JP2006237419A - 電子装置 - Google Patents

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    • H01L2224/48227—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation connecting the wire to a bond pad of the item
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Abstract

【課題】
電子装置のコスト低減を可能とし、かつ信頼性を向上する。
【解決手段】
本発明は、電子装置に備えられた熱膨張率の異なる一対の部材の夫々に形成された接続部分の各々に異なる材料からなる金属層を夫々形成し、当該金属層を互いに接触させ、その接触界面の近傍のみで当該金属層を溶融させて拡散反応させ、当該金属層からなる接続層で上記一対の部材を接続する。上記金属層の少なくとも一つはめっきで形成されて、上記接続層に上記一対の部材の熱膨張率を吸収し得る厚みを与える。上記接続後における上記接続層の溶融温度は、上記拡散反応における溶融温度より上昇し、その後の加熱に対する当該接続層の破損を防ぐ。
【選択図】 図１０

Description

本発明は、車載用パワーモジュールに代表される電子装置に係り、半導体素子等の電子部品を基板に実装する構造に関する。
環境問題への配慮などから、ハイブリッド車に代表される電気モータ駆動を利用した自動車は今後ますます普及していくと思われる。また、従来は油圧で制御されていたパワーステアリングやブレーキなどにも、電気モータを利用した電気制御ユニット（Electric Control Unit，ＥＣＵ）が採用される傾向にある。モータ制御用のＥＣＵには、大電流が流れるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）チップやＦＥＴ（Field Effect Transistor）チップが用いられ、このチップ（半導体素子等の電子部品）から数十ワット〜数百ワットの熱が発熱される。従って、これらのチップやそれを備えた電子装置は、水冷あるいは空冷にて、冷却する必要がある。図１に示されたモータ制御用ＥＣＵモジュールの断面構造の一例では、ＦＥＴチップ１の下部ドレイン電極が、高熱伝導のセラミック基板７の電極５上にはんだ３で接続され、このセラミック基板７は、高熱伝導の樹脂接着剤１１にてヒートシンクに接着されている。ＦＥＴチップ１の上部ゲート電極およびソース電極は、多数のワイヤボンディング１３にて、セラミック基板７上の所定の電極１５に接続されている。このような多数のワイヤボンディングを要する電子装置の構造は、その製造工程のために多大な設備投資を要し、またその製造自体に長時間及び高いコストが要される。さらに、ワイヤボンディング用の電極１５の表面を清浄に保つ必要があるため、チップ１が基板７にはんだ接続された後に、別途洗浄工程が必要となっている。
今般、電子装置（例えば、パワーモジュール（Power Module））に搭載されるＦＥＴチップの発熱量が増大する傾向にあるため、その構造にはより高い放熱性が望まれている。斯様な要請は、自動車用電子装置（車載用パワーモジュール）に限らず、鉄道車両のインバータ、発電機、照明器具や熱器具の制御システム等に用いられる他の電子装置においても同様である。これらの電子装置の製造において、前述のワイヤボンディング工程が廃止できるならば、大幅な製造コスト低減が見込める。
図２に示すような従来の電子装置の構造により、上記目標は達成される。すなわち、基板７に熱伝導率の高いセラミックを用い、チップ１を当該セラミック基板７にはんだ５で搭載し、さらにこのセラミック基板７を、放熱用ヒートシンク１９にはんだで接続する。通常のワイヤボンディングに代わる接続部材としては、Ｃｕ（銅）などの熱伝導性の良いで形成された金属製フレーム２１を用い、それをチップ電極および基板７上の電極２３とはんだで接続する。
また、はんだ接続の技術に関連した報告は、下記非特許文献１にも掲載される。
Ricky W. Chuang他、51th Electronic Components and Technology Conference、P.671-674
図２に示すような構造を実現する製造プロセスには、以下の課題がある。まず、はんだ接続部が、従来の１階層から３階層に増大する。ここで、複数のはんだ接続部であっても、同時に接続して問題のない箇所は、１階層のはんだ接続部と呼ぶことにする。このような多階層のはんだ接続部を有する構造に対しては、適切な順番にはんだ接続を完了する必要がある。例えば、まずチップ１と基板７との接続部３をはんだＡで形成し、次にチップ１と金属製フレーム２１との接続部２５及び基板７上に設けられた電極１５と金属製フレーム２１との接続部２３のそれぞれを同時にはんだＢで形成する。最後に、基板７とヒートシンク１９とをはんだＣで接続する（上記樹脂接着剤に代わる接続部１１）。仮に３種のはんだＡ〜Ｃを用いず、同一のはんだで同時に接続しようとすると、金属製フレーム２１の回転などに因る接続位置のずれ、チップ１の回転などに因る接続位置のずれの他、上記はんだ接続部の断線（または導通不良）、電気的短絡（ショート）など、様々な問題が生じる場合がある。また、もし同一のはんだで、上述の順に接続すると、電子装置は最大３回の加熱履歴を受けることになるため、これに設けられた接合部（当該はんだ材料層）と電極とに由来する金属間化合物が成長し、電子装置の信頼性低下が問題になる。
はんだＡ〜Ｃの３種類のはんだを用いれば、このような問題を解決することができる。例えば、はんだＡとしてＰｂ（鉛）−１０％Ｓｎ（錫）（融点：およそ３２０℃）を、はんだＢとしてＳｎ−３％Ａｇ（銀）−０．５％Ｃｕ（融点：およそ２１７℃）を、はんだＣとしてＳｎ−３７％Ｐｂ（融点：１８３℃）を夫々用いれば、斯様な問題を起こすことなく上述した順にチップ１と基板７、チップ１並びに基板７の電極１５と金属フレーム２１、及び基板７とヒートシンク１９と、順次接続して電子装置を組み立てることは可能である。しかしながら、Ｐｂを含むはんだ材料を含まない電子装置を求める市場の要請から、上記融点の異なる３種類のはんだ材料を組み合わせて製造される電子装置は商品価値を失い、当該はんだ材料の組み合わせに代えてＰｂを含まないはんだ材料のみで電子装置を製造しても、その信頼性を十分に確保することは非常に困難な状況にある。
このような課題に対しては、例えば上記非特許文献１にて開示される技術を利用すると、理論的にはＰｂを含まないはんだ材料のみで上述の如き３階層の接続を行なうことは可能となる。すなわち、電子部品側電極にＣｒ（クロム）を０．０３ミクロン（μｍ）の厚さで形成し、その上にＳｎを５ミクロンの厚さで、Ｉｎ（インジウム）を１．１１ミクロンの厚さで、互いに接するように形成し、この積層構造の最表面にＡｕ（金）を０．０５ミクロンの厚さで形成する。基板側の電極には、Ｃｒを０．０３ミクロンの厚さで形成し、Ｃｒ層の最表面にＡｕを０．０５ミクロンの厚さで形成する。適切な条件にて、ＳｎとＩｎの共晶温度（１１８℃）以上の、例えば１５０℃での加熱にてＳｎとＩｎとの界面近傍から溶融を起こし、さらに固相のＳｎの全体にＩｎの拡散を進行させて接続を完了する。接続部のＳｎとＩｎの合金部分は、Ｓｎリッチの組成を呈する故、当該合金部分の溶融温度は上昇し、例えば１７５℃以下の温度では再溶融しなくなる。
モバイル機器などの民生品と比較しても格段に高い信頼性が要求される車載用電子機器においては、上記のような接続では、以下のような問題が生じた。まず、Ｓｉチップ（珪素基材に形成された電子部品）と基板とを接続した電子装置においては、当該電子装置（これに含まれるＳｉチップと基板との接続部）がＳｉチップと基板とを接続したときの温度から常温（室温）へ冷却される過程において、Ｓｉと基板の熱膨張率差に因りＳｉチップの破壊が生じた。また、基板と放熱金属板（ヒートシンク）との接続においては、当該電子装置の雰囲気温度を１サイクルにて−５５〜１５０℃の範囲で変化させる耐久温度サイクル試験を１００サイクル以下にて繰り返しただけでも、基板と放熱金属板の熱膨張率の差に因り、これらの間の接続層内に破壊が生じた。
本発明は、電子装置を多階層のはんだ接続部で組み立てる実装構造を可能とし、なおかつこれらのはんだ接続部の信頼性を高めるために、以下の手段を提供する。
すなわち、チップ等の部材とその接続や固定に係る部分に生じる応力・ひずみを低減するために、本発明は２つの部材の間に形成される接続部の厚み（高さ）を増大させる。実施例にて後述するが、２つの部材、例えば、Ｓｉチップと基板とに夫々組成の異なる金属層を形成し、これらの金属層を接触させて双方の金属層の構成元素を拡散させることにより当該２つの部材を接続する方法において、本発明は、当該２つの部材の少なくとも一方（例えば、Ｓｉチップ側もしくは基板側）に当該金属層を、めっき等により厚く形成する。これにより、２つの部材に夫々設けられた金属層で形成される接続部（接続層）の最終的な接続厚さを十分確保し、上述した応力やひずみを当該接続部に吸収させることにより、例えば、Ｓｉチップの破壊や接続部の破壊を回避する。また、本発明の具現に要する上記金属層のめっき工程の時間やこれに伴うコスト増加は軽微である。
上述した非特許文献１に開示される技術では、電子部品及び基板の双方に上記金属層をスパッタで形成するため、金属層の各々を数ミクロン以上の厚さで形成することは、実質的に困難である。本発明は、非特許文献１にて看過されていた接続部の信頼性（例えば、温度変化への耐性）に鑑み、実用に耐える電子装置の実現するに好適な構造を提供するものである。
本発明による電子装置の一例は、第１電極とこの第１電極の表面に形成された少なくとも１層の第１金属膜とを有する電子部品、及び前記電子部品の前記第１電極に電気的に接続される第２電極とこの第２電極表面に形成された少なくとも１層の第２金属膜を有する基板とを備える。前記電子部品と前記基板とは、前記第１金属膜の最表面と前記第２電極の最表面とを接触させ、第１金属膜及び第２金属膜の夫々の溶融温度以下で且つ第１金属膜及び第２金属膜の最表面が接触する界面近傍を第１金属膜と第２金属膜との共晶温度以上で溶融させ、第１金属膜と第２金属膜との拡散反応で界面近傍に第１金属膜及び第２金属膜の夫々の構成元素を含む合金部分を形成させることにより接続される。前記電子部品と前記基板とを接続した後の前記合金部分の溶融開始温度は、電子部品と基板とを接続するときの前記界面近傍における前記第１金属膜と前記第２金属膜との溶融開始温度より上昇している（高くなる）。そして、前記第１金属膜及び前記第２金属膜の少なくとも一方は、めっきにより形成された少なくとも１つの金属層を含む。
前記第１金属膜及び前記第２金属膜の少なくとも一方に、めっきにより形成された少なくとも１つの金属層を含ませることに代えて、第１金属膜及び第２金属膜の少なくとも一方に、１０ミクロン以上の厚さに形成された少なくとも１つの金属層を含ませてもよい。また、第１金属膜及び第２金属膜により電子部品と基板との間に形成された接続部の厚さを、２０ミクロン以上にしてもよい。
電子部品と基板は、接続すべき一対の部材の一例として例示される。第１金属膜及び前記第２金属膜は、一層の金属層で形成されることに限定されず、その一方又は双方を異なる材料からなる複数の金属層を積層して形成してもよい。
上述した電子装置の構造的な特徴の一例として、前記第１金属膜と前記第２金属膜とが接触する前記界面の近傍に存在する安定な金属間化合物が挙げられる。
前記電子部品として、前記第１電極が形成された主面とは反対側の他の主面に第３電極が形成されたＳｉパワーデバイスを用い、前記基板の前記第２電極が設けられた主面には金属リードにより前記第３電極と電気的に接続される第４電極を形成したとき、前記リードに前記第１金属膜を、前記第３電極に前記第２金属膜を夫々形成する。そして、前記リードと前記第３電極とを、夫々に形成された前記第１金属膜の最表面と前記第２電極の最表面とを接触させて、前記溶融温度以下で且つ第１金属膜及び第２金属膜の最表面が接触する界面近傍を第１金属膜と第２金属膜との共晶温度以上で溶融させ、第１金属膜と第２金属膜との拡散反応で界面近傍に第１金属膜及び第２金属膜の夫々の構成元素を含む合金部分を形成させることにより接続して、前記リードと前記第３電極とが接続された後の前記合金部分の溶融開始温度を、リードと第３電極とを接続するときの前記界面近傍における前記第１金属膜と前記第２金属膜との溶融開始温度より高くする。
上述した本発明による電子装置の一例は、互いに異なる熱膨張率を有する第１の部材と第２の部材とが、夫々の主面に挟まれた接合層により接合され、当該接合層は少なくとも第１金属及び当該第１金属と異なる第２金属とで形成される電子装置において、例えば、下記の如く記述される。第１に、当該接合層における第１金属の濃度は、接合層の厚み方向（第１の部材の主面から第２の部材の主面に到る方向）の中心に対して第２の部材側で低下する。第２に、前記接合層の厚み方向に対して前記第１の部材側の領域は前記第１金属と前記第２金属の濃度比が互いに異なる２種類の共晶組織（結晶粒）を含み、その厚み方向の中心に対して第２の部材に近い他の領域に第２金属の組織（結晶粒）が残る。第３に、前記接合層は少なくとも前記第１金属と前記第２金属とを含む複数の固溶体の組織と、第１金属と第２金属の濃度比が互いに異なる２種類の共晶組織とを含み、この共晶組織は複数の固溶体の組織（結晶粒）の間（の隙間）に複数個ずつ離散して存在する。
本発明による電子装置の他の一例は、基板と、基板の一方の主面に搭載されたＳｉパワーデバイスと、基板の他方の主面に接続された金属板とを備え、前記Ｓｉパワーデバイスの前記基板の一方の主面とは反対側の面に形成された第１電極と基板の一方の主面に形成された第２電極とが導電金属材料で電気的に接続される。そして、導電金属材料と第２電極との間には金属製のブロックが挿入され、導電金属材料には前記基板の厚み方向に曲げる加工が施されない。
本発明によれば、十分な信頼性を有する電子装置を提供でき、なおかつ製造コストを低減できる。
以下に本発明の実施の形態を説明する。
本発明による電子装置を、十分な信頼性を有するモータ制御用電気制御ユニット（以下、ＥＣＵと略す）の実現に好適な実施例にて以下に説明する。
まず、図４に５ｍｍ□、０．３ｍｍ厚さのＳｉ基材にＭＯＳ−ＦＥＴ（Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）を形成した電子部品（以降、ＭＯＳ−ＦＥＴチップ又はＳｉチップと記す）の模式図を示す。このＭＯＳ−ＦＥＴチップは、Ｓｉ基材１の厚み方向にキャリア（電子や正孔）を流すチャネルが形成されるため、このチャネルを挟む２つの電極（ソース電極とドレイン電極）はＳｉ基材１の２つの主面（図４では上面と下面）に夫々形成される。また、チャネルにおけるキャリアの流れを制御するゲート電極は、図４において割愛されている。斯様な構造を有するＭＯＳ−ＦＥＴチップは、例えばパワーモジュール等において、大電流をスイッチングするパワーデバイスとして用いられる。
ＭＯＳ−ＦＥＴチップのソース電極としてＳｉ基材１の一方の主面（上面）に形成されたアルミニウム電極２５の上には、Ｎｉ（ニッケル）めっき２９が３ミクロン（μｍ）の厚さで、Ａｕめっき３１が０．０５ミクロンの厚さで夫々形成される。Ｓｉチップ裏面（Ｓｉ基材１の他方の主面、上記一方の主面の反対側）にドレイン電極として形成されたＡｇ電極２７上にも、同様にＮｉめっき２９が３ミクロンの厚さで、Ａｕめっき３１が０．０５ミクロンの厚さで夫々形成される。ここで、ＮｉおよびＡｕめっきは、無電解めっきで形成される。このＮｉめっきを厚く形成すると接続部の信頼性が向上するが、そのためには電気めっきを行うと、めっき形成速度を速め、Ｓｉチップの製造コストを低減できる。
次に、上記ＭＯＳ−ＦＥＴチップが搭載される基板の模式図を図５に示す。基板は、熱伝導率の高いＳｉ３Ｎ４（窒化珪素）からなる厚さ０．３ｍｍのセラミック７を絶縁層として用い、当該セラミック（以降、単に「基板」とも記す）７の一方の主面には、厚さ０．５ｍｍのＣｕ５のパターンが配線および電極層として形成される。セラミック７の裏面（セラミック７の他方の主面、上記一方の主面の反対側）には、セラミック７より厚いＣｕ５のパターンによるセラミック（基板）７の反り防止のため、Ｃｕ５による配線密度とパターンを考慮した厚さのＣｕベタパターン９が、例えば０．４ｍｍの厚さで形成される。チップ搭載用の電極（Ｃｕ５のパターン）および裏面Ｃｕベタパターン９の各々には、さらに厚さ３０ミクロンのＳｎ膜３３がめっきで形成される。Ｓｎ膜３３の上には、厚さ１ミクロンのＩｎ膜３５がスパッタで形成され、さらにＩｎ膜３５には表面酸化防止用に厚さ０．０５ミクロンのＡｕ膜３１’がスパッタで形成される。図４に示すＭＯＳ−ＦＥＴチップ１は、その上記他方の主面に形成されたドレイン電極２７が、基板（セラミック）７の上記一方の主面に形成されたＣｕ５のパターンの一つに接続される。
次に、上記基板７の上記他方の主面（Ｃｕのベタパターン９）に接続され且つヒートシンクとしても機能する金属板（以下、ベース金属と記す）の模式図を図６に示す。上記ＭＯＳ−ＦＥＴチップ１の放熱及び上記基板７の補強を担う２ｍｍ厚さのＣｕベース３７における基板７の搭載位置には、厚さ３０ミクロンのＳｎ膜３３がめっきで形成される。Ｓｎ膜３３の上には、厚さ１ミクロンのＩｎ膜３５がスパッタで形成され、さらにＩｎ膜３５には表面酸化防止用に厚さ０．０５ミクロンのＡｕ膜３１’がスパッタで形成される。なお、図６に示されたＣｕベース３７とＳｎ膜３３との間のＮｉめっき層２９は、場合に応じて形成しなくてもよい。
Ｓｉチップ１のソース電極２５（２９，３１）と、基板７上の電極５（３３，３５，３１’）を接続する部材であるリード材としては、Ｃｕ−Ｍｏ合金（例えばＣｕ：４０％、Ｍｏ（モリブデン）：６０％）を使用する。リード材の厚さは０．４ｍｍとし、後述のスペーサ部品およびチップ電極のパターンに合わせて、リード材上に選択的に、厚さ３０ミクロンのＳｎ膜をめっきで形成する。その上に、Ｉｎをスパッタで１ミクロンの厚さで形成し、さらに表面酸化防止用に厚さ０．０５ミクロンのＡｕ膜をＩｎ膜上にスパッタで形成する。
スペーサ部品は、Ｓｉチップ１とほぼ同じ厚さの部品であり、この部品を用いることにより、リード材を曲げる加工なしで、ソース電極２５と基板の電極５との電気的な接続を行うことが可能となる。スペーサ部品を用いないと、Ｓｉチップ１上のパッド（ソース電極として例示される部材２５，２９，３１）と基板上のパッド（電極として例示される部材５，３３，３５，３１’）との高低差が、ほぼチップ１の厚さ分だけ生じるため、リードとチップ上のパッドとの間、およびリードと基板上のパッドとの間を、はんだで接続する（本実施例以外の一般的なはんだ接続も含む）場合には、図３に示すように、リードに対して、上述の高低差を吸収できるだけの曲げ加工を施す必要がある。本発明者は、実際に曲げ加工が施されたリードにおいて、クラック不良が発生する可能性を見出した。この不良は、歩留り低下によるコストアップにつながるため、スペーサ部品と曲げ加工なしのリード材とを組み合わせて採用することは、電子装置の信頼性を高める。
上述したスペーサ部品の模式図を図７に示す。このスペーサ部品は、リード材と同じ、Ｃｕ−Ｍｏ合金（例えばＣｕ：４０％、Ｍｏ：６０％）からなる厚さ０．３ｍｍの基材（ブロック）３９を有する。この基材３９の両面、すなわちスペーサ部品におけるリードとの接続面および基板との接続面には、Ｎｉめっき２９が３ミクロンの厚さで、Ａｕめっき３１が０．０５ミクロンの厚さで夫々形成される。
上述の如く、電極やそれに類似する金属部材２５，２７，５，９，２９，３９にメッキやスパッタにて金属層が形成されたＳｉチップ１、基板７、金属板３７、スペーサ部品３９は、夫々下記の如く互いに接続される。まず。基板７上にＳｉチップ１とスペーサ部品３９を、基板７の上記一方の主面に設けられた所定のパッド（５，３３，３５，３１’）上に搭載し、水素還元雰囲気中にて、１５０℃、３０分間加熱した。この工程を簡単に図８に示す。Ｓｉチップ１のドレイン電極２７並びにスペーサ部品（基材）３９が基板７の電極５に夫々接続されると、ドレイン電極２７並びにスペーサ部品（基材）３９と基板７の電極５との間に挟まれたＮｉめっき層２９の一部、Ａｕ層３１，３１’、Ｉｎ膜３５、及びＳｎめっき層３３からなる積層構造は、Ｓｎ−Ｉｎ合金を主成分とし、Ｎｉ、Ｓｎ−Ｎｉ化合物、Ａｕ−Ｓｎ化合物、Ａｕ−Ｉｎ化合物を含む金属層層４１に変わる。
この金属層４１は、巨視的にＳｎリッチな組成を有するため、その溶融温度は上記Ｓｉチップ１並びにスペーサ部品３９を基板７に接続させるとき（初期接続時）に上記積層構造が溶融した温度（１５０℃程度）よりも上昇している。図９（ａ）には、Ｓｉチップ１並びにスペーサ部品３９が基板７に接続された後の構造が示され、上記金属層４１はＮｉめっき層２９とともに接続部４３として示される（ドレイン電極２７はその薄さから割愛した）。斯様にＳｉチップ１並びにスペーサ部品３９を基板７に接続した構造において、Ｓｉチップ１に割れなどの破壊が生じないことが確認された。
次に、図９（ｂ）に示す如く、リード２１（例えば、金属箔や金属板として供給される）をＳｉチップ１上のパッド（２５，２９，３１）からスペーサ部品３９上のパッド（２９，３１）へ跨るように配置し、上述の接続工程と同じ条件（水素還元雰囲気で、１５０℃、３０分間）にて加熱した。この時、基板７とＳｉチップ１並びにスペーサ部品３９との間の接続部４１は、前述のとおり溶融温度が上昇しているため、溶融しない。なお、図９（ｂ）はリード２１をＳｉチップ１並びにスペーサ部品３９に接続した後の構造を示し、夫々の接続部４４は、Ｓｉチップ１並びにスペーサ部品３９に形成されたＮｉめっき層２９並びにＡｕめっき層３１、及びリード２１に形成されたＳｎめっき膜（厚さ３０ミクロン）、Ｉｎ膜（厚さ１ミクロン）、並びにＡｕめっき膜（厚さ０．０５ミクロン）の溶融による相互間の拡散により形成される（ソース電極２５はその薄さから割愛した）。
さらに、図９（ｂ）に示すようにＳｉチップ１、スペーサ部品３９およびリード２１が接続された基板７を、図９（ｃ）に示す如く、前述の金属板（Ｃｕベース）３７の所定の位置（２９，３３，３５，３１'）に搭載し、同じく１５０℃、３０分間加熱する。この加熱工程においても、先に形成された接続部４３，４４は溶融しない。基板７の上記他方の主面に形成された金属層（Ｃｕのベタパターン９、配線にパターニングしてもよい）と金属板３７との間には、金属層９に形成されたＳｎめっき層３３、Ｉｎ膜３５、並びにＡｕ層３１’、及び金属板３７に形成されたＮｉめっき層２９、Ｓｎめっき膜３３、Ｉｎ膜３５、並びにＡｕ膜３１' の溶融による相互間の拡散により接続部４５が形成される。
最後に、金属板３７に固定された基板７、Ｓｉチップ１、スペーサ部品３９、及びリード２１の全体を、図９（ｄ）に示す如く樹脂１７でモールドする。これら一連の製造プロセスの概略を、図９（ａ）から図９（ｄ）に、その結果得られた最終構造を図１０に示す。ただし図１０では、上記接続に係る金属層の詳細な表示を省略している。
このようにして完成したモジュール（図１０参照）に、１サイクルにつき−５５〜１５０℃の温度変化を与える温度サイクル試験を１０００サイクル繰り返して行った。その結果、上述の接続部４３，４４，４５に破壊や不良は生じず、当該モジュールが十分な信頼性を有することを確認できた。別途シミュレーションを行ったところ、チップ１と基板７の接続部４３に対しては、チップ１のサイズが１ｍｍ以上であれば、接続部４３の厚さを５ミクロンとするモジュールと比較して、これを１０ミクロンにしたモジュールの信頼性は２倍以上に、これを３０ミクロンにしたモジュールの信頼性は５倍以上に向上することがわかった。同様に他の接続部４４，４５に対しても、接続部厚さを１０ミクロン以上とすることにより、モジュールの信頼性は２倍以上に向上し、車載電子機器として十分な信頼性を有する可能性が高くなることが判明した。
本発明による電子装置の別の実施例を、図１１を用いて以下に説明する。本実施例の電子装置（モジュール）が実施例１のそれと異なるのは、絶縁材料からなる基板７に代えて、金属ベース（例えばＣｕベース）４７の一方の主面を樹脂４６で絶縁した基板（便宜的にＣｕベース基板と呼ぶ）を用いることにある。このＣｕベース基板は、電子装置の構造全体において放熱性を高めるという要請から、絶縁樹脂４６としては熱伝導率が２Ｗ/ｍ・Ｋ以上の材料を用いている。実施例１におけるベース金属３７を基板内に有しているため、基板以外に放熱用・補強用のベース基板を別途設けることを必要としない。したがって、接続部の階層をひとつ減らすことができ、工程減によるコスト低減を見込める。
また、以上に述べたＣｕベース基板を、Ａｌの金属ベースを備えたものに代えることにより、Ｃｕベース基板より若干放熱性は低下するが、電子装置全体の軽量化を図ることができる。
ここでは、以上に述べた実施例１及び実施例２に関し、本発明による電子装置における接続部の特徴を、図１２を参照して考察する。
接合される２つの部材の夫々における熱膨張率が異なる場合、これらの間に形成される接続部（以下、接合層と記す）の厚さが当該２つの部材の一方の熱膨張（変形）が他方に与える影響を抑える。図１２（ａ）に例示するＳｉチップと基板の場合、前者の熱膨張率は珪素のそれに、後者の熱膨張率は基板の主要な構成要素となる例えば、セラミック材、ガラスエポキシ材、金属板のそれに支配される。従って、接合層は、少なくとも１０μｍ、望ましくは２０〜１００μｍの厚さで形成されることが工業上、要請されることもある。この厚さｔＬは、電子装置にて制御される電流量やこれが利用される環境に依存し、例えばパワーモジュールにおける弱電機器では見られないような部材の温度による変形を反映する。従って、図１２（ａ）に示す２つの部材に夫々形成されて、その間に図１２（ｂ）に示す如き接合層を形成する金属Ａ及び当該金属Ａとは組成を異にする金属Ｂの少なくとも一方は、めっきで形成することが望ましい。また、必要に応じて金属Ａ及び金属Ｂの双方をめっきで形成しても良い。非特許文献１に記されるスパッタ法では、これらの金属Ａ、金属Ｂの少なくとも一方を充分な厚さで形成することは工業上不可能であり、上記要請に見合う接合層の厚さを確保できない。
一方、接合層の形成という現象においても、本発明は、非特許文献１に教示される如く、接合層を２種類の金属を固相−液相拡散させ、その組成を一様にすることを必ずしも要さない。例えば、接合層の組成が、その厚み方向に（換言すれば、接合される２つの部材の一方から他方に向けて）変化しても、上述した効果が得られる。金属ＡをＳｎ、金属ＢをＩｎとして、Ｓｎ（８５％）−Ｉｎ（１５％）の溶融温度を示す接合層を形成する場合、非特許文献１の手法では金属Ａと金属Ｂとの拡散が充分に進行するため、Ｓｎ−Ｉｎのγ固溶体の組織（結晶粒，安定な金属間化合物）が接合層の全域に形成され、接合層は一様に当該組成又はその近傍の組成を示す。
一方、本発明を巨視的に捉えるなら、金属Ａと金属Ｂとの溶融が、これらが接する界面及びその近傍に限って生じている。これが、金属Ａと金属Ｂとの接続時における加熱温度を、その接続で得られる接合層の溶融温度を低くできる理由とも考えられる。図１２（ｃ）に示す接合層における金属Ｂの濃度分布の一例では、その値が接合前の金属Ｂ側（接合層と基板の配線との界面側）で一定になるも、接合前の金属Ａ側（接合層とＳｉチップの電極との界面側）では、金属Ａと金属Ｂとの接触界面の近くで一定を保つも、接合層とＳｉチップの電極との界面側にある程度近づくと、急峻に減少する。金属Ａ側における金属Ｂの濃度の斯様な変化は、金属Ａと金属Ｂとの接触界面から金属Ｂの元素の金属Ａへの拡散をＦｉｃｋの法則で想定して描いた破線の曲線とも異なる。
また、接合層における結晶粒の分布も図１２（ｄ）及び図１２（ｅ）の２例が考えられる。図１２（ｄ）の場合、金属Ａと金属Ｂとの相互の拡散が生じた領域では、金属Ａの濃度の高い共晶組織（結晶粒）と金属Ｂの濃度の高い共晶組織とが形成され、その領域における金属Ａと金属Ｂとの濃度の比率に応じて、単位体積における前者の共晶組織と後者の共晶組織との個数が相違する。金属ＡをＳｎ、金属ＢをＩｎとしたとき、前者はγ固溶体、後者はβ固溶体となる。しかし、接合前のＳｉチップの電極との界面側では金属Ｂが充分拡散しない領域が残り、金属Ａ自体の組織が残る。
図１２（ｅ）の場合、金属Ａの厚さｔＡと金属Ｂの厚さｔＢとに拠る組成の固溶体（金属Ａの濃度の高い固溶体）が初晶を形成するも、その隙間に上述の共晶組織が入り込む。従って、金属Ａと金属Ｂとが充分に拡散し合う領域では当該固溶体（金属Ａと金属Ｂとにより形成される所謂安定な金属間化合物）のみが存在して、金属Ａと金属Ｂとの組成比が一様になる。一方、この拡散が不十分な領域では、固溶体の隙間に入り込む共晶組織の数に応じて金属Ａと金属Ｂとの組成比が変化する。
図１２（ｃ）〜図１２（ｅ）を参照して説明した夫々の事例は、金属ＡとしてＳｎを、金属ＢとしてＩｎを夫々用いて形成される接合層のみならず、金属ＡにＳｎを、金属ＢにＢｉ（ビスマス）を夫々用いて形成される接合層や、金属ＡにＳｎを、金属ＢにＢｉ（ビスマス）を夫々用いて形成される接合層や、金属ＡにＣｕを、金属ＢにＳｎを夫々用いて形成される接合層においても生じ得る。
また、図１２（ａ）に示す如く、接続される２つの部材の一方（ここではＳｉチップ）に金属Ａの膜と、金属Ａと異なる金属Ｃの膜とを積層し、当該一方の部材を他方の部材（ここでは基板）に接合する前に、金属Ａと金属Ｃとの間で夫々の元素を拡散させてもよい。金属Ｃの膜を金属Ａの膜より薄く形成すると、当該金属Ｃの膜の最表面は、金属Ａと金属Ｃとの固溶体からなる金属組織で形成される。この固溶体と当該他方の部材に形成された金属Ｂとの間で夫々に含有される元素を拡散させても、図１２（ｃ）〜図１２（ｅ）を参照して説明した夫々の事例は、生じ得る。この場合、金属Ａと金属Ｃとの固溶体の組成が、金属Ｂの組成と異なればよいので、金属Ｃは金属Ｂと同じ材料でも良く、また金属Ｂと異なる材料でもよい。図１２（ａ）では、金属Ａの膜を、めっきにより金属Ｂの膜及び金属Ｃの膜より厚く形成したが、金属Ｂの膜をめっきにより厚く形成し、金属Ａの膜及び金属Ｃの膜をスパッタにより金属Ｂの膜より薄く形成しても良い。
図１２（ｃ）〜図１２（ｅ）を参照して説明した夫々の事例から、接合層の厚みに沿った斯様な変化は、当該接合層全体の溶融温度を所望の値に高め、さらに、接合される２つの部材の熱膨張率差に因り、その一方から他方に掛かる応力や歪を吸収する一因となるものと、結論付けられる。
本発明は、自動車用電子機器、鉄道用インバータなどの、産業用発電機等にも適用できる。
従来技術におけるワイヤボンディングタイプのモータ制御用ＥＣＵの断面図である。 従来技術におけるリード接続タイプのモータ制御ＥＣＵの断面図である。 従来技術における通常のリード材料の構造例である。 本発明による電子装置に搭載されるチップ及びその電極構造の断面図である。 本発明による電子装置に用いられる基板の一部及びその電極構造の断面図である。 本発明による電子装置に用いられるベース金属の一部及びその電極構造の断面図である。 本発明による電子装置に用いられるスペーサ部品及びその電極構造の断面図である。 本発明による電子装置の製造方法において、チップ及びスペーサ部品を基板上に接続するプロセスの概要図である。 本発明による電子装置の一例であるモータ制御用ＥＣＵの製造プロセスの概要図である。 本発明によるモータ制御ＥＣＵの断面図である。 本発明の実施例２に説明されるモータ制御ＥＣＵの断面図である。 実施例３における本発明による電子装置（接続部）の特徴の説明に参照される説明図である。
符号の説明
１…Ｓｉチップ、３…はんだ、５…Ｃｕ配線、７…Si3N4絶縁基板、９…Ｃｕ配線、１１…高熱伝導樹脂接着剤、１３…ワイヤボンディング、１５…Ｃｕ配線、１７…樹脂モールド、１９…ベース金属、２１…金属リード、２３…はんだ、２５…Ａｌ電極(金属層)、２７…Ａｇ電極(金属層)、２９…Ｎｉ電極(金属層)、３１…Ａｕ電極(金属層)、３３…Ｓｎ電極(金属層)、３５…Ｉｎ電極(金属層)、３７…ベース金属、３９…スペーサ部品、４１…Ｓｎ−Ｉｎ合金、４３，４４，４５…接続部、４６…絶縁樹脂、４７…金属ベース、

Claims (6)

  1. 第１電極と該第１電極の表面に形成された少なくとも１層の第１金属膜とを有する電子部品、
    前記電子部品の前記第１電極に電気的に接続される第２電極と該第２電極表面に形成された少なくとも１層の第２金属膜を有する基板とを備え、
    前記電子部品と前記基板とは、前記第１金属膜の最表面と前記第２電極の最表面とを接触させ、該第１金属膜及び該第２金属膜の夫々の溶融温度以下で且つ該第１金属膜及び該第２金属膜の該最表面が接触する界面近傍を該第１金属膜と該第２金属膜との共晶温度以上で溶融させ、該第１金属膜と該第２金属膜との拡散反応で該界面近傍に該第１金属膜及び該第２金属膜の夫々の構成元素を含む合金部分を形成させることにより接続され、
    前記電子部品と前記基板とを接続した後の前記合金部分の溶融開始温度は、該電子部品と該基板とを接続するときの前記界面近傍における前記第１金属膜と前記第２金属膜との溶融開始温度より上昇し、
    前記第１金属膜及び前記第２金属膜の少なくとも一方は、めっきにより形成された少なくとも１つの金属層を含む電子装置。
  2. 第１電極と該第１電極の表面に形成された少なくとも１層の第１金属膜とを有する電子部品、
    前記電子部品の前記第１電極に電気的に接続される第２電極と該第２電極表面に形成された少なくとも１層の第２金属膜を有する基板とを備え、
    前記電子部品と前記基板とは、前記第１金属膜の最表面と前記第２電極の最表面とを接触させ、該第１金属膜及び該第２金属膜の夫々の溶融温度以下で且つ該第１金属膜及び該第２金属膜の該最表面が接触する界面近傍を該第１金属膜と該第２金属膜との共晶温度以上で溶融させ、該第１金属膜と該第２金属膜との拡散反応で該界面近傍に該第１金属膜及び該第２金属膜の夫々の構成元素を含む合金部分を形成させることにより接続され、
    前記電子部品と前記基板とを接続した後の前記合金部分の溶融開始温度は、該電子部品と該基板とを接続するときの前記界面近傍における前記第１金属膜と前記第２金属膜との溶融開始温度より高く、
    前記第１金属膜及び前記第２金属膜の少なくとも一方は、１０ミクロン以上の厚さに形成された少なくとも１つの金属層を含み、または該第１金属膜及び該第２金属膜により前記電子部品と前記基板との間に形成された接続部の厚さは、２０ミクロン以上である電子装置。
  3. 請求項１又は請求項２に記載の電子装置において、前記第１金属膜と前記第２金属膜とが接触する前記界面の近傍には、安定な金属間化合物が存在する電子装置。
  4. 前記電子部品は前記第１電極が形成された主面とは反対側の他の主面に第３電極が形成されたＳｉパワーデバイスであり、
    前記第２電極が設けられた前記基板の主面には金属リードにより前記第３電極と電気的に接続される第４電極が形成され、
    前記リードには前記第１金属膜が、前記第３電極には前記第２金属膜が夫々形成され、
    前記リードと前記第３電極とは、夫々に形成された前記第１金属膜の最表面と前記第２電極の最表面とを接触させて、前記溶融温度以下で且つ該第１金属膜及び該第２金属膜の該最表面が接触する界面近傍を該第１金属膜と該第２金属膜との共晶温度以上で溶融させ、該第１金属膜と該第２金属膜との拡散反応で該界面近傍に該第１金属膜及び該第２金属膜の夫々の構成元素を含む合金部分を形成させることにより接続され、
    前記リードと前記第３電極とが接続された後の前記合金部分の溶融開始温度は、該リードと該第３電極とを接続するときの前記界面近傍における前記第１金属膜と前記第２金属膜との溶融開始温度より高い請求項１〜３に記載の電子装置。
  5. 基板と、該基板の一方の主面に搭載されたＳｉパワーデバイスと、該基板の他方の主面に接続された金属板とを備え、
    前記Ｓｉパワーデバイスの前記基板の一方の主面とは反対側の面に形成された第１電極と該基板の一方の主面に形成された第２電極とが導電金属材料で電気的に接続される電子装置であって、
    前記導電金属材料と前記第２電極との間には金属製のブロックが挿入され、該導電金属材料はこれを前記基板の厚み方向に曲げる加工が施されていない電子装置。
  6. 請求項５に記載の電子装置において、
    前記Ｓｉパワーデバイス並びに前記ブロックと前記基板との接続、前記Ｓｉパワーデバイス並びに前記ブロックと前記導電金属材料との接続、及び前記基板と前記金属板との接続の少なくとも一つは、
    接続される２つの部材の一方に第１金属膜を、その他方に前記第２金属膜を夫々形成し、
    前記第１金属膜の最表面と前記第２電極の最表面とを接触させて、該第１金属膜及び該第２金属膜の夫々の溶融温度以下で且つ該第１金属膜及び該第２金属膜の該最表面が接触する界面近傍を該第１金属膜と該第２金属膜との共晶温度以上で溶融させ、該第１金属膜と該第２金属膜との拡散反応で該界面近傍に該第１金属膜及び該第２金属膜の夫々の構成元素を含む合金部分を形成して、
    前記接続の後における前記合金部分の溶融開始温度を、該接続における前記界面近傍での前記第１金属膜と前記第２金属膜との溶融開始温度より高くするように行なわれる電子装置。
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