专利摘要】本发明以连结Ag层(32)与扩展到Ag层(32)的周围的电路层的暴露部分的方式，形成有细长的槽(35)。槽(35)为从Ag层(32)的表面贯穿玻璃层(31)及铝氧化皮膜(12A)而到达电路层(12)的表面(12a)的细长的凹部。槽(35)中形成有沿着槽(35)的内面(35a)而Ag层(32)的局部被延展的延长部(36)。在槽(35)的形成部分中，Ag层(32)与电路层(12)通过延长部(36)由电阻值较低的Ag直接电连接。
【专利说明】
功率模块用基板、及其制造方法和功率模块
技术领域
[0001] 该发明设及一种在绝缘层的一个表面形成有电路层的功率模块用基板、及其制造 方法和在电路层上接合有半导体元件的功率模块。
[0002] 本申请主张基于2013年12月25日于日本申请的专利申请2013-267199号的优先 权，并将其内容援用于此。
【背景技术】
[0003] 各种半导体元件中，例如为了控制电动汽车或电动车辆等而使用的大功率控制用 的功率元件的发热量较多。作为搭载运种大功率控制用的功率元件的基板，从W往就广泛 使用例如在由AlN(氮化侣)等构成的陶瓷基板上将导电性优异的金属板作为电路层来接合 的功率模块用基板。
[0004] 并且，运种功率模块用基板在其电路层上经由焊锡材料搭载有作为功率元件的半 导体元件(例如，参考专利文献1)。
[0005] 作为构成电路层的金属，通常可使用侣或侣合金、或者铜或铜合金。
[0006] 在此，由侣构成的电路层中，在表面形成有侣的自然氧化膜，因此难W良好地进行 与焊锡材料的接合。并且由铜构成的电路层中，有如下课题:烙化的焊锡材料与铜反应而焊 锡材料的成分进入到电路层的内部，使电路层的导电性劣化。
[0007] 另一方面，作为未使用焊锡材料的接合方法，例如在专利文献2中提出有使用Ag纳 米浆料来接合半导体元件的技术。
[000引并且，例如在专利文献3、4中提出有未使用焊锡材料而是使用包含金属氧化物粒 子和由有机物构成的还原剂的氧化物浆料来接合半导体元件的技术。
[0009] 然而，如专利文献2中所公开，未使用焊锡材料而是使用Ag纳米浆料来接合半导体 元件的情况下，与焊锡材料相比，由Ag纳米浆料构成的接合层的厚度形成得较薄，所W负载 热循环时的应力容易作用于半导体元件而有可能导致半导体元件本身破损。
[0010] 并且，如专利文献3、4中所公开，使用金属氧化物和还原剂来接合半导体元件的情 况下，氧化物浆料的烧成层也依然形成得较薄，所W负载热循环时的应力容易作用于半导 体元件而有可能使功率模块的性能劣化。
[ocm]于是，例如专利文献5~7中提出有如下技术:使用含玻璃的Ag浆料在由侣或铜构 成的电路层上形成Ag烧成层之后，经由焊锡材料或Ag浆料来接合电路层和半导体元件。在 该技术中，在由侣或铜构成的电路层的表面涂布含玻璃的Ag浆料并烧成，由此使形成于电 路层的表面的氧化皮膜与玻璃进行反应而去除，从而形成Ag烧成层，并在形成有该Ag烧成 层的电路层上经由焊锡材料来接合半导体元件。
[0012] 在此，Ag烧成层具备有通过玻璃与电路层的氧化皮膜进行反应来形成的玻璃层及 形成于该玻璃层上的Ag层。该玻璃层中分散有导电性粒子，通过该导电性粒子可确保玻璃 层的导通。
[0013] 专利文献1:日本特开2004-172378号公报(A)
[0014] 专利文献2:日本特开2008-208442号公报(A)
[0015] 专利文献3:日本特开2009-267374号公报(A)
[0016] 专利文献4:日本特开2006-202938号公报(A)
[0017] 专利文献5:日本特开2010-287869号公报(A)
[001引专利文献6:日本特开2012-109315号公报(A)
[0019] 专利文献7:日本特开2013-012706号公报(A)
[0020] 但是，为了提高电路层与Ag烧成层的接合可靠性，有效的是使含玻璃的Ag浆料中 的玻璃的含量增加。
[0021 ]然而，若增加含玻璃的Ag浆料中的玻璃含量，则在Ag烧成层中玻璃层变厚。玻璃层 即便其中分散有导电性粒子，与Ag层等进行比较时电阻也较高。因此，随着玻璃层变厚，Ag 烧成层的电阻值也有变大的倾向，很难使接合可靠性与电阻值运两者平衡。如此，若Ag烧成 层的电阻值较高，则经由焊锡材料等接合形成有Ag烧成层的电路层与半导体元件时，有可 能无法使电在电路层与半导体元件之间良好地流通。

【发明内容】

[0022] 该发明是鉴于前述的情况而完成的，其目的在于提供一种能够降低半导体元件与 电路层之间的电阻值的功率模块用基板及其制造方法和功率模块，所述半导体元件经由具 备形成于电路层上的玻璃层及Ag层的Ag烧成层来接合。
[0023] 为了解决上述课题，本发明的几个方式中提供如下功率模块用基板及其制造方法 和功率模块。
[0024] 目P，本发明的功率模块用基板为具备形成于绝缘层的一个表面的电路层及形成于 该电路层上的Ag烧成层的功率模块用基板，所述功率模块用基板的特征在于，所述Ag烧成 层由玻璃层及形成于该玻璃层上的Ag层构成，并形成有连结所述Ag层与所述电路层的槽， 所述Ag层具有沿着所述槽的内面延伸到所述电路层的延长部，所述延长部使所述Ag层与所 述电路层电连接。
[0025] 根据本发明的功率模块用基板，W连结Ag层与扩展到Ag层的周围的电路层的暴露 部分的方式形成槽。在运种槽的内面形成从构成Ag烧成层的Ag层拉伸的由Ag构成的延长 部，能够通过该延长部使Ag层与电路层电连接。
[0026] 构成运种延长部的Ag的电阻值低于分散有导电性粒子的玻璃层的电阻值，因此即 使作为Ag烧成层形成有较高电阻的玻璃层，也能够降低电路层与Ag层之间的电阻使电良好 地流通。由此，为了提高电路层与Ag烧成层的接合可靠性，即使增加玻璃的含量并加厚玻璃 层，也能够较低地保持Ag层与电路层之间的电阻值，并能够使接合可靠性与电阻值运两者 平衡。
[0027] 本发明的特征在于，所述槽W连结所述Ag层中的、比配设有半导体元件的元件接 合区域更向外侧扩展的周边区域与所述电路层的方式形成。
[0028] 通过运种结构，半导体元件与Ag烧成层重叠的部分未形成有槽，因此能够较高地 保持半导体元件的接合可靠性的同时，能够降低Ag层与电路层之间的电阻值。
[0029] 本发明的特征在于，所述槽到达比形成于所述电路层的表面的氧化膜更深的位 置。
[0030] 通过运种结构，能够使比存在于电路层的表面的高电阻的氧化膜更靠下层的电路 层和Ag层在由Ag构成的延长部导通，因此能够更进一步降低Ag层与电路层之间的电阻值。
[0031] 优选所述Ag烧成层在俯视观察时呈大致矩形，优选所述槽分别形成于所述Ag层的 四个边。
[0032] 通过运种结构，遍及整个大致矩形的Ag烧成层，能够无偏差地均等地降低Ag层与 电路层之间的电阻值。
[0033] 本发明的特征在于，所述槽沿其延长方向的长度为0.3mmW上且5.OmmW下。
[0034] 将槽的长度设为0.3mmW上，由此能够可靠地降低Ag层与电路层之间的电阻值。并 且，将槽的长度设为5mmW下，由此能够较高地保持Ag烧成层与电路层之间的接合可靠性。
[0035] 本发明的特征在于，所述槽沿其厚度方向的深度为lOwnW上且200wiiW下。
[0036] 将槽的深度设为10皿W上，由此能够可靠地降低Ag层与电路层之间的电阻值。并 且，将槽的深度设为200皿W下，由此能够较高地保持Ag烧成层与电路层之间的接合可靠 性。
[0037] 本发明的特征在于，相对于形成有该槽的Ag烧成层的一边的长度，所述槽的与其 延长方向成直角的宽度为5% W上且75% W下。
[0038] 通过运种结构，能够降低Ag层与电路层之间的电阻值的同时，能够较高地保持Ag 烧成层与电路层的接合可靠性。
[0039] 本发明的特征在于，所述Ag烧成层在其厚度方向上的电阻值为IOmQ W下。
[0040] 通过运种结构使电阻值降低，由此能够得到导电损耗较少的功率模块。
[0041 ]本发明的功率模块的特征在于，具备:上述各项记载的功率模块用基板;及配置于 构成该功率模块用基板的所述Ag烧成层的一个表面侧的半导体元件，所述半导体元件经由 接合层与所述Ag烧成层接合。
[0042] 根据本发明的功率模块，W连结Ag层与扩展到Ag层的周围的电路层的暴露部分的 方式形成槽，并通过槽的内面的由Ag构成的延长部电连接Ag层与电路层。由此，即使作为Ag 烧成层形成有较高电阻的玻璃层，也能够降低电路层与Ag层之间的电阻，所W能够较低地 保持半导体元件与电路层的电阻值。
[0043] 在此，本发明的功率模块用基板中，功率循环试验中优选将导电时间5秒、溫度差 80°C的条件的功率循环负载20万次时的热阻上升率小于2%。
[0044] 对功率模块反复负载功率循环的情况下，若在半导体元件与电路层之间的接合层 中的局部存在电阻较高的部分，则产生部分烙化，并在该部分反复产生烙化和凝固。于是， 有可能W该部分烙化的部位为起点在接合层和Ag烧成层产生龟裂并导致热阻上升。如上所 述，在本发明中由于较低地保持半导体元件与电路层之间的电阻值，因此即使对功率模块 反复负载功率循环的情况下，也能够抑制对接合层和Ag烧成层的热负载，不会提前破坏运 些接合层和Ag烧成层而能够实现对功率循环的可靠性的提高。另外，由于上述的功率循环 试验的条件为对接合层及Ag烧成层施加最大负载，所W若在该条件下负载功率循环20万次 时的热阻上升率被设为小于2%，则在通常的使用中能够得到充分的可靠性。
[0045] 本发明的功率模块用基板的制造方法中，所述功率模块用基板具备形成于绝缘层 的一个表面的电路层及形成于该电路层上的Ag烧成层的功率模块用基板，所述制造方法的 特征在于，至少具备:涂布工序，在所述电路层的一个表面涂布含玻璃的Ag浆料;烧成工序， 烧成所述Ag浆料来形成Ag烧成层，所述Ag烧成层由玻璃层和形成于该玻璃层上的Ag层构 成;及槽形成工序，在所述Ag层中形成连结比配设有半导体元件的元件接合区域更向外侧 扩展的周边区域与所述电路层的槽，所述槽形成工序中，W将所述Ag层的局部沿着所述槽 的内面拉伸的方式形成延长部，通过该延长部使所述Ag层与所述电路层电连接。
[0046] 根据本发明的功率模块用基板的制造方法，具备W连结Ag层与扩展到Ag层的周围 的电路层的暴露部分的方式形成槽的槽形成工序，由此在槽的内面形成从构成Ag烧成层的 Ag层拉伸的由Ag构成的延长部，能够通过该延长部使Ag层与电路层电连接。
[0047] 运种Ag的电阻值低于分散有导电性粒子的玻璃层的电阻值，因此即使作为Ag烧成 层形成有较高电阻的玻璃层，也能够降低电路层与Ag层之间的电阻，并能够使电力良好地 流通。由此，能够实现可降低电路层与Ag层之间的电阻的功率模块用基板的制造方法。
[0048] 本发明的特征在于，所述槽形成工序为从所述Ag层的一个表面朝向所述电路层并 W挤压所述Ag层的方式形成线状的划线的工序。
[0049] 根据运种结构，仅W前端尖锐的夹具等从Ag层朝向电路层形成划线，能够同时且 容易地形成连结Ag层与电路层的槽、及槽的内面的由Ag构成的延长部。
[0050] 根据本发明，能够提供一种可降低经由形成于电路层上的Ag烧成层来接合的半导 体元件与电路层之间的电阻值的功率模块用基板及其制造方法和功率模块。
【附图说明】
[0051] 图1是表示本发明的一实施方式所设及的功率模块的剖视图。
[0052] 图2是表示本发明的功率模块用基板的剖视图。
[0053] 图3是表示Ag烧成层与电路层的接合部分的主要部分放大剖视图。
[0054] 图4是从上面观察本发明的功率模块用基板时的俯视图。
[0055] 图5是表示槽形成部分的主要部分放大剖视图。
[0056] 图6是表示Ag烧成层的厚度方向的电阻值P的测定方法的顶视说明图。
[0057] 图7是表示Ag烧成层的厚度方向的电阻值P的测定方法的侧视说明图。
[0058] 图8是阶段性地表示本发明的功率模块用基板的制造方法的一例的流程图。
[0059] 图9A是表示槽形成工序的初期阶段的主要部分放大剖视图。
[0060] 图9B是表示槽形成工序的后期阶段的主要部分放大剖视图。
【具体实施方式】
[0061] W下，参考附图对本发明的功率模块用基板及其制造方法和功率模块进行说明。 另外，W下所示的各实施方式是为了更好地理解发明的宗旨而进行具体说明，只要没有特 别指定，并不限定于本发明。并且，W下的说明中所使用的附图为了容易了解本发明的特 征，为方便起见，有时放大表示主要部分的局部，各构成要件的尺寸比率等不一定与实际相 同。
[0062] 图1是表示具备本发明的功率模块用基板的功率模块的剖视图。
[0063] 本实施方式中的功率模块1具备有:配设有电路层12的功率模块用基板10、在电路 层12的表面经由接合层2接合的半导体忍片(半导体元件)3、及冷却器40。
[0064] 功率模块用基板10具备有:构成绝缘层的陶瓷基板11、配设于该陶瓷基板11的一 个表面Ila(图I中上表面）的电路层12、及配设于陶瓷基板11的另一个表面Ub(图I中下表 面)的金属层13。
[0065] 陶瓷基板11为防止电路层12与金属层13之间的电连接的基板，例如，由绝缘性较 高的AlN(氮化侣）或Al2〇3(氧化侣）、Si3N4(氮化娃)等构成即可，本实施方式中使用A1N。并 且，陶瓷基板11的厚度例如设定在0.2~1.5mm的范围内，作为一例，本实施方式中设定成 0.635mm〇
[0066] 电路层12通过在陶瓷基板11的一个表面Ila接合具有导电性的金属板来形成。作 为电路层12可举出AU或包含Al的合金、Cu等。本实施方式中，电路层12例如通过由纯度为 99.99质量％ W上的侣(所谓的4N侣）的社制板构成的侣板接合于陶瓷基板11来形成。
[0067] 金属层13通过在陶瓷基板11的另一个表面Ub接合金属板来形成。本实施方式中， 与电路层12相同地，金属层13通过由纯度为99.99质量％ W上的侣(所谓的4N侣）的社制板 构成的侣板接合于陶瓷基板11来形成。
[0068] 冷却器40为用于通过扩散由前述的功率模块用基板10产生的热来散热从而冷却 整个功率模块1的装置。运种冷却器40具备有：与功率模块用基板10接合的顶板部41、从该 顶板部41朝向下方垂直设置的散热片42、及用于流通冷却介质（例如冷却水）的流路43。冷 却器40 (顶板部41)优选由导热性良好的材质构成，本实施方式中，例如由A6063 (侣合金)构 成。
[0069] 并且，本实施方式中，冷却器40的顶板部41与金属层13之间设置有由侣或侣合金 或者包含侣的复合材(例如AlSiC等)构成的缓冲层15。
[0070] 电路层12的表面（图1中上表面）12a形成有通过烧成后述的Ag浆料而得到的Ag烧 成层30,该Ag烧成层30的表面12a经由接合层2接合有丰导体 I。、片3。
[0071] 作为接合层2,例如可举出焊锡层。作为形成焊锡层的焊锡材料例如可举出Sn-Ag 类、Sn-In类、或者Sn-Ag-Qi类。
[0072] 另外，如图1所示，Ag烧成层30不形成于电路层12的整个表面，仅选择性地形成于 配设有半导体忍片3的部分即可，其周边暴露有成为电路层12的侣板。
[0073] 并且，作为本实施方式的功率模块1构成为，在功率循环试验中将导电时间5秒、溫 度差80°C的条件的功率循环负载20万次时的热阻上升率小于2%。
[0074] 若进行详述，作为半导体忍片3向电路层12焊接IGBT元件，并且接合由侣合金构成 的连接配线。并且，将通电（ON)下元件表面溫度为140°C、非通电（OFF)下元件表面溫度为60 °C作为1次循环，对IGBT元件的通电调节为每10秒反复1次循环，将该功率循环反复20万次 之后，热阻上升率被设为小于2%。
[0075] 图2及图3是表示经由接合层2接合半导体忍片3之前的功率模块用基板10的剖视 图。
[0076] 该功率模块用基板10中，在电路层12的表面（图2及图3中上表面）12a形成有前述 的Ag烧成层30。如图3所示，该Ag烧成层30在经由接合层2接合半导体忍片3之前的状态下， 具备有形成于电路层12侧的玻璃层31及形成于该玻璃层31上的Ag层32。并且，该玻璃层31 内部分散有粒径为几纳米左右的微细的导电性粒子33。该导电性粒子33例如设为含有Ag或 Al中的至少一个的结晶性粒子。
[0077] 电路层12由纯度为99.99质量％的侣构成，但是电路层12的表面（图3中上表面）由 大气中自然产生的侣氧化皮膜(氧化膜:Ab化）12A包覆。然而，形成有前述的Ag烧成层30的 部分中，侣氧化皮膜12A通过与形成Ag烧成层30时的玻璃进行反应来被去除。
[0078] 从而，该部分（电路层12中与Ag烧成层30重叠的部分）中，不经由侣氧化皮膜12A而 是直接在电路层12上形成有Ag烧成层30。即，构成电路层12的侣与玻璃层31直接接合。
[0079] 图4是从上面观察经由接合层2接合半导体忍片3之前的功率模块用基板10时的俯 视图。
[0080] 从上面俯视观察时，Ag烧成层30W成为大致矩形、例如长方形的方式形成于电路 层12的局部。电路层12中，在形成Ag烧成层30部分的周围所暴露的部分由侣氧化皮膜12A包 覆。
[0081] Ag烧成层30的中屯、附近设为作为经由接合层2接合半导体忍片3的区域的元件接 合区域E1。另一方面，扩展到该元件接合区域El的周围的周边区域E2成为接合半导体忍片3 后也暴露有Ag层32的状态。
[0082] 并且，W连结Ag烧成层30的周边区域E2与扩展到Ag烧成层30的周围的电路层12的 暴露部分的方式形成有细长的槽35。槽35优选例如在俯视观察时为长方形的Ag烧成层30的 四个边中的每个边中央形成一处，总计形成有4个槽35、35……。
[0083] 图5是表示Ag烧成层形成有槽的部分的主要部分放大剖视图。分别形成于Ag烧成 层30的四个边的槽35为从Ag层32的表面（图5中上表面)32a贯穿玻璃层31及侣氧化皮膜12A 而到达电路层12的表面12a的细长的凹部。
[0084] 槽35形成为沿其延长方向（长度方向）的长度U参考图4)例如成为0.3mmW上且 5.0111111^下。并且，槽35形成为沿其厚度方向的深度0成为10^1^上且200^1^下。运种槽35 的深度D可根据构成Ag烧成层30的玻璃层31和Ag层32的厚度适当调节。
[0085] 另外，槽35形成为，相对于形成有该槽35的Ag烧成层30的一边的长度，槽35的与其 延长方向成直角的宽度W为5% W上且75% W下。
[0086] 在各自的槽35中沿着槽35的内面35a形成有Ag层32的局部被延展的延长部36。运 种延长部36是在形成槽35时通过夹具拉伸构成Ag层32的、比较柔软的金属Ag来形成，从Ag 层32延伸并到达电路层12的表面12曰。通过运种延长部36,在槽35的形成部分中，由电阻值 较低的Ag使Ag层32与电路层12直接电连接。另外，对槽35的形成方法进行后述。
[0087] 如此，通过形成于槽35的延长部36,由Ag使Ag层32与电路层12电连接，由此Ag烧成 层30的厚度方向的电阻值P例如成为IOmQ W下。
[0088] 另外，在此，本实施方式中，Ag烧成层30的厚度方向上的电阻值P设为Ag烧成层30 的上表面与电路层12的上表面之间的电阻值。运是因为构成电路层12的4N侣的电阻与Ag烧 成层30的厚度方向的电阻相比非常小。如图6及图7所示，测定该电阻时设为测定Ag烧成层 30的上表面中央点与电路层12上的如下点之间的电阻，电路层12上的点为相对于从Ag烧成 层30的上表面中央点至Ag烧成层30端部的距离H，从Ag烧成层30端部仅远离H的点。
[0089] 如图3所示，本实施方式中，在电路层12上自然产生的侣氧化皮膜12A的厚度to设 为4皿< to < 6皿。并且，如下构成:玻璃层31的厚度tg成为0.01皿< tg < 5皿，Ag层32的厚度 化成为1皿 < 化< 100皿，整个Ag烧成层30的厚度tgWa成为1.01皿< tg+化< 105皿。
[0090] 接着，对本发明的功率模块用基板的制造方法进行说明。
[0091 ]图8是阶段性地表示功率模块用基板的制造方法的一例的流程图。
[0092] 首先，准备成为电路层12的侣板及成为金属层13的侣板，将运些侣板分别经由针 料层压于陶瓷基板11的一个表面Ila及另一个表面lib,并进行加压、加热后冷却，由此接合 所述侣板与陶瓷基板11 (电路层及金属层接合工序Sl 1)。作为针料例如能够使用Al-Si针料 等。另外，该针焊的溫度例如设定成640°C~650°C。
[0093] 接着，在金属层13的另一个表面侧隔着缓冲层15经由针料来接合冷却器40(顶板 部41)(冷却器接合工序S12)。作为针料，例如能够使用Al-Si针料等。另外，冷却器40的针焊 的溫度例如设定成590°C~610°C。
[0094] 并且，在电路层12的表面12a涂布Ag浆料(涂布工序S13)。另外，涂布Ag浆料时能够 采用网版印刷法、胶版印刷法、感光性工艺等的各种方法。在本实施方式中通过网版印刷法 将Ag浆料形成为图案状。
[00M]在此，对涂布工序S13中所使用的Ag浆料进行说明。Ag浆料含有Ag粉末、玻璃粉末、 树脂、溶剂、及分散剂，由Ag粉末和玻璃粉末构成的粉末成分的含量设为整个Ag浆料的60质 量％ W上且90质量％ W下，剩余部分设为树脂、溶剂、及分散剂。
[0096] 另外，在本实施方式中由Ag粉末和玻璃粉末构成的粉末成分的含量设为整个Ag浆 料的85质量％。并且，该Ag浆料的粘度例如调节为10化? sW上且500Pa ? sW下，更优选调 节为50化? sW上且300Pa ? sW下。
[0097] Ag粉末的粒径设为0.05皿W上且1.0皿W下，在本实施方式中使用平均粒径为0.8 皿的粉末。
[0098] 玻璃粉末例如含有氧化铅、氧化锋、氧化娃、氧化棚、氧化憐及氧化祕中的任意一 种或两种W上，其软化溫度设为60(TC W下。在本实施方式中使用由氧化铅、氧化锋及氧化 棚构成、平均粒径为0.5WI1的玻璃粉末。
[0099] 并且，Ag粉末的重量A与玻璃粉末的重量G的重量比A/G调节在80/20至99/1的范围 内，在本实施方式中设为A/G = 80/5。
[0100] 溶剂适合沸点为200°C W上的溶剂，在本实施方式中使用二乙二醇二下酸。
[0101] 树脂为调节Ag浆料的粘度的树脂，适合在500°C W上时分解的树脂。在本实施方式 中使用乙基纤维素。
[0102] 并且，在本实施方式中添加有二簇酸类的分散剂。另外，也可W不添加分散剂而构 成Ag浆料。
[0103] 作为获得运样构成的Ag浆料的方法，例如，混合Ag粉末和玻璃粉末来生成混合粉 末，并且，混合溶剂和树脂来生成有机混合物，通过揽拌机对运些混合粉末、有机混合物及 分散剂进行初步混合。并且，使用漉磨机将初步混合物捏合的同时混合，之后由浆料过滤机 过滤所获得的混炼物，由此制造出Ag浆料。
[0104] 在电路层12的表面12a涂布Ag浆料的状态下，装入加热炉内进行Ag浆料的烧成(烧 成工序S14)。另外，此时的烧成溫度例如设定为350°C~645°C。
[0105] 通过该烧成工序S14,形成有具备玻璃层31及Ag层32的Ag烧成层30。此时，通过玻 璃层31，在电路层12的表面自然产生的侣氧化皮膜12A被烙化去除，在电路层12直接形成玻 璃层31。并且，玻璃层31的内部分散有粒径为几纳米左右的微细的导电性粒子33。该导电性 粒子33含有Ag或Al的至少一个的结晶性粒子，推测为烧成时从玻璃层31内部析出的粒子。
[0106] 接着，W连结所形成的Ag烧成层30的周边区域E2与扩展到Ag烧成层30的周围的电 路层12的暴露部分的方式，形成槽35(槽形成工序S15)。
[0107] 图9A及图9B是阶段性地表示槽形成工序S15的主要部分放大剖视图。图9A是表示 槽形成工序的初期阶段的主要部分放大剖视图。图9B是表示槽形成工序的后期阶段的主要 部分放大剖视图。
[0108] 如图9A所示，在槽形成工序S15中，沿着预先设定的槽35的形成预定线Q，例如从Ag 层32的表面32a压入前端尖锐的形状的硬质夹具M。
[0109] 并且，如图9B所示，夹具M的前端Mc到达电路层12的程度、例如至1.00皿~100皿左 右的深度在Ag烧成层30形成槽35。将运种夹具M压入Ag层32时，切割出的Ag层32的端部被夹 具M拉伸，作为与Ag层32相连的延长部36延伸至电路层12。运是因为构成Ag层32的Ag富于展 性、延性。由此，Ag层32与电路层12通过低于玻璃层31的电阻值的Ag电连接。
[0110] 并且，使夹具M从Ag烧成层30的周边区域E2移动至扩展到Ag烧成层30的周围的电 路层12的暴露部分(参考图4)。由此，包覆电路层12的暴露部分的侣氧化皮膜12A被削掉，露 出电路层12的Al,并且，该露出的Al与从Ag层32拉伸的延长部36的Ag连接。
[0111] 如W上所述，在槽形成工序S15中，如通过夹具M挤压Ag层32,从Ag烧成层30的周边 区域E2至电路层12的暴露部分形成线状的划线，由此形成槽35。
[0112] 如此，制造出在电路层12的表面12a形成有Ag烧成层30的功率模块用基板10。
[0113] 并且，在Ag烧成层30的表面经由焊锡材料载置半导体忍片3,在还原炉内进行焊接 (焊接工序S16)。此时，构成Ag烧成层30的Ag层32的局部或全部烙化到通过焊锡材料形成的 接合层2。
[0114] 由此，制造出半导体忍片3经由接合层2接合于电路层12上的功率模块1。
[0115] 作为如W上构成的本实施方式的功率模块用基板10及功率模块1中，W连结Ag烧 成层30的周边区域E2与扩展到Ag烧成层30的周围的电路层12的暴露部分的方式，形成有槽 35。运种槽35的内面形成从构成Ag烧成层30的Ag层32拉伸的由Ag构成的延长部36,通过该 延长部36,使Ag层32与电路层12电连接。
[0116] 运种Ag电阻值低于分散有导电性粒子33的玻璃层31的电阻值，所W即使作为Ag烧 成层30形成有较高电阻的玻璃层31，也能够降低电路层12与半导体忍片3之间的电阻，能够 使电良好地流通。由此，为了提高电路层12与Ag烧成层30的接合可靠性，即使增加玻璃的含 量且使玻璃层31加厚，也能够较低地保持Ag层32与电路层12之间的电阻值，并能够使接合 可靠性与电阻值运两者平衡。
[0117] 并且，作为本实施方式的功率模块1，在功率循环试验中，构成为将导电时间5秒、 溫度差80°C的功率循环负载20万次时的热阻上升率小于2%，所W功率循环负载时也不会 提前破坏接合层2和Ag烧成层30,能够实现可靠性的提高。
[0118] 若进行详述，对功率模块1反复负载功率循环的情况下，若在电路层12与半导体忍 片3之间局部存在电阻较高的部分，则产生部分烙化，在该部分反复产生烙化和凝固。于是， 有可能W该部分烙化的部位为起点在接合层2和Ag烧成层30产生龟裂，并导致热阻上升。在 本实施方式中，如上述，能够较低地保持半导体忍片3与电路层12之间的电阻值，因此即使 对功率模块1反复负载功率循环的情况下，也不会提前破坏接合层2和Ag烧成层30,并能够 实现对功率循环的可靠性的提高。
[0119] W上，对本发明的实施方式进行了说明，但是本发明并不限定于此，在不脱离其发 明的技术思想的范围内可适当变更。
[0120] 例如，在上述实施方式中，对作为接合层使用焊锡层的情况进行了说明，但是并不 限定于此，例如也可作为接合层使用包括纳米Ag粒子和有机物的Ag浆料来接合电路层与半 导体元件。
[0121] 并且，在上述的实施方式中，槽35在俯视观察时为长方形的Ag烧成层30的四个边 中的每个边中央形成一处，总计形成有4个，但是槽的形成个数和形成部位并不限定于此。 例如，也可在俯视观察时为矩形的Ag烧成层的四个边中任意一边形成槽。并且，也可在Ag烧 成层的任意一边形成多个槽。此时，优选形成为双方的槽彼此的间隔成为等间隔。
[0122] 并且，在上述的实施方式中，槽35的形状形成为底部呈纯角的形状，但是槽的形状 并不限定于此，例如槽的底部也可为平坦的形状或槽的底部呈弯曲面的形状等。并且，槽形 成工序中，适当选择具有目标槽形状的夹具即可。
[0123] 并且，在上述的实施方式中，作为接合于构成绝缘层的陶瓷基板的电路层及金属 层，可例示有侣板，但是并不限定于此。例如，作为电路层及金属层能够分别使用铜板。并 且，作为电路层能够使用铜板，作为金属层能够使用侣板。并且，作为电路层及金属层，也能 够分别使用从陶瓷基板侧依次接合侣板和铜板的板。
[0124] 实施例
[0125] W下，对为了确认本发明的效果而进行的确认实验的结果进行说明。
[0126] (实施例1)
[0127] 作为本发明例，准备前述的实施方式中所记载的功率模块用基板。
[0128] 目P，W连结Ag烧成层30的周边区域E2与扩展到Ag烧成层30的周围的电路层12的暴 露部分的方式，形成槽35。槽35在俯视观察时为长方形的Ag烧成层30的四个边中的每个边 中央形成一处，总计形成有4个。各个槽35的长度设为3mm、深度设为50WI1、宽度设为2mm。
[0129] 作为比较例，准备未形成槽的功率模块用基板。除了未形成槽W外，设为与本发明 例相同的结构。
[0130] 对运种本发明例与比较例的每一个基板测定Ag烧成层的厚度方向上的电阻值。如 图6及图7所示，测定电阻时，测定Ag烧成层的上表面中央点与电路层上的如下点之间的电 阻，电路层上的点为相对于从Ag烧成层的上表面中央点至Ag烧成层端部的距离H，从Ag烧成 层端部仅远离H的点。
[0131] 将运样测定的本发明例与比较例中的Ag烧成层的电阻值示于表1。
[0132] [表 1] 「01331
[0134] ~根据表1所示的结果，W往为0.5 Q的Ag烧成层的电阻值，根据本发明成为IOmQ W 下，可确认到大幅的电阻值的降低效果。根据本发明，可确认到获得能够使接合可靠性与电 阻值运两者平衡的功率模块用基板。
[0135] (实施例2)
[0136] 准备在前述的实施例1中使用的本发明例及比较例的功率模块用基板，在该功率 模块用基板的电路层上作为半导体元件焊接IGBT元件。并且，功率模块用基板的金属层侧 配设有散热片。
[0137] 在此，陶瓷基板由AlN构成，使用27mmX 17mm、厚度为0.6mm的板。并且，电路层由4N 侣构成，使用25mmX15mm、厚度为0.6mm的板。金属层由4N侣构成，使用25mmX15mm、厚度为 0.6mm的板。半导体元件作为IGBT元件，使用13mm X 10mm、厚度为0.25mm的元件。作为散热片 使用40.0 mm X 40.0 mm X 2.5mm的侣板（A6063)。
[013引另外，半导体元件（IGBT元件）中作为焊锡材料使用Sn-化类焊锡，设为氨3vol%还 原气氛、加热溫度(加热对象物溫度)330°C及保持时间5分钟的条件进行焊接。
[0139] (功率循环试验）
[0140] 通电（ON)下元件表面溫度为140°C、非通电（OFF)下元件表面溫度为60°C作为1次 循环，对IGBT元件的通电调节为每10秒反复1次循环，将该功率循环反复20万次。并且，对从 初期状态开始的热阻的上升率进行评价。另外，在本实施例中，将功率循环试验反复进行3 次。
[0141] (热阻测定）
[0142] 作为热阻，使用热阻测试仪(TE沈C公司制造4324-KT)测定瞬态热阻。施加功率设 为100W、施加时间设为100ms，测定施加功率前后的栅极-发射极之间的电压差，由此求出热 阻。热阻的测定是在上述的功率循环试验时，每5万次循环实施测定。另外，热阻的上升率设 为3次试验的平均值。将评价结果示于表2。
[0143] [表 2]
[0144]
[0145] 比较例中，负载10万次功率循环的时刻，热阻的上升率超过1%，随着循环次数增 加热阻也上升。
[0146] 相对于此，根据本发明例，即使负载20万次功率循环，也几乎看不到热阻的上升。
[0147] 由W上可知，根据本发明例，可确认到能够提供功率循环可靠性优异的功率模块。
[0148] 产业上的可使用性
[0149] 通过本申请发明，能够提供可靠性较高且具有优异性能的功率模块。
[0150] 符号说明
[0151] 1-功率模块，2-接合层，3-半导体忍片(半导体元件），10-功率模块用基板，11-陶 瓷基板(绝缘层），12-电路层，30-Ag烧成层，31-玻璃层，32-Ag层，33-导电性粒子，35-槽， 36-延长部，E2-周边区域。
【主权项】
1. 一种功率模块用基板，其具备形成于绝缘层的一个表面的电路层及形成于该电路层 上的Ag烧成层，所述功率模块用基板的特征在于， 所述Ag烧成层由玻璃层与形成于该玻璃层上的Ag层构成， 形成有连结所述Ag层与所述电路层的槽， 所述Ag层具有沿着所述槽的内面延伸到所述电路层的延长部， 所述延长部使所述Ag层与所述电路层电连接。2. 根据权利要求1所述的功率模块用基板，其特征在于， 所述槽以连结所述Ag层中的、比配设有半导体元件的元件接合区域更向外侧扩展的周 边区域与所述电路层的方式形成。3. 根据权利要求1或2所述的功率模块用基板，其特征在于， 所述槽到达比形成于所述电路层的表面的氧化膜更深的位置。4. 根据权利要求1至3中任一项所述的功率模块用基板，其特征在于， 在俯视观察时，所述Ag烧成层呈大致矩形，所述槽分别形成于所述Ag层的四个边。5. 根据权利要求1至4中任一项所述的功率模块用基板，其特征在于， 所述槽沿其延长方向的长度为〇.3mm以上且5. Omm以下。6. 根据权利要求1至5中任一项所述的功率模块用基板，其特征在于， 所述槽沿其厚度方向的深度为l〇ym以上且200μηι以下。7. 根据权利要求1至6中任一项所述的功率模块用基板，其特征在于， 相对于形成有所述槽的Ag烧成层的一边的长度，所述槽的与其延长方向成直角的宽度 为5%以上且75%以下。8. 根据权利要求1至7中任一项所述的功率模块用基板，其特征在于， 所述Ag烧成层在其厚度方向上的电阻值为ΙΟπιΩ以下。9. 一种功率模块，其特征在于， 具备根据权利要求1至8中任一项所述的功率模块用基板及半导体元件，所述半导体元 件配设于构成该功率模块用基板的所述Ag烧成层的一个表面侧，所述半导体元件经由接合 层与所述Ag烧成层接合。10. 根据权利要求9所述的功率模块，其特征在于， 功率循环试验中，将导电时间5秒、温度差80°C的条件的功率循环负载20万次时的热阻 上升率小于2 %。11. 一种功率模块用基板的制造方法，所述功率模块用基板具备形成于绝缘层的一个 表面的电路层及形成于该电路层上的Ag烧成层，所述制造方法的特征在于，至少具备： 涂布工序，在所述电路层的一个表面涂布含玻璃的Ag浆料； 烧成工序，烧成所述Ag浆料来形成Ag烧成层，所述Ag烧成层由玻璃层和形成于该玻璃 层上的Ag层构成;及 槽形成工序，形成连结所述Ag层与所述电路层的槽， 所述槽形成工序中，以将所述Ag层的局部沿着所述槽的内面拉伸的方式形成延长部， 通过该延长部使所述Ag层与所述电路层电连接。12. 根据权利要求11所述的功率模块用基板的制造方法，其特征在于， 所述槽形成工序为以从所述Ag层的一个表面朝向所述电路层挤压所述Ag层的方式形 成线状的划线的工序。
【文档编号】H01L23/40GK105849895SQ201480070571
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2014年12月22日
【发明人】西元修司, 长友义幸
【申请人】三菱综合材料株式会社