JP2017005071A

JP2017005071A - 接合構造

Info

Publication number: JP2017005071A
Application number: JP2015116479A
Authority: JP
Inventors: 裕輔中田; Yusuke Nakata
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Marelli Corp
Priority date: 2015-06-09
Filing date: 2015-06-09
Publication date: 2017-01-05

Abstract

【課題】比較的簡易な構成、且つ低コストで、半導体チップ等を破壊することなく、焼結接合材の焼結時に比較的高い圧力を付与することのできる接合構造を提供する。【解決手段】第１の被接合部材（第１の基板上回路層５、第２の基板上回路層９）と、第２の被接合部材（半導体チップＣ１、Ｃ２）とを導電性の焼結接合材Ｍ１、Ｍ２で接合する接合構造であって、第１の被接合部材および第２の被接合部材の少なくとも一方について、導電性の焼結接合材との当接面Ｆ１、Ｆ２に凸部１００が設けられている。【選択図】図３

Description

本発明は、導電体としての被接合部材を接合する接合構造に関する。

例えば、半導体装置（パワーモジュール）においては、絶縁基板上に設けられた金属パターン（回路層等）と半導体チップとがハンダで構成される接合部を介して接続されている。

しかしながら、パワーモジュールは、高電圧、高電流の導通により半導体チップが高温となるため、接合部のハンダが熱劣化するなどして接合不良等を生じ易いという不都合があった。

そこで、接合部として高温耐久性に優れたＡｇナノ粒子等を含む焼結接合材を用いる接合構造が提案されている（例えば特許文献１等）。

特開２０１５−４１７１６号公報

ところが、金属パターンと半導体チップとを焼結接合材で接合する場合に、焼結時に無加圧あるいは低加圧で焼成すると焼結層が粗となって、亀裂（クラック）等が入り易くなる。

そのため、焼結接合材の焼結時には、できるだけ高い圧力を加えて、焼結層を密とすることが望ましい。

しかしながら、焼結炉内において、金属パターンと半導体チップとの間に挟んだ焼結接合材に高圧を加えることは構造的に難しく、コストも嵩むという問題があった。

また、仮に高圧を付加できた場合であっても半導体チップ等が、外部からの圧力によって破壊される虞があるという難点もあった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、比較的簡易な構成、且つ低コストで、半導体チップ等を破壊することなく、焼結接合材の焼結時に比較的高い圧力を付与することのできる接合構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る接合構造は、第１の被接合部材と、第２の被接合部材とを導電性の焼結接合材で接合する接合構造であって、前記第１の被接合部材および前記第２の被接合部材の少なくとも一方について、前記導電性の焼結接合材との当接面に凸部が設けられていることを要旨とする。

本発明に係る接合構造によれば、当接面に凸部が設けられた位置において焼結接合材に比較的高い圧力が加わるので、比較的簡易な構成且つ低コストで、半導体チップ等を破壊することなく、焼結接合材の焼結時に比較的高い圧力を付与することができる。

これにより、焼結接合材を密な焼結層とすることができ、亀裂等が入り難くして、耐久性や導電性を向上させることができる。

実施の形態に係る接合構造を用いたパワーモジュールの構成例を示す斜視図である。実施の形態に係る接合構造を示す説明図である。実施の形態に係る接合構造の要部を示す拡大図である。実施の形態に係る接合構造における凸部の設置領域の例を示す平面図である。実施の形態に係る接合構造における凸部の高さの例を示す平面図である。実施の形態に係る接合構造における凸部の設置パターンの例を示す平面図（ａ）および断面図（ｂ）である。実施の形態に係る接合構造における凸部の設置パターンの他の例を示す平面図（ａ）および断面図（ｂ）である。実施の形態に係る接合構造における凸部の断面形状の例を示す断面図である。実施の形態に係る接合構造における凸部の設置パターンの他の例を示す平面図である。施の形態に係る接合構造の他の例を示す説明図である。

以下、本発明の一例としての実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。ここで、添付図面において同一の部材には同一の符号を付しており、また、重複した説明は省略されている。なお、ここでの説明は本発明が実施される最良の形態であることから、本発明は当該形態に限定されるものではない。

［実施の形態に係る接合構造］
図１〜図１０を参照して、実施の形態に係る接合構造について説明する。

図１は、実施の形態に係る接合構造を用いたパワーモジュール１の構成例を示す斜視図である。

パワーモジュール１は、絶縁材料で構成される基板３と、その基板３上に配設される２つの第１の被接合部材としての第１の基板上回路層５および第２の基板上回路層９と、第１の基板上回路層５および第２の基板上回路層９の上に導電性の焼結接合材Ｍ１、Ｍ２を介して接合される第２の被接合部材としての半導体チップ（半導体素子）Ｃ１、Ｃ２とを備えている。

なお、半導体チップＣ１、Ｃ２は、図示しない金属配線（リード等）を介して互いに接続されたり、或いは他の機器等に接続される。

また、第１の基板上回路層５および第２の基板上回路層９は、配線パターン等で構成される。

ここで、焼結接合材Ｍ１、Ｍ２としては、酸化銀粒子、酸化銅粒子、銀ナノ粒子、銅ナノ粒子等を焼結して得られる焼結物を用いることができる。

図２は、実施の形態に係る接合構造を示す説明図、図３は、その要部を示す拡大図である。

図２および図３に示すように、第１の被接合部材としての第１の基板上回路層５および第２の基板上回路層９の焼結接合材Ｍ１、Ｍ２との当接面Ｆ１には、凸部１００が設けられている。

なお、図１０を参照して後述するように、凸部１００は、第１の被接合部材（第１の基板上回路層５、第２の基板上回路層９）および第２の被接合部材（半導体チップＣ１、Ｃ２）の少なくとも一方に設けられるようにできる。

このような凸部１００を設けることにより、比較的簡易な構成、且つ低コストで、半導体チップＣ１、Ｃ２等を破壊することなく、焼結接合材Ｍ１、Ｍ２の焼結時に比較的高い圧力を付与することができる。

即ち、凸部１００の頂点付近の領域において、第１の基板上回路層５（または第２の基板上回路層９）と半導体チップＣ１（またはＣ２）との間の距離は短くなる。そのため、第１の基板上回路層５（第２の基板上回路層９）と、半導体チップＣ１（Ｃ２）との間に挟まれる焼結接合材Ｍ１またはＭ２に対する圧力を高めることができる。

これにより、焼結接合材Ｍ１、Ｍ２を密な焼結層とすることができ、亀裂等が入り難くして、耐久性や導電性を向上させることができる。

なお、凸部１００は、第１の基板上回路層５または第２の基板上回路層９の当接面Ｆ１に対してエッチング加工や切削加工等を施すことにより形成することができる。

図４は、実施の形態に係る接合構造における凸部１００の設置領域の例を示す平面図である。

図４に示すように、第１の基板上回路層５または第２の基板上回路層９の当接面Ｆ１が方形である場合に、凸部１００は、当接面Ｆ１の対角線Ｄの頂点Ｄ１ａ、Ｄ１ｂから１５％以内の位置（即ち、対角線Ｄの長さＬの１５％以内）に設けるようにするとよい。

これにより、焼結層に亀裂等を生じた場合であっても、半導体チップＣ１（Ｃ２）の端子部等が存在する中心部へ亀裂等が広がる事態を回避することができる。

図５（ａ）、（ｂ）は、実施の形態に係る接合構造における凸部１００Ａａ、１００Ａｂの高さの例を示す平面図である。

図５（ａ）に示す例では、凸部１００Ａａの高さは、導電性の焼結接合材Ｍ１（Ｍ２）の厚さＴの２０％（即ち、０．２Ｔ）としている。

また、図５（ｂ）に示す例では、凸部１００Ａｂの高さは、導電性の焼結接合材Ｍ１（Ｍ２）の厚さＴの８０％（即ち、０．８Ｔ）としている。

なお、図５（ａ）、（ｂ）の例に限定されず、凸部１００の高さは、導電性の焼結接合材Ｍ１（Ｍ２）の厚さＴの２０％〜８０％（即ち、０．２〜０．８Ｔ）としてもよい。

これにより、外部から高い圧力を加えることなく、当接面Ｆ１に凸部１００Ａａ、１００Ａｂが設けられた位置において焼結接合材Ｍ１（Ｍ２）に比較的高い圧力を付与することができる。

図６（ａ）は、実施の形態に係る接合構造における凸部１００Ｂａの設置パターンの例を示す平面図、図６（ｂ）は断面図である。

図６（ａ）、（ｂ）に示す設置パターンでは、凸部１００Ｂａの平面形状は、半導体チップＣ１（Ｃ２）の周縁Ｅを含んで、この半導体チップＣ１（Ｃ２）を囲繞する形状とされている。

図７（ａ）は、実施の形態に係る接合構造における凸部１００Ｂａの設置パターンの例を示す平面図、図７（ｂ）は断面図である。

図７（ａ）、（ｂ）に示す設置パターンでは、凸部１００Ｂｂの平面形状は、半導体チップＣ１（Ｃ２）の周縁Ｅの内側に沿って周回する形状とされている。

図８（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態に係る接合構造における凸部１００Ｃａ〜１００Ｃｃの断面形状の例を示す断面図である。

図８（ａ）に示す例では、凸部１００Ｃａの断面形状は、三角形とされている。なお、凸部１００Ｃａの稜線２０１が当接面Ｆ１と成す傾斜角θは、９０度未満とするとよい。

図８（ｂ）に示す例では、凸部１００Ｃｂの断面形状は、楕円形の一部とされている。なお、凸部１００Ｃｂの稜線２０２が当接面Ｆ１と成す傾斜角θは、９０度未満とするとよい。

図８（ｃ）に示す例では、凸部１００Ｃｃの断面形状は、台形とされている。なお、凸部１００Ｃｃの稜線２０３が当接面Ｆ１と成す傾斜角θは、９０度未満とするとよい。

なお、凸部１００の断面形状は、上述の例に限定されず、円形の一部等、他の形状とする場合であってもよい。

図９（ａ）〜（ｄ）は、実施の形態に係る接合構造における凸部１００Ｄａ〜１００Ｄｄの設置パターンの他の例を示す平面図である。

図９（ａ）に示す設置パターンの例では、凸部１００Ｄａは、当接面Ｆ１の隅部に設けられ、各凸部１００Ｄａの平面形状は、円状（立体形状は円柱状）とされている。

図９（ｂ）に示す設置パターンの例では、凸部１００Ｄｂは、当接面Ｆ１の隅部に設けられ、各凸部１００Ｄｂの平面形状は、矩形状（立体形状は柱状）とされている。

図９（ｃ）に示す設置パターンの例では、凸部１００Ｄｃは、当接面Ｆ１の隅部に設けられ、各凸部１００Ｄｃの平面形状は、円弧状（例えば、円弧の一部）とされている。

図９（ｄ）に示す設置パターンの例では、凸部１００Ｄｄは、当接面Ｆ１の隅部に設けられ、各凸部１００Ｄｄの平面形状は、く字状とされている。

図１０（ａ）、（ｂ）は、実施の形態に係る接合構造の他の例を示す説明図である。

図１０（ａ）に示す例では、凸部１００Ｅを、第１の被接合部材としての第１の基板上回路層５（第２の基板上回路層９）の当接面Ｆ１ではなく、第２の被接合部材としての半導体チップＣ１（Ｃ２）の当接面Ｆ２に設けている。

なお、凸部１００Ｅの形状や設置パターン等は、当接面Ｆ１側に設けた凸部１００Ａ〜１００Ｄと同様とすることができる。

図１０（ｂ）に示す例では、図１０（ａ）に示す凸部１００Ｅに加えて、第１の被接合部材としての第１の基板上回路層５（第２の基板上回路層９）の当接面Ｆ２に凸部１００Ｆを設けている。

なお、凸部１００Ｅ、１００Ｆの形状や設置パターン等は、上述の凸部１００Ａ〜１００Ｄと同様とすることができる。

また、図１０（ｂ）に示す例では、凸部１００Ｅと凸部１００Ｆとは、対向しない位置に設けられているが、これに限らず、凸部１００Ｅと凸部１００Ｆとが対向するように設けるようにしてもよい。この場合には、導電性の焼結接合材Ｍ１（Ｍ２）に加える圧力をより大きくすることができる。

以上述べたように、本実施の形態に係る接合構造によれば、比較的簡易な構成、且つ低コストで、半導体チップＣ１、Ｃ２等を破壊することなく、焼結接合材Ｍ１、Ｍ２の焼結時に比較的高い圧力を付与することができる。

以上本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本明細書で開示された実施の形態はすべての点で例示であって開示された技術に限定されるものではないと考えるべきである。すなわち、本発明の技術的な範囲は、前記の実施の形態における説明に基づいて制限的に解釈されるものでなく、あくまでも特許請求の範囲の記載にしたがって解釈すべきであり、特許請求の範囲の記載技術と均等な技術および特許請求の範囲内でのすべての変更が含まれる。

１…パワーモジュール
３…基板
５…第１の基板上回路層（第１の被接合部材）
９…第２の基板上回路層（第１の被接合部材）
１００、１００Ａａ、Ａｂ、１００Ｂａ、Ｂｂ、１００Ｃａ〜Ｃｃ、１００Ｄａ〜Ｄｄ、００Ｅ、１００Ｆ…凸部
Ｃ１、Ｃ２…半導体チップ（第２の被接合部材）
Ｆ１、Ｆ２…当接面
Ｍ１、Ｍ２…導電性の焼結接合材

Claims

第１の被接合部材（第１の基板上回路層５、第２の基板上回路層９）と、第２の被接合部材（半導体チップＣ１、Ｃ２）とを導電性の焼結接合材（Ｍ１、Ｍ２）で接合する接合構造であって、
前記第１の被接合部材および前記第２の被接合部材の少なくとも一方について、前記導電性の焼結接合材との当接面（Ｆ１、Ｆ２）に凸部（１００）が設けられていることを特徴とする接合構造。
前記当接面が方形である場合に、前記凸部は、前記当接面の対角線の頂点から１５％以内の位置に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の接合構造。
前記凸部の高さは、前記導電性の焼結接合材の厚さの２０％から８０％以内とされることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の接合構造。
前記凸部の稜線が前記当接面と成す傾斜角は、９０度未満であることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１項に記載の接合構造。
前記凸部の断面形状は、三角形、円形の一部、楕円形の一部および台形の何れかを含むことを特徴とする請求項１から請求項４の何れか１項に記載の接合構造。
前記凸部の平面形状は、前記第２の被接合部材の周縁（Ｅ）を含んで当該第２の被接合部材を囲繞する形状とされることを特徴とする請求項１から請求項５の何れか１項に記載の接合構造。
前記凸部の平面形状は、前記第２の被接合部材の周縁（Ｅ）の内側に沿って周回する形状とされることを特徴とする請求項１から請求項５の何れか１項に記載の接合構造。
前記凸部は、前記当接面の隅部に設けられ、各凸部の平面形状は、円状、矩形状、円弧状、く字状の何れかを含むことを特徴とする請求項１から請求項５の何れか１項に記載の接合構造。