本发明专利技术的目的在于得到同时实现耐热性和应力缓和性的接合，设为如下结构：一种板状的接合材料(1)，通过在与作为接合对象的金属部件(例如表面层(2f)、(3f))接触的状态下进行加热，从而在金属部件(例如作为材料是金、银、铜)中形成利用固相扩散反应的银的扩散层(Ld2)、(Ld3)，与金属部件接合，所述接合材料含有铋与银的合金，其中，所述接合材料含有1质量％以上且5质量％以下的铋。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及通过利用银的固相扩散反应而接合后的耐热温度比接合温度高的板状的接合材料、使用了该接合材料的接合方法以及电力用半导体装置。
技术介绍
近年来，针对电力用半导体装置的可靠性的要求日益提高，特别是要求提高关于热膨胀系数差大的电力用半导体元件与电路基板的接合部的寿命可靠性。以往，作为电力用半导体元件，多使用以硅(Si)、砷化镓(GaAs)为基材的电力用半导体元件，其动作温度是100℃～125℃。在将这些元件接合到电路基板时，多使用焊料材料。另一方面，从节能的观点来看，作为下一代器件，以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为基材的电力用半导体元件的开发盛行着。它们以大电流动作，并且动作温度为175℃以上，据说将来还会成为300℃。此时，在如焊料那样使接合材料自身熔化而接合的情况下，需要在比接合部的耐热温度高的温度下接合，接合材料自身的选择受到限制自不必说，还存在为了不使接合对象劣化的制约。因此，将被称为烧结性金属或者金属膏的纳米或者微米尺寸的金属粒子与有机溶剂混合而得到的接合材料(参照例如专利文献1)得到关注。关于这样的接合材料，覆盖金属粒子的表面的有机成分由于热而分解，从而金属粒子彼此烧结而形成接合部，烧结(接合)后的耐热温度成为与一体的金属的熔点相同的程度的温度(例如在银的情况下960℃)。虽然还取决于有机成分，但有机溶剂在约200～300℃下分解，所以能够在不使接合对象劣化的温度下接合，在接合之后，实现高耐热化。另一方面，关于金属的烧结体，如专利文献1记载那样，相比于一体的金属，与具有空隙的量相应地，弹性率变低。即便如此，相比于以往的焊料等，弹性率依然高，所以热循环中的应力缓和性变低，难以长期间维持接合强度。因此，提出了如下技术：将具有润滑性的粒子或者弹性率比金属粒子低的树脂的填料混入到接合材料中，从而缓和应力(例如参照专利文献2或者3)。专利文献1：日本特开2012－054358号公报(段落0010、图1)专利文献2：日本特开2010－267579号公报(段落0013、图1)专利文献3：日本特开2011－198674号公报(段落0010～0013、图1、图2)
技术实现思路
但是，难以使树脂材料的耐热温度比在下一代器件中设想的运转温度高，当在高温下使用时，由于接合材料中的树脂的劣化而接合强度下降。即，难以得到同时实现耐热性和应力缓和性的接合。本专利技术是为了解决上述那样的问题而完成的，其目的在于得到同时实现耐热性和应力缓和性的接合。本专利技术涉及板状的接合材料，通过在与作为接合对象的金属部件接触的状态下进行加热，从而在所述金属部件中形成利用固相扩散反应的银的扩散层、与所述金属部件接合，所述接合材料含有由铋与银的合金，其中，所述接合材料含有1质量％以上且5质量％以下的铋。另外，本专利技术涉及接合方法，其特征在于，包括：热处理工序，在150℃以上且300以下的温度下对所述接合材料进行热处理；以及扩散层形成工序，在两个接合对象之间，夹着经过了所述热处理工序的接合材料，加热至比所述接合材料的熔点低的温度，在所述两个接合对象的各个中形成所述银的扩散层。另外，本专利技术涉及电力用半导体装置，其特征在于，具备：电路基板，形成有电路图案；以及电力用半导体元件，与所述电路图案接合，所述电力用半导体元件和所述电路图案通过所述接合方法接合。根据本专利技术，通过在银中以预定范围的比例添加铋，从而能够得到同时实现耐热性和应力缓和性的接合。另外，通过使用该接合，能够得到应对高温且可靠性高的电力用半导体装置。附图说明图1是用于说明使用本专利技术的实施方式1的接合材料的接合方法的每个工序的接合材料或者接合部分的剖面图。图2是示出使用本专利技术的实施方式1的接合材料以及接合方法而制造的电力用半导体装置的结构的剖面图。图3是本专利技术的实施方式1的接合材料的剖面示意图。符号说明1：接合材料；1F：合金箔(接合材料)；2：电力用半导体元件；2f：表面层；3：DBC基板(电路基板)；3a：导电层(电路图案)；3f：表面层；4：引线端子；5：密封体；10：接合体；10S：评价样品；100：电力用半导体装置。具体实施方式实施方式1.图1～图2是用于说明本专利技术的实施方式1的接合材料、使用了接合材料的接合方法以及使用它们而制造出的电力用半导体装置的图。图1是使用接合材料而将电力用半导体元件接合于电路基板时的每个工序的接合材料或者接合部分的剖面图，图1(a)是示出将合金材料轧制为薄片状以用作接合材料的状态的剖面示意图，图1(b)是示出将接合对象彼此接合之前的状态的剖面图，图1(c)是示出接合之后的接合部分的状态的剖面图。另外，图2是示出使用接合材料以及接合方法而接合(制造)的电力用半导体装置的结构的剖面图。在说明接合材料以及使用了接合材料的接合方法之前，说明作为其优选的应用对象的电力用半导体装置的结构。如图2所示，在电力用半导体装置100中，作为电路基板，在氮
化硅(Si3N4)制的基材3i的两面形成有铜(Cu)的导电层3a、3b的DBC基板3(Direct Bonded Copper)的电路面(导电层3a)侧，安装有纵式的电力用半导体元件2A、2B(总称为电力用半导体元件2)。使用以银为主体的板状的接合材料1而将作为布线部件的引线端子4接合于电力用半导体元件2A、2B的表面电极，并且电力用半导体元件2A、2B的背面也使用接合材料1来接合于DBC基板3。另外，除了DBC基板3的背面(导电层3b)侧和引线端子4的与外部电路的连接端侧以外，整个面被密封体5密封而封装化。电力用半导体元件2也可以是以硅片为基材的一般的元件。但是，在本专利技术中，以向碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)或者金刚石这样的带隙比硅宽的所谓的宽带隙半导体材料的应用为目的，将碳化硅用作基材。作为器件种类，有IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field－Effect－Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)那样的开关元件或者二极管那样的整流元件。例如，在MOSFET的情况下，在电力用半导体元件2的DBC基板3侧的面形成有漏极电极。另外，在与漏极电极相反的一侧(在图中上侧)的面分开区域而形成有栅极电极、源极电极，但为了简化说明，关于上侧的面，仅记载主电力用的源极电极而进行说明。DBC基板3具有40mm×40mm的尺寸，厚度方向的结构是导电层3a：0.4mm/基材3i：0.3mm/导电层3b：0.4mm。电力用半导体元件2的电极中的与(隔着接合材料1的)DBC基板3的接合面即漏极电极的表面被金(Au：表面层2f)覆盖。另外，DBC基板3的导电层3a、3b中的、作为与(隔着接合材料1的)电力用半导体元件2的接合面的表面被银(Ag：表面层3f)覆盖。另外，本专利技术的实施方式1的电力用半导体装置100的特征在于，至少在电力用半导体元件2与电路基板(例如DBC基板3)、布线部件(例如引线端子4)的接合中使用含有1～5wt％的铋(Bi)的银与铋的合金(合金箔1F)来作为接合材料1。另外，作为接合方法，设置将接合之前的合金箔1F
在150℃至300℃下保持1本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种板状的接合材料，通过在与作为接合对象的金属部件接触的状态下进行加热，从而在所述金属部件中形成利用固相扩散反应的银的扩散层，与所述金属部件接合，所述接合材料含有铋与银的合金，其中，所述接合材料含有1质量％以上且5质量％以下的铋。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.02.10 JP 2014-0229481.一种板状的接合材料，通过在与作为接合对象的金属部件接触的状态下进行加热，从而在所述金属部件中形成利用固相扩散反应的银的扩散层，与所述金属部件接合，所述接合材料含有铋与银的合金，其中，所述接合材料含有1质量％以上且5质量％以下的铋。2.根据权利要求1所述的接合材料，其特征在于，所述铋与银的合金的富铋的相的粒径是0.2～1.0μm。3.根据权利要求1或者2所述的接合材料，其特征在于，所述接合材料是具有50μm～100μm的厚度的板材。4.一种接合方法，使用权利要求1至3中的任意一项所述的接合材料进行接合，所述接合方法的特征在于，包括：热处理工序，在150℃以上且300以下的温度下对所述接合材料进行热处理；以及扩散层形成工序，在两个接合对象之间，夹着经过了所述热处理工序的接合材料，加热至比所述接合材料的熔点低的温度，在所述两个接合对象的各个中形成所述银的扩散层。5.根据权利要求4所述的接合...
【专利技术属性】
技术研发人员：山崎浩次，
申请(专利权)人：三菱电机株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP
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