JP4822526B2 - Zygote - Google Patents
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Description
本発明は、接合体に関し、詳細には、Biを主成分とするハンダ材料により接合してなる接合体に関する。 The present invention relates to a joined body, and more particularly, to a joined body formed by joining with a solder material containing Bi as a main component.
Biを主成分とする材料をハンダ材料として用いると、Bi単体の融点が270℃であるため、耐熱性に優れた接合体となる。特に、接合体がGaN等半導体素子を搭載した次世代のパワー半導体モジュールの場合、パワー半導体素子から発生する大量の熱に耐えることができるよう、200℃以上の耐熱性が要求されるので、パワー半導体モジュールの各部材を接合するハンダ材料に、Biを主成分とする材料を用いることは、耐熱性の面から極めて好適である。 When a material containing Bi as a main component is used as a solder material, the melting point of Bi alone is 270 ° C., so that a joined body having excellent heat resistance is obtained. In particular, in the case of a next-generation power semiconductor module in which the joined body is mounted with a semiconductor element such as GaN, heat resistance of 200 ° C. or higher is required so that it can withstand a large amount of heat generated from the power semiconductor element. The use of a material mainly composed of Bi as the solder material for joining the respective members of the semiconductor module is very suitable from the viewpoint of heat resistance.
パワー半導体モジュールでは、半導体素子と絶縁体との間、及び絶縁体と放熱板との間の2箇所でハンダにより接合することが一般的である。これまではパワー半導体モジュールの2箇所のハンダ接合では、作業性や溶融温度の観点から、Pb系ハンダ材料やSn系ハンダ材料が用いられていた(例えば、非特許文献1参照。)。
しかし、Pbは毒性を有するために使用廃止の方向にあり、Pbフリーのハンダ材料の開発が望まれている。これまでに検討されている半導体モジュール用Pbフリーのハンダ材料の融点は220℃前後であり、従来のPb−Snハンダ材料の融点300℃前後に比べると低くなっており、半導体モジュールを接合するにあっては、特に高融点ハンダ材料の開発が望まれている。
In a power semiconductor module, it is common to join with solder at two places between a semiconductor element and an insulator and between an insulator and a heat sink. Up to now, in the solder bonding at two locations of the power semiconductor module, Pb-based solder material and Sn-based solder material have been used from the viewpoint of workability and melting temperature (for example, see Non-Patent Document 1).
However, since Pb has toxicity, it is in the direction of abolition of use, and development of a Pb-free solder material is desired. The melting point of the Pb-free solder material for semiconductor modules studied so far is around 220 ° C., which is lower than the melting point of the conventional Pb—Sn solder material around 300 ° C. In particular, development of a high melting point solder material is desired.
上述のように、Biを主成分とする材料をハンダ材料は耐熱性には優れるものの、従来から用いられているPb系やSn系のハンダ材料と比較すると、被接合面への濡れ性が低く、部材間の接合が均一となりにくいという問題があった。そのため、Biを主成分とするハンダ材料によって接合する際には、加熱とともに、いわゆるスクラブと呼ばれる外圧・摺動を加えることで、均一に接合するという方法が採用されていた。
また、パワー半導体モジュールの接合では、大きな面積で接合する必要があるが、Biは脆性が高く、常温における圧延が困難な材料であるために、箔状のハンダ材料を作製することが困難である。したがって、パワー半導体モジュールの接合では、従来のハンダ材料以上に高い濡れ性が要求される。
As described above, although the material containing Bi as the main component is excellent in heat resistance, the wettability to the bonded surface is low as compared with the conventionally used Pb-based and Sn-based solder materials. There is a problem that the joining between members is difficult to be uniform. Therefore, when joining with a solder material containing Bi as a main component, a method of uniformly joining by applying external pressure and sliding called so-called scrub as well as heating has been adopted.
In addition, power semiconductor modules need to be joined in a large area, but Bi is highly brittle and difficult to roll at room temperature, so it is difficult to produce a foil-like solder material. . Therefore, in joining of power semiconductor modules, higher wettability is required than in conventional solder materials.
このような状況の下、Biを主成分とするハンダ材料の濡れ性を向上させるため、ハンダ材料へSnやInを添加する試みが行われている(例えば、非特許文献2参照。)。
しかしながら、Biを主成分とするハンダ材料にSnやInを添加する上記方法では、有機物であるフラックスの併用が前提となっている。これを例えばHVインバータ用パワー半導体素子のように素子の端部に高電界がかかるような接合体に適用する場合には、フラックス残渣のような有機物の存在によって、耐圧不良やリーク電流などの支障が生じることがあり、また濡れ性の改善についても更なる改良が望まれている状況にあった。 However, the above method of adding Sn or In to a solder material containing Bi as a main component is premised on the combined use of an organic flux. When this is applied to a joined body in which a high electric field is applied to the end portion of the element, such as a power semiconductor element for an HV inverter, for example, the presence of an organic substance such as a flux residue causes a problem such as a breakdown voltage failure or a leakage current. In addition, there was a situation where further improvement was desired for improvement of wettability.
そこで、本発明の課題は、Biを主成分とするハンダ材料を用いたときの被接合面の濡れ性の向上によって、被接合部材が均一に接合された接合体を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide a bonded body in which bonded members are uniformly bonded by improving the wettability of the bonded surfaces when a solder material containing Bi as a main component is used.
請求項1に記載の発明は、2つの部品のそれぞれの被接合面にCu層を備え、前記Cu層の表面にPd及びNiの少なくとも一方を含む薄膜が形成された後に、前記2つの部品の間を、Biを80質量%〜100質量%含有するハンダ材料により接合してなり、前記Pd及びNiの少なくとも一方を含む薄膜は、Biを80質量%〜100質量%含有するハンダ材料が接する部分において接合後には消失している接合体である。 According to the first aspect of the present invention, a Cu layer is provided on each bonded surface of two parts, and after a thin film containing at least one of Pd and Ni is formed on the surface of the Cu layer, the two parts between, Ri Na joined by the solder material containing 80 wt% to 100 wt% of Bi, a thin film containing at least one of Pd and Ni, the solder material containing 80 wt% to 100 wt% of Bi is in contact it is lost though that conjugates after joining the parts.
請求項1に記載の発明では、Biを80質量%〜100質量%含有するハンダ材料(以下「Biを主成分とするハンダ材料」と称する場合がある)が接する界面に、Pd及びNiの少なくとも一方を含む薄膜が設けられている。溶融Biは、PdないしNi薄膜と接触することで合金を形成し、さらにPdやNiを求めてBiが濡れ拡がり易いことが明らかとなり、本発明に至った。本発明のように、ハンダ材料が接する「界面の材質」を変えることは、濡れ性に最も影響のある界面の状態を直接的に変えることになるので、「ハンダ材料の材質」を変更するのに比べて、ハンダ材料の濡れ性の向上には極めて有効である。
また、請求項1に記載の発明ではCu層を設けているが、これは、Biとの接合界面において、不要な反応生成物を生成させないためである。例えば、半導体モジュールのように、半導体素子から発せられた熱によって接合部分が高温になると、接合部の界面での反応が顕著になり、接合部が接触する部材表面の材質によっては反応生成物が生成する。この反応生成物は、硬かったり脆かったりする物質であるため、反応生成物が存在する位置を起点にクラックが発生したり、反応生成物が割れてクラックの発生の原因となったりする。このクラックの進展によって、接合界面で剥離するなどの不具合を発生させやすくなる。
本発明ではCu層を設けているので、本発明の接合体は、高温になっても接合界面で不要な反応生成物を生成させ難いので、反応生成物を起点としたクラックの発生が防止でき、その結果、界面での剥離などの不具合の発生が抑えられる。
In the first aspect of the invention, at least an interface between Pd and Ni is in contact with a solder material containing 80% by mass to 100% by mass of Bi (hereinafter sometimes referred to as “ solder material containing Bi as a main component”). A thin film including one is provided. Molten Bi forms an alloy by coming into contact with a Pd or Ni thin film, and further, it is clear that Bi tends to wet and spread in search of Pd and Ni, leading to the present invention. As in the present invention, changing the “interface material” with which the solder material comes into contact directly changes the state of the interface that most affects wettability, so the “material of the solder material” is changed. Compared to the above, it is extremely effective in improving the wettability of the solder material.
Moreover, although Cu layer is provided in the invention of Claim 1, this is because an unnecessary reaction product is not produced | generated in the joining interface with Bi. For example, when a bonded portion becomes hot due to heat generated from a semiconductor element such as a semiconductor module, the reaction at the interface of the bonded portion becomes prominent, and depending on the material of the member surface that the bonded portion contacts, the reaction product may be Generate. Since this reaction product is a substance that is hard or brittle, cracks may occur starting from the position where the reaction product exists, or the reaction product may crack and cause cracks. Due to the progress of this crack, defects such as peeling at the bonding interface are likely to occur.
In the present invention, since the Cu layer is provided, the bonded body of the present invention is difficult to generate unnecessary reaction products at the bonding interface even when the temperature becomes high, and therefore, it is possible to prevent the occurrence of cracks starting from the reaction products. As a result, the occurrence of defects such as peeling at the interface can be suppressed.
また、請求項1に記載の発明は、前記Pd及びNiの少なくとも一方を含む薄膜は、Biを80質量%〜100質量%含有するハンダ材料が接する部分において接合後には消失している。 The invention according to claim 1, a thin film containing at least one of the Pd and Ni, that disappeared after bonding the solder material is in contact with the portion containing 80 wt% to 100 wt% of Bi.
請求項1に記載の発明では、接合後の接合体において、Biを主成分とするハンダ材料で接合した部分については、Pd及びNiの少なくとも一方を含む薄膜は消失している。つまり、接合時に加熱によって、Biを主成分とするハンダ材料のハンダ浴中にPdやNiは取り込まれ、最終的に得られる接合界面には残存せず、接合界面はBiとCuとが強固に接合している。Pd及びNiの少なくとも一方を含む薄膜が最終製品に残存すると、製品の使用中に、接合面で不要な反応生成物が生成する場合がある。この反応生成物は、周りに存在する材料よりも硬かったり脆かったりするので、反応生成物の存在によって、接合部材のクラックの発生や接合界面での剥離などの不具合が発生する場合がある。
本発明では、Biを主成分とするハンダ材料が接する界面において接合後の接合体では、Pd及びNiの少なくとも一方を含む薄膜は消失しているので、不要な反応生成物の発生が抑制され、接合部材のクラックの発生や接合界面での剥離などの不具合が発生し難い。
なお、この場合、Pd又はNiが残存して高温に晒されたときに、BiとPd或いはBiとNiとが反応することで不具合が発生するのを防止しているので、Pd及びNiの少なくとも一方を含む薄膜は、Biを主成分とするハンダ材料が接する部分において消失していればよく、Biを主成分とするハンダ材料が接していない部分については、残存していても構わない。
In the invention according to claim 1 , in the joined body after joining, the thin film containing at least one of Pd and Ni disappears in the part joined with the solder material mainly containing Bi. In other words, Pd and Ni are taken into the solder bath of the solder material containing Bi as a main component by heating at the time of bonding and do not remain in the finally obtained bonding interface, and Bi and Cu are firmly bonded at the bonding interface. It is joined. When a thin film containing at least one of Pd and Ni remains in the final product, an unnecessary reaction product may be generated on the joint surface during use of the product. Since the reaction product is harder or more brittle than the surrounding material, the presence of the reaction product may cause problems such as generation of cracks in the joining member and separation at the joining interface.
In the present invention, since the thin film containing at least one of Pd and Ni disappears in the joined body at the interface where the solder material containing Bi as a main component contacts, the generation of unnecessary reaction products is suppressed, Problems such as generation of cracks in the bonding member and peeling at the bonding interface are unlikely to occur.
In this case, when Pd or Ni remains and is exposed to a high temperature, Bi and Pd or Bi and Ni are prevented from reacting with each other. Therefore, at least of Pd and Ni is prevented. It is sufficient that the thin film including one disappears in a portion where the solder material mainly containing Bi is in contact, and a portion where the solder material mainly containing Bi is not in contact may remain.
請求項2に記載の発明は、前記Biを80質量%〜100質量%含有するハンダ材料が、下記(1)〜(3)から選択される少なくとも1種であることを特徴とする請求項1に記載の接合体である。
(1)Bi単体、
(2)Biに、Cu、Ni、Ag、Sn、In、Zn、Sb、Ge及びGaから選択される少なくとも1種を含有する材料、
(3)Biに、CuAlMn合金粒子、Ni又はAuメッキしたCuAlMn合金粒子、CuNiAl合金粒子、及びCuZnAl合金粒子から選択される少なくとも1種を含有する材料。
請求項3に記載の発明は、前記Biを80質量%〜100質量%含有するハンダ材料が、Bi単体、BiにCuを含有する材料、BiにNiを含有する材料、又はBiにCuAlMn合金粒子を含有する材料であることを特徴とする請求項2に記載の接合体である。
請求項4に記載の発明は、接合前の前記薄膜の膜厚が、3nm以上1000nm以下であることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の接合体である。
According the invention described in
(1) Bi alone
(2) A material containing at least one selected from Cu, Ni, Ag, Sn, In, Zn, Sb, Ge and Ga in Bi,
(3) A material containing at least one selected from CuAlMn alloy particles, Ni or Au plated CuAlMn alloy particles, CuNiAl alloy particles, and CuZnAl alloy particles in Bi.
The invention according to claim 3 is that the solder material containing 80 mass% to 100 mass% of Bi is a simple substance of Bi, a material containing Cu in Bi, a material containing Ni in Bi, or CuAlMn alloy particles in Bi The joined body according to
The invention according to claim 4 is the joined body according to any one of claims 1 to 3 , wherein the thickness of the thin film before joining is 3 nm or more and 1000 nm or less.
請求項5に記載の発明は、接合前の前記薄膜の膜厚が、10nm以上200nm以下であることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の接合体である。 The invention according to claim 5 is the joined body according to any one of claims 1 to 3 , wherein the thickness of the thin film before joining is 10 nm or more and 200 nm or less.
請求項1に記載の発明において説明したように、本発明の接合体は、Biを主成分とするハンダ材料と接する部分において、接合後にPd及びNiの少なくとも一方を含む薄膜が消失していることが望ましい。薄膜が消失するような条件は、接合時の加熱温度や加熱時間などによって調節することができるが、薄膜の膜厚としては、3nm以上1000nm以下であることが好ましく、より好ましくは10nm以上200nm以下である。 As described in the invention described in claim 1, conjugates of the invention, in a portion which is in contact with solder material mainly composed of Bi, the thin film containing at least one of Pd and Ni has disappeared after bonding Is desirable. Conditions under which the thin film disappears can be adjusted by the heating temperature and heating time during bonding, but the thickness of the thin film is preferably 3 nm or more and 1000 nm or less, more preferably 10 nm or more and 200 nm or less. It is.
請求項6に記載の発明は、前記2つの部品が、パワー半導体素子と絶縁基板、及び、絶縁基板と放熱板、のうち少なくとも1つの組み合わせであることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の接合体である。 The invention according to claim 6, wherein the two parts, the power semiconductor element and the insulating substrate, and, claims 1 to 5, wherein the insulating substrate and the heat sink, at least one combination of the It is a joined body of any one of these.
パワー半導体素子と絶縁基板とが接合された接合体、或いは、絶縁基板と放熱板とが接合された接合体、つまりパワー半導体モジュールにおいて、本発明の構成を備えた接合体を適用することで、パワー半導体モジュールの接合部分における耐熱性が向上し、また接合部分の濡れ性が向上することで部材どうしが傾斜して接合するなどの不具合が抑えられたパワー半導体モジュールを得ることができる。 In the joined body in which the power semiconductor element and the insulating substrate are joined, or in the joined body in which the insulating substrate and the heat sink are joined, that is, in the power semiconductor module, by applying the joined body having the configuration of the present invention, By improving the heat resistance at the joining portion of the power semiconductor module and improving the wettability of the joining portion, it is possible to obtain a power semiconductor module in which inconveniences such as the members being inclined and joined are suppressed.
請求項7に記載の発明は、前記パワー半導体素子が、GaN又はSiCを用いて形成されてなることを特徴とする請求項6に記載の接合体である。 The invention according to claim 7, wherein the power semiconductor element is a conjugate according to claim 6, characterized in that is formed using a GaN or SiC.
パワー半導体素子が、次世代のGaN又はSiCを用いて形成されたものであるときには、パワー半導体素子から発せられる熱量は極めて大きくなり、約200℃程度にまで達する場合がある。
しかし、本発明の接合体では、Biを主成分とするハンダ材料で接合されているため、接合部分の耐熱性は約270℃程度は確保され、また、ハンダ材料が接する界面の濡れ性が向上しているために、均一な接合が可能であるので、部材が傾斜して接合する等という不具合が抑えられている。
さらに、本発明では、接触する部材間の材質を選択しているため、次世代のGaN又はSiCで形成されたパワー半導体によって過酷な冷熱サイクル条件となっても、接合界面に不要な生成物を発生させ難く、接合部材のクラックの発生や接合界面での剥離などの不具合が発生し難いパワー半導体モジュールを得ることができる。
When the power semiconductor element is formed using the next generation GaN or SiC, the amount of heat generated from the power semiconductor element becomes extremely large and may reach about 200 ° C.
However, since the bonded body of the present invention is bonded with a solder material mainly composed of Bi, the heat resistance of the bonded portion is secured at about 270 ° C., and the wettability of the interface where the solder material is in contact is improved. Therefore, since uniform joining is possible, problems such as the member being inclined and joined are suppressed.
Furthermore, in the present invention, since the material between the contacting members is selected, unnecessary products are generated at the bonding interface even under severe thermal cycle conditions due to the power semiconductor formed of the next generation GaN or SiC. It is possible to obtain a power semiconductor module that is difficult to generate and is less likely to cause defects such as cracks in the bonding member and peeling at the bonding interface.
請求項8に記載の発明は、前記絶縁基板がAlN層であり、AlN層の両表面にCuで形成される導電層を有してなることを特徴とする請求項6又は請求項7に記載の接合体である。
The invention according to
絶縁基板としてAlN層を用いると絶縁性が向上し、またAlN層の両表面にCuで形成される導電層を有すると、Biを主成分するハンダ材料が接触しても、接合界面に不要な反応生成物を生成せず、接合部材のクラックの発生や接合界面での剥離などの不具合を発生させ難い。 When an AlN layer is used as an insulating substrate, the insulation is improved, and when there are conductive layers formed of Cu on both surfaces of the AlN layer, even if a solder material containing Bi as a main component is in contact, it is unnecessary for the bonding interface. The reaction product is not generated, and it is difficult to cause problems such as cracking of the joining member and peeling at the joining interface.
請求項9に記載の発明は、前記2つの部品が絶縁基板と放熱板の組み合わせを含み、前記放熱板が、Mo層の両面にCu層を有するCu層/Mo層/Cu層の積層体であることを特徴とする請求項6乃至請求項8のいずれか1項に記載の接合体である。 The invention according to claim 9 is a laminate of Cu layer / Mo layer / Cu layer in which the two parts include a combination of an insulating substrate and a heat sink, and the heat sink has a Cu layer on both sides of the Mo layer. It is a joined body according to any one of claims 6 to 8 .
前記放熱板としてMo層を用いると熱伝導率が高く、優れた放熱性を示す。またMo層の両表面にCu層を設けると、Biを主成分するハンダ材料が接触しても、接合界面に不要な反応生成物を生成せず、接合部材のクラックの発生や接合界面での剥離などの不具合を発生させ難い。更に、Cu層/Mo層/Cu層の積層体は、熱伝導率と熱膨張係数との調整を図る観点から好適である。 When a Mo layer is used as the heat radiating plate, the thermal conductivity is high and excellent heat dissipation is exhibited. In addition, when Cu layers are provided on both surfaces of the Mo layer, even if a solder material containing Bi as a main component comes into contact, an unnecessary reaction product is not generated at the bonding interface, and cracks in the bonding member or at the bonding interface occur. It is difficult to cause defects such as peeling. Furthermore, the laminated body of Cu layer / Mo layer / Cu layer is suitable from the viewpoint of adjusting the thermal conductivity and the thermal expansion coefficient.
請求項10に記載の発明は、前記放熱板におけるCu層/Mo層/Cu層の厚さの比率が、1/5/1〜1/12/1であることを特徴とする請求項9に記載の接合体である。
The invention according to
Cu層/Mo層/Cu層の積層体の中でも、各層の厚さの比率が、1/5/1〜1/12/1の場合に、熱伝導率と熱膨張係数とのバランスが良好となり、放熱板としての機能を効果的に発揮する。 Among laminates of Cu layer / Mo layer / Cu layer, when the ratio of the thickness of each layer is 1/5/1 to 1/12/1, the balance between thermal conductivity and thermal expansion coefficient becomes good. It effectively demonstrates its function as a heat sink.
本発明によれば、Biを主成分とするハンダ材料を用いたときの濡れ性の向上によって、被接合部材が均一に接合された接合体を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the to-be-joined body by which the to-be-joined member was joined uniformly can be provided by the improvement of the wettability when using the solder material which has Bi as a main component.
本発明の接合体は、2つの部品のそれぞれの被接合面にCu層を備え、前記Cu層の表面にPd及びNiの少なくとも一方を含む薄膜が形成された後に、前記2つの部品の間を、Biを80質量%〜100質量%含有するハンダ材料(Biを主成分とするハンダ材料)により接合してなる接合体である。そして、前記Pd及びNiの少なくとも一方を含む薄膜は、Biを80質量%〜100質量%含有するハンダ材料が接する部分において接合後には消失している。この接合体においては、少なくとも1箇所がBiを主成分とするハンダ材料で接合されていればよく、したがって、2箇所以上についてBiを主成分とするハンダ材料で接合していてもよい。 The joined body of the present invention includes a Cu layer on each surface to be joined of two parts, and a thin film containing at least one of Pd and Ni is formed on the surface of the Cu layer, and then the gap between the two parts. , A bonded body formed by bonding with a solder material (solder material containing Bi as a main component) containing 80% by mass to 100% by mass of Bi. The thin film containing at least one of Pd and Ni disappears after bonding at a portion where a solder material containing 80% by mass to 100% by mass of Bi contacts. In this joined body, it is sufficient that at least one place is joined with a solder material containing Bi as a main component. Therefore, two or more places may be joined with a solder material containing Bi as a main component.
被接合体である2つの部品の種類は特に制限されず、様々な部品を適用することができる。したがって、この2つの部品がそれぞれパワー半導体素子と絶縁基板、或いは絶縁基板と放熱板であるような接合体、つまり、接合体がパワー半導体モジュールであってもよい。本発明の構成をパワー半導体モジュールに適用することで、パワー半導体モジュールの接合部分における耐熱性が向上し、また接合部分の濡れ性が向上することで被接合部材どうしが傾斜して接合するなどの不具合の発生を抑えることができる。 There are no particular restrictions on the type of the two parts that are the objects to be joined, and various parts can be applied. Therefore, a joined body in which the two components are a power semiconductor element and an insulating substrate, or an insulating substrate and a heat sink, that is, the joined body may be a power semiconductor module. By applying the configuration of the present invention to the power semiconductor module, the heat resistance at the joined portion of the power semiconductor module is improved, and the wettability of the joined portion is improved, so that the members to be joined are inclined and joined. The occurrence of defects can be suppressed.
そこで、以下では、接合体がパワー半導体モジュールである場合について詳細に説明を行うが、上述の通り本発明の接合体は、パワー半導体モジュールに限定されず、様々な部材を接合した接合体をも包含する。 Therefore, in the following, the case where the joined body is a power semiconductor module will be described in detail. However, as described above, the joined body of the present invention is not limited to the power semiconductor module, and includes a joined body in which various members are joined. Include.
<パワー半導体モジュール>
図1に、本発明の接合体の一例であるパワー半導体モジュール10の要部断面図を模式的に示す。
パワー半導体モジュール10は、少なくとも、パワー半導体素子20と絶縁部30と放熱板40とを有する。パワー半導体素子20と絶縁部30との間は第一接合部50によって接合される。絶縁部30と放熱板40との間は第二接合部60によって接合される。
<Power semiconductor module>
In FIG. 1, the principal part sectional drawing of the
The
パワー半導体モジュール10は、車載用インバータなどに用いられるものである。パワー半導体モジュール10の周辺には図示しない内燃機関が設けられているために、パワー半導体モジュール10が置かれている環境はかなり高温となっている。さらに、パワー半導体素子として次世代のGaNやSiCを用いた場合には、パワー半導体素子20からの発熱が大きく、パワー半導体モジュール10の温度が上昇する。
The
パワー半導体素子が自身の発する熱や高温の周囲環境によって、パワー半導体素子が破壊するのを防ぐよう、冷却水が流動する冷却管(図示せず)が設けられ、冷却管とパワー半導体素子との間に放熱板40が設けられる。
A cooling pipe (not shown) through which cooling water flows is provided so as to prevent the power semiconductor element from being destroyed by the heat generated by the power semiconductor element or the high-temperature ambient environment, and between the cooling pipe and the power semiconductor element. A
したがって、一般的にパワー半導体モジュールに求められる性能としては、第一に、接合体全体が駆動しないときの大気温度と駆動時の高温状態で生じる冷熱サイクルに対して、半導体や絶縁基板の亀裂、接合部材のクラックの発生や、接合界面から生じる剥離などの不具合を生じさせないことであり、第二に絶縁基板によって確実に絶縁させることであり、第三にパワー半導体素子から発せられた熱を放熱板までなるべく蓄積することなく伝えることである。
冷熱サイクルに対して上記亀裂、クラック、剥離などを発生させないためには、半導体素子、絶縁基板、放熱板及び接合部材などの部材そのものが温度変化に対して耐久性がなければならず、加えて、冷熱サイクルにおいて、接合界面に不要な反応生成物が発生したり、この反応生成物が大きく成長しないことが重要である。かかる反応生成物は脆い物質であったり、逆に硬すぎる物質であったりして、反応生成物が発生した部位を起点として接合部材のクラックの発生や接合界面から生じる剥離等を起こしやすい。また、各部材の熱膨張係数が近い値であることも、冷熱サイクルによる上記亀裂やクラック、剥離などの発生を抑制するのに重要である。熱膨張係数が全く異なる部材を接合すると、冷熱サイクルによって繰り返し起こる部材の体積変化によって、上記亀裂やクラック、剥離等を発生させやすくなる。
Therefore, as a performance generally required for a power semiconductor module, firstly, with respect to a cooling cycle that occurs in an atmospheric temperature when the entire assembly is not driven and a high temperature state during driving, cracks in the semiconductor and the insulating substrate, It does not cause defects such as cracks in the joining member and peeling that occurs from the joining interface, and secondly, it is to ensure insulation by the insulating substrate, and thirdly radiates heat generated from the power semiconductor element. It is to convey as little as possible to the board.
In order to prevent the above cracks, cracks, peeling, etc. from occurring in the thermal cycle, members such as semiconductor elements, insulating substrates, heat sinks and joining members must be durable against temperature changes. In the cooling and heating cycle, it is important that unnecessary reaction products are not generated at the bonding interface or that the reaction products do not grow greatly. Such a reaction product is a brittle substance or, on the other hand, a substance that is too hard, and easily causes cracks in the joining member, separation from the joining interface, etc. starting from the site where the reaction product is generated. Moreover, it is important for the thermal expansion coefficient of each member to be a close value to suppress the occurrence of the cracks, cracks, peeling, and the like due to the thermal cycle. When members having completely different thermal expansion coefficients are joined, the above-described cracks, cracks, peeling, and the like are likely to occur due to the volume change of the member repeatedly caused by the cooling and heating cycle.
パワー半導体モジュールの接合部分に対して求められる性能としては、第一に接合が均一に行われ、部材が傾斜して接合されないこと、第二に冷熱サイクルに対して半導体や絶縁基板の亀裂、接合部材のクラックの発生や、接合界面から生じる剥離などの不具合を生じさせないことである。 The performance required for the joined portion of the power semiconductor module is as follows: first, the joining is performed uniformly, the members are not inclined and joined, and second, the cracks and joining of the semiconductor and the insulating substrate against the thermal cycle This is to prevent the occurrence of defects such as the occurrence of cracks in the member and peeling that occurs from the bonding interface.
本発明の接合体であるパワー半導体モジュールでは、第一接合部50又は第二接合部60に、Biを主成分とするハンダ材料を用いて接合しているため、接合部分の耐熱性は高くなっている。またBiを主成分とするハンダ材料が接する界面に、Pd及びNiの少なくとも一方を含む薄膜が設けられているので、Biを主成分とするハンダ材料の濡れ性が向上している。その結果、接合が均一に行われるので、部材が傾斜して接合される等の不具合を発生させず、また、熱伝導が阻害されるのを防ぐことができる。
In the power semiconductor module that is the joined body of the present invention, the first joined
また、本発明ではCu層を設けているため、Biとの界面において不要な反応生成物を生成させず、反応生成物の発生に起因して、接合部材のクラックの発生や接合界面での剥離の発生を抑制することができる。 In addition, since a Cu layer is provided in the present invention, unnecessary reaction products are not generated at the interface with Bi, and the occurrence of reaction products causes the occurrence of cracks in the bonding member and peeling at the bonding interface. Can be suppressed.
更に、接合後のパワー半導体モジュールでは、Biを主成分とするハンダ材料が接する部分においては、ハンダ浴中にPdやNiが取り込まれて、Pd及びNiの少なくとも一方を含む薄膜が消失している。
NiやPdがBiと接した状態で残存していると、パワー半導体モジュールを製品として使用している間、半導体素子から発せられる熱によって、BiとPd或いはBiとNiとが反応することで不要な反応生成物を生成することがある。Biを主成分とするハンダ材料が接する部分において、ハンダ浴中にPdやNiが取り込まれて、Pd及びNiの少なくとも一方を含む薄膜が消失していれば、BiとCuが不要な反応生成物を生じることなく強固に接合する。その結果、反応生成物の生成に起因した上記クラックや剥離などの不具合の発生が抑制される。
この場合、BiとPd或いはBiとNiとの反応が瞬時に起こり、薄膜のPd及びNiの少なくとも一方を含む薄膜は、Bi浴中に取り込まれて消失していればよく、Biを主成分とするハンダ材料が接していない部分については、残存していても構わない。
Furthermore, in the power semiconductor module after bonding, the solder material is in contact with the portion composed mainly of Bi, and Pd or Ni is incorporated in the solder bath, that have thin film containing at least one of Pd and Ni disappeared .
If Ni or Pd remains in contact with Bi, it is not necessary because Bi and Pd or Bi and Ni react with heat generated from the semiconductor element while the power semiconductor module is used as a product. Reaction products may be produced. Bi and Cu are unnecessary reaction products if Pd and Ni are taken into the solder bath at the portion where the solder material containing Bi as the main component is in contact and the thin film containing at least one of Pd and Ni disappears. It joins firmly, without producing. As a result, the occurrence of defects such as cracks and peeling due to the generation of reaction products is suppressed.
In this case, the reaction between Bi and Pd or Bi and Ni occurs instantaneously, and the thin film containing at least one of Pd and Ni in the thin film may be taken into the Bi bath and disappear, and Bi is the main component. The portion that is not in contact with the soldering material may remain.
図1のパワー半導体モジュールでは、Pd及びNiの少なくとも一方を含む薄膜24、38、39、48を図示しているが、接合後にはBiを主成分とするハンダ材料が接する部分において、これらの薄膜は消失していることが望ましい。
図2〜図4についても、Pd及びNiの少なくとも一方を含む薄膜を図示しているが、接合後にはBiを主成分とするハンダ材料が接する部分において、これらの薄膜は消失していることが望ましい。
In the power semiconductor module of FIG. 1, the
2 to 4 also show thin films containing at least one of Pd and Ni. However, after bonding, these thin films may disappear in the portion where the solder material containing Bi as a main component contacts. desirable.
<接合部>
パワー半導体素子20では、少なくとも2箇所の接合部を有し、第一接合部50と第二接合部60が存在する。本発明における第一接合部50は、パワー半導体素子20と絶縁部30との間を接合するために設けられ、本発明における第二接合部60は、絶縁部30と放熱板40との間を接合するために設けられる。
<Joint part>
The
本発明にかかるBiを主成分とするハンダ材料は、第一接合部50及び第二接合部60のいずれに適用してもよいが、少なくとも一方の接合部に、Biを主成分とするハンダ材料を用いる。
Biを主成分とするハンダ材料としては、Bi単体であっても、他の成分を含むものであってもよい。Biに添加する他の成分としては、例えば、Cu、Ni、Ag、Sn、In、Zn、Sb、Ge、及びGaなどの金属や、CuAlMn合金粒子、NiないしAuメッキしたCuAlMn合金粒子、CuNiAl合金粒子及びCuZnAl合金粒子などを挙げることができる。このようにBiに他の成分を含有させると、Biの強度が改善され、接合部材のクラックの発生や接合界面での剥離が発生しにくい材料となる。
The solder material containing Bi as the main component according to the present invention may be applied to either the first joint 50 or the second joint 60, but at least one of the solder materials containing Bi as the main component. Is used.
The solder material containing Bi as the main component may be Bi alone or may contain other components. Examples of other components added to Bi include metals such as Cu, Ni, Ag, Sn, In, Zn, Sb, Ge, and Ga, CuAlMn alloy particles, Ni or Au plated CuAlMn alloy particles, and CuNiAl alloys. Examples thereof include particles and CuZnAl alloy particles. Thus, when other components are contained in Bi, the strength of Bi is improved, and it becomes a material in which cracking of the joining member and separation at the joining interface hardly occur.
なお、本発明において、「Biを主成分とするハンダ材料」とは、ハンダ材料中Biを80質量%〜100質量%含有することをいい、より好ましいBiの含有率は、添加する他の材料の材質によって種々異なるが、82質量%〜99.9質量%含有することが好ましく、85質量%〜99.8質量%含有することがより好ましい。Biの含有率が80質量%よりも低いと、Biが有するハンダ付け特性を奏し難くなる。 In addition, in this invention, "the solder material which has Bi as a main component" means that 80 mass%-100 mass% of Bi is contained in solder material, and the more preferable Bi content rate is other materials to add. Although it varies depending on the material, it is preferably contained in an amount of 82 mass% to 99.9 mass%, more preferably 85 mass% to 99.8 mass%. If the Bi content is lower than 80% by mass, it is difficult to exhibit the soldering characteristics of Bi.
ここで、Bi中にCuAlMn合金粒子を分散させたBi−CuAlMnについて説明する。
Biは270℃近辺の融点を有するため、接合部のハンダ材料としては好適である。しかし、Biはせん断応力が弱く、脆いという性質を有しているため、冷熱サイクルを行うとクラックや剥離を生じさせてしまう。しかし、CuAlMn合金の粒子をBiに分散させると強度を高めることができる。この機能について更に詳細に説明する。
Here, Bi—CuAlMn in which CuAlMn alloy particles are dispersed in Bi will be described.
Since Bi has a melting point near 270 ° C., it is suitable as a solder material for the joint. However, since Bi has a weak shear stress and is brittle, when it is subjected to a thermal cycle, it will cause cracks and peeling. However, the strength can be increased by dispersing CuAlMn alloy particles in Bi. This function will be described in more detail.
さらに、CuAlMn合金はマルテンサイト変態の性質を有する。マルテンサイト変態の性質を有する金属の合金相は、温度や応力に基づいてマルテンサイト相又は母相のいずれかの状態をとる。金属の合金相がマルテンサイト相の場合には、金属は極めて柔軟性に富んでおり、外力に基づいて容易に形状を変えることができる。このため、外力に基づく応力が緩和される。更に、冷熱サイクルが繰り返されたとしても、柔軟に形状を変えることができるので、応力に基づく疲労の蓄積が抑制される。また、金属の合金相が母相の場合は、金属は外力に基づいてマルテンサイト相に相移転し、弾性変形するので、外力が除荷されれば、記憶された元の形状に回復することができる。このため、金属にかかる応力が緩和されるとともに、その応力の蓄積が抑制される。 Furthermore, the CuAlMn alloy has martensitic transformation properties. The alloy phase of the metal having martensitic transformation properties takes either a martensitic phase or a parent phase based on temperature and stress. When the alloy phase of the metal is a martensite phase, the metal is extremely flexible and can be easily changed in shape based on an external force. For this reason, the stress based on an external force is relieved. Furthermore, even if the cooling and heating cycle is repeated, the shape can be changed flexibly, so that accumulation of fatigue based on stress is suppressed. In addition, when the metal alloy phase is the parent phase, the metal undergoes phase transfer to the martensite phase based on the external force and elastically deforms, so that when the external force is unloaded, the original shape is restored. Can do. For this reason, the stress applied to the metal is relieved and the accumulation of the stress is suppressed.
したがって、マルテンサイト変態の性質を有するCuAlMn合金をバルク金属であるBiに加えることによって、外力からの応力を緩和するとともに、その応力の蓄積を制御することができる。その結果、Biを主成分とするハンダ材料の熱応力を局所的に緩和するハンダを提供できる。 Therefore, by adding a CuAlMn alloy having a martensitic transformation property to Bi which is a bulk metal, stress from an external force can be relieved and the accumulation of the stress can be controlled. As a result, it is possible to provide a solder that locally relaxes the thermal stress of a solder material containing Bi as a main component.
CuAlMn合金は毒性が少なく、添加するバルク金属の融点に与える影響も少ない。また、CuAlMn合金は電気抵抗が小さいため、CuAlMn合金に電流が流れる状況下においても好適に利用することができる。 CuAlMn alloy has little toxicity and little influence on the melting point of the bulk metal to be added. Further, since the CuAlMn alloy has a small electric resistance, it can be suitably used even under a situation where a current flows through the CuAlMn alloy.
Bi−CuAlMn中のCuAlMn合金の含有率は、0.5〜20質量%であることが好ましく、1〜15質量%であることがより好ましい。CuAlMn合金の含有率が0.5質量%よりも少ないと、マルテンサイト変態の性質を有する物質を添加した上記効果が得られ難く、20質量%よりも多いと、溶融するBiの含有率が低くなり、被接合体との接合強度が得られない。
なお、BiとCuAlMnとの体積分率を90:10〜45:55まで変化させた場合であっても、Bi−CuAlMnの融点は、いずれも271℃である。
The content of the CuAlMn alloy in Bi—CuAlMn is preferably 0.5 to 20% by mass, and more preferably 1 to 15% by mass. When the content of the CuAlMn alloy is less than 0.5% by mass, it is difficult to obtain the above effect by adding a material having martensitic transformation properties. When the content is more than 20% by mass, the content of molten Bi is low. Therefore, the bonding strength with the object to be bonded cannot be obtained.
Even when the volume fraction of Bi and CuAlMn is changed from 90:10 to 45:55, the melting point of Bi-CuAlMn is 271 ° C.
CuAlMn合金において、Mnの含有率は0.01〜20質量%であり、Alの含有率は3〜13質量%であり、残部がCuであることが好ましい。この組成比に調整することによって、マルテンサイト変態の性質が顕著に表れ、ハンダによって形成された結合部が破壊されるのを抑制することができる。 In the CuAlMn alloy, it is preferable that the Mn content is 0.01 to 20% by mass, the Al content is 3 to 13% by mass, and the balance is Cu. By adjusting to this composition ratio, the property of martensitic transformation appears remarkably, and it is possible to suppress the breakage of the joint formed by solder.
また、CuAlMn合金に、Ag、Ni,Au、Sn,P,Zn、Co,Fe、B、Sb、Geを添加すると、Biとの整合性を向上させ、マルテンサイト相を安定化させる効果があるので、これら添加元素を添加する態様も好ましい。
CuAlMn合金における上記添加元素の含有率は、0.001〜10質量%であることが好ましい。添加元素が0.001質量%よりも少ないと、添加元素を添加する上記効果が得られ難い。添加元素が10質量%よりも多いとCuAlMn合金がマルテンサイト相を呈することができなくなる。
Moreover, when Ag, Ni, Au, Sn, P, Zn, Co, Fe, B, Sb, and Ge are added to the CuAlMn alloy, there is an effect of improving the consistency with Bi and stabilizing the martensite phase. Therefore, an embodiment in which these additional elements are added is also preferable.
The content of the additive element in the CuAlMn alloy is preferably 0.001 to 10% by mass. When the additive element is less than 0.001% by mass, it is difficult to obtain the above effect of adding the additive element. If there are more additive elements than 10% by mass, the CuAlMn alloy cannot exhibit a martensite phase.
CuAlMn合金粒子の粒径を調整すると、Bi−CuAlMnの応力緩和能力等を調整することができる。具体的には、CuAlMn合金粒子の粒径は、0.01〜100μmであることが好ましく、0.01〜20μmであることが更に好ましい。 By adjusting the particle diameter of the CuAlMn alloy particles, the stress relaxation ability of Bi—CuAlMn can be adjusted. Specifically, the particle diameter of the CuAlMn alloy particles is preferably 0.01 to 100 μm, and more preferably 0.01 to 20 μm.
CuAlMn合金粒子の調製方法は特に制限されず、合金粒子の公知の調製方法を適宜適用することができる。調整方法の一例を下記に示すがこれに限定されない。
まず、Cu、Al、MnをAr雰囲気下で高周波溶解炉によって溶解し前駆体であるCuAlMn合金インゴットを作製する。インゴットには必要に応じて、上記添加元素を添加しても良い。次に、得られたインゴットをアトマイズ法等の粉末作製技術を利用して粉末化し、CuAlMn合金粒子を得る。粉末化したCuAlMn合金粒子は滴下法等を利用して、粒子表面にNiやAuをメッキする。粒子表面のめっき層の膜厚を調整することによって、Bi−CuAlMn中のCuAlMn粒子の分散性を向上させることができる。好ましい該めっき層の膜厚は、0.01〜3μmである。
The method for preparing CuAlMn alloy particles is not particularly limited, and a known method for preparing alloy particles can be appropriately applied. An example of the adjustment method is shown below, but is not limited thereto.
First, Cu, Al, and Mn are melted in a high-frequency melting furnace in an Ar atmosphere to prepare a CuAlMn alloy ingot as a precursor. You may add the said additional element to an ingot as needed. Next, the obtained ingot is pulverized using a powder production technique such as an atomizing method to obtain CuAlMn alloy particles. The powdered CuAlMn alloy particles are plated with Ni or Au on the particle surface using a dropping method or the like. By adjusting the film thickness of the plating layer on the particle surface, the dispersibility of CuAlMn particles in Bi-CuAlMn can be improved. A preferable film thickness of the plating layer is 0.01 to 3 μm.
Bi−CuAlMnによって被接合部材を接合する場合、Bi−CuAlMnの融点(270℃)よりも数十℃高い温度で接合することが、接合部を一様に溶融させ、充分な流動性を得る観点から好ましく、300〜350℃程度で接合することが好ましい。 When joining members to be joined by Bi—CuAlMn, joining at a temperature several tens of degrees higher than the melting point of Bi—CuAlMn (270 ° C.) is a viewpoint of uniformly melting the joint and obtaining sufficient fluidity. It is preferable to join at about 300 to 350 ° C.
次に、Cuを添加したBiについて説明する。BiにCuを添加すると、Biの強度が上昇する。この原因は、Bi母相中にCuが微細分散することによる分散強化によると考えている。 Next, Bi added with Cu will be described. When Cu is added to Bi, the strength of Bi increases. This is believed to be due to dispersion strengthening due to fine dispersion of Cu in the Bi matrix.
BiにCuを添加していくと、Cuの含有率が多くなるにつれ液相線温度が高くなる。液相線温度とは、全体が溶融し液体となる温度である。一方、Cuの含有率を多くしても、固相線温度は約270℃とほぼ一定の温度を示す。固相線温度とは、少なくとも一部が溶解し始める温度をいう。
すなわち、Cuの含有率が多くなるにつれ、溶融し始める温度と、全体が溶融し終わる温度との差が大きくなる。このような固液共存領域温度差が生じると、接合操作の際に均一に接合し難くなり、被接合部材が傾いて接合してしまうなどの不具合を発生させ易い。また、液相線温度が高くなったために高温の条件下で半導体素子を接合すると、半導体素子を破壊するおそれがある。
As Cu is added to Bi, the liquidus temperature increases as the Cu content increases. The liquidus temperature is a temperature at which the whole melts and becomes a liquid. On the other hand, even when the Cu content is increased, the solidus temperature is about 270 ° C., which is almost constant. The solidus temperature is a temperature at which at least a part starts to dissolve.
That is, as the Cu content increases, the difference between the temperature at which melting begins and the temperature at which the entire melting ends increases. When such a solid-liquid coexistence region temperature difference arises, it becomes difficult to perform uniform joining during the joining operation, and it is easy to cause problems such as joining the members to be joined tilted. Further, when the semiconductor element is bonded under a high temperature condition due to an increase in the liquidus temperature, the semiconductor element may be destroyed.
そこで、液相線温度と固相線温度とを考慮すると、Bi中のCuの含有率は、0.01質量%〜5質量%であることが好ましく、0.3質量%〜4質量%であることがより好ましい。 Therefore, considering the liquidus temperature and the solidus temperature, the Cu content in Bi is preferably 0.01% by mass to 5% by mass, and 0.3% by mass to 4% by mass. More preferably.
Cuを添加したBiの調製方法は特に制限されず、公知の調製方法を適宜適用することができる。調整方法の一例を下記に示すがこれに限定されない。
Cu、BiをAr雰囲気下で高周波溶解炉によって溶解し、前駆体であるBi−Cu合金インゴットを作製する。得られたインゴットを250℃の熱間圧延を施し、板材とし、ハンダ片として切り出す。
Bi中に他の金属を添加する場合も、Cuの場合と同様の方法で調製することができる。
The method for preparing Bi to which Cu is added is not particularly limited, and known preparation methods can be applied as appropriate. An example of the adjustment method is shown below, but is not limited thereto.
Cu and Bi are melted by a high-frequency melting furnace in an Ar atmosphere to produce a Bi—Cu alloy ingot as a precursor. The obtained ingot is hot-rolled at 250 ° C. to form a plate material and cut out as a solder piece.
When other metals are added to Bi, they can be prepared in the same manner as in the case of Cu.
Niを添加したBiについて説明する。BiにNiを添加すると、Cuを添加した場合と同様に、Biの強度が上昇する。この原因についてもCuの場合と同様ではないかと推測される。なお、BiにNiを添加すると、NiはBi中で反応生成物のBi3Niを形成して、Bi母相中に均一に分散する状態となっている。 Bi added with Ni will be described. When Ni is added to Bi, the strength of Bi increases as in the case of adding Cu. It is presumed that this cause is the same as in the case of Cu. Note that when Ni is added to Bi, Ni forms a reaction product Bi 3 Ni in Bi and is uniformly dispersed in the Bi matrix.
Bi中のNiの含有率は、液相線温度と固相線温度とを考慮すると、0.01質量%〜5質量%であることが好ましく、0.01質量%〜3質量%であることがより好ましい。 In consideration of the liquidus temperature and the solidus temperature, the Ni content in Bi is preferably 0.01% by mass to 5% by mass, and 0.01% by mass to 3% by mass. Is more preferable.
半導体モジュールのように、過酷な冷熱サイクルにおいて、反応生成物を生成すると、この反応生成物が存在する位置を起点にクラックが発生したり、脆い反応生成物の場合には、反応生成物が割れてクラックの発生の原因となったりする。その結果、接合部材のクラックの発生や接合界面での剥離などを発生させ易くなる。
そこで、接合する部材の被接合面には、Cu層を備える。つまり、第一接合部50にBiを主成分とするハンダ材料を適用する場合、パワー半導体素子20と絶縁部30のそれぞれの被接合面にCu層を備え、第二接合部60にBiを主成分とするハンダ材料を適用する場合、絶縁部30と放熱板40のそれぞれの被接合面にCu層を備える。Cu層を備えることで、Biとの界面において不要な反応生成物の生成を抑えることができる。
When a reaction product is generated in a harsh cooling cycle such as a semiconductor module, a crack is generated starting from the position where the reaction product exists, or in the case of a fragile reaction product, the reaction product is cracked. Cause cracks. As a result, it becomes easy to generate cracks in the bonding member and peeling at the bonding interface.
Therefore, a Cu layer is provided on the surfaces to be joined of the members to be joined. In other words, when a solder material containing Bi as a main component is applied to the first
また、Biは濡れ性の低い物質であり、Cuに対しても濡れ拡がり難い。ハンダ材料が接合の加熱時に濡れ拡がらないと、均一に接合することができず、被接合部材が傾いた状態で接合してしまうなど、不具合を発生させる場合がある。
このような不具合を解消するため、従来の方法では、接合の加熱時に被接合部材に外圧を加えながら擦動させて、均一に且つ被接合部材が傾かないように接合していた。このような方法を採用すれば、Biを主成分とするハンダ材料であっても、被接合部材を均一に接合することができるが、加熱しながら外圧を加えることは、作業上煩雑な操作である上に、周辺部にはみ出し、電気的な不具合を生じる恐れがある。
Bi is a substance with low wettability and is difficult to wet and spread with respect to Cu. If the solder material does not wet and spread during the heating of the bonding, bonding cannot be performed uniformly, and problems may occur such as bonding with the members to be bonded tilted.
In order to solve such a problem, in the conventional method, the members to be joined are rubbed while applying external pressure during the heating of joining, and the members to be joined are joined so as not to tilt. If such a method is adopted, even if the solder material is mainly composed of Bi, the members to be joined can be uniformly joined. However, applying external pressure while heating is a complicated operation. In addition, there is a risk of protruding to the periphery and causing electrical problems.
そこで本発明では、前記Cu層の表面にPd及びNiの少なくとも一方を含む薄膜を形成し、Biの濡れ性を改善している。以下では、Pd又はNiと、Biとの反応について説明する。 Therefore, in the present invention, a thin film containing at least one of Pd and Ni is formed on the surface of the Cu layer to improve the wettability of Bi. Below, reaction of Pd or Ni and Bi is demonstrated.
Pd及びNiは、溶融したBiと反応して合金を作り易いということが、本発明に至る過程で明らかとなった。つまり接合時の加熱において、Biを主成分とするハンダ材料が融点を超えて溶融した際に、合金の生成反応を起こしながら自ら拡がる。この合金の生成のし易さを利用して、本発明では、Biを主成分とするハンダ材料に接触する面にPd及びNiの少なくとも一方を含む薄膜を形成して、Biの濡れ性を向上させている。 It has been clarified in the course of the present invention that Pd and Ni easily react with molten Bi to form an alloy. In other words, in the heating at the time of joining, when the solder material containing Bi as a main component melts exceeding the melting point, it expands by itself while causing an alloy formation reaction. In the present invention, by utilizing the ease with which this alloy is formed, a thin film containing at least one of Pd and Ni is formed on the surface in contact with the solder material containing Bi as a main component, thereby improving the wettability of Bi. I am letting.
なお、接合時の加熱において、PdとBiとは、現在のところ2種類の合金を生成することが分かり、NiとBiとは、Bi3Niという合金を生成することが明らかとなっているが、本発明では、生成する合金の種類に限定されず、Biを主成分とするハンダ材料に接触する面にPd及びNiの少なくとも一方を含む薄膜を形成するのであれば、本発明に包含される。 In addition, in heating at the time of joining, it has been found that Pd and Bi currently produce two types of alloys, and Ni and Bi produce an alloy called Bi 3 Ni. In the present invention, the invention is not limited to the type of alloy to be produced, and any thin film containing at least one of Pd and Ni may be included in the present invention as long as the thin film containing at least one of Pd and Ni is formed on the surface in contact with the solder material mainly composed of Bi. .
ここで、濡れ性確保のために形成した上記薄膜が、ハンダ接合後も残存すると、パワー半導体モジュールを製品として使用する際に、冷熱サイクルによって接合界面に不要な反応生成物が生成する場合がある。そのような不要な反応生成物は、通常、脆い物質であったり、硬い物質であったりするので、その不要な反応生成物の存在する位置を起点にクラックが発生し、その結果、接合部材のクラックの発生や接合界面から生じる剥離などの不具合を発生させ易い。 Here, if the thin film formed to ensure wettability remains after solder bonding, an unnecessary reaction product may be generated at the bonding interface by the thermal cycle when the power semiconductor module is used as a product. . Such an unnecessary reaction product is usually a brittle substance or a hard substance, so that a crack is generated starting from the position where the unnecessary reaction product exists. It is easy to generate defects such as cracks and peeling that occurs from the bonding interface.
そこで、Pd及びNiの少なくとも一方を含む薄膜は、ハンダ材料が濡れ拡がった後は、Biのハンダ浴中に取り込まれて、接合界面には残存しない膜厚であることが望ましい。このような膜厚は、ハンダ接合時の加熱温度や加熱時間、更にはハンダ材料の種類(Biに含有させる他の材料の種類)などによって異なるため、一概に決めることはできず、適宜好適な膜厚を採用することが望ましいが、概ね、3nm以上1000nm以下であることが好ましく、10nm以上200nm以下であることが好ましい。膜厚が薄すぎると、接合部分が島状となり均一に接合することができない場合がある。しかし当然ながら、均一に接合できるのであれば、接合部分が島状となっていても構わない。一方、1000nmよりも厚い場合には、Bi系ハンダ浴中に全てが取り込まれず、Pd及びNiの少なくとも一方を含む薄膜が残存する場合がある。 Therefore, it is desirable that the thin film containing at least one of Pd and Ni has a film thickness that is taken into the Bi solder bath and does not remain at the bonding interface after the solder material wets and spreads. Since such a film thickness varies depending on the heating temperature and heating time at the time of soldering, and the type of solder material (the type of other material contained in Bi), etc., it cannot be determined in general and is suitably suitable. Although it is desirable to adopt a film thickness, it is generally preferably 3 nm or more and 1000 nm or less, and more preferably 10 nm or more and 200 nm or less. If the film thickness is too thin, the bonded portion may be island-shaped and cannot be bonded uniformly. However, as a matter of course, the joining portion may have an island shape as long as uniform joining is possible. On the other hand, when it is thicker than 1000 nm, not all is taken into the Bi solder bath, and a thin film containing at least one of Pd and Ni may remain.
Pd及びNiの少なくとも一方を含む薄膜は、スパッタリングやめっき、蒸着等によって形成することができる。 A thin film containing at least one of Pd and Ni can be formed by sputtering, plating, vapor deposition, or the like.
なお、Biを主成分とするハンダ材料によって接合した接合部については、図2に示すように、半導体素子20と絶縁基板32の接合の場合は、絶縁基板32の面積が半導体素子20より大きいため、絶縁基板32上にハンダ溶接部(第一接合部)50を外観観察することができる。このとき、絶縁基板32全体に前駆したNiないしPdの薄膜38を有する基板と、それらの薄膜がハンダ内に取り込まれたフェレット部(図2(B)の第一接合部50を参照。)と、半導体素子20と、を確認することができる。同様に、絶縁基板32と放熱板40にこのBiを主成分とするハンダを用いた場合は、放熱板40の面積が絶縁基板32より大きいため、放熱板40上を観察すると、同様に、残存している薄膜48、フェレット、及び絶縁基板32を観察することができる。
Note that, as shown in FIG. 2, the bonding portion bonded with the solder material containing Bi as a main component has a larger area of the insulating
なお具体的な接合方法については、後述する。 A specific joining method will be described later.
<パワー半導体素子>
パワー半導体素子20としては、特に制限することなく用途に応じて適宜適用することができ、一般的なSi基板なども適用できる。
本発明では、次世代素子としてGaN基板やSiC基板などを用いた場合であっても、接合部に用いるBiの融点は約270℃のため、半導体素子の繰り返し使用によって放熱される200℃を超える高温に対しても、クラックや剥離などの不具合を生じさせない信頼性の高いパワー半導体モジュールとなる。
<Power semiconductor element>
As the
In the present invention, even when a GaN substrate or SiC substrate is used as the next generation device, the melting point of Bi used for the junction is about 270 ° C., and thus exceeds 200 ° C. that is dissipated by repeated use of the semiconductor device. A highly reliable power semiconductor module that does not cause defects such as cracks and peeling even at high temperatures.
第一接合部50にBiを主成分とするハンダ材料を適用する場合、上述の通り、パワー半導体素子20は、第一接合部50側の表面にCu層22を設ける。第一接合部50側の表面にCu層22を設けると、第一接合部50とCu層22との界面においては、冷熱サイクルによる不要な反応生成物を発生させることがないので、温度変化に対しても耐性が高くなる。
Cu層22の厚みは、0.1μm〜10μmであることが好ましく、0.5μm〜7μmであることがより好ましい。0.1μmよりも薄いと、接合時にハンダ材料中に溶け込み消失する恐れがあり、10μmよりも厚いと、パワー半導体モジュール全体の熱膨張係数に影響を与え、熱応力を生じさせるようになるため好ましくない。
Cu層22は、スパッタリングやめっき、蒸着等によって形成することができる。
When applying the solder material which has Bi as a main component to the
The thickness of the
The
更に、上述の通り、第一接合部50の接合材料として、Biを主成分とするハンダ材料を適用する場合には、Cu層22の表面にはPd及びNiの少なくとも一方を含む薄膜24が形成される。
Furthermore, as described above, when a solder material mainly composed of Bi is applied as the bonding material of the
<絶縁部>
絶縁部30における絶縁基板32としては、絶縁性を確保できるものであれば特に制限されず適用することができるが、好ましくは冷却サイクル時に顕著な熱応力を生じさせないよう、半導体素子の熱膨張係数と同程度の熱膨張係数を有するものである。
<Insulation part>
The insulating
具体的に好適な絶縁基板32としては、AlN、Si3N4、Al2O3などで形成されるものを挙げることができ、この中でも熱伝導率及び熱膨張係数の観点からAlNが好適である。
Specific examples of suitable insulating
また、絶縁基板32におけるパワー半導体素子側の表面から半導体素子に電気を通すためにAlNの表面に導電層34を設ける。また、温度変化に対するそりを抑制するために、放熱板40側にも導電層36を設けることが好ましい。このような導電層34、36としては、Al、Cu、Mo、Niなどを挙げることができ、この中でもCuが好ましい。AlNの表面にCu層を設けると、導電率が高いことから薄くすることができ、熱応力を緩和できるのに加え、第一接合部50又は第二接合部60にBiを主成分とするハンダ材料を適用するときに、接合部との界面において不要な反応生成物を生成させないように設けるCu層の機能を兼ねることができる。
Further, a
AlNの表面に備える導電層34、36の厚さは、0.01mm〜1mmであることが好ましく、0.05mm〜0.5mmであることがより好ましい。導電層の厚さが0.01mm未満の場合には、横方向への電流による損失及び発熱が無視できなくなり、1mmを超える場合には、パワー半導体モジュール全体の熱膨張係数に影響を与え、熱応力を生じさせるようになるため好ましくない。
The thickness of the
AlNの両表面に導電層34、36を貼付する方法は特に制限されず、ロウ付けなどの公知の方法を適宜採用することができる。
The method for attaching the
更に、上述の通り、第一接合部50の接合材料として、Biを主成分とするハンダ材料を適用する場合には、導電層(Cu層)34の表面にはPd及びNiの少なくとも一方を含む薄膜38が形成され、第二接合部60の接合材料として、Biを主成分とするハンダ材料を適用する場合には、導電層(Cu層)36の表面にはPd及びNiの少なくとも一方を含む薄膜39が形成される。
Furthermore, as described above, when a solder material mainly composed of Bi is applied as the bonding material of the
なお、第一接合部50及び第二接合部60の一方を、Biを主成分とするハンダ材料以外の材料で接合するときには、この材料に接する面側の表面に、更に他の層を設けてもよい。
例えば、亜鉛系合金で接合する場合には、亜鉛系合金で接合する面側の表面に、冷熱サイクルによる不要な反応生成物の成長速度を遅くすることのできるNi層を設けてもよい。さらにこのNi層の表面には、酸化防止や触れ性確保のために、薄いAu層が設けられていてもよい。なお、このAu層は、接合時にハンダ浴に溶け込み、最終的なパワー半導体モジュールには殆ど残存しないような膜厚とすることが好ましい。
When one of the first
For example, in the case of joining with a zinc-based alloy, a Ni layer that can slow down the growth rate of unnecessary reaction products due to the thermal cycle may be provided on the surface side to be joined with the zinc-based alloy. Further, a thin Au layer may be provided on the surface of the Ni layer in order to prevent oxidation and secure touch. The Au layer preferably has a film thickness that dissolves in the solder bath during bonding and hardly remains in the final power semiconductor module.
<放熱板>
放熱板40としては、放熱性を有するものであれば特に制限されず適用することができるが、熱伝導率が充分高く放熱板としての機能に優れ、また半導体素子の熱膨張係数に近いものを用いることが、接合部にかかる応力を緩和し剥離を防止する観点から好ましい。
<Heat sink>
The
具体的に好適な放熱板40としては、Mo、Cu−Mo合金、Al−SiC、Cu、Alなどで形成されるものを挙げることができ、この中でも高い熱伝導率とパワー半導体素子に近い熱膨張係数を有することから、Moが好適である。
Specific examples of the
Moを放熱板に用いる場合には、ハンダによる接合を可能とする観点から、Moの両面に他の金属層を設けることが好ましく、このような金属層としては、Cu、Niなどを挙げることができ、この中でもCuが好ましい。特に、放熱板40が、Moの表面にCu層を設けたCu層44/Mo層42/Cu層46の積層体であることが、熱伝導率と熱膨張係数との調整を図る観点から好適である。
When Mo is used for the heat sink, it is preferable to provide other metal layers on both sides of Mo from the viewpoint of enabling joining by soldering. Examples of such metal layers include Cu and Ni. Among these, Cu is preferable. In particular, it is preferable that the
このように、放熱板40が、Cu層44/Mo層42/Cu層46で構成される積層体である場合、各層の厚さの比率が、1/5/1〜1/12/1であることが好ましく、1/7/1〜1/9/1であることがより好ましい。1/5/1よりもMo層が薄くなると、パワー半導体素子の熱膨張係数から離れた熱膨張係数を有することになるため好ましくない。1/12/1よりもMo層が厚くなると、放熱板としての放熱機能が充分に発揮され難くなり、好ましくない。
Thus, when the
具体的な層の厚さとしては、Cu層44、46は、0.05mm〜1mmであることが好ましく、0.2mm〜0.5mmであることがより好ましい。Mo層42の厚さは、1mm〜7mmであることが好ましく、2mm〜4mmであることがより好ましい。
As a specific layer thickness, the Cu layers 44 and 46 are preferably 0.05 mm to 1 mm, and more preferably 0.2 mm to 0.5 mm. The thickness of the
Cu層44/Mo層42/Cu層46で構成される積層体は、放熱機能を充分に発揮させるため、全体の厚さは1mm〜8mmであることが好ましく、2mm〜5mmであることがより好ましい。
In order that the laminated body constituted by the
既述の通り、Biを主成分とするハンダ材料は、Cu層との界面においては、冷熱サイクルによる不要な生成物を発生させることがないので、放熱板としてCu層44/Mo層42/Cu層46で構成される積層体を有するパワー半導体モジュールは、温度変化に対しても耐性が高くなる。
As described above, the solder material containing Bi as a main component does not generate unnecessary products due to the thermal cycle at the interface with the Cu layer, so that the
第二接合部60の接合材料として、Biを主成分とするハンダ材料を適用する場合には、Cu層44の表面にはPd及びNiの少なくとも一方を含む薄膜48が形成される。
When a solder material mainly composed of Bi is applied as the bonding material for the
ここで、図1のパワー半導体モジュール10では、第一接合部50及び第二接合部60に、Biを主成分とするハンダ材料を適用する場合として、第一接合部50に接する面にはPd及びNiの少なくとも一方を含む薄膜24、38を、第一接合部60に接する面にはPd及びNiの少なくとも一方を含む薄膜39、48を備えるよう図示したが、第一接合部50及び第二接合部60のいずれか一方には、Biを主成分とするハンダ材料を適用しない場合には、その接合面にはPd及びNiの少なくとも一方を含む薄膜は形成しなくてもよい。
また、Biを主成分とするハンダ材料以外の材料で第一接合部50又は第二接合部60を接合する場合には、そのハンダ材料に適した薄膜を形成してもよい。
Here, in the
Moreover, when joining the
<パワー半導体モジュールの製造方法>
本発明にかかるパワー半導体モジュールは、上記構成を有するものであれば、製造方法について特に制限されず、公知の方法を適宜適用することができる。
製造手順としては、(1)まず、パワー半導体素子20と絶縁部30とを第一接合部50によって接合し、次に、パワー半導体素子20を備えた絶縁部30と放熱板40とを第二接合部60によって接合してもよいし、(2)まず先に、絶縁部30と放熱板40とを第二接合部60によって接合し、その後、パワー半導体素子20と放熱板40を備えた絶縁部30とを第一接合部50によって接合してもよい。
<Power semiconductor module manufacturing method>
If the power semiconductor module concerning this invention has the said structure, it will not restrict | limit in particular about a manufacturing method, A well-known method can be applied suitably.
The manufacturing procedure is as follows: (1) First, the
具体的には、例えば、第一接合部50にBiを主成分とするハンダ材料を適用して、パワー半導体素子20と絶縁部30とを接合する方法としては、パワー半導体素子20/Biを主成分とするハンダ材料(第一接合部)50/絶縁部30をこの順に積層した状態で、不活性ガス又は還元ガス雰囲気下において、リフロー法等を利用して接合する。このとき、第一接合部50に接する面側の、パワー半導体素子20と絶縁部30の表面には、Pd又はNiの薄膜が設けられ、さらにその内側にはCu層が設けられている。
Specifically, for example, as a method of joining the
接合温度は、Biを主成分とするハンダ材料の融点よりも30℃〜60℃程度以上高い温度で行うことが好ましい。具体的には、270℃〜600℃の接合温度とすることが、接合を確実に行い、且つ半導体素子の破壊を防ぐという観点から好ましく、300℃〜450℃の接合温度であることがより好ましい。 The bonding temperature is preferably 30 to 60 ° C. higher than the melting point of the solder material containing Bi as a main component. Specifically, a bonding temperature of 270 ° C. to 600 ° C. is preferable from the viewpoint of surely bonding and preventing destruction of the semiconductor element, and more preferably a bonding temperature of 300 ° C. to 450 ° C. .
接合の加熱によって、ハンダ浴中にPdやNiは取り込まれることが望ましく、この場合、接合後にはPd又はNiの薄膜が残存しない。
接合後の第一接合部50の層の厚さは、熱伝導及び熱応力の観点から5〜500μmであることが好ましく、10〜200μmであることがより好ましい。
なお、Biを主成分とするハンダ材料は、インゴット状の鋳塊から切り出すと酸化膜が生成するので、研磨及び酸洗浄を利用して酸化膜を除去することが好適である。
It is desirable that Pd and Ni are taken into the solder bath by heating the bonding. In this case, no thin film of Pd or Ni remains after the bonding.
The thickness of the layer of the first
In addition, since an oxide film is produced when the solder material containing Bi as a main component is cut out from an ingot-shaped ingot, it is preferable to remove the oxide film using polishing and acid cleaning.
ここで、Biの濡れ拡がる状態について説明する。
図2(A)に示すように、第一接合部50にBiを主成分とするハンダ材料を適用して、パワー半導体素子20と絶縁部30とを接合する場合、本発明においてはBiの濡れ性が向上しているため、図2(B)に示すように、接合の加熱によってハンダ材料が均一に濡れ拡がる。このとき、通常、パワー半導体素子の接合面よりも、絶縁基板の接合面の方が大きいため、ハンダ材料はフィレットと呼ばれる裾拡がりの形状となる。このような接合形状であっても均一に接合しているのであれば問題ないが、フィレットの拡がりを抑制する方法としては、以下の方法を例示することができる。
Here, the state of Bi spreading out will be described.
As shown in FIG. 2A, when a solder material mainly composed of Bi is applied to the first
例えば、図3(A)(B)に示すように絶縁基板に設けるPd又はNi薄膜38の面積を絶縁基板の接合面よりも小さくする方法が挙げられる。この方法では、絶縁基板上にマスキングシートなどを貼ってメッキしたり、開口部を有するマスク部材を装着してスパッタリングしたりすることで、マスクの開口部分のみにPd又はNiの薄膜を形成できるので、簡易な方法でハンダ材料の濡れ拡がる面積を制御することができる。このように、本発明では濡れ性に最も影響のある界面の状態を直接的に変えているため、ハンダ材料の濡れ拡がる範囲を制御することも容易である。
一方、従来のように、ハンダ材料自身の濡れ性を向上させるために、ハンダ材料に他の物質を添加するという方法では、濡れ性に直接影響を及ぼす界面のみならず、ハンダ材料全体も改質されているので、ハンダ材料が濡れ拡がる範囲を制御することは、本発明に比べて困難である。
For example, as shown in FIGS. 3A and 3B, there is a method of making the area of the Pd or Ni
On the other hand, in the conventional method, in order to improve the wettability of the solder material itself, by adding another substance to the solder material, not only the interface that directly affects the wettability but also the entire solder material is modified. Therefore, it is difficult to control the range in which the solder material spreads out compared to the present invention.
但し、従来の方法であっても、図4(A)(B)に示すように、ハンダ材料の拡がりを抑止する部分にレジスト70等をパターニングしておくことで、ハンダ材料の濡れ拡がりを制御することができる。接合後に不要なレジストを除去することも可能であり、耐熱性の高いレジストの場合には、そのまま残存させておいてもよい。この方法は、本発明の接合体の製造方法にも適用することができる。 However, even in the conventional method, as shown in FIGS. 4A and 4B, the wetting and spreading of the solder material can be controlled by patterning the resist 70 or the like in a portion that suppresses the spreading of the solder material. can do. Unnecessary resist can be removed after bonding, and in the case of a resist having high heat resistance, it may be left as it is. This method can also be applied to the method for manufacturing a joined body of the present invention.
以上では、第一接合部50の接合方法について詳細に説明したが、第二接合部60についても同様の方法で接合することができる。
具体的には、第二接合部60による接合では、第一接合部50によってパワー半導体素子20と接合した絶縁部30/第二接合部60のハンダ材料/放熱板40の順に積層した状態で、第一接合部50による接合と同様に、不活性ガス又は還元ガス雰囲気下において、リフロー法等を利用して接合する。接合温度は、第二接合部60材料の融点よりも30℃〜60℃程度高い温度で行うことが好ましい。
Although the joining method of the
Specifically, in the bonding by the
ここで、第二接合部60にBiを主成分とするハンダ材料を適用する場合には、第二接合部60に接する面側の、絶縁部30と放熱板40の表面には、Pd又はNiの薄膜39及び48がそれぞれ設けられ、さらにその外側にはCu層36、44がそれぞれ設けられている。
第二接合部60の厚さは、熱伝導及び熱応力の観点から5〜400μmであることが好ましく、10〜300μmであることがより好ましい。
Here, when a solder material mainly composed of Bi is applied to the second
The thickness of the
第一接合部50と第二接合部60の二箇所をハンダによって接合する場合、第一接合部50を先に接合し次に第二接合部60を接合してもよいし、第二接合部60を先に接合し他後、第一接合部50を接合してもよいが、いずれにしても2回目のハンダ付けの温度が、1回目に用いたハンダ材料の融点よりも高いと、2回目のハンダ付けの際に1回目にハンダ付けした部分が溶融して、位置ずれを起こしたり傾斜したりといった不具合を発生させてしまう。
この問題を回避するため、一般的に、1回目に用いるハンダ材料の融点は、2回目に用いるハンダ材料の融点よりも高くなるように、ハンダの材料を選択している。好適には、2回目の接合に用いるハンダ材料の融点は、1回目の接合に用いるハンダ材料の融点よりも50℃以上低いことが望ましい。
When joining two places of the
In order to avoid this problem, the solder material is generally selected so that the melting point of the solder material used for the first time is higher than the melting point of the solder material used for the second time. Preferably, the melting point of the solder material used for the second bonding is desirably 50 ° C. lower than the melting point of the solder material used for the first bonding.
つまり1回目の接合に、Biを主成分とするハンダ材料を適用した場合、Biを主成分とするハンダ材料の溶融温度は270℃前後であるので、2回目の接合に用いるハンダ材料は、Biを主成分とするハンダ材料が溶融しない程度の温度、約220℃程度以下の溶融温度を有するものとすることが好ましい。しかし、パワー半導体からの発熱を考慮すると、2回目の接合に用いるハンダ材料の溶解温度は200℃以上であることが望ましい。
一方、2回目の接合に、Biを主成分とするハンダ材料を適用した場合には、1回目の接合に用いるハンダ材料は、320℃程度以上の溶解温度を有するものであることが好ましい。
That is, when a solder material containing Bi as the main component is applied to the first bonding, the melting temperature of the solder material containing Bi as the main component is around 270 ° C., so the solder material used for the second bonding is Bi. It is preferable that the soldering material containing as a main component has a temperature at which the solder material does not melt and a melting temperature of about 220 ° C. or less. However, considering the heat generation from the power semiconductor, it is desirable that the melting temperature of the solder material used for the second bonding is 200 ° C. or higher.
On the other hand, when a solder material mainly composed of Bi is applied to the second bonding, it is preferable that the solder material used for the first bonding has a melting temperature of about 320 ° C. or higher.
<その他の接合体>
以上では、本発明の接合体として、パワー半導体モジュールを例に説明を行ったが、被接合部材としては、パワー半導体モジュールの各構成部品に限定されず、リフロー炉を用いて行うハンダ実装や、フロー炉を用いて溶接するときに被接合体にNiやPdの薄膜をCu膜の表面に施して用いるハンダ実装などの様々な部品を適用することができる。
<Other joints>
In the above, the power semiconductor module has been described as an example of the joined body of the present invention, but the member to be joined is not limited to each component of the power semiconductor module, solder mounting performed using a reflow furnace, When welding using a flow furnace, it is possible to apply various parts such as solder mounting that uses a thin film of Ni or Pd on the surface of the Cu film to be joined.
パワー半導体モジュールの場合には、過酷な冷熱サイクルに晒されるため、この冷熱サイクルによって不要な反応生成物が発生することを考慮して、濡れ性向上のために付設されたPd層又はNi層は、接合後には消失していることが望ましいが、このような冷熱サイクルに晒されないような接合体の場合には、不要な反応生成物が発生しないこともあるのでPd層又はNi層が接合後に消失してなくてもよい場合がある。
つまり、パワー半導体モジュール以外の接合体であっても、Pd層又はNi層は接合後に消失していることが望ましいが、必ずしもPd層又はNi層が接合後に消失していなくてもよい。
In the case of a power semiconductor module, since it is exposed to a severe cooling / heating cycle, the Pd layer or Ni layer provided for improving the wettability is taken into consideration that an unnecessary reaction product is generated by this cooling / heating cycle. However, in the case of a joined body that is not exposed to such a thermal cycle, an unnecessary reaction product may not be generated, so that the Pd layer or the Ni layer may not be formed after joining. It may not be lost.
That is, even in a joined body other than the power semiconductor module, it is desirable that the Pd layer or the Ni layer disappear after joining, but the Pd layer or the Ni layer does not necessarily disappear after joining.
また、パワー半導体モジュール以外の接合体であっても、Biを主成分とするハンダ材料によって接合する接合部分が1箇所のみでもよいし、2箇所以上であってもよい。 Moreover, even if it is a joined body other than a power semiconductor module, the joining part joined by the solder material which has Bi as a main component may be only one place, and may be two or more places.
以下では実施例により本発明を説明する。以下、実施例では、パワー半導体モジュールの一部分、詳細にはパワー半導体素子と絶縁部とを接合した接合体の製造方法の一例について述べるものであり、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 The following examples illustrate the invention. Hereinafter, in the embodiments, a part of the power semiconductor module, specifically, an example of a manufacturing method of a joined body in which the power semiconductor element and the insulating portion are joined will be described, and the present invention is limited to these embodiments. is not.
[実施例1]
図5(A)に実施例1の接合体を作製するための各部材の構成を示す。
[Example 1]
FIG. 5A shows the structure of each member for producing the joined body of Example 1. FIG.
<パワー半導体素子の準備>
GaNを用いたパワー半導体素子20(面積1cm2程度)を準備し、その最表面にCu層22をスパッタリングで形成した。Cu層22の表面には、膜厚50nmのPd層80をスパッタリングにより形成した。
<Preparation of power semiconductor element>
A power semiconductor element 20 (area of about 1 cm 2 ) using GaN was prepared, and a
<絶縁部の準備>
一方、絶縁基板32としてのAlNの両面にロウ付けによってCu層34、36を貼り付け、Cu層34/AlN層32/Cu層36の積層体を作製した。更にこの積層体のパワー半導体素子側のCu層34の表面にPd層81をメッキにより形成し、絶縁部30(面積3cm2程度)を作製した。Pd層81の膜厚は、50nmであった。なお、メッキの際には、メッキしない面はマスキングシートなどを貼って保護した。
<Preparation of insulation part>
On the other hand, Cu layers 34 and 36 were attached to both surfaces of AlN as the insulating
<Bi−CuAlMnの調製>
まず、CuAlMn合金の調製を行った。
所定の重量%に調整されたCuとAlとMnを、Ar雰囲気下において高周波溶解炉を利用して溶解し、前駆体であるCuAlMnのインゴットを得た。得られたインゴットをアトマイズ法を利用して微粉化した。
微粉化したCuAlMnは、滴下法を利用して、その粉末表面にNiをめっきした。
<Preparation of Bi-CuAlMn>
First, a CuAlMn alloy was prepared.
Cu, Al, and Mn adjusted to a predetermined weight% were melted in a Ar atmosphere using a high-frequency melting furnace to obtain a CuAlMn ingot as a precursor. The obtained ingot was pulverized using an atomizing method.
The finely divided CuAlMn was plated with Ni on the powder surface using a dropping method.
次に、表面がNiめっきされたCuAlMn粉末とBiとを、透明石英管に真空封入し、Biの融点以上である400℃の温度にて5分間保持した。これにより、Biが溶融状態となり、CuAlMn粉末が均一に分散された。分散された試料を冷却凝固することによって、ハンダ材料であるBi−CuAlMnが得られた。 Next, CuAlMn powder with Ni plating on the surface and Bi were vacuum-sealed in a transparent quartz tube, and held at a temperature of 400 ° C., which is higher than the melting point of Bi, for 5 minutes. Thereby, Bi became a molten state and CuAlMn powder was disperse | distributed uniformly. Bi-CuAlMn which is a solder material was obtained by cooling and solidifying the dispersed sample.
鋳塊のBi−CuAlMnを放電加工法を利用して、4mm角程度の大きさに切り出しタブレット状のBi−CuAlMn52を得た。切り出されたBi−CuAlMn層の表面を覆っている酸化膜を、研磨及び酸洗浄を利用して除去した。 An ingot Bi-CuAlMn was cut into a size of about 4 mm square by using an electric discharge machining method to obtain a tablet-like Bi-CuAlMn52. The oxide film covering the surface of the cut Bi-CuAlMn layer was removed using polishing and acid cleaning.
<第一接合部の接合>
上記準備したパワー半導体素子20のPd層80と、絶縁部30のPd層81とを対向するように配置し、その間にタブレット状のBi−CuAlMn52を挟み込んだ状態で、5%H2/N2の還元ガス雰囲気下においてリフロー法を利用して、400℃の接合温度で接合し、本発明の接合体−1を得た。
<Join the first joint>
The
[実施例2]
図5(B)に実施例2の接合体を作製するための各部材の構成を示す。
[Example 2]
FIG. 5B shows the configuration of each member for producing the joined body of Example 2.
<パワー半導体素子の準備>
実施例1のパワー半導体素子の準備において、Cu層22の表面に、膜厚50nmのPd層80をスパッタリングにより形成したところを、電子ビーム蒸着により膜厚50nmのNi層82を形成した以外は同様にして、パワー半導体素子を準備した。
<Preparation of power semiconductor element>
In the preparation of the power semiconductor element of Example 1, the 50 nm-
<絶縁部の準備>
実施例1の絶縁部の準備において、Cu層34の表面に膜厚50nmのPd層81をメッキにより形成したところを、膜厚50nmのNi層83をメッキにより形成した以外は同様にして、絶縁部を準備した。
<Preparation of insulation part>
In the preparation of the insulating portion of Example 1, the
<第一接合部の接合>
準備したパワー半導体素子と絶縁部とを、実施例1と同様の方法によって接合し、本発明の接合体−2を作製した。
<Join the first joint>
The prepared power semiconductor element and the insulating part were joined by the same method as in Example 1 to produce a joined body-2 of the present invention.
[比較例1]
図6(A)に比較例1の接合体を作製するための各部材の構成を示す。
[Comparative Example 1]
FIG. 6A shows the structure of each member for producing the joined body of Comparative Example 1.
<パワー半導体素子の準備>
実施例1のパワー半導体素子の準備において、Cu層22の表面に、膜厚50nmのPd層80をスパッタリングにより形成したところを、スパッタリングにより膜厚50nmのAu層84を形成した以外は同様にして、パワー半導体素子を準備した。
<Preparation of power semiconductor element>
In the preparation of the power semiconductor element of Example 1, a 50 nm
<絶縁部の準備>
実施例1の絶縁部の準備において、Cu層34の表面に膜厚50nmのPd層81をメッキにより形成したところを、膜厚50nmのAu層85をメッキにより形成した以外は同様にして、絶縁部を準備した。
<Preparation of insulation part>
In the preparation of the insulating portion of Example 1, the
<第一接合部の接合>
準備したパワー半導体素子と絶縁部とを、実施例1と同様の方法によって接合し、比較の接合体−1を作製した。
<Join the first joint>
The prepared power semiconductor element and the insulating part were joined by the same method as in Example 1 to produce a comparative joined body-1.
[比較例2]
図6(B)に比較例2の接合体を作製するための各部材の構成を示す。
[Comparative Example 2]
FIG. 6B shows the structure of each member for producing the joined body of Comparative Example 2.
<パワー半導体素子の準備>
実施例1のパワー半導体素子の準備において、Cu層22の表面に、膜厚50nmのPd層をスパッタリングにより形成したところを、Cu層22の表面には何も形成せずに、これ以外は実施例1と同様にして、パワー半導体素子を準備した。
<Preparation of power semiconductor element>
In the preparation of the power semiconductor device of Example 1, a 50 nm-thickness Pd layer was formed on the surface of the
<絶縁部の準備>
実施例1の絶縁部の準備において、Cu層34の表面に膜厚50nmのPd層81をメッキにより形成したところを、Cu層34の表面には何も形成せずに、これ以外は実施例1と同様にして、絶縁部を準備した。
<Preparation of insulation part>
In the preparation of the insulating part of Example 1, the
<第一接合部の接合>
準備したパワー半導体素子と絶縁部とを、実施例1と同様の方法によって接合し、比較の接合体−2を作製した。
<Join the first joint>
The prepared power semiconductor element and the insulating part were joined by the same method as in Example 1 to produce a comparative joined body-2.
[実施例3]
<Cuを含有するBiの調製>
Biに対して1質量%のCuをAr雰囲気下で高周波溶解炉によって溶解し、前駆体であるBi−Cu合金インゴットを作製した。得られたインゴットを250℃の熱間圧延を施し、板材とし、ハンダ片として切り出した。切り出されたBi−Cu層の表面を覆っている酸化膜を、研磨及び酸洗浄を利用して除去した。
[Example 3]
<Preparation of Bi containing Cu>
1% by mass of Cu with respect to Bi was melted in a high-frequency melting furnace in an Ar atmosphere to prepare a Bi—Cu alloy ingot as a precursor. The obtained ingot was hot-rolled at 250 ° C. to obtain a plate material and cut out as a solder piece. The oxide film covering the surface of the cut Bi-Cu layer was removed using polishing and acid cleaning.
<接合体の作製>
実施例1において、ハンダ材料としてBi−CuAlMn52を用いたところを、上記調製のBi−Cuに変更した以外は同様にして、本発明の接合体−3を作製した。
同様に、実施例2において、ハンダ材料としてBi−CuAlMnを用いたところを、Bi−Cuに変更した以外は同様にして、本発明の接合体−4を作製した。
<Preparation of joined body>
A joined body-3 of the present invention was produced in the same manner as in Example 1 except that Bi-CuAlMn52 was used as the solder material and was changed to Bi-Cu prepared as described above.
Similarly, in Example 2, a joined body-4 of the present invention was produced in the same manner except that Bi-CuAlMn was used as the solder material and changed to Bi-Cu.
[比較例3]
比較例1において、ハンダ材料としてBi−CuAlMnを用いたところを、実施例3で調製したBi−Cuに変更した以外は同様にして、比較の接合体−3を作製した。
[Comparative Example 3]
A comparative joined body-3 was produced in the same manner as in Comparative Example 1, except that Bi-CuAlMn was used as the solder material and the Bi-Cu prepared in Example 3 was changed.
作製した接合体の構成を下記表1にまとめた。 The composition of the manufactured joined body is summarized in Table 1 below.
<濡れ拡がりの評価>
得られた本発明の接合体−1〜4、比較の接合体−1〜3を切断・研磨し、断面を電子顕微鏡にて観察した。
<Evaluation of wet spread>
The obtained bonded bodies -1 to 4 of the present invention and comparative bonded bodies -1 to 3 were cut and polished, and the cross section was observed with an electron microscope.
その結果、Cu層の表面にPd層を形成した本発明の接合体−1,3及びNi層を形成した接合体−2,4に関しては、溶融前のハンダ材料のサイズが4mm角程度であったにも拘らず、10mm角以上に濡れ拡がり、かつ緻密な接合になっていた。
更に、本発明の接合体−1〜4では、Cu層とBiを主成分とするハンダ材料との界面には、Pd又はNiは残存しておらず、ハンダ浴中に取り込まれたと推測されるような様子が観察された。
なお、ハンダ材料として、Bi−CuAlMnを用いた場合と、Bi−Cuを用いた場合とでは、ほぼ同様の結果となった。
As a result, regarding the joined bodies 1 and 3 of the present invention in which the Pd layer was formed on the surface of the Cu layer and the joined
Furthermore, in the joined bodies -1 to 4 of the present invention, Pd or Ni does not remain at the interface between the Cu layer and the solder material containing Bi as a main component, and it is presumed that it was taken into the solder bath. A state like this was observed.
Note that the results were almost the same when Bi—CuAlMn was used as the solder material and when Bi—Cu was used.
一方、Cu層の表面にAu層を形成した比較の接合体−1,3、及びCu層の表面に何も形成しなかった比較の接合体−2については、Biを主成分とするハンダ材料は溶融し接合はされたものの、接合されたのは、試料中央付近の数mm角の部分だけで、その周辺部分は全く接合されていなかった。
On the other hand, as for the comparative bonded bodies 1 and 3 in which the Au layer is formed on the surface of the Cu layer and the comparative bonded
10 パワー半導体モジュール
20 パワー半導体素子
22 Cu層
24 Pd層又はNi層
30 絶縁部
32 絶縁基板
34、36 導電層
38 Pd層又はNi層
39 Pd層又はNi層
40 放熱板
42 Mo層
44、46 Cu層
50 第一接合部
52 Bi−CuAlMn
60 第二接合部
80、81 Pd層
82、83 Ni層
85 Au層
DESCRIPTION OF
60 Second joint 80, 81
Claims (10)
前記Cu層の表面にPd及びNiの少なくとも一方を含む薄膜が形成された後に、前記2つの部品の間を、Biを80質量%〜100質量%含有するハンダ材料により接合してなり、前記Pd及びNiの少なくとも一方を含む薄膜は、Biを80質量%〜100質量%含有するハンダ材料が接する部分において接合後には消失している接合体。 A Cu layer is provided on each bonded surface of the two parts,
After a thin film containing at least one of Pd and Ni is formed on the surface of the Cu layer, the between the two parts, Ri Na joined by the solder material containing 80 wt% to 100 wt% of Bi, the thin film containing at least one of Pd and Ni, the conjugate in the solder material is in contact with the portion containing 80 wt% to 100 wt% of Bi that disappeared after bonding.
(1)Bi単体、
(2)Biに、Cu、Ni、Ag、Sn、In、Zn、Sb、Ge及びGaから選択される少なくとも1種を含有する材料、
(3)Biに、CuAlMn合金粒子、Ni又はAuメッキしたCuAlMn合金粒子、CuNiAl合金粒子、及びCuZnAl合金粒子から選択される少なくとも1種を含有する材料。 2. The joined body according to claim 1, wherein the solder material containing 80 mass% to 100 mass% of Bi is at least one selected from the following (1) to (3).
(1) Bi alone
(2) A material containing at least one selected from Cu, Ni, Ag, Sn, In, Zn, Sb, Ge and Ga in Bi,
(3) A material containing at least one selected from CuAlMn alloy particles, Ni or Au plated CuAlMn alloy particles, CuNiAl alloy particles, and CuZnAl alloy particles in Bi.
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