JP2015208765A - 無鉛はんだ材、電力用半導体装置、および電力用半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】接合信頼性の高い無鉛はんだ材、そして、これを用いた高温に対応し、信頼性の高い電力用半導体装置を得ることを目的とする。
【解決手段】鉛を含まないはんだ合金で形成されたはんだ粒子４Ｐｓと、はんだ合金を構成する金属以外の単体金属（例えば、Ｓｂ）で形成され、はんだ合金の融点よりも高い融点を有する単金属粒子４Ｐｃと、を備え、単金属粒子４Ｐｃには、１００μｍを超える最大径Ｄｃｉを有する大径粒子が複数含まれる。
【選択図】図１

Description

本発明は、無鉛はんだ材、およびそれを用いた電力用半導体装置と、その製造方法に関し、とくにリフロー後の融点がリフロー時の温度よりも高くなる無鉛はんだ材に関する。

近年、電子機器の配線基板の多機能化、軽薄短小化に伴い、表面実装技術が急速に発展し、電子部品の表面実装を行う場合には、ほとんどソルダーペーストを用いたリフローはんだ付け方法が行われている。一方、環境への問題から、従来から使用されてきたＳｎ−Ｐｂ系のはんだは使用が制限され、現在ではＳｎ−Ａｇ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金等のいわゆる鉛フリーはんだ合金が用いられるようになっている。鉛フリーはんだ合金の特徴として、例えば、従来のＳｎ−Ｐｂ共晶はんだの融点１８３℃と比較して、２０℃以上融点が上昇する。そのため、使用部品の耐熱温度向上を余儀なくされ、また、これまで容易であった１段階目のはんだ付けを実施した後に、別のはんだ材料にて２段階目のはんだ付けを実施するステップ接合が困難となった。

そこで、リフロー時に溶融する第一金属と、溶融しない第二金属の粒子を含有するはんだ付け用組成物（例えば、特許文献１参照。）が提案されている。このはんだ付け用組成物では、リフロー時に第二金属の粒子成分が第一金属中に拡散することで、溶融後の融点が溶融時の温度より上昇するので、２段目のはんだ付けの際に溶融することがなく、容易にステップ接合を行うことができる。あるいは、融点が上昇するため、耐熱温度が向上し例えば、電力用半導体装置の運転温度の高温化にも対応させることができる。

特開２００２−２３４１９５号公報（段落００１２〜００１６、００２３〜００３０、図１〜図４）

しかしながら、リフロー時に溶融しない粒子が存在する場合、リフロー中あるいはリフロー終了時に粒子が偏って残留することがあり、接合対象間に傾きが生じて、接合部の厚みが薄くなる部分に応力集中が発生し、接合部の寿命が低下するという問題がある。そのため、これを用いて電力用半導体装置を製造すると、信頼性が低下するおそれがあった。

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、溶融後の融点がリフローに必要な温度よりも上昇する接合信頼性の高い無鉛はんだ材、あるいは高温に対応し、信頼性の高い電力用半導体装置を得ることを目的とする。

本発明にかかる無鉛はんだ材は、鉛を含まないはんだ合金で形成された第一粒子と、前記はんだ合金を構成する金属以外の単体金属で形成され、前記はんだ合金の融点よりも高い融点を有する第二粒子と、を備え、前記第二粒子には、１００μｍを超える径を有する大径粒子が複数含まれることを特徴とする。

また、本発明にかかる電力用半導体装置は、回路基板と、上述した無鉛はんだ材を用いて、前記回路基板に接合された電力用半導体素子と、を備え、前記無鉛はんだ材によって形成された接合部には、１００μｍ以上の径の前記大径粒子が複数含まれていることを特徴とする。

また、本発明にかかる電力用半導体装置の製造方法は、回路基板の所定範囲に、上述した無鉛はんだ材を配置する工程と、前記配置した無鉛はんだ材上に電力用半導体素子を設置する工程と、前記はんだ合金が溶融するように加熱して、前記電力用半導体素子を前記回路基板の所定位置に接合する接合工程と、を含み、前記接合工程によって形成された接合部には、１００μｍ以上の径の前記大径粒子が複数含まれていることを特徴とする。

この発明によれば、所望の厚みの接合部を形成できるので、耐熱性および強度を向上させることができる。そのため、接合信頼性の高い無鉛はんだ材、あるいは高温に対応し、信頼性の高い電力用半導体装置を得ることができる。

本発明の実施の形態１にかかる無鉛はんだ材を用いて製造した電力用半導体装置の構成を示す断面模式図である。 本発明の実施の形態１にかかる無鉛はんだ材を用いて電力用半導体装置を製造する方法を説明するための工程ごとの断面図である。 はんだ接合部の厚みと塑性歪との関係を示す図である。 リフロー時の各溶融温度における溶融時間とはんだ中のＳｂ粒子の粒子径の減少量との関係を示す図である。 本発明の実施の形態１にかかる無鉛はんだ材を用いた電力用半導体装置の製造方法のうち、ステップ接合部分について説明するための工程ごとの断面図である。 本発明の実施の形態１の変形例にかかる無鉛はんだ材を用いて電力用半導体装置を製造する方法を説明するための工程ごとの断面図である。

実施の形態１．
図１〜図５は、本発明の実施の形態１にかかる無鉛はんだ材、それを用いた電力用半導体装置と、その製造方法について説明するためのものである。図１は電力用半導体装置のうち、無鉛はんだ材によって接合した主要部分の構成を示す断面模式図、図２は無鉛はんだ材を用いて電力用半導体装置を製造する方法として、基板に電力用半導体素子を接合する際の工程ごとの断面図である。

そして、図３と図４は、無鉛はんだ材に配合するＳｂ粒子の径を定めるためのデータであり、図３ははんだ接合部の厚みと塑性歪との関係を示すグラフ、図４はリフロー時の各溶融温度における溶融時間とはんだ中のＳｂ粒子の粒子径の減少量との関係を示すグラフである。また、図５は無鉛はんだ材を用いた電力用半導体装置の製造方法のうち、ステップ接合部分について説明するための、電力用半導体素子が接合された基板に、ヒートスプレッダを接合する際の工程ごとの断面図である。

本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置、あるいはその製造方法では、接合に用いる無鉛はんだ材、およびそれによって形成された接合部の構成に特徴があるが、その説明に先立ち、無鉛はんだ材を用いた電力用半導体装置の構成について説明する。電力用半導体装置１は、図１に示すように、回路基板として、セラミックの基材２ｉの両面に電極２ｅが形成されたセラミック基板２と、セラミック基板２の一方の面（いわゆる回路面）に、スペーサとなる径（最大径Ｄｃ）を有する単金属粒子４ｃを含有するはんだ接合部４によって接合された電力用半導体素子３と、セラミック基板２の他方の面（いわゆる放熱面）に、スペーサとなる単金属粒子５ｃを含有するはんだ接合部５によって接合されたヒートスプレッダ６とを備えたものである。

電力用半導体素子３は、シリコンウエハを基材とした一般的な素子でも良い。しかし、炭化ケイ素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム系材料（ＧａＮ）、またはダイヤモンドといったシリコンと較べてバンドギャップが広い、いわゆるワイドバンドギャップ半導体材料を用いた場合の方が、運転温度が高く、接合部の信頼性が重要になる。そのため、ワイドバンドギャップ半導体を用いた電力用半導体装置１に本発明を適用すると、後述する本発明の効果がより顕著になる。デバイス種類としては、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field-Effect-Transistor）のようなスイッチング素子、またはダイオードのような整流素子である。

ＭＯＳＦＥＴの場合、電力用半導体素子３のセラミック基板２に接合される面にはドレイン電極が形成されている。そして、ドレイン電極と反対側（図で上側）の面には、ゲート電極やソース電極が、領域を分けて形成されているが、説明を簡略化するため、上側の面の構成については、記載を省略する。また、電力用半導体素子３の上側の面には、外部との電気接続のため、アルミニウム（Ａｌ）ないし銅（Ｃｕ）のリボン、あるいはワイヤ等の図示しない配線部材の一端が接合されている。さらに、回路面側は図示しない封止樹脂によって封止されているが、これらの部分については、発明の特徴と直接関係があるわけではないので、記載を省略する。

また、セラミック基板２の電極２ｅは、銅（Ｃｕ）製で、表面がプリフラックス処理したものを用いている。回路基板については、セラミック基板に限らず、いわゆるプリント基板でもよい。あるいは、リードフレームやヒートスプレッダのような金属部材そのものを基板として用いてもよい。

つぎに、上述した電力用半導体装置１の製造方法のうち、無鉛はんだ材４Ｐを用いたセラミック基板２と電力用半導体素子３との接合方法について図２を用いて説明する。図２（ａ）は、無鉛はんだ材４Ｐをセラミック基板２の電極２ｅの所定領域に選択的に塗布した状態を示すもので、無鉛はんだ材４Ｐは未だ溶融していない状態である。

無鉛はんだ材４Ｐは、はんだ粒子４Ｐｓと、単金属粒子４Ｐｃと、酸化膜還元用のフラックス４Ｐｆを含むペースト状の材料である。はんだ粒子４Ｐｓには、スズ（Ｓｎ）を主成分とするはんだ合金として、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕの組成で、粒径分布が１０〜５０μｍのものを使用した。単金属粒子４Ｐｃは、はんだ粒子４Ｐｓが溶融する際には溶融しないが、溶融したはんだ中に拡散し、融点を上昇させる金属として、アンチモン（Ｓｂ）単体の粒子を用い、溶融・凝固後の接合部４のはんだ合金４ｓ中の含有率が３ｍａｓｓ％〜１０ｍａｓｓ％となるようにした。そして、単金属粒子４Ｐｃには、最大径Ｄｃｉである２００μｍの径を有する複数の大径粒子が面内に分散するように、２００μｍ以上の径を有する粒子の比率（個数基準）が２０％以上になるように粒径分布を調整した。また、大径粒子は、複数あればよく、望ましくは３個以上、より望ましくは１０個以上あればよい。

このように、調整した無鉛はんだ材４Ｐは、例えば、スクリーン印刷のような選択的な印刷により、電極２ｅ上に、平均印刷厚み２００μｍにて供給される。ただし、供給方法はディスペンスやインクジェットなど他の方法でもよいことは言うまでもない。電極２ｅ上に選択的に供給した無鉛はんだ材４Ｐの上に、接続対象である電力用半導体素子３を搭載する。

この状態で、例えば、２５０℃に加熱すると、図２（ｂ）に示すように、無鉛はんだ材４Ｐは、溶融はんだ材４Ｍｓ中に、アンチモンの単金属粒子４Ｍｃが混在する半溶融金属４Ｍとなる。そして、単金属粒子４Ｍｃそのものは溶融しないが、溶融はんだ材４Ｍｓ中に表面から金属成分（Ｓｂ）が拡散していき、粒子径が時間とともに減少していく。

しかし、単金属粒子４Ｍｃ（少なくとも大径粒子）が固体粒子として残存しているうちは、接続対象（電力用半導体素子３）と電極２ｅとの間に残存した固体粒子が介在してスペーサとして機能する。そのため、その間隔が、単金属粒子４Ｍｃのうち、その時点の最大径を有する大径粒子の径以下になることはない。その結果、例えば、表面張力等の影響によって、溶融した液状部分が偏る（傾く）ように変形しようとしても、面内に分散した大径粒子によって支えられ、接続対象と電極２ｅとの平行が保たれる。

そして、２５０℃で２５秒間溶融させたのち冷却すると、図２（ｃ）に示すように、接合部４では、単金属粒子４ｃのうち、１００μｍの最大径Ｄｃを有する大径粒子が残留する。これにより、電力用半導体素子３と電極２ｅとが所定厚み４ｔの接合部４で接合された半接合体１Ａが完成する。このとき、接合部４の厚み４ｔは、接合部４の面内に分散する最大径Ｄｃを有する単金属粒子４ｃによって、１００μｍに規定される。

なお、図２（ｂ）から（ｃ）においては、窒素雰囲気とし、温度プロファイルは、酸化皮膜の還元のためのプリヒート条件として１００℃〜１９０℃で２分以上保持し、その後ピーク温度（２５０℃）まで加熱した後、空冷して凝固させた。

ここで、接合部４内に、上述した単金属粒子４ｃの少なくとも一部が残留するように無鉛はんだ材４Ｐ中に大径粒子を含む単金属粒子４Ｐｃを混入した理由について説明する。
図３は、はんだによる接合部の厚みと、接合部４に生ずる塑性歪との関係を示したもので、横軸が接合部の厚み（例えば、ｔ４）、縦軸が塑性歪を表す。図に示すように、塑性歪は、接合部の厚みが厚くなるほど（図中右に向かうほど）減少する傾向がある。そして、接合部の厚みを薄くしていったとき（図中左に向けて変化）、厚みが１００μｍ以下になると急激に増大することがわかる。別の言い方をすれば、接合部の厚みを１００μｍ以上にすれば、塑性歪を効率的に抑制することができる。

そこで、上述した無鉛はんだ材４Ｐを用いて、接合部４の厚み４ｔを１００μｍに調整するための構成について検討する。つまり、最終的に接合部４の面内に分散する単金属粒子４Ｍｃの最大径Ｄｃが１００μｍとなる条件について検討する。図２（ｂ）のような、溶融はんだ材４Ｍｓ中への拡散溶解によるアンチモンの単金属粒子４Ｍｃの粒子径の減少量（径減少量Δｄ）と溶融時間ｔとの関係を図４に示す。図中、横軸は溶融時間ｔ、縦軸は径減少量Δｄとし、「○」は溶融温度が２５０℃、「△」は溶融温度が３００℃、「□」は溶融温度が３５０℃の場合を示す。

図４で得られた径減少量Δｄと溶融時間ｔとの関係は、式（１）に示すように、温度Ｔと時間ｔの指数関数に近似することができる。

ここで、式（１）によれば、径減少量Δｄは時間ｔの一次関数ではないので、時間当たりの径減少量（径減少速度）は、時間ｔによって変化することになる。しかし、実用的なリフロー時間である１００秒以下の領域では、時間ｔによらず、ほぼ一定であるとみなすことができる。つまり、径減少速度は、一定で、径減少量Δｄは、粒子径や溶融はんだ材４Ｍｓ中のアンチモン濃度に関わらず、温度Ｔをパラメータとした時間ｔの一次関数で近似できる。そこで、最終の最大径Ｄｃが１００μｍになるための条件として、径減少量Δｄが２００μｍ程度以下となる溶融時間と径減少量（μｍ）との関係を表１に示す。

表１に示すように、例えば、溶融温度が２５０℃の場合、５２秒で粒子径が１００μｍ減少する。つまり、単金属粒子４Ｐｃの初期の最大径Ｄｃｉを２００μｍにすれば、接合部４内の単金属粒子４ｃの最大径Ｄｃである大径粒子の径は１００μｍになるので、接合部４の厚み４ｔを１００μｍにすることができる。また、単金属粒子４Ｐｃの初期の最大径Ｄｃｉが１５０μｍの場合、溶融時間を２５秒に短縮すれば、接合部４内の単金属粒子４ｃの最大径Ｄｃを１００μｍにすることができる。あるいは、溶融温度が３５０℃の場合、２２秒で粒子径が１００μｍ減少するので、初期の最大径Ｄｃｉを２００μｍにすればよい。

つまり、溶融温度と時間、および単金属粒子４Ｐｃの初期の最大径Ｄｃｉ（大径粒子の初期の径）の組合せを調整することにより、偏りのない、所望の厚みの接合部４を得ることができる。さらに、溶融後のはんだ合金４ｓ中には、単金属粒子４Ｐｃから溶解したアンチモン成分が加わっているため、溶融前のはんだ粒子４Ｐｓとは組成が異なっている。そのため、溶融後の融点が溶融前の融点よりも上昇するので、無鉛はんだ材４Ｐによって接合部４を形成した後に、接合部４を溶融させることなく、同じ組成の無鉛はんだ材５Ｐを用いて、ステップ接合を行うことができる。

たとえば、図１で説明した本実施の形態１にかかる電力用半導体装置１のようなパワーモジュールでは、チップ（電力用半導体素子３）と絶縁基板（セラミック基板２）との間をはんだによる第一接合部（接合部４）で接合した後、絶縁基板の反対側の面にベース板等の金属部材（ヒートスプレッダ６）をはんだ付けする場合がある。ここで、第一接合部が再溶融すると、チップの底面に設けたメタライズ膜がはんだ中に溶解して消失し、長期信頼性を損なう不良が発生する問題がある。

これに対しては、チップと絶縁基板の間の第一接合部を高融点のはんだで接合し、かつ絶縁基板と金属部材間を低融点のはんだで接合することで、チップ下のはんだが再溶融してチップの底面のメタライズ膜が消失して不良になる問題を解決できる。このような工法をステップはんだ付けと呼び、パワーモジュールにおいては通常に使われている。この時、チップ下のはんだ付け材料としては、一般的には高温はんだと呼ばれる９５％Ｐｂが含まれるはんだを用いるのが通常である。ここで、このようなＰｂを含んだ高温はんだの代替材料として有望なものが見つかっていない事もあり、ＲｏＨＳ規制の除外対象に２０１３年現在は指定されている。

しかしながら、上述したように接合後の接合部４を構成するはんだ合金４ｓの融点は、リフロー（溶融）前の無鉛はんだ材４Ｐ（はんだ粒子４Ｐｓ）の融点（２１３℃）よりも上昇する。例えば、はんだ合金４ｓ中のＳｂ含有量（単金属粒子５ｃそのものを除く）が５％の場合は２２８℃となる。そしてセラミック基板２とヒートスプレッダ６との接合に無鉛はんだ材４Ｐと同じ組成の無鉛はんだ材５Ｐを用いれば、プロセス温度２１３℃ではんだ付けが可能である。

このようなステップはんだ付けにおいて、融点の差が大きいほどプロセスの容易性が増す。すなわちはんだ付け時にワークの温度分布がつくが、最大で２２８℃を超えず、最低で２１３℃を超える事が全面でのはんだ付けが成立する条件であると言える。つまり、同じ組成のはんだを用いても、ステップ接合時の温度差が１５Ｋまで許容されることになる。そのため、接合部４が形成された半接合体１Ａに、無鉛はんだ材４Ｐと同じ組成（少なくともはんだ粒子４Ｐｓ）の無鉛はんだ材５Ｐを用いて、図５に示すように、ヒートスプレッダ６を接合することができる。その際、特許文献１に示されたように、溶融後の融点が２６０℃以上になるまでアンチモン含有量を増大させる必要はない。なお、図５（ａ）〜（ｃ）における動作は、半接合体１Ａを形成する際に説明した図２（ａ）〜（ｃ）と同様であるので、記載を省略する。

また、一般的に融点に近づくほど０．２％耐力が下がり、塑性歪範囲が大きくなる。すなわち融点に近い温度域で使われる場合、はんだ付けによる接合部が保証できるサイクル数は短くなる。しかし、上述したように、はんだ付け後の融点が上昇することで、結果として高温での信頼性が高くなると言える。

また、Ｓｂが含有されることにより、はんだ合金４ｓのはんだ硬さも上昇するので、機械的強度に優れたはんだ合金となっている。その結果、０．２％耐力が増大して、大きな歪変形を受けた時の金属疲労に対する寿命が長くなる。たとえば、チップ抵抗やセラミックコンデンサなどのセラミックをベースとした電子部品、パワーモジュールにおけるＳｉやＳｉＣなどからなる半導体素子を、リードフレームや、樹脂基板にはんだ接合した場合の物性の組合せについて検討する。すると、リードフレームや樹脂基板の線膨脹係数に対して、セラミックをベースにした電子部品や半導体素子は線膨脹係数が大きく異なっている。

例えば、Ｃｕの線膨脹係数は１７ｐｐｍ／Ｋ程度であるのに対して、アルミナなどのセラミックは３ｐｐｍ／Ｋ、Ｓｉは２ｐｐｍ／Ｋ程度である。このような線膨脹係数の差が大きい部材同士をはんだ接合した場合、使用時の温度変化によって伸び縮みの量が異なるため、はんだ接合部がその差を吸収することとなり、はんだ接合部に大きな歪が発生する。一般的に、金属の低サイクル疲労に対しては、塑性歪の振幅が大きいほど早く亀裂が発生、進展して破壊すると言われている。すなわち単金属粒子の成分がはんだ合金４ｓ中に溶解することで、接合部４、５の強度が向上して長期信頼性が高まる。

とくに、本実施の形態１にかかる電力用半導体装置１のようなパワーモジュールにおいては、駆動する電力機器の消費電力の数％がパワーモジュール内での損失となり、ＳｉやＳｉＣからなる電力用半導体素子３や平滑コンデンサが発熱することになる。このような高温での塑性歪が製品の信頼性を左右する製品において、本発明のような無鉛はんだ材４Ｐ、５Ｐを用いれば、所定の間隔（厚み）で偏りのない接合部４、５を形成できるとともに、低温で接合しても高い高温信頼性を獲得でき、接合時のエネルギが低減できる。

変形例．
なお、上記実施の形態１においては、厚みの偏りを防止するとともに厚みを規定するための条件として、単金属粒子４Ｐｃについては、最大径Ｄｃｉを有するもの（大径粒子）についてのみ説明した。しかし、大径粒子のみを用いると、リフロー時の条件（温度、溶融時間）のばらつきにより、アンチモンを含有する部分が偏って、所望の特性（融点、硬度）を得られなくなることも考えられる。そこで、大径粒子大径粒子の他に、リフロー時の条件に多少の変動があっても、大径粒子の径が所定以下（１００μｍ以下）になる前に、はんだ合金４ｓ中に完全に溶解する小さな粒径の微細粒子を混在させるようにしてもよい。

そこで、本変形例においては、二種類の粒径のものを混合した単金属粒子を使用した。図５は本変形例にかかる無鉛はんだ材を用いた電力用半導体装置を製造する方法として、セラミック基板に電力用半導体素子を接合する際の工程ごとの断面図である。すなわち、無鉛はんだ材４Ｐには、図６（ａ）に示すように、単金属粒子４Ｐｃとして、最大径Ｄｃｉを有し、リフロー後にも残留して厚み４ｔを規定するための大径粒子４Ｐｃｓと、最大径Ｄｃｉよりも小さな粒子径を有し、リフロー時に完全に溶解してはんだ合金４ｓの性能を向上させる微細粒子４Ｐｃｒを用いている。

そして、微細粒子４Ｐｃｒの全量＋大径粒子４Ｐｃｓの溶解量の合計が、はんだ合金４ｓ中のＳｂ含有率として、３ｍａｓｓ％〜１０ｍａｓｓ％になるようにした。例えば、この条件において、大径粒子４Ｐｃｓの粒径変動が小さくなるように混合比等を設定する。すると、リフロー条件にばらつきがあっても、大径粒子４Ｐｃｓの最終の最大径Ｄｃの再現性と、はんだ合金４ｓ中のＳｂ含有率の再現性を両立させることができる。

これにより、はんだ付け後の接合部４を塑性歪が生じにくい１００μｍ以上の厚み４ｔに安定して形成できるとともに、はんだ合金４ｓの組成も安定させることができ、信頼性の高い接合（接合部４）が得られる。

なお、本実施の形態あるいは変形例においては、はんだ粒子４Ｐｓ（５Ｐｓも含む）としてＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ、単金属粒子４Ｐｃ（５Ｐｃも含む）としてアンチモンを用いた例を示したが、これに限ることはない。はんだ粒子の溶融時に溶融しないが、溶融はんだ中に拡散により溶解して、はんだ合金の融点及び硬度を上昇させる材料の組合せであれば、鉛を含まない他の組合せ（例えば、特許文献１に記載された組合せ）であっても、粒径や溶融温度、溶融温度を適宜調整すれば、同様の効果を奏することができる。また、無鉛はんだ材４Ｐ、５Ｐとしては、ペースト状の例を示したが、これに限ることはない。例えば、ペレット、バー、パウダー等の他の形態であってもよい。

以上のように、本実施の形態にかかる無鉛はんだ材４Ｐ（無鉛はんだ材「５Ｐ」についても代表して「４Ｐ」として記載する。以下同じ。）によれば、鉛を含まないはんだ合金で形成された第一粒子（はんだ粒子４Ｐｓ）と、はんだ合金を構成する金属以外の単体金属（Ｓｂ）で形成され、はんだ合金の融点よりも高い融点を有する（そして、例えば、溶融状態のはんだ合金（溶融はんだ材４Ｍｓ）中に拡散溶解して、はんだ合金（硬化後のはんだ合金４ｓ）の融点を上昇させる）第二粒子（単金属粒子４Ｐｃ）と、を備え、第二粒子（単金属粒子４Ｐｃ）には、１００μｍを超える径（最大径Ｄｃｉ）を有する大径粒子（例えば、大径粒子４Ｐｃｓ）が複数含まれるように構成したので、（例えば、溶融後の融点が上昇するとともに）第二粒子が所定径（最大径Ｄｃ）で残留するので、偏りが軽減され、所望の厚み（例えば、１００μｍ以上）の接合部４を形成できるので、耐熱性が良好で、かつ、はんだの強度を向上させることができる。そのため、接合信頼性が高く、ステップ接合にも利用できる無鉛はんだ材を得ることができる。あるいは高温に対応し、信頼性の高い電力用半導体装置を得ることができる。なお、傾きは皆無であることが理想であるが、上述したように１００μｍ以上の厚みがある場合は、多少の傾きがあっても応力の集中を回避でき、信頼性を向上させることができる。

第二粒子は、溶融状態のはんだ合金（溶融はんだ材４Ｍｓ）中に拡散溶解して、はんだ合金（硬化後のはんだ合金４ｓ）の融点を上昇させる金属種で構成され、第二粒子（単金属粒子４Ｐｃ）には、大径粒子４Ｐｃｓよりも小さい１００μｍ未満の径を有する微細粒子４Ｐｃｒ、が含まれるように構成する。すると、例えば、溶融状態のはんだ合金（溶融はんだ材４Ｍｓ）中で、大径粒子４Ｐｃｓの径が１００μｍ未満に減少する前に微細粒子４Ｐｃｒが溶解すれば、はんだ付け後の接合部４を塑性歪が生じにくい１００μｍ以上の厚み４ｔに安定して形成できるとともに、はんだ合金４ｓの組成も安定させることができ、信頼性の高い接合（接合部４）が得られる。

そして、はんだ合金は、Ｓｎを含む少なくとも２種の金属（例えば、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ）で構成され、単体金属は、Ｓｂで構成されていれば、確実に上述した効果を発揮できる。

以上のように、本実施の形態にかかる電力用半導体装置１によれば、回路基板（セラミック基板２）と、無鉛はんだ材４Ｐを用いて、回路基板（セラミック基板２）に接合された電力用半導体素子３と、を備え、無鉛はんだ材４Ｐによって形成された接合部４には、大径粒子が、はんだ合金（溶融はんだ材４Ｍｓ）中に拡散溶解する前の径（最大径Ｄｃｉ）よりも小さい１００μｍ以上の径（最大径Ｄｃ）を有して残留しているので、接合部４は、偏りがなく、塑性歪の少ない１００μｍ以上の厚み４ｔを有し、高温に対応し信頼性も向上する。

また、回路基板（セラミック基板２）の電力用半導体素子３が接合された面の反対側に、無鉛はんだ材５Ｐを用いて接合された金属部材（ヒートスプレッダ６）を備えたので、ステップ接合を用いて容易に製作でき、高温に対応し信頼性も向上する。

また、本実施の形態にかかる電力用半導体装置の製造方法によれば、回路基板（セラミック基板２）の所定範囲に、無鉛はんだ材４Ｐを配置する工程と、配置した無鉛はんだ材４Ｐ上に電力用半導体素子３を設置する工程と、はんだ合金（はんだ粒子４Ｐｓ）が溶融するように加熱して、電力用半導体素子３を回路基板（セラミック基板２）の所定位置に接合する接合工程と、を含み、接合工程によって形成された接合部４には、大径粒子（単金属粒子４ｃ）が、はんだ合金（溶融はんだ材４Ｍｓ）中に拡散溶解する前の径（最大径Ｄｃｉ）よりも小さい１００μｍ以上の径（最大径Ｄｃ）を有して残留しているので、偏りがなく、塑性歪の少ない１００μｍ以上の厚み４ｔを有するように接合部４を形成でき、高温に対応した信頼性の高い電力用半導体装置１が得られる。

さらに、回路基板（セラミック基板２）の電力用半導体素子３が接合された反対側の面に、無鉛はんだ材５Ｐを用いて金属部材（ヒートスプレッダ６）を接合する第二接合工程を含み、第二接合工程は、電力用半導体素子３を接合する接合工程の後に、接合工程の加熱温度よりも高く、接合工程で形成された接合部４が溶融する温度よりも低い温度で実行されるので、接合部４を損傷させることなく、ステップ接合により、容易に高温に対応した信頼性の高い電力用半導体装置１が得られる。

１：電力用半導体装置、 ２：セラミック基板（回路基板）、 ３：電力用半導体素子（電子部品）、 ４，５：接合部（接合後の無鉛はんだ材）、 ４ｃ，５ｃ：（リフロー後に残留した）単金属粒子、 ４Ｐ，５Ｐ：無鉛はんだ材、 ４Ｐｓ，５Ｐｓ：はんだ粒子（第一粒子）、 ４Ｐｃ，５Ｐｃ：単金属粒子（第二粒子）、 ４Ｐｃｒ：微細粒子、
４Ｐｃｓ：大径粒子、 ４ｓ，５ｓ：（リフロー後の）はんだ合金、 ６：ヒートスプレッダ（金属部材）
Ｄｃｉ：（リフロー前の）単金属粒子の最大径、 Ｄｃ：（リフロー後の）単金属粒子の最大径、 ｔ４，ｔ５：接合部の厚み。

Claims (9)

1. 鉛を含まないはんだ合金で形成された第一粒子と、
   前記はんだ合金を構成する金属以外の単体金属で形成され、前記はんだ合金の融点よりも高い融点を有する第二粒子と、を備え、
   前記第二粒子には、１００μｍを超える径を有する大径粒子が複数含まれることを特徴とする無鉛はんだ材。
2. 前記第二粒子は、溶融状態の前記はんだ合金中に拡散溶解する金属で構成され、
   前記第二粒子には、径が１００μｍ未満の微細粒子が含まれることを特徴とする請求項１に記載の無鉛はんだ材。
3. 前記はんだ合金は、Ｓｎを含む少なくとも２種の金属で構成され、
   前記単体金属は、Ｓｂで構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の無鉛はんだ材。
4. 回路基板と、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の無鉛はんだ材を用いて、前記回路基板に接合された電力用半導体素子と、を備え、
   前記無鉛はんだ材によって形成された接合部には、１００μｍ以上の径の前記大径粒子が複数含まれていることを特徴とする電力用半導体装置。
5. 前記回路基板の前記電力用半導体素子が接合された面の反対側に、前記無鉛はんだ材を用いて接合された金属部材を備えたことを特徴とする請求項４に記載の電力用半導体装置。
6. 前記電力用半導体素子がワイドバンドギャップ半導体材料により形成されていることを特徴とする請求項４または５に記載の電力用半導体装置。
7. 前記ワイドバンドギャップ半導体材料は、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料、およびダイヤモンドのうちのいずれかであることを特徴とする請求項６に記載の電力用半導体装置。
8. 回路基板の所定範囲に、請求項１から３のいずれか１項に記載の無鉛はんだ材を配置する工程と、
   前記配置した無鉛はんだ材上に電力用半導体素子を設置する工程と、
   前記はんだ合金が溶融するように加熱して、前記電力用半導体素子を前記回路基板の所定位置に接合する接合工程と、を含み、
   前記接合工程によって形成された接合部には、１００μｍ以上の径の前記大径粒子が複数含まれていることを特徴とする電力用半導体装置の製造方法。
9. 前記回路基板の前記電力用半導体素子が接合された反対側の面に、前記無鉛はんだ材を用いて金属部材を接合する第二接合工程を含み、
   前記第二接合工程は、前記接合工程の後に、前記接合工程の加熱温度よりも高く、前記接合工程で形成された接合部が溶融する温度よりも低い温度で実行されることを特徴とする請求項８に記載の電力用半導体装置の製造方法。

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