功率模塊的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種使用焊錫材料將設置有銅或銅合金所構成的銅層的電路層和半 導體元件進行接合的功率模塊。
[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，并將其內(nèi)容援用于此。
【背景技術】
[0003]例如，如專利文獻1、2所示，上述功率模塊具備在絕緣基板的一個面接合作為電 路層的金屬板而構成的功率模塊用基板和搭載于電路層上的功率元件（半導體元件）。
[0004] 并且，功率模塊用基板的另一面?zhèn)扔袝r配設有散熱板或冷卻器等散熱器，以發(fā)散 來自功率元件（半導體元件）的熱量。此時，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)引起的熱應力，在功率模塊用基板上，設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構。
[0005] 上述功率模塊中，電路層與功率元件（半導體元件）隔著焊錫材料接合。
[0006] 在此，電路層由鋁或鋁合金構成時，例如如專利文獻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鍍膜上配設焊錫材料而接合半導體元件。
[0007] 并且，在電路層由銅或銅合金構成時，同樣在電路層的表面形成Ni鍍膜，且在該 Ni鍍膜上配設焊錫材料而接合半導體元件。
[0008] 專利文獻1:日本專利公開2002-076551號公報
[0009] 專利文獻2:日本專利公開2008-227336號公報
[0010] 專利文獻3:日本專利公開2004-172378號公報
[0011] 然而，例如如專利文獻3中所記載，若對在由鋁或鋁合金構成的電路層的表面形 成Ni鍍層而焊錫接合半導體元件的功率模塊施加功率循環(huán)的負載，則可能會在焊錫上產(chǎn) 生龜裂，熱阻會上升。
[0012] 并且，即使在由銅或銅合金構成的電路層的表面形成Ni鍍層而焊錫接合半導體 元件的功率模塊中，若施加功率循環(huán)的負載，則同樣可能會在焊錫上產(chǎn)生龜裂，熱阻會上 升。
[0013] 近年來，在上述功率模塊等中，為了控制風力發(fā)電或電動汽車和電動車輛等而搭 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載有功率循環(huán) 時，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)明人等進行深入研宄的結果得知若對在由鋁、鋁合金、銅或銅合金構成的電 路層的表面形成Ni鍍層而焊錫接合半導體元件的功率模塊施加功率循環(huán)負載，則在Ni鍍 層產(chǎn)生裂縫，且以該裂縫為起點在焊錫層上產(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)明的一實施方式的功率模塊具備在絕 緣層的一個面配設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體元件，其 中，在所述電路層中的與所述半導體元件的接合面設置有由銅或銅合金構成的銅層，在所 述電路層與所述半導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，該合金層的厚度設定在 2ym以上20ym以下的范圍內(nèi)，在功率循環(huán)試驗中，在通電時間5秒、溫度差80°C的條件下 負載10萬次功率循環(huán)時的熱阻上升率低于10%。
[0017]根據(jù)該結構的功率模塊，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，可能會導致合金層變得熱不穩(wěn)定，成為焊錫層破壞 的起點。并且，Ni的含量超過10質(zhì)量％時，可能會生成附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。
[0019]Cu的含量低于30質(zhì)量％時，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，可能會導致合金層的厚度超過20ym。
[0020] 在此，該合金層的厚度低于2ym時，可能會導致無法充分強化焊錫層與電路層 (所述銅層）之間的界面。另一方面，合金層的厚度超過20um時，可能會導致合金層產(chǎn)生 裂縫等，成為焊錫層破壞的起點。因此，將合金層的厚度設定在2ym以上20ym以下的范 圍內(nèi)。
[0021] 另外，在功率循環(huán)試驗中，本發(fā)明的功率模塊被設為在通電時間5秒、溫度差80°C 的條件下負載10萬次功率循環(huán)時的熱阻上升率低于10%，因此即使在反復負載功率循環(huán) 的情況下，焊錫層也不會提前被破壞，能夠提高功率循環(huán)的可靠性。另外，上述功率循環(huán)試 驗中，由于是對焊錫層施加最重負載的條件，因此若在該條件下進行10萬次負載的功率循 環(huán)時的熱阻上升率低于10%，則在通常的使用中能夠得到充分的可靠性。
[0022] (2)本發(fā)明的另一實施方式的功率模塊為實施方式（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，通過具有由（Cu，Ni)6Sn5構成的金屬間化合物，能夠充分強化焊錫層與電路 層（所述銅層）之間的界面，能夠可靠地抑制功率循環(huán)負載時的焊錫層的破壞。
[0024]根據(jù)本發(fā)明，能夠提供即使在負載功率循環(huán)時，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體元件接合工序的說明圖。
[0029] 圖5是本發(fā)明的第2實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。
【具體實施方式】
[0035] 以下，參考附圖對本發(fā)明的實施方式的功率模塊進行說明。
[0036](第1實施方式）
[0037]圖1中示出本發(fā)明的第1實施方式的功率模塊1。該功率模塊1具備在絕緣基板 (絕緣層）11的一個面（第一面）配設有電路層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）的半導體元件3。另外，在本實施方式的功率模塊1中，散熱器41 接合于絕緣基板11的另一面?zhèn)龋榈诙鎮(zhèn)龋瑘D1中為下表面）。
[0038] 功率模塊用基板10具備：構成絕緣層的絕緣基板11;配設于該絕緣基板11的一 個面（為第一面，圖1中為上表面）的電路層12;及配設于絕緣基板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成，在本實施方式中，由絕 緣性較高的A1N(氮化鋁）構成。并且，絕緣基板11的厚度設定在0.2mm以上1.5mm以下 的范圍內(nèi)，在本實施方式中被設定為0. 635mm。
[0040] 電路層12通過在絕緣基板11的第一面接合具有導電性的金屬板而形成。本實施 方式中，電路層12通過由無氧銅的軋制板構成的銅板接合于絕緣基板11而形成。本實施方 式中，電路層12整體相當于設置在與半導體元件3之間的接合面的由銅或銅合金構成的銅 層。其中，電路層12的厚度（銅板的厚度）優(yōu)選設定在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）的軋制板構成的鋁板接合于絕緣基板 11而形成。其中，金屬層13 (錯板）的厚度優(yōu)選設定在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