JP7108907B2 - 接合材、該接合材を用いた半導体装置の製造方法、及び、半導体装置 - Google Patents
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Description
つまり、従来の半導体装置301では、熱伝導率が高い銀がフィラーとして添加されている銀ペースト304で、発光素子302を基台303に接着させ、発光素子302から発生する熱を効率よく基台303に逃がしている。
発光素子と炭素基台とを接合することにより半導体装置を製造する。
炭素基台と、
前記発光素子と前記炭素基台とを接合する上記第1から第5のいずれかの態様の前記接合材と、
を含む。
<接合材>
実施の形態1に係る接合材は、スズ及び炭素と化合物を形成可能な元素(化合物形成性元素)を0.1wt%以上30wt%以下含有し、残部にスズを主成分として含む合金である。
化合物形成性元素は、スズおよび炭素と化合物を形成し、スズよりも酸化しやすい元素であれば特に限定されない。
表1は、化合物形成性元素である各元素のスズ、炭素、酸素との化合物の例と、酸化物の標準生成ギブスエネルギーの表である。なお、化合物の化学式は例示であって、全ての化合物を示すものではない。
ここで、チタン、ジルコニウム、バナジウムを選択した理由は、表1(融点追加)に示したように、Snとの化合物の融点が高いためである。融点が高いほど、接合材の強度が長期間保持される。少なくとも、1000℃以上の化合物の融点があればよい。
また、接合材の化合物形成性元素の含有量が0.1wt%以上であることにより、接合材が炭素基台とのとの界面に十分な量の化合物が形成され、炭素基台と接合材との界面に強度の高い良好な接合層を形成することができる。
なお、化合物形成性元素の含有量は、5wt%より高くてもよい。含有量が5wt%より高い方が合金層が成長し、より強固に接合することが可能である。
なお、化合物形成性元素の含有量は、10wt%以下が好ましい。
なお、スズおよび炭素の両方と化合物を形成する元素(化合物形成性元素)と主成分であるスズ以外の他の元素の含有量は、0.01wt%以下がよく、0.005wt%以下がさらによい。また、スズおよび炭素の両方と化合物を形成する元素(化合物形成性元素)は、1種類であることが好ましい。
発光素子は、例えば、一般的な窒化ガリウムのダイオードを用いることができる。例えば、サファイア基板の上面にn型窒化がリムとP型窒化ガリウムを形成し、その上面にP型電極とN型電極を形成させワイヤーで電気的な接続を可能としている。サファイア基板の下面は接合材と接続可能なメタライズ(金属層形成)を行っている。メタライズは、ニッケルを施した後に、酸化防止のために金を形成している。なお、メタライズは、接合材のスズと合金層を形成する元素であればよい。
炭素基台としては、炭素粉末を成型機により形成し、焼き固めた基台を用いた。成形によって、炭素粉末が整列しており、炭素基台の厚み方向の熱伝導率が600W/m・K、面方向の熱伝導率が200W/m・Kとなっている。
以下、実施の形態1に係る接合体とその製造方法について、図面を参照しながら説明する。図1A乃至図1Fは、実施の形態1に係る半導体装置の製造方法の各工程の模式図である。
(2)次に、図1Cのように電極層104を形成する。電極層104は後の接合する発光素子の電気的な接続を行うために形成した。電極層104は絶縁性のある接着層105により炭素基台102に接着されている。
なお、接合後の接合材101と発光素子106との界面には、発光素子106の裏面にメタライズされたニッケル/金層と接合材101のスズが反応したニッケル・スズの発光素子接合層107が形成されている。
(4)次に、図1Eに示すように、発光素子106のP型電極とN型電極を電極層104とをワイヤー108で接続する。
(5)次に、図1Fに示すように、封止樹脂109により発光素子106の周りを封止して、半導体装置110を作製する。
この接合材を用いて以下のようにして半導体装置を製造した。
(1)接合材101を炭素基台102に設置し、炉で1200℃に加熱、冷却し、炭素接合層103で、接合材101を、炭素基台102へ接合した。
(2)次に、炭素基台102に接着層105を介して電極層104を形成した。電極層はCuで、サイズは1mm×2mm、厚み:0.05mmとした。
(3)電極層104を形成後に、サイズが1mm×1mm、厚み0.1mmの発光素子106を接合材101に載せ、炉中で、350℃で加熱冷却を行い接合した。
(4)次に、発光素子106と電極層104にアルミ製のワイヤー108を配線することで電気的な接続を取った。
(5)その後、封止樹脂109にて発光素子106を封止し、半導体装置110を作製した。
その後、図2に示すように半導体装置110に放熱板201に設置し、通電させることで発光させ、発光素子106の上部の、封止樹脂109表面の温度測定部Tで熱電対を設置し、温度測定を行った。
封止樹脂109表面の温度が高いと発光素子106の下面から熱が逃げずに蓄積していることがわかる。
(1)炭素基台102に銀ペーストを厚み0.1mmでサイズ1x1に塗布し、塗布した銀ペースト状に発光素子を載せ、大気雰囲気で100℃、1時間で硬化させ接着した。
(2)次に、炭素基台に接着層を介して電極層を形成した。電極層はCuで、サイズは1mm×2mm、厚み:0.05mmとした。
(3)次に、発光素子と電極層にアルミ製のワイヤーを配線することで電気的な接続を取った。
(4)その後、封止樹脂にて発光素子を封止し、半導体装置を作製した。
作製した半導体装置は、信頼性試験後の放熱性を確認するために、まず温度85℃、湿度85%の恒温恒湿槽で、3000hr放置し、実施例1と同様の箇所で温度測定を行った。
表2は、実施例1から9と比較例1から6の作製条件と温度測定結果、および判定結果を示している。
判定結果は、80℃以下では発光輝度の低下が非常に少ないため◎、100℃以下から80℃までは発光輝度の低下が少ないため○、100℃より高い場合は、発光輝度の低下が著しいため×とした。
この場合も先ほどと同様に熱を逃がしているが、スズの熱伝導率50W/m・Kと比較して熱伝導率が20W/m・Kのチタンの含有量が増えたために実施例1から3と比較して、若干冷却性能が低下したと考えられる。
なお、実施例1~3の結果より、化合物形成性元素の濃度は、0.1wt%以上10wt%が好ましい。このことは、Tiだけでなく、V、Zrも同様である。Ti、V、Zrは、Snより熱伝導性が悪く、多く入れると、熱特性が悪くなるためである。
102 炭素基台
103 炭素接合層
104 電極層
105 接着層
106 発光素子
107 発光素子接合層
108 ワイヤー
109 封止樹脂
110 半導体装置
201 放熱板
301 半導体装置
302 発光素子
303 基台
304 銀ペースト
305 電極
306 ワイヤー
307 封止樹脂
Claims (9)
- 金属層を有する部材である半導体素子と、
炭素部材である炭素基台と、
前記半導体素子と前記炭素基台を接合する接合材と、を備え、
前記接合材は、
スズおよび炭素と化合物を形成し得る少なくとも1種の元素を0.1wt%以上30wt%以下含み、残部にスズを主成分として含み、
前記炭素基台と前記接合材との界面付近において、前記スズと前記炭素基台と前記少なくとも1種の元素とが化合物を形成し、
前記金属層と前記接合材との界面付近において、前記金属層と前記スズとが化合物を形成する、半導体装置。 - 前記金属層はニッケルを含む、請求項1に記載の半導体装置。
- 前記元素を0.1wt%以上10wt%以下含む、請求項1または2に記載の半導体装置。
- 前記少なくとも1種の元素は、スズよりも酸化しやすい元素である、請求項1から3のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記元素のスズとの化合物の融点が、1000℃以上である、請求項1から4のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記少なくとも1種の元素は、チタン、ジルコニウム、バナジウムの群から選択される少なくとも1つを含む、請求項1から5のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 請求項1から6のいずれか1項に記載の前記半導体装置の製造方法であって、
前記金属層を有する部材である発光素子と前記炭素部材である炭素基台とを接合することにより半導体装置を製造する半導体装置の製造方法。 - 前記半導体素子は発光素子である、請求項1から6のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記元素を5wt%より高く10wt%以下含む、請求項1から6のいずれか一項に記載の半導体装置。
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