功率模块的制作方法
功率模块的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种使用焊锡材料将设置有由铜或铜合金构成的铜层的电路层和半 导体元件进行接合的功率模块。
[0002] 本申请主张基于2012年12月25日于日本申请的专利申请2012-281345号优先 权，并将其内容援用于此。
【背景技术】
[0003]例如，如专利文献1、2所示，上述功率模块具备在绝缘基板的一个面接合作为电 路层的金属板而构成的功率模块用基板和搭载于电路层上的功率元件（半导体元件）。
[0004] 并且，功率模块用基板的另一面侧有时配设有散热板或冷却器等散热器，以发散 来自功率元件（半导体元件）的热量。此时，为了缓和由绝缘基板与散热板或冷却器等散 热器之间的热膨胀系数引起的热应力，在功率模块用基板上，设定为在绝缘基板的另一面 接合有作为金属层的金属板，且该金属层与上述散热板或冷却器等散热器接合的结构。
[0005] 上述功率模块中，电路层与功率元件（半导体元件）经由焊锡材料而接合。
[0006] 在此，当电路层由铝或铝合金构成时，例如如专利文献3中所公开，需在电路层的 表面通过电解电镀等而形成Ni镀膜，且在该Ni镀膜上配设焊锡材料而接合半导体元件。
[0007] 并且，当电路层由铜或铜合金构成时，同样在电路层的表面形成Ni镀膜，且在该 Ni镀膜上配设焊锡材料而接合半导体元件。
[0008] 专利文献1 :日本专利公开2002-076551号公报
[0009] 专利文献2 :日本专利公开2008-227336号公报
[0010] 专利文献3 :日本专利公开2004-172378号公报
[0011] 然而，例如如专利文献3中所记载，若对在由铝或铝合金构成的电路层的表面形 成Ni镀层而焊锡接合半导体元件的功率模块施加功率循环的负载，则可能会在焊锡上产 生龟裂，热阻会上升。
[0012] 并且，即使在由铜或铜合金构成的电路层的表面形成Ni镀层而焊锡接合半导体 元件的功率模块中，若施加功率循环的负载，则同样可能会在焊锡上产生龟裂，热阻会上 升。
[0013] 近年来，在上述功率模块等中，为了控制风力发电或电动汽车和电动车辆等而搭 载进一步大功率控制用的功率元件，因此比以往更加需要进一步提高功率循环的可靠性。
【发明内容】
[0014] 本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种即使在负载有功率循环 时，也可以抑制焊锡层的裂纹，且可靠性较高的功率模块。
[0015] 本发明人等进行深入研宄的结果得知若对在由铝、铝合金、铜或铜合金构成的电 路层的表面形成Ni镀层而焊锡接合半导体元件的功率模块施加功率循环负载，则Ni镀层 会产生裂纹，该裂纹沿焊锡层的晶界扩展，最终导致焊锡层龟裂。并且，进行深入研宄的结 果得知通过将焊锡层的结晶粒径设定为较小，可以抑制焊锡层的裂纹的扩展的研宄结果。
[0016] 本发明是基于上述见解而完成的，（1)本发明的一实施方式的功率模块具备在绝 缘层的一个面配设有电路层的功率模块用基板和接合于所述电路层的一个面上的半导体 元件，其中，在所述电路层中与所述半导体元件的接合面设置有由铜或铜合金构成的铜层， 在所述电路层与所述半导体元件之间形成有使用焊锡材料而形成的焊锡层，在所述焊锡 层中的从所述电路层表面至30ym的区域中，通过EBSD而测定的平均结晶粒径被设定在 0. 1ym以上10ym以下的范围内，所述焊锡层的组成为，作为主成分含有Sn，并且含有0. 01 质量％以上1. 0质量％以下的Ni、0. 1质量％以上5. 0质量％以下的Cu，在功率循环试验 中，在通电时间5秒、温度差80°C的条件下负载10万次功率循环时，热阻上升率低于10%。
[0017] 根据此构成的功率模块，在与半导体元件的接合面设置有铜层的所述电路层与所 述半导体元件之间形成的焊锡层中的所述电路层（所述铜层）表面至厚度30ym的区域 中，平均结晶粒径被设定为l〇ym以下即设成比较微细，因此例如在电路层（铜层）的界面 邻近发生的裂纹不易沿晶界扩展至焊锡层的内部，能够抑制焊锡层的破坏。另外，在焊锡层 中的从所述电路层（所述铜层）的表面上至厚度30ym的区域中的平均结晶粒径，优选设 定在0. 5ym以上10ym以下的范围内。
[0018] 此外，焊锡层的组成为，作为主成分含有Sn，并且含有0.01质量％以上1.0质量％ 以下的Ni、0. 1质量％以上5. 0质量％以下的Cu，因此在焊锡层的内部，由含有Cu、Ni、Sn 中的任一种的金属间化合物构成的析出物粒子会分散，如上所述可使焊锡层的结晶粒径微 细化。
[0019] 另外，在功率循环试验中，本发明的功率模块被设定为在通电时间5秒、温度差 80°C的条件下负载10万次功率循环时的热阻上升率低于10%，因此即使在反复负载功率 循环的情况下，焊锡层也不会提前被破坏，能够提高功率循环的可靠性。另外，上述功率循 环试验中，由于是对焊锡层施加最重负载的条件，因此若在该条件下进行10万次负载的功 率循环时的热阻上升率低于10%，则在通常的使用中能够得到充分的可靠性。
[0020] (2)本发明的另一实施方式的功率模块为实施方式（1)中所记载的功率模块，在 所述合金层上分散有（Cu，Ni)6Sn5构成的析出物粒子。
[0021] 其中，由（Cu，Ni)6Sn5构成的析出物粒子会分散，由此能切实地使焊锡层的结晶粒 径微细化，且能够切实地抑制功率循环负载时的焊锡层的破坏。
[0022] 根据本发明，能够提供即使在负载功率循环时，也能够提前抑制在焊锡层产生破 坏，且可靠性较高的功率模块。
【附图说明】
[0023] 图1是本发明的第1实施方式的功率模块的概略说明图。
[0024] 图2是图1中的电路层与半导体元件的接合部分的放大说明图。
[0025] 图3是表示图1的功率模块的制造方法的流程图。
[0026] 图4是图3所示的功率模块的制造方法中的半导体元件接合工序的说明图。
[0027] 图5是本发明的第2实施方式的功率模块的概略说明图。
[0028] 图6是图5中的铜层与铝层之间的接合界面的放大说明图。
[0029] 图7是Cu与A1的二元状态图。
[0030] 图8是图5中的电路层与半导体元件之间的接合部分的放大说明图。
[0031] 图9是表示图5的功率模块的制造方法的流程图。
[0032] 图10是表示比较例1的功率模块中初始及负载功率循环后的焊锡层的EBSD测定 结果的照片。
[0033] 图11是表示本发明例1的功率模块中初始及功率循环负载后的焊锡层的EBSD测 定结果的照片。
【具体实施方式】
[0034] 以下，参考附图对本发明的实施方式的功率模块进行说明。
[0035](第一实施方式）
[0036]图1中示出本发明的第1实施方式的功率模块1。该功率模块1具备在绝缘基板 (绝缘层）11的一个面（第一面）上形成有电路层12的功率模块用基板10和搭载于电路 层12上（图1中为上表面）的半导体元件3。另外，在本实施方式的功率模块1中，散热器 41接合于绝缘基板11的另一面侧（为第二面侧，图1中为下表面）。
[0037] 功率模块用基板10具备：构成绝缘层的绝缘基板11 ;配设于该绝缘基板11的一 个面（为第一面，图1中为上表面）的电路层12 ;及配设于绝缘基板11的另一面（为第二 面，图1中为下表面）的金属层13。
[0038] 绝缘基板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A1N(氮 化铝）、Si3N4(氮化硅）、A1203(氧化铝）等绝缘性较高的陶瓷构成，在本实施方式中，由绝 缘性较高的A1N(氮化铝）构成。并且，绝缘基板11的厚度设定在0.2mm以上1.5mm以下 的范围内，在本实施方式中被设定为0. 635mm。
[0039] 电路层12通过在绝缘基板11的第一面接合具有导电性的金属板而形成。本实施 方式中，电路层12通过由无氧铜的轧制板构成的铜板接合于绝缘基板11而形成。本实施方 式中，电路层12整体相当于设置在与半导体元件3之间的接合面的由铜或铜合金构成的铜 层。其中，电路层12的厚度（铜板的厚度）优选设定在0.1mm以上1.0mm以下的范围内。 [0040]金属层13通过在绝缘基板11的第二面接合金属板而形成。本实施方式中，金属 层13通过由纯度为99. 99质量％以上的铝（所谓4N铝）的轧制板构成的铝板接合于绝缘 基板11而形成。其中，金属层13(错板）的厚度优选设定在0.6mm以上3. 0mm以下的范围 内。
[0041] 散热器41为用于冷却所述功率模块用基板10的部件，并具备与功率模块用基板 10接合的顶板部42和用于流通冷却介质（例如冷却水）的流路43。该散热器41 (顶板部 42)优选由导热性良好的材质构成，本实施方式中由A6063(铝合金）构成。
[0042] 半导体元件3由Si等半导体 材料构成，如图2所示，在与电路层12之间的接合面 上形成有由Ni、Au等构成的表面处理膜3a。
[0043] 而且，本实施方式的功率模块1中，电路层12与半导体元件3焊锡接合，在电路层 12与半导体元件3之间形成有焊锡层20。另外，本实施方式中，焊锡层20的厚度tl设定 在50ym以上200ym以下的范围内。
[0044] 如图4所示，该焊锡层20通过Sn-Cu-Ni系的焊锡材料30而形成，本实施方式中 使用Sn-0. 1~4质量％Cu-0. 01~1质量％Ni的焊锡材料30。
[0045] 在此，如图2所示，在电路层12的表面形成有金属间化合物层26,在该金属间化合 物层26上层压配置有焊锡层20。该金属间化合物层26设定为Cu和Sn的金属间化合物 (Cu3Sn)。另外，金属间化合物层26的厚度t2设定为0. 8ym以下。
[0046] 焊锡层20的组成为，作为主成分含有Sn，且含有0. 01质量％以上1. 0质量％以下 的Ni、0.1质量％以上5.0质量％以下的Cu。
[0047] 并且，如图2所示，在焊锡层20中的从电路层12表面至厚度30ym的区域A中，通 过EBSD (Electron Backscatter Diffraction)测定而测定的平均结晶粒径被设定为10 ym 以下、优选设定为〇.5 ym以上10 ym以下的范围内。
[0048]此外，在焊锡层20的内部，分散有由含有Cu、Ni、Sn的金属间化合物构成的析出物 粒子，特别是在焊锡层20中的从电路层12表面至厚度30ym的区域A中分散较多。在此， 本实施方式中，析出物粒子设为由化11，附)6511 5构成的金属间化合物。
[0049] 并且，本实施方式的功率模块1构成为，在功率循环试验中在通电时间5秒、温度 差80°C的条件下负载10万次功率循环时的热阻上升率低于10%。
[0050] 详细而言，将作为半导体元件3的IGBT元件焊接于电路层12,并且接合由铝合金 构成的连接配线。并且，将对IGBT元件的通电调整为每10秒钟重复进行一次通电（ON)时 元件表面温度为140°C、非通电（OFF)时元件表面温度为60°C的循环，反复进行10万次该 功率循环之后，热阻上升率低于10%。
[0051] 以下，使用图3的流程图对本实施方式的功率模块的制造方法进行说明。
[0052] 首先，对成为电路层12的铜板和绝缘基板11进行接合（电路层形成工序S01)。 在此，绝缘基板11与成为电路层12的铜板之间的接合通过所谓活性金属钎焊法实施。本 实施方式中，使用由Ag-27. 4质量％Cu-2. 0质量％Ti构成的活性钎料。
[0053] 在绝缘基板11的第一面经由活性钎料层压成为电路层12的铜板，在层压方向上 将绝缘基板11、铜板以lkgf/cm2以上35kgf/cm2以下（9. 8X104Pa以上343X104Pa以下） 的范围进行加压的状态下装入加热炉内进行加热，并接合成为电路层12的铜板和绝缘基 板11。在此，加热温度设定为850°C，加热时间设定为10分钟。
[0054] 接着，在绝缘基板11的第二面侧接合成为金属层13的铝板（金属层形成工序 S02)。将绝缘基板11和铝板经由钎料进行层压，并通过钎焊接合绝缘基板11和铝板。此 时，作为钎料，例如可使用厚度20~110ym的Al-Si系钎料箔，钎焊温度优选设定为600~ 620。。。
[0055] 由此，制造功率模块用基板10。
[0056] 接着，在金属层13的另一面侧接合散热器41 (散热器接合工序S03)。金属层13的 一个面与绝缘基板11的第二面接合。将金属层13与散热器41的顶板部42经由钎料进行 层压，通过钎焊接合金属层13和散热器41。此时，作为钎料，例如可使用厚度20~110ym 的Al-Si系钎料箔，钎焊温度优选设定为590°C~610°C。
[0057] 并且，在电路层12上接合半导体元件3(半导体元件接合工序S04)。如图4所述， 本实施方式中，在电路层12的表面形成厚度0. 2 ym以下的较薄的Ni镀膜31。
[0058] 接着，在该Ni镀膜31上，经由Sn-0. 1~4质量％Cu-0. 01~1质量％Ni的焊锡 材料30层压半导体元件3。
[0059] 在层压半导体元件3的状态下，装入还原炉内，并焊锡接合电路层12和半导体元 件3。此时，还原炉内被设定为氢气1~lOvol%的还原气氛，并设定为加热温度为280~ 330°C，保持时间为0. 5~2分钟。并且，冷却至室温的冷却速度设定在平均2~3°C/s的 范围内。
[0060] 由此，在电路层12与半导体元件3之间形成焊锡层20,制造出本实施方式的功率 模块1。
[0061] 此时，形成于电路层12的表面的Ni镀膜31中的Ni向焊锡材料30侧扩散，Ni镀 膜31消失。
[0062] 并且，电路层12的Cu朝向焊锡材料30侧扩散，由此，由含有Cu、Ni、Sn的金属间 化合物（本实施方式中为（Cu，Ni)6Sn5)构成的析出物粒子分散于焊锡层20的内部。并且， 焊锡层20的组成为，作为主成分含有Sn，且含有0. 01质量％以上1. 0质量％以下的Ni、0. 1 质量％以上5. 0质量％以下的Cu。
[0063] 如上构成的本实施方式的功率模块1中，形成于电路层12与半导体元件3之间的 焊锡层20中的从电路层12表面至厚度30ym的区域A中，平均结晶粒径被设定为10ym 以下、优选设定在〇. 5ym以上且10ym以下的范围内，因此即使从电路层12侧在焊锡层20 内产生裂纹，裂纹也不易沿晶界扩展，能够抑制焊锡层20的破坏。
[0064] 并且，半导体元件接合工程S04中，电路层12的Cu、Ni镀膜31的Ni朝向焊锡材 料30侧扩散，由此，焊锡层20的组成为，作为主成分含有Sn，且含有0. 01质量％以上1. 0 质量％以下的Ni、0.1质量％以上5.0质量％以下的Cu，从而在焊锡层20的内部，分散有由 含有Cu、Ni、Sn的金属间化合物（本实施方式中为（Cu，Ni)6Sn5)构成的析出物粒子，能够 实现焊锡层20的结晶粒径的微细化。
[0065] 此外，本实施方式的功率模块1构成为，在功率循环试验中，负载10万次通电时间 5秒、温度差80°C的功率循环时，热阻上升率低于10 %，因此即使在负载功率循环时，焊锡 层20也不会提如被破坏，能够提尚功率循环的可靠性。
[0066] 并且，本实施方式中，在电路层12表面上形成厚度0.2ym以下的较薄的Ni镀膜 31，因此焊锡接合半导体元件3时，Ni镀膜31不会残存，且电路层12的Cu朝向焊锡材料 30侧的扩散不受抑制，在焊锡层20的内部，能够切实地使由（Cu，附)65115构成的析出物粒 子分散，能够实现结晶粒径的微细化。
[0067](第2实施方式）
[0068] 接着，参考附图对本发明的第2实施方式的功率模块进行说明。另外，在与第1实 施方式相同的部件标注相同的符号并省略详细说明。
[0069] 图5中示出本发明的第2实施方式的功率模块101。该功率模块101具备在绝缘 基板（绝缘层）11的一个面（第一面）形成有电路层112的功率模块用基板110和搭载于 在电路层112上（图5中为上表面）的半导体元件3。
[0070] 功率模块用基板110具备：构成绝缘层的绝缘基板11 ;配设于该绝缘基板11的一 个面（为第一面，在图5中为上表面）的电路层112 ;及配设于绝缘基板11的另一面（为 第二面，图5中为下表面）的金属层13。
[0071] 如图5所示，电路层112具备形成于绝缘基板11的第一面的铝层112A和层压于 该铝层112A的一个面侧的铜层112B。铝层112A的另一面与绝缘基板11的第一面接合。
[0072] 在此，本实施方式中，铝层112A通过接合纯度为99. 99质量％以上的铝的轧制板 而形成。并且，铜层112B通过由无氧铜的轧制板构成的铜板在铝层112A的一个面侧固相 扩散接合而形成。
[0073] 该电路层112的一个面（图5中为上表面）设定为半导体元件3被接合的接合面。 在此，电路层112的厚度优选设定在0. 25mm以上6. 0mm以下的范围内。并且，铝层112A(铝 板）的厚度设定在〇. 2mm以上3mm以下的范围内，铜层112B的厚度设定在50ym以上3. 0mm 以下的范围内。
[0074] 在此，如图6所示，在铝层112A与铜层112B之间的界面形成有扩散层115。
[0075] 扩散层115通过铝层112A的A1原子和铜层112B的Cu原子相互扩散而形成。该 扩散层115中具有如下浓度梯度，即随着从铝层112A朝向铜层112B，铝原子的浓度逐渐变 低且铜原子的浓度逐渐变高。
[0076] 如图6所示，该扩散层115由A1和Cu所构成的金属间化合物构成，本实施方式中， 设定为多个金属间化合物沿接合界面层压的结构。在此，该扩散层115的厚度设定在1 ym 以上80 ym以下的范围内， 优选设定在5 ym以上80 ym以下的范围内。
[0077] 如图6所示，本实施方式构成为，从铝层112A侧向铜层112B侧沿铝层112A与铜 层112B之间的接合界面依次层压0相116、112相117,进一步层压6 2相118a、S相118b 及丫2相118c中的至少1个相（参考图7的状态图）。
[0078] 并且，本实施方式中，沿铜层112B与扩散层115之间的界面，氧化物119在由 相118a、S相118b或丫2相118c中的至少1个相构成的层的内部以层状分散。另外，该 氧化物119设定为氧化铝（A1203)等铝氧化物。
[0079] 并且，在本实施方式的功率模块101中，电路层112 (铜层112B)与半导体元件3 焊锡接合，在电路层112 (铜层112B)与半导体元件3之间形成有焊锡层20。与第1实施方 式相同，该焊锡层20通过Sn-Cu-Ni系的焊锡材料形成，本实施方式中使用Sn-0. 1~4质 量％Cu-0. 01~1质量％Ni的焊锡材料。
[0080] 在此，如图8所示，在电路层112 (铜层112B)的表面形成有金属间化合物层26， 在该金属间化合物层26上层压配置有焊锡层20。该金属间化合物层26被设定为Cu和Sn 的金属间化合物（Cu3Sn)。另外，金属间化合物层26的厚度t2设定为0. 8ym以下。
[0081] 焊锡层20的组成为，作为主成分含有Sn，且含有0. 01质量％以上1. 0质量％以下 的Ni、0. 1质量％以上5. 0质量％以下的Cu。
[0082] 并且，如图8所示，在焊锡层20中的从电路层112(铜层112B)表面至厚度30ym 的区域A中，通过EBSD测定而测定的平均结晶粒径被设定为10ym以下、优选设定在 0. 5ym以上10ym以下的范围内。
[0083]另外，在焊锡层20的内部，分散有由含有Cu、Ni、Sn的金属间化合物构成的析出物 粒子，特别是在焊锡层20中的从电路层112 (铜层112B)表面至厚度30ym的区域A中分 散较多。其中，本实施方式中，析出物粒子设为由化11，附)6511 5构成的金属间化合物。
[0084] 并且，在本实施方式的功率模块101构成为，在功率循环试验中在通电时间5秒、 温度差80°C的条件下负载10万次功率循环时的热阻上升率低于10%。
[0085]详细而言，将作为半导体元件3的IGBT元件焊接于电路层112(铜层112B)，并且 接合由铝合金构成的连接配线。并且，将对IGBT元件的通电调整为，每10秒钟重复进行一 次通电（ON)时元件表面温度为140°C、非通电（OFF)时元件表面温度为60°C的循环，并反 复进行10万次该功率循环之后，热阻上升率低于10%。
[0086] 以下，使用图9的流程图对本实施方式的功率模块101的制造方法进行说明。
[0087] 首先，在绝缘基板11的第一面及第二面接合铝板，并形成铝层112A及金属层 13(铝层及金属层形成工序S101)。
[0088] 将绝缘基板11和铝板经由钎料进行层压，并通过钎焊接合绝缘基板11和铝板。此 时，作为钎料，例如可使用厚度20~110ym的Al-Si系钎料箔，钎焊温度优选设定为600~ 620。。。
[0089] 接着，在铝层112A的一个面接合铜板而形成铜层112B(铜层形成工序S102)。另 外，铝层112A的另一面为通过铝层及金属层形成工序S101与绝缘基板11的第一面接合的 面。
[0090] 在铝层112A上层压铜板，并将它们向层压方向进行加压（压力3~35kgf/cm2)的 状态下装入真空加热炉内而进行加热，由此进行铝层112A和铜板固相扩散接合。在此，在 铜层形成工序S102中，加热温度设定为400°C以上且548°C以下，加热时间设定为15分钟 以上270分钟以下。另外，在进行铝层112A与铜板的固相扩散接合时，加热温度优选设定 为从比A1和Cu的共晶温度（548. 8°C)低5°C的温度至低于共晶温度的温度范围。
[0091] 通过该铜层形成工序S102,在绝缘基板11的第一面形成由铝层112A和铜层112B 构成的电路层112。
[0092] 并且，在电路层112(铜层112B)上接合半导体元件3(半导体元件接合工序 S103)。本实施方式中，在电路层112(铜层112B)的表面形成厚度0. 2ym以下的较薄的Ni 镀膜。
[0093] 接着，在该Ni镀膜上经Sn-0. 1~4质量％Cu-0. 01~1质量％Ni的焊锡材料层 压半导体元件3。
[0094] 在层压半导体元件3的状态下，装入还原炉内，并焊锡接合电路层112 (铜层112B) 与半导体元件3。此时，还原炉内设定为氢气1~lOvol%的还原气氛，加热温度设定为 280~330°C，保持时间设定为0. 5~2分钟。并且，将冷却至室温的冷却速度设定在平均 2~3°C/s的范围内。
[0095] 由此，在电路层112 (铜层112B)与半导体元件3之间形成焊锡层20,制造出本实 施方式的功率模块101。
[0096] 此时，形成于电路层112 (铜层112B)的表面的Ni镀膜中的Ni向焊锡材料侧扩散， Ni镀膜消失。
[0097] 并且，通过铜层112B的Cu向焊锡材料侧扩散，由包含Cu、Ni、Sn的金属间化合物 (本实施方式中为（Cu，Ni)6Sn5)构成的析出物颗粒分散在焊锡层20的内部。并且，焊锡层 20成为作为主成分含有Sn，并且含有0. 01质量％以上1. 0质量％以下的Ni、0. 1质量％以 上5. 0质量％以下的Cu的组成。
[0098] 在设定为如上结构的本实施方式的功率模块101中，能够发挥与第1实施方式同 样的作用效果。
[0099] 并且，本实施方式中，电路层112具有铜层112B，因此能够将从半导体元件3产生 的热量在铜层112B向面方向扩散，能够有效地向功率模块用基板110侧传递热量。
[0100] 另外，在绝缘基板11的第一面形成有变形阻力相对较小的铝层112A，因此能够将 负载热循环时产生的热应力通过该铝层112A吸收，并能够抑制绝缘基板11的裂纹。
[0101] 并且，在电路层112的一个面侧形成有由变形阻力相对较大的铜或铜合金构成的 铜层112B，因此在负载功率循环时，能够抑制电路层112的变形，并能够获得对功率循环的 较高的可靠性。另外，电路层112的另一面为与绝缘基板11的第一面接合的面。
[0102] 并且，本实施方式中，铝层112A与铜层112B被固相扩散接合，且该固相扩散接合 时的温度设定为400°C以上，因此促进A1原子与Cu原子的扩散，能够在短时间内充分进行 固相扩散。并且，进行固相扩散接合时的温度设定为548°C以下，因此不会产生A1和Cu的 液相，能够抑制在铝层112A与铜层112B之间的接合界面产生凸起或厚度发生变动。
[0103] 另外，将上述固相扩散接合的加热温度设定为从比A1和Cu的共晶温度 (548. 8°C)低5°C的温度至低于共晶温度的范围时，能够抑制A1和Cu的化合物过度形成， 并且能够确保固相扩散接合时的扩散速度，以比较短的时间进行固相扩散接合。
[0104] 以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不限定于此，在不脱离该发明 的技术思想的范围内可适当变更。
[0105] 例如，本实施方式中，将金属层设定为由纯度为99. 99质量％以上的4N铝构成的 情况进行了说明，但并不限定于此，也可以由其他铝或铝合金构成，也可由铜或铜合金构 成。
[0106] 并且，本实施方式中，作为成为电路层的金属板以无氧铜的轧制板为例进行了说 明，但并不限定于此，也可以由其他铜或铜合金构成。
[0107] 另外，作为绝缘层使用由A1N构成的绝缘基板的情况进行了说明，但并不限定于 此，也可使用由A1203、Si3N4等构成的绝缘基板。
[0108] 并且，将绝缘基板和成为电路层的铜板通过活性金属钎焊法进行接合的情况进行 了说明，但并不限定于此，也可通过DBC法、铸造法等进行接合。
[0109] 另外，将绝缘基板和成为金属层的铝板通过钎焊进行接合的情况进行了说明，但 并不限定于此，也可适用瞬间液相连接法（TransientLiquidPhaseBonding)、金属膏法、 铸造法等。
[0110] 并且，焊锡材料的组成并不限定于本实施方式，只要是焊锡接合后形成的合金层 的组成，作为主成分含有Sn，且含有0. 01质量％以上1. 0质量％以下的Ni、0. 1质量％以上 5. 0质量％以下的Cu即可。
[0111] 并且，在第2实施方式中，通过在铝层的一个面固相扩散接合铜板，在电路层的接 合面形成铜层的情况进行了说明，但并不限定于此，铜层形成方法并无限制。
[0112] 例如，也可在错层的一个面通过电镀法形成铜层。另外，形成厚度5ym至50ym 左右的铜层时，优选适用电镀法。形成厚度50ym至3mm左右的铜层时，优选适用固相扩散 接合。 [0113] 实施例1
[0114] 以下，对为确认本发明的效果而进行的确认实验的结果进行说明。
[0115] 准备所述第1实施方式中记载的功率模块。绝缘基板由A1N构成，使用 27mmX17mm、厚度0? 6mm的基板。并且，电路层由无氧铜构成，使用25mmX15mm、厚度0? 3mm 的层。金属层由4N错构成，使用25mmX15mm、厚度0.6mm的层。半导体元件设定为IGBT元 件，并使用13mmX10mm、厚度0. 25mm的元件。作为散热器使用40. 0mmX40. 0mmX2. 5mm的 铝板（A6063)。
[0116] 在此，调整形成于电路层的表面的Ni镀膜的厚度，并且如表1所示变更焊锡材料 的组成，由此调整焊料接合后的焊锡层的组成、平均结晶粒径等，制作成为本发明例1~8 及比较例1~5的各种功率模块。
[0117] 另外，焊锡接合条件将氢气3vol%还原气氛、加热温度（加热对象物温度）及保持 时间设定为表1的条件，将冷却至室温的平均冷却速度设定为2. 5°C/s。
[0118] (结晶粒径）
[0119] 根据如上所述得到的功率模块中，通过EBSD测定对形成于电路层与IGBT元件之 间的焊锡层中的从电路层表面至厚度30ym的区域中的平均结晶粒径进行了测定。
[0120] EBSD测定，通过EBSD测定装置（FEI公司制QuantaFEG450,EDAX/TSL公司制 OIMDataCollection)以及分析软件（EDAX/TSL公司制OIMDataAnalysisver. 5. 3)， 以电子射线的加速电压：20kV、测定步长：0. 6ym、测定范围：300ymX50ym、分析范围： 300ymX30ym而实施。
[0121] (焊锡层的组成）
[0122] 根据EPMA分析，对焊锡层的成分进行了分析。使用EPMA分析装置（日本电子股 份有限公司制JXA-8530F)，以加速电压：15kV、光斑直径；1ym以下、倍率：250倍对焊锡层 的平均组成进行了分析。
[0123](功率循环试验）
[0124] 将对IGBT元件的通电调整为每10秒钟重复进行一次通电（ON)时元件表面温度 为140°C、非通电（OFF)时元件表面温度为60°C的循环，并反复进行10万次该功率循环。并 且，对从初始状态开始的热阻的上升率进行了评价。另外，在本发明例1~8中，所有反复 进行了 10万次功率循环时的热阻上升率为低于10%。
[0125](功率循环寿命）
[0126] 将向IGBT元件的通电调整为每10秒进行一次通电（ON)时的元件表面温度为 140°C、非通电（OFF)时的元件表面温度为60°C的循环，并反复该功率循环。并且，对从初始 状态开始的热阻的上升率成为10%以上的循环次数（功率循环寿命）进行了评价。
[0127](热阻测定）
[0128] 作为热阻，使用热阻测试仪（TESEC公司制4324-KT)对瞬态热阻进行了测定。设 定为施加功率：l〇〇W、施加时间：100ms，通过测定功率施加前后的栅极与发射极之间的电 压差来求出热阻。测定是在进行上述功率循环试验时，每1万次循环实施一次测定。
[0129][表1]
[0130]
[0131] ※功率循环寿命：热阻上升10 %时的循环次数
[0132] 焊锡层的结晶粒径成为10ym以上的较粗大的比较例1、比较例3以及比较例5 中，功率循环寿命短至70000~80000次。对反复10万次功率循环后的比较例1的焊锡层 截面进行了观察的结果，如图10所示，可看出焊锡层的破坏。
[0133] 并且，焊锡层的组成脱离了本发明的范围的比较例2、4中，功率循环寿命也同样 的短至80000~90000次。推测其原因为，因Ni或Cu较多，从而在焊锡层内生成了夹杂物， 焊锡层以夹杂物为起点而被破坏。
[0134] 相对于此，本发明例1~8中，功率循环寿命均在110000次以上，可确认焊锡层的 破坏受到抑制。对反复10万次功率循环后的本发明例1的焊锡层截面进行观察的结果，如 图11所示，可确认裂纹沿晶界的扩展得到抑制。
[0135] 如上，根据本发明例，确认到能够得到功率循环特性优异的功率模块。
[0136] 实施例2
[0137] 接着，如第2实施方式中所记载，准备由铝层和铜层构成电路层的功率模块。
[0138] 绝缘基板由A1N构成，使用27mmX17mm、厚度0.6mm的基板。金属层由4N铝构成， 使用25mmX15mm、厚度0.6mm的层。半导体元件设定为IGBT元件，使用13mmX10mm、厚度 0. 25mm的元件。作为散热器使用40. 0mmX40. 0mmX2. 5mm的铝板（A6063)。
[0139] 电路层中铝层由4N铝构成，使用25mmX15mm、厚度0.6mm的层。并且，如表2所 示，铜层通过电镀、固相扩散接合而形成。
[0140] 电镀时，在铝层的表面实施锌酸盐处理之后，通过电解电镀形成表2所示的厚度 的铜层。
[0141]固相扩散接合时，准备表2所示的厚度的铜板，以第2实施方式中例示的条件在铝 层的表面固相扩散接合铜板。
[0142] 如上制作成为本发明例11~16的各种功率模块。
[0143] 另外，焊锡接合条件将氢气3vol%还原气氛、加热温度（加热对象物温度）及保持 时间设定为表2的条件，将冷却至室温的平均冷却速度设定为2. 5°C/s。
[0144] 并且，根据与实施例1相同的方法对焊锡层的组成、结晶粒径及功率循环寿命进 行了评价。评价结果示于表2。
[0145] [表 2]
[0146]
[0147] ※功率循环寿命：热阻上升10%时的循环次数
[0148] 如表2所示，在本发明例11~16中，功率循环寿命均达110000次以上，确认到焊 锡层的破坏得到抑制。即使在铝层上形成各种厚度的铜层而构成电路层时，也与实施例1 同样地确认到能够提高功率循环特性。
[0149] 并且，若铜层的厚度为5ym以上，则不会导致铜层中的Cu全部向焊锡侧扩散，确 认到铜层残留。另外，若铜层的厚度为3mm以下，则确认到功率循环寿命变成10万次以上。
[0150] 产业上的可利用性
[0151] 根据本发明，即使在负载功率循环时，也能够提前抑制在焊锡层产生破坏，能够提 供可靠性较高的功率模块。
[0152] 符号说明
[0153] 1-功率模块，3-半导体元件，10-功率模块用基板，11-绝缘基板（绝缘层），12-电 路层（铜层），13-金属层，20-焊锡层，26-金属间化合物层，30-焊锡材料，31-Ni镀膜， 101-功率模块，112-电路层，112A-铝层，112B-铜层。
【主权项】
1. 一种功率模块，其具备在绝缘层的一个面配设有电路层的功率模块用基板和接合于 所述电路层的一个面上的半导体元件，该功率模块的特征在于， 在所述电路层中的与所述半导体元件的接合面，设置有由铜或铜合金构成的铜层， 在所述电路层与所述半导体元件之间，形成有使用焊锡材料而形成的焊锡层， 在所述焊锡层中的从所述电路层表面至厚度30 y m的区域中，通过EBSD测定而测定的 平均结晶粒径被设定在0.1 ym以上10 ym以下的范围内， 所述焊锡层的组成为，作为主成分含有Sn，并且含有0. 01质量％以上I. 0质量％以下 的Ni、0. 1质量％以上5. 0质量％以下的Cu， 在功率循环试验中，在通电时间5秒、温度差80°C的条件下负载10万次功率循环时，热 阻上升率低于10%。2. 根据权利要求1所述的功率模块，其中， 在所述焊锡层分散有由（Cu, ND6Sn5构成的析出物粒子。
【专利摘要】本发明的功率模块中，在电路层(12)中与半导体元件(3)的接合面，设置有由铜或铜合金构成的铜层，且在电路层(12)与半导体元件(3)之间形成有使用焊锡材料而形成的焊锡层(20)。在焊锡层(20)中的从电路层(12)表面至厚度30μm的区域中，通过EBSD测定而测定的平均结晶粒径被设定为10μm以下，焊锡层(20)的组成为，作为主成分含有Sn，并且含有0.01质量％以上1.0质量％以下的Ni、0.1质量％以上5.0质量％以下的Cu，在功率循环试验中，在通电时间5秒、温度差80℃的条件下负载10万次功率循环时，热阻上升率低于10％。
【IPC分类】B23K35/26, H01L21/52, C22C13/00
【公开号】CN104885206
【申请号】CN201380066872
【发明人】大桥东洋, 长友义幸, 长瀬敏之, 黑光祥郎
【申请人】三菱综合材料株式会社
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2013年12月20日
【公告号】EP2940719A1, US20150319877, WO2014103934A1
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种使用焊锡材料将设置有由铜或铜合金构成的铜层的电路层和半 导体元件进行接合的功率模块。
[0002] 本申请主张基于2012年12月25日于日本申请的专利申请2012-281345号优先 权，并将其内容援用于此。
【背景技术】
[0003]例如，如专利文献1、2所示，上述功率模块具备在绝缘基板的一个面接合作为电 路层的金属板而构成的功率模块用基板和搭载于电路层上的功率元件（半导体元件）。
[0004] 并且，功率模块用基板的另一面侧有时配设有散热板或冷却器等散热器，以发散 来自功率元件（半导体元件）的热量。此时，为了缓和由绝缘基板与散热板或冷却器等散 热器之间的热膨胀系数引起的热应力，在功率模块用基板上，设定为在绝缘基板的另一面 接合有作为金属层的金属板，且该金属层与上述散热板或冷却器等散热器接合的结构。
[0005] 上述功率模块中，电路层与功率元件（半导体元件）经由焊锡材料而接合。
[0006] 在此，当电路层由铝或铝合金构成时，例如如专利文献3中所公开，需在电路层的 表面通过电解电镀等而形成Ni镀膜，且在该Ni镀膜上配设焊锡材料而接合半导体元件。
[0007] 并且，当电路层由铜或铜合金构成时，同样在电路层的表面形成Ni镀膜，且在该 Ni镀膜上配设焊锡材料而接合半导体元件。
[0008] 专利文献1 :日本专利公开2002-076551号公报
[0009] 专利文献2 :日本专利公开2008-227336号公报
[0010] 专利文献3 :日本专利公开2004-172378号公报
[0011] 然而，例如如专利文献3中所记载，若对在由铝或铝合金构成的电路层的表面形 成Ni镀层而焊锡接合半导体元件的功率模块施加功率循环的负载，则可能会在焊锡上产 生龟裂，热阻会上升。
[0012] 并且，即使在由铜或铜合金构成的电路层的表面形成Ni镀层而焊锡接合半导体 元件的功率模块中，若施加功率循环的负载，则同样可能会在焊锡上产生龟裂，热阻会上 升。
[0013] 近年来，在上述功率模块等中，为了控制风力发电或电动汽车和电动车辆等而搭 载进一步大功率控制用的功率元件，因此比以往更加需要进一步提高功率循环的可靠性。
【发明内容】
[0014] 本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种即使在负载有功率循环 时，也可以抑制焊锡层的裂纹，且可靠性较高的功率模块。
[0015] 本发明人等进行深入研宄的结果得知若对在由铝、铝合金、铜或铜合金构成的电 路层的表面形成Ni镀层而焊锡接合半导体元件的功率模块施加功率循环负载，则Ni镀层 会产生裂纹，该裂纹沿焊锡层的晶界扩展，最终导致焊锡层龟裂。并且，进行深入研宄的结 果得知通过将焊锡层的结晶粒径设定为较小，可以抑制焊锡层的裂纹的扩展的研宄结果。
[0016] 本发明是基于上述见解而完成的，（1)本发明的一实施方式的功率模块具备在绝 缘层的一个面配设有电路层的功率模块用基板和接合于所述电路层的一个面上的半导体 元件，其中，在所述电路层中与所述半导体元件的接合面设置有由铜或铜合金构成的铜层， 在所述电路层与所述半导体元件之间形成有使用焊锡材料而形成的焊锡层，在所述焊锡 层中的从所述电路层表面至30ym的区域中，通过EBSD而测定的平均结晶粒径被设定在 0. 1ym以上10ym以下的范围内，所述焊锡层的组成为，作为主成分含有Sn，并且含有0. 01 质量％以上1. 0质量％以下的Ni、0. 1质量％以上5. 0质量％以下的Cu，在功率循环试验 中，在通电时间5秒、温度差80°C的条件下负载10万次功率循环时，热阻上升率低于10%。
[0017] 根据此构成的功率模块，在与半导体元件的接合面设置有铜层的所述电路层与所 述半导体元件之间形成的焊锡层中的所述电路层（所述铜层）表面至厚度30ym的区域 中，平均结晶粒径被设定为l〇ym以下即设成比较微细，因此例如在电路层（铜层）的界面 邻近发生的裂纹不易沿晶界扩展至焊锡层的内部，能够抑制焊锡层的破坏。另外，在焊锡层 中的从所述电路层（所述铜层）的表面上至厚度30ym的区域中的平均结晶粒径，优选设 定在0. 5ym以上10ym以下的范围内。
[0018] 此外，焊锡层的组成为，作为主成分含有Sn，并且含有0.01质量％以上1.0质量％ 以下的Ni、0. 1质量％以上5. 0质量％以下的Cu，因此在焊锡层的内部，由含有Cu、Ni、Sn 中的任一种的金属间化合物构成的析出物粒子会分散，如上所述可使焊锡层的结晶粒径微 细化。
[0019] 另外，在功率循环试验中，本发明的功率模块被设定为在通电时间5秒、温度差 80°C的条件下负载10万次功率循环时的热阻上升率低于10%，因此即使在反复负载功率 循环的情况下，焊锡层也不会提前被破坏，能够提高功率循环的可靠性。另外，上述功率循 环试验中，由于是对焊锡层施加最重负载的条件，因此若在该条件下进行10万次负载的功 率循环时的热阻上升率低于10%，则在通常的使用中能够得到充分的可靠性。
[0020] (2)本发明的另一实施方式的功率模块为实施方式（1)中所记载的功率模块，在 所述合金层上分散有（Cu，Ni)6Sn5构成的析出物粒子。
[0021] 其中，由（Cu，Ni)6Sn5构成的析出物粒子会分散，由此能切实地使焊锡层的结晶粒 径微细化，且能够切实地抑制功率循环负载时的焊锡层的破坏。
[0022] 根据本发明，能够提供即使在负载功率循环时，也能够提前抑制在焊锡层产生破 坏，且可靠性较高的功率模块。
【附图说明】
[0023] 图1是本发明的第1实施方式的功率模块的概略说明图。
[0024] 图2是图1中的电路层与半导体元件的接合部分的放大说明图。
[0025] 图3是表示图1的功率模块的制造方法的流程图。
[0026] 图4是图3所示的功率模块的制造方法中的半导体元件接合工序的说明图。
[0027] 图5是本发明的第2实施方式的功率模块的概略说明图。
[0028] 图6是图5中的铜层与铝层之间的接合界面的放大说明图。
[0029] 图7是Cu与A1的二元状态图。
[0030] 图8是图5中的电路层与半导体元件之间的接合部分的放大说明图。
[0031] 图9是表示图5的功率模块的制造方法的流程图。
[0032] 图10是表示比较例1的功率模块中初始及负载功率循环后的焊锡层的EBSD测定 结果的照片。
[0033] 图11是表示本发明例1的功率模块中初始及功率循环负载后的焊锡层的EBSD测 定结果的照片。
【具体实施方式】
[0034] 以下，参考附图对本发明的实施方式的功率模块进行说明。
[0035](第一实施方式）
[0036]图1中示出本发明的第1实施方式的功率模块1。该功率模块1具备在绝缘基板 (绝缘层）11的一个面（第一面）上形成有电路层12的功率模块用基板10和搭载于电路 层12上（图1中为上表面）的半导体元件3。另外，在本实施方式的功率模块1中，散热器 41接合于绝缘基板11的另一面侧（为第二面侧，图1中为下表面）。
[0037] 功率模块用基板10具备：构成绝缘层的绝缘基板11 ;配设于该绝缘基板11的一 个面（为第一面，图1中为上表面）的电路层12 ;及配设于绝缘基板11的另一面（为第二 面，图1中为下表面）的金属层13。
[0038] 绝缘基板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A1N(氮 化铝）、Si3N4(氮化硅）、A1203(氧化铝）等绝缘性较高的陶瓷构成，在本实施方式中，由绝 缘性较高的A1N(氮化铝）构成。并且，绝缘基板11的厚度设定在0.2mm以上1.5mm以下 的范围内，在本实施方式中被设定为0. 635mm。
[0039] 电路层12通过在绝缘基板11的第一面接合具有导电性的金属板而形成。本实施 方式中，电路层12通过由无氧铜的轧制板构成的铜板接合于绝缘基板11而形成。本实施方 式中，电路层12整体相当于设置在与半导体元件3之间的接合面的由铜或铜合金构成的铜 层。其中，电路层12的厚度（铜板的厚度）优选设定在0.1mm以上1.0mm以下的范围内。 [0040]金属层13通过在绝缘基板11的第二面接合金属板而形成。本实施方式中，金属 层13通过由纯度为99. 99质量％以上的铝（所谓4N铝）的轧制板构成的铝板接合于绝缘 基板11而形成。其中，金属层13(错板）的厚度优选设定在0.6mm以上3. 0mm以下的范围 内。
[0041] 散热器41为用于冷却所述功率模块用基板10的部件，并具备与功率模块用基板 10接合的顶板部42和用于流通冷却介质（例如冷却水）的流路43。该散热器41 (顶板部 42)优选由导热性良好的材质构成，本实施方式中由A6063(铝合金）构成。
[0042] 半导体元件3由Si等半导体 材料构成，如图2所示，在与电路层12之间的接合面 上形成有由Ni、Au等构成的表面处理膜3a。
[0043] 而且，本实施方式的功率模块1中，电路层12与半导体元件3焊锡接合，在电路层 12与半导体元件3之间形成有焊锡层20。另外，本实施方式中，焊锡层20的厚度tl设定 在50ym以上200ym以下的范围内。
[0044] 如图4所示，该焊锡层20通过Sn-Cu-Ni系的焊锡材料30而形成，本实施方式中 使用Sn-0. 1~4质量％Cu-0. 01~1质量％Ni的焊锡材料30。
[0045] 在此，如图2所示，在电路层12的表面形成有金属间化合物层26,在该金属间化合 物层26上层压配置有焊锡层20。该金属间化合物层26设定为Cu和Sn的金属间化合物 (Cu3Sn)。另外，金属间化合物层26的厚度t2设定为0. 8ym以下。
[0046] 焊锡层20的组成为，作为主成分含有Sn，且含有0. 01质量％以上1. 0质量％以下 的Ni、0.1质量％以上5.0质量％以下的Cu。
[0047] 并且，如图2所示，在焊锡层20中的从电路层12表面至厚度30ym的区域A中，通 过EBSD (Electron Backscatter Diffraction)测定而测定的平均结晶粒径被设定为10 ym 以下、优选设定为〇.5 ym以上10 ym以下的范围内。
[0048]此外，在焊锡层20的内部，分散有由含有Cu、Ni、Sn的金属间化合物构成的析出物 粒子，特别是在焊锡层20中的从电路层12表面至厚度30ym的区域A中分散较多。在此， 本实施方式中，析出物粒子设为由化11，附)6511 5构成的金属间化合物。
[0049] 并且，本实施方式的功率模块1构成为，在功率循环试验中在通电时间5秒、温度 差80°C的条件下负载10万次功率循环时的热阻上升率低于10%。
[0050] 详细而言，将作为半导体元件3的IGBT元件焊接于电路层12,并且接合由铝合金 构成的连接配线。并且，将对IGBT元件的通电调整为每10秒钟重复进行一次通电（ON)时 元件表面温度为140°C、非通电（OFF)时元件表面温度为60°C的循环，反复进行10万次该 功率循环之后，热阻上升率低于10%。
[0051] 以下，使用图3的流程图对本实施方式的功率模块的制造方法进行说明。
[0052] 首先，对成为电路层12的铜板和绝缘基板11进行接合（电路层形成工序S01)。 在此，绝缘基板11与成为电路层12的铜板之间的接合通过所谓活性金属钎焊法实施。本 实施方式中，使用由Ag-27. 4质量％Cu-2. 0质量％Ti构成的活性钎料。
[0053] 在绝缘基板11的第一面经由活性钎料层压成为电路层12的铜板，在层压方向上 将绝缘基板11、铜板以lkgf/cm2以上35kgf/cm2以下（9. 8X104Pa以上343X104Pa以下） 的范围进行加压的状态下装入加热炉内进行加热，并接合成为电路层12的铜板和绝缘基 板11。在此，加热温度设定为850°C，加热时间设定为10分钟。
[0054] 接着，在绝缘基板11的第二面侧接合成为金属层13的铝板（金属层形成工序 S02)。将绝缘基板11和铝板经由钎料进行层压，并通过钎焊接合绝缘基板11和铝板。此 时，作为钎料，例如可使用厚度20~110ym的Al-Si系钎料箔，钎焊温度优选设定为600~ 620。。。
[0055] 由此，制造功率模块用基板10。
[0056] 接着，在金属层13的另一面侧接合散热器41 (散热器接合工序S03)。金属层13的 一个面与绝缘基板11的第二面接合。将金属层13与散热器41的顶板部42经由钎料进行 层压，通过钎焊接合金属层13和散热器41。此时，作为钎料，例如可使用厚度20~110ym 的Al-Si系钎料箔，钎焊温度优选设定为590°C~610°C。
[0057] 并且，在电路层12上接合半导体元件3(半导体元件接合工序S04)。如图4所述， 本实施方式中，在电路层12的表面形成厚度0. 2 ym以下的较薄的Ni镀膜31。
[0058] 接着，在该Ni镀膜31上，经由Sn-0. 1~4质量％Cu-0. 01~1质量％Ni的焊锡 材料30层压半导体元件3。
[0059] 在层压半导体元件3的状态下，装入还原炉内，并焊锡接合电路层12和半导体元 件3。此时，还原炉内被设定为氢气1~lOvol%的还原气氛，并设定为加热温度为280~ 330°C，保持时间为0. 5~2分钟。并且，冷却至室温的冷却速度设定在平均2~3°C/s的 范围内。
[0060] 由此，在电路层12与半导体元件3之间形成焊锡层20,制造出本实施方式的功率 模块1。
[0061] 此时，形成于电路层12的表面的Ni镀膜31中的Ni向焊锡材料30侧扩散，Ni镀 膜31消失。
[0062] 并且，电路层12的Cu朝向焊锡材料30侧扩散，由此，由含有Cu、Ni、Sn的金属间 化合物（本实施方式中为（Cu，Ni)6Sn5)构成的析出物粒子分散于焊锡层20的内部。并且， 焊锡层20的组成为，作为主成分含有Sn，且含有0. 01质量％以上1. 0质量％以下的Ni、0. 1 质量％以上5. 0质量％以下的Cu。
[0063] 如上构成的本实施方式的功率模块1中，形成于电路层12与半导体元件3之间的 焊锡层20中的从电路层12表面至厚度30ym的区域A中，平均结晶粒径被设定为10ym 以下、优选设定在〇. 5ym以上且10ym以下的范围内，因此即使从电路层12侧在焊锡层20 内产生裂纹，裂纹也不易沿晶界扩展，能够抑制焊锡层20的破坏。
[0064] 并且，半导体元件接合工程S04中，电路层12的Cu、Ni镀膜31的Ni朝向焊锡材 料30侧扩散，由此，焊锡层20的组成为，作为主成分含有Sn，且含有0. 01质量％以上1. 0 质量％以下的Ni、0.1质量％以上5.0质量％以下的Cu，从而在焊锡层20的内部，分散有由 含有Cu、Ni、Sn的金属间化合物（本实施方式中为（Cu，Ni)6Sn5)构成的析出物粒子，能够 实现焊锡层20的结晶粒径的微细化。
[0065] 此外，本实施方式的功率模块1构成为，在功率循环试验中，负载10万次通电时间 5秒、温度差80°C的功率循环时，热阻上升率低于10 %，因此即使在负载功率循环时，焊锡 层20也不会提如被破坏，能够提尚功率循环的可靠性。
[0066] 并且，本实施方式中，在电路层12表面上形成厚度0.2ym以下的较薄的Ni镀膜 31，因此焊锡接合半导体元件3时，Ni镀膜31不会残存，且电路层12的Cu朝向焊锡材料 30侧的扩散不受抑制，在焊锡层20的内部，能够切实地使由（Cu，附)65115构成的析出物粒 子分散，能够实现结晶粒径的微细化。
[0067](第2实施方式）
[0068] 接着，参考附图对本发明的第2实施方式的功率模块进行说明。另外，在与第1实 施方式相同的部件标注相同的符号并省略详细说明。
[0069] 图5中示出本发明的第2实施方式的功率模块101。该功率模块101具备在绝缘 基板（绝缘层）11的一个面（第一面）形成有电路层112的功率模块用基板110和搭载于 在电路层112上（图5中为上表面）的半导体元件3。
[0070] 功率模块用基板110具备：构成绝缘层的绝缘基板11 ;配设于该绝缘基板11的一 个面（为第一面，在图5中为上表面）的电路层112 ;及配设于绝缘基板11的另一面（为 第二面，图5中为下表面）的金属层13。
[0071] 如图5所示，电路层112具备形成于绝缘基板11的第一面的铝层112A和层压于 该铝层112A的一个面侧的铜层112B。铝层112A的另一面与绝缘基板11的第一面接合。
[0072] 在此，本实施方式中，铝层112A通过接合纯度为99. 99质量％以上的铝的轧制板 而形成。并且，铜层112B通过由无氧铜的轧制板构成的铜板在铝层112A的一个面侧固相 扩散接合而形成。
[0073] 该电路层112的一个面（图5中为上表面）设定为半导体元件3被接合的接合面。 在此，电路层112的厚度优选设定在0. 25mm以上6. 0mm以下的范围内。并且，铝层112A(铝 板）的厚度设定在〇. 2mm以上3mm以下的范围内，铜层112B的厚度设定在50ym以上3. 0mm 以下的范围内。
[0074] 在此，如图6所示，在铝层112A与铜层112B之间的界面形成有扩散层115。
[0075] 扩散层115通过铝层112A的A1原子和铜层112B的Cu原子相互扩散而形成。该 扩散层115中具有如下浓度梯度，即随着从铝层112A朝向铜层112B，铝原子的浓度逐渐变 低且铜原子的浓度逐渐变高。
[0076] 如图6所示，该扩散层115由A1和Cu所构成的金属间化合物构成，本实施方式中， 设定为多个金属间化合物沿接合界面层压的结构。在此，该扩散层115的厚度设定在1 ym 以上80 ym以下的范围内， 优选设定在5 ym以上80 ym以下的范围内。
[0077] 如图6所示，本实施方式构成为，从铝层112A侧向铜层112B侧沿铝层112A与铜 层112B之间的接合界面依次层压0相116、112相117,进一步层压6 2相118a、S相118b 及丫2相118c中的至少1个相（参考图7的状态图）。
[0078] 并且，本实施方式中，沿铜层112B与扩散层115之间的界面，氧化物119在由 相118a、S相118b或丫2相118c中的至少1个相构成的层的内部以层状分散。另外，该 氧化物119设定为氧化铝（A1203)等铝氧化物。
[0079] 并且，在本实施方式的功率模块101中，电路层112 (铜层112B)与半导体元件3 焊锡接合，在电路层112 (铜层112B)与半导体元件3之间形成有焊锡层20。与第1实施方 式相同，该焊锡层20通过Sn-Cu-Ni系的焊锡材料形成，本实施方式中使用Sn-0. 1~4质 量％Cu-0. 01~1质量％Ni的焊锡材料。
[0080] 在此，如图8所示，在电路层112 (铜层112B)的表面形成有金属间化合物层26， 在该金属间化合物层26上层压配置有焊锡层20。该金属间化合物层26被设定为Cu和Sn 的金属间化合物（Cu3Sn)。另外，金属间化合物层26的厚度t2设定为0. 8ym以下。
[0081] 焊锡层20的组成为，作为主成分含有Sn，且含有0. 01质量％以上1. 0质量％以下 的Ni、0. 1质量％以上5. 0质量％以下的Cu。
[0082] 并且，如图8所示，在焊锡层20中的从电路层112(铜层112B)表面至厚度30ym 的区域A中，通过EBSD测定而测定的平均结晶粒径被设定为10ym以下、优选设定在 0. 5ym以上10ym以下的范围内。
[0083]另外，在焊锡层20的内部，分散有由含有Cu、Ni、Sn的金属间化合物构成的析出物 粒子，特别是在焊锡层20中的从电路层112 (铜层112B)表面至厚度30ym的区域A中分 散较多。其中，本实施方式中，析出物粒子设为由化11，附)6511 5构成的金属间化合物。
[0084] 并且，在本实施方式的功率模块101构成为，在功率循环试验中在通电时间5秒、 温度差80°C的条件下负载10万次功率循环时的热阻上升率低于10%。
[0085]详细而言，将作为半导体元件3的IGBT元件焊接于电路层112(铜层112B)，并且 接合由铝合金构成的连接配线。并且，将对IGBT元件的通电调整为，每10秒钟重复进行一 次通电（ON)时元件表面温度为140°C、非通电（OFF)时元件表面温度为60°C的循环，并反 复进行10万次该功率循环之后，热阻上升率低于10%。
[0086] 以下，使用图9的流程图对本实施方式的功率模块101的制造方法进行说明。
[0087] 首先，在绝缘基板11的第一面及第二面接合铝板，并形成铝层112A及金属层 13(铝层及金属层形成工序S101)。
[0088] 将绝缘基板11和铝板经由钎料进行层压，并通过钎焊接合绝缘基板11和铝板。此 时，作为钎料，例如可使用厚度20~110ym的Al-Si系钎料箔，钎焊温度优选设定为600~ 620。。。
[0089] 接着，在铝层112A的一个面接合铜板而形成铜层112B(铜层形成工序S102)。另 外，铝层112A的另一面为通过铝层及金属层形成工序S101与绝缘基板11的第一面接合的 面。
[0090] 在铝层112A上层压铜板，并将它们向层压方向进行加压（压力3~35kgf/cm2)的 状态下装入真空加热炉内而进行加热，由此进行铝层112A和铜板固相扩散接合。在此，在 铜层形成工序S102中，加热温度设定为400°C以上且548°C以下，加热时间设定为15分钟 以上270分钟以下。另外，在进行铝层112A与铜板的固相扩散接合时，加热温度优选设定 为从比A1和Cu的共晶温度（548. 8°C)低5°C的温度至低于共晶温度的温度范围。
[0091] 通过该铜层形成工序S102,在绝缘基板11的第一面形成由铝层112A和铜层112B 构成的电路层112。
[0092] 并且，在电路层112(铜层112B)上接合半导体元件3(半导体元件接合工序 S103)。本实施方式中，在电路层112(铜层112B)的表面形成厚度0. 2ym以下的较薄的Ni 镀膜。
[0093] 接着，在该Ni镀膜上经Sn-0. 1~4质量％Cu-0. 01~1质量％Ni的焊锡材料层 压半导体元件3。
[0094] 在层压半导体元件3的状态下，装入还原炉内，并焊锡接合电路层112 (铜层112B) 与半导体元件3。此时，还原炉内设定为氢气1~lOvol%的还原气氛，加热温度设定为 280~330°C，保持时间设定为0. 5~2分钟。并且，将冷却至室温的冷却速度设定在平均 2~3°C/s的范围内。
[0095] 由此，在电路层112 (铜层112B)与半导体元件3之间形成焊锡层20,制造出本实 施方式的功率模块101。
[0096] 此时，形成于电路层112 (铜层112B)的表面的Ni镀膜中的Ni向焊锡材料侧扩散， Ni镀膜消失。
[0097] 并且，通过铜层112B的Cu向焊锡材料侧扩散，由包含Cu、Ni、Sn的金属间化合物 (本实施方式中为（Cu，Ni)6Sn5)构成的析出物颗粒分散在焊锡层20的内部。并且，焊锡层 20成为作为主成分含有Sn，并且含有0. 01质量％以上1. 0质量％以下的Ni、0. 1质量％以 上5. 0质量％以下的Cu的组成。
[0098] 在设定为如上结构的本实施方式的功率模块101中，能够发挥与第1实施方式同 样的作用效果。
[0099] 并且，本实施方式中，电路层112具有铜层112B，因此能够将从半导体元件3产生 的热量在铜层112B向面方向扩散，能够有效地向功率模块用基板110侧传递热量。
[0100] 另外，在绝缘基板11的第一面形成有变形阻力相对较小的铝层112A，因此能够将 负载热循环时产生的热应力通过该铝层112A吸收，并能够抑制绝缘基板11的裂纹。
[0101] 并且，在电路层112的一个面侧形成有由变形阻力相对较大的铜或铜合金构成的 铜层112B，因此在负载功率循环时，能够抑制电路层112的变形，并能够获得对功率循环的 较高的可靠性。另外，电路层112的另一面为与绝缘基板11的第一面接合的面。
[0102] 并且，本实施方式中，铝层112A与铜层112B被固相扩散接合，且该固相扩散接合 时的温度设定为400°C以上，因此促进A1原子与Cu原子的扩散，能够在短时间内充分进行 固相扩散。并且，进行固相扩散接合时的温度设定为548°C以下，因此不会产生A1和Cu的 液相，能够抑制在铝层112A与铜层112B之间的接合界面产生凸起或厚度发生变动。
[0103] 另外，将上述固相扩散接合的加热温度设定为从比A1和Cu的共晶温度 (548. 8°C)低5°C的温度至低于共晶温度的范围时，能够抑制A1和Cu的化合物过度形成， 并且能够确保固相扩散接合时的扩散速度，以比较短的时间进行固相扩散接合。
[0104] 以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不限定于此，在不脱离该发明 的技术思想的范围内可适当变更。
[0105] 例如，本实施方式中，将金属层设定为由纯度为99. 99质量％以上的4N铝构成的 情况进行了说明，但并不限定于此，也可以由其他铝或铝合金构成，也可由铜或铜合金构 成。
[0106] 并且，本实施方式中，作为成为电路层的金属板以无氧铜的轧制板为例进行了说 明，但并不限定于此，也可以由其他铜或铜合金构成。
[0107] 另外，作为绝缘层使用由A1N构成的绝缘基板的情况进行了说明，但并不限定于 此，也可使用由A1203、Si3N4等构成的绝缘基板。
[0108] 并且，将绝缘基板和成为电路层的铜板通过活性金属钎焊法进行接合的情况进行 了说明，但并不限定于此，也可通过DBC法、铸造法等进行接合。
[0109] 另外，将绝缘基板和成为金属层的铝板通过钎焊进行接合的情况进行了说明，但 并不限定于此，也可适用瞬间液相连接法（TransientLiquidPhaseBonding)、金属膏法、 铸造法等。
[0110] 并且，焊锡材料的组成并不限定于本实施方式，只要是焊锡接合后形成的合金层 的组成，作为主成分含有Sn，且含有0. 01质量％以上1. 0质量％以下的Ni、0. 1质量％以上 5. 0质量％以下的Cu即可。
[0111] 并且，在第2实施方式中，通过在铝层的一个面固相扩散接合铜板，在电路层的接 合面形成铜层的情况进行了说明，但并不限定于此，铜层形成方法并无限制。
[0112] 例如，也可在错层的一个面通过电镀法形成铜层。另外，形成厚度5ym至50ym 左右的铜层时，优选适用电镀法。形成厚度50ym至3mm左右的铜层时，优选适用固相扩散 接合。 [0113] 实施例1
[0114] 以下，对为确认本发明的效果而进行的确认实验的结果进行说明。
[0115] 准备所述第1实施方式中记载的功率模块。绝缘基板由A1N构成，使用 27mmX17mm、厚度0? 6mm的基板。并且，电路层由无氧铜构成，使用25mmX15mm、厚度0? 3mm 的层。金属层由4N错构成，使用25mmX15mm、厚度0.6mm的层。半导体元件设定为IGBT元 件，并使用13mmX10mm、厚度0. 25mm的元件。作为散热器使用40. 0mmX40. 0mmX2. 5mm的 铝板（A6063)。
[0116] 在此，调整形成于电路层的表面的Ni镀膜的厚度，并且如表1所示变更焊锡材料 的组成，由此调整焊料接合后的焊锡层的组成、平均结晶粒径等，制作成为本发明例1~8 及比较例1~5的各种功率模块。
[0117] 另外，焊锡接合条件将氢气3vol%还原气氛、加热温度（加热对象物温度）及保持 时间设定为表1的条件，将冷却至室温的平均冷却速度设定为2. 5°C/s。
[0118] (结晶粒径）
[0119] 根据如上所述得到的功率模块中，通过EBSD测定对形成于电路层与IGBT元件之 间的焊锡层中的从电路层表面至厚度30ym的区域中的平均结晶粒径进行了测定。
[0120] EBSD测定，通过EBSD测定装置（FEI公司制QuantaFEG450,EDAX/TSL公司制 OIMDataCollection)以及分析软件（EDAX/TSL公司制OIMDataAnalysisver. 5. 3)， 以电子射线的加速电压：20kV、测定步长：0. 6ym、测定范围：300ymX50ym、分析范围： 300ymX30ym而实施。
[0121] (焊锡层的组成）
[0122] 根据EPMA分析，对焊锡层的成分进行了分析。使用EPMA分析装置（日本电子股 份有限公司制JXA-8530F)，以加速电压：15kV、光斑直径；1ym以下、倍率：250倍对焊锡层 的平均组成进行了分析。
[0123](功率循环试验）
[0124] 将对IGBT元件的通电调整为每10秒钟重复进行一次通电（ON)时元件表面温度 为140°C、非通电（OFF)时元件表面温度为60°C的循环，并反复进行10万次该功率循环。并 且，对从初始状态开始的热阻的上升率进行了评价。另外，在本发明例1~8中，所有反复 进行了 10万次功率循环时的热阻上升率为低于10%。
[0125](功率循环寿命）
[0126] 将向IGBT元件的通电调整为每10秒进行一次通电（ON)时的元件表面温度为 140°C、非通电（OFF)时的元件表面温度为60°C的循环，并反复该功率循环。并且，对从初始 状态开始的热阻的上升率成为10%以上的循环次数（功率循环寿命）进行了评价。
[0127](热阻测定）
[0128] 作为热阻，使用热阻测试仪（TESEC公司制4324-KT)对瞬态热阻进行了测定。设 定为施加功率：l〇〇W、施加时间：100ms，通过测定功率施加前后的栅极与发射极之间的电 压差来求出热阻。测定是在进行上述功率循环试验时，每1万次循环实施一次测定。
[0129][表1]
[0130]
[0131] ※功率循环寿命：热阻上升10 %时的循环次数
[0132] 焊锡层的结晶粒径成为10ym以上的较粗大的比较例1、比较例3以及比较例5 中，功率循环寿命短至70000~80000次。对反复10万次功率循环后的比较例1的焊锡层 截面进行了观察的结果，如图10所示，可看出焊锡层的破坏。
[0133] 并且，焊锡层的组成脱离了本发明的范围的比较例2、4中，功率循环寿命也同样 的短至80000~90000次。推测其原因为，因Ni或Cu较多，从而在焊锡层内生成了夹杂物， 焊锡层以夹杂物为起点而被破坏。
[0134] 相对于此，本发明例1~8中，功率循环寿命均在110000次以上，可确认焊锡层的 破坏受到抑制。对反复10万次功率循环后的本发明例1的焊锡层截面进行观察的结果，如 图11所示，可确认裂纹沿晶界的扩展得到抑制。
[0135] 如上，根据本发明例，确认到能够得到功率循环特性优异的功率模块。
[0136] 实施例2
[0137] 接着，如第2实施方式中所记载，准备由铝层和铜层构成电路层的功率模块。
[0138] 绝缘基板由A1N构成，使用27mmX17mm、厚度0.6mm的基板。金属层由4N铝构成， 使用25mmX15mm、厚度0.6mm的层。半导体元件设定为IGBT元件，使用13mmX10mm、厚度 0. 25mm的元件。作为散热器使用40. 0mmX40. 0mmX2. 5mm的铝板（A6063)。
[0139] 电路层中铝层由4N铝构成，使用25mmX15mm、厚度0.6mm的层。并且，如表2所 示，铜层通过电镀、固相扩散接合而形成。
[0140] 电镀时，在铝层的表面实施锌酸盐处理之后，通过电解电镀形成表2所示的厚度 的铜层。
[0141]固相扩散接合时，准备表2所示的厚度的铜板，以第2实施方式中例示的条件在铝 层的表面固相扩散接合铜板。
[0142] 如上制作成为本发明例11~16的各种功率模块。
[0143] 另外，焊锡接合条件将氢气3vol%还原气氛、加热温度（加热对象物温度）及保持 时间设定为表2的条件，将冷却至室温的平均冷却速度设定为2. 5°C/s。
[0144] 并且，根据与实施例1相同的方法对焊锡层的组成、结晶粒径及功率循环寿命进 行了评价。评价结果示于表2。
[0145] [表 2]
[0146]
[0147] ※功率循环寿命：热阻上升10%时的循环次数
[0148] 如表2所示，在本发明例11~16中，功率循环寿命均达110000次以上，确认到焊 锡层的破坏得到抑制。即使在铝层上形成各种厚度的铜层而构成电路层时，也与实施例1 同样地确认到能够提高功率循环特性。
[0149] 并且，若铜层的厚度为5ym以上，则不会导致铜层中的Cu全部向焊锡侧扩散，确 认到铜层残留。另外，若铜层的厚度为3mm以下，则确认到功率循环寿命变成10万次以上。
[0150] 产业上的可利用性
[0151] 根据本发明，即使在负载功率循环时，也能够提前抑制在焊锡层产生破坏，能够提 供可靠性较高的功率模块。
[0152] 符号说明
[0153] 1-功率模块，3-半导体元件，10-功率模块用基板，11-绝缘基板（绝缘层），12-电 路层（铜层），13-金属层，20-焊锡层，26-金属间化合物层，30-焊锡材料，31-Ni镀膜， 101-功率模块，112-电路层，112A-铝层，112B-铜层。
【主权项】
1. 一种功率模块，其具备在绝缘层的一个面配设有电路层的功率模块用基板和接合于 所述电路层的一个面上的半导体元件，该功率模块的特征在于， 在所述电路层中的与所述半导体元件的接合面，设置有由铜或铜合金构成的铜层， 在所述电路层与所述半导体元件之间，形成有使用焊锡材料而形成的焊锡层， 在所述焊锡层中的从所述电路层表面至厚度30 y m的区域中，通过EBSD测定而测定的 平均结晶粒径被设定在0.1 ym以上10 ym以下的范围内， 所述焊锡层的组成为，作为主成分含有Sn，并且含有0. 01质量％以上I. 0质量％以下 的Ni、0. 1质量％以上5. 0质量％以下的Cu， 在功率循环试验中，在通电时间5秒、温度差80°C的条件下负载10万次功率循环时，热 阻上升率低于10%。2. 根据权利要求1所述的功率模块，其中， 在所述焊锡层分散有由（Cu, ND6Sn5构成的析出物粒子。
【专利摘要】本发明的功率模块中，在电路层(12)中与半导体元件(3)的接合面，设置有由铜或铜合金构成的铜层，且在电路层(12)与半导体元件(3)之间形成有使用焊锡材料而形成的焊锡层(20)。在焊锡层(20)中的从电路层(12)表面至厚度30μm的区域中，通过EBSD测定而测定的平均结晶粒径被设定为10μm以下，焊锡层(20)的组成为，作为主成分含有Sn，并且含有0.01质量％以上1.0质量％以下的Ni、0.1质量％以上5.0质量％以下的Cu，在功率循环试验中，在通电时间5秒、温度差80℃的条件下负载10万次功率循环时，热阻上升率低于10％。
【IPC分类】B23K35/26, H01L21/52, C22C13/00
【公开号】CN104885206
【申请号】CN201380066872
【发明人】大桥东洋, 长友义幸, 长瀬敏之, 黑光祥郎
【申请人】三菱综合材料株式会社
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2013年12月20日
【公告号】EP2940719A1, US20150319877, WO2014103934A1
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