焊接結(jié)構(gòu)、功率模塊、帶散熱器的功率模塊用基板及其制造方法以及焊料基底層形成用膏的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種焊接結(jié)構(gòu)、利用所述接合結(jié)構(gòu)的功率模塊、帶散熱器的功率模塊用基板及其制造方法以及焊料基底層形成用膏,本發(fā)明的焊料基底層形成用膏配設于金屬部件上,并通過燒成而與產(chǎn)生于金屬部件表面的氧化皮膜進行反應,從而,在金屬部件上形成焊料基底層,即使在被負載功率循環(huán)及熱循環(huán)時,也能夠抑制在鋁部件的表面上產(chǎn)生彎曲或折皺,并能夠提高與被接合部件的接合可靠性。
【專利說明】焊接結(jié)構(gòu)、功率模塊、帶散熱器的功率模塊用基板及其制造 方法以及焊料基底層形成用膏
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種利用焊錫材接合由鋁或鋁合金構(gòu)成的鋁部件和被接合部件的焊 接結(jié)構(gòu)、利用該焊接結(jié)構(gòu)的功率模塊、帶散熱器的功率模塊用基板及其制造方法以及配置 在金屬部件上并通過燒成在所述金屬部件上形成焊料基底層的焊料基底層形成用膏。
[0002] 本申請主張基于2012年2月14日在日本申請的專利申請第2012-029646號以及 2012年2月14日在日本申請的專利申請第2012-029683號的優(yōu)先權(quán),并將其內(nèi)容援用于本 說明書中。
【背景技術】
[0003] 作為對金屬部件和被接合部件進行焊接而構(gòu)成的焊接結(jié)構(gòu),例如,可舉出如同專 利文獻1、2所示的功率模塊。
[0004] 功率模塊具備成為電路層的金屬板(例如A1 (鋁))接合于陶瓷基板的一面而構(gòu) 成的功率模塊用基板和搭載于電路層的一面的功率元件(半導體元件)。
[0005] 并且,在功率模塊用基板的另一面?zhèn)扰湓O有作為散熱器的散熱板和冷卻器等,以 發(fā)散來自功率元件(半導體元件)的熱量。
[0006] 在上述功率模塊中,電路層和功率元件(半導體元件)經(jīng)由焊錫材而被接合。即 構(gòu)成電路層為金屬部件(鋁部件),功率元件(半導體元件)為被接合部件的焊接結(jié)構(gòu)。
[0007] 并且,有時功率模塊用基板和散熱器也經(jīng)由焊錫材而被接合。
[0008] 另外,當電路層等為由鋁或鋁合金構(gòu)成的鋁部件的情況下,在電路層的表面形成 有鋁的氧化皮膜,因此在該狀態(tài)下無法進行良好的焊接。
[0009] 并且,當電路層等為由銅或銅合金構(gòu)成的銅部件的情況下,因熔融的焊錫材與銅 進行反應而存在焊錫材成分進入電路層等的銅部件內(nèi)部,且特性改變的問題。
[0010] 于是,以往,通過無電解電鍍等,在電路層的表面形成作為基底層的鍍Ni膜,在該 鍍Ni膜上配設焊錫材而接合半導體元件。
[0011] 在此,上述功率模塊在使用時被負載功率循環(huán)及熱循環(huán)。當功率模塊被負載功率 循環(huán)及熱循環(huán)的情況下,因陶瓷基板和電路層(鋁)的熱膨脹系數(shù)之差而引起的應力作用 于陶瓷基板和電路層的接合界面,接合可靠性有可能降低。于是,以往利用純度99. 99%以 上的4N鋁等變形阻力比較小的金屬部件(鋁)構(gòu)成電路層,通過電路層的變形而吸收上述 熱應力以提高接合可靠性。
[0012] 并且,在專利文獻3中記載有如下的導電性組成物(焊料基底層形成用膏),該導 電性組成物能夠在不設置鍍Ni膜的情況下形成使得由鋁或鋁合金構(gòu)成的電路層和焊料層 導通的導電接合層(焊料基底層),并公開了經(jīng)由玻璃層、Ag層及焊料層接合上述電路層和 被接合部件的結(jié)構(gòu)。
[0013] 專利文獻1 :日本專利公開2007-311526號公報
[0014] 專利文獻2 :日本專利公開2008-227336號公報
[0015] 專利文獻3 :日本專利公開2010-287554號公報
[0016] 然而,當利用純度99. 99%以上(4N鋁)等變形阻力比較小的金屬部件(鋁等)構(gòu) 成電路層的情況下存在如下問題,即在負載有功率循環(huán)和熱循環(huán)時,導致在電路層表面產(chǎn) 生彎曲或折皺。若電路層表面產(chǎn)生彎曲或折皺,則功率模塊的可靠性降低。
[0017] 并且,在專利文獻3中,通過燒成而能夠形成導電接合層,該導電接合層能夠通過 與自然產(chǎn)生于所述電路層表面的鋁氧化皮膜進行反應而與所述電路層導通,然而并沒有涉 及針對在電路層和半導體元件進行焊接之后所產(chǎn)生的電路層表面的彎曲或折皺的觀點。
[0018] 尤其,近年來,伴隨功率模塊的小型化和薄型化的發(fā)展,其使用環(huán)境也開始變得苛 亥IJ,來自半導體元件等電子部件的發(fā)熱量增大。因此,功率循環(huán)及熱循環(huán)條件變得苛刻,并 具有在電路層表面容易產(chǎn)生彎曲或折皺的傾向,存在功率模塊的可靠性降低的問題。
[0019] 另外,這種彎曲或折皺在功率模塊用基板和散熱器的接合部分也構(gòu)成問題。
[0020] 本發(fā)明是鑒于所述問題而提出的,其目的在于提供一種即使在被負載功率循環(huán)及 熱循環(huán)時也能夠抑制在鋁部件的表面上產(chǎn)生彎曲或折皺,且能夠提高與被接合部件的接合 可靠性的接合結(jié)構(gòu)、利用該焊接結(jié)構(gòu)的功率模塊、帶散熱器的功率模塊用基板及其制造方 法。
[0021] 本發(fā)明的另一目的在于提供一種焊料基底層形成用膏,其配設于金屬部件上,并 通過燒成與產(chǎn)生于金屬部件表面的氧化皮膜進行反應,從而在金屬部件上形成焊料基底 層,即使在被負載功率循環(huán)及熱循環(huán)時,也能夠抑制在金屬部件的表面上產(chǎn)生彎曲或折皺。
[0022] 本發(fā)明人等經(jīng)深入研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),在Ag層形成于金屬部件(鋁部件)的一面的情 況下,即使在被負載熱循環(huán)時也能夠抑制焊料的變形,并且能夠抑制在金屬部件(鋁部件) 的表面上產(chǎn)生彎曲或折皺。這可推斷為源于以下理由,即由于Ag為比鋁硬的金屬,因此通 過Ag層能夠抑制鋁部件的塑性變形。
[0023] 然而,有時在被負載熱循環(huán)時會局部產(chǎn)生金屬部件的塑性變形,產(chǎn)生彎曲或折皺。
[0024] 并且,經(jīng)進一步研究結(jié)果得知,在Ag向焊料內(nèi)部擴散而產(chǎn)生Ag侵蝕的部位,有時 在焊料內(nèi)部產(chǎn)生龜裂。即,明確可知在產(chǎn)生Ag侵蝕的部位未充分形成Ag層,而金屬部件 (鋁部件)的表面局部產(chǎn)生塑性變形,從而有可能產(chǎn)生彎曲或折皺,并且在焊料內(nèi)部產(chǎn)生龜 裂。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0025] 本發(fā)明是基于上述觀點而完成的,本發(fā)明的焊接結(jié)構(gòu)為利用焊錫材接合由鋁或鋁 合金構(gòu)成的鋁部件和被接合部件的焊接結(jié)構(gòu),其中,具備:形成于所述鋁部件的表面的玻璃 層;層壓于該玻璃層的Ag層;及層壓于所述Ag層的焊料層,并且所述Ag層中分散有結(jié)晶性 氧化物顆粒。
[0026] 根據(jù)該結(jié)構(gòu)的焊接結(jié)構(gòu),由于在Ag層中分散有結(jié)晶性氧化物顆粒,因此抑制Ag向 焊料內(nèi)部擴散。并且,通過抑制在鋁部件有可能產(chǎn)生的彎曲或折皺而能夠防止焊料中產(chǎn)生 龜裂,因此能夠提高與被接合部件的焊接結(jié)構(gòu)的可靠性。
[0027] 并且,在鋁部件的表面形成有玻璃層,因此能夠使存在于鋁部件的表面的氧化皮 膜與該玻璃層進行反應而將其去除,并經(jīng)由焊錫材能夠可靠地接合鋁部件和被接合部件。 因此,無需在鋁部件表面設置鍍Ni膜等。
[0028] 另外,優(yōu)選所述結(jié)晶性氧化物顆粒由氧化鈦、氧化硅和氧化鋅中的任1種或2種以 上構(gòu)成。
[0029] 若選自氧化鈦、氧化硅和氧化鋅的結(jié)晶性氧化物顆粒分散于與焊接的Ag層中,則 抑制Ag向焊料內(nèi)部擴散。由于Ag中分散有氧化物顆粒,因此在進行燒成時Ag層的縮頸面 積變小。若對這樣被燒結(jié)的Ag層進行焊接,則與完全縮頸的Ag層相比,不易產(chǎn)生Ag向焊 料內(nèi)部擴散,因此能夠抑制對焊料的Ag侵蝕。
[0030] 本發(fā)明的功率模塊,具備:功率模塊用基板,在絕緣層的一面配設有由鋁部件構(gòu)成 的電路層;及半導體元件,接合于所述電路層的一面,其中,所述電路層與所述半導體元件 的接合部為上述焊接結(jié)構(gòu)。
[0031] 具有這種結(jié)構(gòu)的本發(fā)明的功率模塊中,成為鋁部件的電路層和成為被接合部件的 半導體元件,經(jīng)由玻璃層、分散有結(jié)晶性氧化物顆粒的Ag層和焊料層而被接合。因此抑制 了 Ag向焊料擴散,能夠維持Ag層的形成,并且能夠抑制在電路層表面產(chǎn)生彎曲或折皺。
[0032] 從而,能夠提供一種能夠抑制焊料層中產(chǎn)生龜裂且半導體元件的接合可靠性優(yōu)異 的功率模塊。
[0033] 本發(fā)明的帶散熱器的功率模塊用基板,具備:功率模塊用基板,電路層配設于絕緣 層的一面;及散熱器,接合于該功率模塊用基板的另一面?zhèn)?,其中,所述散熱器的接合面?所述功率模塊用基板的接合面中的至少一個接合面由鋁部件構(gòu)成,并且所述散熱器與所述 功率模塊用基板的接合部為上述焊接結(jié)構(gòu)。
[0034] 在具有這種結(jié)構(gòu)的本發(fā)明的帶散熱器的功率模塊用基板中,由于所述功率模塊用 基板的接合面及所述散熱器的接合面中的至少一個接合面由鋁部件構(gòu)成,因此在具有所述 功率模塊用基板的接合面的部件以及具有所述散熱器的接合面的部件中,其中一個部件相 當于上述焊接結(jié)構(gòu)的鋁部件,而另一個部件相當于被接合部件。并且,該鋁部件和被接合部 件經(jīng)由玻璃層、分散有結(jié)晶性氧化物顆粒的Ag層和焊料層而被接合。因此,抑制Ag向焊料 的擴散而能夠維持Ag層,并且能夠抑制在錯部件的表面廣生彎曲或折皺。
[0035] 從而,提高功率模塊用基板和散熱器的接合可靠性,且能夠使熱量通過散熱器而 有效地發(fā)散。
[0036] 另外,作為散熱器,包括以通過發(fā)散熱量而降低溫度為目的的如下金屬部件,即板 狀散熱板、內(nèi)部供制冷劑流通的冷卻器、形成有散熱片的液冷/空冷散熱器和熱管等。
[0037] 本發(fā)明的焊接結(jié)構(gòu)的制造方法為,利用焊錫材接合由鋁或鋁合金構(gòu)成的鋁部件和 被接合部件的焊接結(jié)構(gòu)的制造方法,其中,具備:涂布工序,將含有玻璃及結(jié)晶性氧化物顆 粒的焊料基底層形成用膏涂布于所述鋁部件的表面;燒成工序,在涂布有所述焊料基底層 形成用膏的狀態(tài)下,進行加熱處理而燒成所述焊料基底層形成用膏;及焊接工序,經(jīng)由焊 錫材將所述被接合部件焊接于由所述焊料基底層形成用膏的燒成體構(gòu)成的Ag燒成層的表 面,并且所述Ag燒成層中分散有結(jié)晶性氧化物顆粒。
[0038] 根據(jù)這種制造方法,能夠使結(jié)晶性氧化物顆粒分散于Ag燒結(jié)層中,因此能夠制造 在焊接工序中可抑制Ag向焊料內(nèi)部擴散的焊接結(jié)構(gòu)。并且,通過抑制有可能在鋁部件產(chǎn)生 的彎曲或折皺而能夠防止在焊料中產(chǎn)生龜裂,因此可提高與被接合部件的焊接結(jié)構(gòu)的可靠 性。
[0039] 本發(fā)明的功率模塊的制造方法中,所述功率模塊具備由鋁部件構(gòu)成的電路層配設 于絕緣層的一面的功率模塊用基板和接合于電路層的一面的半導體元件,并且將電路層和 半導體元件作為焊接部,其中,該焊接部通過上述焊接結(jié)構(gòu)的制造方法而形成。
[0040] 并且,本發(fā)明的帶散熱器的功率模塊用基板的制造方法中,所述帶散熱器的功率 模塊用基板具備電路層配設于絕緣層的一面的功率模塊用基板和接合于該功率模塊用基 板的另一面?zhèn)鹊纳崞?,并且散熱器的接合面及所述功率模塊用基板的接合面中的至少一 個接合面由所述鋁部件構(gòu)成,所述散熱器和所述功率模塊用基板作為焊接部,其中,該焊接 部通過上述焊接結(jié)構(gòu)的制造方法而形成。
[0041] 根據(jù)如同上述焊接結(jié)構(gòu)、功率模塊及帶散熱器的功率模塊用基板的制造方法,由 于在焊接部能夠形成分散有結(jié)晶性氧化物顆粒的Ag燒成層,因此在進行焊接時抑制Ag向 焊料擴散,從而能夠維持Ag層的形成,能夠抑制在鋁部件的表面產(chǎn)生彎曲或折皺。
[0042] 并且,基于上述觀點而構(gòu)成的本發(fā)明的焊料基底層形成用膏為通過配設于金屬部 件上并通過燒成而在所述金屬部件上形成焊料基底層的焊料基底層形成用膏,其中,所述 膏含有銀粉末、玻璃粉末、結(jié)晶性氧化物粉末、樹脂及溶劑。
[0043] 根據(jù)具有該結(jié)構(gòu)的焊料基底層形成用膏,具備結(jié)晶性氧化物粉末及銀粉末,并且 通過燒成,銀粉末形成Ag層,進而形成結(jié)晶性氧化物顆粒分散于Ag層內(nèi)部的所述焊料基底 層。并且,當經(jīng)由焊錫材將被接合部件接合于金屬部件上的情況下,分散于Ag層內(nèi)部的結(jié) 晶性氧化物顆粒在進行焊接時抑制Ag向焊料內(nèi)部擴散,從而能夠維持Ag層。因此,即使在 被負載熱循環(huán)時,也能夠抑制在金屬部件產(chǎn)生彎曲或折皺。
[0044] 并且,所述膏具備玻璃粉末和銀粉末,并且通過燒成而生成的所述焊料基底層具 備由玻璃粉末軟化形成的玻璃層和銀粉末燒結(jié)于玻璃層上而形成的Ag層,因此所述玻璃 層與所述金屬部件上的氧化皮膜進行反應而去除該氧化皮膜,并能夠形成直接接合于金屬 部件的表面的焊料基底層。并且,在該焊料基底層中,導電顆粒分散于玻璃層內(nèi)部,因此通 過該導電顆粒而確保了導電性。從而,例如,在經(jīng)由焊錫材將半導體元件接合于電路層上的 情況下,通過燒成該焊料基底層形成用膏而得到的焊料基底層可以使電路層和半導體元件 導通,并能夠構(gòu)成功率模塊等半導體裝置。即通過使用該焊料基底層形成用膏而能夠形成 導電性及導熱性優(yōu)異的焊料基底層。
[0045] 在此,所述銀粉末的含量為60質(zhì)量%以上且90質(zhì)量%以下,就所述玻璃粉末而 言,所述銀粉末的重量A和所述玻璃粉末的重量G之比A/G優(yōu)選被設定在80/20至99/1的 范圍內(nèi),就所述結(jié)晶性氧化物粉末而言,所述銀粉末的重量A和所述結(jié)晶性氧化物粉末的 重量0之比A/0優(yōu)選被設定在90/10至99/1的范圍內(nèi)。
[0046] 在該情況下,所述銀粉末的含量為60質(zhì)量%以上,因此能夠?qū)ι鲜龊噶匣讓淤x 予導電性。并且,所述銀粉末的含量為90質(zhì)量%以下,因此確保了流動性且能夠涂布于金 屬部件。
[0047] 另外,所述銀粉末的重量A與所述玻璃粉末的重量G之比A/G被設定在80/20至 99/1的范圍內(nèi),因此能夠可靠地形成玻璃層和Ag層。
[0048] 另外,銀粉末的重量A和所述結(jié)晶性氧化物粉末的重量0之比A/0中,結(jié)晶性氧化 物粉末的重量〇為90/10以下,因此不使上述焊料基底層的電阻值增大而能夠形成導電性 良好的焊料基底層。因為導電性良好,所以能夠作為熱傳遞性也優(yōu)異的焊料基底層。并且, 在銀粉末的重量A和結(jié)晶性氧化物粉末的重量0之比A/0中,結(jié)晶性氧化物粉末的重量0 為99/1以上,因此通過分散于Ag層中的結(jié)晶性氧化物顆粒能夠抑制Ag向焊料擴散。
[0049] 并且,所述結(jié)晶性氧化物粉末優(yōu)選由氧化鈦、氧化硅和氧化鋅中的任1種或2種以 上構(gòu)成。
[0050] 若由選自氧化鈦、氧化硅和氧化鋅的結(jié)晶性氧化物粉末分散于與焊接的Ag層中, 貝1J能夠抑制Ag向焊料內(nèi)部擴散。由于氧化物顆粒分散于Ag中,因此在燒成時Ag層的縮頸 面積變小。若對這樣被燒結(jié)的Ag層進行焊接,則與完全縮頸的Ag層相比,Ag不易向焊料 內(nèi)部擴散,因此能夠抑制對焊料的Ag侵蝕。
[0051] 并且,優(yōu)選所述玻璃粉末的軟化溫度為600°C以下。
[0052] 在該情況下,玻璃粉末的軟化溫度為600°C以下,因此,即使以較低溫度燒成該焊 料基底層形成用膏,玻璃也能夠進行流動,并可形成焊料基底層。因此能夠防止在燒成焊料 基底層形成用膏時金屬部件劣化。
[0053] 并且,優(yōu)選所述玻璃粉末含有氧化鉛、氧化鋅、氧化硅、氧化棚、氧化磷及氧化鉍中 的任1種或2種以上。
[0054] 含有這些氧化物的玻璃粉末的軟化溫度比較低,能夠?qū)蓽囟仍O定為較低。并 且,結(jié)晶化溫度比較高,在焊料基底層形成用膏內(nèi)部的流動性得到確保,并且提高了與金屬 部件的附著性。
[0055] 另外,優(yōu)選所述銀粉末的平均粒徑為0. 05 μ m以上且1. 0 μ m以下。
[0056] 在該情況下,因為銀粉末的平均粒徑為0. 05 μ m以上且1. 0 μ m以下,因此在將該 焊料基底層形成用膏涂布于所述電路層上時,導電顆粒均勻地分散,通過燒成該焊料基底 層形成用膏,能夠形成具有均勻的導電性的焊料基底層,經(jīng)由焊料基底層能夠使半導體元 件和電路層可靠地導通。
[0057] 根據(jù)本發(fā)明,能夠提供一種即使在被負載功率循環(huán)及熱循環(huán)時也能夠抑制在鋁部 件的表面上產(chǎn)生彎曲或折皺且可提高與被接合部件的接合可靠性的焊接結(jié)構(gòu)、利用該焊接 結(jié)構(gòu)的功率模塊、帶散熱器的功率模塊用基板及其制造方法。
[0058] 并且,根據(jù)本發(fā)明,能夠提供一種焊料基底層形成用膏,其配設于金屬部件上,并 通過燒成與產(chǎn)生于金屬部件表面的氧化皮膜進行反應,從而在金屬部件上形成焊料基底 層,在進行焊接時防止Ag侵蝕,因此,即使在被負載功率循環(huán)及熱循環(huán)時也能夠抑制在金 屬部件的表面上產(chǎn)生彎曲或折皺。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0059] 圖1是本發(fā)明的第一實施方式的帶散熱板的功率模塊用基板及功率模塊的概略 說明圖。
[0060] 圖2是圖1中的金屬層與散熱板的接合部的放大說明圖。
[0061] 圖3是圖1中的電路層與半導體元件的接合部的放大說明圖。
[0062] 圖4是表示在本發(fā)明的各實施方式中使用的焊料基底層形成用膏的一種制造方 法的流程圖。
[0063] 圖5是表示圖1的功率模塊的制造方法的流程圖。
[0064] 圖6是本發(fā)明的第二實施方式的帶冷卻器的功率模塊用基板及功率模塊的概略 說明圖。
[0065] 圖7是圖6中的緩沖層與冷卻器的接合部的放大說明圖。
[0066] 圖8是表示在本發(fā)明的各實施方式中使用的焊料基底層形成用膏的一種制造方 法的流程圖。
【具體實施方式】
[0067] 以下,參考附圖對本發(fā)明的實施方式的焊接結(jié)構(gòu)進行說明。
[0068] 圖1表示本發(fā)明的第1實施方式的功率模塊1及帶散熱板的功率模塊用基板20。 該第1實施方式中,將散熱板21用作散熱器。
[0069] 該功率模塊1具備配設有電路層12及金屬層13的功率模塊用基板10、搭載于電 路層12的一面(圖1中的上表面)的半導體元件3、接合于金屬層13的另一面(圖1中的 下表面)的散熱板21及層壓于該散熱板21的另一面?zhèn)鹊睦鋮s器31。
[0070] 功率模塊用基板10具備構(gòu)成絕緣層的陶瓷基板11、配設于該陶瓷基板11的一面 (圖1中的上表面)的電路層12、配設于陶瓷基板11的另一面(圖1中的下表面)的金屬 層13。
[0071] 陶瓷基板11防止電路層12和金屬層13之間的電連接,由絕緣性高的A1N(氮化 鋁)構(gòu)成。并且,陶瓷基板11的厚度設定在0. 2?1. 5mm的范圍內(nèi),在第1實施方式中被 設定為〇. 635mm。
[0072] 電路層12通過具有導電性的金屬板接合于陶瓷基板11的一面而形成。在第1實 施方式中,電路層12通過由純度99. 99%以上的鋁(所謂的4N鋁)軋制板構(gòu)成的鋁板接合 于陶瓷基板11而形成。
[0073] 通過金屬板接合于陶瓷基板11的另一面而形成金屬層13。在第1實施方式中,與 電路層12相同,通過由純度99. 99%以上的鋁(所謂的4N鋁)軋制板構(gòu)成的鋁板接合于陶 瓷基板11而形成金屬層13。
[0074] 散熱板21使來自所述功率模塊用基板10的熱量向表面方向擴散,在第1實施方 式中為導熱性優(yōu)異的銅板。
[0075] 如圖1所示,冷卻器31具備用于使冷卻介質(zhì)(例如冷卻水)流通的流路32。冷卻 器31優(yōu)選由導熱性良好的材質(zhì)構(gòu)成,在第1實施方式中由A6063(錯合金)構(gòu)成。
[0076] 另外,如圖1所示,散熱板21和冷卻器31通過固定螺釘22而被緊固。
[0077] 并且,如圖2所示,由4N鋁構(gòu)成的金屬層13和由銅板構(gòu)成的散熱板21之間的第 1接合部40,具備形成于金屬層13的另一面(圖2中為下表面)的第1玻璃層41、層壓于 該第1玻璃層41的另一面的第lAg層42及層壓于該第lAg層42的另一面的第1焊料層 43。
[0078] 并且,如圖3所示,由4N鋁構(gòu)成的電路層12與半導體元件3之間的第2接合部 50,具備形成于電路層12的一面(圖3中為上表面)的第2玻璃層51、層壓于該第2玻璃 層51的一面的第2Ag層52及層壓于該第2Ag層52的一面的第2焊料層53。
[0079] 在此,第1焊料層43及第2焊料層53例如由Sn-Ag系、Sn-Cu系、Sn-Sb系、Sn-In 系或Sn-Ag-Cu系焊錫材(所謂的無鉛焊錫材)構(gòu)成。并且,第1焊料層43及第2焊料層 53的厚度th被設定在20 μ m < th < 600 μ m的范圍內(nèi)。
[0080] 第1玻璃層41及第2玻璃層51的厚度tg被設定在0. 05 μ m彡tg彡10 μ m的范 圍內(nèi)。
[0081] 在此,在第1玻璃層41及第2玻璃層51的內(nèi)部分散有平均粒徑為數(shù)納米程度的 微細導電顆粒。該導電顆粒為含有Ag或A1中的至少一種的結(jié)晶性顆粒。另外,可利用例 如透射電子顯微鏡(TEM)觀察第1玻璃層41及第2玻璃層51內(nèi)的導電顆粒。
[0082] 并且,在第lAg層42及第2Ag層52中分別分散有結(jié)晶性氧化物顆粒44及結(jié)晶性 氧化物顆粒54。結(jié)晶性氧化物顆粒44、54由氧化鈦、氧化硅和氧化鋅中的任1種或2種以 上構(gòu)成。
[0083] 并且,結(jié)晶性氧化物顆粒的結(jié)晶平均粒徑為0. 1 μ m以上且5 μ m以下,在第1實施 方式中平均粒徑為〇. 5 μ m。
[0084] 由第lAg層42及第2Ag層52的剖面的元素分析而能夠確認該結(jié)晶性氧化物顆粒。 作為元素分析方法,例如使用ΕΡΜΑ (電子探針顯微分析儀)或EDS (能譜)等基于電子射線 的分析方法即可。
[0085] 這里的平均粒徑是指通過激光衍射/散射法求出的粒度分布中累積頻率達到 50 %的粒徑(D5。)。
[0086] 并且,第lAg層42及第2Ag層52的厚度at被設定在1 μ m < ta < 100 μ m的范 圍內(nèi)。優(yōu)選在1· 5 μ m彡ta彡50 μ m的范圍內(nèi)。
[0087] 在此,第1接合部40及第2接合部50如下形成,即在金屬層13及電路層12的表 面,通過將以下說明的焊料基底層形成用膏進行涂布和燒成而形成Ag燒成層,并經(jīng)由焊錫 材將散熱板21及半導體元件3接合于該Ag燒成層的表面。
[0088] 其次,對第1實施方式中所使用的焊料基底層形成用膏進行說明。
[0089] 該焊料基底層膏中含有銀粉末、玻璃粉末、結(jié)晶性氧化物粉末、樹脂及分散劑,銀 粉末的含量為整個焊料基底層形成用膏的60質(zhì)量%以上且90質(zhì)量%以下,余量為玻璃粉 末、結(jié)晶性氧化物粉末、樹脂、溶劑及分散劑。銀粉末的含量優(yōu)選為61質(zhì)量%以上且80質(zhì) 量%以下。
[0090] 并且,玻璃粉末的含量優(yōu)選為0. 7質(zhì)量%以上且15質(zhì)量%以下,更優(yōu)選為1. 0質(zhì) 量%以上且10質(zhì)量%以下。若玻璃粉末的含量為20質(zhì)量%以上,則對焊料潤濕性造成影 響,若玻璃粉末的含量為〇. 1質(zhì)量%以下,則有可能焊料基底與電路層的附著性降低。
[0091] 結(jié)晶性氧化物粉末的含量優(yōu)選為0. 6質(zhì)量%以上且10質(zhì)量%以下,更優(yōu)選為1. 0 質(zhì)量%以上且8. 0質(zhì)量%以下。若結(jié)晶性氧化物粉末的含量為0. 6質(zhì)量%以上,則能夠抑 制焊料侵蝕,若結(jié)晶性氧化物粉末的含量為8. 0質(zhì)量%以下,則能夠得到無焊料潤濕性問 題的焊料基底層。
[0092] 樹脂的含量優(yōu)選為0. 5質(zhì)量%以上且5. 0質(zhì)量%以下,更優(yōu)選為0. 8質(zhì)量%以上 且4. 0質(zhì)量%以下。若樹脂的含量為0. 5質(zhì)量%以上,則作為膏能夠賦予充分的印刷性,若 樹脂的含量為5. 0質(zhì)量%以下,則對銀的燒結(jié)不會造成影響。
[0093] 溶劑的含量優(yōu)選為5質(zhì)量%以上且30質(zhì)量%以下,更優(yōu)選為8質(zhì)量%以上且28 質(zhì)量%以下。若溶劑的含量為5質(zhì)量%以上,則作為膏能夠賦予充分的印刷性,若溶劑的含 量為28質(zhì)量%以下,則對銀的燒結(jié)不會造成影響。
[0094] 分散劑的含量優(yōu)選為0. 5質(zhì)量%以上且7質(zhì)量%以下,更優(yōu)選為1質(zhì)量%以上且 5質(zhì)量%以下。若分散劑的含量為0. 5質(zhì)量%以上,則能夠抑制焊料基底層膏的劣化,若含 量為7質(zhì)量%以下,則對銀的燒結(jié)不會造成影響。
[0095] 另外,在第1實施方式中,焊料基底層形成用膏(導電性組成物)的粘度被調(diào)整為 10Pa · s以上且500Pa · s以下,更優(yōu)選被調(diào)整為50Pa · s以上且300Pa · s以下。
[0096] 在此,在測定焊料基底層形成用膏的粘度時,使用應力控制型流變儀(美國TA儀 器公司(TA 4 7 ^ >卜社)制AR1000),并利用20mm的平行板測頭進行了測定。將 測定臺的溫度設為25°C,將測定臺和測頭的間隙設定為200μπι。將成為測定對象的膏10g 載置于測定臺上,并以規(guī)定間隙調(diào)整測頭。此時,在利用抹刀去除從測頭突出的膏的基礎上 開始進行測定。
[0097] 銀粉末的平均粒徑為0. 05 μ m以上且1. 0 μ m以下,在第1實施方式中使用了平均 粒徑為0. 8μπ?的銀粉末。
[0098] 玻璃粉末含有例如氧化鉛、氧化鋅、氧化硅、氧化硼、氧化磷及氧化鉍中的任1種 或2種以上,其軟化溫度為600°C以下。玻璃粉末的軟化溫度更優(yōu)選為370°C以上且560°C 以下。
[0099] 并且,玻璃粉末根據(jù)需要也可以含有氧化鋁、氧化鐵、氧化銅、氧化硒、氧化鋯、堿 性金屬氧化物、堿土金屬氧化物等??赏ㄟ^球磨機、噴磨機等粉碎玻璃塊并對粗大顆粒進 行分級而得到玻璃粉末。對玻璃粉末的平均粒徑并無特別的限定,能夠使用平均粒徑為 0. 5 μ m以上且10. 0 μ m以下的玻璃粉末。
[0100] 并且,銀粉末的重量A與玻璃粉末的重量G的重量比A/G被調(diào)整為80/20至99/1 的范圍內(nèi),更優(yōu)選為85/15至97/3的范圍內(nèi)。在第1實施方式中,A/G為85/15。
[0101] 另外,銀粉末的重量A與結(jié)晶性氧化物顆粒的重量0的重量比A/0被調(diào)整為90/10 至99/1的范圍內(nèi),更優(yōu)選為95/5至98/2的范圍內(nèi)。
[0102] 結(jié)晶性氧化物粉末例如為氧化鈦、氧化鋅、氧化硅粉末,只要選擇任1種或2種以 上的結(jié)晶性金屬氧化物粉末即可。
[0103] 結(jié)晶性金屬氧化物粉末的平均粒徑優(yōu)選為0. 05 μ m以上且1. 0 μ m以下,平均粒徑 也可以為〇. 1 μ m以上且5 μ m以下。在第1實施方式中使用平均粒徑為0. 5 μ m的結(jié)晶性 金屬氧化物粉末。
[0104] 另外,銀粉末及結(jié)晶性氧化物粉末的平均粒徑是指在通過激光衍射/散射法求出 的粒度分布中累積頻率達到50%的粒徑(D 5CI)。
[0105] 溶劑的合適的沸點為200°C以上,例如可適用α萜品醇、丁基卡必醇乙酸酯或二 甘醇二丁醚等。另外,在第1實施方式中使用了 α萜品醇。
[0106] 樹脂用來調(diào)整焊料基底層形成用膏(導電性組成物)的粘度,合適的有在500°C以 上的溫度下被分解的樹脂,例如,可適用乙基纖維素、丙烯酸樹脂或醇酸樹脂等。另外,在第 1實施方式中使用了乙基纖維素。
[0107] 并且,在第1實施方式中添加了二羧酸系分散劑。另外,也可以不添加分散劑而構(gòu) 成焊料基底層形成用膏(導電性組合物)。作為二羧酸系分散劑,例如可使用CR0DA公司制 KD-15S。
[0108] 其次,參考圖4所示的流程圖對第1實施方式中所使用的焊料基底層形成用膏的 制造方法進行說明。
[0109] 首先,將所述銀粉末、玻璃粉末和結(jié)晶性氧化物粉末進行混合而生成混合粉末 (混合粉末形成工序S1)。并且,將溶劑、樹脂及分散劑進行混合而生成有機混合物(有機 物混合工序S2)。
[0110] 并且,通過混合機將混合粉末形成工序S1中所得到的混合粉末和有機物混合工 序S2中所得到的有機混合物進行預混合(預混合工序S3)。
[0111] 接著,利用具有多個輥子的輥磨機將預混合物一邊捏合一邊進行混合(混煉工序 S4)。
[0112] 利用膏過濾機過濾通過混煉工序S4而得到的混煉物質(zhì)(過濾工序S5)。
[0113] 由此制造出在第1實施方式中使用的焊料基底層形成用膏。
[0114] 作為在第1實施方式中使用的其他焊料基底層形成用膏,可舉出將二甘醇二丁醚 用作溶劑。
[0115] 此時,樹脂最優(yōu)選為在氮氣氣氛中可分解的丙烯樹脂。
[0116] 接著,參考圖8所示的流程圖對第1實施方式中所使用的其他焊料基底層形成用 膏的制造方法進行說明。
[0117] 首先,混合所述銀粉末、玻璃粉末和結(jié)晶性氧化物粉末而生成混合粉末(混合粉 末形成工序S1)。并且,混合溶劑和樹脂而生成有機混合物(有機物混合工序S2)。
[0118] 并且,通過混合機對混合粉末形成工序S1中所得到的混合粉末和有機物混合工 序S2中所得到的有機混合物進行預混合(預混合工序S3)。
[0119] 接著,利用具有多個輥子的輥磨機將預混合物一邊捏合一邊進行混合(混煉工序 S4)。
[0120] 利用膏過濾機過濾通過混煉工序S4而得到的混煉物質(zhì)(過濾工序S5)。
[0121] 由此制造出第1實施方式中所使用的其他焊料基底層形成用膏。
[0122] 接著,參考圖5的流程圖對第1實施方式的功率模塊的制造方法進行說明。
[0123] 首先,準備成為電路層12的鋁板以及成為金屬層13的鋁板,將這些鋁板分別經(jīng)由 釬料層壓于陶瓷基板11的一面及另一面,并進行加壓/加熱后冷卻,從而接合所述鋁板和 陶瓷基板11 (電路層及金屬層接合工序S11)。另外,該焊接溫度被設定為640°C?650°C。
[0124] 接著,在金屬層13的另一面涂布所述焊料基底層形成用膏(第1焊料基底層形成 用膏涂布工序S12)。另外,在涂布焊料基底層形成用膏時可采用網(wǎng)版印刷法、膠版印刷法、 感光性工藝等各種方法。
[0125] 在金屬層13的另一面涂布有焊料基底層形成用膏的狀態(tài)下裝入到加熱爐內(nèi)進行 焊料基底層形成用膏的燒成(第1燒成工序S13)。由此,形成第lAg燒成層(未圖示)。另 夕卜,此時的燒成溫度被設定為350°C?645°C,更優(yōu)選被設定為450°C?620°C。
[0126] 并且,經(jīng)由焊錫材將散熱板21層壓于第lAg燒成層,并在還原爐內(nèi)進行焊接(散 熱板接合工序S14)。
[0127] 由此,在金屬層13與散熱板21之間形成具有第1玻璃層41、分散有結(jié)晶性氧化物 顆粒44的第lAg層42和第1焊料層43的第1接合部40,制造出第1實施方式的帶散熱板 的功率模塊用基板20。
[0128] 接著,將冷卻器31層壓于散熱板21的另一面?zhèn)炔⑼ㄟ^固定螺釘22進行固定(冷 卻器層壓工序S15)。
[0129] 并且,將所述焊料基底層形成用膏涂布于電路層12的一面(第2焊料基底層形成 用膏涂布工序S16)。另外,在涂布焊料基底層形成用膏時,可采用網(wǎng)版印刷法、膠版印刷法 或感光性工藝等各種方法。在第1實施方式中,通過網(wǎng)版印刷法將焊料基底層形成用膏形 成為圖案形狀。
[0130] 在電路層12的一面涂布有焊料基底層形成用膏的狀態(tài)下裝入到加熱爐內(nèi)進行焊 料基底層形成用膏的燒成(第2燒成工序S17)。由此,形成第2Ag燒成層(未圖示)。另 夕卜,此時的燒成溫度被設定為350°C?645°C。
[0131] 并且,經(jīng)焊錫材將半導體元件3載置于第2Ag燒成層的表面并在還原爐內(nèi)進行焊 接(半導體元件接合工序S18)。
[0132] 由此,在電路層12與半導體元件3之間形成有具有第2玻璃層51、分散有結(jié)晶性 氧化物顆粒54的第2Ag層52和第2焊料層53的第2接合部50,制造出第1實施方式的功 率模塊1。
[0133] 具有上述結(jié)構(gòu)的第1實施方式的功率模塊1中,在金屬層13與散熱板21之間形成 有具有第1玻璃層41、第lAg層42和第1焊料層43的第1接合部40,在電路層12與半導 體元件3之間形成有具有第2玻璃層51、第2Ag層52和第2焊料層53的第2接合部50。 該第lAg層42及第2Ag層52中含有結(jié)晶性氧化物顆粒44、54。因此,在焊接工序中,能夠 抑制Ag向液相焊料內(nèi)部擴散,并能夠維持形成Ag層。并且,即使在被負載功率循環(huán)及熱循 環(huán)的情況下,也能夠抑制在由4N鋁構(gòu)成的金屬層13及電路層12的表面產(chǎn)生彎曲或折皺。 由此,散熱板21與金屬板13的接合可靠性以及半導體元件3和電路層12的接合可靠性提 高,通過散熱板21能夠使熱量有效地擴散。
[0134] 并且,在第1實施方式中,結(jié)晶性氧化物顆粒44、54通過由氧化鈦、氧化硅和氧化 鋅中的任1種或2種以上構(gòu)成的顆粒而構(gòu)成,因此抑制Ag向焊料擴散的效果明顯。
[0135] 并且,第1玻璃層41形成于金屬層13的另一面,第2玻璃層51形成于電路層12 的一面,因此通過這些第1玻璃層41及第2玻璃層51能夠去除存在于金屬層13及電路層 12的表面的氧化皮膜,并且可經(jīng)由焊錫材可靠地接合金屬層13和散熱板21及電路層12和 半導體元件3。從而,無需在金屬層13及電路層12的表面設置鍍Ni膜。
[0136] 另外,在第1實施方式中,在搭載半導體兀件3的電路層12的一面形成的第2玻 璃層51的內(nèi)部分散有平均粒徑為數(shù)納米程度的微細的導電顆粒,因此在第2玻璃層51中 確保了導電性,能夠?qū)㈦娐穼?2和半導體元件3電連接。
[0137] 另外,根據(jù)具有上述結(jié)構(gòu)的第1實施方式的焊料基底層形成用膏,具備結(jié)晶性氧 化物粉末和銀粉末,并且通過燒成銀粉末形成Ag層,另外,可形成結(jié)晶性氧化物顆粒44、54 分散于所述Ag層內(nèi)部的焊料基底層。并且,經(jīng)由焊錫材將被接合部件接合于電路層12及 金屬層13的情況下,分散于Ag層內(nèi)部的結(jié)晶性氧化物顆粒44、54在進行焊接時能夠抑制 焊料向Ag擴散,從而維持第lAg層42和第2Ag層52的形成,能夠抑制在第1焊料層43和 第2焊料層53中產(chǎn)生龜裂。因此,即使在被負載熱循環(huán)時仍殘留有Ag膜,因此能夠抑制鋁 表面的塑性變形,其結(jié)果能夠抑制在電路層12及金屬層13產(chǎn)生彎曲或折皺。
[0138] 并且,由于具備玻璃粉末和銀粉末,且通過燒成所生成的焊料基底層具備由玻璃 粉末軟化而形成的玻璃層41、51和在玻璃層41、51上燒結(jié)有銀粉末的Ag層42、52,因此玻 璃層41、51與電路層12及金屬層13的鋁氧化皮膜進行反應而去除鋁氧化皮膜,由此能夠 形成直接接合于電路層12及金屬層13的表面的焊料基底層。并且,導電顆粒分散于玻璃 層51的內(nèi)部,因此通過該導電顆粒而確保了導電性。
[0139] 從而,例如經(jīng)由焊錫材將半導體元件3接合于電路層12上的情況下,通過燒成該 焊料基底層形成用膏而得到的焊料基底層,能夠使電路層12和半導體元件3導通,并且能 夠構(gòu)成功率模塊1等半導體裝置。即通過使用焊料基底層形成用膏能夠形成導電性良好的 焊料基底層。
[0140] 并且,因為導電性良好而能夠作為熱傳遞性優(yōu)異的焊料基底層,并且從功率模塊 用基板向散熱板有效地傳遞熱量。
[0141] 并且,銀粉末的含量為60質(zhì)量%以上,因此能夠可靠地形成具有上述導電性的焊 料基底層。并且,銀粉末的含量為90質(zhì)量%以下,因此流動性得到確保,并且可涂布于電路 層12及金屬層13。
[0142] 并且,銀粉末的重量A和玻璃粉末的重量G之比A/G被設定在80/20至99/1的范 圍內(nèi),因此能夠可靠地形成玻璃層41、51和Ag層42、52。
[0143] 另外,在銀粉末的重量A與結(jié)晶性氧化物粉末的重量0的重量比A/0中,結(jié)晶性氧 化物粉末的重量〇為90/10以下,因此無需增大上述焊料基底層的電阻值而能夠形成導電 性良好的焊料基底層。因?qū)щ娦粤己枚軌蜃鳛闊醾鬟f性也優(yōu)異的焊料基底層。并且,在 銀粉末的重量A和結(jié)晶性氧化物粉末的重量0之比A/0中,結(jié)晶性氧化物粉末的重量0為 99/1以上,因此通過分散于Ag層42、52中的結(jié)晶性氧化物顆粒44、54而能夠抑制Ag向焊 料的擴散。
[0144] 并且,結(jié)晶性氧化物粉末選自氧化鈦、氧化硅及氧化鋅,因此若分散于與焊接的Ag 層中,則能夠抑制Ag向焊料內(nèi)部擴散。
[0145] 并且,玻璃粉末的軟化溫度為600°C以下,因此即使以較低溫度燒成該焊料基底層 形成用膏,玻璃也能夠流動,因此能夠形成焊料基底層,在燒成焊料基底層形成用膏時,也 能夠防止由鋁或鋁合金構(gòu)成的電路層12及金屬層13劣化。
[0146] 并且,玻璃粉末含有氧化鉛、氧化鋅、氧化硅、氧化棚、氧化磷及氧化鉍中的任1種 或2種以上,因此其軟化溫度較低,可將燒成溫度設定得較低。并且,結(jié)晶性溫度較高,在焊 料基底層形成用膏內(nèi)部的流動性得到確保,能夠提高電路層12及金屬層13的附著性。
[0147] 另外,銀粉末的粒徑為0. 05 μ m以上且1. 0 μ m以下,因此將該焊料基底層形成用 膏涂布于電路層12及金屬層13時,導電顆粒均勻地分散,并通過燒成該焊料基底層形成用 膏,可均勻地形成具有導電性的焊料基底層。
[0148] 接著,參考圖6、圖7對本發(fā)明的第2實施方式的功率模塊101及帶冷卻器的功率 模塊用基板130進行說明。另外,在該第2實施方式中將冷卻器131用作散熱器。
[0149] 該功率模塊101具備:配設有電路層112及金屬層113的功率模塊用基板110 ;搭 載于電路層112的一面(圖6中為上表面)的半導體元件103 ;及層壓于功率模塊用基板 110的另一面?zhèn)鹊睦鋮s器131。
[0150] 功率模塊用基板110具備:構(gòu)成絕緣層的陶瓷基板111 ;配設于該陶瓷基板111的 一面(圖6中為上表面)的電路層112 ;配設于陶瓷基板111的另一面(圖6中為下表面) 的金屬層113 ;及配設于金屬層113的另一面?zhèn)鹊木彌_層115。
[0151] 陶瓷基板111防止電路層112與金屬層113之間的電連接,并由絕緣性高的 A1N (氮化鋁)構(gòu)成。
[0152] 通過具有導電性的金屬板接合于陶瓷基板111上而形成電路層112及金屬層113。
[0153] 在第2實施方式中,通過由純度99. 99%以上的鋁(所謂的4N鋁)的軋制板構(gòu)成 的鋁板接合于陶瓷基板111而形成電路層112及金屬層113。
[0154] 緩沖層115由鋁或鋁合金、銅或銅合金或者含鋁的復合材料(例如AlSip等)構(gòu) 成。
[0155] 如圖6所示,冷卻器131具備用于使冷卻介質(zhì)(例如冷卻水)流通的流路132。優(yōu) 選地,冷卻器131由導熱性良好的材質(zhì)構(gòu)成,在第2實施方式中由A6063(錯合金)構(gòu)成。
[0156] 并且,如圖7所示,在由A6063(鋁合金)構(gòu)成的冷卻器131與緩沖層115之間的 第1接合部140,具備:形成于冷卻器131的一面的第1玻璃層141 ;層壓于該第1玻璃層 141的第lAg層142 ;及層壓于該第lAg層142的第1焊料層143。其中,在第lAg層142中 分散有結(jié)晶性氧化物顆粒144??衫门c第1實施方式相同的焊料基底層形成用膏形成第 lAg 層 142。
[0157] 在具有上述結(jié)構(gòu)的第2實施方式的功率模塊101及帶冷卻器的功率模塊用基板 130中,由鋁合金構(gòu)成的冷卻器131與功率模塊用基板110的緩沖層115之間形成有具有第 1玻璃層141、第lAg層142和第1焊料層143的第1接合部140。另外,在第lAg層142中 分散有結(jié)晶性氧化物顆粒144,因此在進行焊接時能夠抑制Ag向焊料內(nèi)部擴散。其結(jié)果,可 抑制在由鋁合金構(gòu)成的冷卻器131的表面上產(chǎn)生彎曲或折皺。由此,冷卻器131與功率模 塊用基板110的接合可靠性提高,通過冷卻器131能夠有效地冷卻功率模塊用基板110。
[0158] 以上,對本發(fā)明的各實施方式進行了說明,然而,本發(fā)明并不限定于此,在不脫離 本發(fā)明的技術思想的范圍內(nèi)可進行適當?shù)淖兏?br>
[0159] 例如,舉例說明了在功率模塊中使用的焊接結(jié)構(gòu),然而,并不限定于此,只要能夠 接合鋁部件(電極部件)與被接合部件則對用途并無限定。尤其,適用于與LED元件、珀耳 帖元件等產(chǎn)生功率循環(huán)或熱循環(huán)的元件的接合部件。
[0160] 并且,作為散熱器,利用散熱板及冷卻器已進行說明,然而,并不限定于此,也可以 是形成有散熱片的空冷/液冷散熱器或熱管等。
[0161] 并且,在本發(fā)明的各實施方式中,已說明構(gòu)成電路層及金屬層的金屬板為純度 99. 99%的純鋁軋制板,然而,并不限定于此,也可以是純度99%的鋁(2N鋁)。
[0162] 另外,對于將由A1N構(gòu)成的陶瓷基板用作絕緣層的情況進行了說明,然而,并不限 定于此,也可以使用由Si 3N4或A1203等構(gòu)成的陶瓷基板,也可以通過絕緣樹脂構(gòu)成絕緣層。
[0163] 并且,構(gòu)成電路層及金屬層的金屬板也可以為由其他鋁或鋁合金構(gòu)成的鋁部件, 也可為由銅或銅合金構(gòu)成的銅部件,也可為由其他金屬構(gòu)成的金屬部件。
[0164] 并且,在第1實施方式中,已說明將金屬層接合于散熱板的情況,然而,并不限定 于此,也可以構(gòu)成為金屬層接合于冷卻器、形成有散熱片的空冷/液冷散熱器或熱管等散 熱器。
[0165] 另外,對于將由A1N構(gòu)成的陶瓷基板用作絕緣層的情況進行了說明,然而,并不限 定于此,也可以使用由Si 3N4或A1203等構(gòu)成的陶瓷基板,也可以通過絕緣樹脂構(gòu)成絕緣層。
[0166] 并且,關于焊料基底層形成用膏原料的調(diào)配量,并不限定于各實施方式中所記載 的調(diào)配量,也可以使用其他玻璃粉末、樹脂、溶劑及分散劑。軟化溫度為金屬部件(鋁等) 的熔點以下即可,更優(yōu)選為600°C以下即可。
[0167] 并且,作為樹脂也可以使用丙烯樹脂及醇酸樹脂。另外,作為溶劑也可以使用 α -萜品醇、丁基卡必醇乙酸酯或二甘醇二丁醚等。
[0168] 實施例
[0169] 以下,關于為確認本發(fā)明效果而進行的確認實驗結(jié)果進行說明。
[0170] 在由純度99. 99 %以上的鋁板構(gòu)成的電路層上,形成燒成表1及表2所示組成的焊 料基底層形成用膏而成的燒成層,在該燒成層上,利用Sn-Ag-Cu系無鉛焊料在還原爐內(nèi)接 合半導體元件。表1及表2的A/G指(銀粉末的重量V(玻璃粉末的重量),A/0指(銀粉 末的重量V (結(jié)晶性氧化物粉末的重量)。另外,焊料基底層形成用膏的涂布厚度為10 μ m。 并且,燒成溫度為575°C,燒成時間為10分鐘。由此,獲得燒成層的厚度約為8 μ m且玻璃層 厚度約為1 μ m的Ag燒成層(焊料基底層)。
[0171] 另外,作為玻璃粉末,實施例1?實施例6中使用了無鉛Bi203-Zn0-B 203系(?;?溫度:352°C、軟化溫度402°C )的玻璃料。
[0172] 在實施例7?實施例15以及比較例1?比較例2中,作為玻璃粉末使用了具有表 2中所記載的軟化溫度的無鉛Bi 203-Zn0-B203系玻璃料。
[0173] 另外,所使用的陶瓷基板由A1N構(gòu)成,30mmX 20mm,厚度為0. 6mm。
[0174] 并且,所使用的電路層及金屬層由4N錯構(gòu)成,13mmX 10mm,厚度為0. 6mm。
[0175] 所使用的半導體元件被用作IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)元件(加熱片), 12. 5mmX 9. 5mm,厚度為 0· 25mm。
[0176] (功率循環(huán)試驗)
[0177] 對于如同上述而獲得的試驗片的IGBT元件(加熱片),在15VU50A的通電條件 下,以通電2秒鐘、斷電(冷卻時間)8秒鐘的條件重復進行通電,使IGBT元件(加熱片) 的溫度在30°C至130°C的范圍內(nèi)變化。實施該功率循環(huán)10萬次。
[0178] (Ag層殘留部的比例評價)
[0179] 在進行功率循環(huán)試驗之后,利用金剛石鋸切斷試驗片,對剖面進行樹脂包埋后進 行研磨并通過ΕΡΜΑ進行元素分析(映射)。利用ΕΡΜΑ對焊接部剖面進行分析而分類成焊 料層、Ag侵蝕層和Ag層殘留部,并對Ag層殘留部/Ag層整體的剖面面積比例進行了評價。 另外,Ag層整體為燒成焊接之前的焊料基底層形成用膏時的Ag層的整個剖面面積。
[0180] (熱阻測定)
[0181] 測定了功率循環(huán)試驗時的初始熱阻和試驗后的熱阻。如下進行熱阻測定。用100W 的電力加熱IGBT元件(加熱片),并利用熱電偶來測定IGBT元件(加熱片)的溫度。并 且,對冷卻器(散熱器)中流通的冷卻介質(zhì)(乙二醇:水=9 :1)的溫度進行實測。然后,將 加熱片的溫度與冷卻介質(zhì)的溫度差除以功率的值作為熱阻,算出進行功率循環(huán)試驗之后的 熱阻相對于初始熱阻的上升率。
[0182] (Ag層中的結(jié)晶性氧化物顆粒的確認)
[0183] 結(jié)晶性氧化物顆粒不像玻璃料那樣在熱處理時流動,且不易與其他物質(zhì)進行反 應,因此以剛進行添加的狀態(tài)存在于Ag膜中。因此,可通過如同SEM的剖面觀察方法確認 氧化物顆粒。并且,也可利用所謂EDS或ΕΡΜΑ的分析方法確認氧化物的種類。
[0184]
【權(quán)利要求】
1. 一種焊接結(jié)構(gòu),利用焊錫材接合由鋁或鋁合金構(gòu)成的鋁部件和被接合部件,其特征 在于,具備: 形成于所述鋁部件表面的玻璃層;層壓于該玻璃層的Ag層;及層壓于所述Ag層的焊 料層, 所述Ag層中分散有結(jié)晶性氧化物顆粒。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊接結(jié)構(gòu),其特征在于, 所述結(jié)晶性氧化物顆粒由氧化鈦、氧化硅和氧化鋅中的任1種或2種以上構(gòu)成。
3. -種功率模塊,其具備由所述鋁部件構(gòu)成的電路層配設于絕緣層的一面的功率模塊 用基板和接合于所述電路層的一面的半導體元件,所述功率模塊的特征在于, 所述電路層和所述半導體元件的接合部為權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的焊接結(jié)構(gòu)。
4. 一種帶散熱器的功率模塊用基板,具備:功率模塊用基板,電路層配設于絕緣層的 一面;及散熱器,接合于該功率模塊用基板的另一面?zhèn)?,所述帶散熱器的功率模塊用基板的 特征在于, 所述散熱器的接合面及所述功率模塊用基板的接合面中的至少一個接合面由所述鋁 部件構(gòu)成, 所述散熱器和所述功率模塊用基板的接合部為權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的焊接結(jié) 構(gòu)。
5. -種焊接結(jié)構(gòu)的制造方法,利用焊錫材接合由鋁或鋁合金構(gòu)成的鋁部件和被接合部 件,所述焊接結(jié)構(gòu)的制造方法的特征在于,具備: 涂布工序,將含有玻璃及結(jié)晶性氧化物顆粒的焊料基底層形成用膏涂布于所述鋁部件 的表面;燒成工序,在涂布有所述焊料基底層形成用膏的狀態(tài)下,進行加熱處理而燒成所述 焊料基底層形成用膏;及焊接工序,經(jīng)由焊錫材將所述被接合部件焊接于由所述焊料基底 層形成用膏的燒成體構(gòu)成的Ag燒成層的表面, 所述Ag燒成層中分散有結(jié)晶性氧化物顆粒。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的焊接結(jié)構(gòu)的制造方法,其特征在于, 所述結(jié)晶性氧化物顆粒由氧化鈦、氧化硅和氧化鋅中的任1種或2種以上構(gòu)成。
7. -種功率模塊的制造方法,所述功率模塊具備由所述鋁部件構(gòu)成的電路層配設于絕 緣層的一面的功率模塊用基板和接合于所述電路層的一面的半導體元件,并且所述電路層 和所述半導體元件為焊接部,所述功率模塊的制造方法的特征在于, 所述焊接部通過權(quán)利要求5或權(quán)利要求6所述的焊接結(jié)構(gòu)的制造方法而形成。
8. -種帶散熱器的功率模塊用基板的制造方法,所述帶散熱器的功率模塊用基板具備 電路層配設于絕緣層的一面的功率模塊用基板和接合于該功率模塊用基板的另一面?zhèn)鹊?散熱器,所述散熱器的接合面及所述功率模塊用基板的接合面中的至少一個接合面由所述 鋁部件構(gòu)成,所述散熱器和所述功率模塊用基板為焊接部,所述帶散熱器的功率模塊用基 板的制造方法的特征在于, 所述焊接部通過權(quán)利要求5或權(quán)利要求6所述的焊接結(jié)構(gòu)的制造方法而形成。
9. 一種焊料基底層形成用膏,其配設于金屬部件上,并通過燒成在所述金屬部件上形 成焊料基底層,所述焊料基底層形成用膏的特征在于, 含有銀粉末、玻璃粉末、結(jié)晶性氧化物粉末、樹脂及溶劑。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的焊料基底層形成用膏,其特征在于, 所述銀粉末的含量為60質(zhì)量%以上且90質(zhì)量%以下, 就所述玻璃粉末而言,所述銀粉末的重量A和所述玻璃粉末的重量G之比A/G被設定 在80/20至99/1的范圍內(nèi), 就所述結(jié)晶性氧化物粉末而言,所述銀粉末的重量A和所述結(jié)晶性氧化物粉末的重量 0之比A/Ο被設定在90/10至99/1的范圍內(nèi)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9或權(quán)利要求10所述的焊料基底層形成用膏,其特征在于, 所述結(jié)晶性氧化物粉末由氧化鈦、氧化硅和氧化鋅中的任1種或2種以上構(gòu)成。
12. 根據(jù)權(quán)利要求9至權(quán)利要求11中任一項所述的焊料基底層形成用膏,其特征在于, 所述玻璃粉末的軟化溫度為600°C以下。
13. 根據(jù)權(quán)利要求9至權(quán)利要求12中任一項所述的焊料基底層形成用膏,其特征在于, 所述玻璃粉末含有氧化鉛、氧化鋅、氧化硅、氧化棚、氧化磷及氧化鉍中的任1種或2種 以上。
14. 根據(jù)權(quán)利要求9至權(quán)利要求13中任一項所述的焊料基底層形成用膏,其特征在于, 所述銀粉末的粒徑為〇. 05 μ m以上且1. 0 μ m以下。
【文檔編號】B23K1/00GK104126226SQ201380008901
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2013年2月14日 優(yōu)先權(quán)日:2012年2月14日
【發(fā)明者】西元修司, 西川仁人, 長友義幸 申請人:三菱綜合材料株式會社