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JP5585407B2 - Conductive composition - Google Patents

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JP5585407B2 JP2010255184A JP2010255184A JP5585407B2 JP 5585407 B2 JP5585407 B2 JP 5585407B2 JP 2010255184 A JP2010255184 A JP 2010255184A JP 2010255184 A JP2010255184 A JP 2010255184A JP 5585407 B2 JP5585407 B2 JP 5585407B2
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Description

この発明は、半導体素子が搭載されるアルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層上に配設され、焼成することによって前記回路層と導通する導電接合層を形成する導電性組成物に関するものである。   The present invention relates to a conductive composition that is disposed on a circuit layer made of aluminum or an aluminum alloy on which a semiconductor element is mounted, and forms a conductive bonding layer that conducts with the circuit layer by firing.

半導体素子が搭載される半導体装置としては、例えば電力供給のためのパワーモジュール等が挙げられる。このパワーモジュールは発熱量が比較的高いため、これを搭載する基板としては、例えば、AlN(窒化アルミ)からなるセラミックス基板上にAl(アルミニウム)の金属板がAl−Si系のろう材を介して接合されたパワーモジュール用基板が広く用いられている。
この金属板は回路層とされ、回路層の上には、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、セラミックス基板の下面にも放熱のためにAl等の金属板が接合されて金属層とされ、この金属層を介して冷却器が接合されたものが提案されている。
Examples of the semiconductor device on which the semiconductor element is mounted include a power module for supplying power. Since this power module has a relatively high calorific value, for example, an AlN (aluminum) metal plate is placed on a ceramic substrate made of AlN (aluminum nitride) with an Al-Si brazing material interposed between them. A power module substrate joined together is widely used.
This metal plate is used as a circuit layer, and a semiconductor element as a power element is mounted on the circuit layer via a solder material. It has been proposed that a metal plate such as Al is joined to the lower surface of the ceramic substrate to form a metal layer for heat dissipation, and a cooler is joined via the metal layer.

ここで、アルミニウム又はアルミニウム合金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。
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。
また、特許文献2には、はんだ材を用いずに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。
Here, in the circuit layer made of aluminum or an aluminum alloy, an aluminum oxide film is formed on the surface, so that it is not possible to perform good bonding with the solder material.
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.
Patent Document 2 proposes a technique for joining semiconductor elements using Ag nanopaste without using a solder material.

特開2004−172378号公報JP 2004-172378 A 特開2006−202938号公報JP 2006-202938 A

ところで、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、パワーモジュール用基板に冷却器を接合する場合には、回路層表面にNiめっき膜を形成した後にろう付け等を行うとNiめっき膜が劣化してしまうため、パワーモジュール用基板と冷却器とをろう付けして冷却器付パワーモジュール用基板を形成した後に、めっき浴内にこの冷却器付パワーモジュール用基板全体を浸漬させていた。   By the way, 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, when the cooler is joined to the power module substrate, the Ni plating film is formed on the surface of the circuit layer. When the brazing or the like is performed after forming the Ni plating film, the Ni plating film deteriorates. Therefore, after the power module substrate and the cooler are brazed to form the power module substrate with a cooler, this is put in the plating bath. The whole board | substrate for power modules with a cooler was immersed.

このため、冷却器等の回路層以外の部分にもNiめっき膜が形成されることになる。ここで、冷却器がアルミニウム及びアルミニウム合金で構成されていた場合には、アルミニウムからなる冷却器とNiめっき膜との間で電食が進行するおそれがある。したがって、Niめっき工程においては、冷却器部分にNiめっき膜が形成されないようにマスキング処理を行う必要があった。このように、マスキング処理をした上でめっき処理をすることになるため、回路層部分にNiめっき膜を形成するのには多大な労力が必要であり、パワーモジュールの製造コストが大幅に増加するといった問題があった。
さらに、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。
For this reason, the Ni plating film is also formed on portions other than the circuit layer such as a cooler. Here, when the cooler is made of aluminum and an aluminum alloy, there is a possibility that electrolytic corrosion proceeds between the cooler made of aluminum and the Ni plating film. Therefore, in the Ni plating process, it is necessary to perform a masking process so that the Ni plating film is not formed on the cooler portion. As described above, since the plating process is performed after the masking process is performed, a great amount of labor is required to form the Ni plating film on the circuit layer portion, and the manufacturing cost of the power module is greatly increased. There was a problem.
Furthermore, in the process until the semiconductor element is bonded, the surface of the Ni plating film is deteriorated due to oxidation or the like, and there is a possibility that the reliability of bonding with the semiconductor element bonded via the solder material may be lowered.

一方、特許文献2に開示されたAgナノペーストにおいては、アルミニウムからなる回路層上に半導体素子を接合する場合、回路層の表面にアルミニウムの酸化皮膜が形成されていることから、やはり、アルミニウム表面にAgやNiからなる介在層を形成する必要があった(特許文献2段落番号0014参照)。
以上のことから、Niめっき膜を設けることなく、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層とはんだ層とを導通させる導電接合層を形成することができる導電性組成物が求められていた。
On the other hand, in the Ag nanopaste disclosed in Patent Document 2, when a semiconductor element is bonded on a circuit layer made of aluminum, an aluminum oxide film is formed on the surface of the circuit layer. It was necessary to form an intervening layer made of Ag or Ni (see paragraph No. 0014 of Patent Document 2).
In view of the above, there has been a demand for a conductive composition that can form a conductive bonding layer that electrically connects a circuit layer made of aluminum or an aluminum alloy and a solder layer without providing a Ni plating film.

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、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層上に配設され、焼成によって前記回路層表面に自然発生したアルミニウム酸化皮膜と反応して前記回路層と導通する導電接合層を形成することが可能な導電性組成物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 is arranged on a circuit layer made of aluminum or an aluminum alloy, and reacts with an aluminum oxide film naturally generated on the surface of the circuit layer by firing to react the circuit. It is an object of the present invention to provide a conductive composition capable of forming a conductive bonding layer that is electrically connected to a layer.

このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明の導電性組成物は、セラミックス基板の一方の面に配設されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層を有するパワーモジュール用基板に用いられ、前記回路層上に配設され、焼成されることによって前記回路層と導通する導電接合層を形成するための導電性組成物であって、銀粉末と、ZnOを含有する無鉛ガラス粉末と、樹脂と、溶剤と、を含有し、前記銀粉末及び前記無鉛ガラス粉末からなる粉末成分の含有量が、60質量%以上90質量%以下とされ、前記粉末成分中における前記銀粉末の重量Aと前記無鉛ガラス粉末の重量Gの比A/Gが、80/20から99/1の範囲内に設定されており、焼成することにより生成される前記導電接合層が、前記無鉛ガラス粉末が軟化して形成される無鉛ガラス層と、前記無鉛ガラス層上に銀粉末が焼結されたAg層と、を備えており、前記無鉛ガラス層内部に導電性粒子が分散されており、前記無鉛ガラス粉末のガラス転移温度が300℃以上450℃以下とされていることを特徴としている。 In order to solve such problems and achieve the above object, the conductive composition of the present invention is for a power module having a circuit layer made of aluminum or aluminum alloy disposed on one surface of a ceramic substrate. A conductive composition for forming a conductive bonding layer that is used for a substrate, disposed on the circuit layer, and baked to be electrically connected to the circuit layer, wherein the lead-free composition contains silver powder and ZnO The silver powder in the powder component contains glass powder, resin, and solvent, and the content of the powder component consisting of the silver powder and the lead-free glass powder is 60% by mass or more and 90% by mass or less. The ratio A / G between the weight A of the lead-free glass powder and the weight G of the lead-free glass powder is set in the range of 80/20 to 99/1, and the conductive bonding layer produced by firing is the lead-free A lead-free glass layer Las powder is formed by softening, and Ag layer of silver powder is sintered on the Pb-free glass layer, and wherein the lead-free glass layer inside the conductive particles are dispersed The lead-free glass powder has a glass transition temperature of 300 ° C. or higher and 450 ° C. or lower .

この構成の導電性組成物によれば、ZnOを含有する無鉛ガラス粉末と銀粉末とを備えており、焼成することにより生成される前記導電接合層が、前記無鉛ガラス粉末が軟化して形成される無鉛ガラス層と、前記無鉛ガラス層上に銀粉末が焼結されたAg層と、を備えているので、前記無鉛ガラス層が前記回路層表面のアルミニウム酸化皮膜と反応することになり、前記回路層表面に直接接合された導電接合層を形成することが可能となる。また、前記無鉛ガラス層内部に導電性粒子が分散されているので、この導電性粒子によって導電性が確保されることになる。よって、例えば、回路層上にはんだ材を介して半導体素子を接合する場合において、この導電性組成物を焼成して得られる導電接合層によって回路層と半導体素子とを導通させることが可能となり、パワーモジュール等の半導体装置を構成することができる。すなわち、この導電性組成物を用いることにより、はんだ下地層(導電接合層)を形成することが可能となる。
なお、本発明における導電性組成物は、焼成することによって導電性を有する導電接合層を形成するものであり、焼成前の導電性組成物自体が導電性を有する必要はない。
According to the conductive composition of this configuration, the lead-free glass powder containing ZnO and the silver powder are provided, and the conductive bonding layer generated by firing is formed by softening the lead-free glass powder. Since the lead-free glass layer and the Ag layer obtained by sintering silver powder on the lead-free glass layer, the lead-free glass layer reacts with the aluminum oxide film on the surface of the circuit layer, It is possible to form a conductive bonding layer bonded directly to the circuit layer surface. Moreover, since electroconductive particle is disperse | distributed inside the said lead-free glass layer, electroconductivity is ensured by this electroconductive particle. Therefore, for example, in the case where a semiconductor element is bonded onto a circuit layer via a solder material, the circuit layer and the semiconductor element can be made conductive by a conductive bonding layer obtained by firing this conductive composition. A semiconductor device such as a power module can be configured. That is, by using this conductive composition, a solder underlayer (conductive bonding layer) can be formed.
In addition, the electrically conductive composition in this invention forms the electroconductive joining layer which has electroconductivity by baking, and the electroconductive composition itself before baking does not need to have electroconductivity.

また、前記銀粉末及び前記無鉛ガラス粉末からなる粉末成分の含有量が60質量%以上とされているので、上述の導電接合層を確実に形成することができる。また、前記銀粉末及び前記無鉛ガラス粉末からなる粉末成分の含有量が90質量%以下とされているので、流動性が確保され、回路層上に塗布することが可能となる。
さらに、前記銀粉末の重量Aと前記無鉛ガラス粉末の重量Gの比A/Gが、80/20から99/1の範囲内に設定されているので、無鉛ガラス層とAg層とを確実に形成することができる。
Moreover, since content of the powder component which consists of the said silver powder and the said lead-free glass powder shall be 60 mass% or more, the above-mentioned conductive joining layer can be formed reliably. Moreover, since content of the powder component which consists of the said silver powder and the said lead-free glass powder shall be 90 mass% or less, fluidity | liquidity is ensured and it becomes possible to apply | coat on a circuit layer.
Furthermore, since the ratio A / G of the weight A of the silver powder and the weight G of the lead-free glass powder is set within the range of 80/20 to 99/1, the lead-free glass layer and the Ag layer can be securely connected. Can be formed.

さらに、前記無鉛ガラス粉末のガラス転移温度が300℃以上450℃以下とされているので、ZnOを含有する無鉛ガラス粉末が良好に基板と反応し、十分な密着を得ることができるので、比較的低温で焼成しても導電接合層を確実に形成することができる。 Further, since the glass transition temperature of the Pb-free glass powder is a 300 ° C. or higher 450 ° C. or less, lead-free glass powder containing ZnO is reacted well to the substrate, it is possible to obtain sufficient adhesion, relatively Even when fired at a low temperature, the conductive bonding layer can be reliably formed.

さらに、前記無鉛ガラス粉末の軟化温度が600℃以下、かつ、結晶化温度が450℃以上とされていることが好ましい。
この場合、無鉛ガラス粉末の軟化温度が600℃以下とされているので、比較的低温でこの導電性組成物を焼成してもガラスが流動するので導電接合層を形成することが可能となり、導電性組成物を焼成する際にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層が劣化することを防止することができる。
また、無鉛ガラス粉末の結晶化温度が450℃未満であると、導電性組成物内部での流動性が劣化し、回路層との界面での反応が不十分となり、密着性が低下するおそれがある。このため、無鉛ガラス粉末の結晶化温度を450℃以上とした。
Furthermore, it is preferable that the softening temperature of the lead-free glass powder is 600 ° C. or lower and the crystallization temperature is 450 ° C. or higher.
In this case, since the softening temperature of the lead-free glass powder is 600 ° C. or less, the glass flows even when the conductive composition is fired at a relatively low temperature, so that a conductive bonding layer can be formed and It is possible to prevent a circuit layer made of aluminum or an aluminum alloy from being deteriorated when the functional composition is fired.
Further, if the crystallization temperature of the lead-free glass powder is less than 450 ° C., the fluidity inside the conductive composition is deteriorated, the reaction at the interface with the circuit layer becomes insufficient, and the adhesion may be lowered. is there. For this reason, the crystallization temperature of the lead-free glass powder is set to 450 ° C. or higher.

また、前記無鉛ガラス粉末のガラス組成が、Bi:68質量%以上93質量%以下、ZnO:1質量%以上20質量%以下、B:1質量%以上11質量%以下、SiO:5質量%以下、Al:5質量%以下、Fe:5質量%以下、CuO:5質量%以下、CeO:5質量%以下、ZrO: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、とされていることが好ましい。
これらの酸化物を含有した無鉛ガラス粉末は、その軟化温度が比較的低くなり、焼成温度を低く設定することができる。また、結晶化温度が比較的高くなり、導電性組成物内部での流動性が確保され、回路層との密着性が向上することになる。
ここで、アルカリ金属酸化物の含有量は、LiO、NaO、KO等のアルカリ金属の酸化物の合計量とする。
また、アルカリ土類金属酸化物の含有量は、MgO、CaO、BaO、SrO等のアルカリ土類金属の酸化物の合計量とする。
The glass composition of the lead-free glass powder, Bi 2 O 3: 68 wt% or more 93 wt% or less, ZnO: 1% by weight to 20% by weight, B 2 O 3: 1 wt% to 11 wt% or less, SiO 2 : 5 mass% or less, Al 2 O 3 : 5 mass% or less, Fe 2 O 3 : 5 mass% or less, CuO: 5 mass% or less, CeO 2 : 5 mass% or less, ZrO 2 : 5 mass% or less Alkali metal oxides: 2% by mass or less, alkaline earth metal oxides: 7% by mass or less are preferable.
The lead-free glass powder containing these oxides has a relatively low softening temperature, and the firing temperature can be set low. In addition, the crystallization temperature becomes relatively high, the fluidity inside the conductive composition is ensured, and the adhesion with the circuit layer is improved.
Here, the content of the alkali metal oxide is the total amount of alkali metal oxides such as Li 2 O, Na 2 O, and K 2 O.
The content of the alkaline earth metal oxide is the total amount of alkaline earth metal oxides such as MgO, CaO, BaO, and SrO.

また、前記銀粉末の粒径が、0.05μm以上1.0μm以下とされていることが好ましい。
この場合、銀粉末の粒径が0.05μm以上1.0μm以下とされているので、この導電性組成物を回路層上に塗布した際に、導電性粒子が均一に分散することになり、この導電性組成物を焼成することによって均一な導電接合層を形成することが可能となり、導電接合層を介して半導体素子と回路層とを確実に導通させることができる。
Moreover, it is preferable that the particle size of the said silver powder shall be 0.05 micrometer or more and 1.0 micrometer or less.
In this case, since the particle size of the silver powder is 0.05 μm or more and 1.0 μm or less, the conductive particles are uniformly dispersed when this conductive composition is applied on the circuit layer, By firing this conductive composition, a uniform conductive bonding layer can be formed, and the semiconductor element and the circuit layer can be reliably conducted through the conductive bonding layer.

本発明によれば、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層上に配設され、焼成によって、前記回路層表面に自然発生したアルミニウム酸化皮膜と反応して前記回路層と導通する無鉛の導電接合層を形成することが可能な導電性組成物を提供することができる。   According to the present invention, the lead-free conductive bonding layer disposed on the circuit layer made of aluminum or an aluminum alloy and reacting with the aluminum oxide film naturally generated on the surface of the circuit layer by firing is electrically connected to the circuit layer. An electrically conductive composition that can be formed can be provided.

本発明の実施形態である導電性組成物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 electroconductive composition which is embodiment of this invention. 本発明の実施形態である導電性組成物を用いたパワーモジュールの概略説明図である。である。It is a schematic explanatory drawing of the power module using the electroconductive composition which is embodiment of this invention. It is. 本発明の実施形態であるパワーモジュール用基板を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the board | substrate for power modules which is embodiment of this invention. 回路層表面に形成された導電接合層の拡大説明図である。It is an expansion explanatory view of the conductive junction layer formed in the circuit layer surface. 本発明の実施形態において、導電接合層の厚さ方向の電気抵抗値Pの測定方法を示す上面説明図である。In embodiment of this invention, it is upper surface explanatory drawing which shows the measuring method of the electrical resistance value P of the thickness direction of a conductive joining layer. 本発明の実施形態において、導電接合層の厚さ方向の電気抵抗値Pの測定方法を示す側面説明図である。In embodiment of this invention, it is side explanatory drawing which shows the measuring method of the electrical resistance value P of the thickness direction of a conductive joining layer. 図2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.

以下に、本発明の実施形態である導電性組成物及びこの導電性組成物を用いたパワーモジュール用基板、パワーモジュールについて添付した図面を参照して説明する。   Hereinafter, a conductive composition according to an embodiment of the present invention, a power module substrate using the conductive composition, and a power module will be described with reference to the accompanying drawings.

まず、本実施形態である導電性組成物について説明する。この導電性組成物は、銀粉末と、ZnOを含有する無鉛ガラス粉末と、樹脂と、溶剤と、分散剤と、を含有しており、銀粉末と無鉛ガラス粉末とからなる粉末成分の含有量が、導電性組成物全体の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、銀粉末と無鉛ガラス粉末とからなる粉末成分の含有量は、導電性組成物全体の85質量%とされている。
また、本実施形態では、導電性組成物の粘度が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。
First, the electroconductive composition which is this embodiment is demonstrated. This conductive composition contains silver powder, lead-free glass powder containing ZnO, a resin, a solvent, and a dispersant, and the content of a powder component consisting of silver powder and lead-free glass powder However, it is 60 mass% or more and 90 mass% or less of the whole electrically conductive composition, and the remainder is made into resin, a solvent, and a dispersing agent. In addition, in this embodiment, content of the powder component which consists of silver powder and a lead-free glass powder is 85 mass% of the whole electrically conductive composition.
In the present embodiment, the viscosity of the conductive composition is adjusted to 10 Pa · s to 500 Pa · s, more preferably 50 Pa · s to 300 Pa · s.

銀粉末は、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。
無鉛ガラス粉末は、主成分としてBi、ZnO、B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、銀粉末の重量Aと無鉛ガラス粉末の重量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 silver powder has a particle size of 0.05 μm or more and 1.0 μm or less. In this embodiment, the silver powder having an average particle size of 0.8 μm was used.
The lead-free 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. 450 ° C. or higher.
The weight ratio A / G between the weight A of the silver powder and the weight G of the lead-free glass powder is adjusted within the range of 80/20 to 99/1. In this embodiment, A / G = 80 / It was set to 5.

溶剤は、沸点が200℃以上のものが適しており、例えば、α−テルピネオール、ブチルカルビトールアセテート、ジエチレンクリコールジブチルエーテル等を適用することができる。なお、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、導電性組成物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おり、例えば、アクリル樹脂、アルキッド樹脂等を適用することができる。なお、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導電性組成物を構成してもよい。
As the solvent, those having a boiling point of 200 ° C. or more are suitable, and for example, α-terpineol, butyl carbitol acetate, diethylene glycol dibutyl ether and the like can be applied. In the present embodiment, diethylene glycol dibutyl ether is used.
The resin is used to adjust the viscosity of the conductive composition, and is suitably decomposed at 500 ° C. or higher. For example, an acrylic resin, an alkyd resin, or the like can be applied. In this embodiment, ethyl cellulose is used.
In this embodiment, a dicarboxylic acid-based dispersant is added. In addition, you may comprise a conductive composition, without adding a dispersing agent.

ここで、本実施形態において用いられる無鉛ガラス粉末について詳細に説明する。本実施形態における無鉛ガラス粉末のガラス組成は、
Bi:68質量%以上93質量%以下、
ZnO:1質量%以上20質量%以下、
:1質量%以上11質量%以下、
SiO:5質量%以下、
Al:5質量%以下、
Fe:5質量%以下、
CuO:5質量%以下、
CeO:5質量%以下、
ZrO: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, the lead-free glass powder used in the present embodiment will be described in detail. 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、Bi、ZnO、Bを必須成分とし、これに、SiO、Al、Fe、CuO、CeO、ZrO、LiO、NaO、KO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。ここで、これらの酸化物を上述の範囲内とした理由を以下に示す。 That is, Bi 2 O 3 , ZnO, B 2 O 3 is an essential component, and this includes SiO 2 , Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 , CuO, CeO 2 , ZrO 2 , Li 2 O, Na 2 O, Alkali metal oxides such as K 2 O and alkaline earth metal oxides such as MgO, CaO, BaO and SrO are appropriately added as necessary. Here, the reason why these oxides are within the above-mentioned range is shown below.

(Bi
Biは、無鉛ガラス粉末の主原料となるものであり、融点を低くするために必須の成分である。Biの含有量が68質量%未満であると、軟化温度が高くなってしまう。一方、Biの含有量が93質量%を超えると、結晶化温度が低くなってしまう。このため、Biの含有量を68質量%以上93質量%以下とした。
(Bi 2 O 3 )
Bi 2 O 3 is a main raw material of the lead-free glass powder, and is an essential component for lowering the melting point. When the content of Bi 2 O 3 is less than 68 wt%, the softening temperature becomes high. On the other hand, when the content of Bi 2 O 3 exceeds 93% by mass, the crystallization temperature is lowered. For this reason, the content of Bi 2 O 3 and 68 wt% or more 93 wt% or less.

(ZnO)
ZnOは、Biを含有する無鉛ガラスの結晶化を抑制する効果を有する。ZnOの含有量が1質量%未満であると、結晶化抑制の効果を十分に奏功せしめることができない。一方、ZnOの含有量が20質量%を超えると、軟化温度が高くなってしまう。このため、ZnOの含有量を1質量%以上20質量%以下とした。
(ZnO)
ZnO has the effect of suppressing crystallization of lead-free glass containing Bi 2 O 3 . When the content of ZnO is less than 1% by mass, the effect of suppressing crystallization cannot be sufficiently achieved. On the other hand, when the content of ZnO exceeds 20% by mass, the softening temperature becomes high. For this reason, content of ZnO was made into 1 mass% or more and 20 mass% or less.

(B
は、ガラス化のために必須の成分である。Bの含有量が1質量%未満であると、ガラス化が不十分となり、容易に結晶化してしまう。一方、Bの含有量が11質量%を超えると、軟化温度が高くなってしまう。このため、Bの含有量を1質量%以上11質量%以下とした。
(B 2 O 3 )
B 2 O 3 is an essential component for vitrification. If the content of B 2 O 3 is less than 1% by mass, vitrification becomes insufficient and crystallization occurs easily. On the other hand, when the content of B 2 O 3 exceeds 11% by mass, the softening temperature is increased. For this reason, the content of B 2 O 3 and 1 wt% to 11 wt% or less.

(SiO
SiOは、ガラスの化学的耐久性や結晶化を抑制する効果を有する。SiOの含有量が5質量%を超えると、ガラス転移温度が高くなり、低温での焼成を行うことができなくなる。このため、SiOの含有量は5質量%以下とした。
(SiO 2 )
SiO 2 has an effect of suppressing chemical durability and crystallization of glass. When the content of SiO 2 exceeds 5% by mass, the glass transition temperature becomes high and firing at a low temperature cannot be performed. Therefore, the content of SiO 2 was 5 mass% or less.

(Al、ZrO
Al、ZrOは、ガラスの化学的耐久性や結晶化を抑制する効果を有する。Alの含有量、あるいは、ZrOの含有量が5質量%を超えると、ガラス転移温度が高くなり、ガラス化が困難となる。このため、Alの含有量、ZrOの含有量をそれぞれ5質量%以下とした。
(Al 2 O 3 , ZrO 2 )
Al 2 O 3 and ZrO 2 have the effect of suppressing the chemical durability and crystallization of glass. When the content of Al 2 O 3 or the content of ZrO 2 exceeds 5% by mass, the glass transition temperature becomes high and vitrification becomes difficult. Therefore, content of Al 2 O 3, and ZrO 2 content of 5 wt% or less, respectively.

(Fe、CuO、CeO
Fe、CuO、CeOは、Biを含有する無鉛ガラスの結晶化を抑制する効果を有する。Feの含有量、CuOの含有量、CeOの含有量がそれぞれ5質量%を超えると、ガラス転移温度が高くなり、ガラス化が困難となる。このため、Feの含有量、CuOの含有量、CeOの含有量をそれぞれ5質量%以下とした。
(Fe 2 O 3 , CuO, CeO 2 )
Fe 2 O 3 , CuO, and CeO 2 have an effect of suppressing crystallization of lead-free glass containing Bi 2 O 3 . When the content of Fe 2 O 3, the content of CuO, and the content of CeO 2 exceed 5% by mass, the glass transition temperature becomes high and vitrification becomes difficult. For this reason, the content of Fe 2 O 3, the content of CuO, and the content of CeO 2 were each 5% by mass or less.

(アルカリ金属酸化物)
アルカリ金属酸化物は、原料由来成分として含有されるものである。アルカリ金属酸化物の含有量の合計が2質量%を超えると、結晶化しやすくなり、ガラス化が困難となる。このため、アルカリ金属酸化物の含有量の合計を2質量%以下とした。
(Alkali metal oxide)
The alkali metal oxide is contained as a raw material-derived component. When the total content of the alkali metal oxides exceeds 2% by mass, crystallization becomes easy and vitrification becomes difficult. For this reason, the sum total of content of the alkali metal oxide was made into 2 mass% or less.

(アルカリ土類金属酸化物)
アルカリ土類金属酸化物は、ガラスの物性を微調整するために含有されるものである。アルカリ土類金属酸化物の含有量の合計が7質量%を超えると、ガラス転移温度が高くなり、ガラス化が困難となる。このため、アルカリ土類金属酸化物の含有量の合計を7質量%以下とした。
(Alkaline earth metal oxide)
The alkaline earth metal oxide is contained in order to finely adjust the physical properties of the glass. When the total content of the alkaline earth metal oxides exceeds 7% by mass, the glass transition temperature becomes high and vitrification becomes difficult. For this reason, the total content of alkaline earth metal oxides was set to 7% by mass or less.

このようなZnOを含有する無鉛ガラス粉末は、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等を用いる。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 a lead-free glass powder containing ZnO is produced 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、本実施形態である導電性組成物の製造方法について、図1に示すフロー図を参照して説明する。
まず、前述した銀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S1)。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S2)。
そして、混合粉末形成工程S1で得られた混合粉末と、有機物混合工程S2で得られた有機混合物と、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S3)。
次いで、予備混合物を、複数のロールを有する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S4)。
混錬工程S4によって得られた混錬物を、ペーストろ過機によってろ過する(ろ過工程S5)。
このようにして、本実施形態である導電性組成物が製出されることになる。
Next, the manufacturing method of the electroconductive composition which is this embodiment is demonstrated with reference to the flowchart shown in FIG.
First, the above-mentioned silver powder and lead-free glass powder are mixed to produce a mixed powder (mixed powder forming step S1). Moreover, a solvent and resin are mixed and an organic mixture is produced | generated (organic substance mixing process S2).
And the mixed powder obtained by mixed powder formation process S1, the organic mixture obtained by organic substance mixing process S2, and a dispersing agent are premixed with a mixer (preliminary mixing process S3).
Next, the preliminary mixture is mixed while kneading using a roll mill having a plurality of rolls (kneading step S4).
The kneaded material obtained by kneading process S4 is filtered with a paste filter (filtration process S5).
Thus, the electroconductive composition which is this embodiment is produced.

次に、本実施形態である導電性組成物を用いて構成されたパワーモジュールについて、図2を用いて説明する。
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の表面にはんだ層2を介して接合された半導体チップ3と、冷却器40とを備えている。
Next, the power module comprised using the electroconductive composition which is this embodiment is demonstrated using FIG.
The power module 1 includes a power module substrate 10 on which a circuit layer 12 is disposed, a semiconductor chip 3 bonded to the surface of the circuit layer 12 via a solder layer 2, and a cooler 40.

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(図2において上面)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(図2において下面)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 (upper surface in FIG. 2), and the other surface of the ceramic substrate 11 (FIG. 2 and a metal layer 13 disposed on the lower surface.
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。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 in this embodiment, is made of A6063 (aluminum alloy).

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2に示すパワーモジュール1においては、回路層12の表面(図2において上面)には、前述の導電性組成物を焼成して形成された導電接合層30が形成されており、この導電接合層30の表面に、はんだ層2を介して半導体チップ3が接合されている。ここで、はんだ層2を形成するはんだ材としては、例えばSn−Ag系、Sn−In系、若しくはSn−Ag−Cu系が挙げられる。
なお、導電接合層30は、図2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、半導体チップ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. 2, a conductive bonding layer 30 formed by firing the above-described conductive composition is formed on the surface of the circuit layer 12 (upper surface in FIG. 2). The semiconductor chip 3 is bonded to the surface of the conductive bonding layer 30 via the solder layer 2. Here, examples of the solder material for forming the solder layer 2 include Sn—Ag, Sn—In, and Sn—Ag—Cu.
As shown in FIG. 2, the conductive bonding layer 30 is not formed on the entire surface of the circuit layer 12 but is selectively formed only on a portion where the semiconductor chip 3 is disposed.

図3及び図4に、はんだ層2を介して半導体チップ3を接合する前のパワーモジュール用基板10を示す。
このパワーモジュール用基板10においては、回路層12の表面(図3及び図4において上面)に、前述の導電接合層30が形成されている。この導電接合層30は、はんだ層2を介して半導体チップ3を接合する前の状態では、図3に示すように、回路層12側に形成された無鉛ガラス層31と、この無鉛ガラス層31上に形成されたAg層32と、を備えている。そして、この無鉛ガラス層31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33が分散されている。本実施形態においては、この導電性粒子33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、無鉛ガラス層31内の導電性粒子33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。
3 and 4 show the power module substrate 10 before the semiconductor chip 3 is joined via the solder layer 2.
In the power module substrate 10, the conductive bonding layer 30 described above is formed on the surface of the circuit layer 12 (upper surface in FIGS. 3 and 4). In the state before the semiconductor chip 3 is bonded via the solder layer 2, the conductive bonding layer 30 includes a lead-free glass layer 31 formed on the circuit layer 12 side and the lead-free glass layer 31 as shown in FIG. And an Ag layer 32 formed thereon. In the lead-free glass layer 31, fine conductive particles 33 having a particle size of about several nanometers are dispersed. In the present embodiment, the conductive particles 33 are crystalline particles containing at least one of Ag and Al. The conductive particles 33 in the lead-free glass layer 31 are observed by using, for example, a transmission electron microscope (TEM).

この導電接合層30の厚さ方向の電気抵抗値Pは、0.5Ω以下、より好ましくは0.2Ω以下に設定されている。ここで、導電接合層30の厚さ方向の電気抵抗値Pは、導電接合層30の上面と回路層12の上面との間の電気抵抗としている。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導電接合層30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、図5及び図6に示すように、導電接合層30の上面中央点と、導電接合層30の上面中央点から導電接合層30端部までの距離Hに対して導電接合層30端部からHだけ離れた回路層12上の点と、の間の電気抵抗を測定した。   The electric resistance value P in the thickness direction of the conductive bonding layer 30 is set to 0.5Ω or less, more preferably 0.2Ω or less. Here, the electric resistance value P in the thickness direction of the conductive bonding layer 30 is an electric resistance between the upper surface of the conductive bonding layer 30 and the upper surface of the circuit layer 12. This is because the electrical resistance of 4N aluminum constituting the circuit layer 12 is much smaller than the electrical resistance in the thickness direction of the conductive bonding layer 30. When measuring the electrical resistance, as shown in FIGS. 5 and 6, the upper surface center point of the conductive bonding layer 30 and the distance from the upper surface center point of the conductive bonding layer 30 to the end of the conductive bonding layer 30. The electrical resistance between a point on the circuit layer 12 that is separated from the end of the conductive bonding layer 30 by H by H was 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(図4において上面)には、大気中で自然発生したアルミニウム酸化皮膜12Aが形成されているが、前述の導電接合層30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12Aが除去されており、回路層12上に直接、導電接合層30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無鉛ガラス層31とが直接接合されているのである。   In the present embodiment, since the circuit layer 12 is made of aluminum having a purity of 99.99%, the aluminum oxide film 12A naturally generated in the atmosphere is formed on the surface of the circuit layer 12 (the upper surface in FIG. 4). However, the aluminum oxide film 12A is removed from the portion where the conductive bonding layer 30 is formed, and the conductive bonding layer 30 is formed directly on the circuit layer 12. That is, the aluminum constituting the circuit layer 12 and the lead-free glass layer 31 are directly joined.

ここで、回路層12上に自然発生するアルミニウム酸化皮膜12Aの厚さtoが、4nm≦to≦6nmとされている。また、本実施形態においては、無鉛ガラス層31の厚さtgが0.01μm≦tg≦5μm、Ag層32の厚さtaが1μm≦ta≦100μm、導電接合層30全体の厚さtg+taが1.01μm≦tg+ta≦105μmとなるように構成されている。   Here, the thickness to of the aluminum oxide film 12A that naturally occurs on the circuit layer 12 is set to 4 nm ≦ to ≦ 6 nm. Further, in the present embodiment, the thickness tg of the lead-free glass layer 31 is 0.01 μm ≦ tg ≦ 5 μm, the thickness ta of the Ag layer 32 is 1 μm ≦ ta ≦ 100 μm, and the total thickness tg + ta of the conductive bonding layer 30 is 1. .01 μm ≦ tg + ta ≦ 105 μm.

次に、本実施形態である導電性組成物を用いたパワーモジュール1の製造方法について、図7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S11)。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 using the electroconductive composition 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 S11). The brazing temperature is set to 640 ° C to 650 ° C.

次に、金属層13の他方の面側に、緩衝層15を介して冷却器40(天板部41)をろう材を介して接合する(冷却器接合工程S12)。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 (top plate portion 41) is joined to the other surface side of the metal layer 13 via the buffer layer 15 via the brazing material (cooler joining step S12). 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、前述の導電性組成物を塗布する(導電性組成物塗布工程S13)。なお、導電性組成物を塗布する際には、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導電性組成物をパターン状に形成した。   And the above-mentioned electroconductive composition is apply | coated to the surface of the circuit layer 12 (electroconductive composition application | coating process S13). In addition, when apply | coating a conductive composition, various means, such as a screen printing method, an offset printing method, and a photosensitive process, are employable. In this embodiment, the conductive composition was formed in a pattern by a screen printing method.

回路層12表面に導電性組成物を塗布した状態で、加熱炉内に装入して導電性組成物の焼成を行う(焼成工程S14)。なお、このときの焼成温度は、350℃〜645℃に設定されている。
この焼成工程S14により、無鉛ガラス層31とAg層32とを備えた導電接合層30が形成される。このとき、無鉛ガラス層31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12Aが溶融除去されることになり、回路層12に直接無鉛ガラス層31が形成される。また、無鉛ガラス層31の内部に、微細な導電性粒子33が分散される。この導電性粒子33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、焼成の際に無鉛ガラス層31内部に析出したものと推測される。
In a state where the conductive composition is applied to the surface of the circuit layer 12, the conductive composition is charged into the heating furnace and the conductive composition is fired (firing step S14). The firing temperature at this time is set to 350 ° C. to 645 ° C.
By this firing step S <b> 14, the conductive bonding layer 30 including the lead-free glass layer 31 and the Ag layer 32 is formed. At this time, the lead-free glass layer 31 melts and removes the aluminum oxide film 12 </ b> A naturally generated on the surface of the circuit layer 12, and the lead-free glass layer 31 is formed directly on the circuit layer 12. In addition, fine conductive particles 33 are dispersed inside the lead-free glass layer 31. The conductive particles 33 are crystalline particles containing at least one of Ag and Al, and are presumed to have precipitated in the lead-free glass layer 31 during firing.

こうして、回路層12の表面に導電接合層30が形成されたパワーモジュール用基板10及び冷却器付パワーモジュール用基板が製出されることになる。   Thus, the power module substrate 10 having the conductive bonding layer 30 formed on the surface of the circuit layer 12 and the power module substrate with a cooler are produced.

そして、導電接合層30の表面に、はんだ材を介して半導体チップ3を載置し、還元炉内においてはんだ接合する(はんだ接合工程S15)。このとき、はんだ材によって形成されるはんだ層2には、導電接合層30のAg層32の一部又は全部が溶融することになる。
これにより、はんだ層2を介して半導体チップ3が回路層12上に接合されたパワーモジュール1が製出されることになる。
Then, the semiconductor chip 3 is placed on the surface of the conductive bonding layer 30 via a solder material, and soldered in a reduction furnace (solder bonding step S15). At this time, a part or all of the Ag layer 32 of the conductive bonding layer 30 is melted in the solder layer 2 formed of the solder material.
As a result, the power module 1 in which the semiconductor chip 3 is bonded onto the circuit layer 12 via the solder layer 2 is produced.

以上のような構成とされた本実施形態である導電性組成物によれば、ZnOを含有する無鉛ガラス粉末と導電性に優れた銀粉末とを備えており、焼成することによって無鉛ガラス層31とAg層32とを備えた導電接合層30が形成され、この無鉛ガラス層31を、純度99.99%以上のアルミニウムからなる回路層12の表面に自然発生したアルミニウム酸化皮膜と反応させることができ、回路層12を構成するアルミニウムに直接接合するように、無鉛ガラス層31を形成することが可能となる。   According to the conductive composition of the present embodiment configured as described above, a lead-free glass powder containing ZnO and a silver powder excellent in conductivity are provided, and the lead-free glass layer 31 is obtained by firing. The lead-free glass layer 31 is allowed to react with an aluminum oxide film naturally generated on the surface of the circuit layer 12 made of aluminum having a purity of 99.99% or more. The lead-free glass layer 31 can be formed so as to be directly bonded to the aluminum constituting the circuit layer 12.

そして、無鉛ガラス層31の内部に、粒径が数ナノメートル程度とされた微細な導電性粒子33が分散されているので、無鉛ガラス層31においても導電性を確保することができる。具体的には、無鉛ガラス層31を含めた導電接合層30の厚さ方向の電気抵抗値Pが、0.5Ω以下、より好ましくは0.2Ω以下に設定されている。
よって、導電接合層30及びはんだ層2を介して、半導体チップ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。すなわち、本実施形態である導電性組成物は、はんだ下地層形成用ペーストとして用いることができるのである。
Since the fine conductive particles 33 having a particle size of about several nanometers are dispersed inside the lead-free glass layer 31, the lead-free glass layer 31 can also have conductivity. Specifically, the electrical resistance value P in the thickness direction of the conductive bonding layer 30 including the lead-free glass layer 31 is set to 0.5Ω or less, more preferably 0.2Ω or less.
Therefore, it is possible to reliably conduct electricity between the semiconductor chip 3 and the circuit layer 12 via the conductive bonding layer 30 and the solder layer 2, and the highly reliable power module 1 can be configured. That is, the conductive composition according to the present embodiment can be used as a solder underlayer forming paste.

また、導電性組成物に含有される無鉛ガラス粉末のガラス転移温度が300℃以上450℃以下とされているので、無鉛ガラス粉末が良好に基板と反応し、十分な密着を得ることができ、比較的低温で焼成しても導電接合層30を確実に形成することができる。
さらに、導電性組成物に含有される無鉛ガラス粉末の軟化温度が600℃以下に設定されているので、比較的低温で導電性組成物を焼成することが可能となる。具体的には、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、導電性組成物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用基板10及びパワーモジュール1を製出することが可能となる。
また、無鉛ガラス粉末の結晶化温度が450℃以上とされているので、導電性組成物内部での流動性が確保され、回路層12との界面反応によって密着性の向上を図ることができる。
Moreover, since the glass transition temperature of the lead-free glass powder contained in the conductive composition is 300 ° C. or more and 450 ° C. or less, the lead-free glass powder can react well with the substrate, and sufficient adhesion can be obtained. The conductive bonding layer 30 can be reliably formed even when fired at a relatively low temperature.
Furthermore, since the softening temperature of the lead-free glass powder contained in the conductive composition is set to 600 ° C. or lower, the conductive composition can be fired at a relatively low temperature. Specifically, the firing temperature can be set to 350 ° C. or higher and 645 ° C. or lower. Therefore, it is possible to prevent troubles 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 firing of the conductive composition, and the high-quality power module substrate 10 and The power module 1 can be produced.
Moreover, since the crystallization temperature of the lead-free glass powder is set to 450 ° C. or higher, the fluidity inside the conductive composition is ensured, and the adhesion can be improved by the interface reaction with the circuit layer 12.

また、導電性組成物に含有される銀粉末の粒径が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のものを使用しているので、この導電性組成物を回路層12上に塗布した際に、銀粉末が均一に分散することになり、均一な導電接合層30を形成することができ、はんだ層2と回路層12とを、確実に導通させることができる。   In addition, the silver powder contained in the conductive composition has a particle size of 0.05 μm or more and 1.0 μm or less. In this embodiment, a silver powder having an average particle size of 0.8 μm is used. When the conductive composition is applied on the circuit layer 12, the silver powder is uniformly dispersed, so that a uniform conductive bonding layer 30 can be formed, and the solder layer 2 and the circuit layer 12 can be securely connected. It can be made conductive.

また、導電性組成物の粘度が、10Pa・s以上500Pa・s以下、より好ましくは50Pa・s以上300Pa・s以下に設定され、ペースト状とされているので、回路層12表面に導電性組成物を塗布する導電性組成物塗布工程S13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、導電接合層30を半導体チップ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、導電性組成物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用基板10及びパワーモジュール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 conductive composition is set 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, and the paste is in the form of a paste, the conductive composition is formed on the surface of the circuit layer 12. In the conductive composition application step S13 for applying an object, a screen printing method or the like can be applied, and the conductive bonding layer 30 can be selectively formed only on the portion where the semiconductor chip 3 is disposed. Therefore, it becomes possible to reduce the usage-amount of an electroconductive composition, and the manufacturing cost of this board | substrate 10 for power modules and the power module 1 can be reduced 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、形成される導電接合層における無鉛ガラス層とAg層の厚さ比は、図4に例示したものに限定されることはない。
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, the thickness ratio between the lead-free glass layer and the Ag layer in the formed conductive bonding layer is not limited to that illustrated in FIG.

また、導電性組成物の原料、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く、他の無鉛ガラス粉末、樹脂、溶剤、分散剤を用いてもよい。軟化温度がアルミ二ウムの融点以下、より好ましくは600℃以下とされていればよい。
また、樹脂としては、アクリル樹脂、アルキッド樹脂等を用いてもよい。さらに、溶剤としては、α―テルピネオール、ブチルカルビトールアセテート等を用いても良い。
Moreover, about the raw material and compounding quantity of an electroconductive composition, it is not limited to what was described in embodiment, You may use another lead-free glass powder, resin, a solvent, and a dispersing agent. The softening temperature should just be below melting | fusing point of aluminum, More preferably, it is 600 degrees C or less.
As the resin, an acrylic resin, an alkyd resin, or the like may be used. Further, α-terpineol, butyl carbitol acetate or the like may be used as the solvent.

さらに、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、純度99%のアルミニウム(2Nアルミニウム)であってもよく、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されていればよい。   Further, 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%, but is not limited thereto, and aluminum having a purity of 99% (2N aluminum) It may be sufficient if it is comprised with aluminum or aluminum alloy.

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ろう付けするとともに、冷却器をろう付けした後に、回路層上に導電接合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ろう付けする前や、冷却器をろう付けする前に、導電接合層を形成してもよい。   Moreover, while brazing the aluminum board used as a circuit layer to a ceramic substrate, and brazing a cooler, it demonstrated as what forms a conductive joining layer on a circuit layer, but it is not limited to this, The conductive bonding layer may be formed before brazing the aluminum plate to the ceramic substrate or before brazing the cooler.

以下に、前述の実施形態に記載されたパワーモジュール用基板10において、導電接合層30の厚さ方向の電気抵抗値Pを測定した結果を説明する。
導電接合層30のAg層32の厚さta、無鉛ガラス層31の厚さtgを変更するとともに、Ag粉末の重量Aと無鉛ガラス粉末の重量Gとの重量比A/Gを変更し、本発明例1〜5を製出した。なお、このときの無鉛ガラス粉末として、Biを90.6質量%、ZnOを2.6質量%、B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。
また、導電接合層30を、上面視して一辺の長さが15mmの正方形状に成形した。
このようにして得られた本発明例1〜5の試料について、図5及び図6に記載された方法により、テスタ(KEITHLEY社製:2010MULTIMETER)を用いて、導電接合層30の厚さ方向の電気抵抗値Pを測定した。測定結果を表1に示す。
Hereinafter, the results of measuring the electrical resistance value P in the thickness direction of the conductive bonding layer 30 in the power module substrate 10 described in the above embodiment will be described.
The thickness ta of the Ag layer 32 of the conductive bonding layer 30 and the thickness tg of the lead-free glass layer 31 are changed, and the weight ratio A / G between the weight A of the Ag powder and the weight G of the lead-free glass powder is changed. Invention Examples 1 to 5 were produced. As lead-free glass powder of this time, the Bi 2 O 3 90.6 wt%, the ZnO 2.6 wt%, the B 2 O 3 6.8 wt%, with lead-free glass powder containing. 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.
In addition, the conductive bonding layer 30 was formed in a square shape having a side length of 15 mm as viewed from above.
About the sample of this invention example 1-5 obtained by doing in this way, by the method described in FIG.5 and FIG.6, using the tester (KEITHLEY: 2010MULTIMETER), the thickness direction of the conductive joining layer 30 was measured. The electrical resistance value P was measured. The measurement results are shown in Table 1.

Figure 0005585407
Figure 0005585407

本発明例1〜5のいずれにおいても、導電接合層30の厚さ方向の電気抵抗値Pが0.5Ω以下とされていることが確認された。また、無鉛ガラス粉末の比率を小さく、かつ、無鉛ガラス層31の厚さtgを薄く形成することにより、導電接合層30の厚さ方向の電気抵抗値Pが小さくなることが確認された。   In any of the inventive examples 1 to 5, it was confirmed that the electric resistance value P in the thickness direction of the conductive bonding layer 30 was 0.5Ω or less. Moreover, it was confirmed that the electrical resistance value P in the thickness direction of the conductive bonding layer 30 is reduced by forming the lead-free glass powder in a small ratio and forming the lead-free glass layer 31 with a small thickness tg.

次に、無鉛ガラス粉末の組成を変更して、無鉛ガラス粉末の軟化温度、結晶化温度、ガラス転移温度を調整した。これらの無鉛ガラス粉末を用いて、導電性組成物を構成した。
Ag粉末の重量Aと無鉛ガラス粉末の重量Gとの重量比A/Gを97.5/2.5とした。また、Ag粉末と、無鉛ガラス粉末と、樹脂(エチルセルロース)と、溶剤(ジエチレンクリコールジブチルエーテル)と、を混合した。本実施例では、Ag粉末と無鉛ガラス粉末からなる粉末成分の含有量が85質量%、樹脂が3質量%、溶剤が12質量%となるように、粉末成分、樹脂および溶剤の添加量を調整した。
Next, the composition of the lead-free glass powder was changed to adjust the softening temperature, crystallization temperature, and glass transition temperature of the lead-free glass powder. These lead-free glass powders were used to form a conductive composition.
The weight ratio A / G between the weight A of the Ag powder and the weight G of the lead-free glass powder was 97.5 / 2.5. Moreover, Ag powder, lead-free glass powder, resin (ethyl cellulose), and a solvent (diethylene glycol dibutyl ether) were mixed. In this example, the addition amount of the powder component, the resin and the solvent is adjusted so that the content of the powder component composed of Ag powder and lead-free glass powder is 85 mass%, the resin is 3 mass%, and the solvent is 12 mass%. did.

ここで、上述の無鉛ガラス粉末について、軟化温度、ガラス転移温度、結晶化温度を測定した。測定結果を表2、3に示す。
軟化温度は、理学電機社製サーモフレックスを用いて熱機械分析(TMA)を実施し、その降伏点(屈服点)の温度とした。
ガラス転移温度、結晶化温度は、BRUKER AXS社製TG−DTA2000Sを用いて示差熱分析(TG−DTA)を実施することで測定した。上記の無鉛ガラス粉末を10℃/minで昇温し、熱量変化曲線に現れる吸熱ピークの温度をガラス転移温度とし、ガラス転移温度よりも高い温度領域で生じる発熱ピークの温度を結晶化温度とした。
Here, the softening temperature, glass transition temperature, and crystallization temperature of the above lead-free glass powder were measured. The measurement results are shown in Tables 2 and 3.
The softening temperature was the temperature of the yield point (deflection point) by performing thermomechanical analysis (TMA) using Thermoflex manufactured by Rigaku Corporation.
The glass transition temperature and the crystallization temperature were measured by performing differential thermal analysis (TG-DTA) using TG-DTA2000S manufactured by BRUKER AXS. The lead-free glass powder is heated at 10 ° C./min, the temperature of the endothermic peak appearing in the calorie change curve is defined as the glass transition temperature, and the temperature of the exothermic peak generated in the temperature region higher than the glass transition temperature is defined as the crystallization temperature. .

そして、この導電性組成物を用いて、上述の実施形態で開示されたパワーモジュール用基板10の導電接合層30を形成した。なお、回路層12の表面に導電性組成物を塗布する導電性組成物塗布工程S13では、導電性組成物の塗布厚さを10μmとした。また、焼成工程S14では、焼成温度を575℃、焼成時間を10分とした。これにより、Ag層32の厚さtaが8μm程度、無鉛ガラス層31の厚さtgが1μm程度とされた導電接合層30を形成した。   And the conductive joining layer 30 of the board | substrate 10 for power modules disclosed by the above-mentioned embodiment was formed using this electrically conductive composition. In addition, in conductive composition application | coating process S13 which apply | coats a conductive composition to the surface of the circuit layer 12, the application | coating thickness of the conductive composition was 10 micrometers. In the firing step S14, the firing temperature was 575 ° C. and the firing time was 10 minutes. As a result, the conductive bonding layer 30 was formed in which the thickness ta of the Ag layer 32 was about 8 μm and the thickness tg of the lead-free glass layer 31 was about 1 μm.

そして、導電接合層30の表面に、はんだ材(Sn−Ag−Cu系無鉛はんだ)を介して半導体チップ3を載置し、還元炉内においてはんだ接合した。
なお、本実施例では、セラミックス基板11を30mm×20mmとし、回路層12を13mm×10mmとし、半導体チップ3を12.5mm×9.5mmとした。
Then, the semiconductor chip 3 was placed on the surface of the conductive bonding layer 30 via a solder material (Sn—Ag—Cu lead-free solder), and soldered in a reduction furnace.
In this embodiment, the ceramic substrate 11 is 30 mm × 20 mm, the circuit layer 12 is 13 mm × 10 mm, and the semiconductor chip 3 is 12.5 mm × 9.5 mm.

このようにして得られたパワーモジュール1の接合信頼性を評価した。接合信頼性の評価として、冷熱サイクル(−45℃−125℃)を2000回繰り返した後の接合率を比較した。結果を表2、3に示す。
なお、接合率は、以下の式で算出した。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のこととした。
接合率 = (初期接合面積−剥離面積)/初期接合面積
接合率が85%より大きく100%以下を「優」
接合率が75%より大きく85%以下を「良」
接合率が50%より大きく75%以下を「可」
接合率が50%以下を「不可」とした。
The joining reliability of the power module 1 obtained in this way was evaluated. As an evaluation of the bonding reliability, the bonding rates after 2000 times of the thermal cycle (−45 ° C. to 125 ° C.) were compared. The results are shown in Tables 2 and 3.
In addition, the joining rate was computed with the following formula | equation. Here, the initial bonding area is an area to be bonded before bonding.
Bonding rate = (initial bonding area-peeling area) / initial bonding area When the bonding rate is greater than 85% and 100% or less, “excellent”
"Good" with a joining rate greater than 75% and less than 85%
Bonding rate is greater than 50% and 75% or less
A bonding rate of 50% or less was regarded as “impossible”.

Figure 0005585407
Figure 0005585407

Figure 0005585407
Figure 0005585407

実施例1〜8については、冷熱サイクルを2000回繰り返した後の接合率が良好であり、十分な接合強度が得られていることが確認される。
また、試料A〜Eにおいては、冷熱サイクルを2000回繰り返した後の接合率が実用性は満足するものの、実施例1〜8と比較すると接合率が低くなっている。特に、無鉛ガラス粉末にZnOが含有されていない試料D,Eでは、結晶化温度が330℃、403℃と低くなり、接合率が大幅に低下した。
About Examples 1-8, the joining rate after repeating a thermal cycle 2000 times is favorable, and it is confirmed that sufficient joining strength is obtained.
In Samples A to E, although the practicability is satisfactory in the joining rate after 2000 cycles of the cooling and heating cycle, the joining rate is lower than in Examples 1 to 8. In particular, in the samples D and E in which ZnO is not contained in the lead-free glass powder, the crystallization temperatures are lowered to 330 ° C. and 403 ° C., and the joining rate is greatly reduced.

1 パワーモジュール
2 はんだ層
3 半導体チップ(半導体素子)
10 パワーモジュール用基板
12 回路層
12A アルミニウム酸化皮膜
30 導電接合層
31 無鉛ガラス層
32 Ag層
33 導電性粒子
1 Power Module 2 Solder Layer 3 Semiconductor Chip (Semiconductor Element)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Power module substrate 12 Circuit layer 12A Aluminum oxide film 30 Conductive joining layer 31 Lead-free glass layer 32 Ag layer 33 Conductive particles

Claims (4)

セラミックス基板の一方の面に配設されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層を有するパワーモジュール用基板に用いられ、前記回路層上に配設され、焼成されることによって前記回路層と導通する導電接合層を形成するための導電性組成物であって、
銀粉末と、ZnOを含有する無鉛ガラス粉末と、樹脂と、溶剤と、を含有し、
前記銀粉末及び前記無鉛ガラス粉末からなる粉末成分の含有量が、60質量%以上90質量%以下とされ、
前記粉末成分中における前記銀粉末の重量Aと前記無鉛ガラス粉末の重量Gの比A/Gが、80/20から99/1の範囲内に設定されており、
焼成することにより生成される前記導電接合層が、前記無鉛ガラス粉末が軟化して形成される無鉛ガラス層と、前記無鉛ガラス層上に銀粉末が焼結されたAg層と、を備えており、前記無鉛ガラス層内部に導電性粒子が分散されており、
前記無鉛ガラス粉末のガラス転移温度が300℃以上450℃以下とされていることを特徴とする導電性組成物。
Used for a power module substrate having a circuit layer made of aluminum or an aluminum alloy disposed on one surface of a ceramic substrate, and disposed on the circuit layer and fired to conduct with the circuit layer. A conductive composition for forming a bonding layer,
Containing silver powder, lead-free glass powder containing ZnO, resin, and solvent,
The content of the powder component consisting of the silver powder and the lead-free glass powder is 60 mass% or more and 90 mass% or less,
The ratio A / G of the weight A of the silver powder and the weight G of the lead-free glass powder in the powder component is set within a range of 80/20 to 99/1,
The conductive bonding layer generated by firing includes a lead-free glass layer formed by softening the lead-free glass powder, and an Ag layer in which silver powder is sintered on the lead-free glass layer. , Conductive particles are dispersed inside the lead-free glass layer ,
The lead-free glass powder has a glass transition temperature of 300 ° C. or higher and 450 ° C. or lower .
前記無鉛ガラス粉末の軟化温度が600℃以下、かつ、結晶化温度が450℃以上とされていることを特徴とする請求項1に記載の導電性組成物。 The conductive composition according to claim 1, wherein the lead-free glass powder has a softening temperature of 600 ° C. or lower and a crystallization temperature of 450 ° C. or higher. 前記無鉛ガラス粉末のガラス組成が、
Bi:68質量%以上93質量%以下、
ZnO:1質量%以上20質量%以下、
:1質量%以上11質量%以下、
SiO:5質量%以下、
Al:5質量%以下、
Fe:5質量%以下、
CuO:5質量%以下、
CeO:5質量%以下、
ZrO: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、
とされていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の導電性組成物。
The glass composition of the lead-free glass powder 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,
The electrically conductive composition according to claim 1 or 2, wherein
前記銀粉末の粒径が、0.05μm以上1.0μm以下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導電性組成物。 4. The conductive composition according to claim 1, wherein the silver powder has a particle size of 0.05 μm or more and 1.0 μm or less.
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