(57)【要約】【課題】温度変化が大きくても基材と半導体との接合状態に維持する電子部品の接合構造を得る。【解決手段】基材２において滑らかに連なる凹部２Ｓａと凸部２Ｓｂとが連続的に形成された接合面２Ｓと半導体５との間に挟み込まれる接合材４を備えて接合構造が構成され、接合材４の接合範囲の外縁となる端壁４Ｗが、凹部２Ｓａの最深位置Ｐｘから接合材４が存在する方向で凹部２Ｓａの開口縁より内側の領域に配置した。【選択図】図２
2018206990.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材の接合面と半導体との間に接合材を挟み込んで接合が行われると共に、前記接合面が滑らかに連なる凹部と凸部とを連続的に形成した表面形状であり、
接合状態において前記接合材の接合範囲の外縁となる端壁の位置が、前記凹部の最深位置から前記接合材が存在する方向で、前記凹部の開口縁より内側の領域に設定されている電子部品の接合構造。
【請求項２】
前記接合面の前記凹部と前記凸部とを結ぶ曲線を想定した場合に、この曲線に接する接線の姿勢が、前記接合面が形成される平面に直交する姿勢となる位置に前記端壁を配置している請求項１に記載の電子部品の接合構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子部品の接合構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子部品の接合構造として特許文献１には、半導体レーザ素子をサブマウント基板上に実装し、このサブマウント基板を、ヒートシンクの接合面に接合した技術が記載されている。具体的な構成としてヒートシンクの接合面が粗面として形成され、この粗面に対して導電材としてのＡｇペースト等を介して接合されている。
【０００３】
この特許文献１では、粗面として規則的に粗すことや粗面の溝の形成により熱放射や密着性を向上させることが記載され、粗面の断面形状として三角形、四角形、円弧形等が記載されている。
【０００４】
また、特許文献２として、熱伝導基板の表面に絶縁膜を形成し、この絶縁膜に対し接合層を介して回路板を接合することにより絶縁放熱基板を構成する技術が記載されている。具体的な構成として熱伝導基板にアルミニウム等の熱伝導が良好な材料を用い、絶縁膜としてセラミックス材を用い、接合層として例えばチタンを含む銀ろうやハンダ等の接合材料が用いられる。
【０００５】
特に、この特許文献２では、絶縁膜のうち接合層側の表面に複数の凸部を形成することにより充分な接合強度を得ることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−２２３０８３号公報
【特許文献２】特開２０１１−２２２５５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１の接合構造では、ヒートシンクに粗面が形成されるため、接合面積が増大し、ヒートシンクとサブマウント基板との接合強度の向上を見込める反面、熱衝撃による熱応力により接合界面の接合層に破壊や剥離を招くことが考えられた。
【０００８】
また、特許文献２の接合構造では、絶縁層の複数の凸部が形成されるため、特許文献１と同様に接合面積が増大し、接合強度を向上させるものの、異種材料の界面での接合であるため熱応力の作用により亀裂が進展することも考えられた。
【０００９】
つまり、特許文献１、２では、異なる物性値を持つ異種材料を接合した構造であるため、素子や回路に対する通電によって温度が上昇した場合には、熱膨張差による熱応力により接合界面に剥離や、亀裂を招くことが考えられる。
【００１０】
特に、Ｓｉ素子よりも高温で駆動可能なＳｉＣ（シリコンカーバイト）やＧａＮ（ガリウムナイトライド）等の採用により半導体装置の駆動温度が高まっており、前述したように、異種材料の熱膨張差による剥離や亀裂が顕著になることは容易に想像できる。
【００１１】
このような理由から、温度変化が大きくとも基材と半導体との接合密着性を高い状態に維持して良好な接合状態となる接合構造が求められる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の特徴は、基材の接合面と半導体との間に接合材を挟み込んで接合が行われると共に、前記接合面が滑らかに連なる凹部と凸部とを連続的に形成した表面形状であり、
接合状態において前記接合材の接合範囲の外縁となる端壁の位置が、前記凹部の最深位置から前記接合材が存在する方向で、前記凹部の開口縁より内側の領域に設定されている点にある。
【００１３】
このように、基材の接合面を凹部と凸部とを有する「うねり形状」とすることにより、基材と接合材との接触面積が拡大して接合密着性を向上すると同時に、剥離方向に対してアンカー効果を持つため亀裂や剥離を抑制し、界面の破壊も抑制できる。また、基材の表面を「うねり形状」とすることにより、例えば、図９に示すように第１物質Ａと第２物質Ｂとの各々に対応する第１接合角θａと第２接合角θｂとの角度を異ならせて界面における応力拡大係数を部分的に低下させることが可能となる。
【００１４】
更に、接合材の端壁と基材との接触部位に亀裂を招きやすいものであるが、「うねり形状」の谷部に接合材の端壁を接触させるため、亀裂進展の駆動力を表す応力拡大係数の増大を抑制できる。このように谷部において接合部材の端壁の位置を設定することで応力拡大係数の増大が抑制され、しかも、端壁の位置の設定により応力拡大係数を所定の小さい値未満に維持することも可能であり、その根拠を以下に説明する。
【００１５】
図７に示すように基材２の接合面２Ｓに凹部２Ｓａを形成し、これに連なる両側に凸部２Ｓｂの一部を形成した「うねり形状」に設定した状態で、凹部２Ｓａに対して接合材４が接合する際の端壁４Ｗの位置を複数設定した状態で、各々の設定位置の応力拡大係数をＣＡＥ解析によって算出し、この算出結果を図８のグラフに示す。
【００１６】
図８から理解できるように、端壁４Ｗの複数の設定位置に対応する応力拡大係数が異なり、凹部２Ｓａの最深位置Ｐｘ（図７の「１４」の位置）で交わる位置では応力拡大係数が低減状態にある。この最深位置Ｐｘを基準に端壁４Ｗの設定位置を接合材４の存在方向に変化させることで応力拡大係数が更に低下し、端壁４Ｗが凹部２Ｓａの接線と一致する位置（図７で「２１」の位置）で最小となる。
【００１７】
また、接線位置Ｐｙを超えて接合材４の存在方向（図７で左側）に端壁４Ｗの位置を設定した場合には、応力拡大係数の増加傾向が高まることが理解できる。図７、図８に示すように「２１」と「２８」との中間の中間位置Ｐｍを開口縁としている。これにより、接合材４の接合範囲の外縁となる端壁４Ｗを、凹部２Ｓａの最深位置Ｐｘを基準に接合材４が存在する方向で、凹部２Ｓａの開口縁より内側に配置することにより、応力拡大係数の増大を抑制できる。
【００１８】
これにより、基材の接合面の形状の設定と、この接合面の凹部における接合材の端壁の位置の設定により、温度変化が大きくとも基材と半導体との接合密着性を高い状態に維持し良好な接合状態となる接合構造が得られた。
【００１９】
他の構成として、前記接合面の前記凹部と前記凸部とを結ぶ曲線を想定した場合に、この曲線に接する接線の姿勢が、前記接合面が形成される平面に直交する姿勢となる位置に前記端壁を配置しても良い。
【００２０】
このように接合面が形成される平面に対して直交する姿勢の接線の位置に端壁を配置することにより、例えば、平面に対して直交する方向、つまり、基材から接合材を分離させる方向に応力が作用する場合にも、この応力の集中を回避して基材と接合材との接合状態を最も良好に維持する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】電子部品の拡大断面図である。
【図２】接合材の端壁を凹部の最深位置に設定した接合構造の断面図である。
【図３】接合材の端壁を凹部の接線位置に設定した接合構造の断面図である。
【図４】平坦な界面で接合した接合構造の断面および亀裂が発生した接合構造の断面図である。
【図５】「うねり形状」となる界面で接合した接合構造の断面および亀裂が発生した接合構造の断面図である。
【図６】２種の接合構造の亀裂距離に対する応力拡大係数を示すチャートである。
【図７】基材の凹部に対する接合材の端壁の複数の設定位置を示す図である。
【図８】凹部に対する端壁の設定位置毎の応力拡大変数をグラフ化した図である。
【図９】接合構造の複数の形態に対する応力集中を説明する断面図である。
【図１０】別実施形態（ａ）の接合構造の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
〔電子部品〕
図１に示すように、絶縁基板１の表面に導体の回路パターンで成る基材２と、導体の端子パターンで成る端子材３とが形成されると共に、基材２の表面の接合面２Ｓに対し接合材４を介しダイボンディングの技術により半導体５を支持し、この半導体５と端子材３とをボンディングワイヤ６で接合することにより電子部品が構成されている。
【００２３】
同図には電子部品の一例としてＩＧＢＴやパワートランジスタ等のパワーモジュールを示しており、ダイボンディングが行われる部位では、基材２の表面の接合面２Ｓに対して接合材４を介して半導体５を接合した接合構造が形成される。また、絶縁基板１をヒートシンク７に備えることで放熱を実現している。
【００２４】
〔接合構造〕
この実施形態の接合構造では、接合材４としてＡｇペーストを用いており、基材２と接合材４との間に亀裂や剥離を抑制するように構成されている。尚、接合材４としてのＡｇペーストの膜が半導体５の底面５ａ（図２で下側の面）に形成された状態で基材２に貼り付ける形態で接合される。この後に、熱処理によりＡｇペーストの硬化が図れる。
【００２５】
図２に示すように、接合面２Ｓの表面にミクロンオーダとなる溝幅の多数の溝を平行姿勢で形成することにより、接合面２Ｓに対して凹部２Ｓａ（谷部）と凸部２Ｓｂ（山部）とが交互に滑らかに連続する「うねり形状」が形成されている。このような接合面２Ｓにおいて接合材４の外縁となる端壁４Ｗの位置を、同図に示すように凹部２Ｓａの最深位置Ｐｘに設定することにより、接合材４と基材２との間に亀裂や剥離が抑制される。
【００２６】
亀裂や剥離を一層良好に抑制するためには、端壁４Ｗの位置を、最深位置Ｐｘより内側（接合材４が存在する側）で、端壁４Ｗが凹部２Ｓａと凸部２Ｓｂとの境界における接線が図３のように垂直となる接線位置Ｐｙに設定することが理想である。このように端壁４Ｗを接線位置Ｐｙに設定することにより、後述するように応力拡大係数が最小となる。
【００２７】
尚、この実施形態の電子部品は姿勢を考慮せずに使用されるものであるが、この実施形態では、図２、図３に示すように半導体５のうち基材２に対向する面を底面５ａと称しており、これらの図に従って上下方向と、水平方向とを説明し、接合材４の端壁４Ｗが形成される方向を垂直方向と称している。
【００２８】
また、「うねり形状」を作り出すために、基材２の表面を超短パルスレーザ加工（フェムト秒レーザ加工や、ピコ秒レーザ加工）が行われる。更に、接合材４としては、ハンダ材、ナノ粒子接合材、ロウ付け材、接着剤を使用できる。
【００２９】
この実施形態では、「うねり形状」の一例として、図３に示すように隣合う凸部２Ｓｂの間隔Ｔを１００μｍ程度に設定し、凸部２Ｓｂの頂部から凹部２Ｓａの底部までの距離Ｈを５０μｍ程度に設定している。特に、接合面２Ｓは、凹部２Ｓａが上向きに開放する半円状であり、凸部２Ｓｂが上向きに凸で凹部２Ｓａと等しい曲率半径の半円状となる。これらを滑らかに連ねることで「うねり形状」が作り出される。尚、この「うねり形状」では、隣合う凹部２Ｓａ同士も間隔Ｔで配置される。
【００３０】
このような接合面２Ｓの断面形状から、間隔Ｔの中央位置（Ｔ／２の位置）が最深位置Ｐｘとなり、この最深位置Ｐｘから接合材４が存在する方向で間隔Ｔの１／４の位置が接線位置Ｐｙとなる。尚、この接線位置Ｐｙでは、上下方向の中間位置（距離Ｈの半分（Ｈ／２））に接合材４の端壁４Ｗの下端部分が接触する。
【００３１】
凹部２Ｓａと凸部２Ｓｂとは半円状に限るものではなく、これらが、例えば、放物線等の２次曲線や楕円の一部等の形状であっても良い。更に、この接合面２Ｓとして正弦波形状を除外するものではない。尚、本実施形態の凹部２Ｓａや凸部２Ｓｂと異なる「うねり形状」となる接合面２Ｓでは、接線位置Ｐｙの位置を特定できないこともある。
【００３２】
また、基材２に半導体５を固定する場合には、半導体５の底面５ａに接合材４の膜を形成しておき、ダイボンディング装置により基材２の凹部２Ｓａと、接合材４の端壁４Ｗとの位置関係をカメラで拡大して撮影し、この撮影画像から各々の位置関係を装置が確認する状態で半導体５を接合面２Ｓにセットする作動が行われる。ダイボンディング装置は、高精度での位置決めが可能であるため、前述したように接合材４の端壁４Ｗを接線位置Ｐｙにセットする作動も容易に行われる。
【００３３】
〔亀裂や剥離が抑制される理由〕
図４には、基材２の平坦な接合面２Ｓに接合材４を介して半導体５を接合した接合構造を左部に示し、応力が剥離方向（図４では上下方向）に応力が作用し、亀裂距離Ｄだけ亀裂が進展した状態を右部に示している。また、図５には滑らかに連なる凹部２Ｓａと凸部２Ｓｂとが連続的に形成された「うねり形状」の接合面２Ｓに接合材４を介して半導体５を接合した接合構造を左部に示し、応力が剥離方向に力が作用し、亀裂距離Ｄだけ亀裂が進展した状態を右部に示している。
【００３４】
この２種の接合構造において、応力によって接合材４と接合面２Ｓとの界面に亀裂が発生した際の応力拡大係数をＣＡＥ解析により算出しており、その算出結果を図６のチャートに示している。図６では、亀裂距離Ｄの進展方向を横軸に取り、亀裂が進展する際の応力拡大係数を縦軸に取っている。
【００３５】
このチャートにおいて、接合面２Ｓが平坦である場合、亀裂距離Ｄが進展（増大）する場合に応力拡大係数は進展と共に緩やかに上昇する傾向の第１グラフＦのように変化する。これに対して接合面２Ｓが「うねり形状」である場合、亀裂距離Ｄが進展する場合、応力拡大係数は大きく変動する第２グラフＵのように変化する。同図には、凹部２Ｓａと凸部２Ｓｂとが連続的に形成される「うねり形状」を破線のパターンＣとして示しており、第２グラフＵはパターンＣに対応して変化する。
【００３６】
同図から理解できるように、第２グラフＵでは、横軸方向で「うねり形状」のうち凹部２Ｓａに対応する位置において、応力拡大係数が大きく低下する。この位置の応力拡大係数は、第１グラフＦで示される応力拡大係数より小さいため、接合面２Ｓの凹部２Ｓａの位置に接合材４の端壁４Ｗを存在させることで亀裂を抑制できるものと推定できる。
【００３７】
このような推定から図７に示すように基材２の接合面２Ｓに凹部２Ｓａを形成し、これに連なる両側に凸部２Ｓｂの一部を形成した「うねり形状」に設定し、凹部２Ｓａに対して接合材４が接合する際の端壁４Ｗの位置を複数箇所設定し、各々の設定位置の応力拡大係数をＣＡＥ解析により算出した。
【００３８】
つまり、このＣＡＥ解析では、水平方向で端壁４Ｗの位置を図７において０〜２８に示す位置の各々に設定した状態の応力拡大係数を算出しており、この算出結果を図８において第３グラフＧとして示している。図８では横軸に端壁４Ｗの位置を取り、縦軸に応力拡大係数を取っている。
【００３９】
図８の第３グラフＧにおいて「１４」で示す位置（図７でも同様に「１４」の位置）が凹部２Ｓａの幅方向の中央の最深位置Ｐｘであり、この最深位置Ｐｘから接合材４の存在方向（図７で左側）で「２１」で示す位置（図７でも同様に「２１」の位置）に端壁４Ｗを配置することで応力拡大係数が低い値を維持する。
【００４０】
この「２１」の位置が接線位置Ｐｙであり、この接線位置Ｐｙを超えて接合材４の存在方向（図７で左側）に端壁４Ｗを配置した場合には、応力拡大係数の増加傾向が増大することが理解できる。また、この実施形態では「２１」と「２８」との中間の中間位置Ｐｍと、「７」と「０」との中間の中間位置Ｐｎとを開口縁としている。
【００４１】
特に、「２１」と「２８」との中間の中間位置Ｐｍとなる開口縁は、図８に示すように第３グラフＧにおいて「１４」で示す応力拡大係数が等しい値となる位置となる。「７」と「０」との中間の中間位置Ｐｎとなる開口縁は、図７に示すように上下方向で「２１」と「２８」との中間の中間位置Ｐｍと同じ高さの位置となる。
【００４２】
このような理由から、接合材４の接合範囲の外縁となる端壁４Ｗが、凹部２Ｓａの最深位置Ｐｘから接合材４が存在する方向で凹部２Ｓａの開口縁（中間位置Ｐｍ）より内側に配置することにより、応力拡大係数の増大を抑制し、亀裂や剥離を良好に抑制するのである。
【００４３】
尚、凹部２Ｓａの幅方向の中央の最深位置Ｐｘは、間隔Ｔを正確に２分割した中央の位置に限定されるものでなく、僅かな誤差の範囲を含むものである。これと同様に凹部２Ｓａの開口縁の位置は、前述した一方の中間位置Ｐｍと他方の中間位置Ｐｎとに限定されるものではない。
【００４４】
〔補足説明〕
このように基材２と接合材４との界面において亀裂が発生する際の応力の作用について考えるために、図９の左端に示すように第１物質Ａと、第２物質Ｂとを平坦な界面で接合し、第１物質Ａと第２物質Ｂとに外壁を界面に直交する姿勢で形成し、界面が露出する位置を交点Ｑと想定する。また、この想定において交点Ｑを中心として界面から第１物質Ａの外壁面までの角度を第１接合角θａとし、交点Ｑを中心として界面から第２物質Ｂの外壁面までの角度を第２接合角θｂとする。
【００４５】
このように第１接合角θａと第２接合角θｂとが等しい角度である場合に交点Ｑに対して非常に大きい応力集中が発生する。この応力集中の応力場は、特異応力場と呼ばれ、弾性解析を行うと、応力と歪とが無限大となり交点Ｑが破壊の起点になる。
【００４６】
これに対して、図９の中央と右端とに示すように界面の姿勢の設定や、外壁の姿勢の設定により、第１接合角θａと第２接合角θｂとを異ならせたものでは、応力特異場が消失し、応力集中が緩和される結果、交点Ｑは破壊の起点とはならない。
【００４７】
この補足説明から、凹部２Ｓａを形成することにより接合面２Ｓと接合材４との界面を湾曲させることになる。その結果、例えば、図２に示すように接合材４の端壁４Ｗが凹部２Ｓａの最深位置Ｐｘに設定された場合でも、接合材４の端壁４Ｗが凹部２Ｓａに接する位置（この補足説明での交点Ｑに対応する位置）に対する応力集中を緩和できる。
【００４８】
更に、凹部２Ｓａにおいて最深位置Ｐｘ（図２を参照）から接線位置Ｐｙ（図３を参照）に亘る領域の何れかの位置に接合材４の端壁４Ｗを設定した場合には、補足説明の第１接合角θａと第２接合角θｂとを異ならせることになるため、接合材４の端壁４Ｗが凹部２Ｓａに接する位置（この補足説明での交点Ｑに対応する位置）に対する応力集中を緩和できる。
【００４９】
〔実施形態の作用効果〕
このように接合面２Ｓの表面形状を「うねり形状」とすると共に、接合材４の端壁４Ｗの位置を凹部２Ｓａ（谷部）に設定することにより、例えば、基材２と接合材４との熱膨張率の差が大きいものであり、温度変化が大きく変化する場合でも、亀裂や剥離を抑制して良好な接合状態を維持する。
【００５０】
つまり、基材２の接合面２Ｓを凹部２Ｓａと凸部２Ｓｂとを有する「うねり形状」とすることにより、基材２と接合材４との接触面積が拡大して接合密着性を向上すると同時に、剥離方向に対してアンカー効果を持つため、亀裂や剥離を抑制し、界面の破壊も抑制できることになる。
【００５１】
また、凹部２Ｓａに対する接合材４の端壁４Ｗの位置は、接線位置Ｐｙに設定されることが理想であるが、端壁４Ｗを、最深位置Ｐｘを基準に接合材４が存在する方向に変位するように位置関係を設定することで良好な接合状態を維持できるため、凹部２Ｓａの最深位置Ｐｘを基準にして最適な位置に接合材４の端壁４Ｗの位置に設定しなくて済み、接合のための位置合わせを容易にする。
【００５２】
〔別実施形態〕
本発明は、上記した実施形態以外に以下のように構成しても良い（実施形態と同じ機能を有するものには、実施形態と共通の番号、符号を付している）。
【００５３】
（ａ）図１０に示すように、接合面２Ｓの凹部２Ｓａと凸部２Ｓｂとの基本的な形状を実施形態で説明したものと同様に設定すると共に、これらの表面に小径の凹状部２Ｓｄとして多数の溝を形成する。これにより、接合面２Ｓに対する接合材４の一部を凹状部２Ｓｄに入り込ませて接着性能を向上させ、亀裂や剥離の抑制が一層良好に行われる。
【００５４】
この別実施形態（ａ）の変形例として、凹状部２Ｓｄに代えて、接合面２Ｓの凹部２Ｓａと凸部２Ｓｂとの表面に多数の独立したディンプルを形成することや、溝として形成される多数の凹状部２Ｓｄと、多数のディンプルとを組み合わせても良い。
【００５５】
（ｂ）実施形態ではダイボンディングの接合構造を説明しているが、例えば、電子部品の一部を基材としての基板やヒートシンク等に接着するための接合構造に適用しても良い。
【００５６】
（ｃ）実施形態では、接合材４の一方の端壁４Ｗについて亀裂や剥離を抑制することを説明したが、接合材４は、例えば、図２、図３において横方向の両端に端壁４Ｗが形成されるものであるため、両端位置の端壁４Ｗが共に、亀裂や剥離が抑制される位置に設定されるように、半導体５の横方向の寸法を設定しても良い。
【００５７】
この別実施形態（ｃ）では、半導体５の底面５ａの横方向での寸法と、同じ方向での接合材４の寸法とが等しいと想定したものであり、半導体５の底面５ａの横方向での寸法を、図２、図３に示す間隔Ｔの整数倍に設定することにより、例えば、一方の端壁４Ｗを最深位置Ｐｘに設定するだけで、他方の端壁４Ｗの位置も最深位置Ｐｘに設定できる。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明は、電子部品の接合構造に利用することができる。
【符号の説明】
【００５９】
２          基材
２Ｓ        接合面
２Ｓａ      凹部
２Ｓｂ      凸部
４          接合材
４Ｗ        端壁
５          半導体
Ｐｘ        最深位置
【図１】
2018206990.tif 000003
【図２】
2018206990.tif 000004
【図３】
2018206990.tif 000005
【図４】
2018206990.tif 000006
【図５】
2018206990.tif 000007
【図６】
2018206990.tif 000008
【図７】
2018206990.tif 000009
【図８】
2018206990.tif 000010
【図９】
2018206990.tif 000011
【図１０】
2018206990.tif 000012