电力用半导体装置以及电力用半导体装置的制造方法制造方法及图纸

电力用半导体装置具备：基板；以及半导体元件，在基板的第1面上使用烧结性金属接合材料接合，基板在第1面具有在比半导体元件的发热部的正下方更靠外侧的位置形成的多个凹坑，通过在形成凹坑后的基板上供给烧结性金属接合材料，并实施加热和加压，将半导体元件接合到基板。

Semiconductor device for electric power and manufacturing method of semiconductor device for electric power

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电力用半导体装置以及电力用半导体装置的制造方法
本专利技术涉及使用烧结性金属接合材料将半导体元件接合到基板的电力用半导体装置以及电力半导体装置的制造方法。
技术介绍
在作为电力用半导体装置的功率模块中，作为开关元件或者整流元件，安装有IGBT、二极管等半导体元件。这些纵型半导体元件设置有在面内整个区域实施金属化的背面的电极、和在与其相向的表面的一部分实施金属化的电极。而且，为了流过大电流，使用了背面电极与基板电极连接并且表面电极经由布线金属板与外部端子连接的布线构造。另一方面，根据电力损失降低的观点，近年来正在开发例如使用如碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)的宽带隙半导体材料的半导体元件。在使用这样的宽带隙半导体材料的半导体元件的情况下，元件自身的耐热性高，能够实现大电流下的高温动作。而且，为了发挥该特性，为了形成上述布线构造，需要高耐热性能的接合材料。然而，当前未发现无铅并且具有高耐热性能的焊料材料。因此，代替焊料而研究使用利用金属微粒的烧结现象的烧结性金属接合材料的功率模块。烧结性金属接合材料是包括金属微粒、有机溶剂成分以及覆盖金属微粒的保护膜的膏状的接合材料。烧结性金属接合材料利用金属微粒在比该金属的熔点低的温度下烧结的现象，实现与被接合部件的金属结合。关于接合后的状态，金属微粒之间被扩散接合，并且元件的金属化与安装元件的基板的表面之间也扩散接合。其结果，接合后的熔点提高至作为金属的本来的熔点。因此，能够具有比接合时的温度高的耐热性能。另外，作为烧结性金属接合材料一般已知的金(Au)、银(Ag)以及铜(Cu)相比于焊料，热传导率更大。因此，能够使接合层进一步变薄，所以还能够具有高的散热性能。在此，作为形成烧结性金属接合时的特征可以举出，与以往的焊料接合不同，一般在接合时需要加压。烧结性金属接合在未施加接合所需的加压力的情况下，不形成良好的接合，发生接合寿命降低这样的问题。因此，研究用于使接合寿命提高的策略。例如提出了如下以往技术(参照例如专利文献1)：通过在接合的基板的表面形成凹凸，使接合面积增加，延长裂纹发展路径，由此提高接合寿命。另外，还采用通过使加压力上升，形成坚固的接合层来提高接合寿命的方法。然而，由于加压力的增加，施加到半导体元件的损害也增加，半导体元件破损的可能性变高。因此，采取在对半导体元件加压时，通过使用缓冲材料加压来减轻损害的手法(参照例如专利文献2)。另外，还采用通过在基板表面用冲压加工、蚀刻加工、切削加工等形成槽，使耐热性以及耐久性提高的方法(参照例如专利文献3)。现有技术文献专利文献专利文献1：日本特开2015-35459号公报专利文献2：日本特开2017-108192号公报专利文献3：日本特开2017-92168号公报
技术实现思路
然而，在以往技术中存在如下的课题。专利文献1的图1记载的接合构造由于增加接合部件的表面粗糙度，在接合时施加的加压力相比于两侧在中央部分更高，变得不均匀。因此，加压力弱的部分的接合部寿命降低。还如专利文献1的图3所示，通过增加粗糙度，裂纹面积比例的增加变快。在专利文献1中，通过形成粗面而接合面积增加。然而，在专利文献1中，在接合层中易于发生加压力不足，在加压力不足时，接合寿命降低。另外，在专利文献1中，在为了补偿加压力不足而使接合时的加压力上升时，作为结果存在导致半导体元件破损的可能性。在如专利文献2为了抑制由于加压引起的损害而使用缓冲材料时，由于该缓冲材料变形而使半导体元件偏移成为问题。因此，需要确保接合强度以避免半导体元件偏移。在接合强度的确保中，增加接合面积、或者形成发挥锚固效应(anchoringeffect)的凹凸是有效的。在专利文献3中，通过在基板表面用冲压加工、蚀刻加工、切削加工等形成槽，使耐热性以及耐久性提高。然而，在专利文献3中，没有与接合强度有关的记载。另外，如专利文献3的图5所示，槽与半导体元件3的外缘平行地形成。因此，发挥锚固效应的方向在俯视时仅为横向(X)以及纵向(Y)，估计不到针对向旋转方向(θ)的力的接合强度的提高效果。关于半导体元件的偏移方式，存在烧结性金属材料的厚度、加压工具的倾斜、基板以及半导体元件的厚度等各种偏差要因。因此，难以预测半导体元件的偏移。另外，在使用烧结性金属材料的半导体元件的接合中，在接合时一边加热一边加压。因此，在接合界面中产生半导体元件和基板的热膨胀系数差所引起的热应力，易于产生剥离。另外，在烧结性金属材料之上搭载有半导体元件的状态下搬送时，导致半导体元件的偏移。本专利技术是为了解决如上所述的课题而完成的，其目的在于得到一种接合强度高且接合寿命优良的电力用半导体装置以及电力用半导体装置的制造方法。本专利技术的电力用半导体装置具备：基板；以及半导体元件，在基板的第1面上使用烧结性金属接合材料接合，基板在第1面在比半导体元件的发热部的正下方更靠外侧的位置、以及半导体元件的正下方，具有通过激光加工形成的多个凹坑(dimple)。另外，本专利技术的电力用半导体装置的制造方法是具有在基板的第1面上使用烧结性金属接合材料接合的半导体元件的电力用半导体装置的制造方法，具有：第1工序，在基板的第1面上，在比半导体元件的发热部的正下方更靠外侧的位置及半导体元件的正下方，通过激光加工，形成深度0.5μm～10μm的多个凹坑；第2工序，在形成凹坑后的基板上，供给烧结性金属接合材料；第3工序，在烧结性金属接合材料之上供给半导体元件；以及第4工序，通过对烧结性金属接合材料上的半导体元件实施加热和加压，在第1面上通过烧结性金属接合来接合半导体元件。根据本专利技术，具备如下构造：作为接合层的剥离不对散热性造成影响的区域，在半导体元件的发热部正下方的外侧以及半导体元件的正下方利用激光加工形成凹坑，由此发挥接合面积的增大、和针对全方向的锚固效应，从而一边提高基板和烧结性金属接合材料的接合强度，一边即使在产生接合层的剥离的情况下也防止剥离发展至半导体元件的发热部正下方，不使散热性降低。因此，能够得到在使接合强度提高的同时使产品寿命提高的电力用半导体装置以及电力用半导体装置的制造方法。附图说明图1是将本专利技术的实施方式1中的功率模块摘录一部分的示意图。图2是图1中的A-A’剖面图。图3是本专利技术的实施方式1所涉及的基板的表面的详细图。图4是图3中的B-B’剖面图。图5是示出本专利技术的实施方式1中的功率模块的制造工序的一个例子的图。图6是示出本专利技术的实施方式1中的接合强度提高效果的图。图7是在本专利技术的实施方式1中通过激光形成的凹坑的三维测定图。图8是示出在本专利技术的实施方式1中形成槽形状或者凹坑形状的区域的图。图9是示出针对图8所示的区域7形成有半圆状的槽的状态的图。图10是示出针对图8所示的区域7形成有半径r的凹坑的状态的图。图11是与本专利技术所涉及的实施方式1的功率模块有关本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电力用半导体装置，具备：/n基板；以及/n半导体元件，使用烧结性金属接合材料接合到所述基板的第1面上，/n所述基板在所述第1面在比所述半导体元件的发热部的正下方更靠外侧的位置以及所述半导体元件的正下方，具有通过激光加工形成的多个凹坑。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171030 JP 2017-2092001.一种电力用半导体装置，具备：
基板；以及
半导体元件，使用烧结性金属接合材料接合到所述基板的第1面上，
所述基板在所述第1面在比所述半导体元件的发热部的正下方更靠外侧的位置以及所述半导体元件的正下方，具有通过激光加工形成的多个凹坑。


2.根据权利要求1所述的电力用半导体装置，其中，
所述多个凹坑在所述第1面形成至比所述基板与所述半导体元件的接合区域更靠外侧的位置。


3.根据权利要求1或者2所述的电力用半导体装置，其中，
所述多个凹坑是按照与所述半导体元件的外形平行的线状排列而形成的。


4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的电力用半导体装置，其中，
作为所述半导体元件的材质使用硅。


5.根据权利要求1至4中的任意一项所述的电力用半导体装置，其中，
所述基板具有在所述半导体元件的发热部的正下方部分形成的粗糙度为0.5μm以下的面。


6.一种电力用半导体装置的制造方法，该电力用半导体装置具有使用烧结性金属接合材料接合到基板的第1面上的半导体元件，该电力用半导体装置的制造方法具有：
第1工序，在所述基板的所述第1面上在比所述半导体元件的发热部的正下方更靠外侧的位置，形成0.5μm～10μm的表面粗糙度的多个凹坑；
第2工序，在形成所述凹坑后的所述基板上，供给烧结性金属接合材料；
第3工序，在...

【专利技术属性】
技术研发人员：薮田康平，山田隆行，村松佑哉，别芝范之，杉祐太朗，春名裕明，福优，藤田充纪，
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