JP2014209608A - パワーモジュール - Google Patents
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また、パワーモジュール用基板の他方の面側には、パワー素子(半導体素子)からの熱を放散するために、放熱板や冷却器などのヒートシンクが配設されることがある。このとき、絶縁基板と放熱板や冷却器などのヒートシンクとの熱膨張係数に起因する熱応力を緩和するために、パワーモジュール用基板においては、絶縁基板の他方の面に金属層となる金属板が接合され、この金属層と上述の放熱板や冷却器などのヒートシンクが接合される構成とされている。
ここで、回路層がアルミニウムまたはアルミニウム合金で構成されている場合には、例えば特許文献3に開示されているように、回路層の表面に電解めっき等によってNiめっき膜を形成し、このNiめっき膜上にはんだ材を配設して半導体素子を接合する必要があった。
また、回路層が銅又は銅合金で構成されている場合においても、回路層の表面にNiめっき膜を形成し、このNiめっき膜上にはんだ材を配設して半導体素子を接合していた。
また、銅又は銅合金からなる回路層の表面に半導体素子をはんだ接合したパワーモジュールにおいても、パワーサイクルの負荷をかけると、はんだにクラックが生じ、熱抵抗が上昇するおそれがあった。
また、合金層におけるCuの含有量が30mass%未満の場合、合金層が十分に形成されず、熱的に不安定となり、はんだ層の破壊の起点となるおそれがある。一方、合金層におけるCuの含有量が40mass%を超えた場合、合金層自体がはんだ層の破壊の起点となるおそれがある。
以上のことから、合金層におけるNiの含有量を0.5mass%以上10mass%以下、Cuの含有量を30mass%以上40mass%以下に規定している。
この場合、パワーサイクルを繰り返し負荷した場合であっても、はんだ層が早期に破壊されることがなく、パワーサイクルに対する信頼性の向上を図ることができる。なお、上述のパワーサイクル試験は、最もはんだ層に負荷が掛かる条件であることから、この条件下でパワーサイクルを10万回負荷したときの熱抵抗上昇率が10%未満とされていれば、通常の使用において、十分な信頼性を得ることができる。
被覆された箇所における前記合金層の厚さが2μm以上とされているので、はんだ層と回路層(銅層)との界面が十分に強化されることになり、界面におけるクラックの発生を確実に抑制することができる。一方、前記合金層の厚さが20μm以下とされているので、合金層における割れの発生を抑制できる。よって、はんだ層の破壊を確実に抑制でき、信頼性に優れたパワーモジュールを得ることができる。
この場合、(Cu,Ni)6Sn5からなる金属間化合物を有することにより、はんだ層と回路層(銅層)との界面を十分に強化させることが可能となり、界面におけるクラックの発生を確実に抑制することができ、パワーサイクル負荷時のはんだ層の破壊を確実に抑制することが可能となる。
図1に、本発明の第1の実施形態であるパワーモジュール1を示す。このパワーモジュール1は、絶縁基板(絶縁層)11の一方の面に回路層12が配設されたパワーモジュール用基板10と、回路層12上(図1において上面)に搭載された半導体素子3と、を備えている。なお、本実施形態のパワーモジュール1では、絶縁基板11の他方の面側(図1において下面)にヒートシンク41が接合されている。
このはんだ層20は、図4に示すように、Sn−Cu−Ni系のはんだ材30によって形成されており、本実施形態では、Sn−0.1〜4mass%Cu−0.01〜1mass%Niのはんだ材30が用いられている。
ここで、本実施形態では、合金層21は(Cu,Ni)6Sn5からなる金属間化合物を有している。
ここで、界面における合金層21の被覆率は、図2に示すように、回路層12およびはんだ層20の断面観察を行った際の、観察された界面全体の長さLに対する合金層21で被覆された界面長さLC(=LC1+LC2)の割合LC/Lとなる。
詳述すると、半導体素子3としてIGBT素子を回路層12へはんだ付けするとともに、アルミニウム合金からなる接続配線をボンディングする。そして、IGBT素子への通電を、通電(ON)で素子表面温度140℃、非通電(OFF)で素子表面温度60℃となる1サイクルを10秒毎に繰り返すようにして調整し、このパワーサイクルを10万回繰り返した後における熱抵抗上昇率が10%未満とされているのである。
まず、回路層12となる銅板と絶縁基板11とを接合する(回路層形成工程S01)。ここで、絶縁基板11と回路層12となる銅板との接合は、いわゆる活性金属ろう付け法によって実施した。本実施形態では、Ag−27.4質量%Cu−2.0質量%Tiからなる活性ろう材を用いた。
これにより、パワーモジュール用基板10が製造される。
回路層表面洗浄工程S41においては、まず、回路層12の表面をアルカリ洗浄する。アルカリ洗浄の洗浄液としては、例えば5質量%水酸化ナトリウム水溶液等を使用することができる。その後、純水で水洗後、酸洗浄を行う。酸洗浄の洗浄液としては過酸化水素水と硫酸の混合液等を使用することができる。その後、純水で水洗する。
そして、このNiめっき膜31の上に、Sn−0.1〜4mass%Cu−0.01〜1mass%Niのはんだ材30を介して半導体素子3を積層する(積層工程S43)。
半導体素子3を積層した状態で、還元炉内に装入し、回路層12と半導体素子3とをはんだ接合する(はんだ接合工程S44)。このとき、還元炉内は水素1〜10vol%の還元雰囲気とされ、加熱温度が280〜330℃、保持時間が0.5〜2分とされている。また、室温までの冷却速度は、平均2〜3℃/sの範囲内に設定されている。
これにより、回路層12と半導体素子3との間に、はんだ層20が形成され、本実施形態であるパワーモジュール1が製出される。
また、回路層12のCuが、はんだ材30側へと拡散することにより、はんだ層20のうち回路層12との界面に、合金層21が形成される。また、合金層21が、主成分としてSnを含有するとともに、Niを0.5mass%以上10mass%以下、Cuを30mass%以上40mass%以下、含有する組成となる。
そして、回路層12とはんだ層20との界面における合金層21の被覆率が85%以上となる。
さらに、合金層21が、Cuを30mass%以上40mass%以下の範囲内で含有しているので、界面における合金層21の被覆率を85%以上とすることができるとともに、合金層21自体が破壊の起点となることを抑制できる。
次に、本発明の第2の実施形態であるパワーモジュールについて、添付した図面を参照して説明する。なお、第1の実施形態と同じ部材には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
図5に、本発明の第2の実施形態であるパワーモジュール101を示す。このパワーモジュール101は、絶縁基板(絶縁層)11の一方の面に回路層112が形成されたパワーモジュール用基板110と、回路層112上(図5において上面)に搭載された半導体素子3と、を備えている。
ここで、本実施形態では、アルミニウム層112Aは、純度99.99mass%以上のアルミニウムの圧延板を接合することで形成されている。また、銅層112Bは、無酸素銅の圧延板からなる銅板がアルミニウム層112Aの一方の面側に固相拡散接合されることにより形成されている。
拡散層115は、アルミニウム層112AのAl原子と、銅層112BのCu原子とが相互拡散することによって形成されるものである。この拡散層115においては、アルミニウム層112Aから銅層112Bに向かうにしたがい、漸次アルミニウム原子の濃度が低くなり、かつ銅原子の濃度が高くなる濃度勾配を有している。
本実施形態では、図6に示すように、アルミニウム層112A側から銅層112B側に向けて順に、アルミニウム層112Aと銅層112Bとの接合界面に沿って、θ相116、η2相117が積層し、さらにζ2相118a、δ相118b、及びγ2相118cのうち少なくとも一つの相が積層して構成されている(図7の状態図参照)。
また、本実施形態では、銅層112Bと拡散層115との界面に沿って、酸化物119がζ2相118a、δ相118b、又はγ2相118cのうち少なくとも一つの相からなる層の内部に層状に分散している。なお、この酸化物119は、アルミナ(Al2O3)等のアルミニウム酸化物とされている。
このはんだ層20は、第1の実施形態と同様に、Sn−Cu−Ni系のはんだ材によって形成されており、本実施形態では、Sn−0.1〜4mass%Cu−0.01〜1mass%Niのはんだ材が用いられている。
ここで、本実施形態では、合金層21は(Cu,Ni)6Sn5からなる金属間化合物を有している。
ここで、界面における合金層21の被覆率は、図8に示すように、回路層112(銅層112B)およびはんだ層20の断面観察を行った際の、観察された界面全体の長さLに対する合金層21で被覆された界面長さLC(=LC1+LC2)の割合LC/Lとなる。
まず、絶縁基板11の一方の面及び他方の面にアルミニウム板を接合し、アルミニウム層112A及び金属層13を形成する(アルミニウム層及び金属層形成工程S101)。
絶縁基板11とアルミニウム板とを、ろう材を介して積層し、ろう付けによって絶縁基板11とアルミニウム板を接合する。このとき、ろう材としては、例えば、厚さ20〜110μmのAl−Si系ろう材箔を用いることができ、ろう付け温度は600〜620℃とすることが好ましい。
アルミニウム層112Aの上に銅板を積層し、これらを積層方向に加圧(圧力3〜35kgf/cm2)した状態で真空加熱炉内に装入して加熱することにより、アルミニウム層112Aと銅板とを固相拡散接合する。ここで、銅層形成工程S102において、加熱温度は400℃以上548℃以下、加熱時間は15分以上270分以下とされている。なお、アルミニウム層112Aと銅板との固相拡散接合を行う場合には、加熱温度を、AlとCuの共晶温度(548.8℃)より5℃低い温度から共晶温度未満の温度範囲とすることが好ましい。
この銅層形成工程S102により、絶縁基板11の一方の面にアルミニウム層112Aと銅層112Bとからなる回路層112が形成される。
回路層表面洗浄工程S141においては、まず、回路層112(銅層112B)の表面をアルカリ洗浄する。アルカリ洗浄の洗浄液としては、例えば5質量%水酸化ナトリウム水溶液等を使用することができる。その後、純水で水洗後、酸洗浄を行う。酸洗浄の洗浄液としては過酸化水素水と硫酸の混合液等を使用することができる。その後、純水で水洗する。
そして、このNiめっき膜の上に、Sn−0.1〜4mass%Cu−0.01〜1mass%Niのはんだ材を介して半導体素子3を積層する(積層工程S143)。
半導体素子3を積層した状態で、還元炉内に装入し、回路層112(銅層112B)と半導体素子3とをはんだ接合する(はんだ接合工程S144)。このとき、還元炉内は水素1〜10vol%の還元雰囲気とされ、加熱温度が280〜330℃、保持時間が0.5〜2分とされている。また、室温までの冷却速度は、平均2〜3℃/sの範囲内に設定されている。
これにより、回路層112(銅層112B)と半導体素子3との間に、はんだ層20が形成され、本実施形態であるパワーモジュール101が製出される。
また、回路層112(銅層112B)のCuが、はんだ材側へと拡散することにより、はんだ層20のうち回路層112(銅層112B)との界面に、合金層21が形成される。さらに、合金層21が、主成分としてSnを含有するとともに、Niを0.5mass%以上10mass%以下、Cuを30mass%以上40mass%以下、含有する組成となる。
そして、回路層112(銅層112B)とはんだ層20との界面における合金層21の被覆率が85%以上となる。
また、本実施形態では、回路層112が銅層112Bを有しているので、半導体素子3から発生する熱を銅層112Bで面方向に拡げることができ、パワーモジュール用基板110側へ効率的に熱を伝達することができる。
また、回路層112の一方の面側に比較的変形抵抗の大きい銅又は銅合金からなる銅層112Bが形成されているので、パワーサイクル負荷時に、回路層112の変形を抑制することができ、パワーサイクルに対する高い信頼性を得ることが可能となる。
さらに、上述の固相拡散接合の加熱温度を、AlとCuの共晶温度(548.8℃)より5℃低い温度から共晶温度未満の範囲とした場合には、AlとCuの化合物が必要以上に形成されることを抑制できるとともに、固相拡散接合の際の拡散速度が確保され、比較的短時間で固相拡散接合することができる。
例えば、本実施形態では、金属層を、純度99.99mass%以上の4Nアルミニウムで構成したものとして説明したが、これに限定されることはなく、他のアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されていてもよいし、銅又は銅合金で構成されていてもよい。
また、絶縁層としてAlNからなる絶縁基板を用いたものとして説明したが、これに限定されることはなく、Al2O3、Si3N4等からなる絶縁基板を用いても良い。
さらに、絶縁基板と金属層となるアルミニウム板を、ろう付けによって接合するものとして説明したが、これに限定されることはなく、過渡液相接合法(Transient Liquid Phase Bonding)、金属ペースト法、鋳造法等を適用してもよい。
さらに、図1に示すヒートシンクを配設するものとして説明したが、これに限定されることはなく、ヒートシンクを配設していなくてもよいし、図1に示す構造以外のヒートシンク(例えば、放熱板、放熱フィン付放熱板等)であってもよい。
例えば、アルミニウム層の一方の面にめっき法により銅層を形成してもよい。なお、厚さ5μmから50μm程度の銅層を形成する場合にはめっき法を適用することが好ましい。厚さが50μmから3mm程度の銅層を形成する場合には固相拡散接合を適用することが好ましい。
前述の実施形態に記載されたパワーモジュールを準備した。絶縁基板は、AlNで構成され、27mm×17mm、厚さ0.6mmのものを使用した。また、回路層は、無酸素銅で構成され、25mm×15mm、厚さ0.3mmのものを使用した。金属層は、4Nアルミニウムで構成され、25mm×15mm、厚さ0.6mmのものを使用した。半導体素子は、IGBT素子とし、13mm×10mm、厚さ0.25mmのものを使用した。ヒートシンクとしては、40.0mm×40.0mm×2.5mmのアルミニウム板(A6063)を使用した。
なお、比較例1においては、回路層の洗浄を実施しなかった。
なお、はんだ接合条件は、はんだ付け温度、はんだ付け保持時間については表1記載の条件とし、水素3vol%還元雰囲気、室温までの平均冷却速度を2.5℃/sとした。
上述のようにして得られたパワーモジュールにおいて、はんだ層のうち回路層との界面に形成された合金層の被覆率を測定した。半導体素子と回路層の断面を、走査型電子顕微鏡(FEI製QUANTA FEG450)を用いて観察し、観察された界面全体の長さLに対する合金層によって被覆された界面長さLCの割合(LC/L)を算出した。本実施例では、150μm×100μmの視野で視野数10視野の断面観察を行い、各視野で算出された観察された界面全体の長さLに対する合金層によって被覆された界面長さLCの割合(LC/L)の平均値を合金層の被覆率とした。
また、上述の断面観察において、図10に示すように、Ni、Cuの元素マッピングを行い、これらの元素が重複して存在している部分を合金層とした。
また、はんだ層のうち回路層との界面に形成された合金層の成分分析を、EPMA分析によって実施した。本実施例では、EPMA分析装置(日本電子株式会社製JXA−8530F)を用いて、加速電圧:15kV、スポット径:1μm以下、倍率:250倍で、合金層の平均組成を分析した。
さらに、はんだ層のうち回路層との界面に形成された合金層の厚さを測定した。上述のEPMA装置を用いてEPMAマッピングを得て、回路層との界面に連続的に形成された(Cu,Ni)6Sn5からなる金属間化合物を有する合金層の面積を測定し、マッピング幅の寸法で除して求めた。なお、回路層との界面に形成された合金層のうち、回路層との界面から厚さ方向に連続的に形成されていない領域を含めずに、合金層の面積を測定した。また、Cu3Snからなる金属間化合物層は、合金層に比べて極めて薄いことから、回路層表面からの厚さを、合金層の厚さとして測定した。
IGBT素子への通電を、通電(ON)で素子表面温度140℃、非通電(OFF)で素子表面温度60℃となる1サイクルを10秒毎に繰り返すようにして調整し、このパワーサイクルを10万回繰り返した。そして、初期状態からの熱抵抗の上昇率を評価した。なお、本発明例1〜7においては、すべて、熱抵抗上昇率が10%未満とされている。
IGBT素子への通電を、通電(ON)で素子表面温度140℃、非通電(OFF)で素子表面温度60℃となる1サイクルを10秒毎に繰り返すようにして調整し、このパワーサイクルを繰り返した。そして、初期状態からの熱抵抗の上昇率が10%以上となったサイクル回数(パワーサイクル寿命)を評価した。
熱抵抗として、過渡熱抵抗を熱抵抗テスター(TESEC社製4324−KT)を用いて測定した。印加電力:100W、印加時間:100msとし、電力印加前後のゲート−エミッタ間の電圧差を測定することにより、熱抵抗を求めた。測定は上述したパワーサイクル試験時において、1万サイクル毎に実施した。
また、Niの含有量が本発明の範囲から外れた比較例2、3においては、パワーサイクル寿命が70000回及び80000回と短かった。これは、合金層が熱的に不安定となったためと推測される。
また、Cuの含有量が40mass%を超えた比較例5においては、パワーサイクル寿命が80000回と短かった。これは、合金層が厚くなりクラックが発生したためと推測される。
以上のように、本発明例によれば、パワーサイクル特性に優れたパワーモジュールが得られることが確認された。
絶縁基板は、AlNで構成され、27mm×17mm、厚さ0.6mmのものを使用した。金属層は、4Nアルミニウムで構成され、25mm×15mm、厚さ0.6mmのものを使用した。半導体素子は、IGBT素子とし、13mm×10mm、厚さ0.25mmのものを使用した。ヒートシンクとしては、40.0mm×40.0mm×2.5mmのアルミニウム板(A6063)を使用した。
めっきの場合、アルミニウム層の表面にジンケート処理を施した後、電解めっきにて表2に示す厚さの銅層を形成した。
固相拡散接合の場合、表2に示す厚さの銅板を準備し、第2の実施形態で例示した条件でアルミニウム層の表面に銅板を固相拡散接合した。
そして、回路層(銅層)の表面にIGBT素子をはんだ接合した。はんだ接合条件は、はんだ付け温度、はんだ付け保持時間については表2記載の条件とし、水素3vol%還元雰囲気、室温までの平均冷却速度を2.5℃/sとした。はんだ材として、Niを0.08mass%、Cuを1.0mass%、残部がSn及び不可避不純物からなる組成のものを用いた。
以上のようにして、本発明例11〜16となる種々のパワーモジュールを作製した。
そして、実施例1と同様の方法により、合金層の組成、被覆率、合金層厚さ、パワーサイクル寿命を評価した。評価結果を表2に示す。
また、銅層の厚さが5μm以上であれば、銅層中のCuがすべてはんだ側に拡散してしまうことがなく、銅層が残存することが確認された。さらに、銅層の厚さが3mm以下であれば、パワーサイクル寿命が10万回以上となることが確認された。
3 半導体素子
10 パワーモジュール用基板
11 絶縁基板(絶縁層)
12 回路層
13 金属層
20 はんだ層
21 合金層
26 金属間化合物層
30 はんだ材
31 Niめっき膜
101 パワーモジュール
112 回路層
112A アルミニウム層
112B 銅層
Claims (4)
- 絶縁層の一方の面に回路層が配設されたパワーモジュール用基板と、前記回路層上に接合された半導体素子と、を備えたパワーモジュールであって、
前記回路層のうち前記半導体素子との接合面には、銅又は銅合金からなる銅層が設けられており、
前記回路層と前記半導体素子との間には、はんだ材を用いて形成されたはんだ層が設けられており、
前記はんだ層のうち前記回路層との界面には、主成分としてSnを含有するとともに、Niを0.5mass%以上10mass%以下、Cuを30mass%以上40mass%以下、含有する合金層が形成されており、
前記界面における前記合金層の被覆率が85%以上とされていることを特徴とするパワーモジュール。 - パワーサイクル試験において、通電時間5秒、温度差80℃の条件のパワーサイクルを10万回負荷したときの熱抵抗上昇率が10%未満であることを特徴とする請求項1に記載のパワーモジュール。
- 被覆された箇所における前記合金層の厚さが2μm以上20μm以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のパワーモジュール。
- 前記合金層は、(Cu,Ni)6Sn5からなる金属間化合物を有していることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のパワーモジュール。
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