JP6069135B2 - 電力用半導体装置及びその製造方法、並びに、そのための半田 - Google Patents

電力用半導体装置及びその製造方法、並びに、そのための半田 Download PDF

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    • H01L2224/45138—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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    • H01L2224/48227—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 the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation connecting the wire to a bond pad of the item
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    • H01L2224/48472—Connecting portions the connecting portion on the bonding area of the semiconductor or solid-state body being a wedge bond the other connecting portion not on the bonding area also being a wedge bond, i.e. wedge-to-wedge
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    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/485—Material
    • H01L2224/48505—Material at the bonding interface
    • H01L2224/48699—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Aluminium (Al)
    • H01L2224/487—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Aluminium (Al) with a principal constituent of the bonding area 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
    • H01L2224/48738—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Aluminium (Al) with a principal constituent of the bonding area 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
    • H01L2224/48755—Nickel (Ni) as principal constituent
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    • H01L2224/48799—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Copper (Cu)
    • H01L2224/488—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Copper (Cu) with a principal constituent of the bonding area 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
    • H01L2224/48838—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Copper (Cu) with a principal constituent of the bonding area 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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    • H01L2224/732—Location after the connecting process
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    • H01L2224/83009—Pre-treatment of the layer connector or the bonding area
    • H01L2224/8301—Cleaning the layer connector, e.g. oxide removal step, desmearing
    • H01L2224/83011—Chemical cleaning, e.g. etching, flux
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    • H01L24/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L24/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
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    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/44—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process
    • H01L24/45—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process of an individual wire connector
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    • H01L24/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
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    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
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    • H01L24/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L24/49—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of a plurality of wire connectors
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    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/73—Means for bonding being of different types provided for in two or more of groups H01L24/10, H01L24/18, H01L24/26, H01L24/34, H01L24/42, H01L24/50, H01L24/63, H01L24/71
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    • H01L25/00—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
    • H01L25/03—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes
    • H01L25/04—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers
    • H01L25/07—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L29/00
    • H01L25/072—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L29/00 the devices being arranged next to each other
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    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/11—Device type
    • H01L2924/13—Discrete devices, e.g. 3 terminal devices
    • H01L2924/1304—Transistor
    • H01L2924/1305—Bipolar Junction Transistor [BJT]
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    • H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/11—Device type
    • H01L2924/13—Discrete devices, e.g. 3 terminal devices
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    • H01L2924/13055—Insulated gate bipolar transistor [IGBT]
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    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/15—Details of package parts other than the semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/151—Die mounting substrate
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    • H01L2924/15786—Material with a principal constituent of the material being a non metallic, non metalloid inorganic material
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    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/15—Details of package parts other than the semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/181—Encapsulation
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Description

本発明は、高温信頼性が求められる電力用の半導体装置やその製造方法に関し、特に、IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のパワー半導体素子を有するパワーモジュールの構成及びその製造方法、更には、そのための半田に関する。
電鉄用、発電用、電気自動車/ハイブリッド自動車（EV/HEV）用モータ等、大出力モータを制御するインバータには、IGBTモジュール等のパワーモジュールが使用される。従来、パワーモジュールの各種接合部には、鉛を含む半田が使用されてきた。しかしながら、鉛成分が人体に悪影響を及ぼすことが指摘されるようになり、かかる鉛入り半田は大きな社会問題としてクローズ・アップされるとともに、EUのROHS（Restriction of Hazardous Substances Directive)指令に代表されるように、鉛を含む有害物質の使用を法的に規制しようと言う動きが活発化している。このような背景から、パワーモジュールについても鉛フリー化が求められている。現時点では、半導体接合部については汎用的な鉛フリー接合材が無いため、高鉛半田が多く使用されている。一方、セラミックス基板下については、Sn−3Ag−0.5Cu（mass％）などのSn系鉛フリー半田が使われるようになってきている。
近年、Siに比べて高温で動作可能なSiCおよびGaNといった次世代パワー半導体素子が普及しつつある。これらの次世代半導体素子を用いたパワーモジュールでは、従来では使われなかったような、175℃を超える高温環境下でモジュールが使用される可能性がある。このような高温環境下でSn系半田をセラミックス基板下の接合に用いた場合、融点が200〜250℃であり、極めて苛酷な環境となる。そのため、Sn系半田の175℃以上の温度における信頼性向上が課題となっていた。
セラミックス基板接合部におけるSn系半田の高信頼化については、以下の特許文献１が出願されている。ここでは、従来のSn−Ag−Cu系鉛フリーはんだの以上の信頼性を得る半田として、Sn−0.1〜4.5Ag−0.1〜5.0Cu−3〜7In(mass％)を挙げている。この半田は、Sn−Ag−Cu系はんだに比べてクリープ変形が容易であるため、セラミックス基板接合部のような大面積の接合においても疲労破壊しにくい。しかしながら、このはんだでは175℃以上の高温下ではんだと部材間の界面反応が顕著に進むため信頼性を得ることが困難であった。
一方、高温下における接合界面の信頼性を確保する発明として特許文献２が挙げられる。ここでは、Niメタライズを有する半田をSn−3〜10Cu(mass％)で接合することで、200℃でも安定な接合界面を得ることができる。しかしながら、この従来技術では、例えば、セラミックス基板接合部のような大面積の接合において、熱疲労破壊を十分に抑制することができない。
特開２００９−７０８６３号公報 特許第４５６９４２３号
上記の従来技術においては、以下の点についての配慮がなされていなかった。即ち、上記特許文献１の場合、175℃以上の高温環境下におけるはんだと部材間における界面反応の抑制について、また、上記特許文献２の場合、セラミックス基板のような大面積の接合における熱疲労破壊の抑制についての配慮がなされていなかった。
本発明は、上述した従来技術に鑑みてなされたものであり、その目的は、上述した従来技術における課題、即ち、175℃の高温環境下における接合部の界面反応抑制と、そして、熱疲労破壊抑制の両立を可能とする半導体装置及び半導体装置の製造方法、並びに、そのための半田を提供することである。
上記課題を解決するために、本発明によれば、まず、セラミックス基板上に接合したパワー半導体素子をベースに接合し、又は、パワー半導体素子をリードフレームに接合して構成される半導体装置であって、前記パワー半導体素子を接合した前記セラミックス基板を、前記ベース又は前記リードフレームに、Sn−0〜3.5Ag−3〜10Cu−1〜4Bi(mass％)半田で接合している半導体装置が提供される。
また、本発明によれば、やはり上記課題を解決するため、セラミックス基板上に接合したパワー半導体素子をベースに接合し、又は、パワー半導体素子をリードフレームに接合して製造される半導体装置の製造方法であって、前記パワー半導体素子を接合した前記セラミックス基板を前記ベースに、又は、前記パワー半導体素子を前記リードフレームに、Sn−0〜3.5Ag−3〜10Cu−1〜4Bi(mass％)半田で接合している半導体装置の製造方法が提供される。
加えて、本発明によれば、セラミックス基板上に接合したパワー半導体素子をベースに接合し、又は、パワー半導体素子をリードフレームに接合して製造される電力用半導体装置を製造するための半田であって、Snに対して、0〜3.5(mass％)のAg、3〜10(mass％)のCu、1〜4(mass％)のBiを含んでいる電力用半導体装置を製造するための半田が提供される。
以上に述べた本発明によれば、175℃の高温環境下における接合部の界面反応抑制と、そして、熱疲労破壊抑制の両立を可能とする半導体装置及び半導体装置の製造方法、並びに、そのための半田が提供されるという実用的にも極めて優れた効果を達成することができる。
本発明の一実施の形態になるパワー半導体モジュールの全体構成を示す断面図である。 Ag含有率0mass％のときの、Sn母相中のBi含有率と、半田のCu含有率と、高温信頼性との関係を示した図である。 Ag含有率3.5mass％のときの、Sn母相中のBi含有率と、半田のCu含有率と、高温信頼性との関係を示した図である。 200℃2MPaでクリープ変形させた場合の、Sn−3Ag−0.5Cu(mass％)半田（図４（Ａ））とSn−3Ag−0.5Cu−3Bi(mass％)半田（図４（Ｂ））の外観を示す図である。 −55℃⇔200℃の温度サイクル試験における各種半田の接合部のサイクル数と接合割合との関係を示した図である。 −55℃⇔200℃の温度サイクル試験における250サイクル後の、Sn−3Ag−0.5Cu−5In半田の接合部の断面を示す図である。 200℃で500h保持したときのSn−3Ag−7Cu−3Bi半田による接合部の断面（図７（Ａ））とSn−3Ag−7Cu−5In半田による接合部の断面（図７（Ｂ））を示す図である。 Sn−0〜3.5Ag−3〜10Cu−1〜4Bi(mass％)で接合したパワーモジュールの他の例の構成を示す断面図である。 Sn系半田でNiめっき部材を接合したサンプルについて、200℃で保持したときの、保持時間とNiめっき消失厚さとの関係を示した図である。
以下、本発明を半導体装置であるパワー半導体モジュールに適用した実施例について、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。
まず、添付の図１は、本発明を適用するパワー半導体モジュールの全体構成を示す断面図である。この図からも明らかなように、窒化アルミニウムの上下面にNiめっきを施したCu配線を有するセラミック基板５上に、高鉛半田、もしくは、Zn−Al、焼結Ag、Cu−Sn系金属間化合物４により、半導体素子(例えば、ＩＧＢＴ１やダイオード２)を接合し、当該素子を搭載したセラミック基板５に対してワイヤボンディング８を行い、その後、当該素子付基板を、以下に詳細に示す本発明になる半田３０により、ベース７上に接合した。更に、上記基板上のCu配線（即ち、Cuむくの基板）に、Cu端子３を超音波接合し、もって、パワー半導体モジュールとして作製したものである。
続いて、半導体素子が接合されたセラミックス基板５をベース７に接合している半田３０について説明する。この本発明になる半田３０は、Sn−0〜3.5Ag−3〜10Cu−1〜4Bi(mass％)であることを特徴とするものである（以下、「Sn−0〜3.5Ag−3〜10Cu−1〜4Bi(mass％)半田」と言う）。
かかるSn−0〜3.5Ag−3〜10Cu−1〜4Bi(mass％)半田を、−55℃⇔200℃の温度サイクルで試験した結果を、図３及び図４に示す。なお、これらの図における横軸は、上記半田のSn中に固溶するBi濃度を、その縦軸は、上記半田中のCu含有率を、それぞれ、示している。半田に含まれるBiは、全て、Sn中に固溶している。また、これらの図中の「○」は、温度サイクル試験において良好な信頼性が得られた組成を、「△」は界面反応破壊を、「×」は熱疲労破壊が主因で信頼性が得られなかった組成を示す。また、「□」は、界面反応破壊と熱疲労破壊が同程度に破壊の原因になった組成を示す。
これら図３及び図４から明らかなように、Ag含有率0mass％（図３参照）と3.5mass％（図４参照）の結果が同等であり、このことから、結果は、Ag含有率により大きく左右されないと考えられる。但し、Agが3.5mass％より高くなると、コスト面でデメリットが大きくなると思われる。
続いて、各成分の含有率について述べる。まず、Sn中のBi含有率について述べる。Sn中のBi含有率が1％未満の場合、熱疲労破壊を抑制できない。Sn母相中にBiを添加した場合、Sn母相が固溶強化される効果、高温化でのクリープ変形が容易になる効果により、熱疲労破壊を抑制することができる。
図４は、厚さ100μｍのSn−3Ag−0.5Cu(mass％)半田と、本発明になるSn−0〜3.5Ag−3〜10Cu−1〜4Bi(mass％)半田の一部であるSn−3Ag−0.5Cu−3Bi(mass％)半田を200℃で2MPaの荷重をかけてクリープ変形させた場合の写真である。Sn−3Ag−0.5Cu−3Bi(mass％)半田の方が大きくクリープ変形することが分かる。この大きなクリープ変形は、Ag含有率1〜3.5mass％のときに得られる。Sn中のBi含有率が4％より高くなった場合、Cu含有率を高くしてもBiが接合界面に偏析しやすくなり、高温下における界面反応抑制効果が著しく低下する。
次に、Cu含有率について述べる。Cu含有率が5％未満の場合、高温下における界面反応抑制効果が著しく低下する。一方、Cu含有率が10％より高くなると、半田の固相線温度が高くなり接合が極めて困難になる。
以上のことから、本発明になるSn−0〜3.5Ag−3〜10Cu−1〜4Bi(mass％)半田によれば、良好な接合信頼性が得られると言える。更に、下記においては、本発明の効果についての検討例を示す。
次に、図６は、10mm□のインバー板を、厚さ100μｍの各種半田で、15mm□のCu板に接合したサンプルについて、−55℃⇔200℃の温度サイクル試験を行った結果である。一般的に使用されるSn−3Ag−0.5Cu(mass％)半田の場合（グラフの最も下方の曲線Ａ）、500サイクル後には、熱疲労破壊及び接合界面破壊により、10％以下の接合面積になってしまった。
また、従来技術である上記特許文献１に記載された組成であるSn−3Ag−0.5Cu−5In(mass％)半田の場合（グラフの曲線Ｂ）、250サイクルまではある程度の信頼性を維持するが、500〜750サイクル後には大きく接合面積が低下した。これは、試験初期の段階では、上記特許文献１に示すように、疲労破壊抑制の効果が発現しゆっくりと破壊が進むが、その後、図６のように、界面反応破壊が大きく進んだために破壊が加速したものである。なお、この図において、符号５は、セラミックス基板を、１１はインバー板を、そして、２１は金属間化合物を示している。加えて、従来技術である上記特許文献２に記載のSn−7Cu半田の場合（グラフの曲線Ｃ）、界面反応を抑制できるが、しかしながら、熱疲労抑制ができないため、1000サイクル後にはほぼ全破断してしまう。
上述した従来技術になる半田に対し、本発明になるSn−3Ag−7Cu−3Bi(mass％)半田の場合（グラフの曲線Ｄ）、図からも明らかなように、接合部の界面反応破壊と熱疲労破壊の両方を抑制することができる。
加えて、上述した従来のSn−3Ag−0.5Cu−5In(mass％)半田におけるCu含有率を高めたSn−3Ag−7Cu−5In(mass％)半田（即ち、「類推組成半田」）について、200℃高温保持試験を行い、界面反応抑制効果を付与できないかの確認を行った。即ち、半田を200℃で500h保持したときの結果を図７（Ａ）に示しており、他方、本発明になるSn−3Ag−7Cu−3Bi(mass％)半田についての結果を図７（Ｂ）に示す。その結果、これらの断面写真からも明らかなように、この結果、容易組成半田の組成では、十分な接合信頼性が得られないということが分かった。なお、ここでも、符号５は、セラミックス基板を、１１はインバー板を、そして、２１は金属間化合物を示している。
更に、本発明になる半導体装置であるパワー半導体モジュールでは、例えば、添付の図８にも示すように、半導体素子３１（例えば、ＩＧＢＴ１やダイオード２）の上面及び下面電極を、上述した本発明のSn−0〜3.5Ag−3〜10Cu−1〜4Bi(mass％)半田３０で、リードフレーム９に接合されており、かつ、その各接合部の周囲がハードレジンで封止されていることが好ましい。
このように、半導体素子３０の上下面を、本発明のSn−0〜3.5Ag−3〜10Cu−1〜4Bi(mass％)半田３０でリードフレーム９に接合することによれば、放熱性に優れたモジュールを提供することが可能となる。加えて、各接合部の周囲を、例えば、トランスファーモールドにより、所謂、レジン封止することによれば、半田接合部における歪みを小さく抑えることが可能となり、もって、パワーモジュールの寿命を向上することができる。このとき、レジンの熱膨張率は、10ppm/K以上であることが望ましい。なお、レジンの熱膨張率が10ppm/k未満の場合、素子接合部の熱衝撃によるクラック進展抑制効果が小さくなる。そして、本発明のSn−0〜3.5Ag−3〜10Cu−1〜4Bi(mass％)半田を用いることによれば、上述と同じ理由により、高温信頼性を得ることができる。
また、更に、本発明になる半導体装置であるパワー半導体モジュールでは、半導体素子３０が接合されたセラミックス基板５を、上記Sn−0〜3.5Ag−3〜10Cu−1〜4Bi(mass％)半田にSiを加えた変形例であるSn−0〜3.5Ag−5〜10Cu−1〜4Bi−0.001〜0.1Si(mass％)半田３０により、ベース７に接合している。
このように、0.001〜0.1Si(mass％)を添加することによれば、Sn母相中に微細なCu−Si化合物などの析出物が分散して析出する。これにより、半田を強化して熱疲労耐性を向上することができる。Si含有率が0.001％未満の場合、十分に半田を強化できない。また、Si含有率が0.1％より高くなると、接合時に半田表面に形成したSi酸化物が濡れを阻害するため、良好な接合ができなくなる。
加えて、半導体素子が接合されたセラミックス基板５を、上記の半田に代えて、Sn−0〜3.5Ag−5〜10Cu−1〜4Bi−0.001〜0.1Ti(mass％)半田３０により、ベース７に接合してもよい。
このように、0.001〜0.1Ti(mass％)を添加することによれば、上記と同様に、Sn母相中に微細なCu−Si化合物などの析出物が分散して析出する。これにより、半田を強化して熱疲労耐性を向上することができる。Ti含有率が0.001％未満の場合、十分に半田を強化できない。また、Ti含有率が0.1％より高くなると、接合時に半田表面に形成したTi酸化物が濡れを阻害するため、良好な接合ができなくなる。
更に、本発明では、上述したSn−0〜3.5Ag−3〜10Cu−1〜4Bi(mass％)半田のうち、そのAg組成を5〜10(mass％)として、所謂、Sn−0〜3.5Ag−5〜10Cu−1〜4Bi(mass％)半田とすることが好ましい。
半田の組成をSn−0〜3.5Ag−5〜10Cu−1〜4Bi(mass％)とすることによれば、特に、高温下における界面反応抑制効果を、高めることができる。ここで、図９には、Sn系半田でNiめっき部材を接合したサンプルについて、200℃で保持したときのNiめっき消失厚さの関係を示す。これから、Cu含有率が3mass％以上で効果が現れるが、特に、5mass％以上の場合、反応抑制効果が極めて大きくなることが分かる。
また、本発明では、上記図１又は図８に示した構成において、セラミック基板５として、Ni系めっきを施した配線を有するセラミックス基板とし、もしくは、リードフレーム９として、Ni系めっきを施した配線を有するリードフレームとしている。
このように、Ni系めっきを施した配線を有するセラミックス基板５、もしくは、リードフレーム９を、本発明のSn−0〜3.5Ag−3〜10Cu−1〜4Bi(mass％)半田で接合することによれば、Ni系めっき上にCu−Sn系化合物が選択的に析出し、これが高温下での界面反応を抑制する拡散バリアとして機能するため、高い高温信頼性が得られる。このとき、Ni系めっきの厚さが0.2μｍ以上が望ましい。それ以下の場合、Ni系めっき適用の効果が失われるという恐れがある。
この場合、特に、上記Sn−0〜3.5Ag−3〜10Cu−1〜4Bi(mass％)半田による接合部の厚さが、50〜500μｍであることが好ましい。
これは、接合部の厚さが50μｍ未満になると、応力緩衝能が低下し接合信頼性が得られなくなる恐れがあり、また、接合時にNi系めっき上に選択的に形成されるCu−Sn系化合物の厚さが薄くなり拡散バリアの効果が得られにくくなることによる。他方、接合部の厚さが500μｍより厚い場合、半田の接合界面ではなく、半田中に含まれるCu−Sn化合物が接合部内部で浮島状に存在する割合が増え、接合信頼性の低下に繋がる恐れがある。
また、上述したパワーモジュールの構成において、半導体素子１又は２として、SiC、もしくは、GaNを用いることが好ましい。
これは、半導体素子としてSiCもしくはGaNを用いた場合、パワーモジュールの損失を低減することができることによる。また、高温下で動作可能なため、インバータの冷却設備を簡略化して、装置全体の小型・軽量化を可能にする。セラミックス基板下の接合部は、200℃程度まで高温化するが、しかしながら、上述した本発明のSn−0〜3.5Ag−3〜10Cu−1〜4Bi(mass％)半田により、所望の信頼性が得られる。
もしくは、半導体素子を、Zn−Alで、セラミックス基板もしくはリードフレームに接合することが望ましい。
これは、Zn−Alの融点は約380℃であるため、素子を搭載したセラミックス基板を380℃より低い温度で接合すれば、素子接合部を再溶融させること無く接合することができることによる。本発明のSn−0〜3.5Ag−3〜10Cu−1〜4Bi(mass％)半田は約200℃で溶融するが、ボイドや未濡れが無い良好な接合を得るためには接合温度が高い方が有利である。素子接合部にZn−Alを用いることで、接合マージンを確保できる。また、従来の高鉛半田に比べて、熱衝撃に伴う亀裂進展が遅いため、接続信頼性を向上することができる。
また、上述したパワーモジュールの構成において、半導体素子１又は２を、焼結Agで、セラミックス基板５、もしくは、リードフレーム９に接合することが好ましい。
これは、焼結Agの融点は約900℃であるため、素子を搭載したセラミックス基板を900℃より低い温度で接合すれば、素子接合部を再溶融させること無く接合することができることによる。本発明のSn−0〜3.5Ag−3〜10Cu−1〜4Bi(mass％)半田は約200℃で溶融するが、ボイドや未濡れが無い良好な接合を得るためには、接合温度が高い方が有利である。素子接合部に焼結Agを用いることにより、接合マージンを確保できる。また、従来の高鉛半田に比べ、熱衝撃に伴う亀裂進展が遅いため、接続信頼性を向上することができる。
また、上述したパワーモジュールの構成において、半導体素子１又は２を、Cu−Sn系金属間化合物により、セラミックス基板５、もしくは、リードフレーム９に接合することが好ましい。
これは、Cu−Sn系金属間化合物で接合した場合、融点は400℃以上であるため、素子を搭載したセラミックス基板を900℃より低い温度で接合すれば、素子接合部を再溶融させること無く接合することができることによる。本発明のSn−0〜3.5Ag−3〜10Cu−1〜4Bi(mass％)半田は約200℃で溶融するが、ボイドや未濡れが無い良好な接合を得るためには、接合温度が高い方が有利である。素子接合部にCu−Sn系化合物を用いることで、接合マージンを確保できる。また、従来の高鉛半田に比べ、熱衝撃に伴う亀裂進展が遅いため、接続信頼性を向上することができる。
更に、半導体素子１又は２をセラミック基板５に接合した後、水素あるいは蟻酸による還元雰囲気において、本発明のSn−0〜3.5Ag−3〜10Cu−1〜4Bi(mass％)半田を用いて、セラミック基板５を、ベース７、あるいは、リードフレーム９に接合することが好ましい。
これは、半導体素子を搭載したセラミックス基板を水素あるいは蟻酸による還元雰囲気で接合することで、本発明のSn−0〜3.5Ag−3〜10Cu−1〜4Bi(mass％)半田が良好に接合部材に濡れ、ボイドや未濡れの少ない接合が得られることによる。ボイドや未濡れが少ない接合を得ることにより、高温信頼性確保を容易にする。
そして、上記において、250〜350℃の最高温度で本発明のSn−0〜3.5Ag−3〜10Cu−1〜4Bi(mass％)半田を用いて、セラミック基板５を、ベース７、あるいは、リードフレーム９に接合することが好ましい。
これは、本発明のSn−0〜3.5Ag−3〜10Cu−1〜4Bi(mass％)半田の接合温度を、250〜350℃の最高温度で接合することにより、耐熱性の高い接合部が得られることによる。250℃より低い場合、Sn−0〜3.5Ag−3〜10Cu−1〜4Bi(mass％)の濡れが低下し、ボイドや未濡れが発生しやすくなり、信頼性を損なう恐れがある。一方、350℃より高温になると、Sn−0〜3.5Ag−3〜10Cu−1〜4Bi(mass％)が溶融している際、部材との反応が進み過ぎて、部材のNi系めっきが食われ、高温環境下で信頼性を維持するためのバリア効果が低減する恐れがある。
続いて、上述した本発明のＳｎ−０〜３．５Ａｇ−３〜１０Ｃｕ−１〜４Ｂｉ（ｍａｓｓ％）半田を用いたパワーモジュールについての具体的な実施例について、以下に説明する。
（参考例１〜１１）
参考例１〜１１について、添付の表１に示す。即ち、表に示した基板下接合材料、素子接合材料により製造したパワー半導体モジュールについて、−55℃⇔200℃の温度サイクル試験を1000サイクルまで行い、セラミックス基板接合部のクラックがチップ直下まで達した場合に判定を「×」とした。また、200℃1000hの高温保持試験を行い、セラミックス基板接合部の20％以上破壊が生じた場合に判定を「×」とした。その結果は、表にも示すように、何れの実施例においても、温度サイクル試験、高温保持試験で良好な接合信頼性が得られた。
Figure 0006069135
（比較例１〜５）
上記の参考例１〜１１と同じ工程で、同じ形状のパワー半導体モジュールを作製した。セラミック基板の接合に用いた半田を、添付の表２に示す。比較例１〜３の何れの半田を用いた場合にも、温度サイクル試験において、セラミックス基板接合部のクラックがチップ直下に達した。また、高温保持試験においても、比較例１〜４では、何れも、接合部の２０％以上が界面破壊により破壊した。唯一、Ｓｎ−７Ｃｕのみ、高温保持試験において良好な信頼性が得られた。即ち、これら比較例１〜５において、温度サイクル試験と高温保持試験の両方で良好な信頼性が得られるものは無かった。
Figure 0006069135
（参考例１２〜２２）
更に、本発明のＳｎ−０〜３．５Ａｇ−３〜１０Ｃｕ−１〜４Ｂｉ（ｍａｓｓ％）半田を、上記図８にその構造を示したパワー半導体モジュールに適用した実施例について、以下に説明する。
即ち、Niめっきを施したCu製リードフレーム９上に、Sn−0〜3.5Ag−3〜10Cu−1〜4Bi(mass％)半田３０で半導体素子３１を接合し、パワー半導体モジュールを作製した。
これらのパワーモジュールについて、−55℃⇔200℃の温度サイクル試験を1000サイクルまで行い、半導体素子接合部の20％までクラックが達した場合に判定を「×」とした。また、200℃1000hの高温保持試験を行い、セラミックス基板接合部の20％以上破壊が生じた場合に判定を「×」とした。その結果は、表にも示すように、何れの実施例においても、温度サイクル試験、高温保持試験で良好な接合信頼性が得られた。
（比較例６〜１０）
上記の参考例１２〜２２と同じ工程で、同じ形状のパワー半導体モジュールを作製した。セラミック基板の接合に用いた半田を、添付の表３に示す。比較例１〜３の何れのはんだを用いた場合にも、温度サイクル試験において、セラミックス基板接合部のクラックがチップ直下に達した。また、高温保持試験においても、表４比較例６〜１０では、何れも、接合部の２０％以上が界面破壊により破壊した。唯一、Ｓｎ−７Ｃｕのみ高温保持試験において良好な信頼性が得られた。即ち、比較例６〜１０において、温度サイクル試験と高温保持試験の両方で良好な信頼性が得られるものは無かった。
Figure 0006069135
Figure 0006069135
１…半導体素子（IGBT）、２…半導体素子（ダイオード）、３…半田、４…高鉛半田、もしくは、Zn−Al、焼結Ag、Cu−Sn系金属間化合物、５…セラミックス基板、６…Sn系半田（Sn−3Ag−0.5CuもしくはSn−3Ag−0.5Cu−5In）、７…ベース、８…ワイヤ、９…リードフレーム、１１…インバー板、２１…金属間化合物、３０…Sn−0〜3.5Ag−3〜10Cu−1〜4Bi(mass％)半田、３１…半導体素子

Claims (9)

  1. セラミックス基板上に接合したパワー半導体素子をベースに接合し、又は、パワー半導体素子をリードフレームに接合して構成される半導体装置であって、
    前記パワー半導体素子を接合した前記セラミックス基板を前記ベースに、又は前記パワー半導体素子を前記リードフレームに、Ｓｎ−０〜３．５Ａｇ−５〜１０Ｃｕ−１〜４Ｂｉ−０．００１〜０．１Ｓｉ（ｍａｓｓ％）半田で接合していることを特徴とする半導体装置。
  2. セラミックス基板上に接合したパワー半導体素子をベースに接合し、又は、パワー半導体素子をリードフレームに接合して構成される半導体装置であって、
    前記パワー半導体素子を接合した前記セラミックス基板を前記ベースに、又は前記パワー半導体素子を前記リードフレームに、Ｓｎ−０〜３．５Ａｇ−５〜１０Ｃｕ−１〜４Ｂｉ−０．００１〜０．１Ｔｉ（ｍａｓｓ％）半田で接合していることを特徴とする半導体装置。
  3. 前記請求項１又は２に記載した半導体装置において、前記セラミックス基板、もしくは、前記リードフレームは、Ｎｉ系めっきを施した配線を有していることを特徴とする半導体装置。
  4. 前記請求項３に記載した半導体装置において、Ｓｎ−０〜３．５Ａｇ−５〜１０Ｃｕ−１〜４Ｂｉ−０．００１〜０．１Ｓｉ（ｍａｓｓ％）半田又はＳｎ−０〜３．５Ａｇ−５〜１０Ｃｕ−１〜４Ｂｉ−０．００１〜０．１Ｔｉ（ｍａｓｓ％）半田による接合部の厚さが５０〜５００μｍであることを特徴とする半導体装置。
  5. 前記請求項１又は２に記載した半導体装置において、前記パワー半導体素子として、ＳｉＣもしくはＧａＮを用いることを特徴とする半導体装置。
  6. 前記請求項１又は２に記載した半導体装置において、前記パワー半導体素子を、Ｚｎ−Ａｌにより、前記セラミックス基板もしくは前記リードフレームに接合していることを特徴とする半導体装置。
  7. 前記請求項１又は２に記載した半導体装置において、前記パワー半導体素子を、焼結Ａｇにより、前記セラミックス基板もしくは前記リードフレームに接合していることを特徴とする半導体装置。
  8. 前記請求項１又は２に記載した半導体装置において、前記パワー半導体素子を、Ｃｕ−Ｓｎ系金属間化合物により、前記セラミックス基板もしくは前記リードフレームに接合していることを特徴とする半導体装置。
  9. セラミックス基板上に接合したパワー半導体素子をベースに接合し、又は、パワー半導体素子をリードフレームに接合して製造される電力用半導体装置を製造するための半田であって、
    Ｓｎに対して、０〜３．５（ｍａｓｓ％）のＡｇ、５〜１０（ｍａｓｓ％）のＣｕ、１〜４（ｍａｓｓ％）のＢｉ、０．００１〜０．１（ｍａｓｓ％）のＳｉを含んでいることを特徴とする電力用半導体装置を製造するための半田。
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