JP6119553B2 - 電力用半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電力用半導体チップが焼結金属で接合された電力用半導体装置およびその製造方法に関するものである。

半導体装置の中でも電力用半導体装置は、産業用機器から家電・情報端末まで幅広い機器の主電力（パワー）の制御に用いられ、とくに高い信頼性と小型化が求められている。近年、とくに大電流を流すことができ、高温動作も可能なワイドバンドギャップ半導体材料である例えば炭化珪素（ＳｉＣ）がシリコン（Ｓｉ）に代わる半導体材料として開発が進められている。

一方、これまで用いられてきたはんだでは、高温動作への対応は困難であり、ナノあるいはマイクロレベルの金属微粒子を含むペーストを焼結して得られる焼結金属による接合が高温対応の接合技術として提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１１−７１３０１号公報（段落００２３〜００３２、図１〜図５）

このような焼結金属による接合は、接合時の温度よりも接合後の融点の方が高くなるため、高温運転が想定される電力用半導体装置の信頼性を向上させることが期待できる。しかしながら、焼結金属用のペーストを用いて接合する場合は、所定の接合力を得るためには、原理的に焼結時に加圧力を必要とする。そのため、焼結金属用のペーストを加圧した際に半導体チップの外周に露出したペーストやペースト印刷時に生じる印刷ニジミのある部分は焼結時に圧力の掛からない無加圧状態となり、以降の工程で端部から脱離しやすい。この脱離物が製品内に残留すると、様々な不具合を引き起こす可能性があり、信頼性を阻害する要因となっていた。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、高温運転に対応し、かつ信頼性の高い電力用半導体装置およびその製造方法を得ることを目的とする。

本発明の電力用半導体装置は、矩形板状の電極基板と、前記電極基板の厚さ方向において前記電極基板上に接合される電力用半導体チップと、前記電極基板と前記電力用半導体チップとの間に介在すると共に、前記電極基板と前記電力用半導体チップとを前記厚さ方向において接合し、第１の金属を少なくとも含む微細粒子の第１の焼結金属層と、前記電極基板と前記電力用半導体チップとの前記厚さ方向における間に位置し、前記電極基板と前記厚さ方向において接し、前記第１の金属とは異なる第２の金属を少なくとも含む凝固金属層と、前記厚さ方向において前記凝固金属層を介して前記電極基板に対向する位置に配置してあり、前記厚さ方向に垂直な前記電極基板の縦幅または横幅方向において前記第１の焼結金属層と接し、前記第１の金属を少なくとも含む微細粒子の第２の焼結金属層と、前記厚さ方向において前記凝固金属層と前記第２の焼結金属層とに接し、前記縦幅または横幅方向において前記第１の焼結金属層に接し、前記第１の金属と前記第２の金属とを少なくとも含む拡散金属層とを備え、前記凝固金属層は、前記縦幅または横幅方向において前記電極基板または前記第１の焼結金属層に接し、前記電力用半導体チップ、前記第１の焼結金属層、および前記電極基板は、前記電力用半導体チップが接合されるチップ領域において、前記厚さ方向に沿って前記電力用半導体チップ、前記第１の焼結金属層、前記電極基板の順に配置され、前記第２の焼結金属層、前記拡散金属層、前記凝固金属層および前記電極基板は、前記チップ領域の外周側において、前記厚さ方向に沿って前記第２の焼結金属層、前記拡散金属層、前記凝固金属層、前記電極基板の順に配置されることを特徴とする。

また、本発明の電力用半導体装置の製造方法は、矩形板状の電極基板と第１の金属を少なくとも含む微細粒子の第１の焼結金属層を介して前記電極基板へ前記電極基板の厚さ方向に接合される電力用半導体チップとを準備する工程と、前記電極基板上において前記電力用半導体チップが接合されるチップ領域の外周側の範囲に前記第１の金属とは異なる第２の金属を少なくとも含む金属部を設置する工程と、前記チップ領域上と前記金属部上とに前記第１の金属を含有するペーストを印刷する工程と、前記ペースト上において、前記チップ領域と対向する位置に前記電力用半導体チップをマウントする工程と、前記電極基板と前記電力用半導体チップとの間に圧力をかけながら加熱して、前記ペーストの焼結によって前記第１の焼結金属層を形成し、前記金属部の溶融および凝固によって前記第２の金属を少なくとも含む凝固金属層を形成し、前記厚さ方向に垂直な前記電極基板の縦幅または横幅方向において前記第１の焼結金属層と接して前記第１の金属を少なくとも含む微細粒子の第２の焼結金属層を前記焼結によって形成し、前記厚さ方向において前記凝固金属層と前記第２の焼結金属層とに接して前記第１の金属と前記第２の金属とを少なくとも含む拡散金属層を前記溶融および凝固を介して形成し、前記電力用半導体チップと前記電極基板とを接合する工程とを備え、前記拡散金属層が前記縦幅または横幅方向において前記第１の焼結金属層に接し、前記凝固金属層が前記縦幅または横幅方向において前記電極基板または前記第１の焼結金属層に接し、前記電力用半導体チップ、前記第１の焼結金属層、および前記電極基板が前記チップ領域において前記厚さ方向に沿って前記電力用半導体チップ、前記第１の焼結金属層、前記電極基板の順に配置され、前記第２の焼結金属層、前記拡散金属層、前記凝固金属層および前記電極基板が前記外周側において前記厚さ方向に沿って前記第２の焼結金属層、前記拡散金属層、前記凝固金属層、前記電極基板の順に配置された電力用半導体装置を製造することを特徴とする。

本発明によれば、接合過程における焼結時に圧力のかからない部分の端部からの脱離を抑制できるので、高温運転に対応し、かつ信頼性が高い電力用半導体装置を得ることができる。

本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の平面図である。 本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の製造方法における製造工程ごとの平面図および断面図である。 本発明の実施の形態２にかかる電力用半導体装置の平面図である。 本発明の実施の形態２にかかる電力用半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態２にかかる電力用半導体装置の製造方法における製造工程ごとの平面図および断面図である。

実施の形態１．
図１および図２は、本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の構成を示すものであって、図１は平面図、図２は図１におけるＡ−Ａ線による断面図である。図３（Ａ）〜（ｅ）は、本実施の形態にかかる電力用半導体装置の製造方法を説明するためのもので、本実施の形態にかかる電力用半導体装置の平面図（Ａ）〜（Ｅ）及びそれぞれの平面図のＡ−Ａ線による断面図（ａ）〜（ｅ）の製造工程ごとの状態を示す図である。

本実施の形態にかかる電力用半導体装置の基本構成について、図１および図２を用いて説明する。電力用半導体装置１００は、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）等のセラミックス板を絶縁基材とし、両面に銅（Ｃｕ）の電極がろう付け処理された上面が平坦な電極基板４２を備える。電極基板４２は、縦幅１０ｍｍ×横幅１０ｍｍの矩形であり、厚さは０．５ｍｍである。電極基板４２上には、高温動作も可能なワイドバンドギャップ半導体材料である炭化珪素（ＳｉＣ）等を用いた電力用半導体チップ１０が実装されている。電力用半導体チップ１０は、縦幅５ｍｍ×横幅５ｍｍの矩形であり、厚さは０．３ｍｍである。なお、電極基板４２及び電力用半導体チップ１０の寸法は一例であって、以下で説明する大小関係が成り立てば他の寸法であっても良いのは言うまでもない。

そして、上面が平坦な電極基板４２上にあって、電力用半導体チップ１０の配置領域直下の外周側、すなわち図１の上面視で電極基板４２の電力用半導体チップ１０が接合されたチップ領域の外周側であると共に、図２の断面視で平坦な電極基板４２の上面に、すずめっきが溶けて凝固した凝固金属層３１が備えられている。具体的には、凝固金属層３１は、上面が平坦な電極基板４２の表面上に接して設けられている。凝固金属層３１の内周は、縦幅６ｍｍ×横幅６ｍｍの矩形であり、縦幅横幅共に電力用半導体チップ１０よりも１ｍｍだけ大きくしているが、チップと同じ寸法でも問題ない。また、凝固金属層３１の外周は、縦幅８ｍｍ×横幅８ｍｍの矩形である。凝固金属層３１の厚さは、上面視で後述する焼結金属層２１で隠れていないところは、３〜５μｍで、上面視で後述する焼結金属層２１で隠れているところは拡散金属層５０が存在する分薄くなっている。

そして、図２の断面視で上面が平坦な電極基板４２と電力用半導体チップ１０との間に位置し、凝固金属層３１に内包される領域には、ナノあるいはマイクロレベルの銀（Ａｇ）微粒子が焼結した第１の焼結金属層２１ａが備えられている。また、図２の断面視で凝固金属層３１上に位置し、第１の焼結金属層２１ａの外周側にも同じ微粒子が焼結した第２の焼結金属層２１ｂが備えられている。第１の焼結金属層２１ａ及び第２の焼結金属層２１ｂからなる焼結金属層２１の外周は、縦幅７ｍｍ×横幅７ｍｍであり、電極基板４２上の凝固金属層３１の内周４辺を内包するように配置されている。そして、図２の断面視で凝固金属層３１と第２の焼結金属層２１ｂとの間には拡散金属層５０が形成されている。第１の焼結金属層２１ａの厚さは２０〜２００μｍである。第２の焼結金属層２１ｂの厚さは、拡散金属層５０および凝固金属層３１が存在する分薄くなっている。

電力用半導体チップ１０は、例えば、スイッチング素子としてＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を用いた場合、裏面にはコレクタ電極が形成され、主面（表面）には主電力電極であるエミッタ電極と、制御電極であるゲート電極が形成されている。さらに、電力用半導体チップ１としては、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）の他、整流素子であるＳＢＤ（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ Ｂａｒｒｉｅｒ ｄｉｏｄｅ）などを用いることができる。

なお、電極基板４２の電極及び電力用半導体チップ１０の表面側には、外部回路との電気接続を行うための図示しない電極端子等が設けられている。電極基板４２の電極には、電力用半導体チップ１０で発生した熱を除去するために、図示しない冷却部材が設けられている。そして、電力用半導体チップ１０は図示しない封止樹脂で覆われていることが一般的に行われている。

次に、本実施の形態にかかる電力用半導体装置１００の製造方法について図３を用いて説明する。まず、図３の（Ａ）および（ａ）において、上面が平坦な電極基板４０（縦幅１０ｍｍ×横幅１０ｍｍ）上の電力用半導体チップ１０が配置されるチップ領域１（設置領域：縦幅５ｍｍ×横幅５ｍｍ）の周辺にすずめっきを施したすずめっき層３０を形成する。すずめっき層３０の内周は、縦幅６ｍｍ×横幅６ｍｍの矩形であり、縦幅横幅共に電力用半導体チップ１０よりも１ｍｍだけ大きくしているが、チップと同じ寸法でも問題ない。また、すずめっき層３０の外周は、縦幅８ｍｍ×横幅８ｍｍの矩形である。すずめっき層３０の厚さは、３〜５μｍである。

次に、図３の（Ｂ）および（ｂ）に示すように、電極基板４０上のすずめっき層３０の内周を内包するように、メタルマスクを用いて、縦幅７ｍｍ×横幅７ｍｍの範囲にマイクロあるいはナノレベルの銀（Ａｇ）粒子を含む焼結金属用のペーストを印刷し、ペースト層２０を形成する。図３（ｂ）において便宜的に、ペースト層２０の内、下部に電極基板４０のみが介在している部分を第１のペースト層２０ａと呼び、下部にすずめっき層３０および電極基板４０が介在している部分を第２のペースト層２０ｂと呼ぶこととする。第１のペースト層２０ａの電極基板４０からの厚みは、後述する焼結後の段階で２０〜２００μｍである。第２のペースト層２０ｂは、すずめっき層３０の存在により、厚さは薄くなっている。なお、ペースト層２０を形成する上で、ペーストの印刷パターン及び印刷回数は問わない。また、焼結金属用のペーストに含まれる金属粒子は、銀に限ることなく、電力用半導体チップ１０と電極基板４０とを接合できるのであれば、他の材料であってもよい。印刷においてニジミが発生したが、すずめっきの外周サイズ縦幅８ｍｍ×横幅８ｍｍの領域の範囲内であった。

焼結金属用のペースト印刷後、ペースト層２０上に、図３の（Ｃ）および（ｃ）に示すように、高温動作も可能なワイドバンドギャップ半導体材料である炭化珪素（ＳｉＣ）等を用いた電力用半導体チップ１０をマウントする。電力用半導体チップ１０は、縦幅５ｍｍ×横幅５ｍｍの矩形であり、厚さは０．３ｍｍである。

そして、図３の（Ｃ）および（ｃ）に示された状態で、電力用半導体チップ１０を押圧することで、ペースト層２０の内、電力用半導体チップ１０と電極基板４０とに挟まれた部分に１〜１０ＭＰａの圧力をかけながら、２５０〜３００℃に加熱する。その結果、図３の（Ｄ）および（ｄ）に示されているように、ペースト層２０が焼結することで焼結金属層２１が得られる。なお、図３の（Ｄ）および（ｄ）における電極基板４１は、加熱により表面が酸化した電極基板４０を示している。

そして、ペースト層２０の一部である第１のペースト層２０ａが加熱により焼結することで、電極基板４１と電力用半導体チップ１０とを接合する第１の焼結金属層２１ａが得られる。また、ペースト層２０の一部である第２のペースト層２０ｂが加熱により焼結することで、第２の焼結金属層２１ｂが得られる。さらに、加熱することで、すずめっき層３０が溶融・凝固し、凝固金属層３１が得られるとともに、凝固金属層３１と第２の焼結金属層２１ｂとの界面に拡散金属層５０が形成される。この結果、第２の焼結金属層２１ｂの厚さは、拡散金属層５０および凝固金属層３１が存在する分、第１の焼結金属層２１ａよりも薄くなっている。第２の焼結金属層２１ｂは、無加圧状態である電力用半導体チップ１０の外周に露出したペーストやペースト印刷時に生じる印刷ニジミのある部分を含んでいるが、拡散金属層５０の存在により、凝固金属層３１を介して電極基板４１と強固に密着し凝固する。

次に、図３の（Ｅ）および（ｅ）に示すように、電力用半導体チップ１０が接合された電極基板４１に除去剤を用いて湿式超音波洗浄を５分間実施し、電極基板４１上の酸化膜を除去することで、電極基板４２が得られる。なお、除去剤で酸化膜を除去する方法に代えて、ペーストに銅酸化膜還元剤を添加してもよく、その場合は、酸化膜は自然酸化膜程度の薄い被膜であるので印刷後に還元されることで、酸化膜は消失する。

ここで、電極基板４０上にすずめっき層３０を形成する必要性を、以下述べる。本発明の課題である、加圧・加熱時に圧力の掛からない無加圧状態である電力用半導体チップ１０の外周に露出したペーストやペースト印刷時に生じる印刷ニジミのある部分を含む第２の焼結金属層２１ｂが電極基板４０から脱離することを防止するためには、電極基板４０と焼結金属の密着性を向上する必要がある。無加圧部分の密着性を向上させるためには、電極基板４０上に例えばめっきにより金（Ａｕ）や銀（Ａｇ）を形成する方法がある。金や銀は貴金属であり、電極表面が銅の場合と比較して、焼結時の表面酸化の影響が軽減され焼結金属との密着性は向上すると思われる。ただし、電極表面材質が銅の場合よりは密着性が向上するものの、無加圧下での固相間接合となるため、信頼性の高い密着を得ることは難しい。

この課題を解決するには、銅電極基板上にすずまたはすず系はんだを配置し、電力用半導体チップ１０と電極基板４０との焼結時の熱によりそれらを溶融・凝固させることが有効である。溶融・凝固処理により、凝固金属層３１と第２の焼結金属層２１ｂとの界面に拡散金属層５０が得られる。これにより、第２の焼結金属層２１ｂは拡散金属層５０と凝固金属層３１を介して銅電極基板と接合され、強固で信頼性の高い密着性を得ることができ、焼結金属層２０の端部から剥離することが抑制されている。また、溶融・凝固処理により、凝固金属層３１と電極基板４１との間についても、界面で反応して密着に固着している。ただし、電極基板４１上であっても、すずめっき層３０を電力用半導体チップ１０が配置されるチップ領域１に形成すると、チップ通電時の発熱の影響を大きく受けて、すずの拡散が進行し、析出物の生成等の組織変化が生じる。その結果、焼結金属による接合の本来の特長である高パワーサイクル耐性が損なわれることになる。よって、電力用半導体チップ１０が配置される領域１（設置領域：縦幅５ｍｍ×横幅５ｍｍ）の周辺にすずめっきにより厚さ３〜５μｍのすずめっき層３０を形成する。なお、すずめっき層３０の形成方法について、上記の条件を満たすならば被覆方法は問わない。なお、この条件を満たす金属であれば、すずに限らない。

また、ここでは、電力用半導体チップ１０は、縦幅５ｍｍ×横幅５ｍｍの矩形としている。そして、すずめっき層３０の内周は、縦幅６ｍｍ×横幅６ｍｍの矩形であり、縦幅横幅共に電力用半導体チップ１０よりも１ｍｍだけ大きくしているが、すずめっき層３０の内周の大きさがチップサイズより大きい場合であっても、無加圧部分の端側にある焼結金属層２１である第２の焼結金属層２１ｂの存在により、焼結金属層２１は拡散金属層５０と凝固金属層３１を介して電極基板４１と接合され、強固で信頼性の高い密着性を得ることができる。なお、すずめっき層３０の内周は、チップと同じ寸法でも問題ないことはいうまでもない。

比較例として、電極基板４０上の電力用半導体チップ１０の配置領域の外周側周辺にすずめっき層３０を形成せずに接合を行い、電力用半導体装置を作成した結果、焼結銀の脱離物が検出された。

以上のように、本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置によれば、上面が平坦な電極基板と電極基板上に搭載された電力用半導体チップと、電極基板と電力用半導体チップとの間に介在すると共に、電極基板と電力用半導体チップとを接合し、第１の金属を少なくとも含む微細粒子の第１の焼結金属層と、上面視で電極基板の電力用半導体チップが接合されたチップ領域の外周側であると共に断面視で電極基板の上面の表面上に形成され、第１の金属とは異なる第２の金属を少なくとも含む凝固金属層と、断面視で凝固金属層上であって、上面視で凝固金属層の領域内に第１の焼結金属層と一体的に設けられ、第１の金属を少なくとも含む微細粒子の第２の焼結金属層と、凝固金属層と第２の焼結金属層との間に介在し、第１の金属と第２の金属とを少なくとも含む拡散金属層とを備えることを特徴として構成したので、焼結時に圧力のかからない部分の脱離を抑制できるので、高温運転に対応し、かつ信頼性が高い電力用半導体装置を得ることができる。

実施の形態２．
実施の形態１にかかる電力用半導体装置１００では、上面が平坦な電極基板４２の上面の表面上に凝固金属層３１を形成する例について説明した。本実施の形態にかかる電力用半導体装置１０１では、切欠き形状の溝を有した電極基板４５に凝固金属層３４を形成する点が実施の形態１とは異なり、それ以外については実施の形態１と同様である。そこで、異なる部分を中心に説明する。

図４および図５は、本発明の実施の形態２にかかる電力用半導体装置の構成を示すものであって、図４は平面図、図５は図４におけるＢ−Ｂ線による断面図である。図６（Ａ）〜（ｇ）は、本実施の形態にかかる電力用半導体装置の製造方法を説明するためのもので、本実施の形態にかかる電力用半導体装置の平面図（Ａ）〜（Ｇ）及びそれぞれの平面図のＢ−Ｂ線による断面図（ａ）〜（ｇ）の製造工程ごとの状態を示す図である。なお、実施の形態１と同様の部分については同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。

本実施の形態にかかる電力用半導体装置の基本構成について、図４および図５において説明する。電力用半導体装置１０１は、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）等のセラミックス板を絶縁基材とし、両面に銅（Ｃｕ）の電極がろう付け処理された電極基板４５を備える。電極基板４５は、縦幅１０ｍｍ×横幅１０ｍｍの矩形であり、厚さは０．５ｍｍである。電極基板４５上には、高温動作も可能なワイドバンドギャップ半導体材料である炭化珪素（ＳｉＣ）等を用いた電力用半導体チップ１０が実装されている。電力用半導体チップ１０は、縦幅５ｍｍ×横幅５ｍｍの矩形であり、厚さは０．３ｍｍである。なお、電極基板４５及び電力用半導体チップ１０の寸法は一例であって、以下で説明する大小関係が成り立てば他の寸法であっても良いのは言うまでもない。

電極基板４５は、電力用半導体チップ１０の配置領域直下の外周側、すなわち図４の上面視で電極基板４５の電力用半導体チップ１０が接合されたチップ領域の外周側に切欠き形状を有する溝を有している。溝の内周は、縦幅６ｍｍ×横幅６ｍｍの矩形であり、縦幅横幅共に電力用半導体チップ１０よりも１ｍｍだけ大きくしているが、チップと同じ寸法でも問題ない。溝の外周は、縦幅８ｍｍ×横幅８ｍｍの矩形である。溝の深さは、電極基板４５の表面から２０〜３０μｍである。そして、形成された溝には、すずが溶けて凝固した凝固金属層３４が形成されている。

そして、図５の断面視で電極基板４５と電力用半導体チップ１０との間に位置し、凝固金属層３４に内包される領域には、ナノあるいはマイクロレベルの銀（Ａｇ）微粒子が焼結した第１の焼結金属層２３ａが備えられている。また、図５の断面視で凝固金属層３４上に位置し、第１の焼結金属層２３ａの外周側にも同じ微粒子が焼結した第２の焼結金属層２３ｂが備えられている。第１の焼結金属層２３ａおよび第２の焼結金属層２３ｂからなる焼結金属層２３の外周は、縦幅７ｍｍ×横幅７ｍｍであり、電極基板４５上の凝固金属層３４の内周４辺を内包するように配置されている。そして、図５の断面視で凝固金属層３４と第２の焼結金属層２３ｂとの間には拡散金属層５１が形成されている。焼結金属層２３ａの厚さは２０〜２００μｍである。焼結金属層２３ｂの厚さは、拡散金属層５１が存在する分薄くなっている。

次に、本実施の形態にかかる電力用半導体装置１０１の製造方法について図６を用いて説明する。まず、図６の（Ａ）および（ａ）において、電極基板４３（縦幅１０ｍｍ×横幅１０ｍｍ）の上面の表面のうち、電力用半導体チップ１０が配置されるチップ領域２（設置領域：縦幅５ｍｍ×横幅５ｍｍ）の周辺領域にエッチング加工により切欠き形状を有する溝を形成する。溝の内周は、縦幅６ｍｍ×横幅６ｍｍの矩形であり、縦幅横幅共に電力用半導体チップ１０よりも１ｍｍだけ大きくしているが、チップと同じ寸法でも問題ない。また、溝の外周は、縦幅８ｍｍ×横幅８ｍｍの矩形である。溝の電極基板４３からの深さは、２０〜３０μｍである。

次に、図６の（Ｂ）および（ｂ）に示すように、上記溝に、融点が接合温度以下のすず系鉛フリーはんだボールを用いて、すずを充填したすず系鉛フリーはんだ層３２を形成する。すず系鉛フリーはんだボールを用いたのは、溝へのすずの充填に対して作業性が良いからであるが、同様の効果を有するものであれば、すず系鉛フリーはんだボールに限られない。

次に、図６の（Ｂ）および（ｂ）に示された状態で、還元リフロー装置により溝内のはんだボールを融解凝固させることで、図６の（Ｃ）および（ｃ）に示すように、融解すず系鉛フリーはんだ層３３が得られる。はんだは液相拡散反応により電極基板４３の銅と強固に密着する。また還元リフロー装置のため電極基板４３は酸化しておらず、後述する焼結によるチップ接合を阻害することはない。

次に、図６の（Ｄ）および（ｄ）に示すように、電極基板４３の溝に形成された融解すず系鉛フリーはんだ層３３の内周を内包するように、縦幅７ｍｍ×横幅７ｍｍの範囲にメタルマスクを用いて、マイクロあるいはナノレベルの銀（Ａｇ）粒子を含む焼結金属用のペーストを印刷し、ペースト層２２を形成する。図６（ｄ）において便宜的に、ペースト層２２の内、下部に電極基板４３のみが介在している部分を図６（ｄ）において第１のペースト層２２ａと呼び、下部に融解すず系鉛フリーはんだ層３３および電極基板４３が介在している部分を第２のペースト層２３ｂと呼ぶこととする。ペースト層２２の電極基板４３からの厚みは、後述する焼結後の段階で２０〜２００μｍである。なお、ペースト層２２を形成する上で、ペーストの印刷パターン及び印刷回数は問わない。また、焼結金属は銀に限ることなく、電力用半導体チップ１０と電極基板４３とを接合できるのであれば、他の材料であってもよい。印刷においてニジミが発生したが、すずめっきの外周サイズ縦幅８ｍｍ×横幅８ｍｍの領域の範囲内であった。

焼結金属用のペースト印刷後、ペースト層２２上に、図６の（Ｅ）および（ｅ）に示すように、高温動作も可能なワイドバンドギャップ半導体材料である炭化珪素（ＳｉＣ）等を用いた電力用半導体チップ１０をマウントする。電力用半導体チップ１０は、縦幅５ｍｍ×横幅５ｍｍの矩形であり、厚さは０．３ｍｍである。

そして、図６の（Ｅ）および（ｅ）に示された状態で、電力用半導体チップ１０を押圧することで、ペースト層２２の内、電力用半導体チップ１０と電極基板４３とに挟まれた部分に１〜１０ＭＰａの圧力をかけながら、２５０〜３００℃に加熱する。その結果、図３の（Ｆ）および（ｆ）に示されているように、ペースト層２２が焼結することで焼結金属層２３が得られる。なお、図６の（Ｆ）および（ｆ）における電極基板４４は、加熱により表面が酸化した電極基板４３を示している。

そして、ペースト層２２の一部である第１のペースト層２２ａが加熱により焼結することで、電極基板４４と電力用半導体チップ１０とを接合する第１の焼結金属層２３ａが得られる。また、ペースト層２２の一部である第２のペースト層２２ｂが加熱により焼結することで、第２の焼結金属層２３ｂが得られる。さらに、加熱することで、融解すず系鉛フリーはんだ層３３が溶融・凝固し、凝固金属層３４が得られるとともに、凝固金属層３４と第２の焼結金属層２３ｂとの界面に拡散金属層５１が形成される。この結果、第２の焼結金属層２３ｂの厚さは、拡散金属層５１が存在する分、第１の焼結金属層２３ａよりも薄くなっている。第２の焼結金属層２３ｂは、無加圧状態である電力用半導体チップ１０の外周に露出したペーストやペースト印刷時に生じる印刷ニジミのある部分を含んでいるが、拡散金属層５１の存在により、凝固金属層３４を介して電極基板４５と強固に密着し凝固する。

さらに、図６の（Ｇ）および（ｇ）に示すように、電力用半導体チップ１０が接合された電極基板４４に除去剤を用いて湿式超音波洗浄を５分間実施し、電極基板４４上の酸化膜を除去することで、電極基板４５が得られる。なお、除去剤で酸化膜を除去する方法に代えて、ペーストに銅酸化膜還元剤を添加してもよく、その場合は、酸化膜は自然酸化膜程度の薄い被膜であるので印刷後に還元されることで、酸化膜は消失する。

比較例として、電極基板４３の電力用半導体チップ１０の配置領域外周側周辺に形成された溝にすず系鉛フリーはんだ層３２形成せずに接合を行い、電力用半導体装置を作成した結果、焼結銀の脱離物が検出された。

以上のように、本発明の実施の形態２にかかる電力用半導体装置によれば、所定領域に切欠き形状の溝が形成された電極基板と、電極基板上に搭載された電力用半導体チップと、電極基板と電力用半導体チップとの間に介在すると共に、電極基板と電力用半導体チップとを接合し、第１の金属を少なくとも含む微細粒子の第１の焼結金属層と、溝中に形成され、第１の金属とは異なる第２の金属を少なくとも含む凝固金属層と、断面視で凝固金属層上であって、上面視で凝固金属層の領域内に第１の焼結金属層と一体的に設けられ、第１の金属を少なくとも含む微細粒子の第２の焼結金属層と、凝固金属層と第２の焼結金属層との間に介在し、第１の金属と前記第２の金属とを少なくとも含む拡散金属層とを備えることを特徴として構成したので、焼結時に圧力のかからない部分の脱離を抑制できるので、高温運転に対応し、かつ信頼性が高い電力用半導体装置を得ることができる。

なお、上記各実施の形態においては、電力用半導体チップ１０としては、シリコンウエハを基材とした一般的な素子でも良いが、本発明においては炭化ケイ素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料、またはダイヤモンドといったシリコンと較べてバンドギャップが広い、いわゆるワイドバンドギャップ半導体材料を用い、高耐圧および高温動作が可能な半導体素子を用いた場合に、特に顕著な効果が現れる。特に炭化ケイ素を用いた電力用半導体素子に好適である。

ワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子や整流素子は、ケイ素で形成された素子よりも電力損失が低いため、スイッチング素子や整流素子における高効率化が可能であり、ひいては、電力用半導体装置の高効率化が可能となる。さらに、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、スイッチング素子や整流素子の小型化が可能であり、これら小型化されたスイッチング素子や整流素子を用いることにより、電力用半導体装置も小型化が可能となる。また耐熱性が高いので、高温動作が可能であり、ヒートシンクの放熱フィンの小型化や、水冷部の空冷化も可能となるので、電力用半導体装置の一層の小型化が可能になる。

その際、本発明による効果を発揮することで、ワイドバンドギャップ半導体の特性を活かすことができるようになる。なお、複数の半導体素子全てが、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されていても、一部の半導体素子がワイドバンドギャップ半導体によって形成されていてもよい。

１、２：電力用半導体チップが配置されるチップ領域、１０：電力用半導体チップ、 ２０、２２：ペースト層、２０ａ、２２ａ：第１のペースト層、２０ｂ、２２ｂ：第２のペースト層分、２１、２３：焼結金属層、２１ａ、２３ａ：第１の焼結金属層、 ２１ｂ、２３ｂ：第２の焼結金属層、３０：すずめっき層、３１、３４：凝固金属層、 ３２：すず系鉛フリーはんだ層、３３：融解すず系鉛フリーはんだ層、 ４０、４１、４２、４３、４４、４５：電極基板、５０、５１：拡散金属層、１００：電力用半導体装置。

Claims (10)

1. 矩形板状の電極基板と、
   前記電極基板の厚さ方向において前記電極基板上に接合される電力用半導体チップと、
   前記電極基板と前記電力用半導体チップとの間に介在すると共に、前記電極基板と前記電力用半導体チップとを前記厚さ方向において接合し、第１の金属を少なくとも含む微細粒子の第１の焼結金属層と、
   前記電極基板と前記電力用半導体チップとの前記厚さ方向における間に位置し、前記電極基板と前記厚さ方向において接し、前記第１の金属とは異なる第２の金属を少なくとも含む凝固金属層と、
   前記厚さ方向において前記凝固金属層を介して前記電極基板に対向する位置に配置してあり、前記厚さ方向に垂直な前記電極基板の縦幅または横幅方向において前記第１の焼結金属層と接し、前記第１の金属を少なくとも含む微細粒子の第２の焼結金属層と、
   前記厚さ方向において前記凝固金属層と前記第２の焼結金属層とに接し、前記縦幅または横幅方向において前記第１の焼結金属層に接し、前記第１の金属と前記第２の金属とを少なくとも含む拡散金属層とを備え、
   前記凝固金属層は、前記縦幅または横幅方向において前記電極基板または前記第１の焼結金属層に接し、
   前記電力用半導体チップ、前記第１の焼結金属層、および前記電極基板は、前記電力用半導体チップが接合されるチップ領域において、前記厚さ方向に沿って前記電力用半導体チップ、前記第１の焼結金属層、前記電極基板の順に配置され、
   前記第２の焼結金属層、前記拡散金属層、前記凝固金属層および前記電極基板は、前記チップ領域の外周側において、前記厚さ方向に沿って前記第２の焼結金属層、前記拡散金属層、前記凝固金属層、前記電極基板の順に配置される
   ことを特徴とする電力用半導体装置。
2. 前記第１の焼結金属層が接合される前記電極基板の上面は、平坦であり、
   前記凝固金属層は、前記上面に形成してある
   ことを特徴とする請求項１記載の電力用半導体装置。
3. 前記第１の焼結金属層が接合される前記電極基板の上面は、接合によって前記第１の焼結金属層と前記電極基板とが接する接触領域の外側の位置に前記厚さ方向に窪む溝が形成してあり、
   前記凝固金属層は、前記溝に形成してある
   ことを特徴とする請求項１記載の電力用半導体装置。
4. 前記第１の金属は、銀である
   ことを特徴とする請求項１項記載の電力用半導体装置。
5. 前記第２の金属は、すずである
   ことを特徴とする請求項１項記載の電力用半導体装置。
6. 前記第２の金属は、すずめっきである
   ことを特徴とする請求項１項記載の電力用半導体装置。
7. 前記凝固金属層は、融点が接合温度以下のスズ系鉛フリーはんだ材を含む
   ことを特徴とする請求項１記載の電力用半導体装置。
8. 前記電力用半導体チップは、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料及びダイヤモンドのうちのいずれかであるワイドバンドギャップ半導体材料により形成してある
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
9. 矩形板状の電極基板と第１の金属を少なくとも含む微細粒子の第１の焼結金属層を介して前記電極基板へ前記電極基板の厚さ方向に接合される電力用半導体チップとを準備する工程と、
   前記電極基板上において前記電力用半導体チップが接合されるチップ領域の外周側の範囲に前記第１の金属とは異なる第２の金属を少なくとも含む金属部を設置する工程と、
   前記チップ領域上と前記金属部上とに前記第１の金属を含有するペーストを印刷する工程と、
   前記ペースト上において、前記チップ領域と対向する位置に前記電力用半導体チップをマウントする工程と、
   前記電極基板と前記電力用半導体チップとの間に圧力をかけながら加熱して、前記ペーストの焼結によって前記第１の焼結金属層を形成し、前記金属部の溶融および凝固によって前記第２の金属を少なくとも含む凝固金属層を形成し、前記厚さ方向に垂直な前記電極基板の縦幅または横幅方向において前記第１の焼結金属層と接して前記第１の金属を少なくとも含む微細粒子の第２の焼結金属層を前記焼結によって形成し、前記厚さ方向において前記凝固金属層と前記第２の焼結金属層とに接して前記第１の金属と前記第２の金属とを少なくとも含む拡散金属層を前記溶融および凝固を介して形成し、前記電力用半導体チップと前記電極基板とを接合する工程とを備え、
   前記拡散金属層が前記縦幅または横幅方向において前記第１の焼結金属層に接し、前記凝固金属層が前記縦幅または横幅方向において前記電極基板または前記第１の焼結金属層に接し、前記電力用半導体チップ、前記第１の焼結金属層、および前記電極基板が前記チップ領域において前記厚さ方向に沿って前記電力用半導体チップ、前記第１の焼結金属層、前記電極基板の順に配置され、前記第２の焼結金属層、前記拡散金属層、前記凝固金属層および前記電極基板が前記外周側において前記厚さ方向に沿って前記第２の焼結金属層、前記拡散金属層、前記凝固金属層、前記電極基板の順に配置された電力用半導体装置を製造する
   ことを特徴とする電力用半導体装置の製造方法。
10. 前記第１の金属は銀であり、前記第２の金属はすず、またはすずめっきである
    ことを特徴とする請求項９に記載の電力用半導体装置の製造方法。

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