[0113] 实施例1
[0114] 以下，对为确认本发明的效果而进行的确认实验的结果进行说明。
[0115] 准备所述第1实施方式中记载的功率模块。绝缘基板由A1N构成，使用 27mmX17mm、厚度0? 6mm的基板。并且，电路层由无氧铜构成，使用25mmX15mm、厚度0? 3mm 的层。金属层由4N错构成，使用25mmX15mm、厚度0.6mm的层。半导体元件设定为IGBT元 件，并使用13mmX10mm、厚度0. 25mm的元件。作为散热器使用40. 0mmX40. 0mmX2. 5mm的 铝板（A6063)。
[0116] 在此，调整形成于电路层的表面的Ni镀膜的厚度，并且如表1所示变更焊锡材料 的组成，由此调整焊料接合后的焊锡层的组成、平均结晶粒径等，制作成为本发明例1~8 及比较例1~5的各种功率模块。
[0117] 另外，焊锡接合条件将氢气3vol%还原气氛、加热温度（加热对象物温度）及保持 时间设定为表1的条件，将冷却至室温的平均冷却速度设定为2. 5°C/s。
[0118] (结晶粒径）
[0119] 根据如上所述得到的功率模块中，通过EBSD测定对形成于电路层与IGBT元件之 间的焊锡层中的从电路层表面至厚度30ym的区域中的平均结晶粒径进行了测定。
[0120] EBSD测定，通过EBSD测定装置（FEI公司制QuantaFEG450,EDAX/TSL公司制 OIMDataCollection)以及分析软件（EDAX/TSL公司制OIMDataAnalysisver. 5. 3)， 以电子射线的加速电压：20kV、测定步长：0. 6ym、测定范围：300ymX50ym、分析范围： 300ymX30ym而实施。
[0121] (焊锡层的组成）
[0122] 根据EPMA分析，对焊锡层的成分进行了分析。使用EPMA分析装置（日本电子股 份有限公司制JXA-8530F)，以加速电压：15kV、光斑直径；1ym以下、倍率：250倍对焊锡层 的平均组成进行了分析。
[0123](功率循环试验）
[0124] 将对IGBT元件的通电调整为每10秒钟重复进行一次通电（ON)时元件表面温度 为140°C、非通电（OFF)时元件表面温度为60°C的循环，并反复进行10万次该功率循环。并 且，对从初始状态开始的热阻的上升率进行了评价。另外，在本发明例1~8中，所有反复 进行了 10万次功率循环时的热阻上升率为低于10%。
[0125](功率循环寿命）
[0126] 将向IGBT元件的通电调整为每10秒进行一次通电（ON)时的元件表面温度为 140°C、非通电（OFF)时的元件表面温度为60°C的循环，并反复该功率循环。并且，对从初始 状态开始的热阻的上升率成为10%以上的循环次数（功率循环寿命）进行了评价。
[0127](热阻测定）
[0128] 作为热阻，使用热阻测试仪（TESEC公司制4324-KT)对瞬态热阻进行了测定。设 定为施加功率：l〇〇W、施加时间：100ms，通过测定功率施加前后的栅极与发射极之间的电 压差来求出热阻。测定是在进行上述功率循环试验时，每1万次循环实施一次测定。
[0129][表1]
[0130]
[0131] ※功率循环寿命：热阻上升10 %时的循环次数
[0132] 焊锡层的结晶粒径成为10ym以上的较粗大的比较例1、比较例3以及比较例5 中，功率循环寿命短至70000~80000次。对反复10万次功率循环后的比较例1的焊锡层 截面进行了观察的结果，如图10所示，可看出焊锡层的破坏。
[0133] 并且，焊锡层的组成脱离了本发明的范围的比较例2、4中，功率循环寿命也同样 的短至80000~90000次。推测其原因为，因Ni或Cu较多，从而在焊锡层内生成了夹杂物， 焊锡层以夹杂物为起点而被破坏。
[0134] 相对于此，本发明例1~8中，功率循环寿命均在110000次以上，可确认焊锡层的 破坏受到抑制。对反复10万次功率循环后的本发明例1的焊锡层截面进行观察的结果，如 图11所示，可确认裂纹沿晶界的扩展得到抑制。
[0135] 如上，根据本发明例，确认到能够得到功率循环特性优异的功率模块。
[0136] 实施例2
[0137] 接着，如第2实施方式中所记载，准备由铝层和铜层构成电路层的功率模块。
[0138] 绝缘基板由A1N构成，使用27mmX17mm、厚度0.6mm的基板。金属层由4N铝构成， 使用25mmX15mm、厚度0.6mm的层。半导体元件设定为IGBT元件，使用13mmX10mm、厚度 0. 25mm的元件。作为散热器使用40. 0mmX40. 0mmX2. 5mm的铝板（A6063)。
[0139] 电路层中铝层由4N铝构成，使用25mmX15mm、厚度0.6mm的层。并且，如表2所 示，铜层通过电镀、固相扩散接合而形成。
[0140] 电镀时，在铝层的表面实施锌酸盐处理之后，通过电解电镀形成表2所示的厚度 的铜层。
[0141]固相扩散接合时，准备表2所示的厚度的铜板，以第2实施方式中例示的条件在铝 层的表面固相扩散接合铜板。
[0142] 如上制作成为本发明例11~16的各种功率模块。
[0143] 另外，焊锡接合条件将氢气3vol%还原气氛、加热温度（加热对象物温度）及保持 时间设定为表2的条件，将冷却至室温的平均冷却速度设定为2. 5°C/s。
[0144] 并且，根据与实施例1相同的方法对焊锡层的组成、结晶粒径及功率循环寿命进 行了评价。评价结果示于表2。
[0145] [表 2]
[0146]
[0147] ※功率循环寿命：热阻上升10%时的循环次数
[0148] 如表2所示，在本发明例11~16中，功率循环寿命均达110000次以上，确认到焊 锡层的破坏得到抑制。即使在铝层上形成各种厚度的铜层而构成电路层时，也与实施例1 同样地确认到能够提高功率循环特性。
[0149] 并且，若铜层的厚度为5ym以上，则不会导致铜层中的Cu全部向焊锡侧扩散，确 认到铜层残留。另外，若铜层的厚度为3mm以下，则确认到功率循环寿命变成10万次以上。
[0150] 产业上的可利用性
[0151] 根据本发明，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，能够提 供可靠性较高的功率模块。
[0152] 符号说明
[0153] 1-功率模块，3-半导体元件，10-功率模块用基板，11-绝缘基板（绝缘层），12-电 路层（铜层），13-金属层，20-焊锡层，26-金属间化合物层，30-焊锡材料，31-Ni镀膜， 101-功率模块，112-电路层，112A-铝层，112B-铜层。
【主权项】
1. 一种功率模块，其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，该功率模块的特征在于， 在所述电路层中的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厚度30 y m的区域中，通过EBSD测定而测定的 平均结晶粒径被设定在0.1 ym以上10 ym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I. 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%。2. 根据权利要求1所述的功率模块，其中， 在所述焊锡层分散有由（Cu, ND6Sn5构成的析出物粒子。
【专利摘要】本发明的功率模块中，在电路层(12)中与半导体元件(3)的接合面，设置有由铜或铜合金构成的铜层，且在电路层(12)与半导体元件(3)之间形成有使用焊锡材料而形成的焊锡层(20)。在焊锡层(20)中的从电路层(12)表面至厚度30μm的区域中，通过EBSD测定而测定的平均结晶粒径被设定为10μm以下，焊锡层(20)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℃的条件下负载10万次功率循环时，热阻上升率低于10％。
【IPC分类】B23K35/26, H01L21/52, C22C13/00
【公开号】CN104885206
【申请号】CN201380066872
【发明人】大桥东洋, 长友义幸, 长瀬敏之, 黑光祥郎
【申请人】三菱综合材料株式会社
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2013年12月20日
【公告号】EP2940719A1, US20150319877, WO2014103934A1