JP2017157582A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性が向上した半導体装置を提供する。
【解決手段】実施形態の半導体装置は、半導体素子と、金属箔と、半導体素子と金属箔の間に設けられスズとアンチモンを含み菱面体結晶構造を有する第１の領域を有する接合層と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、半導体装置に関する。

パワー半導体装置に用いられる、はんだ等の接合層には、冷熱サイクルやパワーサイクル等を長期間受けた場合において、亀裂が発生することがある。かかるサイクルがさらに繰り返された場合、亀裂が進展して破断し、パワー半導体装置が故障に至ることがある。

亀裂の発生要因としては、パワー半導体装置の半導体チップ部分に通電と通電停止が繰り返されることにより、接合層に温度上昇と温度低下が繰り返されることが挙げられる。この繰り返しにより生じた歪みによって、接合層が再結晶化、粗大化して亀裂が発生し、進展する。この亀裂は、歪みが大きいほど早く発生する。

また、接合層を含む部分は樹脂によりモールドされている。この樹脂が放熱用ベース基板より剥離した場合には、接合層を保持する部分がなくなることになる。そのため、接合層に亀裂の発生・進展がおこり、故障が早期に発生する場合がある。

国際公開第２００３／０２１６６４号

本発明が解決しようとする課題は、信頼性が向上した半導体装置を提供することにある。

実施形態の半導体装置は、半導体素子と、金属箔と、半導体素子と金属箔の間に設けられスズとアンチモンを含み菱面体結晶構造を有する第１の領域を有する接合層と、を備える。

本実施形態の接合層を有する半導体装置の模式図である。 本実施形態の接合層の模式図である。 本実施形態の接合層を試験するための第１の試料の模式図である。 本実施形態における加熱プロファイルである。 ２４１℃以上で１８０秒間保持された第３の接合層のＸ線回折による分析結果である。 ２４１℃以上で２４０秒間保持された第３の接合層のＸ線回折による分析結果である。 ２４１℃以上で３００秒間保持された第３の接合層のＸ線回折による分析結果である。 ２４１℃以上で１８０秒間保持された第３の接合層の分析結果である。 ２４１℃以上で２４０秒間保持された第３の接合層の分析結果である。 ２４１℃以上で３００秒間保持された第３の接合層の分析結果である。 本実施形態の接合層を試験するための第２の試料の模式図である。 第２の試料の試験結果を示す模式図である。 第２の試料の試験結果を示す模式図である。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。

本明細書中、同一又は類似する部材については、同一の符号を付し、重複する説明を省略する場合がある。

本明細書中、部品等の位置関係を示すために、図面の上方向を「上」、図面の下方向を「下」と記述する。本明細書中、「上」、「下」の概念は、必ずしも重力の向きとの関係を示す用語ではない。

（実施形態）
本実施形態の半導体装置は、半導体素子と、金属箔と、半導体素子と金属箔の間に設けられスズとアンチモンを含み菱面体結晶構造を有する第１の領域を有する接合層と、を備える。

図１は、本実施形態の接合層１００を有する半導体装置１３０の模式図である。

半導体装置１３０は、第１の接合層１００ａ（接合層１００）と、第２の接合層１００ｂ（接合層１００）と、半導体素子１１０と、冷却器１１２と、放熱グリース１１４と、ベース板１１６と、第１の金属箔（金属箔）１１８と、絶縁板１２０と、第２の金属箔（金属箔）１２２と、ワイヤ１２４と、ゲル１２６と、ケース１２８と、を備える。

ベース板１１６は、冷却器１１２上に設けられている。ベース板１１６は、金属又はセラミックスで形成されている。放熱グリース１１４は冷却器１１２とベース板１１６の間に設けられている。放熱グリース１１４は、ベース板１１６に伝達された熱を冷却器１１２に伝達する。

第１の金属箔１１８及び第２の金属箔１２２は、例えば銅製の箔である。第１の金属箔１１８及び第２の金属箔１２２は、電力端子として機能する。絶縁板１２０は、第１の金属箔１１８と第２の金属箔１２２の間に、例えば第１の金属箔１１８及び第２の金属箔１２２と接着されて設けられている。

半導体素子１１０は、例えば、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ：Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＭＯＳＦＥＴ（金属−酸化物−半導体電界効果トランジスタ：ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｆｉｅｌｄ ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）である。

第１の接合層１００ａは第１の金属箔１１８とベース板１１６を接着する。第２の接合層１００ｂは第２の金属箔１２２と半導体素子１１０を接着する。ワイヤ１２４は、半導体素子１１０と第２の金属箔１２２を接着する。

第１の接合層１００ａ、第１の金属箔１１８、絶縁板１２０、第２の金属箔１２２、第２の接合層１００ｂ、半導体素子１１０、ワイヤ１２４はケース内に設けられている。ケース１２８内はゲル１２６で充填されている。ゲル１２６は、例えばエポキシ樹脂である。

図２は、本実施形態の接合層１００の模式図である。

接合層１００は、第１の領域１０と、第２の領域２０と、を備える。

第１の領域１０は、Ｓｎ（スズ）とＳｂ（アンチモン）を含み菱面体結晶構造を有する、ＳｂＳｎ粒子である。第１の領域１０における第１のＳｎの量と第１の領域における第１のＳｂの量の和に対する第１のＳｎの量の割合は４０原子％以上６０原子％以下であることが好ましい。また、第１の領域１０は楕円体であり直径は０．５μｍ以上５μｍ以下であることが、信頼性の高い接合層１００を得る上で好ましい。

第２の領域２０は、第１の領域１０の周囲に設けられている。第２の領域２０はＳｎを主成分として含み正方晶結晶構造を有するＳｎ基マトリックスである。

接合層１００は、さらにＣｏ（コバルト）又はＮｉ（ニッケル）を含む。Ｃｏの量とＮｉの量の和の割合は０．０５原子％以上０．２原子％以下である。また、第１のＳｎの量と第２の領域２０における第２のＳｎの量の和と、第１のＳｂの量と第２の領域２０における第２のＳｂの量の和との比は、例えば９５原子％対５原子％の程度である。

接合層１００は、さらにＣｕ_３Ｓｎ又はＣｕ_６Ｓｎ_５を含んでいても良い。Ｃｕ_３Ｓｎ又はＣｕ_６Ｓｎ_５は電力端子として用いられるＣｕと接合層１００に含まれるＳｎで形成される金属間化合物である。

本実施形態の接合層１００が含む元素の種類と量は、例えばＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｚｅｒ）分析により求めることが出来る。また、接合層１００が含む結晶構造は、例えばＸＲＤ（Ｘ線回折：Ｘ−ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）により求めることが出来る。

図３に、本実施形態の接合層１００を試験するための第１の試料２１０の模式図を示す。第１の銅板２００と第２の銅板２０４の間に、第３の接合層２０２（接合層１００）が設けられている。第３の接合層２０２は、Ｓｎを９４．９原子％、Ｓｂを５原子％、Ｃｏを０．１原子％含む。なお第２の銅板２０４はＮｉメッキ部２０６を第３の接合層２０２と反対側に有する。

図４に本実施形態の加熱プロファイルを示す。本実施形態の接合層の製造方法は、Ｓｎと、Ｓｂと、Ｃｏ又はＮｉをＳｎとＳｂの和に対して０．０５原子％以上０．２原子％以上含む接合層原料を２４１℃以上の温度で加熱して、ＳｎとＳｂを含み菱面体結晶構造を有しＳｎの量とＳｂの量の和に対するＳｎの量は４０原子％以上６０原子％以下である第１の領域と、第１の領域の周囲に設けられＳｎを含む第２の領域と、を形成し、前記第１の領域と前記第２の領域を真空引きして前記第１の領域及び前記第２の領域内の余剰の気泡を除去する。

図５に、２４１℃以上で１８０秒間保持された第３の接合層２０２のＸ線回折による分析結果を示す。Ｃｕ_６Ｓｎ_５、Ｎｉ及びＣｕに対応するピークが数多く観測されている。ＳｎとＳｂを主成分とするピークが観測されていないのは、ＳｎとＳｂが非晶質になっているためと考えられる。

図６に、２４１℃以上で２４０秒間保持された第３の接合層２０２のＸ線回折による分析結果を示す。ＳｂＳｎ、Ｓｎ及びＣｕに対応するＸ線回折ピークが数多く観測されている。図５と異なりＳｂＳｎとＳｎに対応するＸ線回折ピークが観測されている理由は、図５の場合よりも長時間高温で保持されることにより、ＳｂＳｎとＳｎが結晶質に変化したためと考えられる。ＳｂＳｎに対応するＸ線回折ピークは、後述するように、第１の領域１０に対応するＸ線回折ピークである。

図７に、２４１℃以上で３００秒間保持された第３の接合層２０２のＸ線回折による分析結果を示す。特に２θ＝３１度付近及び３２度付近に観測されるＳｎに対応するピークの強度は、図６のものに比べて弱くなっている。一方、２θ＝２９度付近に観測されるＳｂＳｎに対応するピークの強度は、図６のものに比べて強くなっている。この結果として、２θ＝４０度未満におけるＳｂＳｎすなわち第１の領域１０におけるＸ線回折ピークの強度は、２θ＝４０度未満におけるＳｎのＸ線回折ピークの強度より強くなっている。

図８に、２４１℃以上で１８０秒間保持された第３の接合層２０２の分析結果を示す。図８（ａ）は断面ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）像、図８（ｂ）はＳｂのＥＰＭＡ分析結果、図８（ｃ）はＣｏのＥＰＭＡ分析結果、図８（ｄ）はＣｕのＥＰＭＡ分析結果である。図８（ｂ）において、Ｓｂは低濃度でかつ広範囲に分布しており、第１の領域１０に対応するＳｂＳｎ粒子はあまり見られない。図８（ｃ）において、上方にはＣｏ濃化層が見られる。図８（ｄ）において、直径が数μｍ程度のＣｕの濃度が高い部分は第３の接合層２０２全体に分布している。

図９に、２４１℃以上で２４０秒間保持された第３の接合層２０２の分析結果を示す。図９（ａ）は断面ＳＥＭ像、図９（ｂ）はＳｂのＥＰＭＡ分析結果、図９（ｃ）はＣｏのＥＰＭＡ分析結果、図９（ｄ）はＣｕのＥＰＭＡ分析結果である。図９（ｂ）においてＳｂの分布が高くなっている領域が所々に見られる。図６のＸ線回折による分析結果を参照すると、このＳｂ濃度が高い領域はＳｂＳｎ（第１の領域１０）に対応していることがわかる。また、第１の領域１０の周囲の領域は第２の領域２０である。第２の領域２０の主成分はＳｎである。また、第２の領域２０はＳｂを含む。また、図９（ｃ）においては、Ｃｏ濃化層があまり見られなくなっている。図９（ｄ）において、直径が数μｍ程度のＣｕの濃度が高い部分は第３の接合層２０２全体に分布している。

図１０に、２４１℃以上で３００秒間保持された第３の接合層２０２の分析結果を示す。図１０（ａ）は断面ＳＥＭ像、図１０（ｂ）はＳｂのＥＰＭＡ分析結果、図１０（ｃ）はＣｏのＥＰＭＡ分析結果、図１０（ｄ）はＣｕのＥＰＭＡ分析結果である。図１０（ｂ）においては、第１の領域１０が微細にかつ第３の接合層２０２全体に、微細に分散されて分布している。また、図８（ｃ）及び図９（ｃ）において観測されていたＣｏ濃化層は、図１０（ｃ）においては見られない。図１０（ｄ）において、Ｃｕは図１０（ｄ）の上方及び下方においてのみ分布しており、直径が数μｍ程度のＣｕの濃度が高い部分は見られないほど微細になっている。

図１１に、本実施形態の接合層を試験するための第２の試料３１０の模式図を示す。セラミックス基板３０２と放熱板３０６の間に第４の接合層３０４（接合層１００）が設けられている。セラミックス基板３０２上には配線３００が形成されている。第２の試料３１０は、第４の接合層３０４（接合層１００）の熱疲労を試験するための試料である。

熱疲労の試験方法は以下の通りである。まず、第２の試料３１０を２８０℃以上の溶融時間で１２０秒間保持した。次に、第２の試料３１０を１７５℃で３０分間保持しその後に−４０℃で３０分間保持することを５００回繰り返した。評価は、超音波探傷法により第４の接合層３０４の剥離面積を評価し、その剥離面積から剥離率又は空孔の占める割合（ボイド率）を計算することによりおこなった。

図１２に、第２の試料３１０の試験結果を示す。図１２（ａ）はＣｏ及びＮｉを含まない、Ｓｎを９５原子％、Ｓｂを５原子％含む比較形態の接合層における、熱疲労試験前の超音波探傷像である。図１２（ｂ）は、本実施形態における第４の接合層３０４の、熱疲労試験前の超音波探傷像である。図１２（ｂ）における第４の接合層３０４は、Ｓｎを９４．９原子％、Ｓｂを５原子％、Ｃｏを０．１原子％含んでいた。各図に示された数字はボイド率である。図１２（ａ）及び図１２（ｂ）に示された超音波探傷像の結果をみると、いずれもボイド率は低く剥離もおこっていないことがわかる。

図１２（ｃ）は、Ｃｏ及びＮｉを含まない比較形態の第４の接合層３０４における、熱疲労試験後の超音波探傷像である。図１２（ｄ）は、本実施形態の第４の接合層３０４における、熱疲労試験後の超音波探傷像である。写真中央部の剥離していない部分が図１２（ｄ）においては図１２（ｃ）より大きくなっているため、本実施形態の接合層においては接合がより良好になされていることがわかる。

図１３に、第２の試料３１０の試験結果を示す。図１３（ａ）は、Ｓｎを９４．９原子％、Ｓｂを５原子％、Ｃｏを０．１原子％含む接合層を、２８０℃以上で１８０秒間保持して溶融させて作製した第４の接合層３０４の、熱疲労試験前の超音波探傷像である。図１３（ｂ）は、Ｓｎを９４．９原子％、Ｓｂを５原子％、Ｃｏを０．１原子％含む接合層を、２８０℃以上で３００秒間保持して溶融させて作製した第４の接合層３０４の、熱疲労試験前の超音波探傷像である。図１３（ｃ）は、図１３（ａ）に示した第４の接合層３０４の、熱疲労試験後の超音波探傷像である。図１３（ｄ）は、図１３（ｂ）に示した第４の接合層３０４の、熱疲労試験後の超音波探傷像である。図１３（ｄ）においては保持時間を増加させることにより剥離率は大幅に改善していることがわかる。

なお、上述の結果はＣｏを含む接合層についての結果であるが、Ｎｉを含む接合層においても同様の結果が得られた。

次に、本実施形態の作用効果を記載する。

銀（Ａｇ）やＣｕが含まれているＳｎ系の接合層（はんだ材料）においては、熱ストレスを繰り返し加えられた場合に、再結晶したＳｎの結晶粒界部分にＡｇやＣｕを含む金属間化合物が偏析する。そのために、結晶粒界部分の強度が低下し、亀裂の発生・進展が進んで寿命が短くなる場合がある。

本実施形態の接合層１００は、ＳｎとＳｂを含み菱面体結晶構造を有する第１の領域１０を備える。また、本実施形態の接合層１００は、第１の領域１０の周囲に設けられ正方晶結晶構造Ｓｎを含む第２の領域２０を備える。これにより、信頼性の向上した接合層１００の提供が可能になる。信頼性が向上した理由の一つとしては、第１の領域及び第２の領域のいずれも結晶質を有するため、各々の原子が強く結合して耐熱性が高くなったという点が考えられる。

第１の領域１０における第１のＳｎの量と第１の領域１０における第１のＳｂの量の和に対する第１のＳｎの量の割合が４０原子％以上６０原子％であることにより、結晶性の高い菱面体結晶構造を有する第１の領域１０を備える接合層１００の提供が可能になる。

Ｃｏ又はＮｉを含み、Ｃｏの量とＮｉの量の和の割合は０．０５原子％以上０．２原子％であることにより、上述の第１の領域１０が明瞭に形成された接合層１００の提供が可能になる。

２θ＝４０度未満における第１の領域１０のＸ線回折ピークの強度が２θ＝４０度未満におけるＳｎのＸ線回折ピークの強度より強いことにより、第１の領域１０における菱面体結晶構造の質がさらに向上することとなる。これにより、さらに上述の第１の領域１０が明瞭に形成された接合層１００の提供が可能になる。

以上本実施形態の接合層によれば、信頼性が向上した半導体装置の提供が可能になる。

本発明のいくつかの実施形態及び実施例を説明したが、これらの実施形態及び実施例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことが出来る。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０ 第１の領域（ＳｎＳｂ粒子）
２０ 第２の領域（Ｓｎ基マトリックス）
１００ 接合層
１００ａ 第１の接合層（接合層）
１００ｂ 第２の接合層（接合層）
１１０ 半導体素子
１１２ 冷却器
１１４ 放熱グリース
１１６ ベース板
１１８ 第１の金属箔（金属箔）
１２０ 絶縁板
１２２ 第２の金属箔（金属箔）
１２４ ワイヤ
１２６ ゲル
１２８ ケース
１３０ 半導体装置
２００ 第１の銅板
２０２ 第３の接合層（接合層）
２０４ 第２の銅板
２０６ Ｎｉメッキ部
２１０ 第１の試料
３００ 配線
３０２ セラミックス基板
３０４ 第４の接合層（接合層）
３０６ 放熱板
３１０ 第２の試料

Claims (5)

1. 半導体素子と、
   金属箔と、
   前記半導体素子と前記金属箔の間に設けられスズとアンチモンを含み菱面体結晶構造を有する第１の領域を有する接合層と、
   を備える半導体装置。
2. 前記第１の領域における第１のスズの量と前記第１の領域における第１のアンチモンの量の和に対する前記第１のスズの量の割合は４０原子％以上６０原子％以下である請求項１記載の半導体装置。
3. 前記接合層が、スズを含み正方晶結晶構造を有する第２の領域をさらに備える請求項１又は請求項２記載の半導体装置。
4. 前記接合層が、コバルト又はニッケルをさらに含み、コバルトの量とニッケルの量の和の割合は０．０５原子％以上０．２原子％以下である請求項３記載の半導体装置。
5. 前記接合層における２θ＝４０度未満における前記第１の領域のＸ線回折ピークの強度は、２θ＝４０度未満におけるスズのＸ線回折ピークの強度より強い請求項３又は４記載の半導体装置。