JP2022024016A - はんだ材および焼結体 - Google Patents

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Abstract

【課題】パワー半導体チップの発生熱を効率よく放熱でき、はんだにクラックが発生して熱抵抗が上昇することを抑制できるはんだ材および焼結体を提供する。【解決手段】はんだ材１４は、半導体素子１を積層基板に搭載した組立構造を有する半導体装置に用いられるはんだ材１４である。はんだ材１４は、金属繊維２０を含み、金属繊維２０間がはんだ２３で充填されて成り、はんだ材１４は、半導体素子１と積層基板上の電極パターン３とを接合する接合層である。【選択図】図１

Description

この発明は、はんだ材および焼結体に関する。
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。パワー半導体モジュールは、産業用途としてエレベータなどのモータ駆動制御インバータなどに使われている。さらに近年では、車載用モータ駆動制御インバータに広く用いられるようになっている。車載用インバータでは、燃費向上のため小型・軽量化や、エンジンルーム内の駆動用モータ近傍に配置されることから、高温動作での長期信頼性が求められる。
従来のパワー半導体モジュールの構造を、一般的なＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）パワー半導体モジュール構造を例にとって説明する。
図９は、従来構造の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１と、絶縁基板２と、電極パターン３と、絶縁基板２の裏面に配置される導電性板９、はんだ材１４と、放熱板５と、冷却体７と、金属ワイヤ１０と、外部端子１１と、端子ケース１２と、封止材料１３と、を備える。
パワー半導体チップ１は、ＩＧＢＴあるいはダイオードチップ等の半導体素子である。絶縁基板２の両面には、電極パターン３と導電性板９が設けられている。電極パターン３上には、接合材であるはんだ材１４にてパワー半導体チップ１が接合される。裏面の導電性板９上には、はんだ材１４にて放熱板５が接合される。放熱板５は、放熱グリス６を介して放熱フィンが設けられた冷却体７に接合される。なお、絶縁基板２の少なくとも片面に電極パターン３が設けられた基板を積層基板という。また、パワー半導体チップ１の上面には、電気接続用の配線として金属ワイヤ１０が電極パターン３との間を接続している。電極パターン３の上面には、外部接続用の金属外部端子１１が設けられている。また、パワー半導体チップ１の絶縁保護のため、端子ケース１２内には低弾性率のシリコンゲル等の封止材料１３が充填され、蓋（不図示）にてパッケージされている。
ここで、車載用パワー半導体モジュールは、産業用パワー半導体モジュールに比べ、設置空間の制約から小型、軽量化が求められる。また、モータを駆動するための出力パワー密度が高くなるため、運転時における半導体チップ温度が高くなるとともに、高温動作時の長期信頼性の要求も高まってきている。このため、高温動作・長期信頼性を有したパワー半導体モジュール構造が要求されてきている。
上記構成のパワー半導体モジュールは、放熱フィンが設けられた冷却体７が取り付けられ、通電に伴うパワー半導体チップ１の発生熱を放熱フィンに伝熱させて系外に放熱するようにしている。冷却体７の表面と放熱板５の表面との間が密着していないと両者間の接触熱抵抗が増して放熱性が低下する。
そこで、従来の半導体装置では、高い放熱性能を確保するために放熱板５および冷却体７の表面平坦度、表面粗さができるだけ小さくなるように仕上げ、さらに冷却体７の表面に放熱グリス６等のサーマルコンパウンドを塗布するなどして放熱板５と冷却体７間の接触熱抵抗を低く抑えるようにしている。
また、パワー半導体チップ１と電極パターン３との間、および、導電性板９と放熱板５との間を、はんだ材１４を用いて接合している。例えば、パワー半導体チップ１の下の接合には、Ｐｂ（鉛）フリーはんだを、フラックス含有したペーストはんだ、または、板はんだで接合している。
半導体モジュールに用いるＰｂフリーはんだとして、半導体チップのダイボンドなどの温度階層接続に用いられる、Ｃｕ（銅）からなる金属網が２枚のはんだ箔によって挟まれて圧着された構成からなる複合はんだがある（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４－１７４５２２号公報
ここで、パワー半導体チップ１の下の接合に用いられるはんだ材１４の熱伝導率は４０～６０Ｗ／ｍ・Ｋである。この値は、銅の熱伝導率３９０Ｗ／ｍ・Ｋと比較すると低い値である。このため、通電に伴うパワー半導体チップ１の発生熱を電極パターン３に十分伝熱できず、発生熱が放熱フィンに到達できないため、パワー半導体チップ１を十分に冷却することができないという課題がある。また、はんだ材１４の熱伝導率が低いため、はんだ材１４自身の温度が上昇し、はんだ材１４中にクラックが発生して熱抵抗が上昇し、放熱性能がさらに低下するという課題がある。
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、パワー半導体チップの発生熱を効率よく放熱でき、はんだにクラックが発生して熱抵抗が上昇することを抑制できるはんだ材および焼結体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、この発明にかかるはんだ材は、次の特徴を有する。半導体素子を積層基板に搭載した組立構造を有する半導体装置に用いられるはんだ材であって、前記はんだ材は、金属繊維を含み、前記金属繊維間がはんだで充填されて成り、前記はんだ材は、前記半導体素子と前記積層基板上の電極パターンとを接合する接合層である。
また、この発明にかかるはんだ材は、上述した発明において、前記組立構造は、前記積層基板を搭載した放熱板をさらに有し、前記はんだ材は、前記積層基板と前記放熱板とを接合する接合層であることを特徴とする。
また、この発明にかかるはんだ材は、上述した発明において、前記金属繊維の直径は、前記はんだ材の厚さ以下であることを特徴とする。
また、この発明にかかるはんだ材は、上述した発明において、前記はんだ材は、前記金属繊維が２層以上折り重ねられていることを特徴とする。
また、この発明にかかるはんだ材は、上述した発明において、前記金属繊維は銅繊維であり、その直径は２０μｍ以下であることを特徴とする。
また、この発明にかかるはんだ材は、上述した発明において、前記金属繊維は互いに接点を有することを特徴とする。
また、この発明にかかるはんだ材は、上述した発明において、前記金属繊維は、Ｎｉめっきがされていることを特徴とする。
また、この発明にかかるはんだ材は、上述した発明において、前記はんだは、Ｓｎ－Ｓｂ系はんだ、またはＳｎ－Ａｇ系はんだで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、この発明にかかる焼結体は、次の特徴を有する。金属繊維を含み、前記金属繊維が銀（Ａｇ）または銅（Ｃｕ）の焼結材で充填された焼結体において、前記金属繊維は銅繊維であり、その直径は２０μｍ以下である。
また、この発明にかかる焼結体は、上述した発明において、前記金属繊維は、互いに接点を有することを特徴とする。
また、この発明にかかる焼結体は、上述した発明において、前記金属繊維は、Ｎｉめっきがされていることを特徴とする。
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記金属繊維は、互いに接点を有することを特徴とする。
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記はんだは銅を含まないことを特徴とする。
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記はんだは、Ｓｎ－Ｓｂ系はんだにＮｉまたはＣｏを含有したもの、Ｓｎ－Ｂｉ系はんだにＮｉまたはＣｏを含有したもの、または、Ｓｎ－Ａｇ系はんだにＮｉまたはＣｏを含有したものであることを特徴とする。
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記金属繊維は、Ｎｉめっきがされていることを特徴とする。
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記金属繊維は、Ｃｏめっきがされていることを特徴とする。
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記金属繊維間は、ＡｇまたはＣｕの焼結材で充填されていることを特徴とする。
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記はんだ材は、前記金属繊維が２層以上折り重ねられてい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、金属繊維を含み、前記金属繊維間がはんだで充填されているはんだ材を用いて、積層基板上の電極パターンと半導体素子とを接合して、前記積層基板に前記半導体素子を搭載する工程を行う。前記積層基板を積層組立体に組み立てる工程を行う。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工程を行う。
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記電気的に接続する工程では、前記はんだ材を用いて、前記半導体素子と、前記積層基板上の電極パターンとを、電気的に接続することを特徴とする。
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記組み立てる工程では、前記積層基板を、前記はんだ材を用いて、前記積層組立体の放熱板に接合することを特徴とする。
上述した発明によれば、パワー半導体素子と電極パターンとを接合する接合部は、銅繊維を含み、銅繊維間がはんだで充填されている銅繊維含有はんだ材である。これにより、熱伝導率が、フラックスを含有したペーストはんだや板はんだより向上するため、パワー半導体チップの発生熱を効率よく放熱できる。また、はんだの中に銅繊維が含まれているため、はんだ中にクラックが発生しても、クラックが迂回して進展するため、はんだの寿命が向上する。さらに、はんだの中に銅繊維が含まれているため、フィレットが発生することを防止でき、はんだが脇にはみ出ることが少なくなる。また、銅繊維が互いに接点を有し熱パスを形成しているため、はんだにクラックが発生しても熱抵抗の上昇を抑制できる。また、銅繊維部材に、はんだをしみこませて板はんだとすることで、従来と同様の取り扱いができ、従来よりもはんだ厚さを均一に制御することが可能になる。
本発明にかかるはんだ材および焼結体によれば、パワー半導体チップの発生熱を効率よく放熱でき、はんだにクラックが発生して熱抵抗が上昇することを抑制できるという効果を奏する。
図１は、実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの構成を示す断面図である。 図２は、パワー半導体チップと電極パターンを接合するはんだ材の詳細を示す断面図である（その１）。 図３は、パワー半導体チップと電極パターンを接合するはんだ材の詳細を示す断面図である（その２）。 図４は、実施の形態にかかるはんだのパワーサイクル試験の結果を示す表である。 図５は、はんだ厚と等価熱伝導率との関係を示すグラフである。 図６は、銅占有率と等価熱伝導率との関係を示すグラフである。 図７は、銅繊維含有はんだ材の実施例を示す断面図である。 図８は、銅繊維含有はんだ材の実施例の接合部の断面図である。 図９は、従来構造のパワー半導体モジュールの構成を示す断面図である。
以下に添付図面を参照して、この発明にかかるはんだ材および焼結体の好適な実施の形態を詳細に説明する。図１は、実施の形態にかかる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）
図１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１と、絶縁基板２と、電極パターン３と、接合部４と、放熱板５と、リードフレーム配線８と、絶縁基板２の裏面に配置される導電性板９、を備える。ここでは、従来構造のパワー半導体モジュールと同様のため、冷却体７、外部端子１１、端子ケース１２、封止材料１３等の記載は省略する。図１では、リードフレーム配線８を用いて、パワー半導体チップ１と電極パターン３とを接続しているが、従来構造と同様に金属ワイヤ１０を用いて接続してもよい。
パワー半導体チップ１は、ＩＧＢＴあるいはダイオードチップ等の半導体素子である。絶縁性を確保するセラミック基板等の絶縁基板２のおもて面（パワー半導体チップ１側）および裏面（放熱板５側）には、銅（Ｃｕ）等の導電性の板などからなる電極パターン３等が設けられている。なお、絶縁基板２の少なくとも片面に電極パターン３が設けられた基板を積層基板とする。電極パターン３上には、接合部４にてパワー半導体チップ１が接合される。裏面の導電性板９上には、接合部４にて放熱板５が接合される。放熱板５は、放熱フィンが設けられた冷却体（不図示）に接合される。なお、積層基板のおもて面の銅などの導電性板を電極パターンといい、裏面の銅等の導電性板を導電性板という。また、パワー半導体チップ１の上面（接合部４と接する面と反対側の面）には、電気接続用の配線としてリードフレーム配線８の一端が接合部４にて接合される。リードフレーム配線８の他端は、電極パターン３と接合される。また、上述の箇所以外においても、従来の半導体モジュールにおいてはんだ材が用いられる箇所において、本発明の接合部は用いられる。
接合部４は、金属繊維部材を含んだ金属繊維含有はんだ材により形成される。金属繊維含有はんだ材は、繊維状の金属（以下、金属繊維と称する）を含み、その金属繊維が互いに接点を有し熱パスを形成し、さらに、金属繊維間がはんだで充填されている。金属としては、熱伝導率の高い金属、例えば銅であることが好ましい。以下、繊維状の銅を銅繊維と称し、接合部４を銅繊維含有はんだ材４と称する。以降は銅繊維について説明する。なお、ここで、繊維状とは、細長い形状、つまり直径に対して長さがきわめて大きいものをいう。実施の形態では、１本の銅繊維の直径が２０μｍ以下であることが好ましい。また、銅繊維の長さは５０μｍ以上が好ましく、１ｍｍ以上がより好ましい。前記長さであると、銅繊維間の接触がより多くなり、３次元的な構造になり易いからである。また、長さは銅繊維部材の長さ程度である１０ｍｍ以下であることが好ましい。
また、接点とは、銅繊維含有はんだ材４の銅繊維が、他の銅繊維と接触している点のことである。銅繊維部材は、複数の銅繊維により形成される。銅繊維部材は、織物のように銅繊維が織られた布状でもよく、網状またはメッシュ状に形成されても良い。これらの、布状または網状の銅繊維が複数枚積層されてもよい。また、複数の繊維がランダムに集積され積層されてシート状に形成されていてもよい。さらに、積層されたシート状を加圧し、銅繊維同士を圧着してもよい。また、これらはシート状に成形されていることが好ましい。シート状の銅繊維部材の厚さは、５０μｍから２００μｍが好ましい。５０μｍより厚くすると所定の接合強度を得られるためである。また、２００μｍ以上にすると熱抵抗自体が増加するとともに、ボイドが発生し、熱伝導率が低下し、熱抵抗を増加させてしまう。なお、銅繊維間は、はんだで充填するのではなく、銀（Ａｇ）またはＣｕの焼結材で充填してもよい。
このように、実施の形態の銅繊維含有はんだ材４は、互いに接点を有し熱パスを形成した銅繊維を含み、球状の銅を含んだはんだ材とは異なる。なお、熱パスとは、パワー半導体チップ等の発生熱を伝熱するための経路である。球状の銅を含んだはんだ材は、銅繊維に比べて熱パスが少なく、熱抵抗は大きく、接合強度もはんだ自体と変わらない。なお、単に板状あるいは箔状の銅などの金属をはんだ中に配置しても、銅繊維部材含有はんだのような接合強度や熱伝導率は得られない。銅板等をはんだ中に配置しても、所定の接合強度を得るためには、はんだ層自体の厚さは変わらないからである。つまり、熱抵抗は変わらない。３次元的な銅繊維間にはんだが含浸することにより、熱抵抗は低下し、さらに接合強度も向上することができる。
銅繊維含有はんだ材４は、銅繊維を織り込み、焼結させて繊維間が互いに接点を有するよう折り重ねられている銅繊維部材を形成し、銅繊維部材に、はんだをしみこませて形成したはんだ材でもよい。予め、はんだをしみこませることで、板はんだとして取り扱うことができる。具体的には、予め、銅繊維部材にはんだを含浸させた銅繊維含有はんだを形成し、それを被接合材間に配置し、加熱し接合することができる。また、半導体モジュールを組み立てる際に、はんだと銅繊維部材を被接合材の間に配置して、加熱し接合してもよい。ここで、銅繊維は２層以上折り重ねられていることが好ましい。２層以上折り重ねられているとは、厚み方向（パワー半導体チップ１から放熱板５への方向）に互いに接点を有する銅繊維が２本以上存在することである。図１の例では、銅繊維は３層に折り重ねられている。ここで、銅が繊維状で折り重なっているために、メッシュ状に加工したものより、銅占有率が高く、例えば、銅繊維含有はんだ材４では、はんだと銅繊維部材の総量に対して、銅繊維部材の銅占有率は２２～３０重量％である。銅繊維部材の銅占有率は高い方が熱伝導性が優れるが、はんだの含浸量が少ないと接合性が悪くなる。従って、様々な形態の銅繊維部材の銅占有率は５～５０重量％が好ましく、更に好ましくは、２０～３０重量％である。
このように、銅繊維部材がはんだ中に配置されることにより、銅繊維含有はんだ材４の熱伝導率は向上し、発生熱を効率よく放熱することができる。また、はんだの中に銅繊維が含まれているため、はんだ中にクラックが発生しても、クラックが迂回して進展するため、接合強度は向上する。また、銅繊維自体に強度があるため、接合強度は高い。ひいては、はんだの寿命が向上する。また、上記のシート状の銅繊維部材を用いることにより、銅繊維含有はんだ材４の厚さを均一にすることができる。従来のはんだ材のみの接合の場合、パワー半導体チップ１をはんだ材上に配置する際に位置ずれをおこしたり、加熱接合時にはんだ材が流れてしまったりし、はんだ材１０１４の厚さを均一にすることが難しかった。しかし、銅繊維部材を導入することで、上記の不具合が解消され、銅繊維含有はんだ材４の厚さを均一にすることができる。
また、銅繊維含有はんだ材４は、パワー半導体チップ１の発生熱を効率よく拡散するために、パワー半導体チップ１の下、つまり、パワー半導体チップ１と電極パターン３との接合層に使用することが好ましい。また、銅繊維含有はんだ材４は、導電性板９と放熱板５との接合層、パワー半導体チップ１とリードフレーム配線８との接合層に使用してもよい。
パワー半導体モジュールの製造方法では、まず、銅繊維含有はんだ材４を用いて、パワー半導体チップ１を積層基板に接合することで、積層基板にパワー半導体チップ１を実装する。ここで、銅繊維含有はんだ材４は、パワー半導体モジュールの製造より前に、銅繊維部材に、はんだをしみこませて作成しておいてもよい。また、パワー半導体チップ１を積層基板に接合する際、銅繊維部材とはんだを重ねて、例えば、銅繊維部材をはんだで挟むようにして、銅繊維含有はんだ材４を作成するようにしてもよい。
次に、パワー半導体チップ１と、絶縁基板２上に設けられた電極パターン３とを、リードフレーム配線８で電気的に接続する。次に、銅繊維含有はんだ材４を用いて、これらを放熱板５に接合して、パワー半導体チップ１、積層基板および放熱板５からなる積層組立体を組み立てる。この積層組立体に樹脂ケースをシリコンなどの接着剤で接着する。なお、金属ワイヤで、パワー半導体チップ１と、絶縁基板２上に設けられた電極パターン３と、を電気的に接続してもよい。
次に、金属ワイヤで電極パターン３と金属外部端子１１との間を接続し、樹脂ケース内にエポキシなどの硬質樹脂等の封止材料を充填する。これにより、図１に示す実施の形態にかかるパワー半導体モジュールが完成する。なお、封止材料がエポキシ樹脂等の封止材料でない場合、封止材料が外に漏れないようにするため、蓋を取り付けるようにする。
次に、銅繊維含有はんだ材４について説明する。パワー半導体チップの裏面のほぼ全面に銅繊維含有はんだ材４が配置される。図２、図３は、パワー半導体チップと電極パターンを接合するはんだ材の詳細を示す断面図である。図２に示すように、銅繊維含有はんだ材４の内部に銅繊維部材２０を中央部に配置される。また、銅繊維を含まないはんだ２３をパワー半導体チップ１や電極パターン３側に配置してもよい。この場合のそれぞれのはんだ２３の厚さは、２５μｍから１００μｍが好ましい。この範囲にすることで、接合強度とボイドの低減を両立できるからである。これは、パワー半導体チップ１の発生熱が、銅繊維部材２０が配置された中央部から放熱されるためである。ここで、銅繊維部材２０を銅繊維含有はんだ材４の端部から所定の距離ｄだけ離すことで、ボイドを低減し、接合性も向上させることができる。銅繊維部材２０は銅繊維が複雑に折れ曲がり、互いに交差した構造で、空乏が存在する。加熱接合する際に、はんだは、銅繊維部材２０中に含浸するが、前記空乏近傍でボイドになりやすい。しかし、所定の距離ｄだけ離すことで、ボイドが排出されやすく、結果としてボイドが低減されると推定される。距離ｄは、パワー半導体チップ１のサイズに関係なく、０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましい。より好ましくは。０．２ｍｍ以上である。これは、０．１ｍｍより短いと、ボイドが生じ、電極パターン３との接合性が悪化し、制御も困難になるためである。
また、図３に示すように、銅繊維含有はんだ材４の内部に銅繊維部材２０ではんだ２３を挟んで配置してもよい。この場合、銅繊維部材の層の間に所定の厚さｔのはんだ２３の層がある。この形態では、パワー半導体チップ１や電極パターン３側に銅繊維部材２０が配置されるため熱伝導性が向上する。例えば、図３の形態は、はんだ２３がパワー半導体チップ１や電極パターン３側に存在する図２の形態よりも熱伝導性が向上する。また、この構造とすることで、銅繊維部材２０近傍でボイドが生じにくくなる。中央部の厚さｔは、５μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましい。２０μｍ以上だと熱抵抗が増し、５μｍ以下だとボイドが生じやすいためである。また、厚さｔは、銅繊維含有はんだ材４の厚さに対する比率が、５％から２０％であることが好ましい。
また、銅繊維含有はんだ材のはんだにおいて、特定の組成のはんだを用いることで、接合強度および熱物性の効果を生じさせることができる。例えば、銅繊維含有はんだ材４のはんだでは、銅繊維により伝熱するため、銅繊維の銅および銅合金の拡散を抑制するＣｕフリーのはんだが好ましい。例えば、銅繊維の銅がスズ（Ｓｎ）と合金化して拡散すると伝熱する部分が減少し、熱伝導率が下がるため、銅および銅合金の拡散を抑制できるニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）をはんだに入れることが好ましい。なお、Ｃｕフリーとは、不純物程度以外にＣｕを含まないということである。
具体的なはんだの組成として、Ｓｎ－Ｓｂ（アンチモン）系のはんだにＮｉ、Ｃｏを入れたＳｎ－（５～１０）Ｓｂ－（０．１～１）Ｎｉ、Ｃｏのはんだ（実施例１）を用いることが好ましい。ここでの単位は、重量％（ｗｔ％）である。例えば、実施例１では、Ｓｂは、はんだ中に５～１０重量％含まれる。また、Ｎｉ、Ｃｏは、同様の効果を有するため、Ｎｉのみを入れてもよいし、Ｃｏのみを入れてもよい。さらに、Ｎｉ、Ｃｏは、はんだ中に０．２～０．５重量％含まれるのがより好ましい。
また、Ｓｎ－Ｂｉ（ビスマス）系のはんだにＮｉ、Ｃｏを入れたＳｎ－（４０～７０）Ｂｉ－（０．１～１）Ｎｉ、Ｃｏのはんだ（実施例２）を用いることも好ましい。この組成のはんだは、脆いため通常ではパワー半導体チップ１の接合に用いることはできないが、実施の形態のように銅繊維部材と一緒に用いることで十分な強度を持ち、パワー半導体チップ１の接合に用いることができる。また、Ｎｉ、Ｃｏに関しては、Ｓｎ－Ｓｂ系のはんだと同様である。
また、Ｓｎ－Ａｇ（銀）系のはんだにＮｉ、Ｃｏを入れたＳｎ－（１～６）Ａｇ－（０．１～１）Ｎｉ、Ｃｏのはんだ（実施例３）を用いることも好ましい。また、Ｎｉ、Ｃｏに関しては、Ｓｎ－Ｓｂ系のはんだと同様である。
また、上記でははんだにＮｉ、Ｃｏを入れることにより、銅繊維の銅および銅合金の拡散を抑制していたが、銅繊維にＮｉめっきまたはＣｏめっきをすることにより、同様の効果を得ることができる。
図４は、実施の形態にかかるはんだのパワーサイクル試験の結果を示す表である。上記の実施例１から実施例３のはんだに加え、比較例として、Ｓｎ－Ｓｂ－Ｃｕ－Ｎｉ系のはんだも試験した。また、実施例１の場合は、Ｎｉ、Ｃｏが、はんだ中に０．４重量％含まれる場合も試験した。パワーサイクル試験は、電源のオン／オフを繰り返して、熱抵抗が初期より２０％以上上昇した回数を測定した。
図４に示すように、実施例１から実施例３の場合、電源のオン／オフを１０万回以上繰り返しても、熱抵抗が初期より２０％以上上昇しなかった。特に、Ｎｉ、Ｃｏが、はんだ中に０．４重量％含まれる場合は、２０万回以上繰り返しても、熱抵抗が初期より２０％以上上昇しなかった。これに対して、比較例の場合、５万回以下の繰り返しで熱抵抗が初期より２０％以上上昇した。これにより、実施例１から実施例３のはんだを用いることで、接合強度および熱物性の効果を生じさせることがわかった。
次に、本発明の効果を実際の例により確かめた。まず、銅繊維部材２０に、はんだを上下から挟んで形成する際のはんだの厚さを決定する。図５は、はんだ厚と等価熱伝導率との関係を示すグラフである。横軸は、上下のはんだの厚さの合計であり、単位はμｍであり、縦軸は等価熱伝導率であり、単位は、Ｗ／ｍ・Ｋである。ここで、等価熱伝導率とは、複数の材質で構成される部品を、１つのブロックとみなして与える熱伝導率のことである。なお、銅繊維含有はんだ材４の端部から銅繊維部材の端までの距離ｄは０．５ｍｍとした。
図５は、はんだの熱伝導率を４０Ｗ／ｍ・Ｋ、銅の熱伝導率を３９０Ｗ／ｍ・Ｋとして、銅繊維部材の銅占有率を２２％、銅繊維部材の厚さを１００μｍにした場合の計算結果である。図５に示すように、等価熱伝導率ｙと上下のはんだの厚さの合計ｘとの関係は、
ｙ＝１１３．０４ｘ-0.151
で表される。例えば、上側のはんだの厚さ、銅繊維部材の厚さ、下側のはんだの厚さをそれぞれ、１０μｍ、１００μｍ、１０μｍとした場合、等価熱伝導率は約８０Ｗ／ｍ・Ｋとなり、はんだ単体の４０Ｗ／ｍ・Ｋの約２倍となる。また、それぞれ２０μｍ、１００μｍ、２０μｍとした場合、等価熱伝導率は約７２Ｗ／ｍ・Ｋとなる。
図６は、銅占有率と等価熱伝導率との関係を示すグラフである。横軸は、銅占有率であり、単位は重量％であり、縦軸は等価熱伝導率であり、単位は、Ｗ／ｍ・Ｋである。ここで、銅占有率とは、銅繊維部材に含まれる銅の重量％であり、残りは、はんだの重量である。図６において、●の直線は、上側のはんだの厚さ、銅繊維部材の厚さ、下側のはんだの厚さをそれぞれ、１０μｍ、１００μｍ、１０μｍとした場合の銅占有率ｘと等価熱伝導率ｙとの関係であり、この場合、
ｙ＝３．２５ｘ＋６．６６６７
で表される。また、○の直線は、それぞれ、５０μｍ、１００μｍ、５０μｍとした場合の銅占有率ｘと等価熱伝導率ｙとの関係であり、この場合、
ｙ＝１．９５ｘ＋２０
で表される。図６より、●の直線の場合で、銅占有率を２２重量％にすると等価熱伝導率は約８０Ｗ／ｍ・Ｋとなることがわかる。
以上の結果に基づいて、厚さ１００μｍの銅繊維部材２０に、それぞれ厚さ１０μｍのＳｎ－Ｓｂ系のはんだを上下から挟んで形成した結果を示す。図７は、銅繊維含有はんだ材４の実施例を示す断面図である。図７に示すように、銅繊維含有はんだ材４は、銅繊維間が互いに接点を有するよう折り重ねられている銅繊維部２２と、銅繊維部材２０の間にはんだがしみこんだはんだ浸漬部２１とからなる。
図８は、銅繊維含有はんだ材の実施例の接合部の断面図である。図８において、右図は左図の中央を拡大したものである。図８に示すように、銅繊維部材２０は互いに接点を持ち、銅繊維部材２０間がはんだ２３で充填されていることがわかる。このように作成した銅繊維含有はんだ材の熱伝導率は、計算上で７２．２Ｗ／ｍ・Ｋである。レーザーフラッシュ法により実測した結果、Ｓｎ－Ｓｂ系のはんだのみでは、熱伝導率が約４０Ｗ／ｍ・Ｋであるところ、銅繊維含有はんだ材では、熱伝導率が７５．８Ｗ／ｍ・Ｋまで向上したことを確認した。ここで、レーザーフラッシュ法とは、断熱真空中に置かれた平板状試料の表面を均一にパルス加熱し、表面から裏面への１次元の熱拡散現象を観測することにより、熱拡散率を求める方法である。
以上、説明したように、実施の形態にかかるはんだ材および焼結体によれば、パワー半導体素子と電極パターンとを接合する接合部は、銅繊維を含み、銅繊維間がはんだで充填されている銅繊維含有はんだ材である。これにより、熱伝導率が、フラックスを含有したペーストはんだや板はんだより向上するため、パワー半導体チップの発生熱を効率よく放熱できる。また、はんだの中に銅繊維が含まれているため、はんだ中にクラックが発生しても、クラックが迂回して進展するため、はんだの寿命が向上する。さらに、はんだの中に銅繊維が含まれているため、フィレットが発生することを防止でき、はんだが脇にはみ出ることが少なくなる。また、銅繊維が互いに接点を有し熱パスを形成しているため、はんだにクラックが発生しても熱抵抗の上昇を抑制できる。また、銅繊維部材に、はんだをしみこませて板はんだとすることで、従来と同様の取り扱いができ、従来よりもはんだ厚さを均一に制御することが可能になる。
また、銅繊維含有はんだ材は、内部の銅繊維を中央部に配置し、内部の銅繊維がパワー半導体素子および電極パターンから離れて配置され、銅繊維含有はんだ材の端部には、銅繊維が配置されない。これにより、パワー半導体チップの発生熱を、銅繊維が配置された中央部から放熱し、ボイドを低減し、接合性も向上させることができる。
また、銅繊維含有はんだ材は、銅繊維ではんだを挟んで接合し、パワー半導体チップや電極パターン側に銅繊維が配置される。これにより、熱伝導性がさらに向上する。銅繊維部材ではんだを挟んだ構造にした場合、はんだで銅繊維部材を挟んだ上記の結果に比べて、熱伝導率は約５％向上した。なお、銅繊維部材およびはんだを同じ厚さとした。また、銅繊維近傍でボイドが生じにくくなる。
また、銅繊維含有はんだ材に含まれるはんだの組成は、Ｓｎ－（５～１０）Ｓｂ－（０．１～１）Ｎｉ、Ｃｏ、Ｓｎ－（４０～７０）Ｓｂ－（０．１～１）Ｎｉ、Ｃｏ、または、Ｓｎ－（１～６）Ｓｂ－（０．１～１）Ｎｉ、Ｃｏである。Ｎｉ、Ｃｏにより銅繊維の銅および銅合金の拡散を抑制することができ、熱伝導率が下がることを抑制できる。さらに、これらのはんだを用いることで、接合強度および熱物性の効果を生じさせることができる。
また、銅繊維にＮｉめっきまたはＣｏめっきをしてもよい。Ｎｉ、Ｃｏにより銅繊維の銅および銅合金の拡散を抑制することができ、熱伝導率が下がることを抑制できる。
以上のように、本発明にかかるはんだ材および焼結体は、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 パワー半導体チップ
２ 絶縁基板
３ 電極パターン
４ 接合部（銅繊維含有はんだ材）
５ 放熱板
６ 放熱グリス
７ 冷却体
８ リードフレーム配線
９ 導電性板
１０ 金属ワイヤ
１１ 外部端子
１２ 端子ケース
１３ 封止材料
１４ はんだ材
２０ 銅繊維部材
２１ はんだ浸漬部
２２ 銅繊維部
２３ はんだ

Claims (11)

  1. 半導体素子を積層基板に搭載した組立構造を有する半導体装置に用いられるはんだ材であって、
    前記はんだ材は、金属繊維を含み、前記金属繊維間がはんだで充填されて成り、
    前記はんだ材は、前記半導体素子と前記積層基板上の電極パターンとを接合する接合層であることを特徴とするはんだ材。
  2. 前記組立構造は、前記積層基板を搭載した放熱板をさらに有し、前記はんだ材は、前記積層基板と前記放熱板とを接合する接合層であることを特徴とする請求項１に記載のはんだ材。
  3. 前記金属繊維の直径は、前記はんだ材の厚さ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のはんだ材。
  4. 前記はんだ材は、前記金属繊維が２層以上折り重ねられていることを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載のはんだ材。
  5. 前記金属繊維は銅繊維であり、その直径は２０μｍ以下であることを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載のはんだ材。
  6. 前記金属繊維は互いに接点を有することを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載のはんだ材。
  7. 前記金属繊維は、Ｎｉめっきがされていることを特徴とする請求項１～６のいずれか一項に記載のはんだ材。
  8. 前記はんだは、Ｓｎ－Ｓｂ系はんだ、またはＳｎ－Ａｇ系はんだであることを特徴とする請求項１～７のいずれか一項に記載のはんだ材。
  9. 金属繊維を含み、前記金属繊維が銀（Ａｇ）または銅（Ｃｕ）の焼結材で充填された焼結体において、前記金属繊維は銅繊維であり、その直径は２０μｍ以下であることを特徴とする焼結体。
  10. 前記金属繊維は、互いに接点を有することを特徴とする請求項９に記載の焼結体。
  11. 前記金属繊維は、Ｎｉめっきがされていることを特徴とする請求項９または１０に記載の焼結体。
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