(57)【要約】【課題】冷熱サイクルに対して亀裂、剥離などの不具合を生じさせ難い信頼性の高い接合体、半導体モジュール及び接合体の製造方法を提供すること。【解決手段】本発明の接合体は、銅を主成分とする被接合面Ｓをそれぞれ備えた第１部材１０１及び第２部材１０２を有する。第１部材１０１と第２部材１０２との間には、錫系はんだ材料中２０２に銅を主成分とする三次元網目状構造体２０１を含有するはんだ部材２００を有する。前記被接合面と前記三次元網目状構造体２０１との間には、平均厚さが２μｍ以上２０μｍ以下の銅−錫合金２０３を有する。接合体が半導体モジュールの場合には、第１部材１０１及び第２部材１０２は、半導体素子及び絶縁基板、又は絶縁基板及び放熱板である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅を主成分とする被接合面を有する第１部材と、
銅を主成分とする被接合面を有する第２部材と、
前記第１部材の前記被接合面と前記第２部材の前記被接合面との間に、錫系はんだ材料中に銅を主成分とする三次元網目状構造体を含有するはんだ部材と、
前記被接合面と前記三次元網目状構造体との間に、銅−錫合金と、
を有する接合体。
【請求項２】
前記銅−錫合金の平均厚さが、２μｍ以上２０μｍ以下である請求項１に記載の接合体。
【請求項３】
前記銅−錫合金が、Ｃｕ３Ｓｎ及びＣｕ６Ｓｎ５の少なくとも一方を含む請求項１又は請求項２に記載の接合体。
【請求項４】
前記被接合面における前記銅−錫合金の占有率が、長さ基準で２％以上５０％以下である請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の接合体。
【請求項５】
前記はんだ部材中の前記三次元網目状構造体の含有率が、２体積％以上５０体積％以下である請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の接合体。
【請求項６】
前記錫系はんだ材料中の錫の含有率が、９０質量％以上である請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の接合体。
【請求項７】
前記錫系はんだ材料が、錫（Ｓｎ）を含み、更に、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）、インジウム（Ｉｎ）及び亜鉛（Ｚｎ）から選択される少なくとも１つの元素を含有する請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の接合体。
【請求項８】
前記錫系はんだ材料が、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだ、Ｓｎ−Ｃｕはんだ、Ｓｎ−Ｓｂはんだ、Ｓｎ−Ｚｎはんだ、Ｓｎ−Ｂｉはんだ、Ｓｎ−Ｉｎはんだ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ−Ｉｎはんだ、又はＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎはんだ、である請求項７に記載の接合体。
【請求項９】
銅を主成分とする被接合面を備えた半導体素子と、
銅を主成分とする被接合面を備えた絶縁基板と、
前記半導体素子の前記被接合面と前記絶縁基板の前記被接合面との間に、錫系はんだ材料中に銅を主成分とする三次元網目状構造体を含有するはんだ部材と、
前記被接合面と前記三次元網目状構造体との間に、銅−錫合金と、
放熱板と、
を有する半導体モジュール。
【請求項１０】
半導体素子と、
銅を主成分とする被接合面を備えた絶縁基板と、
銅を主成分とする被接合面を備えた放熱板と、
前記絶縁基板の前記被接合面と前記放熱板の前記被接合面との間に、錫系はんだ材料中に銅を主成分とする三次元網目状構造体を含有するはんだ部材と、
前記被接合面と前記三次元網目状構造体との間に、銅−錫合金と、
を有する半導体モジュール。
【請求項１１】
前記銅−錫合金の平均厚さが、２μｍ以上２０μｍ以下である請求項９又は請求項１０に記載の半導体モジュール。
【請求項１２】
前記銅−錫合金が、Ｃｕ３Ｓｎ及びＣｕ６Ｓｎ５の少なくとも一方を含む請求項９〜請求項１１のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項１３】
前記被接合面における前記銅−錫合金の占有率が、長さ基準で２％以上５０％以下である請求項９〜請求項１２のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項１４】
前記はんだ部材中の前記三次元網目状構造体の含有率が、２体積％以上５０体積％以下である請求項９〜請求項１３のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項１５】
前記錫系はんだ材料中の錫の含有率が、９０質量％以上である請求項９〜請求項１４のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項１６】
前記錫系はんだ材料が、錫（Ｓｎ）を含み、更に、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）、インジウム（Ｉｎ）及び亜鉛（Ｚｎ）から選択される少なくとも１つの元素を含有する請求項９〜請求項１５のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項１７】
前記錫系はんだ材料が、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだ、Ｓｎ−Ｃｕはんだ、Ｓｎ−Ｓｂはんだ、Ｓｎ−Ｚｎはんだ、Ｓｎ−Ｂｉはんだ、Ｓｎ−Ｉｎはんだ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ−Ｉｎはんだ、又はＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎはんだ、である請求項１６に記載の半導体モジュール。
【請求項１８】
前記放熱板が、Ｍｏ層の両面にＣｕ層を有するＣｕ層／Ｍｏ層／Ｃｕ層の積層体である請求項９〜請求項１７のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項１９】
前記Ｃｕ層／Ｍｏ層／Ｃｕ層の厚さの比率が、１／５／１〜１／１２／１である請求項１８に記載の半導体モジュール。
【請求項２０】
前記絶縁基板がＡｌＮ又はＳｉ３Ｎ４層であり、ＡｌＮ又はＳｉ３Ｎ４層の両表面にＣｕ層で形成される導電層を積層してなる請求項９〜請求項１９のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項２１】
錫系はんだ材料中に銅を主成分とする三次元網目状構造体を含有するはんだ部材を準備し、
銅を主成分とする被接合面をそれぞれ有する第１部材と第２部材を、それぞれの被接合面が対向するように配置し、その対向する前記被接合面の間に、前記はんだ部材を配置し、
前記錫系はんだ材料の融点よりも高く銅の融点よりも低い温度で加熱して、前記被接合面と前記三次元網目状構造体との間に銅−錫合金を生成させる、接合体の製造方法。
【請求項２２】
平均厚さが２μｍ以上２０μｍ以下の前記銅−錫合金を生成させる請求項２１に記載の接合体の製造方法。
【請求項２３】
前記銅−錫合金の平均厚さが２μｍ以上２０μｍ以下となるように、前記被接合面と前記三次元網目状構造体の配置位置を調節して加熱する請求項２２に記載の接合体の製造方法。
【請求項２４】
前記銅−錫合金の平均厚さが２μｍ以上２０μｍ以下となるように、前記加熱の温度及び時間の少なくとも一方を調節する請求項２２又は請求項３３に記載の接合体の製造方法。
【請求項２５】
前記銅−錫合金が、Ｃｕ３Ｓｎ及びＣｕ６Ｓｎ５の少なくとも一方を含む請求項２１〜請求項２４のいずれか１項に記載の接合体の製造方法。
【請求項２６】
前記被接合面における前記銅−錫合金の占有率が、長さ基準で２％以上５０％以下となるように、前記加熱の温度及び時間の少なくとも一方を調節する請求項２１〜請求項２５のいずれか１項に記載の接合体の製造方法。
【請求項２７】
前記三次元網目状構造体の含有率が２体積％以上５０体積％以下である前記はんだ部材を用いる請求項２１〜請求項２６のいずれか１項に記載の接合体の製造方法。
【請求項２８】
前記第１部材が半導体素子であり、前記第２部材が絶縁基板であり、接合体が半導体モジュールである請求項２１〜請求項２７のいずれか１項に記載の接合体の製造方法。
【請求項２９】
前記第１部材が絶縁基板であり、前記第２部材が放熱板であり、接合体が半導体モジュールである請求項２１〜請求項２７のいずれか１項に記載の接合体の製造方法。
【請求項３０】
前記加熱が、４５０℃以下で行なわれる請求項２８又は請求項２９に記載の接合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接合体、半導体モジュール、及び接合体の製造方法に関し、詳細には、冷熱サイクル等に対して亀裂、剥離などの不具合を生じさせ難い信頼性の高い接合体、半導体モジュール及び接合体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体モジュールは、通常、半導体と電流通電部とが電気的に絶縁されるよう、半導体に絶縁体を設けた構成となっている。この半導体と絶縁体とは、はんだなどによって接合されている。
【０００３】
また、半導体モジュールでは、半導体素子から発生する熱を効率よく放散するために、あるいは一時的に熱を分散するために放熱板が設けられ、この放熱板と上記絶縁体とは、はんだなどによって接合されている。したがって、半導体モジュールでは、半導体素子と絶縁体との間、及び絶縁体と放熱板との間の２箇所を接合するのが一般的である。
【０００４】
これまでは２箇所の接合部にＰｂ系はんだ材料が用いられており、特にＰｂ−Ｓｎはんだ材料を用い、ＰｂとＳｎの比率を変えることによって、融点を１８３〜３００℃前後の範囲で変化させて、２回のはんだ付けが行われていた（例えば、非特許文献１参照。）。
しかし、Ｐｂは毒性を有するために使用廃止の方向にあり、Ｐｂフリーのはんだ材料の開発が望まれている。
【０００５】
このようなはんだ材料に対する要求の中、例えば、Ｓｎ−Ａｇ合金、Ｓｎ−Ｃｕ合金などの種々の組成のＳｎ系はんだ材料が提案されている。代表的なはんだ材料として、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ、Ｓｎ−０．７Ｃｕなどが知られている。
しかし、Ｓｎ系はんだ材料の接合強度は弱く、またＳｎ系はんだ材料の融点である２００℃前後では、引っ張り強度が著しく低下する。また、Ｓｎ系はんだ材料で接合した積層体に冷熱サイクルを施すと、被接合部材とはんだ材料との間の熱膨張係数差によって熱応力が生じる。熱応力が大きい場合には接合部にクラックなどが生じ、その結果、熱抵抗が増加する。
【０００６】
また、前記Ｓｎ系はんだ材料は、降伏応力が数十ＭＰａであって比較的強度が低いため、強度を補うべく、発泡銅中にはんだを加えた複合材料が提案されている（例えば、特許文献１及び２参照）。この複合材料は、はんだの中に発泡銅が骨格のように混合されているので強度が高く、冷熱サイクルに対する耐性が高くなっている。
【０００７】
他方、はんだに替わる新規な接合技術として、銅（Ｃｕ）と錫（Ｓｎ）を用い、Ｃｕ３Ｓｎ合金をＣｕ３Ｓｎの融点以下で生成させて接合する方法が開示されている（例えば、特許文献３参照）。これは、ＣｕとＳｎとの固体−液体間の反応を利用したものであり、高融点で且つ強度の高いＣｕ３Ｓｎ合金を生成させて接合するという技術である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−２９８９６２号公報
【特許文献２】特開２００８−２００７２８号公報
【特許文献３】特開２００８−２８２９５号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】馬場陽一郎「ＨＶインバータ品質確保の取り組み」溶接学会全国大会講演概要、第７７章（２００５−９）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の課題は、冷熱サイクルに対して亀裂、剥離などの不具合を生じさせ難い信頼性の高い接合体、半導体モジュール及び接合体の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１に記載の発明は、
銅を主成分とする被接合面を有する第１部材と、
銅を主成分とする被接合面を有する第２部材と、
前記第１部材の前記被接合面と前記第２部材の前記被接合面との間に、錫系はんだ材料中に銅を主成分とする三次元網目状構造体を含有するはんだ部材と、
前記被接合面と前記三次元網目状構造体との間に、銅−錫合金と、
を有する接合体である。
【００１２】
本発明において、銅を主成分とする被接合面をそれぞれ有する第１部材及び第２部材の間の接合に用いられるはんだ部材は、錫系のはんだ材料であり、鉛フリーを実現している。錫系はんだ材料は熱応力に弱いが、本発明では、銅を主成分とする三次元網目状構造体が錫系はんだ材料に内包されるため、錫系はんだ単体に比べて強度が数倍程度高くなっている。
【００１３】
しかしながら、被接合面及び三次元網目状構造体がいずれも銅を主成分とする場合、銅の融点は約１０８０℃と極めて高温であるため、これらは接合時の加熱温度によっては直接接合されず、熱応力の弱い錫系はんだ材料を介して接合されている。結果、このような構成では、冷熱サイクルなどの熱応力がかかると接合界面部分から亀裂、剥離などが発生し得ることが明らかとなった。
【００１４】
そこで本発明では、被接合面と前記三次元網目状構造体との間に、銅−錫合金を設ける。この銅−錫合金は、被接合面や三次元網目状構造体の銅と、錫系はんだ材料の錫とが、固体−液体間で反応することによって生成する。
【００１５】
銅−錫合金は銅以上の強度を有し、且つ融点も、例えばＣｕ３Ｓｎであれば約６４０℃、Ｃｕ６Ｓｎ５であれば約４１５℃である。このように、強度及び熱応力に優れた銅−錫合金によって、三次元網目状構造体と被接合面とが接合されることで、積層構造体全体としての強度が向上し、冷熱サイクル等の熱応力が付与されても破壊しにくい構造体が得られる。
【００１６】
なお、銅と銅−錫合金との界面では、冷熱サイクルが施されても不要な生成物を発生させることがなく、仮に反応生成物が生成したとしても殆ど成長しない。よって、本発明の接合体は、温度変化に対しても亀裂、剥離などの不具合を生じさせにくい。
【００１７】
請求項２に記載の発明は、
前記銅−錫合金の平均厚さが、２μｍ以上２０μｍ以下である請求項１に記載の接合体である。
【００１８】
前記銅−錫合金の平均厚さを２μｍ以上２０μｍ以下とすると、銅−錫合金に因る優れた効果がよりいっそう発揮される。均質な銅−錫合金層が生成するよう固体−液体間の反応を制御するという観点からも、上記平均厚さの範囲内とすることが好適である。なお、不均質な銅−錫合金によって接合されると、接合体の強度や熱応力が低下する。
【００１９】
請求項３に記載の発明は、
前記銅−錫合金が、Ｃｕ３Ｓｎ及びＣｕ６Ｓｎ５の少なくとも一方を含む請求項１又は請求項２に記載の接合体である。
【００２０】
Ｃｕ３Ｓｎ及びＣｕ６Ｓｎ５の融点は、それぞれ約６４０℃、約４１５℃である。また、Ｃｕ３Ｓｎ及びＣｕ６Ｓｎ５は強度にも優れる。よって、銅−錫合金がＣｕ３Ｓｎ又はＣｕ６Ｓｎ５の場合には、より強度が高く及び耐熱応力性に優れた接合部を有する接合体になり、冷熱サイクル等の熱応力が付与されても破壊しにくくなる。
【００２１】
請求項４に記載の発明は、
前記被接合面における前記銅−錫合金の占有率が、長さ基準で２％以上５０％以下である請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の接合体である。
【００２２】
被接合面における銅−錫合金の占有率が、長さ基準で２％以上５０％以下の範囲にあると、被接合面の全面に銅−錫合金層が設けられた場合に比べて、熱応力が緩和されやすい。よって、より耐熱応力性に優れた接合部を有する接合体になり、冷熱サイクル等の熱応力が付与されても破壊しにくい構造体となる。
【００２３】
請求項５に記載の発明は、
前記はんだ部材中の前記三次元網目状構造体の含有率が、２体積％以上５０体積％以下である請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の接合体である。
【００２４】
前記はんだ部材中の前記三次元網目状構造体の含有率が２体積％以上５０体積％以下の範囲にあると、はんだ部材自身の強度及び耐熱応力性が向上し、且つ被接合面における銅−錫合金の前記占有率を調節するのに好適であり、接合部分での強度及び耐熱応力性も向上する。
【００２５】
請求項６に記載の発明は、
前記錫系はんだ材料中の錫の含有率が、９０質量％以上である請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の接合体である。
【００２６】
請求項７に記載の発明は、
前記錫系はんだ材料が、錫（Ｓｎ）を含み、更に、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）、インジウム（Ｉｎ）及び亜鉛（Ｚｎ）から選択される少なくとも１つの元素を含有する請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の接合体である。
【００２７】
請求項８に記載の発明は、
前記錫系はんだ材料が、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだ、Ｓｎ−Ｃｕはんだ、Ｓｎ−Ｓｂはんだ、Ｓｎ−Ｚｎはんだ、Ｓｎ−Ｂｉはんだ、Ｓｎ−Ｉｎはんだ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ−Ｉｎはんだ、又はＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎはんだ、である請求項７に記載の接合体である。
【００２８】
錫系はんだ材料は、錫単体（１００質量％）であってもよいが、強度を補うべく、他の元素が添加されることが望ましい。
錫の利点を発揮しつつ、強度の弱さという錫の欠点を補うという観点から、錫系はんだ材料における錫の含有率は９０質量％以上であることが好適である。
また、強度を補うという観点から、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）、インジウム（Ｉｎ）及び亜鉛（Ｚｎ）から選択される少なくとも１つの元素が添加されることが好適である。具体的には、錫系はんだ材料としては、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだ、Ｓｎ−Ｃｕはんだ、Ｓｎ−Ｓｂはんだ、Ｓｎ−Ｚｎはんだ、Ｓｎ−Ｂｉはんだ、Ｓｎ−Ｉｎはんだ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ−Ｉｎはんだ、又はＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎはんだが挙げられる。
【００２９】
請求項９に記載の発明は、
銅を主成分とする被接合面を備えた半導体素子と、
銅を主成分とする被接合面を備えた絶縁基板と、
前記半導体素子の前記被接合面と前記絶縁基板の前記被接合面との間に、錫系はんだ材料中に銅を主成分とする三次元網目状構造体を含有するはんだ部材と、
前記被接合面と前記三次元網目状構造体との間に、銅−錫合金と、
放熱板と、
を有する半導体モジュールである。
【００３０】
請求項１０に記載の発明は、
半導体素子と、
銅を主成分とする被接合面を備えた絶縁基板と、
銅を主成分とする被接合面を備えた放熱板と、
前記絶縁基板の前記被接合面と前記放熱板の前記被接合面との間に、錫系はんだ材料中に銅を主成分とする三次元網目状構造体を含有するはんだ部材と、
前記被接合面と前記三次元網目状構造体との間に、銅−錫合金と、
を有する半導体モジュールである。
【００３１】
請求項９及び請求項１０の半導体モジュールは、半導体素子と絶縁体との間、及び絶縁体と放熱板との間の２箇所のうち少なくとも一方の接合部を、上記接合体における接合部と同様の構成とした半導体モジュールである。
よって、請求項９及び請求項１０に記載の発明によれば、鉛フリーを実現でき、はんだ材料自身の強度が高くなり、且つ強度が高く及び耐熱応力性に優れた接合部を有し、冷熱サイクル等の熱応力が付与されても破壊しにくい半導体モジュールが得られる。
【００３２】
請求項１１に記載の発明は、
前記銅−錫合金の平均厚さが、２μｍ以上２０μｍ以下である請求項９又は請求項１０に記載の半導体モジュールである。
【００３３】
請求項１１の半導体モジュールでは、均質な銅−錫合金が設けられるため、より強度が高く及び耐熱応力性に優れた接合部を有し、冷熱サイクル等の熱応力が付与されても破壊しにくい半導体モジュールが得られる。
【００３４】
請求項１２に記載の発明は、
前記銅−錫合金が、Ｃｕ３Ｓｎ及びＣｕ６Ｓｎ５の少なくとも一方を含む請求項９〜請求項１１のいずれか１項に記載の半導体モジュールである。
【００３５】
請求項１２に係る発明によれば、より強度が高く及び耐熱応力性に優れた接合部を有し、冷熱サイクル等の熱応力が付与されても破壊しにくい半導体モジュールが得られる。
【００３６】
請求項１３に記載の発明は、
前記被接合面における前記銅−錫合金の占有率が、長さ基準で２％以上５０％以下である請求項９〜請求項１２のいずれか１項に記載の半導体モジュールである。
【００３７】
請求項１３に係る発明によれば、熱応力がより緩和され易くなり、より耐熱応力性に優れた接合部となり、冷熱サイクル等の熱応力が付与されても破壊しにくい半導体モジュールが得られる。
【００３８】
請求項１４に記載の発明は、
前記はんだ部材中の前記三次元網目状構造体の含有率が、２体積％以上５０体積％以下である請求項９〜請求項１３のいずれか１項に記載の半導体モジュールである。
【００３９】
請求項１４に係る発明によれば、熱応力がより緩和され易く耐熱応力性により優れた接合部が形成され、冷熱サイクル等の熱応力が付与されても破壊しにくい半導体モジュールが得られる。
【００４０】
請求項１５に記載の発明は、
前記錫系はんだ材料中の錫の含有率が、９０質量％以上である請求項９〜請求項１４のいずれか１項に記載の半導体モジュールである。
【００４１】
請求項１６に記載の発明は、
前記錫系はんだ材料が、錫（Ｓｎ）を含み、更に、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）、インジウム（Ｉｎ）及び亜鉛（Ｚｎ）から選択される少なくとも１つの元素を含有する請求項９〜請求項１５のいずれか１項に記載の半導体モジュールである。
【００４２】
請求項１７に記載の発明は、
前記錫系はんだ材料が、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだ、Ｓｎ−Ｃｕはんだ、Ｓｎ−Ｓｂはんだ、Ｓｎ−Ｚｎはんだ、Ｓｎ−Ｂｉはんだ、Ｓｎ−Ｉｎはんだ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ−Ｉｎはんだ、又はＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎはんだ、である請求項１６に記載の半導体モジュールである。
【００４３】
請求項１５〜１７に係る発明によれば、はんだ材料自身の強度がより高められた半導体モジュールが得られる。
【００４４】
請求項１８に記載の発明は、
前記放熱板が、Ｍｏ層の両面にＣｕ層を有するＣｕ層／Ｍｏ層／Ｃｕ層の積層体である請求項９〜請求項１７のいずれか１項に記載の半導体モジュールである。
【００４５】
Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕの積層体は熱伝導率が高く、放熱板としての機能を効果的に発揮する。また、Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕの積層体は熱膨張係数が４ｐｐｍ／Ｋ程度となり、半導体素子の熱膨張係数の値に近くなる。その結果、冷熱サイクル時に顕著な熱応力が生じず、亀裂や剥離などの不具合を発生させない。また、この積層体の最外層はＣｕ層で構成されるため、前記被接合面の銅の役割を兼ねることができる。
【００４６】
請求項１９に記載の発明は、
前記Ｃｕ層／Ｍｏ層／Ｃｕ層の厚さの比率が、１／５／１〜１／１２／１である請求項１８に記載の半導体モジュールである。
【００４７】
Ｃｕ層／Ｍｏ層／Ｃｕ層の積層体の中でも、各層の厚さの比率が、１／５／１〜１／１２／１の場合に、特に熱伝導率と熱膨張係数とのバランスが良好となり、放熱板としての機能を効果的に発揮する。
【００４８】
請求項２０に記載の発明は、
前記絶縁基板がＡｌＮ又はＳｉ３Ｎ４層であり、ＡｌＮ又はＳｉ３Ｎ４層の両表面にＣｕ層で形成される導電層を積層してなる請求項９〜請求項１９のいずれか１項に記載の半導体モジュールである。
【００４９】
絶縁基板の表面に設けられる導電層がＣｕ層の場合、Ｃｕの導電率が高いことから導電層を薄くすることができ、熱応力を緩和することができる。また、絶縁基板の表面のＣｕ層は、前述の被接合面の銅の役割を兼ねることができる。
【００５０】
請求項２１に記載の発明は、
錫系はんだ材料中に銅を主成分とする三次元網目状構造体を含有するはんだ部材を準備し、
銅を主成分とする被接合面をそれぞれ有する第１部材と第２部材を、それぞれの被接合面が対向するように配置し、その対向する前記被接合面の間に、前記はんだ部材を配置し、
前記錫系はんだ材料の融点よりも高く銅の融点よりも低い温度で加熱して、前記被接合面と前記三次元網目状構造体との間に銅−錫合金を生成させる、接合体の製造方法である。
【００５１】
銅−錫合金の融点は、例えばＣｕ３Ｓｎであれば約６４０℃、Ｃｕ６Ｓｎ５であれば約４１５℃であるため、銅−錫合金をそのままはんだ付けしようとすると、これらの融点を超える熱を与えなければならず、作業性が低下し、製造コストが高くなってしまう。また、被接合部材が半導体素子の場合は、はんだ付けの際の加熱によって半導体素子が破壊したり改質したりする恐れがある。
【００５２】
そこで、本発明では、銅−錫合金の形成方法として、銅を主成分とする被接合面を有する被接合部材を用い、この被接合面を対向させて、その間に錫系はんだ材料中に銅を主成分とする三次元網目状構造体を含有するはんだ部材を配置する。この状態で錫系はんだ材料の融点よりも高く、且つ銅（Ｃｕ）の融点よりも低い温度で溶融反応させる。
【００５３】
錫（Ｓｎ）系はんだ材料の融点よりも高く且つ銅（Ｃｕ）の融点よりも低い温度で加熱すると、Ｓｎのみが溶融して液相になる。このとき、Ｃｕの融点よりも低い温度で加熱するためにＣｕ相は固相であるが、固相のＣｕと液相のＳｎとの間で、相互の拡散が起こり銅−錫合金が生成する。
【００５４】
したがって、本発明によれば、錫系はんだ材料の融点よりも高い温度で加熱すればよく、製造の作業性が向上する。なお、錫系はんだ材料の融点は、錫単体の場合には約２２０℃であり、添加物の種類及び添加量によって約２００℃程度まで低下する場合がある。
【００５５】
つまり、本発明の製造方法では、形成された接合部分（銅−錫合金）の融点よりも低い温度で接合することができ、製造上の作業性及びコストの観点から極めて有益な方法である。また、形成された接合部の融点は、例えばＣｕ３Ｓｎであれば約６４０℃、Ｃｕ６Ｓｎ５であれば約４１５℃と高温であるため、冷熱サイクル等の熱応力が付与されても、接合部において亀裂や剥離などの不具合を生じさせない。
【００５６】
請求項２２に記載の発明は、
平均厚さが２μｍ以上２０μｍ以下の前記銅−錫合金を生成させる請求項２１に記載の接合体の製造方法である。
【００５７】
請求項２２に係る接合体の製造方法では、銅−錫合金の平均厚さが２μｍ以上２０μｍ以下となるように調節する。銅−錫合金の平均厚さを上記範囲内とすることで、銅−錫合金に因る優れた効果がよりいっそう発揮される。均質な銅−錫合金層が生成するよう固体−液体間の反応を制御するという観点からも、上記平均厚さの範囲内とすることが好適である。なお、不均質な銅−錫合金によって接合されると、接合体の強度や熱応力が低下する。
【００５８】
請求項２３に記載の発明は、
前記銅−錫合金の平均厚さが２μｍ以上２０μｍ以下となるように、前記被接合面と前記三次元網目状構造体の配置位置を調節して加熱する請求項２２に記載の接合体の製造方法である。
【００５９】
請求項２４に記載の発明は、
前記銅−錫合金の平均厚さが２μｍ以上２０μｍ以下となるように、前記加熱の温度及び時間の少なくとも一方を調節する請求項２２又は請求項２３に記載の接合体の製造方法である。
【００６０】
銅−錫合金の平均厚さを２μｍ以上２０μｍ以下の範囲となるように調節する方法としては、（１）治具などを用いて、前記被接合面と前記三次元網目状構造体の配置位置を調節した後、その状態で加熱する方法、（２）銅固体−錫液体間の反応のための加熱時間及び／又は加熱温度を調節する方法、等が挙げられる。
【００６１】
請求項２５に記載の発明は、
前記銅−錫合金が、Ｃｕ３Ｓｎ及びＣｕ６Ｓｎ５の少なくとも一方を含む請求項２１〜請求項２４のいずれか１項に記載の接合体の製造方法である。
【００６２】
銅固体−錫液体間の反応によって生成する銅−錫合金は、Ｃｕ３Ｓｎ又はＣｕ６Ｓｎ５であり、前述のように、Ｃｕ３Ｓｎ及びＣｕ６Ｓｎ５のいずれの場合も、強度が高く及び耐熱応力性に優れる。
【００６３】
請求項２６に記載の発明は、
前記被接合面における前記銅−錫合金の占有率が、長さ基準で２％以上５０％以下となるように、前記加熱の温度及び時間の少なくとも一方を調節する請求項２１〜請求項２５のいずれか１項に記載の接合体の製造方法である。
【００６４】
請求項２７に記載の発明は、
前記三次元網目状構造体の含有率が２体積％以上５０体積％以下である前記はんだ部材を用いる請求項２１〜請求項２６のいずれか１項に記載の接合体の製造方法である。
【００６５】
被接合面における銅−錫合金の占有率が、長さ基準で２％以上５０％以下の範囲にあると、熱応力が緩和されやすく、より耐熱応力性に優れた接合体が得られる。
被接合面における銅−錫合金の占有率を上記範囲内にする方法としては、（１）はんだ部材中の三次元網目状構造体の含有率、（２）加熱温度、（３）加熱時間、の少なくとも１つを調節する方法が挙げられる。
なお、三次元網目状構造体の含有率が２体積％以上５０体積％以下の場合には、はんだ部材自身の強度及び耐熱応力性が向上し、且つ被接合面における銅−錫合金の前記占有率を調節するのに好適であり、接合部分での強度及び耐熱応力性も向上する。
【００６６】
請求項２８に記載の発明は、
前記第１部材が半導体素子であり、前記第２部材が絶縁基板であり、接合体が半導体モジュールである請求項２１〜請求項２７のいずれか１項に記載の接合体の製造方法である。
【００６７】
請求項２９に記載の発明は、
前記第１部材が絶縁基板であり、前記第２部材が放熱板であり、接合体が半導体モジュールである請求項２１〜請求項２７のいずれか１項に記載の接合体の製造方法である。
【００６８】
請求項２１〜請求項２７に係る接合体の製造方法は、半導体モジュールの製造方法としても適用できる。具体的には、接合体の製造方法における被接合体を、半導体モジュールの構成部材に代えればよい。
【００６９】
請求項３０に記載の発明は、
前記加熱が、４５０℃以下で行なわれる請求項２８又は請求項２９に記載の接合体の製造方法である。
【００７０】
被接合部材が半導体素子の場合には、加熱による半導体素子の破壊又は改質を充分防ぐことが望ましく、４５０℃以下での接合が望ましい。
【発明の効果】
【００７１】
本発明によれば、冷熱サイクルに対して亀裂、剥離などの不具合を生じさせ難い信頼性の高い接合体、半導体モジュール及び接合体の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】図１（Ａ）は、加熱前の接合体の構成を説明する図であり、図１（Ｂ）は、加熱後の接合体の構成を説明する図である。
【図２】本発明の接合体（半導体モジュール）において、銅−錫合金の厚さ、及び被接合面における銅−錫合金の占有率の測定方法を説明する図である。
【図３】本発明の半導体モジュール１０の模式的な要部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００７３】
＜接合体及びその製造方法＞
本発明の接合体は、銅を主成分とする被接合面を有する第１部材と、銅を主成分とする被接合面を有する第２部材とを備える。前記第１部材の被接合面と前記第２部材の被接合面との間には、錫系はんだ材料中に銅を主成分とする三次元網目状構造体を含有するはんだ部材を有する。更に、前記被接合面と前記三次元網目状構造体との間には、銅−錫合金を有する。この銅−錫合金は、平均厚さが２μｍ以上２０μｍ以下であることが好適である。
【００７４】
本実施形態の接合体の製造方法の一例を図１に示す。図１（Ａ）は、加熱接合前の接合体の構成を説明する図であり、図１（Ｂ）は、加熱接合後の接合体の構成を説明する図である。
【００７５】
まず、第１部材１０１と第２部材１０２とを準備する。ここで、第１部材１０１と第２部材１０２は、それぞれ、銅を主成分とする被接合面Ｓを有する。被接合体は、全体が銅を主成分とする素材で構成されていてもよく、また被接合体の被接合面のみに、銅を主成分とする層が設けられていてもよい。図１（Ａ）では、被接合面に銅を主成分とする層１１１,１１２（以下「銅層１１１,１１２」と称する）が設けられた第１部材１０１及び第２部材１０２で説明する。
【００７６】
銅を主成分とする被接合面Ｓ（銅層１１１,１１２）は、銅を５０質量％以上含有し、７０質量％以上含有することが好ましく、９０質量％以上含有することがより好ましい。
よって、銅を主成分とする被接合面Ｓ（銅層１１１,１１２）は、銅単体又は銅合金で構成されることが好ましい。この銅合金としては、Ｃｕ−Ａｇ合金、Ｃｕ−Ｚｎ合金、Ｃｕ−Ｃｒ合金、Ｃｕ−Ｃｒ−Ｚｒ合金等が挙げられる。
【００７７】
次に、図１（Ａ）に示すように、対向する銅層１１１，１１２の間に、錫系はんだ材料２０２中に銅を主成分とする三次元網目状構造体２０１を含有するはんだ部材２００（以下「本発明に係るはんだ部材」と称する場合がある）を配置する。
【００７８】
三次元網目状構造体２０１は、いわゆる発泡金属材や、銅繊維を編んだもの、ファイバ状の銅を束ねたものなどを挙げることができる。
【００７９】
三次元網目状構造体２０１は銅を主成分として構成される。「銅を主成分とする」とは銅を５０質量％以上含むことをいい、銅に起因する強度及び熱応力の高さ、更には熱伝導度の高さを活かすという観点からは、銅を７０質量％含むことが好ましい。よって、銅を主成分とする三次元網目状構造体は、銅単体又は銅合金で構成されることが好ましい。
【００８０】
三次元網目状構造体を構成する前記銅合金としては、Ｃｕ−Ａｇ合金、Ｃｕ−Ｚｎ合金、Ｃｕ−Ｃｒ合金、Ｃｕ−Ｃｒ−Ｚｒ合金等が挙げられる。
【００８１】
錫系はんだ材料２０２とは、錫を５０質量％以上含むものをいい、９０質量％以上含むことが好ましい。錫系はんだ材料は、錫単体（１００質量％）であってもよいが、錫の強度を補うべく、他の元素が添加されることが望ましい。
【００８２】
前記他の元素としては、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）、インジウム（Ｉｎ）、亜鉛（Ｚｎ）が挙げられ、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、ビスマス（Ｂｉ）、インジウム（Ｉｎ）、及び亜鉛（Ｚｎ）から選択される少なくとも１つの元素が添加されることが好適である。
【００８３】
錫系はんだ材料２０２として具体的には、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだ、Ｓｎ−Ｃｕはんだ、Ｓｎ−Ｓｂはんだ、Ｓｎ−Ｚｎはんだ、Ｓｎ−Ｂｉはんだ、Ｓｎ−Ｉｎはんだ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ−Ｉｎはんだ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎはんだが挙げられる。
このなかでも強度の観点から、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだ、Ｓｎ−Ｃｕはんだ、Ｓｎ−Ｓｂはんだ、Ｓｎ−Ｚｎはんだ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ−Ｉｎはんだ、又はＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎはんだが好適である。
【００８４】
三次元網目状構造体の利点を活かしつつ、被接合面における銅−錫合金の占有率を調節するという観点から、はんだ部材２００中の三次元網目状構造体２０１の含有率は、２体積％以上５０体積％以下であることが好ましく、５体積％以上３０体積％以下であることがより好ましい。
【００８５】
本発明に係るはんだ部材２００の厚さは、接合部の強度を考慮すると、１０μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましく、３０μｍ以上３００μｍ以下であることがより好ましく、５０μｍ以上２００μｍ以下であることが更に好ましい。
【００８６】
また、接合後に被接合面Ｓと三次元網目状構造体２０１との間に銅−錫合金を形成するためには、本発明に係るはんだ部材２００の接合表面から三次元網目状構造体２０１が露出していないことが好ましく、三次元網目状構造体２０１の外表面の位置がはんだ部材２００の接合表面から２μｍ以上５０μｍ以下内側にあることが好ましく、５μｍ以上２０μｍ以下内側にあることがより好ましい。
【００８７】
発泡金属材及び発泡金属材を含有する錫系はんだ材料は、特開２００４−２９８９５２号等に記載の製造方法を参照し製造することができる。また、市販品として、三菱マテリアル社製のはんだ含浸発泡銅などを入手することができる。
【００８８】
図１（Ａ）のように、対向する銅層１１１，１１２の間にはんだ部材２００を配置し、この状態で加熱して、図１（Ｂ）に示すように、銅層１１１,１１２と三次元網目状構造体２０１との間に銅−錫合金２０３を生成させて、接合部２１０を有する接合体を得る。
このときの加熱は、錫（Ｓｎ）系はんだ材料の融点よりも高く且つ銅（Ｃｕ）の融点よりも低い温度で行なう。このような温度での加熱により、錫が溶融して液相になり、一方で銅は溶融せずに固相の状態で存在する。そして固相の銅と液相の錫の間で相互の拡散が起こり、銅−錫合金２０３が生成する。
【００８９】
生成する銅−錫合金２０３は、少なくともＣｕ３Ｓｎ又はＣｕ６Ｓｎ５を含み、Ｃｕ３Ｓｎを含有することが好適である。Ｃｕ３Ｓｎ及びＣｕ６Ｓｎ５の融点は、それぞれ約６４０℃、約４１５℃である。
【００９０】
本発明の接合体の製造方法では、形成された接合部分（銅−錫合金２０３）の融点よりも低い温度で接合することができ、製造上の作業性及びコストの観点から極めて有益な方法である。また、形成された接合部（銅−錫合金２０３）の融点は、例えばＣｕ３Ｓｎであれば約６４０℃、Ｃｕ６Ｓｎ５であれば約４１５℃と高温であるため、冷熱サイクル等の熱応力が付与されても、接合部において亀裂や剥離などの不具合を生じさせない。
【００９１】
加熱温度は、銅固体−錫液体間の反応速度を速めるという観点から、錫系はんだ材料２０２の融点よりも３０℃〜２００℃程度高い温度で行うことが好ましく、５０℃以上高い温度であることがより好ましく、１００℃以上高い温度であることが更に好ましい。一方、被接合部材が半導体素子の場合には、加熱による素子の破壊や改質を防ぐという観点から、４５０℃以下で加熱することがより好ましい。
【００９２】
前記加熱は、酸化を防止する観点から、不活性ガス又は還元ガス雰囲気下で行なう。
また、加熱によってはんだ部材や被接合部材が反るのを抑えるべく、積層方向（図１（Ａ）における上下方向）から荷重をかけて加熱することが好ましい。
【００９３】
なお、本発明の接合体の製造方法では、生成する銅−錫合金２０３の平均厚さが２μｍ以上２０μｍ以下となるように調節することが望ましい。
２μｍ未満の厚さでは、銅−錫合金によって接合強度や耐熱応力性を高めるという効果が得られ難い場合があり、銅固体−錫液体間の反応を制御して２μｍ未満に調整することも難しい。また、銅固体−錫液体間の反応によって、２０μｍを超える厚さで均質な銅−錫合金を生成させることも難しい。なお、２μｍ以上２０μｍ以下の厚さで形成した銅−錫合金を分析したところ、均質な銅−錫合金となっていることが確認されている。
より好ましくは、銅−錫合金の平均厚さが、５μｍ以上１０μｍ以下となるように調節する。
【００９４】
銅−錫合金は、始めに固相の銅と液相の錫の界面で発生し、その後、合金が成長し錫と銅のいずれか一方の供給がなくなるまで継続する。図１（Ａ）に示す接合前の積層体では、銅と錫とが充分な量で存在しているため、加熱を停止するまで合金が生成する。
【００９５】
そこで、銅／錫合金の平均厚さが上記範囲内となるように調節する方法としては、（１）治具などを用いて、銅層１１１,１１２と三次元網目状構造体２０１の配置位置を調節した後、その状態で加熱する方法、（２）銅固体−錫液体間の反応のための加熱時間及び／又は加熱温度を調節する方法が挙げられる。
【００９６】
前記（１）の方法として具体的には、（ｉ）表面を錫系はんだ材料で覆ったはんだ部材２００を用い、表面の錫系はんだ材料の厚さを調節することによって、銅層１１１,１１２と三次元網目状構造体２０１の間の距離を調節する方法、（ii）被接合体に荷重をかけて、その荷重量で調節する方法、（iii）基板上にはんだの濡れない部分を設け、はんだの濡れ拡がりにより調節する方法などが挙げられる。
【００９７】
加熱時間は、加熱温度、及びはんだ部材２００中の錫系はんだ材料２０２の含有率等の兼ね合いで調節することが好ましい。例えば、三次元網目状構造体２０１を１０質量％含有するはんだ部材２００を用い、加熱温度が３５０℃の場合には、加熱時間は、５分以上６０分以下とすることが好ましく、１０分以上３０分以下とすることがより好ましい。また、三次元網目状構造体２０１を３０質量％含有するはんだ部材２００を用い、加熱温度が４００℃の場合には、加熱時間は、５分以上６０分以下とすることが好ましく、１０分以上３０分以下とすることがより好ましい。
【００９８】
銅−錫合金２０３の平均厚さの測定は、以下の方法によって測定することができる。図２を参照しながら説明する。
接合後の接合体の断面を電子顕微鏡で観察し、或いは非破壊検査で観察する。この観察図（図２）において、銅−錫合金の高さ（図２ではＺ１〜Ｚ４）を測定し、平均値（図２では、（Ｚ１＋Ｚ２＋Ｚ３＋Ｚ４）／４）を求める。
【００９９】
また、銅層１１１,１１２の被接合面における銅−錫合金の占める割合が、長さ基準で２％以上５０％以下の範囲にあると、熱応力が緩和されやすく、より耐熱応力性に優れた接合体が得られる。より好適には、１０％以上３０％以下の範囲である。
【０１００】
被接合面における銅−錫合金の占有率を上記範囲内にする方法としては、（１）はんだ部材中の三次元網目状構造体の含有率、（２）加熱温度、（３）加熱時間、（４）被接合体の荷重、（５）はんだの濡れ拡がり、の少なくとも１つを調節する方法が挙げられる。このなかでも前記（１）（２）又は（３）を調製する方法であることが、作業性の観点から好適である。
【０１０１】
銅層１１１,１１２の被接合面における銅−錫合金の占める割合は、以下の方法によって測定することができる。図２を参照しながら説明する。
接合後の接合体の断面を電子顕微鏡で観察し、或いは非破壊検査で観察する。この観察図（図２の点線内）において、被接合面Ｓに接する銅−錫合金の長さの総計（図２ではＸ１〜Ｘ４の合計）を測定し、被接合面Ｓの長さ（図２ではＹ）で割って１００を乗じる。したがって、被接合面における銅−錫合金の占有率は以下の式により算出される。
【０１０２】
被接合面における銅−錫合金の占有率（％）
＝（被接合面に接する銅−錫合金の長さ）／（被接合面の長さ）×１００
【０１０３】
本発明の接合体は、強度及び熱応力に優れた銅−錫合金によって、三次元網目状構造体と被接合面とが接合されるため、積層構造体全体としての強度が向上し、冷熱サイクル等の熱応力が付与されても破壊しにくい構造体が得られる。
その結果、構成材料の熱膨張係数差の拡大が許容されることから、種々の構成材料を採用することができ、より安価な接合体（例えば電力変換器など）を実現できる。
【０１０４】
また、被接合面の銅と、接合部材の銅−錫合金との界面では、冷熱サイクルが施されても不要な生成物を発生させることがなく、仮に反応生成物が生成したとしても殆ど成長しない。よって、本発明の接合体では温度変化に対する耐性が高くなる。
【０１０５】
更に、はんだ部材２００中に含まれる三次元網目状構造体２０１は、熱伝導の高い銅を主成分として含むため、錫系はんだ材料２０２のみの場合に比べて熱伝導も増加する。
【０１０６】
＜半導体モジュール及びその製造方法＞
本発明の半導体モジュールは、半導体素子と絶縁基板と放熱板とを有する。更に、前記半導体素子と前記絶縁基板との間の第一接合部、及び前記絶縁基板と前記放熱板との間の第二接合部を有する。
本発明では、第一接合部及び第二接合部の少なくとも一方が、本発明に係るはんだ部材２００で接合されて本発明の接合部２１０となっていればよく、第一接合部及び第二接合部の両者が前記はんだ部材２００で接合されて本発明の接合部２１０となっていてもよい。
【０１０７】
図３に、本発明の半導体モジュール１０の要部断面図を模式的に示す。
半導体モジュール１０は、半導体素子２０と絶縁部３０と放熱板４０とを有する。半導体素子２０と絶縁部３０との間は第一接合部５０によって接合される。絶縁部３０と放熱板４０との間は第二接合部６０によって接合される。
【０１０８】
半導体モジュール１０は、車載用インバータなどに用いられるものである。半導体モジュール１０の周辺には図示しない内燃機関が設けられているために、半導体モジュール１０が置かれている環境はかなり高温となっている。さらに、半導体素子として次世代のＧａＮやＳｉＣを用いた場合には、半導体素子２０からの発熱が大きく、半導体モジュール１０の温度が上昇する。
【０１０９】
半導体素子が自身の発する熱や高温の周囲環境によって、半導体素子が破壊するのを防ぐよう、冷却水が流動する冷却管（図示せず）が設けられ、冷却管と半導体素子との間に放熱板４０が設けられる。
【０１１０】
したがって、一般的に半導体モジュールに求められる性能としては、第一に冷熱サイクルに対して亀裂、剥離などの不具合を生じさせないことであり、第二に絶縁基板によって確実に絶縁させることであり、第三に半導体素子から発せられた熱を放熱板までなるべく蓄積することなく伝えることである。
【０１１１】
冷熱サイクルに対して亀裂、剥離などを発生させないためには、半導体素子、絶縁基板、放熱板及び接合部材などの部材そのものが温度変化に対して耐久性がなければならず、加えて、冷熱サイクルにおいて不要な反応生成物を発生させないことが重要である。かかる反応生成物は脆い物質であったり、逆に硬すぎる物質であったりして、反応生成物が発生した部位を起点として亀裂や剥離等を起こしやすい。
また、各部材の熱膨張係数が近い値であることも、冷熱サイクルによる亀裂や剥離などの発生を抑制するのに重要である。熱膨張係数が大きく異なる部材を接合すると、冷熱サイクルによって繰り返し起こる部材の体積変化によって、亀裂や剥離等を発生させやすくなる。
【０１１２】
（半導体素子）
半導体素子２０としては、特に制限することなく用途に応じて適宜適用することができ、一般的なＳｉ基板、更には次世代素子であるＧａＮ基板やＳｉＣ基板などを用いることもできる。
【０１１３】
第一接合部５０が本発明に係る接合部２１０の場合には、半導体素子２０の第一接合部５０側の表面に、Ｃｕ層２２を設ける。
【０１１４】
Ｃｕ層２２の厚みは、０．１μｍ〜２０μｍであることが好ましく、０．５μｍ〜１０μｍであることがより好ましい。０．１μｍよりも薄いと、接合時にはんだ材料に溶け込み消失する恐れがあり、２０μｍよりも厚いと、半導体モジュール全体の熱膨張係数に影響を与え、熱応力を生じさせるようになるため好ましくない。
Ｃｕ層２２は、スパッタリングやメッキ、蒸着等によって形成することができる。
【０１１５】
（絶縁部）
絶縁部３０における絶縁基板３２としては、絶縁性を確保できるものであれば特に制限されず適用することができるが、好ましくは冷却サイクル時に顕著な熱応力を生じさせないよう、半導体素子の熱膨張係数と同程度の熱膨張係数を有するものである。
【０１１６】
具体的に好適な絶縁基板３２としては、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３などで形成されるものを挙げることができ、この中でも熱伝導率及び熱膨張係数の観点からＡｌＮ又はＳｉ３Ｎ４が好適である。
【０１１７】
また、絶縁基板３２における半導体素子側の表面から半導体素子に電気を通すためにＡｌＮ又はＳｉ３Ｎ４の表面に導電層３４を積層する。また、温度変化に対するそりを抑制するために、放熱板４０側にも導電層３６を積層することが好ましい。
【０１１８】
このような導電層３４、３６としては、Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｎｉなどを挙げることができ、この中でもＡｌ及びＣｕが好ましい。ＡｌＮ又はＳｉ３Ｎ４の表面にＡｌ層を設けると、温度変化に対して塑性変形を生じ、熱応力を緩和でき、一方Ｃｕ層を設けると導電率が高いことから薄くすることができ、熱応力を緩和できるため好適である。
特に、導電層３４、３６としてはＣｕ層であることが、被接合面のＣｕ層の役割を兼ねることができるため好適である。
【０１１９】
ＡｌＮ又はＳｉ３Ｎ４の表面に備える導電層３４、３６の厚さは、０．０１ｍｍ〜２ｍｍであることが好ましく、０．１ｍｍ〜１ｍｍであることがより好ましい。導電層の厚さが０．０１ｍｍ未満の場合には、横方向（積層方向に対して垂直な方向）への電流による損失及び発熱が無視できなくなり、２ｍｍを超える場合には、半導体モジュール全体の熱膨張係数に影響を与え、熱応力を生じさせるようになるため好ましくない。
【０１２０】
導電層３４、３６は、ロウ付けなどの方法によって絶縁基板３２に貼付することができる。
【０１２１】
導電層３４、３６がＣｕ層でない場合には、はんだ部材２００で接合する側の絶縁部３０の表面に、Ｃｕ層（図示せず）を形成する。
Ｃｕ層は、スパッタリングやメッキ、蒸着等によって形成することができる。
【０１２２】
（放熱板）
放熱板４０としては、放熱性を有するものであれば特に制限されず適用することができるが、熱伝導率が充分高く放熱板としての機能に優れ、また半導体素子の熱膨張係数に近いものを用いることが好ましい。
【０１２３】
具体的に好適な放熱板４０としては、Ｍｏ、Ｃｕ−Ｍｏ合金、Ａｌ−ＳｉＣ、Ｃｕ、Ａｌなどで形成されるものを挙げることができ、この中でも高い熱伝導率と半導体素子に近い熱膨張係数を有することから、Ｍｏが好適である。
【０１２４】
Ｍｏを放熱板に用いる場合には、接合を可能とする観点から、Ｍｏの両面に他の金属層を設けることが好ましく、このような金属層としては、Ｃｕ、Ｎｉなどを挙げることができ、この中でもＣｕが好ましい。特に、放熱板４０が、Ｍｏの表面にＣｕ層を設けたＣｕ層４４／Ｍｏ層４２／Ｃｕ層４６の積層体であることが、熱伝導率と熱膨張係数との調整を図る観点から好適である。
【０１２５】
このように、放熱板４０が、Ｃｕ層４４／Ｍｏ層４２／Ｃｕ層４６で構成される積層体である場合、各層の厚さの比率が、１／５／１〜１／１２／１であることが好ましく、１／７／１〜１／９／１であることがより好ましい。１／５／１よりもＭｏ層が薄くなると、半導体素子の熱膨張係数から離れた熱膨張係数を有することになるため好ましくない。１／１２／１よりもＭｏ層が厚くなると、放熱板としての放熱機能が充分に発揮され難くなり、好ましくない。
【０１２６】
具体的な層の厚さとしては、Ｃｕ層４４、４６は、０．０５ｍｍ〜１ｍｍであることが好ましく、０．２ｍｍ〜０．５ｍｍであることがより好ましい。Ｍｏ層４２の厚さは、１ｍｍ〜７ｍｍであることが好ましく、２ｍｍ〜４ｍｍであることがより好ましい。
【０１２７】
Ｃｕ層４４／Ｍｏ層４２／Ｃｕ層４６で構成される積層体は、放熱機能を充分に発揮させるため、全体の厚さは１ｍｍ〜８ｍｍであることが好ましく、２ｍｍ〜５ｍｍであることがより好ましい。
【０１２８】
上述の通り、Ｃｕ層４４は、本発明に係る接合部２１０に対する前記被接合面のＣｕ層の役割を兼ねることができる。
一方、第二接合部６０が前記はんだ部材２００で接合する場合であって、放熱板４０の一部として表面にＣｕ層が設けられていない場合には、放熱板４０の第二接合部６０側の表面に、Ｃｕ層（図示せず）を形成する。
Ｃｕ層は、スパッタリングやメッキ、蒸着等によって形成することができる。
【０１２９】
（第一接合部及び第二接合部）
第一接合部５０及び第二接合部６０の少なくとも一方が、上述のはんだ部材２００を用いて接合された本発明に係る接合部２１０となっていればよく、第一接合部５０及び第二接合部６０の両者が本発明に係る接合部２１０であってもよい。
【０１３０】
本発明に係る接合部２１０に対面する被接合面は、銅を主成分とする材料で構成される。この被接合面における銅層１１１,１１２は、前述のように絶縁部３０や放熱板４０の一部として他の機能を兼ねて設けられたものであってもよい。例えば、前述の絶縁部３０の導電層３４，３６及び放熱板４０のＣｕ層４４が該当する。この場合には、それぞれの機能を発揮できる程度の厚さとなるように、前述の如く適宜調節することが好ましい。
【０１３１】
第一接合部５０と第二接合部６０のいずれか一方を、本発明に係るはんだ部材２００以外の材料で接合する場合、当該その他の接合材料としては公知のものを適宜適用することができる。
【０１３２】
接合する順は、第一接合部５０と第二接合部６０のいずれが先であってもよい。
通常、半導体モジュールの製造方法では、２回目の接合工程では、１回目に接合した部分も含めて全体を加熱するため、１回目の接合部位が位置ずれや傾斜など起こさないように、２回目の接合時の加熱温度を１回目に用いた接合材料の融点よりも充分に低くすることが望ましい。
つまり、通常の半導体モジュールの製造方法においては、１回目の接合部と２回目の接合部には融点の異なる材料を用いる。特に１回目の接合材料は、２回目の接合材料の融点よりも充分に高い融点を有するものを選択することが望ましい。
【０１３３】
また、半導体素子２０からの放熱を考慮すれば、第一接合部５０に融点の高い接合材料を適用することが好適である。よって、好ましくは、第一接合部５０に、より融点の高い接合材料を用いて先に接合し、次に、第一接合部５０で用いた接合材料よりも融点の低い接合材料によって第二接合部６０を接合する場合である。
【０１３４】
なお、次世代素子であるＧａＮ基板やＳｉＣ基板を半導体素子２０に適用した場合には、半導体素子２０からの放熱量が大きく２００℃を超えて発熱する場合がある。よって、はんだ部材２００における錫系はんだ材料の融点（約２２０℃）を考慮すれば、ＧａＮ基板やＳｉＣ基板を用いた半導体モジュールの場合には、２回目の接合部に本発明に係るはんだ部材２００を適用して本発明の接合部２１０とし、１回目の接合部には本発明に係るはんだ部材２００よりも融点の高い他のはんだ部材を適用する場合が好適である。
【０１３５】
他方、Ｓｉ基板を半導体素子２０に適用する半導体モジュールの場合には、錫系はんだ材料の融点（約２２０℃）でも充分な耐熱性を示す。よって、１回目の接合部に本発明に係るはんだ部材２００を適用して本発明の接合部２１０とし、２回目の接合部には本発明に係るはんだ部材２００よりも融点の低い他のはんだ部材を適用してもよい。
【０１３６】
なお、Ｓｉ基板を半導体素子２０に適用する半導体モジュールの場合であっても、ＧａＮ基板やＳｉＣ基板を半導体素子２０に適用した場合のように、２回目の接合部に本発明に係るはんだ部材２００を適用して本発明の接合部２１０とし、１回目の接合部には本発明に係るはんだ部材２００よりも融点の高い他のはんだ部材を適用してもよい。
【０１３７】
〔２回目の接合部が本発明に係る接合部２１０の場合〕
２回目の接合部に本発明に係るはんだ部材２００を適用して本発明に係る接合部２１０とする場合、１回目の接合部には、錫系はんだ材料の融点（約２２０℃）よりも充分に高い融点を有する材料を選択することが、２回目の接合時における位置ずれや傾斜などの不具合の発生を防止する観点から好ましく、更に、加熱によって被接合部材（例えば半導体素子など）の破壊や改質を防止する観点から、４５０℃以下の温度で接合できる材料を選択することが好ましい。
【０１３８】
錫系はんだ材料の融点（約２２０℃）よりも充分に高い融点を有する材料としては、亜鉛系はんだ材料（融点：約４２０℃）、Ａｕ−Ｓｉ（融点３６０℃）、Ａｕ−Ｇｅ（融点３５６℃）、Ａｕ−Ｓｎ（融点２７０℃）、Ｂｉ系はんだ材料（融点：約２７０℃）などを挙げることができる。
【０１３９】
亜鉛系はんだ材料とは、亜鉛（Ｚｎ）を５０質量％以上含むものをいう。具体的に、亜鉛系はんだ材料としては、Ｚｎ単体、Ｚｎ−Ａｌ合金、Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金、更には、これらにＧｅ、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｐ等の１種類を添加したもの、或いは２種類以上を組み合わせて添加したものを挙げることができる。その他の亜鉛系はんだ材料としては、特開平１１−２８８９５５号公報、特開平１１−２０８４８７号公報、特開平１１−１７２３５４号公報、特開平１１−１７２３５３号公報、特開平１１−１７２３５２号公報、特開２０００−２０８５３３号公報、特開２０００−６１６８６号公報、特開２００４−３５８５４０号公報、特開２００４−３５８５３９号公報などのＺｎ系はんだ材料を適用することができる。 
【０１４０】
ここで、亜鉛単体の融点は約４２０℃である。約４２０℃での接合も可能であるが、接合部材への熱によるダメージを考慮して、これよりも融点を低くすることも好適な態様である。
【０１４１】
融点を降下させるには、ＺｎにＡｌを添加して、ＺｎとＡｌの合金とすることが好ましい。また、ＺｎとＡｌの他に、２質量％以下の金属Ｍを含有してもよい。すなわち、Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金を適用することが好ましい。 
【０１４２】
Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金において、Ａｌの含有率（ｘの範囲）は、好ましくは、２質量％以上１０質量％以下であり、３質量％以上８質量％以下であることがより好ましい。 
ＡｌとＭを含まないＺｎ単体（ｘとｙが０の場合）では、上述のように融点が約４２０℃であって、Ａｌの含有率が増加するに従い、溶解終了温度（液相線温度）は徐々に降下し、Ａｌの含有率が約２質量％で溶解終了温度（液相線温度）が約４１０℃となり、Ａｌの含有率が約４〜６質量％で液相線温度が約３８２℃となる。Ａｌの含有率が約６質量％よりも多くなると、溶解し始める温度（固相線温度）と溶解の完了する温度（液相線温度）との差が大きくなり、Ａｌの含有率が１０質量％の場合には、固相線温度が約３８２℃で、液相線温度が約４１０℃となる。Ａｌの含有率が１０質量％よりも多くなると固相線温度と液相線温度との温度差が３０℃よりも大きくなるので作業性が低下し、はんだによって接合する際に、位置ずれや接合部材の傾斜等の不具合を発生させやすくなる。 
【０１４３】
また、Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金における金属Ｍは、亜鉛及びアルミニウム以外の金属を表し、Ｃｕなどを挙げることができる。Ｃｕを２質量％以下含有させると、濡れ性が良好となり密着性が向上する。なおＣｕを２質量％含有しても液相線温度は殆ど変化しない。 
Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金において、金属Ｍの含有量（ｙの範囲）としては、０〜２質量％であり、好ましくは０〜１．５質量％である。金属Ｍの含有量が２質量％よりも多くなると、溶解完了までの温度差が３０℃よりも大きくなるので作業性が低下し、はんだによって接合する際に、位置ずれや接合部材の傾斜等の不具合が発生し易くなる。 
【０１４４】
Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金の調製方法は特に制限されず、公知の合金調製方法を適宜適用することができる。 
【０１４５】
Ｚｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙで表される合金によって第１部材１０１と第２部材１０２とを接合する場合、合金の液相線温度よりも数十℃高い温度で接合することが、接合部を一様に溶融させ、充分な流動性を得る観点から好ましい。例えば、３８２℃の液相線温度を有するＺｎ（１−ｘ−ｙ）ＡｌｘＭｙ合金の場合には、４１０℃〜４４０℃程度で接合することが好ましい。 
【０１４６】
亜鉛系はんだ材料の被接合面には、ニッケル層を備えることが望ましい。ニッケル層を備えることで、亜鉛系はんだ材料との界面において不要な反応生成物の生成を抑えることができ、温度変化に対しても耐性が高くなる。 
【０１４７】
亜鉛系はんだ部材２００との被接合面に設けるニッケル層の厚みは、０．１μｍ〜１０μｍであることが好ましく、０．５μｍ〜５μｍであることがより好ましい。上記の厚さの範囲では、濡れ性の向上に寄与でき、且つ得られた接合体全体に与える熱膨張係数の影響も少ない。 
ニッケル層は、スパッタリングやめっき、蒸着等によって形成することができる。
【０１４８】
〔１回目の接合部が本発明に係る接合部２１０の場合〕
１回目の接合部に本発明に係るはんだ部材２００を適用して本発明に係る接合部２１０とする場合、２回目の接合部には、はんだ部材２００の融点よりも低い温度で接合できる材料を選択することが、２回目の接合時における位置ずれや傾斜などの不具合の発生を防止する観点から好ましい。
【０１４９】
ここで、はんだ部材２００を用いて接合すると、接合後の接合部２１０には、錫系はんだ材料、銅錫合金、及び銅が存在する。この接合部２１０において最も低い融点は、錫系はんだ材料の融点、約２２０℃である。よって、１回目の接合に前記はんだ部材２００を適用する場合、２回目の接合には、錫系はんだ材料の融点（約２２０℃）よりも低い温度で接合する材料を採用することが望ましい。
【０１５０】
但し、本発明に係るはんだ部材２００で接合した場合、接合部の一部は銅−錫合金２０３で接合されている。銅−錫合金２０３による接合部分は、銅−錫合金の融点（例えばＣｕ３Ｓｎであれば約６４０℃、Ｃｕ６Ｓｎ５であれば約４１５℃）よりも低い温度ではずれることはなく、接合位置は固定されている。よって、１回目の接合に前記はんだ部材２００を適用した場合でも、２回目の接合に、錫系はんだ材料の融点（約２２０℃）よりも高く、銅−錫合金の融点（例えばＣｕ３Ｓｎであれば約６４０℃、Ｃｕ６Ｓｎ５であれば約４１５℃）よりも低いはんだ材料で接合することも可能である。しかしながら、錫系はんだ材料の融点（約２２０℃）よりも著しく高い融点を有するはんだ材料を２回目の接合に適用することは避けることが望ましい。
【０１５１】
以上から、１回目の接合に本発明係るはんだ部材２００を適用したときに、２回目の接合に用いるはんだ材料としては、Ｓｎ系はんだ材料の融点（約２２０℃）、Ｂｉ系はんだ材料（融点：約２７０℃）、Ａｕ系はんだ材料（融点：約２７０℃）、Ｓｎ−Ｓｂ系はんだ材料（融点：約２５０℃）などを適用することができる。
【０１５２】
前記Ａｕ系はんだ材料としては、Ａｕ−２０Ｓｎ（融点２７０℃）、Ａｕ−１２．５Ｇｅ（融点３６１℃）などを挙げることができる。
【０１５３】
〔１回目、２回目の接合部が共に本発明に係る接合部２１０の場合〕
本発明では、１回目の接合部と２回目の接合部の両方に、本発明に係るはんだ部材２００を適用することも可能である。
【０１５４】
本発明の製造方法では、接合後に銅−錫合金２０３が形成されているので、銅−錫合金の融点（例えばＣｕ３Ｓｎであれば約６４０℃、Ｃｕ６Ｓｎ５であれば約４１５℃）よりも低い温度では接合部分全体がはずれることはなく、接合位置は固定されている。
【０１５５】
ゆえに、１回目の接合部を本発明に係るはんだ部材２００で接合し、２回目の接合部も本発明に係るはんだ部材２００で接合しても、２回目の接合時の加熱温度（下限温度はＳｎの融点の約２２０℃）は、銅−錫合金の融点（例えばＣｕ３Ｓｎであれば約６４０℃、Ｃｕ６Ｓｎ５であれば約４１５℃）よりも充分に低いため、２回目の接合時に１回目の接合位置がずれない。
【０１５６】
このように、本発明の半導体モジュールでは、２箇所の接合部位に同じ接合材料を適用することができるため、操作が簡易化され、製造の省スペース化を図ることもできる。
【０１５７】
但し、１回目の接合部と２回目の接合部の両方に、本発明に係るはんだ部材２００を適用した場合、１回目の接合部では錫系はんだ材料によって接合している部分も存在するため、２回目の接合時の加熱により一部が溶融する。
したがって、より高い耐熱性を望むのであれば、１回目の接合を本発明に係るはんだ部材２００以外のはんだ材料で接合し、２回目の接合に本発明に係るはんだ部材２００を適用する場合が好適である。
【０１５８】
（半導体モジュールの製造方法）
本発明の半導体モジュールの製造方法は、半導体素子と絶縁基板との間、及び絶縁基板と放熱板との間の少なくともの接合部を、上記接合体の製造方法の方法によって接合する。以下では、具体的な接合方法について説明する。
【０１５９】
〔第一の実施形態〕
第一の実施形態では、第一接合部５０に本発明に係るはんだ部材２００を適用して本発明に係る接合部２１０とし、第二接合部６０にはその他のはんだ材料を適用して接合部を形成する場合について説明する。
【０１６０】
この形態で半導体素子に次世代素子のＧａＮ基板やＳｉＣ基板を適用する場合、本発明に係るはんだ部材２００よりも融点の高いはんだ材料を用いて第二接合部６０を先に接合し、次に本発明に係るはんだ部材２００を用いて第一接合部５０を接合して本発明に係る接合部２１０とすることが、本発明に係る接合部２１０の融点の観点から好適である。
他方、この形態で半導体素子にＳｉ基板を適用する場合には、第一接合部５０及び第二接合部６０のいずれを先に接合してもよい。
【０１６１】
以下、第一の実施形態では、本発明に係るはんだ部材２００よりも融点の高いはんだ材料を用いて第二接合部６０を先に接合し、次に本発明に係るはんだ部材２００を用いて第一接合部５０を接合して本発明に係る接合部２１０を形成する方法を説明する。
【０１６２】
−第二接合部６０の接合−
絶縁部３０と放熱板４０とが対向するように配置し、その間に第二接合部６０に用いるはんだ材料を挟み、絶縁部３０／はんだ材料６０／放熱板４０の順に積層した状態で、リフロー法等を利用して活性ガス又は還元ガス雰囲気下で接合する。
【０１６３】
第二接合部６０の接合温度は、第二接合部６０のはんだ材料の融点よりも３０℃〜６０℃程度高い温度で接合することが好ましい。
【０１６４】
第二接合部６０の厚さは、熱伝導及び熱応力の観点から５μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましく、１０μｍ以上３００μｍ以下であることがより好ましい。
【０１６５】
−第一接合部５０の接合−
半導体素子２０の接合面側の表面に、Ｃｕ層をスパッタリングにより成膜する。一方、絶縁部３０の第一接合部５０側の被接合面には、導電層としてのＣｕ板をロウ付けなどの方法によって貼り付ける。なお、絶縁部３０の第一接合部５０側とは反対の面は、既に上述の第二接合部６０によって放熱板４０と接合されている。
【０１６６】
半導体素子２０と絶縁部３０とを、それぞれに設けられたＣｕ層が対向するよう配置し、その間に本発明に係るはんだ部材２００を挟み、接合部の密着性や均一性を確保するよう、治具等により積層方向に加圧する。半導体素子の上部に金属製の重りを乗せて加圧してもよい。
【０１６７】
この状態において、不活性ガス又は還元ガス雰囲気下において、リフロー法等を利用して熱処理によって接合する。加熱温度は、錫系はんだ材料２０２の融点より高く且つ銅の融点よりも低くなるようにする。錫系はんだ材料２０２の融点以下の加熱では、錫系はんだ材料２０２が溶融しないので接合しない。また銅固体と錫液体との間で反応が起こらず、銅−錫合金２０３が形成しない。一方、銅の融点よりも高いと、被接合面の銅が溶融し、接合部位の位置ずれや傾斜などが発生する恐れがある。更に、半導体素子２０が破壊されたり改質したりする。
【０１６８】
また、第一接合部５０の接合の加熱温度は、錫系はんだ材料２０２の融点（２２０℃）よりも高く、第二接合部６０に用いたはんだ材料の融点よりも３０℃以上低い温度で接合することが好ましい。接合時の加熱によって半導体素子が破壊されるのを防ぐには、４５０℃以下の加熱で接合することが望ましい。
【０１６９】
更に、錫系はんだ材料２０２の融点（２２０℃）近辺の加熱では、上記範囲の厚さの銅−錫合金２０３を生成するには、加熱反応時間が長くなり、作業時間を長く要する。加熱反応時間との兼ね合いから、より好適な加熱温度の下限は、２５０℃である。
【０１７０】
加熱時間は、上述の接合体の製造方法で説明したのと同様であり、加熱温度やはんだ部材２００中の三次元網目状構造体２０１の含有率等に応じて適宜調節することが好ましい。
【０１７１】
形成された第一接合部５０の層の厚さは、熱伝導及び熱応力の観点から５μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましく、１０μｍ以上２００μｍ以下であることがより好ましい。
【０１７２】
第一の実施形態では、１回目の接合に用いるはんだ材料は、２回目に用いる本発明係るはんだ部材２００における錫系はんだ材料２０２の融点（約２２０℃）よりも高い融点を有する材料を選択するので、２回目のはんだ付けの際に１回目にはんだ付けした部分が溶融して、位置ずれを起こしたり傾斜したりといった不具合が生じない。
【０１７３】
〔第二の実施形態のパワー半導体モジュール〕
第一の実施形態のパワー半導体モジュールでは、第一接合部５０に本発明に係るはんだ部材２００を適用して本発明に係る接合部２１０とし、第二接合部６０には他のはんだ材料を適用して接合部を形成したが、第二の実施形態のパワー半導体モジュールでは、第一接合部５０に他のはんだ材料を適用し、第二接合部６０に本発明に係るはんだ部材２００を適用して本発明に係る接合部２１０とする。
【０１７４】
絶縁部３０の放熱板４０側に、導電層としてのＣｕ板をロウ付けなどの方法によって貼り付けた絶縁部３０を準備する。また、放熱板４０の絶縁部３０側にロウ付けなどの方法によってＣｕ板を貼り付けた放熱板４０を準備する。
【０１７５】
第二の実施形態のパワー半導体モジュールでは、第一接合部５０を先に接合し、第二接合部６０を２回目に接合する。その他については、第一の実施形態のパワー半導体モジュールと同様であるので、説明を省略する。
【０１７６】
第二の実施形態では、大量の熱を発する半導体素子に近い側の第一接合部５０が、本発明に係るはんだ材料２００の融点よりも高い融点を有するはんだ材料によって接合されることが可能であるため、耐熱性により優れたパワー半導体モジュールとなる。
【０１７７】
〔第三の実施形態のパワー半導体モジュール〕
第三の実施形態では、第一接合部と第二接合部の両者を、本発明に係る接合部２１０とする。第三の実施形態のパワー半導体モジュールでは、第一接合部５０と第二接合部６０の被接合面に、銅層を設ける。
【０１７８】
錫系はんだ材料２０２の融点（２２０℃）と銅−錫合金の融点（例えばＣｕ３Ｓｎであれば約６４０℃、Ｃｕ６Ｓｎ５であれば約４１５℃）を考慮し、１回目及び２回目の接合はいずれも、錫系はんだ材料２０２の融点よりも３０℃〜６０℃高い２６０℃〜２９０℃で加熱することが好ましい。
【０１７９】
その他については、第一の実施形態のパワー半導体モジュールと同様であるので、説明を省略する。
【０１８０】
〔本発明の半導体モジュールの効果〕
本発明の半導体モジュールは、強度及び熱応力に優れた銅−錫合金によって、三次元網目状構造体と被接合面とが接合されるため、積層構造体全体としての強度が向上し、冷熱サイクル等の熱応力が付与されても破壊しにくい構造体が得られる。
その結果、構成材料の熱膨張係数差の拡大が許容されることから、種々の構成材料を採用することができ、低コストな接合体（例えば電力変換器など）を実現できる。
【０１８１】
また、被接合面の銅と、接合部材の銅−錫合金との界面では、冷熱サイクルが施されても不要な生成物を発生させることがなく、仮に反応生成物が生成したとしても殆ど成長しない。よって、本発明の半導体モジュールは、温度変化に対する耐性が高くなる。
【０１８２】
更に、はんだ部材２００中に含まれる三次元網目状構造体２０１は、熱伝導の高い銅を主成分として含むため、錫系はんだ材料２０２のみの場合に比べて熱伝導も増加する。
【実施例】
【０１８３】
以下では実施例により本発明を説明するが一例について述べるものであり、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【０１８４】
［実施例１］
＜半導体素子の準備＞
ＧａＮを用いた半導体素子を準備し、その表面に５μｍの銅層をスパッタリングで形成した。
【０１８５】
＜銅板の準備＞
他方の被接合部材として、銅板を用意した。
【０１８６】
＜はんだ部材の準備＞
錫系はんだ材料（組成：Ｓｎ−０．７Ｃｕ）中に発泡銅（厚さ１９０μｍ）を含有する箔状のはんだ部材（三菱マテリアル社製、商品名：はんだ含浸発泡銅）を準備した。この箔状はんだ部材中の発泡銅の含有率は、２０体積％であった。
【０１８７】
箔状はんだ部材の表面から、平均２〜１０μｍの深さに発泡銅が位置し、表面には発泡銅が露出しないよう浸漬した後に圧延し、更に研磨を行なった。
得られた箔状はんだ部材の厚さは、２００μｍであった。
【０１８８】
＜接合＞
上記準備した半導体素子のＣｕ層と銅板とを対向させ、その間に前記箔状はんだ部材を挟んで治具で固定し、積層方向で加圧するよう、半導体素子の上部に金属製の重りを乗せた。なお、熱膨張を考慮し、治具はモリブデン材料で作製したものを用いた。
加圧した試料及び治具を、そのまま石英管に入れ、５容積％のＨ２還元雰囲気の電気炉に入れ、３５０℃で３０分間加熱して、接合体−１を作製した。
【０１８９】
冷却後に電気炉から取り出した接合体−１を切断し、断面を電子顕微鏡で観察した結果、被接合体の銅と発泡銅とがＣｕ３Ｓｎ合金で接合されていることが確認された。Ｃｕ３Ｓｎ合金の平均厚みは５μｍであった。また、上式によって算出した被接合面におけるＣｕ３Ｓｎ合金の占有率は、長さ基準で２０％であった。
【０１９０】
＜冷熱サイクル試験＞
得られた接合体−１を冷熱衝撃装置に入れ、冷熱サイクル試験を行った。
本実施例において冷熱サイクル試験は、−４０℃と１０５℃の間を４０分で上昇・降下させるのを１サイクルとし、その１サイクルを計５００サイクル行った。５００サイクル後の接合部の断面を、上記と同様の方法で観察した。
その結果、接合部の内部および被接合体との界面には、クラックなどの欠陥は見られず、良好な信頼性を有していることが確認できた。
【０１９１】
［実施例２］
実施例１と同様にして、但し加熱時間を４００℃に変更して、接合体−２を作製した。得られた接合体−２の断面を電子顕微鏡で観察した結果、被接合体の銅と発泡銅とがＣｕ３Ｓｎ合金で接合されていることが確認された。Ｃｕ３Ｓｎ合金の平均厚みは８μｍであった。また、上式によって算出した被接合面におけるＣｕ３Ｓｎ合金の占有率は、長さ基準で３０％であった。
【０１９２】
接合体−２についても上記冷熱サイクル試験を行なったところ、接合部の内部および被接合体との界面には、クラックなどの欠陥は見られず、良好な信頼性を有していることが確認できた。
【０１９３】
［実施例３］
実施例１と同様にして、但し加熱時間を４５０℃に変更して、接合体−３を作製した。得られた接合体−３の断面を電子顕微鏡で観察した結果、被接合体の銅と発泡銅とがＣｕ３Ｓｎ合金で接合されていることが確認された。Ｃｕ３Ｓｎ合金の平均厚みは１０μｍであった。また、上式によって算出した被接合面におけるＣｕ３Ｓｎ合金の占有率は、長さ基準で３５％であった。
【０１９４】
接合体−３について上記冷熱サイクル試験を行なったところ、接合部の内部および被接合体との界面には、クラックなどの欠陥は見られず、良好な信頼性を有していることが確認できた。
【０１９５】
［実施例４］
実施例１におけるはんだ部材の準備において、箔状はんだ部材の表面から、平均１〜５μｍの深さに発泡銅が位置するように調整した以外は同様にして、箔状はんだ部材を準備した。
この箔状はんだ部材を用いた以外は実施例１と同様の方法で、接合体−４を作製した。得られた接合体−４の断面を電子顕微鏡で観察した結果、被接合体の銅と発泡銅とがＣｕ３Ｓｎ合金で接合されていることが確認された。Ｃｕ３Ｓｎ合金の平均厚みは３μｍであった。また、上式によって算出した被接合面におけるＣｕ３Ｓｎ合金の占有率は、長さ基準で１５％であった。
【０１９６】
接合体−４について上記冷熱サイクル試験を行なったところ、接合部の内部および被接合体との界面には、クラックなどの欠陥は見られず、良好な信頼性を有していることが確認できた。
【０１９７】
［実施例５］
実施例１におけるはんだ部材の準備において、箔状はんだ部材の表面から、平均０〜２μｍの深さに発泡銅が位置するように調整した以外は同様にして、箔状はんだ部材を準備した。
この箔状はんだ部材を用いた以外は実施例１と同様の方法で、接合体−５を作製した。得られた接合体−５の断面を電子顕微鏡で観察した結果、被接合体の銅と発泡銅との間にＣｕ３Ｓｎ合金が生成し、そのＣｕ３Ｓｎ合金の平均厚みは１μｍであった。また、上式によって算出した被接合面におけるＣｕ３Ｓｎ合金の占有率は、長さ基準で３％であった。
【０１９８】
接合体−５について上記冷熱サイクル試験を行なったところ、実用の範囲内ではあったが、被接合体との界面には一部にクラックなどの欠陥が見られた。
【０１９９】
［実施例６］
実施例１におけるはんだ部材の準備において、箔状はんだ部材の表面から、平均１０〜３０μｍの深さに発泡銅が位置するように調整した以外は同様にして、箔状はんだ部材を準備した。
この箔状はんだ部材を用いた以外は実施例１と同様の方法で、接合体−６を作製した。得られた接合体−６の断面を電子顕微鏡で観察した結果、被接合体の銅と発泡銅との間にＣｕ３Ｓｎ合金が生成し、そのＣｕ３Ｓｎ合金の平均厚みは３０μｍであった。但し、Ｃｕ３Ｓｎ合金の組成を確認したところ、Ｃｕ３Ｓｎ合金にＣｕ６Ｓｎ５、Ｓｎ−０．７Ｃｕが混ざり、均質なＣｕ３Ｓｎ合金ではなかった。
【０２００】
接合体−６について上記冷熱サイクル試験を行なったところ、実用の範囲内ではあったが、被接合体との界面には一部にクラックなどの欠陥が見られた。
【０２０１】
［比較例１］
実施例１と同様にして、但し、発泡銅を含まない錫系はんだ部材（組成：Ｓｎ−０．７Ｃｕ）に替えて、比較の接合体−１を作製した。
得られた比較の接合体−１について上記冷熱サイクル試験を行なったところ、はんだ内部にクラックが顕著に発生していた。
【０２０２】
［比較例２］
実施例１と同様にして、但し、表面にＮｉ層を有する被接合部材を用いて比較の接合体−２を作製した。前記Ｎｉ層は、スパッタリングで形成した。
得られた比較の接合体−１について上記冷熱サイクル試験を行なったところ、はんだ内部にはクラックなどの不具合は見られなかったが、被接合面であるＮｉ層とはんだ部材との界面には顕著なクラックの発生が確認された。
【符号の説明】
【０２０３】
１０  半導体モジュール
２０  半導体素子
２２  Ｃｕ層
３０  絶縁部
３２  絶縁基板
３４、３６  導電層
４０  放熱板
４２  Ｍｏ層
４４、４６  Ｃｕ層
５０  第一接合部
６０  第二接合部
１０１  第１部材
１０２  第２部材
１１１、１１２  銅層
２００  本発明に係るはんだ部材
２０１  三次元網目状構造体
２０２  錫系はんだ材料
２０３  銅−錫合金
２１０  本発明に係る接合部２１０
【図１】
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【図２】
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【図３】
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