JP6379170B2

JP6379170B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JP6379170B2
Application number: JP2016252439A
Authority: JP
Inventors: 重信関根
Original assignee: 有限会社ナプラ
Priority date: 2016-12-27
Filing date: 2016-12-27
Publication date: 2018-08-22
Anticipated expiration: 2036-12-27
Also published as: JP2018103222A

Description

本発明は、半導体素子と、前記半導体素子と接続される接続部材と、を有する半導体装置に関するものである。

近年、ＳｉＣ（炭化珪素）を用いたＳｉＣ半導体素子の開発が進められている。
ＳｉＣ半導体素子はＳｉ半導体素子に比較して絶縁破壊電界強度が高く、バンドギャップが広いため、大電力を制御するパワーデバイスとして注目されている。ＳｉＣ半導体素子は、Ｓｉ半導体素子の限界を超える１５０℃以上の高温においても動作が可能であり、理論的には５００℃以上でも動作が可能とされている（特許文献１参照）。
このようなパワーデバイスは、長時間にわたって高温動作状態が継続し、しかも、高温動作状態から低温停止状態へと大きな温度変動を伴うなど、過酷な環境下で使用される。したがって、半導体素子およびこれと接続される接続部材を有する半導体装置では、両者の接合を形成する接合部に対し、長期にわたり高い接合強度を維持するとともに、優れた耐熱性も要求される。
しかし、従来より知られた接合材は、必ずしも、上述した要求を満たし得るものではなかった。

例えば、特許文献２に開示されている半導体装置では、到底上述した要求を満たすことができない。
すなわち、特許文献２には、高温時に接続強度の維持を目的として、半導体装置の電極と実装基板の電極とを、Ｃｕボールを有する接続部により接続し、かつＣｕボール同士を金属間化合物Ｃｕ_６Ｓｎ_５によって連結する電子機器が開示されている。
しかし特許文献２に開示された技術では、接続部においてＣｕが一方向に結晶成長し、長軸結晶を生成し、これがウィスカとなってクラック現象が生じ、電気的特性を阻害したり、耐久性が悪化する等の問題点があった。

特開２０１１−８０７９６号公報特開２００２−２６１１０５号公報

したがって本発明の目的は、半導体素子と、前記半導体素子と接続される接続部材と、を有する半導体装置において、前記半導体素子と前記接続部材との接合を形成する接合部が、長期にわたって高い耐熱性、接合強度および機械的強度を維持し、かつ良好な電気的特性も維持可能な半導体装置を提供することにある。

上述した課題を解決するため、本発明に係る半導体装置は、半導体素子と、前記半導体素子と接続される接続部材と、を有し、前記半導体素子と前記接続部材との接合を形成する接合部は、ＳｎおよびＣｕからなる金属間化合物とＳｎ合金を含む金属マトリクスとを有し、前記金属間化合物は、前記金属マトリクス中に分散し、前記金属マトリクスは、Ｃｕボールを実質上含まない、ことを特徴としている。

また、前記金属マトリクスは、Ｓｎ単体を実質上含まないことが好適である。

本発明に係る半導体装置における接合部は、ＳｎおよびＣｕからなる金属間化合物がＳｎ合金を含む金属マトリクス中に分散するとともにＣｕボールが金属マトリクス中に実質上存在しないものである。これにより、高温の曝露によってＣｕが一方向に長軸結晶として生成する（ウイスカ）ことがなく、イオンマイグレーションの抑制がはかれることで、接合部でのクラック現象を防止できまた、Ｓｎ単体が金属マトリクス中に実質上存在しないことにより、高温の曝露によってＳｎも結晶成長することがなく、このＳｎの結晶成長に基づくクラック現象も防止することができる。
さらに、接合部は金属間化合物による高温耐熱性と、金属マトリクスによる柔軟性とを兼ね備えることになる。
以上から、長時間にわたって高温動作状態が継続する等の過酷な環境下で使用された場合でも、長期にわたって高い耐熱性、接合強度および機械的強度を維持し、かつ良好な電気的特性も維持可能な半導体装置を提供することができる。

本発明における接合部の構造を説明するための模式断面図である。８Ｃｕ・９２Ｓｎの金属粒子の電子顕微鏡写真である。金属粒子の製造に好適な製造装置の一例を説明するための図である。本発明における接合部の断面の電子顕微鏡写真である。ＳＡＣはんだを用いて形成した従来技術の接合部の断面の電子顕微鏡写真である。

以下、本発明をさらに詳しく説明する。
図１は、本発明における接合部の構造を説明するための模式断面図である。
図１において、接合部３００は、対向配置された基板１００、５００に形成された金属/合金体１０１、５０１（図１ではＣｕ電極）を接合する。接合部３００は、金属間化合物としてＣｕ_６Ｓｎ_５を含み（その他Ｃｕ_３Ｓｎ）、金属マトリクスとしてＳｎ合金（例えば４質量％Ｃｕ及び９６質量％Ｓｎからなる合金を含む）を含み、金属間化合物Ｃｕ_６Ｓｎ_５が金属マトリクス中に分散し、金属マトリクスは、Ｃｕボールを実質上含まない。

Ｃｕボールとは、特許文献２で開示されたような従来の接合部に含まれ、電極間のスペーサーとしての役割を果たし、球形である場合、その平均粒径は例えば１０μｍ〜１００μｍである。Ｃｕボールの形状は、球状以外にも、表面に凹凸を有するもの、棒状であるもの、樹枝状であるもの等が挙げられる。なお、Ｃｕボールが球形以外の形状である場合、その平均粒径は、投影面積円相当径（投影像の面積が最大となるときの当該面積と等しい面積の円の直径）とする。Ｃｕボールは接合部の電気的特性、耐熱性、強度に寄与するものであるが、一方では、本発明者の検討によれば上述のように高温の曝露によって一方向に長軸結晶として生成し（ウイスカ）、接合部でのクラック現象の一因となっている。

ここで、本明細書で言う「Ｃｕボールを実質上含まない」とは、接合部３００中のＣｕボールの割合が３質量％以下であることを意味する。該割合は、好ましくは１質量％以下、さらに好ましくは０．１質量％以下、とくに好ましくは０質量％である。Ｃｕボールの割合は、接合部３００の断面の電子顕微鏡写真を撮影し、任意に５０か所サンプリングし、画像解析し、Ｃｕボールが接合部３００中にどの程度存在するのかを調べ、質量換算することにより求めることができる。

また本発明では、前記金属マトリクスは、Ｃｕ単体を実質上含まないことが好適である。本明細書で言う「Ｃｕ単体を実質上含まない」とは、ＣｕボールおよびＣｕボールとしての形状を示さないＣｕ単体の割合が、接合部３００中で３質量％以下であることを意味する。該割合は、好ましくは１質量％以下、さらに好ましくは０．１質量％以下、とくに好ましくは０質量％である。すなわち、Ｃｕ単体はほとんどがＳｎ−Ｃｕ合金または金属間化合物としてとして金属マトリクス中に拡散していることが望ましい。Ｃｕ単体の割合は、X線回折データー装置で定性分析することにより求めることができる。

接合部３００がＣｕボールおよびＣｕ単体を上記のように実質上含まないことにより、高温の曝露によってＣｕが一方向に長軸結晶として生成する（ウイスカ）ことがなく、接合部でのクラック現象を防止できる。

また、前記金属マトリクスは、Ｓｎ単体を実質上含まないことが好適である。本明細書で言う「Ｓｎ単体を実質上含まない」とは、Ｓｎの割合が接合部３００中で３質量％以下であることを意味する。該割合は、好ましくは１質量％以下、さらに好ましくは０．１質量％以下、とくに好ましくは０質量％である。すなわち、Ｓｎ単体はほとんどがＳｎ−Ｃｕ合金として金属マトリクス中に拡散し消失している。Ｓｎ単体の割合は、X線回折データー装置で定性分析することによりデーターベースに依り求めることができる。このようにＳｎ単体が金属マトリクス中に実質上存在しないことにより、高温の曝露によってＳｎも結晶成長することがなく、このＳｎの結晶成長に基づくクラック現象も防止することができる。

基板１００，５００は、半導体素子を備え、例えばパワーデバイスなどの電子・電気機器を構成する基板であり、金属/合金体１０１，５０１は、電極、バンプ、端子またはリード導体などとして、基板１００，５００に一体的に設けられている接続部材である。パワーデバイスなどの電子・電気機器では、金属/合金体１０１，５０１は、一般にはＣｕまたはその合金として構成される。もっとも、基板１００，５００に相当する部分が、金属/合金体で構成されたものを排除するものではない。

次に本発明における接合部の形成方法について説明する。
該接合部は、ＣｕとＳｎとを組み合わせた金属粒子により形成することができる。該金属粒子としては、８質量％Ｃｕ及び９２質量％Ｓｎの組成（以下８Ｃｕ・９２Ｓｎと称する）の金属粒子が挙げられる。
この８Ｃｕ・９２Ｓｎの金属粒子の電子顕微鏡写真を図２に示す。図２の金属粒子は、その表面の一部がレーザで薄く研磨されている。
図２の金属粒子は、その表面の一部がレーザによって表面からおよそ０．１μｍまで研磨されている。
８Ｃｕ・９２Ｓｎの金属粒子Ｍは、図２から理解されるように、黒色で示す金属マトリクス中に、金属間化合物ＣｕxＳｎyが、網目状１２１、点状又は膜状１２２等の形態をとっている。金属間化合物ＣｕxＳｎyは、実際には、３次元構造を形成している。金属間化合物ＣｕxＳｎyのサイズは、図２に図示されたスケール表示に照らして、ｎｍサイズ（１μｍ以下）のものが含まれている。
すなわち、金属粒子Ｍは、金属マトリクス中に分布するナノコンポジット３次元構造を形成する多数のナノサイズの金属間化合物を有している。ここでナノコンポジット３次元構造とは、金属粒子Ｍの１／１０以下のナノスケールサイズの結晶で３次元構造となっているものをいう。
８Ｃｕ・９２Ｓｎの金属粒子Ｍは、図２から理解されるように、その表面付近に金属間化合物Ｃｕ_６Ｓｎ_５の網目状の構造を形成している。

このような金属粒子は、例えば窒素ガス雰囲気中で、高速回転する皿形ディスク上に、Ｃｕ８質量％とＳｎ９２質量％からなる組成の溶融金属を供給して強制的に作られた遠心場内に遠心力等により小滴として飛散させた溶融金属がその制御された環境状況下で急速冷却固化過程で強制的に自己組織化させることにより得ることができる。

金属粒子の製造に好適な製造装置の一例を図３を参照して説明する。粒状化室１は上部が円筒状、下部がコーン状になっており、上部に蓋２を有する。蓋２の中心部には垂直にノズル３が挿入され、ノズル３の直下には皿形回転ディスク４が設けられている。符号５は皿形回転ディスク４を上下に移動可能に支持する機構である。また粒状化室１のコーン部分の下端には生成した粒子の排出管６が接続されている。ノズル３の上部は粒状化する金属を溶融する電気炉（高周波炉）７に接続されている。混合ガスタンク８で所定の成分に調整された雰囲気ガスは配管９及び配管１０により粒状化室１内部及び電気炉７上部にそれぞれ供給される。粒状化室１内の圧力は弁１１及び排気装置１２、電気炉７内の圧力は弁１３及び排気装置１４によりそれぞれ制御される。ノズル３から皿形回転ディスク４上に供給された金属は皿形回転ディスク４による遠心力と回転軸沿いからの吹き上げ気流が作り出す平行気流環境遠心場内での作用で微細な液滴状になって飛散し、冷却されて固体粒子になる。生成した固体粒子は排出管６から自動フィルター１５に供給され分別される。符号１６は微粒子回収装置である。

高速回転体が円盤状又は円錐状の場合尚遠心場が無い場合は、溶融金属が回転体のどの位置に供給されるのかによって溶融金属にかかる遠心力が大きく異なるので、粒の揃った球状粉体を得にくい。だが回転シャフト下部から不活性ガスを吹き上げデスク下部に充て遠心力にて均一な気流を造り回転中心から２ｍ範囲内に遠心場を作り出す事にて高速回転する皿形ディスク上に供給した場合は、その皿形の周縁位置における均一な遠心力を受け粒の揃った小滴に分散して飛散する。飛散した小滴は遠心場雰囲気ガス中で急速に冷却し、固化した小粒となって落下し、回収される。

溶融金属は急速冷却固化中に自己組織化され、個々の微小粒子が前記ナノコンポジット構造を有する金属粒子となる。

皿形ディスクの回転数が高くなるほど、得られた金属粒子の径は小さくなる。内径３５ｍｍ、深さ５ｍｍの皿形ディスクを用いた場合、平均粒径１００μｍ以下の粒子を得るためには毎分１００，０００回転以上とすることが望ましい。これにより、遠心力が大きくなり、Ｓｎよりも軽い金属間化合物が表層に集積し、前記ナノコンポジット構造を形成し易くなる。

また、粒状化室に供給する雰囲気ガスの温度は室温でよいが、粒状化室内の酸素濃度は０ｐｐｍ以下のオーダーにし、かつ、粒状化室内は大気圧に対して１０％あるいはそれ以上の内圧にする必要がある。長時間連続操業する場合には、溶融金属小滴の急冷効果を維持するため、粒状化室内温度が１００℃以下、好ましくは４０℃以下になるように通気量を制御することが望ましい。この急冷工程により、前記網目状のバスケット構造を形成し易くなる。
金属粒子Ｍは例えば直径２０μｍ以下となる。

この８Ｃｕ・９２Ｓｎの金属粒子Ｍをシート状あるいはペースト状に加工し、これを接合すべき２つの部材間で溶融・固化させると、金属粒子Ｍの３次元構造の金属間化合物が分離・再結合し、金属間化合物の新たな３次元構造が形成される。また、金属マトリクスはＣｕボールを実質上含まず、好ましくはＣｕ単体およびＳｎ単体も実質上含まないものとなる。

金属粒子Ｍからなるプリホームシートを得るには、金属粒子Ｍを含む粉末を、たとえば冷間圧接法を用いた金属間接合によって処理することによって得ることができる。冷間圧接法を用いた金属間接合それ自体は、種々知られている。本発明においては、それらの公知技術を適用することができる。例えば、対向する向きに回転する一対の圧接ローラの間に、本発明に係る金属粒子Ｍを含む粉末を供給し、圧接ローラから粉末に対して圧力を加えて、粉末を構成する金属粒子Ｍに金属間接合を生じさせる。実際の処理に当たっては、圧接ローラから粉末に１００℃前後の熱を加えることが望ましい。これにより金属粒子Ｍからなるプリホームシートが得られる。

金属粒子Ｍを含む粉末に対し、冷間圧接法を用いた金属間接合処理を施してプリホームシートを得た場合、プリホームシートの内部では、本発明の金属粒子Ｍ及び他の粒子は、外形形状は変化するものの、粒子の内部構造は、ほぼ、原形を保っている。即ち、プリホームシートは、複数の金属成分によるｎｍサイズの金属間化合物を含むナノコンポジット構造を有する。従って、成形体は、本発明に係る金属粒子の奏する作用効果をそのまま保存している。

次に、プリホームシートを接合すべき２つの部材間に介在させ、焼成（焼き付け処理）することで接合部が形成される。焼き付け処理温度は、例えば２５０℃であり、焼き付け処理時間は適宜調整される。
あるいは、金属粒子Ｍを用いて接合部を効率的に形成するため、例えば、金属粒子Ｍを有機ビヒクル中に混在させた導電性ペーストを形成する。
そして、接合すべき２つの部材の一方の面にこの導電性ペーストを塗布し、焼成（焼き付け処理）することで接合部が形成される。焼き付け処理温度は、例えば２５０℃であり、焼き付け処理時間は適宜調整される。

なお、金属粒子Ｍに存在する金属間化合物は、金属粒子Ｍ全体に対し、３体積％以上８５体積％以下の割合が好ましく、１０体積％以上７５体積％以下の割合がさらに好ましい。このような金属粒子Ｍによれば、さらに耐熱性に優れた高信頼性及び高品質の接合部が得られる。

ちなみに、上記のように調製したプリホームシートを接合すべき２つの部材間に介在させ、２５０℃で焼成した厚さ40μｍの焼成済シートの３５０℃の高温保持試験（ＨＴＳ）では、試験開始時から約１００時間までは、せん断強度が約６０ＭＰaから約８０ＭＰａまで上昇し、１００時間超の時間領域では、ほぼ７０ＭＰａで安定するという試験結果が得られた。

また、上記焼成済シートの（-55〜２００℃）の冷熱サイクル試験（ＴＣＴ）では、約２００サイクルを超えたあたりから、全サイクル（１０００サイクル）に渡って、せん断強度が約５０ＭＰaで安定するという試験結果が得られた。

図４は、上記条件で作製した接合部の常温で１日間保管した後の状態（図４（ａ））と、該接合部を２２０℃で１５０時間保管した後の状態（図４（ｂ））の断面の電子顕微鏡写真である。図４（ａ）から、金属マトリクスはＣｕボールを実質上含まないことが確認された。具体的には、接合部中にＣｕボールは０質量％であった。また、上記に示した方法で接合部中のＣｕ単体およびＳｎ単体をそれぞれ測定したところ、両者共に０質量％であった。
また図４（ｂ）から、接合部を高温で曝露した後であってもＣｕが一方向に長軸結晶として生成する（ウイスカ）が確認されず、かつ、Ｓｎの結晶成長も確認されず、接合部でのクラック現象を防止できることが示唆された。

一方、図５はＳＡＣ（９６．５Ｓｎ３Ａｇ０．５Ｃｕ）はんだを用いて形成した従来技術の接合部の常温で１日間保管した後の状態（図５（ａ））と、該接合部を２２０℃で１５０時間保管した後の状態（図５（ｂ））の断面の電子顕微鏡写真である。図５（ａ）から金属マトリクス中にＣｕボールの存在が確認できる。また、該接合部を２２０℃で１５０時間保管した後では（図５（ｂ））、ウイスカおよびＳｎの結晶成長が確認され、接合部にクラック現象が発生したことが分かる。

以上、添付図面を参照して本発明を詳細に説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、当業者であれば、その基本的技術思想および教示に基づき、種々の変形例を想到できることは自明である。

Ｍ金属粒子
１粒状化室
２蓋
３ノズル
４回転ディスク
５回転ディスク支持機構
６粒子排出管
７電気炉
８混合ガスタンク
９配管
１０配管
１１弁
１２排気装置
１３弁
１４排気装置
１５自動フィルター
１６微粒子回収装置
１００，５００基板
１０１，５０１金属/合金体
１２１，１２２金属間化合物
３００接合部

Claims

半導体素子と、前記半導体素子と接続される接続部材と、を有する半導体装置であって、
前記半導体素子と前記接続部材との接合を形成する接合部は、
ＳｎおよびＣｕからなる金属間化合物とＳｎ合金を含む金属マトリクスとを有し、
前記金属間化合物は、前記金属マトリクス中に分散し、
前記金属マトリクスは、ＣｕボールおよびＳｎ単体を含まない、
半導体装置。