Ｚｎ−Ａｌ共析系合金接合材、Ｚｎ−Ａｌ共析系合金接合材の製造方法、Ｚｎ−Ａｌ共析系合金接合材を用いた接合方法及びＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材を用いた半導体装置
【課題】鉛フリーで高い融点を持ちかつ固相状態で接合が可能なＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材、その製造方法、接合方法及びそれを用いた半導体装置を提供する。
【解決手段】Ｚｎ−Ａｌ共析系合金接合材は１７〜３０ｗｔ％Ａｌ−０〜１．５ｗｔ％Ｃｕ−０〜０．５ｗｔ％Ｍｇ−Ｚｎからなり、超塑性現象を利用して対象物を固相状態で接合する点に特徴がある。
【解決手段】Ｚｎ−Ａｌ共析系合金接合材は１７〜３０ｗｔ％Ａｌ−０〜１．５ｗｔ％Ｃｕ−０〜０．５ｗｔ％Ｍｇ−Ｚｎからなり、超塑性現象を利用して対象物を固相状態で接合する点に特徴がある。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超塑性現象を利用して対象物を接合するＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材、Ｚｎ−Ａｌ共析系合金接合材の製造方法、Ｚｎ−Ａｌ共析系合金接合材を用いた接合方法及びＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材を用いた半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワー半導体素子のダイボンデイング、パワーモジュールにおける半導体素子の実装基板への接合及び実装基板の放熱板への接合にはんだ接合が従来から使用されている。はんだ材としては鉛−錫系合金、Ｚｎ−Ａｌ共晶系合金が周知で、鉛−錫合金系は錫の添加量を調整することにより低温はんだ及び高温はんだを実現し、Ｚｎ−Ａｌ共晶系合金は鉛フリーの高温はんだとして使用されている。Ｚｎ−Ａｌ共晶系合金はんだの場合、液相状態から固相状態に凝固する過程で接合が行われる。この際、体積収縮が発生し、大きな熱応力が発生し、大きな残留応力をもつ固相になる。更に、脆いＺｎ−ｒｉｃｈ相（β相）が大部分を占めるため、強度に問題が残る。これらの点から、Ｚｎ−Ａｌ共晶系合金はんだを用いて接合した場合、温度変化や機械的なストレスによって接合部に亀裂が入り易くなり、接合部の寿命が短くなること、及び過酷なヒートサイクルや外力が加わる用途には適用できなくなるという問題がある。
【０００３】
環境対応ハイブリッド車の燃費向上及びコスト低減には、モータ制御に用いられるインバータ用ＩＧＢＴモジュールの動作温度を高めることが極めて有効である。最高動作温度を現状の１２０℃から２００℃に高めることが実現できれば、冷却装置を水冷方式から空冷方式に変更が可能になり、大幅な軽量化が期待できる。ＩＧＢＴモジュールの２００℃動作の実現に際して、半導体自体には基本的に障害はなく、インバータを構成するＭＯＳ型パワーデバイスのはんだ接合に使用する高温はんだ合金の実現が課題となっている。
【０００４】
高温はんだ合金の一例として、１〜７ｗｔ％Ａｌ−０．５〜６ｗｔ％Ｍｇ−１〜２５ｗｔ％Ｓｎ−Ｚｎからなり３００℃程度の融点を有するＺｎ−Ａｌ共晶系合金はんだが提案されている（特許文献１）。
【特許文献１】特開平１１−２０７４８７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に開示されたＺｎ−Ａｌ共晶系合金はんだは、３００℃程度の融点を有し、鉛を使用しない点で環境性に優れた高温はんだであるが、接合に溶融工程及び凝固工程を経る必要があり、接合部が高い脆性を有しているという問題が残されている。
【０００６】
本発明の目的は鉛フリーで高い融点を有しかつ固相状態で接合が可能なＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材を提供することにある。
本発明の他の目的はＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材の製造方法を提供することにある。
本発明の別の目的はＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材を用いた接合方法を提供することにある。
本発明の更に他の目的はＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材を使用した半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明Ｚｎ−Ａｌ共析系合金接合材の特徴とするところは、１７〜３０ｗｔ％Ａｌ−０〜１．５ｗｔ％Ｃｕ−０〜０．５ｗｔ％Ｍｇ−Ｚｎからなり、超塑性現象を利用して対象物を接合する点にある。Ａｌを１７〜３０ｗｔ％にする理由は２５０℃以上の高温で使用できるＺｎ−Ａｌ共析系合金において超塑性を発現するために必要な組成範囲であること、Ｃｕ及びＭｇを添加する理由は強度の向上及び微細組織の安定化を図ることにある。Ｚｎ−Ａｌ共析系合金の強度は温度が上昇すると徐々に低下し、４３０℃を超えると急激に低下する特性を示す。Ｃｕ及びＭｇを添加すると温度上昇に伴う強度の低下を抑制することが可能となる。詳述すると、ＣｕはＡｌ−rich及びＺｎ−rich相の何れにも固溶し、両相の強化（主に固溶強化）に寄与する。Ｍｇは合金の粒界や異相境界に偏析し、粒界や異相境界の移動を抑制する働きがあり、結晶粒組織を微細な状態に保持する効果がある。しかしながら、添加量が多過ぎると延性が低下し脆性が現れる。従って、添加量は０〜１．５ｗｔ％Ｃｕ及び０〜０．５ｗｔ％Ｍｇが好ましい。
【０００８】
本発明Ｚｎ−Ａｌ共析系合金接合材の製造方法の特徴とするところは、１７〜３０ｗｔ％Ａｌ−０〜１．５ｗｔ％Ｃｕ−０〜０．５ｗｔ％Ｍｇ−Ｚｎ共析系合金を溶解鋳造し、これを２８０〜４１０℃の温度で３０分〜３時間保持した後、−４〜２０℃の水中で急冷する点にある。この処理によって、等軸粒状の微細組織が形成される。このような組織を持つＺｎ−Ａｌ共析系合金は低変形応力で大きな延性を示す超塑性を生じる。
【０００９】
本発明Ｚｎ−Ａｌ共析系合金接合材を用いた第１の接合方法の特徴は固相にて対象物を接合することにある。固相には完全な固相と固相と液相が混合した半溶融状態を含み、具体的には次の接合方法がある。
第１の接合方法の特徴とするところは、第１の部材及び第２の部材の接合する面にＺｎまたはＺｎ−Ａｌ系合金の被膜を形成し、第１の部材と第２の部材との間に１７〜３０ｗｔ％Ａｌ−０〜１．５ｗｔ％Ｃｕ−０〜０．５ｗｔ％Ｍｇ−Ｚｎ系からなるＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材を介在し、該接合材を加熱して固相状態で接合した後徐冷する点にある。この接合方法は超塑性を１００％利用した固相による接合であるため低変形応力となる。超塑性を発現する組織は強度が低いけれど、接合後の徐冷によって超塑性を発現しない層状の強度の高い金属組織になる。この結果、低変形応力で接合強度の高い接合部を実現することが出来る。
第２の接合方法の特徴とするところは、第１の部材と第２の部材との間に１７〜３０ｗｔ％Ａｌ−０〜１．５ｗｔ％Ｃｕ−０〜０．５ｗｔ％Ｍｇ−Ｚｎ系からなるＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材を介在し、該接合材を加熱して半溶融状態にした後徐冷する点にある。この接合方法は超塑性１００％利用することは出来ないが、固液２相で超塑性のような変形が生じる状態で接合するため、第１の接合方法より劣るが共晶系合金を使用する場合に比較して低変形応力となる。接合後の徐冷によって超塑性を発現しない２種類の層状の強度の高い金属組織になる。この結果、低変形応力で接合強度の高い接合部を実現することが出来る。
【００１０】
本発明半導体装置の特徴とするところは、半導体基体、半導体基体に直接またはセラミ
ック基板を介して接合層によって接合された金属基板を備え、接合層が１７〜３０ｗｔ％
Ａｌ−０〜１．５ｗｔ％Ｃｕ−０〜０．５ｗｔ％Ｍｇ−Ｚｎ系からなるＺｎ−Ａｌ共析系
合金接合材からなり、接合時に超塑性現象を発現し、接合後に超塑性を発現しない金属組
織を有する点にある。超塑性接合材を用いて接合するメリットは、接合時には超塑性を利
用して固相状態でかつ低変形応力で接合でき、接合後は超塑性を発現せず延性と機械的強
度を持つ接合部を実現できることである。接合部が接合後において超塑性を発現しない金
属組織になっていることは、過酷なヒートサイクルで使用される半導体装置においては必
須の要件である。
半導体基体としては、シリコン、化合物半導体、炭化珪素が使用できる。本発明Ｚｎ−Ａｌ共析系合金接合材の特徴の一つは高い融点を有する点にあり、この点から半導体基体に炭化珪素を使用すると高温動作が可能な半導体装置を実現できる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明Ｚｎ−Ａｌ共析系合金接合材は１７〜３０ｗｔ％Ａｌ−０〜１．５ｗｔ％Ｃｕ−０〜０．５ｗｔ％Ｍｇ−Ｚｎからなっているため、２５０℃以上の高温で使用でき、かつ超塑性現象を利用して対象物を固相状態で接合することが可能になり、延性があり長寿命の接合部を実現できる。また、本発明Ｚｎ−Ａｌ共析系合金接合材を使用した半導体装置は、接合材が接合時には超塑性を発現し、接合後は超塑性を発現しない金属組織になっているため、過酷なヒートサイクルに耐えかつ長寿命の接合部を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の最良の実施形態は、接合する対象物である一対の被接合材の間にＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材を介在した状態で加熱してＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材に超塑性を発現して固相状態で被接合材を接合し、接合後はＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材を徐冷して超塑性を発現しない金属組織にする使い方である。特に、半導体装置の接合材としての用途が本発明Ｚｎ−Ａｌ共析系合金接合材の効果を発揮できる分野である。
【実施例１】
【００１３】
表１に種々の組成を有するＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材を準備し、被接合材を接合した後における接合層の延性特性及び強度特性を比較した結果を示す。Ｎｏ．１からＮｏ．９の接合材は表に示す組成の合金を溶解鋳造し、これを２８０〜４１０℃の温度で３０分〜３時間保持した後、−４〜２０℃の水中で急冷して製造したものを被接合材の間に介在して超塑性を発現する温度範囲において固相状態で接合した後徐冷した。Ｎｏ．１０の接合材については表に示す組成の合金を溶製したものを被接合材の間に介在して３６０℃で加熱・溶融後凝固した。
【００１４】
【表１】
表１から明らかなように、Ｎｏ．１〜３のＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材はＣｕを０．１５ｗｔ％添加しＭｇを添加しないもので、超塑性を発現する微細粒状組織は高温で強度が低く耐クリープ性も低いが、接合後は超塑性を発現しない層状組織となり強度及び耐クリープ抵抗が大きくなる。Ｎｏ．４〜６のＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材はＣｕを０．５ｗｔ％、Ｍｇを０．０２ｗｔ％それぞれ添加したもので、Ｎｏ．１〜３のＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材に比較して超塑性を発現する温度が高くなり、接合後の層状組織はＮｏ．１〜３のＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材に比較して強度や耐クリープ抵抗が大きくなる。Ｎｏ．７〜９Ｚｎ−Ａｌ共析系合金接合材はＣｕを１．０ｗｔ％、Ｍｇを０．０３ｗｔ％それぞれ添加したもので、Ｎｏ．１〜６のＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材に比較して超塑性を発現する温度が高くなり、Ｎｏ．１〜６のＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材に比較して強度や耐クリープ抵抗が大きい。これに対し、比較例として示したＮｏ．１０のＺｎ−Ａｌ共晶系合金接合材は微細粒状組織でないため超塑性を発現せず、接合後は脆いＺｎ−ｒｉｃｈ相が多いため強度特に衝撃強度が低い。以上のように、本発明Ｚｎ−Ａｌ共析系合金接合材は超塑性を発現して固相状態で接合でき、接合後は強度及び耐クリープ性の点で優れていることが分かる。比較例として示した従来のＺｎ−Ａｌ共晶系合金接合材は超塑性を発現しないため液相が存在する温度範囲での接合となり、接合部の強度は低くなる。
【実施例２】
【００１５】
図１は本発明Ｚｎ−Ａｌ共析系合金接合材の製造方法の工程図で、縦軸に処理温度、横軸に時間を採ってＴＭＴ（Thermo−Mechanical Treatment：加工熱処理）線図として示してある。まず、１７〜３０ｗｔ％Ａｌ−０〜１．５ｗｔ％Ｃｕ−０〜０．５ｗｔ％Ｍｇ−Ｚｎからなる組成のＺｎ−Ａｌ共析系合金を準備し、室温から３４５±６５℃まで加熱して所定時間（例えば３０分〜３時間）保持して溶体化処理した後、−４〜２０℃の水中で急冷する。２０℃の水中で急冷したときはそのままの状態で所定時間（例えば１０分〜１時間）保持し、−４℃の水中で急冷したときは急冷後２０〜５０℃の温度に１０分〜１時間保持した後室温に戻す。この処理によって、図２に示す超塑性を発現する等軸粒状の微細組織が形成される。図２（ａ）は２２ｗｔ％Ａｌ−０．１５ｗｔ％Ｃｕ−Ｚｎ共析系合金接合材の組織を示す電子顕微鏡写真で、平均粒径ｄが０．８７μｍ、１．９μｍ、３．９μｍの場合を示している。図２（ｂ）は２２ｗｔ％Ａｌ−１．０ｗｔ％Ｃｕ−０．０３ｗｔ％Ｍｇ−Ｚｎ共析系合金接合材の組織を示す電子顕微鏡写真である。次に、等軸粒状の微細組織化されたＺｎ−Ａｌ共析系合金を１５０〜２７０℃で加熱しながら圧延して所定厚さ（０．１〜１ｍｍ）に加工する。これによって得られた帯状のＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材が出来上がる。接合材として使用するときには、接合個所の面積に応じた寸法に切断して被接合材の間に介在する。
【実施例３】
【００１６】
本発明Ｚｎ−Ａｌ共析系合金接合材を用いた第１の接合方法を説明する。まず、接合する第１の部材と第２の部材の接合する面にＺｎまたはＺｎ−Ａｌ系合金の被膜を（ドブ付け法などにより）形成する。第１の部材と第２の部材との間に１７〜３０ｗｔ％Ａｌ−０〜１．５ｗｔ％Ｃｕ−０〜０．５ｗｔ％Ｍｇ−Ｚｎ系からなる板状または箔状のＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材を介在し、２８０〜４１０℃（α´領域）または２００〜２７５℃（α＋β領域）の温度領域で１〜３０分加熱して接合材に超塑性を発現して、固相状態で接合する。本発明のＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材は２７５℃以下では（α＋β）の２相合金状態が熱力学的に安定相であるので、熱処理後は共析変態により（α＋β）の２相状態になる。２８０〜４１０℃の接合では接合後に徐冷する。２００〜２７０℃の接合では、接合後２８０〜４１０℃の範囲に昇温後徐冷する。これによって、接合材（接合層）は図３に示す超塑性を発現しない層状の金属組織になる。図３（ａ）は２２ｗｔ％Ａｌ−０．１５ｗｔ％Ｃｕ−Ｚｎ共析系合金接合材を用いて接合した後徐冷した場合の接合部の金属組織を、図３（ｂ）は２２ｗｔ％Ａｌ−１．０ｗｔ％Ｃｕ−０．０３ｗｔ％Ｍｇ−Ｚｎ共析系合金接合材を用いて接合した後徐冷した場合の接合部の金属組織をそれぞれ示す電子顕微鏡写真である。図から分かるように、図２に示す等軸粒状の微細組織が層状の金属組織になっていることが分かる。等軸粒状の微細組織は高温での強度が低くかつ耐クリープ性も低いが、接合によって強度及び耐クリープ性の高い層状の金属組織に変わることにより、強度及び耐クリープ性の高い接合部を実現できる。
【実施例４】
【００１７】
本発明Ｚｎ−Ａｌ共析系合金接合材を用いた第２の接合方法を説明する。接合する第１の部材と第２の部材との間に１７〜３０ｗｔ％Ａｌ−０〜１．５ｗｔ％Ｃｕ−０〜０．５ｗｔ％Ｍｇ−Ｚｎ系からなる板状または箔状のＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材を介在し、４３０〜４８０℃の温度領域で１〜３０分加熱する。これによって接合材は固相と液相が混在した半溶融状態になる。この状態を所定時間保持した後徐冷する。徐冷により半溶融状態の接合材は凝固するが、このとき図４に示すように等軸粒状の微細組織の固相部分が残り、その後の冷却により２種類の層状組織が混在した金属組織になる。図４は２２ｗｔ％Ａｌ−０．１５ｗｔ％Ｃｕ−Ｚｎ共析系合金接合材を用いて接合した後徐冷した場合の接合部の金属組織を示す電子顕微鏡写真である。層状組織であるので超塑性を発現しない。従って、半溶融状態で接合しても固相状態で接合する場合に比較すれば多少劣るが、従来例に比較すれば強度及び耐クリープ性の優れた接合部が得られる。
【実施例５】
【００１８】
図５は本発明Ｚｎ−Ａｌ共析系合金接合材を使用したダイオードを示す。図において、１は底部が閉鎖され上端が開放された例えば銅製の円筒状ヒートシンク、２はダイオード機能を備えたシリコンチップ、３は銅−インバー（鉄ニッケル合金）−銅からなる緩衝板、４は円板部４ａと円板部から垂直に伸びるリード４ｂとからなるリード電極で、円筒状ヒートシンク１の底部上にＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材５を介して緩衝板３が、その上にＺｎ−Ａｌ系合金接合材６を介してシリコンチップ２が、その上にＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材７を介してリード電極４の円板部４ａが接合されている。シリコンチップ２、緩衝板３及び円板部４ａのＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材と接する面にはＮｉ−Ｐめっき膜を形成している。８は円筒状ヒートシンク１内に充填したシリコンゴムである。かかる構成のダイオードは所定数の貫通孔を有する冷却フィンの貫通孔に圧入されて自動車用整流装置に使用される。この種整流装置はエンジンルームに配置され、熱的及び機械的に過酷な環境で使用されることから、高温でかつ機械的強度の高い接合材が要求されている。本発明Ｚｎ−Ａｌ共析系合金接合材を使用することにより、２５０℃以上の高温に耐え、延性と強度を有する接合部を実現できる。この実施例ではシリコンチップを使用した場合を説明したが、シリコンチップの代わりに炭化珪素チップを使用することが出来る。炭化珪素チップは５００℃でも安定した特性を保持できることから、接合材が固液共有状態に相変態する温度近くまで使用可能な高温ダイオードを実現できる。
【実施例６】
【００１９】
図６、図７及び図８は本発明Ｚｎ−Ａｌ共析系合金接合材を用いた３００Ａ級ＩＧＢＴモジュールの平面図及び断面図を示したものである。
図６は本発明の一実施例であり、１個の３００Ａ級モジュール単位の平面図を示したものである。また、図７は図６のＡ−Ａに沿う断面図、図８は図６のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。図において、１０１は放熱板及び支持板として機能する金属基板、１０２は金属基板１０１上に２枚並べてＺｎ−Ａｌ共析系合金接合層１０３により固着された例えばＡｌＮからなるセラミックス基板、１０４は各セラミックス基板１０２上に形成した例えばＮｉ／Ｃｕからなる回路層で、回路層１０４は分離された異なる形状を有する３個の部分、即ち、Ｔ字型のコレクタ共通電極となる第１の部分１０４ａ、エミッタ電極となる片状の第２の部分１０４ｂ、ゲート電極となる片状の第３の部分１０４ｃからなり、第１の部分１０４ａが中央部に、第１の部分１０４ａの脚部一側に第２の部分１０４ｂが、他方側に第３の部分１０４ｃが配置されている。第２の部分１０４ｂ及び第３の部分１０４ｃはＮｉ層上にＡｌ層１０５が形成されている。１０６はそのアノード側が回路層１０４の第１の部分１０４ａの脚部上に３個並べてＺｎ−Ａｌ共析系合金接合層１０７を介して接合されたＩＧＢＴチップ、１０８はそのカソード側が第１の部分１０４ａの上辺部上にＺｎ−Ａｌ共析系合金接合層１０９を介して接合されたダイオードチップ、１１０はＩＧＢＴチップ１０６のエミッタ層上に形成したＡｌを主成分とする金属層１１１と第２の部分１０４ｂ上のＡｌ層１０５とを超音波ボンディングによって接続した直径５００μｍＡｌ−０．１〜１ｗｔ％Ｘ（Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｌｉ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｈｆから選ばれた少なくとも一種類の金属）ボンディングワイヤ、１１２はＩＧＢＴチップ１０５のゲート層上に形成したＡｌを主成分とする金属層１１３と第３の部分１０４ｃ上のＡｌ層１０５とを超音波ボンディングによって接続した直径５００μｍＡｌ−０．１〜１ｗｔ％Ｘ（同上）ボンディングワイヤ、１１４はダイオードチップ１０８のアノード層上に形成したＡｌを主成分とする金属層１１５と第２の部分１０４ｂ上のＡｌ層１０５とを超音波ボンディングによって接続したＡｌ−０．１〜１ｗｔ％Ｘ（同上）ボンディングワイヤである。これによって、１枚のセラミックス基板１０２上に３個の並列接続されたＩＧＢＴチップ１０６と１個のダイオードチップ１０８とが逆並列接続された回路要素が形成され、１枚の金属基板１０１上に２個の回路要素が形成される。インバータを構成する場合には、１枚の金属基板１０１上の２個の回路要素を直列接続し、これを３個並列接続して、各回路要素の接続点を交流出力端子に、並列接続点を直流入力端子にすればよい。電流容量を増やすときはＩＧＢＴチップ１０６及びダイオードチップ１０８の並列接続数を増やし、高電圧化するときはＩＧＢＴチップ１０６及びダイオードチップ１０８の直列接続数を増やせばよい。
【実施例７】
【００２０】
図９は本発明Ｚｎ−Ａｌ共析系合金接合材を使用した電力用ＭＯＳトランジスタを示す概略断面図である。図において、２１は放熱板及び支持板として機能する金属基板、２２は金属基板２１上にＺｎ−Ａｌ共析系合金接合層２３により固着された例えばＡｌＮからなるセラミックス基板、２４はセラミックス基板２２上にＺｎ−Ａｌ共析系合金接合層２５により固着された電力用ＭＯＳトランジスタ基体、２６、２７及び２８は電力用ＭＯＳトランジスタ基体のアノード領域、カソード領域及びゲート領域に設けられたアルミニウムからなるアノード電極、カソード電極及びゲート電極である。ゲート電極２８は当然のことながら絶縁層２９を介してゲート領域上に設けられている。３０及び３１はカソード電極２７及びゲート電極２８にＺｎ−Ａｌ共析系合金接合層３２及び３３により固着されたカソード外部電極及びゲート外部電極である。これらカソード外部電極３０及びゲート外部電極３１は間に例えば樹脂を充填して一体構造にしてもよい。この実施例の特徴は、カソード電極２７及びゲート電極２８とカソード外部電極３０及びゲート外部電極３１をボンディングワイヤを使用せずに直接接合している点にある。この実施例におけるＭＯＳトランジスタ基体２４はシリコン及び炭化珪素を使用することが出来る。炭化珪素基体を使用する場合には炭化珪素が５００℃でも安定した特性を保持できることから、接合材が固液共有状態に相変態する温度近くまで使用可能な高温ＭＯＳトランジスタを実現できる。
【００２１】
本発明Ｚｎ−Ａｌ共析系合金接合材はＩＧＢＴモジュールに限らず一般のパワーモジュール、ダイオードモジュールなどに使用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明Ｚｎ−Ａｌ共析系合金接合材の製造方法の工程を示すＴＭＴ線図である。
【図２】超塑性を発現するような微細等軸粒状組織化にされた本発明Ｚｎ−Ａｌ共析系合金接合材の組織を示す顕微鏡写真である。
【図３】第１の接合方法において接合後徐冷した本発明Ｚｎ−Ａｌ共析系合金接合材の組織を示す顕微鏡写真である。
【図４】第２の接合方法において接合後徐冷した本発明Ｚｎ−Ａｌ共析系合金接合材の組織を示す顕微鏡写真である。
【図５】本発明Ｚｎ−Ａｌ共析系合金接合材を使用したダイオードの概略断面図である。
【図６】本発明Ｚｎ−Ａｌ共析系合金接合材を使用したＩＧＢＴモジュールの概略平面図である。
【図７】第６図のＡ−Ａ線に沿う概略断面図である。
【図８】第６図のＢ−Ｂに沿う概略断面図である。
【図９】本発明Ｚｎ−Ａｌ共析系合金接合材を使用した電力用ＭＯＳトランジスタの概略平面図である。
【符号の説明】
【００２３】
１…円筒状ヒートシンク、２…シリコンチップ、３…緩衝板、４…リード電極、
５，６，７…Ｚｎ−Ａｌ共析系合金接合材、８…シリコンゴム。
【技術分野】
【０００１】
本発明は超塑性現象を利用して対象物を接合するＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材、Ｚｎ−Ａｌ共析系合金接合材の製造方法、Ｚｎ−Ａｌ共析系合金接合材を用いた接合方法及びＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材を用いた半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワー半導体素子のダイボンデイング、パワーモジュールにおける半導体素子の実装基板への接合及び実装基板の放熱板への接合にはんだ接合が従来から使用されている。はんだ材としては鉛−錫系合金、Ｚｎ−Ａｌ共晶系合金が周知で、鉛−錫合金系は錫の添加量を調整することにより低温はんだ及び高温はんだを実現し、Ｚｎ−Ａｌ共晶系合金は鉛フリーの高温はんだとして使用されている。Ｚｎ−Ａｌ共晶系合金はんだの場合、液相状態から固相状態に凝固する過程で接合が行われる。この際、体積収縮が発生し、大きな熱応力が発生し、大きな残留応力をもつ固相になる。更に、脆いＺｎ−ｒｉｃｈ相（β相）が大部分を占めるため、強度に問題が残る。これらの点から、Ｚｎ−Ａｌ共晶系合金はんだを用いて接合した場合、温度変化や機械的なストレスによって接合部に亀裂が入り易くなり、接合部の寿命が短くなること、及び過酷なヒートサイクルや外力が加わる用途には適用できなくなるという問題がある。
【０００３】
環境対応ハイブリッド車の燃費向上及びコスト低減には、モータ制御に用いられるインバータ用ＩＧＢＴモジュールの動作温度を高めることが極めて有効である。最高動作温度を現状の１２０℃から２００℃に高めることが実現できれば、冷却装置を水冷方式から空冷方式に変更が可能になり、大幅な軽量化が期待できる。ＩＧＢＴモジュールの２００℃動作の実現に際して、半導体自体には基本的に障害はなく、インバータを構成するＭＯＳ型パワーデバイスのはんだ接合に使用する高温はんだ合金の実現が課題となっている。
【０００４】
高温はんだ合金の一例として、１〜７ｗｔ％Ａｌ−０．５〜６ｗｔ％Ｍｇ−１〜２５ｗｔ％Ｓｎ−Ｚｎからなり３００℃程度の融点を有するＺｎ−Ａｌ共晶系合金はんだが提案されている（特許文献１）。
【特許文献１】特開平１１−２０７４８７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に開示されたＺｎ−Ａｌ共晶系合金はんだは、３００℃程度の融点を有し、鉛を使用しない点で環境性に優れた高温はんだであるが、接合に溶融工程及び凝固工程を経る必要があり、接合部が高い脆性を有しているという問題が残されている。
【０００６】
本発明の目的は鉛フリーで高い融点を有しかつ固相状態で接合が可能なＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材を提供することにある。
本発明の他の目的はＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材の製造方法を提供することにある。
本発明の別の目的はＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材を用いた接合方法を提供することにある。
本発明の更に他の目的はＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材を使用した半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明Ｚｎ−Ａｌ共析系合金接合材の特徴とするところは、１７〜３０ｗｔ％Ａｌ−０〜１．５ｗｔ％Ｃｕ−０〜０．５ｗｔ％Ｍｇ−Ｚｎからなり、超塑性現象を利用して対象物を接合する点にある。Ａｌを１７〜３０ｗｔ％にする理由は２５０℃以上の高温で使用できるＺｎ−Ａｌ共析系合金において超塑性を発現するために必要な組成範囲であること、Ｃｕ及びＭｇを添加する理由は強度の向上及び微細組織の安定化を図ることにある。Ｚｎ−Ａｌ共析系合金の強度は温度が上昇すると徐々に低下し、４３０℃を超えると急激に低下する特性を示す。Ｃｕ及びＭｇを添加すると温度上昇に伴う強度の低下を抑制することが可能となる。詳述すると、ＣｕはＡｌ−rich及びＺｎ−rich相の何れにも固溶し、両相の強化（主に固溶強化）に寄与する。Ｍｇは合金の粒界や異相境界に偏析し、粒界や異相境界の移動を抑制する働きがあり、結晶粒組織を微細な状態に保持する効果がある。しかしながら、添加量が多過ぎると延性が低下し脆性が現れる。従って、添加量は０〜１．５ｗｔ％Ｃｕ及び０〜０．５ｗｔ％Ｍｇが好ましい。
【０００８】
本発明Ｚｎ−Ａｌ共析系合金接合材の製造方法の特徴とするところは、１７〜３０ｗｔ％Ａｌ−０〜１．５ｗｔ％Ｃｕ−０〜０．５ｗｔ％Ｍｇ−Ｚｎ共析系合金を溶解鋳造し、これを２８０〜４１０℃の温度で３０分〜３時間保持した後、−４〜２０℃の水中で急冷する点にある。この処理によって、等軸粒状の微細組織が形成される。このような組織を持つＺｎ−Ａｌ共析系合金は低変形応力で大きな延性を示す超塑性を生じる。
【０００９】
本発明Ｚｎ−Ａｌ共析系合金接合材を用いた第１の接合方法の特徴は固相にて対象物を接合することにある。固相には完全な固相と固相と液相が混合した半溶融状態を含み、具体的には次の接合方法がある。
第１の接合方法の特徴とするところは、第１の部材及び第２の部材の接合する面にＺｎまたはＺｎ−Ａｌ系合金の被膜を形成し、第１の部材と第２の部材との間に１７〜３０ｗｔ％Ａｌ−０〜１．５ｗｔ％Ｃｕ−０〜０．５ｗｔ％Ｍｇ−Ｚｎ系からなるＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材を介在し、該接合材を加熱して固相状態で接合した後徐冷する点にある。この接合方法は超塑性を１００％利用した固相による接合であるため低変形応力となる。超塑性を発現する組織は強度が低いけれど、接合後の徐冷によって超塑性を発現しない層状の強度の高い金属組織になる。この結果、低変形応力で接合強度の高い接合部を実現することが出来る。
第２の接合方法の特徴とするところは、第１の部材と第２の部材との間に１７〜３０ｗｔ％Ａｌ−０〜１．５ｗｔ％Ｃｕ−０〜０．５ｗｔ％Ｍｇ−Ｚｎ系からなるＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材を介在し、該接合材を加熱して半溶融状態にした後徐冷する点にある。この接合方法は超塑性１００％利用することは出来ないが、固液２相で超塑性のような変形が生じる状態で接合するため、第１の接合方法より劣るが共晶系合金を使用する場合に比較して低変形応力となる。接合後の徐冷によって超塑性を発現しない２種類の層状の強度の高い金属組織になる。この結果、低変形応力で接合強度の高い接合部を実現することが出来る。
【００１０】
本発明半導体装置の特徴とするところは、半導体基体、半導体基体に直接またはセラミ
ック基板を介して接合層によって接合された金属基板を備え、接合層が１７〜３０ｗｔ％
Ａｌ−０〜１．５ｗｔ％Ｃｕ−０〜０．５ｗｔ％Ｍｇ−Ｚｎ系からなるＺｎ−Ａｌ共析系
合金接合材からなり、接合時に超塑性現象を発現し、接合後に超塑性を発現しない金属組
織を有する点にある。超塑性接合材を用いて接合するメリットは、接合時には超塑性を利
用して固相状態でかつ低変形応力で接合でき、接合後は超塑性を発現せず延性と機械的強
度を持つ接合部を実現できることである。接合部が接合後において超塑性を発現しない金
属組織になっていることは、過酷なヒートサイクルで使用される半導体装置においては必
須の要件である。
半導体基体としては、シリコン、化合物半導体、炭化珪素が使用できる。本発明Ｚｎ−Ａｌ共析系合金接合材の特徴の一つは高い融点を有する点にあり、この点から半導体基体に炭化珪素を使用すると高温動作が可能な半導体装置を実現できる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明Ｚｎ−Ａｌ共析系合金接合材は１７〜３０ｗｔ％Ａｌ−０〜１．５ｗｔ％Ｃｕ−０〜０．５ｗｔ％Ｍｇ−Ｚｎからなっているため、２５０℃以上の高温で使用でき、かつ超塑性現象を利用して対象物を固相状態で接合することが可能になり、延性があり長寿命の接合部を実現できる。また、本発明Ｚｎ−Ａｌ共析系合金接合材を使用した半導体装置は、接合材が接合時には超塑性を発現し、接合後は超塑性を発現しない金属組織になっているため、過酷なヒートサイクルに耐えかつ長寿命の接合部を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の最良の実施形態は、接合する対象物である一対の被接合材の間にＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材を介在した状態で加熱してＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材に超塑性を発現して固相状態で被接合材を接合し、接合後はＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材を徐冷して超塑性を発現しない金属組織にする使い方である。特に、半導体装置の接合材としての用途が本発明Ｚｎ−Ａｌ共析系合金接合材の効果を発揮できる分野である。
【実施例１】
【００１３】
表１に種々の組成を有するＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材を準備し、被接合材を接合した後における接合層の延性特性及び強度特性を比較した結果を示す。Ｎｏ．１からＮｏ．９の接合材は表に示す組成の合金を溶解鋳造し、これを２８０〜４１０℃の温度で３０分〜３時間保持した後、−４〜２０℃の水中で急冷して製造したものを被接合材の間に介在して超塑性を発現する温度範囲において固相状態で接合した後徐冷した。Ｎｏ．１０の接合材については表に示す組成の合金を溶製したものを被接合材の間に介在して３６０℃で加熱・溶融後凝固した。
【００１４】
【表１】
表１から明らかなように、Ｎｏ．１〜３のＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材はＣｕを０．１５ｗｔ％添加しＭｇを添加しないもので、超塑性を発現する微細粒状組織は高温で強度が低く耐クリープ性も低いが、接合後は超塑性を発現しない層状組織となり強度及び耐クリープ抵抗が大きくなる。Ｎｏ．４〜６のＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材はＣｕを０．５ｗｔ％、Ｍｇを０．０２ｗｔ％それぞれ添加したもので、Ｎｏ．１〜３のＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材に比較して超塑性を発現する温度が高くなり、接合後の層状組織はＮｏ．１〜３のＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材に比較して強度や耐クリープ抵抗が大きくなる。Ｎｏ．７〜９Ｚｎ−Ａｌ共析系合金接合材はＣｕを１．０ｗｔ％、Ｍｇを０．０３ｗｔ％それぞれ添加したもので、Ｎｏ．１〜６のＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材に比較して超塑性を発現する温度が高くなり、Ｎｏ．１〜６のＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材に比較して強度や耐クリープ抵抗が大きい。これに対し、比較例として示したＮｏ．１０のＺｎ−Ａｌ共晶系合金接合材は微細粒状組織でないため超塑性を発現せず、接合後は脆いＺｎ−ｒｉｃｈ相が多いため強度特に衝撃強度が低い。以上のように、本発明Ｚｎ−Ａｌ共析系合金接合材は超塑性を発現して固相状態で接合でき、接合後は強度及び耐クリープ性の点で優れていることが分かる。比較例として示した従来のＺｎ−Ａｌ共晶系合金接合材は超塑性を発現しないため液相が存在する温度範囲での接合となり、接合部の強度は低くなる。
【実施例２】
【００１５】
図１は本発明Ｚｎ−Ａｌ共析系合金接合材の製造方法の工程図で、縦軸に処理温度、横軸に時間を採ってＴＭＴ（Thermo−Mechanical Treatment：加工熱処理）線図として示してある。まず、１７〜３０ｗｔ％Ａｌ−０〜１．５ｗｔ％Ｃｕ−０〜０．５ｗｔ％Ｍｇ−Ｚｎからなる組成のＺｎ−Ａｌ共析系合金を準備し、室温から３４５±６５℃まで加熱して所定時間（例えば３０分〜３時間）保持して溶体化処理した後、−４〜２０℃の水中で急冷する。２０℃の水中で急冷したときはそのままの状態で所定時間（例えば１０分〜１時間）保持し、−４℃の水中で急冷したときは急冷後２０〜５０℃の温度に１０分〜１時間保持した後室温に戻す。この処理によって、図２に示す超塑性を発現する等軸粒状の微細組織が形成される。図２（ａ）は２２ｗｔ％Ａｌ−０．１５ｗｔ％Ｃｕ−Ｚｎ共析系合金接合材の組織を示す電子顕微鏡写真で、平均粒径ｄが０．８７μｍ、１．９μｍ、３．９μｍの場合を示している。図２（ｂ）は２２ｗｔ％Ａｌ−１．０ｗｔ％Ｃｕ−０．０３ｗｔ％Ｍｇ−Ｚｎ共析系合金接合材の組織を示す電子顕微鏡写真である。次に、等軸粒状の微細組織化されたＺｎ−Ａｌ共析系合金を１５０〜２７０℃で加熱しながら圧延して所定厚さ（０．１〜１ｍｍ）に加工する。これによって得られた帯状のＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材が出来上がる。接合材として使用するときには、接合個所の面積に応じた寸法に切断して被接合材の間に介在する。
【実施例３】
【００１６】
本発明Ｚｎ−Ａｌ共析系合金接合材を用いた第１の接合方法を説明する。まず、接合する第１の部材と第２の部材の接合する面にＺｎまたはＺｎ−Ａｌ系合金の被膜を（ドブ付け法などにより）形成する。第１の部材と第２の部材との間に１７〜３０ｗｔ％Ａｌ−０〜１．５ｗｔ％Ｃｕ−０〜０．５ｗｔ％Ｍｇ−Ｚｎ系からなる板状または箔状のＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材を介在し、２８０〜４１０℃（α´領域）または２００〜２７５℃（α＋β領域）の温度領域で１〜３０分加熱して接合材に超塑性を発現して、固相状態で接合する。本発明のＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材は２７５℃以下では（α＋β）の２相合金状態が熱力学的に安定相であるので、熱処理後は共析変態により（α＋β）の２相状態になる。２８０〜４１０℃の接合では接合後に徐冷する。２００〜２７０℃の接合では、接合後２８０〜４１０℃の範囲に昇温後徐冷する。これによって、接合材（接合層）は図３に示す超塑性を発現しない層状の金属組織になる。図３（ａ）は２２ｗｔ％Ａｌ−０．１５ｗｔ％Ｃｕ−Ｚｎ共析系合金接合材を用いて接合した後徐冷した場合の接合部の金属組織を、図３（ｂ）は２２ｗｔ％Ａｌ−１．０ｗｔ％Ｃｕ−０．０３ｗｔ％Ｍｇ−Ｚｎ共析系合金接合材を用いて接合した後徐冷した場合の接合部の金属組織をそれぞれ示す電子顕微鏡写真である。図から分かるように、図２に示す等軸粒状の微細組織が層状の金属組織になっていることが分かる。等軸粒状の微細組織は高温での強度が低くかつ耐クリープ性も低いが、接合によって強度及び耐クリープ性の高い層状の金属組織に変わることにより、強度及び耐クリープ性の高い接合部を実現できる。
【実施例４】
【００１７】
本発明Ｚｎ−Ａｌ共析系合金接合材を用いた第２の接合方法を説明する。接合する第１の部材と第２の部材との間に１７〜３０ｗｔ％Ａｌ−０〜１．５ｗｔ％Ｃｕ−０〜０．５ｗｔ％Ｍｇ−Ｚｎ系からなる板状または箔状のＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材を介在し、４３０〜４８０℃の温度領域で１〜３０分加熱する。これによって接合材は固相と液相が混在した半溶融状態になる。この状態を所定時間保持した後徐冷する。徐冷により半溶融状態の接合材は凝固するが、このとき図４に示すように等軸粒状の微細組織の固相部分が残り、その後の冷却により２種類の層状組織が混在した金属組織になる。図４は２２ｗｔ％Ａｌ−０．１５ｗｔ％Ｃｕ−Ｚｎ共析系合金接合材を用いて接合した後徐冷した場合の接合部の金属組織を示す電子顕微鏡写真である。層状組織であるので超塑性を発現しない。従って、半溶融状態で接合しても固相状態で接合する場合に比較すれば多少劣るが、従来例に比較すれば強度及び耐クリープ性の優れた接合部が得られる。
【実施例５】
【００１８】
図５は本発明Ｚｎ−Ａｌ共析系合金接合材を使用したダイオードを示す。図において、１は底部が閉鎖され上端が開放された例えば銅製の円筒状ヒートシンク、２はダイオード機能を備えたシリコンチップ、３は銅−インバー（鉄ニッケル合金）−銅からなる緩衝板、４は円板部４ａと円板部から垂直に伸びるリード４ｂとからなるリード電極で、円筒状ヒートシンク１の底部上にＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材５を介して緩衝板３が、その上にＺｎ−Ａｌ系合金接合材６を介してシリコンチップ２が、その上にＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材７を介してリード電極４の円板部４ａが接合されている。シリコンチップ２、緩衝板３及び円板部４ａのＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材と接する面にはＮｉ−Ｐめっき膜を形成している。８は円筒状ヒートシンク１内に充填したシリコンゴムである。かかる構成のダイオードは所定数の貫通孔を有する冷却フィンの貫通孔に圧入されて自動車用整流装置に使用される。この種整流装置はエンジンルームに配置され、熱的及び機械的に過酷な環境で使用されることから、高温でかつ機械的強度の高い接合材が要求されている。本発明Ｚｎ−Ａｌ共析系合金接合材を使用することにより、２５０℃以上の高温に耐え、延性と強度を有する接合部を実現できる。この実施例ではシリコンチップを使用した場合を説明したが、シリコンチップの代わりに炭化珪素チップを使用することが出来る。炭化珪素チップは５００℃でも安定した特性を保持できることから、接合材が固液共有状態に相変態する温度近くまで使用可能な高温ダイオードを実現できる。
【実施例６】
【００１９】
図６、図７及び図８は本発明Ｚｎ−Ａｌ共析系合金接合材を用いた３００Ａ級ＩＧＢＴモジュールの平面図及び断面図を示したものである。
図６は本発明の一実施例であり、１個の３００Ａ級モジュール単位の平面図を示したものである。また、図７は図６のＡ−Ａに沿う断面図、図８は図６のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。図において、１０１は放熱板及び支持板として機能する金属基板、１０２は金属基板１０１上に２枚並べてＺｎ−Ａｌ共析系合金接合層１０３により固着された例えばＡｌＮからなるセラミックス基板、１０４は各セラミックス基板１０２上に形成した例えばＮｉ／Ｃｕからなる回路層で、回路層１０４は分離された異なる形状を有する３個の部分、即ち、Ｔ字型のコレクタ共通電極となる第１の部分１０４ａ、エミッタ電極となる片状の第２の部分１０４ｂ、ゲート電極となる片状の第３の部分１０４ｃからなり、第１の部分１０４ａが中央部に、第１の部分１０４ａの脚部一側に第２の部分１０４ｂが、他方側に第３の部分１０４ｃが配置されている。第２の部分１０４ｂ及び第３の部分１０４ｃはＮｉ層上にＡｌ層１０５が形成されている。１０６はそのアノード側が回路層１０４の第１の部分１０４ａの脚部上に３個並べてＺｎ−Ａｌ共析系合金接合層１０７を介して接合されたＩＧＢＴチップ、１０８はそのカソード側が第１の部分１０４ａの上辺部上にＺｎ−Ａｌ共析系合金接合層１０９を介して接合されたダイオードチップ、１１０はＩＧＢＴチップ１０６のエミッタ層上に形成したＡｌを主成分とする金属層１１１と第２の部分１０４ｂ上のＡｌ層１０５とを超音波ボンディングによって接続した直径５００μｍＡｌ−０．１〜１ｗｔ％Ｘ（Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｌｉ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｈｆから選ばれた少なくとも一種類の金属）ボンディングワイヤ、１１２はＩＧＢＴチップ１０５のゲート層上に形成したＡｌを主成分とする金属層１１３と第３の部分１０４ｃ上のＡｌ層１０５とを超音波ボンディングによって接続した直径５００μｍＡｌ−０．１〜１ｗｔ％Ｘ（同上）ボンディングワイヤ、１１４はダイオードチップ１０８のアノード層上に形成したＡｌを主成分とする金属層１１５と第２の部分１０４ｂ上のＡｌ層１０５とを超音波ボンディングによって接続したＡｌ−０．１〜１ｗｔ％Ｘ（同上）ボンディングワイヤである。これによって、１枚のセラミックス基板１０２上に３個の並列接続されたＩＧＢＴチップ１０６と１個のダイオードチップ１０８とが逆並列接続された回路要素が形成され、１枚の金属基板１０１上に２個の回路要素が形成される。インバータを構成する場合には、１枚の金属基板１０１上の２個の回路要素を直列接続し、これを３個並列接続して、各回路要素の接続点を交流出力端子に、並列接続点を直流入力端子にすればよい。電流容量を増やすときはＩＧＢＴチップ１０６及びダイオードチップ１０８の並列接続数を増やし、高電圧化するときはＩＧＢＴチップ１０６及びダイオードチップ１０８の直列接続数を増やせばよい。
【実施例７】
【００２０】
図９は本発明Ｚｎ−Ａｌ共析系合金接合材を使用した電力用ＭＯＳトランジスタを示す概略断面図である。図において、２１は放熱板及び支持板として機能する金属基板、２２は金属基板２１上にＺｎ−Ａｌ共析系合金接合層２３により固着された例えばＡｌＮからなるセラミックス基板、２４はセラミックス基板２２上にＺｎ−Ａｌ共析系合金接合層２５により固着された電力用ＭＯＳトランジスタ基体、２６、２７及び２８は電力用ＭＯＳトランジスタ基体のアノード領域、カソード領域及びゲート領域に設けられたアルミニウムからなるアノード電極、カソード電極及びゲート電極である。ゲート電極２８は当然のことながら絶縁層２９を介してゲート領域上に設けられている。３０及び３１はカソード電極２７及びゲート電極２８にＺｎ−Ａｌ共析系合金接合層３２及び３３により固着されたカソード外部電極及びゲート外部電極である。これらカソード外部電極３０及びゲート外部電極３１は間に例えば樹脂を充填して一体構造にしてもよい。この実施例の特徴は、カソード電極２７及びゲート電極２８とカソード外部電極３０及びゲート外部電極３１をボンディングワイヤを使用せずに直接接合している点にある。この実施例におけるＭＯＳトランジスタ基体２４はシリコン及び炭化珪素を使用することが出来る。炭化珪素基体を使用する場合には炭化珪素が５００℃でも安定した特性を保持できることから、接合材が固液共有状態に相変態する温度近くまで使用可能な高温ＭＯＳトランジスタを実現できる。
【００２１】
本発明Ｚｎ−Ａｌ共析系合金接合材はＩＧＢＴモジュールに限らず一般のパワーモジュール、ダイオードモジュールなどに使用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明Ｚｎ−Ａｌ共析系合金接合材の製造方法の工程を示すＴＭＴ線図である。
【図２】超塑性を発現するような微細等軸粒状組織化にされた本発明Ｚｎ−Ａｌ共析系合金接合材の組織を示す顕微鏡写真である。
【図３】第１の接合方法において接合後徐冷した本発明Ｚｎ−Ａｌ共析系合金接合材の組織を示す顕微鏡写真である。
【図４】第２の接合方法において接合後徐冷した本発明Ｚｎ−Ａｌ共析系合金接合材の組織を示す顕微鏡写真である。
【図５】本発明Ｚｎ−Ａｌ共析系合金接合材を使用したダイオードの概略断面図である。
【図６】本発明Ｚｎ−Ａｌ共析系合金接合材を使用したＩＧＢＴモジュールの概略平面図である。
【図７】第６図のＡ−Ａ線に沿う概略断面図である。
【図８】第６図のＢ−Ｂに沿う概略断面図である。
【図９】本発明Ｚｎ−Ａｌ共析系合金接合材を使用した電力用ＭＯＳトランジスタの概略平面図である。
【符号の説明】
【００２３】
１…円筒状ヒートシンク、２…シリコンチップ、３…緩衝板、４…リード電極、
５，６，７…Ｚｎ−Ａｌ共析系合金接合材、８…シリコンゴム。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１７〜３０ｗｔ％Ａｌ−０〜１．５ｗｔ％Ｃｕ−０〜０．５ｗｔ％Ｍｇ−Ｚｎ系からなり、超塑性現象を利用して対象物を接合することを特徴とするＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材。
【請求項２】
１７〜３０ｗｔ％Ａｌ−０〜１．５ｗｔ％Ｃｕ−０〜０．５ｗｔ％Ｍｇ−Ｚｎ共析系合金を溶解鋳造し、これを２８０〜４１０℃の温度で３０分〜３時間保持した後、−４〜２０℃の水中で急冷することを特徴とするＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材の製造方法。
【請求項３】
第１の部材と第２の部材との間に１７〜３０ｗｔ％Ａｌ−０〜１．５ｗｔ％Ｃｕ−０〜０．５ｗｔ％Ｍｇ−Ｚｎ系からなるＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材を介在し、該接合材を加熱して半溶融状態にした後徐冷することを特徴とする接合方法。
【請求項４】
第１の部材及び第２の部材の接合する面にＺｎまたはＺｎ−Ａｌ系合金の被膜を形成し、第１の部材と第２の部材との間に１７〜３０ｗｔ％Ａｌ−０〜１．５ｗｔ％Ｃｕ−０〜０．５ｗｔ％Ｍｇ−Ｚｎ系からなるＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材を介在し、該接合材を加熱して固相状態で接合した後徐冷することを特徴とする接合方法。
【請求項５】
半導体基体、半導体基体に直接またはセラミック基板を介して接合層によって接合され
た金属基板を備え、接合層が１７〜３０ｗｔ％Ａｌ−０〜１．５ｗｔ％Ｃｕ−０〜０．５
ｗｔ％Ｍｇ−Ｚｎ系からなるＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材からなり、接合時に超塑性現象
を発現し、接合後は超塑性を発現しない金属組織を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
前記半導体基体が炭化珪素であることを特徴とする請求項５項記載の半導体装置。
【請求項１】
１７〜３０ｗｔ％Ａｌ−０〜１．５ｗｔ％Ｃｕ−０〜０．５ｗｔ％Ｍｇ−Ｚｎ系からなり、超塑性現象を利用して対象物を接合することを特徴とするＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材。
【請求項２】
１７〜３０ｗｔ％Ａｌ−０〜１．５ｗｔ％Ｃｕ−０〜０．５ｗｔ％Ｍｇ−Ｚｎ共析系合金を溶解鋳造し、これを２８０〜４１０℃の温度で３０分〜３時間保持した後、−４〜２０℃の水中で急冷することを特徴とするＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材の製造方法。
【請求項３】
第１の部材と第２の部材との間に１７〜３０ｗｔ％Ａｌ−０〜１．５ｗｔ％Ｃｕ−０〜０．５ｗｔ％Ｍｇ−Ｚｎ系からなるＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材を介在し、該接合材を加熱して半溶融状態にした後徐冷することを特徴とする接合方法。
【請求項４】
第１の部材及び第２の部材の接合する面にＺｎまたはＺｎ−Ａｌ系合金の被膜を形成し、第１の部材と第２の部材との間に１７〜３０ｗｔ％Ａｌ−０〜１．５ｗｔ％Ｃｕ−０〜０．５ｗｔ％Ｍｇ−Ｚｎ系からなるＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材を介在し、該接合材を加熱して固相状態で接合した後徐冷することを特徴とする接合方法。
【請求項５】
半導体基体、半導体基体に直接またはセラミック基板を介して接合層によって接合され
た金属基板を備え、接合層が１７〜３０ｗｔ％Ａｌ−０〜１．５ｗｔ％Ｃｕ−０〜０．５
ｗｔ％Ｍｇ−Ｚｎ系からなるＺｎ−Ａｌ共析系合金接合材からなり、接合時に超塑性現象
を発現し、接合後は超塑性を発現しない金属組織を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
前記半導体基体が炭化珪素であることを特徴とする請求項５項記載の半導体装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００９−１１３０５０（Ｐ２００９−１１３０５０Ａ）
【公開日】平成２１年５月２８日（２００９．５．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２８５８２５（Ｐ２００７−２８５８２５）
【出願日】平成１９年１１月２日（２００７．１１．２）
【出願人】（５０４２０３５７２）国立大学法人茨城大学 (99)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年５月２８日（２００９．５．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１１月２日（２００７．１１．２）
【出願人】（５０４２０３５７２）国立大学法人茨城大学 (99)
【Ｆターム（参考）】
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