[发明专利]接合结构体

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体部件的内部接合。本发明尤其是涉及一种要求优异的机械特性和耐热性的接合结构体，其包含将功率半导体模块的半导体元件的电极与基板的电极接合的接合层。

背景技术

在电子设备安装领域中，因对铅的有害性的担忧和对环境的关心高涨而期望不采用铅的接合，从而正在开发能够替代作为通常的焊锡材料的Sn-Pb共晶焊料的材料并将该材料付诸实用。

另一方面，以代替现有Si的作为新生代高输出器件的GaN、SiC的技术进步为背景，作为新生代高输出器件的接合材料，对于针对器件发热温度250℃的高耐热无Pb焊锡材料进行了研究。

作为高耐热无Pb焊锡材料，对Au系、Bi系、Zn系、Sn系的材料进行了研究。关于Au系的焊锡材料，例如熔点为280℃的Au-20Sn等部分焊锡材料正在被实用化，但由于主成分为Au，故材料物性较硬且材料成本较高，被限定使用在小型部件中等等而不具有通用性。

Bi系的焊锡材料由于熔点为270℃附近，故在熔融温度方面没有问题，但欠缺延展性、导热率。另外，Zn系焊锡材料由于弹性模量过高，故在半导体部件的内部接合中机械特性和耐热性成为课题。

另一方面，关于Sn系的焊锡材料，对于通过形成被通用为电极材料的Ag及Cu与Sn的金属间化合物即AgSn化合物、CuSn化合物来提高熔点的接合材料进行了研究(例如，参考专利文献1。)。

图11是专利文献1所记载的现有的接合结构体的剖视图。在图11中，功率半导体模块在功率半导体元件602与电极603之间具有接合层604。在该接合层604中采用AgSn化合物、CuSn化合物作为接合材料。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2009-290007号公报

发明内容

发明所要解决的课题

但是，专利文献1的采用AgSn化合物、CuSn化合物的接合材料因Sn与Ag、Sn与Cu的金属间化合物化而对功率半导体元件的发热具有耐热性，但在从接合工艺中的260℃向室温冷却时，导致功率半导体元件产生裂缝、或者功率半导体元件与接合层的界面发生剥离。

其理由可认为是，由于Sn与Ag、或者Sn与Cu的金属间化合物化，而使接合层的延展性丧失，在功率半导体元件的接合工艺中，无法缓和基于功率半导体元件与电极的线膨胀率差的热应力。

因而，在所述专利文献1的采用接合材料的接合结构体中，具有如下的课题，即，必须兼顾耐热性、以及防止因接合工艺中的热应力而使功率半导体元件产生裂缝或者功率半导体元件与接合层发生剥离。

对此，本发明的目的在于，提供一种功率半导体模块的接合结构体，其对功率半导体元件的发热具有耐热性、并且能够防止功率半导体元件与接合层剥离。

用于解决课题的手段

本发明所涉及的接合结构体具备：

基板的电极；

半导体元件的电极；和

将所述基板的电极与所述半导体元件的电极之间接合的接合层，

所述接合层从所述基板的电极朝向所述半导体元件的电极依次配置有：

包含CuSn系的金属间化合物的第一金属间化合物层；

Bi层；

包含CuSn系的金属间化合物的第二金属间化合物层；

Cu层；和

包含CuSn系的金属间化合物的第三金属间化合物层。

发明效果

如上所述，根据本发明所涉及的接合结构体，将基板的电极与半导体元件的电极之间接合的接合层从基板的电极朝向半导体元件的电极依次配置有：包含CuSn系的金属间化合物的第一金属间化合物层；Bi层；包含CuSn系的金属间化合物的第二金属间化合物层；Cu层；和包含CuSn系的金属间化合物的第三金属间化合物层。通过经由该接合层将半导体元件与基板的电极接合，由此利用接合层的Cu层的延展性和Bi层的低弹性(32×10⁹、N/m²)对接合工艺中的热应力进行应力松弛，从而能够防止半导体元件产生裂缝或者半导体元件与接合层发生剥离。

另外，由于构成接合层的金属间化合物层、Cu层和Bi层均具有充分的耐热性，因此能够确保对功率半导体模块工作时的半导体元件的发热的耐热性。由此，在本发明所涉及的接合结构体中，能够兼顾耐热性、以及防止因接合工艺中的热应力而使半导体元件产生裂缝或者半导体元件与接合层发生剥离。因此，能够通过以高品质将半导体元件与电极接合来提高接合可靠性。

附图说明