JP4917375B2 - パワー半導体モジュールの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、パワー半導体モジュールの製造方法に関し、詳細には、冷熱サイクルに対して亀裂、剥離などの不具合を生じない信頼性の高いパワー半導体モジュール及びその製造方法であって、製造工程上、位置ずれなどの不具合を生じないパワー半導体モジュールの製造方法に関する。
パワー半導体モジュールは、通常、パワー半導体と電流通電部とが電気的に絶縁されるよう、パワー半導体に絶縁体を設けた構成となっている。このパワー半導体と絶縁体とは、半田などによって接合されている。
また、パワー半導体モジュールでは、半導体素子から発生する熱を効率よく放散するために、あるいは一時的に熱を分散するために、放熱板が設けられ、この放熱板と上記絶縁体とは、半田などによって接合されている。したがって、パワー半導体モジュールでは、半導体素子と絶縁体との間、及び絶縁体と放熱板との間の２箇所を接合することが一般的である。
これまでは２箇所の接合部にＰｂ系半田材料が用いられており、特にＰｂ−Ｓｎ半田材料を用い、ＰｂとＳｎの比率を変えることによって、融点を１８３〜３００℃前後の範囲で変化させて、２回の半田付けを行っていた（例えば、非特許文献１参照。）。
しかし、Ｐｂは毒性を有するために使用廃止の方向にあり、Ｐｂフリーの半田材料の開発が望まれている。
しかし、Ｐｂは毒性を有するために使用廃止の方向にあり、Ｐｂフリーの半田材料の開発が望まれている。
また、次世代のパワー半導体素子であるＧａＮやＳｉＣは、２００℃以上の耐熱性を有し、且つ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である。この電流の大きさに起因して半導体素子からの発熱が２００℃程度にまで上昇するため、半田による接合部分に対しても２００℃以上の耐熱性が要求されている。
このような半田材料に対する要求の中、例えば、Ｓｎ−Ａｇ合金、Ｓｎ−Ｃｕ合金などの種々の組成のＳｎ系半田材料が提案されている。
しかし、Ｓｎ系半田材料の融点は２２０℃程度であるが故に、この温度で溶解してしまい、また、２００℃前後において引っ張り強度が著しく低下してしまうため、２００℃を超える熱を発する次世代パワー半導体素子に対しては、接合材料としてＳｎ系半田材料を用いることは実用上困難であった。
しかし、Ｓｎ系半田材料の融点は２２０℃程度であるが故に、この温度で溶解してしまい、また、２００℃前後において引っ張り強度が著しく低下してしまうため、２００℃を超える熱を発する次世代パワー半導体素子に対しては、接合材料としてＳｎ系半田材料を用いることは実用上困難であった。
融点が２５０℃を超える無害な半田材料は、未だ研究段階において散見するに留まり、実用化されているものは極めて少ない。特殊な用途向けにＡｕ−Ｓｎ合金（融点２７０℃）を用いる例があるが、この合金は全体の８０％がＡｕであるために非常に高価な材料であり、民生機器への適用は困難である。
また、融点が２５０℃を超える無害な接合材料の１種として、Ａｇ系のロウ材料が一般的に知られているが、それらの融点は６００℃以上と高く、このような温度で溶融し接合させると半導体素子を壊したり変質させてしまうために、本用途に用いることができない。半導体モジュールの製造工程を考慮すると、接合時の加熱に適用し得る上限温度は、４５０℃程度である。
このような状況から、半導体素子に影響を及ぼさない４５０℃以下の温度での接合が可能であり、且つ、半導体素子の動作により発せられる２００℃以上の温度にも耐え得るＰｂフリーな接合材料が熱望されている。
馬場陽一郎「ＨＶインバータ品質確保の取り組み」溶接学会全国大会講演概要、第７７章（２００５−９）
馬場陽一郎「ＨＶインバータ品質確保の取り組み」溶接学会全国大会講演概要、第７７章（２００５−９）
本発明の課題は、冷熱サイクルに対して亀裂、剥離などの不具合を生じない信頼性の高いパワー半導体モジュール及びその製造方法であって、製造工程上、位置ずれなどの不具合を生じないパワー半導体モジュール及びその製造方法を提供することにある。
第１の発明は、パワー半導体素子と、絶縁基板と、放熱板と、を有し、
前記パワー半導体素子と前記絶縁基板との間、及び前記絶縁基板と前記放熱板との間の少なくとも一方を、Ｃｕ層、Ｃｕ３Ｓｎ層及びＣｕ層の順で積層された積層構造で接合してなるパワー半導体モジュールである。
前記パワー半導体素子と前記絶縁基板との間、及び前記絶縁基板と前記放熱板との間の少なくとも一方を、Ｃｕ層、Ｃｕ３Ｓｎ層及びＣｕ層の順で積層された積層構造で接合してなるパワー半導体モジュールである。
本発明において、パワー半導体素子と絶縁基板との間、或いは絶縁基板と放熱板との間の接合部に用いられるＣｕ層及びＣｕ３Ｓｎ層の融点は、それぞれ約１０８０℃、約６４０℃であるため、次世代のパワー半導体素子であるＧａＮやＳｉＣを用いて繰り返し使用した場合でも、接合部において亀裂や剥離などの不具合を生じさせない信頼性の高いパワー半導体モジュールとなる。
また、Ｃｕ層とＣｕ３Ｓｎ層との界面において、パワー半導体モジュールの冷熱サイクルによっても不要な生成物を発生させることがなく、仮に界面に反応生成物が生成したとしても、ほとんど成長しないので、本発明のパワー半導体モジュールは、温度変化に対しても亀裂、剥離などの不具合を生じさせない。
更に、本発明のパワー半導体モジュールの作製方法では、請求項６に記載のように、接合時の加熱温度の下限値はＳｎの融点（約２３０℃）であるため、半導体素子に影響を及ぼさない４５０℃以下の温度での接合が可能である。
第２の発明は、前記パワー半導体素子が、ＧａＮ又はＳｉＣを用いて形成されてなることを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体モジュールである。
上述の通り、本発明において接合部に用いられるＣｕ層及びＣｕ３Ｓｎ層の融点は、それぞれ約１０８０℃及び約６４０℃であるため、次世代のパワー半導体素子であるＧａＮやＳｉＣを用いて２００℃を超えた高温で繰り返し使用した場合でも、接合部において亀裂や剥離などの不具合を生じさせない信頼性の高いパワー半導体モジュールとなる。
第３の発明は、前記放熱板が、Ｍｏ層の両面にＣｕ層を有する積層体であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のパワー半導体モジュールである。
Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕの積層体は熱伝導率が高く、放熱板としての機能を効果的に発揮する。また、Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕの積層体は熱膨張係数が４ｐｐｍ／Ｋ程度となり、パワー半導体素子の熱膨張係数の値に近くなる。その結果、冷熱サイクル時に顕著な熱応力が生じず、亀裂や剥離などの不具合を発生させない。また、この積層体の最外層はＣｕ層で構成されるため、接合部に用いるＣｕ層の役割を兼ねることができる。
第４に記載の発明は、前記放熱板におけるＣｕ層／Ｍｏ層／Ｃｕ層の厚さの比率が、１／５／１〜１／１２／１であることを特徴とする請求項３に記載のパワー半導体モジュールである。
Ｃｕ層／Ｍｏ層／Ｃｕ層の積層体の中でも、各層の厚さの比率が、１／５／１〜１／１２／１の場合に、特に熱伝導率と熱膨張係数とのバランスが良好となり、放熱板としての機能を効果的に発揮する。
第５に記載の発明は、前記絶縁基板がＡｌＮ層であり、ＡｌＮ層の両表面にＣｕ層で形成される導電層を積層してなることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュールである。
絶縁基板の表面に設けられる導電層がＣｕ層である場合、Ｃｕの導電率が高いことから導電層を薄くすることができ、熱応力を緩和することができる。また、絶縁基板の表面のＣｕ層は、前述の接合部のＣｕ層の役割を兼ねることができる。
請求項１に記載の発明は、半導体素子と絶縁基板との間、及び絶縁基板と放熱板との間の少なくとも一方を、Ｃｕ層、Ｃｕ３Ｓｎ層及びＣｕ層の順で積層してなる積層構造で接合する接合工程を有し、
前記接合工程が、下記（１）〜（３）の工程を少なくとも有することを特徴とするパワー半導体モジュールの製造方法。
（１）Ｃｕ層とＳｎ層とを積層した積層体を２個準備する。
（２）前記積層体のそれぞれのＳｎ層が対向し接するように重ね合わせる。
（３）前記（２）の状態で、Ｓｎの融点以上で且つＣｕの融点よりも低い温度で溶融反応させる。
前記接合工程が、下記（１）〜（３）の工程を少なくとも有することを特徴とするパワー半導体モジュールの製造方法。
（１）Ｃｕ層とＳｎ層とを積層した積層体を２個準備する。
（２）前記積層体のそれぞれのＳｎ層が対向し接するように重ね合わせる。
（３）前記（２）の状態で、Ｓｎの融点以上で且つＣｕの融点よりも低い温度で溶融反応させる。
Ｃｕ３Ｓｎ層の融点は約６４０℃であるため、これをそのまま半田付けしようとすると、６４０℃を超える熱を与えなければならず、作業性が低下し、製造コストが高くなってしまう。また、パワー半導体素子も半田付けの際に加熱されるので、パワー半導体素子が破壊したり改質したりする恐れがある。これらの観点から、パワー半導体モジュールに適用しうる接合温度の上限としては、４５０℃程度である。
そこで、本発明では、Ｃｕ３Ｓｎ層の形成方法として、まず、接合する部材のそれぞれの表面に、Ｃｕ層及びＳｎ層を積層し、次に、それぞれのＳｎ層が対向し接するように重ね合わせ、その状態でＳｎの融点以上で且つＣｕの融点よりも低い温度で溶融反応させる。
Ｓｎの融点以上で且つＣｕの融点よりも低い温度に昇温させると、Ｓｎのみが溶融してＳｎ層どうしが接合し且つ液層になる。このとき、Ｃｕの融点よりも低い温度で加熱するために、Ｃｕ層は固相であるが、固相のＣｕと液相のＳｎとの間で、相互の拡散が起こり、ＣｕとＳｎの合金（Ｃｕ３Ｓｎ）を生成する。
Ｓｎの融点以上で且つＣｕの融点よりも低い温度に昇温させると、Ｓｎのみが溶融してＳｎ層どうしが接合し且つ液層になる。このとき、Ｃｕの融点よりも低い温度で加熱するために、Ｃｕ層は固相であるが、固相のＣｕと液相のＳｎとの間で、相互の拡散が起こり、ＣｕとＳｎの合金（Ｃｕ３Ｓｎ）を生成する。
したがって、本発明によれば、Ｓｎの融点（約２３０℃）よりも高い温度で加熱すれば接合できるので、製造の作業性が向上する。
また、接合部にはＳｎ層が残存せず、ＳｎはすべてＣｕ３Ｓｎ合金となっているため、形成された接合部の融点は約６４０℃となる。そのため、２００℃を超えた高温での繰り返し使用によっても、接合部において亀裂や剥離などの不具合を生じさせない。
また、接合部にはＳｎ層が残存せず、ＳｎはすべてＣｕ３Ｓｎ合金となっているため、形成された接合部の融点は約６４０℃となる。そのため、２００℃を超えた高温での繰り返し使用によっても、接合部において亀裂や剥離などの不具合を生じさせない。
つまり、本発明は、形成された接合部分の融点よりも、接合時の加熱温度が低いので、製造上の作業性及びコストの観点から極めて有益な方法である。また、形成された接合部の融点は約６４０℃と高温であるため、２００℃を超えた高温での繰り返し使用によっても、接合部において亀裂や剥離などの不具合を生じさせない。
なお、パワー半導体素子と絶縁基板との間の接合部、又は絶縁基板と放熱板との間の接合部の一方を、Ｃｕ層、Ｃｕ３Ｓｎ層及びＣｕ層の順に積層する積層構造としてもよいし、２つの接合部の両方を、Ｃｕ層、Ｃｕ３Ｓｎ層及びＣｕ層の順に積層する積層構造としてもよい。
請求項２に記載の発明は、前記Ｃｕ ３ Ｓｎ層の厚さが、１μｍ〜１０μｍであることを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体モジュールの製造方法である。
請求項３に記載の発明は、前記溶融反応させる工程での加熱温度が、２３０℃以上４５０℃以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のパワー半導体モジュールの製造方法である。
請求項３に記載の発明は、前記溶融反応させる工程での加熱温度が、２３０℃以上４５０℃以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のパワー半導体モジュールの製造方法である。
前記溶融反応させる工程での加熱温度の下限は、Ｓｎが溶融する温度、すなわちＳｎの融点（約２３０℃）であり、この温度以上であれば、本発明のパワー半導体モジュールを製造することができる。しかし、２３０℃程度の加熱では、Ｓｎ層のすべてをＣｕ３Ｓｎ層とするのには、長時間かかってしまう。そこで、反応を完結させるための加熱時間との兼ね合いから、より好適な加熱温度は２５０℃以上である。
また、接合時の加熱によって半導体素子が破壊或いは改質されるのを防ぐには、４５０℃以下の加熱で接合することが望ましい。
また、接合時の加熱によって半導体素子が破壊或いは改質されるのを防ぐには、４５０℃以下の加熱で接合することが望ましい。
本発明によれば、冷熱サイクルに対して亀裂、剥離などの不具合を生じない信頼性の高いパワー半導体モジュールの製造方法であって、製造工程上、位置ずれなどの不具合を生じないパワー半導体モジュールの製造方法を提供することができる。
本発明のパワー半導体モジュールは、少なくともパワー半導体素子と、絶縁基板と、放熱板と、を有し、パワー半導体素子と前記絶縁基板との間、及び前記絶縁基板と前記放熱板との間の少なくとも一方を、Ｃｕ層、Ｃｕ３Ｓｎ層及びＣｕ層の順で積層してなる積層構造で接合されている。
以下では、まず始めにパワー半導体モジュールの構成について説明した後、各構成部材について説明し、次にパワー半導体モジュールの製造方法について説明する。
以下では、まず始めにパワー半導体モジュールの構成について説明した後、各構成部材について説明し、次にパワー半導体モジュールの製造方法について説明する。
＜パワー半導体モジュール＞
図１に、本発明のパワー半導体モジュール１０の要部断面図を模式的に示す。
パワー半導体モジュール１０は、パワー半導体素子２０と絶縁部３０と放熱板４０とを有する。パワー半導体素子２０と絶縁部３０との間は第一接合部５０によって接合される。絶縁部３０と放熱板４０との間は第二接合部６０によって接合される。
図１に、本発明のパワー半導体モジュール１０の要部断面図を模式的に示す。
パワー半導体モジュール１０は、パワー半導体素子２０と絶縁部３０と放熱板４０とを有する。パワー半導体素子２０と絶縁部３０との間は第一接合部５０によって接合される。絶縁部３０と放熱板４０との間は第二接合部６０によって接合される。
パワー半導体モジュール１０は、車載用インバータなどに用いられるものである。パワー半導体モジュール１０の周辺には図示しない内燃機関が設けられているために、パワー半導体モジュール１０が置かれている環境はかなり高温となっている。さらに、パワー半導体素子として次世代のＧａＮやＳｉＣを用いた場合には、パワー半導体素子２０からの発熱が大きく、パワー半導体モジュール１０の温度が上昇する。
パワー半導体素子が自身の発する熱や高温の周囲環境によって、パワー半導体素子が破壊するのを防ぐよう、冷却水が流動する冷却管（図示せず）が設けられ、冷却管とパワー半導体素子との間に放熱板４０が設けられる。
したがって、一般的にパワー半導体モジュールに求められる性能としては、第一に冷熱サイクルに対して亀裂、剥離などの不具合を生じさせないことであり、第二に絶縁基板によって確実に絶縁させることであり、第三にパワー半導体素子から発せられた熱を放熱板までなるべく蓄積することなく伝えることである。
冷熱サイクルに対して亀裂、剥離などを発生させないためには、半導体素子、絶縁基板、放熱板及び接合部材などの部材そのものが温度変化に対して耐久性がなければならず、加えて、冷熱サイクルにおいて不要な反応生成物を発生させないことが重要である。かかる反応生成物は脆い物質であったり、逆に硬すぎる物質であったりして、反応生成物が発生した部位を起点として亀裂や剥離等を起こしやすい。
また、各部材の熱膨張係数が近い値であることも、冷熱サイクルによる亀裂や剥離などの発生を抑制するのに重要である。熱膨張係数が大きく異なる部材を接合すると、冷熱サイクルによって繰り返し起こる部材の体積変化によって、亀裂や剥離等を発生させやすくなる。
また、各部材の熱膨張係数が近い値であることも、冷熱サイクルによる亀裂や剥離などの発生を抑制するのに重要である。熱膨張係数が大きく異なる部材を接合すると、冷熱サイクルによって繰り返し起こる部材の体積変化によって、亀裂や剥離等を発生させやすくなる。
＜第一接合部及び第二接合部＞
本発明における第一接合部５０は、パワー半導体素子２０と絶縁部３０との間を接合するために設けられ、第二接合部６０は、絶縁部３０と放熱板４０との間を接合するために設けられる。
本発明では、第一接合部５０と第二接合部６０の少なくとも一方が、Ｃｕ層、Ｃｕ３Ｓｎ層及びＣｕ層の順で積層した積層構造で接合されている。つまり、第一接合部５０のみ、あるいは第二接合部６０のみを、Ｃｕ層、Ｃｕ３Ｓｎ層及びＣｕ層の順で積層した積層構造としてもよいし、第一接合部５０と第二接合部６０の両者をＣｕ層、Ｃｕ３Ｓｎ層及びＣｕ層の順で積層した積層構造としてもよい。
本発明における第一接合部５０は、パワー半導体素子２０と絶縁部３０との間を接合するために設けられ、第二接合部６０は、絶縁部３０と放熱板４０との間を接合するために設けられる。
本発明では、第一接合部５０と第二接合部６０の少なくとも一方が、Ｃｕ層、Ｃｕ３Ｓｎ層及びＣｕ層の順で積層した積層構造で接合されている。つまり、第一接合部５０のみ、あるいは第二接合部６０のみを、Ｃｕ層、Ｃｕ３Ｓｎ層及びＣｕ層の順で積層した積層構造としてもよいし、第一接合部５０と第二接合部６０の両者をＣｕ層、Ｃｕ３Ｓｎ層及びＣｕ層の順で積層した積層構造としてもよい。
接合部におけるＣｕの融点は１０８０℃であり、Ｃｕ３Ｓｎの融点は約６４０℃であるため、次世代のパワー半導体素子であるＧａＮやＳｉＣを用いて繰り返し使用した場合でも、接合部において亀裂や剥離などの不具合を生じさせない信頼性の高いパワー半導体モジュールとなる。
また一般的には、冷熱サイクルによって、接合部における異種物質どうしの界面で、反応生成物が生成し成長し、その結果、温度変化に対して亀裂、剥離などの不具合を発生させる。
しかし、本発明にかかるＣｕ層／Ｃｕ３Ｓｎ層／Ｃｕ層の積層構造では、Ｃｕ層とＣｕ３Ｓｎ層との界面において、パワー半導体モジュールの冷熱サイクルによっても不要な生成物を発生させることがなく、仮に界面に反応生成物が生成したとしても、ほとんど成長しないので、温度変化に対しても亀裂、剥離などの不具合を生じさせない。また接着性にも優れる。
しかし、本発明にかかるＣｕ層／Ｃｕ３Ｓｎ層／Ｃｕ層の積層構造では、Ｃｕ層とＣｕ３Ｓｎ層との界面において、パワー半導体モジュールの冷熱サイクルによっても不要な生成物を発生させることがなく、仮に界面に反応生成物が生成したとしても、ほとんど成長しないので、温度変化に対しても亀裂、剥離などの不具合を生じさせない。また接着性にも優れる。
本発明において、Ｃｕ３Ｓｎ層の厚さは、０．１〜１００μｍであることが、信頼性、熱的特性及び電気的特性の観点から好ましく、より好ましくは０．５〜２０μｍであり、更に好ましくは１〜１０μｍである。１μｍよりも薄いと、Ｓｎ層どうしが充分密着せず接合部に空隙を生じ、熱抵抗が高くなる恐れがあり、１０μｍよりも厚いと、Ｓｎの一部が残存し、信頼性が低下することがある。
なお、接合部における積層構造のＣｕ層は、絶縁部３０や放熱板４０の一部として設けられているものであってもよい。絶縁基板３２の表面に設けられるＣｕ層は、導電層として設けられる。導電層がＣｕ層である場合、Ｃｕの導電率が高いことから導電層を薄くすることができ、熱応力を緩和できるため好適である。また、下記に示すように、放熱板４０が、Ｍｏの表面にＣｕ層を設けたＣｕ層４４／Ｍｏ層４２／Ｃｕ層４６の積層体のときには、熱伝導率と熱膨張係数の観点から好適な放熱板となる。
絶縁部３０や放熱板４０へのＣｕ板の貼り付けは、ロウ付けなどの方法によって行うことができる。
積層構造のＣｕ層は、上述のように絶縁部３０や放熱板４０の一部として、他の機能を兼ねて設ける場合があるため、それぞれの機能を発揮できる程度の厚さとなるように、適宜調節することが好ましい。
第一接合部５０において、パワー半導体素子２０側のＣｕ層２２としては０．１〜１０μｍであることが、信頼性の観点から好ましく、より好ましくは０．５〜５μｍである。０．５μｍよりも薄いと、接合時に消失する恐れがあり、５μｍよりも厚いと、パワー半導体モジュール全体の熱膨張係数に影響を与え、熱応力を生じさせるようになるため好ましくない。
なお、Ｃｕ層／Ｃｕ３Ｓｎ層／Ｃｕ層の積層構造を形成する場合、Ｓｎ層の厚さよりも若干厚いＣｕ３Ｓｎ層が得られるので、パワー半導体素子２０、絶縁部３０、及び放熱板４０のそれぞれの表面に設けるＳｎ層の厚さは、所望のＣｕ３Ｓｎ層の厚さに応じて、適宜選択する。
また、第一接合部５０と第二接合部６０のいずれか一方を、Ｃｕ層／Ｃｕ３Ｓｎ層／Ｃｕ層の積層構造以外の材料で接合する場合、当該接合材料としては公知のものを適宜適用することができる。ここで、第一接合部５０と第二接合部６０のいずれを先に形成してもよい。
１回目の接合部に、Ｃｕ層／Ｃｕ３Ｓｎ層／Ｃｕ層の積層構造を適用する場合、２回目の接合部には、Ｃｕ３Ｓｎ層の融点（約６４０℃）よりも低い温度で接合できる材料を選択することが、２回目の接合時における位置ずれや傾斜などの不具合の発生を防止する観点から好ましく、より好ましくは、加熱による半導体素子の破壊や改質を防止する観点から、４５０℃以下の温度で接合できる材料を選択することが好ましい。
２回目の接合部に、Ｃｕ層／Ｃｕ３Ｓｎ層／Ｃｕ層の積層構造を適用する場合、１回目の接合部には、Ｓｎの融点（約２３０℃）よりも充分に高い融点を有する材料を選択することが、２回目の接合時における位置ずれや傾斜などの不具合の発生を防止する観点から好ましく、更に、加熱による半導体素子の破壊や改質を防止する観点から、４５０℃以下の温度で接合できる材料を選択することが好ましい。
２回目の接合部に、Ｃｕ層／Ｃｕ３Ｓｎ層／Ｃｕ層の積層構造を適用する場合、１回目の接合部には、Ｓｎの融点（約２３０℃）よりも充分に高い融点を有する材料を選択することが、２回目の接合時における位置ずれや傾斜などの不具合の発生を防止する観点から好ましく、更に、加熱による半導体素子の破壊や改質を防止する観点から、４５０℃以下の温度で接合できる材料を選択することが好ましい。
また、本発明では、１回目の接合部と２回目の接合部の両方に、Ｃｕ層／Ｃｕ３Ｓｎ層／Ｃｕ層の積層構造を適用することができる。
通常、半導体モジュールの製造方法では、２回目の接合工程では、１回目に接合した部分も含めて全体を加熱するため、１回目の接合部位が位置ずれや傾斜など起こさないように、２回目の接合時の加熱温度を１回目に用いた接合材料の融点よりも充分に低くしなければならない。
つまり、通常の半導体モジュールの製造方法においては、１回目の接合部と２回目の接合部には、融点の異なる材料を用いなければならず、特に１回目の接合材料は、２回目の接合材料の融点よりも充分に高い融点を有するものを選択しなければならない。
つまり、通常の半導体モジュールの製造方法においては、１回目の接合部と２回目の接合部には、融点の異なる材料を用いなければならず、特に１回目の接合材料は、２回目の接合材料の融点よりも充分に高い融点を有するものを選択しなければならない。
しかし本発明の製造方法では、下記に説明するように、接合部材のそれぞれの表面にＣｕ層やＳｎ層をスパッタリングやメッキなどで形成した後、それぞれのＳｎ層が対向し接触するように重ね合わせた状態で、Ｓｎ層どうしが接合し且つＣｕ３Ｓｎ層が形成するような温度で加熱すれば接合することができる。
したがって、接合のための加熱温度の下限としては、Ｓｎが溶融する温度、すなわち融点（約２３０℃）であればよい。一方で、接合後に形成された層は、Ｃｕ層／Ｃｕ３Ｓｎ層／Ｃｕ層となるので、Ｃｕの融点（約１０８０℃）やＣｕ３Ｓｎの融点（約６４０℃）よりも低い温度では溶融せず、接合部位の位置ずれや傾斜などを起こすことがない。
したがって、接合のための加熱温度の下限としては、Ｓｎが溶融する温度、すなわち融点（約２３０℃）であればよい。一方で、接合後に形成された層は、Ｃｕ層／Ｃｕ３Ｓｎ層／Ｃｕ層となるので、Ｃｕの融点（約１０８０℃）やＣｕ３Ｓｎの融点（約６４０℃）よりも低い温度では溶融せず、接合部位の位置ずれや傾斜などを起こすことがない。
ゆえに、１回目の接合部をＣｕ層／Ｃｕ３Ｓｎ層／Ｃｕ層の積層構造とし、２回目の接合部にもＣｕ層／Ｃｕ３Ｓｎ層／Ｃｕ層の積層構造を適用しても、２回目の接合時の加熱温度（下限温度はＳｎの融点の約２３０℃）が、１回目の接合部の融点（つまり、Ｃｕ３Ｓｎの融点（約６４０℃））よりも充分に低くなるように調節することができるので、１回目の接合部位で位置ずれや傾斜などを起こさないように接合することができる。
このように、本発明のパワー半導体モジュールでは、２箇所の接合部位に同じ接合材料を適用することができるため、操作が簡易化され、製造の省スペース化を図ることもできる。
＜パワー半導体素子＞
パワー半導体素子２０としては、特に制限することなく用途に応じて適宜適用することができ、一般的なＳｉ基板なども適用できる。
本発明では、次世代素子としてＧａＮ基板やＳｉＣ基板などを用いた場合であっても、接合部に用いるＣｕ３Ｓｎ層及びＣｕ層の融点が、それぞれ約６４０℃、１０８０℃であるため、半導体素子の繰り返し使用によって放熱される２００℃を超える高温に対しても、亀裂や剥離などの不具合を生じさせない信頼性の高いパワー半導体モジュールとなる。
パワー半導体素子２０としては、特に制限することなく用途に応じて適宜適用することができ、一般的なＳｉ基板なども適用できる。
本発明では、次世代素子としてＧａＮ基板やＳｉＣ基板などを用いた場合であっても、接合部に用いるＣｕ３Ｓｎ層及びＣｕ層の融点が、それぞれ約６４０℃、１０８０℃であるため、半導体素子の繰り返し使用によって放熱される２００℃を超える高温に対しても、亀裂や剥離などの不具合を生じさせない信頼性の高いパワー半導体モジュールとなる。
第一接合部５０を、Ｃｕ層／Ｃｕ３Ｓｎ層／Ｃｕ層の積層構造とする場合には、パワー半導体素子２０の第一接合部５０側の表面に、Ｃｕ層２２を設ける。
Ｃｕ層２２の厚みは、０．１μｍ〜１０μｍであることが好ましく、０．５μｍ〜２μｍであることがより好ましい。０．１μｍよりも薄いと、接合時に半田材料に溶け込み消失する恐れがあり、１０μｍよりも厚いと、パワー半導体モジュール全体の熱膨張係数に影響を与え、熱応力を生じさせるようになるため好ましくない。
Ｃｕ層２２の厚みは、０．１μｍ〜１０μｍであることが好ましく、０．５μｍ〜２μｍであることがより好ましい。０．１μｍよりも薄いと、接合時に半田材料に溶け込み消失する恐れがあり、１０μｍよりも厚いと、パワー半導体モジュール全体の熱膨張係数に影響を与え、熱応力を生じさせるようになるため好ましくない。
Ｃｕ層２２は、スパッタリングやメッキ、蒸着等によって形成することができる。
更にＣｕ層２２の表面には、上述の通りＳｎ層を設ける。Ｓｎ層は、スパッタリングやメッキ、蒸着等によって形成することができる。
＜絶縁部＞
絶縁部３０における絶縁基板３２としては、絶縁性を確保できるものであれば特に制限されず適用することができるが、好ましくは冷却サイクル時に顕著な熱応力を生じさせないよう、半導体素子の熱膨張係数と同程度の熱膨張係数を有するものである。
絶縁部３０における絶縁基板３２としては、絶縁性を確保できるものであれば特に制限されず適用することができるが、好ましくは冷却サイクル時に顕著な熱応力を生じさせないよう、半導体素子の熱膨張係数と同程度の熱膨張係数を有するものである。
具体的に好適な絶縁基板３２としては、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３などで形成されるものを挙げることができ、この中でも熱伝導率及び熱膨張係数の観点からＡｌＮが好適である。
また、絶縁基板３２におけるパワー半導体素子側の表面から半導体素子に電気を通すためにＡｌＮの表面に導電層３４を積層する。また、温度変化に対するそりを抑制するために、放熱板４０側にも導電層３６を積層することが好ましい。
このような導電層３４、３６としては、Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｎｉなどを挙げることができ、この中でもＡｌ及びＣｕが好ましい。ＡｌＮの表面にＡｌ層を設けると、温度変化に対して塑性変形を生じ、熱応力を緩和でき、一方Ｃｕ層を設けると導電率が高いことから薄くすることができ、熱応力を緩和できるため好適である。
特に、導電層３４、３６としてはＣｕ層であることが、接合部のＣｕ層／Ｃｕ３Ｓｎ層／Ｃｕ層の積層構造におけるＣｕ層の役割を兼ねて設けることができるため好適である。
特に、導電層３４、３６としてはＣｕ層であることが、接合部のＣｕ層／Ｃｕ３Ｓｎ層／Ｃｕ層の積層構造におけるＣｕ層の役割を兼ねて設けることができるため好適である。
ＡｌＮの表面に備える導電層３４、３６の厚さは、０．０１ｍｍ〜２ｍｍであることが好ましく、０．１ｍｍ〜１ｍｍであることがより好ましい。導電層の厚さが０．０１ｍｍ未満の場合には、横方向（積層方向に対して垂直な方向）への電流による損失及び発熱が無視できなくなり、２ｍｍを超える場合には、パワー半導体モジュール全体の熱膨張係数に影響を与え、熱応力を生じさせるようになるため好ましくない。
ＡｌＮの表面に備える導電層３４、３６の厚さは、０．０１ｍｍ〜２ｍｍであることが好ましく、０．１ｍｍ〜１ｍｍであることがより好ましい。Ｃｕ層の厚さが０．０１ｍｍ未満の場合には、横方向への電流による損失及び発熱が無視できなくなり、２ｍｍを超える場合には、パワー半導体モジュール全体の熱膨張係数に影響を与え、熱応力を生じさせるようになるため好ましくない。
導電層３４、３６は、ロウ付けなどの方法によって絶縁基板３２に貼付することができる。
導電層３４、３６がＣｕ層でない場合には、絶縁部３０のＣｕ層／Ｃｕ３Ｓｎ層／Ｃｕ層の積層構造で接合する側の表面に、Ｃｕ層（図示せず）を形成する。
Ｃｕ層は、スパッタリングやメッキ、蒸着等によって形成することができる。
Ｃｕ層は、スパッタリングやメッキ、蒸着等によって形成することができる。
更にＣｕ層の表面には、上述の通りＳｎ層を設ける。Ｓｎ層は、スパッタリングやメッキ、蒸着等によって形成することができる。
＜放熱板＞
放熱板４０としては、放熱性を有するものであれば特に制限されず適用することができるが、熱伝導率が充分高く放熱板としての機能に優れ、また半導体素子の熱膨張係数に近いものを用いることが好ましい。
放熱板４０としては、放熱性を有するものであれば特に制限されず適用することができるが、熱伝導率が充分高く放熱板としての機能に優れ、また半導体素子の熱膨張係数に近いものを用いることが好ましい。
具体的に好適な放熱板４０としては、Ｍｏ、Ｃｕ−Ｍｏ合金、Ａｌ−ＳｉＣ、Ｃｕ、Ａｌなどで形成されるものを挙げることができ、この中でも高い熱伝導率とパワー半導体素子に近い熱膨張係数を有することから、Ｍｏが好適である。
Ｍｏを放熱板に用いる場合には、接合を可能とする観点から、Ｍｏの両面に他の金属層を設けることが好ましく、このような金属層としては、Ｃｕ、Ｎｉなどを挙げることができ、この中でもＣｕが好ましい。特に、放熱板４０が、Ｍｏの表面にＣｕ層を設けたＣｕ層４４／Ｍｏ層４２／Ｃｕ層４６の積層体であることが、熱伝導率と熱膨張係数との調整を図る観点から好適である。
このように、放熱板４０が、Ｃｕ層４４／Ｍｏ層４２／Ｃｕ層４６で構成される積層体である場合、各層の厚さの比率が、１／５／１〜１／１２／１であることが好ましく、１／７／１〜１／９／１であることがより好ましい。１／５／１よりもＭｏ層が薄くなると、パワー半導体素子の熱膨張係数から離れた熱膨張係数を有することになるため好ましくない。１／１２／１よりもＭｏ層が厚くなると、放熱板としての放熱機能が充分に発揮され難くなり、好ましくない。
具体的な層の厚さとしては、Ｃｕ層４４、４６は、０．０５ｍｍ〜１ｍｍであることが好ましく、０．２ｍｍ〜０．５ｍｍであることがより好ましい。Ｍｏ層４２の厚さは、１ｍｍ〜７ｍｍであることが好ましく、２ｍｍ〜４ｍｍであることがより好ましい。
Ｃｕ層４４／Ｍｏ層４２／Ｃｕ層４６で構成される積層体は、放熱機能を充分に発揮させるため、全体の厚さは１ｍｍ〜８ｍｍであることが好ましく、２ｍｍ〜５ｍｍであることがより好ましい。
上述の通り、Ｃｕ層４４は、接合部のＣｕ層／Ｃｕ３Ｓｎ層／Ｃｕ層の積層構造におけるＣｕ層の役割を兼ねることができる。
一方、第二接合部６０を、Ｃｕ層／Ｃｕ３Ｓｎ層／Ｃｕ層の積層構造とする場合であって、放熱板４０の一部として表面にＣｕ層が設けられていない場合には、放熱板４０の第二接合部６０側の表面に、Ｃｕ層（図示せず）を形成する。
Ｃｕ層は、スパッタリングやメッキ、蒸着等によって形成することができる。
Ｃｕ層は、スパッタリングやメッキ、蒸着等によって形成することができる。
更にＣｕ層の表面には、上述の通りＳｎ層を設ける。Ｓｎ層は、スパッタリングやメッキ、蒸着等によって形成することができる。
本発明のパワー半導体モジュールにおいて、接合部のそれぞれの層の界面では、冷熱サイクルによる不要な生成物を発生させることがないので、或いは界面に反応生成物が生成したとしても、ほとんど成長しないので、本発明のパワー半導体モジュールは、温度変化に対する耐性が高くなる。
また、接合部は、高い融点を有するＣｕ層（融点：約１０８０℃）とＣｕ３Ｓｎ層（融点：約６４０℃）で形成されているため、半導体素子の繰り返し使用によって放熱される２００℃を超える高温に対しても、亀裂や剥離などの不具合を生じさせない信頼性の高いパワー半導体モジュールとなる。
また、接合部は、高い融点を有するＣｕ層（融点：約１０８０℃）とＣｕ３Ｓｎ層（融点：約６４０℃）で形成されているため、半導体素子の繰り返し使用によって放熱される２００℃を超える高温に対しても、亀裂や剥離などの不具合を生じさせない信頼性の高いパワー半導体モジュールとなる。
＜製造方法＞
本発明のパワー半導体モジュールの製造方法は、半導体素子と絶縁基板との間、及び絶縁基板と放熱板との間の少なくとも一方を、Ｃｕ層、Ｃｕ３Ｓｎ層及びＣｕ層の順で積層してなる積層構造で接合する接合工程を有し、前記接合工程が、Ｓｎの融点以上で且つＣｕの融点よりも低い温度で溶融反応させる工程を有する。
本発明のパワー半導体モジュールの製造方法は、半導体素子と絶縁基板との間、及び絶縁基板と放熱板との間の少なくとも一方を、Ｃｕ層、Ｃｕ３Ｓｎ層及びＣｕ層の順で積層してなる積層構造で接合する接合工程を有し、前記接合工程が、Ｓｎの融点以上で且つＣｕの融点よりも低い温度で溶融反応させる工程を有する。
Ｃｕ３Ｓｎ層の融点は約６４０℃であるため、これをそのまま溶融して接合しようとすると、６４０℃を超える熱を与えなければならず、作業性が低下し、製造コストが高くなってしまう。
そこで、本発明では、Ｃｕ３Ｓｎ層の形成方法として、まず、接合する部材のそれぞれの表面にＣｕ層、Ｓｎ層を積層し、それぞれのＳｎ層が対向し接するように重ね合わせる。次に、Ｓｎの融点以上で且つＣｕの融点よりも低い温度に昇温して、溶融反応させる。このとき、Ｓｎのみが溶融して液層になり、Ｓｎ層どうしが一体化する。一方でＣｕ層は固相であるが、固相のＣｕと液相のＳｎとの間で、相互の拡散が起こり、ＣｕとＳｎとの合金であるＣｕ３Ｓｎを生成する。この合金は、始めに固相のＣｕと液相のＳｎの界面で発生し、その後、合金が成長しＳｎとＣｕのいずれか一方の供給がなくなるまで継続する。
本発明では、Ｃｕの膜厚よりも薄いＳｎを用いるため、Ｓｎの供給量で律速し、Ｓｎがすべて合金となった段階で反応が停止する。その結果、Ｓｎ層は、Ｃｕ−Ｓｎの合金単層となり、その両側にＣｕ層が存在する構造となる。ここで、形成したＣｕ−Ｓｎの合金を分析したところ、すべてがＣｕ３Ｓｎとなっていることが確認されている。
したがって、接合部にはＳｎ層が残存せず、Ｓｎ層はすべてＣｕ３Ｓｎ合金となっているため、形成された接合部の融点は約６４０℃となる。残存するＣｕの融点も約１０８０℃であるため、２００℃を超えた高温での冷熱サイクルによっても、接合部において亀裂や剥離などの不具合を生じさせない。
具体的な接合方法について説明する。
まずは、パワー半導体素子２０と絶縁部３０との接合部である第一接合部５０を、Ｃｕ層／Ｃｕ３Ｓｎ層／Ｃｕ層の積層構造で接合するときの接合方法を説明する。
まずは、パワー半導体素子２０と絶縁部３０との接合部である第一接合部５０を、Ｃｕ層／Ｃｕ３Ｓｎ層／Ｃｕ層の積層構造で接合するときの接合方法を説明する。
まず始めに、パワー半導体素子２０の接合面側の表面に、Ｃｕ層をスパッタリングにより成膜し、更にＣｕ層上に、Ｓｎ層をスパッタリングにより成膜する。一方、絶縁部３０の接合面側には、導電層としてのＣｕ板をロウ付けなどの方法によって貼り付ける。このＣｕ板の表面にＳｎ層をメッキにより形成する。
パワー半導体素子２０と絶縁部３０とを、それぞれに設けられたＳｎ層が対向し接するように重ね合わせ、接合部の密着性や均一性を確保するよう、治具等により積層方向に加圧する。
この状態において、不活性ガス又は還元ガス雰囲気下において、リフロー法等を利用して熱処理によって接合する。加熱温度は、Ｓｎの融点以上で且つＣｕの融点よりも低くなるようにする。Ｓｎの融点より低いと、Ｓｎが溶融しないので接合しない。またＣｕとＳｎとの反応が起こらず、Ｃｕ３Ｓｎが形成しない。一方、Ｃｕの融点よりも高いと、接合部のＣｕが溶融し、接合部位の位置ずれや傾斜などを起こす。また、Ｃｕ層とＳｎ層のすべてで液相となり、全体が合金となってしまい、Ｃｕ層／Ｃｕ３Ｓｎ層／Ｃｕ層の積層構造とならない。更に、パワー半導体素子が破壊されたり改質したりする。
より好ましい接合時の加熱温度は、２３０℃以上４５０℃以下の温度である。接合時の加熱によって半導体素子が破壊されるのを防ぐには、４５０℃以下の加熱で接合することが望ましい。
また、Ｓｎの融点（２３０℃）近辺の加熱では、ＳｎすべてをＣｕ３Ｓｎとするには加熱反応時間が長くなってしまう。加熱反応時間との兼ね合いから、より好適な加熱温度の下限は、２５０℃である。
また、Ｓｎの融点（２３０℃）近辺の加熱では、ＳｎすべてをＣｕ３Ｓｎとするには加熱反応時間が長くなってしまう。加熱反応時間との兼ね合いから、より好適な加熱温度の下限は、２５０℃である。
接合時間は、Ｓｎが完全にＣｕ３Ｓｎに変化するのに充分な時間であれば限定されず、接合温度やＳｎ層の厚みに応じて適宜調節することが好ましい。
パワー半導体モジュールの製造方法では、パワー半導体素子と絶縁基板との間、あるいは絶縁基板と放熱板との間の２箇所の接合を行うため２回の接合工程を有する。２回目の接合工程では、１回目に接合した部分も含めて全体を加熱するため、１回目の接合部が位置ずれや傾斜など起こさないよう、２回目の接合温度を１回目の接合部に用いた材料の融点よりも充分に低くしなければならない。
そこで、１回目の接合として、第一接合部５０をＣｕ層／Ｃｕ３Ｓｎ層／Ｃｕ層の積層構造で接合すると、Ｃｕ層及びＣｕ３Ｓｎ層の融点は、約１０８０℃及び約６４０℃であるため、２回目の接合材料としては、融点が６４０℃よりも充分に低い材料を選択することが望ましい。このような材料を選択することによって、２回目の接合時の加熱に、部品の位置ずれや傾斜などが発生しない。
したがって、第一接合部５０をＣｕ層／Ｃｕ３Ｓｎ層／Ｃｕ層の積層構造とする場合には、絶縁部３０と放熱板４０との接合部である第二接合部６０は、Ｃｕ層／Ｃｕ３Ｓｎ層／Ｃｕ層の積層構造を適用してもよいし、Ｃｕ３Ｓｎの融点（約６４０℃）よりも低い温度で接合できる材料を適用してもよい。
例えば、第二接合部６０の接合材料として、Ｓｎ−Ｃｕ半田材料などを例示することができる。Ｓｎ−Ｃｕ半田材料で半田付けする場合には、２５０〜３００℃で加熱し、接合する。
例えば、第二接合部６０の接合材料として、Ｓｎ−Ｃｕ半田材料などを例示することができる。Ｓｎ−Ｃｕ半田材料で半田付けする場合には、２５０〜３００℃で加熱し、接合する。
次に、先に第二接合部６０をＣｕ層／Ｃｕ３Ｓｎ層／Ｃｕ層の積層構造によって接合する方法について説明する。
まず、絶縁部３０の放熱板４０側に、導電層としてのＣｕ板をロウ付けなどの方法によって貼り付けたものを準備し、一方で、放熱板４０の絶縁部３０側にロウ付けなどの方法によってＣｕ板を貼り付けたものを準備する。それぞれのＣｕ板の表面にはＳｎ層をメッキにより形成する。
絶縁部３０と放熱板４０とを、それぞれに設けられたＳｎ層が対向し接するように重ね、接合部の密着性や均一性を確保するよう、治具等により積層方向に加圧する。
この状態において、不活性ガス又は還元ガス雰囲気下において、リフロー法等を利用して熱処理によって接合する。加熱温度や加熱時間は、第一接合部をＣｕ層／Ｃｕ３Ｓｎ層／Ｃｕ層の積層構造とした場合と同様である。
この状態において、不活性ガス又は還元ガス雰囲気下において、リフロー法等を利用して熱処理によって接合する。加熱温度や加熱時間は、第一接合部をＣｕ層／Ｃｕ３Ｓｎ層／Ｃｕ層の積層構造とした場合と同様である。
次に第一接合部５０の接合を行う。第一接合部５０には、Ｃｕ層／Ｃｕ３Ｓｎ層／Ｃｕ層の積層構造を用いてもよいし、Ｃｕ３Ｓｎの融点（約６４０℃）よりも低い温度で接合できる材料を用いてもよい。このような接合材料としては例えば、Ｓｎ−Ｃｕ半田材料などを例示することができ、Ｓｎ−Ｃｕ半田材料で半田付けする場合には、２５０〜３００℃で加熱を行うが、Ｃｕ層及びＣｕ３Ｓｎ層の融点はいずれも約６４０℃以上と高温であるため、第一接合部５０の接合時に加熱しても、部品の位置ずれや傾斜などを発生させない。
なお、Ｃｕ層／Ｃｕ３Ｓｎ層／Ｃｕ層の積層構造を１回目の接合時の接合材料に用いる場合を具体的に説明したが、上述の通り、Ｃｕ層／Ｃｕ３Ｓｎ層／Ｃｕ層の積層構造を２回目の接合時の接合材料としても用いることができる。
この場合には、１回目の接合材料として、Ｓｎの融点（約２３０℃）よりも充分に高い融点を有するものを選択することが、２回目の接合時における１回目の接合部位の位置ずれや傾斜などを発生させない観点から好ましい。なお、１回目の接合時にパワー半導体素子が破壊したり改質したりするのを回避する観点から、１回目の接合材料としては、４５０℃以下で接合できる材料を選択することが好ましい。
この場合には、１回目の接合材料として、Ｓｎの融点（約２３０℃）よりも充分に高い融点を有するものを選択することが、２回目の接合時における１回目の接合部位の位置ずれや傾斜などを発生させない観点から好ましい。なお、１回目の接合時にパワー半導体素子が破壊したり改質したりするのを回避する観点から、１回目の接合材料としては、４５０℃以下で接合できる材料を選択することが好ましい。
以下では実施例により本発明を説明するが、パワー半導体モジュールの製造方法の一例について述べるものであり、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
［実施例１］
図２に本実施例のパワー半導体モジュールの構成を示す。
図２に本実施例のパワー半導体モジュールの構成を示す。
＜パワー半導体素子の準備＞
ＧａＮを用いたパワー半導体素子を準備し、その表面に５μｍのＣｕ層と、更にＣｕ層の表面に２μｍのＳｎ層をスパッタリングで形成した。
ＧａＮを用いたパワー半導体素子を準備し、その表面に５μｍのＣｕ層と、更にＣｕ層の表面に２μｍのＳｎ層をスパッタリングで形成した。
＜絶縁部の準備＞
一方、絶縁基板としてのＡｌＮの両面に、厚さ０．３ｍｍのＣｕ板をロウ付けによって貼り付け、Ｃｕ層／ＡｌＮ層／Ｃｕ層の積層体を作製した。
Ｃｕ層の表面には、２μｍのＳｎ層をメッキにより形成した。なお、メッキの際には、メッキしない面はマスキングシートなどを貼って保護した。
一方、絶縁基板としてのＡｌＮの両面に、厚さ０．３ｍｍのＣｕ板をロウ付けによって貼り付け、Ｃｕ層／ＡｌＮ層／Ｃｕ層の積層体を作製した。
Ｃｕ層の表面には、２μｍのＳｎ層をメッキにより形成した。なお、メッキの際には、メッキしない面はマスキングシートなどを貼って保護した。
＜第一接合部の接合＞
上記準備したパワー半導体素子のＳｎ層と、絶縁部のＳｎ層とを対向し且つ接するように重ね、ネジにより加圧する方式の治具により加圧した。なお、熱膨張を考慮し、治具はモリブデン材料で作製したものを用い、加圧力は５ＭＰａとした。
そのように加圧した試料及び治具を、そのまま石英管に入れ、５容積％Ｈ２／Ｎ２の還元ガス雰囲気のフロー中、電気炉により４００℃、３０分間の熱処理を行った。
上記準備したパワー半導体素子のＳｎ層と、絶縁部のＳｎ層とを対向し且つ接するように重ね、ネジにより加圧する方式の治具により加圧した。なお、熱膨張を考慮し、治具はモリブデン材料で作製したものを用い、加圧力は５ＭＰａとした。
そのように加圧した試料及び治具を、そのまま石英管に入れ、５容積％Ｈ２／Ｎ２の還元ガス雰囲気のフロー中、電気炉により４００℃、３０分間の熱処理を行った。
接合部の断面をＥＤＸ法及びＸＲＤ法によって分析した結果、Ｓｎ層が残存することなく、すべてＣｕ３Ｓｎの合金（融点６４０℃）になっていることが確認された。
＜放熱板の準備＞
放熱板として、Ｍｏ板の両表面にＣｕ板をロウ付けによって貼り付けて、Ｃｕ層／Ｍｏ層／Ｃｕ層で構成される積層体を作製した。積層体全体の厚さは３ｍｍであり、Ｃｕ層／Ｍｏ層／Ｃｕ層の厚さの比率は、１／８／１であった。
放熱板として、Ｍｏ板の両表面にＣｕ板をロウ付けによって貼り付けて、Ｃｕ層／Ｍｏ層／Ｃｕ層で構成される積層体を作製した。積層体全体の厚さは３ｍｍであり、Ｃｕ層／Ｍｏ層／Ｃｕ層の厚さの比率は、１／８／１であった。
＜第二接合部＞
パワー半導体素子が第一接合部で接合された絶縁部におけるＣｕ層と、放熱板のＣｕ層とが対向するように配置し、その間を、Ｓｎ−Ｃｕ半田材料によって、２８０℃で接合した。
パワー半導体素子が第一接合部で接合された絶縁部におけるＣｕ層と、放熱板のＣｕ層とが対向するように配置し、その間を、Ｓｎ−Ｃｕ半田材料によって、２８０℃で接合した。
なお、１回目の接合部分（Ｃｕ層／Ｃｕ３Ｓｎ層／Ｃｕ層の積層構造による第一接合部）は、接合温度が４００℃であるにも関わらず、接合後は６００℃以上の耐熱性を有する合金となっているため、２回目のＳｎ−Ｃｕによる半田付けの加熱によっても溶融することがなく、２回目の接合時に位置ずれを起こしたり、傾いたりという不具合を発生させていなかった。
＜冷熱サイクル試験＞
得られたパワー半導体モジュールについて、冷熱サイクル試験を行った。
本実施例において冷熱サイクル試験は、−４０℃と２００℃の間を４０分で上昇・降下させるのを１サイクルとし、その１サイクルを合計で３０００サイクル行った。３０００サイクル後の第一接合部と第二接合部の断面を電子顕微鏡で観察し、界面の反応生成物の有無、亀裂や空隙などの不具合の有無を調べた。
その結果、第一接合部には、実用上問題が無い程度の僅かなクラックが観察されたのみで、支障となるような不具合は見られなかった。
得られたパワー半導体モジュールについて、冷熱サイクル試験を行った。
本実施例において冷熱サイクル試験は、−４０℃と２００℃の間を４０分で上昇・降下させるのを１サイクルとし、その１サイクルを合計で３０００サイクル行った。３０００サイクル後の第一接合部と第二接合部の断面を電子顕微鏡で観察し、界面の反応生成物の有無、亀裂や空隙などの不具合の有無を調べた。
その結果、第一接合部には、実用上問題が無い程度の僅かなクラックが観察されたのみで、支障となるような不具合は見られなかった。
［実施例２］
図３に本実施例のパワー半導体モジュールの構成を示す。なお、実施例１と異なり、実施例２では、絶縁基板と放熱板を先に接合し、その後、半導体素子を絶縁基板に接合する方法とした。
図３に本実施例のパワー半導体モジュールの構成を示す。なお、実施例１と異なり、実施例２では、絶縁基板と放熱板を先に接合し、その後、半導体素子を絶縁基板に接合する方法とした。
＜絶縁部の準備＞
実施例１と同様の方法で、Ｃｕ層／ＡｌＮ層／Ｃｕ層の積層体を作製した。放熱板側のＣｕ層の表面には、２μｍのＳｎ層をメッキにより形成した。なお、メッキの際には、メッキしない面はマスキングシートなどを貼って保護した。
実施例１と同様の方法で、Ｃｕ層／ＡｌＮ層／Ｃｕ層の積層体を作製した。放熱板側のＣｕ層の表面には、２μｍのＳｎ層をメッキにより形成した。なお、メッキの際には、メッキしない面はマスキングシートなどを貼って保護した。
＜放熱板の準備＞
実施例１と同様の方法で、Ｃｕ層／Ｍｏ層／Ｃｕ層で構成される積層体を作製した。積層体全体の厚さは３ｍｍであり、Ｃｕ層／Ｍｏ層／Ｃｕ層の厚さの比率は、１／８／１であった。
絶縁部側のＣｕ層の表面には、２μｍのＳｎ層をメッキにより形成した。なお、メッキの際には、メッキしない面はマスキングシートなどを貼って保護した。
実施例１と同様の方法で、Ｃｕ層／Ｍｏ層／Ｃｕ層で構成される積層体を作製した。積層体全体の厚さは３ｍｍであり、Ｃｕ層／Ｍｏ層／Ｃｕ層の厚さの比率は、１／８／１であった。
絶縁部側のＣｕ層の表面には、２μｍのＳｎ層をメッキにより形成した。なお、メッキの際には、メッキしない面はマスキングシートなどを貼って保護した。
＜第二接合部の接合＞
上記準備した絶縁部のＳｎ層と、放熱板のＳｎ層とを対向し且つ接するように重ね、ネジにより加圧する方式の治具により加圧した。なお、熱膨張を考慮し、治具はモリブデン材料で作製したものを用い、加圧力は５ＭＰａとした。
そのように加圧した試料及び治具を、そのまま石英管に入れ、５容積％Ｈ２／Ｎ２の還元ガス雰囲気のフロー中、電気炉により４００℃、３０分間の熱処理を行った。
接合部の断面をＥＤＸ法及びＸＲＤ法によって分析した結果、Ｓｎ層が残存することなく、すべてＣｕ３Ｓｎの合金（融点６４０℃）になっていることが確認された。
上記準備した絶縁部のＳｎ層と、放熱板のＳｎ層とを対向し且つ接するように重ね、ネジにより加圧する方式の治具により加圧した。なお、熱膨張を考慮し、治具はモリブデン材料で作製したものを用い、加圧力は５ＭＰａとした。
そのように加圧した試料及び治具を、そのまま石英管に入れ、５容積％Ｈ２／Ｎ２の還元ガス雰囲気のフロー中、電気炉により４００℃、３０分間の熱処理を行った。
接合部の断面をＥＤＸ法及びＸＲＤ法によって分析した結果、Ｓｎ層が残存することなく、すべてＣｕ３Ｓｎの合金（融点６４０℃）になっていることが確認された。
＜パワー半導体素子の準備＞
ＧａＮを用いたパワー半導体素子を準備し、その表面に５μｍのＣｕ層をスパッタリングによって形成した。
ＧａＮを用いたパワー半導体素子を準備し、その表面に５μｍのＣｕ層をスパッタリングによって形成した。
＜第一接合部＞
パワー半導体素子と、絶縁部との間を、Ｓｎ−Ｃｕ半田材料によって、２８０℃で接合した。
パワー半導体素子と、絶縁部との間を、Ｓｎ−Ｃｕ半田材料によって、２８０℃で接合した。
なお、１回目の接合部分（Ｃｕ層／Ｃｕ３Ｓｎ層／Ｃｕ層の積層構造による第二接合部）は、接合温度が４００℃であるにも関わらず、接合後は６００℃以上の耐熱性を有する合金となっているため、２回目のＳｎ−Ｃｕによる半田付けの加熱によっても溶融することがなく、２回目の接合時に位置ずれを起こしたり、傾いたりという不具合を発生させていなかった。
＜冷熱サイクル試験＞
実施例１と同様の方法で、冷熱サイクル試験を行った結果、損傷が無いことを確認した。
実施例１と同様の方法で、冷熱サイクル試験を行った結果、損傷が無いことを確認した。
［比較例１］
図４に比較例１のパワー半導体モジュールの構成を示す。
図４に比較例１のパワー半導体モジュールの構成を示す。
＜パワー半導体素子の準備＞
ＧａＮを用いたパワー半導体素子を準備し、その最表面にＮｉ層をスパッタリングで形成した。Ｎｉ層の表面にはＡｕ層（図示せず）をスパッタリングで形成した。
ＧａＮを用いたパワー半導体素子を準備し、その最表面にＮｉ層をスパッタリングで形成した。Ｎｉ層の表面にはＡｕ層（図示せず）をスパッタリングで形成した。
＜絶縁部の準備＞
一方、絶縁基板としてのＡｌＮの両面に、Ａｌ層をロウ付けによって貼り付け、Ａｌ層／ＡｌＮ層／Ａｌ層の積層体を作製した。更にこの積層体のＡｌ層の表面には、Ｎｉ層をメッキにより形成し、絶縁部を作製した。なお、メッキの際には、メッキしない面はマスキングシートなどを貼って保護した。
一方、絶縁基板としてのＡｌＮの両面に、Ａｌ層をロウ付けによって貼り付け、Ａｌ層／ＡｌＮ層／Ａｌ層の積層体を作製した。更にこの積層体のＡｌ層の表面には、Ｎｉ層をメッキにより形成し、絶縁部を作製した。なお、メッキの際には、メッキしない面はマスキングシートなどを貼って保護した。
＜放熱板の準備＞
ＣｕＭｏ合金からなる板状の材料を準備し、所定の大きさに切断した後、上下面にＮｉ層をメッキにより形成した。
ＣｕＭｏ合金からなる板状の材料を準備し、所定の大きさに切断した後、上下面にＮｉ層をメッキにより形成した。
＜接合＞
比較例１のパワー半導体モジュールでは、パワー半導体素子と絶縁部との接合部（第一接合部）の半田材料を、Ｐｂの含有率が９０質量％の９０Ｐｂ−Ｓｎとし、絶縁部と放熱板との接合部（第二接合部）の半田材料を、Ｐｂの含有率が５０質量％の５０Ｐｂ−Ｓｎとした。
比較例１のパワー半導体モジュールでは、パワー半導体素子と絶縁部との接合部（第一接合部）の半田材料を、Ｐｂの含有率が９０質量％の９０Ｐｂ−Ｓｎとし、絶縁部と放熱板との接合部（第二接合部）の半田材料を、Ｐｂの含有率が５０質量％の５０Ｐｂ−Ｓｎとした。
得られた比較のパワー半導体モジュールについても、実施例１と同様の冷熱サイクル試験を行った。その結果、絶縁部と放熱板との間の第二接合部において剥離が生じた。これは、第二接合部の接合材料（５０Ｐｂ−Ｓｎ）の半田の固相線が１８３℃付近であり、冷熱サイクル試験の高温側で溶融し、剥離した結果と思われる。
１０ パワー半導体モジュール
２０ パワー半導体素子
２２ Ｃｕ層
３０ 絶縁部
３２ 絶縁基板
３４、３６ 導電層
４０ 放熱板
４２ Ｍｏ層
４４、４６ Ｃｕ層
５０ 第一接合部
６０ 第二接合部
２０ パワー半導体素子
２２ Ｃｕ層
３０ 絶縁部
３２ 絶縁基板
３４、３６ 導電層
４０ 放熱板
４２ Ｍｏ層
４４、４６ Ｃｕ層
５０ 第一接合部
６０ 第二接合部
Claims (3)
- 半導体素子と絶縁基板との間、及び絶縁基板と放熱板との間の少なくとも一方を、Ｃｕ層、Ｃｕ３Ｓｎ層及びＣｕ層の順で積層してなる積層構造で接合する接合工程を有し、
前記接合工程が、下記（１）〜（３）の工程を少なくとも有することを特徴とするパワー半導体モジュールの製造方法。
（１）Ｃｕ層とＳｎ層とを積層した積層体を２個準備する。
（２）前記積層体のそれぞれのＳｎ層が対向し接するように重ね合わせる。
（３）前記（２）の状態で、Ｓｎの融点以上で且つＣｕの融点よりも低い温度で溶融反応させる。 - 前記Ｃｕ ３ Ｓｎ層の厚さが、１μｍ〜１０μｍであることを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体モジュールの製造方法。
- 前記溶融反応させる工程での加熱温度が、２５０℃以上４５０℃以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のパワー半導体モジュールの製造方法。
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