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技術 半導体装置およびその製造方法、パワーモジュール並びに車両

出願人 株式会社日立パワーデバイス
発明者 池田靖宮崎高彰
出願日 2015年11月30日 (3年9ヶ月経過) 出願番号 2015-233563
公開日 2017年6月8日 (2年3ヶ月経過) 公開番号 2017-103290
状態 特許登録済
技術分野 ダイボンディング はんだ付・ろう付材料
主要キーワード 高電流負荷 金属粒子ペースト 大出力モータ Cu部材 産業設備 焼結金属層 高温駆動 多孔質金属層
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (14)

課題

高温環境下において高い信頼性を有する半導体装置を提供する。

解決手段

被接合部材1と半導体チップ4との接合部を、被接合部材1のチップ搭載部1bの上面上に互いに離間して形成された複数の多孔質金属層2と、半導体チップ4の裏面のNi電極5に接して形成されたCu−Sn化合物からなる金属間化合物層8と、チップ搭載部1bの上面と金属間化合物層8との間に介在する、Snを主成分とする金属間化合物層9と、により構成する。チップ搭載部1bは、Cu膜を表面に有する部材、あるいはAgめっき、Auめっき、またはNiめっきを施したCu膜を表面に有する部材である。また、複数の多孔質金属層2は、Ag、Cu、またはAgおよびCuからなる多孔質の層である。

概要

背景

本技術分野の背景技術として、特開2008−300792号公報(特許文献1)および特開2015−082581号公報(特許文献2)がある。

特開2008−300792号公報(特許文献1)には、金属粒子ペースト高温硬化させて形成した下地層と、金属粒子低温金属ロウ材に分散吸収させて形成した高温化金属ロウ材の層と、で構成される接合層によって、半導体チップの裏側と銅配線パターン接合した半導体装置が記載されている。

特開2015−082581号公報(特許文献2)には、第1の金属を少なくとも含む微細粒子焼結金属層と、第2の金属を少なくとも含む凝固金属層と、焼結金属層と凝固金属層との間に介在する、第1の金属と第2の金属とを少なくとも含む拡散金属層と、を備える電力用半導体装置が記載されている。

概要

高温環境下において高い信頼性を有する半導体装置を提供する。被接合部材1と半導体チップ4との接合部を、被接合部材1のチップ搭載部1bの上面上に互いに離間して形成された複数の多孔質金属層2と、半導体チップ4の裏面のNi電極5に接して形成されたCu−Sn化合物からなる金属間化合物層8と、チップ搭載部1bの上面と金属間化合物層8との間に介在する、Snを主成分とする金属間化合物層9と、により構成する。チップ搭載部1bは、Cu膜を表面に有する部材、あるいはAgめっき、Auめっき、またはNiめっきを施したCu膜を表面に有する部材である。また、複数の多孔質金属層2は、Ag、Cu、またはAgおよびCuからなる多孔質の層である。

目的

本発明によれば、高温環境下において高い信頼性を有する半導体装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

第1主面、および前記第1主面と反対側の第2主面を有する基板と、前記基板の前記第1主面上に形成されたチップ搭載部と、表面、および前記表面と反対側の裏面を有し、前記裏面に電極が形成された半導体チップと、前記チップ搭載部の上面と前記半導体チップの前記裏面の前記電極との間に形成された接合部と、を備え、前記接合部は、前記チップ搭載部の前記上面上に、互いに離間して形成された複数の多孔質金属層と、前記半導体チップの前記裏面の前記電極に接して形成されたCu−Sn化合物からなる第1の層と、前記複数の多孔質金属層を覆って前記チップ搭載部の前記上面と前記第1の層との間に介在する、Snを主成分とする金属間化合物からなる第2の層と、を有する、半導体装置

請求項2

請求項1記載の半導体装置において、前記チップ搭載部は、Cu膜、またはCu膜を表面に有する部材からなる、半導体装置。

請求項3

請求項1記載の半導体装置において、前記チップ搭載部は、Agめっき、Auめっき、またはNiめっきが施されたCu膜、あるいはAgめっき、Auめっき、またはNiめっきが施されたCu膜を表面に有する部材からなる、半導体装置。

請求項4

請求項1記載の半導体装置において、前記複数の多孔質金属層は、Ag、Cu、またはAgおよびCuからなる多孔質の層である、半導体装置。

請求項5

請求項1記載の半導体装置において、前記複数の多孔質金属層の平面面積は前記半導体チップの平面面積の40%以上、かつ、80%以下である、半導体装置。

請求項6

第1主面、および前記第1主面と反対側の第2主面を有する基板と、前記基板の前記第1主面上に形成されたチップ搭載部と、表面、および前記表面と反対側の裏面を有し、前記裏面に電極が形成された半導体チップと、前記チップ搭載部の上面と前記半導体チップの前記裏面の前記電極との間に形成された接合部と、を備え、前記接合部は、前記チップ搭載部の前記上面上に、互いに離間して形成された複数の多孔質金属層と、前記半導体チップの前記裏面の前記電極に接して形成されたCu−In化合物からなる第1の層と、前記複数の多孔質金属層を覆って前記チップ搭載部の前記上面と前記第1の層との間に介在する、Inを主成分とする金属間化合物からなる第2の層と、を有する、半導体装置。

請求項7

請求項6記載の半導体装置において、前記チップ搭載部は、Cu膜、またはCu膜を表面に有する部材からなる、半導体装置。

請求項8

請求項6記載の半導体装置において、前記チップ搭載部は、Agめっき、Auめっき、またはNiめっきが施されたCu膜、あるいはAgめっき、Auめっき、またはNiめっきが施されたCu膜を表面に有する部材からなる、半導体装置。

請求項9

請求項6記載の半導体装置において、前記複数の多孔質金属層は、Ag、Cu、またはAgおよびCuからなる多孔質の層である、半導体装置。

請求項10

請求項6記載の半導体装置において、前記複数の多孔質金属層の平面面積は前記半導体チップの平面面積の40%以上、かつ、80%以下である、半導体装置。

請求項11

(a)基板、および前記基板の主面上に形成されたチップ搭載部を有する被接合部材を用意する工程、(b)表面、および前記表面と反対側の裏面を有し、前記裏面に電極が形成された半導体チップを用意する工程、(c)前記チップ搭載部の上面上に、金属粒子を含む複数の多孔質金属層を互いに離間して形成する工程、(d)前記複数の多孔質金属層を覆うように、前記チップ搭載部の上面上にSn系はんだを形成した後、前記Sn系はんだ上に半導体チップを置く工程、(e)前記被接合部材と前記半導体チップとの間に圧力をかけながら加熱する工程、を含み、前記チップ搭載部は、Cu膜、またはCu膜を表面に有する部材からなり、前記(e)工程において、前記半導体チップの前記裏面の前記電極に接してCu−Sn化合物からなる第1の層が形成され、前記複数の多孔質金属層を覆って、前記チップ搭載部の前記上面と前記第1の層との間に、Snを主成分とする金属間化合物からなる第2の層が形成される、半導体装置の製造方法。

請求項12

請求項11記載の半導体装置の製造方法において、前記チップ搭載部は、Agめっき、Auめっき、またはNiめっきが施されたCu膜、あるいはAgめっき、Auめっき、またはNiめっきが施されたCu膜を表面に有する部材からなる、半導体装置の製造方法。

請求項13

請求項11記載の半導体装置の製造方法において、前記複数の多孔質金属層は、Ag、Cu、またはAgおよびCuからなる多孔質の層である、半導体装置の製造方法。

請求項14

請求項1または6記載の半導体装置から構成される、パワーモジュール

請求項15

請求項14記載のパワーモジュールを備えたシステム車輪を駆動する、車両。

技術分野

0001

本発明は、半導体装置およびその製造方法、パワーモジュール並びに車両に関する。

背景技術

0002

本技術分野の背景技術として、特開2008−300792号公報(特許文献1)および特開2015−082581号公報(特許文献2)がある。

0003

特開2008−300792号公報(特許文献1)には、金属粒子ペースト高温硬化させて形成した下地層と、金属粒子低温金属ロウ材に分散吸収させて形成した高温化金属ロウ材の層と、で構成される接合層によって、半導体チップの裏側と銅配線パターン接合した半導体装置が記載されている。

0004

特開2015−082581号公報(特許文献2)には、第1の金属を少なくとも含む微細粒子焼結金属層と、第2の金属を少なくとも含む凝固金属層と、焼結金属層と凝固金属層との間に介在する、第1の金属と第2の金属とを少なくとも含む拡散金属層と、を備える電力用半導体装置が記載されている。

先行技術

0005

特開2008−300792号公報
特開2015−082581号公報

発明が解決しようとする課題

0006

被接合部材と半導体チップとを接合する方法の一つに、Sn系はんだと、ナノまたはマイクロレベルの金属粒子を含む金属粒子ペーストとを反応させて、被接合部材と半導体チップとの接合部を高融点金属間化合物とする方法がある。

0007

しかし、被接合部材と半導体チップとの接合部が完全に金属間化合物とならず、低融点のSnが残存すると、接合部の耐熱性劣化する場合がある。

0008

一方、被接合部材と半導体チップとの接合部が完全に金属間化合物になると、金属間化合物が脆性であるため、接合部に大きな衝撃が加わった場合、一気に接合部が破壊する場合がある。

0009

特許文献1および特許文献2では、このような金属間化合物の性質についての考慮はされていない。

課題を解決するための手段

0010

上記課題を解決するために、本発明による半導体装置は、被接合部材と、半導体チップと、被接合部材と半導体チップとを接合する接合部と、を備える。そして、上記接合部は、被接合部材のチップ搭載部の上面上に互いに離間して形成された複数の多孔質金属層と、半導体チップの裏面のNi電極に接して形成されたCu−Sn化合物からなる第1の層と、複数の多孔質金属層を覆ってチップ搭載部の上面と第1の層との間に介在する、Snを主成分とする金属間化合物からなる第2の層と、を有する。

発明の効果

0011

本発明によれば、高温環境下において高い信頼性を有する半導体装置を提供することができる。

0012

上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施の形態の説明により明らかにされる。

図面の簡単な説明

0013

実施例1による半導体装置を示す断面図であり、(a)は熱処理前の半導体装置の態様を説明する断面図、(b)は熱処理後の半導体装置の態様を説明する断面図である。
実施例1による被接合部材と半導体チップとの接合部の一部を拡大して示す断面図である。
多孔質金属層を分割せずに、チップ搭載部の上面上に一つの多孔質金属層を形成した場合における被接合部材と半導体チップとの接合部の一部を拡大して示す断面写真である。
多孔質金属層を分割して、チップ搭載部の上面上に複数の多孔質金属層を互いに離間して形成した場合における被接合部材と半導体チップとの接合部の一部を拡大して示す断面写真である。
実施例1による互いに離間して形成された複数の多孔質金属層の第1の配置例を示す平面図である。
実施例1による互いに離間して形成された複数の多孔質金属層の第2の配置例を示す平面図である。
実施例1による互いに離間して形成された複数の多孔質金属層の第3の配置例を示す平面図である。
実施例1の変形例5による被接合部材と半導体チップとの接合部の一部を拡大して示す断面図である。
実施例1の変形例6による被接合部材と半導体チップとの接合部の一部を拡大して示す断面図である。
実施例2によるパワーモジュールの要部断面図である。
実施例3による鉄道車両の一例を示す部分側面図である。
図11に示す鉄道車両に設置されたインバータの内部構造の一例を示す平面図である。
実施例4による自動車の一例を示す斜視図である。

0014

以下の実施の形態において、便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。

0015

また、以下の実施の形態において、要素の数等(個数数値、量、範囲等を含む)に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。

0016

また、以下の実施の形態において、その構成要素(要素ステップ等も含む)は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。

0017

また、「Aからなる」、「Aよりなる」、「Aを有する」、「Aを含む」と言うときは、特にその要素のみである旨明示した場合等を除き、それ以外の要素を排除するものでないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。

0018

また、以下の実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。以下、本実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

0019

≪詳細な課題の説明≫
電鉄産業設備または電気自動車ハイブリッド自動車EV(Electric Vehicle)/HEV(Hybrid Electric Vehicle))用モータなどの大出力モータを制御するインバータには、パワーモジュールが使用されている。これまで、パワーモジュールには、Siを用いたIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などのパワー半導体装置が用いられてきた。しかし、近年、省エネルギーが期待される、SiCまたはGaNを用いたパワー半導体装置が普及しつつある。

0020

ところで、従来、Siを用いたパワー半導体装置では、被接合部材と半導体チップとの接合部には、Pb−Sn系はんだが用いられてきた。しかし、SiCまたはGaNはSiに比べて高温駆動が可能であることから、SiCまたはGaNを用いたパワー半導体装置では、Siを用いたパワー半導体装置よりも、被接合部材と半導体チップとの接合部が高温に晒される可能性がある。

0021

Pb−Sn系はんだを用いた接合の場合、被接合部材と半導体チップとの接合部の温度が200℃を超えると、接合部の耐熱性が不足してパワー半導体装置に要求される高温環境下における動作安定性および高電流負荷耐性満足できない場合がある。

0022

例えば被接合部材と半導体チップとをPb−Sn系はんだで接合し、250℃の温度で500時間保持した場合、カーケンダルボイドが形成されて、接合部の耐熱性が劣化する。このため、Pb−Sn系はんだよりも、耐熱性の高い接合を実現できる接合材料が必要とされている。

0023

また、近年、Pb成分人体に悪影響を及ぼすことが指摘され、Pbを含むはんだは社会問題としてクローズアップされている。さらに、EU(European Union)のROHS(Restriction of Hazardous Substances Directive)指令に代表されるように、Pbを含む有害物質の使用を法的に規制する動き活発化している。

0024

そこで、近年、Pd−Sn系はんだを用いた接合に代わり、ナノまたはマイクロレベルの金属粒子を含む金属粒子ペーストを焼結する焼結金属接合が提案されている。焼結金属接合は、高温動作への対応が可能であり、Pbを含まないことから、高温対応の接合技術として有望視されている。

0025

しかし、焼結金属接合では、金属粒子ペーストが接合時に溶融しないため、被接合部材の反りまたは凹凸を吸収するために接合時に荷重をかけて金属粒子ペーストを被接合部材に密着させる必要がある。

0026

接合後の焼結密度がこの際の荷重に大きく依存するため、接合部の接合性を確保するために必要な焼結密度を得るためには、10MPa程度の大荷重が必要となる。

0027

但し、半導体チップを大荷重で押すと半導体チップを破壊する恐れがある。このため、可能なかぎり接合時の荷重を軽減することが必要となる。

0028

荷重を軽減する方法としては、被接合部材の反りまたは凹凸を吸収するため、Sn系はんだを用い、かつ、金属粒子ペーストとSn系はんだとを完全に反応させて高融点の金属間化合物を形成する方法がある(特許文献1および特許文献2参照)。金属間化合物を形成することにより、パワー半導体装置において、被接合材料と半導体チップとの耐熱性に強い接合部を得ることができる。

0029

例えばAg粒子ペーストとSn系はんだを接合材料に用いた場合、Ag粒子ペーストに含まれるAgとSn系はんだに含まれるSnとの反応により、400℃以上の高融点を有するAg−Sn化合物を形成することができる。

0030

しかし、被接合部材と半導体チップとの接合部を全て金属間化合物で形成するには、長時間の熱処理が必要となる。例えば被接合部材と半導体チップとの接合部を全てAg−Sn化合物とするには、300℃の温度で1.5〜2時間程度の熱処理が必要となる。

0031

被接合部材と半導体チップとの接合部が全て金属間化合物とならない場合は、接合部に低融点を有するSnが残存することとなり、接合部において所望する耐熱性が得られない可能性がある。

0032

一方、被接合部材と半導体チップとの接合部を全て金属間化合物で形成した場合、金属間化合物が脆性であるため、接合部に大きな衝撃が加わると、一気に接合部が破壊する可能性がある。

0033

そこで、本発明では、被接合部材と半導体チップとの良好な接合を得ることにより、高温環境下において高い信頼性を有する半導体装置を提供する。

0034

なお、本願明細書において高い信頼性を有する半導体装置とは、被接合部材と半導体チップとの接合部が耐熱性を有し、高温環境下において動作安定性および高電流負荷耐性を有する半導体装置をいう。

0035

≪半導体装置の構造≫
本実施例1による半導体装置の構造について図1を用いて説明する。図1は、本実施例1による半導体装置を示す断面図であり、(a)は熱処理前の半導体装置の態様を説明する断面図、(b)は熱処理後の半導体装置の態様を説明する断面図である。

0036

まず、図1(a)を用いて、被接合部材1と半導体チップ4とを熱処理により接合する前の半導体装置の構成について説明する。

0037

被接合部材1の基板1aの第1主面上には、チップ搭載部1bが形成されており、その周囲には、複数の配線パターン1cが形成されている。また、基板1aの第1主面と反対側の第2主面上にも、配線パターン1dが形成されている。本実施例1では、基板1a、チップ搭載部1b、配線パターン1cおよび配線パターン1dを含めて被接合部材1と言う。チップ搭載部1b、配線パターン1cおよび配線パターン1dは、例えばCu膜からなり、その厚さは、例えば0.2〜0.5mm程度である。

0038

チップ搭載部1bの上面上には、複数の多孔質金属層2が互いに離間して形成されている。複数の多孔質金属層2は、ナノまたはマイクロレベルのAg粒子を含む多孔質Ag層であり、Ag粒子ペーストを例示することができる。

0039

ここで、離間とは、2つの部材が離れて配置され、直接接していないことをいう。また、2つの部材間に他の部材が配置されていても、2つの部材は離間しているという。すなわち、他の部材を介して2つの部材が接続されていても、これら2つの部材は離間されているという。

0040

つまり、後述の図1(b)では、第一の多孔質金属層2と第二の多孔質金属層2は、金属間化合物層6によって覆われている。また、第一の多孔質金属層2と第二の多孔質金属層2との間には、金属間化合物層6を介して金属間化合物層9が配置されている。このように、第一の多孔質金属2と第二の多孔質金属2は、金属間化合物層6と金属間化合物層9とを介して電気的に接続される関係にある。このような関係を有していても、第一の多孔質金属2と第二の多孔質金属2は離間しているという。

0041

さらに、複数の多孔質金属層2の上面および側面を覆ってチップ搭載部1bの上面上にSn系はんだ3が形成されている。そして、複数の多孔質金属層2およびSn系はんだ3を介して、チップ搭載部1bの上面上に半導体チップ4が搭載されている。

0042

半導体チップ4は、その厚さ方向と交差する平面形状が四角形となっており、表面と、表面と反対側の裏面とを有している。半導体チップ4の表面側には、複数の半導体素子絶縁層配線層とをそれぞれ複数段積み重ね多層配線層およびこの多層配線層を覆う表面保護膜などが形成されている。

0043

さらに、半導体チップ4の表面側には、複数の半導体素子と電気的に接続された複数の電極パッドが形成されており、複数の電極パッドは、表面保護膜にそれぞれの電極パッドに対応して形成された開口部に露出している。

0044

半導体チップ4の裏面は、被接合部材1と対向しており、半導体チップ4の裏面には、Ni電極5が形成されている。Ni電極5の厚さは、例えば0.2〜1.0μm程度であり、代表的な値としては、0.5μmを例示することができる。

0045

次に、図1(b)を用いて、被接合部材1と半導体チップ4とを熱処理により接合した後の半導体装置の構成について説明する。

0046

熱処理により、多孔質金属層2に含まれるAgとSn系はんだ3に含まれるSnとが反応して、金属間化合物、すなわちAg−Sn化合物が形成される。

0047

また、互いに隣り合う多孔質金属層2の間に露出するチップ搭載部1bから、チップ搭載部1bを構成するCuがSn系はんだ3内へ拡散し、そのCuとSn系はんだ3に含まれるSnとが反応して、金属間化合物、すなわちCu−Sn化合物が形成される。

0048

そして、複数の多孔質金属層2の上面および側面に、主としてAg−Sn化合物(例えばAg3Sn)からなる金属間化合物層6が形成される。また、互いに隣り合う多孔質金属層2の間に露出するチップ搭載部1bの上面に、主としてCu−Sn化合物(例えばCu3Sn)からなる金属間化合物層7が形成される。また、半導体チップ4の裏面のNi電極5に接して、主としてCu−Sn化合物(例えばCu6Sn5)からなる金属間化合物層8が形成される。

0049

そして、チップ搭載部1bと金属間化合物層8との間、具体的には、被接合部材1側に形成された金属間化合物層6および金属間化合物層7と、半導体チップ4側に形成された金属間化合物層8との間に、Snを主成分とする金属間化合物からなる金属間化合物層9が形成される。Snを主成分とする金属間化合物とは、例えばAg−Sn化合物(例えばAg3Sn)およびCu−Sn化合物(例えばCu6Sn5)である。

0050

ここで、主成分とは、化合物およびはんだなどの接合部材のうち最も割合が多い元素をいう。例えば、Ag3Sn化合物であれば主成分はAgであり、Su6Sn5化合物であれば、Suが主成分である。Sn−3Ag−0.5Cuはんだであれば、その主成分はSnである。

0051

本実施例1では、多孔質金属層2に、ナノまたはマイクロレベルのAg粒子を含む多孔質Ag層を用いた。多孔質Ag層は、Sn系はんだ3で接合する際に、Sn系はんだ3の濡れ性が非常によいことから、良好な接合を得ることができる。また、多孔質Ag層に含まれるAgはSn系はんだ3に含まれるSnと反応してAg−Sn化合物を生成する速度が速いため、高融点化することが容易となる。

0052

多孔質Ag層を形成する手段の例としては、以下の方法がある。ナノサイズのAg粒子と溶剤とからなるAg粒子ペーストの分割パターンを、被接合部材1のチップ搭載部1bの上面上にスクリーン印刷で形成し、その後、高温槽で焼結させる。あるいは、スクリーン印刷の替わりに、スタンプなどを利用して分割パターンを転写する方式またはディスペンサにより供給する方法でも同様に多孔質Ag層を形成することができる。

0053

≪本実施例1による半導体装置の特徴および効果≫
本実施例1による半導体装置の特徴および効果について図2図4を用いて説明する。図2は、本実施例1による被接合部材と半導体チップとの接合部の一部を拡大して示す断面図である。

0054

図3は、多孔質金属層を分割せずに、チップ搭載部の上面上に半導体チップとほぼ同じ面積の一つの多孔質金属層を形成した場合における被接合部材と半導体チップとの接合部の一部を拡大して示す断面写真である。

0055

図4は、多孔質金属層を分割して、チップ搭載部の上面上に複数の多孔質金属層を互いに離間して形成した場合における被接合部材と半導体チップとの接合部の一部を拡大して示す断面写真である。

0056

なお、以下の説明では、適宜、図1(a)および(b)を参照する。

0057

1.半導体装置の特徴
本実施例1による半導体装置は、被接合部材と、半導体チップと、被接合部材と半導体チップとを接合する接合部と、を備える。そして、上記接合部が、被接合部材のチップ搭載部の上面上に互いに離間して形成された複数の多孔質金属層と、半導体チップの裏面のNi電極に接して形成されたCu−Sn化合物からなる第1の層と、複数の多孔質金属層を覆ってチップ搭載部の上面と第1の層との間に介在する、Snを主成分とする金属間化合物からなる第2の層と、を有することを特徴とする。Snを主成分とする金属間化合物は、例えばAg−Sn化合物およびCu−Sn化合物である。

0058

2.耐熱性について
接合に用いたSn系はんだに含まれるSnが被接合部材と半導体チップとの接合部に残存すると、その部分の耐熱性は低いため、接合部において所望する耐熱性が得られない可能性がある。

0059

しかし、本実施例1によれば、被接合部材と半導体チップとの接合部の耐熱性を向上させることができる。以下に、その理由を説明する。

0060

図1(a)および(b)に示したように、本実施例1による被接合部材1と半導体チップ4との接合部では、チップ搭載部1bの上面上に互いに離間して複数の多孔質金属層2を形成したことにより、チップ搭載部1bの上面上に半導体チップ4とほぼ同じ面積の一つの多孔質金属層2を形成した場合と比較して、Sn系はんだ3と接する多孔質金属層2の表面積が増加する。このように、Sn系はんだ3と接する多孔質金属層2の表面積が増加することから、多孔質金属層2に含まれるAgとSn系はんだ3に含まれるSnとの反応が促進する。

0061

さらに、図2に示すように、互いに隣り合う多孔質金属層2の間に露出するチップ搭載部1bから、チップ搭載部1bを構成するCuがSn系はんだ3内へ拡散し、そのCuとSn系はんだ3に含まれるSnとが反応して、Cu−Sn化合物が形成される。

0062

このように、Ag−Sn化合物の生成に加えて、Cu−Sn化合物が生成されるので、Sn系はんだ3に含まれるSnが消費されやすく、被接合部材1と半導体チップ4との接合部にSn系はんだ3に含まれるSnが残存することを防止することができる。これにより、被接合部材1と半導体チップ4との接合部において所望する耐熱性を得ることができるので、半導体装置において高温駆動が可能となる。

0063

3.信頼性について
(第1の効果)
多孔質金属層を分割せずに、チップ搭載部の上面上に半導体チップとほぼ同じ面積の一つの多孔質金属層を形成して、熱処理により、多孔質金属層に含まれるAgとSn系はんだに含まれるSnとを反応させた場合は、被接合部材と半導体チップとの接合部にAg−Sn化合物が形成される。

0064

ところが、Ag−Sn化合物が、多孔質金属層から成長して半導体チップの裏面のNi電極に達するまでには、例えば300℃の温度で1.5〜2時間程度の熱処理が必要となる。この間、図3に示すように、Ni電極を構成するNiとSn系はんだに含まれるSnとが反応して、Ni−Sn化合物が形成される。Ni電極を構成するNiが全て反応してしまうと、半導体チップの裏面からNi−Sn化合物が剥離して、半導体装置が壊れる恐れがある。

0065

このため、金属間化合物を形成する熱処理は短時間で行うことが要求される。しかし、短時間の熱処理では、前述したように、被接合部材と半導体チップとの接合部にSnが残存するという問題がある。

0066

しかし、本実施例1によれば、Ni−Sn化合物の生成を抑制して半導体装置の破壊を回避することができる。以下に、その理由を説明する。

0067

図1(a)および(b)に示したように、本実施例1による被接合部材1と半導体チップ4との接合部では、チップ搭載部1bの上面上に互いに離間して複数の多孔質金属層2を形成している。これにより、互いに隣り合う多孔質金属層2の間に露出するチップ搭載部1bから、チップ搭載部1bを構成するCuがSn系はんだ3内へ拡散し、そのCuとSn系はんだ3に含まれるSnとが反応して、Cu−Sn化合物が形成される。

0068

さらに、そのCuはSn系はんだ3内を半導体チップ4の裏面へ向かって拡散し、Niの結晶構造とCuの結晶構造とが似ていることから、CuがNi電極5の表面に析出する。そして、図4に示すように、その析出したCuとSn系はんだ3に含まれるSnとの反応が促進することにより、Ni電極5に接してCu−Sn化合物が形成される。

0069

これにより、図2に示したように、複数の多孔質金属層2の上面および側面に、主としてAg−Sn化合物(例えばAg3Sn)からなる金属間化合物層6が形成される。また、互いに隣り合う多孔質金属層2の間に露出するチップ搭載部1bの上面に、主としてCu−Sn化合物(例えばCu3Sn)からなる金属間化合物層7が形成される。

0070

また、半導体チップ4の裏面のNi電極5に接して、主としてCu−Sn化合物(例えばCu6Sn5)からなる金属間化合物層8が形成される。

0071

そして、チップ搭載部1bと金属間化合物層8との間、具体的には、被接合部材1側に形成された金属間化合物層6および金属間化合物層7と、半導体チップ4側に形成された金属間化合物層8との間に、Snを主成分とする金属間化合物からなる金属間化合物層9が形成される。Snを主成分とする金属間化合物とは、例えばAg−Sn化合物(例えばAg3Sn)およびCu−Sn化合物(例えばCu6Sn5)である。

0072

このように、半導体チップ4の裏面のNi電極5に接してCu−Sn化合物からなる金属間化合物層8が形成されることにより、半導体チップ4の裏面におけるNi−Sn化合物の生成が抑制できるので、Ni−Sn化合物の生成による半導体装置の破壊を回避することができる。

0073

本発明者らが検討したところ、例えば300℃の温度で30分程度の熱処理により、半導体チップ4の裏面のNi電極5に接してCu−Sn化合物からなる金属間化合物層8が形成され、複数の多孔質金属層2を覆ってチップ搭載部1bの上面とCu−Sn化合物からなる金属間化合物層8との間にAg−Sn化合物およびCu−Sn化合物を形成することができた。

0074

(第2の効果)
被接合部材と半導体チップとの接合部を全て金属間化合物で形成した場合、金属間化合物が脆性であるため、接合部に大きな衝撃が加わると、一気に接合部が破壊するおそれがある。

0075

しかし、本実施例1によれば、図1(a)および(b)に示したように、短時間の熱処理により、被接合部材1と半導体チップ4との接合部にAg−Sn化合物およびCu−Sn化合物を形成することができる。

0076

従って、多孔質金属層2が全て金属間化合物になる前に、金属間化合物を生成する反応が止まり、複数の多孔質金属層2をチップ搭載部1bの上面上に残すことができる。チップ搭載部1bの上面上に残る複数の多孔質金属層2が被接合部材1と半導体チップ4との接合部に加わった衝撃を吸収するので、接合部の破壊を抑えることができる。

0077

また、金属間化合物に亀裂が生じても、その亀裂は多孔質金属層2で止まり、接合部の破壊を抑えることができる。

0078

≪多孔質金属層の平面パターン
複数の多孔質金属層の平面パターンの一例を図5図7に示す。図5は、本実施例1による互いに離間して形成された複数の多孔質金属層の第1の配置例を示す平面図である。図6は、本実施例1による互いに離間して形成された複数の多孔質金属層の第2の配置例を示す平面図である。図7は、本実施例1による互いに離間して形成された複数の多孔質金属層の第3の配置例を示す平面図である。

0079

被接合部材のチップ搭載部の主面上に、チップ搭載部に接して形成される複数の多孔質金属層の平面パターンは、Sn系はんだと接触する表面積が増加するように、微細であることが望ましい。これは、Sn系はんだと接触する多孔質金属層の表面積が小さいと、金属間化合物を生成する時間が長くなるからである。

0080

平面視において、半導体チップに対する複数の多孔質金属層の面積比率は、40%以上、かつ、80%以下であることが望ましい。面積比率が40%よりも小さい場合、残部が金属間化合物となるため、被接合部材と半導体チップとの接合部の特性として脆性が強くなり信頼性が低下するおそれがある。一方、面積比率が80%よりも大きい場合、接合時に供給するSn系はんだの量が少なくなり、被接合部材と半導体チップとの接合部の全域を良好に接合することが難しくなる。

0081

図5に示す多孔質金属層2のレイアウトでは、X方向に沿って第1間隔で配置された複数の多孔質金属層2が、X方向とチップ搭載部1bの表面において直交するY方向に沿って第2間隔で配置されている。多孔質金属層2は、平面視において四角形状であり、その1辺の寸法は10〜15μm程度である。第1間隔と第2間隔とは同じであってもよく、または異なっていてもよい。また、千鳥配列となるように配置してもよい。

0082

図6に示す多孔質金属層2のレイアウトでは、X方向に沿って延在する複数の多孔質金属層2が、Y方向に互いに離間して配置されている。所謂ストライプ状に複数の多孔質金属層2は配置されている。Y方向の多孔質金属層2の幅は、例えば10〜15μm程度である。

0083

図7に示す多孔質金属層2のレイアウトでは、X方向に沿って第1間隔で配置された複数の多孔質金属層2が、Y方向に沿って第2間隔で配置されている。多孔質金属層2は、平面視において円形状であり、その直径は10〜15μm程度である。第1間隔と第2間隔とは同じであってもよく、または異なっていてもよい。また、千鳥配列となるように配置してもよい。

0084

≪変形例1≫
前述の実施例1では、はんだにSn系はんだを用いたが、In系はんだを用いることもできる。

0085

変形例1による接合部は、被接合部材のチップ搭載部の上面上に互いに離間して形成された複数の多孔質金属層と、半導体チップの裏面のNi電極に接して形成されたCu−In化合物からなる第1の層と、複数の多孔質金属層を覆ってチップ搭載部の上面と第1の層との間に介在する、Inを主成分とする金属間化合物からなる第2の層と、を有することを特徴とする。

0086

これにより、前述の実施例1とほぼ同様の効果を得ることができる。

0087

≪変形例2≫
前述の実施例1では、被接合部材のチップ搭載部をCu膜により構成したが、チップ搭載部を、表面にCu膜が形成された部材により構成することもできる。

0088

変形例2による接合部は、被接合部材のチップ搭載部の上面上に互いに離間して形成された複数の多孔質金属層と、半導体チップの裏面のNi電極に接して形成されたCu−Sn化合物からなる第1の層と、複数の多孔質金属層を覆ってチップ搭載部の上面と第1の層との間に介在する、Snを主成分とする金属間化合物からなる第2の層と、を有する。さらに、チップ搭載部は、表面にCu膜が形成された部材からなることを特徴とする。

0089

チップ搭載部を構成するCu膜からCuがSn系はんだに拡散して、反応することにより、Cu−Sn化合物を形成することができるので、前述の実施例1とほぼ同様の効果を得ることができる。

0090

なお、はんだは、Sn系はんだに限定されるものではなく、例えばIn系はんだであってもよい。また、被接合部材を構成する、基板の第1主面および第2主面にそれぞれ形成された配線パターンもCu膜を表面に有する部材により構成してもよい。

0091

≪変形例3≫
前述の実施例1では、被接合部材のチップ搭載部をCu膜により構成したが、チップ搭載部を、表面にCu膜が形成された部材により構成し、さらに、そのCu膜の表面にAgめっきを施してもよい。

0092

変形例3による接合部は、被接合部材のチップ搭載部の上面上に互いに離間して形成された複数の多孔質金属層と、半導体チップの裏面のNi電極に接して形成されたCu−Sn化合物からなる第1の層と、複数の多孔質金属層を覆ってチップ搭載部の上面と第1の層との間に介在する、Snを主成分とする金属間化合物からなる第2の層と、を有する。さらに、チップ搭載部は、表面にCu膜が形成された部材からなり、そのCu膜の表面にはAgめっきが施されていることを特徴とする。

0093

チップ搭載部が、Agめっきを施したCu膜を表面に有する部材であることにより、多孔質金属層の接合強度を高めることができる。

0094

例えば複数の多孔質金属層がAgからなる場合、複数の多孔質金属層は、ペースト状のAgを、Agめっきを施したCu部材の上面上にスクリーン印刷法により印刷し、焼結することにより形成される。この場合、Agめっきを施していないCu部材の場合よりも高い接合強度を得ることができる。また、上記焼結の際、非酸化雰囲気でなくても、AgがCu部材の表面を覆っていることで、チップ搭載部の酸化を防止することができる。チップ搭載部が酸化すると、Sn系はんだで接合する際に接合不良に繋がるおそれがあるが、変形例3では、この接合不良を回避することができる。

0095

Agめっきの厚さは3μm以下にすることが望ましい。Agめっきの厚さが3μmよりも厚い場合、Sn系はんだで接合した際に、露出するチップ搭載部からAgめっきがSn系はんだ内に溶融せず、Agめっきの下地のCuがSn系はんだへ拡散しないおそれがある。CuがSn系はんだへ拡散しない場合、半導体チップの裏面のNi電極に接してCu−Sn化合物からなる金属間化合物層を形成することが難しくなる。

0096

Agめっきを3μmよりも厚くせざるを得ない場合には、複数の多孔質金属層を、Cuを含む金属により構成する(後述の変形例6および7参照)、または半導体チップの裏面のNi電極に接してCu層を設けるなどの方法により、Ni電極に接してCu−Sn化合物からなる金属間化合物層を形成するためのCuを供給する。

0097

なお、はんだは、Sn系はんだに限定されるものではなく、例えばIn系はんだであってもよい。また、被接合部材を構成する、基板の第1主面および第2主面にそれぞれ形成された配線パターンもAgめっきを施したCu膜を表面に有する部材により構成してもよい。

0098

≪変形例4≫
前述の実施例1では、被接合部材のチップ搭載部をCu膜により構成したが、チップ搭載部を、表面にCu膜が形成された部材により構成し、さらに、そのCu膜の表面にAuめっきを施してもよい。

0099

変形例4による接合部は、被接合部材のチップ搭載部の上面上に互いに離間して形成された複数の多孔質金属層と、半導体チップの裏面のNi電極に接して形成されたCu−Sn化合物からなる第1の層と、複数の多孔質金属層を覆ってチップ搭載部の上面と第1の層との間に介在する、Snを主成分とする金属間化合物からなる第2の層と、を有する。さらに、チップ搭載部は、表面にCu膜が形成された部材からなり、そのCu膜の表面にはAuめっきが施されていることを特徴とする。

0100

チップ搭載部が、Auめっきを施したCu膜を表面に有する部材であることにより、多孔質金属層の接合強度を高めることができる。

0101

例えば複数の多孔質金属層がAgからなる場合、複数の多孔質金属層は、ペースト状のAgを、Auめっきを施したCu部材の上面上にスクリーン印刷法により印刷し、焼結することにより形成される。この場合、Auめっきを施していないCu部材の場合よりも高い接合強度を得ることができる。また、上記焼結の際、非酸化雰囲気でなくても、AuがCu部材の表面を覆っていることで、チップ搭載部の酸化を防止することができる。チップ搭載部が酸化すると、Sn系はんだで接合する際に接合不良に繋がるおそれがあるが、変形例4では、この接合不良を回避することができる。

0102

Auめっきの厚さが1μm以下であれば、Sn系はんだで接合した際に、露出するチップ搭載部からAuめっきはSn系はんだ内に溶融し、Auめっきの下地のCuがSn系はんだへ拡散する。CuがSn系はんだと反応することにより、半導体チップの裏面のNi電極に接してCu−Sn化合物からなる金属間化合物層を形成することができる。

0103

なお、はんだは、Sn系はんだに限定されるものではなく、例えばIn系はんだであってもよい。また、被接合部材を構成する、基板の第1主面および第2主面にそれぞれ形成された配線パターンもAuめっきを施したCu膜を表面に有する部材により構成してもよい。

0104

≪変形例5≫
前述の実施例1では、被接合部材のチップ搭載部をCu膜により構成したが、チップ搭載部を、表面にCu膜が形成された部材により構成し、さらに、そのCu膜の表面にNiめっきを施してもよい。

0105

変形例5による接合部は、被接合部材のチップ搭載部の上面上に互いに離間して形成された複数の多孔質金属層と、半導体チップの裏面のNi電極に接して形成されたCu−Sn化合物からなる第1の層と、複数の多孔質金属層を覆ってチップ搭載部の上面と第1の層との間に介在する、Snを主成分とする金属間化合物からなる第2の層と、を有する。さらに、チップ搭載部は、表面にCu膜が形成された部材からなり、そのCu膜の表面にはNiめっきが施されていることを特徴とする。

0106

高温環境下で常時使用される半導体装置の中には、被接合部材のチップ搭載部が露出していると、酸化によりCuが変色するものがある。しかし、Cu膜の表面にNiめっきを施すことにより、変色を防止することができる。

0107

Niめっきの厚さが1μm以下であれば、Sn系はんだで接合した際に、露出するチップ搭載部からNiめっきはSn系はんだ内に溶融し、Niめっきの下地のCuがSn系はんだへ拡散する。CuがSn系はんだと反応することにより、半導体チップの裏面のNi電極に接してCu−Sn化合物からなる金属間化合物層を形成することができる。

0108

なお、はんだは、Sn系はんだに限定されるものではなく、例えばIn系はんだであってもよい。また、被接合部材を構成する、基板の第1主面および第2主面にそれぞれ形成された配線パターンもNiめっきを施したCu膜を表面に有する部材により構成してもよい。

0109

図8は、実施例1の変形例5による被接合部材と半導体チップとの接合部の一部を拡大して示す断面図である。

0110

図8に示すように、チップ搭載部1bは、基材1b1と、基材1b1上に形成されたCu膜1b2と、Cu膜1b2の表面に施されたNiめっき1b3と、から構成される。基材1b1と、Niめっき1b3を施さないCu膜1b2と、から構成されるチップ搭載部1bが前記変形例2である。また、Niめっき1b3に替えてCu膜1b2の表面にAgめっきを施したチップ搭載部1bが前記変形例3であり、Niめっき1b3に替えてCu膜1b2の表面にAuめっきを施したチップ搭載部が前記変形例4である。

0111

≪変形例6≫
前述の実施例1では、複数の多孔質金属層をAgにより構成したが、Cuにより構成することもできる。

0112

変形例6による接合部は、被接合部材のチップ搭載部の上面上に互いに離間して形成された複数の多孔質金属層と、半導体チップの裏面のNi電極に接して形成されたCu−Sn化合物からなる第1の層と、複数の多孔質金属層を覆ってチップ搭載部の上面と第1の層との間に介在する、Snを主成分とする金属間化合物からなる第2の層と、を有する。さらに、複数の多孔質金属層はCuからなることを特徴とする。

0113

多孔質金属層に、ナノまたはマイクロレベルのCu粒子を含む多孔質Cu層を用いる。多孔質Cu層は、Sn系はんだで接合する際に、Sn系はんだの濡れ性が非常によいことから、良好な接合を得ることができる。また、多孔質Cu層に含まれるCuはSn系はんだに含まれるSnと反応してCu−Sn化合物を生成する速度が速いため、高融点化することが容易となる。

0114

また、Cuは、チップ搭載部からだけでなく、多結晶Cu層からもSn系はんだ内へ拡散し、そのCuとSn系はんだに含まれるSnとが反応してCu−Sn化合物が形成される。従って、被接合部材のチップ搭載部を、例えば1μm以上の厚さのNiめっきを施したCu膜を表面に有する部材により構成した場合であっても、短時間で被接合部材と半導体チップとの接合部にCu−Sn化合物を形成することができる。

0115

図9は、実施例1の変形例6による被接合部材と半導体チップとの接合部の一部を拡大して示す断面図である。

0116

図9に示すように、接合部の部位によっては、互いに組成比の異なるCu−Sn化合物が形成される。例えば多孔質Cu層10の上面および側面に、組成比を主としてCu3SnとするCu−Sn化合物11が形成され、同様に、互いに隣り合う多孔質Cu層10の間に露出するチップ搭載部1bの上面に、組成比を主としてCu3SnとするCu−Sn化合物11が形成され、その他の部分に、組成比を主としてCu6Sn5とするCu−Sn化合物12形成される。

0117

多孔質Cu層を形成する手段の例としては、以下の方法がある。ナノサイズのCu粒子と溶剤とからなるCu粒子ペーストの分割パターンを、被接合部材のチップ搭載部の上面上にスクリーン印刷で形成し、その後、高温槽で焼結させる。あるいは、スクリーン印刷の替わりに、スタンプなどを利用して分割パターンを転写する方式またはディスペンサにより供給する方法でも同様に多孔質Cu層を形成することができる。

0118

なお、はんだは、Sn系はんだに限定されるものではなく、例えばIn系はんだであってもよい。

0119

≪変形例7≫
前述の実施例1では、複数の多孔質金属層をAgにより構成したが、AgおよびCuにより構成することもできる。

0120

変形例7による接合部は、被接合部材のチップ搭載部の上面上に互いに離間して形成された複数の多孔質金属層と、半導体チップの裏面のNi電極に接して形成されたCu−Sn化合物からなる第1の層と、複数の多孔質金属層を覆ってチップ搭載部の上面と第1の層との間に介在する、Snを主成分とする金属間化合物からなる第2の層と、を有する。さらに、複数の多孔質金属層はAgおよびCuからなることを特徴とする。

0121

多孔質金属層に、ナノまたはマイクロレベルのAg粒子およびCu粒子を含む多孔質Ag−Cu層を用いる。多孔質Ag−Cu層は、Sn系はんだで接合する際に、Sn系はんだの濡れ性が非常によいことから、良好な接合を得ることができる。また、多孔質Ag−Cu層に含まれるCuはSn系はんだに含まれるSnと反応してCu−Sn化合物を生成する速度が速いため、高融点化することが容易である。

0122

また、Cuは、チップ搭載部からだけでなく、多結晶Ag−Cu層からもSn系はんだ内へ拡散し、そのCuとSn系はんだに含まれるSnとが反応してCu−Sn化合物が形成される。従って、被接合部材のチップ搭載部を、例えば1μm以上の厚さのNiめっきを施したCu膜を表面に有する部材により構成した場合であっても、短時間で被接合部材と半導体チップとの接合部にCu−Sn化合物を形成することができる。

0123

多孔質Ag−Cu層を形成する手段の例としては、以下の方法がある。ナノサイズのAg粒子とCu粒子と溶剤とからなるAg−Cu粒子ペーストの分割パターンを、被接合部材のチップ搭載部の上面上にスクリーン印刷で形成し、その後、高温槽で焼結させる。あるいは、スクリーン印刷の替わりに、スタンプなどを利用して分割パターンを転写する方式またはディスペンサにより供給する方法でも同様に多孔質Ag−Cu層を形成することができる。

0124

なお、はんだは、Sn系はんだに限定されるものではなく、例えばIn系はんだであってもよい。

0125

このように、本実施例1による被接合部材と半導体チップとの接合部は、被接合部材のチップ搭載部の上面上に互いに離間して形成された複数の多孔質金属層と、半導体チップの裏面のNi電極に接して形成されたCu−Sn化合物からなる第1の層と、複数の多孔質金属層を覆ってチップ搭載部の上面と第1の層との間に介在する、Snを主成分とする金属間化合物からなる第2の層と、を有する。これにより、高温環境下において高い信頼性を有する鉛フリー半導体装置を実現することができる。

0126

本実施例2によるパワーモジュールについて説明する。本実施例2によるパワーモジュールは、前述の実施例1の半導体装置を適用したパワーモジュールである。図10は、本実施例2によるパワーモジュールの要部断面図である。

0127

パワーモジュール30は、ベース107と、ベース107上にSn系はんだシート106を介して接合された被接合部材105と、被接合部材105上に接合部108を介して接合された半導体チップ103および104と、被接合部材105上に、半導体チップ103および104とは異なる位置に接合された端子102と、を備える。

0128

被接合部材105は、平面視における寸法が、例えば40mm×20mm程度のセラミック基板105aと、セラミック基板105aの第1主面(半導体チップ103および104側の面)上に形成されたチップ搭載部105bおよび端子搭載部105cと、セラミック基板105aの第2主面(ベース107側の面)上に形成されたCu板105dと、を備える。

0129

チップ搭載部105bおよび端子搭載部105cは、例えばCu膜を表面に有する窒化珪素からなる部材により構成される。また、チップ搭載部105bを構成するCu膜の表面にはAuめっき、AgめっきまたはNiめっきが施されていてもよい。また、Cu板105dの表面にはNiめっきが施されていてもよい。

0130

接合部108は、チップ搭載部105bの上面上に互いに離間して形成された複数の多孔質金属層と、半導体チップ103および104の裏面のNi電極に接して形成されたCu−Sn化合物からなる第1の層と、複数の多孔質金属層を覆ってチップ搭載部105bと第1の層との間に介在する、Snを主成分とする金属間化合物からなる第2の層と、を有する。上記複数の多孔質金属層は、例えば多孔質Ag層、多孔質Cu層または多孔質Ag−Cu層である。また、上記Snを主成分とする金属間化合物は、例えばCu−Sn化合物とAg−Sn化合物、あるいはCu−Sn化合物である。また、複数の多孔質金属層のレイアウトとしては、例えば図5図6または図7に示したレイアウトを適用することができる。

0131

以下に、パワーモジュールの製造方法の一例を説明する。

0132

まず、被接合部材105を準備し、被接合部材105のチップ搭載部105bの上面上に、金属粒子ペースト(例えばAg粒子ペーストまたはCu粒子ペースト)をスクリーン印刷する。この際、図5図6または図7に示したように、金属粒子ペーストからなるパターンが、互いに離間した複数のパターンとなるようにスクリーン印刷する。続いて、例えば250℃の温度で焼結することにより、金属粒子(例えばAg粒子またはCu粒子)を含む複数の多孔質金属層を互いに離間して形成する。

0133

次に、Sn系はんだシート、例えばSn−3Ag−0.5Cu系はんだシートまたはSn−In系はんだシートを、複数の多孔質金属層を覆うようにチップ搭載部105bの上面上に置く。続いて、そのSn系はんだシート上に、半導体チップ103および104の裏面とチップ搭載部105bの上面とを対向させて、半導体チップ103および104を置き、さらに半導体チップ103および104上に、例えば10gの重しを置く。

0134

次に、例えば(N2+15%H2)の還元雰囲気中においてピーク温度が300℃の熱処理を15分程度行い、接合部108に金属間化合物を形成する。

0135

次に、半導体チップ103および104の表面側に形成された複数の電極パッドと端子搭載部105cとをボンディングワイヤ101を用いて接続し、端子102を端子搭載部105cの上面上に接続する。続いて、ベース107の上面上にSn系はんだシート106を介して、半導体チップ103および104、並びに端子102が接続された被接合部材105を搭載する。その後、接合部108の周辺シリコーン樹脂などで封止することにより、パワーモジュール30が略完成する。

0136

表1に、本発明者らが検討した被接合部材と半導体チップとの結合部の種々の仕様およびその評価結果をまとめる。

0137

0138

接合部の接合性としては、パワーモジュールについて、接合部の接合状態超音波探傷像で確認し、接合部が半導体チップの面積の10%以上の場合を「×」と定義し、10%未満の場合を「○」と定義した。また、接合部の断面を観察し、未反応のSn系はんだが残存する場合を「×」と定義し、残存しない場合を「○」と定義した。本実施例2による接合部の接合性については、いずれも「○」となり良好な接合であることが分かる。

0139

接合部の信頼性としては、パワーモジュールについて、−40℃⇔200℃の温度サイクル試験を実施した。1,000サイクル時点で初期接合面積に対して80%以上の接合面積を有している場合を「○」と定義し、80%未満の接合面積を有している場合を「×」と定義した。本実施例2による接合部の信頼性についても、いずれも「○」となり良好な接合であることが分かる。

0140

比較例として、多孔質金属層を分割せずに、一つの多孔質金属層を用いて、図10に示したパワーモジュールと同様のパワーモジュールを組み立てて、被接合部材と半導体チップとの接合部の接合性および信頼性を評価した。表2に、その評価結果をまとめる。

0141

0142

比較例1および2では、接合部において未反応のSn系はんだが残存しており、接合部が完全に高耐熱化されていないことが確認された。また、その接合状態において温度サイクル試験を実施したところ、比較例1および2では、いずれも低融点のSn系はんだの残存部に亀裂が進展し、接合面積は初期の80%未満となっていた。特に、比較例1においては、半導体チップの裏面のNi電極が消失しており、その部分で接合の剥離が観察された。

0143

本実施例3による鉄道車両について説明する。本実施例3による鉄道車両は、前述の実施例2のパワーモジュールを搭載した鉄道車両である。図11は、本実施例3による鉄道車両の一例を示す部分側面図である。図12は、図11に示す鉄道車両に設置されたインバータの内部構造の一例を示す平面図である。

0144

図11に示す鉄道車両31は、例えば前述の実施例2のパワーモジュール30が搭載されたものであり、車両本体36と、パワーモジュール30と、パワーモジュール30を支持する実装部材と、集電装置であるパンタグラフ32と、インバータ33と、を備えている。そして、パワーモジュール30は、車両本体36の下部に設置されたインバータ33に搭載されている。

0145

図12に示すように、インバータ33の内部では、プリント基板(実装部材)35上に複数のパワーモジュール30が搭載され、さらにこれらパワーモジュール30を冷却する冷却装置34が搭載されている。前述の実施例2のパワーモジュール30では、半導体チップからの発熱量が多い。従って、複数のパワーモジュール30を冷却してインバータ33の内部を冷却可能なように冷却装置34が取り付けられている。

0146

これにより、鉄道車両31において、モジュール接合構造が用いられた複数のパワーモジュール30を搭載したインバータ33が設けられていることにより、インバータ33内が高温環境となった場合であっても、インバータ33およびそれが設けられた鉄道車両31の信頼性を高めることができる。すなわち、高温環境下での動作安定性と高電流負荷にも耐え得るパワーモジュール30およびこれを用いたインバータシステムを実現することができる。

0147

本実施例4による自動車について説明する。本実施例4による自動車は、前述の実施例2のパワーモジュールを搭載した自動車である。図13は、本実施例4による自動車の一例を示す斜視図である。

0148

図13に示す自動車37は、例えばパワーモジュール30が搭載されたものであり、車体38と、タイヤ39と、パワーモジュール30と、パワーモジュール30を支持する実装部材である実装ユニット40と、を備えている。

0149

自動車37では、パワーモジュール30は、実装ユニット40に含まれるインバータに搭載されているが、実装ユニット40は、例えばエンジン制御ユニットなどであり、その場合、実装ユニット40は、エンジンの近傍に配置されている。この場合には、実装ユニット40は、高温環境下での使用となり、これにより、パワーモジュール30も高温状態となる。

0150

しかしながら、自動車37において、モジュールの接合構造が用いられた複数のパワーモジュール30を搭載したインバータが設けられていることにより、実装ユニット40が高温環境となった場合であっても、自動車37の信頼性を高めることができる。つまり自動車37においても、高温環境下での動作安定性と高電流負荷に耐え得るパワーモジュール30およびこれを用いたインバータシステムを実現することができる。

0151

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、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

0152

また、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば前記実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

実施例

0153

また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の実施の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることが可能である。なお、図面に記載した各部材や相対的なサイズは、本発明を分かりやすく説明するため簡素化、理想化しており、実装上はより複雑な形状となる。

0154

1被接合部材
1a基板
1bチップ搭載部
1b1基材
1b2Cu膜
1b3 Niめっき
1c,1d配線パターン
2多孔質金属層
3 Sn系はんだ
4半導体チップ
5Ni電極
6,7,8,9金属間化合物層
10多孔質Cu層
11,12 Cu−Sn化合物
30パワーモジュール
31鉄道車両
32パンタグラフ
33インバータ
34冷却装置
35プリント基板(実装部材)
36 車両本体
37自動車
38 車体
39 タイヤ
40実装ユニット
101ワイヤ
102端子
103,104 半導体チップ
105 被接合部材
105aセラミック基板
105b チップ搭載部
105c 端子搭載部
105dCu板
106Sn系はんだシート
107ベース
108接合部

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