(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と電極とがろう付接合されて導通が可能な接合体において、前記電極の熱膨張係数が半導体素子の熱膨張係数に対して０．６〜１．４倍であり、且つ前記電極に接合されるセラミック製のバックアップ材の熱膨張係数が前記半導体素子の熱膨張係数に対して０．８〜１．２倍であることを特徴とする半導体素子と電極との接合体。
【請求項２】
前記ろう付接合におけるろう材の前記半導体素子へのフィレット高さが、０．０２〜０．８ｍｍであることを特徴とする前記請求項１に記載の半導体素子と電極との接合体。
【請求項３】
前記ろう付接合後のろう材の中に、活性金属を含むことを特徴とする前記請求項１又は２に記載の半導体素子と電極との接合体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子と電極とのろう付接合に関するものであり、例えばろう付温度からの冷却、使用時及び非使用時との温度差のよる熱応力（熱サイクル）に曝される様な機能性材料部品として用いられる半導体素子と電極と接合体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、半導体素子と電極とを導通を得るように接合する方法として、様々な方法が知られている。例えばＳｉチップは、メタライズ（電極）を施したセラミック等へのはんだ付けにより接合されている。
また、例えば熱電素子の場合には、電極との直接接合あるいは組成の傾斜化による接合が行われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した方法で部品（半導体素子）を接合する場合には、接合温度からの冷却や、使用時・非使用での温度差という熱サイクルが接合部に加わることとなる。
【０００４】
ところが、半導体素子とろう材（はんだ）及び電極材では熱膨張係数差が大きいため、上述したような熱サイクルがあると、大きな熱応力を生じてしまう。更に、これら半導体素子は、自身の材料強度が弱く脆性的なため、この様な熱応力が加わると、図２に示す様に、クラック等を生じることがある。
【０００５】
また、はんだ付けにおいては、はんだが非常に軟質であるため、熱応力をはんだ自身が緩和することができるが、熱サイクルを受けることにより、はんだ自身が疲労してしまい、結果として、接合破損を起こしてショート等の不具合を生じることがある。
【０００６】
更に、例えばＳｉ系素子を活性ろう付（Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材）でろう付した場合には、素子／ろう材界面に生成する反応層はＴｉ−Ｓｉ化合物であり非常に脆いものである。従って、この様な反応層が存在する場合には、上述した熱応力により接合部剥離を生じてしまうことがある。
【０００７】
本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、半導体素子と電極との接合が強固な半導体素子と電極との接合体を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
量産性・コストを加味した接合法として、ろう付による接合が考えられるが、この場合には、ろう材と半導体素子との熱膨張係数差は避けられないものである。従って、本発明者らは、バックアップ材を用いた接合構造において電極、半導体素子及びバックアップ材の熱膨張係数の関係を規定することにより、半導体と電極とを強固に接合可能な接合体を見い出し、本発明を完成した。
【０００９】
【００１０】
【００１１】
【００１２】
（１）前記目的を達成するための請求項１の発明は、半導体素子と電極とがろう付接合されて導通が可能な接合体において、前記電極の熱膨張係数が半導体素子の熱膨張係数に対して０．６〜１．４倍であり、且つ前記電極に接合されるバックアップ材の熱膨張係数が前記半導体素子の熱膨張係数に対して０．８〜１．２倍であることを特徴とする半導体素子と電極との接合体を要旨とする。
【００１３】
半導体素子、ろう材、電極、バックアップ材の各部材には、熱膨張係数差があるので、ろう付けによる加熱・冷却や使用時における熱サイクルによって、各部材は縦・横に熱応力を受け、半導体素子側にクラックまたは界面剥離（素子とろう材間の剥離）が生じることがある。
【００１４】
そこで、本発明では（例えば図１参照）、電極の熱膨張係数を半導体素子の熱膨張係数に対して０．６〜１．４倍とし、且つバックアップ材の熱膨張係数を半導体素子の熱膨張係数に対して０．８〜１．２倍とすることにより、ろう材の縦・横の収縮を拘束することができ、それによりクラックや界面剥離の発生を防止することができる。
【００１５】
特に、本発明は、電気伝導率を考慮し、熱膨張係数の大きい電極材を用いなければならない場合等に好適である。つまり、この種の電極材を使用する場合には、バックアップ材を用いることが望ましいが、その様な場合でも、本発明により、好適にクラックや界面剥離を防ぐことができる。
【００１６】
ここでいうバックアップ材とは、（半導体素子と接する側の）ろう材と電極の収縮を拘束する部材であり、通常、電極の裏側（半導体素子と反対側）にろう材を用いて接合される。このバックアップ材としては、半導体素子に対して可能な限り熱膨張係数が近いものが好適である。
【００１７】
（２）請求項２の発明は、前記ろう付接合におけるろう材の前記半導体素子へのフィレット高さが、０．０２〜０．８ｍｍであることを特徴とする前記請求項１に記載の半導体素子と電極との接合体を要旨とする。
【００１８】
本発明では、更に、半導体素子へのフィレット高さを０．０２〜０．８ｍｍとすることにより、一層好適に、ろう材及び電極材の縦・横の収縮を拘束することができ、クラックや界面剥離の防止効果が大きい。
ここで、フィレット高さとは、電極表面から、半導体素子の側面に接合されたろう材の最高点までの高さである。
【００１９】
尚、半導体素子の側面にろう材が接合されていないものが、最もクラックや界面剥離の防止効果が大きい。
（３）請求項３の発明は、前記ろう付接合後のろう材の中に、活性金属を含むことを特徴とする前記請求項１又は２に記載の半導体素子と電極との接合体を要旨とする。
【００２０】
本発明は、接合後のろう材の成分を例示したものである。活性ろう付けとしては、ろう材自身に活性金属が含まれているものや、ろう材には活性金属が含まれず、接合される側に活性金属（例えばＴｉ）がメタライズされているものが挙げられるが、本発明は、その両方を含むものである。
【００２１】
例えば、Ｓｉ素子を活性ろう付けにより接合する場合には、素子／ろう材界面に生成する反応層はＴｉ−Ｓｉ化合物であり非常に脆いものであるが、上述した様に各部材の熱膨張係数の関係を設定することにより、その様な場合でも、接合部剥離を生ずることなく好適に接合することができる。
【００２２】
尚、前記請求項１〜３の半導体素子としては、Ｓｉチップ、熱電素子（Ｓｉ−Ｇｅ系、Ｆｅ−Ｓｉ系、Ｃｏ−Ｓｂ系）等が挙げられる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の半導体素子と電極との接合体の実施の形態の例（実施例）について、図面に基づいて説明する。
【００２４】
【００２５】
【００２６】
【００２７】
（実施例１）
下記表１に示す様に、接合体の構成要素を違えるとともに、半導体素子、電極、及びバックアップ材に対して、Ｎｉ−１０Ｐろう材を用い、９５０℃×１５ｍｉｎ，１０-3〜１０-4ｔｏｒｒにてろう付を行った。また、バックアップ材のセラミックには、予め１０００オンク゛ストロームのＴｉメタライズを施してある。
【００２８】
尚、各試料サイズは下記のようである。
半導体素子（Ｓｉ）：５×５×ｔ２ｍｍ
電極              ：５×８×ｔ０．１５ｍｍ
バックアップ材    ：１０×１０×ｔ２ｍｍ
ろう材厚さ        ：３０μｍ（電極−バックアップ材間）
そして、このろう付けにより得た例えば図１に示す構造の接合体に対して、大気中熱サイクル試験を実施し、即ち、室温（Ｒ．Ｔ．）と５００℃との間の大気中熱サイクル試験を１００サイクル実施し、同様な観察及び測定を行った。その結果を、同じく下記表１に記す。
尚、表１では、界面剥離又は素子側のクラック（素子クラック）が生じていないものを○で示し、界面剥離又は素子クラックが生じたものを×で示した。
【００２９】
【表１】
0003712532.tif 000002
【００３０】
この表１から明かな様に、本発明の範囲（請求項１）内の実施例の接合体（試料No.９，１１〜１６）は、前記大気中熱サイクル試験後でも、その接合断面には界面剥離及び素子クラックは生じていないので、好適である。それに対して、本発明の範囲外の比較例の接合体（試料No.７，８，１０，１７，１８）は、大気中熱サイクル試験後には、接合状態が悪く望ましくない。
（実施例２）
実施例１の構成の内、下記表２に示す構成についてフィレット高さの影響について試験を行った。
【００３１】
尚、フィレット高さは，Ａｌ2Ｏ3超微粉末を素子外周に塗布し、ろう材登りをマスキングすることにより調整した。
【００３２】
評価は、室温（Ｒ．Ｔ．）と３００℃との間の大気中熱サイクル試験を１００サイクル実施した後、更に、室温と５００℃との間の大気中熱サイクル試験を１００サイクル実施し、実施後の接合断面を観察することにより行った。その結果を、下記表３に記す。
【００３３】
【表２】
0003712532.tif 000003
【００３４】
【表３】
0003712532.tif 000004
【００３５】
この表３から明かな様に、本発明の範囲（請求項２）の実施例の接合体（試料No.２８〜３２）は、フィレット高さが適切に設定されているので、厳しい実験条件においても、剥離やクラック等が発生せず、好適である。また、バックアップ材を使用しているので、一層剥離やクラックの発生を防止する能力が高く好適である。
【００３６】
尚、本発明は前記実施例になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。例えば半導体素子と電極との接合に、活性ろう付けを採用できる。また、電極とバックアップ材の接合に、（事前のＴｉメタライズの不要な）活性ろう材を使用できる。
【００３７】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明では、半導体素子の熱膨張係数に対する電極の熱膨張係数及びバックアップ材の熱膨張係数を規定することにより、界面剥離やクラックの発生を抑制できる熱サイクル特性に優れた接合体を得ることができる。
【００３８】
更に、フィレット高さを調節することにより、一層熱サイクル特性に優れた接合体を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 請求項１の発明の接合体の構造を例示する断面図である。
【図２】 従来技術の説明図である。
【符号の説明】
１…半導体素子
２…電極
３，５…ろう材
４…バックアップ材
【図１】
0003712532.tif 000005
【図２】
0003712532.tif 000006