功率模塊的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種使用焊錫材料將設(shè)置有銅或銅合金所構(gòu)成的銅層的電路層和半 導(dǎo)體元件進(jìn)行接合的功率模塊。
[0002] 本申請主張基于2012年12月25日于日本申請的專利申請2012-281346號的優(yōu) 先權(quán)，并將其內(nèi)容援用于此。
【背景技術(shù)】
[0003]例如，如專利文獻(xiàn)1、2所示，上述功率模塊具備在絕緣基板的一個(gè)面接合作為電 路層的金屬板而構(gòu)成的功率模塊用基板和搭載于電路層上的功率元件（半導(dǎo)體元件）。
[0004] 并且，功率模塊用基板的另一面?zhèn)扔袝r(shí)配設(shè)有散熱板或冷卻器等散熱器，以發(fā)散 來自功率元件（半導(dǎo)體元件）的熱量。此時(shí)，為了緩和由絕緣基板與散熱板或冷卻器等散 熱器之間的熱膨脹系數(shù)引起的熱應(yīng)力，在功率模塊用基板上，設(shè)為在絕緣基板的另一面接 合有作為金屬層的金屬板，且該金屬層與上述散熱板或冷卻器等散熱器接合的結(jié)構(gòu)。
[0005] 上述功率模塊中，電路層與功率元件（半導(dǎo)體元件）隔著焊錫材料接合。
[0006] 在此，電路層由鋁或鋁合金構(gòu)成時(shí)，例如如專利文獻(xiàn)3中所公開，需在電路層的表 面通過電解電鍍等而形成Ni鍍膜，且在該Ni鍍膜上配設(shè)焊錫材料而接合半導(dǎo)體元件。
[0007] 并且，在電路層由銅或銅合金構(gòu)成時(shí)，同樣在電路層的表面形成Ni鍍膜，且在該 Ni鍍膜上配設(shè)焊錫材料而接合半導(dǎo)體元件。
[0008] 專利文獻(xiàn)1:日本專利公開2002-076551號公報(bào)
[0009] 專利文獻(xiàn)2:日本專利公開2008-227336號公報(bào)
[0010] 專利文獻(xiàn)3:日本專利公開2004-172378號公報(bào)
[0011] 然而，例如如專利文獻(xiàn)3中所記載，若對在由鋁或鋁合金構(gòu)成的電路層的表面形 成Ni鍍層而焊錫接合半導(dǎo)體元件的功率模塊施加功率循環(huán)的負(fù)載，則可能會(huì)在焊錫上產(chǎn) 生龜裂，熱阻會(huì)上升。
[0012] 并且，即使在由銅或銅合金構(gòu)成的電路層的表面形成Ni鍍層而焊錫接合半導(dǎo)體 元件的功率模塊中，若施加功率循環(huán)的負(fù)載，則同樣可能會(huì)在焊錫上產(chǎn)生龜裂，熱阻會(huì)上 升。
[0013] 近年來，在上述功率模塊等中，為了控制風(fēng)力發(fā)電或電動(dòng)汽車和電動(dòng)車輛等而搭 載用于控制更大功率的功率元件，因此比以往更加需要進(jìn)一步提高功率循環(huán)的可靠性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 本發(fā)明是鑒于上述情況而完成的，其目的在于提供一種即使在負(fù)載有功率循環(huán) 時(shí)，也能夠抑制在焊錫層廣生破壞，且可靠性$父尚的功率t旲塊。
[0015] 本發(fā)明人等進(jìn)行深入研宄的結(jié)果得知若對在由鋁、鋁合金、銅或銅合金構(gòu)成的電 路層的表面形成Ni鍍層而焊錫接合半導(dǎo)體元件的功率模塊施加功率循環(huán)負(fù)載，則在Ni鍍 層產(chǎn)生裂縫，且以該裂縫為起點(diǎn)在焊錫層上產(chǎn)生龜裂。并且，還得知通過在焊錫層與電路層 之間的界面形成包含Ni、Cu的Sn合金層，焊錫層與電路層之間的界面得到強(qiáng)化，并能夠提 尚焊錫層的耐久性。
[0016]本發(fā)明是基于上述見解而完成的，（1)本發(fā)明的一實(shí)施方式的功率模塊具備在絕 緣層的一個(gè)面配設(shè)有電路層的功率模塊用基板和接合于所述電路層上的半導(dǎo)體元件，其 中，在所述電路層中的與所述半導(dǎo)體元件的接合面設(shè)置有由銅或銅合金構(gòu)成的銅層，在所 述電路層與所述半導(dǎo)體元件之間形成有使用焊錫材料形成的焊錫層，在所述焊錫層中的與 所述電路層之間的界面形成有合金層，該合金層作為主成分含有Sn，并且含有0. 5質(zhì)量％ 以上10質(zhì)量％以下的Ni和30質(zhì)量％以上40質(zhì)量％以下的Cu，該合金層的厚度設(shè)定在 2ym以上20ym以下的范圍內(nèi)，在功率循環(huán)試驗(yàn)中，在通電時(shí)間5秒、溫度差80°C的條件下 負(fù)載10萬次功率循環(huán)時(shí)的熱阻上升率低于10%。
[0017]根據(jù)該結(jié)構(gòu)的功率模塊，在所述焊錫層中的與所述電路層（所述銅層）之間的界 面形成有合金層，該合金層作為主成分含有Sn，并且含有0. 5質(zhì)量％以上10質(zhì)量％以下的 Ni和30質(zhì)量％以上40質(zhì)量％以下的Cu，因此焊錫層與電路層（所述銅層）之間的界面得 到強(qiáng)化，能夠提高焊錫層的耐久性。
[0018]Ni的含量低于0. 5質(zhì)量％時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致合金層變得熱不穩(wěn)定，成為焊錫層破壞 的起點(diǎn)。并且，Ni的含量超過10質(zhì)量％時(shí)，可能會(huì)生成附35]14等熱不穩(wěn)定的金屬間化合物， 成為焊錫層破壞的起點(diǎn)。
[0019]Cu的含量低于30質(zhì)量％時(shí)，合金層的厚度有可能變成低于2ym，Cu的含量超過 40質(zhì)量％時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致合金層的厚度超過20ym。
[0020] 在此，該合金層的厚度低于2ym時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致無法充分強(qiáng)化焊錫層與電路層 (所述銅層）之間的界面。另一方面，合金層的厚度超過20um時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致合金層產(chǎn)生 裂縫等，成為焊錫層破壞的起點(diǎn)。因此，將合金層的厚度設(shè)定在2ym以上20ym以下的范 圍內(nèi)。
[0021] 另外，在功率循環(huán)試驗(yàn)中，本發(fā)明的功率模塊被設(shè)為在通電時(shí)間5秒、溫度差80°C 的條件下負(fù)載10萬次功率循環(huán)時(shí)的熱阻上升率低于10%，因此即使在反復(fù)負(fù)載功率循環(huán) 的情況下，焊錫層也不會(huì)提前被破壞，能夠提高功率循環(huán)的可靠性。另外，上述功率循環(huán)試 驗(yàn)中，由于是對焊錫層施加最重負(fù)載的條件，因此若在該條件下進(jìn)行10萬次負(fù)載的功率循 環(huán)時(shí)的熱阻上升率低于10%，則在通常的使用中能夠得到充分的可靠性。
[0022] (2)本發(fā)明的另一實(shí)施方式的功率模塊為實(shí)施方式（1)中所記載的功率模塊，所 述合金層具有由（Cu，Ni)6Sn；^^成的金屬間化合物。
[0023]此時(shí)，通過具有由（Cu，Ni)6Sn5構(gòu)成的金屬間化合物，能夠充分強(qiáng)化焊錫層與電路 層（所述銅層）之間的界面，能夠可靠地抑制功率循環(huán)負(fù)載時(shí)的焊錫層的破壞。
[0024]根據(jù)本發(fā)明，能夠提供即使在負(fù)載功率循環(huán)時(shí)，也能夠提前抑制在焊錫層產(chǎn)生破 壞，且可靠性較高的功率模塊。
【附圖說明】
[0025] 圖1是本發(fā)明的第1實(shí)施方式的功率模塊的概略說明圖。
[0026] 圖2是圖1中的電路層與半導(dǎo)體元件的接合部分的放大說明圖。
[0027] 圖3是表示圖1的功率模塊的制造方法的流程圖。
[0028] 圖4是圖3所示的功率模塊的制造方法中的半導(dǎo)體元件接合工序的說明圖。
[0029] 圖5是本發(fā)明的第2實(shí)施方式的功率模塊的概略說明圖。
[0030] 圖6是圖5中的銅層與鋁層之間的接合界面的放大說明圖。
[0031] 圖7是Cu與A1的二元狀態(tài)圖。
[0032] 圖8是圖5中的電路層與半導(dǎo)體元件之間的接合部分的放大說明圖。
[0033] 圖9是表示圖5的功率模塊的制造方法的流程圖。
[0034] 圖10是比較例5、本發(fā)明例1的功率模塊中的焊錫層的EPMA元素映射。
【具體實(shí)施方式】
[0035] 以下，參考附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式的功率模塊進(jìn)行說明。
[0036](第1實(shí)施方式）
[0037]圖1中示出本發(fā)明的第1實(shí)施方式的功率模塊1。該功率模塊1具備在絕緣基板 (絕緣層）11的一個(gè)面（第一面）配設(shè)有電路層12的功率模塊用基板10和搭載于電路層 12上（圖1中為上表面）的半導(dǎo)體元件3。另外，在本實(shí)施方式的功率模塊1中，散熱器41 接合于絕緣基板11的另一面?zhèn)龋榈诙鎮(zhèn)?，圖1中為下表面）。
[0038] 功率模塊用基板10具備：構(gòu)成絕緣層的絕緣基板11;配設(shè)于該絕緣基板11的一 個(gè)面（為第一面，圖1中為上表面）的電路層12;及配設(shè)于絕緣基板11的另一面（為第二 面，圖1中為下表面）的金屬層13。
[0039] 絕緣基板11為防止電路層12與金屬層13之間的電連接的基板，例如由A1N(氮 化鋁）、Si3N4(氮化硅）、A1203(氧化鋁）等絕緣性較高的陶瓷構(gòu)成，在本實(shí)施方式中，由絕 緣性較高的A1N(氮化鋁）構(gòu)成。并且，絕緣基板11的厚度設(shè)定在0.2mm以上1.5mm以下 的范圍內(nèi)，在本實(shí)施方式中被設(shè)定為0. 635mm。
[0040] 電路層12通過在絕緣基板11的第一面接合具有導(dǎo)電性的金屬板而形成。本實(shí)施 方式中，電路層12通過由無氧銅的軋制板構(gòu)成的銅板接合于絕緣基板11而形成。本實(shí)施方 式中，電路層12整體相當(dāng)于設(shè)置在與半導(dǎo)體元件3之間的接合面的由銅或銅合金構(gòu)成的銅 層。其中，電路層12的厚度（銅板的厚度）優(yōu)選設(shè)定在0.1mm以上1.0mm以下的范圍內(nèi)。
[0041] 金屬層13通過在絕緣基板11的第二面接合金屬板而形成。本實(shí)施方式中，金屬 層13通過由純度為99. 99質(zhì)量％的鋁（所謂4N鋁）的軋制板構(gòu)成的鋁板接合于絕緣基板 11而形成。其中，金屬層13 (錯(cuò)板）的厚度優(yōu)選設(shè)定在0. 6mm以上3. 0mm以下的范圍內(nèi)。
[0042] 散熱器41為用于冷卻所述功率模塊用基板10的部件，并具備與功率模塊用基板 10接合的頂板部42和用于流通冷卻介質(zhì)（例如冷卻水）的流