(57)【要約】  半導体素子あるいは導体部材のいずれか一方の上に、第１の金属を含む第１の粒子と、前記第１の金属よりも融点の低い第２の金属を含む第２の粒子と、充填樹脂とを含む接合材料を供給し、供給された前記接合材料の表面に空隙を形成する。前記空隙が形成された前記接合材料の上に前記導体部材あるいは前記半導体素子のいずれか他方を載置して押し付け、前記接合材料の表面に偏在した前記充填樹脂を前記空隙に移動させ、接合温度で加熱を行う。これにより、充填樹脂の偏在を抑制し、第１の金属および第２の金属を含む金属間化合物により第１の粒子同士が結合された連結構造により半導体素子と導体部材を確実に接合することができ、接合信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
2018199259.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、導体部材と、前記半導体素子と前記導体部材とを電気的導通を伴って接合する接合部とを備え、
前記接合部は、
第１の金属を含む第１の粒子と、前記第１の金属及び前記第１の金属よりも融点の低い第２の金属を含み前記第１の粒子同士を連結する金属間化合物と、充填樹脂と、を含み、
かつ、接合方向に平行ないずれかの断面内において、
前記第１の粒子および前記金属間化合物からなる連結構造が、前記半導体素子との接合面から前記導体部材との接合面まで連続して形成された混合金属領域と、
隣りあう２つの前記混合金属領域の間に形成され、領域内に占める前記充填樹脂の割合が前記混合金属領域よりも大きく、前記連結構造が前記半導体素子または前記導体部材の少なくとも一方に接していない混合樹脂領域とを有する、
半導体装置。
【請求項２】
前記混合樹脂領域は、領域内に占める前記充填樹脂の割合が５０体積％以上である、
請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記混合樹脂領域は、前記接合部全体に分散して配置された、
請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記混合樹脂領域は、等間隔に配置された、
請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記混合樹脂領域は、格子状に配置された、
請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記第１の金属はＣｕ、Ａｇ、Ｎｉのいずれか１以上を含み、
前記第２の金属はＳｎ、Ｉｎのいずれか１以上を含む、
請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記第１の金属はＣｕを含み、
前記第２の金属はＳｎを含み、
前記金属間化合物はＣｕ６Ｓｎ５を含む、
請求項６に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記接合部における充填樹脂の割合が５体積％以上４０体積％以下である、
請求項１から７のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか１項に記載の半導体装置を有し、入力される電力を変換して出力する主変換回路と、
前記半導体装置を駆動する駆動信号を前記半導体装置に出力する駆動回路と、
前記駆動回路を制御する制御信号を前記駆動回路に出力する制御回路と、
を備えた電力変換装置。
【請求項１０】
半導体素子あるいは導体部材のいずれか一方の上に、第１の金属を含む第１の粒子と、前記第１の金属よりも融点の低い第２の金属を含む第２の粒子と、充填樹脂とを含む接合材料を供給し、前記接合材料の表面に空隙を形成する接合材料供給工程と、
前記空隙が形成された前記接合材料の上に前記導体部材あるいは前記半導体素子のいずれか他方を載置して押し付け、前記接合材料の表面に偏在した前記充填樹脂を前記空隙に移動させる載置工程と、
前記接合材料を、前記第２の金属の融点よりも高く前記第１の金属の融点よりも低い温度で加熱する接合工程と、を備える、
半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記接合材料供給工程において、前記空隙を前記接合材料の表面全体に分散して形成する、
請求項１０に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
前記接合材料供給工程において、前記空隙を等間隔に形成する、
請求項１０または１１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
前記接合材料供給工程において、前記空隙を格子状に形成する、
請求項１０から１２のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
前記接合材料供給工程において、形成しようとする前記空隙の配置に対応した開口部を備えた印刷板を介して前記接合材料を供給することにより、前記接合材料の供給と前記空隙の形成を同時に行う、
請求項１０から１３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
前記接合材料供給工程において、前記接合材料を供給した後に、前記空隙の形成を行う、
請求項１０から１３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
前記接合材料供給工程において、前記第１の粒子は、前記第２の金属を含む皮膜を表面に有する、
請求項１０から１５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
前記接合工程の後に、前記接合部内にさらに前記充填樹脂を注入する樹脂注入工程を備える、
請求項１０から１６のいずれか１項に記載の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、半導体素子と導体部材とを電気的導通を伴って接続した半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
モータのインバータ制御などに用いられる電力変換用半導体装置には、ＩＧＢＴやダイオード、ＭＯＳＦＥＴなどの縦型半導体素子が搭載されている。前記半導体素子の表裏面には金属メタライズによる電極が形成されており、一般的な半導体装置の場合、前記半導体素子の裏面電極と回路基板とがはんだ接合部を介して接続される場合が多い。【０００３】
このようなパワーモジュールに用いられる接合材料は、半導体素子の発熱量が増大する傾向にあるため高耐熱性能が望まれている。すなわち、高融点な接合部が求められている。しかしながら、鉛フリーでかつ高耐熱性能を有するはんだ材は現状見出されていない。また、代替手段として銀等の超微粒子を焼結して接合を達成する焼結接合技術の開発が進められているが、接合工程において半導体素子を基板に押し付けるように加圧力を加えることが必要であるため、素子へのダメージや汚染といった問題から、生産性に大きな課題があることが現状である。【０００４】
こうした中、上述のはんだ接合技術や焼結接合技術に代わり、液相拡散接合（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｐｈａｓｅ  Ｂｏｎｄｉｎｇ：ＴＬＰ接合）が検討されている。この接合技術には、接合温度において溶融する低融点金属粒子と、前記接合温度で溶融しない高融点金属粒子から構成される接合材料が用いられる。上述の接合材料を接合温度で加熱すると、低融点金属粒子が溶融して高融点金属粒子の表面にぬれ広がり接触することによって両者が互いに反応しあう。その結果、接合温度よりも高い融点を有する金属間化合物が形成され、当該金属間化合物によって高融点金属粒子同士が結合された構造の接合部が得られる。これにより、再度接合温度にさらしても再溶融しない高融点な接合部を得ることが出来る。【０００５】
特許文献１には、低融点金属粒子および高融点金属粒子として、それぞれＳｎ粒子とＣｕ粒子を用いた材料が記載されている。接合温度で加熱することによりＳｎ粒子が溶融してＣｕ粒子の表面にぬれ広がり接触して互いに反応し、Ｃｕ粒子同士がＣｕ６Ｓｎ５を含む金属間化合物によって結合された構造が形成される。これにより、高融点なＣｕ粒子と高融点なＣｕ６Ｓｎ５を含む金属間化合物とからなる耐熱性の高い接合部が得られる。しかしながら、Ｃｕ粒子同士がＣｕ６Ｓｎ５を含む金属間化合物によって結合された状態が形成される過程において、溶融したＳｎを接合層内に均一に流動させ、Ｃｕ粒子の隙間を完全に埋めるように制御することは極めて困難である。言い換えると、Ｃｕ粒子同士がＣｕ６Ｓｎ５を含む金属間化合物によって結合された状態を形成する過程において、接合層内に空間（ボイド）が残ることは避けられない。このボイドが起点となり、製品の動作時に生じる応力によってクラックが生じるおそれがある。【０００６】
一方、特許文献２には、ＣｕおよびＳｎを含有する合金粒子と有機バインダー樹脂とを含む接合材料が記載されている。当該接合材料を用いて形成される接合部は、合金粒子同士が結合された構造を有するとともに、合金粒子間のボイドに有機バインダー樹脂が充填された構造となると考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３５５８０６３号
【特許文献２】ＷＯ２００２−０２８５７４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
高融点金属粒子および低融点金属粒子を含む接合材料に、特許文献２のように有機バインダー樹脂を加え、金属粒子間のボイドを充填することによって、ボイドを起点とするクラックを低減することが可能と考えられる。しかしながら、金属粒子の比重と有機バインダー樹脂の比重は大きく異なるため、例えば導体部材の上に接合材料を印刷し、印刷された接合材料の上に半導体素子を載置して接合を行う場合、接合材料の内部で比重差により金属粒子および有機バインダー樹脂が偏在することがある。このような不均一な接合部は、半導体素子と導体部材との導通が十分に確保できず、接合強度も低くなり、接合不良となるおそれがある。【０００９】
本発明は、金属粒子および金属間化合物と充填樹脂との接合方向における偏在を抑制し、接合信頼性の高い接合部を備えた半導体装置および半導体装置の製造方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明にかかる半導体装置は、
半導体素子と、導体部材と、前記半導体素子と前記導体部材とを電気的導通を伴って接合する接合部とを備え、
前記接合部は、
第１の金属を含む第１の金属粒子と、前記第１の金属及び前記第１の金属よりも融点の低い第２の金属を含み前記第１の粒子同士を連結する金属間化合物と、充填樹脂とを含み、
かつ、接合方向に平行ないずれかの断面内において、
前記第１の粒子および前記金属間化合物からなる連結構造が、前記半導体素子との接合面から前記導体部材との接合面まで連続して形成された混合金属領域と、
隣りあう２つの前記混合金属領域の間に形成され、領域内に占める前記充填樹脂の割合が前記混合金属領域よりも大きく、前記連結構造が前記半導体素子または前記導体部材の少なくとも一方に接していない混合樹脂領域と、を有することを特徴としたものである。【００１１】
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、
半導体素子あるいは導体部材のいずれか一方の上に、第１の金属を含む第１の粒子と、前記第１の金属よりも融点の低い第２の金属を含む第２の粒子と、充填樹脂とを含む接合材料を供給し、前記接合材料の表面に空隙を形成する接合材料供給工程と、
前記空隙が形成された前記接合材料の上に前記導体部材あるいは前記半導体素子のいずれか他方を載置して押し付け、前記接合材料の表面に偏在した前記充填樹脂を前記空隙に移動させる載置工程と、
前記接合材料を、前記第２の金属の融点よりも高く前記第１の金属の融点よりも低い温度で加熱することにより、前記第１の粒子同士が前記第１の金属および前記第２の金属を含む金属間化合物により連結された構造を形成し、前記半導体素子と前記導体部材とを電気的導通を伴って接合する接合部を形成する接合工程と、を備えることを特徴としたものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、接合材料の表面に偏在した充填樹脂を、接合材料に設けられた空隙に移動させることにより、接合方向における充填樹脂の偏在を抑制し、金属粒子および金属間化合物からなる連結構造により半導体素子と導体部材とを確実に接合することが可能となり、接合信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１の半導体装置における導体部材と半導体素子の接合部を示す要部斜視図である。
【図２】図１において半導体素子を非表示にした図である。
【図３】本発明の実施の形態１の半導体装置における導体部材と半導体素子の接合部に用いられる接合材料の加熱前（ａ）および加熱後（ｂ）を示す模式図である。
【図４】本発明の実施の形態１の半導体装置における導体部材と半導体素子の接合工程を示す要部斜視図である。
【図５】本発明の実施の形態１の半導体装置における導体部材と半導体素子の接合部の製造工程における変化を模式的に示す要部断面図である。
【図６】本発明の実施の形態１の半導体装置における導体部材と半導体素子の接合部を示す断面図（ａ）およびその要部拡大図（ｂ）である。
【図７】比較例の半導体装置における導体部材と半導体素子の接合部を示す要部断面図である。
【図８】本発明の実施の形態２の半導体装置における導体部材と半導体素子の接合部の製造工程における変化を模式的に示す要部断面図である。
【図９】本発明の実施の形態３の半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態４の電力変換装置を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
実施の形態１．
以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態１について説明する。なお、各図面において、同一符号は同一あるいは相当部分を示す。
【００１５】
図１，２に示すように、本発明に係る半導体装置１は、絶縁層２２の両側に電極２１、２３が形成された回路基板２（導体部材）の表面に、後述の接合材料からなる接合部４を介して、半導体素子３が接合された構造を有する。接合部４は、後述するように混合金属領域４１および混合樹脂領域４２を有する。
【００１６】
回路基板２の絶縁層２２は、窒化珪素、アルミナ、窒化アルミニウムなどのセラミック板を用いることができる。発熱量の大きな電力用半導体装置全体の放熱の観点から、熱伝導率２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の材料を用いることが望ましく、熱伝導率７０Ｗ／ｍ・Ｋ上の材料がさらに望ましい。前記絶縁層２２の表裏面に設けた電極２１、２３の材質にはＣｕを用いた。なお、電極２１、２３はＣｕにかぎらず、良好に接合することが可能な、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉのいずれか、またはそれらの合金からなるメタライズ層が最表面に設けられていれば、ＡｌやＮｉの電極材料を用いても良い。
【００１７】
半導体素子３は、ケイ素（Ｓｉ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、ダイヤモンド（Ｃ）などの半導体材料で形成されている。本発明にかかる半導体装置１に用いられる半導体素子３の回路基板２に対向する面には、接合部４との接合性を確保するためメタライズ層が設けられており、最表面にＡｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉのいずれか、またはそれらの合金からなるメタライズ層である。これらの材料を用いた半導体素子３は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やダイオード、ＭＯＳＦＥＴ（ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｆｉｅｌｄ−ｅｆｆｅｃｔ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの縦型半導体素子である。
【００１８】
本発明に係る半導体装置１に用いる接合材料について、図３を用いて説明する。図３（ａ）は、本発明に係る半導体装置１に用いる接合材料の加熱前の状態を示す図である。接合材料は、接合温度において溶融するＳｎを主とするはんだ粒子（低融点金属粒子９）と、上記接合温度で溶融しないＣｕ粒子（高融点金属粒子６）と、硬化前の充填樹脂１０としてポリイミド系樹脂とを含むペースト状の接合材料である。上記接合材料には金属粒子６，９および被接合面の清浄化のためのフラックス成分を含むことが望ましい。また、接合材料ペーストの粘度等の特性を調整するための溶剤成分を適宜付加することが可能である。上記フラックス成分や溶剤については、図からは省略して記載した。図３（ｂ）は、接合材料１１の加熱後の状態を示す図である。上述の接合材料を加熱すると、はんだ粒子が溶融してぬれ広がりＣｕ粒子の表面に接触することによって、両者が互いに反応しあう。その結果、接合温度よりも高い融点を有するＣｕ６Ｓｎ５を含む金属間化合物７が形成され、当該金属間化合物７によりＣｕ粒子同士が結合された連結構造が形成される。この反応によってはんだ粒子は消費され、再度接合温度にさらしても再溶融しない高融点な接合部４を得ることが出来る。また、これらの金属成分の隙間を埋めるように、硬化した充填樹脂８が配される。後述するように混合金属領域４１内において、硬化した充填樹脂８がＣｕ粒子（高融点金属粒子６）と金属間化合物７の間に微細に分散させることが、接合部にかかる熱応力を緩和し信頼性を向上させるために重要となる。
【００１９】
高融点金属粒子６は必ずしも球状である必要はなく、例えば鱗片状や棒状、樹状あるいは表面の凹凸が非常に大きい形状であっても良い。隣接する高融点金属粒子６同士が互いに接触できる形状であることが望ましい。なお、接合材料の印刷性を考慮した場合、球状がもっとも望ましい。低融点金属粒子９は高融点金属粒子６の間を均一に結合するように配されることが望ましい。このため、低融点金属粒子９は、その粒径が高融点金属粒子６の粒径よりも小さく、かつ球状であることが望ましい。ただし、粒径の微細化を極度に行うと、低融点金属粒子９の表面積が過大でフラックス成分が多く必要となることを勘案すると、低融点金属粒子９の粒径は１〜５μｍ程度、高融点金属粒子６の粒径は１０〜５０μｍ程度が良い。低融点金属粒子９にはんだ粒子、高融点金属粒子６にＣｕ粒子を用いる場合、低融点金属粒子９の量は、高融点金属粒子６の量の質量比で１／３〜１／２であるのが良い。これにより、高融点金属粒子６を結合し、かつ低融点金属粒子９の残留を最小限に抑えることが出来る。
【００２０】
なお、本実施の形態１では低融点金属粒子９としてＳｎを主とするはんだ粒子を用いることとしたが、接合温度未満で溶融する金属種であれば良い。半導体装置の接合を行う温度が３００℃未満であることを勘案すると、Ｓｎ、Ｉｎあるいはその他の元素を含んだＳｎ合金、Ｉｎ合金またはこれらの混合物を用いることが出来る。また、高融点金属粒子６としては、Ｃｕ粒子に限らず、溶融する低融点金属粒子９との間で金属間化合物を生成して高融点金属粒子６同士の接続を確保できるものであればよい。例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｚｎ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄやこれらを主成分とする合金またはこれらの混合物を用いることが出来る。
【００２１】
充填樹脂８としては熱硬化樹脂を利用することが出来、ポリイミド系樹脂のみならず、たとえばエポキシ系樹脂、フェノール系樹脂、ポリウレタン系樹脂、メラミン系樹脂及びウレア系樹脂などを用いることが出来る。充填樹脂８の量は、接合部４全体に対して体積比で５〜４０％であることが望ましい。この範囲より充填樹脂の量が少ない場合、充填樹脂８が高融点金属粒子６と金属間化合物７の隙間を充填するのに十分な量を確保できないおそれがある。一方、この範囲より充填樹脂８の量が多い場合、高融点金属粒子６と金属間化合物７の隙間の体積を大きく超えるため、充填樹脂８が偏在し接合信頼性が低下することがある。
【００２２】
本発明の半導体装置の製造方法について、図を用いて説明する。
【００２３】
図４に本発明の実施の形態１である半導体装置における導体部材と半導体素子の接合工程を示す要部斜視図を示す。まず図４（ａ）のように、回路基板２の上面にメッシュ状の開口部１３を有するメッシュ版１２を配する。上記メッシュ版１２上に供給された接合材料１１を、スキージ１４を用いてメッシュ状の開口部１３に充填するように走査することで、回路基板２の半導体素子３を接合する領域に、メッシュ状の開口部１３の形状を転写しながら接合材料１１が供給される。これにより、図４（ｂ）に示すように、格子状の空隙１５を備えた状態で接合材料１１が回路基板２上に配置される。その後、供給された接合材料１１上に半導体素子３を載置して前記接合材料１１に押し付け、接合温度で加熱することで、図４（ｃ）に示すように接合が達成される。
【００２４】
なお、接合部４の厚さは半導体装置１の要求仕様に合わせて適宜選択が可能であるが、印刷性と経済性および信頼性の観点から、５０〜２００μｍの範囲から適宜選択することができる。また、上記のメッシュ版１２を構成する材質は、印刷時に求められる柔軟性ならびに接合材料との離型性を考慮して選択される。例えば、ポリエステル、ナイロン、ポリアリレート、ステンレス等の繊維を用いることができる。前記繊維の線径は所定の印刷厚から決定され、本発明に係る半導体装置１の接合部４の厚みを５０〜２００μｍの範囲とする場合、前記繊維の線径は２０〜１００μｍ、繊維と繊維のピッチが２００〜５００μｍ程度とすることが望ましい。
【００２５】
次に、上記接合工程における接合部の変化について、図５を用いて説明する。図５（ａ）に印刷直後の様子を示す。メッシュがあった領域に空隙１５が形成された状態である。図５（ｂ）に印刷後に時間が経過した時の様子を示す。高融点金属粒子６および低融点金属粒子９の比重は、硬化前の充填樹脂１０よりも１０倍近く大きい。そのため、時間の経過とともに高融点金属粒子６および低融点金属粒子９が沈降し、充填樹脂１０が接合材料の表面に偏在することになる。その後、図５（ｃ）に示す半導体素子３を載置して接合材料１１に押し付けることによって、接合材料１１の表面に偏在していた流動性を有する充填樹脂１０が優先して空隙１５に移動することにより、高融点金属粒子６および低融点金属粒子９が半導体素子３の裏面電極５に確実に接触することが出来る。この状態で接合温度に加熱することにより、図５（ｄ）に示すように、高融点金属粒子６および金属間化合物７からなる連結構造が半導体素子３と確実に接合した良好な接合部４が形成される。なお、接合加熱時の温度条件は、実施の形態１におけるＣｕ粒子とはんだ粒子およびポリイミド系樹脂を含む接合材料の場合、はんだ粒子の融点を超える温度である２５０℃〜３００℃程度から適宜選択することが出来る。
【００２６】
このように、実施の形態１にかかる半導体装置１においては、接合材料に空隙１５を設け、偏在しやすい余分な充填樹脂１０を空隙１５に流動させることにより、半導体素子３と導体部材２とが、高融点金属粒子６および金属間化合物７からなる連結構造により確実に接合された半導体装置１を得ることができる。これにより、半導体素子３と導体部材２との導通を十分に確保するとともに、高い接合強度を得ることができる。また、金属粒子間のボイドが硬化した充填樹脂８により充填されているため、ボイドを起点とするクラックの発生を抑制することができる。
以上のように、本実施の形態１によれば、半導体装置の接合信頼性を向上することができる。
【００２７】
なお、空隙１５の配置は格子状に限られるものではなく、例えばストライプ状、ドット状など他のパターンでもよい。また、規則的な配置に限らず、ランダムな配置でもよい。接合部の均一性のためには、供給された接合材料１１の表面全体に分散して、均等に、等間隔に空隙を配置することが望ましい。形成しようとする空隙１５の配置に対応した開口部を備えた印刷版を介して接合材料１１を供給することにより、接合材料１１の供給と空隙１５の形成を同時に行うことができる。
【００２８】
また、本実施の形態１では接合材料を供給すると同時に空隙を形成したが、これに限られるものではなく、接合材料を供給した後に空隙の形成を行ってもよい。この場合、供給された接合材料に空隙を形成する方法としては、例えばパターン型を押しつける、溝状に引っ掻く、等の方法が考えられる。
【００２９】
また、回路基板２上に接合材料を供給して半導体素子３を載置したが、これに限らず、半導体素子３の上に接合材料１１を供給して回路基板２を載置してもよい。
【００３０】
次に、本発明にかかる半導体装置１の構造について説明する。上述の製造方法によって製造された半導体装置１を、接合方向に平行な断面で切断した断面図を図６（ａ）に示す。また、図６（ａ）における接合部４の混合樹脂領域４２周辺の拡大図を図６（ｂ）に示す。図６（ｂ）に示すように、接合部４の断面には混合金属領域４１および混合樹脂領域４２があり、隣りあう２つの混合金属領域４１の間に混合樹脂領域４２が位置している。混合樹脂領域４２は、前述の空隙１５に充填樹脂１０が流動して形成されたものであり、空隙１５の配置に対応して格子状に配置されている。
【００３１】
混合金属領域４１では、高融点金属粒子６および金属間化合物７からなる連結構造が、半導体素子３の接合面から回路基板２の接合面まで連続して形成されている。一方、混合樹脂領域４２では、前記連結構造が半導体素子３に接していない。混合樹脂領域４２は、空隙１５が存在した場所に硬化前の充填樹脂１０が流れ込んで形成されたものであるから、領域内に占める充填樹脂８の割合が混合金属領域４１に比べて大きい。典型的には、混合金属領域４１に占める充填樹脂８の量は５０体積％未満であり、混合樹脂領域４２に占める充填樹脂８の量は５０体積％以上である。
【００３２】
なお、空隙１５と同様、混合樹脂領域４２の配置は格子状に限られるものではなく、例えばストライプ状、ドット状など他のパターンでもよい。また、規則的な配置に限らず、ランダムな配置でもよい。接合部４の均一性のためには、接合部４全体に分散して、均等に、等間隔に配置することが望ましい。また、本発明に係る半導体装置の半導体素子の内部には電気や熱の導通に寄与する重要な有効回路領域と、電気的熱的導通を得る必要のない外周部などの無効回路領域が一般的に設けられている。そのため、半導体素子３の回路構造に対応して、混合樹脂領域４２を無効領域に配置し、接合部の剛性を下げることが接合信頼性の向上に有効である。
【００３３】
一方、図７は、比較例として、先行技術の半導体装置における導体部材と半導体素子の接合部の要部断面図を示したものである。先行技術の半導体装置では、接合工程において接合材料に空隙１５が設けられていない。そのため、接合工程において金属粒子との比重の違いによって接合材料１１の表面に硬化前の充填樹脂１０が偏在した状態で半導体素子３が載置さる。その結果、図７に示すように接合部４の上部に充填樹脂８が偏在し、半導体素子３と高融点金属粒子６および金属間化合物７とが十分に接触できず、半導体素子３と回路基板２との導通が図れず半導体装置としての導通性能を満たすことが出来ない。また接合強度の面でも十分な強度を得られないおそれがある。
【００３４】
これに対し、本発明に係る半導体装置１は、余分な充填樹脂１０が混合樹脂領域４１に集められ、混合金属領域４１において金属粒子６および金属間化合物７からなる連結構造により半導体素子３と導体部材２とを電気的導通を伴って確実に接合されているため、導通性能の面でも接合強度の面でも接合信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
【００３５】
・実施の形態２
図８は、本発明の実施の形態２である半導体装置における導体部材と半導体素子の接合部の製造工程における変化を模式的に示す要部断面図である。図８中において、低融点金属粒子９、硬化前の充填樹脂１０、回路基板の電極２１、空隙１５、半導体素子３、裏面電極５、金属間化合物７、混合金属領域４１、混合樹脂領域４２は同様である。本発明の実施の形態１である半導体装置における導体部材と半導体素子の接合部の製造工程における変化と異なる点を以下に述べる。
【００３６】
実施の形態２は、接合材料１１中の高融点金属粒子６の表面に、低融点金属粒子９と同一の成分である低融点金属皮膜１６が設けられている点で実施の形態１と異なり、それ以外の点は実施の形態１と同一である。高融点金属粒子６の表面に低融点金属皮膜１６が設けられることで、接合温度において溶融した低融点金属が、高融点金属粒子６の表面にぬれ広がるのを確実にする効果がある。また、高融点金属粒子６を均等に分散させる効果がある。さらに、低融点金属皮膜１６と高融点金属粒子６との反応によって形成される金属間化合物７を介して、高融点金属粒子６の連結が確実に行われる効果がある。
【００３７】
低融点金属粒子９および低融点金属皮膜１６にはんだ、高融点金属粒子６にＣｕ粒子を用いる場合、低融点金属皮膜１６と低融点金属粒子９を合わせた量は、高融点金属粒子６の量の質量比で１／３〜１／２であるのが良い。低融点金属皮膜１６は、めっきで形成することが簡便である。低融点金属皮膜１６の厚さは、めっきで経済的に形成できる１〜５μｍが適当であるが、前記質量比の範囲内であれば適宜選択が可能である。
【００３８】
・実施の形態３
実施の形態３は、実施の形態１の半導体装置の製造方法において、さらに樹脂注入工程を加えたものである。それ以外の点は実施の形態１と同一である。
【００３９】
図９を用いて実施の形態３について説明する。実施の形態１と同様にして半導体素子３と回路基板２とを接合した後（図９（ａ））、樹脂注入工程を行う。
【００４０】
樹脂注入工程としては、例えば、樹脂注入用枠１８を、接合部４を囲むようにして回路基板２上に押し当てて設置し、当該樹脂注入用枠１８の内側に充填樹脂１７を供給する（図９（ｂ））。樹脂注入用枠１８としては、例えば、表面をフッ素樹脂コーティングしたシリコーン樹脂からなる枠を用いることができる。この場合、回路基板２との密着性と、注入する樹脂との剥離性が確保できるため好ましい。充填樹脂１７の供給の際には、接合部４を覆うように充填樹脂１７を供給することが望ましい。また、半導体素子３表面の電極と外部端子を接続する工程がその後に設けられている場合、半導体素子３表面に被らない程度の量の充填樹脂１７を供給することが望ましい。
【００４１】
充填樹脂１７を供給した後、真空脱泡により充填樹脂１７を接合部４内に浸透させる。その後、加熱により充填樹脂１７を熱硬化させる（図９（ｃ））。充填樹脂１７の供給から熱硬化までの工程にわたって、樹脂注入用枠１８を常に回路基板２上に押し当てられるよう、おもりやばねを用いた治具により樹脂注入用枠１８を押圧してもよい。充填樹脂１７が硬化した後、樹脂注入用枠１８を取り外す。このようにして本実施の形態３にかかる半導体装置が得られる。
【００４２】
接合後に充填樹脂１７を注入することにより、最初の熱硬化時に接合部４内に残ったボイドを確実に充填することができる。また、ボイドの充填率を高めようとして接合材料に充填樹脂を多く添加すると、接合材料の印刷しやすさや分散しやすさが損なわれることがある。しかしながら、接合工程の後に充填樹脂を注入すれば、印刷時に接合材料中の樹脂量を増やす必要は無い。これにより、前記印刷しやすさや分散しやすさが損なわれることなく、ボイドの充填率を高めることができる。
【００４３】
なお、樹脂注入の手段はこれに限られるものではなく、接合部４内に残ったボイドに樹脂を注入可能な手段であれば、どのようなものを用いてもよい。
【００４４】
・実施の形態４．
本実施の形態は、上述した実施の形態１〜３にかかる半導体装置を電力変換装置に適用したものである。本発明は特定の電力変換装置に限定されるものではないが、以下、実施の形態４として、三相のインバータに本発明を適用した場合について説明する。
【００４５】
図１０は、本実施の形態にかかる電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。
【００４６】
図１０に示す電力変換システムは、電源１００、電力変換装置２００、負荷３００から構成される。電源１００は、直流電源であり、電力変換装置２００に直流電力を供給する。電源１００は種々のもので構成することが可能であり、例えば、直流系統、太陽電池、蓄電池で構成することができるし、交流系統に接続された整流回路やＡＣ／ＤＣコンバータで構成することとしてもよい。また、電源１００を、直流系統から出力される直流電力を所定の電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータによって構成することとしてもよい。
【００４７】
電力変換装置２００は、電源１００と負荷３００の間に接続された三相のインバータであり、電源１００から供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に交流電力を供給する。電力変換装置２００は、図１０に示すように、直流電力を交流電力に変換して出力する主変換回路２０１と、主変換回路２０１を制御する制御信号を主変換回路２０１に出力する制御回路２０３とを備えている。
【００４８】
負荷３００は、電力変換装置２００から供給された交流電力によって駆動される三相の電動機である。なお、負荷３００は特定の用途に限られるものではなく、各種電気機器に搭載された電動機であり、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車、鉄道車両、エレベーター、もしくは、空調機器向けの電動機として用いられる。
【００４９】
以下、電力変換装置２００の詳細を説明する。主変換回路２０１は、スイッチング素子と還流ダイオードを備えており（図示せず）、スイッチング素子がスイッチングすることによって、電源１００から供給される直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に供給する。主変換回路２０１の具体的な回路構成は種々のものがあるが、本実施の形態にかかる主変換回路２０１は２レベルの三相フルブリッジ回路であり、６つのスイッチング素子とそれぞれのスイッチング素子に逆並列された６つの還流ダイオードから構成することができる。主変換回路２０１の各スイッチング素子や各還流ダイオードは、上述した実施の形態１〜３のいずれかに相当する半導体装置１を用いた半導体モジュール２０２によって構成する。６つのスイッチング素子は２つのスイッチング素子ごとに直列接続され上下アームを構成し、各上下アームはフルブリッジ回路の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）を構成する。そして、各上下アームの出力端子、すなわち主変換回路２０１の３つの出力端子は、負荷３００に接続される。
【００５０】
また、主変換回路２０１は、各スイッチング素子を駆動する駆動回路（図示なし）を備えているが、駆動回路は半導体モジュール２０２に内蔵されていてもよいし、半導体モジュール２０２とは別に駆動回路を備える構成であってもよい。駆動回路は、主変換回路２０１のスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成し、主変換回路２０１のスイッチング素子の制御電極に供給する。具体的には、後述する制御回路２０３からの制御信号に従い、スイッチング素子をオン状態にする駆動信号とスイッチング素子をオフ状態にする駆動信号とを各スイッチング素子の制御電極に出力する。スイッチング素子をオン状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以上の電圧信号（オン信号）であり、スイッチング素子をオフ状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以下の電圧信号（オフ信号）となる。
【００５１】
制御回路２０３は、負荷３００に所望の電力が供給されるよう主変換回路２０１のスイッチング素子を制御する。具体的には、負荷３００に供給すべき電力に基づいて主変換回路２０１の各スイッチング素子がオン状態となるべき時間（オン時間）を算出する。例えば、出力すべき電圧に応じてスイッチング素子のオン時間を変調するＰＷＭ制御によって主変換回路２０１を制御することができる。そして、各時点においてオン状態となるべきスイッチング素子にはオン信号を、オフ状態となるべきスイッチング素子にはオフ信号が出力されるよう、主変換回路２０１が備える駆動回路に制御指令（制御信号）を出力する。駆動回路は、この制御信号に従い、各スイッチング素子の制御電極にオン信号又はオフ信号を駆動信号として出力する。
【００５２】
本実施の形態に係る電力変換装置では、主変換回路２０１のスイッチング素子と還流ダイオードとして実施の形態１〜３にかかる半導体装置を用いた半導体モジュールを適用するため、信頼性向上を実現することができる。
【００５３】
本実施の形態では、２レベルの三相インバータに本発明を適用する例を説明したが、本発明は、これに限られるものではなく、種々の電力変換装置に適用することができる。本実施の形態では、２レベルの電力変換装置としたが３レベルやマルチレベルの電力変換装置であっても構わないし、単相負荷に電力を供給する場合には単相のインバータに本発明を適用しても構わない。また、直流負荷等に電力を供給する場合にはＤＣ／ＤＣコンバータやＡＣ／ＤＣコンバータに本発明を適用することも可能である。
【００５４】
また、本発明を適用した電力変換装置は、上述した負荷が電動機の場合に限定されるものではなく、例えば、放電加工機やレーザー加工機、又は誘導加熱調理器や非接触器給電システムの電源装置として用いることもでき、さらには太陽光発電システムや蓄電システム等のパワーコンディショナーとして用いることも可能である。
【符号の説明】
【００５５】
１  半導体装置
２  回路基板
３  半導体素子
４  接合部
５  裏面電極
６  高融点金属粒子
７  金属間化合物
８  充填樹脂
９  低融点金属粒子
１０  硬化前の充填樹脂
１１  接合材料
１２  メッシュ版
１３  開口部
１４  スキージ
１５  空隙
１６  低融点金属皮膜
１７  注入された充填樹脂
１８  樹脂注入用枠
２１、２３  回路基板の電極
２２  回路基板の絶縁基板
４１  混合金属領域
４２  混合樹脂領域
１００  電源
２００  電力変換装置
２０１  主変換回路
２０２  半導体モジュール
２０３  制御回路
３００  負荷
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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