mmX10mm、厚度0. 25mm的元件。作为散热器使用40. 0mmX40. 0mmX2. 5mm的 铝板（A6063)。
[0116] 在此，调整形成于电路层的表面的Ni镀膜的厚度，并且如表1所示变更焊锡材料 的组成，由此调整焊锡接合后的合金层的组成、合金层的厚度等，制作成为本发明例1~8 及比较例1~6的各种功率模块。
[0117] 另外，焊锡接合条件如下：氢气3vol%的还原气氛，加热温度（加热对象物温度） 及保持时间设为表1的条件，将冷却至室温的平均冷却速度设为2. 5°C/s。
[0118](合金层的组成）
[0119] 在如上述得到的功率模块中，通过EPMA分析实施在焊锡层中的与电路层之 间的界面形成的合金层的成分分析。本实施例中，使用EPMA分析装置（JEOLLtd.制 JXA-8530F)，以加速电压：15kV、光斑直径：1ym以下、倍率：250倍分析合金层的平均组成。
[0120] (合金层厚度）
[0121] 并且，对在焊锡层中的与电路层之间的界面形成的合金层的厚度进行测定。使用 上述EPMA装置获得EPMA映射，测定在与电路层之间的界面连续形成的具有由（Cu，Ni) 6Sn5 构成的金属间化合物的合金层的面积，并将该面积除以映射宽度的尺寸来求出金属层厚 度。另外，形成于与电路层之间的界面的合金层中，不包括从与电路层之间的界面向厚度方 向未连续形成的区域而测定了合金层的面积。并且，由Cu3Sn构成的金属间化合物层与合 金层相比非常薄，因此测定从电路层表面的厚度作为合金层的厚度。将比较例5及本发明 例1的EPMA映射结果示于图5。
[0122] (功率循环试验）
[0123] 将对IGBT元件的通电调整为每10秒钟重复进行一次通电（0N)时元件表面温度 为140°C、非通电（OFF)时元件表面温度为60°C的循环，并反复进行10万次该功率循环。并 且，对从初始状态开始的热阻的上升率进行了评价。另外，在本发明例1~5中，所有反复 进行了 10万次功率循环时的热阻上升率设为低于10%。
[0124](功率循环寿命）
[0125] 将向IGBT元件的通电调整为每10秒进行一次通电（0N)时的元件表面温度为 140°C，非通电（OFF)时的元件表面温度为60°C的循环，并反复该功率循环。并且，对从初始 状态开始的热阻的上升率成为10%以上的循环次数（功率循环寿命）进行了评价。
[0126](热阻测定）
[0127] 作为热阻，使用热阻测试仪（TESECCorporation制4324-KT)对瞬态热阻进行了 测定。设为施加功率：l〇〇W、施加时间：100ms，通过测定功率施加前后的栅极与发射极之间 的电压差来求出热阻。测定是在进行上述功率循环试验时，每1万次循环实施一次测定。
[0128][表1]
[0129]
[0130] ※功率循环寿命：热阻上升10%时的循环次数
[0131] 在由铜构成的电路层的表面较厚地形成Ni镀膜的比较例5中，功率循环寿命为 70000次而较短。推测这是因为，通过较厚的Ni镀膜，电路层的Cu向焊锡材料的扩散受阻， 在焊锡层中Cu不足，且如图10所示，合金层的厚度低于2ym而变得较薄。
[0132] 并且，在设为Cu的含量低于30质量％的比较例3中，同样由于合金层的厚度低于 2ym而变得较薄，从而功率循环寿命变低。
[0133] 并且，合金层的厚度被设为20ym以上的比较例4及比较例6中，功率循环寿命为 80000~90000次而较短。推测这是因为较厚地形成的合金层成为产生裂纹的起点，促进了 焊锡层的破坏。
[0134] 并且，Ni的含量脱离本发明的范围的比较例1及比较例2中，功率循环寿命为 70000~80000次而较短。推测这是因为合金层变得热不稳定。
[0135] 相对于此，如图10所示，本发明例1~8中，合金层的厚度被设为2ym以上20ym 以下，功率循环寿命变成110000次以上。推测这是因为电路层与焊锡层之间的界面通过合 金层得到强化，焊锡层的破坏得到抑制。
[0136] 如上，根据本发明例，确认到能够得到功率循环特性优异的功率模块。
[0137] 实施例2
[0138] 接着，如第2实施方式中所记载，准备由铝层和铜层构成电路层的功率模块。
[0139] 绝缘基板由A1N构成，使用27mmX17mm、厚度0.6mm的基板。金属层由4N铝构 成，使用25mmX15mm、厚度0.6mm的层。半导体元件设为IGBT元件，使用13mmX10mm、厚度 0. 25mm的元件。作为散热器使用40. 0mmX40. 0mmX2. 5mm的铝板（A6063)。
[0140] 电路层中错层由4N错构成，使用25mmX15mm、厚度0? 6mm的层。并且，如表2所 示，铜层通过电镀、固相扩散接合而形成。
[0141] 电镀时，在铝层的表面实施锌酸盐处理之后，通过电解电镀形成表2所示的厚度 的铜层。
[0142]固相扩散接合时，准备表2所示的厚度的铜板，以第2实施方式中例示的条件在铝 层的表面固相扩散接合铜板。
[0143] 如上制作成为本发明例11~16的各种功率模块。
[0144] 另外，焊锡接合条件如下：氢气3vol%的还原气氛，加热温度（加热对象物温度） 及保持时间设为表2的条件，将冷却至室温的平均冷却速度设为2. 5°C/s。
[0145] 并且，根据与实施例1相同的方法对合金层的组成、合金层厚度及功率循环寿命 进行了评价。评价结果示于表2。
[0146][表 2]
[0147]
[0148] ※功率循环寿命：热阻上升10%时的循环次数
[0149] 如表2所示，在本发明例11~16中，功率循环寿命均达110000次以上，确认到焊 锡层的破坏得到抑制。即使在铝层上形成各种厚度的铜层而构成电路层时，也与实施例1 同样地确认到能够提高功率循环特性。
[0150] 并且，若铜层的厚度为5ym以上，则不会导致铜层中的Cu全部向焊锡侧扩散，确 认到铜层残留。另外，若铜层的厚度为3mm以下，则确认到功率循环寿命变成10万次以上。
[0151] 产业上的可利用性
[0152] 根据本发明，即使在负载功率循环时，也能够提前抑制在焊锡层产生破坏，能够提 供可靠性较高的功率模块。
[0153] 符号说明
[0154] 1-功率模块，3-半导体元件，10-功率模块用基板，11-绝缘基板（绝缘层），12-电 路层（铜层），13-金属层，20-焊锡层，26-金属间化合物层，30-焊锡材料，31-Ni镀膜， 101-功率模块，112-电路层，112A-铝层，112B-铜层。
【主权项】
1. 一种功率模块，其具备在绝缘层的一个面配设有电路层的功率模块用基板和接合于 所述电路层上的半导体元件，该功率模块的特征在于， 在所述电路层中的与所述半导体元件的接合面设置有由铜或铜合金构成的铜层， 在所述电路层与所述半导体元件之间形成有使用焊锡材料形成的焊锡层， 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2 ym以上20 ym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%。2. 根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于， 所述合金层具有由（Cu，Ni)6Sn；^^成的金属间化合物。
【专利摘要】本发明的功率模块中，在电路层(12)中的与半导体元件(3)的接合面设置有由铜或铜合金构成的铜层，且在电路层(12)与半导体元件(3)之间形成有使用焊锡材料形成的焊锡层(20)。在焊锡层(20)中的与电路层(12)之间的界面形成有合金层(21)，该合金层(21)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(21)的厚度设定在2μm以上20μm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℃的条件下负载10万次功率循环时的热阻上升率低于10％。
【IPC分类】C22C13/00, B23K35/26, H01L21/52
【公开号】CN104885207
【申请号】CN201380067852
【发明人】大桥东洋, 长友义幸, 长瀬敏之, 黑光祥郎
【申请人】三菱综合材料株式会社
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2013年12月20日
【公告号】EP2940720A1, US20150319876, WO2014103955A1