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JP7169187B2 - power module - Google Patents
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Description

本発明はパワーモジュールに関する。 The present invention relates to power modules.

モータ駆動用インバータ等には、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)、ダイオード等のパワーデバイス(半導体素子)を実装したパワーモジュールが用いられる。 Power modules mounted with power devices (semiconductor elements) such as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors), and diodes are used in motor drive inverters and the like.

パワーモジュールの信頼性の確保には、先ず、パワーデバイス(単に「素子」ともいう。)の作動中に生じる発熱を効率的に放熱する必要がある。このような放熱構造に関連する記載が下記の特許文献にある。 In order to ensure the reliability of the power module, it is first necessary to efficiently dissipate the heat generated during operation of the power device (simply referred to as "element"). Descriptions relating to such a heat dissipation structure are found in the following patent documents.

特開2008-42039号公報JP-A-2008-42039 特開2008-103623号公報JP 2008-103623 A

ところで、パワーモジュールの信頼性をさらに高めるためには、放熱性の確保に加えて、高温となる素子電極の接合部における耐熱性や耐久性の確保等も重要となる。そこで従来は、高融点で高耐熱性な接合材(例えば、SnAgCu、SnSb等の鉛フリーはんだ)が用いられていた。 By the way, in order to further improve the reliability of the power module, it is important to ensure heat resistance and durability at the joints of the element electrodes, which are exposed to high temperatures, in addition to ensuring heat dissipation. Therefore, conventionally, a bonding material with a high melting point and high heat resistance (for example, lead-free solder such as SnAgCu, SnSb, etc.) has been used.

しかし、そのような接合材を用いたパワーモジュールは、冷熱サイクル(温度サイクル)下で耐久性が十分でも、パワーサイクル下では必ずしも耐久性が十分ではなかった。なお、冷熱サイクルでは、温度分布が略均一的な高温環境下と低温環境下に繰り返しパワーモジュールが曝される。パワーサイクルでは、パワーデバイスへの通電のON・OFが短時間内に繰り返しなされて、不均一な温度分布を生じる環境下に繰り返しパワーモジュールが曝される。 However, a power module using such a bonding material has sufficient durability under thermal cycles (temperature cycles), but does not necessarily have sufficient durability under power cycles. In the thermal cycle, the power module is repeatedly exposed to a high-temperature environment and a low-temperature environment with a substantially uniform temperature distribution. In the power cycle, power to the power device is repeatedly turned on and off within a short period of time, and the power module is repeatedly exposed to an environment that causes uneven temperature distribution.

パワーサイクル下における耐久性を確保するため、低ヤング率または低耐力(常温域)の接合材も用いられていた。しかし、そのような接合材を用いたパワーモジュールでは、接合部温度(Tj)の上限保証温度が低温域(例えば150℃以下)に制限される。 In order to ensure durability under power cycles, bonding materials with low Young's modulus or low yield strength (normal temperature range) have also been used. However, in a power module using such a bonding material, the maximum guaranteed temperature of the bonding temperature (Tj) is limited to a low temperature range (for example, 150° C. or less).

本発明はこのような事情に鑑みて為されたものであり、パワーサイクル下における信頼性を高温域まで確保できるパワーモジュールを提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a power module capable of ensuring reliability under power cycles up to a high temperature range.

本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究した結果、パワーデバイスの第1面側(裏面側/下面側)にある電極を接合する第1接合材の機械的特性(例えば耐力)の温度依存性と、第2面側(表面側/上面側)にある電極を接合する第2接合材の機械的特性(例えば耐力)の温度依存性とを、所定範囲内にすることにより、パワーサイクル下における信頼性(耐久性)をより高温域まで確保できることを新たに見出した。この発見を発展させることにより、以降に述べる本発明を完成するに至った。 As a result of intensive research to solve this problem, the present inventors have found that the temperature dependence of the mechanical properties (e.g. yield strength) of the first bonding material that bonds the electrodes on the first surface side (rear surface side/lower surface side) of the power device. and the temperature dependence of the mechanical properties (e.g. yield strength) of the second bonding material that bonds the electrode on the second surface side (surface side/upper surface side) within a predetermined range. It was newly found that the reliability (durability) in the high temperature range can be secured. Developing this discovery led to the completion of the present invention described below.

《パワーモジュール》
(1)本発明は、半導体からなり、第1面側にある第1電極と第2面側にある第2電極とを少なくとも有するパワーデバイスと、該第1電極に第1接合材を介して接合される第1スプレッダと、該第2電極に第2接合材を介して接合されるターミナルとを備え、該半導体は、ケイ素または炭化ケイ素からなり、該第1電極は、該第2電極よりも接合される電極面積が大きく、該第2電極は、ケイ素を含むアルミニウム合金(「Al-Si合金」という。)からなるAlSi層を含み、該第1スプレッダと該ターミナルは、銅または銅合金からなり、該第1接合材は、30℃のときの0.2%耐力と175℃のときの0.2%耐力との差の絶対値(|Δσ|)が10MPa以下であり、該第2接合材は、30~175℃の全域において該Al-Si合金よりも0.2%耐力が小さく、30℃のときの0.2%耐力と175℃のときの0.2%耐力との差の絶対値(|Δσ|)が20MPa以下であるパワーモジュールである。
《Power module》
(1) The present invention provides a power device made of a semiconductor and having at least a first electrode on the first surface side and a second electrode on the second surface side; a first spreader to be bonded; and a terminal to be bonded to the second electrode via a second bonding material, the semiconductor being made of silicon or silicon carbide, and the first electrode being more spread out than the second electrode. The second electrode includes an AlSi layer made of an aluminum alloy containing silicon (referred to as "Al—Si alloy"), and the first spreader and the terminal are copper or a copper alloy The first bonding material has an absolute value (|Δσ 1 |) of the difference between the 0.2% proof stress at 30° C. and the 0.2% proof stress at 175° C. of 10 MPa or less, The second bonding material has a 0.2% yield strength smaller than the Al—Si alloy in the entire range of 30 to 175 ° C., and has a 0.2% yield strength at 30 ° C. and a 0.2% yield strength at 175 ° C. The absolute value of the difference (|Δσ 2 |) is 20 MPa or less.

(2)本発明のパワーモジュールは、高温域(例えば、素子中心温度または接合部温度の上限値が150℃超~175℃以下となる温度域)のパワーサイクル下でも、高い耐久性(信頼性)を発揮し得る。例えば、そのような環境下でも、第2電極を構成するAlSi層の割れ(クラック)等が抑止される。 (2) The power module of the present invention has high durability (reliability ) can be demonstrated. For example, even under such an environment, the AlSi layer forming the second electrode is prevented from being cracked.

このような優れた効果が発揮される理由やメカニズムは必ずしも定かではない。但し、第2電極側(特にAlSi層)のクラックの有無が、接合材の機械的特性(例えば耐力)の温度依存性に影響しており、第2電極の反対側である第1電極側の第1接合材の機械的特性の温度依存性を第2電極側の第2接合材よりも小さくすることが有効であるということは、これまでにない知見である。本発明は、そのような発見に基づいてなされており、画期的である。 The reason and mechanism for exhibiting such excellent effects are not necessarily clear. However, the presence or absence of cracks on the second electrode side (especially the AlSi layer) affects the temperature dependence of the mechanical properties (for example, yield strength) of the bonding material, and the first electrode side opposite to the second electrode. It is an unprecedented finding that it is effective to make the temperature dependence of the mechanical properties of the first bonding material smaller than that of the second bonding material on the second electrode side. The present invention has been made based on such discoveries and is epoch-making.

《その他》
特に断らない限り本明細書でいう「x~y」は下限値xおよび上限値yを含む。本明細書に記載した種々の数値または数値範囲に含まれる任意の数値を新たな下限値または上限値として「a~b」のような範囲を新設し得る。
"others"
Unless otherwise specified, "x to y" as used herein includes the lower limit value x and the upper limit value y. A new range such as “a to b” can be established as a new lower or upper limit of any numerical value included in the various numerical values or numerical ranges described herein.

両面冷却構造型のパワーモジュールの要部を模式的に示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a main part of a double-sided cooling structure type power module; 各試料に係るパワーサイクル試験後の第1電極面付近を観察した超音波顕微鏡像である。It is the ultrasonic microscope image which observed the 1st electrode surface vicinity after the power cycle test which concerns on each sample. パワーサイクル試験に係る1周期分の通電パターン図である。FIG. 3 is a diagram of an energization pattern for one cycle related to a power cycle test; 各試料に係るパワーサイクル試験後の第1接合材付近の断面を観察した光学顕微鏡像である。It is the optical microscope image which observed the cross section near the 1st jointing material after the power cycle test concerning each sample. 接合材に用いた各金属の耐力の温度依存性を示すグラフである。4 is a graph showing the temperature dependence of proof stress of each metal used as a bonding material.

本発明の構成要素に、本明細書中から任意に選択した一以上の構成要素を付加し得る。本明細書で説明する内容は、本発明のパワーモジュールのみならず、その製造方法にも該当し得る。「方法」に関する構成要素は「物」に関する構成要素ともなり得る。 The components of the present invention may be supplemented with one or more optional components selected from herein. The contents described in this specification may apply not only to the power module of the present invention but also to the manufacturing method thereof. Components related to the "method" can also be components related to the "product".

《パワーデバイス》
パワーデバイスは、ダイオードでもよいが、主にトランジスタである。トランジスタは、第1電極、第2電極、制御電極(第3電極)を備える。本発明の場合、第1電極は第2電極よりも電極面積(または接合面積)が大きく、第1電極はトランジスタの第1面側にあり、第2電極はその第2面側(第1面側の反対面側)にある。このような条件を満たす限り、トランジスタは、IGBT、MOSFET、サイリスタ等のいずれでもよい。IGBTなら、例えば、第1電極はコレクタ電極、第2電極はエミッタ電極となる。MOSFETなら、例えば、第1電極はドレイン電極、第2電極はソース電極である。サイリスタなら、例えば、第1電極はアノード電極であり、第2電極はカソード電極である。なお、いずれの場合も、制御電極は、通常、ゲート電極である。ちなみに、本発明のパワーモジュールは、トランジスタ以外のデバイス(ダイオード等)や制御回路を含み得る。
《Power device》
Power devices are primarily transistors, although they may be diodes. The transistor comprises a first electrode, a second electrode and a control electrode (third electrode). In the case of the present invention, the first electrode has a larger electrode area (or junction area) than the second electrode, the first electrode is on the first surface side of the transistor, and the second electrode is on the second surface side (first surface). on the opposite side). As long as these conditions are satisfied, the transistor may be an IGBT, MOSFET, thyristor, or the like. In the case of an IGBT, for example, the first electrode is the collector electrode and the second electrode is the emitter electrode. For a MOSFET, for example, the first electrode is the drain electrode and the second electrode is the source electrode. In the case of a thyristor, for example, the first electrode is the anode electrode and the second electrode is the cathode electrode. In either case, the control electrode is usually the gate electrode. Incidentally, the power module of the present invention may include devices other than transistors (diodes, etc.) and control circuits.

パワーデバイスは、半導体(SiまたはSiC)からなる。半導体基板(チップ)中のp領域やn領域は、例えば、イオン注入等により形成される。また、第1電極や第2電極は、例えば、金属蒸着(メタライズ)や熱処理(アニール)等により形成される。なお、制御電極は、例えば、絶縁膜(酸化膜)、ポリシリコン膜等により形成される。 A power device consists of a semiconductor (Si or SiC). A p-region and an n-region in a semiconductor substrate (chip) are formed by, for example, ion implantation. Also, the first electrode and the second electrode are formed by, for example, metal deposition (metallization), heat treatment (annealing), or the like. Note that the control electrode is formed of, for example, an insulating film (oxide film), a polysilicon film, or the like.

このような半導体の熱膨張係数(CTE:coefficient of thermal expansion)は、2~5さらには3~6ppm/K程度である。ちなみに、SiはCTEが3ppm/K程度、SiCはCTEが約3.7ppm/K程度である。 The coefficient of thermal expansion (CTE) of such semiconductors is on the order of 2 to 5 or even 3 to 6 ppm/K. Incidentally, Si has a CTE of about 3 ppm/K, and SiC has a CTE of about 3.7 ppm/K.

第1電極や第2電極(特に第2電極)は、ケイ素を含むアルミニウム合金(「Al-Si合金」という。)からなるAlSi層を含む。AlSi層は、一般的に、半導体とNi電極との密着性確保や良好な電気的接触特性を得るために設けられる。パワーサイクル環境下で生じる不均一な温度分布やCTE不整合等に起因して、そのAlSi層でクラックが生じ易い。 The first electrode and the second electrode (especially the second electrode) include an AlSi layer made of an aluminum alloy containing silicon (referred to as "Al--Si alloy"). The AlSi layer is generally provided to ensure adhesion between the semiconductor and the Ni electrode and to obtain good electrical contact characteristics. Cracks are likely to occur in the AlSi layer due to non-uniform temperature distribution, CTE mismatch, etc. that occur in a power cycle environment.

第1電極や第2電極は、AlSi層下(半導体上)に、極薄いAl層やTi層(50nm~500nm程度)等が形成されていてもよい。また、AlSi層上にNi層等が形成されていてもよい。下層であるAl層やTi層等は、例えば、オーミック接触や密着性を確保するために設けられる。上層であるNi層等は、例えば、接合材との接合性を確保するために設けられる。 The first electrode and the second electrode may have an extremely thin Al layer or Ti layer (about 50 nm to 500 nm) or the like formed under the AlSi layer (on the semiconductor). Also, a Ni layer or the like may be formed on the AlSi layer. The lower layers such as the Al layer and the Ti layer are provided, for example, to ensure ohmic contact and adhesion. The Ni layer or the like, which is the upper layer, is provided, for example, to ensure bondability with a bonding material.

《ターミナルとスプレッダ》
第1電極に接合される第1スプレッダと、第2電極に接合されるターミナルは、導電性および熱伝導性に優れた銅(無酸素銅等の純銅)または銅合金からなる。これらのCTEは、通常、15~19ppm/K程度である。但し、CTEが小さい銅合金(例えば、CTEが4~10ppm/K程度のCu―W合金、Cu―Mo合金等)を用いてもよい。なお、これらは後述する第2スプレッダについても適宜該当し得る。
《Terminal and Spreader》
The first spreader joined to the first electrode and the terminal joined to the second electrode are made of copper (pure copper such as oxygen-free copper) or a copper alloy having excellent electrical and thermal conductivity. These CTEs are typically on the order of 15-19 ppm/K. However, a copper alloy with a small CTE (for example, a Cu--W alloy, a Cu--Mo alloy, etc. with a CTE of about 4 to 10 ppm/K) may be used. Note that these can also be appropriately applied to a second spreader to be described later.

パワーデバイスが第2面側に制御電極を有するトランジスタの場合、ターミナルは、例えば、その制御電極に接合されるボンディングワイヤーのスペースを確保するスペーサとなる。その厚みは、例えば、0.1mm~2mmさらには0.5mm~1.5mm程度である。なお、ターミナルの第2面側には、例えば、第2スプレッダが第3接合材を介して接合される。 When the power device is a transistor having a control electrode on the second surface side, the terminal is, for example, a spacer that secures a space for a bonding wire that is joined to the control electrode. Its thickness is, for example, about 0.1 mm to 2 mm, further 0.5 mm to 1.5 mm. A second spreader, for example, is joined to the second surface side of the terminal via a third joining material.

スプレッダは、パワーデバイスの発熱を受熱して、外部へ放熱する熱伝導部材である。スプレッダは、例えば、導電部材を兼ねるリードフレーム、DBC(Direct Copper Bond)基板の回路層等である。 The spreader is a heat conducting member that receives heat generated by the power device and dissipates the heat to the outside. The spreader is, for example, a lead frame that also serves as a conductive member, a circuit layer of a DBC (Direct Copper Bond) substrate, or the like.

《接合材》
(1)第1電極と第1スプレッダの接合部(「第1接合部」という。)に用いられる第1接合材と、第2電極とターミナルの接合部(「第2接合部」という。)に用いられる第2接合材とは、いずれも、機械的特性(強度、クリープ抵抗、延性、ヤング率等)の温度変化が小さいものであるとよい。
《Bonding material》
(1) A first joint material used for a joint portion between the first electrode and the first spreader (referred to as a “first joint portion”) and a joint portion between the second electrode and the terminal (referred to as a “second joint portion”). Any of the second bonding materials used in the above should preferably have a small change in mechanical properties (strength, creep resistance, ductility, Young's modulus, etc.) with temperature.

各接合材の機械的特性の温度依存性は、例えば、30℃のときの0.2%耐力(σ)と175℃(σ)のときの0.2%耐力との差(Δσ=σ―σ)またはその絶対値(|Δσ|)により指標される。第1接合材なら、例えば、その0.2%耐力差の絶対値(|Δσ|)が10MPa以下さらには6MPa以下あるとよい。第2接合材なら、例えば、その0.2%耐力差の絶対値(|Δσ|)が20MPa以下さらには12MPa以下あるとよい。いずれの場合でも、クラックが発生し易い第2電極(特にAlSi層)側である第2接合材の0.2%耐力差(絶対値)よりも、その反対面側にある第1接合材の0.2%耐力差(絶対値)を小さくするとよい。 The temperature dependence of the mechanical properties of each bonding material is, for example, the difference ( Δσ = σ L −σ H ) or its absolute value (|Δσ|). For the first bonding material, for example, the absolute value (|Δσ 1 |) of the 0.2% proof stress difference should be 10 MPa or less, or 6 MPa or less. For the second bonding material, for example, the absolute value (|Δσ 2 |) of the 0.2% proof stress difference is preferably 20 MPa or less, or 12 MPa or less. In any case, the 0.2% yield strength difference (absolute value) of the second bonding material on the side of the second electrode (especially the AlSi layer) where cracks are likely to occur It is preferable to reduce the 0.2% proof stress difference (absolute value).

(2)第1接合材は、例えば、アルミニウム層と金属間化合物層が積層された複合材からなるとよい。アルミニウム層には、例えば、アルミニウム箔を用いることができる。このアルミニウム箔は、例えば、Al以外の不純物元素の合計量が1質量%以下(未満)である純アルミニウムからなるとよい。具体的にいうと、その純度は2N~4Nであるとよい。なお、2Nは純度99%、3Nは純度99.9%、4Nは純度99.99%を意味する。過剰に高純度なアルミニウム箔は高価であり、また、機械的特性の温度変化が大きくなり得る。不純物が過多になると、アルミニウム層が高強度または低延性となり、その応力緩和性が低下し得る。 (2) The first bonding material is preferably made of a composite material in which an aluminum layer and an intermetallic compound layer are laminated, for example. Aluminum foil, for example, can be used for the aluminum layer. This aluminum foil is preferably made of pure aluminum, for example, in which the total amount of impurity elements other than Al is 1% by mass or less (less than). Specifically, the purity is preferably 2N to 4N. 2N means 99% purity, 3N means 99.9% purity, and 4N means 99.99% purity. Excessively high-purity aluminum foil is expensive, and the temperature variation of mechanical properties can be large. Excessive impurities can lead to high strength or low ductility in the aluminum layer and reduce its stress relaxation properties.

アルミニウム層の厚みは、例えば、複合材全体の厚さに対して60~95%さらには75~90%とするとよい。具体的にいうと、アルミニウム層は、例えば、10~500μmさらには20~200μm程度である。その厚みが過小では、第2電極(特にAlSi層)に生じる熱ひずみの低減が不十分となる。また、アルミニウム層による応力緩和性や耐熱疲労性も不十分となる。アルミニウム層の厚みが過大になると、パワーモジュールの薄型化が阻害される。 The thickness of the aluminum layer may be, for example, 60 to 95%, or preferably 75 to 90% of the thickness of the entire composite material. Specifically, the aluminum layer is, for example, about 10 to 500 μm, or even 20 to 200 μm. If the thickness is too small, the reduction of thermal strain occurring in the second electrode (especially the AlSi layer) becomes insufficient. In addition, the stress relaxation property and thermal fatigue resistance of the aluminum layer become insufficient. If the thickness of the aluminum layer becomes excessively large, the reduction in thickness of the power module is hindered.

金属間化合物層は、例えば、少なくとも一方側の被接合面上に、蒸着等により形成した低融点金属(層)と高融点金属(層)が反応し、その低融点金属よりも高融点な金属間化合物(IMC)が生成されてなる。このようなIMCによる接合を、固液相互拡散接合または単に「SLID(Solid Liquid Interdiffusion )接合」という。なお、本明細書では、アルミニウム層(Al層)と、その少なくとも一面側(通常はアルミニウム層の両面側)に形成された金属間化合物層(IMC層)とが積層された接合材(複合材)を、単に「Al-SLID」という。 The intermetallic compound layer is, for example, a metal having a higher melting point than the low melting point metal (layer) formed by vapor deposition or the like on at least one side of the surface to be joined. An intercompound (IMC) is produced. Such bonding by IMC is called solid-liquid interdiffusion bonding or simply "SLID (Solid Liquid Interdiffusion) bonding". In this specification, an aluminum layer (Al layer) and a bonding material (composite material ) is simply referred to as “Al-SLID”.

金属間化合物層を生成する低融点金属と高融点金属の組合わせ(ひいては金属間化合物の組成)は、パワーモジュールの耐熱温度、接合工程中の加熱温度、熱膨張係数等を考慮して選択される。低融点金属として、例えば、Sn、In、Ga、Pb、Bi、Zn等やそれらの合金がある。高融点金属として、Ni、Cu,Ti、Mo、W、Si、Cr、Mn、Co、Zr、Nb、Ta、Ag、Au、Pt、等やそれらの合金がある。 The combination of low-melting-point metal and high-melting-point metal that produces the intermetallic compound layer (and thus the composition of the intermetallic compound) is selected in consideration of the heat resistance temperature of the power module, the heating temperature during the bonding process, the coefficient of thermal expansion, etc. be. Examples of low-melting-point metals include Sn, In, Ga, Pb, Bi, Zn, and alloys thereof. Refractory metals include Ni, Cu, Ti, Mo, W, Si, Cr, Mn, Co, Zr, Nb, Ta, Ag, Au, Pt, and alloys thereof.

一例として、Sn(融点:約230℃)と、Ni(融点:約1450℃)またはCu(融点:約1085℃)とを組み合わせるとよい。例えば、Sn層とNi層を接触させて約350℃で5分間程度加熱すると、ニッケルスズ(NiSn/融点:約795℃)からなる金属間化合物層が得られる。こうして、接合温度を抑制しつつ、高融点な複合接合層が得られる。高融点金属/低融点金属の他の組合わせは、Cu/Sn、Ag/Sn、Pt/Sn/、Au/Sn等でもよい。 As an example, Sn (melting point: about 230° C.) may be combined with Ni (melting point: about 1450° C.) or Cu (melting point: about 1085° C.). For example, when the Sn layer and the Ni layer are brought into contact and heated at about 350° C. for about 5 minutes, an intermetallic compound layer made of nickel tin (NiSn/melting point: about 795° C.) is obtained. In this way, a composite bonding layer having a high melting point can be obtained while suppressing the bonding temperature. Other high melting point metal/low melting point metal combinations may be Cu/Sn, Ag/Sn, Pt/Sn/, Au/Sn, and the like.

金属間化合物層は、通常、アルミニウム層よりも十分に薄い。アルミニウム層の片面側にある金属間化合物層(一層分)の厚さは、例えば、1~15μmさらには3~10μm程度である。複合材全体の厚さに対する金属間化合物層の合計厚さは、例えば、5~40%さらには10~25%程度である。 The intermetallic layer is typically much thinner than the aluminum layer. The thickness of the intermetallic compound layer (for one layer) on one side of the aluminum layer is, for example, about 1 to 15 μm, further 3 to 10 μm. The total thickness of the intermetallic compound layer with respect to the thickness of the entire composite material is, for example, about 5 to 40%, further 10 to 25%.

このようなAl-SLIDは、上述した温度域内(30~175℃)で機械的特性(0.2%耐力等)が安定しており、その温度依存性が十分に小さい。このためAl-SLID(複合材)は、第1接合材として用いても、第2接合材として用いてもよい。なお、Al-SLIDの機械的特性は、ほぼ、その大部分を占めるアルミニウム層の機械的特性に依存していると考えてよい。 Such Al-SLID has stable mechanical properties (0.2% yield strength, etc.) within the above temperature range (30 to 175° C.), and its temperature dependence is sufficiently small. Therefore, Al-SLID (composite material) may be used as the first bonding material or the second bonding material. It can be considered that the mechanical properties of Al-SLID almost depend on the mechanical properties of the aluminum layer that occupies most of it.

(3)第2接合材には、機械的特性の温度依存性が比較的小さい種々の材料を用いることができる。例えば、上述したAl-SLIDを用いる他、従来から用いられているスズと銅のはんだ(単に「SnCuはんだ」という。)を用いることもできる。SnCuはんだは、例えば、その全体を100質量%として、Cu:0.4~1.5質量%さらには0.5~1質量%を含み、残部がSnと不純物からなるスズ合金からなる。この他、上述した0.2%耐力差の絶対値(|Δσ|)が所定範囲内となる限り、Ag、Ni等の合金からなるはんだを用いてもよい。 (3) Various materials having relatively low temperature dependence of mechanical properties can be used for the second bonding material. For example, in addition to using the Al-SLID described above, conventional tin-copper solder (simply referred to as “SnCu solder”) can also be used. SnCu solder, for example, is made of a tin alloy containing 0.4 to 1.5% by mass, further 0.5 to 1% by mass of Cu, with the balance being Sn and impurities when the whole is 100% by mass. In addition, as long as the absolute value of the 0.2% proof stress difference (|Δσ 2 |) is within a predetermined range, a solder made of an alloy such as Ag or Ni may be used.

(4)ターミナルの第2面側と第2スプレッダを接合する第3接合材には、各種はんだ、Al-SLID等を用いることができる。ターミナルと第2スプレッダの間は、パワーデバイスとターミナル若しくは第1スプレッダとの間よりも、低温で温度分布も略均一的である。このため第3接合材については、必ずしも、その機械的特性の温度依存性を問わない。 (4) Various types of solder, Al-SLID, etc. can be used as the third bonding material for bonding the second surface side of the terminal and the second spreader. Between the terminal and the second spreader, the temperature is lower and the temperature distribution is substantially more uniform than between the power device and the terminal or the first spreader. Therefore, the temperature dependence of the mechanical properties of the third bonding material does not necessarily matter.

第1接合材と第2接合材の組み合わせを変更した種々のパワーモジュールを製作した。それらをパワーサイクル試験に供して、第2接合部(特に第2電極のAlSi層)にクラックが生じるか否かを観察し、パワーモジュールの耐久性(信頼性)を評価した。このような具体例を挙げつつ、本発明をさらに詳しく説明する。 Various power modules were manufactured by changing the combination of the first joint material and the second joint material. They were subjected to a power cycle test to observe whether or not cracks occurred in the second joint portion (especially the AlSi layer of the second electrode) to evaluate the durability (reliability) of the power module. The present invention will be described in more detail while citing such specific examples.

《パワーモジュールの概要》
本発明の一実施例である両面冷却構造型のパワーモジュールMを模式的に示した断面図を図1に示した。パワーモジュールMは、IGBTであるトランジスタ1と、スペーサであるターミナル2と、リードフレームである第1スプレッダ31および第2スプレッダ32とを備える。
《Summary of power module》
FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of a double-sided cooling structure type power module M that is an embodiment of the present invention. The power module M includes a transistor 1 that is an IGBT, a terminal 2 that is a spacer, and a first spreader 31 and a second spreader 32 that are lead frames.

トランジスタ1は、IGBTの基板10と、そのコレクタ電極である第1電極11と、そのエミッタ電極である第2電極12と、そのゲート電極である制御電極13(第3電極)とを備える。 The transistor 1 includes an IGBT substrate 10, a first electrode 11 as its collector electrode, a second electrode 12 as its emitter electrode, and a control electrode 13 (third electrode) as its gate electrode.

第1電極11は、第1接合材41を介して、第1スプレッダ31に接合されている。第2電極12は、第2接合材42を介して、ターミナル2の第1面側に接合されている。制御電極13は、ボンディングワイヤー51により信号端子52と接合されている。ターミナル2の第2面側は、第3接合材43を介して第2スプレッダ32と接合されている。 The first electrode 11 is joined to the first spreader 31 via the first joining material 41 . The second electrode 12 is joined to the first surface side of the terminal 2 via the second joining material 42 . The control electrode 13 is joined to the signal terminal 52 by a bonding wire 51 . The second surface side of the terminal 2 is joined to the second spreader 32 via the third joint material 43 .

なお、図1には、一例として、第1接合材41が、アルミニウム層413とその両面側に生成された金属間化合物層411、412とからなるAl-SLID(複合材)である場合を示した。 Note that FIG. 1 shows, as an example, the case where the first bonding material 41 is an Al-SLID (composite material) composed of an aluminum layer 413 and intermetallic compound layers 411 and 412 formed on both sides thereof. rice field.

《パワーサイクル試験》
(1)試料
パワーサイクル試験に供するパワーモジュールM(試料)を種々製作した。先ず、トランジスタ1の基板10は、シリコン(Si単結晶)のチップ(12.4mm×12.4mm×厚さ135μm)からなる。第1電極11の電極面(接合面)は12.4mm×12.4mm(面積:154mm)、第2電極12の電極面(接合面)は11mm×10mm(面積:110mm)である。
《Power cycle test》
(1) Samples Various power modules M (samples) to be subjected to the power cycle test were manufactured. First, the substrate 10 of the transistor 1 is composed of a silicon (Si single crystal) chip (12.4 mm.times.12.4 mm.times.135 .mu.m thick). The electrode surface (bonding surface) of the first electrode 11 is 12.4 mm×12.4 mm (area: 154 mm 2 ), and the electrode surface (bonding surface) of the second electrode 12 is 11 mm×10 mm (area: 110 mm 2 ).

トランジスタ1の第1電極は、基板10のシリコン下面上に、AlSi層(厚さ5μm)、Ti層(厚さ250nm)、およびNi層(厚さ3μm)が順に積層されてなる。トランジスタ1の第2電極は、基板10のシリコン上面上に、AlSi層(厚さ5μm)およびNi層(厚さ3~5μm)が順に積層されてなる。各層は、原料金属(ターゲット)をスパッタリングして形成される。AlSi層は、Si:1質量%、Al:残部であるアルミニウム合金(「Al-1%Si」という。)を原料金属とした。 The first electrode of the transistor 1 is formed by sequentially stacking an AlSi layer (5 μm thick), a Ti layer (250 nm thick), and a Ni layer (3 μm thick) on the lower silicon surface of the substrate 10 . The second electrode of the transistor 1 is formed by sequentially stacking an AlSi layer (5 μm thick) and a Ni layer (3 to 5 μm thick) on the silicon upper surface of the substrate 10 . Each layer is formed by sputtering a raw material metal (target). The AlSi layer was made of an aluminum alloy (referred to as "Al-1% Si") with Si: 1% by mass and Al: the balance as the raw material metal.

ターミナル2(厚さ1.15mm)およびスプレッダ31、32(厚さ2mm)には、無酸素銅(純銅)箔を用いた。 Oxygen-free copper (pure copper) foil was used for terminal 2 (thickness 1.15 mm) and spreaders 31 and 32 (thickness 2 mm).

第1接合材41と第2接合材42には、図2Aに示す各種の接合材を用いた。SnCuは、Cu:0.7質量%、Sn:残部であるスズ合金のはんだ(厚さ100μm)からなる。SnSbは、Sb:5質量%、Sn:残部であるスズ合金のはんだ(厚さ100μm)からなる。なお、本明細書でいう合金組成は、特に断らない限り、合金全体に対する質量割合(質量%)である。 Various bonding materials shown in FIG. 2A were used for the first bonding material 41 and the second bonding material 42 . SnCu is a tin alloy solder (thickness: 100 μm) containing 0.7% by mass of Cu and the balance of Sn. SnSb is a tin alloy solder (thickness: 100 μm) containing 5% by mass of Sb and the balance of Sn. The alloy composition referred to in this specification is a mass ratio (% by mass) to the entire alloy unless otherwise specified.

Al-SLIDは、純アルミニウム(2N)の箔(厚さ100μm)からなるアルミニウム層413と、SnとNiからなる金属間化合物層411、412(各厚さ5μm)とが積層されてなる。なお、アルミニウム層の厚さは、Al-SLID全体に対して91%となる。 The Al-SLID is formed by stacking an aluminum layer 413 made of pure aluminum (2N) foil (thickness 100 μm) and intermetallic compound layers 411 and 412 made of Sn and Ni (thickness 5 μm each). The thickness of the aluminum layer is 91% of the entire Al-SLID.

なお、Al-SLIDは、純アルミニウム箔の両面にそれぞれNiとSnが順にメタライズされた接合シートを、Niがメタライズされた被接合面間に介装した状態で加熱(270℃)し、SLID反応を生じさせて形成される。なお、第3接合材には、上述したSnCu(Sn-0.7質量%Cu)のはんだ(厚さ150μm)を用いた。 In addition, Al-SLID is performed by heating (270 ° C.) in a state in which a bonding sheet in which Ni and Sn are metallized in order on both sides of a pure aluminum foil is interposed between the surfaces to be bonded where Ni is metallized, and the SLID reaction is performed. is formed by giving rise to The above-described SnCu (Sn-0.7 mass % Cu) solder (thickness: 150 μm) was used as the third bonding material.

(2)試験
パワーサイクル試験は、各試料(パワーモジュールM)に、図2Bに示す通電パターンを5万サイクル印加して行った。通電のオン・オフは、素子中心温度が30℃(Tjmin)と、150℃または175℃(Tjmax)の範囲で変化するようにした。なお、素子中心温度はダイオードを用いた温度センサにより測定した。
(2) Test A power cycle test was performed by applying the energization pattern shown in FIG. 2B to each sample (power module M) for 50,000 cycles. The energization was turned on and off so that the temperature at the center of the device varied between 30° C. (Tj min ) and 150° C. or 175° C. (Tj max ). The element center temperature was measured by a temperature sensor using a diode.

《観察》
(1)各試料について、第2電極12とターミナル2(第1面側)が接合されている第2接合部(第2接合材42付近)を、超音波顕微鏡で観察した。その観察像と、第2接合部(特に第2電極12のAlSi層)におけるクラックの有無とを、図2Aに併せて示した。
"observation"
(1) For each sample, the second joint portion (near the second joint member 42) where the second electrode 12 and the terminal 2 (first surface side) are joined was observed with an ultrasonic microscope. The observed image and the presence or absence of cracks in the second joint (in particular, the AlSi layer of the second electrode 12) are also shown in FIG. 2A.

(2)各試料の第2接合部の断面を光学顕微鏡で観察した。その観察像を図3にまとめて示した。 (2) The cross section of the second joint of each sample was observed with an optical microscope. The observed images are collectively shown in FIG.

《評価》
図2Aから次のことがわかる。試料11のように、第1接合材41と第2接合材42にSnCuはんだを用いた場合、素子中心温度の上限値(Tjmax)が150℃までなら、第2接合部にクラックはみられなかった。しかし、試料12のように、第1接合材41と第2接合材42にSnCuはんだを用いた場合でも、素子中心温度の上限値(Tjmax)が175℃になると、第2接合部にクラックが発生した。
"evaluation"
The following can be understood from FIG. 2A. When SnCu solder is used for the first bonding material 41 and the second bonding material 42 as in sample 11, cracks are not observed in the second bonding portion if the upper limit value (Tj max ) of the element center temperature is up to 150°C. I didn't. However, even when SnCu solder is used for the first bonding material 41 and the second bonding material 42, as in the sample 12, when the upper limit value (Tj max ) of the element center temperature reaches 175° C., cracks occur in the second bonding portion. There has occurred.

また、試料2のように、第1接合材41と第2接合材42に、SnCuはんだよりも高強度(高融点)なSnSbはんだを用いた場合でも、第2接合部にクラックが発生した。さらに、試料4のように、第1接合材41をAl-SLID、第2接合材42をSnSbとした場合も、第2接合部にクラックが発生した。 Even when SnSb solder, which has a higher strength (higher melting point) than SnCu solder, was used for the first bonding material 41 and the second bonding material 42, as in Sample 2, cracks occurred in the second bonding portion. Furthermore, as in Sample 4, when Al-SLID was used as the first bonding material 41 and SnSb was used as the second bonding material 42, cracks occurred in the second bonding portion.

一方、試料3または試料5のように、第1接合材41をAl-SLIDとして、第2接合材42をSnCuはんだ若しくはAl-SLIDとした場合には、第2接合部にクラックが発生しなかった。 On the other hand, when the first bonding material 41 is Al-SLID and the second bonding material 42 is SnCu solder or Al-SLID as in Sample 3 or Sample 5, cracks do not occur in the second bonding portion. rice field.

さらに図3からわかるように、クラックを生じた試料の場合、第2電極12のAlSi層にクラックが生じることもわかった。なお、試料3のように、第2接合部にクラックが無い場合、第2電極12(特にAlSi層)にクラックやうねりはみられなかった。 Furthermore, as can be seen from FIG. 3, it was also found that cracks were generated in the AlSi layer of the second electrode 12 in the case of the cracked sample. In addition, when there were no cracks in the second joint portion as in Sample 3, no cracks or undulations were observed in the second electrode 12 (especially the AlSi layer).

《考察》
上述した結果を踏まえて、第1接合材と第2接合材の材質の相違(組み合わせ)により、第2電極のAlSi層等に発生するクラックの有無(ひいてはパワーモジュールの耐久性・信頼性)が異なる理由は、現状、次のように推察される。
《Consideration》
Based on the results described above, the presence or absence of cracks occurring in the AlSi layer of the second electrode (and thus the durability and reliability of the power module) can be determined by the difference (combination) in the materials of the first and second bonding materials. The reason for the difference is currently presumed as follows.

(1)第1接合材41と第2接合材42に用いた各金属材料の0.2%耐力の温度依存性を図4に示した。この温度依存性は、恒温槽を有する引張り試験機を用いて、ひずみ速度:0.01~0.06%/secの条件下で、各金属材料を引張り試験して得られたデータである。なお、Al-SLIDについては、その大部分を占めるAl(2N)に係る0.2耐力の温度依存性を示した。ちなみに、0.2%耐力は、各温度で行う引張試験により得られた応力―ひずみ線図上で、除荷後の塑性ひずみが0.2%となるときの応力値である。 (1) FIG. 4 shows the temperature dependence of the 0.2% proof stress of each metal material used for the first bonding material 41 and the second bonding material 42 . This temperature dependence is data obtained by performing a tensile test on each metal material under conditions of a strain rate of 0.01 to 0.06%/sec using a tensile tester with a constant temperature bath. Al-SLID showed a temperature dependence of proof stress of 0.2 for Al (2N), which occupies most of the Al-SLID. Incidentally, the 0.2% proof stress is the stress value when the plastic strain after unloading is 0.2% on the stress-strain diagram obtained by the tensile test performed at each temperature.

図4から明らかなように、SnSbはんだの0.2%耐力は、低温(25℃)でかなり大きいが、高温(200℃)になると急激に小さくなっている。つまり、SnSbはんだの機械的特性は、温度に対して大きく変化し易い(温度依存性が大きい)。 As is clear from FIG. 4, the 0.2% yield strength of SnSb solder is considerably large at low temperature (25° C.), but it rapidly decreases at high temperature (200° C.). In other words, the mechanical properties of SnSb solder tend to change greatly with temperature (high temperature dependence).

一方、SnCuはんだの0.2%耐力は、低温(25℃)であまり大きくないものの、温度に対する変化は小さい(温度依存性は小さい)。さらにAl-SLID(Al(2N))は、25~200℃の範囲で、0.2%耐力が殆ど変化しておらず、温度依存性が非常に小さい。 On the other hand, the 0.2% proof stress of SnCu solder is not so large at low temperature (25° C.), but the change with respect to temperature is small (the temperature dependence is small). Furthermore, Al-SLID (Al(2N)) has very little temperature dependence, with almost no change in 0.2% proof stress in the range of 25 to 200°C.

また、図4から明らかなように、30℃のときと175℃のときとの0.2%耐力差の絶対値(|Δσ|)をみると、SnSbはんだでは|Δσ|=24MPa(>20MPa)であった。一方、SnCuはんだは|Δσ|=13MPa(10MPa<|Δσ|<20MPa)であり、Al-SLIDは|Δσ|=3MPa(|Δσ|<10MPa)であった。さらに、SnCuはんだとAl-SLIDは、Al-1%Siよりも、30~175℃の全域において0.2%耐力が小さかった。 Also, as is clear from FIG. 4, looking at the absolute value (|Δσ|) of the 0.2% yield strength difference between 30° C. and 175° C., SnSb solder |Δσ|=24 MPa (>20 MPa )Met. On the other hand, the SnCu solder was |Δσ|=13 MPa (10 MPa<|Δσ|<20 MPa), and the Al-SLID was |Δσ|=3 MPa (|Δσ|<10 MPa). Furthermore, SnCu solder and Al-SLID had lower 0.2% proof stress than Al-1%Si over the entire temperature range of 30 to 175°C.

(2)パワーサイクル下では、トランジスタ1(特に基板10)の温度が不均一となり、これに起因して、各電極や各接合部に生じる熱応力や変形・ひずみも不均一となり易い。このような不均一性が、各電極(特に第2電極のAlSi層)にクラックが生じさせる大きいな要因と考えられる。このような傾向は、素子温度(上限値)が高まるほど、顕著になり易い。 (2) Under the power cycle, the temperature of the transistor 1 (especially the substrate 10) becomes non-uniform, resulting in non-uniform thermal stress and deformation/strain occurring in each electrode and each junction. Such non-uniformity is considered to be a major factor causing cracks in each electrode (especially the AlSi layer of the second electrode). Such a tendency tends to become more pronounced as the element temperature (upper limit) increases.

ところが、本発明のように、機械的特性の温度依存性が小さい接合材をパワーデバイスの接合部に用いると共に、クラックを生じ易い第2電極側の第2接合材よりも、その反対面側にある第1電極側の第1接合材の温度依存性をさらに小さくすると、理由は定かではないが、上述した各接合部や各電極に生じる不均一なひずみ等が顕著に抑制されるようになったと考えられる。 However, as in the present invention, a bonding material with low temperature dependence of mechanical properties is used for the bonding portion of the power device, and the second bonding material on the side of the second electrode, which is prone to cracking, is used on the opposite side of the second bonding material. If the temperature dependence of the first bonding material on the side of a certain first electrode is further reduced, the above-described non-uniform strain and the like occurring in each bonding portion and each electrode can be remarkably suppressed, although the reason is not clear. It is thought that

詳細なメカニズムは兎も角、本発明のパワーモジュールを採用することにより、その耐久性や信頼性の確保または向上が図られることは確かである。 Regardless of the detailed mechanism, by adopting the power module of the present invention, it is certain that durability and reliability can be ensured or improved.

M パワーモジュール
1 トランジスタ
10 基板
11 第1電極
12 第2電極
13 制御電極
2 ターミナル
31 第1スプレッダ
32 第2スプレッダ
41 第1接合材
42 第2接合材
43 第3接合材
M power module 1 transistor 10 substrate 11 first electrode 12 second electrode 13 control electrode 2 terminal 31 first spreader 32 second spreader 41 first joint material 42 second joint material 43 third joint material

Claims (7)

半導体からなり、第1面側にある第1電極と第2面側にある第2電極とを少なくとも有するパワーデバイスと、
該第1電極に第1接合材を介して接合される第1スプレッダと、
該第2電極に第2接合材を介して接合されるターミナルとを備え、
該半導体は、ケイ素または炭化ケイ素からなり、
該第1電極は、該第2電極よりも接合される電極面積が大きく、
該第2電極は、ケイ素を含むアルミニウム合金(「Al-Si合金」という。)からなるAlSi層を含み、
該第1スプレッダと該ターミナルは、銅または銅合金からなり、
該第1接合材は、30℃のときの0.2%耐力と175℃のときの0.2%耐力との差の絶対値(|Δσ|)が10MPa以下であり、
該第2接合材は、30~175℃の全域において該Al-Si合金よりも0.2%耐力が小さく、30℃のときの0.2%耐力と175℃のときの0.2%耐力との差の絶対値(|Δσ|)が20MPa以下であり、
該第1接合材は、アルミニウム層と金属間化合物層が積層された複合材からなるパワーモジュール。
a power device made of a semiconductor and having at least a first electrode on the first surface side and a second electrode on the second surface side;
a first spreader bonded to the first electrode via a first bonding material;
a terminal joined to the second electrode via a second joint material;
The semiconductor consists of silicon or silicon carbide,
The first electrode has a larger electrode area to be joined than the second electrode,
The second electrode includes an AlSi layer made of an aluminum alloy containing silicon (referred to as "Al-Si alloy"),
the first spreader and the terminal are made of copper or a copper alloy;
The first bonding material has an absolute value (|Δσ 1 |) of the difference between the 0.2% yield strength at 30° C. and the 0.2% yield strength at 175° C. of 10 MPa or less,
The second bonding material has a 0.2% yield strength smaller than the Al—Si alloy in the entire range of 30 to 175 ° C., 0.2% yield strength at 30 ° C. and 0.2% yield strength at 175 ° C. The absolute value of the difference (|Δσ 2 |) is 20 MPa or less ,
The first bonding material is a power module made of a composite material in which an aluminum layer and an intermetallic compound layer are laminated .
記第2接合材は、銅を含むスズ合金のはんだからなる請求項1に記載のパワーモジュール。 2. The power module according to claim 1, wherein the second bonding material is a tin alloy solder containing copper. 第2接合材は、アルミニウム層と金属間化合物層が積層された複合材からなる請求項1に記載のパワーモジュール。 2. The power module according to claim 1, wherein the second bonding material comprises a composite material in which an aluminum layer and an intermetallic compound layer are laminated. 前記アルミニウム層は、純度が2N~4Nのアルミニウム箔からなる請求項2または3に記載のパワーモジュール。 4. The power module according to claim 2, wherein said aluminum layer is made of aluminum foil with a purity of 2N to 4N. 前記アルミニウム層の厚さは、前記複合材全体の厚さに対して60~95%である請求項2~4のいずれかに記載のパワーモジュール。 The power module according to any one of claims 2 to 4, wherein the aluminum layer has a thickness of 60 to 95% of the total thickness of the composite material. 前記金属間化合物層は、スズとニッケルからなる請求項2~5のいずれかに記載のパワーモジュール。 The power module according to any one of claims 2 to 5, wherein the intermetallic compound layer is made of tin and nickel. 前記パワーデバイスは、前記第2面側に制御電極をさらに有するトランジスタであり、
前記ターミナルは、該制御電極に接合されるボンディングワイヤーのスペースを確保するスペーサであり、
さらに、該スペーサの該第2面側に接合される第2スプレッダを備える請求項1~6のいずれかに記載のパワーモジュール。
The power device is a transistor further having a control electrode on the second surface side,
the terminal is a spacer that secures a space for a bonding wire that is joined to the control electrode;
The power module according to any one of claims 1 to 6, further comprising a second spreader joined to the second surface side of the spacer.
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