(57)【要約】【課題】Ｂｉを主成分とするハンダ材料を用いたときの濡れ性の向上によって、被接合部材が均一に接合された接合体を提供する。【解決手段】２つの部品の間を、Ｂｉを主成分とするハンダ材料により接合してなる接合体であって、前記２つの部品のそれぞれの被接合面にＣｕ層を備え、前記Ｃｕ層の表面にＰｄ及びＮｉの少なくとも一方を含む薄膜が形成され、接合後には前記薄膜が消失していることを特徴とする接合体である。被接合部品である上記２つの部品は、半導体モジュールを構成するような部品、例えば、半導体素子、放熱部材、絶縁部であってもよい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの部品のそれぞれの被接合面にＣｕ層を備え、
前記Ｃｕ層の表面にＰｄ及びＮｉの少なくとも一方を含む薄膜が形成された後に、前記２つの部品の間を、Ｂｉを主成分とするハンダ材料により接合してなる接合体。
【請求項２】
前記Ｐｄ及びＮｉの少なくとも一方を含む薄膜は、Ｂｉを主成分とするハンダ材料が接する部分において接合後には消失していることを特徴とする請求項１に記載の接合体。
【請求項３】
接合前の前記薄膜の膜厚が、３ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の接合体。
【請求項４】
接合前の前記薄膜の膜厚が、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の接合体。
【請求項５】
前記２つの部品が、パワー半導体素子と絶縁基板、及び、絶縁基板と放熱板、のうち少なくとも１つの組み合わせであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の接合体。
【請求項６】
前記パワー半導体素子が、ＧａＮ又はＳｉＣを用いて形成されてなることを特徴とする請求項５に記載の接合体。
【請求項７】
前記絶縁基板がＡｌＮ層であり、ＡｌＮ層の両表面にＣｕで形成される導電層を有してなることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の接合体。
【請求項８】
前記放熱板が、Ｍｏ層の両面にＣｕ層を有するＣｕ層／Ｍｏ層／Ｃｕ層の積層体であることを特徴とする請求項５乃至請求項７のいずれか１項に記載の接合体。
【請求項９】
前記放熱板におけるＣｕ層／Ｍｏ層／Ｃｕ層の厚さの比率が、１／５／１〜１／１２／１であることを特徴とする請求項８に記載の接合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接合体に関し、詳細には、Ｂｉを主成分とするハンダ材料により接合してなる接合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｂｉを主成分とする材料をハンダ材料として用いると、Ｂｉ単体の融点が２７０℃であるため、耐熱性に優れた接合体となる。特に、接合体がＧａＮ等半導体素子を搭載した次世代のパワー半導体モジュールの場合、パワー半導体素子から発生する大量の熱に耐えることができるよう、２００℃以上の耐熱性が要求されるので、パワー半導体モジュールの各部材を接合するハンダ材料に、Ｂｉを主成分とする材料を用いることは、耐熱性の面から極めて好適である。
【０００３】
パワー半導体モジュールでは、半導体素子と絶縁体との間、及び絶縁体と放熱板との間の２箇所でハンダにより接合することが一般的である。これまではパワー半導体モジュールの２箇所のハンダ接合では、作業性や溶融温度の観点から、Ｐｂ系ハンダ材料やＳｎ系ハンダ材料が用いられていた（例えば、非特許文献１参照。）。
しかし、Ｐｂは毒性を有するために使用廃止の方向にあり、Ｐｂフリーのハンダ材料の開発が望まれている。これまでに検討されている半導体モジュール用Ｐｂフリーのハンダ材料の融点は２２０℃前後であり、従来のＰｂ−Ｓｎハンダ材料の融点３００℃前後に比べると低くなっており、半導体モジュールを接合するにあっては、特に高融点ハンダ材料の開発が望まれている。
【０００４】
上述のように、Ｂｉを主成分とする材料をハンダ材料は耐熱性には優れるものの、従来から用いられているＰｂ系やＳｎ系のハンダ材料と比較すると、被接合面への濡れ性が低く、部材間の接合が均一となりにくいという問題があった。そのため、Ｂｉを主成分とするハンダ材料によって接合する際には、加熱とともに、いわゆるスクラブと呼ばれる外圧・摺動を加えることで、均一に接合するという方法が採用されていた。
また、パワー半導体モジュールの接合では、大きな面積で接合する必要があるが、Ｂｉは脆性が高く、常温における圧延が困難な材料であるために、箔状のハンダ材料を作製することが困難である。したがって、パワー半導体モジュールの接合では、従来のハンダ材料以上に高い濡れ性が要求される。
【０００５】
このような状況の下、Ｂｉを主成分とするハンダ材料の濡れ性を向上させるため、ハンダ材料へＳｎやＩｎを添加する試みが行われている（例えば、非特許文献２参照。）。
【非特許文献１】馬場陽一郎「ＨＶインバータ品質確保の取り組み」溶接学会全国大会講演概要、第７７章（２００５−９）
【非特許文献２】上島稔ら「Ｂｉ基合金におけるＳｎ、Ｉｎ添加による濡れ性、及び、界面組織改善」１２ｔｈ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  ｏｎ  ”Ｍｉｃｒｏｊｏｉｎｉｎｇ  ａｎｄ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ｉｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ”  Ｆｅｂｒｕａｒｙ  ２−３，  ２００６，  Ｙｏｋｏｈａｍａ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、Ｂｉを主成分とするハンダ材料にＳｎやＩｎを添加する上記方法では、有機物であるフラックスの併用が前提となっている。これを例えばＨＶインバータ用パワー半導体素子のように素子の端部に高電界がかかるような接合体に適用する場合には、フラックス残渣のような有機物の存在によって、耐圧不良やリーク電流などの支障が生じることがあり、また濡れ性の改善についても更なる改良が望まれている状況にあった。
【０００７】
そこで、本発明の課題は、Ｂｉを主成分とするハンダ材料を用いたときの被接合面の濡れ性の向上によって、被接合部材が均一に接合された接合体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載の発明は、２つの部品のそれぞれの被接合面にＣｕ層を備え、前記Ｃｕ層の表面にＰｄ及びＮｉの少なくとも一方を含む薄膜が形成された後に、前記２つの部品の間を、Ｂｉを主成分とするハンダ材料により接合してなる接合体である。
【０００９】
請求項１に記載の発明では、Ｂｉを主成分とするハンダ材料が接する界面に、Ｐｄ及びＮｉの少なくとも一方を含む薄膜が設けられている。溶融Ｂｉは、ＰｄないしＮｉ薄膜と接触することで合金を形成し、さらにＰｄやＮｉを求めてＢｉが濡れ拡がり易いことが明らかとなり、本発明に至った。本発明のように、ハンダ材料が接する「界面の材質」を変えることは、濡れ性に最も影響のある界面の状態を直接的に変えることになるので、「ハンダ材料の材質」を変更するのに比べて、ハンダ材料の濡れ性の向上には極めて有効である。
また、請求項１に記載の発明ではＣｕ層を設けているが、これは、Ｂｉとの接合界面において、不要な反応生成物を生成させないためである。例えば、半導体モジュールのように、半導体素子から発せられた熱によって接合部分が高温になると、接合部の界面での反応が顕著になり、接合部が接触する部材表面の材質によっては反応生成物が生成する。この反応生成物は、硬かったり脆かったりする物質であるため、反応生成物が存在する位置を起点にクラックが発生したり、反応生成物が割れてクラックの発生の原因となったりする。このクラックの進展によって、接合界面で剥離するなどの不具合を発生させやすくなる。
本発明ではＣｕ層を設けているので、本発明の接合体は、高温になっても接合界面で不要な反応生成物を生成させ難いので、反応生成物を起点としたクラックの発生が防止でき、その結果、界面での剥離などの不具合の発生が抑えられる。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、前記Ｐｄ及びＮｉの少なくとも一方を含む薄膜は、Ｂｉを主成分とするハンダ材料が接する部分において接合後には消失していることを特徴とする請求項１に記載の接合体である。
【００１１】
請求項２に記載の発明では、接合後の接合体において、Ｂｉを主成分とするハンダ材料で接合した部分については、Ｐｄ及びＮｉの少なくとも一方を含む薄膜は消失している。つまり、接合時に加熱によって、Ｂｉを主成分とするハンダ材料のハンダ浴中にＰｄやＮｉは取り込まれ、最終的に得られる接合界面には残存せず、接合界面はＢｉとＣｕとが強固に接合している。Ｐｄ及びＮｉの少なくとも一方を含む薄膜が最終製品に残存すると、製品の使用中に、接合面で不要な反応生成物が生成する場合がある。この反応生成物は、周りに存在する材料よりも硬かったり脆かったりするので、反応生成物の存在によって、接合部材のクラックの発生や接合界面での剥離などの不具合が発生する場合がある。
本発明では、Ｂｉを主成分とするハンダ材料が接する界面において接合後の接合体では、Ｐｄ及びＮｉの少なくとも一方を含む薄膜は消失しているので、不要な反応生成物の発生が抑制され、接合部材のクラックの発生や接合界面での剥離などの不具合が発生し難い。
なお、この場合、Ｐｄ又はＮｉが残存して高温に晒されたときに、ＢｉとＰｄ或いはＢｉとＮｉとが反応することで不具合が発生するのを防止しているので、Ｐｄ及びＮｉの少なくとも一方を含む薄膜は、Ｂｉを主成分とするハンダ材料が接する部分において消失していればよく、Ｂｉを主成分とするハンダ材料が接していない部分については、残存していても構わない。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、接合前の前記薄膜の膜厚が、３ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の接合体である。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、接合前の前記薄膜の膜厚が、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の接合体である。
【００１４】
請求項２に記載の発明において説明したように、本発明の接合体は、Ｂｉを主成分とするハンダ材料と接する部分において、接合後にＰｄ及びＮｉの少なくとも一方を含む薄膜が消失していることが望ましい。薄膜が消失するような条件は、接合時の加熱温度や加熱時間などによって調節することができるが、薄膜の膜厚としては、３ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることが好ましく、より好ましくは１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、前記２つの部品が、パワー半導体素子と絶縁基板、及び、絶縁基板と放熱板、のうち少なくとも１つの組み合わせであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の接合体である。
【００１６】
パワー半導体素子と絶縁基板とが接合された接合体、或いは、絶縁基板と放熱板とが接合された接合体、つまりパワー半導体モジュールにおいて、本発明の構成を備えた接合体を適用することで、パワー半導体モジュールの接合部分における耐熱性が向上し、また接合部分の濡れ性が向上することで部材どうしが傾斜して接合するなどの不具合が抑えられたパワー半導体モジュールを得ることができる。
【００１７】
請求項６に記載の発明は、前記パワー半導体素子が、ＧａＮ又はＳｉＣを用いて形成されてなることを特徴とする請求項５に記載の接合体である。
【００１８】
パワー半導体素子が、次世代のＧａＮ又はＳｉＣを用いて形成されたものであるときには、パワー半導体素子から発せられる熱量は極めて大きくなり、約２００℃程度にまで達する場合がある。
しかし、本発明の接合体では、Ｂｉを主成分とするハンダ材料で接合されているため、接合部分の耐熱性は約２７０℃程度は確保され、また、ハンダ材料が接する界面の濡れ性が向上しているために、均一な接合が可能であるので、部材が傾斜して接合する等という不具合が抑えられている。
さらに、本発明では、接触する部材間の材質を選択しているため、次世代のＧａＮ又はＳｉＣで形成されたパワー半導体によって過酷な冷熱サイクル条件となっても、接合界面に不要な生成物を発生させ難く、接合部材のクラックの発生や接合界面での剥離などの不具合が発生し難いパワー半導体モジュールを得ることができる。
【００１９】
請求項７に記載の発明は、前記絶縁基板がＡｌＮ層であり、ＡｌＮ層の両表面にＣｕで形成される導電層を有してなることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の接合体である。
【００２０】
絶縁基板としてＡｌＮ層を用いると絶縁性が向上し、またＡｌＮ層の両表面にＣｕで形成される導電層を有すると、Ｂｉを主成分するハンダ材料が接触しても、接合界面に不要な反応生成物を生成せず、接合部材のクラックの発生や接合界面での剥離などの不具合を発生させ難い。
【００２１】
請求項８に記載の発明は、前記放熱板が、Ｍｏ層の両面にＣｕ層を有するＣｕ層／Ｍｏ層／Ｃｕ層の積層体であることを特徴とする請求項５乃至請求項７のいずれか１項に記載の接合体である。
【００２２】
前記放熱板としてＭｏ層を用いると熱伝導率が高く、優れた放熱性を示す。またＭｏ層の両表面にＣｕ層を設けると、Ｂｉを主成分するハンダ材料が接触しても、接合界面に不要な反応生成物を生成せず、接合部材のクラックの発生や接合界面での剥離などの不具合を発生させ難い。更に、Ｃｕ層／Ｍｏ層／Ｃｕ層の積層体は、熱伝導率と熱膨張係数との調整を図る観点から好適である。
【００２３】
請求項９に記載の発明は、前記放熱板におけるＣｕ層／Ｍｏ層／Ｃｕ層の厚さの比率が、１／５／１〜１／１２／１であることを特徴とする請求項８に記載の接合体である。
【００２４】
Ｃｕ層／Ｍｏ層／Ｃｕ層の積層体の中でも、各層の厚さの比率が、１／５／１〜１／１２／１の場合に、熱伝導率と熱膨張係数とのバランスが良好となり、放熱板としての機能を効果的に発揮する。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、Ｂｉを主成分とするハンダ材料を用いたときの濡れ性の向上によって、被接合部材が均一に接合された接合体を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明の接合体は、２つの部品のそれぞれの被接合面にＣｕ層を備え、前記Ｃｕ層の表面にＰｄ及びＮｉの少なくとも一方を含む薄膜が形成された後に、前記２つの部品の間を、Ｂｉを主成分とするハンダ材料により接合してなる接合体である。この接合体においては、少なくとも１箇所がＢｉを主成分とするハンダ材料で接合されていればよく、したがって、２箇所以上についてＢｉを主成分とするハンダ材料で接合していてもよい。
【００２７】
被接合体である２つの部品の種類は特に制限されず、様々な部品を適用することができる。したがって、この２つの部品がそれぞれパワー半導体素子と絶縁基板、或いは絶縁基板と放熱板であるような接合体、つまり、接合体がパワー半導体モジュールであってもよい。本発明の構成をパワー半導体モジュールに適用することで、パワー半導体モジュールの接合部分における耐熱性が向上し、また接合部分の濡れ性が向上することで被接合部材どうしが傾斜して接合するなどの不具合の発生を抑えることができる。
【００２８】
そこで、以下では、接合体がパワー半導体モジュールである場合について詳細に説明を行うが、上述の通り本発明の接合体は、パワー半導体モジュールに限定されず、様々な部材を接合した接合体をも包含する。
【００２９】
＜パワー半導体モジュール＞
図１に、本発明の接合体の一例であるパワー半導体モジュール１０の要部断面図を模式的に示す。
パワー半導体モジュール１０は、少なくとも、パワー半導体素子２０と絶縁部３０と放熱板４０とを有する。パワー半導体素子２０と絶縁部３０との間は第一接合部５０によって接合される。絶縁部３０と放熱板４０との間は第二接合部６０によって接合される。
【００３０】
パワー半導体モジュール１０は、車載用インバータなどに用いられるものである。パワー半導体モジュール１０の周辺には図示しない内燃機関が設けられているために、パワー半導体モジュール１０が置かれている環境はかなり高温となっている。さらに、パワー半導体素子として次世代のＧａＮやＳｉＣを用いた場合には、パワー半導体素子２０からの発熱が大きく、パワー半導体モジュール１０の温度が上昇する。
【００３１】
パワー半導体素子が自身の発する熱や高温の周囲環境によって、パワー半導体素子が破壊するのを防ぐよう、冷却水が流動する冷却管（図示せず）が設けられ、冷却管とパワー半導体素子との間に放熱板４０が設けられる。
【００３２】
したがって、一般的にパワー半導体モジュールに求められる性能としては、第一に、接合体全体が駆動しないときの大気温度と駆動時の高温状態で生じる冷熱サイクルに対して、半導体や絶縁基板の亀裂、接合部材のクラックの発生や、接合界面から生じる剥離などの不具合を生じさせないことであり、第二に絶縁基板によって確実に絶縁させることであり、第三にパワー半導体素子から発せられた熱を放熱板までなるべく蓄積することなく伝えることである。
冷熱サイクルに対して上記亀裂、クラック、剥離などを発生させないためには、半導体素子、絶縁基板、放熱板及び接合部材などの部材そのものが温度変化に対して耐久性がなければならず、加えて、冷熱サイクルにおいて、接合界面に不要な反応生成物が発生したり、この反応生成物が大きく成長しないことが重要である。かかる反応生成物は脆い物質であったり、逆に硬すぎる物質であったりして、反応生成物が発生した部位を起点として接合部材のクラックの発生や接合界面から生じる剥離等を起こしやすい。また、各部材の熱膨張係数が近い値であることも、冷熱サイクルによる上記亀裂やクラック、剥離などの発生を抑制するのに重要である。熱膨張係数が全く異なる部材を接合すると、冷熱サイクルによって繰り返し起こる部材の体積変化によって、上記亀裂やクラック、剥離等を発生させやすくなる。
【００３３】
パワー半導体モジュールの接合部分に対して求められる性能としては、第一に接合が均一に行われ、部材が傾斜して接合されないこと、第二に冷熱サイクルに対して半導体や絶縁基板の亀裂、接合部材のクラックの発生や、接合界面から生じる剥離などの不具合を生じさせないことである。
【００３４】
本発明の接合体であるパワー半導体モジュールでは、第一接合部５０又は第二接合部６０に、Ｂｉを主成分とするハンダ材料を用いて接合しているため、接合部分の耐熱性は高くなっている。またＢｉを主成分とするハンダ材料が接する界面に、Ｐｄ及びＮｉの少なくとも一方を含む薄膜が設けられているので、Ｂｉを主成分とするハンダ材料の濡れ性が向上している。その結果、接合が均一に行われるので、部材が傾斜して接合される等の不具合を発生させず、また、熱伝導が阻害されるのを防ぐことができる。
【００３５】
また、本発明ではＣｕ層を設けているため、Ｂｉとの界面において不要な反応生成物を生成させず、反応生成物の発生に起因して、接合部材のクラックの発生や接合界面での剥離の発生を抑制することができる。
【００３６】
更に、接合後のパワー半導体モジュールでは、Ｂｉを主成分とするハンダ材料が接する部分においては、ハンダ浴中にＰｄやＮｉが取り込まれて、Ｐｄ及びＮｉの少なくとも一方を含む薄膜が消失していることが望ましい。
ＮｉやＰｄがＢｉと接した状態で残存していると、パワー半導体モジュールを製品として使用している間、半導体素子から発せられる熱によって、ＢｉとＰｄ或いはＢｉとＮｉとが反応することで不要な反応生成物を生成することがある。Ｂｉを主成分とするハンダ材料が接する部分において、ハンダ浴中にＰｄやＮｉが取り込まれて、Ｐｄ及びＮｉの少なくとも一方を含む薄膜が消失していれば、ＢｉとＣｕが不要な反応生成物を生じることなく強固に接合する。その結果、反応生成物の生成に起因した上記クラックや剥離などの不具合の発生が抑制される。
この場合、ＢｉとＰｄ或いはＢｉとＮｉとの反応が瞬時に起こり、薄膜のＰｄ及びＮｉの少なくとも一方を含む薄膜は、Ｂｉ浴中に取り込まれて消失していればよく、Ｂｉを主成分とするハンダ材料が接していない部分については、残存していても構わない。
【００３７】
図１のパワー半導体モジュールでは、Ｐｄ及びＮｉの少なくとも一方を含む薄膜２４、３８、３９、４８を図示しているが、接合後にはＢｉを主成分とするハンダ材料が接する部分において、これらの薄膜は消失していることが望ましい。
図２〜図４についても、Ｐｄ及びＮｉの少なくとも一方を含む薄膜を図示しているが、接合後にはＢｉを主成分とするハンダ材料が接する部分において、これらの薄膜は消失していることが望ましい。
【００３８】
＜接合部＞
パワー半導体素子２０では、少なくとも２箇所の接合部を有し、第一接合部５０と第二接合部６０が存在する。本発明における第一接合部５０は、パワー半導体素子２０と絶縁部３０との間を接合するために設けられ、本発明における第二接合部６０は、絶縁部３０と放熱板４０との間を接合するために設けられる。
【００３９】
本発明にかかるＢｉを主成分とするハンダ材料は、第一接合部５０及び第二接合部６０のいずれに適用してもよいが、少なくとも一方の接合部に、Ｂｉを主成分とするハンダ材料を用いる。
Ｂｉを主成分とするハンダ材料としては、Ｂｉ単体であっても、他の成分を含むものであってもよい。Ｂｉに添加する他の成分としては、例えば、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｇｅ、及びＧａなどの金属や、ＣｕＡｌＭｎ合金粒子、ＮｉないしＡｕメッキしたＣｕＡｌＭｎ合金粒子、ＣｕＮｉＡｌ合金粒子及びＣｕＺｎＡｌ合金粒子などを挙げることができる。このようにＢｉに他の成分を含有させると、Ｂｉの強度が改善され、接合部材のクラックの発生や接合界面での剥離が発生しにくい材料となる。
【００４０】
なお、本発明において、「Ｂｉを主成分とするハンダ材料」とは、ハンダ材料中Ｂｉを８０質量％〜１００質量％含有することをいい、より好ましいＢｉの含有率は、添加する他の材料の材質によって種々異なるが、８２質量％〜９９．９質量％含有することが好ましく、８５質量％〜９９．８質量％含有することがより好ましい。Ｂｉの含有率が８０質量％よりも低いと、Ｂｉが有するハンダ付け特性を奏し難くなる。
【００４１】
ここで、Ｂｉ中にＣｕＡｌＭｎ合金粒子を分散させたＢｉ−ＣｕＡｌＭｎについて説明する。
Ｂｉは２７０℃近辺の融点を有するため、接合部のハンダ材料としては好適である。しかし、Ｂｉはせん断応力が弱く、脆いという性質を有しているため、冷熱サイクルを行うとクラックや剥離を生じさせてしまう。しかし、ＣｕＡｌＭｎ合金の粒子をＢｉに分散させると強度を高めることができる。この機能について更に詳細に説明する。
【００４２】
さらに、ＣｕＡｌＭｎ合金はマルテンサイト変態の性質を有する。マルテンサイト変態の性質を有する金属の合金相は、温度や応力に基づいてマルテンサイト相又は母相のいずれかの状態をとる。金属の合金相がマルテンサイト相の場合には、金属は極めて柔軟性に富んでおり、外力に基づいて容易に形状を変えることができる。このため、外力に基づく応力が緩和される。更に、冷熱サイクルが繰り返されたとしても、柔軟に形状を変えることができるので、応力に基づく疲労の蓄積が抑制される。また、金属の合金相が母相の場合は、金属は外力に基づいてマルテンサイト相に相移転し、弾性変形するので、外力が除荷されれば、記憶された元の形状に回復することができる。このため、金属にかかる応力が緩和されるとともに、その応力の蓄積が抑制される。
【００４３】
したがって、マルテンサイト変態の性質を有するＣｕＡｌＭｎ合金をバルク金属であるＢｉに加えることによって、外力からの応力を緩和するとともに、その応力の蓄積を制御することができる。その結果、Ｂｉを主成分とするハンダ材料の熱応力を局所的に緩和するハンダを提供できる。
【００４４】
ＣｕＡｌＭｎ合金は毒性が少なく、添加するバルク金属の融点に与える影響も少ない。また、ＣｕＡｌＭｎ合金は電気抵抗が小さいため、ＣｕＡｌＭｎ合金に電流が流れる状況下においても好適に利用することができる。
【００４５】
Ｂｉ−ＣｕＡｌＭｎ中のＣｕＡｌＭｎ合金の含有率は、０．５〜２０質量％であることが好ましく、１〜１５質量％であることがより好ましい。ＣｕＡｌＭｎ合金の含有率が０．５質量％よりも少ないと、マルテンサイト変態の性質を有する物質を添加した上記効果が得られ難く、２０質量％よりも多いと、溶融するＢｉの含有率が低くなり、被接合体との接合強度が得られない。
なお、ＢｉとＣｕＡｌＭｎとの体積分率を９０：１０〜４５：５５まで変化させた場合であっても、Ｂｉ−ＣｕＡｌＭｎの融点は、いずれも２７１℃である。
【００４６】
ＣｕＡｌＭｎ合金において、Ｍｎの含有率は０．０１〜２０質量％であり、Ａｌの含有率は３〜１３質量％であり、残部がＣｕであることが好ましい。この組成比に調整することによって、マルテンサイト変態の性質が顕著に表れ、ハンダによって形成された結合部が破壊されるのを抑制することができる。
【００４７】
また、ＣｕＡｌＭｎ合金に、Ａｇ、Ｎｉ，Ａｕ、Ｓｎ，Ｐ，Ｚｎ、Ｃｏ，Ｆｅ、Ｂ、Ｓｂ、Ｇｅを添加すると、Ｂｉとの整合性を向上させ、マルテンサイト相を安定化させる効果があるので、これら添加元素を添加する態様も好ましい。
ＣｕＡｌＭｎ合金における上記添加元素の含有率は、０．００１〜１０質量％であることが好ましい。添加元素が０．００１質量％よりも少ないと、添加元素を添加する上記効果が得られ難い。添加元素が１０質量％よりも多いとＣｕＡｌＭｎ合金がマルテンサイト相を呈することができなくなる。
【００４８】
ＣｕＡｌＭｎ合金粒子の粒径を調整すると、Ｂｉ−ＣｕＡｌＭｎの応力緩和能力等を調整することができる。具体的には、ＣｕＡｌＭｎ合金粒子の粒径は、０．０１〜１００μｍであることが好ましく、０．０１〜２０μｍであることが更に好ましい。
【００４９】
ＣｕＡｌＭｎ合金粒子の調製方法は特に制限されず、合金粒子の公知の調製方法を適宜適用することができる。調整方法の一例を下記に示すがこれに限定されない。
まず、Ｃｕ、Ａｌ、ＭｎをＡｒ雰囲気下で高周波溶解炉によって溶解し前駆体であるＣｕＡｌＭｎ合金インゴットを作製する。インゴットには必要に応じて、上記添加元素を添加しても良い。次に、得られたインゴットをアトマイズ法等の粉末作製技術を利用して粉末化し、ＣｕＡｌＭｎ合金粒子を得る。粉末化したＣｕＡｌＭｎ合金粒子は滴下法等を利用して、粒子表面にＮｉやＡｕをメッキする。粒子表面のめっき層の膜厚を調整することによって、Ｂｉ−ＣｕＡｌＭｎ中のＣｕＡｌＭｎ粒子の分散性を向上させることができる。好ましい該めっき層の膜厚は、０．０１〜３μｍである。
【００５０】
Ｂｉ−ＣｕＡｌＭｎによって被接合部材を接合する場合、Ｂｉ−ＣｕＡｌＭｎの融点（２７０℃）よりも数十℃高い温度で接合することが、接合部を一様に溶融させ、充分な流動性を得る観点から好ましく、３００〜３５０℃程度で接合することが好ましい。
【００５１】
次に、Ｃｕを添加したＢｉについて説明する。ＢｉにＣｕを添加すると、Ｂｉの強度が上昇する。この原因は、Ｂｉ母相中にＣｕが微細分散することによる分散強化によると考えている。
【００５２】
ＢｉにＣｕを添加していくと、Ｃｕの含有率が多くなるにつれ液相線温度が高くなる。液相線温度とは、全体が溶融し液体となる温度である。一方、Ｃｕの含有率を多くしても、固相線温度は約２７０℃とほぼ一定の温度を示す。固相線温度とは、少なくとも一部が溶解し始める温度をいう。
すなわち、Ｃｕの含有率が多くなるにつれ、溶融し始める温度と、全体が溶融し終わる温度との差が大きくなる。このような固液共存領域温度差が生じると、接合操作の際に均一に接合し難くなり、被接合部材が傾いて接合してしまうなどの不具合を発生させ易い。また、液相線温度が高くなったために高温の条件下で半導体素子を接合すると、半導体素子を破壊するおそれがある。
【００５３】
そこで、液相線温度と固相線温度とを考慮すると、Ｂｉ中のＣｕの含有率は、０．０１質量％〜５質量％であることが好ましく、０．３質量％〜４質量％であることがより好ましい。
【００５４】
Ｃｕを添加したＢｉの調製方法は特に制限されず、公知の調製方法を適宜適用することができる。調整方法の一例を下記に示すがこれに限定されない。
Ｃｕ、ＢｉをＡｒ雰囲気下で高周波溶解炉によって溶解し、前駆体であるＢｉ−Ｃｕ合金インゴットを作製する。得られたインゴットを２５０℃の熱間圧延を施し、板材とし、ハンダ片として切り出す。
Ｂｉ中に他の金属を添加する場合も、Ｃｕの場合と同様の方法で調製することができる。
【００５５】
Ｎｉを添加したＢｉについて説明する。ＢｉにＮｉを添加すると、Ｃｕを添加した場合と同様に、Ｂｉの強度が上昇する。この原因についてもＣｕの場合と同様ではないかと推測される。なお、ＢｉにＮｉを添加すると、ＮｉはＢｉ中で反応生成物のＢｉ３Ｎｉを形成して、Ｂｉ母相中に均一に分散する状態となっている。
【００５６】
Ｂｉ中のＮｉの含有率は、液相線温度と固相線温度とを考慮すると、０．０１質量％〜５質量％であることが好ましく、０．０１質量％〜３質量％であることがより好ましい。
【００５７】
半導体モジュールのように、過酷な冷熱サイクルにおいて、反応生成物を生成すると、この反応生成物が存在する位置を起点にクラックが発生したり、脆い反応生成物の場合には、反応生成物が割れてクラックの発生の原因となったりする。その結果、接合部材のクラックの発生や接合界面での剥離などを発生させ易くなる。
そこで、接合する部材の被接合面には、Ｃｕ層を備える。つまり、第一接合部５０にＢｉを主成分とするハンダ材料を適用する場合、パワー半導体素子２０と絶縁部３０のそれぞれの被接合面にＣｕ層を備え、第二接合部６０にＢｉを主成分とするハンダ材料を適用する場合、絶縁部３０と放熱板４０のそれぞれの被接合面にＣｕ層を備える。Ｃｕ層を備えることで、Ｂｉとの界面において不要な反応生成物の生成を抑えることができる。
【００５８】
また、Ｂｉは濡れ性の低い物質であり、Ｃｕに対しても濡れ拡がり難い。ハンダ材料が接合の加熱時に濡れ拡がらないと、均一に接合することができず、被接合部材が傾いた状態で接合してしまうなど、不具合を発生させる場合がある。
このような不具合を解消するため、従来の方法では、接合の加熱時に被接合部材に外圧を加えながら擦動させて、均一に且つ被接合部材が傾かないように接合していた。このような方法を採用すれば、Ｂｉを主成分とするハンダ材料であっても、被接合部材を均一に接合することができるが、加熱しながら外圧を加えることは、作業上煩雑な操作である上に、周辺部にはみ出し、電気的な不具合を生じる恐れがある。
【００５９】
そこで本発明では、前記Ｃｕ層の表面にＰｄ及びＮｉの少なくとも一方を含む薄膜を形成し、Ｂｉの濡れ性を改善している。以下では、Ｐｄ又はＮｉと、Ｂｉとの反応について説明する。
【００６０】
Ｐｄ及びＮｉは、溶融したＢｉと反応して合金を作り易いということが、本発明に至る過程で明らかとなった。つまり接合時の加熱において、Ｂｉを主成分とするハンダ材料が融点を超えて溶融した際に、合金の生成反応を起こしながら自ら拡がる。この合金の生成のし易さを利用して、本発明では、Ｂｉを主成分とするハンダ材料に接触する面にＰｄ及びＮｉの少なくとも一方を含む薄膜を形成して、Ｂｉの濡れ性を向上させている。
【００６１】
なお、接合時の加熱において、ＰｄとＢｉとは、現在のところ２種類の合金を生成することが分かり、ＮｉとＢｉとは、Ｂｉ３Ｎｉという合金を生成することが明らかとなっているが、本発明では、生成する合金の種類に限定されず、Ｂｉを主成分とするハンダ材料に接触する面にＰｄ及びＮｉの少なくとも一方を含む薄膜を形成するのであれば、本発明に包含される。
【００６２】
ここで、濡れ性確保のために形成した上記薄膜が、ハンダ接合後も残存すると、パワー半導体モジュールを製品として使用する際に、冷熱サイクルによって接合界面に不要な反応生成物が生成する場合がある。そのような不要な反応生成物は、通常、脆い物質であったり、硬い物質であったりするので、その不要な反応生成物の存在する位置を起点にクラックが発生し、その結果、接合部材のクラックの発生や接合界面から生じる剥離などの不具合を発生させ易い。
【００６３】
そこで、Ｐｄ及びＮｉの少なくとも一方を含む薄膜は、ハンダ材料が濡れ拡がった後は、Ｂｉのハンダ浴中に取り込まれて、接合界面には残存しない膜厚であることが望ましい。このような膜厚は、ハンダ接合時の加熱温度や加熱時間、更にはハンダ材料の種類（Ｂｉに含有させる他の材料の種類）などによって異なるため、一概に決めることはできず、適宜好適な膜厚を採用することが望ましいが、概ね、３ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることが好ましく、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましい。膜厚が薄すぎると、接合部分が島状となり均一に接合することができない場合がある。しかし当然ながら、均一に接合できるのであれば、接合部分が島状となっていても構わない。一方、１０００ｎｍよりも厚い場合には、Ｂｉ系ハンダ浴中に全てが取り込まれず、Ｐｄ及びＮｉの少なくとも一方を含む薄膜が残存する場合がある。
【００６４】
Ｐｄ及びＮｉの少なくとも一方を含む薄膜は、スパッタリングやめっき、蒸着等によって形成することができる。
【００６５】
なお、Ｂｉを主成分とするハンダ材料によって接合した接合部については、図２に示すように、半導体素子２０と絶縁基板３２の接合の場合は、絶縁基板３２の面積が半導体素子２０より大きいため、絶縁基板３２上にハンダ溶接部（第一接合部）５０を外観観察することができる。このとき、絶縁基板３２全体に前駆したＮｉないしＰｄの薄膜３８を有する基板と、それらの薄膜がハンダ内に取り込まれたフェレット部（図２（Ｂ）の第一接合部５０を参照。）と、半導体素子２０と、を確認することができる。同様に、絶縁基板３２と放熱板４０にこのＢｉを主成分とするハンダを用いた場合は、放熱板４０の面積が絶縁基板３２より大きいため、放熱板４０上を観察すると、同様に、残存している薄膜４８、フェレット、及び絶縁基板３２を観察することができる。
【００６６】
なお具体的な接合方法については、後述する。
【００６７】
＜パワー半導体素子＞
パワー半導体素子２０としては、特に制限することなく用途に応じて適宜適用することができ、一般的なＳｉ基板なども適用できる。
本発明では、次世代素子としてＧａＮ基板やＳｉＣ基板などを用いた場合であっても、接合部に用いるＢｉの融点は約２７０℃のため、半導体素子の繰り返し使用によって放熱される２００℃を超える高温に対しても、クラックや剥離などの不具合を生じさせない信頼性の高いパワー半導体モジュールとなる。
【００６８】
第一接合部５０にＢｉを主成分とするハンダ材料を適用する場合、上述の通り、パワー半導体素子２０は、第一接合部５０側の表面にＣｕ層２２を設ける。第一接合部５０側の表面にＣｕ層２２を設けると、第一接合部５０とＣｕ層２２との界面においては、冷熱サイクルによる不要な反応生成物を発生させることがないので、温度変化に対しても耐性が高くなる。
Ｃｕ層２２の厚みは、０．１μｍ〜１０μｍであることが好ましく、０．５μｍ〜７μｍであることがより好ましい。０．１μｍよりも薄いと、接合時にハンダ材料中に溶け込み消失する恐れがあり、１０μｍよりも厚いと、パワー半導体モジュール全体の熱膨張係数に影響を与え、熱応力を生じさせるようになるため好ましくない。
Ｃｕ層２２は、スパッタリングやめっき、蒸着等によって形成することができる。
【００６９】
更に、上述の通り、第一接合部５０の接合材料として、Ｂｉを主成分とするハンダ材料を適用する場合には、Ｃｕ層２２の表面にはＰｄ及びＮｉの少なくとも一方を含む薄膜２４が形成される。
【００７０】
＜絶縁部＞
絶縁部３０における絶縁基板３２としては、絶縁性を確保できるものであれば特に制限されず適用することができるが、好ましくは冷却サイクル時に顕著な熱応力を生じさせないよう、半導体素子の熱膨張係数と同程度の熱膨張係数を有するものである。
【００７１】
具体的に好適な絶縁基板３２としては、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３などで形成されるものを挙げることができ、この中でも熱伝導率及び熱膨張係数の観点からＡｌＮが好適である。
【００７２】
また、絶縁基板３２におけるパワー半導体素子側の表面から半導体素子に電気を通すためにＡｌＮの表面に導電層３４を設ける。また、温度変化に対するそりを抑制するために、放熱板４０側にも導電層３６を設けることが好ましい。このような導電層３４、３６としては、Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｎｉなどを挙げることができ、この中でもＣｕが好ましい。ＡｌＮの表面にＣｕ層を設けると、導電率が高いことから薄くすることができ、熱応力を緩和できるのに加え、第一接合部５０又は第二接合部６０にＢｉを主成分とするハンダ材料を適用するときに、接合部との界面において不要な反応生成物を生成させないように設けるＣｕ層の機能を兼ねることができる。
【００７３】
ＡｌＮの表面に備える導電層３４、３６の厚さは、０．０１ｍｍ〜１ｍｍであることが好ましく、０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍであることがより好ましい。導電層の厚さが０．０１ｍｍ未満の場合には、横方向への電流による損失及び発熱が無視できなくなり、１ｍｍを超える場合には、パワー半導体モジュール全体の熱膨張係数に影響を与え、熱応力を生じさせるようになるため好ましくない。
【００７４】
ＡｌＮの両表面に導電層３４、３６を貼付する方法は特に制限されず、ロウ付けなどの公知の方法を適宜採用することができる。
【００７５】
更に、上述の通り、第一接合部５０の接合材料として、Ｂｉを主成分とするハンダ材料を適用する場合には、導電層（Ｃｕ層）３４の表面にはＰｄ及びＮｉの少なくとも一方を含む薄膜３８が形成され、第二接合部６０の接合材料として、Ｂｉを主成分とするハンダ材料を適用する場合には、導電層（Ｃｕ層）３６の表面にはＰｄ及びＮｉの少なくとも一方を含む薄膜３９が形成される。
【００７６】
なお、第一接合部５０及び第二接合部６０の一方を、Ｂｉを主成分とするハンダ材料以外の材料で接合するときには、この材料に接する面側の表面に、更に他の層を設けてもよい。
例えば、亜鉛系合金で接合する場合には、亜鉛系合金で接合する面側の表面に、冷熱サイクルによる不要な反応生成物の成長速度を遅くすることのできるＮｉ層を設けてもよい。さらにこのＮｉ層の表面には、酸化防止や触れ性確保のために、薄いＡｕ層が設けられていてもよい。なお、このＡｕ層は、接合時にハンダ浴に溶け込み、最終的なパワー半導体モジュールには殆ど残存しないような膜厚とすることが好ましい。
【００７７】
＜放熱板＞
放熱板４０としては、放熱性を有するものであれば特に制限されず適用することができるが、熱伝導率が充分高く放熱板としての機能に優れ、また半導体素子の熱膨張係数に近いものを用いることが、接合部にかかる応力を緩和し剥離を防止する観点から好ましい。
【００７８】
具体的に好適な放熱板４０としては、Ｍｏ、Ｃｕ−Ｍｏ合金、Ａｌ−ＳｉＣ、Ｃｕ、Ａｌなどで形成されるものを挙げることができ、この中でも高い熱伝導率とパワー半導体素子に近い熱膨張係数を有することから、Ｍｏが好適である。
【００７９】
Ｍｏを放熱板に用いる場合には、ハンダによる接合を可能とする観点から、Ｍｏの両面に他の金属層を設けることが好ましく、このような金属層としては、Ｃｕ、Ｎｉなどを挙げることができ、この中でもＣｕが好ましい。特に、放熱板４０が、Ｍｏの表面にＣｕ層を設けたＣｕ層４４／Ｍｏ層４２／Ｃｕ層４６の積層体であることが、熱伝導率と熱膨張係数との調整を図る観点から好適である。
【００８０】
このように、放熱板４０が、Ｃｕ層４４／Ｍｏ層４２／Ｃｕ層４６で構成される積層体である場合、各層の厚さの比率が、１／５／１〜１／１２／１であることが好ましく、１／７／１〜１／９／１であることがより好ましい。１／５／１よりもＭｏ層が薄くなると、パワー半導体素子の熱膨張係数から離れた熱膨張係数を有することになるため好ましくない。１／１２／１よりもＭｏ層が厚くなると、放熱板としての放熱機能が充分に発揮され難くなり、好ましくない。
【００８１】
具体的な層の厚さとしては、Ｃｕ層４４、４６は、０．０５ｍｍ〜１ｍｍであることが好ましく、０．２ｍｍ〜０．５ｍｍであることがより好ましい。Ｍｏ層４２の厚さは、１ｍｍ〜７ｍｍであることが好ましく、２ｍｍ〜４ｍｍであることがより好ましい。
【００８２】
Ｃｕ層４４／Ｍｏ層４２／Ｃｕ層４６で構成される積層体は、放熱機能を充分に発揮させるため、全体の厚さは１ｍｍ〜８ｍｍであることが好ましく、２ｍｍ〜５ｍｍであることがより好ましい。
【００８３】
既述の通り、Ｂｉを主成分とするハンダ材料は、Ｃｕ層との界面においては、冷熱サイクルによる不要な生成物を発生させることがないので、放熱板としてＣｕ層４４／Ｍｏ層４２／Ｃｕ層４６で構成される積層体を有するパワー半導体モジュールは、温度変化に対しても耐性が高くなる。
【００８４】
第二接合部６０の接合材料として、Ｂｉを主成分とするハンダ材料を適用する場合には、Ｃｕ層４４の表面にはＰｄ及びＮｉの少なくとも一方を含む薄膜４８が形成される。
【００８５】
ここで、図１のパワー半導体モジュール１０では、第一接合部５０及び第二接合部６０に、Ｂｉを主成分とするハンダ材料を適用する場合として、第一接合部５０に接する面にはＰｄ及びＮｉの少なくとも一方を含む薄膜２４、３８を、第一接合部６０に接する面にはＰｄ及びＮｉの少なくとも一方を含む薄膜３９、４８を備えるよう図示したが、第一接合部５０及び第二接合部６０のいずれか一方には、Ｂｉを主成分とするハンダ材料を適用しない場合には、その接合面にはＰｄ及びＮｉの少なくとも一方を含む薄膜は形成しなくてもよい。
また、Ｂｉを主成分とするハンダ材料以外の材料で第一接合部５０又は第二接合部６０を接合する場合には、そのハンダ材料に適した薄膜を形成してもよい。
【００８６】
＜パワー半導体モジュールの製造方法＞
本発明にかかるパワー半導体モジュールは、上記構成を有するものであれば、製造方法について特に制限されず、公知の方法を適宜適用することができる。
製造手順としては、（１）まず、パワー半導体素子２０と絶縁部３０とを第一接合部５０によって接合し、次に、パワー半導体素子２０を備えた絶縁部３０と放熱板４０とを第二接合部６０によって接合してもよいし、（２）まず先に、絶縁部３０と放熱板４０とを第二接合部６０によって接合し、その後、パワー半導体素子２０と放熱板４０を備えた絶縁部３０とを第一接合部５０によって接合してもよい。
【００８７】
具体的には、例えば、第一接合部５０にＢｉを主成分とするハンダ材料を適用して、パワー半導体素子２０と絶縁部３０とを接合する方法としては、パワー半導体素子２０／Ｂｉを主成分とするハンダ材料（第一接合部）５０／絶縁部３０をこの順に積層した状態で、不活性ガス又は還元ガス雰囲気下において、リフロー法等を利用して接合する。このとき、第一接合部５０に接する面側の、パワー半導体素子２０と絶縁部３０の表面には、Ｐｄ又はＮｉの薄膜が設けられ、さらにその内側にはＣｕ層が設けられている。
【００８８】
接合温度は、Ｂｉを主成分とするハンダ材料の融点よりも３０℃〜６０℃程度以上高い温度で行うことが好ましい。具体的には、２７０℃〜６００℃の接合温度とすることが、接合を確実に行い、且つ半導体素子の破壊を防ぐという観点から好ましく、３００℃〜４５０℃の接合温度であることがより好ましい。
【００８９】
接合の加熱によって、ハンダ浴中にＰｄやＮｉは取り込まれることが望ましく、この場合、接合後にはＰｄ又はＮｉの薄膜が残存しない。
接合後の第一接合部５０の層の厚さは、熱伝導及び熱応力の観点から５〜５００μｍであることが好ましく、１０〜２００μｍであることがより好ましい。
なお、Ｂｉを主成分とするハンダ材料は、インゴット状の鋳塊から切り出すと酸化膜が生成するので、研磨及び酸洗浄を利用して酸化膜を除去することが好適である。
【００９０】
ここで、Ｂｉの濡れ拡がる状態について説明する。
図２（Ａ）に示すように、第一接合部５０にＢｉを主成分とするハンダ材料を適用して、パワー半導体素子２０と絶縁部３０とを接合する場合、本発明においてはＢｉの濡れ性が向上しているため、図２（Ｂ）に示すように、接合の加熱によってハンダ材料が均一に濡れ拡がる。このとき、通常、パワー半導体素子の接合面よりも、絶縁基板の接合面の方が大きいため、ハンダ材料はフィレットと呼ばれる裾拡がりの形状となる。このような接合形状であっても均一に接合しているのであれば問題ないが、フィレットの拡がりを抑制する方法としては、以下の方法を例示することができる。
【００９１】
例えば、図３（Ａ）（Ｂ）に示すように絶縁基板に設けるＰｄ又はＮｉ薄膜３８の面積を絶縁基板の接合面よりも小さくする方法が挙げられる。この方法では、絶縁基板上にマスキングシートなどを貼ってメッキしたり、開口部を有するマスク部材を装着してスパッタリングしたりすることで、マスクの開口部分のみにＰｄ又はＮｉの薄膜を形成できるので、簡易な方法でハンダ材料の濡れ拡がる面積を制御することができる。このように、本発明では濡れ性に最も影響のある界面の状態を直接的に変えているため、ハンダ材料の濡れ拡がる範囲を制御することも容易である。
一方、従来のように、ハンダ材料自身の濡れ性を向上させるために、ハンダ材料に他の物質を添加するという方法では、濡れ性に直接影響を及ぼす界面のみならず、ハンダ材料全体も改質されているので、ハンダ材料が濡れ拡がる範囲を制御することは、本発明に比べて困難である。
【００９２】
但し、従来の方法であっても、図４（Ａ）（Ｂ）に示すように、ハンダ材料の拡がりを抑止する部分にレジスト７０等をパターニングしておくことで、ハンダ材料の濡れ拡がりを制御することができる。接合後に不要なレジストを除去することも可能であり、耐熱性の高いレジストの場合には、そのまま残存させておいてもよい。この方法は、本発明の接合体の製造方法にも適用することができる。
【００９３】
以上では、第一接合部５０の接合方法について詳細に説明したが、第二接合部６０についても同様の方法で接合することができる。
具体的には、第二接合部６０による接合では、第一接合部５０によってパワー半導体素子２０と接合した絶縁部３０／第二接合部６０のハンダ材料／放熱板４０の順に積層した状態で、第一接合部５０による接合と同様に、不活性ガス又は還元ガス雰囲気下において、リフロー法等を利用して接合する。接合温度は、第二接合部６０材料の融点よりも３０℃〜６０℃程度高い温度で行うことが好ましい。
【００９４】
ここで、第二接合部６０にＢｉを主成分とするハンダ材料を適用する場合には、第二接合部６０に接する面側の、絶縁部３０と放熱板４０の表面には、Ｐｄ又はＮｉの薄膜３９及び４８がそれぞれ設けられ、さらにその外側にはＣｕ層３６、４４がそれぞれ設けられている。
第二接合部６０の厚さは、熱伝導及び熱応力の観点から５〜４００μｍであることが好ましく、１０〜３００μｍであることがより好ましい。
【００９５】
第一接合部５０と第二接合部６０の二箇所をハンダによって接合する場合、第一接合部５０を先に接合し次に第二接合部６０を接合してもよいし、第二接合部６０を先に接合し他後、第一接合部５０を接合してもよいが、いずれにしても２回目のハンダ付けの温度が、１回目に用いたハンダ材料の融点よりも高いと、２回目のハンダ付けの際に１回目にハンダ付けした部分が溶融して、位置ずれを起こしたり傾斜したりといった不具合を発生させてしまう。
この問題を回避するため、一般的に、１回目に用いるハンダ材料の融点は、２回目に用いるハンダ材料の融点よりも高くなるように、ハンダの材料を選択している。好適には、２回目の接合に用いるハンダ材料の融点は、１回目の接合に用いるハンダ材料の融点よりも５０℃以上低いことが望ましい。
【００９６】
つまり１回目の接合に、Ｂｉを主成分とするハンダ材料を適用した場合、Ｂｉを主成分とするハンダ材料の溶融温度は２７０℃前後であるので、２回目の接合に用いるハンダ材料は、Ｂｉを主成分とするハンダ材料が溶融しない程度の温度、約２２０℃程度以下の溶融温度を有するものとすることが好ましい。しかし、パワー半導体からの発熱を考慮すると、２回目の接合に用いるハンダ材料の溶解温度は２００℃以上であることが望ましい。
一方、２回目の接合に、Ｂｉを主成分とするハンダ材料を適用した場合には、１回目の接合に用いるハンダ材料は、３２０℃程度以上の溶解温度を有するものであることが好ましい。
【００９７】
＜その他の接合体＞
以上では、本発明の接合体として、パワー半導体モジュールを例に説明を行ったが、被接合部材としては、パワー半導体モジュールの各構成部品に限定されず、リフロー炉を用いて行うハンダ実装や、フロー炉を用いて溶接するときに被接合体にＮｉやＰｄの薄膜をＣｕ膜の表面に施して用いるハンダ実装などの様々な部品を適用することができる。
【００９８】
パワー半導体モジュールの場合には、過酷な冷熱サイクルに晒されるため、この冷熱サイクルによって不要な反応生成物が発生することを考慮して、濡れ性向上のために付設されたＰｄ層又はＮｉ層は、接合後には消失していることが望ましいが、このような冷熱サイクルに晒されないような接合体の場合には、不要な反応生成物が発生しないこともあるのでＰｄ層又はＮｉ層が接合後に消失してなくてもよい場合がある。
つまり、パワー半導体モジュール以外の接合体であっても、Ｐｄ層又はＮｉ層は接合後に消失していることが望ましいが、必ずしもＰｄ層又はＮｉ層が接合後に消失していなくてもよい。
【００９９】
また、パワー半導体モジュール以外の接合体であっても、Ｂｉを主成分とするハンダ材料によって接合する接合部分が１箇所のみでもよいし、２箇所以上であってもよい。
【実施例】
【０１００】
以下では実施例により本発明を説明する。以下、実施例では、パワー半導体モジュールの一部分、詳細にはパワー半導体素子と絶縁部とを接合した接合体の製造方法の一例について述べるものであり、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【０１０１】
［実施例１］
図５（Ａ）に実施例１の接合体を作製するための各部材の構成を示す。
【０１０２】
＜パワー半導体素子の準備＞
ＧａＮを用いたパワー半導体素子２０（面積１ｃｍ２程度）を準備し、その最表面にＣｕ層２２をスパッタリングで形成した。Ｃｕ層２２の表面には、膜厚５０ｎｍのＰｄ層８０をスパッタリングにより形成した。
【０１０３】
＜絶縁部の準備＞
一方、絶縁基板３２としてのＡｌＮの両面にロウ付けによってＣｕ層３４、３６を貼り付け、Ｃｕ層３４／ＡｌＮ層３２／Ｃｕ層３６の積層体を作製した。更にこの積層体のパワー半導体素子側のＣｕ層３４の表面にＰｄ層８１をメッキにより形成し、絶縁部３０（面積３ｃｍ２程度）を作製した。Ｐｄ層８１の膜厚は、５０ｎｍであった。なお、メッキの際には、メッキしない面はマスキングシートなどを貼って保護した。
【０１０４】
＜Ｂｉ−ＣｕＡｌＭｎの調製＞
まず、ＣｕＡｌＭｎ合金の調製を行った。
所定の重量％に調整されたＣｕとＡｌとＭｎを、Ａｒ雰囲気下において高周波溶解炉を利用して溶解し、前駆体であるＣｕＡｌＭｎのインゴットを得た。得られたインゴットをアトマイズ法を利用して微粉化した。
微粉化したＣｕＡｌＭｎは、滴下法を利用して、その粉末表面にＮｉをめっきした。
【０１０５】
次に、表面がＮｉめっきされたＣｕＡｌＭｎ粉末とＢｉとを、透明石英管に真空封入し、Ｂｉの融点以上である４００℃の温度にて５分間保持した。これにより、Ｂｉが溶融状態となり、ＣｕＡｌＭｎ粉末が均一に分散された。分散された試料を冷却凝固することによって、ハンダ材料であるＢｉ−ＣｕＡｌＭｎが得られた。
【０１０６】
鋳塊のＢｉ−ＣｕＡｌＭｎを放電加工法を利用して、４ｍｍ角程度の大きさに切り出しタブレット状のＢｉ−ＣｕＡｌＭｎ５２を得た。切り出されたＢｉ−ＣｕＡｌＭｎ層の表面を覆っている酸化膜を、研磨及び酸洗浄を利用して除去した。
【０１０７】
＜第一接合部の接合＞
上記準備したパワー半導体素子２０のＰｄ層８０と、絶縁部３０のＰｄ層８１とを対向するように配置し、その間にタブレット状のＢｉ−ＣｕＡｌＭｎ５２を挟み込んだ状態で、５％Ｈ２／Ｎ２の還元ガス雰囲気下においてリフロー法を利用して、４００℃の接合温度で接合し、本発明の接合体−１を得た。
【０１０８】
［実施例２］
図５（Ｂ）に実施例２の接合体を作製するための各部材の構成を示す。
【０１０９】
＜パワー半導体素子の準備＞
実施例１のパワー半導体素子の準備において、Ｃｕ層２２の表面に、膜厚５０ｎｍのＰｄ層８０をスパッタリングにより形成したところを、電子ビーム蒸着により膜厚５０ｎｍのＮｉ層８２を形成した以外は同様にして、パワー半導体素子を準備した。
【０１１０】
＜絶縁部の準備＞
実施例１の絶縁部の準備において、Ｃｕ層３４の表面に膜厚５０ｎｍのＰｄ層８１をメッキにより形成したところを、膜厚５０ｎｍのＮｉ層８３をメッキにより形成した以外は同様にして、絶縁部を準備した。
【０１１１】
＜第一接合部の接合＞
準備したパワー半導体素子と絶縁部とを、実施例１と同様の方法によって接合し、本発明の接合体−２を作製した。
【０１１２】
［比較例１］
図６（Ａ）に比較例１の接合体を作製するための各部材の構成を示す。
【０１１３】
＜パワー半導体素子の準備＞
実施例１のパワー半導体素子の準備において、Ｃｕ層２２の表面に、膜厚５０ｎｍのＰｄ層８０をスパッタリングにより形成したところを、スパッタリングにより膜厚５０ｎｍのＡｕ層８４を形成した以外は同様にして、パワー半導体素子を準備した。
【０１１４】
＜絶縁部の準備＞
実施例１の絶縁部の準備において、Ｃｕ層３４の表面に膜厚５０ｎｍのＰｄ層８１をメッキにより形成したところを、膜厚５０ｎｍのＡｕ層８５をメッキにより形成した以外は同様にして、絶縁部を準備した。
【０１１５】
＜第一接合部の接合＞
準備したパワー半導体素子と絶縁部とを、実施例１と同様の方法によって接合し、比較の接合体−１を作製した。
【０１１６】
［比較例２］
図６（Ｂ）に比較例２の接合体を作製するための各部材の構成を示す。
【０１１７】
＜パワー半導体素子の準備＞
実施例１のパワー半導体素子の準備において、Ｃｕ層２２の表面に、膜厚５０ｎｍのＰｄ層をスパッタリングにより形成したところを、Ｃｕ層２２の表面には何も形成せずに、これ以外は実施例１と同様にして、パワー半導体素子を準備した。
【０１１８】
＜絶縁部の準備＞
実施例１の絶縁部の準備において、Ｃｕ層３４の表面に膜厚５０ｎｍのＰｄ層８１をメッキにより形成したところを、Ｃｕ層３４の表面には何も形成せずに、これ以外は実施例１と同様にして、絶縁部を準備した。
【０１１９】
＜第一接合部の接合＞
準備したパワー半導体素子と絶縁部とを、実施例１と同様の方法によって接合し、比較の接合体−２を作製した。
【０１２０】
［実施例３］
＜Ｃｕを含有するＢｉの調製＞
Ｂｉに対して１質量％のＣｕをＡｒ雰囲気下で高周波溶解炉によって溶解し、前駆体であるＢｉ−Ｃｕ合金インゴットを作製した。得られたインゴットを２５０℃の熱間圧延を施し、板材とし、ハンダ片として切り出した。切り出されたＢｉ−Ｃｕ層の表面を覆っている酸化膜を、研磨及び酸洗浄を利用して除去した。
【０１２１】
＜接合体の作製＞
実施例１において、ハンダ材料としてＢｉ−ＣｕＡｌＭｎ５２を用いたところを、上記調製のＢｉ−Ｃｕに変更した以外は同様にして、本発明の接合体−３を作製した。
同様に、実施例２において、ハンダ材料としてＢｉ−ＣｕＡｌＭｎを用いたところを、Ｂｉ−Ｃｕに変更した以外は同様にして、本発明の接合体−４を作製した。
【０１２２】
［比較例３］
比較例１において、ハンダ材料としてＢｉ−ＣｕＡｌＭｎを用いたところを、実施例３で調製したＢｉ−Ｃｕに変更した以外は同様にして、比較の接合体−３を作製した。
【０１２３】
作製した接合体の構成を下記表１にまとめた。
【０１２４】
【表１】
2008072006.tif 000003
【０１２５】
＜濡れ拡がりの評価＞
得られた本発明の接合体−１〜４、比較の接合体−１〜３を切断・研磨し、断面を電子顕微鏡にて観察した。
【０１２６】
その結果、Ｃｕ層の表面にＰｄ層を形成した本発明の接合体−１，３及びＮｉ層を形成した接合体−２，４に関しては、溶融前のハンダ材料のサイズが４ｍｍ角程度であったにも拘らず、１０ｍｍ角以上に濡れ拡がり、かつ緻密な接合になっていた。
更に、本発明の接合体−１〜４では、Ｃｕ層とＢｉを主成分とするハンダ材料との界面には、Ｐｄ又はＮｉは残存しておらず、ハンダ浴中に取り込まれたと推測されるような様子が観察された。
なお、ハンダ材料として、Ｂｉ−ＣｕＡｌＭｎを用いた場合と、Ｂｉ−Ｃｕを用いた場合とでは、ほぼ同様の結果となった。
【０１２７】
一方、Ｃｕ層の表面にＡｕ層を形成した比較の接合体−１，３、及びＣｕ層の表面に何も形成しなかった比較の接合体−２については、Ｂｉを主成分とするハンダ材料は溶融し接合はされたものの、接合されたのは、試料中央付近の数ｍｍ角の部分だけで、その周辺部分は全く接合されていなかった。
【図面の簡単な説明】
【０１２８】
【図１】本発明の接合体の一例であるパワー半導体モジュール１０の構成を示す図である。
【図２】本発明の接合体の一例であるパワー半導体モジュールの製造方法を説明する図である。
【図３】Ｂｉを主成分とするハンダ材料について、濡れ拡がりの制御方法の一例を示す図であり、（Ａ）は接合前の状態を説明する図であり、（Ｂ）は接合後の状態を説明する図である。
【図４】Ｂｉを主成分とするハンダ材料について、濡れ拡がりの制御方法の他の一例を示す図であり、（Ａ）は接合前の状態を説明する図であり、（Ｂ）は接合後の状態を説明する図である。
【図５】図５（Ａ）は、実施例１の接合体を構成する部材を示し、（Ｂ）に実施例２の接合体を構成する部材を示す。
【図６】図６（Ａ）は、比較例１の接合体を構成する部材を示し、（Ｂ）に比較例２の接合体を構成する部材を示す。
【符号の説明】
【０１２９】
１０  パワー半導体モジュール
２０  パワー半導体素子
２２  Ｃｕ層
２４  Ｐｄ層又はＮｉ層
３０  絶縁部
３２  絶縁基板
３４、３６  導電層
３８  Ｐｄ層又はＮｉ層
３９  Ｐｄ層又はＮｉ層
４０  放熱板
４２  Ｍｏ層
４４、４６  Ｃｕ層
５０  第一接合部
５２  Ｂｉ−ＣｕＡｌＭｎ
６０  第二接合部
８０、８１  Ｐｄ層
８２、８３  Ｎｉ層
８５  Ａｕ層
【図１】
2008072006.tif 000004
【図２】
2008072006.tif 000005
【図３】
2008072006.tif 000006
【図４】
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【図５】
2008072006.tif 000008
【図６】
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