(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する第１表面および第２表面を有する第１パワー素子、ならびに、対向する第３表面および第４表面を有する第２パワー素子を含む半導体素子と、
前記第１パワー素子の前記第１表面に接合された第１導体板を含む第１放熱板と、
前記第１導体板と距離を隔てられて前記第２パワー素子の前記第３表面に接合された第２導体板を含む第２放熱板と、
前記第１パワー素子の前記第２表面に接合されて前記第１パワー素子に電気的に接続される第１配線部材、および、前記第１導体板に接合されるとともに前記第２パワー素子の前記第４表面に接合されて前記第２パワー素子に電気的に接合される第２配線部材を含む導体部と、
前記第１パワー素子の前記第１表面と前記第１導体板とを接合する第１接合材、前記第１パワー素子の前記第２表面と前記第１配線部材とを接合する第２接合材、前記第１導体板と前記第２配線部材とを接合する第３接合材、前記第２パワー素子の前記第３表面と前記第２導体板とを接合する第４接合材、および、前記第２パワー素子の前記第４表面と前記第２配線部材とを接合する第５接合材を含む接合材と、
前記半導体素子、前記導体部、前記第１放熱板および前記第２放熱板を封止する封止材と
を有し、
前記接合材は、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）および銀（Ａｇ）から選ばれる少なくともいずれかの金属と、スズ（Ｓｎ）との金属間化合物を含み、
前記第２接合材は、
前記第１パワー素子の前記第２表面と前記第１配線部材との間に介在し、前記第１パワー素子の前記第２表面側に接合されている部分と前記第１配線部材側に接合されている部分とが同一形状である薄板状の第１部と、
前記第１配線部材に形成された第１貫通孔に充填されて前記第１部に繋がる第２部と
を備え、
前記第３接合材は、
前記第１導体板と前記第２配線部材との間に介在し、前記第１導体板側に接合されている部分と前記第２配線部材側に接合されている部分とが同一形状である薄板状の第３部と、
前記第２配線部材に形成された第２貫通孔に充填されて前記第３部に繋がる第４部と
を備え、
前記第５接合材は、
前記第２パワー素子の前記第４表面と前記第２配線部材との間に介在し、前記第２パワー素子の前記第４表面側に接合されている部分と前記第２配線部材側に接合されている部分とが同一形状である薄板状の第５部と、
前記第２配線部材に形成された第３貫通孔に充填されて前記第５部に繋がる第６部と
を備えた、パワー半導体装置。
【請求項２】
前記半導体素子は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、ダイオードおよび電界効果トランジスタの少なくともいずれかを含む、請求項１記載のパワー半導体装置。
【請求項３】
前記第１放熱板および前記第２放熱板は、絶縁金属層および絶縁基板のいずれかを含む、請求項１または２に記載のパワー半導体装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載されたパワー半導体装置の製造方法であって、
第１導体板を含む第１放熱板および第２導体板を含む第２放熱板を用意する工程と、
第１パワー素子および第２パワー素子を含む半導体素子を用意する工程と、
前記第１導体板にペースト状の第１接合材とペースト状の第３接合材第３部とを塗布し、前記第２導体板にペースト状の第４接合材を塗布する工程と、
前記第１接合材の上に前記第１パワー素子を載置し、前記第４接合材の上に前記第２パワー素子を載置する工程と、
前記第１パワー素子にペースト状の第２接合材第１部を塗布し、前記第２パワー素子にペースト状の第５接合材第５部を塗布する工程と、
第１貫通孔が形成された第１配線部材と、第２貫通孔および第３貫通孔が形成された第２配線部材とを用意する工程と、
前記第１貫通孔に前記第２接合材第１部が露出する態様で、前記第１配線部材を前記第２接合材第１部の上に載置して、前記第１配線部材を保持し、前記第２貫通孔に前記第３接合材第３部が露出するとともに、前記第３貫通孔に前記第５接合材第５部が露出する態様で、前記第２配線部材を前記第３接合材第３部と前記第５接合材第５部との上に載置して、前記第２配線部材を保持し、前記第１配線部材と前記第２配線部材とに、１ＭＰａ以下の圧力を加える工程と、
前記第２接合材第１部に達する態様で、前記第１貫通孔にペースト状の第２接合材第２部を充填塗布し、前記第３接合材第３部に達する態様で、前記第２貫通孔にペースト状の第３接合材第４部を充填塗布するとともに、前記第５接合材第５部に達する態様で、前記第３貫通孔にペースト状の第５接合材第６部を充填塗布する工程と、
前記第１接合材、前記第２接合材第１部、前記第２接合材第２部、前記第３接合材第３部、前記第３接合材第４部、前記第４接合材、前記第５接合材第５部および前記第５接合材第６部に、熱処理を施す工程と、
前記半導体素子、前記第１放熱板、前記第２放熱板、前記第１配線部材および前記第２配線部材を金型に配置する工程と、
前記金型内に封止材を充填することによって、前記半導体素子、前記第１放熱板、前記第２放熱板、前記第１配線部材および前記第２配線部材を封止する工程と、
前記封止材によって封止された、前記半導体素子、前記第１放熱板、前記第２放熱板、前記第１配線部材および前記第２配線部材を、前記金型から取り出す工程と
を有し、
前記第１接合材、前記第２接合材第１部、前記第２接合材第２部、前記第３接合材第３部、前記第３接合材第４部、前記第４接合材、前記第５接合材第５部および前記第５接合材第６のそれぞれを塗布する工程では、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）および銀（Ａｇ）から選ばれる少なくともいずれかの金属の粒子と、スズ（Ｓｎ）の粒子とを含む材料が用いられ、
前記熱処理を施す工程では、前記いずれかの金属と前記スズ（Ｓｎ）との金属間化合物が形成される、パワー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、パワー半導体装置およびその製造方法に関し、特に、電力の制御に用いられるパワー半導体装置と、そのパワー半導体装置の製造方法とに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
パワー半導体装置は、産業機器、モータを備えた家電の駆動制御機器、電気自動車、ハイブリッド自動車向けの車載制御機器、鉄道制御機器および太陽光発電の制御機器等に用いられている。このため、パワー半導体装置には、高い電力に対応することが求められている。パワー半導体装置を開示した特許文献の例として、特許文献１、特許文献２および特許文献３がある。
【０００３】
近年、環境規制が高まるにしたがい、パワー半導体装置には、さらに、環境問題に配慮した高い効率と省エネルギー化が求められている。特に、車載制御機器または鉄道制御機器では、省エネルギー化の観点および電気エネルギーの変換に伴う損失を抑える観点から、パワー半導体装置は、高負荷の環境下（高温度の環境下）において用いられるようになっている（高Ｔｊ化）。
【０００４】
このため、パワー半導体装置には、高温度の環境下においても、損失を抑えるとともに、高い効率をもって動作することが求められている。具体的には、これまでのパワー半導体装置の通常の動作温度は、Ｔｊ＝１２５℃以下、または、Ｔｊ＝１５０℃以下であったのに対して、今後は、Ｔｊ＝１７５℃以上、または、Ｔｊ＝２００℃以上の高温の環境下において、パワー半導体装置を動作させることが想定されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−０２４４４３号公報
【特許文献２】特開２０１２−１７８５１３号公報
【特許文献３】特開２０１３−２２０４７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
パワー半導体装置（半導体モジュール）には、高温の環境下において動作させるために、パワー半導体装置の材料と構造とについて、見直しが検討されている。特に、高温の環境下では、パワー半導体装置における半導体素子と配線部材等との接合強度が求められている。Ｓｎをベースにしたはんだによって半導体素子と配線部材等とが接合されたパワー半導体装置の場合、高温度の環境下では、半導体素子と配線部材等との接合部分の耐久性に問題があった。
【０００７】
本発明は、そのような開発の一環としてなされたものであり、その目的は、半導体素子と配線部材等との接合強度が改善されるパワー半導体装置を提供することであり、他の目的は、そのようなパワー半導体装置の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係るパワー半導体装置は、半導体素子と第１放熱板と第２放熱板と導体部と接合材と封止材とを有する。半導体素子は、対向する第１表面および第２表面を有する第１パワー素子、ならびに、対向する第３表面および第４表面を有する第２パワー素子を含む。第１放熱板は、第１パワー素子の前記第１表面に接合された第１導体板を含む。第２放熱板は、第１導体板と距離を隔てられて第２パワー素子の第３表面に接合された第２導体板を含む。導体部は、第１パワー素子の第２表面に接合されて第１パワー素子に電気的に接続される第１配線部材、および、第１導体板に接合されるとともに第２パワー素子の第４表面に接合されて第２パワー素子に電気的に接合される第２配線部材を含む。接合材は、第１パワー素子の第１表面と第１導体板とを接合する第１接合材、第１パワー素子の第２表面と第１配線部材とを接合する第２接合材、第１導体板と第２配線部材とを接合する第３接合材、第２パワー素子の第３表面と第２導体板とを接合する第４接合材、および、第２パワー素子の第４表面と第２配線部材とを接合する第５接合材を含む。封止材は、半導体素子、導体部、第１放熱板および第２放熱板を封止する。接合材は、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）および銀（Ａｇ）から選ばれる少なくともいずれかの金属と、スズ（Ｓｎ）との金属間化合物を含む。第２接合材は、第１部と第２部とを備えている。第１部は、第１パワー素子の第２表面と第１配線部材との間に介在し、第１パワー素子の第２表面側に接合されている部分と第１配線部材側に接合されている部分とが同一形状である薄板状である。第２部は、第１配線部材に形成された第１貫通孔に充填されて第１部に繋がっている。第３接合材は、第３部と第４部とを備えている。第３部は、第１導体板と第２配線部材との間に介在し、第１導体板側に接合されている部分と第２配線部材側に接合されている部分とが同一形状である薄板状である。第４部は、第２配線部材に形成された第２貫通孔に充填されて第３部に繋がっている。第５接合材は、第５部と第６部とを備えている。第５部は、第２パワー素子の第４表面と第２配線部材との間に介在し、第２パワー素子の第４表面側に接合されている部分と第２配線部材側に接合されている部分とが同一形状である薄板状である。第６部は、第２配線部材に形成された第３貫通孔に充填されて第５部に繋がっている。
【０００９】
本発明に係るパワー半導体装置の製造方法は、上記パワー半導体装置の製造方法であって、以下の工程を備えている。第１導体板を含む第１放熱板および第２導体板を含む第２放熱板を用意する。第１パワー素子および第２パワー素子を含む半導体素子を用意する。第１導体板にペースト状の第１接合材とペースト状の第３接合材第３部とを塗布し、第２導体板にペースト状の第４接合材を塗布する。第１接合材の上に第１パワー素子を載置し、第４接合材の上に第２パワー素子を載置する。第１パワー素子にペースト状の第２接合材第１部を塗布し、第２パワー素子にペースト状の第５接合材第５部を塗布する。第１貫通孔が形成された第１配線部材と、第２貫通孔および第３貫通孔が形成された第２配線部材とを用意する。第１貫通孔に第２接合材第１部が露出する態様で、第１配線部材を第２接合材第１部の上に載置して、第１配線部材を保持し、第２貫通孔に第３接合材第３部が露出するとともに、第３貫通孔に第５接合材第５部が露出する態様で、第２配線部材を第３接合材第３部と第５接合材第５部との上に載置して、第２配線部材を保持し、第１配線部材と第２配線部材とに、１ＭＰａ以下の圧力を加える。第２接合材第１部に達する態様で、第１貫通孔にペースト状の第２接合材第２部を充填塗布し、第３接合材第３部に達する態様で、第２貫通孔にペースト状の第３接合材第４部を充填塗布するとともに、第５接合材第５部に達する態様で、第３貫通孔にペースト状の第５接合材第６部を充填塗布する。第１接合材、第２接合材第１部、第２接合材第２部、第３接合材第３部、第３接合材第４部、第４接合材、第５接合材第５部および第５接合材第６部に、熱処理を施す。半導体素子、第１放熱板、第２放熱板、第１配線部材および第２配線部材を金型に配置する。金型内に封止材を充填することによって、半導体素子、第１放熱板、第２放熱板、第１配線部材および第２配線部材を封止する。封止材によって封止された、半導体素子、第１放熱板、第２放熱板、第１配線部材および第２配線部材を、金型から取り出す。第１接合材、第２接合材第１部、第２接合材第２部、第３接合材第３部、第３接合材第４部、第４接合材、第５接合材第５部および第５接合材第６部のそれぞれを塗布する工程では、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）および銀（Ａｇ）から選ばれる少なくともいずれかの金属の粒子と、スズ（Ｓｎ）の粒子とを含む材料が用いられる。熱処理を施す工程では、いずれかの金属とスズ（Ｓｎ）との金属間化合物が形成される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係るパワー半導体装置によれば、第１パワー素子と第１導体板とを接合する第１接合材、第１パワー素子と第１配線部材とを接合する第２接合材、第１導体板と第２配線部材とを接合する第３接合材、第２パワー素子と第２導体板とを接合する第４接合材、および、第２パワー素子と第２配線部材とを接合する第５接合材を含む接合材が、金属間化合物を含む。また、第２接合材が、第１パワー素子の第２表面と第１配線部材との間に介在する第１部と、第１配線部材を貫通して第１部に繋がっている第２部とを備えている。第３接合材が、第１導体板と第２配線部材との間に介在する第３部と、第２配線部材を貫通して第３部に繋がる第４部とを備えている。第５接合材が、第２パワー素子の第４表面と第２配線部材との間に介在する第５部と、第２配線部材を貫通して第５部に繋がる第６部とを備えている。これにより、第１パワー素子および第２パワー素子のそれぞれと放熱板との接合強度を向上させることができるとともに、第１パワー素子と第１配線部材との接合強度を向上させることができる。また、第２パワー素子と第２配線部材との接合強度を向上させることができるとともに、放熱板と第２配線部材との接合強度を向上させることができる。
【００１１】
本発明に係るパワー半導体装置の製造方法によれば、第１パワー素子と第１導体板とを接合する第１接合材、第１パワー素子と第１配線部材とを接合する第２接合材第１部および第２接合材第２部、第２配線部材と第１導体板とを接合する第３接合材第３部および第３接合材第４部、第２パワー素子と第２導体板とを接合する第４接合材、ならびに、第２パワー素子と第２配線部材とを接合する第５接合材第５部および第５接合材第６部に、熱処理を施すことによって金属間化合物が形成される。これにより、第１パワー素子および第２パワー素子のそれぞれと放熱板との接合強度、第１パワー素子と第１配線部材との接合強度、第２パワー素子と第２配線部材との接合強度、および、放熱板と第２配線部材との接合強度をそれぞれ向上させたパワー半導体装置を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態１に係るパワー半導体装置の部分平面図である。
【図２】同実施の形態において、図１に示す断面線ＩＩ−ＩＩにおける断面図である。
【図３】同実施の形態において、パワー半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図４】同実施の形態において、図３に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。
【図５】同実施の形態において、図４に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。
【図６】同実施の形態において、図５に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。
【図７】同実施の形態において、図６に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。
【図８】同実施の形態において、図７に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。
【図９】同実施の形態において、図８に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。
【図１０】実施の形態２に係るパワー半導体装置の部分平面図である。
【図１１】同実施の形態において、図１０に示す断面線ＸＩ−ＸＩにおける断面図である。
【図１２】同実施の形態において、パワー半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図１３】同実施の形態において、図１２に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。
【図１４】同実施の形態において、図１３に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。
【図１５】同実施の形態において、図１４に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。
【図１６】同実施の形態において、図１５に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。
【図１７】同実施の形態において、図１６に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１
実施の形態１に係るパワー半導体装置について説明する。図１および図２に示すように、パワー半導体装置１では、半導体素子１１が放熱板３に搭載されている。半導体素子１１には、配線部材１５ａおよび配線部材１５ｂが接続されている。半導体素子１１、放熱板３および配線部材１５ａ、１５ｂは、モールド樹脂１７によって封止されている。
【００１４】
パワー半導体装置１の構造について、より詳しく説明する。ここでは、半導体素子１１の例として、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）１１ａおよびダイオード１１ｂを示す。ＩＧＢＴ１１ａおよびダイオード１１ｂは、たとえば、一辺の長さが約７ｍｍ〜１５ｍｍ程度の矩形のシリコン（Ｓｉ）またはシリコンカーバイド（ＳｉＣ）から形成されている。
【００１５】
ＩＧＢＴ１１ａおよびダイオード１１ｂのそれぞれの表面と裏面には、電極が形成されている。電極は、アルミニウム（Ａｌ）またはアルミニウムシリコン（ＡｌＳｉ）から形成されている。電極の表面には、被覆層として、チタンニッケル金（Ｔｉ−Ｎｉ−Ａｕ）膜が形成されている。
【００１６】
ＩＧＢＴ１１ａの裏面には、コレクタ電極（図示せず）が形成されている。ＩＧＢＴ１１ａの表面には、ゲート電極およびエミッタ電極（いずれも図示せず）が形成されている。ダイオード１１ｂの裏面には、アノード電極（図示せず）が形成されている。ダイオード１１ｂの表面には、カソード電極（図示せず）が形成されている。
【００１７】
放熱板３は、金属板５と絶縁金属層７とにより形成されている。金属板５の熱伝導率は、比較的高く、約４００Ｗ／ｍ・ｋ程度とされる。金属板５の電気抵抗率は、比較的低く、約２μΩ・ｃｍ程度とされる。金属板５は、たとえば、銅または銅合金等の金属から形成されている。金属板５の厚さは、たとえば、約３〜５ｍｍ程度とされる。
【００１８】
絶縁金属層７は、金属板５の裏面に固着されている。絶縁金属層７は、絶縁層と保護金属層との積層構造とされる。絶縁層として、たとえば、窒化ホウ素およびアルミナ等のフィラーを混入させたエポキシ樹脂が適用されている。保護金属層として、比較的熱伝導性の高い、銅またはアルミニウムとの金属層が適用されている。絶縁層と保護金属層とは、互いに固着している。
【００１９】
ＩＧＢＴ１１ａのコレクタ電極が、接合材９によって金属板５に接合されている。ダイオード１１ｂのカソード電極が、接合材９によって金属板５に接合されている。ＩＧＢＴ１１ａのコレクタ電極とダイオード１１ｂのカソード電極とは、導電性の接合材９および金属板５を介して電気的に接続されている。
【００２０】
配線部材１５ａが、接合材１３によってＩＧＢＴ１１ａのエミッタ電極に接合されている。接合材１３は、接合材１３ａと接合材１３ｂとからなる。接合材１３ａは、ＩＧＢＴ１１ａと配線部材１５ａとの間に介在している。接合材１３ｂは、配線部材１５ａに形成された貫通孔１６ａに充填されている。接合材１３ｂは、接合材１３ａに達しており、接合材１３ａと繋がっている。また、配線部材１５ｂが、接合材１３によってＩＧＢＴ１１ａのゲート電極に接合されている。
【００２１】
さらに、配線部材１５ａは、接合材１３によってダイオード１１ｂのアノード電極に接合されている。接合材１３は、接合材１３ａと接合材１３ｂとからなる。接合材１３ａは、ダイオード１１ｂと配線部材１５ａとの間に介在する。接合材１３ｂは、配線部材１５ａに形成された貫通孔１６ｂに充填されている。接合材１３ｂは、接合材１３ａに達しており、接合材１３ａと繋がっている。ＩＧＢＴ１１ａのエミッタ電極とダイオード１１ｂのアノード電極とは、導電性の接合材１３および配線部材１５ａを介して電気的に接続されている。
【００２２】
また、金属板５には、配線部材１５ｃが導電性の接合材（図示せず）によって接合されている。配線部材１５ａ、配線部材１５ｂおよび配線部材１５ｃは、モールド樹脂１７から突出しており、たとえば、外部の機器（図示せず）と電気的に接続されている。ＩＧＢＴ１１ａおよびダイオード１１ｂは、外部から信号によって、オン動作とオフ動作とが制御される。
【００２３】
導電性の接合材９、１３は、金属の粒子を含むペースト状の材料に、熱処理（低温焼結）を施すことによって、接合材として機能する。熱処理では、ナノサイズ化による融点降下を利用した低温焼結が行われる。金属の粒子として、スズ（Ｓｎ）の粒子と、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）および銀（Ａｇ）から選ばれる少なくともいずれかの金属の粒子とを合せた金属の粒子が適用される。
【００２４】
金属の粒子の大きさは、たとえば、数十ｎｍ〜数十μｍ程度とされる。低温焼結によって、これらの金属による金属間化合物が形成されることになる。金属間化合物が形成されることで、十分な接合強度が得られる。また、接合材９、１３として、高い融点が得られ、高い耐熱性を確保することができる。低温焼結後の接合材９、１３の厚さは、たとえば、約５０μｍ程度とされる。
【００２５】
次に、上述したパワー半導体装置１の製造方法の一例について説明する。まず、図３に示すように、銅または銅合金等の金属から形成された所定サイズの金属板５を用意する。次に、図４に示すように、たとえば、スクリーン印刷法等によって、半導体素子が搭載される金属板５における領域に、接合材９が塗布される。低温焼結させる前では、この接合材９は、金属の粒子を含むペースト状の接合材である。
【００２６】
次に、図５に示すように、ペースト状の接合材９の上に、半導体素子１１（ＩＧＢＴ１１ａ、ダイオード１１ｂ）が載置される。次に、図６に示すように、たとえば、スクリーン印刷法等によって、配線部材が接合される半導体素子１１における領域に、接合材１３（１３ａ）が塗布される。低温焼結させる前では、この接合材１３も、金属の粒子を含むペースト状の接合材である。
【００２７】
次に、配線部材１５ａおよび配線部材１５ｂ等を用意する（図７参照）。配線部材１５ａには、貫通孔１６ａ、１６ｂが形成されている。次に、図７に示すように、配線部材１５ａおよび配線部材１５ｂ等を、接合材１３の上に載置し、固定治具（図示せず）によって保持する。このとき、たとえば、１ＭＰａ以下の圧力を加えることで、ペースト状の接合材９、１３からボイドの発生要因となる溶剤を押し出すことができる。
【００２８】
次に、図８に示すように、配線部材１５ａの貫通孔１６ａ、１６ｂに接合材１３（１３ｂ）を充填する。次に、たとえば、温度約２００℃〜３００℃のもとで、熱処理（低温焼結）を施す（液相拡散接合）。熱処理を施すことにより、含有する金属の粒子によって金属間化合物が形成される。熱処理後の接合材９、１３の耐熱温度は、約５００℃〜９００℃になる。
【００２９】
次に、図９に示すように、半導体素子１１および配線部材１５ａ等が接合された金属板５が、絶縁金属層７とともに下金型２１のキャビティ内に配置される。次に、上金型２３を配置し、下金型２１と上金型２３とで配線部材１５ａ、１５ｂを挟み込む。次に、下金型２１および上金型２３のキャビティ内に樹脂（図示せず）が注入される。樹脂の主な成分は、エポキシ樹脂とされる。金属板５、半導体素子１１および配線部材１５ａ等がモールド樹脂１７（図２参照）によって封止される。また、モールド樹脂１７によって、絶縁金属層７を金属板５に密着させることができる。
【００３０】
その後、下金型２１と上金型２３とが取り外されて、図２に示すように、モールド樹脂１７によって封止されたパワー半導体装置１が完成する。
【００３１】
上述したパワー半導体装置では、半導体素子１１と他の部材（金属板５、配線部材１５ａ等）とは、金属間化合物を含む接合材９、１３によって接合されることで、強固な接合強度が確保される。このことについて説明する。
【００３２】
一般的に、半導体素子の表面から、たとえば、外部の電極等への電気的な接続は、配線部材として、アルミニウム等の金属ワイヤを用いて行われており、金属ワイヤは、ワイヤボンディングによって半導体素子の表面に固相接合されている。半導体装置の中でもパワー半導体装置では、大電流をスイッチング制御し、動作電流として大電流が流れることになる。このため、パワー半導体装置では、複数の金属ワイヤが並列に接続されている。しかも、その金属ワイヤとして、線径が約５００μｍ程度の比較的太い金属ワイヤが使用されている。
【００３３】
ところが、このような手法では、電気容量的にも、接合部分の寿命においても限界が生じていた。パワー半導体装置の小型化が進むにしたがい、半導体素子のサイズも、小さくなる。このため、並列接続させる金属ワイヤの本数を増やすことは難しくなる。また、金属ワイヤの線径を太くすると、金属ワイヤを半導体素子の表面に接合させる際に、金属ワイヤを加圧して振動させる力を強める必要がある。このとき、この力が強くなり過ぎると半導体素子（半導体チップ）が破壊されるおそれがある。
【００３４】
さらに、パワー半導体装置では、パワー半導体装置の動作に伴って、配線ヒートサイクルとパワーサイクルが生じる。このため、パワー半導体装置は、その過酷な環境下に耐える必要がある。また、パワー半導体装置の仕様出力は、増大傾向にあり、たとえば、数百ボルトの出力、さらには、数千ボルトの出力が求められている。このため、配線の接合部には、大電流を流すことができること、電気抵抗を低くすることが求められている。さらには、過酷な環境下においても、接合部分の信頼性の向上と長寿命化が求められている。
【００３５】
上述したパワー半導体装置では、半導体素子１１と金属板５とは、接合材９によって接合されている。半導体素子１１と配線部材１５ａ等とは、接合材１３によって接合されている。その接合材９、１３では、所定の金属の粒子を含むペースト状の接合材を低温焼結させることによって、金属間化合物が形成されている。すなわち、スズ（Ｓｎ）と、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）および銀（Ａｇ）から選ばれる少なくともいずれかの金属との金属間化合物が形成されている。より具体的には、（Ｓｎ＋Ｃｕ）、（Ｓｎ＋Ｎｉ）、（Ｓｎ＋Ａｇ）、（Ｓｎ＋Ｃｕ＋Ｎｉ）、（Ｓｎ＋Ｃｕ＋Ａｇ）、（Ｓｎ＋Ｎｉ＋Ａｇ）、（Ｓｎ＋Ｃｕ＋Ｎｉ＋Ａｇ）の７種類の金属間化合物がある。
【００３６】
これにより、半導体素子１１と金属板５との接合強度を向上させることができるとともに、半導体素子１１と配線部材１５ａ等との接合強度を向上させることができる。特に、半導体素子１１と配線部材１５ａとでは、配線部材１５ａに形成された貫通孔１６ａ、１６ｂに充填された接合材１３ｂが、接合材１３ａと繋がっている。これにより、半導体素子１１と配線部材１５ａ等とを、より強固に接合することができる。
【００３７】
また、ペースト状の接合材を低温焼結（約２００℃〜３００℃程度）させた後では、金属間化合物が形成されることで、接合材９、１３の耐熱温度は、約５００℃〜９００℃程度になる。これにより、温度の高い環境下においてパワー半導体装置が使用される場合においても、接合材９、１３の接合強度を十分に確保することができる。
【００３８】
さらに、配線部材１５ａ等が、銅または銅合金から形成されていることで、電気抵抗率を比較的低い値に抑えることができる。さらに、半導体素子１１において発生した熱を、放熱板３とともに、配線部材１５ａ等からも放熱させることができる。
【００３９】
実施の形態２
実施の形態２に係るパワー半導体装置について説明する。図１０および図１１に示すように、パワー半導体装置１では、少なくとも２つの放熱板３ａ、３ｂが距離を隔てて配置されている。放熱板３ａおよび放熱板３ｂのそれぞれは、金属板５ａ、絶縁基板１９および金属板５ｂからなる。金属板５ａと金属板５ｂとの間に絶縁基板１９が介在する。
【００４０】
絶縁基板１９は、たとえば、エポキシ樹脂、窒化シリコン、窒化アルミニウムまたはアルミナ等から形成されている。また、絶縁基板１９の厚さは、約０．２ｍｍ〜３ｍｍ程度の一定の厚さとされる。これ以外の構成については、図１および図２に示すパワー半導体装置と同様なので、同一部材には同一符号を付し、必要である場合を除き詳しい説明は繰り返さないこととする。
【００４１】
放熱板３ａには、ダイオード１１ｂを含む半導体素子１１が搭載されている。ダイオード１１ｂのカソード電極（図示せず）が、接合材９によって金属板５ａに接合されている。配線部材１５ａが、接合材１３によってダイオード１１ｂのアノード電極（図示せず）に接合されている。接合材１３は、接合材１３ａと接合材１３ｂとからなる。接合材１３ａは、ダイオード１１ｂと配線部材１５ａとの間に介在する。接合材１３ｂは、配線部材１５ａに形成された貫通孔１６ｂ充填されている。接合材１３ｂは、接合材１３ａに達しており、接合材１３ａと繋がっている。
【００４２】
また、半導体素子１１の電極（図示せず）が、接合材（図示せず）によって金属板５ａに接合されている。配線部材１５ａが、接合材１３によって半導体素子１１の電極（図示せず）に接合されている。
【００４３】
放熱板３ｂには、ダイオード１１ｃを含む半導体素子１１が搭載されている。ダイオード１１ｃのカソード電極（図示せず）が、接合材９によって金属板５ａに接合されている。配線部材１５ｄの一端側が、接合材１３によってダイオード１１ｃのアノード電極（図示せず）に接合されている。接合材１３は、接合材１３ａと接合材１３ｂとからなる。接合材１３ａは、ダイオード１１ｃと配線部材１５ｄとの間に介在する。接合材１３ｂは、配線部材１５ｄに形成された貫通孔１６ｄに充填されている。接合材１３ｂは、接合材１３ａに達しており、接合材１３ａと繋がっている。
【００４４】
配線部材１５ｄの他端側が、接合材９によって放熱板３ａの金属板５ａに接合されている。接合材９は、接合材９ａと接合材９ｂとからなる。接合材９ａは、金属板５ａと配線部材１５ｄとの間に介在する。接合材９ｂは、配線部材１５ｄに形成された貫通孔１６ｃに充填されている。接合材９ｂは、接合材９ａに達しており、接合材９ａと繋がっている。ダイオード１１ｂとダイオード１１ｃ等とは、接合材９、配線部材１５ｄおよび接合材１３を介して電気的に接続されている。
【００４５】
次に、上述したパワー半導体装置１の製造方法の一例について説明する。まず、放熱板３ａおよび放熱板３ｂ（図１２参照）を用意する。次に、図１２に示すように、放熱板３ａおよび放熱板３ｂが位置決め治具２５に載置される。位置決め治具２５によって、放熱板３ａと放熱板３ｂとの間隔が保持される。
【００４６】
次に、図１３に示すように、たとえば、スクリーン印刷法等によって、半導体素子が搭載される、放熱板３ａおよび放熱板３ｂのそれぞれの金属板５ａにおける領域に、接合材９が塗布される。次に、図１４に示すように、ペースト状の接合材９の上に、半導体素子１１（ダイオード１１ｂ、１１ｃ等）が載置される。
【００４７】
次に、図１５に示すように、たとえば、スクリーン印刷法等によって、配線部材が接合される半導体素子１１における領域に、接合材１３（１３ａ）が塗布される。次に、配線部材１５ａおよび配線部材１５ｄ等を用意する。配線部材１５ａには、貫通孔１６ｂが形成されている。配線部材１５ｄには、貫通孔１６ｃおよび貫通孔１６ｄが形成されている。次に、配線部材１５ａおよび配線部材１５ｄ等が、接合材１３の上に載置され、固定治具（図示せず）によって保持される。
【００４８】
次に、図１６に示すように、配線部材１５ａの貫通孔１６ｂに接合材１３（１３ｂ）を充填するとともに、配線部材１５ｄの貫通孔１６ｃ、１６ｄに接合材１３を充填する。次に、たとえば、温度約２００℃〜３００℃のもとで、熱処理（低温焼結）を施す（液相拡散接合）。熱処理を施すことにより、含有する金属の粒子によって金属間化合物が形成される。熱処理後の接合材９、１３の耐熱温度は、約５００℃〜９００℃になる。
【００４９】
次に、図１７に示すように、半導体素子１１および配線部材１５ａ等が接合された放熱板３ａ、３ｂが、下金型２１のキャビティ内に配置される。次に、上金型２３を配置し、下金型２１と上金型２３とで挟み込む。次に、下金型２１および上金型２３のキャビティ内に樹脂（図示せず）が注入される。放熱板３ａ、３ｂ、半導体素子１１および配線部材１５ａ、１５ｄ等がモールド樹脂１７（図１１参照）によって封止される。その後、下金型２１と上金型２３とが取り外されて、図１１に示すように、モールド樹脂１７によって封止されたパワー半導体装置１が完成する。
【００５０】
上述したパワー半導体装置では、半導体素子１１と金属板５ａとは、接合材９によって接合されている。半導体素子１１と配線部材１５ａ、１５ｄ等とは、接合材１３によって接合されている。前述したように、接合材９、１３では、所定の金属の粒子を含むペースト状の接合材を低温焼結させることによって、スズ（Ｓｎ）と、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）および銀（Ａｇ）から選ばれる少なくともいずれかの金属との金属間化合物が形成されている。
【００５１】
これにより、半導体素子１１と金属板５ａとの接合強度および配線部材１５ｄと金属板５ａとの接合強度を向上させることができるとともに、半導体素子１１と配線部材１５ａ、１５ｄ等との接合強度を向上させることができる。
【００５２】
特に、配線部材１５ｄと金属板５ａとでは、配線部材１５ｄに形成された貫通孔１６ｃに充填された接合材１３ｂが接合材１３ａと繋がっている。これにより、配線部材１５ｄと金属板５ａとを、より強固に接合することができる。
【００５３】
また、半導体素子１１と配線部材１５ｄとでは、配線部材１５ｄに形成された貫通孔１６ｄに充填された接合材１３ｂが接合材１３ａと繋がっている。これにより、半導体素子１１と配線部材１５ｄとを、より強固に接合することができる。
【００５４】
さらに、半導体素子１１と配線部材１５ａとでは、配線部材１５ａに形成された貫通孔１６ｂに充填された接合材１３ｂが接合材１３ａと繋がっている。これにより、半導体素子１１と配線部材１５ａとを、より強固に接合することができる。なお、導体部として、配線部材１５ａ〜１５ｄと金属板５、５ａ、５ｂとを例に挙げたが、これら以外に、半導体素子と電気的に接続される導体部についても、接合材を用いて接合することができる。
【００５５】
また、前述したように、接合材９、１３には、金属間化合物が形成されることで、接合材９、１３の耐熱温度は、約５００℃〜９００℃程度になる。これにより、温度の高い環境下においてパワー半導体装置が使用される場合においても、接合材９、１３の接合強度を十分に確保することができる。なお、金属間化合物を形成するための金属としては、上述した金属に限られない。
【００５６】
さらに、配線部材１５ａ等が、銅または銅合金から形成されていることで、電気抵抗率を比較的低い値に抑えることができる。また、半導体素子１１において発生した熱を、放熱板３とともに、配線部材１５ａ等からも放熱させることができる。放熱がさらに効率的に行われるように、放熱板３に複数のフィンを取り付けてもよい。
【００５７】
半導体素子１１として、ＩＧＢＴ１１ａとダイオード１１ｂ、１１ｃを例に挙げて説明したが、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）を含んでいてもよい。また、これらの半導体素子１１は、シリコン（Ｓｉ）またはシリコンカーバイト（ＳｉＣ）の他に、窒化ガリウム（ＧａＮ）から形成されていてもよい。
【００５８】
なお、各実施の形態において説明したパワー半導体装置１については、必要に応じて種々組み合わせることが可能である。
【００５９】
今回開示された実施の形態は例示であってこれに制限されるものではない。本発明は上記で説明した範囲ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明は、電力の制御に用いられるパワー半導体装置に有効に利用される。
【符号の説明】
【００６１】
１  半導体装置、３、３ａ、３ｂ  放熱板、５、５ａ、５ｂ  金属板、７  絶縁金属層、９、９ａ、９ｂ  接合材、１１  半導体素子、１１ａ  ＩＧＢＴ、１１ｂ  ダイオード、１１ｃ  ダイオード、１３、１３ａ、１３ｂ  接合材、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ  配線部材、１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ  貫通孔、１７  モールド樹脂、１９  絶縁基板、２１  下金型、２３  上金型、２５  位置決め治具。 
【図１】
0006721329.tif 000002
【図２】
0006721329.tif 000003
【図３】
0006721329.tif 000004
【図４】
0006721329.tif 000005
【図５】
0006721329.tif 000006
【図６】
0006721329.tif 000007
【図７】
0006721329.tif 000008
【図８】
0006721329.tif 000009
【図９】
0006721329.tif 000010
【図１０】
0006721329.tif 000011
【図１１】
0006721329.tif 000012
【図１２】
0006721329.tif 000013
【図１３】
0006721329.tif 000014
【図１４】
0006721329.tif 000015
【図１５】
0006721329.tif 000016
【図１６】
0006721329.tif 000017
【図１７】
0006721329.tif 000018