(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と基板とを超塑性を発現するハンダで接合した高耐熱ハンダ接合半導体装置であって、
前記半導体素子の端部のうち少なくとも何れか一の端部において、前記ハンダは、前記半導体素子の端部より外側にはみ出した周縁部を有し、前記周縁部の上面は前記半導体素子の下面よりも上方に盛り上がっており、前記周縁部の下面は前記基板に接触していない、
ことを特徴とする高耐熱ハンダ接合半導体装置。
【請求項２】
前記ハンダは、前記半導体素子の下面に位置する中心部は、超塑性を発現する組成、すなわちＡｌが２２〜６８質量％で、Ｚｎが７８〜３２質量％の割合となっており、
前記周縁部は、前記割合よりもＺｎリッチである、
ことを特徴とする請求項１に記載の高耐熱ハンダ接合半導体装置。
【請求項３】
前記ハンダは、前記半導体素子の下面に位置する中心部は、Ａｌが２２〜６８質量％、不純物が２質量％以下、残りがＺｎの割合となっている、
ことを特徴とする請求項２に記載の高耐熱ハンダ接合半導体装置。
【請求項４】
前記ハンダは、前記半導体素子の下面に位置する中心部は、Ｚｎが７８〜３２質量％、不純物が２質量％以下、残りがＡｌの割合となっている、
ことを特徴とする請求項２に記載の高耐熱ハンダ接合半導体装置。
【請求項５】
前記ハンダと、前記半導体素子のｐｎ接合との最短距離が、前記ｐｎ接合の空乏層の幅よりも大きい、
ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一に記載の高耐熱ハンダ接合半導体装置。
【請求項６】
超塑性を発現するＡｌとＺｎで組成されたハンダを準備するハンダ準備工程と、
前記ハンダを介して、半導体素子を基板に設置する半導体素子設置工程と、
前記ハンダを加熱し、前記ハンダが流れ出ない半溶融にする加熱工程と、
前記ハンダを加圧し、前記ハンダの周縁部をＺｎリッチ、中心部をＡｌリッチにすることで、前記半導体素子の端部より外側に前記周縁部をはみ出させ、かつ前記半導体素子の下面よりも上方に前記周縁部を盛り上がらせる加圧工程と、
前記ハンダを冷却し、前記ハンダに超塑性を発現させ、前記ハンダと前記半導体素子との界面、及び前記ハンダと前記基板との界面の応力歪を抑制しつつ前記半導体素子と前記基板とをハンダ接合する降温・接合工程と、を有する、
ことを特徴とする高耐熱ハンダ接合半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板と半導体素子とを高耐熱ハンダで接合した半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワーデバイスは、ハイブリッド自動車や太陽光発電用のインバータなどに使用される電力制御用の半導体素子であり、パワーエレクトロニクスの中心となる電子部品である。パワーデバイスには、整流ダイオード、パワーＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜・電界効果トランジスタ）、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）、サイリスタなどがあり、パワーデバイスの基板への接合には、ハンダが使用される。ハンダは、Ｐｂ（鉛）とＳｎ（錫）の合金のものが使用されてきたが、人体に有害であり、自然環境にも悪影響を及ぼすため、鉛フリーハンダも開発されている。
【０００３】
特許文献１には、鉛フリーで高い融点を持ち、かつ固相状態で接合が可能なＺｎ（亜鉛）−Ａｌ（アルミニウム）共析系合金接合材を用いた半導体装置が開示されている。鉛フリーハンダは、ボイドと呼ばれる微細な空隙を作りやすいが、特許文献１に記載の発明では、超塑性現象を利用して対象物を固相状態で接合することにより、ボイドフリーにすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１１３０５０号公報
【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、特許文献１に記載の発明の場合、基板が熱などによって反ったりした際に、半導体素子の端部に応力が掛かり、半導体素子と基板との間のハンダ接合部に亀裂が発生し、極端な場合、半導体素子が基板から剥離してしまうこともある。ハンダ接合部に亀裂が生じると、電気伝導や熱伝導が悪くなるので、高い耐熱性のある信頼性の高い半導体装置が求められる。
【０００６】
そこで、本発明は、高耐熱で信頼性の高い半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、第一の発明である高耐熱ハンダ接合半導体装置は、半導体素子と基板とを超塑性を発現するハンダで接合した高耐熱ハンダ接合半導体装置であって、前記ハンダが流れ出ないように半溶融状態にして、前記ハンダを前記半導体素子の端部より外側にはみ出させ、かつ前記半導体素子の下面よりも上方に盛り上がらせた後、前記ハンダに超塑性を発現させ、前記ハンダと前記半導体素子との界面、及び前記ハンダと前記基板との界面の応力歪を抑制する、ことを特徴とする。
【０００８】
また、第一の発明は、接合した前記半導体素子の端部のうち少なくとも何れか一の端部において、前記ハンダが前記半導体素子の端部より外側にはみ出しており、かつ前記半導体素子の下面よりも上方に盛り上がっている、ことを特徴とする。
【０００９】
また、第一の発明において、前記ハンダは、超塑性を発現する組成、すなわちＡｌが２２〜６８質量％で、Ｚｎが７８〜３２質量％の割合である、ことを特徴とする。
【００１０】
また、第一の発明において、前記ハンダは、Ａｌが２２〜６８質量％、不純物が２質量％以下、残りがＺｎの割合である、ことを特徴とする。
【００１１】
また、第一の発明において、前記ハンダは、Ｚｎが７８〜３２質量％、不純物が２質量％以下、残りがＡｌの割合である、ことを特徴とする。
【００１２】
また、第一の発明は、前記ハンダと、前記半導体素子のｐｎ接合との最短距離が、前記ｐｎ接合の空乏層の幅よりも大きい、ことを特徴とする。
【００１３】
さらに、第二の発明である高耐熱ハンダ接合半導体装置の製造方法は、超塑性を発現するＡｌとＺｎで組成されたハンダを準備するハンダ準備工程と、前記ハンダを介して、半導体素子を基板に設置する半導体素子設置工程と、前記ハンダを加熱し、前記ハンダが流れ出ない半溶融にする加熱工程と、前記ハンダを加圧し、前記ハンダの周縁部をＺｎリッチ、中心部をＡｌリッチにすることで、前記半導体素子の端部より外側に前記周縁部をはみ出させ、かつ前記半導体素子の下面よりも上方に前記周縁部を盛り上がらせる加圧工程と、前記ハンダを冷却し、前記ハンダに超塑性を発現させ、前記ハンダと前記半導体素子との界面、及び前記ハンダと前記基板との界面の応力歪を抑制しつつ前記半導体素子と前記基板とをハンダ接合する降温・接合工程と、を有する、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、高耐熱で信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施例１に係る半導体装置の断面図である。
【図２】本発明の実施例１に係る半導体装置の断面を撮影した画像である。
【図３】本発明の実施例１に係る半導体装置のハンダ接合部に掛かる応力を示す図であり、（ａ）は本発明のハンダ接合部であり、（ｂ）は従来のハンダ接合部である。
【図４】本発明の実施例２に係る半導体の接合方法の流れを示すフローチャートである。
【図５】本発明の実施例２に係る半導体の接合方法の各工程を示す図であり、（ａ）は加熱の工程であり、（ｂ）は加圧の工程である。
【図６】本発明の実施例２に係る半導体の接合方法の降温・接合の工程を示す図である。
【図７】本発明の実施例２に係る半導体の接合方法の各工程におけるハンダの状態を示すグラフである。
【図８】本発明の実施例３に係る半導体の接合方法の各工程におけるハンダの状態を示すグラフである。
【図９】本発明の実施例４に係る半導体装置の高耐圧化するためのハンダの条件を示す図である。
【図１０】本発明の実施例４に係る半導体装置の高耐圧化を示す図であり、（ａ）は半導体素子を絶縁樹脂で覆った場合であり、（ｂ）はハンダの表面に酸化膜を形成させた場合である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
【実施例１】
【００１７】
まず、本発明である高耐熱ハンダ接合半導体装置について説明する。図１は、半導体装置１００の断面図であり、図２は、半導体装置１００の断面を撮影した画像である。また、図３（ａ）は、半導体装置１００のハンダ接合部に掛かる応力を示す図であり、図３（ｂ）は、従来の半導体装置１１０のハンダ接合部に掛かる応力を示す図であって、本発明と従来技術を比較するための図である。
【００１８】
図１に示すように、半導体装置１００は、半導体素子２００と基板３００とを高耐熱のハンダ４００で接合したものである。なお、半導体装置１００は、その製造工程における前工程及び後工程を経て製造されるが、ここでは後工程において、半導体素子２００を実装する段階のものであり、半導体素子２００と基板３００とをハンダ４００を使用してハンダ接合する。
【００１９】
半導体素子２００は、前工程において、半導体に電極を設ける等して製造した電子部品であり、前工程で製造されたウエハを各チップに切り離した状態のものである。半導体の材料としては、従来のＳｉ（シリコン、ケイ素）に代わり、それより高性能なＳｉＣ（シリコンカーバイド、炭化ケイ素）などが使用される。なお、ＳｉＣの他にＧａＮ（窒化ガリウム）やダイヤモンド等の高性能な化合物半導体材料を使用しても良い。
【００２０】
半導体素子２００には、各種デバイスを使用することができる。半導体素子２００の例として、ＢＪＴ（バイポーラ・トランジスタ）を図１に示す。ＢＪＴは、ｎ型半導体２０１とｐ型半導体２０２とｎ型半導体２０３を交互にｐｎ接合し、ｎ型半導体２０１にエミッタ電極２０４、ｐ型半導体２０２にベース電極２０５、ｎ型半導体２０３にコレクタ電極２０６を設けたものであり、電流増幅やスイッチング機能などを有する。
【００２１】
基板３００は、銅板３０２と配線となる銅板３０１との間に、ＳｉＮ（シリコンナイトライド、窒化ケイ素）などを絶縁膜３０３として積層し、銅板３０１の表面にＮｉ（ニッケル）メッキなどの被膜３０４を施したものである。配線に厚みを持たせることにより許容電流が大きくなるので、パワーデバイスを搭載するのに適している。なお、基板３００は、その他の構成のものを使用しても良い。
【００２２】
ハンダ４００は、鉛が含まれていないＡｌ−Ｚｎハンダを使用する。Ａｌ−Ｚｎハンダは、ＡｌとＺｎが所定の割合で配合された合金であり、ある範囲の温度まで加熱すると超塑性を発現する。超塑性は、高温域にある固体に力を加えたときに、通常よりも飛躍的に伸びるようになる現象である。ハンダ４００が超塑性状態になることで、接合対象物表面の微小な凹凸部に入り込みやすくなり、ハンダ４００に掛かる応力も緩和される。ハンダ４００は、さらに加熱すると半溶融状態となる。すなわち、低融点のＺｎのみが溶融し、より高融点のＡｌは溶融していない状態になる。そして、さらにＡｌの融点まで加熱すると液体となる。なお、ハンダ４００は、所定の温度域で超塑性現象が発現するものであれば、他の材質のものでも良い。
【００２３】
ハンダ４００は、使用前においては、所定の厚さ、例えば約１００μｍ程度の厚さの薄板状のハンダ板を、平面形状が半導体素子２００とほぼ同じ形状にしておく。なお、若干小さくても良いし、若干はみ出す大きさでも良い。基板３００の上に半導体素子２００を載せてハンダ４００で接合した際に、半導体素子２００と基板３００の間に介したハンダ４００の周縁部４０２は、図１に示すように、半導体素子２００とハンダ４００の接触面よりも盛り上がった状態となる。
【００２４】
ハンダ４００を加熱したとき、溶融して液体となったものが基板３００上に流れ出す訳ではなく、液体となる前の半溶融の状態で半導体素子２００の外側に盛り上がる。半溶融とは、合金の場合に、融点の高い金属（Ａｌ）が固体のままで、融点が低い金属（Ｚｎ）が溶けて液体状に分散して存在している状態のことである。なお、半導体素子２００が矩形状である場合、ハンダ４００も半導体素子２００の四方の端部から外周側へ少し出る程度のサイズの矩形状とするが、ハンダ４００の四辺の少なくとも一辺は盛り上がる必要がある。なお、ハンダ４００の全ての辺において盛り上がっていることが好ましい。
【００２５】
図２に示すように、半導体素子２００と基板３００の間にハンダ４００の中心部４０１が挟まれており、半導体素子２００の端部からハンダ４００の周縁部４０２がはみ出し、さらに上方に盛り上がっている。なお、黒い点線が基板３００とハンダ４００の境界を示し、白い点線が半導体素子２００の端部を示す。
【００２６】
周縁部４０２が盛り上がっているハンダ４００のメリットについて、従来のハンダ４１０と比較することにより説明する。基板３００を湾曲状にしならせる、又は基板３００に振動を与える等することによって、半導体素子２００の端部に応力９００、９１０を加えたときに、ハンダ４００、４１０への亀裂の生じやすさを比較する。
【００２７】
図３（ａ）に示すように、本発明においては、半導体素子２００と基板３００とを接合した後に、半導体素子２００の各端部からはみ出たハンダ４００に関して注目すると、ハンダ４００の表面が半導体素子２００の下面よりも上に盛り上がっている。すなわち、ハンダ４００と半導体素子２００とが接触している面よりも上方向に山のように盛り上がっても良いし、ハンダ４００と半導体素子２００とが接触している面より外側に向かって斜め上方向に盛り上がっても良い。
【００２８】
半導体素子２００とハンダ４００とが接触している端部に掛かる応力９００は、端部から半導体素子２００の側面に沿った垂直成分９０１と、端部からハンダ４００の盛り上がった表面に沿った接線成分９０２とから導出される。図３（ａ）に示すように、応力９００は、垂直に近い角度寄りになる。すなわち、応力９００は、ハンダ４００を縦断する向きに近くなり、ハンダ４００の周縁部４０２に近いところまで侵入するだけであり、ハンダ４００の中心部４０１の奥にまでは侵入しにくい。
【００２９】
図３（ｂ）に示すように、従来においては、半導体素子２００と基板３００とを接合した後に、半導体素子２００の各端部からはみ出たハンダ４１０に関して注目すると、ハンダ４１０の表面が半導体素子２００の下面よりも上に盛り上がらない。すなわち、ハンダ４１０の表面がほぼ水平になっている場合もあれば、溶融して流れている場合もある。なお、ハンダ４００については、半導体素子２００側を表面とし、基板３００側を裏面とする。
【００３０】
半導体素子２００とハンダ４１０とが接触している端部に掛かる応力９１０は、端部から半導体素子２００の側面に沿った垂直成分９１１と、端部からハンダ４１０のほぼ水平な表面に沿った接線成分９１２とから導出される。図３（ｂ）に示すように、応力９１０は、応力９００よりも水平に近い角度寄りになる。すなわち、応力９１０は、ハンダ４１０を水平に切る向きに近くなり、ハンダ４１０の周縁部４０２からハンダ４１０の中心部４０１の奥まで進入しやすくなる。
【００３１】
図３（ｂ）に示す従来においては、半導体素子２００の端部に応力９１０が掛かったとき、ハンダ４１０の中心部４０１に向かって深く進入するので、半導体装置１００の稼働による熱応力の繰り返しにより、ハンダ４１０を水平方向に切断しやすくなる。それに対して、図３（ａ）に示す本発明においては、半導体素子２００の端部に応力９００が掛かったとき、ハンダ４００の周縁部４０２の付近から浅くしか進入しないので、半導体装置１００の稼働による熱応力の繰り返しによってもハンダ４００は水平方向に切断されにくくなる。すなわち、本発明によれば、高耐熱で信頼性の高い半導体装置１００を提供することができる。
【実施例２】
【００３２】
上記のＳｉＣ半導体装置を製造するために、ハンダによる半導体素子の接合方法について説明する。図４は、半導体の接合方法の流れを示すフローチャートである。さらに、図５（ａ）は、加熱の工程を示す図であり、図５（ｂ）は、加圧の工程を示す図であり、図６は、降温・接合の工程を示す図である。また、図７は、半導体の接合方法の各工程におけるハンダの状態を示すグラフである。
【００３３】
図４に示すように、半導体素子の接合方法５００は、ハンダ準備５１０、半導体素子設置５２０、加熱５３０、加圧５４０、降温・接合５５０等の工程を有する。なお、半導体素子の接合方法５００において、複数の工程を一つにまとめても良いし、他の工程を追加しても良い。また、二つの工程の順番が入れ替え可能であれば、入れ替えても良い。さらに、一部の工程を省略しても支障のない場合は省略しても良い。
【００３４】
本実施例においても、半導体素子２１０には、各種デバイスを使用可能であるが、例として、ＤＭＯＳ（二重拡散金属酸化膜）構造のパワーＭＯＳＦＥＴを図５及び図６に示す。パワーＭＯＳＦＥＴは、まずｎ型不純物濃度の高いｎ型半導体２１４を基板とし、その上にｎ型不純物濃度の低いｎ型半導体２１３をエピタキシャル成長により形成し、さらに、その表面側に低濃度のｐ型半導体２１２と高濃度のｎ型半導体２１１をイオン打ち込みにより形成したものである。
【００３５】
半導体素子２１０の上面のソース電極２１６を設け、さらにＳｉＯ２（二酸化ケイ素）などでゲート酸化膜２１８を形成した上でゲート電極２１５を設ける。また、ｎ型半導体２１４の下面にドレイン電極２１７を設ける。ドレイン電極２１７とソース電極２１６の間を順バイアスした状態でゲート電極２１５に正の電圧を印加すると、ゲート酸化膜２１８の下にチャネル２１９（電子の層）が誘起され、電流が流れるようになる。
【００３６】
ハンダ準備５１０の工程では、半導体装置のベースとなる基板３００、基板３００に設置する半導体素子２１０、半導体素子２１０を基板３００に接合するためのハンダ４２０、その他半導体素子の設置における位置精度を上げるための治具類等を必要に応じて準備する。基板３００は、パワーデバイスに適した厚銅基板などを用いる。半導体素子２１０は、耐熱性などに優れたＳｉＣを材料としたもの等を用いる。ハンダ４２０には、所定の温度域で超塑性を発現するものを用いる。例えば、Ａｌが約２２質量％で、Ｚｎが約７８質量％の合金を用いる。
【００３７】
なお、図７に示すように、Ａｌの融点は約６６０度であり、Ｚｎの融点は約４２０度である。ハンダ４２０中のＡｌとＺｎの割合が変わると融点も曲線に示すように変動する。また、ＡｌとＺｎの融点が異なることから、融点の高いＡｌは固体のままで、融点の低いＺｎが先に液体化している半溶融の状態となる領域も存在する。半溶融状態から、Ａｌの結晶が多いアルファ（Ａｌ）の領域を経て、結晶が成長した後に固体となる。
【００３８】
半導体素子設置５２０の工程では、基板３００に対して所定の位置に半導体素子２１０を設置する。なお、基板３００と半導体素子２１０の間には板状のハンダ４２０を挟む。ハンダ４２０は、所定の厚さで、半導体素子２１０と同程度の大きさにする。ハンダ４２０の上面は、半導体素子２１０の下面と単に接触しているだけであり、ハンダ４２０の下面は、基板３００の上面と単に接触しているだけの状態である。
【００３９】
加熱５３０の工程では、図５（ａ）に示すように、半導体装置を加熱し、ハンダ４２０を半溶融状態にする。図７に示すように、Ａｌが約２２％でＺｎが約７８％のハンダ４２０の場合、半溶融温度は、約４３０〜４８０度である。すなわち、約４３０度より低いと固体であり、約４３０〜４８０度では、Ａｌは固体のままだが、Ｚｎは液体となって分散している状態であり、約４８０度を超えると完全に溶けて液体となる。なお、本実施例においては、約４５０度まで加熱したとする。
【００４０】
加圧５４０の工程では、図５（ｂ）に示すように、半導体装置を加圧することで、ハンダ４２０の周縁部４２２を半導体素子２１０に端部よりも外側に押し出し、さらに周縁部４２２を半導体素子２１０の下面よりも上方に盛り上がらせる。なお、本実施例においては、約１０〜２０ＭＰａの圧力を加えたとする。
【００４１】
半溶融状態のハンダ４２０においては、先に溶解したＺｎが圧力によって中心部４２１よりも周縁部４２２に移動しやすくなる。その結果、ハンダ４２０の周縁部４２２はＺｎが多く含まれるようになったＺｎリッチ状態となり、中心部４２１はＺｎが少なくなったＡｌリッチ状態となる。図７に示すように、中心部４２１におけるＡｌとＺｎの割合が変わっていき、Ａｌが約３８％でＺｎが約６２％となったときに、半溶融状態からＺｎが固体に戻り始める。
【００４２】
降温・接合５５０の工程では、図６に示すように、Ｚｎリッチとなった周縁部４２２が外側にはみ出して盛り上がり、中心部４２１がＡｌリッチとなったところで、半導体装置を冷却して温度を下げていく。図７に示すように、中心部４２１において、Ａｌが約３８％でＺｎが約６２％の場合、約３４０〜２７５度の範囲内で圧力が加わると、ハンダ４２０に超塑性現象が発現する。この現象により、ハンダ４２０とその上側の半導体素子２００との界面、及びハンダ４２０とその下側の基板３００との界面における応力歪が緩和される。
【００４３】
半導体素子２１０と基板３００とをハンダ接合する際に、ＡｌとＺｎを所定の割合にすることで超塑性を発現するハンダ４２０を使用することでハンダ接合部の応力歪を抑制し、電気及び熱の伝導性を良くすることができる。また、半溶融状態にしたハンダ４２０の周縁部４２２を盛り上がらせることにより、応力が垂直に近い角度で掛かるようになり、水平方向に亀裂が発生するのを抑制することができる。
【００４４】
ハンダ４２０の中心部４２１はＡｌの組成分が周縁部４２２より多くなり、ハンダ４２０の周縁部４２２はＺｎの組成分が中心部４２１よりも多くなる。半導体素子２１０の直下のハンダ接合部においては、Ａｌの組成分が多いので、熱伝導度が良く、高耐熱を達成することができる。すなわち、半導体素子２１０に大きな電流を流すことができ、高出力かつ高信頼性を達成することができる。
【実施例３】
【００４５】
次に、ＡｌとＺｎの割合が異なるハンダ４２０を使用した場合で説明する。図８は、半導体の接合方法の各工程におけるハンダの状態を示すグラフである。図８に示すように、本実施例では、ハンダ準備５１０の工程において、Ａｌが約３８質量％で、Ｚｎが約６２質量％のハンダ４２０を用いる。半導体素子設置５２０の工程において、間にハンダ４２０を介して半導体素子２１０を基板３００に設置する。
【００４６】
加熱５３０の工程において、半導体装置を約５２８度に加熱し、ハンダ４２０を半溶融の状態にする。加圧５４０の工程において、半導体装置を約１０〜２０ＭＰａの圧力下に置く。ハンダ４２０の周縁部４２２がＺｎリッチ状態となって外側にはみ出して盛り上がり、中心部４２１はＡｌリッチ状態となる。中心部４２１におけるＡｌとＺｎの割合が変わっていき、Ａｌが約６８％でＺｎが約３２％となったときに、ハンダ４２０が半溶融状態から固体に戻り始める。
【００４７】
Ｚｎリッチとなった周縁部４２２が外側にはみ出したとき、周縁部４２２の先端は上方に盛り上がるが、加圧５４０の工程において半溶融の状態である時間が長いと、図６に示すように、湾曲状に盛り上がった状態になる場合もある。なお、半導体素子２１０を平面で見たとき、少なくとも何れか一方にはみ出しており、半導体素子２１０を正面又は側面から見たとき、ハンダ４２０は少なくとも半導体素子２１０の下面よりも上側に盛り上がる。
【００４８】
降温・接合５５０の工程において、温度を約２７５度に下げたところで、半導体装置に掛かる圧力によって、ハンダ４２０に超塑性現象が発現する。ＡｌとＺｎからなるハンダ４２０を用いる場合は、超塑性現象を発現させる必要があることから、図７及び図８に示すように、Ａｌが２２〜６８質量％で、Ｚｎが７８〜３２質量％の割合にする。
【００４９】
なお、Ｃｕ（銅）やＭｇ（マグネシウム）等の不純物が混入した場合や、半導体素子２１０の性能を向上させるために不純物を添加した場合などを考慮すると、Ａｌが２２〜６８質量％、不純物が２質量％以下、残りがＺｎの割合や、Ｚｎが７８〜３２質量％、不純物が２質量％以下、残りがＡｌの割合にすることが好ましい。Ａｌの結晶が多い領域から完全に固体に変わる過程において、ハンダ４２０が固体の状態でも通常以上に伸びるようになる。これにより、ハンダ接合部の応力歪を抑制しながら、半導体素子２１０と基板３００とをハンダ接合することができる。
【実施例４】
【００５０】
上記の半導体素子の接合方法によってハンダの周縁部を盛り上がらせた状態で製造した半導体装置の耐圧について説明する。図９は、半導体装置の高耐圧化するためのハンダの条件を示す図である。また、図１０（ａ）は、半導体素子を絶縁樹脂で覆って高耐圧化した場合であり、図１０（ｂ）は、ハンダの表面に酸化膜を形成させて高耐圧化した場合である。
【００５１】
本実施例の半導体装置１０１は、半導体素子の接合方法５００に基づき、半導体素子２２０と基板３００とを、超塑性を発現するハンダ４３０を用いてハンダ接合することにより、製造したものである。本実施例においても、半導体素子２２０には、各種デバイスを使用可能である。
【００５２】
例として、ＢＪＴとＭＯＳＦＥＴを複合化したＩＧＢＴを図９及び図１０に示す。ＩＧＢＴは、まずｐ型不純物濃度の高いｐ型半導体２２４を基板とし、その上にｎ型不純物濃度の低いｎ型半導体２２３をエピタキシャル成長により形成し、さらに、その表面側に低濃度のｐ型半導体２２２と高濃度のｎ型半導体２２１をイオン打ち込みで形成したものである。半導体素子２２０の上面にエミッタ電極２２６を設け、さらにゲート酸化膜２２８を形成した上でゲート電極２２５を設ける。また、ｐ型半導体２２４の下面にコレクタ電極２２７を設ける。
【００５３】
オン状態では、チャネルを介してｎ型半導体２２１がｎ型半導体２２３に繋がり、ｎ型半導体２２３には、ｎ型半導体２２１から電子が供給され、ｐ型半導体２２４から正孔が供給される。オフ状態では、電子はコレクタ電極２２７側に抜け、正孔はエミッタ電極２２６側に抜け、空乏層２３０が、エミッタ電極２２６側のｐｎ接合から、コレクタ電極２２７側のｐｎ接合に向かって延伸する。
【００５４】
ハンダ４３０は、半導体素子２２０の下面よりも上方に盛り上がっているので、半導体素子２２０の端部に近接した場合、空乏層２３０と短絡して絶縁が破壊される可能性がある。そこで、半導体２２０のｐｎ接合と、ハンダ４３０との距離とが、一定以上離れるようにすることで、絶縁破壊を防止する。具体的には、半導体２２０の全てのｐｎ接合において、ハンダ４３０の先端と最も近接する位置との最短距離が、各ｐｎ接合における空乏層２３０の幅よりも大きくする。
【００５５】
さらに、ハンダ４３０と半導体２２０との間の絶縁耐圧を維持するために効果的な方法を示す。図１０（ａ）に示すように、半導体装置１０２は、絶縁樹脂４３１でポッティング（樹脂盛り）する等して、半導体素子２２０の全体をコーティングしたものである。絶縁樹脂４３１としては、高耐熱のシリコン樹脂などを使用可能である。また、図１０（ｂ）に示すように、半導体装置１０３は、ハンダ４３０の表面にＳｉＯ２などの酸化膜４３２を形成させる。なお、当該二つの応用例以外の絶縁手段を施しても良い。
【００５６】
このように、ハンダ４３０の盛り上がった部分と、半導体素子２２０との間に一定距離の絶縁空間を確保することにより、又は、絶縁樹脂４３１や酸化膜４３２などの絶縁体を介すことにより、ハンダ４３０と半導体素子２２０との間の絶縁耐圧を、半導体素子２２０の絶縁耐圧以上に高くすることができ、半導体装置１０１、１０２、１０３として高耐圧を維持することができる。
【００５７】
以上、本発明の実施例を述べたが、これらに限定されるものではない。例えば、半導体素子の素材としてＳｉＣを用いたが、それ以外の半導体素材を用いても良い。また、鉛フリーのハンダとしてＡｌ−Ｚｎハンダを用いたが、超塑性現象を発現するものであれば、ＡｌとＺｎの割合を変えても良いし、Ａｌ及びＺｎ以外の合金を用いても良い。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明は、鉛フリーかつボイドフリーのハンダを用いて製造したパワーデバイスを提供するものであり、ハイブリッド自動車、電機自動車、ロボット、太陽光発電用のインバータなどの大きい電流を制御する回路や電気的負荷の大きい装置に利用することができる。
【符号の説明】
【００５９】
１００：半導体装置
１０１：半導体装置
１０２：半導体装置
１０３：半導体装置
１１０：半導体装置
２００：半導体素子
２０１：ｎ型半導体
２０２：ｐ型半導体
２０３：ｎ型半導体
２０４：エミッタ電極
２０５：ベース電極
２０６：コレクタ電極
２１０：半導体素子
２１１：ｎ型半導体
２１２：ｐ型半導体
２１３：ｎ型半導体
２１４：ｎ型半導体
２１５：ゲート電極
２１６：ソース電極
２１７：ドレイン電極
２１８：ゲート酸化膜
２１９：チャネル
２２０：半導体素子
２２１：ｎ型半導体
２２２：ｐ型半導体
２２３：ｎ型半導体
２２４：ｐ型半導体
２２５：ゲート電極
２２６：エミッタ電極
２２７：コネクタ電極
２２８：ゲート酸化膜
２３０：空乏層
３００：基板
３０１：銅板
３０２：銅板
３０３：絶縁膜
３０４：被膜
４００：ハンダ
４０１：中心部
４０２：周縁部
４１０：ハンダ
４２０：ハンダ
４２１：中心部
４２２：周縁部
４２３：接合部
４３０：ハンダ
４３１：絶縁樹脂
４３２：酸化膜
５００：半導体素子の接合方法
５１０：ハンダ準備
５２０：半導体素子設置
５３０：加熱
５４０：加圧
５５０：降温・接合
９００：応力
９０１：垂直成分
９０２：接線成分
９１０：応力
９１１：垂直成分
９１２：接線成分
【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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