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)置有由銅或銅合金構(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2012-281345號優(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，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)定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）經(jīng)由焊錫材料而接合。
[0006] 在此，當(dāng)電路層由鋁或鋁合金構(gòu)成時，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，當(dāng)電路層由銅或銅合金構(gòu)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(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
[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] 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(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(fēng)力發(fā)電或電動汽車和電動車輛等而搭 載進(jìn)一步大功率控制用的功率元件，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，也可以抑制焊錫層的裂紋，且可靠性較高的功率模塊。
[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Ni鍍層 會產(chǎn)生裂紋，該裂紋沿焊錫層的晶界擴(kuò)展，最終導(dǎo)致焊錫層龜裂。并且，進(jìn)行深入研宄的結(jié) 果得知通過將焊錫層的結(jié)晶粒徑設(shè)定為較小，可以抑制焊錫層的裂紋的擴(kuò)展的研宄結(jié)果。
[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的一個面上的半導(dǎo)體 元件，其中，在所述電路層中與所述半導(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而形成的焊錫層，在所述焊錫 層中的從所述電路層表面至30ym的區(qū)域中，通過EBSD而測定的平均結(jié)晶粒徑被設(shè)定在 0. 1ym以上10ym以下的范圍內(nèi)，所述焊錫層的組成為，作為主成分含有Sn，并且含有0. 01 質(zhì)量％以上1. 0質(zhì)量％以下的Ni、0. 1質(zhì)量％以上5. 0質(zhì)量％以下的Cu，在功率循環(huán)試驗(yàn) 中，在通電時間5秒、溫度差80°C的條件下負(fù)載10萬次功率循環(huán)時，熱阻上升率低于10%。
[0017] 根據(jù)此構(gòu)成的功率模塊，在與半導(dǎo)體元件的接合面設(shè)置有銅層的所述電路層與所 述半導(dǎo)體元件之間形成的焊錫層中的所述電路層（所述銅層）表面至厚度30ym的區(qū)域 中，平均結(jié)晶粒徑被設(shè)定為l〇ym以下即設(shè)成比較微細(xì)，因此例如在電路層（銅層）的界面 鄰近發(fā)生的裂紋不易沿晶界擴(kuò)展至焊錫層的內(nèi)部，能夠抑制焊錫層的破壞。另外，在焊錫層 中的從所述電路層（所述銅層）的表面上至厚度30ym的區(qū)域中的平均結(jié)晶粒徑，優(yōu)選設(shè) 定在0. 5ym以上10ym以下的范圍內(nèi)。
[0018] 此外，焊錫層的組成為，作為主成分含有Sn，并且含有0.01質(zhì)量％以上1.0質(zhì)量％ 以下的Ni、0. 1質(zhì)量％以上5. 0質(zhì)量％以下的Cu，因此在焊錫層的內(nèi)部，由含有Cu、Ni、Sn 中的任一種的金屬間化合物構(gòu)成的析出物粒子會分散，如上所述可使焊錫層的結(jié)晶粒徑微 細(xì)化。
[0019] 另外，在功率循環(huán)試驗(yàn)中，本發(fā)明的功率模塊被設(shè)定為在通電時間5秒、溫度差 80°C的條件下負(fù)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(fù)負(fù)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(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。
[0020] (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，在 所述合金層上分散有（Cu，Ni)6Sn5構(gòu)成的析出物粒子。
[0021] 其中，由（Cu，Ni)6Sn5構(gòu)成的析出物粒子會分散，由此能切實(shí)地使焊錫層的結(jié)晶粒 徑微細(xì)化，且能夠切實(shí)地抑制功率循環(huán)負(fù)載時的焊錫層的破壞。
[0022] 根據(jù)本發(fā)明，能夠提供即使在負(fù)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】
[0023] 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。
[0024] 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。
[0025] 圖3是表示圖1的功率模塊的制造方法的流程圖。
[0026] 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。
[0027] 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。
[0028] 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。
[0029] 圖7是Cu與A1的二元狀態(tài)圖。
[0030] 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。
[0031] 圖9是表示圖5的功率模塊的制造方法的流程圖。
[0032] 圖10是表示比較例1的功率模塊中初始及負(fù)載功率循環(huán)后的焊錫層的EBSD測定 結(jié)果的照片。
[0033] 圖11是表示本發(fā)明例1的功率模塊中初始及功率循環(huán)負(fù)載后的焊錫層的EBSD測 定結(jié)果的照片。
【具體實(shí)施方式】
[0034] 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。
[0035](第一實(shí)施方式）
[0036]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的一個面（第一面）上形成有電路層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）。
[0037] 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。
[0038] 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。
[0039] 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)。 [0040]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％以上的鋁（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(錯板）的厚度優(yōu)選設(shè)定在0.6mm以上3. 0mm以下的范圍 內(nèi)。
[0041] 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）的流路43。該散熱器41 (頂板部 42)優(yōu)選由導(dǎo)熱性良好的材質(zhì)構(gòu)成，本實(shí)施方式中由A6063(鋁合金）構(gòu)成。
[0042] 半導(dǎo)體元件3由Si等半導(dǎo)體