JP2016219681A

JP2016219681A - 金属配線の接合構造および接合方法

Info

Publication number: JP2016219681A
Application number: JP2015105173A
Authority: JP
Inventors: 裕輔中田; Yusuke Nakata
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Marelli Corp
Priority date: 2015-05-25
Filing date: 2015-05-25
Publication date: 2016-12-22

Abstract

【課題】金属配線の両端における被接合部材との接合を確実に行うことのできる金属配線の接合構造および接合方法を提供する。【解決手段】第１の被接合部材（半導体チップ７）と、第２の被接合部材（第２の基板上回路層９）とを金属配線（ビームリード１１）を介して接合する金属配線の接合構造であって、第１の被接合部材と金属配線の一端（１１ａ）との接合部は、導電性の焼結接合材（Ｍ）で構成され、第２の被接合部材と金属配線の他端（１１ｅ）との接合部は、導電性の熱溶融接合材（Ｓ）で構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、金属配線の接合構造および接合方法に関する。

例えば、ハイブリッド車や電気自動車等の車両に搭載される半導体装置（パワーモジュール）においては、絶縁基板上に設けられた半導体チップと回路層とがリード（金属配線の一種）を介して接続されている。

このような金属配線を用いた半導体装置に関する技術は種々提案されている（例えば特許文献１等）。

ここで、従来における金属配線を用いた接合構造は、半導体チップおよび回路層と、銅などで構成される金属配線とを熱溶融接合材の一種であるハンダで接合した構成となっていた。

特開２０１０−５０３６４号公報

ところが、ハイブリッド車や電気自動車等に搭載されるパワーモジュールでは、高電圧、高電流の導通により半導体チップが高温となり、接合部のハンダが熱劣化するなどして接合不良等を生じ易いという不都合があった。

そこで、金属配線と半導体チップおよび回路層の接合部に、高温耐久性に優れたＡｇナノ粒子等の焼結接合材を用いる接合構造が提案されている。

しかしながら、焼結接合材の焼成は、比較的高温（例えば、１５０℃程度）で行われるため、接合時における金属配線の熱による膨張収縮により、半導体チップ側または回路層側の一方に接合不良を生じるという問題があった。

即ち、例えば、半導体チップと金属配線の一端との焼結接合材による接合を先に行う場合には、焼結接合材の焼成時に金属配線自体が熱膨張によって変形し、金属配線の他端が回路層表面から離間した状態となり、金属配線の他端と回路層の焼結接合材による接合が不能または不十分となる虞があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、金属配線の両端における被接合部材との接合を確実に行うことのできる金属配線の接合構造および接合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、本発明に係る接合構造は、第１の被接合部材と、第２の被接合部材とを金属配線を介して接合する金属配線の接合構造であって、前記第１の被接合部材と前記金属配線の一端との接合部は、導電性の焼結接合材で構成され、前記第２の被接合部材と前記金属配線の他端との接合部は、導電性の熱溶融接合材で構成されていることを要旨とする。

また、他の発明に係る金属配線の接合方法は、第１の被接合部材に、焼成前の焼結接合材を塗布する工程と、第２の被接合部材に、溶融前の熱溶融接合材を載置する工程と、前記焼成前の焼結接合材と前記溶融前の熱溶融接合材とに、一つの金属配線を橋渡し状態で載置する工程と、前記焼成前の焼結接合材と前記溶融前の熱溶融接合材とを当該熱溶融接合材の固相拡散温度以上に加熱して、前記焼結接合材を焼成すると共に、前記熱溶融接合材を溶融させる工程と、前記焼成前の焼結接合材と前記溶融前の熱溶融接合材とを当該熱溶融接合材の固相拡散温度以下に冷却して、溶融状態の熱溶融接合材を固化させる工程と、を有することを要旨とする。

本発明に係る金属配線の接合構造および接合方法によれば、金属配線の両端における被接合部材（第１の被接合部材および第２の被接合部材）との接合を確実に行うことができる。

実施の形態に係る金属配線の接合構造を用いたパワーモジュールの構成例を示す斜視図である。実施の形態に係る接合方法の第１工程を示す説明図である。実施の形態に係る接合方法の第２工程を示す説明図である。実施の形態に係る接合方法の第３工程を示す説明図である。実施の形態に係る接合方法の第４工程を示す説明図である。実施の形態に係る接合方法における温度条件を示すグラフである。比較対象に係る接合方法の第１工程を示す説明図である。比較対象に係る接合方法の第２工程を示す説明図である。比較対象に係る接合方法の第３工程を示す説明図である。比較対象に係る接合方法の第４工程を示す説明図である。

以下、本発明の一例としての実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。ここで、添付図面において同一の部材には同一の符号を付しており、また、重複した説明は省略されている。なお、ここでの説明は本発明が実施される最良の形態であることから、本発明は当該形態に限定されるものではない。

［実施の形態に係る金属配線の接合構造］
図１を参照して、実施の形態に係る金属配線の接合構造について説明する。

図１は、実施の形態に係る金属配線の接合構造を用いたパワーモジュール１の構成例を示す斜視図である。

パワーモジュール１は、絶縁材料で構成される基板３と、その基板３上に配設される２つの第１の基板上回路層５および第２の基板上回路層（第２の被接合部材としての配線パターン）９と、第１の基板上回路層５の上に接合される第１の被接合部材としての半導体チップ（半導体素子）７と、その半導体チップ７および第２の基板上回路層９の上面同士を接続する金属配線の一種としてのビームリード１１とを備えている。

ビームリード１１は、例えば銅やアルミニウム等からなる長尺状の金属板を折り曲げて成形される。

より具体的には、ビームリード１１における長手方向の両端にチップ側接合部１１ａおよび回路側接合部１１ｅを設け、これらのチップ側接合部１１ａおよび回路側接合部１１ｅを立ち上がり部１１ｂ、１１ｄおよび連結部１１ｃを介して一体に結合した構成となっている。

そして、ビームリード１１の一端側に位置するチップ側接合部１１ａは、半導体チップ７に、導電性の焼結接合材からなる接合部Ｍを介して電気的に接合されている。

また、ビームリード１１の他端側に位置する回路側接合部１１ｅは、第２の基板上回路層９に、導電性の熱溶融接合材の一種であるハンダからなる接合部Ｓを介して電気的に接合されている。

なお、第１の基板上回路層５と半導体チップ７は、ハンダ層２０を介して電気的に接合されている。

ここで、接合部Ｍを構成する導電性の焼結接合材としては、酸化銀粒子、酸化銅粒子、銀ナノ粒子、銅ナノ粒子等を焼結して得られる焼結物を用いることができる。

このような構成により、ビームリード（金属配線）１１の両端における被接合部材（半導体チップ７および第２の基板上回路層９）との接合を確実に行うことができる。

また、ビームリード１１のチップ側接合部１１ａと半導体チップ７とを接合する導電性の焼結接合材からなる接合部Ｍは、耐熱性が高いので、半導体チップ７に高電圧、高電流が流れて高温動作する場合にも接合部Ｍが溶融することはなく、熱耐久性を向上させることができる。

さらに、ビームリード（金属配線）１１の膨張収縮による発生応力は、比較的強度の弱いハンダからなる接合部Ｓで吸収することができるので、半導体チップ７の電極側に最大応力が発生する事態を回避することができ、耐久性を向上させることができる。

［実施の形態に係る接合方法］
次に、図２〜図６を参照して、実施の形態に係る接合方法について説明する。

ここで、図２〜図５は、実施の形態に係る接合方法の第１工程〜第４工程を示す説明図、図６は、実施の形態に係る接合方法における温度条件を示すグラフである。

なお、図２〜図５に示す説明図では、説明の簡易化のため、第１の基板上回路層５、ハンダ層２０、半導体チップ７および第２の基板上回路層９は、基板３上に設置されているものとする。

そして、図２に示す第１工程では、第１の被接合部材としての半導体チップ７に焼成前（加熱前）の焼結接合材（例えば、Ａｇナノ粒子等を含むペーストなど）Ｍａを塗布する工程と、第２の被接合部材としての第２の基板上回路層９に、溶融前（加熱前）の熱溶融接合材としてのハンダ（例えば、板状ハンダ等）Ｓａを載置する工程と、焼結接合材Ｍａと熱溶融接合材Ｓａとに、一つの金属配線（ビームリード）１１を橋渡し状態で載置する工程とが行われる。

次いで、図３に示す第２工程では、パワーモジュール１がＤ１方向に順次加熱される。

これにより、図３上、左側に位置する焼結接合材Ｍｂの焼結（焼成）が、右側のハンダＳｂによる接合より先に完了する。

ここで、図６のグラフに示すように、パワーモジュール１は、例えば室温である時間ｔ１から徐々に加熱され、ハンダＳａ（図２）の固相拡散温度以上となる時間ｔ２まで加熱が継続される。

そして、固相拡散温度以上の状態が、時間ｔ２〜ｔ４まで保持される。なお、時間ｔ３において、焼結接合材Ｍｂの焼結（焼成）は完了する。

よって、図３において、ビームリード１１の左側に位置するチップ側接合部１１ａは、焼結（焼成）が完了した焼結接合材Ｍｂによって半導体チップ７に接合された状態となる。

次いで、図４に示す第３工程では、パワーモジュール１がＤ１方向に順次加熱される処理が継続される。

これにより、ハンダ（例えば、板状ハンダ等）Ｓｂが溶融された状態となる。

一方、ビームリード１１は、熱によって膨張して上側に反るように変形する。この際に、左側のチップ側接合部１１ａは、焼結接合材Ｍｂによって半導体チップ７に接合されているため、図４に示すように、右側の回路側接合部１１ｅがＤ２方向に浮いた状態となる。

即ち、ビームリード１１の回路側接合部１１ｅにおいて、膨張代Ｗに相当する部位は、図２に示す当初の位置よりも上方（Ｄ２方向）にずれた状態となる。

ここで、図６のグラフに示すように、パワーモジュール１は、時間ｔ４までハンダの固相拡散温度以上が保たれるので、ハンダＳｂは溶融した状態が保持される。

そして、ハンダＳｂの表面側の一部は、表面張力やハンダの濡れ性等により回路側接合部１１ｅに付着した状態となる。即ち、膨張代Ｗに相当する部位が上方（Ｄ２方向）にずれた分の隙間は、上記のようにして回路側接合部１１ｅに付着した溶融状態のハンダＳｂで吸収される。

次いで、図５に示す第４工程では、パワーモジュール１は、徐々に冷却される。

即ち、図６に示すように、時間ｔ４〜ｔ６において、室温まで徐冷される。

なお、時間ｔ５において、固相拡散温度以下まで冷却され、ハンダＳｂは徐々に固化する。

これにより、ビームリード１１の右側に位置する回路側接合部１１ｅは、固化したハンダＳｃによって、基板上回路層９に接合された状態となる。

なお、ビームリード１１自体も冷却によって収縮し、図４に示すＤ２方向と逆方向に若干戻るが、この変形分は、ハンダＳｃが溶融状態から固化状態に変化する過程で吸収される。

このように、本実施の形態に係る接合方法によれば、リード（金属配線）１１の両端における被接合部材（半導体チップ７および第２の基板上回路層９）との接合を確実に行うことができる。

［比較対象に係る接合方法］
図７〜図１０を参照して、比較対象に係る接合方法について説明する。

ここで、図７〜図１０は、比較対象に係る接合方法の第１工程〜第４工程を示す説明図である。

なお、図７〜図１０に示す説明図では、説明の都合上、第１の基板上回路層５、ハンダ層２０、半導体チップ７および第２の基板上回路層９は、基板３上に予め設置されているものとする。

図７に示す第１工程では、第１の被接合部材としての半導体チップ７に焼成前（加熱前）の焼結接合材（例えば、Ａｇナノ粒子等を含むペーストなど）Ｍ１ａを塗布する工程と、第２の被接合部材としての第２の基板上回路層９に、焼成前（加熱前）の焼結接合材Ｍ２ａを塗布する工程と、焼結接合材Ｍ１ａ、Ｍ２ａとに、一つの金属配線（リード）１１を橋渡し状態で載置する工程とが行われる。

次いで、図８に示す第２工程では、パワーモジュール１００がＤ１方向に順次加熱される。

これにより、図８上、左側に位置する焼結接合材Ｍ１ｂの焼結（焼成）が、右側の焼結接合材Ｍ２ａの焼結より先に完了する。

よって、図８において、ビームリード１１の左側に位置するチップ側接合部１１ａは、焼結（焼成）が完了した焼結接合材Ｍ１ｂによって半導体チップ７に接合された状態となる。

次いで、図９に示す第３工程では、パワーモジュール１００がＤ１方向に順次加熱される処理が継続される。

これにより、右側の焼結接合材Ｍ２ｂが焼結（焼成）される。

一方、ビームリード１１は、熱によって膨張して上側に反るように変形する。この際に、左側のチップ側接合部１１ａは、焼結接合材Ｍ１ｂによって半導体チップ７に接合されているので、図９に示すように、右側の回路側接合部１１ｅがＤ２方向に浮いた状態となる。

即ち、ビームリード１１の回路側接合部１１ｅにおいて、膨張代Ｗに相当する部位は、図７に示す当初の位置よりも上方（Ｄ２方向）にずれてしまう。

このため、ビームリード１１の回路側接合部１１ｅは、焼結接合材Ｍ２ｂから離間した状態となってしまう。

次いで、図１０に示す第４工程では、パワーモジュール１００は、徐々に冷却される。

ここで、ビームリード１１自体も冷却によって収縮し、図１０に示すＤ３方向に若干戻るが、焼結接合材Ｍ２ｂは既に焼結が完了して固化しているため、ビームリード１１の回路側接合部１１ｅは基板上回路層９に接合されない状態となってしまう。

このように、比較対象に係る接合方法では、金属配線（リード）１１の一端側について、焼結接合材Ｍ２ｂによる接合を行うことができない場合があるという不都合があった。

これに対して、上述の本実施の形態に係る接合方法によれば、リード（金属配線）１１の両端と、半導体チップ７および第２の基板上回路層９との接合を確実に行うことができる。

以上本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本明細書で開示された実施の形態はすべての点で例示であって開示された技術に限定されるものではないと考えるべきである。すなわち、本発明の技術的な範囲は、前記の実施の形態における説明に基づいて制限的に解釈されるものでなく、あくまでも特許請求の範囲の記載にしたがって解釈すべきであり、特許請求の範囲の記載技術と均等な技術および特許請求の範囲内でのすべての変更が含まれる。

例えば、金属配線としては、図１等に示すような構成のビームリード１１に代えて、平板状、棒状等のリードを用いる場合であってもよい。

１…パワーモジュール
３…基板
５…第１の基板上回路層
７…半導体チップ（半導体素子）
９…第２の基板上回路層
１１…ビームリード（金属配線）
１１ａ…チップ側接合部
１１ｅ…回路側接合部
２０…ハンダ層
Ｍ…接合部
Ｍａ、Ｍｂ…導電性の焼結接合材
Ｓ…接合部
Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ…導電性の熱溶融接合材（ハンダ）

Claims

第１の被接合部材（半導体チップ７）と、第２の被接合部材（第２の基板上回路層９）とを金属配線（ビームリード１１）を介して接合する金属配線の接合構造であって、
前記第１の被接合部材と前記金属配線の一端（１１ａ）との接合部（Ｍ）は、導電性の焼結接合材で構成され、
前記第２の被接合部材と前記金属配線の他端（１１ｅ）との接合部（Ｓ）は、導電性の熱溶融接合材で構成されていることを特徴とする金属配線の接合構造。
前記導電性の熱溶融接合材は、ハンダで構成されることを特徴とする請求項１に記載の金属配線の接合構造。
前記第１の被接合部材は、半導体素子（半導体チップ７）で構成され、
前記第２の被接合部材は、配線パターン（第２の基板上回路層９）で構成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の金属配線の接合構造。
第１の被接合部材（半導体チップ７）に、焼成前の焼結接合材（Ｍａ）を塗布する工程と、
第２の被接合部材に、溶融前の熱溶融接合材（Ｓａ）を載置する工程と、
前記焼成前の焼結接合材と前記溶融前の熱溶融接合材とに、一つの金属配線（ビームリード１１）を橋渡し状態で載置する工程と、
前記焼成前の焼結接合材と前記溶融前の熱溶融接合材とを当該熱溶融接合材の固相拡散温度以上に加熱して、前記焼結接合材（Ｍｂ）を焼成すると共に、前記熱溶融接合材（Ｓｂ）を溶融させる工程と、
前記焼成前の焼結接合材と前記溶融前の熱溶融接合材とを当該熱溶融接合材の固相拡散温度以下に冷却して、溶融状態の熱溶融接合材（Ｓｃ）を固化させる工程と、
を有することを特徴とする金属配線の接合方法。