專利名稱：接合體、半導(dǎo)體模塊以及接合體的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及接合體、半導(dǎo)體模塊以及接合體的制造方法。更具體地，本發(fā)明涉及接合體、半導(dǎo)體模塊以及接合體的制造方法，使得在熱沖擊(熱/冷)循環(huán)等中不太可能出現(xiàn)缺陷例如裂縫、分離等，并因此實(shí)現(xiàn)高的可靠性。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體模塊通常具有其中半導(dǎo)體提供有電絕緣體以使得半導(dǎo)體和導(dǎo)電部彼此電絕緣的結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體和電絕緣體通過(guò)軟釬料等接合。此外，半導(dǎo)體模塊提供有用于將由半導(dǎo)體元件產(chǎn)生的熱有效散逸或用于臨時(shí)散逸這種熱的散熱板。散熱板和電絕緣體通過(guò)軟釬料等接合。因此，在半導(dǎo)體模塊中，通常實(shí)踐是在兩個(gè)位點(diǎn)處即在半導(dǎo)體元件和電絕緣體之間、以及在電絕緣體和散熱板之間進(jìn)行接
I=I O在現(xiàn)有技術(shù)中，Pb-基軟釬料材料已用于在所述兩個(gè)位點(diǎn)處的接合。特別地，使用 Pb-Sn軟釬料材料，通過(guò)改變1 和Sn之間的比率，所述軟釬料材料的熔點(diǎn)在183 300°C的范圍內(nèi)變化，以實(shí)施釬焊的兩個(gè)過(guò)程(例如，見(jiàn)^uichirou BABA的“Approach to Securing Quality of HV Inverter", National Meeting of Japan Welding Society 白勺再片反，77 章 (2005-9))0然而，因?yàn)殂U(Pb)有毒，因此趨于取消或減少其使用。因此，希望開(kāi)發(fā)無(wú)1 的軟釬料材料。雖然需要這種軟釬料材料，但是已經(jīng)提出了具有不同組成的Sn基軟釬料材料，例如Sn-Ag合金、Sn-Cu合金等。已知的代表性軟釬料材料為Sn-3Ag-0. 5Cu、Sn-0. 7Cu等。然而，Sn基軟釬料材料的接合強(qiáng)度弱。在Sn-基軟釬料材料的熔點(diǎn)的200°C或約200°C時(shí)，材料的拉伸強(qiáng)度顯著降低。此外，如果通過(guò)Sn-基軟釬料材料接合的堆疊體經(jīng)受熱沖擊循環(huán)， 則由于接合構(gòu)件和軟釬料材料之間的熱膨脹系數(shù)的差異導(dǎo)致產(chǎn)生熱應(yīng)力。如果熱應(yīng)力大， 則在接合部中形成裂縫等，使得耐熱性提高。Sn-基軟釬料材料的屈服應(yīng)力為數(shù)十MPa，并且其強(qiáng)度相對(duì)低。因此，已經(jīng)提出了其中對(duì)泡沫銅添加軟釬料以改善強(qiáng)度的復(fù)合材料(例如，見(jiàn)日本專利申請(qǐng)公開(kāi)2004-298962 (JP-A-2004-298962)和日本專利申請(qǐng)公開(kāi) 2008-200728 (JP-A-2008-200728))。在該復(fù)合材料中，泡沫銅以骨架形式與軟釬料混合，使得材料耐受熱沖擊循環(huán)性高。另一方面，替代釬焊的接合技術(shù)為如下方法其中使用銅(Cu)和錫 (Sn)，并且在Cu3Sn的熔點(diǎn)以下制備的Cu3Sn合金(例如見(jiàn)日本專利申請(qǐng)公開(kāi) 2008-28295 (JP-A-2008-28295)) 0在該技術(shù)中，使用Cu和Sn之間的固液反應(yīng)，并制備高熔點(diǎn)和高強(qiáng)度的Cu3Sn合金，以用于接合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供接合體、半導(dǎo)體模塊以及接合體制造方法，使得不太可能在熱沖擊循環(huán)中出現(xiàn)缺陷例如裂縫、分離等，并因此實(shí)現(xiàn)高的可靠性。本發(fā)明的第一方面涉及接合體。該接合體具有第一構(gòu)件，其具有主要組分為銅的第一接合表面；第二構(gòu)件，其具有主要組分為銅的第二接合表面；軟釬料構(gòu)件，其提供在第一接合表面和第二接合表面之間，并且其包含在錫基軟釬料材料中的主要組分為銅的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；和銅錫合金，其形成在第一接合表面和三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之間、以及第二接合表面和三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之間。在本發(fā)明的上述方面中，用于在均具有主要組分為銅的接合表面的第一構(gòu)件和第二構(gòu)件之間接合的軟釬料構(gòu)件為錫基軟釬料材料，并因此實(shí)現(xiàn)無(wú)鉛結(jié)構(gòu)。錫基軟釬料材料通常對(duì)熱應(yīng)力的耐受性弱。然而，在本發(fā)明中，由于主要組分為銅的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)包含于錫基軟釬料材料中，所以本發(fā)明中錫基軟釬料材料的強(qiáng)度比作為單一物質(zhì)的錫基軟釬料材料的強(qiáng)度高數(shù)倍。然而，在其中每一接合表面和三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)包含銅作為主要組分的情況下，因?yàn)殂~的熔點(diǎn)非常高，即高至約1080°c，所以接合表面和三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不直接接合，而是經(jīng)由對(duì)熱應(yīng)力的耐受性弱的錫基軟釬料材料接合。已經(jīng)表明如果該結(jié)構(gòu)經(jīng)受熱應(yīng)力例如熱沖擊循環(huán)等，則可能從接合界面部分出現(xiàn)裂縫、分離等。為克服這點(diǎn)，在接合表面和三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之間提供銅錫合金。該銅錫合金是由于接合表面和三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的銅與錫基軟釬料材料的錫之間的固液反應(yīng)而產(chǎn)生的。銅錫合金的強(qiáng)度大于銅的強(qiáng)度，并且熔點(diǎn)也有優(yōu)勢(shì)；例如在Cu3Sn的情況下熔點(diǎn)為 640°C，在Cu6Sn5的情況下熔點(diǎn)為415°C。因此，由于三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和接合表面通過(guò)強(qiáng)度和熱應(yīng)力耐受性優(yōu)異的銅錫合金接合，所以層狀結(jié)構(gòu)體的強(qiáng)度總體上得到改善。因此，獲得即使當(dāng)經(jīng)受熱應(yīng)力例如熱沖擊循環(huán)等時(shí)也不容易破裂的結(jié)構(gòu)體。附帶地，即使銅和銅錫合金之間的界面經(jīng)受熱沖擊循環(huán)，在界面處也不產(chǎn)生不必要的產(chǎn)物，或者即使產(chǎn)生也很難出現(xiàn)不必要產(chǎn)物的生長(zhǎng)。因此，在本發(fā)明的接合體中也不太可能產(chǎn)生缺陷例如裂縫、分離等，即使接合體經(jīng)受溫度變化時(shí)也是如此。在上述方面中，銅錫合金的平均厚度可為2μπι以上但是20μπι以下。如果銅錫合金的平均厚度為2以上但是20以下，那么更完全地實(shí)現(xiàn)了銅錫合金的優(yōu)異效果。從控制固液反應(yīng)使得產(chǎn)生均一銅錫合金層的觀點(diǎn)看，上述范圍的平均厚度也可以是適合的。附帶地，如果接合通過(guò)不均一的銅錫合金實(shí)現(xiàn)，那么接合體的強(qiáng)度和熱應(yīng)力耐受性出現(xiàn)劣化。在上述結(jié)構(gòu)中，銅錫合金可包含Cu3Sn和Cu6Sn5中的至少一種。Cu3Sn和Cu6Sn5的熔點(diǎn)分別為約640°C和約415°C。此外，Cu3Sn和Cu6Sn5的強(qiáng)度也優(yōu)異。因此，在其中銅錫合金為Cu3Sn或Cu6Sn5的情況下，提供具有強(qiáng)度甚至更高并且熱應(yīng)力耐受性優(yōu)異的接合部的接合體，因此當(dāng)經(jīng)受熱應(yīng)力例如熱沖擊循環(huán)等時(shí)也不易破裂。在上述結(jié)構(gòu)中，接合表面中銅錫合金的占有率可為2%以上但是50%以下。如果接合表面中銅錫合金的占有率為2% 50%，那么與其中銅錫合金層形成在接合表面的整個(gè)表面上的情況相比，其熱應(yīng)力很可能減小。因此，提供具有優(yōu)異熱應(yīng)力耐受性的接合部的接合體，并且提供即使當(dāng)經(jīng)受熱應(yīng)力例如熱沖擊循環(huán)等時(shí)也不易破裂的結(jié)構(gòu)體。在上述結(jié)構(gòu)中，軟釬料構(gòu)件中三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的含量比率可為2體積％以上但是50體積％以下。如果軟釬料構(gòu)件中三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的含量比率為2體積％ 50體積％，則軟釬料構(gòu)件自身的強(qiáng)度和熱應(yīng)力耐受性得到改善。此外，在上述范圍中三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的含量比率適于調(diào)節(jié)接合表面中銅錫合金的占有率，使得接合部中的強(qiáng)度和熱應(yīng)力耐受性也得到改善。在上述結(jié)構(gòu)中，錫基軟釬料材料中錫的含量比率可為90質(zhì)量％以上。在上述結(jié)構(gòu)中，錫基軟釬料材料可包含選自銀(Ag)、銅(Cu)、銻(Sb)、鉍(Bi)、銦 (In)和鋅(Zn)中的至少一種元素。在上述結(jié)構(gòu)中，錫基軟釬料材料可為Sn-Ag-Cu軟釬料、Sn-Cu軟釬料、Sn-Sb軟釬料、Sn-Zn軟釬料、Sn-Bi軟釬料、Sn-In軟釬料、Sn-Ag-Cu-BiHn軟釬料或Sn-Ag-CuHn軟釬料。錫基軟釬料材料可為單質(zhì)的錫(100質(zhì)量％ )。然而，期望添加其它元素以改善強(qiáng)度。從錫的缺點(diǎn)即低強(qiáng)度的觀點(diǎn)看，在完全實(shí)現(xiàn)錫的優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，優(yōu)選錫基軟釬料材料中錫的含量比率為90質(zhì)量％以上。此外，從改善強(qiáng)度的觀點(diǎn)看，優(yōu)選添加選自銀(Ag)、銅(Cu)、 銻(Sb)、鉍(Bi)、銦(In)和鋅(Zn)中的至少一種元素。具體地，錫基軟釬料材料的實(shí)例包括Sn-Ag-Cu軟釬料、Sn-Cu軟釬料、Sn-Sb軟釬料、Sn-Zn軟釬料、Sn-Bi軟釬料、Sn-In軟釬料、Sn-Ag-Cu-Bi-In軟釬料和Sn-Ag-Cu-In軟釬料。本發(fā)明的第二方面涉及半導(dǎo)體模塊。該半導(dǎo)體模塊具有半導(dǎo)體元件，其提供有主要組分為銅的第一接合表面；絕緣襯底，其提供有主要組分為銅的第二接合表面；軟釬料構(gòu)件，其提供在第一接合表面和第二接合表面之間，并且其包含在錫基軟釬料材料中的主要組分為銅的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；銅錫合金，其形成在第一接合表面和三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之間、以及第二接合表面和三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之間；和散熱板。本發(fā)明的第三方面涉及半導(dǎo)體模塊。該半導(dǎo)體模塊具有絕緣襯底，其提供有主要組分為銅的第一接合表面；散熱板，其提供有主要組分為銅的第二接合表面；軟釬料構(gòu)件， 其提供在第一接合表面和第二接合表面之間，并且其包含在錫基軟釬料材料中的主要組分為銅的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；和銅錫合金，其形成在第一接合表面和三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之間、以及第二接合表面和三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之間。在第二和第三方面的半導(dǎo)體模塊中，兩個(gè)接合部即半導(dǎo)體元件和電絕緣體之間的接合部、以及電絕緣體和散熱板之間的接合部中的至少之一的結(jié)構(gòu)與提供在接合體中的接合部基本上相同。因此，第二和第三方面提供半導(dǎo)體模塊，其中可實(shí)現(xiàn)無(wú)鉛結(jié)構(gòu)，并且軟釬料材料自身的強(qiáng)度變高，并且其具有強(qiáng)度高并且熱應(yīng)力耐受性優(yōu)異的接合部，并且其在即使經(jīng)受熱應(yīng)力例如熱沖擊循環(huán)等時(shí)也不易破裂。在上述結(jié)構(gòu)中，銅錫合金的平均厚度可為2μπι以上但是20μπι以下。根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，由于提供了均一的銅錫合金，所以半導(dǎo)體模塊具有強(qiáng)度甚至更高
并且熱應(yīng)力耐受性優(yōu)異的接合部，并且即使當(dāng)經(jīng)受熱應(yīng)力例如熱沖擊循環(huán)等時(shí)也不易破 裂。在上述結(jié)構(gòu)中，銅錫合金可包含Cu3Sn和Cu6Sn5中的至少一種。根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，獲得具有接合部的半導(dǎo)體模塊，所述結(jié)合部的強(qiáng)度甚至更高并且熱應(yīng)力耐受性優(yōu)異，并且即使當(dāng)經(jīng)受熱應(yīng)力例如熱沖擊循環(huán)等時(shí)也不易破裂。在上述結(jié)構(gòu)中，接合表面中銅錫合金的占有率可為2%以上但是50%以下。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，熱應(yīng)力更可能減小，使得提供熱應(yīng)力耐受性更優(yōu)異的接合部。因此， 獲得不易破裂的半導(dǎo)體模塊，即使當(dāng)經(jīng)受熱應(yīng)力例如熱沖擊循環(huán)等時(shí)也是如此。在上述結(jié)構(gòu)中，軟釬料構(gòu)件中三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的含量比率可為2體積％以上但是50 體積％以下。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，熱應(yīng)力更可能減小，使得形成熱應(yīng)力耐受性更優(yōu)異的接合部。因此， 獲得不易破裂的半導(dǎo)體模塊，即使當(dāng)經(jīng)受熱應(yīng)力例如熱沖擊循環(huán)等時(shí)也是如此。在上述結(jié)構(gòu)中，錫基軟釬料材料中錫的含量比率可為90質(zhì)量％以上。在該結(jié)構(gòu)中，錫基軟釬料材料可包含選自銀(Ag)、銅(Cu)、銻(Sb)、鉍(Bi)、銦 (In)和鋅(Zn)中的至少一種元素。在上述結(jié)構(gòu)中，錫基軟釬料材料可為Sn-Ag-Cu軟釬料、Sn-Cu軟釬料、Sn-Sb軟釬料、Sn-Zn軟釬料、Sn-Bi軟釬料、Sn-In軟釬料、Sn-Ag-Cu-BiHn軟釬料或Sn-Ag-CuHn軟釬料。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，獲得其中軟釬料材料自身的強(qiáng)度得到進(jìn)一步提高的半導(dǎo)體模塊。在上述結(jié)構(gòu)中，散熱板可為Cu層、Mo層和Cu層的堆疊體，其中Cu層提供在Mo層的兩個(gè)相反側(cè)上。Cu/Mo/Cu堆疊體的導(dǎo)熱率高并有效地實(shí)現(xiàn)作為散熱板的功能。此外，Cu/Mo/Cu堆疊體的熱膨脹系數(shù)為約4ppm/K，其接近半導(dǎo)體元件的熱膨脹系數(shù)的值。結(jié)果，在熱沖擊循環(huán)期間不產(chǎn)生顯著的熱應(yīng)力，因此不產(chǎn)生缺陷例如裂縫、分離等。此外，由于該堆疊體的最外層均由Cu層構(gòu)成，所以堆疊體可起到接合表面中的銅的作用。在上述結(jié)構(gòu)中，Cu層、Mo層和Cu層的厚度比可為1 5 1 1 12 1。在其中堆疊體的Cu層、Mo層和Cu層的厚度比為1 5 1 1 12 1的情況下，導(dǎo)熱率和熱膨脹系數(shù)之間的平衡尤其良好，因此堆疊體有效發(fā)揮散熱板的功能。在上述結(jié)構(gòu)中，絕緣襯底可為AlN或Si3N4層，并且可在AlN或Si3N4層的兩個(gè)相反側(cè)上層疊由Cu層形成的導(dǎo)電層。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，在其中提供在絕緣襯底的表面上的導(dǎo)電層為Cu層的情況下，Cu的高導(dǎo)電率使得導(dǎo)電層制成薄的，使得可以減小熱應(yīng)力。此外，絕緣襯底的表面上的Cu層也能夠起到接合表面中的銅的作用。本發(fā)明的第四方面涉及接合體制造方法。該接合體制造方法包括設(shè)置第一構(gòu)件和第二構(gòu)件，所述第一構(gòu)件和第二構(gòu)件的每一個(gè)均具有主要組分為銅的接合表面，使得第一構(gòu)件的接合表面和第二構(gòu)件的接合表面相互面對(duì)；在相互面對(duì)的第一構(gòu)件的接合表面和第二構(gòu)件的接合表面之間設(shè)置軟釬料構(gòu)件，其包含在錫基軟釬料材料中的主要組分為銅的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；通過(guò)在高于錫基軟釬料材料的熔點(diǎn)但是低于銅的熔點(diǎn)的溫度下加熱，在第一構(gòu)件的接合表面和三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之間、以及在第二構(gòu)件的接合表面和三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生銅錫合金。如果銅錫合金為Cu3Sn,則銅錫合金的熔點(diǎn)為例如約640 °C，如果銅錫合金為 Cu6Sn5，則熔點(diǎn)為約415°C。因此，如果直接焊接銅錫合金，則必須在該熔點(diǎn)之上進(jìn)行加熱， 使得可操作性劣化并且制造成本變高。此外，在其中接合構(gòu)件為半導(dǎo)體元件的情況下，半導(dǎo)體元件可能由于釬焊期間進(jìn)行的加熱而破裂或者性能發(fā)生變化。因此，在本發(fā)明中，使用以下的形成銅錫合金的方法。即，放置均具有主要組分為
8銅的接合表面的接合構(gòu)件，使得接合表面相互面對(duì)。然后，在接合表面之間設(shè)置軟釬料構(gòu)件，所述軟釬料構(gòu)件包含在錫基軟釬料材料中的主要組分為銅的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。在該狀態(tài)中，在高于錫基軟釬料材料的熔點(diǎn)并且低于銅(Cu)的熔點(diǎn)的溫度下使得熔化和反應(yīng)。如果在高于錫(Sn)基軟釬料材料的熔點(diǎn)并且低于銅(Cu)的熔點(diǎn)的溫度下進(jìn)行加熱，則僅Sn熔化并且進(jìn)入液相。此時(shí)，由于加熱在低于Cu的熔點(diǎn)的溫度下進(jìn)行，所以Cu相仍維持為固相，固的相Cu和液相的Sn擴(kuò)散到彼此之中，使得產(chǎn)生銅錫合金。因此，根據(jù)本發(fā)明的第四方面，在高于錫基軟釬料材料的熔點(diǎn)的溫度下進(jìn)行加熱是適合的，并且制造中的可操作性得到改善。附隨地，在錫作為單質(zhì)的情況下，錫基軟釬料材料的熔點(diǎn)為約220°C，并且取決于添加劑的種類和量有時(shí)可降至約200°C。S卩，在本發(fā)明的第四方面中，接合可在低于已形成的接合部(銅錫合金)的熔點(diǎn)的溫度下進(jìn)行。因此，從制造的可操作性和成本的觀點(diǎn)看，第四方面的方法非常有用。此外，已形成的接合部的熔點(diǎn)相當(dāng)高，例如在Cu3Sn的情況下為640°C，在Cu6Sn5的情況下為 415°C。因此，即使在熱應(yīng)力例如熱沖擊循環(huán)等情況下，在接合部中也不產(chǎn)生缺陷例如裂縫、 分離等。在上述結(jié)構(gòu)中，銅錫合金的平均厚度可為2μπι以上但是20μπι以下。在該結(jié)構(gòu)中，進(jìn)行調(diào)節(jié)使得銅錫合金的平均厚度變得大于或等于2μπι但是小于或等于20 μ m。通過(guò)使銅錫合金的平均厚度在上述范圍之內(nèi)，更完全地實(shí)現(xiàn)了銅錫合金的優(yōu)異效果。從控制固液反應(yīng)以產(chǎn)生均一銅錫合金層的觀點(diǎn)看，上述范圍的平均厚度也是適合的。附帶地，如果接合通過(guò)不均一的銅錫合金實(shí)現(xiàn)，則發(fā)生接合體的強(qiáng)度和熱應(yīng)力耐受性的劣化。在上述結(jié)構(gòu)中，在調(diào)節(jié)接合表面和三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的位置的同時(shí)進(jìn)行加熱，使得所述銅錫合金的平均厚度變?yōu)? μ m以上但是20 μ m以下。在上述結(jié)構(gòu)中，調(diào)節(jié)加熱溫度和加熱時(shí)間中的至少之一，使得所述銅錫合金的平均厚度變?yōu)? μ m以上但是20 μ m以下。調(diào)節(jié)銅錫合金的平均厚度在2 20范圍之內(nèi)的方法的實(shí)例包括(1)其中通過(guò)使用夾具等調(diào)節(jié)設(shè)置銅層和三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的位置之后，在保持調(diào)節(jié)狀態(tài)時(shí)進(jìn)行加熱的方法， (2)其中調(diào)節(jié)用于銅固體和錫液體之間的反應(yīng)的加熱時(shí)間和/或加熱溫度的方法；等。在上述結(jié)構(gòu)中，銅錫合金可包含Cu3Sn和Cu6Sn5中的至少一種。通過(guò)銅固體和錫液體之間的反應(yīng)產(chǎn)生的銅錫合金為Cu3Sn或Cu6Sn5,并且在Cu3Sn 的情況下以及Cu6Sn5的情況下，強(qiáng)度都高并且熱應(yīng)力耐受性都優(yōu)異。在上述結(jié)構(gòu)中，可調(diào)節(jié)加熱溫度和加熱時(shí)間中的至少之一，使得銅錫合金在第一構(gòu)件的接合表面和第二構(gòu)件的接合表面中的占有率就長(zhǎng)度而言變?yōu)?%以上但是50%以下。在上述結(jié)構(gòu)中，可使用其中三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的含量比率為2體積％以上但是50體積％以下的軟釬料構(gòu)件。如果銅錫合金在接合表面中的占有率就長(zhǎng)度而言為2 %以上但是50 %以下，則熱應(yīng)力很可能減小，使得獲得熱應(yīng)力耐受性優(yōu)異的接合體。使接合表面中銅錫合金的占有率在上述范圍內(nèi)的方法的實(shí)例包括其中調(diào)節(jié)(1)軟釬料構(gòu)件中三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的含量比率、 (2)加熱溫度和(3)加熱時(shí)間中的至少之一的方法。附帶地，在其中三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的含量比率為2體積％ 50體積％的情況下，軟釬料構(gòu)件自身的強(qiáng)度和熱應(yīng)力耐受性得到改善。此外，在該范圍中的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的含量比率適于調(diào)節(jié)接合表面中銅錫合金的占有率，使得接合部中的強(qiáng)度和熱應(yīng)力耐受性也得到改善。在上述結(jié)構(gòu)中，第一構(gòu)件可為半導(dǎo)體元件，第二構(gòu)件可為絕緣襯底，接合體可為半導(dǎo)體模塊。在上述結(jié)構(gòu)中，第一構(gòu)件可為絕緣襯底，第二構(gòu)件可為散熱板，接合體可為半導(dǎo)體模塊。上述制造方法也可應(yīng)用為半導(dǎo)體模塊的制造方法。具體地，可以僅通過(guò)將接合體制造方法中的接合體改變?yōu)榘雽?dǎo)體模塊的組成構(gòu)件來(lái)實(shí)現(xiàn)該應(yīng)用。在上述結(jié)構(gòu)中，可在450°C以下進(jìn)行加熱。在其中接合構(gòu)件為半導(dǎo)體元件的情況下，接合也可在450°C以下的溫度下進(jìn)行，以充分防止由加熱導(dǎo)致的半導(dǎo)體元件的破壞或性能改變。根據(jù)本發(fā)明，能夠提供接合體、半導(dǎo)體模塊以及接合體制造方法，使得在熱沖擊循環(huán)中不太可能出現(xiàn)缺陷例如裂縫、分離等，并因此實(shí)現(xiàn)高可靠性。


以下參考附圖在本發(fā)明的示例性實(shí)施方案的詳述中將描述本發(fā)明的特征、優(yōu)勢(shì)以及技術(shù)和工業(yè)意義，附圖中相同的附圖標(biāo)記表示相同的元件，并且附圖中圖IA為說(shuō)明加熱之前接合體的結(jié)構(gòu)的圖，圖IB為說(shuō)明加熱之后接合體的結(jié)構(gòu)的圖；圖2為說(shuō)明測(cè)定根據(jù)本發(fā)明的接合體(半導(dǎo)體模塊)中銅錫合金厚度的方法、以及測(cè)定接合表面中銅錫合金的占有率的圖；和圖3為根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體模塊的部分的示意性截面圖。
具體實(shí)施例方式根據(jù)本發(fā)明的接合體包括具有主要組分為銅的接合表面的第一構(gòu)件，以及具有主要組分為銅的接合表面的第二構(gòu)件。接合體在第一構(gòu)件的接合表面和第二構(gòu)件的接合表面之間具有軟釬料構(gòu)件，所述軟釬料構(gòu)件包含在錫基軟釬料材料中的組分為銅的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。此外，接合體在各接合表面和三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之間具有銅錫合金。銅錫合金的平均厚度可為大于或等于2 μ m，但是小于或等于20 μ m。在該實(shí)施方案中接合體的制造方法的一個(gè)實(shí)施例示于圖IA和IB中。圖IA為說(shuō)明加熱和接合工藝之前接合體的結(jié)構(gòu)的圖，圖IB為說(shuō)明加熱和接合工藝之后接合體的結(jié)構(gòu)的圖。如圖IA和IB所示，根據(jù)所述實(shí)施方案的接合體具有第一構(gòu)件101和第二構(gòu)件 102。此處應(yīng)注意第一構(gòu)件101和第二構(gòu)件102的每一個(gè)均具有主要組分為銅的接合表面 S。各接合體(第一構(gòu)件101和第二構(gòu)件102)可由主要組分為銅的材料構(gòu)成，或僅僅各接合體的接合表面可提供有主要組分為銅的層。接合體具有第一構(gòu)件101和第二構(gòu)件102，在第一構(gòu)件101和第二構(gòu)件102的每一個(gè)中在接合表面S上提供有主要組分為銅的層111、 112(以下稱為〃銅層111、112")。
主要組分為銅的各接合表面S (銅層111、11 可包含50質(zhì)量％以上的銅，或可包含70質(zhì)量％以上的銅，或可包含90質(zhì)量％以上的銅。此外，主要組分為銅的接合表面S (銅層111、11幻可由單獨(dú)的銅或銅合金構(gòu)成。該銅合金的實(shí)例包括Cu-Ag合金、Cu-Si合金、 Cu-Cr合金、Cu-Cr-Zr合金等。如圖IA所示，在相互面對(duì)的銅層111和112之間設(shè)置軟釬料構(gòu)件200(以下有時(shí)稱為“根據(jù)本發(fā)明的軟釬料構(gòu)件”)，其包含在錫基軟釬料材料202中的主要組分為銅的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)201。三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)201的實(shí)例包括所謂的泡沫金屬材料、銅纖維編織物、纖維狀銅束寸。三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)201包含銅作為主要組分。在該實(shí)施方案中，表述“主要組分為銅” 表示含銅量為50質(zhì)量％以上。從歸因于銅的高強(qiáng)度和熱應(yīng)力以及高導(dǎo)熱率的觀點(diǎn)看，三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)201可包含70質(zhì)量％的銅。此外，主要組分為銅的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可由單獨(dú)的銅或銅合金構(gòu)成。構(gòu)成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的銅合金的實(shí)例包括Cu-Ag合金、Cu-Si合金、Cu-Cr合金、 Cu-Cr-Zr合金等。錫基軟釬料材料202可包含50質(zhì)量％以上的錫，也可包含90質(zhì)量％以上的錫。此外，錫基軟釬料材料可為單獨(dú)的錫(100質(zhì)量％)，也可包含其它元素以改善錫的強(qiáng)度。加入錫基軟釬料材料202的元素的實(shí)例包括銀(Ag)、銅(Cu)、銻(Sb)、鉍(Bi)、銦 (In)和鋅(Zn)。此外，可以向錫基軟釬料材料202中加入選自Ag、Cu、BiJn和Si中的至少一種元素。錫基軟釬料材料202的具體實(shí)例包括Sn-Ag-Cu軟釬料、Sn-Cu軟釬料、Sn-Sb軟釬料、Sn-Zn軟釬料、Sn-Bi軟釬料、Sn-In軟釬料、Sn-Ag-Cu-BiHn軟釬料和Sn-Ag-CuHn軟釬料。在這些軟釬料中，從強(qiáng)度的觀點(diǎn)看，Sn-Ag-Cu軟釬料、Sn-Cu軟釬料、Sn-Sb軟釬料、 Sn-Zn軟釬料、Sn-Ag-Cu-BiHn軟釬料或Sn-Ag-Cu-In軟釬料可用作錫基軟釬料材料202。為了在保持三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)的同時(shí)調(diào)節(jié)銅錫合金在接合表面中的占有率，三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)201在軟釬料構(gòu)件200中的含量比率可為2體積％以上但是50體積％以下，或也可為5體積％以上但是30體積％以下。考慮到接合部的強(qiáng)度，根據(jù)本發(fā)明的軟釬料構(gòu)件200的厚度可大于或等于ΙΟμπι 但是小于或等于500 μ m,可大于或等于30 μ m但是小于或等于300 μ m,可大于或等于50 μ m 但是小于或等于200 μ m。此外，為了在接合工藝之后在三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)201和各接合表面S之間形成銅錫合金，優(yōu)選根據(jù)本發(fā)明三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)201不從軟釬料構(gòu)件200的接合表面暴露出，并且三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)201的外表面的位置可從軟釬料構(gòu)件200的接合表面向內(nèi)2 μ m以上但是50 μ m以下，也可從軟釬料構(gòu)件200的接合表面向內(nèi)5 μ m以上但是20 μ m以下。參考日本專利申請(qǐng)公開(kāi)2004-298952 (JP-A-200449895》等中描述的制造方法， 可制造泡沫金屬材料和包含泡沫金屬材料的錫基軟釬料材料。此外，在錫基軟釬料材料中可包含由Mitsubishi Materials Corporation等制造的軟釬料浸漬的泡沫銅。在相互面對(duì)的銅層111和112之間設(shè)置軟釬料構(gòu)件200，如圖IA所示，然后加熱以在三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)201與銅層111和112之間形成銅錫合金203，如圖IB所示。因此，獲得
11具有接合部210的接合體。此處的加熱工藝在高于錫(Sn)基軟釬料材料的熔點(diǎn)并且低于銅(Cu)的熔點(diǎn)的溫度下進(jìn)行。由于在該溫度下加熱，所以錫熔化以形成液相，而銅不熔化而是以固相狀態(tài)存在。然后，固相銅和液相錫擴(kuò)散到彼此之中，以產(chǎn)生銅錫合金203。銅錫合金203包含至少Cu3Sn或Cu6Sn5,并可包含Cu3Sn。Cu3Sn和Cu6Sn5的熔點(diǎn)分別為約640°C和約415°C。在根據(jù)本發(fā)明的接合體制造方法中，能夠在低于已形成的接合部(銅錫合金203) 的熔點(diǎn)的溫度下進(jìn)行接合。因此，從制造的可操作性和成本的觀點(diǎn)看，本發(fā)明的制造方法是有用的。此外，已形成的接合部(銅錫合金20 的熔點(diǎn)相當(dāng)高，即如果銅錫合金203為 Cu3Sn則高達(dá)例如約640°C，如果銅錫合金203為Cu6Sn5則為約415°C。因此，即使接合部經(jīng)受熱應(yīng)力例如熱沖擊循環(huán)等，在接合部中不會(huì)產(chǎn)生缺陷例如裂縫、分離等。至于加熱溫度，從提高銅固體和錫液體之間反應(yīng)速率的觀點(diǎn)看，加熱可在高于錫基軟釬料材料202的熔點(diǎn)約30°C 200°C的溫度下進(jìn)行，也可在高于其熔點(diǎn)50°C以上的溫度下進(jìn)行，此外也可在高于其熔點(diǎn)100°C以上的溫度下進(jìn)行。另一方面，在其中接合構(gòu)件為半導(dǎo)體元件的情況下，加熱也可在450°C以下進(jìn)行，以防止半導(dǎo)體元件因加熱而導(dǎo)致的破壞或性能改變。從防止氧化的觀點(diǎn)看，加熱在惰性氣體或還原性氣體氣氛中進(jìn)行。此外，為了抑制軟釬料構(gòu)件或接合構(gòu)件因加熱而導(dǎo)致的翹曲，也能夠在沿堆疊體方向(圖IA中的上下方向)施加負(fù)荷時(shí)進(jìn)行加熱。此外，在本發(fā)明的接合體制造方法中，可進(jìn)行調(diào)節(jié)使得銅錫合金203的平均厚度為2 μ m以上并且20 μ m以下。如果銅錫合金203的平均厚度小于2，則有時(shí)變得難以通過(guò)使用銅錫合金獲得增強(qiáng)接合強(qiáng)度和熱應(yīng)力耐受性的效果。也難以通過(guò)控制銅固體和錫液體之間的反應(yīng)來(lái)調(diào)節(jié)其平均厚度至小于2。此外，也難以通過(guò)銅固體和錫液體之間的反應(yīng)來(lái)制備其厚度超過(guò)20 μ m的均一的銅錫合金。附帶地，分析了形成為具有2 μ m以上并且20 μ m 以下的厚度的銅錫合金，證實(shí)銅錫合金為均一的。此外，銅錫合金的平均厚度也可調(diào)節(jié)為 5μπ 以上并且ΙΟμ 以下。銅錫合金起始形成在固相銅和液相錫之間的界面處，然后合金繼續(xù)生長(zhǎng)直至錫和銅中任一個(gè)的供給終止。在堆疊體中，在圖IA所示的接合工藝之前，銅和錫以足夠的量存在，使得合金繼續(xù)形成直至停止加熱。調(diào)節(jié)銅/錫合金的平均厚度到上述范圍內(nèi)的方法的實(shí)例包括(1)其中通過(guò)使用夾具等調(diào)節(jié)設(shè)置銅層111和112與三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)201的位置之后，在保持調(diào)節(jié)狀態(tài)的同時(shí)進(jìn)行加熱的方法；和( 其中調(diào)節(jié)用于銅固體和錫液體之間的反應(yīng)的加熱時(shí)間和/或加熱溫度的方法。方法(1)的具體實(shí)例包括(i)其中使用表面覆蓋有錫基軟釬料材料的軟釬料構(gòu)件200，通過(guò)調(diào)節(jié)軟釬料構(gòu)件200表面上的錫基軟釬料材料的厚度來(lái)調(diào)節(jié)三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)201 與銅層111和112之間的距離的方法，(ii)其中對(duì)接合體施加負(fù)荷和基于負(fù)荷進(jìn)行調(diào)節(jié)的方法；(iii)其中襯底提供有未被軟釬料潤(rùn)濕的部分，以及通過(guò)鋪展軟釬料來(lái)調(diào)節(jié)銅/錫的平均厚度的方法；等?？筛鶕?jù)加熱溫度、軟釬料構(gòu)件200中錫基軟釬料材料202的含量比率等調(diào)節(jié)加熱時(shí)間。例如，在其中使用包含10質(zhì)量％的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)體201的軟釬料構(gòu)件200以及其中加熱溫度為350°C的情況下，加熱時(shí)間可為5分鐘以上但是60分鐘以下，或還可為10分鐘以上但是30分鐘以下。此外，在其中使用包含30質(zhì)量％的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)體201的軟釬料構(gòu)件200以及其中加熱溫度為400°C的情況下，加熱時(shí)間可為5分鐘以上但是60分鐘以下， 或也可為10分鐘以上但是30分鐘以下。銅錫合金203的平均厚度可通過(guò)以下方法測(cè)量。所述方法將參考圖2進(jìn)行描述。 接合后接合體的橫截面使用電子顯微鏡觀察，或以無(wú)損檢查觀察。參考觀察圖(圖幻，測(cè)量銅錫合金203的高度(圖2中的Zl至Z4)，并獲得其平均值(在圖2中，(Z1+Z2+Z3+Z4)/4) 0此外，如果存在于銅層111和112的接合表面中的銅錫合金203的比例為銅層111 和112的長(zhǎng)度的2%以上但是50%以下，那么熱應(yīng)力很可能減小，使得獲得熱應(yīng)力耐受性優(yōu)異的接合體。此外，如果存在于接合表面中的銅錫合金203的比例為10% 30%，則獲得熱應(yīng)力耐受性得到進(jìn)一步改善的接合體。使接合表面中銅錫合金占有率在上述范圍內(nèi)的方法的實(shí)例包括其中調(diào)節(jié)(1)軟釬料構(gòu)件中三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的含量比率、⑵加熱溫度、⑶加熱時(shí)間、⑷接合體上負(fù)荷和 (5)軟釬料的鋪展中至少之一的方法。在這些方法中，從可操作性的觀點(diǎn)看，優(yōu)選其中調(diào)節(jié)因素(1)、⑵和(3)中的至少之一的方法。存在于銅層111和112中各自的接合表面中的銅錫合金的比例可通過(guò)以下方法測(cè)量。所述方法將參考圖2進(jìn)行描述。接合后接合體的橫截面使用電子顯微鏡觀察，或以無(wú)損檢查觀察。參考觀察圖(由圖2中的虛線包圍)，計(jì)算與接合表面S接觸的銅錫合金203 的長(zhǎng)度總和(圖2中Xl至X4的總和)，然后除以接合表面S的長(zhǎng)度(圖2中的Y)，并乘以 100。因此，使用以下表達(dá)式計(jì)算接合表面中銅錫合金的占有率。銅錫合金在接合表面中的占有率(％)=[(與接合表面接觸的銅錫合金的長(zhǎng)度)/ (接合表面的長(zhǎng)度)]X100···(表達(dá)式)至于本發(fā)明的接合體，由于三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和接合表面通過(guò)強(qiáng)度和熱應(yīng)力耐受性優(yōu)異的銅錫合金接合，所以層狀結(jié)構(gòu)體的強(qiáng)度總體上得到改善。因此，獲得不易破裂的結(jié)構(gòu)體，即使當(dāng)經(jīng)受熱應(yīng)力例如熱沖擊循環(huán)等時(shí)也是如此。結(jié)果，允許組成材料之間的熱膨脹系數(shù)差異的擴(kuò)大，使得可采用不同的組成材料，并可實(shí)現(xiàn)低成本的接合體(例如低成本的電力變壓器等)。此外，即使各接合表面的銅和接合構(gòu)件的銅錫合金之間的界面經(jīng)受熱沖擊循環(huán)， 在界面處也不產(chǎn)生不必要的產(chǎn)物，或即使產(chǎn)生不必要的產(chǎn)物，也幾乎不發(fā)生不必要產(chǎn)物的生長(zhǎng)。因此，在本發(fā)明的接合體中，對(duì)溫度改變的耐受性提高。此外，由于包含于軟釬料構(gòu)件200中的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)201包含導(dǎo)熱率高的銅作為主要組分，所以與其中軟釬料構(gòu)件200僅包含錫基軟釬料材料202的情況相比，接合體的導(dǎo)熱率也提高。本發(fā)明的半導(dǎo)體模塊具有半導(dǎo)體元件、絕緣襯底和散熱板。此外，半導(dǎo)體模塊具有在半導(dǎo)體元件和絕緣襯底之間的第一接合部、以及在絕緣襯底和散熱板之間的第二接合部。在本發(fā)明中，形成第一接合部和第二接合部中的至少之一作為本發(fā)明的已通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的軟釬料構(gòu)件200接合的接合部210是足夠的，并且也允許第一接合部和第二接合部?jī)烧叻謩e與軟釬料構(gòu)件200接合，并因此形成為本發(fā)明的接合部210。圖3顯示本發(fā)明的半導(dǎo)體模塊10的部分的示意性截面圖。半導(dǎo)體模塊10具有半導(dǎo)體元件20、絕緣部30和散熱板40。半導(dǎo)體元件20和絕緣部30通過(guò)第一接合部50接合在一起。絕緣部30和散熱板40通過(guò)第二結(jié)部60接合在一起。半導(dǎo)體模塊10用于車載轉(zhuǎn)換器等。雖然未顯示，在半導(dǎo)體模塊10附近提供有內(nèi)燃機(jī)。因此，在其中放置有半導(dǎo)體模塊10的環(huán)境中出現(xiàn)相當(dāng)高的溫度。此外，在其中GaN 或SiC用作半導(dǎo)體元件的情況下，由半導(dǎo)體元件20產(chǎn)生的熱是大的，因此半導(dǎo)體模塊10的
溫度升高。為了防止半導(dǎo)體元件由于半導(dǎo)體元件自身產(chǎn)生的熱或其高溫周圍環(huán)境而受損，提供其中流動(dòng)冷卻水的冷卻管(未顯示)，并且在冷卻管和半導(dǎo)體元件之間提供散熱板40。因此，半導(dǎo)體模塊通常需要的能力特性首先是甚至在熱沖擊循環(huán)之后也不產(chǎn)生缺陷例如裂縫、分離等，第二是通過(guò)絕緣襯底確定實(shí)現(xiàn)絕緣的特性，和第三是由半導(dǎo)體元件產(chǎn)生的熱傳導(dǎo)至散熱板同時(shí)盡可能避免熱積累的特性。為了避免由于熱沖擊循環(huán)而產(chǎn)生裂縫、分離等，相關(guān)元件例如半導(dǎo)體元件、絕緣襯底、散熱板、接合構(gòu)件等必須耐受溫度變化，重要的是在熱沖擊循環(huán)期間不產(chǎn)生不必要的反應(yīng)產(chǎn)物。這種反應(yīng)產(chǎn)物是脆性物質(zhì)或反之是過(guò)硬的物質(zhì)，因此在反應(yīng)產(chǎn)物產(chǎn)生位點(diǎn)處很可能開(kāi)始出現(xiàn)裂縫、分離等。此外，重要的是元件的熱膨脹系數(shù)彼此接近，以抑制由熱沖擊循環(huán)所導(dǎo)致的裂縫、分離等的產(chǎn)生。如果其熱膨脹系數(shù)彼此顯著不同的元件接合，由于熱沖擊循環(huán)導(dǎo)致元件體積變化重復(fù)產(chǎn)生，很可能導(dǎo)致裂縫、分離等。至于半導(dǎo)體元件20，沒(méi)有特定限制，但是根據(jù)半導(dǎo)體元件20的用途，可適合地應(yīng)用各種材料，并且有可能使用通常使用的Si襯底，并也使用GaN襯底、SiC襯底等。在其中第一接合部50為根據(jù)本發(fā)明的接合部210的情況下，半導(dǎo)體元件20的第一接合部50側(cè)的表面提供有Cu層22。Cu層22的厚度可為0. Ιμ 20μ ，并也可為0. 5μπι ΙΟμ 。如果Cu層22 的厚度小于0. 1 μ m，則Cu層22可能在接合工藝期間可能溶于并消失于軟釬料材料中。如果Cu層22的厚度厚于20 μ m,則半導(dǎo)體模塊的熱膨脹系數(shù)總體上受影響以導(dǎo)致熱應(yīng)力。因此，Cu層22的厚度大于20 μ m不是優(yōu)選的。Cu層22可通過(guò)濺射、鍍覆、氣相沉積等形成于接合部的表面上。至于絕緣部30的絕緣襯底32，可以應(yīng)用任何材料而沒(méi)有任何特定限制，只要材料確保絕緣即可。然而，絕緣襯底32的熱膨脹系數(shù)近似于半導(dǎo)體元件的熱膨脹系數(shù)，使得在熱沖擊循環(huán)期間不產(chǎn)生顯著的熱應(yīng)力。具體地，絕緣襯底32的實(shí)例包括由AlN、Si3N4、Al203等形成的襯底。其中，從導(dǎo)熱率和熱膨脹系數(shù)的觀點(diǎn)看，AlN或Si3N4可適用于絕緣襯底32。此外，為了從絕緣襯底32的半導(dǎo)體元件側(cè)表面導(dǎo)電至半導(dǎo)體元件20，在AlN或 Si3N4的表面上層疊導(dǎo)電層34。此外，為了抑制由于溫度變化導(dǎo)致的翹曲，也可在散熱板40 側(cè)上層疊導(dǎo)電層36。導(dǎo)電層34和36的材料的實(shí)例包括Al、Cu、Mo、Ni等。其中，可適合地使用Al和 Cu。如果在AlN或Si3N4的表面上提供Al層，則響應(yīng)于溫度變化產(chǎn)生塑性變形，使得可減小熱應(yīng)力。如果在AlN或Si3N4的表面上提供Cu層，則Cu的高導(dǎo)電率允許導(dǎo)電層的厚度減小，使得可減小熱應(yīng)力。特別地，如果導(dǎo)電層34和36為Cu層，則Cu層還可以起到提供在接合表面上的Cu層的作用。
提供在AlN或Si3N4表面上的導(dǎo)電層34和36的厚度可為0. Olmm 2mm，也可為 0. Imm 1mm。如果導(dǎo)電層的厚度小于0. 01mm，則由于沿橫向(垂直于層堆疊方向的方向) 的電而產(chǎn)生的損失和熱產(chǎn)生變得顯著；因此其這種厚度不是優(yōu)選的。如果其厚度超過(guò)2mm， 則半導(dǎo)體模塊的熱膨脹系數(shù)總體上受影響，使得產(chǎn)生熱應(yīng)力；因此，其這種厚度不是優(yōu)選的。通過(guò)例如釬焊等可將導(dǎo)電層34和36粘附至絕緣襯底32。其中導(dǎo)電層34和36不是Cu層的情況下，在絕緣部30的在通過(guò)軟釬料構(gòu)件200 接合的側(cè)上的表面上形成銅層(未顯示)。Cu層可通過(guò)濺射、鍍覆、氣相沉積等形成。 至于散熱板40，可應(yīng)用任何材料而沒(méi)有任何特別的限制，只要材料具有散熱特性即可。然而，可適合地使用其導(dǎo)熱率足夠高、其散熱板所需功能優(yōu)異、以及其熱膨脹系數(shù)與半導(dǎo)體元件的熱膨脹系數(shù)近似的材料。具體地，散熱板40的實(shí)例包括由M0、Cu-Mo合金、Al_SiC、Cu、Al等形成的散熱板。 在這些材料中，因?yàn)镸o的導(dǎo)熱率高并且熱膨脹系數(shù)與半導(dǎo)體元件的熱膨脹系數(shù)近似，所以可適合地使用Mo。從允許進(jìn)行接合的觀點(diǎn)看，在其中Mo用于散熱板的情況下，Mo板的兩個(gè)表面可提供有除了 Mo之外的材料層。這種金屬層的實(shí)例包括Cu、Ni等的層。特別地，從適合調(diào)節(jié)導(dǎo)熱率和熱膨脹系數(shù)的觀點(diǎn)看，散熱板40也可為Cu層44、Mo層42和Cu層46的堆疊體，其中Cu層提供在Mo層的兩個(gè)表面上。在其中散熱板40為由Cu層44、Mo層42和Cu層46構(gòu)成的堆疊體的情況下，所述層的厚度的比率可為1 5 1 1 12 1，并也可為1 7 1 1 9 1。如果 Cu層44、Mo層42和Cu層46的厚度比使得Mo層的相對(duì)厚度小于由三個(gè)層44、42和46的 1:5: 1的厚度比所表示的厚度，則散熱板40的熱膨脹系數(shù)與半導(dǎo)體元件的熱膨脹系數(shù)顯著不同。因此，三個(gè)層的這種厚度比不是優(yōu)選的。此外，如果Cu層44、Mo層42和Cu層 46的厚度比使得Mo層的相對(duì)厚度大于由1 12 1的厚度比所表示的厚度，則散熱板的散熱功能不能充分實(shí)現(xiàn)。因此，三個(gè)層的這種厚度比不是優(yōu)選的。至于所述層的具體厚度，Cu層44和46的厚度可為0. 05mm 1mm，也可為0. 2mm 0. 5mm。Mo層42的厚度可為 7_，也可為2_ 4_。由Cu層44、Mo層42和Cu層46構(gòu)成的堆疊體的總厚度可為Imm 8mm，也可為 2mm 5mm，以足以實(shí)現(xiàn)散熱功能。如上所述，Cu層44也可起到提供在面向接合部210的接合表面上的Cu層的作用。 在其中第二接合部60通過(guò)軟釬料構(gòu)件200接合和其中在散熱板40的表面上沒(méi)有提供Cu層作為其一部分的情況下，在散熱板40的第二接合部60側(cè)表面上形成Cu層(未顯示)。Cu 層可通過(guò)濺射、鍍覆、氣相沉積等形成。第一接合部50和第二接合部60的至少之一提供為通過(guò)使用軟釬料構(gòu)件200接合的根據(jù)本發(fā)明的接合部210是足夠的，也允許第一接合部50和第二接合部60 二者都提供為根據(jù)本發(fā)明的接合部210。根據(jù)本發(fā)明的面向接合部210的接合表面由主要組分為銅的材料構(gòu)成。如圖IA和 IB所示的接合表面上的銅層111和112提供為絕緣部30或散熱板40的一部分并也發(fā)揮其它功能。例如，這種銅層為絕緣部30的導(dǎo)電層34和36，以及散熱板40的Cu層44。在該
15情況下，這些層的厚度適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)為使得可實(shí)現(xiàn)所述層的功能的厚度。根據(jù)本發(fā)明，在其中第一接合部50和第二接合部60的至少之一通過(guò)除了軟釬料構(gòu)件200之外的材料接合的情況下，能適當(dāng)?shù)剡m用已知的接合材料作為除了軟釬料構(gòu)件 200之外的接合材料。至于接合次序，可首先接合第一接合部50和第二接合部60中的任一個(gè)。通常，在半導(dǎo)體模塊制造方法中，通過(guò)加熱包括在第一工藝中接合的部分的整體模塊來(lái)進(jìn)行第二接合工藝。因此，為了防止通過(guò)第一工藝接合的部分的位置發(fā)生偏離或傾斜，使得在第二接合工藝期間的加熱溫度充分低于用于第一工藝中所用接合材料的熔點(diǎn)。即，在通常的半導(dǎo)體模塊制造方法中，其熔點(diǎn)彼此不同的材料用于通過(guò)較早的(第一)工藝接合的接合部，和用于通過(guò)之后(第二工藝)接合的接合部。特別地，對(duì)于用于第一工藝的接合材料，可選擇熔點(diǎn)充分高于用于第二工藝的材料的熔點(diǎn)的材料。此外，考慮到從半導(dǎo)體元件20的散熱，具有高熔點(diǎn)的接合材料可應(yīng)用于第一接合部50。因此，第一接合部50首先通過(guò)使用高熔點(diǎn)的接合材料接合，然后第二接合部60通過(guò)使用熔點(diǎn)低于用于第一接合部50的接合材料的熔點(diǎn)的接合材料接合。此外，在其中GaN襯底或SiC襯底應(yīng)用于半導(dǎo)體元件20的情況下，來(lái)自半導(dǎo)體元件20的散熱大，使得有時(shí)可產(chǎn)生熱，并且使溫度提高至超過(guò)200°C。因此，考慮到軟釬料構(gòu)件200中錫基軟釬料材料的熔點(diǎn)(其為約220°C )，根據(jù)本發(fā)明的軟釬料構(gòu)件200應(yīng)用于在第二工藝中接合的接合部，使得形成接合部作為本發(fā)明的接合部210，并且熔點(diǎn)高于根據(jù)本發(fā)明的軟釬料構(gòu)件200的軟釬料構(gòu)件應(yīng)用于在第一工藝中接合的接合部。另一方面，在其中Si襯底應(yīng)用于半導(dǎo)體元件20的半導(dǎo)體模塊的情況下，半導(dǎo)體模塊顯示出足夠的耐熱性，即使在錫基軟釬料材料的熔點(diǎn)(約220°C)的溫度下也是如此。因此，可允許根據(jù)本發(fā)明的軟釬料構(gòu)件200應(yīng)用于在第一工藝中接合的接合部，以形成本發(fā)明的接合部210，然后熔點(diǎn)低于根據(jù)本發(fā)明的軟釬料構(gòu)件200的軟釬料構(gòu)件應(yīng)用于在第二工藝中接合的接合部。附帶地，在其中Si襯底應(yīng)用于半導(dǎo)體元件20的半導(dǎo)體模塊的情況下，也允許根據(jù)本發(fā)明的軟釬料構(gòu)件200可應(yīng)用于在第二工藝中接合的接合部，使得接合部形成為接合部 210，并且熔點(diǎn)高于根據(jù)本發(fā)明的軟釬料構(gòu)件200的軟釬料構(gòu)件可用于在第一工藝中接合的接合部，如在其中GaN襯底或SiC襯底應(yīng)用于半導(dǎo)體元件20的情況下一樣。在其中根據(jù)本發(fā)明的軟釬料構(gòu)件200應(yīng)用于在第二工藝中接合的接合部使得接合部形成為根據(jù)本發(fā)明的接合部210的情況下，從防止在第二接合工藝期間出現(xiàn)缺陷例如位置偏離、傾斜等的觀點(diǎn)看，可允許選擇熔點(diǎn)充分高于錫基軟釬料材料的熔點(diǎn)(約220°C ) 的材料用于在第一工藝中接合的接合部，并且從防止因加熱而導(dǎo)致接合構(gòu)件(例如半導(dǎo)體元件等)裂縫或性能改變的觀點(diǎn)看，也可允許選擇在450°C以下的溫度下接合的材料用于在第一工藝中接合的接合部。熔點(diǎn)充分高于錫基軟釬料材料的熔點(diǎn)(約220°C )的材料的實(shí)例包括鋅基軟釬料材料(熔點(diǎn)約 4200C )、Au-Si (熔點(diǎn)3600C )、Au-Ge (熔點(diǎn)356°C )、Au-Sn (熔點(diǎn) 2700C )、Bi基軟釬料材料(熔點(diǎn)約270°C )等。鋅基軟釬料材料指的是包含50質(zhì)量％以上鋅(Zn)的軟釬料材料。具體地，鋅基軟釬料材料的實(shí)例包括作為單質(zhì)的SuZn-Al合金、以及由ai(1_x_y)AlxMy表示的合金，并且還包括通過(guò)向這些材料中的任一種添加選自Ge、Mg、Sn、In、P等中的一種物質(zhì)、或通過(guò)向上述軟釬料材料的任一種添加選自所述物質(zhì)的兩種或更多種物質(zhì)的組合而獲得的材料。作為其它鋅基軟釬料材料，能夠應(yīng)用日本專利申請(qǐng)公開(kāi)11-288955 (JP-A-1H88955)、日本專利申請(qǐng)公開(kāi) 11-208487 CJP-A-11-208487)、日本專利申請(qǐng)公開(kāi) 11-172354 (JP-A-11-172354)、 日本專利申請(qǐng)公開(kāi)11-172353 (JP-A-11-172353)、日本專利申請(qǐng)公開(kāi) 11-172352 (JP-A-11-17235 、日本專利申請(qǐng)公開(kāi) 2000-208533 (JP-A-2000-208533)、 日本專利申請(qǐng)公開(kāi)2000-61686 (JP-A-2000-61686)、日本專利申請(qǐng)公開(kāi) 2004-358540 (JP-A-2004-358540)、日本專利申請(qǐng)公開(kāi) 2004_；358539 (JP-A-2004-358539) 等中描述的Si基軟釬料材料。此處應(yīng)注意作為單質(zhì)的鋅的熔點(diǎn)為約420°C。雖然接合可在約420°C下進(jìn)行，但是考慮到對(duì)接合構(gòu)件的熱損傷，也可允許使鋅基軟釬料材料的熔點(diǎn)低于約420°C。為了降低熔點(diǎn)，可將Al加入Si中以形成Si和Al的合金。除了 Si和Al之外，在軟釬料材料可包含2質(zhì)量％以下的金屬M(fèi)。即，可應(yīng)用由Zn(1_x_y)AlxMy表示的合金。在由ai(1_x_y)AlxMy表示的合金中，Al的含量比率(χ的范圍)可為2質(zhì)量％以上但是10質(zhì)量％以下，也可為3質(zhì)量％以上但是8質(zhì)量％以下。至于作為單質(zhì)的&1，其不包含 Al或M(χ和y為0)，其熔點(diǎn)為約420°C，如上所述。隨著Al的含量比率增加，溶解結(jié)束溫度 (液相線溫度)逐漸降低。如果Al的含量比率為約2質(zhì)量％，則溶解結(jié)束溫度(液相線溫度)為約410°C。如果Al的含量比率為約4 6質(zhì)量％，則液相線溫度為約382°C。如果 Al的含量比率大于約6質(zhì)量％，則溶解開(kāi)始溫度(固相線溫度)和溶解結(jié)束溫度(液相線溫度)之間的差變大。如果Al的含量比率為10質(zhì)量％，則固體相線溫度為約382°C，液相線溫度為約410°C。如果Al的含量比率大于10質(zhì)量％，則固相線溫度和液相線溫度之間的差大于30°C，使得可操作性低，并當(dāng)通過(guò)軟釬料進(jìn)行接合時(shí)，變得可能會(huì)產(chǎn)生缺陷例如接合構(gòu)件的傾斜、位置偏離等。此外，由Zna_x_y)AlxMy表示的合金中的金屬M(fèi)指的是除了鋅和鋁之外的金屬，并且可以為例如Cu等。含2質(zhì)量％以下的Cu產(chǎn)生良好的潤(rùn)濕性并且改善粘合性。附帶地，含2 質(zhì)量％的Cu使得液相線溫度基本沒(méi)有變化。在由ai(1_x_y)AlxMy表示的合金中，金屬M(fèi)的含量(y的范圍)為0 2質(zhì)量％，也可為0 1.5質(zhì)量％。如果金屬M(fèi)的含量大于2質(zhì)量％， 則在直至溶解結(jié)束的過(guò)程中產(chǎn)生的溫度差(或變化)變得大于30°C，使得可操作性降低，并且當(dāng)利用軟釬料進(jìn)行接合時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生缺陷例如接合構(gòu)件的傾斜、位置偏離等。用于由Zn(1_x_y)AlxMy表示的合金的制備方法沒(méi)有特定限制，而是可適合地應(yīng)用已知的合金制備方法。在其中第一構(gòu)件101和第二構(gòu)件102通過(guò)由Zn(1_x_y)AlxMy表示的合金接合的情況下，從均一熔化接合部和獲得足夠流動(dòng)性的觀點(diǎn)看，接合可在高于合金的液相線溫度數(shù)十?dāng)z氏度的溫度下進(jìn)行。例如，在液相線溫度為382°C的合金aia_x_y)AlxMy的情況下，接合可在約410°C 440°C的溫度下進(jìn)行。面向鋅基軟釬料材料的接合表面可提供有鎳層。在接合表面上提供鎳層限制在與鋅基軟釬料材料的界面處產(chǎn)生不必要的反應(yīng)產(chǎn)物并提高對(duì)溫度變化的耐受性。面向鋅基軟釬料構(gòu)件200的接合表面上的鎳層的厚度可為0. 1 μ m 10 μ m，也可為0. 5 μ m 5 μ m。在上述范圍內(nèi)的鎳層的厚度會(huì)有助于改善潤(rùn)濕性，所得接合體上熱膨脹系數(shù)的影響總體上小。鎳層可通過(guò)濺射、鍍覆、氣相沉積等形成在面向鋅基軟釬料構(gòu)件200 的接合表面上。在其中根據(jù)本發(fā)明的軟釬料構(gòu)件200應(yīng)用于在第一工藝中接合的接合部的情況下，使得接合部形成為根據(jù)本發(fā)明的接合部210，從防止在第二接合工藝期間產(chǎn)生缺陷例如位置偏離、傾斜等的觀點(diǎn)看，可選擇在低于軟釬料構(gòu)件200的熔點(diǎn)的溫度下可接合的材料用于在第二工藝中接合的接合部。此處應(yīng)注意如果接合使用軟釬料構(gòu)件200進(jìn)行，則在接合工藝之后在接合部210 中存在錫基軟釬料材料、銅錫合金、和銅。接合部210中的最低熔點(diǎn)為約220°C，其為錫基軟釬料材料的熔點(diǎn)。因此，在其中軟釬料構(gòu)件200應(yīng)用于第一接合工藝的情況下，可采用在低于錫基軟釬料材料的熔點(diǎn)(約220°C)的溫度下接合的材料用于第二接合工藝。此處應(yīng)注意在其中接合利用根據(jù)本發(fā)明的軟釬料構(gòu)件200進(jìn)行的情況下，接合部的一部分通過(guò)銅錫合金203接合。通過(guò)銅錫合金203接合的接合部在低于銅錫合金的熔點(diǎn)(例如在Cu3Sn的情況下為約640°C，在Cu6Sn5的情況下為約415°C )的溫度下位置沒(méi)有偏離，并接合位置固定。因此，在其中軟釬料構(gòu)件200應(yīng)用于第一接合工藝的情況下，在第二接合工藝中，也能利用熔點(diǎn)高于錫基軟釬料材料的熔點(diǎn)(約220°C)并且低于銅錫合金的熔點(diǎn)(例如，在Cu3Sn的情況下為640°C，在Cu6Sn5的情況下為415°C)的軟釬料材料進(jìn)行接合。然而，期望避免對(duì)第二接合工藝使用熔點(diǎn)顯著高于錫基軟釬料材料的熔點(diǎn)(約220°C) 的軟釬料材料。如上所述，當(dāng)根據(jù)本發(fā)明的軟釬料構(gòu)件200用于第一接合工藝時(shí)，待在第二接合工藝中使用的軟釬料材料可為Sn基軟釬料材料(熔點(diǎn)約220°C )、Bi基軟釬料材料(熔點(diǎn)約270°C )、Au基軟釬料材料(熔點(diǎn)約270°C ) ,Sn-Sb基軟釬料材料(熔點(diǎn)約250°C )寸。Au基軟釬料材料的實(shí)例包括Au-20Sn (熔點(diǎn)270。C )、Au-12. 5Ge (熔點(diǎn):361。C )寸。在本發(fā)明中，能夠?qū)⒏鶕?jù)本發(fā)明的軟釬料構(gòu)件200應(yīng)用于在第一工藝中接合的接合部和在第二工藝中接合的接合部?jī)烧摺Ｔ诒景l(fā)明的制造方法中，由于銅錫合金203在接合后形成，所以整個(gè)接合部的位置在低于銅錫合金的熔點(diǎn)(例如，在Cu3Sn的情況下為640°C，在Cu6Sn5的情況下為415°C ) 的溫度下沒(méi)有偏離，而是接合位置固定。因此，在其中在第一工藝中接合的接合部通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的軟釬料構(gòu)件200接合并且其中在第二工藝中接合的接合部也通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的軟釬料構(gòu)件200接合的情況下， 由于在第二接合工藝中的加熱溫度(其下限溫度為約220°C，其為Sn的熔點(diǎn))充分低于銅錫合金的熔點(diǎn)(例如，在Cu3Sn的情況下為640°C，在Cu6Sn5的情況下為415°C )，所以在第一接合工藝中固定的接合位置在第二接合工藝期間沒(méi)有偏離。因此，在本發(fā)明的半導(dǎo)體模塊中，相同的接合材料可應(yīng)用于兩個(gè)不同的位置，使得操作簡(jiǎn)化并且其制造所需要的空間可減小。然而，在其中本發(fā)明的軟釬料構(gòu)件200應(yīng)用于在第一工藝中接合的接合部和在第二工藝中接合的接合部?jī)烧叩那闆r下，在第一工藝中接合的接合部包括通過(guò)錫基軟釬料材料接合的部分，使得在第一工藝中接合的接合部由于在第二接合工藝中的加熱而部分熔化。因此，如果需要高的耐熱性，優(yōu)選第一接合工藝使用除了根據(jù)本發(fā)明的軟釬料構(gòu)件200 之外的軟釬料材料進(jìn)行，第二接合工藝使用根據(jù)本發(fā)明根據(jù)軟釬料構(gòu)件200進(jìn)行。在根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體模塊制造方法中，在半導(dǎo)體元件與絕緣襯底之間的接合部、和絕緣襯底與散熱板之間的接合部中的至少之一通過(guò)上述接合體制造方法接合。以下將描述具體接合方法。將結(jié)合其中根據(jù)本發(fā)明的軟釬料構(gòu)件200應(yīng)用于第一接合部50使得第一接合部 50形成為根據(jù)本發(fā)明的接合部210、以及其中除了軟釬料構(gòu)件200之外的軟釬料材料用于第二接合部60的情況，描述第一實(shí)施方案。在該實(shí)施方案中在GaN襯底或SiC襯底用于半導(dǎo)體元件的情況下，從根據(jù)本發(fā)明的接合部210的熔點(diǎn)的觀點(diǎn)看，可允許使用熔點(diǎn)高于根據(jù)本發(fā)明的軟釬料構(gòu)件200的軟釬料材料首先接合第二接合部60，然后使用根據(jù)本發(fā)明的軟釬料構(gòu)件200接合第一接合部 50，使得第一接合部50形成為根據(jù)本發(fā)明的接合部210。另一方面，在該實(shí)施方案中在Si 襯底用于半導(dǎo)體元件的情況下，第一接合部50和第二接合部60中的任一個(gè)可首先接合。以下，將結(jié)合如下方法描述第一實(shí)施方案其中第二接合部60使用熔點(diǎn)高于根據(jù)本發(fā)明的軟釬料構(gòu)件200的軟釬料材料首先接合，然后使用根據(jù)本發(fā)明的軟釬料構(gòu)件200 接合根據(jù)本發(fā)明的第一接合部50，使得第一接合部50形成為根據(jù)本發(fā)明的接合部210。絕緣部30和散熱板40設(shè)置為相互面對(duì)，并在其間夾入用于第二接合部60的軟釬料材料。在其中絕緣部30、軟釬料材料30和散熱板40以此次序堆疊的狀態(tài)中，通過(guò)使用回流工藝等，在惰性氣體氣氛或還原性氣體氣氛中接合堆疊的組件。對(duì)于第二接合部60的接合溫度，優(yōu)選在高于第二接合部60的軟釬料材料的熔點(diǎn)約30°C 60°C的溫度下接合第二接合部60。從導(dǎo)熱性和熱應(yīng)力的觀點(diǎn)看，第二接合部60的厚度可為5 μ m以上但是500 μ m以下，也可為10 μ m以上但是300 μ m以下。通過(guò)在半導(dǎo)體元件20的接合表面?zhèn)鹊谋砻嫔蠟R射形成Cu層。另一方面，通過(guò)例如釬焊等方法，使作為導(dǎo)電層的Cu板粘附至絕緣部30的第一接合部50側(cè)的接合表面。此外，絕緣部30的與第一接合部50側(cè)相對(duì)的表面已經(jīng)通過(guò)上述第二接合部60與散熱板40接合。半導(dǎo)體元件20和絕緣部30設(shè)置為使得在相互面對(duì)的兩個(gè)構(gòu)件上分別提供Cu層， 并將根據(jù)本發(fā)明的軟釬料構(gòu)件200夾于所述兩個(gè)構(gòu)件之間。然后，通過(guò)夾具等沿堆疊方向?qū)Χ询B體施加壓力，以確保接合部的均一性和粘附。在半導(dǎo)體元件的頂部上可放置金屬制重物用于施加壓力。在保持該狀態(tài)的同時(shí)，在惰性氣體或還原性氣體氣氛中使用回流工藝等通過(guò)熱工藝進(jìn)行接合。加熱溫度設(shè)定為高于錫基軟釬料材料202的熔點(diǎn)但是低于銅的熔點(diǎn)。如果加熱溫度不高于錫基軟釬料材料202的熔點(diǎn)，則軟釬料材料202不熔化，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)接合。 此外，在這種低溫下，在銅固體和錫液體之間不發(fā)生反應(yīng)，因此不形成銅錫合金203。另一方面，如果加熱溫度高于銅的熔點(diǎn)，則接合表面中的銅熔化，因此可能出現(xiàn)接合部的位置偏離、其傾斜等。此外，半導(dǎo)體元件20的性能受損或變化。此外，用于第一接合部50的接合的加熱溫度可為高于錫基軟釬料材料202的熔點(diǎn) (220°C)的溫度，但是低于用于第二接合部60的軟釬料材料的熔點(diǎn)至少30°C。為了防止半導(dǎo)體元件因接合工藝中的加熱而導(dǎo)致受損，用于接合的加熱可在450°C以下進(jìn)行。此外，如果加熱在接近錫基軟釬料材料202的熔點(diǎn))的溫度下進(jìn)行，需要增加加熱反應(yīng)的時(shí)間以產(chǎn)生其厚度在上述范圍中的銅錫合金203，因此需要長(zhǎng)的操作時(shí)間。 因此，鑒于與加熱反應(yīng)時(shí)間的平衡，加熱溫度的下限為例如250°C。根據(jù)加熱溫度、軟釬料構(gòu)件200中三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)201的含量比率等，如上所述與接合體制造方法相結(jié)合地適當(dāng)調(diào)節(jié)加熱時(shí)間。從導(dǎo)熱性和熱應(yīng)力的觀點(diǎn)看，形成的第一接合部50的層的厚度可為5μπι以上但是500 μ m以下，也可為10 μ m以上但是200 μ m以下。在第一實(shí)施方案中，選擇用于第一接合工藝的軟釬料材料為其熔點(diǎn)高于用于第二接合工藝的根據(jù)本發(fā)明的軟釬料構(gòu)件的200的錫基軟釬料材料202的熔點(diǎn)(約220°C )的軟釬料材料。這避免其中在第一(較早的)釬焊工藝中釬焊的部分在第二(較后的)釬焊工藝期間熔化、導(dǎo)致位置偏離、傾斜等的缺陷。在第一實(shí)施方案的半導(dǎo)體模塊中，根據(jù)本發(fā)明的軟釬料構(gòu)件200應(yīng)用于第一接合部50，使得第一接合部50形成為根據(jù)本發(fā)明的接合部210，除了軟釬料構(gòu)件200之外的軟釬料材料用于第二接合部60，使得第二接合部60形成為除了根據(jù)本發(fā)明的接合部210之外的接合部。在根據(jù)第二實(shí)施方案的半導(dǎo)體模塊中，然而，除了根據(jù)本發(fā)明的軟釬料構(gòu)件 200之外的軟釬料材料用于第一接合部50，根據(jù)本發(fā)明的軟釬料構(gòu)件200應(yīng)用于第二接合部60，使得第二接合部60形成為根據(jù)本發(fā)明的接合部210。制備絕緣部30，其中作為導(dǎo)電層的Cu板通過(guò)諸如釬焊等的方法粘附于絕緣部30 的散熱板40側(cè)。此外，制備其中Cu板通過(guò)諸如釬焊等方法粘附于散熱板40的絕緣部30 側(cè)的散熱板40。在第二實(shí)施方案的半導(dǎo)體模塊中，首先接合第一接合部50，在第二接合工藝中接合第二接合部60。第二實(shí)施方案的半導(dǎo)體模塊的其它特征等與第一實(shí)施方案的半導(dǎo)體模塊的那些基本相同，以下省略對(duì)這種特征等的描述。在第二實(shí)施方案中，在靠近產(chǎn)生大量熱的半導(dǎo)體元件側(cè)提供的第一接合部50可以通過(guò)其熔點(diǎn)高于根據(jù)本發(fā)明的材料200的熔點(diǎn)的軟釬料材料接合。因此，獲得耐熱性優(yōu)異的半導(dǎo)體模塊。在第三實(shí)施方案中，第一接合部和第二接合部均形成為根據(jù)本發(fā)明的接合部210。 在第三實(shí)施方案的半導(dǎo)體模塊中，第一接合部50和第二接合部60的各自的接合表面提供有銅層?？紤]到錫基軟釬料材料的熔點(diǎn))和銅錫合金的熔點(diǎn)(例如在Cu3Sn的情況下為640°C，在Cu6Sn5的情況下為415°C )，第一接合工藝和第二接合工藝二者均可通過(guò)在 260°C 290°C的溫度(其高于錫基軟釬料材料202的熔點(diǎn)30°C 60°C )下加熱進(jìn)行。第二實(shí)施方案的半導(dǎo)體模塊的其它特征等與第一實(shí)施方案的半導(dǎo)體模塊的那些基本相同，以下省略對(duì)這種特征等的描述。在本發(fā)明的半導(dǎo)體模塊中，由于三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和接合表面通過(guò)強(qiáng)度和熱應(yīng)力耐受性優(yōu)異的銅錫合金接合，所以層狀結(jié)構(gòu)體的強(qiáng)度總體上得到改善。因此，獲得即使當(dāng)經(jīng)受熱應(yīng)力例如熱沖擊循環(huán)等時(shí)也不易裂縫的結(jié)構(gòu)體。結(jié)果，允許組成材料之間的熱膨脹系數(shù)差的擴(kuò)大，使得可采用不同的組成材料，并可實(shí)現(xiàn)低成本的接合體(例如低成本的電力變壓器等)。此外，即使在各接合表面的銅和接合構(gòu)件的銅錫合金之間的界面經(jīng)受熱沖擊循環(huán)時(shí)，在界面處也不產(chǎn)生不必要的產(chǎn)物，或即使產(chǎn)生不必要的產(chǎn)物也幾乎不出現(xiàn)不必要產(chǎn)物的生長(zhǎng)。因此，在本發(fā)明的半導(dǎo)體模塊中，對(duì)溫度變化的耐受性提高。此外，由于包含于軟釬料構(gòu)件200中的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)201包含導(dǎo)熱率高的銅作為主要組分，所以與其中軟釬料構(gòu)件200僅包含錫基軟釬料材料202的情況相比，接合體的導(dǎo)熱率也增加。以下參考僅僅是示例的工作實(shí)施例等描述本發(fā)明。本發(fā)明不限于以下實(shí)施例。[實(shí)施例1]制備引入GaN的半導(dǎo)體元件，并且通過(guò)濺射在半導(dǎo)體元件的表面上形成5μπι的銅層。制備銅板作為相對(duì)的接合構(gòu)件。制備在錫基軟釬料材料(組成Sn-0. 7Cu)中包含泡沫銅(厚度為190 μ m)的軟構(gòu) 1 牛(得自 Mitsubishi Materials Corporation，商品名Solder—Impregnated
Foamed Copper)。軟釬料箔構(gòu)件中泡沫銅的含量比率為20體積％。泡沫銅位于距離軟釬料箔構(gòu)件表面2 10 μ m的平均深度處。在浸沒(méi)泡沫銅以不暴露出表面之后，卷繞軟釬料箔構(gòu)件，然后拋光。獲得的軟釬料箔構(gòu)件的厚度為200 μ m。在放置半導(dǎo)體元件和銅板使得半導(dǎo)體元件的Cu層和銅板相互面對(duì)之后，在其間夾入軟釬料箔構(gòu)件并利用夾具固定。然后，在半導(dǎo)體元件的頂部上放置金屬制重物用于沿堆疊方向施加壓力。附帶地，考慮到熱膨脹，使用由鉬材料制成的夾具。將受壓樣品和夾具直接置于石英管中。在將石英管置于具有其中包含5體積％的H2的還原性氣氛的電爐中之后，在350°C進(jìn)行加熱30分鐘，使得制造接合體1。冷卻后，從電爐取出接合體1并切割。作為接合體1截面表面的電子顯微鏡觀察的結(jié)果，確認(rèn)泡沫銅和接合體的銅通過(guò)Cu3Sn合金接合。Cu3Sn合金的平均厚度為5 μ m。此外，利用上述表達(dá)式計(jì)算的接合表面中Cu3Sn合金的占有率就長(zhǎng)度而言為20%。在獲得的接合體1置于熱沖擊設(shè)備中之后，進(jìn)行熱沖擊循環(huán)試驗(yàn)。在該實(shí)施例中的熱沖擊循環(huán)試驗(yàn)中，在40分鐘在-40°C和105°C之間的升高和降低溫度的循環(huán)進(jìn)行500 次(500個(gè)循環(huán))。在500個(gè)循環(huán)之后，以如上所述相同方法觀察接合部的橫截面。結(jié)果，在接合部的內(nèi)部中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)缺陷例如裂縫等，在接合部和接合體之間的界面處也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)缺陷例如裂縫等，因此證實(shí)了接合體1具有良好的可靠性。[實(shí)施例2]除了加熱溫度變?yōu)?00°C之外，以和實(shí)施例1中基本相同的方式制造接合體2。作為獲得的接合體2的橫截面的電子顯微鏡觀察結(jié)果，證實(shí)了泡沫銅和接合體的銅通過(guò)Cu3Sn合金接合。Cu3Sn合金的平均厚度為8 μ m。此外，利用上述表達(dá)式計(jì)算的接合表面中Cu3Sn合金的占有率就長(zhǎng)度而言為30%。接合體2也進(jìn)行上述熱沖擊循環(huán)試驗(yàn)。結(jié)果，在接合部的內(nèi)部中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)缺陷例如裂縫等，在接合部和接合體之間的界面處也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)缺陷例如裂縫等，因此證實(shí)了接合體2具有良好的可靠性。[實(shí)施例3]除了加熱溫度變?yōu)?50°C之外，以和實(shí)施例1中基本相同的方式制造接合體3。作為獲得的接合體3的橫截面的電子顯微鏡觀察的結(jié)果，證實(shí)了泡沫銅和接合體的銅通過(guò)Cu3Sn合金接合。Cu3Sn合金的平均厚度為10 μ m。此外，利用上述表達(dá)式計(jì)算的接合表面中Cu3Sn合金的占有率就長(zhǎng)度而言為35%。接合體3也進(jìn)行上述熱沖擊循環(huán)試驗(yàn)。結(jié)果，在接合部的內(nèi)部中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)缺陷例如裂縫等，在接合部和接合體之間的界面處也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)缺陷例如裂縫等，因此證實(shí)了接合體3具有良好的可靠性。[實(shí)施例4]除了進(jìn)行調(diào)節(jié)使得泡沫銅位于距離軟釬料箔構(gòu)件表面1 5μ m的平均深度處之外，以與實(shí)施例1中制備軟釬料構(gòu)件基本相同的方式制備軟釬料箔構(gòu)件。除了使用上述軟釬料箔構(gòu)件之外，以和實(shí)施例1中基本相同的方式制造接合體4。作為獲得的接合體4的橫截面的電子顯微鏡觀察的結(jié)果，證實(shí)了泡沫銅和接合體的銅通過(guò)Cu3Sn合金接合。Cu3Sn合金的平均厚度為3 μ m。此外，利用上述表達(dá)式計(jì)算的接合表面中Cu3Sn合金的占有率就長(zhǎng)度而言為15%。對(duì)接合體4進(jìn)行上述熱沖擊循環(huán)試驗(yàn)。結(jié)果，在接合部的內(nèi)部中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)缺陷例如裂縫等，在接合部和接合體之間的界面處也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)缺陷例如裂縫等，因此證實(shí)了接合體4具有良好的可靠性。[實(shí)施例5]除了進(jìn)行調(diào)節(jié)使得泡沫銅位于距離軟釬料箔構(gòu)件的表面0 2μ m的平均深度處之外，以與實(shí)施例1中制備軟釬料構(gòu)件基本相同的方式制備軟釬料箔構(gòu)件。除了使用上述軟釬料箔構(gòu)件之外，以和實(shí)施例1中基本相同的方式制造接合體5。作為獲得的接合體5的橫截面的電子顯微鏡觀察的結(jié)果，證實(shí)了在接合體的銅和泡沫銅之間產(chǎn)生Cu3Sn 合金，并且Cu3Sn合金的平均厚度為1 μ m。此外，利用上述表達(dá)式計(jì)算的接合表面中Cu3Sn 合金的占有率就長(zhǎng)度而言為3%。對(duì)接合體5進(jìn)行上述熱沖擊循環(huán)試驗(yàn)。結(jié)果，在接合部和接合體之間界面處發(fā)現(xiàn)缺陷例如裂縫等，但是缺陷的范圍或程度在實(shí)際上可容許的范圍內(nèi)。[實(shí)施例6]除了進(jìn)行調(diào)節(jié)使得泡沫銅位于距離軟釬料箔構(gòu)件表面10 30μ m的平均深度處之外，以與實(shí)施例1中制備軟釬料構(gòu)件基本相同的方式制備軟釬料箔構(gòu)件。除了使用上述軟釬料箔構(gòu)件之外，以和實(shí)施例1中基本相同的方式制造接合體6。作為獲得的接合體6的橫截面的電子顯微鏡觀察的結(jié)果，證實(shí)了在接合體的銅和泡沫銅之間產(chǎn)生Cu3Sn 合金，并且Cu3Sn合金的平均厚度為30 μ m。檢驗(yàn)Cu3Sn合金的組成，發(fā)現(xiàn)Cu3Sn合金混合有 Cu6Sn5和Sn-O. 7Cu,因此不是均一的Cu3Sn合金。對(duì)接合體6進(jìn)行上述熱沖擊循環(huán)試驗(yàn)。結(jié)果，在接合部和接合體之間界面處發(fā)現(xiàn)缺陷例如裂縫等，但是缺陷的范圍或程度在實(shí)際上可容許的范圍內(nèi)。[對(duì)比例1]除了將泡沫銅替代為錫基軟釬料構(gòu)件(組成Sn-0.7Cu)之外，以與實(shí)施例1中基本相同的方式制造對(duì)比接合體1。對(duì)獲得的對(duì)比接合體1進(jìn)行上述熱沖擊循環(huán)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在軟釬料內(nèi)具有顯著的裂縫。[對(duì)比例2]除了使用其表面上具有M層的接合構(gòu)件之外，以與實(shí)施例1中基本相同的方式制造對(duì)比接合體2。通過(guò)濺射形成M層。對(duì)獲得的對(duì)比接合體2進(jìn)行上述熱沖擊循環(huán)試驗(yàn)。雖然在軟釬料內(nèi)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)缺陷例如裂縫等，但是在作為接合表面的M層和軟釬料構(gòu)件之間的界面處觀察到產(chǎn)生的顯著裂縫。
權(quán)利要求
1.一種接合體，特征在于包括第一構(gòu)件，其具有主要組分為銅的第一接合表面；第二構(gòu)件，其具有主要組分為銅的第二接合表面；軟釬料構(gòu)件，其提供在所述第一接合表面和所述第二接合表面之間，并且包含在錫基軟釬料材料中的主要組分為銅的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；和銅錫合金，其形成在所述第一接合表面和所述三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之間、以及在所述第二接合表面和所述三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的接合體，其中所述銅錫合金的平均厚度為2μπι以上但是 20 μ m以下。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的接合體，其中所述銅錫合金包含Cu3Sn和Cu6Sn5中的至少之一。
4.根據(jù)權(quán)利要求1 3中任一項(xiàng)所述的接合體，其中在所述接合表面中所述銅錫合金的占有率為2%以上但是50%以下。
5.根據(jù)權(quán)利要求1 4中任一項(xiàng)所述的接合體，其中所述軟釬料構(gòu)件中所述三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的含量比率為2體積％以上但是50體積％以下。
6.根據(jù)權(quán)利要求1 5中任一項(xiàng)所述的接合體，其中所述錫基軟釬料材料中錫的含量比率為90質(zhì)量％以上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1 4中任一項(xiàng)所述的接合體，其中所述錫基軟釬料材料包含選自 Ag、Cu、Sb、Bi、In和Zn中的至少一種元素。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的接合體，其中所述錫基軟釬料材料為Sn-Ag-Cu軟釬料、Sn-Cu 軟釬料、Sn-Sb軟釬料、Sn-Zn軟釬料、Sn-Bi軟釬料、Sn-In軟釬料、Sn-Ag-Cu-Bi-In軟釬料、或Sn-Ag-Cu-h軟釬料。
9.根據(jù)權(quán)利要求1 8中任一項(xiàng)所述的接合體，其中所述三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)為泡沫金屬材料、銅纖維編織物、或銅纖維束。
10.根據(jù)權(quán)利要求1 9中任一項(xiàng)所述的接合體，其中所述三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)包含50質(zhì)量％以上的銅。
11.根據(jù)權(quán)利要求1 10中任一項(xiàng)所述的接合體，其中所述三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)提供在與所述軟釬料構(gòu)件的表面相距2 μ m以上但是50 μ m以下的位置處。
12.—種半導(dǎo)體模塊，特征在于包括半導(dǎo)體元件，其提供有主要組分為銅的第一接合表面；絕緣襯底，其提供有主要組分為銅的第二接合表面；軟釬料構(gòu)件，其提供在所述第一接合表面和所述第二接合表面之間，并且包含在錫基軟釬料材料中的主要組分為銅的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；銅錫合金，其形成在所述第一接合表面和所述三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之間、以及在所述第二接合表面和所述三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之間；和散熱板。
13.一種半導(dǎo)體模塊，特征在于包括半導(dǎo)體元件；絕緣襯底，其提供有主要組分為銅的第一接合表面；散熱板，其提供有主要組分為銅的第二接合表面；軟釬料構(gòu)件，其提供在所述第一接合表面和所述第二接合表面之間，并且包含在錫基軟釬料材料中的主要組分為銅的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；和銅錫合金，其形成在所述第一接合表面和所述三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之間、以及在所述第二接合表面和所述三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之間。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的半導(dǎo)體模塊，其中所述銅錫合金的平均厚度為2μπι 以上但是20 μ m以下。
15.根據(jù)權(quán)利要求12 14中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體模塊，其中所述銅錫合金包含Cu3Sn 和Cu6Sn5中的至少之一。
16.根據(jù)權(quán)利要求12 15中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體模塊，其中在所述接合表面中所述銅錫合金的占有率為2%以上但是50%以下。
17.根據(jù)權(quán)利要求12 16中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體模塊，其中在所述軟釬料構(gòu)件中所述三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的含量比率為2體積％以上但是50體積％以下。
18.根據(jù)權(quán)利要求12 17中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體模塊，其中所述錫基軟釬料材料中錫的含量比率為90質(zhì)量％以上。
19.根據(jù)權(quán)利要求12 17中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體模塊，其中所述錫基軟釬料材料包含選自Ag、Cu、Sb、Bi、In和Zn中的至少一種元素。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的半導(dǎo)體模塊，其中所述錫基軟釬料材料為Sn-Ag-Cu 軟釬料、Sn-Cu軟釬料、Sn-Sb軟釬料、Sn-Zn軟釬料、Sn-Bi軟釬料、Sn-In軟釬料、 Sn-Ag-Cu-Bi-In 軟釬料、或 Sn-Ag-CuHn 軟釬料。
21.根據(jù)權(quán)利要求12 20中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體模塊，其中所述散熱板為Cu層、Mo 層和Cu層的堆疊體，其中所述Cu層提供在所述Mo層的兩個(gè)相反側(cè)上。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的半導(dǎo)體模塊，其中所述Cu層、所述Mo層和所述Cu層的厚度比為1 5 1 1 12 1。
23.根據(jù)權(quán)利要求12 22中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體模塊，其中所述絕緣襯底為AlN或 Si3N4層，并且在所述AlN或Si3N4層的兩個(gè)相反側(cè)上層疊有由Cu層形成的導(dǎo)電層。
24.根據(jù)權(quán)利要求12 23中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體模塊，其中所述三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)為泡沫金屬材料、銅纖維編織物、或銅纖維束。
25.根據(jù)權(quán)利要求12 M中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體模塊，其中所述三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)包含 50質(zhì)量％以上的銅。
26.根據(jù)權(quán)利要求12 25中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體模塊，其中所述三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)提供在與所述軟釬料構(gòu)件的表面相距2 μ m以上但是50 μ m以下的位置處。
27.一種接合體制造方法，特征在于包括設(shè)置第一構(gòu)件和第二構(gòu)件，所述第一構(gòu)件和第二構(gòu)件的每一個(gè)均具有主要組分為銅的接合表面，使得所述第一構(gòu)件的所述接合表面和所述第二構(gòu)件的所述接合表面相互面對(duì)；在所述第一構(gòu)件的所述接合表面和所述第二構(gòu)件的所述接合表面之間設(shè)置軟釬料構(gòu)件，所述軟釬料構(gòu)件包含在錫基軟釬料材料中的主要組分為銅的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；通過(guò)在高于所述錫基軟釬料材料的熔點(diǎn)但是低于銅的熔點(diǎn)的溫度下加熱，在所述第一構(gòu)件的所述接合表面和所述三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之間、以及在所述第二構(gòu)件的所述接合表面和所述三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生銅錫合金。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的接合體制造方法，其中所述銅錫合金的平均厚度為2μ m以上但是20 μ m以下。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的接合體制造方法，其中在調(diào)節(jié)所述接合表面和所述三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的位置的同時(shí)進(jìn)行加熱，使得所述銅錫合金的平均厚度變?yōu)? μ m以上但是20 μ m以下。
30.根據(jù)權(quán)利要求觀或四所述的接合體制造方法，其中調(diào)節(jié)加熱溫度和加熱時(shí)間中的至少之一，使得所述銅錫合金的平均厚度變?yōu)?μπι以上但是20 μ m以下。
31.根據(jù)權(quán)利要求27 30中任一項(xiàng)所述的接合體制造方法，其中所述銅錫合金包含 Cu3Sn和Cu6Sn5中的至少之一。
32.根據(jù)權(quán)利要求27 31中任一項(xiàng)所述的接合體制造方法，其中調(diào)節(jié)加熱溫度和加熱時(shí)間中的至少之一，使得所述銅錫合金在所述第一構(gòu)件的所述接合表面和所述第二構(gòu)件的所述接合表面中的占有率變?yōu)? %以上但是50 %以下。
33.根據(jù)權(quán)利要求27 32中任一項(xiàng)所述的接合體制造方法，其中使用所述軟釬料構(gòu)件，在所述軟釬料構(gòu)件中所述三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的含量比率為2體積％以上但是50體積％以下。
34.根據(jù)權(quán)利要求27 33中任一項(xiàng)所述的接合體制造方法，其中所述第一構(gòu)件為半導(dǎo)體元件；所述第二構(gòu)件為絕緣襯底；和所述接合體為半導(dǎo)體模塊。
35.根據(jù)權(quán)利要求27 33中任一項(xiàng)所述的接合體制造方法，其中所述第一構(gòu)件為絕緣襯底；所述第二構(gòu)件為散熱板；和所述接合體為半導(dǎo)體模塊。
36.根據(jù)權(quán)利要求34或35所述的接合體制造方法，其中所述加熱在450°C以下進(jìn)行。
全文摘要
一種接合體，具有第一構(gòu)件和第二構(gòu)件，其均具有主要組分為銅的接合表面。在所述第一構(gòu)件和所述第二構(gòu)件之間提供包含在錫基軟釬料材料中的主要組分為銅的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的軟釬料構(gòu)件。在接合表面和三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之間提供其平均厚度為2μm以上但是20μm以下的銅錫合金。
文檔編號(hào)B23K35/26GK102307701SQ201080006531
公開(kāi)日2012年1月4日 申請(qǐng)日期2010年2月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月5日
發(fā)明者八木雄二, 吉田忠史, 山田靖, 長(zhǎng)田裕司 申請(qǐng)人:豐田自動(dòng)車株式會(huì)社