JP2004128176A - 線膨張係数が相違する部材の接合体 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明に係る接合体(この場合は半導体装置)10は、金属電極40と、金属電極40よりも線膨張係数が小さい半導体素子32と、金属電極40と半導体素子32の間にあって金属電極40と半導体素子32を機械的電気的に接続している半田層38とを有する。この半導体装置10は、半田層38の周辺領域38bには、半田材よりヤング率の小さい樹脂36が埋め込まれており、半田層38の内側領域38aには、樹脂36が埋め込まれていない。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】本発明は、線膨張係数が相違する2以上の部材を、半田層に代表される導電性接合材層で機械的電気的に接続した接合体であり、熱的変化に抗して、部材同士を安定的に接続し続けられる接合体に関する。
【0002】
【従来の技術】第1部材(例えばCu,Al等の金属電極)と、第1部材より線膨張係数の小さい第2部材(例えば半導体素子)を、導電性接合材層(例えば半田層)で機械的電気的に接続することによって、接合体(例えば半導体装置)を構成することが広く行われている。金属電極と半導体素子を半田層によって直接に(ボンディングワイヤ等を介することなく)接続すると、半導体素子に対する電力供給路の電気抵抗を小さくすることができ、大電流を許容するパワー系の半導体装置が実現される。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上記の半導体装置に代表される接合体は、2つの部材の線膨張係数が異なるために、温度変化によって導電性接合材層にせん断応力がかかる。例えば上記の半導体装置では、金属電極は大きく熱膨張するのに対して半導体素子はほとんど熱膨張しないために、半田層に大きなせん断応力がかかる。
上記の接合体では、導電性接合材層の周辺領域において、特に大きなせん断応力がかかる。導電性接合材層の内側領域では、熱膨張に起因する第1部材と第2部材の相対的変位量が相対的に小さいのに対し、周辺領域にいくほど熱膨張に起因する相対的変位量が累積されて相対的に大きくなるからである。これにより、導電性接合材層の周辺領域にクラックが生じやすく、それが原因となって導電性接合材層全体が劣化するという問題がある。
【0004】
上記の問題は、熱膨張に起因する第1部材と第2部材の相対的変位量が相対的に小さい内側領域にのみ導電性接合材層を設け、変位量が相対的に大きい周辺領域には導電性接合材層を設けないようにすることによって対処できるように思われる。導電性接合材層の面積を小さくしても、電力供給路の電気抵抗を十分に小さくできることが多い。
しかしながら導電性接合材層の面積を小さくすると、機械的接合強度が低下することが多い。また第1部材と第2部材の重複領域のうち、内側にのみ導電性接合材層を設け、周辺部には導電性接合材層を設けないようにすることが難しい。例えば、第1部材と第2部材の重複領域のうちの内側領域で伸びる半田箔を介在させた状態で第1部材と第2部材の積層体をリフロー炉に入れると、溶融した半田が周辺領域に流れ、大きなせん断応力を受ける周辺領域まで導電性接合材層がはみ出てしまう。
【0005】
本発明は、上述した実情に鑑みてなされたものであり、第1部材や第2部材の機械的接合強度を維持しつつ導電性接合材層の劣化を防止することができる技術を提供する。
【0006】
【課題を解決するための手段と作用と効果】上記課題を解決するために創作された請求項1に記載の接合体は、第1部材と、第1部材よりも線膨張係数が小さい第2部材と、第1部材と第2部材の間にあって第1部材と第2部材を機械的電気的に接続している導電性接合材層とを有する接合体である。ここで、導電性接合材層の周辺領域には、その導電性接合材よりヤング率の小さい部材が埋め込まれており、導電性接合材層の内側領域には、前記した低ヤング率部材が埋め込まれていないことを特徴とする。
周辺領域にある低ヤング率部材が埋め込まれた導電性接合材層と、内側領域にある低ヤング率部材が埋め込まれていない導電性接合材層は、一体となって形成されていても良いし、分離して形成されていても良い。
熱膨張に起因して第1部材と第2部材が相対的に大きく変位する導電性接合材層の周辺領域には、ヤング率の小さい部材が埋め込まれているために、導電性接合材自体にかかるせん断応力を抑制できる。周辺領域にクラックが生じやすいという問題は解消する。導電性接合材層の内側領域には低ヤング率部材が埋め込まれていないために、必要とされる電気伝導度を確保できる。導電性接合材層は、周辺領域においても第1部材と第2部材を機械的に接続しており、機械的接続強度を確保することができる。また、導電性接合材層の広がる範囲を内側領域に限定する必要がなく、接続作業を容易に実施することができる。
【0007】
周辺領域に埋め込む部材は、導電性接合材のヤング率の20%以下のヤング率を持つ低ヤング率部材であることが好ましい。
周辺領域に埋め込む部材のヤング率が、導電性接合材のヤング率の20%以下であると、導電性接合材層の周辺領域に存在する導電性接合材自体には、小さなせん断応力しかかからない。導電性接合材層の周辺領域からクラックが発生して劣化する現象を効果的に防止することができる。
【0008】
低ヤング率部材が、導電性接合材層の幅の50%以上の範囲に亘って埋め込まれていることが好ましい。即ち、第1部材と導電性接合材層と第2部材を断面視したときの導電性接合材層を、右端から25%の右端部領域と、左端から25%の左端部領域と、両者間に位置する50%の中央領域に区分したときに、低ヤング率部材が埋め込まれている周辺領域は、右端部領域と左端部領域を超えて中央領域にまで進出し、低ヤング率部材が埋め込まれていない内側領域は、中央領域よりも小さいことが好ましい。
必要な電気伝導度を確保できる範囲で低ヤング率部材が埋め込まれていない内側領域の広がりを小さくすると、周辺領域の導電性接合材にかかるせん断応力を小さくできる。導電性接合材層の周辺領域からクラックが発生して劣化する現象を効果的に防止することができる。
【0009】
第1部材が金属電極であり、第2部材が半導体素子であり、導電性接合材層が半田層であり、積層体によって半導体装置を構成するときに、本発明は良く機能する。
【0010】
【発明の実施の形態】上記各請求項に記載の発明は、下記の形態で好適に実施することができる。
(形態1)各請求項に記載の接合体において、第1部材が長方形状を有する場合は導電性接合材層も長方形状に形成する。この場合、低ヤング率部材は中央に開孔を有する長方形状(額縁状)の樹脂枠を採用する。
(形態2)各請求項に記載の接合体において、複数の第2部材に対して1つの第1部材を共通的に用いるようにしても良い。
【0011】
【実施例】
(第1実施例) 図面を参照して、本発明に係る接合体の一実施例を説明する。図1は、接合体(この場合には半導体装置)10の縦断面図である。半導体装置10は、放熱板20と第1半田層22と絶縁基板24と第2半田層28と半導体素子32と第3半田層38と金属電極40等から構成されている。放熱板20は、例えばCuやAl等で構成されている。絶縁基板24は、例えばSiCセラミックスやAlNセラミックスやAl2O3セラミックス等で構成されている。絶縁基板24の上面には基板側電極26が設けられている。半導体素子32は、大電力の通電をオンオフするパワー素子系であり、MOSまたはIGBT等である。半導体素子32の下面にはコレクタ電極30が形成されており、上面にはエミッタ電極34が形成されている。金属電極40は、例えばCuやAgやZn等で構成されている。
第1半田層22によって、放熱板20と絶縁基板24が接続されている。第2半田層28によって、絶縁基板24の基板側電極26と半導体素子32のコレクタ電極30が、機械的にも電気的にも接続されている。第3半田層38によって、半導体素子32のエミッタ電極34と金属電極40が、機械的にも電気的にも接続されている。
【0012】
第3半田層38の周辺領域38bには、樹脂36が埋め込まれている。図3に示すように、樹脂36の外形は長方形(第1部材である金属電極40と、第2部材である半導体素子32の平面形にほぼ等しい)であり、中央に長方形の開孔36aが形成されている。全体としては枠状である。図1に示すように、樹脂36の中心開孔36aには、半田材が充填されている。第3半田層38の内側領域38aは、半田材のみで構成されている(樹脂が埋め込まれていない)。以下では、第3半田層38の内側領域38aを内側半田層38aと記載する場合がある。内側半田層38aのみで必要とされる通電量を確保できる大きさに設定されている。
樹脂36の表面は半田層38bで被覆されている。樹脂36を被覆している半田層38bは、通電のためというよりも、樹脂36と金属電極40、樹脂36と半導体素子32、樹脂36と内側半田層38aを機械的に接続する役割を果たしている。
樹脂36の開孔36aに第3半田層38の内側半田層38aが形成される。本実施例では、開孔36aの横方向の長さは、樹脂36の横方向の長さの半分に設定されている。また開孔36aの縦方向の長さは、樹脂36の縦方向の長さの半分に設定されている。なお開孔36aの横方向や縦方向の長さは、樹脂36の横方向や縦方向の長さの半分以下としても良い。
【0013】
樹脂36の厚みは50〜500μmに設定されている。この厚さは、第3半田層38の厚さによって変更される。樹脂36の表面にはNi膜(Cu膜等でも良い)がコーティングされている。NiやCuは半田が付着し易い(樹脂には半田が付着し難い)。樹脂36にNi膜がコーティングされているために、第3半田層38によって、金属電極40と半導体素子32と内側半田層38aに樹脂36を機械的に強固に接続することができる。
本実施例では、樹脂36のヤング率(弾性係数)が半田材のヤング率の20%以下に設定されている。具体的には、ヤング率が約5GPaであるジビニルベンゼン架橋共重合体を用いている。半田のヤング率は約30GPaであり、その比は約17%である。ヤング率がもっと小さな樹脂を用いることもできる。埋め込み位置を限定することによって、半田材のヤング率の20%以上のヤング率を有する樹脂を用いることもできる。
【0014】
上記の半導体装置10の半導体素子32と金属電極40は、第3半田層38(樹脂36)によって次のようにして接続される。
(準備工程)
半導体素子32と金属電極40を用意する。樹脂36の開孔36aに樹脂36の厚さより10〜20μm厚い半田板をすっぽり嵌め込む。半導体素子32と金属電極40の間に、半田板が嵌め込まれた樹脂36をセットする。半田板が樹脂36より厚く設定されているために、この状態では樹脂36と金属電極40の間に隙間がある。また樹脂36と半導体素子32の間にも隙間がある。
(リフロー工程)
その状態でリフロー炉にいれて半田板を加熱溶融させる。その後に半田材を固化させる。半田板を樹脂36より厚くしておいたので、半田板と樹脂36の開口36aとの間に隙間があったとしてもその隙間は溶けた半田材によって埋められる。また溶けた半田材は、樹脂36と金属電極40の間の隙間や、樹脂36と半導体素子32の間の隙間に流れ込む。このリフロー工程により、周辺領域に樹脂36が埋め込まれた半田層(第3半田層38)ができる。
【0015】
上記構成を有する半導体装置10の作用と効果を説明する。
金属電極40は線膨張係数が大きいために、半導体装置10が昇温すると金属電極40は大きく膨張する。これに対し、半導体素子32は線膨張係数が小さいために、半導体装置10が昇温してもほとんど膨張しない。図2に、半導体装置10が昇温したときの金属電極40と第3半田層38と半導体素子32の状態を極端に誇張して示す。図2に、金属電極40が伸びたために第3半田層38が歪んでいる様子が良く示されている。金属電極40の中央部40aでは熱膨張しても半導体素子32に対して大きく変位しないために、第3半田層38の内側半田層38aはほとんど歪まない。一方、金属電極40の周辺部40bでは熱膨張が累積するために半導体素子32に対して大きく変位する。この結果、第3半田層38の周辺領域38bは歪む。ただし、本実施例の半導体装置10では、第3半田層38の周辺領域38bにヤング率の小さい樹脂36が埋め込まれているために、金属電極40の熱膨張に追従して樹脂36が大きく歪む。樹脂36を被覆している薄い半田層には、純粋な引張り応力と圧縮応力がかかることがあっても強いせん断応力はかからない。
−40℃から+105℃の冷熱サイクル試験を半導体装置10に実施したところ、3000サイクル繰り返しても第3半田層38にクラックは生じなかった。
【0016】
(第2実施例)図4に、本実施例の半導体装置200の断面図が示されている。図4では、第1実施例と同様の部分には同じ符号を付している。
絶縁基板24の上面には、2つの基板側電極26,26が設けられている。右側の基板側電極26の上面には、第2半田層50によって半導体素子54のコレクタ電極52が機械的にも電気的にも接続されている。半導体素子54の上面のエミッタ電極56には第3半田層58によって金属電極90が機械的にも電気的にも接続されている。第3半田層58の周辺領域には、第1実施例と同様に樹脂60が埋めこまれている。左側の基板側電極26の上面には、第2半田層70によって半導体素子74のコレクタ電極72が機械的にも電気的にも接続されている。半導体素子74の上面のエミッタ電極76には、第3半田層78によって金属電極90が機械的にも電気的にも接続されている。第3半田層78の周辺領域には、第1実施例と同様に樹脂80が埋めこまれている。
左右の半導体素子54,74に接続される金属電極90は共通の一枚のプレートである。
【0017】
上記の半導体装置200が昇温すると共通の金属電極90が伸びる。金属電極90はしなやかであり、半導体素子54,74に接していない部分(宙に浮いている中央部90a)ではしなやかに湾曲する。このために、金属電極90の膨張に起因する金属電極90と半導体素子54、または、金属電極90と半導体素子74の相対変位を考慮する場合には、金属電極90が二つの半導体素子54,74に共通に利用されていることを考慮する必要がなく、金属電極90と半導体素子54、または、金属電極90と半導体素子74の相対変位を独立に考慮すればよい(宙に浮いている中央部90aで金属電極90がしなやかに湾曲するために、左右の領域90bが独立しているものとできる)。
このため金属電極90が熱膨張したときには、第3半田層58,78のそれぞれの周辺領域で、金属電極90が半導体素子54,74に対して大きく相対的に変位する。大きく変位する部分には、ヤング率が低くて変形しやすい樹脂60,80が設けられているために、強いせん断応力が半田材にかかることはない。
−40℃から+105℃の冷熱サイクル試験を半導体装置200に実施したところ、第3半田層58,78の耐性が従来より向上する結果が得られた。
なお共通金属電極90が厚く、宙に浮いた部分で変形して膨張の影響を吸収できない場合には、左右の第3半田層58,78が共通金属電極90によって力学的に連続しているものとみなすことができる。この場合は、図5に示すように、力学的には連続しているものとみなした第3半田層58,78の周辺領域に樹脂枠60,80を埋め込んでもよい。この場合、樹脂枠60,80の一つ一つは、平面視したときにコ字状を呈している。第3半田層58,78の周辺領域のうち、内側で向かい合う辺に沿った周辺領域には、樹脂が埋め込まれないで半田材が充填される。
このときにも、金属電極90と半導体素子54,74の相対変位は、共通金属電極90によって力学的に一体化されている第3半田層58、78の周辺領域で大きい。この相対変位量が大きい領域に樹脂枠60,80が埋め込まれているために、第3半田層58,78の周辺領域でクラックが発生して劣化することを防止できる。
【0018】
(第3実施例)図6は、本実施例に係る半導体装置100の断面図である。半導体装置100において、放熱板120、第1半田層122、絶縁基板124、第2半田層150,170、半導体素子154,174、金属板190は第2実施例と同様である。金属板190は、しなやかであり、半導体素子154,174に接していない部分(宙に浮いている中央部190a)ではしなやかに湾曲する。宙に浮いている中央部190aで金属電極190がしなやかに湾曲するために、左右の領域190bが独立しているものとみなせる。半導体装置100は、第3半田層158,178の構成が第2実施例と異なる。次に、半導体素子154,174と金属電極190の接続方法を説明しながら、本実施例の第3半田層158,178の構成を説明する。
【0019】
(準備工程)
半導体素子154,174と金属電極190を用意する。また四角形の半田材を2つ用意するとともに球形の半田材を複数用意する。この球形の半田材の内部には、上記した各実施例で用いた樹脂(ジビニルベンゼン架橋共重合体)が埋め込まれている。ただし、四角形の半田材の内部には樹脂が埋め込まれていない。半導体素子154と金属電極190との間に四角形の半田材をセットするとともに、その四角形の半田材の周辺に球形の半田材を複数セットする。このとき、四角形の半田材と球形の半田材は接触するように配置し、球形の半田材同士も接触するように配置する。同様に、半導体素子174と金属電極190との間に四角形の半田材をセットするとともに、その四角形の半田材の周辺に球形の半田材を複数セットする。
(リフロー工程)
この状態でリフロー炉にいれて半田材を加熱溶融させる。その後に半田材を固化させる。これにより、球形の半田材と四角形の半田材は、金属電極190や半導体素子154,174と接合する。また球形の半田材は、隣合う球形の半田材や四角形の半田材と接合する。このリフロー工程を実施することによって第3半田層158,178が形成される。即ち、内側領域は半田材のみで形成されており、周辺領域は樹脂が埋め込まれた半田材160,180で形成されている第3半田層158,178が形成される。第3半田層158,178によって、金属電極190と半導体素子154,174が機械的にも電気的に接続される。
金属電極190と半導体素子154,174が接続された状態では、リフローによって溶融した球形半田材の球形が維持されていない場合もある。図6では、金属電極190と半導体素子154,174を球形半田材によって接続したことを説明するために、周辺領域160,180を複数の円で図示している。
【0020】
金属電極190と半導体素子154,174の熱膨張による相対的変位が大きいために、第3半田層158,178の周辺領域160,180は大きく歪む。但し、周辺領域160,180には低ヤング率樹脂が埋め込まれているために、金属電極190の熱膨張に追従して樹脂が大きく歪む。樹脂を被覆している半田層には、純粋な引張り応力と圧縮応力がかかることがあっても強いせん断応力はかからない。このため、第3半田層158,178の周辺領域160,180にクラックが生じることを防止できる。−40℃から+105℃の冷熱サイクル試験を半導体装置100に実施したところ、第3半田層158,178の耐性が従来より向上する結果が得られた。
【0021】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
上記実施例では、半導体装置を例にしている。しかしながら本発明の技術は、半導体装置に限定されるものではない。本発明の技術は、線膨張係数の異なる2つの部材を接合して構成される接合体一般に適用可能である。また、例えば上記の第1半田層22や第2半田層28の周辺領域に樹脂を埋め込むことによって、第1半田層22や第2半田層28の耐性を向上させることもできる。
【0022】
また機械的接合強度が低くてもよい場合には、第1実施例の樹脂枠を半田層で覆う必要はない。即ち、樹脂枠を金属電極や半導体素子に直接接続しても良い。この場合、樹脂枠はスペーサとして機能する。この様子を図7に示している。図7では、第1実施例と同じ構成の部分は同一の符号を付している。この半導体装置250は、金属電極40の周辺領域40bと半導体素子32の間にスペーサ240が配置されている。スペーサ240は、第1実施例の樹脂36と同じ樹脂で構成されており、その形状は額縁状である。スペーサ240は、その上面が金属電極40に固定されている。その下面は、半導体素子32の素子側電極34に固定されている。またスペーサ240の内側側面にはNi膜がコーティングされている。そして、スペーサ240の内側側面が第3半田層38に固定されている。スペーサ240を用いて第3半田層38の範囲を内側領域に限定することによって、熱変化に強い接合体が実現されている。
【0023】
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1実施例の半導体装置の断面図を示す。
【図2】金属電極が熱膨張した様子を示す。
【図3】樹脂の平面図を示す。
【図4】第2実施例の半導体装置の断面図を示す。
【図5】第2実施例の半導体装置の変形例を示す。
【図6】第3実施例の半導体装置の断面図を示す。
【図7】本発明の変形例である半導体装置の断面図を示す。
【符号の説明】
10・・半導体装置
20・・放熱板
22・・第1半田層
24・・絶縁基板
26・・基板側電極
28・・第2半田層
30・・コレクタ電極
32・・半導体素子
34・・エミッタ電極
36・・樹脂
38・・第3半田層
38a・・第3半田層の内側領域
38b・・第3半田層の周辺領域
40・・金属電極
40a・・金属電極の内側領域
40b・・金属電極の周辺領域
Claims (4)
- 第1部材と、第1部材よりも線膨張係数が小さい第2部材と、第1部材と第2部材の間にあって第1部材と第2部材を機械的電気的に接続している導電性接合材層とを有する接合体であり、
前記導電性接合材層の周辺領域には、その導電性接合材よりヤング率の小さい部材が埋め込まれており、
前記導電性接合材層の内側領域には、前記低ヤング率部材が埋め込まれていないことを特徴とする接合体。 - 前記低ヤング率部材のヤング率が、導電性接合材のそれの20%以下であることを特徴とする請求項1に記載の接合体。
- 前記低ヤング率部材が、導電性接合材層の幅の50%以上の範囲に亘って埋め込まれていることを特徴とする請求項1又は2に記載の接合体。
- 前記第1部材が金属電極であり、前記第2部材が半導体素子であり、前記導電性接合材層が半田層であることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の接合体。
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