JP2000164775A - 接合材料とその製造方法 - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 熱応力による半導体モジュールの破損や変形
を低減することができ、半導体モジュールの信頼性を向
上させること。 【解決手段】 電力用半導体モジュールでのセラミック
ス（絶縁性板）と金属（金属製薄板）などの接合に用い
る接合材料（半田層）の低融点金属相の組識中に軟質金
属相を分散させる。軟質金属としては、Ｃｕ、Ａｌ、Ａ
ｇ、Ａｕ、Ｓｎから成る１種類以上の金属であり、変形
抵抗が低い上に熱伝導性も優れている。この分散相の存
在により、接合工程及び半導体モジュールの通電時に生
じる熱応力を接合材料（半田層）で緩和することがで
き、絶縁性板２にかかる熱応力が小さくできその変形や
割れを低減して、半導体モジュールの破損や変形を低減
することができる。また、熱伝導性も向上するために更
に熱応力の低減が図れ、半導体モジュールの信頼性を向
上させることができる。
を低減することができ、半導体モジュールの信頼性を向
上させること。 【解決手段】 電力用半導体モジュールでのセラミック
ス（絶縁性板）と金属（金属製薄板）などの接合に用い
る接合材料（半田層）の低融点金属相の組識中に軟質金
属相を分散させる。軟質金属としては、Ｃｕ、Ａｌ、Ａ
ｇ、Ａｕ、Ｓｎから成る１種類以上の金属であり、変形
抵抗が低い上に熱伝導性も優れている。この分散相の存
在により、接合工程及び半導体モジュールの通電時に生
じる熱応力を接合材料（半田層）で緩和することがで
き、絶縁性板２にかかる熱応力が小さくできその変形や
割れを低減して、半導体モジュールの破損や変形を低減
することができる。また、熱伝導性も向上するために更
に熱応力の低減が図れ、半導体モジュールの信頼性を向
上させることができる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体モジュール
などの電子部品の製造に用いられる接合材料とその製造
方法に関する。
などの電子部品の製造に用いられる接合材料とその製造
方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】電力用半導体モジュールは大容量化、高
速化が進み、それに伴い素子の発熱量が益々増大する傾
向にある。半導体モジュールの構造は後述するように熱
膨張係数が異なる複数の材料を半田で接合した積層構造
を有しており、材料間の熱歪みが原因で素子構成材料の
割れや剥がれ、絶縁破壊などの不具合が生じ易い。その
ために、モジュールの冷却効率の改善と熱応力の低減を
図る必要がある。
速化が進み、それに伴い素子の発熱量が益々増大する傾
向にある。半導体モジュールの構造は後述するように熱
膨張係数が異なる複数の材料を半田で接合した積層構造
を有しており、材料間の熱歪みが原因で素子構成材料の
割れや剥がれ、絶縁破壊などの不具合が生じ易い。その
ために、モジュールの冷却効率の改善と熱応力の低減を
図る必要がある。
【０００３】図２は一般的な電力用半導体モジュールの
構造を示す断面図である。良熱伝導性金属の放熱板１を
底板とし、その上に半田層８ａを介して上面、下面に金
属性薄板３ｂ、３ａを張り合わせた絶縁性板２が積層さ
れている。絶縁性板２上面の金属製薄板３ｂの上には例
えば電力用半導体素子４及び５が半田層８ｂを介して搭
載されている。これれらの電力用半導体素子４及び５
は、ポンディングワイヤ６で電気的に接続されている。
また、放熱板１は水冷若しくは空冷で冷却されるヒート
シンク７に接触している。以上の構成部位間の多くは上
記したように半田層８ａ、８ｂで接合されている。
構造を示す断面図である。良熱伝導性金属の放熱板１を
底板とし、その上に半田層８ａを介して上面、下面に金
属性薄板３ｂ、３ａを張り合わせた絶縁性板２が積層さ
れている。絶縁性板２上面の金属製薄板３ｂの上には例
えば電力用半導体素子４及び５が半田層８ｂを介して搭
載されている。これれらの電力用半導体素子４及び５
は、ポンディングワイヤ６で電気的に接続されている。
また、放熱板１は水冷若しくは空冷で冷却されるヒート
シンク７に接触している。以上の構成部位間の多くは上
記したように半田層８ａ、８ｂで接合されている。
【０００４】図２の例では、放熱板１と絶縁性板２の下
部の金属製薄板３ａの間が半田層８ａで接合されてお
り、もうーつは絶縁性板２の上部の金属製薄板３ｂと電
力用半導体素子５との間が半田層８ｂで接合されてい
る。これらの構成材料の代表的な例としては放熱板１に
はＣｕ板、絶縁性板２には熱伝導性に優れたＡｌＮ、金
属製薄板３としてはＣｕかＡｌが用いられる。電力用半
導体素子４と５はＳｉチップが使用され、ワイヤポンド
６はＡｌ線、ヒートシンク７は水冷Ｃｕブロックが使用
され、半田層８としてはＡｇ、Ｃｕ、Ｓｎなどで構成さ
れる低融点合金が使用される。
部の金属製薄板３ａの間が半田層８ａで接合されてお
り、もうーつは絶縁性板２の上部の金属製薄板３ｂと電
力用半導体素子５との間が半田層８ｂで接合されてい
る。これらの構成材料の代表的な例としては放熱板１に
はＣｕ板、絶縁性板２には熱伝導性に優れたＡｌＮ、金
属製薄板３としてはＣｕかＡｌが用いられる。電力用半
導体素子４と５はＳｉチップが使用され、ワイヤポンド
６はＡｌ線、ヒートシンク７は水冷Ｃｕブロックが使用
され、半田層８としてはＡｇ、Ｃｕ、Ｓｎなどで構成さ
れる低融点合金が使用される。
【０００５】上述するような従来の半導体モジュールに
おいて、電力用半導体素子４及び５に通電すると、各素
子において発熱損失が生じる。発熱する熱の大部分は金
属製薄板３ｂに伝達される。更にその熱は、絶縁性板２
乃至放熱板１まで通り抜け、更にヒートシンク７に流れ
る。この放熱機構により、通電時の発熱損失による電力
用半導体素子４、５の温度上昇が抑制される。
おいて、電力用半導体素子４及び５に通電すると、各素
子において発熱損失が生じる。発熱する熱の大部分は金
属製薄板３ｂに伝達される。更にその熱は、絶縁性板２
乃至放熱板１まで通り抜け、更にヒートシンク７に流れ
る。この放熱機構により、通電時の発熱損失による電力
用半導体素子４、５の温度上昇が抑制される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】上記のような放熱機構
で問題となるのは、各構成部位の熱膨張係数の差による
熱歪みであり、バイメタル機構による変形の発生、或い
は熱歪みが絶縁性板２の強度以上であればこの絶縁性板
２に割れが生じ、電気地落の原因となる。特に脆弱なＡ
ｌＮ製の絶縁性板２やＳｉチップ電力用半導体素子４、
５などの破損や、熱変形によって、半田層８ａ、８ｂの
接合部及びワイヤポンド６の接合部の剥離などが顕著に
発生する。
で問題となるのは、各構成部位の熱膨張係数の差による
熱歪みであり、バイメタル機構による変形の発生、或い
は熱歪みが絶縁性板２の強度以上であればこの絶縁性板
２に割れが生じ、電気地落の原因となる。特に脆弱なＡ
ｌＮ製の絶縁性板２やＳｉチップ電力用半導体素子４、
５などの破損や、熱変形によって、半田層８ａ、８ｂの
接合部及びワイヤポンド６の接合部の剥離などが顕著に
発生する。
【０００７】また、通電時ではなく、半田層８ａ、８ｂ
の接合工程においても、半田層の凝固時に熱歪みが生
じ、脆弱なＡｌＮなどで構成されている絶縁性板２が破
損する場合もある。また、Ｃｕ製の放熱板１等は熱応力
により変形する。そのために水冷ヒートシンク７との接
触面積が低減して熱放出能が大きく低下する原因とな
る。
の接合工程においても、半田層の凝固時に熱歪みが生
じ、脆弱なＡｌＮなどで構成されている絶縁性板２が破
損する場合もある。また、Ｃｕ製の放熱板１等は熱応力
により変形する。そのために水冷ヒートシンク７との接
触面積が低減して熱放出能が大きく低下する原因とな
る。
【０００８】また、熱応力は上述したように構成部位の
上下温度差にも影響を受ける。つまり、熱伝導性が低い
材料を用いると温度差が大きくなり、熱応力を増大させ
る。しかも、半田層８ａ、８ｂは融点を低下させるため
に、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｎなどの金属の共晶合金が採用され
る場合が多いが、高合金のために熱伝導性が損なわれ、
前記温度差が大きくなるといった問題もあった。
上下温度差にも影響を受ける。つまり、熱伝導性が低い
材料を用いると温度差が大きくなり、熱応力を増大させ
る。しかも、半田層８ａ、８ｂは融点を低下させるため
に、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｎなどの金属の共晶合金が採用され
る場合が多いが、高合金のために熱伝導性が損なわれ、
前記温度差が大きくなるといった問題もあった。
【０００９】上記熱応力は、材料の熱膨張係数と弾性率
及び温度差の積に比例する。図２に示したモジュールの
各部位を構成する材料の熱膨張係数を図３の表図に示し
てある。絶縁性板２とＣｕ或いはＡｌ製の金属製薄板３
ａ、３ｂとの積層組合わせや、Ｓｉチップ電力用半導体
素子４、５とＣｕ製の金属製薄板３ｂとの組合わせにお
いて、熱膨張差が約１５×１０-6／ｋと大きいことから
大きな熱応力が発生することが図３の表図から明瞭であ
り、これにより、脆弱なＡｌＮなどで構成されている絶
縁性板２が熱応力によって破損したり変形するする恐れ
が十分あり、電力用半導体モジュールの信頼性を損なう
という問題があった。
及び温度差の積に比例する。図２に示したモジュールの
各部位を構成する材料の熱膨張係数を図３の表図に示し
てある。絶縁性板２とＣｕ或いはＡｌ製の金属製薄板３
ａ、３ｂとの積層組合わせや、Ｓｉチップ電力用半導体
素子４、５とＣｕ製の金属製薄板３ｂとの組合わせにお
いて、熱膨張差が約１５×１０-6／ｋと大きいことから
大きな熱応力が発生することが図３の表図から明瞭であ
り、これにより、脆弱なＡｌＮなどで構成されている絶
縁性板２が熱応力によって破損したり変形するする恐れ
が十分あり、電力用半導体モジュールの信頼性を損なう
という問題があった。
【００１０】本発明は、上述の如き従来の課題を解決す
るためになされたもので、その目的は、熱応力による半
導体モジュールの破損や変形を低減することができ、半
導体モジュールの信頼性を向上させることができる接合
材料とその製造方法を提供することである。
るためになされたもので、その目的は、熱応力による半
導体モジュールの破損や変形を低減することができ、半
導体モジュールの信頼性を向上させることができる接合
材料とその製造方法を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１の発明の特徴は、２種類以上の金属を合金
化して形成した接合材料において、軟質金属相とその融
点よりも低い融点を有する低融点金属相から成る混合組
識を有することにある。
に、請求項１の発明の特徴は、２種類以上の金属を合金
化して形成した接合材料において、軟質金属相とその融
点よりも低い融点を有する低融点金属相から成る混合組
識を有することにある。
【００１２】この請求項１の発明によれば、軟質金属相
とそれよりも低い融点を有する融点金属相から成る混合
組識を有する接合材料で接合される材料間に、熱膨張差
による熱応力が発生しても接合材料を構成する軟質金属
相の低変形抵抗により熱歪みが緩和される。
とそれよりも低い融点を有する融点金属相から成る混合
組識を有する接合材料で接合される材料間に、熱膨張差
による熱応力が発生しても接合材料を構成する軟質金属
相の低変形抵抗により熱歪みが緩和される。
【００１３】請求項２の発明の特徴は、請求項１に記載
の接合材料において、前記軟質金属相の体積率が５％以
上で７０％以下であることにある。
の接合材料において、前記軟質金属相の体積率が５％以
上で７０％以下であることにある。
【００１４】請求項３の発明の特徴は、請求項１に記載
の接合材料において、前記軟質金属相の硬さがＨＶ１０
０以下である少なくとも１種類以上の金属で構成される
ことにある。
の接合材料において、前記軟質金属相の硬さがＨＶ１０
０以下である少なくとも１種類以上の金属で構成される
ことにある。
【００１５】請求項４の発明の特徴は、請求項１に記載
の接合材料において、前記軟質金属相の熱伝導率が７５
Ｗ／ｍＫ以上である少なくとも１種類以上の金属で構成
されることにある。
の接合材料において、前記軟質金属相の熱伝導率が７５
Ｗ／ｍＫ以上である少なくとも１種類以上の金属で構成
されることにある。
【００１６】この請求項４の発明によれば、前記軟質金
属相に熱伝導性が高い金属を選択することにより接合金
属の熱伝導性を高めることができ、これにより、温度差
を低減し、発生する熱応力が低減される。
属相に熱伝導性が高い金属を選択することにより接合金
属の熱伝導性を高めることができ、これにより、温度差
を低減し、発生する熱応力が低減される。
【００１７】請求項５の発明の特徴は、請求項１に記載
の接合材料において、前記軟質金属相はＣｕ、Ａｌ、Ａ
ｇ、Ａｕ、Ｓｎの中の少なくとも１種類以上の金属或い
はこれらの合金で構成されることにある。
の接合材料において、前記軟質金属相はＣｕ、Ａｌ、Ａ
ｇ、Ａｕ、Ｓｎの中の少なくとも１種類以上の金属或い
はこれらの合金で構成されることにある。
【００１８】請求項６の発明の特徴は、請求項１に記載
の接合材料において、前記低融点金属相が２種類以上の
金属の共晶合金であることにある。
の接合材料において、前記低融点金属相が２種類以上の
金属の共晶合金であることにある。
【００１９】請求項７の発明の特徴は、請求項１に記載
の接合材料において、前記低融点金属相はＴｉ、Ｍｇ、
Ｃａ、Ｚｒ、Ｌｉ、Ｔａ、Ｎｂなどの活性金属の内で、
少なくとも１種類以上の活性金属を含有することにあ
る。
の接合材料において、前記低融点金属相はＴｉ、Ｍｇ、
Ｃａ、Ｚｒ、Ｌｉ、Ｔａ、Ｎｂなどの活性金属の内で、
少なくとも１種類以上の活性金属を含有することにあ
る。
【００２０】請求項８の発明の特徴は、請求項１乃至７
いずれかに記載の接合材料において、前記軟質金属相の
体積率が接合面から深さ方向に勾配を有していることに
ある。
いずれかに記載の接合材料において、前記軟質金属相の
体積率が接合面から深さ方向に勾配を有していることに
ある。
【００２１】請求項９の発明の特徴は、Ｃｕ、Ａｌ、Ａ
ｇ、Ａｕ、Ｓｎの中の少なくとも２種類以上の金属を混
合した金属混合粉末を有機溶媒に混ぜ合わせてペースト
を作製する工程と、前記作成したペーストを被接合材の
間に塗付したまま、混合粉末の構成元素の共晶温度付近
で加熱する工程と、前記加熱により異種類金属粉末界面
が一部合金反応し、未反応相が残存するような時間で前
記加熱を停止した後、冷却する工程と、を含むことにあ
る。
ｇ、Ａｕ、Ｓｎの中の少なくとも２種類以上の金属を混
合した金属混合粉末を有機溶媒に混ぜ合わせてペースト
を作製する工程と、前記作成したペーストを被接合材の
間に塗付したまま、混合粉末の構成元素の共晶温度付近
で加熱する工程と、前記加熱により異種類金属粉末界面
が一部合金反応し、未反応相が残存するような時間で前
記加熱を停止した後、冷却する工程と、を含むことにあ
る。
【００２２】請求項１０の発明の特徴は、Ｃｕ、Ａｌ、
Ａｇ、Ａｕ、Ｓｎの中の少なくとも２種類以上の金属の
共晶組成の合金粉末と前記金属の少なくとも１種類以上
の金属粉末と有機溶媒とから成る混合ペーストを作製す
る工程と、前記作成したペーストを被接合材の間に塗付
した後、共晶組成の合金粉末の共晶温度直上で加熱する
工程と、前記加熱により金属粉末の合金反応が進行する
以前に前記加熱を停止した後、冷却する工程と、を含む
ことにある。
Ａｇ、Ａｕ、Ｓｎの中の少なくとも２種類以上の金属の
共晶組成の合金粉末と前記金属の少なくとも１種類以上
の金属粉末と有機溶媒とから成る混合ペーストを作製す
る工程と、前記作成したペーストを被接合材の間に塗付
した後、共晶組成の合金粉末の共晶温度直上で加熱する
工程と、前記加熱により金属粉末の合金反応が進行する
以前に前記加熱を停止した後、冷却する工程と、を含む
ことにある。
【００２３】請求項１１の発明の特徴は、Ｃｕ、Ａｌ、
Ａｇ、Ａｕ、Ｓｎの中の少なくとも２種類以上の金属の
共晶組成の合金粉末と前記金属の少なくとも１種類以上
の金属粉末とを混合する工程と、前記混合した金属粉末
を冷間或いは温間で加圧成形する工程と、前記加圧成形
した前記金属粉末を圧延してシート状の接合材料を製作
する工程と、を含むことにある。
Ａｇ、Ａｕ、Ｓｎの中の少なくとも２種類以上の金属の
共晶組成の合金粉末と前記金属の少なくとも１種類以上
の金属粉末とを混合する工程と、前記混合した金属粉末
を冷間或いは温間で加圧成形する工程と、前記加圧成形
した前記金属粉末を圧延してシート状の接合材料を製作
する工程と、を含むことにある。
【００２４】請求項１２の発明の特徴は、Ｃｕ、Ａｌ、
Ａｇ、Ａｕ、Ｓｎの中の少なくとも２種類以上の金属の
共晶組成の合金粉末を作製する工程と、前記金属の中の
少なくとも１種類以上の金属のネット或いはワイヤを前
記共晶組成合金粉末に複合させる工程と、を含むことに
ある。
Ａｇ、Ａｕ、Ｓｎの中の少なくとも２種類以上の金属の
共晶組成の合金粉末を作製する工程と、前記金属の中の
少なくとも１種類以上の金属のネット或いはワイヤを前
記共晶組成合金粉末に複合させる工程と、を含むことに
ある。
【００２５】請求項１３の発明の特徴は、請求項９に記
載の製造方法において、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｓｎ
の中の少なくとも２種類以上の金属粉末の混合比の異な
る混合粉末を用い、且つそれらを傾斜的に積層状に重ね
た後、共晶温度直上で加熱接合することにある。
載の製造方法において、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｓｎ
の中の少なくとも２種類以上の金属粉末の混合比の異な
る混合粉末を用い、且つそれらを傾斜的に積層状に重ね
た後、共晶温度直上で加熱接合することにある。
【００２６】請求項１４の発明の特徴は、請求項９乃至
１２いずれかに記載の接合材料の製造方法において、Ｃ
ｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｓｎの中の少なくとも２種類以
上の金属の混合粉末、又は前記金属の中の１種類以上の
共晶組成の合金粉末、前記金属の中の１種類以上の金属
のネット又は、ワイヤの体積率を傾斜的に分布させて用
いることにある。
１２いずれかに記載の接合材料の製造方法において、Ｃ
ｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｓｎの中の少なくとも２種類以
上の金属の混合粉末、又は前記金属の中の１種類以上の
共晶組成の合金粉末、前記金属の中の１種類以上の金属
のネット又は、ワイヤの体積率を傾斜的に分布させて用
いることにある。
【００２７】請求項１５の発明の特徴は、請求項１０乃
至１４いずれかに記載の製造方法において、共晶組成合
金中にＴｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｒ、Ｌｉ、Ｔａ、Ｎｂの活
性金属の中の少なくとも１種類以上を０．１Ｗｔ％以上
で４Ｗｔ％以下添加することにある。
至１４いずれかに記載の製造方法において、共晶組成合
金中にＴｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｒ、Ｌｉ、Ｔａ、Ｎｂの活
性金属の中の少なくとも１種類以上を０．１Ｗｔ％以上
で４Ｗｔ％以下添加することにある。
【００２８】請求項１６の発明の特徴は、請求項１乃至
８いずれかに記載の接合材料を用いて、半導体チップ、
絶縁性基板、放熱ベース板、中間層のいずれか又は全部
の積層間を接合することにある。
８いずれかに記載の接合材料を用いて、半導体チップ、
絶縁性基板、放熱ベース板、中間層のいずれか又は全部
の積層間を接合することにある。
【００２９】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。図１は、本発明の接合材料を用い
た半導体モジュールの要部の構造の第１の実施の形態を
示した構成図である。下面に金属性薄板３を張り合わせ
た絶縁性板２が半田層８により放熱板１に接合されてい
る。
に基づいて説明する。図１は、本発明の接合材料を用い
た半導体モジュールの要部の構造の第１の実施の形態を
示した構成図である。下面に金属性薄板３を張り合わせ
た絶縁性板２が半田層８により放熱板１に接合されてい
る。
【００３０】半田層８は、低融点合金相９のマトリック
ス中に軟質金属相１０を分散させた混合組織を有してお
り、絶縁性板２に張り合わせた金属製薄板３と放熱板１
とを接合している。前記軟質金属相の半田層８中の体積
率は５％以上で７０％以下の範囲である。５％未満であ
る場合は軟質金属相１０による低変形抵抗性付与が十分
でなくなり、一方、７０％を超えると接合材料としての
接合強度が低下するためである。
ス中に軟質金属相１０を分散させた混合組織を有してお
り、絶縁性板２に張り合わせた金属製薄板３と放熱板１
とを接合している。前記軟質金属相の半田層８中の体積
率は５％以上で７０％以下の範囲である。５％未満であ
る場合は軟質金属相１０による低変形抵抗性付与が十分
でなくなり、一方、７０％を超えると接合材料としての
接合強度が低下するためである。
【００３１】この軟質金属相１０は、Ｃｕ、Ａｌ、Ａ
ｇ、Ａｕ、Ｓｎの中の１種類以上の金属若しくはこれら
の合金で構成される。これらの金属と合金の硬さはおよ
そＨＶ１００以下であり、変形抵抗が低い。
ｇ、Ａｕ、Ｓｎの中の１種類以上の金属若しくはこれら
の合金で構成される。これらの金属と合金の硬さはおよ
そＨＶ１００以下であり、変形抵抗が低い。
【００３２】一方、低融点合金相９は、接合材料として
の低融点と濡れ性に優れたものでなくてはならない。そ
れには、２種類以上の金属元素の共晶組成の合金が好ま
しい。また、それらの金属元素としては低融点であるこ
とが好ましい。そのような金属元素としては上述した軟
質金属相の構成元素であるＣｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｓ
ｎも含まれる。また、低融点合金相９の構成元素として
は濡れ性の向上を目的とした元素添加も有効である。つ
まり、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｒ、Ｌｉ、Ｔａ、Ｎｂなど
の活性金属元素を少なくとも１種類以上含有させること
により、通常では接合し難いセラミックスでも接合する
ことができる。
の低融点と濡れ性に優れたものでなくてはならない。そ
れには、２種類以上の金属元素の共晶組成の合金が好ま
しい。また、それらの金属元素としては低融点であるこ
とが好ましい。そのような金属元素としては上述した軟
質金属相の構成元素であるＣｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｓ
ｎも含まれる。また、低融点合金相９の構成元素として
は濡れ性の向上を目的とした元素添加も有効である。つ
まり、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｒ、Ｌｉ、Ｔａ、Ｎｂなど
の活性金属元素を少なくとも１種類以上含有させること
により、通常では接合し難いセラミックスでも接合する
ことができる。
【００３３】本実施の形態によれば、低融点合金相９中
に軟質金属相１０を分散して成る半田層８を用いること
によって、この半田層８により熱応力を緩和することが
でき、その分、絶縁性板２や図示されない半導体素子へ
かかる熱応力を低減することができ、これによって、絶
縁性板２や半導体素子の破壊や変形を防止でき、半導体
モジュールの故障率を下げてその信頼性を向上させるこ
とができる。
に軟質金属相１０を分散して成る半田層８を用いること
によって、この半田層８により熱応力を緩和することが
でき、その分、絶縁性板２や図示されない半導体素子へ
かかる熱応力を低減することができ、これによって、絶
縁性板２や半導体素子の破壊や変形を防止でき、半導体
モジュールの故障率を下げてその信頼性を向上させるこ
とができる。
【００３４】また、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｓｎ等の
熱伝導率の高い軟質金属を用いることにより、半田層８
の熱伝導率を向上させて通電時の発熱損失による温度上
昇を十分に押さえることができる。更に、低融点合金相
９の構成元素としてＴｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｒ、Ｌｉ、Ｔ
ａ、Ｎｂなどの活性金属元素を少なくとも１種類以上含
有させることにより濡れ性を向上させることができる。
熱伝導率の高い軟質金属を用いることにより、半田層８
の熱伝導率を向上させて通電時の発熱損失による温度上
昇を十分に押さえることができる。更に、低融点合金相
９の構成元素としてＴｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｒ、Ｌｉ、Ｔ
ａ、Ｎｂなどの活性金属元素を少なくとも１種類以上含
有させることにより濡れ性を向上させることができる。
【００３５】次に、本発明の接合材料の第２の実施の形
態について説明する。上記の軟質金属相１０として熱伝
導率が高い金属元素を分散させることにより、半田層８
の熱伝達が助長される。Ｃｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｓｎ
は熱伝導率が７５Ｗ／ｍＫ以上であり、半田層８の熱伝
導性を向上させる軟質金属相としてふさわしい。
態について説明する。上記の軟質金属相１０として熱伝
導率が高い金属元素を分散させることにより、半田層８
の熱伝達が助長される。Ｃｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｓｎ
は熱伝導率が７５Ｗ／ｍＫ以上であり、半田層８の熱伝
導性を向上させる軟質金属相としてふさわしい。
【００３６】また、上述した、軟質金属相１０が一方の
接合面から深さ方向に体積率の勾配を持たせた場合、分
散金属層１０の熱膨張係数や熱伝導率、弾性率、硬さ、
延性、強度などの特性の影響を傾斜できる。これによ
り、絶縁性板２等の被接合材と半田層８との特性の差を
緩和し、半田凝固時の収縮応力、通電時の熱応力などを
緩衝することができる。
接合面から深さ方向に体積率の勾配を持たせた場合、分
散金属層１０の熱膨張係数や熱伝導率、弾性率、硬さ、
延性、強度などの特性の影響を傾斜できる。これによ
り、絶縁性板２等の被接合材と半田層８との特性の差を
緩和し、半田凝固時の収縮応力、通電時の熱応力などを
緩衝することができる。
【００３７】本実施の形態によれば、軟質金属相１０が
一方の接合面から深さ方向に体積率の勾配を持たせたこ
とにより、半田層８と絶縁性板２の熱膨張差による熱応
力を更に円滑に緩衝することができ、絶縁性板２や図示
されない半導体素子へかかる熱応力を更に低減すること
ができる。
一方の接合面から深さ方向に体積率の勾配を持たせたこ
とにより、半田層８と絶縁性板２の熱膨張差による熱応
力を更に円滑に緩衝することができ、絶縁性板２や図示
されない半導体素子へかかる熱応力を更に低減すること
ができる。
【００３８】尚、分散金属層１０の形態としては、図１
の例のように粒状であるだけでなく、ワイヤ、繊維状、
ネット状であっても同様の効果を得ることは明白であ
る。
の例のように粒状であるだけでなく、ワイヤ、繊維状、
ネット状であっても同様の効果を得ることは明白であ
る。
【００３９】次に、以上説明した本発明の接合材料（半
田層８）の製造方法の実施の形態について説明する。
田層８）の製造方法の実施の形態について説明する。
【００４０】まず、第１の実施例の製造方法（請求項９
に対応）では、低融点合金層９と軟質金属層１０の両方
を同じ種類類の金属粉末から開始するものであり、Ｃ
ｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｓｎの中の少なくとも２種類以
上の金属の混合粉末を有機溶媒に混ぜてペーストを作製
し、そのペーストを絶縁性板２と放熱板１等の被接合材
の間に塗布する。
に対応）では、低融点合金層９と軟質金属層１０の両方
を同じ種類類の金属粉末から開始するものであり、Ｃ
ｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｓｎの中の少なくとも２種類以
上の金属の混合粉末を有機溶媒に混ぜてペーストを作製
し、そのペーストを絶縁性板２と放熱板１等の被接合材
の間に塗布する。
【００４１】上記した混合粉末の構成元素を共晶温度付
近の温度で加熱すると、異種類金属粉末界面に合金反応
が起こる。合金反応が粉末の表層だけ進み、未反応部分
が残存する温度で加熱を止めて冷却する。これにより、
合金反応した領域は共晶組成であり、接合材料としての
役目を果たす。未反応部は上記金属の分散相であり、軟
質金属分散相及び良熱伝導性分散相としての役目を担
う。
近の温度で加熱すると、異種類金属粉末界面に合金反応
が起こる。合金反応が粉末の表層だけ進み、未反応部分
が残存する温度で加熱を止めて冷却する。これにより、
合金反応した領域は共晶組成であり、接合材料としての
役目を果たす。未反応部は上記金属の分散相であり、軟
質金属分散相及び良熱伝導性分散相としての役目を担
う。
【００４２】第２の実施例の製造方法（請求項１０に対
応）では、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｓｎの中の少なく
とも２種類以上の金属の共晶合金粉末を用いる。共晶合
金粉末と上記金属粉末を有機溶媒と共に混ぜて、ペース
トとしたものを被接合材に塗布し、共晶合金温度で加熱
接合する。この加熱により金属粉末の合金反応が進行す
る以前に加熱を停止する。この場合、混合する金属粉末
は１種類でも効果があるが、異なる特性を兼備させる目
的で２種類以上組合わせることも出来る。
応）では、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｓｎの中の少なく
とも２種類以上の金属の共晶合金粉末を用いる。共晶合
金粉末と上記金属粉末を有機溶媒と共に混ぜて、ペース
トとしたものを被接合材に塗布し、共晶合金温度で加熱
接合する。この加熱により金属粉末の合金反応が進行す
る以前に加熱を停止する。この場合、混合する金属粉末
は１種類でも効果があるが、異なる特性を兼備させる目
的で２種類以上組合わせることも出来る。
【００４３】第３の実施例の製造方法（請求項１１に対
応）では、第２の実施例の製造方法で用いた共晶合金粉
末をＣｕパイプに真空封入し、熱間押出し、熱間圧延に
より固化及びシート状に成形したものを用いる。接合は
被接合材間に挟み込み、共晶合金の共晶温度で加熱接合
する。
応）では、第２の実施例の製造方法で用いた共晶合金粉
末をＣｕパイプに真空封入し、熱間押出し、熱間圧延に
より固化及びシート状に成形したものを用いる。接合は
被接合材間に挟み込み、共晶合金の共晶温度で加熱接合
する。
【００４４】第４の実施例の製造方法（請求項１２に対
応）では、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｓｎからなる１種
類以上の金属のワイヤを用い、上記金属から成る共晶合
金粉末とを組合わせて被接合材の間に挟み込み、該共晶
合金粉末の共晶温度で加熱接合する。また、上記金属ワ
イヤの代わりに、これらのワイヤを編んだネットを用い
ても同様な効果が得られることは明白である。
応）では、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｓｎからなる１種
類以上の金属のワイヤを用い、上記金属から成る共晶合
金粉末とを組合わせて被接合材の間に挟み込み、該共晶
合金粉末の共晶温度で加熱接合する。また、上記金属ワ
イヤの代わりに、これらのワイヤを編んだネットを用い
ても同様な効果が得られることは明白である。
【００４５】第５の実施例の製造方法（請求項１３に対
応）では、第１又は第２の実施例の製造方法の混合粉末
において、金属粉末混合比が異なる混合粉末を用いて、
被接合材の表面から傾斜的に積層し、共晶温度で加熱接
合する。
応）では、第１又は第２の実施例の製造方法の混合粉末
において、金属粉末混合比が異なる混合粉末を用いて、
被接合材の表面から傾斜的に積層し、共晶温度で加熱接
合する。
【００４６】また、第３の実施例の製造方法の接合材料
シートにおいて、金属粉末混合比の異なるシートを傾斜
的に積層することも同様の効果があることは明白であ
る。
シートにおいて、金属粉末混合比の異なるシートを傾斜
的に積層することも同様の効果があることは明白であ
る。
【００４７】第６の実施例の製造方法（請求項１４に対
応）では、第４の実施例の製造方法の金属ワイヤ及びネ
ットと共晶粉末の混合層において、ワイヤやネットの体
積比を被接合材表面から傾斜的に変化させて積層し、共
晶温度で加熱接合する。
応）では、第４の実施例の製造方法の金属ワイヤ及びネ
ットと共晶粉末の混合層において、ワイヤやネットの体
積比を被接合材表面から傾斜的に変化させて積層し、共
晶温度で加熱接合する。
【００４８】また、上記ワイヤやネットと共晶粉末を傾
斜積層したものの上下に共晶合金シートを重ね、共晶温
度で加熱することにより、共晶合金シートが溶解し、ワ
イヤ及びネット、粉末層の間隙に共晶合金溶湯が含浸す
ることで傾斜体積比の接合層を形成することも出来る。
斜積層したものの上下に共晶合金シートを重ね、共晶温
度で加熱することにより、共晶合金シートが溶解し、ワ
イヤ及びネット、粉末層の間隙に共晶合金溶湯が含浸す
ることで傾斜体積比の接合層を形成することも出来る。
【００４９】第７の実施例の製造方法（請求項１５に対
応）では、第１の実施例の製造方法乃至第６の実施例の
製造方法において、マトリックスとなる共晶合金の作製
段階にＴｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｒ、Ｌｉ、Ｔａ、Ｎｂから
成る活性金属元素の１種類以上を０．１ｗｔ％以上で４
ｗｔ％以下添加し、被接合材料との濡れ性を向上させる
製造方法である。この添加量において、０．１ｗｔ％未
満では接合界面の活性化が不十分であり、４ｗｔ％を超
えると金属間化合物を生成し、接合層の脆化の原因とな
る。
応）では、第１の実施例の製造方法乃至第６の実施例の
製造方法において、マトリックスとなる共晶合金の作製
段階にＴｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｒ、Ｌｉ、Ｔａ、Ｎｂから
成る活性金属元素の１種類以上を０．１ｗｔ％以上で４
ｗｔ％以下添加し、被接合材料との濡れ性を向上させる
製造方法である。この添加量において、０．１ｗｔ％未
満では接合界面の活性化が不十分であり、４ｗｔ％を超
えると金属間化合物を生成し、接合層の脆化の原因とな
る。
【００５０】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明の接
合材料及びそれらの製造方法によれば、軟質金属相の低
変形抵抗により被接合材料の熱応力や接合材料自身の凝
固収縮応力を緩和することができる。また、軟質金属相
は高熱伝導性も兼備しているので温度差の低減による熱
応力の緩和効果も加味される。更に、軟質金属相の熱膨
張係数によっては被接合材料表面から傾斜的に分散率を
変化させ、接合材料と被接合材料の熱膨張差による熱応
力を緩衝する効果も得られる。
合材料及びそれらの製造方法によれば、軟質金属相の低
変形抵抗により被接合材料の熱応力や接合材料自身の凝
固収縮応力を緩和することができる。また、軟質金属相
は高熱伝導性も兼備しているので温度差の低減による熱
応力の緩和効果も加味される。更に、軟質金属相の熱膨
張係数によっては被接合材料表面から傾斜的に分散率を
変化させ、接合材料と被接合材料の熱膨張差による熱応
力を緩衝する効果も得られる。
【００５１】本発明の接合材料と製造方法を半導体モジ
ュールの半導体チップ、絶縁性基板、放熱板、中間層の
いずれかの接合に用いることで、熱応力による各部位の
変形や割れを低減させることができ、信頼性の高い半導
体モジュールを得ることができる。
ュールの半導体チップ、絶縁性基板、放熱板、中間層の
いずれかの接合に用いることで、熱応力による各部位の
変形や割れを低減させることができ、信頼性の高い半導
体モジュールを得ることができる。
【図１】本発明の接合材料を用いた半導体モジュールの
第１の実施の形態を示した断面図である。
第１の実施の形態を示した断面図である。
【図２】従来の接合材料を用いた電力用半導体モジュー
ルの構成例を示した断面図である。
ルの構成例を示した断面図である。
【図３】電力用半導体モジュールの構成材料の熱膨張係
数を示した表図である。
数を示した表図である。
１ 放熱板 ２ 絶縁性板 ３ 金属製薄板 ８ 半田層 ９ 低融点合金相 １０ 軟質金属相
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西村 隆宣 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東芝 府中工場内 (72)発明者 山本 敦史 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東芝 府中工場内 (72)発明者 草野 貴史 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東芝 府中工場内 (72)発明者 石渡 裕 神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者 那波 隆之 神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者 田中 明 神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内 Ｆターム(参考） 5F036 AA01 BB08 BC06 BD01
Claims (16)
- 【請求項１】 ２種類以上の金属を合金化して形成した
接合材料において、 軟質金属相とその融点よりも低い融点を有する低融点金
属相から成る混合組識を有することを特徴とする接合材
料。 - 【請求項２】 請求項１に記載の接合材料において、 前記軟質金属相の体積率が５％以上で７０％以下である
ことを特徴とする接合材料。 - 【請求項３】 請求項１に記載の接合材料において、 前記軟質金属相の硬さがＨＶ１００以下である少なくと
も１種類以上の金属で構成されることを特徴とする接合
材料。 - 【請求項４】 請求項１に記載の接合材料において、 前記軟質金属相の熱伝導率が７５Ｗ／ｍＫ以上である少
なくとも１種類以上の金属で構成されることを特徴とす
る接合材料。 - 【請求項５】 請求項１に記載の接合材料において、 前記軟質金属相はＣｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｓｎの中の
少なくとも１種類以上の金属或いはこれらの合金で構成
されることを特徴とする接合材料。 - 【請求項６】 請求項１に記載の接合材料において、 前記低融点金属相が２種類以上の金属の共晶合金である
ことを特徴とする接合材料。 - 【請求項７】 請求項１に記載の接合材料において、 前記低融点金属相はＴｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｒ、Ｌｉ、Ｔ
ａ、Ｎｂなどの活性金属の内で、少なくとも１種類以上
の活性金属を含有することを特徴とする接合材料。 - 【請求項８】 請求項１乃至７いずれかに記載の接合材
料において、 前記軟質金属相の体積率が接合面から深さ方向に勾配を
有していることを特徴とする接合材料。 - 【請求項９】 Ｃｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｓｎの中の少
なくとも２種類以上の金属を混合した金属混合粉末を有
機溶媒に混ぜ合わせてペーストを作製する工程と、 前記作成したペーストを被接合材の間に塗付したまま、
混合粉末の構成元素の共晶温度付近で加熱する工程と、 前記加熱により異種類金属粉末界面が一部合金反応し、
未反応相が残存するような時間で前記加熱を停止した
後、冷却する工程と、 を含むことを特徴とする接合材料の製造方法。 - 【請求項１０】 Ｃｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｓｎの中の
少なくとも２種類以上の金属の共晶組成の合金粉末と前
記金属の少なくとも１種類以上の金属粉末と有機溶媒と
から成る混合ペーストを作製する工程と、 前記作成したペーストを被接合材の間に塗付した後、共
晶組成の合金粉末の共晶温度直上で加熱する工程と、 前記加熱により金属粉末の合金反応が進行する以前に前
記加熱を停止した後、冷却する工程と、 を含むことを特徴とする接合材料の製造方法。 - 【請求項１１】 Ｃｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｓｎの中の
少なくとも２種類以上の金属の共晶組成の合金粉末と前
記金属の少なくとも１種類以上の金属粉末とを混合する
工程と、 前記混合した金属粉末を冷間或いは温間で加圧成形する
工程と、 前記加圧成形した前記金属粉末を圧延してシート状の接
合材料を製作する工程と、 を含むことを特徴とする接合材料の製造方法。 - 【請求項１２】 Ｃｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｓｎの中の
少なくとも２種類以上の金属の共晶組成の合金粉末を作
製する工程と、 前記金属の中の少なくとも１種類以上の金属のネット或
いはワイヤを前記共晶組成合金粉末に複合させる工程
と、 を含むことを特徴とする接合材料の製造方法。 - 【請求項１３】 請求項９に記載の製造方法において、 Ｃｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｓｎの中の少なくとも２種類
以上の金属粉末の混合比の異なる混合粉末を用い、且つ
それらを傾斜的に積層状に重ねた後、共晶温度直上で加
熱接合することを特徴とする接合材料の製造方法。 - 【請求項１４】 請求項９乃至１２いずれかに記載の接
合材料の製造方法において、 Ｃｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｓｎの中の少なくとも２種類
以上の金属の混合粉末、又は前記金属の中の１種類以上
の共晶組成の合金粉末、前記金属の中の１種類以上の金
属のネット又は、ワイヤの体積率を傾斜的に分布させて
用いることを特徴とする接合材料の製造方法。 - 【請求項１５】 請求項１０乃至１４いずれかに記載の
製造方法において、 共晶組成合金中にＴｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｒ、Ｌｉ、Ｔ
ａ、Ｎｂの活性金属の中の少なくとも１種類以上を０．
１Ｗｔ％以上で４Ｗｔ％以下添加することを特徴とする
接合材料の製造方法。 - 【請求項１６】 請求項１乃至８いずれかに記載の接合
材料を用いて、半導体チップ、絶縁性基板、放熱ベース
板、中間層のいずれか又は全部の積層間を接合すること
を特徴とする半導体モジュール。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10336059A JP2000164775A (ja) | 1998-11-26 | 1998-11-26 | 接合材料とその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10336059A JP2000164775A (ja) | 1998-11-26 | 1998-11-26 | 接合材料とその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000164775A true JP2000164775A (ja) | 2000-06-16 |
Family
ID=18295281
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10336059A Pending JP2000164775A (ja) | 1998-11-26 | 1998-11-26 | 接合材料とその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000164775A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2002067324A1 (fr) * | 2001-02-22 | 2002-08-29 | Ngk Insulators, Ltd. | Element pour circuit electronique, procede de fabrication d'un tel element et portion electronique |
| JP2007227793A (ja) * | 2006-02-24 | 2007-09-06 | Central Res Inst Of Electric Power Ind | 熱応力緩和パッドおよびそれを用いた熱電変換システム並びにペルチェ冷却システム |
| EP1930943A1 (en) * | 2005-09-28 | 2008-06-11 | Ngk Insulators, Ltd. | Heat sink module and process for producing the same |
-
1998
- 1998-11-26 JP JP10336059A patent/JP2000164775A/ja active Pending
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2002067324A1 (fr) * | 2001-02-22 | 2002-08-29 | Ngk Insulators, Ltd. | Element pour circuit electronique, procede de fabrication d'un tel element et portion electronique |
| US6911728B2 (en) | 2001-02-22 | 2005-06-28 | Ngk Insulators, Ltd. | Member for electronic circuit, method for manufacturing the member, and electronic part |
| EP1930943A1 (en) * | 2005-09-28 | 2008-06-11 | Ngk Insulators, Ltd. | Heat sink module and process for producing the same |
| EP1930943A4 (en) * | 2005-09-28 | 2009-11-11 | Ngk Insulators Ltd | HEAT DISSIPATING MODULE AND IDOINE MANUFACTURING PROCESS |
| JP2007227793A (ja) * | 2006-02-24 | 2007-09-06 | Central Res Inst Of Electric Power Ind | 熱応力緩和パッドおよびそれを用いた熱電変換システム並びにペルチェ冷却システム |
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