(57)【要約】【課題】回路基板と半導体素子がはんだ層を介して接続されてなる半導体装置に関し、回路基板とはんだ層の間に別途の層を介在させてはんだ濡れ性を良好なものとしながら、これらの層間にボイドが滞留するのを抑制でき、もって、はんだ層と別途の層の間の接続強度の高い半導体装置を提供する。【解決手段】AlもしくはAl合金からなる回路基板４と半導体素子１がはんだ層３を介して接続されてなる半導体装置１０であって、Ni、Cu、Ag、Auもしくはそれらの合金からなる金属粉末が積層して形成された金属粉末層２が回路基板４とはんだ層３の間に介在しており、この金属粉末層２は、そのはんだ層側となる表面２ａにおいて金属粉末層２を横断する溝条２ｂを有している。【選択図】図１
2013125952.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
AlもしくはAl合金からなる回路基板と半導体素子がはんだ層を介して接続されてなる半導体装置であって、
Ni、Cu、Ag、Auもしくはそれらの合金からなる金属粉末が積層して形成された金属粉末層が回路基板とはんだ層の間に介在しており、
前記金属粉末層は、そのはんだ層側となる表面において金属粉末層を横断する溝条を有している半導体装置。
【請求項２】
前記金属粉末層は長辺と短辺を有した平面視矩形を呈し、そのはんだ層側となる表面において前記溝条が該短辺に沿う方向に延びている請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記溝条の溝高さが80μm以下である請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
複数の前記溝条が併設しており、該溝条の断面形状は略三角形をなし、その底辺の幅をw、高さをh、隣接する溝条同士は一部でラップしていて双方の頂部間の距離をpとした際に、h(w+p)/2w ＜80μm の関係式を満たしている請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項５】
前記金属粉末層が、前記金属粉末をコールドスプレーする方法で形成されている請求項１〜４のいずれかに記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回路基板と半導体素子の接続構造に特徴のある半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の半導体素子を搭載した半導体装置（パワーモジュール）の基本構成は、回路基板の一方面と半導体素子がはんだ層を介して接続され、回路基板の他方面は、たとえばAlN（窒化アルミ）等の絶縁基板がロウ付け等によって接続され、さらにこの絶縁基板にヒートシンクや冷却器がロウ付け等にて接続されてその全体が構成されており、この構成以外にも、アルミ素材の応力緩和板が絶縁基板とヒートシンクの間に介層される形態など、多様な積層構造のものが存在している。また、これらの積層構造体がケース内に収容され、封止樹脂体でポッティングされた形態などもある。
【０００３】
回路基板は一般にAlやAl合金から形成されているが、そのために回路基板表面にははんだ接続性（はんだの濡れ性）の粗悪な酸化被膜が形成され易いといった課題を有しており、このはんだ接続性を高めるべく、回路基板の表面にNi、Cu、Agなどからなる金属被膜を形成し、この金属被膜の表面にはんだ層を介して半導体素子を搭載する技術が特許文献１に開示されている。
【０００４】
特許文献１に開示の技術をより詳細に記載するに、Ni等からなる金属被膜の表面に表面粗度Raを0.5μm以上となるように微小な凹凸を形成しておくものであり、このことによって金属被膜の表面積を大きくし、はんだ濡れ性を良好にしながら、はんだ層内部に生じ得るボイドの発生を抑制できるとしている。
【０００５】
しかしながら、金属被膜の表面に単に凹凸が形成されている場合や、さらにこの凹凸（粗度）が大き過ぎる場合には、金属被膜とはんだ層の間にボイドが滞留し易く、金属被膜に対するはんだ層のはんだ接続性が低下し、これらの界面における接続強度を低下させる原因となってしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−２９３２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、回路基板と半導体素子がはんだ層を介して接続されてなる半導体装置に関し、回路基板とはんだ層の間に別途の層を介在させてはんだ濡れ性を良好なものとしながら、これらの層間にボイドが滞留するのを抑制でき、もって、はんだ層と別途の層の間の接続強度の高い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】
前記目的を達成すべく、本発明による半導体装置は、AlもしくはAl合金からなる回路基板と半導体素子がはんだ層を介して接続されてなる半導体装置であって、Ni、Cu、Agもしくはそれらの合金からなる金属粉末が積層して形成された金属粉末層が回路基板とはんだ層の間に介在しており、前記金属粉末層は、そのはんだ層側となる表面において金属粉末層を横断する溝条を有しているものである。
【０００９】
本発明の半導体装置は、AlもしくはAl合金からなる回路基板に対してはんだ層を形成する際のはんだ濡れ性の問題を解消するべく、はんだ濡れ性の良好なNi、Cu、Ag、Auもしくはそれらの合金からなる金属粉末が積層してできた金属粉末層が回路基板の表面に配され、この金属粉末層がはんだ層を介して半導体素子と接続されるものである。
【００１０】
そして、この金属粉末層はその形成方法に起因してはんだ層側となる表面に金属粉末層を横断する溝条を有するものである。
【００１１】
ここで、「金属粉末層を横断する」とは、任意の平面形状（円形、楕円形、正方形や長方形、これら以外の多角形など）の金属粉末層に対し、その任意の端点から他の任意の端点に亘って連続した溝条が通っていることを意味しており、平面視正方形の金属粉末層に対して、いずれかの辺に平行な１つもしくは２以上の溝条が金属粉末層に配された形態、平面視円形の金属粉末層に対して、１つもしくは２つ以上で円形の中心を通る直径をなす溝条が金属粉末層に配された形態などを意味している。
【００１２】
このように、任意の平面形状の金属粉末層の表面において、任意の端点から他の任意の端点に亘る溝条を設けたことにより、金属粉末層の表面とはんだ層の間に形成され得るボイドをこの溝条を介して外部に排出することが可能となる。すなわち、本発明の半導体装置は、その構成要素である金属粉末層のはんだ層側となる表面にボイド抜き用の溝条を設けたものであり、この溝条は、比較的大きな気泡からなるボイドを抜くことができるものの、一度抜けた気泡（ボイド）と同程度の大きさの気泡が外部から再度侵入できない程度の大きさ（溝条の溝高さ）を有するものであり、より詳細には、溝条の溝高さと溝周囲の表面張力などが加味されて再度の侵入が阻止されることになる。
【００１３】
このことは、既述する特許文献１に開示の技術が金属被膜の表面に単に凹凸を付したことと大きく相違している。
【００１４】
また、「Ni、Cu、Ag、Auもしくはそれらの合金からなる金属粉末」とは、Ni、Cu、Ag、Auのうちのいずれか一種の単体金属粉末のほか、Ni合金、Cu合金、Ag合金、Au合金のうちのいずれか一種の合金粉末のことを意味している。
【００１５】
なお、本発明の半導体装置は、少なくとも回路基板と金属粉末層、はんだ層、および半導体素子が積層した構成であること以外は、ヒートシンクや冷却器、AlN等の絶縁基板、応力緩和板など、任意の部材がさらに付加された多様な形態を包含するものである。また、半導体素子は、ICチップ（シリコンチップ）やトランジスタ、ダイオードなどの素子全般を示称している。
【００１６】
上記する本発明の半導体装置によれば、はんだ濡れ性の良好なNi、Cu、Agもしくはそれらの合金からなる金属粉末が積層して形成された金属粉末層が回路基板とはんだ層の間に介在し、さらに、金属粉末層がそのはんだ層側となる表面に金属粉末層を横断する溝条を有していることにより、金属粉末層の表面にはんだ層を形成した際に生じるボイドを溝条を介して外部に排出することができ、金属粉末層とはんだ層の接続性に優れた半導体装置となる。
【００１７】
また、前記金属粉末層が長辺と短辺を有した平面視矩形を呈している場合には、そのはんだ層側となる表面において前記溝条が該短辺に沿う方向に延びている形態が好ましい。
【００１８】
短辺に沿う方向に溝条が延びていることで、ボイドが外部に排出され易くなるからである。
【００１９】
また、本発明者等による検証の結果、溝条の溝高さが80μmを越えた段階でボイド率（金属粉末層の平面積に占めるボイド面積の割合）が大きくなることが確認されており、このことから、溝条の溝高さは80μm以下の範囲とするのが好ましい。
【００２０】
また、複数の前記溝条が併設し、溝条の断面形状が略三角形をなしている形態においては、その底辺の幅をw、高さをh、隣接する溝条同士は一部でラップしていて双方の頂部間の距離をpとした際に、h(w+p)/2w ＜80μm の関係式を満たしているのが好ましい。
【００２１】
ここで、「断面形状が略三角形」とは、断面形状が三角形のもののほか、隅角を具備せずに角が丸まっていて全体として三角形に近い形状などを含む意味である。
【００２２】
さらに、前記金属粉末層は、前記金属粉末をコールドスプレーする方法で形成されているのが好ましい。
【００２３】
「金属粉末が積層して形成された金属粉末層」を実現する形成方法としては、金属粉末を溶融もしくはガス化させることなく、超音速流で固相状態のまま回路基板に衝突させるのがよく、これを実現する方法としてコールドスプレーを挙げることができ、広義には、コールドスプレーを包含する概念として溶射を挙げることができる（金属粉末を溶融させる溶射は除く）。
【００２４】
コールドスプレー加工において、ロボットハンド等のマニピュレーターが把持するスプレーガンをたとえば回路基板の表面に連続的に蛇行させるようにして金属粉末をスプレーする際に、自動的に溝条を形成することができる。たとえば平面視矩形の短辺に平行にスプレーガンを移動させてスプレー塗布することによって、略三角形の断面（スプレー塗布によってなりゆきでこのような断面形状のものが形成できる）の金属粉末の列を形成し、次いで逆向きにスプレーガンを移動させて既に形成されている金属粉末の列に間隔を置いて短辺に平行にスプレーガンを移動させてスプレー塗布することにより、２列の平行した略三角形の断面が所定の間隔（上記するように略三角形の頂部間に設けられた間隔）をもって形成できる。そして、この加工を回路基板の表面の全面、もしくは所望のエリアに亘って繰り返すことで断面が略三角形の金属粉末の列が所定の間隔をもって配列された金属粉末層を形成することができる。
【００２５】
上記する半導体装置によれば、回路基板と半導体素子が金属粉末層を介して間接的に、はんだ層にて高い接続強度で接続された半導体装置となることから、その車載機器に高性能かつ高耐久が要求される、近時のハイブリッド車や電気自動車に車載されるインバータ等への適用に最適である。
【発明の効果】
【００２６】
以上の説明から理解できるように、本発明の半導体装置によれば、はんだ濡れ性の良好な金属粉末が積層して形成された金属粉末層が回路基板とはんだ層の間に介在し、さらに、金属粉末層がそのはんだ層側となる表面に金属粉末層を横断する溝条を有していることにより、金属粉末層の表面にはんだ層を形成した際に生じ得るボイドを溝条を介して外部に効果的に排出することができ、金属粉末層とはんだ層の接続性に優れた半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の半導体装置の一実施の形態の縦断面図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）はともに、図１のII−II矢視図である。
【図３】（ａ）は図２ａの矢視図で示す形態の金属粉末層の形成方法を説明した模式図であり、（ｂ）は回路基板とこの表面に形成された金属粉末層の縦断面図である。
【図４】金属粉末層に形成される溝条の溝高さの最適値を規定する際に用いた模式図である。
【図５】溝条の延設方向の相異による、溝条の溝高さとボイド率の関係を求めた実験結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、図面を参照して本発明の半導体装置の実施の形態を説明する。なお、図示する半導体装置の積層構成は一例にすぎず、他の構成要素、たとえば、絶縁基板や応力緩和板、冷却器などがさらに付加された半導体装置であってもよく、これらの積層体がケース内に収容され、封止樹脂体で封止された半導体装置であってもよい。
【００２９】
（半導体装置の実施の形態）
図１は半導体装置の実施の形態の縦断面図であり、図２ａ、ｂはともに、図１のII−II矢視図である。図示する半導体装置１０は、AlもしくはAl合金からなるヒートシンク５の表面にAlもしくはAl合金からなる回路基板４がロウ付けされ、回路基板４の表面に複数の溝条２ｂをはんだ層側の表面２ａに有する金属粉末層２が形成され、金属粉末層２と半導体素子１（ICチップやトランジスタ、ダイオードなど）がはんだ層３を介して接続されてその全体が構成されている。
【００３０】
はんだ層３は、Pb系はんだ、Pbフリーはんだのいずれであってもよいが、環境影響負荷低減を図るべく、Sn−Ag系はんだ、Sn−Cu系はんだ、Sn−Ag−Cu系はんだ、Sn−Zn系はんだ、Sn−Sb系はんだなどのPbフリーはんだからなるものが好ましい。
【００３１】
金属粉末層２は、Ni、Cu、Ag、Auのうちのいずれか一種の単体金属粉末のほか、Ni合金、Cu合金、Ag合金、Au合金のうちのいずれか一種の合金粉末をコールドスプレー法を用いて回路基板４の表面に形成したものである。
【００３２】
Ni、Cu、Ag、Auもしくはそれらの合金からなる金属粉末が積層して形成された金属粉末層２をAlもしくはAl合金からなる回路基板４の表面に形成し、この金属粉末層２と半導体素子１をはんだ層３を介して繋ぐ構成としたことによって、はんだの濡れ性が良好となり、回路基板４と半導体素子１を金属粉末層２およびはんだ層３を介して間接的に高い接続強度で接続することができる。
【００３３】
そして、金属粉末層２の平面視形状は多様なものが存在し得るが、図２ａで示すように長辺（長さt2）と短辺（長さt1）を有する矩形の形態、図２ｂで示す金属粉末層２Ａのように平面視円形の形態などがあり、その他にも、平面視正方形、平面視が矩形および正方形以外の多角形、平面視楕円形など、回路基板の平面形状や半導体素子の平面形状などに応じて多様な形状のものが存在する。さらに、金属粉末層２が回路基板４の表面全域に設けられてもよい。
【００３４】
いずれの平面形状のものであれ、金属粉末層２はそのはんだ層側となる表面に該金属粉末層２を横断する１つ、もしくは２以上の溝条２ｂを有している。
【００３５】
金属粉末層２がその表面を横断する溝条２ｂを有していることで、はんだ濡れ性の良好な金属粉末層を設けることによってこれとはんだ層の間に滞留し得るボイドを効果的にこれらの界面の外部に排出することができる。すなわち、金属粉末層２の表面を横断する溝条は、金属粉末層２の表面の中央領域から外部に通じる端部に延びたボイド抜き用の溝である。
【００３６】
ここで、図３を参照して金属粉末層２の好ましい形成方法を概説する。
図３ａは図２ａの矢視図で示す形態の金属粉末層の形成方法を説明した模式図であり、図３ｂは回路基板とこの表面に形成された金属粉末層の縦断面図である。
【００３７】
長辺（長さt2）、短辺（長さt1）を有する平面視矩形の金属粉末層２を形成するに当たっては、コールドスプレー加工の際に適用される不図示のスプレーガンを図３ａで示すように短辺に平行でかつ連続的に蛇行するようにして移動させることにより（Ｘ方向）、図３ｂで示すように、短辺に沿う方向に延設する複数の溝条２ｂを画成するように、金属粉末が積層した複数の金属粉末列からなる金属粉末層２が形成される。
【００３８】
図３ｂで示す金属粉末の列は、断面形状が略三角形（頂部が丸まっている）となっており、隣接する列同士がその一部でラップすることでラップ領域の上方に溝条２ｂが形成されている。
【００３９】
溝条２ｂが短辺に沿う方向に延設するようにして金属粉末層２を形成することで、金属粉末層２とはんだ層３の間に介在するボイドの排出距離が可及的に短くなり（たとえば平面視で金属粉末層２の中央位置からその端辺までの排出距離が短くなる）、ボイドが排出され易くなる。
【００４０】
ここで、図４を用いて、溝条２ｂの溝高さの最適値を規定する。
同図で示す三角形は金属粉末列の断面形状を三角形と仮定し、その底辺をw、高さをh、各列の頂部間の距離をpとした際に、溝条２ｂの溝高さdをこれらのファクターから規定したものである。
【００４１】
図示するように、d = h (w + p) / 2wの関係式が成立するが、本発明者等によれば、この溝高さdが80μｍ以下となるようにして金属粉末層２を形成するのがよいとの知見が得られている。溝条の溝高さが80μmを越えた段階で、ボイド率（金属粉末層の平面積に占めるボイド面積の割合）が大きくなることがその理由である。
【００４２】
[溝条の延設方向の相異による、溝条の溝高さとボイド率の関係を求めた実験とその結果]
本発明者等は、図３ａで示す平面視矩形の金属粉末層において、短辺方向に列を成すように金属粉末層を形成した場合と、長辺方向に列を成すように金属粉末層を形成した場合の２つのケースに関し、それぞれ、以下の表１で示すように溝条の高さを種々変化させて金属粉末層を形成し、その表面にはんだ層を形成した際のボイド率（金属粉末層の平面積に占めるボイド面積の割合）を求めた。その結果を表１および図５に示す。
【００４３】
【表１】
2013125952.tif 000003
【００４４】
表１および図５より、長辺方向に沿う列から構成される金属粉末層に対して、短辺方向に沿う列から構成される金属粉末層が格段にボイド率が低くなっていることが実証されている。
【００４５】
既述するように、溝条の溝高さの上限値は80μmに規定するのが好ましく、下限値に関しては、図５の短辺方向に関するグラフより、ボイド率が最も低い値でサチュレートする40〜50μmを下限値として規定することができる。
【００４６】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４７】
１…半導体素子、２，２Ａ…金属粉末層、２ａ…はんだ層側の表面、２ｂ…溝条、３…はんだ層、４…回路基板、５…ヒートシンク、１０…半導体装置
【図１】
2013125952.tif 000004
【図２】
2013125952.tif 000005
【図３】
2013125952.tif 000006
【図４】
2013125952.tif 000007
【図５】
2013125952.tif 000008