JP2515708B2 - 大面積の電力用電子デバイスを基板上に固定する方法 - Google Patents

大面積の電力用電子デバイスを基板上に固定する方法

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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、電子デバイス特に大面積の電力用半導体
素子を加圧焼結により基板上に固定する方法に関する。
［従来の技術］ サイリスタなどのような大面積の電力用半導体素子の
従来の製造では、まずモリブデンから成る基板、アルミ
ニウムから成る小板及びシリコンから成る半導体素子を
約700℃ないし800℃に加熱することにより相互に結合す
る。その際アルミニウムとモリブデンとの間の結合は一
種のろう結合と見なすことができるのに対し、アルミニ
ウムとシリコンとの間の結合は共融合金の形成により行
われる。この合金化過程中に同時にシリコンのドーピン
グが行われる。高い温度負荷は個々の部分の異なる熱膨
張係数により電力用半導体素子の内部に大きな応力を生
じ、そのために製品完成の際に相応の反りが現れる。
いわゆるMOS技術では、ドーピングの際及びホトレジ
ストとエッチングを使用した構造形成の際に、μｍの範
囲の精度が実現可能である。しかしながらMOS技術を大
面積の電力用半導体素子の製造に適用することは従来不
可能であった。なぜならば基板上への合金結合に必要な
高い温度を加えれば、pn接合と微細なアルミニウム構造
との破壊を招くおそれがあるからである。基板上にシリ
コンを合金結合をした後に構造を形成することもまた不
可能である。なぜならば存在する反りのために、μｍの
範囲の精度をもってホトレジストとエッチングとを適用
することが不可能だからである。
ドイツ連邦共和国特許出願公開第3414065号公報から
電子デバイスを加圧焼結により基板上に固定する方法が
既に知られており、この方法では、金属粉末特に銀粉末
と溶媒とから成るペーストをデバイスの接触層及び／又
は基板の接触面上に層状に塗布し、デバイスを基板の上
に載せ、溶媒を完全に追い出し、かかる構成体全体を同
時に80ないし90N/cm2の機械的な圧力を加えながら380℃
ないし420℃の焼結温度に加熱する。
この公知の方法を適用すれば特に小さい電子デバイス
を比較的低い熱応力で高い機械的強度を持たせて基板に
結合できたが、その際加圧焼結により作られた結合層は
非常に小さい電気接触抵抗と非常に小さい伝熱抵抗とを
有する。しかしながら大面積の電力用半導体素子を基板
上に固定するのにこの公知の方法を適用しても、実用に
耐える結果は得られなかった。加圧焼結により作られた
結合層は常に不均質であってかつ溝状の組織が混入し、
それに応じて少ない付着強度、高い電気接触抵抗及び高
い伝熱抵抗を招いた。
［発明が解決しようとする問題点］ この発明は、大面積の電力用半導体素子にも適するよ
うな、電子デバイスを加圧焼結により基板上に固定する
方法を提供することを目的とする。特にMOS技術により
作られた電子デバイスをも少ない熱負荷で基板上に固定
できるようにしようとするものである。
［問題点を解決するための手段］ この目的はこの発明に基づき、電子デバイス特に大面
積の電力用半導体素子を加圧焼結により基板上に固定す
る方法において、金属粉末と溶媒とから成るペーストを
デバイスの接触層及び／又は基板の接触面上に層状に塗
布し、塗布したペーストを乾燥してペースト中の溶媒を
蒸発させ、次いでデバイスを基板上に載せ、かかる構成
体全体を同時に少なくとも900N/cm2の機械的な圧力を加
えながら焼結温度に加熱することにより達成される。
［作用効果］ この発明は、金属粉末と溶媒とから成るペーストがデ
バイスを基板上に載せる前に完全に乾燥されなければな
らないという知見に基づいている。なぜならばそうしな
いと溶媒蒸気が大面積のデバイスを持ち上げてはがし、
ペーストの中に生じた溝の組織を通って外に逃れるから
である。他方では先立ってペーストを乾燥することが接
触範囲に比較的粗い表面を生じるが、しかしながらこの
欠点は加圧焼結の際の機械的な圧力を少なくとも900N/c
m2に高めることにより補償できる。意外なことにかかる
高い圧力や更にそれをはるかに超える圧力さえも、MOS
技術で作られた電力用半導体素子の加圧焼結の際に微細
構造の損傷を招かないことが判明した。
［実施態様］ この発明の有利な実施態様によれば、金属粉末として
貴金属又は貴金属合金の粉末を用いる。その場合結合層
は特に低い電気接触抵抗を有する。金属粉末としては銀
粉末又は銀合金の粉末を用いるのが特に有利であること
が判明した。
この発明の別の実施態様によれば、加圧焼結の際に少
なくとも1000N/cm2の機械的な圧力を加える。加圧焼結
の際に少なくとも1500N/cm2の機械的な圧力を加えると
きに、結合の品質の著しい向上が達成される。加圧焼結
の際に加圧接触型のデバイスの少なくとも所定の運転圧
力に等しい機械的な圧力を加えると有利であることが判
明した。
デバイスと基板との結合により生じる機械的な応力
は、デバイスと基板とを加圧焼結前に無圧力で、焼結温
度以下の少なくとも100℃の温度に加熱することにより
著しく低減できる。運転の際にほぼ無応力の構成は、結
局はデバイスと基板とを無圧力で、デバイスの所定の運
転温度にほぼ等しい温度まで加熱することにより達成さ
れる。
特に温度負荷を少なくするために加圧焼結を少なくと
も150℃の焼結温度で行うことができる。しかしながら
なお一層良好な結合は、加圧焼結を180℃ないし250℃の
焼結温度で行うことにより得られる。かかる焼結温度は
寿命調整のため電子又は陽子でデバイスを照射するとき
に特に有利である。なぜならばこれより高い温度ではこ
の照射の効果を低減するからである。
この発明に基づく方法の別の有利な実施態様によれ
ば、加圧焼結を加熱可能なパンチを備えたプレスの中で
行う。それにより同時に必要な機械的な圧力を加えなが
ら焼結温度に加熱することが特に容易となり、更に大量
生産に対して特に適するようにできる。かかるプレスを
使用して加圧焼結の際にデバイスの表面を変形可能な中
間層により保護することができる。そしてこの中間層を
介して加圧焼結する際にも、低熱膨張性の硬い材料から
成る第２の中間層を追加配置できる。この第２の硬い中
間層は、プレスパンチの熱膨張がデバイス又はその微細
構造に伝達されないことを保証する。
結合の機械的な強度の更に著しい向上は、加圧焼結の
後に無圧力の後焼結を行うことにより達成できることが
実験で分かった。テンパー処理とも呼ぶことができるこ
の無圧力の後焼結によりプレスの中の焼結時間を短縮す
ることもでき、それにより大量生産の際に一層速いサイ
クル時間が得られる。加圧焼結に対しては焼結時間を１
分、後焼結に対しては焼結時間を数分の範囲に選定する
のが有利であることが判明した。
［実施例］ 次にこの発明に基づく方法の一実施例を示す図面によ
りこの発明を詳細に説明する。その際層構造を明示する
ために、個々の中間層の層厚は他の部分の尺度と異なっ
て著しく誇張して示されている。
第１図は基板Ｓを通る断面を示し、この基板は全面に
接触面KOを備えている。基板Ｓは例えば1.5mmの厚さと2
9.6mmの直径とを有するモリブデンから成る円板であ
る。電気めっき被覆された接触面KOはほぼ２ないし３μ
ｍの厚さであり銀から成る。
第２図及び第３図はそれぞれ電子デバイスＢの断面図
及び平面図を示す。このデバイスＢは大面積のサイリス
タであり、その上面にはアルミニウム構造として点弧接
点Zkと陰極Kaとが示されている。シリコンから成る本体
の下面には一連の層が設けられ、これらの層は詳細には
約１μｍの厚さのアルミニウム層、約100nmの厚さのチ
タン層、約500nmの厚さの中間層及び約200nmの厚さの銀
層から成る。第２図には接触面Ksとして働く銀層だけが
示されている。
第４図に示すように基板Ｓの接触面KO上にはペースト
Ｐが層状に塗布されている。ペーストＰの塗布は10μｍ
ないし100μｍ、特に約20μｍの層厚にスクリーン印刷
により行われる。ペーストＰの製造のための原料とし
て、15μｍ以下の粒度と約1.9g/mlの見掛け比重を有す
る小板状の粉末粒子の銀粉末が用いられる。そしてこの
銀粉末は溶媒としてのシクロヘキサノールの中にほぼ2:
1の重量比で懸濁される。続いてこのように作られたス
クリーン印刷可能なペーストＰは、後に乾燥又は焼結の
際に空洞形成を防止するために、真空中でガス抜きされ
る。
ペーストＰを塗布した後に、このペーストは溶媒を追
い出すことにより完全に乾燥される。この乾燥のための
時間は室温で約30分であり、更に高い温度では数分にす
ぎない。
ペーストＰの乾燥の後に基板ＳとデバイスＢとは一緒
に又は別々に、少なくとも100℃のしかしながら焼結温
度より低い温度に加熱される。この無圧力の加熱は後に
説明するプレスの中でも行うことができる。
そして遅くとも予熱の後に第５図に示すように、接触
層Ksを備えたデバイスＢが基板Ｓの完全に乾燥されたペ
ーストＰ上に置かれる。そしてかかる構成体全体はプレ
スの中に持ち込まれる。プレスに関しては第６図に上側
のパンチSt1と下側のパンチSt2とが示されている。デバ
イスＢの上面と上側のパンチSt1の下面との間には順
次、アルミニウムから成り約80μｍの厚さの第１の中間
層Z1と、モリブデンから成り約1.5mmの厚さの非常に硬
い第２の中間層Z2とが配置され、その際これらの配置は
第６図においては分かり易いように相互に引き離した状
態で図示されている。
プレスの両パンチSt1とSt2とは、パンチの間に配置さ
れた構成体の中で所望の焼結温度が達成されるように加
熱される。例えば230℃である焼結温度は約１分維持さ
れ、その際同時にパンチSt1とSt2とを介して1500N/cm2
の機械的な圧力が構成体全体に加えられる。しかしなが
ら二、三秒の焼結時間だけでも良好な結果を得ることが
でき、また機械的な圧力は場合によっては１ないし2t/c
m2に増加できる。更に加圧焼結は通常の雰囲気の中で行
われ、すなわち保護ガス又は化成ガスの使用は必要でな
い。
加圧焼結の後に構成体全体はプレスから取り出され、
結合の機械的強度を一層向上させるために後焼結され
る。テンパー処理とも呼ぶことができるこの無圧力の後
焼結は例えば約250℃の温度で行われ、その際５分の時
間だけでも機械的強度の著しい改善をもたらす。
サイリスタの前記の製造の際に半導体素子と基板との
結合は加圧焼結により行われ、焼結工程は常に液相の発
生しない固体反応として行われるべきである。この発明
による方法は特にMOS技術により作られた大面積の電力
用半導体素子に適しているが、他の種類の電子デバイス
の製造にも著しい利益が得られる。
【図面の簡単な説明】
図面はこの発明に基づく方法の一実施例を示すためのも
のであり、第１図は基板の断面図、第２図及び第３図は
それぞれデバイスの断面図と平面図、第４図は第１図に
示す基板の上面にペーストを塗布した状態の断面図、第
５図は第４図に示す基板上に第２図に示すデバイスを載
せた状態を示す断面図、第６図は第５図に示す構成体を
プレスのパンチの間に挿入した状態を示す説明図であ
る。 Ｂ……デバイス、KO……接触面、Ks……接触層、Ｐ……
ペースト、Ｓ……基板、St1,St2……パンチ、Z1,Z2……
中間層。

Claims (15)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】金属粉末と溶媒とから成るペースト（Ｐ）
    をデバイス（Ｂ）の接触層（Ks）及び／又は基板（Ｓ）
    の接触面（KO）上に層状に塗布し、塗布したペースト
    （Ｐ）を乾燥してペースト中の溶媒を蒸発させ、次いで
    デバイス（Ｂ）を基板（Ｓ）上に載せ、かかる構成体全
    体を同時に少なくとも900N/cm2の機械的な圧力を加えな
    がら焼結温度に加熱することを特徴とする大面積の電力
    用電子デバイスを基板上に固定する方法。
  2. 【請求項２】金属粉末として貴金属又は貴金属合金の粉
    末を用いることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
    の方法。
  3. 【請求項３】金属粉末として銀粉末又は銀合金の粉末を
    用いることを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の方
    法。
  4. 【請求項４】加圧焼結の際に少なくとも1000N/cm2の機
    械的な圧力を加えることを特徴とする特許請求の範囲第
    １項ないし第３項のいずれか１項に記載の方法。
  5. 【請求項５】加圧焼結の際に少なくとも1500N/cm2の機
    械的な圧力を加えることを特徴とする特許請求の範囲第
    １項ないし第３項のいずれか１項に記載の方法。
  6. 【請求項６】加圧焼結の際に、加圧接触型デバイス
    （Ｂ）の少なくとも所定の運転圧力に等しい機械的な圧
    力を加えることを特徴とする特許請求の範囲第１項ない
    し第３項のいずれか１項に記載の方法。
  7. 【請求項７】デバイス（Ｂ）と基板（Ｓ）とを加圧焼結
    前に無圧力で、焼結温度以下の少なくとも100℃の温度
    に加熱することを特徴とする特許請求の範囲第１項ない
    し第６項のいずれか１項に記載の方法。
  8. 【請求項８】デバイス（Ｂ）と基板（Ｓ）とを無圧力
    で、デバイス（Ｂ）の所定の運転温度にほぼ等しい温度
    まで加熱することを特徴とする特許請求の範囲第７項記
    載の方法。
  9. 【請求項９】加圧焼結を少なくとも150℃の焼結温度で
    行うことを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第８
    項のいずれか１項に記載の方法。
  10. 【請求項１０】加圧焼結を180℃ないし250℃の焼結温度
    で行うことを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第
    ８項のいずれか１項に記載方法。
  11. 【請求項１１】加圧焼結を加熱可能なパンチ（St1、St
    2）を備えたプレスの中で行うことを特徴とする特許請
    求の範囲第１項ないし第10項のいずれか１項に記載の方
    法。
  12. 【請求項１２】加圧焼結の際にデバイスの上面を変形可
    能な中間層（Z1）で保護することを特徴とする特許請求
    の範囲第１項ないし第11項のいずれか１項に記載の方
    法。
  13. 【請求項１３】中間層（Z1）を介して加圧焼結する際
    に、低熱膨脹性の硬い材料から成る第２の中間層（Z2）
    を配置することを特徴とする特許請求の範囲第12項記載
    の方法。
  14. 【請求項１４】加圧焼結の後に無圧力の後焼結を行うこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第13項のい
    ずれか１項に記載の方法。
  15. 【請求項１５】加圧焼結に対しては焼結時間を１分、後
    焼結に対しては焼結時間を数分の範囲で選定することを
    特徴とする特許請求の範囲第14項記載の方法。
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