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【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种使用焊锡材料将设置有铜或铜合金所构成的铜层的电路层和半 导体元件进行接合的功率模块。
[0002] 本申请主张基于2012年12月25日于日本申请的专利申请2012-281346号的优 先权，并将其内容援用于此。
【背景技术】
[0003]例如，如专利文献1、2所示，上述功率模块具备在绝缘基板的一个面接合作为电 路层的金属板而构成的功率模块用基板和搭载于电路层上的功率元件（半导体元件）。
[0004] 并且，功率模块用基板的另一面侧有时配设有散热板或冷却器等散热器，以发散 来自功率元件（半导体元件）的热量。此时，为了缓和由绝缘基板与散热板或冷却器等散 热器之间的热膨胀系数引起的热应力，在功率模块用基板上，设为在绝缘基板的另一面接 合有作为金属层的金属板，且该金属层与上述散热板或冷却器等散热器接合的结构。
[0005] 上述功率模块中，电路层与功率元件（半导体元件）隔着焊锡材料接合。
[0006] 在此，电路层由铝或铝合金构成时，例如如专利文献3中所公开，需在电路层的表 面通过电解电镀等而形成Ni镀膜，且在该Ni镀膜上配设焊锡材料而接合半导体元件。
[0007] 并且，在电路层由铜或铜合金构成时，同样在电路层的表面形成Ni镀膜，且在该 Ni镀膜上配设焊锡材料而接合半导体元件。
[0008] 专利文献1:日本专利公开2002-076551号公报
[0009] 专利文献2:日本专利公开2008-227336号公报
[0010] 专利文献3:日本专利公开2004-172378号公报
[0011] 然而，例如如专利文献3中所记载，若对在由铝或铝合金构成的电路层的表面形 成Ni镀层而焊锡接合半导体元件的功率模块施加功率循环的负载，则可能会在焊锡上产 生龟裂，热阻会上升。
[0012] 并且，即使在由铜或铜合金构成的电路层的表面形成Ni镀层而焊锡接合半导体 元件的功率模块中，若施加功率循环的负载，则同样可能会在焊锡上产生龟裂，热阻会上 升。
[0013] 近年来，在上述功率模块等中，为了控制风力发电或电动汽车和电动车辆等而搭 载用于控制更大功率的功率元件，因此比以往更加需要进一步提高功率循环的可靠性。
【发明内容】
[0014] 本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种即使在负载有功率循环 时，也能够抑制在焊锡层广生破坏，且可靠性$父尚的功率t旲块。
[0015] 本发明人等进行深入研宄的结果得知若对在由铝、铝合金、铜或铜合金构成的电 路层的表面形成Ni镀层而焊锡接合半导体元件的功率模块施加功率循环负载，则在Ni镀 层产生裂缝，且以该裂缝为起点在焊锡层上产生龟裂。并且，还得知通过在焊锡层与电路层 之间的界面形成包含Ni、Cu的Sn合金层，焊锡层与电路层之间的界面得到强化，并能够提 尚焊锡层的耐久性。
[0016]本发明是基于上述见解而完成的，（1)本发明的一实施方式的功率模块具备在绝 缘层的一个面配设有电路层的功率模块用基板和接合于所述电路层上的半导体元件，其 中，在所述电路层中的与所述半导体元件的接合面设置有由铜或铜合金构成的铜层，在所 述电路层与所述半导体元件之间形成有使用焊锡材料形成的焊锡层，在所述焊锡层中的与 所述电路层之间的界面形成有合金层，该合金层作为主成分含有Sn，并且含有0. 5质量％ 以上10质量％以下的Ni和30质量％以上40质量％以下的Cu，该合金层的厚度设定在 2ym以上20ym以下的范围内，在功率循环试验中，在通电时间5秒、温度差80°C的条件下 负载10万次功率循环时的热阻上升率低于10%。
[0017]根据该结构的功率模块，在所述焊锡层中的与所述电路层（所述铜层）之间的界 面形成有合金层，该合金层作为主成分含有Sn，并且含有0. 5质量％以上10质量％以下的 Ni和30质量％以上40质量％以下的Cu，因此焊锡层与电路层（所述铜层）之间的界面得 到强化，能够提高焊锡层的耐久性。
[0018]Ni的含量低于0. 5质量％时，可能会导致合金层变得热不稳定，成为焊锡层破坏 的起点。并且，Ni的含量超过10质量％时，可能会生成附35]14等热不稳定的金属间化合物， 成为焊锡层破坏的起点。
[0019]Cu的含量低于30质量％时，合金层的厚度有可能变成低于2ym，Cu的含量超过 40质量％时，可能会导致合金层的厚度超过20ym。
[0020] 在此，该合金层的厚度低于2ym时，可能会导致无法充分强化焊锡层与电路层 (所述铜层）之间的界面。另一方面，合金层的厚度超过20um时，可能会导致合金层产生 裂缝等，成为焊锡层破坏的起点。因此，将合金层的厚度设定在2ym以上20ym以下的范 围内。
[0021] 另外，在功率循环试验中，本发明的功率模块被设为在通电时间5秒、温度差80°C 的条件下负载10万次功率循环时的热阻上升率低于10%，因此即使在反复负载功率循环 的情况下，焊锡层也不会提前被破坏，能够提高功率循环的可靠性。另外，上述功率循环试 验中，由于是对焊锡层施加最重负载的条件，因此若在该条件下进行10万次负载的功率循 环时的热阻上升率低于10%，则在通常的使用中能够得到充分的可靠性。
[0022] (2)本发明的另一实施方式的功率模块为实施方式（1)中所记载的功率模块，所 述合金层具有由（Cu，Ni)6Sn；^^成的金属间化合物。
[0023]此时，通过具有由（Cu，Ni)6Sn5构成的金属间化合物，能够充分强化焊锡层与电路 层（所述铜层）之间的界面，能够可靠地抑制功率循环负载时的焊锡层的破坏。
[0024]根据本发明，能够提供即使在负载功率循环时，也能够提前抑制在焊锡层产生破 坏，且可靠性较高的功率模块。
【附图说明】
[0025] 图1是本发明的第1实施方式的功率模块的概略说明图。
[0026] 图2是图1中的电路层与半导体元件的接合部分的放大说明图。
[0027] 图3是表示图1的功率模块的制造方法的流程图。
[0028] 图4是图3所示的功率模块的制造方法中的半导体元件接合工序的说明图。
[0029] 图5是本发明的第2实施方式的功率模块的概略说明图。
[0030] 图6是图5中的铜层与铝层之间的接合界面的放大说明图。
[0031] 图7是Cu与A1的二元状态图。
[0032] 图8是图5中的电路层与半导体元件之间的接合部分的放大说明图。
[0033] 图9是表示图5的功率模块的制造方法的流程图。
[0034] 图10是比较例5、本发明例1的功率模块中的焊锡层的EPMA元素映射。
【具体实施方式】
[0035] 以下，参考附图对本发明的实施方式的功率模块进行说明。
[0036](第1实施方式）
[0037]图1中示出本发明的第1实施方式的功率模块1。该功率模块1具备在绝缘基板 (绝缘层）11的一个面（第一面）配设有电路层12的功率模块用基板10和搭载于电路层 12上（图1中为上表面）的半导体元件3。另外，在本实施方式的功率模块1中，散热器41 接合于绝缘基板11的另一面侧（为第二面侧，图1中为下表面）。
[0038] 功率模块用基板10具备：构成绝缘层的绝缘基板11;配设于该绝缘基板11的一 个面（为第一面，图1中为上表面）的电路层12;及配设于绝缘基板11的另一面（为第二 面，图1中为下表面）的金属层13。
[0039] 绝缘基板11为防止电路层12与金属层13之间的电连接的基板，例如由A1N(氮 化铝）、Si3N4(氮化硅）、A1203(氧化铝）等绝缘性较高的陶瓷构成，在本实施方式中，由绝 缘性较高的A1N(氮化铝）构成。并且，绝缘基板11的厚度设定在0.2mm以上1.5mm以下 的范围内，在本实施方式中被设定为0. 635mm。
[0040] 电路层12通过在绝缘基板11的第一面接合具有导电性的金属板而形成。本实施 方式中，电路层12通过由无氧铜的轧制板构成的铜板接合于绝缘基板11而形成。本实施方 式中，电路层12整体相当于设置在与半导体元件3之间的接合面的由铜或铜合金构成的铜 层。其中，电路层12的厚度（铜板的厚度）优选设定在0.1mm以上1.0mm以下的范围内。
[0041] 金属层13通过在绝缘基板11的第二面接合金属板而形成。本实施方式中，金属 层13通过由纯度为99. 99质量％的铝（所谓4N铝）的轧制板构成的铝板接合于绝缘基板 11而形成。其中，金属层13 (错板）的厚度优选设定在0. 6mm以上3. 0mm以下的范围内。
[0042] 散热器41为用于冷却所述功率模块用基板10的部件，并具备与功率模块用基板 10接合的顶板部42和用于流通冷却介质（例如冷却水）的流