JP2018190936A - 金属接合体、金属接合体の製造方法、半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】表面うねりのある金属板を十分な接合強度で接合させ、放熱特性を向上できる金属接合体および金属接合体の製造方法、および絶縁基板上に上記金属接合体を用いて放熱特性を向上した半導体装置および半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】金属接合体は、第１金属部１および第２金属部２を接合させたものである。第１金属部１と第２金属部２との界面に隙間１１が並んでおり、界面での隙間１１の割合は、５０％以下である。また、半導体装置の電極パターン２３は、第１金属部１および第２金属部２を接合させた上記金属接合体である。【選択図】図１

Description

この発明は、金属接合体、金属接合体の製造方法、半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。

パワー半導体モジュールは、１つまたは複数のパワー半導体チップを内蔵して変換接続の一部または全体を構成し、かつ、パワー半導体チップと積層基板または金属基板との間が電気的に絶縁された構造を持つパワー半導体デバイスである。

このようなパワー半導体モジュールの積層基板は、絶縁基板に銅板などの導電性板が電極パターンとして備えられたものである。絶縁基板上の銅板などの導電性板において、銅（Ｃｕ）板と銅板の接合は、はんだや銀（Ａｇ）焼結材などを用いる接合が用いられている。しかし、はんだの熱伝導率は低く、さらに、はんだ接合層中に未接合部やボイドが存在すると放熱特性が低下する。銀焼結材の熱伝導率は高いものの、はんだと同様、ボイドの存在による放熱特性低下が懸念される。

放熱特性の向上のため、厚い銅板を接合した構造が好ましいが、厚い銅板と、セラミック基板等の絶縁基板とで熱膨張率係数が異なることから、直接厚い銅板を絶縁基板上に高温で接合することは困難である。そのため、熱膨張率係数の差が小さくなるように、薄い銅板を絶縁基板上に高温で接合し、さらに絶縁基板上の薄い銅板と厚い銅板を接合されることが行われている。その際、上記同様にはんだや銀焼結材等を用いると未接合部やボイドの存在により、接合強度および熱伝導率が低下する。そこで、絶縁基板上の薄い銅板と厚い銅板の接合において、はんだや銀ペースト等を入れない直接接合が必要とされている。直接接合とは、金属板の間に何も挟まずに、金属原子が互いに結合することで接合することである。

金属接合体の製造方法として、接合面の少なくとも一方の接合面に、十点平均粗さが０．１５μｍ〜５μｍ、粗さ曲線要素の平均長さが１．４μｍ〜４０μｍである凹凸面をメッキ処理で形成する技術がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１５−５４３２９号公報

しかしながら、研磨などで平滑化処理を行った絶縁基板上の薄い銅板と厚い銅板のいずれも表面が平坦でなく、緩く曲がりくねったうねりがある。図１５は、従来例にかかる金属接合体の接合前の状態を示す断面図である。図１５において、第１金属部３１が厚い銅板であり、第２金属部３２が薄い銅板であり、第１金属部３１、第２金属部３２の表面にうねり３３が存在している。うねり３３の高低差ｈ３は、数μｍ程度、例えば、０．５μｍ〜１０μｍの範囲内である。

ここで、図１６は、表面粗さと破断応力との関係を示すグラフである。図１６において、横軸は、表面粗さＲａを示し、単位はｎｍである。また、縦軸は、破断応力を示し、単位はＭＰａである。ここで、表面粗さＲａとは、表面の算術平均粗さ（Ｒａ）のことである。また、破断応力とは、材料にせん断応力を与えていき、材料が破断する際の圧力である。図１６は銅板と銅板とを直接接合して、破断応力を測定した結果である。

図１６に示すように、銅板の表面粗さＲａが１２ｎｍから３００ｎｍへと増加すると破断応力は６７ＭＰａから２０ＭＰａへと低下する。高低差ｈ３が数μｍ程度は、表面粗さＲａが２００ｎｍ〜２０００ｎｍ程度になり、破断応力は２０ＭＰａ以下となる。実用的な接合強度を得るためには、２０ＭＰａより大きな破断応力は必要であり、絶縁基板上の薄い銅板と厚い銅板とを接合させても、十分な接合強度が得られないと推測される。

図１７は、従来例にかかる金属接合体の構成を示す断面図である。図１７は、図１５の第１金属部３１と第２金属部３２とに、矢印Ａ（図１５参照）の方向に圧力を加えて、接合した結果である。図１７に示すように、第１金属部３１の表面のうねりと第２金属部３２の表面のうねりの影響で第１金属部３１と第２金属部３２とが局部的にしか接合されず、第１金属部３１と第２金属部３２との界面に隙間が多く存在し、第１金属部３１と第２金属部３２とが接触する面積が狭くなっている。

このように、従来例では、例えば、第１金属部３１と第２金属部３２との界面において、隙間の割合（以下、隙間率）が５０％より大きい。なお、隙間率は、第１金属部３１と第２金属部３２との界面における単位面積あたりの隙間の割合を百分率で表したものである。また、隙間率は、第１金属部３１と第２金属部３２とが接触する面積／（第１金属部３１と第２金属部３２とが接触する面積＋第１金属部３１と第２金属部３２とが接触しない面積）と表現することもできる。このため、第１金属部３１と第２金属部３２との接合で、十分な接合強度が得られず、さらに、第２金属部３２から第１金属部３１への放熱特性も悪くなる。

なお、第１金属部３１および第２金属部３２の表面にめっき、スパッタリング、蒸着等で平坦化材を積層する表面処理やＣＭＰ（化学機械研磨：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）仕上げにより、表面を平坦化することが可能である。この場合、第１金属部３１と第２金属部３２との接合で、十分な接合強度を得ることができる場合もあるが、製造プロセスが複雑になりコストがかかるという問題がある。

例えば、半導体装置の絶縁基板上の薄い銅板に厚い銅板を接合させた場合、薄い銅板の表面と厚い銅板の表面にうねりがあるため、薄い銅板と厚い銅板との間に隙間が多く存在する。このため、銅板同士の十分な接合強度が得られず、さらに、銅板の放熱特性も悪くなる。

この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、表面にうねりのある金属板を十分な接合強度で接合させ、放熱特性を向上できる金属接合体および金属接合体の製造方法を提供することを目的とする。さらに、この発明は、絶縁基板上に上記金属接合体を用いて放熱特性を向上した半導体装置および半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる金属接合体は、次の特徴を有する。第１金属部および第２金属部を接合させた金属接合体であって、前記第１金属部と前記第２金属部との界面に隙間が並んでおり、前記界面での前記隙間の割合は、５０％以下である。

上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる金属接合体は、次の特徴を有する。第１金属部および第２金属部を接合させた金属接合体であって、前記第１金属部と前記第２金属部との間に挟まれる中間金属部を備える。前記第１金属部と前記中間金属部との界面および前記第２金属部と前記中間金属部との界面に隙間が並んでおり、前記界面での前記隙間の割合は、５０％以下である。

また、この発明にかかる金属接合体は、上述した発明において、前記隙間は前記界面において、規則的に並んでいることを特徴とする。

また、この発明にかかる金属接合体は、上述した発明において、前記第１金属部および前記第２金属部は、銅、銀、金または白金を含む金属からなることを特徴とする。

上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる金属接合体は、次の特徴を有する。半導体装置は、半導体素子と、電極パターンが設けられ、前記半導体素子を搭載した積層基板と、前記半導体素子と前記電極パターンとを電気的に接続する配線と、前記積層基板を搭載した金属基板と、を有する。前記電極パターンは、第１金属部および第２金属部を接合させた金属接合体であり、前記第１金属部と前記第２金属部との界面に、隙間が並んでおり、前記界面での前記隙間の割合は、５０％以下である。

上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる金属接合体の製造方法は、次の特徴を有する。まず、第２金属部の一方の面に凹凸形状を形成する第１工程を行う。次に、前記第２金属部の前記凹凸形状が形成された面と、第１金属部の一つの面とを対向させ、加熱、加圧により前記凹凸形状の凸部を組成変形させることで、前記第１金属部と前記第２金属部とを接合させる第２工程を行う。

また、この発明にかかる金属接合体の製造方法は、上述した発明において、前記第１工程より後、前記第２工程より前に、還元ガスを用いて前記第１金属部および前記第２金属部の酸化膜を除去する工程を、含むことを特徴とする。

上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる金属接合体の製造方法は、次の特徴を有する。まず、中間金属部の両面に凹凸形状を形成する第１工程を行う。次に、第１金属部の一方の面と前記中間金属部の一方の面とを対向させ、第２金属部の一方の面と前記中間金属部の他方の面とを対向させ、加熱、加圧により前記凹凸形状の凸部を組成変形させることで、前記第１金属部と前記中間金属部、および前記第２金属部と前記中間金属部とを接合させる第２工程を行う。

また、この発明にかかる金属接合体の製造方法は、上述した発明において、前記第１工程より後、前記第２工程より前に、還元ガスを用いて前記第１金属部、前記第２金属部および前記中間金属部の酸化膜を除去する工程を、含むことを特徴とする。

また、この発明にかかる金属接合体の製造方法は、上述した発明において、前記還元ガスは、ギ酸または水素を含むことを特徴とする。

また、この発明にかかる金属接合体の製造方法は、上述した発明において、前記凹凸形状の凸部の高さが、０．１〜２０μｍの範囲内にあることを特徴とする。

また、この発明にかかる金属接合体の製造方法は、上述した発明において、前記凹凸形状の凸部の幅が、１〜２００μｍの範囲内にあることを特徴とする。

また、この発明にかかる金属接合体の製造方法は、上述した発明において、前記凹凸形状の凸部の間隔が、１〜２００μｍの範囲内にあることを特徴とする。

上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、次の特徴を有する。まず、第２金属部の一方の面に凹凸形状を形成する第１工程を行う。次に、前記第２金属部の前記凹凸形状が形成された面と、積層基板上に設けられた第１金属部の一つの面とを対向させ、加熱、加圧により前記凹凸形状の凸部を組成変形させることで、前記第１金属部と前記第２金属部とを接合させ、電極パターンを形成する第２工程を行う。次に、前記積層基板に半導体素子を搭載する第３工程を行う。次に、前記積層基板を積層組立体に組み立てる第４工程を行う。次に、前記半導体素子と前記積層基板上の電極パターンとを電気的に接続する第５工程を行う。次に、前記積層組立体に樹脂ケースを組み合わせる第６工程を行う。

上述した発明によれば、第１金属部または第２金属部に凹凸形状が設けられる。この凹凸形状が加圧、加熱により塑性変形することで、第１金属部と第２金属部との接触面積を増加させることができ、接合強度を向上できる。また、凹凸形状の凸部が塑性変形して表面のうねりの凹部に入り込み、凸部が隙間を埋めている。これにより、隙間の割合が従来よりも少なくなり、放熱特性が向上し、高耐熱性を有する。

さらに、第１金属部と第２金属部とはギ酸環境下で加熱、加圧されている。このため、接触部は、酸化膜のない金属原子が露出しており、金属原子が直接結合しているため、接合強度が高く放熱特性も向上する。また、接触部に、はんだ等の低融点材料を用いていないことから、金属接合体は、再融解することがないため、高耐熱性の金属接合体を実現できる。

上述した発明の半導体装置によれば、凹凸形状を形成した厚い銅板を、絶縁基板上の薄い銅板に接合することで、厚い銅板を形成することができる。これにより、絶縁基板上の薄い銅板と厚い銅板のめっき、スパッタ、蒸着等の表面処理や、はんだや銀焼結材等の中間金属層を必要としない安価な製造プロセスでパワー半導体モジュールの放熱特性を向上できる。

本発明にかかる金属接合体および金属接合体の製造方法によれば、表面にうねりのある金属板を十分な接合強度で接合させ、放熱特性を向上できるという効果を奏する。また、本発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法によれば、絶縁基板上に上記金属接合体を用いることで放熱特性を向上できるという効果を奏する。

実施の形態１にかかる金属接合体の構成を示す断面図である。 実施の形態１にかかる金属接合体の図１の接合部Ａの拡大図である。 実施の形態１にかかる金属接合体の製造途中の状態を示す断面図である（その１）。 実施の形態１にかかる金属接合体の製造途中の状態を示す断面図である（その２）。 実施の形態１にかかる金属接合体の製造途中の状態を示す断面図である（その３）。 実施の形態１にかかる金属接合体の製造途中の状態を示す断面図である（その４）。 実施の形態１にかかる金属接合体の製造途中の状態の図５の部分Ｂの拡大図である。 図３における多孔板の詳細を示す上面図である。 実施の形態１にかかる金属接合体を用いたパワー半導体モジュールの構成を示す断面図である。 実施の形態２にかかる金属接合体の構成を示す断面図である。 実施の形態２にかかる金属接合体の製造途中の状態を示す断面図である。 実施例にかかる金属接合体の接合部の観察結果を模式的に示す上面図である。 従来例にかかる金属接合体の接合部の観察結果を模式的に示す上面図である。 実施例にかかる金属接合体の接合部の凸部の幅、高さ、間隔と接合強度および隙間率との関係を示す表である。 従来例にかかる金属接合体の接合前の状態を示す断面図である。 表面粗さと破断応力との関係を示すグラフである。 従来例にかかる金属接合体の構成を示す断面図である。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる金属接合体、金属接合体の製造方法、半導体装置および半導体装置の製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１にかかる金属接合体の構成を示す断面図である。図１に示すように、金属接合体は、直接接合された第１金属部１および第２金属部２から構成される。第１金属部１は、例えば、絶縁基板上の薄い銅板であり、第２金属部２は、薄い銅板と直接接合された厚い銅板である。金属接合体は、表面にうねり３３が存在する第１金属部１と第２金属部２とを接合させているため、第１金属部１と第２金属部２との接触面において、隙間１１が存在する。

しかしながら、実施の形態１では、隙間１１は規則的に設けられている。実施の形態１では、詳細は後述するように、第２金属部２の表面に凹凸形状が設けられている。なお、第１金属部１の表面に凹凸形状が設けられる形態であってもよい。この凹凸形状により、隙間１１が形成される。

ここで、図２は、実施の形態１にかかる金属接合体の図１の接合部Ａの拡大図である。図２に示すように、凹凸形状は、うねり３３より凹凸のピッチ（凸部と凸部との間の間隔ｗ１）が狭く形成されているため、表面のうねり３３の凹部に入り込み、凸部がうねり３３による隙間を埋めている。これにより、未結合部やボイドの少ない金属接合体となり、第１金属部１と第２金属部２との接触面において隙間率（隙間の割合）は従来例の場合よりも少なくなっている。具体的には、実施の形態１では、隙間率が５０％以下となっている。このため、放熱特性が向上し、高耐熱性を有する。なお、隙間率については後述する。

また、凹凸形状の凸部が接合時に加えられる圧力により凹凸形状の凸部が塑性変形して、第１金属部１と第２金属部２と接触部１２が形成される。図２に示すように凸部の先端がつぶれて、凸部の先端がうねり３３と接するようになる。この接触部１２により、第１金属部１と第２金属部２が接触する面積（以下、接触面積）を増加させることができる。このため、実施の形態１では、従来例のようにうねりがある表面同士を直接接合した場合より、接触部１２の接触面積を増加させることができ、接合強度が向上する。従って、隙間率は５０％以下がより好ましい。これ以下になると接合強度は２０ＭＰａ以上となるためである。また、例えば、第２金属部２の表面に設けられた規則的な凹凸のピッチを有する凹凸形状に対応して、接合部において規則的な隙間１１が形成される。つまり、隙間１１は、第２金属部２等の表面に設けられた所定の凹凸形状のピッチに対応したピッチで規則的に形成される。しかし、一部の凸部は変形して隙間１１が狭くなったり、無くなったりする場合もある。実際に、十分な接合強度が得られた接合部においては、６０％以上の規則的な隙間を有している。

さらに、後述するように、第１金属部１と第２金属部２との接触面は、還元ガス、例えばギ酸（ＣＨ₂Ｏ₂）環境下で加熱、加圧されている。このため、接触部１２は、酸化膜のない金属原子が露出しており、金属原子が直接結合しているため、接合強度が高く放熱特性も向上している。従って、還元ガスが接合界面の細部まで行きわたるように、最終的な隙間率は、５％以上がより好ましい。

また、凹凸形状の凹部による隙間１１は、外部と通じる空乏となり、還元ガスが第１金属部１と第２金属部２との界面全面に到達して、還元ガスによる還元性が向上し、酸化膜が減少するため、接合強度が向上する。

また、第１金属部１と第２金属部２の金属は、加熱、加圧で塑性変形させるため、あまり硬くない金属であることが好ましい。また、酸化膜が作られると、金属原子が直接結合できず、接合強度、放熱特性が劣化するため、酸化膜が作成されにくい金属であることが好ましい。また、直接結合した際に、互いの原子が相互に入ると、接合強度、放熱特性が向上するため、互いの原子が相互に拡散しやすい金属であることが好ましい。このため、第１金属部１と第２金属部２の金属は、同じ金属であることが好ましい。具体的には、第１金属部１と第２金属部２は、銅、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）または白金（Ｐｔ）を含む金属であることが好ましい。また、第１金属部１と第２金属部２は、銅であることがより好ましい。なお、銅の場合、銅を主成分とし、８０ｗｔ％以上が好ましい。この範囲であれば、純銅の場合と同様の効果を有する。また、銀、金、白金も銅と同様である。以降では銅板について記すがこれに限定されるものではない。

また、実施の形態１では、第１金属部１と第２金属部２とを接合する形態を示したが、２つより多くの金属部を接合してもよい。金属部を積層する層を増やすことで、金属部の厚さを厚くすることができる。

（実施の形態１にかかる金属接合体の製造方法）
次に、実施の形態１にかかる金属接合体の製造方法について説明する。図３〜図６は、実施の形態１にかかる金属接合体の製造途中の状態を示す断面図である。まず、直径ｗ１１の孔１３が規則的に並んでいる膜厚ｈ１のＳＵＳ（Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ Ｕｓｅｄ Ｓｔｅｅｌ）製の多孔板４と、第２金属部２とを用意する。図８は、図３における多孔板の詳細を示す上面図である。多孔板４では、例えば、開口率が５０％程度になるように孔１３が設けられる。ここまでの状態が図３に記載される。

次に、第２金属部２に多孔板４をプレスすることで、第２金属部２の表面に凹凸形状を形成する。凹凸形状の凸部１４は、直径ｗ１１の円状の孔１３より形成されるため、円柱状の凸部１４の直径ｗ２１は孔１３の直径ｗ１１と同程度になり、凸部１４の高さｈ２は多孔板４の膜厚ｈ１と同程度になる。また、プレスによって形成された凸部１４は角が取れているため、中央部が先に第１金属部１と接触して、塑性変形しやすくなり接触面積が増える。なお、凸部は柱体であればよく、四角柱などの角柱状でもよく、底面の形状は、四角などの多角形でも楕円でもよい。また、凸部は板状の金属部平面に垂直に形成されることが好ましいが、斜角柱のように傾いていてもよい。

ここで、凹凸形状の凸部１４の高さｈ２は、表面のうねり３３の凹部（図１参照）に入り込むだけの高さであることが好ましい。高さｈ２が大きすぎると隙間１１の割合が増えるため、熱伝導率が低下し、接合強度が悪化する。このため、例えば、凹凸形状の凸部１４の高さｈ２は、０．１〜２０μｍの範囲内にあることが好ましい。

また、凹凸形状の凸部１４の幅ｗ２１は、小さい方が塑性変形しやすく、凹凸形状の凸部１４の間隔ｗ２２は、小さい方が凸部１４の数が増え、接触面積が増えるため好ましい。このため、例えば、凹凸形状の凸部１４の幅ｗ２１、凹凸形状の凸部の間隔ｗ２２は、どちらも１〜２００μｍの範囲内にあることが好ましい。また、プレスではなく、エッチングにより第２金属部２に凸部１４と凹部１５とを形成してもよい。ここまでの状態が図４に記載される。なお、第２金属部２の表面にもうねりは残存していてもよい。

次に、第１金属部１と接合する第２金属部２を用意し、圧力を加えることができる治具に、第１金属部１と第２金属部２との間にギャップを開けた状態で配置する。ここまでの状態が図５に記載される。図５は、半導体装置の積層基板に関するものであるが、第１金属部と第２金属部との接合においても同様である。なお、半導体装置の積層基板においては、絶縁基板５の両面に第１金属部１が設けられているが、片面だけの場合であってもよい。ここで、図７は、実施の形態１にかかる金属接合体の製造途中の状態の図５の部分Ｂの拡大図である。図７に示すように、第１金属部１の表面にはうねり３３が存在し、矢印Ａの方向に圧力が加えられる。

次に、ギャップにギ酸、水素（Ｈ₂）等の還元ガス（気体）を導入し、第１金属部１と第２金属部２の表面の酸化膜を除去して、新生面を出す。なお、この際の雰囲気の圧力（ガス圧）は、大気圧あるいは減圧環境下でもよい。次に、第１金属部１と第２金属部２に加圧、加熱を行うことにより、第１金属部１と第２金属部２とを接合する。加熱は、例えば、ヒータにより第１金属部１と第２金属部２とを１５０℃〜３００℃程度の温度にする。圧力として、局所的に銅の塑性変形圧力を超えるように例えば１０ＭＰａ〜５０ＭＰａの圧力をかける。ここまでの状態が図６に記載される。以上のようにして、図１に示す金属接合体が製造される。なお、第１金属部１の厚さは、第２金属部２の厚さより厚くても、同等でもかまわない。導電性板同士を接合し、電極パターンとして厚い導電性板が形成される。また、第２金属部２の代わりに第１金属部１に凹凸形状が形成されていても、両方に凹凸形状が形成されていてもかまわない。

以上、説明したように、実施の形態１によれば、第１金属部または第２金属部に凹凸形状が設けられる。この凹凸形状が加圧、加熱により塑性変形することで、第１金属部と第２金属部との接触面積を増加させることができ、接合強度を向上できる。また、凹凸形状の凸部が塑性変形して表面のうねりの凹部に入り込み、凸部が隙間を埋めている。これにより、隙間の割合が従来よりも少なくなり、放熱特性が向上し、高耐熱性を有する。

さらに、第１金属部と第２金属部とはギ酸等の還元ガス雰囲気環境下で加熱し、加熱しながら加圧されている。なお、加圧する際には、還元ガス雰囲気でなくともよい。このため、接触部は、酸化膜のない金属原子が露出しており、金属原子が直接結合しているため、接合強度が高く放熱特性も向上する。また、接触部に、はんだ等の低融点材料を用いていないことから、金属接合体は、再融解することがないため、高耐熱性の金属接合体を実現できる。

（実施の形態１の半導体装置）
図９は、実施の形態１にかかる金属接合体を用いたパワー半導体モジュールの構成を示す断面図である。図９に示すように、パワー半導体モジュールは、パワー半導体チップ２１と、絶縁基板２２と、電極パターン２３と、金属基板２４と、端子ケース２５と、金属端子２６と、金属ワイヤ２７と、蓋２８と、封止材２９と、を備える。

パワー半導体チップ２１は、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）またはダイオード等のパワー半導体チップであり、絶縁基板２２上に搭載される。なお、セラミック基板等の絶縁基板２２のおもて面および裏面に銅などの電極パターン２３が備えられた基板を積層基板と称する。積層基板は、金属基板２４にはんだ接合されている。金属基板２４には、端子ケース２５が接着剤で接着されている。端子ケース２５は、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ：Ｐｏｌｙ Ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ Ｓｕｌｆｉｄｅ）等の熱可塑性樹脂で、外部に信号を取り出す金属端子２６を固定するためインサート成形されている。金属端子２６は、積層基板上にはんだ付けで固定され、蓋２８を貫通して外部に突き出ている。金属ワイヤ２７は、パワー半導体チップ２１と金属端子２６とを電気的に接続している。蓋２８は、端子ケース２５と同一の熱可塑性樹脂で構成されている。封止材２９は、積層基板の沿面およびパワーチップを搭載した基板上のパワー半導体チップ２１を絶縁保護する封止樹脂として、端子ケース２５内に充填されている。

実施の形態１の半導体装置では、絶縁基板２２のおもて面の電極パターン２３が実施の形態１の金属接合体により構成されていることが好ましい。おもて面の電極パターン２３を厚くすることでパワー半導体チップ２１の熱を拡散することができる。このように、おもて面の電極パターン２３は、薄い金属板と厚い金属板とを直接接合したものであり、実施の形態１の金属接合体と同様の効果を有している。例えば、実施の形態１の半導体装置では、おもて面の電極パターン２３の薄い金属板と厚い金属板との界面の隙間率が５０％以下となっている。これにより、実施の形態１の半導体装置の放熱特性が向上し、高耐熱性を有する。

また、実施の形態１の半導体装置では、絶縁基板２２の裏面の電極パターン２３が実施の形態１の金属接合体により構成されていることが好ましい。また、おもて面および裏面の電極パターン２３の厚さを同じにすることで、絶縁基板２２のそりを無くすことができる。また、実施の形態１の半導体装置では、電極パターン２３と金属基板２４の接合体も実施の形態１の金属接合体により構成することもできる。なお、上述したように、電極パターン２３は第１金属部１と第２金属部２を直接接合して形成されるが、第１金属部１の厚さは、第２金属部２の厚さより厚くても、同等でもかまわない。

（実施の形態１の半導体装置の製造方法）
次に、実施の形態１にかかる半導体装置の製造方法について説明する。まず、絶縁基板２２に薄い銅板（第１金属部）を高温で接合する。次に、例えば、実施の形態１にかかる金属接合体の製造方法と同様の方法で、厚い銅板（第２金属部）の一方の表面に凹凸形状を形成する。次に、凹凸形状が形成された厚い銅板の表面と薄い銅板の表面を対向させ、圧力を加えることができる治具に、薄い銅板と厚い銅板との間にギャップを開けた状態で配置する。なお、上述の凹凸を形成された銅板は、絶縁基板上の銅板より薄くても同等でも構わない。直接接合の作用は同じである。

次に、ギャップにギ酸、水素等の還元ガスを導入し、薄い銅板と厚い銅板との表面の酸化膜を除去して、新生面を出す。次に、加圧、加熱を行うことにより、薄い銅板と厚い銅板とを接合する。この接合により、絶縁基板２２上に電極パターン２３が形成される。

次に、はんだ等の接合材を用いて、パワー半導体チップ２１を絶縁基板２２上の電極パターン２３に接合することで、絶縁基板２２にパワー半導体チップ２１を実装する。次に、パワー半導体チップ２１と、絶縁基板２２上の電極パターン２３とを、金属ワイヤ２７で電気的に接続する。次に、金属ワイヤ２７が接続された電極パターン２３に金属端子２６を取り付ける。次に、はんだ等の接合材を用いて、これらを金属基板２４に接合して、パワー半導体チップ２１、絶縁基板２２および金属基板２４からなる積層組立体を組み立てる。また、金属ワイヤ２７の代わりに、金属端子を接合してもよい。

次に、この積層組立体に端子ケース２５を接着する。次に、端子ケース２５内にエポキシ樹脂などの硬質樹脂等の封止材２９を充填する。この後、所定の条件で熱処理を行って硬化させる。次に、封止材２９が外に漏れないようにするため、蓋２８を取り付ける。以上のようにして、本発明の実施の形態１にかかるパワー半導体モジュールを製造することができる。

以上、説明したように、実施の形態１の半導体装置によれば、凹凸形状を形成した厚い銅板を、絶縁基板上の薄い銅板に接合することで、厚い銅板を形成することができる。これにより、絶縁基板上の薄い銅板と厚い銅板のめっき、スパッタ、蒸着等の表面処理や、はんだや銀焼結材等の中間金属層を必要としない安価な製造プロセスでパワー半導体モジュールの放熱特性を向上できる。

（実施の形態２）
図１０は、実施の形態２にかかる金属接合体の構成を示す断面図である。図１０に示すように、金属接合体は、直接接合された第１金属部１、中間金属層３および第２金属部２から構成される。第１金属部１は、例えば、絶縁基板上の薄い銅板であり、第２金属部２は、厚い銅板である。中間金属層３は薄い銅板である。金属接合体は、表面にうねり３３が存在する第１金属部１と中間金属層３、および中間金属層３と表面にうねり３３が存在する第２金属部２とを接合させているため、第１金属部１と中間金属層３、および中間金属層３と第２金属部２との接触面において、隙間１１が存在する。

しかしながら、実施の形態２では、実施の形態１と同様に隙間１１は規則的に設けられている。中間金属層３の両方の表面に凹凸形状が設けられている。この凹凸形状により、隙間１１が形成される。

実施の形態２の凹凸形状は、実施の形態１と同様の形状にすることで、第１金属部１と中間金属層３と接触面、および中間金属層３と第２金属部２との接触面において隙間１１の割合を従来例の場合よりも少なくすることができる。具体的には、実施の形態１と同様に、隙間率が５０％以下となっている。このため、放熱特性が向上し、高耐熱性を有する。なお、第１金属部１の厚さは、第２金属部２の厚さより厚くても、同等でもかまわない。

また、凹凸形状が接合時に加えられる圧力により変形して、第１金属部１と中間金属層３との接触部１２、中間金属層３と第２金属部２との接触部１２が形成される。この接触部１２により、実施の形態１と同様に、第１金属部１と中間金属層３とが接触する面積、中間金属層３と第２金属部２とが接触する面積（以下、接触面積）を増加させることができ、接合強度が向上する。

また、実施の形態２でも実施の形態１と同様に、第１金属部１と中間金属層３との接触面、および中間金属層３と第２金属部２との接触面は、ギ酸環境下で加熱、加圧されており、実施の形態１と同様に、接合強度が高く放熱特性も向上している。

また、中間金属層３の凹凸形状の隙間１１の高さ、隙間の幅、隙間の間隔は、実施の形態１と同様の大きさであり、第１金属部１、第２金属部２および中間金属層３は、実施の形態１と同様の金属である。前記中間金属層３の板厚は、０．１ｍｍから２ｍｍが好ましい。この範囲において、中間金属層３自体が変形し、第１金属部１および第２金属部２の接合面の形状（うねりやそりなど）に追従し易いからである。

第１金属部１と第２金属部２および中間金属層３は、実施の形態１の材料と同様の金属を用いることができる。具体的には、銅、銀、金または白金を含む金属であることが好ましい。そして、第１金属部１と第２金属部２および中間金属層３の金属は、同じ金属であることが好ましい。また、第１金属部１と第２金属部２およびは、銅であることがより好ましい。

また、実施の形態２では、第１金属部１と第２金属部２との間に中間金属層３を接合する形態を示したが、２つより多くの金属部を接合してもよい。この場合、すべての金属部の間に、中間金属層３を設けなくてもよい。例えば、３つの金属部を接合する場合、金属部−金属部−中間金属層−金属部であってもよい。

（実施の形態２にかかる金属接合体の製造方法）
次に、実施の形態２にかかる金属接合体の製造方法について説明する。図１１は、実施の形態２にかかる金属接合体の製造途中の状態を示す断面図である。まず、実施の形態１と同様の多孔板４と、中間金属層３とを用意する。

次に、中間金属層３に多孔板４をプレスすることで、中間金属層３の表面に凸部１４と凹部１５とを形成する。この際、中間金属層３の両面に凸部１４と凹部１５とを形成するが、同時に形成してもよく、別々に形成してもよい。凸部１４の形状は実施の形態１と同様でよい。なお、中間金属層３の片側の面の凸部１４の少なくとも一部は、他方の面の凸部１４と対向するように設けられることが好ましい。凸部１４が互い違いに形成されると、圧力が均一に伝わりづらいためである。

次に、第１金属部１と第２金属部２を用意し、圧力を加えることができる治具に、第１金属部１と中間金属層３との間、および中間金属層３と第２金属部２との間にギャップを開けた状態で配置する。この状態が図１１に記載される。

次に、ギャップにギ酸、水素等の還元ガスを導入し、第１金属部１、第２金属部２および中間金属層３の表面の酸化膜を除去して、新生面を出す。次に、加圧、加熱を行うことにより、第１金属部１、第２金属部２および中間金属層３を接合する。ここで、加圧、加熱の条件は実施の形態１と同様でよい。以上のようにして、図１０に示す金属接合体が製造される。

以上、説明したように、実施の形態２によれば、中間金属層に凹凸形状が設けられる。この凹凸形状が加圧、加熱により塑性変形することで、接触部の接触面積を増加させることができ、接合強度を向上できる。また、凹凸形状の凸部が塑性変形して表面のうねりの凹部に入り込み、凸部が隙間を埋めている。これにより、隙間の割合が従来よりも少なくなり、放熱特性が向上し、高耐熱性を有する。また、実施の形態２では、中間金属層が第１金属部、第２金属部のそりに追従できるため、そりが大きい場合に特に効果的である。

さらに、第１金属部、第２金属部および中間金属層はギ酸環境下で加熱、加圧されている。このため、接触部は、酸化膜のない金属原子が露出しており、金属原子が直接結合しているため、接合強度が高く放熱特性も向上する。

実施の形態２の半導体装置は、電極パターン２３が実施の形態２にかかる金属接合体であることを除いて、他の構成要素は実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。また、実施の形態２の半導体装置の製造方法も、電極パターン２３の製造方法が、実施の形態２にかかる金属接合体の製造方法であることを除いて、他の製造工程は実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。

（実施例）
以下、実施例について説明する。実施例において、直径１００μｍの孔１３が開口率５０％で並んでいる、膜厚１００μｍのＳＵＳ製の多孔板４と、膜厚１ｍｍの第２金属部２とを用意した。第２金属部２に多孔板４をプレスすることで、第２金属部２の表面に高さ１５μｍの凸部１４と凹部１５とを形成した。

この後、実施例ではギ酸を導入して、２８０℃の温度で３０分間処理することで、表面酸化膜を除去した。この後、２８０℃の温度で、１５ｋＮの圧力を加えることにより、第１金属部１と第２金属部２とを接合した。ここで、図１２は、実施例にかかる金属接合体の接合部の観察結果を模式的に示す上面図である。図１３は、従来例にかかる金属接合体の接合部の観察結果を模式的に示す上面図である。

図１２は、第１金属部１と第２金属部２との接合部をＳＡＴ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈ：超音波探傷装置）で０．５μｍ以上の隙間を観察した像である。また、図１３は、比較のため、従来例の第１金属部３１と第２金属部３２との接合部をＳＡＴで観察した像である。図１２、図１３において、黒い部分が第１金属部と第２金属部が接触している部分であり、白い部分が接触していない部分である。図１２の実施例の場合、黒い点の凸部だけでなくその周りも接触して、接触していない白い部分が少なくなっている。これに対して、図１３の従来例の場合、接触していない白い部分の面積が大きく、さらに図１３では、面積の広い白い部分１６が２つ存在している。このため、実施例では、第１金属部３１と第２金属部３２とが良好に接合し、接合強度が高く、放熱特性も良好である。これに対して、従来例では、第１金属部３１と第２金属部３２とが十分に接合していなく、接合強度が低く、放熱特性も悪いことがわかる。なお、隙間率（隙間の割合）は、接合部における接触していない部分（０．５μｍ以上の隙間）の面積の割合であり、上記ＳＡＴで観察した像から求める。なお、ＳＡＴの像は接合面を上部より観察したものである。また、１ｍｍ四方を１０箇所観察した平均を隙間率とした。

図１４は、実施例にかかる金属接合体の接合部の円柱状の凸部の幅（直径）、高さ、間隔と接合強度および隙間率との関係を示す表である。図１４において、Ｗは凹凸形状の円柱状の凸部の幅（直径）であり、図４の凸部１４の幅ｗ２１に対応する。また、Ｄは凹凸形状の凸部の間隔であり、図４の凸部１４の間隔ｗ２２に対応する。また、ｈは凹凸形状の凸部の高さであり、図４の凸部１４の高さｈ２に対応する。それぞれの単位はμｍである。粗密（Ｗ／Ｄ）は間隔Ｄに対する幅Ｗの比率であり、この値が大きいほど、単位面積あたりの凸部の数（密度）が小さくなる。

また、接合強度は、金属接合体の接合部の強度をせん断強度試験にて測定して、２０ＭＰａ以上の時は、◎として、１５〜２０ＭＰａ時は、○とした。これは、接合強度が１５ＭＰａ以上でないと、金属接合体をパワー半導体モジュールに用いる際の熱応力で、接合部にクラック等が生じる場合があるためである。また、隙間率は上述のＳＡＴの評価により求めた。

図１４において、実施例１〜４は、Ｗ、Ｄを１００μｍとして、ｈを０．１μｍ、１μｍ、１０μｍ、２０μｍとして接合強度を評価した結果である。この場合、理論上は粗密（Ｗ／Ｄ）は全て１になり、凸部の密度は一定となる。また、凸部の縦横比（アスペクト比）ｈ／Ｗは、０．００１、０．０１、０．１、０．２となり、全体の面積に対する凸部の面積の割合は、一定となる。図１４に示すように、実施例１〜４では、接合強度は全て◎となり、隙間率は５０％以下で、良好な接合強度を示した。

また、図１４において、実施例５〜７は、Ｄを１００μｍ、ｈを１０μｍとして、Ｗを５μｍ、５０μｍ、２００μｍとして接合強度を評価した結果である。この場合、粗密（Ｗ／Ｄ）は、０．０５、０．５、２となり、凸部の縦横比（アスペクト比）ｈ／Ｗは、２、０．２、０．０５となり、全体の面積に対する凸部の面積の割合は、０．２％、１０．１％、４０．４％となる。図１４に示すように、実施例５では、接合強度は○であったが、実施例６、７では、接合強度は◎になり、良好な接合強度を示した。

また、図１４において、実施例８〜１１は、Ｗを１００μｍ、ｈを１０μｍとして、Ｄを５μｍ、２５μｍ、５０μｍ、２００μｍとして接合強度を評価した結果である。この場合、粗密（Ｗ／Ｄ）は、２０、４、２、０．５となり、凸部の縦横比（アスペクト比）ｈ／Ｗは、全て０．１と一定となり、全体の面積に対する凸部の面積の割合は、８２．５％、５８％、４０．３％、１０．１％となる。図１４に示すように、実施例８では、接合強度は○であったが、実施例９〜１１では、接合強度は◎になり、良好な接合強度を示した。なお、第１金属部または第２金属部の初期の表面のうねりは、うねり曲線要素の平均高さＷｚで評価し、Ｗｚは０．１から１０μｍにおいて、上述の結果を得た。なお、ＷｚはＪＩＳ−Ｂ０６０１−２００１に記載の方法で測定し、高周波成分カットオフフィルタのカットオフ値λｃを０．２５ｍｍとした。なお、良好な接合強度を得られた接合部には、第２金属部２表面の所定の凹部のピッチに対応した隙間１１が形成されており、接合面において、前記所定の凹部の個数に対する規則的な隙間１１の個数の割合（規則化度合）は６０％以上であった。

以上の結果から、実施例５のように、幅Ｗが小さいと凸部の面積の割合が小さくなり、接触面積が少なくなるため、接合強度が若干悪化することがわかる。また、実施例８のように、間隔Ｄが小さいと凸部の面積の割合が大きくなり、凸部間の隙間が少なくなるため、隙間率は小さいが接合強度が若干悪化すると推定される。また、上述の実施例の条件で作成した積層基板を用いた半導体装置は、ヒートサイクル試験などの信頼性試験においても良好な結果を示した。

以上のように、本発明にかかる金属接合体、金属接合体の製造方法、半導体装置および半導体装置の製造方法は、インバータなどの電力変換装置や種々の産業用機械などの電源装置や自動車のイグナイタなどに使用されるパワー半導体装置に有用である。

１ 第１金属部
２ 第２金属部
３ 中間金属層
４ 多孔板
５ 絶縁基板
１１ 隙間
１２ 接触部
１３ 孔
１４ 凸部
１５ 凹部
１６ 面積の広い白い部分
２１ パワー半導体チップ
２２ 絶縁基板
２３ 電極パターン
２４ 金属基板
２５ 端子ケース
２６ 金属端子
２７ 金属ワイヤ
２８ 蓋
２９ 封止材
３１ 第１金属部
３２ 第２金属部
３３ うねり

Claims (14)

1. 第１金属部および第２金属部を接合させた金属接合体であって、
   前記第１金属部と前記第２金属部との界面に隙間が並んでおり、前記界面での前記隙間の割合は、５０％以下であることを特徴とする金属接合体。
2. 第１金属部および第２金属部を接合させた金属接合体であって、
   前記第１金属部と前記第２金属部との間に挟まれる中間金属部を備え、
   前記第１金属部と前記中間金属部との界面および前記第２金属部と前記中間金属部との界面に隙間が並んでおり、前記界面での前記隙間の割合は、５０％以下であることを特徴とする金属接合体。
3. 前記隙間は前記界面において、規則的に並んでいることを特徴とする請求項１または２に記載の金属接合体。
4. 前記第１金属部および前記第２金属部は、銅、銀、金または白金を含む金属からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の金属接合体。
5. 半導体素子と、電極パターンが設けられ、前記半導体素子を搭載した積層基板と、前記半導体素子と前記電極パターンとを電気的に接続する配線と、前記積層基板を搭載した金属基板と、を有する半導体装置において、
   前記電極パターンは、第１金属部および第２金属部を接合させた金属接合体であり、前記第１金属部と前記第２金属部との界面に、隙間が並んでおり、前記界面での前記隙間の割合は、５０％以下であることを特徴とする半導体装置。
6. 第２金属部の一方の面に凹凸形状を形成する第１工程と、
   前記第２金属部の前記凹凸形状が形成された面と、第１金属部の一つの面とを対向させ、加熱、加圧により前記凹凸形状の凸部を組成変形させることで、前記第１金属部と前記第２金属部とを接合させる第２工程と、
   を含むことを特徴とする金属接合体の製造方法。
7. 前記第１工程より後、前記第２工程より前に、
   還元ガスを用いて前記第１金属部および前記第２金属部の酸化膜を除去する工程を、
   含むことを特徴とする請求項６に記載の金属接合体の製造方法。
8. 中間金属部の両面に凹凸形状を形成する第１工程と、
   第１金属部の一方の面と前記中間金属部の一方の面とを対向させ、第２金属部の一方の面と前記中間金属部の他方の面とを対向させ、加熱、加圧により前記凹凸形状の凸部を組成変形させることで、前記第１金属部と前記中間金属部、および前記第２金属部と前記中間金属部とを接合させる第２工程と、
   を含むことを特徴とする金属接合体の製造方法。
9. 前記第１工程より後、前記第２工程より前に、
   還元ガスを用いて前記第１金属部、前記第２金属部および前記中間金属部の酸化膜を除去する工程を、
   含むことを特徴とする請求項８に記載の金属接合体の製造方法。
10. 前記還元ガスは、ギ酸または水素を含むことを特徴とする請求項７または９に記載の金属接合体の製造方法。
11. 前記凹凸形状の凸部の高さが、０．１〜２０μｍの範囲内にあることを特徴とする請求項６〜１０のいずれか一つに記載の金属接合体の製造方法。
12. 前記凹凸形状の凸部の幅が、１〜２００μｍの範囲内にあることを特徴とする請求項６〜１１のいずれか一つに記載の金属接合体の製造方法。
13. 前記凹凸形状の凸部の間隔が、１〜２００μｍの範囲内にあることを特徴とする請求項６〜１２のいずれか一つに記載の金属接合体の製造方法。
14. 第２金属部の一方の面に凹凸形状を形成する第１工程と、
    前記第２金属部の前記凹凸形状が形成された面と、積層基板上に設けられた第１金属部の一つの面とを対向させ、加熱、加圧により前記凹凸形状の凸部を組成変形させることで、前記第１金属部と前記第２金属部とを接合させ、電極パターンを形成する第２工程と、
    前記積層基板に半導体素子を搭載する第３工程と、
    前記積層基板を積層組立体に組み立てる第４工程と、
    前記半導体素子と前記積層基板上の電極パターンとを電気的に接続する第５工程と、
    前記積層組立体に樹脂ケースを組み合わせる第６工程と、
    を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。

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