JPWO2016079881A1 - 半導体パワーモジュールおよびその製造方法ならびに移動体 - Google Patents

Abstract

半導体チップ１と、半導体チップ１とはんだ合金（鉛フリーはんだ合金）２ｂを介して接続されたセラミック基板５と、半導体チップ１と電気的に接続された外部端子と、セラミック基板５とはんだ合金（鉛フリーはんだ合金）２ｃを介して接続された放熱用金属板１２とを有する半導体装置（半導体パワーモジュール）９である。そして、半導体装置９における上記はんだ合金２ｂ，２ｃは、Ｃｕ１〜７重量％と、Ｓｂ３〜１５重量％と、残部Ｓｎとからなり、２８０℃以上の温度で接合された接合材である。

Description

本発明は、接合材に鉛フリーはんだを用いた半導体パワーモジュールおよびその製造方法に関する。特に接合部が高温となるパワーモジュールに関する。

パワーモジュールは、半導体素子と絶縁基板、または放熱ベースとをはんだ等で接合した構造となっている。電機・電子機器の部品の電気的接続に使用されている接続部材であるはんだには、一般的に鉛が含まれていたが、近年、環境への意識が高まる中、人体への有害性が指摘される鉛の規制が始まっている。欧州では自動車中の鉛使用を制限するＥＬＶ指令（End-of Life Vehicles directive、廃自動車に関する指令）や、電機・電子機器中の鉛使用を禁止するＲｏＨＳ（Restriction of the use of certain Hazardous Substances in electrical and electronic equipment)指令が施行された。

これまで、高耐熱性が要求される半導体装置、特に自動車や建機、鉄道、情報機器分野等に用いられる半導体装置の接続部材（接合材）としては鉛（Ｐｂ）入りはんだが使用されてきたが、環境負荷低減のため鉛フリーの接続部材とすることが強く要求されている。

また、近年、高温動作が可能で、かつ機器の小型軽量化が可能なＳｉＣやＧａＮ等のワイドギャップ半導体の開発が推し進められている。なお、一般的にＳｉ（シリコン）の半導体素子は動作温度の上限が１５０〜１７５℃であるのに対し、ＳｉＣ半導体素子は１７５℃以上での使用が可能となる。

そして、使用環境温度が高温になると、接続界面の反応が速くなるため界面の安定性が求められる。また、パワーモジュールでは半導体素子に電流の通電と遮断とが繰り返されるため、熱応力が繰り返し加わり、したがって、耐通電熱疲労性や環境温度の変化による耐クラック性、多段階のはんだ接続への適合性も要求される。

上記要求に対応するために、鉛フリーで、かつ高い耐熱性を持ち高信頼の接合部をもつ半導体装置が必要となる。

上記のような鉛フリーはんだを用いた半導体装置の構造が、特許文献１（特開２０１０−２２６１１５号公報）に開示されている。この特許文献１には、「耐熱性２００℃の接続方法として、室温から２００℃においてＣｕ６Ｓｎ５相を含有するＳｎ系はんだとＮｉ系めっきを組合わせることで界面反応を抑制させ、２００℃以上の耐熱性をもつ半導体装置（要約参照）」が開示されている。

また、鉛フリーはんだを用いた電子部品が、特許文献２（特開２００９−２５５１７６号公報）に開示されている。この特許文献２には、「はんだ付け部の組成が、Ｓｂが１０〜４０質量％、Ｃｕが０．５〜１０質量％、残部Ｓｎからなるはんだ組成物によって、耐熱性、脆性、或いは固相線温度と液相線温度間の凝固範囲の問題が解決される。さらに機械的強度を向上させるために、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ａｇ、Ｂｉの元素のいずれか１種または２種以上を添加し、酸化抑制元素としてＣｅ、Ｃａのいずれか１種以上を添加する（要約参照）」ことが開示されている。

特開２０１０−２２６１１５号公報 特開２００９−２５５１７６号公報

パワーモジュールでは、他の電子部品と比較して大電流が印加される場合が多いことによって、半導体チップ（以降、チップとも言う）が発熱することで接合部にストレスが加わる。具体的には、１．チップ下の接合部、および絶縁基板下の接合部においてチップ−絶縁基板間、絶縁基板−放熱ベース間の線膨張係数の違いにより熱応力が加わり端部から亀裂が進展する。２．チップの過渡的な発熱などによって接合部中に温度の不均一が生じることで、接合部の中央において粒界破壊が進展する。３．高温環境に長時間晒されることで接合界面において反応が進展して接合信頼性が低下する。

上記特許文献１（特開２０１０−２２６１１５号公報）には、Ｓｎ−３〜１０ｗｔ％Ｃｕのはんだを接合部に使用したパワーモジュールおよびインバータが開示されている。しかしながら、上記特許文献１に記載の技術では、接合部にＳｎ−Ｃｕはんだを使用した場合、亀裂進展が速く、高温環境下で信頼性が低下するという課題がある。

また、特許文献２（特開２００９−２５５１７６号公報）に記載の技術では、Ｓｂ１０〜４０質量％、Ｃｕ１〜９質量％、残部Ｓｎからなる高温鉛フリーはんだ合金が開示されているが、接合後の接合部の構造や接合温度が規定されておらず、これらについて不明確である。

本発明の目的は、半導体パワーモジュールにおける高温環境下での信頼性を向上させることができる技術を提供することにある。

本発明の上記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。

本発明に係る半導体パワーモジュールは、半導体素子と、上記半導体素子と接合する接合材と、を有し、上記半導体素子と絶縁基板とが、または、上記絶縁基板と放熱ベースとが、Ｃｕ１〜７重量％と、Ｓｂ３〜１５重量％と、残部Ｓｎとからなる上記接合材によって接合され、上記接合材は２８０℃以上の温度で接合されたものである。

また、本発明に係る他の半導体パワーモジュールは、半導体素子と、上記半導体素子と接合する接合材と、を有するものである。さらに、上記半導体素子と絶縁基板との間、または、上記絶縁基板と放熱ベースとの間の接合部における第１のＣｕ−Ｓｎ化合物、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｓｂ層、第２のＣｕ−Ｓｎ化合物のそれぞれの厚さを足した上記接合部の厚さ比を１００とした場合、上記第１のＣｕ−Ｓｎ化合物と上記第２のＣｕ−Ｓｎ化合物の厚さの比は、１以上１０以下である。

また、本発明に係る移動体は、半導体素子と絶縁基板との間、または、絶縁基板と放熱板との間の接合層は、第１のＣｕ−Ｓｎ化合物とＳｎ−Ｃｕ−Ｓｂ層と第２のＣｕ−Ｓｎ化合物とから構成されており、接合層の厚さを１００とした場合に、第１のＣｕ−Ｓｎ化合物と第２のＣｕ−Ｓｎ化合物の厚さは１以上１０以下で構成された半導体パワーモジュールを有するものである。

また、本発明に係る半導体パワーモジュールの製造方法は、半導体素子と絶縁基板とを、または、上記絶縁基板と放熱ベースとを、Ｃｕ１〜７重量％と、Ｓｂ３〜１５重量％と、残部Ｓｎとからなる接合材によって接合する工程を有し、上記接合材を２８０℃以上に加熱して上記半導体素子と上記絶縁基板とを、または、上記絶縁基板と上記放熱ベースとを接合するものである。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以下のとおりである。

半導体パワーモジュールにおける高温環境下での信頼性を向上させることができる。特に断続通電特性に優れる半導体パワーモジュールを実現することが可能となる。

本発明の実施の形態の半導体装置の主要部の構造の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態のはんだ接合部の接合前と接合後の構造の一例を示す部分断面図である。 本発明の実施の形態のはんだ接合部の構造を示す断面図である。 比較例のはんだ接合部の構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態におけるボイド率の定義を示す、接合部の平面図である。 本発明の実施の形態におけるクラックの定義を示す、接合部の平面図である。 比較例の断続通電時の破壊状況を示す断面図である。 本発明の各実施例と比較例の評価の結果を示す評価結果図である。 本発明の実施の形態の鉛フリーはんだ合金（接合材）を用いた半導体装置（半導体パワーモジュール）の構造の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態の鉛フリーはんだ合金を用いた半導体装置（半導体パワーモジュール）の構造の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態の鉛フリーはんだ合金を用いた半導体装置が搭載された鉄道の車両の一例を示す部分側面図である。 図１１に示す車両に設置されたインバータの内部構造の一例を示す平面図である。 本発明の実施の形態の鉛フリーはんだ合金を用いた半導体装置（交流発電機用半導体モジュール）の構造の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態の半導体パワーモジュールが搭載された自動車の一例を示す斜視図である。 本発明の実施の形態の第１変形例の半導体パワーモジュールの構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態の第２変形例の半導体パワーモジュールの構造を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、図面をわかりやすくするために平面図であってもハッチングを付す場合がある。

（実施の形態）
図１は本発明の実施の形態の半導体装置の主要部の構造の一例を示す断面図、図２は本発明の実施の形態のはんだ接合部の接合前と接合後の構造の一例を示す部分断面図である。

まず、本実施の形態の半導体装置の構造について説明する。図１に示す半導体装置９は、鉛フリーはんだ合金を用いた半導体パワーモジュールであり、その主要部の概略構成について説明すると、半導体素子である半導体チップ１が、チップ支持部材であるセラミック基板（被接合部材、絶縁基板）５上に、はんだ合金（接合材）２ｂを介してはんだ接合されている。なお、はんだ合金２ｂは、鉛（Ｐｂ）を含有していないはんだである。

また、半導体チップ１を搭載したセラミック基板５は、放熱部材（放熱ベース）である放熱用金属板１２上にはんだ合金（接合材）２ｃを介してはんだ接合されている。はんだ合金２ｃも、鉛（Ｐｂ）を含有していないはんだである。

なお、セラミック基板５の上面５ａには、配線部５ｃが形成されており、この配線部５ｃの表面には、例えば図２に示すようなＮｉめっき層（Ｎｉメタライズ層）３が形成されている。一方、セラミック基板５の下面５ｂには、導体部５ｄが形成されている。この導体部５ｄは、例えば上記Ｎｉめっき層３である。

この場合、セラミック基板５は、はんだ合金２ｂおよびはんだ合金２ｃとそれぞれＮｉめっき層３を介して接合している。

なお、半導体装置９では、はんだ合金２ｂおよびはんだ合金２ｃのうちの少なくとも何れか一方のはんだ、もしくは両方のはんだが、Ｃｕ１〜７重量（ｗｔ）％と、Ｓｂ３〜１５重量（ｗｔ）％と、残部Ｓｎとからなる。

また、はんだ合金２ｃの厚さは、はんだ合金２ｂの厚さより厚い。一例として、はんだ合金２ｂの厚さは、約０．１ｍｍ、はんだ合金２ｃの厚さは、０．２〜０．４ｍｍである。

次に、図２を用いて本実施の形態の鉛フリーはんだ合金によるはんだ接合について説明する。図２に示すように、接合前には、はんだ箔（接合材）２ａを、Ｎｉめっき３を施した被接続材であるセラミック基板５で上方と下方とから挟み込む（あるいは、セラミック基板５と半導体チップ１とで挟んでもよい）。

この時、はんだ箔（接合材）２ａは、Ｃｕ１〜７重量％と、Ｓｂ３〜１５重量％と、残部Ｓｎとからなる組成である。すなわち、Ｃｕ１〜７重量％と、Ｓｂ３〜１５重量％と、残部Ｓｎとからなる組成のはんだ箔２ａを用いてはんだ接合を行う。つまり、はんだ箔２ａの組成では、ＳｎがＣｕおよびＳｂに比べて最も含有量が多い。また、接合前のはんだにはＣｕ−Ｓｎ化合物６が含まれている。

次に、はんだ箔２ａを２８０℃以上の温度で加熱する。これにより、図２の接合後に示すように、Ｃｕ−Ｓｎ化合物（例えばＣｕ６Ｓｎ５）が接続界面上に析出あるいは移動し、その結果、Ｎｉめっき層３上にＣｕ−Ｓｎ系化合物層４が形成される。また、はんだ中に含まれているＳｂはＳｎ相に固溶する。

詳細には、接合材を２８０℃以上の温度で接続した構造として、図２の接合後に示すように、セラミック基板５に施されたＮｉめっき層３上にＣｕ−Ｓｎ系化合物層４が形成される。さらに、Ｃｕ−Ｓｎ系化合物層４とＣｕ−Ｓｎ系化合物層４との間に、はんだ中に含まれているＳｂを含有するＳｎを主体としたはんだ合金２が形成される。

つまり、はんだ接合部の構造は、はんだ合金２と、その上下層に形成されたＣｕ−Ｓｎ系化合物層４とからなる３層構造である。そして、はんだ合金２の厚さは、Ｃｕ−Ｓｎ系化合物層４の厚さより厚い。言い換えると、３層構造のうちの中間層となるはんだ合金２の厚さが最も厚い。

次に、図３は本発明の実施の形態のはんだ接合部の構造を示す断面図（断面ＳＥＭ像）、図４は比較例のはんだ接合部の構造を示す断面図である。

図３に示すように、本実施の形態のはんだ接合部では、１７５℃以上の高温環境下に長時間さらされても、Ｃｕ−Ｓｎ系化合物層４を主体とした化合物層が接合界面とはんだ合金２とのバリア層となる。Ｃｕ−Ｓｎ系化合物層４はＣｕ−Ｓｎ化合物の一部に他の元素が置換したものであり、Ｃｕ−Ｓｎが主な構成元素である。接合層を構成する組成のうち最も多い比率の組成を主な構成元素であると呼ぶ。

その結果、接合界面での反応による化合物層の成長およびそれに伴うボイドの形成を抑制することができる。

また、本願発明の接続構造では、はんだ中に含まれるＣｕはＳｎ中に０．７重量％しか固溶しないため、ほぼ接合界面にＣｕ−Ｓｎ化合物として析出することとなる。そのため、はんだ接合後の接合部は、第１のＣｕ−Ｓｎ化合物層と、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｓｂ層と、第２のＣｕ−Ｓｎ化合物層とから構成される。

はんだの組成によって、第１のＣｕ−Ｓｎ化合物層とＳｎ−Ｃｕ−Ｓｂ層と第２のＣｕ−Ｓｎ化合物層とを足した厚みの構成比率は、第１のＣｕ−Ｓｎ化合物層：Ｓｎ−Ｃｕ−Ｓｂ層：第２のＣｕ−Ｓｎ化合物層＝１：９８：１〜１０：８０：１０となる。例えば、接合部（接合層）の厚みが５０μｍである場合には、第１のＣｕ−Ｓｎ化合物：Ｓｎ−Ｃｕ−Ｓｂ層：第２のＣｕ−Ｓｎ化合物は、０．５μｍ：４９μｍ：０．５μｍ〜５μｍ：４０μｍ：５μｍということである。

また、接合部（接合層）の厚みが１００μｍである場合には、第１のＣｕ−Ｓｎ化合物：Ｓｎ−Ｃｕ−Ｓｂ層：第２のＣｕ−Ｓｎ化合物は、１μｍ：９８μｍ：１μｍ〜１０μｍ：８０μｍ：１０μｍということである。

すなわち、第１のＣｕ−Ｓｎ化合物：Ｓｎ−Ｃｕ−Ｓｂ層：第２のＣｕ−Ｓｎ化合物の３層の厚みの構成比率を全体を１００とした場合に、第１のＣｕ−Ｓｎ化合物層と第２のＣｕ−Ｓｎ化合物層は１以上１０以下の比率となる。これは先に述べたように本願発明で実施されるはんだの組成比によって変化する。つまり、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｓｂ層の厚さ比は、全体の厚さの比率である１００から第１のＣｕ−Ｓｎ化合物層と第２のＣｕ−Ｓｎ化合物層の厚さ比率を減算した値であることを意味する。

なお、第１のＣｕ−Ｓｎ化合物層と、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｓｂ層と、第２のＣｕ−Ｓｎ化合物層との境界面である接合部の界面は平面ではないため、界面の平均厚さを厚さとするものである。

また、はんだの接合温度が２８０℃より低い場合には、図４の比較例の構造に示すように、はんだ箔２０中のＣｕ−Ｓｎ化合物６は、接合層中に浮島状に分布するため、本実施の形態の図２に示す接合部（接合後）の構造とはならない。そのため、後述する図８の比較例６、７に示すように、図４の浮島状に分部した接合部構造では、接合部温度が２８０℃以下となると接合界面の安定性が低下する。また、接合部におけるＳｎ−Ｃｕ−Ｓｂ層の厚さが５０μｍより薄くなると、接合時に発生する液相の量が少なくボイド（気泡）の排出性が低下し、接合層中に多量のボイドが残存してしまう。さらに、はんだ接合部の平均の厚さが４００μｍより厚くなると、はんだ中に含まれるＣｕ−Ｓｎ化合物量が過剰となり、接合界面にＣｕ−Ｓｎ化合物が形成されるだけでなく、接合層中にも浮島状に残存するため亀裂進展が早くなる。したがって、はんだ接合後のはんだの厚さは、５０μｍ以上４００μｍ以下であることが望ましい。

上述のように、本願のはんだを用いることで、１７５℃以上の高温下に長時間さらされても、Ｃｕ−Ｓｎ化合物を主体としたＣｕ−Ｓｎ系化合物層４が接続界面とはんだとのバリア層となるため、接続界面の反応による化合物層の成長およびそれに伴うボイドの形成を抑制することができる。

また、Ｓｎ相にＳｂを固溶させることではんだ接合の機械的特性を向上させ、高温での耐亀裂進展性、パワーサイクル試験等の信頼性を向上させることができる。また、本願のはんだは、その組成に貴金属を含んでいないため、標準的な鉛フリーはんだであるＳｎ３Ａｇ０．５Ｃｕと比較して低コストな材料である。

次に、はんだ接合部におけるボイド、クラックまたは破壊について説明する。図５は本発明の実施の形態におけるボイド率の定義を示す、接合部の平面図、図６は本発明の実施の形態におけるクラックの定義を示す、接合部の平面図、図７は比較例の断続通電時の破壊状況を示す断面図である。

図５はボイド７の進展状態を示しており、超音波探傷によりはんだ接合部のボイド７の面積率を測定することができる。ボイド率は、接合部であるはんだ合金２の平面方向において、ボイド７の全面積を接合層の平面方向の面積で割ったものである。

また、温度サイクル試験によってはんだ合金２で発生するクラックについて説明する。図６は、−５５℃に１５分、２００℃に１５分を１サイクルとした場合に、５００サイクル程度の温度サイクル試験を行った後に、熱応力によってはんだ接合部に生じたクラック８を示すものである。

このように温度サイクル試験した半導体装置９に対して超音波探傷によりはんだ接合部でのクラック進展率を測定した。クラック進展率は、はんだ接合部であるはんだ合金２の平面方向において、クラック８の全面積を接合層の平面方向の面積で割ったものである。

なお、ボイド率が１０％を超えると、温度サイクルにより、ボイド周辺から優先的にクラック８が進展し、早期に信頼性が低下する等の問題がある。したがって、ボイド率を少なくすることで長期信頼性を確保することができる。また、半導体素子に通電することで発熱するが、クラック進展率が２０％を超えると半導体素子で発生した熱の引けが悪くなり、半導体素子の温度が上昇して信頼性が急速に低下する。

次に、断続通電試験による破壊について説明する。図７に示すように、はんだ接合の中心部分からクラック８による破壊が進行する。はんだ合金２０ａの接続部にクラックが発生すると、半導体チップ１の発熱を外部に放出するための面積が減少し、熱抵抗が上昇する。熱抵抗が２０％以上に上昇するとチップ温度が急激に上昇し、はんだの溶融や亀裂進展が急激に進行し、信頼性を維持することができない。

なお、半導体チップ１や基板等の被接合材の素材については、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｆｅ−ＮｉやＦｅ−Ｃｏ等のＦｅ系合金等、様々な金属、合金が適用可能である。ただし、被接合材はＮｉメタライズが施されていることが望ましい。

これは、図２に示すように、Ｎｉめっき層３上にＣｕ−Ｓｎ系化合物層４のバリア層が形成されることにより、Ｎｉの拡散を抑制し、接合界面が安定に保たれ、高温環境下でより良好な信頼性を維持できるためである。

なお、被接合材の表面のメタライズがＮｉの場合は、Ｎｉ自身の酸化が問題となり、濡れ性が阻害される場合がある。そのため、Ｎｉの上に、酸化しにくいＡｕやＡｇ、Ｐｔ、Ｐｄを積層させてもよい。つまり、被接合材の表面にはＮｉ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｇ等のメタライズが施されていることが望ましい。

このようなメタライズが施されていれば、半導体チップ１は、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅ、ＧａＮ等どのような半導体チップ１であっても接合することができる。基板についても、上記のメタライズを付けることで、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃｕ−Ｍｏ、Ａｌ−ＳｉＣ（アルミニウムと炭化ケイ素の複合材料）、Ｍｇ−ＳｉＣ（マグネシウムと炭化ケイ素の複合材料）、４２アロイや、ＣＩＣ（Copper Invar Copper)、または、ＤＢＣ（Direct Bond Copper）、ＤＢＡ（Direct Bond Aluminum）等の金属を貼り合わせたセラミック基板（絶縁性基板）等、どのような部材に対しても信頼性の高い接合を実現することができる。

なお、Ｎｉメタライズが付いた被接合材（被接続材）を、本実施の形態のはんだ合金２により接合した場合の接合後の構造を詳細に書けば、被接合材／Ｎｉ／Ｃｕ−Ｓｎ系化合物／はんだ合金／Ｃｕ−Ｓｎ系化合物／Ｎｉ／被接合材となる。

上記の例は、半導体素子と基板の接続について説明したが、このような構成は、半導体とリード、半導体と放熱基板、半導体とフレーム、半導体と絶縁基板、または半導体と一般的な電極との接合についても適用することができる。また、上記で説明した構成は、半導体素子と基板の接続に限らず、一般的に、第１の被接続部材と第２の被接続部材を本実施例の接合材によって接合する場合にも適用することができる。例えば、金属板と金属板、金属板とセラミック基板等の接合に適用することができる。

次に、図８を用いて各実施例について説明する。図８は本発明の各実施例と比較例の評価の結果を示す評価結果図である。

詳細には、図８に示す実施例１〜１８のはんだ箔（鉛フリーはんだ合金）２ａを用いて図１に示す半導体装置９を製造し、ボイド率、接合界面安定性、温度サイクル信頼性、断続通電信頼性を評価、検討したものである。

半導体装置９の代用の構造として、図２に示すようなＮｉめっき層３が形成されたセラミック基板５、実施例１〜１８の組成のはんだ箔２ａ、１０ｍｍ角で、かつ厚さ０．３ｍｍのＮｉめっき層３が形成されたセラミック基板５をそれぞれ積み重ね、熱処理炉にて、１００％Ｈ２雰囲気で接続して製造した。

半導体装置が一定の信頼性を得られる一般的な基準である、接合層のボイド率が５％以下となり、正常に半導体素子が動作した場合を○(良好)とし、それ以外を×(不適)とした。

また、温度サイクル信頼性は、−５５℃に１５分、２００℃に１５分を１サイクルとした場合に、５００サイクル程度の温度サイクル試験を行った後、クラック進展率を測定し、一般的な信頼性の基準であるクラック進展率２０％以下となり、正常に半導体素子が動作した場合を○とし、それ以外を×とした。

界面安定性は、２００℃で１０００時間保持した後、Ｎｉめっきが残存しているものを○、一部でも消失が確認されたものを×とした。これは、Ｎｉめっきが消失すると、被接合材とはんだ合金の間で拡散が進み、金属間化合物が形成され体積差によってボイド７が発生し、長期信頼性が保てないからである。

通電熱疲労信頼性は、半導体チップ１を通電によって発熱させ、１７５℃に到達後、電流を切り、２５℃までの冷却を１サイクルとして、冷却半導体装置が一定の信頼性を得られる一般的な基準である通電熱疲労試験５０００サイクル試験後に半導体チップ１の熱抵抗を測定する。そして、その熱抵抗が２０％未満の上昇率で、かつ正常に半導体チップ１が動作した場合ものを○、それ以外を×として評価した。

総合評価は、すべての条件において評価が良好であったものを○とし、一つでも信頼性基準を満たせないものがあった場合、高温環境下での信頼性が確保できないため×とした。

また、これらの実験結果から、温度サイクル試験でクラック進展率が良好である接合材は、Ｓｎに、３重量％以上７重量％以下のＣｕと、９重量％以上１１重量％以下のＳｂとを添加したものであることを確認した。

また、図８に示す実施例１７，１８では、はんだの接合温度が３００℃の場合を評価し、３００℃でも２８０℃の場合と同じ接合後の構造が得られることを確認した。すなわち、図８に示す実施例１〜１８のはんだ（接合材）を用いて２８０℃以上３００℃以下の温度で接合することで、図２に示す接合後の構造を得ることができる。なお、他の部材に対する熱の影響を考慮すると、２８０℃以上においてもできるだけ低い温度で接合することが望ましい。

次に、Ｃｕの添加量（Ｃｕ：１重量％以上７重量％以下）について説明する。

Ｃｕを１重量％以上で、かつ７重量％以下の添加量とし、接合温度２８０℃以上で接合することにより、接合界面にＣｕ−Ｓｎ化合物が形成される。

しかしながら、図８の比較例１に示すようにＣｕの添加量が１％未満の場合、添加したＣｕはＳｎ中に固溶してしまうため、接合界面にＣｕ−Ｓｎ系化合物層が十分に形成されず界面安定性が維持できない。一方、Ｃｕの添加量が増加すると比較例４に示すように、はんだ合金中の化合物の割合も増加し、溶融時の粘性が上昇しボイド率が上昇するため、Ｃｕの添加量は５重量％以下とした。これらのことより、Ｃｕを１重量％以上７重量％以下の添加量とすることではんだ接合における良好な信頼性を得ることができる。

次に、Ｓｂの添加量（Ｓｂ：３重量%以上１５重量％以下）について説明する。

図８に示す実施例１においてＳｂを１重量％より多く添加することで温度サイクル信頼性が維持可能となる。一方、比較例６に示すようにＳｂを１５％以上添加するとボイド率の評価が×となり、また温度サイクル信頼性も×となる。これは、Ｓｂの添加量が増加するとはんだ中のＳｎ−Ｓｂ系化合物の析出量が増加し、さらにはんだの粘度が上昇しボイド率が上昇するとともにはんだが硬くなり温度サイクル信頼性が低下するためである。

次に、半導体装置の他の構造について説明する。図９は本発明の実施の形態の鉛フリーはんだ合金（接合材）を用いた半導体装置（半導体パワーモジュール）の構造の一例を示す断面図である。

図９に示す半導体パワーモジュール（半導体装置であり、以降、半導体モジュールともいう）１０は、例えば、鉄道の車両や自動車等に搭載されるパワーモジュールである。したがって、パワーモジュールの放熱対策が必要となる。半導体モジュール１０の構成について説明すると、半導体チップ１が、本実施の形態のはんだ合金（実施例１〜１８のはんだ合金（接合材）の何れか）２ｂを用いてセラミック基板（チップ支持部材、絶縁性基板、被接続部材）５に接続されたものである。さらに、半導体チップ１の動作時の熱を逃がす役割を果たす放熱用金属板（放熱部材、放熱ベース、放熱板、放熱フィン、ヒートシンクの概念を含むものである）１２とセラミック基板５とが、本実施の形態の鉛フリーはんだ合金であるはんだ合金２ｃ（接合材であり、実施例１〜１８の鉛フリーはんだ合金の何れか）を用いて接続されている。

図９に示す半導体モジュール１０の具体的構造について説明すると、半導体チップ１と、半導体チップ１とはんだ合金２ｂを介して接続されたチップ支持部材であるセラミック基板（絶縁基板、被接続部材）５と、半導体チップ１と電気的に接続されたリード（外部端子）１３とを有している。すなわち、セラミック基板５の基板本体部５ｅの上面５ａには、配線パターン等の導体部５ｄが形成され、この導体部５ｄ上にはんだ合金（実施例１〜１８の鉛フリーはんだ合金の何れか）２ｂを介して半導体チップ１が搭載されている。

また、セラミック基板５の基板本体部５ｅの上面５ａには、配線部（配線パターン）５ｃが形成され、リード１３はこの配線部５ｃに電気的に接続されている。そして、半導体チップ１の主面１ａに形成された電極パッド１ｃとリード１３とが、および、電極パッド１ｃと配線部５ｃとが、それぞれ金線または銅線等のワイヤ１１によって電気的に接続されている。

また、セラミック基板５の基板本体部５ｅの下面５ｂには配線部５ｃが形成され、この配線部５ｃにはんだ合金２ｃ（実施例１〜１８の鉛フリーはんだ合金の何れか）を介して放熱用金属板（放熱部材）１２が接続されている。

次に、半導体モジュール（パワーモジュール）１０の組立工法について説明する。半導体モジュール１０は、半導体チップ１とセラミック基板５とをはんだ合金２ｂで接続し、その後、セラミック基板５と放熱用金属板１２とを別のはんだ合金２ｃによって接続することで製造される。

ここで、セラミック基板５と放熱用金属板１２とを接続する際の加熱で、半導体チップ１とセラミック基板５とを接続するはんだ合金２ｂが再溶融すると、溶融したはんだが流れ、半導体チップ１の位置ずれ等が発生し、不良に至る。一般的に、はんだ合金２ｂの再溶融を防ぐためには、はんだ合金２ｃは、はんだ合金２ｂよりも融点の低い材料を採用する必要がある。しかしながら、本実施の形態のはんだ合金２（２ｂ，２ｃ）である実施例１〜１８のはんだ合金２を用いた場合、接続界面に図３に示すような起伏のあるＣｕ−Ｓｎ系化合物層４が形成されるため、はんだ流れが生じることなく、半導体チップ１の位置ずれは生じない。

そこで、実施例１〜１８のはんだ合金２の何れかを、図９に示す半導体モジュール１０のはんだ合金２ｂに適用し、実施例１〜１８と同様に、接合温度２８０℃、保持時間５ｍｉｎ、Ｎ₂ ＋４％Ｈ₂ 雰囲気で、半導体チップ１と、Ｎｉめっき層３を形成したＮｉ／Ｃｕ／Ｓｉ₃ Ｎ₄ ／Ｃｕ／Ｎｉのセラミック基板５とを接続し、これによって接続体である半導体装置９を得た。

さらに、ＡｌＳｉＣ／Ｎｉ基板である放熱用金属板１２と半導体装置９とによって実施例１〜１８の何れかのはんだ合金２ｃを挟み込み、接合温度２８０℃、保持時間５ｍｉｎ、無荷重、１００％Ｈ₂ 雰囲気で接続し、半導体モジュール１０を形成した。したがって、半導体装置９のはんだ合金２ｂが再溶融することなくセラミック基板５と放熱用金属板１２とを接続することができる。

このように形成した半導体装置９について、リード１３を接続し、また、半導体チップ１の主面１ａの電極パッド１ｃと、セラミック基板５上の配線部５ｃやリード１３とをワイヤ１１でボンディングすることにより、半導体モジュール１０を形成することができる。

なお、半導体モジュール１０では、鉛フリーはんだ合金（はんだ合金２）と半導体チップ１との接続部の界面、上記鉛フリーはんだ合金とセラミック基板５との接続部の界面、および上記鉛フリーはんだ合金と放熱用金属板１２との接続部の界面に、それぞれＮｉめっき層３が形成されている。

そして、上述のように半導体モジュール１０の各接続部に本実施の形態のはんだ合金２（実施例１〜１８の鉛フリーはんだ合金（はんだ合金２、接合材）の何れか）を適用することにより、鉛フリーはんだ合金の各接続部において、それぞれの界面にＣｕ−Ｓｎ系化合物層（図２参照）４を厚く形成することができ、その結果、各接続部における界面安定性を向上させることができる。

これにより、鉛フリーはんだ合金（はんだ合金２）の各接続部における接続信頼性を高めることができる。

なお、本実施例では、片面から冷却する構造のモジュールを説明したが、図１０に示すように半導体チップ１の両側から放熱する構造のモジュールにも適用可能である。図１０は、本発明の実施の形態の鉛フリーはんだ合金を用いた半導体装置（半導体パワーモジュール）の構造の一例を示す断面図である。

図１０に示す半導体モジュール（半導体パワーモジュール）１９は、半導体チップ１の表裏両面にはんだ合金２ｂやはんだ合金２ｂ等の接合材が接合され、これら半導体チップ１の両面の接合材にリードフレーム２８が接合され、さらにリードフレーム２８に絶縁性放熱グリース２７を介して放熱用金属板１２が接合されている。

このように本実施の形態のはんだ接合部の構造は、半導体チップ１の表裏両面側から放熱用金属板１２によって放熱する構造のパワーモジュール（半導体モジュール１９）にも適用可能である。

また、本実施の形態のはんだ接合部の構造は、例えば、後述する図１６のようなダイオードチップを搭載していない小型化した半導体モジュール３４においても適用可能である。パワーモジュール（半導体モジュール３４）を小型化することで一般に電流密度が上がるため、はんだ接合部の温度も上昇するが、本願発明を用いることにより、実現することができる。

次に、図１１に示す、半導体モジュール１０が搭載された鉄道の車両について説明する。図１１は本実施の形態の鉛フリーはんだ合金を用いた半導体モジュール１０が搭載された鉄道の車両の一例を示す部分側面図、図１２は図１１の車両に設置されたインバータの内部構造の一例を示す平面図である。

図１１は、集電装置であるパンタグラフ２２を備えた鉄道の車両２１であり、車両２１の下部にはインバータ２３が設けられている。図１２に示すように、インバータ２３の内部では、プリント基板２５上に複数の半導体モジュール１０が搭載され、さらにこれらの半導体モジュール１０を冷却する冷却装置２４が搭載されている。

半導体モジュール１０は、パワーモジュールであるため、半導体チップ１からの発熱量が多い。したがって、複数の半導体モジュール１０を冷却してインバータ２３の内部を冷却可能なように冷却装置２４が取り付けられている。

このように鉄道の車両２１に、本実施の形態の鉛フリーはんだ合金（はんだ合金２）が用いられた複数の半導体モジュール１０を搭載したインバータ２３が設けられていることにより、インバータ２３内が高温環境となった場合であっても、インバータ２３およびそれが設けられた車両２１の信頼性を高めることができる。

次に、図１３に示す半導体装置は、例えば、車載用の交流発電機用の半導体モジュール（半導体パワーモジュール）１８である。そして、図１４は、図１３に示す半導体パワーモジュールが搭載された自動車の一例を示す斜視図である。

図１３に示す半導体モジュール１８の構成について説明すると、半導体チップ（ダイオード）１と、半導体チップ１の裏面１ｂと本実施の形態のはんだ合金（鉛フリーはんだ合金）２ｃを介して接続される接続部にＮｉ系めっきが施された筒状のキャップ（リード電極体）１５と、を備えている。さらに、半導体モジュール１８は、半導体チップ１の主面１ａと本実施の形態のはんだ合金（鉛フリーはんだ合金）２ｂを介して接続される接続部にＮｉ系めっきを施した熱膨張率差緩衝用の緩衝材１７と、緩衝材１７の他方の面と本実施の形態のはんだ合金（鉛フリーはんだ合金）２ｃを介して接続される接続部にＮｉ系めっきを施したＣｕリード（外部端子）１４と、を備えている。

また、筒状のキャップ１５内には、半導体チップ１や緩衝材１７やはんだ合金２ｂ、２ｃおよびＣｕリード１４の一部を封止する封止用の樹脂１６が充填されている。

なお、半導体チップ１とＣｕリード１４との間に、緩衝材１７を配置（挿入）することにより、接続後の冷却時および温度サイクル時に、接続部に被接続部材の熱膨張率差により発生する応力を緩衝することができる。緩衝材１７の厚さは、３０〜５００μｍにすることが好ましい。これは、緩衝材１７の厚さが、３０μｍ未満の場合、応力を充分に緩衝できずに、半導体チップ１および金属間化合物にクラックが発生する場合がある。また、緩衝材１７の厚さが、５００μｍ超の場合、Ａｌ、Ｍｇ、Ａｇ、ＺｎはＣｕリード１４より熱膨張率が大きいため、熱膨張率差の影響により、接続信頼性の低下につながる場合がある。また、緩衝材１７としては、Ｃｕ／インバー合金／Ｃｕ複合材、Ｃｕ／Ｃｕ複合材Ｃｕ−Ｍｏ合金、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗの何れかを用いることが好ましい。この緩衝材１７が設けられたにより、半導体チップ１とＣｕリード１４との間の熱膨張率差から生じる温度サイクル時および接続後の冷却時の接続部に発生する応力を緩衝することができる。

その結果、半導体チップ１にかかる応力を低減することができ、半導体チップ１にクラックが形成されることを低減できる。さらに、半導体モジュール１８において、はんだ接続の接続信頼性を高めることができる。

また、図１４に示す自動車３２は、例えば、図１３に示す半導体モジュール１８が搭載されたものであり、車体３１と、タイヤ２９と、半導体モジュール１８と、半導体モジュール１８を支持する実装部材である実装ユニット３０と、を備えている。

半導体モジュール１８は、実装ユニット３０に搭載されているが、実装ユニット３０は、例えば、エンジン制御ユニット等であり、その場合、実装ユニット３０はエンジンの近傍に配置されている。この場合には、実装ユニット３０は、高温環境下での使用となり、これにより、半導体モジュール１８も高温状態となる。

しかしながら、自動車３２において、実装ユニット３０が高温環境となった場合であっても、半導体モジュール１８のはんだ接続部に、本実施の形態のはんだ合金２（実施例１〜１８の鉛フリーはんだ合金（はんだ合金２、接合材）の何れか）を適用することにより、鉛フリーはんだ合金の各接続部において、それぞれの界面にＣｕ−Ｓｎ系化合物層（図２参照）４を厚く形成することができる。その結果、各はんだ接続部における界面安定性を向上させることができる。

これにより、鉛フリーはんだ合金（はんだ合金２）の各接続部における接続信頼性を高めることができる。すなわち、半導体モジュール１８の信頼性を高めることができる。

その結果、自動車３２の信頼性を高めることができる。

（変形例）
図１５は本発明の実施の形態の第１変形例の半導体パワーモジュールの構造を示す断面図である。図１５に示す半導体モジュール（半導体パワーモジュール）３３は、複数の半導体チップ３３ａと複数の半導体チップ３３ｂが、セラミック基板５上に搭載されたパワーモジュールである。半導体チップ３３ａは、例えば、ＳｉＣから成るＭＯＳ(Metal Oxide Semiconductor)であり、半導体チップ３３ｂは、例えば、ＳｉＣから成るダイオードである。この場合、半導体モジュール３３は、フルＳｉＣモジュール等とも呼ばれ、搭載されている各半導体チップがＳｉＣから成る。

半導体モジュール３３においても、半導体チップ３３ａや半導体チップ３３ｂの各下面側にはんだ合金（接合材、鉛フリーはんだ合金）２ｂが適用され、セラミック基板５と放熱用金属板１２との間には、はんだ合金２ｃ（接合材、鉛フリーはんだ合金）が適用されている。

さらに、半導体モジュール３３においても、リード１３がセラミック基板５の配線部５ｃに電気的に接続され、そして、半導体チップ３３ａ，３３ｂそれぞれの電極パッドと、セラミック基板５上の配線部５ｃとがワイヤ１１によってボンディングされている。

上述のように半導体モジュール３３のはんだ接続部に本実施の形態のはんだ合金２（実施例１〜１８の鉛フリーはんだ合金（はんだ合金２、接合材）の何れか）を適用することにより、鉛フリーはんだ合金の各接続部において、それぞれの界面にＣｕ−Ｓｎ系化合物層（図２参照）４を厚く形成することができ、その結果、各はんだ接続部における界面安定性を向上させることができる。

これにより、鉛フリーはんだ合金（はんだ合金２）の各接続部における接続信頼性を高めることができる。すなわち、半導体モジュール３３の信頼性を高めることができる。

次に、図１６は、本発明の実施の形態の第２変形例の半導体パワーモジュールの構造を示す断面図である。図１６に示す半導体モジュール３４は、複数の半導体チップ３４ａが、セラミック基板５上に搭載されたパワーモジュールである。半導体チップ３４ａは、例えば、ＳｉＣから成るＭＯＳであり、さらにダイオードを内蔵している。

つまり、ダイオードが半導体チップ３４ａ内に組み込まれており、この場合の半導体モジュール３４も、フルＳｉＣモジュール等とも呼ばれる。

半導体モジュール３４においても、半導体モジュール３３と同様に、半導体チップ３４ａの下面側にはんだ合金（接合材、鉛フリーはんだ合金）２ｂが適用され、セラミック基板５と放熱用金属板１２との間には、はんだ合金２ｃ（接合材、鉛フリーはんだ合金）が適用されている。

さらに、半導体モジュール３４においても、リード１３がセラミック基板５の配線部５ｃに電気的に接続され、そして、半導体チップ３０ａの電極パッドと、セラミック基板５上の配線部５ｃとがワイヤ１１によってボンディングされている。

上述のように半導体モジュール３４のはんだ接続部に本実施の形態のはんだ合金２（実施例１〜１８の鉛フリーはんだ合金（はんだ合金２、接合材）の何れか）を適用することにより、鉛フリーはんだ合金の各接続部において、それぞれの界面にＣｕ−Ｓｎ系化合物層（図２参照）４を厚く形成することができ、その結果、各接続部における界面安定性を向上させることができる。

これにより、鉛フリーはんだ合金（はんだ合金２）の各接続部における接続信頼性を高めることができる。すなわち、半導体モジュール３４の信頼性を高めることができる。

さらに、チップ内にダイオードを組み込むことにより、搭載するチップの数を少なくすることができる。その結果、半導体モジュール３３に比べて半導体モジュール３４のコストの低減化を図ることができる。

以上、本発明者によってなされた発明を発明の実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記発明の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。

なお、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることが可能である。なお、図面に記載した各部材や相対的なサイズは、本発明を分かりやすく説明するため簡素化・理想化しており、実装上はより複雑な形状となる。

また、上記実施の形態で説明した放熱用金属板１２は、板状の放熱板であってもよいし、あるいは複数のフィンが設けられた放熱部材等であってもよい。

また、本願発明の接合構造または接合方法は、自動車や鉄道車両の他、太陽光発電機またはパワーコンディショナまたは風力発電機または建設機械またはエレベータまたはエアコンまたは工作機械またはモータや圧縮機等の産業機器を動作させるインバータにも適用することができる。また、ＩＧＢＴモジュール、オルタネータ、交流発動機等にも適用することができる。

１ 半導体チップ（半導体素子）
２，２ｂ，２ｃ， はんだ合金（接合材）
３ Ｎｉめっき層（Ｎｉメタライズ層）
５ セラミック基板（チップ支持部材、絶縁基板、被接続部材）
９ 半導体装置（半導体モジュール、半導体パワーモジュール）
１０ 半導体モジュール（半導体装置、半導体パワーモジュール）
１２ 放熱用金属板（放熱ベース、放熱部材）
１８，１９，３３，３４ 半導体モジュール（半導体装置、半導体パワーモジュール）

Claims (11)

1. 半導体パワーモジュールであって、
   半導体素子と、
   前記半導体素子と接合する接合材と、
   を有し、
   前記半導体素子と絶縁基板とが、または、前記絶縁基板と放熱ベースとが、Ｃｕ１〜７重量％と、Ｓｂ３〜１５重量％と、残部Ｓｎとからなる前記接合材によって接合され、
   前記接合材は２８０℃以上の温度で接合された、半導体パワーモジュール。
2. 請求項１に記載の半導体パワーモジュールにおいて
   前記接合材の接合部の界面にＣｕ−Ｓｎを主な構成元素とする金属間化合物が形成されている、半導体パワーモジュール。
3. 半導体パワーモジュールであって、
   半導体素子と、
   前記半導体素子と接合する接合材と、
   を有し、
   前記半導体素子と絶縁基板との間、または、前記絶縁基板と放熱ベースとの間の接合部における第１のＣｕ−Ｓｎ化合物、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｓｂ層、第２のＣｕ−Ｓｎ化合物のそれぞれの厚さを足した前記接合部の厚さ比を１００とした場合、前記第１のＣｕ−Ｓｎ化合物と前記第２のＣｕ−Ｓｎ化合物の厚さの比は、１以上１０以下である、半導体パワーモジュール。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体パワーモジュールにおいて、
   前記半導体素子の裏面、前記絶縁基板、または、前記放熱ベースそれぞれの表面にＮｉメタライズ層が形成されている、半導体パワーモジュール。
5. 請求項４に記載の半導体パワーモジュールにおいて、
   前記絶縁基板と前記放熱ベースとの間の前記接合部の平均厚さが５０μｍ〜４００μｍである、半導体パワーモジュール。
6. 半導体パワーモジュールを有する移動体であって、
   前記半導体パワーモジュールは、半導体素子と絶縁基板との間、または、前記絶縁基板と放熱板との間に接合層を有しており、
   前記接合層は、第１のＣｕ−Ｓｎ化合物とＳｎ−Ｃｕ−Ｓｂ層と第２のＣｕ−Ｓｎ化合物とから構成されており、前記接合層の厚さを１００とした場合に、前記第１のＣｕ−Ｓｎ化合物と前記第２のＣｕ−Ｓｎ化合物の厚さは１以上１０以下で構成された、移動体。
7. 請求項６に記載の移動体において、
   前記半導体素子が有する面のうち前記絶縁基板側の面、または、前記絶縁基板、または、前記放熱板の表面にＮｉメタライズ層が形成された、移動体。
8. 請求項６に記載の移動体において、
   前記接合層の平均厚さが５０μｍ以上４００μｍ以下である、移動体。
9. 請求項６乃至８のいずれか１項に記載の移動体において、
   前記移動体は、自動車である移動体。
10. 請求項６乃至８のいずれか１項に記載の移動体において、
    前記移動体は、鉄道車両である移動体。
11. 半導体パワーモジュールの製造方法であって、
    半導体素子と絶縁基板とを、または、前記絶縁基板と放熱ベースとを、Ｃｕ１〜７重量％と、Ｓｂ３〜１５重量％と、残部Ｓｎとからなる接合材によって接合する工程を有し、
    前記接合材を２８０℃以上に加熱して前記半導体素子と前記絶縁基板とを、または、前記絶縁基板と前記放熱ベースとを接合する、半導体パワーモジュールの製造方法。

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