JP2016128184A - ハンダ接合方法およびパワーモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】ハンダ接合の信頼性を向上させるハンダ接合方法およびパワーモジュールを提供する。【解決手段】絶縁基板１と、絶縁基板の一側面１ａに第１のハンダ層３および第１の金属層２を介して接合されるパワー半導体素子４と、絶縁基板の他側面１ｂに第２の金属層５および第２のハンダ層６を介して接合される冷却器７とを備えるパワーモジュールＰＭ１のハンダ接合方法であって、第１のハンダ層および第２のハンダ層の少なくとも一方のハンダ層内に、柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物２０を形成させる。【選択図】図４

Description

本発明は、ハンダ接合方法および当該ハンダ接合方法を適用して製造されるパワーモジュールに関する。

パワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどのパワー半導体を搭載したパワーモジュールは、電気自動車やハイブリッド自動車等に搭載される電力変換装置（インバータ）などとして用いられる。

一般的なパワーモジュールは、パワー半導体を構成するＳｉチップと、絶縁基板と、ヒートシンク等から構成されており、それぞれがハンダ接合されている。

ここで、パワーモジュールにおいてハンダ接合を行うハンダ層には、熱伝導率および電気抵抗率に関する所定の性能が求められ、また使用環境下において前記各種性能を維持するために所定の耐久性が求められている。

ハンダ接合部は、他の構造材料とは異なって弾性領域だけではなく塑性領域まで歪みが加わる。そのため、ハンダ接合部には、脆性的な破断を示す材料は採用することができず、クラック進展が進み難い材料や構造が求められている。

ハンダ接合部のクラック発生を抑制する技術は種々提案されている（例えば、特許文献１等）。

特許文献１に係る従来技術では、絶縁基板下の金属層とヒートシンクとの間を接合するハンダ層にクラックが入るのを抑制するために、金属層をアルミニウムと銅とから成る二層構造としている。

特開２０１４−１６０７９９号公報

本発明は、ハンダ接合の信頼性を高めることができるハンダ接合方法およびパワーモジュールを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明に係るハンダ接合方法は、絶縁基板と、前記絶縁基板の一側面に第１のハンダ層および第１の金属層を介して接合されるパワー半導体素子と、前記絶縁基板の他側面に第２の金属層および第２のハンダ層を介して接合される冷却器とを備えるパワーモジュールのハンダ接合方法であって、前記第１のハンダ層および前記第２のハンダ層の少なくとも一方のハンダ層内に、柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物を形成させることを要旨とする。

本発明は、第１のハンダ層および第２のハンダ層の少なくとも一方のハンダ層内に、柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物を形成したことで、ハンダ接合の信頼性向上を図る。

実施の形態に係るハンダ接合方法を適用したパワーモジュールの構成例を示す分解側面図である。 実施の形態に係るハンダ接合方法によるハンダ接合工程の処理手順を示す工程図である。 柱状金属間化合物の形成過程を示す説明図である。 柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物の形成例を示す撮像図である。 Ｃｕ溶出の場合と未溶出の場合の初期断面とクラック進展部を対比する撮像図である。 従来のハンダ層に発生したクラックの進展状態を示す撮像図である。 実施の形態に係るハンダ接合方法を適用したハンダ層に発生したクラックの抑止状態を示す撮像図である。

以下、本発明の一例としての実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。ここで、添付図面において同一の部材には同一の符号を付しており、また、重複した説明は省略されている。なお、ここでの説明は本発明が実施される最良の形態であることから、本発明は当該形態に限定されるものではない。

［実施の形態に係るハンダ接合方法］
図１から図７を参照して、実施の形態に係るハンダ接合方法について説明する。

まず、図１を参照して、本実施の形態に係るハンダ接合方法を適用したパワーモジュールＰＭ１の構成例について説明する。

図１は、実施の形態に係るハンダ接合方法を適用したパワーモジュールＰＭ１の構成例を示す分解側面図である。

パワーモジュールＰＭ１は、セラミック等で形成される絶縁基板１と、絶縁基板１の一側面１ａに第１のハンダ層３および第１の金属層２を介して接合されるパワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどで構成されるパワー半導体素子４と、絶縁基板１の他側面１ｂに第２の金属層５および第２のハンダ層６を介して接合される冷却器（ヒートシンク）７とを備える。

なお、図示は省略するが、冷却器７の第２のハンダ層６の表面には、Ｎｉメッキによるハンダ付け面が形成されている。

そして、第１のハンダ層３および第２のハンダ層６の少なくとも一方のハンダ層内に、実施の形態に係るハンダ接合方法を適用して柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物を形成させている。

次に、図２の工程図を参照して、本実施の形態に係るハンダ接合方法によるハンダ接合工程の処理手順について説明する。

なお、ここに示す例では、図１の第２のハンダ層６に実施の形態に係るハンダ接合方法を適用するものとする。

まず、ステップＳ１０では、絶縁基板１の他側面１ｂ側の第２の金属層５をロウ付けＣｕで形成する。

なお、このＣｕから成る第２の金属層５が、第２のハンダ層６に溶出するＣｕの供給源となる。

次いで、ステップＳ１１では、冷却器７の第２のハンダ層６側の表面に、ハンダ付け面をＮｉメッキで形成する。

これにより、冷却器７に対して、ハンダ付け面を介して第２のハンダ層６を形成できる状態となる。

次に、ステップＳ１２では、第２のハンダ層６をＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系ハンダ（例えば、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎハンダ等）で形成する。なお、第２のハンダ層６は、少なくともＳｎを含んでいればよい。

そして、ステップＳ１３で、第２のハンダ層６を形成する工程において、ハンダの温度をハンダの融点に６０℃〜９０℃を加えた温度（例えば、２９５℃）まで加熱して１０分〜２０分間保持してステップＳ１４に移行する。

ステップＳ１４では、溶融した第２のハンダ層６にＣｕを溶出させる。即ち、Ｃｕから成る第２の金属層５が、Ｃｕの供給源となって第２のハンダ層６に溶出する。

これにより、ステップＳ１５では、第２のハンダ層６内に柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物２０（後述の図４等参照）が形成される。

ここで、図３を参照して、柱状金属間化合物の形成過程（形成メカニズム）について簡単に説明する。

まず、過程（１）〜（２）では、室温でＣｕ（０．７ｗｔ％）の状態（図３（ｂ）に示すように第２のハンダ層６にＣｕの供給源となる第２の金属層５が密着した状態）からリフロー方式で２９５℃まで加熱する。

これにより、第２のハンダ層６は液相状態となる。

過程（２）〜（３）では、２９５℃でＣｕ（０．７ｗｔ％）の状態で、図３（ｃ）に示すように第２のハンダ層６に第２の金属層５からＣｕが液相状態で拡散（溶出）し始める。

過程（３）〜（４）では、２９５℃でＣｕ（２．５ｗｔ％）となり、図３（ｄ）に示すように第２のハンダ層６にＳｎ−Ｃｕ金属間化合物 （ｉｎｔｅｒｍｅｔａｌｌｉｃ ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ；ＩＭＣ）が徐々に成長する。

なお、過程（２）〜（４）は、５分間保持した。

過程（４）〜（５）では、２９５℃から室温まで冷却され、Ｃｕ（５．０ｔ％）となり、図３（ｅ）に示すように第２のハンダ層６に組成がＣｕ_６Ｓｎ_５である柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物２０が複数にわたって形成される。

図４は、上述のような過程を経て形成される柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物の形成例を示す撮像図（電子顕微鏡写真）である。

図４に示すように、第２のハンダ層６には、柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物２０が複数にわたって形成されていることが分かる。

ここで、図５〜図７では、本実施形態のハンダ層及び従来のハンダ層に対して、同じ条件下で強制的にクラックを生じさせた様子を示すものであり、図５は、Ｃｕ溶出の場合と未溶出の場合の初期断面とクラック進展部を対比する撮像図、図６は、従来のハンダ層に発生したクラックの進展状態を示す撮像図、図７は、実施の形態に係るハンダ接合方法を適用したハンダ層に発生したクラックの抑止状態を示す撮像図である。

まず、図５の（ｂ）および図６を参照すると分かるように、従来のハンダ層（Ｃｕが未溶出のハンダ層）１００に発生したクラックＣ２は、矢印Ｄ１方向への進展が止まらず、図上、ほぼ左端から右端まで達している。

一方、図５の（ａ）および図７を参照すると分かるように、本実施の形態に係るハンダ接合方法を適用した第２のハンダ層６（Ｃｕが溶出したハンダ層）では、発生したクラックＣ１は、矢印Ｄ１方向へ進展するものの、位置Ｐ１で、そのクラックの進展が抑止されていることが分かる。

これは、本実施の形態に係るハンダ接合方法により、第２のハンダ層６内に複数にわたって形成された柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物２０により、クラックＣ１の進展が阻害された影響であると推察される。

このように、本実施の形態に係るハンダ接合方法によれば、クラックＣ１が柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物２０に突き当たることにより、クラックＣ１のさらなる進展を抑止することができるため、ハンダ接合の頼性を向上させることができる。

また、柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物２０の存在によりクラックＣ１を枝分かれさせて（図５の（ａ）のクラックＣ１ａ、Ｃ１ｂ等を参照）、応力を分散させることができる。

さらに、柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物２０の形成により、第２のハンダ層６のせん断応力に対する強度が向上され、パワーモジュールＰ１の機械的強度を高めることができる。

なお、第１のハンダ層３についても、第２のハンダ層６と同様にＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系ハンダ（例えば、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎハンダ等）で形成するようにしてもよい。この場合には、第１の金属層２をＣｕで形成するなどして、第１のハンダ層３にＣｕが溶出するように構成することとなる。

以上本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本明細書で開示された実施の形態はすべての点で例示であって開示された技術に限定されるものではないと考えるべきである。すなわち、本発明の技術的な範囲は、前記の実施の形態における説明に基づいて制限的に解釈されるものでなく、あくまでも特許請求の範囲の記載にしたがって解釈すべきであり、特許請求の範囲の記載技術と均等な技術および特許請求の範囲内でのすべての変更が含まれる。

例えば、絶縁基板１の他側面１ｂ側の第２の金属層５をＣｕで形成する方法は、ロウ付に限らず、例えばメッキや蒸着であってもよい。
また、第２のハンダ層６や第１のハンダ層３へのＣｕの供給源として、第２のハンダ層６や第１のハンダ層３自体にＣｕの微粒子等を含有させるようにしてもよい。この場合には、第２の金属層５や第１の金属層２がＣｕを含有しない構成であっても第２のハンダ層６または第１のハンダ層３に柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物２０を形成することが可能となる。

また、冷却器７の第２のハンダ層６の表面にＮｉのハンダ付け面が形成する方法は、メッキに限定されない。

Ｐ１…パワーモジュール
１…絶縁基板
１ａ…一側面
１ｂ…他側面
２…第１の金属層
３…第１のハンダ層
４…パワー半導体素子
５…第２の金属層
６…第２のハンダ層
７…冷却器
２０…Ｃｕ金属間化合物

Claims (4)

1. 絶縁基板（１）と、前記絶縁基板の一側面（１ａ）に第１のハンダ層（３）および第１の金属層（２）を介して接合されるパワー半導体素子（４）と、前記絶縁基板の他側面（１ｂ）に第２の金属層（５）および第２のハンダ層（６）を介して接合される冷却器（７）とを備えるパワーモジュール（ＰＭ１）のハンダ接合方法であって、
   前記第１のハンダ層および前記第２のハンダ層の少なくとも一方のハンダ層内に、柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物（２０）を形成させることを特徴とするハンダ接合方法。
2. 前記絶縁基板の他側面側の第２の金属層をＣｕで形成する工程と、
   前記冷却器の前記第２のハンダ層側の表面に、Ｎｉ層で形成する工程と、
   前記第１のハンダ層および前記第２のハンダ層の少なくとも一方のハンダ層をＳｎ系ハンダで形成する工程と
   を有し、
   前記ハンダ層を形成する工程において、前記ハンダの温度をハンダの融点に６０℃〜９０℃を加えた温度まで加熱して所定時間保持することを特徴とする請求項１に記載のハンダ接合方法。
3. 請求項１または請求項２に記載のハンダ接合方法を適用して製造されることを特徴とするパワーモジュール（ＰＭ１）。
4. 絶縁基板（１）と、前記絶縁基板の一側面（１ａ）に第１のハンダ層（３）および第１の金属層（２）を介して接合されるパワー半導体素子（４）と、前記絶縁基板の他側面（１ｂ）に第２の金属層（５）および第２のハンダ層（６）を介して接合される冷却器（７）とを備えるパワーモジュールであって、
   前記第１のハンダ層および前記第２のハンダ層の少なくとも一方のハンダ層内に、柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物（２０）が形成されていることを特徴とするパワーモジュール。