JP2018056249A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体装置において、半導体素子と配線層を接合する接合層に生じるひずみを低減する。【解決手段】本発明に係る半導体装置は、半導体素子と、配線層と、前記半導体素子及び前記配線層を接合する接合層を有し、前記配線層は、合金化していないアルミニウムと合金化していない銅を含み、前記銅の含有率は４０重量％以上である。【選択図】 図１

Description

本発明は半導体装置に関する。

近年、ハイブリッド自動車や鉄道用途を中心として、インバータなどの電力制御機器に用いられるパワーモジュールの市場拡大が続いている。環境保護や省エネに対する意識の高まりを背景として、パワーモジュールには、さらなる高効率化が求められている。しかし、従来のSi素子を用いたパワーモジュールの性能は限界に近づいており、より高効率なSiC素子を用いた次世代パワーモジュールの開発が進められている。SiCを用いることで、パワーモジュールは２００℃以上の高温動作が可能となり、大幅な小型・軽量化が実現できるメリットがある。

しかし、２００℃以上の高温環境下では、従来チップ接合材として使用されてきたSnＡgCuやSnCu系の鉛フリーはんだは、融点近くでの使用となるため、信頼性の観点からから使用することが厳しい。また、現在はRoHS（Restriction of Hａzａrdous Suｂstａnces）指令から除外されている鉛含有率８５%以上の高融点はんだは、将来的にRoHSの対象項目となることが予想され、代替材料の開発が急務である。これらの代替材料として、ナノやマイクロメートルオーダーの金属粒子を焼結させた焼結金属材料が期待されており、焼結銀や焼結銅による接合に関して開発が進められている。

パワーモジュールには、熱的な信頼性や、電気的な信頼性が要求される。例えば、熱的な信頼性に関しては、温度サイクル試験により、熱的ストレスに対する耐久性を評価される。温度サイクル試験では、主にパワーモジュールの接合部に、部材間の線膨脹係数の差に起因する熱ひずみが集中し破壊に至ることが知られている。

パワーを効率的に冷却するために、例えば特許文献１に示すような両面冷却構造が検討されている。また、半導体素子の接合部における熱ひずみを低減するために、例えば特許文献２では、ヒートシンク部に段差を設けて薄肉部を形成している

特開２０１３-０９１８３５号公報 特開２０１４-２００８２５号公報

２００℃以上の高温動作においては、接合部材に発生する熱ひずみが大きくなり、接合部材の破壊がこれまで以上に問題になると考えられる。特許文献１では、ヒートシンクの外周に薄肉部を設けることでひずみを低減する手法が記載されているが、最も温度の高くなるチップ中心位置の直上に剛性の高いヒートシンクを設けていることから、２００℃以上の高温状態を想定した場合には十分なひずみ低減効果が得られない。また、特許文献２に示されるような板状の導体部材をヒートシンクとの接続に用いることも考えられるが、この場合、冷却性能は不十分となる。

本発明に係る半導体装置は、半導体素子と、配線層と、前記半導体素子及び前記配線層を接合する接合層を有し、前記配線層は、合金化していないアルミニウムと合金化していない銅を含み、前記銅の含有率は４０重量％以上である。

本発明によれば、高温動作時においてもチップ接合層のひずみを低減できる。

本発明に係る半導体装置の一例を示す図である。 本発明に係る半導体装置を示す図である。 本発明に係る半導体装置のひずみ低減効果を示す図である。 銅体積比率と相当塑性ひずみの関係を示す図である。

以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明は、ここで取り上げた実施形態に限定されることはなく、発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜組み合わせや改良が可能ある。

＜絶縁基板内の配線＞
絶縁部材としては、ＡｌＮ、ＳｉＮ、Ａl２Ｏ３、樹脂シートなどの絶縁材料が用いられる。特にＡｌＮ、ＳｉＮ、Ａl２Ｏ３、は耐熱性と絶縁性が高いため、高温動作させるパワーモジュールに適している。これらの基板の上下に金属配線としてＡlが使用される。Ａlを用いると融点が低いために冷却フィン等を同時に形成することが可能であるが、剛性が低いため熱ひずみが接合層に大きくなる。このため剛性の高い銅を用いることが効果的である。アルミニウム内への銅の混合方法としては、大きくは、粉末状で混合する場合と板上で混合する場合がある。どちらの場合にしても銅とＡｌが高温で反応して金属間化合物を形成して劣化するため、銅表面にはNiめっきをして使用することが好ましい。

＜焼結金属接合材料＞
焼結接合層を形成するための接合材料は、金属粒子、金属酸化物粒子、金属塩粒子のいずれかを含む。金属粒子として、例えば、銀、銅、金、白金、パラジウム、ロジウム、オスミウム、ルテニウム、イリジウム、鉄、錫、亜鉛、コバルト、ニッケル、クロム、チタン、タンタル、タングステン、インジウム、珪素、アルミニウム等の中から１種類の金属あるいは２種類以上の金属からなる合金を用いることが可能である。酸化物粒子としては酸化金、酸化第一銀、酸化第二銀、酸化第二銅を用いることが可能である。金属塩粒子としてはカルボン酸金属塩として酢酸銀、ネオデカン酸銀塩などをもちいることが可能である。

接合材料に銀あるいは銅粒子を含む場合、平均粒径が１ｎｍより大きく１００μｍ以下の粒子を用いることが好ましい。また、粒子の凝集を防ぐために、これらの粒子を有機物の分散剤を被覆しておくことが好ましい。分散剤としてはアルキルカルボン酸、アルキルアミンが挙げられる。

接合材料をペーストとして用いる場合には、接合材料に溶媒を加えてもよい。溶媒としては例えばアルコール類等が挙げられる。
溶媒として用いることができるアルコール類としては、ヘプチルアルコール、オクチルアルコール、ノニルアルコール、デシルルコール、ウンデシルアルコール、ドデシルアルコール、トリデシルアルコール、テトラデシルアルコール、ペンタデシルアルコール、ヘキサデシルアルコール、ヘプタデシルアルコール、オクタデシルアルコール、ノナデシルアルコール、イコシルアルコール、がある。また、ジエチレングリコール、エチレングリコール、トリエチレングリコール、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノヘキシルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテルなどのグリコール系が挙げられる。さらには１級アルコール型に限らず、２級アルコール型、３級アルコール型、及びアルカンジオール、環状型の構造を有するアルコール化合物を用いることが可能である。それ以外にも、テルピネオール、エチレングリコール、トリエチレングリコールを用いてより。これらの中でもグリコール系の溶媒を用いることが好ましい。こグリコール系の溶媒は安価で、人体等に対する毒性も少ないからである。さらに、これらのアルコール系の溶媒は溶媒としてだけでなく、酸化銀に対する還元剤としても作用することが可能であるため、酸化銀粒子の量に対する還元剤として適度な量に調整して用いることができる。

次に、接合材料に金属酸化物粒子を含む場合について説明する。酸化銀粒子を含む接合材料は、酸化銀粒子の他に、有機物からなる還元剤と、溶媒とを含む。酸化銅粒子を含む接合材料は酸化銅粒子の他に、ペースト用溶剤を含む。金属酸化物粒子は平均粒径１ｎｍ〜５０μｍであることが好ましい。

金属酸化物粒子の含有量としては、接合材料中における全質量部において５０質量部超９９質量部以下とすることが好ましい。接合材料中における金属含有量が多い方が低温での接合後に有機物残渣が少なくなり、低温で緻密な焼成層を形成でき、また、接合界面での金属結合の形成が可能となる。その結果、接合強度が向上し、さらには高放熱性、高耐熱性を有する接合層を形成することが可能となる。

有機物からなる還元剤としては、例えば、アルコール類、カルボン酸類、アミン類のいずれかが好ましい。この中でも、環境負荷の小さいアルコール類が好ましい。利用可能なアルコール基を含む化合物としては、アルキルアルコールが挙げられる、例えば、ヘプチルアルコール、オクチルアルコール、ノニルアルコール、デシルルコール、ウンデシルアルコール、ドデシルアルコール、トリデシルアルコール、テトラデシルアルコール、ペンタデシルアルコール、ヘキサデシルアルコール、ヘプタデシルアルコール、オクタデシルアルコール、ノナデシルアルコール、イコシルアルコール、がある。さらには１級アルコール型に限らず、２級アルコール型、３級アルコール型、及びアルカンジオール、環状型の構造を有するアルコール化合物を用いることが可能である。それ以外にも、エチレングリコール、トリエチレングリコールなど多数のアルコール基を有する化合物を用いてもよい。

接合材料中の還元剤の含有量は酸化銀粒子の全重量に対して１質量部以上で５０質量部以下の範囲であることが好ましい。還元剤の量が１質量部より少ないと接合材料における金属粒子前駆体を還元して金属粒子を作製するのに十分な量ではないためである。また、還元剤の量が５０質量部を超えると接合後における残渣が多くなる。その結果、界面での金属接合と接合銀層中における緻密化が困難となる。接合材料中には比較的粒径の大きい平均粒径５０μｍ〜１００μｍの金属粒子を混合して用いることも可能である。これは接合中において作製された１００ｎｍ以下の金属粒子が、平均粒径５０μｍ〜１００μｍの金属粒子同士を焼結させる役割を果たすからである。また、粒径が１００ｎｍ以下の金属粒子を予め混合しておいてもよい。

ペースト溶剤としては、銀粒子、銅粒子を用いた場合と同様に、沸点が３５０℃以下の溶媒を用いることができる。酸化銀粒子を含む接合材料を、ペースト状とする場合も沸点が３５０℃以下の溶媒を用いることができる。

接合プロセスにおける雰囲気は、銀粒子、酸化銀粒子では大気中、窒素中、還元雰囲気中のどちらでも実施することが可能である。一方、銅粒子、酸化銅粒子は、水素や蟻酸などの還元雰囲気で行う必要がある。これは、銅粒子や酸化銅粒子を還元して接合するためには、上記のような還元雰囲気を用いることが必要なためである。

接合時に半導体素子に加圧する際の条件は、OMPａよりも大きく、３０MPａ以下の値とする。これは、加圧をしないと、焼結金属の接合層が緻密化されないため、接合層の信頼性が大きく低下するためである。また、３０MPａよりも大きくなると、半導体素子へのダメージが生じるからである。接合時間は、１秒より長く、１８０分よりも短い時間とする。

＜封止技術＞
本発明では、熱電変換モジュールをアプリケーションのターゲットとしている。封止技術としては、ガラス材料、樹脂材料を用いた技術を使用することができる。樹脂材料としては、エポキシ樹脂、ポリアミドイミド、ポリイミド、シリコン樹脂等が挙げられる。ガラス材料としては、低融点のバナジウムガラス等が挙げられる。また、真空封止や不活性の封止技術を用いて接合部の信頼性を向上させることが可能である。

図１、図２に本発明の第１の実施形態の半導体装置の構成を示す。半導体装置は、少なくとも第１の配線層１、第１の接合層２、半導体素子３、第２の接合層４、第２の配線層５、封止部材８、絶縁部材９ａ、９ｂ、冷却部材１０ａ、１０ｂを備える。

第１の配線層１、第２の配線層５、第１の電極５、第２の電極６は、Ｃｕ、Ａｌ等の導電材料によって構成される。

第１の接合層２、第２の接合層４は、はんだ、焼結銀、焼結銅、焼結金などの接合材料によって構成される。

半導体素子３は、Si、SiC、GａNなどの半導体材料によって構成される。封止部材８は封止樹脂、セラミック、ガラス、気体などの封止用の絶縁材料によって構成される。絶縁部材９ａ、９ｂは、AlN、SiN、Al２O３、樹脂シートなどの絶縁材料によって構成される。冷却部材１０ａ、１０ｂは、Ａl、Cuなどの熱伝導率の高い材料によって構成される。半導体装置を高温で動作される場合、半導体素子３は、SiCやGａNなどのワイドバンドギャップ半導体が好ましく、接合層は焼結銀や焼結銅によって構成されることが好ましい。

第２の配線層５は下方向に凸形状を有する。実施例１に係る半導体装置では、第１の接合層２と第２の接合層４の両方のひずみを低減するが、特に第２の接合層４の方がひずみ低減効果が大きい。なぜなら、第２の配線層５の凸形状の先端部分及び第２の接合層４の横幅が第１の接合層２の横幅より短いため、第２の接合層４に生じるひずみは第１の接合層２に生じるひずみより大きく、低減することが求められている。

図３に、Ａｌの配線のみの場合と、本発明のニッケルめっきした銅粉の含有量が９０Vo%となるようにした場合の図２における評価位置Ｂの相当塑性ひずみの分布を有限要素解析によって計算した結果を示す。このように、本発明によれば接合層に発生するひずみを低減できる。これは、Ａｌよりも剛性の高い銅の含有量が含まれたために、基板内部の配線の熱ひずみが小さくなり、接合層にかかるひずみも小さくなったと考えられる。

図４は、銅体積比率と相当塑性ひずみの関係を示す。銅体積比率が大きくなるほど、相当塑性ひずみが減少する。本実施例では接合層にかかるひずみを小さくすることを目的としており、相当塑性ひずみを０．００２より低く抑えることで、半導体装置に求められる性能を実現できる。そのため、必要な銅体積比率は０．４以上（銅の含有率で４０％以上）である。

以下で、本実施形態の特徴を整理する。本実施形態では、少なくともＡｌ及びＣｕの２種を含む構成とする。本実施形態はＣｕを含むこと、その含有率が４０重量％以上であることを特徴とする。配線層をＡｌのみで構成した場合、柔らかすぎるために半導体装置の各部材においてひずみが生じやすい。そこで、配線層にＣｕを加えることで、配線層の剛性が向上させ、ひずみを小さくできる。なお、Ａｌよりも剛性の高いものはＣｕの他にもあるが、熱膨張率、熱伝導率等の観点からＣｕが好ましい。

配線層におけるＣｕは粉末状であっても良いし、板状であっても良いが、どちらの場合であっても、大部分においてＣｕとＡｌが合金化していないことが必要である。ＣｕとＡｌが合金化すると、物性が変わってしまい脆くなってしまうからである。

なお、全体としてＣｕとＡｌが合金化していない状態であれば、ＣｕとＡｌの境界面が一部合金化していたとしても、ひずみ低減の効果は得られる。

ＣｕとＡｌの合金化の防止をより確実にするためには、Ｃｕの表面にニッケルめっきを形成することが有効である。

１…第１の配線層、２…第１の接合層、３…半導体素子、４…第２の接合層、
５…第２の配線層、８…封止部材、９ａ…絶縁部材、９ｂ…絶縁部材、
１０ａ…冷却部材、１０ｂ…冷却部材

Claims (9)

1. 半導体素子と、
   配線層と、
   前記半導体素子及び前記配線層を接合する接合層を有し、
   前記配線層は、合金化していないアルミニウムと合金化していない銅を含み、前記銅の含有率は４０重量％以上であることを特徴とする半導体装置。
2. 請求項１に記載の半導体装置であって、
   前記銅は粉末状で存在することを特徴とする半導体装置。
3. 請求項２に記載の半導体装置であって、
   前記銅は表面にニッケルめっきを有していることに特徴とする半導体装置。
4. 請求項１に記載の半導体装置であって、
   前記銅は板状で存在することを特徴とする半導体装置。
5. 請求項４に記載の半導体装置であって、
   前記銅は表面にニッケルめっきを有していることを特徴とする半導体装置。
6. 請求項１に記載の半導体装置であって、
   前記接合層は、銅または銀を含むことを特徴とする半導体装置。
7. 半導体素子と、
   第１の配線層と、
   第２の配線層と、
   前記半導体素子及び前記第１の配線層を接合する第１の接合層と、
   前記半導体素子及び前記第２の配線層を接合する第２の接合層と、を有し、
   前記第２の配線層は、合金化されていないアルミニウムと銅を含み、前記銅の含有率は４０重量％以上であることを特徴とする半導体装置。
8. 請求項１に記載の半導体装置であって、
   前記第１の配線層、前記第１の接合層、前記半導体素子、前記第２の接合層、前記第２の配線層の順に形成され、
   前記第２の接合層は前記半導体素子の方向に凸形状を有することを特徴とする半導体装置。
9. 請求項８に記載の半導体装置であって、
   前記第１の配線層は、合金化されていないアルミニウムと銅を含み、前記銅の含有率は４０重量％以上であることを特徴とする半導体装置。

Images