TW201444000A - 功率模組 - Google Patents

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Yoshiyuki Nagatomo
Toshiyuki Nagase
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Abstract

本發明之功率模組，是在電路層(12)當中與半導體元件(3)之接合面上，設有由銅或銅合金所構成之銅層，而在電路層(12)與半導體元件(3)之間，形成有使用銲料材而形成之銲料層(20)。銲料層(20)當中從電路層(12)的表面上起算至厚度30μm之區域中，以EBSD(Electron Backscatter Diffraction，電子背向散射繞射)測定所測定之平均結晶粒徑係為10μm以下，銲料層(20)之組成為，含有Sn作為主成分，且含有Ni在0.01mass%以上1.0mass%以下、Cu在0.1mass%以上5.0mass%以下，於功率循環試驗中，當負載10萬次通電時間5秒、溫度差80℃的條件之功率循環時，熱阻上昇率未滿10%。

Description

功率模組
本發明係有關利用銲料材來接合設有由銅或銅合金所構成的銅層之電路層以及半導體元件而成之功率模組。
本申請案基於2012年12月25日於日本申請之特願2012-281345號而主張優先權，其內容被援用於此。
上述功率模組例如如專利文獻1、2所示，具備：功率模組用基板，係在絕緣基板的一方之面上接合作為電路層之金屬板而成；及功率元件(半導體元件)，搭載於電路層上。
此外，在功率模組用基板的另一方之面側上，為了使來自功率元件(半導體元件)的熱逸散，有時會配設散熱板或冷卻器等散熱座(heat sink)。此時，為了減緩絕緣基板與散熱板或冷卻器等散熱座之間的熱膨脹係數不同所造成之熱應力，功率模組用基板中會構成為，在絕緣基板的另一方之面接合作為金屬層之金屬板，而該金屬層與上 述散熱板或冷卻器等散熱座接合。
上述功率模組中，電路層與功率元件(半導體元件)，係透過銲料材來接合。
此處，當電路層是由鋁或鋁合金所構成的情形下，例如如專利文獻3所揭示般，必須在電路層的表面藉由電鍍等形成Ni鍍覆膜，然後在該Ni鍍覆膜上配設銲料材以接合半導體元件。
此外，當電路層是由銅或銅合金所構成的情形下亦同，係在電路層的表面上形成Ni鍍覆膜，然後在該Ni鍍覆膜上配設銲料材以接合半導體元件。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2002-076551號公報
[專利文獻2]日本特開2008-227336號公報
[專利文獻3]日本特開2004-172378號公報
然而，例如如專利文獻3所記載般，對於在由鋁或鋁合金所構成之電路層的表面形成Ni鍍覆然後銲接半導體元件而成之功率模組，若施以功率循環之負載，那麼銲料會產生裂痕，熱阻有上昇之虞。
此外，對於在由銅或銅合金所構成之電路層的表面形 成Ni鍍覆然後銲接半導體元件而成之功率模組亦同，若施以功率循環之負載，那麼銲料會產生裂痕，熱阻有上昇之虞。
最近，在上述功率模組等當中，為了控制風力發電或電動汽車或電動車輛等，會搭載更大電力控制用的功率元件，因此相較於過往，必須進一步提升對於功率循環之可靠性。
本發明乃是有鑑於前述事態而研發，目的在於提供一種功率模組，即使在負載功率循環的情形下，仍能抑制銲料層的裂痕，且可靠性高。
本發明團隊經專注研討之結果確認出，對於在由鋁、鋁合金、銅或銅合金所構成之電路層的表面形成Ni鍍覆然後銲接半導體元件而成之功率模組，若施以功率循環負載，那麼Ni鍍覆會產生龜裂，該龜裂沿著銲料層的晶界進展，最終導致銲料層的裂痕。又，經專注檢討之結果，得到下述見解：藉由將銲料層的結晶粒徑縮小，便能抑制銲料層龜裂之進展。
本發明係依據上述見解而研發，(1)本發明一態樣之功率模組，具備：功率模組用基板，係在絕緣層的一方之面上配設有電路層；及半導體元件，與前述電路層的一方之面接合；其特徵為：在前述電路層當中與前述半導體元件之接合面，設有由銅或銅合金所構成之銅層， 在前述電路層與前述半導體元件之間，形成有使用銲料材而形成之銲料層，前述銲料層當中從前述電路層的表面上起算至厚度30μm之區域中，以EBSD(Electron Backscatter Diffraction，電子背向散射繞射)測定所測定之平均結晶粒徑係為0.1μm以上10μm以下之範圍內，前述銲料層之組成為，含有Sn作為主成分，且含有Ni在0.01mass%以上1.0mass%以下、Cu在0.1mass%以上5.0mass%以下，於功率循環試驗中，當負載10萬次通電時間5秒、溫度差80℃的條件之功率循環時，熱阻上昇率未滿10%。
按照此一構成之功率模組，在和半導體元件之接合面設有銅層的前述電路層與前述半導體元件之間形成之銲料層當中從前述電路層(前述銅層)的表面上起算至厚度30μm之區域中，平均結晶粒徑係做成10μm以下較為微細，故例如在電路層(銅層)的交界面鄰近發生之龜裂便不易沿著晶界而進展至銲料層的內部，可抑制銲料層的破壞。另，銲料層當中從前述電路層(前述銅層)的表面上起算至厚度30μm之區域中的平均結晶粒徑，較佳是訂為0.5μm以上10μm以下之範圍內。
此外，銲料層之組成為，含有Sn作為主成分，且含有Ni在0.01mass%以上1.0mass%以下、Cu在0.1mass%以上5.0mass%以下，因此在銲料層的內部，由含有Cu，Ni，Sn任一者之金屬間化合物所構成之析出物粒子會分散，而如上述般可使銲料層的結晶粒徑微細化。
又，本發明的功率模組係設計成，於功率循環試驗中，當負載10萬次通電時間5秒、溫度差80℃的條件之功率循環時，熱阻上昇率會未滿10%，因此即使在反覆負載功率循環的情形下，銲料層也不會早期破壞，能夠謀求提升對於功率循環的可靠性。另，上述功率循環試驗，係為銲料層承受最重負載之條件，因此若設計成在此條件下負載10萬次功率循環時熱阻上昇率未滿10%，那麼在一般使用下，便能得到足夠的可靠性。
(2)本發明另一態樣之功率模組，係為(1)所記載之功率模組，其中，在前述銲料層，由(Cu，Ni)6Sn5所構成之析出物粒子係分散。
在此情形下，由(Cu，Ni)6Sn5所構成之析出物粒子會分散，藉此能確實使銲料層的結晶粒徑微細化，可確實地抑制功率循環負載時之銲料層破壞。
按照本發明，即使負載功率循環的情形下，仍能抑制銲料層早期發生破壞，能提供可靠性高的功率模組。
1‧‧‧功率模組
3‧‧‧半導體元件
10‧‧‧功率模組用基板
11‧‧‧絕緣基板(絕緣層)
12‧‧‧電路層(銅層)
13‧‧‧金屬層
20‧‧‧銲料層
26‧‧‧金屬間化合物層
30‧‧‧銲料材
31‧‧‧Ni鍍覆膜
101‧‧‧功率模組
112‧‧‧電路層
112A‧‧‧鋁層
112B‧‧‧銅層
[圖1]本發明第1實施形態之功率模組概略說明圖。
[圖2]圖1中電路層與半導體元件之接合部分的放大 說明圖。
[圖3]圖1之功率模組的製造方法示意流程圖。
[圖4]圖3所示之功率模組的製造方法中，半導體元件接合工程的說明圖。
[圖5]本發明第2實施形態之功率模組概略說明圖。
[圖6]圖5中銅層與鋁層之接合界面的放大說明圖。
[圖7]Cu與Al的二元狀態圖。
[圖8]圖5中電路層與半導體元件之接合部分的放大說明圖。
[圖9]圖5之功率模組的製造方法示意流程圖。
[圖10]比較例1之功率模組中，初始及負載功率循環後的銲料層EBSD測定結果示意照片。
[圖11]本發明例1之功率模組中，初始及負載功率循環後的銲料層EBSD測定結果示意照片。
以下參照所附圖面，說明本發明實施形態之功率模組。
(第1實施形態)
圖1揭示本發明第1實施形態之功率模組1。該功率模組1具備：功率模組用基板10，係在絕緣基板(絕緣層)11的一方之面(第一面)上形成有電路層12；及半導體元件3，搭載於電路層12上(圖1中的上面)。 另，本實施形態之功率模組1中，在絕緣基板11的另一方之面側(第二面側，圖1中的下面)上接合有散熱座41。
功率模組用基板10具備：絕緣基板11，構成絕緣層；及電路層12，配設於該絕緣基板11的一方之面(第一面，圖1中的上面)；及金屬層13，配設於絕緣基板11的另一方之面(第二面，圖1中的下面)。
絕緣基板11係防止電路層12與金屬層13之間的電性連接，例如由AlN(氮化鋁)、Si3N4(氮化矽)、Al2O3(氧化鋁)等絕緣性高的陶瓷所構成，本實施形態中是由絕緣性高的AlN(氮化鋁)所構成。此外，絕緣基板11的厚度設定在0.2mm以上1.5mm以下的範圍內，本實施形態中是設定為0.635mm。
電路層12，是藉由在絕緣基板11的第一面上接合具導電性之金屬板而形成。本實施形態中，電路層12是藉由無氧銅的壓延板所構成之銅板與絕緣基板11接合而形成。本實施形態中，電路層12全體便相當於設置在與半導體元件3之接合面的銅或銅合金所構成之銅層。此處，電路層12的厚度(銅板厚度)較佳是設定在0.1mm以上1.0mm以下之範圍內。
金屬層13，是藉由在絕緣基板11的第二面上接合金屬板而形成。本實施形態中，金屬層13是藉由純度99.99mass%以上的鋁(亦即4N鋁)的壓延板所構成之鋁板與絕緣基板11接合而形成。此處，金屬層13(鋁 板)的厚度較佳是設定在0.6mm以上3.0mm以下之範圍內。
散熱座41係用來冷卻前述功率模組用基板10，具備：頂板部42，與功率模組用基板10接合；及通路43，用來流通冷卻媒介(例如冷卻水)。該散熱座41(頂板部42)理想是由熱傳導性良好的材質所構成，本實施形態中，是以A6063(鋁合金)所構成。
半導體元件3係由Si等半導體材料所構成，如圖2所示，在與電路層12之接合面，形成有由Ni、Au等所構成之表面處理膜3a。
又，本實施形態之功率模組1中，電路層12與半導體元件3係被銲接，在電路層12與半導體元件3之間形成有銲料層20。另，本實施形態中，銲料層20的厚度t1係訂為50μm以上200μm以下之範圍內。
該銲料層20如圖4所示，係藉由Sn-Cu-Ni系的銲料材30而形成，本實施形態中係使用Sn-0.1~4mass% Cu-0.01~1mass% Ni之銲料材30。
此處，如圖2所示，在電路層12的表面上形成有金屬間化合物層26，在該金屬間化合物層26上，層積配置有銲料層20。該金屬間化合物層26，係訂為Cu與Sn之金屬間化合物(Cu3Sn)。另，金屬間化合物層26的厚度t2，係訂為0.8μm以下。
銲料層20之組成係訂為，含有Sn作為主成分，且含有Ni在0.01mass%以上1.0mass%以下、Cu在0.1mass% 以上5.0mass%以下。
又，如圖2所示，銲料層20當中從電路層12的表面上起算至厚度30μm之區域A中，以EBSD(Electron Backscatter Diffraction，電子背向散射繞射)測定所測定之平均結晶粒徑係訂為10μm以下、較佳是0.5μm以上10μm以下之範圍內。
此外，在銲料層20的內部，由含有Cu，Ni，Sn的金屬間化合物所構成之析出物粒子係分散，特別是大多分散在銲料層20當中從電路層12的表面上起算至厚度30μm之區域A。此處，本實施形態中，析出物粒子係訂為由(Cu，Ni)6Sn5所構成之金屬間化合物。
又，本實施形態之功率模組1中係構成為，於功率循環試驗中，當負載10萬次通電時間5秒、溫度差80℃的條件之功率循環時，熱阻上昇率未滿10%。
詳言之，是將作為半導體元件3之IGBT元件銲接至電路層12，且接合(bonding)由鋁合金所構成之連接配線。然後，將對IGBT元件的通電調整成，通電(ON)時元件表面溫度140℃、非通電(OFF)時元件表面溫度60℃為1循環，每隔10秒重複，反覆此功率循環10萬次後，熱阻上昇率未滿10%。
以下利用圖3之流程圖，說明本實施形態之功率模組的製造方法。
首先，將作為電路層12的銅板與絕緣基板11接合(電路層形成工程S01)。此處，絕緣基板11與作為電 路層12的銅板之接合，係藉由所謂活性金屬硬銲(brazing)法來實施。本實施形態中，係使用由Ag-27.4質量% Cu-2.0質量% Ti所構成之活性硬銲材。
在絕緣基板11的第一面，隔著活性硬銲材層積作為電路層12之銅板，並對絕緣基板11、銅板於層積方向以1kgf/cm2以上35kgf/cm2以下(9.8×104Pa以上343×104Pa以下)的範圍加壓之狀態下，放入加熱爐內加熱，將作為電路層12之銅板與絕緣基板11接合。此處，加熱溫度訂為850℃、加熱時間訂為10分鐘。
接下來，在絕緣基板11的第二面側接合作為金屬層13之鋁板(金屬層形成工程S02)。將絕緣基板11與鋁板隔著硬銲材而層積，藉由硬銲來接合絕緣基板11與鋁板。此時，作為硬銲材，例如可使用厚度20~110μm之Al-Si系硬銲材箔，硬銲溫度訂為600~620℃為佳。
如此一來，便製造出功率模組用基板10。
接著，在金屬層13的另一方之面側接合散熱座41(散熱座接合工程S03)。金屬層13的一方之面，係與絕緣基板11的第二面接合。將金屬層13與散熱座41的頂板部42隔著硬銲材而層積，藉由硬銲來接合金屬層13與散熱座41。此時，作為硬銲材，例如可使用厚度20~110μm之Al-Si系硬銲材箔，硬銲溫度訂為590℃~610℃為佳。
然後，在電路層12上接合半導體元件3(半 導體元件接合工程S04)。本實施形態中，如圖4所示，在電路層12的表面上形成厚度0.2μm以下的薄的Ni鍍覆膜31。
接著，在該Ni鍍覆膜31上，隔著Sn-0.1~4mass% Cu-0.01~1mass% Ni之銲料材30而層積半導體元件3。
在層積了半導體元件3的狀態下，放入還原爐內，將電路層12與半導體元件3銲接。此時，還原爐內係訂為氫1~10vol%之還原環境，加熱溫度訂為280~330℃、保持時間訂為0.5~2分鐘。此外，冷卻至室溫之速度，設定為平均2~3℃/s之範圍內。
如此一來，在電路層12與半導體元件3之間會形成銲料層20，製造出本實施形態之功率模組1。
此時，形成於電路層12的表面上之Ni鍍覆膜31中的Ni，會朝銲料材30側擴散，Ni鍍覆膜31會消失。
此外，電路層12的Cu會朝銲料材30側擴散，藉此，在銲料層20的內部，由含有Cu，Ni，Sn之金屬間化合物(本實施形態中為(Cu，Ni)6Sn5)所構成之析出物粒子會分散。此外，銲料層20之組成會成為，含有Sn作為主成分，且含有Ni在0.01mass%以上1.0mass%以下、Cu在0.1mass%以上5.0mass%以下。
做成上述般構成的本實施形態之功率模組1中，形成於電路層12與半導體元件3之間的銲料層20當中從電路層12的表面上起算至厚度30μm之區域A中， 平均結晶粒徑係訂為10μm以下、較佳為0.5μm以上10μm以下之範圍內，故在銲料層20內即使自電路層12側發生龜裂，龜裂也不易沿著晶界進展，能夠抑制銲料層20的破壞。
此外，半導體元件接合工程S04中，電路層12的Cu，Ni鍍覆膜31的Ni會朝銲料材30側擴散，藉此，銲料層20之組成為含有Sn作為主成分，且含有Ni在0.01mass%以上1.0mass%以下、Cu在0.1mass%以上5.0mass%以下，故在銲料層20的內部，由含有Cu，Ni，Sn之金屬間化合物(本實施形態中為(Cu，Ni)6Sn5)所構成之析出物粒子會分散，能夠謀求銲料層20的結晶粒徑的微細化。
此外，本實施形態之功率模組1中係構成為，於功率循環試驗中，當負載10萬次通電時間5秒、溫度差80℃之功率循環時，熱阻上昇率會未滿10%，故即使在負載功率循環時，銲料層20也不會早期破壞，能夠謀求可靠性的提升。
又，本實施形態中，是在電路層12的表面上形成厚度0.2μm以下的薄的Ni鍍覆膜31，故銲接半導體元件3時，Ni鍍覆膜31不會殘存，且不會抑制電路層12的Cu朝銲料材30側擴散，在銲料層20的內部，能夠確實使由(Cu，Ni)6Sn5所構成之析出物粒子分散，能夠謀求結晶粒徑的微細化。
(第2實施形態)
接著參照所附圖面，說明本發明第2實施形態之功率模組。另，遇與第1實施形態同樣之構件，則標注同一符號並省略詳細說明。
圖5揭示本發明第2實施形態之功率模組101。該功率模組101具備：功率模組用基板110，係在絕緣基板(絕緣層)11的一方之面(第一面)上形成有電路層112；及半導體元件3，搭載於電路層112上(圖5中的上面)。
功率模組用基板110具備：絕緣基板11，構成絕緣層；及電路層112，配設於該絕緣基板11的一方之面(第一面，圖5中的上面)；及金屬層13，配設於絕緣基板11的另一方之面(第二面，圖5中的下面)。
電路層112如圖5所示，具備：鋁層112A，形成於絕緣基板11的第一面；及銅層112B，層積於該鋁層112A的一方之面側。鋁層112A的另一方之面，係與絕緣基板11的第一面接合。
此處，本實施形態中，鋁層112A是藉由接合純度99.99mass%以上的鋁壓延板來形成。此外，銅層1112B是藉由無氧銅壓延板所構成之銅板在鋁層112A的一方之面側固相擴散接合來形成。
該電路層112的一方之面(圖5中的上面)，係為供半導體元件3接合之接合面。此處，電路層112的厚度較佳是設定在0.25mm以上6.0mm以下之範圍 內。此外，鋁層112A(鋁板)的厚度較佳是設定在0.2mm以上3mm以下之範圍內、銅層112B的厚度較佳是設定在50μm以上3.0mm以下之範圍內。
此處，在鋁層112A與銅層112B之交界面，如圖6所示形成有擴散層115。
擴散層115，是藉由鋁層112A的Al原子及銅層112B的Cu原子相互擴散而形成。該擴散層115中係具有濃度梯度，從鋁層112A愈朝向銅層112B，鋁原子的濃度會逐漸變低，且銅原子的濃度逐漸變高。
該擴散層115如圖6所示，是由Al和Cu所成之金屬間化合物所構成，本實施形態當中，其構造為複數個金屬間化合物沿著接合交界面而層積。此處，該擴散層115的厚度是設定在1μm以上80μm以下之範圍內，較佳是5μm以上80μm以下之範圍內。
本實施形態中如圖6所示，係構成為，從鋁層112A側朝向銅層112B側，依序沿著鋁層112A與銅層112B之接合交界面，層積有θ相116、η2相117，以及層積有ζ2相118a、δ相118b、及γ2相118c當中的至少一個相(參照圖7之狀態圖)。
此外，本實施形態中，沿著銅層112B與擴散層115之交界面，氧化物119係在由ζ2相118a、δ相118b、或γ2相118c當中的至少一個相所構成之層的內部分散成層狀。另，該氧化物119是訂為氧化鋁(Al2O3)等鋁氧化物。
又，本實施形態之功率模組101中，電路層112(銅層112B)與半導體元件3係被銲接，在電路層112(銅層112B)與半導體元件3之間形成有銲料層20。該銲料層20如同第1實施形態般，係藉由Sn-Cu-Ni系的銲料材而形成，本實施形態中係使用Sn-0.1~4mass% Cu-0.01~1mass% Ni之銲料材。
此處，如圖8所示，在電路層112(銅層112B)的表面上形成有金屬間化合物層26，在該金屬間化合物層26上，層積配置有銲料層20。該金屬間化合物層26，係訂為Cu與Sn之金屬間化合物(Cu3Sn)。另，金屬間化合物層26的厚度t2，係訂為0.8μm以下。
銲料層20之組成係訂為，含有Sn作為主成分，且含有Ni在0.01mass%以上1.0mass%以下、Cu在0.1mass%以上5.0mass%以下。
又，如圖8所示，銲料層20當中從電路層112(銅層112B)的表面上起算至厚度30μm之區域A中，以EBSD測定所測定之平均結晶粒徑係訂為10μm以下、較佳是0.5μm以上10μm以下之範圍內。
此外，在銲料層20的內部，由含有Cu，Ni，Sn的金屬間化合物所構成之析出物粒子係分散，特別是大多分散在銲料層20當中從電路層112(銅層112B)的表面上起算至厚度30μm之區域A。此處，本實施形態中，析出物粒子係訂為由(Cu，Ni)6Sn5所構成之金屬間化合物。
又，本實施形態之功率模組101中係構成 為，於功率循環試驗中，當負載10萬次通電時間5秒、溫度差80℃的條件之功率循環時，熱阻上昇率未滿10%。
詳言之，是將作為半導體元件3之IGBT元件銲接至電路層112(銅層112B)，且接合由鋁合金所構成之連接配線。然後，將對IGBT元件的通電調整成，通電(ON)時元件表面溫度140℃、非通電(OFF)時元件表面溫度60℃為1循環，每隔10秒重複，反覆此功率循環10萬次後，熱阻上昇率未滿10%。
以下利用圖9之流程圖，說明本實施形態之功率模組101的製造方法。
首先，在絕緣基板11的第一面及第二面接合鋁板，形成鋁層112A及金屬層13(鋁層及金屬層形成工程S101)。
將絕緣基板11與鋁板隔著硬銲材而層積，藉由硬銲來接合絕緣基板11與鋁板。此時，作為硬銲材，例如可使用厚度20~110μm之Al-Si系硬銲材箔，硬銲溫度訂為600~620℃為佳。
接著，在鋁層112A的一方之面接合銅板，形成銅層112B(銅層形成工程S102)。另，鋁層112A的另一方之面，係為鋁層及金屬層形成工程S101中與絕緣基板11的第一面接合之面。
在鋁層112A上層積銅板，將它們在於積層方向加壓(壓力3~35kgf/cm2)之狀態下放入真空加熱爐內加熱，藉此將鋁層112A與銅板固相擴散接合。此處，銅層形成 工程S102中，加熱溫度訂為400℃以上548℃以下、加熱時間訂為15分鐘以上270分鐘以下。另，進行鋁層112A與銅板之固相擴散接合的情形下，較佳是將加熱溫度訂為，從比Al和Cu的共晶溫度(548.8℃)還低5℃的溫度至未滿共晶溫度之溫度範圍。
藉由該銅層形成工程S102，在絕緣基板11的第一面上形成由鋁層112A與銅層112B所構成之電路層112。
然後，在電路層112(銅層112B)上接合半導體元件3(半導體元件接合工程S103)。本實施形態中，在電路層112(銅層112B)的表面上形成厚度0.2μm以下的薄的Ni鍍覆膜。
接著，在該Ni鍍覆膜上，隔著Sn-0.1~4mass% Cu-0.01~1mass% Ni之銲料材而層積半導體元件3。
在層積了半導體元件3的狀態下，放入還原爐內，將電路層112(銅層112B)與半導體元件3銲接。此時，還原爐內係訂為氫1~10vol%之還原環境，加熱溫度訂為280~330℃、保持時間訂為0.5~2分鐘。此外，冷卻至室溫之速度，設定為平均2~3℃/s之範圍內。
如此一來，在電路層112(銅層112B)與半導體元件3之間會形成銲料層20，製造出本實施形態之功率模組101。
此時，形成於電路層112(銅層112B)的表面上之Ni鍍覆膜中的Ni，會朝銲料材側擴散，Ni鍍覆膜會消失。
此外，銅層112B的Cu會朝銲料材側擴散，藉此，在銲料層20的內部，由含有Cu，Ni，Sn之金屬間化合物(本實施形態中為(Cu，Ni)6Sn5)所構成之析出物粒子會分散。此外，銲料層20之組成會成為，含有Sn作為主成分，且含有Ni在0.01mass%以上1.0mass%以下、Cu在0.1mass%以上5.0mass%以下。
做成上述般構成的本實施形態之功率模組101中，可發揮如同第1實施形態之作用效果。
此外，本實施形態中，由於電路層112具有銅層112B，故能夠使自半導體元件3產生的熱於銅層112B朝面方向擴散，能夠有效率地將熱傳遞至功率模組用基板110側。
又，在絕緣基板11的第一面，係形成有變形阻力(deformation resistance)相對而言較小的鋁層112A，故能夠藉由該鋁層112A來吸收熱循環負載時產生的熱應力，能夠抑制絕緣基板11的破裂。
此外，在電路層112的一方之面側形成有由變形阻力相對而言較大的銅或銅合金所構成之銅層112B，故當負載功率循環時能夠抑制電路層112的變形，對於功率循環可得到高可靠性。另，電路層112的另一方之面，係為與絕緣基板11的第一面接合之面。
此外，本實施形態中，鋁層112A與銅層112B係固相擴散接合，該固相擴散接合時的溫度是訂為400℃以上，故會促進Al原子與Cu原子之間的擴散，能 夠在短時間內使其充分地固相擴散。此外，固相擴散接合時的溫度是訂為548℃以下，故不會產生Al和Cu之間的液相，能夠抑制在鋁層112A與銅層112B之接合交界面產生瘤，或是厚度變動。
又，將上述固相擴散接合的加熱溫度訂為從比Al和Cu的共晶溫度(548.8℃)還低5℃的溫度至未滿共晶溫度之範圍，在此情形下，能夠抑制Al與Cu之化合物形成過度，且會確保固相擴散接合時的擴散速度，能在較短時間內固相擴散接合。
以上已說明本發明之實施形態，但本發明並非限定於此，在不脫離其發明之技術思想範圍內可適當變更。
舉例而言，本實施形態中，雖說明金屬層是以純度99.99mass%以上的4N鋁所構成，但並不限定於此，亦可由其他鋁或鋁合金所構成，或亦可以銅或銅合金所構成。
此外，本實施形態中，作為電路層之金屬板雖以無氧銅壓延板來舉例說明，但並不限定於此，亦可由其他銅或銅合金所構成。
又，作為絕緣層雖以由AIN所構成之絕緣基板來說明，但並不限定於此，亦可使用由Al2O3、Si3N4等所構成之絕緣基板。
此外，雖說明將絕緣基板與作為電路層之銅板藉由活性金屬硬銲法來接合，但並不限定於此，亦可藉由DBC法(直接覆銅法)、鑄造法等來接合。
又，雖說明將絕緣基板與作為金屬層之鋁板藉由硬銲來接合，但並不限定於此，亦可運用暫態液相接合(Transient Liquid Phase Bonding)法、金屬膏法、鑄造法等。
此外，銲料材的組成並不限定於本實施形態，於銲料接合後所形成之銲料層的組成，凡是含有Sn作為主成分，且含有Ni在0.01mass%以上1.0mass%以下、Cu在0.1mass%以上5.0mass%以下者即可。
此外，第2實施形態中，雖說明在鋁層的一方之面上將銅板固相擴散接合，藉此在電路層的接合面上形成銅層，但並不限定於此，銅層的形成方法並無限制。
舉例而言，亦可在鋁層的一方之面上藉由鍍覆法來形成銅層。另，若欲形成厚度5μm至50μm左右的銅層的情形下，則運用鍍覆法較佳。若欲形成厚度50μm至3mm左右的銅層的情形下，則運用固相擴散接合較佳。
[實施例1]
以下，說明為了確認本發明之功效而進行之確認實驗結果。
備妥前述第1實施形態所記載之功率模組。絕緣基板係使用由AlN所構成，27mm×17mm、厚度0.6mm者。此外，電路層係使用由無氧銅所構成，25mm×15mm、厚度0.3mm者。金屬層係使用由4N鋁所構成，25mm×15mm、厚度0.6mm者。半導體元件訂為IGBT元件，使用13mm× 10mm、厚度0.25mm者。散熱座係使用40.0mm×40.0mm×2.5mm之鋁板(A6063)。
此處，係一面調整在電路層的表面上形成之Ni鍍覆膜的厚度，一面如表1所示般改變銲料材的組成，藉此調整銲料接合後之銲料層的組成、平均結晶粒徑等，而製作出各種功率模組以作為本發明例1~8及比較例1~5。
另，銲料接合條件為氫3vol%還原環境，加熱溫度(加熱對象物溫度)及保持時間訂為表1之條件，至室溫為止之平均冷卻速度訂為2.5℃/s。
(結晶粒徑)
在如上述般得到之功率模組中，藉由EBSD測定，測定形成於電路層與IGBT元件之間的銲料層當中從電路層的表面上起算至厚度30μm之區域中的平均結晶粒徑。
EBSD測定，係藉由EBSD測定裝置(FEI公司製Quanta FEG 450，EDAX/TSL公司製OIM Data Collection)以及分析軟體(EDAX/TSL公司製OIM Data Analysis ver.5.3)，依電子線的加速電壓：20kV、測定步距：0.6μm、測定範圍：300μm×50μm、分析範圍：300μm×30μm來實施。
(銲料層的組成)
藉由EPMA分析，進行銲料層的成分分析。使用 EPMA分析裝置(日本電子股份有限公司製JXA-8530F)，依加速電壓：15kV、點徑；1μm以下、倍率：250倍，來分析銲料層的平均組成。
(功率循環試驗)
將對IGBT元件的通電調整成，通電(ON)時元件表面溫度140℃、非通電(OFF)時元件表面溫度60℃為1循環，每隔10秒重複，反覆此功率循環10萬次。然後，評估熱阻自初始狀態起算之上昇率。另，本發明例1~8中，反覆10萬次功率循環時的熱阻上昇率全都未滿10%。
(功率循環壽命)
將對IGBT元件的通電調整成，通電(ON)時元件表面溫度140℃、非通電(OFF)時元件表面溫度60℃為1循環，每隔10秒重複，反覆此功率循環。然後，評估當熱阻自初始狀態起算之上昇率達10%以上時的循環次數(功率循環壽命)。
(熱阻測定)
作為熱阻，係使用熱阻測試器(TESEC公司製4324-KT)來測定暫態熱阻。訂定施加電力：100W、施加時間：100ms，測定電力施加前後的閘極-射極間之電壓差，藉此求出熱阻。測定是在上述功率循環試驗時，每隔1萬 循環實施。
銲料層的結晶粒徑為10μm以上較粗大之比較例1、比較例3及比較例5中，功率循環壽命為70000~80000次較短。觀察反覆10萬次功率循環後的比較例1之銲料層截面，結果如圖10所示，可看出銲料層的破壞。
此外，銲料層的組成落在本發明範圍外之比較例2、4中亦同，功率循環壽命為80000~90000次較短。推測其原因為，因Ni或Cu較多，故在銲料層內生成了夾雜物(inclusion)，銲料層以夾雜物為起點而被破壞。
相對於此，本發明例1~8中，任一者之功率循環壽命均在110000次以上，可確認銲料層的破壞受到抑制。觀察反覆10萬次功率循環後的本發明例1之銲料層截面，結果如圖11所示，可確認龜裂沿著晶界之進展受到抑制。
如上所述，按照本發明例，可確認能得到功率循環特性優良之功率模組。
[實施例2]
接著，如第2實施形態所記載般，備妥以鋁層及銅層構成電路層之功率模組。
絕緣基板係使用由AlN所構成，27mm×17mm、厚度0.6mm者。金屬層係使用由4N鋁所構成，25mm×15mm、厚度0.6mm者。半導體元件訂為IGBT元件，使用13mm×10mm、厚度0.25mm者。散熱座係使用40.0mm×40.0mm× 2.5mm之鋁板(A6063)。
電路層當中的鋁層係使用由4N鋁所構成，25mm×15mm、厚度0.6mm者。又，銅層如表2所示，是藉由鍍覆、固相擴散接合來形成。
鍍覆的情形中，是在鋁層的表面施以鋅酸鹽(zincate)處理後，藉由電鍍形成表2所示厚度之銅層。
固相擴散接合的情形，是備妥表2所示厚度之銅板，藉由第2實施形態示例之條件在鋁層表面上將銅板固相擴散接合。
經上述方式，製作出各種功率模組以作為本發明例11~16。
另，銲料接合條件為氫3vol%還原環境，加熱溫度(加熱對象物溫度)及保持時間訂為表2之條件，至室溫為止之平均冷卻速度訂為2.5℃/s。
然後，藉由與實施例1同樣之方法，評估銲料層的組成、結晶粒徑、功率循環壽命。評估結果如表2所示。
如表2所示，本發明例11~16中，任一者之功率循環壽命均在110000次以上，可確認銲料層的破壞受到抑制。即使在鋁層上形成各種厚度的銅層來構成電路層的情形下，仍如同實施例1般，可確認能提升功率循環特性。
此外，若銅層的厚度為5μm以上，那麼銅層中的Cu不會全部擴散至銲料側，可確認銅層會殘存。又，若銅層的厚度為3mm以下，那麼可確認功率循環壽命在10萬次以上。
[產業利用性]
按照本發明，即使負載功率循環的情形下，仍能抑制銲料層早期發生破壞，能提供可靠性高的功率模組。
1‧‧‧功率模組
3‧‧‧半導體元件
10‧‧‧功率模組用基板
11‧‧‧絕緣基板(絕緣層)
12‧‧‧電路層(銅層)
13‧‧‧金屬層
20‧‧‧銲料層
41‧‧‧散熱座
42‧‧‧頂板部
43‧‧‧通路

Claims (2)

  1. 一種功率模組，具備：功率模組用基板，係在絕緣層的一方之面上配設有電路層；及半導體元件，與前述電路層的一方之面接合；其特徵為：在前述電路層當中與前述半導體元件之接合面，設有由銅或銅合金所構成之銅層，在前述電路層與前述半導體元件之間，形成有使用銲料材而形成之銲料層，前述銲料層當中從前述電路層的表面上起算至厚度30μm之區域中，以EBSD(E1ectron Backscatter Diffraction，電子背向散射繞射)測定所測定之平均結晶粒徑係為0.1μm以上10μm以下之範圍內，前述銲料層之組成為，含有Sn作為主成分，且含有Ni在0.01mass%以上1.0mass%以下、Cu在0.1mass%以上5.0mass%以下，於功率循環試驗中，當負載10萬次通電時間5秒、溫度差80℃的條件之功率循環時，熱阻上昇率未滿10%。
  2. 如申請專利範圍第1項之功率模組，其中，在前述銲料層，由(Cu，Ni)6Sn5所構成之析出物粒子係分散。
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