JP6120685B2 - 電力用半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電力用半導体装置の製造方法に関する。

半導体装置の中でも電力用半導体装置は、産業用機器から家電・情報端末まで幅広い機器の主電力（パワー）の制御に用いられ、とくに輸送機器等においては高い信頼性が求められている。近年、とくに大電流を流すことができ、高温動作も可能なワイドバンドギャップ半導体材料である炭化珪素（ＳｉＣ）がシリコン（Ｓｉ）に代わる半導体材料として開発が進められている。

上記のような高温動作での接合信頼性を高めるため、近年、焼結金属体を形成する接合材を用いて電力用半導体素子を回路基板等の配線部材に接合する方法が提案されている。この接合材には、ナノオーダーから数マイクロオーダー程度の非常に微小なフィラー（金属粒子）が含まれている。一般的に、金属粒子は粒子径が所定のサイズ以下に小さくなると、バルク金属に比べて非常に活性な表面状態を有するようになり、互いが焼結して粒成長し表面エネルギーを減らす方向へと容易に反応が進行することになる。したがって、バルクの融点の高い金属の粒子を用いた接合材を用いることで、バルク状態の融点よりもはるかに低温での接合が可能であるとともに、接合達成後の接合層はバルクの融点まで再溶融することはない。

一方、接合材中の金属粒子は、焼結を抑制するために表面が有機保護膜で覆われており、加熱によって保護膜を分解・脱ガスさせることで、金属粒子同士が接触して焼結が進行し、接合が可能となる。そのため、焼結性金属粒子を含有する接合材を用いて接合する際には、加熱と加圧が重要となり、とくに接合面全域にわたって十分な圧力を加えることが重要となる。例えば、加圧力が不足する領域では、金属粒子同士の接触不良により焼結が進行せず、その領域での金属部材の密度が疎となり、信頼性が低下する。

一方、本願と目的は違うが、半導体チップ（本願の電力用半導体素子に対応）と半導体チップ搭載装置（加圧接合機）との間にシートを介在させる構成（例えば、特許文献１参照。）が開示されている。そこで、この構成の応用として、電力用半導体素子と加圧接合機との間に可撓性のシート（圧力均一化シート）を介在させ、電力用半導体素子等の回路部材や接合材の厚みばらつきを吸収し、接合面内での加圧力を均一化することが考えられる。

特開２００８−１９３０２３号公報（段落００５２〜００５４、図５、図６）

しかしながら、単に圧力均一化シートを介在させるだけでは、加圧中に圧力均一化シートが垂れ下がって接合部分の周囲を覆ってしまい、分解・脱ガスした有機保護膜の成分がその空間内に滞留することが懸念される。この場合、空間近傍の回路部材等を汚染して、回路部材等の信頼性が低下する恐れがあった。とくに、多数の電力用半導体素子を同時に接合する場合、接合材自体の量も増えるため、有機保護膜の成分量も増大し、回路部材等の汚染が、より顕著化する可能性があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、耐熱性に優れるとともに、信頼性の高い電力用半導体素子を得ることを目的とする。

本発明の電力用半導体装置の製造方法は、焼結性金属粒子を含有する接合材と加圧装置を用いて、配線部材と電力用半導体素子との接合を行う電力用半導体装置の製造方法であって、鉛直方向において、前記電力用半導体素子が前記配線部材の上方に位置するように、前記接合材を介して前記電力用半導体素子を前記配線部材に重ね、前記加圧装置の一対の加圧板の間の所定位置に設置する設置工程と、前記一対の加圧板により加熱、加圧して、前記接合材の焼結性金属粒子を焼結させて前記電力用半導体素子を前記配線部材に接合する接合工程と、を含み、前記一対の加圧板のうち、上側の加圧板と前記電力用半導体素子の主面との間には、樹脂シートを介在させており、前記上側の加圧板は、その加圧面が前記主面を内包するように配置され、かつ、前記接合工程中に変形した前記樹脂シートの端部を前記加圧面よりも上方にかわすための空間が形成されていることを特徴とする。

本発明の電力用半導体装置の製造方法によれば、均一に加圧できるとともに金属焼結体を形成する接合材に含まれる有機保護膜の分解・脱ガス成分による回路部材等の汚染を防止できるので、耐熱性に優れるとともに、信頼性の高い電力用半導体素子を得ることができる。

本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の製造方法を説明するための製造工程中の各段階における回路部材および加圧板部分の断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の製造方法に用いる加圧装置の断面図、および加圧装置に設置される加圧板と電力用半導体素子との寸法関係を示すための加圧板部分の平面図である。 本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の製造方法に用いる加圧装置に設置される加圧板を説明するための平面図である。 従来の電力用半導体装置の製造方法における、ある段階での回路部材と加圧板部分の断面図である。 本発明の実施の形態１の変形例にかかる電力用半導体装置の製造方法における一行程中の回路部材および加圧板部分の断面図、および一部の加圧板の平面図である。 本発明の実施の形態２にかかる電力用半導体装置の製造方法の説明の前提として、実施の形態１で説明した加圧板を複数の電力用半導体素子の接合に用いた場合の回路部材および加圧板部分の断面図である。 本発明の実施の形態２にかかる電力用半導体装置の製造方法を説明するための、複数の電力用半導体素子を接合する際の回路部材および加圧板部分の断面図である。 本発明の実施の形態３にかかる電力用半導体装置の製造方法の説明の前提として、実施の形態１で説明した加圧板を用いた場合の電力用半導体素子と加圧板と圧力均一化シートの位置関係を示す、回路部材と加圧板部分の断面図と、圧力均一化シートの平面図である。 本発明の実施の形態３にかかる電力用半導体装置の製造方法に用いる加圧板部分の平面図である。 本発明の実施の形態３にかかる電力用半導体装置の製造方法を説明するための、電力用半導体素子と加圧板と圧力均一化シートの位置関係を示す、回路部材と加圧板部分の断面図と、圧力均一化シートの平面図である。 本発明の実施の形態３の変形例にかかる電力用半導体装置の製造方法に用いる加圧板部分の平面図である。

実施の形態１．
図１〜図４は、本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の製造方法およびその製造方法で製造した電力用半導体装置について説明するためのものであって、図１（ａ）〜（ｄ）は、製造工程中の各段階における電力用半導体素子を含む回路部材、および圧力均一化シートと加圧板部分の断面図、図２と図３は電力用半導体装置の製造方法に用いる加圧装置の構成を説明するためのもので、図２（ａ）は加圧装置の断面図、図２（ｂ）は加圧装置に設置される加圧板のうち、上型と電力用半導体素子との寸法関係を示すための上型部分の（下方からの）平面図、図３は下型の構成を示す平面図である。そして、図４は従来の電力用半導体装置の製造方法における、図１（ｄ）に対応する段階での電力用半導体素子を含む回路部材、および圧力均一化シートと加圧板部分の断面図である。

本発明の各実施の形態にかかる製造方法で製造した電力用半導体装置１は、図１（ｄ）に示すように、配線部材４と、配線部材４の所定部分に、焼結金属体の接合層３を介して裏面電極が接合された電力用半導体素子２とを備えるものである。

電力用半導体素子２は、厚み０．１〜０．４ｍｍ程度で主面２ｆが矩形状をなしている。例えば、スイッチング素子としてＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を用いた場合、裏面にはコレクタ電極が形成され、主面２ｆには主電力電極であるエミッタ電極と、制御電極であるゲート電極が形成されている。配線部材４としては、電気導電性と熱伝導性に優れた銅（Ｃｕ）や銅合金または、アルミニウム（Ａｌ）等の金属の矩形状ブロックを例に説明を行うが、実際には様々な形態のものが適用できる。例えば、リードフレームと称される板材、あるいは、絶縁性を有するセラミックの基材に金属配線パターンを形成したセラミック絶縁基板などである。さらに、電力用半導体素子２としては、ＭＯＳＦＥＴ(Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor)、ＳＢＤ（Schottky Barrier diode）、ＦＷＤ(Free Wheeling Diode)などを用いることができる。

上述したように、電力用半導体素子２の主面２ｆにも電極があり、電力用半導体装置１としては、主面２ｆ側にも図示しない配線部材等が接合される。また、配線部材４の下面側には冷却部材が設けられることもある。さらに、電力用半導体素子２を含む回路面が例えば封止樹脂によって封止されることもある。しかし、本発明の特徴的な部分は、電力用半導体素子２と配線部材４との接合方法にあり、素子を含む回路構成やパッケージ構成等は一般的なものでよい。そこで、接合に関する構成以外の部分については、説明を省略し、接合（製造方法）に特化して説明する。

はじめに、本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の製造方法に用いる加圧装置の構成について図２と図３を用いて説明する。
加圧装置１０は、図１に示すように、上支持盤１１と下支持盤１３とが支柱１４により間隔を固定され、上支持盤１１と下支持盤１３との間には、支柱１４によって上下方向に摺動可能なスライド盤１２が設けられている。そして、スライド盤１２と下支持盤１３とは、例えば、シリンダ１５ｃとピストン１５ｐからなる油圧プレス、あるいはサーボプレス等のような加圧力発生部１５を介して連結されている。そして、加圧力発生部１５の動作（例えば、油圧）を制御することで、スライド盤１２が上下し、所望の力で上支持盤１１とスライド盤１２との間でプレス加工を行うことができるようになっている。

そして、上支持盤１１およびスライド盤１２には、製造（接合）対象である電力用半導体装置１に応じて形成された上下で一対の加圧板（下側の加圧板２２、上側の加圧板２１）が、それぞれｘｙ面内の設定された位置に取り付けられる。上側の加圧板２１は、断熱材３１を介して上支持盤１１に設置され、ヒーター２１ｈを内蔵することで所望の温度に加熱できる。同様に、下側の加圧板２２は、断熱材３２を介してスライド盤１２に設置され、ヒーター２２ｈを内蔵することで所望の温度に加熱できる。

そして、上側の加圧板２１の加圧面２１ｆの寸法（縦Ｗｄｙ×横Ｗｄｘ：縦横を区別しない場合は「Ｗｄ」と表記）は、図２（ｂ）に示すように、電力用半導体素子２の寸法（縦Ｗｃｙ×横Ｗｃｘ：縦横を区別しない場合は「Ｗｃ」と表記）に応じて調整されている。加圧面２１ｆは、電力用半導体素子２を配線部材４に接合する際に、電力用半導体素子２を加圧する面（加圧面）であり、電力用半導体素子２に接した際に、縦方向、横方向それぞれの両端が所定の寸法（縦方向Ｄｓｙ、横方向Ｄｓｘ：縦横を区別しない場合は「Ｄｓ」と表記）電力用半導体素子２の端面からはみ出るように調整している。

また、下側の加圧板２２の加圧面２２ｆの所定位置には、図３に示すように、電力用半導体素子２の接合対象である配線部材４を位置決めするために加圧面２２ｆから突出したガイド２２ｇが設けられている。ガイド２２ｇはＬ字形状をなし、そのコーナー部に矩形状の配線部材４の角を突き当てることで、配線部材４の下側の加圧板２２に対する位置決めができる。なお、加圧面２２ｆに直接接触する対象は、配線部材４が形成された基板等が対象になることもあるが、説明を簡略化するため、配線部材４を対象として記載している。また、ここでは位置決めするための機構として、ガイド２２ｇを例示し、またその形状をＬ字とし説明を行ったが、これに限定されるものではなく、位置決め機能を有する機構であればよい。

次に、上述した加圧装置１０を用いた電力用半導体素子２の配線部材４への接合方法について図１を用いて説明する。
まず、はじめに、図１（ａ）に示すように、配線部材４の回路面側（図中上側）の所定範囲に、所定厚みのペースト状の接合材３Ｐを塗布する。そして、その上に、電力用半導体素子２の裏面（図中下側の面）を対向させて配置し、接合準備品１Ａを形成する。

次に、図１（ｂ）に示すように、接合準備品１Ａの電力用半導体素子２の主面２ｆ（配線部材に対向する裏面の反対側の面）上に、主面２ｆ全体を含むように圧力均一化シート５０を配置する。この圧力均一化シート５０を配置することで、後の加圧工程において、例えば、素子の傾き等により生じる加圧力の偏り（方当たり）を抑制する。

次に、図１（ｃ）に示されるように、圧力均一化シート５０を載置した接合準備品１Ａを下側の加圧板２２上に、配線部材４の角をガイド２２ｇのコーナー部に突き当てるように配置する。これにより、上支持盤１１から下向きに透視した場合に、電力用半導体素子２が上側の加圧板２１の加圧面２１ｆの領域内で、電力用半導体素子２の端部と加圧面２１ｆの端部（上側の加圧板２１の側部２１ｓ）との間に所定幅Ｄｓを有するように位置決めされる。このとき、事前にヒーター２１ｈ、２２ｈに通電することで、上側の加圧板２１と下側の加圧板２２は、接合材３Ｐ内で金属粒子どうしの焼結が起こらない所定の温度（たとえば１３０℃）に加熱した状態で保持されている。

その状態で、下側の加圧板２２を上昇させ、図１（ｄ）に示されるように、圧力均一化シート５０を載せた接合準備品１Ａを上側の加圧板２１と下側の加圧板２２とではさみ、加圧する。このとき、圧力均一化シート５０が、接合準備品１Ａ内の部材の厚みばらつきを吸収してくれるので、電力用半導体素子２の主面２ｆ全体を均一に加圧することができる。そのため、例えば、接合材３Ｐの塗布むら等によって、厚さがばらつき、電力用半導体素子２の主面２ｆと加圧面２１ｆとの間に傾きが生じていたとしても、圧力均一化シート５０が変形することにより、電力用半導体素子２の主面２ｆ全体を均一に加圧することができる。

加圧板間の加圧力が所定範囲に達すると、上側の加圧板２１と下側の加圧板２２を焼結に必要な温度（例えば、２００℃〜３５０℃程度）まで加熱する。そして、圧力均一化シート５０、電力用半導体素子２、接合材３Ｐ、および配線部材４の温度がそれぞれ所定温度に達してから、所定の時間、加圧力と温度を保持すれば、金属焼結体からなる接合層３が形成され、電力用半導体素子２と配線部材４の接合が完了する。

接合工程においての圧力均一化シート５０の役割は、上記のように電力用半導体素子２にかかる加圧力を均一化する他に、電力用半導体素子２が破損するのを防ぐクッション材としての役割がある。圧力均一化シート５０を構成する材料は接合材３Ｐの焼結温度（２００℃〜３５０℃程度）に加熱しても破断せず、その温度において、ＳｉまたはＳｉＣからなる電力用半導体素子２を破損しない程度の柔軟さを保持する材料であれば良い。例えば、ポリイミド、フッ素樹脂、シリコン樹脂などが挙げられる。

ポリイミド、フッ素樹脂の場合は塑性変形さて電力用半導体素子２の破損を防ぎ、シリコン樹脂の場合は弾性変形させて電力用半導体素子２の破損を防ぐ。また、圧力均一化シート５０のサイズについては、電力用半導体素子２の破損を防ぎ、主面２ｆ全体を十分に加圧するためには、主面２ｆのサイズＷｃ以下には小さくできない。また、圧力均一化シート５０を配置する際の作業性の観点から、圧力均一化シート５０は主面２ｆに対して、横、縦ともに１ｍｍ程度大きいことが望ましい。圧力均一化シート５０の厚さについては、加圧前の状態では電力用半導体素子２よりも厚く、加圧後は加圧前の厚さの半分以下になるような厚さを想定している。

上記のような圧力均一化シート５０を用いて接合を行う際、図４に示すように、上側の加圧板２１Ｃの加圧面２１Ｃｆの範囲が限定されていない場合、圧力均一化シート５０は加圧面２１Ｃｆに押し返されてしまうので、配線部材４の側に変形する。その結果、電力用半導体素子２の近傍の空間Ｓｐが圧力均一化シート５０によって遮蔽されてしまう。その遮蔽された空間Ｓｐ内に金属焼結体を形成する接合材３Ｐから揮発した有機保護膜の成分が局所的に堆積してしまい、それが配線部材４あるいは電力用半導体素子２を汚染してしまうことが筆者らの実験によって確認されている。

しかし、本実施の形態１にかかる電力用半導体装置の製造方法では、接合時に電力用半導体素子２の主面２ｆに対向する上側の加圧板２１の加圧面２１ｆの寸法Ｗｄを主面２ｆのサイズＷｃによって規定し、加圧面２１ｆよりも外側には、圧力均一化シート５０を上方にかわすため、一定以上のクリアランスＣｖを有する空間Ｓｆを確保するようにした。これにより、加圧した際に図１（ｄ）に示したように、圧力均一化シート５０が加圧面２１ｆよりもさらに電力用半導体素子２から離れる方向に反り返る。

その結果、図１（ｄ）に示される電力用半導体素子２の近傍の空間Ｓｐが圧力均一化シート５０によって遮蔽されるのを防ぎ、有機保護膜の揮発成分が電力用半導体素子２の近傍の空間に滞留することがなくなる。つまり、配線部材４あるいは電力用半導体素子２に有機保護膜の成分が局所的に堆積し、汚染されるのを防ぐことができる。

上側の加圧板２１の加圧面２１ｆのサイズが、主面２ｆのサイズに応じて定められている場合でも、電力用半導体素子２の端部と加圧面２１ｆの端部との所定幅Ｄｓが長すぎる場合には、圧力均一化シート５０は加圧面２１ｆに押し返されてしまうことになる。そのため、加圧面２１ｆに制限がない場合と同様、電力用半導体素子２の近傍の空間Ｓｐが圧力均一化シート５０によって遮蔽されてしまい、その遮蔽された空間Ｓｐ内に有機保護膜の成分が局所的に堆積し、配線部材が汚染される恐れがある。

そこで、本発明者は、加圧面２１ｆのサイズ（空間Ｓｆの開始地点である側部２１ｓの位置）をパラメータとして、圧力均一化シート５０を反り返らせるための条件について検討した。その結果、所定幅Ｄｓが０〜０．５ｍｍの範囲になるように加圧面２１ｆのサイズを調整すれば、電力用半導体素子２の主面２ｆ全面を加圧できるとともに、圧力均一化シート５０を加圧面２１ｆよりもさらに電力用半導体素子２から離れる方向に反り返らせることができることがわかった。なお、所定幅Ｄｓの上限値の０．５ｍｍという値は、電力用半導体素子２の主面２ｆのサイズＷｃの５％にあたる。

加えて、加圧面２１ｆの外側の空間ＳｆのクリアランスＣｖについても実験的に確認を行った。前述したとおり、圧力均一化シート５０は主面２ｆに対して、横、縦ともに１ｍｍ程度大きいことが望ましい。クリアランスＣｖが少なすぎる場合には、反り返った圧力均一化シート５０が上側の面（上側の加圧板２１あるいは上支持盤１１）に押し戻され、配線部材４に近づく方向に垂れ下がる。その結果、圧力均一化シート５０の端部が配線部材４に接触し、電力用半導体素子２の近傍の空間Ｓｐが遮蔽されることになる。そして、有機保護膜の揮発成分が電力用半導体素子２の近傍の空間Ｓｐに滞留し、配線部材４に有機保護膜の成分が局所的に堆積し、汚染される恐れがある。

したがって、配線部材４の汚染を防止するためには、反り返った圧力均一化シート５０が上側の面に接触しないことが重要である。このためには、空間ＳｆのクリアランスＣｖが２ｍｍ以上、望ましくは５ｍｍ以上必要である。また、フッ素樹脂からなる圧力均一化シート５０は接合時の加熱、加圧により５〜７ｍｍ程度、面内方向に伸びる。そのため、フッ素樹脂のような延びを示す圧力均一化シート５０に対しては、クリアランスＣｖを１０ｍｍ以上とることが望ましい。

なお、上記実施の形態１においては、電力用半導体素子２と配線部材４とを接合する工程で、金属焼結体を形成する接合材３Ｐを塗布した配線部材４に電力用半導体素子２を重ね、さらに圧力均一化シート５０をかぶせた状態の接合準備品１Ａを加圧装置１０の下側の加圧板２２上に配置する例について説明した。しかしながら、この方法では、接合準備品１Ａを下側の加圧板２２上に配置する際に、圧力均一化シート５０が電力用半導体素子２に対して位置ずれすることが考えられる。その場合、加圧面２１ｆと電力用半導体素子２間に圧力均一化シート５０が介在する部分と介在しない部分が混在することになる。その結果、電力用半導体素子２を加圧する際に、圧力が不均等に加わり、良好な接合が得られないばかりか、場合によっては、電力用半導体素子２を破損する可能性もあった。

そこで、実施の形態１の変形例として、圧力均一化シート５０を接合準備品１Ａに対してではなく、加圧装置１０に対して位置決め配置できるようにした。図５（ａ）は本実施の形態１の変形例にかかる電力用半導体装置の製造方法における図１（ｃ）に対応する行程における回路部材および加圧板部分の断面図、図５（ｂ）は下方側から見た上側の加圧板の平面図である。

本変形例では、上側の加圧板２１に、圧力均一化シート５０を吸着するために、図５に示すように、例えば、加圧面２１ｆ上で開口するように真空吸着用の連通孔２１ｔを配置した吸着機構を設けるようにした。そして、図１（ｂ）で説明した工程では、圧力均一化シート５０を接合準備品１Ａにかぶせず、接合準備品１Ａとは別に、電力用半導体素子２の直上に対応する位置で吸着する。これにより、図５（ａ）に示すように、接合準備品１Ａは、加圧されるまで圧力均一化シート５０に触れることがなくなり、下側の加圧板２２に位置決めする際に圧力均一化シート５０との間で位置ずれすることを防止できる。このようにすることで、電力用半導体素子２の主面２ｆの全面を確実に圧力均一化シート５０で覆うことができ、電力用半導体素子２が破損するのを防ぐことができる。

以上のように、本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置１の製造方法によれば、焼結性金属粒子を含有する接合材３Ｐと加圧装置１０を用いて、配線部材４と電力用半導体素子２との接合を行う電力用半導体装置１の製造方法であって、鉛直方向（ｚ）において、電力用半導体素子２が配線部材４の上方に位置するように、接合材３Ｐを介して電力用半導体素子２を配線部材４に重ね、加圧装置１０の一対の加圧板（２１、２２）の間の所定位置に設置する設置工程と、一対の加圧板（２１、２２）により加熱、加圧して、接合材３Ｐの焼結性金属粒子を焼結させて電力用半導体素子２を配線部材４に接合する工程と、を含み、一対の加圧板のうち、上側の加圧板２１と電力用半導体素子２の主面２ｆとの間には、電力用半導体素子２よりも柔軟な樹脂シート（圧力均一化シート５０）を介在させており、上側の加圧板２１は、主面２ｆに平行な方向（ｘｙ）において、加圧面２１ｆが主面２ｆを内包するように配置されているとともに、接合行程中に変形した樹脂シート（圧力均一化シート５０）の端部を加圧面２１ｆよりも上方にかわすため、主面２ｆの４辺から外側に所定幅（Ｄｓ）離れた部分に空間Ｓｆが形成されているように構成した。そのため、加圧した際に圧力均一化シート５０が加圧面２１ｆよりもさらに電力用半導体素子２から離れる方向に反り返るので、電力用半導体素子２の近傍の空間Ｓｐが圧力均一化シート５０によって遮蔽されるのを防ぎ、有機保護膜の揮発成分が電力用半導体素子２の近傍の空間に滞留することがなくなる。つまり、配線部材４あるいは電力用半導体素子２に有機保護膜の成分が局所的に堆積し、汚染されるのを防ぐことができる。その結果、均一に加圧できるとともに金属焼結材に含まれる有機保護膜の分解・脱ガス成分による回路部材等の汚染を防止できるので、耐熱性に優れるとともに、信頼性の高い電力用半導体素子を得ることができる。

とくに、所定幅Ｄｓは、０〜５ｍｍ、あるいは電力用半導体素子２の主面２ｆの横または縦の寸法（ＷｃｘまたはＷｃｙ）の０〜５％の範囲に設定されるように構成したので、加圧した際に圧力均一化シート５０を確実に加圧面２１ｆよりもさらに電力用半導体素子２から離れる方向に反り返らせることができる。

実施の形態２．
本実施の形態２にかかる電力用半導体装置の製造方法では、上記実施の形態１にかかる電力用半導体装置の製造方法を複数の電力用半導体素子を同時に接合する場合の形態について記載するものである。基本的な考え方は実施の形態１と同様であり、例えば、後述する加圧板の構成において、電力用半導体素子が隣接する部分に対応する部分以外の構成については、実施の形態１と同様である。

図６と図７は、本発明の実施の形態２にかかる電力用半導体装置の製造方法の説明として、それぞれ図１（ｄ）に対応する行程における回路部材および加圧板部分の断面図を示したもので、図６は実施の形態１で説明した加圧板をそのまま複数の電力用半導体素子の接合に用いた場合、図７は本発明の実施の形態２にかかる電力用半導体装置の製造方法に対応する加圧板を用いた場合の回路部材および加圧板部分の断面図である。

例えば、複数の電力用半導体素子２を一括して配線部材４に接合することで、生産性を向上させることができる。このとき、例えば、図６に示すように、上側の加圧板２１Ｗの外形となる側部２１ｓの位置は、実施の形態１にならって、複数（図では２つ）の電力用半導体素子２の配置に応じて規定する。しかし、電力用半導体素子２どうしの隙間に対応する部分は、平坦に形成した場合について検討する。この場合、複数の電力用半導体素子２の隙間部分の空間Ｓｐｉでは、圧力均一化シート５０が加圧面２１ｆに押し返されて配線部材４方向に垂れ下がる。そのため、外側の空間Ｓｐｘは実施の形態１と同様に解放されるが、内側の空間Ｓｐｉは圧力均一化シート５０によって外部と遮蔽されることになる。そのため、内側の空間Ｓｐｉ側の配線部材４や電力用半導体素子２に有機保護膜の成分が局所的に堆積し、汚染される恐れがある。

そこで、本実施の形態２にかかる電力用半導体装置の製造方法では、図６に示すように、複数の電力用半導体素子２の間に形成される隙間のそれぞれに対応して、加圧面２１ｆから窪む窪み部２１ｄを設けるようにした。これにより、各隙間の直上に対応する部分でも、電力用半導体素子２のエッジから所定幅（実施の形態１における所定幅Ｄｓに対応）外側の部分は、圧力均一化シート５０を加圧面２１ｆよりも上方にかわすために所定のクリアランスＣｖを有する空間Ｓｆになる。

そのため、素子間の各隙間の直上に対応する圧力均一化シート５０を加圧面２１ｆよりもさらに電力用半導体素子２から離れる方向に反り返らせることができる。これにより、内側の空間Ｓｐｉが圧力均一化シート５０によって遮蔽されるのを防ぎ、有機保護膜の揮発成分が空間Ｓｐｉ内に滞留するのを防ぎ、配線部材４あるいは電力用半導体素子２に有機保護膜の成分が局所的に堆積し、汚染されるのを防ぐことができる。なお、図６、７では１つの配線部材４に複数の電力用半導体素子２を接合する場合について示したが、配線部材４は１つに限られるものではなく、複数あっても良い。

以上のように、本実施の形態２にかかる電力用半導体装置の製造方法によれば、上側の加圧板２１には、複数の電力用半導体素子２を接合させる際、電力用半導体素子２どうしの間部分にも、樹脂シート（圧力均一化シート５０）を加圧面２１ｆよりも上方にかわすための空間Ｓｆが形成されているので、内側の空間Ｓｐｉも圧力均一化シート５０によって遮蔽されるのを防ぎ、有機保護膜の揮発成分が空間Ｓｐｉ内に滞留するのを防ぎ、配線部材４あるいは電力用半導体素子２に有機保護膜の成分が局所的に堆積し、汚染されるのを防ぐことができる。

実施の形態３．
電力用半導体素子２の配線部材４への接合は、加圧装置１０のコスト低減やサイズ低減の観点から、より低圧力で行うことが望ましい。また、低い圧力での接合が可能となれば、同一の荷重であっても、一括して接合できる電力用半導体素子２の数が増加し、生産性を向上させることができる。上記のような理由から、接合圧力の低圧力化は多くのメリットがある。しかしながら、接合時の圧力を低下させると、接合面内での圧力にばらつきがある場合、局所的に接合に必要な圧力を下回る領域が発生し、接合不良を生じる恐れがある。このように接合圧力を低下させた場合には、加圧力が大きい場合には問題にならなかった接合面内での圧力のばらつきが問題となる。

例えば、実施の形態１の図２で説明したように、上側の加圧板２１の加圧面２１ｆを、電力用半導体素子２の主面２ｆのエッジを所定幅Ｄｓで縁取るような単純な矩形状に形成した場合の主面２ｆにおける圧力分布について検証した。その結果、コーナー部Ｃｃにかかる圧力が他の領域にかかる圧力に比べて低くなることを実験によって確認した。例えば、同じ構成の接合準備品１Ａに対して、接合時の圧力をパラメータにして接合状態を調査した結果、接合圧力を低下させていくと、まず初めに、電力用半導体素子２のコーナー部Ｃｃ直下で接合不良が発生することが確認できた。したがって、実施の形態１の製造方法で使用した加圧板構成をそのまま用いると、接合圧力を低く設定したときに、接合不良が発生する可能性がある。

そこで、電力用半導体素子２のコーナー部Ｃｃにかかる加圧力が電力用半導体素子２の他の領域にかかる加圧力に比べて低くなる理由について図８を用いて説明する。図８は、本発明の実施の形態３にかかる電力用半導体装置の製造方法の説明の前提として、実施の形態１で説明した加圧板構成を用いた場合の電力用半導体素子と加圧板と圧力均一化シートの位置関係を示す図で、図８（ａ）は回路部材と加圧板部分の断面図、図８（ｂ）は圧力均一化シートの平面図である。

主面２ｆを縁取るように上側の加圧板２１の加圧面２１ｆの外形を矩形に形成したことで、圧力均一化シート５０のコーナー領域Ｐｅは、図８（ｂ）の矢印Ｌｓに示すように、ｘ方向にもｙ方向にも伸びることができる。そのため、伸び量が他の領域に比べて大きく、コーナー領域Ｐｅにおける圧力均一化シート５０の厚さが局所的に薄くなる。なお、図８では、簡単のために圧力均一化シート５０の反り返りを無視して図示してあり、図中の矢印Ｌｓは圧力均一化シート５０の伸び量を模式的に表している。

圧力均一化シート５０の上側の加圧板２１の加圧面２１ｆの４隅部分に接する領域Ｐｄにおいても、コーナー領域Ｐｅの影響に加えて、加圧面２１ｆの角に圧力均一化シート５０が食い込むことにより、厚さが局所的に薄くなる。この領域Ｐｄ影響を受けて、領域Ｐｄ近傍の電力用半導体素子２のコーナー部Ｃｃに接する領域Ｐｃにおいても、圧力均一化シート５０の厚さが局所的に薄くなる。このため、電力用半導体素子２のコーナー部Ｃｃにかかる加圧力が低下し、実験で確認した低圧力で接合した際に電力用半導体素子２のコーナー部直下における接合不良の発生が説明できる。

そこで、本実施の形態３においては、図９に示すように、接合に用いる上側の加圧板２１の加圧面２１ｆを、主面２ｆの４つのコーナー部Ｃｃから所定寸法（半径Ｌｂ）の張出部２１ｂを有するようにした。図９は、本発明の実施の形態３にかかる電力用半導体装置の製造方法に用いる加圧板のうち、上側の加圧板を下方から見たときの平面図である。また、図１０は、本実施の形態３にかかる電力用半導体装置の製造方法における電力用半導体素子と加圧板と圧力均一化シートの寸法関係を示すための図で、図１０（ａ）は回路部材と加圧板部分の断面図、図１０（ｂ）は圧力均一化シートの平面図である。また、図１１は、本発明の実施の形態３の変形例にかかる電力用半導体装置の製造方法に用いる加圧板部分の平面図である。

本実施の形態３にかかる電力用半導体装置の製造方法では、接合に用いる加圧板（上側の加圧板２１）の加圧面２１ｆに主面２ｆの４つのコーナー部Ｃｃから所定距離Ｌｒ張り出すように延在する張出部２１ｂを設けるようにした。この場合、図１０に示すように、圧力均一化シート５０の加圧面２１ｆの４隅部分（張出部２１ｂの隅）に接触する領域Ｐｄでは、依然、局所的に厚みが薄くなる。しかしながら、図１０（ｂ）と図８（ｂ）を比較すると、張出部２１ｂを設けることによって、領域Ｐｃと領域Ｐｄとの間隔Ｄｃが長くなる。そのため、本実施の形態３にかかる製造方法では、領域Ｐｃにおいて圧力均一化シート５０の厚さが局所的に薄くなることはない。したがって、電力用半導体素子２のコーナー部Ｃｃにかかる加圧力が低下するのを防ぐことができる。

さらに、加圧面２１ｆのうち、張出部２１ｂの範囲外である、主面２ｆの４辺のそれぞれの中間部分から所定幅Ｄｓ外側の部分には、圧力均一化シート５０をかわすためのクリアランスＣｖを有する空間Ｓｆが形成されている。そのため、加圧した際には、圧力均一化シート５０の４辺のそれぞれの中間部分は、加圧面２１ｆよりも電力用半導体素子２から離れる方向に反り返らせることができる。これにより、電力用半導体素子２近傍の空間Ｓｐの通気性は確保され、有機保護膜の揮発成分が滞留することはない。図１０に示すような、加圧面２１ｆに張出部２１ｂを形成した上側の加圧板２１を用いて実際に接合を行ったところ、配線部材４あるいは電力用半導体素子２を汚染することなく、主面２ｆ全面に十分に加圧力を加えて、配線部材４に接合できることを確認した。

なお、張出部２１ｂのサイズ（例えば半径Ｌｒ）が大きすぎると、電力用半導体素子２のエッジ部近傍で、圧力均一化シート５０が張出部２１ｂに押し返されてしまい、配線部材４の側に変形することがある。その結果、電力用半導体素子２のエッジ部近傍の空間が圧力均一化シート５０によって遮蔽されてしまう。その遮蔽された空間内に有機保護膜の成分が局所的に堆積してしまい、それが配線部材４あるいは電力用半導体素子２を汚染してしまうことが実験によって確認されている。

そこで、張出部２１ｂのサイズ（主面２ｆのコーナー部Ｃｃを中心とする半径Ｌｒ）をパラメータとして、実験を行った。その結果、張出部２１ｂの半径Ｌｒが１ｍｍ〜４ｍｍであれば、配線部材４を汚染することなく、電力用半導体素子２の主面２ｆ全面に十分に加圧力を加えることができることが確認できた。なお、張出部２１ｂのサイズ（半径Ｌｒ）の上限値４ｍｍという値は電力用半導体素子２の主面２ｆの横または縦の寸法（Ｗｃ）の４０％にあたり、下限値１ｍｍという値は１０％にあたる。つまり、張出部２１ｂの効果を発揮するためには、コーナー部Ｃｃからの張出量が１ｍｍ以上あるいは主面２ｆの寸法Ｗｃの１０％以上必要である。そして、圧力均一化シート５０を加圧面２１ｆよりもさらに電力用半導体素子２から離れる方向に反り返らせるための条件は、上述した上限値から以下のようになる。つまり、電力用半導体素子２の主面２ｆを構成する４辺のそれぞれの中間部分として、各辺の寸法（Ｗｃ）の２０％（１００％−４０％×２）以上の領域において、エッジから所定幅Ｄｓ外側の部分にクリアランスＣｖを有する空間Ｓｆを設けるよう、上側の加圧板２１の加圧面２１ｆを形成する必要がある。

実施の形態３の変形例．
なお、張出部２１ｂの形状は、図９、図１０で説明したような略円形状に限定されるものではなく、例えば、図１１に示すように略矩形状でも良い。ただし、図１１のように加圧面２１ｆの４隅部分が角状になっていると、圧力均一化シート５０に角が食い込み、その部分が局所的に薄くなりやすい。そのため、張出部２１ｂには、角を有しない形状の方が好ましい。したがって、張出部２１ｂは、図１１に示した略矩形状のような形状よりも、図９、図１０に示した略円形状のような角の無い形状が望ましい。加えて、張出部２１ｂのエッジ部にＲなどの連続的な傾斜をつけることで、圧力均一化シート５０への食い込みをさらに低減することができ、より効果的に圧力均一化シート５０が局所的に薄くなるのを防止することができる。

以上のように、本実施の形態３にかかる電力用半導体装置の製造方法によれば、上側の加圧板２１の加圧面２１ｆには、主面２ｆに平行な方向（ｘｙ）において、所定幅Ｄｓより大きな所定距離Ｌｒ分、電力用半導体素子２の主面２ｆの４隅（コーナー部Ｃｃ）に対応する位置から外側に張り出す張出部２１ｂが形成されているので、接合圧力を低く設定した場合でも、コーナー部Ｃｃでの加圧力低下を抑制し、信頼性の高い接合を得ることができる。

とくに、所定距離Ｌｒは、１〜４ｍｍ、あるいは電力用半導体素子２の主面２ｆの横または縦の寸法（ＷｃｘまたはＷｃｙ）の４０％以下の範囲に設定されるので、空間Ｓｆによって圧力均一化シート５０を加圧面２１ｆよりも上方にかわすことと、コーナー部Ｃｃでの加圧力低下を抑制することを両立できる。

また、上記実施の形態１ないし３にかかる電力用半導体装置の製造方法によれば、焼結性金属粒子を含有する接合材３Ｐと加圧装置１０を用いて、配線部材４と電力用半導体素子２との接合を行う電力用半導体装置１の製造方法であって、鉛直方向（ｚ）において、電力用半導体素子２が配線部材４の上方に位置するように、接合材３Ｐを介して電力用半導体素子２を配線部材４に重ね、加圧装置１０の一対の加圧板（２１、２２）の間の所定位置に設置する設置工程と、一対の加圧板（２１、２２）により加熱、加圧して、接合材３Ｐの焼結性金属粒子を焼結させて電力用半導体素子２を配線部材４に接合する工程と、を含み、一対の加圧板のうち、上側の加圧板２１と電力用半導体素子２の主面２ｆとの間には、電力用半導体素子２よりも柔軟な樹脂シート（圧力均一化シート５０）を介在させており、上側の加圧板２１は、主面２ｆに平行な方向（ｘｙ）において、加圧面２１ｆが主面２ｆを内包するように配置され、かつ、接合行程中に変形した樹脂シート（圧力均一化シート５０）の端部を加圧面２１ｆよりも上方にかわすための空間Ｓｆが形成されているように構成した。そのため、加圧した際に圧力均一化シート５０が加圧面２１ｆよりもさらに電力用半導体素子２から離れる方向に反り返るので、電力用半導体素子２の近傍の空間Ｓｐが圧力均一化シート５０によって遮蔽されるのを防ぎ、有機保護膜の揮発成分が電力用半導体素子２の近傍の空間に滞留することがなくなる。つまり、配線部材４あるいは電力用半導体素子２に有機保護膜の成分が局所的に堆積し、汚染されるのを防ぐことができる。その結果、均一に加圧できるとともに金属焼結材に含まれる有機保護膜の分解・脱ガス成分による回路部材等の汚染を防止できるので、耐熱性に優れるとともに、信頼性の高い電力用半導体素子を得ることができる。

なお、上記各実施の形態においては、電力用半導体素子２には、シリコンウエハを基材とした一般的な素子でも良いが、本発明においては炭化ケイ素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料、またはダイヤモンドといったシリコンと較べてバンドギャップが広い、いわゆるワイドバンドギャップ半導体材料を用い、高耐圧および高温動作が可能な半導体素子を用いた場合に、特に顕著な効果が現れる。特に炭化ケイ素を用いた電力用半導体素子に好適に用いることができる。

ワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子や整流素子は、ケイ素で形成された素子よりも電力損失が低いため、スイッチング素子や整流素子における高効率化が可能であり、ひいては、電力用半導体装置の高効率化が可能となる。さらに、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、スイッチング素子や整流素子の小型化が可能であり、これら小型化されたスイッチング素子や整流素子を用いることにより、電力用半導体装置も小型化が可能となる。また耐熱性が高いので、高温動作が可能であり、ヒートシンクの放熱フィンの小型化や、水冷部の空冷化も可能となるので、電力用半導体装置の一層の小型化が可能になる。

その際、背景技術で説明したように、高温で信頼性の高い焼結性銀族材を用いた接合が有力であり、本発明による効果を発揮することで、ワイドバンドギャップ半導体の特性を活かすことができるようになる。

なお、スイッチング素子及び整流素子の両方がワイドバンドギャップ半導体によって形成されていても、いずれか一方の素子がワイドバンドギャップ半導体によって形成されていてもよい。

１：電力用半導体装置、１Ａ：接合準備品、２：電力用半導体素子、２ｆ：主面、３：接合層、３Ｐ：金属接合材、４：配線部材、１０：加圧装置、２１：上側の加圧板、２１ｂ：張出部、２１ｆ：加圧面、２２：下側の加圧板、５０：圧力均一化シート（樹脂シート）、Ｃｃ：電力用半導体素子の主面の４隅、Ｄｓ：主面のエッジと加圧面のエッジ間の距離、Ｗｃ：電力用半導体素子の寸法、Ｗｄ：加圧面の寸法。

Claims (9)

1. 焼結性金属粒子を含有する接合材と加圧装置を用いて、配線部材と電力用半導体素子との接合を行う電力用半導体装置の製造方法であって、
   鉛直方向において、前記電力用半導体素子が前記配線部材の上方に位置するように、前記接合材を介して前記電力用半導体素子を前記配線部材に重ね、前記加圧装置の一対の加圧板の間の所定位置に設置する設置工程と、
   前記一対の加圧板により加熱、加圧して、前記接合材の焼結性金属粒子を焼結させて前記電力用半導体素子を前記配線部材に接合する接合工程と、を含み、
   前記一対の加圧板のうち、上側の加圧板と前記電力用半導体素子の主面との間には、樹脂シートを介在させており、
   前記上側の加圧板は、その加圧面が前記主面を内包するように配置され、かつ、前記接合工程中に変形した前記樹脂シートの端部を前記加圧面よりも上方にかわすための空間が形成されていることを特徴とする電力用半導体装置の製造方法。
2. 前記樹脂シートは、前記主面よりも大きく、前記端部が前記上側の加圧板に接触しない大きさであることを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置の製造方法。
3. 前記樹脂シートの端部が前記上側の加圧板に接触しないように、前記空間は前記上側の加圧板の加圧面の位置から上方に所定距離裕度を確保して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置の製造方法。
4. 前記電力用半導体素子の主面は矩形をなし、
   前記空間は、前記主面の４辺のそれぞれの中間部分から外側に所定幅離れた部分に形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電力用半導体装置の製造方法。
5. 前記所定幅は、０〜５ｍｍ、あるいは前記電力用半導体素子の主面の縦または横の寸法の０〜５％の範囲に設定されることを特徴とする請求項４に記載の電力用半導体装置の製造方法。
6. 前記上側の加圧板の加圧面には、前記所定幅より大きな所定距離分、前記電力用半導体素子の主面の４隅に対応する位置から外側に張り出す張出部が形成されていることを特徴とする請求項４または５に記載の電力用半導体装置の製造方法。
7. 前記所定距離は、１〜４ｍｍ、あるいは前記電力用半導体素子の主面の縦または横の寸法の４０％以下の範囲に設定されることを特徴とする請求項６に記載の電力用半導体装置の製造方法。
8. 前記電力用半導体素子がワイドバンドギャップ半導体材料により形成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の電力用半導体装置の製造方法。
9. 前記ワイドバンドギャップ半導体材料は、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料、およびダイヤモンド、のうちのいずれかであることを特徴とする請求項８に記載の電力用半導体装置の製造方法。

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