[发明专利]接合结构体

说明书

技术领域

本发明涉及半导体元器件的内部接合，特别涉及通过Bi类焊料将要求优异的机械特性和耐热性的功率半导体模块的半导体元件与电极相接合而形成的接合结构体。

背景技术

在电子安装领域中，一直以来多使用Sn-Pb共晶软焊料，但自从对铅的有害性的担忧及对环境的关注度变高以来，对不使用铅的接合的需求与日俱增。

因此，对于作为一般焊接材料的Sn-Pb共晶软焊料，正在开发替代材料并将其实用化。

另一方面，对于半导体元器件的内部接合，正在对高温铅焊料的替代材料进行各种研究。

对于该替代焊接材料的候选材料，可以举出Au类、Zn类、Sn类、Bi类的材料。其中，关于Au类的焊接材料，例如熔点为280℃的Au-20重量%Sn等正部分实用化，但由于主要成分为Au，因此，材料物性较硬，且材料成本较高而仅限用于小型元器件，由于上述等理由而缺乏通用性。

由于Zn类焊接材料的腐蚀性较强，且弹性率过高，因此，当应用于半导体元器件的内部接合时，机械特性的提高会成为问题。

Sn类焊接材料具有优异的机械特性，但因熔点低至小于250℃而缺乏耐热性。因此，为了提高Sn类的耐热性，正在对例如通过形成SnCu化合物来进行金属间化合物化、从而提高了熔点的接合材料进行研究，但由于会因在进行金属间化合物化时发生凝固收缩而在接合时产生空隙，因此，机械特性、散热特性的改善会成为问题。

基于上述理由，作为高温铅焊料替代材料的最有希望的候选材料，正在对熔点在270℃附近的Bi类材料进行研究。

例如，专利文献1是将该Bi类焊接材料用于接合材料的例子。

图8是专利文献1所记载的现有的接合结构体的剖视图，功率半导体模块401在功率半导体元件402与电极403之间具有接合部404，将Bi-Ag类焊接材料用于该接合部404，使所述接合部404中包含15～60重量％的Ag。

然而，若功率半导体元件402的工作温度为Si的情况下的150℃，则专利文献1所记载的Bi-Ag类焊接材料具有接合可靠性，但在功率半导体元件402的工作温度是如GaN、SiC那样的比Si工作温度要高的175℃或200℃的环境下，专利文献1所记载的Bi-Ag类焊接材料有可能会在接合部404中产生裂纹、剥离等。

可以认为这是因为相对于基于功率半导体元件402的热膨胀系数（α≒3ppm/K）与Cu电极403的线膨胀系数（α≒18ppm/K）之差的热应力，Bi-Ag类焊接材料应力无法缓和，因此，会导致接合部404中产生裂纹、剥离等。

因此，在上述专利文献1所记载的Bi-Ag类焊接材料的接合结构体中，当功率半导体元件402的工作温度高于150℃时，提高与该高温区域相对的应力缓和性将成为问题。

另一方面，专利文献2以防止接合结构体产生裂纹或剥离为课题。

在专利文献2中，示出了以下情况：使半导体元件的中间接合层与焊接接合层之间的外周面区域也覆盖形成有覆盖形成于半导体元件上的保护树脂，从而提高半导体元件内部的抗裂性，减轻施加于半导体元件与焊接材料的界面、焊接材料与电极的界面的热应力。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2006-310507号公报

专利文献2：日本专利特开2011-023631号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

在专利文献2所记载的发明中，通过将保护树脂覆盖填充于规定区域，来提高经由焊接材料构成的半导体元件和电极的接合结构体的应力缓和性，但本发明的技术问题在于，利用与以保护树脂的填充为特征的专利文献2所记载的发明不同的方法，在功率半导体模块的接合结构体中，改善应力缓和性，防止接合部产生裂纹或剥离。

解决技术问题所采用的技术方案

本发明人想到了通过形成使相对于外部应力的变形从接合材料向被接合材料（半导体元件、Cu电极）倾斜变化的层叠结构体，来有效缓和/吸收基于被接合材料（半导体元件、Cu电极）的热膨胀系数差的热应力，从而完成了本发明。