JP2014209608A - 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、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】絶縁層の一方の面に回路層１２が配設されたパワーモジュール用基板と、回路層１２上に接合された半導体素子３と、を備えたパワーモジュールであって、回路層１２のうち半導体素子３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、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が設けられており、はんだ層２０のうち回路層１２との界面には、主成分としてＳｎを含有するとともに、Ｎｉを０．５ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下、Ｃｕを３０ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下、含有する合金層２１が形成されており、前記界面における合金層２１の被覆率が８５％以上とされている。【選択図】図２

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
ところで、特許文献３に記載された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、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る。
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を目的とする。
本発明者らが鋭意検討した結果、銅又は銅合金からなる回路層の表面に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た場合、回路層とはんだ層との界面にクラックが発生すると、このクラックがはんだ層内部へと進展し、早期にはんだ層が破壊されることが確認された。また、はんだ層と回路層との界面において、Ｎｉ、Ｃｕを含む合金層が形成された領域では、上述のクラックの発生が抑制されていることが判明した。
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、前記回路層上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設けられており、前記はんだ層のうち前記回路層との界面には、主成分としてＳｎを含有するとともに、Ｎｉを０．５ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下、Ｃｕを３０ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下、含有する合金層が形成されており、前記界面における前記合金層の被覆率が８５％以上とされてい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（銅層）との界面に、主成分としてＳｎを含有するとともに、Ｎｉを０．５ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下、Ｃｕを３０ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下、含有する合金層が形成されており、前記界面における前記合金層の被覆率が８５％以上とされているので、回路層（銅層）とはんだ層との界面においてクラックが発生することを抑制でき、信頼性の高いパワーモジュールを得ることができる。すなわち、はんだ層と回路層（銅層）との界面の８５％以上が前記合金層で被覆されることにより、はんだ層の破壊となるクラックの発生を十分に抑制することが可能となるのである。なお、上述の作用効果を確実に奏功せしめるためには、前記界面における前記合金層の被覆率は９０％以上とすることが好ましい。
ここで、合金層におけるＮｉの含有量が０．５ｍａｓｓ％未満の場合、合金層が熱的に不安定となり、はんだ層の破壊の起点となるおそれがある。一方、合金層におけるＮｉの含有量が１０ｍａｓｓ％を超えた場合、Ｎｉ３Ｓｎ４等の熱的に不安定な金属間化合物が生成し、はんだ層の破壊の起点となるおそれがある。
また、合金層におけるＣｕの含有量が３０ｍａｓｓ％未満の場合、合金層が十分に形成されず、熱的に不安定となり、はんだ層の破壊の起点となるおそれがある。一方、合金層におけるＣｕの含有量が４０ｍａｓｓ％を超えた場合、合金層自体がはんだ層の破壊の起点となるおそれがある。
以上のことから、合金層におけるＮｉの含有量を０．５ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下、Ｃｕの含有量を３０ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下に規定している。
また、本発明のパワーモジュールにおいては、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％未満とされていることが好ましい。
この場合、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。
さらに、本発明のパワーモジュールにおいては、被覆された箇所における前記合金層の厚さが２μｍ以上２０μｍ以下の範囲内とされていることが好ましい。
被覆された箇所における前記合金層の厚さが２μｍ以上とされているので、はんだ層と回路層（銅層）との界面が十分に強化されることになり、界面におけるクラックの発生を確実に抑制することができる。一方、前記合金層の厚さが２０μｍ以下とされているので、合金層における割れの発生を抑制できる。よって、はんだ層の破壊を確実に抑制でき、信頼性に優れたパワーモジュールを得ることができる。
また、本発明のパワーモジュールにおいては、前記合金層は、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５からなる金属間化合物を有していることが好ましい。
この場合、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５からなる金属間化合物を有することにより、はんだ層と回路層（銅層）との界面を十分に強化させることが可能となり、界面におけるクラックの発生を確実に抑制することができ、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（銅層）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。 パワーモジュールにおけるはんだ層のＳＥＭ観察結果およびＥＰＭＡ元素マッピング結果である。
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が配設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。ここで、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。また、金属間化合物層２６の厚さｔ２は、０．８μｍ以下とされている。
そして、はんだ層２０のうち回路層１２との界面には、主成分としてＳｎを含有するとともに、Ｎｉを０．５ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下、Ｃｕを３０ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下、含有する組成からなる合金層２１が形成されており、この合金層２１の厚さｔ３が２μｍ以上２０μｍ以下の範囲内とされている。
ここで、本実施形態では、合金層２１は（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５からなる金属間化合物を有している。
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とはんだ層２０との界面における合金層２１の被覆率が８５％以上とされている。なお、本実施形態では、図２に示すように、合金層２１が形成されていない領域においては金属間化合物層２６も形成されていない。
ここで、界面における合金層２１の被覆率は、図２に示すように、回路層１２およびはんだ層２０の断面観察を行った際の、観察された界面全体の長さＬに対する合金層２１で被覆された界面長さＬＣ（＝ＬＣ１＋ＬＣ２）の割合ＬＣ／Ｌとなる。
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における熱抵抗上昇率が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及び図４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）。この半導体素子接合工程Ｓ０４においては、図３に示すように、回路層表面洗浄工程Ｓ４１、Ｎｉめっき膜形成工程Ｓ４２、積層工程Ｓ４３、はんだ接合工程Ｓ４４を有している。
回路層表面洗浄工程Ｓ４１においては、まず、回路層１２の表面をアルカリ洗浄する。アルカリ洗浄の洗浄液としては、例えば５質量％水酸化ナトリウム水溶液等を使用することができる。その後、純水で水洗後、酸洗浄を行う。酸洗浄の洗浄液としては過酸化水素水と硫酸の混合液等を使用することができる。その後、純水で水洗する。
次に、図４に示すように、回路層１２の表面に、厚さ０〜０．２μｍ程度の薄いＮｉめっき膜３１を形成する（Ｎｉめっき膜形成工程Ｓ４２）。
そして、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（積層工程Ｓ４３）。
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（はんだ接合工程Ｓ４４）。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のうち回路層１２との界面に、合金層２１が形成される。また、合金層２１が、主成分としてＳｎを含有するとともに、Ｎｉを０．５ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下、Ｃｕを３０ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下、含有する組成となる。
そして、回路層１２とはんだ層２０との界面における合金層２１の被覆率が８５％以上となる。
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、はんだ層２０のうち回路層１２との界面に、主成分としてＳｎを含有するとともに、Ｎｉを０．５ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下、Ｃｕを３０ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下、含有する合金層２１が形成されており、この界面における合金層２１の被覆率が８５％以上とされているので、回路層１２とはんだ層２０との界面においてクラックが発生することを抑制でき、信頼性の高いパワーモジュール１を得ることができる。
また、合金層２１が、Ｎｉを０．５ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下の範囲内で含有しているので、合金層２１が熱的に安定な金属間化合物で構成されることになり、はんだ層が破壊されることを確実に抑制することが可能となる。
さらに、合金層２１が、Ｃｕを３０ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下の範囲内で含有しているので、界面における合金層２１の被覆率を８５％以上とすることができるとともに、合金層２１自体が破壊の起点となることを抑制できる。
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を、通電時間５秒、温度差８０℃の条件で実施した場合において、熱抵抗上昇率が１０％を越えるまでのサイクル回数が１０万回以上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、はんだ層２０を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、本実施形態であるパワーモジュール１においては、被覆された箇所における合金層２１の厚さが２μｍ以上２０μｍ以下の範囲内とされているので、はんだ層２０と回路層１２との界面が十分に強化されることになり、界面におけるクラックの発生を確実に抑制することができるとともに、合金層２１の内部において割れが発生することを抑制できる。よって、はんだ層２０の破壊を確実に抑制でき、信頼性に優れたパワーモジュール１を得ることができる。
また、本実施形態であるパワーモジュール１においては、合金層２１が（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５からなる金属間化合物を有しており、この合金層２１と回路層１２との間に、Ｃｕ３Ｓｎからなる金属間化合物層２６が形成されているので、はんだ層２０と回路層１２との界面を十分に強化させることが可能となり、界面におけるクラックの発生を確実に抑制することができ、パワーサイクル負荷時のはんだ層２０の破壊を確実に抑制することが可能となる。
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のうち回路層１２との界面に合金層２１を形成することができ、はんだ層２０と回路層１２との界面における合金層２１の被覆率を確実に８５％以上とすることが可能となる。
（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。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、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のうち回路層１１２（銅層１１２Ｂ）との界面には、主成分としてＳｎを含有するとともに、Ｎｉを０．５ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下、Ｃｕを３０ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下、含有する組成からなる合金層２１が形成されており、この合金層２１の厚さｔ３が２μｍ以上２０μｍ以下の範囲内とされている。
ここで、本実施形態では、合金層２１は（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５からなる金属間化合物を有している。
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１１２（銅層１１２Ｂ）とはんだ層２０との界面における合金層２１の被覆率が８５％以上とされている。なお、本実施形態では、図８に示すように、合金層２１が形成されていない領域においては金属間化合物層２６も形成されていない。
ここで、界面における合金層２１の被覆率は、図８に示すように、回路層１１２（銅層１１２Ｂ）およびはんだ層２０の断面観察を行った際の、観察された界面全体の長さＬに対する合金層２１で被覆された界面長さＬＣ（＝ＬＣ１＋ＬＣ２）の割合ＬＣ／Ｌとなる。
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。
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Ｓ１０４）。この半導体素子接合工程Ｓ１０４においては、図９に示すように、回路層表面洗浄工程Ｓ１４１、Ｎｉめっき膜形成工程Ｓ１４２、積層工程Ｓ１４３、はんだ接合工程Ｓ１４４を有している。
回路層表面洗浄工程Ｓ１４１においては、まず、回路層１１２（銅層１１２Ｂ）の表面をアルカリ洗浄する。アルカリ洗浄の洗浄液としては、例えば５質量％水酸化ナトリウム水溶液等を使用することができる。その後、純水で水洗後、酸洗浄を行う。酸洗浄の洗浄液としては過酸化水素水と硫酸の混合液等を使用することができる。その後、純水で水洗する。
次に、回路層１１２（銅層１１２Ｂ）の表面に、厚さ０〜０．２μｍ程度の薄いＮｉめっき膜を形成する（Ｎｉめっき膜形成工程Ｓ１４２）。
そして、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（積層工程Ｓ１４３）。
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（はんだ接合工程Ｓ１４４）。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、回路層１１２（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のうち回路層１１２（銅層１１２Ｂ）との界面に、合金層２１が形成される。さらに、合金層２１が、主成分としてＳｎを含有するとともに、Ｎｉを０．５ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下、Ｃｕを３０ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下、含有する組成となる。
そして、回路層１１２（銅層１１２Ｂ）とはんだ層２０との界面における合金層２１の被覆率が８５％以上となる。
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、回路層のうち半導体素子との接合面が銅又は銅合金で構成されていればよい。
また、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合金層の組成が、主成分としてＳｎを含有するとともに、Ｎｉを０．５ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下、Ｃｕを３０ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下、含有するものであればよい。
さらに、図１に示すヒートシンクを配設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、ヒートシンクを配設していなくてもよいし、図１に示す構造以外のヒートシンク（例えば、放熱板、放熱フィン付放熱板等）であってもよい。
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、本発明例１〜７及び比較例２〜５においては、回路層の表面を以下のように洗浄した。まず、回路層の表面をアルカリ洗浄した。なお、アルカリ洗浄液として５質量％水酸化ナトリウム水溶液を用いた。純水で水洗した後、回路層の表面を酸洗浄した。なお、酸洗浄液として、３５質量％の過酸化水素水と、９８質量％の硫酸と、エッチング液の安定化剤として上村工業株式会社製「アディティブＭＧＥ−９」を体積比で５：３：３となるよう混合した洗浄液を使用した。その後、純水で水洗した。
なお、比較例１においては、回路層の洗浄を実施しなかった。
そして、本発明例７においては、回路層の表面に、Ｎｉめっき膜を形成し、はんだ材を用いて半導体素子を接合した。このとき、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、はんだ接合後の合金層の組成、合金層の厚さ等を調整し、本発明例１〜７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。本発明例１〜６及び比較例１〜５については回路層の表面にＮｉめっき膜を設けなかった。
なお、はんだ接合条件は、はんだ付け温度、はんだ付け保持時間については表１記載の条件とし、水素３ｖｏｌ％還元雰囲気、室温までの平均冷却速度を２．５℃／ｓとした。
（被覆率）
上述のようにして得られたパワーモジュールにおいて、はんだ層のうち回路層との界面に形成された合金層の被覆率を測定した。半導体素子と回路層の断面を、走査型電子顕微鏡（ＦＥＩ製ＱＵＡＮＴＡ ＦＥＧ４５０）を用いて観察し、観察された界面全体の長さＬに対する合金層によって被覆された界面長さＬＣの割合（ＬＣ／Ｌ）を算出した。本実施例では、１５０μｍ×１００μｍの視野で視野数１０視野の断面観察を行い、各視野で算出された観察された界面全体の長さＬに対する合金層によって被覆された界面長さＬＣの割合（ＬＣ／Ｌ）の平均値を合金層の被覆率とした。
また、上述の断面観察において、図１０に示すように、Ｎｉ、Ｃｕの元素マッピングを行い、これらの元素が重複して存在している部分を合金層とした。
（合金層の組成）
また、はんだ層のうち回路層との界面に形成された合金層の成分分析を、ＥＰＭＡ分析によって実施した。本実施例では、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、合金層の平均組成を分析した。
（合金層厚さ）
さらに、はんだ層のうち回路層との界面に形成された合金層の厚さを測定した。上述のＥＰＭＡ装置を用いてＥＰＭＡマッピングを得て、回路層との界面に連続的に形成された（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５からなる金属間化合物を有する合金層の面積を測定し、マッピング幅の寸法で除して求めた。なお、回路層との界面に形成された合金層のうち、回路層との界面から厚さ方向に連続的に形成されていない領域を含めずに、合金層の面積を測定した。また、Ｃｕ３Ｓｎからなる金属間化合物層は、合金層に比べて極めて薄いことから、回路層表面からの厚さを、合金層の厚さとして測定した。
（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１〜７においては、すべて、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。
回路層の表面を洗浄しなかった比較例１においては、合金層の被覆率が８５％未満であって、パワーサイクル寿命が７００００回と短かった。はんだ層と回路層の界面でクラックが発生し、このクラックを起点としてはんだ破壊が早期に発生したためと推測される。
また、Ｎｉの含有量が本発明の範囲から外れた比較例２、３においては、パワーサイクル寿命が７００００回及び８００００回と短かった。これは、合金層が熱的に不安定となったためと推測される。
さらに、Ｃｕの含有量が３０ｍａｓｓ％未満とされた比較例４においては、パワーサイクル寿命が８００００回と短かった。これは、合金層において、Ｃｕが不足しているため、合金層が熱的に不安定となり、クラックが発生したものと推測される。
また、Ｃｕの含有量が４０ｍａｓｓ％を超えた比較例５においては、パワーサイクル寿命が８００００回と短かった。これは、合金層が厚くなりクラックが発生したためと推測される。
これに対して、本発明例１〜７においては、合金層の組成が本発明の範囲内とされるとともに合金層の被覆率が８５％以上とされており、パワーサイクル寿命が１１００００回以上となっている。合金層によって回路層とはんだ層との界面におけるクラックが抑制されており、このクラックを起点としたはんだ層の破壊が抑制されたためと推測される。
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。
次に、回路層（銅層）の表面を実施例１と同様の方法で洗浄した。
そして、回路層（銅層）の表面にＩＧＢＴ素子をはんだ接合した。はんだ接合条件は、はんだ付け温度、はんだ付け保持時間については表２記載の条件とし、水素３ｖｏｌ％還元雰囲気、室温までの平均冷却速度を２．５℃／ｓとした。はんだ材として、Ｎｉを０．０８ｍａｓｓ％、Ｃｕを１．０ｍａｓｓ％、残部がＳｎ及び不可避不純物からなる組成のものを用いた。
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。
そして、実施例１と同様の方法により、合金層の組成、被覆率、合金層厚さ、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
１３ 金属層
２０ はんだ層
２１ 合金層
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 (4)

  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、前記回路層上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設けられており、
    前記はんだ層のうち前記回路層との界面には、主成分としてＳｎを含有するとともに、Ｎｉを０．５ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下、Ｃｕを３０ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下、含有する合金層が形成されており、
    前記界面における前記合金層の被覆率が８５％以上とされていることを特徴とするパワーモジュール。
  2. 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請求項１に記載のパワーモジュール。
  3. 被覆された箇所における前記合金層の厚さが２μｍ以上２０μｍ以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のパワーモジュール。
  4. 前記合金層は、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５からなる金属間化合物を有していることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のパワーモジュール。
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