功率模块制造技术

关于使铝与铜重叠而进行压焊而成的包层材料，通过利用超声波接合等将包层材料的铝侧接合于功率半导体元件的电极表面并在包层材料的铜侧进行线接合，而形成电路。进而预先在比功率半导体元件的动作温度高的温度下对包层材料进行热处理，从而在接合处理后在铝以及铜的各个界面充分地形成金属间化合物，以避免膜厚生长。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及在从发电或者输电至有效的能量的利用或者再生为止的所有情况下利用的功率模块。
技术介绍
在从产业设备至家电或者信息终端的所有产品中，功率模块正在普及，且关于搭载于家电的模块，要求小型轻量化，并且要求能够应对多种类的高的生产率和高的可靠性。另外，在动作温度高、效率优良这点，也同时要求是能够应用于成为今后的主流的可能性高的SiC半导体的封装形态。专利文献1：日本特开平10－261664号公报专利文献2：日本特开2012－28674号公报非专利文献1：謝、他2名、“アルミニウム/銅クラッド材接合界面における金属間化合物の形成”、日本金属学会誌、公益社団法人日本金属学会、2011年3月、第75巻、第3号、pp.166-172(谢，其他2名，“铝/铜包层(clad)材料接合界面处的金属间化合物的形成”，日本金属学会杂志，公益社团法人日本金属学会，2011年3月，第75卷，第3号，pp.166-172)
技术实现思路
功率模块具有处理100V以上的高压且100A以上的大电流的半导体这样的特征，为了形成100A以上的大电流电路，一般针对功率半导体元件表面的电极，对多根粗至φ0.5mm的铝等的接合线进行布线，从而形成电路。从近年的全球变暖对策、节省资源或者能量等环境问题出发，在将功率模块应用于各种各样的产品的过程中，为了应对100A以上的大电流并且实现与以往相比更加小型化，使用与铝线相比耐热性高、电流容量大的铜制的线的线接合的必要性正逐渐变高。但是，铜线比铝线硬而难以变形，所以担心在线接合时，发生功率半导体元件的表面电极的剪切破坏等损坏。另外，即使在克服了元件的损坏的问题的情况下，也存在如下问题：在如SiC制功率半导体元件那样动作温度高达250℃以上等的情况下，接合部界面处的热应力随着动作温度而变大，从而难以确保抗温度循环性等可靠性。在专利文献1中，提出了如下方法：想要通过将铝箔放置在功率半导体元件表面并从其上进行铜线接合，减轻对功率半导体元件的损坏。在该方法中有可能能够解决损坏的问题，但如果铝自身暴露于175℃以上的高温，则担心由于再结晶所致的结晶的粗大化而晶界表面化，成为裂纹的起点以至于破裂。在专利文献2中，提出了如下方法：通过将膨胀系数(α1)接近功率半导体元件(Si)的缓冲板A和膨胀系数(α2)接近线的缓冲板B配置在功率半导体元件与线之间，减轻线接合时的膨胀系数的不同所致的歪斜产生等损坏，同时降低在接合部产生的热应力，在高温动作时确保可靠性。在该方法中，由于通过焊接来层叠缓冲板，所以担心抗温度循环性等、在长的期间中焊接部的耐热性不足。本专利技术的功率模块具备：基板；功率半导体元件，配置于该基板；电极，形成在该功率半导体元件的表面；层叠金属板，与该电极接合；以及线，连接该层叠金属板和所述基板，所述功率模块的特征在于，所述层叠金属板构成为与所述电极对置的部件的主要材质与所述电极相同，与所述线对置的部件的主要材质与所述线相同，并且在所述层叠金属板之间以5μm以上且100μm以下的厚度形成有金属间化合物层。根据本专利技术，通过将使铝与铜重叠而进行压焊而成的包层材料作为缓冲板发挥作用，能够降低铜线接合时的对功率半导体元件的损坏。与铜相比再结晶温度低、耐热性低的铝不在表面(与密封树脂相接的面)露出，所以即使保持为比以往的Si功率半导体元件的动作温度高的温度，也不易出现结晶的粗大化所致的脆化的影响。另外，包层材料的铝侧与功率半导体元件的铝电极接合，在包层材料的铜侧进行铜线接合，避免异种金属接合，从而能够在装配后的半导体动作时抑制金属间化合物的生成所致的脆化，抑制热应力所致的裂纹发生等。另外，关于包层材料自身的接合部处的金属间化合物的生成所致的脆化等，另行确认了没有问题(参照非专利文献1)。附图说明图1是示出本专利技术的实施方式1的功率模块的剖面的概念图。图2是示出本专利技术的实施方式1的功率模块的基于切割器的铝铜包层带的切断状态的剖面的概念图。图3是示出将本专利技术的实施方式1的功率半导体元件的主电极和基板的导体层用线电连接的状态的一个例子的功率模块的剖面的概念图。图4是图3的平面图。图5是图3的A部放大图。图6是金属间化合物的生长不均匀的情况下的模型图。图7是示出将图4的线代替为带的情况下的一个例子的图。图8是示出本专利技术的实施方式2的功率模块的剖面的概念图。图9是示出本专利技术的实施方式2的功率模块的基于切割器的铝铜包层带的切断状态的剖面的概念图。图10是示出将本专利技术的实施方式2的功率半导体元件的主电极和基板的导体层用线电连接的状态的一个例子的功率模块的剖面的概念图。图11是图10的平面图。符号说明1：功率半导体元件；2：陶瓷基板；3：铝铜包层带；4：超声波接合工具；5：焊料；6：铜线；11：主电极；21：氧化铝基材；22、23：导体层；31：铜箔；32：铝箔；33：接合部；34：金属间化合物层；40：切割器；41：接合痕；61：铜带。具体实施方式实施方式1.图1～图5、图7是实施方式1的功率模块的概念图。如图1所示，通过焊料5将功率半导体元件1接合于陶瓷基板2(厚度为0.635mm的氧化铝基材21)的导体层22(铜制，厚度为0.4mm。不是图1的构成陶瓷基板2的下侧的导体层23，而是上侧的导体层)上。使用作为层叠金属板的铝铜包层带3(铜箔31(厚度为0.05mm)与铝箔32(厚度为0.2mm)重叠而成的带，宽度为10mm)，在功率半导体元件(Si制二极管12mm×12mm×0.3mm)的主电极(铝制，11mm×11mm×0.01mm)11上被定位，通过超声波接合工具4(前端2mm×2mm×20mm)施加超声波而形成接合部33。即，使用使铝与铜重叠而进行压焊而成的包层材料，通过超声波接合等将该包层材料的铝侧接合于功率半导体元件的电极表面，在包层材料的铜侧进行线接合，从而形成电路。接下来，如图2所示，使用切割器40(包括机械式的切割器)仅将铜箔31完全切断，在铝箔32的厚度方向中途停止而切开，在功率半导体元件上将铝铜包层带3切断。最后，如图3所示，使用铜线(φ0.4mm)进行线接合，最终将功率半导体元件的主电极与陶瓷基板的导体层电连接。图4是图3的俯视图，通过利用超声波接合工具将铝铜包层带的9个部位接合，从而形成有9个部位的由工具前端的网纹(用于增大摩擦的纵横的凹陷)转印的接合痕41，通过使用之间的平坦的部分进行铜线的线接合，能够抑制接合痕的凹凸对接合质量的影响。图5是图3的铝铜包层带的A部放大图，预先在惰性环境下在温度400℃的条件下加热3小时，在铝与铜之间形成铝与铜的金属间化合物层34。虽然根据功率模块的动作温度或者质量保证期间而不同，但根据非专利文献1(参照例如图10)，只要通过400℃、3小时的加热来生成金属间化合物，则成为与在200℃下保持了3000小时的金属间化合物同等的金属间化合物厚度，之后，即使保持为200℃，由于化合物的生长与时间的平方根成比例(根据阿累尼乌斯曲线(Arrheniusplot)，每隔40℃而金属间化合物的生成速度(厚度)变小至50％，所以认为如果在400℃与200℃下差200℃，则变薄至1/32。为了生长到32倍的厚度需要32倍的平方的时间，所以需要约1000倍的时间)，所以仍变得极稳定本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种功率模块，具备：基板；功率半导体元件，配置于该基板；电极，形成在该功率半导体元件的表面；层叠金属板，与该电极接合；以及线，连接该层叠金属板和所述基板，所述功率模块的特征在于，所述层叠金属板构成为与所述电极对置的部件的主要材质与所述电极相同，与所述线对置的部件的主要材质与所述线相同，并且在所述层叠金属板之间以5μm以上且100μm以下的厚度形成有金属间化合物层。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.10.20 JP 2014-2133771.一种功率模块，具备：基板；功率半导体元件，配置于该基板；电极，形成在该功率半导体元件的表面；层叠金属板，与该电极接合；以及线，连接该层叠金属板和所述基板，所述功率模块的特征在于，所述层叠金属板构成为与所述电极对置的部件的主要材质与所述电极相同，与所述线对置的部件的主要材质与所述线相同，并且在所述层叠金属板之间以5μm以上且100μm以下的厚度形成有金属间化合物层。2.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述层叠金属板在与所述电极接合之前，预先在比所述功率模块的动作温度...

【专利技术属性】
技术研发人员：藤野纯司，内田祥久，小川翔平，坂元创一，柳本辰则，
申请(专利权)人：三菱电机株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP