(57)【要約】【課題】実施形態は、耐熱疲労性を向上させた接合部を有する高信頼の半導体装置及びその製造方法を提供する。【解決の手段】実施形態に係る半導体装置は、ベース部と、前記ベース部上に設けられた基板と、前記基板上に設けられた半導体素子と、を備える。そして、前記ベース部と前記基板との間、および、前記基板と前記半導体素子との間の少なくともいずれか一方に設けられ、錫、アンチモンおよびコバルトを含む接合部をさらに備える。【選択図】図１
2015173215.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース部と、
前記ベース部上に設けられた基板と、
前記基板上に設けられた半導体素子と、
前記ベース部と前記基板との間、および、前記基板と前記半導体素子との間の少なくともいずれか一方に設けられ、錫、アンチモンおよびコバルトを含む接合部と、
を備えた半導体装置。
【請求項２】
前記接合部は、コバルトを０．０５重量パーセント以上、０．２重量パーセント以下の割合で含む請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記ベース部、前記基板および前記半導体素子のいずれかは、前記接合部に接する部分にコバルトを含む請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記ベース部、前記基板および前記半導体素子を覆う樹脂をさらに含む請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項５】
ベース部と、前記ベース部上に設けられた基板と、の間、および、前記基板上に設けられた半導体素子と、前記基板と、の間の少なくともいずれか一方に、錫、アンチモンおよびコバルトを含む接合材を配置し、
前記ベース部、前記基板、前記半導体素子および前記接合材の温度を少なくとも１分間、前記接合材の融点よりも高く保持する半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
実施形態は、半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力制御用の半導体装置は、自動車、電車などの産業分野および家電等に広く用いられる。これらの半導体装置は、例えば、ＭＯＳトランジスタなどの半導体素子を含み、その半導体素子を金属端子を介して放熱ベース上にマウントした構造を有する。このような半導体装置を安定して動作させるためには、半導体装置に含まれる各部品間の接合部が長時間の冷熱サイクルおよびパワーサイクルに耐える必要がある。しかしながら、これらの接合部に用いられる半田などの接合材にはまだ改良の余地がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１０６２８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
実施形態は、耐熱疲労性を向上させた接合部を有する半導体装置及びその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態に係る半導体装置は、ベース部と、前記ベース部上に設けられた基板と、前記基板上に設けられた半導体素子と、を備える。そして、前記ベース部と前記基板との間、および、前記基板と前記半導体素子との間の少なくともいずれか一方に設けられ、錫、アンチモンおよびコバルトを含む接合部をさらに備える。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】実施形態に係る半導体装置を例示する模式断面図。
【図２】接合試験用サンプルを表す外観写真。
【図３】接合試験用サンプルを表す模式断面図。
【図４】ＳｎＳｂＣｏ材を用いた接合試験前後の超音波探傷像。
【図５】ＳｎＳｂ材を用いた接合実験前後の超音波探傷像。
【図６】ＳｎＡｇＣｕ材を用いた接合実験前後の超音波探傷像。
【図７】他の比較例に係る接合実験前後の超音波探傷像。
【図８】ＳｎＳｂＣｏ材を用いた接合部の半田シートの枚数と剥離率との関係を表すグラフ。
【図９】ＳｎＳｂＣｏ材を用いた接合部の断面写真。
【図１０】ＳｎＳｂ材を用いた接合部の半田シートの枚数と剥離率との関係を表すグラフ。
【図１１】ＳｎＳｂ材を用いた接合部の断面写真。
【図１２】ＳｎＳｂ材を用いた接合部の厚さと、き裂長さと、の関係を表すグラフ。
【図１３】ＳｎＳｂＣｏ材を用いた接合部の厚さと、き裂長さと、の関係を表すグラフ。
【図１４】ＳｎＳｂ材を用いた接合部の断面ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）像。
【図１５】ＳｎＳｂ材を用いた接合部のＸ線像。
【図１６】ＳｎＳｂ材を用いた接合部の粒度分布。
【図１７】ＳｎＳｂＣｏ材を用いた接合部の断面ＳＥＭ像。
【図１８】ＳｎＳｂＣｏ材を用いた接合部のＸ線像。
【図１９】ＳｎＳｂＣｏ材を用いた接合部の粒度分布。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。図面中の同一部分には、同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について説明する。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
【０００８】
図１は、実施形態に係る半導体装置１を例示する模式断面図である。半導体装置１は、例えば、電力制御用のパワー半導体装置である。
【０００９】
半導体装置１は、ベース部１０と、ベース部１０の上に設けられた基板２０と、基板２０上に設けられた半導体素子３０と、を備える。半導体素子３０は、例えば、パワーＭＯＳトランジスタなどのパワー半導体素子である。
【００１０】
半導体装置１は、ベース部と前記基板との間の第１接合部４０、および、基板２０と半導体素子３０と、の間の第２接合部５０を有する。そして、第１接合部４０および第２接合部５０の少なくともいずれか一方は、錫（Ｓｎ）、アンチモン（Ｓｂ）およびコバルト（Ｃｏ）を含む。ここで、「錫、アンチモン、コバルトを含む」とは、この３種の元素を成分とし、他の元素を含有するとしても意図的に添加されるものではなく、その含有量は不可避な不純物レベルである。
【００１１】
例えば、半導体装置１の動作中において、半導体素子３０は通電され発熱する。その熱は、基板２０およびベース部１０を介して放散される。この過程において、第１接合部４０および第２接合部５０には、半導体素子３０の熱が直接伝わる。そして、第１接合部４０および第２接合部５０は、半導体装置１の長期間に渡る動作により劣化することがある。
【００１２】
例えば、第１接合部４０は、半導体素子３０のオンオフに伴う冷熱サイクル、もしくは、電力変動によるパワーサイクル等に起因したストレスを受ける。その結果、第１接合部４０にき裂が生じ、さらに、冷熱サイクル、パワーサイクル等が繰り返されることにより、き裂が広がり接合の破断に至る場合がある。
【００１３】
本実施形態では、第１接合部４０および第２接合部５０の少なくともいずれか一方に、錫、アンチモン、コバルトを含む材料を用いる。これにより、接合部の耐熱疲労性を向上させ、例えば、き裂の広がりを抑制し、接合の破断を回避することが可能となる。その結果、半導体装置１の信頼性を向上させることができる。
【００１４】
次に、図１を参照して、半導体装置１を具体的に説明する。  
図１に示すように、基板２０は、ベース部１０側の下面に金属膜２５を有し、ベース部１０とは反対側の上面に電力端子２１および２３を有する。金属膜２５、電力端子２１および２３は、例えば、銅（Ｃｕ）膜である。
【００１５】
半導体素子３０は、例えば、電力端子２１の上に第２接合部５０を介してマウントされる。また、半導体素子３０は、電力端子２３に、例えば、アルミニウムワイヤ２７を介して電気的に接続される。第２接合部５０は、好ましくは、第１接合部４０よりも高融点の材料を含む。また、第１接合部４０は、例えば、錫などの接合材を用いた拡散接合でも良い。
【００１６】
半導体素子３０が配設された基板２０は、ベース部１０の上に第１接合部４０を介して固着される。ベース部１０には、例えば、金属もしくはアルミナなどの放熱性セラミックを用いる。第１接合部４０には、錫、アンチモンおよびコバルトを含む材料（以下、ＳｎＳｂＣｏ材）を用いる。これにより、第１接合部４０の耐熱疲労性を向上させることができる。
【００１７】
第１接合部４０に含まれるコバルトの割合は、例えば、０．０５重量パーセント（重量％）以上、０．２重量％以下である。コバルトの添加量が０．０５重量％未満では、コバルトを含まないＳｎＳｂ材とほぼ同じ特性を示す。すなわち、コバルトを添加した効果が得られない。一方、コバルトの添加量が０．２重量％を超えると、半田としての濡れ性が低下し、接合面にボイド等が発生する恐れがある。このため、コバルトの添加量は、０．０５重量％以上、０．２重量％以下であることが望ましい。
【００１８】
また、第１接合部４０に含まれるアンチモンの割合は、例えば、１重量％以上、１０重量％以下である。アンチモンの添加量が１％未満では、その効果が得られない。一方、アンチモンの添加量が１０重量％を超えると、硬度が高くなり接合が脆くなる恐れがある。
【００１９】
また、ベース部１０と、基板２０と、を接合する場合、第１接合部４０は、その融点よりも高い温度に少なくとも１分間保持されることが望ましい。これにより、ベース部１０および基板２０の第１接合部４０に接する部分に、第１接合部４０からコバルトを拡散させることができる。例えば、第１接合部に接する金属膜２５、および、ベース部１０のコバルトが固溶した部分は、その組織が微細化される。これにより、第１接合部４０の耐熱疲労性をさらに向上させることができる。
【００２０】
ベース部１０の上には、基板２０および半導体素子３０を覆うケース６１が配設される。ケース６１の内部にはゲル状の樹脂が充填され、半導体素子３０を保護する。電力端子２１および２３は、ケース６１から外部に延出し、半導体素子３０を外部回路に接続することを可能とする。
【００２１】
また、別の例として、ベース部１０の上に、例えば、エポキシ樹脂をモールドし、半導体素子３０および基板２０を封じても良い。電力端子２１、２３の一部は、モールド樹脂から延出し、外部回路に接続可能な端子として機能する。
【００２２】
さらに、半導体装置１は、例えば、ヒートシンク７０の上に設置される。半導体装置１は、例えば、放熱グリース７３を介してヒートシンク７０の上に固定される。半導体素子３０の熱は、ベース部１０を介してヒートシンク７０に伝わり、ヒートシンク７０に設けられた放熱フィン７１を介して外部に放散される。
【００２３】
以下、図２〜図１９を参照して、ＳｎＳｂＣｏ材を用いた接合部の特性を説明する。
図２は、接合試験用サンプル１００を表す外観写真である。  
図３は、接合試験用サンプル１００を表す模式断面図である。
【００２４】
図２に示すように、サンプル１００は矩形のベース部１０１であり、その上面に金属パターン１０７が設けられる。  
図３に示すように、サンプル１００は、ベース部１０１の上にセラミック板１０３を接合した構造を有する。金属パターン１０７は、セラミック板１０３の上面に設けられる。セラミック板１０３と、ベース部１０１と、の間には、接合部１０５が設けられる。ベース部１０１および金属パターン１０７は、例えば、銅（Ｃｕ）を材料とする。
【００２５】
図４〜図７は、サンプル１００を用いて実施した熱疲労試験の結果を表す超音波探傷像である。  
【００２６】
図４に示す例では、接合部１０５に用いた半田材のアンチモン（Ｓｂ）の含有量は５重量％であり、コバルト（Ｃｏ）の含有量は０．１重量％である。残りは錫（Ｓｎ）である。そして、この組成のＳｎＳｂＣｏ材を含む接合部１０５に対し、−４０℃〜１７０℃の熱サイクルを３００回繰り返す熱衝撃試験を実施した。１サイクルの時間は、３０分である。
【００２７】
図４は、熱衝撃試験前後の接合部１０５の状態を超音波探傷法を用いて測定した結果を表している。上段は、熱衝撃試験前の接合部１０５を表し、下段は、熱衝撃試験後の接合部を表している。試験に用いた各サンプルの接合部１０５は、半田シート１枚〜３枚をそれぞれ含む。また、熱衝撃試験後の各サンプルに対して超音波探傷法により剥離面積を測定し、その剥離率を算出した。
【００２８】
図４の上段に示すように、熱衝撃試験前の接合部１０５には、剥離は見られない。一方、熱衝撃試験後において、半田シート１枚を用いて形成した接合部１０５では、その接合面の約２２．６％が剥離している。そして、半田シートの枚数を増やすと剥離率が低下する。半田シート３枚を用いた接合部１０５では、剥離率は、約６．７％である。
【００２９】
図５は、アンチモン（Ｓｂ）を５重量％含むＳｎＳｂ材を用いた接合部の特性を示す超音波探傷象である。上段は、熱衝撃試験前の接合部を表し、下段は、熱衝撃試験後の接合部を表している。
【００３０】
図５の上段に示すように、ＳｎＳｂ材を用いた場合でも熱衝撃試験前の接合部１０５には、剥離は見られない。一方、熱衝撃試験後において、半田シート１枚を用いて形成した接合部１０５では、その接合面の約２４％が剥離している。また、半田シート２枚では、約１８％、半田シート３枚では、約２７％がそれぞれ剥離している。この例では、半田シートの枚数と、剥離率の相関が見られないが、剥離率の値は、ＳｎＳｂＣｏ材を含む接合部１０５よりも大きいことがわかる。
【００３１】
図６は、ＳｎＡｇＣｕ材を用いた接合部の特性を示す超音波探傷象である。図６（ａ）は、熱衝撃試験前の接合部を表し、図６（ｂ）は、熱衝撃試験後の接合部を表している。この場合も熱衝撃試験前の接合部には、剥離は見られない。一方、熱衝撃試験後は、その接合面の９０％近くが剥離していることがわかる。
【００３２】
図７は、他の比較例に係る接合部の特性を示す超音波探傷像である。接合部の材料として用いた半田材は、ＳｎＡｇＢｉＩｎ（Ａｇ：３重量％、Ｂｉ：３重量％）、ＳｎＡｇＣｕＳｂ（Ｃｕ：３重量％）、ＳｎＡｇＣｕＢｉＩｎ（Ｃｕ：１．６重量％、Ｂｉ：０．２重量％）、ＳｎＣｕＩｎ（Ｃｕ：３重量％）、ＳｎＡｇＣｕＩｎＣｏ（Ｃｕ：３重量％）の５種類である。上段は、熱衝撃試験前の接合部を表し、下段は、熱衝撃試験後の接合部を表している。
【００３３】
ここに示す５種類の半田材では、図７の上段に示すように、熱衝撃試験前の接合部においても剥離した部分が見られる。すなわち、ＳｎＳｂ材、ＳｎＡｇＣｕ材に比べて、半田としての濡れ性に劣るものと考えられる。
【００３４】
一方、図７の下段に示すように、熱衝撃試験後の剥離率は、ＳｎＡｇＢｉＩｎ材において約７７％、ＳｎＡｇＣｕＳｂ材において約９１％、ＳｎＡｇＣｕＢｉＩｎ材において８１％、ＳｎＣｕＩｎ材において８３％、ＳｎＡｇＣｕＩｎＣｏ材において８１％である。
【００３５】
このように、熱衝撃試験後の接合面の剥離率は、ＳｎＳｂＣｏ材およびＳｎＳｂ材に比べて、他の例が大きいことがわかる。すなわち、錫（Ｓｎ）にＡｇ、Ｃｕ、Ｉｎなどを添加した半田材は、ＳｎＳｂＣｏ材およびＳｎＳｂ材に比べて耐熱疲労性が劣るといえる。例えば、これらの半田材では、熱ストレスを繰り返し受けると、再結晶した錫（Ｓｎ）の結晶粒界部分にＡｇもしくはＣｕが偏析し、金属間化合物が形成される。このために、結晶粒界部分が脆くなり、き裂が発生し易くなるものと考えられる。そして、発生したき裂は、熱サイクルにより伸張し易く、故障までの寿命を短くする恐れがある。
【００３６】
図８は、ＳｎＳｂＣｏ材（Ｓｂ：５重量％、Ｃｏ：０．１重量％）を用いた接合部１０５の半田シート枚数と剥離率との関係を表すグラフである。横軸は、サンプル番号、縦軸は、剥離率（面積比：％）である。半田シートの枚数が同じサンプルをグループ化して示す。図８に示すように、接合部１０５の剥離率は、半田シートの枚数を増やすにしたがって低下する。
【００３７】
図９は、ＳｎＳｂＣｏ材を用いた接合部の断面写真である。上段は、半田シートを２枚用いた接合部１０５の断面を示し、下段は、半田シートを３枚用いた接合部１０５の断面を示している。各断面について、それぞれ３枚の写真を示している。そして、中央の写真は、接合部１０５の中央の断面を表し、両側の写真は、中央を挟んだ両端の断面をそれぞれ表している。
【００３８】
この例では、半田シート２枚を用いた接合部１０５の傾きが、半田シート３枚を用いた接合部１０５の傾きよりも大きいことが分かる。これに対し、接合部１０５の剥離率は、図８に示すように、半田シート枚数を増やすと低下する。
【００３９】
図１０は、ＳｎＳｂ材（Ｓｂ：５重量％）を用いた接合部１０５の半田シート枚数と剥離率との関係を表すグラフである。横軸は、サンプル番号、縦軸は、剥離率（面積比：％）である。半田シートの枚数が同じサンプルをグループ化して示す。
【００４０】
図１０では、接合部１０５の剥離率は、半田シートの枚数に依存していない。半田シートを２枚用いた接合部１０５の剥離率が低く、半田シートを３枚用いた接合部１０５の剥離率は、半田シートを２枚用いた接合部に比べて大きくなる傾向を示している。
【００４１】
図１１は、ＳｎＳｂ材を用いた接合部１０５の断面写真である。上段は、半田シートを２枚用いた接合部１０５の断面を示し、下段は、半田シートを３枚用いた接合部１０５の断面を示している。各断面について、それぞれ３枚の写真を示しており、中央の写真は、接合部１０５の中央の断面を表し、両側の写真は、中央を挟んだ両端の断面をそれぞれ表している。
【００４２】
この例では、半田シート３枚を用いた接合部１０５の傾きが、半田シート２枚を用いた接合部１０５の傾きよりも大きいことが分かる。一方、接合部１０５の剥離率は、半田シート３枚の接合部１０５の方が、半田シート２枚の接合部１０５よりも大きくなる傾向を示す。また、ＳｎＳｂ材の剥離率は、ＳｎＳｂＣｏ材よりも大きい。
【００４３】
図８〜図１１に示す例では、ＳｎＳｂ材にコバルトを添加することにより、接合部１０５の剥離率を抑制できることが分かる。また、接合部１０５の傾き（厚さ分布）は、剥離率に影響を与えないことが推測される。
【００４４】
図１２は、ＳｎＳｂ材を用いた接合部１０５の厚さと、き裂長さと、の関係を表すグラフである。図１３は、ＳｎＳｂＣｏ材を用いた接合部の厚さと、き裂長さと、の関係を表すグラフである。図１２および図１３において、横軸は、接合部１０５の厚さ（μｍ）であり、縦軸は、き裂の長さ（ｍｍ）である。
【００４５】
図１２、図１３に示すように、き裂の長さは、接合部１０５が厚くなるにしたがって短くなる傾向がある。そして、図１２に示すＳｎＳｂ材の方が、図１３に示すＳｎＳｂＣｏ材よりも厚さに対するき裂の長さの変化が大きい。すなわち、ＳｎＳｂ材にコバルトを添加することにより、き裂の伸張を抑制できることを示している。
【００４６】
図１４は、ＳｎＳｂ材を用いた接合部１０５の断面ＳＥＭ像である。  
図１５は、ＳｎＳｂ材を用いた接合部１０５のＸ線像である。図１５は、図１４に示す断面におけるＳｎＳｂ、ＳｂおよびＳｎの分布を表している。この断面図の分析結果によれば、アンチモン（Ｓｂ）は、約１．３％の割合（面積比）で単独で分布している。
【００４７】
図１６は、ＳｎＳｂ材を用いた接合部１０５の粒度分布である。  
図１６（ａ）は、図１４に示す断面において、電子線後方散乱回折法（Electron Backscatter Diffraction：ＥＢＳＤ）を用いて測定した結晶配向分布である。図１６（ａ）は、接合部１０５の断面における結晶粒（グレイン）のマップを表している。  
図１６（ｂ）は、図１６（ａ）に対応した粒度分布である。横軸は、粒径であり、縦軸は、度数である。図１６（ｂ）に示すように、ＳｎＳｂ材を用いた接合部１０５では、粒径１μｍの結晶粒の度数は１４０である。
【００４８】
図１７は、ＳｎＳｂＣｏ材を用いた接合部１０５のＸ線像である。  
図１８は、図１７に示す断面におけるＳｎＳｂ、ＳｂおよびＳｎの分布を表している。この断面図の分析結果によれば、アンチモン（Ｓｂ）が単独で存在する領域は０％である。すなわち、ＳｎＳｂＣｏ材の含まれるアンチモンのほとんどは、結晶中に固溶している。
【００４９】
図１９は、ＳｎＳｂＣｏ材を用いた接合部１０５の粒度分布である。  
図１９（ａ）は、図１７に示す断面において、ＥＢＳＤを用いて測定した結晶配向分布であり、ＳｎＳｂＣｏ材を用いた接合部１０５の断面における結晶粒（グレイン）のマップを表している。図１９（ｂ）は、図１９（ａ）に対応した粒度分布である。横軸は、粒径であり、縦軸は、度数である。
【００５０】
図１９（ａ）と図１６（ａ）を比較すると明らかなように、ＳｎＳｂＣｏ材を用いた接合部１０５の粒径は、ＳｎＳｂ材を用いた接合部１０５の粒径よりも大きい。また、図１９（ｂ）に示す粒度分布では、ＳｎＳｂＣｏ材を用いた接合部１０５の粒径１μｍの結晶粒の度数は９０であり、図１６（ｂ）に示すＳｎＳｂ材を用いた接合部１０５の度数よりも減少している。
【００５１】
これらの結果は、ＳｎＳｂ材に添加されたコバルト（Ｃｏ）は、アンチモン（Ｓｂ）を結晶中に固溶させ、その結晶粒径を大きくすることを示している。例えば、粒径の大きな結晶粒は、き裂の伸張を停止させる。すなわち、ＳｎＳｂＣｏ材は、き裂の伸張を抑制し耐熱疲労性を向上させる。
【００５２】
また、ＳｎＳｂＣｏ材では、き裂の長さの厚さ依存が小さいことから、接合部の厚さの管理が容易となる。例えば、ＳｎＳｂ材では、ニッケル（Ｎｉ）ボール等の高融点材料を添加して厚さを均一化する技術が用いられるが、ＳｎＳｂＣｏ材ではその必要がなく、製造コストの低減を実現できる。
【００５３】
このように、半導体装置の接合部にＳｎＳｂＣｏ材を用いることにより、アンチモンの固溶促進、結晶の粒度の低減が可能となる。これにより、接合部の耐熱疲労性を向上させ、半導体装置の信頼性の向上を実現することができる。なお、実施形態に係る接合部は、第１接合部４０および第２接合部５０に限定される訳ではなく、半導体装置に含まれる他の部品間の接合部にも用いることができる。
【００５４】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５５】
１・・・半導体装置、  １０、１０１・・・ベース部、  ２０・・・基板、  ２１、２３・・・電力端子、  ２５・・・金属膜、  ２７・・・アルミニウムワイヤ、  ３０・・・半導体素子、  ４０・・・第１接合部、  ５０・・・第２接合部、  ６１・・・ケース、  ７０・・・ヒートシンク、  ７１・・・放熱フィン、  ７３・・・放熱グリース、  １００・・・サンプル、  １０３・・・セラミック板、  １０５・・・接合部、  １０７・・・金属パターン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図８】
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【図１０】
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【図１２】
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【図１３】
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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９】
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【図１１】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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