JP4598687B2 - 金属超微粒子使用接合材及びそれを用いた半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、金属超微粒子を接合の主剤として含む接合材に係り、また、その接合材を使用して接合が行われた半導体装置に関する。
粒径が１〜１００ｎｍの超微粒の金属粒子は、バルクの状態にくらべて融点が著しく低いことが知られている。この性質を利用して、金属超微粒子を接合材として用いることが検討されている（例えば、特許文献１及び２参照）。
特許文献１には、金属粒子からなる核の周囲に有機物よりなる皮膜を施した接合材料が記載されている。特許文献２には、テープ状、シート状又はフィルム状の基材の表面に、特許文献１に記載の接合材料を被覆した複合形接合材料が記載されている。
特開２００４−１０７７２８号公報（要約） 特開２００５−２０５６９６号公報（要約）
特許文献１及び特許文献２には、半導体素子等の電子部品を接合するのに使用できることが記載されている。
半導体装置を構成する電子部品を、金属超微粒子を接合の主剤とした接合材を用いて接合する場合には、電気的導通を確保することが必要になる。また、接合材には熱歪の緩和、熱伝導性も要求される。
このようなことから、接合材は、電気伝導性を有する金属基材の表面に金属超微粒子層を設けたものとすることが望ましいが、特許文献２には基材に金属材料を用いた場合についての具体的な記載がない。
本発明の目的は、金属基材の表面に金属超微粒子を含む粒子層を有し、接合後に基材と粒子層とが金属的に結合されるようにした接合材と、それを使用して電気的導通が確保されるようにした半導体装置を提供することにある。
本発明は、基材の表面に、粒径が１〜１００ｎｍの金属超微粒子を含む粒子層を有する接合材において、前記基材が金属で構成され、前記基材の少なくとも表面が前記金属超微粒子と金属結合する材料で構成されていることを特徴とする金属超微粒子使用接合材にある。
また、金属超微粒子よりなる粒子層の表面がさらに有機物で被覆されている金属超微粒子使用接合材にある。
また、半導体素子の電極と前記半導体素子の電気信号を外部に取り出す配線とが接合材によって接合されている半導体装置において、前記接合材が金属基材の表面に粒径１〜１００ｎｍの金属超微粒子を含む粒子層を有し、前記基材の少なくとも表面が前記金属超微粒子と金属結合する材料で構成されている金属超微粒子使用接合材によって構成されており、前記金属超微粒子使用接合材と相対する側の表面に前記金属超微粒子と金属結合する材料のメタライズ層が施されていることを特徴とする半導体装置にある。
本発明により、金属超微粒子を接合の主剤とし、電気的導通が要求される電子部品の接合に好適な接合材を提供することができた。また、金属超微粒子使用接合材を用いた場合に、電気的導通が確保し得る半導体装置の構造を提供することができた。
本発明の金属超微粒子使用接合材において、金属超微粒子は、Ａｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｂｉ及びＳｂから選ばれた少なくとも１種よりなるものが好ましい。これらの金属は電気伝導性を有しており、電子部品の接合における接合の主剤として好適である。また、これらの金属よりなる超微粒子の融点は、バルクの状態での融点に比べて著しく小さいことが確認されている。
金属超微粒子の粒径は１〜１００ｎｍ、特に１〜５０ｎｍであることが好ましい。１〜５０ｎｍの粒径の粒子は、一般にナノ粒子と言われている粒子である。これらの粒子径であれば、バルクの状態のときに比べて著しく低い溶融温度が得られる。金属超微粒子は接合時の加熱によって溶融し、粒子同士が相互に融合してバルクになる。バルクになった後の溶融温度は通常のバルクの状態での金属の溶融温度と同じであり、金属超微粒子は低温の加熱で溶融し、溶融後はバルクの状態での溶融温度に加熱されるまで再溶融しないという特徴を有する。これは、金属超微粒子を用いた場合に低い温度で接合を行うことができ、接合後は溶融温度が向上することから、その後、他の電子部品を接合している際に接合部が再溶融しないというメリットをもたらす。
金属超微粒子は、接合によって相手部材と金属的に結合されることが接合強度を高めるため、及び、電気的導通を確保するために要求される。もちろん、基材も超微粒子を形成する金属と金属的に結合されることが要求される。このために、基材の表面は、金属超微粒子と金属結合する材料によって形成されていることが望ましい。金属超微粒子がＡｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｂｉ及びＳｂから選ばれた少なくとも１種よりなり、基材がＡｇ、Ｃｕ又はそれらを主成分とする合金よりなる接合材は、金属超微粒子と基材とが接合時に金属的に結合する。
金属基材の表面にメタライズ層を施して、金属超微粒子が溶融した際に金属結合が行われるようにすることは極めて好ましく、これは金属基材を広範囲の材料から選べるという効果をもたらす。金属超微粒子がＡｕ、Ａｇ、Ｎｉ及びＣｕから選ばれた少なくとも１種よりなり、金属基材の表面にＡｕ、Ａｇ、Ｎｉ及びＣｕから選ばれた少なくとも１種よりなるメタライズ層を有する接合材は、半導体装置に適用するのに好適である。
金属超微粒子同士が接合前に凝集して粗大化してしまうのを阻止するために、粒子層の表面を有機物で被覆することは好ましい。また、有機物に粘着性のあるものを使用した場合には、接合される部品と接合材との位置合わせが容易になるという効果がある。粘着性のある有機物としては、例えば濃度０．５％程度のポリアクリル酸がある。有機物は塗布等によって容易に粒子層に被覆することができる。また、有機物は接合時の加熱によって消失するので、金属超微粒子と被接合材との金属結合を損なうことはない。
金属超微粒子あるいは金属超微粒子と有機物被覆よりなり、基材を含まない接合材は、その形を維持することが難しく、接合作業上を行う上での取り扱いが難しい。基材を用いることにより、接合材の形状の確保あるいは厚さの確保が容易に行えるようになるので、前記したような問題を回避できる。
本発明の接合材において、粒子層は粒径が１〜１００ｎｍの金属超微粒子とともに、粒径が１〜１００μｍのミクロンサイズの金属粒子を含んでいてもよい。ミクロンサイズの金属粒子に高電気伝導材料を用いるようにすれば、電気的伝導性をより一層高めることができる。
本発明の接合材によって接合される半導体装置では、半導体装置の部品側にも金属超微粒子と金属的に結合可能なメタライズ層を施しておくことが要求される。これにより、接合材を介して電気的導通を確保できる。半導体装置の場合、金属超微粒子はＡｕ、Ａｇ、Ｎｉ及びＣｕから選ばれた少なくとも１種よりなることが好ましい。また、基材はＡｇ、Ｃｕ又はそれらを主成分とする合金よりなるか、あるいは、基材の表面にＡｕ、Ａｇ、Ｎｉ及びＣｕから選ばれた少なくとも１種よりなるメタライズ層が施されていることが望ましい。また、金属超微粒子と接合される相手側電子部品の表面にも、Ａｕ、Ａｇ、Ｎｉ及びＣｕから選ばれた少なくとも１種よりなるメタライズ層が施されていることが望ましい。
以下、図面を用いて、本発明の実施例を説明するが、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。
図１は本発明を適用した絶縁型半導体装置を示したものであり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図２は図１の要部を示した斜視図である。
本実施例において、半導体素子１０１の一方の面は、図示しないコレクタ電極が、本発明の金属超微粒子使用接合材１０５によって、セラミックス絶縁基板１０３上の配線層１０２に接合されている。セラミックス絶縁基板１０３は支持部材１１０に半田層１０９を介して接合されている。セラミックス絶縁基板１０３と配線層１０２をもって配線基板と称する。配線層１０２はＣｕ配線にＡｕまたはＮｉめっきを施したものである。金属超微粒子使用接合材１０５は厚さ１００μｍのＡｇ板の表面に粒径１ｎｍ〜１００ｎｍのＡｇ粒子よりなる粒子層を形成したものである。半導体素子１０１の他方の面は、エミッタ電極が接続用端子２０１と本発明の金属超微粒子使用接合材に用いて接合されており、接続用端子２０１はセラミックス絶縁基板１０３上の配線層１０４と本発明の金属超微粒子使用接合材を用いて接合されている。なお、図１における他の符号は、それぞれ、ケース１１１、外部端子１１２、ボンディングワイヤ１１３、封止材１１４を示している。
図３は図１における半導体素子搭載部分を拡大して示した断面図である。半導体素子１０１の図示しないコレクタ電極と配線層１０２の接合を行う金属超微粒子使用接合材１０５は、金属基材３０１であるＡｇ板と、Ａｇ超微粒子よりなる粒子層３０２によって構成されている。半導体素子のエミッタ電極１０６と接続用端子２０１の接合を行う金属超微粒子使用接合材２０２及び接続用端子２０１と配線層１０４の接合を行う金属超微粒子使用接合材２０３も、金属超微粒子使用接合材１０５と同様の構成である。また、接続用端子２０１はＣｕまたはＣｕ合金で構成されている。金属超微粒子使用接合材１０５，２０２，２０３による接合は個別に行ってもよいし、同時に行ってもよい。金属超微粒子使用接合材を接合すべき部材の間に配置し、その状態で２５０℃程度の熱を約３分間加え、同時に２．５ＭＰａ程度の圧力を大気中で加えることにより、接合を行うことができる。接合に当たり、超音波振動を加えることもできる。金属超微粒子使用接合材の接合は、金属超微粒子を加熱溶融できる条件であれば、その接合方法にとらわれない。
図４は、接合層高さと接合層の厚さ方向に垂直な方向の接合面積との関係を示したものである。（ａ）はバンプを用い、接合面積が増大するように超音波振動を加えて接合した場合である。（ｂ）は本発明の金属超微粒子使用接合材を用いた場合である。従来のバンプを用いた場合には、バンプの接触面すべてが接合面にならないため、（ｃ）に示すように接合面積が極端に少なくなる領域が存在する。これに対して、本発明では接合面積が小さくなる領域は存在せず、接合面積の変化は３０％程度に抑えることができる。
図５は、半導体素子１０１と配線基板１５０を本発明による金属超微粒子使用接合材を用いて接合して接合層１６０を形成した場合（ａ）と、Ａｇペースト材を用いて接合して接合層１７０を形成した場合（ｂ）について、接合層の状態を示した断面図である。Ａｇペースト材を使用した場合には、（ｂ）に示すように接合層が半導体素子の側面を覆い、短絡が起こりやすくなる。これに対して、本発明の場合には、（ａ）に示すように接合層によって半導体素子の側面が覆われるのを防止できる。
図６は、本発明の接合部位に対して行った耐熱性評価結果を示したもので、接合サンプルを大気中２５０℃に熱せられた炉内に放置し、放置時間に対する接合強度を調査した結果である。縦軸はせん断強度を示し、初期値すなわち放置時間がゼロのときの値で割って規格化した。接合条件は大気中で２５０℃に３分加熱、加圧は２．５ＭＰａとした。比較のために、９５Ｐｂ−５Ｓｎはんだ（融点約３００℃）のそれも示した。この結果によると、本発明サンプルは１０００時間後でも殆ど強度劣化はなく、耐熱性が確保できていることが判った。本発明の接合材は、高温環境での使用が期待されるＳｉＣ半導体デバイスへの適用に適していると言える。これに対して、従来の高融点はんだ材では、初期は本発明材より優れているものの、高温放置後は強度劣化が大きく、耐熱性は確保できない。
図７（ａ）及び（ｂ）は、放熱性評価として本発明の接合材及び従来の９５Ｐｂ−５Ｓｎはんだ（融点約３００℃）材を用いたパワー半導体モジュールに対して、熱抵抗評価結果を示したもので、接合条件は図５と同様である。縦軸は従来例のモジュールの定常値で規格化した値、横軸は投入時間である。定常値を比較すると、従来品に比べて本発明品は３０％程度小さく、放熱性が向上していることが確認できた。従って、本発明は、より電流密度が大きいパワー半導体モジュールへの適用に適していると言える。
次に、本実施例による半導体装置の好ましい例について説明する。
図３に示す金属超微粒子接合材１０５、２０２、２０３はいずれも電流が流れる部位である。このため、粒子層の材料にはＡｕ、Ａｇ等を主成分としたナノサイズ粒子とミクロンサイズ粒子の混合材を用い、ミクロンサイズの粒子により電気伝導性の向上を図ることが特に望ましい。ナノサイズ粒子とミクロンサイズ粒子の混合材による接合は２００℃以下でも行うことができる。ナノサイズの粒子を含有させることにより２００℃以下の低温で固溶体を形成し、接合することができる。また、金属基材はＣｕあるいはＣｕ合金で構成することが好ましい。Ｃｕ又はその合金の熱膨張係数は約８〜１６ｐｐｍ／℃である。セラミックス絶縁基板１０３には窒化珪素を用いることが好ましい。窒化珪素の熱膨張係数は約９ｐｐｍ／℃である。
本構造のパワー半導体モジュールは、半導体素子１０１と熱膨張係数が約９ｐｐｍ／℃の絶縁配線基板とが、熱膨張係数８〜１６ｐｐｍ／℃の接合材を介して接合されているため、高温環境で顕著になる各部材の熱膨張差に起因する熱応力を小さくすることができる。理想的には接合材の熱膨張係数を配線基板のそれに一致させることで、接合材に生じる熱応力が最小になり、長期信頼性が向上する。
本発明の半導体装置は各種の電力変換装置に適用することができる。電力変換装置に本発明の半導体装置を適用することによって、高温環境の場所に搭載でき、かつ専用の冷却器を持たなくても長期的な信頼性を確保することが可能になる。
図８は半導体装置の回路を説明する図である。４個のＭＯＳ ＦＥＴ素子４０１が並列に配置された２系統のブロック９１０を有し、各ブロック９１０は直列に接続され、入力主端子３０ｉｎ、出力主端子３０ｏｕｔ、補助端子３１が所定部から引き出されて半導体装置９００の要部を構成している。また、この回路の稼働時における温度検出用サーミスタ３４が半導体装置９００内に独立して配置されている。
また、インバータ装置及び電動機は、電気自動車にその動力源として組み込むことができる。この自動車においては、動力源から車輪に至る駆動機構を簡素化できたため、ギヤーの噛込み比率の違いにより変速していた従来の自動車に比べ、変速時のショックが軽減され、スムーズな走行が可能で、振動や騒音の面でも従来よりも軽減することができる。なお、本実施例の半導体装置９００は、図９に示すハイブリッド自動車電動機９６０の回転数制御用インバータ装置に組み込むことが可能である。
更に、本実施例の半導体装置９００を組み込んだインバータ装置は冷暖房機に組み込むことも可能である。この際、従来の交流電動機を用いた場合よりも高い効率を得ることができる。これにより、冷暖房機使用時の電力消費を低減することができる。また、室内の温度が運転開始から設定温度に到達するまでの時間を、従来の交流電動機を用いた場合よりも短縮できる。
本実施例と同様の効果は、半導体装置９００が他の流体を撹拌又は流動させる装置、例えば洗濯機、流体循環装置等に組み込まれた場合でも享受できる。
図１０は本発明の変形例として、半導体素子１０１とセラミックス絶縁基板１０３上の配線層１０２との接合を、Ｓｎ系はんだを用いて行い、半導体素子１０１と接続用端子２０１との接合を本発明の金属超微粒子使用接合材を用いて行った場合を示している。また、図１１は、半導体素子１０１とセラミックス絶縁基板上の配線層との接合にのみ、本発明の金属超微粒子使用接合材を用いた場合を示している。
また、図１２は、金属超微粒子使用接合材における金属基材を、同一の材料よりなる一枚の金属板により構成するのはなく、複数の部材を組み合わせて一枚の板にした場合を示している。この場合、基材はその全てが金属で構成されるのではなく、金属導体３１１と絶縁体３１２により構成することも可能である。これによっても、電気的導通を確保することができる。
なお、本発明の金属超微粒子仕様接合材は、例えばＬＥＤバックライトのような発熱が大きい部位の接合にも適用可能である。
（ａ）は本発明の位置実施例による絶縁型半導体装置の平面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。 図１の要部を示した斜視図である。 図１における半導体素子搭載部分を拡大して示した断面図である。 本発明の特徴を説明する図である。 本発明と従来のバンプによる接合方法とを比較した説明図である。 本発明による接合部の耐熱性を示す図である。 本発明による接合部の放熱性を示した図である。 半導体装置の回路図である。 ハイブリッド自動車電動機の回転数制御用インバータ装置を示す概略図である。 本発明の他の実施例を示した断面図である。 本発明のさらに他の実施例を示す断面図である。 金属超微粒子使用接合材の他の例を示した図である。
符号の説明
１０１…半導体素子、１０２…配線層、１０３…セラミックス絶縁基板、１０４…配線層、１０５…金属超微粒子接合材、１０６…エミッタ電極、１１０…支持部材、２０１…接続用端子、２０２…金属超微粒子使用接合材、２０３…金属超微粒子使用接合材、３０１…金属基材、３０２…粒子層。

Claims (9)

  1. 基材の表面に、粒径が１〜１００ｎｍの金属超微粒子を含む粒子層を有する金属超微粒子使用接合材において、前記基材が電気的導通を確保する金属導体と絶縁体とを組み合わせて構成され、前記基材の表面が前記金属超微粒子と金属結合する材料で構成されていることを特徴とする金属超微粒子使用接合材。
  2. 請求項１において、前記金属超微粒子がＡｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｂｉ及びＳｂから選ばれた少なくとも１種よりなることを特徴とする金属超微粒子使用接合材。
  3. 請求項２において、前記金属導体がＡｇ、Ｃｕ又はそれらを主成分とする合金よりなることを特徴とする金属超微粒子使用接合材。
  4. 請求項１において、前記金属超微粒子がＡｕ、Ａｇ、Ｎｉ及びＣｕから選ばれた少なくとも１種よりなり、前記基材の表面にＡｕ、Ａｇ、Ｎｉ及びＣｕから選ばれた少なくとも１種よりなるメタライズ層を有することを特徴とする金属超微粒子使用接合材。
  5. 請求項１において、前記粒子層が有機物で被覆されていることを特徴とする金属超微粒子使用接合材。
  6. 半導体素子の電極と前記半導体素子の電気信号を外部に取り出す配線とが請求項１〜５のいずれか一項に記載の金属超微粒子使用接合材によって接合されていることを特徴とする半導体装置。
  7. 請求項６において、前記半導体素子が配線基板の上に搭載され、前記半導体素子のエミッタ電極が配線に接続された構造を有し、前記半導体素子のコレクタ電極と前記配線基板との接合部及び前記エミッタ電極と前記配線との接合部の少なくとも一方が前記金属超微粒子使用接合材により接合されていることを特徴とする半導体装置。
  8. 請求項６に記載の半導体装置を内蔵していることを特徴とする電力変換装置。
  9. 請求項８に記載の電力変換装置がエンジンルームに搭載されることを特徴とするハイブリット自動車。
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