(57)【要約】【課題】板状の配線部材を焼結性金属からなる接合層で半導体チップに接合しつつ、接合層のヤング率を調整することにより、電極パッド等の損傷を防止した電力用半導体装置を提供する。【解決手段】板状配線を用いた電力用半導体装置が、少なくとも表面パターンを有する絶縁基板と、絶縁基板の表面パターン上に第１接合層で裏面が固定された半導体チップと、半導体チップの表面上に設けられた電極パッドと、電極パッドを覆う金属層と、金属層の上に第２接合層で固定された板状の配線部材とを含み、第１接合層は、ＡｇまたはＣｕの焼結体からなり、第２接合層は、ＡｇまたはＣｕの焼結体であって、内部に空隙を含む焼結体からなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状配線を用いた電力用半導体装置であって、
少なくとも表面パターンを有する絶縁基板と、
該絶縁基板の表面パターン上に第１接合層で裏面が固定された半導体チップと、
該半導体チップの表面上に設けられた電極パッドと、
該電極パッドを覆う金属層と、
該金属層の上に第２接合層で固定された板状の配線部材と、を含み、
該第１接合層は、ＡｇまたはＣｕの焼結体からなり、
該第２接合層は、ＡｇまたはＣｕの焼結体であって、内部に空隙を含む焼結体からなることを特徴とする電力用半導体装置。
【請求項２】
上記第２接合層は、上記金属層の上に配置された多点の接続部からなることを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
【請求項３】
上記第２接合層は、ＡｇおよびＣｕよりヤング率の低い金属または樹脂を含むことを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
【請求項４】
上記第２接合層の面積は０．５ｃｍ２以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電力用半導体装置。
【請求項５】
上記第２接合層の焼結体の充填率は、７０〜９０％であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電力用半導体装置。
【請求項６】
上記第２接合層は、大きさの異なるＡｇまたはＣｕの微粒子からなる焼結体であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電力用半導体装置。
【請求項７】
上記金属層の上に、Ａｕを主成分とする第２金属層が設けられ、該第２金属層の上に上記第２接合層が設けられたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の電力用半導体装置。
【請求項８】
上記板状部材の面方向の線膨張係数が、１５×１０６／Ｋ以下であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の電力用半導体装置。
【請求項９】
上記板状部材は、中間層と、その両面に設けられた表面層および裏面層とからなり、該表面層および該裏面層はＣｕからなり、該中間層はＦｅ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｏ、およびＷからなるグループから選択されるいずれかの金属、またはそれらの合金からなることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の電力用半導体装置。
【請求項１０】
上記半導体チップは、膜厚が３００μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の電力用半導体装置。
【請求項１１】
上記半導体チップは、バンドギャップが２ｅＶ以上のワイドバンドギャップ半導体材料からなることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の電力用半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力用半導体装置に関し、特に、板状の配線部材を焼結性金属の接合層で接合した電力用半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、大出力化や小型化のために、電力用半導体装置（パワーモジュール）の電力損失の改善が進んでおり、例えば、半導体チップの材料として従来のＳｉに代えて、バンドギャップの広いＳｉＣが用いられている。また、電力用半導体装置の内部配線の電気抵抗を低減するために、金属ワイヤに代えて板状の配線部材が用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１３８４７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＳｉＣからなる半導体チップを用いる場合、従来のＳｉからなる半導体チップに比べて剛性が高いため、例えば１７５℃以上の高温動作では、はんだ接合部に大きな熱ひずみが発生し、劣化が生じるという問題があった。
【０００５】
そこで、接合部の材料として、はんだに代えてＡｇやＣｕの焼結性金属を用いるとともに、ＡｇやＣｕの焼結性金属は、半導体チップのＡｌ電極と接合性が悪いため、Ａｌ電極の上にＮｉ／Ａｕ等のめっき膜を形成し、その上に焼結性金属を接合した。
【０００６】
しかしながら、焼結性金属は、はんだ材よりヤング率が高いため、電力用半導体装置を高温動作させた場合、めっき膜やＡｌ電極に熱ひずみが集中する。このため、めっき膜やＡｌ電極が破壊したり、めっき膜やＡｌ電極に亀裂が進展するという問題があった。更には、Ａｌ電極の下の半導体チップまで亀裂が進展するという問題もあった。
【０００７】
そこで、本発明は、板状の配線部材を焼結性金属からなる接合層で半導体チップに接合しつつ、接合層のヤング率を調整することにより、電極パッド等の損傷を防止した電力用半導体装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、
板状配線を用いた電力用半導体装置であって、
少なくとも表面パターンを有する絶縁基板と、
絶縁基板の表面パターン上に第１接合層で裏面が固定された半導体チップと、
半導体チップの表面上に設けられた電極パッドと、
電極パッドを覆う金属層と、
金属層の上に第２接合層で固定された板状の配線部材と、を含み、
第１接合層は、ＡｇまたはＣｕの焼結体からなり、
第２接合層は、ＡｇまたはＣｕの焼結体であって、内部に空隙を含む焼結体からなることを特徴とする電力用半導体装置である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の電力用半導体装置によれば、焼結性金属からなる接合層の空隙率を変えて接合層のヤング率を調整し、半導体チップの電極パッド等の損傷を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の断面図である。
【図２】図１のＡ領域の拡大断面図である。
【図３】本発明の実施の形態２にかかる電力用半導体装置の断面図である。
【図４】本発明の実施の形態２にかかる電力用半導体装置の平面図である。
【図５】本発明の実施の形態３にかかる電力用半導体装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１は、全体が１００で表される、本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の断面図である。また、図２は、図１のＡ領域の拡大断面図である。
【００１２】
電力用半導体装置１００は、絶縁基板１を含む。絶縁基板１は、例えばアルミナ等のセラミックからなり、表面と裏面を有する板状の絶縁層１ａと、その表面および裏面にそれぞれ設けられた表面パターン１ｂおよび裏面パターン１ｃとを有する。表面パターン１ｂおよび裏面パターン１ｃは、例えばＣｕを主成分とする合金、から形成される。
【００１３】
表面パターン１ｂの上には、半導体チップ３が接合層２で接合されている。接合層２は、Ａｇ粒子を含む焼結性金属からなり、接合後の膜厚は例えば５０μｍである。
【００１４】
半導体チップ３は、例えばパワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴのようなパワーデバイスであり、例えばＳｉＣから形成され、大きさ（チップサイズ）は外寸が１０ｍｍ×１０ｍｍで、厚さは１５０μｍである。
【００１５】
半導体チップ３の表面には、Ａｌを主成分とする金属からなる電極パッド４が設けられている。金属パッド４の膜厚は、例えば５μｍである。金属パッド４の上には、金属層５が設けられている。金属層５は、例えば無電解メッキ法で形成したＮｉを主成分とする膜と、Ｎｉめっき膜上にフラッシュメッキによりＡｕを主成分とする膜の２層からなり、膜厚は例えばＮｉが５μｍ、Ａｕが０．０２μｍである。
【００１６】
半導体チップ３の表面、電極パッド４、および金属層５の一部は、保護膜６により覆われて保護されている。保護膜６は、例えばポリイミドからなる。
【００１７】
金属層５の上には、接合層７により外部端子（図示しない）と接続される配線部材８が接合されている。接合層７は、接合層２と同様に、Ａｇ粒子を含む焼結性金属からなり、接合後の膜厚は例えば１００μｍである。
【００１８】
配線部材８は、例えばＣｕを主成分とする金属からなり、例えば膜厚が１ｍｍの板状部材からなる。
【００１９】
図２は、図１の破線Ａで囲んだ領域（Ａ領域）の拡大断面図であり、図１と同一符合は、同一箇所を示す。図２に示すように、配線部材７は、大きさ（断面における最大幅）が数１０ｎｍ〜数１０μｍの複数の空隙７ａを有している。
【００２０】
なお、電力用半導体装置１００では、絶縁基板１の表面パターン１ｂ、半導体チップ３、配線部材８の少なくとも一部を保護するために封止材が設けられているが、ここでは封止材は記載していない。また、絶縁基板１の裏面パターン１ｃには、ヒートシンクが接続されても良い。
【００２１】
続いて、絶縁基板１の表面パターン１ｂと半導体チップ３とを接合する接合層２について更に詳しく説明する。
【００２２】
表面パターン１ｂの上に半導体チップ３を接合する工程では、まず、焼結性のＡｇ粒子を有機溶媒に拡散させたペースト状のチップ接合材を表面パターン１ｂの上に印刷する。続いて、チップ接合材の上に半導体チップ３を載せ、半導体チップ３を表面パターン１ｂの方向に加圧した状態で加熱し、チップ接合材を焼結して接合層２を形成する。
【００２３】
従来の電力用半導体装置では、表面パターン１ｂの上に半導体チップ３を接合する材料として、はんだが用いられていた。電力用半導体装置では、半導体チップ３の動作により生じる温度変化によりはんだが膨張および収縮するが、その上下に配置された、はんだより線膨張係数の小さい絶縁基板１と半導体チップ３に拘束され、はんだ外周部または内部に亀裂が生じていた。はんだに発生した亀裂は、熱抵抗を増大させ、半導体チップ３からの熱を裏面側に放熱しにくくなる。
【００２４】
この結果、半導体チップ３に過電流が流れた場合に半導体チップ３が破壊するまでの時間、いわゆる短絡耐量の低下や、配線部材接合部の温度上昇による接合部寿命の低下を招いていた。
【００２５】
これに対して、本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置１００では、はんだと比較して亀裂が生じにくいＡｇ焼結材料を接合層２に用いるため、接合層２に亀裂が発生することによる、放熱性能の悪化を防止できる。
【００２６】
次に、金属層５の上に配線部材８を接合する、接合層７について説明する。例えばＮｉ／Ａｕからなる金属層５の上に配線部材８を接合する工程では、まず、金属層５を覆う保護膜６が、金属層５の上で開口する一つまたは複数の領域（５×５ｍｍ）に、焼結性のＡｇ粒子を有機溶媒に拡散させたペースト状の配線部材接合材を印刷する。
【００２７】
次に、配線部材８をペースト状の配線部材接合材上に配置し、加熱することで、焼結して金属層５と配線部材８とを接合層７を介して接合する。接合層７は、上述の接合層２とは異なり、金属層５に向かって加圧することなく焼結する。この結果、接合後の接合層７は、大きさが数１０ｎｍ〜数１０μｍの空隙を含むこととなる。Ａｇ粒子の充填率は、約８０％となるのが好ましい。
【００２８】
従来の電力用半導体装置では、本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置１００と同様に、Ａｌからなる電極パッド４の上に、Ｎｉ／Ａｕめっきからなる金属層５を形成し、金属層５の上に、板状の配線部材８がはんだ接合されていた。この場合、半導体チップ３の動作で生じる温度変化により、はんだ接合部に亀裂が発生したが、はんだ接合部に亀裂が進展することで、金属層５や電極パッド４の破壊を防止できるという面もあった。
【００２９】
しかしながら、一方で、はんだ接合部が高温に曝されると、金属層５のＮｉとはんだとの間に金属間化合物層が形成された。金属間化合物層はＮｉやはんだ材料と比較して硬くて脆いため、温度変化が生じると、熱応力により破壊されやすかった。金属間化合物層の形成は温度に依存し、特にＳｉＣを用いた半導体チップ３に期待される１７５℃以上の動作では、従来の１５０℃以下の動作と比較して、金属間化合物層は速く成長し、金属間化合物層を起点とした破壊や亀裂の進展が生じやすかった。また、高温になるほど、はんだの融点に近づくため、はんだ接合部の強度が劣化する。このように、接合材料にはんだを用いた従来の電力用半導体装置では、１７５℃のような高温で動作させるのは困難であった。
【００３０】
これに対して、本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置１００では、接合層７は例えばＡｇを主成分とする焼結材からなるため、接合界面に固く脆い金属間化合物が形成されず、金属間化合物が原因の接合不良や高温での強度の低下は防止できる。
【００３１】
一方で、接合層７において、例えば焼結後のＡｇの充填率が９０％以上となると、はんだと比較してヤング率が高く変形し難いため、電力用半導体装置１００の動作時に生じる温度変化により、金属層５や電極パッド４に熱応力がかかり、破壊や亀裂の進展が発生してしまう。
【００３２】
このため、電力用半導体装置１００では、接合層７は、内部に空隙７ａを含み、焼結後のＡｇの充填率が約８０％とする。これにより、接合層７のヤング率が低くなって変形しやすくなり、金属層５や電極パッド４での破壊や亀裂の進展が発生を抑制できる。
【００３３】
また、焼結体は、接合時に、はんだのように液相から固相に変化せず、凝固収縮が生じないため、接合層７の体積変化による金属層５や電極パッド４の損傷を防止できる。
【００３４】
また、Ａｇ焼結体を用いた接合層７は、はんだを用いた接合部より熱伝達率が高いため、半導体チップ３で生じた熱の放熱効果を高め、短絡耐量の向上が可能となる。
【００３５】
また、原則的に配線部材８を金属層５の方向に加圧せずに接合層７で接合するため、加圧工程で発生する損傷も無くすことができる。
【００３６】
ここで、接合層７と金属層５との接合面積が大きい場合、無加圧状態では焼結の進行が不十分になる。これに対して、本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置１００では、金属層５と配線部材８との接合部が５×５ｍｍと小さいため、接合面積も小さくなり、無加圧条件でも十分に焼結が進行し、十分な接合強度が得られる。
【００３７】
なお、高温動作での、Ａｌからなる電極パッド４の破壊や亀裂進展を抑制するために、電極パッド４を、Ａｌより高温でも強度劣化が生じにくいＣｕに変更することも検討されている。しかしながら、この場合、コンタミネーションを防止するために、Ｃｕの電極パッド４の形成装置を、Ａｌ電極用とは別にするか、品質管理を徹底する必要があり、電力用半導体装置の製造コストが増大してしまう。これに対して、本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置１００では、Ａｌからなる電極パッド上にＮｉめっき層を形成するため、Ｃｕを電極パッド４に用いる場合のような製造コストの増加を招かない。
【００３８】
また、ポリイミドからなる保護膜６は、電極パッド４と金属層５の周辺部を覆うように形成されている。Ｃｕからなる配線部材８や、焼結性のＡｇを含む接合層７は、半導体チップ３より線膨張係数が大きいため、温度が低下する場合、電極パッド４と金属層５の端部が引き上げられる方向に熱応力が発生する。本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置１００では、電極パッド４と金属層５の周辺部が保護膜６により覆われているため、熱応力により半導体チップ３から電極パッド４や金属層５の端部がめくり上がるのを防止できる。
【００３９】
この保護膜６は、水分による電極パッド４や金属層５の腐食を抑制する効果もある。通常、電力用半導体装置１００は、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂などの封止材により封止されているが、これらの封止材は水分を透過させる。保護膜６を設けることで、封止樹脂を水分が透過した場合でも電極パッド４や金属層５の腐食を防止できる。保護膜６には、ポリイミドの他に、窒化シリコンやガラス等を用いてもかまわない。
【００４０】
また、本発明の実施の形態１では、絶縁基板１は、セラミックからなる絶縁層１ａの表面および裏面に、Ｃｕからなる表面パターン１ｂおよび裏面パターン１ｃを有しているが、絶縁層１ａは例えば絶縁性樹脂でも良い。また、表面パターン１ｂおよび裏面パターン１ｃは、Ａｌと、ＮｉやＣｕの積層構造としても良い。
【００４１】
また、本発明の実施の形態１では、金属層と配線部材の接合部が５×５ｍｍ（接合部面積は０．２５ｃｍ２）の場合について述べたが、これに限るものではなく、例えば接合部面積が０．５ｃｍ２以下で配線層７との接合面積が小さい場合などでも良い。要は、無加圧条件でも十分に接合層７の焼結が進行する条件であれば良い。
【００４２】
また、本発明の実施の形態１では、膜厚が１５０μｍのＳｉＣからなる半導体チップ３を例に説明したが、これに限らず、膜厚が５０〜３００μｍの、Ｓｉ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ等を用いてもかまわない。特に、ＳｉＣ（炭化ケイ素）、ＧａＮ（窒化ガリウム系材料）、またはダイヤモンド等のような、Ｓｉよりもバンドギャップの大きいワイドバンドギャップ半導体を用いる場合、半導体チップの小型化や、高温動作が可能となるが、本発明の実施の形態１のような構造とすることで、接合部の信頼性も向上させることができる。
【００４３】
なお、半導体チップ３の厚みが薄くなると、特性は向上するが、熱容量が小さくなり、短絡耐量が低下する。しかし、Ａｇ焼結材からなる接合層７で配線部材８を接合することで、半導体チップ３で発生した熱を、配線部材８に効率よく伝達し、短絡耐量の低下を防止できる。
【００４４】
また、本発明の実施の形態１では、Ａｌからなる電極パッド４の上に、Ｎｉ／Ａｕからなる金属層５を形成する場合について述べたが、これに限らず、金属層５の材料はＣｕでもよく、形成方法は電解めっき法、無電解めっき法、スパッタ法などの他の形成方法でも良い。
【００４５】
また、本発明の実施の形態１では、接合層２、７の材料として、焼結性のＡｇ粒子を含む材料が用いられたが、例えば焼結性のＣｕ粒子を含む材料を用いても良い。
【００４６】
また、本発明の実施の形態１では、焼結後の接合層２の膜厚は５０μｍ、接合層７の膜厚は１００μｍである場合について述べたが、これに限るものではなく、接合層７の膜厚が、接合層２の膜厚より大きければ、１０μｍ〜５００μｍの範囲内で膜厚を選択しても良い。接合層７の膜厚が、接合層２の膜厚より大きければ、接合層２に温度変化が加わった場合に、接合層７が変形しやすくなる。
【００４７】
また、本発明の実施の形態１においては、接合層７の中に空隙７ａが存在し、焼結後のＡｇの充填率が８０％である場合について述べたが、これに限らず、充填率が７０〜９０％の範囲内では、接合層７と金属層５との間の接合性と、電極パッド４と金属層５の保護を両立できる。
【００４８】
また、本発明の実施の形態１では、膜厚が１ｍｍで板状の配線部材８について述べたが、配線部材８の膜厚は、電力用半導体装置１００の動作時に流れる電流量に応じて膜厚を決定すればよく、形状は接合面が平坦であればよい。
【００４９】
また、本発明の実施の形態１では、Ａｌからなる電極パッド４の膜厚が５μｍ、Ｎｉ／Ａｕめっきからなる金属層５の膜厚が５μｍである場合について述べたが、これに限るものではない。Ａｌからなる電極パッド４は、薄すぎると半導体チップ３の表面の凹凸を平坦化できず、金属層５との間に空隙が発生してしまうが、表面の凹凸を平坦化でき、金属層５との間に空隙ができない膜厚であれば良く、例えば２〜１０μｍが好ましい。
【００５０】
なお、金属層５が薄すぎる場合は、電力用半導体装置１００の動作時に生じる温度変化により金属層５が割れる場合があるため、信頼性評価の結果などから、膜厚を３〜２０μｍとすれば金属層５に割れは生じない。
【００５１】
なお、本発明の実施の形態１では、配線部材８が外部端子に接続される構造について述べたが、配線部材と外部端子とにＡｌやＣｕを主成分とするワイヤ材やリボン材を超音波接合することで両者を接続してもよい。特に、ＣｕワイヤやＣｕリボンを用いて、配線部材と外部端子とを接続する場合、直接半導体チップ上に超音波接合せず、配線部材を介してチップと接合するため、ＣｕワイヤやＣｕリボンを半導体チップ上に直接接合する際の半導体チップへのダメージを回避できる。
【００５２】
また、本発明の実施の形態１では、半導体チップの厚さが１５０μｍの場合について述べたが、これに限らず５０〜３００μｍの間であれば良い。厚さが２００μｍ以下にすると、半導体チップの剛性が下がるため、温度変化により接合層２および接合層７に生じるひずみを低減することができ、より長寿命化が期待できるが、半導体チップを表面パターンに接合するときに、チップの割れが生じやすくなるため、両者の取り合いから半導体チップの厚さを決定すればよい。
【００５３】
実施の形態２．
図３は、全体が２００で表される、本発明の実施の形態２にかかる電力用半導体装置の断面図であり、図３は、電力用半導体装置２００の平面図である。図３、４中、図１と同一符号は、同一または相当箇所を示す。
【００５４】
本発明の実施の形態２にかかる電力用半導体装置２００では、上述の電力用は導体装置１００において、空隙７ａを有する接合層７に代えて、金属層５と配線部材８との間に、間隔１７ａを隔てて、角柱状の接続部１７がマトリックス状に配置されている。
【００５５】
図２は、配線部材８を記載しない電力用半導体装置２００の上面図であり、金属層５の上に、８×７のマトリックス状に角柱の接続部１７が設けられている。他の構造は、電力用半導体装置１００と同じである。
【００５６】
接合部１７の形成工程では、金属層５の上に焼結性のＡｇ粒子を有機溶媒に拡散させたペースト状の配線部材接合材を、例えばマスクを用いて網目状に印刷し、高温で乾燥させて有機溶媒を揮発させる。
【００５７】
次に、乾燥した配線部材接合材上に配線部材８を搭載し、加熱した状態で、このとき、表面パターン１ｂ上に半導体チップ３を接合層２で固定するときに加えた圧力よりも低い圧力で、配線部材８を半導体チップ３の方向に加圧する。これにより、空隙（図示せず）を含んだ接合部１７を形成できる。接合部１７の間には間隔１７ａを設ける。
【００５８】
本発明の実施の形態２にかかる電力半導体装置２００では、接合材を網目状に印刷することで、角柱状の接合部１７の間に間隔１７ａを設けることにより、焼結後のＡｇの充填率の制御が容易となる。また、間隔１７ａの配置を制御することで、金属層５の割れや電極パッド４での亀裂の進展をより一層抑制でき、高温動作においてより長寿命な接合部を形成できる。
【００５９】
なお、図４では、接合部１７をマトリックス状に配置したが、分散して配置すればよく、必ずしもマトリックス状に配置する必要はない。
【００６０】
また、ペースト状の接合材を用いて乾燥させずに無加圧状態で、金属層５と配線部材８とを接合する場合、ペーストの流動により、接合部１７の品質、接合部１７の高さ、間隔１７ａのばらつきが生じやすい。この場合、ペースト状の接合材を乾燥させた後、加熱しながら低加圧で接合することで、このようなばらつきを低減できる。さらに、接合層７の充填率は、接合層７の焼結時に、焼結層７にかかる圧力の大きさで制御できる。
【００６１】
本発明の実施の形態２では、接合部１７をマトリックス状に配置する具体例について述べたが、間隔１７ａを設けずに、本発明の実施の形態１で用いた接合層７の中に、粒子サイズの大きい焼結性のＡｇ粒子を含ませても良く、接合層７の中に焼結後にＡｇよりヤング率の低い金属または樹脂の粒子かフィラーを混合させても良く、接合層７の中にヤング率の低い網目状の金属または樹脂を挿入しても良い。このように、接合層７の中に、ヤング率の低い材料を点在させることでも、接合部１７を分散配置するのと同様の効果が得られる。
【００６２】
実施の形態３．
図５は、全体が３００で表される、本発明の実施の形態３にかかる電力用半導体装置の断面図である。図５中、図１と同一符合は、同一または相当箇所を示す。
【００６３】
電力用半導体装置３００では、実施の形態１の電力用半導体装置１００の配線部材８に代えて、板状で３層構造の配線部材１８が用いられている。他の構造は、電力用半導体装置１００と同じである。
【００６４】
配線部材１８は、総膜厚が１ｍｍの平板であり、接合層７に接合される裏面層１８ａ、その上の中間層１８ｂ、および最上層の表面層１８ｃの３層構造からなる。裏面層１８ａと表面層１８ｃは、例えばＣｕからなり、中間層１８ｂは、例えば、Ｆｅ−Ｎｉ合金からなる。即ち、配線部材１８は、例えばＣｕ／Ｆｅ−Ｎｉ合金／Ｃｕの３層構造からなる。
【００６５】
接合層７は、焼結性のＡｇ粒子を揮発性のバインダー内に拡散させたシート状の接合層７であり、配線部材１８の裏面層１８ａの上に、このシート状の接合層７を予め張り付けた状態にしておく。次に、裏面にシート状の接合層７が貼り付けられた配線部材８を金属層５の上に載せて加熱する、この状態で、表面パターン１ｂ上に半導体チップ３を固定する際に加える圧力よりも低い圧力で、配線部材１８を半導体チップ３の方向に加圧する。これで、金属層５の上に、接合層７を解して、配線部材１８が固定される。
【００６６】
接合層７の中の空隙７ａは、接合時の温度と加える圧力を制御することで形成されるが、バインダー内に焼結性のＡｇ粒子を分散させる時に、Ａｇ粒子の粗密を変化させることや、シート材に切欠きを設けることより、空隙７ａのサイズと分布が、より制御可能となる。
【００６７】
また、接合層７をシート状としたため、金属層５上にペースト材を印刷する必要がなく、印刷時に生じるにじみや、異物の混入が起こらないため、配線部材接合プロセスの歩留まりを向上できる。
【００６８】
配線部材１８の各層の膜厚は、裏面層１８ａ：中間層１８ｂ：表面層１８ｃ＝１：１：１であり、３層構造全体としての面方向の線膨張係数は、約１１ｐｐｍ／Ｋと、Ｃｕよりも低い値となる。電力用半導体装置３００の動作中の温度変化により生じる熱応力は、主に半導体チップ３と配線部材８の線膨張係数差に起因する。配線部材１８をＣｕ／Ｆｅ−Ｎｉ合金／Ｃｕとしたため、Ｃｕを用いた場合より線膨張係数が小さくなり、半導体チップ３との線膨張係数差が小さくなり、接合層７の周辺にかかるひずみを小さくすることができる。これにより、金属層５や電極パッド４の破壊や亀裂の進展を、より一層抑制できる。
【００６９】
なお、配線部材１８として、Ｃｕ／Ｆｅ−Ｎｉ合金／Ｃｕと同じく線膨張係数を任意に調整できるＣｕ−Ｍｏ合金などの単一材料の場合、接合面がＣｕよりも熱伝導率が低く、ヤング率の高い金属となり、放熱特性の低下に加えて、ヤング率が高いため、熱が加わった場合に、接合層７、金属層５、電極パッド４のひずみが大きくなり、接合層７や金属層５、電極パッド４の破壊や亀裂の進展が起こりやすくなる。これに対して、本発明の実施の形態３にかかる電力用半導体装置３００では、配線部材１８の表面層１８ｃおよび裏面層１８ａが熱伝導の良いＣｕで形成されているため、半導体チップ３で発生した熱を配線部材１８から効率よく放熱できる。また、Ｃｕは比較的ヤング率が低いため、接合部に温度変化が与えられた場合、裏面層８ａも変形するため、接合層７や金属層５、電極パッド４の熱ひずみが低減でき、線膨張係数を小さくした効果と相まって、接合部の信頼性が向上する。
【００７０】
ここでは、配線部材１８の面方向の線膨張係数が１１ｐｐｍ／Ｋの場合について述べたが、これに限らず、線膨張係数を１５ｐｐｍ／Ｋ以下とすることで、同様の効果を得られる。
【００７１】
また、本発明の実施の形態３では、配線部材１８の総膜厚（Ｃｕ／Ｆｅ−Ｎｉ合金／Ｃｕの全ての膜厚）が１ｍｍの場合について述べたが、膜厚はこれに限るものではない。総膜厚は、配線部材１８に流れる電流量を考慮して決定すればよい。その際、裏面層１８ａと表面層１８ｃの膜厚が異なれば、温度変化により配線部材１８が反るため、裏面層１８ａと表面層１８ｃ膜厚は同じであることが好ましい。
【００７２】
また、配線部材１８は、裏面層１８ａと表面層１８ｃが同じ金属であるＣｕからなり、中間層１８ｂがＦｅ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｏ、およびＷからなるグループから選択されるいずれかの金属、またはこれらの合金からなる３層構造であれば、同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００７３】
１  絶縁基板、１ａ  絶縁層、１ｂ  表面パターン、１ｃ  裏面パターン、２  接合層、３  半導体チップ、４  電極パッド、５  金属層、６  保護膜、７  接合層、７ａ  空隙、８  配線部材、１００  電力用半導体装置。
【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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