JP4461268B2 - 半導体装置部品およびその製造方法ならびにこれを用いた半導体装置 - Google Patents
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Description
さらに近年、環境問題によって鉛を含有しないはんだ、すなわちPbフリーはんだの要求が高まっており、回路基板と放熱板の接合に、Sn-Cu系(SnとCuを主成分とするもの)、Sn-Ag系(SnとAgを主成分とするもの)、Sn-Ag-Cu系(SnとAgとCuを主成分とするもの)などのPbフリーはんだを使用すると、はんだ接合時に放熱板の反りが大きくなってしまう。放熱板は放熱用フィンに固定されるので、そりが大きいと接触面積が少なくなり、フィン側への放熱性が大きく低下してしまう。
そりが大きくなる理由として、はんだが凝固すると同時に回路基板と放熱板の熱膨張係数差による応力が加わり、負荷応力に応じて放熱板が変形する。Sn-Pb系(SnとPbを主成分とするもの)のはんだでは、変形後の負荷応力に対してクリープによる変形が起こり、放熱板のそり量は少なくなる。しかしPbフリーはんだは常温でクリープによる変形が少なく、放熱板は大きく反ったままである。
また、熱伝導率が高くかつ加熱時に軟化しにくい材料、つまり加熱時に耐力の劣化が少ない析出強化型の銅基合金などの材料を用いる手法もある(例えば、特許文献1参照。)が、Pbフリーはんだを変形させるには至らない。
そこで、これを本質的に解決するには熱膨張係数を低くした放熱板が必要となる。放熱板材料に使用される金属としては熱伝導率が高いCuやAlが広く用いられている。但しパワー半導体モジュールにおいては、特に高い熱伝導率が必要であるから、Cu系材料が用いられている。Cuは390W/m・Kの熱伝導率を有しているが、熱膨張係数が17×10-6/Kと高く、はんだ接合後のそり量が大きくなってしまう。そこで材料の熱膨張係数を下げるためにMo、W、Crといった低熱膨張係数元素やCu2O、SiCなど非金属化合物を第二相として分散させた材料が提案されている。しかし、熱伝導率が低下してしまう、更に製法上の制約からコストが高くなるといった問題が挙げられる。
よって、特に銅又は銅基合金の板状体の厚さは好ましくは1〜5mm、さらに好ましくは2〜5mmとする。
Snめっきを施した後に熱処理を行うことで、目的とするCu-Sn系金属間化合物が得られる。その金属間化合物はCu6Sn5、Cu3Snであり、それぞれの厚さが0〜15μm、1〜15μmで且つCu6Sn5の厚さの1/2とCu3Snの厚さの和が2μm以上であることが望ましい。和が2μm未満の場合には必要とする低い熱膨張係数が得られず、又、金属間化合物の各層の厚さが15μmを超えると、必要とする熱伝導率が得られないためである。
以上のように、銅又は銅基合金からなる板状体の表裏両面にCu-Sn系金属間化合物を形成して被覆した放熱板などの半導体装置部品は、熱伝導率が200W/m・K以上、熱膨張係数が16×10-6/K以下である。熱伝導率が200W/m・K未満の場合には半導体装置が必要とする放熱性が得られず、熱膨張係数が16×10-6/Kより大きいと半導体装置の接合部の信頼性が得られないためである。更に好ましくは熱伝導率が350W/m・K以上、熱膨張係数が15×10-6/K以下である。
放熱板の平面図および側面図について図1に示したように、上記試片を90mm×50mmの形状にプレス加工し、浸漬、電解脱脂、純水洗といった前処理を行った後に全外周面に1、3、5、10μmの厚さの電気Snめっきを施した。そのめっき厚を表1に示す。そのときのベース(試片)のそり量は接合後に発生するそり方向と反対方向へ長手方向70μm、短手方向0μmのそりとした。しかる後に150℃〜350℃の範囲の所定温度で熱処理を行い、断面を切断して、Cu-Sn系金属化合物の厚さを測定した。詳しくは断面を切断後、断面研磨し、レーザー顕微鏡にて色の異なる層の厚さを測定した。それぞれの色の異なる層はX線回折装置及びEPMAで、それぞれSn、Cu3Sn、Cu6Sn5等の金属や金属間化合物であることを同定、確認した。レーザー顕微鏡により、各層の厚さを10点測定して、その平均を代表値とした。その結果を表1に示す。
なお、図3の放熱板1について破線で示した部分は接合前の放熱板(の形状、位置)であり、実線で示した部分は接合後のそりが発生した放熱板(の形状、位置)であって、上記の両者のそり量の差(そり低減量dx)を求めて、上記そり低減量とした。
比較例1、2、6、7は熱処理温度が低く、Sn中へのCuの拡散が不十分のため、目的とするCu-Sn系金属間化合物の層の厚さが得られないために、そり低減量が小さく効果が得られない。比較例3、4、8は熱処理時間が1時間と短く、Sn中へのCuの拡散が不十分のため、目的とするCu-Sn系金属間化合物の層の厚さが得られないために、そり低減量が小さく効果が得られない。比較例5、9は熱処理温度が高いため、CuがSn中へ拡散する前にSnが溶融してしまい、放熱板1表面にSnの液滴が発生して凹凸になってしまい、その高さは数十μmと高くなり、回路基板3とのはんだ接合部健全性が得られない。
2 Pbフリーはんだ
3 回路基板
4 銅パターン
5 絶縁基板
6 導体層
dx そり低減量
7 Siチップ
8 Alリード線
9 エポキシケース
10 シリコーンゲル充填剤
11 端子
12 半導体チップ
13 接着剤
14 放熱板
15 回路基板
16 Alリード線
Claims (13)
- 銅又は銅基合金からなる板状体の表裏両面にSnをメッキし次いで熱処理して金属間化合物の層が形成されてなり、該金属間化合物の層がCu3Snの層又はCu3Snの層とCu6Sn5の層との積層であり、該Cu3Snの層の厚さが1〜15μm、該Cu6Sn5の層の厚さが15μm以下である、半導体装置への接合用の半導体装置部品。
- 銅又は銅基合金からなる板状体の表裏両面にSnをメッキし次いで熱処理して金属間化合物の層が形成されてなり、該金属間化合物の層がCu3Snの層又はCu3Snの層とCu6Sn5の層との積層であり、該Cu3Snの層の厚さが1〜15μm、該Cu6Sn5の層の厚さが15μm以下であり、かつ、該Cu3Snの層の厚さと該Cu6Sn5の層の厚さの1/2との和が2μm以上である、半導体装置への接合用の半導体装置部品。
- 前記Snをメッキし次いで熱処理する工程が、1〜15μmの厚さのSnメッキを施し次いで180〜240℃で2時間以上熱処理する工程である、請求項1または2に記載の半導体装置部品。
- 前記の180〜240℃で2時間以上の熱処理に続いて240℃を超える温度で二次熱処理されてなる、請求項3に記載の半導体装置部品。
- 前記半導体装置部品が、熱伝導率が200W/m・K以上、熱膨張係数が16×10-6/K以下の放熱板である、請求項1〜4のいずれかに記載の半導体装置部品。
- 前記接合がSn−Cu系、Sn−Ag系又はSn−Ag−Cu系のPbフリーはんだによる接合である、請求項1〜5のいずれかに記載の半導体装置部品。
- 前記半導体装置がパワー半導体モジュールである、請求項1〜6のいずれかに記載の半導体装置部品。
- 銅又は銅基合金からなる板状体の表裏両面にSnをメッキし次いで熱処理して金属間化合物の層が形成されてなり、該金属間化合物の層がCu3Snの層又はCu3Snの層とCu6Sn5の層との積層であり、該Cu3Snの層の厚さが1〜15μm、該Cu6Sn5の層の厚さが15μm以下であり、かつ、該Cu3Snの層の厚さと該Cu6Sn5の層の厚さの1/2との和が2μm以上である、金属間化合物の層が形成された板状体。
- 前記Snをメッキし次いで熱処理する工程が、1〜15μmの厚さのSnメッキを施し次いで180〜240℃で2時間以上熱処理する工程である、請求項8に記載の板状体。
- 前記の180〜240℃で2時間以上の熱処理に続いて240℃を超える温度で二次熱処理されてなる、請求項9に記載の板状体。
- 前記銅又は銅基合金からなる板状体の表裏両面に1〜15μmの厚さのSnメッキを施し、次いで180〜240℃で2時間以上熱処理する、請求項1〜7のいずれかに記載の前記半導体装置部品を製造する方法。
- 前記熱処理に続いて240℃を超える温度で二次熱処理を行う、請求項11に記載の製造方法。
- 請求項1〜7のいずれかに記載の前記半導体装置部品が接合されてなる半導体装置。
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