TWI397979B - Electronic components module - Google Patents

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TWI397979B
TWI397979B TW96108042A TW96108042A TWI397979B TW I397979 B TWI397979 B TW I397979B TW 96108042 A TW96108042 A TW 96108042A TW 96108042 A TW96108042 A TW 96108042A TW I397979 B TWI397979 B TW I397979B
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TW
Taiwan
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electronic component
metal plate
mass
temperature
component module
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TW96108042A
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Inventor
Hiromasa Kato
Takayuki Naba
Noritaka Nakayama
Original Assignee
Toshiba Kk
Toshiba Materials Co Ltd
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Description

電子元件模組
本發明係關於一種電子元件模組。
目前採用功率半導體模組作為用以控制電動汽車或電車等之大電流的元件。此外，在利用廢熱進行發電的裝置、半導體製程中的恒溫裝置、用以冷卻電子元件之裝置等使用熱電轉換模組。於該等電子元件模組中，係使用在陶瓷基板的兩面接合有金屬板的電路基板作為用以安裝功率半導體元件或熱電元件的基板(參照專利文獻1、2)。
例如，在電路基板之一方金屬板上焊接有功率半導體元件或熱電元件等電子元件，另一方金屬板則係焊接在被稱為基座板之金屬板或複合板而予以固定。此外，以如銅般之導電性良好的電極塊包夾薄型的半導體元件，而以氣密性的密封構造構成周圍，並且由電極塊的外側加壓而將複數個電子元件一體化的構造等亦已為人所知(參照專利文獻3)。
當構成功率半導體模組或熱電轉換模組的電子元件為Si元件或調溫用熱電元件時，由於該等之使用最高溫度為125℃左右，因此即使為習知之使用焊鉛予以焊接或藉由壓接予以固定，均可形成可充分承受均等加熱或熱循環(例如室溫至125℃)者。
然而，在今後之功率半導體模組或熱電轉換模組中，係具有以下所示之課題。例如，當取代Si元件而使用如SiC元件之類的高溫動作型寬能隙(wide gap)半導體單結晶元件時，為了使其特性充分發揮，必須在300至500℃之高溫環境下使其動作。當將在高溫環境下動作的SiC元件以習知的焊接固定在電路基板上時，以SiC元件的動作溫度會使其與電路基板的固定狀態不穩定，而導致SiC元件剝離等。
當使用可在高溫環境下進行動作的熱電轉換模組時，可由例如汽車或工廠等所排放出之500℃前後的高溫廢熱來製作電氣能量，而可期待降低環境負載。然而，與功率半導體模組相同地，當將在高溫環境下所使用的熱電元件以習知的焊接固定在電路基板上時，並無法穩定保持熱元件對於電路基板的固定狀態。在熱電轉換模組中，為了防止擴散或緩和應力，亦有使鈦層等作為中間層介在熱電元件及電極之間的技術內容(參照專利文獻4)。然而，在此由於係利用熔射法形成中間層及電極，而在熱電轉換模組之製造性方面具有困難處。
為了改善如上所述之在高溫環境下之電子元件的固定性，考慮以高溫焊材將SiC元件或熱電元件等電子元件接合在電路基板。然而，近年來期望焊材無鉛化，而期望在將電子元件焊接在電路基板時，亦使用不含鉛的焊材。高溫焊材若不含鉛即難以獲得與習知技術同等以上的特性，因此以高溫焊材將SiC元件或熱電元件等電子元件接合在電路基板在實質上是很困難的。
此外，半導體元件或熱電元件若由良率或可靠性的觀點來看，可預測元件尺寸微細化，而且因元件尺寸微細化而使元件搭載數大幅增加。因此，例如在功率半導體模組中，可預測使用溫度會逐漸變高。隨著功率半導體模組的使用溫度變高，熱循環會更加變大，而使因熱變形或熱膨脹差所造成的擺動亦增大。因此，SiC元件等電子元件變得易於自電路基板剝離，而更加難以確保可靠性。
(專利文獻1)日本專利特開2002－201072號公報(專利文獻2)日本專利特開2002－203993號公報(專利文獻3)日本專利特開平10－098140號公報(專利文獻4)日本專利特開2003－309294號公報
本發明之目的在提供一種藉由抑制電子元件在高溫環境下自電路基板剝離，而可提高可靠性之電子元件模組。
本發明之態樣之電子元件模組係具備：電路基板，具備：具有第1主面、及與前述第1主面為相反側之第2主面的陶瓷基板；與前述陶瓷基板之前述第1主面相接合的第1金屬板；及與前述陶瓷基板之前述第2主面相接合的第2金屬板；以及電子元件，透過焊材層與前述第1及第2金屬板之至少一方相接合，且可至少以125℃進行動作，前述焊材層係由具有熔點高於前述電子元件之使用溫度的焊材所構成。
以下說明用以實施本發明的形態。第1圖係顯示本發明第1實施形態之電子元件模組。第2圖係顯示本發明第2實施形態之電子元件模組。該等圖所示之電子元件模組1係具備具有作為絕緣基板之陶瓷基板3的電路基板2。電路基板2係具備：透過接合層4而接合於陶瓷基板3之一方主面的第1金屬板5；以及透過接合層6而接合於另一方主面的第2金屬板7。
第1金屬板5係具有作為電路板的作用。第2金屬板7係具有作為例如接合於基座板的接合板、或散熱板、吸熱板的作用。在第1金屬板5係透過焊材層8而接合有電子元件9。焊材層8係由具有熔點高於電子元件9之使用溫度的焊材所構成。第2金屬板7係透過具有熔點高於電子元件9之使用溫度的焊材所構成的焊材層10而與基座板11相接合。
陶瓷基板3係由例如氧化鋁(Al2 O3 )燒結體、氮化鋁(AlN)燒結體、氮化矽(Si3 N4 )燒結體、碳化矽(SiC)燒結體等陶瓷燒結體所構成。在該等燒結體之中，由具有高熱傳導率之觀點來看，係較適合使用氮化鋁燒結體。此外，由強度高且可使基板面積大面積化的觀點來看，則較適合使用氮化矽燒結體。
以氮化鋁燒結體而言，最好使用例如熱傳導率為180W/m．K以上者，而更適合使用200W/m．K以上者。以如上所述之氮化鋁燒結體而言，例如日本專利特開2002－201072號公報之記載所示，係例示以使直線距離50μm所包含的氮化鋁結晶粒子數為15至30個的方式，調整氮化鋁粒子的粒徑及由燒結助劑構成之粒界相的比例，且將熱傳導率設為200W/m．K以上者。
以氮化矽燒結體而言，最好使用例如熱傳導率為65W/m．K以上者，而更適合使用85W/m．K以上者。以如上所述之氮化矽燒結體而言，係列舉例如藉由將燒結後的爐冷溫度設為100℃/h以下，而將氮化矽燒結體中之粒界相之20%以上(相對於全粒界相的比例)予以結晶化者。
以第1及第2金屬板5、7而言，係使用例如以選自銅及鋁之至少1種為主成分的金屬板。該等金屬板5、7的厚度最好調整為第1金屬板5的厚度t1相對於第2金屬板7的厚度t2的比((t1/t2)×100[%])為50%以上、200%以下的範圍。
當金屬板5、7的厚度比(t1/t2比)未達50%或者超過200%時，則在任何情形下，在陶瓷基板3接合第1金屬板5及第2金屬板7而得之電路基板2的翹曲量均會變大，而變得難以以均勻厚度塗佈用以接合電子元件9與基座板11的焊材層8、10。因此，當例如接合複數個電子元件9時，難以將該等構件均等地接觸、配置在電路基板2上，而有發生接合不完全的電子元件9之虞。
藉由使第1金屬板5及電路基板2的厚度比為50%以上、200%以下，可在例如電路基板2的尺寸為60mm×60mm以下時，將電路基板2的翹曲量形成為15μm以下。因此，可以均勻厚度塗佈焊材層8、10。當電子元件9有複數個時，可將該等元件適當地總括接觸、配置在電路基板2上而進行接合。金屬板5、7的厚度比(t1/t2比)若由更加降低電路基板2之翹曲量的觀點來看，最好為75%以上、150%以下的範圍，若為100%左右則更佳。如上所述之金屬板5、7的厚度比尤其適合在使用環境溫度在200℃以上時。
陶瓷基板3及第1及第2金屬板5、7例如係透過接合層4、6予以接合。其中，接合層4、6並不一定需要。亦可不透過接合層4、6，而將陶瓷基板3及第1及第2金屬板5、7直接接合。在如上所述之情形下，即省略形成接合層4、6。
陶瓷基板3及第1及第2金屬板5、7係適用周知之直接接合法(DBC法或DBA法等)、活性金屬接合法、焊材接合法等而予以接合。用在活性金屬接合法的活性金屬係列舉Ti、Zr、Hf等。該等金屬可僅使用1種，或者亦可併用2種以上。藉由適用採用如上所述之活性金屬的活性金屬接合法，可強固地接合陶瓷基板3及第1及第2金屬板5、7。
電子元件9係透過焊材層8而接合在與第1金屬板5之陶瓷基板3相接合面的相反面。如上所示，電子元件9係搭載在電路基板2。電子元件9係可以至少125℃進行動作，列舉如SiC半導體元件(使用SiC單結晶的半導體元件)或熱電轉換元件等。電子元件9若為可在125℃以上的溫度下進行動作者即可，亦可為自以往以來所使用的Si元件、電阻體元件、電容器元件等。
電子元件9由於125℃以上的動作環境溫度而使熱循環(溫差)變大，因此難以確保可靠性或特性等。當使用如SiC元件之類的寬能隙(wide gap)半導體元件時，為了使其特性充分發揮，係必須使其在300至500℃的高溫下進行動作。若以高溫使其動作時，由於熱循環會變大，因此電子元件模組1之各部因熱變形或熱膨脹率的差所造成的負載會增加，而難以確保可靠性。此外，當藉由元件尺寸的微細化而使元件搭載數增加時，使用溫度係逐漸變高，而使各部因熱變形或熱膨脹率的差所造成的負載更加變大。
於本實施形態之電子元件模組1中，由於在焊材層8適用具有熔點高於電子元件9之使用溫度的焊材，因此可抑制可至少以125℃進行動作之電子元件9剝離或特性劣化等。例如，當電子元件9為Si元件等時，由於Si元件的使用最高溫度為125℃左右，因此藉由適用具有熔點高於Si元件之使用最高溫度(125℃)的焊材，可抑制使用時之電子元件9的剝離或劣化。因此，可提升電子元件模組1的可靠性或特性。
此外，當電子元件9為SiC元件或高溫動作型之熱電元件時，該等元件之動作環境溫度為300℃以上。在焊材層8適用具有熔點高於SiC元件或熱電元件等之電子元件9之動作環境溫度(300℃以上)的焊材，藉此可抑制在高溫環境下使用時之電子元件9的剝離或劣化。因此，可提升電子元件模組1的可靠性或特性。以熱電元件而言，係例示如日本專利特開2005－286229號公報等所記載之half－Heusler系化合物。若為如上所述之熱電元件，則在300℃以上的環境溫度下亦可適用。
本實施形態之電子元件模組1係適用於可至少以125℃進行動作的電子元件9。尤其，當將可在300℃以上的環境溫度下進行動作的電子元件9模組化時，本實施形態之電子元件模組1係較為適合。其中，關於作為構成焊材層8之焊材的熔點基準的電子元件9之使用溫度，當為Si元件等一般性電子元件9時，係顯示使用最高溫度，當為SiC元件或熱電元件等高溫動作型電子元件9時，則顯示動作環境溫度。
基座板11係透過焊材層10而接合在與第2金屬板7之陶瓷基板3相接合面的相反面。以基座板11而言，係以例如以選自銅及鋁之至少1種為主成分者較為適合。關於如上所述之基座板11，由於以由具有熔點高於電子元件9之使用溫度的焊材所構成的焊材層10接合在第2金屬板7，因此可抑制使用電子元件模組1時剝離基座板11。
由充分確保電子元件模組1之散熱性的觀點來看，以將基座板11接合於第2金屬板7為佳。但是，若即使不接合基座板11亦可確保充分的散熱性，則亦可不接合基座板11。此時，第2金屬板7係具有作為散熱板的功能。
焊材層8係形成在與第1金屬板5上之電子元件9相接合的部分。同樣地，焊材層10係形成在與第2金屬板7上之基座板11相接合的部分。焊材層8、10係必須至少形成在如上所述之部分，但若在不會妨礙絕緣性等之範圍內，則亦可形成在其他部分。
焊材層8、10係由具有熔點高於電子元件9(電子元件模組1)之使用溫度的焊材所構成。藉由利用如上所述之焊材層8、10接合電子元件9或基座板11，可在使用電子元件模組1時軟化焊材層8、10，甚至可抑制電子元件9或基座板11剝離等。此外，由於緩和因第1金屬板5與電子元件9的熱膨脹差所造成的熱應力(thermal stress)，因而可抑制電子元件9剝離或特性劣化等。藉此可提供一種可靠性或動作特性等優異的電子元件模組1。
由於電子元件模組1具備可至少以125℃進行動作的電子元件9，因此構成焊材層8、10之焊材的熔點必須至少高於125℃。藉由使用具有如上所述之熔點的焊材，可充分提高適用使用最高溫度為125℃左右之Si元件等電子元件9之電子元件模組1的可靠性或動作特性等。
當電子元件9為SiC元件時，其動作環境溫度為300至500℃。因此，構成焊材層8、10的焊材係必須具有熔點高於SiC元件之動作環境溫度(300℃以上)。此外，當電子元件9為高溫動作型之熱電元件時，係曝曬在例如500℃前後的高溫廢熱。因此，構成焊材層8、10的焊材係必須具有熔點高於熱電元件所曝曬的高溫環境。其中，電子元件模組1係無關於電子元件9的種類，若利用具有熔點高於電子元件模組1之實際使用溫度的焊材來構成焊材層8、10即可。
以構成焊材層8、10的焊材而言，係例示有具有共晶組成之Ag－Cu系焊材或Al系焊材。在該等焊材之中，以具有600℃以上之熔點的Ag－Cu系焊材或Al系焊材較為適合。藉由使用如上所述之Ag－Cu系焊材或Al系焊材，當電子元件9之使用最高溫度為125℃左右時自不待言，在適用例如動作環境溫度為300℃以上之SiC元件或高溫動作型熱電元件作為電子元件9時，亦可抑制電子元件9或基座板11自電路基板2剝離、電子元件9之特性劣化等。
此外，藉由使用Ag－Cu系焊材或Al系焊材等，可輕易實現電子元件模組1之無鉛化。當使用Ag－Cu系焊材或Al系焊材等時，由於亦不需要進行用以提升焊材潤濕性的鍍覆處理，因此可降低電子元件模組1之製造工數。
以Ag－Cu系焊材而言，以Ag及Cu等二元素的合計含有量為85質量%以上且具有導電性者為佳。若Ag及Cu等二元素的合計含有量未達85質量%，會有難以接合第1金屬板5與電子元件9，或者難以接合第2金屬板7與基座板11之虞。此外，即使接合本身為可行，亦會有發生空洞(void)、接合強度降低之虞。
Ag－Cu系焊材具體而言係最好具有以下組成：含有Ag及Cu等二元素合計85質量%以上，此外，以1質量%以上、5質量%以下的範圍含有選自Ti、Zr及Hf之至少1種，殘部為選自Sn及In之至少1種。當Ag及Cu的合計量為100質量份時，Ag及Cu的比率係最好Cu的比例為10至35質量份的範圍，殘部為Ag，尤其以滿足共晶組成之比率為宜。
藉由在Ag－Cu系焊材中以1至5質量%的範圍含有選自Ti、Zr及Hf之至少1種，可一面使熔點上升而提升接合強度，一面亦可抑制空洞產生等。在Ag－Cu系焊材之中，尤其以由含有Ag及Cu等二元素合計85質量%以上，以1質量%以上、5質量%以下的範圍含有Ti，殘部為Sn所構成者較為適合。
以Al系焊材而言，係以Al含有量為90質量%以上且具有導電性者為佳。若Al含有量未達90質量%，會有難以接合第1金屬板5與電子元件9，或者難以接合第2金屬板7與基座板11之虞。此外，即使接合本身為可行，亦會有發生空洞(void)等、接合強度降低之虞。
Al系焊材具體而言係最好具有以下組成：含有90質量%以上的Al，以0.1質量%以上、3質量%以下的範圍含有選自Y或鑭系元素等稀土類元素之至少一種，殘部為Si。在Al系焊材含有0.1至3質量%的稀土類元素，藉此可一面使熔點上升而提升接合強度，一面亦可抑制空洞產生等。在Al系焊材之中，尤其以由含有90質量%以上的Al及0.1至3質量%的Y，殘部為Si所構成者較為適合。
接著說明上述之實施形態之電子元件模組1的製造方法。首先，在製造電子元件模組1之前先製造電路基板2。亦即，藉由周知的接合方法，將第1金屬板5及第2金屬板7接合在陶瓷基板3的兩主面，而製造電路基板2。
接著，在電路基板2之第1金屬板5之表面上之中至少欲接合電子元件9的部分，藉由例如網版印刷塗佈具有熔點高於電子元件9之使用溫度之焊材的焊膏(paste)，並使其乾燥。此外，在第2金屬板7之表面上之中至少欲接合基座板11的部分，亦藉由例如網版印刷塗佈同樣之焊材的焊膏，並使其乾燥。
此外，使電子元件9及基座板11接觸於塗佈於第1金屬板5及第2金屬板7的焊材焊膏上而予以配置之後，將該等全體以焊材的熔點程度加熱，而將第1金屬板5與電子元件9、及第2金屬板7與基座板11相接合，藉此製作電子元件模組1。此時，當電子元件9有複數個時，係將所有該等構件總括接觸於所塗佈的焊材焊膏上而予以配置、接合。藉此可將複數個電子元件9總括均等地接合在第1金屬板5上。此外，基座板11亦可同時接合在第2金屬板7。
接著說明第1及第2實施形態之電子元件模組1的具體例。第1圖所示之第1實施形態係適於將作為電子元件9的Si元件或SiC元件等半導體元件搭載在電路基板2上的電子元件模組1。第1圖所示之電子元件模組1例如為功率半導體模組。電子元件9最好為可在例如300℃以上之高溫環境下進行動作的SiC元件。當適用Si元件或SiC元件等作為電子元件9時，亦可如第2圖所示將複數個電子元件9搭載在電路基板2上而構成電子元件模組1。
在將已搭載作為電子元件9的Si元件或SiC元件等半導體元件的電子元件模組(功率半導體模組)1中，係可藉由使用具有熔點高於電子元件9之使用溫度的焊材層8、9，來抑制電子元件9或基座板11自電路基板2剝離、電子元件9之特性劣化等。
此外，適用於焊材層8、9的Ag－Cu系焊材或Al系焊材係可將厚度形成為薄於習知的焊材層，因此可降低與電路基板2之間的熱電阻。由Ag－Cu系焊材或Al系焊材所構成之焊材層8、9的厚度可為例如30μm以下，甚至可為10μm以下。焊材層8、9的厚度係以3μm以上為佳。當焊材層8、9的厚度未達3μm時，會有無法獲得充分之接合強度之虞。藉此可提高功率半導體模組1的熱循環特性(TCT特性)。
第2圖所示之第2實施形態係適用於將作為電子元件9的熱電元件搭載在電路基板2上的電子元件模組1。電子元件9最好係可在300℃以上，甚至500℃左右的高溫環境下進行動作的高溫動作型熱電元件。以如上所述之熱電元件之構成材料而言，係例示以具有MgAgAs型結晶構造之金屬間化合物相為主相的熱電材料(half－Heusler材料)。在第3圖顯示熱電轉換模組之具體構造。第3圖所示之熱電轉換模組20係具有複數個p型熱電元件9A及複數個n型熱電元件9B。該等p型熱電元件9A及n型熱電元件9B係交替排列在同一平面上，且以模組整體而言，係以矩陣狀配置。
p型熱電元件9A及n型熱電元件9B係配置在第1電路基板2A及第2電路基板2B之間。在1個p型熱電元件9A及與該等元件相鄰接的1個n型熱電元件9B的下部係配置有第1電路基板2A的第1金屬板5A作為將該等元件間相連接的第1電極。另一方面，在1個p型熱電元件9A及與該等元件相鄰接的1個n型熱電元件9B的上部係配置有第2電路基板2B的第1金屬板5B作為將該等元件間相連接的第2電極。作為第1電極的金屬板5A及作為第2電極的金屬板5B係以偏移1個元件份的狀態予以配置。
如上所示，將複數個p型熱電元件9A及複數個n型熱電元件9B以電性串聯連接。亦即，以使直流電流以p型熱電元件9A、n型熱電元件9B、p型熱電元件9A、n型熱電元件9B...的順序流動的方式，分別配置第1電極5A及第2電極5B。p型熱電元件9A及n型熱電元件9B及電極(金屬板)5A、5B係如上所述透過具有熔點高於熱電元件9A、9B的動作環境溫度的焊材層8而相接合。第1電路基板2A之第2金屬板7A係與基座板11相接合。
第3圖所示之熱電轉換模組20係以在上下之電路基板2A、2B之間施予溫差的方式，將第1電路基板2A配置在低溫側(L)，並且將第2電路基板2B配置在高溫側(H)而予以使用。根據該溫差，在第1電極5A及第2電極5B之間產生電位差，當負載連接於電極的末端時，即可取出電力。如上所示，藉由使用高溫動作型熱電元件9A、9B，可將熱電轉換模組20作為發電裝置加以利用。
在已搭載熱電元件9A、9B的熱電轉換模組20中，係藉由使用具有熔點高於熱電元件9A、9B之動作環境溫度的焊材層8，可抑制熱電元件9A、9B自電路基板2剝離或特性劣化等。此外，最好將配置在高溫側(H)之第1電極(第1電路基板2A的第1金屬板5A)的厚度形成為比配置在低溫側(L)之第2電極(第2電路基板2B之第1金屬板5B)的厚度薄。藉此可更加提高熱電轉換模組20之熱循環特性(TCT特性)。尤其，可提升在高溫側(H)及低溫側(L)的溫差在300℃以上，甚至400℃以上的動作環境下之熱循環特性等。
其中，熱電轉換模組20並不限於將熱轉換成電力的發電用途，亦可用在將電轉換成熱的加熱用途。亦即，當直流電流流通至呈串聯連接的p型熱電元件9A及n型熱電元件9B時，在一方之電路基板側會發生放熱，在另一方的電路基板側則會發生吸熱。因此，藉由將被處理體配置在放熱側的電路基板上，可將被處理體加熱。例如，在半導體製造裝置中，係實施半導體晶圓的溫度控制，而可將熱電轉換模組20適用於如上所示的溫度控制。
熱電轉換模組20如第4圖所示，亦可收納在殼體21內加以使用。熱電轉換模組20係透過導電性纜線23而與設在殼體21的電極22電性連接。在殼體21內係以密封熱電轉換模組20的方式充填絕緣物質24。以絕緣物質24而言，係適於使用例如聚矽氧凝膠(silicone gel)等凝膠狀密封體。藉由殼體21所得的密封構造係不僅對於熱電轉換模組20有效，對於功率半導體模組亦為有效。
接著，關於構成電子元件模組1之焊材層8的焊材的熔點及組成、以及第1金屬板5相對於第2金屬板7之厚度比對於電子元件模組1的接合性、動作可能溫度的影響，就製造實際上如第2圖所示之電子元件模組1予以評估的結果加以敘述。其中，在此係將未設置焊材層10及基座板11的構造適用在電子元件模組1。
首先，將作為評估對象的電子元件模組製造成如以下所示。亦即，備妥由縱30mm×橫35mm×厚0.32mm、熱傳導率為90W/m．K、3點彎曲強度為500MPa左右的Si3 N4 燒結體所構成的陶瓷基板3。以15μm的厚度將含有活性金屬的焊材印刷在該陶瓷基板3的兩面，此外使第1金屬板5及第2金屬板7接觸各自之焊材上，且在1×10－3 Pa的真空中施予800℃×10分鐘的熱處理而予以接合。
在此，第2金屬板7的厚度t2係固定為0.25mm，以使第1金屬板5的厚度t1相對於第2金屬板7的厚度t2的比((t1/t2)×100〔%〕)成為表1所示的值的方式予以設定。其中，使用Cu板作為第1金屬板5及第2金屬板7。接著，在第1金屬板5上將蝕刻阻劑印刷成預定形狀，且藉由氯化鐵液進行蝕刻處理而形成電路圖案後，去除蝕刻阻劑而形成電路基板2。
接著，在已接合第1金屬板5之電子元件9的部分，以20μm的厚度印刷具有如表1所示之熔點及組成的焊材。其中，該印刷部分的焊材作成為焊材層8。此外，以表1所示之Ag－Cu系焊材為主所構成的Ag－Cu合金係具有相對於Ag及Cu之合計量，Cu的量為28質量%的共晶組成者。接合後的焊材層厚度在10至15μm的範圍。
之後，在已印刷第1金屬板5之焊材的部分，依序接觸作為電子元件9的p型熱電元件(p型半導體元件)及n型熱電元件(n型半導體元件)而予以配置，且以800℃施行10分鐘的熱處理而予以接合。熱電元件的配置數為72個。如上所示，獲得具有第2圖所示之構造的電子元件模組1(並未設置焊材層10及基座板11)。
接著，就各電子元件模組1以目測調查電子元件9的接合狀態，針對可接合者測定接合強度(TCT前的接合性)。此外，對於各電子元件模組1，係以－50℃×30分鐘→室溫×10分鐘→155℃×30分鐘→室溫×10分鐘為1週期，而實施3000週期的熱循環試驗。之後，以目測調查電子元件9之接合的維持性。關於可維持接合者，進行測定接合強度(TCT後之接合性)。將該等結果顯示於表2。
其中，於表2中，TCT前之接合性為「良好」係表示藉由目測確認出可接合，並且接合強度為9.8kN/m以上。TCT前之接合性為「不良」係表示藉由目測確認出可接合，但是接合強度未達9.8kN/m。TCT前之接合性為「不可接合」係表示藉由目測確認出不可能接合。
TCT後之接合性為「良好」係表示在TCT後藉由目測確認出已維持接合，並且維持9.8kN/m以上的接合強度。TCT後之接合性為「不良」係表示藉由目測確認出已維持接合，但是接合強度未達9.8kN/m。TCT後之接合性為「不可維持接合」係表示藉由目測確認出未維持接合。
接著，關於接合性(TCT前、TCT後)為良好之電子元件模組1，實際上以300℃或500℃條件下使其動作，以試驗是否可進行動作。將其結果一併顯示於表2。其中，表2中的「500℃為止」係表示確認出以300℃及500℃進行動作。「300℃為止」係表示確認出以300℃進行動作，但是以500℃並未確認出動作。
由表1及表2可知，以構成焊材層8的焊材而言，尤其以Ag及Cu等二元素合計含有量為85wt%以上的Ag－Cu系焊材、或者Al含有量為90wt%以上的Al系焊材為佳。第1金屬板5的厚度相對於第2金屬板7的厚度比係以50%以上、200%以下為佳，若為75%以上、150%以下為更佳。
接著，製作在第1圖顯示構造之功率半導體模組，且對其TCT特性進行測定及評估。電路基板係形成與上述具體例相同者。以電子元件9而言，係適用SiC元件。SiC元件係利用具有與表1之試料3及試料13相同組成的焊材接合於電路基板。將使用試料3之相同焊材的功率半導體模組設為試料20，使用試料13之相同焊材的功率半導體模組設為試料21。評估該等功率半導體模組的TCT特性如以下所示。
亦即，對於使用與試料3及試料13相同組成的焊材層將SiC元件予以接合的各功率半導體模組，以25℃×10分鐘→300℃×10分鐘為1週期而實施3000週期的熱循環試驗。此外，將以25℃×10分鐘→500℃×10分鐘為1週期的熱循環試驗，而且以25℃×10分鐘→600℃×10分鐘為1週期的熱循環試驗分別實施3000週期。確認出該等各熱循環試驗後有無接合不良。將該等結果顯示於表3。
由表3可知，以焊材而言，係藉由使用以10至14質量%之範圍含有Sn的Ag－Cu－Ti系焊材，可提高高溫下的TCT特性。至比焊材之接合溫度低200℃的溫度為止係已確認出動作，但比焊材之熔點低100℃的溫度則大多確認出為接合不良。試料21(Al－Si系焊材)由於焊材的熔點較低，因此500℃以上時，TCT特性會降低。由此可知，至比焊材之熔點低200℃的溫度係可維持接合的可靠性。
接著，製作在第3圖顯示構造之熱電轉換模組，且對其TCT特性進行測定、評估。但是，使配置在高溫側(H)的第1電極5A的厚度T1與配置在低溫側(L)的第2電極5B的厚度T2變化成如表4所示，而製成熱電轉換模組(試料22至26)。評估該等各熱電轉換模組的TCT特性如以下所示。
亦即，將低溫側(L)設為25℃，高溫側(H)設為200℃或500℃，以25℃×10分鐘→200℃或500℃×30分鐘為1週期而實施3000週期的熱循環試驗。確認各熱循環試驗後之熱電模組的動作。將TCT試驗後亦進行動作者設為「良好」，未進行動作者設為「不良」。熱電模組在TCT試驗後亦進行動作係意指在熱電元件及電極之間未發生接合不良。該等結果顯示於表4。
以熱電元件9A、9B而言，係使用以具有MgAgAs型結晶構造的金屬間化合物相為主相的熱電材料。以電路基板3而言，係使用將作為電極5A、5B的銅板接合於氮化矽基板(厚0.3mm×橫60mm×縱60mm)者。關於熱電元件及電極的接合，以及電極及氮化矽基板的接合係使用具有含有69質量%的Ag、21質量%的Cu、2質量%的Ti，殘部為Sn之組成的焊材。接合後之焊材層的厚度為10至15μm。熱電元件(9A、9B)係在電路基板3上接合64個(＝8×8個)。以參考例(試料27)而言，係備妥在接合層使用厚度20μm的Ti層者。
由表4可知，當高溫側的溫度為200℃以下時，亦即高溫側的溫度及低溫側的溫差在200℃以下時，未確認出不良。另一方面，當高溫側的溫度及低溫側的溫差在300℃以上時，係藉由將高溫側的電極厚度T1形成為比低溫側的電極厚度T2薄(T1<T2)，可提高TCT特性。另一方面，若將當高溫側在500℃時產生不良的試料22、試料26、試料27相比較，則關於電極剝離等接合不良的發生比例，參考例(試料27)在熱電元件數64個中平均30個，試料26為23個，試料22為17個。可考慮此係因為以Ti單層並未充分緩和熱應力所致。
其中，本發明並非侷限於上述實施形態，在實施階段中，係可在未脫離其要旨的範圍內進行各種變形。此外，各實施形態係可在可能範圍內適當組合實施，此時可得組合後的效果。此外，在上述實施形態中係含有各種階段的發明，藉由所揭示之複數個構成要件中的適當組合，可抽出各種發明。
(產業上利用可能性)
根據本發明之態樣之電子元件模組，可抑制根據使用溫度之電子元件的剝離等。因此，可提供一種可靠性優異的電子元件模組。如上所述之電子元件模組係有效利用在各種電子元件，尤其有效利用在在高溫環境下所使用的電子元件。
1．．．電子元件模組
2．．．電路基板
2A．．．第1電路基板
2B．．．第2電路基板
3．．．陶瓷基板
4．．．接合層
5．．．第1金屬板
5A．．．第1金屬板(第1電極)
5B．．．第1金屬板(第2電極)
6．．．接合層
7．．．第2金屬板
7A．．．第2金屬板
7B．．．第2金屬板
8．．．焊材層
9．．．電子元件
9A．．．p型熱電元件
9B．．．n型熱電元件
10．．．焊材層
11．．．基座板
20．．．熱電轉換模組
21．．．殼體
22．．．電極
23．．．導電性纜線
24．．．絕緣物質
第1圖係顯示本發明第1實施形態之電子元件模組之構成的剖視圖。
第2圖係顯示本發明第2實施形態之電子元件模組之構成的剖視圖。
第3圖係顯示適用本發明第2實施形態之電子元件模組之熱電轉換模組之一例的剖視圖。
第4圖係顯示適用本發明第2實施形態之電子元件模組之熱電轉換模組之其他例的剖視圖。
1．．．電子元件模組
2．．．電路基板
3．．．陶瓷基板
4．．．接合層
5．．．第1金屬板
6．．．接合層
7．．．第2金屬板
8．．．焊材層
9．．．電子元件
10．．．焊材層
11．．．基座板

Claims (9)

  1. 一種電子元件模組，其特徵為具備：電路基板，具備：具有第1主面、及與前述第1主面為相反側之第2主面的陶瓷基板；與前述陶瓷基板之前述第1主面相接合的第1金屬板；及與前述陶瓷基板之前述第2主面相接合的第2金屬板；以及電子元件，透過焊材層與前述第1及第2金屬板之至少一方相接合，由至少可於125℃動作的SiC半導體元件或熱電元件構成，前述焊材層係由高於前述電子元件之使用溫度、具有575~730℃範圍之熔點的，含有Ag及Cu合計85質量%以上、而且以1質量%以上5質量%以下的範圍含有由Ti、Zr、及Hf選出之至少1種之Ag-Cu系焊材、或含有90質量%以上之Al的Al系焊材所構成，而且，前述第1金屬板之厚度相對於前述第2金屬板之厚度的比為50%以上、200%以下的範圍。
  2. 如申請專利範圍第1項之電子元件模組，其中，上述電子元件之上述使用溫度係表示動作環境溫度，前述焊材係具有高於前述電子元件之上述動作環境溫度的熔點。
  3. 如申請專利範圍第2項之電子元件模組，其中，前述電子元件之前述動作環境溫度為300℃以上。
  4. 如申請專利範圍第1項之電子元件模組，其中，在前述第1金屬板係接合有複數個前述電子元件。
  5. 如申請專利範圍第1項之電子元件模組，其中，於 前述第2金屬板係透過焊材層接合於基座板。
  6. 如申請專利範圍第1項之電子元件模組，其中，前述Ag-Cu系焊材，係另含有選自Sn及In之至少1種。
  7. 如申請專利範圍第6項之電子元件模組，其中，前述Ag-Cu系焊材係具有當Ag及Cu的合計量為100質量份時，Cu的比率為10至35質量份之範圍的組成。
  8. 如申請專利範圍第1項之電子元件模組，其中，前述Al系焊材，係另具有以下組成：以0.1質量%以上、3質量%以下的範圍含有選自稀土類元素之至少1種，殘部由Si所構成。
  9. 如申請專利範圍第1項之電子元件模組，其中，另具備：用以收納將前述電子元件予以接合之前述電路基板的殼體；設在前述殼體的電極；以及充填在前述殼體內，俾密封前述電子元件與前述電路基板的絕緣物質。
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