JP2014143406A - パワーモジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】パワーサイクルを負荷した場合であっても、早期にはんだ層に破壊が生じることを抑制でき、信頼性の高いパワーモジュールを提供する。
【解決手段】回路層１２のうち半導体素子３との接合面に、銅又は銅合金からなる銅層が設けられており、回路層１２と半導体素子３との間には、はんだ材を用いて形成されたはんだ層２０が形成されており、はんだ層２０のうち回路層１２の表面上から厚さ３０μｍまでの領域においては、ＥＢＳＤ測定によって測定される平均結晶粒径が１０μｍ以下とされており、はんだ層２０は、主成分としてＳｎを含有するとともに、Ｎｉを０．０１ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下、Ｃｕを０．１ｍａｓｓ％以上５．０ｍａｓｓ％以下、含有する組成とされており、パワーサイクル試験において、通電時間５秒、温度差８０℃の条件のパワーサイクルを１０万回負荷したときの熱抵抗上昇率が１０％未満である。
【選択図】図１

Description

この発明は、銅又は銅合金からなる銅層が設けられた回路層と、半導体素子と、をはんだ材を用いて接合したパワーモジュールに関するものである。
上述のパワーモジュールは、例えば、特許文献１、２に示すように、絶縁基板の一方の面に回路層となる金属板が接合されてなるパワーモジュール用基板と、回路層上に搭載されるパワー素子（半導体素子）と、を備えている。
また、パワーモジュール用基板の他方の面側には、パワー素子（半導体素子）からの熱を放散するために、放熱板や冷却器などのヒートシンクが配設されることがある。このとき、絶縁基板と放熱板や冷却器などのヒートシンクとの熱膨張係数に起因する熱応力を緩和するために、パワーモジュール用基板においては、絶縁基板の他方の面に金属層となる金属板が接合され、この金属層と上述の放熱板や冷却器などのヒートシンクが接合される構成とされている。
上述のパワーモジュールにおいては、回路層とパワー素子（半導体素子）とは、はんだ材を介して接合される。
ここで、回路層がアルミニウムまたはアルミニウム合金で構成されている場合には、例えば特許文献３に開示されているように、回路層の表面に電解めっき等によってＮｉめっき膜を形成し、このＮｉめっき膜上にはんだ材を配設して半導体素子を接合する必要があった。
また、回路層が銅又は銅合金で構成されている場合においても、回路層の表面にＮｉめっき膜を形成し、このＮｉめっき膜上にはんだ材を配設して半導体素子を接合していた。
特開２００２−０７６５５１号公報 特開２００８−２２７３３６号公報 特開２００４−１７２３７８号公報
しかしながら、例えば特許文献３に記載されたように、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる回路層の表面にＮｉめっきを形成して半導体素子をはんだ接合したパワーモジュールに対してパワーサイクルの負荷をかけると、はんだにクラックが生じ、熱抵抗が上昇するおそれがあった。
また、銅又は銅合金からなる回路層の表面にＮｉめっきを形成して半導体素子をはんだ接合したパワーモジュールにおいても、パワーサイクルの負荷をかけると、はんだにクラックが生じ、熱抵抗が上昇するおそれがあった。
最近では、上述のパワーモジュール等においては、風力発電又は電気自動車や電気車両などを制御するために、さらなる大電力制御用のパワー素子が搭載されることから、従来に増して、パワーサイクルに対する信頼性をさらに向上させる必要があった。
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、パワーサイクルを負荷した場合であっても、はんだ層のクラックを抑制でき、信頼性の高いパワーモジュールを提供することを目的とする。
本発明者らが鋭意検討した結果、アルミニウム、アルミニウム合金、銅又は銅合金からなる回路層の表面にＮｉめっきを形成して半導体素子をはんだ接合したパワーモジュールに対してパワーサイクル負荷をかけると、Ｎｉめっきに亀裂が生じ、その亀裂がはんだ層の結晶粒界に沿って進展することによってはんだ層のクラックに至ることが確認された。さらに、鋭意検討した結果、はんだ層の結晶粒径を小さくすることで、はんだ層の亀裂の進展を抑制することができる知見が得られた。
本発明は、上述の知見に基づいてなされたものであって、本発明のパワーモジュールは、絶縁層の一方の面に回路層が配設されたパワーモジュール用基板と、前記回路層の一方の面に接合された半導体素子と、を備えたパワーモジュールであって、前記回路層のうち前記半導体素子との接合面には、銅又は銅合金からなる銅層が設けられており、前記回路層と前記半導体素子との間には、はんだ材を用いて形成されたはんだ層が形成されており、前記はんだ層のうち前記回路層の表面上から厚さ３０μｍまでの領域においては、ＥＢＳＤ測定によって測定される平均結晶粒径が０．１μｍ以上１０μｍ以下の範囲内とされており、前記はんだ層は、主成分としてＳｎを含有するとともに、Ｎｉを０．０１ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下、Ｃｕを０．１ｍａｓｓ％以上５．０ｍａｓｓ％以下、含有する組成とされており、パワーサイクル試験において、通電時間５秒、温度差８０℃の条件のパワーサイクルを１０万回負荷したときの熱抵抗上昇率が１０％未満であることを特徴としている。
この構成のパワーモジュールによれば、半導体素子との接合面に銅層が設けられた前記回路層と前記半導体素子との間に形成されたはんだ層のうち前記回路層（前記銅層）の表面上から厚さ３０μｍまでの領域における平均結晶粒径が１０μｍ以下と比較的微細とされているので、例えば回路層（銅層）の界面近傍で発生した亀裂が結晶粒界に沿ってはんだ層の内部へと進展しにくくなり、はんだ層の破壊を抑制することが可能となる。なお、はんだ層のうち前記回路層（前記銅層）の表面上から厚さ３０μｍまでの領域における平均結晶粒径は、０．５μｍ以上１０μｍ以下の範囲内とすることが好ましい。
また、はんだ層が、主成分としてＳｎを含有するとともに、Ｎｉを０．０１ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下、Ｃｕを０．１ｍａｓｓ％以上５．０ｍａｓｓ％以下、含有する組成とされていることから、はんだ層の内部に、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｓｎのいずれかを含む金属間化合物からなる析出物粒子が分散することになり、上述のように、はんだ層の結晶粒径を微細化することが可能となる。
さらに、本発明のパワーモジュールは、パワーサイクル試験において、通電時間５秒、温度差８０℃の条件のパワーサイクルを１０万回負荷したときの熱抵抗上昇率が１０％未満とされていることから、パワーサイクルを繰り返し負荷した場合であっても、はんだ層が早期に破壊されることがなく、パワーサイクルに対する信頼性の向上を図ることができる。なお、上述のパワーサイクル試験は、最もはんだ層に負荷が掛かる条件であることから、この条件下でパワーサイクルを１０万回負荷したときの熱抵抗上昇率が１０％未満とされていれば、通常の使用において、十分な信頼性を得ることができる。
ここで、前記はんだ層には、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５からなる析出物粒子が分散されていることが好ましい。
この場合、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５からなる析出物粒子が分散することにより、はんだ層の結晶粒径を確実に微細化することができ、パワーサイクル負荷時のはんだ層の破壊を確実に抑制することが可能となる。
本発明によれば、パワーサイクルを負荷した場合であっても、早期にはんだ層に破壊が生じることを抑制でき、信頼性の高いパワーモジュールを提供することができる。
本発明の第１の実施形態であるパワーモジュールの概略説明図である。 図１における回路層と半導体素子との接合部分の拡大説明図である。 図１のパワーモジュールの製造方法を示すフロー図である。 図３に示すパワーモジュールの製造方法における半導体素子接合工程の説明図である。 本発明の第２の実施形態であるパワーモジュールの概略説明図である。 図５における銅層とアルミニウム層との接合界面の拡大説明図である。 ＣｕとＡｌの２元状態図である。 図５における回路層と半導体素子との接合部分の拡大説明図である。 図５のパワーモジュールの製造方法を示すフロー図である。 比較例１のパワーモジュールにおける初期及びパワーサイクル負荷後のはんだ層のＥＢＳＤ測定結果を示す写真である。 本発明例１のパワーモジュールにおける初期及びパワーサイクル負荷後のはんだ層のＥＢＳＤ測定結果を示す写真である。
以下に、本発明の実施形態であるパワーモジュールについて、添付した図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図１に、本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール１を示す。このパワーモジュール１は、絶縁基板（絶縁層）１１の一方の面に回路層１２が形成されたパワーモジュール用基板１０と、回路層１２上（図１において上面）に搭載された半導体素子３と、を備えている。なお、本実施形態のパワーモジュール１では、絶縁基板１１の他方の面側（図１において下面）にヒートシンク４１が接合されている。
パワーモジュール用基板１０は、絶縁層を構成する絶縁基板１１と、この絶縁基板１１の一方の面（図１において上面）に配設された回路層１２と、絶縁基板１１の他方の面（図１において下面）に配設された金属層１３とを備えている。
絶縁基板１１は、回路層１２と金属層１３との間の電気的接続を防止するものであって、例えばＡｌＮ（窒化アルミ）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化珪素）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）等の絶縁性の高いセラミックスで構成され、本実施形態では、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。また、絶縁基板１１の厚さは、０．２ｍｍ以上１．５ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では０．６３５ｍｍに設定されている。
回路層１２は、絶縁基板１１の一方の面に、導電性を有する金属板が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、回路層１２は、無酸素銅の圧延板からなる銅板が絶縁基板１１に接合されることにより形成されている。本実施形態においては、回路層１２全体が、半導体素子３との接合面に設けられた銅又は銅合金からなる銅層に相当する。ここで、回路層１２の厚さ（銅板の厚さ）は０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されていることが好ましい。
金属層１３は、絶縁基板１１の他方の面に、金属板が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層１３は、純度が９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなるアルミニウム板が絶縁基板１１に接合されることで形成されている。ここで、金属層１３（アルミニウム板）の厚さは
０．６ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の範囲内に設定されていることが好ましい。
ヒートシンク４１は、前述のパワーモジュール用基板１０を冷却するためのものであり、パワーモジュール用基板１０と接合される天板部４２と、冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路４３とを備えている。このヒートシンク４１（天板部４２）は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態においては、Ａ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。
半導体素子３は、Ｓｉ等の半導体材料で構成されており、図２に示すように、回路層１２との接合面には、Ｎｉ、Ａｕ等からなる表面処理膜３ａが形成されている。
そして、本実施形態であるパワーモジュール１においては、回路層１２と半導体素子３とが、はんだ接合されており、回路層１２と半導体素子３との間にはんだ層２０が形成されている。なお、本実施形態においては、はんだ層２０の厚さｔ１は、５０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内とされている。
このはんだ層２０は、図４に示すように、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉ系のはんだ材３０によって形成されており、本実施形態では、Ｓｎ−０．１〜４ｍａｓｓ％Ｃｕ−０．０１〜１ｍａｓｓ％Ｎｉのはんだ材３０が用いられている。
ここで、図２に示すように、回路層１２の表面には金属間化合物層２６が形成されており、この金属間化合物層２６の上に、はんだ層２０が積層配置されている。この金属間化合物層２６は、ＣｕとＳｎの金属間化合物（Ｃｕ３Ｓｎ）とされている。なお、金属間化合物層２６の厚さｔ２は、０．８μｍ以下とされている。
はんだ層２０は、主成分としてＳｎを含有するとともに、Ｎｉを０．０１ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下、Ｃｕを０．１ｍａｓｓ％以上５．０ｍａｓｓ％以下、含有する組成とされている。
そして、図２に示すように、はんだ層２０のうち回路層１２の表面上から厚さ３０μｍまでの領域Ａにおいては、ＥＢＳＤ測定（Electron Backscatter Diffraction）によって測定される平均結晶粒径が１０μｍ以下、好ましくは０．５μｍ以上１０μｍ以下の範囲内とされている。
また、はんだ層２０の内部には、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｓｎを含む金属間化合物からなる析出物粒子が分散しており、特に、はんだ層２０のうち回路層１２の表面上から厚さ３０μｍまでの領域Ａに多く分散している。ここで、本実施形態では、析出物粒子は、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５からなる金属間化合物とされている。
そして、本実施形態であるパワーモジュール１においては、パワーサイクル試験において、通電時間５秒、温度差８０℃の条件のパワーサイクルを１０万回負荷したときの熱抵抗上昇率が１０％未満となるように構成されている。
詳述すると、半導体素子３としてＩＧＢＴ素子を回路層１２へはんだ付けするとともに、アルミニウム合金からなる接続配線をボンディングする。そして、ＩＧＢＴ素子への通電を、通電（ＯＮ）で素子表面温度１４０℃、非通電（ＯＦＦ）で素子表面温度６０℃となる１サイクルを１０秒毎に繰り返すようにして調整し、このパワーサイクルを１０万回繰り返した後で、熱抵抗上昇率が１０％未満とされているのである。
以下に、本実施形態であるパワーモジュールの製造方法について、図３のフロー図を用いて説明する。
まず、回路層１２となる銅板と絶縁基板１１とを接合する（回路層形成工程Ｓ０１）。ここで、絶縁基板１１と回路層１２となる銅板との接合は、いわゆる活性金属ろう付け法によって実施した。本実施形態では、Ａｇ−２７．４質量％Ｃｕ−２．０質量％Ｔｉからなる活性ろう材を用いた。
絶縁基板１１の一方の面に活性ろう材を介して回路層１２となる銅板を積層し、絶縁基板１１、銅板を積層方向に１ｋｇｆ／ｃｍ２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ２以下（９．８×１０４Ｐａ以上３４３×１０４Ｐａ以下）の範囲で加圧した状態で加熱炉内に装入して加熱し、回路層１２となる銅板と絶縁基板１１とを接合する。ここで、加熱温度は８５０℃、加熱時間は１０分とされている。
次に、絶縁基板１１の他方の面側に金属層１３となるアルミニウム板を接合する（金属層形成工程Ｓ０２）。絶縁基板１１とアルミニウム板とを、ろう材を介して積層し、ろう付けによって絶縁基板１１とアルミニウム板を接合する。このとき、ろう材としては、例えば、厚さ２０〜１１０μｍのＡｌ−Ｓｉ系ろう材箔を用いることができ、ろう付け温度は６００〜６２０℃とすることが好ましい。
これにより、パワーモジュール用基板１０が製造される。
次に、金属層１３の他方の面側に、ヒートシンク４１を接合する（ヒートシンク接合工程Ｓ０３）。金属層１３と、ヒートシンク４１の天板部４２とを、ろう材を介して積層し、ろう付けによって金属層１３とヒートシンク４１を接合する。このとき、ろう材としては、例えば、厚さ２０〜１１０μｍのＡｌ−Ｓｉ系ろう材箔を用いることができ、ろう付け温度は５９０℃〜６１０℃とすることが好ましい。
そして、回路層１２の上に、半導体素子３を接合する（半導体素子接合工程Ｓ０４）。本実施形態では、図４に示すように、回路層１２の表面に、厚さ０．２μｍ以下の薄いＮｉめっき膜３１を形成する。
次に、このＮｉめっき膜３１の上に、Ｓｎ−０．１〜４ｍａｓｓ％Ｃｕ−０．０１〜１ｍａｓｓ％Ｎｉのはんだ材３０を介して半導体素子３を積層する。
半導体素子３を積層した状態で、還元炉内に装入し、回路層１２と半導体素子３とをはんだ接合する。このとき、還元炉内は水素１〜１０ｖｏｌ％の還元雰囲気とされ、加熱温度が２８０〜３３０℃、保持時間が０．５〜２分とされている。また、室温までの冷却速度は、平均２〜３℃／ｓの範囲内に設定されている。
これにより、回路層１２と半導体素子３との間に、はんだ層２０が形成され、本実施形態であるパワーモジュール１が製出される。
このとき、回路層１２の表面に形成されたＮｉめっき膜３１中のＮｉは、はんだ材３０側へと拡散し、Ｎｉめっき膜３１は消失することになる。
また、回路層１２のＣｕが、はんだ材３０側へと拡散することにより、はんだ層２０の内部に、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｓｎを含む金属間化合物（本実施形態では（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５）からなる析出物粒子が分散される。また、はんだ層２０が、主成分としてＳｎを含有するとともに、Ｎｉを０．０１ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下、Ｃｕを０．１ｍａｓｓ％以上５．０ｍａｓｓ％以下、含有する組成となる。
以上のような構成とされた本実施形態であるパワーモジュール１においては、回路層１２と半導体素子３との間に形成されたはんだ層２０のうち回路層１２の表面上から厚さ３０μｍまでの領域Ａにおける平均結晶粒径が１０μｍ以下、好ましくは０．５μｍ以上１０μｍ以下の範囲内とされているので、回路層１２側からはんだ層２０内に亀裂が生じても、結晶粒界に沿って亀裂が進展しにくく、はんだ層２０の破壊を抑制することができる。
また、半導体素子接合工程Ｓ０４において、回路層１２のＣｕ，Ｎｉめっき膜３１のＮｉがはんだ材３０側へ拡散することにより、はんだ層２０が、主成分としてＳｎを含有するとともに、Ｎｉを０．０１ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下、Ｃｕを０．１ｍａｓｓ％以上５．０ｍａｓｓ％以下、含有する組成とされているので、はんだ層２０の内部に、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｓｎを含む金属間化合物（本実施形態では（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５）からなる析出物粒子が分散しており、はんだ層２０の結晶粒径の微細化を図ることができる。
また、本実施形態であるパワーモジュール１においては、パワーサイクル試験において、通電時間５秒、温度差８０℃のパワーサイクルを１０万回負荷したときの熱抵抗上昇率が１０％未満となるように構成されているので、パワーサイクル負荷時においても、早期にはんだ層２０の破壊することがなく、信頼性の向上を図ることができる。
さらに、本実施形態においては、回路層１２の表面に、厚さ０．２μｍ以下の薄いＮｉめっき膜３１を形成しているので、半導体素子３をはんだ接合した際に、Ｎｉめっき膜３１が残存することがなく、かつ、回路層１２のＣｕがはんだ材３０側へ拡散することが抑制されず、はんだ層２０の内部に、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５からなる析出物粒子を確実に分散させることができ、結晶粒径の微細化を図ることができる。
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態であるパワーモジュールについて、添付した図面を参照して説明する。なお、第１の実施形態と同じ部材には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
図５に、本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール１０１を示す。このパワーモジュール１０１は、絶縁基板（絶縁層）１１の一方の面に回路層１１２が形成されたパワーモジュール用基板１１０と、回路層１１２上（図５において上面）に搭載された半導体素子３と、を備えている。
パワーモジュール用基板１１０は、絶縁層を構成する絶縁基板１１と、この絶縁基板１１の一方の面（図５において上面）に配設された回路層１１２と、絶縁基板１１の他方の面（図５において下面）に配設された金属層１３とを備えている。
回路層１１２は、図５に示すように、絶縁基板１１の一方の面に形成されたアルミニウム層１１２Ａと、このアルミニウム層１１２Ａの一方の面側に積層された銅層１１２Ｂと、を備えている。
ここで、本実施形態では、アルミニウム層１１２Ａは、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウムの圧延板を接合することで形成されている。また、銅層１１２Ｂは、無酸素銅の圧延板からなる銅板がアルミニウム層１１２Ａの一方の面側に固相拡散接合されることにより形成されている。
この回路層１１２の一方の面（図５において上面）が、半導体素子３が接合される接合面とされている。ここで、回路層１１２の厚さは０．２５ｍｍ以上６．０ｍｍ以下の範囲内に設定されていることが好ましい。また、アルミニウム層１１２Ａ（アルミニウム板）の厚さは０．２ｍｍ以上３ｍｍ以下の範囲内に設定され、銅層１１２Ｂの厚さは５０μｍ以上３．０ｍｍ以下の範囲内に設定されていることが好ましい。
ここで、アルミニウム層１１２Ａと銅層１１２Ｂとの界面には、図６に示すように、拡散層１１５が形成されている。
拡散層１１５は、アルミニウム層１１２ＡのＡｌ原子と、銅層１１２ＢのＣｕ原子とが相互拡散することによって形成されるものである。この拡散層１１５においては、アルミニウム層１１２Ａから銅層１１２Ｂに向かうにしたがい、漸次アルミニウム原子の濃度が低くなり、かつ銅原子の濃度が高くなる濃度勾配を有している。
この拡散層１１５は、図６に示すように、ＡｌとＣｕからなる金属間化合物で構成されており、本実施形態では、複数の金属間化合物が接合界面に沿って積層した構造とされている。ここで、この拡散層１１５の厚さは、１μｍ以上８０μｍ以下の範囲内、好ましくは、５μｍ以上８０μｍ以下の範囲内に設定されている。
本実施形態では、図６に示すように、アルミニウム層１１２Ａ側から銅層１１２Ｂ側に向けて順に、アルミニウム層１１２Ａと銅層１１２Ｂとの接合界面に沿って、θ相１１６、η２相１１７が積層し、さらにζ２相１１８ａ、δ相１１８ｂ、及びγ２相１１８ｃのうち少なくとも一つの相が積層して構成されている（図７の状態図参照）。
また、本実施形態では、銅層１１２Ｂと拡散層１１５との界面に沿って、酸化物１１９がζ２相１１８ａ、δ相１１８ｂ、又はγ２相１１８ｃのうち少なくとも一つの相からなる層の内部に層状に分散している。なお、この酸化物１１９は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等のアルミニウム酸化物とされている。
そして、本実施形態であるパワーモジュール１０１においては、回路層１１２（銅層１１２Ｂ）と半導体素子３とが、はんだ接合されており、回路層１１２（銅層１１２Ｂ）と半導体素子３との間にはんだ層２０が形成されている。このはんだ層２０は、第１の実施形態と同様に、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉ系のはんだ材によって形成されており、本実施形態では、Ｓｎ−０．１〜４ｍａｓｓ％Ｃｕ−０．０１〜１ｍａｓｓ％Ｎｉのはんだ材が用いられている。
ここで、図８に示すように、回路層１１２（銅層１１２Ｂ）の表面には金属間化合物層２６が形成されており、この金属間化合物層２６の上に、はんだ層２０が積層配置されている。この金属間化合物層２６は、ＣｕとＳｎの金属間化合物（Ｃｕ３Ｓｎ）とされている。なお、金属間化合物層２６の厚さｔ２は、０．８μｍ以下とされている。
はんだ層２０は、主成分としてＳｎを含有するとともに、Ｎｉを０．０１ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下、Ｃｕを０．１ｍａｓｓ％以上５．０ｍａｓｓ％以下、含有する組成とされている。
そして、図８に示すように、はんだ層２０のうち回路層１１２（銅層１１２Ｂ）の表面上から厚さ３０μｍまでの領域Ａにおいては、ＥＢＳＤ測定によって測定される平均結晶粒径が１０μｍ以下、好ましくは０．５μｍ以上１０μｍ以下の範囲内とされている。
また、はんだ層２０の内部には、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｓｎを含む金属間化合物からなる析出物粒子が分散しており、特に、はんだ層２０のうち回路層１１２（銅層１１２Ｂ）の表面上から厚さ３０μｍまでの領域Ａに多く分散している。ここで、本実施形態では、析出物粒子は、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５からなる金属間化合物とされている。
そして、本実施形態であるパワーモジュール１０１においては、パワーサイクル試験において、通電時間５秒、温度差８０℃の条件のパワーサイクルを１０万回負荷したときの熱抵抗上昇率が１０％未満となるように構成されている。
詳述すると、半導体素子３としてＩＧＢＴ素子を回路層１１２（銅層１１２Ｂ）へはんだ付けするとともに、アルミニウム合金からなる接続配線をボンディングする。そして、ＩＧＢＴ素子への通電を、通電（ＯＮ）で素子表面温度１４０℃、非通電（ＯＦＦ）で素子表面温度６０℃となる１サイクルを１０秒毎に繰り返すようにして調整し、このパワーサイクルを１０万回繰り返した後で、熱抵抗上昇率が１０％未満とされているのである。
以下に、本実施形態であるパワーモジュール１０１の製造方法について、図９のフロー図を用いて説明する。
まず、絶縁基板１１の一方の面及び他方の面にアルミニウム板を接合し、アルミニウム層１１２Ａ及び金属層１３を形成する（アルミニウム層及び金属層形成工程Ｓ１０１）。
絶縁基板１１とアルミニウム板とを、ろう材を介して積層し、ろう付けによって絶縁基板１１とアルミニウム板を接合する。このとき、ろう材としては、例えば、厚さ２０〜１１０μｍのＡｌ−Ｓｉ系ろう材箔を用いることができ、ろう付け温度は６００〜６２０℃とすることが好ましい。
次に、アルミニウム層１１２Ａの一方の面に銅板を接合して銅層１１２Ｂを形成する（銅層形成工程Ｓ１０２）。
アルミニウム層１１２Ａの上に銅板を積層し、これらを積層方向に加圧（圧力３〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空加熱炉内に装入して加熱することにより、アルミニウム層１１２Ａと銅板とを固相拡散接合する。ここで、銅層形成工程Ｓ１０２において、加熱温度は４００℃以上５４８℃以下、加熱時間は１５分以上２７０分以下とされている。なお、アルミニウム層１１２Ａと銅板との固相拡散接合を行う場合には、加熱温度を、ＡｌとＣｕの共晶温度（５４８．８℃）より５℃低い温度から共晶温度未満の温度範囲とすることが好ましい。
この銅層形成工程Ｓ１０２により、絶縁基板１１の一方の面にアルミニウム層１１２Ａと銅層１１２Ｂとからなる回路層１１２が形成される。
そして、回路層１１２（銅層１１２Ｂ）の上に、半導体素子３を接合する（半導体素子接合工程Ｓ１０３）。本実施形態では、回路層１１２（銅層１１２Ｂ）の表面に、厚さ０．２μｍ以下の薄いＮｉめっき膜を形成する。
次に、このＮｉめっき膜の上に、Ｓｎ−０．１〜４ｍａｓｓ％Ｃｕ−０．０１〜１ｍａｓｓ％Ｎｉのはんだ材を介して半導体素子３を積層する。
半導体素子３を積層した状態で、還元炉内に装入し、回路層１１２（銅層１１２Ｂ）と半導体素子３とをはんだ接合する。このとき、還元炉内は水素１〜１０ｖｏｌ％の還元雰囲気とされ、加熱温度が２８０〜３３０℃、保持時間が０．５〜２分とされている。また、室温までの冷却速度は、平均２〜３℃／ｓの範囲内に設定されている。
これにより、回路層１１２（銅層１１２Ｂ）と半導体素子３との間に、はんだ層２０が形成され、本実施形態であるパワーモジュール１０１が製出される。
このとき、回路層１１２（銅層１１２Ｂ）の表面に形成されたＮｉめっき膜中のＮｉは、はんだ材側へと拡散し、Ｎｉめっき膜は消失することになる。
また、銅層１１２ＢのＣｕが、はんだ材側へと拡散することにより、はんだ層２０の内部に、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｓｎを含む金属間化合物（本実施形態では（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５）からなる析出物粒子が分散される。また、はんだ層２０が、主成分としてＳｎを含有するとともに、Ｎｉを０．０１ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下、Ｃｕを０．１ｍａｓｓ％以上５．０ｍａｓｓ％以下、含有する組成となる。
以上のような構成とされた本実施形態であるパワーモジュール１０１においては、第１の実施形態と同様の作用効果を奏することが可能となる。
また、本実施形態では、回路層１１２が銅層１１２Ｂを有しているので、半導体素子３から発生する熱を銅層１１２Ｂで面方向に拡げることができ、パワーモジュール用基板１１０側へ効率的に熱を伝達することができる。
さらに、絶縁基板１１の一方の面に、比較的変形抵抗の小さいアルミニウム層１１２Ａが形成されているので、ヒートサイクル負荷時に発生する熱応力をこのアルミニウム層１１２Ａによって吸収することができ、絶縁基板１１の割れを抑制することができる。
また、回路層１１２の一方の面側に比較的変形抵抗の大きい銅又は銅合金からなる銅層１１２Ｂが形成されているので、パワーサイクル負荷時に、回路層１１２の変形を抑制することができ、パワーサイクルに対する高い信頼性を得ることが可能となる。
また、本実施形態においては、アルミニウム層１１２Ａと銅層１１２Ｂとが固相拡散接合されており、この固相拡散接合時の温度が４００℃以上とされているので、Ａｌ原子とＣｕ原子との拡散が促進され、短時間で十分に固相拡散させることができる。また、固相拡散接合する際の温度が５４８℃以下とされているので、ＡｌとＣｕとの液相が生じることがなく、アルミニウム層１１２Ａと銅層１１２Ｂとの接合界面にコブが生じたり、厚みが変動したりすることを抑制できる。
さらに、上述の固相拡散接合の加熱温度を、ＡｌとＣｕの共晶温度（５４８．８℃）より５℃低い温度から共晶温度未満の範囲とした場合には、ＡｌとＣｕの化合物が必要以上に形成されることを抑制できるとともに、固相拡散接合の際の拡散速度が確保され、比較的短時間で固相拡散接合することができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施形態では、金属層を、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上の４Ｎアルミニウムで構成したものとして説明したが、これに限定されることはなく、他のアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されていてもよいし、銅又は銅合金で構成されていてもよい。
また、本実施形態では、回路層となる金属板として無酸素銅の圧延板を例にあげて説明したが、これに限定されることはなく、その他の銅又は銅合金で構成されていてもよい。
さらに、絶縁層としてＡｌＮからなる絶縁基板を用いたものとして説明したが、これに限定されることはなく、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４等からなる絶縁基板を用いても良い。
また、絶縁基板と回路層となる銅板を、活性金属ろう付け法によって接合するものとして説明したが、これに限定されることはなく、ＤＢＣ法、鋳造法等によって接合したものであってもよい。
さらに、絶縁基板と金属層となるアルミニウム板を、ろう付けによって接合するものとして説明したが、これに限定されることはなく、過渡液相接合法（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｂｏｎｄｉｎｇ）、金属ペースト法、鋳造法等を適用してもよい。
また、はんだ材の組成は、本実施形態に限定されることはなく、はんだ接合後に形成されるはんだ層の組成が、主成分としてＳｎを含有するとともに、Ｎｉを０．０１ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下、Ｃｕを０．１ｍａｓｓ％以上５．０ｍａｓｓ％以下、含有するものであればよい。
また、第２の実施形態において、アルミニウム層の一方の面に銅板を固相拡散接合することにより、回路層の接合面に銅層を形成したもので説明したが、これに限定されることはなく、銅層の形成方法に制限はない。
例えば、アルミニウム層の一方の面にめっき法により銅層を形成してもよい。なお、厚さ５μｍから５０μｍ程度の銅層を形成する場合にはめっき法を適用することが好ましい。厚さが５０μｍから３ｍｍ程度の銅層を形成する場合には固相拡散接合を適用することが好ましい。
以下に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験の結果について説明する。
前述の第１の実施形態に記載されたパワーモジュールを準備した。絶縁基板は、ＡｌＮで構成され、２７ｍｍ×１７ｍｍ、厚さ０．６ｍｍのものを使用した。また、回路層は、無酸素銅で構成され、２５ｍｍ×１５ｍｍ、厚さ０．３ｍｍのものを使用した。金属層は、４Ｎアルミニウムで構成され、２５ｍｍ×１５ｍｍ、厚さ０．６ｍｍのものを使用した。半導体素子は、ＩＧＢＴ素子とし、１３ｍｍ×１０ｍｍ、厚さ０．２５ｍｍのものを使用した。ヒートシンクとしては、４０．０ｍｍ×４０．０ｍｍ×２．５ｍｍのアルミニウム板（Ａ６０６３）を使用した。
ここで、回路層の表面に形成するＮｉめっき膜の厚さを調整するとともに、はんだ材の組成を表１に示すように変更することにより、はんだ接合後のはんだ層の組成、平均結晶粒径、等を調整し、本発明例１〜８及び比較例１〜５となる種々のパワーモジュールを作製した。
なお、はんだ接合条件は、水素３ｖｏｌ％還元雰囲気、加熱温度（加熱対象物温度）及び保持時間を表１の条件とし、室温までの平均冷却速度を２．５℃／ｓとした。
（結晶粒径）
上述のようにして得られたパワーモジュールにおいて、回路層とＩＧＢＴ素子との間に形成されたはんだ層のうち回路層の表面上から厚さ３０μｍまでの領域における平均結晶粒径を、ＥＢＳＤ測定によって測定した。
ＥＢＳＤ測定は、ＥＢＳＤ測定装置（ＦＥＩ社製Ｑｕａｎｔａ ＦＥＧ ４５０，ＥＤＡＸ／ＴＳＬ社製ＯＩＭ Ｄａｔａ Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ）と、解析ソフト（ＥＤＡＸ／ＴＳＬ社製ＯＩＭ Ｄａｔａ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｖｅｒ．５．３）によって、電子線の加速電圧：２０ｋＶ、測定ステップ：０．６μｍ、測定範囲：３００μｍ×５０μｍ、解析範囲：３００μｍ×３０μｍ、で実施した。
（はんだ層の組成）
ＥＰＭＡ分析により、はんだ層の成分分析を行った。ＥＰＭＡ分析装置（日本電子株式会社製ＪＸＡ−８５３０Ｆ）を用いて、加速電圧：１５ｋＶ、スポット径：１μｍ以下、倍率：２５０倍で、はんだ層の平均組成を分析した。
（パワーサイクル試験）
ＩＧＢＴ素子への通電を、通電（ＯＮ）で素子表面温度１４０℃、非通電（ＯＦＦ）で素子表面温度６０℃となる１サイクルを１０秒毎に繰り返すようにして調整し、このパワーサイクルを１０万回繰り返した。そして、初期状態からの熱抵抗の上昇率を評価した。なお、本発明例１〜８においては、すべて、パワーサイクルを１０万回繰り返したときの熱抵抗上昇率が１０％未満とされている。
（パワーサイクル寿命）
ＩＧＢＴ素子への通電を、通電（ＯＮ）で素子表面温度１４０℃、非通電（ＯＦＦ）で素子表面温度６０℃となる１サイクルを１０秒毎に繰り返すようにして調整し、このパワーサイクルを繰り返した。そして、初期状態からの熱抵抗の上昇率が１０％以上となったサイクル回数（パワーサイクル寿命）を評価した。
（熱抵抗測定）
熱抵抗として、過渡熱抵抗を熱抵抗テスター（ＴＥＳＥＣ社製４３２４−ＫＴ）を用いて測定した。印加電力：１００Ｗ、印加時間：１００ｍｓとし、電力印加前後のゲート−エミッタ間の電圧差を測定することにより、熱抵抗を求めた。測定は上述したパワーサイクル試験時において、１万サイクル毎に実施した。
はんだ層の結晶粒径が１０μｍ以上と粗大となった比較例１、比較例３及び比較例５においては、パワーサイクル寿命が７００００〜８００００回と短かった。パワーサイクルを１０万回繰り返した後の比較例１のはんだ層の断面を観察した結果、図１０に示すように、はんだ層の破壊が認められた。
また、はんだ層の組成が本発明の範囲から外れた比較例２、４においても、パワーサイクル寿命が８００００〜９００００回と短かった。これは、Ｎｉ又はＣｕが多いため、はんだ層内に介在物が生成し、介在物を起点にはんだ層が破壊されたためと推測される。
これに対して、本発明例１〜８においては、いずれも、パワーサイクル寿命が１１００００回以上となっており、はんだ層の破壊が抑制されていることが確認される。パワーサイクルを１０万回繰り返した後の本発明例１のはんだ層の断面を観察した結果、図１１に示すように、結晶粒界に沿った亀裂の進展が抑制されていることが確認される。
以上のように、本発明例によれば、パワーサイクル特性に優れたパワーモジュールが得られることが確認された。
次に、第２の実施形態に記載されたように、回路層をアルミ層と銅層とで構成したパワーモジュールを準備した。
絶縁基板は、ＡｌＮで構成され、２７ｍｍ×１７ｍｍ、厚さ０．６ｍｍのものを使用した。金属層は、４Ｎアルミニウムで構成され、２５ｍｍ×１５ｍｍ、厚さ０．６ｍｍのものを使用した。半導体素子は、ＩＧＢＴ素子とし、１３ｍｍ×１０ｍｍ、厚さ０．２５ｍｍのものを使用した。ヒートシンクとしては、４０．０ｍｍ×４０．０ｍｍ×２．５ｍｍのアルミニウム板（Ａ６０６３）を使用した。
回路層のうちアルミニウム層は、４Ｎアルミニウムで構成され、２５ｍｍ×１５ｍｍ、厚さ０．６ｍｍのものを使用した。そして、銅層は、表２に示すように、めっき、固相拡散接合によって形成した。
めっきの場合、アルミニウム層の表面にジンケート処理を施した後、電解めっきにて表２に示す厚さの銅層を形成した。
固相拡散接合の場合、表２に示す厚さの銅板を準備し、第２の実施形態で例示した条件でアルミニウム層の表面に銅板を固相拡散接合した。
以上のようにして、本発明例１１〜１６となる種々のパワーモジュールを作製した。
なお、はんだ接合条件は、水素３ｖｏｌ％還元雰囲気、加熱温度（加熱対象物温度）及び保持時間を表２の条件とし、室温までの平均冷却速度を２．５℃／ｓとした。
そして、実施例１と同様の方法により、はんだ層の組成、結晶粒径、パワーサイクル寿命を評価した。評価結果を表２に示す。
表２に示すように、本発明例１１〜１６においては、いずれも、パワーサイクル寿命が１１００００回以上となっており、はんだ層の破壊が抑制されていることが確認される。アルミニウム層の上に各種厚さの銅層を形成して回路層を構成した場合であっても、実施例１と同様に、パワーサイクル特性を向上できることが確認された。
また、銅層の厚さが５μｍ以上であれば、銅層中のＣｕがすべてはんだ側に拡散してしまうことがなく、銅層が残存することが確認された。さらに、銅層の厚さが３ｍｍ以下であれば、パワーサイクル寿命が１０万回以上となることが確認された。
１ パワーモジュール
３ 半導体素子
１０ パワーモジュール用基板
１１ 絶縁基板（絶縁層）
１２ 回路層（銅層）
１３ 金属層
２０ はんだ層
２６ 金属間化合物層
３０ はんだ材
３１ Ｎｉめっき膜
１０１ パワーモジュール
１１２ 回路層
１１２Ａ アルミニウム層
１１２Ｂ 銅層

Claims (2)

  1. 絶縁層の一方の面に回路層が配設されたパワーモジュール用基板と、前記回路層の一方の面に接合された半導体素子と、を備えたパワーモジュールであって、
    前記回路層のうち前記半導体素子との接合面には、銅又は銅合金からなる銅層が設けられており、
    前記回路層と前記半導体素子との間には、はんだ材を用いて形成されたはんだ層が形成されており、
    前記はんだ層のうち前記回路層の表面上から厚さ３０μｍまでの領域においては、ＥＢＳＤ測定によって測定される平均結晶粒径が０．１μｍ以上１０μｍ以下の範囲内とされており、
    前記はんだ層は、主成分としてＳｎを含有するとともに、Ｎｉを０．０１ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下、Ｃｕを０．１ｍａｓｓ％以上５．０ｍａｓｓ％以下、含有する組成とされており、
    パワーサイクル試験において、通電時間５秒、温度差８０℃の条件のパワーサイクルを１０万回負荷したときの熱抵抗上昇率が１０％未満であることを特徴とするパワーモジュール。
  2. 前記はんだ層には、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５からなる析出物粒子が分散されていることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。
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