(57)【要約】【課題】線膨張係数が相違する２以上の部材を導電性接合材層で機械的電気的に接続した接合体において、熱的変化に抗して部材同士を安定的に接続し続けられる接合体を提供すること。【解決手段】本発明に係る接合体（この場合は半導体装置）１０は、金属電極４０と、金属電極４０よりも線膨張係数が小さい半導体素子３２と、金属電極４０と半導体素子３２の間にあって金属電極４０と半導体素子３２を機械的電気的に接続している半田層３８とを有する。この半導体装置１０は、半田層３８の周辺領域３８ｂには、半田材よりヤング率の小さい樹脂３６が埋め込まれており、半田層３８の内側領域３８ａには、樹脂３６が埋め込まれていない。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１部材と、第１部材よりも線膨張係数が小さい第２部材と、第１部材と第２部材の間にあって第１部材と第２部材を機械的電気的に接続している導電性接合材層とを有する接合体であり、
前記導電性接合材層の周辺領域には、その導電性接合材よりヤング率の小さい部材が埋め込まれており、
前記導電性接合材層の内側領域には、前記低ヤング率部材が埋め込まれていないことを特徴とする接合体。
【請求項２】
前記低ヤング率部材のヤング率が、導電性接合材のそれの２０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の接合体。
【請求項３】
前記低ヤング率部材が、導電性接合材層の幅の５０％以上の範囲に亘って埋め込まれていることを特徴とする請求項１又は２に記載の接合体。
【請求項４】
前記第１部材が金属電極であり、前記第２部材が半導体素子であり、前記導電性接合材層が半田層であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の接合体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、線膨張係数が相違する２以上の部材を、半田層に代表される導電性接合材層で機械的電気的に接続した接合体であり、熱的変化に抗して、部材同士を安定的に接続し続けられる接合体に関する。
【０００２】
【従来の技術】第１部材（例えばＣｕ，Ａｌ等の金属電極）と、第１部材より線膨張係数の小さい第２部材（例えば半導体素子）を、導電性接合材層（例えば半田層）で機械的電気的に接続することによって、接合体（例えば半導体装置）を構成することが広く行われている。金属電極と半導体素子を半田層によって直接に（ボンディングワイヤ等を介することなく）接続すると、半導体素子に対する電力供給路の電気抵抗を小さくすることができ、大電流を許容するパワー系の半導体装置が実現される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上記の半導体装置に代表される接合体は、２つの部材の線膨張係数が異なるために、温度変化によって導電性接合材層にせん断応力がかかる。例えば上記の半導体装置では、金属電極は大きく熱膨張するのに対して半導体素子はほとんど熱膨張しないために、半田層に大きなせん断応力がかかる。
上記の接合体では、導電性接合材層の周辺領域において、特に大きなせん断応力がかかる。導電性接合材層の内側領域では、熱膨張に起因する第１部材と第２部材の相対的変位量が相対的に小さいのに対し、周辺領域にいくほど熱膨張に起因する相対的変位量が累積されて相対的に大きくなるからである。これにより、導電性接合材層の周辺領域にクラックが生じやすく、それが原因となって導電性接合材層全体が劣化するという問題がある。
【０００４】
上記の問題は、熱膨張に起因する第１部材と第２部材の相対的変位量が相対的に小さい内側領域にのみ導電性接合材層を設け、変位量が相対的に大きい周辺領域には導電性接合材層を設けないようにすることによって対処できるように思われる。導電性接合材層の面積を小さくしても、電力供給路の電気抵抗を十分に小さくできることが多い。
しかしながら導電性接合材層の面積を小さくすると、機械的接合強度が低下することが多い。また第１部材と第２部材の重複領域のうち、内側にのみ導電性接合材層を設け、周辺部には導電性接合材層を設けないようにすることが難しい。例えば、第１部材と第２部材の重複領域のうちの内側領域で伸びる半田箔を介在させた状態で第１部材と第２部材の積層体をリフロー炉に入れると、溶融した半田が周辺領域に流れ、大きなせん断応力を受ける周辺領域まで導電性接合材層がはみ出てしまう。
【０００５】
本発明は、上述した実情に鑑みてなされたものであり、第１部材や第２部材の機械的接合強度を維持しつつ導電性接合材層の劣化を防止することができる技術を提供する。
【０００６】
【課題を解決するための手段と作用と効果】上記課題を解決するために創作された請求項１に記載の接合体は、第１部材と、第１部材よりも線膨張係数が小さい第２部材と、第１部材と第２部材の間にあって第１部材と第２部材を機械的電気的に接続している導電性接合材層とを有する接合体である。ここで、導電性接合材層の周辺領域には、その導電性接合材よりヤング率の小さい部材が埋め込まれており、導電性接合材層の内側領域には、前記した低ヤング率部材が埋め込まれていないことを特徴とする。
周辺領域にある低ヤング率部材が埋め込まれた導電性接合材層と、内側領域にある低ヤング率部材が埋め込まれていない導電性接合材層は、一体となって形成されていても良いし、分離して形成されていても良い。
熱膨張に起因して第１部材と第２部材が相対的に大きく変位する導電性接合材層の周辺領域には、ヤング率の小さい部材が埋め込まれているために、導電性接合材自体にかかるせん断応力を抑制できる。周辺領域にクラックが生じやすいという問題は解消する。導電性接合材層の内側領域には低ヤング率部材が埋め込まれていないために、必要とされる電気伝導度を確保できる。導電性接合材層は、周辺領域においても第１部材と第２部材を機械的に接続しており、機械的接続強度を確保することができる。また、導電性接合材層の広がる範囲を内側領域に限定する必要がなく、接続作業を容易に実施することができる。
【０００７】
周辺領域に埋め込む部材は、導電性接合材のヤング率の２０％以下のヤング率を持つ低ヤング率部材であることが好ましい。
周辺領域に埋め込む部材のヤング率が、導電性接合材のヤング率の２０％以下であると、導電性接合材層の周辺領域に存在する導電性接合材自体には、小さなせん断応力しかかからない。導電性接合材層の周辺領域からクラックが発生して劣化する現象を効果的に防止することができる。
【０００８】
低ヤング率部材が、導電性接合材層の幅の５０％以上の範囲に亘って埋め込まれていることが好ましい。即ち、第１部材と導電性接合材層と第２部材を断面視したときの導電性接合材層を、右端から２５％の右端部領域と、左端から２５％の左端部領域と、両者間に位置する５０％の中央領域に区分したときに、低ヤング率部材が埋め込まれている周辺領域は、右端部領域と左端部領域を超えて中央領域にまで進出し、低ヤング率部材が埋め込まれていない内側領域は、中央領域よりも小さいことが好ましい。
必要な電気伝導度を確保できる範囲で低ヤング率部材が埋め込まれていない内側領域の広がりを小さくすると、周辺領域の導電性接合材にかかるせん断応力を小さくできる。導電性接合材層の周辺領域からクラックが発生して劣化する現象を効果的に防止することができる。
【０００９】
第１部材が金属電極であり、第２部材が半導体素子であり、導電性接合材層が半田層であり、積層体によって半導体装置を構成するときに、本発明は良く機能する。
【００１０】
【発明の実施の形態】上記各請求項に記載の発明は、下記の形態で好適に実施することができる。
（形態１）各請求項に記載の接合体において、第１部材が長方形状を有する場合は導電性接合材層も長方形状に形成する。この場合、低ヤング率部材は中央に開孔を有する長方形状（額縁状）の樹脂枠を採用する。
（形態２）各請求項に記載の接合体において、複数の第２部材に対して１つの第１部材を共通的に用いるようにしても良い。
【００１１】
【実施例】
（第１実施例）　図面を参照して、本発明に係る接合体の一実施例を説明する。図１は、接合体（この場合には半導体装置）１０の縦断面図である。半導体装置１０は、放熱板２０と第１半田層２２と絶縁基板２４と第２半田層２８と半導体素子３２と第３半田層３８と金属電極４０等から構成されている。放熱板２０は、例えばＣｕやＡｌ等で構成されている。絶縁基板２４は、例えばＳｉＣセラミックスやＡｌＮセラミックスやＡｌ２Ｏ３セラミックス等で構成されている。絶縁基板２４の上面には基板側電極２６が設けられている。半導体素子３２は、大電力の通電をオンオフするパワー素子系であり、ＭＯＳまたはＩＧＢＴ等である。半導体素子３２の下面にはコレクタ電極３０が形成されており、上面にはエミッタ電極３４が形成されている。金属電極４０は、例えばＣｕやＡｇやＺｎ等で構成されている。
第１半田層２２によって、放熱板２０と絶縁基板２４が接続されている。第２半田層２８によって、絶縁基板２４の基板側電極２６と半導体素子３２のコレクタ電極３０が、機械的にも電気的にも接続されている。第３半田層３８によって、半導体素子３２のエミッタ電極３４と金属電極４０が、機械的にも電気的にも接続されている。
【００１２】
第３半田層３８の周辺領域３８ｂには、樹脂３６が埋め込まれている。図３に示すように、樹脂３６の外形は長方形（第１部材である金属電極４０と、第２部材である半導体素子３２の平面形にほぼ等しい）であり、中央に長方形の開孔３６ａが形成されている。全体としては枠状である。図１に示すように、樹脂３６の中心開孔３６ａには、半田材が充填されている。第３半田層３８の内側領域３８ａは、半田材のみで構成されている（樹脂が埋め込まれていない）。以下では、第３半田層３８の内側領域３８ａを内側半田層３８ａと記載する場合がある。内側半田層３８ａのみで必要とされる通電量を確保できる大きさに設定されている。
樹脂３６の表面は半田層３８ｂで被覆されている。樹脂３６を被覆している半田層３８ｂは、通電のためというよりも、樹脂３６と金属電極４０、樹脂３６と半導体素子３２、樹脂３６と内側半田層３８ａを機械的に接続する役割を果たしている。
樹脂３６の開孔３６ａに第３半田層３８の内側半田層３８ａが形成される。本実施例では、開孔３６ａの横方向の長さは、樹脂３６の横方向の長さの半分に設定されている。また開孔３６ａの縦方向の長さは、樹脂３６の縦方向の長さの半分に設定されている。なお開孔３６ａの横方向や縦方向の長さは、樹脂３６の横方向や縦方向の長さの半分以下としても良い。
【００１３】
樹脂３６の厚みは５０〜５００μｍに設定されている。この厚さは、第３半田層３８の厚さによって変更される。樹脂３６の表面にはＮｉ膜（Ｃｕ膜等でも良い）がコーティングされている。ＮｉやＣｕは半田が付着し易い（樹脂には半田が付着し難い）。樹脂３６にＮｉ膜がコーティングされているために、第３半田層３８によって、金属電極４０と半導体素子３２と内側半田層３８ａに樹脂３６を機械的に強固に接続することができる。
本実施例では、樹脂３６のヤング率（弾性係数）が半田材のヤング率の２０％以下に設定されている。具体的には、ヤング率が約５ＧＰａであるジビニルベンゼン架橋共重合体を用いている。半田のヤング率は約３０ＧＰａであり、その比は約１７％である。ヤング率がもっと小さな樹脂を用いることもできる。埋め込み位置を限定することによって、半田材のヤング率の２０％以上のヤング率を有する樹脂を用いることもできる。
【００１４】
上記の半導体装置１０の半導体素子３２と金属電極４０は、第３半田層３８（樹脂３６）によって次のようにして接続される。
（準備工程）
半導体素子３２と金属電極４０を用意する。樹脂３６の開孔３６ａに樹脂３６の厚さより１０〜２０μｍ厚い半田板をすっぽり嵌め込む。半導体素子３２と金属電極４０の間に、半田板が嵌め込まれた樹脂３６をセットする。半田板が樹脂３６より厚く設定されているために、この状態では樹脂３６と金属電極４０の間に隙間がある。また樹脂３６と半導体素子３２の間にも隙間がある。
（リフロー工程）
その状態でリフロー炉にいれて半田板を加熱溶融させる。その後に半田材を固化させる。半田板を樹脂３６より厚くしておいたので、半田板と樹脂３６の開口３６ａとの間に隙間があったとしてもその隙間は溶けた半田材によって埋められる。また溶けた半田材は、樹脂３６と金属電極４０の間の隙間や、樹脂３６と半導体素子３２の間の隙間に流れ込む。このリフロー工程により、周辺領域に樹脂３６が埋め込まれた半田層（第３半田層３８）ができる。
【００１５】
上記構成を有する半導体装置１０の作用と効果を説明する。
金属電極４０は線膨張係数が大きいために、半導体装置１０が昇温すると金属電極４０は大きく膨張する。これに対し、半導体素子３２は線膨張係数が小さいために、半導体装置１０が昇温してもほとんど膨張しない。図２に、半導体装置１０が昇温したときの金属電極４０と第３半田層３８と半導体素子３２の状態を極端に誇張して示す。図２に、金属電極４０が伸びたために第３半田層３８が歪んでいる様子が良く示されている。金属電極４０の中央部４０ａでは熱膨張しても半導体素子３２に対して大きく変位しないために、第３半田層３８の内側半田層３８ａはほとんど歪まない。一方、金属電極４０の周辺部４０ｂでは熱膨張が累積するために半導体素子３２に対して大きく変位する。この結果、第３半田層３８の周辺領域３８ｂは歪む。ただし、本実施例の半導体装置１０では、第３半田層３８の周辺領域３８ｂにヤング率の小さい樹脂３６が埋め込まれているために、金属電極４０の熱膨張に追従して樹脂３６が大きく歪む。樹脂３６を被覆している薄い半田層には、純粋な引張り応力と圧縮応力がかかることがあっても強いせん断応力はかからない。
−４０℃から＋１０５℃の冷熱サイクル試験を半導体装置１０に実施したところ、３０００サイクル繰り返しても第３半田層３８にクラックは生じなかった。
【００１６】
（第２実施例）図４に、本実施例の半導体装置２００の断面図が示されている。図４では、第１実施例と同様の部分には同じ符号を付している。
絶縁基板２４の上面には、２つの基板側電極２６，２６が設けられている。右側の基板側電極２６の上面には、第２半田層５０によって半導体素子５４のコレクタ電極５２が機械的にも電気的にも接続されている。半導体素子５４の上面のエミッタ電極５６には第３半田層５８によって金属電極９０が機械的にも電気的にも接続されている。第３半田層５８の周辺領域には、第１実施例と同様に樹脂６０が埋めこまれている。左側の基板側電極２６の上面には、第２半田層７０によって半導体素子７４のコレクタ電極７２が機械的にも電気的にも接続されている。半導体素子７４の上面のエミッタ電極７６には、第３半田層７８によって金属電極９０が機械的にも電気的にも接続されている。第３半田層７８の周辺領域には、第１実施例と同様に樹脂８０が埋めこまれている。
左右の半導体素子５４，７４に接続される金属電極９０は共通の一枚のプレートである。
【００１７】
上記の半導体装置２００が昇温すると共通の金属電極９０が伸びる。金属電極９０はしなやかであり、半導体素子５４，７４に接していない部分（宙に浮いている中央部９０ａ）ではしなやかに湾曲する。このために、金属電極９０の膨張に起因する金属電極９０と半導体素子５４、または、金属電極９０と半導体素子７４の相対変位を考慮する場合には、金属電極９０が二つの半導体素子５４，７４に共通に利用されていることを考慮する必要がなく、金属電極９０と半導体素子５４、または、金属電極９０と半導体素子７４の相対変位を独立に考慮すればよい（宙に浮いている中央部９０ａで金属電極９０がしなやかに湾曲するために、左右の領域９０ｂが独立しているものとできる）。
このため金属電極９０が熱膨張したときには、第３半田層５８，７８のそれぞれの周辺領域で、金属電極９０が半導体素子５４，７４に対して大きく相対的に変位する。大きく変位する部分には、ヤング率が低くて変形しやすい樹脂６０，８０が設けられているために、強いせん断応力が半田材にかかることはない。
−４０℃から＋１０５℃の冷熱サイクル試験を半導体装置２００に実施したところ、第３半田層５８，７８の耐性が従来より向上する結果が得られた。
なお共通金属電極９０が厚く、宙に浮いた部分で変形して膨張の影響を吸収できない場合には、左右の第３半田層５８，７８が共通金属電極９０によって力学的に連続しているものとみなすことができる。この場合は、図５に示すように、力学的には連続しているものとみなした第３半田層５８，７８の周辺領域に樹脂枠６０，８０を埋め込んでもよい。この場合、樹脂枠６０，８０の一つ一つは、平面視したときにコ字状を呈している。第３半田層５８，７８の周辺領域のうち、内側で向かい合う辺に沿った周辺領域には、樹脂が埋め込まれないで半田材が充填される。
このときにも、金属電極９０と半導体素子５４，７４の相対変位は、共通金属電極９０によって力学的に一体化されている第３半田層５８、７８の周辺領域で大きい。この相対変位量が大きい領域に樹脂枠６０，８０が埋め込まれているために、第３半田層５８，７８の周辺領域でクラックが発生して劣化することを防止できる。
【００１８】
（第３実施例）図６は、本実施例に係る半導体装置１００の断面図である。半導体装置１００において、放熱板１２０、第１半田層１２２、絶縁基板１２４、第２半田層１５０，１７０、半導体素子１５４，１７４、金属板１９０は第２実施例と同様である。金属板１９０は、しなやかであり、半導体素子１５４，１７４に接していない部分（宙に浮いている中央部１９０ａ）ではしなやかに湾曲する。宙に浮いている中央部１９０ａで金属電極１９０がしなやかに湾曲するために、左右の領域１９０ｂが独立しているものとみなせる。半導体装置１００は、第３半田層１５８，１７８の構成が第２実施例と異なる。次に、半導体素子１５４，１７４と金属電極１９０の接続方法を説明しながら、本実施例の第３半田層１５８，１７８の構成を説明する。
【００１９】
（準備工程）
半導体素子１５４，１７４と金属電極１９０を用意する。また四角形の半田材を２つ用意するとともに球形の半田材を複数用意する。この球形の半田材の内部には、上記した各実施例で用いた樹脂（ジビニルベンゼン架橋共重合体）が埋め込まれている。ただし、四角形の半田材の内部には樹脂が埋め込まれていない。半導体素子１５４と金属電極１９０との間に四角形の半田材をセットするとともに、その四角形の半田材の周辺に球形の半田材を複数セットする。このとき、四角形の半田材と球形の半田材は接触するように配置し、球形の半田材同士も接触するように配置する。同様に、半導体素子１７４と金属電極１９０との間に四角形の半田材をセットするとともに、その四角形の半田材の周辺に球形の半田材を複数セットする。
（リフロー工程）
この状態でリフロー炉にいれて半田材を加熱溶融させる。その後に半田材を固化させる。これにより、球形の半田材と四角形の半田材は、金属電極１９０や半導体素子１５４，１７４と接合する。また球形の半田材は、隣合う球形の半田材や四角形の半田材と接合する。このリフロー工程を実施することによって第３半田層１５８，１７８が形成される。即ち、内側領域は半田材のみで形成されており、周辺領域は樹脂が埋め込まれた半田材１６０，１８０で形成されている第３半田層１５８，１７８が形成される。第３半田層１５８，１７８によって、金属電極１９０と半導体素子１５４，１７４が機械的にも電気的に接続される。
金属電極１９０と半導体素子１５４，１７４が接続された状態では、リフローによって溶融した球形半田材の球形が維持されていない場合もある。図６では、金属電極１９０と半導体素子１５４，１７４を球形半田材によって接続したことを説明するために、周辺領域１６０，１８０を複数の円で図示している。
【００２０】
金属電極１９０と半導体素子１５４，１７４の熱膨張による相対的変位が大きいために、第３半田層１５８，１７８の周辺領域１６０，１８０は大きく歪む。但し、周辺領域１６０，１８０には低ヤング率樹脂が埋め込まれているために、金属電極１９０の熱膨張に追従して樹脂が大きく歪む。樹脂を被覆している半田層には、純粋な引張り応力と圧縮応力がかかることがあっても強いせん断応力はかからない。このため、第３半田層１５８，１７８の周辺領域１６０，１８０にクラックが生じることを防止できる。−４０℃から＋１０５℃の冷熱サイクル試験を半導体装置１００に実施したところ、第３半田層１５８，１７８の耐性が従来より向上する結果が得られた。
【００２１】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
上記実施例では、半導体装置を例にしている。しかしながら本発明の技術は、半導体装置に限定されるものではない。本発明の技術は、線膨張係数の異なる２つの部材を接合して構成される接合体一般に適用可能である。また、例えば上記の第１半田層２２や第２半田層２８の周辺領域に樹脂を埋め込むことによって、第１半田層２２や第２半田層２８の耐性を向上させることもできる。
【００２２】
また機械的接合強度が低くてもよい場合には、第１実施例の樹脂枠を半田層で覆う必要はない。即ち、樹脂枠を金属電極や半導体素子に直接接続しても良い。この場合、樹脂枠はスペーサとして機能する。この様子を図７に示している。図７では、第１実施例と同じ構成の部分は同一の符号を付している。この半導体装置２５０は、金属電極４０の周辺領域４０ｂと半導体素子３２の間にスペーサ２４０が配置されている。スペーサ２４０は、第１実施例の樹脂３６と同じ樹脂で構成されており、その形状は額縁状である。スペーサ２４０は、その上面が金属電極４０に固定されている。その下面は、半導体素子３２の素子側電極３４に固定されている。またスペーサ２４０の内側側面にはＮｉ膜がコーティングされている。そして、スペーサ２４０の内側側面が第３半田層３８に固定されている。スペーサ２４０を用いて第３半田層３８の範囲を内側領域に限定することによって、熱変化に強い接合体が実現されている。
【００２３】
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例の半導体装置の断面図を示す。
【図２】金属電極が熱膨張した様子を示す。
【図３】樹脂の平面図を示す。
【図４】第２実施例の半導体装置の断面図を示す。
【図５】第２実施例の半導体装置の変形例を示す。
【図６】第３実施例の半導体装置の断面図を示す。
【図７】本発明の変形例である半導体装置の断面図を示す。
【符号の説明】
１０・・半導体装置
２０・・放熱板
２２・・第１半田層
２４・・絶縁基板
２６・・基板側電極
２８・・第２半田層
３０・・コレクタ電極
３２・・半導体素子
３４・・エミッタ電極
３６・・樹脂
３８・・第３半田層
３８ａ・・第３半田層の内側領域
３８ｂ・・第３半田層の周辺領域
４０・・金属電極
４０ａ・・金属電極の内側領域
４０ｂ・・金属電極の周辺領域
【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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