(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧接型半導体装置用電極部材の製造方法であって、
銅を主成分とする柱状体を板状に切断する工程と、
前記切断する工程で得られた板状体を、非酸化性雰囲気中で加熱処理する工程と、
加熱処理した前記板状体の少なくともいずれか一方の主面を加工して電極体を形成する工程と、
前記電極体と前記電極体を囲繞する絶縁性の環状体とを、ろう付けする工程とを有し、
前記加熱処理する工程では、前記電極体を前記ろう付けする工程でのろう付け温度と同温度で加熱することを特徴とする圧接型半導体装置用電極部材の製造方法。
【請求項２】
前記加熱処理する工程では、前記板状体を７７０℃以上８７０℃以下の温度まで加熱することを特徴とする請求項１記載の圧接型半導体装置用電極部材の製造方法。
【請求項３】
前記板状体は、無酸素銅，タフピッチ銅またはりん脱酸銅からなることを特徴とする請求項１または２に記載の圧接型半導体装置用電極部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、  圧接型半導体装置用電極部材の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）に代表される電圧駆動型の半導体スイッチング素子が用いられている。電圧駆動型の半導体スイッチング素子は、大容量とするために多数の半導体チップを接続して用いられることが多い。このように多数の半導体チップを接続した圧接型半導体装置として、多数の半導体チップを電気的に接続させるために、半導体チップと板状の電極体とを圧接した状態で接続した圧接型半導体装置が用いられている。多数の半導体チップの駆動状態を均一化するためには、板状の電極体と半導体チップとの圧接状態を、なるべく均一化することが重要である。
【０００３】
例えば特許文献１には、圧接型半導体装置について、板状の電極体と半導体チップとの圧接状態を均一にするための構造や製造方法が提案されている。特許文献１では、セラミックからなる環状絶縁部材の内側に、銅からなる板状の電極体をろう付けによって固定してなる筐体を準備し、この筐体の電極体の表面に半導体チップを載置し、この半導体チップを筐体（の電極体）と蓋体とで挟むように押圧する。特許文献１では、この押圧力によってろう付け時に生じた電極体の歪みを是正している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−１１０２９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
圧接型半導体装置用電極部材の使用時には、使用時の電極体の温度上昇にともなって電極体の内部応力が開放され、この内部応力の開放にともなって電極体が変形（ひずみが発生）することがある。近年の半導体スイッチング素子の大型化や駆動電圧の増加にともない、半導体スイッチング素子の使用時の温度が上昇する傾向にあり、このため、使用時の電極体の温度上昇にともなって起こる電極体の変形（ひずみ）の程度は大きくなる傾向にある。このように近年の使用時の温度上昇にともない、特許文献１記載の方法だけでは、使用時における電極体の変形が充分に抑制できないといった課題があった。本発明が解決しようとする課題は、使用時における電極体の変形が小さい圧接型半導体装置用電極部材の製造方法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】
【０００６】
本願は、圧接型半導体装置用電極部材の製造方法であって、銅を主成分とする柱状体を板状に切断する工程と、前記切断する工程で得られた板状体を、非酸化性雰囲気中で加熱処理する工程と、加熱処理した前記板状体の少なくともいずれか一方の主面を加工して電極体を形成する工程と、前記電極体と前記電極体を囲繞する絶縁性の環状体とを、ろう付けする工程とを有し、前記加熱処理する工程では、前記電極体を前記ろう付けする工程でのろう付け温度と同温度で加熱することを特徴とする圧接型半導体装置用電極部材の製造方法を提供する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、使用時における電極体の変形が小さい圧接型半導体装置用電極部材を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態の製造方法を用いて得られる圧接型半導体装置用電極部材の一例を示す、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡＡ’線における断面図である。
【図２】本発明の一実施形態の製造方法のフローチャート図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００１０】
図１は、本実施形態の製造方法を用いて得られる圧接型半導体装置用電極部材の一例を示す、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡＡ’線における断面図である。図１に示す例の圧接型半導体装置用電極部材１０は、銅を主成分とする電極体１と、電極体１を囲繞する絶縁性の環状体２を有して構成されており、電極体１と環状体２とがろう付け層４を介して接合されている。本実施形態ではろう付け層４は、環状体２の表面に被着したメタライズ層と、メタライズ層と電極体１と接合したろう材層とを備えている。
【００１１】
電極体１は、一方の主面側に、格子状に形成された溝状部を挟んで平面視で互いに間隔を開けて縦横に配置された複数の矩形状の凸部１ａを備えてなる。凸部１ａの頂面それぞれには半導体素子３（図１で破線で示す）が当接して配置される。半導体素子３は例えば、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ），サイリスタ（ＳＣＲ）等の電圧駆動型の半導体素子である。より具体的には、半導体素子３は、電極体１と図示しない板状の上部電極構造体とに挟持されて、上部電極構造体と電極体１とによって強い圧力で押圧された状態で用いられる。
【００１２】
半導体素子３は駆動時に高い電圧が印加され、駆動にともなって大きな熱が発生する。半導体装置用電極部材１０は、半導体素子３に電圧を印加するとともに、この熱を放熱する放熱板としても機能する。半導体素子３への電圧の印加の程度や、半導体素子３からの伝熱の程度は、半導体素子３と電極体１との当接状態や押圧力の程度によって変わる。複数の半導体素子３へ印加する電圧のばらつきを抑制するため、また複数の半導体素子３からの熱の放出の程度のばらつきを抑制するためには、使用時においても電極体１の変形が小さいことが重要といえる。
【００１３】
電極体１は銅を主成分とする。電極体１は銅を主成分とする合金等であってもよいが、例えば、無酸素銅，タフピッチ銅またはりん脱酸銅等の銅を９９質量％以上含む高純度の銅からなることが好適である。電極体１が高純度の銅からなる場合、電極体１の熱伝導性が比較的高いので、半導体素子３が発生した熱を速やかに逃がすことができる。
【００１４】
環状体２は、例えば、酸化アルミニウム，炭化ケイ素，窒化ケイ素または窒化アルミニウムを主成分とするセラミック焼結体からなる。これらのセラミック焼結体を用いた場合、機械的強度が強く、耐熱性も高いので、比較的長い期間にわたって安定した性能で圧接型半導体装置用電極部材１０を使用することができる。
【００１５】
ろう付け層４におけるろう材の材質は特に限定されないが、耐熱性が高く、電極体１と環状体２との接合強度が高い点で、例えばいわゆる銀−銅ろう等を用いることが好ましい。例えば圧接型半導体装置用電極部材１０は、使用時（半導体素子３の駆動時）には２００℃〜５００℃程度まで昇温することがある。ろう付け層４におけるろう材はこの程度の高温に対する耐熱性が高いことが必要であり、ろう付け温度が２００〜５００℃に比べて高いことが必要である。例えば銀-銅ろうとしては、銀および銅の比率がそれぞれ７２質量％，２８質量％であるろう材（いわゆるＢＡｇ−８銀ろう）等を用いることが好ましい。
【００１６】
なお主成分とは、着目する部材を構成する成分の合計１００質量％に対して、７０質量％以上を占める成分である。部材が金属からなる場合には、ＩＣＰ発光分光分析装置または蛍光Ｘ線分析装置を用いて各金属の含有量を求め、その部材を構成する成分の合計１００質量％に対して、７０質量％以上を占める成分が主成分である。また、部材がセラミックス焼結体からなる場合には、Ｘ線回折装置（ＸＲＤ）を用いてそのセラミック焼結体を構成する化合物を同定した上で、ＩＣＰ発光分光分析装置または蛍光Ｘ線分析装置を用いて化合物を構成する金属の含有量を求め、同定された化合物に換算すればよい。
【００１７】
なお、図１に示す実施形態では、環状体２の内周面の形状が平面視において円形状であるが、この内周面の形状は例えば四角形や六角形など多角形状であってもよい。また、電極体１の外周面の形状も、平面視において例えば四角形や六角形など多角形状であってもよい。環状体２や電極体１の形状は特に限定されない。環状体２の内周と電極体１の外周とが接合されるので、環状体２の内周の形状と電極体１の外周の形状とは相似形で、電極体１の外周の方が環状体２の内周よりろう付層４の分だけ小さいと、環状体２の内周と電極体１の外周とろう付層４の厚みを均一にすることができ、変形の小さいものとすることができる。
【００１８】
次に、本発明の一実施形態について、圧接型半導体装置用電極部材１０の製造方法を例に説明する。図２は圧接型半導体装置用電極部材１０の製造方法のフろうチャート図である。本実施形態の製造方法は、銅を主成分とする柱状体を板状に切断する工程（ステップＳ１０２）と、切断する工程で得られた板状体を非酸化性雰囲気中で加熱処理する工程（ステップＳ１０４）と、加熱処理した板状体の少なくともいずれか一方の主面を加工して電極体１を形成する工程（ステップＳ１０６）と、電極体１と電極体１を囲繞する絶縁性の環状体２とをろう付けする工程（ステップＳ１０８）とを有し、加熱処理する工程（ステップＳ１０４）では、電極体１をろう付けする工程（ステップＳ１０８）でのろう付け温度と同温度で加熱する。以下、各工程について説明する。
【００１９】
まず、銅を主成分とする柱状体を準備し、この銅を主成分とする柱状体を板状に切断する（ステップＳ１０２）。具体的には、例えば直径が約１２５〜１３５ｍｍ、高さが約４５０〜５５０ｍｍの円柱体を、マルチワイヤソーやバンドソーあるいはダイシングソー等の装置を用いて、長さ方向に沿って複数部分に分割するように切断することで、例えば直径が約１２５〜１３５ｍｍ、厚み（高さ）が１６〜１８ｍｍの板状体を複数得る。銅を主成分とする柱状体は、その製造過程において外形状が円柱状に成型されているが、この成型過程やその後の温度履歴等に応じて、内部応力（当初残存引張応力）の大きさが部分的にばらついており、そのばらつきの程度は比較的大きい。この柱状体を切断して得られた板状体にも、この当初残存引張応力が残っており、そのばらつきの程度は同様に大きい。またこの切断する工程では板状体の双方の主面に、加工にともなう残存圧縮応力（加工残存圧縮応力）が生じている。
【００２０】
次に、切断する工程で得られた板状体を非酸化性雰囲気中で加熱処理する（ステップＳ１０４）。この加熱処理する工程では、後述する、電極体１（板状体が加工されたもの）と環状体２とをろう付けする工程（ステップＳ１０８）でのろう付け温度と同温度で加熱する。ろう付け温度と同温度とは、厳密に同じ温度でなく同程度の温度範囲をいい、具体的にはろう付け温度と±５０℃の温度範囲のことをいう。
【００２１】
上述したように、ろう付け層４におけるろう材として、いわゆるＢＡｇ−８銀ろうを用いる場合は、ろう付け層４におけるろう材層の形成工程（後述するステップＳ１０８）におけるろう付け温度は例えば８２０℃であるので、この加熱処理する工程（ステップＳ１
０４）では、７７０℃〜８７０℃の温度まで板状体を加熱する。すなわち、この加熱処理では、ろう付け工程（ステップＳ１０８）の際の加熱温度と同程度の温度まで、主面の加工（ステップＳ１０６）に先がけて板状体を加熱処理している。なお、この加熱処理する工程（ステップＳ１０４）での加熱温度は、使用するろう材に応じて（使用するろう材のろう付け温度に応じて）設定すればよく、特に限定されない。
【００２２】
加熱処理の雰囲気は非酸化性雰囲気であり、例えば、水素，窒素またはアルゴン雰囲気である。また、加熱温度の保持時間は、例えば、３分以上１５分以下であり、特に、４分以上１０分以下であることが好適である。本実施形態では、ろう付け工程（Ｓ１０８）の加熱より前に、このろう付けする工程（ステップＳ１０８）でのろう付け温度と同程度まで板状体を加熱しておくことで、切断前の円柱体の状態から内部に存在していた内部の引張応力（当初残存引張応力）を、ろう付け工程（Ｓ１０８）の前に、予め低減しておくとともに部分的なばらつきを抑制しておくことができる。加えて、ろう付け工程（Ｓ１０８）の前に、ステップＳ１０２の切断の際に生じた板状体の表面の圧縮応力（加工残存圧縮応力）も低減しておくことができる。この加熱処理によって、板状体は、内部にある程度の大きさの引張応力は残っているがそのばらつきは小さく、かつ表面の圧縮応力は比較的小さい状態となる。
【００２３】
仮にこのステップＳ１０４の加熱処理を行わない場合、ステップＳ１０８のろう付け工程において加熱を行う段階で、ステップＳ１０２の切断前の円柱体の状態から内部に存在していた電極体１の内部の引張応力（当初残存引張応力）と、ステップＳ１０２の切断と後述するステップ１０６の加工とでさらに大きくなった電極体１の表面の圧縮応力（加工残存圧縮応力）との双方が大きく、また双方とも部分的なばらつきが大きくなっている。すなわちこの場合、ステップＳ１０８のろう付け工程において加熱を行う段階で、板状体１の内部の引張応力（当初残存引張応力）と、表面の圧縮応力（加工残存圧縮応力）との双方が比較的大きく、かつ双方がバランス悪く残存している。このためこの場合、ステップＳ１０８のろう付け工程における加熱によって応力が開放されたとしても、内部の引張応力（当初残存引張応力）と圧縮応力（加工残存圧縮応力）とがバランス悪く解消し、部分的に一方の応力のみが強く残留することがあり、この部分的に残留した応力によって電極体１が部分的に変形することがあった。
【００２４】
また、本実施形態では、板状体を加工して電極体１を形成する工程（ステップＳ１０６）の前にこの加熱処理をすることで、柱状体を板状に切断する工程（ステップＳ１０２）によって板状体に残存した応力および応力のばらつきが低減された状態で電極体１を形成することとなる。そのため、寸法精度の高い電極体１を形成することができる。
【００２５】
次に、加熱処理した板状体の少なくともいずれか一方の主面を加工して電極体１を形成する（ステップＳ１０６）。本実施形態では、板状体の双方の主面をそれぞれ加工して電極体１を形成する。まず、マシニングセンタ装置等を用いて、板状体の一方の主面に機械的加工を施して、この一方主面に複数の溝部を形成することで、溝部に囲まれた複数の凸部１ａ（図１参照）を形成する。本実施形態では、例えば溝部の深さ（凸部１ａの高さ、溝部の底から凸部１ａの頂面までの高さ）は例えば５ｍｍ〜５０ｍｍ、凸部の頂面の各辺の長さを例えば５ｍｍ〜５０ｍｍとしている。この後、凸部１ａが形成された一方主面と他方主面との双方の主面を研削して、双方の主面を平滑化する。板状体の双方の主面を研削することで、板状体の外表面である主面には、ある程度の大きさの圧縮応力が加わることになる。双方の主面は平滑化されており、双方の主面での加工残存圧縮応力のばらつきは小さい状態となっている。
【００２６】
すなわち、この電極体を形成するステップを経た後の板状体（電極体１）は、内部にある程度の大きさの引張応力（当初残存引張応力）は残っているがそのばらつきは小さく、
かつ表面の圧縮応力（加工残存圧縮応力）もある程度の大きさで残っているがそのばらつきは小さい状態となっている。
【００２７】
次に、電極体１と電極体１を囲繞する絶縁性の環状体２とをろう付けする（ステップＳ１０８）。本実施形態では、ろう付け層４におけるろう材として、いわゆるＢＡｇ−８銀ろうを用いており、ろう付け層４の形成工程（後述するステップＳ１０８）におけるろう付け温度は、８２０℃となっている。
【００２８】
なお、電極体１と環状体２との接合強度をより高くする点で、ろう付けに先がけて、環状体２の内周面にメタライズ層を形成しておくことが好ましい。例えば、モリブデンを主成分としマンガンを含む中間層と、中間層の表面に被着した、ニッケルを主成分としリンまたは硼素を含む第１金属層とを、環状体２の内周面に予め形成しておくことが好ましい。また、ニッケルを主成分とし、リンまたは硼素を含む第２金属層を環状体２の内周面に予め形成しておくことが好ましい。具体的にはステップＳ１０８では、まずモリブデンを主成分としマンガンを含む中間層と、中間層の表面に被着した、ニッケルを主成分としリンまたは硼素を含む第１金属層とを、環状体２の内周面に形成し、ニッケルを主成分とし、リンまたは硼素を含む第２金属層を環状体２の内周面に形成する。その後、銀および銅の各粉末の比率がそれぞれ７２質量％，２８質量％となるように秤量して混合した後、樹脂または無機化合物フラックスと有機溶媒とを添加し混練することによってペースト状のろう材を作製し、このろう材を第１金属層および第２金属層の少なくともいずれか一方の表面にスクリーン印刷法、加圧印刷法および刷毛塗り等のいずれかの方法で塗布した後、１２０℃以上１５０℃以下で乾燥する。そして、ろう材を乾燥させた後、例えば８２０℃の設定温度で熱処理してろう材を溶融させた後に降温させ、電極体１と環状体２とを接合するろう付け層４を形成する。本実施形態では、このようにして圧接型半導体装置用電極部材１０を得ることができる。
【００２９】
ろう材として、銀および銅の各粉末の合計１００質量部に、チタン，ハフニウム，ジルコニウム，ニオブまたはその水素化物等を２質量部以上５質量部以下添加混合した、いわゆる活性ろう材を用いてもよい。この場合は、環状体２の内周面にメタライズ層を形成しなくても高い接合強度を得ることができる。
【００３０】
また、銀および銅の各粉末の合計１００質量部に、インジウムまたはスズを１質量部以上１０質量部以下添加混合することでろう材の融点を低下させたり、ろう付層４における硬度を低下させたりすることができる。
【００３１】
このろう付け時の熱処理によっても、ステップＳ１０６の後に電極体１の内部に残っていた、内部の引張応力（当初残存引張応力）と、表面の圧縮応力（加工残存圧縮応力）とが開放される。
【００３２】
上述のように、このステップＳ１０８のろう付け工程およびステップＳ１０６の加工工程の前に、ろう付け温度と同温度で加熱するアニール工程（ステップＳ１０４）を経ている本実施形態では、このステップＳ１０８のろう付け工程を行う段階で、電極体１は、内部にある程度の大きさの引張応力（当初残存引張応力）は残っているがそのばらつきは小さく、かつ表面の圧縮応力（加工残存圧縮応力）もある程度の大きさで残っているがそのばらつきは小さい状態となっている。このため、このステップＳ１０８のろう付け工程における加熱によって応力が開放されることで、内部の引張応力（当初残存引張応力）と圧縮応力（加工残存圧縮応力）とがそれぞれバランス良く解消し、部分的に一方の応力のみが強く残留することが抑制されているので、残留した応力によって電極体１が部分的に変形することが抑制されている。
【００３３】
このような製造方法によって得られる圧接型半導体装置用電極部材１０は、ろう付けする工程（ステップＳ１０８）で生じる部分的変形が少なく、高い形状精度を有している。また、電極体１に残存している内部応力が小さく、その内部応力の大きさの部分的なばらつきも非常に小さい。このため、電極体や環状体の温度上昇にともなって起こる内部応力の開放に応じた電極体の変形（ひずみ）が充分に抑制できている。このように圧接型半導体装置用電極部材１０は、温度上昇にともなう電極体１の変形が抑制されており、半導体素子３と電極体１との接触状態や接触圧力のばらつきが小さいので、複数の半導体素子３の動作特性のばらつきの程度を抑制することができる。
【００３４】
以上、本発明の実施形態および実施例について説明したが、本発明は上述の実施形態や実施例に限定されるものでない。本発明は、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行なってもよいのはもちろんである。
【符号の説明】
【００３５】
１    電極体
２    環状体
３    半導体素子
４    ろう付け層
１０  圧接型半導体装置用電極部材
【図１】
0006386936.tif 000002
【図２】
0006386936.tif 000003