JP2000349100A - 接合材とその製造方法及び半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 装置を構成する半導体チップやその他の構成
部材の厚さにばらつきがあっても、接合層の厚さを調整
することによって積層体の高さを均一にして、半導体チ
ップの破損や冷却能力不足による故障を低減すること。 【解決手段】 接合材６を低融点金属材と多孔質金属体
の複合接合材とすることにより、接合温度で完全な流動
体とはならず、低応力で組成変形すると共に濡れ性が高
いものとする。これにより、Ｓｉチップの高さがバラバ
ラでも、上金型でＳｉチップの上部から加圧することに
より、接合材６が低応力で組成変形して、Ｓｉチップの
高さを下金型の側壁の高さで揃えることができる。これ
により、Ｓｉチップの高さを均一にすることができ、水
冷ヒートシンクの圧接の際に集中加重が加わることがな
く、内蔵するＳｉチップの破損を防止できると共に十分
な加圧力を与えることができるので、十分な冷却性能を
得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電力用の大容量の
半導体装置に係り、特に前記半導体装置を構成する半導
体チップ及び板状部材等を接合する接合材とその製造方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】電力用半導体装置は大容量化、高速化が
進み、それに伴い素子の発熱量が益々増大する傾向にあ
る。この電力用半導体装置の構造は、図５に示すように
複数の板状の部材、即ちＣｕ（銅）ポスト１１ａ、１１
ｂ、Ｍｏ（モリブデン）材１２とＳｉ（シリコン）チッ
プ１３を接合材１４、１５、１６で接合して積層した構
造を有し、この積層体が複数の島状に並んだマルチチッ
プタイプが主流となっている。積層される各板状部材の
板厚は公差の範囲内でばらつきが必ずあるため、それぞ
れの積層体の高さは一定でないことが一般的である。

【０００３】一方、このような電力用半導体装置は大電
流で使用するために大きな発熱があり、その冷却が重要
な技術ポイントとなっている。

【０００４】サイリスタ（シリコン制御整流素子、Thyr
istor やＧＴＯ（Gate Turn-0ff Thyristor)、ＩＥＧＴ
（Injection Enhanced Gate Transistor）、ＩＧＢＴ
（Insulated Gate Bipolar Transistor)といつた電力用
の圧接型（平型）水冷素子の冷却は通常、素子の両面に
銅製の水冷ヒートシンクを当て、加圧力を加えて接触抵
抗をできるだけ低くした状態で冷却している。

【０００５】加圧力は６インチ素子（直径１６０ｍｍ）
で約１０ｔｏｎ、つまり素子は、１５６０ＭＰａの圧力
で締め付けられる。このような使用条件において、マル
チチップの各チップの積層体の高さがバラバラであると
集中荷重を生じて、Ｓｉチップ１３が破損してしまう。
そのため、高さのばらつきの調整が必要である。

【０００６】その対策として従来は、片面側の銅製ポス
ト１１ａに溝１７を設けた柱状構造とすることで、加圧
の際に集中荷重が生じた場合に銅ポスト１１ａが撓んで
Ｓｉチップ１３に掛かる応力を緩和する方法が採用され
ている。

【０００７】しかし、この柱状銅ポスト方式では、ポス
トの高さがある程度必要であり、その結果、ポスト側の
冷却が困難となってしまう。

【０００８】そこで、銅ポスト１１ａの高さを低減する
と共にＳｉチップ１３が破損しない程度に加圧力を低減
する。しかし、加圧力を低減することは各層間（圧接タ
イプの素子の場合）の接触抵抗が低くなり、場所によっ
て冷却能力が不十分となって、素子の機能停止に至るこ
とになる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従来の電力用半導体装
置では、Ｓｉチップ１３や構成部材１２、１６、１１
ａ、１１ｂの厚さのばらつきにより、積層体の高さが不
均一となって、水冷ヒートシンクへの圧接の際に集中応
力が生じてＳｉチップ１３の破損の原因となるという問
題があった。

【００１０】これを回避するため、柱状銅ポスト方式
で、前記集中応力が生じた場合にＳｉチップ１３に掛か
る応力を緩和する方法があるが、これでは、ポスト側の
冷却が困難となってしまうので、銅ポストの高さを低減
すると共にＳｉチップ１３が破損しない程度に加圧力を
低減しなければならず、この加圧力の低減により各層間
（圧接タイプの素子の場合）の接触抵抗が低くなり、場
所によって冷却能力が不十分となって、素子の機能停止
に至ることになるといった問題があった。

【００１１】このような問題はマルチチップにおいて顕
著であるが、平型素子の場合でも厚さの不均一によるヒ
ートシンクの片当たりによる冷却性能の低下が問題とな
っている。

【００１２】本発明は、上述の如き従来の課題を解決す
るためになされたもので、装置を構成する半導体チップ
やその他の構成部材の厚さにばらつきがあっても、接合
体層の厚さを調整することによって積層体の高さを均一
にして、半導体チップの破損や冷却能力不足による故障
を低減することができる半導体装置及びこのような半導
体装置の積層体を接合するための接合材とその製造方法
を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１の発明の特徴は、被接合材を接合する２種
類以上の金属の混合組織を有する接合材において、前記
接合材の接合材層の厚さ精度を保持する金属相と、溶融
接合する金属相とから成ることにある。

【００１４】請求項２の発明の特徴は、請求項１記載の
接合材において、前記溶融接合する金属相の融点におい
て前記接合材層の厚さ精度を保持する金属相の降伏応力
が前記被接合材の破壊応力よりも低い組み合わせで用い
られることにある。

【００１５】請求項３の発明の特徴は、請求項１記載の
接合材において、前記接合材の接合材層の厚さ精度を保
持する金属相が、網目状、多孔質状或いは粒子分散状に
配置されていることにある。

【００１６】請求項４の発明の特徴は、請求項１記載の
接合材において、前記接合材の接合材層の厚さ精度を保
持する金属相が、室温付近の熱伝導率が７０Ｗ／ｍＫ以
上であることにある。

【００１７】請求項５の発明の特徴は、請求項１記載の
接合材において、前記接合材の接合材層の厚さ精度を保
持する金属相がＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｆｅ、
Ｚｎの金属或いはこれらの合金の少なくとも１種類以上
から成ることにある。

【００１８】請求項６の発明の特徴は、請求項１記載の
接合材において、前記溶融接合する金属相の融点が１２
００℃以下であることにある。

【００１９】請求項７の発明の特徴は、請求項１記載の
接合材において、前記接合材を前記被接合材間に挟んで
重ね、所定の高さまで加圧しながら接合温度まで加熱す
ることにある。

【００２０】請求項８の発明の特徴は、請求項１記載の
接合材の接合材層の厚さ精度を保持する金属相の金属粉
末と前記溶融接合する金属相の金属粉末とバインダーと
の混合ペーストを前記被接合材に塗布することにある。

【００２１】請求項９の発明の特徴は、請求項１記載の
接合材の接合材層の厚さ精度を保持する金属相の多孔質
焼結体のシートに前記溶融接合金属を含浸させることに
ある。

【００２２】請求項１０の発明の特徴は、請求項１記載
の接合材の接合材層の厚さ精度を保持する金属相の金属
細線のネット、或いは織布、或いは集合体に前記溶融接
合金属を含浸することにある。

【００２３】請求項１１の発明の特徴は、請求項１記載
の接合材の接合材層の厚さ精度を保持する金属のスポン
ジシ一卜に前記溶融接合金属を含浸させることにある。

【００２４】請求項１２の発明の特徴は、請求項１記載
の接合材の溶融接合金属を前記被接合材に塗布し、その
後で前記接合材層の厚さ精度を保持する金属の粉末、細
線、多孔質体の少なくとも１種類を埋め込むことにあ
る。

【００２５】請求項１３の発明の特徴は、請求項１記載
の接合材を用いて半導体チップ及びその他の構成部材を
接合して成ることにある。

【００２６】本発明の接合材は、接合温度で完全な流動
体とはならずに低応力で塑性変形するとともに濡れ性が
高いことが必要条件である。それを用いて半導体素子の
積層体を接合する際、接合温度に加熱すると共に積層体
の高さが一定となるように治具を用いて加圧する。この
応力は、積層体構成材料が破損しない程度の低いレベル
である。これにより、接合材は塑性変形して各積層体の
高さが均一となる。以上のような接合材の必要条件を満
たすために、本発明の接合材は接合温度を低温にして濡
れ性を確保する低融点金属と塑性変形を受け持つ金属多
孔質体の複合材料で構成してある。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。図１は、本発明の半導体装置の一
実施の形態を示した断面図である。半導体装置は、下金
型１の中に、ヒートシンク２、熱補償板３、Ｓｉチップ
（半導体チップ）４が積層され、上金型７で押さえられ
た構造を有し、熱補償板３とヒートシンク２との間は接
合材５で、Ｓｉチップ４と熱補償板３との間は接合材６
で接合されている。

【００２８】次にＳｉチップ４の高さを調節する方法に
ついて説明する。まず、下金型１の中にヒートシンク２
（ＣｕポストやＡｌポスト）と熱補償板３（通常、Ｍ
ｏ、ＡｌＮ或いはＷが使用される）、更にＳｉチップ４
を乗せ、それぞれの間に接合材５と接合材６を介して積
層した素子を設置する。

【００２９】この状態では、図２に示すようにＳｉチッ
プ４の高さに違いが生じている。

【００３０】ついで上金型７を下金型１及び上記した積
層体の上に乗せる。その後、真空、アルゴンガス、水素
ガス、窒素ガスなどの保護雰囲気中で接合材５、６を溶
融温度まで昇温する。このように上金型５の重量で加圧
しながら昇温すると、接合材５、６は図３の如く潰さ
れ、全部の積層体の高さは均一に下金型１の側壁の高さ
に調節される。

【００３１】ここで、下金型１の側壁の深さは、積層体
の所望とする高さに合わせて設定されている。つまり、
接合温度での熱膨張を考慮した高さの設定であり、側壁
全周の高さは均一である。

【００３２】その後、半導体装置が室温まで冷却しても
積層体の均一な高さは維持される。

【００３３】本実施の形態によれば、接合温度で完全な
流動体とはならず、低応力で組成変形すると共に、濡れ
性が高い接合材５、６を用い、上金型７の重さで、前記
接合材５、６の厚みを調整して、半導体チップ４の高さ
を上金型７の側壁の高さに揃えることができる。これに
より、水冷ヒートシンクの圧接の際に集中加重が加わる
ことがなく、Ｓｉチップ４の破損を防止できると共に、
十分な加圧力を与えることができ、十分な冷却性能を得
ることができる。

【００３４】以上の方法でマルチチップタイプ素子の積
層体全部を均一な高さに揃えるには、接合温度で接合材
が周辺に流出せずに、加圧による応力以下では形状を維
持する強度を保有する接合材を得ることが必要条件であ
る。通常の半田やロウ材では濡れ性と流動性のために被
接合材の周辺表面に濡れが広がってしまい、被接合材間
の距離の制御ができない。

【００３５】そこで、上記実施の形態の接合材５、６と
しては、上記の条件を満たすために金属多孔質体と低融
点合金との複合構造を有する接合材を用いている。これ
を図４を用いて以下に説明する。

【００３６】図４は、本発明の接合材とその製造方法に
より製造した低融点金属材４１と多孔質金属体４２から
成る複合接合材（接合材）４３を示している。多孔質金
属体４２の主要目的は接合温度において低融点金属材４
１との濡れにより、その流出を防ぐと共に、上に乗って
いる被接合材の重さで潰れない構造体の役目をすること
である。但し、高さ調節を目的とした加圧には変形し得
ることが必要である。

【００３７】従って、多孔質金属体４２は金属粒子同士
の結合面積率が小さく、見かけ密度が低く、好ましい密
度は１５〜７０％である。但し、密度で規定されるもの
ではなく、使用条件に応じた多孔質金属体４２の圧縮強
度の要求範囲で上記の粒子間の結合面積率が決定され
る。

【００３８】電力用半導体装置に使用する場合の加圧力
は、比較的脆弱なＳｉチップやＡｌＮ（窒化アルミニウ
ム）板の曲げ強度以下の応力でしか掛けられないので、
多孔質金属体４２の圧縮強度はＳｉチップやＡｌＮ板の
曲げ強度より十分低く設定しなければならない。

【００３９】一方、図１における接合材５、６の場合、
それらの上に乗っている上金型７の構造の重量による荷
重で潰れない強度が要求される。Ｓｉチップ４の破壊強
度は約１００ＭＰａであり、ＡＩＮ板は３００ＭＰａ程
度である。使用される板圧によって計算される。以上の
条件から通常の半導体装置における多孔質金属体４２の
圧縮強度は、０．２〜５ＭＰａの範囲である。

【００４０】もうーつの多孔質金属体４２の目的は、熱
伝伝達の媒体としての役目である。本発明の背景が半導
体装置の冷却性能の向上であり、接合材の熱伝導率自体
が改善されることが要求されている。従って、多孔質金
属体４２の材料としては熱伝導率の高い金属であること
が条件であり、従って、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｍ
ｎ、Ｆｅ、Ｚｎなどの金属或いはそれらの合金が適して
いる。これらは熱伝導率７０Ｗ／ｍＫ以上の良伝導材で
ある。

【００４１】多孔質金属体４２の実施例としては上記の
ような低密度の粒子の焼結体のほかに、スポンジ金属や
ワイヤ、ネットで構成された多孔質体も可能である。多
孔質金属体ではなく、低融点金属中に金属粒子が分散す
ることで低融点金属液体の流出を抑制できる。

【００４２】上記図２、３を用いて説明した高さ調節の
接合方法において低融点金属材４１の粘性が高い条件で
接合ができる場合は、粒子分散タイプの接合材の適用が
可能である。

【００４３】次に、低融点金属材４１としては、通常使
用されている半田材料やロウ材が適用できる。半導体装
置の場合は、Ｓｉチップを含めた接合では、比較的高温
の半田が選ばれる。例えば、Ｐｂ、Ａｇ、Ｓｎ系の半田
が一般に使用されている。

【００４４】次に本発明の接合材の製造方法について説
明する。金属粒子を用いて多孔質金属体４２や粒子分散
タイプの複合接合材４３を製造する方法としては、金属
粒子と低融点金属粉末と有機バインダーとから成るペー
ストを作成し、スクリーン印刷技術や塗布により、被接
合材の片方に予めコーティングしておき、それを用いて
図１の接合方法を行う。接合の際にはペーストのバイン
ダーは加熱して除去しておく必要がある。この方法は特
に半導体素子のような接合材層が数十μｍといった薄い
層である場合に適用可能な方法である。

【００４５】他の実施例としては、焼結法で多孔質金属
体４２を作成し、圧延、鍛造或いは切削により所定の寸
法、形状に加工した多孔質体を作成しておき、接合時に
低融点金属シートと重ねて含浸と接合を同時に行う方法
がある。この方法では、多孔質金属体４２がスポンジ金
属や細線の集合体、ネット、織布であっても良い。

【００４６】尚、本発明の接合材は半導体装置の接合に
使用するだけでなく、各種電子素子や電子機器を製造す
る際に使用でき、同様の効果を得ることができる。

【００４７】

【発明の効果】以上説明した本発明の接合材及びその製
造方法によれば、接合材を低融点金属材と多孔質金属体
の複合接合材とすることにより、接合温度で完全な流動
体とはならず、低応力で組成変形すると共に濡れ性が高
い接合材を得ることができ、しかも、多孔質金属体によ
り、加圧しても接合材層が必要以上に潰れることがな
く、半田などの低融点金属液体が流出することを抑制す
るので、所定の接合層厚さを得ることができ、マルチチ
ップタイプの半導体素子の高さを均一にすることができ
る。更に、多孔質金属体の材質を良伝導金属とすること
で接合層の熱伝導性を向上することができ、半導体素子
の冷却性能を改善することができる。

【００４８】本発明の半導体装置によれば、半導体チッ
プをその他の構成部材と共に積層する際に用いる接合材
層の厚さを調整することによって、半導体チップの高さ
を均一にすることができ、水冷ヒートシンクの圧接の際
に集中加重が加わることがなく、内蔵するＳｉチップの
破損を防止できると共に、十分な加圧力を与えることが
できるので十分な冷却性能を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体装置の一実施の形態を示した断
面図である。

【図２】図１に示した装置の製造工程を示した説明図で
ある。

【図３】図１に示した装置の製造工程を示した説明図で
ある。

【図４】本発明の接合材の構造の一実施の形態を示した
断面図である。

【図５】従来の半導体装置の構成例を示した断面図であ
る。

【符号の説明】

１ 下金型 ２ ヒートシンク（Ｃｕポスト） ３ 熱補償板（Ｍｏ材） ４ Ｓｉチップ（半導体） ５、６ 接合材 ７ 上金型 ４１ 低融点金属材（半田） ４２ 多孔質金属体 ４３ 複合接合材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西村 隆宣 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東芝 府中工場内 (72)発明者 山本 敦史 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東芝 府中工場内 (72)発明者 草野 貴史 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東芝 府中工場内 (72)発明者 石渡 裕 神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内 Ｆターム(参考） 5F047 BA06 BB11 BB13 BB16 BC31 BC35 JA06 JA07

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被接合材を接合する２種類以上の金属の
   混合組織を有する接合材において、 前記接合材の接合材層の厚さ精度を保持する金属相と、 溶融接合する金属相とから成ることを特徴とする接合
   材。
2. 【請求項２】 請求項１記載の接合材において、 前記溶融接合する金属相の融点において前記接合材層の
   厚さ精度を保持する金属相の降伏応力が前記被接合材の
   破壊応力よりも低い組み合わせで用いられることを特徴
   とする接合材。
3. 【請求項３】 請求項１記載の接合材において、 前記接合材の接合材層の厚さ精度を保持する金属相が、
   網目状、多孔質状或いは粒子分散状に配置されているこ
   とを特徴とする接合材。
4. 【請求項４】 請求項１記載の接合材において、 前記接合材の接合材層の厚さ精度を保持する金属相が、
   室温付近の熱伝導率が７０Ｗ／ｍＫ以上であることを特
   徴とする接合材。
5. 【請求項５】 請求項１記載の接合材において、 前記接合材の接合材層の厚さ精度を保持する金属相がＣ
   ｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｚｎの金属或いは
   これらの合金の少なくとも１種類以上から成ることを特
   徴とする接合材。
6. 【請求項６】 請求項１記載の接合材において、 前記溶融接合する金属相の融点が１２００℃以下である
   ことを特徴とする接合材。
7. 【請求項７】 請求項１記載の接合材において、 前記接合材を前記被接合材間に挟んで重ね、所定の高さ
   まで加圧しながら接合温度まで加熱することを特徴とす
   る接合材。
8. 【請求項８】 請求項１記載の接合材の接合材層の厚さ
   精度を保持する金属相の金属粉末と前記溶融接合する金
   属相の金属粉末とバインダーとの混合ペーストを前記被
   接合材に塗布することを特徴とする接合材の製造方法。
9. 【請求項９】 請求項１記載の接合材の接合材層の厚さ
   精度を保持する金属相の多孔質焼結体のシートに前記溶
   融接合金属を含浸させることを特徴とする接合材の製造
   方法。
10. 【請求項１０】 請求項１記載の接合材の接合材層の厚
    さ精度を保持する金属相の金属細線のネット、或いは織
    布、或いは集合体に前記溶融接合金属を含浸することを
    特徴とする接合材の製造方法。
11. 【請求項１１】 請求項１記載の接合材の接合材層の厚
    さ精度を保持する金属のスポンジシ一卜に前記溶融接合
    金属を含浸させることを特徴とする接合材の製造方法。
12. 【請求項１２】 請求項１記載の接合材の溶融接合金属
    を前記被接合材に塗布し、その後で前記接合材層の厚さ
    精度を保持する金属の粉末、細線、多孔質体の少なくと
    も１種類を埋め込むことを特徴とする接合材の製造方
    法。
13. 【請求項１３】 請求項１記載の接合材を用いて半導体
    チップ及びその他の構成部材を接合して成ることを特徴
    とする半導体装置。