JP2004071746A - 電極接合体及び電極接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱疲労特性に優れ、耐久性が高い電極接合体を提供すること。
【解決手段】第１電極又は半導体素子からなる基部と、該基部に接合される第２電極と、該基部と該第２電極とを電気的に接続するはんだ層と、を有する電極接合体であって、該第２電極は、該基部と接する側の面の一部に設けられ且つ該はんだ層が内部に充填される凹状部と、該面の残部であって、該凹状部を取り囲み且つ該基部に固定される緩衝部と、をもつことを特徴とする。第２電極の基部に接する面の一部に凹状部を設け、その凹状部内にはんだ層を形成することで、はんだ層の周囲を第２電極の緩衝部で拘束する。緩衝部は第２電極の基部に接する面の余部であり、凹状部を取り囲む形態をもつので、はんだ層に加わる熱応力によるはんだ層の端部の塑性変形が緩衝部によって抑制できる。従って、接合部におけるはんだ層の剥離・亀裂の発生が抑制でき、接合部の耐久性が向上する。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電極間又は半導体素子と電極との間を接合した電極接合体及びそれらの接合方法に関し、より詳しくは耐久性に優れた電極接合体及び電極の接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境問題、エネルギー問題等の観点から、エネルギー効率の高い電気自動車や、ハイブリッド自動車等の開発が進められている。そのような電気自動車等においてはモータの駆動用電力を制御するパワー半導体モジュールが用いられる。
【０００３】
パワー半導体モジュールは内部に実装された半導体素子等からなるパワー半導体素子をもつ。パワー半導体素子はモータや電源等との間でワイヤボンド等により電気的に接続される必要がある。ワイヤボンドは、直接、パワー半導体素子上に形成すると、ワイヤボンド形成時の物理的操作により、パワー半導体素子が破損するおそれがある。そこで、ワイヤボンドを行うバッファとしてパワー半導体素子上に電極が設けられる。例えばパワー半導体素子上にモリブデン製電極をはんだ接合する従来技術がある。このパワー半導体素子上に接合した電極板上に対してアルミニウム線（φ０．３５ｍｍ〜φ０．５ｍｍ）をワイヤボンドしている。モリブデン製電極をワイヤボンドにおけるバッファとして作用し、超音波ワイヤボンディング時のパワー半導体素子の破損を防止している。
【０００４】
ところで、パワー半導体モジュールには高い効率と高い信頼性とが求められる。ここで、パワー半導体モジュールの効率を向上するためには、パワー半導体素子と、電極との間の接合部の抵抗を低下することが効果的である。電極とパワー半導体素子との接合部はパワー半導体モジュール中で特に大電流が流れる部分である。パワー半導体モジュールは、その作動により発熱し熱膨張を繰り返し、電極とパワー半導体素子との間における接合の熱疲労特性が信頼性向上の観点から問題となる。電極と、パワー半導体素子等の半導体素子とは一般的に異なる素材から形成されているので線膨張率が異なるからである。
【０００５】
ここで、パワー半導体モジュール等の半導体デバイスにおいて、パワー半導体素子等の半導体素子と、電極とを接合する方法として、はんだ付けが汎用されている。しかしながら、はんだ付けにより接合された接合部は熱疲労特性が充分でない。そこで、特開２０００−３０７０４３号公報には、パワー半導体素子と電極を導電性樹脂により接続するとともに、その接続部にスペーサを介在させたパワー半導体モジュールが提案されている。はんだの代わりに弾性率の低い導電性樹脂を採用し、更にスペーサにより導電性樹脂の厚みを制御することにより、パワー半導体素子上部に電極を設置した構造の熱疲労信頼性を確保している。
【０００６】
また、特開平１１−６８２８４号公報には、パワー半導体素子に接合する電極の表面に微細な凹凸を形成することで、接合部に対して応力が均等に加わるようにするパワー半導体モジュールが提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来のパワー半導体モジュールは以下の不都合があった。パワー半導体モジュール等の電極接合体は通称「パワーサイクル試験」と呼ばれるヒートショックサイクル試験をクリアすることが求められる。パワーサイクル試験は電極接合体の接合部に大電流を断続的に通電して接合部の温度を周期的に変化させる試験である。接合部の温度を低温と高温との間で非常に多くの回数、高速変化させることで電極接合体の接合部の熱疲労特性を試験する。従来の電極接合体はパワーサイクル試験における温度変化条件がΔＴｊ＝６０℃（ΔＴｊ：接合部の１サイクルにおける温度変化幅）で１２０万回程度でパワー半導体素子と電極との接合部に亀裂が生じ電気的特性の劣化が認められた。自動車用途のパワー半導体モジュールでは温度変化条件がΔＴｊ＝１００℃と更に過酷な条件で試験を行うほか、他の試験項目である冷熱サイクル試験ではΔＴｊ＝１４０℃の温度変化を加えたときの熱疲労特性が問題となっており、接合部の耐久性の確保は一層困難である。また、パワー半導体素子と電極との接合に導電性高分子を用いた特開２０００−３０７０４３号公報では、導電性樹脂の導電性が充分とはいえず、必要な電気的特性を満たすことができなかった。
【０００８】
電極接合体の熱疲労特性を向上するためには、パワー半導体素子及び電極についてそれぞれの線膨張率を近づけることが有効であると考えられるが、パワー半導体素子と線膨張率が近いモリブデンからなる電極を用いた特開２０００−３０７０４３号公報のパワー半導体モジュールでも接合部の破壊を防止できなかった。
【０００９】
パワー半導体素子を構成するシリコンの線膨張率は３〜４×１０^−６／℃程度であり、この値と差が小さいモリブデン（線膨張率：４．９×１０^−６／℃）、銅−モリブデン（線膨張率：８．９×１０^−６／℃）等の採用が検討されているが、熱疲労特性は充分でなかった。接合部の温度変化に伴い大きな塑性歪み（熱歪み）が発生することに起因して亀裂が発生し、発生した亀裂が徐々に接合部の内部にまで進展して最終的にはパワー半導体モジュールの電気的特性劣化や接合部の破壊に至る。また、安価な材料である銅（線膨張率：１７×１０^−６／℃）やアルミニウム（線膨張率：２５×１０^−６／℃）の使用が望まれる。
【００１０】
そして、特開平１１−６８２８４号公報に開示された技術は、充分な熱疲労特性を有していないばかりか、電極に対して微細な加工を行う必要があり加工性が低いので、低コストでの作成が困難であった。
【００１１】
そこで本発明では熱疲労特性に優れ、耐久性が高い電極接合体を提供することを解決すべき課題とする。また、耐久性の高い電極接合体を製造できる電極の接合方法を提供することを解決すべき課題とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
上記課題を解決する目的で本発明者らは鋭意研究を行った結果、以下の電極接合体を発明した。すなわち、本発明の電極接合体は、第１電極又は半導体素子からなる基部と、該基部に接合される第２電極と、該基部と該第２電極とを電気的に接続するはんだ層と、を有する電極接合体であって、
該第２電極は、該基部と接する側の面の一部に設けられ且つ該はんだ層が内部に充填される凹状部と、該面の残部であって、該凹状部を取り囲み且つ該基部に固定される緩衝部と、をもつことを特徴とする（請求項１）。
【００１３】
更に上記課題を解決する本発明の電極の接合方法は、第１電極又は半導体素子からなる基部上に、はんだを介して第２電極を載せる載置工程と、該はんだを溶融し該基部と該第２電極との間にはんだ層を形成して接合する接合工程と、を有する電極接合方法であって、
該第２電極は、該基部と接する側の面の一部に設けられ且つ該はんだ層が内部に充填される凹状部と、該面の残部であって、該凹状部を取り囲み且つ該基部に固定される緩衝部と、をもち、
該載置工程は、該基部と該緩衝部との間に接着剤を介在させる工程を含むことを特徴とする（請求項３）。
【００１４】
第２電極の基部に接する面の一部に凹状部を設け、その凹状部内にはんだ層を形成することで、はんだ層の周囲を第２電極の緩衝部で拘束する。緩衝部は第２電極の基部に接する面の余部であり、凹状部を取り囲む形態をもつ。その結果、はんだ層に加わる熱応力によるはんだ層の端部の塑性変形が緩衝部によって抑制できる。従って、接合部におけるはんだ層の剥離・亀裂の発生が抑制でき、接合部の耐久性が向上する。その結果、従来線膨張率の観点から使用が困難であったアルミニウム、銅等の安価であって、加工性に優れ且つ電気的特性にも優れた素材を第２電極に対して用いることができる。アルミニウム、銅等は熱的性質にも優れるので、基部が半導体素子である場合に、放熱性、均熱性等に優れた電極接合体を提供することができる。
【００１５】
そして、前記第２電極は、前記凹状部の該内部と外部とを連通する連通孔をもつことが好ましい（請求項２、４）。電極接合体の製造時において、溶融したはんだを充填することで凹状部内にはんだ層を形成する場合に、凹状部とはんだ層との間に残存しやすい雰囲気中の気体をこの連通孔から除去することができる。残存する気体はボイドを形成し、はんだ層と第２電極との間の電気的・熱的接続を阻害する。従って、より確実に第２電極及びはんだ層、そしてはんだ層及び基部の間の密着性を向上することができ、はんだ層をより拘束できるので熱による歪みの発生をより抑制できる。更に密着性が向上することで熱的・電気的更には機械的性質がより優れた電極接合体を提供することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
（電極接合体）
本実施形態の電極接合体は、基部と、その基部に接合される第２電極と、それら第１電極及び第２電極の間に配設されるはんだ層とを有する。基部は第１電極又は半導体素子である。第１電極は更に何らかの部材に接合されている。第１電極とその部材との接合方法は特に限定しない。半導体素子は例えばＩＧＢＴ等のパワー半導体素子である。パワー半導体素子は大電流を外部に導出することが必要である。第２電極は基部に対して主にはんだ層を介して電気的に接続される。更に、第２電極にはワイヤボンド等がなされて、基部と外部の部材とを電気的に接続する。
【００１７】
第１電極及び／又は第２電極の形状は特に限定しない。好ましい形状として、板状体が例示できる。従来は熱歪みを低減するために第２電極を薄くすることが行われていたが（例えば、０．２ｍｍ以下）、熱疲労特性に優れた本実施形態の電極接合体では第２電極を厚くすることが可能となる（例えば、０．２〜５ｍｍ程度）。その結果、第２電極が均熱効果を発揮でき、基部の温度分布を均一化でき、安定動作が期待できる。
【００１８】
第１電極及び／又は第２電極を構成する素材は、それぞれ接合されている部材（例えばシリコン製の半導体素子）の素材と線膨張率が近い素材を選択することが好ましい。例えば、シリコンに対して線膨張率が近い素材としてはモリブデン、銅−モリブデン合金等が挙げられる。なお、特に線膨張率が近い素材を選択しなくても、本発明の電極接合体は高い耐久性を発揮できる。例えば、低コスト且つ電気伝導性に優れた素材であるアルミニウムや銅を用いることができる。
【００１９】
第２電極は基部と接する側の面の一部に凹状部をもつ。凹状部は内部にはんだ層が形成される。ここで、凹状部にはその凹状部の内部と外部とを連通する連通孔をもつことが好ましい。例えば、連通孔は、第２電極が板状体である場合に、第２電極の厚み方向を貫通する方向に設けることができる。更に、第２電極の基部と接する側の面には、前述した凹状部を取り囲むように、緩衝部をもつ。緩衝部は基部と固定されている。緩衝部を基部に固定する方法としては特に限定しない。好ましくは弾性率が低い素材、例えば樹脂、からなる接着剤を用いる。はんだ層の周囲を緩衝部で取り囲むことで、はんだ層の端部に加わる熱応力を低減できる。
【００２０】
はんだ層を構成するはんだは特に限定されず一般的なはんだを用いることができる。
【００２１】
（電極の接合方法）
本実施形態の電極の接合方法は、載置工程と接合工程とを有する。載置工程は基部上に接着剤とはんだを介して第２電極を載せる工程である。接合工程はそのはんだを加熱溶融して基部と第２電極との間にはんだ層を形成する工程である。本接合方法で用いる基部、第２電極及びはんだは前述した電極接合体で説明したものと同じであり、更なる説明は省略する。
【００２２】
載置工程では、接着剤及びはんだを基部上の第２電極が接合される部位に載置する。接着剤は第２電極の緩衝部が接する部位に載置する。接着剤の種類は特に限定しないが、後述する接合工程において加熱を行うので、加熱により硬化する熱硬化性樹脂を用いることが加工性・取り扱い性の観点から好ましい。はんだは第２電極の凹状部が接する部位に載置する。はんだを載置する量は凹状部内を完全に充填できる量とすることが好ましい。はんだの量を凹状部内を完全に充填できる量とすることで、基部と第２電極との間に隙間を生ずることがなくなり、基部と第２電極との間の電気的接続を充分に達成できる。
【００２３】
ここで、第２電極の凹状部には前述した連通孔をもつことが好ましい。連通孔をもつことで基部上に載置するはんだの量を多少多くしても連通孔から余剰のはんだを流出でき、はんだが基部と第２電極との間から漏れ出すことがなくなる。連通孔を設ける位置としては特に限定しないが、第２電極にワイヤボンドを行う場合には、ワイヤボンドを形成するスペースを充分に残すことが望まれる。例えば、ワイヤボンドを１箇所設けるのに必要な大きさとして、幅０．７ｍｍ、長さ１．５ｍｍ程度のスペースを設けるように、連通孔を設けることが好ましい。
【００２４】
第２電極の凹状部はどのように形成しても良い。例えば、プレス加工、切削加工等の公知の方法が採用できる。特にプレス加工が簡便で安価に凹状部を形成できるので好ましい。
【００２５】
接合工程は、基部と、その基部上に載置した、接着剤、はんだ及び第２電極とを加熱し、はんだを溶融させることで、基部と第２電極との間にはんだ層を形成する。はんだ層は第２電極の凹状部内に形成される。はんだを加熱溶融する方法は特に限定されず一般的な方法が採用できる。
【００２６】
【実施例】
本実施例の電極接合体としてのパワー半導体モジュールについて説明する。本パワー半導体モジュールは、図１に示すように、第２電極５が、基部としてのパワー半導体素子４上にはんだ層３ｃを介して接合されている。パワー半導体素子４は下面側にはんだ層３ｂを介して絶縁基板２が接合される。更に絶縁基板２の下面側には放熱板１がはんだ層３ａを介して接合される。
【００２７】
第２電極５は、図２に示すように、パワー半導体素子４に接する側の面に凹状部５２をもつ。凹状部５２の周囲は緩衝部５１によって完全に取り囲まれている。緩衝部５１は同一平面にあり、接着剤層６を介してパワー半導体素子５に固定されている。凹状部５２は内部に連通孔５３をもつ。連通孔５３は第２電極５を貫通して、凹状部５３の内部と第２電極５の凹状部５３と反対側の面とを連通する。第２電極の表面にはアルミニウム製のワイヤボンド（図略）が形成されている。
【００２８】
本電極接合体を製造する方法としては、放熱板１、はんだ層３ａとなるはんだ箔、絶縁基板２、はんだ層３ｂとなるはんだ箔、パワー半導体素子４をこの順に積層し、更に、パワー半導体素子４上に第２電極５を載せて（載置工程）、はんだ溶融炉内で加熱して、それぞれのはんだを溶融させて接合する（接合工程）。パワー半導体素子４と第２電極５との間には接着剤層６となる接着剤（熱硬化性樹脂）と凹状部５２内を充填するはんだ層３ｃとなるはんだとを載置する。接着剤は、パワー半導体素子４上であって、第２電極５の緩衝部５１が接する部位に配設され、接合工程における加熱で固化し、緩衝部５１とパワー半導体素子４とを接合する。はんだは、パワー半導体素子４上であって、第２電極５の凹状部５２が接する部位に配設する。はんだを配設する量としては凹状部５２内を完全に充填するよりも僅かに多い量とすることでより確実に凹状部５２内をはんだ層３ｃで充填することができる。余分なはんだは、はんだが溶融したときに連通孔５３内にあふれ出し、パワー半導体素子４と第２電極５との間からはみ出ることはない。はんだ溶融炉内では第２電極５の上から圧力を加えることで、パワー半導体素子４と第２電極５との間の密着性を向上できる。
【００２９】
図１に示したパワー半導体モジュールを用いてパワー半導体素子４と第２電極５との間のはんだ層３ｃの端部において発生する塑性歪み振幅を解析した。塑性歪み振幅の解析は有限要素法により行った。解析条件としては、温度変化条件をΔＴｊ＝１４０℃として行った。塑性歪み振幅はΔＴｊ＝１４０℃とした温度変化を応力として加えたときの応力−歪み曲線を算出して求めた塑性変形の差分の全体に対する百分率として求めた。
【００３０】
実施例において、解析に用いたモデルは、放熱板１が銅−モリブデン製で厚みが３ｍｍであり、絶縁基板２がアルミニウム／窒化アルミニウム／アルミニウムの３層構造でそれぞれの厚みが０．４ｍｍ／０．６３５ｍｍ／０．４ｍｍであって、パワー半導体素子４が厚みが０．３７ｍｍであり、第２電極５が厚みが０．４ｍｍで凹状部５２の深さが０．２ｍｍである。第２電極５の材質はモリブデン（実施例１）及び銅（実施例２）の２種類を検討した。はんだ層はそれぞれはんだ層３ａが０．２５ｍｍ、はんだ層３ｂが０．１ｍｍ、はんだ層３ｃが０．２５ｍｍである。接着剤層６は厚みが０．０５ｍｍである。従って、パワー半導体素子４と第２電極５との間の厚みは０．２５ｍｍである。
【００３１】
比較例としてのパワー半導体モジュールは図１に示したパワー半導体モジュールのうち、第２電極５の形状の厚みが０．２ｍｍの一様な平板状であり、パワー半導体素子４と第２電極５との間のはんだ層の厚みが０．２５ｍｍである以外は同じである（モリブデン：比較例１、銅：比較例２）。また、比較例３：モリブデン、比較例４：銅として、それぞれ第２電極の厚みを３ｍｍとしたパワー半導体モジュールについても塑性歪み振幅を求めた。
【００３２】
パワー半導体素子４と第２電極５との間のはんだ層の端部の塑性歪み振幅は、比較例１の結果を１とした場合の相対値で表すと、実施例１が０．２０、実施例２が０．３７、比較例２が４．６４であった。はんだ層の端部の塑性歪み振幅の大きさが小さいほど熱疲労特性に優れている。モリブデンも用いた実施例１のパワー半導体モジュールは比較例１と比較して５分の１以下にまで塑性歪みの値が低減できた。また、銅を用いた実施例２のパワー半導体モジュールは比較例２と比較して１２分の１以下にまで塑性歪みの値が低減できた。実施例１、２共に塑性歪み振幅が著しく低減できヒートショック等に対して高い耐性をもつことが予測できる。
【００３３】
前述した比較例１及び比較例２のパワー半導体モジュールについて、第２電極の厚みをそれぞれ３ｍｍとして実際に冷熱衝撃試験を行った。試験条件は低温条件としての−４０℃と、高温条件としての１０５℃とで各７分間放置するもので、低温条件から高温条件（高温条件から低温条件）への移行を１分間かけて行った。低温条件から高温条件、そして低温条件への変化を合わせて１サイクルとし、３０００サイクルの冷熱衝撃試験を行った後のパワー半導体モジュールの外観を調べた。パワー半導体素子と第２電極との間のはんだ層について、クラックの発生の有無をもって合格・不合格を決定した。試験の結果、第２電極にモリブデンを用いた比較例３が合格であり、第２電極に銅を用いた比較例４が不合格であった。
【００３４】
比較例３のパワー半導体モジュールにおける塑性歪み振幅は３．２％であり、比較例４のパワー半導体モジュールにおける塑性歪み振幅は８．３％であった。従って、好ましい塑性歪み振幅の大きさとしては３．２％以下であり、更に好ましくは２．６％以下である。電極接合体の接合部における塑性歪み振幅の値が、これら好ましい値となるように、電極接合体を構成する凹状部の形状、第２電極の厚み、はんだ層の厚み接着剤層の厚み等を改変することが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例における電極接合体の断面概略図である。
【図２】実施例における第２電極の正面図である。
【符号の説明】
１…放熱板
２…絶縁基板
３ａ、３ｂ、３ｃ…はんだ層
４…パワー半導体素子
５…第２電極

Claims (4)

1. 第１電極又は半導体素子からなる基部と、該基部に接合される第２電極と、該基部と該第２電極とを電気的に接続するはんだ層と、を有する電極接合体であって、
   該第２電極は、該基部と接する側の面の一部に設けられ且つ該はんだ層が内部に充填される凹状部と、該面の残部であって、該凹状部を取り囲み且つ該基部に固定される緩衝部と、をもつことを特徴とする電極接合体。
2. 前記第２電極は、前記凹状部の該内部と外部とを連通する連通孔をもつ請求項１に記載の電極接合体。
3. 第１電極又は半導体素子からなる基部上に、はんだを介して第２電極を載せる載置工程と、該はんだを溶融し該基部と該第２電極との間にはんだ層を形成して接合する接合工程と、を有する電極接合方法であって、
   該第２電極は、該基部と接する側の面の一部に設けられ且つ該はんだ層が内部に充填される凹状部と、該面の残部であって、該凹状部を取り囲み且つ該基部に固定される緩衝部と、をもち、
   該載置工程は、該基部と該緩衝部との間に接着剤を介在させる工程を含むことを特徴とする電極接合方法。
4. 前記第２電極は、前記凹状部の該内部と外部とを連通する連通孔をもつ請求項３に記載の電極接合方法。

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