(57)【要約】【課題】たとえ応力によりクラックが発生しても進展せず、接続信頼性及び電気的特性を維持することが可能な、鑞付けによる金属接合方法を提供する。【解決手段】金属膜２と金属箔５とを鑞材３を用いて鑞付けして接合する金属接合方法であって、たとえ接合縁部からクラックが発生してもその進展を阻止すべく、鑞付温度において鑞材の液相に実質的に溶融しない、鋭角な稜線若しくは角部を持つ金属粒体６ａを混入させた鑞材３を使って接合する金属接合方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の金属部材と第２の金属部材とを鑞材により接合する金属接合方法であって、
鑞付温度において前記鑞材の液相に実質的に溶融しない金属粒体を混入させた前記鑞材を用いて前記第１の金属部材と前記第２の金属部材とを接合する金属接合方法。
【請求項２】
第１の金属部材と第２の金属部材とを鑞材により接合する金属接合方法であって、
前記第１の金属部材又は前記第２の金属部材の少なくとも一方の表面に、鑞付温度において前記鑞材の液相に実質的に溶融しない金属粒体を予め付着させておく金属接合方法。
【請求項３】
前記第１の金属部材と前記第２の金属部材との接合部の周縁のみに前記金属粒体を付着させておく請求項２記載の金属接合方法。
【請求項４】
前記第１の金属部材と前記第２の金属部材との間に鑞材を含有したペーストを、その接合部から少しはみ出すように挟み込み、当該はみ出し部に前記金属粒体を付着させた後に、前記鑞材を加熱して溶融させ、且つ、前記付着した金属粒体を前記はみ出し部内に包含させる請求項２記載の金属接合方法。
【請求項５】
前記金属粒体は、鋭利な稜線若しくは角部を有する請求項１〜４の何れかに記載の金属接合方法。
【請求項６】
前記金属粒体は、前記鑞材より塑性変形し易い金属材料から成る請求項１〜４の何れかに記載の金属接合方法。
【請求項７】
前記金属粒体は、複数の金属粒子を押し固めて形成された多孔質塊である請求項１〜４の何れかに記載の金属接合方法。
【請求項８】
前記金属粒体は、
前記鑞材より低融点を持つ本体部と、
鑞付温度において前記鑞材の液相に実質的に溶融しない金属製コーティング層と、を有し、
前記本体部は、前記金属製コーティング層で被覆されている請求項１〜４の何れかに記載の金属接合方法。
【請求項９】
前記金属粒体は、扁平形状又は板状形状である請求項８記載の金属接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属部材同士を鑞材により接合する金属接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図９及び図１０は本発明の背景を説明する一例として引用した構造で、電極たる金属膜を貼り付けたセラミック板に半導体チップを鑞付けした状態を模式的に示したもので、図９はその平面図、図１０は半導体チップとセラミック板との鑞付け部分にクラックが発生した様子を模式的に示す断面図であり、図９中のX-X線に沿って矢印の矢じり側から見た断面図である。
【０００３】
一般的に、電力用半導体チップ１の裏面には主電極としての金属膜２が形成されており、この金属膜２は、当該チップ１が配設されるセラミック板４の表面に形成された外部電極としての金属箔５に、電気的且つ物理的に接続される。この半導体チップ１裏面の金属膜２とセラミック板４上の金属箔５とを接合する技術として、例えば半田に代表されるような、濡れ性を有し比較的低融点の金属若しくはその合金から成る鑞材３が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平６−６８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、このような半導体チップ１とセラミック板４との接合部では、半導体チップ１、金属膜２、鑞材３、金属箔５、及び、セラミック板４の熱膨張係数がそれぞれ異なるので、先ず、鑞材３を金属膜２と金属箔５との間で溶融させた後に常温に戻した時点で鑞材３に応力が発生する。この応力は、半導体チップ１の周縁部、特に図９中の太線矢印で示す半導体チップ１の各角部に集中し、その結果として、当該応力集中箇所に図１０に示すようなクラック（亀裂）が生じる場合がある。さらに、半導体チップ１が動作／停止を繰り返すと、その度に構造体全体の温度が上昇／降下するので、この温度サイクルに伴って前記応力集中箇所にさらに応力が反復印加され、既にクラックが発生している場合、これが徐々に進展し、延いては接続信頼性や電気的特性の低下を招来する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、鑞付けによって金属部材同士の接合部に発生する応力ならびに温度変化によって反復的に印加される応力に対し、接続信頼性及び電気的特性を維持することが可能な金属接合方法を提供することを目的とする。
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明によれば、第１の金属部材と第２の金属部材とを鑞材により接合する金属接合方法にあって、鑞付温度において前記鑞材の液相に実質的に溶融しない金属粒体を前記鑞材に混入させて前記第１の金属部材と前記第２の金属部材とを接合する金属接合方法が提供される。
【０００７】
また、上記目的を達成するために、本発明によれば、第１の金属部材と第２の金属部材とを鑞材により接合する金属接合方法にあって、前記第１の金属部材又は前記第２の金属部材の少なくとも一方の表面に、鑞付温度において前記鑞材の液相に実質的に溶融しない金属粒体を予め付着させておく金属接合方法が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
このようにすると、たとえ鑞にクラックが発生し、さらに温度サイクルが印加されたとしても、金属粒体の存在によってクラックが進展するのを防止することが出来るので、鑞付けによる金属部材同士の接合部における接続信頼性維持を図ることが可能となる。
【発明の実施の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１０】
［第１実施形態］
図１は本発明の第１実施形態に係る金属接合方法によりセラミック板に半導体チップを接合した状態を模式的に示す断面図で、前記図１０と同様の部位である。
【００１１】
図中、半導体チップ１は、発熱量が大きな電力用半導体チップ等である。その底面には、当該チップ１の主電極の一つとして、ニッケル等の金属材料から構成される金属膜２が形成されている。因みに、この金属膜２は表面酸化を防ぐため、連続蒸着法により例えば金や銀等から成る金属製保護膜（不図示）により被覆されており、鑞付け時にはこの保護膜が鑞に溶出して金属膜２と鑞材３が良好に接続される。一方、セラミック板４の表面には、外部電極としての金属箔５が設けられている。この半導体チップ１の金属膜２とセラミック板４の金属箔５とを鑞付接合するための鑞材３は、例えばＡｇ−Ｃｕ系合金から構成されている。勿論、他の鑞材やＰｂ系半田でも発明の効果に変わりはない。
【００１２】
本実施形態に係る金属接合方法においては、半導体チップ１の金属膜２とセラミック板４の金属箔５とを接合する際、金属粒体６ａを予め混ぜ込んだ鑞材３を、半導体チップ１の金属膜２とセラミック板４の金属箔５との間に挟んでから当該接合部を所定の鑞付温度に加熱して鑞材３を溶融させ、その後に温度を降下させて接合を完成させる。なお、鑞材の初期形態は固体板状のものでも、或いは、ペースト状のものでも良い。
【００１３】
この金属粒体６ａは、鑞材３より高融点を有する例えばニッケル等の金属材料により構成されており、鑞付温度において鑞材３の液相に実質的に溶融しないようになっている。なお、鑞材３の液相に金属粒体６ａが実質的に溶融しないとは、鑞材３の液相に金属粒体６ａが全く溶融しないことの他に、鑞材３の液相に金属粒体６ａが容易に溶融し難いが若干溶融してしまうことをも許容する趣旨であり、これに該当する金属であれば同様の効果がある。
【００１４】
また、この金属粒体６ａは、図１に示すように、鋭利な稜線若しくは角部を有する形状となっている。金属粒体６ａをこのような形状とすることにより、鑞材３と金属粒体６ａとの界面にクラックが進んだ際に、当該鋭利な稜線若しくは角部でクラックの進展を食い止め易くなっているので、鑞付けによる金属部材同士の接合部における接続信頼性の維持を図ることが可能となる。これに対し、表面が滑らかな、例えば球体形状の金属粒体６ａ’を用いると、図２に示すように、クラックが当該金属粒体６ａ’を回り込んでしまい進展を続け易くなる。
【００１５】
［第２実施形態］
図３は本発明の第２実施形態に係る金属接合方法を説明するための前記図１に対応した図であり、同一符号は第１実施形態にて説明したものと同一のものを示している。
【００１６】
本実施形態においては、鋭角な稜線若しくは角部を持った金属粒体６ａの代わりに、形状は任意だが、鑞材３より柔らかい例えばアルミニウム等の金属材料で構成された金属粒体６ｂが混ぜ込まれており、印加された応力に対して鑞材３より塑性変形し易くなっている。特にアルミニウムは２００℃を超えると容易に塑性変形するので金属粒体６ｂに特に好適な材料の一つである。このような性質の金属を金属粒体６ｂとして用いると、図３に示すように、クラックが進展した際に、金属粒体６ｂがクラックによって分割され当該金属粒体６ｂ自体が歪み或いは破断することで応力を吸収するので、鑞材３からはクラックの先端が消失し、クラックの進展を食い止めることが可能となっている。
【００１７】
［第３実施形態］
図４は本発明の第３実施形態に係る金属接合方法を説明するための前記図１に対応した図であり、同一符号は第１実施形態にて説明したものと同一のものを示している。
【００１８】
本実施形態においては、金属粒体として、例えば銅やタングステン等の導電性に優れた金属材料から成る細かな金属粒子７を押し固めて作った多孔質塊で構成されている金属粒体６ｃを用いる。この金属粒子７を構成する銅やタングステン等の金属材料は、鑞材３より高融点を有することにより、鑞付温度において鑞材３の液相に実質的に溶融しないようになっている。
【００１９】
このように金属粒体６ｃを、細かな金属粒子７から成る多孔質塊とすることにより、上述の第２実施形態のように金属粒体にアルミニウムのような柔らかい金属材料を用いなくても、金属粒体６ｃ自体を鑞材３より容易に変形可能で、これによって鑞材３からはクラックの先端が消失し、クラックの進展を食い止めることが可能となっている。さらに、銅やタングステン等の導電性に優れた金属材料で金属粒体６ｃを構成することが出来るので、鑞材３の電気的特性を向上させることが可能となる。
【００２０】
［第４実施形態］
図５は本発明の第４実施形態に係る金属接合方法を説明するための前記図１に対応した図であり、同一符号は第１実施形態にて説明したものと同一のものを示している。
【００２１】
本実施形態においては、金属粒体として、鑞材３より低融点の例えばＳｎ−Ｐｂ系の半田等の金属材料で構成された本体部８を、鑞材３より高融点を有する例えばニッケル等の金属材料から構成された金属製コーティング層９で被覆した金属粒体６ｄを用いる。
【００２２】
なお、金属粒体６ｄは、扁平形状又は板状形状とすることにより、金属粒体６ｄの溶融時の当該金属粒体６ｄの体積膨張により金属製コーティング層８が破裂するのを防止することが可能となっている。
【００２３】
このような構成により、温度融点が低い金属も使うことが可能となり、鑞材３は溶けないが本体部８が溶ける温度にまで上昇すると、クラックの先端が消失し、クラックの進展を食い止めることが可能となっている。
【００２４】
［第５実施形態］
図６は本発明の第５実施形態に係る金属接合方法を説明するための前記図９に対応した図であり、図９と同一符号は上述の図９で説明したものと同一のものを示している。図６中、６は前記６ａ〜６ｄの金属粒体の何れかを示す。勿論、これら金属粒体６ａ〜６ｄのうち、複数種のものを混合しても良い。破線は半導体チップ１が設置される位置を示している。
【００２５】
本実施形態においては、鑞材３に金属粒体６を予め混入するのではなく、接合しようとするセラミック板４の金属箔５に、上述したような金属粒体６を実質的に均一に予め付着させておき、それから鑞材３を用いて、２つの金属部材２、５を接合させる方法をとる。このような方法をとると、効果は上述した実施形態と同様であるが、予め鑞材に細工をする必要がなく工程が簡便となり、工数低減や生産性向上に寄与し、延いてはコストダウンを図ることが可能となる。
【００２６】
なお、半導体チップ１の金属膜２、又は、半導体チップ１の金属膜２及びセラミック板４の金属箔５の両方に金属粒体６ｂを予め付着させても良い。
【００２７】
［第６実施形態］
図７は本発明の第６実施形態に係る金属接合方法において金属粒体を付着させる領域を説明するための前記図６に対応した平面図であり、図６と同一符号は第５実施形態にて説明したものと同一のものを示している。破線は半導体チップ１が設置される位置を示している。
【００２８】
これまで説明してきた接合方法では、金属粒体６ａ〜６ｄが鑞材３に予め混入されていたため、金属粒体６は接合面全体に分布していた。しかしながら、このようにすると、応力があまり印加されない接合部周縁以外の部分に存在する金属粒体６の存在が、物理的な接着強度や電気特性に影響を及ぼす場合もある。そこで、このような影響を排除するため、クラックが発生しそうな接合部周縁（特に角部）のみに予め付着させておく方法をとる。
【００２９】
［第７実施形態］
図８は本発明の第７実施形態を説明するための前記図１に対応した図であり、同一符号は第１実施形態にて説明したものと同一のものを示している。
【００３０】
本実施形態においては、鑞材として、鑞材金属を含有したペーストを用い、接合させたい２つの金属（例えば、図８においては金属膜２と金属箔５）の間にこの鑞材ペーストを介在させて、さらに当該ペーストが接合部から少しはみ出すように挟み込む。そして、加熱溶融させる前に、上述してきた金属粒体６を当該はみ出し部のペーストに向けて吹き付け、ペーストの粘着力のみで金属粒体６を付着させる。そして、ペーストを加熱して鑞材を溶融させると、はみ出し部に付着した金属粒体６が鑞材３内に包含される。冷却した後には、図８のように金属粒体６が、クラックの発生し易い接合部周縁のみに存在し、クラックを食い止める。この場合、接合部内には金属粒体６が存在しないので、接合強度や電気特性には全く影響せず、クラックを防止することが出来る。
【００３１】
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る金属接合方法を説明するための、接合端部の断面図である。
【図２】金属粒体が球体であった場合の効果を説明するための、接合端部の断面図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る金属接合方法を説明するための、接合端部の断面図である。
【図４】本発明の第３実施形態に係る金属接合方法を説明するための、接合端部の断面図である。
【図５】本発明の第４実施形態に係る金属接合方法を説明するための、接合端部の断面図である。
【図６】本発明の第５実施形態に係る金属接合方法を説明するための、金属表面の金属粒体の分布を説明する模式的な平面図である。
【図７】本発明の第６実施形態に係る金属接合方法を説明するための、金属表面の金属粒体の分布を説明する模式的な平面図である。
【図８】本発明の第７実施形態に係る金属接合方法を説明するための、接合端部の断面図である。
【図９】一般的な金属表面に、別の矩形体金属を鑞付けした状態を示した平面図である。
【図１０】前記図８中のX-X線に沿って紙面に垂直な面で切った断面で、２つの金属部材間の鑞付部分にクラックが発生した様子を模式的に示した断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１…半導体チップ
２…金属膜（第１の金属部材）
３…鑞材
４…セラミック板
５…金属箔（第２の金属部材）
６ａ〜６ｄ…金属粒体
７…金属粒子
８…本体部
９…金属製コーティング層
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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