專利名稱：焊接材料及其制造方法、接合體及其制造方法、以及功率半導(dǎo)體模塊及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及焊接材料及其制造方法、接合體及其制造方法、以及功 率半導(dǎo)體模塊及其制造方法。具體來說，涉及無鉛的焊接材料、使用了
它的接合體、功率半導(dǎo)體模塊及它們的制造方法。
背景技術(shù)：
迄今為止，作為焊接材料來說鉛(Pb)系焊接材料得到廣泛的使用。
特別是通過使用Pb-Sn焊接材料，改變鉛(Pb)與錫(Sn)的比率， 而使熔點在183~300*€前后的范圍變化，得到適于該焊接溫度的焊接材 料(例如參照非專利文獻l。)。
但是，由于鉛具有毒性，因此處于廢止使用的趨勢之中，希望開發(fā) 出無鉛的焊接材料。
在對此種焊接材料的要求當中，例如提出過Sn-Ag合金、Sn-Cu合 金等各種組成的錫(Sn)系焊接材料。
但是，由于錫系烊接材料的熔點為220C左右，因此在2201C左右就 會熔融，另外，在200t:前后拉伸強度會明顯地降低。
作為用焊接材料接合的接合體的例子，有功率半導(dǎo)體模塊。
功率半導(dǎo)體模塊通常來說為了將功率半導(dǎo)體與電流通電部電絕緣，
而形成在功率半導(dǎo)體中設(shè)置了絕緣體的構(gòu)成。該功率半導(dǎo)體與絕緣體由 焊料等接合。
另外，功率半導(dǎo)體模塊中，為了將從半導(dǎo)體元件中產(chǎn)生的熱有效地 散逸、或者為了暫時地將熱分散，而設(shè)有散熱板，該散熱板與上述絕緣 體由焊料等接合。
6所以，功率半導(dǎo)體模塊中， 一般的情況是，將半導(dǎo)體元件與絕緣體
之間、以及絕緣體與散熱板之間這2個部位進行接合。
迄今為止，在功率半導(dǎo)體模塊的2個部位的接合部中，應(yīng)用的是改 變了鉛與錫的比率的上述Pb-Sn焊接材料。
作為新一代功率半導(dǎo)體元件的GaN、 SiC具有200"C以上的耐熱性， 并且絕緣擊穿電場及飽和電子密度等大，因此可以使用高的工作電壓來 處置大電流。來自半導(dǎo)體元件的發(fā)熱因該電流之大而上升到200匸左右， 因此對于通過焊料而接合的部分也要求2001C以上的耐熱性。
熔點超過250n的無害焊接材料仍然停留在散見于研究階段的水 平，得到實用化的例子極少。雖然有面向特殊用途而使用Au-Sn合金(熔 點為280匸)的例子，然而該合金由于整體的80%為Au，因此是非常 昂貴的材料，很難應(yīng)用于民用機器中。
另外，作為熔點超過250X:的無害接合材料的一種， 一般來說已知 有Ag系的硬釬焊料，然而它們的熔點高達600t:以上，如果在此種溫 度下熔融接合，則會使半導(dǎo)體元件損壞、變質(zhì)，因此無法用于本用途中。 考慮半導(dǎo)體模塊的制造工序，則能夠適用于接合時的加熱的上限溫度為 4501C。
根據(jù)此種狀況，作為熔點高的焊接材料，正在研究鋅系材料。例如 公開過向Zn-Al合金中添加了 Ge、 Mg的焊接材料(例如參照專利文獻
1。 )、向Zn-Al合金中添加了 Mg和Sn的焊接材料(例如參照專利文獻
2。 )、向Zn-Al合金中添加了 Mg和In的焊接材料(例如參照專利文獻
3。 )、向Zn-Al合金中添加了 Ge、 Sn和In的焊接材料(例如參照專利 文獻4。)、向Zn-Al合金中添加了 Ge和Mg的焊接材料(例如參照專 利文獻5 7。)、向Zn-Al合金中添加了 Ge和P的焊接材料(例如參照 專利文獻8。)、向Zn-Al合金中添加了 Ge、 Mg和P的焊接材料(例如 參照專利文獻9。)等。
專利文獻1:日本特開平11-288955號公報
專利文獻2:日本特開平11-208487號公報專利文獻3:日本特開平11-172354號公報 專利文獻4:日本特開平11-172353號^>報 專利文獻5:日本特開平11-172352號7>才艮 專利文獻6:日本特開2000-208533號>^才艮 專利文獻7:日本特開2000-61686號公才艮 專利文獻8:日本特開2004-358540號^S才艮 專利文獻9:日本特開2004-358539號>^才艮
非專利文獻l:馬場陽一郎"確保HV變換器質(zhì)量的配合"焊接學(xué) 會全國大會演講概要、第77章(2005-9)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一目的在于，提供一種可以致密地接合的、以鋅作為主 成分的焊接材料。
本發(fā)明的第二目的在于，提供耐熱性高而致密地接合了的接合體及 功率半導(dǎo)體模塊。
本發(fā)明的第三目的在于，提供可以實現(xiàn)致密接合的焊接材料、接合 體以及功率半導(dǎo)體模塊各自的制造方法。
以鋅作為主成分的焊接材料雖然熔點高而耐熱性優(yōu)異，然而具有表 面容易被自然氧化、并且該氧化膜難以被還原的性質(zhì)。由此，即使在還 原性氣氛中將以鋅作為主成分的焊接材料加熱到熔融溫度附近，也很難 除去表面的全部氧化膜。
所以，以往的方法中，為了除去表面的氧化膜，在焊接接合的焊料 熔化時賦予劃擦等物理性外力。表面的氧化膜因物理性外力而受到破 壞，熔融了的焊接材料流出，被接合面與焊接材料接觸而接合。
但是，該方法中顯而易見的是，受到了破壞的氧化膜殘存于焊接材 料的表面附近，阻礙了致密的接合。未致密地接合的接合體在接合部使熱阻、電阻增大。特別是在作為接合體制作功率半導(dǎo)體^=莫塊時，在該功 率半導(dǎo)體模塊的接合部發(fā)熱密度和電流量變大，對熱阻、電阻的影響變
得很大。
另一方面，即使想要通過使用藥液而將表面的氧化膜化學(xué)性地除 去，在氧化膜溶解之前，藥液也會從焊接材料的端部等的微細間隙浸入 焊接材料內(nèi)，使焊接材料先發(fā)生溶解。其結(jié)果是，難以達成除去氧化膜 這樣的本來目的。
作為除去表面的氧化膜的其他方法，還可以考慮機械研磨，然而由 于以鋅作為主成分的焊接材料的表面容易被氧化，因此如果在大氣中機 械研磨，則會再次迅速地生成氧化膜。另外，在將機械研磨的作業(yè)在還 原氣氛中進行的方法中，由于需要將研磨裝置整體放置于還原氣氛中， 因此在安全上或在設(shè)備方面是很困難的。
在功率半導(dǎo)體模塊中，從進行均勻接合的觀點出發(fā)，特別優(yōu)選焊接 材料的形狀與被接合體的接合面匹配而也是箔狀的。由此，烊接材料相 對于體積而言的表面積增加，從而導(dǎo)致自然氧化膜所占的比例也容易增 加的問題。
鑒于以上情況進行了深入研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對于解決本發(fā)明的問題 而言，以下的發(fā)明是有效的。
技術(shù)方案l所述的發(fā)明提供一種以鋅作為主成分的焊接材料，其在 除去了以鋅作為主成分的材料表面的氧化膜后、或者在不存在上述氧化 膜的狀態(tài)下，在上述表面設(shè)置了以其氧化物比上述氧化膜容易被還原的 金屬作為主成分的覆蓋層。
技術(shù)方案l中所述的發(fā)明中，在除去了存在于以鋅作為主成分的焊
接材料(以下有時稱作"Zn系焊接材料"。)的表面的氧化膜、或者在 不存在該氧化膜的狀態(tài)下，其后，為了防止再次生成氧化膜，而形成以 其氧化物比上述氧化膜容易被還原的金屬(以下有時稱作"易還原金 屬"。)作為主成分的覆蓋層。本發(fā)明中，通過利用除去氧化膜并具有覆 蓋層的Zn系焊接材料，就可以避免由接合面中的氧化膜殘存造成的不 夠理想的接合狀態(tài)，從而實現(xiàn)致密的接合。
9這里，為了抑制氧化膜的再次生成，而在覆蓋層中^f吏用"以其氧化 物比在表面生成的氧化膜容易被還原的金屬作為主成分的材料"，是因 為即使在覆蓋層的表面生成了自然氧化膜，也可以利用還原將該自然氧 化膜很容易地除去。也就是說，此種易還原金屬的自然氧化膜可以通過 用于焊接接合的熔融的加熱來還原。所以，就可以在接合不會受到自然 氧化膜阻礙的情況下，將焊接材料與被接合面致密地接合。
應(yīng)說明的是，所謂"在表面不存在氧化膜的狀態(tài)"，是指本來就未 生成氧化膜的狀態(tài)，是不需要除去存在于以鋅作為主成分的焊接材料表 面的氧化膜的情況。具體來說，例如在還原氣氛下等條件下進行了以鋅 作為主成分的材料的切出加工時，就不會在該焊接材料的表面生成氧化 膜。
技術(shù)方案2所述的發(fā)明提供如下的技術(shù)方案1所述的以鋅作為主成 分的焊接材料，即，上述覆蓋層是以銅作為主成分的層。
為了抑制氧化膜的再次生成，優(yōu)選以銅作為主成分的材料，大致上 是基于以下的觀點。
(1) 在銅的表面生成的自然氧化膜可以利用還原等^f艮容易地除去。
(2) 在接合時產(chǎn)生的鋅系焊接材料的熔融狀態(tài)下，表面的銅會熔入 鋅系焊料中，在接合后銅的層消失。這樣，即使在焊接材料的表面具有 銅，也不會對接合后的接合體的耐久性造成大的影響。
技術(shù)方案3所述的發(fā)明提供如下的技術(shù)方案1或2所述的以鋅作為 主成分的焊接材料，即，上述以鋅作為主成分的材料是鋅單質(zhì)、或以 Znu.x.y) AlxMy(x為0.02 0.10， y為0 0.02， M表示除鋅及鋁以外的金 屬。)表示的合金。
Zn系焊接材料具有高熱導(dǎo)率、高導(dǎo)電并且柔軟的性質(zhì)，因此具有容 易制作箔狀焊料的優(yōu)點。另外，Zn系焊接材料的熔點為約330 420r, 耐熱性優(yōu)異，并且操作性優(yōu)異。
如果進一步考慮焊接接合的操作性，則有時希望與鋅單質(zhì)(熔點 420r )相比熔點降低。在鋅中添加了鋁的以Zn(1-X_y) AlxMy表示的合金由于熔點(固相線溫度)降低到380r左右，因此十分實用。
技術(shù)方案4所述的發(fā)明提供如下的技術(shù)方案1~3中任意一項所述的 以鋅作為主成分的焊接材料，即，上述覆蓋層的厚度為5nm以上500nm 以下。
本發(fā)明中，從避免由接合后的覆蓋層造成的無法預(yù)期的影響的觀點 出發(fā)，優(yōu)選在接合后的接合面中，焊接材料表面的覆蓋層消失。為了實 現(xiàn)這一點，覆蓋層的接合前的厚度優(yōu)選為500nm以下。另一方面，為 了抑制在Zn焊接材料的表面生成氧化膜，覆蓋層的膜厚優(yōu)選設(shè)為5nm 以上。
技術(shù)方案5所述的發(fā)明提供一種接合體，其具有第一構(gòu)件和第二構(gòu)
件，
上述第一構(gòu)件與第二構(gòu)件之間用技術(shù)方案1 4中任意一項所述的在 表面具有覆蓋層的以鋅作為主成分的焊接材料接合，
在用上述以鋅作為主成分的焊接材料接合后的接合面中，上述覆蓋 層消失。
技術(shù)方案5所述的發(fā)明是利用技術(shù)方案1 4中任意一項所述的Zn 系焊接材料接合了的接合體。
使用了本發(fā)明的Zn系焊接材料的接合體由于接合不會受到氧化膜 的阻礙，因此致密地接合。由此，可以抑制接合體的接合部的熱阻、電 阻的增大。
技術(shù)方案6所述的發(fā)明是如下的技術(shù)方案5所述的接合體，即，在 第一構(gòu)件及第二構(gòu)件的被接合面上設(shè)有鎳層。
技術(shù)方案6所述的發(fā)明中，Zn系焊接材料與鎳層接觸。鋅(Zn) 與鎳(Ni)在接觸了的狀態(tài)下即使達到高溫也很難生成不需要的反應(yīng)產(chǎn) 物，由此，即使暴露于冷熱循環(huán)中，也很難在接合界面中生成不需要的 反應(yīng)產(chǎn)物。
所以，根據(jù)技術(shù)方案6所述的發(fā)明，除了可以形成致密的接合以外， 還可以抑制不需要的反應(yīng)產(chǎn)物的生成。其結(jié)果是，可以防止由反應(yīng)產(chǎn)物引起的裂紋的產(chǎn)生，界面中的剝離等不佳狀況的產(chǎn)生得到抑制。
技術(shù)方案7所述的發(fā)明是如下的技術(shù)方案6所述的接合體，即，在 接合前的上述鎳層的表面，具備與鋅的反應(yīng)性高而與鋅生成合金的金屬 表面層，在接合后的接合面中，上述金屬表面層消失。
鋅是潤濕性低的物質(zhì)。如果焊接材料在接合的加熱時不潤濕展開， 則無法均勻地接合，從而有時會有產(chǎn)生被接合構(gòu)件在傾斜的狀態(tài)下接合 等不佳狀況的情況。
所以，技術(shù)方案7的發(fā)明中，在被接合面具備與鋅的反應(yīng)性高而與 鋅生成合金的金屬表面層，使Zn系焊接材料的潤濕性提高?？梢酝茰y， 熔融Zn系焊接材料通過與金屬表面層接觸而形成合金，進而通過追隨 反應(yīng)性金屬而潤濕展開，從而提高潤濕性。
另一方面，為了使?jié)櫇裥蕴岣叨纬傻纳鲜鼋饘俦砻鎸尤绻诤附?接合后還殘存，則在將功率半導(dǎo)體模塊作為產(chǎn)品使用時，有時會有因冷 熱循環(huán)而由金屬表面層的金屬和鋅生成不需要的反應(yīng)產(chǎn)物的情況。所 以，技術(shù)方案7的發(fā)明中設(shè)為，上述金屬表面層在焊接材料潤濕展開后， 被混入鋅的焊料浴中而消失。
這樣，根據(jù)技術(shù)方案7所述的發(fā)明，很難產(chǎn)生被接合構(gòu)件被傾斜地 接合等不佳狀況，可以得到接合部的接合均勻的功率半導(dǎo)體模塊。
技術(shù)方案8所述的發(fā)明提供一種功率半導(dǎo)體模塊，其具有功率半導(dǎo) 體元件、絕緣基板和散熱板，
上述功率半導(dǎo)體元件與上述絕緣基板之間的第一接合部、以及上述 絕緣基板與上述散熱板之間的第二接合部中的至少 一者用技術(shù)方案1~4 中任意一項所述的、在表面具有覆蓋層的以鋅作為主成分的焊接材料接 合，
在用上述以鋅作為主成分的焊接材料接合后的接合面中，上述覆蓋 層消失。
技術(shù)方案8所述的發(fā)明是利用技術(shù)方案1~4中任意一項所述的Zn 系焊接材料接合了的功率半導(dǎo)體模塊。使用了本發(fā)明的zn系焊接材料的功率半導(dǎo)體模塊由于接合不受氧
化膜的阻礙，因此會致密地接合。由此，可以在功率半導(dǎo)體模塊的接合 部中抑制熱阻、電阻的增大。
技術(shù)方案9所述的發(fā)明是如下的技術(shù)方案8所述的功率半導(dǎo)體模 塊，即，上述功率半導(dǎo)體元件是使用GaN或SiC形成的。
本發(fā)明中用于接合部中的Zn系焊接材料的熔點為約330匸 420X:。 由此，成為如下的功率半導(dǎo)體模塊，即，即使是對于使用作為新一代的 功率半導(dǎo)體元件的GaN、 SiC在超過200"C的高溫下的重復(fù)使用，也不 會在接合部中產(chǎn)生龜裂、剝離等不佳狀況的可靠性高的功率半導(dǎo)體模 塊。
技術(shù)方案10所述的發(fā)明是如下的技術(shù)方案8或9所述的功率半導(dǎo)
體模塊，即，上述絕緣基板為Si3N4層，在Si3N4層的兩個表面具備由銅
形成的導(dǎo)電層。
設(shè)于絕緣基板的功率半導(dǎo)體元件側(cè)的導(dǎo)電層優(yōu)選使電從該導(dǎo)電層 向功率半導(dǎo)體元件有效地傳導(dǎo)。另外，絕緣基板由于設(shè)于功率半導(dǎo)體元 件與散熱板之間，因此較理想的是有效地傳熱。
所以，作為絕緣基板，當然要具有絕緣性，而且優(yōu)選熱傳導(dǎo)良好， 進而優(yōu)選具備具有高導(dǎo)電性和高熱導(dǎo)率的導(dǎo)電層。根據(jù)技術(shù)方案10所 述的發(fā)明，可以滿足這些物性的要求。
另夕卜，技術(shù)方案10所述的Cu/Si3N4/Cu疊層體即使是對于冷熱循環(huán) 等試驗，也很難產(chǎn)生裂紋等不佳狀況。
技術(shù)方案11所述的發(fā)明是如下的技術(shù)方案8~10中任意一項所述的 功率半導(dǎo)體模塊，即，上述散熱板是在鉬(Mo)層的兩面具有銅(Cu) 層的Cu層/Mo層/Cu層的疊層體。
Cu/Mo/Cu的疊層體熱導(dǎo)率高，有效地發(fā)揮作為散熱板的功能。另 外，Cu/Mo/Cu的疊層體的熱膨脹系數(shù)達到4ppm/K左右，接近功率半 導(dǎo)體元件的熱膨脹系數(shù)的值。其結(jié)果是，在冷熱循環(huán)時不會產(chǎn)生明顯的 熱應(yīng)力，從而不會產(chǎn)生龜裂、剝離等不佳狀況。技術(shù)方案12所述的發(fā)明是如下的技術(shù)方案11所述的功率半導(dǎo)體模 塊，即，上述散熱板的Cu層/Mo層/Cu層的厚度的比率為1/5/1-1/12/1。
在Cu層/Mo層/Cu層的疊層體中，各層的厚度的比率為1/5/1-1/12/1 的情況下，熱導(dǎo)率與熱膨脹系數(shù)的平衡就會變得良好，從而有效地發(fā)揮 作為散熱板的功能。
技術(shù)方案13所述的發(fā)明是如下的技術(shù)方案8 12中任意一項所述的 功率半導(dǎo)體模塊，即，
上述功率半導(dǎo)體元件、上述絕緣基板及上述散熱板中，用以鋅作為 主成分的焊接材料接合的被接合構(gòu)件在其被接合面上具有鎳層。
根據(jù)技術(shù)方案13所述的發(fā)明，即使暴露于冷熱循環(huán)中，也可以抑 制不需要的反應(yīng)產(chǎn)物的生成，其結(jié)果是，可以防止由反應(yīng)產(chǎn)物引起的裂 紋的產(chǎn)生，界面中的剝離等不佳狀況的產(chǎn)生受到抑制。
技術(shù)方案14所述的發(fā)明是如下的技術(shù)方案13所述的功率半導(dǎo)體模 塊，即，在接合前的上述鎳層的表面，具備與鋅的反應(yīng)性高而與鋅生成 合金的金屬表面層，在接合后的接合面中，上述金屬表面層消失。
技術(shù)方案14所述的發(fā)明中，由于Zn系焊接材料的潤濕性提高，因 此很難產(chǎn)生傾斜地接合等不佳狀況，可以得到接合均勻的功率半導(dǎo)體模 塊。
技術(shù)方案15所述的發(fā)明提供一種以鋅作為主成分的焊接材料的制 造方法，
在將以鋅作為主成分的材料的表面的氧化膜除去、或者不存在上述 氧化膜的狀態(tài)下，
在上述表面，設(shè)置以其氧化物比上述氧化膜容易被還原的金屬作為 主成分的覆蓋層。
技術(shù)方案16所述的發(fā)明是如下的技術(shù)方案15所述的以鋅作為主成 分的焊接材料的制造方法，即，利用等離子體來進行上述氧化膜的除去。
技術(shù)方案17所述的發(fā)明是如下的技術(shù)方案15所述的以鋅作為主成 分的焊接材料的制造方法，即，利用鍍覆前處理液來進行上述氧化膜的
14除去。
作為除去Zn系焊接材料的表面的自然氧化膜的方法，優(yōu)選應(yīng)用等 離子體或鍍覆前處理液。如果應(yīng)用這些方法，則可以實現(xiàn)利用劃擦等物 理性外力而無法達成的精巧的氧化膜除去。
技術(shù)方案18所述的發(fā)明是如下的技術(shù)方案15或16所述的以鋅作 為主成分的焊接材料的制造方法，即，在真空中，將上述覆蓋層設(shè)于上 述表面。
如果在真空中在Zn系焊接材料的表面設(shè)置上述覆蓋層(優(yōu)選以銅 作為主成分的層)，則可以在不再次生成氧化膜的情況下在上述除去了 氧化膜的Zii系焊接材料的表面形成覆蓋層。
技術(shù)方案19所述的發(fā)明提供一種接合體的制造方法， 利用技術(shù)方案15~18中任意一項所述的制造方法準備如下的以鋅作 為主成分的焊接材料，該焊接材料是在除去以鋅作為主成分的材料表面 的氧化膜、或者不存在上述氧化膜的狀態(tài)下，在上述表面設(shè)置以其氧化 物比上述氧化膜容易被還原的金屬作為主成分的覆蓋層而成的，
在第一構(gòu)件與第二構(gòu)件之間夾持上述以鋅作為主成分的焊接材料， 加熱而將上述第一構(gòu)件與第二構(gòu)件接合，并且使上述覆蓋層消失。
焊接材料的上述覆蓋層因接合時的加熱被混入鍍覆浴中而消失。即 使在覆蓋層的表面生成了氧化膜，由于該氧化膜容易被還原，因此也可 以利用接合時的加熱還原。
也就是說，根據(jù)技術(shù)方案19所述的發(fā)明，可以在不另外增加工序的 情況下，利用接合時的加熱，進行上述覆蓋層的消失及覆蓋層表面的氧 化膜的還原。
另外，技術(shù)方案19所述的發(fā)明中，由于應(yīng)用上述的以鋅作為主成分 的焊接材料，因此可以將第一構(gòu)件與第二構(gòu)件致密地接合。
技術(shù)方案20所述的發(fā)明是如下的技術(shù)方案19所述的接合體的制造 方法，即，使用在被接合面上設(shè)置了鎳層的第一構(gòu)件及第二構(gòu)件。
技術(shù)方案21所述的發(fā)明是如下的技術(shù)方案20所述的接合體的制造方法，即，
在接合前，在上述鎳層的表面，設(shè)置與鋅的反應(yīng)性高而與鋅生成合 金的金屬表面層，
利用接合時的上述加熱，使上述金屬表面層消失。
根據(jù)技術(shù)方案21所述的發(fā)明，除了可以將第一構(gòu)件與第二構(gòu)件致 密地接合以外，還會提高焊料的潤濕性，從而難以產(chǎn)生傾斜地接合等不 佳狀況。
另外，技術(shù)方案21所述的發(fā)明中，可以在不另外增加工序的情況下， 利用接合時的加熱，使所附設(shè)的上述金屬表面層消失。
技術(shù)方案22所述的發(fā)明是如下的技術(shù)方案21所述的接合體的制造 方法，即，接合前的上述金屬表面層的厚度為3nm以上1000nm以下。
技術(shù)方案23所述的發(fā)明是如下的技術(shù)方案21所述的接合體的制造 方法，即，接合前的上述金屬表面層的厚度為10nm以上200nm以下。
在接合后的接合界面中使金屬表面層消失。使金屬表面層消失的條 件可以利用接合時的加熱溫度、加熱時間等來調(diào)節(jié)，然而作為金屬表面 層的厚度，優(yōu)選為3nm以上1000nm以下，更優(yōu)選為10nm以上200nm 以下。
技術(shù)方案24所述的發(fā)明提供一種功率半導(dǎo)體模塊的制造方法，
其利用技術(shù)方案15-18中任意一項所述的制造方法準備如下的以鋅 作為主成分的焊接材料，該焊接材料是在除去以鋅作為主成分的材料表 面的氧化膜、或者不存在上述氧化膜的狀態(tài)下，在上述表面設(shè)置以其氧 化物比上述氧化膜容易被還原的金屬作為主成分的覆蓋層而成的，
在功率半導(dǎo)體元件與絕緣基板之間的第一接合部、以及絕緣基板與 上述散熱板之間的第二接合部中的至少一者中，夾持上述以鋅作為主成 分的焊接材料，
進行加熱而接合并且使上述覆蓋層消失。
根據(jù)技術(shù)方案24所述的發(fā)明，可以將功率半導(dǎo)體模塊的構(gòu)件致密 地接合。另外，根據(jù)技術(shù)方案24所述的發(fā)明，可以在不另外增加工序的情況 下，利用接合時的加熱，進行上述覆蓋層的消失及覆蓋層表面的氧化膜 的還原。
技術(shù)方案25所述的發(fā)明是如下的技術(shù)方案24所述的功率半導(dǎo)體模 塊的制造方法，即，上述功率半導(dǎo)體元件、上述絕緣基板及上述散熱板 中，用上述以鋅作為主成分的焊接材料接合的被接合構(gòu)件在其被接合面
技術(shù)方案26所述的發(fā)明是如下的技術(shù)方案25所述的功率半導(dǎo)體模 塊的制造方法，即，
在接合前，在上述鎳層的表面，設(shè)置與鋅的反應(yīng)性高而與鋅生成合 金的金屬表面層，
利用接合時的上述加熱，使上述金屬表面層消失。
根據(jù)技術(shù)方案26所述的發(fā)明，除了可以致密地接合以外，還會提 高焊料的潤濕性，難以產(chǎn)生傾斜地接合等不佳狀況。
另外，技術(shù)方案26所述的發(fā)明中，可以在不另外增加工序的情況下， 利用接合時的加熱，使所附設(shè)的上述金屬表面層消失。
技術(shù)方案27所述的發(fā)明是如下的技術(shù)方案26所述的功率半導(dǎo)體模 塊的制造方法，即，接合前的上述金屬表面層的厚度為3nm以上1000nm 以下。
技術(shù)方案28所述的發(fā)明是如下的技術(shù)方案26所述的功率半導(dǎo)體模 塊的制造方法，即，接合前的上述金屬表面層的厚度為10nm以上200nm 以下。
根據(jù)本發(fā)明，可以提供一種能夠致密地接合的、以鋅作為主成分的 焊接材料。
另外，根據(jù)本發(fā)明，可以提供耐熱性高而致密地接合了的接合體及 功率半導(dǎo)體模塊。
此外，根據(jù)本發(fā)明，可以提供能夠?qū)崿F(xiàn)致密的接合的以鋅作為主成 分的焊接材料、接合體、以及功率半導(dǎo)體模塊的各自的制造方法。


圖l是說明以鋅作為主成分的材料(Zn系材料)的表面處理法的圖。 (A)表示在表面形成了自然氧化膜501的Zn系材料，(B)表示除去 了表面的氧化膜501后的Zn系材料，(C)表示在氧化膜除去后的表面 設(shè)置了以易還原金屬作為主成分的覆蓋層51的Zn系焊接材料。
圖2是說明本實施方式的接合體的制造方法的一例的圖。(A)表示 接合前的狀態(tài)，(B)表示接合后的接合體的狀態(tài)。
圖3是說明對于在被接合面上設(shè)置了金屬表面層時的以鋅作為主成 分的焊接材料的潤濕展開的情形的圖。(A)表示接合前的狀態(tài)，(B) 表示接合后的接合體的狀態(tài)。
圖4是表示對于在被接合面上設(shè)置了金屬表面層時的以鋅作為主成 分的焊接材料的潤濕展開的控制方法的一例的圖，(A )是說明接合前的 狀態(tài)的圖，(B)是說明接合后的狀態(tài)的圖。
圖5是表示對于在被接合面上設(shè)置了金屬表面層時的以鋅作為主成 分的焊接材料的潤濕展開的控制方法的另外一例的圖，(A)是說明接合 前的狀態(tài)的圖，(B)是說明接合后的狀態(tài)的圖。
圖6是說明第一實施方式的功率半導(dǎo)體模塊的構(gòu)成的圖。
圖7是說明第一實施方式的功率半導(dǎo)體模塊的制造方法的一例的 圖。(A)是說明第一接合部的接合前的狀態(tài)的圖，(B)是說明第一接 合部的接合后的狀態(tài)的圖，(C )是說明第二接合部的接合前的狀態(tài)的圖。
圖8是說明第二實施方式的功率半導(dǎo)體模塊的制造方法的一例的 圖。(A)是說明第一接合部的接合前的狀態(tài)的圖，(B)是說明笫一接 合部的接合后的狀態(tài)的圖，(C )是說明第二接合部的接合前的狀態(tài)的圖。
具體實施例方式
<Zn系焊接材料>
本發(fā)明的以鋅作為主成分的焊接材料，在除去了表面的氧化膜后、 或者在不存在氧化膜的狀態(tài)下，在上述表面設(shè)置了覆蓋層，其以氧化物比在該表面生成的上述氧化膜容易被還原的金屬作為主成分。
以下，本發(fā)明中，有時將實施設(shè)置覆蓋層等表面處理前的以鋅作為
主成分的材料稱作"Zn系材料"，將實施了表面處理后的本發(fā)明的以鋅 作為主成分的焊接材料稱作"Zn系焊接材料"。另外，有時將其氧化物 比上述氧化膜容易被還原的金屬稱作"易還原金屬"。
本發(fā)明中，所謂"以鋅作為主成分"，是指含有80質(zhì)量％以上的鋅。
具體來說，作為Zn系材料及Zn系焊接材料，可以舉出鋅單質(zhì)、 Zn-Al合金、以Zn(1.x_y) AlxMy表示的合金、或者組合了它們中的2種 以上的材料。
此外，也可以應(yīng)用向這些鋅單質(zhì)、Zn-Al合金、以Znu_x-y) AlxMy 表示的合金、或者并用了它們中的2種以上的材料中作為添加物添加了 Ge、 Mg、 Sn、 In、 P等的材料。作為此種Zn系材料，可以舉出日本特 開平11-288955號公報、日本特開平11-208487號公報、日本特開平 11-172354號公報、日本特開平11-172353號公報、日本特開平11-172352 號^^艮、日本特開2000-208533號>^才艮、日本特開2000-61686號7>才艮、 曰本特開2004-358540號公報、日本特開2004-358539號公報等的Zn 系材料。
本發(fā)明中，由于由鋅的自然氧化膜引起的問題得到解決，因此無論 鋅是單質(zhì)還是合金，或者含有添加物，都可以起到相同的效果。
這里，Zn單質(zhì)的熔點約為420"C。雖然也可以在約420C時進行接 合，然而考慮到由熱造成的對接合構(gòu)件的損傷，優(yōu)選的方式是，使熔點 比這低。
作為具體的事例，可以舉出功率半導(dǎo)體模塊的情況。雖然作為用于 功率半導(dǎo)體模塊的第 一次接合的焊接材料可以應(yīng)用鋅單質(zhì)，然而為了防
止由熱造成的半導(dǎo)體元件的破壞，較理想的是使熔點比450匸低。
此種情況下，優(yōu)選按照向鋅中添加鋁而使熔點(固相線溫度)降低 的方式，制成鋅與鋁的合金。另外，除了鋅和鋁以外，還可以含有2質(zhì) 量。/o以下的金屬M。即，優(yōu)選應(yīng)用以Znu_x-y) AlxMy表示的合金。在以Zn(1.x_y) AlxMy表示的合金中，Al的含有率(x的范圍)優(yōu)選 為2質(zhì)量％以上10質(zhì)量％以下，更優(yōu)選為3質(zhì)量％以上8質(zhì)量％以下。
在不含有Al的情況下(x為0的情況下)，如上所述熔點約為420 "C ，隨著Al的含有率增加，熔化結(jié)束溫度(液相線溫度)慢慢地下降， Al的含有率為約2質(zhì)量％時熔化結(jié)束溫度(液相線溫度)變?yōu)榧s410C Al的含有率為約4~6質(zhì)量°/。時液相線溫度變?yōu)榧s382X:。當Al的含有 率多于約6質(zhì)量％時，開始熔化的溫度(固相線溫度)與熔化完成的溫 度(液相線溫度)的差變大，在A1的含有率為10質(zhì)量％的情況下，固 相線溫度變?yōu)榧s382X:，液相線溫度變?yōu)榧s4iox:。當A1的含有率多于 10質(zhì)量％時，固相線溫度與液相線溫度的溫差會大于30t;，因此作業(yè) 性有可能降低。
另外，以Znu.x.y)AlxMy表示的合金的金屬M表示除鋅及鋁以外的 金屬，可以舉出銅等。如果含有2質(zhì)量。/。以下的銅，則潤濕性變得良好， 密合性提高。而且即使含有2質(zhì)量％的銅，液相線溫度也基本上不會變 化。
在以Znu+y)AlxMy表示的合金中，作為金屬M的含量(y的范圍)， 為0~2質(zhì)量％，優(yōu)選為0-1.5質(zhì)量％。如果金屬M的含量多于2質(zhì)量％, 則直到熔化完成的溫度差變得大于30t:，因此作業(yè)性降低，在接合時容 易產(chǎn)生位置錯移、接合構(gòu)件的傾斜等不佳狀況。
以Zn(1-x-y) AlxMy表示的合金的制備方法沒有特別限制，可以適當 地應(yīng)用/>知的合金制;方法。
在利用以Znd-x-y)AlxMy表示的合金進行接合時，從使接合部同樣 地熔融、獲得充分的流動性的觀點出發(fā)，優(yōu)選在比合金的液相線溫度高 數(shù)十1C的溫度下進行接合。例如，在具有382X:的液相線溫度的 乙1195.8入14<:11。.2合金的情況下，優(yōu)選在410"C 440"C左右進行接合。
本發(fā)明的Zn系材料在用于焊接接合前被實施表面處理。
如圖1 (A)所示，如果Zn系材料50被放置于大氣中，則會在其 表面形成自然氧化膜501。在上述表面處理中，在如圖1 (B)所示將 Zn系材料50表面的氧化膜501除去后，如圖1 (C)所示，在該表面設(shè)置以易還原金屬作為主成分的覆蓋層51,得到進行了表面處理的Zn 系焊接材料55。
只要可以除去Zn系材料表面的氧化膜，除去方法就沒有特別限定， 然而優(yōu)選利用等離子體或鍍覆前處理液來除去，特別優(yōu)選利用等離子體 來除去。
在利用等離子體除去時，優(yōu)選在真空中進行。從在除去氧化膜后不 產(chǎn)生氧化膜的觀點出發(fā)，更優(yōu)選向真空中導(dǎo)入微量氬氣并施加高頻電力 的方法(反濺射)。具體來說，所謂高頻是指14MHz左右。進行等離子 體放電的時間根據(jù)所要除去的氧化膜的量而異，因此優(yōu)選進行適當調(diào) 整。
此外，如果在Zn系材料50的表面不存在氧化膜，則可以省略上述 除去氧化膜的工序。
在除去了 Zn系材料表面的氧化膜后、或在表面不存在氧化膜的狀 態(tài)下，為了在表面不生成氧化膜而設(shè)置以易還原金屬作為主成分的覆蓋 層51。
在利用等離子體除去了氧化膜的情況下，為了在其后不生成該氧化 膜，優(yōu)選在真空中形成覆蓋層51。特別是在真空中進行利用等離子體除 去氧化膜的工序的情況下，優(yōu)選緊接著在該真空環(huán)境下形成金屬層。
作為易還原金屬，可以舉出銅(Cu)、金(Au)、錫(Sn)、銀(Ag)、 鈀(Pd)、鉑(Pt)等，更優(yōu)選銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)等。
以銅作為主成分，從(1 )在銅表面生成的自然氧化膜的還原容易性、 (2 )易熔入鋅系焊料浴中而可以在接合后使該銅層消失的觀點出發(fā)， 是特別優(yōu)選的。
上述所謂以銅作為主成分的覆蓋層，是指含有50質(zhì)量％以上銅的 層，既可以是銅單質(zhì)，也可以是向其中添加了添加物的材料。
作為向以銅作為主成分的覆蓋層中添加的添加物，可以舉出Au、 Ag、 Ni、 Sn、 Zn、 Ni、 Mn等。在利用等離子體除去了氧化膜的情況下，優(yōu)選利用濺射、蒸鍍等來
形成覆蓋層51，利用濺射來形成是更為簡易的方法，因而優(yōu)選。
形成覆蓋層51時的濺射條件沒有特別限定，既可以是直流電流，也 可以是交流電流。工作功率也優(yōu)選適當?shù)丶右詉殳定。
另一方面，也可以通過利用鍍覆前處理液將鋅表層除去，從而將在 表面生成的氧化膜除去。
在利用鍍覆前處理液除去了上述氧化膜的情況下，優(yōu)選利用鍍覆來 形成覆蓋層51。特別是從不生成氧化膜的觀點出發(fā)，優(yōu)選不是在空氣中 將試樣從用于除去氧化膜的鍍覆浴中提起，而是緊接著在相同的鍍覆浴 中進行用于形成金屬層的鍍覆。
接合前的覆蓋層51的厚度優(yōu)選為5nm以上500nm以下，更優(yōu)選為 10nm以上250nm以下，進一步優(yōu)選為20nm以上100nm以下。
如果覆蓋層51的厚度過薄，則覆蓋層51就會以島狀形成，局部地 露出Zn系材料50，在空氣中取出時有時生成氧化膜。另一方面，如果 覆蓋層51過厚，則根據(jù)接合的條件，有時在熔融之時在接合面中不顯 現(xiàn)出內(nèi)部的Zn系材料50、或者在接合工序后覆蓋層51仍殘存于接合 界面中。
<接合體>
本發(fā)明的接合體具有第一構(gòu)件和第二構(gòu)件，上述第一構(gòu)件與第二構(gòu) 件之間用上述Zn系焊接材料55接合，在用Zn系焊接材料55接合后 的接合面中，上述覆蓋層51消失。
將第一實施方式的接合體的制造步驟的一例表示于圖2中。圖2( A) 中表示接合前的各構(gòu)件，將所得的接合體300表示于圖2(B)中。
優(yōu)選在第一構(gòu)件101和第二構(gòu)件102的被接合面上分別具備鎳(Ni) 層111、 112。通過具備Ni層111、 112,可以抑制在與Zn系焊接材料 55的界面上生成不需要的反應(yīng)產(chǎn)物，對于溫度變化的耐受性也會提高。
22Ni層111、 112的厚度優(yōu)選為0.1 ji m~10 ja m，更優(yōu)選為0.5 n m 8 Hm。如果在該膜厚的范圍內(nèi)，則在接合時熔入焊接材料中而消失的可 能性就很小，并且對于接合體整體的熱膨脹系數(shù)的影響小。
Ni層lll、 112可以利用濺射、鍍覆、蒸鍍等來形成。
進而，為了防止氧化、確保接觸性，可以進一步在Ni層111、 112 的表面設(shè)置薄的Au層(未圖示)。應(yīng)說明的是，該薄的Au層在接合時 會熔入焊料浴中，基本上不會殘存于最終的功率半導(dǎo)體模塊中。
此種Au層的厚度優(yōu)選為0.01 ju m 0.5 p m左右，更優(yōu)選為0.03 p m~0.1 ju m。
首先，如圖1所示地準備利用上述方法實施了表面處理的Zn系焊 接材料55。該Zn系焊接材料55是在除去了氧化膜501的Zn系材料 50的表面設(shè)置了覆蓋層51的材料。
然后，如圖2(A)所示，將設(shè)于第一構(gòu)件101及第二構(gòu)件102表面 的M層111、 112相對地配置，在其間夾持上述實施了表面處理的Zn 系焊接材料55。所以，在以第一構(gòu)件101/Ni層111/覆蓋層51/Zn系材 料50/覆蓋層51/Ni層112/第二構(gòu)件102的順序?qū)盈B的狀態(tài)下，利用軟 熔(reflow)法等接合，形成接合體。
Zn系焊接材料55表面的覆蓋層51是以易還原金屬作為主成分而形 成的。如果在氧存在下放置Zn系焊接材料55,雖然會在覆蓋層51的 表面生成易還原金屬(優(yōu)選為銅)的氧化膜，然而易還原金屬的氧化膜 與鋅的氧化膜相比容易還原。所以，如果在還原氣體氣氛下進行接合， 則在比Zn系材料50熔融的溫度(約400X:)低的溫度下，易還原金屬 的氧化膜被還原，露出易還原金屬。例如在易還原金屬為銅的情況下， 在約200"C下氧化銅的氧化膜被還原，露出銅。
如果進一步加熱，則Zn系材料50開始熔融。由于此時的體積膨脹， Zn系焊接材料50表面的薄覆蓋層51破損，存在于內(nèi)部的熔融了的Zn 系材料50在被接合面上潤濕展開。
此時，設(shè)于Zn系焊接材料55表面的覆蓋層51非常薄，與Zn系材料50的體積相比非常懸殊。由此，覆蓋層51被混入熔融了的Zn系 材料50的焊料浴中，如圖2 (B)所示不殘存于接合界面中。接合后的 接合部混入了覆蓋層51,成為接合部57。
對于接合溫度，優(yōu)選在比zn系焊接材料55的熔點高3ox: 6or;
左右的溫度下進行。
在接合時，在惰性氣體或還原氣體氣氛下進行，然而如上所述，為 了將在覆蓋層51表面生成的氧化膜還原，優(yōu)選在還原氣體氣氛下進行。
將第二實施方式的接合體的制造步驟的一例表示于圖3中。圖3(A) 中表示接合前的各構(gòu)件，將所得的接合體表示于圖3(B)中。對于第 一構(gòu)件101和第二構(gòu)件102的形狀、大小沒有特別限制，圖3中，以第 一構(gòu)件101的被接合面大于第二構(gòu)件102的被接合面的情況進行說明。
如圖3 ( A)所示，在第一構(gòu)件101和第二構(gòu)件102各自的接合面 的表面形成Ni層lll、 112。進一步在M層lll、 112上形成與鋅的反 應(yīng)性高而與鋅生成合金的金屬表面層121、 122。
這里，所謂"與鋅的反應(yīng)性高的金屬，，是指如下的金屬，即，是 與鋅在數(shù)秒鐘左右形成合金的金屬，而其反應(yīng)量也很大。具體來說，作 為與鋅的反應(yīng)性高而與鋅生成合金的金屬(反應(yīng)性金屬)，可以舉出銅 (Cu)、銀(Ag)、金(Au)等。
金屬表面層為以銅作為主成分的層(Cu系層)，從(l)與鋅的反 應(yīng)性高、(2)容易熔入Zn系焊料浴中而在接合后可以使銅層消失的觀 點出發(fā)，是特別優(yōu)選的。
所謂以銅作為主成分的層(Cu系層)，是指含有50質(zhì)量％以上的 Cu的金屬層。既可以是銅單質(zhì)，也可以是銅合金，還可以是進一步向 它們中添加了添加物的材料。作為銅合金，可以舉出Cu-Au、 Cu-Ag、 Cu-M、 Cu-Sn等。作為向以銅作為主成分的層中添加的添加物，可以 舉出鋅(Zn)、鎳(M)、錳(Mn)等。
Cu系層更優(yōu)選為含有65質(zhì)量％以上的Cu的金屬層，進一步優(yōu)選為含有80質(zhì)量％以上的Cu的金屬層。
雖然Zn是潤濕性低的物質(zhì)，然而通過在Zn系焊接材料55的接 合面設(shè)置容易與熔融的Zn反應(yīng)而形成合金的金屬(反應(yīng)性金屬)，就會 使Zn系焊接材料55的潤濕性提高。具體來說，利用如下的現(xiàn)象，即， 在接合時的加熱時，在Zn系焊接材料55超過熔點而熔融時，Zn系焊 接材料55邊發(fā)生與反應(yīng)性金屬生成合金的反應(yīng)，邊追隨反應(yīng)性金屬而 自身展開。
應(yīng)說明的是，在像第一實施方式的接合體那樣，不在第一構(gòu)件101 和第二構(gòu)件102各自的接合面表面設(shè)置金屬表面層121、 122的情況下， 如果在接合的加熱時邊對被接合構(gòu)件施加外壓邊使之擦動，則可以在不 會使被接合構(gòu)件傾斜的情況下接合。
但是，第二實施方式的接合體中，即使不像第一實施方式的接合體 那樣進行邊加熱邊施加外壓的繁雜操作，也可以在不會使被接合構(gòu)件傾 斜的情況下接合。
此外，如果為了使?jié)櫇裥蕴岣叨纬傻纳鲜鼋饘俦砻鎸?21、 122 在焊接接合后仍然殘存，則在將功率半導(dǎo)體模塊作為產(chǎn)品使用時，有時 會有因冷熱循環(huán)而由Zn和反應(yīng)性金屬生成不需要的反應(yīng)產(chǎn)物的情況。
此種不需要的反應(yīng)產(chǎn)物通常來說是脆的物質(zhì)或硬的物質(zhì)，因此就 會以該不需要的反應(yīng)產(chǎn)物所存在的位置為起點產(chǎn)生裂紋，其結(jié)果是，容 易發(fā)生產(chǎn)生接合構(gòu)件的裂紋、產(chǎn)生與接合界面的剝離等不佳狀況。
所以，較理想的是使金屬表面層121、 122在焊接材料潤濕展開后， 混入Zn的焊料浴中而消失。
在焊接材料潤濕展開后的接合界面中，金屬表面層121、 122能夠 消失的金屬表面層121、 122的厚度根據(jù)焊接接合時的加熱溫度、加熱 時間、以及焊接材料的種類等而異，因此無法一概而定，較理想的是恰 當?shù)夭捎煤线m的膜厚。
但是，大致上優(yōu)選為3nm以上1000nm以下，更優(yōu)選為10nm以上 200nm以下。如果膜厚過薄，則接合部分就會變?yōu)閸u狀，有時有無法均勻地接合的情況。另一方面，在大于1000nm的情況下，無法全部混入 Zn系焊料浴中，有時有金屬表面層121、 122殘存的情況。
金屬表面層121、 122可以利用濺射、鍍覆、蒸鍍等來形成。
第一構(gòu)件101與第二構(gòu)件102的接合如圖3 ( A)所示，將第一構(gòu) 件101和第二構(gòu)件102各自的金屬表面層121、 122相對地配置，在其 間夾入上述實施了表面處理的Zn系焊接材料55。所以，在以第一構(gòu)件 101/Ni層111/金屬表面層121/覆蓋層51/Zn系材料50/覆蓋層51/金屬表 面層122/Ni層112/第二構(gòu)件102的順序?qū)盈B的狀態(tài)下，利用軟熔法等接 合，形成接合體57。
這里，在第二實施方式的接合體中，參照圖3(B),對潤濕展開 了的Zn系焊接材料55的狀態(tài)進行說明。
本實施方式中，由于通過具備金屬表面層121、 122而使鋅的潤濕性 提高，因此如圖3(B)所示，利用接合的加熱，焊接材料均勻地潤濕 展開。潤濕展開的結(jié)果是，所形成的接合部57有時會形成被稱作角焊 縫(fillet)的下擺展寬的形狀。即使是此種接合形狀，只要是均勻地接 合就沒有問題，然而作為抑制角焊縫的展寬的方法，可以例示出以下的 方法。
例如，可以舉出如圖4 (A) (B)所示，使設(shè)于第一構(gòu)件101上 的金屬表面層121的面積小于第一構(gòu)件101的面積的方法。
為了形成所需面積的金屬表面層121，只要在第一構(gòu)件101板上貼 附掩片等而進行鍍覆、或者安裝具有開口部的掩模構(gòu)件而進行濺射即 可。所以，此種方法是筒易的方法，可以控制焊接材料的潤濕展開面積。
應(yīng)說明的是，本發(fā)明的技術(shù)由于直接地改變對潤濕性最有影響的 界面狀態(tài)，因此如圖4 (A) (B)所示，很容易控制焊接材料的潤濕展 開范圍。
與此相對，對于像以往那樣，向焊接材料中添加其他的物質(zhì)而使?jié)?濕性提高的方法，由于不僅對潤濕性直接造成影響的界面被改性，而且 焊接材料整體也被改性，因此與本發(fā)明相比，很難控制焊接材料潤濕展
26開的范圍。
另外，可以如圖5(A)(B)所示，通過預(yù)先在阻止焊接材料展 開的部分將抗蝕劑70等形成圖案，從而控制焊接材料的潤濕展開。
也可以在接合后除去不需要的抗蝕劑，對于耐熱性高的抗蝕劑的情 況，也可以原樣不動地使之殘留。
此外，優(yōu)選在用Zn系焊接材料55接合后的接合面中，金屬表面 層121、 122消失。在根據(jù)接合后的接合體確認是否應(yīng)用了金屬表面層 121、 122時，也可以如圖3(B)所示，根據(jù)金屬表面層121殘存的區(qū) 域A來進行。
除了為了提高潤濕性而在第一構(gòu)件101和第二構(gòu)件102的接合面 的表面i殳置了金屬表面層121、 122以外，與第一實施方式相同，因此 省略其他的說明。
<功率半導(dǎo)體模塊>
本發(fā)明的功率半導(dǎo)體模塊具有功率半導(dǎo)體元件、絕緣基板和散熱板。 只要功率半導(dǎo)體元件與絕緣基板之間的第 一接合部、以及絕緣基板與散 熱板之間的第二接合部中的至少一者用上述Zn系焊接材料55接合即 可，也可以第一接合部和第二接合部兩者用Zii系焊接材料55接合。
在通過改變Zii系焊接材料55中所含的合金組成的種類、添加劑的 種類、添加劑的添加量，而使熔點很大地變化的情況下，可以在第一接 合部和第二接合部兩者中應(yīng)用Zn系焊接材料55。
該情況下，第二次接合中所用的焊接材料的熔點比第一次接合中所 用的焊接材料的熔點低以上也是較理想的，并且考慮到來自功率半 導(dǎo)體的發(fā)熱，較理想的是為200X:以上。
此外，在考慮了來自功率半導(dǎo)體元件20的發(fā)熱的情況下，優(yōu)選將熔 點高的焊接材料應(yīng)用于第 一接合部中，將熔點比它低的焊接材料應(yīng)用于 第二接合部中。
第三實施方式的功率半導(dǎo)體模塊中，優(yōu)選在第一接合部500和第二 接合部600的被接合面上設(shè)置Ni層。對于其他方面，由于與第一實施 方式的功率半導(dǎo)體模塊相同，因此省略說明。
與第二實施方式的接合體相同，為了使Zn系焊接材料55的潤濕性 提高，在被接合面上設(shè)置金屬表面層。圖8中，釆用在第一接合部中應(yīng) 用Zn系焊接材料55的情況進行說明。
如圖8 ( A) (B)所示，在M層22、 28的表面，設(shè)置金屬表面層 24、 39。較理想的是，金屬表面層24、 39在焊接材料潤濕展開后，被 混入鋅的焊料浴中而消失。
金屬表面層24、39與第二實施方式的接合體中說明的金屬表面層 121、 122同義。
另外，為了提高潤濕性，在作為Zn系焊接材料55的接合面的功率 半導(dǎo)體元件20及絕緣部30的表面，設(shè)置了金屬表面層24、 39，除此之 外與第一實施方式的功率半導(dǎo)體模塊相同，因此省略其他的說明。
而且，第四實施方式中，由于在第一接合部500中應(yīng)用了 Zn系 焊接材料55，因此在功率半導(dǎo)體元件20及絕緣部30的表面，設(shè)置了金屬表面層24、 39，然而在將Zn系焊接材料55應(yīng)用于第二接合部600 中的情況下，則在絕緣部30及散熱板40的接合面上設(shè)置金屬表面層24、 39。
<效果>
利用本發(fā)明的制造方法得到的功率半導(dǎo)體模塊，由于在Zn系焊接 材料55與被接合面之間不存在氧化膜，因此可以得到致密的接合界面。 其結(jié)果是，可以抑制接合部的熱阻的增大，可以將在功率半導(dǎo)體元件中 產(chǎn)生的熱有效地向冷卻水等冷卻介質(zhì)傳遞。
另夕卜，即使在伴隨著熱膨脹系數(shù)差而對接合部施加熱應(yīng)力的情況下， 由于接合部中空隙等缺陷少，因此也難以形成裂紋等，從而形成對于冷 熱循環(huán)而言可靠性高的功率半導(dǎo)體模塊。
實施例
下面利用實施例對本發(fā)明進行說明，然而是對本發(fā)明的功率半導(dǎo) 體模塊的制造方法的一例進行敘述，本發(fā)明并不受這些實施例限定。
[實施例1
依照圖7 (A) (B)，將功率半導(dǎo)體元件與絕緣基板用Zn系焊接材 料55接合，制作了圖7 (B)所示的構(gòu)成的評價試驗體-1。
<功率半導(dǎo)體元件的準備>
準備使用了 GaN的功率半導(dǎo)體元件20，在其最表面利用濺射形成 Ni層22。在Ni層22的表面利用濺射形成Au層(未圖示)。
<絕緣部的準備>
另一方面，在作為絕緣基板32的Si3N4陶瓷板的兩面利用硬釬焊貼 附Cu層34、 36,制作了 Cu層34/SisN4層32/Cu層36的疊層體。進而 在該疊層體的Cu層的表面利用鍍覆形成Ni層38，制作成絕緣部30。 而且，在鍍覆時，將不進行鍍覆的面貼附掩片等進行保護。
<第一接合部的準備>準備向鋅中添加了 4質(zhì)量％的Al的焊接材料(Zn。.96Alo.Q4合金熔 點380t:)，利用壓延，加工為厚O.lmm的箔狀。然后，將該焊料箔放 入濺射裝置中，利用反濺射，蝕刻了焊料箔表面。蝕刻是在真空中注入 了氬氣的狀態(tài)下、以13.56MHz的高頻、在IOOW的電壓下產(chǎn)生等離子 體而進行的。蝕刻的時間為15分鐘。
然后，在維持高真空的狀態(tài)下，在真空裝置內(nèi)使試樣移動，在試 樣的表面利用濺射形成銅的膜。濺射是用直流進行的，電壓為40W，根 據(jù)另外預(yù)先測得的成膜速度來調(diào)整濺射的時間，以使膜厚達到50mn。
將形成了銅膜的焊料箔從真空裝置中取出，將焊料箔翻面后，同 樣地進行利用反濺射的蝕刻以及銅的成膜，從真空裝置中取出。
<第一接合部的接合>
將上述準備好的功率半導(dǎo)體元件20的Ni層22與絕緣部30的Ni 層38相對地配置，在其間夾入Zn。.96Al。.。4層50,在該狀態(tài)下安放于用 于定位的碳夾具中，放入電爐中。
在電爐的爐心管中， 一直流入含有5vol。/o的氫氣的氮氣，內(nèi)部變?yōu)?還原性氣氛。在該狀態(tài)下，從室溫起用30分鐘升溫到430C后，將430 x:的狀態(tài)保持5分鐘，其后冷卻到常溫附近后取出，得到評價試驗體-1
<接合面的觀察>
對評價試驗體-1，首先利用超聲波探傷，非破壞地觀察了接合面整 體后，切割評價試驗體-1而研磨了剖面后，利用電子顯微鏡觀察了該剖 面。
結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雖然在評價試驗體-1的接合面中確認有若干的空隙 (void),然而整體上是致密的接合。
另外，未看到在評價試驗體-1的接合界面附近殘存銅的情形，可以 認為是在焊料熔融時被混入了焊料浴中。
[比較例1
將與實施例1的評價試驗體-1是相同的構(gòu)成，然 未進行反濺射、銅成膜的Zn(K96Al。.。4合金應(yīng)用于第一接合部中，制作成比較的評價試驗
體畫2
這里，在第一接合部接合時，為了將在Zn。.96Ako4合金表面生成的 自然氧化膜破壞而使內(nèi)部的Zno.96Al().()4合金向接合面流出，在功率半導(dǎo) 體元件20與絕緣部30之間夾入了 Zn。.96Al。.。4層的狀態(tài)下，對功率半導(dǎo) 體元件20及絕緣部30施加了外壓。
對于所得的比較的評價試驗體-2,也與實施例l相同地觀察了接 合面。其結(jié)果是，在比較的評價試驗體-2中，觀察到很多未被接合的部 分。這可以認為是因為，雖然在焊料箔上生成的自然氧化膜破損而使焊 接材料流出，然而氧化膜殘存于接合部中，該部分未接合。
[實施例2
實施例1中，利用反濺射和濺射進行了自然氧化膜的除去和其后的 銅膜的形成，而實施例2中，是利用鍍覆進行的。
準備向鋅中添加了 4質(zhì)量％的Al的焊接材料(Zn。.96Al。.。4合金 熔點380r:)，利用壓延，加工為厚O.lmm的箔狀。然后，將該焊料箔 放入除去氧化膜的前處理液中，其后浸漬于鍍銅液中。鍍覆的條件根據(jù) 預(yù)先求出的鍍覆厚度與鍍覆時間的關(guān)系進行調(diào)整，以使鍍覆厚度達到 50nm。
鍍覆后將試樣利用與實施例l相同的方法制作成接合體，得到評 價試驗體-3。
對所得的評價試驗體-3，與實施例1相同地觀察了接合面。結(jié)果 發(fā)現(xiàn)，評價試驗體-3中，雖然可以看到產(chǎn)生若干的空隙等接合并不完全 的部分，然而作為整體來說是致密的接合。
[實施例3
依照圖8 (A) (B),將功率半導(dǎo)體元件和絕緣基板用Zn系焊接材 料55接合，制作成圖8(B)所示的構(gòu)成的評價試驗體-4。
<功率半導(dǎo)體元件的準備>準備接合面為lcm2的GaN功率半導(dǎo)體元件20，在其最表面利用濺 射形成Ni層22。在M層22的表面利用濺射形成Cu層24。利用電子 顯微鏡觀測了 Ni層22和Cu層24的厚度，其結(jié)果是，Ni層22的厚度 為0.7nm, Cu層24的厚度為50nm。
<絕緣部的準備>
另一方面，在作為絕緣基板32的Si3N4陶資板的兩面利用硬釬焊貼 附Cu層34、 36,制作了 Cu層34/Si3N4層32/Cu層36的疊層體。
進而在該疊層體的Cu層的表面利用鍍覆形成Ni層38,進而在Ni 層38上利用濺射將Cu層39成膜，制作成絕緣部30。而且，在鍍覆時， 將不進行鍍覆的面貼附掩片等進行保護。Cu層39的厚度為50nm。
除了使用了如上所述地準備的功率半導(dǎo)體元件和絕緣部以外，與 實施例l相同地得到評價試驗體-4
對所得的評價試驗體-4，利用與實施例l相同的方法進行了接合面 的觀察。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，評價試驗體-4的接合面與實施例1的評價試驗體-1 的接合面相比，是更致密的接合。
另外，未看到在評價試驗體-4的接合界面附近殘存銅的情形，可以 認為是在焊料熔融時被混入了焊料浴中。
而且，日本申請?zhí)卦?007-300792號全部的7>開內(nèi)容經(jīng)參照而引 入本說明書中。
另外，對于本說明書中所述的所有文獻、專利申請及技術(shù)標準而言， 各個文獻、專利文獻以及技術(shù)標準經(jīng)參照而引入的情況是以具體且與分 別記載的情況相同的方式經(jīng)參照而引入本說明書中的。
權(quán)利要求
1.一種以鋅作為主成分的焊接材料，在除去了以鋅作為主成分的材料表面的氧化膜后、或者在不存在所述氧化膜的狀態(tài)下，在所述表面設(shè)置了以如下的金屬作為主成分的覆蓋層，所述金屬是其氧化物比所述氧化膜容易被還原的金屬。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的以鋅作為主成分的焊接材料，其中，所 述覆蓋層是以銅作為主成分的層。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的以鋅作為主成分的焊接材料，其中， 所述以鋅作為主成分的材料是鋅單質(zhì)、或者以Znu_x_y) AlxMy表示的合 金，Zn(1-x-y) AlxMy中，x為0.02 0.10, y為0 0.02， M表示除鋅及鋁 以外的金屬。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1 3中任意一項所述的以鋅作為主成分的焊接材 料，其中，所述覆蓋層的厚度為5nm以上500nm以下。
5. —種接合體，具有第一構(gòu)件和第二構(gòu)件，所述第一構(gòu)件與第二構(gòu)件之間用權(quán)利要求1 4中任意一項所述的、 在表面具有覆蓋層的以鋅作為主成分的焊接材料接合，在用所述以鋅作為主成分的焊接材料接合后的接合面中，所述覆蓋 層消失。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的接合體，其中，在第一構(gòu)件和第二構(gòu)件 的被接合面上設(shè)有鎳層。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的接合體，其中，在接合前的所述鎳層的 表面，具備與鋅的反應(yīng)性高而與鋅生成合金的金屬表面層，在接合后的 接合面中，所述金屬表面層消失。
8. —種功率半導(dǎo)體模塊，具有功率半導(dǎo)體元件、絕緣基板和散熱板， 所述功率半導(dǎo)體元件與所述絕緣基板之間的第一接合部、以及所述絕緣基板與所述散熱板之間的第二接合部中的至少 一者，用權(quán)利要求 1~4中任意一項所述的、在表面具有覆蓋層的以鋅作為主成分的焊接材 料接合，在用所述以鋅作為主成分的焊接材料接合后的接合面中，所述覆蓋 層消失。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的功率半導(dǎo)體模塊，其中，所述功率半導(dǎo) 體元件是4吏用GaN或SiC形成的。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的功率半導(dǎo)體模塊，其中，所述絕緣 基板為Si3N4層，在Si3N4層的兩個表面具備由銅形成的導(dǎo)電層。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8~10中任意一項所述的功率半導(dǎo)體模塊，其中， 所述散熱板是在鉬Mo層的兩面具有銅Cu層的Cu層/Mo層/Cu層的疊 層體。
12. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的功率半導(dǎo)體模塊，其中，所述散熱板的 Cu層/Mo層/Cu層的厚度的比率為1/5/1-1/12/1。
13. 根據(jù)權(quán)利要求8 12中任意一項所述的功率半導(dǎo)體模塊，其中， 所述功率半導(dǎo)體元件、所述絕緣基板及所述散熱板中，用所述以鋅作為 主成分的焊接材料接合的被接合構(gòu)件在其被接合面上具有鎳層。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的功率半導(dǎo)體模塊，其中，在接合前的所 述鎳層的表面，具備與鋅的反應(yīng)性高而與鋅生成合金的金屬表面層，在 接合后的接合面中，所述金屬表面層消失。
15. —種以鋅作為主成分的焊接材料的制造方法，在將以鋅作為主 成分的材料表面的氧化膜除去、或者不存在所述氧化膜的狀態(tài)下，在所述表面設(shè)置以如下的金屬作為主成分的覆蓋層，所述金屬是其 氧化物比所述氧化膜容易被還原的金屬。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的以鋅作為主成分的焊接材料的制造方 法，其中，利用等離子體來進行所述氧化膜的除去。
17. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的以鋅作為主成分的焊接材料的制造方 法，其中，利用鍍覆前處理液來進行所述氧化膜的除去。
18. 根據(jù)權(quán)利要求15或16所述的以鋅作為主成分的焊接材料的制 造方法，其中，在真空中，在所述表面設(shè)置所述覆蓋層。
19. 一種接合體的制造方法，利用權(quán)利要求15 18中任意一項所述 的制造方法準備如下的以鋅作為主成分的焊接材料，該焊接材料是在將 以鋅作為主成分的材料表面的氧化膜除去、或者不存在所述氧化膜的狀態(tài)下，在所述表面設(shè)置以如下的金屬作為主成分的覆蓋層而成的，所述金屬是其氧化物比所述氧化膜容易被還原的金屬，在第一構(gòu)件與第二構(gòu)件之間夾持所述以鋅作為主成分的焊接材料， 進行加熱，將所述第一構(gòu)件與第二構(gòu)件接合并且使所述覆蓋層消失。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的接合體的制造方法，其中，使用在被接 合面上設(shè)置了鎳層的第一構(gòu)件和第二構(gòu)件。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的接合體的制造方法，其中， 在接合前，在所述鎳層的表面，設(shè)置與鋅的反應(yīng)性高而與鋅生成合金的金屬表面層，利用接合時的所述加熱，使所述金屬表面層消失。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的接合體的制造方法，其中，接合前的所 述金屬表面層的厚度為3nm以上1000nm以下。
23. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的接合體的制造方法，其中，接合前的所 述金屬表面層的厚度為10nm以上200nm以下。
24. —種功率半導(dǎo)體模塊的制造方法，利用權(quán)利要求15 18中任意 一項所述的制造方法準備如下的以鋅作為主成分的焊接材料，該焊接材 料是在將以鋅作為主成分的材料表面的氧化膜除去、或者不存在所述氧 化膜的狀態(tài)下，在所述表面設(shè)置以如下的金屬作為主成分的覆蓋層而成 的，所述金屬是其氧化物比所述氧化膜容易被還原的金屬，在功率半導(dǎo)體元件與絕緣基板之間的第一接合部、以及絕緣基板與 所述散熱板之間的第二接合部中的至少一者中，夾持所述以鋅作為主成 分的焊接材料，進行加熱而接合并且使所述覆蓋層消失。
25. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的功率半導(dǎo)體模塊的制造方法，其中，所 述功率半導(dǎo)體元件、所述絕緣基板及所述散熱板中，用所述以鋅作為主成分的焊接材料接合的被接合構(gòu)件在其被接合面上具備鎳層。
26. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的功率半導(dǎo)體模塊的制造方法，其中， 在接合前，在所述鎳層的表面，設(shè)置與鋅的反應(yīng)性高而與鋅生成合金的金屬表面層，利用接合時的所述加熱，使所述金屬表面層消失。
27. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的功率半導(dǎo)體模塊的制造方法，其中，接 合前的所述金屬表面層的厚度為3nm以上1000nm以下。
28. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的功率半導(dǎo)體模塊的制造方法，其中，接 合前的所述金屬表面層的厚度為10nm以上200nm以下。
全文摘要
本發(fā)明的以鋅作為主成分的焊接材料(55)，在除去了鋅系材料(50)表面的氧化膜(501)后、或者在表面不存在氧化膜(501)的狀態(tài)下，在所述表面設(shè)置以其氧化物比所述氧化膜(501)容易被還原的金屬作為主成分的覆蓋層(51)。另外，本發(fā)明的接合體及功率半導(dǎo)體模塊在接合部中使用所述鋅系焊接材料(55)，在接合后所述覆蓋層(51)消失。
文檔編號B23K35/28GK101687284SQ200880022649
公開日2010年3月31日 申請日期2008年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月20日
發(fā)明者中川郁朗, 八木雄二, 大沼郁雄, 山田靖, 渥美貴司, 白井干夫, 石田清仁, 高久佳和 申請人:豐田自動車株式會社;國立大學(xué)法人東北大學(xué)