JP2013243246A - 半導体素子の接合構造体と製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子使用時の２５０℃程度の発熱による熱応力に対しても耐熱性が優れ、また半導体素子と電極とを品質良く接合する接合構造体を提供すること。
【解決手段】 基板に形成される電極１０３と、電極１０３に対向して配置された半導体素子１０２と、電極１０３と半導体素子１０２との間に形成され、半導体素子１０２および電極１０３を接合した接合部３０４とを備え、接合部３０４は、電極１０３の平面に垂直方向に積層された、基盤金属層１９５および基盤金属層１０５の両側に形成された金属間化合物層１０９−１、１０９−２を有し、少なくとも一方の金属間化合物層１０９−１の厚みは、接合部３０４の外縁部側の方が、中央部側より小さい半導体素子の接合構造体。
【選択図】図４

Description

本発明は、鉛を含まない接合材料を用いた接合構造体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や製造方法に関するものである。

半導体素子の接合構造体の従来例として、特許文献１に開示されているものがある。この先行接合構造体においては、ＳｎＣｕ化合物を接合材料として使用している。

図９は、特許文献１に記載された従来の接合構造体の断面図である。図９において、パワー半導体モジュール４０１は、パワー半導体素子４０２と電極４０３との間に接合部４０４を有する。この接合部４０４はＳｎＣｕ化合物を接合材料として用いている。

特開２００７−２７３９８２号公報

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の量も大きく、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、投入される電流の量が増大するほど、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では投入電流の量３０ｍＡ／ｃｍ^２程度で使用され、半導体素子自体が１５０℃程度に発熱するのに対して、ＳｉＣ、ＧａＮでは投入電流の量１００ｍＡ／ｃｍ^２程度で使用され、半導体素子自体が２５０℃程度に発熱することが知られている。

それにともない半導体素子の接合材料も、従来に比べ、高温に対応（高信頼性化）していく必要がある。

パワー半導体素子４０２の材料がＳｉＣの場合、熱膨張係数は、３〜４ｐｐｍ／℃である。一方、電極４０３の材料が銅（Ｃｕ）の場合、熱膨張係数は１７ｐｐｍ／℃となる。その結果、温度変化にともない、接合部４０４には応力が発生するが、ＳｉＣのパワー半導体モジュールについて、より高温での動作を考慮した場合、温度幅が大きくなるため、接合部４０４への応力負荷も大きくなる。これにより、繰り返し応力が発生すると接続部４０４が破壊され（クラックが発生し）、接続不良を起こす、あるいは熱抵抗が悪化するといった課題があった。

このような現象の原因について説明する。

まず、特許文献１のＳｎＣｕ化合物を接合材料とした場合、Ｓｎ系はんだ粉とＣｕ粉の混合粉をＳｎ系はんだ粉が溶融する温度まで加熱することによりＳｎＣｕ化合物を形成させるが、ＳｎＣｕ化合物形成の際の拡散反応による原子の移動は、ＣｕのＳｎに対する拡散速度の方が、ＳｎのＣｕに対する拡散速度よりも速い為、Ｃｕ粉の部分に原子欠損が生じる。この原子欠損が集積することでボイドが残存する。

一方、パワー半導体モジュール使用時の半導体素子の発熱によって生じる応力（以下、熱応力）の分布について、図９を用いて説明する。

パワーモジュール使用時の半導体素子の発熱によって生じる応力は、パワー半導体素子４０２、電極４０３、および接合部４０４の熱膨張係数の差によって生じる。特許文献１において接合部４０４を形成するＳｎＣｕ化合物の場合、熱膨張係数は１９ｐｐｍ／℃程度となる。従って、図９において最も熱応力が大きいのは、パワー半導体素子４０２と接合部４０４の接合界面と言える。つづいて、図１０に先行例におけるパワー半導体モジュール４０１の上面図を示す。熱応力はパワー半導体素子４０２の中心点から離れるほど大きくなる。従って、図１０において最も熱応力が大きいのは、パワー半導体素子４０２の角部と言える。

すなわち、パワー半導体モジュールにおいて、最も熱応力が大きい箇所（応力集中部）は、パワー半導体素子４０２と接合部４０４の接合界面かつ、パワー半導体素子４０２の角部となる。

以上のことから、接合部４０４中における、上述の応力集中部において、接合部４０４中に残存するボイドを起点としてクラックが発生することが、接続不良あるいは熱抵抗悪化の原因と推定できる。

そして、従来のＳｉの場合の半導体素子の１５０℃程度の発熱によって、パワー半導体素子４０２と接合部４０４の熱膨張係数の差から生じる熱応力では、接合部４０４中に残存するボイドの影響を受けないが、ＳｉＣ、ＧａＮの場合の半導体素子の２５０℃程度の発熱によって生じる熱応力では、接合部４０４中に残存するボイドを起点としてクラックが発生する。

従って、前記特許文献１の接合材料による接合構造体では、半導体素子の２５０℃程度の発熱によって生じる熱応力に対する接合部の耐熱性は不十分であるという課題を有している。

本発明は、従来のパワー半導体モジュールにおけるこのような課題を考慮し、半導体素子の使用時の２５０℃程度の発熱によって生じる熱応力に対しても耐熱性が優れ、また、半導体素子と電極とを品質良く接合し接合信頼性の高い、半導体素子の接合構造体、製造方法を提供することを目的とする。

第１の本発明は、
基板に形成される電極と、
前記電極に対向して配置された半導体素子と、
前記電極と前記半導体素子との間に形成され、前記半導体素子および前記電極を接合した接合部とを備える半導体素子の接合構造体であって、
前記接合部は、前記電極の平面に垂直方向に積層された、基盤金属層および前記基盤金属層の両側に形成された金属間化合物層を有し、
少なくとも一方の前記金属間化合物層の厚みは、前記接合部の外縁部側の方が、中央部側より小さいことを特徴とする、半導体素子の接合構造体である。

第２の本発明は、
前記一方の前記金属間化合物層は、前記半導体素子側に積層された金属間化合物層であることを特徴とする、第１の本発明の半導体素子の接合構造体である。

第３の本発明は、
前記接合構造体を上面視した形状において、
前記接合部の平面形状の四つの角部はＲ形状を有し、
前記接合部の一つの角部から、前記一つの角部と最も近い前記半導体素子の角部までの距離が、前記接合部の一つの辺から、前記一つの辺と最も近い前記半導体素子の一辺までの距離よりも短いことを特徴とする、第１の本発明の半導体素子の接合構造体である。

第４の本発明は、
前記半導体素子の外縁部は、前記金属間化合物層の厚みが、前記接合部の外縁部に向かうにしたがって小さくなる前記金属間化合物層の部分の上に配置されていることを特徴とする、第１の本発明の半導体素子の接合構造体である。

第５の本発明は、
前記接合部の前記金属間化合物層は、前記接合部の外縁部に向かうにしたがってその厚みが小さくなる部分と、その厚みが均一な中央部との間に、最も厚みが厚い最厚部が形成されていることを特徴とする、第１の本発明の半導体素子の接合構造体である。

第６の本発明は、
基盤金属層の両側に、第１金属層をそれぞれ形成し、さらに各前記第１金属層の外側に、前記第１金属層と金属間化合物を形成できる第２金属層をそれぞれ成膜することによって、多層膜を形成する多層膜形成工程と、
前記多層膜をパンチ加工によって打ち抜き、平坦化することによって、接合材料を得る接合材料形成工程と、
電極と半導体素子とを、前記接合材料により接合することによって、前記電極と、前記半導体素子と、それら電極と半導体素子とを接合している接合部とを有する接合構造体を得る接合工程と、を備え、
前記接合構造体の前記接合部は、前記電極の平面に垂直方向に積層された、前記基盤金属層および前記基盤金属層の両側に形成された金属間化合物層を有し、
少なくとも一方の前記金属間化合物層の厚みは、前記接合部の外縁部側の方が、中央部側より小さいことを特徴とする、半導体素子の接合構造体の製造方法である。

以上のように、本発明によれば、半導体素子の使用時の２５０℃程度の発熱によって生じる熱応力に対しても耐熱性が優れ、また、半導体素子と電極とを品質良く接合し接合信頼性の高い、半導体素子の接合構造体を実現できる。

本発明の実施の形態における、半導体素子の接合構造体の断面図 本発明の実施の形態における、多層膜の断面図 本発明の実施の形態における、打ち抜き後の接合材料の断面図 本発明の実施の形態における、図２（ｂ）の領域Ａの拡大断面図 本発明の実施の形態における、図２（ｂ）の領域Ａの平坦化された後の拡大断面図 本発明の実施の形態における、電極に接合材料を載せている、半導体素子の接合構造体の製造工程を示す断面フロー図 本発明の実施の形態における、接合材料に半導体素子を載せている、半導体素子の接合構造体の製造工程を示す断面フロー図 本発明の実施の形態における、加熱後冷却して金属間化合物を形成している、半導体素子の接合構造体の製造工程を示す断面フロー図 本発明の実施の形態における、ボイド残存領域を示す、半導体素子の接合構造体の断面図 本発明の実施の形態における、突起部の存在位置を示すための、半導体素子の接合構造体の断面図 本発明の実施の形態における、突起部の存在位置を示すための、半導体素子の接合構造体の断面図 本発明の実施の形態における、角部、辺部を示すための、半導体素子の接合構造体の上面図 本発明の実施の形態における、角部における、半導体素子および接合部の断面図 本発明の実施の形態における、辺部における、半導体素子の接合構造体の断面図 本発明の実施の形態における、突起部と半導体素子との位置関係を示すための、半導体素子および接合部の断面図 本発明の実施の形態における、突起部と半導体素子との位置関係を示すための、半導体素子および接合部の断面図 本発明の実施の形態における、突起部と半導体素子との位置関係を示すための、半導体素子および接合部の断面図 本発明の実施の形態における、最厚部におけるボイド残存領域を説明するための、半導体素子および接合部の断面図 従来の半導体素子の接合構造体の断面図 従来の半導体素子の接合構造体の上面図

以下に本発明の実施の形態にかかる接合構造体と、その製造方法について、図面を参照しながら説明する。以下の図面においては、説明の簡潔化のため、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の参照符号で示す。

図１は、本発明の実施の形態の接合構造体の断面図であって、パワー半導体モジュール９９が基板１０１に実装された模式図である。半導体素子１０２が接合部３０４により、電極１０３に接合されて、接合構造体を形成している。

次に、図２を用いて、接合材料２０４について説明する。まず、図２（ａ）を用いて、多層膜１０４の形成工程について説明する。はじめに、基盤金属層１０５として厚みが５０μｍの箔状のＡｌ層を用意する。この箔状のＡｌ層１０５の両面に、中間層１０６−１、１０６−２として、置換めっき法によりＺｎを０．５μｍ成膜する。

箔状のＡｌ層１０５は、加工性に優れていることから本接合材料に適用している。Ｚｎよりなる中間層１０６−１、１０６−２は、中間層１０６−１、１０６−２の外側に形成される第１金属層１０７−１、１０７−２と、上記Ａｌ層１０５との密着性を確保する目的で成膜している。

次に、中間層１０６−１、１０６−２の外側（Ａｌ層１０５に接した面の反対側）に、第１金属層１０７−１、１０７−２として、電解めっき法によりＣｕを３μｍ成膜する。

第１金属層１０７−１、１０７−２の材料としては、そのさらに外側に成膜する第２金属層１０８−１、１０８−２と金属間化合物を形成できる材料を用いている。

さらに、第１金属層１０７−１、１０７−２の外側に第２金属層１０８−１、１０８−２として、Ｓｎを電解めっき法により３μｍ成膜する。

Ｓｎよりなる第２金属層１０８−１、１０８−２は、溶融時に接合対象である電極１０３を濡れさせること、第１金属層１０７−１、１０７−２と拡散反応を起こし、金属間化合物を形成させることを目的として成膜している。このようにして多層膜１０４を形成する。

次に、このような多層膜を加工して接合材料２０４を得る接合材料形成工程について説明する。以上のような多層膜１０４を、図２（ｂ）に示す様に、パンチ加工にて４ｍｍ×４ｍｍのサイズに打ち抜き、接合材料２０４を得る。ここで得た接合材料２０４の外縁部である領域Ａを模式的に拡大した図を図２（ｃ）に示す。

パンチ加工による打ち抜きは、図２（ｃ）に示すように、打ち抜いた接合材料２０４の外縁部に突起部２１２を形成することを目的として実施している。

なお、図示はしていないが、図２（ｂ）の領域Ａ以外の接合材料２０４の外縁部も同じ突起部２１２が形成されている。

最後に、打ち抜いた接合材料２０４を、精密バイスを用いて押しつぶすことで平坦化する。

精密バイスによる平坦化は、図２（ｄ）に示すように、パンチ加工により打ち抜いた接合材料２０４の外縁部に出来た突起部２１２を押しつぶし、半導体との接合面を平坦化して、平坦化した突起部２１３を形成する目的で実施している。なお、図２（ｂ）、（ｃ）、（d）中で、図２（ａ）と同一の符号のものは同じ機能の構成要素である。

次に、本発明の実施の形態における接合構造体の製造工程（接合工程）を、図１中の接合構造体１００を模式的に拡大した図である図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の製造工程フロー図に従って説明する。図１、図２の符号と同一の図３中の符号に関しては、同じ機能の構成要素を表す。また、図３中には上述した突起部２１２は特に表してはいない。

先ず、製造工程の概略を説明する。電極１０３上に、上述した突起部２１２を有する接合材料２０４を載置し、所望の形態で、電極１０３上の電極表面処理層１１０に、接合材料２０４の第２金属層１０８−２のＳｎを濡れ拡がらせ（図３（ａ））、その上に、半導体素子１０２を載置し（図３（ｂ））、半導体素子１０２と接合部３０４の界面或いは電極１０３と接合部３０４の界面において、金属間化合物１０９−１、１０９−２を形成した状態で接合するものである（図３（ｃ））。

次に、さらに具体的な工程を説明する。

まず、図３（ａ）に示すように、電極１０３上に接合材料２０４を載置する。ここでの電極１０３は、Ｃｕで構成している。上述のような工程により製造した接合材料２０４を、水素５％を含む窒素雰囲気中で２５０℃に加熱した状態の電極１０３上に、５０ｇｆ〜１５０ｇｆ程度の荷重で載置する（図３（ａ））。

ここで電極表面処理層１１０にＡｇを用いた場合は、第２金属層１０８−２と金属間化合物ＡｇＳｎ系化合物を形成し、電極１０３と接合材料２０４が接合される。

次に図３（ｂ）に示すように、接合材料２０４の上に半導体素子１０２を載置する。ここで半導体素子１０２はＳｉＣで構成され、直径が６インチで厚みが０．３ｍｍのウェハから、４ｍｍ×４ｍｍの大きさで切り出されている。尚、半導体素子１０２の裏面電極１１１は、最外層にＡｇを１μｍ形成させている。接合材料２０４の上に半導体素子１０２を載置する工程は、水素５％を含む窒素雰囲気中で、２５０℃に加熱した状態の電極１０３上の接合材料２０４の上に、半導体素子１０２を５０ｇｆ〜１５０ｇｆ程度の荷重で載置する。

それによって、Ａｇからなる裏面電極１１１は、Ｓｎからなる第２金属層１０８−１と金属間化合物ＡｇＳｎ系化合物を形成し、半導体素子１０２と接合材料２０４が接合される。

次に、半導体素子１０２を接合材料２０４に載置してから１０分保持させた後に、冷却する。図３（ｃ）はその冷却後の状態を示す。具体的には、水素５％を含む窒素雰囲気中で、電極１０３を２５０℃の等温加熱状態で約１０分保持した後、電極１０３を室温（約２５℃）まで自然冷却し、接合材料２０４を凝固させた。

これにより、接合材料２０４の第１金属層１０７−１のＣｕと第２金属層１０８−１のＳｎとの拡散反応、また、第１金属層１０７−２のＣｕと第２金属層１０８−２のＳｎとの拡散反応が起こり、金属間化合物１０９−１、１０９−２としてＣｕＳｎ系化合物が形成され、半導体素子１０２と電極１０３とが接合部３０４により接合されるている状態となる。

なお、上述したように、半導体素子１０２の裏面電極１１１のＡｇと、接合材料２０４の第２金属層１０８−１のＳｎとの拡散反応、さらに電極表面処理層１１０のＡｇと接合材料２０４の第２金属層１０８−２のＳｎとの拡散反応によっても金属間化合物を形成するが、ここでは裏面電極１１１、電極表面処理層１１０の厚みが１μｍと薄いことから、金属間化合物１０９−１、１０９−２は、接合材料２０４の第１金属層１０７−１のＣｕと第２金属層１０８−１のＳｎ、また、第１金属層１０７−２のＣｕと、第２金属層１０８−２のＳｎとの拡散反応により形成される金属間化合物が主体となっている。

具体的には、図３（ａ）の、電極１０３上に接合材料２０４を載置する工程において、電極表面処理層１１０のＡｇと、第２金属層１０８−２のＳｎとの拡散反応によって、ＡｇＳｎ系化合物が形成され、図３（ｂ）の、接合材料２０４の上に半導体素子１０２を載置する工程において、裏面電極１１１のＡｇと第２金属層１０８−１のＳｎとの拡散反応によって、ＡｇＳｎ系化合物が形成されるが、図３（ｃ）の、半導体素子１０２を接合材料２０４に載置して１０分保持させた後に冷却する工程で、第１金属層１０７−１、１０７−２のＣｕと第２金属層１０８−１、１０８−２のＳｎとの拡散反応によって形成するＣｕＳｎ系化合物が、金属間化合物１０９−１、１０９−２の主体を占める。

このことから、後述の金属間化合物１０９−１、１０９−２に関しては、接合材料２０４の第１金属層１０７−１と第２金属層１０８−１との拡散反応、また、第１金属層１０７−２と第２金属層１０８−２との拡散反応により形成する、金属間化合物に関して説明する。

このようにして製造された、本実施の形態の接合構造体は、図４に示すように、電極１０３と、電極１０３に対向して配置される半導体素子１０２と、電極１０３と半導体素子１０２との間に形成され、半導体素子１０２および電極１０３を接合する接合部３０４とを備え、その接合部３０４は、Ａｌ層１０５と、Ａｌ層１０５の両面に形成された金属間化合物層１０９−１、１０９−２とを有し、半導体素子１０２寄りの金属間化合物層１０９−１は、金属間化合物層の厚みが、接合部３０４の外縁部に向かうにしたがって、ほぼ小さくなる配置で状態で、電極１０３の平面に垂直方向に積層された、半導体素子の接合構造体となる。なお、図８に示すように、接合部３０４の外縁部に向かうにしたがって、一部大きくなる部分２１４もある。

次に、本実施の形態における信頼性向上効果について説明する。

本実施の形態について行った試験例では、接合構造体を組み立て（ワイヤ、ボンディング、封止）まで実施し、低温側が−４０℃、高温側が１２５℃の温度サイクル試験３００サイクル後に製品を超音波映像で観察し、接合構造体の接合部のクラック、剥離の欠陥を判定し、接合部の表面積に対して欠陥が２０％未満の製品歩留まり（Ｎ数＝２０）を算出した。製品歩留まりの判定は、８０％以上を良品とした。

比較例は、従来の接合構造体により製造した製品であり、Ｓｎ系はんだ材料とＣｕの混合粉を用いることにより、ＣｕＳｎ系化合物を形成させ、厚み５０μｍの接合部とした。

比較例の場合、温度サイクル試験の製品歩留まりが２０％であるのに対して、本実施の形態の接合構造体の温度サイクル試験の製品歩留まりは１００％であり、接合構造体の接合面積が確保されていることを確認した。

比較例と本実施の形態で、温度サイクル試験の製品歩留まりに差が生じたことの原因としては、接合部中のボイドの残存に起因するものと考えられる。つまり、比較例では、温度サイクル試験中に生じる熱応力によって、接合部の応力集中部に存在するボイドを起点としたクラック、剥離が発生したのに対して、本実施の形態では応力集中部におけるボイドの残存を抑制することにより、接合部のクラック、剥離の発生を防止できているものと考えられる。

以下に、その応力集中部におけるボイド残存の抑制メカニズムについて説明する。

まず、上述した比較例におけるボイドの残存について、図９を用いて説明する。比較例においては、Ｓｎ系はんだ粉とＣｕ粉の混合粉を用い、Ｓｎ系はんだ粉が溶融する温度まで加熱することによりＳｎＣｕ化合物を形成させるが、ＳｎＣｕ化合物形成の際の拡散反応による原子の移動は、ＣｕのＳｎに対する拡散速度の方が、ＳｎのＣｕに対する拡散速度よりも速い為、Ｃｕ粉の部分に原子欠損が生じる。この原子欠損が集積することでボイドが生じる。上述した比較例においては、金属間化合物化前のＳｎ系はんだ粉とＣｕ粉の混合粉中には、Ｃｕ粉が偏りなく存在しており、その為、金属間化合物化した接合部４０４中には偏りなくボイドが分布する。

一方、上述した本実施の形態におけるボイドの残存について、図４を用いて説明する。なお、図１、図２、図３、の符号と同一の図４中の符号に関しては、同じ機能を有する構成要素である。本実施の形態における接合材料２０４の形状では、上述したように、図２（ｄ）に示すように、接合材料２０４の外縁部Ｂにおいて平坦化した突起部２１３を形成しており、接合材料２０４の中心部Ｃと比べて、外縁部Ｂにおいては、第１金属層１０７−１（Ｃｕ）が薄く存在している。これにより、図３（ｃ）の工程において、第１金属層１０７−１のＣｕと第２金属層１０８−１のＳｎとの拡散反応が起こる際に、第２金属層１０８−１のＳｎ中に拡散する第１金属層１０７−１のＣｕが少なく、接合材料２０４の外縁部Ｂにおける第１金属層（Ｃｕ）に発生する原子欠損が微量となる（図２（ｂ）参照）。その結果、第１金属層１０７−１のＣｕと第２金属層１０８−１のＳｎとで形成される金属間化合物層１０９−１の、接合部３０４の外縁部Ｂ’におけるボイドの残存は抑制され、接合部３０４中のボイドの残存は、図４に示すようなボイド残存領域３１６に分布することになる。

なお、電極１０３寄りでは、第１金属層１０７−２（Ｃｕ）はそれほど薄くはなっておらず、半導体素子１０２よりのような偏りが生じていないので、図４に示すように、電極１０３寄りの金属間化合物層１０９−２におけるボイドの残存は中央部Ｃ’に偏らない。ここで、後述するように、応力集中は、半導体素子１０２側の界面で大きく生じるので問題は無い。

次に、接合材料の載置方向について説明する。

半導体素子１０２の材料がＳｉＣの場合、熱膨張係数は、３〜４ｐｐｍ／℃である。一方、電極１０３の基材がＣｕである場合、熱膨張係数は１７ｐｐｍ／℃となる。また、上述した本実施の形態における接合部３０４の場合、熱膨張係数は１９ｐｐｍ／℃となる。熱応力は、熱膨張係数の差が大きいほど、大きくなる。従って、上述した本実施の形態においては、接合部３０４と半導体素子１０２の接合界面Ｄに生じる熱応力の方が、接合部３０４と電極１０３の接合界面Ｅに生じる熱応力よりも大きい。したがって、接合材料２０４の載置方向について図５に模式的に示すように、接合材料２０４の外縁部に形成した平坦化した突起部２１３を、図５（ｂ）のように電極側に向けるのではなく、図５（ａ）のように、半導体素子側に向けて接合した方が、より耐熱性が高まることになる。なお、図１、図２、図３、図４の符号と同一の、図５中の符号に関しては、同一の機能を持つ構成要素である。

次に、角部における接合材料の形状上の特徴と効果について説明する。

図１，図２、図３、図４、図５の符号と同一の、図６中の符号に関しては、同一の機能を持つ構成要素である。まず、接合構造体１００の上面視を示した、図６（ａ）を用いて説明する。図中、電極１０３は図示していない。パンチ加工により打ち抜いて形成した接合材料２０４は、角にＲ形状を有する。Ｒ形状とは、半径の寸法がＲである円の２本の半径と、その間にある円弧によって囲まれた中心角が９０°の扇形となる形状である。その為、半導体素子１０２を接合材料２０４に載置する場合、接合材料２０４の角に有するＲ形状の頂点と半導体素子１０２の角の頂点を位置合わせした状態で接合する。

つづいて、図６（ａ）における、角部３１４の半導体素子１０２に対して垂直方向断面かつ半導体素子１０２と接合部３０４の接合界面近傍の模式図（角部）を図６（ｂ）に、辺部３１５の半導体素子１０２に対して垂直方向断面かつ半導体素子１０２と接合部３０４の接合界面近傍の模式図（辺部）を図６（ｃ）に示す。半導体素子１０２の角から、接合部３０４の角までの距離ｘ（図６（ｂ））は、半導体素子１０２の辺から、接合部３０４の辺までの距離ｙ（図６（ｃ））よりも短くなる。

これによって、接合部３０４中の外縁部に有する平坦化した突起部２１３の効果により接合部３０４中のボイドの残存が抑制される程度は、半導体素子１０２の直下の部分で比較すると、半導体素子使用時の熱応力が最大となる半導体素子１０２の角部３１４において、半導体素子１０２の辺部３１５よりも大きく抑制される。

従って、本実施の形態において、接合構造体の応力集中部におけるボイド残存の抑制によるクラック防止効果は、図６（ｂ）の距離ｘが図６（ｃ）の距離ｙと等しい場合よりも高まる。

次に、半導体と接合材料の大小関係について説明する。

図７は、図６（ａ）における、角部３１４の半導体素子１０２に対して垂直方向断面かつ半導体素子１０２と接合部３０４の接合界面近傍の模式図である。なお、図１，図２、図３、図４、図５、図６の符号と同一の、図７中の符号に関しては、同一の機能を持つ構成要素である。

図７（ａ）のように、半導体素子１０２の外縁部Ｆが、接合部３０４の平坦化した突起部２１３の領域内に無い場合、接合部３０４のボイドの残存が抑制され、クラックの起点が存在しない平坦化した突起部２１３の領域内に、半導体素子使用時の応力集中部がなく、クラック防止効果が薄まる。

一方、図７（ｂ）のように、半導体素子１０２の外縁部Ｆが、接合部３０４の平坦化した突起部２１３の領域内から外側にはみ出している場合、半導体素子１０２と接合材料２０４の接合プロセスにおける荷重により、半導体素子が破壊する可能性が高くなる。

つまり、本実施の形態において設けた、接合材料２０４の平坦化した突起部２１３によるクラックの発生防止効果は、図７（ｃ）のように、半導体素子１０２の外縁部Ｆが、接合部３０４の平坦化した突起部２１３の領域内に有る場合に最も高くなる。

次に、突起部の根本形状によるボイド発生位置の制御について説明する。

図８に示す、図６（ａ）における、角部３１４付近における、半導体素子１０２に対して垂直方向断面かつ半導体素子１０２と接合部３０４の接合界面近傍の模式図を用いて説明する。図１，図２、図３、図４、図５、図６、図７の符号と同一の、図８中の符号に関しては、同一の機能を持つ構成要素である。

本実施の形態における接合部３０４の外縁部Ｂ’に設けた平坦化した突起部２１３の根本部分Ｇにおいて、接合部３０４の中央部Ｃ’と比較して、基盤金属層１０５が薄く、金属間化合物層１０９−１が厚い箇所（最厚部２１４）が存在する。これは、多層膜１０４をパンチ加工した上で、精密バイスにより平坦化を行ったことで形成されている。この形状により、金属間化合物層１０９−１の形成時に残存するボイドは、接合部３０４の中央部Ｃ’におけるボイド残存領域３１７と比べて、半導体素子１０２と接合部３０４の接合界面Ｄから離れた位置（最厚部におけるボイド残存領域３１８）、つまり、より内側（図８では下側）となる。

なお、ボイドが残存する場所が、接合界面Ｄから離れた位置、つまり図８のように下のほうに形成される理由は、ＳｎＣｕ化合物形成の際の拡散反応による原子の移動は、ＣｕのＳｎに対する拡散速度の方が、ＳｎのＣｕに対する拡散速度よりも速い為、Ｃｕ粉の部分に原子欠損が生じるが、接合材料２０４ではそのＣｕの層１０７−１、１０７−２の方が、Ｓｎの層１０８−１、１０８−２より内側に、すなわち、図８では、下側に配置されていた結果である。

熱応力は、半導体素子１０２と接合部３０４の接合界面Ｄ付近が最も大きく、接合界面Ｄから離れるほど小さくなる。従って、本形状によって、接合部３０４の外縁部近傍におけるクラックの防止効果が得られ、接合部３０４における平坦化した突起部２１３によるクラック防止効果に加えて、接合部３０４の接合信頼性向上に寄与している。

かかる本発明の実施の形態の構成によれば、電極の面に垂直方向に積層された、箔状の基盤金属層の外側に複数の金属層を有し、かつ外縁部に突起部を形成した接合材料により、半導体素子と電極とを接合することで、パワー半導体モジュールの実使用時における熱応力によるクラックの発生を防止することが可能となり、半導体素子と電極とを品質良く接合して接合信頼性を上げることができる。

なお、本発明の上述した実施の形態では、接合材料の基盤金属層としてＡｌ箔を使用したが、外縁部の突起部を安定して形成できる金属であれば良い。

本発明の上述した実施の形態では、めっきにより多層膜化した接合材料をパンチにより打ち抜くことで、外縁部の突起部を形成したが、そのような形状を安定して形成できる方法であれば良く、例えばエッチング法などを用いても良い。その場合は、エッチングによって基盤金属層の外縁部に突起形状を形成した後、中間層をめっきする。続いて、再びエッチングによって外縁部において、中間層が薄くなるように加工する。更に、めっきとエッチングの工程を繰り返すことによって、第１金属層、第２金属層についても、所望の形状を形成し接合材料を得ることが出来る。

本発明の上述した実施の形態では、精密バイスを用いて平坦化を行ったが、形状を安定して形成できる方法であれば良く、例えば油圧プレスなどでも良い。

本発明によれば、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によって生じる応力による接合部の破壊を防止し、半導体素子と電極とを品質良く接合して接合信頼性を上げることができることから、パワー半導体モジュール、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。

９９ パワー半導体モジュール
１００ 接合構造体
１０２ 半導体素子
１０３ 電極
１０４ 多層膜
１０５ 基盤金属層
１０６−１ 中間層
１０６−２ 中間層
１０７−１ 第１金属層
１０７−２ 第１金属層
１０８−１ 第２金属層
１０８−２ 第２金属層
１０９−１ 金属間化合物層
１０９−２ 金属間化合物層
１１０ 電極表面処理層
１１１ 裏面電極
２０４ 接合材料
２１２ 突起部
２１３ 平坦化した突起部
２１４ 最厚部
３０４ 接合部
３１４ 角部
３１５ 辺部
３１６ ボイド残存領域
３１７ 中央部におけるボイド残存領域
３１８ 最厚部におけるボイド残存領域
４０１ パワー半導体モジュール
４０２ パワー半導体素子
４０３ 電極
４０４ 接合部
４１９ ボイド残存領域

Claims (6)

1. 基板に形成される電極と、
   前記電極に対向して配置された半導体素子と、
   前記電極と前記半導体素子との間に形成され、前記半導体素子および前記電極を接合した接合部とを備える半導体素子の接合構造体であって、
   前記接合部は、前記電極の平面に垂直方向に積層された、基盤金属層および前記基盤金属層の両側に形成された金属間化合物層を有し、
   少なくとも一方の前記金属間化合物層の厚みは、前記接合部の外縁部側の方が、中央部側より小さいことを特徴とする、半導体素子の接合構造体。
2. 前記一方の前記金属間化合物層は、前記半導体素子側に積層された金属間化合物層であることを特徴とする、請求項１に記載の半導体素子の接合構造体。
3. 前記接合構造体を上面視した形状において、
   前記接合部の平面形状の四つの角部はＲ形状を有し、
   前記接合部の一つの角部から、前記一つの角部と最も近い前記半導体素子の角部までの距離が、前記接合部の一つの辺から、前記一つの辺と最も近い前記半導体素子の一辺までの距離よりも短いことを特徴とする、請求項１に記載の半導体素子の接合構造体。
4. 前記半導体素子の外縁部は、前記金属間化合物層の厚みが、前記接合部の外縁部に向かうにしたがって小さくなる前記金属間化合物層の部分の上に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の半導体素子の接合構造体。
5. 前記接合部の前記金属間化合物層は、前記接合部の外縁部に向かうにしたがってその厚みが小さくなる部分と、その厚みが均一な中央部との間に、最も厚みが厚い最厚部が形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の半導体素子の接合構造体。
6. 基盤金属層の両側に、第１金属層をそれぞれ形成し、さらに各前記第１金属層の外側に、前記第１金属層と金属間化合物を形成できる第２金属層をそれぞれ成膜することによって、多層膜を形成する多層膜形成工程と、
   前記多層膜をパンチ加工によって打ち抜き、平坦化することによって、接合材料を得る接合材料形成工程と、
   電極と半導体素子とを、前記接合材料により接合することによって、前記電極と、前記半導体素子と、それら電極と半導体素子とを接合している接合部とを有する接合構造体を得る接合工程と、を備え、
   前記接合構造体の前記接合部は、前記電極の平面に垂直方向に積層された、前記基盤金属層および前記基盤金属層の両側に形成された金属間化合物層を有し、
   少なくとも一方の前記金属間化合物層の厚みは、前記接合部の外縁部側の方が、中央部側より小さいことを特徴とする、半導体素子の接合構造体の製造方法。
   
   
   

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