(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体モジュールの製造方法であり、
半導体装置の裏面電極と基板の表面とを金属層で接合させる接合工程を備えており、
前記半導体装置の裏面電極の最表面がCuであり、
前記基板の表面にはCuの層が設けられており、
前記金属層は、ZnとAlとからなる合金であって、且つ、Alを質量濃度で９〜２０％含む合金からなり、
前記接合工程によって、前記半導体装置と前記基板の間に、Zn−Cu−Al系合金層が形成されることを特徴とする半導体モジュ−ルの製造方法。
【請求項２】
半導体モジュールの製造方法であり、
半導体装置が実装されている基板の裏面と放熱板の表面とを金属層で接合させる接合工程を備えており、
前記基板の裏面にはCuの層が設けられており、
前記放熱板の表面にCuが露出しており、
前記金属層は、ZnとAlとからなる合金であって、且つ、Alを質量濃度で９〜２０％含む合金からなり、
前記接合工程によって、前記基板と前記放熱板の間に、Zn−Cu−Al系合金層が形成されることを特徴とする半導体モジュ−ルの製造方法。
【請求項３】
半導体装置が主としてGaN半導体材料で形成されていることを特徴とする請求項１又は２の半導体モジュ−ルの製造方法。
【請求項４】
半導体装置が主としてGaN半導体材料で形成されており、裏面電極が半導体材料側からTi、Al、Cuの順で積層された金属積層で形成されていることを特徴とする請求項１の半導体モジュ−ルの製造方法。
【請求項５】
半導体装置が主としてSiC半導体材料で形成されていることを特徴とする請求項１又は２の半導体モジュ−ルの製造方法。
【請求項６】
半導体装置が主としてSiC半導体材料で形成されており、裏面電極が半導体材料側からNi、Cuの順で積層された金属積層で形成されていることを特徴とする請求項１の半導体モジュ−ルの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温環境下で使用したときの信頼性が高い半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置を基板に接合するために、あるいは半導体装置を実装した基板を放熱板に接合するために、金属層で接合する技術が知られており、はんだ接合と通称されている。
はんだ接合に利用する合金は、半導体装置の耐熱温度よりも低い温度で溶融するとともに、半導体装置の動作温度では溶融しないものである必要がある。
半導体装置で制御する電力は大電力化しており、半導体装置の発熱量が増大している。あるいは半導体装置の使用環境が過酷なものになっており、例えばハイブリッド自動車の電力制御用インバータは、内燃機関からの熱にさらされる高温環境下で用いられる。
半導体装置の改良が進み、半導体装置自体の耐熱性は改善されている。例えば、GaN系半導体材料や、SiC系半導体材料で半導体装置を構成することによって、半導体装置自体の耐熱性は改善されている。
高温環境下で使用したときの信頼性が高い半導体モジュールを実現するためには、半導体装置自体の耐熱性を改善するだけでは足りない。半導体装置を基板に接合する金属層、あるいは半導体装置を実装した基板を放熱板に接合するための金属層の耐熱性が重要となる。しかも環境問題から、鉛を用いない合金層で接合することが要望されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、Zn-Al系合金を用いてはんだ接合する技術が開示されている。Zn-Al系合金は耐熱温度が高く、従来のPb-Sn系合金や、Sn-Ag系合金では降伏応力が顕著に低下する１５０℃以上の高温環境におかれても、高い降伏応力を維持する。
その反面、Zn-Al系合金は硬くて脆く、加熱と冷却を繰返した場合の、耐久性が低いという問題がある。
特許文献１の技術では、硬くて脆いZn-Al系の合金層に、Al製のボ−ルやプラスチック製のボ−ルを混入することによって硬さを下げ、耐久性を高めている。
特許文献２にも、Zn-Al系の合金層を利用してはんだ接合する技術が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３０７１８８号公報
【特許文献２】特開２００４−３５８５３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の技術では、硬くて脆いZn-Al系の合金層に、柔軟性に富むAl製のボ−ルやプラスチック製のボ−ルを混入することによって硬さを下げ、はんだ接合の耐久性を高めている。しかしながら、微小なAl製のボ−ルやプラスチック製のボ−ルを均質に混合しなければならず、リフローはんだ接合用の合金箔を製造するまでに必要な工数が多い。
本発明では、微小なボ−ルを用いないで、Zn-Al系の合金層を利用するはんだ接合の耐久性を高める技術を実現する。
本発明者の研究によって、Zn-Al系の合金層を利用するはんだ接合の耐久性を高めるためには、Zn-Al系の合金層自体の柔軟性を向上させる必要はなく、半導体装置や基板や放熱板等とZn-Al系の合金層の接合界面における柔軟性を確保すればよいことがわかってきた。そのための研究を続けた結果、Zn-Al系の合金層ではんだ接合する半導体装置や基板や放熱板の表面にCuが露出していると、そのCuとZn-Al系合金が合金化し、ZnとCuとAlを含む合金層が形成されることを確認し、そのZnとCuとAlを含む合金層が柔軟であることから、はんだ接合の耐久性が高められることを見出した。特許文献１では、Cuの露出面を用意してZn-Al系の合金層ではんだ接合すると、柔軟なZn-Cu-Al系の合金層が得られるという事象を知徳していないことから、微小で柔軟なボ−ルを均質に混合するという手間のかかる技術を採用している。
【０００６】
特許文献２には、Cuの露出面を用意しておいてZn-Al系の合金層ではんだ接合する技術が開示されている。しかしながら、特許文献２の技術では、接合面に柔軟なZn-Cu-Al系の合金層が形成されない。
本発明者らがその原因を研究したところ、Zn-Al系合金におけるAlの含有量が重要であることを見出した。特許文献１、２以外にも、Zn-Al系合金を利用してはんだ接合する多くの技術が提案されている。通常の技術では、Zn-Al系合金におけるAlの含有量が９％未満である。特許文献２でも、Alの含有量は７％以下である。特許文献１のみが、Alの含有量が３〜２５％であることが好ましいと紹介しているが、それは例外であり、Zn-Al系合金におけるAlの含有量は一般に９％未満である。
Alの含有量が９％未満のZn-Al系合金を利用してCuの露出面にはんだ接合しても、その接合面に柔軟なZn-Cu-Al系の合金層は形成されない。Alの量が過少であるために硬くて脆い合金層になってしまう。Alの含有量が９％以上のZn-Al系合金を利用してCuの露出面にはんだ接合すると、接合面に形成されるZn-Cu-Al系の合金層が柔軟となり、はんだ接合の耐久性が向上する。
【０００７】
従来の技術を整理すると、Cuの露出面にZn-Al系合金を利用してはんだ接合する技術は知られているが、そこで用いるZn-Al系合金のAlの含有量が９％未満であるために、接合面に柔軟なZn-Cu-Al系の合金層が形成されない。接合面に形成されるZn-Cu-Al系の合金層は硬くて脆い性質にしかならない（特許文献２の技術）。
Zn-Al系合金のAlの含有量を９％以上にしてはんだ接合する技術が知られているが（特許文献１の技術）、微小で柔軟なボ−ルを均質に混合するという手間のかかる技術を採用しており、Cuの露出面にはんだ接合すると、接合面に柔軟なZn-Cu-Al系の合金層が形成され、微小で柔軟なボ−ルを均質に混合するという手間のかかる技術を採用しなくてもすむということを認識していない。
【０００８】
本発明は、上記の従来技術の課題を解決する。Zn-Al系合金を利用して高い耐熱性を実現するはんだ接合の耐久性を高めるために、柔軟な微小ボ−ルを均質に混合するという手間を必要とせず、簡単に作製できる合金で高い耐熱性と高い耐久性を持つはんだ接合を可能とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明では、Alの含有量が９％以上であるZn-Al系合金を利用してCuが露出している面にはんだ接合すると、その接合面に柔軟なZn-Cu-Al系の合金層が形成され、はんだ接合の耐久性が顕著に改善される現象を利用する。
本発明によると、耐熱性と耐久性に優れた半導体モジュールが実現できる。例えば、ハイブリッド自動車の電力制御用インバータのように、２００℃以上の高温環境で動作することが求められるのと同時に零下３０℃の環境におかれることもあるといった過酷な温度環境で利用される半導体モジュールの耐久性を高めることができる。
【００１０】
本発明によって実現される一つの半導体モジュ−ルは、半導体装置の裏面電極と基板の表面が金属層で接合されたモジュ−ルである。その製造方法は、半導体装置の裏面電極と基板の表面導電層とを金属層で接合させる接合工程を備えている。半導体装置の裏面電極の最表面がCuであり、基板の表面にはCuの層が設けられている。その金属層は、ZnとAlとからなる合金であって、且つ、Alを質量濃度で９〜２０％含む合金からなる。接合工程によって、半導体装置と基板の間に、Zn−Cu−Al系合金層が形成される。
【００１１】
Alを９〜２０％含むZnを基材とする合金は、固相線温度が３８０℃前後であり、液相線温度が４５０℃前後である。高温（例えば２００℃〜３５０℃）に曝されても高い降伏応力を維持し、モジュールの構成部品を安定的に接合し続ける。Alの含有量が９％未満であると、後記するCuとの接合界面に形成されるZn-Cu-Al系の合金層が硬くて脆く、耐久性が低くなる。Alの含有量が２０％を超えると、固相線温度が４００℃以上になり、はんだ接合用合金として使用できない。
はんだ接合する裏面電極と表面導電層の表面にCuが露出していると、そこにAlを９〜２０％含むZnを基材とする合金層をはんだ接合したときに、柔軟なZn-Cu-Al系の合金層が形成される。柔軟なZn-Cu-Al系の合金層は半導体装置と基板を接合する金属層の少なくとも一部に形成されればよく各種のパターンが存在する。そのパターンを以下に列挙する。
（パターン１）  Zn-Cu-Al系の合金層は、裏面電極側のCuとZn-Al系合金の接合界面と、表面導電層側のCuとZn-Al系合金の接合界面に形成される。すなわち金属層の厚みの中央はZn-Al系合金が残存している。また、裏面電極と表面導電層にはCu層が残っている。
（パターン２）  Zn-Cu-Al系の合金層は、裏面電極とZn-Al系合金の間と、表面導電層側のCuとZn-Al系合金の接合界面に形成される。すなわち金属層の厚みの中央はZn-Al系合金が残存しており、裏面電極のCuの全部が合金化している。表面導電層にはCu層が残っている。
裏面電極の表面に露出しているCuの量が少ないときに形成される典型的なパターンである。
（パターン３）  Zn-Cu-Al系の合金層は、裏面電極側のCuとZn-Al系合金の接合界面と、表面導電層とZn-Al系合金の間に形成される。すなわち金属層の厚みの中央はZn-Al系合金が残存しており、表面導電層のCuの全部が合金化している。裏面電極にはCu層が残っている。
表面導電層に露出しているCuの量が少ないときに形成される典型的なパターンである。
（パターン４）  Zn-Cu-Al系の合金層は、裏面電極とZn-Al系合金の間と、表面導電層とZn-Al系合金の間に形成される。すなわち金属層の厚みの中央はZn-Al系合金が残存している。また、裏面電極と表面導電層のCuは合金化している。
裏面電極に露出しているCuの量が少なく、表面導電層に露出しているCuの量が少ないときに形成される典型的なパターンである。
（パターン５）  Zn-Cu-Al系合金層は、裏面電極側のCuと表面導電層側のCuの間に形成されている。すなわち、はんだ接合に用いられたZn-Al系合金の全部がCuと合金化している。また、裏面電極と表面導電層にはCu層が残っている。
はんだ接合に用いるZn-Al系合金の量が少ないときに形成される典型的なパターンである。
（パターン６）  Zn-Cu-Al系合金層は、裏面電極側のCuと表面導電層の間に形成されている。すなわち、はんだ接合に用いられたZn-Al系合金の全部がCuと合金化しており、表面導電層のCuの全部も合金化している。また、裏面電極にはCu層が残っている。
はんだ接合に用いるZn-Al系合金の量が少なく、表面導電層に露出したCuの量が少ないときに形成される典型的なパターンである。
（パターン７）  Zn-Cu-Al系合金層は、表面導電層側のCuと裏面電極の間に形成されている。すなわち、はんだ接合に用いられたZn-Al系合金の全部がCuと合金化しており、裏面電極のCuの全部も合金化している。また、表面導電層には、Cu層が残っている。
はんだ接合に用いるZn-Al系合金の量が少なく、裏面電極に露出したCuの量が少ないときに形成される典型的なパターンである。
（パターン８）  Zn-Cu-Al系合金層は、表面導電層と裏面電極の間に形成されている。すなわち、はんだ接合に用いられたZn-Al系合金の全部がCuと合金化しており、裏面電極と表面導電層のCuの全部も合金化している。
はんだ接合に用いるZn-Al系合金の量が少なく、裏面電極に露出したCuの量が少なく、表面導電層に露出したCuの量も少ないときに形成される典型的なパターンである。
以上のいずれのパターンも、半導体装置と基板を接合する合金層の少なくとも一部に、Zn-Cu-Al系合金層が形成されている。半導体モジュ−ルに加熱と冷却のサイクルが繰返し作用し、熱変形に起因して半導体装置と金属層と基板の間に相対的変位が繰返し作用しても、金属層の少なくとも一部に形成されている柔軟なZn-Cu-Al系合金が相対的変位を吸収し、高い耐久性を発揮する。
【００１２】
本発明は、半導体装置を基板に接合する際に利用できるだけでなく、半導体装置が実装されている基板を放熱板に接合する際にも利用できる。この場合の半導体モジュ−ルの製造方法は、半導体装置が実装されている基板の裏面と放熱板の表面とを金属層で接合させる接合工程を備えている。基板の裏面にはCuの層が設けられており、放熱板の表面にCuが露出している。その金属層は、ZnとAlとからなる合金であって、且つ、Alを質量濃度で９〜２０％含む合金からなる。接合工程によって、基板と放熱板の間に、Zn−Cu−Al系合金層が形成される。
【００１３】
この場合にも、基板と放熱板を接合する金属層の少なくとも一部に柔軟なZn-Cu-Al系が形成されればよい。柔軟なZn-Cu-Al系の合金層が形成されるパターンを以下に列挙する。
（パターン１）  Zn-Cu-Al系の合金層は、基板の裏面側のCuとZn-Al系合金の接合界面と、放熱板側のCuとZn-Al系合金の接合界面に形成される。すなわち金属層の厚みの中央はZn-Al系合金が残存している。また、基板裏面と放熱板にはCu層が残っている。
（パターン２）  Zn-Cu-Al系の合金層は、基板の裏面とZn-Al系合金の間と、放熱板側のCuとZn-Al系合金の接合界面に形成される。すなわち金属層の厚みの中央はZn-Al系合金が残存しており、基板の裏面のCuの全部が合金化している。放熱板にはCu層が残っている。
基板の裏面に露出しているCuの量が少ないときに形成される典型的なパターンである。
（パターン３）  Zn-Cu-Al系の合金層は、基板の裏面側のCuとZn-Al系合金の接合界面と、放熱板とZn-Al系合金の間に形成される。すなわち金属層の厚みの中央はZn-Al系合金が残存しており、放熱板のCuの全部が合金化している。基板の裏面にはCu層が残っている。
放熱板に露出しているCuの量が少ないときに形成される典型的なパターンである
（パターン４）  Zn-Cu-Al系の合金層は、基板の裏面とZn-Al系合金の間と、放熱板とZn-Al系合金の間に形成される。すなわち金属層の厚みの中央はZn-Al系合金が残存している。また、基板の裏面と放熱板のCuは合金化している。
基板の裏面に露出しているCuの量が少なく、放熱板に露出しているCuの量が少ないときに形成される典型的なパターンである。
（パターン５）  Zn-Cu-Al系合金層は、基板の裏面側のCuと放熱板側のCuの間に形成されている。すなわち、はんだ接合に用いられたZn-Al系合金の全部がCuと合金化している。また、基板の裏面と放熱板にはCu層が残っている。
はんだ接合に用いるZn-Al系合金の量が少ないときに形成される典型的なパターンである。
（パターン６）  Zn-Cu-Al系合金層は、基板の裏面側のCuと放熱板の間に形成されている。すなわち、はんだ接合に用いられたZn-Al系合金の全部がCuと合金化しており、放熱板のCuの全部も合金化している。また、基板の裏面にはCu層が残っている。
はんだ接合に用いるZn-Al系合金の量が少なく、放熱板に露出したCuの量が少ないときに形成される典型的なパターンである。
（パターン７）  Zn-Cu-Al系合金層は、放熱板側のCuと基板の裏面の間に形成されている。すなわち、はんだ接合に用いられたZn-Al系合金の全部がCuと合金化しており、基板の裏面のCuの全部も合金化している。また、放熱板には、Cu層が残っている。
はんだ接合に用いるZn-Al系合金の量が少なく、基板の裏面に露出したCuの量が少ないときに形成される典型的なパターンである。
（パターン８）  Zn-Cu-Al系合金層は、放熱板と基板の裏面の間に形成されている。すなわち、はんだ接合に用いられたZn-Al系合金の全部がCuと合金化しており、裏面電極と表面導電層のCuの全部も合金化している。
はんだ接合に用いるZn-Al系合金の量が少なく、基板の裏面に露出したCuの量が少なく、放熱板に露出したCuの量も少ないときに形成される典型的なパターンである。
上記のいずれのパターンも、基板と放熱板を接合する合金層の少なくとも一部に、Zn-Cu-Al系合金層が形成されている。半導体モジュ−ルに加熱と冷却のサイクルが繰返し作用し、熱変形に起因して基板と金属層と放熱板の間に相対的変位が繰返し作用しても、金属層の少なくとも一部に形成されている柔軟なZn-Cu-Al系合金が相対的変位を吸収し、高い耐久性を発揮する。
【００１４】
本発明の半導体モジュールは、半導体装置が主としてGaN半導体材料で形成されている場合に有用である。本発明の半導体モジュ−ルは、半導体装置がSiC半導体材料で形成されている場合にも有用である。
GaN半導体材料が主として用られる半導体装置や、SiC半導体材料が主として用いられる半導体装置では、絶縁破壊電界や飽和電子密度等が大きいことから、高い動作電圧を用いて大電流で作動される。それに伴って、半導体装置自身の発熱に基づく温度上昇も大きくなる。
【００１５】
このような半導体装置が搭載された半導体モジュール（例えば、電気自動車のパワーモジュール）は、加熱と冷却のサイクルがより過酷になり、半導体装置と金属層と基板の間に繰返し作用される相対的変位が大きくなる。また、半導体装置が高温になることから、基板の裏面と放熱板の間に繰返し作用される相対的変位も大きくなる。このような半導体モジュールの場合であっても、半導体装置と基板あるいは基板と放熱板の間に形成されている柔軟なZn-Cu-Al系の合金層が、その相対的変位を吸収し、高い耐久性を確保する。
【００１６】
半導体装置が主としてGaN半導体材料で形成されている場合、裏面電極が半導体材料側からTi、Al、Cuの順で積層された金属積層で形成されていると好ましい。
主としてGaN半導体材料で形成された半導体装置からTi、Al、Cuの金属積層を経てZn-Al系の金属層に至る経路の電気抵抗は低い。このような金属積層を形成することで、半導体装置と基板の間に優れたオーミックコンタクトを実現することができる。
なお、積層金属には、Ti、Al、Cuの他に、電気抵抗を下げる効果を高める物質を含んでいてもよい。例えば、AlとCuの間にPtやAuといった金属を介在させると、接合界面の電気抵抗を下げることができる。Cuの表面に薄いAuが積層されていてもよい。薄いAuであればCuとZn-Al系合金の間で合金化することを妨げない。
GaN半導体材料を主成分とする半導体装置が上記の裏面電極を備えていると、半導体モジュールの性能が一層向上する。
【００１７】
半導体装置が主としてSiC半導体材料で形成されている場合、裏面電極が半導体材料側からNi、Cuの順で積層された金属積層で形成されていると好ましい。
主としてSiC半導体材料で形成された半導体装置からNi、Cuの金属積層を経てZn-Al系の金属層に至る経路の電気抵抗は低い。このような金属積層を形成することで半導体装置と基板の間には優れたオーミックコンタクトを実現することができる。
なお、NiとCuの層間には、抵抗を下げる効果を高める物質を介在してもよい。例えば、NiとCuの間にPtやAuといった金属を介在させると、接合界面の電気抵抗を更に下げることができる。Cuの表面に薄いAuが積層されていてもよい。薄いAuであればCuとZn-Al系合金の間で合金化することを妨げない。
SiC半導体材料を主成分とする半導体装置が上記の裏面電極を備えていると、半導体モジュールの性能が一層向上する。
【００１８】
Zn-Al系の金属層には、ZnとAlの他に副次的な効果を付与する元素を含有していてもよい。含有元素としては、例えば、Cu、Mg、In、Sn、Ge、Ga、Pが挙げられる。
Cu、Mg、In、Snを含有する場合には、Zn-Al系の金属層の固相線温度を下げることができる。また、Cu、Mg、Ge、Ga、Pを含有する場合には、Zn-Al系金属層とCu層のぬれ性を向上する効果がある。必要な耐熱性、はんだ接合に用いる設備等にあわせて適宜に調整することができる。
【発明の効果】
【００１９】
はんだ接合する裏面電極や表面導電層や基板裏面や放熱板の表面にCuが露出していると、そこにAlを９〜２０％含むZnを基材とする合金層をはんだ接合したときに、接合界面に柔軟なZn-Cu-Al系の合金層が形成される。半導体モジュ−ルに加熱と冷却のサイクルが繰返し作用し、熱変形に起因して半導体装置と金属層と基板の間、あるいは基板と金属層と放熱板の間に相対的変位が繰返し作用しても、接合界面に形成されている柔軟なZn-Cu-Al系の合金層が相対的変位を吸収し、高い耐久性を発揮する。
しかも、Cu層からZn-Cu-Al系の合金層に至る経路の電気抵抗が低い。Zn-Cu-Al系の合金層からZn- Al系の金属層に至る経路の電気抵抗も低い。半導体装置の裏面電極と基板の表面導電層を低抵抗に接合することができる。  
本発明によると、従来の技法をなんら複雑化することなく、簡単に作製できるZn-Al系合金で高い耐熱性と高い耐久性を持つはんだ接合を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下に示す実施例の特徴を先ず最初に列記する。
（形態１）Alを９〜２０質量％、Cuを０．００１〜１２質量％含むZnを基材とするはんだ接合用合金。
Zn-Al系のはんだ接合用合金に、上記範囲の割合でCuが含まれたものが有用である。Cuは、Zn-Al系合金の固相線温度を下げる効果がある。Cuは、Zn-Al系合金のぬれ性を向上させる効果もある。
（形態２）Alを９〜２０質量％、Mgを０．００１〜０．５質量％含むZnを基材とするはんだ接合用合金。
Zn-Al系のはんだ接合用合金に、上記範囲の割合でMgが含まれたものも有用である。Mgは、Zn-Al系合金の固相線温度を下げる効果がある。Mgは、Zn-Al系合金のぬれ性を向上させる効果もある。
（形態３）Alを９〜２０質量％、Inを０．００１〜２５質量％含むZnを基材とするはんだ接合用合金。
Zn-Al系のはんだ接合用合金に、上記範囲の割合でInが含まれたものも有用である。Inは、Zn-Al系合金の固相線温度を下げる効果がある。
（形態４）Alを９〜２０質量％、Snを０．００１〜２５質量％含むZnを基材とするはんだ接合用合金。
Zn-Al系のはんだ接合用合金に、上記範囲の割合でSnが含まれたものが有用である。Snは、Zn-Al系合金の固相線温度を下げる効果もある。
（形態５）Alを９〜２０質量％、Geを０．００１〜９質量％含むZnを基材とするはんだ接合用合金。
Zn-Al系のはんだ接合用合金に、上記範囲の割合でGeが含まれたものも有用である。Geは、Zn-Al系合金のぬれ性を向上させる効果がある
（形態６）Alを９〜２０質量％、Gaを０．００１〜９質量％、含むZnを基材とするはんだ接合用合金。
Zn-Al系のはんだ接合用合金に、上記範囲の割合でGaが含まれたものも有用である。Gaは、Zn-Al系合金のぬれ性を向上させる効果がある。
（形態７）Alを９〜２０質量％、Pを０．００１〜０．５質量％含むZnを基材とするはんだ接合用合金。
Zn-Al系のはんだ接合用合金に、上記範囲の割合でPが含まれたものも有用である。Pは、Zn-Al系合金のぬれ性を向上させる効果がある。
（形態８）Alを９〜２０質量％、Cu、Mg、In、Sn、Ge、Ga、Pから選択される二種以上を３０質量％以下だけ含むZnを基材とするはんだ接合用合金。
Cu、Mg、In、Snを含有する場合には、Zn-Al系の金属層の固相線温度を下げることができる。Cu、Mg、Ge、Ga、Pは、Zn-Al系金属のぬれ性を向上させる効果がある。これら複数の物質組み合わせることで、固相線温度を調節することができる。また、はんだ接合する基材の状態（例えば表面の粗さ）に応じてぬれ性を調節することができる。
（形態９）半導体装置の裏面電極と、基板の表面導電層と、基板の裏面と、放熱板表面には、Cuが露出している。
CuにZn-Al系のはんだ接合用合金をはんだ接合すると、接合部に柔軟なZn-Cu-Al系の合金層を容易に形成することができる。
（形態１０）半導体装置の裏面電極と基板の表面導電層はZn-Al系の合金層で接合されており、柔軟なZn-Cu-Al系の合金層は、Zn-Al系の合金層とCuの間の接合界面に形成されている。
CuからZn-Cu-Al系の合金層を経てZn- Al系の金属層に至る経路の電気抵抗が低い。半導体装置の裏面電極と基板の表面導電層を低抵抗に接合することができる。
（形態１１）基板の裏面と放熱板はZn-Al系の合金層で接合されており、柔軟なZn-Cu-Al系の合金層は、Zn-Al系の合金層とCuの間の接合界面に形成されている。
【実施例】
【００２１】
（第一実施例）
図１に半導体モジュ−ル１０の要部断面図を模式的に示す。半導体モジュール１０は車載用インバ−タ装置に組込まれて用いられる。半導体モジュ−ル１０は直流電力をスイッチングして交流電力に変換する。半導体モジュ−ル１０の周辺には図示しない内燃機関が存在している。半導体モジュ−ル１０は内燃機関からの熱にさらされる。また半導体モジュール１０には大電流が流れるために、半導体モジュール１０自体が発熱する。後記するように、半導体モジュール１０には冷却機構が設けられているが、それでも動作時には２００℃以上に加熱される。その一方において、自動車は酷寒の地で長時間駐車されることがあり、零下数十℃の環境におかれることもある。半導体モジュール１０には、マイナス数十℃からプラス２００℃以上に至る大きな温度変化が繰返し作用することがある。
【００２２】
半導体モジュール１０は、半導体装置２０と、DBC基板５０と、放熱板７０と、水冷板８０を備えている。半導体装置２０とDBC基板５０は、本発明で創作された接合用金属層４２ではんだ接合されている。DBC基板５０と放熱板７０も、本発明で創作された接合用金属層６２ではんだ接合されている。放熱板７０は水冷板８０にロウ付けされている。
【００２３】
半導体装置２０は、GaNを主な材料とする半導体結晶ブロック２４を備えており、半導体結晶ブロック２４の内部にIGBTとして機能する半導体構造が作りこまれている。IGBTは縦型であり、半導体結晶ブロック２４の表面にはエミッタ電極２２が形成されており、図示しない断面においてゲート電極が形成されている。半導体結晶ブロック２４の裏面はコンタクト領域となっている。半導体結晶ブロック２４の裏面に、Tiからなる第一コンタクト層２８が蒸着されており、その表面にAlからなる第二コンタクト層３０が積層されており、その表面にPtからなる第三コンタクト層３２が積層されており、その表面にCuからなるめっき層３４が形成されており、その表面にAuからなる薄い層（図示されていない）が形成されている。第一コンタクト層２８、第二コンタクト層３０、第三コンタクト層３２、めっき層３４、及びAuの薄層の積層によって、裏面電極２６が形成されている。
GaNを主な材料とする半導体結晶ブロック２４の裏面にTiからなる第一コンタクト層２８とAlからなる第二コンタクト層３０が積層されているために、GaNを主な材料とする半導体結晶ブロック２４に対する良好なオーミック特性が得られる。Auの薄層は、Cuのめっき層３４を保護するものであり、極めて薄い。
【００２４】
DBC基板５０は、AlNからなるセラミック層５４と、その表面に積層されたCuの上層５２と、セラミック層５４の裏面に積層されたCuの下層５６を備えている。DBC基板５０の各層５２、５４、５６の厚みは、半導体装置２０の熱膨張係数に略一致するように調整されている。
【００２５】
半導体装置２０の裏面電極２６は、DBC基板５０の上層５２にZn-Al系の合金層４２によってはんだ接合されている。
半導体装置２０の裏面電極２６の最表面はCuであり、Zn-Al系の合金層４２ではんだ接合すると、Zn-Al系合金とめっき層３４のCuとの間で合金化現象が進行し、Zn-Al系の合金層４２とCuめっき層３４の接合界面に、Zn-Cu-Al系の合金層４０が形成される。（表面のAu層は薄く、Zn-Al系の合金層４２ではんだ接合する場合には、Auがはんだ浴中に溶解するので、Zn-Cu-Al系合金の生成を阻止しない。）
【００２６】
DBC基板５０の上層５２はCuであり、Zn-Al系の合金層４２ではんだ接合すると、Zn-Al系合金と上層５２のCuとの間で合金化現象が進行し、Zn-Al系の合金層４２とCuの上層５２の接合界面に、Zn-Cu-Al系の合金層４４が形成される。
Zn-Al系の合金層４２のAl含有率が９％以上であると、合金層４２とCuめっき層３４の接合界面に形成されるZn-Cu-Al系の合金層４０と、合金層４２とCu上層５２の接合界面に形成されるZn-Cu-Al系の合金層４４は、柔軟な合金層となり、過酷なヒートサイクルに対して柔軟に対応して高い耐久性を発揮する。前記したように、DBC基板５０の熱膨張係数は、半導体装置２０の熱膨張係数に略一致するように調整されている。しかしながら、Zn-Al系の合金層４２にまで略一致する熱膨張係数に調整することは難しい。接合界面に、柔軟なZn-Cu-Al系の合金層４０、４４が形成されていると、過酷なヒートサイクルに対して柔軟に対応して高い耐久性を発揮する。
なお、Zn-Cu-Al系の合金層４０と、Zn-Al系の合金層４２と、Zn-Cu-Al系の合金層４４は高い電気伝導度と、高い熱伝導性を有する。半導体装置２０の裏面電極２６とCu製の上層５２の間の電気抵抗は低い。また、半導体装置２０に発生する熱を効果的にDBC基板５０に伝熱する。
【００２７】
半導体装置２０を実装しているDBC基板５０の裏面は、放熱板７０の表面に、Zn-Al系の合金層６２によってはんだ接合されている。放熱板７０はCu-Mo製であり、表面にCuが露出している。
DBC基板５０の下層５６はCuであり、Zn-Al系の合金層６２ではんだ接合すると、Zn-Al系合金６２の下層５６のCuとの間で合金化現象が進行し、Zn-Al系の合金層６２とCuの下層５６の接合界面に、Zn-Cu-Al系の合金層６０が形成される。放熱板７０はCu-Mo製であり、表面にCuが露出しているので、Zn-Al系の合金層６２ではんだ接合すると、Zn-Al系合金と放熱板７０のCuとの間で合金化現象が進行し、Zn-Al系の合金層６２とCuの放熱板７０の接合界面に、Zn-Cu-Al系の合金層６４が形成される。
Zn-Al系の合金層６２のAl含有率が9％以上であると、合金層６２とCu下層５６の接合界面に形成されるZn-Cu-Al系の合金層６０と、合金層６２と放熱板７０の接合界面に形成されるZn-Cu-Al系の合金層６４は、柔軟な合金層となり、過酷なヒートサイクルに対して柔軟に対応して高い耐久性を発揮する。
【００２８】
なお、Zn-Cu-Al系の合金層６０と、Zn-Al系の合金層６２と、Zn-Cu-Al系の合金層６４は高い熱伝導性を有し、DBC基板５０の熱を効果的に放熱板７０に伝熱する。
放熱板７０は水冷板８０にロウ付けされている。水冷板８０には冷却水流路８２が形成されている。水冷板８０は放熱板７０を冷却する。半導体装置２０は、DBC基板５０と放熱板７０を介して冷却水によって冷却される。それでも、前記したように２００℃以上に加熱される。
【００２９】
合金層４２には、過酷なヒートサイクルに抗して長期に亘って、半導体装置２０とDBC基板５０を機械的にも電気的にも接続し続ける耐久性が求められ、合金層６２には、過酷なヒートサイクルに抗して長期に亘って、DBC基板５０と放熱板７０を機械的に接続し続ける耐久性が求められる。
そこで種々の組成の合金を調整し、繰返し作用するヒートサイクルに対する耐久性を調べた。図４にその結果を示す。
【００３０】
実験では、純度９９．９％のZn、Al、Cu、Mg、In、Sn、Ge、Ga、Pを用い、Ar雰囲気の高周波溶解炉にて溶製することによって、図４に示す合金組成に示すZn-Al系合金を調整した。得られた合金を２５０℃で熱処理し、厚さ５０〜１００μmの箔に熱間圧延した。その箔を半導体装置２０とDBC基板５０の間、ならびにDBC基板５０と放熱板７０の間に介在させた状態でリフロー炉に投入してはんだ接合した。リフロー炉を真空引きした後にＮ２雰囲気に調整してはんだ接合した。
比較のために、比較品１〜５を用いた。比較品１〜３は、Alの含有量が約４％以下であり、本発明の含有量範囲に満たない。比較品４は従来の高融点はんだであり、Pbを多量に含んでいる。比較品５は、Zn単体であり、Alや他の金属を含まない。
【００３１】
図４の固相線温度と液相線温度は、前記のようにして調整したZn-Al系合金の箔に対して、示差走査熱量分析法（DSC）を適用して測定した。
比較品４に示す従来の高融点はんだの固相線温度は３１０℃であり、実施品１から実施品２６のすべてで３１０℃以上の固相線温度を得ることができる。実施品１〜２６に用いられたはんだ用合金は、固相線温度が３１０〜３８１℃であり、液相線温度が３９９〜４９１℃であった。このような合金は、高温条件下でも安定した機械的強度を確保する。また、実施品１、３、４、６、７、９、１２〜２１、２３〜２６に用いられたZn-Al系合金は、固相線温度がいずれも３５０℃以上であり、より高温の条件下であっても、合金層４２、６２の安定性が高いことがわかった。特に実施品１、４、６、７、１２〜１７、２０、２１、２３〜２６に用いられたZn-Al系合金は、固相線温度が３８０℃以上であり液相線温度も４１５℃以上であった。一方、Alの含有率が９％以下である比較例１，２の固相線温度と液相線温度は、ともに３８１℃であり、比較品３の固相線温度は３８２℃であり、液相線温度は３９５℃であった。上述の実施品１〜２６のはんだ用合金は、従来品のZn-Al系はんだ用合金と同等若しくはそれ以上の高温安定性を有することがわかる。
比較品４に用いられたPb-Sn系合金は、固相線温度が３１０℃であり、液相線温度が３５０℃であり、実施品１〜２６のいずれよりも液相線温度が低い。本実施例の実施品に用いられたはんだ用合金は、従来からのPb-Sn系合金よりも高温安定性に優れる。
【００３２】
したがって、はんだ用合金として実施品１〜２６のZn-Al系合金を用いると、高温動作におけるZn-Al系の合金層の母相部分の安定性に優れる。そして、Zn-Al系の合金層にこのような合金が用いられた半導体モジュールは、高温作動時の信頼性に優れる。
なおCu、Mg、Sn、Inを添加することによってZn-Al系合金の固相線温度を下げることができる。これらCu、Mg、Sn、Inの添加量を調節することによって、Zn-Al系合金の固相線温度を調節することができる。
【００３３】
図４の反応合金層硬さは、裏面電極、表面導電層、基板裏面及び放熱板のCuに図４に示す「合金層厚さ」としたZn-Al系はんだシートを、液相線温度よりも３０℃以上高い温度ではんだ接合し、その接合界面に形成される反応合金層（Zn-Cu-Al系の合金層）のピッカーズ硬度を測定した。
図５は、Alの含有量と反応合金層のピッカーズ硬度の関係を示す。横軸にZn-Al系合金のAlの含有率を示し、縦軸にピッカーズ硬度の測定値を示す。図４、図５に示すとおり、実施品１〜２６に形成された反応合金相のピッカーズ硬度は、３５０〜６００Ｈｖの範囲内にあり、柔軟性を有することが確認された。比較品３に形成された反応合金層は、ピッカーズ硬度が８００Ｈｖと硬いことが確認された。一方で、Pb-Snが主成分である合金を用いた比較品４の接合界面には、Cuとの間に反応合金層は形成されていなかった。
【００３４】
図５に示すように、合金中のAlの含有率が高いと、Cuとの接合界面にできる反応合金層の硬度が低くなることが確認できる。Al含有率が９％以上になると、Zn-Cu-Al系の合金層が十分に柔軟なものとなり、高い耐久性が得られることが確認される。
図４のサイクル試験後断面観察は、図１に示した半導体モジュールを形成し、そのモジュールに繰返しヒートサイクル（４０℃と１９５℃の間を４０分で上昇・下降させるのを１サイクルとし、合計で１５００サイクル実施した）を加えた後に反応性合金層を観測した結果を示す。比較品ではクラックが観測されたのに対し、実施品１〜２６ではクラックが発生しなかった。Al含有率が９％以上になると、Zn-Cu-Al系の合金層が十分に柔軟なものとなり、高い耐久性が得られることが確認される。その一方、従来品のZn-Al系合金からなる合金層は、Al濃度が低すぎるために、接合界面に形成された反応合金層が硬く脆いことがわかった。反応性合金層にクラックが生じたのは、冷熱サイクルに伴う半導体モジュール１０の相対的変位が反応合金層では吸収されず、合金層に大きな熱応力が直接加えられたことによるものと考えられる。
【００３５】
なお、半導体モジュ−ル１０では、Zn-Al系の合金層６２を利用することによって、DBC基板５０と放熱板７０の間の接合強度の向上にも成功している。即ち、DBC基板５０の下層５６はCuを主成分としており、放熱板７０もCuを主成分としている。Zn-Al系の合金層６２と下層５６の接合界面及び合金層６２と放熱板７０の接合界面には、柔軟性を有した反応合金層６０、６４が形成される。このため、合金層４２と同様にクラックが生じにくい。
本実施例の半導体モジュール１０は、合金層４２と合金層６２の両者の相乗効果により、半導体モジュ−ル１０は加熱と冷却のサイクルに対して極めて安定であり、信頼性が顕著に向上された構造となる。
【００３６】
（第二実施例）
図２に、半導体モジュール１００の要部断面図を模式的に示す。
本実施例の半導体モジュール１００も、車載用インバータ装置に組み込まれて用いられる。このため、第一実施例の半導体モジュール１０と同様に、半導体モジュール１００にも過酷な温度変化（例えばマイナス数十℃からプラス２００℃以上にいたる大きな温度変化）が繰返し作用することがある。
【００３７】
半導体モジュール１００は、半導体装置１２０とCIC基板１５０と、AlN製のセラミックス板１５８と、放熱板１７０と、水冷板１８０を備えている。水冷板１８０には冷却水流路１８２が形成されており、半導体モジュール１００を水冷している。半導体装置１２０とCIC基板１５０は、本発明で創作された接合用金属層１４２ではんだ接合されている。CIC基板１５０とセラミック板１５８はロウ付けされている。セラミック板１５８と放熱板１７０もロウ付けされている。放熱板１７０と水冷板１８０もロウ付けされている。
【００３８】
半導体装置１２０は、第一実施例の半導体モジュール１０と同様にGaNを主な材料とする半導体結晶ブロック１２４を備えており、半導体結晶ブロック１２４の内部にIGBTとして機能する半導体構造が作りこまれている。IGBTは縦型であり。半導体結晶ブロック１２４の表面にはエミッタ電極１２２が形成されており、図示しない断面においてゲートと電極が形成されている。半導体結晶ブロック１２４の裏面はコンタクト領域となっている。半導体結晶ブロック１２４の裏面に、Tiからなる第一コンタクト層１２８が形成されており、その表面にAlからなる第二コンタクト層１３０が積層されており、その表面にCuからなるめっき層１３４が形成されており、その表面にAuからなる薄い層（図示されていない）が形成されている。第一実施例の半導体モジュール１０の場合は、Alからなる第二コンタクト層３０とCｕからなるめっき層３４の間にPtからなる第三コンタクト層３２が形成されている。本実施例の半導体モジュール１００にはPtからなるコンタクト層は形成されていないが、Tiからなる第一コンタクト層１２８とAlからなる第二コンタクト層１３０が積層されているので、GaNを主な材料とする半導体結晶ブロック１２４に対するオーミック特性は十分得られる。Auの薄層は、Cuのめっき層１３４を保護するものであり、極めて薄い。
【００３９】
CIC基板１５０は、銅からなる下層１５６と、インバー層１５４と、銅からなる上層１５２が積層した構造を備えている。CIC基板１５０の下層１５６の下にはAlNからなるセラミック板１５８がロウ付けされており放熱板１７０とCIC基板１５０の間の絶縁性を確保している。CIC基板１５０の各層１５２、１５４、１５６の厚みとセラミックス板１５８の厚みは調整され、半導体装置１２０の熱膨張係数に略一致するように調整されている。
【００４０】
半導体装置１２０の裏面電極１２６の最表面はCuであり（表面のAu層は薄く、Zn-Al系の合金層１４２ではんだ接合する場合には実質的に機能しない）、Zn-Al系の合金層１４２ではんだ接合すると、Zn-Al系合金とめっき層１３４のCuとの間で合金化現象が進行し、Zn-Al系の合金層１４２とCuめっき層１３４の接合界面に、Zn-Cu-Al系の合金層１４０が形成される。
CIC基板１５０の上層１５２はCuであり、Zn-Al系の合金層１４２ではんだ接合すると、Zn-Al系合金１４２の上層１５２のCuとの間で合金化現象が進行し、Zn-Al系の合金層１４２とCuの上層１５２の接合界面にもZn-Cu-Al系の合金層１４４が形成される。Zn-Al系の合金層１４２のAl含有率が９％以上であると、合金層１４２とめっき層１３４の接合界面に形成されるZn-Cu-Al系の合金層１４０と、合金層１４２とCIC基板１５０の上層１５２の接合界面に形成されるZn-Cu-Al系の合金層１４４は、柔軟な合金層となり、過酷なヒートサイクルに対して柔軟に対応して高い耐久性を発揮する。
【００４１】
（第三実施例）
図３に、半導体モジュール２００の要部断面図を模式的に示す。
本実施例の半導体モジュール２００も、車載用インバータ装置に組み込まれて用いられる。このため、第一実施例、第二実施例の半導体モジュール１０、１００と同様に、半導体モジュール２００にも過酷な温度変化（例えばマイナス数十℃からプラス２００℃以上にいたる大きな温度変化）が繰返し作用することがある。
【００４２】
半導体モジュール２００は、半導体装置２２０と、DBC基板２５０と、放熱板２７０と、水冷板２８０を備えている。水冷板２８０には冷却水流路２８２が形成されており、半導体モジュール２００を水冷している。半導体装置２２０とDBC基板２５０は、本発明で創作された接合用金属層２４２ではんだ接合されている。DBC基板２５０と放熱板２７０も、本発明で創作された接合用金属層２６２ではんだ接合されている。放熱板２７０は水冷板２８０にロウ付けされている。
【００４３】
半導体装置２２０は、SiCを主な材料とする半導体結晶ブロック２２４を備えており、半導体結晶ブロック２２４の内部にIGBTとして機能する半導体構造が作りこまれている。半導体結晶ブロック２２４の表面にはエミッタ電極２２２が形成されており、図示しない断面においてゲートと電極が形成されている。半導体結晶ブロック２２４の裏面はコンタクト領域となっている。半導体結晶ブロック２２４の裏面は、Niからなるコンタクト層２２９が形成されており、その表面にCuからなるめっき層２３４が形成されており、その表面にAuからなる薄い層（図示されていない）が形成されている。SiC半導体材料を半導体装置に利用する場合、Niからなるコンタクト層２２９のみを利用すれば複数のコンタクト層を形成しなくてもオーミック特性が十分に得られる。Auの薄層は、Cuのめっき層３３４を保護するものであり、極めて薄い。
【００４４】
絶縁性基板の大まかな構成は、第一実施例と同様である。絶縁性基板には、DBC基板２５０が利用されている。DBC基板２５０は、Cuからなる下層２５６と、AlNからなるセラミック層２５４と、Cuからなる上層２５２が積層した構造を備えている。なお、DBC基板２５０の各層２５２、２５４、２５６の厚みは、半導体装置２２０の熱膨張係数に略一致するように調整されている。
【００４５】
半導体モジュ−ル２００は、第一実施例の半導体モジュール１０と同様、DBC基板２５０の上層２５２はCuであり、Zn-Al系の合金層２４２ではんだ接合すると、Zn-Al系合金２４２の上層２５２のCuとの間で合金化現象が進行し、Zn-Al系の合金層２４２とCuの上層２５２の接合界面にもZn-Cu-Al系の合金層２４４が形成される。Zn-Al系の合金層２４２のAl含有率が９％以上であると、合金層２４２とめっき層２３４の接合界面に形成されるZn-Cu-Al系の合金層２４０と、合金層２４２とDBC基板２５０の上層２５２の接合界面に形成されるZn-Cu-Al系の合金層２４４は、柔軟な合金層となり、過酷なヒートサイクルに対して柔軟に対応して高い耐久性を発揮する。
【００４６】
半導体モジュール２００は、第一実施例の半導体モジュール１０と同様、半導体装置２２０を実装しているDBC基板２５０の裏面も、放熱板２７０の表面にZn-Al系の合金層２６２によってはんだ接合されている。放熱板２７０はCu-Mo製であり、表面にCuが露出している。
DBC基板２５０の下層２５６はCuであり、Zn-Al系の合金層２６２ではんだ接合すると、Zn-Al系合金２６２の下層２５６のCuとの間で合金化現象が進行し、Zn-Al系の合金層２６２とCuの下層２５６の接合界面に、Zn-Cu-Al系の合金層２６０が形成される。放熱板２７０はCu-Mo製であり、表面にCuが露出しているので、Zn-Al系の合金層２６２ではんだ接合すると、Zn-Al系合金と放熱板２７０のCuとの間で合金化現象が進行し、Zn-Al系の合金層２６２とCuの放熱板２７０の接合界面に、Zn-Cu-Al系の合金層２６４が形成される。
Zn-Al系の合金層２６２のAl含有率が９％以上であると、合金層２６２とCu下層２５６の接合界面に形成されるZn-Cu-Al系の合金層２６０と、合金層２６２と放熱板２７０の接合界面に形成されるZn-Cu-Al系の合金層２６４は、柔軟な合金層となり、過酷なヒートサイクルに対して柔軟に対応して高い耐久性を発揮する。
本実施例の半導体モジュール２００は、第一実施例の半導体モジュール１０や第二実施例の半導体モジュール１００と同様、合金層２４２と合金層２６２の両者の相乗効果により、半導体モジュ−ル２００は加熱と冷却のサイクルに対して極めて安定であり、信頼性が顕著に向上された構造となる。
【００４７】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、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。
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合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合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し得るものであり、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】
【００４８】
【図１】第一実施例の半導体モジュ−ルの要部断面図を示す。
【図２】第二実施例の半導体モジュールの要部断面図を示す。
【図３】第三実施例の半導体モジュ−ルの要部断面図を示す。
【図４】第一実施例に係るはんだ用合金の組成等の条件と評価結果を示す表である。
【図５】はんだ用合金中に含まれるAlの割合とZn-Cu-Al系の合金層の硬度の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４９】
１０、１００、２００：半導体モジュール
２０、１２０、２２０：半導体装置
２６、１２６、２２６：半導体装置の裏面電極
５０、２５０：DBC基板
１５０：CIC基板
４２、６２：Zn-Al系の合金層
４０、４４、６０、６４：Zn-Cu-Al系の合金層
【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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