mmX10mm、厚度0. 25mm的元件。作為散熱器使用40. 0mmX40. 0mmX2. 5mm的 鋁板（A6063)。
[0116] 在此，調(diào)整形成于電路層的表面的Ni鍍膜的厚度，并且如表1所示變更焊錫材料 的組成，由此調(diào)整焊錫接合后的合金層的組成、合金層的厚度等，制作成為本發(fā)明例1~8 及比較例1~6的各種功率模塊。
[0117] 另外，焊錫接合條件如下：氫氣3vol%的還原氣氛，加熱溫度（加熱對(duì)象物溫度） 及保持時(shí)間設(shè)為表1的條件，將冷卻至室溫的平均冷卻速度設(shè)為2. 5°C/s。
[0118](合金層的組成）
[0119] 在如上述得到的功率模塊中，通過EPMA分析實(shí)施在焊錫層中的與電路層之 間的界面形成的合金層的成分分析。本實(shí)施例中，使用EPMA分析裝置（JEOLLtd.制 JXA-8530F)，以加速電壓：15kV、光斑直徑：1ym以下、倍率：250倍分析合金層的平均組成。
[0120] (合金層厚度）
[0121] 并且，對(duì)在焊錫層中的與電路層之間的界面形成的合金層的厚度進(jìn)行測定。使用 上述EPMA裝置獲得EPMA映射，測定在與電路層之間的界面連續(xù)形成的具有由（Cu，Ni) 6Sn5 構(gòu)成的金屬間化合物的合金層的面積，并將該面積除以映射寬度的尺寸來求出金屬層厚 度。另外，形成于與電路層之間的界面的合金層中，不包括從與電路層之間的界面向厚度方 向未連續(xù)形成的區(qū)域而測定了合金層的面積。并且，由Cu3Sn構(gòu)成的金屬間化合物層與合 金層相比非常薄，因此測定從電路層表面的厚度作為合金層的厚度。將比較例5及本發(fā)明 例1的EPMA映射結(jié)果示于圖5。
[0122] (功率循環(huán)試驗(yàn)）
[0123] 將對(duì)IGBT元件的通電調(diào)整為每10秒鐘重復(fù)進(jìn)行一次通電（0N)時(shí)元件表面溫度 為140°C、非通電（OFF)時(shí)元件表面溫度為60°C的循環(huán)，并反復(fù)進(jìn)行10萬次該功率循環(huán)。并 且，對(duì)從初始狀態(tài)開始的熱阻的上升率進(jìn)行了評(píng)價(jià)。另外，在本發(fā)明例1~5中，所有反復(fù) 進(jìn)行了 10萬次功率循環(huán)時(shí)的熱阻上升率設(shè)為低于10%。
[0124](功率循環(huán)壽命）
[0125] 將向IGBT元件的通電調(diào)整為每10秒進(jìn)行一次通電（0N)時(shí)的元件表面溫度為 140°C，非通電（OFF)時(shí)的元件表面溫度為60°C的循環(huán)，并反復(fù)該功率循環(huán)。并且，對(duì)從初始 狀態(tài)開始的熱阻的上升率成為10%以上的循環(huán)次數(shù)（功率循環(huán)壽命）進(jìn)行了評(píng)價(jià)。
[0126](熱阻測定）
[0127] 作為熱阻，使用熱阻測試儀（TESECCorporation制4324-KT)對(duì)瞬態(tài)熱阻進(jìn)行了 測定。設(shè)為施加功率：l〇〇W、施加時(shí)間：100ms，通過測定功率施加前后的柵極與發(fā)射極之間 的電壓差來求出熱阻。測定是在進(jìn)行上述功率循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，每1萬次循環(huán)實(shí)施一次測定。
[0128][表1]
[0129]
[0130] ※功率循環(huán)壽命：熱阻上升10%時(shí)的循環(huán)次數(shù)
[0131] 在由銅構(gòu)成的電路層的表面較厚地形成Ni鍍膜的比較例5中，功率循環(huán)壽命為 70000次而較短。推測這是因?yàn)椋ㄟ^較厚的Ni鍍膜，電路層的Cu向焊錫材料的擴(kuò)散受阻， 在焊錫層中Cu不足，且如圖10所示，合金層的厚度低于2ym而變得較薄。
[0132] 并且，在設(shè)為Cu的含量低于30質(zhì)量％的比較例3中，同樣由于合金層的厚度低于 2ym而變得較薄，從而功率循環(huán)壽命變低。
[0133] 并且，合金層的厚度被設(shè)為20ym以上的比較例4及比較例6中，功率循環(huán)壽命為 80000~90000次而較短。推測這是因?yàn)檩^厚地形成的合金層成為產(chǎn)生裂紋的起點(diǎn)，促進(jìn)了 焊錫層的破壞。
[0134] 并且，Ni的含量脫離本發(fā)明的范圍的比較例1及比較例2中，功率循環(huán)壽命為 70000~80000次而較短。推測這是因?yàn)楹辖饘幼兊脽岵环€(wěn)定。
[0135] 相對(duì)于此，如圖10所示，本發(fā)明例1~8中，合金層的厚度被設(shè)為2ym以上20ym 以下，功率循環(huán)壽命變成110000次以上。推測這是因?yàn)殡娐穼优c焊錫層之間的界面通過合 金層得到強(qiáng)化，焊錫層的破壞得到抑制。
[0136] 如上，根據(jù)本發(fā)明例，確認(rèn)到能夠得到功率循環(huán)特性優(yōu)異的功率模塊。
[0137] 實(shí)施例2
[0138] 接著，如第2實(shí)施方式中所記載，準(zhǔn)備由鋁層和銅層構(gòu)成電路層的功率模塊。
[0139] 絕緣基板由A1N構(gòu)成，使用27mmX17mm、厚度0.6mm的基板。金屬層由4N鋁構(gòu) 成，使用25mmX15mm、厚度0.6mm的層。半導(dǎo)體元件設(shè)為IGBT元件，使用13mmX10mm、厚度 0. 25mm的元件。作為散熱器使用40. 0mmX40. 0mmX2. 5mm的鋁板（A6063)。
[0140] 電路層中錯(cuò)層由4N錯(cuò)構(gòu)成，使用25mmX15mm、厚度0? 6mm的層。并且，如表2所 示，銅層通過電鍍、固相擴(kuò)散接合而形成。
[0141] 電鍍時(shí)，在鋁層的表面實(shí)施鋅酸鹽處理之后，通過電解電鍍形成表2所示的厚度 的銅層。
[0142]固相擴(kuò)散接合時(shí)，準(zhǔn)備表2所示的厚度的銅板，以第2實(shí)施方式中例示的條件在鋁 層的表面固相擴(kuò)散接合銅板。
[0143] 如上制作成為本發(fā)明例11~16的各種功率模塊。
[0144] 另外，焊錫接合條件如下：氫氣3vol%的還原氣氛，加熱溫度（加熱對(duì)象物溫度） 及保持時(shí)間設(shè)為表2的條件，將冷卻至室溫的平均冷卻速度設(shè)為2. 5°C/s。
[0145] 并且，根據(jù)與實(shí)施例1相同的方法對(duì)合金層的組成、合金層厚度及功率循環(huán)壽命 進(jìn)行了評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)結(jié)果示于表2。
[0146][表 2]
[0147]
[0148] ※功率循環(huán)壽命：熱阻上升10%時(shí)的循環(huán)次數(shù)
[0149] 如表2所示，在本發(fā)明例11~16中，功率循環(huán)壽命均達(dá)110000次以上，確認(rèn)到焊 錫層的破壞得到抑制。即使在鋁層上形成各種厚度的銅層而構(gòu)成電路層時(shí)，也與實(shí)施例1 同樣地確認(rèn)到能夠提高功率循環(huán)特性。
[0150] 并且，若銅層的厚度為5ym以上，則不會(huì)導(dǎo)致銅層中的Cu全部向焊錫側(cè)擴(kuò)散，確 認(rèn)到銅層殘留。另外，若銅層的厚度為3mm以下，則確認(rèn)到功率循環(huán)壽命變成10萬次以上。
[0151] 產(chǎn)業(yè)上的可利用性
[0152] 根據(jù)本發(fā)明，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，能夠提 供可靠性較高的功率模塊。
[0153] 符號(hào)說明
[0154] 1-功率模塊，3-半導(dǎo)體元件，10-功率模塊用基板，11-絕緣基板（絕緣層），12-電 路層（銅層），13-金屬層，20-焊錫層，26-金屬間化合物層，30-焊錫材料，31-Ni鍍膜， 101-功率模塊，112-電路層，112A-鋁層，112B-銅層。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種功率模塊，其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，該功率模塊的特征在于， 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2 ym以上20 ym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%。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率模塊，其特征在于， 所述合金層具有由（Cu，Ni)6Sn；^^成的金屬間化合物。
【專利摘要】本發(fā)明的功率模塊中，在電路層(12)中的與半導(dǎo)體元件(3)的接合面設(shè)置有由銅或銅合金構(gòu)成的銅層，且在電路層(12)與半導(dǎo)體元件(3)之間形成有使用焊錫材料形成的焊錫層(20)。在焊錫層(20)中的與電路層(12)之間的界面形成有合金層(21)，該合金層(21)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(21)的厚度設(shè)定在2μm以上20μm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℃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％。
【IPC分類】C22C13/00, B23K35/26, H01L21/52
【公開號(hào)】CN104885207
【申請?zhí)枴緾N201380067852
【發(fā)明人】大橋東洋, 長友義幸, 長瀬敏之, 黑光祥郎
【申請人】三菱綜合材料株式會(huì)社
【公開日】2015年9月2日
【申請日】2013年12月20日
【公告號(hào)】EP2940720A1, US20150319876, WO2014103955A1