[发明专利]功率模块

说明书

技术领域

本发明涉及一种使用焊锡材料将设置有由铜或铜合金构成的铜层的电路层和半导体元件进行接合的功率模块。

本申请主张基于2012年12月25日于日本申请的专利申请2012-281345号优先权，并将其内容援用于此。

背景技术

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)。

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，设定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。

上述功率模块中，电路层与功率元件(半导体元件)经由焊锡材料而接合。

在此，当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。

并且，当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。

专利文献1：日本专利公开2002-076551号公报

专利文献2：日本专利公开2008-227336号公报

专利文献3：日本专利公开2004-172378号公报

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。

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。

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进一步大功率控制用的功率元件，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

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，也可以抑制焊锡层的裂纹，且可靠性较高的功率模块。

本发明人等进行深入研究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Ni镀层会产生裂纹，该裂纹沿焊锡层的晶界扩展，最终导致焊锡层龟裂。并且，进行深入研究的结果得知通过将焊锡层的结晶粒径设定为较小，可以抑制焊锡层的裂纹的扩展的研究结果。

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的一个面上的半导体元件，其中，在所述电路层中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而形成的焊锡层，在所述焊锡层中的从所述电路层表面至30μm的区域中，通过EBSD而测定的平均结晶粒径被设定在0.1μm以上10μm以下的范围内，所述焊锡层的组成为，作为主成分含有Sn，并且含有0.01质量％以上1.0质量％以下的Ni、0.1质量％以上5.0质量％以下的Cu，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，热阻上升率低于10％。

根据此构成的功率模块，在与半导体元件的接合面设置有铜层的所述电路层与所述半导体元件之间形成的焊锡层中的所述电路层(所述铜层)表面至厚度30μm的区域中，平均结晶粒径被设定为10μm以下即设成比较微细，因此例如在电路层(铜层)的界面邻近发生的裂纹不易沿晶界扩展至焊锡层的内部，能够抑制焊锡层的破坏。另外，在焊锡层中的从所述电路层(所述铜层)的表面上至厚度30μm的区域中的平均结晶粒径，优选设定在0.5μm以上10μm以下的范围内。

此外，焊锡层的组成为，作为主成分含有Sn，并且含有0.01质量％以上1.0质量％以下的Ni、0.1质量％以上5.0质量％以下的Cu，因此在焊锡层的内部，由含有Cu、Ni、Sn中的任一种的金属间化合物构成的析出物粒子会分散，如上所述可使焊锡层的结晶粒径微细化。