JP6843503B2

JP6843503B2 - 半導体装置及び移動体

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Publication number: JP6843503B2
Application number: JP2015248123A
Authority: JP
Inventors: 高彰宮崎; 靖池田; 宇幸串間; 航太郎中村
Original assignee: Hitachi Power Semiconductor Device Ltd
Current assignee: Hitachi Power Semiconductor Device Ltd
Priority date: 2015-12-21
Filing date: 2015-12-21
Publication date: 2021-03-17
Anticipated expiration: 2035-12-21
Also published as: JP2017117813A

Description

本発明は、半導体装置に関し、特にインバータに使用されるパワー系の半導体装置に関する。

パワー系の半導体装置（パワーモジュール）は、半導体素子（以下、半導体チップまたは単にチップとも言う）と絶縁基板、もしくは絶縁基板と放熱用金属板をはんだ等で接合した構造となっているものが多い。

これまで、高耐熱性が要求される半導体装置、特に自動車や建機、鉄道、情報機器分野等に用いられる半導体装置の接続部材としては鉛（Ｐｂ）入りはんだが使用されてきたが、環境負荷低減のため、鉛フリーの接続部材を使用した機器も広く使用されている。

近年、高温動作が可能で、かつ機器の小型軽量化が可能なＳｉＣやＧａＮ等のワイドギャップ半導体の開発が推し進められている。一般的にＳｉ（シリコン）の半導体素子は動作温度の上限が１５０〜１７５℃であるのに対し、ＳｉＣ（シリコンカーバイト）の半導体素子は１７５℃以上での使用が可能である。

ただし、使用温度が高温になると、パワーモジュールを代表とする半導体装置に使用される各種部材についても１７５℃以上の耐熱性が要求される。また、コスト低減のため、高効率で安定な接合プロセスの要求も高まっている。

上記のようにパワーモジュールでは、製造コストを低減するため安定的で耐熱性の高い接合構造が要求されている。

特許文献１（特開２００１−１８５６６４号公報）には、「セラミックス基板１上に金属回路板２ａを接合し、この金属回路板２ａに半導体ペレット３をハンダ４により接合するものにおいて、金属回路板２ａの半導体ペレット３搭載面のうちハンダ４が塗布されない部位に、ソルダーレジスト層７を設ける。（要約参照）」が開示されている。

特許文献２（米国特許出願公開第１１/３３７６８７号明細書）には、「金属ベース１３上にダム材１５を溶射してダム部を形成することにより、複数の回路基板１１を金属ベース１３上へ接合する際に用いる半田１４の流動を制限する。

このようなダム部を金属ベース１３上に形成することで、半田の流動を制限でき、エポキシ樹脂などの有機物からなるソルダレジストとして用いた場合のように、半田付け時のアウトガスを発生させることがない。これにより、半田付け時において、半田付け性が阻害させることがなく、装置汚染も回避できる。（要約参照）」が開示されている。

特許文献３（特開２０１３−５８５４２号公報）には、「リードフレーム１０は、金属製のダイパッド１１と、ダイパッド１１の周囲に設けられたリード部１２とを備えている。ダイパッド１１は、半導体素子２１が搭載される搭載領域１５と、搭載領域１５を帯状に囲む半田流出防止用の半田流出防止領域１６とを含んでいる。半田流出防止領域１６は、搭載領域１５に対して粗面化されているので、半田部２２の流れを半田流出防止領域１６で止めることができる。（要約参照）」が開示されている。

特開２００１−１８５６６４号公報米国特許出願公開第１１/３３７６８７号明細書特開２０１３−５８５４２号公報

パワーモジュールに代表される半導体装置の組立工程において「はんだ流れ」の解決が大きな課題である。

「はんだ流れ」とは、組立時にはんだがはんだ付け部以外に流出することである。これにより、半田付け部以外の予期しない箇所にはんだが流れることによって、接合部のはんだ厚さが薄くなることによる信頼性の低下などのため、対策が強く求められている。また、ワイヤボンディングやメタルボンディングを行う領域にはんだが流れた場合には、配線とは異なる硬度のはんだで覆われる等の理由によりワイヤボンディング等ができなくなってしまうことがある。

特許文献１は、ソルダーレジストの樹脂部材を設けてはんだ流れを防止しようとするものである。プリント基板向けの技術をパワーモジュールに利用するものであるため、はんだ接合の際には、高温に晒されることとなることが樹脂は耐熱性が低いことが考慮されていない。

特に、Ｓｎ−Ｃｕ系のはんだに比べてＺｎ−Ａｌ系のはんだは、その接合温度は高く３８０℃を超えるが、このような温度に耐えられる樹脂は少なく実用できるソルダーレジストは確認されていない。

また、特許文献２は、ダム材を使用した場合、ダムにはある程度の高さや幅が必要であり、装置の小型化が難しい。

さらに、配線間のブリッジを防止する際には、配線間にダム材を配置する領域が必要となることや、他の部品等の配置の都合によりダム材を配置できない場合が考慮されていない。この場合は、半導体チップ下のはんだ厚が薄くなってしまい、信頼性が低下する。

また、部品点数が増加するため、信頼性の低下のおそれがある。パワーモジュールの製造プロセスにおいては、ダム材を配置する工程が増加し、プロセスの簡略化ができない。

また、特許文献３は、半田流出防止領域に、搭載領域および外側領域の表面よりも表面を粗面化処理を施している。
しかし、半田流出防止領域は図５等に記載されるように、ダイパッドの溝部分に設けられている。粗面化による液体をはじく効果よりも、溝によってはんだが保持されることが支配的であると考えられる。
したがって、溝を形成することができない場合について考慮されていない。

本発明の目的は、はんだ流れを防止し、半導体装置の高品質化を実現する技術を提供することにある。

本発明の上記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。

例えば、金属で構成される配線部が設けられた絶縁基板と、配線部は接合部とを有し、接合部を介して被接合部材が接続された半導体装置であって、接合部と配線部との境界領域には、配線部の部材とは異なる金属部材が複数配置されていることを特徴とする半導体装置である。

例えば、絶縁基板に金属で構成される配線部を設ける工程と、配線部が設けられた絶縁基板上に、被接合部材を配置する領域と配線部との境界領域に、配線部の部材とは異なる金属部材を複数配置する工程と、被接合部材を搭載する領域に接合材を介して被接合部材を配置する工程と、接合材を加熱し接合する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以下のとおりである。

半導体装置の高品質を実現することができる。

本発明の半導体装置（パワーモジュール）の構造の一例を示す断面図である。本発明の半導体装置（パワーモジュール）の構造の一例を示す上面図である。本発明のはんだ接合前の境界領域の一例を示す図である。本発明のはんだ接合後の境界領域の一例を示す図である。本発明のはんだ接合後の境界領域の一例を示す図である。実施例の構成を示す表である。図１に示す半導体装置の変形例を示す断面図である。図１に示す半導体装置の変形例を示す上面図である。図１に示す半導体装置の製造工程の一例を示す図である。図１に示す半導体装置の製造工程の一例を示す図である。図１に示す半導体装置の製造工程の一例を示す図である。図１に示す半導体装置の製造工程の一例を示す図である。図１に示す半導体装置が搭載された鉄道車両の一例を示す部分側面図である。図１０に示す鉄道車両に設置されたインバータの内部構造の一例を示す平面図である。図１に示す半導体装置が搭載された自動車の一例を示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。異なる図に記載される同一の符号であっても、他の図で説明した同一の符号は、原則として同一の構成であるため、説明を省略する場合がある。また、図面をわかりやすくするために平面図であってもハッチングを付す場合がある。

図１は本発明の実施の形態の半導体装置（パワーモジュールとも呼ぶ）２０の構造の一例を示す断面図である。また、図２は半導体装置２０を上面から観察した様子を示す。

本実施の形態の半導体装置は、例えば、鉄道の車両や自動車の車体等に搭載される半導体装置（パワーモジュール）である。したがって、複数のパワー系の半導体チップ（半導体素子）１を備えており、はんだ流れ対策が必要な半導体装置である。
なお、半導体チップ１は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor ）やＭＯＳ、Diode等であるが、ただしこれに限定されるものではない。

図１と図２に示すパワーモジュール２０の構成について説明する。パワーモジュール２０は、半導体チップ１を支持するセラミック基板（配線基板）３と、半導体チップ１の上面（主面）１ａの電極１ｃとセラミック基板３の上面３ａの配線３ｃｂとを電気的に接続する導電性のワイヤ６と、セラミック基板３の配線３ｃｂと電気的に接続し、外部に引き出される端子（リード）７とを有している。

ワイヤ６は、例えばＡｌ線またはＣｕ線等である。また、端子７は、その一端である底面部が、セラミック基板３に配置された電極３ｃｂに接合されている。また、図では省略するが端子７の他端がケース８の外部に引き出されている。

半導体チップ１の上面３ａ側には、例えばゲート用の電極１ｃが形成されており、配線３ｃａとワイヤ６を介して電気的に接続されている。

被接合部材である半導体チップ１は、接合部材であるはんだ２（接合材、はんだ合金とも呼ぶ）を介して他方の被接合部材であるセラミック基板３に接合されている。

また、セラミック基板３とはんだ２との間には、配線３ｃｂ、めっき９が配置されている。また、めっき９の側面部には境界領域１０が配置されている。めっき９と境界領域１０は厳密に接している必要はない。

はんだ２は、Ｓｎを主成分とするはんだ合金もしくはＰｂを主成分とするはんだ合金であり、例えば、Ｐｂ−Ｓｎ、Ｓｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｓｎ、Ｓｎ−Ｓｂ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｉｎ等である。他には、Ｚｎ−Ａｌ、Ａｕ−Ｇｅ、Ａｕ−Ｓｉ等の接合材でもよい。

セラミック基板３の上面３ａ側には、端子７が搭載されている。下面３ｂ側には、配線３ｃｃが設けられている。配線３ｃｃは、接合部材であるはんだ（接合材、はんだ合金とも呼ぶ）５を介してベース板（金属板）４に搭載されている。

すなわち、一方の被接合部材であるベース板４は、接合部材であるはんだ５を介して、他方の被接合部としてセラミック基板配線３に設けられた配線３ｃｃと接合されている。
これにより、ベース板４はセラミック基板３を支持している。ベース板４は、放熱板である。配線３ｃｃははんだ５を介してベース板４と電気的に接続されている。

ここで、はんだ５の部材は、はんだ２と同様の部材を用いることができ、同一の部材でも異なる部材でもよい。例えば、はんだ２は半導体チップ１の耐熱性を考慮しＺｎ−Ａｌ系とし、はんだ５はリフローで接合することを考慮しＳｎ−Ｃｕ系とするとよい。

セラミック基板３に配置される構成について説明する。セラミック基板３の上面３ａと下面３ｂに配置される配線３ｃａ，３ｃｂ，３ｃｃの部材は、例えば、ＣｕやＡｌである。他には、セラミック基板３に接合できる金属であればよい。

セラミック基板３に配線３ｃａ等を配置する方法は、銀ろう等によって接合するとよい。なお、配線３ｃａ等の部材にＡｌ配線を用いる場合には、酸化膜が形成されはんだ２がぬれにくく接合が困難となるが、めっき９を施すと接合性が向上する。

さらに、上面３ａには、配線３ｃａのはんだ２が接続される部分にはめっき９が形成されており、めっき９と配線３ｃａとの間に構成される境界部分には境界領域１０が設けられている。めっき９の部材はＮｉ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｓｎ等が用いられる。

このめっき９は必須構成ではなく、はんだ２との接合性を向上させることが可能となるため、配線３ｃａがＣｕで構成される場合には、めっき９を配置しなくともよい。

この境界領域１０は、一例として、金属粒子が付着している領域であり、粒子径が大きくなると単位体積当たりの表面積が小さくなるため、平均粒子径は望ましくは20um以下である。

平均粒子径が２０ｕｍ以下の場合の境界領域１０の幅は、溶融したはんだが流れる方向に対して１００ｕｍ以下の幅で十分な効果が得られるが、１００ｕｍより太くても実施できる。また、金属粒子が配線３ｃｂ上に配置されていることから、表面が粗くなり、封止樹脂との接合性が向上するという効果も生じる。

また、境界領域１０は配線３ｃｂの幅方向に対して、一方の端部から他方の端部まで配置されることが望ましい。幅方向に対して両端部間の領域に配置することではんだ流れの経路を塞ぐことができるからである。

なお、幅方向の一部に境界領域１０を設けなくとも、つまり、境界領域１０を複数配置した場合であっても、金属粒子または部材間ではんだ流れを止めることができるため、厳密に幅方向全体に境界領域を設けなくとも実施可能である。

これらの金属粒子は、例えばエアロゾルデポジション法であればサブミクロンオーダーの金属粒子を配置することができる。

また。配線３ｃａ上にめっき９を広く施し、境界領域１０とめっき９にマスクをし、不要な部分をエッチングすることで、めっき９と共に金属粒子を配置することができる。

金属粒子の材質は、例えば、Ｎｉ粒子、Ａｇ粒子、Ｃｕ粒子またＡｌ粒子などであれば実施できる。ただし、はんだ２、はんだ５は主成分がＳｎであることから、Ｓｎ粒子を用いた場合には、溶融したはんだに吸収されてしまうため、上記の金属粒子が望ましい。

本願明細書においては、主成分とはその部材が有する元素のうち最も多い元素であることを意味する。例えば、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕであれば、Ｓｎ成分が主成分である。

他の金属粒子として、Ｃｕ−Ｓｎ化合物、Ｎｉ−Ｓｎ化合物、Ａｌ−Ｎｉ化合物等の金属間化合物でも実施でき、これらの場合は、純粋な金属粒子よりも融点が高いため、溶融したはんだに吸収されることはない。

特にＣｕ−Ｓｎ化合物は融点が６００℃を超えるため、Ｚｎ−Ａｌ系はんだの接合温度３８０℃超であっても、溶融したはんだに吸収されることはなく、はんだ流れを止めることができる。

境界領域１０を構成する金属部材は、金属粒子以外に、金属の所定の大きさの塊でもよい。この場合は、立体的な構造となることで、表面積を大きくすることができる。立体とする場合には、球状や立方体や直方体であってもよい。
球形状とする場合は、直径が１００ｕｍより小さいことが望ましい。なお、ラグビーボールのような楕円形状でもよい。

また、立方体や直方体等の立体形状の断面で最も長い辺である長辺が１００ｕｍより小さいことが望ましい。直径または長辺が１００ｕｍ以上の大きさでも実施することができるが、小さい方がより多くの粒子を配置できることが望ましい。表面積に対して密度が小さい方が有効だからである。

また、境界領域１０の金属部材は、Ｎｉ、Ｃｕ、ＡｌまたはＡｇ等のポーラス構造とすることもできる。

ポーラス構造とは多孔質構造であり、金属中に連続気孔または独立気孔を有するものであり、多孔質金属のことをいう。焼結法、不活性ガス注入、発泡樹脂等を使用した気孔形成法、スペーサ等によって製造することができる。

このような配線３ｃｂの部材と異なる金属粒子等またはポーラス構造の金属部材を境界領域１０に設けることによって、はんだ２が溶融の際に流れた場合に、境界領域１０ではんだ流れを止めることができる。

これは、めっき９と配線部３ｃｂでは、異なる金属が表面に形成されているためはんだのぬれ性が異なることおよび、境界領域１０ではんだのぬれる表面積が大きくなるため、はんだ流れを境界領域１０で抑制することができる。

すなわち、境界領域１０は、配線３ｃａを構成する金属部材と異なる金属部材によって構成され、めっき９の領域または配線３ｃａの領域に比べて表面積が大きく密度が低くなっていることから、ぬれ性の異なる金属に接触することにより配線３ｃａと境界領域１０との間に金属間で張力が生じ、はんだが流れることができなくなると考えられる。

このように、はんだ流れを抑制することで、半導体チップ１とめっき９との間のはんだ２が流出しないため、はんだ２が薄くなることを防止できる。ひいては、半導体装置において重要な半導体チップ１とセラミック基板３の接合信頼性を向上し、半導体装置全体の高品質化を実現することができる。

さらに、めっき９を施した場合には、はんだ２がめっき９から配線３ｃａへと異なる金属に接触するため、はんだ流れ防止の効果を高めることができる。

次に、図３にＣｕの配線３ｃｄ上にＮｉめっき９ａと境界領域１０ａを設けた様子を電子顕微鏡により観察した状態を示す。

図３の中央付近に境界領域１０ａには、Ｎｉの金属粒子が点在しており、その左側の領域はめっき９ａが配置されている。また、これらの母材としてＣｕ配線３ｃｄが構成されている。また、境界領域１０ａのＮｉ金属粒子は、直径が１から１０ｕｍ程度で構成されている。また、境界領域１０ａの幅は１５０ｕｍ程度で構成されている。

また、境界領域１０ａは、金属部材の面積が配線部の母材であるＣｕよりも広い面積の領域である。金属部材がＣｕより小さい面積であっても実施できるが、はんだ流れには、できるだけ金属部材の面積を広く構成することが望ましい。配線の母材よりも金属部材を広く構成することが好ましい。

次に、図４と図５を用いて、本願発明の境界領域を図３と同様に複数箇所に設けて実際にはんだ接合した状態について説明する。

図４には、はんだ２ａと第１の境界領域１０ｂと第２の境界領域１０ｃが示される。また、これらの部材は母材であるＣｕ配線３ｃｅ上に構成されている。また、溶融した際にはんだ２ａは図の左上から右下へ向かって流れ、その後冷えて固まった様子が示される。

第１の境界領域１０ｂと第２の境界領域１０ｃの周辺をそれぞれ破線で示し、金属部材は、Ｎｉ粒子を図３と同様に配置した。境界領域１０ｂは横方向４００ｕｍ程度、縦方向に１００ｕｍ程度配置し、境界領域１０ｃは長辺方向に６００ｕｍ程度短辺方向に１５０ｕｍ程度配置した。

第１の境界領域１０ｂの上部は、第１の境界領域１０ｂと略平行にはんだ２ａの流れが止まっている様子が確認できる。また、第１の境界領域１０ｂの左側面部には、Ｎｉの金属粒子が配置されていない。そのため、その金属部材を回り込むようにはんだ２ａが流れている様子が確認できる。

また、第２の境界領域１０ｃ周辺は、下方ははんだ２ａが流れていないが、上部においては、第２の境界領域１０ｃを避けるようにはんだが流れている様子が確認できる。このような配線３ｃｅと異なる金属により構成される境界領域１０ｂ，１０ｃを設けることにより、はんだ流れが抑制できることが確認された。

次に、各実施例について図６を用いて説明する。各実施例、比較例についてはんだ流れを止めることができたものを○とし、はんだ流れを止めることができないものを×と記載した。

実施例１から６は母材である配線部をＣｕとした。また、実施例７から９は、配線部をＡｌとした。また、めっきのありなし、境界領域の金属部材はＮｉ，Ａｇ，Ａｌとしたが、いずれもはんだ流れを止めることが確認された。

溶融したはんだ主成分をＰｂまたはＳｎとした場合に、Ａｇ，Ｎｉ，Ｃｕの順にぬれやすいため、実施例１から６のように配線をＣｕとした場合には、Ａｇ、Ｎｉの順にはんだ流れを止めやすい。

また、実施例７から９のＡｌ配線の場合には、Ａｇ、Ｎｉ，Ｃｕの順に止めやすいことが確認された。これは、Ａｌ配線とした場合には、境界領域のめっき９を有していないＡｌ部分ではんだがぬれにくいため、はんだ流れをさらに止めやすいため有効である。

実施例７から９の変形例として配線部をＡｌとした場合のめっきなしの状態を記載していないが、Ａｌ配線とした場合には、Ａｌ表面に酸化膜が形成され、はんだがぬれないから接合が困難となるからである。
なお、例えば、還元雰囲気下ではんだとＡｌ配線が酸化していない状態、または、半導体チップをスクラブ処理によって擦りつけることで、酸化膜を除去することができればＡｌ配線上であっても実施可能である。

はんだ流れは金属部材の厚みによって止められるとも考えられるが、めっき９と金属部材はほぼ同様の厚みであることから、厚みよりも金属間のぬれ性によって止められることが支配的であると考えられる。

ここで、比較例について説明する。比較例１から８は、配線である母材をＣｕとし、比較例９はＡｌ配線とした。めっきのありなし、境界領域がないもの、金属部材にＳｎとＡｕにより比較を行った。

比較例１から６は、はんだ流れを止めることはできなかった。境界領域を設けない場合は、母材である配線部をはんだが流れを止める術がないためはんだの厚みが均一となるまで流れ続けてしまうことが確認された。

また、金属部材にＳｎまたはＡｕを使用した場合には、溶融したはんだに吸収され溶けてしまうためはんだ流れを防止できない。

比較例７，８は、母材であるＣｕ上にＣｕの金属部材が配置され、境界領域の表面が粗くなっている。しかし、母材と金属部材が同じ金属で構成されるため、金属部材間の隙間からはんだが流れてしまうことが確認された。
上記した各実施例の構成によって、半導体装置の接合構造の高品質化を実現できる。

次に、本発明の他の適用例について説明する。図７と図８は、半導体装置の平面図および断面図の一例を示す。図１と同様の符号については詳細な説明を省略する。

図１との違いは、図１で境界領域１０がセラミック基板上面３ａ側に配置されていたのに対して、図７は下面３ｂ側に配置されていることである。

セラミック基板３の下面３ｂには配線３ｃｃが配置されている。配線３ｃｃのほぼ全域を覆うようにめっき９が施されている。また、めっき９を覆うように境界領域１０ｄが配置されている。
ベース板４とはんだ５を搭載する前の状態として図８を示すが、めっき９を覆うように境界領域１０ｄが構成される様子が示されている。

このようにすることで、セラミック基板４とベース板４間の接合部のはんだ５が領域外への流出することを阻止することができる。

＜製造方法＞
次に、図１に記載のパワーモジュール２０の組立て方法について説明する。

図９ａから９ｄは、図１に示す半導体装置の組立てにおける主要工程の一例を示す断面図である。図１と同一の符号は同一の構成であるため説明を省略する。

パワーモジュール２０の組立てでは、まず、図９ａに示すように、セラミック基板３の上面３ａ側に配線３ｃａ、配線３ｃｂと、下面３ｂ側に配線３ｃｃを配置する。セラミック基板３に銀ろうを用いて接合する。ただし、これに限定されることなく他の方法で接合してもよい。

次に、図９ｂに示すように、セラミック基板３の配線３ｃｂ上にめっき処理を施すことによって、めっき９を配置する。

めっき処理は、電解めっきや無電解めっき等により行うことができる。特に、他の部品の存在を考慮し、無電解めっきが有効である。無電解めっきは添加材としてリンやホウ素等を添加することでめっき処理が可能である。
さらに、リンを添加した場合には、電解めっきに比べめっき厚が均一にしやすく、耐食性が向上するため有効である。

ここで、境界領域１０の配置方法について説明する。めっき処理において、境界領域１０の領域をマスキングした後に、めっき処理を行うことで、任意の金属部材を配置することができる。

この場合は、めっき９と境界領域１０を構成する部材がいずれもＮｉの場合には、製造時においては、めっき９と境界領域１０を同じ工程で設けることができる。そのため、別途プロセスを追加する必要がなく、有効である。また、別部材を設けないため、半導体装置の信頼性も向上する。

その他、エアロゾルデポジション法やスパッタも利用可能である。エアロゾルデポジション法は、金属粒子の大きさをコントロールが容易である。

また、金属粒子だけでなく、任意の形状に境界領域１０を構成することが可能である。溶融したはんだはその組成によって流れやすさも異なるため、適宜はんだの組成に応じて境界領域１０ではんだが接触する表面積を変化させるとよい。

境界領域１０にＮｉ以外の金属部材でめっきを施すには、例えば、ＣｕやＡｇの焼結ペーストを用いることができる。

この焼結ペーストを焼結させペーストに含まれる溶剤を揮発させることによって、ポーラス構造を有する金属部材を配置することができる。特に、ポーラス構造とすると境界領域１０を高さ方向に設けることができ、ポーラス構造によって表面積を向上させることで溶融したはんだの接着面積が向上する。
これにより、境界領域１０の金属粒子を平面的に配置した場合よりはんだ流れを防止することができる。

また、これら説明した境界領域１０は半導体チップ１の全ての辺を覆わなくても実施できる。例えば、半導体チップ１の接合の際に、半導体チップ１をツールで掴み、前後方向にスクラブ処理を行うことによって接合する場合は、はんだ流れの方向がスクラブ処理を行った前後方向に優先される。

そのため、スクラブ処理の前後方向に対向するように境界領域１０を設け、前後方向と略平行方向に設けなくともはんだ流れを止めることができる。
また、はんだ溶融時にセラミック基板３を傾けた場合に、低い位置側をＵ字やＶ字の境界領域で塞ぐ、または側面２辺と下方の１辺を結ぶように境界領域を構成することでもはんだ流れを止めることができる。

この場合は、境界領域１０を半導体チップ１等の４辺を覆うよう境界領域を全方位に設ける必要がないため、製造プロセスの簡略化が実現できる。

パワーモジュールを代表とする半導体装置は、還元雰囲気内や高い温度で接合することとなるが、本発明の製造方法は、雰囲気や温度に左右されずにパワーモジュールを製造することができる。

また、高価な還元雰囲気を用いることなく製造できる。さらに、めっき処理と同様の工程で製造できるため製造装置も簡略化でき、製造コストも低減することが可能となる。

＜適用例＞
図１０は図１に示す半導体装置が搭載された鉄道車両の一例を示す部分側面図、図１１は図１０に示す鉄道車両に設置されたインバータの内部構造の一例を示す平面図である。

本適用例では、上記実施の形態のパワーモジュール２０を搭載した鉄道車両について説明する。図１０に示す鉄道車両２１は、例えば、図１に示すパワーモジュール２０が搭載されたものである。

車両本体２６と、パワーモジュール２０と、パワーモジュール２０を支持する実装部材と、集電装置であるパンタグラフ２２と、インバータ２３とを備えている。そして、パワーモジュール２０は、車両本体２６の下部に設置されたインバータ２３に搭載されている。

図１１に示すように、インバータ２３の内部では、プリント基板（実装部材）２５上に複数のパワーモジュール２０が搭載され、さらにこれらのパワーモジュール２０を冷却する冷却装置２４が搭載されている。図１に示す本実施の形態のパワーモジュール２０では、半導体チップ１からの発熱量が多い。したがって、複数のパワーモジュール２０を冷却してインバータ２３の内部を冷却可能なように冷却装置２４が取り付けられている。

また、インバータ２３が外気と接触する構造であるとなおよい。この場合は、鉄道車両２１が移動する際に、外気を取り込むことができ、効果的に冷却ができる。さらに、冷却装置２４が外気と直接触れる構成とすることで、冷却効率はさらに向上する。

これにより、鉄道車両２１において、図１に示すモジュールの接合構造が用いられた複数のパワーモジュール２０を搭載したインバータ２３が設けられていることにより、インバータ２３内が高温環境となった場合であっても、インバータ２３およびそれが設けられた鉄道車両２１の信頼性を高めることができる。

すなわち、高温環境下での動作安定性と高電流負荷にも耐え得るパワーモジュール２０およびこれを用いたインバータシステムを実現することができる。

なお、パワーモジュール２０は、複数であることは必須でなく、制御する装置の規模等に応じて単体での使用も可能である。

次に、上記実施の形態のパワーモジュール２０を搭載した自動車について説明する。図１２は図１に示す半導体装置が搭載された自動車の一例を示す斜視図である。

図１２に示す自動車２７は、例えば、図１に示す半導体装置（パワーモジュール）２０が搭載されたものであり、車体２８と、タイヤ２９と、パワーモジュール２０と、パワーモジュール２０を支持する実装部材である実装ユニット３０と、を備えている。

なお、図１に示すパワーモジュール２０に限らず、セラミック基板３の下面３ｂ側を冷却用のベース板４とせず、半導体チップ１を搭載したものであってもよい。この場合は、パワーモジュール２０の小型化が可能となる。また、セラミック基板３を冷却に用いる部材とすると、冷却効率を向上させることができる。

自動車２７では、パワーモジュール２０は、実装ユニット３０に含まれるインバータに搭載されているが、実装ユニット３０は、例えば、エンジン制御ユニット等であり、その場合、実装ユニット３０はエンジンの近傍に配置されている。この場合には、実装ユニット３０は、高温環境下での使用となり、これにより、パワーモジュール２０も高温状態となる。

このような高温状態下の自動車２７において、図１に示すモジュールの接合構造が用いられた複数のパワーモジュール２０を搭載したインバータが設けられていることにより、実装ユニット３０が高温環境となった場合であっても、自動車２７の信頼性を高めることができる。

また、パワーモジュール２０が外気を取り込む構造であるとなおよい。この場合は、自動車２７が移動する際に、外気を取り込むことができ、効果的に冷却ができる。さらに、パワーモジュール２０に冷却器を設けた場合に、冷却器が外気と直接触れる構成とすることで、冷却効率はさらに向上する。

つまり、自動車２７においても、高温環境下での動作安定性と高電流負荷にも耐え得るパワーモジュール２０およびこれを用いたインバータシステムを実現することができる。

図１記載のパワーモジュール２０や他の適用例である交流発動機等の半導体装置は、上記適用例に記載した鉄道車両や自動車を代表とする移動体のみならず、移動体の一種として、建設機械やエレベータにも適用可能である。本願明細書においては、上記したように車輪等を動作させ自走する手段またはワイヤやモータ等を用いることで駆動する手段を有することで装置自体が移動するものを移動体という。

さらに、本願発明の半導体装置は、太陽光発電装置、太陽光発電モジュールや風力発電機、風力発電モジュール等の発電装置の分野にも適用することが可能である。また、ホイストやアクチュエータ、圧縮機等を代表とする産業機械の分野にも適用可能である。

また、無停電電源装置、メインフレームや汎用計算機等の計算機の分野にも適用可能である。その他、空調設備等においても、適用可能である。空調設備であれば、パワーモジュールやインバータまたはそれらに接続された冷却器に外気を接触させることで、さらに冷却効率が向上する。

これらの例においても、はんだ流れを抑制することによって、半導体装置の信頼性が向上する。上記した半導体装置を用いる分野の装置を総称してエレクトロニクス装置と呼ぶ。

これにより、所望のはんだ量を確保することができるため、動作の安定性、高電流負荷に耐えることが可能となる。
以上、本発明者によってなされた発明を発明の実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記発明の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

なお、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることが可能である。なお、図面に記載した各部材や相対的なサイズは、本発明を分かりやすく説明するため簡素化・理想化しており、実装上はより複雑な形状となる。

１半導体チップ
１ｃ電極
２はんだ
３セラミック基板（配線基板）
３ａ上面
３ｂ下面
３ｃ，３ｃａ，３ｃｂ，３ｃｃ配線
４ベース板（金属板）
５はんだ（接合材）
６ワイヤ
７端子
８ケース
９めっき
１０境界領域
２０パワーモジュール（半導体装置）
２１鉄道車両
２２パンタグラフ
２３インバータ
２４冷却装置
２５プリント基板
２６車両本体
２７自動車
２８車体
２９タイヤ
３０実装ユニット

Claims

半導体素子と、
第１種の金属を主成分とする配線部と、前記配線部上に配置される境界領域と、が設けられた絶縁基板と、
を有し、
前記半導体素子がはんだを介して前記配線部と接続された半導体装置であって、
前記境界領域は、前記はんだが接続される部分の側面部と前記配線部との境目の領域であり、
前記境界領域の少なくとも一部に、第２種の金属を主成分とする金属粒子が設けられ、
前記第２種の金属は、前記はんだの主成分に関して、前記第１種の金属よりぬれ性が高く、
前記第２種の金属は、溶融した前記はんだに吸収されない金属である、半導体装置。
請求項１に記載の半導体装置であって、
前記境界領域の前記はんだと接続する領域に、前記第２種の金属で構成される金属粒子を含む、半導体装置。
請求項１に記載の半導体装置であって、
前記第１種の金属はＣｕであり、前記第２種の金属はＮｉである、半導体装置。
請求項１に記載の半導体装置であって、
前記配線部上にＮｉめっき層が配置され、
前記Ｎｉめっき層は、前記はんだと前記配線部との間に配置されている、半導体装置。
請求項１に記載の半導体装置であって、
前記第２種の金属は、平均粒径が２０μｍ以下の粒子状に構成されている、半導体装置。
半導体素子と、
第１種の金属を主成分とする配線部と、前記配線部上に配置される境界領域と、が設けられた絶縁基板と、
を有し、
前記半導体素子がはんだを介して前記配線部と接続された半導体装置であって、
前記境界領域は、前記はんだが接続される部分の側面部と前記配線部との境目の領域であり、
前記境界領域の少なくとも一部に、第２種の金属を主成分とする金属粒子が設けられ、
前記第２種の金属は、前記はんだの主成分に関して、前記第１種の金属よりぬれ性が高く、
前記はんだの主成分は、ＳｎまたはＰｂであり、
前記配線部の主成分は、ＣｕまたはＡｌであり、
前記配線部の主成分がＣｕの場合には、前記第２種の金属の主成分は、ＮｉまたはＡｇであり、
前記配線部の主成分がＡｌの場合には、前記第２種の金属の主成分は、Ｎｉ、ＡｇまたはＣｕである、半導体装置。
請求項６に記載の半導体装置であって、
前記境界領域の前記はんだと接続する領域に、前記第２種の金属で構成される金属粒子を含む、半導体装置。
請求項６に記載の半導体装置であって、
前記第１種の金属はＣｕであり、前記第２種の金属はＮｉである、半導体装置。
請求項６に記載の半導体装置であって、
前記配線部上にＮｉめっき層が配置され、
前記Ｎｉめっき層は、前記はんだと前記配線部との間に配置されている、半導体装置。
請求項６に記載の半導体装置であって、
前記第２種の金属は、平均粒径が２０μｍ以下の粒子状に構成されている、半導体装置。
請求項１に記載の半導体装置を用いた移動体であって、
前記半導体装置は、外気と接触するように配置されている、移動体。
請求項６に記載の半導体装置を用いた移動体であって、
前記半導体装置は、外気と接触するように配置されている、移動体。