[发明专利]电力用半导体装置以及制造电力用半导体装置的方法

说明书

电力用半导体装置具有基板、和使用烧结性金属接合材料接合到基板上的半导体元件。半导体元件具有母材、设置于母材的基板侧的第1面的第1导电层、以及设置于母材的与第1面相向的第2面的第2导电层。第1导电层的厚度是第2导电层的厚度的0.5倍以上2.0倍以下。

技术领域

本发明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制造该电力用半导体装置的方法。

背景技术

在功率模块(或者电力用半导体装置)中，作为开关元件、整流元件，有时安装IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管)、二极管等纵型半导体元件。该纵型半导体元件具有例如设置于其背面整体的背面金属化层(背面电极)、和设置于与背面相向的表面的一部分的表面金属化层(表面电极)。作为构成金属化层的金属材料，有时使用Ni、Mo或者Cr。背面电极与基板电极电连接，表面电极经由布线部件与外部端子电连接，由此构成用于在功率模块中使大电流流过的布线构造。

但是，近年来，为了降低电力损失，开发了代替硅(Si)而使用如碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)的宽能带隙半导体材料的半导体元件。使用宽能带隙半导体材料的半导体元件由于耐热性高所以能够进行大电流下的高温动作，另一方面，为了发挥其特性，需要使用具有高的耐热性能的接合材料。然而，无铅且具有高的耐热性能的焊料材料在当前还未出现。

另一方面，强烈要求通过提高半导体元件的背面电极和基板电极的接合部的散热性，使半导体元件小型化。为了提高散热性而使接合层变薄是有效的。在背面电极与基板电极之间的接合中，以往，使用焊料材料。但是，关于焊料材料，起因于难以确保接合部的可靠性、易于发生空洞而散热性恶化，使接合层变薄并不优选。因此，为了功率模块的小型化等，存在针对散热性优良、在接合部不易产生劣化的接合材料或者接合方法的需求。

因此，研究了代替焊料材料而使用利用金属微粒的烧结现象的烧结性金属接合材料并将半导体元件接合到基板的功率模块(例如参照专利文献1至3)。烧结性金属接合材料是由金属微粒、有机溶剂成分以及覆盖金属微粒的保护膜构成的膏状的接合材料。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。在接合之后，在金属微粒之间产生扩散接合，在半导体元件的金属化层与装配半导体元件的基板的表面之间也产生扩散接合，接合后的熔点提高至作为金属的本来的熔点。由此，使用烧结性金属接合材料的功率模块可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)相比于焊料材料其热传导率更大、能够使接合层更薄，所以还具有高的散热性能。

这样，烧结性金属接合材料具有高的耐热性能。但是，在使用烧结性金属接合材料的情况下，新产生在使用焊料材料的情况下未产生的以下的问题。即，在焊料材料中，由于通过裂纹发展到内部而应力被释放，所以不易发生向半导体元件的母材以及金属化层的应力集中。另一方面，烧结性金属接合材料是高强度的，所以在反复施加热应力时，由于接合部中的裂纹的发生等而对半导体元件的母材和金属化层造成损害，由此存在功率模块的可靠性易于损失这样的问题。

为了应对该问题，考虑如下内容：例如如专利文献3的图8的记载，在半导体元件与基板电极(基极电极)之间设置低热膨胀板，作为整体增加接合层，由此缓和向半导体元件的接合部施加的热应力，提高功率模块的可靠性。

现有技术文献

专利文献1：日本特开2008-212976号公报

专利文献2：日本特开2007-44754号公报

专利文献3：日本专利第5449958号说明书

专利文献4：日本特开2000-188406号公报

专利文献5：日本特开2004-363518号公报

发明内容