JP5224430B2 - Power semiconductor module - Google Patents

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    • H01L2224/29101—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of less than 400°C
    • H01L2224/29113—Bismuth [Bi] as principal constituent

Description

本発明は、パワー半導体モジュールに関し、詳細には、鉛フリー高温ハンダ材料により接合してなるパワー半導体モジュールに関する。 The present invention relates to a power semiconductor module, and more particularly to a power semiconductor module formed by joining the lead-free high temperature solder material.

パワー半導体モジュールは、通常、パワー半導体と電流通電部とが電気的に絶縁されるよう、パワー半導体に絶縁体を設けた構成となっている。このパワー半導体と絶縁体とは、ハンダなどによって接合されている。   In general, the power semiconductor module has a configuration in which an insulator is provided on the power semiconductor so that the power semiconductor and the current conducting portion are electrically insulated. The power semiconductor and the insulator are joined by solder or the like.

また、パワー半導体モジュールでは、半導体素子から発生する熱を効率よく放散するために、あるいは一時的に熱を分散するために、放熱板が設けられ、この放熱板と上記絶縁体とは、ハンダによって接合されている。したがって、パワー半導体モジュールでは、半導体素子と絶縁体との間、及び絶縁体と放熱板との間の２箇所でハンダにより接合することが一般的である。   Further, in the power semiconductor module, a heat radiating plate is provided in order to efficiently dissipate the heat generated from the semiconductor element or to temporarily dissipate the heat. The heat radiating plate and the insulator are separated by solder. It is joined. Therefore, in a power semiconductor module, it is common to join with a solder | pewter in two places between a semiconductor element and an insulator and between an insulator and a heat sink.

ここで、２回目のハンダ付けの温度が、１回目に用いたハンダ材料の融点よりも高いと、２回目のハンダ付けの際に１回目にハンダ付けした部分が溶融して、位置ずれを起こしたり傾斜したりといった不具合を発生させてしまう。したがって、この問題を回避するため、１回目に用いるハンダ材料の融点は、２回目に用いるハンダ材料の融点よりも高くなるように、ハンダの材料を選択している。   Here, if the temperature of the second soldering is higher than the melting point of the solder material used for the first time, the first soldered part melts during the second soldering, causing a displacement. It causes problems such as tilting and tilting. Therefore, in order to avoid this problem, the solder material is selected so that the melting point of the solder material used for the first time is higher than the melting point of the solder material used for the second time.

これまでは２回のハンダ接合工程にＰｂ系ハンダ材料が用いられていた。特にＰｂ−Ｓｎハンダ材料を用い、ＰｂとＳｎの比率を変えることによって、融点を１８３〜３００℃前後の範囲で変化させて、２回のハンダ付けを行っていた（例えば、非特許文献１参照。）。
しかし、Ｐｂは毒性を有するために使用廃止の方向にあり、Ｐｂフリーのハンダ材料の開発が望まれている。 Until now, Pb-based solder materials have been used in the two solder bonding processes. In particular, Pb—Sn solder material was used, and by changing the ratio of Pb and Sn, the melting point was changed in the range of about 183 to 300 ° C., and soldering was performed twice (for example, see Non-Patent Document 1). .)
However, since Pb has toxicity, it is in the direction of abolition of use, and development of a Pb-free solder material is desired.

このようなハンダ材料に対する要求の中、例えば、種々の組成のＳｎ系ハンダ材料が提案されている。しかしＳｎ系ハンダ材料は、その融点を２２０℃前後の狭い範囲でしか変動させることができず、２回のハンダ付けの工程に適用させることが難しい。   Among such requirements for solder materials, for example, Sn-based solder materials having various compositions have been proposed. However, the Sn-based solder material can change its melting point only within a narrow range of around 220 ° C., and it is difficult to apply it to the two soldering steps.

また、次世代のパワー半導体素子であるＧａＮやＳｉＣは、２００℃以上の耐熱性を有し、且つ絶縁破壊電界及び飽和電子密度等が大きいことから、高い動作電圧を用いて大電流を扱うことが可能である。この電流の大きさに起因して半導体素子からの発熱が２００℃程度にまで上昇するため、ハンダによる接合部分に対しても２００℃以上の耐熱性が要求されている。
しかし、Ｓｎ系ハンダ材料の融点は２２０℃程度であるが故に、この温度で溶けてしまい、また、２００℃前後において引っ張り強度が著しく低下してしまうため、２００℃を超える熱を発する次世代パワー半導体素子に対しては、接合材料としてＳｎ系ハンダ材料を用いることは実用上難しい。 In addition, GaN and SiC, which are next-generation power semiconductor elements, have a heat resistance of 200 ° C. or higher, and have a large dielectric breakdown electric field, saturated electron density, etc., and therefore handle a large current using a high operating voltage. Is possible. Due to the magnitude of this current, the heat generated from the semiconductor element rises to about 200 ° C., so that a heat resistance of 200 ° C. or higher is also required for the joint portion by solder.
However, since the melting point of the Sn-based solder material is about 220 ° C., it melts at this temperature, and the tensile strength is remarkably reduced around 200 ° C. Therefore, the next generation power that generates heat exceeding 200 ° C. For semiconductor elements, it is practically difficult to use an Sn-based solder material as a bonding material.

また、接合材料としてＡｇ系のロウ材料が一般的に知られているが、それらの融点は６５０℃以上と高く、このような温度では半導体素子を壊したり変質させてしまうために、本用途に用いることができない。   In addition, Ag-based brazing materials are generally known as bonding materials, but their melting points are as high as 650 ° C. or higher. At such temperatures, the semiconductor element is broken or altered, so that it is used in this application. Cannot be used.

このような状況下において、ハンダ材料としてＢｉを用いると、Ｂｉ単体の融点が２７０℃であるため、耐熱性に優れた接合体となる。
例えば、所望の接合温度で接合できるよう、固相線温度と液相線温度を適切な範囲とすべく、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｚｎを含むＢｉがハンダ材料として提示されている（例えば、特許文献１参照。）。
また、ＡｇなどＢｉと共晶しうる金属元素と、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｚｎなどの金属元素とをＢｉに添加した３成分以上からなるハンダ材料が提示されている（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００５−７２１７３号公報 特開２００１−３５３５９０号公報 馬場陽一郎「ＨＶインバータ品質確保の取り組み」溶接学会全国大会講演概要、第７７章（２００５−９） Under such circumstances, when Bi is used as the solder material, since the melting point of Bi alone is 270 ° C., a bonded body having excellent heat resistance is obtained.
For example, Bi including Ag, Cu, Sb, and Zn has been proposed as a solder material so that the solidus temperature and the liquidus temperature are in an appropriate range so that bonding can be performed at a desired bonding temperature (for example, patents). Reference 1).
In addition, a solder material composed of three or more components in which a metal element such as Ag, which can be co-crystallized with Bi, and a metal element such as Sn, Cu, In, Sb, or Zn is added to Bi has been proposed (for example, Patent Documents). 2).
JP 2005-72173 A JP 2001-353590 A Yoichiro Baba “Efforts to Ensure HV Inverter Quality” Outline of the National Conference of the Japan Welding Society, Chapter 77 (2005-9)

しかしながら、Ｂｉ系ハンダ材料をパワー半導体モジュールの接合材料に適用しようとすると、その過酷な冷熱サイクルによって接合界面での反応が顕著になり、ハンダ材料に接する部材の材質によっては不要な反応生成物を生成させてしまうことが明らかとなった。この反応生成物は、周りに存在するハンダ材料よりも硬かったり脆かったりするので、この反応生成物が存在する位置を起点にクラックが発生したり、反応生成物が割れてクラックの発生の原因となったりする。
このような界面反応は、次世代の半導体素子として注目されているＧａＮやＳｉＣ半導体素子の場合に特に問題となる。これら次世代半導体素子では、発熱量が極めて多く、２００℃以上にまで達する場合がある。 However, if Bi solder material is applied to the bonding material of power semiconductor modules, the reaction at the bonding interface becomes noticeable due to its severe thermal cycle, and depending on the material of the member in contact with the solder material, unnecessary reaction products may be generated. It became clear that it was generated. Since this reaction product is harder or more brittle than the solder material present in the surrounding area, cracks may occur starting from the position where this reaction product exists, or the reaction product may crack and cause cracks. It becomes.
Such an interfacial reaction becomes a problem particularly in the case of a GaN or SiC semiconductor element that is attracting attention as a next-generation semiconductor element. These next-generation semiconductor elements generate a large amount of heat and may reach 200 ° C. or higher.

そこで、本発明の課題は、Ｂｉ系ハンダ材料を用いて接合したときに、接合界面に不要な反応生成物を生成させ難く、その結果クラックなどの不具合を発生させ難いパワー半導体モジュールを提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a power semiconductor module that hardly generates an unnecessary reaction product at a bonding interface when bonded using a Bi-based solder material, and as a result, does not easily generate defects such as cracks. It is in.

また、本発明の第二の課題は、製造工程上、位置ずれなどの不具合を生じないパワー半導体モジュールを提供することにある。   A second object of the present invention is to provide a power semiconductor module that does not cause problems such as displacement in the manufacturing process.

請求項１に記載の発明は、Ｃｕ層を表面に備えたパワー半導体素子と、Ｃｕ層を表面に備えた絶縁基板と、を有し、前記パワー半導体素子と前記絶縁基板とをそれぞれのＣｕ層が対向するように配して、該２つのＣｕ層の間をＢｉ系ハンダ材料で接合してなり、前記Ｂｉ系ハンダ材料が、（２）Ｂｉ中にＣｕＡｌＭｎ合金粒子を分散させたＢｉ−ＣｕＡｌＭｎ、又は（４）ＢｉにＮｉを添加した材料であるパワー半導体モジュールである。 The invention according to claim 1 includes a power semiconductor element having a Cu layer on the surface and an insulating substrate having a Cu layer on the surface, and the power semiconductor element and the insulating substrate are each Cu layers. Bi- but by arranging to face, the two between the Cu layer Ri Na joined with Bi based solder material, the Bi-based solder material, were dispersed CuAlMn alloy particles in (2) Bi CuAlMn, or (4) a material der Ru power semiconductor module in which Ni is added to Bi.

請求項１に記載の発明では、Ｂｉ系ハンダ材料が接する界面に、Ｃｕ層が設けられる。ＢｉとＣｕとでは、冷熱サイクルに晒されても界面で不要な反応生成物が生成し難い。したがって、クラックなどの不具合を発生させ難いパワー半導体モジュールとなる。 In the first aspect of the present invention, the Cu layer is provided at the interface where the Bi-based solder material contacts. Bi and Cu hardly generate unnecessary reaction products at the interface even when they are exposed to a thermal cycle. Therefore, the power semiconductor module is less likely to cause defects such as cracks.

請求項２に記載の発明は、Ｃｕ層を表面に備えたパワー半導体素子と、Ｃｕ層を表面に備えた絶縁基板と、を有し、前記パワー半導体素子と前記絶縁基板とをそれぞれのＣｕ層が対向するように配して、該２つのＣｕ層の間をＢｉ系ハンダ材料で接合してなり、前記Ｂｉ系ハンダ材料が、（２）Ｂｉ中に含有率が０．５質量％以上２０質量％以下でＣｕＡｌＭｎ合金粒子を分散させたＢｉ−ＣｕＡｌＭｎ、（３）Ｂｉに含有率が０．０１質量％以上５質量％以下でＣｕを添加した材料、又は（４）Ｂｉに含有率が０．０１質量％以上７質量％以下でＮｉを添加した材料、であることを特徴とするパワー半導体モジュールである。 The invention according to claim 2 includes a power semiconductor element having a Cu layer on the surface and an insulating substrate having a Cu layer on the surface, and the power semiconductor element and the insulating substrate are each Cu layers. Are arranged so as to face each other, and the two Cu layers are joined by a Bi-based solder material, and the Bi-based solder material has (2) a content of 0.5% by mass or more in Bi. Bi-CuAlMn in which CuAlMn alloy particles are dispersed at a mass% or less, (3) Bi is a material in which Cu is added at a content of 0.01 mass% or more and 5 mass% or less, or (4) Bi is 0. .01 wt% to 7 wt% is added to the materials Ni below, it Ru Oh characteristic and to Rupa Wah semiconductor module is.

上述のように、ＢｉとＣｕとの界面では、半導体素子から発せられる高温の熱によっても不要な反応生成物を発生させ難く、且つＢｉの融点が高いことから、Ｂｉ系ハンダ材料としては、（２）Ｂｉ中にＣｕＡｌＭｎ合金粒子を分散させたＢｉ−ＣｕＡｌＭｎ、又は（４）ＢｉにＮｉを添加した材料が好ましい。更に、（２）Ｂｉ中に含有率が０．５質量％以上２０質量％以下でＣｕＡｌＭｎ合金粒子を分散させたＢｉ−ＣｕＡｌＭｎ、（３）Ｂｉに含有率が０．０１質量％以上５質量％以下でＣｕを添加した材料、又は（４）Ｂｉに含有率が０．０１質量％以上７質量％以下でＮｉを添加した材料であれば、Ｂｉ特有の脆性の高さを解消することができ、機械的強度を高めることもできる。 As described above, in the interface between Bi and Cu, hardly generates unwanted reaction products by high-temperature heat generated from the semiconductor element, and because of its high melting point of Bi, as the Bi-based solder material, ( 2) Bi Bi-CuAlMn that CuAlMn alloy particles are dispersed in, or (4) materials are preferred in which Ni is added to Bi. Furthermore, (2) Bi—CuAlMn in which CuAlMn alloy particles are dispersed in Bi with a content of 0.5% by mass or more and 20% by mass or less, and (3) Bi with a content of 0.01% by mass or more and 5% by mass. The material with Cu added below, or (4) Bi with a content of 0.01 mass% or more and 7 mass% or less with Ni added can eliminate Bi-specific brittleness. The mechanical strength can also be increased.

更に接合時の加熱温度を考慮すると、ハンダ材料の液相線温度や固相線温度を調節することが好ましい。液相線温度や固相線温度は、添加物質の添加量などによって調整することができる。ＢｉにＮｉを加えるとその添加量が多くなるにつれ液相線温度が上昇し、ハンダ材料全体が溶融するのに高い温度を要することになる。   Furthermore, in consideration of the heating temperature at the time of joining, it is preferable to adjust the liquidus temperature and the solidus temperature of the solder material. The liquidus temperature and the solidus temperature can be adjusted by the amount of additive substance added. When Ni is added to Bi, the liquidus temperature rises as the amount added increases, and a high temperature is required for the entire solder material to melt.

ＮｉをＢｉに添加する場合には、Ｎｉの含有率が０．０１質量％以上であれば、Ｂｉ特有の脆性の高さを解消することができ、機械的強度を高めるという効果を得ることができる。
また、Ｎｉを添加することによって液相線温度が上昇し固相線温度との差が増加するが、Ｎｉの含有率が７質量％以下であれば、パワー半導体モジュールを接合するときであっても実用的な範囲内である。また、このような液相線温度であれば、ハンダ付けの際の加熱によっても半導体素子は破壊されない。 When Ni is added to Bi, if the Ni content is 0.01% by mass or more, the high brittleness characteristic of Bi can be eliminated and the effect of increasing mechanical strength can be obtained. it can.
In addition, by adding Ni, the liquidus temperature rises and the difference from the solidus temperature increases, but when the Ni content is 7% by mass or less, the power semiconductor module is joined. Is also within the practical range. In addition, at such a liquidus temperature, the semiconductor element is not destroyed by heating during soldering.

ＣｕをＢｉに添加する場合には、Ｃｕの含有率が０．０１質量％以上であれば、Ｂｉ特有の脆性の高さを解消することができ、機械的強度を高めるという効果を得ることができる。
また、Ｃｕを添加することによって液相線温度が上昇し固相線温度との差が増加するが、Ｃｕの含有率が５質量％以下であれば、パワー半導体モジュールを接合するときであっても実用的な範囲内である。また、このような液相線温度であれば、ハンダ付けの際の加熱によっても半導体素子は破壊されない。 When Cu is added to Bi, if the Cu content is 0.01% by mass or more, the high brittleness characteristic of Bi can be eliminated and the effect of increasing mechanical strength can be obtained. it can.
Further, the addition of Cu increases the liquidus temperature and increases the difference from the solidus temperature. When the Cu content is 5% by mass or less, the power semiconductor module is joined. Is also within the practical range. In addition, at such a liquidus temperature, the semiconductor element is not destroyed by heating during soldering.

ＣｕＡｌＭｎ合金の含有率が０．５質量％よりも少ないと、マルテンサイト変態の性質を有する物質を添加したことによる脆性の高さの解消という効果が得られ難く、２０質量％よりも多いと、溶融するＢｉの含有率が低くなり、被接合体との接合強度が得られ難くなる。   When the content of the CuAlMn alloy is less than 0.5% by mass, it is difficult to obtain the effect of eliminating the high brittleness due to the addition of a material having martensitic transformation properties, and when the content is more than 20% by mass, The content rate of Bi to melt | dissolves becomes low, and it becomes difficult to obtain joining strength with a to-be-joined body.

なお、本発明は、Ｎｉ層を表面に備えた前記パワー半導体素子と、Ｎｉ層を表面に備えた前記絶縁基板とを備え、前記パワー半導体素子と前記絶縁基板とをそれぞれのＮｉ層が対向するように配し、該２つのＮｉ層の間をＺｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙ（ｘは０．０２〜０．１０であり、ｙは０〜０．０２であり、Ｍは亜鉛及びアルミニウム以外の金属を表す。）で表される合金で接合してなるパワー半導体モジュールであってもよい。 The present invention includes the power semiconductor element having a Ni layer on the surface and the insulating substrate having a Ni layer on the surface, and each Ni layer faces the power semiconductor element and the insulating substrate. arranged so as, between said two Ni layer Zn (1-x-y) Al x M y (x is 0.02 to 0.10, y is 0 to 0.02, M is It represents zinc and a metal other than aluminum.) or I Oh in Rupa word semiconductor modules are joined with an alloy represented by.

このパワー半導体モジュールは、少なくとも（１）パワー半導体素子と、（２）絶縁基板と、（３）放熱板と、を有し、パワー半導体素子と絶縁基板との間、及び絶縁基板と放熱板との間、の２箇所がハンダ付けによって接合されている。以下、パワー半導体素子と絶縁基板との間の接合部を第一接合部と称し、絶縁基板と放熱板との間の接合部を第二接合部と称する。 This power semiconductor module has at least (1) a power semiconductor element, (2) an insulating substrate, and (3) a heat sink, between the power semiconductor element and the insulating substrate, and between the insulating substrate and the heat sink. between, two places are joined by soldering. Hereinafter, the joint between the power semiconductor element and the insulating substrate is referred to as a first joint, and the joint between the insulating substrate and the heat sink is referred to as a second joint.

上記２箇所のハンダ付けにおいて、階層接合技術を用いる。２回目のハンダ付け工程では、１回目にハンダ付けした部分も含めて全体を加熱するため、１回目のハンダ付け部位が位置ずれや傾斜など起こさないよう、２回目のハンダ付けの温度を１回目に用いたハンダ材料の融点よりも充分に低くしなければならない。２回目のハンダ付けの温度が、１回目に用いたハンダ材料の融点よりも高いと、２回目のハンダ付けの際に１回目にハンダ付けした部分が溶融して、位置ずれを起こしたり傾斜したりといった不具合を発生させてしまう。   Hierarchical joining technology is used in the above two soldering. In the second soldering process, the entire soldering part is heated, including the part soldered the first time, so that the temperature of the second soldering is the first so that the first soldering part does not shift or tilt. It must be sufficiently lower than the melting point of the solder material used. If the soldering temperature for the second soldering is higher than the melting point of the solder material used for the first soldering, the soldered part for the first soldering will melt during the second soldering, causing misalignment or tilting. Cause problems such as

つまり、２回目のハンダ付け材料の融点が高すぎると、これよりも更に融点の高い材料を１回目のハンダ付け材料として選択しなければならず、加熱温度が全体に高くなるため作業性が低下し、製造コストもかかってしまう。また、パワー半導体素子もハンダ付けの際に加熱されてしまうため、パワー半導体素子の破壊や改質を防ぐ観点から、ハンダ付け時の加熱温度の上限は６５０℃であり、好ましくは４５０℃程度である。これらを考慮して、１回目のハンダ付けに用いる接合材料の選択の余地を残すためには、２回目のハンダ付け材料の融点はなるべく低いことが望ましい。
しかし、上述のとおり、次世代パワー半導体素子からは２００℃程度の発熱があるため、ハンダ付け材料の融点は２００℃よりも高くなければならない。 In other words, if the melting point of the second soldering material is too high, a material with a higher melting point must be selected as the first soldering material, and the workability is reduced because the heating temperature increases overall. In addition, the manufacturing cost is also increased. Further, since the power semiconductor element is also heated during soldering, the upper limit of the heating temperature at the time of soldering is 650 ° C., preferably about 450 ° C., from the viewpoint of preventing destruction and modification of the power semiconductor element. is there. Considering these, in order to leave room for selection of the bonding material used for the first soldering, it is desirable that the melting point of the second soldering material be as low as possible.
However, as described above, since the next-generation power semiconductor element generates heat of about 200 ° C., the melting point of the soldering material must be higher than 200 ° C.

すなわち、２回目のハンダ付け材料としては、その融点がなるべく低いことが好ましいが２００℃よりも高くなければならない。   That is, the second soldering material preferably has a melting point as low as possible, but must be higher than 200 ° C.

このようにパワー半導体モジュールの製造工程を勘案すると、前記Ｂｉ系ハンダ材料は、２回目のハンダ付け材料として極めて好適である。なぜなら、前記Ｂｉ系ハンダ材料の融点は約２７０℃であるので、２７０℃よりも充分に高く且つハンダ付け工程の上限温度６５０℃（より好ましくは４５０℃）よりも低い温度範囲に融点を有するハンダ材料を１回目のハンダ付け材料に選択すればよく、その結果、１回目のハンダ付け材料の選択範囲が広くなる。また、２７０℃よりも充分に高い融点を有する１回目のハンダ付け材料を選択することができるため、２回目のハンダ付け工程において１回目のハンダ付け部位の位置ずれや傾斜などを発生させない。更に、半導体素子から発せられる大量の熱によってモジュールは２００℃程度まで上昇するが、Ｂｉ系ハンダ材料の融点は約２７０℃であるので、このような条件下においても接合部分は耐熱性を有する。   Considering the manufacturing process of the power semiconductor module as described above, the Bi solder material is extremely suitable as the second soldering material. Because the melting point of the Bi solder material is about 270 ° C., the solder having a melting point in a temperature range sufficiently higher than 270 ° C. and lower than the upper limit temperature 650 ° C. (more preferably 450 ° C.) of the soldering process. The material may be selected as the first soldering material, and as a result, the selection range of the first soldering material is widened. In addition, since the first soldering material having a melting point sufficiently higher than 270 ° C. can be selected, the first soldering part does not cause a position shift or inclination in the first soldering step. Furthermore, although the module rises to about 200 ° C. by a large amount of heat generated from the semiconductor element, since the melting point of the Bi-based solder material is about 270 ° C., the joint portion has heat resistance even under such conditions.

Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金は、その融点が３８２℃であり、パワー半導体素子の動作によって発生した２００℃程度の熱に対しても不具合を生じさせない。 Zn alloy represented by (1-x-y) Al x M y is the melting point of 382 ° C., it does not cause a problem even for 200 ° C. of about heat generated by the operation of the power semiconductor device.

更に、Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金とＮｉ層を接合することで、冷熱サイクルによってもその界面に生成する反応生成物は、ほとんど成長せず、温度変化に対しても亀裂、剥離などの不具合を生じさせない。また接着性にも優れる。 Further, by bonding the alloy and Ni layer represented by Zn (1-x-y) Al x M y, the reaction products formed in the interface by thermal cycles, little growth, the temperature change It does not cause defects such as cracks and peeling. It also has excellent adhesion.

また、上述の通り、ハンダ温度の上限は６５０℃程度、より好ましくは４５０℃であるが、Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金の融点は３８２℃でありハンダ付け工程に適用できる上限温度よりも低く、ハンダ付け工程における加熱によって半導体素子を破壊することがない。 Further, as described above, the upper limit of the solder temperature is about 650 ° C., more preferably at 450 ° C., the melting point of the alloy represented by Zn (1-x-y) Al x M y is 382 ° C. Soldering The temperature is lower than the upper limit temperature applicable to the process, and the semiconductor element is not destroyed by heating in the soldering process.

加えて、２回目のハンダ付けに用いるＢｉ系ハンダ材料の融点（約２７０℃）よりも、Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金の融点（３８２℃）の方が充分に高い。したがって、Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金は、Ｂｉ系ハンダ材料を２回目のハンダ付けに用いる場合において、１回目のハンダ付け材料として極めて有益な材料である。 In addition, the direction of the Bi based solder material used for soldering the second melting point (about 270 ° C.) than, Zn (1-x-y ) mp (382 ° C.) of an alloy represented by Al x M y High enough. Therefore, the alloy represented by Zn (1-x-y) Al x M y , in case of using a Bi based solder material for soldering the second, is a very useful material as soldering material first.

したがって、上記本発明によれば、冷熱サイクルに対して亀裂、剥離などの不具合を生じない信頼性の高いパワー半導体モジュールを得ることができる。また、製造工程においても、部品の位置ずれや傾斜などを発生させない。 Therefore, according to the present invention, it is possible to obtain a highly reliable power semiconductor module that does not cause defects such as cracks and peeling with respect to the thermal cycle. Also, in the manufacturing process, no positional deviation or inclination of the parts is generated.

なお、Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金の融点（３８２℃）は、Ｂｉ系ハンダ材料の融点（約２７０℃）よりも高いので、大量の熱を発する半導体素子に近い側の接合部には、Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金をハンダ材料として用いることが好適である。 Incidentally, Zn (1-x-y ) Al x mp (382 ° C.) of an alloy represented by M y is higher than the melting point of the Bi based solder material (about 270 ° C.), a semiconductor device that emits a large amount of heat the junction of the side close to, it is preferable to use an alloy represented by Zn (1-x-y) Al x M y as a solder material.

請求項３に記載の発明は、前記パワー半導体素子が、ＧａＮ又はＳｉＣを用いて形成されてなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のパワー半導体モジュールである。 The invention according to claim 3 is the power semiconductor module according to claim 1 or 2 , wherein the power semiconductor element is formed using GaN or SiC.

Ｂｉ系ハンダ材料は、第一接合部及び第二接合部のいずれに用いてもよく、仮に、パワー半導体素子から遠い側の接合部である第二接合部にＢｉ系ハンダ材料を適用した場合であっても、パワー半導体素子であるＧａＮやＳｉＣを用いた場合には、第二接合部にまでパワー半導体素子からの発熱が接合部に影響を与えかねない。
しかし、本発明において接合部に用いられるＢｉ系ハンダ材料の固相線温度は約２７０℃であるため、次世代のパワー半導体素子であるＧａＮやＳｉＣを用いて２００℃を超えた高温で繰り返し使用した場合でも、接合部において亀裂や剥離などの不具合を生じさせない信頼性の高いパワー半導体モジュールとなる。 Bi-based solder material may be used for either the first bonding portion or the second bonding portion. Temporarily, the Bi-based solder material is applied to the second bonding portion that is a bonding portion far from the power semiconductor element. Even in such a case, when GaN or SiC, which is a power semiconductor element, is used, the heat generated from the power semiconductor element may affect the junction even up to the second junction.
However, since the solidus temperature of the Bi-based solder material used for the joint in the present invention is about 270 ° C., it is repeatedly used at a temperature exceeding 200 ° C. using GaN and SiC, which are next-generation power semiconductor elements. Even if it does, it becomes a reliable power semiconductor module which does not produce malfunctions, such as a crack and peeling, in a junction part.

請求項４に記載の発明は、前記絶縁基板がＡｌＮ層であり、ＡｌＮ層の両表面にＡｌ及びＣｕの少なくとも１種で形成される導電層を有してなることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュールである。 The invention according to claim 4 is characterized in that the insulating substrate is an AlN layer and has conductive layers formed of at least one of Al and Cu on both surfaces of the AlN layer. It is a power semiconductor module of any one of thru | or 3 .

絶縁基板のパワー半導体素子側に備える導電層は、当該導電層からパワー半導体素子に電気を効率よく伝導させることが好ましい。また絶縁基板は、パワー半導体素子と放熱板との間に設置されるため、効率よく伝熱することが望ましい。
したがって、絶縁基板としては、絶縁性があることは勿論、熱伝導が良好であることが好ましく、さらに高い導電性と高い熱伝導率を有する導電層を備えることが好ましい。
請求項４に記載の発明によれば、これら物性的な要求を満たすことができる。 The conductive layer provided on the power semiconductor element side of the insulating substrate preferably conducts electricity efficiently from the conductive layer to the power semiconductor element. Moreover, since the insulating substrate is installed between the power semiconductor element and the heat radiating plate, it is desirable to transfer heat efficiently.
Therefore, the insulating substrate is preferably insulative and preferably has good thermal conductivity, and further includes a conductive layer having higher conductivity and higher thermal conductivity.
According to the fourth aspect of the invention, these physical property requirements can be satisfied.

請求項５に記載の発明は、前記Ｂｉを系ハンダ材料で接合する面側の前記導電層は、Ｃｕであることを特徴とする請求項４に記載のパワー半導体モジュールである。 According to a fifth aspect of the present invention, in the power semiconductor module according to the fourth aspect, the conductive layer on the side where the Bi is joined with a system solder material is Cu.

請求項１に記載の発明について説明したように、Ｂｉ系ハンダ材料が接する界面にＣｕ層が設けられると、冷熱サイクルに晒されても界面で不要な反応生成物が生成し難い。そこで、絶縁基板において、Ｂｉを系ハンダ材料で接合する面側の導電層をＣｕとすると、導電機能と、不要な反応生成物の生成を阻止する機能とを兼ね備えることができる。   As described in the first aspect of the present invention, when a Cu layer is provided at the interface with which the Bi-based solder material is in contact, it is difficult for unnecessary reaction products to be generated at the interface even when exposed to a thermal cycle. Therefore, in the insulating substrate, when the conductive layer on the surface side where Bi is bonded with a system solder material is Cu, it is possible to have both a conductive function and a function of preventing the generation of unnecessary reaction products.

上記で説明したように、Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金とＮｉ層を接合することで、冷熱サイクルによってもその界面に生成する反応生成物は、ほとんど成長せず、温度変化に対しても亀裂、剥離などの不具合を生じさせないので、絶縁基板において、Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金で接合する面側の導電層をＮｉとすると、クラックなどの不具合を発生させ難いパワー半導体モジュールとなる。 As described above, by bonding the alloy and Ni layer represented by Zn (1-x-y) Al x M y, reaction products also produces at the interface by the thermal cycle is almost not grow without cracking even for temperature changes, because it does not cause problems such as peeling in the insulating substrate, Zn (1-x-y ) Al x M conductive layer surface side to be joined with an alloy represented by y the Ni Then, it becomes a power semiconductor module which is hard to generate defects, such as a crack.

請求項６に記載の発明は、パワー半導体モジュールが放熱板を備え、前記放熱板が、Ｍｏ層の両面にＣｕ層を有するＣｕ層／Ｍｏ層／Ｃｕ層の積層体であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュールである。 According to a sixth aspect of the present invention, the power semiconductor module includes a heat sink, and the heat sink is a Cu layer / Mo layer / Cu layer laminate having Cu layers on both sides of the Mo layer. It is a power semiconductor module of any one of Claim 1 thru | or 5 .

Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕの積層体は熱伝導率が高く、放熱板としての機能を効果的に発揮する。また、Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕの積層体は熱膨張係数が４ｐｐｍ／Ｋ程度となり、パワー半導体素子の熱膨張係数の値に近くなる。その結果、冷熱サイクル時に顕著な熱応力が生じず、亀裂や剥離などの不具合を発生させない。また、この積層体のＣｕ層は、上記Ｂｉ系ハンダ材料と接することになるが、ＢｉとＣｕとの界面では、冷熱サイクルによっても不要な生成物を発生させることがないので、温度変化に対しても亀裂、剥離などの不具合を生じさせない。   The laminate of Cu / Mo / Cu has high thermal conductivity and effectively functions as a heat sink. The Cu / Mo / Cu laminate has a thermal expansion coefficient of about 4 ppm / K, which is close to the value of the thermal expansion coefficient of the power semiconductor element. As a result, no remarkable thermal stress is generated during the cooling / heating cycle, and defects such as cracks and peeling do not occur. In addition, the Cu layer of this laminated body is in contact with the Bi-based solder material, but at the interface between Bi and Cu, no unnecessary product is generated even by the cooling and heating cycle. However, it does not cause defects such as cracks and peeling.

請求項７に記載の発明は、前記放熱板におけるＣｕ層／Ｍｏ層／Ｃｕ層の厚さの比率が、１／５／１〜１／１２／１であることを特徴とする請求項６に記載のパワー半導体モジュールである。 The invention according to claim 7, the ratio of the thickness of the Cu layer / Mo layer / Cu layer in the heat sink, to claim 6, characterized in that the 1/5 / 1-1 / 12/1 It is a power semiconductor module of description.

Ｃｕ層／Ｍｏ層／Ｃｕ層の積層体の中でも、各層の厚さの比率が、１／５／１〜１／１２／１の場合に、熱伝導率と熱膨張係数とのバランスが良好となり、放熱板としての機能を効果的に発揮する。 Among laminates of Cu layer / Mo layer / Cu layer, when the ratio of the thickness of each layer is 1/5/1 to 1/12/1, the balance between thermal conductivity and thermal expansion coefficient becomes good. , it effectively exhibits a function as a heat sink.

本発明によれば、冷熱サイクルに対して亀裂、剥離などの不具合を生じない信頼性の高いパワー半導体モジュールを提供することができる。また、製造工程上、位置ずれなどの不具合を生じないパワー半導体モジュールをも提供することができる。
According to the present invention, it is possible to provide through the thermal cycle cracking, high power semiconductor modules reliable does not cause troubles such as peeling. Moreover, the manufacturing process can also provide a power semiconductor module that does not cause problems such as positional deviation.

本発明のパワー半導体モジュールは、被接合面にＣｕ層を備え、前記Ｃｕ層の間を、Ｂｉ系ハンダ材料によって接合してなる。この被接合面を有する部材としては、パワー半導体素子と絶縁基板との組み合わせ、或いは絶縁基板と放熱板との組み合わせである。また、本発明のパワー半導体モジュールにおいて、少なくとも１箇所がＢｉ系ハンダ材料で接合されていればよく、したがって、２箇所以上をＢｉ系ハンダ材料で接合していてもよい。
以下では、まず始めにパワー半導体モジュールの構成について説明し、次に各構成部材について説明する。 The power semiconductor module of the present invention includes a Cu layer on a surface to be joined, and is joined between the Cu layers by a Bi solder material. The member having the bonded surface is a combination of a power semiconductor element and an insulating substrate, or a combination of an insulating substrate and a heat sink. Moreover, in the power semiconductor module of the present invention, it is sufficient that at least one place is joined with Bi solder material, and therefore two or more places may be joined with Bi solder material.
Below, the structure of a power semiconductor module is demonstrated first, and each structural member is demonstrated next.

＜パワー半導体モジュール＞
図１に、本発明のパワー半導体モジュール１０の腰部断面図を模式的に示す。
パワー半導体モジュール１０は、パワー半導体素子２０と絶縁部３０と放熱板４０とを有する。パワー半導体素子２０と絶縁部３０との間は第一接合部５０によって接合される。絶縁部３０と放熱板４０との間は第二接合部６０によって接合される。 <Power semiconductor module>
FIG. 1 schematically shows a waist cross-sectional view of a power semiconductor module 10 of the present invention.
The power semiconductor module 10 includes a power semiconductor element 20, an insulating unit 30, and a heat sink 40. The power semiconductor element 20 and the insulating part 30 are joined by the first joining part 50. The insulating part 30 and the heat sink 40 are joined by the second joining part 60.

パワー半導体モジュール１０は、車載用インバータなどに用いられるものである。パワー半導体モジュール１０の周辺には図示しない内燃機関が設けられているために、パワー半導体モジュール１０が置かれている環境はかなり高温となっている。さらに、パワー半導体素子として次世代のＧａＮやＳｉＣを用いた場合には、パワー半導体素子２０からの発熱が大きく、パワー半導体モジュール１０の温度が上昇する。   The power semiconductor module 10 is used for an in-vehicle inverter or the like. Since an internal combustion engine (not shown) is provided around the power semiconductor module 10, the environment in which the power semiconductor module 10 is placed is considerably high. Further, when next-generation GaN or SiC is used as the power semiconductor element, heat generated from the power semiconductor element 20 is large, and the temperature of the power semiconductor module 10 rises.

パワー半導体素子が自身の発する熱や高温の周囲環境によって破壊するのを防ぐよう、冷却水が流動する冷却管（図示せず）が設けられ、冷却管とパワー半導体素子との間に放熱板４０が設けられる。   A cooling pipe (not shown) through which cooling water flows is provided to prevent the power semiconductor element from being destroyed by heat generated by itself or a high-temperature ambient environment, and the radiator plate 40 is provided between the cooling pipe and the power semiconductor element. Is provided.

したがって、一般的にパワー半導体モジュールに求められる性能としては、第一に冷熱サイクルに対して亀裂、剥離などの不具合を生じさせないことであり、第二に絶縁基板によって確実に絶縁させることであり、第三にパワー半導体素子から発せられた熱を放熱板までなるべく蓄積することなく伝えることである。   Therefore, in general, the performance required for the power semiconductor module is to first cause no problems such as cracking and peeling with respect to the thermal cycle, and secondly to ensure insulation by the insulating substrate, Thirdly, the heat generated from the power semiconductor element is transmitted to the heat radiating plate without accumulating as much as possible.

冷熱サイクルに対して亀裂、剥離などを発生させないためには、半導体素子、絶縁基板、放熱板及び接合部材などの部材そのものが温度変化に対して耐久性がなければならず、加えて、冷熱サイクルにおいて不要な反応生成物を発生させないことが重要である。かかる反応生成物は脆い物質であったり、硬すぎる物質であったりして、反応生成物が発生した部位を起点として亀裂や剥離等を起こしやすい。
また、各部材の熱膨張係数が近い値であることも、冷熱サイクルによる亀裂や剥離などの発生を抑制するのに重要である。熱膨張係数が全く異なる部材を接合すると、冷熱サイクルによって繰り返し起こる部材の体積変化によって、亀裂や剥離等を発生させやすくなる。 In order to prevent cracking, peeling, etc. from occurring in the thermal cycle, the members such as the semiconductor element, the insulating substrate, the heat radiating plate, and the bonding member must be resistant to temperature changes. It is important not to generate unnecessary reaction products in the process. Such a reaction product is a brittle substance or a substance that is too hard, and is liable to crack or peel off from the site where the reaction product is generated.
Moreover, it is important for the thermal expansion coefficient of each member to be a close value to suppress the occurrence of cracks and peeling due to the thermal cycle. When members having completely different thermal expansion coefficients are joined, cracks, peeling, and the like are likely to occur due to a volume change of the member that repeatedly occurs due to a cooling cycle.

本発明の接合体であるパワー半導体モジュールでは、第一接合部５０又は第二接合部６０に、Ｂｉ系ハンダ材料を用いて接合しているため、接合部分の耐熱性は高くなっている。またＢｉ系ハンダ材料が接する界面に、Ｃｕ層を設けているため、冷熱サイクルによって高温になってもＢｉとの界面において不要な反応生成物を生成させず、反応生成物の発生に起因したクラックの発生を抑制することができる。   In the power semiconductor module which is the joined body of the present invention, the Bi-solder material is joined to the first joint 50 or the second joint 60, so the heat resistance of the joint is high. In addition, since a Cu layer is provided at the interface where the Bi-based solder material is in contact, an unnecessary reaction product is not generated at the interface with Bi even when the temperature is raised by a thermal cycle, and cracks are caused by the generation of the reaction product. Can be suppressed.

なお、本発明のパワー半導体モジュールでは、Ｂｉ系ハンダ材料を、第一接合部５０及び第二接合部６０のいずれに適用してもよく、また、第一接合部５０を先に接合し次に第二接合部６０を接合してもよいし、第二接合部６０を先に接合した後、第一接合部５０を接合してもよい。
しかし、いずれにしても２回目のハンダ付けの温度が、１回目に用いたハンダ材料の融点よりも高いと、２回目のハンダ付けの際に１回目にハンダ付けした部分が溶融して、位置ずれを起こしたり傾斜したりといった不具合を発生させてしまう。 In the power semiconductor module of the present invention, the Bi-based solder material may be applied to either the first joint 50 or the second joint 60, and the first joint 50 is joined first and then The second joint 60 may be joined, or the first joint 50 may be joined after the second joint 60 is joined first.
However, in any case, if the temperature of the second soldering is higher than the melting point of the solder material used for the first time, the portion soldered for the first time will be melted during the second soldering. It will cause problems such as misalignment and tilting.

この問題を回避するため、一般的に、１回目に用いるハンダ材料の融点は、２回目に用いるハンダ材料の融点よりも高くなるように、ハンダの材料を選択する。好適には、２回目の接合に用いるハンダ材料の融点は、１回目の接合に用いるハンダ材料の融点よりも３０℃以上低いことが望ましい。   In order to avoid this problem, the solder material is generally selected so that the melting point of the solder material used for the first time is higher than the melting point of the solder material used for the second time. Preferably, the melting point of the solder material used for the second bonding is preferably 30 ° C. or lower than the melting point of the solder material used for the first bonding.

つまり１回目の接合に、Ｂｉ系ハンダ材料を適用した場合、Ｂｉ系ハンダ材料の融点は２７０℃以上となるので、２回目の接合に用いるハンダ材料は、Ｂｉ系ハンダ材料の融点よりも３０℃以上低い融点を有するものとすることが好ましい。一方で、パワー半導体からの発熱を考慮すると、２回目の接合に用いるハンダ材料の融点は２００℃以上であることが望ましい。よって、１回目の接合に、Ｂｉ系ハンダ材料を適用した場合には、２回目の接合に用いるハンダ材料は、融点が２１０℃〜２４０℃程度のものを適用することが好ましい。
他方、２回目の接合に、Ｂｉ系ハンダ材料を適用した場合には、１回目の接合に用いるハンダ材料は、Ｂｉ系ハンダ材料の融点よりも３０℃以上高い固相線温度を有するものであることが好ましい。一方で、ハンダ付けの際の加熱によって半導体素子が破壊されるのを防ぐには、融点が６５０℃以下、好ましくは４５０℃以下であることが好ましい。よって、２回目の接合にＢｉ系ハンダ材料を適用した場合には、１回目の接合に用いるハンダ材料は、融点が３００〜６５０℃、好ましくは３００〜４５０℃のものを適用することが好ましい。 In other words, when the Bi solder material is applied to the first bonding, the melting point of the Bi solder material is 270 ° C. or higher. Therefore, the solder material used for the second bonding is 30 ° C. higher than the melting point of the Bi solder material. It is preferable to have a low melting point. On the other hand, considering the heat generation from the power semiconductor, it is desirable that the melting point of the solder material used for the second bonding is 200 ° C. or higher. Therefore, when a Bi solder material is applied to the first bonding, it is preferable to apply a solder material having a melting point of about 210 ° C. to 240 ° C. for the second bonding.
On the other hand, when a Bi solder material is applied to the second bonding, the solder material used for the first bonding has a solidus temperature higher by 30 ° C. than the melting point of the Bi solder material. It is preferable. On the other hand, in order to prevent the semiconductor element from being destroyed by heating during soldering, the melting point is preferably 650 ° C. or lower, preferably 450 ° C. or lower. Therefore, when a Bi solder material is applied to the second bonding, it is preferable to apply a solder material having a melting point of 300 to 650 ° C., preferably 300 to 450 ° C., for the first bonding.

上記から、Ｂｉ系ハンダ材料は、その融点が約２７０℃であるという観点から２回目の接合に用いることが好ましく、１回目の接合に用いるハンダ材料は、Ｂｉ系ハンダ材料の融点２７０℃よりも充分に高い融点を有する材料を適用することが好ましい。但し、製造工程上、ハンダ付けのための加熱によってパワー半導体素子２０を破壊しないよう、１回目の接合に用いるハンダ材料としては、融点が６５０℃（より好ましくは４５０℃以下）であることが好ましい。つまり、１回目の接合に用いるハンダ材料は、融点が２７０℃よりも充分高く、６５０℃（より好ましくは４５０℃）よりも低い材料であることが好ましい。   From the above, the Bi solder material is preferably used for the second bonding from the viewpoint that the melting point is about 270 ° C., and the solder material used for the first bonding is higher than the melting point 270 ° C. of the Bi solder material. It is preferable to apply a material having a sufficiently high melting point. However, it is preferable that the melting point of the solder material used for the first bonding is 650 ° C. (more preferably 450 ° C. or less) so that the power semiconductor element 20 is not destroyed by heating for soldering in the manufacturing process. . That is, the solder material used for the first bonding is preferably a material having a melting point sufficiently higher than 270 ° C. and lower than 650 ° C. (more preferably 450 ° C.).

そこで、１回目の接合に用いるハンダ材料としては、主成分がＺｎである合金材料などを挙げることができる。これらの中でも、１回目の接合に用いるハンダ材料として、Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金（融点：３８２℃）を適用することが、パワー半導体素子の破壊防止の観点から好適である。 Therefore, an example of the solder material used for the first bonding is an alloy material whose main component is Zn. Among these, as a solder material used for the first bonding, Zn (1-x-y ) Al x M alloy represented by y (mp: 382 ° C.) be applied, prevent breakdown of the power semiconductor element It is preferable from the viewpoint.

なお、より好適には、大量の熱を発する半導体素子に近い側の第一接合部５０には、融点の高いＺｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金を適用し、半導体素子から遠い側の第二接合部６０には、Ｂｉ系ハンダ材料を適用する場合である。 Incidentally, more preferably, the first joint portion 50 closer to the semiconductor element side which emits large amounts of heat, by applying the alloy represented by the high melting point Zn (1-x-y) Al x M y, This is a case where a Bi solder material is applied to the second junction 60 on the side far from the semiconductor element.

したがって、以下、図１に示す第一の実施態様では、第一接合部５０にはＺｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金を適用し、第二接合部６０にはＢｉ系ハンダ材料を適用する場合について説明する。 Therefore, below, in the first embodiment shown in FIG. 1, the first bonding unit 50 applies the alloy represented by Zn (1-x-y) Al x M y, the second joint portion 60 A case where a Bi solder material is applied will be described.

［第一の実施態様］
＜第二接合部＞
本発明における第二接合部６０は、絶縁部３０と放熱板４０との間を接合するために設けられる。図１に示す第一の実施態様では、第二接合部６０の材質として、Ｂｉ系ハンダ材料を用いる。本発明ではＢｉ系ハンダ材料としては、Ｂｉを主成分とするものであれば特に制限されない。なお、「Ｂｉ系ハンダ材料」とは、ハンダ材料中、Ｂｉを８０質量％以上含有するものをいう。
具体的には、Ｂｉ系ハンダ材料としては、Ｂｉ単体のほかに、ＢｉにＣｕ、Ｎｉ、Ａｇを添加したものなどを挙げることができるが、下記（１）〜（４）に記載のＢｉ系ハンダ材料であることが固相線温度を低下させない観点から好ましい。例えば、ＢｉにＡｇを２．５質量％添加したものは、固相線温度がＢｉ単体の２７０℃から２６２℃程度に低下してしまい、半導体素子の動作により発せられる熱に対する耐性の観点から望ましくはない。
更に、下記（１）〜（４）に記載のＢｉ系ハンダ材料の中でも、Ｂｉの脆性の高さを解消して機械的強度を高める観点からは、下記（２）〜（４）のＢｉ系ハンダ材料であることが好ましい。 [First embodiment]
<Second joint>
The 2nd junction part 60 in this invention is provided in order to join between the insulation part 30 and the heat sink 40. FIG. In the first embodiment shown in FIG. 1, a Bi solder material is used as the material of the second joint portion 60. In the present invention, the Bi solder material is not particularly limited as long as it contains Bi as a main component. The “Bi-based solder material” refers to a solder material containing 80% by mass or more of Bi.
Specifically, examples of the Bi-based solder material include Bi, Cu, Ni, and Ag added to Bi, but the Bi-based solders described in (1) to (4) below. A solder material is preferred from the viewpoint of not lowering the solidus temperature. For example, the addition of 2.5% by mass of Ag to Bi is desirable from the viewpoint of resistance to heat generated by the operation of the semiconductor element because the solidus temperature decreases from 270 ° C. of Bi alone to about 262 ° C. There is no.
Furthermore, among the Bi-based solder materials described in the following (1) to (4), from the viewpoint of eliminating the brittleness of Bi and increasing the mechanical strength, the Bi-based materials described in (2) to (4) below. A solder material is preferred.

（１）Ｂｉ単体
（２）Ｂｉ中にＣｕＡｌＭｎ合金粒子を分散させたＢｉ−ＣｕＡｌＭｎ
（３）ＢｉにＣｕを添加した材料
（４）ＢｉにＮｉを添加した材料
以下、それぞれのＢｉ系ハンダ材料について詳細に説明する。 (1) Bi simple substance (2) Bi-CuAlMn in which CuAlMn alloy particles are dispersed in Bi
(3) Material in which Cu is added to Bi (4) Material in which Ni is added to Bi Hereinafter, each Bi solder material will be described in detail.

（１）Ｂｉ単体
Ｂｉは２７０℃近辺の融点を有するため、接合部のハンダ材料としては好適である。しかし、−４０℃〜２００℃の過酷な冷熱サイクル下においては、Ｂｉと接触する材料の種類によっては、接触する界面での反応が顕著になり、不要な反応生成物を生成することが明らかとなった。このような現象は、−４０℃〜２００℃という温度条件下とした場合に初めて見出されたものである。
このように、高い耐熱性に着目してハンダ材料にＢｉを適用すると、ハンダそのものの耐熱性は向上するものの、Ｂｉ系ハンダ材料との界面状態によっては、冷熱サイクルによって不要な反応生成物を生成し、それに起因してクラックなどを発生させ、結果、耐熱性を低下させることになる。 (1) Bi simple substance Since Bi has a melting point near 270 ° C., it is suitable as a solder material for the joint. However, under a severe cooling and heating cycle of −40 ° C. to 200 ° C., depending on the type of material in contact with Bi, the reaction at the contact interface becomes significant, and it is clear that unnecessary reaction products are generated. became. Such a phenomenon was found for the first time when temperature conditions of −40 ° C. to 200 ° C. were used.
As described above, when Bi is applied to the solder material by paying attention to high heat resistance, the heat resistance of the solder itself is improved, but depending on the interface state with the Bi-based solder material, an unnecessary reaction product is generated by the thermal cycle. As a result, cracks and the like are generated, resulting in a decrease in heat resistance.

そこで、本発明では、Ｂｉを高温にしても接触界面で不要な反応物を生成させない材料を検討し、Ｂｉの接触界面にＣｕ層を設けている。この結果、Ｂｉの接触界面では、不要な反応生成物を生成させること無く、クラックなどの不具合の発生を抑えることができる。
つまり、単に、融点の高いＢｉをハンダ材料として接合部に適用すれば、半導体モジュールの耐熱性が向上するというのではなく、ハンダ材料の種類と、ハンダ材料が接する界面に設ける層の材質との組み合わせによって、はじめて耐熱性を向上させることができる。 Therefore, in the present invention, a material that does not generate unnecessary reactants at the contact interface even when Bi is heated is studied, and a Cu layer is provided at the Bi contact interface. As a result, the occurrence of defects such as cracks can be suppressed at the Bi contact interface without generating unnecessary reaction products.
In other words, simply applying Bi having a high melting point as a solder material to the joint does not improve the heat resistance of the semiconductor module, but the type of solder material and the material of the layer provided at the interface where the solder material contacts. Only in combination can the heat resistance be improved.

（２）Ｂｉ−ＣｕＡｌＭｎ
Ｂｉは２７０℃近辺の融点を有するため、第二の接合層のハンダ材料としては好適であるが、せん断強度が弱く、脆いという性質を有しているため、取り扱いが難しい。そこで、ＣｕＡｌＭｎ合金の粒子をＢｉに分散させて強度を高めている。この機能について更に詳細に説明する。 (2) Bi-CuAlMn
Bi has a melting point of around 270 ° C., so it is suitable as a solder material for the second bonding layer, but it is difficult to handle because it has a weak shear strength and is brittle. Therefore, CuAlMn alloy particles are dispersed in Bi to increase the strength. This function will be described in more detail.

ＣｕＡｌＭｎ合金はマルテンサイト変態の性質を有する。マルテンサイト変態の性質を有する金属の合金相は、温度や応力に基づいてマルテンサイト相又は母相のいずれかの状態をとる。金属の合金相がマルテンサイト相の場合には、金属は極めて柔軟性に富んでおり、外力に基づいて容易に形状を変えることができる。このため、外力に基づく応力が緩和される。更に、冷熱サイクルが繰り返されたとしても、柔軟に形状を変えることができるので、応力に基づく疲労の蓄積が抑制される。また、金属の合金相が母相の場合は、金属は外力に基づいてマルテンサイト相に相移転し、弾性変形するので、外力が除荷されれば、記憶された元の形状に回復することができる。このため、金属にかかる応力が緩和されるとともに、その応力の蓄積が抑制される。   CuAlMn alloys have martensitic transformation properties. The alloy phase of the metal having martensitic transformation properties takes either a martensitic phase or a parent phase based on temperature and stress. When the alloy phase of the metal is a martensite phase, the metal is extremely flexible and can be easily changed in shape based on an external force. For this reason, the stress based on an external force is relieved. Furthermore, even if the cooling and heating cycle is repeated, the shape can be changed flexibly, so that accumulation of fatigue based on stress is suppressed. In addition, when the metal alloy phase is the parent phase, the metal undergoes phase transfer to the martensite phase based on the external force and elastically deforms, so that when the external force is unloaded, the original shape is restored. Can do. For this reason, the stress applied to the metal is relieved and the accumulation of the stress is suppressed.

したがって、マルテンサイト変態の性質を有するＣｕＡｌＭｎ合金をバルク金属であるＢｉに加えることによって、外力からの応力を緩和するとともに、その応力の蓄積を制御することができる。その結果、Ｂｉに特有のせん断強度の弱さや脆さが解消される。   Therefore, by adding a CuAlMn alloy having a martensitic transformation property to Bi which is a bulk metal, stress from an external force can be relieved and the accumulation of the stress can be controlled. As a result, the weak shear strength and brittleness characteristic of Bi are eliminated.

さらに、ＣｕＡｌＭｎ合金は毒性が少なく、添加するバルク金属の融点（液相線温度や固相線温度）に与える影響も少ない。また、ＣｕＡｌＭｎ合金は電気抵抗が小さいため、ＣｕＡｌＭｎ合金に電流が流れる状況下においても好適に利用することができる。   Furthermore, the CuAlMn alloy has little toxicity and has little influence on the melting point (liquidus temperature or solidus temperature) of the bulk metal to be added. Further, since the CuAlMn alloy has a small electric resistance, it can be suitably used even under a situation where a current flows through the CuAlMn alloy.

Ｂｉ−ＣｕＡｌＭｎ中のＣｕＡｌＭｎ合金の含有率は、０．５〜２０質量％であることが好ましく、１〜１５質量％であることがより好ましい。ＣｕＡｌＭｎ合金の含有率が０．５質量％よりも少ないと、マルテンサイト変態の性質を有する物質を添加した上記効果が得られ難く、２０質量％よりも多いと、溶融するＢｉの含有率が低くなり、被接合体との接合強度が得られ難くなる。
なお、ＢｉとＣｕＡｌＭｎとの体積分率を９０：１０〜４５：５５まで変化させた場合であっても、Ｂｉ−ＣｕＡｌＭｎの融点（固相線温度）は、約２７１℃程度である。 The content of the CuAlMn alloy in Bi—CuAlMn is preferably 0.5 to 20% by mass, and more preferably 1 to 15% by mass. When the content of the CuAlMn alloy is less than 0.5% by mass, it is difficult to obtain the above effect by adding a material having martensitic transformation properties. When the content is more than 20% by mass, the content of molten Bi is low. Therefore, it is difficult to obtain the bonding strength with the object to be bonded.
Even when the volume fraction of Bi and CuAlMn is changed from 90:10 to 45:55, the melting point (solidus temperature) of Bi—CuAlMn is about 271 ° C.

ＣｕＡｌＭｎ合金において、Ｍｎの含有率は０．０１〜２０質量％であり、Ａｌの含有率は３〜１３質量％であり、残部がＣｕであることが好ましい。この組成比に調整することによって、マルテンサイト変態の性質が顕著に表れ、ハンダによって形成された結合部が破壊されるのを抑制することができる。   In the CuAlMn alloy, it is preferable that the Mn content is 0.01 to 20% by mass, the Al content is 3 to 13% by mass, and the balance is Cu. By adjusting to this composition ratio, the property of martensitic transformation appears remarkably, and it is possible to suppress the breakage of the joint formed by solder.

また、ＣｕＡｌＭｎ合金に、Ａｇ、Ｎｉ，Ａｕ、Ｓｎ，Ｐ，Ｚｎ、Ｃｏ，Ｆｅ、Ｂ、Ｓｂ、Ｇｅを添加すると、Ｂｉとの整合性を向上させ、マルテンサイト相を安定化させる効果があるので、これら添加元素を添加する態様も好ましい。
ＣｕＡｌＭｎ合金における上記添加元素の含有率は、０．００１〜１０質量％であることが好ましい。添加元素が０．００１質量％よりも少ないと、添加元素を添加する上記効果が得られ難い。添加元素が１０質量％よりも多いとＣｕＡｌＭｎ合金がマルテンサイト相を呈することができなくなる。 Moreover, when Ag, Ni, Au, Sn, P, Zn, Co, Fe, B, Sb, and Ge are added to the CuAlMn alloy, there is an effect of improving the consistency with Bi and stabilizing the martensite phase. Therefore, an embodiment in which these additional elements are added is also preferable.
The content of the additive element in the CuAlMn alloy is preferably 0.001 to 10% by mass. When the additive element is less than 0.001% by mass, it is difficult to obtain the above effect of adding the additive element. If there are more additive elements than 10% by mass, the CuAlMn alloy cannot exhibit a martensite phase.

ＣｕＡｌＭｎ合金粒子の粒径を調整すると、Ｂｉ−ＣｕＡｌＭｎの応力緩和能力等を調整することができる。具体的には、ＣｕＡｌＭｎ合金粒子の粒径は、０．０１〜１００μｍであることが好ましく、０．０１〜２０μｍであることが更に好ましい。   By adjusting the particle diameter of the CuAlMn alloy particles, the stress relaxation ability of Bi—CuAlMn can be adjusted. Specifically, the particle diameter of the CuAlMn alloy particles is preferably 0.01 to 100 μm, and more preferably 0.01 to 20 μm.

ＣｕＡｌＭｎ合金粒子の調製方法は特に制限されず、合金粒子の公知の調製方法を適宜適用することができる。調整方法の一例を下記に示すがこれに限定されない。
まず、Ｃｕ、Ａｌ、ＭｎをＡｒ雰囲気下で高周波溶解炉によって溶解し前駆体であるＣｕＡｌＭｎ合金インゴットを作製する。インゴットには必要に応じて、上記添加元素を添加しても良い。次に、得られたインゴットをアトマイズ法等の粉末作製技術を利用して粉末化し、ＣｕＡｌＭｎ合金粒子を得る。粉末化したＣｕＡｌＭｎ合金粒子は滴下法等を利用して、粒子表面にＮｉやＡｕをめっきする。粒子表面のめっき層の膜厚を調整することによって、Ｂｉ−ＣｕＡｌＭｎ中のＣｕＡｌＭｎ粒子の分散性を向上させることができる。好ましい該めっき層の膜厚は、０．０１〜３μｍである。 The method for preparing CuAlMn alloy particles is not particularly limited, and a known method for preparing alloy particles can be appropriately applied. An example of the adjustment method is shown below, but is not limited thereto.
First, Cu, Al, and Mn are melted in a high-frequency melting furnace in an Ar atmosphere to prepare a CuAlMn alloy ingot as a precursor. You may add the said additional element to an ingot as needed. Next, the obtained ingot is pulverized using a powder production technique such as an atomizing method to obtain CuAlMn alloy particles. The powdered CuAlMn alloy particles are plated with Ni or Au on the particle surface using a dropping method or the like. By adjusting the film thickness of the plating layer on the particle surface, the dispersibility of CuAlMn particles in Bi-CuAlMn can be improved. A preferable film thickness of the plating layer is 0.01 to 3 μm.

Ｂｉ−ＣｕＡｌＭｎによって絶縁部３０と放熱板４０とを接合する場合、Ｂｉ−ＣｕＡｌＭｎの融点（２７０℃）よりも数十℃高い温度で接合することが、接合部を一様に溶融させ、充分な流動性を得る観点から好ましく、３００〜３５０℃程度で接合することが好ましい。   When the insulating part 30 and the heat sink 40 are joined by Bi—CuAlMn, joining at a temperature several tens of degrees higher than the melting point of Bi—CuAlMn (270 ° C.) is sufficient to melt the joined part sufficiently. It is preferable from a viewpoint of obtaining fluidity, and it is preferable to join at about 300 to 350 ° C.

（３）ＢｉにＣｕを添加した材料
上述の通り、ハンダ材料はＢｉ単体であってもパワー半導体モジュールの耐熱性を向上させることができるが、Ｂｉの脆性の低さを改善するのであれば、ＢｉにＣｕを添加したハンダ材料とすることが好適である。 (3) Material in which Cu is added to Bi As described above, the solder material can improve the heat resistance of the power semiconductor module even if it is a simple substance of Bi, but if the low brittleness of Bi is improved, It is preferable to use a solder material in which Cu is added to Bi.

ＢｉにＣｕを添加すると、Ｂｉの脆性が低く抑えられ、機械的強度が高まるという原因については明らかになっていないが、微細なＣｕがＢｉ中に分散することによるものと思われる。   When Cu is added to Bi, the brittleness of Bi is kept low and the mechanical strength is not clarified. However, it is considered that fine Cu is dispersed in Bi.

Ｂｉの脆性を低く抑えるという観点からは、Ｃｕの含有率は０．０１質量％以上であることが好ましく、より好適には０．１質量％以上であり、更に好適には０．４質量％以上である。
一方、Ｃｕを多く添加すると、液相線温度が上昇するので、ハンダによる接合時の加熱温度を考慮すると、Ｃｕの含有率は５質量％以下であり、好適には２質量％以下であり、更に好適には１質量％以下である。 From the viewpoint of keeping Bi brittleness low, the Cu content is preferably 0.01% by mass or more, more preferably 0.1% by mass or more, and even more preferably 0.4% by mass. That's it.
On the other hand, when a large amount of Cu is added, the liquidus temperature rises. Therefore, considering the heating temperature at the time of joining with solder, the Cu content is 5% by mass or less, preferably 2% by mass or less, More preferably, it is 1 mass% or less.

ここで、Ｃｕの添加率と液相線温度及び固相線温度との関係について説明する。
ＢｉにＣｕを含有させていくと、Ｃｕの含有率が多くなるにつれ液相線温度が高くなる。液相線温度とは、すべてが溶融し液体となる温度である。一方、Ｃｕの含有率を多くしても、固相線温度は約２７０℃とほぼ一定の温度を示す。固相線温度とは、少なくとも一部が溶解し始める温度をいう。
すなわち、Ｃｕの含有率が多くなるにつれ、溶融し始める温度（固相線温度）と、全体が溶融し終わる温度（液相線温度）との差が大きくなる。このような温度差が生じると、接合操作の際に均一に接合し難くなり、被接合部材が傾いて接合してしまうなどの不具合を発生させ易い。また、液相線温度が高くなったことに起因して、高温で半導体素子を接合すると、半導体素子が破壊されるおそれがある。 Here, the relationship between the Cu addition rate, the liquidus temperature, and the solidus temperature will be described.
When Cu is contained in Bi, the liquidus temperature increases as the Cu content increases. The liquidus temperature is the temperature at which everything melts and becomes a liquid. On the other hand, even when the Cu content is increased, the solidus temperature is about 270 ° C., which is almost constant. The solidus temperature is a temperature at which at least a part starts to dissolve.
That is, as the Cu content increases, the difference between the temperature at which melting begins (solidus temperature) and the temperature at which the entire melting ends (liquidus temperature) increases. When such a temperature difference arises, it becomes difficult to join uniformly at the time of joining operation, and it is easy to generate malfunctions, such as a member to be joined tilting and joining. In addition, when the semiconductor element is bonded at a high temperature due to an increase in the liquidus temperature, the semiconductor element may be destroyed.

また、ハンダでの接合時の好適な加熱温度を考慮すると、ＢｉにＣｕを含有させたハンダ材料の液相線温度の上限は６５０℃であり、より好適には４５０℃である。   In consideration of a suitable heating temperature at the time of joining with solder, the upper limit of the liquidus temperature of the solder material containing Cu in Bi is 650 ° C., more preferably 450 ° C.

ＢｉにＣｕを含有させたときの具体的な液相線温度及び固相線温度を下記表１に示す。   Specific liquidus temperature and solidus temperature when Cu is contained in Bi are shown in Table 1 below.

Figure 0005224430
Figure 0005224430

ＢｉにＣｕを添加したハンダ材料の製造方法は、特に制限されず、公知の方法を採用することができる。例えば、具体的な製造方法として下記の方法を挙げることができるが、本発明はこれに限定されない。
所定量のＢｉ及びＣｕを準備し、高周波溶解炉等により加熱、混合した後に、冷却する。 The manufacturing method of the solder material in which Cu is added to Bi is not particularly limited, and a known method can be adopted. For example, although the following method can be mentioned as a specific manufacturing method, this invention is not limited to this.
A predetermined amount of Bi and Cu are prepared, heated and mixed in a high-frequency melting furnace or the like, and then cooled.

（４）ＢｉにＮｉを添加した材料
ＢｉにＮｉを添加すると、Ｂｉの脆性が改善され、機械的強度が高まる。この原因については明らかになっていないが、微細なＢｉ３Ｎｉの化合物相がＢｉ中に分散することによるものと思われる。 (4) Material with Ni added to Bi When Ni is added to Bi, the brittleness of Bi is improved and the mechanical strength is increased. Although the cause of this has not been clarified, it is considered that the fine Bi 3 Ni compound phase is dispersed in Bi.

Ｂｉの脆性を低く抑えるという観点からは、Ｎｉの含有率は０．０１質量％以上であり、好適には０．１質量％以上であり、更に好適には０．４質量％以上である。
一方、Ｎｉを多く添加すると、Ｃｕを添加したときと同様に、液相線温度が上昇する。したがって、ハンダによる接合時の加熱温度を考慮すると、Ｎｉの含有率は７質量％以下であり、好適には２質量％以下であり、更に好適には１質量％以下である。
ＢｉにＮｉを含有させたときの具体的な液相線温度及び固相線温度を下記表２に示す。 From the viewpoint of keeping Bi brittleness low, the Ni content is 0.01% by mass or more, preferably 0.1% by mass or more, and more preferably 0.4% by mass or more.
On the other hand, when a large amount of Ni is added, the liquidus temperature rises in the same manner as when Cu is added. Therefore, considering the heating temperature at the time of joining with solder, the Ni content is 7% by mass or less, preferably 2% by mass or less, and more preferably 1% by mass or less.
Specific liquidus temperature and solidus temperature when Ni is contained in Bi are shown in Table 2 below.

Figure 0005224430
Figure 0005224430

ＢｉにＮｉを添加したハンダ材料の製造方法は、特に制限されず、公知の方法を採用することができ、上述のＢｉにＣｕを添加したハンダ材料と同様の方法を採用することができる。   The manufacturing method of the solder material in which Ni is added to Bi is not particularly limited, and a known method can be adopted, and the same method as the solder material in which Cu is added to Bi described above can be adopted.

＜第一接合部＞
本発明における第二接合部５０は、パワー半導体素子２０と絶縁部３０との間を接合するために設けられる。上述の通り、本発明では、第二接合部５０の材質としては特に制限されないが、第一の実施態様では上記第二接合部６０に約２７０℃の融点を有するＢｉ系ハンダ材料を適用するため、製造工程上、２７０℃よりも充分に高い融点を有する材料を適用することが好ましい。但し、製造工程上、ハンダ付けのための加熱によってパワー半導体素子２０が破壊しないよう、第一接合部５０には、融点が４５０℃以下であるものを適用することが好ましい。
つまり、第一接合部５０には、融点が２７０℃よりも充分高く、４５０℃よりも低い材料を適用することが好ましい。 <First joint>
The second joint portion 50 in the present invention is provided to join between the power semiconductor element 20 and the insulating portion 30. As described above, in the present invention, the material of the second joint portion 50 is not particularly limited, but in the first embodiment, a Bi solder material having a melting point of about 270 ° C. is applied to the second joint portion 60. It is preferable to apply a material having a melting point sufficiently higher than 270 ° C. in the manufacturing process. However, in the manufacturing process, it is preferable to use a material having a melting point of 450 ° C. or lower for the first bonding portion 50 so that the power semiconductor element 20 is not broken by heating for soldering.
That is, it is preferable to apply a material having a melting point sufficiently higher than 270 ° C. and lower than 450 ° C. to the first bonding portion 50.

ここで、Ｚｎの融点は約４２０℃である。２回目の接合に用いるＢｉ系ハンダ材料の融点が２７０℃であるので、１回目の接合に用いるハンダ材料としてＺｎを適用することは可能であるが、ハンダ時の加熱温度のより好適な範囲の上限である４５０℃を考慮すると、これよりも融点を低くすることが望ましい。   Here, the melting point of Zn is about 420 ° C. Since the melting point of the Bi solder material used for the second bonding is 270 ° C., it is possible to apply Zn as the solder material used for the first bonding, but the heating temperature during soldering is more suitable. Considering the upper limit of 450 ° C., it is desirable to lower the melting point.

そこで、ＺｎにＡｌを添加して融点（固相線温度）を降下させるよう、ＺｎとＡｌの合金とすることが好ましい。また、ＺｎとＡｌの他に、２質量％以下の金属Ｍを含有してもよい。すなわち、第一接合部５０には、Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金を適用することが好ましい。 Therefore, it is preferable to use an alloy of Zn and Al so that the melting point (solidus temperature) is lowered by adding Al to Zn. In addition to Zn and Al, 2% by mass or less of metal M may be contained. That is, the first joint portion 50, it is preferable to apply the alloy represented by Zn (1-x-y) Al x M y.

Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金において、Ａｌの含有率（ｘの範囲）は、好ましくは、２質量％以上１０質量％以下であり、３質量％以上８質量％以下であることがより好ましい。
Ａｌを含まない場合（ｘが０の場合）には上述のように融点は約４２０℃であって、Ａｌの含有率が増加するに従い、溶解終了温度（液相線温度）は徐々に降下し、Ａｌの含有率が約２質量％で溶解終了温度（液相線温度）が約４１０℃となり、Ａｌの含有率が約４〜６質量％で液相線温度が約３８２℃となる。Ａｌの含有率が約６質量％よりも多くなると、溶解し始める温度（固相線温度）と溶解の完了する温度（液相線温度）との差が大きくなり、Ａｌの含有率が１０質量％の場合には、固相線温度が約３８２℃で、液相線温度が約４１０℃となる。Ａｌの含有率が１０質量％よりも多くなると固相線温度と液相線温度との温度差が３０℃よりも大きくなるので作業性が低下し、ハンダによって第一接合部を接合する際に、位置ずれや接合部材の傾斜等の不具合を発生させやすくなる。 In Zn (1-x-y) alloy represented by Al x M y, the content of Al (range x) is preferably not more than 10 wt% or more 2 wt%, 3 wt% or more and 8 mass % Or less is more preferable.
When Al is not included (when x is 0), the melting point is about 420 ° C. as described above, and the dissolution end temperature (liquidus temperature) gradually decreases as the Al content increases. When the Al content is about 2% by mass, the dissolution end temperature (liquidus temperature) is about 410 ° C., and when the Al content is about 4 to 6% by mass, the liquidus temperature is about 382 ° C. When the Al content exceeds about 6% by mass, the difference between the temperature at which melting begins (solidus temperature) and the temperature at which dissolution completes (liquidus temperature) increases, and the Al content is 10% by mass. %, The solidus temperature is about 382 ° C. and the liquidus temperature is about 410 ° C. When the Al content exceeds 10% by mass, the temperature difference between the solidus temperature and the liquidus temperature becomes larger than 30 ° C., so that workability is reduced, and when joining the first joint with solder. In addition, problems such as misalignment and inclination of the joining member are likely to occur.

また、Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金における金属Ｍは、亜鉛及びアルミニウム以外の金属を表し、Ｃｕなどを挙げることができる。Ｃｕを２質量％以下含有させると、濡れ性が良好となり密着性が向上する。なおＣｕを２質量％含有しても液相線温度は殆ど変化しない。
Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金において、金属Ｍの含有量（ｙの範囲）としては、０〜２質量％であり、好ましくは０〜１．５質量％である。金属Ｍの含有量が２質量％よりも多くなると、溶解完了までの温度差が３０℃よりも大きくなるので作業性が低下し、ハンダによって第一接合部を接合する際に、位置ずれや接合部材の傾斜等の不具合が発生し易くなる。 The metal M in the alloy represented by Zn (1-x-y) Al x M y represents a metal other than zinc and aluminum, and the like Cu. When Cu is contained in an amount of 2% by mass or less, the wettability is improved and the adhesion is improved. Even when 2% by mass of Cu is contained, the liquidus temperature hardly changes.
In Zn (1-x-y) alloy represented by Al x M y, the content of the metal M as (range y) is 0 to 2 wt%, preferably 0 to 1.5 mass% is there. When the content of the metal M is more than 2% by mass, the temperature difference until the completion of melting becomes larger than 30 ° C., so workability is reduced, and when the first joint is joined by solder, misalignment or joining Problems such as the inclination of the members are likely to occur.

Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金の調製方法は特に制限されず、公知の合金調製方法を適宜適用することができる。 Process for the preparation of Zn (1-x-y) alloy represented by Al x M y is not particularly limited and may be appropriately applying a known alloy preparation method.

Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金によってパワー半導体素子２０と絶縁部３０とを接合する場合、合金の液相線温度よりも数十℃高い温度で接合することが、接合部を一様に溶融させ、充分な流動性を得る観点から好ましい。例えば、３８２℃の液相線温度を有するＺｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙ合金の場合には、４１０℃〜４４０℃程度で接合することが好ましい。 When joining Zn (1-x-y) of an alloy represented by Al x M y and the power semiconductor element 20 and an insulating portion 30, to be joined by several tens ℃ temperature higher than the liquidus temperature of the alloy From the viewpoint of uniformly melting the joint and obtaining sufficient fluidity. For example, in the case of Zn (1-x-y) Al x M y alloy with liquidus temperature of 382 ° C. it is preferably bonded at 410 ℃ ~440 about ° C..

＜Ｂｉ系ハンダ材料に対する被接合面＞
半導体モジュールのように、過酷な冷熱サイクルにおいて、反応生成物を生成すると、この反応生成物が存在する位置を起点にクラックが発生したり、脆い反応生成物の場合には、反応生成物が割れてクラックの発生の原因となったりする。
そこで、Ｂｉ系ハンダ材料によって接合する部材の被接合面には、Ｃｕ層を備える。つまり、第一の実施態様では、第一接合部５０にＢｉ系ハンダ材料を適用するので、パワー半導体素子２０と絶縁部３０のそれぞれの被接合面にＣｕ層を備える。Ｃｕ層を備えることで、Ｂｉとの界面において不要な反応生成物の生成を抑えることができる。 <Surface to be bonded to Bi solder material>
When a reaction product is generated in a harsh cooling cycle such as a semiconductor module, a crack is generated starting from the position where the reaction product exists, and in the case of a fragile reaction product, the reaction product is cracked. Cause cracks.
Therefore, a Cu layer is provided on the surfaces to be joined of the members to be joined by the Bi solder material. In other words, in the first embodiment, since a Bi solder material is applied to the first bonding portion 50, Cu surfaces are provided on the bonded surfaces of the power semiconductor element 20 and the insulating portion 30, respectively. By providing the Cu layer, it is possible to suppress generation of unnecessary reaction products at the interface with Bi.

Ｂｉ系ハンダ材料の被接合面に設けるＣｕ層の厚みは、０．１μｍ〜１０μｍであることが好ましく、０．５μｍ〜５μｍであることがより好ましい。０．１μｍよりも薄いと、接合時にハンダ材料に溶け込み消失する恐れがあり、１０μｍよりも厚いと、パワー半導体モジュール全体の熱膨張係数に影響を与え、熱応力を生じさせるようになるため好ましくない。
Ｃｕ層は、スパッタリングやめっき、蒸着等によって形成することができる。 The thickness of the Cu layer provided on the surface to be joined of the Bi-based solder material is preferably 0.1 μm to 10 μm, and more preferably 0.5 μm to 5 μm. If it is thinner than 0.1 μm, it may be dissolved into the solder material at the time of bonding, and if it is thicker than 10 μm, the thermal expansion coefficient of the entire power semiconductor module will be affected and thermal stress will be generated. .
The Cu layer can be formed by sputtering, plating, vapor deposition, or the like.

なお、ハンダ材料がＢｉ単体のみならず、ＢｉにＣｕＡｌＭｎ合金粒子を分散したハンダ材料、ＢｉにＣｕを添加したハンダ材料、ＢｉにＮｉを添加したハンダ材料であっても、添加したＣｕＡｌＭｎ合金粒子やＣｕやＮｉの存在によらず、Ｃｕ層と接合部との接触界面では、不要な反応生成物が発生し難くなり、温度変化に対しても耐性が高くなる。   Even if the solder material is not only Bi, but also a solder material in which CuAlMn alloy particles are dispersed in Bi, a solder material in which Cu is added to Bi, and a solder material in which Ni is added to Bi, the added CuAlMn alloy particles, Regardless of the presence of Cu or Ni, an unnecessary reaction product is hardly generated at the contact interface between the Cu layer and the joint, and resistance to temperature changes is increased.

＜Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金に対する被接合面＞
Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金を接合部材として用いる場合には、接合する部材の被接合面には、Ｎｉ層を備える。つまり、第一の実施態様では、第一接合部５０にＺｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金を適用するので、パワー半導体素子２０と絶縁部３０のそれぞれの被接合面にＮｉ層を備える。Ｎｉ層を備えることで、Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金との界面において不要な反応生成物の生成を抑えることができ、温度変化に対しても耐性が高くなる。 <Zn (1-x-y ) joining surface for the alloy represented by Al x M y>
In the case of using a Zn (1-x-y) alloy represented by Al x M y as the joining member, the joining surface of the joining members comprises a Ni layer. That is, in the first embodiment, since the application of the alloy represented by the first joint portion 50 Zn (1-x-y ) Al x M y, power respectively to be joined of the semiconductor element 20 and the insulating portion 30 A Ni layer is provided on the surface. By providing a Ni layer, Zn (1-x-y ) Al x at the interface between the alloy represented by M y can be suppressed the formation of undesired reaction products, high resistance against temperature changes Become.

Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金の被接合面に設けるＮｉ層の厚みは、０．１μｍ〜１０μｍであることが好ましく、０．５μｍ〜５μｍであることがより好ましい。０．１μｍよりも薄いと、接合時にハンダ材料に溶け込み消失する恐れがあり、１０μｍよりも厚いと、パワー半導体モジュール全体の熱膨張係数に影響を与え、熱応力を生じさせるようになるため好ましくない。
Ｎｉ層は、スパッタリングやめっき、蒸着等によって形成することができる。 The thickness of the Zn (1-x-y) Al x M Ni layer provided on the joining surface of the alloy represented by y is preferably from 0.1 m to 10 m, more to be 0.5μm~5μm preferable. If it is thinner than 0.1 μm, it may be dissolved into the solder material at the time of bonding, and if it is thicker than 10 μm, the thermal expansion coefficient of the entire power semiconductor module will be affected and thermal stress will be generated. .
The Ni layer can be formed by sputtering, plating, vapor deposition, or the like.

＜パワー半導体素子＞
パワー半導体素子２０としては、特に制限することなく用途に応じて適宜適用することができ、一般的なＳｉ基板なども適用できる。
本発明では、次世代素子としてＧａＮ基板やＳｉＣ基板などを用いた場合であっても、第二接合部５０に用いるＢｉ−ＣｕＡｌＭｎの融点（固相線温度）が約２７０℃のため、半導体素子の繰り返し使用によって放熱される２００℃を超える高温に対しても、亀裂や剥離などの不具合を生じさせない信頼性の高いパワー半導体モジュールとなる。 <Power semiconductor element>
As the power semiconductor element 20, it can apply suitably according to a use without a restriction | limiting in particular, A general Si substrate etc. can also be applied.
In the present invention, even when a GaN substrate or SiC substrate is used as the next generation device, the melting point (solidus temperature) of Bi—CuAlMn used for the second junction 50 is about 270 ° C. The power semiconductor module is highly reliable and does not cause defects such as cracks and peeling even at high temperatures exceeding 200 ° C. that are dissipated by repeated use.

第一の実施態様では、第一接合部５０にＺｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金を適用するので、パワー半導体素子２０は、第一接合部５０側の表面にＮｉ層２２を設ける。第一接合部５０としてＺｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金を用いた場合、Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙ層とＮｉ層２２との界面においては、冷熱サイクルによる不要な生成物を発生させることがないので、温度変化に対しても耐性が高くなる。 In a first embodiment, since the application of the alloy represented by the first joint portion 50 Zn (1-x-y ) Al x M y, the power semiconductor element 20, the surface of the first bonding portion 50 side A Ni layer 22 is provided. When using Zn (1-x-y) alloy represented by Al x M y as a first joint portion 50, at the interface between the Zn (1-x-y) Al x M y layer and the Ni layer 22 In addition, since unnecessary products are not generated by the cooling and heating cycle, the resistance to temperature changes is increased.

更にＮｉ層２２の表面には、酸化防止やぬれ性（密着性）確保のために、薄いＡｕ層（図示せず）が設けられていてもよい。なお、この薄いＡｕ層は、接合時にハンダ浴に溶け込み、最終的なパワー半導体モジュールには殆ど残存しない。   Furthermore, a thin Au layer (not shown) may be provided on the surface of the Ni layer 22 in order to prevent oxidation and ensure wettability (adhesion). The thin Au layer dissolves in the solder bath at the time of bonding, and hardly remains in the final power semiconductor module.

このようなＡｕ層の厚さは、０．０１μｍ〜０．５μｍ程度であることが好ましく、より好ましくは、０．０５μｍ〜０．３μｍである。Ａｕ層は、スパッタリングやめっき、蒸着等によって形成することができる。   The thickness of such an Au layer is preferably about 0.01 μm to 0.5 μm, and more preferably 0.05 μm to 0.3 μm. The Au layer can be formed by sputtering, plating, vapor deposition, or the like.

＜絶縁部＞
絶縁部３０における絶縁基板３２としては、絶縁性を確保できるものであれば特に制限されず適用することができるが、好ましくは冷却サイクル時に顕著な熱応力を生じさせないよう、半導体素子の熱膨張係数と同程度の熱膨張係数を有するものである。 <Insulation part>
The insulating substrate 32 in the insulating portion 30 can be applied without particular limitation as long as it can ensure insulation, but preferably has a thermal expansion coefficient of the semiconductor element so as not to cause significant thermal stress during the cooling cycle. It has a thermal expansion coefficient comparable to the above.

具体的に好適な絶縁基板３２としては、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３などで形成されるものを挙げることができ、この中でも熱伝導率及び熱膨張係数の観点からＡｌＮが好適である。 Specific examples of suitable insulating substrate 32 include those formed of AlN, Si 3 N 4 , Al 2 O 3, etc. Among them, AlN is preferable from the viewpoint of thermal conductivity and thermal expansion coefficient. is there.

また、絶縁基板３２におけるパワー半導体素子側の表面から半導体素子に電気を通すためにＡｌＮの表面に導電層３４を設ける。また、温度変化に対するそりを抑制するために、放熱板４０側にも導電層３６を設けることが好ましい。このような導電層３４、３６としては、Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｎｉなどを挙げることができ、この中でもＡｌ及びＣｕが好ましい。ＡｌＮの表面にＡｌ層を設けると、温度変化に対して塑性変形を生じ、熱応力を緩和でき、Ｃｕ層を設けると導電率が高いことから薄くすることができ、熱応力を緩和できるため好適である。   Further, a conductive layer 34 is provided on the surface of AlN in order to conduct electricity from the surface of the insulating substrate 32 on the power semiconductor element side to the semiconductor element. In order to suppress warping against temperature changes, it is preferable to provide the conductive layer 36 also on the heat radiating plate 40 side. Examples of the conductive layers 34 and 36 include Al, Cu, Mo, Ni, and the like, and among these, Al and Cu are preferable. When an Al layer is provided on the surface of AlN, plastic deformation occurs due to temperature changes and thermal stress can be relaxed. When a Cu layer is provided, electrical conductivity is high, so that it can be thinned and thermal stress can be relaxed. It is.

ＡｌＮの表面に備える導電層３４、３６の厚さは、０．０１ｍｍ〜１ｍｍであることが好ましく、０．０５ｍｍ〜０．６ｍｍであることがより好ましい。導電層の厚さが０．０１ｍｍ未満の場合には、横方向への電流による損失及び発熱が無視できなくなり、１ｍｍを超える場合には、パワー半導体モジュール全体の熱膨張係数に影響を与え、熱応力を生じさせるようになるため好ましくない。   The thickness of the conductive layers 34 and 36 provided on the surface of AlN is preferably 0.01 mm to 1 mm, and more preferably 0.05 mm to 0.6 mm. If the thickness of the conductive layer is less than 0.01 mm, the loss and heat generation due to the current in the lateral direction cannot be ignored, and if it exceeds 1 mm, the thermal expansion coefficient of the entire power semiconductor module is affected, and the heat This is not preferable because stress is generated.

ＡｌＮの両表面に導電層３４、３６を貼付する方法は特に制限されず、ロウ付けなどの公知の方法を適宜採用することができる。   The method for attaching the conductive layers 34 and 36 to both surfaces of AlN is not particularly limited, and a known method such as brazing can be appropriately employed.

なお、ＡｌＮの表面に導電層３４、３６としてＣｕ層を設けた場合、第二接合部６０にＢｉ系ハンダ材料を適用するときに、接合部との界面において不要な反応生成物を生成させないように設けるＣｕ層の機能を兼ねることができる。   When a Cu layer is provided as the conductive layers 34 and 36 on the surface of AlN, when a Bi-based solder material is applied to the second joint portion 60, an unnecessary reaction product is not generated at the interface with the joint portion. It can also serve as a Cu layer provided on the substrate.

一方、導電層３４、３６としてＣｕ層を設けない場合には、Ｂｉ系ハンダ材料で接合する第二接合部６０側の絶縁部３０の表面にＣｕ層３９を設ける。このＣｕ層３９の厚みは、０．１μｍ〜１０μｍであることが好ましく、３μｍ〜８μｍであることがより好ましい。０．１μｍよりも薄いと、接合時にハンダ材料に溶け込み消失する恐れがあり、１０μｍよりも厚いと、パワー半導体モジュール全体の熱膨張係数に影響を与え、熱応力を生じさせるようになるため好ましくない。
このＣｕ層３９は、スパッタリングやめっき、蒸着等によって形成することができる。 On the other hand, when the Cu layer is not provided as the conductive layers 34 and 36, the Cu layer 39 is provided on the surface of the insulating part 30 on the second joint part 60 side to be joined with the Bi solder material. The thickness of the Cu layer 39 is preferably 0.1 μm to 10 μm, and more preferably 3 μm to 8 μm. If it is thinner than 0.1 μm, it may be dissolved into the solder material at the time of bonding, and if it is thicker than 10 μm, the thermal expansion coefficient of the entire power semiconductor module will be affected and thermal stress will be generated. .
The Cu layer 39 can be formed by sputtering, plating, vapor deposition, or the like.

一方、Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金を適用する第一接合部５０側の絶縁部３０の表面には、Ｎｉ層３８を設ける。上述の通り、Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金は、Ｎｉ層との界面においては、冷熱サイクルによる不要な生成物を発生させることがないので、Ｎｉ層３８を設けることで温度変化に対しても亀裂や剥離などの不具合を生じさせない。 On the other hand, the Zn (1-x-y) Al x M y in the first surface of the bonding portion 50 side of the insulating portion 30 to apply an alloy represented, provided Ni layer 38. As described above, the alloy represented by Zn (1-xy) Al x M y does not generate unnecessary products due to the thermal cycle at the interface with the Ni layer. Providing it does not cause defects such as cracks and peeling even with respect to temperature changes.

Ｎｉ層３８の厚みは、０．１μｍ〜１０μｍであることが好ましく、３μｍ〜８μｍであることがより好ましい。０．１μｍよりも薄いと、接合時にハンダ材料に溶け込み消失する恐れがあり、１０μｍよりも厚いと、パワー半導体モジュール全体の熱膨張係数に影響を与え、熱応力を生じさせるようになるため好ましくない。   The thickness of the Ni layer 38 is preferably 0.1 μm to 10 μm, and more preferably 3 μm to 8 μm. If it is thinner than 0.1 μm, it may be dissolved into the solder material at the time of bonding, and if it is thicker than 10 μm, the thermal expansion coefficient of the entire power semiconductor module will be affected and thermal stress will be generated. .

更にＮｉ層３８の表面には、酸化防止や触れ性確保のために、薄いＡｕ層（図示せず）が設けられていてもよい。なお、この薄いＡｕ層は、接合時にハンダ浴に溶け込み、最終的なパワー半導体モジュールには殆ど残存しない。   Furthermore, a thin Au layer (not shown) may be provided on the surface of the Ni layer 38 in order to prevent oxidation and ensure touchability. The thin Au layer dissolves in the solder bath at the time of bonding, and hardly remains in the final power semiconductor module.

このようなＡｕ層の厚さは、０．０１μｍ〜０．５μｍ程度であることが好ましく、より好ましくは、０．０５μｍ〜０．２μｍである。   The thickness of such an Au layer is preferably about 0.01 μm to 0.5 μm, and more preferably 0.05 μm to 0.2 μm.

＜放熱板＞
放熱板４０としては、放熱性を有するものであれば特に制限されず適用することができるが、熱伝導率が充分高く放熱板としての機能に優れ、また半導体素子の熱膨張係数に近いものを用いることが好ましい。 <Heat sink>
The heat sink 40 can be applied without particular limitation as long as it has heat dissipation properties, but it has a sufficiently high thermal conductivity and an excellent function as a heat sink and is close to the thermal expansion coefficient of the semiconductor element. It is preferable to use it.

具体的に好適な放熱板４０としては、Ｍｏ、Ｃｕ−Ｍｏ合金、Ａｌ−ＳｉＣ、Ｃｕ、Ａｌなどで形成されるものを挙げることができ、この中でも高い熱伝導率とパワー半導体素子に近い熱膨張係数を有することから、Ｍｏが好適である。   Specific examples of the suitable heat sink 40 include those formed of Mo, Cu—Mo alloy, Al—SiC, Cu, Al, etc. Among them, high thermal conductivity and heat close to power semiconductor elements. Mo is preferable because it has an expansion coefficient.

Ｍｏを放熱板に用いる場合には、ハンダによる接合を可能とする観点から、Ｍｏの両面に他の金属層を設けることが好ましく、このような金属層としては、Ｃｕ、Ｎｉなどを挙げることができ、この中でもＣｕが好ましい。特に、放熱板４０が、Ｍｏの表面にＣｕ層を設けたＣｕ層４４／Ｍｏ層４２／Ｃｕ層４６の積層体であることが、熱伝導率と熱膨張係数との調整を図る観点から好適である。   When Mo is used for the heat sink, it is preferable to provide other metal layers on both sides of Mo from the viewpoint of enabling joining by soldering. Examples of such metal layers include Cu and Ni. Among these, Cu is preferable. In particular, it is preferable that the heat dissipation plate 40 is a laminate of a Cu layer 44 / Mo layer 42 / Cu layer 46 in which a Cu layer is provided on the surface of Mo from the viewpoint of adjusting the thermal conductivity and the thermal expansion coefficient. It is.

このように、放熱板４０が、Ｃｕ層４４／Ｍｏ層４２／Ｃｕ層４６で構成される積層体である場合、各層の厚さの比率が、１／５／１〜１／１２／１であることが好ましく、１／７／１〜１／９／１であることがより好ましい。１／５／１よりもＭｏ層が薄くなると、パワー半導体素子の熱膨張係数から離れた熱膨張係数を有することになるため好ましくない。１／１２／１よりもＭｏ層が厚くなると、放熱板としての放熱機能が充分に発揮され難くなり、好ましくない。   Thus, when the heat sink 40 is a laminated body composed of the Cu layer 44 / Mo layer 42 / Cu layer 46, the thickness ratio of each layer is 1/5/1 to 1/12/1. It is preferable that it is 1/7/1 to 1/9/1. If the Mo layer is thinner than 1/5/1, it is not preferable because it has a thermal expansion coefficient far from that of the power semiconductor element. If the Mo layer is thicker than 1/12/1, the heat dissipation function as a heat sink is not sufficiently exhibited, which is not preferable.

具体的な層の厚さとしては、Ｃｕ層４４、４６は、０．０５ｍｍ〜１ｍｍであることが好ましく、０．２ｍｍ〜０．５ｍｍであることがより好ましい。Ｍｏ層４２の厚さは、１ｍｍ〜７ｍｍであることが好ましく、２ｍｍ〜４ｍｍであることがより好ましい。   As a specific layer thickness, the Cu layers 44 and 46 are preferably 0.05 mm to 1 mm, and more preferably 0.2 mm to 0.5 mm. The thickness of the Mo layer 42 is preferably 1 mm to 7 mm, and more preferably 2 mm to 4 mm.

Ｃｕ層４４／Ｍｏ層４２／Ｃｕ層４６で構成される積層体は、放熱機能を充分に発揮させるため、全体の厚さは１ｍｍ〜８ｍｍであることが好ましく、２ｍｍ〜５ｍｍであることがより好ましい。   In order that the laminated body constituted by the Cu layer 44 / Mo layer 42 / Cu layer 46 sufficiently exhibits the heat dissipation function, the total thickness is preferably 1 mm to 8 mm, more preferably 2 mm to 5 mm. preferable.

既述の通り、Ｂｉ系ハンダ材料は、Ｃｕ層との界面においては、冷熱サイクルによる不要な生成物を発生させることがないので、Ｃｕ層４４がＢｉ系ハンダ材料と接する構造である本発明にかかるパワー半導体モジュールは、温度変化に対しても耐性が高くなる。   As described above, the Bi solder material does not generate unnecessary products due to the thermal cycle at the interface with the Cu layer. Therefore, the present invention has a structure in which the Cu layer 44 is in contact with the Bi solder material. Such power semiconductor modules are highly resistant to temperature changes.

＜製造方法＞
本発明のパワー半導体モジュールは、上記構成を有するものであれば、製造方法について特に制限されず、公知の方法を適宜適用することができる。
製造手順としては、まず、パワー半導体素子２０と絶縁部３０とをＺｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金によって接合して第一接合部５０を形成し、その後、パワー半導体素子２０を備えた絶縁部３０と放熱板４０とをＢｉ系ハンダ材料によって接合して第二接合部６０を形成する。
これにより、１回目に用いるハンダ材料であるＺｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金の固相線温度は、２回目に用いるハンダ材料であるＢｉ系ハンダ材料の液相線温度よりも高くなり、且つ、大量の熱を発する半導体素子に近い側の第一接合部５０には、より固相線温度の高いＺｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金を適用し、半導体素子から遠い側の第二接合部６０には、第一接合部５０に用いたハンダ材料よりも液相線温度の低いるＢｉ系ハンダ材料を適用できる。 <Manufacturing method>
If the power semiconductor module of this invention has the said structure, it will not restrict | limit in particular about a manufacturing method, A well-known method can be applied suitably.
The manufacturing procedure, first, a first joint portion 50 are joined by an alloy represented the power semiconductor element 20 and the insulating portion 30 in Zn (1-x-y) Al x M y, then, the power The insulating part 30 including the semiconductor element 20 and the heat sink 40 are joined by a Bi solder material to form the second joining part 60.
Thus, Zn (1-x-y ) is a solder material used for the first solidus temperature of the Al x M y an alloy represented the liquid phase of the Bi-based solder material is a solder material used for the second higher than the line temperature, and, the first joint portion 50 of the side closer to the semiconductor element that emits a large amount of heat is represented by a more solid high-line temperature Zn (1-x-y) Al x M y A Bi-based solder material having a liquidus temperature lower than that of the solder material used for the first joint 50 can be applied to the second joint 60 far from the semiconductor element.

具体的には、第一接合部５０によるパワー半導体素子２０と絶縁部３０との接合方法としては、パワー半導体素子のＮｉ層２２と絶縁部３０のＮｉ層３８とが対向するように配置し、その間にＺｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金を挟み、パワー半導体素子２０（Ｎｉ層３８）／Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金（第一接合部材部）５０／（Ｎｉ層３８）絶縁部３０をこの順に積層した状態で、不活性ガス又は還元ガス雰囲気下において、リフロー法等を利用して接合する。
接合温度は、Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金の液相線温度よりも３０℃〜６０℃程度高い温度で行うことが好ましい。 Specifically, as a method of joining the power semiconductor element 20 and the insulating part 30 by the first joint part 50, the Ni layer 22 of the power semiconductor element and the Ni layer 38 of the insulating part 30 are arranged to face each other, sandwiched therebetween Zn (1-x-y) alloy represented by Al x M y, the power semiconductor element 20 (Ni layer 38) / Zn (1-x -y) alloy represented by Al x M y ( (First joining member part) 50 / (Ni layer 38) Insulating part 30 are laminated in this order, and joined in an inert gas or reducing gas atmosphere using a reflow method or the like.
Bonding temperature is preferably carried out in Zn (1-x-y) Al x M about 30 ° C. to 60 ° C. than the liquidus temperature of the alloy represented by y high temperatures.

第一接合部材５０の層の厚さは、熱伝導及び熱応力の観点から５〜５００μｍであることが好ましく、１０〜２００μｍであることがより好ましい。   The thickness of the layer of the first bonding member 50 is preferably 5 to 500 μm and more preferably 10 to 200 μm from the viewpoint of heat conduction and thermal stress.

第二接合部６０による接合では、第一接合部５０によってパワー半導体素子２０と接合した絶縁部３０と、放熱板４０とを用い、絶縁部３０のＣｕ層３９と放熱板４０のＣｕ層４４とが対向するように配置し、その間にＢｉ系ハンダ材料を挟み、絶縁部３０（Ｃｕ層３９）／Ｂｉ系ハンダ材料（第二接合部材部）６０／（Ｃｕ層４４）放熱板４０の順に積層した状態で、第一接合部５０による接合と同様に、不活性ガス又は還元ガス雰囲気下において、リフロー法等を利用して接合する。接合温度は、Ｂｉ系ハンダ材料の液相線温度よりも３０℃〜６０℃程度高い温度で行うことが好ましい。   In joining by the 2nd junction part 60, the insulating part 30 joined to the power semiconductor element 20 by the 1st junction part 50, and the heat sink 40 are used, Cu layer 39 of the insulating part 30, Cu layer 44 of the heat sink 40, Are arranged so as to face each other, and a Bi solder material is sandwiched therebetween, and the insulating portion 30 (Cu layer 39) / Bi solder material (second bonding member portion) 60 / (Cu layer 44) is laminated in this order. In this state, similarly to the joining by the first joining portion 50, the joining is performed using the reflow method or the like in an inert gas or reducing gas atmosphere. The bonding temperature is preferably 30 to 60 ° C. higher than the liquidus temperature of the Bi solder material.

なお、接合の際にＢｉの濡れ性が良好でない場合があるので、被接合部材に外圧を加えながら擦動させることが好ましい。   In addition, since the wettability of Bi may not be good at the time of joining, it is preferable to rub while applying an external pressure to a to-be-joined member.

Ｂｉ系ハンダ材料６０の厚さは、熱伝導及び熱応力の観点から５〜５００μｍであることが好ましく、１０〜３００μｍであることがより好ましい。   The thickness of the Bi solder material 60 is preferably 5 to 500 μm and more preferably 10 to 300 μm from the viewpoint of thermal conduction and thermal stress.

［第二の実施態様］
第一の実施態様では、第一接合部５０にＺｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金を適用し、第二接合部６０にはＢｉ系ハンダ材料を適用したが、第二の実施態様では、第一接合部５０にＢｉ系ハンダ材料を適用し、第二接合部６０にＺｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金を適用する。
第二の実施態様では、第一接合部５０に接する半導体素子２０の被接合面と絶縁部３０の被接合面とには、Ｃｕ層を設ける。また、第二接合部６０に接する絶縁部３０の被接合面と放熱板４０の被接合面には、Ｎｉ層を設ける。そして、第二接合部６０を先に接合し、第一接合部５０を２回目に接合する。その他については、第一の実施態様と同様であるので、説明を省略する。 [Second Embodiment]
In a first embodiment, the first bonding unit 50 applies the alloy represented by Zn (1-x-y) Al x M y, although the second bonding portion 60 a Bi based solder material, in a second embodiment, a Bi based solder material to the first bonding section 50, applies the second to the junction 60 Zn (1-x-y ) alloy represented by Al x M y.
In the second embodiment, a Cu layer is provided on the bonded surface of the semiconductor element 20 in contact with the first bonded portion 50 and the bonded surface of the insulating portion 30. In addition, a Ni layer is provided on the surface to be bonded of the insulating portion 30 that is in contact with the second bonding portion 60 and the surface to be bonded of the heat sink 40. And the 2nd junction part 60 is joined previously, and the 1st junction part 50 is joined for the 2nd time. Since others are the same as those in the first embodiment, description thereof will be omitted.

［第三の実施態様］
第三の実施態様では、第一接合部５０には、Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金やＢｉ系ハンダ材料以外のハンダ材料を適用し、第二接合部６０にＢｉ系ハンダ材料を適用する。但し、第一接合部５０に適用するハンダ材料の液相線温度は、Ｂｉ系ハンダ材料の液相線温度よりも高く、且つ６５０℃よりも低く、より好ましくは４５０℃よりも低い。このような第一接合部５０のハンダ材料としては、Ａｕ−Ｓｉ（融点３６０℃）、Ａｕ−Ｇｅ（融点３５６℃）などを挙げることができる。
第三の実施態様では、第二接合部６０に接する絶縁部３０の被接合面と放熱板４０の被接合面には、第一の実施態様と同様にＣｕ層を設ける。一方、第一接合部５０に接する半導体素子２０の被接合面と絶縁部３０の被接合面とには、第一接合部５０に用いるハンダ材料と反応して反応生成物を発生させないような金属層を設けてもよいし、設けなくてもよい。そして、第一の実施態様と同様に、第一接合部５０を先に接合し、第二接合部６０を２回目に接合する。
その他については、第一の実施態様と同様であるので、説明を省略する。 [Third embodiment]
In a third embodiment, the first bonding unit 50, applying the Zn (1-x-y) Al x M solder material other than alloys and Bi based solder material represented by y, the second joint portion 60 Bi-type solder material is applied. However, the liquidus temperature of the solder material applied to the first joint 50 is higher than the liquidus temperature of the Bi-based solder material and lower than 650 ° C., more preferably lower than 450 ° C. Examples of the solder material for the first joint 50 include Au—Si (melting point: 360 ° C.) and Au—Ge (melting point: 356 ° C.).
In the third embodiment, a Cu layer is provided on the bonded surface of the insulating portion 30 in contact with the second bonded portion 60 and the bonded surface of the heat sink 40 as in the first embodiment. On the other hand, a metal that does not react with the solder material used for the first bonding portion 50 and generate a reaction product on the bonding surface of the semiconductor element 20 in contact with the first bonding portion 50 and the bonding surface of the insulating portion 30. A layer may or may not be provided. Then, similarly to the first embodiment, the first joint 50 is joined first, and the second joint 60 is joined the second time.
Since others are the same as those in the first embodiment, description thereof will be omitted.

［その他］
なお、第一の実施態様から第三の実施態様では、２箇所の接合部分には、別種のハンダ材料を用いているが、Ｂｉ系ハンダ材料において、Ｂｉに添加する材料の種類や添加量を変えることで、融点が大きく変わる場合には、１回目の接合と２回目の接合の両者に、Ｂｉ系ハンダ材料を適用することができる。この場合においても、２回目の接合に用いるハンダ材料の融点は、１回目の接合に用いるハンダ材料の融点よりも３０℃以上低いことが望ましく、且つパワー半導体からの発熱を考慮して２００℃以上であることが望ましい。 [Others]
In the first embodiment to the third embodiment, different types of solder materials are used for the two joint portions. However, in the Bi solder material, the type and amount of the material added to Bi are set as follows. By changing the melting point, when the melting point largely changes, the Bi solder material can be applied to both the first bonding and the second bonding. Also in this case, the melting point of the solder material used for the second bonding is desirably 30 ° C. or more lower than the melting point of the solder material used for the first bonding, and 200 ° C. or more in consideration of heat generation from the power semiconductor. It is desirable that

以下では実施例により本発明を説明するが、本発明のパワー半導体モジュールの製造方法の一例について述べるものであり、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described by way of examples, but an example of a method for manufacturing a power semiconductor module of the present invention will be described, and the present invention is not limited to these examples.

［実施例１］
図１に本実施例のパワー半導体モジュールの構成を示す。 [Example 1]
FIG. 1 shows the configuration of the power semiconductor module of this embodiment.

＜パワー半導体素子の準備＞
ＧａＮを用いたパワー半導体素子２０を準備し、その最表面にＮｉ層２２をスパッタリングで形成した。Ｎｉ層２２の表面にはＡｕ層（図示せず）をスパッタリングで形成した。 <Preparation of power semiconductor element>
A power semiconductor element 20 using GaN was prepared, and a Ni layer 22 was formed on the outermost surface thereof by sputtering. An Au layer (not shown) was formed on the surface of the Ni layer 22 by sputtering.

＜絶縁部の準備＞
一方、絶縁基板３２としてのＡｌＮの両面にロウ付けによってＡｌ層３４、３６を貼り付け、Ａｌ層３４／ＡｌＮ層３２／Ａｌ層３６の積層体を作製した。更にこの積層体の一方の表面にＮｉ層３８を、他方の表面にＣｕ層３９をメッキにより形成し絶縁部３０を作製した。なお、メッキの際には、メッキしない面はマスキングシートなどを貼って保護した。 <Preparation of insulation part>
On the other hand, Al layers 34 and 36 were attached to both surfaces of AlN as the insulating substrate 32 by brazing to produce a laminate of Al layer 34 / AlN layer 32 / Al layer 36. Further, the Ni layer 38 was formed on one surface of the laminate, and the Cu layer 39 was formed on the other surface by plating to produce an insulating portion 30. During plating, the non-plated surface was protected with a masking sheet or the like.

＜第一接合部の接合＞
予め準備したＺｎ0.96Ａｌ0.04合金を放電加工法を利用して、１５０〜２００μｍの厚みに切り出した。
上記準備したパワー半導体素子２０のＮｉ層２２と、絶縁部３０のＮｉ層３８とを対向するように配置し、その間にＺｎ0.96Ａｌ0.04層５０を挟み込んだ状態で、還元ガス雰囲気下においてリフロー法を利用して、４２０℃の接合温度で接合した。 <Join the first joint>
A Zn 0.96 Al 0.04 alloy prepared in advance was cut into a thickness of 150 to 200 μm using an electric discharge machining method.
The Ni layer 22 of the prepared power semiconductor element 20 and the Ni layer 38 of the insulating portion 30 are arranged so as to face each other, and a Zn 0.96 Al 0.04 layer 50 is sandwiched therebetween, and a reflow method is performed in a reducing gas atmosphere. Was used and bonded at a bonding temperature of 420 ° C.

＜放熱板の準備＞
放熱板として、Ｍｏの両表面にＣｕ層を貼り付けて、Ｃｕ層４４／Ｍｏ層４２／Ｃｕ層４６で構成される積層体４０を作製した。積層体４０全体の厚さは３ｍｍであり、Ｃｕ層４４／Ｍｏ層４２／Ｃｕ層４６の厚さの比率は、１／８／１であった。 <Preparation of heat sink>
As a heat sink, a Cu layer was bonded to both surfaces of Mo to produce a laminate 40 composed of Cu layer 44 / Mo layer 42 / Cu layer 46. The thickness of the entire laminate 40 was 3 mm, and the thickness ratio of the Cu layer 44 / Mo layer 42 / Cu layer 46 was 1/8/1.

＜第二接合部＞
（Ｂｉ−ＣｕＡｌＭｎの調製）
まず、ＣｕＡｌＭｎ合金の調製を行った。
所定の質量％に調整されたＣｕとＡｌとＭｎを、Ａｒ雰囲気下において高周波溶解炉を利用して溶解し、前駆体であるＣｕＡｌＭｎのインゴットを得た。得られたインゴットをアトマイズ法を利用して微粉化した。
微粉化したＣｕＡｌＭｎは、滴下法を利用して、その粉末表面にＮｉをめっきした。 <Second joint>
(Preparation of Bi-CuAlMn)
First, a CuAlMn alloy was prepared.
Cu, Al, and Mn adjusted to a predetermined mass% were melted using a high-frequency melting furnace in an Ar atmosphere to obtain an ingot of CuAlMn as a precursor. The obtained ingot was pulverized using an atomizing method.
The finely divided CuAlMn was plated with Ni on the powder surface using a dropping method.

次に、表面がＮｉめっきされたＣｕＡｌＭｎ粉末とＢｉとを、透明石英管に真空封入し、Ｂｉの融点以上である４００℃の温度にて５分間保持した。これにより、Ｂｉが溶融状態となり、ＣｕＡｌＭｎ粉末が均一に分散された。分散された試料を冷却凝固することによって、第二接合部６０のハンダ材料であるＢｉ−ＣｕＡｌＭｎが得られた。   Next, CuAlMn powder with Ni plating on the surface and Bi were vacuum-sealed in a transparent quartz tube, and held at a temperature of 400 ° C., which is higher than the melting point of Bi, for 5 minutes. Thereby, Bi became a molten state and CuAlMn powder was disperse | distributed uniformly. By cooling and solidifying the dispersed sample, Bi—CuAlMn, which is a solder material of the second joint portion 60, was obtained.

鋳塊のＢｉ−ＣｕＡｌＭｎを放電加工法を利用して、１５０〜２００μｍの厚みに切り出した。   The ingot Bi—CuAlMn was cut into a thickness of 150 to 200 μm using an electric discharge machining method.

（接合）
パワー半導体素子２０が第一接合部５０で接合された絶縁部３０におけるＣｕ層３９と、放熱板４０のＣｕ層４４とが対向するように配置し、その間に酸化膜を除去したＢｉ−ＣｕＡｌＭｎ層を挟み込んだ状態で、還元ガス雰囲気下においてリフロー法を利用して３２０℃の接合温度で接合した。
得られたパワー半導体モジュール１０は、パワー半導体素子２０と絶縁部３０と放熱板４０とを積層し、その間をそれぞれＺｎ0.96Ａｌ0.04合金及びＢｉ−ＣｕＡｌＭｎで接合したものである。 (Joining)
A Bi-CuAlMn layer in which the Cu layer 39 in the insulating part 30 to which the power semiconductor element 20 is joined by the first joining part 50 and the Cu layer 44 of the heat sink 40 face each other and the oxide film is removed therebetween. In a state of sandwiching the film, bonding was performed at a bonding temperature of 320 ° C. using a reflow method in a reducing gas atmosphere.
The obtained power semiconductor module 10 is obtained by laminating the power semiconductor element 20, the insulating portion 30, and the heat radiating plate 40, and joining them with Zn 0.96 Al 0.04 alloy and Bi—CuAlMn, respectively.

なお、１回目の接合部分（Ｚｎ0.96Ａｌ0.04合金による接合箇所）は、２回目のハンダ付けの加熱によっても溶融することがなく、２回目の接合時に位置ずれを起こしたり、傾いたりという不具合を発生させていなかった。 It should be noted that the first joining part (joining part by Zn 0.96 Al 0.04 alloy) is not melted even by the second soldering heating, and it causes a problem that it is displaced or tilted at the second joining. It was not generated.

＜冷熱サイクル試験＞
得られたパワー半導体モジュール１０について、冷熱サイクル試験を行った。
本実施例において冷熱サイクル試験は、−４０℃と２５０℃の間を６０分で上昇・降下させるのを１サイクルとし、その１サイクルを合計で１０００サイクル行った。１０００サイクル後の第一接合部と第二接合部の断面を観察し、界面の反応生成物の有無、亀裂や空隙などの不具合の有無を調べた。
その結果、不具合は観察されず、過酷な条件の冷熱サイクルに対しても高い信頼性があることが確認された。 <Cooling cycle test>
The obtained power semiconductor module 10 was subjected to a cooling / heating cycle test.
In the present example, in the cooling / heating cycle test, the cycle between −40 ° C. and 250 ° C. was raised and lowered in 60 minutes as one cycle, and one cycle was performed for a total of 1000 cycles. The cross section of the 1st junction part and the 2nd junction part after 1000 cycles was observed, and the presence or absence of defects, such as a reaction product of an interface and a crack, was investigated.
As a result, no defects were observed, and it was confirmed that there was high reliability even in the cold cycle under severe conditions.

［比較例１］
図１に示す実施例１のパワー半導体モジュールの構成と同様の構成で、但し、第一接合部のハンダ材料をＰｂの含有率が９０質量％の９０Ｐｂ−Ｓｎとし、第二接合部のハンダ材料をＰｂの含有率が５０質量％の５０Ｐｂ−Ｓｎとしたパワー半導体モジュールを作製した。 [Comparative Example 1]
The configuration is the same as the configuration of the power semiconductor module of Example 1 shown in FIG. 1, except that the solder material of the first junction is 90Pb-Sn with a Pb content of 90% by mass, and the solder material of the second junction The power semiconductor module which made 50Pb-Sn whose content rate of Pb was 50 mass% was produced.

得られた比較のパワー半導体モジュールについても、実施例１と同様の冷熱サイクル試験を行った。その結果、絶縁部と放熱板との間の第二接合部において剥離が生じた。これは、冷熱サイクル試験の高温側で、第二接合部の接合材料（５０Ｐｂ−Ｓｎ）の固相線温度及び液相線温度を超えているために溶解してしまい、剥離したものと思われる。   The obtained comparative power semiconductor module was also subjected to the same thermal cycle test as in Example 1. As a result, peeling occurred at the second joint between the insulating part and the heat sink. This seems to have melted and peeled because it exceeded the solidus temperature and liquidus temperature of the joining material (50Pb-Sn) of the second joint on the high temperature side of the thermal cycle test. .

［実施例２］
図２にしめすような、パワー半導体素子と絶縁基板とをＢｉ系ハンダ材料で接合した評価試験体−１を作製した。 [Example 2]
As shown in FIG. 2, an evaluation test body-1 in which a power semiconductor element and an insulating substrate were joined with a Bi solder material was produced.

＜パワー半導体素子の準備＞
ＧａＮを用いたパワー半導体素子２０を準備し、その最表面にＣｕ層２２１をスパッタリングで形成した。 <Preparation of power semiconductor element>
A power semiconductor element 20 using GaN was prepared, and a Cu layer 221 was formed on the outermost surface by sputtering.

＜絶縁部の準備＞
一方、絶縁基板３２としてのＡｌＮの両面にロウ付けによってＡｌ層３４、３６を貼り付け、Ａｌ層３４／ＡｌＮ層３２／Ａｌ層３６の積層体を作製した。更にこの積層体の一方の表面にＣｕ層３８１をメッキにより形成し絶縁部３０を作製した。なお、メッキの際には、メッキしない面はマスキングシートなどを貼って保護した。 <Preparation of insulation part>
On the other hand, Al layers 34 and 36 were attached to both surfaces of AlN as the insulating substrate 32 by brazing to produce a laminate of Al layer 34 / AlN layer 32 / Al layer 36. Further, a Cu layer 381 was formed on one surface of the laminate by plating to produce an insulating portion 30. During plating, the non-plated surface was protected with a masking sheet or the like.

＜第一接合部の接合＞
Ｂｉ単体を１５０〜２００μｍの厚みに切り出した。切り出されたＢｉ単体層の表面を覆っている酸化膜を、研磨及び酸洗浄を利用して除去した。
上記準備したパワー半導体素子２０のＣｕ層２２１と、絶縁部３０のＣｕ層３８１とを対向するように配置し、その間にＢｉ単体層５０を挟み込んだ状態で、５％Ｈ２／Ｎ２の還元ガス雰囲気下においてリフロー法を利用して、３２０℃の接合温度で接合した。 <Join the first joint>
Bi simple substance was cut out to the thickness of 150-200 micrometers. The oxide film covering the surface of the cut Bi single layer was removed using polishing and acid cleaning.
A Cu layer 221 of the power semiconductor element 20 prepared a Cu layer 381 of the insulating portion 30 is arranged so as to face, in a state sandwiched pure Bi substance layer 50 therebetween, the 5% H 2 / N 2 reduction Bonding was performed at a bonding temperature of 320 ° C. using a reflow method in a gas atmosphere.

＜冷熱サイクル試験＞
得られた評価試験体−１について、冷熱サイクル試験を行った。
本実施例において冷熱サイクル試験は、−４０℃と２００℃の間を２０分で上昇・降下させるのを１サイクルとし、その１サイクルを合計で１０００サイクル行った。１０００サイクル後の接合部の断面を電子顕微鏡により観察し、界面の反応生成物の有無、亀裂や空隙などの不具合の有無を調べた。
その結果、接合部の界面には反応生成物は観察されなかったが、微小な空隙が僅かに観察された。しかし、亀裂は生成していなかった。したがって過酷な条件の冷熱サイクルに対しても高い信頼性があることが確認された。 <Cooling cycle test>
About the obtained evaluation test body 1, the thermal cycle test was done.
In the present example, in the cooling / heating cycle test, a cycle between −40 ° C. and 200 ° C. was raised and lowered in 20 minutes as one cycle, and that cycle was performed 1000 times in total. The cross section of the joint after 1000 cycles was observed with an electron microscope, and the presence or absence of reaction products at the interface and the presence or absence of defects such as cracks and voids were examined.
As a result, no reaction product was observed at the interface of the joint, but a small amount of minute voids was observed. However, no crack was generated. Therefore, it was confirmed that there is a high reliability even in a severe cycle of cooling and heating.

［実施例３］
実施例２において、接合部材としてＢｉ単体を用いたところを、Ｂｉに１質量％のＣｕを添加したものに変更した以外は同様にして、評価試験体−２を作製した。
得られた評価試験体−２について、実施例２と同様の冷熱サイクル試験を行ったところ、接合部の界面には反応生成物は観察されず、空隙や亀裂も確認されなかった。したがって過酷な条件の冷熱サイクルに対しても高い信頼性があることが確認された。 [Example 3]
Evaluation Example 2 was prepared in the same manner as in Example 2 except that Bi alone was used as the bonding member, except that 1% by mass of Cu was added to Bi.
About the obtained evaluation test body-2, when the same thermal cycle test as Example 2 was done, the reaction product was not observed in the interface of a junction part, and the space | gap and the crack were not confirmed. Therefore, it was confirmed that there is a high reliability even in a severe cycle of cooling and heating.

［実施例４］
実施例２において、接合部材としてＢｉ単体を用いたところを、Ｂｉに０．５質量％のＮｉを添加したものに変更した以外は同様にして、評価試験体−３を作製した。
得られた評価試験体−３について、実施例２と同様の冷熱サイクル試験を行ったところ、接合部の界面には反応生成物は観察されず、空隙や亀裂も確認されなかった。したがって過酷な条件の冷熱サイクルに対しても高い信頼性があることが確認された。 [Example 4]
Evaluation Example 3 was prepared in the same manner as in Example 2, except that Bi alone was used as the bonding member, except that Bi was added to 0.5% by mass of Ni.
About the obtained evaluation test body-3, when the same thermal cycle test as Example 2 was done, the reaction product was not observed in the interface of a junction part, and the space | gap and the crack were not confirmed. Therefore, it was confirmed that there is a high reliability even in a severe cycle of cooling and heating.

［比較例２］
＜パワー半導体素子の準備＞
実施例２のパワー半導体素子の準備において、パワー半導体素子２０の最表面にＣｕ層２２１をスパッタリングで形成したところをＮｉ層に変更した以外は同様にして、パワー半導体素子を準備した。。 [Comparative Example 2]
<Preparation of power semiconductor element>
A power semiconductor device was prepared in the same manner as in the preparation of the power semiconductor device of Example 2, except that the Cu layer 221 was formed on the outermost surface of the power semiconductor device 20 by sputtering and changed to a Ni layer. .

＜絶縁部の準備＞
実施例２の絶縁部の準備において、Ａｌ層３４／ＡｌＮ層３２／Ａｌ層３６の積層体の表面にＣｕ層３８１を形成したところを、Ｎｉ層に変更した以外は同様にして、絶縁部を準備した。 <Preparation of insulation part>
In the preparation of the insulating part of Example 2, the place where the Cu layer 381 was formed on the surface of the laminate of the Al layer 34 / AlN layer 32 / Al layer 36 was changed to the Ni layer in the same manner, and the insulating part was changed. Got ready.

＜第一接合部の接合＞
実施例２の第一接合部の接合において、上記準備したパワー半導体素子２０のＮｉ層と、絶縁部３０のＮｉ層とを対向するように配置し、その間にＢｉ単体層を挟み込んだ状態で接合した以外は同様にして、比較の評価試験体−１を作製した。 <Join the first joint>
In joining of the 1st junction part of Example 2, it arrange | positions so that Ni layer of the prepared power semiconductor element 20 and Ni layer of the insulation part 30 may oppose, and it joins in the state which pinched | interposed the Bi single layer between them A comparative evaluation specimen 1 was prepared in the same manner except that.

＜冷熱サイクル試験＞
得られた比較の評価試験体−１について、実施例２と同様の冷熱サイクル試験を行ったところ、接合部の界面にＢｉ３Ｎｉを多量に生じており、その周囲には多数の空隙が観察された。このＢｉ３Ｎｉは非常に脆い性質であり、過酷な条件の冷熱サイクルに対して信頼性が得られにくいことが確認された。 <Cooling cycle test>
Evaluation Test-1 of Comparative obtained, was subjected to the same thermal cycling test as in Example 2, and a large amount results in Bi 3 Ni at the interface of the bonding portion, the periphery thereof a number of voids observed It was done. This Bi 3 Ni has a very brittle nature, and it has been confirmed that it is difficult to obtain reliability with respect to a cold cycle under severe conditions.

［比較例３］
比較例２において、Ｂｉ単体層によって接合したところを、Ｂｉに１質量％のＣｕを添加したものに変更した以外は同様にして、比較の評価試験体−２を作製した。
得られた比較の評価試験体−２について、実施例２と同様の冷熱サイクル試験を行ったところ、比較の評価試験体−１と同様に、接合部の界面にＢｉ３Ｎｉを多量に生じており、その周囲には多数の空隙が観察された。このＢｉ３Ｎｉは非常に脆い性質であり、過酷な条件の冷熱サイクルに対して信頼性が得られにくいことが確認された。 [Comparative Example 3]
A comparative evaluation specimen 2 was produced in the same manner as in Comparative Example 2 except that the part joined by the Bi single layer was changed to Bi added with 1% by mass of Cu.
About the obtained comparative evaluation test body-2, when the same thermal cycle test as Example 2 was done, Bi 3 Ni was produced in a large amount at the interface of the joint as in the comparative evaluation test body-1. Many voids were observed around it. This Bi 3 Ni has a very brittle nature, and it has been confirmed that it is difficult to obtain reliability with respect to a cold cycle under severe conditions.

［比較例４］
比較例２において、Ｂｉ単体層によって接合したところを、Ｂｉに０．５質量％のＮｉを添加したものに変更した以外は同様にして、比較の評価試験体−３を作製した。
得られた比較の評価試験体−３について、実施例２と同様の冷熱サイクル試験を行ったところ、比較の評価試験体−１と同様に、接合部の界面にＢｉ３Ｎｉを多量に生じており、その周囲には多数の空隙が観察された。このＢｉ３Ｎｉは非常に脆い性質であり、過酷な条件の冷熱サイクルに対して信頼性が得られにくいことが確認された。 [Comparative Example 4]
In Comparative Example 2, a comparative evaluation test body-3 was produced in the same manner except that the part joined by the Bi single layer was changed to Bi added with 0.5% by mass of Ni.
Evaluation test body -3 comparison obtained, was subjected to the same thermal cycling test as in Example 2, similarly to the evaluation test-1 comparison occurs a Bi 3 Ni large amount at the interface of the joint Many voids were observed around it. This Bi 3 Ni has a very brittle nature, and it has been confirmed that it is difficult to obtain reliability with respect to a cold cycle under severe conditions.

作製した評価試験体の構成とその評価結果を下記表３にまとめる。   Table 3 below summarizes the configuration of the manufactured evaluation test specimens and the evaluation results.

Figure 0005224430
Figure 0005224430

本発明の一例であるパワー半導体モジュール１０の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the power semiconductor module 10 which is an example of this invention. 実施例２における評価試験体−１の構成を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a configuration of an evaluation test body-1 in Example 2.

符号の説明Explanation of symbols

１０ パワー半導体モジュール
２０ パワー半導体素子
２２ Ｎｉ層
３０ 絶縁部
３２ 絶縁基板
３４、３６ 導電層
３８ Ｎｉ層
３９ Ｃｕ層
４０ 放熱板
４２ Ｍｏ層
４４、４６ Ｃｕ層
５０ 第一接合部
６０ 第二接合部
２２１ Ｃｕ層
３８１ Ｃｕ層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Power semiconductor module 20 Power semiconductor element 22 Ni layer 30 Insulating part 32 Insulating substrate 34, 36 Conductive layer 38 Ni layer 39 Cu layer 40 Heat sink 42 Mo layer 44, 46 Cu layer 50 1st junction part 60 2nd junction part 221 Cu layer 381 Cu layer

Claims (7)

Ｃｕ層を表面に備えたパワー半導体素子と、Ｃｕ層を表面に備えた絶縁基板と、を有し、前記パワー半導体素子と前記絶縁基板とをそれぞれのＣｕ層が対向するように配して、該２つのＣｕ層の間をＢｉ系ハンダ材料で接合してなり、前記Ｂｉ系ハンダ材料が、（２）Ｂｉ中にＣｕＡｌＭｎ合金粒子を分散させたＢｉ−ＣｕＡｌＭｎ、又は（４）ＢｉにＮｉを添加した材料であるパワー半導体モジュール。   A power semiconductor element having a Cu layer on the surface and an insulating substrate having a Cu layer on the surface, and the power semiconductor element and the insulating substrate are arranged so that the Cu layers face each other; The two Cu layers are joined with a Bi solder material, and the Bi solder material is (2) Bi—CuAlMn in which CuAlMn alloy particles are dispersed in Bi, or (4) Ni in Bi. Power semiconductor module that is an added material. Ｃｕ層を表面に備えたパワー半導体素子と、Ｃｕ層を表面に備えた絶縁基板と、を有し、前記パワー半導体素子と前記絶縁基板とをそれぞれのＣｕ層が対向するように配して、該２つのＣｕ層の間をＢｉ系ハンダ材料で接合してなり、前記Ｂｉ系ハンダ材料が、（２）Ｂｉ中に含有率が０．５質量％以上２０質量％以下でＣｕＡｌＭｎ合金粒子を分散させたＢｉ−ＣｕＡｌＭｎ、（３）Ｂｉに含有率が０．０１質量％以上５質量％以下でＣｕを添加した材料、又は（４）Ｂｉに含有率が０．０１質量％以上７質量％以下でＮｉを添加した材料であるパワー半導体モジュール。   A power semiconductor element having a Cu layer on the surface and an insulating substrate having a Cu layer on the surface, and the power semiconductor element and the insulating substrate are arranged so that the Cu layers face each other; The two Cu layers are joined with a Bi-based solder material, and the Bi-based solder material disperses CuAlMn alloy particles in (2) Bi with a content of 0.5% by mass to 20% by mass. Bi-CuAlMn, (3) Bi containing a content of 0.01 mass% to 5 mass%, or (4) Bi containing a content of 0.01 mass% to 7 mass% A power semiconductor module that is a material to which Ni is added. 前記パワー半導体素子が、ＧａＮ又はＳｉＣを用いて形成されてなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のパワー半導体モジュール。   The power semiconductor module according to claim 1, wherein the power semiconductor element is formed using GaN or SiC. 前記絶縁基板がＡｌＮ層であり、ＡｌＮ層の両表面にＡｌ及びＣｕの少なくとも１種で形成される導電層を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール。   4. The device according to claim 1, wherein the insulating substrate is an AlN layer, and has conductive layers formed of at least one of Al and Cu on both surfaces of the AlN layer. 5. Power semiconductor module. 前記Ｂｉを系ハンダ材料で接合する面側の前記導電層は、Ｃｕであることを特徴とする請求項４に記載のパワー半導体モジュール。   5. The power semiconductor module according to claim 4, wherein the conductive layer on a surface side where the Bi is joined with a system solder material is Cu. パワー半導体モジュールが放熱板を備え、前記放熱板が、Ｍｏ層の両面にＣｕ層を有するＣｕ層／Ｍｏ層／Ｃｕ層の積層体であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュール。 Power includes a semiconductor module heat radiation plate, said heat sink, one of claims 1 to 5, characterized in that a laminate of Cu layer / Mo layer / Cu layer having a Cu layer on both surfaces of the Mo layer A power semiconductor module according to claim 1. 前記放熱板におけるＣｕ層／Ｍｏ層／Ｃｕ層の厚さの比率が、１／５／１〜１／１２／１であることを特徴とする請求項６に記載のパワー半導体モジュール。 The power semiconductor module according to claim 6 , wherein the ratio of the thickness of the Cu layer / Mo layer / Cu layer in the heat radiating plate is 1/5/1 to 1/12/1.
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