功率模块的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种使用焊锡材料将设置有由铜或铜合金构成的铜层的电路层和半 导体元件进行接合的功率模块。
[0002] 本申请主张基于2012年12月25日于日本申请的专利申请2012-281345号优先 权，并将其内容援用于此。
【背景技术】
[0003]例如，如专利文献1、2所示，上述功率模块具备在绝缘基板的一个面接合作为电 路层的金属板而构成的功率模块用基板和搭载于电路层上的功率元件（半导体元件）。
[0004] 并且，功率模块用基板的另一面侧有时配设有散热板或冷却器等散热器，以发散 来自功率元件（半导体元件）的热量。此时，为了缓和由绝缘基板与散热板或冷却器等散 热器之间的热膨胀系数引起的热应力，在功率模块用基板上，设定为在绝缘基板的另一面 接合有作为金属层的金属板，且该金属层与上述散热板或冷却器等散热器接合的结构。
[0005] 上述功率模块中，电路层与功率元件（半导体元件）经由焊锡材料而接合。
[0006] 在此，当电路层由铝或铝合金构成时，例如如专利文献3中所公开，需在电路层的 表面通过电解电镀等而形成Ni镀膜，且在该Ni镀膜上配设焊锡材料而接合半导体元件。
[0007] 并且，当电路层由铜或铜合金构成时，同样在电路层的表面形成Ni镀膜，且在该 Ni镀膜上配设焊锡材料而接合半导体元件。
[0008] 专利文献1 :日本专利公开2002-076551号公报
[0009] 专利文献2 :日本专利公开2008-227336号公报
[0010] 专利文献3 :日本专利公开2004-172378号公报
[0011] 然而，例如如专利文献3中所记载，若对在由铝或铝合金构成的电路层的表面形 成Ni镀层而焊锡接合半导体元件的功率模块施加功率循环的负载，则可能会在焊锡上产 生龟裂，热阻会上升。
[0012] 并且，即使在由铜或铜合金构成的电路层的表面形成Ni镀层而焊锡接合半导体 元件的功率模块中，若施加功率循环的负载，则同样可能会在焊锡上产生龟裂，热阻会上 升。
[0013] 近年来，在上述功率模块等中，为了控制风力发电或电动汽车和电动车辆等而搭 载进一步大功率控制用的功率元件，因此比以往更加需要进一步提高功率循环的可靠性。
【发明内容】
[0014] 本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种即使在负载有功率循环 时，也可以抑制焊锡层的裂纹，且可靠性较高的功率模块。
[0015] 本发明人等进行深入研宄的结果得知若对在由铝、铝合金、铜或铜合金构成的电 路层的表面形成Ni镀层而焊锡接合半导体元件的功率模块施加功率循环负载，则Ni镀层 会产生裂纹，该裂纹沿焊锡层的晶界扩展，最终导致焊锡层龟裂。并且，进行深入研宄的结 果得知通过将焊锡层的结晶粒径设定为较小，可以抑制焊锡层的裂纹的扩展的研宄结果。
[0016] 本发明是基于上述见解而完成的，（1)本发明的一实施方式的功率模块具备在绝 缘层的一个面配设有电路层的功率模块用基板和接合于所述电路层的一个面上的半导体 元件，其中，在所述电路层中与所述半导体元件的接合面设置有由铜或铜合金构成的铜层， 在所述电路层与所述半导体元件之间形成有使用焊锡材料而形成的焊锡层，在所述焊锡 层中的从所述电路层表面至30ym的区域中，通过EBSD而测定的平均结晶粒径被设定在 0. 1ym以上10ym以下的范围内，所述焊锡层的组成为，作为主成分含有Sn，并且含有0. 01 质量％以上1. 0质量％以下的Ni、0. 1质量％以上5. 0质量％以下的Cu，在功率循环试验 中，在通电时间5秒、温度差80°C的条件下负载10万次功率循环时，热阻上升率低于10%。
[0017] 根据此构成的功率模块，在与半导体元件的接合面设置有铜层的所述电路层与所 述半导体元件之间形成的焊锡层中的所述电路层（所述铜层）表面至厚度30ym的区域 中，平均结晶粒径被设定为l〇ym以下即设成比较微细，因此例如在电路层（铜层）的界面 邻近发生的裂纹不易沿晶界扩展至焊锡层的内部，能够抑制焊锡层的破坏。另外，在焊锡层 中的从所述电路层（所述铜层）的表面上至厚度30ym的区域中的平均结晶粒径，优选设 定在0. 5ym以上10ym以下的范围内。
[0018] 此外，焊锡层的组成为，作为主成分含有Sn，并且含有0.01质量％以上1.0质量％ 以下的Ni、0. 1质量％以上5. 0质量％以下的Cu，因此在焊锡层的内部，由含有Cu、Ni、Sn 中的任一种的金属间化合物构成的析出物粒子会分散，如上所述可使焊锡层的结晶粒径微 细化。
[0019] 另外，在功率循环试验中，本发明的功率模块被设定为在通电时间5秒、温度差 80°C的条件下负载10万次功率循环时的热阻上升率低于10%，因此即使在反复负载功率 循环的情况下，焊锡层也不会提前被破坏，能够提高功率循环的可靠性。另外，上述功率循 环试验中，由于是对焊锡层施加最重负载的条件，因此若在该条件下进行10万次负载的功 率循环时的热阻上升率低于10%，则在通常的使用中能够得到充分的可靠性。
[0020] (2)本发明的另一实施方式的功率模块为实施方式（1)中所记载的功率模块，在 所述合金层上分散有（Cu，Ni)6Sn5构成的析出物粒子。
[0021] 其中，由（Cu，Ni)6Sn5构成的析出物粒子会分散，由此能切实地使焊锡层的结晶粒 径微细化，且能够切实地抑制功率循环负载时的焊锡层的破坏。
[0022] 根据本发明，能够提供即使在负载功率循环时，也能够提前抑制在焊锡层产生破 坏，且可靠性较高的功率模块。
【附图说明】
[0023] 图1是本发明的第1实施方式的功率模块的概略说明图。
[0024] 图2是图1中的电路层与半导体元件的接合部分的放大说明图。
[0025] 图3是表示图1的功率模块的制造方法的流程图。
[0026] 图4是图3所示的功率模块的制造方法中的半导体元件接合工序的说明图。
[0027] 图5是本发明的第2实施方式的功率模块的概略说明图。
[0028] 图6是图5中的铜层与铝层之间的接合界面的放大说明图。
[0029] 图7是Cu与A1的二元状态图。
[0030] 图8是图5中的电路层与半导体元件之间的接合部分的放大说明图。
[0031] 图9是表示图5的功率模块的制造方法的流程图。
[0032] 图10是表示比较例1的功率模块中初始及负载功率循环后的焊锡层的EBSD测定 结果的照片。
[0033] 图11是表示本发明例1的功率模块中初始及功率循环负载后的焊锡层的EBSD测 定结果的照片。
【具体实施方式】
[0034] 以下，参考附图对本发明的实施方式的功率模块进行说明。
[0035](第一实施方式）
[0036]图1中示出本发明的第1实施方式的功率模块1。该功率模块1具备在绝缘基板 (绝缘层）11的一个面（第一面）上形成有电路层12的功率模块用基板10和搭载于电路 层12上（图1中为上表面）的半导体元件3。另外，在本实施方式的功率模块1中，散热器 41接合于绝缘基板11的另一面侧（为第二面侧，图1中为下表面）。
[0037] 功率模块用基板10具备：构成绝缘层的绝缘基板11 ;配设于该绝缘基板11的一 个面（为第一面，图1中为上表面）的电路层12 ;及配设于绝缘基板11的另一面（为第二 面，图1中为下表面）的金属层13。
[0038] 绝缘基板11为防止电路层12与金属层13之间的电连接的基板，例如由A1N(氮 化铝）、Si3N4(氮化硅）、A1203(氧化铝）等绝缘性较高的陶瓷构成，在本实施方式中，由绝 缘性较高的A1N(氮化铝）构成。并且，绝缘基板11的厚度设定在0.2mm以上1.5mm以下 的范围内，在本实施方式中被设定为0. 635mm。
[0039] 电路层12通过在绝缘基板11的第一面接合具有导电性的金属板而形成。本实施 方式中，电路层12通过由无氧铜的轧制板构成的铜板接合于绝缘基板11而形成。本实施方 式中，电路层12整体相当于设置在与半导体元件3之间的接合面的由铜或铜合金构成的铜 层。其中，电路层12的厚度（铜板的厚度）优选设定在0.1mm以上1.0mm以下的范围内。 [0040]金属层13通过在绝缘基板11的第二面接合金属板而形成。本实施方式中，金属 层13通过由纯度为99. 99质量％以上的铝（所谓4N铝）的轧制板构成的铝板接合于绝缘 基板11而形成。其中，金属层13(错板）的厚度优选设定在0.6mm以上3. 0mm以下的范围 内。
[0041] 散热器41为用于冷却所述功率模块用基板10的部件，并具备与功率模块用基板 10接合的顶板部42和用于流通冷却介质（例如冷却水）的流路43。该散热器41 (顶板部 42)优选由导热性良好的材质构成，本实施方式中由A6063(铝合金）构成。
[0042] 半导体元件3由Si等半导体