JP5018737B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に電力の変換や各種電力制御等に用いられる半導体素子を含む構造体がこれを支持する支持体に一体に接合された半導体装置にあって半導体素子を含む構造体を支持体に接合する方法の改良に関する。
こうした半導体装置としては、例えばハイブリッド車や電気自動車などにあって、車載バッテリから供給される直流電力を３相交流等に変換してモータ駆動用の電力変換を行うインバータ装置が知られている。そして、このような半導体装置では通常、上述のように半導体素子（電力用半導体素子）を含んで構成される構造体が冷却器に一体に接合されていることが多い。すなわち、半導体素子が絶縁基板や放熱板に半田付け等によって実装されている上記構造体を熱交換機能を有する冷却器にシリコングリース等を介してねじ止めするなどにより接合、固定することで、半導体素子動作時の発熱を緩和するようにしている。ただし、冷却器とのこのような接合構造を採用する場合、上記シリコングリース自体の熱伝導率が低いために、熱抵抗の悪化が避けられないとともに、上記ねじ止めするためには、ねじ等の部品の増加はもとより、構造体及び冷却器自体にもそのための締結構造を別途施す必要があり、半導体装置そのものが大型化してしまう不都合がある。
そこで従来は、こうした半導体装置の製造方法、すなわち上記構造体を冷却器に接合する方法として、構造体をロウ付けにより冷却器に接合する方法が採用されることも多い。このようなロウ付けによれば、部品の増加や半導体装置としての大型化が抑えられるとともに、ロウ材自体、その熱抵抗も低いことから、当該半導体装置としての冷却効率も自ずと高められるようになる。
特開２００７−８８４６８号公報
上述のように、構造体を冷却器に接合する方法としてロウ付けを採用することにより、完成された半導体装置としては確かに、その大型化が抑制されたり、冷却効率が向上するなどの望ましい効果が得られるようにはなる。ただし、こうしたロウ付けを採用した場合には、その製造過程、すなわち冷却器に対する上記構造体の接合過程における次のような不都合も無視できないものとなっている。
すなわち、上記構造体を構成する絶縁基板や放熱板に用いられる材料と冷却器に用いられる材料とでは一般にその線膨張係数が異なるとともに、上記ロウ付け自体が、ロウ材の溶融のために高温の熱印加を比較的長い時間に亘って行わざるを得ない接合方法である。このため、ロウ付け後の自然冷却期間、すなわち膨張された各部材が冷却によって原形状に戻る際にロウ材が先に冷却されて上下の部材が固定されるまでの期間に、上記線膨張係数の違いに起因する応力が内在するようになり、冷却器に反りが生じたり、絶縁基板にクラックが生じたりするなどの懸念がある。なお、こうした反りやクラック等は、冷却器に対する構造体の接合時、すなわち製造時に限らず、製造（接合）後でもそれら構造体や冷却器に大きな応力が内在している以上、構造体を構成する半導体素子の動作の繰り返しに基づくヒートサイクルによっても生じ得るものであり、こうした傾向は、上記半導体素子自身の発熱量が大きいほど顕著となる。また、上記ロウ材の溶融温度が半田の溶融温度よりも高く、その熱印加にかかる時間も長期化されるようなことがあれば、上記構造体において半田付けされている部分が再溶融されることにもなりかねない。
なお従来、例えば特許文献１に見られるように、接合面（基板）の表面に高抵抗の金属導線を敷設しておき、この金属配線に電流を流すことにより発生するジュール熱を利用して接合対象（高分子材料）を接合面（基板）に瞬時に（瞬間的に）接合する方法なども知られてはいる。しかしこの方法であれ、ジュール熱を利用している以上、瞬時に（瞬間的に）とはいえ、接合が完了するまでにはある程度の時間を要し、しかも、接合領域の全域に亘って均一に熱を発生させることも難しい。すなわち、局所的な発熱には適していても、上述した冷却器に対する半導体素子構造体の接合となるとその適用も難しい。
また、上記冷却器に限らず、上記半導体素子（電力用半導体素子）を含んで構成される構造体がこれを支持する何らかの支持体に一体に接合されて構成される半導体装置、さらには接合材としてロウ材以外に例えば半田等が用いられる場合であっても、その接合方法にかかる上記課題は概ね共通したものとなっている。
本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、半導体素子を含む構造体をその支持体に一体に接合するに際し、熱抵抗の抑制や大型化の抑制はもとより、接合完了後にそれら構造体及び支持体に内在する応力についても、その好適な抑制を図ることのできる半導体装置の製造方法を提供することにある。
以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
請求項１に記載の発明は、半導体素子を含む構造体がこれを支持する支持体に一体に接合されて構成される半導体装置の前記半導体素子を含む構造体を熱抵抗の低い接合材を介して前記支持体に接合する半導体装置の製造方法において、
反応温度と熱伝導率との相反する関係の中で前記接合材の溶融を可能とする反応温度と熱伝導率の確保とを両立し得る特性に設定された反応性膜を前記接合材によって挟持する態様で前記支持体上にこれら接合材及び反応性膜及び接合材及び前記構造体を順に積層し、この状態で前記反応性膜にその反応を誘起する反応条件を付与することにより前記接合材を溶融せしめて前記支持体に前記構造体を接合するに際し、前記反応性膜として、反応温度が低くかつ熱伝導率の高い金属薄膜からなる第１の金属薄膜と反応温度が高くかつ熱伝導率の低い金属薄膜からなる第２の金属薄膜とが複数層、交互に積層された膜を用い、特定の積層数の中でのこれら第１の金属薄膜の膜厚と第２の金属薄膜の膜厚との膜厚調整を通じて前記接合材の溶融を可能とする反応温度と熱伝導率の確保とを両立し得る特性に設定することを要旨とする。
請求項１に記載の発明は、半導体素子を含む構造体がこれを支持する支持体に一体に接合されて構成される半導体装置の前記半導体素子を含む構造体を熱抵抗の低い接合材を介して前記支持体に接合する半導体装置の製造方法において、
反応温度と熱伝導率との相反する関係の中で前記接合材の溶融を可能とする反応温度と熱伝導率の確保とを両立し得る特性に設定された反応性膜を前記接合材によって挟持する態様で前記支持体上にこれら接合材及び反応性膜及び接合材及び前記構造体を順に積層し、この状態で前記反応性膜にその反応を誘起する反応条件を付与することにより前記接合材を溶融せしめて前記支持体に前記構造体を接合するに際し、前記反応性膜として、反応温度が低くかつ熱伝導率の高い金属薄膜からなる第１の金属薄膜と反応温度が高くかつ熱伝導率の低い金属薄膜からなる第２の金属薄膜とが複数層、交互に積層された膜を用い、特定の積層数の中でのこれら第１の金属薄膜の膜厚と第２の金属薄膜の膜厚との膜厚調整を通じて前記接合材の溶融を可能とする反応温度と熱伝導率の確保とを両立し得る特性に設定することを要旨とする。
このような製造方法によれば、接合材によって挟持された反応性膜による自己伝播反応に基づきそれら接合材同士が瞬時に、しかも均一に溶融されて構造体が支持体に溶接接合されるようになる。そしてこのとき、反応性膜自身は上述のように、反応温度と熱伝導率との相反する関係の中で、接合材の溶融を可能とする反応温度と熱伝導率の確保とを両立し得る特性、すなわち接合材を溶融するに必要十分な反応温度に抑えることでそれに見合った高い熱伝導率を維持することのできる特性に設定されていることから、同反応性膜による接合材同士の瞬時の溶融、並びにその固化後に、接合材としての熱抵抗が増大することもない。上記製造方法ではこのように、構造体や支持体に過大な応力が内在する以前にそれらの接合を完了させることができることから、接合後にそれら構造体や支持体に内在する応力を的確に抑制することができるようになる。また接合構造に関しても、接合材としての熱抵抗を低く維持することができるとともに、いわゆる溶接による接合構造が維持されることから、半導体装置としてその大型化を招くこともない。なお、上記反応性膜に付与する反応条件としては、例えば火花の印加等がある。
また、このような製造方法によれば、反応性膜としての上記反応温度と熱伝導率との相反する関係、そしてその中で、接合材の溶融を可能とする反応温度と熱伝導率の確保とを両立し得る特性の設定も容易となる。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、前記反応性膜を構成する前記第１の金属薄膜としてアルミニウム薄膜を用い、前記第２の金属薄膜
としてニッケル薄膜を用いることを要旨とする。
としてニッケル薄膜を用いることを要旨とする。
この製造方法によるように、上記特性を有する反応性膜を構成する第１及び第２の金属薄膜としては、それぞれアルミニウム薄膜及びニッケル薄膜が有効であり、またこれらの金属薄膜であれば、上記反応性膜としての実現、実用も容易である。
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の半導体装置の製造方法において、前記接合材としてアルミニウム系のロウ材を用い、前記反応性膜の反応温度が６００℃となるように前記アルミニウム薄膜と前記ニッケル薄膜とが各々膜厚調整されることを要旨とする。
接合材としての上記アルミニウム系のロウ材はその溶融のための最低温度が約６００℃であることが知られている。そこで、同製造方法によるように、上記アルミニウム薄膜とニッケル薄膜との各膜厚調整を通じて、反応性膜としての反応温度をこの６００℃に設定することとすれば、上記構造体を過剰に加熱することのない、接合材のみの円滑な溶融を促すことができるとともに、アルミニウム薄膜とニッケル薄膜との多重積層膜とする当該反応性膜としての熱伝導率についても、その組合せから選択し得る最大の値とすることができるようになる。
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法において、前記構造体及び前記支持体の各接合面に前記接合材を予め塗布しておくとともに、それら接合材の塗布された構造体及び支持体のいずれか一方の接合材の表面に前記反応性膜を予め成膜しておくことを要旨とする。
このような製造方法によれば、接合材や反応性膜も含めて、接合時における上記構造体及び支持体の扱いを極めて容易なものとすることができるようになる。
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法において、前記構造体として、両面にアルミニウム板の接着された絶縁基板上に前記半導体素子が半田付けによって実装されたものを含むものを用いることを要旨とする。
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法において、前記構造体として、両面にアルミニウム板の接着された絶縁基板上に前記半導体素子が半田付けによって実装されたものを含むものを用いることを要旨とする。
この製造方法は、請求項５にかかる発明によるように、両面にアルミニウム板の接着された絶縁基板上に半導体素子が半田付けによって実装された半導体素子構造体に適用して特に有効であり、同製造方法の適用により、上記支持体との接合後に絶縁基板等に内在する応力を的確に抑制することができるようになる。
請求項６に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法において、前記構造体として、金属からなる放熱板上に前記半導体素子もしくは両面にアルミニウム板の接着された絶縁基板が半田付けによって実装されたものを含むものを用い
ることを要旨とする。
ることを要旨とする。
この製造方法は、請求項６にかかる発明によるように、金属からなる放熱板上に半導体素子もしくは両面にアルミニウム板の接着された絶縁基板が半田付けによって実装された半導体素子構造体に適用しても有効であり、同製造方法の適用により、上記支持体との接合後に放熱板や絶縁基板等に内在する応力を的確に抑制することができるようになる。
請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法において、前記構造体を支持する支持体として、液冷式もしくは空冷式の冷却器を用いることを要旨とする。
この製造方法はまた、請求項７にかかる発明によるように、上記支持体として、液冷式もしくは空冷式の冷却器を用いるものに適用して特に有効であり、同製造方法の適用により、上記構造体との接合後に冷却器に内在する応力を的確に抑制することができるようになる。
（第１の実施の形態）
以下、本発明にかかる半導体装置の製造方法の第１の実施の形態について図１〜図７を参照して説明する。図１は、この実施の形態にかかる半導体装置の製造方法について、その適用対象とする半導体装置の接合工程直前の概略断面構造を示したものである。
以下、本発明にかかる半導体装置の製造方法の第１の実施の形態について図１〜図７を参照して説明する。図１は、この実施の形態にかかる半導体装置の製造方法について、その適用対象とする半導体装置の接合工程直前の概略断面構造を示したものである。
同図１に示されるように、この半導体装置は、半導体素子１０及びこの半導体素子１０が実装された絶縁基板１２からなる構造体と、該構造体の支持体としてこれを支持する冷却器１３とによって構成される。
ここで、半導体素子１０は、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ）などの動作時に比較的高温の熱が発せられる電力用半導体素子であり、また絶縁基板１２には、ＤＢＡ（ダイレクト・ブレイジング・アルミニウム）と称される基板であって、セラミック基板１１の両面にアルミニウム板１１ａ及び１１ｂがロウ付けによって接着固定されている。そして、アルミニウム板１１ａは半田１４のぬれ性が得られるように表面処理されており、この上面に上記半導体素子１０が半田付けによって実装されている。一方、冷却器１３は、半導体素子１０の動作に伴って発せられる熱を熱交換することでその冷却を図るためのものであり、本実施の形態では、例えばアルミニウム製からなる水冷式の冷却器が用いられている。
また、同図１に示されるように、これら半導体素子１０及び絶縁基板１２からなる構造体と冷却器１３との間には、これらを互いに接合するための接合材としてアルミニウム系からなるとするロウ材２０が介在されている。このようにロウ材２０を用いて冷却器１３と構造体とを接合する方法によれば、ロウ材２０自体の熱抵抗が低いことから、半導体素子１０から冷却器１３に伝達される熱の伝達効率、すなわち当該半導体装置としての冷却効率を高めることができるようになる。一方、ロウ材を用いた接合方法では前述のように、ロウ材を溶融するために比較的長い期間の熱印加が必要となること、そして冷却器１３と絶縁基板１２とでは線膨張係数が異なることに起因して応力の内在を招き、それら冷却器１３や絶縁基板１２に反りやクラックを生じる虞がある。
そこで、本実施の形態では、ロウ付けによる接合工程に先立ち、上記ロウ材２０を瞬時かつ均一に溶融することの可能な反応性膜２１をロウ材２０によって挟持する態様で積層する。そして、この反応性膜２１の反応時に発せられる反応熱（生成エンタルピー）をロウ材２０を溶融するための溶融熱として用いることで、冷却器１３や絶縁基板１２に反りやクラックの要因となる熱応力が内在する以前にそれら冷却器１３と絶縁基板１２との接合が完了されるようにしている。図２に、本実施の形態で採用する反応性膜２１についてその拡大断面構造を示す。
一般に、異なる金属原子同士が化学反応して発生した反応熱を引き金（トリガ）として隣り合う原子同士の化学反応を誘発し続けることがこうした反応性膜としての必要条件となる。そして、化学反応による反応熱が放熱による冷却を上回るためには、放熱面積に比べて発熱量を増やしてやればよい。この最も簡便な方法が異種金属を薄く、多層に積層することであり、本実施の形態では、図２に示すように、この反応性膜２１として、アルミニウム（Ａｌ）薄膜２１ａとニッケル（Ｎｉ）薄膜２１ｂとを交互に多数層積層した膜構造としている。ここで、同反応性膜２１を形成するアルミニウム薄膜２１ａ及びニッケル薄膜２１ｂは、それぞれ反応温度と熱伝導率とが相反する特性を有している。すなわち、アルミニウム薄膜２１ａは、反応温度が低くかつ熱伝導率の高い特性を有しており、逆にニッケル薄膜２１ｂは、反応温度が高くかつ熱伝導率の低い特性を有している。そこで本実施の形態では、アルミニウム薄膜２１ａ及びニッケル薄膜２１ｂのこうした特性に基づきこれらの膜厚を調整することによって、反応性膜２１の反応温度が上記アルミニウム系からなるロウ材２０を溶融するために最低限必要な温度（「６００℃」）に設定するとともに、その中で反応性膜２１の反応後（固化後）の熱伝導率が最大の値となるように設定
するようにしている。すなわち、反応性膜２１の主に反応温度を確保する機能を有するニッケル薄膜２１ｂの膜厚βを上記反応温度「６００℃」を確保し得る必要最小限の厚さとし、これに対して、反応性膜２１の主に熱伝導率を確保する機能を有するアルミニウム薄膜２１ａの膜厚αを、同層数、同組み合わせの中で最大限に厚くする（α＞β）。これによって、ロウ材２０を溶融するために最低限必要な反応温度（「６００℃」）の確保と接合材としての熱伝導率の確保との両立が図られるようになる。
するようにしている。すなわち、反応性膜２１の主に反応温度を確保する機能を有するニッケル薄膜２１ｂの膜厚βを上記反応温度「６００℃」を確保し得る必要最小限の厚さとし、これに対して、反応性膜２１の主に熱伝導率を確保する機能を有するアルミニウム薄膜２１ａの膜厚αを、同層数、同組み合わせの中で最大限に厚くする（α＞β）。これによって、ロウ材２０を溶融するために最低限必要な反応温度（「６００℃」）の確保と接合材としての熱伝導率の確保との両立が図られるようになる。
なお、このような反応性膜にあっては通常、極力薄い膜を多層に積層することが自己発熱伝播性の向上につながり、反応時間をより短くして大きな面積でも均一な接合が可能となる。そして、ここで用いる反応性膜２１にあっては、１０ｎｍ〜５００ｎｍのアルミニウム薄膜２１ａあるいはニッケル薄膜２１ｂの層をトータルで５μｍ〜２００μｍの膜厚となるように多層に積層することによって上記ロウ材２０によるロウ付けが可能となり、アルミニウム薄膜２１ａの膜厚とニッケル薄膜２１ｂの膜厚の比を
アルミニウム薄膜２１ａの膜厚α：ニッケル薄膜２１ｂの膜厚β＝３：２
とするときに原子数の比が「１：１」となって、最も反応熱が高くなる。そして本実施の形態では、アルミニウム薄膜２１ａとニッケル薄膜２１ｂとのこのような関係に鑑みて、その反応温度が「６００℃」となるように、その積層数ｎをはじめ、上記各膜厚α、βを決めている。
アルミニウム薄膜２１ａの膜厚α：ニッケル薄膜２１ｂの膜厚β＝３：２
とするときに原子数の比が「１：１」となって、最も反応熱が高くなる。そして本実施の形態では、アルミニウム薄膜２１ａとニッケル薄膜２１ｂとのこのような関係に鑑みて、その反応温度が「６００℃」となるように、その積層数ｎをはじめ、上記各膜厚α、βを決めている。
次に、ロウ材２０の溶融に必要とされる上述の反応性膜２１の反応温度の推移と、従来の高周波誘導加熱法による熱源の温度の推移とについて、図３を参照して比較する。なお、これらの温度推移例は実験等を通じて得られたものである。
まず、図３において、二点鎖線による曲線Ｌ０は、上記従来の高周波誘導加熱法による熱源の温度の推移を示したものである。また、実線による曲線Ｌ１〜Ｌ４は、反応性膜２１の積層数をｎとし、反応性膜２１を構成するアルミニウム薄膜２１ａとニッケル薄膜２１ｂとの総量をＱとしたときのニッケル薄膜２１ｂの割合Ｐｎ１〜Ｐｎ４に相関する反応性膜２１の反応温度の推移をそれぞれ示したものである。このとき、これらニッケル薄膜２１ｂの割合Ｐｎ１〜Ｐｎ４はそれぞれ以下の関係式（イ）のようになっている。
Ｐｎ１＞Ｐｎ２＞Ｐｎ３＞Ｐｎ４ …（イ）
すなわち、同図３に曲線Ｌ１〜Ｌ４として示されるように、反応性膜２１を構成するニッケル薄膜２１ｂの割合が多くなるほど反応性膜２１の反応温度が高くかつその反応時間が短くなり、逆に反応性膜２１を構成するニッケル薄膜２１ｂの割合が少なくなるほど反応性膜２１の反応温度が低くかつその反応時間が長くなっている。そして、この反応性膜２１の自己伝搬反応によって反応熱が発せられる時間は、実際には数μ秒から数十μ秒であることが発明者によって確認されている。
すなわち、同図３に曲線Ｌ１〜Ｌ４として示されるように、反応性膜２１を構成するニッケル薄膜２１ｂの割合が多くなるほど反応性膜２１の反応温度が高くかつその反応時間が短くなり、逆に反応性膜２１を構成するニッケル薄膜２１ｂの割合が少なくなるほど反応性膜２１の反応温度が低くかつその反応時間が長くなっている。そして、この反応性膜２１の自己伝搬反応によって反応熱が発せられる時間は、実際には数μ秒から数十μ秒であることが発明者によって確認されている。
一方、従来の高周波誘導加熱法では、同図３に曲線Ｌ０として示されるように、またよ
く知られているように、同方法によって熱源から熱が発せられる時間は数秒となっている。このため、ロウ材２０を溶融すべく同方法を採用した場合には、ロウ材２０のみならず、接合対象となる上記絶縁基板１２や冷却器１３にも過剰な熱が印加されることとなり、ロウ材２０の固化後にはそれら接合対象に上記線膨張係数の違いに起因する過大な応力が内在してしまう。
く知られているように、同方法によって熱源から熱が発せられる時間は数秒となっている。このため、ロウ材２０を溶融すべく同方法を採用した場合には、ロウ材２０のみならず、接合対象となる上記絶縁基板１２や冷却器１３にも過剰な熱が印加されることとなり、ロウ材２０の固化後にはそれら接合対象に上記線膨張係数の違いに起因する過大な応力が内在してしまう。
そこで上述のように、本実施の形態では、こうしたいわば瞬間的な反応熱の発生を可能とする反応性膜２１をロウ材２０の溶融に採用することによって、接合対象に過大な応力が内在する以前に接合対象の接合を完了するようにしている。
なお、本実施の形態に用いられるアルミニウム系のロウ材２０の融解温度は、これも上述のように「６００℃」となっている。このためここでは、上記反応性膜２１の反応温度が「６００℃」となるように、同反応性膜２１を形成するニッケル薄膜２１ｂの割合を、図３において曲線Ｌ２にて示す反応温度推移をとる割合である上記割合Ｐｎ２に設定する。これにより、ロウ材２０の融解温度を超えた過剰な反応熱の発生を抑えてロウ材２０のみの円滑な、しかも瞬間的な溶融を促すことが可能となる。
次に、このような反応性膜２１の反応温度と熱伝導率との相反する関係、及び反応性膜２１を構成するアルミニウム薄膜２１ａとニッケル薄膜２１ｂとの割合（膜厚）の設定方法について図４及び図５を参照して説明する。なお、これら図４及び図５の関係も、先に示した図３と同様、反応性膜２１の積層数をｎとし、反応性膜２１を構成するアルミニウム薄膜２１ａとニッケル薄膜２１ｂとの総量をＱとしたときのアルミニウム薄膜２１ａ及びニッケル薄膜２１ｂの割合調整に基づき実験等を通じて得られたものである。
まず、図４に示すように、反応性膜２１の反応温度は、反応性膜２１に対するニッケル薄膜２１ｂの割合が増加するほど、すなわち主に反応温度を確保するニッケル（Ｎｉ）の量が多くなるほどこれに比例して高くなる。
一方、図５に示すように、反応性膜２１の熱伝導率は、反応性膜２１に対するニッケル薄膜２１ｂの割合が増加するほど、すなわち主に熱伝導率を確保するアルミニウム（Ａｌ）の量が減少して熱伝導率の低いニッケル（Ｎｉ）の量が増加するほど、これに反比例して低くなる。
このように、アルミニウム薄膜２１ａ及びニッケル薄膜２１ｂからなる反応性膜２１は、その反応温度と熱伝導率とが相反する関係にあることから、こうした関係を積極的に利用することで反応性膜２１にそれら反応温度と熱伝導率とが両立する特性を持たせることができるようになる。そこで本実施の形態では、これら図４及び図５に示す関係に基づいて反応性膜２１の目標反応温度をロウ材２０の溶融のための最低温度である「６００℃」に設定するとともに、このときの反応性膜２１に対するニッケル薄膜２１ｂの割合Ｐｎ２、及びアルミニウム薄膜２１ａの割合Ｐａ２（＝（Ｑ−Ｑ・Ｐｎ２）／Ｑ）を算出する。そしてこれらの割合と、アルミニウム薄膜２１ａの膜厚αとニッケル薄膜２１ｂの膜厚βとが以下の関係式（ロ）を満たす態様でそれら各膜厚α、βを調整する。
Ｐａ２：Ｐｎ２＝α：β（＝ｎ・α：ｎ・β） …（ロ）
Ｐａ２：反応性膜２１に対するアルミニウム薄膜２１ａの割合
Ｐｎ２：反応性膜２１に対するニッケル薄膜２１ｂの割合
α：アルミニウム薄膜２１ａの膜厚
β：ニッケル薄膜２１ｂの膜厚
ｎ：積層数
すなわち、このような関係式（ロ）を満たす態様で反応性膜２１が構成されることによ
って、ロウ材２０の溶融に最低限必要な反応温度「６００℃」の確保と、この反応温度「６００℃」を確保する上で最大の熱伝導率λｘの確保との両立が図られるようになる。
Ｐａ２：反応性膜２１に対するアルミニウム薄膜２１ａの割合
Ｐｎ２：反応性膜２１に対するニッケル薄膜２１ｂの割合
α：アルミニウム薄膜２１ａの膜厚
β：ニッケル薄膜２１ｂの膜厚
ｎ：積層数
すなわち、このような関係式（ロ）を満たす態様で反応性膜２１が構成されることによ
って、ロウ材２０の溶融に最低限必要な反応温度「６００℃」の確保と、この反応温度「６００℃」を確保する上で最大の熱伝導率λｘの確保との両立が図られるようになる。
次に、このような反応性膜２１を用いて絶縁基板１２及び冷却器１３の接合を行う本実施の形態にかかる半導体装置の製造方法について、その製造工程の一例を図６及び図７を参照しつつ説明する。
この製造に際してはまず、図６（ａ）に示すように、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等のセラミック基板１１の両面にアルミニウム（Ａｌ）板１１ａ及び１１ｂが接着された絶縁基板（ＤＢＡ）１２上に、例えばＩＧＢＴからなる半導体素子１０を半田付けによって実装する。これによって、半田１４を接合媒体とした半導体素子１０及び絶縁基板１２からなる構造体が形成される。なお、上記セラミック基板１１の材料としては、絶縁性を確保できるものであればよく、上記窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の他、窒素ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）等を挙げることができるが、熱伝導率及び熱膨張係数等の観点からは上記窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が好適である。
このようにして半導体素子１０及び絶縁基板１２からなる構造体の形成を終えると、次に図６（ｂ）に示すように、絶縁基板１２を構成する下側のアルミニウム板１１ｂの下面に例えばアルミニウム系からなるロウ材２０を塗布する。そして、図６（ｃ）に示すように、ロウ材２０の表面（下面）に多層膜スパッタ法等を用いた成膜処理を施して、先の図２に拡大断面構造を例示したようなアルミニウム薄膜２１ａとニッケル薄膜２１ｂとが交互に積層された反応性膜２１を成膜する。ここで、この成膜されるアルミニウム薄膜２１ａとニッケル薄膜２１ｂとの割合（膜厚）により、反応性膜２１としての特性がロウ材２０を溶融するために必要最低限の反応温度「６００℃」の確保とロウ材固化後の熱伝導率の確保とを両立し得る特性に設定されることは上述の通りである。続いて、図６（ｄ）に示すように、半導体素子１０の動作時の冷却を行う上記冷却器１３上に、構造体側の上記反応性膜２１により覆われたロウ材２０と対向する態様でもう一方のロウ材２０を塗布する。
このようにしてロウ材２０及び反応性膜２１の塗布、成膜を終えると、次いで、図７（ａ）に示すように、冷却器１３上に形成されたロウ材２０と、絶縁基板１２の下側のアルミニウム板１１ｂに形成されたロウ材２０及び反応性膜２１とが対向、当接する態様で、冷却器１３上に半導体素子１０及び絶縁基板１２からなる構造体を積層する。すなわちこれにより、冷却器１３と半導体素子１０及び絶縁基板１２からなる構造体との間には、反応性膜２１を挟持する態様でロウ材２０が積層されることとなる。そしてこの状態で、冷却器１３に上記構造体を接合すべく、上記反応性膜２１に反応条件を付与する。この反応条件の付与としては、火花の印加や過電流の通電等が挙げられる。反応性膜２１にこうして反応条件が付与されると、先の図３に示したように、反応性膜２１の自己伝播反応に伴う約「６００℃」の反応熱が数μ〜数十μ秒程度の間発生する。そしてこれにより、反応性膜２１を挟持する態様で積層されていたロウ材２０にその融解温度である約「６００℃」の熱が印加され、ロウ材２０は瞬時に溶融される。このように、反応性膜２１の反応に伴ってロウ材２０に反応熱が印加される時間は数μ〜数十μ程度といった極めて短時間である。このため、接合対象である冷却器１３や半導体素子１０及び絶縁基板１２からなる構造体に過大な応力が内在する以前にこれらの接合がなされるようになる。
そして、こうして反応性膜２１の反応が終了すると、図７（ｂ）に示すように、ロウ材２０及び反応性膜２１が溶融混合された接合層２３によって冷却器１３に半導体素子１０及び絶縁基板１２からなる構造体が接合され、これらが一体になった半導体装置としてその製造が完了される。
以上説明したように、本実施の形態にかかる半導体装置の製造方法によれば、以下のような効果が得られるようになる。
（１）ロウ材２０により挟持された反応性膜２１の自己伝播反応に基づく反応熱により、ロウ材２０を瞬時かつ均一に溶融することで、冷却器１３に半導体素子１０及び絶縁基板１２からなる構造体を溶接接合することとした。これにより、冷却器１３や半導体素子１０及び絶縁基板１２からなる構造体に過大な応力が内在する以前にこれらの接合を完了することができ、接合後にこれら構造体や冷却器１３に内在する応力を的確に抑制することができるようになる。
（１）ロウ材２０により挟持された反応性膜２１の自己伝播反応に基づく反応熱により、ロウ材２０を瞬時かつ均一に溶融することで、冷却器１３に半導体素子１０及び絶縁基板１２からなる構造体を溶接接合することとした。これにより、冷却器１３や半導体素子１０及び絶縁基板１２からなる構造体に過大な応力が内在する以前にこれらの接合を完了することができ、接合後にこれら構造体や冷却器１３に内在する応力を的確に抑制することができるようになる。
（２）上記反応性膜２１を、アルミニウム薄膜２１ａとニッケル薄膜２１ｂとを交互に積層することによって形成し、アルミニウム薄膜２１ａ及びニッケル薄膜２１ｂの割合をロウ材２０の溶融に必要十分な温度（「６００℃」）が得られるように設定した。これにより、冷却器１３と半導体素子１０及び絶縁基板１２からなる構造体との接合に際して、これらの接合対象に過剰な熱が印加されることなく、ロウ材２０のみの溶融を促すことができるようになる。
（３）反応性膜２１の反応温度がロウ材２０の溶融に必要十分な温度（「６００℃」）となるようにアルミニウム薄膜２１ａとニッケル薄膜２１ｂとの割合が設定されることから、反応性膜２１としての反応温度と相反する関係にある熱伝導率を最大の値とすることができるようにもなる。このため、接合材としての熱抵抗を低く維持することができるようにもなる。
（４）冷却器１３と半導体素子１０及び絶縁基板１２からなる構造体に対する熱応力の影響が極めて小さい段階でこれらの接合を完了することができることから、それら接合対象の線膨張係数が異なる場合であれ、その影響をほとんど無視することができるようにもなる。すなわちこれにより、接合対象とする材料の選択にかかる自由度を拡大することができるようになる。
（５）また上述のように、冷却器１３と半導体素子１０及び絶縁基板１２からなる構造体との接合時における熱の印加時間が極めて短時間であり、特に上記構造体が過剰に加熱されることが抑制されることで、冷却器１３に対する上記構造体の接合の前工程で同構造体の形成、すなわち絶縁基板１２に対する半導体素子１０の半田付けによる実装を済ませておくことができるようになる。これにより、こうした半田付け自体を容易なものとすることができ、より理想的な手順にて半導体装置の生産を行うことができるようになる。すなわち、半導体素子１０の半田付け工程を、冷却器１３と半導体素子１０及び絶縁基板１２からなる構造体との接合の前工程で行うことができることで、これらの接合に先立ち事前に半導体素子１０の電気特性の検査等を行うことが可能となり、不具合等があれば、その旨を冷却器１３との接合前に検知することができるようになる。
（第２の実施の形態）
以下、本発明を具体化した第２の実施の形態を図８を参照して説明する。なお、この第２の実施の形態は、構造体として半導体素子１０の発熱を処理するための放熱板３０をさらに含むものを接合（製造）の対象としており、その基本的な製造方法は先の第１の実施の形態と共通になっている。
（第２の実施の形態）
以下、本発明を具体化した第２の実施の形態を図８を参照して説明する。なお、この第２の実施の形態は、構造体として半導体素子１０の発熱を処理するための放熱板３０をさらに含むものを接合（製造）の対象としており、その基本的な製造方法は先の第１の実施の形態と共通になっている。
図８は、先の図１に対応する図として、この第２の実施の形態において製造の対象とする半導体装置の接合工程直前の概略断面構造を示したものである。なお、この図８において、先の図１に示した各要素と同一の要素についてはそれぞれ同一の符号を付して示しており、それら要素についての重複する説明は割愛する。
すなわち図８に示すように、本実施の形態では、半導体素子１０が半田付けによって実
装された絶縁基板（ＤＢＡ）１２にさらに放熱板３０を半田付けによって接着固定し、この放熱板３０の設けられた構造体を冷却器１３に対する接合の対象としている。なお、放熱板３０としては、モリブデン（Ｍｏ）、銅−モリブデン（Ｃｕ−Ｍｏ）合金、アルミニウム−炭化ケイ素（Ａｌ−ＳｉＣ）合金、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）などで形成されたものが望ましく、中でも特に、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モリブデン（Ｍｏ）が好適である。またここでは、同図８に示されるように、例えば先のＩＧＢＴ等からなるとする半導体素子１０の表面に設けられているエミッタ端子及びゲート端子にワイヤボンディングによる配線が施されており、それらワイヤ３１ａ及び３１ｂを介して配線された半導体素子１０の電気的特性が予め検査される。そして、正常な電気的特性を示す半導体素子１０が搭載された構造体のみを冷却器１３との接合対象とする。
装された絶縁基板（ＤＢＡ）１２にさらに放熱板３０を半田付けによって接着固定し、この放熱板３０の設けられた構造体を冷却器１３に対する接合の対象としている。なお、放熱板３０としては、モリブデン（Ｍｏ）、銅−モリブデン（Ｃｕ−Ｍｏ）合金、アルミニウム−炭化ケイ素（Ａｌ−ＳｉＣ）合金、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）などで形成されたものが望ましく、中でも特に、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モリブデン（Ｍｏ）が好適である。またここでは、同図８に示されるように、例えば先のＩＧＢＴ等からなるとする半導体素子１０の表面に設けられているエミッタ端子及びゲート端子にワイヤボンディングによる配線が施されており、それらワイヤ３１ａ及び３１ｂを介して配線された半導体素子１０の電気的特性が予め検査される。そして、正常な電気的特性を示す半導体素子１０が搭載された構造体のみを冷却器１３との接合対象とする。
このような半導体装置にあっても、冷却器１３に対する構造体の接合は先の第１の実施の形態に準じて行うことができる。すなわち、先の図６（ａ）として示した工程に引き続き上記放熱板３０を半田付けして構造体を形成し、上述した配線の後、半導体素子１０の電気的特性の検査を終えてからは、先の図６（ａ）〜（ｄ）、及び図７（ａ）、（ｂ）に準じた手順をもってその製造（接合）を完了することができる。
以上説明したように、この第２の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法によっても、第１の実施の形態による前記（１）〜（５）の効果に準じた効果が得られるとともに、更に以下のような効果が得られるようになる。
（６）構造体の形成後、これを冷却器１３に接合する前に、ワイヤボンディングによる配線を行って半導体素子１０の電気的特性を検査することとした。これにより、冷却器１３と上記構造体との接合前に半導体素子１０の良否の選別が可能となり、当該半導体装置としての歩留まり、並びに生産性を高めることができるようになる。
（他の実施の形態）
なお、上記各実施の形態は、以下のような態様をもって実施することもできる。
（他の実施の形態）
なお、上記各実施の形態は、以下のような態様をもって実施することもできる。
・第１の実施の形態では、説明の便宜上、半導体素子１０の電気的特性の検査についてはその言及を割愛したが、この第１の実施の形態においても第２の実施の形態と同様、予めの配線、並びに電気的特性の検査を行うようにしてもよい。
・上記構造体としては、先の各例以外にも、同じく図１に対応する図として例えば図９に示すように、冷却器１３上に、ロウ材２０によって挟持される反応性膜２１を介して、金属板４０、絶縁樹脂４１、放熱板４２、半導体素子１０が順に積層された構造体を採用することもできる。このような構造体にあっても、冷却器１３との接合に際して反応性膜２１に反応条件を付与することにより、上記各実施の形態に準ずる態様にて、構造体や冷却器１３に応力の内在しにくい半導体装置を製造することができる。
・また同様に、図１に対応する図として例えば図１０に示すように、上記構造体の周囲にハウジング５０ａ及び５０ｂが形成され、さらにその中に上記ワイヤ３１ａ及び３１ｂと電気的に接続されるバスバー５１ａ及び５１ｂが形成された半導体装置などにも、本発明の製造方法は適用可能である。また、同じく図１に対応する図として例えば図１１に示すように、図８に例示した第２の実施の形態にて製造対象とした半導体装置にこれらハウジング５０ａ及び５０ｂ、ワイヤ３１ａ及び３１ｂを設けたものや、同様に図１に対応する図として例えば図１２に示すように、図９に例示したような構造体をモールドパッケージ５２にて封止したものなどにも、本発明の製造方法は同様に適用可能である。
・上記各実施の形態では、反応性膜２１を多層膜スパッタ法によって成膜する例につい
て示したが、他に例えば、ＰＶＤ法やＣＶＤ法等でこれを成膜するようにしてもよい。
・上記各実施の形態では、構造体の下面に塗布されたロウ材２０に反応性膜２１を成膜するようにしたが、これに限らず、冷却器１３上に塗布されたロウ材２０の上に反応性膜２１を成膜するようにしてもよい。また、別工程で反応性膜２１を成膜し、これをロウ材２０に挟持する態様で積層するようにしてもよい。
て示したが、他に例えば、ＰＶＤ法やＣＶＤ法等でこれを成膜するようにしてもよい。
・上記各実施の形態では、構造体の下面に塗布されたロウ材２０に反応性膜２１を成膜するようにしたが、これに限らず、冷却器１３上に塗布されたロウ材２０の上に反応性膜２１を成膜するようにしてもよい。また、別工程で反応性膜２１を成膜し、これをロウ材２０に挟持する態様で積層するようにしてもよい。
・上記各実施の形態では、接合材としてアルミニウム系のロウ材２０を用いることとしたが、これに限らず、銀ロウ、リン銅ロウ、銅ロウ、銅合金ロウ、ペーストロウ、粉末ロウ、アルミニウム合金ロウ、ニッケルロウ等のロウ材を用い、これらの融解温度に応じてアルミニウム薄膜２１ａとニッケル薄膜２１ｂとを各々膜厚調整するようにしてもよい。また、接合材としては熱抵抗が低いものであればよく、ロウ材２０に代えて例えば半田等を用いるようにしてもよい。
・上記各実施の形態では、反応性膜２１を構成する金属薄膜としてアルミニウム薄膜２１ａ及びニッケル薄膜２１ｂを用いたが、反応温度と熱伝導率との相反する関係の中で接合材の溶融を可能とする反応温度と熱伝導率とを両立し得る特性に設定されるものであればよく、アルミニウム薄膜２１ａを第１の金属薄膜とするとき、これと交互に積層される第２の金属薄膜としては、上記ニッケル薄膜以外にも、例えばチタン（Ｔｉ）薄膜やタンタル（Ｔａ）薄膜等を採用することもできる。
・上記各実施の形態では、第１の金属薄膜と第２の金属薄膜との２種類の金属薄膜を交互に積層することによって反応性膜２１を形成することとしたが、これに限らず、３種類以上の金属薄膜を積層することによって反応性膜２１を形成するようにしてもよい。
・上記実施の形態では、絶縁基板１２上に半導体素子１０の半田付けを行った後に、構造体と冷却器１３との接合を行うこととした。これに限らず、構造体と冷却器１３との接合後に絶縁基板１２上に半導体素子１０の半田付けを行うようにしてもよい。
・上記実施の形態では、上記構造体を支持する支持体として、水冷式の冷却器１３を用いたが、これに代えて空冷式の冷却器を用いてもよい。また、冷却器に限らず、同支持体としては放熱板（ブロック）や金属板（ブロック）等を用いるようにしてもよい。
１０…半導体素子、１１…セラミック基板、１１ａ、１１ｂ…アルミニウム板、１２…絶縁基板（ＤＢＡ）、１３…冷却器、１４…半田、２０…ロウ材、２１…反応性膜、２１ａ…アルミニウム薄膜、２１ｂ…ニッケル薄膜、２３…接合層、３０…放熱板、３１ａ、３１ｂ…ワイヤ、４０…金属板、４１…絶縁樹脂、４２…放熱板、５０ａ、５０ｂ…ハウジング、５１ａ、５１ｂ…バスバー、５２…モールドパッケージ。
Claims (7)
- 半導体素子を含む構造体がこれを支持する支持体に一体に接合されて構成される半導体装置の前記半導体素子を含む構造体を熱抵抗の低い接合材を介して前記支持体に接合する半導体装置の製造方法において、
反応温度と熱伝導率との相反する関係の中で前記接合材の溶融を可能とする反応温度と熱伝導率の確保とを両立し得る特性に設定された反応性膜を前記接合材によって挟持する態様で前記支持体上にこれら接合材及び反応性膜及び接合材及び前記構造体を順に積層し、この状態で前記反応性膜にその反応を誘起する反応条件を付与することにより前記接合材を溶融せしめて前記支持体に前記構造体を接合するに際し、前記反応性膜として、反応温度が低くかつ熱伝導率の高い金属薄膜からなる第１の金属薄膜と反応温度が高くかつ熱伝導率の低い金属薄膜からなる第２の金属薄膜とが複数層、交互に積層された膜を用い、特定の積層数の中でのこれら第１の金属薄膜の膜厚と第２の金属薄膜の膜厚との膜厚調整を通じて前記接合材の溶融を可能とする反応温度と熱伝導率の確保とを両立し得る特性に設定する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記反応性膜を構成する前記第１の金属薄膜としてアルミニウム薄膜を用い、前記第２の金属薄膜としてニッケル薄膜を用いる
請求項１に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記接合材としてアルミニウム系のロウ材を用い、前記反応性膜の反応温度が６００℃となるように前記アルミニウム薄膜と前記ニッケル薄膜とが各々膜厚調整される
請求項２に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記構造体及び前記支持体の各接合面に前記接合材を予め塗布しておくとともに、それら接合材の塗布された構造体及び支持体のいずれか一方の接合材の表面に前記反応性膜を予め成膜しておく
請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記構造体として、両面にアルミニウム板の接着された絶縁基板上に前記半導体素子が
半田付けによって実装されたものを含むものを用いる
請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記構造体として、金属からなる放熱板上に前記半導体素子もしくは両面にアルミニウム板の接着された絶縁基板が半田付けによって実装されたものを含むものを用いる
請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記構造体を支持する支持体として、液冷式もしくは空冷式の冷却器を用いる
請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
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