JP2019135734A - 接合用シート、その製造方法、半導体モジュール及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】接合時に電子部品及び基板に対する密着性に優れ、接合強度が高く、接合後に高温雰囲気に晒されても再溶融せず、また電子部品及び／又は基板が発熱と冷却を反復したときの基板から生じるクラックを電子部品まで進展させない。【解決手段】ＣｕとＳｎを含むペースト１４の塗布圧延層１１、１２がＣｕ又はＡｌからなるコアシート１３の両面にそれぞれ設けられた接合用シート１０である。この接合用シートは、ＣｕとＳｎを含むペーストをＣｕ又はＡｌからなるコアシートの両面にそれぞれ塗布し乾燥して乾燥層１５、１６を形成した後、コアシートの両面の乾燥層とコアシートを一体的に加圧成形してコアシートの両面にペーストの塗布圧延層をそれぞれ設けることにより、製造される。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体チップ素子、ＬＥＤチップ素子等の電子部品を基板に接合するために用いられる接合用シート及びその製造方法に関する。更にこの接合用シートが用いられた半導体モジュール及びその製造方法に関する。

近年、２００℃を超える高温でも動作する、ＳｉＣのようなワイドギャップ半導体が注目されている。高温で動作する半導体チップ素子の接合方法として、ＣｕとＳｎを含む接合材料を半導体チップ素子と基板との間に介在させ、Ｓｎの融点より高い温度で加熱し、前記接合材をＣｕ₆Ｓｎ₅やＣｕ₃Ｓｎからなる組成の金属間化合物（Inter-Metallic Compound：ＩＭＣ）とする遷移的液相焼結法（Transient Liquid Phase Sintering：ＴＬＰ法）と呼ばれる接合方法が注目されている。この接合方法を用いた半導体モジュールの製造方法が開示されている（例えば、特許文献１及び２参照。）。

特許文献１の半導体モジュールの製造方法では、２つのＣｕ含有はんだ付け母材と、これら２つのＣｕ含有はんだ付け母材の間に配置されたＳｎ含有はんだ層とを、所定の圧力で互いに加圧し合って、これらのはんだを溶融させ、所定の時間が終了した後、この液状のはんだから拡散されたＣｕ及びＳｎが、金属間化合物ＣｕＳｎ相を含む接続層を形成する。即ち、この製造方法では、表面をＣｕメタライズした接合母材同士をＳｎ含有はんだ層で挟み込んで接合層を形成している。この製造方法によれば、パワー半導体モジュールの動作中に生じる高温度の変動を伴う頻繁な温度変化に対する耐性（以下、高温での耐性という。）が改善されるとされる。

特許文献２の半導体モジュールの製造方法は、半導体チップ素子又は基板の接合面に、Ｃｕ粒子とＳｎ粒子を含む接合剤を塗布する工程と、半導体チップ素子の接合面と基板の接合面を接合剤を介在して合わせる工程と、Ｓｎの融点より高い温度で加熱し、接合剤のＣｕとＳｎを遷移的液相焼結させて、この接合剤をＣｕ₆Ｓｎ₅とＣｕ₃Ｓｎを含む組成にする工程と、更に加熱し接合剤のＣｕ₆Ｓｎ₅をＣｕ₃Ｓｎに変化させて、接合剤におけるＣｕ₃Ｓｎの比率を増やす工程とを有する。即ち、この製造方法では、粉末状のＣｕと粉末状のＳｎを混合し、この混合物に溶剤やフラックスを加えてペースト化し、このペーストを半導体チップ素子の電極と基板の電極に印刷する。この製造方法によれば、高温で動作する半導体チップ素子の接合に、従来のはんだを用いる方法を用いた場合、高温での動作時に、はんだの再溶融、界面に金属間化合物（ＩＭＣ）の形成などにより半導体チップ素子の性能が劣化していたが、これを解決できるとされる。

特開２０１２−７４７２６号公報（要約） 特開２０１４−１９９８５２号公報（請求項１、段落[０００５]、段落[０００６]）

特許文献１又は特許文献２に記載された半導体モジュールにおける半導体チップ素子と基板とを接合するための接続層又は接合剤は、金属間化合物ＣｕＳｎ相又はＣｕ₃Ｓｎにより構成される。こうしたＣｕＳｎ金属間化合物層は脆性材料であるため、半導体モジュールがオンオフ動作を繰り返して半導体チップ素子及び／又は基板が発熱と冷却を反復した場合には、図５に示すように、半導体モジュール１において、ＣｕＳｎ金属間化合物層により構成された接合層３を介して接合された半導体チップ素子４及び基板５は、両者の熱膨張差に起因して生じた応力を十分に緩和することができず、接合層３に基板５から接合層３を縦断するようなクラックＣが入り、時には、このクラックＣが基板５から半導体チップ素子４まで進展して達して、半導体チップ素子４、即ち電子部品を損傷させることがあった。

本発明の目的は、上記課題を解決し、接合時に電子部品及び基板に対する密着性に優れ、接合強度が高く、接合後に高温雰囲気に晒されても再溶融せず、また電子部品及び／又は基板が発熱と冷却を反復したときの基板から生じるクラックを電子部品まで進展させない接合用シート及びその製造方法を提供することにある。本発明の別の目的は、半導体モジュールがオンオフ動作を繰り返しても電子部品が損傷しない半導体モジュール及びその製造方法を提供することにある。

本発明の第１の観点は、図２（ａ）に示すように、電子部品２４を基板２５に接合するための接合用シート１０において、ＣｕとＳｎを含むペーストの塗布圧延層１１、１２がＣｕ又はＡｌからなるコアシート１３の両面にそれぞれ設けられたことを特徴とする接合用シート１０である。

本発明の第２の観点は、第１の観点に基づく発明であって、コアシート１３の厚さが８μｍ〜４７μｍであり、このコアシートの両面に設けられた上面及び下面塗布圧延層１１、１２の各厚さはほぼ同一であって、各厚さが１４μｍ〜４９μｍであり、塗布圧延層中の金属成分１００質量％に対してＣｕの含有量が４５質量％〜７７質量％であり、Ｓｎの含有量がその残部である接合用シート１０である。

本発明の第３の観点は、図１（ａ）〜図１（ｃ）に示すように、ＣｕとＳｎを含むペースト１４をＣｕ又はＡｌからなるコアシート１３の両面にそれぞれ塗布し乾燥して乾燥層１５、１６を形成した後、コアシート１３の両面に形成された乾燥層１５、１６とコアシート１３を一体的に加圧成形してコアシート１３の両面にペースト１４の塗布圧延層１１、１２をそれぞれ設ける請求項１又は２記載の接合用シートを製造する方法である。

本発明の第４の観点は、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、第１又は第２の観点の接合用シート１０或いは第３又は第４の観点の方法により製造された接合用シート１０を電子部品２４と基板２５の間に介在させ、この介在させた状態で、不活性雰囲気又は還元性雰囲気下、電子部品２４及び／又は基板２５に１ＭＰａ〜２０ＭＰａの圧力を加えかつ２５０℃〜３５０℃の温度で１分〜２０分間加熱することにより、電子部品２４を基板２５に接合する半導体モジュール３０を製造する方法である。

本発明の第５の観点は、電子部品が基板に接合された半導体モジュールにおける接合層において、Ｃｕ又はＡｌからなるコアシートの両面にＣｕＳｎ金属間化合物層がそれぞれ設けられたことを特徴とする接合層である。

本発明の第６の観点は、第５の観点の接合層が電子部品と基板の間に介在する半導体モジュールである。

図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、本発明の第１の観点の接合用シート１０では、ＣｕとＳｎを含むペーストの塗布圧延層１１、１２がＣｕ又はＡｌからなるコアシート１３の両面にそれぞれ設けられる。このため、熱圧成形により電子部品２４を基板２５に接合するときに、塗布圧延層１１、１２がＣｕＳｎ金属間化合物層２１、２２に変化しかつ延性のあるＣｕ又はＡｌからなるコアシート１３が延伸することにより、ＣｕＳｎ金属間化合物層２１、２２及びコアシート１３からなる接合層２３になる。このＣｕＳｎ金属間化合物層は、電子部品２４及び基板２５に対する密着性に優れ、融点の高い金属間化合物Ｃｕ₃Ｓｎ（凝固開始温度が６７６℃）又はＣｕ₆Ｓｎ₅（凝固開始温度が４１５℃）で構成されるため、接合後に高温雰囲気に晒されても再溶融せず、高温での耐性に優れる。また接合層２３中に位置するＣｕ又はＡｌからなるコアシート１３は、脆性でないため、電子部品及び／又は基板が発熱と冷却を反復したときに、延び縮みして応力を緩和するとともに、電子部品と基板の各熱膨張差に起因して基板からクラックを生じても、図４に示すようにコアシート１３がこのクラックＣをせき止めて、電子部品２４まで進展させず、かつ接合層２３の熱抵抗を増加させない。

本発明の第２の観点の接合用シート１０は、コアシート１３の厚さが８μｍ〜４７μｍであるため、上述したクラックＣの進展をより一層有効にせき止める。また塗布圧延層１１、１２の厚さが１４μｍ〜４９μｍであるため、電子部品２４及び基板２５に対する密着性により優れた接合層２３にする。更に塗布圧延層中にＣｕとＳｎを所定の割合で含有することにより、塗布圧延層１１、１２をより高温での耐性があるＣｕＳｎ金属間化合物層２１、２２にする。

本発明の第３の観点の接合用シートの製造方法では、図１（ａ）〜図１（ｃ）に示すように、ＣｕとＳｎを含むペースト１４をＣｕ又はＡｌからなるコアシート１３の両面にそれぞれ塗布し乾燥して乾燥層１５、１６を形成した後、これらの乾燥層１５、１６とコアシート１３を一体的に加圧成形して、ペーストの塗布圧延層１１、１２をコアシート１３の両面にそれぞれ設けることにより、接合用シート１０の取扱い時に塗布圧延層１１、１２がコアシート１３から剥離又は脱落しにくくなる。

図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、本発明の第４の観点の半導体モジュールの製造方法では、接合用シート１０を電子部品２４と基板２５の間に介在させた状態で、不活性雰囲気又は還元性雰囲気下、所定の圧力と所定の温度で熱圧成形することにより、接合用シート１０の塗布圧延層１１、１２がＣｕＳｎ金属間化合物層２１、２２に変化しかつ延性のあるＣｕ又はＡｌからなるコアシート１３が延伸することにより、接合層２３になって、半導体モジュール３０が製造される。

本発明の第５の観点の接合層は、図２（ｂ）に示すように、Ｃｕ又はＡｌからなるコアシート１３の両面に融点の高いＣｕＳｎ金属間化合物層２１、２２が設けられるため、接合後に高温雰囲気に晒されても、ＣｕＳｎ金属間化合物層２１、２２が再溶融せず、高温での耐性に優れる。また接合層２３中に位置するＣｕ又はＡｌからなるコアシート１３は、電子部品２４及び／又は基板２５が発熱と冷却を反復したときに、延び縮みして応力を緩和するとともに、電子部品２４と基板２５の各熱膨張差に起因して基板からクラックＣを生じても、コアシート１３がこのクラックＣをせき止めて、電子部品２４まで進展させず、かつ接合層２３の熱抵抗を増加させない。

本発明の第６の観点の半導体モジュール３０は、接合層２３中にコアシート１３を有するため、半導体モジュール３０がオンオフ動作を繰り返して、基板２５からクラックＣを生じても、コアシート１３がこのクラックＣをせき止めて、電子部品２４まで進展させず、電子部品２４が損傷しない。またコアシート１３により、接合層２３の熱抵抗を増加させない。

本実施形態の接合用シートを製造するまでの図である。図１（ａ）はペーストをコアシートの片面に塗布する図であり、図１（ｂ）はコアシートの両面に塗布したペーストを乾燥して乾燥層を形成する図であり、図１（ｃ）は乾燥層を加圧成形した後の塗布圧延層をコアシートの両面に形成する図である。 本実施形態の半導体モジュールを製造するまでの図である。図２（ａ）は接合用シートを半導体チップ素子と基板の間に介在させた接合前の図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）に示される半導体チップ素子と基板の間に接合用シートを介在させた状態で熱圧成形して半導体チップ素子を基板に接合した後の図である。 比較例１の半導体モジュールの構成図である。 本実施形態の半導体モジュールの接合層にクラックが生じたときの模式図である。 従来の半導体モジュールの接合層にクラックが生じたときの模式図である。

次に本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。

〔接合用シート〕
図１（ｃ）に示すように、本実施形態の接合用シート１０は、ＣｕとＳｎを含むペーストの塗布圧延層１１、１２がＣｕ又はＡｌからなるコアシート１３の両面にそれぞれ設けられる。ＣｕとＳｎを含むペーストとしては、Ｃｕ粉末とＳｎ粉末とをフラックスに混合して調製されるペースト、ＣｕコアＳｎシェル粉末をフラックスに混合して調製されるペースト、Ｃｕ粉末とＳｎ粉末とＣｕコアＳｎシェル粉末を混合した混合粉末をフラックスに混合して調製されるペーストが挙げられる。ＣｕコアＳｎシェル粉末は、Ｃｕからなるコアと、このコアを被覆するＳｎからなるシェルとにより構成される。Ｃｕ粉末、Ｓｎ粉末、ＣｕコアＳｎシェル粉末の各平均粒径は、後述する塗布圧延層１１の厚さ（１４μｍ〜４９μｍ）を考慮して、１μｍ〜１０μｍであることが好ましい。この平均粒径はレーザー回折散乱法を用いた粒度分布測定装置（堀場製作所製、レーザー回折／散乱式粒子径分布装置ＬＡ−９５０）にて測定した体積累積中位径（Ｍｅｄｉａｎ径、Ｄ₅₀）である。

ペースト中のＣｕとＳｎの各含有割合は、ペーストの塗布圧延層１１中のＣｕとＳｎの各含有割合と同じである。Ｃｕの含有割合は、ペースト又は塗布圧延層中の金属成分１００質量％に対して４５質量％〜７７質量％が好ましく、５０質量％〜６５質量％が更に好ましい。一方、ペースト又は塗布圧延層中のＳｎの含有割合は、Ｃｕを除いた上記金属成分の残部である。Ｃｕの含有割合が４５質量％未満では、ＣｕＳｎ金属間化合物層を形成した後も、接合層においてＳｎが余剰となり、接合層の高温での耐性が低下し易い。またＣｕの含有割合が７７質量％を超えると、接合時に生じるＳｎ相が不足し電子部品の基板への接合性が低下し易い。ペーストは金属成分とフラックスとを質量比で８５〜９５：５〜１５（金属成分：フラックス）の割合で混合して調製される。このフラックスは、公知の汎用される溶剤、ロジン及びチキソ剤を、必要により活性剤を混合して調製される。

ペーストの塗布圧延層１１、１２の各厚さは、１４μｍ〜４９μｍが好ましく、２０μｍ〜４０μｍが更に好ましい。塗布圧延層の厚さが１４μｍ未満では、接合時に生じるＳｎ相が不足し電子部品の基板への接合性が低下し易い。また塗布圧延相の厚さが４９μｍを超えると、図２（ｂ）に示される接合層２３の熱抵抗が大きくなり、接合層の放熱特性が低下し易い。

コアシート１３は、接合温度である２５０℃〜３００℃で溶融せずかつ延性のあるＣｕ又はＡｌにより構成される。コアシートの厚さは、８μｍ〜４７μｍが好ましく、１５μｍ〜３５μｍが更に好ましい。コアシートの厚さが８μｍ未満では、半導体モジュール０がオンオフ動作を繰り返して、基板からクラックを生じたときに、コアシート１３にも亀裂が生じ、このクラックが電子部品にまで進展するおそれを生じる。またコアシートの厚さが４７μｍを超えると、図２（ｂ）に示される接合層２３の熱抵抗が大きくなり、接合層の放熱特性が低下し易い。このコアシートとしては、Ｃｕ又はＡｌの金属箔、Ｃｕ又はＡｌの薄板が例示される。Ａｌの場合、Ａｌ箔又はＡｌ薄板の両面にＮｉめっきをしておくことが、溶融したＳｎの接合性を高めるために必要である。接合用シートの全厚は、塗布圧延層１１とコアシート１３の各厚さから４０μｍ〜１５０μｍの厚さを有する。好ましい全厚は７０μｍ〜１２０μｍである。

〔接合用シートの製造方法〕
接合用シート１０を製造するには、先ず、図１（ａ）に示すように、コアシート１３の片面に上述したＣｕとＳｎを含むペースト１４を塗布する。例えば、スキージＳを用いてドクターブレード法により、塗布圧延層１１の厚さが得られるように、ペースト１４を３０μｍ〜１００μｍの厚さに均一に塗布する。図示しないが、次いで、別の片面にも同様にペーストを塗布する。コアシートの両面におけるペーストの塗布厚は、互いに同一であることが電子部品の基板への接合性を高めるため、好ましい。

次いで、ペースト１４を塗布したコアシート１３を例えば、温度２０℃〜８０℃で１０分〜９０分間乾燥する。乾燥雰囲気は、ペースト及びコアシートの酸化防止のために、真空ガス、窒素ガス、アルゴンガス又は窒素と水素の混合ガスもしくは窒素とアルゴンの混合ガス等の不活性雰囲気で乾燥する。これにより図１（ｂ）に示すようにコアシート１３の両面に形成された乾燥層１５、１６が形成され、これらの乾燥層１５、１６に圧力を加えて、乾燥雰囲気と同一の雰囲気下で加圧成形する。これにより乾燥層１５、１６が上述したペーストの塗布圧延層１１、１２になり、図１（ｃ）に示すようにコアシート１３の両面にペーストの塗布圧延層１１、１２が形成された三層構造の接合用シート１０が得られる。加圧成形時の圧力は、１０ＭＰａ〜１００ＭＰａが好ましい。１０ＭＰａ未満ではペーストの塗布圧延層１１の密度が低く、接合用シートの取扱い時に塗布圧延層１１がコアシート１３から脱落し易い。１００ＭＰａを超えると、塗布圧延層及びコアシートが延びてしまう不具合を生じ易い。乾燥層が加圧成形された接合用シートは、接合用シートの取扱い時に塗布圧延層１１、１２がコアシート１３から剥離又は脱落しにくくなる。

〔半導体モジュールの製造方法〕
図２（ａ）に示すように、上述した接合用シート１０を電子部品２４と基板２５の間に介在させる。次いで、この介在させた状態で、図２（ｂ）に示すように、図示しない下プレスと上プレスとにより、フラックス中の活性剤の有無により、不活性雰囲気又は還元性雰囲気下、熱圧成形する。熱圧成形条件は、電子部品及び／又は基板に１ＭＰａ〜２０ＭＰａの圧力が加えられ、同時に２５０℃〜３５０℃の温度が１分〜２０分間加えられる。圧力が１ＭＰａ未満では、接合強度が低く、２０ＭＰａを超えると、電子部品が機械的に損傷する。好ましい圧力は５ＭＰａ〜１０ＭＰａである。また温度が２５０℃未満ではＳｎ溶融が不十分で接合強度が低く、時間が１分未満では、塗布圧延層がＣｕＳｎ金属間化合物層に変化せず、接合強度が低い。更に温度が３５０℃を超えると冷却時の熱応力により半導体モジュールに大きな歪みがかかり、時間が２０分を超えると、生産性が低下する。好ましい温度は２８０℃〜３２０℃であり、好ましい時間は３分〜１０分である。この結果、ＣｕＳｎ金属間化合物層２１、コアシート１３及びＣｕＳｎ金属間化合物層２からなる接合層２３により電子部品２４が基板２５に接合した半導体モジュール３０が得られる。

本実施形態の半導体モジュール３０は、接合層２３が、凝固開始温度４１５℃のＣｕ₆Ｓｎ₅又は凝固開始温度６７６℃のＣｕ₃Ｓｎに代表される高い凝固開始温度を有するＳｎＣｕ金属間化合物層２１、２２を有する。これにより、接合層２３は、耐熱性が大幅に向上し、再溶融及び接合強度の低下を防止することができ、特に高温雰囲気に晒される電子部品の基板への実装に適する。また接合層中のコアシート１３は、電子部品２４及び／又は基板２５が発熱と冷却を反復したときに、延び縮みして応力を緩和するとともに、電子部品２４と基板２５の各熱膨張差に起因して基板からクラックを生じても、コアシート１３がこのクラックをせき止めて、電子部品２４まで進展させず、かつ接合層２３の熱抵抗を増加させない。

次に本発明の実施例を比較例とともに詳しく説明する。

＜実施例１＞
平均粒径１０μｍのＳｎ粉末と平均粒径１０μｍのＣｕ粉末をＣｕの割合が６０質量％になるように混合した。この混合粉末と弱い活性剤を添加した弱活性化フラックス（ＲＭＡフラックス）を、フラックスの割合が１３質量％になるように混合してペーストを調製した。コアシートとして厚さ２０μｍのＣｕ箔を用意した。このＣｕ箔の両面にペーストを厚さが５０μｍになるようにメタルマスク法により印刷し塗布した。このＣｕ箔を室温で６０分間真空乾燥してＣｕ箔の両面に乾燥層を形成した。両面に乾燥層を形成したＣｕ箔を上下プレスの間に入れ、窒素雰囲気下、室温で５０ＭＰａの圧力で加圧成形した。これにより、Ｃｕ箔の両面にペーストの塗布圧延層が形成された三層構造の接合用シートを得た。

この接合用シートにおける上面塗布圧延層、コアシート及び下面塗布圧延層の各平均厚さを、走査型電子顕微鏡（日立ハイテクロジーズ(株)製、型番SU-8000）による接合用シートの断面観察により測定した。その結果、Ｃｕ箔の上面に形成された塗布圧延層の平均厚さは３１μｍ、加圧成形後のコアシートの平均厚さは１９μｍ及びＣｕ箔の下面に形成された塗布圧延層の平均厚さは３２μｍであった。また接合用シートにおける上面塗布圧延層中のＣｕの含有割合を透過型電子顕微鏡−エネルギー分散型Ｘ線分析法（ＴＥＭ−ＥＤＸ）により求めた。その結果、Ｃｕの含有割合は５９質量％であった。実施例１のＣｕ粉末の混合割合、加圧前のコアシートの種類と厚さ、ペーストの塗布厚、加圧後の上面塗布圧延層とコアシートと下面塗布圧延層の各平均厚さ及び上面塗布圧延層中のＣｕの含有割合を表１に示す。

得られた接合用シートを５ｍｍ□サイズに成形したのち、０．５ｍｍ厚の２０ｍｍ□のコバール（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金）基板上に配置した。この基板上の接合用シート上面に、裏面がＡｕスパッタリングされた５ｍｍ□の半導体チップ素子を搭載した。コバール基板・接合用シート・半導体チップ素子の積層体を窒素雰囲気下のプレス機にセットし、１０ＭＰａの圧力を加え、３００℃の温度で５分間熱圧成形した。これにより半導体チップ素子がコバール基板に接合された模擬的な半導体モジュールを得た。実施例１の模擬的な半導体モジュールを熱圧成形する条件を表２に示す。

＜実施例２〜１１、比較例２〜７＞
表１に示すＣｕ粉末の混合割合、加圧前のコアシートの種類と厚さ、ペーストの塗布厚を選定することにより、実施例２〜１１及び比較例２〜７の各接合用シートを得た。なお、実施例４のコアシートは、３０μｍ厚のＡｌ箔の両面に５μｍ厚のＮｉめっきがされた厚さ４０μｍのコアシートを用いた。また得られた接合用シートを表２に示す条件でそれぞれ熱圧成形して、実施例２〜１１及び比較例２〜７の模擬的な各半導体モジュールを得た。実施例４では、乾燥雰囲気及び加圧成形するときの雰囲気を５体積％の水素ガスを含む窒素ガスの雰囲気とした。

＜比較例１＞
実施例１で用いたペーストをガラス板に厚さ１００μｍで実施例１と同様に印刷塗布した。このペースト付きガラス板を室温で６０分間真空乾燥してガラス板の上面に乾燥層を形成した。乾燥層を形成したガラス板を上下プレスの間に入れ、窒素雰囲気下、室温で５０ＭＰａの圧力で加圧成形した。これにより、ガラス板の上面にペーストの塗布圧延層が形成された接合用シートを得た。得られた塗布圧延層の平均厚さは７５μｍであった。また塗布圧延層中のＣｕの含有割合は５７質量％であった。この単一層の塗布圧延層をガラス板から剥離して実施例１と同様にして、図３に示される模擬的な半導体モジュール１を得た。この半導体モジュール１は、ＣｕＳｎ金属間化合物層からなる接合層３を介して半導体チップ素子３が基板５に接合される。

＜比較評価＞
実施例１〜１１及び比較例１〜７の１８種類の模擬的な半導体モジュールについて、次の冷熱衝撃試験を行った。具体的には、接合層で接合されたコバール基板及び半導体チップ素子を冷熱衝撃試験機（エスペック社製TSB-51）を用いて、液相（フロリナート）で、−４０℃で５分間、２００℃で５分間の冷熱サイクルを２０００回実施した。この冷熱衝撃試験の後で１８種類の模擬的な半導体モジュールのシェア強度を、ＪＩＳ Ｚ ３１９８−７に記されている鉛フリーハンダ試験方法−第７部の「チップ部品におけるハンダ接合のシェア強度測定方法」に準拠して、室温でそれぞれ測定した。その結果を表２に示す。シェア強度が４０ＭＰａ以上であれば「優」とし、２０ＭＰａ〜４０ＭＰａであれば「良」とし、１０ＭＰａ〜２０ＭＰａであれば「可」とし、１０ＭＰａ未満であれば「不可」とした。

表２から実施例１〜１１と比較例１〜７とを比較すると次のことが分かった。
ＣｕとＳｎを含むペーストの塗布圧延層がＣｕ又はＡｌからなるコアシートの両面にそれぞれ設けられたことを特徴とする接合用シートを有する実施例１〜８ではいずれも冷熱衝撃試験後のシェア強度が２０ＭＰａ以上となり、良好な接合状態が維持されていることが分かった。また、実施例９〜１１ではいずれも冷熱衝撃試験後のシェア強度が１０〜２０ＭＰａ以上となった。接合は維持しているものの比較的低い強度を示しており、接合シート中のコアシートの厚みやペースト塗布層には好ましい範囲が存在することが確認された。

一方、コアシートを含まない比較例１ではシェア強度は１０ＭＰａ以下に低下していた。これはコアシートがないために冷熱衝撃試験中に接合層にかかる応力から発生したクラックが進展して、局所的に接合層の剥離が生じているからと考えられる。また、コアシートを含む比較例２〜７においてもシェア強度は１０ＭＰａ以下に低下していた。これらは、加圧不足による接合層と基板、素子との密着性不足（比較例２）、過剰な圧力による基板、素子の部分的破壊（比較例３）、低温によるＳｎ液相の生成不足による密着性不足（比較例４）、高温から室温に冷却した時の各部材の熱膨張差による過剰な応力ひずみによる部分的破壊（比較例５）、加熱不足によりＳｎ−Ｃｕ相互拡散による金属間化合物生成不足（比較例６）、過加熱によるＳｎ−Ｃｕ相互拡散によるカーケンダールボイド（kirkendall void）の生成（比較例７）などのためと考えられる。

本発明は、高温雰囲気に晒される電子部品を基板に接合する接合用シート及び冷熱を繰り返す半導体モジュールに利用できる。

１０ 接合用シート
１１、１２ 塗布圧延層
１３ コアシート
１４ ペースト
１５、１６ 乾燥層
２１、２２ ＣｕＳｎ金属間化合物層
２３ 接合層
２４ 電子部品
２５ 基板
３０ 半導体モジュール

Claims (6)

1. 電子部品を基板に接合するための接合用シートにおいて、
   ＣｕとＳｎを含むペーストの塗布圧延層がＣｕ又はＡｌからなるコアシートの両面にそれぞれ設けられたことを特徴とする接合用シート。
2. 前記コアシートの厚さが８μｍ〜４７μｍであり、前記コアシートの両面に設けられた上面及び下面塗布圧延層の各厚さはほぼ同一であって、各厚さが１４μｍ〜４９μｍであり、前記塗布圧延層中の金属成分１００質量％に対してＣｕの含有量が４５質量％〜７７質量％であり、Ｓｎの含有量がその残部である請求項１記載の接合用シート。
3. ＣｕとＳｎを含むペーストをＣｕ又はＡｌからなるコアシートの両面にそれぞれ塗布し乾燥して乾燥層を形成した後、前記コアシートの両面に形成された乾燥層と前記コアシートを一体的に加圧成形して前記コアシートの両面に前記ペーストの塗布圧延層をそれぞれ設ける請求項１又は２記載の接合用シートを製造する方法。
4. 請求項１又は２記載の接合用シート或いは請求項３又は４記載の方法により製造された接合用シートを電子部品と基板の間に介在させ、この介在させた状態で、不活性雰囲気又は還元性雰囲気下、前記電子部品及び／又は前記基板に１ＭＰａ〜２０ＭＰａの圧力を加えかつ２５０℃〜３５０℃の温度で１分〜２０分間加熱することにより、前記電子部品を前記基板に接合する半導体モジュールを製造する方法。
5. 電子部品が基板に接合された半導体モジュールにおける接合層において、
   Ｃｕ又はＡｌからなるコアシートの両面にＣｕＳｎ金属間化合物層がそれぞれ設けられたことを特徴とする接合層。
6. 請求項５記載の接合層が電子部品と基板の間に介在する半導体モジュール。

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