(57)【要約】【課題】  半導体素子の電極とはんだ接合層との界面における金属間化合物の生成を抑制する。【解決手段】  半導体装置は、半導体素子と導電性部材を備える。半導体素子は、第１電極と第２電極とを有し、第１電極から第２電極へ電流が流れることを許容するとともに、第２電極から第１電極へ電流が流れることを禁止する。導電性部材は、半導体素子の第２電極にはんだ接合層を介して接合されている。はんだ接合層に接触する第２電極の表面は、ニッケルを主成分とする金属材料で構成されており、はんだ接合層に接触する導電性部材の表面は、銅を主成分とする金属材料で構成されている。そして、はんだ接合層は、第２電極との界面に位置するとともにニッケル―錫系の金属間化合物で構成された第１化合物層と、前記導電性部材との界面に位置するとともに銅−錫系の金属間化合物で構成された第２化合物層とを有する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極と第２電極とを有し、前記第１電極から前記第２電極へ電流が流れることを許容するとともに前記第２電極から前記第１電極へ電流が流れることを禁止する半導体素子と、
前記半導体素子の前記第２電極にはんだ接合層を介して接合された導電性部材と、を備え、
前記はんだ接合層に接触する前記第２電極の表面は、ニッケルを主成分とする金属材料で構成されており、
前記はんだ接合層に接触する前記導電性部材の表面は、銅を主成分とする金属材料で構成されており、
前記はんだ接合層は、前記第２電極との界面に位置するとともにニッケル―錫系の金属間化合物で構成された第１化合物層と、前記導電性部材との界面に位置するとともに銅−錫系の金属間化合物で構成された第２化合物層とを有する、
半導体装置。
【請求項２】
前記半導体素子はダイオードであり、前記第１電極はアノード電極であり、前記第２電極はカソード電極である、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記半導体素子はＩＧＢＴであり、前記第１電極はコレクタ電極であり、前記第２電極はエミッタ電極である、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記半導体素子を封止する封止体をさらに備え、
前記導電性部材は前記封止体の表面に露出する放熱板である、請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示する技術は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に半導体装置が開示されている。この半導体装置は、半導体素子と、半導体素子の電極に接合された導電性部材とを備える。半導体素子の電極と導電性部材は、はんだ付けによって接合されており、両者の間には、はんだ接合層が形成されている。一般に、二つの部材をはんだで接合する場合、例えばはんだ付け性の向上を目的として、各部材の表面にニッケル膜を形成することが広く行われている。なお、本明細書でいうはんだとは、錫と鉛の合金に限られず、錫を主成分とする各種の鉛フリーはんだを含む。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２７０７３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
半導体素子及び導電性部材に電流が流れると、半導体素子及び導電性部材の温度がそれぞれ上昇する。特に、半導体素子は、導電性部材よりも発熱量が多いことから、導電性部材よりも高温になりやすい。従って、半導体素子の電極とはんだ接合層との界面では、ニッケル膜からはんだ接合層へニッケルが拡散し、ニッケル−錫系の金属間化合物（例えばＮｉ３Ｓｎ４）が生成されやすい。このような金属間化合物が過剰に生成されると、例えば空洞といった欠陥が発生することによって、接合強度の低下や電気抵抗の増大といった不具合が起こり得る。
【０００５】
上記した問題を鑑み、本明細書は、半導体素子の電極とはんだ接合層との界面における金属間化合物の生成を抑制し得る技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本明細書で開示される半導体装置は、半導体素子と導電性部材を備える。半導体素子は、第１電極と第２電極とを有し、第１電極から第２電極へ電流が流れることを許容するとともに、第２電極から第１電極へ電流が流れることを禁止する。導電性部材は、半導体素子の第２電極にはんだ接合層を介して接合されている。はんだ接合層に接触する第２電極の表面は、ニッケルを主成分とする金属材料で構成されており、はんだ接合層に接触する導電性部材の表面は、銅を主成分とする金属材料で構成されている。そして、はんだ接合層は、第２電極との界面に位置するとともにニッケル―錫系の金属間化合物で構成された第１化合物層と、前記導電性部材との界面に位置するとともに銅−錫系の金属間化合物で構成された第２化合物層とを有する。
【０００７】
上記した半導体装置では、半導体素子が、第１電極から第２電極に流れる電流のみを許容する。従って、第２電極に接合されたはんだ接合層では、電流が半導体素子から導電性部材に向かう方向のみに流れ得る。この場合、はんだ接合層における電子の流れは、常に導電性部材から半導体素子に向かう方向となる。この電子の一方向の流れにより、第２化合物層を構成する銅−錫系の金属間化合物が、第１化合物層に向けて移動して、第１化合物層上に堆積する。このような現象は、エレクトロマイグレーションと称される。第１化合物層が銅−錫系の金属間化合物で覆われると、第２電極からはんだ接合層３４へのニッケルの拡散が抑制される。それにより、第２電極とはんだ接合層との界面における金属間化合物の生成が抑制される。一方、導電性部材とはんだ接合層との界面では、その温度が比較的に低いことから、第２化合物層の成長も許容できるほど小さい。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施例１の半導体装置１０を示す断面図。
【図２】実施例１の半導体装置１０の電気的構成を示す回路図。
【図３】はんだ接合層３４による半導体素子２０の第２電極２２と放熱板１４との間の接合構造を模式的に示す図。
【図４】図３中のＩＶ部を示す電子顕微鏡写真。
【図５】エレクトロマイグレーションによるバリア層３４ｄの形成を模式的に示す図。
【図６】図６（Ａ）、図６（Ｂ）は、エレクトロマイグレーションによって形成されたバリア層３４ｄを示す電子顕微鏡写真。
【図７】はんだ接合層３２による半導体素子２０の第１電極２１と正端子１６との接合構造を模式的に示す図。
【図８】実施例２の半導体装置５０を示す平面図。
【図９】実施例２の半導体装置５０の内部構造を示す図であって、第１放熱板６２、第２放熱板６４及び封止体５２の一部が取り除かれている。
【図１０】図８中のＸ−Ｘ線における断面図。
【図１１】図９中のＸＩ−ＸＩ線における断面図。
【図１２】実施例２の半導体装置５０の電気的構成を示す回路図。
【図１３】半導体装置５０の一使用例であって、複数の半導体装置５０を使用した電力制御装置１２０を示す図。
【図１４】図１４（Ａ）は、図１０中のＡ部の拡大図であり、図１４（Ｂ）は図１０中のＢ部の拡大図であり、図１４（Ｃ）は図１１中のＣ部の拡大図であり、図１４（Ｄ）は図１１中のＤ部の拡大図である。
【図１５】図１５（Ａ）は、図１４（Ａ）に対応して、はんだ接合層７７におけるバリア層７７ｄの形成を模式的に示す図。図１５（Ｂ）は、図１４（Ｂ）に対応して、はんだ接合層８７におけるバリア層８７ｄの形成を模式的に示す図。図１５（Ｃ）は、図１４（Ｃ）に対応して、はんだ接合層９８におけるバリア層９８ｄの形成を模式的に示す図。図１５（Ｄ）は、図１４（Ｄ）に対応して、はんだ接合層１０８におけるバリア層１０８ｄの形成を模式的に示す図。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【０００９】
図面を参照して、実施例１の半導体装置１０を説明する。図１、図２に示すように、半導体装置１０は、半導体素子２０と、半導体素子２０を封止する封止体１２を備える。封止体１２は、絶縁材料で構成されている。本実施例の封止体１２は、樹脂材料で構成されており、モールド成形されたものである。なお、封止体１２を構成する材料には、各種の封止材、特にパワー半導体素子用の封止材を適宜採用することができる。
【００１０】
半導体素子２０は、第１電極２１と第２電極２２を備える。第１電極２１は、半導体素子２０の上面に位置しており、第２電極２２は半導体素子２０の下面に位置している。半導体素子２０はダイオードであり、第１電極２１はアノード電極であって、第２電極２２はカソード電極である。従って、半導体素子２０は、第１電極２１から第２電極２２へ電流が流れることを許容し、第２電極２２から第１電極２１へ電流が流れることを禁止する。一例ではあるが、本実施例の半導体素子２０は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）を用いたパワー半導体素子であり、その許容電流密度は２５Ａ／ｍｍ２以上である。なお、本実施例の半導体素子２０は、ショットキーバリアダイオードであるが、ｐｎ接合ダイオードであってもよい。
【００１１】
ここで、本明細書における上面及び下面という用語は、各々の部材において互いに反対側に位置する二つの面を便宜的に区別するための表現である。即ち、本明細書において上面と称される表面が、半導体装置１０の使用時において鉛直上方に位置することを意味するものではない。下面と称される表面についても同様である。
【００１２】
半導体装置１０はさらに、正端子１６と放熱板１４と負端子１８を備える。正端子１６は、半導体素子２０の第１電極２１（アノード電極）に電気的に接続されている。放熱板１４は、半導体素子２０の第２電極２２（カソード電極）に電気的に接続されている。そして、負端子１８は、放熱板１４に電気的に接続されている。これにより、半導体装置１０では、正端子１６から負端子１８へ流れる電流Ｃが許容される一方で、その逆向きに流れる電流が禁止されるように構成されている。以下、半導体装置１０の構造について詳細に説明する。
【００１３】
正端子１６は、封止体１２の外部から内部へ伸びている。正端子１６は、導電性部材であり、例えば銅又はその他の金属材料で構成することができる。正端子１６の表面は、ニッケル膜１６ａによって覆われている。ニッケル膜１６ａは、ニッケルを主成分とする金属材料の膜であり、例えば電解ニッケルめっき皮膜や無電解ニッケルめっき皮膜である。正端子１６は、封止体１２の内部において、半導体素子２０の第１電極２１（アノード電極）にはんだ付けされている。従って、正端子１６は、はんだ接合層３２を介して半導体素子２０の第１電極２１に接合されている。これにより、正端子１６は、半導体素子２０の第１電極２１に電気的に接続されている。なお、本実施例におけるはんだは、鉛と錫の合金に限られず、錫を主成分とする各種の鉛フリーはんだを含む。
【００１４】
放熱板１４は、導電性部材である。放熱板１４は、概して板状の部材であり、上面１４ａと下面１４ｂを有する。放熱板１４は、銅を主成分とする金属材料（例えば純銅）で構成されており、その上面１４ａにも銅が露出している。放熱板１４の上面１４ａは、封止体１２の内部に位置しており、半導体素子２０の第２電極２２（カソード電極）にはんだ付けされている。従って、半導体素子２０の第２電極２２と放熱板１４との間には、はんだ接合層３４が形成されており、半導体素子２０の第２電極２２ははんだ接合層３４を介して放熱板１４に接合されている。これにより、半導体素子２０の第２電極２２は、放熱板１４に電気的に接続されている。
【００１５】
放熱板１４の下面１４ｂは、封止体１２の下面１２ｂに露出している。これにより、放熱板１４は、半導体装置１０の熱を外部に放出する放熱部材として機能する。半導体装置１０に電流Ｃが流れると（図１参照）、特に半導体素子２０が発熱する。半導体素子２０が発生した熱は、はんだ接合層３４を介して放熱板１４へ伝達され、放熱板１４の下面１４ｂから外部へ放出される。通常、半導体装置１０は、放熱板１４の下面１４ｂが冷却器（未図示）に接触するように、配置される。これにより、半導体素子２０の過熱が防止される。
【００１６】
負端子１８は、封止体１２の外部から内部へ伸びている。負端子１８は、導電性部材であり、例えば銅又はその他の金属材料で構成することができる。負端子１８の表面は、前述した正端子１６と同様に、ニッケル膜１８ａによって覆われている。負端子１８は、封止体１２の内部において、放熱板１４にはんだ付けされている。従って、負端子１８と放熱板１４との間には、はんだ接合層３６が形成されており、負端子１８ははんだ接合層３６を介して放熱板１４に接合されている。
【００１７】
次に、図３を参照して、はんだ接合層３４による接合構造について説明する。前述したように、半導体素子２０の第２電極２２は、はんだ接合層３４を介して放熱板１４に接合されている。一般に、二つの部材をはんだで接合する場合、はんだとそれぞれの部材との界面では金属間化合物が生成され、それによって二つの部材がはんだ接合層を介して互いに接合される。本実施例の場合、図３に示すように、半導体素子２０の第２電極２２は、ニッケル膜２２ａを有しており、はんだ接合層３４に接触する第２電極２２の表面は、ニッケルを主成分とする金属材料で構成されている。従って、はんだ接合層３４は、第２電極２２との界面に、ニッケル−錫系の金属間化合物（例えばＮｉ３Ｓｎ４）で構成された第１化合物層３４ａを有する。一方、はんだ接合層３４が接触する放熱板１４の上面１４ａは、銅を主成分とする金属材料で構成されている。従って、はんだ接合層３４は、放熱板１４との界面に、銅−錫系の金属間化合物（例えばＣｕ６Ｓｎ５）で構成された第２化合物層３４ｃを有する。また、はんだ接合層３４は、第１化合物層３４ａと第２化合物層３４ｃとの間に、錫を主成分とする合金（即ち、はんだ）で構成された中間層３４ｂを有する。
【００１８】
前述したように、半導体装置１０に電流Ｃが流れると（図１参照）、半導体素子２０及び放熱板１４は温度上昇する。特に、半導体素子２０は、放熱板１４よりも発熱量が大きいことから、放熱板１４よりも高温になりやすい。その結果、はんだ接合層３４の温度は、半導体素子２０側で高くなり、放熱板１４側で低くなる。従って、はんだ接合層３４と第２電極２２との界面では、ニッケル膜２２ａからはんだ接合層３４へニッケルが拡散することにより、第１化合物層３４ａが成長しやすい。特に、ニッケル膜２２ａとはんだ接合層３４との界面付近の温度が１５０℃以上となると、第１化合物層３４ａの成長は顕著となる。第１化合物層３４ａが成長していくと、第１化合物層３４ａの内部又はその近傍において、空洞といった欠陥が発生する。このような欠陥は、接合強度の低下や電気抵抗の増大といった不具合の要因となり得る。一方、はんだ接合層３４と放熱板１４との界面では、その温度が比較的に低いことから、第２化合物層３４ｃの成長は比較的に小さい。特に、放熱板１４は封止体１２の表面に露出しているので、放熱板１４の温度上昇は小さい。それにより、第２化合物層３４ｃの成長は有意に抑制される。従って、はんだ接合層３４の耐久性を向上するためには、半導体素子２０の第２電極２２とはんだ接合層３４との界面における第１化合物層３４ａの成長を抑制することが重要である。
【００１９】
上記の点に関して、本実施例の半導体装置１０によると、図５に示すように、半導体装置１０を使用していく過程において、第１化合物層３４ａ上にバリア層３４ｄが形成される。バリア層３４ｄは、主に銅−錫系の金属間化合物（例えばＣｕ６Ｓｎ５）で構成されている。第１化合物層３４ａが、銅−錫系の金属間化合物で覆われると、ニッケル膜２２ａからはんだ接合層３４へのニッケルの拡散が抑制される。従って、第１化合物層３４ａ上に形成されたバリア層３４ｄによって、第１化合物層３４ａの成長が抑制され、半導体装置１０の耐久性を高めることができる。
【００２０】
ここで、バリア層３４ｄが形成されるメカニズムについて説明する。前述したように、半導体素子２０ダイオードであり、第１電極２１（アノード電極）から第２電極２２（カソード電極）に流れる電流を許容する一方で、第２電極２２から第１電極２１に流れる電流を禁止する。従って、半導体素子２０の第２電極２２に接合されたはんだ接合層３４では、半導体素子２０から放熱板１４に向かう電流のみが流れ得る。即ち、はんだ接合層３４では、電子が常に放熱板１４から半導体素子２０に向かって流れ、その逆向きには流れない。図５中の矢印Ｅは、電子の流れを模式的に示す。電子が放熱板１４から半導体素子２０に向けて流れると、エレクトロマイグレーションによって、第２化合物層３４ｃを構成する銅−錫系の金属間化合物が、第１化合物層３４ａに向けて移動し、第１化合物層３４ａ上に堆積する。その結果、図５に示すように、第１化合物層３４ａ上にバリア層３４ｄが形成される。特に、本実施例の半導体素子２０は、炭化ケイ素を用いた素子であり、許容電流密度が２５Ａ／ｍｍ２以上である。半導体素子２０を流れる電流の密度が２５Ａ／ｍｍ２以上であると、エレクトロマイグレーションによるバリア層３４ｄの形成が顕著に生じる。
【００２１】
図６は、第１化合物層３４ａ上に形成されたバリア層３４ｄを撮影した電子顕微鏡写真である。図６（Ａ）は、１５０℃の雰囲気下において、２５Ａ／ｍｍ２の電流密度により、１５００時間に亘って電流を流した半導体装置１０のサンプルを示す。図６（Ｂ）は、１５０℃の雰囲気下において、５０Ａ／ｍｍ２の電流密度により、２５００時間に亘って電流を流した半導体装置１０のサンプルを示す。いずれの写真においても、第１化合物層３４ａ上に形成されたバリア層３４ｄと、残存するニッケル膜２２ａの両者が確認される。即ち、ニッケル膜２２ａからのニッケルの拡散が、バリア層３４ｄによって抑制されていることが確認される。
【００２２】
一方、図７に示すように、半導体素子２０の第１電極２１では、第２電極２２と異なる接合構造が採用されている。前述したように、正端子１６は、ニッケル膜１６ａによって覆われている。また、第１電極２１の表面にもニッケル膜２１ａが設けられている。従って、第１電極２１と正端子１６とを接合するはんだ接合層３２は、第１電極２１との界面に、ニッケル−錫系の金属間化合物（例えばＮｉ３Ｓｎ４）で構成された化合物層３２ａを有する。また、はんだ接合層３２は、正端子１６との界面においても、ニッケル−錫系の金属間化合物（例えばＮｉ３Ｓｎ４）で構成された化合物層３２ｃを有する。そして、はんだ接合層３２は、二つの化合物層３２ａ、３２ｃの間に、錫を主成分とする合金（即ち、はんだ）で構成された中間層３２ｂを有する。第１電極２１側に位置するはんだ接合層３２では、半導体素子２０から正端子１６に向けて電子が流れるため、金属間化合物の成長が顕著な半導体素子２０側の化合物層３２ａに対して、エレクトロマイグレーションによるバリア層３４ｄの形成ができない。従って、正端子１６と第１電極２１との接合部分では、正端子１６と第１電極２１の両者にニッケル膜１６ａ、２１ａが設けられている。
【実施例２】
【００２３】
実施例２の半導体装置５０を説明する。図８から図１２に示すように、半導体装置５０は、複数の半導体素子７０、８０、９０、１００と、複数の半導体素子７０、８０、９０、１００を封止する封止体５２を備える。また、半導体装置５０は、複数の放熱板６２、６４、６６、６８と、複数のスペーサ７４、８４、９４、１０４を備える。複数の放熱板６２、６４、６６、６８は、第１放熱板６２、第２放熱板６４、第３放熱板６６及び第４放熱板６８を含む。それぞれの放熱板６２、６４、６６、６８及びそれぞれのスペーサ７４、８４、９４、１０４は、導電性部材であり、本実施例では銅で形成されている。後述するように、それぞれの放熱板６２、６４、６６、６８及びそれぞれのスペーサ７４、８４、９４、１０４は、一又は複数の半導体素子７０、８０、９０、１００と電気的に接続されており、半導体装置５０における導電経路を構成する。また、第１放熱板６２及び第２放熱板６４は、封止体５２の上面５２ａに露出しており、第３放熱板６６及び第４放熱板６８は、封止体５２の下面５２ｂに露出している。これにより、半導体装置５０の内部で発生した熱は、複数の放熱板６２、６４、６６、６８を介して外部へ放出される。
【００２４】
複数の半導体素子７０、８０、９０、１００は、第１トランジスタ７０、第２トランジスタ８０、第１ダイオード９０及び第２ダイオード１００を含む（図１２参照）。第１トランジスタ７０と第２トランジスタ８０は電気的に直列に接続されている。第１ダイオード９０は第１トランジスタ７０に電気的に逆並列に接続されており、第２ダイオード１００は第２トランジスタ８０に電気的に逆並列に接続されている。
【００２５】
図１０、図１２に示すように、第１トランジスタ７０は、第１電極７１と第２電極７２を備える。第１電極７１は、第１トランジスタ７０の下面に位置しており、第２電極７２は、第１トランジスタ７０の上面に位置している。第１トランジスタ７０は、バイポーラトランジスタ、詳しくは、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であり、第１電極７１はコレクタ電極であって、第２電極７２はエミッタ電極である。従って、第１トランジスタ７０は、第１電極７１から第２電極７２へ電流が流れることを許容し、第２電極７２から第１電極７１へ電流が流れることを禁止する。第１トランジスタ７０は、パワー半導体素子に属するものであり、その許容電流密度は２５Ａ／ｍｍ２以上である。
【００２６】
第１トランジスタ７０の第１電極７１（コレクタ電極）は、第３放熱板６６の上面６６ａにはんだ付けされており、はんだ接合層７８を介して第３放熱板６６の上面６６ａに接合されている。第１トランジスタ７０の第２電極７２（エミッタ電極）は、スペーサ７４の下面７４ｂにはんだ付けされており、はんだ接合層７７を介してスペーサ７４の下面７４ｂに接合されている。そして、スペーサ７４の上面７４ａは、第１放熱板６２の下面６２ｂにはんだ付けされており、はんだ接合層７６を介して第１放熱板６２の下面６２ｂに接合されている。これにより、第１トランジスタ７０の第１電極７１は、第３放熱板６６に電気的に接続されており、第１トランジスタ７０の第２電極７２は、スペーサ７４を介して、第１放熱板６２に電気的に接続されている。
【００２７】
第２トランジスタ８０は、第１トランジスタ７０と同様の構成を有する。即ち、第２トランジスタ８０は、第１電極８１と第２電極８２を備える。第１電極８１は、第２トランジスタ８０の下面に位置しており、第２電極８２は、第２トランジスタ８０の上面に位置している。第２トランジスタ８０は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であり、第１電極８１はコレクタ電極であって、第２電極８２はエミッタ電極である。従って、第２トランジスタ８０は、第１電極８１から第２電極８２へ電流が流れることを許容し、第２電極８２から第１電極８１へ電流が流れることを禁止する。第２トランジスタ８０は、パワー半導体素子に属するものであり、その許容電流密度は２５Ａ／ｍｍ２以上である。
【００２８】
第２トランジスタ８０の第１電極８１（コレクタ電極）は、第４放熱板６８の上面６８ａにはんだ付けされており、はんだ接合層８８を介して第４放熱板６８の上面６８ａに接合されている。第２トランジスタ８０の第２電極８２（エミッタ電極）は、スペーサ８４の下面８４ｂにはんだ付けされており、はんだ接合層８７を介してスペーサ８４の下面８４ｂに接合されている。そして、スペーサ８４の上面８４ａは、第２放熱板６４の下面６４ｂにはんだ付けされており、はんだ接合層８６を介して第２放熱板６４の下面６４ｂに接合されている。これにより、第２トランジスタ８０の第１電極８１は、第４放熱板６８に電気的に接続されており、第２トランジスタ８０の第２電極８２は、スペーサ８４を介して、第２放熱板６４に電気的に接続されている。
【００２９】
図１１、図１２に示すように、第１ダイオード９０は、第１電極９１と第２電極９２を備える。第１電極９１は、第１ダイオード９０の上面に位置しており、第２電極９２は、第１ダイオード９０の下面に位置している。第１電極９１はアノード電極であり、第２電極９２はカソード電極である。従って、第１ダイオード９０は、第１電極９１から第２電極９２へ電流が流れることを許容し、第２電極９２から第１電極９１へ電流が流れることを禁止する。一例ではあるが、第１ダイオード９０は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）を用いたパワー半導体素子であり、その許容電流密度は２５Ａ／ｍｍ２以上である。
【００３０】
第１ダイオード９０の第１電極９１（アノード電極）は、スペーサ９４の下面９４ｂにはんだ付けされており、はんだ接合層９７を介してスペーサ９４の下面９４ｂに接合されている。スペーサ９４の上面９４ａは、第１放熱板６２の下面６２ｂにはんだ付けされており、はんだ接合層９６を介して第１放熱板６２の下面６２ｂに接合されている。そして、第１ダイオード９０の第２電極９２（カソード電極）は、第３放熱板６６の上面６６ａにはんだ付けされており、はんだ接合層９８を介して第３放熱板６６の上面６６ａに接合されている。これにより、第１ダイオード９０の第１電極９１は、スペーサ９４を介して第１放熱板６２に電気的に接続されており、第１ダイオード９０の第２電極９２は、第３放熱板６６に電気的に接続されている。また、第１ダイオード９０は、第１放熱板６２及び第３放熱板６６を介して、第１トランジスタ７０と逆並列に接続されている。
【００３１】
第２ダイオード１００は、第１ダイオード９０と同様の構成を有する。即ち、第２ダイオード１００は、第１電極１０１と第２電極１０２を備える。第１電極１０１は、第２ダイオード１００の上面に位置しており、第２電極１０２は、第２ダイオード１００の下面に位置している。第１電極１０１はアノード電極であり、第２電極１０２はカソード電極である。従って、第２ダイオード１００は、第１電極１０１から第２電極１０２へ電流が流れることを許容し、第２電極１０２から第１電極１０１へ電流が流れることを禁止する。第１ダイオード１００の許容電流密度も２５Ａ／ｍｍ２以上である。
【００３２】
第２ダイオード１００の第１電極１０１（アノード電極）は、スペーサ１０４の下面１０４ｂにはんだ付けされており、はんだ接合層１０７を介してスペーサ１０４の下面１０４ｂに接合されている。スペーサ１０４の上面１０４ａは、第２放熱板６４の下面６４ｂにはんだ付けされており、はんだ接合層１０６を介して第２放熱板６４の下面６４ｂに接合されている。そして、第２ダイオード１００の第２電極１０２（カソード電極）は、第４放熱板６８の上面６８ａにはんだ付けされており、はんだ接合層１０８を介して第４放熱板６８の上面６８ａに接合されている。これにより、第２ダイオード１００の第１電極１０１は、スペーサ１０４を介して第２放熱板６４に電気的に接続されており、第２ダイオード１００の第２電極１０２は、第４放熱板６８に電気的に接続されている。また、第２ダイオード１００は、第２放熱板６４及び第４放熱板６８を介して、第２トランジスタ８０と逆並列に接続されている。
【００３３】
半導体装置５０はさらに、正端子５３、負端子５４、出力端子５５及び複数の制御端子５６、５８を備える。正端子５３は、第４放熱板６８と一体に形成されており、第４放熱板６８に電気的に接続されている。負端子５４は、はんだ接合層９９を介して第１放熱板６２に接合されており（図１１参照）、第１放熱板６２に電気的に接続されている。出力端子５５は、第３放熱板６６と一体に形成されており、第３放熱板６６に電気的に接続されている。また、第２放熱板６４は、はんだ接合層６９を介して第３放熱板６６に接合されており（図１０参照）、第３放熱板６６に電気的に接続されている。これにより、第１トランジスタ７０と第２トランジスタ８０が、正端子５３と負端子５４との間で直列に接続されるとともに、第１トランジスタ７０と第２トランジスタ８０との間の中間点が出力端子５５に電気的に接続されている。複数の制御端子５６、５８は、第１トランジスタ７０又は第２トランジスタ８０に設けられたゲートパッドその他の信号パッド（図示省略）に電気的に接続されている。
【００３４】
本実施例の半導体装置５０は、一例ではあるが、図１３に示す電力制御装置１２０に用いることができる。電力制御装置１２０は、典型的には、電気自動車（ハイブリッドカー及び燃料電池車を含む）に搭載される。電力制御装置１２０は、バッテリ１３０からモータ１３２、１３４へ供給される駆動電力を制御する。また、電力制御装置１２０は、モータ１３２、１３４が発電機として機能するときに、モータ１３２、１３４からバッテリ１３０へ供給される充電電力を制御する。電力制御装置１２０は、昇降圧コンバータ１２２と、二つのインバータ１２４、１２６を備える。昇降圧コンバータ１２２は、バッテリ１３０からの電力を昇圧して、インバータ１２４、１２６へ供給する。また、昇降圧コンバータ１２２は、インバータ１２４、１２６からの電力を降圧して、バッテリ１３０に供給する。インバータ１２４、１２６は、昇降圧コンバータ１２２から供給される直流電力を交流電力に変換して、モータ１３２、１３４へ供給する。また、インバータ１２４、１２６は、モータ１３２、１３４から供給される交流電力を直流電力に変換して、昇降圧コンバータ１２２へ供給する。図１３に示すように、電力制御装置１２０では、昇降圧コンバータ１２２において一つの半導体装置５０が使用されており、それぞれのインバータ１２４、１２６において三つの半導体装置５０が使用されている。
【００３５】
次に、図１４、１５を参照して、はんだ接合層７７による第１トランジスタ７０の第２電極７２とスペーサ７４との間の接合構造について説明する。図１４（Ａ）に示すように、第１トランジスタ７０の第２電極７２（エミッタ電極）は、ニッケル膜７２ａを有しており、はんだ接合層７７に接触する第２電極７２の表面は、ニッケルを主成分とする金属材料で構成されている。従って、はんだ接合層７７は、第２電極７２との界面に、ニッケル−錫系の金属間化合物（例えばＮｉ３Ｓｎ４）で構成された第１化合物層７７ａを有する。一方、はんだ接合層７７が接触するスペーサ７４の表面は、銅を主成分とする金属材料で構成されている。従って、はんだ接合層７７は、スペーサ７４との界面に、銅−錫系の金属間化合物（例えばＣｕ６Ｓｎ５）で構成された第２化合物層７７ｃを有する。また、はんだ接合層７７は、第１化合物層７７ａと第２化合物層７７ｃとの間に、錫を主成分とする合金（即ち、はんだ）で構成された中間層７７ｂを有する。
【００３６】
半導体装置５０に電流が流れると、第１トランジスタ７０及びスペーサ７４は温度上昇する。特に、第１トランジスタ７０は、スペーサ７４よりも発熱量が大きいことから、スペーサ７４よりも高温になりやすい。その結果、はんだ接合層７７の温度は、第１トランジスタ７０側で高くなり、スペーサ７４側で低くなる。従って、はんだ接合層７７と第２電極７２との界面では、ニッケル膜７２ａからはんだ接合層７７へニッケルが拡散することにより、第１化合物層７７ａが成長しやすい。一方、はんだ接合層７７とスペーサ７４との界面では、その温度が比較的に低いことから、第２化合物層７７ｃの成長は比較的に小さい。従って、半導体装置５０の耐久性を高めるためには、はんだ接合層７７において第１化合物層７７ａの成長を抑制することが重要である。
【００３７】
上記の点に関して、本実施例の半導体装置５０によると、図１５（Ａ）に示すように、半導体装置５０を使用していく過程において、第１化合物層７７ａ上にバリア層７７ｄが形成される。バリア層７７ｄは、銅−錫系の金属間化合物（例えばＣｕ６Ｓｎ５）で構成されている。第１化合物層７７ａが、銅−錫系の金属間化合物で覆われると、ニッケル膜７２ａからはんだ接合層７７へのニッケルの拡散が抑制される。従って、第１化合物層７７ａ上に形成されたバリア層７７ｄによって、第１化合物層７７ａの成長が抑制され、半導体装置１０の耐久性を高めることができる。バリア層７７ｄが形成されるメカニズムは、実施例１で説明したものと同様である。即ち、第１トランジスタ７０は、第１電極７１（コレクタ電極）から第２電極７２（エミッタ電極）に流れる電流を許容する一方で、第２電極７２から第１電極７１に流れる電流を禁止する。従って、図１５（Ａ）中の矢印Ｅで示されるように、はんだ接合層７７では、電子が常にスペーサ７４から第１トランジスタ７０に向かって流れ、その逆向きには流れない。この電子の流れＥにより、第２化合物層７７ｃを構成する銅−錫系の金属間化合物が、エレクトロマイグレーションによって第１化合物層７７ａに向けて移動し、第１化合物層７７ａ上に堆積する。その結果、図１５（Ａ）に示すように、第１化合物層７７ａ上にバリア層７７ｄが形成される。
【００３８】
図１４（Ｂ）に示すように、上述した接合構造は、はんだ接合層８７による第２トランジスタ８０の第２電極８２（エミッタ電極）とスペーサ８４との間の接合部分にも採用されている。即ち、第２トランジスタ８０の第２電極８２は、その表面にニッケル膜８２ａを有している。従って、はんだ接合層８７は、第２電極８２との界面に、ニッケル−錫系の金属間化合物（例えばＮｉ３Ｓｎ４）で構成された第１化合物層８７ａを有する。一方、はんだ接合層８７が接触するスペーサ８４の表面は、銅を主成分とする金属材料で構成されている。従って、はんだ接合層８７は、スペーサ８４との界面に、銅−錫系の金属間化合物（例えばＣｕ６Ｓｎ５）で構成された第２化合物層８７ｃを有する。また、はんだ接合層８７は、第１化合物層８７ａと第２化合物層８７ｃとの間に、錫を主成分とする合金（即ち、はんだ）で構成された中間層８７ｂを有する。
【００３９】
第２トランジスタ８０は、第１電極８１（コレクタ電極）から第２電極８２（エミッタ電極）に流れる電流を許容する一方で、第２電極８２から第１電極８１に流れる電流を禁止する。従って、図１５（Ｂ）中の矢印Ｅで示されるように、はんだ接合層８７では、電子が常にスペーサ８４から第２トランジスタ８０に向かって流れ、その逆向きには流れない。この電子の流れＥにより、第２化合物層８７ｃを構成する銅−錫系の金属間化合物が、エレクトロマイグレーションによって第１化合物層８７ａに向けて移動し、第１化合物層８７ａ上に堆積する。その結果、図１５（Ｂ）に示すように、銅−錫系の金属間化合物で構成されたバリア層８７ｄが、第１化合物層８７ａ上に形成される。その結果、第１化合物層８７ａの成長が抑制される。
【００４０】
図１４（Ｃ）に示すように、同様の接合構造が、はんだ接合層９８による第１ダイオード９０の第２電極９２（カソード電極）と第３放熱板６６との間の接合部分にも採用されている。即ち、第１ダイオード９０の第２電極９２は、その表面にニッケル膜９２ａを有している。従って、はんだ接合層９８は、第２電極９２との界面に、ニッケル−錫系の金属間化合物（例えばＮｉ３Ｓｎ４）で構成された第１化合物層９８ａを有する。一方、はんだ接合層９８が接触する第３放熱板６６の表面は、銅で構成されている。従って、はんだ接合層９８は、第３放熱板６６との界面に、銅−錫系の金属間化合物（例えばＣｕ６Ｓｎ５）で構成された第２化合物層９８ｃを有する。また、はんだ接合層９８は、第１化合物層９８ａと第２化合物層９８ｃとの間に、錫を主成分とする合金（即ち、はんだ）で構成された中間層９８ｂを有する。
【００４１】
第１ダイオード９０は、第１電極９１（アノード電極）から第２電極９２（カソード電極）に流れる電流を許容する一方で、第２電極９２から第１電極９１に流れる電流を禁止する。従って、図１５（Ｃ）中の矢印Ｅで示されるように、はんだ接合層９８では、電子が常に第３放熱板６６から第１ダイオード９０に向かって流れ、その逆向きには流れない。この電子の流れＥにより、第２化合物層９８ｃを構成する銅−錫系の金属間化合物が、エレクトロマイグレーションによって第１化合物層９８ａに向けて移動し、第１化合物層９８ａ上に堆積する。その結果、図１５（Ｂ）に示すように、銅−錫系の金属間化合物で構成されたバリア層９８ｄが、第１化合物層９８ａ上に形成される。その結果、第１化合物層９８ａの成長が抑制される。
【００４２】
図１４（Ｄ）に示すように、同様の接合構造が、はんだ接合層１０８による第２ダイオード１００の第２電極１０２（カソード電極）と第４放熱板６８との間の接合部分にも採用されている。即ち、第２ダイオード１００の第２電極１０２は、その表面にニッケル膜１０２ａを有している。従って、はんだ接合層１０８は、第２電極１０２との界面に、ニッケル−錫系の金属間化合物（例えばＮｉ３Ｓｎ４）で構成された第１化合物層１０８ａを有する。一方、はんだ接合層１０８が接触する第４放熱板６８の表面は、銅で構成されている。従って、はんだ接合層１０８は、第４放熱板６８との界面に、銅−錫系の金属間化合物（例えばＣｕ６Ｓｎ５）で構成された第２化合物層１０８ｃを有する。また、はんだ接合層１０８は、第１化合物層１０８ａと第２化合物層１０８ｃとの間に、錫を主成分とする合金（即ち、はんだ）で構成された中間層１０８ｂを有する。
【００４３】
第２ダイオード１００についても、第１電極１０１（アノード電極）から第２電極１０２（カソード電極）に流れる電流を許容する一方で、第２電極１０２から第１電極１０１に流れる電流を禁止する。従って、図１５（Ｄ）中の矢印Ｅで示されるように、はんだ接合層１０８では、電子が常に第４放熱板６８から第２ダイオード１００に向かって流れ、その逆向きには流れない。この電子の流れＥにより、第２化合物層１０８ｃを構成する銅−錫系の金属間化合物が、エレクトロマイグレーションによって第１化合物層１０８ａに向けて移動し、第１化合物層１０８ａ上に堆積する。その結果、図１５（Ｂ）に示すように、銅−錫系の金属間化合物で構成されたバリア層１０８ｄが、第１化合物層１０８ａ上に形成される。その結果、第１化合物層１０８ａの成長が抑制される。
【００４４】
以上、具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。以下に、本明細書の開示内容から把握される技術的事項を列記する。なお、以下に記載する技術的事項は、それぞれが独立した技術的事項であり、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものである。
【００４５】
本明細書は、下記する半導体装置を開示する。この半導体装置（１０、５０）は、半導体素子（２０、７０、８０、９０、１００）と導電性部材（１４、６６、６８、７４、８４）を備える。半導体素子は、第１電極（２１、７１、８１、９１、１０１）と第２電極（２２、７２、８２、９２、１０２）とを有し、第１電極から第２電極へ電流が流れることを許容するとともに第２電極から第１電極へ電流が流れることを禁止する。導電性部材は、はんだ接合層（３４、７７、８７、９８、１０８）を介して、半導体素子の第２電極に接合されている。はんだ接合層に接触する第２電極の表面は、ニッケルを主成分とする金属材料（２２ａ、７２ａ、８２ａ、９２ａ、１０２ａ）で構成されており、はんだ接合層に接触する導電性部材の表面（１４ａ、６６ａ、６８ａ、７４ｂ、８４ｂ）は、銅を主成分とする金属材料で構成されている。はんだ接合層は、第２電極との界面に位置するとともにニッケル―錫系の金属間化合物で構成された第１化合物層（３４ａ、７７ａ、８７ａ、９８ａ、１０８ａ）と、導電性部材との界面に位置するとともに銅−錫系の金属間化合物で構成された第２化合物層（３４ｃ、７７ｃ、８７ｃ、９８ｃ、１０８ｃ）とを有する。このような構成によると、半導体装置を使用していく過程において、半導体素子の第２電極とはんだ接合層との界面に位置する第１化合物層上に、銅−錫系の金属間化合物で構成されたバリア層（３４ｄ、７７ｄ、８７ｄ、９８ｄ、１０８ｄ）が形成される。それにより、半導体素子の第２電極とはんだ接合層との界面における金属間化合物の成長を抑制することができる。
【００４６】
一実施形態において、半導体素子はダイオード（２０、９０、１００）であり、第１電極（２１、９１、１０１）がアノード電極であり、第２電極（２２、９２、１０２）がカソード電極であってよい。ダイオードは、アノード電極からカソード電極へ電流が流れることを許容するとともに、カソード電極からアノード電極へ電流が流れることを禁止する。従って、本明細書で開示する技術は、半導体素子としてダイオードを有する半導体装置に好適に採用することができる。
【００４７】
一実施形態において、半導体素子はＩＧＢＴ（７０、８０）であり、第１電極（７１、８１）がコレクタ電極であり、第２電極（７２、８２）がエミッタ電極であってよい。ＩＧＢＴは、コレクタ電極からエミッタ電極へ電流が流れることを許容するとともに、エミッタ電極からコレクタ電極へ電流が流れることを禁止する。従って、本明細書で開示する技術は、半導体素子としてＩＧＢＴを含む半導体装置に好適に採用することができる。
【００４８】
一実施形態において、半導体装置は、半導体素子を封止する封止体（１２、５２）をさらに備えてもよい。この場合、導電性部材（１４、６６、６８）は、封止体の表面に露出する放熱板であるとよい。このような構成によると、導電性部材とはんだ接合層との界面における温度上昇がさらに抑制され、当該界面における金属間化合物の生成（即ち、第２化合物層の成長）がさらに低減される。
【符号の説明】
【００４９】
１０、５０：半導体装置
１２、５２：封止体
１４、６２、６４、６６、６８：放熱板（導電性部材）
２２ａ、７２ａ、８２ａ、９２ａ、１０２ａ、：ニッケル膜
２０、７０、８０、９０、１００：半導体素子
２１、７１、８１、９１、１０１：半導体素子の第１電極
２２、７２、８２、９２、１０２：半導体素子の第２電極
３４、７７、８７、９８、１０８：はんだ接合層
３４ａ、７７ａ、８７ａ、９８ａ、１０８ａ：第１化合物層
３４ｃ、７７ｃ、８７ｃ、９８ｃ、１０８ｃ：第２化合物層
３４ｄ、７７ｄ、８７ｄ、９８ｄ、１０８ｄ：バリア層
７４、８４、９４、１０４：スペーサ（導電性部材）
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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