(57)【要約】【課題】モジュール形半導体装置を構成する部材間の半田接合部について、母材金属表面に成膜したＮｉの半田への溶出，および接合界面に生成した金属間化合物の成長を低く抑えて半田接合部の疲労寿命改善，信頼性向上を図る。【解決手段】銅ベース板１に搭載した絶縁基板２の導体パターン２ａにパワー半導体チップ３をマウントし、該半導体チップの上面電極にリードフレーム４を接続したモジュール形の半導体装置で、前記各部材の間を半田付けして面接合したものにおいて、半導体チップ３を含めた各接合部材の半田接合面に表面処理としてＮｉを成膜してＮｉ膜９を形成し、さらに該Ｎｉ膜の表面に半田接合工程で完全に溶解し得る厚さ（膜厚１μｍ以下）のＣｕ膜１０を成膜した上で、各部材の間をＳｎリッチな半田材で半田接合する。これにより、半田の接合界面にはＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎの３元系金属間化合物１１が生成し、この金属間化合物がバリアとなって実使用時の通電加熱に伴うＮｉの溶出，金属間化合物の成長を抑制して半田接合部の信頼性が向上する。【選択図】        図１
2006066716.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板の導体パターンと絶縁基板にマウントした半導体チップとの間,および半導体チップの上面電極と配線リードとの間を半田付けして面接合した半導体装置において、
少なくとも半導体チップおよび半導体チップに半田付けする接合相手部材の半田接合面に表面処理としてＮｉを成膜した上で、さらに該Ｎｉ層の表面に半田接合工程で完全に溶解し得る厚さのＣｕを成膜して半田接合したことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
金属ベース板と該ベース板上に搭載した絶縁基板の下面の導体パターンとの間，および絶縁基板の上面の導体パターンと絶縁基板にマウントした半導体チップとの間を半田付けして面接合した半導体装置において、
少なくとも絶縁基板の各導体パターン，および該基板の各導体パターンに半田付けする接合相手部材の半田接合面に表面処理としてＮｉを成膜した上で、さらに該Ｎｉ層の表面に半田接合工程で完全に溶解し得る厚さのＣｕを成膜して半田接合したことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の半導体装置において、Ｎｉ層の表面に成膜したＣｕ層の膜厚が１μｍ以下で、かつＮｉ層より薄く設定したことを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１ないし３に記載の半導体装置において、半田材がＳｎリッチな半田であることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワー半導体モジュールなど、発熱量の大きなパワー半導体素子を搭載した半導体装置に関し、詳しくはパワー半導体素子を含む構成部材の半田接合構造に係わる。
【背景技術】
【０００２】
近年になり、パワー半導体装置の定格拡大，高密度実装化に伴い、半導体素子の発生熱を効率よく放熱することが重要課題となっている。このような要求からパッケージ内で絶縁基板に半田マウントしたパワー半導体素子の配線構造について、在来のワイヤボンディングに代えてリードフレーム（導体板）を半導体チップの上面電極に半田接合し、該リードフレームを伝熱経路として半導体チップの発生熱を上面側の主面からも放熱させるようにした構成のものが採用されるようになっている（例えば、特許文献１参照）。
次に、金属ベース板上に絶縁基板を介してパワー半導体チップを搭載したモジュール形の半導体装置について、半導体チップに接続する配線リードに前記のリードフレームを採用した半導体装置の組立構造を図２に示す。図において、１はヒートシンクとなる放熱用銅ベース板、２は絶縁基板（例えば、セラミックス基板２ａの表，裏両面に銅箔を直接接合して導体パターン２ｂ，２ｃを形成したＤＣＢ（Direct Copper Bonding）基板）、３は絶縁基板２の上にマウントしたパワー半導体チップ（例えばＩＧＢＴ）、４は半導体チップ２の上面電極（ＩＧＢＴのエミッタ電極パッド）と絶縁基板２の導体パターンとの間にまたがって接合した内部配線用のリードフレーム（銅製の導体板）、５は外囲樹脂ケース、６は外部導出端子、７は外部導出端子６と絶縁基板２の上面側導体パターン２ｂ（導体パターン２ａは、図示してないが半導体チップ３との接合，接続に合わせた回路パターンに区分されている）との間に配線したボンディングワイヤであり、銅ベース板１／絶縁基板２，絶縁基板２／半導体チップ３，半導体チップ３／リードフレーム４，リードフレーム４／絶縁基板２の間が半田８（リフロー半田付け法）で接合されている。なお、半導体チップ２を湿気，塵などから保護するために、外囲樹脂ケース５の内部にはシリコーンゲルなどを充填して封止している。また、ここで使用する半田材について、最近は鉛フリー化の問題からからＳｎリッチな半田材が多く使用されるようになっている。
【０００３】
一方、上記構成の半導体装置については、温度サイクルなどの外的ストレスを受けて半田接合部に疲労破壊，クラックが発生すると致命的なダメージを受けることから、このようなクラック発生を防止して半田接合部の信頼性を確保するための様々な対応策が研究されている。
すなわち、前記した各接合部材の間を半田接合すると、接合部材の母材金属（Ｃｕ）と半田との濡れにより母材金属の半田への溶出によって接合界面に脆性の高い金属間化合物（Ｃｕ−Ｓｎ）が生成し、かつこの金属間化合物が半導体チップの通電に伴う発熱により層状，コブ状に成長し、これが基で温度サイクルなどによる熱的ストレスで半田接合部にクラックが発生することが知られている。
そこで、半田接合部のクラック発生防止策として、半田への溶出速度，および半田材成分のＳｎとの金属間化合物の成長速度が遅いＮｉを母材金属（銅）の表面に成膜することにより、半田接合部の疲労寿命が向上することが報告されており、現在その実用化が進められている。
【特許文献１】特開２００１−３３２６６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、先記のように接合部材の表面処理として母材金属の表面にＮｉを成膜するクラック防止対策をそのまま発熱量の大きなパワー半導体装置に適用すると次記のような問題点がある。
すなわち、Ｓｎリッチな半田材で前記接合部材の間を半田付すると、母材金属の半田への溶出により半田接合界面には金属間化合物として母材金属がＣｕであればＣｕ−Ｓｎが、また母材金属にＮｉを成膜した場合にはＮｉ−Ｓｎ合金が生成する。この場合にＮｉ−Ｓｎ合金の成長速度は、１５０℃以下の温度範囲ではＣｕ−Ｓｎ合金に比べて低いが、１５０℃を超えた高温領域ではＮｉ−Ｓｎ合金の成長速度が増してＣｕ−Ｓｎ合金の成長速度よりもむしろ大きくなる傾向を示す（例えば、大塚寛治著、「界面工学」、培風館、ｐ１１４参照）。
【０００５】
このために、半導体チップの発熱温度が保証温度である接合温度（Ｔｊ）＝１５０℃（シリコンの場合）を超えるようなパワー半導体チップに対しては、前記のように母材金属の表面にＮｉを成膜しただけでは、半田接合後の通電に伴う半導体チップの高温発熱によるＮｉの半田への溶出が継続して半田の接合界面に生じた金属間化合物の成長が進み、その結果として半田接合部の疲労寿命向上の成果が十分に発揮できない。
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その目的は先記したモジュール形の半導体装置を対象に、接合部材の母材金属表面に成膜したＮｉの半田への溶出，および接合界面に生成した金属間化合物の成長を低く抑えて半田接合部の信頼性向上が図れるように改良した半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明によれば、金属ベース板上に絶縁基板を介して半導体チップを搭載してその相互間を半田接合し、さらに半導体チップの上面電極に接続する配線リードに導体板を採用して半田接合したモジュール形の半導体装置を対象に、その半田付け部には次記のような処理を施して半田接合するものとする。
（１）絶縁基板の導体パターンと該絶縁基板にマウントした半導体チップとの間,および半導体チップの上面電極と配線リードとの間の半田接合部について、半導体チップおよび半導体チップに半田付けする接合相手部材の半田接合面に表面処理としてＮｉを成膜した上で、さらに該Ｎｉ層の表面に半田接合工程で完全に溶解し得る厚さのＣｕを成膜して半田接合する（請求項１）。
（２）金属ベース板と該ベース板上に搭載した絶縁基板の下面の導体パターンとの間，および絶縁基板の上面の導体パターンと絶縁基板にマウントした半導体チップとの間の半田接合部について、絶縁基板の各導体パターンおよび該基板の各導体パターンに半田付けする接合相手部材の半田接合面に表面処理としてＮｉを成膜した上で、さらに該Ｎｉ層の表面に半田接合工程で完全に溶解し得る厚さのＣｕを成膜して半田接合する（請求項２）。
【０００７】
ここで、Ｎｉ層の表面に成膜したＣｕ層は、その膜厚を１μｍ以下としてＮｉ層より薄く設定し（請求項３）、また半田材にはＳｎリッチな半田を用いる（請求項４）ものとする。
【発明の効果】
【０００８】
上記のように、パワー半導体チップを含めてモジュール形半導体装置を構成する各接合部材の半田接合面に表面処理としてＮｉを成膜した上で、さらに該Ｎｉ層の表面には半田との濡れ性がよく、かつ半田接合工程で完全に溶解し得る厚さのＣｕを成膜した上で半田付けを行うことにより、前記Ｃｕ膜が完全に溶解し、半田の接合界面には溶解したＣｕ，Ｎｉ層から溶出したＮｉ，および半田のＳｎとでＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎの３元系金属間化合物が形成される。このＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎの３元系金属間化合物は先記したＣｕ−Ｓｎの２元系金属間化合物に比べて成長速度が遅く、かつ母材金属の表面に成膜した下地のＮｉ層に対してバリアとして働き、半田へのＮｉの溶出，拡散を抑止する。したがって、半田接合後は温度負荷のかかる実使用時でも接合界面に生成した金属間化合物の成長を効果的に抑えることができ、これにより半田接合部の疲労寿命が大幅に改善される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態を図１（ａ），（ｂ）に示す実施例に基づいて説明する。なお、実施例の図中で図２に対応する同一部材には同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
すなわち、図示実施例は図２に示した半導体装置と基本的に同じ構造であるが、金属ベース板としての銅ベース板１，絶縁基板２，パワー半導体チップ３，およびリードフレーム４の各部材に対して、その半田接合面（銅ベース板１の上面，絶縁基板２の導体パターン２ａおよび２ｂ，パワー半導体チップ３の主面電極（エミッタ，コレクタの電極パッド），およびリードフレーム４の接合端面）には、図１（ａ）で示すように、あらかじめ厚さ５μｍ程度にＮｉ膜９を成膜した上で、さらにＮｉ膜の上に厚さ１μｍ以下の薄いＣｕ膜１０を成膜しておく。なお、Ｎｉ膜９，Ｃｕ膜１０の成膜には蒸着，スパッタ，メッキなどの方法が用いられる。
【００１０】
そして、半導体装置の組立工程では銅ベース板１の上面，絶縁基板２の上面側導体パターン２ａ，および半導体チップ３の上面側電極（エミッタ電極パッド）に対し、前記Ｃｕ膜１０の上に半田材（例えばＳｎ−３．５ＡｇのＳｎリッチなクリーム半田）８ａを塗布し、銅ベース板１の上に絶縁基板２，半導体チップ３，リードフレーム４を定位置に重ね合わせた上で、この仮組立体をリフロー炉に搬入して半田接合（リフロー半田接合工程の条件は、例えば温度：２５０℃，時間：２分）する。なお、図１（ａ）では説明の便宜上、銅ベース板１，絶縁基板２，パワー半導体チップ３，リードフレーム４の半田付けを同じ工程で一括して行うようにしているが、銅ベース板１／絶縁基板２，絶縁基板２／パワー半導体チップ３，パワー半導体チップ３，リードフレーム４間の半田付けを別工程に分けて行う場合でも同様である。
【００１１】
上記のリフロー半田接合工程では、膜厚１μｍ以下に設定したＣｕ膜１０は全て溶解し、さらにその下地のＮｉ膜も表面一部が溶出して半田の接合界面には、図１（ｂ）で表すようにＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎの３元系合金になる金属間化合物１１が層状に形成される（Ｃｕ膜１０の膜厚が厚いと、半田接合工程中に完全に溶解しないで下地のＮｉ膜９を覆ったままとなるため、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎの３元系合金が形成されない）。なお、この場合にＣｕの供給源となるＣｕ膜１０の膜厚が１μｍ以下と極薄いためにＣｕ−Ｓｎ合金の生成は極僅かであり、かつ接合部材の母材金属（銅）はその表面がＮｉ膜９で覆われてＣｕの供給源とはならないことから経時的な成長も見られない。
しかも、前記したＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎの３元系金属間化合物１１は、Ｃｕ−Ｓｎの２元系金属間化合物に比べて成長速度が遅く、かつ下地のＮｉ膜９に対してバリアとして有効に働く。これにより、半田接合後は通電によるパワー半導体チップ３の高温発熱が加わっても半田の接合界面に生成した金属間化合物の成長が効果的に抑制される。その結果として、半導体装置の実使用時の温度サイクルにより半田接合部に熱的ストレスが加わっても脆い金属間化合物に起因するクラックの発生を抑えて半田接合部の疲労寿命が大幅に改善されて高い信頼性が確保できる。
【００１２】
なお、前記の半田８にはＳｎリッチな半田材，鉛フリーの半田材を使用するのがよく、具体的にはＳｎ−Ｃｕ系，Ｓｎ−Ａｇ系，Ｓｎ−Ｚｎ系，Ｓｎ−Ｂｉ系などの２元系、あるいは、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系，Ｓｎ−Ａｇ−Ｉｎ系などの３元系半田を用いることができる。
また図示実施例では、絶縁基板２／半導体チップ３／配線リード４間の半田接合部のほか、銅ベース板１／絶縁基板２間の半田接合部についても母材金属の表面にＮｉ膜９，Ｃｕ膜１０の成膜処理を施した上で半田接合しており、このように接合面積が大きい母材金属間の半田接合に対しても有効である。なお、状況によっては母材金属に対するＮｉ膜９，Ｃｕ膜１０の成膜処理を絶縁基板２の導体パターン２ａ，半導体チップ３の主面電極，およびリードフレーム４に対してのみ施し、銅ベース板１，絶縁基板２の表面処理を省略して実施してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施例による半導体装置の構成図で、（ａ）は半田接合工程実施の前の状態を表す分解図、（ｂ）は半田接合後の状態を表す図
【図２】本発明の実施対象となるパワー半導体装置全体の組立構成図
【符号の説明】
【００１４】
１    放熱用銅ベース板
２    絶縁基板
２ａ，２ｂ  導体パターン
３    パワー半導体チップ
４    リードフレーム（配線リード）
８    半田
９    Ｎｉ膜
１０    Ｃｕ膜
１１    Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎの３元系金属間化合物
【図１】
2006066716.tif 000003
【図２】
2006066716.tif 000004