JP6579551B2 - 合金接合材による接合層構造及びその形成方法、並びに該接合層構造を有する半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
[1]本発明は、被接合材AとBとを合金接合材によって接合し形成される接合層の構造であって、前記合金接合材がZn−Al共析系合金であり、且つ、前記被接合材A及びBと前記合金接合材とのそれぞれの接合面において、どちらか小さな面積を有する方の被接合材の接合面内、又はどちらとも同じ面積を有する被接合材の接合面内に存在する接合層に含まれるAlリッチ相(α相)のデンドライドアームスペーシング(DAS)が0.06μmを超え、0.3μm未満であることを特徴とする合金接合材による接合層構造を提供する。
[2]本発明は、前記被接合材A及びBと前記合金接合材とのそれぞれの接合面において、どちらか小さな面積を有する方の被接合材の接合面内、又はどちらとも同じ面積を有する被接合材の接合面内に存在する接合層が、30質量%を超え97質量%以下のAl−0〜1.5質量%Cu−0〜0.05質量%Mg−Zn系からなる組成を有することを特徴とする前記[1]に記載の合金接合材による接合層構造を提供する。
[3]本発明は、前記[1]又は[2]に記載の接合層の構造を形成するための方法であって、前記被接合材AとBとの間に、17質量%〜30質量%Al−0〜1.5質量%Cu−0〜0.05質量%Mg−Zn系からなるZn−Al共析系合金接合材を介在し、加圧しながら前記接合材を半溶融温度領域に加熱した状態で所望の時間保持する操作を1回又は2回以上繰り返した後に徐冷することを特徴とする接合層構造の形成方法を提供する。
[4]本発明は、前記[1]又は[2]に記載の接合層の構造を形成するための方法であって、前記被接合材AとBとの間に、30質量%を超え97質量%以下のAl−0〜1.5質量%Cu−0〜0.05質量%Mg−Zn系からなるZn−Al共析系合金接合材を介在し、加圧又は無圧の状態で前記接合材を半溶融温度領域に加熱し、所望の時間保持した後に徐冷することを特徴とする接合層構造の形成方法を提供する。
[5]本発明は、前記接合材を半溶融温度領域に加熱した状態で所望の時間保持する操作の前に、超塑性現象を発現する温度領域に加熱した状態で所望の時間保持する操作を行うことを特徴とする前記[3]又は[4]に記載の接合層構造の形成方法を提供する。
[6]本発明は、前記接合材を半溶融温度領域に加熱し、加圧した状態で所望の時間保持し、30質量%を超え97質量%以下のAl−0〜1.5質量%Cu−0〜0.05質量%Mg−Zn系からなる組成を有する接合層構造を形成した後、そのまま加圧した状態で冷却し、変態超塑性点を通過させる操作を行うことを特徴とする前記[3]〜[5]の何れかに記載の接合層構造の形成方法を提供する。
[7]本発明は、半導体基体、該半導体基体に直接又はセラミック基板を介して接合層によって接合された金属基板を備え、前記接合層が前記[1]又は[2]に記載の構造を有することを特徴とする半導体装置を提供する。
[8]本発明は、前記半導体基体がワイドギャップ半導体であることを特徴とする前記[7]に記載の半導体装置を提供する。
[9]本発明は、半導体基体、該半導体基体に直接又はセラミック基板を介して接合層によって接合された金属基板を備え、前記接合層の構造が前記[3]〜[6]の何れかに記載の形成方法によって形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。
[10]本発明は、前記半導体基体がワイドギャップ半導体であることを特徴とする前記[9]に記載の半導体装置の製造方法を提供する。
本発明の接合層構造によって得られる接合部のせん断強度について基礎的な実験を行った。接合材として溶解鋳造して得られた22質量%Al−78質量%Zn系からなるZn−Al共析系合金を用い、図4に示す方法に従って接合部せん断強度測定用の試料を作製した。この実験では、図4に示す半導体素子2を使用する代わりにCu基板/Ni/Cuめっき膜からなる被接合材4を2枚使用した。厚さ60μmのZn−Al共析系合金接合材を前記Cu基板/Ni/Cuめっき膜からなる2枚の被接合材の間に介して、窒素ガス雰囲気中(本実施例においては非酸化性雰囲気であれば良く、窒素の他にも、アルゴン、ヘリウムあるいは水素を含む非酸化性混合ガスを使用することができる。)で加圧しながら250℃10分間保持した後、その状態で390℃まで昇温し、同じ390℃の温度で5分間保持してから室温まで徐冷した。加圧は、5MPa、10MPa及び24MPaの3条件でそれぞれ条件を変えて行った。
比較例1として、本実施例のZn−Al共析系合金接合材の代わりに、従来の高温鉛はんだ(Pb−Sn−Ag)を用いて従来の接合方法にしたがって接合層を形成した。
実施例1で使用したものと同じ接合材(厚さ60μm)及び被接合材を用いて、10〜20MPaの範囲で加圧しながら250℃10分間保持した後、その状態で430〜480℃まで昇温し、同じ430〜480℃の温度で5分間保持してから室温まで徐冷した。
本実施例において、SiC半導体素子とCu/SiN/Cu絶縁基板とを、22質量%Al−78質量%Zn系からなるZn−Al共析系合金の接合材(厚さ60μm)を介して接合して得られる実半導体装置の接合部微細構造及び接合信頼性を評価した。本実施例の実半導体装置は図5に示す構成と構造を有し、SiC半導体素子のサイズは4.7mm×4.7mmである。本実施例によるSiC半導体装置の接合信頼性の結果を、接合プロセスと合わせて図7に示す。
実施例3に示す接合プロセスにおいて、半溶融温度として設定した390℃に代え、450℃にしたときの実半導体装置の接合部微細構造と接合信頼性を実施例3と同じ方法で評価した。本実施例の接合プロセスは、窒素雰囲気中で18MPaに加圧しながら240℃約20分間保持した後、加圧した状態で450℃まで昇温し、その温度で5〜10分間保持してから徐冷を行う方法である。本実施例では、接合面の表面清浄化及び密着化を促進させるため、実施例3と同様に240℃の加熱によってZn−Al共析系合金の超塑性現象を利用した。
実施例3に示す接合プロセスにおいて、半溶融状態を示す390℃の加熱温度に代えて、半溶融状態を示さない温度である300℃を採用して接合したときの実半導体装置の接合部微細構造と接合信頼性を、実施例3と同じ接合材(厚さ60μm)を用いて、同じ方法で評価した。本比較例の接合プロセスは、窒素雰囲気中、18MPaで加圧しながら240℃約20分間保持した後、加圧した状態で300℃まで昇温し、その温度で約20分間保持してから徐冷を行う方法である。この接合プロセスでは、300℃の再加熱時に接合層の変形はほとんど見られず、接合材の厚さも初期の60μmとほとんど同じであった。
本実施例において、Zn−Al共析系合金の接合材を加圧しながら半溶融温度領域に加熱した状態で所望の時間保持する操作を2回以上繰り返すことによって形成される接合構造の例を示す。
実施例3の温度サイクル評価試験において使用したものと同じSiC半導体素子とCu/SiN/Cu絶縁基板を用い、接合材として、22質量%Al−78質量%Zn系を用いて、まず1回目の操作として、実施例4で示すものと同じ条件に従って半溶融温度域の450℃で加圧後、固相温度域の400℃まで冷却した。本操作で接合部の組成は実施例4で示したように50質量%Al−50質量%Zn系からなるZn−Al共析系合金になる。前記組成の接合材は半溶融温度域が470℃から500℃以上に変わることが図1から分かる。そこで2回目の操作として再度窒素ガス雰囲気中、加圧しながら、半溶融温度域の500℃まで昇温し、その温度で20分間保持した後、徐冷した。
本実施例において、SiC半導体素子とCu/SiN/Cu絶縁基板とを、22質量%Al−78質量%Zn系からなるZn−Al共析系合金の接合材(厚さ200μm)を介して接合して得られる実半導体装置の接合部微細構造及び接合信頼性を評価した。本実施例の実半導体装置は、実施例4と同じように、図5に示すものと同じ構成と構造を有する。本実施例によるSiC半導体装置の接合は、実施例4と同じように、図7の(a)に示す温度プロファイルにおいて、超塑性時の温度として240℃に代えて250℃を、拡散接合時の半溶融状態となる温度として390℃に代えて450℃を採用する以外は、図7に示すものと同じプロセスで行った。450℃で接合後、図1に示すgの点から冷却を行い、c3(約350℃)及びd3(277℃)の各変態超塑性点を通過させることによって、本実施例による接合層構造を得た。図8に本実施例による接合プロセスの模式図を示す。
図11は本発明のZn−Al共析系合金接合材を使用したダイオードを示す。図において、7は底部が閉鎖され上端が開放された例えば銅製の円筒状ヒートシンク、8はダイオード機能を備えたシリコンチップ、9は銅−インバー(鉄ニッケル合金)−銅からなる緩衝板、10は円板部10aと円板部から垂直に伸びるリード10bとからなるリード電極で、円筒状ヒートシンク7の底部上にZn−Al共析系合金接合材11を介して緩衝板9が、その上にZn−Al系合金接合材12を介してシリコンチップ8が、その上にZn−Al共析系合金接合材13を介してリード電極4の円板部4aが、それぞれ接合されている。シリコンチップ8、緩衝板9及び円板部10aのZn−Al共析系合金接合材と接する面にはNi−Pめっき膜を形成している。Zn−Al共析系合金接合材11、12,13としては、22質量%Al−78質量%Zn系からなる合金を用い、前記実施例4又は6に示す接合プロセスに従って、円筒状ヒートシンク1と、緩衝板9と、シリコンチップ8と、リード電極10の円板部10aとの接合を行う。また、図11に示す14は円筒状ヒートシンク1内に充填したシリコンゴムである。かかる構成のダイオードは所定数の貫通孔を有する冷却フィンの貫通孔に圧入されて自動車用整流装置に使用される。この種整流装置はエンジンルームに配置され、熱的及び機械的に過酷な環境で使用されることから、高温でかつ機械的強度の高い接合材が要求されている。本発明のZn−Al共析系合金接合材による接合層構造を有することにより、250℃以上の高温に耐え、延性と強度を有する接合部を実現できる。この実施例ではシリコンチップを使用した場合を説明したが、シリコンチップの代わりに炭化珪素(SiC)チップを使用することが出来る。炭化珪素チップは500℃でも安定した特性を保持できることから、接合材が固液共有状態に相変態する温度近くまで使用可能な高温ダイオードを実現できる。
図12、図13及び図14は本発明Zn−Al共析系合金接合材を用いた300A級IGBTモジュールの平面図及び断面図を示したものである。
図12は本発明の一実施例であり、1個の300A級モジュール単位の平面図を示したものである。また、図13は図12のA−Aに沿う断面図、図14は図12のB−B線に沿う断面図である。図において、101は放熱板及び支持板として機能する金属基板、102は金属基板101上に2枚並べて、22質量%Al−78質量%Zn系からなるZn−Al共析系合金接合層103を介して、前記実施例4又は6に示す接合プロセスに従って接合固着された例えばAlNからなるセラミックス基板、104は各セラミックス基板102上に形成した例えばNi/Cuからなる回路層で、回路層104は分離された異なる形状を有する3個の部分、即ち、T字型のコレクタ共通電極となる第1の部分104a、エミッタ電極となる片状の第2の部分104b、ゲート電極となる片状の第3の部分104cからなり、第1の部分104aが中央部に、第1の部分104aの脚部一側に第2の部分104bが、他方側に第3の部分104cが配置されている。第2の部分104b及び第3の部分104cはNi層上にAl層105が形成されている。106はそのアノード側が回路層104の第1の部分104aの脚部上に3個並べて、22質量%Al−78質量%Zn系からなるZn−Al共析系合金接合層107を介して、前記実施例4又は6に示す接合プロセスに従って接合されたIGBTチップ、108はそのカソード側が第1の部分104aの上辺部上に、22質量%Al−78質量%Zn系からなるZn−Al共析系合金接合層109を介して、前記実施例4又は6に示す接合プロセスに従って接合されたダイオードチップ、110はIGBTチップ106のエミッタ層上に形成したAlを主成分とする金属層111と第2の部分104b上のAl層105とを超音波ボンディングによって接続した直径500μmAl−0.1〜1質量%X(Cu、Fe、Mn、Mg、Co、Li、Pd、Ag、Hfから選ばれた少なくとも一種類の金属)ボンディングワイヤ、112はIGBTチップ105のゲート層上に形成したAlを主成分とする金属層113と第3の部分104c上のAl層105とを超音波ボンディングによって接続した直径500μmAl−0.1〜1質量%X(同上)ボンディングワイヤ、114はダイオードチップ108のアノード層上に形成したAlを主成分とする金属層115と第2の部分104b上のAl層105とを超音波ボンディングによって接続したAl−0.1〜1質量%X(同上)ボンディングワイヤである。これによって、1枚のセラミックス基板102上に3個の並列接続されたIGBTチップ106と1個のダイオードチップ108とが逆並列接続された回路要素が形成され、1枚の金属基板101上に2個の回路要素が形成される。インバータを構成する場合には、1枚の金属基板101上の2個の回路要素を直列接続し、これを3個並列接続して、各回路要素の接続点を交流出力端子に、並列接続点を直流入力端子にすればよい。電流容量を増やすときはIGBTチップ106及びダイオードチップ108の並列接続数を増やし、高電圧化するときはIGBTチップ106及びダイオードチップ108の直列接続数を増やせばよい。
図15は本発明のZn−Al共析系合金接合材から形成される接合層構造を有する電力用MOSトランジスタを示す概略断面図である。図において、21は放熱板及び支持板として機能する金属基板、22は金属基板21上に、22質量%Al−78質量%Zn系からなるZn−Al共析系合金接合層23により、前記実施例4に示す接合プロセスに従って接合固着された例えばAlNからなるセラミックス基板、24はセラミックス基板22上に、22質量%Al−78質量%Zn系からなるZn−Al共析系合金接合層25により、前記実施例4又は6に示す接合プロセスに従って接合固着された電力用MOSトランジスタ基体、26、27及び28は電力用MOSトランジスタ基体のアノード領域、カソード領域及びゲート領域に設けられたアルミニウムからなるアノード電極、カソード電極及びゲート電極である。ゲート電極28は当然のことながら絶縁層29を介してゲート領域上に設けられている。30及び31はカソード電極27及びゲート電極28に、22質量%Al−78質量%Zn系からなるZn−Al共析系合金接合層32及び33により、前記実施例4又は6に示す接合プロセスに従って接合固着されたカソード外部電極及びゲート外部電極である。これらカソード外部電極30及びゲート外部電極31は間に、例えば樹脂を充填して一体構造にしてもよい。この実施例の特徴は、カソード電極27及びゲート電極28とカソード外部電極30及びゲート外部電極31をボンディングワイヤを使用せずに直接接合している点にある。この実施例におけるMOSトランジスタ基体24はシリコン及び炭化珪素を使用することが出来る。炭化珪素基体を使用する場合には炭化珪素が500℃でも安定した特性を保持できることから、接合材が固液共有状態に相変態する温度近くまで使用可能な高温MOSトランジスタを実現できる。
2 半導体素子
3 メタライズ部分
4 Cu基板
5 Cuめっき膜
6 相互拡散層
7 円筒状ヒートシンク
8 シリコンチップ
9 緩衝板
10 リード電極
11 Zn−Al共析系合金接合材
12 Zn−Al共析系合金接合材
13 Zn−Al共析系合金接合材
14 シリコーンゴム
Claims (10)
- 被接合材AとBとを合金接合材によって接合し形成される接合層の構造であって、
前記合金接合材がZn−Al共析系合金であり、且つ
前記被接合材A及びBと前記合金接合材とのそれぞれの接合面において、どちらか小さな面積を有する方の被接合材の接合面内、又はどちらとも同じ面積を有する被接合材の接合面内に存在する接合層に含まれるAlリッチ相(α相)のデンドライドアームスペーシング(DAS)が0.06μmを超え、0.3μm未満であることを特徴とする合金接合材による接合層構造。 - 前記被接合材A及びBと前記合金接合材とのそれぞれの接合面において、どちらか小さな面積を有する方の被接合材の接合面内、又はどちらとも同じ面積を有する被接合材の接合面内に存在する接合層は、30質量%を超え97質量%以下のAl−0〜1.5質量%Cu−0〜0.05質量%Mg−Zn系からなる組成を有することを特徴とする請求項1に記載の合金接合材による接合層構造。
- 請求項1又は2に記載の接合層の構造を形成するための方法であって、
前記被接合材AとBとの間に、17質量%〜30質量%Al−0〜1.5質量%Cu−0〜0.05質量%Mg−Zn系からなるZn−Al共析系合金接合材を介在し、加圧しながら前記接合材を半溶融温度領域に加熱した状態で所望の時間保持する操作を1回又は2回以上繰り返した後に徐冷することを特徴とする接合層構造の形成方法。 - 請求項1又は2に記載の接合層の構造を形成するための方法であって、
前記被接合材AとBとの間に、30質量%を超え97質量%以下のAl−0〜1.5質量%Cu−0〜0.05質量%Mg−Zn系からなるZn−Al共析系合金接合材を介在し、加圧又は無圧の状態で前記接合材を半溶融温度領域に加熱し、所望の時間保持した後に徐冷することを特徴とする接合層構造の形成方法。 - 前記接合材を半溶融温度領域に加熱した状態で所望の時間保持する操作の前に、超塑性現象を発現する温度領域に加熱した状態で所望の時間保持する操作を行うことを特徴とする請求項3又は4に記載の接合層構造の形成方法。
- 前記接合材を半溶融温度領域に加熱し、加圧した状態で所望の時間保持し、30質量%を超え97質量%以下のAl−0〜1.5質量%Cu−0〜0.05質量%Mg−Zn系からなる組成を有する接合層構造を形成した後、そのまま加圧した状態で冷却し、変態超塑性点を通過させる操作を行うことを特徴とする請求項3〜5の何れかに記載の接合層構造の形成方法。
- 半導体基体、該半導体基体に直接又はセラミック基板を介して接合層によって接合された金属基板を備え、前記接合層が請求項1又は2に記載の構造を有することを特徴とする半導体装置。
- 前記半導体基体がワイドギャップ半導体であることを特徴とする請求項7に記載の半導体装置。
- 半導体基体、該半導体基体に直接又はセラミック基板を介して接合層によって接合された金属基板を備え、前記接合層の構造が請求項3〜6の何れかに記載の形成方法によって形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
- 前記半導体基体がワイドギャップ半導体であることを特徴とする請求項9に記載の半導体装置の製造方法。
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