(57)【要約】【課題】  接合材の外周部における応力を抑制する。【解決手段】  半導体装置の電極に接合される接合材であって、第１金属により構成されている多孔質部材と、前記第１金属よりも融点が低い第２金属により構成されており、前記多孔質部材の空孔内に配置されている低融点金属層を備えている。前記第１金属と前記第２金属が、加熱時に合金化する特性を備えている。前記第１金属のヤング率が、前記合金のヤング率よりも高い。前記第１金属の熱伝導率が、前記合金の熱伝導率よりも高い。前記接合材の中央部では、前記接合材の外周部よりも、前記多孔質部材の空孔率が低い。【選択図】図１
2018043261.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体装置の電極に接合される接合材であって、
第１金属により構成されている多孔質部材と、
前記第１金属よりも融点が低い第２金属により構成されており、前記多孔質部材の空孔内に配置されている低融点金属層、
を備えており、
前記第１金属と前記第２金属が、加熱時に合金化する特性を備えており、
前記第１金属のヤング率が、前記合金のヤング率よりも高く、
前記第１金属の熱伝導率が、前記合金の熱伝導率よりも高く、
前記接合材の中央部では、前記接合材の外周部よりも、前記多孔質部材の空孔率が低い接合材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示の技術は、半導体装置の電極に接合される接合材に関する。
【０００２】
特許文献１に、半導体装置の電極に接合される接合材が開示されている。この接合材は、銅、ニッケル、銀、鉄等によって構成されている多孔質部材と、多孔質部材の空孔内に配置されているはんだ層を備えている。接合材は、半導体装置の電極に接合される。接合材を介して、半導体装置の電極を外部の端子等に接続することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２９８９６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
半導体装置の動作時に、半導体装置が発熱する。すると、半導体装置が熱膨張するとともに、半導体装置に接合されている接合材も熱膨張する。半導体装置と接合材との膨張率の差により、接合材の内部に応力が発生する。半導体装置と接合材は中央部から外周部に向かって膨張するので、応力は接合材の外周部で中央部よりも高くなる。接合材の外周部に繰り返し高い応力が加わると、その外周部で接合材にクラックが生じるおそれがある。したがって、本明細書では、接合材の外周部における応力を抑制する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書が開示する接合材は、半導体装置の電極に接合される。この接合材は、多孔質部材と低融点金属層を備えている。前記多孔質部材は、第１金属により構成されている。前記低融点金属層は、前記第１金属よりも融点が低い第２金属により構成されており、前記多孔質部材の空孔内に配置されている。前記第１金属と前記第２金属が、加熱時に合金化する特性を備えている。前記第１金属のヤング率が、前記合金のヤング率よりも高い。前記第１金属の熱伝導率が、前記合金の熱伝導率よりも高い。前記接合材の中央部では、前記接合材の外周部よりも、前記多孔質部材の空孔率が低い。
【０００６】
なお、上記の「合金」は、金属間化合物であってもよいし、固溶体であってもよいが、金属間化合物であることが好ましい。
【０００７】
接合材を半導体装置の電極に接合する際に、接合材が加熱される。すると、接合材の内部で第１金属と第２金属が合金化する。接合材の中央部では多孔質部材の空孔率が低いので、加熱後の接合材の中央部では合金に対する第１金属の割合が高くなる。第１金属の熱伝導率が高いので、加熱後の接合材の中央部の熱伝導率は高い。接合材の外周部では多孔質部材の空孔率が高いので、加熱後の接合材の外周部では第１金属に対する合金の割合が高くなる。合金のヤング率が低いので、加熱後の接合材の外周部のヤング率は低い。接合材の中央部は半導体装置の中央部に接合され、接合材の外周部は半導体装置の外周部に接合される。加熱後の接合材の中央部の熱伝導率が高いので、半導体装置の中央部から好適に放熱することができる。したがって、半導体装置の中央部の温度上昇を好適に抑制することができる。また、加熱後の接合材の外周部のヤング率が低いので、加熱後の接合材の外周部は柔軟性を有する。このため、加熱後の接合材の外周部に高い応力が生じることが抑制される。このように、この接合材によれば、半導体装置の中央部の温度上昇を抑制しながら、接合材の外周部における応力を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施形態の接合材の断面図。
【図２】接合材の製造方法の説明図。
【図３】接合材の製造方法の説明図。
【図４】接合材の製造方法の説明図。
【図５】接合材の製造方法の説明図。
【図６】接合材の使用方法の説明図。
【図７】接合材の使用方法の説明図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１に示す接合材１０は、多孔質部材２０と低融点金属層３０を有している。多孔質部材２０は、その内部に多数の空孔２２を有している。空孔２２は互いに繋がっている。低融点金属層３０は、空孔２２内に配置されている。各空孔２２は、低融点金属層３０によって満たされている。多孔質部材２０は、金属により構成されている。低融点金属層３０は、多孔質部材２０を構成する金属よりも融点が低い金属により構成されている。多孔質部材２０を構成する金属と低融点金属層３０を構成する金属は、加熱によって互いに合金化する組み合わせとされている。特に、本実施形態では、多孔質部材２０を構成する金属と低融点金属層３０を構成する金属は、加熱によって互いに反応して金属間化合物が生成される組み合わせとなっている。多孔質部材２０を構成する金属のヤング率は、加熱によって生成される金属間化合物のヤング率よりも高い。また、多孔質部材２０を構成する金属の熱伝導率は、加熱によって生成される金属間化合物の熱伝導率よりも高い。また、加熱によって生成される金属間化合物の融点は、低融点金属層３０を構成する金属の融点よりも高く、多孔質部材２０を構成する金属の融点よりも低い。上述した関係を満たす多孔質部材２０と低融点金属層３０との金属との組み合わせの例を、表１に示す。
【００１０】
【表１】
2018043261.tif 000003
【００１１】
接合材１０は、中央部１０ａと、中央部１０ａの周囲に配置された外周部１０ｂを有している。接合材１０の厚み方向に沿って見たときに、外周部１０ｂは中央部１０ａの周囲を一巡している。中央部１０ａでは、外周部１０ｂよりも、多孔質部材２０の空孔率が低い。すなわち、中央部１０ａでは、外周部１０ｂよりも、空孔２２の密度が低い。したがって、中央部１０ａでは外周部１０ｂよりも多孔質部材２０を構成する金属の体積比率が高く、外周部１０ｂでは中央部１０ａよりも低融点金属層３０を構成する金属の体積比率が高い。
【００１２】
次に、接合材１０の製造方法について説明する。まず、多孔質部材２０の材料金属により構成された金属粉末を有機溶媒（例えば、エチレングリコール等）に混合したペーストを作成する。金属粉末が有機溶媒中に均等に分散するように、十分にペーストを撹拌する。なお、ここでは、金属粉末の密度が高い第１のペーストと、金属粉末の密度が低い第２のペーストを準備する。次に、図２に示すように、グラファイトプレート５０上に作成したペーストを塗布する。つまり、図２に示すように、有機溶媒４２と金属粉末４０とが混合されたペーストをグラファイトプレート５０上に塗布する。ここでは、まず、金属粉末４０の密度が高い第１のペーストをグラファイトプレート５０上に塗布することで、中央部１０ａを作成する。次に、金属粉末４０の密度が低い第２のペーストを中央部１０ａの周囲を囲むようにグラファイトプレート５０上に塗布することで、外周部１０ｂを作成する。外周部１０ｂは、中央部１０ａに隣接するとともに中央部１０ａと略同じ厚さとなるように塗布する。ペーストの塗布には、ステンシルマスクを用いた塗布方法や、シリンジを用いた塗布方法を用いることができる。
【００１３】
次に、図３に示すように、ペーストを加熱しながら、加圧板５２によってペーストを上から加圧する。例えば、放電プラズマ焼結装置等によってこの工程を実施することができる。加熱によって、有機溶媒４２が揮発する。また、ペーストの加圧によって、金属粉末４０が圧縮されるとともに互いに密着する。金属粉末４０が圧縮された状態で加熱されることによって、金属粉末４０同士が互いに結合する。これによって、図４に示す多孔質部材２０が形成される。このように製造された多孔質部材２０は、空孔率が低い中央部１０ａと、中央部１０ａの周囲に配置されていると共に空孔率が高い外周部１０ｂを有する。
【００１４】
次に、図５に示すように、低融点金属層３０の材料金属を溶融させた溶融金属３０ａを容器内に準備し、溶融金属３０ａ内に多孔質部材２０を浸漬する。すると、多孔質部材２０の空孔２２内に溶融金属３０ａが流入し、空孔２２内に溶融金属３０ａが充填される。その後、容器内の溶融金属３０ａから多孔質部材２０を引き上げる。多孔質部材２０を引き上げると、空孔２２内の溶融金属３０ａが冷えて凝固する。これによって、空孔２２内に低融点金属層３０が形成される。すなわち、図１に示す接合材１０が完成する。なお、溶融金属３０ａ内に多孔質部材２０を浸漬するときに多孔質部材２０が加熱されるが、浸漬時間が短いので、多孔質部材２０と溶融金属３０ａはほとんど反応しない。すなわち、多孔質部材２０を構成する金属と溶融金属３０ａから金属間化合物が生成される反応はほとんど生じない。したがって、空孔２２内には低融点金属層３０が形成される。
【００１５】
次に、接合材１０の使用方法について説明する。接合材１０は、図６に示す半導体装置７０と基板６０との接続に用いられる。半導体装置７０は、半導体基板７０ａとその裏面に設けられた電極７０ｂを有する。半導体基板７０ａの主材料はＳｉＣ（炭化シリコン）であり、半導体装置７０は２５０℃程度の高温でも動作することが可能である。基板６０は、基板本体６０ｂとその表面に設けられたメッキ層６０ａ（金属層）を有する。接合材１０は、電極７０ｂとメッキ層６０ａとの接続に用いられる。
【００１６】
まず、図６に示すように、基板６０、接合材１０及び半導体装置７０を積層する。接合材１０を、電極７０ｂとメッキ層６０ａに接触させる。接合材１０の中央部１０ａが半導体装置７０の中央部に接触し、接合材１０の外周部１０ｂが半導体装置７０の外周部に接触する。次に、図６に示す積層体をリフロー炉に投入することで、積層体を加熱する。なお、基板６０、接合材１０及び半導体装置７０の酸化を防ぐために、水素などの還元雰囲気下で加熱することが好ましい。ここでは、ピーク温度が低融点金属層３０の融点よりも高い温度（例えば、低融点金属層３０がＳｎにより構成されている場合には、２３２℃以上の温度）となるように積層体を加熱する。すると、低融点金属層３０が溶融する。電極７０ｂ及びメッキ層６０ａは、低融点金属層３０に対して濡れ性が高い金属によって構成されている。したがって、溶融した低融点金属層３０は液相拡散反応によって電極７０ｂ及びメッキ層６０ａと反応し、金属間化合物が生成される。これによって、接合材１０が電極７０ｂ及びメッキ層６０ａに対して接合される。すなわち、電極７０ｂとメッキ層６０ａが、接合材１０を介して電気的に接続される。また、溶融した低融点金属層３０は、液相拡散反応によって多孔質部材２０と反応する。これによって、図７に示すように、金属間化合物３２が生成する。金属間化合物３２の融点は低融点金属層３０の融点よりも高いので、金属間化合物３２は生成される際に固化する。ここでは、図７に示すように、低融点金属層３０の略全体を金属間化合物３２に変化させる。多孔質部材２０は、大部分が元の純金属として残存する。その結果、図７に示すように、多孔質部材２０の空孔２２内が金属間化合物３２によって満たされている構造が得られる。
【００１７】
なお、金属間化合物３２の融点は低融点金属層３０の融点よりも高い。また、多孔質部材２０の融点は金属間化合物３２の融点よりもさらに高い。例えば、多孔質部材２０がＣｕによって構成されており、低融点金属層３０がＳｎによって構成されている場合には、金属間化合物３２としてＣｕ６Ｓｎ５が生成される。金属間化合物３２（Ｃｕ６Ｓｎ５）の融点（約４１５℃）は、低融点金属層３０（Ｓｎ）の融点（約２３２℃）よりも高い。また、多孔質部材２０（Ｃｕ）の融点（約１０８５℃）は、金属間化合物３２（Ｃｕ６Ｓｎ５）の融点（約４１５℃）よりも高い。加熱後の接合材１０は、融点が高い金属間化合物３２と多孔質部材２０により構成されている。このため、加熱後の接合材１０は、高い耐熱性を有する。例えば、ＳｉＣを主材料とする半導体装置７０が動作可能な定格温度（約２５０℃）において、接合材１０は十分な耐熱性を有している。接合材１０によれば、はんだ等に比べて、より高い耐熱性を確保することができる。すなわち、接合材１０は、低融点金属層３０の融点の温度において接合することが可能である一方で、接合後は低融点金属層３０の融点よりも高い耐熱温度を有する。
【００１８】
上述したように、中央部１０ａでは、外周部１０ｂよりも、多孔質部材２０の空孔率が低い。上述したように空孔２２は金属間化合物３２で満たされているので、中央部１０ａでは、外周部１０ｂよりも、金属間化合物３２の体積比率が低い。すなわち、中央部１０ａでは、外周部１０ｂよりも、多孔質部材２０の体積比率が高い。多孔質部材２０のヤング率は、金属間化合物３２のヤング率よりも高い。また、多孔質部材２０の熱伝導率は、金属間化合物３２の熱伝導率よりも高い。中央部１０ａでは外周部１０ｂよりも多孔質部材２０の体積比率が高いので、中央部１０ａは外周部１０ｂよりも高いヤング率を有し、中央部１０ａは外周部１０ｂよりも高い熱伝導率を有する。
【００１９】
半導体装置７０は、動作時に発熱する。半導体装置７０の中央部（中央部１０ａの上側の部分）は、その周囲を半導体装置７０の外周部（外周部１０ｂの上側の部分）に囲まれている。このため、半導体装置７０の中央部で生じた熱は横方向に放熱され難い。しかしながら、本実施形態では、半導体装置７０の中央部が接合材１０の中央部１０ａに接合されている。中央部１０ａは高い熱伝導率を有するので、半導体装置７０の中央部で生じた熱が中央部１０ａを介して効率的に放熱される。したがって、半導体装置７０の中央部の温度上昇を抑制することができる。また、半導体装置７０の外周部は接合材１０の外周部１０ｂに接合されている。外周部１０ｂの熱伝導率は中央部１０ａよりも低い。このため、半導体装置７０の外周部では、接合材１０を介した放熱効率がそれほど高くはない。しかしながら、半導体装置７０の外周部では、半導体基板７０ａの外周面からも放熱される。このため、半導体装置７０の外周部でも温度上昇を抑制することができる。このように、半導体装置７０の中央部と外周部の何れでも、適切に温度上昇が抑制される。
【００２０】
半導体装置７０が発熱すると、半導体装置７０と接合材１０が熱膨張する。半導体装置７０の線膨張係数は、接合材１０の線膨張係数よりも小さい。したがって、接合材１０は半導体装置７０よりも大きく膨張しようとする。しかしながら、半導体装置７０によって拘束されることで接合材１０の膨張が抑制される。その結果、接合材１０の内部に応力が生じる。接合材１０は中央部１０ａ（中央部）から外周部１０ｂ（外周部）に向かって膨張するので、接合材１０の中央部１０ａでは高い応力は生じないが、接合材１０の外周部１０ｂでは高い応力が生じやすい。しかしながら、外周部１０ｂはヤング率が低く、柔軟性を有する。したがって、外周部１０ｂの内部に応力が生じることが抑制される。また、中央部１０ａはヤング率が高いが、上述したように中央部１０ａでは高い応力が生じない。このように、接合材１０の中央部１０ａと外周部１０ｂのいずれでも、高い応力が生じることが抑制される。したがって、接合材１０は、繰り返しの温度変化に対して耐久性が高い。
【００２１】
なお、上述した実施形態では、半導体基板７０ａがＳｉＣにより構成されていたが、Ｓｉ（シリコン）により構成されていてもよいし、他の化合物半導体により構成されていてもよい。また、上述した実施形態では、合金として金属間化合物が生成されたが、合金として金属の固溶体が生成されてもよい。
【００２２】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００２３】
１０    ：接合材
１０ａ  ：中央部
１０ｂ  ：外周部
２０    ：多孔質部材
２２    ：空孔
３０    ：低融点金属層
３２    ：金属間化合物
６０    ：基板
６０ａ  ：メッキ層
６０ｂ  ：基板本体
７０    ：半導体装置
７０ａ  ：半導体基板
７０ｂ  ：電極
【図１】
2018043261.tif 000004
【図２】
2018043261.tif 000005
【図３】
2018043261.tif 000006
【図４】
2018043261.tif 000007
【図５】
2018043261.tif 000008
【図６】
2018043261.tif 000009
【図７】
2018043261.tif 000010