JP6632589B2 - 接合構造体およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、高い信頼性を確保できる接合構造体等に関する。
モータ駆動用インバータ等には、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のデバイス（半導体素子）を、絶縁基板や電極等の上に実装したパワーモジュールが用いられる。
パワーモジュールの信頼性を確保するため、デバイスの作動温度（耐熱性）の向上やその放熱性の向上等に加えて、デバイスの接合部（周辺）に生じる熱膨張係数（ＣＴＥ：coefficient of thermal expansion）差（ＣＴＥ不整合）に起因した熱応力を緩和したり、その熱応力に対する耐久性（耐熱疲労性）を高めることが重要となる。
特に、ＳｉＣ、ＧａＮ、Ｇａ２Ｏ３等の次世代のデバイスを用いる場合、従来以上に高温域（例えば１５０℃以上）で使用されることが予想される。また、車載用パワーモジュールでは、搭載自由度の向上や軽量化を図るために小型化が進められているため、デバイスやその周辺部（接合部）の温度はさらに上昇傾向にある。
このような事情の下、パワーモジュールのさらなる信頼性の向上を図れる接合構造体に関する提案が下記の特許文献でなされている。
特許文献１は、低融点金属と高融点金属を反応させ、低融点金属よりも高融点な金属間化合物（ＩＭＣ：intermetallic compound）を生成させて、その金属間化合物により部材間の接合を行う固液相互拡散接合（単に「ＳＬＩＤ（Solid Liquid InterDiffusion）接合」という。）を行うことを前提に、熱応力緩和性や耐熱疲労性の向上を図れる接合構造体を提案している。
具体的にいうと、第１部材（半導体素子）の接合層の外周囲に、高延性な金属からなる補強層（Ａｌ層）へ直結する誘導を設けることを提案している。これにより、温度サイクル下等で発生し易いクラックは、補強層内へ優先的に誘導され、補強層内を伝播するようになる。これにより、熱応力の緩和に加えて、耐熱疲労性の向上も図られようになる。
ところで、本発明者がさらに研究したところ、補強層の材質（純Ａｌの純度）により、緩和される熱応力や耐熱疲労性（耐熱性、耐久性）に相違があることを見出した。この様子を図３Ａ〜図３Ｂに示した。
具体的にいうと、特許文献１に記載された接合構造体（図３Ａ）を製作した。その際、補強層を構成する純Ａｌの純度を種々変更した。各接合構造体を温度サイクル試験（低温状態と高温状態を一定間隔で繰り返す試験）に供した。この試験中に各デバイス（ＳｉＣ）に作用する最大応力（熱応力）を、デバイスに内蔵したひずみゲージにより測定した。その結果を図３Ｂにまとめて示した。また、その試験前後におけるデバイスの接合状態を図３Ｃにまとめて示した。なお、図３Ｃ中、◎：優、○：良、×：劣を意味する。
なお、温度サイクル試験は、低温状態（−４０℃）と高温状態（２００℃）を５００サイクル繰り返して行った。また、各図中に示した「Ｎ」は純度を示す指標であり、２Ｎ：純度９９質量％、４Ｎ：純度９９．９９質量％をそれぞれ意味する。
図３Ｂおよび図３Ｃから明らかなように、補強層（Ａｌ）を設けることにより、応力緩和性と耐熱疲労性が高次元で両立される。但し、それらの程度は、補強層を構成するＡｌの純度により異なる。具体的にいうと、図３Ｂから明らかなように、概ね高純度なＡｌを用いるほど、熱応力は緩和され易いといえる。一方、図３Ｃから明らかなように、概ね低純度なＡｌを用いるほど、耐久性（耐熱疲労性）は確保され易いといえる。このように、特許文献１で提案されている接合構造体の信頼性のさらなる向上を図る場合、応力緩和性と耐熱疲労性が背反関係となり得ることが新たにわかった。
本発明はこのような事情に鑑みて為されたものであり、信頼性のさらなる向上を図れる接合構造体を提供することを目的とする。
本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究した結果、補強層を構成する第３金属の純度を領域により変化させることを着想した。これを具現化すると共に、それを発展させることにより、以降に述べる本発明を完成するに至った。
《接合構造体》
（１）本発明は、第１部材と、該第１部材と接合され得る第２部材と、該第１部材と該第２部材を接合する接合部と、を備える接合構造体であって、前記接合部は、少なくとも第１部材側に、前記第１部材の被接合面上に設けられた第１金属からなる被覆層と、該第１金属と該第１金属よりも低融点な第２金属との金属間化合物からなり該被覆層に接合している接合層と、第３金属からなる補強層と、該第１金属からなり該接合層と該補強層とに接合している中間層と、該金属間化合物からなると共に該中間層を介さずに該補強層に直結している誘導部とを備え、前記補強層は、前記第１部材側に前記第３金属の純度が低い低純度域と、前記第２部材側に該第３金属の純度が高い高純度域とを少なくとも有する接合構造体である。
（１）本発明は、第１部材と、該第１部材と接合され得る第２部材と、該第１部材と該第２部材を接合する接合部と、を備える接合構造体であって、前記接合部は、少なくとも第１部材側に、前記第１部材の被接合面上に設けられた第１金属からなる被覆層と、該第１金属と該第１金属よりも低融点な第２金属との金属間化合物からなり該被覆層に接合している接合層と、第３金属からなる補強層と、該第１金属からなり該接合層と該補強層とに接合している中間層と、該金属間化合物からなると共に該中間層を介さずに該補強層に直結している誘導部とを備え、前記補強層は、前記第１部材側に前記第３金属の純度が低い低純度域と、前記第２部材側に該第３金属の純度が高い高純度域とを少なくとも有する接合構造体である。
（２）本発明の接合構造体は、第３金属からなる補強層と、その補強層に中間層を介さずに直結された金属間化合物からなる誘導部とを備えると共に、さらに、その補強層が第１部材側に第３金属の低純度域と第２部材側に第３金属の高純度域とを有する。これにより本発明の接合構造体は、従来よりも応力緩和性と耐熱疲労性をより高次元で両立できるようになり、一層高い信頼性を発揮するようになる。この理由は次のように考えられる。
低純度域は、高純度域と比較して、主金属元素（Ａｌ等）以外の不純物元素（合金元素を含む）を多く含む。このため、低純度域の結晶粒サイズは、相対的に小さくなり易い。また、その不純物元素は、固溶強化や、微細な析出化合物となってピン留め効果等を発揮し得る。従って、低純度域は、高純度域よりも、強度または硬さが高い状態となる。
このような低純度域に誘導部を介してクラックが導入されても、クラックは、微細に分散した結晶粒や析出化合物により進展が阻止され易い。従って、第１部材側にある低純度域により、クラックの進展が抑制されて、より高い耐熱疲労性が確保される。
一方、高純度域は、低純度域と比較して不純物元素が少なく、第３金属が有する本来の高延性または高靱性が発揮され易い。つまり、高純度域は、低純度域よりも弾性変形能や塑性変形能が高く、応力緩和性に優れる。従って、第２部材側にある高純度域により、高い応力緩和性が確保される。
こうして低純度域と高純度域を備える補強層を有する本発明の接合構造体は、耐熱疲労性と応力緩和性が一層高次元で両立されて、従来よりも一層高い信頼性を発揮するようになったと考えられる。
《その他》
（１）本明細書では、説明の便宜上、第１、第２または第３という呼称を用いており、第１部材側に接合部を形成する場合について説明している。第２部材側の接合構造は、第１部材側と同じでも、異なってもよい。通常、第１部材側が高温側（発熱側）であり、第２部材側が低温側（放熱側）となる。
（１）本明細書では、説明の便宜上、第１、第２または第３という呼称を用いており、第１部材側に接合部を形成する場合について説明している。第２部材側の接合構造は、第１部材側と同じでも、異なってもよい。通常、第１部材側が高温側（発熱側）であり、第２部材側が低温側（放熱側）となる。
（２）本明細書でいう強度、延性または靱性は、日本工業規格（ＪＩＳ）に準拠して決定される。例えば、延性は応力−ひずみ曲線図における降伏点から破断に至るまでの塑性変形量（ひずみ量）に基づき定める。各特性は室温域におけるものである。
第３金属は、第１金属よりも高延性であると好ましいが、さらに、第１金属よりもヤング率（縦弾性率／室温域）が低いものであるとよい。通常、低ヤング率な金属は、高延性または高靱性であり補強層（第３層）に相応しい。
（３）特に断らない限り本明細書でいう「ｘ〜ｙ」は下限値ｘおよび上限値ｙを含む。本明細書に記載した種々の数値または数値範囲に含まれる任意の数値を新たな下限値または上限値として「ａ〜ｂ」のような範囲を新設し得る。
本発明の構成要素に、本明細書中から任意に選択した一以上の構成要素を付加し得る。本明細書で説明する内容は、本発明の接合構造体のみならず、その製造方法にも該当し得る。「方法」に関する構成要素は「物」に関する構成要素ともなり得る。
《第１金属と第２金属》
中間層（第１層）となる第１金属と、第１金属とＩＭＣ（単相）を生成する第２金属とは種々考えられる。第１金属と第２金属の組合わせは、接合構造体の耐熱温度、接合工程中の加熱温度、熱膨張係数等を考慮して選択される。
中間層（第１層）となる第１金属と、第１金属とＩＭＣ（単相）を生成する第２金属とは種々考えられる。第１金属と第２金属の組合わせは、接合構造体の耐熱温度、接合工程中の加熱温度、熱膨張係数等を考慮して選択される。
第１金属として、Ｎｉ、Ｃｕ，Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、等やそれらの合金がある。第２金属として、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｚｎ等やそれらの合金がある。好例として、第１金属をＮｉまたはＣｕとし、第２金属をＳｎとするとよい。Ｎｉの融点は約１４５０℃、Ｃｕの融点は約１０８５℃、Ｓｎの融点は約２３０℃である。
例えば、Ｎｉ層（第１層、中間層、被覆層）とＳｎ層（第２層）を接触させつつ、例えば、約３５０℃で５分間程度加熱すると、ニッケルスズ（ＮｉＳｎ）というＩＭＣ単相が得られる。このＮｉＳｎ（ＩＭＣ）の融点は約７９５℃である。従って、第１金属をＮｉ、第２金属をＳｎとする組合わせは、例えば、ＳｉＣ等からなる次世代半導体素子（第１部材）を用いたパワーモジュール（接合構造体）のように、１５０℃以上の耐熱性が必要とされる一方で、接合工程時の加熱温度を４００℃以下にする必要がある場合に有効である。
第１金属／第２金属の他の組合わせとして、Ｃｕ／Ｓｎ、Ａｇ／Ｓｎ、Ｐｔ／Ｓｎ／、Ａｕ／Ｓｎ等がある。なお、接合材側にある中間層（第１層）と、第１部材側にある被覆層とは、異種な第１金属よりも同種の第１金属からなると好ましい。
《第３金属》
補強層（第３層）となる第３金属も種々考えられる。例えば、高延性や低ヤング率に加えて、熱伝導性や電導性に優れる純ＡｌまたはＡｌ合金（両者を併せて単に「Ａｌ系金属」ともいう。）、純ＣｕまたはＣｕ合金（両者を併せて単に「Ｃｕ系金属」ともいう。）が第３金属として好ましい。
補強層（第３層）となる第３金属も種々考えられる。例えば、高延性や低ヤング率に加えて、熱伝導性や電導性に優れる純ＡｌまたはＡｌ合金（両者を併せて単に「Ａｌ系金属」ともいう。）、純ＣｕまたはＣｕ合金（両者を併せて単に「Ｃｕ系金属」ともいう。）が第３金属として好ましい。
《補強層》
補強層は、第３金属からなるが、少なくとも、その純度が異なる第１部材側の低純度域と第２部材側の高純度域を有する。例えば、第３金属が純Ａｌである場合を考えると、低純度域がＡｌ（２Ｎ）なら、高純度域はそれよりも高純度なＡｌ（３Ｎ）〜Ａｌ（５Ｎ）、特にＡｌ（４Ｎ）を用いると好ましい。なお、本明細書では、適宜、純度を「Ｎ」を用いて示す。例えば、２Ｎは、その金属全体を１００質量％として、主金属元素以外の不純物元素の合計量が１質量％未満（純度９９％）であることを意味し、４Ｎはその不純物元素の合計量が０．０１質量％未満（純度９９．９９％）であることを意味する。
補強層は、第３金属からなるが、少なくとも、その純度が異なる第１部材側の低純度域と第２部材側の高純度域を有する。例えば、第３金属が純Ａｌである場合を考えると、低純度域がＡｌ（２Ｎ）なら、高純度域はそれよりも高純度なＡｌ（３Ｎ）〜Ａｌ（５Ｎ）、特にＡｌ（４Ｎ）を用いると好ましい。なお、本明細書では、適宜、純度を「Ｎ」を用いて示す。例えば、２Ｎは、その金属全体を１００質量％として、主金属元素以外の不純物元素の合計量が１質量％未満（純度９９％）であることを意味し、４Ｎはその不純物元素の合計量が０．０１質量％未満（純度９９．９９％）であることを意味する。
補強層は、低純度域と高純度域で純度（不純物元素（合金元素を含む）の量）が異なる限り、その全体が純金属でも良いし、その全体が合金でも良いし、低純度域が合金で高純度域が純金属でもよい。
もっとも、補強層は全体的に、中間層や被覆層よりも高延性（さらには低強度）であると好ましいことから、合金を用いる場合でも、合金元素（不純物元素含む）の合計量は３質量％以下さらには２質量％以下であると好ましい。例えば、Ａｌ合金を用いる場合なら、合金元素量が比較的少ない３０００番系Ａｌ合金（例えばＡ３００３）や５０００番系Ａｌ合金（例えばＡ５０５２）等を用いるとよい。なお、本明細書では、主金属元素以外の元素（不純物元素と合金元素の両方）の合計量が１質量％以上のものを「Ａｌ合金」という。
補強層は、例えば、第１部材側から第２部材側にかけて第３金属の純度が段階的に高くなる多層構造とできる。多層構造は、第１部材側の低純度層と第２部材側の高純度層との２層でもよいし、さらに、それらの中間の純度からなる中純度層を少なくとも１層有する３層以上からなってもよい。さらに補強層は、例えば、第３金属の純度が第１部材側から第２部材側にかけて、ほぼ連続的に高くなる傾斜構造でもよい。
このような補強層は、例えば、純度の異なる第３金属板（箔）同士の貼合せ（クラッド）、純度の異なる第３金属の順次蒸着、第３金属板（箔）上への異純度の第３金属のメタライズ等により製造できる。
《誘導部》
誘導部は、第１部材の外周囲側に形成されても、その被接合面内に形成されてもよい。いずれの場合でも、誘導部は、ほぼ同時に生成される接合層と連なっていると好ましい。
誘導部は、第１部材の外周囲側に形成されても、その被接合面内に形成されてもよい。いずれの場合でも、誘導部は、ほぼ同時に生成される接合層と連なっていると好ましい。
誘導部は、少なくとも一箇所以上あれば良い。例えば、複数の孤立した誘導部が点在していてもよいし、線状または環状に連続した誘導部が一以上配置されていてもよいし、それらが組み合わされてもよい。
《接合構造体の形態》
本発明の接合構造体には様々な形態が考えられる。接合構造体の好例は、発熱源である半導体素子を、金属電極（リードフレーム、スペーサ、基板の金属配線等）に接合したパワーモジュールである。半導体素子は、例えば、ＣＴＥが３〜７ｐｐｍ／ＫであるＳｉ、ＳｉＣ、ＧａＮ等からなり、金属電極は、例えば、ＣＴＥが１５〜２５ｐｐｍ／ＫであるＣｕ系金属またはＡｌ系金属からなる。
本発明の接合構造体には様々な形態が考えられる。接合構造体の好例は、発熱源である半導体素子を、金属電極（リードフレーム、スペーサ、基板の金属配線等）に接合したパワーモジュールである。半導体素子は、例えば、ＣＴＥが３〜７ｐｐｍ／ＫであるＳｉ、ＳｉＣ、ＧａＮ等からなり、金属電極は、例えば、ＣＴＥが１５〜２５ｐｐｍ／ＫであるＣｕ系金属またはＡｌ系金属からなる。
本発明の接合構造体の一例であるパワーモジュールについて、具体的な形態を示すことにより、本発明をさらに詳しく説明する。
次の内容はいずれの形態のパワーモジュールにも共通している。第１部材は、ＳｉＣからなるＩＧＢＴ等のチップ（デバイス、半導体素子）であり、その表面にＮｉ（第１金属）で被覆（メタライズ）された電極面（被覆層）がある。
第２部材は、金属電極（リードフレーム、スペーサ等）を構成するＣｕ板であり、その表面（被接合面）にもＮｉがメタライズされた電極面がある。接合材は、Ａｌ（第３金属）箔からなる第３層を中心に、その両面側にＮｉからなる第１層と、さらにそれらの両面側にＳｎ（第２金属）からなる第２層とが順に形成されている。
チップや金属電極は、図示しないＤＢＣ（Direct Brazed Copper）基板やＤＢＡ（Direct Brazed Aluminum）基板等に実装される。本実施例（各図）に示した上下方向は、鉛直方向に対する上下方向である。但し、それらの方向と、実際にパワーモジュールが製造される時または使用される時の上下方向は異なっていてもよい。
［第１実施例］
（１）パワーモジュールＭ１について、接合前→加熱過程（接合工程）→接合後の各様子を図１に示した。接合前のパワーモジュールＭ１は、ＳｉＣからなるチップ１０（第１部材）とその下面側にあるＮｉが成膜された電極面１１とその上面側にあるＮｉが成膜された電極面１３と電極面１３の外周囲に設けられた絶縁層（ＳｉＮ）１２を有する半導体素子１と、Ｃｕ板２０（第２部材）とその上にＮｉが成膜された電極面２１を有する金属電極２と、接合シート３からなる。
（１）パワーモジュールＭ１について、接合前→加熱過程（接合工程）→接合後の各様子を図１に示した。接合前のパワーモジュールＭ１は、ＳｉＣからなるチップ１０（第１部材）とその下面側にあるＮｉが成膜された電極面１１とその上面側にあるＮｉが成膜された電極面１３と電極面１３の外周囲に設けられた絶縁層（ＳｉＮ）１２を有する半導体素子１と、Ｃｕ板２０（第２部材）とその上にＮｉが成膜された電極面２１を有する金属電極２と、接合シート３からなる。
接合シート３は、Ａｌ（箔）からなる層３０（第３層）と、その両面側に形成されたＮｉからなる層３１１、３２１（第１層）と、それらの両面側にそれぞれ形成されたＳｎからなる層３１２、３２２（第２層）とを有する。なお、接合シート３の占有面積は、金属電極２よりも小さいが、半導体素子１よりは大きくなっている。
層３０は、半導体素子１側にあるＡｌ（２Ｎ）の低純度層３０ａと、金属電極２側にあるＡｌ（４Ｎ）の高純度層３０ｂとを有する２層構造となっている。層３０は、例えば、Ａｌ（２Ｎ）箔とＡｌ（４Ｎ）箔を加温・加圧して貼り合わせて製造される。低純度層３０ａと高純度層３０ｂの厚みは、適宜調整され得るが、例えば、低純度層３０ａ：２０〜５０μｍ、高純度層３０ｂ：５０〜８０μｍとすると好ましい。なお、低純度層３０ａと高純度層３０ｂは、一方を構成する所望純度のＡｌ箔に、異なる純度の純ＡｌまたはＡｌ合金を蒸着（スパッタ等）させて他方を構成してもよい。
（２）半導体素子１と金属電極２の接合は次のようになされる。上側から下側に向けて順番に、半導体素子１、接合シート３および金属電極２を積層して配置する。半導体素子１と金属電極２で接合シート３を挟持した状態の積層体（挟持体）を、不活性雰囲気（真空雰囲気を含む）や活性雰囲気（水素雰囲気、還元雰囲気等）の加熱炉に入れて、所定の反応温度まで加熱して、一定時間保持する。例えば、挟持する圧力（加圧量）を０．５ＭＰａとして、還元雰囲気の電気炉中で、３５０℃×５分間加熱するとよい。
その昇温過程中に、接合シート３の層３１２、３２２が先ず溶融する。これにより、電極面１１と層３１１の間および電極面２１と層３２１の間で、溶融したＳｎが濡れ拡がる。層３１２、３２２の厚さと上記加圧量を調整することにより、Ｓｎの濡れ拡がる領域を制御できる。
電極面１１と層３１１の間の溶融Ｓｎは、電極面１１の外周囲側へ滲み出して層３１１上に漏出して溜まる。電極面２１と層３２１の間の溶融Ｓｎは、層３２１の外周囲側へ滲み出して、電極面２１上に漏出して溜まる。
この状態でさらに昇温されると、層３１２が溶融してできたＳｎは、電極面１１および層３１１と固液相互拡散（ＳＬＩＤ）反応を生じて、ＮｉＳｎ（ＩＭＣ／固相）からなる接合層４１４を形成する。このとき電極面１１と層３１１は、一部が残存して、それぞれ層４１１と層４３１１になる。こうしてチップ１０と層３０は、層４１１と層４３１１（中間層）を介して、接合層４１４で接合された状態となる。
このＳＬＩＤ反応の際、層３１２から溶融し、チップ１０の外周囲端側へ漏出して層３１１の外周域上に溜まった溶融Ｓｎは、層３１１と反応して、層４３１１（中間層）を介さずに、層３０の上面に直結したＩＭＣからなる外側誘導部４３１４を形成する。
また、層３２２が溶融してできたＳｎは、電極面２１および層３２１と反応して、ＩＭＣからなる接合層４２４を形成する。このとき電極面２１と層３２１は、一部が残存して、それぞれ層４２１と層４３２１になる。こうしてＣｕ板２０と層３０は、層４２１と層４３２１（中間層）を介して、接合層４２４により接合された状態となる。
このＳＬＩＤ反応の際、接合シート３の外周囲端側へ漏出して電極面２１の外周域上に溜まった溶融Ｓｎは、電極面２１（Ｎｉ層）と反応して、層４２１（中間層）を介さずに、Ｃｕ板２０の上面に直結したＩＭＣからなる外周誘導部４３２４を形成する。
こうして、最上層である層４１１から最下層である層４２１までの各層により構成された接合部４により、チップ１０（第１部材）とＣｕ板２０（第２部材）が接合されたパワーモジュールＭ１が得られる。
ところで、パワーモジュールＭ１は、接合部４の略中央にＡｌからなる層３０を有し、層３０はさらに低純度層３０ａと高純度層３０ｂからなる。これにより、チップ１０とＣｕ板２０のＣＴＥ不整合等により生じる熱応力は、層３０、特に高純度層３０ｂにより緩和される。また、その熱応力により外側誘導部４３１４を通じて層３０にクラックが生じるとしても、低純度層３０ａによりそのクラックの進展は抑制される。こうしてパワーモジュールＭ１は、低純度層３０ａと高純度層３０ｂを有する層３０を中心とした接合部４を有することにより、従来以上に、応力緩和性と耐熱疲労性に優れたものとなり、一層高い信頼性を発揮し得る。
［第２実施例］
パワーモジュールＭ１と形態が異なるパワーモジュールＭ２について、接合前→加熱過程（接合工程）→接合後の各様子を図２に示した。なお、既述した部材または部位については、同符号を付することによりそれらの説明を適宜省略する。
パワーモジュールＭ１と形態が異なるパワーモジュールＭ２について、接合前→加熱過程（接合工程）→接合後の各様子を図２に示した。なお、既述した部材または部位については、同符号を付することによりそれらの説明を適宜省略する。
（１）パワーモジュールＭ２について、接合前→加熱過程（接合工程）→接合後の各様子を図２に示した。接合前のパワーモジュールＭ２も、ＳｉＣからなるチップ１０（第１部材）とその上にＮｉが成膜された電極面１１と電極面１１の外周囲に設けられた絶縁層（ＳｉＮ）１２を有する半導体素子１と、Ｃｕ板２０（第２部材）とその下にＮｉが成膜された電極面２１を有する金属電極２と、接合シート３からなる。
接合シート３は、Ａｌ（箔）からなる層３０（第３層）と、その両面側に形成されたＮｉからなる層３１１、３２１（第１層）と、それらの両面側にそれぞれ形成されたＳｎからなる層３１２、３２２（第２層）とを有する。本実施例の層３０も、半導体素子１側にあるＡｌ（２Ｎ）の低純度層３０ａと、金属電極２側にあるＡｌ（４Ｎ）の高純度層３０ｂとからなる。
接合シート３の占有面積は、金属電極２よりも大きいが、半導体素子１よりは小さい。但し、本実施例に係る電極面１１と電極面２１は略同じ大きさ（面積）であり、Ｎｉからなる電極面１１の外縁は、接合シート３（層３１１等）の外縁よりも内側になっている。
（２）半導体素子１と金属電極２の接合も、既述した加熱処理によりなされる。但し、本実施例では、昇温過程中に接合シート３の層３１２、３２２が溶融してできたＳｎの濡れ拡がる領域は、層３１２、３２２の厚さと上述した加圧量を調整することにより、ほぼ、層３１１、３２１または層３０の存在範囲（領域）内に制御されている。
電極面２１と層３２１の間の溶融Ｓｎは、電極面２１の外周囲側へ滲み出して、層３２１上に漏出して溜まる。一方、電極面１１と層３１１の間の溶融Ｓｎは、電極面１１の外周囲側へ滲み出すが、層３１１の外周囲端を超えて漏出することはなく、層３１１の外周域と絶縁層１２との間に留まる。
この状態でさらに昇温されると、層３１２が溶融してできたＳｎは、電極面１１および層３１１と固液相互拡散（ＳＬＩＤ）反応を生じて、ＮｉＳｎ（ＩＭＣ／固相）からなる接合層４１４を形成する。このとき電極面１１と層３１１は、一部が残存して、それぞれ層４１１と層４３１１になる。こうしてチップ１０と層３０は、層４１１と層４３１１（中間層）を介して、接合層４１４で接合された状態となる。
このＳＬＩＤ反応の際、層３１１の外周域は、絶縁層１２に対面しており、その領域に電極面１１（Ｎｉ層）は存在しない。このため、その外周域内において、層３１２からできた溶融Ｓｎは、層３１１とのみ反応して、層４３１１（中間層）を介さずに、層３０の下面に直結したＩＭＣからなる誘導部４３１４が形成されるようになる。要するに、クラックを誘導する誘導部４３１４がチップ１０側に接合されることはない。
また、層３２２が溶融してできたＳｎは、電極面２１および層３２１と反応して、ＩＭＣからなる接合層４２４を形成する。このとき電極面２１と層３２１は、一部が残存して、層４２１と層４３２１になる。こうしてＣｕ板２０と層３０は、層４２１と層４３２１（中間層）を介して、接合層４２４で接合された状態となる。
なお、層３２１の外周域上に、電極面２１（Ｎｉ層）は存在しない。このため層３２２からできた溶融Ｓｎは、Ｃｕ板２０の外周囲端側へ漏出して、層３２１の外周域上に溜まる。この溶融Ｓｎは、層３２１と反応して、層４３２１（中間層）を介さずに、層３０の上面に直結したＩＭＣからなる誘導部４３２４を形成する。
こうして、最下層である層４１１から最上層である層４２１までの各層により構成された接合部４により、チップ１０（第１部材）とＣｕ板２０（第２部材）が接合されたパワーモジュールＭ２が得られる。
パワーモジュールＭ２が、ある程度継続した高温下と低温下に繰り返し曝される温度サイクル下にある場合、チップ１０とＣｕ板２０のＣＴＥ不整合による熱応力は、先ず、層３０の高純度層３０ｂにより緩和される。その熱応力によりクラックＣが生じるとしても、そのクラックＣは、層３０に直結している誘導部４３１４を通じて層３０へ誘導される。これによりクラックＣは、チップ１０に生じず、層３０に生じるようになる。しかも、クラックＣは、層３０の低純度層３０ａ側から導入され、あまり進展しない。
こうしてパワーモジュールＭ２でも、低純度層３０ａと高純度層３０ｂを有する層３０を中心とした接合部４を有することにより、従来以上に、応力緩和性と耐熱疲労性に優れたものとなり、一層高い信頼性を発揮し得る。
なお、パワーモジュールＭ２は、例えば、ＩＧＢＴ（チップ１０）のゲート電極にワイヤーボンディングするためのスペースを確保するために、スペーサ（金属電極２０）を設ける両面冷却構造型のパワーモジュール等に好適である。
Ｍ パワーモジュール（接合構造体）
１０ チップ（第１部材）
２０ Ｃｕ板（第２部材）
３ 接合シート
３０ａ 低純度層（低純度域）
３０ｂ 高純度層（高純度域）
４ 接合部
１０ チップ（第１部材）
２０ Ｃｕ板（第２部材）
３ 接合シート
３０ａ 低純度層（低純度域）
３０ｂ 高純度層（高純度域）
４ 接合部
Claims (5)
- 第１部材と、
該第１部材と接合され得る第２部材と、
該第１部材と該第２部材を接合する接合部と、
を備える接合構造体であって、
前記接合部は、少なくとも第１部材側に、
前記第１部材の被接合面上に設けられた第１金属からなる被覆層と、
該第１金属と該第１金属よりも低融点な第２金属との金属間化合物からなり該被覆層に接合している接合層と、
第３金属からなる補強層と、
該第１金属からなり該接合層と該補強層とに接合している中間層と、
該金属間化合物からなると共に該中間層を介さずに該補強層に直結している誘導部とを備え、
前記補強層は、前記第１部材側に前記第３金属の純度が低い低純度域と、前記第２部材側に該第３金属の純度が高い高純度域とを少なくとも有する接合構造体。 - 前記補強層は、前記第１部材側から前記第２部材側にかけて、前記第３金属の純度が段階的に高くなる多層構造または該第３金属の純度が連続的に高くなる傾斜構造を有する請求項１に記載の接合構造体。
- 前記第３金属は、ＡｌまたはＡｌ合金である請求項１または２に記載の接合構造体。
- 前記第１金属は、ＮｉまたはＣｕであり、
前記第２金属は、Ｓｎである請求項１〜３のいずれかに記載の接合構造体。 - 前記第１部材は半導体素子であり、
前記第２部材は金属電極である請求項１〜４のいずれかに記載の接合構造体。
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