JP4592486B2

JP4592486B2 - 半導体モジュール

Info

Publication number: JP4592486B2
Application number: JP2005126106A
Authority: JP
Inventors: 靖山田; 祐司西部; 雄二八木; 清仁石田; 郁雄大沼; 佳和高久
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2005-04-25
Filing date: 2005-04-25
Publication date: 2010-12-01
Anticipated expiration: 2025-04-25
Also published as: JP2006303346A

Description

本発明は、信頼性が向上した半導体モジュールに関する。

半導体装置等の電子部品は、はんだ付けを利用して絶縁性基板等に実装されて半導体モジュールを構成する。はんだ付けに用いられる合金には、電子部品の耐熱温度よりも低い温度で溶融するとともに、電子部品の動作温度では溶融しないものが用いられる。
例えば、車載用インバータ等に利用される半導体装置は、大電流を扱うとともに、周辺に設けられている内燃機関等からの熱も加わるので、動作中の温度はかなり高温になる。さらに、動作中の温度がかなり高温になることから、はんだ用の合金に作用する熱応力も大きくなる。このため、この種の半導体装置を接合するのに用いられる合金には、融点が２５０℃以上を有する高融点はんだが望まれる。従来用いられてきた高融点はんだの代表としては、Ｐｂ−１０重量％Ｓｎ合金（固相線温度：３５０℃）がある。この高融点はんだを構成するＰｂ及びＳｎは、共に延性に優れており、実装において問題となることはなかった。しかし、鉛の環境汚染の問題から、最近では鉛フリーはんだを用いることが要望されている。このため、上述した半導体装置の接合に用いられる合金には、鉛フリーであり、且つ熱応力に対しても対策が講じられたものが望まれる。このようなはんだ用の合金を利用して半導体モジュールを構成すれば、信頼性の高いものが得られるものと期待されている。

特許文献１は、Zn-Al系の合金の利用を提案している。Zn-Al系の合金は、融点が４２０℃のZnをベースとして、Alの添加量を調整することによって低融点化し、所望の融点を得るものである。しかしながら、Zn-Al系の合金は剛性が極めて高く、且つ熱膨張係数も大きい。したがって、半導体モジュールの温度が高温に達したときに、Zn-Al系の合金の熱膨張によって半導体装置に大きな引張り応力が作用してしまう。このため、半導体装置が破損するという問題がある。この問題を解決するために、特許文献１では、Zn-Al系の合金に柔らかいＡｌボール又はプラスチックボールを混在させ、Zn-Al系の合金に柔軟性を付与する技術を提案している。
特開２００２−３０７１８８号公報

特許文献１の技術を利用すれば、合金に柔軟性を付与することができ、半導体装置に作用する引張り応力を低減することができる。しかしながら、冷熱サイクルが繰返されると作用する応力に基づく疲労が蓄積され、はんだ用の合金が破損してしまう。はんだ用の合金が破損すると、接合されている半導体装置の特性が劣化してしまい、ひいては半導体モジュールの信頼性が低下する。
本発明は、柔軟性を有するとともに疲労の蓄積さえも低減されたはんだ用の合金を利用することによって、信頼性が向上した半導体モジュールを提供することを目的としている。

本発明者らは、マルテンサイト変態の性質を有する金属に着目した。マルテンサイト変態の性質を有する金属の合金相は、温度に基づいてマルテンサイト相又は母相のいずれかの状態をとる。金属の合金相がマルテンサイト相の場合は、金属は極めて柔軟性に富んでおり、外力に基づいて容易に形を変えることができる。このため、作用する応力が緩和される。さらに、冷熱サイクルが繰返されたとしても、常に柔軟に形を変えることができるので、応力に基づく疲労の蓄積が抑制される。また、金属の合金相が母相の場合は、金属は外力に基づいてマルテンサイト相に相転移し、弾性変形するので、外力が除荷されれば記憶された元の形状に回復することができる。このため、作用する応力が緩和されるとともにその応力の蓄積が顕著に抑制される。
本発明者らは、はんだ用の合金にマルテンサイト変態の性質を有する金属を加えることによって、外力に基づいて作用する応力を緩和するとともにその応力の蓄積さえも抑制でき得ることに着眼した。さらに、この種のはんだ用の合金を利用して半導体モジュールを構成すれば、極めて信頼性の向上した半導体装置を得ることができ得ることを突き止めたのである。

本発明の半導体モジュールは、基板と、半導体装置と、基板と半導体装置の裏面電極を接合するはんだ層を備えている。はんだ層に用いられる合金は、合金の融点を実質的に決定する第１金属と、第１金属に混在している粒状の第２金属とを含む。第１金属はBiである。第２金属は、CuとAlとMnを含むとともにマルテンサイト変態の性質を有する合金である。
本明細書で開示する他の半導体モジュールは、絶縁性基板の表面導電層と、はんだ層と、半導体装置の裏面電極が順に接合している構造を備えている。本発明のはんだ層に用いられる合金は、合金の融点を実質的に決定する第１金属と、その第１金属に混在しているとともにマルテンサイト変態の性質を有する第２金属を備えていることを特徴としている。
第１金属は、合金の融点を実質的に決定するものであるが、第２金属及び／又は添加元素との組合せで合金の融点が調整されることもある。第１金属の種類は、使用される状況に応じて適宜に選択され、高融点系、中融点系、又は低融点系等のいずれであってもよい。
上記の半導体モジュールによれば、冷熱サイクルが繰返されたとしても、はんだ層において疲労の蓄積が低減されているので、はんだ層が破損するという事態が顕著に抑制される。このため、半導体モジュールは長期に亘って特性を維持することができ、信頼性の高いものとなる。

半導体装置が、GaN又はSiCを主材料として形成されている場合、本発明の半導体モジュールは特に有用である。
GaN又はSiCを主材料として形成されている半導体装置は、絶縁破壊電界及び飽和電子密度等が大きいことから、高い動作電圧を用いて大電流を扱うことが可能となる。その一方で、半導体装置自身の発熱に基づく温度上昇も大きくなる。このため、この種の半導体装置と絶縁性基板を接合しているはんだ層に大きな熱応力が作用し易いことが問題となる。
本発明のはんだ層はこのような場合においても、破損することなく長期間に亘って使用することができる。したがって、半導体モジュールの信頼性が顕著に向上する。また、はんだ層の破損が抑制されることから、半導体装置を高い温度において動作させることが可能になる、ともいえる。したがって、動作温度に規制されることなく、半導体装置を動作させることができるので、使用範囲を拡大させることができる。

第１金属が、Bi又はBiを含む合金であることが好ましい。
Bi又はBiを含む合金は、融点を約３００℃に調整可能であり実用範囲が広い。その一方で、Bi又はBiを含む合金は、せん断応力に弱く、脆いという性質を有している。本発明では、マルテンサイト変態の性質を有する第２金属を加えることによって、特にせん断応力を緩和する効果を得ることができる。したがって、Bi又はBiを含む合金とマルテンサイト変態の性質を有する第２金属を組合せることによって、極めて有用なはんだ層を得ることができ、ひいては信頼性の向上した半導体モジュールを得ることができる。

はんだ層と絶縁性基板の表面導電層との間に、Cu又はNiの金属層が形成されているのが好ましい。はんだ層の第１金属がBi又はBiを含む合金の場合、Cu又はNiの金属層を介在させることによって、はんだ層と絶縁性基板の表面導電層との間の結合を強固なものとすることができる。このため、より信頼性の向上した半導体モジュールを得ることができる。
はんだ層と半導体装置の裏面電極の間に、Cu又はNiの金属層が形成されているのが好ましい。はんだ層の第１金属がBi又はBiを含む合金の場合、Cu又はNiの金属層を介在させることによって、はんだ層と半導体装置の裏面電極との間の結合を強固なものとすることができる。このため、より信頼性の向上した半導体モジュールを得ることができる。

第２金属が、第１金属中に分散して混在していることが好ましい。
第２金属が第１金属中に分散して混在していると、仮にはんだ層にクラックが生じたとしても、第１金属と第２金属の界面においてクラックの進行が停止される。したがって、はんだ層に致命的な破損が生じることを防止することができる。

第２金属が、MnとAlとCuを有する合金であることが好ましい。MnとAlとCuを有する合金は、マルテンサイト変態の性質を有している。特に、第２金属を構成するMnとAlとCuの第２金属における重量％百分率が、Mnが０．０１〜２０重量％であり、Alが３〜１３重量％であり、残部がCuであることが好ましい。この組成比に調整することによって、マルテンサイト変態の性質が顕著に現れ、ひいてははんだ層が破損されることを顕著に抑制することができる。

第２金属は、添加元素をさらに備えていてもよい。添加元素は、Ag、Ni、Au、Co、Fe、Ti、V、Cr、Si、Nb、Mo、Ge、Sn、Mg、P、Be、Sb、Cd、As、Zr、Zn、B及びミッシュメタルから選択される１種又は２種以上の元素を有しているのが好ましい。さらに、添加元素の第２金属における重量％百分率は、合計の重量％が０．００１〜１０重量％であることが好ましい。
上記の元素を添加することによって、マルテンサイト相を安定にする効果などを得ることができる。

本発明の半導体モジュールに用いられるはんだ層の合金は、合金の融点を実質的に決定する第１金属に、マルテンサイト変態の性質を有する第２金属が混在されている。これにより、はんだ層に柔軟性が付与され、はんだ層に作用する応力が顕著に緩和される。さらに、冷熱サイクルが繰返されたとしても、応力に基づく疲労の蓄積が抑制され、長期間に亘って安定したはんだ層となる。このため、はんだ層の破損が抑制され、半導体モジュールの信頼性が顕著に向上するのである。

本発明の特徴を列記する。
（第１形態）第１金属としては、Biの他に、高融点のZn-Al系、中融点のSn-Ag系、Sn-Zn系、及び低融点のSn-Bi系などを利用することができる。なお、本発明は、熱応力の緩和に効果があることから、高融点系の材料を用いる場合に特に有用である。
（第２形態）マルテンサイト変態の性質を有する金属としては、典型的にはCu-Al-Mn系、Cu-Zn-Al系、又はNi-Ti系を利用することができる。これらの金属は、毒性が少なく、また第１金属の融点に与える影響も少ない。より好ましくは、Cu-Al-Mn系又はCu-Zn-Al系である。これらは、合金自体の電気抵抗が小さいので、合金自体に電流が流れる状況下において利用される場合にも好適に利用することができる。
（第３形態）はんだ用の合金にCu-Al-Mn系を用いる場合は特に、第２金属に次の添加元素を加えるのが有用である。添加元素のAg、Ni、Au、Sn、P、Zn、Co、Fe、B、Sb、Geは、はんだ用の合金の構成元素になり得る元素である。したがって第1金属との整合性を向上させ、且つマルテンサイト相を安定にする効果がある。
添加元素のTi、Mgは、阻害元素として知られるO及びNを除去する効果がある。
添加元素のV、Mo、Nb、Zrは、相中の硬さを高める効果がある。
添加元素のCr、Siは、耐食性を向上させる効果がある。
ミッシュメタルは、相中の結晶組織を微細化する効果がある。
添加元素の第２金属における重量％百分率は、合計の重量％が０．００１〜１０重量％であるのが好ましい。添加元素が０．００１重量％よりも少ないと上記の効果を得ることができない。添加元素が１０重量％よりも多いと第２金属はマルテンサイト相を有することができなくなる。
（第４形態）はんだ用の合金を製造する方法は、（１）合金の融点を実質的に決定する第１金属にマルテンサイト変態の性質を有する第２金属の粉末を加える工程と、（２）第１金属が溶融する温度以上で第１金属と第２金属を混合する工程と、（３）混合した後に冷却する工程を備えているのが好ましい。これらの工程を経て、棒状、線状、箔状、球状、又はペースト状等に加工され、用途に応じた形状の合金を得ることができる。
さらに、第１金属に第２金属の粉末を加えるのに先立って、第２金属の表面をNiで被覆するのが好ましい。表面がNiで被覆されている第２金属を、溶融した第１金属に混合すると、第１金属中に第２金属がほぼ均一に分散する。クラック等の発生が顕著に抑制された合金を得ることができる。

（第１実施例）
図１に、半導体モジュール１０の要部断面図を模式的に示す。半導体モジュール１０は、車載用インバータに設けられている複数の半導体モジュール１０の一つである。半導体モジュール１０群は、バッテリーからの直流電力をスイッチングして交流電力に変換する。半導体モジュール１０群の周辺には、図示しない内燃機関が設けられており、その内燃機関からの熱によって、半導体モジュール１０群が存在する環境はかなり高温である。

図示２０は、アルミニウムからなる放熱板であり、冷却水が流動する水冷管２２が設けられている。放熱板２０の表面には、Ｃｕからなるベースプレート３０が形成されている。放熱板２０とベースプレート３０はろう付けされている。ベースプレート３０の表面には、窒化アルミニウム（AlN）からなるセラミック板４０が形成されている。ベースプレート３０とセラミック板４０はろう付けされている。セラミック板４０の表面にはCIC基板５０（絶縁性基板の一例）が形成されている。CIC基板５０は、銅からなる下層５２と、インバー層５４と、銅からなる上層５６（表面導電層の一例）が積層した構造を備えている。セラミック板４０とCIC基板５０はろう付けされている。

図示９０は、GaNを主材料とする縦型の半導体装置である。半導体装置９０はFET（Field Effect Transistor）の構造を有している。半導体装置９０の裏面（紙面下側）には、アルミニウムからなるコレクタ電極（裏面電極の一例。図示しない）が形成されている。このコレクタ電極にコンタクト層８０が蒸着して形成されている。コンタクト層８０は、Tiからなる第１コンタクト層８４とAlからなる第２コンタクト層８２の積層構造を有しており、コレクタ電極のオーミックコンタクト性を向上させている。半導体装置９０のコレクタ電極とコンタクト層８０の両者を含めて、半導体装置９０の裏面電極と評価することもできる。
コンタクト層８０の裏面には、Cu又はNiからなるめっき層７０が形成されている。めっき層７０を保護するために、その表面には図示しないAu膜が形成されている。

半導体装置９０の裏面電極とCIC基板５０の間に（より詳細には、めっき層７０とCIC基板５０の間に）、はんだ層６０が介在している。はんだ層６０は、半導体装置９０の裏面電極とCIC基板５０を接合している。めっき層７０は、はんだ層６０と裏面電極の接合強度を顕著に向上させる効果を有する。
CIC基板５０の熱膨張係数は、半導体装置９０の熱膨張係数と略一致するように調整されている。CIC基板５０の各層５２、５４、５６の厚みを調整することによって、熱膨張係数を調整することができる。半導体装置９０とCIC基板５０の熱膨張係数を略一致させることで、はんだ層６０に作用する熱応力を大幅に低減することができる。ただし、CIC基板５０を利用することによって、はんだ層６０に作用する熱応力を大幅に緩和できるものの、完全に除去することはできない。したがって、はんだ層６０自体に熱応力を緩和する作用を付与することは極めて重要である。

図２（ａ）に、はんだ層６０の拡大断面図を示す。はんだ層６０には、第１金属６２としてBiが採用されている。第１金属６２は、はんだ層６０の融点を実質的に決定しており、Biを採用する本実施例では融点が約２７１℃となる。なお、他の金属を加えて融点を調整することも可能である。はんだ層６０はさらに、第１金属６２に混在しているとともに、マルテンサイト変態の性質を示す第２金属６４を備えている。第２金属６４は粒状の形状を有するとともに、第１金属６２中に略均一に分散している。第２金属６４は、CuとAlとMnを有する合金を備えている。なお、第２金属６４は、その他に添加元素を備えていてもよい。添加元素は、Ag、Ni、Au、Co、Fe、Ti、V、Cr、Si、Nb、Mo、Ge、Sn、Mg、P、Sb、Zr、Zn、B及びミッシュメタルから選択される１種又は２種以上の金属を有しているのが好ましい。

次に、はんだ層６０の作用効果を説明する。
はんだ層６０は、マルテンサイト変態の性質を有する第２金属６４を含有している。そのため、はんだ層６０全体としても、見かけ上はマルテルサイト変態としての挙動を示すようになる。マルテンサイト変態は、少なくとも次の２つの機構によって弾性特性を示す。

（１）マルテンサイト機構
この機構は、第２金属６４の相がマルテンサイト変態開始温度（Ms点）以下のマルテンサイト相にあるときに主として起きる。はんだ層６０の温度がMs点以下のとき、第２金属６４はマルテンサイト相を常に保持している。例えば、半導体装置９０に自らの動作に基づく熱及び周囲からの熱が加わると、はんだ層６０と半導体装置９０の間に熱膨張差が作用する。この熱膨張差に基づいてはんだ層６０に圧縮応力が作用する。この場合、第２金属６４は作用する圧縮応力に応じて変形することによって、はんだ層６０に作用する圧縮応力を吸収する。このため、はんだ層６０に作用する応力は緩和されるとともに、半導体装置９０に作用する引張り応力も緩和される。半導体装置９０の動作が終了し、はんだ層６０と半導体装置９０の間の熱膨張差が解消されるときは、第２金属６４が変形することによって、はんだ層６０に作用する引張り応力を吸収する。このため、はんだ層６０に作用する応力は緩和されるとともに、半導体装置９０に作用する圧縮応力も緩和される。即ち、第２金属６４の相がマルテンサイト変態開始温度（Ms点）以下のマルテンサイト相にあるときは、冷熱サイクルが繰返されたとしても、熱応力に基づく疲労の蓄積が抑制され、はんだ層６０は長期間に亘って破損しない。
（２）超弾性機構
この機構は、第２金属６４がマルテンサイト変態開始温度（Ms点）以上のときに主として起きる。はんだ層６０に外力が加わると、第２金属６４が実質的にマルテンサイト相に相転移し変形を生じる。さらに、超弾性機構では、はんだ層６０に加わる外力が除荷されれば、第２金属６４の形状は記憶された元の形状に回復される。例えば、半導体装置９０に自らの動作に基づく熱及び周囲からの熱が加わると、はんだ層６０と半導体装置９０の間に熱膨張差が作用する。この熱膨張差に基づいてはんだ層６０に圧縮応力が作用する。この場合、第２金属６４は作用する圧縮応力に応じてマルテンサイト相に相転移し変形する。第２金属６４が変形することによって、はんだ層６０に作用する圧縮応力を吸収する。このため、はんだ層６０に作用する応力は緩和されるとともに、半導体装置９０に作用する引張り応力も緩和される。半導体装置９０の動作が終了し、はんだ層６０と半導体装置９０の間の熱膨張差が解消されるときは、第２金属６４の形状が母相に相転移することによって回復し、はんだ層６０に作用する引張り応力を吸収する。即ち、第２金属６４の相がマルテンサイト変態開始温度（Ms点）以上の母相にあるときは、冷熱サイクルが繰返されたとしても、熱応力に基づく疲労の蓄積が抑制され、はんだ層６０は長期間に亘って破損しない。

即ち、はんだ層６０にマルテンサイト変態の性質を有するものが加えられていると、周囲の温度に関わらず、いずれかの機構によって作用する熱応力が緩和されるとともに、疲労の蓄積さえも抑制されるのである。したがって、マルテンサイト変態の性質を有する第２金属６４を備えたはんだ層６０は、熱応力を緩和して、長期間に亘って使用することができる。
なかでも、超弾性機構によって変形した場合は、外力が除荷されれば、はんだ層６０の形状は元の状態に回復することができる。したがって、変形が蓄積されることがない。この場合のはんだ層６０は、冷熱サイクルが繰返されたとしても、変形による疲労の蓄積が顕著に抑制され、長期間に亘って破壊されることが防止される。
さらに、図２（ｂ）に示すように、第２金属６４が第１金属６２中に分散して混在していると、仮にはんだ層６０にクラック６６が生じたとしても、第１金属６２と第２金属６４の界面においてクラック６６の進行が停止される。したがって、はんだ層６０が致命的に破壊されることが防止されるのである。

次に、はんだ層６０の製造方法を説明する。
まず、所定の重量％百分率に調整されたCuとAlとMnを、Ar雰囲気下において高周波溶解炉を利用して溶製し、第２金属６４の前駆体であるインゴットを得る。必要に応じて、添加元素が加えられたインゴットを得てもよい。次に、得られたインゴットをアトマイズ法等の粉末作成技術を利用して粉末化する。粉末化された第２金属６４の粒径は、必要に応じて調整することができ、粒径を調整することによって、出来上がりのはんだ層６０の柔軟性等を調整することができる。
粉末化された第２金属６４の前駆体は、滴下法を利用して、その粉末表面にNiをめっきする。Niに代えて、粉末表面にAuをめっきしてもよい。滴下法の反応時間を調整すれば、Niめっきの膜厚を容易に調整することができる。Niめっきの膜厚を調整することによって、出来上がりのはんだ層６０中に分散する第２金属６４の分散する度合いを向上させることができる。Niめっきの膜厚は、０．０１〜３μｍの範囲に調整するのが好ましい。
次に、表面がNiめっきされた第２金属６４の粉末とBiを混合する。第２金属６４の粉末とBiの体積分率を調整することによって、出来上がりのはんだ層６０の柔軟性等の特性を調整することができる。第２金属６４の粉末とBiは、透明石英管に真空封入され、Biの融点以上である４００℃の温度にて５分間保持する。Biを溶融状態にすることによって、第２金属６４の粉末は均一に分散される。分散化した試料を冷却凝固することによって、はんだ層６０を得ることができる。

図３に、第２金属６４の組成、添加元素、第２金属６４の粉末の粒径、Niめっきの膜厚、及び体積分率等を様々に変更した場合のはんだ層６０の特性を評価した結果を示す。また、比較例として、第２金属６４を加えていないBiを比較品１とし、従来から知られている高融点系のPb５％Snを比較品２として同時に評価した。なお、はんだ特性の融点は、第１金属６２の固相線温度を示差熱分析法を利用して測定した値であり、マルテンサイト変態開始温度（Ms点）は、第２金属６４のMs点を示差熱分析法を利用して測定した値である。
評価方法は以下の手順とした。まず、得られたはんだ層６０の鋳塊を、放電加工法を利用して、１５０〜２００μmの厚みに切り出した。次に、切り出されたはんだ層６０の表面を覆っている酸化膜を、研磨及び酸洗浄を利用して除去した。次に、図１に示すように、半導体装置９０の裏面電極とCIC基板５０の間にはんだ層６０を挟み込んだ状態で、不活性ガス雰囲気下においてリフロー法を利用して両者を接合した。接合温度は、はんだ層６０の液相線温度よりも３０度高い温度に設定した。なお、はんだ層６０と半導体装置９０の裏面電極の間には、Ti／Al／Cu／Au又はTi／Al／Ni／Auが蒸着して形成されている。なお、Ti／Alはコンタクト層８０である。Cu／Au又はNi／Auは、はんだ層６０とコンタクト層８０の接合強度を増加させる効果を有する。Cu／Auが採用されている場合は、はんだ層６０とCuの間に金属間化合物が生じない均一で安定的な反応層が形成され、両者間の接合強度が向上される。Ni／Auが採用されている場合は、はんだ層６０とNiの間にBi-Ni合金反応層が形成され、両者間の接合強度が向上される。
また、はんだ層６０とCIC基板５０の上層５６の間にも、Au又はNi／Auが蒸着して形成されている。

ここで、冷熱サイクル試験とは、４０℃と１９５℃の間を４０分で上昇・下降させるのを１サイクルとし、その１サイクルを合計で１５００サイクル実施する試験のことである。
図３に示すように、比較品１と比較品２はいずれも、冷熱サイクル試験を実施した後にその断面を観察すると、クラックの発生が確認された。
一方、実施品の場合は、いずれの場合もその断面にはクラックの発生が認められなかった。
この結果から、Biの第１金属６２にマルテンサイト変態の性質を有する第２金属６４を加えることによって得られるはんだ層６０は、熱応力を緩和するとともに、冷熱サイクルの繰返しに対して極めて安定していることが確認された。
さらに、次のことが確認された。
第２金属６４を構成するMnの重量％百分率は、０．０１〜２０重量％が好ましい。
第２金属６４を構成するAlの重量％百分率は、３〜１３重量％が好ましい。
添加元素の重量％百分率は、０．００１〜１０重量％が好ましい。

（第２実施例）
図４に、半導体モジュール１００の要部断面図を模式的に示す。半導体モジュール１００は、以下の点で第１実施例の半導体モジュール１０と異なる。
まず、コンタクト層８０にPtからなる第３コンタクト層１８６が設けられている。これにより、コンタクト層８０のオーミックコンタクト性はさらに向上している。
絶縁性基板には、DBC基板１５０が利用されている。DBC基板１５０は、銅からなる下層１５２と、窒化アルミニウムからなるセラミック層１５８と、銅からなる上層１５６（表面導電層の一例）が積層した構造を備えている。DBC１５０の各層１５２、１５８、１５６の厚みは調整され、半導体装置９０の熱膨張係数の略一致するように調整されている。

半導体モジュール１００は、半導体装置９０と絶縁性基板１５０の間を接合するはんだ層６０Bの他に、絶縁性基板１５０とベースプレート３０の間を接合する部分にもはんだ層６０Aが利用されている。はんだ６０層A及びはんだ６０層Bは同種の材料が利用されている。
図５に、はんだ層６０A及びはんだ層６０Bの組成、並びにその他の条件と、半導体モジュール１００の特性を評価した結果を示す。なお、組成等の条件は、第１実施例の場合と同一とした。なお、はんだ層６０ＢとＤＢＣ基板１５０の上層１５６の間にも、Au又はNi／Auが蒸着して形成されている。
半導体モジュール１００の場合も、全ての実施品において、冷熱サイクル試験を実施したとしてもその断面にはクラックの発生は認められなかった。
半導体モジュール１００では、はんだ層６０Aを利用することによって、DBC基板１５０とベースプレート３０の間の接合強度の向上にも成功している。即ち、DBC基板１５０の下層１５２はCuを主成分としており、ベースプレート３０もCuを主成分としていることから、はんだ層６０Aと下層１５２の間に金属間化合物が生じない均一で安定的な反応層が形成されるとともに、はんだ層６０Aとベースプレート３０の間にも金属間化合物が生じない均一で安定的な反応層が形成される。さらに、はんだ層６０Ａを利用することによって、この部分の熱応力も緩和される。このため、はんだ層６０Ａとはんだ層６０Ｂの両者の相乗効果により、半導体モジュール１００は冷熱サイクルに対して極めて安定であり、信頼性が顕著に向上された構造となる。

（第３実施例）
図６に、半導体モジュール２００の要部断面図を模式的に示す。半導体モジュール２００は、以下の点で第１実施例と第２実施例の半導体モジュール１０、１００と異なる。
まず、コンタクト層にはNiからなるコンタクト層２８８のみが利用されている。抵抗等の電気的特性が十分に満足の得られるものであれば、複数の層を形成しなくてもよい。
半導体装置２９０は、SiCを主材料とする縦型の半導体装置である。半導体装置２９０はFET（Field Effect Transistor）の構造を有している。
絶縁性基板には、DBC基板１５０が利用されている。DBC基板１５０は、銅からなる下層１５２と、窒化アルミニウムからなるセラミック層１５８と、銅からなる上層１５６が積層した構造を備えている。DBC１５０の各層１５２、１５８、１５６の厚みは調整され、半導体装置２９０の熱膨張係数の略一致するように調整されている。

半導体モジュール２００においても、はんだ層６０Aとはんだ層６０Bを利用することによって、DBC基板１５０とベースプレート３０の間の接合強度、及びDBC基板１５０と半導体装置２９０の間の接合強度の向上に成功している。
また、半導体モジュール２００は、はんだ層６０Aとはんだ層６０Bの相乗効果によって、冷熱サイクルに基づく熱応力が極めて緩和されており、信頼性が顕著に向上された構造となっている。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

第１実施例の半導体モジュールの要部断面図を示す。（ａ）はんだの拡大断面図を示す。（ｂ）はんだにクラックが生じたときの拡大断面図を示す。第１実施例の半導体モジュールの組成等の条件と評価結果を示す。第２実施例の半導体モジュールの要部断面図を示す。第２実施例の半導体モジュールの組成等の条件と評価結果を示す。第３実施例の半導体モジュールの要部断面図を示す。

符号の説明

２０：放熱板
２２：水冷管
３０：ベースプレート
４０：セラミック板
５０：ＣＩＣ基板
１５０：ＤＢＣ基板
５２、１５２：下層
５４：インバー層
５６、１５６：上層
１５８：セラミック層
６０：はんだ層
６２：第１金属
６４：第２金属
７０：めっき層
８０：コンタクト層
８２：第２コンタクト層
８４：第１コンタクト層
９０：半導体装置

Claims

半導体モジュールであって、
基板と、
半導体装置と、
前記基板と前記半導体装置の裏面電極を接合するはんだ層と、を備えており、
前記はんだ層に用いられる合金は、合金の融点を実質的に決定する第１金属と、第１金属に混在している粒状の第２金属とを含み、
前記第１金属はBiであり、
前記第２金属は、CuとAlとMnを含むとともにマルテンサイト変態の性質を有する合金であることを特徴とする半導体モジュール。
半導体装置が、GaN又はSiCを主材料として形成されていることを特徴とする請求項１の半導体モジュール。
前記基板は、表面導電層を有する絶縁性基板であり、
はんだ層と絶縁性基板の表面導電層の間に、Cu又はNi金属層が形成されていることを特徴とする請求項１又は２の半導体モジュール。
はんだ層と半導体装置の裏面電極の間に、Cu又はNi金属層が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかの半導体モジュール。
第２金属が、第１金属中に分散して混在していることを特徴とする請求項１〜４のいずれかの半導体モジュール。
第２金属を構成する金属の第２金属における重量％百分率が、Mnが０．０１〜２０重量％であり、Alが３〜１３重量％であり、残部がCuであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかの半導体モジュール。
第２金属は、添加元素をさらに備えており、
添加元素は、Ag、Ni、Au、Co、Fe、Ti、V、Cr、Si、Nb、Mo、Ge、Sn、Mg、P、Be、Sb、Cd、As、Zr、Zn、B及びミッシュメタルから選択される１種又は２種以上の元素を有しており、
添加元素の第２金属における重量％百分率は、合計の重量％が０．００１〜１０重量％であることを特徴とする請求項６の半導体モジュール。