(57)【要約】【課題】冷熱サイクルによる熱膨張及び熱収縮を抑制することにより、製品の信頼性を向上できるパワー半導体装置の製造方法及び該製造方法により製造されるパワー半導体装置を提供する。【解決手段】本実施形態に係るパワー半導体装置の製造方法は、表面に導体層を有するベース基板及び前記ベース基板に実装された半導体素子を具備するパワー半導体装置の製造方法であって、前記導体層の表面に硬化層を形成する工程を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に導体層を有するベース基板及び前記ベース基板に実装された半導体素子を具備するパワー半導体装置の製造方法であって、
ショットピーニング処理、超音波ピーニング処理又はレーザーピーニング処理のいずれかにより前記導体層の表面に前記導体層より硬度が高い硬化層を形成する工程を有するパワー半導体装置の製造方法。
【請求項２】
表面に導体層を有するベース基板及び前記ベース基板に実装された半導体素子を具備するパワー半導体装置の製造方法であって、
前記導体層の表面に硬化層を形成する工程を有するパワー半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記硬化層は、前記導体層の表面にピーニング処理を行うことで形成される請求項２に記載のパワー半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記ピーニング処理は、ショットピーニング処理、レーザーピーニング処理又は超音波ピーニング処理のいずれかである請求項３に記載のパワー半導体装置の製造方法。
【請求項５】
表面に導体層を有するベース基板と、
前記ベース基板に実装された半導体素子と、
を具備し、
前記導体層は、表面に前記導体層より高度が高い硬化層を有するパワー半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、パワー半導体装置の製造方法及びパワー半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置では、通電時の温度上昇及び非通電時の温度降下の冷熱サイクルが生じる。そして、この冷熱サイクルにより、半導体装置は膨張と収縮を繰り返す。しかしながら、半導体装置は、熱膨張率の異なる部材を使用して構成されている。このため、この冷熱サイクルによる劣化、特に、接合部における劣化が問題となる。特に、電流が多く流れるパワー半導体装置では、この冷熱サイクルの温度差が激しいため劣化も激しくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−２９１６０号公報
【特許文献２】特開２００４−２７７８５０号公報
【特許文献３】特開２００６−１８８７２０号公報
【特許文献４】特開２０１１−５２３２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の実施形態は、冷熱サイクルによる熱膨張及び熱収縮を抑制することにより、製品の信頼性を向上できるパワー半導体装置の製造方法及びパワー半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態に係るパワー半導体装置の製造方法は、表面に導体層を有するベース基板及び前記ベース基板に実装された半導体素子を具備するパワー半導体装置の製造方法であって、前記導体層の表面に硬化層を形成する工程を有する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】実施形態に係るパワー半導体装置の断面図。
【図２】導体層の拡大断面図。
【図３】冷熱サイクルによりパットに発生した変形を示す模式図。
【図４】実施例１の断面写真。
【図５】比較例の断面写真。
【図６】実施例２の測定結果を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、図面を参照して、実施形態について詳細に説明する。
（実施形態）
図１は、実施形態に係るパワー半導体装置１００の断面図である。パワー半導体装置１００は、表面に導体層１２０が形成された放熱用のベース基板１１０と、ベース基板１１０に実装された半導体素子１３０と、半導体素子１３０の端子と導体層１２０とを接続するワイヤ１４０と、半導体素子１３０と導体層１２０とが接合される接合部Ｊと、封止樹脂１５０とを備える。
【０００８】
ベース基板１１０は、半導体素子１３０で発生する熱を放熱するために熱導電性が高く、かつ絶縁性の物質（例えば、アルミナ）で構成される。ベース基板１１０の表面に形成されている導体層１２０は、電気伝導性の高い物質（例えば、アルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ））で構成される。導体層１２０は、少なくともパット１２０Ａ，１２０Ｂ及びパット１２０Ａ，１２０Ｂに接続される配線（不図示）を有する。該配線は、パワー半導体装置１００の外部と接続するための外部電極と接続される。
【０００９】
図２は、導体層１２０の拡大断面図である。導体層１２０の表面には、導体層１２０の母材１２０ｂよりも硬度の高い硬化層１２０ａが形成されている。硬化層１２０ａは、例えば、ショットピーニング処理、レーザーピーニング処理、超音波ピーニング処理等を施し、導体層１２０の表面に塑性変形を生じさせて形成される。なお、この硬化層１２０ａの厚みは、１μｍ以上であることが好ましい。この硬化層１２０ａの厚みが、１μｍ未満であると、冷熱サイクルによる導体層１２０の変形を抑制する効果が小さくなるためである。
【００１０】
ショットピーニングにより硬化層１２０aを形成する場合、導体層１２０に投射材が埋め込まれないよう球状であることが好ましい。また、投射材の大きさ（球径（直径））も２μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。投射材の大きさ（球径）が小さすぎると、導体層１２０に投射材が埋め込まれてしまう虞がある。例えば、この硬化層１２０ａの厚みが１μｍ以上である場合、投射材の大きさ（球径）が１μｍ未満であると、投射材が硬化層１２０ａに埋め込まれる虞が高くなる。
【００１１】
また、投射材の大きさ（球径）が１００μｍを超えると、硬化層１２０ａの表面粗さ（Ｒｚ）が粗くなってしまう虞がある。実際に、大きさ（球径）が１０００μｍの投射材と、大きさ（球径）が１００μｍの投射材とを用いてショットピーニング処理を行ったところ、形成された硬化層１２０ａの表面粗さ（Ｒｚ）は、大きさ（球径）が１００μｍの投射材を用いた場合のほうが、大きさ（球径）が１０００μｍの投射材を用いた場合の半分程度（１／２）であった。なお、投射材は、それぞれ０．３ＭＰａ、０．６ＭＰａ、０．８ＭＰａの力でショットした。このことから、投射材の大きさ（球径）は微細な方が硬化層１２０ａの表面状態が良好であり、さらに硬化層１２０ａの表面粗さ（Ｒｚ）を制御でき有効である。
【００１２】
なお、ショットピーニングを行う際には、対象物（母材）を室温より高くした状態で実施することにより、投射材の投射力を低く抑えることができ有効である。
【００１３】
しかしながら、導体層１２０を構成する物質としてアルミニウム（Ａｌ）を使用する場合、高温でショットピーニング処理を行うことは望ましくない。このため、ショットピーニング処理は、１００℃以下で行うことが好ましい。１００℃以下であれば、投射材が母材（アルミニウム（Ａｌ））へ埋め込まれることを抑制できる。
【００１４】
また、導体層１２０を構成する物質として銅（Ｃｕ）を使用する場合、投射材が母材（銅（Ｃｕ））へ埋め込まれる懸念は少ないが、１００℃を超えると酸化が激しくなる。このため、１００℃を超える温度化でショットピーニングを行う場合、銅（Ｃｕ）の酸化抑制のために非酸化雰囲気下で行う必要がある。ただし、減圧下でのショットピーニング処理は難しいため、窒素（Ｎ２）雰囲気下などで行うのが有効である。
【００１５】
なお、導体層１２０の表面にニッケル（Ｎｉ）めっき層を設けてもよい。この場合、導体層１２０の表面に硬化層１２０ａを形成した後、ニッケル（Ｎｉ）めっき層を設けることが好ましい。理由については、後述する。
【００１６】
半導体素子１３０は、ダイオードやInsulated Gate Bipolar Transistor（ＩＧＢＴ）等のパワー系半導体素子である。該ダイオードやＩＧＢＴは、シリコン（Ｓｉ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）等の基板上に形成された後、所望の大きさに個片化される。半導体素子１３０は、錫（Ｓｎ）系はんだ、焼結銀（Ａｇ）粒子ペースト、錫（Ｓｎ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）等を用いた乾式・湿式めっき、シート材（インサート金属等）を用いた固相・液相拡散接合、超音波接合等により、導体層１２０のパット１２０Ａ上に接合（実装）される。
【００１７】
ワイヤ１４０は、半導体素子１３０の接続パット（不図示）と、導体層１２０のパット１２０Ｂとを接続するボンディングワイヤである。ワイヤ１４０の材料には、電気伝導度の高い金（Ａｕ）が主に用いられるが、近年は、安価な銅（Ｃｕ）を用いたものも存在する。
【００１８】
封止樹脂１５０は、エポキシ樹脂を主成分とし、シリカ充填材等を加えた熱硬化性成形材料である。封止樹脂１５０は、半導体素子１３０を封止し、半導体素子１３０を光や熱、湿度などの環境による劣化から保護する。
【００１９】
パワー系半導体素子である半導体素子１３０は、動作時（通電時）に温度が上昇し、非動作時（非通電時）に温度が降下する、いわゆる冷熱サイクルが発生する。半導体素子１３０と導体層１２０のパット１２０Ａとの接合部Ｊは、冷熱サイクルや通電、非通電によるパワーサイクル等を長時間受けた場合に、接合部Ｊにき裂が発生する。そして、冷熱サイクルやパワーサイクルがさらに繰り返されることにより、接合部Ｊに生じたき裂が進展して破断し、パワー半導体装置１００の故障に至る事がある。
【００２０】
き裂の発生要因としては、冷熱サイクルにより、例えば、接合部Ｊのはんだにひずみが発生し、はんだが再結晶化してき裂が発生・進展することがあげられる。き裂は、結晶粒界が直線状に揃っている場合は、き裂の進展が早くなり、パワー半導体装置１００の故障までの時間が短くなる。つまり、パワー半導体装置１００の寿命が短くなる。
【００２１】
また、別の要因として、封止樹脂１５０が、放熱用のベース基板１１０より剥離した場合、全体の拘束がなくなり、そのために、はんだ等の接合に、き裂発生・進展があり故障に至るまでの時間が早くなることがある。これらの要因は、パワー半導体装置１００を構成する材料によって変化する。  
【００２２】
図３は、冷熱サイクルによりパットＰに発生した変形を示す模式図である。図３（ａ）は、パットＰと、パットＰ上に接合部Ｊを介して実装された半導体素子Ｓの断面図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）の枠Ｗの拡大図である。なお、実施形態に係るパワー半導体装置１００と異なり、図３に示すパットＰの表面には、硬化層は形成されていない。
【００２３】
図３（ｂ）に示すように、半導体素子Ｓの動作により冷熱サイクルが発生し、接合部Ｊには、き裂が生じる。また、パットＰの変形が顕著になるに従い、接合部Ｊのき裂の進展も顕著となる場合がある。その他に、考えられるき裂の発生は、Ｓｎ系のはんだ材料の中に、ＡｇやＣｕが含まれているものについては、熱ストレスの繰り返しの際に、再結晶したＳｎの結晶粒界部分に大きな金属間化合物として偏析してくる。そのために、結晶粒界部分が脆くなり、き裂の発生・進展が進み故障までの寿命が短くなる場合がある。
【００２４】
以上のように、パワー半導体装置には、冷熱サイクルにより接合部Ｊにき裂が生じたり、パットＰ（導体層）が変形することがある。そして、パットＰの変形により接合部Ｊのき裂の進展が顕著となることがある。この場合、パワー半導体装置が故障に至るまでの時間が短くなる可能性がある。すなわち、パワー半導体装置の寿命が短くなる可能性がある。
【００２５】
しかしながら、本実施形態に係るパワー半導体装置１００では、導体層１２０の表面に硬化層１２０ａを形成して冷熱サイクルによる導体層１２０の変形を抑制しているので、接合部Ｊにき裂が生じるのを抑制することができる、また、き裂が生じた場合でも、導体層１２０の変形により接合部Ｊのき裂の進展が顕著となることを防止することができる。この結果、パワー半導体装置１００が故障に至るまでの時間を長くすることができ、パワー半導体装置１００を長寿命化できる。
【実施例】
【００２６】
（実施例１）
次に、実施例１について説明する。この実施例では、アルミニウム（Ａｌ）基板上にニッケル（Ｎｉ）めっき層を設けた後、樹脂で封止した試料Ａ１〜Ａ３（実施例１），試料Ｂ１〜Ｂ３（比較例）を用意した。なお、試料Ａ１〜Ａ３には、アルミニウム（Ａｌ）基板の表面にショットピーニングを行い硬化層を形成している。
【００２７】
次に、熱衝撃試験機を用いて各試料Ａ１〜Ａ３，Ｂ１〜Ｂ３に冷熱サイクルを加えた。冷熱サイクルは、−４０℃から１２５℃へ変化させた後、１２５℃から−４０℃へ変化させるのを１サイクルとして、この冷熱サイクルを、試料Ａ１、Ｂ１には０サイクル、試料Ａ２、Ｂ２には２００サイクル、試料Ａ３、Ｂ４には４００サイクル実施した。なお、各サイクルにおいて、−４０℃から１２５℃への変化及び１２５℃から−４０℃への変化を各１５分間ずつとした。
【００２８】
（試料Ａ１〜Ａ３）
図４は、試料Ａ１〜Ａ３の断面写真（ＳＥＭ写真）である。図４（ａ）は、試料Ａ１（０サイクル）の断面写真、図４（ｂ）は、試料Ａ２（２００サイクル）の断面写真、図４（ｃ）は、試料Ａ３（４００サイクル）の断面写真である。図４に示すように、アルミニウム（Ａｌ）基板の表面に硬化層を形成した試料Ａ１〜Ａ３では、冷熱サイクルによる変形が抑制されていることがわかる。
【００２９】
（試料Ｂ１〜Ｂ３）
図５は、試料Ｂ１〜Ｂ３の断面写真（ＳＥＭ写真）である。図５（ａ）は、試料Ｂ１（０サイクル）の断面写真、図５（ｂ）は、試料Ｂ２（２００サイクル）の断面写真、図５（ｃ）は、試料Ｂ３（４００サイクル）の断面写真である。図５に示すように、アルミニウム（Ａｌ）基板の表面に硬化層を形成していない試料Ｂ１〜Ｂ３では、冷熱サイクルによる変形が抑制されておらず、パットが変形していることがわかる。
【００３０】
以上のことから、パットの表面に硬化層を形成した場合、冷熱サイクルによる変形が抑制できることがわかった。
【００３１】
（実施例２）
次に、実施例２について説明する。この実施例２では、アルミニウム（Ａｌ）基板の表面にショットピーニングを行い硬化層を形成した後、Ｎｉめっき層を設けた試料Ｃと、アルミニウム（Ａｌ）基板の表面にＮｉめっき層を設けた後、ショットピーニングを行い硬化層を形成した試料Ｄとを用意し、各試料Ｃ，Ｄについて複数の深さにおいてビッカース硬さ（ＨＶ）を測定した。
【００３２】
ビッカース硬さ（ＨＶ）は、対面角α≒１３６℃の正四角錐ダイヤモンドで作られたピラミッド形の圧子を試料Ｃ，Ｄの表面に押し込み、荷重を除いたあとに残ったへこみの対角線の長さｄ／ｍｍから表面積Ｓ／ｍｍ２を算出した後、試験荷重Ｆ／ｋｇｆを表面積Ｓ／ｍｍ２で割って算出した。
【００３３】
表１は、測定結果をまとめた表である。
【表１】
2014187088.tif 000003
【００３４】
図６は、表１の測定結果をグラフ化したものである。図６では、縦軸にビッカース硬さ（ＨＶ）をとり、横軸に表面からの距離（ｍｍ）をとっている。また、図６では、試料Ｃの測定結果を丸（□）、試料Ｄの測定結果を四角（○）で示している。
【００３５】
表１及び図６からわかるように、試料Ｄ（ニッケル（Ｎｉ）めっき後に、表面を硬化処理した試料）のニッケル（Ｎｉ）めっきの硬さは、試料Ｃ（ニッケル（Ｎｉ）めっき前に、表面を硬化処理した試料）とほぼ同じである。しかしながら、試料Ｄでは、表面から深くなるにつれて急激にビッカース硬さが低下し、母材（アルミニウム（Ａｌ））のビッカース硬さ（約５０）と同じ値となっていることがわかる。
【００３６】
一方、試料Ｃでは、表面から深くなるにつれて徐々にビッカース硬さが低下しており、深さ０．１ｍｍ程度のところで、母材（アルミニウム（Ａｌ））のビッカース硬さと同じ値まで低下してくる。つまり、ニッケル（Ｎｉ）めっき等の表面処理後に、ピーニング処理等の硬化処理を実施すると、表面の硬さにほとんど変化がなく、内部と同じ硬さとなってしまう。このため、冷温サイクルが繰り返された場合は、Ａｌ基板に変形が生じ、接合部に悪影響がでてしまう虞が高くなる。このため、めっき処理等の表面処理を行う場合、ピーニング処理等の硬化処理を実施した後に行うことが好ましい。
【００３７】
（その他の実施形態）
以上のように、本発明のいくつかの実施形態について説明したが、上記実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図するものではない。上記実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を変更しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態や変形が、発明の範囲や要旨に含まれるのと同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００３８】
１００…パワー半導体装置、１１０…ベース基板、１２０…導体層、１２０ａ…硬化層、１２０ｂ…母材、１２０Ａ，１２０Ｂ…パット、１３０…半導体素子、１４０…ワイヤ、１５０…封止樹脂。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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