JP2007044699A

JP2007044699A - 接合構造

Info

Publication number: JP2007044699A
Application number: JP2005228677A
Authority: JP
Inventors: Masanori Yamagiwa; 正憲山際
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2005-08-05
Filing date: 2005-08-05
Publication date: 2007-02-22

Abstract

【課題】接合部およびそれぞれの被接合物へのクラックの発生を防止した接合構造を提供する。
【解決手段】ＡＬ基板１と半導体素子５とをＡＬろう４を用いて接合した場合でも、ＡＬ基板１の接合面１ａにＡＬろう４と比較的近い強度を有するＡＬ合金１４を設けるものとしたので、ＡＬ基板１と半導体素子５に温度差が生じた場合においても、ＡＬろう４とＡＬ基板１の接合部近傍において両者間に極端な強度の違いがなく、各部の歪量の増大が抑制されて接合部の信頼性を向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、異なる部材同士を接合した接合構造に関する。

現在、一般に市販されている半導体装置は、チップと基板とがはんだ付けによって接合されており、はんだ付けの工数増加やはんだ接合部の熱抵抗が増大するといった問題がある。
さらに、はんだは、チップと基板との熱膨張係数差から温度差によって発生する応力を自身の歪によって緩和する一方で、その温度差の繰り返しによって、Ｃｏｆｆｉｎ−Ｍａｎｓｏｎ則（歪と疲労寿命の関係を示す法則）で示されるようなはんだ接合部の劣化が生じる（歪が大きい程、はんだ寿命は短くなる）という大きな問題がある。
実際に、実使用で発生する熱応力を模擬した一般的な信頼性評価として実施される高温と低温とを繰り返す温度サイクル試験を行った場合に、はんだにクラックが入り、はんだ接合部の急激な電気抵抗と熱抵抗の増大によって加速的にチップの破壊に至るといったことが懸念されている。
この対策として、特許文献１に記載の構造では、はんだレスとなる超音波振動によって直接金属接合させることが提案されている。
特開２００４−１４５９９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の接合構造においては、チップと金属を直接接合してしまうと、はんだを用いていないため、はんだの歪によってチップと金属間の応力を緩和することができない。
このため、チップと比べて柔らかい金属を用いることによって、温度差によって応力が発生した場合でも金属を変形させ、応力を緩和する構造が考えられるが、チップと金属の熱膨張係数差によって接合部に多大な応力が発生するので、金属の歪の蓄積によって、最終的には接合部周辺の金属にクラックが発生し、先に述べたはんだ劣化によるチップ破壊と同様なことが起こり、装置が故障する恐れがあった。
また、チップをより硬い金属と接合させることも考えられるが、応力集中を避けた構造でない限りは金属の最も柔らかい部分（接合部の角部など）に応力は集中する傾向にあるため、結果的に金属へのクラックが懸念されるといった問題があった。

そこで本発明はこのような問題点に鑑み、接合部およびそれぞれの被接合物へのクラックの発生を防止した接合構造を提供することを目的とする。

本発明は、熱膨張係数および強度が異なる第１の部材と第２の部材との接合構造であって、第１の部材を、母材部と、第１の部材と第２の部材との間の強度を有し、第２の部材との接合部近傍に設けた中間強度部と、より構成するものとした。

本発明によれば、第１の部材に、第２の部材との接合部近傍に第１の部材と第２の部材との間の強度を有する中間強度部を設けたので、第１の部材と第２の部材との間に温度差が生じた場合においても、第１の部材と第２の部材との接合部近傍において両者間に極端な強度の違いがなく、各部の歪量の増大が抑制されて接合部の信頼性を向上させることができる。

次に本発明の実施の形態を実施例により説明する。
まず第１の実施例について説明する。
図１の（ａ）は、第１の実施例を示す上面図であり、図１の（ｂ）は、図１の（ａ）におけるＡ−Ａ部断面を示す図である。
アルミニウム基板（以下、ＡＬ基板と呼ぶ）１の接合面１ａに、アルミニウムろう（以下、ＡＬろうと呼ぶ）４を用いて半導体素子５が接合されている。
ＡＬ基板１は、母材としての純ＡＬ１３と、ＡＬろう４を介して半導体素子５と接合される接合部周辺に設けられたＡＬ合金１４とより構成される。
ＡＬ合金１４は、接合面１ａのＡＬろう４との接合部から放射状に広がっており、図１の（ｂ）に示すように、ＡＬ合金１４は接合面１ａから所定範囲の深さにわたって形成され、図１の（ａ）に示すように、ＡＬ合金１４はＡＬろう４と接合する面積よりも広い範囲にわたって形成されている。

次に、各部の材料特性について説明する。
純ＡＬ１３が、ＡＬ９９．６％以上からなる純ＡＬであり、ＡＬろう４が、ＡＬにＳｉ（シリコン）を１１．０〜１３％混合した一般的な共晶ろう材であるものとすると、文献１（住友軽金属アルミハンドブック社団法人日本アルミニウム協会編集住友軽金属工業株式会社発行Ｐ３１）および文献２（ナイス総合カタログナイス株式会社発行Ｐ３４４）より、純ＡＬ１３のヤング率・耐力・引張強度は７０ＧＰａ・３０ＭＰａ・７０ＭＰａとなり、ＡＬろう４の引張強度は１６７ＭＰａとなる。
ＡＬ合金１４が、純ＡＬにＳｉが０．９５％添加された１１００−Ｏ材であるものとすると、文献１（同上Ｐ３１）より、ＡＬ合金１４のヤング率・耐力・引張強度は７０ＧＰａ・３５ＭＰａ・９０ＭＰａとなり、その強度は純ＡＬ１３より高くなる。

これにより、たとえば純ＡＬ１３とＡＬろう４とを直接接合させた場合と比較して、ＡＬ合金１４とＡＬろう４とを接合させた場合には、ＡＬ合金１４とＡＬろう４とのヤング率・耐力・引張強度の差が小さいものとなる。
ただし本実施例において、ＡＬ合金１４の強度は、ＡＬろう４と純ＡＬ１３の間の強度を有するものとする。

またＡＬ合金１４は、その強度がＡＬろう４との接合部から放射状に広がるにしたがって徐々に純ＡＬ１３と同じ強度となるように形成され、ＡＬ合金１４と純ＡＬ１３との間に界面等が存在しない。（なお、図１の（ａ）、（ｂ）において、ＡＬ合金１４と純ＡＬ１３とを識別するために便宜上、境界線を描いてある。）

次に、ＡＬ基板１の製造方法について説明する。
例えば、ＡＬ９９．６％以上・Ｓｉ０．２５％からなる１０６０材で構成された純ＡＬ１３の板の表面（後に接合面１ａとなる面）にＳｉを塗布し、その後加熱拡散させることで、ＡＬ９９．０％以上・Ｓｉ０．９５％からなる１１００材に近いＡＬ合金１４が純ＡＬ１３に代わって形成される。
これによって、純ＡＬ１３とＡＬ合金１４とより構成されたＡＬ基板１を得ることができる。
また、これは異なった元素の拡散による高強度化であるため、純ＡＬ１３側に近づくにつれだんだんと純ＡＬ１３の強度に近づくＡＬ合金１４の強度分布を容易に得ることができる。
なお、本実施例においてＡＬ基板１が本発明における第１の部材を構成し、ＡＬろう４が本発明における第２の部材を構成する。また純ＡＬ１３が本発明における母材部を構成し、ＡＬ合金１４が本発明における中間強度部を構成する。

本実施例は以上のように構成され、ＡＬ基板１と半導体素子５とをＡＬろう４を用いて接合した場合でも、ＡＬ基板１の接合面１ａにＡＬろう４と比較的近い強度を有するＡＬ合金１４を設けるものとしたので、ＡＬ基板１と半導体素子５に温度差が生じた場合においても、ＡＬろう４とＡＬ基板１の接合部近傍において両者間に極端な強度の違いがなく、各部の歪量の増大が抑制されて接合部の信頼性を向上させることができる。

ＡＬ合金１４が、ＡＬろう４との接合部から純ＡＬ１３にかけて徐々に純ＡＬ１３の強度に近づくような強度分布を有するものとしたので、ＡＬ基板１と半導体素子５に温度差が生じた場合においても、純ＡＬ１３とＡＬ合金１４との界面等に応力集中することがなく、三次元的な応力緩和が可能となり、接合部の信頼性をより向上させることができる。

なお、第１の実施例においては、ＡＬ合金１４をＡＬろう４との接合部全面を覆う大きさに形成するものとしたが、これに限定されず、たとえば図２の（ａ）の上面図、および図２の（ｂ）に示す図２の（ａ）におけるＢ−Ｂ部断面のように、ＡＬろう４とＡＬ基板１Ａとの接合部において応力が集中する場所、すなわち半導体素子５およびＡＬろう４が四角形である場合にはＡＬ基板１ＡにおけるＡＬろう４の角部直下近傍にＡＬ合金１４Ａを設けてもよい。
このように、ＡＬ基板１ＡにおけるＡＬろう４の角部直下近傍にＡＬ合金１４Ａを設けたので、応力が集中する部分においても各部の歪量の増大が抑制されて接合部の信頼性を向上させることができる。
また、ＡＬろう４の中央直下には強度が極端に低い、すなわち柔らかい純ＡＬ１３Ａが存在しているので、純ＡＬ１３Ａによっても従来特に角部に集中していた応力による歪量の増大を抑制することが可能となり、より確実に接合部の信頼性向上ができる。
なおＡＬ合金１４Ａは、第１の実施例におけるＡＬ合金１４と同様の製造方法によって形成することができる。

次に、第２の実施例について説明する。
図３の（ａ）は、第２の実施例を示す上面図であり、図３の（ｂ）は、図３の（ａ）におけるＣ−Ｃ部断面を示す図である。
銅板（以下、Ｃｕ板と呼ぶ）１０の接合面１０ａに、タングステン板（以下、Ｗ板と呼ぶ）２が接合される。
Ｃｕ板１０は、母材としての純Ｃｕ１１と、Ｗ板２との接合部周辺に設けられたＣｕ合金１２とより構成される。
Ｃｕ合金１２は、接合面１０ａのＷ板２との接合部から放射状に広がっており、図３の（ｂ）に示すように、Ｃｕ合金１２は接合面１０ａから所定範囲の深さにわたって形成され、図３の（ａ）に示すように、Ｃｕ合金１２はＷ板２と接合する面積よりも広い範囲にわたって形成されている。
Ｃｕ板１０とＷ板２との接合は、たとえば抵抗溶接や、超音波接合を用いることができる。

次に、各部の材料特性について説明する。
純Ｃｕ１１が、Ｃｕ９９．９５％からなる純Ｃｕであるものとすると、文献３（改訂３版金属データブック社団法人日本金属学会編者丸善株式会社発行Ｐ３１）より、そのヤング率・耐力・引張強度は、１３６ＧＰａ・６９ＭＰａ・２１３ＭＰａとなる。
Ｃｕ合金１２は、Ｎｉ（ニッケル）等が添加したＣｕ合金であるものとすると、上記文献３（同上Ｐ１７２）より、その引張強度は純Ｃｕより高い値となる。
Ｗ板２が、Ｗ９９．９５％からなる純Ｗであるものとすると、上記文献３（同上、Ｐ１６５）より、そのヤング率・耐力・引張強度は、４０３ＧＰａ・５３９ＭＰａ・５８８ＭＰａとなる。

これにより、たとえば純Ｃｕ１１とＷ板２とを直接接合させた場合と比較して、Ｃｕ合金１２とＷ板２とを接合した場合には、Ｃｕ合金１２とＷ板２とのヤング率・耐力・引張強度の差が小さいものとなる。
ただし本実施例において、Ｃｕ合金１２の強度は、Ｗ板２と純Ｃｕ１１の中間の強度を有するものとする。

またＣｕ合金１２は、その強度がＷ板２との接合部から放射状に広がるにしたがって徐々に純Ｃｕ１１と同じ強度となるように形成され、Ｃｕ合金１２と純Ｃｕ１１との間に界面等が存在しない。（なお、図３の（ａ）、（ｂ）において、純Ｃｕ１１とＣｕ合金１２とを識別するために便宜上、境界線を描いてある。）
なおＣｕ合金１２は、第１の実施例におけるＡＬ合金１４と同様の製造方法によって形成することができる。
本実施例においてＣｕ板１０が本発明における第１の部材を構成し、Ｗ板２が本発明における第２の部材を構成する。また純Ｃｕ１１が本発明における母材部を構成し、Ｃｕ合金１２が中間強度部を構成する。

本実施例は以上のように構成され、Ｃｕ板１０の接合面１０ａにＷ板２と比較的近い強度を有するＣｕ合金１２を設け、Ｃｕ板１０のＣｕ合金１２上にＷ板２を重ね合わせてＣｕ板１０とＷ板２とを接合することにより、Ｃｕ板１０とＷ板２に温度差が生じた場合においても、Ｃｕ板１０とＷ板２との接合部近傍において両者間に極端な強度の違いがなく、各部の歪量の増大が抑制されて接合部の信頼性を向上させることができる。

またＣｕ合金１２が、Ｗ板２との接合部から純Ｃｕ１１にかけて徐々に純Ｃｕの強度に近づくような強度分布を有するものとしたので、Ｃｕ板１０とＷ板２に温度差が生じた場合においても、純Ｃｕ１１とＣｕ合金１２との界面等に応力集中することがなく、三次元的な応力緩和が可能となり、接合部の信頼性をより向上させることができる。

なお、第２の実施例においては、Ｃｕ合金１２をＷ板２との接合部全面を覆う大きさに形成するものとしたが、これに限定されず、たとえば図４の（ａ）の上面図、および図４の（ｂ）に示す図４の（ａ）のＤ−Ｄ部断面のように、Ｃｕ板１０ＡとＷ板２との接合部において応力が集中する場所、すなわちＷ板２が四角形である場合にはＣｕ板１０ＡにおけるＷ板２との接合部角部近傍にＣｕ合金１２Ａを設けてもよい。
このように、Ｃｕ板１０ＡにおけるＷ板２との接合部角部近傍にＣｕ合金１２Ａを設けたので、応力が集中する部分においても各部の歪量の増大が抑制されて接合部の信頼性を向上させることができる。
また、Ｗ板２の中央直下には強度が極端に低い、すなわち柔らかい純Ｃｕ１１Ａが存在しているので、純Ｃｕ１１Ａによっても従来特に角部に集中していた応力による歪量の増大を抑制することが可能となり、より確実に接合部の信頼性を向上させることができる。
なおＣｕ合金１２Ａは、第１の実施例におけるＡＬ合金１４と同様の製造方法によって形成することができる。

また、中間強度部としてＣｕ合金１２、１２Ａ、ＡＬ合金１４、１４Ａを第１の部材に形成するものとしたが、これ以外にも、鋼球を使ったショットピーニング等の加工硬化によって部分的に高強度化させたり、加熱と急冷による焼入れ、即ち結晶を微細化させることによって部分的に高強度化させることもできる。

以上の実施例では、第１の部材、第２の部材の材料としてＷやＣｕおよびＡＬ等を用いたが、本発明はこれに限定されることなく、本実施例と同様な効果が得られる材料であればいずれであっても構わない。
本実施例における接合構造は、特に、接合される物体を構成する材料に対して高い接合強度を示す抵抗溶接や超音波接合、ろう付けなどの耐熱接合において、最も有効である。
また、半導体素子の基体材料としては、Ｓｉだけに限らず、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）や炭化シリコン（ＳｉＣ）などであっても構わない。
特に、上記実施例で述べた金属へのクラック対策は、高耐熱であり、かつ高強度な素子として有望なＳｉＣの高温使用に対する高強度な耐熱実装における接合部の信頼性対策として最も有効である。

第１の実施例を示す図である。変形例を示す図である。第２の実施例を示す図である。変形例を示す図である。

符号の説明

１、１ＡＡＬ基板
１ａ、１０ａ接合面
２Ｗ板
４ＡＬろう
５半導体素子
１０、１０ＡＣｕ板
１１、１１Ａ純Ｃｕ
１２、１２ＡＣｕ合金
１３、１３Ａ純ＡＬ
１４、１４ＡＡＬ合金

Claims

熱膨張係数および強度が異なる第１の部材と第２の部材との接合構造において、
前記第１の部材は、母材部と、前記第１の部材と前記第２の部材との間の強度を有する中間強度部と、より構成され、
前記中間強度部は、前記第１の部材における前記第２の部材との接合部近傍に設けられていることを特徴とする接合構造。
前記中間強度部は、前記第１の部材における前記第２の部材との接合部角部近傍に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の接合構造。
前記第２の部材は、前記母材部および前記中間強度部よりも強度が高いことを特徴とする請求項１または２に記載の接合構造。
前記中間強度部は、前記接合部から前記母材部側に向かって放射状に徐々に前記母材部の強度に近づく強度分布を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１に記載の接合構造。
熱膨張係数および強度が異なる第１の部材と第２の部材とを接合させる接合方法において、
前記第１の部材の母材部の表面の所定位置に異種材を塗布加熱して拡散させることによって前記第２の部材との接合部近傍または接合部角部近傍のみを高強度化させ、その後、前記第１の部材と前記第２の部材とを接合させることを特徴とする接合方法。
熱膨張係数および強度が異なる第１の部材と第２の部材とを接合させる接合方法において、
前記第１の部材の母材部の表面の所定位置に機械的な衝撃を加えて加工硬化させることによって前記第２の部材との接合部近傍または接合部角部近傍のみを高強度化させ、その後、前記第１の部材と前記第２の部材とを接合させることを特徴とする接合方法。
熱膨張係数および強度が異なる第１の部材と第２の部材とを接合させる接合方法において、
前記第１の部材の母材部の表面の所定位置を加熱冷却して結晶を微細化させることによって前記第２の部材との接合部近傍または接合部角部近傍のみを高強度化させ、その後、前記第１の部材と前記第２の部材とを接合させることを特徴とする接合方法。