功率模塊的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種利用焊接材料接合了設(shè)置有由銅或銅合金構(gòu)成的銅層的電路層 和半導(dǎo)體元件的功率模塊。
[0002] 本申請對2013年3月29日于日本申請的專利申請2013-070823號主張優(yōu)選權(quán)， 將其內(nèi)容援用于本說明書中。
【背景技術(shù)】
[0003] 例如專利文獻(xiàn)1、2所示，所述功率模塊具備：在絕緣基板的一面接合了成為電路 層的金屬板而成的功率模塊用基板；及搭載于電路層上的功率元件（半導(dǎo)體元件）。
[0004] 并且，為了釋放來自功率元件（半導(dǎo)體元件）的熱量，有時在功率模塊用基板的另 一面?zhèn)扰湓O(shè)散熱板或冷卻器等散熱器。在該情況下，為了緩解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)所引起的熱應(yīng)力，功率模塊用基板中構(gòu)成為在絕緣基板的另一 面接合成為金屬層的金屬板，且使該金屬層與所述散熱板或冷卻器等散熱器接合。
[0005] 在所述功率模塊中，電路層和功率元件（半導(dǎo)體元件）通過焊接材料來接合。
[0006] 在此，當(dāng)電路層由鋁或鋁合金構(gòu)成時，例如專利文獻(xiàn)3所公開的那樣，需要在電路 層的表面通過電鍍等方法形成Ni電鍍膜，并在該Ni電鍍膜上配設(shè)焊接材料來接合半導(dǎo)體 元件。
[0007] 另外，當(dāng)電路層由銅或銅合金構(gòu)成時，也需要在電路層的表面形成Ni電鍍膜，并 在該Ni電鍍膜上配設(shè)焊接材料來接合半導(dǎo)體元件。
[0008] 專利文獻(xiàn)1 :日本專利公開2002 - 076551號公報
[0009] 專利文獻(xiàn)2 :日本專利公開2008 - 227336號公報
[0010] 專利文獻(xiàn)3 :日本專利公開2004 - 172378號公報
[0011] 但是，對專利文獻(xiàn)3中記載的在由鋁或鋁合金構(gòu)成的電路層的表面形成Ni電鍍膜 并焊接接合半導(dǎo)體元件的功率模塊施加功率循環(huán)荷載時，焊料可能會出現(xiàn)龜裂，會導(dǎo)致熱 阻上升。
[0012] 另外，對在由銅或銅合金構(gòu)成的電路層的表面焊接接合半導(dǎo)體元件的功率模塊也 施加功率循環(huán)荷載時，焊料也可能會出現(xiàn)龜裂，也會導(dǎo)致熱阻上升。
[0013] 近年來，為了控制風(fēng)力發(fā)電或電動汽車及電動車輛等，需要在所述功率模塊等中 搭載更大功率控制用功率元件，因此，與以往相比，需要進(jìn)一步提高相對于功率循環(huán)的可靠 性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 本發(fā)明鑒于上述情況完成，其目的在于提供一種即使施加有功率循環(huán)荷載也能夠 抑制焊接層發(fā)生破壞且可靠性較高的功率模塊。
[0015] 本發(fā)明人們深入研宄的結(jié)果確認(rèn)，對在由銅或銅合金構(gòu)成的電路層的表面焊接接 合半導(dǎo)體元件的功率模塊施加功率循環(huán)荷載時，如果在電路層和焊接層之間的界面產(chǎn)生龜 裂，則該龜裂會延伸到焊接層內(nèi)部，焊接層在早期就會被破壞。并且明確了，在焊接層和電 路層之間的界面中的含有Ni、Cu的合金層的形成區(qū)域，上述龜裂的發(fā)生得到了抑制。
[0016] 本發(fā)明鑒于上述見解而完成，本發(fā)明的一方式的功率模塊具備：在絕緣層的一面 配設(shè)有電路層的功率模塊用基板；及接合在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)體元件之間的接合面，設(shè)有由銅或銅合金構(gòu)成的銅層，在所述電路層和 所述半導(dǎo)體元件之間，設(shè)有用焊接材料形成的焊接層，在所述焊接層中的與所述電路層之 間的界面形成有合金層，該合金層含有Sn作為主要成分，且含有0. 5質(zhì)量％以上且10質(zhì) 量％以下的Ni及30質(zhì)量％以上且40質(zhì)量％以下的Cu，所述界面中的所述合金層的覆蓋率 為85%以上。
[0017] 根據(jù)上述結(jié)構(gòu)的功率模塊，在與半導(dǎo)體元件之間的接合面設(shè)有銅層的所述電路層 和所述半導(dǎo)體元件之間形成的焊接層中的與所述電路層（銅層）之間的界面上，形成有合 金層，該合金層含有Sn作為主要成分，且含有0. 5質(zhì)量％以上且10質(zhì)量％以下的Ni、及30 質(zhì)量％以上且40質(zhì)量％以下的Cu，所述界面中的所述合金層的覆蓋率為85%以上，因此， 能夠抑制電路層（銅層）和焊接層之間的界面中產(chǎn)生龜裂，能夠獲得可靠性較高的功率模 塊。即，由于焊接層和電路層（銅層）之間的界面的85%以上被所述合金層覆蓋，因此能夠 充分抑制使焊接層破壞的龜裂的產(chǎn)生。另外，為了可靠地實現(xiàn)上述作用效果，所述界面中的 所述合金層的覆蓋率優(yōu)選為90%以上，最優(yōu)選為100%。
[0018] 在此，當(dāng)合金層中的Ni含量低于0.5質(zhì)量％時，合金層的熱穩(wěn)定性變差，有可能成 為焊接層破壞的起始點。另一方面，當(dāng)合金層中的Ni含量超過10質(zhì)量％時，會生成Ni 3Sn4 等熱穩(wěn)定性較差的金屬間化合物，有可能成為焊接層破壞的起始點。
[0019] 另外，當(dāng)合金層中的Cu含量低于30質(zhì)量％時，合金層的形成不夠充分，導(dǎo)致熱穩(wěn) 定性變差，有可能成為焊接層破壞的起始點。另一方面，當(dāng)合金層中的Cu含量超過40質(zhì) 量％時，合金層本身有可能成為焊接層破壞的起始點。
[0020] 根據(jù)以上情況，將合金層中的Ni的含量設(shè)為0. 5質(zhì)量％以上且10質(zhì)量％以下，將 Cu的含量設(shè)為30質(zhì)量％以上且40質(zhì)量％以下。
[0021] 另外，在功率循環(huán)測試中，優(yōu)選在施加10萬次以通電時間為5秒、溫度差為80°C作 為條件的功率循環(huán)荷載時的熱阻上升率小于10%。
[0022] 在這種情況下，即使反復(fù)施加功率循環(huán)荷載，也不會出現(xiàn)焊接層早期就被破壞的 現(xiàn)象，能夠?qū)崿F(xiàn)提高相對于功率循環(huán)的可靠性。另外，所述功率循環(huán)測試的條件為焊接層 承受最大荷載的條件，因此，如果以該條件施加10萬次功率循環(huán)荷載時的熱阻上升率低于 10%，則在通常使用中能夠獲得充分的可靠性。
[0023] 而且，所述合金層的厚度優(yōu)選在2 y m以上且20 y m以下的范圍內(nèi)。
[0024] 在這種情況下，由于被覆蓋的部位中所述合金層的厚度為2 ym以上，因此焊接層 和電路層（銅層）之間的界面得到充分的加強(qiáng)，從而能夠可靠地抑制界面中產(chǎn)生龜裂的現(xiàn) 象。另一方面，由于所述合金層的厚度為20 ym以下，因此能夠抑制合金層中產(chǎn)生裂紋的現(xiàn) 象。所以，能夠可靠地抑制焊接層的破壞，能夠得到可靠性優(yōu)異的功率模塊。
[0025] 并且，所述合金層優(yōu)選具有由（Cu，附)65115構(gòu)成的金屬間化合物。
[0026] 在這種情況下，由于具有由（Cu，Ni)6Sn5構(gòu)成的金屬間化合物，因此能夠充分強(qiáng)化 焊接層和電路層（銅層）之間的界面，從而能夠可靠地抑制界面中產(chǎn)生龜裂的現(xiàn)象，并且能 夠可靠地抑制施加功率循環(huán)荷載時焊接層被破壞。
[0027] 根據(jù)本發(fā)明能夠提供一種即使施加有功率循環(huán)荷載也能夠抑制焊接層早期被破 壞的現(xiàn)象且可靠性較高的功率模塊。
【附圖說明】
[0028] 圖1是本發(fā)明的第一實施方式的功率模塊的示意說明圖。
[0029] 圖2是圖1中的電路層和半導(dǎo)體元件之間的接合部分的放大說明圖。
[0030] 圖3是表示圖1的功率模塊的制造方法的流程圖。
[0031] 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。
[0032] 圖5是本發(fā)明的第二實施方式的功率模塊的示意說明圖。
[0033] 圖6是圖5中的銅層和鋁層之間的接合界面的放大說明圖。
[0034] 圖7是Cu和Al的二元狀態(tài)圖。
[0035] 圖8是圖5中的電路層（銅層）和半導(dǎo)體元件之間的接合部分的放大說明圖。
[0036] 圖9是表示圖5的功率模塊的制造方法的流程圖。
[0037] 圖10是功率模塊中的焊接層的SEM觀察結(jié)果以及EPM元素映射結(jié)果。
【具體實施方式】
[0038] 下面，參照附圖對本發(fā)明的實施方式的功率模塊進(jìn)行說明。
[0039] (第一實施方式）
[0040]圖1中示出本發(fā)明的第一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的一面配設(shè)有電路層12的功率模塊用基板10;及搭載于電路層12上（在 圖1中為上面）的半導(dǎo)體元件3。另外，在本實施方式的功率模塊1中，在絕緣基板11的另 一面?zhèn)龋ㄔ趫D1中為下面）接合有散熱器41。
[0041] 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)在該絕緣基板11的一 面（圖1中為上面）的電路層12;及配設(shè)在該絕緣基板11的另一面（圖1中的下面）的 金屬層13。
[0042]絕緣基板11用于防止電路層12和金屬層13之間的電連接，例如由AlN(氮化鋁）、 Si3N4 (氮化硅）、A1203 (氧化鋁）等絕緣性較高的陶瓷構(gòu)成，在本實施方式中，由絕緣性較高 的AlN(氮化鋁）構(gòu)成。并且，絕緣基板11的厚度設(shè)在例如0.2mm以上且1.5mm以下的范 圍內(nèi)，在本實施方式中設(shè)為〇. 635mm。
[0043] 通過在絕緣基板11的一面上接合具有導(dǎo)電性的金屬板，從而形成電路層12。在 本實施方式中，通過將由無氧銅的軋制板構(gòu)成的銅板接合在絕緣基板11，從而形成電路層 12。
[0044] 在本實施方式中，整個電路層12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。在此，電路層12的厚度（銅板的厚度）優(yōu)選設(shè)定在0.1 mm以上且 1.0 mm以下的范圍內(nèi)。
[0045] 金屬層13通過在絕緣基板11的另一面上接合金屬板而形成。在本實施方式中， 金屬層13通過將由純度為99. 99質(zhì)量％以上的鋁（所謂的4N鋁）的軋制板構(gòu)成的鋁板接 合在絕緣基板11上而形成。在此，金屬層13 (鋁板）的厚度優(yōu)選設(shè)在0.6mm以上且3. Omm 以下的范圍內(nèi)。
[0046] 散熱器41用于冷卻上述功率模塊用基板10,且具備：與功率模塊用基板10接合 的頂板部42 ;及供冷卻介質(zhì)（例如冷卻水）流通的通道43。該散熱器41 (頂板部42)優(yōu)選 由導(dǎo)熱性良好的材料構(gòu)成，在本實施方式中，由A6063(鋁合金）構(gòu)成。
[0047] 半導(dǎo)體元件3由Si等半導(dǎo)體材料構(gòu)成，如圖2所示，在半導(dǎo)體元件3與電路層12 之間的接合面形成有由Ni、Au等構(gòu)成的表面處理膜3a。
[0048] 并且，在本實施方式的功率模塊1中，電路層12和半導(dǎo)體元件3被焊接接合，從而 在電路層12和半導(dǎo)體元件3之間形成有焊接層20。另外，在本實施方式中，焊接層20的厚 度tl設(shè)在50 y m以上且200 y m以下的范圍內(nèi)。
[0049] 如圖4所示，該焊接層20由Sn-Cu-Ni系的焊接材料30形成，在本實施方式中使 用Sn-0. 1~4質(zhì)量％ Cu-0.