(57)【要約】【課題】ボイドレスで均一な接合部を実現し、信頼性が確保できる半導体装置、電力変換装置、および半導体装置の製造方法を得ることを目的とする。【解決手段】表面に電極層２１を設けた回路基板２と、裏面電極５を設けた半導体チップ３と、高融点金属粒子６、樹脂ボール８、および高融点金属粒子６と樹脂ボール８を覆う金属間化合物７から形成され、回路基板２の表面の電極層２１と半導体チップ３の裏面電極５とを接合している接合部４と、を備え、金属間化合物７は、高融点金属粒子６よりも融点の低い低融点金属粒子９の金属と高融点金属粒子６の表面の金属とを構成要素として含むことで、高融点金属粒子６の融点よりも低く、低融点金属粒子９の融点よりも高い融点を有し、樹脂ボール８は、球状で、接合温度よりも高い融点を有する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に電極層が設けられた回路基板と、
裏面電極が設けられた半導体チップと、
金属粒子、樹脂粒子、および前記金属粒子と前記樹脂粒子を覆う金属間化合物から形成され、前記回路基板の表面の電極層と前記半導体チップの裏面電極とを接合している接合部と、
を備え、
前記金属間化合物は、前記金属粒子よりも融点の低い低融点金属と前記金属粒子の表面の金属とを構成要素として含むことで、前記金属粒子の融点よりも低く、前記低融点金属の融点よりも高い融点を有し、
前記樹脂粒子は、接合温度よりも高い融点を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記接合部は、前記金属間化合物が前記金属粒子の表面の金属と前記低融点金属の粒子から形成されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記接合部は、前記金属間化合物が前記金属粒子の表面の金属と前記金属粒子に被覆した前記低融点金属から形成されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記接合部は、前記金属間化合物が前記樹脂粒子に被覆した前記低融点金属から形成されたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記樹脂粒子は、球状であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記樹脂粒子の量は、前記接合部に占める割合が５体積％以上、５０体積％以下であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記金属粒子は、Ｃｕ、Ａｇ、またはＮｉのいずれか１の金属を含むことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記低融点金属は、ＳｎまたはＩｎの金属を含むことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項９】
請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の半導体装置を有し、入力される電力を変換して出力する主変換回路と、
前記主変換回路を制御する制御信号を前記主変換回路に出力する制御回路と
を備えた電力変換装置。
【請求項１０】
回路基板上に、金属粒子、接合温度よりも高い融点を有する球状の樹脂粒子、および前記金属粒子よりも融点の低い低融点金属を含む、ペースト状の接合材料を印刷する工程と、
前記印刷したペースト状の接合材料上に半導体チップを載置する工程と、
前記印刷したペースト状の接合材料中に含まれる溶剤成分を揮発させる工程と、
前記低融点金属を溶融させ、前記金属粒子の表面と反応させることで金属間化合物を生成させ、前記回路基板と前記半導体チップを接合する接合部を形成する工程と
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記接合材料は、前記低融点金属の粒子を含むことを特徴とする請求項１０に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
前記接合材料は、前記低融点金属を被覆した前記金属粒子を含むことを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
前記接合材料は、前記低融点金属を被覆した前記樹脂粒子を含むことを特徴とする請求項１０から請求項１２のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
前記樹脂粒子の量は、前記接合部に占める割合が５体積％以上、５０体積％以下であることを特徴とする請求項１０から請求項１３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、導体部材と半導体チップとを電気的に接続する半導体装置、電力変換装置、および半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
モータのインバータ制御などに用いられる電力変換用半導体装置には、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ダイオード、またはＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）などの縦型半導体チップが搭載されている。前記半導体チップの表裏面には金属メタライズによる電極が形成されており、一般的な半導体装置の場合、前記半導チップの裏面電極と基板とがはんだ接合部を介して接続される場合が多い。
【０００３】
このようなパワーモジュールに用いられる接合材料は、半導体チップの発熱量が増大する傾向にあるため高耐熱性能が望まれている。すなわち、高融点な接合部が求められている。しかしながら、鉛フリーでかつ高耐熱性能を有するはんだ材は現状見出されていない。また、代替手段として銀等の超微粒子を焼結して接合を達成する焼結接合技術の開発が進められているが、接合工程において半導体チップを基板に押し付けるように加圧力を加えることが必要であるため、チップへのダメージおよび汚染といった問題から、生産性に大きな課題があることが現状である。
【０００４】
こうした中、上述のはんだ接合技術または焼結接合技術に代わり、液相拡散接合（Transient Liquid Phase Bonding：ＴＬＰ接合）が検討されている。この接合技術には、接合温度において溶融する金属粒子（低融点金属粒子）と、上記温度で溶融しない金属粒子（高融点金属粒子）から構成される接合材料が用いられる。上述の接合材料を加熱すると、低融点金属粒子が溶融してぬれ広がり高融点金属粒子の表面に接触することによって、両者が互いに反応しあう。その結果、接合温度よりも高い融点を有する金属間化合物が形成される。この反応によって低融点金属は消費され、消失した結果、接合部は再度接合温度にさらしても再溶融しない高融点な接合部を得ることが出来る。
【０００５】
特許文献１には、上記の考えにもとづいて発明された接合材料が開示されている。低融点金属粒子および高融点金属粒子として、それぞれＳｎ粒子とＣｕ粒子を用いた材料であり、接合後には両者が反応した結果、Ｃｕ粒子同士がＣｕ６Ｓｎ５を含む金属間化合物によって結合された状態となることを特徴としている。これにより、接合後には低融点であるＳｎは消費されているため、高融点なＣｕ粒子と高融点なＣｕ６Ｓｎ５を含む金属間化合物からなる耐熱性の高い接合部が得られることが特徴であるとしている。
【０００６】
特許文献２には、特許文献１と同様に、Ｓｎ粒子とＣｕ粒子を含んだ接合材料が開示されている。特許文献１との違いは、有機バインダー樹脂を含む点である。接合部は、特許文献１と同様にＣｕ粒子同士がＣｕ６Ｓｎ５を含む金属間化合物によって結合され、かつそれらの中の空間に樹脂が充填された状態となることを期待して発明されたものであると考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３５５８０６３号公報（段落００２２〜００２４、図１）
【特許文献２】国際公開ＷＯ２００２／０２８５７４号公報（第３４頁第１９行目〜第４２頁第１２行目）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１では、Ｃｕ粒子同士がＣｕ６Ｓｎ５を含む金属間化合物によって結合された状態が形成される過程において、溶融したＳｎを接合層内に均一に流動させ、Ｃｕ粒子の隙間を完全に埋めるように制御することは極めて困難である。言い換えると、Ｃｕ粒子同士がＣｕ６Ｓｎ５を含む金属間化合物によって結合された状態を形成する過程において、接合層内に空間（ボイド）が残ることは避けられない。このことは、実際にパワーモジュールに適用する場合に、製品の動作時に生じる応力によってクラックが生じる起点となるため、信頼性が確保できないという課題があった。
【０００９】
特許文献２では、金属粒子の比重と有機バインダー樹脂の比重が大きく異なるため両者が分離しやすく、接合後のＣｕ粒子および金属間化合物と、有機バインダー樹脂とが偏在する。このように不均一な接合部となるため、期待するような接合信頼性が得られないという課題があった。
【００１０】
また、高融点金属と低融点金属から構成される接合材料を用いた接合部は、耐熱性の高い接合材料として検討されているが、硬くて脆い金属間化合物で得られた接合層であり、温度サイクル試験により、クラックが発生しやすい。信頼性を向上させるために接合層内に流動性をもつ樹脂を分布させるものであるが、接合ペースト中の高融点金属粒子、低融点金属粒子、流動性をもつ樹脂が加熱接合時に偏在することで、予期せぬ接合不良およびクラックが発生するという課題もあった。
【００１１】
本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、ボイドレスで均一な接合部を実現し、信頼性が確保できる半導体装置、電力変換装置、および半導体装置の製造方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本願に開示される半導体装置は、表面に電極層が設けられた回路基板と、裏面電極が設けられた半導体チップと、金属粒子、樹脂粒子、および前記金属粒子と前記樹脂粒子を覆う金属間化合物から形成され、前記回路基板の表面の電極層と前記半導体チップの裏面電極とを接合している接合部と、を備え、前記金属間化合物は、前記金属粒子よりも融点の低い低融点金属と前記金属粒子の表面の金属とを構成要素として含むことで、前記金属粒子の融点よりも低く、前記低融点金属の融点よりも高い融点を有し、前記樹脂粒子は、接合温度よりも高い融点を有することを特徴とする。
【００１３】
本願に開示される半導体装置の製造方法は、回路基板上に、金属粒子、接合温度よりも高い融点を有する樹脂粒子、および前記金属粒子よりも融点の低い低融点金属を含む、ペースト状の接合材料を印刷する工程と、前記印刷したペースト状の接合材料上に半導体チップを載置する工程と、前記印刷したペースト状の接合材料中に含まれる溶剤成分を揮発させる工程と、前記低融点金属を溶融させ、前記金属粒子の表面と反応させることで金属間化合物を生成させ、前記回路基板と前記半導体チップを接合する接合部を形成する工程とを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本願によれば、樹脂ボールがあらかじめ球状かつ耐熱性を有することで、接合中に流動して偏在することを抑制し、クラックの発生を防止することができ、均一な接合部を実現し、信頼性を確保できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施の形態１による半導体装置の構成を示す斜視図である。
【図２】実施の形態１による半導体装置の構成を示す断面図である。
【図３】実施の形態１による半導体装置の加熱前の要部の構成を示す断面図である。
【図４】実施の形態１による半導体装置の加熱後の要部の構成を示す断面図である。
【図５】従来の半導体装置の加熱後の要部の構成を示す断面図である。
【図６】実施の形態１による半導体装置の接合部の製造方法を示すフローチャート図である。
【図７】実施の形態２による半導体装置の加熱前の要部の構成を示す断面図である。
【図８】実施の形態２による半導体装置の加熱後の要部の構成を示す断面図である。
【図９】実施の形態３による半導体装置の加熱前の要部の構成を示す断面図である。
【図１０】実施の形態３による半導体装置の加熱後の要部の構成を示す断面図である。
【図１１】実施の形態４による電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１における半導体装置１０１の構成を示す斜視図であり、図２は、図１のＡＡ矢視断面図である。図３は、図２の領域Ｂの拡大図である。図１および図２に示すように、半導体装置１０１は、絶縁層２２の両面に電極層２１、２３が形成された回路基板２の表面に裏面電極５をもつ半導体チップ３が接合部４を介して接続されている。
【００１７】
回路基板２の絶縁層２２は、窒化珪素、アルミナ、窒化アルミニウムなどのセラミック板を用いることができる。発熱量の大きな電力用半導体装置全体の放熱の観点から、熱伝導率２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の材料を用いることが望ましく、熱伝導率７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の材料がさらに望ましい。絶縁層２２の表裏面に設けた電極層２１と２３の材質にはＣｕを用いた。なお、電極層２１、２３はＣｕに限らず、良好に接合することが可能な、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉのいずれか、またはそれらの合金からなるメタライズ層が最表面に設けられていれば、ＡｌまたはＮｉの電極材料を用いても良い。
【００１８】
半導体チップ３は、ケイ素（Ｓｉ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、ダイヤモンド（Ｃ）などの半導体材料で形成されている。半導体チップ３の回路基板２に対向する面には、接合部４との接合性を確保するためメタライズ層が設けられており、最表面にＡｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉのいずれか、またはそれらの合金からなるメタライズ層である。これらの材料を用いた半導体チップ３は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、Insulated Gate Bipolar Transistor）ダイオード、またはＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）などの縦型半導体チップである。
【００１９】
裏面電極５は、低融点金属である接合部４との親和性の観点から、Ａｕ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、またはこれらが層状に組み合わされたもの、あるいはこれらの合金からなる電極構造である。
【００２０】
実施の形態１における半導体装置１０１の接合部４に用いる接合材料について、図３および図４を用いて説明する。図３は、半導体装置１０１の加熱前の接合部４の構成を示す断面図である。図４は、半導体装置１０１の加熱後の接合部４の構成を示す断面図であり、図２の領域Ｂの拡大図である。
【００２１】
図３に示すように、半導体装置１０１の接合部４に用いる接合材料は、接合温度において溶融するＳｎを主とする低融点金属粒子（はんだ粒子）９と、上記温度で溶融しない金属粒子としての高融点金属粒子（Ｃｕ粒子）６および樹脂粒子としての樹脂ボール８を含むペースト状の接合材料である。上記接合材料には高融点金属粒子６、低融点金属粒子９および被接合面の清浄化のためのフラックス成分を含むことが望ましい。また、ペーストの粘度等の特性を調整するための溶剤成分が適宜付加することが可能である。上記フラックス成分および溶剤については、図からは省略して記載した。上述の接合材料を加熱すると、低融点金属粒子９が溶融してぬれ広がり高融点金属粒子６の表面に接触することによって、両者が互いに反応しあう。その結果、図４に示すように、高融点金属粒子６の融点と低融点金属粒子９融点との間の融点を有し、接合温度よりも高い融点を有するＣｕ６Ｓｎ５を含む金属間化合物７が高融点金属粒子６と樹脂ボール８を覆うように形成される。この反応によって低融点金属粒子９は消費され、消失した結果、接合部４は再度接合温度にさらしても再溶融しない高融点な結合を得ることが出来る。これらの金属成分の中に、樹脂ボール８が分散した接合部４を得ることが出来る。
【００２２】
高融点金属粒子６は必ずしも球状である必要はなく、例えば鱗片状または棒状、樹状あるいは表面の凹凸が非常に大きい形状であっても良い。但し、隣接する高融点金属粒子６同士が互いに接触できる必要がある。なお、接合材料の印刷性を考慮した場合、球状がもっとも望ましい。低融点金属粒子９は高融点金属粒子６の間を均一に結合するように配されることが望ましい。このため、低融点金属粒子９は、その粒径が高融点金属粒子６の粒径よりも小さく、かつ球状であることが望ましい。ただし、粒径の微細化を極度に行うと、低融点金属粒子９の表面積が過大でフラックス成分が多く必要となることを勘案すると、低融点金属粒子９の粒径は１μｍ以上、５μｍ以下、高融点金属粒子６の粒径は１０μｍ以上〜５０μｍ以下が良い。低融点金属粒子９にはんだ粒子、高融点金属粒子６にＣｕ粒子を用いる場合、低融点金属粒子９の量は、高融点金属粒子６の量の質量比で１／３以上、１／２以下であるのが良い。これにより、高融点金属粒子６を結合し、かつ低融点金属粒子９の残留を最小限に抑えることが出来る。
【００２３】
なお、本実施の形態１では低融点金属粒子９としてＳｎを主とするはんだ粒子を用いることとしたが、接合温度未満で溶融する金属種であれば良い。半導体装置の接合を行う温度が３００℃未満であることを勘案すると、低融点金属粒子９としてＳｎ粒子、Ｉｎ粒子あるいはその他の元素を含んだＳｎ合金粒子、Ｉｎ合金粒子を用いることが出来る。一方高融点金属粒子６としては、Ｃｕにかぎらず、Ａｇ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｚｎ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、またはこれらを主成分とする合金粒子を用いることが出来る。
【００２４】
樹脂ボール８としては、接合温度においても流動性を示さない耐熱性を持つ材料を利用することが出来、ポリイミド系樹脂、エポキシ系樹脂、フェノール系樹脂、ポリウレタン系樹脂、メラミン系樹脂、シリコーン樹脂、またはウレア系樹脂などを用いることが出来る。
【００２５】
図５は、従来の半導体装置の加熱後の接合部の構成を示す断面図である。高融点金属粒子６の比重と有機バインダー樹脂１０の比重が大きく異なるため両者が分離しやすく、接合後の高融点金属粒子６および金属間化合物７と、有機バインダー樹脂１０とが偏在する。このように不均一な接合部となるため、期待するような接合信頼性が得られないという課題があった。
【００２６】
実施の形態１における半導体装置１０１では、樹脂ボール８の量は、接合部４に占める割合が、体積比で５体積％以上、５０体積％以下であることが望ましい。この範囲より樹脂ボールの量が少ない場合、樹脂ボール８が高融点金属粒子６と金属間化合物７に対して変形能を発現するのに十分な量を確保できないおそれがある。一方、この範囲より樹脂ボールの量が多い場合、樹脂ボールが偏在し接合信頼性の低下、および熱伝導率が確保できないことがある。
【００２７】
樹脂ボール８のサイズは、接合層の厚さによるが、応力緩和性と分散性の観点から５μｍ以上、５０μｍ以下が望ましい。前述の範囲内であれば、接合部に変形能を適当に発現させるために、樹脂ボールの配合量およびサイズ、材質を適宜変更することができる。樹脂ボール８の形状は概球状である。樹脂ボールが球状であると言った場合、概球状の意味を含む。
【００２８】
次に、実施の形態１における半導体装置１０１の製造方法について、図６に基づき説明する。図６は、実施の形態１における半導体装置１０１の接続部の製造の手順を示すフローチャート図である。
【００２９】
まず、印刷工程として回路基板２上にペースト状の接合材料を印刷により供給する（ステップＳ６０１）。続いて、印刷した前記ペースト状の接合材料上に半導体チップ３を載置するマウント工程を設ける（ステップＳ６０２）。マウント工程において、ペースト状の接合材料とチップの密着を促進するために、数グラムから数ｋｇの荷重を与えると安定した接合性が得られる。
【００３０】
次いで、予備乾燥工程として、ペースト状の接合材料中に含まれる溶剤成分を揮発させる（ステップＳ６０３）。このとき、急な蒸発とすると揮発したガスが急速に接合部から吹き出し、接合欠陥の原因となるので、ゆるやかな蒸発となるように接合温度と昇温速度を設定することが望ましい。具体的には、１００℃程度で行うことが実用上で適する。ただし、ここでは半導体チップ３をマウントしたのちに予備乾燥を行う工程を示したが、あらかじめ予備乾燥を終えたのちに半導体チップ３をマウントする工程としても差し支えない。
【００３１】
最後に、本加熱工程によって低融点金属粒子９を溶融させ、高融点金属粒子６と相互反応させることで金属間化合物７を生成させ、接合が達成される。このとき、金属材料の接合中の酸化を極力抑えるため、不活性雰囲気中での加熱が望ましく、窒素またはアルゴンを用いることができる。また、加熱温度としては低融点金属粒子９の溶融温度以上である必要があり、Ｓｎ系のはんだ材料を低融点金属粒子９として用いる本実施の形態１においては、２３０℃から３００℃の範囲であることが望ましい。また、本加熱中に半導体チップ３と接合材料の密着をより促進するために、半導体チップ３を回路基板２に押し付けるように荷重を加えながら加熱してもよい。
【００３２】
上記の実施の形態１による半導体装置１０１とすることで、高融点かつ脆い金属間化合物から構成される接合部でありながら、樹脂ボール８による応力緩和性を備えることで、信頼性の高い接合部を得ることが可能となる。
【００３３】
以上のように、実施の形態１における半導体装置１０１によれば、表面に電極層２１を設けた回路基板２と、裏面電極５を設けた半導体チップ３と、高融点金属粒子６、樹脂ボール８、および高融点金属粒子６と樹脂ボール８を覆う金属間化合物７から形成され、回路基板２の表面の電極層２１と半導体チップ３の裏面電極５とを接合している接合部４と、を備え、金属間化合物７は、高融点金属粒子６よりも融点の低い低融点金属粒子９の金属と高融点金属粒子６の表面の金属とを構成要素として含むことで、高融点金属粒子６の融点よりも低く、低融点金属粒子９の融点よりも高い融点を有し、樹脂ボール８は、接合温度よりも高い融点を有するようにしたので、硬くて脆い金属間化合物から構成される接合部であるにもかかわらず、樹脂ボールを含有することで変形能が発現され、応力緩和性を有する接合部を得ることが出来る。加えて、樹脂ボールがあらかじめ概球状かつ耐熱性を有するため、接合中に流動して偏在することを抑制することで、クラックの発生を防止することができ、均一な接合部を実現し、信頼性を確保できる。
【００３４】
実施の形態２．
実施の形態１では、接合部４に用いる接合材料に低融点金属粒子９を含む場合を説明したが、実施の形態２では、高融点金属粒子６の表面に低融点金属を被膜として設けた場合について説明する。
【００３５】
実施の形態２における半導体装置１０２の接合部４に用いる接合材料について、図７および図８を用いて説明する。図７は、半導体装置１０２の加熱前の接合部４の構成を示す断面図である。図８は、半導体装置１０２の加熱後の接合部４の構成を示す断面図である。
【００３６】
図７に示すように、半導体装置１０２の接合部４に用いる接合材料は、高融点金属粒子６の表面に、低融点金属粒子９と同一の成分である低融点金属被膜１６が設けられていることを特徴とする。高融点金属粒子６の表面に低融点金属被膜１６が設けられることで、接合温度において溶融した低融点金属が、高融点金属粒子６の表面にぬれ広がるのを確実にする効果がある。また、高融点金属粒子６を均等に分散させる効果がある。さらに、低融点金属被膜１６と高融点金属粒子６との反応によって形成される金属間化合物７を介して、高融点金属粒子６の連結が確実に行われる効果がある。
【００３７】
低融点金属被膜１６にはんだ、高融点金属粒子６にＣｕ粒子を用いる場合、低融点金属被膜１６の量は、高融点金属粒子６の量の質量比で１／３以上、１／２以下であるのが良い。低融点金属被膜１６は、めっきで形成することが簡便である。また、高融点金属粒子６と低融点金属被膜１６の間に、めっきの密着性を確保するための中間層を設けていてもよい。この場合、高融点金属粒子６と低融点金属被膜１６との相性の観点から、たとえばＮｉなどを用いることができる。
【００３８】
実施の形態２による半導体装置１０２のその他の構成および製造方法については、実施の形態１の半導体装置１０１と同様であり、対応する部分には同符号を付してその説明を省略する。
【００３９】
上記のように低融点金属被膜１６を設けた高融点金属粒子６と樹脂ボール８を含む接合材料を用いることで、実施の形態１と同様の製造方法により、図８に示すように、実施の形態１と同等の接合部４を得ることができる。
【００４０】
実施の形態２における半導体装置１０２では、低融点金属被膜１６によって低融点金属を供給することとしたので、実施の形態１に比べてより安定して均一な分散状態を得ることが可能となり、ひいては安定した接合信頼性の実現に寄与することができる。
【００４１】
以上のように、実施の形態２における半導体装置１０２によれば、金属間化合物７が、低融点金属として低融点金属被膜１６を施した高融点金属粒子６を含む接合材料から形成するようにしたので、実施の形態１と同様の効果が得られるだけでなく、より安定して均一な分散状態を得ることが可能となり、ひいては安定した接合信頼性の実現に寄与することができる。
【００４２】
実施の形態３．
実施の形態２では、高融点金属粒子６の表面に低融点金属を被膜として設けた場合を説明したが、実施の形態３では、さらに樹脂ボール８の表面に低融点金属を被膜として設けた場合について説明する。
【００４３】
実施の形態３における半導体装置１０３の接合部４に用いる接合材料について、図９および図１０を用いて説明する。図９は、半導体装置１０３の加熱前の接合部４の構成を示す断面図である。図１０は、半導体装置１０３の加熱後の接合部４の構成を示す断面図である。
【００４４】
図９に示すように、半導体装置１０３の接合部４に用いる接合材料は、接合材料に含まれる樹脂ボール８の表面には、実施の形態１の低融点金属粒子９および実施の形態２の低融点金属被膜１６と同一の成分である低融点金属被膜１７が設けられていることを特徴とする。実施の形態２の半導体装置１０２と比較して、高融点金属粒子６の表面だけでなく、樹脂ボール８の表面にも低融点金属被膜１７が設けられることで、高融点金属粒子６と樹脂ボール８と金属間化合物７が均一に分散させることをより一層確実にすることができる。
【００４５】
低融点金属被膜１６、１７にはんだ、高融点金属粒子６にＣｕ粒子を用いる場合、低融点金属被膜１６、１７の量は、高融点金属粒子６の量の質量比で１／３以上、１／２以下であるのが良い。低融点金属被膜１７は、めっきで形成することが簡便である。また、樹脂ボール８と低融点金属被膜１７の間に、めっきの密着性を確保するための中間層を設けていてもよい。この場合、樹脂ボール８と低融点金属被膜１７との相性の観点から、たとえばＮｉなどを用いるとともに、樹脂表面との親和性を高める例えばＰｄなどを中間財として用いることができる。
【００４６】
実施の形態３による半導体装置１０３のその他の構成および製造方法については、実施の形態１の半導体装置１０１と同様であり、対応する部分には同符号を付してその説明を省略する。
【００４７】
上記のように低融点金属被膜１７を設けた樹脂ボール８と、低融点金属被膜１６を設けた高融点金属粒子６を含む接合材料を用いることで、実施の形態１と同様の製造方法により、図１０に示すように、実施の形態１および実施の形態２と同等の接合部４を得ることができる。
【００４８】
実施の形態３における半導体装置１０３では、低融点金属の供給方法として、低融点金属被膜１６および１７としたので、実施の形態１および実施の形態２に比べてより安定して均一な分散状態を得ることが可能となる。また、高融点金属粒子と樹脂ボールの金属間化合物を介した接続を確実に行うことができ、ひいては安定した接合信頼性の実現に寄与することができる。なお、ここでは高融点金属粒子６と樹脂ボール８ともに、表面に低融点金属被膜を設けることとしたが、樹脂ボール８のみに低融点金属被膜を設けてもよい。
【００４９】
以上のように、実施の形態３における半導体装置１０３によれば、金属間化合物７が、低融点金属として低融点金属被膜１６を施した高融点金属粒子６を含むだけでなく、低融点金属被膜１７を施した樹脂ボール８を含む接合材料から形成するようにしたので、実施の形態１および実施の形態２と同様の効果が得られ、さらに安定して均一な分散状態を得ることが可能となるだけでなく、高融点金属粒子と樹脂ボールの金属間化合物を介した接続を確実に行うことができ、ひいては安定した接合信頼性の実現に寄与することができる。
【００５０】
実施の形態４．
実施の形態４は、上述した実施の形態１〜３にかかる半導体装置を電力変換装置に適用したものである。本願は特定の電力変換装置に限定されるものではないが、以下、実施の形態４として、三相のインバータに本願を適用した場合について説明する。
【００５１】
図１１は、実施の形態４による電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。
【００５２】
図１１に示す電力変換システムは、電源１００、電力変換装置２００、負荷３００から構成される。電源１００は、直流電源であり、電力変換装置２００に直流電力を供給する。電源１００は種々のもので構成することが可能であり、例えば、直流系統、太陽電池、蓄電池で構成することができるし、交流系統に接続された整流回路またはＡＣ／ＤＣコンバータで構成することとしてもよい。また、電源１００を、直流系統から出力される直流電力を所定の電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータによって構成することとしてもよい。
【００５３】
電力変換装置２００は、電源１００と負荷３００の間に接続された三相のインバータであり、電源１００から供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に交流電力を供給する。電力変換装置２００は、図１１に示すように、直流電力を交流電力に変換して出力する主変換回路２０１と、主変換回路２０１を制御する制御信号を主変換回路２０１に出力する制御回路２０３とを備えている。
【００５４】
負荷３００は、電力変換装置２００から供給された交流電力によって駆動される三相の電動機である。なお、負荷３００は特定の用途に限られるものではなく、各種電気機器に搭載された電動機であり、例えば、ハイブリッド自動車または電気自動車、鉄道車両、エレベーター、もしくは、空調機器向けの電動機として用いられる。
【００５５】
以下、電力変換装置２００の詳細を説明する。主変換回路２０１は、スイッチング素子と還流ダイオードを備えており（図示せず）、スイッチング素子がスイッチングすることによって、電源１００から供給される直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に供給する。主変換回路２０１の具体的な回路構成は種々のものがあるが、実施の形態４にかかる主変換回路２０１は２レベルの三相フルブリッジ回路であり、６つのスイッチング素子とそれぞれのスイッチング素子に逆並列された６つの還流ダイオードから構成することができる。主変換回路２０１の各スイッチング素子および各還流ダイオードは、上述した実施の形態１〜３のいずれかに相当する半導体装置（ここでは半導体装置１０１で説明する）によって構成する。６つのスイッチング素子は２つのスイッチング素子ごとに直列接続され上下アームを構成し、各上下アームはフルブリッジ回路の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）を構成する。そして、各上下アームの出力端子、すなわち主変換回路２０１の３つの出力端子は、負荷３００に接続される。
【００５６】
また、主変換回路２０１は、各スイッチング素子を駆動する駆動回路（図示なし）を備えているが、駆動回路は半導体装置１０１に内蔵されていてもよいし、半導体装置１０１とは別に駆動回路を備える構成であってもよい。駆動回路は、主変換回路２０１のスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成し、主変換回路２０１のスイッチング素子の制御電極に供給する。具体的には、後述する制御回路２０３からの制御信号に従い、スイッチング素子をオン状態にする駆動信号とスイッチング素子をオフ状態にする駆動信号とを各スイッチング素子の制御電極に出力する。スイッチング素子をオン状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以上の電圧信号（オン信号）であり、スイッチング素子をオフ状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以下の電圧信号（オフ信号）となる。
【００５７】
制御回路２０３は、負荷３００に所望の電力が供給されるよう主変換回路２０１のスイッチング素子を制御する。具体的には、負荷３００に供給すべき電力に基づいて主変換回路２０１の各スイッチング素子がオン状態となるべき時間（オン時間）を算出する。例えば、出力すべき電圧に応じてスイッチング素子のオン時間を変調するＰＷＭ制御によって主変換回路２０１を制御することができる。そして、各時点においてオン状態となるべきスイッチング素子にはオン信号を、オフ状態となるべきスイッチング素子にはオフ信号が出力されるよう、主変換回路２０１が備える駆動回路に制御指令（制御信号）を出力する。駆動回路は、この制御信号に従い、各スイッチング素子の制御電極にオン信号又はオフ信号を駆動信号として出力する。
【００５８】
実施の形態４に係る電力変換装置では、主変換回路２０１のスイッチング素子と還流ダイオードとして実施の形態１〜３にかかる半導体装置を適用するため、信頼性向上を実現することができる。
【００５９】
実施の形態４では、２レベルの三相インバータに本願を適用する例を説明したが、本願は、これに限られるものではなく、種々の電力変換装置に適用することができる。実施の形態４では、２レベルの電力変換装置としたが３レベルまたはマルチレベルの電力変換装置であっても構わないし、単相負荷に電力を供給する場合には単相のインバータに本願を適用しても構わない。また、直流負荷等に電力を供給する場合にはＤＣ／ＤＣコンバータまたはＡＣ／ＤＣコンバータに本願を適用することも可能である。
【００６０】
また、本願を適用した電力変換装置は、上述した負荷が電動機の場合に限定されるものではなく、例えば、放電加工機またはレーザー加工機、又は誘導加熱調理器または非接触器給電システムの電源装置として用いることもでき、さらには太陽光発電システムまたは蓄電システム等のパワーコンディショナーとして用いることも可能である。
【００６１】
本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
【符号の説明】
【００６２】
２  回路基板、３  半導体チップ、４  接合部、５  裏面電極、６  高融点金属粒子、７  金属間化合物、８  樹脂ボール、９  低融点金属粒子、１６  低融点金属被膜、１７  低融点金属被膜、２１  電極層、１０１  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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【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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【図１１】
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