(57)【要約】【課題】高温に対応し、熱伝導性にすぐれた接合を得ることを目的とする。【解決手段】相対向する接合対象Ｍ１、Ｍ２の間に金属間化合物（Ｃｕ３Ｓｎ）を生成して接合する方法であって、第一金属（Ｃｕ）と第二金属（Ｓｎ）との混合層を形成する工程と、混合層を間に挟むように、接合対象Ｍ１とＭ２を重ねあわせる工程と、第一金属の融点と第二金属の融点の中間の温度に加熱し、接合対象Ｍ１、Ｍ２の間に金属間化合物（Ｃｕ３Ｓｎ）を生成する工程と、を含み、混合層を形成する工程では、少なくとも一方の接合対象（Ｍ１）の接合面上に、析出によって混合層を形成する。【選択図】図１
2015123485.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
相対向する接合対象の間に金属間化合物を生成して接合する方法であって、
第一金属と第二金属との混合層を形成する工程と、
前記混合層を間に挟むように、前記接合対象を重ねあわせる工程と、
前記第一金属の融点と前記第二金属の融点の中間の温度に加熱し、前記接合対象の間に前記金属間化合物を生成する工程と、を含み、
前記混合層を形成する工程では、少なくとも一方の接合対象の接合面上に、析出によって前記混合層を形成することを特徴とする接合方法。
【請求項２】
前記第一金属は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、およびＣｏのうちのいずれかであり、
前記第二金属は、ＳｎまたはＩｎであることを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
【請求項３】
前記混合層は、前記第一金属より融点の低い前記第二金属の基材中に、前記第一金属の粒子が混入したものであることを特徴とする請求項１または２に記載の接合方法。
【請求項４】
前記混合層は、前記第一金属の粒子のうち、最大径となるあらかじめ定めた径を有する複数の粒子が、前記接合面内に分散していることを特徴とする請求項３に記載の接合方法。
【請求項５】
前記混合層での前記第一金属の前記第二金属に対する割合が、前記金属間化合物を生成するための量論比よりも大きいことを特徴とする請求項３または４に記載の接合方法。
【請求項６】
前記混合層が、他方の接合対象の接合面にも、析出によって形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の接合方法。
【請求項７】
前記混合層の厚み方向の中間部分には、前記接合対象よりも厚みが薄い緩衝板が挿入されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の接合方法。
【請求項８】
回路基板の一方の面に、裏面電極が接合された電力用半導体素子と、
前記電力用半導体素子の表面電極に接合された配線部材と、
前記回路基板の他方の面に接合された冷却部材と、を備え、
前記電力用半導体素子と前記回路基板との接合、前記電力用半導体素子と前記配線部材との接合、および前記回路基板と前記冷却部材との接合のうちの少なくともいずれかが、請求項１から７のいずれか１項に記載の接合方法によってなされていることを特徴とする電力用半導体装置。
【請求項９】
前記電力用半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体材料で形成されていることを特徴とする請求項８に記載の電力用半導体装置。
【請求項１０】
前記ワイドバンドギャップ半導体材料は、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料、およびダイヤモンドのうちのいずれかであることを特徴とする請求項９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、金属間化合物を生成して接合対象間を接合する方法に関し、とくに電力用半導体装置の製造に適した接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電力用半導体装置をはじめとする電子機器等の接合を行うための方法として、はんだ接合が極めて有用であり多用されてきた。しかし、はんだに含まれる鉛（Ｐｂ）は人体に対して影響があることから、Ｐｂを含まないＰｂフリーはんだの開発が行われてきた。電力用半導体装置の接合材としては、融点約１８３℃程度の低温系はんだと、融点約３００℃程度の高温系はんだが工程に応じて使われている。また、電力用半導体装置のように発熱を伴う電子部品では、放熱フィンやヒートシンクと隙間を無くすように接合することで、発生した熱を効率よくヒートシンクに伝達するための放熱部材が使用されている。
【０００３】
一方、近年の技術進歩に伴い、電力用半導体装置の出力向上・小型化のため、炭化ケイ素（ＳｉＣ）のようなワイドバンドギャップ半導体と称される電力用半導体素子を採用することで、高電流密度化および高運転温度化の傾向にある。そのため、高温に耐える接合層・放熱層の形成が必要になっている。そこで、２種類の金属を反応させて金属間化合物を生成し、接合時の温度よりも耐熱温度が高くなる接合層を形成する技術が開発されている。具体的には、それぞれの種類の金属粒子を混合した金属箔を予め形成しておき、接合対象間に挿入して熱処理する方法（例えば、特許文献１参照。）や、一方の種類の金属層を接合対象のそれぞれの表面に形成し、他方の種類の金属層をその間に介在させた状態で熱処理する方法（例えば、特許文献２参照。）等が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３０１５８８号公報（段落００１８〜００２１、図１〜図２、段落００４２、図３）
【特許文献２】特開２００９−２９０００７号公報（段落００１８、図１、段落００２５〜００２７、図２〜図３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、接合対象間に挿入した金属箔を反応させて金属間化合物を生成する場合には、接合対象と金属間化合物との境界部分（接合界面）にボイドが残留することがあり、境界部分の伝熱経路が寸断されて伝熱性が損なわれる可能性があった。また、金属層間で反応させる場合は、厚み方向によって接合状態が変化するため、厚み方向における伝熱経路が阻害され、伝熱性が損なわれる可能性があった。そのため、発生した熱を効率よく放熱することが困難となり、高出力で信頼性の高い電力用半導体装置を得ることが困難であった。
【０００６】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、高温に対応し、熱伝導性にすぐれた接合を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明にかかる接合方法は、相対向する接合対象の間に金属間化合物を生成して接合する方法であって、第一金属と第二金属との混合層を形成する工程と、前記混合層を間に挟むように、前記接合対象を重ねあわせる工程と、前記第一金属の融点と前記第二金属の融点の中間の温度に加熱し、前記接合対象の間に前記金属間化合物を生成する工程と、を含み、前記混合層を形成する工程では、少なくとも一方の接合対象の接合面上に、析出によって前記混合層を形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、厚み方向での接合状態を変化させることなく、接合界面でのボイドを抑制し、発生した熱を効率よく放熱する接合が得られる。また、この接合方法を適用することにより、高出力で信頼性の高い電力用半導体装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる接合方法を説明するための、工程ごとの接合部分の断面模式図である。
【図２】本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の構成を説明するための断面模式図である。
【図３】本発明の実施の形態１の変形例にかかる接合方法におけるある工程での接合部分の断面模式図である。
【図４】本発明の実施の形態２にかかる接合方法による接合部分の断面模式図である。
【図５】本発明の実施の形態３にかかる接合方法を説明するための、工程ごとの接合部分の断面模式図である。
【図６】本発明の実施の形態４にかかる接合方法による接合部分の断面模式図である。
【図７】本発明の実施の形態５にかかる接合方法を説明するための、工程ごとの接合部分の断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本発明の各実施の形態にかかる接合方法およびこの接合方法（電力用半導体装置の製造方法）を用いて製造した電力用半導体装置について詳細に説明する。なお、本発明は、以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下に示す図面においては、模式的な記載となっているため、各部材の縮尺が実際とは異なる場合がある。
【００１１】
実施の形態１．
図１〜図３は、本発明の実施の形態１にかかる接合方法、およびその接合方法を用いて製造した電力用半導体装置について説明するための図である。図１は金属間化合物を用いて相対向する接合対象を接合する方法を説明するためのもので、図１（ａ）〜（ｅ）は各工程における接合部分の状態を示す模式断面図である。そして、図２は本実施の形態１にかかる接合方法を用いて製造した電力用半導体装置の構成を示す断面模式図である。また、図３は変形例にかかる接合方法における、ある工程での接合部分の断面模式図で、図１（ｄ）の工程に対応する。
【００１２】
本発明の特徴である接合方法の説明に先立ち、はじめに電力用半導体装置の構成について図２を用いて説明する。
本実施の形態あるいは後述する各実施の形態にかかる接合方法（電力用半導体装置の製造方法）を用いて製造した電力用半導体装置１０は、図２に示すように、例えば、熱伝導性に優れたセラミック基材４ｉの両面に銅箔層やアルミ箔層などの導体層４ｆ、４ｒが形成された絶縁基板４と、絶縁基板４の一方の面（図中下側：放熱面）に、金属間化合物化による接合部３−３を介して接合されたアルミニウム（Ａｌ）もしくは銅（Ｃｕ）などの高熱伝導性の材料を主体に構成したヒートシンク５と、絶縁基板４の他方の面（図中上側：回路面）に、接合部３−２を介して、裏面電極１ｒが接合された電力用半導体素子１と、接合部３−１を介して、電力用半導体素子１の主面の電極１ｅに一端が接合されたリード端子２とを備えている。また、導体層４ｆには図示しないリード端子が接合されており、電力用半導体素子１と外部回路との電気接続が可能となっている。そして、電力用半導体素子１を包むように、回路面側が封止体６によって封止され、パッケージ化されている。
【００１３】
電力用半導体素子１としては、シリコンや炭化珪素を主材料として構成するのが通常である。一般的に、ワイドバンドギャップ半導体材料と呼ばれる炭化珪素（ＳｉＣ）のような半導体材料は、シリコン（Ｓｉ）よりもバンドギャップが広く、ワイドバンドギャップ半導体材料を用いた電力用半導体素子１は、高効率（大電流）で３００℃程度までの高い温度範囲で使用可能とされている。そのため、ＳｉＣチップを用いた場合、Ｓｉチップよりも耐熱性および高放熱性が要求される。
【００１４】
つぎに、上述した電力用半導体装置１０の製造方法である各接合部３−１〜３−３（まとめて接合部３）を形成する接合方法について図１を用いて説明する。
なお、各接合部３における接合対象を接合対象Ｍ１と接合対象Ｍ２と称して説明する。はじめに、図１（ａ）に示すように、一方の接合対象Ｍ１を図示しないスパッタ装置内に設置する。そして、図１（ｂ）に示すように、スパッタによって、接合対象Ｍ１の接合面上に、スズ（Ｓｎ）の基材３Ｒｂ中に銅（Ｃｕ）の粒子３Ｒｐが混合された接合材層３Ｒを形成していく。接合面上に図１（ｃ）に示すように、必要な厚みの接合材層３Ｒが形成されると、スパッタ装置から取り出して図示しない接合装置に設置し、図１（ｄ）に示すように、間に接合材層３Ｒを挟むように、他方の接合対象Ｍ２を重ねる。
【００１５】
そして、Ｓｎの融点である２３２℃以上（Ｃｕの融点以下、さらには電力用半導体素子１等の耐熱温度以下）で熱し続けると、融解したＳｎがＣｕ粒子３Ｒｐ内に拡散（浸食）し、Ｃｕ粒子３Ｒｐの表面層から化合物化（合金化）していく、そして、金属間化合物の層の厚みが厚くなる過程でＣｕ粒子３Ｒｐは内部に向けて侵食されていく。このように金属間化合物層が成長していくと、Ｓｎが枯渇していきＳｎ中のＣｕ濃度も高まり、金属間化合物層同士が接触した状態で凝固点上昇する。いわば凝固点上昇による液層拡散接合が達成される。接合材層３Ｒは、ＣｕとＳｎがモル比で３：１になるように形成されており、金属間化合物（Ｃｕ３Ｓｎ）を主体とする接合部３が図１（ｅ）に示すように形成される。なお、図１（ｅ）では、理解を助けるため、便宜上Ｃｕ粒子３Ｒｐがあった部分を点線で表示しているが、最終的な接合部３中では、Ｃｕ粒子３Ｒｐであった部分と基材３Ｒｂであった部分は同じ組成で一体となっている。
【００１６】
その際、接合対象Ｍ１と接合対象Ｍ２は、接合温度（上記の例ではＳｎの融点）よりも凝固点が高くなった金属間化合物（Ｃｕ３Ｓｎ）で構成された接合部３で強固に接合される。なお、接合材層３Ｒは、スパッタによって接合対象Ｍ１に直接析出させて形成されたものであるので、接合対象Ｍ１と接合部３との界面ではボイドがほとんど発生せず、一体物のように伝熱性が良い。そのため、接合対象Ｍ１から接合部３にかけての温度勾配は滑らかになり、極端な応力がかかることもなく、高い接合強度を維持することも可能となる。
【００１７】
なお、接合対象Ｍ２と接合部３との間については、特許文献１と同様のボイドが発生する可能性があるが、熱源に近い側、あるいは接合面積の狭い側に接合材層３Ｒを形成することで、影響を抑制することができる。例えば、図２に示す電力用半導体装置１０において、接合部３−１および３−２であれば、電力用半導体素子１側（電極１ｅ上および電極１ｒ上）に接合材層３Ｒを形成し、接合部３−３であれば、絶縁基板４側（導電層４ｒ上）に接合材層３Ｒを形成することが望ましい。あるいは、例えば、図３に示すように、接合対象Ｍ１と同様に、接合対象Ｍ２にも接合材層３Ｒを形成しておけば、界面でのボイドの発生を抑制し、いずれの界面においても良好な伝熱性能を発揮することができる。ここで、例えば、ある接合対象Ｍｉに対して接合対象が複数（両面に）ある場合は、それぞれの面に接合材層３Ｒを形成することで、同様の効果を得ることができる。なお、本実施の形態１および以降の実施の形態においては、接合部３のすべてに上述した接合方法を用いたように記載しているが、一部の接合部に用いてもよいことは言うまでもない。
【００１８】
なお、接合材層３Ｒを構成する基材３Ｒｂと粒子３Ｒｐについては、金属間化合物を生成するとともに、生成した金属間化合物の融点が、一方の金属の融点よりも高くなる金属種の組合せから選択すればよい。生成した金属間化合物の融点より低い融点を有する金属種としては、本実施の形態で示したＳｎの他、インジウム（Ｉｎ）等が使用できる。他方の金属種としては、本実施の形態で示したＣｕの他、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）等の金属が使用できる。
【００１９】
そして、基材３Ｒｂには、組合せのうち、融点の低い方の金属種を用いることが好ましく、上記例ではＳｎあるいはＩｎになるが、必ずしも単種類の金属に限ることはなく、粒子３Ｒｐと金属間化合物化可能な合金であってもよい。そして、基材３Ｒｂの融点以上で粒子３Ｒｐの融点以下の温度で熱処理することで、金属間化合物による接合部３が形成できる。また、粒子３Ｒｐの形状は球形や円柱形が望ましい。
【００２０】
接合対象Ｍ１、Ｍ２としては、上記金属間化合物と接合できる材料であればよく、とくに、基材３Ｒｂとの間で金属間化合物を生成するＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｃｏが望ましい。一方、アルミニウム（Ａｌ）のように、Ｓｎと金属間化合物化あるいは接合しない材料に対しては、接合可能な材料で表面を覆うようにすればよい。例えば、接合対象Ｍ１あるいはＭ２がＡｌ製のヒートシンク５やリード端子２の場合には、Ｎｉストライク等の被膜を表面に形成すればよい。また、接合対象Ｍ１あるいはＭ２が、電力用半導体素子１のＡｌ製の電極１ｒや１ｅの場合、電極表面にＡｕ被膜を設けるなどすればよい。
【００２１】
なお、基材３Ｒｂ中に粒子３Ｒｐが混入する接合材層３Ｒの形成方法の例としてスパッタを例に示したが、これに限ることなく、蒸着やメッキ等、接合面上に析出させることで形成する方法であれば、接合界面でのボイド発生を抑制することが可能となる。また、基材３Ｒｂ中に粒子３Ｒｐが混入する接合材層３Ｒを用いたので、例えば、２種の金属を層状に形成する場合と比較して、短時間で金属間化合物化が可能となり、高強度の接合部３を簡単に形成することが可能となる。
【００２２】
つまり、上述した接合方法によって、図２で示した電力用半導体装置１０における各接合部３が形成されているので、高温運転に適用できるとともに、伝熱性に優れ、信頼性の高い電力用半導体装置１０を得ることができる。
【００２３】
以上のように、本実施の形態１にかかる接合方法によれば、相対向する接合対象Ｍ１、Ｍ２の間に金属間化合物（例えば、Ｃｕ３Ｓｎ）を生成して接合する方法であって、（金属間化合物を生成するための）第一金属（例えば、Ｃｕ）と第二金属（Ｓｎ）との混合層（接合材層３Ｒ）を形成する工程と、混合層（接合材層３Ｒ）を間に挟むように、接合対象Ｍ１とＭ２を重ねあわせる工程と、第一金属の融点（１０８４℃）と第二金属の融点（２３２℃）の中間（２３２℃に近い方）の温度に加熱し、接合対象Ｍ１、Ｍ２の間に金属間化合物（Ｃｕ３Ｓｎ）を生成する工程と、を含み、混合層（接合材層３Ｒ）を形成する工程では、少なくとも一方の接合対象（Ｍ１）の接合面上に、（スパッタやメッキなどの）析出によって混合層（接合材層３Ｒ）を形成するように構成したので、接合界面でのボイド発生を抑制し、高温に対応し、熱伝導性にすぐれた接合を得ることができる。また、接合界面でのボイドが少ないため、界面付近での温度勾配が周囲と一様になり、応力の集中を回避して接合信頼性も高まる。
【００２４】
第一金属は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、およびＣｏのうちのいずれかであり、第二金属は、ＳｎまたはＩｎにすれば、電力用半導体装置１０の部材に影響を与える温度以下で接合ができ、かつ高温に対応し、熱伝導性にすぐれた接合を得ることができる。
【００２５】
混合層（接合材層３Ｒ）は、第一金属（Ｃｕおよび上述した金属種）より融点の低い第二金属（ＳｎおよびＩｎ）の基材３Ｒｂ中に、第一金属の粒子３Ｒｐが混入したものであるので、接合時間が短縮でき、また、良好な接合部３が形成される。
【００２６】
また、混合層（接合材層３Ｒ）が、他方の接合対象Ｍ２の接合面にも析出によって形成されているようにすれば、両接合界面でのボイド発生を抑制し、より伝熱性に優れた接合が得られる。そのため接合信頼性も向上する。
【００２７】
実施の形態２．
本実施の形態２にかかる接合方法では、実施の形態１に対して基材と粒子の含有比率を粒子が多くなるように変更したものである。図４は、本実施の形態２にかかる接合方法によって形成された接合部の構成を示すもので、実施の形態１における図１（ｅ）に対応するものである。図中、実施の形態１と同様の部分については同様の符号を付し、詳細な説明は省略する。また、実施の形態１における図１（ｅ）以外の部分については、実施の形態２においても流用する。
【００２８】
本実施の形態２においては、接合材層３Ｒ中における基材３Ｒｂを構成するＳｎと粒子３Ｒｐを構成するＣｕの構成比率が、実施の形態１と比較してＣｕのモル比が１：３よりも高くなるようにしたものである。つまり金属間化合物（Ｃｕ３Ｓｎ）を形成する量論比よりも粒子３Ｒｐを構成するＣｕの比率を高くしたものである。これにより、接合後の接合部３には、図４に示すように、金属間化合物部分の中に、粒子３Ｒｐから金属間化合物化されずに、Ｃｕの単金属部分が残った核３ｃが含まれることになる。その他の構成および工程、あるいは変形例等の適用については、実施の形態１と同様である。
【００２９】
このように、接合材層３Ｒ中の金属の配合比を組成比よりもＣｕ（粒子３Ｒｐ）の比率が大きくなるように調整することにより、金属間化合物相の中に、単金属の核３ｃが残る接合部３を形成することが出来る。この構成を用いることにより、導電性の高いＣｕの核３ｃが伝熱パスとなり、放熱性能を向上させることができる。さらに、接合部３内に残留する核３ｃの線膨張係数（銅の場合:約１６．６ｐｐｍ／Ｋ）が金属間化合物相の線膨張
係数(Ｃｕ３Ｓｎの場合：約１８．０ｐｐｍ／Ｋ)と異なるため、応力緩和に対する効果がある。
【００３０】
なお、本実施の形態２においては、ＳｎとＣｕの金属間化合物に対して粒子側の比率を想定される金属間化合物を形成するための量論比よりも高くなる形態について説明したが、他の金属種の組合せについても適用できることは言うまでもない。また、本実施の形態２を含め、以降の各実施の形態にかかる接合方法は、実施の形態１における電力用半導体装置１０の各接合部３のどれに適用してもよく、さらには異なる接合方法を組み合わせてもよい。
【００３１】
以上のように、本実施の形態２にかかる接合方法によれば、混合層（接合材層３Ｒ）での第一金属（Ｃｕ）の第二金属（Ｓｎ）に対する割合が、金属間化合物（Ｃｕ３Ｓｎ）を生成するための量論比（モル比で３：１）よりも大きくなるようにしているので、導電性の高いＣｕの核３ｃが伝熱パスとなり、放熱性能を向上させることができる。さらに、応力緩和に対する効果がある。
【００３２】
実施の形態３
本実施の形態３にかかる接合方法では、実施の形態１に対して接合材層中に含有する粒子のなかに、厚み調整に用いる粒径を有するものを使用したものである。図５は、本実施の形態３にかかる接合方法における工程ごとの接合部の構成を示すもので、図５（ａ）と（ｂ）はそれぞれ、実施の形態１における図１（ｄ）と（ｅ）に対応するものである。図中、実施の形態１と同様の部分については同様の符号を付し、詳細な説明は省略する。また、実施の形態１における図１（ｄ）、（ｅ）以外の部分については、実施の形態３においても流用する。
【００３３】
本実施の形態３にかかる接合方法では、図５に示すように、接合材層３Ｒ中に、接合部３の厚さｔ３を規定するために、粒子３Ｒｐの中に、厚さｔ３に対応する粒径を有する粒子３Ｒｐｓを用いた。その他の構成については、実施の形態１と同様である。これにより、基材３Ｒｂを融解させる工程において、面内に分散した粒子３Ｒｐｓが支えることによってスペーサＳｐとして機能し、接合対象Ｍ１とＭ２との間隔は、接合圧力を高くしても、その粒径分に保たれる。つまり、接合強度を高めるために接合圧力を高くしても接合部３の厚みが保たれるので、任意の接合強度を得ることが可能となり、積載スペースに合致した高さに形成することができる。
【００３４】
例えば、チップ下接合層（接合部３−２）として用いる場合は、電力用半導体素子１で発熱した熱を早く拡散させるために、粒子３Ｒｐｓのサイズを他の接合部よりも小さくして、接合部３−２の厚みを薄くなるように形成するといった対応が可能となる。また、基板下接合層（接合部３−３）として用いる場合は、絶縁基板４の下に形成されているヒートシンク５等を有効に活用するために、粒子３Ｒｐｓのサイズを他の接合部よりも大きくして、接合部３−３の厚みを他の接合部よりも厚くし、外部へ放出する熱をヒートシンク５に合わせて拡げて拡散させることが可能となる。
【００３５】
このように、接合部３の適用箇所に合わせて、粒子３Ｒｐｓのサイズを選択することで、目的にあった接合部３を形成することが可能となる。なお、粒子３Ｒｐｓは、接合面内に適宜分散する程度配合されていれば、厚さｔ３を規定できる。そのため、例えば、基材３Ｒｂとの配合比率を調整するためには、３Ｒｐｓよりも小さな粒径の粒子３Ｒｐを混入してもよい。
【００３６】
以上のように、本実施の形態３にかかる接合方法によれば、混合層（接合材層３Ｒ）は、第一金属の粒子３Ｒｐのうち、最大径となるあらかじめ定めた径を有する複数の粒子３Ｒｐｓが、接合面内に分散しているので、接合部３の厚みを容易に規定することができる。そのため、接合圧力を上げて、接合強度を高めることもできる。
【００３７】
実施の形態４．
本実施の形態４にかかる接合方法では、実施の形態３に対して基材と粒子の含有比率を粒子が多くなるように変更したものである。図６は、本実施の形態４にかかる接合方法によって形成された接合部の構成を示すもので、実施の形態３における図５（ｂ）に対応するものである。図中、実施の形態３と同様の部分については同様の符号を付し、詳細な説明は省略する。また、実施の形態１における図１（ｅ）以外の部分、および実施の形態３における図５（ａ）については、本実施の形態４においても流用する。
【００３８】
本実施の形態４においては、厚み３ｔを規定するための粒子３Ｒｐｓを用いるとともに、接合材層３Ｒ中におけるＳｎとＣｕの構成比率が、Ｃｕ３Ｓｎを形成する量論比よりも高くなるようにしたものである。これにより、接合後の接合部３には、図６に示すように、Ｃｕ３Ｓｎ金属間化合物部分の中に、粒子３Ｒｐから金属間化合物化されずに、Ｃｕの単金属部分が残った核３ｃが含まれることになる。なかでもあらかじめ定めた最大径を有する粒子３Ｒｐｓについては、他の粒子に比べて単金属部分の核３ｃとして残りやすいので、よりサイズ規定が容易にできる。つまり、接合部３の厚さ３ｔを規定できるとともに、放熱性の向上・応力緩和も達成できる。
【００３９】
以上のように、本実施の形態４にかかる接合方法によれば、混合層（接合材層３Ｒ）での第一金属（Ｃｕ）の第二金属（Ｓｎ）に対する割合が、金属間化合物（Ｃｕ３Ｓｎ）を生成するための量論比（モル比で３：１）よりも大きくなるようにしているので、導電性の高いＣｕの核３ｃが伝熱パスとなり、放熱性能を向上させることができる。さらに、応力緩和に対する効果がある。とくに、スペーサとして機能するあらかじめ定めた最大径の粒子３Ｒｐｓが核３ｃとなって残り、厚み規定がより容易になる。
【００４０】
実施の形態５．
本実施の形態５にかかる接合方法では、上記各実施の形態１〜４で説明した接合部に対して、厚み方向に中間部分に緩衝板を挿入するようにしたものである。図７は、本実施の形態５にかかる接合方法における工程ごとの接合部の構成を示すもので、図７（ａ）と（ｂ）はそれぞれ、実施の形態１における図１（ｄ）と（ｅ）に対応するものである。図中、実施の形態１と同様の部分については同様の符号を付し、詳細な説明は省略する。また、実施の形態１における図１（ｄ）、（ｅ）以外の部分については、実施の形態５においても流用する。
【００４１】
本実施の形態５においては、図７（ａ）に示すように、金属製の緩衝板９（厚さ１μｍ〜９０μｍの両面に、上記各実施の形態で説明した接合材層３Ｒを設けた複合接合材層３０Ｒを形成する。そして、複合接合材層３０Ｒの両側から接合対象Ｍ１、Ｍ２を押し当て、実施の形態１で説明したようにＳｎの融点以上かつＣｕの融点以下の温度で熱処理し、図７（ｂ）に示すように複合接合部３０によって、接合対象Ｍ１、Ｍ２を接合する。
【００４２】
緩衝板９は接合対象Ｍ１、Ｍ２と比較して厚みの薄い金属で、接合部３と接合される材料としては特に限定されるものではなく、例えば、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｃｏ等の金属が適用できる。緩衝板９の両面に形成する接合材層３Ｒは、同じ仕様であってもよいが、異なる仕様（異なる実施の形態で示す接合材層３Ｒ）の組合せであってもよい。また、上記各実施の形態と同様、接合対象Ｍ１、Ｍ２側にも接合材層３Ｒを形成してもよく、その場合も、異なる仕様を組み合わせてもよい。
【００４３】
このように、接合対象Ｍ１、Ｍ２間に挟み込んだ緩衝板９が接合対象Ｍ１と接合対象Ｍ２に発生するうねりを吸収することで、接合が容易に出来るようになり、緩衝板９があることで複合接合部３０にかかる応力を吸収し、接合信頼性を向上させることができる。また、実施の形態３あるいは４のように、粒子３Ｒｐ中にサイズを規定する粒子３Ｒｐｓを配合すれば、複合接合部３０の厚みを選択出来ることより、より高い応力緩和性と高い放熱性を得ることが可能である。そのため、複合接合部３０は、特に接合部３−３に好適である。
【００４４】
以上のように、本実施の形態５にかかる接合方法によれば、混合層（接合材層３０Ｒ）の厚み方向の中間部分には、接合対象Ｍ１、Ｍ２よりも厚みが薄い緩衝板９が挿入されているので、より高い応力緩和性と高い放熱性を得ることが可能である。
【００４５】
つまり、上記各実施の形態にかかる接合方法で電力用半導体装置１０を製造（接合部３を形成）すれば、高出力で信頼性の高い電力用半導体装置１０を得ることができる。
【００４６】
なお、上記各実施の形態１〜５を適用する電力用半導体装置１０においては、スイッチング素子（トランジスタ）や整流素子（ダイオード）として機能する電力用半導体素子１には、炭化ケイ素によって形成されたものを示した。しかし、これに限られることはなく、一般的に用いられているシリコンで形成されたものであってもよい。しかし、シリコンよりもバンドギャップが大きい、いわゆるワイドギャップ半導体を形成できる炭化ケイ素や、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドを用いた時の方が、運転温度が高く、扱う電流が大きいため発熱量も大きくなるので、本発明による効果をより一層発揮することができる。
【００４７】
なお、スイッチング素子及び整流素子の両方がワイドバンドギャップ半導体によって形成されていても、いずれか一方の素子がワイドバンドギャップ半導体によって形成されていてもよいことは言うまでもない。
【符号の説明】
【００４８】
１：電力用半導体素子、  ２：リード端子（配線部材）、  ３：接合部、  ３Ｒ：接合材層（混合層）、  ３Ｒｂ：基材、  ３Ｒｐ：粒子、  ３Ｒｐｓ：厚みを規定する粒子、
４：絶縁基板、  ４ｆ，４ｒ：導電層、  ４ｉ：セラミック基材、  ５：ヒートシンク、  ６：封止体、  ９：緩衝板、  ３０：複合接合材層（混合層）、
Ｍ１，Ｍ２：接合対象。
【図１】
2015123485.tif 000003
【図２】
2015123485.tif 000004
【図３】
2015123485.tif 000005
【図４】
2015123485.tif 000006
【図５】
2015123485.tif 000007
【図６】
2015123485.tif 000008
【図７】
2015123485.tif 000009