JPWO2017086324A1 - 接合構造体およびその製造方法 - Google Patents

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    • H01L2224/29139—Silver [Ag] as principal constituent
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    • H01L2224/29144—Gold [Au] as principal constituent
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    • H01L2224/29147—Copper [Cu] as principal constituent
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    • H01L2224/29155—Nickel [Ni] as principal constituent
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    • H01L2224/29163—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than 1550°C
    • H01L2224/29169—Platinum [Pt] as principal constituent
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    • H01L2224/29163—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than 1550°C
    • H01L2224/2917—Zirconium [Zr] as principal constituent
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    • H01L2224/29163—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than 1550°C
    • H01L2224/29171—Chromium [Cr] as principal constituent
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    • H01L2224/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/29001—Core members of the layer connector
    • H01L2224/29099—Material
    • H01L2224/291—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/29163—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than 1550°C
    • H01L2224/29179—Niobium [Nb] as principal constituent
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    • H01L2224/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/29001—Core members of the layer connector
    • H01L2224/29099—Material
    • H01L2224/291—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/29163—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than 1550°C
    • H01L2224/2918—Molybdenum [Mo] as principal constituent
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    • H01L2224/291—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/29163—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than 1550°C
    • H01L2224/29181—Tantalum [Ta] as principal constituent
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    • H01L2224/29163—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than 1550°C
    • H01L2224/29184—Tungsten [W] as principal constituent
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    • H01L2224/32221—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/32225—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
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Abstract

耐熱疲労特性および熱応力緩和特性に優れ、信頼性の高い接合構造体を提供する。本発明の接合構造体（Ｍ１）は、第１部材（１）と、第１部材と接合され得る第２部材（２）と、第１部材側の第１被接合面（１１）と第２部材側の第２被接合面（２１）との間に介在して第１部材と該第２部材とを接合する接合部（３）とを備える。この接合部は、第１金属と第１金属よりも低融点な第２金属とからなる共に第２金属よりも高融点な金属間化合物からなり第１被接合面に接合している接合層（３２１０）と、第１金属よりも高延性な第３金属からなる補強層（３０）と、第１金属からなり接合層と補強層とに接合している中間層（３１１０）と、を少なくとも有する。さらに、第１被接合面に対応して存在する接合層の外周囲の少なくとも一部には、金属間化合物からなり、中間層を介さずに補強層に直結している誘導部（４）を有する。

Description

本発明は、高温環境下や冷熱サイクル下で使用されても、高い耐久性や信頼性を発揮する接合構造体と、その製造方法に関する。
モータ駆動用インバータ等には、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のパワーデバイス（半導体素子）を、絶縁積層基板やリードフレーム等の金属配線（層）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等を確保するために、パワーデバイスの作動中に生じる大きな発熱がヒートシンクや冷却器等を介して効率的に放熱させると共に、各部材間の接合部が熱応力緩和特性と耐熱疲労特性に優れることも重要である。
パワーデバイスと金属配線との接合部は、相当な高温になると共に、接合部材間の熱膨張係数差と温度差（または温度勾配）に応じて大きな熱応力を受ける。しかも、その熱応力は、冷熱サイクル数に応じて大きく変動し得る。さらに、ＳｉＣやＧａＮ、Ｇａ２Ｏ３等からなる次世代のパワーデバイスは、さらなる高温域（例えば１５０℃以上）で使用されることが予想される。従って、パワーモジュールの接合部には、大きく温度が変化しても被接合部材に生じる熱応力集中を低減できる熱応力緩和特性と、大きく変動する熱応力が繰返し印加されても損傷しない耐熱疲労特性とを、従来よりも高次元で両立することが求められている。
このような接合部を得る方法の一つとして、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。）が提案されている。このＳＬＩＤ接合に関連する記載が、例えば、下記の特許文献にある。
特開２００６−３２８８８号公報
ＳＬＩＤ接合は、従来のはんだ接合等と異なり、接合温度を抑制しつつも、その接合温度よりも高融点な接合層が形成される点で画期的である。しかし、金属間化合物は金属単体よりも低靱性（または低延性）であるため、従来のＳＬＩＤ接合で得られる接合部材は、耐熱疲労特性または熱応力緩和特性が不十分であった。
本発明はこのような事情に鑑みて為されたものであり、金属間化合物からなる接合層を有しつつも、耐熱疲労特性と熱応力緩和特性を高次元で両立できる新たな接合構造体と、その製造方法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、試行錯誤を重ねた結果、接合部に作用する熱応力の少なくとも一部を、金属間化合物からなる接合層外へ誘導することにより、接合部ひいては接合構造体の耐熱疲労特性と熱応力緩和特性を両立させることに成功した。この成果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）本発明の接合構造体は、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部材側の第１被接合面と該第２部材側の第２被接合面との間に介在して該第１部材と該第２部材と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、第１金属と該第１金属よりも低融点な第２金属とからなる共に該第２金属よりも高融点な金属間化合物からなり、前記第１被接合面に接合している接合層と、該第１金属よりも高延性な第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、を少なくとも有し、さらに、該第１被接合面に対応して存在する該接合層の外周囲の少なくとも一部には、該金属間化合物からなり、該中間層を介さずに該補強層に直結している誘導部を有することを特徴とする。
（２）本発明の接合構造体は、高温域で使用される際に、第１部材と第２部材の間の熱膨張係数差や温度勾配等により、両者間の接合部に大きな熱応力が作用したり、冷熱サイクルに伴う繰り返し応力が作用する場合でも、本発明の接合構造体は優れた耐久性または信頼性を発揮し得る。
本発明の接合構造体が、このように優れた特性を発揮する理由は次のように考えられる。先ず本発明の接合構造体は、第１部材と第２部材が、高融点の金属間化合物からなる接合層により接合されている。このため、接合工程時の加熱温度以上でも、接合部（特に接合層）は安定した接合状態を維持し、本発明の接合構造体は高温域での使用が可能となる。
一方、接合層を構成する金属間化合物は、金属元素からなり導電性や熱電導性等に優れるものの、あくまでも化合物であるため、硬質で低靱性（または低延性）である。このため、金属間化合物からなる接合層は、熱衝撃や繰り返し応力等を受けると、クラックや破断等の損傷を受け易い。つまり、単に金属間化合物からなるだけの接合層は、耐熱衝撃性や耐熱疲労特性等が劣る。従って、従来のＳＬＩＤ接合された接合構造体では、耐久性や信頼性の向上を図ることは困難である。
また、本発明者の研究によれば、接合構造体は、接合部（特に接合層）の外周囲側端部付近でクラックや剥離等の損傷を発生し、この損傷が経時的に接合部の内部へ進展し易いことがわかっている。
本発明に係る接合部は、接合層が単に金属間化合物からなるのみならず、第１金属からなる中間層を介して、第３金属からなる補強層と接合された状態となっている。さらに、その接合部（特に接合層）の外周囲側の端部付近には、中間層を介さずに、補強層に直結した金属間化合物からなる誘導部が設けられている。
このような接合部を有する接合構造体が冷熱サイクル下におかれた場合、クラック等の損傷は、被接合面に対応して存在する接合層の外周囲側端部付近にある、低靱性（または低延性）な金属間化合物からなる誘導部で生じ易い。また、冷熱サイクル数の増加によりクラックが進行する場合でも、そのクラックは誘導部から直結している補強層へ優先的に伝播する。もっとも補強層は、高延性（高靱性）な金属（第３金属）からなるため、補強層内におけるクラックの進展は遅い。さらに、接合部に大きな熱応力が作用しても、高延性な補強層が弾性変形や塑性変形等して、その熱応力を緩和する。
こうして本発明の接合構造体は、高温環境下で繰返し使用されても、誘導部や補強層が効果的に機能して、その接合部は高い耐熱疲労特性と熱応力緩和特性を発揮し、ひいては優れた耐久性や信頼性を発揮し得る。
《接合構造体の製造方法》
（１）上述の接合構造体は、例えば、次のような本発明の製造方法により得ることができる。本発明の製造方法は、第１部材の第１被接合面と第２部材の第２被接合面とに挟持された接合材を加熱して該第１部材と該第２部材を接合する接合工程を備える接合構造体の製造方法であって、前記接合材は、該第１被接合面または該第２被接合面よりも拡張しており、第１金属からなる第１層と、該第１金属よりも低融点な第２金属からなり、前記第１被接合面側にある該第１層の一面上に形成されている第２層と、該第１金属よりも高延性な第３金属からなり、該第１層の他面上に形成されている第３層とを少なくとも有し、前記接合工程は、前記第１被接合面の外周囲側にある前記第１層上の少なくとも一部へ溶融した該第２金属を漏出させると共に、該第２金属と該第１金属との間で金属間化合物を生成する反応温度以上に加熱する工程であることを特徴とする。
（２）本発明の製造方法によれば、上述した接合構造体を効率的に得ることができる。具体的に説明すると、次の通りである。先ず、第１部材の第１被接合面と第２部材の第２被接合面との間で、少なくとも、第１金属からなる第１層と第２金属からなる第２層と第３金属からなる第３層とが挟持された状態をつくる（挟持工程または配置工程）。この状態の接合材（さらには接合材を挟持した第１部材および第２部材）を、第２金属の溶融以上（超）で、第１金属と第２金属からなる金属間化合物が生成される温度（反応温度）以上に加熱する（接合工程）。これにより、その金属間化合物からなる前述した接合層が形成される。このとき、金属間化合物の生成に寄与しなかった第１層中の残存部が中間層となる。また、第３層は、通常、そのまま補強層となる。
ところで、金属間化合物を生じる反応温度は、通常、第２金属の融点よりも相応に高く、第２層の第２金属は溶融直後に金属間化合物とはならない。このため、接合工程中の加熱温度が第２金属の融点から金属間化合物の反応温度に至る期間中、第２層（第２金属）は第１層と第１被接合面の間で液相状態となる。この液相は、第１部材の自重等や製造装置等により、多かれ少なかれ、加圧された状態となっていることが多い。
その結果、第２金属の液相は、液相量や加圧量等に応じて、接合層の形成に寄与しない余剰分が接合界面の外周囲側（接合層の外周囲側）へ漏出するようになる。この漏出した第２金属の液相は、第１被接合面よりも拡張している第１層上に流出し、第１被接合面の外周囲側の端部に滞留した状態となる。この状態で、加熱温度が反応温度に達すると、その漏出した第２金属の液相は第１層の第１金属と反応して金属間化合物となる。この反応が十分に進行することにより、第１被接合面の外周囲側の端部近傍にある第１層は消費されて消失（金属間化合物に変化）し、第１層（中間層）を介さずに第３層（補強層）に直結した誘導部が形成される。こうして、金属間化合物からなる接合層と誘導部は、ほぼ同時に形成される。なお、金属間化合物の生成反応は、固液相互拡散反応であり、その融点は反応温度（接合工程中の加熱温度）よりも高いため、冷却するまでもなく、生成と同時に固相となる。
ちなみに、接合層の幅（厚さ）や誘導部の大きさ等は、第２層の厚さの他、接合界面間の加圧量を制御することにより容易に調整できる。そこで、本発明に係る接合工程は、その加圧量を制御する工程を含むものであると好ましい。加圧量の制御は、例えば、第１部材と第２部材との間に印加する荷重等の調整により容易に行える。
（３）接合材は、接合界面（被接合面）よりも多少拡張している。これにより、上述したように誘導部が形成されることに加えて、接合工程前または接合工程中に、多少の位置ズレや寸法変化等があっても、被接合面全体を安定的に接合できる。
接合工程は、第１被接合面と第２被接合面の間に、少なくとも第１層〜第３層が存在すれば実施できる。接合工程前の各層は、その全部または一部が、第１部材または第２部材と分離した状態で存在してもよいし、予め、第１被接合面側または第２被接合面側に配設されていてもよい。従って、本発明に係る接合材の少なくとも一部は、第１層、第２層および第３層の二層以上が積層された積層材からなってもよい。また、第１層、第２層および第３層のうち少なくとも一層が、接合工程前に、第１被接合面側または第２被接合面側に予め形成されていてもよい。
（４）なお、誘導部は、上述した方法の他、例えば、第１被接合面の外周囲側に第２金属のペーストを付着等させた後に、前述した反応温度で加熱することでも得られる。このときの接合工程は、前記第１被接合面の外周囲側にある前記第１層上の少なくとも一部へ前記第２金属を付着させて、該第２金属が溶融して前記第１金属との間で金属間化合物を生成する反応温度以上に加熱する工程とすればよい。
（５）ちなみに、第３層（補強層）を構成する第３金属よりも一般的に低延性で高強度である第１金属からなる第１層（中間層）は、第２金属からなる第２層と反応して金属間化合物を生成するのみならず、次のように作用して、接合部の耐熱疲労特性の向上等に寄与していると考えられる。先ず、接合時を考えると、第１層が残存して中間層となることにより、第２層の第２金属と第３層の第３金属との反応が抑止され、予定外の低融点または脆弱な金属間化合物等が、第３層（補強層）上に形成されることを阻止できる。そして第１金属と第３金属が適切に選択されると、第１層と第３層は安定的に高い密着性を発揮し、高温域でも両層間で界面剥離等が生じることもない。こうして中間層も、本発明の接合構造体の耐熱疲労特性の向上等に寄与している。
《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被接合面側に接合層が形成される場合について説明している。第２被接合面側は、第１被接合面側と同様な接合構造でよいし、異なる接合構造でもよい。第１被接合面側と第２被接合面側とに、同様な構造の接合部を設ける場合、補強層の両面側にそれぞれ中間層と接合層が順に形成される。この場合、例えば、第３層の両面側にそれぞれ第１層と第２層が順に形成された接合材（積層材）を用いることができる。
（２）金属間化合物により接合される被接合面側にも、第１金属層（被覆層等）が形成されていると好ましい。この場合、第２層（第２金属層）の両面が第１金属層で挟持された状態となり、金属間化合物の生成による接合が確実になされる。
（３）本発明の接合構造体は、耐熱衝撃性、耐熱疲労特性、熱応力緩和特性等に優れるため、少なくとも第１部材が高温となる場合に有効である。さらにいえば、第１部材側の第１被接合面が、第２部材側の第２被接合面よりも熱膨張係数が小さい場合に有効である。このような第１部材として、例えば、熱膨張係数が小さくて高温になる半導体素子（発熱源）がある。逆に、第２部材として、例えば、熱膨張係数が大きくて放熱側（低温側）となる金属配線（リードフレーム、絶縁基板上の配線等）がある。
（４）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。具体的にいうと、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。靱性はシャルピー衝撃試験における衝撃吸収エネルギーに基づいて定まる。この衝撃吸収エネルギーは、一般に、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曲線と横軸（ひずみ）とで囲まれた面積に対応する。そこで本明細書では、そうして求まる衝撃吸収エネルギーにより靱性を定める。強度は、破断時（破壊時）の公称応力により定める。なお、いずれも室温域における特性である。
第３金属は、第１金属よりも高延性であるが、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好ましい。補強層が低ヤング率な第３金属からなることにより、第１部材と第２部材の間に作用する熱応力や接合時に導入される残留応力の低減を図れる。また、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。
（５）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。
接合構造体の一例であるパワーモジュールの接合前の第１形態を示す模式図である。 そのパワーモジュールの接合前の第２形態を示す模式図である。 そのパワーモジュールの接合前の第３形態を示す模式図である。 そのパワーモジュールの接合前の第４形態を示す模式図である。 そのパワーモジュールの接合前の第５形態を示す模式図である。 そのパワーモジュールの接合前の第６形態を示す模式図である。 接合後のパワーモジュールの一形態を示す模式図である。 各試料に係る冷熱サイクル試験後の接合部の様子を示す超音波顕微鏡像写真である。 冷熱サイクル試験前の試料１に係る接合部の断面を示すＳＥＭ像である。 その試験後の試料１に係る接合部の断面を示すＳＥＭ像である。 その試験前の試料Ｃ１に係る接合部の断面を示すＳＥＭ像である。 その試験後の試料Ｃ１に係る接合部の断面を示すＳＥＭ像である。 その試験前の試料１に係る接合層近傍の断面を示すＳＥＭ像である。 その試験後の試料１に係る接合層近傍の断面を示すＳＥＭ像である。 冷熱サイクル試験中に各試料の半導体素子に作用する最大応力を示す棒グラフである。
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。上述した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。「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。なお、いずれの実施形態が最良であるか否かは、対象、要求性能等によって異なる。
《第１金属と第２金属》
第１層または中間層となる第１金属と、第１金属と金属間化合物（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域、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。また第２金属として、Ｉｎ、Ｇａ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｚｎ等やそれらの合金がある。例えば、第１金属をニッケル（Ｎｉ）とし、第２金属をスズ（Ｓｎ）とするとよい。Ｓｎの融点は約２３０℃、Ｎｉの融点は約１４５０℃である。Ｎｉ層（第１層または中間層）とＳｎ層（第２層）を接触させつつ、例えば、約３５０℃で１５分間程度加熱すると、ニッケルスズ（ＮｉＳｎ）という金属間化合物単相が得られる。なお、この金属間化合物の融点は約７９５℃である。
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。
この他、第１金属／第２金属の組合わせとして、Ｎｉ／Ｓｎ、Ｃｕ／Ｓｎ、Ａｇ／Ｓｎ、Ｐｔ／Ｓｎ／、Ａｕ／Ｓｎ等がある。なお、中間層（第１層）を構成する第１金属は、第１被接合面を形成する金属（または被覆金属）と同種であると好ましい。この場合、第１被接合面と中間層は、共に第２金属と金属間化合物を生成して強固に接合される。なお、例えば半導体素子の（裏面）電極等には、Ｎｉ（第１金属）からなる被覆層（メッキ層）が形成されていることが多い。
《第３金属》
第３層または補強層となる第３金属も種々考えられ、第１金属の種類や接合構造体の要求仕様に応じて、適宜、選択され得る。上述したように第３金属は、高延性で低ヤング率なものが好ましい。
また、接合構造体の耐久性を確保するために、補強層は中間層等よりも厚いと好ましいが、補強層が厚くなると、伝熱抵抗や電気抵抗が増大し得る。そこで補強層を構成する第３金属は、熱伝導性や電導性に優れるものであると好ましい。このような観点からも、第３金属は、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）またはそれらの合金であると好適である。
《誘導部》
誘導部は、熱応力が集中し易く、疲労破壊の起点となり易い接合部（特に接合層）の外周囲側端部の少なくとも一部にあれば足るが、その全周に沿って形成されているとより好ましい。誘導部も、全体が金属間化合物（単相）であると好ましいが、第２金属が多少残存していてもよい。なお、誘導部は第１被接合面の外周囲側で、第１被接合面に接合している接合層の外周囲側にあればよく、誘導部の外周側に金属間化合物層等がさらに存在してもよい（図４参照）。
《接合工程》
接合工程は、金属間化合物からなる接合層および誘導部を形成する工程である。具体的にいうと、接合工程は、金属間化合物が形成される反応温度で、第１層の第１金属と第２層の第２金属を加熱する工程である。金属間化合物は、第１金属の固相と第２金属の液相との間の相互拡散反応の結果物であるため、その加熱状態が所定時間保持されると好ましい。
反応温度や保持時間は、第１金属と第２金属の種類により異なるが、次のようにすればよい。反応温度は、接合する部材（素子等）の耐熱温度未満の温度範囲内で、第２金属の融点以上かつ金属間化合物が形成される温度以上とすればよい。保持時間は、接合層の形成に必要な量の金属間化合物が形成される時間とすればよい。また、第１金属（層）と第２金属（層）の厚さおよびそれらの層間に印加する加圧量を制御することにより、金属間化合物からなる接合層の厚さや誘導部の大きさ（溶融した第２金属の漏出量）の調整等が可能となる。
《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。ここでは、その具体例として、半導体素子（第１部材または第２部材）を積層絶縁基板の金属配線（第２部材または第１部材）上に実装したパワーモジュール（接合構造体）を取り上げて説明する。なお、各形態の相違を明確にするため、主に接合前の状態について説明する。
いずれの形態でも、次の点は共通するものとする。半導体素子は、ＳｉＣからなるＩＧＢＴ等のパワーデバイスであり、Ｎｉ（第１金属）等がメタライズされた裏面電極（第１被接合面）を有する。積層絶縁基板はＡｌＮ等のセラミックス層上に、Ｃｕ層（金属配線）が直接積層されたＤＢＣ（Direct Brazed Copper）基板またはＡｌ層（金属配線）が直接積層されたＤＢＡ（Direct Brazed Aluminum）基板等である。そのＣｕ層またはＡｌ層等によって金属配線（第２部材）が構成される。金属配線も、半導体素子の裏面電極と同様に、Ｎｉ等がメタライズされた配線電極（第２被接合面）を有する。なお、裏面電極および配線電極にＮｉ等がメタライズされていることにより、第２金属（第２層）やＳｎはんだ等の濡れ性も良好となる。
（１）接合前のパワーモジュールＭ１を図１Ａに示した。パワーモジュールＭ１は、裏面電極１１が形成された半導体素子１と、配線電極２１が形成された金属配線２と、積層シート３０１（接合材、積層材）とにより製造される。積層シート３０１は、純Ａｌ等（第３金属）からなる層３０（第３層）と、その両面側に形成されたＮｉ等からなる層３１１、３１２（第１層）と、それらの各片面側にそれぞれ形成されたＳｎ等（第２金属）からなる層３２１、３２２（第２層）とを有する。なお、積層シート３０１は裏面電極１１より外周側へ拡張している。但し、積層シート３０１の面積は、裏面電極１１の面積よりも少し大きいが、配線電極２１の面積よりは小さくてよい。この点は、後述する他のパワーモジュールについても適宜該当する。
実装（接合）は次のようにしてなされる。先ず、半導体素子１と金属配線２により積層シート３０１を挟持する。こうして得られた挟持体を、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、蟻酸還元雰囲気等）などの所望雰囲気からなる加熱炉に入れて、所定の反応温度まで加熱して、一定時間保持する。その昇温過程で、先ず、裏面電極１１と層３１１の間に挟持された層３２１と、配線電極２１と層３１２の間に挟持された層３２２が溶融する。このとき、少なくとも層３２１から生じた溶融金属（第２金属）が、裏面電極１１と層３１１の外周囲端側へ滲み出し、層３１１（第１金属）上に漏出して溜まる。
さらに昇温して反応温度に到達すると、層３２１から生じた溶融金属は、裏面電極１１と層３１１と反応（固液相互拡散反応）して、金属間化合物となる。同様に、層３２２から生じた溶融金属も、配線電極２１と層３１２と反応して、金属間化合物となる。この結果、裏面電極１１と層３１１、および配線電極２１と層３１２は、新たに生成された金属間化合物層（接合層）により強固に接合された状態となる。なお、この金属間化合物の生成後に残存した層３１１（または層３１２）が本発明でいう中間層となり、層３０は補強層となる。
なお、層３２１、３２２の厚さ（第２金属量）等を調整して、層３１１、３１２（さらには裏面電極１１と配線電極２１の金属層）がほぼ消失する程に金属間化合物（接合層）を生成させることも考えられる。しかし、層３２１、３２２からなる第２金属が接合界面間に残存すると、その第２金属が再溶融したり、層３０を構成する第３金属と反応して脆弱な別の金属間化合物を新たに生成したりするため好ましくない。このような観点から、層３１１、３１２（さらには裏面電極１１と配線電極２１の金属層）は、接合工程後も残存するようにしている。
ところで、裏面電極１１と層３１１の間から漏出して層３１１上に滞留していた液相の第２金属も、層３１１と反応して、金属間化合物となる。この場合、溶融金属が滞留していた領域の層３１１は、金属間化合物の生成に完全に消費されて消失し、その生成された金属間化合物は、層３１１を介さずに層３０（第３金属）と直結した状態となる。こうして本発明でいう誘導部が形成される。なお、誘導部の形成に必要な第２金属の溶融量（漏出量）は、層３２１の厚さ、半導体素子１と金属配線２の間に印加する加圧量等を調整して行える。
こうして得られる接合後のパワーモジュールＭ１を図４に示した。このパワーモジュールＭ１は、半導体素子１と金属配線２とが接合部３で接合された構造となっている。なお、図１Ａに示した部材または部分と同じものには、同符号を付して示した。
接合部３は、中央に補強層３０（層３０）を有し、その両面側に層３１１、３１２の残部からなる中間層３１１０、３１２０と、さらにそれらの両側に層３１１、３１２の第１金属と層３２１、３２２の第２金属とが反応してできた金属間化合物からなる接合層３２１０、３２２０とからなる。そして、接合層３２１０は、その反応後に残存した裏面電極１１と中間層３１１０を接合している。接合層３２２０は、その反応後に残存した配線電極２１と中間層３１２０を接合している。こうして半導体素子１と金属配線２が接合部３を介して接合される。また、この接合部３（特に接合層３２１０）の外周囲端部には、接合層３２１０と同じ金属間化合物からなる誘導部４が、接合部３の外周囲側にある補強層３０に直結した状態となっている。
（２）他形態の接合前のパワーモジュールＭ２を図１Ｂに示した。なお、パワーモジュールＭ１と同部材等には、同符号を付して、その詳細な説明を省略する（以下同様）。
パワーモジュールＭ２は、第２金属からなる層１２を裏面電極１１上に形成した半導体素子１と、第２金属からなる層２２を配線電極２１上に形成した金属配線２と、積層シート３０２とにより製造される。積層シート３０２は、層３０の両面側に形成された第１金属からなる層３１１、３１２とを有する。パワーモジュールＭ２は、パワーモジュールＭ１に係る層３２１と層３２２をそれぞれ、半導体素子１側の層１２と金属配線２側の層２２としたものである。こうして得られるパワーモジュールＭ２も、パワーモジュールＭ１と同形態となる。
（３）他形態の接合前のパワーモジュールＭ３を図２Ａに示した。パワーモジュールＭ３は、配線電極２１上に、第２金属からなる層２２、第１金属からなる層２１２、第３金属からなる層２３、第１金属からなる層２１１および第２金属からなる層２２１を順に積層した金属配線２と、裏面電極１１を有する半導体素子１とにより製造される。本形態は、パワーモジュールＭ１の製造に用いた積層シート３０１を構成していた各層を、予め金属配線２側に形成したものである。こうして得られるパワーモジュールＭ３も、パワーモジュールＭ１と同形態となる。
（４）他形態の接合前のパワーモジュールＭ４を図２Ｂに示した。本形態は、パワーモジュールＭ３に係る層２２１を、半導体素子１の裏面電極１１上に形成して、層１２としたものである。
（５）他形態の接合前のパワーモジュールＭ５を図３Ａに示した。パワーモジュールＭ５は、配線電極２１上に第３金属からなる層２３、第１金属からなる層２１１および第２金属からなる層２２１を順に積層した金属配線２と、裏面電極１１を有する半導体素子１とにより製造される。本形態は、金属配線２側に形成されていた第２金属からなる層２２と第１金属からなる層２１２が省略されている点でパワーモジュールＭ３、Ｍ４と異なる。つまり本形態は、金属間化合物からなる接合層を介さずに、配線電極２１上に第３金属からなる層２３を直接クラッド接合等した場合である。
（６）他形態の接合前のパワーモジュールＭ６を図３Ｂに示した。本形態は、パワーモジュールＭ５に係る層２２１を、半導体素子１の裏面電極１１上に形成して、層１２としたものである。
このように本発明の接合構造体には種々の形態が考えられるが、少なくとも金属間化合物（単相）からなる接合層と、金属間化合物が補強層に直結した誘導部とがあれば十分である。
なお、本明細書でいう各金属層は、圧延（クラッド）、メタライズ（蒸着）、貼着等のいずれの方法で形成されたものでもよい。半導体素子は、ＳｉＣの他、Ｓｉ、ＧａＮ、Ｇａ２Ｏ３等からなってもよい。また、半導体素子を実装する相手材は、上述した基板に限らず、リードフレーム等でもよい。絶縁基板を用いる場合、セラミック層はＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３等の熱伝導性に優れるものが好ましい。勿論、金属基板を用いてもよい。半導体モジュールは、適宜、ヒートシンク、ヒートスプレッタ、冷媒が内部を流通する冷却器等の伝熱機器（放熱機器）を備えると好ましい。
ＳＬＩＤ接合した試料（パワーモジュール）を製作して、その耐熱疲労特性や熱応力緩和特性を実際に評価した。このような実施例に基づいて本発明の内容を具体的に説明する。
《試料》
図４に示したパワーモジュールＭ１を実際に製作した。この際、半導体素子１：ＳｉＣチップ、金属配線２：銅配線、第１金属：Ｎｉ、第２金属：Ｓｎ、第３金属：Ａｌとした。各部の大きさは、裏面電極１１：５×５ｍｍ、積層シート３０１：７×７ｍｍ、配線電極２１：２０×２０ｍｍとした。積層シート３０１を構成する各層の厚さは、層３０（Ａｌ層）：１００μｍ、層３１１、３１２（Ｎｉ層）：３μｍ、層３２１（Ｓｎ層）：５μｍ、層３２２（Ｓｎ層）：５μｍとした。
積層シート３０１を挟持した半導体素子１と金属配線２（基板）を加熱炉に入れて、 水素または窒素雰囲気中で、３５０℃（反応温度）まで昇温させた後、３５０℃で１５分間保持した。なお、この加熱処理（接合工程）は、半導体素子１と金属配線２の間（接合界面間）に０．５ＭＰａを印加しつつ行った。その後自然冷却して試料を取り出した。
《試験》
得られた試料（これを「試料１」という。）を、高温環境下（２００℃）と低温環境下（−４０℃）とに、順次繰返して曝す冷熱サイクル試験を行った。本試験のサイクル数は５００回とした。
《観察》
（１）冷熱サイクル試験前の接合部の状態と、その試験後の接合部の状態とを、超音波顕微鏡により接合部を観察した。
比較のため、層３０（Ａｌ層）を省略した積層シートを用いて、半導体素子１の裏面電極１１と金属配線２の配線電極２１とを接合した試料も用意した（これを「試料Ｃ１」という。）。また、従来からある各種の合金からなるはんだを溶融凝固させて接合した試料も用意した。さらに、金属本来の融点よりも低温で溶融を開始する微粒子（Ａｇナノ粒子）を用いて接合した試料も用意した。参考までに、各接合材の融点と接合時の加熱温度を順に示すと、ＰｂＳｎ：３０２℃／３５２℃、ＳｎＣｕ：２２７℃／２７７℃、ＳｎＳｂ：２３２℃／２７２℃、Ａｇナノ粒子：９６２℃／３５０℃である。Ａｇナノ粒子を用いた場合だけ、（融点）＞（加熱温度）となっている。
上述した各比較試料についても超音波顕微鏡により接合部を観察した。こうして得られた各接合部の顕微鏡写真を図５にまとめて示した。
（２）試料１と試料Ｃ１について、冷熱サイクル試験前・後の接合部付近の断面を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した。試料１の試験前の様子を図６Ａに、その試験後の様子を図６Ｂに示した（両図を併せて単に「図６」ともいう。）。試料Ｃ１の試験前の様子を図７Ａに、その試験後の様子を図７Ｂに示した（両図を併せて単に「図７」ともいう。）。
（３）試料１について、冷熱サイクル試験前・後の接合層近傍を、ＳＥＭ観察した。試験前のＳＥＭ像を図８Ａに、試験後のＳＥＭ像を図８Ｂに示した（両図を併せて単に「図８」ともいう。）。
《測定》
試料１、試料Ｃ１、ＰｂＳｎはんだで接合した試料、ＳｎＣｕはんだで接合した試料およびＳｎＳｂはんだで接合した試料について、冷熱サイクル試験中の半導体素子１（測定部位：素子中央部）に作用する最大応力を、半導体素子１に内蔵したひずみゲージにより測定した。各試料について得られた結果を図９にまとめて示した。
《評価》
（１）図５から明らかなように、本発明に係る試料１（ＳＬＩＤ、Ａｌ層有り）のみが、過酷な冷熱サイクル試験後でも、その試験前の状態をほぼそのまま維持していることがわかる。比較試料のうちで、先ず試料Ｃ１（ＳＬＩＤ、Ａｌ層無し）に着目する。試料Ｃ１も試料１と同様に金属間化合物を形成して接合（ＳＬＩＤ接合）されたものであるが、図５から明らかなように、試験後の接合状態は大きく変化しており、接合面積が大幅に減少していることがわかる。
このことは、試料Ｃ１に係る図７Ａと図７Ｂを比較しても明らかである。つまり、試料Ｃ１では、試験後、接合界面に剥離が生じたり、接合層にクラックが生じている。しかも、そのクラックは、被接合部材である金属配線２（Ｃｕ層）にまで到達しており、接合部付近の損傷が激しい。
一方、試料１の場合、図６Ａと図６Ｂの比較から明らかなように、試験前後の変化が少ない。但し、図６Ｂから明らかなように、試料１でも、過酷な冷熱サイクル試験後には、接合部の外周囲側端部域（金属間化合物からなる誘導部）にクラックが生じている。このクラックは、誘導部が直結している補強層（Ａｌ層）へ進展している。
試料１の場合、図８に示すように、その誘導部と接合層の付近を拡大して観ると、クラックは誘導部から補強層（特に接合層に近い側）に限定的に導入されているに過ぎないことがわかる。つまり、そのクラックは接合層には進展しておらず、また接合層に剥離等の損傷は一切観られなかった。
以上のことから、クラックの進展速度が遅い高延性な補強層（層３０）と、冷熱サイクル時に作用する熱応力を積極的にその補強層へ誘導する誘導部とが接合部で共存することにより、耐熱疲労特性に優れた高信頼性のパワーモジュールが得られることがわかる。
（２）図９から明らかなように、試料１の場合、冷熱サイクル試験中に半導体素子１に生じる最大応力も、従来のＳＬＩＤ接合した試料Ｃ１よりも、大幅に低減されていることがわかった。なお、大きな熱膨張係数差がある半導体素子１と金属配線２とが高温環境下で接合された各試料に生じる冷熱サイクル試験中の最大応力は、低温環境下（−４０℃）において、熱膨張係数の小さい部材側である半導体素子１に生じる。
試料１の最大応力が低くなった理由として、接合部に介在している補強層（Ａｌ層）が低剛性（低ヤング率）で歪み易いことから、半導体素子１と金属配線２間に作用する熱応力が緩和されたことが要因の一つと考えられる。
このように、高延性で低ヤング率な補強層を接合部に介在させることにより、接合部に生じるクラックの拡散または進展が抑制されると共に、被接合部材または接合部に作用する最大応力も低減される。これらのことが相乗的に作用して、本発明に係る実施例（試料１）は優れた耐熱疲労特性と共に熱応力緩和特性を示すようになったと考えられる。
Ｍ パワーモジュール（接合構造体）
１ 半導体素子
２ 金属配線
３ 接合部
４ 誘導部
３０ 補強層
３１１０ 中間層
３２１０ 接合層

Claims (11)

  1. 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部材側の第１被接合面と該第２部材側の第２被接合面との間に介在して該第１部材と該第２部材と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、
    第１金属と該第１金属よりも低融点な第２金属とからなる共に該第２金属よりも高融点な金属間化合物からなり、前記第１被接合面に接合している接合層と、
    該第１金属よりも高延性な第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、を少なくとも有し、
    さらに、該第１被接合面に対応して存在する該接合層の外周囲の少なくとも一部には、該金属間化合物からなり、該中間層を介さずに該補強層に直結している誘導部を有することを特徴とする接合構造体。
  2. 前記第３金属は、第１金属よりも低ヤング率である請求項１に記載の接合構造体。
  3. 前記第１金属はニッケル（Ｎｉ）であり、
    前記第２金属はスズ（Ｓｎ）であり、
    前記金属間化合物はニッケルスズ（ＮｉＳｎ）である請求項１または２に記載の接合構造体。
  4. 前記第３金属は、アルミニウムまたはアルミニウム合金である請求項２または３に記載の接合構造体。
  5. 前記第１被接合面は、前記第１金属からなる被覆層を有し、
    前記接合層は、該被覆層と前記中間層とに接合している請求項１〜４のいずれかに記載の接合構造体。
  6. 前記第１被接合面は、前記第２被接合面よりも熱膨張係数が小さい請求項１〜５のいずれかに記載の接合構造体。
  7. 前記第１部材と前記第２部材のうち、一方は半導体素子であり、他方は金属配線である請求項１〜６のいずれかに記載の接合構造体。
  8. 第１部材の第１被接合面と第２部材の第２被接合面とに挟持された接合材を加熱して該第１部材と該第２部材を接合する接合工程を備える接合構造体の製造方法であって、
    前記接合材は、該第１被接合面または該第２被接合面よりも拡張しており、
    第１金属からなる第１層と、
    該第１金属よりも低融点な第２金属からなり、前記第１被接合面側にある該第１層の一面上に形成されている第２層と、
    該第１金属よりも高延性な第３金属からなり、該第１層の他面上に形成されている第３層とを少なくとも有し、
    前記接合工程は、前記第１被接合面の外周囲側にある前記第１層上の少なくとも一部へ溶融した該第２金属を漏出させると共に、該第２金属と該第１金属との間で金属間化合物を生成する反応温度以上に加熱する工程であることを特徴とする接合構造体の製造方法。
  9. 前記接合工程は、前記接合材の加圧量を制御する工程を含む請求項８に記載の接合構造体の製造方法。
  10. 前記接合材の少なくとも一部は、前記第１層、前記第２層および前記第３層の二層以上が積層された積層材からなる請求項８または９に記載の接合構造体の製造方法。
  11. 前記第１層、前記第２層および前記第３層のうち少なくとも一層は、前記接合工程前に、前記第１被接合面側または前記第２被接合面側に予め形成されている請求項８または９に記載の接合構造体の製造方法。
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