(57)【要約】【課題】  第１の基板１と接合する第２の基板４の一部が湾曲していても接合部の厚さを制御でき、高信頼な半導体装置を提供する。【解決手段】  第１及び第２の基板を接合する接合材は、多孔質金属とはんだで構成し、この多孔質金属は、周辺部では厚さ方向の両端まで存在して両基板間の間隔を調整するとともに、、中心部では、厚さ方向全般にわたっては存在せず、基板の湾曲による設計誤差を中心部のはんだで吸収できるようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の基板と、第２の基板と、それらを接合する第１の接合材とを備えた半導体装置において、
前記第１の接合材は、多孔質金属と、前記多孔質金属の内部及び周囲に設けられたはんだとを有し、
前記第１の接合材は、中心部と周辺部とを有し、
前記多孔質金属は、前記第１の接合材の周辺部でその厚さ方向に一端から他端まで延在するするとともに、中心部では、厚さ方向の前記一端または他端のいずれかで存在しておらず、
前記はんだは、前記第１の接合材の中心部及び周辺部に存在していることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記第１の接合材の中心部では、前記多孔質金属は存在していないことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記多孔質金属は、枠状に形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項２において、
前記第１の接合材は、その周辺部に並べられた複数の前記多孔質金属を有していることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかにおいて、
前記多孔質金属を有する接合部のヤング率が、多孔質金属の母材金属のヤング率より低いことを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項１乃至５において、
前記はんだとして、Ｓｎを９０ｗｔ％以上含有しているはんだ、Ｚｎ−Ａｌ、またはＺｎ−Ａｌ−Ｃｕのはんだを用いることを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかにおいて、
第１の基板がＳｉ、ＳｉＮ、ＧａＮ、ＳｉＣが主成分の半導体素子であることを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかにおいて、多孔質金属のはんだと接する面の最表面に、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ｎｉ、Ｎｉ合金、Ａｇ、Ａｇ合金、若しくはＡｕ、Ａｕ合金が形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれかにおいて、
前記第１の基板の前記第２の基板とは反対側に設けられた第３の基板と、
前記第１の基板と前記第３の基板の基板とを接合する接合材とを備え、
前記第２の接合材は、多孔質金属とはんだとを有し、
その多孔質金属は、その中心部が周辺部より薄い、または中心部に多孔質金属がない空洞部を有している、または、前記第２の接合材の面方向の中心部には、前記多孔質金属が存在していないことを特徴とする半導体装置。
【請求項１０】
第２の基板上に、多孔質金属と溶融したはんだとを有する接合材を設ける工程と、
前記接合材上に第１の基板を設ける工程と、
前記接合材を凝固させて、前記第１の基板と前記第２の基板とを接合する工程とを有する半導体装置の製造方法において、
前記接合材は、中心部と周辺部を有し、
前記多孔質金属は、前記接合材の周辺部でその厚さ方向に一端から他端まで延在するするとともに、中心部では、厚さ方向の前記一端または他端のいずれかで存在しておらず、
前記はんだは、前記接合材の中心部及び周辺部に存在してい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、多孔質金属とはんだを用いた接合部を有する半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の接合部の厚さ制御としては、接合部にＮｉボール入りのはんだが用いられている（特許文献１参照）、多孔質金属の空孔より大きな空隙のない多孔質金属とはんだが用いられている（特許文献２参照）、金属基板に凹凸形状を設けている（特許文献３参照）ことが知られている。特許文献１は、Niボール入りのシート状のはんだで接合することで、接合部の厚さを制御している。特許文献２は、多孔質金属の空孔より大きな空隙のない多孔質金属とはんだを用いて接合部の厚さを制御している。特許文献３は、金属基板上に凹凸形状を形成し、接合部の厚さを制御している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４３０２６０７号公報
【特許文献２】特開２０００−３４９１００号公報
【特許文献３】特許第３８５３５６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ハイブリッド自動車および電気自動車など、動力に電気を使う車両には、電流を制御し高効率な走行を実現するためにインバーターモジュールが搭載されている。インバーターモジュールには、電気を制御するための１０ｍｍ角程度の比較的大きな半導体素子が搭載されているため、接合部の厚さバラつきが大きくなりやすい。接合厚の薄い箇所には応力が集中するため、クラック進展速度が大きくなる。
【０００５】
インバーターモジュールの更なる小型化・ハイパワー化が求められており、ハイパワー化すると素子から多くの熱が放出されるため、高放熱なモジュール構造が必要で、モジュールの小型化・ハイパワー化を実現可能な素子の表裏面から冷却可能な構造（両面冷却構造）が開発されている。両面冷却構造では、半導体素子の表裏をＣｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、Ａｌ合金等の金属基板とはんだで接合する必要があり、接合部の厚さばらつきが大きいと接合厚の薄い箇所ではんだが接合部の外にはみ出し、他方の金属基板と接することで短絡する可能性がある。また、接合厚に大きな差があると、薄い箇所に応力が集中し、クラック進展が促進される。
【０００６】
そこで、接合部の厚さを制御できる技術が求められている。ただし、半導体素子や基板は湾曲していることがあるため、湾曲した半導体素子および基板の接合部の厚さを制御する技術が必要である。基板が湾曲している場合接合部全域の厚さを均一にすることは困難なので、接合部の端部から生じるクラックの進展を抑制するために端部の厚さを制御することが重要になる。
【０００７】
本発明の目的は、上記課題を解決すべく、接合部の厚さを制御でき、高信頼な半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、第１及び第２の基板を接合する接合材は、多孔質金属とはんだで構成し、この多孔質金属は、周辺部では厚さ方向の両端まで存在して両基板間の間隔を調整するとともに、、中心部では、厚さ方向全体にわたっては存在しないようにする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、基板や半導体素子が湾曲しているかどうかにかかわらず、接合部を所定の厚さに制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明にかかる実施例１の第１の基板１と第２の基板４を、多孔質金属５を挟持してはんだ３を使って接合した後の接合部の断面図である。
【図２】本発明にかかる実施例１の第２の基板４の上に多孔質金属５を乗せた後の第１の基板１を接合する側からの平面図である。
【図３】本発明にかかる実施例１の第１の基板と第２の基板を、多孔質金属５を挟持してはんだ３を使って接合した後の接合部端部の断面図である。
【図４】本発明にかかる実施例２の多孔質金属５を含んだはんだシートを第２の基板の上に乗せた後の第１の基板１を接合する側からの平面図である。
【図５】本発明にかかる実施例３の基板及び発泡金属の平面図である。
【図６】本発明にかかる実施例３の基板及び発泡金属の平面図である。
【図７】本発明にかかる実施例３の基板及び発泡金属の平面図である。
【図８】本発明にかかる実施例４の第１の基板１の表裏面を第２の基板４、第３の基板７で接合した後の接合部の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に実施例を用いて本発明の内容を詳細に説明する。
【実施例１】
【００１２】
本発明に係る第１の実施の形態について、図１乃至図３を用いて説明する。図１は、第１の基板１と第２の基板４を、接合する領域に多孔質金属５を挟持してはんだ３を使って接合した後の接合部の断面図である。図２は、第２の基板４の上に図１記載の多孔質金属５を置いた後の第１の基板１を接合する側からの平面図である。図３は第１の基板１と第２の基板４を、接合する領域に多孔質金属５を挟持してはんだ３を使って接合した後の接合部端部の断面図である。第１の基板１は、例えば半導体素子であり、ＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）やＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、サイリスタ等のパワー半導体素子や、若しくはＦＷＤ（Ｆｒｅｅ Ｗｈｅｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）等の半導体素子が考えられる。半導体素子は、例えば厚さ０．１ｍｍから０．２ｍｍ程度の薄板状であり、湾曲しており完全な水平基板ではないことが多い。
【００１３】
第１の基板１の接合面側には導体層２が形成されている。導体層２は、３層構造となっており、基板１側から最下層、中層、最上層で構成されている。導体層２における最下層は第１の基板と接触するので、接着力を考慮してＴｉによって形成される。Ｔｉの厚さは約１００ｎｍである。中層は、Ｎｉ、Ｎｉ合金、Ｐｔ、Ｐｔ合金等によって形成され、厚さは約０・５μｍから６μｍである。なお、中層は、基板１がセラミック基板等、半導体素子ではない場合、Ｃｕ合金、Ａｌ合金等によって形成される場合もある。導体層２の最上層は、はんだ接合を可能とするために、Ａｇ、Ａｇ合金、Ａｕ、Ａｕ合金等が使用される。最上層の厚さは約１００ｎｍ〜２００ｎｍの厚さである。
【００１４】
第２の基板４は、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、Ａｌ合金等の金属基板、若しくはＡｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＳｉＣのいずれかが主成分のセラミック基板である。第２の基板４がＣｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、Ａｌ合金等の金属基板の場合、必ずしも表面に導体層を形成する必要はないが、セラミック基板の場合、接合面側に導体層２と同様の導体層を形成する必要がある。導体層２の表面は、最上層であるＡｇもしくはＡｇ合金、またはＡｕもしくはＡｕ合金のうち少なくとも１種以上の金属が存在していることになるので、第１の基板１と第２の基板４をはんだによって接続することが出来る。
【００１５】
第１の基板１と第２の基板４は、はんだ３で接合されており、その接合部の一部には、多孔質金属５が存在している。接合部の多孔質金属５には、はんだ３が含浸され、多孔質金属が元々有する孔は全てはんだ３で充填されている。はんだ３には、Ｓｎを９０ｗｔ％以上含有しているSn系はんだ、若しくはＺｎ−Ａｌ、Ｚｎ−Ａｌ−Ｃｕのはんだが使用される。多孔質金属５には、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ｎｉ、Ｎｉ合金、Ｆｅ、Ｆｅ合金、Ａｌ、Ａｌ合金、Ｍｇ、Ｍｇ合金、Ｔｉ、Ｔｉ合金等の金属が使用される。多孔質金属のはんだと接する面の最表面には、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ｎｉ、Ｎｉ合金、Ａｇ、Ａｇ合金、若しくはＡｕ、Ａｕ合金が形成されている。
【００１６】
接合部は、中心部とその周囲の周辺部で構成される。多孔質金属５は、その中心部に、多孔質の孔よりも大きな空洞５ａを有しており、その上に第１の基板１の中心部が位置している。第１の基板及び接合部の周辺部において、多孔質金属５は、接合材厚さ方向の全体（一端から他端まで）にわたって存在しており、第１の基板１は、多孔質金属５及びはんだ３で支持されている。第１の基板１及び接合部の中心部では多孔質金属５が無いため、第１の基板ははんだ３で支持されており、多孔質金属５の上面よりも低い位置まで位置している。すなわち、第1の基板１が湾曲しても、接合部の中心部には多孔質金属５が存在していないため、接合部の厚さには影響を与えない。このため、周辺部における多孔質金属５の厚さに基づいて、第1の基板１の位置及び接合部の厚さが決定される。
【００１７】
次に、本実施例に係る半導体装置の形成プロセスの概略について説明する。まず、第１の基板１に電極となる導体層２をフォトリソグラフィー技術を用いた半導体プロセスにより形成する。
【００１８】
第１の基板１の厚さは例えば、０．０５ｍｍから０．２ｍｍ程度であり、第１の基板１の接合面側に形成された導体層２の厚さは約０・５〜６μｍである。導体層２は、積層構造として、第１の基板１と接触する部分には、第１の基板１との接着性を向上させるために、Ｔｉが１００ｎｍ程度形成される場合もある。第２の基板４の厚さは例えば、１ｍｍから２ｍｍ程度であり、第２の基板４がＣｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、Ａｌ合金等の金属基板の場合、必ずしも表面に導体層を形成する必要はない。
【００１９】
次に、例えば図２のような枠状の多孔質金属５を第２の基板４上に置く。それを加熱プレートなどの上に配置し、はんだ３の融点以上に加熱しておく。次に、アクチュエータが備わったシリンジでピストンにより、溶融状態のはんだ３が入ったはんだ槽からはんだ３が吸い上げられ、シリンジ内に貯えられる。次に、多孔質金属５を乗せた範囲内にシリンジが移動され、ピストンによりシリンジ内のはんだ３が多孔質金属５の枠内に塗出される。その上から第１の基板１を乗せる。塗出されたはんだ３は第１の基板１と第２の基板４間で濡れ拡がる。その際、塗出されたはんだ３は多孔質金属５の空孔内部に含浸される。その後、冷却してはんだが凝固し、接合完了となる。このはんだ接合プロセスでは、はんだの酸化を抑制するためＮ２等の不活性ガス、Ｈ２等の還元ガス、若しくはその混合ガスで満たされた酸素濃度１００ｐｐｍ以下の雰囲気で行うことが望ましい。接合した状態におけるはんだ３の厚さは例えば、５０μｍから２００μｍである。
【００２０】
なお、本実施例では、多孔質金属５は接合部の中心部において存在せず空洞となっているが、これに限らず、多孔質金属５の中心部を周辺部より薄く形成し、厚さ方向の両端のいずれかに存在しないようにしても足りる。
【００２１】
以上、本実施例によれば、第１の基板１と第２の基板４の接合部に中心が空洞５ａになった多孔質金属５を挟持し、多孔質金属５の中心付近を空洞５ａとしているため、基板が湾曲していても接合部の端部の厚さを制御できる。
【００２２】
また、接合部の端部から生じるクラック６の進展を、はんだ３より硬い多孔質金属５で抑制できる。
【００２３】
また、接合部の多孔質金属５挟持部では、はんだ３より熱伝導率の高い金属を多孔質金属５に採用することで、はんだ３のみで接合する場合より接合部の熱伝導率を上げることができる。
【００２４】
また、多孔質金属５を使うため、多孔質でなく多孔質金属５と同じ金属を使う場合より接合部のヤング率をはんだ３と同等にできる。
【実施例２】
【００２５】
次に本発明に係わる第２の実施の形態について図４を用いて説明する。第２の実施の形態において、実施例１と相違する点は、第１の基板１と第２の基板４の接合部に挟持する多孔質金属５にあらかじめはんだ３を含浸させておき、図４のような多孔質金属を含んだはんだシート９を作成し、これを接合に使うことである。他の点は、実施例１と同じであり、同様の作用効果を奏する。
【００２６】
次に、本実施例に係わる半導体装置の形成プロセスの概略について説明する。まず、第１の基板１に電極となる導体層２をフォトリソグラフィー技術を用いた半導体プロセスにより形成する。
【００２７】
第１の基板１の厚さは例えば、０．０５ｍｍから０．２ｍｍ程度であり、第１の基板１の接合面側に形成された導体層２の厚さは約０・５〜６μｍである。導体層２は、積層構造として、第１の基板１と接触する部分には、第１の基板１との接着性を向上させるために、Ｔｉが１００ｎｍ程度形成される場合もある。第２の基板４の厚さは例えば、１ｍｍから２ｍｍ程度であり、第２の基板４がＣｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、Ａｌ合金等の金属基板の場合、必ずしも表面に導体層を形成する必要はない。
【００２８】
次に、図４のような多孔質金属５を含んだシート状のはんだ９を第２の基板４上に乗せる。それを加熱プレートなどの上に配置し、その上に第１の基板１を乗せる。次に、はんだ３の融点以上に加熱する。その後、冷却してはんだが凝固し、接合完了となる。このはんだ接合プロセスでは、はんだの酸化を抑制するためＮ２等の不活性ガス、Ｈ２等の還元ガス、若しくはその混合ガスで満たされた酸素濃度１００ｐｐｍ以下の雰囲気で行うことが望ましい。接合した状態におけるはんだ３の厚さは例えば、５０μｍから２００μｍである。
【００２９】
多孔質金属５は、接合前にあらかじめはんだシート内に含まれるため、多少複雑な形状の多孔質金属５を使うことができる。したがって、上記のような第２の実施の形態とすることで、第１の基板１の水平方向の形状が多少複雑に湾曲していても、接合部の厚さを制御することができる。また、基板の形状に合わせ、はんだが濡れやすく、ボイド率を低減できる形状の多孔質金属５を容易に採用できる。
【実施例３】
【００３０】
次に本発明に係わる第３の実施の形態について図５乃至図７を用いて説明する。第３の実施の形態において、実施例１と相違する点は、図５乃至図７に示すように、枠状のように連続しておらず、不連続な形状の多孔質金属５を用いることである。本実施例に係わる半導体装置の形成プロセスは、実施例１、実施例２と同様である。
【００３１】
上記のような第３の実施の形態とすることで、接合時にボイドが接合部の外部に排出されやすくなる。また、第１の基板の湾曲状況に応じ、接合部の厚さを制御できるようになる。
【実施例４】
【００３２】
次に本発明に係わる第４の実施の形態について図８を用いて説明する。第３の実施の形態は、第１の基板の表裏面と第２の基板４、第３の基板７をはんだ３を使い、多孔質金属５を挟持して接合することである。第３の基板７は第２の基板４と同じ材料を用いるのが好ましいが、必ずしも同じ材料を用いる必要はない。
【００３３】
第１の基板１と第２の基板４の半導体装置の形成プロセスは、実施例１、実施例２と同様である。第１の基板１と第２の基板４接合後、第３の基板７の半導体装置の形成プロセスは、実施例１、実施例２と同様のプロセスを適用することで、図８の半導体装置を作製できる。ただし、第３の基板７の接合に使うはんだ８の融点は、第１の基板１と第２の基板４の接合に用いたはんだ３の融点以下とする。また、第１の基板１と第２の基板４接合後、第３の基板７を接合する際、第１の基板１の上に第３の基板７を積み重ねて接合してもいいし、第３の基板の上に、第１の基板１で第２の基板４と接合されていない面を乗せて接合してもよい。
【００３４】
上記のような第４の実施の形態とすることで、半導体装置の放熱性を向上でき、半導体装置の小型化・エネルギーの高密度化を実現できる。
【符号の説明】
【００３５】
１・・・第１の基板、２・・・導体層、３・・・はんだ（第１の基板と第２の基板の接合部）、４・・・第２の基板、５・・・多孔質金属、６・・・クラック、７・・・第３の基板、８・・・はんだ（第１の基板と第３の基板の接合部）、９・・・多孔質金属を含んだシート状のはんだ。
【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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