JP2005019694A

JP2005019694A - Power module

Info

Publication number: JP2005019694A
Application number: JP2003182676A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Nagase; 敏之長瀬
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2003-06-26
Filing date: 2003-06-26
Publication date: 2005-01-20
Anticipated expiration: 2023-06-26
Also published as: JP4244723B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power module wherein the occurrence of a breakage at the joining part of a terminal and an electrode is surely suppressed by a temperature cycle occurring in use and the occurrence of degrading of electric conductivity from the electrode to the terminal is minimized even when structure like this is realized. <P>SOLUTION: The power module is obtained by connecting the terminal 18 to the electrode 21 of an Si chip 14 mounted on a circuit 12 formed on the surface of an insulated substrate 11 through a solder 16. A layer 23 is inserted between the electrode 21 and the terminal 18. The layer 23 is three layers of laminated bodies; and provided with low deformation resistors respectively disposed on the side of the electrode 21 and the side of the terminal 18 and acting as stress relaxation material, and a low thermal expansion body which is disposed between these low deformation resistors and has a coefficient of thermal expansion lower than that of the low deformation resistors. The low deformation resistors are respectively formed with nearly the same thickness. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、大電圧・大電流を制御する半導体装置に用いられるパワーモジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、この種のパワーモジュールは、絶縁基板の上面に回路層が、下面に金属層が各々設けられ、回路層表面にＳｉチップが、金属層表面に放熱体が各々設けられた構成となっている。ここで、Ｓｉチップの表面には電極層が設けられ、回路層には電極パッドが形成されており、これら電極層及び電極パッド表面に、純ＣｕまたはＣｕ合金により形成され、かつ、前記電極層及び電極パッドからの電気信号を取出す端子部が、はんだ接合された構成のものが一般的である。
【０００３】
この構成において、前記電極層を有するＳｉチップ，及び前記電極パッドを有する絶縁基板側と、端子部との熱膨張係数差が大きいため、このパワーモジュールを使用する際に生ずる温度サイクルによって、これらの接合部が破損し易いという問題があった。
【０００４】
この問題を解決するための手段として、前記熱膨張係数差を低減させるための応力緩衝部材としての積層体を前記電極層等と端子部との間に挿入し、さらに、この積層体と前記電極層等及び端子部とを拡散接合等により強固な接合状態とする構成が開示されている（例えば特許文献１参照）。この積層体は、モリブデンまたはタングステンのベース板と、このベース板の一方の面に形成された純Ａｌ等からなる厚さ０．２ｍｍの層と、他方の面に形成された純Ａｌ等からなる厚さ０．５μｍ以上４．０μｍ以下の膜とを備えた略２層の積層構造となっている。そして、この積層体は、前記一方の面に形成された前記層が端子部に接続され、前記他方の面に形成された前記膜が超音波接合により前記電極層に接続されている。
【０００５】
しかしながら、前記従来のパワーモジュールにおいては、前記ベース板の前記他方の面に形成された膜が前記厚さで形成されているので、積層体は、モリブデン等からなる低熱膨張体と、純Ａｌ等からなり前記低熱膨張体より熱膨張係数が大きい低変形抵抗体とを備えた略２層の積層構造となっている。従って、この積層体を形成する際の熱，及び低変形抵抗体と低熱膨張体との熱膨張係数差に起因して、積層体を平坦に形成することが困難であるという問題があった。従って、このように形成された積層体は、前記電極パッド等及び端子部に良好に接合することができず、端子部及び電極部と積層体との接合強度の低下，及び電極部から積層体を介して端子部への電気伝導率の低下を招来するという問題があった。
【０００６】
さらに、前記ベース板がモリブデンまたはタングステンにより形成されているので、前記熱膨張係数差の低減を図るために、積層体が具備すべき熱膨張係数を実現すると、前記ベース板の厚さが厚くなり過ぎ、形成された積層体の電気伝導性が低下するという問題があった。また、モリブデン及びタングステンは、いわゆる難削材であるのでこのパワーモジュールの高コスト化を併発するという問題があった。
【０００７】
【特許文献１】
特開平０９−６４２５８号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、使用に際して生ずる温度サイクルにより、端子部と電極部との接合部の破損発生を確実に抑制し、さらに、このような構成を実現しても電極部から端子部への電気伝導性の低下発生を最小限に抑制することができるパワーモジュールを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、この発明は以下の手段を提案している。
請求項１に係る発明は、絶縁基板表面側に形成された電極部に、端子部が接続されたパワーモジュールであって、前記電極部と前記端子部との間に、３層の積層体が挿入され、該積層体は、前記電極部側及び前記端子部側に各々配設された、室温における０．２％耐力が５０ＭＰａ以下とされた低変形抵抗体と、これらの低変形抵抗体同士の間に配設された、当該低変形抵抗体の熱膨張係数より低い熱膨張係数の低熱膨張体とを備え、前記低変形抵抗体は各々、略同一の厚さで形成されていることを特徴とする。
【００１０】
この発明に係るパワーモジュールによれば、前記各低変形抵抗体が略同一厚さで形成されているので、この積層体を形成する際、及びこの積層体を電極部及び端子部と接合する際に、この積層体に反りが発生することを回避することができる。
すなわち、低熱膨張体と低変形抵抗体とを加熱して接合し、積層体を形成する際、これら低熱膨張体と低変形抵抗体との熱膨張係数差に起因して、反りが発生し易い構成となっている。しかしながら、低熱膨張体の上面と一方の低変形抵抗体との接合により生じた反りは、この低熱膨張体の下面と他方の低変形抵抗体との接合により生じた反りにより打ち消されることになる。従って、積層体を確実に平坦に形成することができる。
これにより、端子部と絶縁基板側との熱膨張係数差を低減させることができる積層体を、前記電極部及び端子部に良好に接合することができるので、端子部及び電極部と積層体との接合強度の低下，及び電極部から積層体を介して端子部への電気伝導性の低下を確実に抑制することができる。以上により、使用に際して生ずる温度サイクルにより、端子部と電極部との接合部の破損発生を確実に抑制し、さらに、このような構成を実現しても電極部から端子部への電気伝導性の低下発生を最小限に抑制することができるパワーモジュールを提供することができる。
【００１１】
また、前記低変形抵抗体は、室温における０．２％耐力が５０ＭＰａ以下、好ましくは３０ＭＰａ以下とされた変形抵抗が小さい材料、例えば、純Ａｌ，Ａｌ合金，純Ｃｕ，またはＣｕ合金等により形成されているので、積層体と端子部及び前記電極部との接合部に作用する負荷，例えば使用時における温度サイクルにより発生する熱応力を確実に低減することができる。
【００１２】
請求項２に係る発明は、絶縁基板表面側に形成された電極部に、端子部が接続されたパワーモジュールであって、前記端子部は、少なくとも前記電極部と接続する部分が、前記電極部側から順に第１，第２，第３の層が積層された構成とされ、前記第１，第３の層は、室温における０．２％耐力が５０ＭＰａ以下とされた低変形抵抗体により形成され、前記第２の層は、前記低変形抵抗体の熱膨張係数より低い熱膨張係数の低熱膨張体により形成され、前記第１，第３の層は各々、略同一の厚さで形成されていることを特徴とする。
【００１３】
この発明に係るパワーモジュールによれば、端子部が、低変形抵抗体のみからなる場合と比べ、熱膨張係数が低くされているので、この端子部を電極部に接合する際に、端子部に発生する反り量を低減することができる。これにより、端子部と電極部との接合状態が良好とされたパワーモジュールを容易に得ることができる。また、前記第１，第３の層は各々、略同一の厚さとされているので、前記第１，第２，第３の層を各々加熱して接合することにより端子部を形成する際、この端子部の少なくとも電極部と接続する部分を容易に平坦とすることができる。これにより、端子部と電極部との接合状態がさらに良好とされたパワーモジュールを容易に得ることができる。
【００１４】
請求項２に係る発明は、請求項１または２に記載のパワーモジュールにおいて、前記低熱膨張体は、Ｆｅ−Ｎｉ系合金から形成されていることを特徴とする。
【００１５】
この発明に係るパワーモジュールによれば、低熱膨張体がＦｅ−Ｎｉ系合金により形成されているので、この低熱膨張体の厚さを、積層体の電気伝導性を低下させない程度に薄くしても、端子部と絶縁基板側との熱膨張係数差の低減を図るために、積層体が具備すべき熱膨張係数を確実に実現することができる。また、Ｆｅ−Ｎｉ系合金は、良好な加工性を有するので、このパワーモジュールの低コスト化を図ることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。
図１はこの発明の一実施形態に係るパワーモジュールを示す全体図である。
本実施形態のパワーモジュール１０は、図１に示すように、絶縁基板１１と、絶縁基板１１の一方の面に積層される回路層１２と、絶縁基板１１の他方の面に積層される金属層１３と、回路層１２に搭載されるＳｉチップ１４と、金属層１３に接合される放熱体１５と、Ｓｉチップ１４と接合される端子部１８とを備えている。
【００１７】
絶縁基板１１は、例えばＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ等により所望の大きさに形成されるものであって、その上面側に回路層１２が積層接合され、下面側に金属層１３が積層接合されるようになっている。
回路層１２は、純Ａｌ、Ａｌ合金、純Ｃｕ、Ｃｕ合金等により形成されるものであって、回路層１２には所定のパターンの回路が形成され、この回路上にはんだ１６を介してＳｉチップ１４が搭載されるようになっている。
金属層１３は、回路層１２と同様に、純Ａｌ、Ａｌ合金、純Ｃｕ、Ｃｕ合金等により形成されるものであって、その下面側にはんだ１７又はろう付け、拡散接合等によって放熱体１５が接合されるようになっている。なお、放熱体１５は、純Ａｌ，Ａｌ合金，純Ｃｕ，Ｃｕ合金，ＡｌＳｉＣ，ＡｌＣ，またはＣｕ−Ｍｏ等により形成されている。
【００１８】
Ｓｉチップ１４の上面には電極層２１が設けられ、この電極層２１上に金属間化合物層２２を介して積層体２３が接合され、この積層体２３上に金属間化合物層２４を介して純Ｃｕ，またはＣｕ合金により形成された端子部１８が接合されている。すなわち、電極層２１と端子部１８との間に、積層体２３が挿入された構成となっている。
【００１９】
この積層体２３は、図２に示すように、端子部１８とＳｉチップ１４との熱膨張係数差を低減させるための、いわば応力緩衝材としての作用を有し、３層の積層構造とされている。すなわち、電極層２１側に一方の低変形抵抗体２３ａを、端子部１８側に他方の低変形抵抗体２３ｃを各々備え、これら低変形抵抗体２３ａ，２３ｃ同士の間に低熱膨張体２３ｂを備え、これら各層２３ａ，２３ｂ，２３ｃ同士は、図示しない厚さ０．００５μｍ以上の金属間化合物層を介して積層接合されている。これにより、パワーモジュール１０の使用時における温度サイクルによっても、前記各層２３ａ，２３ｂ，２３ｃが層間剥離し難いようになっている。
【００２０】
ここで、低変形抵抗体２３ａ，２３ｃとしては、熱膨張係数が１２×１０^−６／℃以上であり、かつ、変形抵抗が比較的小さい（例えば、雰囲気温度約２０℃の室温における０．２％耐力が５０ＭＰａ以下、好ましくは３０ＭＰａ以下）材質、例えば純Ａｌ，Ａｌ合金，純Ｃｕ，またはＣｕ合金等、好ましくは純度９９．９８％以上の純Ａｌ，または純度９９．９９９％以上の純Ｃｕにより形成されている。また、低変形抵抗体２３ａ，２３ｃは各々、略同一の厚さで形成され、この厚さは例えば、０．１ｍｍ以上０．４ｍｍ以下とされている。
【００２１】
低熱膨張体２３ｂは、熱膨張係数がおよそ２．０×１０^−６／℃以下の材質により形成され、例えばＦｅ―Ｎｉ系合金，より好ましくはインバー合金により形成されている。ここで、インバー合金とは、室温付近でほとんど熱膨張が生じない合金であって、Ｆｅが６４．６ｍｏｌ％で、Ｎｉが３５．４ｍｏｌ％の組成率となっている。但し、Ｆｅ中には、それ以外の不可避不純物が含まれたものもインバー合金と呼ばれている。
【００２２】
ここで、低熱膨張体２３ｂは、低変形抵抗体２３ａ，２３ｃと比べて電気伝導性や熱伝導率が低いので、この低熱膨張体２３ｂの厚さを厚くし過ぎると積層体２３が、必要十分な電気伝導性及び熱伝導率（例えば，１００Ｗ／ｍＫ以上）を具備し得ないことになる。従って、この低熱膨張体２３ｂの厚さは、積層体２３が前記緩衝材としての作用を有し、かつ、必要十分な電気伝導性及び熱伝導率を具備するように設定され、低変形抵抗体２３ａ，２３ｃの厚さが前記範囲に設定される場合には、０．１ｍｍ以上０．６ｍｍ以下に設定される。
【００２３】
次に、以上のように構成されたパワーモジュール１０を形成する製造方法について説明する。
まず、絶縁基板１１の上面に回路層１２を，下面に金属層１３をそれぞれ、はんだ付け，またはろう付けにより積層接合し、その後、金属層１３の下面と放熱体１５の上面とをはんだ１７を介して積層接合し、回路層１２の上面とＳｉチップ１４とをはんだ１６を介して積層接合する。
そして、Ｓｉチップ１４の電極層２１表面に図示しないＮｉめっき層を形成した後、このＮｉめっき層表面に、Ｓｎ−３．５Ａｇからなる図示しないＳｎ系材料層を形成する。ここで、Ｎｉめっき層のリンＰ濃度は１２．０重量％以上，より好ましくは１２．０重量％以上１５．０重量％以下とされ、また、Ｓｎ系材料層はＳｎの含有率が８０％以上，より好ましくは９０％以上とされている。
【００２４】
ここで、端子部１８には、その外表面のうち少なくとも、積層体２３との接合部に、図示しないＳｎ系材料層を形成しておく。
次に、積層体２３を形成する方法について説明する。
まず、低変形抵抗体２３ａ，２３ｃ及び低熱膨張体２３ｂの表面に、図示しなＮｉめっき層を形成した後、このＮｉめっき層表面のうち、これら各層２３ａ，２３ｂ，２３ｃ同士が互いに接合し合う面に、前記Ｓｎ系材料層を形成する。
【００２５】
その後、低変形抵抗体２３ａ，２３ｃ及び低熱膨張体２３ｂの前記各接合面側の表面に形成された前記Ｓｎ系材料層同士を当接した後、この状態で、０．０５ＭＰａ以上，かつ２３０℃以上，かつ１時間以上で加圧加熱し、前記各Ｓｎ系材料層の全てを、Ｓｎ及びＮｉを主成分として含有する図示しない金属間化合物層にすることにより、低変形抵抗体２３ａ，２３ｃ及び低熱膨張体２３ｂが積層接合され積層体２３が形成される。この際、積層体２３の外表面には、Ｎｉめっき層が形成された構成となっている。
【００２６】
次に、形成された積層体２３の上下面におけるＮｉめっき層表面に前述と同様のＳｎ系材料層を形成する。その後、この積層体２３のＳｎ系材料層と、電極層２１及び端子部１８に形成したＳｎ系材料層とが当接するように、積層体２３を、電極層２１及び端子部１８により狭持した状態で、０．０５ＭＰａ以上，かつ２３０℃以上，かつ１時間以上で加圧加熱する。これにより、前記各Ｓｎ系材料層を、Ｓｎ及びＮｉを主成分として含有する金属間化合物層２２，２４にすることにより、電極層２１と積層体２３とが金属間化合物層２２を介して、積層体２３と端子部１８とが金属間化合物層２４を介して各々積層接合される。
【００２７】
以上説明したように、本実施形態によるパワーモジュール１０によれば、積層体２３の各低変形抵抗体２３ａ，２３ｃが略同一厚さで形成されているので、この積層体２３を形成する際、及び積層体２３を電極層２１及び端子部１８と接合する際に、この積層体２３に反りが発生することを回避することができる。
【００２８】
すなわち、積層体２３の形成は、低熱膨張体２３ｂと低変形抵抗体２３ａ，２３ｃとを金属間化合物層を介して接合することにより行い、この金属間化合物層を形成する際の加熱，冷却により、これら各層２３ａ，２３ｃと２３ｂとの熱膨張係数差に起因して、反りが発生し易い構成となっている。しかしながら、前述した構成とすることにより、低熱膨張体２３ｂの上面と一方の低変形抵抗体２３ｃとの接合により生じた反りは、この低熱膨張体２３ｂの下面と他方の低変形抵抗体２３ａとの接合により生じた反りにより打ち消されることになる。従って、積層体２３を確実に平坦に形成することができる。
【００２９】
これにより、端子部１８と電極層２１との熱膨張係数差を低減させることができる積層体２３を、電極層２１及び端子部１８に良好に接合することができるので、端子部１８及び電極層２１と積層体２３との接合強度の低下，及び電極層２１から積層体２３を介して端子部１８への電気伝導性の低下を確実に抑制することができる。以上により、使用に際して生ずる温度サイクルにより、端子部１８と電極層２１との接合部の破損発生を確実に抑制し、さらに、このような構成を実現しても電極層２１から端子部１８への電気伝導性の低下発生を最小限に抑制することができるパワーモジュール１０を提供することができる。
【００３０】
また、低変形抵抗体２３ａ，２３ｃは、純Ａｌ，Ａｌ合金，純Ｃｕ，またはＣｕ合金等により形成され、より好ましくは純度９９．９８％以上の純Ａｌ，または純度９９．９９９％以上の純Ｃｕにより形成されているので、積層体２３の上層及び下層の変形抵抗を小さくすることができる。従って、この積層体２３と端子部１８及び電極層２１との接合部に作用する負荷，例えば使用時における温度サイクルにより発生する熱応力を確実に低減することができる。
【００３１】
さらに、低熱膨張体２３ｂがＦｅ−Ｎｉ系合金により形成されているので、この低熱膨張体２３ｂの厚さを、積層体２３の電気伝導性を低下させない程度に薄くしても、端子部１８とＳｉチップ１４側との熱膨張係数差の低減を図るために、積層体２３が具備すべき熱膨張係数を確実に実現することができる。また、Ｆｅ−Ｎｉ系合金は、良好な加工性を有するので、このパワーモジュール１０の低コスト化を図ることができる。
【００３２】
さらにまた、低熱膨張体２３ｂと低変形抵抗体２３ａ，２３ｃとの接合、及び積層体２３と電極層２１及び端子部１８との接合を各々、金属間化合物層を介して行っているので、使用時に温度サイクルが作用した場合においても、この接合部に熱による劣化が発生することを最小限に抑制することができ、高い接合信頼性を有するパワーモジュール１０を提供することができる。
【００３３】
ここで、金属間化合物層は、一般のはんだ層と比べると高強度となるので、この層の破断強度の向上，すなわち接合強度の向上を図ることができるが、その反面、この金属間化合物層の熱膨張係数が，この層により接合される部材（低熱膨張体２３ｂ、低変形抵抗体２３ａ，２３ｃ、端子部１８、電極層２１）の熱膨張係数と異なっている構成において、これに使用時における温度サイクルが作用すると、高強度の金属間化合物層が前記各部材２３ａ，２３ｂ・・・の熱変形を拘束し、これらの接合部が破損することが考えられる。
【００３４】
しかしながら、本実施形態においては、金属間化合物層により接合される部材の少なくとも一方は、変形抵抗の小さい純Ａｌ，Ａｌ合金，純Ｃｕ，またはＣｕ合金により形成されているので、パワーモジュール１０に前記温度サイクルが作用した場合においても、低変形抵抗体２３ａ，２３ｃ、電極層２１及び端子部１８の各表面における金属間化合物層との接合部では熱による膨張，収縮変形が金属間化合物層により拘束されるが、この接合部以外では金属間化合物層により略拘束されずに膨張，収縮変形することになる。従って、パワーモジュール１０を温度サイクル下で使用した場合においても、金属間化合物層と前記各部材２３ａ，２３ｂ・・・との接合界面に作用する負荷が最小限に抑制され、パワーモジュール１０を構成する各接合部に対する高信頼性を確実に実現することができる。
【００３５】
なお、本発明の技術的範囲は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、Ｓｎ系材料層を形成するに際し、いわゆる印刷法を適用して形成することで、高効率生産を実現することもでき、また、電解めっき処理を施すことによりＳｎ系材料層を形成してもよい。
【００３６】
さらに、端子部１８をＳｉチップ１７の電極層２１に接合した構成を示したが、この構成に限らず、回路層１２に電極部が形成された場合には、この電極部に接合してもよい。さらにまた、金属間化合物層２２，２４は、はんだ層であってもよい。
また、低変形抵抗体２３ａ，２３ｃと低熱膨張体２３ｂとの接合を図示しない金属間化合物層を介して行ったが、Ａｌ−Ｓｉからなるろう材を介して接合してもよい。
【００３７】
さらに、ＣｕまたはＣｕ合金からなる端子部１８と、電極層２１とを積層体２３を介して接合したが、図３に示すように、端子部１９自体を３層の積層体としてもよい。
すなわち、端子部１９を、少なくとも電極層１９と接続する部分が、電極層２１側から順に第１の層１９ａ，第２の層１９ｂ，及び第３の層１９ｃが積層した構成とし、第１，第３の層１９ａ，１９ｃは、前述した低変形抵抗体としての、ＣｕまたはＣｕ合金により形成し、第２の層１９ｂは、前述した低熱膨張体としての、Ｆｅ−Ｎｉ系合金により形成し、第１，第３の層１９ａ，１９ｃを各々、略同一の厚さで形成してもよい。そして、端子部１９の第１の層１９ａを、金属間化合物層２２、またははんだ層を介して電極層２１に接合してもよい。この構成においても、前記実施形態と略同様に、端子部１９と電極層２１との良好な接合状態を実現することができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明に係るパワーモジュールによれば、使用に際して生ずる温度サイクルにより、端子部と電極部との接合部の破損発生を確実に抑制し、さらに、このような構成を実現しても電極部から端子部への電気伝導性の低下発生を最小限に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一の実施形態に係るパワーモジュールを示す全体図である。
【図２】図１に示す積層体の拡大図である。
【図３】この発明の他の実施形態に係るパワーモジュールを示す全体図である。
【符号の説明】
１０パワーモジュール
１１絶縁基板
１８，１９端子部
１９ａ第１の層
１９ｂ第２の層
１９ｃ第３の層
２１電極層（電極部）
２３積層体
２３ａ，２３ｃ低変形抵抗体
２３ｂ低熱膨張体[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a power module used in a semiconductor device that controls a large voltage and a large current.
[0002]
[Prior art]
In general, this type of power module has a structure in which a circuit layer is provided on the upper surface of the insulating substrate, a metal layer is provided on the lower surface, a Si chip is provided on the surface of the circuit layer, and a heat sink is provided on the surface of the metal layer. Yes. Here, an electrode layer is provided on the surface of the Si chip, an electrode pad is formed on the circuit layer, the electrode layer and the electrode pad surface are formed of pure Cu or Cu alloy, and the electrode layer In general, the terminal portion for taking out an electrical signal from the electrode pad is soldered.
[0003]
In this configuration, since the thermal expansion coefficient difference between the Si chip having the electrode layer and the insulating substrate having the electrode pad and the terminal portion is large, the temperature cycle generated when the power module is used causes these There was a problem that the joint was easily damaged.
[0004]
As means for solving this problem, a laminate as a stress buffer member for reducing the difference in thermal expansion coefficient is inserted between the electrode layer and the terminal portion, and the laminate and the electrode. The structure which makes a layer etc. and a terminal part a strong joined state by diffusion joining etc. is disclosed (for example, refer patent document 1). This laminate is composed of a molybdenum or tungsten base plate, a 0.2 mm thick layer made of pure Al or the like formed on one surface of the base plate, and pure Al or the like formed on the other surface. It has a substantially two-layered structure including a film having a thickness of 0.5 μm or more and 4.0 μm or less. In this laminate, the layer formed on the one surface is connected to a terminal portion, and the film formed on the other surface is connected to the electrode layer by ultrasonic bonding.
[0005]
However, in the conventional power module, since the film formed on the other surface of the base plate is formed with the thickness, the laminated body includes a low thermal expansion body made of molybdenum and the like, pure Al and the like. And a low-deformation resistor having a larger coefficient of thermal expansion than that of the low thermal expansion body. Therefore, there has been a problem that it is difficult to form the laminate in a flat manner due to the heat at the time of forming the laminate and the difference in thermal expansion coefficient between the low deformation resistance body and the low thermal expansion body. Therefore, the laminated body formed in this way cannot be satisfactorily bonded to the electrode pad or the terminal and the terminal part, the bonding strength between the terminal part and the electrode part and the laminated body is reduced, and the laminated body from the electrode part. There has been a problem in that the electrical conductivity to the terminal portion is lowered via.
[0006]
Furthermore, since the base plate is made of molybdenum or tungsten, the thickness of the base plate is increased when the thermal expansion coefficient to be provided in the laminate is realized in order to reduce the difference in thermal expansion coefficient. Therefore, there is a problem that the electrical conductivity of the formed laminate is lowered. In addition, since molybdenum and tungsten are so-called difficult-to-cut materials, there is a problem that the cost of the power module is increased.
[0007]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 09-64258
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in consideration of such circumstances, and the occurrence of breakage of the joint portion between the terminal portion and the electrode portion is surely suppressed by the temperature cycle generated during use, and such a configuration is realized. Even so, an object of the present invention is to provide a power module capable of minimizing the occurrence of a decrease in electrical conductivity from the electrode portion to the terminal portion.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention proposes the following means.
The invention according to claim 1 is a power module in which a terminal part is connected to an electrode part formed on the surface side of an insulating substrate, and a three-layer laminate is provided between the electrode part and the terminal part. The laminated body is inserted into the electrode part side and the terminal part side, respectively, and a low deformation resistor whose 0.2% proof stress at room temperature is 50 MPa or less, and these low deformation resistors And a low thermal expansion coefficient having a thermal expansion coefficient lower than that of the low deformation resistance element, wherein the low deformation resistance elements are each formed with substantially the same thickness. Features.
[0010]
According to the power module of the present invention, since each of the low deformation resistors is formed with substantially the same thickness, when forming this laminated body and joining this laminated body to the electrode portion and the terminal portion, In addition, it is possible to avoid warping of the laminate.
That is, when a low thermal expansion body and a low deformation resistance body are heated and joined to form a laminate, warpage is likely to occur due to the difference in thermal expansion coefficient between the low thermal expansion body and the low deformation resistance body. It has a configuration. However, the warp caused by joining the upper surface of the low thermal expansion body and one low deformation resistor is canceled out by the warp caused by joining the lower surface of the low thermal expansion body and the other low deformation resistor. Therefore, the laminate can be surely formed flat.
Thereby, since the laminated body which can reduce the thermal expansion coefficient difference between the terminal portion and the insulating substrate side can be satisfactorily bonded to the electrode portion and the terminal portion, the terminal portion and the electrode portion and the laminated body It is possible to reliably suppress a decrease in bonding strength and a decrease in electrical conductivity from the electrode portion to the terminal portion via the laminate. As described above, the occurrence of breakage of the joint portion between the terminal portion and the electrode portion is reliably suppressed by the temperature cycle that occurs during use, and even if such a configuration is realized, the electrical conductivity from the electrode portion to the terminal portion can be reduced. It is possible to provide a power module that can suppress the occurrence of a decrease to a minimum.
[0011]
The low deformation resistor is formed of a material having a low deformation resistance, such as 0.2% proof stress at room temperature of 50 MPa or less, preferably 30 MPa or less, such as pure Al, Al alloy, pure Cu, or Cu alloy. Therefore, it is possible to reliably reduce the load acting on the joint portion between the laminate, the terminal portion, and the electrode portion, for example, the thermal stress generated by the temperature cycle during use.
[0012]
The invention according to claim 2 is a power module in which a terminal part is connected to an electrode part formed on the surface side of an insulating substrate, and the terminal part has at least a part connected to the electrode part. The first, second and third layers are laminated in order from the side, and the first and third layers are formed of a low deformation resistor whose 0.2% proof stress at room temperature is 50 MPa or less. The second layer is formed of a low thermal expansion body having a thermal expansion coefficient lower than that of the low deformation resistor, and the first and third layers are formed with substantially the same thickness. It is characterized by.
[0013]
According to the power module of the present invention, since the coefficient of thermal expansion is low compared to the case where the terminal portion is made of only the low deformation resistor, when the terminal portion is joined to the electrode portion, The amount of warpage that occurs can be reduced. Thereby, it is possible to easily obtain a power module in which the bonding state between the terminal portion and the electrode portion is good. In addition, since the first and third layers each have substantially the same thickness, when the terminal portion is formed by heating and joining the first, second and third layers, At least a portion of the terminal portion connected to the electrode portion can be easily flattened. Thereby, the power module in which the bonding state between the terminal portion and the electrode portion is further improved can be easily obtained.
[0014]
According to a second aspect of the present invention, in the power module according to the first or second aspect, the low thermal expansion body is formed of an Fe—Ni-based alloy.
[0015]
According to the power module of the present invention, since the low thermal expansion body is formed of an Fe—Ni-based alloy, the thickness of the low thermal expansion body can be reduced to such an extent that the electrical conductivity of the laminate is not lowered. In order to reduce the difference in thermal expansion coefficient between the terminal portion and the insulating substrate side, it is possible to reliably realize the thermal expansion coefficient that the laminated body should have. Moreover, since the Fe—Ni alloy has good workability, the cost of the power module can be reduced.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is an overall view showing a power module according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, the power module 10 of the present embodiment includes an insulating substrate 11, a circuit layer 12 stacked on one surface of the insulating substrate 11, and a metal layer stacked on the other surface of the insulating substrate 11. 13, a Si chip 14 mounted on the circuit layer 12, a heat radiator 15 bonded to the metal layer 13, and a terminal portion 18 bonded to the Si chip 14.
[0017]
The insulating substrate 11 is formed to have a desired size by, for example, AlN, Al 2 O 3, Si 3 N 4, SiC, etc., and the circuit layer 12 is laminated and bonded on the upper surface side, and the metal layer 13 is laminated and bonded on the lower surface side. It has become so.
The circuit layer 12 is formed of pure Al, Al alloy, pure Cu, Cu alloy, or the like. A circuit having a predetermined pattern is formed on the circuit layer 12, and Si is interposed on the circuit via solder 16. A chip 14 is mounted.
Similar to the circuit layer 12, the metal layer 13 is formed of pure Al, Al alloy, pure Cu, Cu alloy or the like, and has a heat dissipating body 15 by soldering 17 or brazing, diffusion bonding or the like on its lower surface side. Are to be joined. The radiator 15 is made of pure Al, Al alloy, pure Cu, Cu alloy, AlSiC, AlC, Cu—Mo, or the like.
[0018]
An electrode layer 21 is provided on the upper surface of the Si chip 14, and a laminate 23 is bonded onto the electrode layer 21 via an intermetallic compound layer 22. A terminal portion 18 formed of Cu or Cu alloy is joined. That is, the laminated body 23 is inserted between the electrode layer 21 and the terminal portion 18.
[0019]
As shown in FIG. 2, the laminate 23 has a function as a stress buffer material for reducing the difference in thermal expansion coefficient between the terminal portion 18 and the Si chip 14, and has a three-layer laminate structure. ing. That is, one low deformation resistor 23a is provided on the electrode layer 21 side, and the other low deformation resistor 23c is provided on the terminal portion 18 side, and a low thermal expansion body 23b is provided between the low deformation resistors 23a and 23c. These layers 23a, 23b, and 23c are laminated and bonded via an intermetallic compound layer having a thickness of 0.005 μm or more (not shown). Accordingly, the layers 23a, 23b, and 23c are not easily delaminated even by a temperature cycle when the power module 10 is used.
[0020]
Here, as the low deformation resistors 23a and 23c, the thermal expansion coefficient is 12 × 10 ⁻⁶ / ° C. or more and the deformation resistance is relatively small (for example, 0.2 at room temperature of about 20 ° C. ambient temperature). % Proof stress is 50 MPa or less, preferably 30 MPa or less) material such as pure Al, Al alloy, pure Cu, or Cu alloy, preferably pure Al with a purity of 99.98% or more, or pure Cu with a purity of 99.999% or more It is formed by. The low deformation resistors 23a and 23c are each formed with substantially the same thickness, and the thickness is, for example, not less than 0.1 mm and not more than 0.4 mm.
[0021]
The low thermal expansion body 23b is formed of a material having a thermal expansion coefficient of approximately 2.0 × 10 ⁻⁶ / ° C. or less, and is formed of, for example, an Fe—Ni alloy, more preferably an Invar alloy. Here, the Invar alloy is an alloy that hardly undergoes thermal expansion near room temperature, and has a composition ratio of 64.6 mol% Fe and 35.4 mol% Ni. However, Fe containing other inevitable impurities is also called an Invar alloy.
[0022]
Here, since the low thermal expansion body 23b has lower electrical conductivity and thermal conductivity than the low deformation resistance bodies 23a and 23c, if the thickness of the low thermal expansion body 23b is excessively increased, the laminated body 23 is necessary and sufficient. High electrical conductivity and thermal conductivity (for example, 100 W / mK or more) cannot be achieved. Therefore, the thickness of the low thermal expansion body 23b is set so that the laminated body 23 has the function as the buffer material and has necessary and sufficient electric conductivity and thermal conductivity. When the thicknesses 23a and 23c are set within the above range, the thickness is set to 0.1 mm or more and 0.6 mm or less.
[0023]
Next, a manufacturing method for forming the power module 10 configured as described above will be described.
First, the circuit layer 12 is formed on the upper surface of the insulating substrate 11 and the metal layer 13 is laminated on the lower surface by soldering or brazing. Thereafter, the lower surface of the metal layer 13 and the upper surface of the radiator 15 are bonded to the solder 17. The upper surface of the circuit layer 12 and the Si chip 14 are laminated and bonded via the solder 16.
Then, after forming a Ni plating layer (not shown) on the surface of the electrode layer 21 of the Si chip 14, a Sn-based material layer (not shown) made of Sn-3.5Ag is formed on the surface of the Ni plating layer. Here, the phosphorus P concentration in the Ni plating layer is 12.0% by weight or more, more preferably 12.0% by weight or more and 15.0% by weight or less, and the Sn-based material layer has a Sn content of 80%. Above, more preferably 90% or more.
[0024]
Here, a Sn-based material layer (not shown) is formed on the terminal portion 18 at least at the joint portion between the outer surface and the laminated body 23.
Next, a method for forming the laminate 23 will be described.
First, an Ni plating layer (not shown) is formed on the surfaces of the low deformation resistors 23a and 23c and the low thermal expansion body 23b, and then the layers 23a, 23b and 23c are bonded to each other on the surface of the Ni plating layer. The Sn-based material layer is formed on the surface.
[0025]
Thereafter, the Sn-based material layers formed on the surfaces of the joint surfaces of the low deformation resistors 23a and 23c and the low thermal expansion body 23b are brought into contact with each other, and in this state, 0.05 MPa or more and 230 ° C. The low deformation resistors 23a, 23c and 23a, 23c and 23 are formed by applying pressure and heating for 1 hour or more to make all the Sn-based material layers into intermetallic compound layers (not shown) containing Sn and Ni as main components. The low thermal expansion body 23b is laminated and bonded to form the laminated body 23. At this time, a Ni plating layer is formed on the outer surface of the laminate 23.
[0026]
Next, the same Sn-based material layer as described above is formed on the surface of the Ni plating layer on the upper and lower surfaces of the formed laminate 23. Thereafter, the laminate 23 was sandwiched between the electrode layer 21 and the terminal portion 18 so that the Sn-based material layer of the laminate 23 and the Sn-based material layer formed on the electrode layer 21 and the terminal portion 18 were in contact with each other. In this state, it is heated under pressure at 0.05 MPa or more, 230 ° C. or more, and 1 hour or more. Thereby, by making each said Sn type material layer into the intermetallic compound layers 22 and 24 which contain Sn and Ni as a main component, the electrode layer 21 and the laminated body 23 via the intermetallic compound layer 22, The laminated body 23 and the terminal portion 18 are laminated and joined via the intermetallic compound layer 24.
[0027]
As described above, according to the power module 10 according to the present embodiment, the low deformation resistance bodies 23a and 23c of the multilayer body 23 are formed with substantially the same thickness. Therefore, when the multilayer body 23 is formed, And when joining the laminated body 23 with the electrode layer 21 and the terminal part 18, it can avoid that the curvature of this laminated body 23 generate | occur | produces.
[0028]
That is, the laminated body 23 is formed by joining the low thermal expansion body 23b and the low deformation resistance bodies 23a and 23c via the intermetallic compound layer, and by heating and cooling when forming the intermetallic compound layer. Due to the difference in thermal expansion coefficient between these layers 23a, 23c and 23b, the warp tends to occur. However, with the above-described configuration, warping caused by joining of the upper surface of the low thermal expansion body 23b and one low deformation resistance body 23c is caused between the lower surface of the low thermal expansion body 23b and the other low deformation resistance body 23a. It will be canceled by the warp caused by the joining. Therefore, the laminated body 23 can be reliably formed flat.
[0029]
Thereby, since the laminated body 23 which can reduce the thermal expansion coefficient difference of the terminal part 18 and the electrode layer 21 can be favorably joined to the electrode layer 21 and the terminal part 18, the terminal part 18 and the electrode layer It is possible to reliably suppress the decrease in the bonding strength between 21 and the laminate 23 and the decrease in electrical conductivity from the electrode layer 21 to the terminal portion 18 via the laminate 23. As described above, the occurrence of breakage of the joint portion between the terminal portion 18 and the electrode layer 21 is reliably suppressed by the temperature cycle generated during use, and further, even if such a configuration is realized, the electrode layer 21 is connected to the terminal portion 18. It is possible to provide the power module 10 that can suppress the occurrence of a decrease in electrical conductivity to a minimum.
[0030]
The low deformation resistors 23a and 23c are made of pure Al, Al alloy, pure Cu, Cu alloy, or the like, and more preferably pure Al with a purity of 99.98% or more, or pure with a purity of 99.999% or more. Since it is formed of Cu, the deformation resistance of the upper layer and the lower layer of the laminate 23 can be reduced. Therefore, it is possible to reliably reduce the load acting on the joint between the laminate 23, the terminal portion 18 and the electrode layer 21, for example, the thermal stress generated by the temperature cycle during use.
[0031]
Furthermore, since the low thermal expansion body 23b is formed of an Fe—Ni-based alloy, even if the thickness of the low thermal expansion body 23b is reduced to such an extent that the electrical conductivity of the laminated body 23 is not lowered, In order to reduce the difference in thermal expansion coefficient from the Si chip 14 side, it is possible to reliably realize the thermal expansion coefficient that the laminated body 23 should have. Moreover, since the Fe—Ni-based alloy has good workability, the cost of the power module 10 can be reduced.
[0032]
Furthermore, since the joining of the low thermal expansion body 23b and the low deformation resistance bodies 23a and 23c and the joining of the laminate 23, the electrode layer 21 and the terminal portion 18 are performed through the intermetallic compound layer, Even when a temperature cycle is sometimes applied, it is possible to minimize the occurrence of deterioration due to heat at the joint, and it is possible to provide the power module 10 having high joint reliability.
[0033]
Here, since the intermetallic compound layer has a higher strength than a general solder layer, it is possible to improve the breaking strength of this layer, that is, to improve the bonding strength. Of the member (low thermal expansion body 23b, low deformation resistance bodies 23a and 23c, terminal portion 18 and electrode layer 21) joined by this layer in a configuration in which the thermal expansion coefficient of When the temperature cycle is activated, it is conceivable that the high-strength intermetallic compound layer restrains the thermal deformation of the members 23a, 23b.
[0034]
However, in this embodiment, at least one of the members joined by the intermetallic compound layer is formed of pure Al, Al alloy, pure Cu, or Cu alloy having a small deformation resistance. Even when a temperature cycle is applied, expansion and contraction deformation due to heat is constrained by the intermetallic compound layer at the joints with the intermetallic compound layers on the surfaces of the low deformation resistors 23a and 23c, the electrode layer 21 and the terminal portion 18. However, other than the joint, the intermetallic compound layer expands and contracts without being substantially constrained. Therefore, even when the power module 10 is used under a temperature cycle, the load acting on the bonding interface between the intermetallic compound layer and each of the members 23a, 23b,... It is possible to reliably realize high reliability with respect to each joined portion.
[0035]
The technical scope of the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, when the Sn-based material layer is formed, high-efficiency production can be realized by applying a so-called printing method, and the Sn-based material layer is formed by performing an electroplating process. Also good.
[0036]
Furthermore, although the structure which joined the terminal part 18 to the electrode layer 21 of the Si chip | tip 17 was shown, when an electrode part is formed not only in this structure but in the circuit layer 12, even if it joins to this electrode part, Good. Furthermore, the intermetallic compound layers 22 and 24 may be solder layers.
In addition, the low deformation resistors 23a and 23c and the low thermal expansion body 23b are joined via an intermetallic compound layer (not shown), but may be joined via a brazing material made of Al-Si.
[0037]
Furthermore, although the terminal portion 18 made of Cu or Cu alloy and the electrode layer 21 are joined via the laminate 23, the terminal portion 19 itself may be a three-layer laminate as shown in FIG.
That is, at least a portion of the terminal portion 19 connected to the electrode layer 19 has a configuration in which the first layer 19a, the second layer 19b, and the third layer 19c are stacked in order from the electrode layer 21 side. The third layers 19a and 19c are formed of Cu or Cu alloy as the low deformation resistor described above, and the second layer 19b is formed of Fe—Ni based alloy as the low thermal expansion body described above. The first and third layers 19a and 19c may be formed with substantially the same thickness. And you may join the 1st layer 19a of the terminal part 19 to the electrode layer 21 via the intermetallic compound layer 22 or a solder layer. Even in this configuration, a good bonding state between the terminal portion 19 and the electrode layer 21 can be realized in substantially the same manner as in the above embodiment.
[0038]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, according to the power module of the present invention, the occurrence of breakage of the joint portion between the terminal portion and the electrode portion is surely suppressed by the temperature cycle that occurs during use, and such a configuration. Even if it implement | achieves, the fall of the electrical conductivity from an electrode part to a terminal part can be suppressed to the minimum.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall view showing a power module according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged view of the laminated body shown in FIG.
FIG. 3 is an overall view showing a power module according to another embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Power module 11 Insulating substrate 18, 19 Terminal part 19a 1st layer 19b 2nd layer 19c 3rd layer 21 Electrode layer (electrode part)
23 Laminated body 23a, 23c Low deformation resistance body 23b Low thermal expansion body

Claims

A power module in which a terminal part is connected to an electrode part formed on the surface side of an insulating substrate,
A three-layer laminate is inserted between the electrode part and the terminal part,
The laminated body is disposed on the electrode part side and the terminal part side, respectively, and a low deformation resistance body having a 0.2% proof stress at room temperature of 50 MPa or less,
A low thermal expansion body having a thermal expansion coefficient lower than the thermal expansion coefficient of the low deformation resistance body disposed between these low deformation resistance bodies,
Each of the low deformation resistors is formed with substantially the same thickness.

A power module in which a terminal part is connected to an electrode part formed on the surface side of an insulating substrate,
The terminal portion is configured such that at least a portion connected to the electrode portion is formed by laminating first, second, and third layers in order from the electrode portion side.
The first and third layers are formed of a low deformation resistor whose 0.2% proof stress at room temperature is 50 MPa or less,
The second layer is formed of a low thermal expansion body having a thermal expansion coefficient lower than that of the low deformation resistor,
The power module, wherein the first and third layers are formed with substantially the same thickness.

The power module according to claim 1 or 2,
The power module, wherein the low thermal expansion body is made of an Fe-Ni alloy.