半導体素子の接合構造体および半導体素子の接合構造体の製造方法
【課題】 半導体素子の使用時の２５０℃程度の発熱に対しても放熱性が優れ、また半導体素子と電極とを品質良く接合すること。
【解決手段】 半導体素子１０２と電極１０３との間に形成され、それらを接合する接合部２０４を備え、接合部２０４は、Ａｌ層１０５と、その両側に形成された各金属間化合物層１０９−１、１０９−２とを有し、接合部２０４は、箔状のＡｌ１０５の外層に、ＮｉまたはＺｎよりなる中間層１０６−１、１０６−２と、ＣｕまたはＮｉまたはＡｇよりなる第１金属層１０７−１、１０７−２と、Ｓｎよりなる第２金属層１０８−１、１０８−２とをこの順で有する接合材料１０４を利用して形成される、半導体素子の接合構造体。
【解決手段】 半導体素子１０２と電極１０３との間に形成され、それらを接合する接合部２０４を備え、接合部２０４は、Ａｌ層１０５と、その両側に形成された各金属間化合物層１０９−１、１０９−２とを有し、接合部２０４は、箔状のＡｌ１０５の外層に、ＮｉまたはＺｎよりなる中間層１０６−１、１０６−２と、ＣｕまたはＮｉまたはＡｇよりなる第１金属層１０７−１、１０７−２と、Ｓｎよりなる第２金属層１０８−１、１０８−２とをこの順で有する接合材料１０４を利用して形成される、半導体素子の接合構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉛を含まない接合材料を用いた接合構造体に関するものであり、より詳細には、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＮ等の半導体素子と電極とを接合したパワー半導体モジュールの接合構造体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
パワー半導体モジュールの分野においては、より高出力に対応することができるモジュールが強く望まれている。
【０００３】
近年、パワー半導体モジュールに用いられているＳｉ素子に代わって、ＳｉＣやＧａＮを半導体素子として用いたパワー半導体モジュールが注目を浴びつつある。ＳｉＣ、ＧａＮはＳｉに比べて単位面積あたりに投入できる電流の量も大きく、パワー半導体モジュールの小型化、高出力化を担う重要なデバイスとして期待されている。
【０００４】
一方、パワー半導体モジュールは、投入される電流の量が増大するほど、半導体素子自体の発熱温度が上昇する性質を有する。例えば、Ｓｉでは投入電流の量３０ｍＡ／ｃｍ２程度で使用され、半導体素子自体が１５０℃程度に発熱するのに対して、ＳｉＣ、ＧａＮでは投入電流の量１００ｍＡ／ｃｍ２程度で使用され、半導体素子自体が２５０℃程度に発熱することが知られている。
【０００５】
その為、ＳｉＣ、ＧａＮの半導体素子と電極とを接合する接合材料は、使用時の半導体素子の発熱を効率的に電極に放熱する為の放熱性が求められる。
【０００６】
そこで半導体素子の発熱を電極に放熱し、かつ半導体素子自体の発熱で溶融しない接合材料として、例えばＳｎＣｕ化合物を接合材料として使用することが検討されている（特許文献１参照）。
【０００７】
図３は、特許文献１に記載された従来の接合構造体の断面図である。図３において、パワー半導体モジュール３０１は、パワー半導体素子３０２と電極３０３との間に接合部３０４を有する。この接合部３０４は、ＳｎＣｕ化合物を接合材料として用いている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−２７３９８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１のＳｎＣｕ化合物を接合構造体として用いたパワー半導体モジュール３０１では、ＳｉＣやＧａＮを半導体素子３０２として用いた場合は、パワー半導体モジュールの使用時の投入電流の量による半導体素子の２００℃程度の発熱は、電極に放熱することができるが、半導体素子の２５０℃程度の発熱は電極に放熱しきれなくなり、半導体素子の動作を維持することができず、放熱性が確保できなくなる。
【００１０】
このような現象の原因は、特許文献１のＳｎＣｕ化合物を接合材料とした場合、Ｓｎ系はんだ粉とＣｕ粉をＳｎ系はんだ粉が溶融する温度まで加熱することによりＳｎＣｕ化合物を形成させるが、ＳｎＣｕ化合物形成の際の凝固収縮、また拡散反応による原子の移動により、接合部３０４にボイド（微小な空洞）が残存することが原因となっていると推定出来る。
【００１１】
つまり、半導体素子の２００℃程度の発熱では、接合部３０４中に残存するボイドの影響を受けないが、２５０℃程度の発熱では、接合部３０４中に残存するボイドの影響が無視できなくなり放熱性が不足すると考えられる。
【００１２】
従って、前記特許文献１の接合材料による接合構造体は、半導体素子の２５０℃程度の発熱に対する接合部の放熱性を向上しなければならないという課題を有している。
【００１３】
本発明は、従来のパワー半導体モジュールにおけるこのような課題を考慮し、半導体素子の使用時の２５０℃程度の発熱に対しても放熱性が優れ、また半導体素子と電極とを品質良く接合し接合信頼性が高い、半導体素子の接合構造体および半導体素子の接合構造体の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために、第1の本発明の接合構造体は、
基板に形成される電極と、
前記電極に対向して配置された半導体素子と、
前記電極と前記半導体素子との間に形成され、前記半導体素子および前記電極を接合した接合部と、を備える半導体素子の接合構造体であって、
前記接合部は、Ａｌ層と、前記Ａｌ層の両面に形成された金属間化合物層とを有し、前記電極の面に垂直方向に積層された、半導体素子の接合構造体である。
【００１５】
第２の本発明は、
前記Ａｌ層と、前記金属間化合物層との間には、中間層が形成されており、
前記中間層は、ＮｉまたはＺｎを含み、
前記金属間化合物層は、ＣｕＳｎ化合物、ＮｉＳｎ化合物、またはＡｇＳｎ化合物である、第１の本発明の半導体素子の接合構造体である。
【００１６】
第３の本発明は、
加熱された電極の上に、所定の圧力で接合材料を載置し、その接合材料の上に、半導体素子を所定の圧力で載置することで、半導体素子の接合構造体を製造する方法であって、
前記接合材料は、Ａｌ層と、前記Ａｌ層の両面に形成された中間層と、前記中間層の外側に形成された第１金属層と、前記第１金属層の外側に形成された第２金属層とを有する、半導体素子の接合構造体の製造方法である。
【００１７】
第４の本発明は、
前記接合材料の中間層の材料は、ＮｉまたはＺｎを含み、
前記接合材料の第１金属層の材料は、Ｃｕ、ＮｉまたはＡｇを含み、
前記接合材料の第２金属層の材料は、ＳｎまたはＳｎ系合金を含む、
第３の本発明の半導体素子の接合構造体の製造方法である。
【００１８】
第５の本発明は、
前記半導体素子と前記接合材料、前記電極と前記接合材料との接合後の界面には、
ＣｕＳｎ化合物、またはＮｉＳｎ化合物、またはＡｇＳｎ化合物が形成される、第４の本発明の半導体素子の接合構造体の製造方法である。
【発明の効果】
【００１９】
以上のように、本発明によれば、半導体素子の使用時の２５０℃程度の発熱に対しても放熱性に優れ、また半導体素子と電極とを品質良く接合し接合信頼性が高い、半導体素子の接合構造体および半導体素子の接合構造体の製造方法を実現出来る。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態における一実施例の、半導体素子の接合構造体の断面図
【図２】本発明の実施の形態における一実施例の、半導体素子の接合構造体の製造工程を示す断面フロー図
【図３】従来の半導体素子の接合構造体の断面図
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２２】
（実施例）
図１は、本発明の実施の形態における一実施例の接合構造体の断面図であって、パワー半導体モジュール１００が基板１０１に実装された模式図である。半導体素子１０２が、接合部２０４により、電極１０３に接合されて、接合構造体１０６を形成している。
【００２３】
次に、本発明の実施の形態における一実施例の接合構造体の製造方法を、図１中の領域Ａを模式的に拡大した図である図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の製造工程フロー図に従って、説明する。
【００２４】
先ず、製造工程の概略を説明すると、電極１０３上に接合材料１０４を載置し、所望の形態で濡れ拡がらせ（図２（ａ））、その上に、半導体素子１０２を載置し（図２（ｂ））、半導体素子１０２と接合部２０４の界面或いは電極１０３と接合部２０４の界面において、金属間化合物１０９−１、１０９−２を形成した状態で接合するものである（図２（ｃ））。
【００２５】
次に具体的な工程を説明する。
【００２６】
まず、図２（ａ）に示すように、電極１０３上に接合材料１０４を載置する。
【００２７】
ここでの電極１０３は、Ｃｕ合金で構成され、接合材料１０４との濡れ性を確保するために、電極１０３の接合材料側に電極表面処理層１１０として電解めっき法によりＡｇを１μｍの厚みで成膜している。
【００２８】
さらにここでの接合材料１０４を以下に説明する。
【００２９】
まず始めに４ｍｍ×５ｍｍサイズで厚みが３０μｍの箔状のＡｌ層１０５の両面に、中間層１０６−１、１０６−２として、置換めっき法によりＺｎを０．５μｍ成膜する。
【００３０】
箔状のＡｌ層１０５は、熱伝導率が高く、加工性にも優れていることから、本接合材料中において放熱性や応力緩和性を確保する目的で適用している。
【００３１】
Ｚｎよりなる中間層１０６−１、１０６−２は、Ａｌ層１０５と、中間層１０６−１、１０６−２の外側に形成される第１金属層１０７−１、１０７−２との密着性を確保する目的で成膜している。
【００３２】
次に、中間層１０６−１、１０６−２の外側（Ａｌ層１０５に接した面の反対側）にＡｇよりなる第１金属層１０７−１、１０７−２として、電解めっき法によりＡｇを１０μｍ成膜する。
【００３３】
第１金属層１０７−１、１０７−２の材料としては、その外側に成膜する第２金属層１０８−１、１０８−２と金属間化合物を形成できる材料を用いている。
【００３４】
最後に、第１金属１０７−１、１０７−２の外側に、第２金属層１０８−１、１０８−２として、Ｓｎを電解めっき法により５μｍ成膜する。
【００３５】
Ｓｎよりなる第２金属層１０８−１、１０８−２は、溶融時に接合対象である電極１０３を濡れさせること、第１金属層１０７−１、１０７−２と拡散反応を起こし、金属間化合物を形成させることを目的として成膜している。
【００３６】
電極表面処理層１１０にＡｇを用いた場合は、第２金属層１０８−２と金属間化合物ＡｇＳｎ系化合物が形成し、電極１０３と接合材料１０４が接合される。
【００３７】
以上のような多層膜の形態の接合材料１０４を、水素５％含む窒素雰囲気中で、２５０℃に加熱した状態の電極１０３上に、５０ｇｆ〜１５０ｇｆ程度の荷重で載置する（図２（ａ））。
【００３８】
次に、図２（ｂ）に示すように、接合材料１０４の上に半導体素子１０２を載置する。
【００３９】
ここで半導体素子１０２は、ＧａＮで構成され、直径が６インチで厚みが０．３ｍｍのウエハから、４ｍｍ×５ｍｍの大きさで切り出されている。尚、半導体素子１０２の裏面電極１１１は、最外層にＡｇを１μｍ形成させている。
【００４０】
接合材料１０４の上に半導体素子１０２を載置する工程は、水素５％含む窒素雰囲気中で、２５０℃に加熱した状態の電極１０３上の接合材料１０４の上に、半導体素子１０２を５０ｇｆ〜１５０ｇｆ程度の荷重で載置する。
【００４１】
それによって、Ａｇからなる裏面電極１１１は、Ｓｎからなる第２金属層１０８−１と金属間化合物ＡｇＳｎ系化合物を形成し、半導体素子１０２と接合材料１０４が接合される。
【００４２】
次に、半導体素子１０２を接合材料１０４に載置してから１０分保持させた後に、冷却する。図２（ｃ）はその冷却後の状態を示す。具体的には、水素５％含む窒素雰囲気中で、電極１０３を２５０℃の等温加熱状態で約１０分保持した後、電極１０３を室温（約２５℃）まで自然冷却し、接合材料１０４を凝固させた。
【００４３】
これにより、接合材料１０４の第１金属層１０７−１のＡｇと第２金属層１０８−１のＳｎとの拡散反応、また、第１金属層１０７−２のＡｇと第２金属層１０８−２のＳｎ、との拡散反応が起こり、金属間化合物１０９−１、１０９−２としてＡｇＳｎ系化合物が形成され、半導体素子１０２と電極１０３とが接合部２０４により接合される。
【００４４】
また、半導体素子１０２の裏面電極１１１のＡｇと、接合材料１０４の第２金属層１０８−１のＳｎとの拡散反応、さらに、電極表面処理層１１０のＡｇと、接合材料１０４の第２金属層１０８−２のＳｎとの拡散反応によっても金属間化合物を形成するが、ここでは裏面電極１１１、電極表面処理層１１０の厚みが１μｍと薄いことから、金属間化合物１０９−１、１０９−２は、接合材料１０４の第１金属層１０７−１のＡｇと、第２金属層１０８−１のＳｎ、また、第１金属層１０７−２のＡｇと、第２金属層１０８−２のＳｎとの拡散反応により形成される金属間化合物が主体となっている。
【００４５】
具体的には、図２（ａ）の、電極１０３上に接合材料１０４を載置する工程において、電極表面処理層１１０のＡｇと、第２金属層１０８−２のＳｎとの拡散反応によって、ＡｇＳｎ系化合物が形成され、図２（ｂ）の、接合材料１０４の上に半導体素子１０２を載置する工程において、裏面電極１１１のＡｇと第２金属層１０８−１のＳｎとの拡散反応によって、ＡｇＳｎ系化合物が形成されるが、図２（ｃ）の、半導体素子１０２を接合材料１０４に載置して１０分保持させた後に冷却する工程で、第１金属層１０７−１、１０７−２のＡｇと、第２金属層１０８−１、１０８−２のＳｎとの拡散反応によって形成するＡｇＳｎ系化合物が、金属間化合物１０９−１、１０９−２の主体を占める。
【００４６】
このことから、後述の金属間化合物１０９−１、１０９−２に関しては、接合材料１０４の第１金属層１０７−１と第２金属層１０８−１との拡散反応、また、第１金属層１０７−２と第２金属層１０８−２との拡散反応により形成する、金属間化合物に関して説明する。
【００４７】
このようにして製造された、本発明の一実施例の接合構造体は、電極１０３と、電極１０３に対向して配置される半導体素子１０２と、電極１０３と半導体素子１０２との間に形成され、半導体素子１０２および電極１０３を接合する接合部２０４とを備え、接合部２０４は、Ａｌ層１０５と、Ａｌ層１０５の両面に形成された金属間化合物層１０９−１、１０９−２とを有し、電極１０３の面に垂直方向に積層された、半導体素子の接合構造体となる。
【００４８】
本発明の一実施例について行った試験例１では、接合構造体を組み立て（ワイヤボンディング、封止）まで実施し、半導体素子の動作温度を約２５０℃迄上げた温度での、動作試験の製品歩留まり（Ｎ数＝２０）を算出し、放熱性の判定を実施した。製品歩留まりの判定は、８０％以上を良品とした。
【００４９】
比較例としては、従来の接合構造体により製造した製品であり、Ｓｎ系はんだ材料とＣｕの混合粉を用いることにより、ＣｕＳｎ化合物を形成させ、厚み５０μｍの接合部とした。
【００５０】
その結果、比較例の場合、動作試験の製品歩留まりが５０％であったのに対して、本発明の一実施例の接合構造体の動作試験の製品歩留まりは８５％であり、放熱性が確保されていることを確認した。
【００５１】
比較例の場合、動作試験の製品歩留まりが５０％であったことの原因としては、Ｓｎ系はんだ材料とＣｕの混合粉からＣｕＳｎ化合物への金属間化合物化の際に凝固収縮が生じ、接合後もボイドが多く残存しており、このように、接合部中にボイドが多発すると、半導体素子の発熱を電極へ放熱しきれなくなり、半導体素子の動作を維持することができなくなったためと考えられる。
【００５２】
それに対して、本発明の一実施例の接合構造体の動作試験の製品歩留まりが８５％であったことに関しては、比較例と同様に、金属間化合物化の際の凝固収縮によりボイドの発生が生じるが、接合材料１０４の第２金属層１０８−１、１０８−２のＳｎの層の厚さが５μｍと薄いことより、凝固収縮の割合が少なく、ボイドの影響が比較例に比べて小さかったためと考えられる。なお、凝固収縮に関しては、第２金属層Ｓｎ１０８−１、１０８−２の厚み（量）が重要であり、第１金属層１０７−１、１０７−２の方は無視してかまわない。つまり、従来例と比較し、Ｓｎの量が少ない為、凝固収縮による影響が少なくなる。
【００５３】
次に、本発明の一実施例について行った試験例２では、接合構造体を組み立て（ワイヤボンディング、封止）まで実施し、低温側が−４０℃、高温側が１２５℃の温度サイクル試験３００サイクル後に製品を超音波映像で観察し、接合構造体の接合部のクラック、剥離の欠陥を判定し、接合部の表面積に対して欠陥が２０％未満の製品歩留まり（Ｎ数＝２０）を算出した。製品歩留まりの判定は、８０％以上を良品とした。
【００５４】
比較例の場合、温度サイクル試験の製品歩留まりが２０％であるのに対して、本発明の一実施例の接合構造体の温度サイクル試験の製品歩留まりは１００％であり、接合構造体の接合面積が確保されていることを確認した。
【００５５】
比較例と本発明の一実施例で、温度サイクル試験の製品歩留まりに差が生じたことの原因としては、前述と同様に、接合部中のボイド量に起因する応力緩和性によるものと考えられる。
【００５６】
つまり、比較例では接合部中に多発するボイドにより、温度サイクル試験中に生じる熱応力を緩和できずに接合部のクラック、剥離の進展が加速したのに対して、本発明の一実施例では比較例と比べてボイドの影響が小さく、接合部のクラック、剥離の進展を抑制できているものと考えられる。
【００５７】
かかる本発明の実施の形態の構成によれば、電極の面に垂直方向に積層された、箔状のＡｌ層の外側に複数の金属層を有する接合材料により、半導体素子と電極とを接合することで、パワー半導体モジュールの実使用時における半導体素子の発熱を電極に効率よく放熱することが可能となり、半導体素子と電極とを品質良く接合して接合信頼性を上げることができる。
【００５８】
次に本発明の実施の形態において、種々の材料を利用した構成例を、表１（構成１〜構成６）に示す。なお、上述した一実施例は、構成６に該当する。
【表１】
【００５９】
上述した方法と同様の方法で、中間層及び第１金属層の材質を変えた接合材料を用いて接合構造体を製造した。
【００６０】
中間層１０６−１、１０６−２の材料としては、Ｚｎの他に、内側のＡｌ層１０５と、外側の第１金属層１０７−１、１０７−２との密着性を確保するＮｉを検討した。
【００６１】
第１金属層１０７−１、１０７−２の材料としては、Ａｇの他に、第２金属層１０８−１、１０８−２のＳｎと金属間化合物を形成するＣｕ、Ｎｉを検討した。
【００６２】
なお、中間層１０６−１、１０６−２であるＮｉまたはＺｎの厚みは０．５μｍ、第１金属層１０７−１、１０７−２であるＣｕ、Ｎｉ、Ａｇの厚みは１０μｍ、第２金属層１０８−１、１０８−２のＳｎの厚みは５μｍとした。
【００６３】
中間層１０６−１、１０６−２はＮｉまたはＺｎのいずれであってもよく、厚みに関しては箔状のＡｌ層１０５と第１金属層１０７−１、１０７−２との密着性を確保する範囲であれば特に限定はしないが、ＮｉよりもＺｎの方が密着性が１０％程度上回るため、本発明における中間層の望ましい材料としては、Ａｌとの密着性、厚みの制御性からＺｎ０．５μｍである。
【００６４】
接合材料１０４の第１金属層１０７−１と第２金属層１０８−１、また、接合材料１０４の第１金属層１０７−２と第２金属層１０８−２、との拡散反応により形成する金属間化合物１０９−１、１０９−２は、接合前の第１金属層１０７−１、１０７−２がＣｕ、Ａｇ、Ｎｉに対して接合後はＣｕＳｎ系、ＡｇＳｎ系化合物、ＮｉＳｎ系が形成されていた。
【００６５】
第１金属層１０７−１、１０７−２がＣｕである場合、Ｃｕ６Ｓｎ５（融点４１５℃）、Ｃｕ３Ｓｎ（融点６７６℃）の２相が形成された。
【００６６】
第１金属層１０７−１、１０７−２がＡｇである場合、Ａｇ３Ｓｎ（融点４８０℃）が形成された。
【００６７】
第１金属層１０７−１、１０７−２がＮｉである場合、Ｎｉ３Ｓｎ４（融点７９０℃）が形成された。
【００６８】
金属間化合物の融点の観点からはいずれもパワー半導体モジュールが基板に実装される際に到達する最高温度、半導体素子の動作温度である２５０℃程度に対する耐熱性は確保していることから、第１金属層１０７−１、１０７−２はＣｕ、Ａｇ、Ｎｉのいずれであってもよい。
【００６９】
ＳｎがＣｕ、Ａｇ、ＮｉとそれぞれＣｕ６Ｓｎ５、Ａｇ３Ｓｎ、Ｎｉ３Ｓｎ４の金属間化合物を形成することから、厚みに関しては、第２金属層１０８−１、１０８−２のＳｎの厚みに対して、第１金属層１０７−１、１０７−２がＣｕであれば原子量比でＣｕ：Ｓｎ＝６：５、第１金属層１０７−１、１０７−２がＡｇであれば原子量比でＡｇ：Ｓｎ＝３：１、第１金属層１０７−１、１０７−２がＮｉであれば原子量比でＮｉ：Ｓｎ＝３：４となる厚みが少なくとも必要である。
【００７０】
ただし、接合時の第１金属層１０７−１、１０７−２と第２金属層１０８−１、１０８−２との拡散反応が不十分で第２金属層１０８−１、１０８−２のＳｎが接合後の接合部２０４に残存する場合、Ｓｎと金属間化合物との異材界面が形成してしまい接合部の強度が著しく低下してしまうという問題が生じる。従って、第１金属層１０７−１、１０７−２は上記比率よりも余剰な厚みを確保していることが望ましい。厚みは、各金属の原子量、比重の物性値を用い、原子量比を体積比に換算することで算出することができる。
【００７１】
接合材料の多層の構成については、箔状のＡｌの両面の外側に各々中間層１０６−１、１０６−２、第１金属層１０７−１、１０７−２、第２金属層１０８−１、１０８−２の順に積層されている必要がある。これは、この順により、各構成膜の目的を確保する為である。
【００７２】
また、金属間化合物に関しては、ＣｕＳｎ系、ＮｉＳｎ系化合物と比較して、ＡｇＳｎ系の金属間化合物の方が低硬度、低弾性であるため、接合信頼性の観点からはＡｇＳｎ系の金属間化合物を形成することが望ましい。
【００７３】
次に、上述した表１に示した各種金属材料について、表２に示すような各種金属材料の厚さを変えた組合せ例（構成７〜２４）に対して、上述した動作試験と、温度サイクル試験を実施した。なお、表１の構成１は表２の構成１３と同一であり、表１の構成４は表２の構成１４と同一であり、表１の構成５は表２の構成１５と同一である。なお、表１の構成６（一実施例）は構成６として表２に記載した。また、表１の構成２，３の厚さの組合せは表２の組合せからは除いている。
【表２】
【００７４】
これら各構成の材料について、接合構造体を組み立て（ワイヤボンディング、封止）まで実施し、半導体素子の動作温度を約２５０℃迄上げた温度での動作試験の製品歩留まり（Ｎ数＝２０）を算出し、放熱性の判定を実施した。
【００７５】
また、同様な材料構成で、接合構造体を組み立て（ワイヤボンディング、封止）まで実施し、低温側が−４０℃、高温側が１２５℃の温度サイクル試験３００サイクル後に製品を超音波映像で観察し、接合構造体の接合部のクラック、剥離の欠陥を判定し、接合部の表面積に対して欠陥が２０％未満の製品歩留まり（Ｎ数＝２０）を算出した。
【００７６】
これらの動作試験及び温度サイクル試験の製品歩留まりの判定は、○は８０％以上、△は５０％以上８０％未満、×は５０％未満とし、○を良品とした。
【００７７】
動作試験、温度サイクル試験の製品歩留まりの結果を表２に示す。
【００７８】
表２の動作試験の結果から、構成２２〜２４（Ａｌ箔の厚みが５５μｍ）の場合、製品歩留まりが５０％であるのに対して、構成６〜２１（Ａｌ箔の厚みが０μｍ〜５０μｍ）の場合、製品歩留まりが８０％以上であった。
【００７９】
これは、構成２２〜２４の場合、Ａｌ箔の厚みが５５μｍであるので、半導体素子と電極の距離が大きく、半導体素子の発熱を効率的に電極に若干放熱し難く、半導体素子の動作を十二分に良好には維持することができなくなったためと考えられる。
【００８０】
次に、表２の温度サイクル試験の結果から、構成７〜１２（Ａｌ箔の厚みが２５μｍ以下）の場合、製品歩留まりが８０％未満であるのに対して、構成6および構成１３〜２４（Ａｌ箔の厚みが３０μｍ〜５５μｍ）の場合、製品歩留まりが８０％以上となっている。
【００８１】
これは、構成７〜１２（Ａｌ箔の厚みが２５μｍ以下）の場合、温度サイクル試験における半導体素子と電極の線膨張率差に基づく熱応力が接合材料に加わり、応力を緩和できずに接合部に欠陥が生じたのに対して、構成１３〜２１のＡｌ箔の厚みが３０μｍ以上の場合Ａｌ箔が応力を緩和し、接合部の欠陥を防止したものと考えられる。
【００８２】
かかる構成によれば、応力吸収役割も果たすＡｌ層が放熱効果を発揮し、その厚さ分、Ｓｎの量が少なくなりボイドが減ると推定され、その結果、動作試験の製品歩留まりが改善し、パワー半導体モジュールの実使用時における半導体素子の発熱を電極に効率よく放熱することが可能となり、半導体素子と電極とを品質良く接合して接合信頼性を上げることができる。
【００８３】
なお、本発明の上述した実施の形態では、Ａｌの供給方法は箔状としたが、量と形状を安定して供給できる方法であればよく、例えばワイヤ、ボール形状で供給してもよい。
【００８４】
また、本発明の上述した実施の形態では、接合対象電極との濡れ性を確保する金属はＳｎ（第２金属層）としたが、例えばＳｎ３Ａｇ０．５Ｃｕ等の（融点が２６０℃以下の）一般的なＳｎ系合金であってもよい。
【００８５】
しかし、接合後にＳｎ相が残存すると半導体素子の発熱で再溶融する可能性がある為、接合時にＳｎ系合金と金属間化合物を形成させることにより高融点化させる第１金属層（Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉの何れか）を、Ｓｎ系合金が接合対象電極と接触しない側に配置する必要がある。
【００８６】
厚みに関しては、接合後にＳｎ系合金中のＳｎ相が残存しない厚みが供給されていればよい。
【００８７】
本発明の上述した一実施例では、Ａｌと第１金属層との密着を確保する為に中間層（Ｚｎ、Ｎｉ）を電解めっき法で成膜したが、Ａｌと第１金属層との密着性を確保する方法であればよく、例えばＡｌに直接第１金属層を蒸着法により成膜してもよい。
【００８８】
本発明の上述した一実施例の接合材料の構成では、Ａｌ箔の外側の２つの中間層（Ｚｎ）上に、第１金属層（Ａｇ）、第２金属層（Ｓｎ）を対称の構成（同じ組成、厚み）で形成したが、その構成の仕方は対称構成に限らない。
【００８９】
例えば接合材料１０４の構成を半導体素子から電極の方向に見た場合に、Ｓｎ系合金／Ａｇ／Ｎｉ／Ａｌ／Ｚｎ／Ｃｕ／Ｓｎ系合金や、あるいは、Ｓｎ系合金／Ａｇ／Ｓｎ系合金／Ｎｉ／Ａｌ／Ｚｎ／Ｃｕ／Ｓｎ系合金／Ａｇ／Ｓｎ系合金等、Ａｇ、Ｃｕ、ＮｉがＳｎを介して積層し、Ｓｎ系合金と金属間化合物が形成されれば構成の仕方は任意であるが（対称の構成に限らなくてもよいが）、最外層は半導体素子、電極との接合温度を加味するとＳｎ系合金が相応しいと考えられる。
【００９０】
ただし、厚みに関しては上述したように、接合後にＳｎ系合金中のＳｎ相が残存しない厚みが供給されていることが望ましい。
【００９１】
半導体素子１０２は、ＧａＮに限らずＳｉＣで構成されていても良い。また、半導体素子１０２の大きさは、半導体素子の機能により、６ｍｍ×５ｍｍと大きいもの、あるいは３ｍｍ×２．５ｍｍ、２ｍｍ×１．６ｍｍ等の小さいものを用いても良い。半導体素子１０２の厚みは、半導体素子の大きさにより異なる場合もあり、０．３ｍｍに限らず、０．４ｍｍ、０．２ｍｍ、０．１５ｍｍ等のものを用いても良い。
【００９２】
なお、半導体素子１０２の裏面電極１１１の構成については、本発明の上述した実施例では最外層にＡｇを１μｍ形成させているが、溶融状態のＳｎの濡れ性を阻害しない金属であれば特に限定はしない。
【００９３】
裏面電極１１１にＡｇを用いた場合は、そのＡｇは、第２金属層１０８−１と金属間化合物ＡｇＳｎ系化合物を形成し、半導体素子１０２と接合材料１０４が接合される。
【００９４】
裏面電極１１１にＮｉを用いた場合は、そのＮｉは、第２金属層１０８−１と金属間化合物ＮｉＳｎ系化合物を形成し、半導体素子１０２と接合材料１０４が接合される。
【００９５】
電極表面処理層１１０は、本発明の上述した一実施例ではＡｇを１μｍ形成させているが、溶融状態のＳｎの濡れ性を阻害しない金属であれば特に限定はせず、成膜方法も電解めっき法に限らず蒸着法、無電解めっき法等を用いても良い。
【００９６】
電極表面処理層１１０にＡｇを用いた場合は、そのＡｇは、第２金属層１０８−２と金属間化合物ＡｇＳｎ系化合物を形成し、電極１０３と接合材料１０４が接合される。
【００９７】
電極表面処理層１１０にＮｉを用いた場合は、そのＮｉは、第２金属層１０８−２と金属間化合物ＮｉＳｎ系化合物を形成し、電極１０３と接合材料１０４が接合される。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
本発明によれば、半導体モジュールの実使用時における半導体素子の発熱を電極に効率よく放熱することが可能であり、耐熱性と放熱性を両立し、また半導体素子と電極とを品質良く接合して接合信頼性を上げることができることから、パワー半導体モジュール、大電力トランジスタ等の半導体パッケージの用途に適用できる。
【符号の説明】
【００９９】
１００ パワー半導体モジュール
１０１ 基板
１０２ 半導体素子
１０３ 電極
１０４ 接合材料
１０５ Ａｌ層
１０６−１ 中間層
１０６−２ 中間層
１０７−１ 第１金属層
１０７−２ 第１金属層
１０８−１ 第２金属層
１０８−２ 第２金属層
１０９−１ 金属間化合物
１０９−２ 金属間化合物
１１０ 電極表面処理層
１１１ 裏面電極
２０４ 接合部
３０１ パワー半導体モジュール
３０２ パワー半導体素子
３０３ リードフレーム
３０４ 接合部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉛を含まない接合材料を用いた接合構造体に関するものであり、より詳細には、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＮ等の半導体素子と電極とを接合したパワー半導体モジュールの接合構造体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
パワー半導体モジュールの分野においては、より高出力に対応することができるモジュールが強く望まれている。
【０００３】
近年、パワー半導体モジュールに用いられているＳｉ素子に代わって、ＳｉＣやＧａＮを半導体素子として用いたパワー半導体モジュールが注目を浴びつつある。ＳｉＣ、ＧａＮはＳｉに比べて単位面積あたりに投入できる電流の量も大きく、パワー半導体モジュールの小型化、高出力化を担う重要なデバイスとして期待されている。
【０００４】
一方、パワー半導体モジュールは、投入される電流の量が増大するほど、半導体素子自体の発熱温度が上昇する性質を有する。例えば、Ｓｉでは投入電流の量３０ｍＡ／ｃｍ２程度で使用され、半導体素子自体が１５０℃程度に発熱するのに対して、ＳｉＣ、ＧａＮでは投入電流の量１００ｍＡ／ｃｍ２程度で使用され、半導体素子自体が２５０℃程度に発熱することが知られている。
【０００５】
その為、ＳｉＣ、ＧａＮの半導体素子と電極とを接合する接合材料は、使用時の半導体素子の発熱を効率的に電極に放熱する為の放熱性が求められる。
【０００６】
そこで半導体素子の発熱を電極に放熱し、かつ半導体素子自体の発熱で溶融しない接合材料として、例えばＳｎＣｕ化合物を接合材料として使用することが検討されている（特許文献１参照）。
【０００７】
図３は、特許文献１に記載された従来の接合構造体の断面図である。図３において、パワー半導体モジュール３０１は、パワー半導体素子３０２と電極３０３との間に接合部３０４を有する。この接合部３０４は、ＳｎＣｕ化合物を接合材料として用いている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−２７３９８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１のＳｎＣｕ化合物を接合構造体として用いたパワー半導体モジュール３０１では、ＳｉＣやＧａＮを半導体素子３０２として用いた場合は、パワー半導体モジュールの使用時の投入電流の量による半導体素子の２００℃程度の発熱は、電極に放熱することができるが、半導体素子の２５０℃程度の発熱は電極に放熱しきれなくなり、半導体素子の動作を維持することができず、放熱性が確保できなくなる。
【００１０】
このような現象の原因は、特許文献１のＳｎＣｕ化合物を接合材料とした場合、Ｓｎ系はんだ粉とＣｕ粉をＳｎ系はんだ粉が溶融する温度まで加熱することによりＳｎＣｕ化合物を形成させるが、ＳｎＣｕ化合物形成の際の凝固収縮、また拡散反応による原子の移動により、接合部３０４にボイド（微小な空洞）が残存することが原因となっていると推定出来る。
【００１１】
つまり、半導体素子の２００℃程度の発熱では、接合部３０４中に残存するボイドの影響を受けないが、２５０℃程度の発熱では、接合部３０４中に残存するボイドの影響が無視できなくなり放熱性が不足すると考えられる。
【００１２】
従って、前記特許文献１の接合材料による接合構造体は、半導体素子の２５０℃程度の発熱に対する接合部の放熱性を向上しなければならないという課題を有している。
【００１３】
本発明は、従来のパワー半導体モジュールにおけるこのような課題を考慮し、半導体素子の使用時の２５０℃程度の発熱に対しても放熱性が優れ、また半導体素子と電極とを品質良く接合し接合信頼性が高い、半導体素子の接合構造体および半導体素子の接合構造体の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために、第1の本発明の接合構造体は、
基板に形成される電極と、
前記電極に対向して配置された半導体素子と、
前記電極と前記半導体素子との間に形成され、前記半導体素子および前記電極を接合した接合部と、を備える半導体素子の接合構造体であって、
前記接合部は、Ａｌ層と、前記Ａｌ層の両面に形成された金属間化合物層とを有し、前記電極の面に垂直方向に積層された、半導体素子の接合構造体である。
【００１５】
第２の本発明は、
前記Ａｌ層と、前記金属間化合物層との間には、中間層が形成されており、
前記中間層は、ＮｉまたはＺｎを含み、
前記金属間化合物層は、ＣｕＳｎ化合物、ＮｉＳｎ化合物、またはＡｇＳｎ化合物である、第１の本発明の半導体素子の接合構造体である。
【００１６】
第３の本発明は、
加熱された電極の上に、所定の圧力で接合材料を載置し、その接合材料の上に、半導体素子を所定の圧力で載置することで、半導体素子の接合構造体を製造する方法であって、
前記接合材料は、Ａｌ層と、前記Ａｌ層の両面に形成された中間層と、前記中間層の外側に形成された第１金属層と、前記第１金属層の外側に形成された第２金属層とを有する、半導体素子の接合構造体の製造方法である。
【００１７】
第４の本発明は、
前記接合材料の中間層の材料は、ＮｉまたはＺｎを含み、
前記接合材料の第１金属層の材料は、Ｃｕ、ＮｉまたはＡｇを含み、
前記接合材料の第２金属層の材料は、ＳｎまたはＳｎ系合金を含む、
第３の本発明の半導体素子の接合構造体の製造方法である。
【００１８】
第５の本発明は、
前記半導体素子と前記接合材料、前記電極と前記接合材料との接合後の界面には、
ＣｕＳｎ化合物、またはＮｉＳｎ化合物、またはＡｇＳｎ化合物が形成される、第４の本発明の半導体素子の接合構造体の製造方法である。
【発明の効果】
【００１９】
以上のように、本発明によれば、半導体素子の使用時の２５０℃程度の発熱に対しても放熱性に優れ、また半導体素子と電極とを品質良く接合し接合信頼性が高い、半導体素子の接合構造体および半導体素子の接合構造体の製造方法を実現出来る。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態における一実施例の、半導体素子の接合構造体の断面図
【図２】本発明の実施の形態における一実施例の、半導体素子の接合構造体の製造工程を示す断面フロー図
【図３】従来の半導体素子の接合構造体の断面図
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２２】
（実施例）
図１は、本発明の実施の形態における一実施例の接合構造体の断面図であって、パワー半導体モジュール１００が基板１０１に実装された模式図である。半導体素子１０２が、接合部２０４により、電極１０３に接合されて、接合構造体１０６を形成している。
【００２３】
次に、本発明の実施の形態における一実施例の接合構造体の製造方法を、図１中の領域Ａを模式的に拡大した図である図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の製造工程フロー図に従って、説明する。
【００２４】
先ず、製造工程の概略を説明すると、電極１０３上に接合材料１０４を載置し、所望の形態で濡れ拡がらせ（図２（ａ））、その上に、半導体素子１０２を載置し（図２（ｂ））、半導体素子１０２と接合部２０４の界面或いは電極１０３と接合部２０４の界面において、金属間化合物１０９−１、１０９−２を形成した状態で接合するものである（図２（ｃ））。
【００２５】
次に具体的な工程を説明する。
【００２６】
まず、図２（ａ）に示すように、電極１０３上に接合材料１０４を載置する。
【００２７】
ここでの電極１０３は、Ｃｕ合金で構成され、接合材料１０４との濡れ性を確保するために、電極１０３の接合材料側に電極表面処理層１１０として電解めっき法によりＡｇを１μｍの厚みで成膜している。
【００２８】
さらにここでの接合材料１０４を以下に説明する。
【００２９】
まず始めに４ｍｍ×５ｍｍサイズで厚みが３０μｍの箔状のＡｌ層１０５の両面に、中間層１０６−１、１０６−２として、置換めっき法によりＺｎを０．５μｍ成膜する。
【００３０】
箔状のＡｌ層１０５は、熱伝導率が高く、加工性にも優れていることから、本接合材料中において放熱性や応力緩和性を確保する目的で適用している。
【００３１】
Ｚｎよりなる中間層１０６−１、１０６−２は、Ａｌ層１０５と、中間層１０６−１、１０６−２の外側に形成される第１金属層１０７−１、１０７−２との密着性を確保する目的で成膜している。
【００３２】
次に、中間層１０６−１、１０６−２の外側（Ａｌ層１０５に接した面の反対側）にＡｇよりなる第１金属層１０７−１、１０７−２として、電解めっき法によりＡｇを１０μｍ成膜する。
【００３３】
第１金属層１０７−１、１０７−２の材料としては、その外側に成膜する第２金属層１０８−１、１０８−２と金属間化合物を形成できる材料を用いている。
【００３４】
最後に、第１金属１０７−１、１０７−２の外側に、第２金属層１０８−１、１０８−２として、Ｓｎを電解めっき法により５μｍ成膜する。
【００３５】
Ｓｎよりなる第２金属層１０８−１、１０８−２は、溶融時に接合対象である電極１０３を濡れさせること、第１金属層１０７−１、１０７−２と拡散反応を起こし、金属間化合物を形成させることを目的として成膜している。
【００３６】
電極表面処理層１１０にＡｇを用いた場合は、第２金属層１０８−２と金属間化合物ＡｇＳｎ系化合物が形成し、電極１０３と接合材料１０４が接合される。
【００３７】
以上のような多層膜の形態の接合材料１０４を、水素５％含む窒素雰囲気中で、２５０℃に加熱した状態の電極１０３上に、５０ｇｆ〜１５０ｇｆ程度の荷重で載置する（図２（ａ））。
【００３８】
次に、図２（ｂ）に示すように、接合材料１０４の上に半導体素子１０２を載置する。
【００３９】
ここで半導体素子１０２は、ＧａＮで構成され、直径が６インチで厚みが０．３ｍｍのウエハから、４ｍｍ×５ｍｍの大きさで切り出されている。尚、半導体素子１０２の裏面電極１１１は、最外層にＡｇを１μｍ形成させている。
【００４０】
接合材料１０４の上に半導体素子１０２を載置する工程は、水素５％含む窒素雰囲気中で、２５０℃に加熱した状態の電極１０３上の接合材料１０４の上に、半導体素子１０２を５０ｇｆ〜１５０ｇｆ程度の荷重で載置する。
【００４１】
それによって、Ａｇからなる裏面電極１１１は、Ｓｎからなる第２金属層１０８−１と金属間化合物ＡｇＳｎ系化合物を形成し、半導体素子１０２と接合材料１０４が接合される。
【００４２】
次に、半導体素子１０２を接合材料１０４に載置してから１０分保持させた後に、冷却する。図２（ｃ）はその冷却後の状態を示す。具体的には、水素５％含む窒素雰囲気中で、電極１０３を２５０℃の等温加熱状態で約１０分保持した後、電極１０３を室温（約２５℃）まで自然冷却し、接合材料１０４を凝固させた。
【００４３】
これにより、接合材料１０４の第１金属層１０７−１のＡｇと第２金属層１０８−１のＳｎとの拡散反応、また、第１金属層１０７−２のＡｇと第２金属層１０８−２のＳｎ、との拡散反応が起こり、金属間化合物１０９−１、１０９−２としてＡｇＳｎ系化合物が形成され、半導体素子１０２と電極１０３とが接合部２０４により接合される。
【００４４】
また、半導体素子１０２の裏面電極１１１のＡｇと、接合材料１０４の第２金属層１０８−１のＳｎとの拡散反応、さらに、電極表面処理層１１０のＡｇと、接合材料１０４の第２金属層１０８−２のＳｎとの拡散反応によっても金属間化合物を形成するが、ここでは裏面電極１１１、電極表面処理層１１０の厚みが１μｍと薄いことから、金属間化合物１０９−１、１０９−２は、接合材料１０４の第１金属層１０７−１のＡｇと、第２金属層１０８−１のＳｎ、また、第１金属層１０７−２のＡｇと、第２金属層１０８−２のＳｎとの拡散反応により形成される金属間化合物が主体となっている。
【００４５】
具体的には、図２（ａ）の、電極１０３上に接合材料１０４を載置する工程において、電極表面処理層１１０のＡｇと、第２金属層１０８−２のＳｎとの拡散反応によって、ＡｇＳｎ系化合物が形成され、図２（ｂ）の、接合材料１０４の上に半導体素子１０２を載置する工程において、裏面電極１１１のＡｇと第２金属層１０８−１のＳｎとの拡散反応によって、ＡｇＳｎ系化合物が形成されるが、図２（ｃ）の、半導体素子１０２を接合材料１０４に載置して１０分保持させた後に冷却する工程で、第１金属層１０７−１、１０７−２のＡｇと、第２金属層１０８−１、１０８−２のＳｎとの拡散反応によって形成するＡｇＳｎ系化合物が、金属間化合物１０９−１、１０９−２の主体を占める。
【００４６】
このことから、後述の金属間化合物１０９−１、１０９−２に関しては、接合材料１０４の第１金属層１０７−１と第２金属層１０８−１との拡散反応、また、第１金属層１０７−２と第２金属層１０８−２との拡散反応により形成する、金属間化合物に関して説明する。
【００４７】
このようにして製造された、本発明の一実施例の接合構造体は、電極１０３と、電極１０３に対向して配置される半導体素子１０２と、電極１０３と半導体素子１０２との間に形成され、半導体素子１０２および電極１０３を接合する接合部２０４とを備え、接合部２０４は、Ａｌ層１０５と、Ａｌ層１０５の両面に形成された金属間化合物層１０９−１、１０９−２とを有し、電極１０３の面に垂直方向に積層された、半導体素子の接合構造体となる。
【００４８】
本発明の一実施例について行った試験例１では、接合構造体を組み立て（ワイヤボンディング、封止）まで実施し、半導体素子の動作温度を約２５０℃迄上げた温度での、動作試験の製品歩留まり（Ｎ数＝２０）を算出し、放熱性の判定を実施した。製品歩留まりの判定は、８０％以上を良品とした。
【００４９】
比較例としては、従来の接合構造体により製造した製品であり、Ｓｎ系はんだ材料とＣｕの混合粉を用いることにより、ＣｕＳｎ化合物を形成させ、厚み５０μｍの接合部とした。
【００５０】
その結果、比較例の場合、動作試験の製品歩留まりが５０％であったのに対して、本発明の一実施例の接合構造体の動作試験の製品歩留まりは８５％であり、放熱性が確保されていることを確認した。
【００５１】
比較例の場合、動作試験の製品歩留まりが５０％であったことの原因としては、Ｓｎ系はんだ材料とＣｕの混合粉からＣｕＳｎ化合物への金属間化合物化の際に凝固収縮が生じ、接合後もボイドが多く残存しており、このように、接合部中にボイドが多発すると、半導体素子の発熱を電極へ放熱しきれなくなり、半導体素子の動作を維持することができなくなったためと考えられる。
【００５２】
それに対して、本発明の一実施例の接合構造体の動作試験の製品歩留まりが８５％であったことに関しては、比較例と同様に、金属間化合物化の際の凝固収縮によりボイドの発生が生じるが、接合材料１０４の第２金属層１０８−１、１０８−２のＳｎの層の厚さが５μｍと薄いことより、凝固収縮の割合が少なく、ボイドの影響が比較例に比べて小さかったためと考えられる。なお、凝固収縮に関しては、第２金属層Ｓｎ１０８−１、１０８−２の厚み（量）が重要であり、第１金属層１０７−１、１０７−２の方は無視してかまわない。つまり、従来例と比較し、Ｓｎの量が少ない為、凝固収縮による影響が少なくなる。
【００５３】
次に、本発明の一実施例について行った試験例２では、接合構造体を組み立て（ワイヤボンディング、封止）まで実施し、低温側が−４０℃、高温側が１２５℃の温度サイクル試験３００サイクル後に製品を超音波映像で観察し、接合構造体の接合部のクラック、剥離の欠陥を判定し、接合部の表面積に対して欠陥が２０％未満の製品歩留まり（Ｎ数＝２０）を算出した。製品歩留まりの判定は、８０％以上を良品とした。
【００５４】
比較例の場合、温度サイクル試験の製品歩留まりが２０％であるのに対して、本発明の一実施例の接合構造体の温度サイクル試験の製品歩留まりは１００％であり、接合構造体の接合面積が確保されていることを確認した。
【００５５】
比較例と本発明の一実施例で、温度サイクル試験の製品歩留まりに差が生じたことの原因としては、前述と同様に、接合部中のボイド量に起因する応力緩和性によるものと考えられる。
【００５６】
つまり、比較例では接合部中に多発するボイドにより、温度サイクル試験中に生じる熱応力を緩和できずに接合部のクラック、剥離の進展が加速したのに対して、本発明の一実施例では比較例と比べてボイドの影響が小さく、接合部のクラック、剥離の進展を抑制できているものと考えられる。
【００５７】
かかる本発明の実施の形態の構成によれば、電極の面に垂直方向に積層された、箔状のＡｌ層の外側に複数の金属層を有する接合材料により、半導体素子と電極とを接合することで、パワー半導体モジュールの実使用時における半導体素子の発熱を電極に効率よく放熱することが可能となり、半導体素子と電極とを品質良く接合して接合信頼性を上げることができる。
【００５８】
次に本発明の実施の形態において、種々の材料を利用した構成例を、表１（構成１〜構成６）に示す。なお、上述した一実施例は、構成６に該当する。
【表１】
【００５９】
上述した方法と同様の方法で、中間層及び第１金属層の材質を変えた接合材料を用いて接合構造体を製造した。
【００６０】
中間層１０６−１、１０６−２の材料としては、Ｚｎの他に、内側のＡｌ層１０５と、外側の第１金属層１０７−１、１０７−２との密着性を確保するＮｉを検討した。
【００６１】
第１金属層１０７−１、１０７−２の材料としては、Ａｇの他に、第２金属層１０８−１、１０８−２のＳｎと金属間化合物を形成するＣｕ、Ｎｉを検討した。
【００６２】
なお、中間層１０６−１、１０６−２であるＮｉまたはＺｎの厚みは０．５μｍ、第１金属層１０７−１、１０７−２であるＣｕ、Ｎｉ、Ａｇの厚みは１０μｍ、第２金属層１０８−１、１０８−２のＳｎの厚みは５μｍとした。
【００６３】
中間層１０６−１、１０６−２はＮｉまたはＺｎのいずれであってもよく、厚みに関しては箔状のＡｌ層１０５と第１金属層１０７−１、１０７−２との密着性を確保する範囲であれば特に限定はしないが、ＮｉよりもＺｎの方が密着性が１０％程度上回るため、本発明における中間層の望ましい材料としては、Ａｌとの密着性、厚みの制御性からＺｎ０．５μｍである。
【００６４】
接合材料１０４の第１金属層１０７−１と第２金属層１０８−１、また、接合材料１０４の第１金属層１０７−２と第２金属層１０８−２、との拡散反応により形成する金属間化合物１０９−１、１０９−２は、接合前の第１金属層１０７−１、１０７−２がＣｕ、Ａｇ、Ｎｉに対して接合後はＣｕＳｎ系、ＡｇＳｎ系化合物、ＮｉＳｎ系が形成されていた。
【００６５】
第１金属層１０７−１、１０７−２がＣｕである場合、Ｃｕ６Ｓｎ５（融点４１５℃）、Ｃｕ３Ｓｎ（融点６７６℃）の２相が形成された。
【００６６】
第１金属層１０７−１、１０７−２がＡｇである場合、Ａｇ３Ｓｎ（融点４８０℃）が形成された。
【００６７】
第１金属層１０７−１、１０７−２がＮｉである場合、Ｎｉ３Ｓｎ４（融点７９０℃）が形成された。
【００６８】
金属間化合物の融点の観点からはいずれもパワー半導体モジュールが基板に実装される際に到達する最高温度、半導体素子の動作温度である２５０℃程度に対する耐熱性は確保していることから、第１金属層１０７−１、１０７−２はＣｕ、Ａｇ、Ｎｉのいずれであってもよい。
【００６９】
ＳｎがＣｕ、Ａｇ、ＮｉとそれぞれＣｕ６Ｓｎ５、Ａｇ３Ｓｎ、Ｎｉ３Ｓｎ４の金属間化合物を形成することから、厚みに関しては、第２金属層１０８−１、１０８−２のＳｎの厚みに対して、第１金属層１０７−１、１０７−２がＣｕであれば原子量比でＣｕ：Ｓｎ＝６：５、第１金属層１０７−１、１０７−２がＡｇであれば原子量比でＡｇ：Ｓｎ＝３：１、第１金属層１０７−１、１０７−２がＮｉであれば原子量比でＮｉ：Ｓｎ＝３：４となる厚みが少なくとも必要である。
【００７０】
ただし、接合時の第１金属層１０７−１、１０７−２と第２金属層１０８−１、１０８−２との拡散反応が不十分で第２金属層１０８−１、１０８−２のＳｎが接合後の接合部２０４に残存する場合、Ｓｎと金属間化合物との異材界面が形成してしまい接合部の強度が著しく低下してしまうという問題が生じる。従って、第１金属層１０７−１、１０７−２は上記比率よりも余剰な厚みを確保していることが望ましい。厚みは、各金属の原子量、比重の物性値を用い、原子量比を体積比に換算することで算出することができる。
【００７１】
接合材料の多層の構成については、箔状のＡｌの両面の外側に各々中間層１０６−１、１０６−２、第１金属層１０７−１、１０７−２、第２金属層１０８−１、１０８−２の順に積層されている必要がある。これは、この順により、各構成膜の目的を確保する為である。
【００７２】
また、金属間化合物に関しては、ＣｕＳｎ系、ＮｉＳｎ系化合物と比較して、ＡｇＳｎ系の金属間化合物の方が低硬度、低弾性であるため、接合信頼性の観点からはＡｇＳｎ系の金属間化合物を形成することが望ましい。
【００７３】
次に、上述した表１に示した各種金属材料について、表２に示すような各種金属材料の厚さを変えた組合せ例（構成７〜２４）に対して、上述した動作試験と、温度サイクル試験を実施した。なお、表１の構成１は表２の構成１３と同一であり、表１の構成４は表２の構成１４と同一であり、表１の構成５は表２の構成１５と同一である。なお、表１の構成６（一実施例）は構成６として表２に記載した。また、表１の構成２，３の厚さの組合せは表２の組合せからは除いている。
【表２】
【００７４】
これら各構成の材料について、接合構造体を組み立て（ワイヤボンディング、封止）まで実施し、半導体素子の動作温度を約２５０℃迄上げた温度での動作試験の製品歩留まり（Ｎ数＝２０）を算出し、放熱性の判定を実施した。
【００７５】
また、同様な材料構成で、接合構造体を組み立て（ワイヤボンディング、封止）まで実施し、低温側が−４０℃、高温側が１２５℃の温度サイクル試験３００サイクル後に製品を超音波映像で観察し、接合構造体の接合部のクラック、剥離の欠陥を判定し、接合部の表面積に対して欠陥が２０％未満の製品歩留まり（Ｎ数＝２０）を算出した。
【００７６】
これらの動作試験及び温度サイクル試験の製品歩留まりの判定は、○は８０％以上、△は５０％以上８０％未満、×は５０％未満とし、○を良品とした。
【００７７】
動作試験、温度サイクル試験の製品歩留まりの結果を表２に示す。
【００７８】
表２の動作試験の結果から、構成２２〜２４（Ａｌ箔の厚みが５５μｍ）の場合、製品歩留まりが５０％であるのに対して、構成６〜２１（Ａｌ箔の厚みが０μｍ〜５０μｍ）の場合、製品歩留まりが８０％以上であった。
【００７９】
これは、構成２２〜２４の場合、Ａｌ箔の厚みが５５μｍであるので、半導体素子と電極の距離が大きく、半導体素子の発熱を効率的に電極に若干放熱し難く、半導体素子の動作を十二分に良好には維持することができなくなったためと考えられる。
【００８０】
次に、表２の温度サイクル試験の結果から、構成７〜１２（Ａｌ箔の厚みが２５μｍ以下）の場合、製品歩留まりが８０％未満であるのに対して、構成6および構成１３〜２４（Ａｌ箔の厚みが３０μｍ〜５５μｍ）の場合、製品歩留まりが８０％以上となっている。
【００８１】
これは、構成７〜１２（Ａｌ箔の厚みが２５μｍ以下）の場合、温度サイクル試験における半導体素子と電極の線膨張率差に基づく熱応力が接合材料に加わり、応力を緩和できずに接合部に欠陥が生じたのに対して、構成１３〜２１のＡｌ箔の厚みが３０μｍ以上の場合Ａｌ箔が応力を緩和し、接合部の欠陥を防止したものと考えられる。
【００８２】
かかる構成によれば、応力吸収役割も果たすＡｌ層が放熱効果を発揮し、その厚さ分、Ｓｎの量が少なくなりボイドが減ると推定され、その結果、動作試験の製品歩留まりが改善し、パワー半導体モジュールの実使用時における半導体素子の発熱を電極に効率よく放熱することが可能となり、半導体素子と電極とを品質良く接合して接合信頼性を上げることができる。
【００８３】
なお、本発明の上述した実施の形態では、Ａｌの供給方法は箔状としたが、量と形状を安定して供給できる方法であればよく、例えばワイヤ、ボール形状で供給してもよい。
【００８４】
また、本発明の上述した実施の形態では、接合対象電極との濡れ性を確保する金属はＳｎ（第２金属層）としたが、例えばＳｎ３Ａｇ０．５Ｃｕ等の（融点が２６０℃以下の）一般的なＳｎ系合金であってもよい。
【００８５】
しかし、接合後にＳｎ相が残存すると半導体素子の発熱で再溶融する可能性がある為、接合時にＳｎ系合金と金属間化合物を形成させることにより高融点化させる第１金属層（Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉの何れか）を、Ｓｎ系合金が接合対象電極と接触しない側に配置する必要がある。
【００８６】
厚みに関しては、接合後にＳｎ系合金中のＳｎ相が残存しない厚みが供給されていればよい。
【００８７】
本発明の上述した一実施例では、Ａｌと第１金属層との密着を確保する為に中間層（Ｚｎ、Ｎｉ）を電解めっき法で成膜したが、Ａｌと第１金属層との密着性を確保する方法であればよく、例えばＡｌに直接第１金属層を蒸着法により成膜してもよい。
【００８８】
本発明の上述した一実施例の接合材料の構成では、Ａｌ箔の外側の２つの中間層（Ｚｎ）上に、第１金属層（Ａｇ）、第２金属層（Ｓｎ）を対称の構成（同じ組成、厚み）で形成したが、その構成の仕方は対称構成に限らない。
【００８９】
例えば接合材料１０４の構成を半導体素子から電極の方向に見た場合に、Ｓｎ系合金／Ａｇ／Ｎｉ／Ａｌ／Ｚｎ／Ｃｕ／Ｓｎ系合金や、あるいは、Ｓｎ系合金／Ａｇ／Ｓｎ系合金／Ｎｉ／Ａｌ／Ｚｎ／Ｃｕ／Ｓｎ系合金／Ａｇ／Ｓｎ系合金等、Ａｇ、Ｃｕ、ＮｉがＳｎを介して積層し、Ｓｎ系合金と金属間化合物が形成されれば構成の仕方は任意であるが（対称の構成に限らなくてもよいが）、最外層は半導体素子、電極との接合温度を加味するとＳｎ系合金が相応しいと考えられる。
【００９０】
ただし、厚みに関しては上述したように、接合後にＳｎ系合金中のＳｎ相が残存しない厚みが供給されていることが望ましい。
【００９１】
半導体素子１０２は、ＧａＮに限らずＳｉＣで構成されていても良い。また、半導体素子１０２の大きさは、半導体素子の機能により、６ｍｍ×５ｍｍと大きいもの、あるいは３ｍｍ×２．５ｍｍ、２ｍｍ×１．６ｍｍ等の小さいものを用いても良い。半導体素子１０２の厚みは、半導体素子の大きさにより異なる場合もあり、０．３ｍｍに限らず、０．４ｍｍ、０．２ｍｍ、０．１５ｍｍ等のものを用いても良い。
【００９２】
なお、半導体素子１０２の裏面電極１１１の構成については、本発明の上述した実施例では最外層にＡｇを１μｍ形成させているが、溶融状態のＳｎの濡れ性を阻害しない金属であれば特に限定はしない。
【００９３】
裏面電極１１１にＡｇを用いた場合は、そのＡｇは、第２金属層１０８−１と金属間化合物ＡｇＳｎ系化合物を形成し、半導体素子１０２と接合材料１０４が接合される。
【００９４】
裏面電極１１１にＮｉを用いた場合は、そのＮｉは、第２金属層１０８−１と金属間化合物ＮｉＳｎ系化合物を形成し、半導体素子１０２と接合材料１０４が接合される。
【００９５】
電極表面処理層１１０は、本発明の上述した一実施例ではＡｇを１μｍ形成させているが、溶融状態のＳｎの濡れ性を阻害しない金属であれば特に限定はせず、成膜方法も電解めっき法に限らず蒸着法、無電解めっき法等を用いても良い。
【００９６】
電極表面処理層１１０にＡｇを用いた場合は、そのＡｇは、第２金属層１０８−２と金属間化合物ＡｇＳｎ系化合物を形成し、電極１０３と接合材料１０４が接合される。
【００９７】
電極表面処理層１１０にＮｉを用いた場合は、そのＮｉは、第２金属層１０８−２と金属間化合物ＮｉＳｎ系化合物を形成し、電極１０３と接合材料１０４が接合される。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
本発明によれば、半導体モジュールの実使用時における半導体素子の発熱を電極に効率よく放熱することが可能であり、耐熱性と放熱性を両立し、また半導体素子と電極とを品質良く接合して接合信頼性を上げることができることから、パワー半導体モジュール、大電力トランジスタ等の半導体パッケージの用途に適用できる。
【符号の説明】
【００９９】
１００ パワー半導体モジュール
１０１ 基板
１０２ 半導体素子
１０３ 電極
１０４ 接合材料
１０５ Ａｌ層
１０６−１ 中間層
１０６−２ 中間層
１０７−１ 第１金属層
１０７−２ 第１金属層
１０８−１ 第２金属層
１０８−２ 第２金属層
１０９−１ 金属間化合物
１０９−２ 金属間化合物
１１０ 電極表面処理層
１１１ 裏面電極
２０４ 接合部
３０１ パワー半導体モジュール
３０２ パワー半導体素子
３０３ リードフレーム
３０４ 接合部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に形成される電極と、
前記電極に対向して配置された半導体素子と、
前記電極と前記半導体素子との間に形成され、前記半導体素子および前記電極を接合した接合部と、を備える半導体素子の接合構造体であって、
前記接合部は、Ａｌ層と、前記Ａｌ層の両面に形成された金属間化合物層とを有し、前記電極の面に垂直方向に積層された、半導体素子の接合構造体。
【請求項２】
前記Ａｌ層と、前記金属間化合物層との間には、中間層が形成されており、
前記中間層は、ＮｉまたはＺｎを含み、
前記金属間化合物層は、ＣｕＳｎ化合物、ＮｉＳｎ化合物、またはＡｇＳｎ化合物である、請求項１記載の半導体素子の接合構造体。
【請求項３】
加熱された電極の上に、所定の圧力で接合材料を載置し、前記接合材料の上に、半導体素子を所定の圧力で載置することで、半導体素子の接合構造体を製造する方法であって、
前記接合材料は、Ａｌ層と、前記Ａｌ層の両面に形成された中間層と、前記中間層の外側に形成された第１金属層と、前記第１金属層の外側に形成された第２金属層とを有する、半導体素子の接合構造体の製造方法。
【請求項４】
前記接合材料の中間層の材料は、ＮｉまたはＺｎを含み、
前記接合材料の第１金属層の材料は、Ｃｕ、ＮｉまたはＡｇを含み、
前記接合材料の第２金属層の材料は、ＳｎまたはＳｎ系合金を含む、
請求項３記載の半導体素子の接合構造体の製造方法。
【請求項５】
前記半導体素子と前記接合材料、前記電極と前記接合材料との接合後の界面には、
ＣｕＳｎ化合物、またはＮｉＳｎ化合物、またはＡｇＳｎ化合物が形成される、請求項４記載の半導体素子の接合構造体の製造方法。
【請求項１】
基板に形成される電極と、
前記電極に対向して配置された半導体素子と、
前記電極と前記半導体素子との間に形成され、前記半導体素子および前記電極を接合した接合部と、を備える半導体素子の接合構造体であって、
前記接合部は、Ａｌ層と、前記Ａｌ層の両面に形成された金属間化合物層とを有し、前記電極の面に垂直方向に積層された、半導体素子の接合構造体。
【請求項２】
前記Ａｌ層と、前記金属間化合物層との間には、中間層が形成されており、
前記中間層は、ＮｉまたはＺｎを含み、
前記金属間化合物層は、ＣｕＳｎ化合物、ＮｉＳｎ化合物、またはＡｇＳｎ化合物である、請求項１記載の半導体素子の接合構造体。
【請求項３】
加熱された電極の上に、所定の圧力で接合材料を載置し、前記接合材料の上に、半導体素子を所定の圧力で載置することで、半導体素子の接合構造体を製造する方法であって、
前記接合材料は、Ａｌ層と、前記Ａｌ層の両面に形成された中間層と、前記中間層の外側に形成された第１金属層と、前記第１金属層の外側に形成された第２金属層とを有する、半導体素子の接合構造体の製造方法。
【請求項４】
前記接合材料の中間層の材料は、ＮｉまたはＺｎを含み、
前記接合材料の第１金属層の材料は、Ｃｕ、ＮｉまたはＡｇを含み、
前記接合材料の第２金属層の材料は、ＳｎまたはＳｎ系合金を含む、
請求項３記載の半導体素子の接合構造体の製造方法。
【請求項５】
前記半導体素子と前記接合材料、前記電極と前記接合材料との接合後の界面には、
ＣｕＳｎ化合物、またはＮｉＳｎ化合物、またはＡｇＳｎ化合物が形成される、請求項４記載の半導体素子の接合構造体の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−１１９６０９（Ｐ２０１２−１１９６０９Ａ）
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２７０１９３（Ｐ２０１０−２７０１９３）
【出願日】平成２２年１２月３日（２０１０．１２．３）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月３日（２０１０．１２．３）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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