JPS6233747B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、半導体電極構体の改良に関し、特に
熱疲労特性の向上を意図したものである。

従来から、自動車の発電機出力の整流に好適な
整流回路として、ダイオードの三相ブリツジが使
用されている。その三相ブリツジを構成する方式
として、特殊加工でリードが埋設された絶縁板を
放熱フインに圧着するか、あるいは螺子等で固定
させ、放熱フインに固着したダイオードとリード
とを結線すると共に、前記放熱フインに設けた入
出力端子を整流発電機に結線するものがある。

この方式の構造を、第１図の断面図で説明す
る。

放熱電極板１は、半導体装置の電流容量により
構成材質が選択されるが、Fe，Cu，Alが適用可
能である。また放熱電極板１には、放熱効果を向
上させるため、発熱源である半導体素子２を収容
する位置に、エンボス部３が形成される。このエ
ンボス部に半導体素子を固定するために、Cu製
の椀体４がSn半田で固定されている。そして椀
体４の内部には、両主面にNiメツキ層を有する
半導体素子２が、Pb―Sn半田によつて固定され
ている。また、前記半導体素子の他主面のNi層
には、同じPb―Sn半田で半導体素子の電極端子
５が固定されている。更に、絶縁体６中に埋設さ
れたリード７は、エポキシシート８を介して、放
熱電極板１に固着されている。

この方式にあつては半導体素子を気密に封ずる
必要がある。それはPb―Sn半田を使用した場
合、気密処理の程度で熱疲労特性の良悪が左右さ
れるからである。それゆえ、この特性向上の観点
から入念な気密処理が実施されている。すなわ
ち、エンキヤツプ材９で前記椀体内の半導体素子
２が覆われ、更に電極端子５を固定するPb―Sn
半田を気密性良く保護するために、エポキシシー
ト８で半導体素子２に対向する空間が寒さがれて
いる。そして、エポキシシート８の一部に設けた
透孔から電極端子５が引出され、リード７とPb
―Sn半田で接続されている。

このような電極構体の熱疲労特性測定は通電試
験によるが、第１図により説明したものは、50℃
―150℃―50℃の温度負荷を通電によつて印加
し、この温度負荷を1000回程度繰り返すと特性が
悪化するのが通例であつた。

しかし、近年、環境保全の要請により自動車の
エンジンの温度が高温化する傾向にあり、このよ
うな熱疲労特性では信頼性を保証できなくなつて
きている。更に資源節約の観点から各種性能の向
上が求められており、これらを安価に達成するよ
う要請されている。

本発明は上記背景に基づいて完成した新規な半
導体電極構体を提供することを目的とする。

すなわち、電極端子をシリコン半導体素子表面
に、In―Ag―Pb半田を介して固着するものにお
いて、この半田の下地に採用したNi層とシリコ
ン間に320℃程度で生成するニツケル珪化物の悪
影響を排除し、熱疲労特性を改善するものであ
る。ところで、Niは半導体電極構体の電気特性
として不可欠なオーミツク特性を付与するのに賞
用されている。実際にはNiを500℃〜550℃で30
分間シンターすることにより、オーミツク特性を
得ている。ところが、320℃、１分間の熱負荷で
ニツケル珪化物が生成されることが判明した。
尚、従来のニツケル珪化物生成に関する研究によ
れば、200℃〜350℃で発生するとされていた。こ
のニツケル珪化物の悪影響を防止する手段として
Ni厚を大きくすること、及びAu等をNi層に積層
する手段が知られているが、前者にあつては、
Ni層厚が増加するため抵抗値が増大するのを避
けられないし、後者には前記In―Ag―Pb半田の
半田付工程でAuとAgが合金化され、結局、濡れ
性が低下する欠点があつた。

そこで、本願の発明者は、後述のバリヤー金属
がIn―Ag―Pb半田との充分な濡れ性を有するこ
と、及び通電試験で6000〜9000回と極めて優れた
熱疲労特性を示す事実に立脚し、ニツケル珪化物
の悪影響を排除すべく検討を行なつた。

尚、この検討のために用いた通電試験は、半導
体素子の逆方向漏洩電流をカーブトレーサーで確
認し、短絡状態を示すまでのサイクル数を測定結
果とした。低温は50℃、高温は150℃〜170℃であ
り、この降温のための冷却はフアンによる強制空
冷である。更に前記１サイクルは自動車走行距離
60Kmに相当する強制負荷であり、温度はエンポス
部測定結果である。

前記In―Ag―Pb半田は後述のバリヤー金属や
Niとの濡れ性が良く、半導体素子の整流特性を
長期にわたつて充分に保持できる優れた熱疲労特
性をもつているが、Ag含有量については配慮す
る必要がある。つまり、AgとInとは反応しやす
いため、Ag含有量が多くなると偏析を生じやす
く、融点が高くなるほか、価格もそれに準じて増
し、更に耐酸化性が劣化することにある。逆に
Ag含有量を零にするとPb―Sn半田に対して熱疲
労特性の優位性がなくなる。本発明では、それ等
を勘案してIn5％、Ag2.5％±１％、残部Pb（以
後％は重量を示す）を採用した。そして、このIn
―Ag―Pb半田の融点は325℃であつた。

一般に半田付工程では半田の融点より20℃〜60
℃高温にするのが普通であるが、前記半田の半田
付温度ではニツケル珪化物の形成が避けられない
ので、本願にあつては次のようなバリヤー金属層
を設けた。このバリヤー金属層の条件としては、
In―Ag―Pb半田の半田付工程で合金化せず、且
つ濡れ性の良いことが必要である。この観点から
前記バリヤー金属層には、Cr，Co，Rh，Co―
Ｖ，Co―Cr，Co―Ni，Co―Ti等が選定される。
特にCoは好ましいバリヤー金属層になる。

これらの金属をNi層上に積層するには量産性
に富んだ鍍金法が好ましいが、真空蒸着法やスパ
ツタリング法、又はそれら手法の組合せも採用可
能である。

次に前記バリヤー金属層と前記In―Ag―Pb半
田との接触角測定値を以下に示す。使用半田組成
はIn5％、Ag2.5％であり、その形状は直径３mm
φ高さ１mmとした。温度は365℃にし、H₂雰囲気
中で実施した。まず、0.5μｍのNi層では21°の
接触角を示した。そして、0.3μｍのNi及び２μ
のCoと、250オングストロームのＶ及び4000オン
グストロームのNiの複合層では夫々1.6゜〜22゜
の接触角となつた。更に、熱疲労特性は夫々4000
〜8000回、6000〜9000回、6000〜9000回であつ
た。尚、Ｖ―Ni層に関しては特願昭52―72108と
して出願したのでここでは詳述しない。

半田付工程における前記温度範囲（345℃〜385
℃）より低温では半田の流動性が悪くなり、厚み
が大きくなつて抵抗が増加した。また、前記温度
範囲より高温では巣（Void）が発生し易く、過
渡的な熱抵抗が悪化することを確認した。前述の
ようにバリヤー金属の中にはIn―Ag―Pb半田と
の濡れ性の劣るものがあるし、Coでも鍍金法で
被着する際の析出速度が大きくなると濡れ性が悪
化する個向がある。従つて、このようなバリヤー
金属の場合には、第２のNi層を積層する。この
場合も熱疲労特性が6000―9000回と良好な結果が
得られている。次に第２図乃至第５図により本発
明を詳述する。第２図は本発明に係る車輌用半導
体装置の上面図第３図はその一部の断面図である
が、放熱電極板１１の複数箇所には第５図に示し
た三相ブリツジ回路を構成する半導体素子１２を
収納するエンボス部１３を設ける。この放熱電極
板は前述のように所望される電流容量によつて材
質を選定するが、電流容量が大きい時にはCu，
Alを比較的小さい時にはFeを使用する。

この放熱電極板１１にはリード１４を埋設した
絶縁体１５を積層し螺子やリベツト等で固定する
が、前記エンボス部に対面する部分には透孔１６
を設け、その一部にリード１４を導出する。

前記エンボス部に収納される半導体素子１２は
椀体１７にIn5％Ag2.5％残部Pbから成る厚さ約
１mmの半田箔で固着し、この椀体はエンボス部１
３に融点230℃のSn半田層１８を介し固着して一
体とする。半導体素子１２はこのようにしてエン
ボス部に固着するが、この工程前には第４図に示
した前処理が要る。すなわち、拡散ウエハーＡの
表面を研磨したときに形成される破砕層を、苛性
ソーダ等を加えた煮沸混液に浸漬して除去し、煮
沸を止めてから超温波洗浄を行い次いで、純粋洗
浄を前後に挾んだ弗酸ならびに弗硝酸による洗浄
を実施する。引続いて鍍金工程に入るが、その直
前に弗酢酸による洗浄を行う。最初Ni鍍金１９
を炭酸ソーダ，クエン酸，弗酸等を混合した鍍金
浴によつて厚さ0.3μｍに形成する。

更に硫酸コバルト、硼酸を混合した鍍金浴中で
コバルト鍍金属２４を２μ形成する。この鍍金は
当然であるが、前記エツチング処理を施した拡散
ウエハーＡの両面に同時に行う。

前記処理の完了した拡散ウエハーＡに電極端子
２０をPb―In―Ag半田層２０で固着して半導体
素子１２が完成されるが、この半田付工程と同時
に椀体１７への固着工程も実施される。この半田
は前述のように箔を使用するので椀体１７、半田
箔２１、拡散ウエハーＡ半田箔２１、電極端子２
０を積重ねてこの半田箔の融点345℃〜385℃に加
熱し、同時に固着することが可能である。勿論同
条件の下、別々に実施可能であるが、工業上得策
でないことは論をまたない。このように、椀体１
７に所要部品を取り着けてからエンボス部１３に
融点230℃のSn半田層１８で固着する。次に椀体
内にエンキヤツプ材２２を充填し、更にシリコン
ゴム層２３をも重ねて被覆し、更にリード１４と
半導体素子の電極端子２０間を接続して、第５図
に示すような逆導電型のダイオードの三相ブリツ
ジ回路を構成した。

本実施例では、第１図従来例と違い透孔１６を
絶縁体１５に形成した。つまり、Ni層１９、Co
層２１を形成したことで、気密性を配慮せずに構
成できるのが、この実施例の特徴である。また、
第３図の電極構体では、Sn半田の融点が230℃、
Pb―In―Ag半田のそれが325℃であるので、椀体
１７とエンボス部１３の固着時に充分な熱負荷が
加え得るの効果がある。逆には、融点180℃のSn
―Pb（４重量部：６重量部）を、Ni層と椀体と
の固着に使用したとき生じていたような、椀体と
エンボス部との固着にSn半田（融点230℃）が使
用できないという不都合を解決した。

以上のように本発明にあつては、ニツケル珪化
物生成温度以上の半田付工程を実施しても熱疲労
特性が大巾に改善されており、実用上の効果は極
めて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の半導体電極構体の断面図、第２
図は本発明に係る一実施例の上面図、第３図はそ
の一部の断面図、第４図は第３図の要部を拡大し
た断面図、第５図は、本発明の一実施例に適用す
る回路図である。 １１：放熱電極板、１２：半導体素子、１４：
リード、１５：絶縁体、１９：Ni層、２４：Co
層、２１：Pb―In―Ag半田。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 内部に接合が形成されたシリコン基体と、こ
   のシリコン基体表面に被着されたNi層と、この
   Ni層に被着されたCo，Cr又はCo合金のバリヤー
   金属層と、このバリヤー金属層に積層され電極端
   子を接続するIn―Ag―Pb半田とを具備すること
   を特徴とする半導体電極構体。 ２ 前記バリヤー金属層に第２のNi層が被着さ
   れ、前記In―Ag―Pb半田が、第２のNi層と電極
   端子とを接続することを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の半導体電極構体。