DE112008001023T5 - Leistungs-Halbleitermodul - Google Patents

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semiconductor element
semiconductor module
layers
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Yuji Yagi
Yasushi Yamada
Ikuo Toyota Nakagawa
Takashi Toyota Atsumi
Mikio Toyota Shirai
Ikuo Sendai Ohnuma
Kiyohito Sendai Ishida
Yoshikazu Sendai Takaku
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Tohoku University NUC
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Tohoku University NUC
Toyota Motor Corp
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Abstract

Leistungs-Halbleitermodul, das Folgendes einschließt: ein Leistungs-Halbleiterelement, das auf einer Oberfläche desselben eine Cu-Schicht aufweist; und einen Isolieranteil, der einen laminierten Körper aus Cu/SiNx/Cu einschließt, in dem eine SiNx-Keramikplatte mit Cu-Schichten auf beiden Oberflächen derselben bereitgestellt wird, wobei das Leistungs-Halbleiterelement und der Isolieranteil so angeordnet sind, dass die Cu-Schicht des Leistungs-Halbleiterelements und eine der Cu-Schichten des Isolieranteils einander gegenüber liegen, und die beiden Cu-Schichten miteinander durch ein Lötmaterial auf Basis von Bi verbunden sind.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungs-Halbleitermodul.
  • Stand der Technik
  • Gewöhnlich weisen Leistungs-Halbleitermodule eine Struktur auf, in der ein Isolator an einem Leistungs-Halbleiter bereitgestellt wird, so dass der Leistungs-Halbleiter elektrisch von dem stromführenden Abschnitt isoliert wird. Der Leistungs-Halbleiter und der Isolator sind miteinander durch ein Lötmittel oder dergleichen verbunden.
  • Leistungs-Halbleitermodule werden jeweils mit einer Kühlplatte bereitgestellt, um die von ihrem Halbleiterelement erzeugte Wärme wirksam zu kühlen oder die Wärme vorübergehend abzuführen. Diese Kühlplatte und der Isolator sind miteinander durch ein Lötmittel verbunden. Entsprechend wird im Allgemeinen in Leistungs-Halbleitermodulen die Verbindung mit dem Lötmittel an zwei Positionen durchgeführt: einer Position zwischen dem Halbleiterelement und dem Isolator; und einer Position zwischen dem Isolator und der Kühlplatte.
  • In Leistungs-Halbleitermodulen fließt hoher elektrischer Strom in das Leistungs-Halbleiterelement. Daher wird ein Stromverlust (ein ständiger Verlust und ein Schaltverlust) erzeugt, was eine große Wärmemenge erzeugt und die Temperatur erhöht. Entsprechend wird eine Untersuchung der thermischen Wechselbeanspruchung als Zuverlässigkeitsprüfung für Leistungs-Halbleitermodule eingesetzt.
  • In Leistungs-Halbleitermodulen sind die Lötmittel-Verbindungsabschnitte an den zwei Positionen die schwächsten; daher werden Mängel, die entstehen, wenn eine Untersuchung der thermischen Wechselbeanspruchung eingesetzt wird, in den Lötmittel-Verbindungsabschnitten an den zwei Positionen hervorgerufen. Entsprechend ist es, zum Erhöhen der betriebsbedingten Lebensdauer von Leistungs-Halbleitermodulen wichtig eine Rissbildung in den Lötmittel-Verbindungsabschnitten zu unterdrücken.
  • Ein Leistungs-Halbleitermodul weist wenigstens zwei Lötmittel-Verbindungsabschnitte auf. Daher müssen die Schmelzpunkte der Lötmaterialien berücksichtigt werden, wenn die an den zwei Positionen verwendeten Lötmaterialien ausgesucht werden.
  • Insbesondere wird, wenn die Temperatur für die zweite Lötstelle höher ist als der Schmelzpunkt des für die erste Lötstelle verwendeten Lötmaterials der durch das erste Löten erhaltene Anteil zum Zeitpunkt des zweiten Lötens schmelzen, was in einer Falschausrichtung oder Neigung oder anderen Mängeln der verbundenen Komponenten resultiert. Um dieses Problem zu vermeiden, wurden die Lötmaterialien so ausgesucht, dass der Schmelzpunkt des für die erste Lötstelle verwendeten Lötmaterials höher ist als der des für die zweite Lötstelle verwendeten Lötmaterials.
  • Bisher wurden Lötmaterialien auf Basis von Pb für die zwei Lötmittel-Verbindungsabschnitte verwendet. Insbesondere wurde ein Pb-Sn-Lötmaterial verwendet, und das Verhältnis zwischen Pb und Sn wird variiert, wodurch der Schmelzpunkt innerhalb eines Bereichs von ungefähr 183 bis 300°C verändert wird, um die Lötstelle an den zwei Positionen zu erhalten (siehe z. B. das Nicht-Patentdokument 1).
  • Dennoch hat, da Pb toxisch ist, die Verwendung von Pb abgenommen, und die Entwicklung eines Pb-freien Lötmaterials war erwünscht.
  • Aufgrund des Verlangens nach Lötmaterialien wurden Lötmaterialien auf Basis von Sn mit verschiedenen Zusammensetzungen vorgeschlagen.
  • Der Schmelzpunkt eines Lötmaterials auf Basis von Sn kann jedoch nur innerhalb eines schmalen Bereichs um 220°C verändert werden. Daher ist es schwierig, ein Sn-Material in den ersten und zweiten Lötvorgängen anzuwenden.
  • Ferner haben GaN oder SiC, welche für die Leistungs-Halbleiterelemente der nächsten Generation verwendet werden, eine Wärmebeständigkeit bei 200°C oder höher und weisen einen hohen dielektrischen Durchschlag des elektrischen Feldes auf, eine gesättigte Elektronendichte und dergleichen, wodurch die Verwendung einer hohen Betriebsspannung und daher eines hohen elektrischen Stroms ermöglicht wird. Die Größenordnung dieses Stroms ruft eine von dem Halbleiterelement erzeugte Wärme hervor, die auf ungefähr 200°C ansteigt, und infolge müssen die Bereiche, die mit Lötmittel gelötet werden, eine Wärmebeständigkeit von 200°C oder höher aufweisen.
  • Der Schmelzpunkt eines Lötmaterials auf Basis von Sn beträgt jedoch ungefähr 220°C, was bedeutet, dass das Material bei dieser Temperatur geschmolzen wird. Darüber hinaus sinkt die Zugfestigkeit desselben bei ungefähr 200°C beachtlich. Aus diesem Grund ist es in den Leistungs-Halbleiterelementen der nächsten Generation, die Wärme von über 200°C erzeugen, schwierig, ein Material auf Basis von Sn zu verwenden, welches in der Praxis als Verbindungsmaterial verwendet wird.
  • Als Verbindungsmaterial ist ein Hartlötmaterial auf Basis von Ag allgemein bekannt. Der Schmelzpunkt desselben beträgt jedoch 650°C oder mehr. Bei einer solchen Temperatur werden Halbleiterelemente beschädigt oder denaturiert. Daher kann das Material nicht für den vorliegenden Zweck verwendet werden.
  • In solchen Situationen wurde vorgeschlagen, dass Bi als Lötmaterial verwendet wird. Als reine Substanz weist Bi einen Schmelzpunkt von 270°C auf und ist ein Verbindungsmaterial mit einer besseren Wärmebeständigkeit als ein Lötmaterial auf Basis von Sn, welches einen Schmelzpunkt von ungefähr 220°C aufweist.
  • Um eine Verbindung bei der gewünschten Verbindungstemperatur zu erhalten, wurde ein Bi-Material, das Ag, Cu, Sb oder Zn enthält, als Lötmaterial vorgeschlagen, bei dem die Solidustemperatur und die Liquidustemperatur in geeigneten Bereichen festgelegt werden kann (siehe z. B. Patentdokument 1).
  • Zum Beispiel wurde ein Lötmaterial vorgeschlagen, das drei oder mehr Komponenten einschließt, in dem ein Metallelement wie Ag, welches bezüglich Bi eutektisch sein kann, und Sn, Cu, In, Sb, Zn oder ein anderes Metallelement dem Bi zugegeben werden (siehe z. B. Patentdokument 2).
  • Um eine lang Lebensdauer des gesamten Halbleitermoduls zu erhalten, ist es wichtig, die Wärmebeständigkeit oder die mechanische Festigkeit eines jeden seiner Elemente zu verbessern.
  • Hinsichtlich des Isolators eines Leistungs-Halbleitermoduls wurde ein laminierter Körper aus Al/AlN/Al vorgeschlagen, in welchem eine Aluminiumschicht als elektroleitfähige Schicht auf jeder Oberfläche der Aluminiumnitrit-Keramik bereitgestellt wird (siehe z. B. Patentdokument 2). Diese Technik zeigt, dass die Lebensdauer eines Leistungs-Halbleitermoduls weiter durch die Verwendung eines laminierten Körpers aus Al/AlN/Al im Vergleich zur Verwendung eines laminierten Körpers aus Cu/AlN/Cu, in dem Cu-Schichten als elektroleitfähige Schichten auf einer AlN-Keramik bereitgestellt werden, verlängert werden kann.
  • Ein laminierter Körper aus Cu/SiNx/Cu wurde als Isolator offenbart, in welchem Cu als elektroleitfähige Schicht auf einer Silikonnitrit-Keramik angeordnet ist (siehe z. B. das Nicht-Patentdokument 3). Es wird berichtet, dass die SiN-Keramik über 800 Zyklen nicht beschädigt wird, wenn der laminierte Körper aus Cu/SiNx/Cu einer Untersuchung der thermischen Wechselbeanspruchung von –30 bis 180°C unterzogen wird.
  • Gemäß diesem Dokument wurde jedoch nur die Festigkeit des Isolators bewertet, und die Bewertung für ein Modul, in dem der Isolator an ein anderes Element, wie einen Leistungs-Halbleiter oder eine Kühlplatte gelötet ist, wurde nicht durchgeführt. Daher wird keine Offenbarung hinsichtlich der Wirkung eines laminierten Körpers aus Cu/SiNx/Cu auf einen Lötmittel-Verbindungsabschnitt bereitgestellt, welcher in der Festigkeit der Schwächste ist.
    • Patentdokument 1: offengelegte japanische Patentanmeldung (JP-A) No. 2005-72173
    • Patentdokument 2: JP-A Nr. 2001-353590
    • Nicht-Patentdokument 1: Yoichiro Baba „Dealing with HV Inverter Quality Maintenance", Japan Welding Society, National Meeting, Lecture Summary, Kapitel 77 (2005-9)
    • Nicht-Patentdokument 2: Nagatomo et al., „Thermal Cycle Characteristic Analysis of Substrate for Power Module by a Finite Element Method", the Journal of Japan Institute of Electronic Packaging, Vol. 3, Nr. 4, Seiten 330 bis 334, 2000
    • Nicht-Patentdokument 3: L. Dupont, Z. Khatir, S. Lefebvre, S. Bontemps, „Effects of metallization thickness of ceramic substances on the reliability of power assemblies under high temperature cycling", Microelectronics Reliability 46, Seiten 1766 bis 1771, 2006
  • Offenbarung der Erfindung
  • Durch die vorliegende Erfindung zu lösende Probleme
  • Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, ein Leistungs-Halbleitermodul bereitzustellen, in dem Mängel wie Rissbildung nicht leicht erzeugt werden.
  • Mittel zum Lösen der Probleme
  • Die Erfindung des Anspruchs 1 ist ein Leistungs-Halbleitermodul, das Folgendes einschließt: ein Leistungs-Halbleiterelement, das auf einer Oberfläche desselben eine Cu-Schicht aufweist; und einen Isolieranteil, der einen laminierten Körper aus Cu/SiNx/Cu einschließt, in dem eine SiNx-Keramikplatte mit Cu-Schichten auf beiden Oberflächen derselben bereitgestellt wird, in dem das Leistungs-Halbleiterelement und der Isolierabschnitt so angeordnet sind, dass die Cu-Schicht des Leistungs-Halbleiterelements und eine der Cu-Schichten des Isolieranteils einander gegenüber liegen, und die beiden Cu-Schichten miteinander durch ein Lötmaterial auf Basis von Bi verbunden sind.
  • Die Erfindung des Anspruchs 2 ist ein Leistungs-Halbleitermodul, das Folgendes einschließt: ein Leistungs-Halbleitermodul, das Folgendes einschließt: ein Leistungs-Halbleiterelement; einen Isolieranteil, der einen laminierten Körpers aus Cu/SiNx/Cu einschließt, in dem eine SiNx-Keramikplatte mit Cu-Schichten auf beiden Oberflächen derselben bereitgestellt wird; und eine Kühlplatte mit einer Cu-Schicht auf der Oberflächen derselben in dem der Isolieranteil und die Kühlplatte so angeordnet sind, dass eine der Cu-Schichten des Isolieranteils und die Cu-Schicht der Kühlplatte einander gegenüber liegen und die zwei Cu-Schichten miteinander durch ein Lötmaterial auf Basis von Bi verbunden sind.
  • Wie oben beschrieben ist, beträgt der Schmelzpunkt des Lötmaterials auf Basis von Bi ungefähr 270°C, und daher ist das Lötmaterial auf Basis von Bi eine Verbindungssubstanz, die eine ausgezeichnete Wärmebeständigkeit aufweist. Wenn jedoch ein Lötmaterial auf Basis von Bi als Verbindungsmaterial für ein Leistungs-Halbleitermodul verwendet wird, tritt ein neues Problem auf.
  • Es wurde neuerdings entdeckt, dass, wenn ein Leistungs-Halbleitermodul einer-drastischen thermischen Wechselbeanspruchungen unterliegt, eine beachtliche Reaktion an dessen gebundenen Grenzflächen hervorgerufen wird, an denen ein unerwünschtes Reaktionsprodukt in Übereinstimmung mit den Eigenschaften der Elemente, die mit dem Lötmaterial auf Basis von Bi in Kontakt stehen, produziert wird. Dieses Reaktionsprodukt ist härter oder spröder als das um das Produkt herum vorliegende Lötmaterial und daher kann ein Riss von der Position aus erzeugt werden, an der dieses Reaktionsprodukt vorliegt, oder das Reaktionsprodukt kann beschädigt werden und einen Riss hervorrufen.
  • Diese Grenzflächenreaktion wird insbesondere im Fall von GaN- oder SiC-Halbleiterelementen zum Problem, welche ein Hauptaugenmerk als Halbleiterelemente der nächsten Generation darstellen. In diesen Halbleiterelementen der nächsten Generation ist die Menge an erzeugter Wärme sehr hoch, und die Temperatur derselben kann 200°C oder mehr erreichen.
  • Daher werden in der Erfindung des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 2 an den Grenzflächen, die mit dem Lötmaterial auf Basis von Bi in Kontakt stehen, Cu-Schichten bereitgestellt. Ein unerwünschtes Reaktionsprodukt wird nicht leicht durch Bi und Cu an der Grenzfläche dazwischen erzeugt, selbst wenn diese thermischen Wechselbeanspruchungen unterzogen werden. Dadurch kann ein Leistungs-Halbleitermodul hergestellt werden, in dem Mängel wie Rissbildung nicht leicht erzeugt werden.
  • Darüber hinaus wird ein laminierter Körper aus Cu/SiNx/Cu als Isolieranteil verwendet, bei dem beide Oberflächen aus SiNx jeweils mit einer Cu-Schicht bereitgestellt werden. In diesem laminierten Körper sind die Cu-Schichten entsprechend auf beiden Oberflächen angeordnet, und daher wird, selbst wenn dieser laminierte Körper mit einem Lötmaterial auf Basis von Bi gelötet wird, kein unerwünschtes Reaktionsprodukt durch thermische Wechselbeanspruchungen hervorgerufen.
  • In der Untersuchung der thermischen Wechselbeanspruchung wird der laminierte Körper aus Cu/SiNx/Cu weniger leicht beschädigt als der laminierte Körper aus Cu/AlN/Cu. Darüber hinaus ist die Bruchfestigkeit von SiNx höher als die von AlN. Entsprechend wird die Lebensdauer des Isolierelements selbst erhöht. Demzufolge kann die Zuverlässigkeit des Leistungs-Halbleitermoduls erhöht werden.
  • Entsprechend weist, gemäß Anspruch 1 oder 2, in dem der laminierte Körper aus Cu/SiNx/Cu als Isolieranteil verwendet wird, das Modul eine ausreichende Lebensdauer bei den thermischen Wechselbeanspruchungen auf, insbesondere in den thermischen Wechselbeanspruchungen von –40 bis 200°C, in denen der Unterschied zwischen den Temperaturen hoch ist.
  • Die Erfindung des Anspruchs 3 ist ein Leistungs-Halbleitermodul gemäß Anspruch 1 oder 2, in dem der Unterschied zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des laminierten Körpers aus Cu/SiNx/Cu und dem des Leistungs-Halbleiterelements vor der Untersuchung der thermischen Wechselbeanspruchung 1,6 ppm/°C oder weniger beträgt.
  • In der Erfindung des Anspruchs 3 wird der Unterschied zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Leistungs-Halbleiterelements und dem des Isolieranteils gering gestaltet. Entsprechend ist es möglich, Verwerfungen im Bereich der Lötstelle zu verringern, die durch den Unterschied in der Wärmeexpansion entsteht, wenn das Leistungs-Halbleiterelement und der Isolieranteil erwärmt werden, und das Entstehen von Rissen und dergleichen zu unterdrücken.
  • Da der Wärmeausdehnungskoeffizient ein Wert ist, der dem Material innewohnt, wird allgemein angenommen, dass dieser ein konstanter Wert ist. Dennoch hat eine ernsthafte Untersuchung durch die Erfinder unerwartet gezeigt, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient nach den thermischen Wechselbeanspruchungen höher wird als der Wärmeausdehnungskoeffizient vor den thermischen Wechselbeanspruchungen.
  • Mit anderen Worten wurde entdeckt, dass, wenn der Unterschied des Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen den zu verbindenden Elementen angepasst wird und ein Leistungs-Halbleiterelement mit der Annahme gestaltet wird, dass die Wärmeausdehnungskoeffizienten der Elemente nach den thermischen Wechselbeanspruchungen ansteigen, die Erzeugung eines Risses wirksamer in dem Löt-Verbindungsabschnitt verhindert werden kann.
  • Infolge weiterer Untersuchungen bezüglich der Verhinderung der Erzeugung von Rissen in dem Löt-Verbindungsabschnitt wurde entdeckt, dass, wenn ein laminierter Körper aus Cu/SiNx/Cu als Isolieranteil verwendet wird, es wirksam ist, wenn der Unterschied in dem Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Leistungs-Halbleiterelement und dem Isolieranteil (laminierter Körper aus Cu/SiNx/Cu) vor den thermischen Wechselbeanspruchungen auf 1,6 ppm/°C festgelegt wird.
  • Die Erfindung des Anspruchs 4 ist das Leistungs-Halbleitermodul gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, in dem die Reinheit des Cu in dem laminierten Körper aus Cu/SiNx/Cu 99,96% oder mehr beträgt.
  • Wenn Cu-Schichten, die eine große Menge an Verunreinigungen enthalten, in dem laminierten Körper aus Cu/SiNx/Cu verwendet werden, verringert sich die mechanische Festigkeit und die Lebensdauer des laminierten Körpers aus Cu/SiNx/Cu könnte verringert werden. Zusätzlich wird der Wärmeausdehnungskoeffizient des laminierten Körpers aus Cu/SiNx/Cu ebenso verändert. Daher ist es zweckdienlich, Cu mit einer Reinheit von 99,6% oder mehr zu verwenden, um zu verhindern, dass der Löt-Verbindungsabschnitt einreißt.
  • Die auf der SiNx-Keramik bereitgestellten Cu-Schichten fungieren als elektroleitfähige Schichten. Auch von diesem Standpunkt aus ist es bevorzugt, Cu zu verwenden, das wenige Verunreinigungen enthält.
  • Die Erfindung des Anspruchs 5 ist das Leistungs-Halbleitermodul gemäß Anspruch 3 oder 4, in dem der Wärmeausdehnungskoeffizient des laminierten Körpers aus Cu/SiNx/Cu durch Anpassen der Dicken der SiNx-Keramikplatte und der Cu-Schichten eingestellt wird.
  • Der Wärmeausdehnungskoeffizient des laminierten Körpers aus Cu/SiNx/Cu kann durch die Zugabe einer Verunreinigung oder durch ein anderes Verfahren eingestellt werden. Jedoch können mit diesem Verfahren andere physikalische Eigenschaften des laminierten Körpers, wie die Elektroleitfähigkeit oder die Wärmeleitfähigkeit desselben, beeinflusst werden. Es ist daher bevorzugt, den Wärmeausdehnungskoeffizienten des laminierten Körpers aus Cu/SiNx/Cu durch Verändern der Dicke einer jeden der Schichten des laminierten Körpers aus Cu/SiNx/Cu einzustellen.
  • Die Erfindung des Anspruchs 6 ist das Leistungs-Halbleitermodul gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, in dem das Lötmaterial auf Basis von Bi (1) eine reine Bi-Substanz ist, (2) Bi-CuAlMn ist, in dem CuAlMn-Legierungspartikel in Bi dispergiert sind, (3) ein Material ist, in dem Cu zu Bi zugegeben wird, oder (4) ein Material ist, in dem Ni zu Bi zugegeben wird.
  • Wie oben beschrieben, wird an der Grenzfläche zwischen Bi und Cu ein unerwünschtes Reaktionsprodukt selbst durch Wärme mit hoher Temperatur, die von dem Halbleiterelement erzeugt wird, nicht leicht erzeugt, und ferner ist der Schmelzpunkt von Bi hoch. Daher kann als Lötmaterial auf Basis von Bi (1) eine reine Bi-Substanz verwendet werden. Jedoch kann, wenn das Lötmaterial (2) Bi-CuAlMn ist, in dem CuAlMn-Legierungspartikel in Bi dispergiert sind, (3) ein Material ist, in dem Cu zu Bi zugegeben wird, oder (4) ein Material ist, in dem Ni zu Bi zugegeben wird, die dem Bi innewohnende Sprödigkeit überwunden werden und die mechanische Festigkeit kann erhöht werden.
  • Die Erfindung des Anspruchs 7 ist das Leistungs-Halbleitermodul gemäß Anspruch 6, in dem in dem Material, in dem Ni zu Bi zugegeben wird, der Gehalt des Ni von 0,01 Masseprozent bis 7 Masseprozent beträgt.
  • Unter Berücksichtigung der Erwärmungstemperatur zum Zeitpunkt des Verbindens ist es bevorzugt, die Liquidustemperatur und/oder die Solidustemperatur des Lötmaterials einzustellen. Die Liquidustemperatur oder die Solidustemperatur können durch Zugeben eines Additivs oder durch ein anderes Verfahren eingestellt werden. Wenn Ni zu Bi zugegeben wird, steigt die Liquidustemperatur, wenn die Zugabemenge desselben ansteigt, infolge dessen ist eine hohe Temperatur zum Schmelzen des gesamten Lötmaterials erforderlich.
  • Wenn Ni zu Bi zugegeben wird, kann die dem Bi eigene Sprödigkeit überwunden werden, wenn der Ni-Gehalt 0,01 Masseprozent oder mehr beträgt, wodurch die Wirkung eines Anstiegs in der mechanischen Festigkeit erhalten wird.
  • Die Zugabe von Ni verursacht einen Anstieg in der Liquidustemperatur, so dass der Unterschied derselben von der Solidustemperatur ansteigt. Wenn der Ni-Gehalt 7 Masseprozent oder weniger beträgt, liegt dies selbst zu dem Zeitpunkt des Verbindens in dem Leistungs-Halbleitermodul innerhalb eines praktischen Bereichs. Darüber hinaus wird bei einer solchen Liquidustemperatur das Halbleiterelement selbst durch Erwärmen zum Zeitpunkt des Lötens nicht beschädigt.
  • Die Erfindung des Anspruchs 8 ist ein Leistungs-Halbleitermodul gemäß Anspruch 6, in dem in dem Material, in dem Cu zu Bi gegeben wird, der Gehalt des Cu von 0,01 Masseprozent bis 5 Masseprozent beträgt.
  • Wenn Cu zu Bi zugegeben wird, kann die dem Bi eigene Sprödigkeit überwunden werden, wenn der Cu-Gehalt 0,01 Masseprozent oder mehr beträgt, wodurch die Wirkung eines Anstiegs in der mechanischen Festigkeit erhalten wird.
  • Die Zugabe von Cu verursacht ebenso einen Anstieg der Liquidustemperatur, so dass der Unterschied derselben von der Solidustemperatur ansteigt. Wenn der Cu-Gehalt 5 Masseprozent oder weniger beträgt, liegt dies selbst zum Zeitpunkt des Verbindens in dem Leistungs-Halbleitermodul innerhalb eines praktischen Bereichs. Darüber hinaus wird bei einer solchen Liquidustemperatur das Halbleiterelement selbst durch Erwärmen zum Zeitpunkt des Lötens nicht beschädigt.
  • Die Erfindung des Anspruchs 9 ist ein Leistungs-Halbleitermodul nach Anspruch 6, in dem in dem Bi-CuAlMn der Gehalt der CuAlMn-Legierungspartikel von 0,5 Masseprozent bis 20 Masseprozent beträgt.
  • Wenn der Gehalt der CuAlMn-Legierung 0,5 Masseprozent oder mehr und 20 Masseprozent oder weniger beträgt, wird die Sprödigkeit überwunden, was aus der Zugabe eines Materials resultiert, das martensitische Umwandlungseigenschaften zeigt. Darüber hinaus wird eine ausreichende Bindungsstärke in den zu verbindenden Elementen durch einen ausreichenden Bi-Gehalt erhalten.
  • Die Erfindung des Anspruchs 10 ist das Leistungs-Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 2 bis 9, in dem das Leistungs-Halbleiterelement eine Ni-Schicht auf der Oberfläche desselben aufweist, der Isolieranteil eine Ni-Schicht auf der Oberfläche desselben aufweist, das Leistungs-Halbleiterelement und der Isolieranteil so angeordnet sind, dass die Ni-Schicht des Leistungs-Halbleiterelements und die Ni-Schicht des Isolieranteils einander gegenüber liegen und die beiden Ni-Schichten miteinander durch eine durch Zn(1-x-y)AlxMy wiedergegebene Legierung verbunden sind, wobei x von 0,02 bis 0,10 beträgt, y von 0 bis 0,02 beträgt und M ein anderes Metall als Zink und Aluminium wiedergibt.
  • Das Leistungs-Halbleitermodul des Anspruchs 10 weist wenigstens (1) das Leistungs-Halbleiterelement, (2) den Isolieranteil und (3) die Kühlplatte auf, in dem die Verbindung durch Löten an zwei Positionen erhalten wird, das heißt, die Position zwischen dem Leistungs-Halbleiterelement und dem Isolieranteil und die Position zwischen dem Isolieranteil und der Kühlplatte. Nachfolgend wird der Verbindungsabschnitt zwischen dem Leistungs-Halbleiterleiterelement und dem Isolieranteil der erste Verbindungsabschnitt und der Verbindungsabschnitt zwischen dem Isolieranteil und der Kühlplatte der zweite Verbindungsabschnitt genannt.
  • An der Lötstelle an den zwei Positionen wird ein Stufenlötungs-Verfahren verwendet. Bei dem zweiten Lötvorgang wird alles, einschließlich der in dem ersten Löten gelöteten Bereiche erwärmt; daher ist es grundlegend, dass die Temperatur für das zweite Löten ausreichend geringer gehalten wird als der Schmelzpunkt des in dem ersten Löten verwendeten Lötmaterials, so dass keine Fehlausrichtung oder Neigung der im ersten Löten gelöteten Regionen hervorgerufen wird. Wenn die Temperatur für das zweite Löten höher als der Schmelzpunkt des in dem ersten Löten verwendeten Lötmaterials ist, werden die im ersten Löten gelöteten Bereiche zum Zeitpunkt des zweiten Lötens geschmolzen, was einen Mangel darin hervorruft, dass die gelöteten Bereiche fehlausgerichtet oder geneigt werden.
  • Mit anderen Worten ist es, wenn der Schmelzpunkt des Materials für das zweite Löten zu hoch ist, erforderlich ein Material auszuwählen, das einen höheren Schmelzpunkt aufweist als das Material für das erste Löten, und infolge dessen steigt die gesamte Erwärmungstemperatur, so dass die Verarbeitbarkeit abnimmt und die Produktionskosten ansteigen. Zusätzlich wird das Leistungs-Halbleiterelement zum Zeitpunkt des Lötens ebenso erwärmt. Daher beträgt, um zu verhindern, dass das Leistungs-Halbleiterelement beschädigt oder denaturiert wird, die obere Grenze der Erwärmungstemperatur zum Zeitpunkt des Lötens 650°C und beträgt bevorzugt ungefähr 450°C. Angesichts dessen ist der Schmelzpunkt des Materials für das zweite Löten bevorzugt so gering wie möglich, um Flexibilität bei der Auswahl des in dem ersten Löten verwendeten Verbindungsmaterials zu ermöglichen.
  • Wie oben beschrieben, wird jedoch in den Leistungs-Halbleiterelementen der nächsten Generation Wärme bis ungefähr 200°C erzeugt, und es ist daher nötig, dass der Schmelzpunkt des Lötmaterials höher als 200°C ist.
  • Mit anderen Worten ist der Schmelzpunkt des Materials für das zweite Löten bevorzugt so gering wie möglich, muss aber höher als 200°C sein.
  • Unter Berücksichtigung des wie oben beschriebenen Verfahrens zum Herstellen von Leistungs-Halbleitermodulen sind die oben erwähnten Lötmaterialien auf Basis von Bi als Material für das zweite Löten sehr geeignet. Da der Schmelzpunkt der Lötmaterialien auf Basis von Bi ungefähr 270°C beträgt, ist es ausreichend, ein Lötmaterial als Material für das erste Löten auszuwählen, das einen Schmelzpunkt in einem Temperaturbereich aufweist, der ausreichend höher als 270°C ist und geringer als die obere Grenztemperatur von 650°C der Lötvorgänge (stärker bevorzugt 450°C). Infolge dessen erweitert sich der Anwendungsbereich von Materialien, die für das erste Löten ausgewählt werden können. Darüber hinaus kann ein Lötmaterial mit einem ausreichend höheren Schmelzpunkt als 270°C für das erste Löten ausgewählt werden, daher werden in dem zweiten Lötvorgang die in dem ersten Löten gelöteten Bereiche weder fehlausgerichtet noch geneigt. Selbst wenn eine große durch das Halbleiterelement erzeugte Wärmemenge die Temperatur des Moduls auf ungefähr 200°C erhöht, sind die Verbindungsabschnitte wärmebeständig, da der Schmelzpunkt des Lötmaterials auf Basis von Bi ungefähr 270°C beträgt.
  • Zusätzlich werden in der Erfindung des Anspruchs 10 die zwei Ni-Schichten miteinander durch eine durch Zn(1-x-y)AlxMy wiedergegebene Legierung verbunden, worin x von 0,02 bis 0,10 beträgt, y von 0 bis 0,02 beträgt und M ein anderes Metall als Zink und Aluminium wiedergibt.
  • Die durch Zn(1-x-y)AlxMy wiedergegebene Legierung besitzt einen Schmelzpunkt von 382°C. Daher werden, selbst wenn der Betrieb des Leistungs-Halbleiterelements Wärme erzeugt, so dass die Temperatur 200°C erreicht, hierin keine Mängel erzeugt.
  • Ferner ist die durch Zn(1-x-y)AlxMy wiedergegebene Legierung an die Ni-Schichten gebunden, und daher wird das an den Grenzflächen zwischen ihnen erzeugte Reaktionsprodukt selbst durch thermische Wechselbeanspruchungen nicht signifikant erhöht. Demzufolge ruft das Reaktionsprodukt selbst infolge von Temperaturveränderungen keine Mängel, wie Rissbildung oder Abschälen, hervor. Zusätzlich ist die Verbindungsgüte desselben ausgezeichnet.
  • Wie oben beschrieben beträgt die obere Grenze der Löttemperatur ungefähr 650°C und bevorzugt 450°C. Der Schmelzpunkt der durch Zn(1-x-y)AlxMy wiedergegebenen Legierung beträgt 382°C und ist geringer als die in den Lötvorgängen verwendbare obere Temperatur. Daher wird das Halbleiterelement durch Erwärmen in den Lötvorgängen nicht beschädigt.
  • Zusätzlich ist der Schmelzpunkt (382°C) der durch Zn(1-x-y)AlxMy wiedergegebenen Legierung höher als der des Lötmaterials auf Basis von Bi, das für das zweite Lösten verwendet wird (ungefähr 270°C). Entsprechend ist, wenn das Lötmaterial auf Basis von Bi für das zweite Löten verwendet wird, die durch Zn(1-x-y)AlxMy wiedergegebene Legierung als Material für das erste Löten effektiv.
  • Der Schmelzpunkt (382°C) der durch Zn(1-x-y)AlxMy wiedergegebenen Legierung ist höher als der (ungefähr 270°C) des Lötmaterials auf Basis von Bi. Es ist daher bevorzugt, als Lötmaterial die durch Zn(1-x-y)AlxMy wiedergegebene Legierung in dem ersten Verbindungsabschnitt zu verwenden, welcher dem Halbleiterelement, das eine große Menge an Wärme erzeugt, näher ist.
  • Daher kann gemäß der Erfindung des Anspruchs 10 ein sehr zuverlässiges Leistungs-Halbleitermodul erhalten werden, in welchem Mängel wie Rissbildung und Abschälen in den thermischen Wechselbeanspruchungen nicht erzeugt werden, und in dem die Komponenten in dem Herstellungsprozess desselben nicht falsch ausgerichtet oder geneigt werden.
  • Die Erfindung des Anspruchs 11 ist das Leistungs-Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, in dem das Leistungs-Halbleiterelement aus GaN oder SiC besteht.
  • Ein Leistungs-Halbleiterelement, in dem GaN oder SiC verwendet wird, erzeugt eine größere Wärmemenge als herkömmliche Leistungs-Halbleiterelemente. In der vorliegenden Erfindung hat das Lötmaterial auf Basis von Bi, das in dem Verbindungsabschnitt verwendet wird, jedoch eine Solidustemperatur von ungefähr 270°C, daher ist, selbst wenn GaN oder SiC verwendet werden, welche in den Leistungs-Halbleitern der nächsten Generation eingesetzt werden und das Leistungs-Halbleitermodul wiederholt bei hohen Temperaturen über 200°C verwendet wird, das vorliegende Modul ein höchst zuverlässiges Leistungs-Halbleitermodul, in dem Mängel wie Rissbildung und Abschälen in dem Verbindungsabschnitt nicht hervorgerufen werden.
  • Die Erfindung des Anspruchs 12 ist das Leistungs-Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 2 bis 11, in dem die Kühlplatte ein laminierter Körper ist, der eine Cu-Schicht/Mo-Schicht/Cu-Schicht einschließt, in welchem eine Mo-Schicht mit Cu-Schichten auf beiden Oberflächen derselben bereitgestellt wird.
  • Der laminierte Körper aus Cu/Mo/Cu weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf und zeigt wirksam seine Funktion als Kühlplatte. Darüber hinaus beträgt der Wärmeausdehnungskoeffizient des laminierten Körpers aus Cu/Mo/Cu ungefähr 4 ppm/K. Der Wert ist dem Wert des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Leistungs-Halbleiterelements nahe. Infolge dessen wird keine auffallende Wärmebelastung durch die thermischen Wechselbeanspruchungen erzeugt, so dass Mängel wie Rissbildung und Abschälen nicht hervorgerufen werden.
  • Die Cu-Schichten dieses laminierten Körpers stehen mit dem oben erwähnten Lötmaterial auf Basis von Bi in Kontakt. An der Grenzfläche zwischen Bi und Cu wird selbst durch die thermischen Wechselbeanspruchungen kein unerwünschtes Produkt erzeugt und daher werden keine Mängel wie Rissbildung und Abschälen infolge der Temperaturveränderung hervorgerufen.
  • Die Erfindung des Anspruchs 13 ist das Leistungs-Halbleitermodul nach Anspruch 12, in dem das Verhältnis der Dicke in der Kühlplatte zwischen der Cu-Schicht, der Mo-Schicht und der Cu-Schicht von 1/5/1 bis 1/12/1 beträgt.
  • Wenn das Verhältnis zwischen den die Cu-Schicht/Mo-Schicht/Cu-Schicht in dem laminierten Körper einschließenden einzelnen Schichten von 1/5/1 zu 1/2/1 beträgt, kann ein günstiger Ausgleich zwischen der Wärmeleitfähigkeit und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten erhalten werden, wodurch der laminierte Körper seine Funktion als Kühlplatte effektiv zeigt.
  • Wirkungen der Erfindung
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, ein höchst zuverlässiges Leistungs-Halbleitermodul bereitzustellen, in dem Mängel, wie Rissbildung und Abschälen, durch die thermischen Wechselbeanspruchungen nicht hervorgerufen werden.
  • Insbesondere ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, ein Leistungs-Halbleitermodul bereitzustellen, das eine ausreichende Lebensdauer selbst unter den thermischen Wechselbeanspruchungen aufweist, die einen großen Temperaturunterschied, wie von –40 bis 200°C, aufweisen.
  • Kurzbeschreibung der Figuren
  • Die 1 sind eine Ansicht, die die Struktur des Leistungs-Halbleitermoduls 10 in einer ersten exemplarischen Ausführungsform zeigen:
  • 1A ist eine Draufsicht desselben, und 1B ist eine Querschnittsansicht desselben.
  • 2 ist ein Graph, der ein Beispiel des Verhältnisses der der Anzahl der Zyklen, bei denen Defekte auftreten, zu dem Unterschied zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten eines Si-Halbleiterelements und demjenigen eines Isolieranteils zeigt.
  • 3 ist ein Graph, der ein Beispiel des Verhältnisses zwischen der Dicke der Cu-Schichten in einem laminierten Körper aus Cu/SiNx/Cu und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des gesamten laminierten Körpers aus Cu/SiNx/Cu zeigt.
  • 4 ist eine Ansicht, die die Struktur des Leistungs-Halbleitermoduls 10 in der zweiten exemplarischen Ausführungsform zeigt.
  • 5 ist eine Ansicht, die die Struktur des Leistungs-Halbleitermoduls 10 in einer vierten exemplarischen Ausführungsform zeigt.
  • 6 ist eine Ansicht, die die Struktur des Leistungs-Halbleitermoduls 10 in einer fünften exemplarischen Ausführungsform zeigt.
  • 7 ist eine Ansicht, die die Struktur des Leistungs-Halbleitermoduls 10 in einer sechsten exemplarischen Ausführungsform zeigt.
  • 8 ist eine Querschnittsansicht, die die Struktur eines zu bewertenden Prüfkörpers in den Beispielen zeigt.
  • Beste Weise zum Ausführen der Erfindung
  • Das Leistungs-Halbleitermodul der vorliegenden Erfindung weist Verbindungsabschnitte auf, deren zu verbindende Oberflächen entsprechend mit Cu-Schichten bereitgestellt werden, und die Cu-Schichten werden miteinander durch ein Lötmaterial auf Basis von Bi verbunden. Kombinationen der Elemente mit zu verbindenden Ober flächen sind eine Kombination eines Leistungs-Halbleiterelements und eines Isolieranteils oder eine Kombination eines Isolieranteils und einer Kühlplatte. Das Leistungs-Halbleitermodul der vorliegenden Erfindung weist wenigstens einen Verbindungsabschnitt auf, welcher durch ein Lötmaterial auf Basis von Bi verbunden ist, kann entsprechend zwei oder mehr Verbindungsabschnitte aufweisen, die durch ein Lötmaterial auf Basis von Bi verbunden sind.
  • Zunächst wird die Struktur eines Leistungs-Halbleitermoduls beschrieben, und danach wird jedes der bildenden Elemente desselben beschrieben.
  • <Leistungs-Halbleitermodul der ersten exemplarischen Ausführungsform>
  • Die 1 zeigen schematisch die Struktur des Leistungs-Halbleitermoduls der ersten exemplarischen Ausführungsform. 1A ist eine Draufsicht desselben, und 1B ist eine Querschnittsansicht desselben.
  • Das Leistungs-Halbleitermodul 10 der ersten exemplarischen Ausführungsform weist ein Leistungs-Halbleiterelement 20, einen Isolieranteil 30 und eine Kühlplatte 40 auf. Das Leistungs-Halbleiterelement 20 und der Isolieranteil 30 sind miteinander durch den ersten Verbindungsabschnitt 50 verbunden. Der Isolieranteil 30 und die Kühlplatte 40 sind miteinander durch den zweiten Verbindungsabschnitt 60 verbunden.
  • Das Leistungs-Halbleitermodul 10 wird als Inverter für die Verwendung in Fahrzeugen oder dergleichen verwendet. Um das Leistungs-Halbleitermodul 10 ist ein Verbrennungsmotor angeordnet, welcher nicht in der Figur gezeigt ist, daher herrscht in der Umgebung, in der das Leistungs-Halbleitermodul 10 angebracht ist, eine beträchtlich hohe Temperatur. Ferner steigt, wenn GaN oder SiC für die Leistungs-Halbleiterelemente der nächsten Generation verwendet wird, die durch das Leistungs-Halbleiterelement 20 erzeugte Wärme an, wodurch die Temperatur des Leistungs-Halbleitermoduls 10 erhöht wird.
  • Um zu vermeiden, dass das Leistungs-Halbleiterelement durch die von dem Element selbst erzeugte Wärme oder durch eine hohe Temperatur der Umgebung beschädigt wird, wird ein Kühler 70 angebracht, in dem Kühlwasser 72 fließt, und die Kühlplatte 40 befindet sich zwischen dem Kühler 70 und dem Leistungs-Halbleiterelement 20. In den 1 ist die Kühlplatte 40 an dem Kühler 70 mit Schrauben 90 befestigt. Die Kühlplatte 40 kann jedoch an dem Kühler 70 durch ein Haftmittel oder dergleichen befestigt werden.
  • Im Allgemeinen ist daher ein erstes Leistungsmerkmal, das für ein Leistungs-Halbleitermodul erforderlich ist, dass Mängel wie Rissbildung und Abschälen darin durch die thermischen Wechselbeanspruchungen nicht hervorgerufen werden. Zweite erforderliche Leistungsmerkmale sind, dass die elektrische Isolierung sicher durch dessen Isolieranteil erhalten wird, und dritte erforderliche Leistungsmerkmale sind, dass die von dem Leistungs-Halbleiterelement erzeugte Wärme zu dessen Kühlplatte abgeführt wird, was eine Wärmestauung unterdrückt.
  • Um während den thermischen Wechselbeanspruchungen kein Reißen oder Abschälen zu verursachen, ist es notwendig, dass die Elemente selbst, wie das Halbleiterelement, der Isolieranteil, die Kühlplatte, ein Verbindungselement und dergleichen Beständigkeit aufweisen, selbst infolge von Temperaturveränderungen. Zusätzlich ist es wichtig, dass die Elemente keine Erzeugung eines unerwünschten Reaktionsprodukts durch die thermischen Wechselbeanspruchungen hervorrufen. Dieses Reaktionsprodukt ist ein sprödes Material oder ein übermäßig hartes Material; daher werden Rissbildungen, Abschälungen oder dergleichen leicht von der Stelle aus, an der das Reaktionsprodukt erzeugt wird, verursacht.
  • Um die Erzeugung von Rissen, Abschälungen oder dergleichen durch die thermischen Wechselbeanspruchungen zu unterdrücken, ist es wichtig, dass die Wärmeausdehnungskoeffizienten der einzelnen Elemente einander nahe sind. Wenn Elemente, die gänzlich unterschiedlich im Wärmeausdehnungskoeffizienten sind, miteinander verbunden werden, ist dies geeignet, dass Rissbildung, Abschälungen oder dergleichen, leicht durch eine Volumenänderung der Elemente erzeugt werden, was wiederholt durch die thermischen Wechselbeanspruchungen hervorgerufen wird.
  • In dem Leistungs-Halbleitermodul als verbundenem Körper gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Lötmaterial auf Basis von Bi in dem ersten Verbindungsabschnitt 50 oder dem zweiten Verbindungsabschnitt 60 verwendet, daher steigt die Wärmebeständigkeit des Verbindungsabschnitts. Da Cu-Schichten an den Grenzflächen, die mit dem Lötmaterial auf Basis von Bi in Kontakt stehen sollen, bereitgestellt werden, wird kein unerwünschtes Reaktionsprodukt an den Grenzflächen erzeugt, die mit Bi in Kontakt stehen sollen, selbst wenn die Temperatur derselben durch die thermischen Wechselbeanspruchungen erhöht wird. Daher kann die Erzeugung von Rissen, welche aus der Erzeugung des Reaktionsprodukts resultieren, unterdrückt werden.
  • Zusätzlich wird der laminierte Körper aus Cu/SiNx/Cu als Isolieranteil verwendet; daher weist das Isolierelement selbst infolge einer Temperaturveränderung auch eine ausgezeichnete Beständigkeit auf.
  • In dem Leistungs-Halbleitermodul der vorliegenden Erfindung ist es möglich, das Lötmaterial auf Basis von Bi in einem beliebigen, dem ersten Verbindungsabschnitt 50 und dem zweiten Verbindungsabschnitt 60 zu verwenden. Es ist ebenso möglich, den ersten Verbindungsabschnitt 50 zuerst zu verbinden und dann den zweiten Verbindungsabschnitt 60 zu verbinden, oder den zweiten Verbindungsabschnitt 60 zuerst zu verbinden und dann den ersten Verbindungsabschnitt 50 zu verbinden.
  • Wenn die Temperatur für das zweite Löten jedoch höher als der Schmelzpunkt des Lötmaterials ist, das im ersten Löten verwendet wird, werden die durch das erste Löten gelöteten Anteile während des zweiten Lötens geschmolzen, wodurch Mängel, wie eine Fehlausrichtung oder Neigung der verbundenen Komponenten hervorgerufen werden können.
  • Um dieses Problem zu vermeiden, werden die Lötmaterialien derart ausgewählt, dass der Schmelzpunkt des im ersten Löten verwendeten Lötmaterials höher ist als der Schmelzpunkt des im zweiten Löten verwendeten Lötmaterials. Es ist bevorzugt, dass der Schmelzpunkt des für das zweite Löten verwendeten Lötmaterials um 30°C oder mehr geringer ist als der Schmelzpunkt des für das erste Löten verwendeten Lötmaterials.
  • Mit anderen Worten ist, wenn ein Lötmaterial auf Basis von Bi für das erste Löten verwendet wird, das für das zweite Löten verwendete Lötmaterial bevorzugt ein Material, das einen um 30°C oder mehr geringeren Schmelzpunkt als der des Lötmaterials auf Basis von Bi aufweist, da der Schmelzpunkt des Lötmaterials auf Basis von Bi 270°C oder mehr beträgt. Andererseits ist der Schmelzpunkt des Lötmaterials für das zweite Löten unter Berücksichtigung der von dem Leistungs-Halbleiter erzeugten Wärme erwünschterweise 200°C oder höher. Daher ist es, wenn ein Lötmaterial auf Basis von Bi für das erste Löten verwendet wird, bevorzugt, dass das für das zweite Löten verwendete Lötmaterial ein Material ist, das einen Schmelzpunkt von ungefähr 210 bis 240°C aufweist.
  • Indessen ist, wenn das Lötmaterial auf Basis von Bi für das zweite Löten verwendet wird, das für das erste Löten verwendete Lötmaterial bevorzugt ein Material mit einer Solidustemperatur von mehr als 30°C oder höher als der Schmelzpunkt des Lötmaterials auf Basis von Bi. Andererseits beträgt, um zu verhindern, dass das Halbleiterelement während des Erwärmens zum Zeitpunkt des Lötens beschädigt wird, der Schmelzpunkt desselben bevorzugt 650°C oder weniger, und stärker bevorzugt 450°C oder weniger. Daher ist es, wenn ein Lötmaterial auf Basis von Bi für das zweite Löten verwendet wird, bevorzugt, dass das für das erste Löten verwendete Lötmaterial einen Schmelzpunkt von 300 bis 650°C aufweist, und bevorzugt von 300 bis 450°C.
  • Aus Obigem ist es bevorzugt, dass das Lötmaterial auf Basis von Bi für die zweite Verbindung verwendet wird, da der Schmelzpunkt desselben ungefähr 270°C beträgt. Das für das erste Löten verwendete Lötmaterial ist bevorzugt ein Material, das einen ausreichend höheren Schmelzpunkt aufweist als der Schmelzpunkt von 270°C des Lötmaterials auf Basis von Bi. Dennoch beträgt, um zu verhindern, dass das Halbleiterelement 20 durch Erwärmen in den Lötverfahren in dem Herstellungsverfahren beschädigt wird, der Schmelzpunkt des für das erste Löten verwendeten Lötmaterials bevorzugt 650°C, und stärker bevorzugt 450°C oder weniger. Kurzum, das für das erste Löten verwendete Lötmaterial weist bevorzugt einen Schmelzpunkt von ausreichend höher als 270°C auf und geringer als 650°C, und stärker bevorzugt 450°C.
  • Daher kann das für das erste Löten verwendete Lötmaterial ein beliebiges der hauptsächlich aus Zn bestehenden Legierungsmaterialien sein. Eines dieser Materialien, eine durch wiedergegebene Legierung (Schmelzpunkt: 382°C) ist als Material, das für das erste Löten verwendet wird, bevorzugt, um zu verhindern, dass das Leistungs-Halbleiterelement beschädigt wird.
  • Es ist stärker bevorzugt, dass eine durch Zn(1-x-y)AlxMy wiedergegebene Legierung, die einen hohen Schmelzpunkt aufweist, in dem ersten Verbindungsabschnitt 50 verwendet wird, welcher auf der Seite liegt, die dem Halbleiterelement näher ist, welches eine große Wärmemenge erzeugen kann, und dass ein Lötmaterial auf Basis von Bi in dem zweiten Verbindungsabschnitt 60 verwendet wird, welcher auf der Seite liegt, die von dem Halbleiterelement weiter entfernt ist.
  • Entsprechend wird in der in den 1 erläuterten ersten exemplarischen Ausführungsform dieser Fall beschrieben, in dem eine durch Zn(1-x-y)AlxMy wiedergegebene Legierung in dem ersten Verbindungsabschnitt 50 verwendet wird und ein Lötmaterial auf Basis von Bi in dem zweiten Verbindungsabschnitt 60 verwendet wird.
  • <Zweiter Verbindungsabschnitt>
  • Der zweite Verbindungsabschnitt 60 in der vorliegenden Erfindung ist angeordnet, um den Isolieranteil 30 und die Kühlplatte 40 miteinander zu verbinden. In der in den 1 gezeigten ersten exemplarischen Ausführungsform wird ein Lötmaterial auf Basis von Bi für den zweiten Verbindungsabschnitt 60 verwendet. In der vorliegenden Erfindung ist das Lötmaterial auf Basis von Bi nicht besonders beschränkt, solange das Material hauptsächlich aus Bi besteht. Das „Lötmaterial auf Basis von Bi” meint ein Lötmaterial, das 80 Masseprozent oder mehr Bi enthält.
  • Insbesondere schließen Beispiele des Lötmaterials auf Basis von Bi eine reine Bi-Substanz ein und Materialien, in denen Cu, Ni oder Ag zu Bi zugegeben wer den. Das Lötmaterial auf Basis von Bi ist bevorzugt ein beliebiges, ausgewählt aus Lötmaterialien auf Basis von Bi, beschrieben in den Punkten (1) bis (4), die unten beschrieben werden, so dass die Solidustemperatur nicht herabgesetzt wird. Zum Beispiel fällt die Solidustemperatur eines 2,5 Masseprozent Ag in Bi einschließenden Materials von 270°C auf ungefähr 262°C, welches die Solidustemperatur einer reinen Bi-Substanz ist, daher ist dieses Material hinsichtlich der Beständigkeit gegen die durch den Betrieb des Halbleiterelements erzeugte Wärme nicht erwünscht.
  • Von den in den Punkten (1) bis (4) beschriebenen Lötmaterialien auf Basis von Bi sind Lötmaterialien auf Basis von Bi der Punkte (2) bis (4) bevorzugt, um die Sprödigkeit von Bi zu verringern und die mechanische Festigkeit zu verstärken.
    • (1) Reine Bi-Substanz
    • (2) Bi-CuAlMn, worin CuAlMn-Legierungspartikel in Bi dispergiert sind
    • (3) Material, in dem Cu zu Bi zugegeben wird
    • (3) Material, in dem Ni zu Bi zugegeben wird
  • Jedes der Lötmaterialien auf Basis von Bi wird nachfolgend ausführlich beschrieben.
  • (1) Reine Bi-Substanz
  • Bi ist als Lötmaterial für den Verbindungsabschnitt geeignet, da Bi einen Schmelzpunkt um 270°C aufweist. Es wurde jedoch klar, dass die Reaktion an den Berührungsgrenzflächen, die mit Bi in Kontakt stehen sollen, abhängig von der Art des Materials, das mit Bi in Kontakt stehen soll, durch drastische thermische Wechselbeanspruchungen von –40 bis 200°C beachtlich wird, wobei ein unerwünschtes Reaktionsprodukt hergestellt wird. Dieses Phänomen wurde beispiellos unter einer Temperaturbedingung von –40 bis 200°C gefunden.
  • Wenn Bi als Lötmaterial verwendet wird, das auf eine hohe Wärmebeständigkeit ausgerichtet ist, wird die Wärmebeständigkeit des Lötmittels verbessert. Dennoch wird in Übereinstimmung mit dem Zustand der Grenzfläche zu dem Lötmaterial auf Basis von Bi ein unerwünschtes Reaktionsprodukt durch die thermischen Wechselbeanspru chungen erzeugt, wobei Risse oder dergleichen hervorgerufen werden. Infolgedessen nimmt die Wärmebeständigkeit ab.
  • Daher wurde in der vorliegenden Erfindung eine Untersuchung an einem Material durchgeführt, welches kein unerwünschtes Produkt an der Berührungsgrenzfläche erzeugt, selbst wenn die Temperatur des Bi erhöht wird. Daher werden Cu-Schichten an den Berührungsgrenzflächen zu Bi bereitgestellt. Demzufolge wird an den Grenzflächen, die mit Bi in Kontakt stehen, kein unerwünschtes Reaktionsprodukt erzeugt, wodurch die Erzeugung von Mängeln wie Rissbildung unterdrückt werden kann.
  • Mit anderen Worten ist es für die Verbesserung der Wärmebeständigkeit des Halbleitermoduls nicht ausreichend, Bi mit einem hohen Schmelzpunkt als Lötmaterial in einem Verbindungsbereich aufzubringen. Es erfordert die Berücksichtigung einer Kombination der Arten des Lötmaterials und des Materials, das an den Grenzflächen, die mit dem Lötmaterial in Kontakt stehen sollen, bereitgestellt wird.
  • (2) Bi-CuAlMn
  • Bi ist als Lötmaterial für die zweite Lötverbindungsschicht geeignet, da Bi einen Schmelzpunkt von ungefähr 270°C aufweist. Dennoch ist Bi schwer zu handhaben, da Bi eine schwache Scherkraft und Sprödigkeit zeigt. Infolge dessen werden Partikel einer CuAlMn-Legierung zum Erhöhen der Festigkeit in Bi dispergiert. Diese Funktion wird ausführlicher beschrieben.
  • Die CuAlMn-Legierung kann martensitische Umwandlungseigenschaften zeigen. Die Legierungsphase des martensitische Umwandlungseigenschaften zeigenden Metalls wird entweder in der martensitischen Phase oder der Ausgangsphase in Übereinstimmung mit der Temperatur oder dem Druck vorliegen. Wenn die Legierungsphase des Metalls in der martensitischen Phase vorliegt, ist das Metall sehr biegsam und die Form desselben kann durch eine äußere Kraft verändert werden, wodurch durch die äußere Kraft hervorgerufene Belastungen gemildert werden können. Da die Form desselben flexibel verändert werden kann wird, selbst wenn die thermischen Wechselbeanspruchungen wiederholt werden, wird die durch die Belastung hervorgerufene Ermü dungshäufung unterdrückt. Wenn die Legierungsphase des Metalls in der Ausgangsphase vorliegt, ist das Metall aufgrund der äußeren Kraft der Phasenumwandlung in die martensitische Phase ausgesetzt. Da das Metall elastisch deformiert wird kann das Metall, wenn die äußere Kraft abnimmt, in der originalen Form wieder hergestellt werden, welche gespeichert wurde. Demzufolge kann eine auf das Metall aufgebrachte Belastung verringert werden und die Ansammlung von Belastung kann unterdrückt werden.
  • Dementsprechend kann durch Zugabe einer CuAlMn-Legierung, die martensitische Eigenschaften besitzt, zu Bi, welches ein Bulkmetall ist, Belastung durch eine äußere Kraft gemildert werden und die Ansammlung von Belastungen kann gesteuert werden. Als Ergebnis können die schwache Scherkraft und die dem Bi eigene Sprödigkeit überwunden werden.
  • Darüber hinaus weist die CuAlMn-Legierung eine geringe Toxizität auf, und deren Einfluss auf den Schmelzpunkt (die Liquidustemperatur oder Solidustemperatur) des Bulkmetalls, zu dem die Legierung zugegeben wird, ist ebenso gering. Darüber hinaus weist die CuAlMn-Legierung einen geringen elektrischen Widerstand auf, daher kann die CuAlMn-Legierung geeigneterweise verwendet werden, wenn elektrischer Strom durch die Legierung fließen soll.
  • Der Gehalt der CuAlMn-Legierung in dem Bi-CuAlMn beträgt bevorzugt von 0,5 bis 20 Masseprozent und stärker bevorzugt von 1 bis 15 Masseprozent. Wenn der Gehalt der Cu-AlMn-Legierung weniger als 0,5 Masseprozent beträgt, wird der oben erwähnte vorteilhafte Effekt aufgrund der Zugabe des Materials mit martensitischen Umwandlungseigenschaften nicht leicht erreicht. Wenn der Gehalt mehr als 20 Masseprozent beträgt, sinkt der Gehalt des zu schmelzenden Bi. Dadurch nimmt die Bindungsfestigkeit der Verbindungselemente leicht ab.
  • Selbst wenn das Volumenverhältnis von Bi zu CuAlMn (Bi:CuAlMn) von 90:10 auf 45:55 verändert wird, liegt der Schmelzpunkt (Solidustemperatur) des Bi-CuAlMn bei ungefähr 271°C.
  • Es ist in der CuAlMn-Legierung bevorzugt, dass der Mn-Gehalt bei 0,01 bis 20 Masseprozent liegt, der Al-Gehalt bei 3 bis 13 Masseprozent, und das Gleichgewicht aus Cu besteht. Durch Einstellen dieses Verhältnisses der Zusammensetzung werden beachtliche martensitische Umwandlungseigenschaften gezeigt, so dass verhindert werden kann, dass der aus dem Lötmittel bestehende Verbindungsabschnitt beschädigt wird.
  • Durch Zugabe von Ag, Ni, Au, Sn, P, Zn, Co, Fe, B, Sb oder Ge zu der CuAlMn-Legierung wird die Gleichförmigkeit mit Bi verbessert, so dass der Effekt des Stabilisierens der martensitischen Phase hervorgerufen wird. Daher ist eine beispielhafte Ausführungsform, in der das/die Zusatzelement(e) zugegeben wird/werden, ebenso bevorzugt.
  • Der Gehalt des Zusatzelements (der Zusatzelemente) in der CuAlMn-Legierung beträgt bevorzugt von 0,001 bis 10 Masseprozent. Wenn die Menge des Zusatzelements (der Zusatzelemente) weniger als 0,001 Masseprozent beträgt, wird der oben erwähnte Effekt aufgrund der Zugabe des Zusatzelements (der Zusatzelemente) nicht leicht erreicht. Wenn die Menge des Zusatzelements (der Zusatzelemente) mehr als 10 Masseprozent beträgt, kann die CuAlMn-Legierung keine martensitische Phase zeigen.
  • Wenn der Partikeldurchmesser der CuAlMn-Legierungspartikel eingestellt wird, kann das Spannungs-Relaxationsvermögen von Bi-CuAlMn oder dergleichen eingestellt werden. Insbesondere beträgt der Partikeldurchmesser der Cu-AlMn-Legierungspartikel bevorzugt von 0,01 bis 100 μm, und stärker bevorzugt von 0,01 bis 20 μm.
  • Das Verfahren zum Herstellen der CuAlMn-Legierungspartikel ist nicht besonders beschränkt. Entsprechend kann ein bekanntes Verfahren zum Herstellen von Legierungspartikeln verwendet werden. Ein Beispiel für das Herstellungsverfahren wird unten beschrieben, dennoch ist das Verfahren nicht darauf beschränkt.
  • Zunächst werden Cu, Al und Mn in einer Ar-Atmosphäre mittels eines Hochfrequenz-Induktionsschmelzofens, zum Bilden eines CuAlMn-Legierungsbarrens geschmolzen, welcher ein Vorläufer ist. Wenn nötig, kann (können) dem Barren das Zusatzelement (die Zusatzelemente) zugegeben werden. Als Nächstes wird ein Pulver-Herstellungsverfahren, wie Atomisieren verwendet, um den resultierenden Barren in eine Pulverform zu überführen. Auf diese Weise werden CuAlMn-Legierungspartikel erhalten. Die CuAlMn-Legierungspartikel, die in eine pulvrige Form überführt wurden, werden mit Ni oder Au auf deren Oberflächen unter Verwenden eines Tropfverfahrens oder dergleichen überzogen. Durch Einstellen der Dicke des Beschichtungsfilms der Überzugsschichten auf den Partikeloberflächen kann das Dispersionsvermögen der Cu-AlMn-Legierungspartikel in Bi-CuAlMn verbessert werden. Die Dicke des Beschichtungsfilms der Überzugsschichten beträgt bevorzugt von 0,01 bis 3 μm.
  • Wenn der Isolieranteil 30 mit der Kühlplatte 40 durch das Bi-CuAlMn verbunden wird, wird das Verbinden bevorzugt bei einer Temperatur durchgeführt, die einige zehn Grad Celsius höher als der Schmelzpunkt (270°C) des Bi-CuAlMn ist, um den Verbindungsabschnitt einheitlich zu schmelzen und eine ausreichende Fluidität zu erhalten. Die Bindung wird bevorzugt bei ungefähr 300 bis 350°C durchgeführt.
  • (3) Material, in dem Cu zu Bi zugegeben wird
  • Wie oben beschrieben, kann die Wärmebeständigkeit des Leistungs-Halbleitermoduls verbessert werden, selbst wenn das Lötmaterial eine reine Bi-Substanz ist. Dennoch ist es bevorzugt ein Lötmaterial zu verwenden, in dem Cu zu Bi zugegeben wird, um die Sprödigkeit von Bi zu verbessern.
  • Es ist nicht vollständig klar, warum die Sprödigkeit von Bi durch Zugabe von Cu zu Bi verbessert wird, was die mechanische Festigkeit verbessert; dennoch scheint es, dass diese Verbesserung auf der Dispersion von feinem Cu in Bi basiert.
  • Um die Sprödigkeit von Bi zu verbessern, beträgt der Cu-Gehalt bevorzugt 0,01 Masseprozent oder mehr, stärker bevorzugt 0,1 Masseprozent oder mehr, und noch stärker bevorzugt 0,4 Masseprozent oder mehr.
  • Andererseits steigt, wenn eine große Menge an Cu gegeben wird, die Liquidustemperatur, daher beträgt unter Berücksichtigung der Erwärmungstemperatur zum Zeitpunkt der Verbindung durch das Lötmittel der Cu-Gehalt 5 Masseprozent oder weniger, bevorzugt 2 Masseprozent oder weniger, und noch stärker bevorzugt 1 Masseprozent oder weniger.
  • Das Verhältnis zwischen dem Cu-Gehalt und der Liquidustemperatur und der Solidustemperatur wird hierin beschrieben.
  • Nach Einschließen von Cu in Bi steigt die Liquidustemperatur, wenn der Prozentsatz des Cu-Gehalts ansteigt. Die Liquidustemperatur ist die Temperatur, bei der ein Teil eines Feststoffs schmilzt und flüssig wird. Dennoch zeigt, selbst wenn der Cu-Gehalt erheblich erhöht wird, die Solidustemperatur eine im Wesentlichen konstante Temperatur von ungefähr 270°C. Die Solidustemperatur ist die Temperatur, bei der wenigstens ein Teil des Feststoffs zu schmelzen beginnt.
  • Mit anderen Worten steigt, wenn der Cu-Gehalt steigt, ebenso der Unterschied zwischen der Temperatur, bei der wenigstens ein Teil zu schmelzen beginnt (Solidustemperatur) und der Temperatur, bei der das Schmelzen aller Bestandteile beendet ist (Liquidustemperatur). Wenn ein solcher Temperaturunterschied erzeugt wird, können sich die Verbindungselemente nicht gleichmäßig mit Leichtigkeit nach dem Verbinden verbinden, und miteinander in einer geneigten Weise verbunden werden, oder andere Mängel können leicht erzeugt werden. Ferner kann, wenn die Liquidustemperatur hoch ist, das Halbleiterelement beschädigt werden, wenn das Halbleiterelement bei hoher Temperatur verbunden wird.
  • Wenn eine bevorzugte Erwärmungstemperatur zum Zeitpunkt des Verbindens mit dem Lötmittel in Betracht gezogen wird, beträgt die obere Grenze der Liquidustemperatur des Lötmaterials, bei der Cu in Bi eingebettet wird, 650°C und stärker bevorzugt 450°C.
  • Spezifische Liquidustemperaturen und Solidustemperaturen, bei denen Cu in Bi aufgenommen wird, werden in unten beschriebener Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1
    Cu-Gehalt in Bi (Masse-%) Solidustemperatur (°C) Liquidustemperatur (°C)
    0 270 270
    0,15 270 270
    0,3 270 355
    0,5 270 381
    0,8 270 420
    1 270 470
    2 270 540
    5 270 650
  • Das Verfahren zum Herstellen des Lötmaterials, in dem Cu zu Bi zugegeben wird, ist nicht besonders beschränkt und kann ein bekanntes Verfahren sein. Ein spezifisches Beispiel eines Herstellungsverfahrens ist unten angegeben, dennoch ist das Verfahren in der vorliegenden Erfindung nicht darauf beschränkt.
  • Vorgegebene Mengen von Bi und Cu werden hergestellt. Die Komponenten werden erwärmt und miteinander in einem Hochfrequenz-Induktionsschmelzofen oder dergleichen gemischt, und dann wird die Mischung abgekühlt.
  • (4) Material in dem Ni zu Bi zugegeben wird
  • Die Sprödigkeit von Bi wird durch Zugabe von Ni zu Bi verbessert, wodurch die mechanische Festigkeit ansteigt. Der Grund ist nicht vollkommen klar, es scheint jedoch, dass die Verbesserung auf der Dispersion einer feinen Bi3Ni-Phase in Bi basiert.
  • Hinsichtlich der Verbesserung der Sprödigkeit von Bi beträgt der Gehalt von Ni bevorzugt 0,01 Masseprozent oder mehr, stärker bevorzugt 0,1 Masseprozent und noch stärker bevorzugt 0,4 Masseprozent oder mehr.
  • Andererseits steigt, wenn eine große Menge Ni zugegeben wird, die Liquidustemperatur auf dieselbe Weise, als wenn Cu zugegeben wird; daher beträgt, unter Berücksichtigung der Erwärmungstemperatur zum Zeitpunkt des Verbindens durch das Lötmittel der Ni-Gehalt 7 Masseprozent oder weniger, bevorzugt 2 Masseprozent oder weniger, und noch stärker bevorzugt 1 Masseprozent oder weniger.
  • Spezifische Liquidustemperaturen und Solidustemperaturen, wenn Ni in Bi aufgenommen wird, sind in unten beschriebener Tabelle 2 gezeigt. Tabelle 2
    Ni-Gehalt in Bi (Masse-%) Solidustemperatur (°C) Liquidustemperatur (°C)
    0 270 270
    0,15 270 270
    0,3 270 270
    0,8 270 300
    1 270 340
    2 270 405
    5 270 590
    7 270 650
  • Das Verfahren zum Herstellen des Materials, in dem Ni zu Bi zugegeben wurde, ist nicht besonders beschränkt und kann ein bekanntes Verfahren sein. Das Verfahren kann dem für das Lötmaterial, in dem Cu zu Bi zugegeben wird, entsprechen.
  • [Durch das Lötmaterial auf Basis von Bi zu verbindende Oberflächen]
  • Wenn Reaktionsprodukte durch drastische thermische Wechselbeanspruchungen wie in einem Halbleitermodul erzeugt werden, werden Risse ausgehend von den Positionen erzeugt, an denen diese Reaktionsprodukte vorliegen. Wenn die Reaktionsprodukte spröde sind, können die Reaktionsprodukte beschädigt werden, was die Erzeugung von Rissen hervorruft.
  • Infolge dessen wird eine Cu-Schicht an den mit dem Lötmaterial auf Basis von Bi zu verbindenden Flächen der Elemente bereitgestellt. Insbesondere wird in der ersten exemplarischen Ausführungsform das Lötmaterial auf Basis von Bi in dem zweiten Verbindungsabschnitt 60 verwendet, daher weist die zu verbindende Fläche von jeweils dem Isolieranteil 30 und der Kühlplatte 40 eine Cu-Schicht darauf auf. Der Besitz der Cu-Schicht kann das Erzeugen eines unerwünschten Reaktionsprodukts an der Grenzfläche zu Bi verhindern.
  • Wie später beschrieben wird, ist der Isolieranteil 30 ein laminierter Körper aus Cu/SiNx/Cu, und die Kühlplatte ist bevorzugt ein laminierter Körper aus Cu/Mo/Cu. Entsprechend ist es ausreichend, selbst wenn die Cu-Schicht nicht zusätzlich auf jeder der durch das Lötmaterial auf Basis von Bi zu verbindenden Flächen bereitgestellt wird, dass die Cu-Schichten, die auf den Oberflächen des Isolieranteils 30 und der Kühlplatte 40 bereitgestellt werden, angeordnet werden, um auf den Grenzflächen zu dem Lötmaterial auf Basis von Bi fixiert zu werden.
  • Wenn kein laminierter Körper aus Cu/Mo/Cu als Kühlplatte 40 verwendet wird, so dass keine Cu-Schicht auf der Oberfläche der Kühlplatte 40 vorliegt, wird Cu zusätzlich auf der Oberfläche der Kühlplatte 40 bereitgestellt.
  • Als Lötmaterial auf Basis von Bi verhindert nicht nur eine reine Bi-Substanz, sondern auch ein Lötmaterial, in dem CuAlMn-Legierungspartikel in Bi dispergiert sind, ein Lötmaterial, in dem Cu zu Bi zugegeben wird, oder ein Lötmaterial, in dem Ni zu Bi zugegeben wird, die Erzeugung eines unerwünschten Reaktionsprodukts an den Berührungsgrenzflächen zwischen den Cu-Schichten und den Verbindungsabschnitten, selbst wenn die zugegebenen CuAlMn-Legierungspartikel, Cu oder Ni in Bi enthalten sind. Daher steigt auch die Beständigkeit selbst infolge von Temperaturveränderungen.
  • <Erster Verbindungsabschnitt>
  • Der erste Verbindungsabschnitt 50 in der vorliegenden Erfindung ist angeordnet, um das Leistungs-Halbleiterelement 20 und den Isolieranteil 30 zu verbinden. Wie oben beschrieben, ist in der vorliegenden Erfindung das Material für den ersten Verbindungsabschnitt 50 nicht besonders beschränkt. In der ersten exemplarischen Ausführungsform wird das Lötmaterial auf Basis von Bi, welches einen Schmelzpunkt von ungefähr 270°C aufweist, in dem zweiten Verbindungsabschnitt 60 verwendet, daher ist es bevorzugt, ein Material mit einem ausreichend höheren Schmelzpunkt als 270°C für das Herstellungsverfahren zu verwenden. Dennoch ist es bevorzugt, damit das Leistungs-Halbleiterelement 20 nicht durch Erwärmen für das Löten in dem Herstellungsverfahren beschädigt wird, ein Material mit einem Schmelzpunkt von 450°C oder weniger für den ersten Verbindungsabschnitt zu verwenden.
  • Kurz gesagt ist es bevorzugt, für den ersten Verbindungsabschnitt 50 ein Material zu verwenden, das einen ausreichend höheren Schmelzpunkt als 270°C und einen geringeren als 450°C aufweist.
  • Der Schmelzpunkt von Zn beträgt ungefähr 420°C. Da der Schmelzpunkt des für die zweite Verbindung verwendeten Lötmaterials auf Basis von Bi 270°C beträgt, kann Zn als für die erste Verbindung verwendetes Lötmaterial verwendet werden. Dennoch ist es, unter Berücksichtigung der 450°C, was die obere Grenze für den stärker bevorzugten Bereich für die Erwärmungstemperatur nach dem Löten ist, erwünscht, dass der Schmelzpunkt geringer als diese Temperatur ist.
  • Es ist daher bevorzugt, Al zu Zn zuzugeben und eine Legierung aus Zn und Al herzustellen, um den Schmelzpunkt (Solidustemperatur) zu verringern. Die Legierung kann 2 Masseprozent oder weniger eines Metalls M neben Zn und Al enthalten. Kurzum ist es bevorzugt, eine durch Zn(1-x-y)AlxMy wiedergegebene Legierung für den ersten Verbindungsabschnitt 50 zu verwenden.
  • In der durch Zn(1-x-y)AlxMy wiedergegebenen Legierung beträgt der Al-Gehalt (der Bereich von x) bevorzugt von 2 Masseprozent bis 10 Masseprozent, und stärker bevorzugt von 3 Masseprozent bis 8 Masseprozent.
  • Wenn Al hierin nicht enthalten ist (der Fall, in dem x 0 ist), beträgt der Schmelzpunkt, wie oben beschrieben, ungefähr 420°C. Wenn der Al-Gehalt ansteigt, nimmt die Schmelz-Endtemperatur (Liquidustemperatur) graduell ab. Wenn der Al-Gehalt unge fähr 2 Masseprozent beträgt, beträgt die Schmelz-Endtemperatur (Liquidustemperatur) ungefähr 410°C. Wenn der Al-Gehalt ungefähr 4 bis 6 Masseprozent beträgt, beträgt die Liquidustemperatur ungefähr 382°C. Wenn der Al-Gehalt höher als ungefähr 6 Masseprozent ist, steigt der Unterschied zwischen der Schmelz-Starttemperatur (Solidustemperatur) und der Schmelz-Endtemperatur (Liquidustemperatur). Wenn der Al-Gehalt 10 Masseprozent beträgt, beträgt die Solidustemperatur ungefähr 382°C und die Liquidustemperatur ungefähr 410°C. Wenn der Al-Gehalt mehr als 10 Masseprozent beträgt, wird der Temperaturunterschied zwischen der Solidustemperatur und der Liquidustemperatur größer als 30°C. Daher nimmt die Verarbeitbarkeit ab.
  • Das Metall M in der durch Zn(1-x-y)AlxMy wiedergegebenen Legierung gibt ein anderes Metall als Zink oder Aluminium wieder und kann Cu oder dergleichen einschließen. Wenn Cu hierin mit einem Anteil von 2 Masseprozent oder weniger aufgenommen ist, wird die Benetzbarkeit ausgezeichnet, wodurch die adhäsive Eigenschaft verbessert wird. Selbst wenn Cu hierin in einem Anteil von 2 Masseprozent aufgenommen ist verändert sich die Liquidustemperatur kaum.
  • In der durch Zn(1-x-y)AlxMy wiedergegebenen Legierung beträgt der Metall M-Gehalt (der Bereich von y) von 0 bis 2 Masseprozent und bevorzugt von 0 bis 1,5 Masseprozent. Wenn der Metall M-Gehalt höher als 2 Masseprozent ist, wird der Temperaturunterschied bis zu der Beendigung des Schmelzens höher als 30°C, wodurch die Verarbeitbarkeit abnimmt, und wenn der erste Verbindungsabschnitt durch das Lötmittel gebunden wird, werden Mängel, wie eine Fehlausrichtung oder Neigung der verbundenen Komponenten, leicht hervorgerufen.
  • Das Verfahren zum Herstellen der durch Zn(1-x-y)AlxMy wiedergegebenen Legierung ist nicht besonders beschränkt. Ein bekanntes Verfahren zum Herstellen einer Legierung kann entsprechend verwendet werden.
  • Wenn das Leistungs-Halbleiterelement 20 und der Isolieranteil 30 miteinander durch die durch Zn(1-x-y)AlxMy wiedergegebene Legierung verbunden werden, ist es hinsichtlich des einheitlichen Schmelzens des Verbindungsabschnitts, um eine aus reichende Fluidität zu vermitteln, bevorzugt, dass die Verbindung bei einer Temperatur durchgeführt wird, die einige zehn Grad Celsius höher als die Liquidustemperatur der Legierung ist. Wenn zum Beispiel Zn(1-x-y)AlxMy Legierung mit einer Liquidustemperatur von 382°C verwendet wird, ist es bevorzugt, die Verbindung bei ungefähr 410 bis 440°C durchzuführen.
  • [Durch die durch Zn(1-x-y)AlxMy wiedergegebene Legierung zu verbindende Flächen]
  • Wenn die durch Zn(1-x-y)AlxMy wiedergegebene Legierung als Verbindungselement verwendet wird, ist es bevorzugt, dass eine Ni-Schicht auf den Flächen der durch Zn(1-x-y)AlxMy zu verbindenden Elemente bereitgestellt wird.
  • Insbesondere wird in der ersten exemplarischen Ausführungsform die durch Zn(1-x-y)AlxMy wiedergegebene Legierung für den ersten Verbindungsabschnitt 50 verwendet, daher werden die Ni-Schichten 22 und 38 auf den durch Zn(1-x-y)AlxMy zu verbindenden Flächen des Leistungs-Halbleiterelements 20 bzw. des Isolieranteils 30 bereitgestellt. In der vorliegenden Erfindung wird ein laminierter Körper aus Cu34/SiNx32/Cu36 als Isolieranteil 30 verwendet, daher wird die Ni-Schicht 38 auf der Cu-Schicht 34 bereitgestellt, welches die durch Zn(1-x-y)AlxMy wiedergegebene Legierung zu verbindende Fläche ist.
  • Der Besitz der Ni-Schicht verhindert, dass ein unerwünschtes Reaktionsprodukt an der Grenzfläche zu der durch Zn(1-x-y)AlxMy wiedergegebenen Legierung erzeugt wird. Daher steigt die Beständigkeit, selbst infolge von Temperaturveränderungen.
  • Die Dicke der Ni-Schichten 22 und 38, die auf den durch die durch Zn(1-x-y)AlxMy wiedergegebene Legierung zu verbindenden Flächen bereitgestellt werden, beträgt bevorzugt von 0,1 bis 10 μm, und stärker bevorzugt von 0,5 bis 5 μm. Wenn die Dicke geringer als 0,1 μm ist, können die Ni-Schichten in das Lötmaterial geschmolzen werden, so dass sie verschwinden, wenn die Flächen verbunden werden. Wenn die Dicke höher als 10 μm ist, wird der Wärmeausdehnungskoeffizient des ge samten Leistungs-Halbleitermoduls beeinträchtigt, so dass nachteiligerweise eine Wärmebelastung erzeugt wird.
  • Die Ni-Schichten können durch Sputtern, Plattieren, Aufdampfen oder dergleichen gebildet werden.
  • <Leistungs-Halbleiterelement>
  • Das Leistungs-Halbleiterelement 20 ist nicht besonders beschränkt, und ein geeignetes Element kann übereinstimmend mit dem Verwendungszweck verwendet werden. Ein herkömmliches Si-Trägermaterial (Wärmeausdehnungskoeffizient: 3 ppm/°C) oder dergleichen kann verwendet werden.
  • In der vorliegenden Erfindung wird, selbst wenn ein GaN-Trägermaterial (Wärmeausdehnungskoeffizient: 5,6 ppm/°C), ein SiC-Trägermaterial (Wärmeausdehnungskoeffizient: 3 ppm/°C) oder dergleichen als Element für die nächste Generation verwendet wird, das vorliegende Leistungs-Halbleitermodul ein hoch zuverlässiges Leistungs-Halbleitermodul, so dass Mängel wie Rissbildung oder Abschälen, selbst bei einer hohen Temperatur über 200°C nicht erzeugt werden, welche durch durch wiederholten Gebrauch des Halbleiterelements abgestrahlte Wärme hervorgerufen werden, da der Schmelzpunkt (Solidustemperatur) des für den zweiten Verbindungsabschnitt 60 verwendeten Lötmaterials auf Basis von Bi ungefähr 270°C beträgt.
  • In der ersten exemplarischen Ausführungsform wird die durch Zn(1-x-y)AlxMy wiedergegebene Legierung für den ersten Verbindungsabschnitt 50 verwendet; daher wird die Ni-Schicht 22 auf der Oberfläche der Seite des Leistungs-Halbleiterelements 20 des ersten Verbindungsabschnitts bereitgestellt. Wenn die durch Zn(1-x-y)AlxMy wiedergegebene Legierung für den ersten Verbindungsabschnitt 50 verwendet wird, wird durch die thermischen Wechselbeanspruchungen kein unerwünschtes Produkt an der Grenzfläche zwischen der Zn(1-x-y)AlxMy-Schicht und der Ni-Schicht 22 erzeugt. Infolge dessen steigt die Beständigkeit, selbst infolge von Temperaturveränderungen.
  • Um Antioxidations- oder Benetzbarkeitseigenschaften (adhäsive Eigenschaft) zu bewahren, kann auf der Oberfläche der Ni-Schicht 22 eine dünne Au-Schicht (nicht gezeigt) bereitgestellt werden. Diese dünne Au-Schicht wird in das Lötmittelbad zum Zeitpunkt des Verbindens geschmolzen. Daher verbleibt schließlich die Au-Schicht kaum in dem Leistungs-Halbleitermodul.
  • Die Dicke der Au-Schicht beträgt bevorzugt von ungefähr 0,01 bis 0,5 μm, und stärker bevorzugt von 0,05 μm bis 0,3 μm. Die Au-Schicht kann durch Sputtern, Plattieren, Aufdampfen oder dergleichen gebildet werden.
  • <Insolieranteil>
  • Eine SiNx-Keramik wird als Isoliermaterial für den Isolieranteil 30 verwendet. In dem SiNx gibt x 4/3 wieder. Das heißt, SiNx gibt Si3N4 wieder. Dennoch ist ein Spielraum für einen Fehler des Verhältnisses der Komponenten, basierend auf einer Veränderung der Herstellungsumgebung, einbezogen.
  • Um Elektrizität von der Seite der Oberfläche des Leistungs-Halbleiterelements zu dem Halbleiterelement zu leiten, wird die elektroleitfähige Schicht 34 auf der Oberfläche des Isolierelements (SiNx-Schicht) 32 bereitgestellt. Um zu verhindern, dass das Modul durch eine Temperaturveränderung verzogen wird, wird ebenso die elektroleitfähige Schicht 36 auf der Seite der Oberfläche der Kühlplatte 40 bereitgestellt. Als elektroleitfähige Schichten 34 und 36 werden Cu-Schichten angeordnet. Entsprechend wird in dem Leistungs-Halbleitermodul der vorliegenden Erfindung ein laminierter Körper aus Cu/SiNx/Cu als Isolieranteil 30 verwendet. In den 1 sind die Cu-Schicht, welche die elektroleitfähige Schicht 34 ist, und das Leistungs-Halbleiterelement 20 miteinander durch die Al-Leitung 80 verbunden.
  • Wenn ein laminierter Körper aus Cu/AlN/Cu als Isolieranteil verwendet wird, scheint es, dass ein unerwünschtes Produkt nicht leicht an der Grenzfläche zu dem Lötmaterial auf Basis von Bi erzeugt wird, da der laminierte Körper die Cu-Schichten auf dessen Oberfläche aufweist. Die Zugfestigkeit von SiNx beträgt jedoch 700 MPa, im Vergleich zu 400 MPa von AlN. Aus diesem Grund ist hinsichtlich des Keramikan teils die Festigkeit des laminierten Körpers aus Cu/SiNx/Cu höher als die des laminierten Körpers aus Cu/AlN/Cu, wodurch Mängel wie Rissbildung nicht leicht erzeugt werden.
  • Darüber hinaus wurde in der Veröffentlichung von Nagatomo et al. („Thermal Cycle Characteristic Analysis of Substrate for Power Module by Finite Element Method", the Journal of Japan Institute of Electronics Packaging, Vol. 3, Nr. 4, Seiten 330 to 334, 2000) berichtet, dass Cu einen höheren Kaltverfestigungsexponenten und einen höheren Kaltverfestigungskoeffizienten aufweist als Al, daher wird im Vergleich zu einem laminierten Körper aus Al/AlN/Al eine höhere Belastung an die AlN-Keramik in dem laminierten Körper aus Cu/AlN/Cu angelegt. Kurz gesagt wird berichtet, dass der laminierte Körper aus Al/AlN/Al eine höhere Beständigkeit durch die thermischen Wechselbeanspruchungen hindurch aufweist als der laminierte Körper aus Cu/AlN/Cu.
  • Indessen können in einem laminierten Körper aus Al/AlN/Al Unebenheiten von ungefähr 40 μm Größe unter drastischen Bedingungen in der Untersuchung der thermischen Wechselbeanspruchung erzeugt werden, insbesondere durch die Untersuchung der thermischen Wechselbeanspruchung in einem Temperaturbereich von –40 bis 200°C.
  • Der Grund hierfür ist nicht klar. Dennoch wird angenommen, dass dies auf dem Unterschied zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten von Al und dem von AlN basiert. Der Wärmeausdehnungskoeffizient einer Metallplatte aus Al beträgt 25 ppm/°C, und der von AlN beträgt 4,3 ppm/°C. Wie hierin beschrieben, sind zwischen den Elementen in dem laminierten Körper deren Wärmeausdehnungskoeffizienten sehr unterschiedlich voneinander, daher wird, wenn ein laminierter Körper aus Al/AlN/Al in einem Wärme- und Kühlzyklus bei einem großen Temperaturunterschied von –40 bis 200°C untersucht wird, wiederholt eine große Wärmebelastung in der Al-Metallplatte hervorgerufen. Darüber hinaus weist Al eine geringe Streckgrenzen-Eigenschaft auf, wodurch es leicht einer plastischen Deformation unterliegt. Ferner wird angenommen, dass große Unebenheiten auf der Oberfläche von Al hervorgerufen werden.
  • Selbst ein Leistungs-Halbleitermodul mit einem Isolierelement, wie einem laminierten Körper aus Cu/AlN/Cu oder einem laminierten Körper aus Al/AlN/Al kann ausreichend in praktischen Gebrauch genommen werden, wenn der Temperaturbereich in der Untersuchung der thermischen Wechselbeanspruchung von –40 bis 125°C liegt.
  • In der vorliegenden Erfindung jedoch wird ein laminierter Körper aus Cu/SiNx/Cu für deren Isolieranteil verwendet, daher werden Mängel wie Rissbildung selbst durch thermische Wechselbeanspruchungen bei einem hohen Temperaturunterschied von –40 bis 200°C nicht leicht erzeugt.
  • Die Dicke der elektroleitfähigen Schichten (Cu-Schichten) 34 und 36, die auf der Oberfläche von SiNx bereitgestellt werden, beträgt bevorzugt von 0,01 mm bis 1 mm, und stärker bevorzugt von 0,05 mm bis 0,6 mm. Wenn die Dicke der elektroleitfähigen Schichten weniger als 0,01 mm beträgt, steigt der auf dem elektrischen Strom basierende Verlust in der Querrichtung und die Wärmeerzeugung an. Wenn die Dicke mehr als 1 mm beträgt, wird der Wärmeausdehnungskoeffizient des gesamten Leistungs-Halbleitermoduls beeinträchtigt, wodurch nachteiligerweise eine Wärmebelastung hervorgerufen werden kann.
  • Das Verfahren zum Fixieren der elektroleitfähigen Schichten (Cu-Schichten) 34 und 36 auf beiden Oberflächen von SiNx ist nicht besonders beschränkt. Ein bekanntes Verfahren, wie Hartlöten, kann entsprechend angewendet werden.
  • Da die Cu-Schichten als elektroleitfähige Schichten (Cu-Schichten) 34 und 36 auf den Oberflächen von SiNx angebracht sind, können die Cu-Schichten ebenso wie die obigen Cu-Schichten fungieren, die angebracht wurden, um die Erzeugung eines unerwünschten Reaktionsprodukts an der Grenzfläche zu dem Verbindungsabschnitt zu verhindern, wenn das Lötmaterial auf Basis von Bi verwendet wird.
  • Wie oben beschrieben, weist, wenn der Unterschied des Wärmeausdehnungskoeffizienten des laminierten Körpers aus Cu/SiNx/Cu als Isolieranteil 30 und des Leistungs-Halbleiterelements 20 kleiner wird, die Innenseite des Lötverbindungsab schnitt weniger Risse auf. Insbesondere ist es bevorzugt, den Unterschied im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Leistungs-Halbleiterelement 20 und dem Isolieranteil 30 (laminierter Körper aus Cu/SiNx/Cu) auf 1,6 ppm/°C oder weniger vor den thermischen Wechselbeanspruchungen festzulegen, bevorzugt auf 1,0 ppm/°C oder weniger. Dies wird nachfolgend ausführlich beschrieben.
  • 2 ist ein Graph, der das Verhältnis zwischen dem Unterschied in dem Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Isolieranteil 30 und dem Leistungs-Halbleiterelement 20 zeigt, und die Anzahl der Zyklen, bei denen Defekte auftreten.
  • In der Untersuchung in 2 wurde ein Si-Leistungs-Halbleiterelement (Wärmeausdehnungskoeffizient: 3 ppm/°C) mit 12 mm × 9 mm Größe mit jeweils einzelnen Trägermaterialien (Isolieranteil) mit verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten mit 17 mm × 17 mm Größe durch ein Sn-0,7Cu-Lötmaterial verbunden, so dass die Dicke des Verbindungsabschnitts dazwischen auf 0,1 mm festgelegt wurde. Auf diese Weise wurde jeder Probenkörper hergestellt.
  • Der Probenkörper wurde in Testgerät für die thermischen Wechselbeanspruchungen gelegt, das eine Temperatur von –40 bis 200°C bietet. In der Mitte der Untersuchung der thermischen Wechselbeanspruchung wurde der Probenkörper herausgenommen, und dann wurde ein Riss in dem Lötverbindungsabschnitt mittels eines zerstörungsfreien Verfahrens unter Verwenden einer Ultraschallprüfung beobachtet.
  • Als Ergebnis wurde klar, dass die Anzahl der Zyklen, bei denen Defekte auftreten, geringer wird, wenn der Unterschied in dem Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Si-Leistungs-Halbleiterelement und dem Trägermaterial, wie in 2 gezeigt, größer wird.
  • Die Anzahl der Zyklen, bei denen Defekte auftreten, meint die Anzahl der thermischen Wechselbeanspruchungen, in der das Flächenverhältnis der Verbindung an dem Lötverbindungsabschnitt 90% wird, wie es durch unten beschriebene Gleichung (1) gezeigt wird. Die Bewandtnis, dass dieser Wert höher wird, bedeutet, dass die Bestän digkeit besser wird, da die Anzahl der thermischen Wechselbeanspruchungen bis zu der Zeit, zu der ein Defekt hervorgerufen wird, ansteigt. Flächenverhältnis des Lötverbindungsabschnitts = (durch Lötmittel verbundene Fläche nach den thermischen Wechselbeanspruchungen/durch Lötmittel verbundene Fläche vor den thermischen Wechselbeanspruchungen) × 100(%) Gleichung (1)
  • Der Grund, warum die Anzahl der thermischen Wechselbeanspruchungen bis zu dem Zeitpunkt, zu dem der Bereich des Lötverbindungsabschnitts 90% beträgt, als Anzahl der Zyklen, bei denen Defekte auftreten, definiert wird, ist folgender: die Rissbildung oder das Abschälen an dem Lötverbindungsabschnitt wird ausgehend von einer Ecke des Umfangs des Leistungs-Halbleiterelement hervorgerufen, daher wirken sich Risse oder Abschälungen innerhalb 10% des Flächenverhältnisses nicht signifikant auf die Wärmeabstrahlungsleistung aus.
  • Wie in 2 gezeigt, ist es wichtig, dass, wenn der akzeptable Standard an thermischen Wechselbeanspruchungen von –40 bis 200°C als 2000 Zyklen angesehen wird, der Unterschied im Wärmeausdehnungskoeffizienten auf 3 ppm/°C oder weniger festgelegt wird. Mit anderen Worten wird, da der Wärmeausdehnungskoeffizient des Si-Leistungs-Halbleiterelements 3 ppm/°C beträgt, der Wärmeausdehnungskoeffizient des Isolieranteils bevorzugt auf 6 ppm/°C oder weniger festgelegt.
  • Der Graph in 2 zeigt die Ergebnisse, wenn Sn-0,7Cu als Lötmaterial verwendet wurde; dieselbe Tendenz wird jedoch ebenso erhalten, wenn ein Lötmaterial auf Basis von Bi verwendet wird.
  • Das Verfahren zum Einstellen des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Isolieranteils kann ein Verfahren des Veränderns der Reinheit des in dem laminierten Körper aus Cu/SiNx/Cu verwendeten Materials oder dergleichen einschließen und bevorzugt ein Verfahren des Anpassens der Dicke der Cu-Schichten und der der SiNx-Schicht.
  • 3 zeigt das Verhältnis des Wärmeausdehnungskoeffizienten des gesamten laminierten Körpers aus Cu/SiNx/Cu hinsichtlich der Dicke der Cu-Platte, wenn ein laminierter Körper aus Cu/SiNx/Cu als Isolieranteil 30 verwendet wurde.
  • Der laminierte Körper aus Cu/SiNx/Cu wurde durch Anhaften jeder Cu-Platte an die SiNx-Platte hergestellt, in dem die SiNx-Platte eine Dicke von 0,32 mm aufweist und die Cu-Platten verschiedene Plattendicken aufweisen. Das Cu war das sogenannte sauerstofffreie Cu, welches eine Reinheit von 99,96% oder mehr aufwies. Die Plattendicken des Cu auf beiden Seiten der SiNx-Schicht wurden einander angeglichen.
  • Wie in 3 gezeigt ist, steigt der Wärmeausdehnungskoeffizient, wenn die Dicke der Cu-Platte ansteigt. 3 zeigt ebenso den Wärmeausdehnungskoeffizienten, nachdem die thermischen Wechselbeanspruchungen von –40 bis 200°C durchgeführt wurde.
  • Im Allgemeinen ist der Wärmeausdehnungskoeffizient ein Wert, der dem Material innewohnt, so sollte der Wärmeausdehnungskoeffizient des Isolieranteils einen konstanten Wert zeigen. Unerwarteterweise ist jedoch, wie in 3 gezeigt, der Wärmeausdehnungskoeffizient des Isolieranteils nach den thermischen Wechselbeanspruchungen ein höherer Wert als der Wärmeausdehnungskoeffizient vor den thermischen Wechselbeanspruchungen. Es ist daher bevorzugt, den Isolieranteil unter Berücksichtigung des Anstiegs in dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Isolieranteils 30 nach den thermischen Wechselbeanspruchungen zu gestalten.
  • Insbesondere ist es, wenn ein Si-Leistungs-Halbleiterelement (Wärmeausdehnungskoeffizient: 3 ppm/°C) als Leistungs-Halbleiterelement 20 verwendet wird, in Übereinstimmung mit den Ergebnissen in 2 bevorzugt, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient des Isolieranteils 30 auf 6 ppm/°C oder weniger festgelegt wird. Dennoch ist es unter Berücksichtigung des Anstiegs in dem Isolieranteil 30 nach einer Prüfung mit 2000 Zyklen stärker bevorzugt, den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Iso lieranteils 30 vor den thermischen Wechselbeanspruchungen auf 4,0 ppm/°C oder weniger festzulegen.
  • Mit anderen Worten ist es, um den Unterschied zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Isolieranteils 30 und dem des Leistungs-Halbleiterelements 20 auf 3 ppm/°C oder weniger (6 ppm/°C – 3 ppm/°C = 3 ppm/°C) nach einer Prüfung mit 2000 Zyklen festzulegen, besonders bevorzugt, den Unterschied des Wärmeausdehnungskoeffizienten auf 1 ppm/°C oder weniger (4 ppm/°C – 3 ppm/°C = 1 ppm/°C) vor der Untersuchung der thermischen Wechselbeanspruchung festzulegen.
  • Der akzeptable Standard der thermischen Wechselbeanspruchungen wird in Übereinstimmung mit der Verwendung des Leistungs-Halbleitermoduls variiert. Wenn die Verwendung eine derartige Verwendung ist, dass der akzeptable Standard der thermischen Wechselbeanspruchungen von –40 bis 200°C 1600 Zyklen beträgt, ist es gemäß 2 erwünscht, den Unterschied in dem Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Si-Leistungs-Halbleiterelement (Wärmeausdehnungskoeffizient: 3 ppm/°C) und dem Isolieranteil 30 auf 4,0 ppm/°C oder weniger festzulegen. Es ist daher bevorzugt, den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Isolieranteils 30 auf 7,0 ppm/°C oder weniger festzulegen.
  • Es kann angenommen werden, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient nach 1600 Zyklen der Untersuchung der thermischen Wechselbeanspruchung die gepunkteten Linien in 3 zeigt, von der Situation einer Veränderung in dem Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen vor und nach den 2000 Zyklen in dem Zyklustest in 3.
  • Entsprechend kann angenommen werden, dass es, um den Unterschied in den Wärmekoeffizienten auf 7,0 ppm oder weniger selbst nach 1600 Zyklen der Untersuchung der thermischen Wechselbeanspruchung festzulegen, bevorzugt ist, den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Isolieranteils 30 auf 4,6 ppm oder weniger vor der Untersuchung der thermischen Wechselbeanspruchung festzulegen.
  • Kurzum, wenn der akzeptable Standard der thermischen Wechselbeanspruchungen von –40 bis 200°C auf 1600 Zyklen festgelegt wird, ist es bevorzugt, den Unterschied in dem Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Leistungs-Halbleiterelement 20 und dem Isolieranteil 30 auf 1,6 ppm/°C oder weniger (4,6 – 3 = 1,6 ppm/°C) vor der Untersuchung der thermischen Wechselbeanspruchung festzulegen.
  • Wenn die Wärmeausdehnungskoeffizienten der einzelnen Elemente vor und nach den thermischen Wechselbeanspruchungen gemessen werden, die Ergebnisse überprüft werden und dann das Leistungs-Halbleitermodul hergestellt wird, ist dies unerwünscht, da enorme Mengen an Zeit und Energie erforderlich sind. Aus diesem Grund ist es erwünscht und praktisch, dass es möglich ist auf Basis der Wärmeausdehnungskoeffizienten vor der Untersuchung der thermischen Wechselbeanspruchung zu entscheiden.
  • Wie oben beschrieben, kann der Wärmeausdehnungskoeffizient eines laminierten Körpers aus Cu/SiNx/Cu durch Anpassen der Dicke der Cu-Platte variiert werden.
  • Wie oben beschrieben, betragen die Dicken der Cu-Schichten 34 und 36 als elektroleitfähige Schichten bevorzugt von 0,01 bis 1 mm, und stärker bevorzugt von 0,05 bis 0,6 mm. Durch Verändern der Dicke der Cu-Schichten und der der SiNx-Schicht innerhalb dieses Dickebereichs der Cu-Schichten wird der Wärmeausdehnungskoeffizient des gesamten laminierten Körpers aus Cu/SiNx/Cu vor der Untersuchung der thermischen Wechselbeanspruchung eingestellt. Zu diesem Zeitpunkt ist es bevorzugt, die Dicke so einzustellen, dass der Unterschied des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Leistungs-Halbleiterelements 20 auf 1,6 ppm oder weniger, und bevorzugt auf 1,0 ppm/°C oder weniger, eingestellt wird.
  • Der Wärmeausdehnungskoeffizient des laminierten Körpers aus Cu/SiNx/Cu wird durch Verwenden des TMA8140 Modells, hergestellt von Rigaku Corp. gemessen.
  • Insbesondere wird zuerst die Länge (L) einer Probe, deren Wärmeausdehnungskoeffizient gemessen werden soll, mit einem Mikrometer gemessen. Diese Probe wird in das obige Wärmeausdehnungskoeffizienten-Messgerät gegeben. Als Nächstes wird hierzu Wärme zugeführt und dann die Ausdehnung (Länge) der Probe gemessen, um den Prozentsatz der Ausdehnung ΔL pro °C derselben zu berechnen. Der Wärmeausdehnungskoeffizient wird als ΔL/L (× 10–6) [ppm/°C] berechnet. Es ist bevorzugt, dass die Größe der Probe erhöht wird, da die Messfehler entsprechend abnehmen; im vorliegenden Fall beträgt die Größe der zu messenden Probe ungefähr 10 mm bis 20 mm.
  • Die Ni-Schicht 38 wird auf der Oberfläche der Cu-Schicht 34 für den Isolieranteil 30 auf der Seite des ersten Verbindungsabschnitts 50 bereitgestellt, wo die durch Zn(1-x-y)AlxMy wiedergegebene Legierung verwendet wird. Wie oben beschrieben, ruft die durch Zn(1-x-y)AlxMy wiedergegebene Legierung keine Erzeugung eines unerwünschten Produkts an dessen Grenzfläche zu der Ni-Schicht durch die thermischen Wechselbeanspruchungen hervor. Daher werden durch Bereitstellen der Ni-Schicht 38 Mängel wie Rissbildung und Abschälung nicht leicht erzeugt, selbst wenn sich die Temperatur derselben verändert.
  • Die Dicke der Ni-Schicht 38 beträgt bevorzugt von 0,1 μm bis 10 μm, und stärker bevorzugt von 3 μm bis 8 μm. Wenn die Dicke weniger als 0,1 μm beträgt, kann die Schicht in das Lötmaterial geschmolzen werden, so dass sie zum Zeitpunkt des Verbindens verschwindet. Wenn die Dicke mehr als 10 μm beträgt, wird der Wärmeausdehnungskoeffizient des gesamten Leistungs-Halbleitermoduls beeinträchtigt, wodurch nachteiligerweise eine Wärmebelastung hervorgerufen werden kann.
  • Darüber hinaus kann eine dünne Au-Schicht (nicht gezeigt) auf der Oberfläche der Ni-Schicht 38 bereitgestellt werden, um die Antioxidations- und Benetzbarkeits-Eigenschaften zu erhalten. Diese dünne Au-Schicht wird in das Lötbad zum Zeitpunkt des Verbindens geschmolzen. Daher verbleibt die Au-Schicht schließlich kaum in dem Leistungs-Halbleitermodul.
  • Die Dicke der Au-Schicht beträgt bevorzugt von 0,01 μm bis 0,5 μm, und stärker bevorzugt von 0,05 μm bis 0,2 μm.
  • <Kühlplatte>
  • Als Kühlplatte 40 kann eine beliebige Platte mit Wärmeabstrahlungs-Leistung, ohne bestimmte Beschränkung verwendet werden. Die Kühlplatte ist bevorzugt eine Platte, die eine ausreichend hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, die eine ausgezeichnete Wirkung als Kühlplatte aufweist und die einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der dem des Halbleiterelements nahe ist.
  • Besonders bevorzugte Beispiele der Kühlplatte 40 schließen Platten ein, die aus Mo, einer Cu-Mo-Legierung, Al-SiC, Cu, Al bestehen. Von solchen Materialen ist Mo bevorzugt, da Mo eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der dem des Leistungs-Halbleiterelements nahe ist.
  • Wenn Mo für die Kühlplatte verwendet wird, werden andere Metallschichten bevorzugt auf beiden Oberflächen des Mo hinsichtlich der Möglichkeit, durch das Lötmittel verbunden zu werden, bereitgestellt. Beispiele dieser Metallschichten schließen Cu, Ni und bevorzugt Cu ein. Es ist für die Einstellung der Wärmeleitfähigkeit und des Wärmeausdehnungskoeffizienten besonders bevorzugt, dass die Kühlplatte 40 ein laminierter Körper aus einer Cu-Schicht 44/Mo-Schicht 42/Cu-Schicht 46 ist, in dem Cu-Schichten auf beiden Oberflächen des Mo bereitgestellt werden.
  • Wenn die Kühlplatte 40, wie oben beschrieben, ein laminierter Körper aus einer Cu-Schicht 44/einer Mo-Schicht 42/einer Cu-Schicht 46 ist, beträgt das Dickenverhältnis zwischen den einzelnen Schichten von 1/5/1 bis 1/12/1, und bevorzugt von 1/7/1 bis 1/9/1. Wenn die Mo-Schicht dicker als die Dicke ist, die auf dem Verhältnis von 1/5/1 basiert, weist die Kühlplatte bevorzugt einen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, der dem des Leistungs-Halbleiterelements nahe ist. Wenn die Mo-Schicht dünner als die Dicke ist, die auf dem Verhältnis von 1/12/1 basiert, weist die Mo-Schicht bevorzugt eine Wärmeabstrahlungsfunktion als Kühlplatte auf.
  • Insbesondere betragen die Schichtdicken der Cu-Schichten 44 und 46 bevorzugt von 0,05 mm bis 1 mm, und stärker bevorzugt von 0,2 mm bis 0,5 mm. Die Dicke der Mo-Schicht 42 beträgt bevorzugt von 1 mm bis 7 mm, und stärker bevorzugt von 2 mm bis 4 mm.
  • Hinsichtlich des laminierten Körpers, der aus der Cu-Schicht 44/der Mo-Schicht 42/der Cu-Schicht 46 besteht, beträgt die Gesamtdicke bevorzugt von 1 mm bis 8 mm, und stärker bevorzugt von 2 mm bis 5 mm, damit bewirkt wird, dass der laminierte Körper eine ausreichende Wärmeabstrahlungs-Funktion zeigt.
  • Wie oben beschrieben, ruft das Lötmaterial auf Basis von Bi durch die thermischen Wechselbeanspruchungen keine Erzeugung eines unerwünschten Produkts an der Grenzfläche zu der Cu-Schicht hervor; daher steigt in dem Leistungs-Halbleitermodul gemäß der vorliegenden Erfindung, welches eine Struktur aufweist, in der die Cu-Schichten 44 mit dem Lötmaterial auf Basis von Bi in Kontakt stehen, auch die Beständigkeit, selbst infolge von Temperaturveränderungen.
  • <Herstellungsverfahren>
  • Das Herstellungsverfahren des Leistungs-Halbleitermoduls der vorliegenden Erfindung ist nicht besonders beschränkt, solange das Modul die oben erwähnte Struktur aufweist. Demgemäß kann ein bekanntes Verfahren entsprechend verwendet werden.
  • Im Verfahren zum Herstellen des Leistungs-Halbleitermoduls der ersten exemplarischen Ausführungsform werden das Leistungs-Halbleiterelement 20 und der Isolieranteil 30 zunächst zum Bilden des ersten Verbindungsabschnitts 50 miteinander durch die durch Zn(1-x-y)AlxMy wiedergegebene Legierung verbunden. Nachfolgend wird die Kühlplatte 40 mit dem Isolieranteil 30, in dem das Leistungs-Halbleiterelement 20 vorher an dem ersten Verbindungsabschnitt 50 gebunden wurde, zum Bilden des zweiten Verbindungsabschnitts 60 durch das Lötmaterial auf Basis von Bi verbunden.
  • In diesem Herstellungsverfahren wird in der ersten Verbindung die durch Zn(1-x-y)AlxMy wiedergegebene Legierung als Lötmaterial verwendet und das Lötmateri al auf Basis von Bi, welches eine geringere Liquidustemperatur als die Solidustemperatur der Legierung aufweist, wird für die zweite Verbindung verwendet. Daher werden in der zweiten Verbindung Mängel, wie eine Fehlausrichtung oder Neigung des Elements 20 und des Abschnitts 30 nicht leicht hervorrufen.
  • Zusätzlich wird die durch Zn(1-x-y)AlxMy wiedergegebene Legierung, deren Solidustemperatur höher ist, in dem ersten Verbindungsabschnitt 50 verwendet, welcher dem Halbleiterelement näher ist, das eine hohe Menge an Wärme erzeugt, während das Lötmaterial auf Basis von Bi, dessen Liquidustemperatur geringer als die des in dem ersten Verbindungsabschnitt verwendeten Lötmaterials ist, in dem zweiten Verbindungsabschnitt 60 verwendet wird, welcher weiter von dem Halbleiterelement entfernt ist, wodurch dessen Wärmebeständigkeit ebenso ausgezeichnet wird.
  • Insbesondere wird das Verbinden in dem ersten Verbindungsabschnitt 50 zwischen dem Leistungs-Halbleiterelement 20 und dem Isolieranteil 30 durch Folgendes durchgeführt: ein derartiges Anordnen, dass die Ni-Schicht 22 des Leistungs-Halbleiterelements und die Ni-Schicht 38 des Isolieranteils 30 einander gegenüber liegen; dazwischen Einfügen einer durch Zn(1-x-y)AlxMy wiedergegebenen Legierung; und dann Durchführen eines Rückflussverfahrens oder dergleichen in einer Atmosphäre eines inerten Gases oder eines reduzierenden Gases in einem Zustand, in dem das Leistungs-Halbleiterelement 20 (Ni-Schicht 38) die durch Zn(1-x-y)AlxMy wiedergegebene Legierung (erster Verbindungselementabschnitt) 50, und der Isolieranteil 30 (Ni-Schicht 38) in dieser Reihenfolge bereitgestellt werden.
  • Die Verbindungstemperatur ist bevorzugt um 30 bis 60°C höher als die Liquidustemperatur der durch Zn(1-x-y)AlxMy wiedergegebenen Legierung.
  • Die Dicke der Schicht des ersten Verbindungselements 50 beträgt vom Standpunkt der Wärmeleitung und der Wärmebelastung bevorzugt von 5 bis 500 μm, und stärker bevorzugt von 10 bis 200 μm.
  • Das Verbinden für den zweiten Verbindungsabschnitt 60 wird durch Verwenden des Isolieranteils 30 durchgeführt, mit dem das Leistungs-Halbleiterelement 20 als erster Verbindungsabschnitt 50 vorher verbunden wurde, und der Kühlplatte 40, Anordnen derselben, so dass die Cu-Schicht 36 des Isolieranteils 30 und die Cu-Schicht 44 der Kühlplatte 40 einander gegenüber liegen; dazwischen Einfügen eines Lötmaterials auf Basis von Bi und Durchfahren eines Rückflussverfahrens oder dergleichen in der Atmosphäre eines inerten Gases oder eines reduzierenden Gases auf dieselbe Weise wie in dem Fall des Verbindens für den ersten Verbindungsabschnitt 50, in einem Zustand, in dem der Isolieranteil 30 (Cu-Schicht 36), das Lötmaterial auf Basis von Bi (Bereich des zweiten Verbindungselements) 60 und die Kühlplatte 40 (Cu-Schicht 44) in dieser Reihenfolge bereitgestellt werden.
  • Die Verbindungstemperatur ist bevorzugt um ungefähr 30 bis 60°C höher als die Liquidustemperatur des Lötmaterials auf Basis von Bi.
  • Die Benetzbarkeit von Bi kann nach dem Verbinden nicht ausgezeichnet sein, daher ist es bevorzugt, die zu verbindenden Elemente gleiten zu lassen, während äußerer Druck daran angelegt wird.
  • Die Dicke des Lötmaterials auf Basis von Bi beträgt hinsichtlich der Wärmeleitung und der Wärmebelastung bevorzugt von 5 bis 500 μm, stärker bevorzugt von 100 bis 300 μm.
  • <Leistungs-Halbleitermodul der zweiten exemplarischen Ausführungsform>
  • 4 zeigt eine schematische Querschnittsansicht der Struktur des Leistungs-Halbleitermoduls in der zweiten exemplarischen Ausführungsform.
  • In der ersten exemplarischen Ausführungsform wird die durch Zn(1-x-y)AlxMy wiedergegebene Legierung für den ersten Verbindungsabschnitt 50 verwendet, während das Lötmaterial auf Basis von Bi für den zweiten Verbindungsabschnitt 60 verwendet wird. In der zweiten exemplarischen Ausführungsform wird jedoch das Lötmaterial auf Basis von Bi für den ersten Verbindungsabschnitt 50 verwendet, während die durch Zn(1-x-y)AlxMy wiedergegebene Legierung für den zweiten Verbindungsabschnitt 60 verwendet wird.
  • In der zweiten exemplarischen Ausführungsform werden Cu-Schichten auf der zu verbindenden Fläche des Leistungs-Halbleiterelements 20 bzw. der zu verbindenden Fläche des Isolieranteils 30 angeordnet, der mit dem ersten Verbindungsabschnitt in Kontakt steht. In der vorliegenden Erfindung wird jedoch ein laminierter Körper aus Cu34/SiNx32/Cu36 als Isolieranteil 30 verwendet; daher muss eine Cu-Schicht nicht zusätzlich auf der Oberfläche des Isolieranteils 30 bereitgestellt werden.
  • Andererseits wird eine Cu-Schicht 24 auf der Oberfläche des Leistungs-Halbleiterelements 20 angeordnet. Die Dicke der Cu-Schicht 24 auf der Oberfläche des Leistungs-Halbleiterelements 20 beträgt bevorzugt von 0,1 bis 10 μm, und stärker bevorzugt von 0,5 bis 5 μm. Wenn die Schicht dünner als 0,1 μm ist, kann die Schicht in das Lötmaterial zum Zeitpunkt der Verbindung schmelzen, wodurch die Schicht verschwinden kann. Wenn die Schicht dicker als 10 μm ist, wird der Wärmeausdehnungskoeffizient des gesamten Leistungs-Halbleitermoduls beeinträchtigt, wodurch nachteiligerweise die Wärmebelastung ansteigen kann.
  • Die Cu-Schicht 24 kann durch Sputtern, Plattieren, Aufdampfen oder dergleichen gebildet werden.
  • Die Ni-Schichten 62 und 64 werden auf der zu verbindenden Fläche des Isolieranteils 30 bzw. der zu verbindenden Fläche der Kühlplatte 40, die mit dem zweiten Verbindungsabschnitt 60 in Kontakt steht, bereitgestellt. In der vorliegenden Erfindung wird ein laminierter Körper aus Cu34/SiNx32/Cu36 als Isolieranteil 30 verwendet, daher wird die Ni-Schicht 62 auf der Oberfläche der Cu-Schicht 36 auf der Seite des zweiten Verbindungsabschnitts 60 bereitgestellt.
  • In der Herstellung des Leistungs-Halbleitermoduls der zweiten exemplarischen Ausführungsform wird zuerst der zweite Verbindungsabschnitt 60 verbunden, und als zweites wird der erste Verbindungsabschnitt 50 verbunden.
  • Das Übrige entspricht der ersten exemplarischen Ausführungsform. Daher wird die Beschreibung weggelassen.
  • <Leistungs-Halbleitermodul der dritten exemplarischen Ausführungsform>
  • In der dritten exemplarischen Ausführungsform wird ein anderes Lötmaterial als eine beliebige durch Zn(1-x-y)AlxMy wiedergegebene Legierung und ein beliebiges Lötmaterial auf Basis von Bi für den ersten Verbindungsabschnitt 50 verwendet, während das Lötmaterial auf Basis von Bi für den zweiten Verbindungsabschnitt 60 verwendet wird.
  • Die Liquidustemperatur des in dem ersten Verbindungsabschnitt 50 verwendeten Lötmaterials ist jedoch höher als die Liquidustemperatur des Lötmaterials auf Basis von Bi und geringer als 650°C, stärker bevorzugt geringer als 450°C.
  • Diese Lötmaterialien für den ersten Verbindungsabschnitt 50 schließen Au-Si (Schmelzpunkt: 360°C) und Au-Ge (Schmelzpunkt: 356°C) ein. Pb-Sn-Lötmaterial kann als Lötmaterialien für den ersten Verbindungsabschnitt 50 verwendet werden, es ist jedoch erwünscht, ein Pb-freies Lötmaterial angesichts des Belangs, dass ein Pb freies Lötmaterial erforderlich ist, zu verwenden.
  • In der dritten exemplarischen Ausführungsform werden Cu-Schichten auf dieselbe Weise wie in der ersten exemplarischen Ausführungsform auf der zu verbindenden Fläche des Isolieranteils 30 bzw. der zu verbindenden Fläche der Kühlplatte 40, die mit dem zweiten Verbindungsabschnitt 60 in Kontakt steht, bereitgestellt.
  • Der Isolieranteil 30 ist jedoch ein laminierter Körper aus Cu/SiNx/Cu, und die Kühlplatte 40 ist bevorzugt ein laminierter Körper aus Cu/Mo/Cu. Daher ist es, selbst wenn die Cu-Schichten nicht zusätzlich auf den zu verbindenden Flächen mit dem Lötmaterial auf Basis von Bi bereitgestellt werden, ausreichend, dass die Grenzflächen zu dem Lötmaterial auf Basis von Bi mit den Cu-Schichten bereitgestellt werden, die auf den Oberflächen des Isolieranteils 30 und der Kühlplatte 40 bereitgestellt werden. Wenn kein laminierter Körper aus Cu/Mo/Cu als Kühlplatte 40 verwendet wird, liegen keine Cu-Schichten auf der Oberfläche der Kühlplatte 40 vor, daher wird eine Cu-Schicht auf der Oberfläche der Kühlplatte 40 bereitgestellt.
  • Metallschichten können auf der zu verbindenden Fläche des Leistungs-Halbleiterelements 20 bzw. auf der zu verbindenden Fläche des Isolieranteils 30, der mit dem ersten Verbindungsabschnitt 50 in Kontakt steht, bereitgestellt werden oder nicht bereitgestellt werden, damit kein Reaktionsprodukt durch Reaktion mit dem Lötmaterial, das für den ersten Verbindungsabschnitt 50 verwendet wird, erzeugt wird.
  • Auf dieselbe Weise wie in der ersten exemplarischen Ausführungsform wird der erste Verbindungsabschnitt 50 zuerst verbunden und dann wird der zweite Verbindungsabschnitt 60 als zweites verbunden.
  • Das Übrige entspricht der ersten exemplarischen Ausführungsform. Daher wird die Beschreibung weggelassen.
  • <Leistungs-Halbleitermodul der vierten exemplarischen Ausführungsform>
  • 5 zeigt eine schematische Querschnittsansicht der Struktur des Leistungs-Halbleitermoduls in der vierten exemplarischen Ausführungsform.
  • In den ersten bis dritten exemplarischen Ausführungsformen werden verschiedene Lötmaterialien an den zwei Verbindungsabschnitten verwendet. Lötmaterialien auf Basis von Bi können jedoch sowohl für die erste Verbindung als auch für die zweite Verbindung verwendet werden, wenn der Schmelzpunkt des Lötmaterials auf Basis von Bi in hohem Maße durch Verändern der Art des dem Bi zuzugebenden Materials oder der Zugabemenge desselben variiert wird. In diesem Fall ist es ebenso erwünscht, dass der Schmelzpunkt des für die zweite Verbindung verwendeten Lötmaterials um 30°C oder mehr niedriger als der des für die erste Verbindung verwendeten Lötmaterials ist und der Schmelzpunkt desselben beträgt, unter Berücksichtigung der von dem Leistungs-Halbleiter erzeugten Wärme, erwünschterweise 200°C oder mehr.
  • In der vierten exemplarischen Ausführungsform werden Lötmaterialien auf Basis von Bi an den beiden Positionen der ersten und zweiten Verbindungsabschnitte 50 und 60 verwendet, daher werden Cu-Schichten auf den zu verbindenden Flächen des Leistungs-Halbleiterelements 20, dem Isolieranteil 30 bzw. der Kühlplatte 40 bereitgestellt. In der vorliegenden Erfindung wird jedoch ein laminierter Körper aus Cu34/SiNx32/Cu36 als Isolieranteil 30 verwendet; daher müssen Cu-Schichten nicht zusätzlich auf der Oberfläche des Isolieranteils 30 bereitgestellt werden. Es ist bevorzugt, als Kühlplatte 40 die Cu-Schicht 44/Mo-Schicht 42/Cu-Schicht 46 zu verwenden, daher müssen Cu-Schichten nicht zusätzlich auf der Oberfläche der Kühlplatte 40 bereitgestellt werden.
  • Andererseits wird die Cu-Schicht 24 auf der Oberfläche des Leistungs-Halbleiterelements 20 angeordnet. Die Dicke der Cu-Schicht 24 auf der Oberfläche des Leistungs-Halbleiterelements beträgt bevorzugt von 0,1 μm bis 10 μm, und stärker bevorzugt von 0,5 μm bis 5 μm. Wenn die Schicht dünner als 0,1 μm ist, kann die Schicht nach dem Verbinden in das Lötmaterial geschmolzen werden, wobei die Schicht verschwinden kann. Wenn die Schicht dicker als 10 μm ist, wird der Wärmeausdehnungskoeffizient des gesamten Leistungs-Halbleitermoduls beeinträchtigt, wodurch nachteiligerweise die Wärmebelastung ansteigt.
  • Die Cu-Schicht 24 kann durch Sputtern, Plattieren, Aufdampfen oder dergleichen gebildet werden.
  • <Leistungs-Halbleitermodul der fünften exemplarischen Ausführungsform>
  • Das Leistungs-Halbleitermodul 10 der ersten exemplarischen Ausführungsform weist das Leistungs-Halbleiterelement 20, den Isolieranteil 30 und die Kühlplatte 40 auf. Dennoch kann, wie in 6 gezeigt, der Isolieranteil 30 direkt gekühlt werden, ohne eine Kühlplatte anzuordnen.
  • Ein Lötmaterial auf Basis von Bi wird für den ersten Verbindungsabschnitt 50 verwendet, und die Cu-Schicht 24 wird auf der zu verbindenden Fläche des Leistungs-Halbleiterelements 20 bereitgestellt. Da der laminierte Körper aus Cu34/SiNx32/Cu36 als Isolieranteil 30 verwendet wird, muss eine Cu-Schicht nicht zusätzlich auf der zu verbindenden Oberfläche des Isolieranteils 30 bereitgestellt werden.
  • Um den Kühler 70 auf dem Isolieranteil 30 zu fixieren, wird die SiNx-Keramikplatte 32 des Isolieranteils 30 von der Schubplatte 92 und dem Kühler 70 umgeben und daran mit Schrauben 90 befestigt. Zu diesem Zeitpunkt wird ein O-Ring in eine ringförmige Rinne, die in dem Kühler 70 bereitgestellt wird, eingepasst, und dann wird die Schubplatte 92 durch die SiNx-Keramikplatte 32 von außen mit den Schrauben 90 befestigt. Auf diese Weise wird verhindert, dass das Kühlwasser 72 durch eine Spalte zwischen dem Kühler 70 und der Keramikplatte 32 austritt.
  • Das Übrige entspricht den ersten bis vierten beispielhaften Ausführungsformen. Daher wird die Beschreibung weggelassen.
  • <Leistungs-Halbleitermodul der sechsten exemplarischen Ausführungsform>
  • In dem Leistungs-Halbleitermodul 10 der fünften Ausführungsform liegen die Cu-Schichten 34 und 36 des Isolieranteils 30 jeweils in Form einer Platte vor. Wie in 7 gezeigt, kann jedoch die Cu-Schicht 36 auf Seite des Kühlers in Rippenform gestaltet werden.
  • Die übrigen sind dieselben wie in der fünften exemplarischen Ausführungsform. Daher wird deren Beschreibung weggelassen.
  • Beispiele
  • Die vorliegende Erfindung wird durch die folgenden Beispiele beschrieben, dennoch betreffen die Beispiele eine exemplarische Ausführungsform des Herstellungsverfahrens des Leistungs-Halbleitermoduls der vorliegenden Erfindung, und die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Beispiele beschränkt.
  • [Beispiel 1]
  • 1 zeigt die Struktur eines Leistungs-Halbleitermoduls des vorliegenden Beispiels.
  • <Herstellung des Leistungs-Halbleiterelements>
  • Das Leistungs-Halbleiterelement 20 wurde in der Größe von 12 mm × 9 mm unter Verwenden von SiC (Wärmeausdehnungskoeffizient: 3 ppm/°C) hergestellt. Eine Ni-Schicht 22 wurde auf der äußersten Oberfläche darauf durch Sputtern gebildet. Eine Au-Schicht (nicht gezeigt) wurde auf der Oberfläche der Ni-Schicht 22 durch Sputtern gebildet.
  • <Herstellung des Isolieranteils>
  • Als Isolieranteil 30 wurde ein laminierter Körper aus einer Cu-Schicht 34/SiNx-Schicht 32/Cu-Schicht 36 gebildet.
  • Zunächst wurde SiNx mit einer Dicke von 0,32 mm hergestellt, und die Cu-Schichten 34 und 36 mit 0,05 mm Dicke wurden an beide Oberflächen des SiNx durch Hartlöten angefügt, so dass das Laminat-1 gebildet wurde.
  • Die Laminate-2, -3 und -4 wurden auf dieselbe Weise gebildet, außer dass die Dicke der Cu-Schichten 34 und 36 auf 0,1 mm, 0,15 mm bzw. 0,3 mm verändert wurden. An den beiden Oberflächen des SiNx wurden die Dicken der Cu-Schichten einander angeglichen.
  • Isolieranteil-Laminate-1 bis -4 wurden jeweils durch Bilden einer Ni-Schicht 38 auf einer Seite der Oberflächen eines jeden Laminats-1 bis -4 durch Plattieren gebildet. Zum Zeitpunkt des Plattierens wurde die Oberfläche, die nicht plattiert wurde, durch Anfügen einer Abdeckfolie an dieselbe geschützt.
  • Der Wärmeausdehnungskoeffizient eines jeden der resultierenden Isolieranteil-Laminate-1 bis -4 wird in 3 vor der Untersuchung der thermischen Wechselbeanspruchung gezeigt.
  • <Verbindung an dem ersten Verbindungsabschnitt>
  • Elektroerosion wurde verwendet, um die Zn0,96Al0,04-Legierung, die vorher hergestellt wurde, auf eine Dicke von 150 bis 200 μm zu schneiden.
  • Die Ni-Schicht 22 des Leistungs-Halbleiterelements 20 wurde wie oben beschrieben hergestellt, und die Ni-Schicht 38 des Isolieranteil-Laminats-1 wurde so angeordnet, dass sie einander gegenüber lagen. In dem Zustand, in dem das Zn0,96Al0,04 als Schicht 50 dazwischen eingebettet war wurden die Ni-Schichten miteinander durch ein Rückflussverfahren bei einer Verbindungstemperatur von 420°C in einer reduzierenden Gasatmosphäre miteinander verbunden.
  • Das Verbinden wurde am ersten Verbindungsabschnitt auf dieselbe Weise durchgeführt, außer dass das Isolieranteil-Laminat-1 durch die Isolieranteil-Laminate-2 bis -4 ersetzt wurde.
  • <Herstellung der Kühlplatte>
  • Cu-Schichten wurden an beide Oberflächen von Mo angefügt, um einen laminierten Körper, der aus einer Cu-Schicht 44/Mo-Schicht 42/Cu-Schicht 46 besteht als Kühlplatte 40 zu bilden. Die Gesamtdicke des laminierten Körpers betrug 3 mm, und das Dickenverhältnis der Cu-Schicht 44/Mo-Schicht 42/Cu-Schicht 46 betrug 1/8/1.
  • <Zweiter Verbindungsabschnitt>
  • (Herstellung von Bi-CuAlMn)
  • Zunächst wurde eine CuAlMn-Legierung hergestellt.
  • Ein Barren aus CuAlMn, welcher ein Vorläufer ist, wurde durch Schmelzen von Cu, Al und Mn, welche auf einen durch Masseprozent vorbestimmten Anteil eingestellt wurden, unter Verwenden eines Hochfrequenz-Induktionsschmelzofens unter Ar- Atmosphäre, erhalten. Ein Atomisierungsverfahren wurde zum Pulverisieren des resultierenden Barrens zu einem feinen Pulver verwendet.
  • Das pulverisierte CuAlMn wurde mit Ni auf der Oberfläche des Pulvers durch ein Tröpfelverfahren plattiert.
  • Als Nächstes wurde das pulverisierte CuAlMn-Pulver, dessen Oberfläche mit Ni plattiert wurde, und Bi in ein durchsichtiges Quarzröhrchen in Vakuum gegeben. Das Röhrchen wurde bei einer Temperatur von 400°C für fünf Minuten gehalten, was nicht weniger als der Schmelzpunkt von Bi ist. Auf diese Weise wurde Bi in einen geschmolzenen Zustand überführt, und das CuAlMn-Pulver wurde darin gleichmäßig dispergiert. Die Dispersionsprobe wurde abgekühlt und verfestigt, um Bi-CuAlMn zu erhalten, welches das Lötmaterial für den zweiten Verbindungsabschnitt 60 war.
  • Elektroerosion wurde verwendet, um den Bi-CuAlMn-Barren auf eine Dicke von 150 bis 200 μm zu schneiden.
  • (Verbinden)
  • Die Cu-Schicht 36 des Laminats-1 als Isolieranteil, welche mit dem Leistungs-Halbleiterelement 20 an dem ersten Verbindungsabschnitt 50 verbunden wurde, und die Cu-Schicht 44 der Kühlplatte 40 wurden einander gegenüber liegend angeordnet. In dem Zustand, in dem die Bi-CuAlMn-Schicht, von der vorher ein Oxidfilm entfernt wurde, dazwischen eingefügt war, wurden die Schichten unter Verwenden eines Rückflussverfahrens bei einer Verbindungstemperatur von 320°C in der Atmosphäre eines reduzierenden Gases, zum Erhalt des Leistungs-Halbleitermoduls 1, verbunden.
  • Das resultierende Leistungs-Halbleitermodul-1 war ein Modul, in dem das Leistungs-Halbleiterelement 20, der Isolieranteil 30 und die Kühlplatte 40 laminiert waren, und diese dazwischen durch die Zn0,96Al0,04-Legierung bzw. Bi-CuAlMn verbunden wurden.
  • Die verbundenen Anteile in der ersten Verbindung (die durch die Zn0,96Al0,04-Legierung verbundenen Seiten) wurden nicht geschmolzen, selbst durch Erwärmen während des zweiten Lötens, wodurch Mängel wie eine Fehlausrichtung oder Neigung der verbundenen Komponenten nicht hervorgerufen wurden.
  • Auf dieselbe Weise wurden die Leistungs-Halbleitermodule-2 bis -4 hergestellt, außer dass das Isolieranteil-Laminat-1 durch die Isolieranteil-Laminate-2 bis -4 zum Verbinden mit der Kühlplatte ersetzt wurden.
  • <Untersuchung der thermischen Wechselbeanspruchung>
  • Die resultierenden Leistungs-Halbleitermodule-1 bis -4 wurden jeweils in einer Untersuchung der thermischen Wechselbeanspruchung untersucht.
  • Im vorliegenden Beispiel wurde eine Untersuchung der thermischen Wechselbeanspruchung durch Wiederholen von gesamt 2000 Zyklen eingesetzt, in der die Temperatur zwischen –40°C und 200°C für 20 Minuten pro Zyklus erhöht und verringert wurde.
  • Querschnitte der Verbindungsabschnitte nach den 2000 Zyklen wurden mit einem Elektronenmikroskop beobachtet, und es wurde untersucht, ob ein Reaktionsprodukt an den Grenzflächen erzeugt wurde oder nicht, und ob Mängel wie Rissbildung und die Erzeugung von Hohlräumen hervorgerufen wurden.
  • Als Ergebnis wurde kein Reaktionsprodukt an den Grenzflächen von den Verbindungsabschnitten in den Leistungs-Halbleitermodulen 1 bis 4 beobachtet. Der Zustand der Oberflächen der Cu-Schicht wurde nicht verändert, und Unebenheiten wurden ebenfalls nicht auf den Oberflächen hervorgerufen.
  • Entsprechend wurde nachgewiesen, dass diese zu bewertenden Prüfkörper hoch zuverlässig waren, selbst durch die thermischen Wechselbeanspruchungen unter drastischen Bedingungen hindurch.
  • [Beispiel 2]
  • Ein zu bewertender Prüfkörper 1 wurde hergestellt, indem ein Leistungs-Halbleiterelement und ein Isolieranteil miteinander durch ein Lötmaterial auf Basis von Bi, wie in 8 gezeigt, verbunden wurden.
  • <Herstellung des Leistungs-Halbleiterelements>
  • Das Leistungs-Halbleiterelement 20 wurde in einer Größe von 12 mm × 9 mm unter Verwenden von SiC (Wärmeausdehnungskoeffizient: 3 ppm/°C) hergestellt. Die Cu-Schicht 22 wurde auf der äußersten Oberfläche desselben durch Sputtern gebildet.
  • <Herstellung des Isolieranteils>
  • Das Laminat-2 (Schichtdicke der Cu-Schicht: 0,1 mm) des Isolieranteils in Beispiel 1 wurde hergestellt.
  • <Verbindung zwischen dem Leistungs-Halbleiterelement und dem Isolieranteil>
  • Eine reine Bi-Substanz wurde auf eine Dicke von 150 bis 200 μm geschnitten. Ein die Oberfläche der geschnittenen reinen Bi-Substanz bedeckende Oxidschicht wurde unter Einsatz von Polieren und Waschen mit einer Säure entfernt.
  • Die Cu-Schicht 22 des Leistungs-Halbleiterelements 20, die wie oben beschrieben hergestellt wurde, und die Cu-Schicht 34 des Isolieranteils 30 wurden so angeordnet, dass sie einander gegenüber lagen. In dem Zustand, in dem eine Schicht der reinen Bi-Substanz dazwischen eingefügt war, wurde ein Rückflussverfahren in einer Atmosphäre eines reduzierenden Gases von 5% H2/N2 verwendet, um die Cu-Schichten miteinander bei einer Verbindungstemperatur von 320°C zu verbinden, wodurch der zu bewertende Prüfkörper 1 erhalten wurde, in dem sich die Dicken der Cu-Schichten in dem Isolieranteil voneinander unterschieden.
  • <Untersuchung der thermischen Wechselbeanspruchung>
  • Der resultierende zu bewertende Prüfkörper-1 wurde in einer Untersuchung der thermischen Wechselbeanspruchung untersucht. Im vorliegenden Beispiel wurde eine Untersuchung der thermischen Wechselbeanspruchung eingesetzt, indem 2000 Zyklen wiederholt wurden, in denen die Temperatur zwischen –40 und 200°C für 20 Minuten pro Zyklus erhöht und verringert wurde.
  • Querschnitte der Verbindungsabschnitte nach den 2000 Zyklen wurden unter Verwenden eines Elektronenmikroskops beobachtet, und es wurde untersucht, ob ein Reaktionsprodukt an der Grenzfläche erzeugt wurde oder nicht, und ob Mängel wie Rissbildung und die Erzeugung von Hohlräumen hervorgerufen wurden.
  • Als Ergebnis wurde kein Reaktionsprodukt an den Grenzflächen der Verbindungsabschnitte in dem zu bewertenden Prüfkörper-1 beobachtet. Es wurden jedoch geringfügig mikroskopische Hohlräume beobachtet. Dennoch wurde kein Riss erzeugt. Zusätzlich wurde der Zustand der Oberflächen der Cu-Schichten nicht verändert, und es wurden auch keine Unebenheiten in den Oberflächen erzeugt.
  • Entsprechend wurde nachgewiesen, dass der zu bewertende Prüfkörper 1 hoch zuverlässig war, selbst durch die thermischen Wechselbeanspruchungen unter drastischen Bedingungen hindurch.
  • [Beispiel 3]
  • Ein zu bewertender Prüfkörper-2 wurde auf dieselbe Weise wie in Beispiel 2 hergestellt, außer dass die reine Bi-Substanz als Verbindungsmaterial durch ein Material ersetzt wurde, in dem 1 Masseprozent Cu zu Bi zugegeben wurde.
  • Der resultierende zu bewertende Prüfkörper-2 wurde in derselben Untersuchung der thermischen Wechselbeanspruchung wie im Beispiel 2 untersucht. Als Ergebnis wurde kein Reaktionsprodukt an den Grenzflächen der Verbindungsabschnitte beobachtet. Es wurden weder Hohlräume noch Risse erkannt. Entsprechend wurde nachgewiesen, dass der zu bewertende Prüfkörper 2 hoch zuverlässig war, selbst durch die thermischen Wechselbeanspruchungen unter drastischen Bedingungen hindurch.
  • [Beispiel 4]
  • Der zu bewertende Prüfkörper-3 wurde auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, außer dass die reine Bi-Substanz als Verbindungsmaterial durch ein Material ersetzt wurde, in dem 0,5 Masseprozent Ni zu Bi zugegeben wurden.
  • Der resultierende zu bewertende Prüfkörper-3 wurde in derselben Untersuchung der thermischen Wechselbeanspruchung wie im Beispiel 2 untersucht. Als Ergebnis wurde kein Reaktionsprodukt an den Grenzflächen der Verbindungsabschnitte beobachtet. Weder Hohlräume noch Risse wurden erkannt. Entsprechend wurde nachgewiesen, dass der zu bewertende Prüfkörper-3 hoch zuverlässig war, selbst durch die thermischen Wechselbeanspruchungen unter drastischen Bedingungen hindurch.
  • [Vergleichsbeispiel 1]
  • <Herstellung eines Leistungs-Halbleiterelements>
  • Ein Leistungs-Halbleiterelement wurde auf dieselbe Weise wie in der Herstellung des Leistungs-Halbleiterelements in Beispiel 2 hergestellt, außer dass die Cu-Schicht 22 durch eine Ni-Schicht ersetzt wurde, und diese Schicht an der äußersten Schicht des Leistungs-Halbleiterelements 20 durch Sputtern zu bilden.
  • <Herstellung des Isolieranteils>
  • Ein Isolieranteil wurde auf dieselbe Weise wie in der Herstellung des Isolieranteils in Beispiel 2 hergestellt, außer dass eine Ni-Schicht auf der Oberfläche der Cu-Schicht 34 in dem Laminat-1 durch Sputtern gebildet wurde.
  • <Verbindung an dem ersten Verbindungsabschnitt>
  • Ein zu beurteilender Vergleichs-Prüfkörper 10 wurde auf dieselbe Weise wie in der Verbindung des Leistungs-Halbleiterelements mit dem Isolieranteil in dem Beispiel 2 hergestellt, außer dass die Ni-Schicht des Leistungs-Halbleiterelements 20, die wie oben beschrieben hergestellt wurde, und die Ni-Schicht des Isolieranteils 30 einander gegenüberliegend angeordnet wurden und die Verbindung in einem Zustand durchgeführt wurde, in dem eine reine Bi-Substanz dazwischen eingefügt war. Auf dieselbe Weise außer in diesem Gegenstand wurde der zu bewertende Vergleichs-Prüfkörper-10 hergestellt.
  • <Untersuchung der thermischen Wechselbeanspruchung>
  • Der resultierende zu bewertende Vergleichs-Prüfkörper-10 wurde in derselben Untersuchung der thermischen Wechselbeanspruchung wie im Beispiel 2 untersucht. Als Ergebnis wurde eine große Menge von Bi3Ni an den Grenzflächen der Verbindungsabschnitte erzeugt, und eine große Anzahl von Hohlräumen wurde um das Bi3Ni beobachtet. Dieses Bi3Ni zeigt sehr spröde Eigenschaften, daher wurde nachgewiesen, dass der Körper-10 keine Zuverlässigkeit durch die thermischen Wechselbeanspruchungen von –40 bis 200°C hindurch erhielt.
  • [Vergleichsbeispiel 2]
  • Ein zu bewertender Vergleichs-Prüfkörper-11 wurde auf dieselbe Weise wie im Vergleichsbeispiel 1 hergestellt, außer dass die Schicht der reinen Bi-Substanz durch ein Material ersetzt wurde, in dem ein Masseprozent Cu zu Bi zugegeben wurde.
  • Der resultierende zu bewertende Vergleichs-Prüfkörper-11 wurde in derselben Untersuchung der thermischen Wechselbeanspruchung wie im Beispiel 1 untersucht. Als Ergebnis wurde auf dieselbe Weise wie in dem zu bewertenden Vergleichs-Prüfkörper-10 eine große Menge Bi3Ni an den Grenzflächen in den Verbindungsabschnitten erzeugt, und eine große Anzahl an Hohlräumen wurde um das Bi3Ni beobachtet. Dieses Bi3Ni zeigt sehr spröde Eigenschaften, daher wurde nachgewiesen, dass der Körper-11 keine Zuverlässigkeit durch die thermischen Wechselbeanspruchungen von –40 bis 200°C hindurch erhielt.
  • [Vergleichsbeispiel 3]
  • Ein zu bewertender Vergleichs-Prüfkörper-12 wurde auf dieselbe Weise wie im Vergleichsbeispiel 1 hergestellt, außer dass die Verbindung mit der Schicht der reinen Bi-Substanz durch eine Verbindung mit einem Material ersetzt wurde, in dem 0,5 Masseprozent Ni zu Bi zugegeben wurden.
  • Der resultierende zu bewertende Vergleichs-Prüfkörper-12 wurde in derselben Untersuchung der thermischen Wechselbeanspruchung wie im Beispiel 2 untersucht. Als Ergebnis wurde auf dieselbe Weise wie in dem zu bewertenden Vergleichs-Prüfkörper-10 eine große Menge Bi3Ni an den Grenzflächen in den Verbindungsabschnitten erzeugt, und eine große Anzahl an Hohlräumen wurde um das Bi3Ni beobachtet. Dieses Bi3Ni zeigt sehr spröde Eigenschaften, daher wurde nachgewiesen, dass der Körper-12 keine Zuverlässigkeit durch die thermischen Wechselbeanspruchungen von –40 bis 200°C hindurch erhielt.
  • [Vergleichsbeispiel 4]
  • Ein zu bewertender Vergleichs-Prüfkörper-13 wurde auf dieselbe Weise wie im Beispiel 3 hergestellt, außer dass die Verwendung eines laminierten Körpers aus Cu/SiNx/Cu als Isolieranteil durch die Verwendung eines laminierten Körpers aus Al/AlN/Al ersetzt wurde.
  • Der resultierende zu bewertende Vergleichs-Prüfkörper-13 wurde in derselben Untersuchung der thermischen Wechselbeanspruchung wie in Beispiel 1 untersucht. Als Ergebnis wurde erkannt, dass Unebenheiten von ungefähr 40 μm Größe an den Al-Oberflächen hervorgerufen wurden. Entsprechend wurde nachgewiesen, dass der Körper-13 keine Zuverlässigkeit durch die thermischen Wechselbeanspruchungen von –40 bis 200°C hindurch erhielt.
  • Die Strukturen der hergestellten zu bewertenden Prüfkörper und die Bewertungsergebnisse derselben werden zusammen in unten beschriebener Tabelle 3 gezeigt. Tabelle 3
    Figure 00630001
  • Die Gesamtheit der Offenbarung der japanischen Patentanmeldung Nr. 2007-108311 wird unter Bezugnahme hierin aufgenommen.
  • Alle Veröffentlichungen, Patentanmeldungen und technischen Standards, die in dieser Beschreibung erwähnt wurden, werden hierin in demselben Maß unter Bezugnahme aufgenommen, als wenn angegeben wird, dass jede einzelne Veröffentlichung, Patentanmeldung oder technischer Standard speziell und einzeln unter Bezugnahme aufgenommen wird.
  • Zusammenfassung
  • Leistungs-Halbleitermodul
  • Bereitgestellt wird ein Leistungs-Halbleitermodul, in dem zwei Komponenten durch ein Lötmaterial auf Basis von Bi verbunden sind. Eine Cu-Schicht wird auf den Oberflächen der durch das Lötmaterial auf Basis von Bi zu verbindenden zwei Komponenten bereitgestellt. Die zwei Komponenten, das heißt, die zu verbindenden Komponenten sind eine Kombination eines Leistungs-Halbleiterelements und eines Isolieranteils, oder eine Kombination eines Isolieranteils und einer Kühlplatte. Der Isolieranteil besteht aus einem laminierten Körper aus Cu/SiNx/Cu.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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    • - Nagatomo et al. („Thermal Cycle Characteristic Analysis of Substrate for Power Module by Finite Element Method”, the Journal of Japan Institute of Electronics Packaging, Vol. 3, Nr. 4, Seiten 330 to 334, 2000) [0170]

Claims (13)

  1. Leistungs-Halbleitermodul, das Folgendes einschließt: ein Leistungs-Halbleiterelement, das auf einer Oberfläche desselben eine Cu-Schicht aufweist; und einen Isolieranteil, der einen laminierten Körper aus Cu/SiNx/Cu einschließt, in dem eine SiNx-Keramikplatte mit Cu-Schichten auf beiden Oberflächen derselben bereitgestellt wird, wobei das Leistungs-Halbleiterelement und der Isolieranteil so angeordnet sind, dass die Cu-Schicht des Leistungs-Halbleiterelements und eine der Cu-Schichten des Isolieranteils einander gegenüber liegen, und die beiden Cu-Schichten miteinander durch ein Lötmaterial auf Basis von Bi verbunden sind.
  2. Leistungs-Halbleitermodul, das Folgendes einschließt: ein Leistungs-Halbleiterelement; einen Isolieranteil, der einen laminierten Körper aus Cu/SiNx/Cu einschließt, in dem eine SiNx-Keramikplatte mit Cu-Schichten auf beiden Oberflächen derselben bereitgestellt wird, und eine Kühlplatte mit einer Cu-Schicht auf der Oberfläche derselben; wobei der Isolieranteil und die Kühlplatte so angeordnet sind, dass eine der Cu-Schichten des Isolieranteils und die Cu-Schicht der Kühlplatte einander gegenüber liegen und die beiden Cu-Schichten miteinander durch ein Lötmaterial auf Basis von Bi verbunden sind.
  3. Leistungs-Halbleitermodul nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Unterschied zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des laminierten Körpers aus Cu/SiNx/Cu und dem des Leistungs-Halbleiterelements vor der Untersuchung der thermischen Wechselbeanspruchung 1,6 ppm/°C oder weniger beträgt.
  4. Leistungs-Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Reinheit des Cu in dem laminierten Körper aus Cu/SiNx/Cu 99,96% oder mehr beträgt.
  5. Leistungs-Halbleitermodul nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient des laminierten Körpers aus Cu/SiNx/Cu durch Anpassen der Dicken der SiNx-Keramikplatte und der Cu-Schichten eingestellt wird.
  6. Leistungs-Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Lötmaterial auf Basis von Bi (1) eine reine Bi-Substanz ist, (2) Bi-CuAlMn ist, in dem CuAlMn-Legierungspartikel in Bi dispergiert sind, (3) ein Material ist, in dem Cu zu Bi zugegeben wird, oder (4) ein Material ist, in dem Ni zu Bi zugegeben wird.
  7. Leistungs-Halbleitermodul nach Anspruch 6, wobei in dem Material, in dem Ni zu Bi gegeben wird, der Gehalt des Ni von 0,01 Masseprozent bis 7 Masseprozent beträgt.
  8. Leistungs-Halbleitermodul nach Anspruch 6, wobei in dem Material, in dem Kupfer zu Bi gegeben wird, der Gehalt des Cu von 0,01 Masseprozent bis 5 Masseprozent beträgt.
  9. Leistungs-Halbleitermodul nach Anspruch 6, wobei in dem Bi-CuAlMn der Gehalt der CuAlMn-Legierungspartikel von 0,5 Masseprozent bis 20 Masseprozent beträgt.
  10. Leistungs-Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei das Leistungs-Halbleiterelement eine Ni-Schicht auf der Oberfläche desselben aufweist, der Isolieranteil eine Ni-Schicht auf der Oberfläche desselben aufweist, das Leistungs-Halbleiterelement und der Isolieranteil so angeordnet sind, dass die Ni-Schicht des Leistungs-Halbleiterelements und die Ni-Schicht des Isolieranteils einander gegenüber liegen und die beiden Ni-Schichten miteinander durch eine durch Zn(1-x-y)AlxMy wiedergegebene Legierung verbunden sind, wobei x von 0,02 bis 0,10 beträgt, y von 0 bis 0,02 beträgt und M ein anderes Metall als Zink und Aluminium wiedergibt.
  11. Leistungs-Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Leistungs-Halbleiterelement aus GaN oder SiC besteht.
  12. Leistungs-Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 2 bis 11, wobei die Kühlplatte ein laminierter Körper ist, der eine Cu-Schicht/Mo-Schicht/Cu-Schicht einschließt, in welchem die Mo-Schicht mit Cu-Schichten auf beiden Oberflächen derselben bereitgestellt wird.
  13. Leistungs-Halbleitermodul nach Anspruch 12, wobei das Verhältnis der Dicke in der Kühlplatte zwischen der Cu-Schicht, der Mo-Schicht und der Cu-Schicht von 1/5/1 bis 1/12/1 beträgt.
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