[发明专利]钎料、钎料膏、陶瓷电路板、陶瓷主电路板及功率半导体模块

说明书

技术领域

本发明涉及一种钎料，尤其涉及一种用于粘合功率半导体模块等中使用的陶瓷电路板的陶瓷基板和金属板。

背景技术

对于电动车用逆变器，使用的是可高电压、大电流作业的功率半导体模块（IGBT模块）。而近年功率半导体模块的高输出化和高集成化迅速发展，对于陶瓷电路板，与以往相比，需要陶瓷基板和金属板粘合时有足够的粘合强度以适应粘合时的热应力和使用时的热力循环。对于功率半导体模块上使用的基板，广泛使用的是在氮化铝或氮化硅构成的陶瓷基板上粘合铜板或铝板等金属板的陶瓷电路板。该陶瓷电路板例如在陶瓷基板的一面上粘合电路用铜板，所述电路用铜板搭载半导体芯片等，在另一面上粘合放热用铜板。上述电路用铜板通常具有由多个铜板构成的电路图案，所述多个铜板通过施加蚀刻处理等，而成为电路部。另外以下为说明现有技术存在的问题，以金属板为铜板的例子进行说明，但本发明并不仅限于金属板为铜板的情况。

对于陶瓷基板和铜板的粘合，采用如下几种方式进行粘合：铜直接粘合法（DBC法：Direct Bonding Copper法），其利用Cu-Cu₂O等的共晶液相将铜板直接粘合在陶瓷基板上；再有是高熔点金属覆镀法，其将Mo或W等高熔点金属烧附形成在陶瓷基板上；进而，还有活性金属法，其将金属板载置于涂布了钎料的陶瓷基板上，所述钎料包含4A族元素或5A族元素类的活性金属，施加压力的同时以适当温度加热，使铜板与陶瓷基板隔着该钎料所形成的钎料层而粘合。通过上述DBC法或活性金属法所得到的陶瓷电路板都具有结构简单、热电阻小、可用于大电流型或高集成型半导体芯片等优点。

再有，对于电路用铜板的电路图案的形成方法，使用的是如下手段：直接搭载法，其将预先通过按压加工或蚀刻加工而形成为电路图案形状的电路用铜板隔着钎料层粘合在陶瓷基板上。再有是多段蚀刻法，其在陶瓷基板的近乎整个面上形成钎料层，使铜板以覆盖在其上的形式粘合，之后对铜板和钎料层一同施以蚀刻处理形成电路图案。进而还有同时使用钎料图案印刷和蚀刻法的方法（以下称为图案印刷蚀刻法），沿电路图案的形状形成钎料层，使铜板以覆盖该钎料层的形式搭载，之后与前述多段蚀刻法一样对铜板进行蚀刻处理，形成电路图案。

以往，在上述陶瓷基板与金属板的粘合方式中，一般使用活性金属法，其所用的是在共晶钎料中添加有Ti等活性金属的钎料膏，可获得高强度、高粘合力等效果，所述共晶钎料具有Ag和Cu的共晶成分（72重量%Ag-28重量%Cu）。但是，使用如上所述的Ag-Cu系共晶成分的钎料将陶瓷基板粘合在铜板上时，由于钎料的熔点高，所以钎焊温度变高。如果以高钎焊温度将陶瓷基板粘合在铜板上，则有时由于两者的热膨胀系数差导致的残余应力，而在陶瓷电路板上产生翘曲。

进而，在实际安装有功率半导体模块的陶瓷电路板上，通过功率半导体模块启动、停止时的热力循环，热应力反复作用叠加在上述残余应力上。而且有时如果承受不住残余应力和热应力的合力作用，则铜板会从陶瓷基板上剥离。从这样的陶瓷基板和铜板粘合时及使用陶瓷电路板时的情况出发，需要的是熔点低的钎料，在下述专利文献1中举出了其中的一个例子。

在专利文献1中，有以提供钎焊强度非常稳定、熔点低的钎料为目的，将Ag-Cu-In合金粉末和Ti粉末的混合粉末与有机溶剂及樹脂混合而成的膏状钎料的记载，有钎料的具体成分优选为Ag30～60%、Cu20～45%、In20～40%、Ti0.5～5%的记载。

本发明的发明人在对为降低钎料的熔点而添加了大量In的专利文献1的钎料进行研究时，发现存在陶瓷基板和铜板的粘合强度低的问题。其原因如下。即大量添加In的钎料的熔点低，可使钎焊温度设为较低温度。但是在这样的钎料所形成的钎料层的表面上会形成鳞片状的凹凸。而且发明人发现该鳞片状的凹凸会导致钎料层和陶瓷基板的粘合界面上生成空隙（孔隙），该空隙导致粘合强度下降。此处，在钎料层的表面上形成的鳞片状凹凸中的凸部是岛型的Ag-In相及Cu-In相，凹部是Ti-Cu相。发明人认为在大量添加了In的钎料中，在钎料层和陶瓷基板的粘合界面上，分布着大量的凸部Ag-In相及Cu-In相、凹部Ti-Cu相，该凹部成为空隙，导致铜板和陶瓷基板的粘合强度降低。