CN104995731A - 功率模块 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种功率模块，其具备：在绝缘层的一面配设电路层(12)的功率模块用基板；及接合在所述电路层(12)上的半导体元件(3)，其中，在所述电路层(12)中的与所述半导体元件(3)之间的接合面，设有由铜或铜合金构成的铜层，在所述电路层(12)和所述半导体元件(3)之间，设有用焊接材料形成的焊接层(20)，在所述焊接层(20)中的与所述电路层(12)之间的界面形成有合金层(21)，该合金层(21)含有Sn作为主要成分，且含有0.5质量％以上且10质量％以下的Ni、及30质量％以上且40质量％以下的Cu，所述界面中的所述合金层(21)的覆盖率为85％以上。

Description

功率模块
技术领域
本发明涉及一种利用焊接材料接合了设置有由铜或铜合金构成的铜层的电路层和半导体元件的功率模块。
本申请对2013年3月29日于日本申请的专利申请2013-070823号主张优选权，将其内容援用于本说明书中。
背景技术
例如专利文献1、2所示，所述功率模块具备：在绝缘基板的一面接合了成为电路层的金属板而成的功率模块用基板；及搭载于电路层上的功率元件(半导体元件)。
并且，为了释放来自功率元件(半导体元件)的热量，有时在功率模块用基板的另一面侧配设散热板或冷却器等散热器。在该情况下，为了缓解绝缘基板与散热板或冷却器等散热器之间的热膨胀系数所引起的热应力，功率模块用基板中构成为在绝缘基板的另一面接合成为金属层的金属板，且使该金属层与所述散热板或冷却器等散热器接合。
在所述功率模块中，电路层和功率元件(半导体元件)通过焊接材料来接合。
在此，当电路层由铝或铝合金构成时，例如专利文献3所公开的那样，需要在电路层的表面通过电镀等方法形成Ni电镀膜，并在该Ni电镀膜上配设焊接材料来接合半导体元件。
另外，当电路层由铜或铜合金构成时，也需要在电路层的表面形成Ni电镀膜，并在该Ni电镀膜上配设焊接材料来接合半导体元件。
专利文献1：日本专利公开2002－076551号公报
专利文献2：日本专利公开2008－227336号公报
专利文献3：日本专利公开2004－172378号公报
但是，对专利文献3中记载的在由铝或铝合金构成的电路层的表面形成Ni电镀膜并焊接接合半导体元件的功率模块施加功率循环荷载时，焊料可能会出现龟裂，会导致热阻上升。
另外，对在由铜或铜合金构成的电路层的表面焊接接合半导体元件的功率模块也施加功率循环荷载时，焊料也可能会出现龟裂，也会导致热阻上升。
近年来，为了控制风力发电或电动汽车及电动车辆等，需要在所述功率模块等中搭载更大功率控制用功率元件，因此，与以往相比，需要进一步提高相对于功率循环的可靠性。
发明内容
本发明鉴于上述情况完成，其目的在于提供一种即使施加有功率循环荷载也能够抑制焊接层发生破坏且可靠性较高的功率模块。
本发明人们深入研究的结果确认，对在由铜或铜合金构成的电路层的表面焊接接合半导体元件的功率模块施加功率循环荷载时，如果在电路层和焊接层之间的界面产生龟裂，则该龟裂会延伸到焊接层内部，焊接层在早期就会被破坏。并且明确了，在焊接层和电路层之间的界面中的含有Ni、Cu的合金层的形成区域，上述龟裂的发生得到了抑制。
本发明鉴于上述见解而完成，本发明的一方式的功率模块具备：在绝缘层的一面配设有电路层的功率模块用基板；及接合在所述电路层上的半导体元件，其中，在所述电路层中的与所述半导体元件之间的接合面，设有由铜或铜合金构成的铜层，在所述电路层和所述半导体元件之间，设有用焊接材料形成的焊接层，在所述焊接层中的与所述电路层之间的界面形成有合金层，该合金层含有Sn作为主要成分，且含有0.5质量％以上且10质量％以下的Ni及30质量％以上且40质量％以下的Cu，所述界面中的所述合金层的覆盖率为85％以上。
根据上述结构的功率模块，在与半导体元件之间的接合面设有铜层的所述电路层和所述半导体元件之间形成的焊接层中的与所述电路层(铜层)之间的界面上，形成有合金层，该合金层含有Sn作为主要成分，且含有0.5质量％以上且10质量％以下的Ni、及30质量％以上且40质量％以下的Cu，所述界面中的所述合金层的覆盖率为85％以上，因此，能够抑制电路层(铜层)和焊接层之间的界面中产生龟裂，能够获得可靠性较高的功率模块。即，由于焊接层和电路层(铜层)之间的界面的85％以上被所述合金层覆盖，因此能够充分抑制使焊接层破坏的龟裂的产生。另外，为了可靠地实现上述作用效果，所述界面中的所述合金层的覆盖率优选为90％以上，最优选为100％。
在此，当合金层中的Ni含量低于0.5质量％时，合金层的热稳定性变差，有可能成为焊接层破坏的起始点。另一方面，当合金层中的Ni含量超过10质量％时，会生成Ni3Sn4等热稳定性较差的金属间化合物，有可能成为焊接层破坏的起始点。
另外，当合金层中的Cu含量低于30质量％时，合金层的形成不够充分，导致热稳定性变差，有可能成为焊接层破坏的起始点。另一方面，当合金层中的Cu含量超过40质量％时，合金层本身有可能成为焊接层破坏的起始点。
根据以上情况，将合金层中的Ni的含量设为0.5质量％以上且10质量％以下，将Cu的含量设为30质量％以上且40质量％以下。
另外，在功率循环测试中，优选在施加10万次以通电时间为5秒、温度差为80℃作为条件的功率循环荷载时的热阻上升率小于10％。
在这种情况下，即使反复施加功率循环荷载，也不会出现焊接层早期就被破坏的现象，能够实现提高相对于功率循环的可靠性。另外，所述功率循环测试的条件为焊接层承受最大荷载的条件，因此，如果以该条件施加10万次功率循环荷载时的热阻上升率低于10％，则在通常使用中能够获得充分的可靠性。
而且，所述合金层的厚度优选在2μm以上且20μm以下的范围内。
在这种情况下，由于被覆盖的部位中所述合金层的厚度为2μm以上，因此焊接层和电路层(铜层)之间的界面得到充分的加强，从而能够可靠地抑制界面中产生龟裂的现象。另一方面，由于所述合金层的厚度为20μm以下，因此能够抑制合金层中产生裂纹的现象。所以，能够可靠地抑制焊接层的破坏，能够得到可靠性优异的功率模块。
并且，所述合金层优选具有由(Cu，Ni)6Sn5构成的金属间化合物。
在这种情况下，由于具有由(Cu，Ni)6Sn5构成的金属间化合物，因此能够充分强化焊接层和电路层(铜层)之间的界面，从而能够可靠地抑制界面中产生龟裂的现象，并且能够可靠地抑制施加功率循环荷载时焊接层被破坏。
根据本发明能够提供一种即使施加有功率循环荷载也能够抑制焊接层早期被破坏的现象且可靠性较高的功率模块。
附图说明
图1是本发明的第一实施方式的功率模块的示意说明图。
图2是图1中的电路层和半导体元件之间的接合部分的放大说明图。
图3是表示图1的功率模块的制造方法的流程图。
图4是图3所示的功率模块的制造方法中的半导体元件接合工序的说明图。
图5是本发明的第二实施方式的功率模块的示意说明图。
图6是图5中的铜层和铝层之间的接合界面的放大说明图。
图7是Cu和Al的二元状态图。
图8是图5中的电路层(铜层)和半导体元件之间的接合部分的放大说明图。
图9是表示图5的功率模块的制造方法的流程图。
图10是功率模块中的焊接层的SEM观察结果以及EPMA元素映射结果。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的实施方式的功率模块进行说明。
(第一实施方式)
图1中示出本发明的第一实施方式的功率模块1。该功率模块1具备：在绝缘基板(绝缘层)11的一面配设有电路层12的功率模块用基板10；及搭载于电路层12上(在图1中为上面)的半导体元件3。另外，在本实施方式的功率模块1中，在绝缘基板11的另一面侧(在图1中为下面)接合有散热器41。
功率模块用基板10具备：构成绝缘层的绝缘基板11；配设在该绝缘基板11的一面(图1中为上面)的电路层12；及配设在该绝缘基板11的另一面(图1中的下面)的金属层13。
绝缘基板11用于防止电路层12和金属层13之间的电连接，例如由AlN(氮化铝)、Si3N4(氮化硅)、Al2O3(氧化铝)等绝缘性较高的陶瓷构成，在本实施方式中，由绝缘性较高的AlN(氮化铝)构成。并且，绝缘基板11的厚度设在例如0.2mm以上且1.5mm以下的范围内，在本实施方式中设为0.635mm。
通过在绝缘基板11的一面上接合具有导电性的金属板，从而形成电路层12。在本实施方式中，通过将由无氧铜的轧制板构成的铜板接合在绝缘基板11，从而形成电路层12。
在本实施方式中，整个电路层12相当于设置在与半导体元件3之间的接合面的由铜或铜合金构成的铜层。在此，电路层12的厚度(铜板的厚度)优选设定在0.1mm以上且1.0mm以下的范围内。
金属层13通过在绝缘基板11的另一面上接合金属板而形成。在本实施方式中，金属层13通过将由纯度为99.99质量％以上的铝(所谓的4N铝)的轧制板构成的铝板接合在绝缘基板11上而形成。在此，金属层13(铝板)的厚度优选设在0.6mm以上且3.0mm以下的范围内。
散热器41用于冷却上述功率模块用基板10，且具备：与功率模块用基板10接合的顶板部42；及供冷却介质(例如冷却水)流通的通道43。该散热器41(顶板部42)优选由导热性良好的材料构成，在本实施方式中，由A6063(铝合金)构成。
半导体元件3由Si等半导体材料构成，如图2所示，在半导体元件3与电路层12之间的接合面形成有由Ni、Au等构成的表面处理膜3a。
并且，在本实施方式的功率模块1中，电路层12和半导体元件3被焊接接合，从而在电路层12和半导体元件3之间形成有焊接层20。另外，在本实施方式中，焊接层20的厚度t1设在50μm以上且200μm以下的范围内。
如图4所示，该焊接层20由Sn-Cu-Ni系的焊接材料30形成，在本实施方式中使用Sn-0.1～4质量％Cu-0.01～1质量％Ni的焊接材料30。
在此，如图2所示，在电路层12的表面形成有金属间化合物层26，在该金属间化合物层26之上层叠配置有焊接层20。在此，金属间化合物层26是Cu和Sn的金属间化合物(Cu3Sn)。并且，金属间化合物层26的厚度t2设为0.8μm以下。
并且，在焊接层20中的与电路层12之间的界面形成有合金层21，该合金层21由如下组分构成：含有Sn作为主要成分，并且含有0.5质量％以上且10质量％以下的Ni、30质量％以上且40质量％以下的Cu。该合金层21的厚度t3设在2μm以上且20μm以下的范围内。
另外，在本实施方式中，合金层21具有由(Cu，Ni)6Sn5构成的金属间化合物21a。
并且，在本实施方式的功率模块1中，电路层12和焊接层20之间的界面中的合金层21覆盖率设为85％以上。另外，在本实施方式中，如图2所示，在未形成合金层21的区域中，也未形成金属间化合物层26。
在此，如图2所示，在观察电路层12及焊接层20的截面时，界面中的合金层21的覆盖率为所观察到的被合金层21覆盖的界面长度Lc(＝Lc1+Lc2)与整个界面的长度L之比Lc/L。
而且，本实施方式的功率模块1构成为：在功率循环测试中，在施加10万次以通电时间为5秒、温度差为80℃作为条件的功率循环荷载时的热阻上升率小于10％。
具体而言，将IGBT元件作为半导体元件3锡焊于电路层12，并且焊接由铝合金构成的连接配线。而且，将IGBT元件的通电调整为，每隔10秒重复通电(ON)时的元件表面温度成为140℃、断电(OFF)时的元件表面温度成为60℃的一个循环，在重复10万次该功率循环之后的热阻上升率小于10％。
下面，参照图3及图4对本实施方式的功率模块的制造方法进行说明。
首先，将成为电路层12的铜板和绝缘基板11进行接合(电路层形成工序S01)。其中，例如可以通过所谓的活性金属钎焊法来实施绝缘基板11和成为电路层12的铜板的接合。在本实施方式中，使用由Ag-27.4质量％Cu-2.0质量％Ti构成的活性钎料。
通过在绝缘基板11的一面上经由活性钎料层叠成为电路层12的铜板，对绝缘基板11、铜板沿层叠方向以例如1kgf/cm2以上且35kgf/cm2以下(9.8×104Pa以上且343×104pa以下)的范围进行加压，并以该状态装入加热炉内进行加热，使成为电路层12的铜板和绝缘基板11接合。其中，加热温度设为例如850℃，加热时间设为例如10分钟。
接着，在绝缘基板11的另一面侧接合成为金属层13的铝板(金属层形成工序S02)。经由钎料层叠绝缘基板11和铝板，并通过钎焊来接合绝缘基板11和铝板。此时，作为钎料，例如可以使用厚度为20～110μm的Al-Si系钎料箔，钎焊温度优选设为例如600～620℃。
由此制造功率模块用基板10。
然后，在金属层13的另一面侧接合散热器41(散热器接合工序S03)。经由钎料层叠金属层13和散热器41的顶板部42，并通过钎焊来接合金属层13和散热器41。
此时，作为钎料，例如可以使用厚度为20～110μm的Al-Si系钎料箔，钎焊温度优选设为例如590℃～610℃。
接着，在电路层12上接合半导体元件3(半导体元件接合工序S04)。如图3所示，该半导体元件接合工序S04具有：电路层表面清洗工序S41；Ni电镀膜形成工序S42；层叠工序S43；焊接接合工序S44。
在电路层表面清洗工序S41中，首先，对电路层12的表面进行碱洗。碱洗中的清洗液可以使用例如5质量％的氢氧化钠水溶液等。然后，用纯净水水洗，之后进行酸洗。酸洗中的清洗液可以使用过氧化氢水溶液和硫酸的混合液等。之后，用纯净水水洗。
接着，如图4所示，在电路层12的表面形成厚度约为0.2μm的薄的Ni电镀膜31(Ni电镀膜形成工序S42)。
然后，在该Ni电镀膜31上，经由Sn-0.1～4质量％Cu-0.01～1质量％Ni的焊接材料30层叠半导体元件3(层叠工序S43)。
以层叠有半导体元件3的状态装入还原炉内，使电路层12和半导体元件3焊接接合(焊接接合工序S44)。此时，还原炉内被设为例如氢1～10体积％的还原气氛，并且加热温度设为例如280～330℃，保持时间设为例如0.5～2分钟。并且，冷却至室温的冷却速度设为例如平均2～3℃/s的范围内。
由此，在电路层12和半导体元件3之间形成焊接层20，从而制造出本实施方式的功率模块1。
此时，形成在电路层12的表面上的Ni电镀膜31中的Ni向焊接材料30侧扩散，导致Ni电镀膜31消失。
并且，电路层12的Cu向焊接材料30侧扩散，从而在焊接层20中的与电路层12之间的界面形成合金层21。此外，合金层21由如下组分构成：含有Sn作为主要成分，并且含有0.5质量％以上且10质量％以下的Ni、及30质量％以上且40质量％以下的Cu。
并且，在电路层12和焊接层20之间的界面中的合金层21的覆盖率成为85％以上。
在上述结构的本实施方式的功率模块1中，在焊接层20中的与电路层12之间的界面形成有合金层21，该合金层21含有Sn作为主要成分，并且含有0.5质量％以上且10质量％以下的Ni、及30质量％以上且40质量％以下的Cu，而且该界面中的合金层21的覆盖率为85％以上，因此，能够抑制在电路层12和焊接层20之间的界面上产生龟裂，从而能够获得可靠性高的功率模块1。
另外，由于合金层21含有0.5质量％以上且10质量％以下范围内的Ni，因此合金层21由热稳定的金属间化合物构成，能够可靠地抑制焊接层20被破坏。
而且，由于合金层21含有30质量％以上且40质量％以下范围内的Cu，因此能够使界面中的合金层21的覆盖率成为85％以上，并且能够抑制合金层21本身成为破坏的起始点。
另外，本实施方式的功率模块1构成为，在以5秒的通电时间、80℃的温度差作为条件进行功率循环测试的情况下，热阻上升率超过10％时的循环次数为10万次以上，因此，即使是在施加功率循环荷载的期间，也能够实现可靠性的提高，而不会破坏焊接层20。
而且，在本实施方式的功率模块1中，由于覆盖部位的合金层21的厚度在2μm以上且20μm以下的范围内，因此，焊接层20和电路层12之间的界面充分被强化，从而能够可靠地抑制在界面产生龟裂，并且能够抑制在合金层21的内部产生的裂纹。由此，能够可靠地抑制焊接层20的破坏，从而能够获得可靠性优异的功率模块1。
此外，在本实施方式的功率模块1中，合金层21具有由(Cu，Ni)6Sn5构成的金属间化合物21a，在该合金层21和电路层12之间形成有由Cu3Sn构成的金属间化合物层26，因此，能够充分强化焊接层20和电路层12之间的界面。因此，能够可靠地抑制在界面产生龟裂，能够可靠地抑制施加功率循环荷载时焊接层20被破坏。
此外，在本实施方式中，在电路层12的表面形成有厚度为0.2μm以下的薄的Ni电镀膜31，因此，在焊接接合了半导体元件3时，Ni电镀膜31不会残留，且不会抑制电路层12的Cu向焊接材料30侧扩散。因此，能够在焊接层20中的与电路层12之间的界面上形成合金层21，能够可靠地使焊接层20和电路层12之间的界面上的合金层21的覆盖率成为85％以上。
(第二实施方式)
接着，参照附图对本发明的第二实施方式的功率模块进行说明。另外，对与第一实施方式相同的部件标注相同的符号并省略其详细说明。
在图5中，示出了本发明的第二实施方式的功率模块101。该功率模块101具备：在绝缘基板(绝缘层)11的一面形成有电路层112的功率模块用基板110；及搭载于电路层112(在图5中为上面)上的半导体元件3。
功率模块用基板110具备：构成绝缘层的绝缘基板11；配设在该绝缘基板11的一面(在图5中为上面)的电路层112；及配设在绝缘基板11的另一面(在图5中为下面)的金属层13。
如图5所示，电路层112具备：形成在绝缘基板11的一面的铝层112A；及层叠在该铝层112A的一面侧的铜层112B。
其中，在本实施方式中，通过将纯度为99.99质量％以上的铝的轧制板接合而形成铝层112A。另外，通过将由无氧铜的轧制板构成的铜板固相扩散接合在铝层112A的一面侧而形成铜层112B。
该电路层112的一面(在图5中为上面)构成使半导体元件3接合的接合面。其中，优选将电路层112的厚度设为例如0.25mm以上且6.0mm以下的范围内。另外，优选将铝层112A(铝板)的厚度设为例如0.2mm以上且3mm以下的范围内，优选将铜层112B的厚度设为例如50μm以上且3.0mm以下的范围内。
在此，如图6所示，在铝层112A和铜层112B之间的界面形成有扩散层115。
扩散层115通过铝层112A的Al的原子和铜层112B的Cu原子相互扩散而形成。在该扩散层115中，具有如下浓度梯度，即随着从铝层112A朝向铜层112B，铝原子的浓度逐渐降低，且铜原子的浓度逐渐变高。
如图6所示，该扩散层115由金属间化合物构成，该金属间化合物由Al和Cu构成，在本实施方式中为多个金属间化合物沿接合界面层叠的结构。其中，该扩散层115的厚度设在1μm以上且80μm以下的范围内，优选设在5μm以上且80μm以下的范围内。
如图6所示，本实施方式构成为，从铝层112A侧朝向铜层112B侧且沿着铝层112A和铜层112B之间的接合界面，依次层叠有θ相116、η2相117，并且还层叠有ζ2相118a、δ相118b及γ2相118c中的至少一种相(参照图7的状态图)。
并且，在本实施方式中，沿着铜层112B和扩散层115之间的界面，氧化物119层状分散在由ζ2相118a、δ相118b或γ2相118c中的至少一种相构成的层的内部。另外，该氧化物119为氧化铝(Al2O3)等铝氧化物。
并且，在本实施方式的功率模块101中，电路层112(铜层112B)和半导体元件3被焊接接合，在电路层112(铜层112B)和半导体元件3之间形成有焊接层20。另外，在本实施方式中，焊接层20的厚度t1设在50μm以上且200μm以下的范围内。
与第一实施方式相同，该焊接层20由Sn-Cu-Ni系的焊接材料形成，在本实施方式中使用Sn-0.1～4质量％Cu-0.01～1质量％Ni的焊接材料。
在此，如图8所示，在电路层112(铜层112B)的表面形成有金属间化合物层26，在该金属间化合物层26上层叠配置有焊接层20。该金属间化合物层26为Cu和Sn的金属间化合物(Cu3Sn)。另外，金属间化合物层26的厚度t2设为0.8μm以下。
在焊接层20中的与电路层112(铜层112B)之间的界面形成有合金层21，该合金层由如下组分构成：含有Sn作为主要成分，并且含有0.5质量％以上且10质量％以下的Ni、及30质量％以上且40质量％以下的Cu，该合金层21的厚度t3设在2μm以上且20μm以下的范围内。
其中，在本实施方式中，合金层21具有由(Cu，Ni)6Sn5构成的金属间化合物21a。
而且，在本实施方式的功率模块101中，电路层112(铜层112B)和焊接层20之间的界面中的合金层21的覆盖率设为85％以上。另外，在本实施方式中，如图8所示，在未形成合金层21的区域也没有形成金属间化合物层26。
在此，如图8所示，在观察电路层112(铜层112B)及焊接层20的截面时，界面中的合金层21的覆盖率为所观察到的被合金层21覆盖的界面长度Lc(＝Lc1+Lc2)与整个界面的长度L之比Lc/L。
而且，本实施方式的功率模块101构成为：在功率循环测试中，在施加10万次以通电时间为5秒、温度差为80℃作为条件的功率循环荷载时的热阻上升率小于10％。
下面，利用图9的流程图，对本实施方式的功率模块101的制造方法进行说明。
首先，将铝板接合于绝缘基板11的一面及另一面，形成铝层112A和金属层13(铝层及金属层形成工序S101)。
经由钎料将绝缘基板11和铝板进行层叠，并且通过钎焊来接合绝缘基板11和铝板。此时，作为钎料可以使用例如厚度为20～110μm的Al-Si系钎料箔，钎焊温度优选为600～620℃。
接着，将铜板接合在铝层112A的一面上而形成铜层112B(铜层形成工序S102)。
将铜板上层叠在铝层112A上，并对其层叠方向加压(例如，以3～35kgf/cm2的压力范围加压)，并以该状态装入真空加热炉中进行加热，从而使铝层112A和铜板固相扩散接合。在此，在铜层形成工序S102中，加热温度设为例如400℃以上且548℃以下，加热时间设为例如15分钟以上且270分钟以下。另外，在对铝层112A和铜板进行固相扩散接合时，优选将加热温度设为从比Al和Cu的共晶温度(548.8℃)低5℃的温度至低于共晶温度的温度范围。
通过该铜层形成工序S102，在绝缘基板11的一面形成由铝层112A和铜层112B构成的电路层112。
接着，在电路层112(铜层112B)上接合半导体元件3(半导体元件接合工序S104)。如图9所示，半导体元件接合工序S104具有：电路层表面清洗工序S141；Ni电镀膜形成工序S142；层叠工序S143；及焊接接合工序S144。
在电路层表面清洗工序S141中，首先，对电路层112(铜层112B)的表面进行碱洗。碱洗的清洗液可以使用例如5质量％的氢氧化钠水溶液等。然后，用纯净水水洗后，进行酸洗。酸洗的清洗液可以使用过氧化氢水溶液和硫酸的混合液等。之后，用纯净水水洗。
接着，在电路层112(铜层112B)的表面形成厚度约为0.2μm的薄的Ni电镀膜(Ni电镀膜形成工序S142)。
然后，在该Ni电镀膜上，经由Sn-0.1～4质量％Cu-0.01～1质量％Ni的焊接材料层叠半导体元件3(层叠工序S143)。
以层叠有半导体元件3的状态装入还原炉内，使电路层112(铜层112B)和半导体元件3焊接接合(焊接接合工序S144)。此时，还原炉内被设为例如氢1～10体积％的还原气氛，并且加热温度设为例如280～330℃，保持时间设为例如0.5～2分钟。并且，冷却至室温的冷却速度设为例如平均2～3℃/s的范围内。
由此，在电路层112(铜层112B)和半导体元件3之间形成焊接层20，从而制造出本实施方式的功率模块101。
此时，形成在电路层112(铜层112B)的表面上的Ni电镀膜中的Ni向焊接材料侧扩散，导致Ni电镀膜消失。
并且，电路层112(铜层112B)的Cu向焊接材料侧扩散，从而在焊接层20中的与电路层112(铜层112B)之间的界面形成合金层21。此外，合金层21由如下组分构成：含有Sn作为主要成分，并且含有0.5质量％以上且10质量％以下的Ni、及30质量％以上且40质量％以下的Cu。
并且，电路层112(铜层112B)与焊接层20之间的界面中的合金层21的覆盖率成为85％以上。
在上述结构的本实施方式的功率模块101中，能够发挥与第一实施方式相同的作用效果。
并且，在本实施方式中，由于电路层112具有铜层112B，因而能够使从半导体元件3中产生的热量在铜层112B向面方向扩散，能够有效地向功率模块用基板110侧传递热量。
并且，由于在绝缘基板11的一面形成有变形阻力较小的铝层112A，因此能够由该铝层112A吸收施加热循环荷载时产生的热应力，能够抑制绝缘基板11的破裂。
并且，由于在电路层112的一面侧形成有变形阻力较大的由铜或铜合金构成的铜层112B，因此在施加功率循环荷载时，能够抑制电路层112变形，从而能够获得针对功率循环的较高可靠性。
而且，在本实施方式中，铝层112A和铜层112B固相扩散接合，且该固相扩散接合时的温度设为400℃以上，因此，能够促进Al原子和Cu原子的扩散，能够在短时间内充分地固相扩散。此外，由于固相扩散接合时的温度设为548℃以下，因而不会产生Al和Cu的液相，能够抑制在铝层112A和铜层112B之间的接合界面产生鼓包，或厚度发生改变。
另外，若将上述固相扩散接合的加热温度设为从比Al和Cu的共晶温度(548.8℃)低5℃的温度至低于共晶温度的范围，则能够抑制Al和Cu的化合物产生必要以上的量，并且能够确保固相扩散接合时的扩散速度，能够在较短的时间内进行固相扩散接合。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不限定于此，可以在不脱离本发明的技术思想的范围内进行适当地变更。
例如，在本实施方式中，对金属层由纯度为99.99质量％以上的4N铝构成的情况进行了说明，但并不限定于此，可以由其它的铝或铝合金构成，也可以由铜或铜合金构成。
另外，在本实施方式中，举例说明了成为电路层的金属板为无氧铜的轧制板的情况，但并不限定于此，可以由其它的铜或铜合金构成。并且，只要是电路层中的与半导体元件之间的接合面由铜或铜合金构成即可。
而且，对作为绝缘层使用由AlN构成的绝缘基板的情况进行了说明，但并不限定于此，也可以使用由Al2O3、Si3N4等构成的绝缘基板。
此外，对通过活性金属钎焊法接合绝缘基板和成为电路层的铜板的情况进行了说明，但并不限定于此，也可以通过DBC法，铸造法等进行接合。
并且，对通过钎焊来接合绝缘基板和成为金属层的铝板的情况进行了说明，但并不限定于此，也可以使用瞬间液相连接法(Transient Liquid Phase Bonding)，金属膏法(金属ペースト法)，铸造法等。
而且，焊接材料的组分并不限定于本实施方式，只要焊接接合后形成的合金层组分为含有Sn作为主要成分，并且含有0.5质量％以上且10质量％以下的Ni、及30质量％以上且40质量％以下的Cu即可。
此外，对配设图1所示的散热器的情况进行了说明，但并不限定于此，可以不配设散热器，也可以配设与图1所示的散热器不同的散热器(例如，散热板、带有散热片的散热板等)。
而且，在第二实施方式中，对将铜板固相扩散接合于铝层的一面上，从而在电路层的接合面形成铜层的情况进行了说明，但并不限定于此，铜层的形成方法不会受到限制。
例如，可以通过电镀法在铝层的一面形成铜层。另外，在形成厚度为5μm至50μm左右的铜层时，优选使用电镀法。而在形成厚度为50μm至3mm左右的铜层时，优选使用固相扩散接合。
实施例1
以下，参照表1，对为了确认本发明的效果而进行的确认试验的结果进行说明。
准备了上述实施方式中所记载的功率模块。绝缘基板由AlN构成，且使用27mm×17mm，厚度为0.6mm的绝缘基板。另外，电路层由无氧铜构成，且使用25mm×15mm，厚度为0.3mm的电路层。金属层由4N铝构成，且使用25mm×15mm，厚度为0.6mm的金属层。半导体元件是IGBT元件，使用13mm×10mm，厚度为0.25mm的元件。作为散热器，使用40.0mm×40.0mm，厚度为2.5mm的铝板(A6063)。
在此，在本发明例1至7和比较例2至5中，以如下方法对电路层的表面进行清洗。首先，对电路层的表面进行碱洗。另外，作为碱洗液使用了5质量％的氢氧化钠水溶液。用纯净水水洗之后，对电路层的表面进行酸洗。另外，作为酸洗液使用了将35质量％的过氧化氢水溶液、98质量％的硫酸、作为蚀刻液稳定剂的上村工业株式会社制“アディティブMGE-9”以5:3:3的体积比混合而成的清洗液。之后，用纯净水水洗。
另外，在比较例1中，未对电路层进行清洗。
并且，在本发明例7中，在电路层的表面形成Ni电镀膜，并且利用焊接材料接合了半导体元件。此时，通过如表1所示改变焊接材料的组分，调整焊接接合之后的合金层的组分、合金层的厚度等，从而制造本发明例1至7和比较例1至5的各种功率模块。在本发明例1至6和比较例1至5中，在电路层的表面并未设置Ni电镀膜。
另外，焊接接合条件如下：锡焊温度、锡焊保持时间设为表1中记载的条件，气氛为氢3体积％的还原气氛，冷却至室温的平均冷却速度为2.5℃/s。
(覆盖率)
在通过上述方法得到的功率模块中，测定了焊接层中的与电路层之间的界面上形成的合金层的覆盖率。用扫描电子显微镜(FEI制造QUANTA FEG450)观察半导体元件和电路层的截面，计算出了所观察到的被合金层覆盖的界面长度Lc与整个界面长度L之比(Lc/L)。在本实施例中，以150μm×100μm的视场，进行了视场数为10视场的截面观察，并且每进行一次观察，计算出所观察到的被合金层覆盖的界面长度Lc与整个界面长度L之比(Lc/L)。并且，将以各视场计算出的上述比率(Lc/L)的平均值设为合金层的覆盖率。
另外，如图10所示，在上述截面观察中，进行Ni、Cu的元素映射，并将这些元素重复存在的部分作为合金层。
(合金层的组分)
并且，通过EPMA分析，对在焊接层中的与电路层之间的界面上形成的合金层进行了成分分析。在本实施例中，通过使用EPMA分析仪(JEOL Ltd.制JXA-8530F)，以15kV的加速电压、1μm以下的光斑直径、250倍的倍率对合金层的平均组分进行了分析。
(合金层的厚度)
并且，测定了焊接层中的与电路层之间的界面上形成的合金层的厚度。使用上述EPMA装置获得EPMA映射，测定在与电路层之间的界面上连续形成的具有由(Cu，Ni)6Sn5构成的金属间化合物的合金层的面积，并且用映射宽度的大小除该面积来求出厚度。另外，在与电路层之间的界面上形成的合金层中，不包括从与电路层之间的界面向厚度方向非连续形成的区域而测定了合金层的面积。此外，由Cu3Sn构成的金属间化合物层与合金层相比极薄，因此，将从电路层表面的厚度作为合金层的厚度而进行了测定。
(功率循环测试)
将IGBT元件的通电调整为，每隔10秒重复通电(ON)时的元件表面温度为140℃、断电(OFF)时的元件表面温度为60℃的一个循环，并重复10万次该功率循环。然后，评价了热阻相比初始状态的上升率。另外，在本发明例1至7中，热阻上升率均小于10％。
(功率循环寿命)
将IGBT元件的通电调整为，每隔10秒重复通电(ON)时的元件表面温度为140℃、断电(OFF)时的元件表面温度为60℃的一个循环，并重复该功率循环。然后，评价了热阻相比初始状态的上升率成为10％以上时的循环次数(功率循环寿命)。
(热阻测定)
作为热阻，利用热阻测试仪(TESEC Corporation制4324-KT)测定了瞬态热阻。将施加功率设为100W，施加时间设为100ms，测定了功率施加前后的门极-发射极之前的电压差，从而求出了热阻。在上述功率循环测试中，每1万次循环实施了测定。
在未对电路层的表面进行清洗的比较例1中，合金层的覆盖率小于85％，功率循环寿命较短为70000次。其原因可推测为如下：在焊接层和电路层之间的界面中产生龟裂，以该龟裂为起始点在早期产生了焊料破坏而导致的。
并且，在Ni的含量偏离本发明范围的比较例2和3中，功率循环寿命较短为70000次和80000次。其原因可推测为，合金层的热稳定性变差。
并且，在Cu的含量为小于30质量％的比较例4中，功率循环寿命较短为80000次。其原因可推测为如下：由于合金层中的Cu不足，因而合金层的热稳定性变差，导致产生龟裂。
并且，在Cu的含量大于40质量％的比较例5中，功率循环寿命较短为80000次。其原因可推测为，合金层变厚，从而产生龟裂。
与此相反，在本发明例1至7中，合金层的组分在本发明的范围内，且合金层的覆盖率为85％以上，功率循环寿命为110000次以上。其原因可推测为如下：电路层与焊接层之间的界面上的龟裂因合金层而被抑制，因此抑制了以该龟裂为起始点的焊接层的破坏。
如上所述，根据本发明例可确认，能够得到功率循环特性优异的功率模块。
实施例2
接着，准备了第二实施方式中所述的由铝层和铜层构成电路层的功率模块。
绝缘基板由AlN构成，且使用27mm×17mm，厚度为0.6mm的绝缘基板。金属层由4N铝构成，且使用25mm×15mm，厚度为0.6mm的金属层。半导体元件是IGBT元件，且使用13mm×10mm，厚度为0.25mm的元件。作为散热器，使用40.0mm×40.0mm，厚度为2.5mm的铝板(A6063)。
电路层中的铝层由4N铝构成，且使用25mm×15mm，厚度为0.6mm铝层。并且，如表2所示，铜层通过电镀、固相扩散接合而形成。
关于电镀，在对铝层的表面实施锌酸盐处理之后，通过电镀形成如表2所示厚度的铜层。
关于固相扩散接合，准备如表2所示厚度的铜板，并以第二实施方式中例示的条件，将铜板固相扩散接合在铝层的表面上。
接着，利用与实施例1相同的方法对电路层(铜层)的表面进行清洗。
然后，在电路层(铜层)的表面焊接接合IGBT元件。焊接接合条件如下：锡焊温度，锡焊保持时间设为表2中记载的条件，气氛为氢3体积％的还原气氛，冷却至室温的平均冷却速度为2.5℃/s。焊接材料采用如下组分：0.08质量％的Ni、1.0质量％的Cu、其余为Sn及不可避免的杂质。
由此，制作出本发明例11至16的各种功率模块。
并且，以与实施例1相同的方法，评价了合金层的组分、覆盖率、合金层的厚度、功率循环寿命。评价结果如表2所示。
如表2所示，在本发明例11至16中，功率循环寿命均达到110000次以上，确认到焊接层的破坏被抑制。即使是在铝层上形成各种厚度的铜层而构成电路层，与实施例1相同地，也确认到能够提高功率循环特性。
此外，若铜层的厚度为5μm以上，则铜层中的Cu不会全部扩散到焊料侧，确认到残留有铜层。另外，若铜层的厚度为3mm以下，则确认到功率循环寿命成为10万次以上。
产业上的可利用性
根据本发明，能够提供一种即使施加功率循环荷载也能够抑制焊接层的早期破坏且可靠性高的功率模块。因此，本发明能够在工业上应用。
符号说明
1-功率模块，3-半导体元件，10-功率模块用基板，11-绝缘基板(绝缘层)，12-电路层，13-金属层，20-焊接层，21-合金层，21a-金属间化合物，26-金属间化合物层，30-焊接材料，31-Ni电镀膜，101-功率模块，112-电路层，112A-铝层，112B-铜层。

Claims (4)

1.一种功率模块，其具备：在绝缘层的一面配设有电路层的功率模块用基板；及接合在所述电路层上的半导体元件，所述功率模块的特征在于，
在所述电路层中的与所述半导体元件之间的接合面，设有由铜或铜合金构成的铜层，
在所述电路层和所述半导体元件之间，设有用焊接材料形成的焊接层，
在所述焊接层中的与所述电路层之间的界面形成有合金层，该合金层含有Sn作为主要成分，且含有0.5质量％以上且10质量％以下的Ni及30质量％以上且40质量％以下的Cu，
所述界面中的所述合金层的覆盖率为85％以上。
2.根据权利要求1所述的功率模块，其中，
在功率循环测试中，在施加10万次以通电时间为5秒、温度差为80℃作为条件的功率循环荷载时的热阻上升率小于10％。
3.根据权利要求1或2所述的功率模块，其中，
所述合金层的厚度在2μm以上且20μm以下的范围内。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的功率模块，其中，
所述合金层具有由(Cu，Ni)6Sn5构成的金属间化合物。
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