JP5723225B2 - 接合構造体 - Google Patents

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    • H01L2224/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/29001—Core members of the layer connector
    • H01L2224/29099—Material
    • H01L2224/291—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/29138—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
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    • H01L2224/32151—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
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    • H01L2224/83438—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
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    • H01L23/488—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor consisting of soldered or bonded constructions
    • H01L23/495—Lead-frames or other flat leads
    • H01L23/49541—Geometry of the lead-frame
    • H01L23/49548—Cross section geometry
    • H01L23/49551—Cross section geometry characterised by bent parts
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Description

本発明は半導体部品の内部接合に関して、特に、優れた機械特性と耐熱性が要求されるパワー半導体モジュールの半導体素子と電極とをＢｉ系はんだを介して接合した接合構造体に関する。
エレクトロニクス実装分野においては、従来から、Ｓｎ−Ｐｂ共晶はんだが多用されて来たが、鉛の有害性の懸念や環境への関心の高まりから、近年、鉛を用いない接合が望まれている。
このため、一般的なはんだ材であるＳｎ−Ｐｂ共晶はんだについては、代替材料が開発、実用化されている。
一方、半導体部品の内部接合については、高温鉛はんだの代替材料が各種検討されている。
この代替はんだ材料の候補には、Ａｕ系、Ｚｎ系、Ｓｎ系、Ｂｉ系のものが挙げられる。 このうち、Ａｕ系のはんだ材料に関しては、例えば、融点が２８０℃のＡｕ−２０重量％Ｓｎなどが一部実用化されているが、主成分がＡｕであるため、材料物性が硬いうえ、材料コストが高く、小型部品に使用が限定されるなどの理由から汎用性がない。
Ｚｎ系のはんだ材料は腐食性が強いうえ、弾性率が高すぎるため、半導体部品の内部接合への適用においては機械特性の向上が課題である。
Ｓｎ系のはんだ材料は優れた機械特性を有するが、融点が２５０℃未満と低く耐熱性に乏しい。そこで、Ｓｎ系の耐熱性向上を目的として、例えばＳｎＣｕ化合物を形成することで、金属間化合物化により融点を上げた接合材料が検討されているが、金属間化合物化の際の凝固収縮により接合時に空隙が発生するため、機械特性、放熱特性の改善が課題である。
このような理由により、融点が２７０℃付近のＢｉ系が、高温鉛はんだ代替材料の有力候補として検討されている。
例えば、特許文献１はこのＢｉ系のはんだ材料を接合材料に用いた例である。
図６は、当該特許文献１に記載された従来の接合構造体の断面図であり、パワー半導体モジュール４０１は、パワー半導体素子４０２と電極４０３との間に接合部４０４を有し、この接合部４０４には、Ｂｉ−Ａｇ系はんだ材料が用いられており、１５〜６０重量％のＡｇを含ませている。
しかしながら、特許文献１のＢｉ−Ａｇ系はんだ材料は、パワー半導体素子の動作温度がＳｉの場合の１５０℃であれば接合信頼性を有するが、ＧａＮ、ＳｉＣといったＳｉよりも動作温度が高い１７５℃、或いは２００℃の環境下では、接合部にクラック、剥離などが生じてしまう恐れがある。
これは、パワー半導体素子の熱膨張係数（α≒３ｐｐｍ／Ｋ）、Ｃｕ（電極）の線膨張係数（α≒１８ｐｐｍ／Ｋ）の差に基づく熱応力に対して、Ｂｉ−Ａｇ系はんだ材料が応力緩和しきれないため、接合部にクラック、剥離などが生じることに因ると考えられる。
従って、前記特許文献１のＢｉ−Ａｇ系はんだ材料による接合構造体では、パワー半導体素子の動作温度が１５０℃以上である場合、当該高温域に対する応力緩和性の向上が課題となる。
一方、接合構造体のクラックや剥離の防止を課題とするものに特許文献２がある。
特許文献２には、半導体素子上に被覆形成される保護樹脂を、半導体素子の中間接合層とはんだ接合層の間の外周面域にも被覆形成させることにより、半導体素子内部の耐クラック性を向上して、半導体素子とはんだ材料の界面や、はんだ材料と電極の界面に加わる熱的応力を軽減することが示される（請求項１、段落１３〜段落１５、段落１９、段落２３参照）。
特開２００６−３１０５０７号公報 特開２０１１−０２３６３１号公報
上記特許文献２では、保護樹脂を所定領域に被覆充填することにより、はんだ材料を介した半導体素子と電極からなる接合構造体の応力緩和性の向上を図っているが、本発明は、保護樹脂の充填を特徴とする上記特許文献２とは異なる手段で、パワー半導体モジュールの接合構造体において、上記応力緩和性を改善して、接合部でのクラックや剥離の発生を防止することを技術的課題とする。
本発明者らは、接合材料から被接合材料（半導体素子、Ｃｕ電極）に向けて、外部応力に対する歪みが傾斜的に変化するような積層構造体を形成することにより、被接合材料（半導体素子、Ｃｕ電極）の熱膨張係数差に基づく熱応力を有効に緩和・吸収することを着想し、本発明を完成した。
即ち、本発明１は、Ｃｕ電極、Ｂｉを主成分とする接合材料を含む積層体、 接合材料に臨む表面にＣｕ層を設けた半導体素子の順に接合した接合構造体において、
上記接合材料と、上記接合材料の上記半導体素子に臨む面に形成した第１中間層とで積層体を構成し、
上記半導体素子の表面のＣｕのヤング率をＥ１、上記第１中間層のヤング率をＥ２１、上記接合材料のヤング率をＥ３とした場合に、
各ヤング率Ｅ１、Ｅ２１、Ｅ３が、次の条件（ｐ）
Ｅ３＜Ｅ２１＜Ｅ１ …（ｐ）
を満たすとともに、
上記第１中間層が、ＡｕＳｎ化合物、ＡｇＳｎ化合物、ＣｕＳｎ化合物から選ばれた一種のみの単層で構成されることを特徴とする接合構造体である。
本発明２は、上記本発明１において、上記接合材料のＣｕ電極に臨む面に形成した第２中間層を付加し、
上記第２中間層のヤング率をＥ２４、上記Ｃｕ電極のヤング率をＥ４とした場合に、
上記接合材料、上記第２中間層及び上記Ｃｕ電極の各ヤング率が、次の条件（ｑ）
Ｅ３＜Ｅ２４＜Ｅ４ …（ｑ）
を満たすとともに、
上記第２中間層が、ＡｕＳｎ化合物、ＡｇＳｎ化合物、ＣｕＳｎ化合物から選ばれた一種のみの単層で構成されることを特徴とする接合構造体である。
本発明は、接合材料と被接合材料（半導体素子、Ｃｕ電極）の間に、これらの中間に位置するヤング率を有する中間層を介在させるとともに、当該中間層がＡｕＳｎ化合物、ＡｇＳｎ化合物、ＣｕＳｎ化合物から選ばれた一種のみの単層で構成されることを特徴とする。
即ち、本発明では、接合材料から被接合材料（半導体素子、Ｃｕ電極）に向けて、ヤング率が傾斜的に増大するような積層構造を介して半導体素子とＣｕ電極を接合することにより、パワー半導体モジュールの使用時における温度サイクルで生じる熱応力に対して、いわゆる〈バネ効果〉を働かせて優れた応力緩和機能を発現させるため、半導体素子と電極とを品質良く接合し、もって接合信頼性を向上できる。
本発明１は、接合材料の半導体素子に臨む面に第１中間層を形成して２層の積層体（第１中間層、接合材料）を構成し、接合材料、第１中間層、半導体素子に向けて各ヤング率を順次増大させて、応力を緩和するものである。
これを分かり易く説明すると、接合構造体においては、上記半導体素子の接合材料に臨む表面のＣｕのヤング率をＥ１、第１中間層のヤング率をＥ２１、接合材料のヤング率をＥ３とした場合に、
各ヤング率Ｅ１、Ｅ２１、Ｅ３が、次の条件（ｐ）
Ｅ３＜Ｅ２１＜Ｅ１ …（ｐ）
を満たすように、上記積層体を半導体素子に対して構成する。
本発明１では、上記第１中間層は、ＡｕＳｎ化合物、ＡｇＳｎ化合物、ＣｕＳｎ化合物から選ばれた一種のみからなる単層で構成される。
また、本発明２は、上記本発明１を前提にして、上記接合材料のＣｕ電極に臨む面にも第２中間層を付加して形成したことを特徴とする。即ち、接合材料の半導体素子とＣｕ電極の両方に臨む面に第１中間層、第２中間層を形成して、この３層積層体（第１中間層、接合材料、第２中間層）を半導体素子と電極の間に介在させて、接合材料から中間層経由で半導体素子と電極との両面に向けて各ヤング率を順次増大させて、応力緩和を図るものである。
これを分かり易く説明すると、接合構造体においては、上記半導体素子の表面のＣｕのヤング率をＥ１、第１中間層のヤング率をＥ２１、接合材料のヤング率をＥ３、第２中間層のヤング率をＥ２４、Ｃｕ電極のヤング率をＥ４とした場合に、
各ヤング率Ｅ１、Ｅ２１、Ｅ３、Ｅ２４、Ｅ４が、次の条件（ｐ）、（ｑ）
Ｅ３＜Ｅ２１＜Ｅ１ …（ｐ）
Ｅ３＜Ｅ２４＜Ｅ４ …（ｑ）
の両方を満たすように、上記積層体を半導体素子とＣｕ電極に対して構成する。
本発明２において、上記第２中間層はＡｕＳｎ化合物、ＡｇＳｎ化合物、ＣｕＳｎ化合物から選ばれた一種のみからなる単層で構成され、同じく上記第１中間層もＡｕＳｎ化合物、ＡｇＳｎ化合物、ＣｕＳｎ化合物から選ばれた一種のみの単層で構成される。
尚、本発明では、電極、或いは後述するバリアメタル層の最下層の材質としての銅は、銅並びに銅合金を包含する概念である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の接合構造体を構成要素とする実装構造体の断面図である。
先ず、接合材料１０４により半導体素子１０２と電極１０３を接合して接合構造体１０６を形成し、次いで、当該接合構造体１０６を封止樹脂１０５で封止してパワー半導体モジュール１００を形成し、最後に、当該パワー半導体モジュール１００をはんだ材料１０９を用いて基板１０１に実装して、実装構造体１１０を形成している。
次に、上記接合構造体１０６について詳述する。
図２は、この接合構造体の製造工程図であり、接合材料の上・下面に中間層を夫々形成する場合（つまり、３層の積層体を介在させた上記本発明２の場合）を説明する。
先ず、図２（ａ）は、電極１０３を供給する工程図である。
電極１０３の供給に際しては、水素５％を含んだ窒素雰囲気中（室温）に電極１０３を供給する。
Ｃｕ合金で構成された電極１０３には、表面処理層として、予め電解めっき法によりＡｇ層２０１、及び電極表面処理層２０２を成膜させている。
次いで、電極１０３上にＢｉ層２０３を具備した半導体素子１０２を載置する。
図２（ｂ）は、Ｂｉ層２０３を具備した半導体素子１０２を電極１０３の表面処理層であるＡｇ層２０１の上に載置する工程図である。
半導体素子１０２を載置するに際しては、水素５％を含んだ窒素雰囲気中で、電極１０３を３２０℃に加熱している。
ＧａＮで構成され、厚み０．３ｍｍ、４ｍｍ×５ｍｍの大きさの半導体素子１０２には、予め蒸着法により、ＧａＮ側からＣｒ０．１μｍ／Ｎｉ１μｍ／Ｃｕ３μｍの多層よりなるバリアメタル層２０４、Ｂｉ下地層２０５を成膜し、また、電気めっき法によりＢｉ下地層２０５上に厚み１０μｍのＢｉよりなるＢｉ層２０３を成膜している。
上記バリアメタル層２０４について述べると、半導体素子１０２側のＣｒは、Ｓｉとオーミック接合により導通を確保するために成膜される。
また、バリアメタル層２０４のＮｉは、半導体素子のデバイスにＣｕ成分が拡散することによるデバイスの機能低下を防ぐため（つまりＣｕの拡散防止用）に成膜される。
最後に、バリアメタル層２０４のＣｕは前記Ｂｉ下地層２０５に接する層である。このＣｕ層を設ける理由については、前記Ｂｉ層２０３のＢｉとＮｉは界面に金属間化合物Ｂｉ3Ｎｉを形成し、この脆い金属化合物層が例えばパワー半導体モジュールの使用時に熱応力により変形する際に亀裂の起点となる恐れがあることから、Ｂｉとバリアメタル層のＮｉとの間にＣｕを成膜してＢｉのＮｉへの拡散を防止するためである。
Ｃｕを選定したのは、Ｂｉに対する溶解量が少ない（０．４ａｔ％程度）金属であることから、Ｂｉの拡散を防ぐバリア効果を発現させるためである。また、Ｃｕの厚みに関しては、１μｍ以上あればＢｉの拡散を防ぐことが可能であるが、電気めっき法での成膜厚みのバラつき２μｍを考慮し、３μｍとしている。
次いで、上記Ｂｉ層２０３は電極１０３の表面処理層であるＡｇ層２０１に接するように、半導体素子１０２を５０ｇｆ〜１５０ｇｆ程度の荷重で、電極１０３の上に載置している。
ちなみに、後述する本発明の実施例では６０ｇｆの荷重で、半導体素子１０２を電極１０３の上に載置している。
次に、図２（ｃ）は、溶融したＢｉ層２０３にＡｇ層２０１の一部が拡散した状態の接合材料１０４を自然冷却により凝固させる工程図である。
図２（ｃ）の工程では、水素５％を含んだ窒素雰囲気中で自然冷却させ、接合材料１０４が凝固することにより電極１０３と半導体素子１０２とを接合させ、接合構造体１０６を製造する。
次に、上記接合材料１０４について説明する。
前述したように、図２（ｂ）〜（ｃ）のＢｉ層２０３が溶融して凝固するまでの間、Ｂｉには電極１０３の表面処理層であるＡｇ層２０１が拡散する。
上記Ｂｉ層２０３のＢｉはＡｇと〈Ｂｉ−３．５重量％Ａｇ〉の２元共晶を形成するため、Ｂｉに対してＡｇが拡散した後の接合材料１０４の融点は２６２℃となる。
電極１０３の表面処理層としてＡｇ層２０１を形成する目的は、半導体素子１０２の下部全面に対する溶融Ｂｉの濡れ性を確保するためである。
次に、中間層（中間層Ａ（２０６）、中間層Ｂ（２０７））について説明する。この場合、中間層Ａは本発明２の第２中間層に、中間層Ｂは本発明１の第１中間層に夫々相当する。
先ず、中間層Ａ（２０６）は、３２０℃の加熱状態で電極表面処理層２０２中の拡散反応により、或いは電極表面処理層２０２と電極１０３のＣｕとの拡散反応により形成された層である。
同様に、中間層Ｂ（２０７）も、３２０℃の加熱状態でＢｉ下地層２０５中の拡散反応により、或いはバリアメタル層２０４の最下層であるＣｕとＢｉ下地層２０５との拡散反応により形成された層である。
上述の接合構造体は、Ｃｕ電極１０３と半導体素子１０２の表面のＣｕを、第２中間層（２０６）と接合材料１０４と中間層Ｂ（２０７）との３層積層体を介して接合したものであり、接合部の応力緩和には、接合材料１０４、中間層Ａ（２０６）、Ｃｕ電極１０３に向けて、また、接合材料１０４、中間層Ｂ（２０７）、半導体素子１０２に向けて、各ヤング率が順次（つまり傾斜的に）増大する必要がある。
これは、上記中間層Ｂ（２０７）のヤング率が接合材料１０４のヤング率と半導体素子１０２の表面のヤング率との間にあり（つまり中間の値をとり）、且つ、中間層Ａ（２０６）のヤング率が接合材料１０４のヤング率と電極１０３のヤング率との間にある（つまり中間の値をとる）ことにより達成される。
そこで、この点を３層積層体に関する前記本発明２に基づいて説明すると、前述したように、半導体素子の表面のＣｕのヤング率をＥ１、接合材料のヤング率をＥ３、Ｃｕ電極のヤング率をＥ４とし、半導体素子に臨む側の第１中間層（＝中間層Ｂ）のヤング率をＥ２１とし、電極に臨む側の第２中間層（＝中間層Ａ）のヤング率をＥ２４とすると、
各ヤング率Ｅ１、Ｅ２１、Ｅ２４、Ｅ３、Ｅ４が、次の条件（ｐ）及び（ｑ）
Ｅ３＜Ｅ２１＜Ｅ１ …（ｐ）
Ｅ３＜Ｅ２４＜Ｅ４ …（ｑ）
を満たすように構成される。
この場合、中間層のヤング率が中間の値をとるとは、例えば、半導体素子側に近い第１中間層のヤング率Ｅ２１について説明すると、接合材料のヤング率Ｅ３と半導体素子のバリアメタル層の下層（Ｃｕ）のヤング率Ｅ１とのほぼ中央寄りの数値だけを意味するのではなく、バリアメタル層の下層（Ｃｕ）のヤング率Ｅ１、又は接合材料のヤング率Ｅ３に近い数値（つまり、中央値から一方のヤング率の方に偏った数値）であっても差し支えない。後述の実施例１は前者の例、実施例３は後者の例である。
一方、上記本発明１に示す通り、第１中間層（＝中間層Ｂ）を接合材料１０４の半導体素子側に形成した２層の積層体を半導体素子と電極の間に介在させて応力緩和を図ることができる。
本発明１では、Ｃｕ電極と半導体素子の表面のＣｕを、接合材料１０４と中間層Ｂ（２０７）との２層積層体を介して接合し、中間層Ｂ（２０７）のヤング率を接合材料１０４のヤング率と半導体素子１０２のバリアメタル層の下層（Ｃｕ）のヤング率との間に設定することにより、上記接合材料１０４と中間層Ｂ（２０７）の２層積層体の各ヤング率が、接合材料１０４、中間層Ｂ（２０７）、半導体素子１０２のバリアメタル層の下層（Ｃｕ）に向けて順次増大するように構成させる。
この２層積層体に関する本発明１では、前述したように、半導体素子の表面のＣｕのヤング率はＥ１、接合材料のヤング率をＥ３とし、半導体素子に臨む第１中間層（＝中間層Ｂ）のヤング率をＥ２１とした場合に、
各ヤング率Ｅ１、Ｅ２１、Ｅ３が、次の条件（ｐ）
Ｅ３＜Ｅ２１＜Ｅ１ …（ｐ）
を満たすように構成される。
上記接合構造体を作成する際には、中間層を接合材料の一方の面にだけ形成して２層積層体としても、〈バネ効果〉を働かせることができるが、中間層を接合材料の上・下面に形成して３層積層体にすると、〈バネ効果〉の働きはより良好になる。
また、単層からなる中間層の材質は、ＡｕＳｎ化合物、ＡｇＳｎ化合物、ＣｕＳｎ化合物よりなる群の一種から選定され、好ましくはＣｕＳｎ化合物である。
さらに、中間層の厚みについて、Ａｕ／Ｓｎの構成を例にとって説明する。
接合前のＡｕ／Ｓｎの構成が接合後にＡｕＳｎ化合物になる反応は、下式（ａ）で表される。
Ａｕ＋４Ｓｎ→ＡｕＳｎ4 …（ａ）
ここで、接合前のＡｕの厚みをＬAu、Ｓｎの厚みをＬSnとすると、化学量論的に両者の関係は下式（ｂ）のようになる。
ＬSn＝４×ＬAu×ρAu×ＭSn／ρSn×ＭAu …（ｂ）
（式（ｂ）中、ρは密度、Ｍは原子量、添え字は各元素を夫々表す。）
そこで、例えば、後述の実施例１に基づいて述べると、Ａｕを０.１μｍ成膜する場合、上記（ｂ）式に各物性値を代入すると、相当する接合前のＳｎの厚みは０.６μｍ強となるため、接合前のＳｎの厚みが０.６μｍ未満であれば、接合後には、上式（ａ）の金属間化合物のみが生成し、接合前のＳｎ成膜のうち、全てのＳｎが消失することがわかる。
そこで、実施例１ではめっきの成膜ばらつきを考慮して、金属間化合物のみが確実に生成するように、Ｓｎの厚みは０.６μｍよりかなり薄い０.３μｍの成膜を狙った。
従って、Ａｕの成膜厚みは０.１μｍ以外の場合でも、適宜、上記設計思想に基づき、接合後にＳｎの単層を残さないように、接合前のＳｎの厚みを設定すればよい。
接合後にＳｎの単層が残ると、接合部２０８中でＳｎの融点である２３２℃の相が形成されてしまい、パワー半導体１００の基板１０１に対する実装時に再溶融する恐れがあるため、接合後にＳｎの単層を残さないようにしている。
以上が、Ａｕ／Ｓｎの構成に関する説明であるが、他のＡｇ／Ｓｎ、Ｓｎ、Ａｕ、Ａｇの各水準に対する厚みに関する厚みの考え方も、上記に倣えばよい。
以上のように、接合構造体１０６の作成が完了したならば、前記図１に示す通り、当該接合構造体１０６を用いてパワー半導体モジュール１００を作成し、これをはんだ材料１０９で基板１０１に実装して、実装構造体１１０を作成する（図３参照）。
実装の際のはんだ材料１０９は、一般的には、Ｓｎ−３重量％Ａｇ−０．５重量％Ｃｕ（融点２１７℃）を用いるが、鉛フリーのＳｎ系はんだであれば、これに限らず、例えば、Ｓｎ−０.７重量％Ｃｕ（融点２２７℃）、Ｓｎ−３.５重量％Ａｇ−０.５重量％Ｂｉ−６.０重量％Ｉｎ（融点２２０℃）等を用いても良い。
以下、本発明の接合構造体の実施例、当該接合構造体より得られたパワー半導体モジュールを基板に実装した実装構造体の製造例、当該実装構造体による歩留まりの評価試験例を順次説明する。
《接合構造体の実施例》
下記の実施例１〜６のうち、実施例１〜３は前述した通り、接合材料の上・下面に中間層Ａ・Ｂを夫々形成した例、実施例４〜６は接合材料のうちの半導体素子に臨む面に中間層Ｂのみを形成した例である。
また、従来技術に準拠して、電極表面処理層２０２及びＢｉ下地層２０５を設けず、加熱・拡散による中間層Ａ、Ｂを形成しない場合を比較例１とした。
尚、図４には、上記実施例１〜６について、接合前の電極表面処理層２０２、Ｂｉ下地層２０５の構成と厚み、接合後の中間層Ａ及び／又は中間層Ｂの組成と厚みをまとめた。
（1）実施例１
電極表面処理層２０２としてＡｕ０．１μｍ／Ｓｎ０．３μｍの２層を積層状に形成した。この場合、Ｂｉ層２０３から遠い側がＡｕであり、Ｂｉ層２０３に近い側がＳｎである。
同様に、Ｂｉ下地層２０５としてＡｕ０．１μｍ／Ｓｎ０．３μｍの２層を積層状に形成した。この場合、Ｂｉ層２０３から遠い側がＡｕであり、Ｂｉ層２０３に近い側がＳｎである。
次いで、３２０℃に加熱して、電極表面処理層２０２中の拡散反応により金属間化合物を生成させて、ＡｕＳｎ化合物２μｍよりなる中間層Ａ（２０６）を形成した。同様に、Ｂｉ下地層２０５中の拡散反応により金属間化合物を生成させて、ＡｕＳｎ化合物２μｍよりなる中間層Ｂ（２０７）を形成した。
上記ＡｕＳｎ化合物については、ＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分光器）により、ＡｕＳｎ４（ＡｕとＳｎが原子量比で１対４）であることを確認した。
（2）実施例２
図４に示すように、電極表面処理層２０２としてＡｇ０．５μｍ／Ｓｎ０．１μｍの２層を積層状に形成し、Ｂｉ下地層２０５としてＡｇ０．５μｍ／Ｓｎ０．１μｍの２層を積層状に形成した。この場合、Ｂｉ層２０３から遠い側がＡｇであり、Ｂｉ層２０３に近い側がＳｎである。
次いで、３２０℃に加熱して、電極表面処理層２０２の拡散反応により、ＡｇＳｎ化合物２μｍよりなる中間層Ａ（２０６）を形成した。同様に、Ｂｉ下地層２０５の拡散反応により、ＡｇＳｎ化合物２μｍよりなる中間層Ｂ（２０７）を形成した。
上記ＡｇＳｎ化合物については、ＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分光器）により、Ａｇ３Ｓｎ（ＡｇとＳｎが原子量比で３対１）であることを確認した。
（3）実施例３
図４に示すように、電極表面処理層２０２としてＳｎ０．５μｍの単層を形成し、Ｂｉ下地層２０５としてＳｎ０．５μｍの単層を形成した。
次いで、３２０℃に加熱して、電極表面処理層２０２と電極１０３のＣｕとの拡散反応により、ＣｕＳｎ化合物２μｍよりなる中間層Ａ（２０６）を形成した。同様に、Ｂｉ下地層２０５とバリアメタル層２０４の最下層であるＣｕとの拡散反応により、ＣｕＳｎ化合物２μｍよりなる中間層Ｂ（２０７）を形成した。
上記ＣｕＳｎ化合物については、ＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分光器）により、Ｃｕ６Ｓｎ５（ＣｕとＳｎが原子量比で６対５）であることを確認した。
（6）実施例４〜６
図４に示す構成と厚みで２層又は単層のＢｉ下地層２０５を形成した後、３２０℃に加熱して、図４に示す組成と厚みの中間層Ｂ（２０７）を形成した。中間層Ａ（２０６）は形成しなかった。
《実装構造体の製造例》
図３に示すように、上記実施例により完成させた接合構造体を使用して、ワイヤ１０７を用いてワイヤボンディング（リボンボンディングでも良い）を行い、封止を実施してパワー半導体モジュール１００を形成した後、このパワー半導体モジュール１００をはんだ材料で基板１０１に実装して、実装構造体１１０を形成した。
上記はんだ材料１０９には、前述した通り、一般的なはんだ材料であるＳｎ−３重量％Ａｇ−０．５重量％Ｃｕ（融点２１７℃）を用いた。
そこで、上記実装構造体の製品歩留まりを評価した。
《実装構造体による歩留まり評価試験例》
低温側を−６５℃に固定し、高温側を１５０℃、１７５℃、２００℃の３段階に設定して、低温−高温間の温度サイクル試験（１サイクル３０分／３０分）を３００サイクル繰り返した後、製品を超音波映像で観察して、接合構造体の接合材料のクラック、剥離の有無を目視で判定し、接合部の表面積に対してクラック、剥離が２０％未満に収まる製品歩留まり（Ｎ数＝２０）を算出し、下記の基準でその優劣を評価した。
○：歩留まりが８０％以上（良品）であった。
×：歩留まりが８０％未満（不良品）であった。
《歩留まり試験の評価について》
図５は歩留まり試験の結果を表す。
先ず、実施例１〜６では、温度サイクル試験条件の高温側が１５０℃、１７５℃、２００℃のいずれの場合も、歩留まりが８０％以上であり、良品（○）の判定であった。
これに対して、比較例１では、温度サイクル試験条件の高温側が１５０℃の場合には、歩留まりは９５％であったが、高温側が１７５℃、２００に昇温すると、歩留まりは６５％、５０％に低下して、不良品（×）の判定となった。
一般に、温度サイクル試験では、高温側と低温側の温度差ΔＴが大きいとパワー半導体素子の熱膨張係数（α≒３ｐｐｍ／Ｋ）、Ｃｕの線膨張係数（α≒１８ｐｐｍ／Ｋ）の差に基づく熱応力が大きくなり、接合構造体における接合部にその応力が加わる。
比較例１（従来技術）を見ると、高温側が１５０℃に対する耐熱応力は有するが、１７５℃、２００℃に対する耐熱応力は具備しないことがわかる。
これに対して、本発明の実施例１〜６では、いずれも良品の判定であった。
そこで、実施例１を代表例として、比較例１に対する実施例の優位性の理由を考察する。
先ず、接合部の各構成のヤング率を見ると、比較例１の構成は、電極１０３と、Ａｇ層が拡散したＢｉ層２０３（接合材料）と、バリアメタル層２０４の最下層であるＣｕ層との３層構造なので、Ｃｕ（１１０×１０9Ｎ／ｍ2）／Ｂｉ−３．５重量％Ａｇ（３２×１０9Ｎ／ｍ2）／Ｃｕ（１１０×１０9Ｎ／ｍ2）となる。
これに対して、実施例１の構成では、Ａｇ層が拡散したＢｉ層２０３（接合材料）の上・下面に中間層Ａ・Ｂが積層するので、Ｃｕ（１１０×１０9Ｎ／ｍ2）／ＡｕＳｎ４（５５．６×１０9Ｎ／ｍ2））／Ｂｉ−３．５重量％Ａｇ（３２×１０9Ｎ／ｍ2）／ＡｕＳｎ４（５５．６×１０9Ｎ／ｍ2））／Ｃｕ（１１０×１０9Ｎ／ｍ2）となっている。
下式（ｃ）のように、ヤング率は材料が弾性的に挙動する場合の応力とひずみの比であり、
Ｅ＝σ／ε …（ｃ）
（式（ｃ）中、Ｅはヤング率、σは応力、εは歪みを表す）
ヤング率とひずみ量は反比例するため、一定の応力が加わった場合、ヤング率が小さい方が、ひずむことができる量が大きいことになる。
従って、比較例１と実施例１の違いは、〈Ｃｕ〉層と〈Ｂｉ−３．５重量％Ａｇ〉層の間に中間層のＡｕＳｎ化合物（ＡｕＳｎ４）が介在するか否かということになるが、実施例１では、Ｂｉ−３.５重量％Ａｇの接合材料からＣｕに向けて、中間層があることで傾斜的にヤング率が増大することになり、〈バネ効果〉が働き応力緩和機能が発現したものと考えられる。
しかしながら、比較例１では、このような傾斜的なヤング率の増大はなく、接合材料のヤング率と電極又はバリアメタル層のそれとの差異は大きいため、いわゆる〈バネ効果〉は働かず、これが比較例１に対する実施例１の優位性、つまり、高温側の温度条件により歩留まりの差が生じた理由であると推定できる。
他の実施例２〜６の各中間層についても同様であり、
試料２、５の中間層（Ａｇ３Ｓｎ） ：ヤング率＝７４．５×１０9Ｎ／ｍ2
試料３、６の中間層（Ｃｕ６Ｓｎ５）：ヤング率＝９３．５×１０9Ｎ／ｍ2
ＣｕとＢｉ−３．５重量％Ａｇの間に上記各種の中間層が介在することにより、〈バネ効果〉が働き、応力緩和機能が発現したものと推定できる。
そこで、以下では実施例１〜６の試験結果を詳細に検討する。
接合材料の両面に中間層Ａ、Ｂが存在する実施例１〜３と、中間層Ｂのみの実施例４〜６とを対比すると、図５の歩留まりには１０〜１５％の差があり、中間層が両方存在する実施例１〜３の方が歩留まりに優位性があることが分かる。
従って、中間層は半導体素子側又は電極側のみにあっても応力緩和機能は有効に発現するが、応力緩和機能をより促進するためには半導体素子側と電極側の両方に中間層を設けることが望ましいといえる。
また、本発明は、積層体から半導体素子又は電極に向けてヤング率を傾斜的に増大させることに特徴があるが、例えば、上記実施例１の中間層Ｂ（ＡｕＳｎ４）のヤング率は５５.６×１０9Ｎ／ｍ2であり、バリアメタル層２０４の最下層であるＣｕ層のヤング率（１１０×１０9Ｎ／ｍ2）と、接合材料（Ｂｉ−３.５重量％Ａｇ）のヤング率（３２×１０9Ｎ／ｍ2）のほぼ中央寄りの数値であるが、実施例３では、中間層Ｂ（Ｃｕ６Ｓｎ５）のヤング率は９３．５×１０9Ｎ／ｍ2であり、バリアメタル層２０４のＣｕ層のヤング率（１１０×１０9Ｎ／ｍ2）に近い数値である。
従って、中間層Ａ、Ｂのヤング率は半導体素子の表面（つまり、バリアメタル層の下層のＣｕ）又は電極Ｃｕのそれに近い値でも、上記試験結果に照らしてバネ効果が働くので、中間層Ａ、Ｂのヤング率は半導体素子の表面のＣｕのそれと、Ｃｕ電極のそれとの間にあれば、中央付近の数値に設計しなくても差し支えないといえる。
本発明の接合構造体を有する実装構造体は、接合材料から被接合材料（半導体素子、Ｃｕ電極）に向けて、ヤング率が傾斜的に増大するような積層構造を介して半導体素子とＣｕ電極とを接合することにより、パワー半導体モジュールの使用時における温度サイクルで生じる熱応力に対する応力緩和性を確保し、パワー半導体モジュール、小電力トランジスタ等の半導体パッケージの用途に適用できる。
接合構造体を構成要素とする実装構造体の断面図である。 接合構造体の製造工程図である。 実装構造体の拡大断面図である。 本発明の実施例１〜６について、接合前の電極表面処理層及びＢｉ下地層の構成と厚み、接合後の中間層Ａ及び／又は中間層Ｂの組成と厚みをまとめた図表である。 接合構造体の歩留まり試験結果を示す図表である。 従来技術を示す実装構造体の拡大断面図である。
１０１…基板、１０２…半導体素子、１０３…電極、１０４…接合材料、１０６…接合構造体、１０９…はんだ材料、１１０…パワー半導体モジュール、２０１…Ａｇ層、２０２…電極表面処理層、２０３…Ｂｉ層、２０４…バリアメタル層、２０５…Ｂｉ下地層、２０６…中間層Ａ、２０７…中間層Ｂ。

Claims (2)

  1. Ｃｕ電極、Ｂｉを主成分とする接合材料を含む積層体、 接合材料に臨む表面にＣｕ層を設けた半導体素子の順に接合した接合構造体において、
    上記接合材料と、上記接合材料の上記半導体素子に臨む面に形成した第１中間層とで積層体を構成し、
    上記半導体素子の表面のＣｕのヤング率をＥ１、上記第１中間層のヤング率をＥ２１、上記接合材料のヤング率をＥ３とした場合に、
    各ヤング率Ｅ１、Ｅ２１、Ｅ３が、次の条件（ｐ）
    Ｅ３＜Ｅ２１＜Ｅ１ …（ｐ）
    を満たすとともに、
    上記第１中間層が、ＡｕＳｎ化合物、ＡｇＳｎ化合物、ＣｕＳｎ化合物から選ばれた一種のみの単層で構成されることを特徴とする接合構造体。
  2. 上記接合材料のＣｕ電極に臨む面に形成した第２中間層を付加し、
    上記第２中間層のヤング率をＥ２４、上記Ｃｕ電極のヤング率をＥ４とした場合に、
    上記接合材料、上記第２中間層及び上記Ｃｕ電極の各ヤング率が、次の条件（ｑ）
    Ｅ３＜Ｅ２４＜Ｅ４ …（ｑ）
    を満たすとともに、
    上記第２中間層が、ＡｕＳｎ化合物、ＡｇＳｎ化合物、ＣｕＳｎ化合物から選ばれた一種のみの単層で構成されることを特徴とする請求項１に記載の接合構造体。
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