JP2011151054A - 接合構造体の製造方法及び接合構造体 - Google Patents

接合構造体の製造方法及び接合構造体 Download PDF

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茂昭 酒谷
Hidetoshi Kitaura
秀敏 北浦
Takahiro Matsuo
隆広 松尾
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Abstract

【課題】半導体素子と電極との接合部にＢｉ系金属間化合物を含有し、分散している接合構造体の製造方法を提供すること。
【解決手段】直径ＤのＢｉ球の周囲に厚みＬのＮｉをコーティングしたはんだボール２００を加熱された電極１０３上に載置し、はんだボール２００のＤとＬは、０．０２２≦Ｌ／Ｄ≦０．０３９の関係を有し、はんだボール２００が電極１０３上に濡れ拡がり、接合部１０４を形成した後、接合部１０４の上に半導体素子１０２を載置し、電極１０３と接合させた接合構造体１０７は、半導体素子１０２の発熱により接合部１０４が溶融することを防止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉛を含まない接合材料を用いた接合構造体の製造方法に関するものであり、より詳細には、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＮ等の半導体素子と電極とを接合したパワー半導体モジュールの接合構造体の製造方法に関するものである。
パワー半導体モジュールの分野においては、より高出力に対応することができるモジュールが強く望まれている。
近年、パワー半導体モジュールに用いられているＳｉ素子に代わって、ＳｉＣやＧａＮを半導体素子として用いたパワー半導体モジュールが注目を浴びつつある。ＳｉＣ、ＧａＮはＳｉに比べて単位面積あたりに投入できる電流量も大きく、パワー半導体モジュールの小型化、高出力化を担う重要なデバイスとして期待されている。
一方、パワー半導体モジュールは、投入される電流量が増大するほど、半導体素子自体の発熱温度が上昇する性質を有する。例えば、Ｓｉでは投入電流量５０ｍＡ／ｃｍ２未満で使用され、半導体素子自体が１５０℃程度に発熱するのに対して、ＳｉＣ、ＧａＮでは投入電流量５０ｍＡ／ｃｍ２以上で使用され、半導体素子自体が４００℃程度に発熱することが知られている。その為、半導体素子と電極とを接合する接合材料には使用時の半導体素子に対する耐熱性が求められる。
現在、融点が高く加えて環境へも配慮したＰｂを含まない接合材料としてＢｉまたはＺｎを含む接合材料が検討されている。濡れ性や接合のしやすさなどを考慮すれば、Ｂｉを９０重量％以上含む接合材料（以降「Ｂｉを主成分とする接合材料」とする。例えばＢｉ―２．５重量％Ａｇ 融点２６２℃）が、１５０℃程度に発熱する半導体素子と電極とを接合する接合材料として適していると考えられている（特許文献１参照）。
図６は、特許文献１に記載された従来の製造方法により形成された接合構造体の断面図である。電極６０１上に表面処理層６０５を設け、その上にＢｉを主成分とする接合材料６０２を塗布し、その上に半導体素子６０３を載置して、パワー半導体モジュール６０４を形成している。
特開２００７−２８１４１２号公報
しかしながら、従来の製造方法で形成されたパワー半導体モジュール６０４では、ＳｉＣやＧａＮを半導体素子６０３として用いた場合は、投入電流量により半導体素子６０３が発熱すると、半導体素子６０３の発熱が接合材料６０２に放熱され、その熱により融点２６２℃以上に温度上昇し、接合材料６０２が溶融する可能性が生じる。そこでパワー半導体モジュール６０４の使用時に接合材料６０２が溶融すると、短絡、断線、あるいは電気特性の変化が生じて最終製品に不良が生じる可能性がある。
従って、パワー半導体モジュール６０４の使用時に投入する電流量は、接合材料６０２の融点以上に半導体素子６０３が発熱しないように制限する必要が生じ、前記特許文献１に記載の接合構造体では、接合材料６０２の耐熱性を向上しなければならないという課題を有している。
本発明は、従来の課題を解決する接合構造体の製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の接合構造体の製造方法は、直径ＤのＢｉ球の周囲に厚みＬのＮｉをコーティングしたはんだボールを加熱された電極上に載置し、前記はんだボールのＤとＬは、０．０２２≦Ｌ／Ｄ≦０．０３９の関係を有し、前記はんだボールが前記電極上に濡れ拡がり、接合部を形成した後、前記接合部の上に半導体素子を載置し、前記電極と接合させたことを特徴とする。
本発明の接合構造体は、接合部中にＢｉとＮｉとで構成されるＢｉ系金属間化合物を６０％以上１００％以下含有し、分散していることを特徴とする。
以上のように、本発明の接合構造体の製造方法によれば、Ｂｉ球の周囲にＮｉをコーティングしたはんだボールを加熱された電極上に載置し、はんだボールが電極上に濡れ拡がり、発熱温度４００℃以下の半導体素子の放熱に耐えうる接合部を形成することができる。また本発明の接合構造体によれば、接合部にＢｉ系金属間化合物が存在することにより、接合部の接合材料の溶出を抑制することが可能である。
本発明の実施の形態１における接合構造体の製造方法により形成される接合構造体の断面図 本発明の実施の形態１における接合構造体の製造方法の工程図 はんだボールのＮｉめっき厚みと接合部のＢｉ系金属間化合物の割合の関係を示した図 従来の接合構造体と本発明の接合構造体の断面図 Ｎｉめっき厚とＢｉ系金属間化合物の割合を示した図 従来の製造方法により形成された接合構造体の断面図
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における接合構造体の製造方法により形成される接合構造体の断面図である。図１（ａ）は、パワー半導体モジュールが基板に実装された模式図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）の点線で囲まれた領域Ａを拡大した接合構造体の図である。
図１（ａ）において、パワー半導体モジュール１００は基板１０１に実装されており、パワー半導体モジュール１００内部については、半導体素子１０２と電極１０３を含む領域Ａを拡大した図１（ｂ）を用いて説明する。図１（ｂ）において、接合構造体１０７は、接合材料との濡れ性を確保するためにＡｇを用いた表面処理層１０６が成膜された電極１０３と、半導体素子１０２との間にＢｉとＮｉとで構成されるＢｉ系金属間化合物１０５が分散した接合部１０４が形成されている。
次に本発明の実施の形態１における接合構造体の製造方法について図２を用いて説明する。図２は、本発明の実施の形態１における接合構造体の製造方法の工程図である。図２（ａ）は、電極１０３上にはんだボール２００を載置する工程である。電極１０３は、Ｃｕ合金で構成され、接合材料との濡れ性を確保するために電極１０３の接合材料側に表面処理層１０６としてＡｇを１μｍの厚みで電解めっき法により成膜している。表面処理層は接合材料との濡れ性が良い金属であるＡｕ、Ｎｉ、Ｐｄを用いてもよく、成膜方法も電解めっき法に限らず蒸着法、無電解めっき法等を用いても良い。
はんだボール２００は、直径１．０ｍｍのボール状のＢｉ２０１の周囲全体をバレルめっき法によりＮｉをコーティングしてＮｉめっき２０２を形成している（任意の４点の平均Ｎｉ膜厚約２２μｍ〜３９μｍ）。
尚、電極１０３上にはんだボール２００を載置する工程は、はんだの酸化防止及び電極表面の酸化膜の還元のため水素を５％含む窒素雰囲気中で電極１０３をＢｉ２０１の融点２７１℃以上の３００℃に加熱し、その後電極１０３上にはんだボール２００を載置し押圧する。はんだボール２００を載置する際の押し圧は、図２（ｂ）に示すように電極１０３とはんだボール２００の接触部で、はんだボール２００のＮｉめっき２０２の一部に亀裂が生じ、内部より溶融状態のＢｉ２０１が溶出する必要があり、本発明の実施の形態１では１００ｇｆの押し圧で行った。
図２（ｃ）は載置したはんだボール２００を電極１０３に対して濡れ拡がらせる工程である。この工程は、はんだボール２００が電極１０３上で平面方向の半導体素子１０２のサイズ以上電極１０３サイズ以下で濡れ広げるようにすることにより、接合後の接合部１０４の未充填を防ぐために行っている。ここでは、一例として半導体素子１０２の大きさは４．５ｍｍ×３．５ｍｍ、電極１０３の表面積は５ｍｍ×４ｍｍ、接合部の厚さは２０〜５０μｍとした。
本発明実施の形態１では、水素を５％含む窒素雰囲気中で電極１０３の加熱を（ａ）（ｂ）から維持した状態で、はんだボール２００との相溶性のないＳＵＳ製のツール２０３によりはんだボール２００を平面方向の半導体素子１０２及び電極１０３と同程度のサイズに濡れ拡がらせた。
ここで、はんだボール２００中のＢｉは溶融状態にあるため、周囲に存在したＮｉと拡散反応が起こり、図２（ｄ）のようにＢｉ３Ｎｉ（以下、Ｂｉ系金属間化合物１０５と呼ぶ）が形成し、分散した状態となる。
これは、はんだボール２００の外周にＮｉめっき２０２を同心円状に膜付けしている為、それらが図２（ｃ）のように溶融状態のＢｉの中に分散した形で拡がることによってＢｉ系金属間化合物を分散させることが可能になる（接合構造体の破断面の観察及びＸ線光電子分光装置による表面分析で確認することができる）。
図２（ｅ）は電極１０３に対して濡れ拡がった接合部１０４上に半導体素子１０２を載置する工程である。
半導体素子１０２は、Ｓｉで構成され、直径が６インチで厚みが０．３ｍｍのウエハから、４．５ｍｍ×３．５ｍｍの大きさで切り出されている。半導体素子１０２は、Ｓｉに限らずＧｅで構成されていても良く、さらに化合物半導体のＧａＮ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＳｉＣ、ＳｉＧｅ等で構成されていても良い。また、半導体素子１０２の大きさは、半導体素子の機能により、６ｍｍ×５ｍｍと大きいもの、あるいは３ｍｍ×２．５ｍｍ、２ｍｍ×１．６ｍｍ等の小さいものを用いても良い。半導体素子１０２の厚みは、半導体素子の大きさにより異なる場合もあり、０．３ｍｍに限らず、０．４ｍｍ、０．２ｍｍ、０．１５ｍｍ等のものを用いても良い。
本発明実施の形態１では、水素を５％含む窒素雰囲気中で電極１０３を３２０℃で加熱し、接合部１０４上に半導体素子１０２を載置し、載置した後に電極１０３を室温（約２５℃）まで冷却し、接合部１０４を凝固させることにより半導体素子１０２と電極１０３とを接合し、接合構造体１０７を製造した。
次に、前述の図２で示したＢｉ系金属間化合物１０５とＢｉ２０１により構成される接合部１０４中のＢｉ系金属間化合物１０５の含有量について説明する。図３は、はんだボール２００のＮｉめっき２０２の厚みと接合部１０４中のＢｉ系金属間化合物１０５の割合の関係を示している。ただし、接合部１０４中のＢｉ系金属間化合物１０５の割合は、接合構造体の破断面をＸ線光電子分光装置により表面分析を行い、接合材料の破断面全体に対して算出した。
図３より、本発明の実施の形態１では、はんだボール２００はボール状のＢｉの直径を１ｍｍで統一して使用している為、Ｎｉめっき２０２のめっき厚が厚いほど、接合後の接合部１０４中のＢｉ系金属間化合物１０５の割合が大きくなることがわかる。
次に、各種接合構造体において、半導体素子の発熱に対する接合部の耐熱試験を行った。耐熱試験の方法としては、接合構造体の平面方向の半導体素子Ｓｉと同じサイズの発熱体を半導体素子上面部（図１（ｂ）１０２ａ面）に２分間接触させた後の接合材料の溶出量を確認した。ここで、発熱体の発熱量については、１分後の発熱体表面温度が２８０，３４０，４００℃となるように設定し、その後１分間保持した。
上記発熱体表面温度の設定理由を説明する。２８０℃に関しては、Ｂｉ単体の融点が２７１℃であることにより、融点プラス約１０℃の２８０℃に対する接合部の耐熱温度を確認する目的とした。４００℃に関しては、前記背景技術において述べたようにＳｉＣ、ＧａＮの素子の発熱温度が４００℃程度に発熱することが知られているため、その４００℃に対する接合部の耐熱温度を確認する目的とした。最後に２８０℃と４００℃の中間温度として３４０℃を設定することにより、Ｂｉ系金属間化合物の割合と耐熱温度との傾向を確認する目的とした。
接合材料の溶出量は、次の数１により算出した。
Figure 2011151054
この式により算出された数値を濡れ拡がった割合とし、次のように記号で分類した。
Ａ＝０％の場合を記号◎、０＜Ａ≦１０の場合を記号○、１０＜Ａ≦２０の場合を記号△、２０＜Ａ場合を記号×とする。
ここで、本発明の実施の形態１では、接合部の耐熱性を確認する為、接合構造体に対する封止の工程は行っていないが、樹脂で封止することにより接合部の接合材料が溶出したとしても溶出量が少量であれば樹脂によって接合構造体の変形は抑制されると考えられる。
従って、上記判定基準において、０≦Ａ≦２０の場合つまりは記号◎、○、△を良品とした。
その結果を表１に示す。
Figure 2011151054
ここでは、はんだボール２００のボール状のＢｉの直径Ｄを１ｍｍとし、Ｎｉめっき２０２のめっき厚Ｌを１０〜３９μｍまでの１０種類のサンプルを準備した。各々のサンプルにおいては、前述したようにＮｉめっき２０２のめっき厚Ｌが厚いほど、接合後の接合部１０４中のＢｉ系金属間化合物１０５の割合が大きくなることからサンプル１では、２３０％、サンプル１０では１００％となった。また表１には、Ｌ／Ｄつまりボール状のＢｉの直径Ｄに対するＮｉめっきのめっき厚Ｌの割合も算出した。
表１により、２８０℃の発熱体を半導体素子上部に１分間接触させた後の接合材料は、何れのサンプルも接合材料の溶出は確認されなかった（記号◎）。つまりは、Ｎｉめっき２０２のめっき厚が薄いサンプル１においても、はんだボール２００のＮｉめっき２０２のめっき厚が１０μｍであれば接合材料の溶出は確認されなかった。
３４０℃、４００℃の発熱体を半導体素子上部に１分間接触させた後の接合部は、サンプル１では溶出量が多かった（記号×）ものの、接合部中のＢｉ系金属間化合物の割合が増大する程溶出量が減少していくことがわかる。
これは、接合部中において融点が４６０℃程度のＢｉ系金属間化合物の割合が多くなることで、Ｂｉの融点２７０℃以上に加熱されても非溶融状態のＢｉ系金属間化合物がＢｉの溶出経路を防ぎ、接合部を構成している接合材料の粘性が上がり接合構造体の変形が抑制されたことによるものであると考えられる。
これに関して、図４の従来の接合構造体と本発明の接合構造体の断面図により詳細に説明する。
図４の（ａ）従来の接合構造体では、半導体素子６０３の発熱が、図中矢印のように接合材料６０２に放熱され接合材料６０２がその熱による温度上昇し、溶融する可能性が生じるのに対して、図４の（ｂ）の本発明の接合構造体では、接合部１０４中に融点が４６０℃程度のＢｉ系金属間化合物１０５を分散させることで、半導体素子１０２の発熱が、図中矢印のように接合部１０４に放熱され接合部１０４がその熱による温度上昇し、接合部１０４の一部が溶融したとしても、非溶融状態のＢｉ系金属間化合物１０５が存在することにより接合部１０４を構成している接合材料の粘性が上がり、溶融状態のＢｉの溶出経路を防ぐことが可能になる。
また、サンプル１０では２８０℃、３４０℃、４００℃何れの発熱体を半導体素子上部に１分間接触させた後でも接合材料の溶出は確認されなかった（記号◎）。これは、接合部１０４中において融点が４６０℃程度のＢｉ系金属間化合物が全ての割合を占めることにより、溶出するＢｉが存在しないためである。
従って、本発明の実施の形態１におけるサンプル４から１０の、はんだボール２００のＮｉめっき２０２のめっき厚が２２μｍ以上、接合後の接合部１０４を構成する接合材料中のＢｉ系金属間化合物１０５の割合が６０％以上で、不可避的不純物を除き、Ｂｉ系金属間化合物１０５を構成するＢｉ以外のＢｉの割合が４０％以下の接合構造体（４００℃の発熱体１分接触後の接合材料の溶出量：△）であれば、パワー半導体モジュールの実使用時における半導体素子の発熱が４００℃程度まで投入電流量を上げて動作させることが可能であると考えられる。
望ましくは、本発明の実施の形態１におけるサンプル１０の、はんだボール２００のＮｉめっき２０２のめっき厚が３９μｍ、接合後の接合材料中１０４中のＢｉ系金属間化合物１０５の割合が１００％の接合構造体である。
図５はＮｉめっき厚とＢｉ系金属間化合物の割合を示した図である。実線、一点鎖線、破線はそれぞれ異なる径のＢｉボールの外周にＮｉをコーティングし、本発明実施の形態１の接合構造体の製造方法により製造した接合構造体中の接合部のＢｉ系金属間化合物の割合を理論値で算出した値である。
理論値の算出方法としては、Ｂｉ系金属間化合物１０５はＢｉ３Ｎｉであり、Ｂｉ原子とＮｉ原子が３：１の割合で結合している。このことから、ボール状のＢｉの直径Ｄ、周囲をコーティングするＮｉのめっき厚Ｌのバラつきが無いと仮定し、Ｂｉの直径、Ｎｉめっき厚からＢｉ、Ｎｉそれぞれの密度、原子量を用いて原子量比を計算し、Ｂｉ系金属間化合物（Ｂｉ３Ｎｉ）の生成割合を算出した。
また、図５のプロットは図３で説明したＮｉめっき厚とＢｉ系金属間化合物の割合を示しており、本発明実施の形態１におけるサンプル１〜１０の実測値となっている。
図５より、本発明実施の形態１のＢｉボール径１ｍｍの場合、理論値と実測値との誤差が３０％未満に収まっている為、フィッティングしていることがわかる。理論値と実測値が完全に同一とならないことに関してはボール状のＢｉの直径、周囲をコーティングするＮｉのめっき厚のバラつきに起因するものと考えている。
このことから、ボール状のＢｉの直径、周囲をコーティングするＮｉのめっき厚のバラつきを抑制することにより、接合構造体におけるＢｉ系金属間化合物と不可避不純物を除き残部のＢｉを所望の割合で得る為には、はんだボール２００のボール状のＢｉの直径Ｄ、及び、その周囲をコーティングするＮｉめっき２０２の厚みＬを設計することで可能となる。
具体的には、本発明実施の形態１では、直径が６インチで厚みが０．３ｍｍのウエハから、４．５ｍｍ×３．５ｍｍの大きさで切り出した半導体素子１０２に対して、Ｂｉボール径１ｍｍを検討したが、例えば、半導体素子１０２の大きさが、６ｍｍ×５ｍｍと大きいもの、あるいは３ｍｍ×２．５ｍｍ、２ｍｍ×１．６ｍｍ等の小さいものに対して、Ｂｉボール径２ｍｍ、０．５ｍｍを検討する場合、図５の破線、一点鎖線から、接合構造体におけるＢｉ系金属間化合物と不可避不純物を除き残部のＢｉを所望の割合で得る為のＮｉめっきの厚みを設計することが可能となる。
さらには、はんだボールも１つに限らず、２つ、３つと増やした場合もはんだボール中のＢｉの直径及び外周をコーティングするＮｉめっきの厚みを適切に設計することにより、接合構造体におけるＢｉ系金属間化合物と不可避不純物を除き残部のＢｉを所望の割合で得ることが可能になる。
かかる構成によれば、接合部を構成する接合材料中にＢｉ系金属間化合物を分散させ、それにより接合部の耐熱性を向上させることができる。よってパワー半導体モジュールの使用時における半導体素子の発熱に応じて、Ｂｉ系金属間化合物の含有量を増大させることにより、半導体素子の発熱温度が４００℃程度まで投入電流量を上げて動作させることが可能である。
例えば表１の結果から半導体素子の発熱温度が４００℃の場合、はんだボールのＢｉ球の直径Ｄと外周をコーティングするＮｉめっきの厚みＬを０．０２２≦Ｌ／Ｄ≦０．０３９で設定することにより、接合材料中のＢｉ系金属間化合物の含有の割合を６０％以上とし、接合部の耐熱性を向上させることにより、半導体素子の発熱温度が４００℃程度まで投入電流量を上げて動作させることが可能である。
本発明の接合構造体の製造方法は、パワー半導体モジュールの使用時における接合部を構成する接合材料の溶融は、Ｂｉ系金属間化合物により防ぐことができることからパワー半導体、大電力トランジスタ等の半導体パッケージの用途に適用できる。
１００ パワー半導体モジュール
１０１ 基板
１０２ 半導体素子
１０３ 電極
１０４ 接合部
１０５ Ｂｉ系金属間化合物
１０６ 表面処理層
１０７ 接合構造体
２００ はんだボール
２０１ Ｂｉ
２０２ Ｎｉめっき
２０３ ツール
６０１ 電極
６０２ 接合材料
６０３ 半導体素子
６０４ パワー半導体モジュール
６０５ 表面処理層

Claims (2)

  1. 直径ＤのＢｉ球の周囲に厚みＬのＮｉをコーティングしたはんだボールを加熱された電極上に載置し、
    前記はんだボールのＤとＬは、０．０２２≦Ｌ／Ｄ≦０．０３９の関係を有し、
    前記はんだボールが前記電極上に濡れ拡がり、接合部を形成した後、
    前記接合部の上に半導体素子を載置し、
    前記電極と接合させたことを特徴とする接合構造体の製造方法。
  2. 電極と半導体素子との接合部中に、ＢｉとＮｉとで構成されるＢｉ系金属間化合物を
    ６０％以上１００％以下含有し、分散していることを特徴とする接合構造体。
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