(57)【要約】【課題】  セラｓミックス基板と金属放熱板との間の接合材料として用いた場合に、接合後の基板の反りを低減でき、しかも接合層の破壊を防止できると共に優れた放熱性を有する非鉛系はんだ材及びそれを用いた半導体装置を提供する。【解決手段】  非鉛系はんだと、室温における熱膨張係数が１０×１０−６／℃以下、熱伝導率が２０Ｗ／ｍＫ以上である粒子と、を含むはんだ材。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
非鉛系はんだと、
室温における熱膨張係数が１０×１０−６／℃以下、熱伝導率が２０Ｗ／ｍＫ以上である粒子と、
を含むことを特徴とするはんだ材。
【請求項２】
前記粒子は、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔｉ、Ｚｒからなる群より選ばれた粒子であることを特徴とする請求項１記載のはんだ材。
【請求項３】
前記粒子は、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、炭化ケイ素、アルミナからなる群より選ばれた粒子であることを特徴とする請求項１記載のはんだ材。
【請求項４】
金属放熱板と、
前記金属放熱板上に配置された、室温における熱膨張係数が１０×１０−６／℃以下、熱伝導率が２０Ｗ／ｍＫ以上である粒子を含む非鉛系はんだ材層と、
前記金属放熱板に配置されたセラミックス基板と、
前記セラミックス基板上に配置された半導体素子と、
を備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
半導体素子を載置するためセラミックス基板と金属放熱板とをはんだ材で接合する半導体装置の製造方法であって、前記はんだ材は、室温における熱膨張係数が１０×１０−６／℃以下、熱伝導率が２０Ｗ／ｍＫ以上である粒子を含む非鉛系はんだ材であることを特徴とする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、半導体装置に好適に用いられる非鉛系はんだ材及びそれを用いた半導体装置に関する。特に、パワー半導体素子を備える半導体装置に用いられる非鉛系はんだ材及びそれを用いたパワー半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に大電力用半導体装置は、パワー半導体素子、セラミックス基板、金属放熱板等からなり、各部材の間をはんだ等の接合材料によって組み立てられている。パワー半導体素子は、近年の高密度化、高機能化に伴い、発熱量がますます大きくなる傾向にある。このため、これを搭載した半導体モジュール等の電力用半導体装置には放熱特性に優れた絶縁基板や金属放熱板を使用する必要がある。これに適したセラミックス基板材料には、窒化ケイ素（ＳｉＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等がある。また、金属放熱板の材料として一般に銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）が適用されている。しかし、セラミックス基板と金属放熱板との熱膨張係数の差が大きいため、接合過程で発生する熱応力または使用中の熱疲労による接合層の破壊が問題となる。
【０００３】
このような、接合層の熱疲労や破壊を防止するため、金属繊維からなる網状シートと錫・鉛（Ｓｎ−Ｐｂ）はんだとを組合せたはんだ材が接合材として提案されている（特許文献１参照）。しかし、接合層の骨格が金属の網状シートであるため、十分な接合強度が得られず、接合層の熱疲労等を完全に防止することはできなかった。
【０００４】
一方、セラミックス板の表、裏両面に銅箔等からなる表回路板および裏板を直接接合し、表回路板に導体パターンを形成したＤＢＣ（Direct Bond Copper）基板を用い、金属放熱板とセラミックス板の裏板との間をＳｎ−Ｐｂはんだで接合する方法が提案されている（例えば特許文献２参照）。このようなＤＢＣ基板を用いた場合、セラミックス基板と金属放熱板との熱膨張係数差に基づく歪や熱応力が発生する。接合材として用いられるＳｎ−Ｐｂはんだは変形し易く応力を緩和するため、接合層の熱疲労や破壊などは特に問題にはならなかった。
【０００５】
しかしながら、近年、地球環境問題に対する意識の高揚から、非鉛系はんだに対する関心が高まっている。また、電子機器に関しては、鉛系はんだを使用した製品の製造および輸出入が法規制の対象となり、早急の対策が必要である。
【０００６】
このような状況下、ＤＢＣセラミックス基板と金属放熱板との間の接合材料としてＳｎ−Ｐｂはんだの代りに、非鉛系はんだ（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｃｕ系はんだ等）を使用する試みがなされた。しかし、非鉛系はんだは一般に変形しにくいため、セラミックス基板と金属放熱板との熱膨張係数差に基づく大きな歪や熱応力が発生し、接合後の基板の反りや接合層の破壊が問題となっている。
【特許文献１】特開平５−１３６２８６号公報
【特許文献２】特開２００２−２０３９４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、セラミックス基板と金属放熱板との間の接合材料として用いた場合に、接合後の基板の反りを低減でき、しかも接合層の破壊を防止できると共に優れた放熱性を有する非鉛系はんだ材及びそれを用いた半導体装置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】
【０００８】
本発明のはんだ材は、非鉛系はんだと、室温における熱膨張係数が１０×１０−６／℃以下、熱伝導率が２０Ｗ／ｍＫ以上である粒子と、を含むことを特徴とする。
【０００９】
本発明の半導体装置は、金属放熱板と、前述の金属放熱板上に配置された、室温における熱膨張係数が１０×１０−６／℃以下、熱伝導率が２０Ｗ／ｍＫ以上である粒子を含む非鉛系はんだ材層と、前述の金属放熱板に配置されたセラミックス基板と、前述のセラミックス基板上に配置された半導体素子と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
本発明の半導体装置の製造方法は、半導体素子を載置するためセラミックス基板と金属放熱板とをはんだ材で接合する半導体装置の製造方法であって、前記はんだ材は、室温における熱膨張係数が１０×１０−６／℃以下、熱伝導率が２０Ｗ／ｍＫ以上である粒子を含む非鉛系はんだ材であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係るはんだ材をセラミックス基板と金属放熱板との間の接合材として用いた場合に、接合後のセラミックス基板の反りを低減できる。また、接合層の破壊を防止できると共に、優れた放熱性を有する。そのため、本発明によれば信頼性の良好な環境対応型の半導体装置が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明者らが鋭意検討した結果、セラミックス基板と金属放熱板との熱膨張係数の差に基づく接合後の基板の反りや接合層の破壊の原因は、接合過程で発生する熱応力であることを知見した。本発明者らはさらなる検討の結果、所定の熱膨張係数及び熱伝導率を有する粒子を非鉛系はんだと組合せてはんだ材とすることにより、接合過程で発生する熱応力の低減と、優れた放熱性を同時に満たすことを見出した。以下、実施の形態を挙げて本発明を説明していく。
【００１３】
［はんだ材］
本発明の実施形態にかかるはんだ材は、非鉛系はんだと、熱膨張係数が低く、熱伝導率の高い粒子と、を含むものである。
【００１４】
実施形態にかかるはんだ材は、非鉛系はんだを粒径４〜１００μｍ程度、好ましくは１０〜５０μｍ程度に粒状化した非鉛系はんだ粉末を、金属粒子、半導体粒子及びセラミックス粒子のいずれかと混合して調製される。ここで「粒径」とは、粒子が通り抜けることができる篩の目の直径を意味する。
【００１５】
非鉛系はんだは、はんだとしての適切な特性を有するものであれば、何ら限定されない。例えば、錫（Ｓｎ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、ビスマス（Ｂｉ）、インジウム（Ｉｎ）、アンチモン（Ｓｂ）などからなる合金から選択することができる。より具体的には、錫・銀（Ｓｎ−Ａｇ）系、錫・銅（Ｓｎ−Ｃｕ）系、錫・亜鉛（Ｓｎ−Ｚｎ）系、錫・ビスマス（Ｓｎ−Ｂｉ）系、亜鉛・アルミニウム・マグネシウム・錫（Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｎ）系などが挙げられる。
【００１６】
非鉛系はんだは、融点（液相線温度）が１５０℃〜３００℃の範囲内のものが好ましいが、融点（液相線温度）が１８０℃〜２６０℃の範囲内のものがさらに好ましい。融点があまりにも低い場合、使用中のパワー半導体素子の発熱によりはんだ材が溶融し、信頼性の低下を懸念する必要が出てくるからである。また、融点が３００℃を超えると、セラミックス基板と金属放熱板の接合温度が高くなり、接合過程で発生する熱応力が大きくなり好ましくないからである。なかでも、以下の融点を備えるはんだ材：Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ合金（融点２２０℃）、Ｓｎ−０．７Ｃｕ合金（融点２２９℃）、Ｓｎ−９Ｚｎ合金（融点１９９℃）が好ましい。
【００１７】
粒子としては、金属粒子、半導体粒子及びセラミックス粒子が挙げられる。かかる粒子は、非鉛系はんだと組合せてはんだ材となし、熱膨張係数をセラミックス基板と金属放熱板の中間の値となるように調整するためのものである。ここで、セラミックス基板の室温における熱膨張係数は、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）は７×１０−６／℃、窒化ケイ素（ＳｉＮ）は３×１０−６／℃、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）は４．５×１０−６／℃である。これに対して金属放熱板の熱膨張係数は、例えば銅（Ｃｕ）板は１８×１０−６／℃、アルミニウム（Ａｌ）板は２３×１０−６／℃である。一方、はんだ材の熱膨張係数は２０×１０−６〜２５×１０−６／℃である。
【００１８】
したがって、はんだ材の熱膨張係数をセラミックス基板と金属放熱板の中間の値とするためには、金属粒子、半導体粒子及びセラミックス粒子は、室温における熱膨張係数が１０×１０−６／℃以下であることが好ましい。１０×１０−６／℃を超えると、はんだ材の熱膨張係数を低下させる効果が十分に得られなくなるからである。一方、熱伝導率に関しては、セラミックス基板の室温における熱伝導率は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）の場合に２１Ｗ／ｍＫ、窒化ケイ素（ＳｉＮ）は７０〜９０Ｗ／ｍＫ、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）は１７０Ｗ／ｍＫである。これに対して金属放熱板の熱伝導率は、銅（Ｃｕ）板は３９０Ｗ／ｍＫ、アルミニウム（Ａｌ）板は２４０Ｗ／ｍＫである。一方、はんだ材の熱伝導率は５０〜６５Ｗ／ｍＫである。
【００１９】
尚、本明細書、特許請求の範囲における「熱膨張係数」及び「熱伝導率」の値は、後に実施例の欄で説明する測定方法に従って測定した値である。
【００２０】
はんだ材の熱伝導率を損なわず、優れた放熱性を維持するためには、金属粒子、半導体粒子及びセラミックス粒子は、室温における熱伝導率が２０Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。さらに好ましくは５０Ｗ／ｍＫ以上である。熱伝導率が２０Ｗ／ｍＫ未満では、はんだ材の熱伝導率が低下し、優れた放熱性を維持できなくなるからである。尚。はんだ材の熱伝導率の上限値は特に制限されるものではないが
６５Ｗ／ｍＫ程度である。
【００２１】
金属粒子又は半導体粒子としては、室温における熱膨張係数が１０×１０−６／℃以下、かつ室温における熱伝導率が２０Ｗ／ｍＫ以上であればよく、特に限定されるものではない。例えば、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ケイ素（Ｓｉ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）（熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫ以上）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）（熱伝導率が２０Ｗ／ｍＫ以上）等が挙げられる。これらの中でも、熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫ以上のものが特に好ましく用いられる。尚、熱膨張係数の下限値は特に制限されるものではないが、１×１０−６／℃、熱伝導率の上限値は特に制限されるものではないが、４００Ｗ／ｍＫ程度である。より具体的には金属粒子又は半導体粒子として以下のものを使用することができる。：Ｇｅ（熱膨張係数５．７×１０−６／℃、熱伝導率６０Ｗ／ｍＫ）、Ｓｉ（熱膨張係数２．８×１０−６／℃、熱伝導率１４８Ｗ／ｍＫ）、Ｃｒ（熱膨張係数４．９×１０−６／℃、熱伝導率９０Ｗ／ｍＫ）、Ｍｏ（熱膨張係数４．５×１０−６／℃、熱伝導率１３９Ｗ／ｍＫ）、Ｗ（熱膨張係数４．５×１０−６／℃、熱伝導率１７７Ｗ／ｍＫ）、Ｔｉ（熱膨張係数８．６×１０−６／℃、熱伝導率２２Ｗ／ｍＫ）、Ｚｒ（熱膨張係数５．４×１０−６／℃、熱伝導率２３Ｗ／ｍＫ）。
【００２２】
セラミックス粒子としては、室温における熱膨張係数が１０×１０−６／℃以下、かつ室温における熱伝導率が２０Ｗ／ｍＫ以上であればよく、特に限定されるものではない。例えば、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素（ＢＮ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）（熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫ以上）、アルミナ（熱伝導率が２０Ｗ／ｍＫ以上）等が挙げられる。これらの中でも、熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫ以上のものが特に好ましく用いられる。尚、熱膨張係数の下限値は特に制限されるものではないが、１×１０−６／℃、熱伝導率の上限値は特に制限されるものではないが、３００Ｗ／ｍＫ程度である。より具体的にはセラミックス粒子として以下のものを使用することができる。：窒化ケイ素（熱膨張係数３．４×１０−６／℃、熱伝導率７０Ｗ／ｍＫ）、窒化アルミニウム（熱膨張係数４．６×１０−６／℃、熱伝導率１６０Ｗ／ｍＫ）、窒化ホウ素（熱膨張係数４．５×１０−６／℃、熱伝導率６０Ｗ／ｍＫ）、炭化ケイ素（熱膨張係数３．７×１０−６／℃、熱伝導率２７０Ｗ／ｍＫ）、アルミナ（熱膨張係数７．３×１０−６／℃、熱伝導率２１Ｗ／ｍＫ）。
【００２３】
金属粒子、半導体粒子及びセラミックス粒子の形状は特に限定されない。無定形、焼結、粉砕、破砕状、球状、球状に近いもの、繊維状のもの等種々のものを用いることができる。好ましくは無定形、焼結、粉砕、破砕状のものである。また、粒径は特に限定されないが、はんだ材を調製する場合の分散性や熱伝導性等の点からはんだ材粉末の粒径よりやや大きいことが好ましい。かかる金属粒子やセラミックス粒子は、はんだ材との濡れ性が劣る場合には表面にメタライズ処理を施したものを使用してもよい。メタライズ剤としてのメッキの種類としては、例えば、ニッケル（Ｎｉ）メッキ、錫（Ｓｎ）メッキ、錫（Ｓｎ）合金メッキ、銀（Ａｇ）メッキ、金（Ａｕ）メッキ等が挙げられる。はんだ材との濡れ性が向上することにより、はんだ材の熱伝導率、接合強度をより高めることができる。
【００２４】
実施の形態のはんだ材における、金属粒子、半導体粒子及びセラミックス粒子の配合割合は、はんだ材１００重量部に対して１０〜５０重量部であることが好ましい。１０重量部未満では、はんだ材の熱膨張係数を低下させる効果が十分でなく、５０重量部を超えるとはんだ材の割合が減り、接合強度が低下するからである。
【００２５】
第１の実施の形態のはんだ材は、使用目的に応じて、はんだシート、ソルダペースト、あるいはさらに熱硬化性樹脂を混合して調製したはんだ材の形態で用いることができる。
【００２６】
［はんだシートの調製］
はんだ材をはんだシートの形態で使用する場合、以下の手順によりはんだシートを作製することができる。
【００２７】
（イ）表１に示す配合割合で非鉛系はんだ粉末と、金属粒子、半導体粒子及びセラミックス粒子からなる群から選択された粒子とを含む混合物を圧延しやすい形状の型に入れる。
【００２８】
（ロ）次に、真空中、還元性雰囲気中もしくは不活性雰囲気中で、混合物の全体を均一に圧縮する。
【００２９】
（ハ）更に、非鉛系はんだ粉末を塑性流動させ、金属粒子、半導体粒子及びセラミックス粒子の隙間を非鉛系はんだで充填して複合成型体とする。その際、室温ではんだ材粉末が流動しにくい場合、若干（１００〜１５０℃）温度を上げて流動しやすくする。
【００３０】
（ニ）得られた複合成形体をロールで圧延してはんだシートを得る。
【００３１】
［ソルダペーストの調製］
はんだ材をソルダペーストの形態で使用する場合、以下の手順でソルダペーストを作製することができる。
【００３２】
（イ）  表１に示す配合割合で、はんだ材粉末と、粒子（金属粒子、半導体粒子及びセラミックス粒子のいずれか）とを配合して混合粉末を得る。
【００３３】
（ロ）  得られた混合粉末９０重量部と、フラックス（重合ロジン、溶剤、活性剤、チキソ剤からなるロジン系フラックス）１０重量部とを混合し、さらに混練機で撹拌してソルダペーストを得る。フラックスとしては、化学的作用及び物理的作用を効率よく発現させるべく必要に応じて種々の物質を配合したものを用いる。
【００３４】
尚、はんだ材にさらに熱硬化性樹脂を混合して使用する場合、非鉛系はんだ粉末と、金属粒子、半導体粒子及びセラミックス粒子のいずれかとからなる混合粉末を、熱硬化性樹脂、さらに必要に応じて溶剤とを配合して撹拌混合もしくはロール混練することによりソルダペーストを得ることができる。熱硬化性樹脂としてはエポキシ系樹脂、フェノール系樹脂、アクリル系樹脂、ポリイミド系樹脂、ビスマレイミド系樹脂などが挙げられる。
【００３５】
［半導体装置］
図１は、金属放熱板１と、金属放熱板１上に配置されたはんだ材２と、セラミックス板３１ａの第一の主面に表回路板３１ｂ、第二の主面に裏板３１ｃを備え、裏板３１ｃにはんだ材２が接続されたセラミックス基板３１と、セラミックス基板３１の表回路板３１ｂ上に配置されたマウント材４と、かかるマウント材４に接着されたパワー半導体素子５と、を備える半導体装置の側面図を示す。
【００３６】
金属放熱板１としては、一般にＣｕ、Ａｌまたはそれらの合金等が挙げられる。かかる金属放熱板の接合面にはんだ接合材の濡れ性を得るため、メッキ処理が施されていてもよい。メッキの種類としては、例えば、Ｎｉメッキ、Ｓｎメッキ、Ｓｎ合金メッキ等が挙げられる。
【００３７】
一般的には、はんだシートまたはソルダペーストの形態ではんだ材を使用することができる。また、はんだ材に熱硬化性樹脂をさらに混合したペースト状の形態ではんだ材を使用することもできる。はんだ材２によって接合されたはんだ接合層の厚さは８０〜３００μｍであることが好ましい。８０μｍより薄いと接合時の熱応力を抑えることが困難であり、３００μｍを超えると半導体装置の放熱性が低下するからである。
【００３８】
セラミックス基板３１としては、アルミナ、窒化ケイ素、窒化アルミニウム等からなるセラミックス板が挙げられる。放熱性の点から熱伝導率の高い窒化ケイ素、窒化アルミニウムが好ましい。
【００３９】
マウント材４としては、Ｐｂ−Ｓｎ系高温はんだ、Ａｌ合金系ろう材、導電性ペースト等を用いることができる。
【００４０】
パワー半導体素子５としては、例えばダイオード、ＩＧＢＴ、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、静電誘導トランジスタ（ＳＩＴ）、バイポーラトランジスタ（ＢＪＴ）、静電誘導サイリスタ（ＳＩサイリスタ）、ＧＴＯサイリスタ等の個別半導体素子及びそれらの集積化したインテリジェントパワーデバイス、パワーＩＣが好適である。
【００４１】
はんだ材２をはんだシートの形態で用いた場合の半導体装置１０の製造方法について図３（ａ）〜（ｅ）を用いて説明する。
【００４２】
（イ）図３（ａ）に示すように、セラミックス基板３１の表回路板３１ｂ上にマウント材４を配置する。
【００４３】
（ロ）図３（ｂ）に示すように、パワー半導体素子５をマウント材４を介してセラミックス基板３１に対向させて配置する。
【００４４】
（ハ）加熱装置においてリフロー等によりパワー半導体素子５とセラミックス基板３１とを接合する。
【００４５】
（ニ）次に、図３（ｃ）に示すように、金属放熱板１を用意する。
【００４６】
（ホ）図３（ｄ）に示すように、金属放熱板１上に、所定のサイズに切り出したはんだシート（はんだ材２）を配置する。
【００４７】
（ヘ）図３（ｅ）に示すように、はんだシート（はんだ材２）を介してセラミックス基板３１の裏板３１ｃを金属放熱板１に対向させて配置する。
【００４８】
（ト）加熱装置においてリフロー等によって金属放熱板１とセラミックス基板３１を接合する。リフローは大気中で行なっても非酸化性雰囲気中で行なってもよい。必要に応じてはんだシート（はんだ材２）の上下にフラックスを塗布する。
【００４９】
以上により半導体装置１０が製造される。なお、半導体素子５とセラミックス基板３１との接合、セラミックス基板３１と金属放熱板１との接合の順番は、どちらを先にしても構わない。
【００５０】
［変形例］
はんだ材４として、熱硬化性樹脂をバインダとして含むはんだ材（ペースト状）又はソルダペーストの形態で接合する場合、前述の半導体装置の製造方法の（イ）工程において、スクリーン印刷方式等の技術を用いて金属放熱板１の所定の位置にペースト（はんだ材２）を塗布してもよい。
【００５１】
また、セラミックス基板３１としては、表回路板３１ｂのみを接合した裏板無しのセラミックス基板を用いてもよい。図２は、図１の半導体装置において、裏板３１ｃがないセラミックス基板３１を用いたことを除いて図１と同様の構成を備える変形例にかかる半導体装置２０の側面図を示す。
【実施例】
【００５２】
以下、本発明を実施例によってさらに詳細に説明する。なお、本発明は、下記実施例に制限されるものではない。
【００５３】
［はんだ材の調製］
表１に示す配合割合で、はんだシート、ソルダペーストを作製した。得られたはんだシートの厚さは約１００μｍであった。また、比較例１、２及び参考例のはんだシートは市販品を用いた。比較例３〜６では粒子として、Ｎｉ（熱膨張係数１３．４×１０−６／℃、熱伝導率９４Ｗ／ｍＫ）、Ａｇ（熱膨張係数１８．９×１０−６／℃、熱伝導率４２８Ｗ／ｍＫ）、Ｃｕ（熱膨張係数１６．５×１０−６／℃、熱伝導率４０３Ｗ／ｍＫ）、溶融シリカ（熱膨張係数０．５×１０−６／℃、熱伝導率１．３Ｗ／ｍＫ）を用いた。熱硬化性樹脂をバインダとして含むはんだ材（表１中「樹脂複合」）は、表１に示す配合割合のはんだ及び粒子からなる混合粉末９０重量部と、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂及び硬化剤からなるエポキシ樹脂系バインダ１０重量部と、を混合し、混練機で撹拌してペースト状のはんだ材を調製した。
【００５４】
［半導体装置の接合］
表１に示す実施例１〜１３、比較例１〜６、参考例にかかる２０種のはんだ材を用いて、半導体装置のセラミックス基板３１（３２）と金属放熱板１を接合した。半導体装置としては、図１に示す、セラミックス板３１ａが窒化ケイ素、表回路板３１ｂ及び裏板３１ｃがＣｕから構成された実装構造を用いた。また、図２に示す、セラミックス板３２ａが窒化アルミニウム、表回路板３２ｂおよび金属放熱板１がＣｕから構成された、裏板なしタイプの実装構造を用いた。
【００５５】
いずれの実装構造のはんだ材２においても、金属放熱板１の所定の位置にはんだ材２をセットした後、セラミックス基板３１（３２）を搭載し、加熱装置中にて大気雰囲気中で２６０℃で１〜２分間加熱してリフローを行なった。その後、室温まで冷却することによりセラミックス基板３１（３２）と金属放熱板１とのはんだ接合を完了した。
【００５６】
［はんだ材及び半導体装置の評価］
実施例１〜１３、比較例１〜６、参考例に係る２０種のはんだ材及びそれを用いた半導体装置について、下記のような評価試験を行なった。
【００５７】
（１）  はんだ材の熱膨張係数、熱伝導率評価
半導体装置の接合後のはんだ接合体を切り出し、熱膨張係数、熱伝導率を測定した。熱膨張係数は熱機械特性（ＴＭＡ）装置を用い、熱伝導率はレーザーフラッシュ法により測定した。
【００５８】
（２）  接合後の基板反りの評価
セラミックス基板と金属放熱板とを高温ではんだ接合すると、熱膨張係数の差によって接合後、金属放熱板の中央部が上に凸の状態で湾曲し、基板反りが発生する。接合工程を終了してから２時間後の金属放熱板下面の最大反り量を測定した。
【００５９】
（３）接合層の破壊の評価
半導体装置の接合終了後２４時間までに、はんだ接合層にクラックまたは剥離が発生した場合を×、発生しなかった場合を○で評価した。得られた評価結果を、下記表１及び表２に示す。
【表１】
2005288526.tif 000002
【表２】
2005288526.tif 000003
【００６０】
表１及び表２に示されるように、実施例１〜１３のはんだ材は従来のはんだ材に比べて熱膨張係数が低く、しかも熱伝導性を損なわないので優れた放熱性を維持できることが確認された。また、このはんだ材を用いてセラミックス基板３１（３２）と金属放熱板１とを接合した半導体装置は、接合後の基板の反りが従来のＳｎ−Ｐｂはんだと同等レベルまで低減しており、接合層の破壊も発生しなかった。
【００６１】
これに対して、比較例１、２の非鉛系のはんだ材を用いた場合には、接合後の基板の反りが大きく、接合層の破壊が発生した。熱膨張係数が１０×１０−６／℃より大きいＮｉ、Ａｇ、Ｃｕ等の金属粒子を添加した場合（比較例３〜５）にも接合後の基板の反りが大きく、接合層の破壊が発生した。一方、熱膨張係数が１０×１０−６／℃以下であっても熱伝導率が２０Ｗ／ｍＫ未満の粒子を添加した場合（比較例６）には、はんだ接合体の熱伝導率がはんだ材の熱伝導率に比べて大きく低下し、優れた放熱性を維持できなくなることが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】図１は、実施の形態にかかる半導体装置の一例を示す側面図である。
【図２】図２は、実施の形態の変形例にかかる半導体装置の一例を示す側面図である。
【図３】図３（ａ）〜（ｅ）は、実施の形態にかかる半導体装置の製造工程図である。
【符号の説明】
【００６３】
１…金属放熱板
２…はんだ接合層
３１、３２…セラミックス基板
３１ａ、３２ａ…セラミックス板
３１ｂ、３２ｂ…表回路板
３１ｃ、３２ｃ…裏板
４…マウント材
５…パワー半導体素子
１０、２０…半導体装置
【図１】
2005288526.tif 000004
【図２】
2005288526.tif 000005
【図３】
2005288526.tif 000006