JPH07190992A

JPH07190992A - 接合界面の評価方法

Info

Publication number: JPH07190992A
Application number: JP5332771A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Onuki; 仁大貫; Masayasu Nihei; 正恭二瓶; Tadao Kushima; 忠雄九嶋; Masao Tsuruoka; 正男鶴岡
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-12-27
Filing date: 1993-12-27
Publication date: 1995-07-28

Abstract

(57)【要約】【目的】半導体モジュールにおける半田層３、１１と
それに隣接する導電層５、９、１３との間に形成される
金属間化合物４、１０、１２の形成状態を非破壊的に評
価する接合界面の評価方法を提供する。【構成】半導体モジュールにおける異種金属材料の接
合界面に形成された金属間化合物４、１０、１２の形成
状態を評価する評価方法であって、半導体モジュールの
外部から接合界面（金属間化合物４、１０、１２）に超
音波を投射し、接合界面（金属間化合物４、１０、１
２）から反射される超音波反射エコーの振幅の大きさに
基づいたパターン像の検出を行うことにより、接合界面
に形成された金属間化合物４、１０、１２の粒径の大き
さ、粒径の形状、結晶の配置形態を非破壊的に測定評価
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、異種金属材料の接合界
面に形成される金属間化合物の状態を評価する接合界面
の評価方法に係わり、特に、半導体モジュールにおける
各種基板の電極層と半田層との接合界面等に形成される
金属間化合物を非破壊的に測定評価する接合界面の評価
方法、及び、前記評価方法の評価に基づいて得られた半
導体モジュールに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、超音波探傷法を用いて、異質材料
の接合部の接合状態を非破壊的に検出する手段は、既知
であって、それら既知の手段には、次のようなものがあ
る。

【０００３】まず、第１の手段としては、少なくとも、
絶縁体基板と、その絶縁体基板に直接もしくは中間層を
介して導電層が接合されてなる積層基板における前記接
合部の超音波スキャンを行い、前記積層基板の接合部を
画像化し、この画像のパターンを用いて、前記積層基板
の接合部の接合状態の良否やクラック等の有無を判定す
る積層基板の接合部の非破壊検査方法であって、この検
査方法は、特開昭６３−２３８５３号または特開平１−
２７２９６１号に開示されている。ただし、これらの検
査方法は、超音波として比較的高周波帯域の信号を用い
ているため、前記接合部について高感度の検査を行うこ
とができる反面、前記接合部が積層基板の表面から約
０．１ｍｍ程度以上離れたところに存在する場合には、
前記接合部の欠陥を検出することが難しいという難点を
有している。

【０００４】次いで、第２の手段としては、セラミック
ス層とその両面に金属層が接合されてなる積層基板に、
超音波を加えてそれらの接合部の接合状態の良否を判定
する際に、反射波により第１の接合部の接合状態を、透
過波と反射波とにより第２の接合部の接合状態を非破壊
的に検出する積層基板の接合状態評価方法であって、こ
の評価方法は、特開平４−２６５８５５号に開示されて
いる。

【０００５】この他に、第３の手段としては、２種以上
の金属部材が積層されてなる複合金属部材に、超音波パ
ルスを加えて金属部材の境界部を評価する際に、前記境
界部からの反射超音波パルスの幅を測定することによ
り、前記境界部の幅もしくは蛇行状態を測定し、その測
定結果から前記境界部の状態を非破壊的に評価する評価
方法であって、この評価方法は、特開平２−１４０６６
０号に開示されている。

【０００６】ところで、前記第１乃至第３の手段として
挙げた検査方法または評価方法は、いずれも異種材料の
接合界面に存在する欠陥とその欠陥の大きさを検出測定
するものであって、半導体モジュールにおける各種基板
の電極層と半田層との接合部等についての評価を行って
いる評価方法を開示するものではない。

【０００７】特に、半導体モジュール、例えば、絶縁ゲ
ートバイポーラトランジスタ（以下、これをＩＧＢＴと
いう）においては、一面に導電層を有する半導体シリコ
ン（Ｓｉ）基体、両面に導電層を有する絶縁基板、及
び、導電材料からなる支持基板等を備えており、半導体
シリコン（Ｓｉ）基体と絶縁基板とは、それらの導電層
同志が、また、絶縁基板と支持基板とは絶縁基板の導電
層と支持基板とがそれぞれ半田接合された構成になって
いる。この場合、半導体モジュール（ＩＧＢＴ）におけ
る各半田接合部の接合強度は、半導体モジュール（ＩＧ
ＢＴ）の信頼性向上のために極めて重要な要因の１つで
あるが、この信頼性は、通常、半田層とそれに隣接する
導電層との間の化学反応によって形成された金属間化合
物に依存しており、具体的には、この金属間化合物が前
記半田層とそれに隣接する導電層と接合部面積に対しど
れほどの占有面積を占めるものであるか、この金属間化
合物の粒径の大きさや形状がどのようになっているか等
に依存している。そして、半導体モジュール（ＩＧＢ
Ｔ）の信頼性向上を図るためには、一定の大きさの粒径
を持った金属間化合物が、前記接合部面積の略全面積に
わたって平均的に形成されていることが最も望ましい。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】前述のように、異質材
料の接合部の接合状態を検出して評価する既知の検査方
法または評価手段は、いずれも異種材料の接合界面に存
在する欠陥（ボイド）の有無とその欠陥（ボイド）の大
きさを検出測定するものであって、半導体モジュール
（ＩＧＢＴ）の信頼性向上をもたらす要因の１つである
半田層とそれに隣接する導電層との間の化学反応によっ
て形成された金属間化合物の評価を行う評価方法に関す
るものではなく、しかも、前記金属間化合物に対する実
質的な評価を行うことを指向しているものでもない。

【０００９】ところで、半導体モジュール（ＩＧＢＴ）
の信頼性向上を図るためには、どうしても半田層とそれ
に隣接する導電層との間の化学反応によって形成された
金属間化合物の評価を行う必要があるもので、前記化学
反応によって形成された金属間化合物が存在している接
合界面は、疲労強度が高くなって、疲労寿命の低下をも
たらし、一方、金属間化合物が存在していないもしくは
金属間化合物の存在がきわめて少ない接合界面は、疲労
強度が低くて、疲労寿命が長いものであるが、現実には
このような金属間化合物の形成状態について何等評価を
行っていないのが実情であった。そして、既知の半導体
モジュール（ＩＧＢＴ）を使用した半導体装置において
は、そこに使用される半導体モジュール（ＩＧＢＴ）の
金属間化合物の形成状態に何等かの異常があったとして
も、前記半導体モジュール（ＩＧＢＴ）を半導体装置に
使用した後、何等かの動作欠陥等を生じた段階において
始めて前記半導体モジュール（ＩＧＢＴ）の信頼性の欠
如を認めることができるもので、前記半導体モジュール
（ＩＧＢＴ）における金属間化合物の形成状態の不良
は、その半導体モジュール（ＩＧＢＴ）を破壊検査した
としても、金属間化合物の結晶状態まで知ることが困難
であった。

【００１０】このように、既知の半導体装置において
は、半導体モジュール（ＩＧＢＴ）の使用前もしくは半
導体モジュール（ＩＧＢＴ）の製造時に、その金属間化
合物の形成状態の評価を行っていなかったため、半導体
モジュール（ＩＧＢＴ）の信頼性は、絶対的なものであ
るといえず、そのことは、取りも直さず、半導体モジュ
ール（ＩＧＢＴ）だけでなく、半導体モジュール（ＩＧ
ＢＴ）を用いた半導体装置の信頼性には、自ずと限界が
あるという問題があった。

【００１１】本発明は、前記問題点を解決するものであ
って、その目的は、半導体モジュールにおける半田層と
それに隣接する導電層との間の接合界面に形成される金
属間化合物の状態を非破壊的に評価する接合界面の評価
方法を提供することにある。

【００１２】また、本発明の他の目的は、半田層とそれ
に隣接する導電層との間の接合界面に形成される金属間
化合物の形成状態を一様均一にし、接合界面の疲労寿命
を向上させた半導体モジュールを提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明は、半導体モジュールにおける異種金属材料
の接合界面に形成された金属間化合物の状態を評価する
評価方法であって、前記半導体モジュールの外部から前
記接合界面に超音波を投射し、前記接合界面から反射さ
れる超音波反射エコーの振幅を大きさを検出することに
より、前記接合界面に形成された金属間化合物の結晶粒
径の大きさ、結晶形状、結晶の配置形態を評価する第１
の手段を備える。

【００１４】また、前記目的を達成するために、本発明
は、半導体モジュールにおける異種金属材料の接合界面
に形成された金属間化合物の状態を評価する評価方法で
あって、前記半導体モジュールの半田層を含んだ接合界
面を露出させ、前記露出させた接合界面を水銀中に浸漬
して前記接合界面にある前記半田層をアマルガム化さ
せ、次いで、このアマルガム化させた部分を除去するこ
とによって得られた金属間化合物及び接合界面の表面を
顕微鏡、ＳＥＭ等により観察評価する第２の手段を備え
る。

【００１５】さらに、前記他の目的を達成するために、
本発明は、少なくとも、一面に導電層を有する半導体シ
リコン（Ｓｉ）基体と、両面に導電層を装着させた絶縁
基板と、導電材料からなる支持基板とからなり、前記半
導体シリコン（Ｓｉ）基体と前記絶縁基板の各導電層を
半田接合させるとともに、前記絶縁基板の導電層と前記
支持基板とを半田接合させて構成した半導体モジュール
であって、前記半導体シリコン（Ｓｉ）基体の導電層と
前記絶縁基板の導電層との間の半田層を含んだ接合界
面、及び、前記絶縁基板の導電層と前記支持基板との間
の半田層を含んだ接合界面の双方において、半田との化
学反応によって形成された金属間化合物の結晶粒径を
０．２μｍ乃至５０μｍの範囲内とし、かつ、前記金属
間化合物の占有面積を前記接合界面の面積に対して９０
％以上にするようにした第３の手段を備える。

【００１６】

【作用】本発明による接合界面の評価方法の第１のもの
（以下、これを本発明の第１の評価方法という）は、半
導体モジュールにおける半田層とそれに隣接する導電層
との間の接合界面に超音波を投射させた際に、前記接合
界面に形成された金属間化合物の結晶粒径の大きさ、結
晶形状及び分布配置状態（有、無を含む）に応じて反射
エコーの高さ（振幅）、反射エコーの幅、及び、透過波
の振幅が変化すること、具体的には、前記接合界面に形
成されている金属間化合物の結晶粒径の大きさや結晶形
状及び配置状態に応じて超音波の反射率が高くなること
を見出したことに基づいてなされたものである。

【００１７】即ち、前記第１の手段によれば、半導体モ
ジュールの外部から半田層とそれに隣接する導電層との
接合界面に超音波を投射させ、その投射された超音波が
前記接合界面を透過する際に、前記接合界面を形成する
異媒質同志の境界部における反射、前記接合界面にある
の欠陥（ボイド）等の存在による反射に加えて、前記接
合界面に形成された金属間化合物の粒径の大きさや結晶
形状の大きさ及びその配置状態に基づく反射が加味され
るので、前記接合界面から反射される反射エコーの大き
さ（振幅）をパターン化して見ることにより、前記接合
界面に形成された金属間化合物の形成状態を非破壊的に
評価することができる。

【００１８】また、本発明による接合界面の評価方法の
第２のもの（以下、これを本発明の第２の評価方法とい
う）は、半導体モジュールにおける半田層とそれに隣接
する導電層との間の接合界面に形成された金属間化合物
の大きさ、形状、及び分布状態を直接観察評価しようと
した際に、水銀アマルガム法を用いることにより、半田
はアマルガム化されて除去されるものの、半田とそれに
隣接する導電層との化学反応によって形成された金属間
化合物、絶縁基板上に装着された導電層やめっき層、導
電材料からなる支持基板等は、いずれも殆んどアマルガ
ム化されることなく、そのままの状態に維持されている
ことを見出したことに基づいてなされたものであって、
この本発明の第２の評価方法は、本発明の第１の評価方
法の評価結果の正当性を確認する場合等に用いられるも
のである。

【００１９】即ち、前記第２の手段によれば、半導体モ
ジュールにおける半田層を含んだ部分を機械加工により
露出させた後、この露出させた部分を水銀中に浸漬して
その部分に残留する前記半田層をアマルガム化させ、次
いで、このアマルガム化させた部分を除去させることに
より、実質的に金属間化合物及び前記半田層に隣接した
導電層の表面を露呈させるようにしたもので、この露呈
した金属間化合物や導電層の表面は、顕微鏡で見たり、
ＳＥＭ写真に撮ることができるようになり、これまで不
可能とされていた現実の金属間化合物の形成状態や非形
成状態、その結晶粒径の大きさ、結晶状態等を直接観察
することができるものである。

【００２０】さらに、本発明に係わる半導体モジュール
は、半導体モジュールにおける半田層を含んだ接合界面
に形成された金属間化合物の形成状態と前記接合界面の
疲労寿命との関係を求め、その求めた関係から前記金属
間化合物の結晶粒径の大きさや占有面積を特定すること
により、前記接合界面の欠陥（ボイド）の存在率を低下
させ、かつ、前記接合界面の疲労寿命を高めることがで
き、それによって、信頼性を向上させた半導体モジュー
ルが得られることを見出したことに基づいてなされたも
のである。

【００２１】即ち、前記第３の手段によれば、半導体モ
ジュールにおける半田層を含んだ接合界面において、半
田との化学反応によって前記接合界面に形成された金属
間化合物の結晶粒径を０．２μｍ乃至５０μｍの範囲内
とし、かつ、前記金属間化合物の占有面積を前記接合界
面の面積に対して９０％以上になるようにしているの
で、前記接合界面に形成される金属間化合物の結晶化状
態が一様均一になり、それにより前記金属間化合物内の
欠陥（ボイド）が低減し、前記接合界面の疲労寿命が高
まり、結果的に、信頼性を向上させた半導体モジュール
が得られる。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に
説明する。

【００２３】図１は、本発明に係わる接合界面の評価方
法（本発明の第１の評価方法）が適用された半導体モジ
ュール（ＩＧＢＴ）の概要構成を示す断面構成図であ
る。

【００２４】図１において、１は半導体シリコン（Ｓ
ｉ）基体、２は銅（Ｃｕ）やニッケル（Ｎｉ）を含んだ
第１の導電層、３は第１の半田層、４は第１の金属間化
合物、５は第１のニッケル（Ｎｉ）めっき層、６は窒化
アルミニウム（ＡｌＮ）からなる第１の絶縁層、７は銅
（Ｃｕ）からなる第１の基板、８は窒化アルミニウム
（ＡｌＮ）からなる第２の絶縁層、９は第２のニッケル
（Ｎｉ）めっき層、１０は第２の金属間化合物、１１は
第２の半田層、１２は第３の金属間化合物、１３は第３
のニッケル（Ｎｉ）めっき層、１４は銅（Ｃｕ）からな
る第２の基板、１５は第４のニッケル（Ｎｉ）めっき
層、１６は超音波センサーである。

【００２５】そして、半導体シリコン（Ｓｉ）基体１
は、その一面に第１の導電層２が装着される。第１の基
板７は、両面にそれぞれ第１の絶縁層６と第２の絶縁層
８が装着され、それら第１の絶縁層６と第２の絶縁層８
の外側にそれぞれ第１のニッケル（Ｎｉ）めっき層５と
第２のニッケル（Ｎｉ）めっき層９が設けられて、両面
に導電層５、９を有する絶縁基板６乃至８が構成され
る。第２の基板１４は、支持基板を構成するもので、両
面に第３のニッケル（Ｎｉ）めっき層１３と第４のニッ
ケル（Ｎｉ）めっき層１５が設けられる。

【００２６】また、半導体シリコン（Ｓｉ）基体１と絶
縁基板６乃至８とは、第１の導電層２及び第１のニッケ
ル（Ｎｉ）めっき層５を介して半田付けされ、それらの
間に第１の半田層３が形成される。この第１の半田層３
の形成時に、第１の半田層３と第１のニッケル（Ｎｉ）
めっき層５との間の接合界面に、半田層３を構成する金
属材料、例えば、鉛（Ｐｂ）−錫（Ｓｎ）と第１のニッ
ケル（Ｎｉ）めっき層５を構成するニッケル（Ｎｉ）と
の化学反応によって第１の金属間化合物４が形成され
る。

【００２７】さらに、絶縁基板６乃至８と支持基板１４
とは、第２のニッケル（Ｎｉ）めっき層９と第３のニッ
ケル（Ｎｉ）めっき層１３を介して半田付けされ、それ
らの間に第２の半田層１１が形成される。この第２の半
田層１１の形成時においても、第２の半田層１１と第２
のニッケル（Ｎｉ）めっき層９との間の接合界面、及
び、第２の半田層１１と第３のニッケル（Ｎｉ）めっき
層１３との間の接合界面のそれぞれに、半田層１１を構
成する金属材料、例えば、鉛（Ｐｂ）−錫（Ｓｎ）と第
２のニッケル（Ｎｉ）めっき層９及び第３のニッケル
（Ｎｉ）めっき層１３を構成するニッケル（Ｎｉ）との
化学反応によって第２の金属間化合物１０及び第３の金
属間化合物１２が形成される。

【００２８】この他、半導体モジュール（ＩＧＢＴ）の
外部に配置された超音波センサ１６は、１０乃至５０Ｍ
Ｈｚの周波数の超音波を半導体モジュール（ＩＧＢＴ）
に向け投射させるとともに、半導体モジュール（ＩＧＢ
Ｔ）からの反射波を受信するものであって、丸数字の
、、は、それぞれ第３の金属間化合物１２、第２
の金属間化合物１０、第１の金属間化合物４に投射さ
れ、それらの部分で反射された超音波を示すものであ
る。この場合、超音波センサ１６から半導体モジュール
（ＩＧＢＴ）の各検出領域に投射される超音波は、当然
に、その検出領域をスキャンするように投射されるもの
で、その検出領域からの反射エコーも前記スキャンに伴
ってパターン化され、パターン像として超音波センサ１
６から出力されるものである。

【００２９】次に、図２は、図１に図示された半導体モ
ジュール（ＩＧＢＴ）からの反射波（反射エコー）の受
信状態の一例を示す特性図である。

【００３０】図２において、縦軸は、反射エコーの高
さ、横軸は、時間を表し、、、の表示は、それぞ
れ図１に示された第３乃至第１の金属間化合物１２、１
０、４形成部分からの反射エコーを表すものである。

【００３１】そして、図１及び図２に示されるように、
超音波センサ１６から半導体モジュール（ＩＧＢＴ）内
に超音波を投射すると、最初に、第２の半田層１１と第
３のニッケル（Ｎｉ）めっき層１３との間の接合界面に
形成された第３の金属間化合物１２からの反射エコー
が到着し、続いて、第２の半田層１１と第２のニッケル
（Ｎｉ）めっき層９との間の接合界面に形成された第２
の金属間化合物１０からの反射エコーが到着し、それ
に続いて、第１の半田層３と第１のニッケル（Ｎｉ）め
っき層５との間の接合界面に形成された第１の金属間化
合物４からの反射エコーが到着するが、その場合の各
反射エコー、、の高さ（振幅）は、反射エコー
の高さが最大で、反射エコーの高さがそれに次ぎ、反
射エコーの高さが最小になる。

【００３２】この場合、超音波センサ１６は、そのスキ
ャンに伴って、第３乃至第１の金属間化合物１２、１
０、４の検出領域からの各反射エコー、、の高さ
を検出し、その検出結果によって前記検出領域の状態を
示すパターン像を形成する。そして、このとき得られた
パターン像を見ることにより、第３乃至第１の金属間化
合物１２、１０、４の結晶の形成状態を知ることができ
るものであるが、そのパターン像の具体的な見方につい
ては、後述する。

【００３３】ところで、半導体モジュール（ＩＧＢＴ）
からの反射波は、現実には、半導体シリコン（Ｓｉ）基
体１、絶縁基板６乃至８、支持基板１４の表面、異種金
属の接合界面、欠陥（ボイド）からのものも含まれる
が、図２においては説明を簡単にするために、それらか
らの反射波は全て記載を省略している。ただし、第１の
半田層３と第１のニッケル（Ｎｉ）めっき層５との間の
接合界面、第２の半田層１１と第２のニッケル（Ｎｉ）
めっき層９との間の接合界面、第２の半田層１１と第３
のニッケル（Ｎｉ）めっき層１３との間の接合界面にお
いて、各半田層３、１１と各めっき層５、９、１３との
ぬれが悪く、それら接合界面に第１乃至第３の金属間化
合物４、１０、１２が形成されない部分は、欠陥（ボイ
ド）になるため、実際には、第１乃至第３の金属間化合
物４、１０、１２と欠陥（ボイド）の両方からの反射エ
コーの高さを検出していることになる。そして、この検
出は、半導体モジュール（ＩＧＢＴ）をレジン封止して
いる場合も同じである。

【００３４】続く、図３は、第３のニッケル（Ｎｉ）め
っき層１３を形成した支持基板１４と第２の半田層１１
との接合部の状態の一例を示す説明図であって、（ａ）
は超音波探傷Ｃスコープによって得たパターン像であ
り、（ｂ）は後述する水銀アマルガム法によって半田を
完全に除去した後のＳＥＭ写真である。

【００３５】まず、本発明の第１の評価方法において、
超音波センサー１６により、半導体モジュール（ＩＧＢ
Ｔ）に形成された第３の金属間化合物１２からの反射エ
コーに基づく超音波探傷像（パターン像）を作成させる
と、例えば、図３（ａ）に示すようなパターン像にな
る。このパターン像において、白く見える部分イは、欠
陥（ボイド）の形成部分であり、最も黒く見える部分ロ
は、金属間化合物の結晶粒径が細かくかつ密に配置され
ている部分であり、前記部分ロよりは薄く（白く）見え
る部分ハは、金属間化合物の結晶粒径が前記部分ロより
も大きくかつ前記部分ロよりも粗く配置されている部分
であり、前記部分ロと前記部分ハとの中間の濃さに見え
る部分ニは、径が約６０μｍ以下の欠陥（ボイド）が集
合している部分である。

【００３６】即ち、このパターン像において、欠陥（ボ
イド）について見たときには、欠陥（ボイド）の径が大
きく、実質的に空気が存在する部分イの超音波反射率
は、ほぼ１００％に近くなるため、最も白く見えるもの
であり、欠陥（ボイド）の径が小さくなっている部分ニ
の超音波反射率は、前記部分イの超音波反射率よりも低
下して、やや白く見えるものである。一方、金属間化合
物について見たときには、金属間化合物の結晶粒径が大
きい部分ハは、そこで超音波が反射され易くなるため
に、やや白く見えるものであり、金属間化合物の結晶粒
径が小さい部分ロは、そこで超音波が反射され難いため
に、黒く見えるものである。

【００３７】なお、前記パターン像は、第３の金属間化
合物１２についてのものであるが、第１の金属間化合物
４または第２の金属間化合物１０についてのものも、超
音波センサー１６によりそれらの部分からの反射エコー
に基づく超音波探傷像を作成させれば、同様のパターン
像を得ることができる。

【００３８】次に、ここで、半導体モジュール（ＩＧＢ
Ｔ）に形成された金属間化合物、例えば、第３の金属間
化合物１２についての現実の状態を直接的に観察評価す
る方法、即ち、水銀アマルガム法を用いた評価方法（本
発明の第２の評価方法）について説明する。

【００３９】最初に、観察評価される半導体モジュール
（ＩＧＢＴ）を準備し、機械加工によって、第２の半田
層１１を境にして、半導体モジュール（ＩＧＢＴ）を２
つに分割させて、半導体シリコン（Ｓｉ）基体１と絶縁
基板６乃至８とを有し、分離部分に第２の半田層１１が
露出した第１素子と、支持基板１４を有し、同じく分離
部分に第２の半田層１１が露出した第２素子とを作成す
る。

【００４０】次に、前記第２素子を水銀中に浸漬させ、
その表面に露出している第２の半田層１１の半田成分を
アマルガム化させ、このアマルガム化した半田成分を除
去する半田除去工程を実行する。この半田除去工程は、
第２の半田層１１、即ち、半田成分が完全に除去される
まで何回も繰返し実行する。

【００４１】最後に、第２の半田層１１が完全に除去さ
れると、前記第２素子の表面に、第３の金属間化合物１
２及び半田との間で反応を起こさなかった第３のニッケ
ル（Ｎｉ）めっき層１３が現れるようになる。

【００４２】なお、前記第２素子の水銀中への浸漬時
に、例えば、ニッケル（Ｎｉ）と錫（Ｓｎ）との化合物
からなる第３の金属間化合物１２や、ニッケル（Ｎｉ）
を主成分とする第３のニッケル（Ｎｉ）めっき層１３等
は、水銀とのアマルガムを形成しないので、前記第２素
子にそのままの形で残留し、前記第２素子からは第２の
半田層１１だけが完全に除去されるものである。そし
て、第２の半田層１１だけを完全に除去できる手法の適
用可能な金属としては、半田の主成分が鉛（Ｐｂ）、錫
（Ｓｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、カドミウム（Ｃｄ）からなる
場合に、支持基板１４側の表面に、金（Ａｕ）、銀（Ａ
ｇ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、プラチナ（Ｐ
ｔ）、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）、タングステン
（Ｗ）が存在すれば適用可能であり、さらに、金（Ａ
ｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉄
（Ｆｅ）等が半田の一部を構成していても同様に適用可
能である。

【００４３】図３（ｂ）は、本発明の第２の評価方法に
よって露出された第３の金属間化合物１２の形成状態を
ＳＥＭ写真に撮ったものである。

【００４４】この図３（ｂ）からも明らかなように、第
３の金属間化合物１２には、結晶粒径が細かくて密に配
置されている部分、結晶粒径が大きく粗に配置されてい
る部分、欠陥（ボイド）部分等が存在していることが、
そのＳＥＭ写真における色の濃さの違いから十分に理解
できるところである。

【００４５】次に、図４は、本発明の第２の評価方法に
よって露出された金属間化合物の形成状態の他の例を示
すＳＥＭ写真であって、（ａ）は金属間化合物の結晶粒
径が小さくかつ密に配置されている例であり、（ｂ）は
金属間化合物の結晶粒径が大きくかつ粗に配置されてい
る例である。

【００４６】図４（ａ）、（ｂ）からも理解できるよう
に、本発明の第２の評価方法によれば、露出された金属
間化合物の形成状態を、ＳＥＭ写真に撮ることによって
直接的に観察評価することが可能になる。

【００４７】続く、図５は、燐（Ｐ）を含有したニッケ
ル（Ｎｉ）めっき層と半田層との間の接合界面に形成さ
れた金属間化合物の形成状態の他の例を示す説明図であ
って、（ａ）は本発明の第１の評価方法による金属間化
合物の超音波探傷Ｃスコープのパターン像であり、
（ｂ）、（ｃ）は本発明の第２の評価方法により露出さ
れた金属間化合物のＳＥＭ写真であって、その内、
（ｂ）は金属間化合物の結晶粒径が比較的小さくかつ密
に配置されている例であり、（ｃ）は金属間化合物の結
晶粒径が比較的大きくかつ粗に配置されている例であ
る。

【００４８】半導体モジュール（ＩＧＢＴ）における金
属間化合物の形成状態を非破壊的に測定評価するために
は、本発明の第１の評価方法を用い、図５（ａ）に示さ
れるように、超音波センサー１６によって得られたパタ
ーン像の検出測定を行うことにより、充分該当する金属
間化合物の形成状態を評価を行うことができる。しかる
に、前記金属間化合物の具体的な結晶状態や分布配置状
態を見ようとしたときには、本発明の第２の評価方法を
用いることにより、図５（ｂ）、（ｃ）に示されるよう
に、前記金属間化合物の結晶の形成状態を直接的に観察
するようにすれば、前記金属間化合物の結晶状態をや分
布配置状態をより鮮明に観察し評価することが可能にな
る。

【００４９】また、図６は、燐（Ｐ）を含有しないニッ
ケル（Ｎｉ）めっき層と半田層との間の接合界面に形成
された金属間化合物の状態のさらに別の例を示す説明図
であって、（ａ）は本発明の第１の評価方法による金属
間化合物の超音波探傷Ｃスコープのパターン像であり、
（ｂ）、（ｃ）は本発明の第２の評価方法により露出さ
れた金属間化合物のＳＥＭ写真であって、その内、
（ｂ）は金属間化合物の結晶粒径が比較的小さくかつ密
に配置されている例であり、（ｃ）は金属間化合物の結
晶粒径が比較的大きくかつ粗に配置されている例であ
る。

【００５０】この図６（ａ）乃至（ｃ）は、ニッケル
（Ｎｉ）めっき層に燐（Ｐ）が含有されていないとき
と、含有されているときとの比較を行うために挙げたも
ので、それぞれ図５（ａ）乃至（ｃ）に対応するもので
ある。

【００５１】即ち、本発明の第１の評価方法による超音
波探傷Ｃスコープのパターン像を比べたとき、図６
（ａ）に示されたパターン像の濃さは、全体的に、図５
（ａ）に示されたパターン像よりも薄くなっていること
から、ニッケル（Ｎｉ）めっき層に燐（Ｐ）が含有され
ていないときは、ニッケル（Ｎｉ）めっき層に燐（Ｐ）
が含有されているときに比べて、金属間化合物の結晶粒
径が比較的小さくかつ密に配置されていることが判り、
そのことは、本発明の第２の評価方法により露出された
金属間化合物のＳＥＭ写真を比べたとき、図６（ｂ）、
（ｃ）に示されるたものの結晶粒径が、図５（ｂ）、
（ｃ）に示されたものの結晶粒径に比べてかなり小さく
かつ密度が高くなっていることからも、十分に追認する
ことができる。

【００５２】以上のように、本発明の第１の評価方法に
よれば、超音波センサー１６で検出測定された超音波反
射率（反射エコーの高さ）の検出を行ったとき、その検
出結果から、ニッケル（Ｎｉ）めっき層と半田層との間
の接合界面に形成された金属間化合物は、次のような形
成状態になっていることが判るものである。

【００５３】即ち、超音波反射率（反射エコーの高さ）
に基づいて、前記金属間化合物の平均的な結晶粒径の大
きさを知ることができ、同時に、前記金属間化合物に存
在する欠陥（ボイド）の大きさも知ることができる。

【００５４】ここで、図７は、超音波反射率（反射エコ
ーの高さ）と前記金属間化合物の平均的な結晶粒径の大
きさとの関係を示す特性図である。

【００５５】図７において、縦軸は、％で示した超音波
反射率（反射エコーの高さ）であり、横軸は、μｍで示
した前記金属間化合物の平均的な結晶粒径の大きさであ
る。

【００５６】図７に示されるように、前記金属間化合物
の結晶の平均粒径が０．２μｍ程度から順次大きくなっ
て行くと、それにつれて超音波反射率、即ち、反射エコ
ーの高さも順次増大して行くことが判る。一方、前記金
属間化合物の結晶の平均粒径が０．２μｍ以下であると
きには、前述したように、反射エコーの高さは却って増
大することが判る。

【００５７】このように、本発明の第１の評価方法によ
れば、反射エコーの高さ、即ち、超音波探傷Ｃスコープ
のパターン像の濃さを見ることにより、前記金属間化合
物の平均的な結晶粒径の大きさがどの位のものであるか
を判断することができる。

【００５８】次に、図８は、超音波反射率と（反射エコ
ーの高さ）と前記金属間化合物に存在する欠陥（ボイ
ド）の大きさとの関係を示す特性図である。

【００５９】図８において、縦軸は、％で示した超音波
反射率（反射エコーの高さ）であり、横軸は、μｍで示
した前記金属間化合物の欠陥（ボイド）の大きさであ
る。

【００６０】図８に示されるように、欠陥（ボイド）の
大きさが１０μｍ程度から順次大きくなって行くと、そ
れにつれて超音波反射率（反射エコーの高さ）も約１５
％程度から順次増大して行き、欠陥（ボイド）の大きさ
が５０μｍ程度になると、超音波反射率（反射エコーの
高さ）は約７０％程度になり、欠陥（ボイド）の大きさ
が１００μｍを超えると、超音波反射率（反射エコーの
高さ）はほぼ１００％になる。

【００６１】このように、本発明の第１の評価方法によ
れば、反射エコーの高さ、即ち、超音波探傷Ｃスコープ
のパターン像を見ることにより、前記金属間化合物の平
均的な結晶粒径の大きさだけでなく、前記金属間化合物
の欠陥（ボイド）の大きさの程度も同時に判断すること
ができる。

【００６２】次に、本発明の第２の評価方法を用いて、
前記金属間化合物の欠陥（ボイド）の発生原因を探索す
るために、欠陥（ボイド）の発生面積とニッケル（Ｎ
ｉ）めっき層上の形成されている酸化膜との関係を調べ
た。その結果、前記酸化膜が厚くなると、欠陥（ボイ
ド）の発生面積が増加する傾向にあり、特に、前記酸化
膜の厚さが１００Å以下のときは、欠陥（ボイド）の発
生面積が１０％以下に低下することが判った。これらの
ことから、前記金属間化合物形成部分に発生する欠陥
（ボイド）の主たる発生原因は、ニッケル（Ｎｉ）めっ
き層表面の酸化であって、この酸化を防止すれば、半田
層とニッケル（Ｎｉ）めっき層の間の接合界面に前記金
属間化合物を均一に生成させることができるであろうこ
とが判る。

【００６３】ところで、図９（ａ）は、本発明の第２の
評価方法により露出された金属間化合物の形成状態の一
例を示すＳＥＭ写真であり、図９（ｂ）は、この金属間
化合物が形成される際の反応モデルである。なお、図９
（ａ）、（ｂ）において、は金属間化合物未形成部、
即ち、欠陥（ボイド）部、は金属間化合物層、は金
属間化合物未形成部を含み、金属間化合物層の成長が不
十分な部分である。

【００６４】図９（ａ）に示されるように、このＳＥＭ
写真によれば、前記金属間化合物は、大部分が金属間化
合物層によって形成されているが、その中に、部分的
に欠陥（ボイド）部や金属間化合物層の成長が不十分
な部分が存在している。また、図９（ｂ）に示される
ように、前記金属間化合物が形成される際には、化学反
応は、ニッケル（Ｎｉ）めっき層表面に形成された酸化
膜が薄いかあるいは欠陥（ボイド）がある部分から始ま
り、それらの部分を中心にして前記化学反応が順次拡が
って行き、残った酸化膜の厚い部分においては、欠陥
（ボイド）あるいは金属間化合物層が十分に成長しない
ものである。

【００６５】一般に、半導体モジュール（ＩＧＢＴ）に
おいては、通電、冷却（非通電）のサイクルによって前
記金属間化合物形成部分に熱応力が発生する。この熱応
力は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のように、その熱膨
張係数がシリコン（Ｓｉ）に近い材質からなる絶縁基板
と、銅（Ｃｕ）からなる基板の両面にニッケル（Ｎｉ）
めっき層を施した支持基板とを組合せる場合にはかなり
大きくなり、特に、前記支持基板におけるニッケル（Ｎ
ｉ）めっき層と半田層との接合界面に沿って疲労クラッ
クが進行し、それにより半導体モジュール（ＩＧＢＴ）
の熱抵抗を高め、益々クラック進展速度を増加させるよ
うになる。

【００６６】したがって、半導体モジュール（ＩＧＢ
Ｔ）においては、ニッケル（Ｎｉ）めっき層と半田層と
の接合界面に強度的に弱い部分が存在したときには、そ
の部分からクラック進展速度を増加させるので、前記接
合界面を強化することが不可欠になる。

【００６７】次いで、図１０は、金属間化合物の粒径の
大きさとその金属間化合物形成部分の疲労寿命との関係
を示す特性図である。

【００６８】図１０において、縦軸は、サイクル数（Ｋ
サイクル）で表した前記疲労寿命であり、横軸は、μｍ
で表した前記金属間化合物の粒径の大きさである。

【００６９】図１０に示されるように、金属間化合物の
粒径の大きさが０．２μｍ未満であるときは金属間化合
物層ににわずかなすき間が存在するため、疲労クラック
はこの金属間化合物層に沿って進行し易くなり、疲労寿
命は著しく短くなる。一方、金属間化合物の粒径の大き
さが０．２μｍを超えると、急激に疲労寿命は長くな
り、金属間化合物の粒径の大きさが１０μｍ程度のとき
に、疲労寿命は最大になり、以下、金属間化合物の粒径
の大きさが１０μｍを超えるにしたがって疲労寿命は順
次減少し、金属間化合物の粒径の大きさが１００μｍ程
度になると、異なる材料の接合界面をクラックが進行し
易くなって、疲労寿命は最大時の半分以下に低下する。
この結果、金属間化合物の粒径の大きさとしては、０．
２μｍ乃至１００μｍの範囲内にあるのが好ましい。金
属間化合物の粒径の大きさが前記範囲内にあるときに
は、金属間化合物層が恰も一体物質のような挙動を示す
ので、疲労寿命は向上するものと考えられる。

【００７０】さらに、図１１は、金属間化合物における
欠陥（ボイド）面積率（金属間化合物層が形成されない
部分の存在比率）と疲労寿命との関係を、金属間化合物
の粒径がそれぞれ５μｍ、５０μｍの場合の特性図であ
る。

【００７１】図１１において、縦軸は、サイクル数（Ｋ
サイクル）で表した前記疲労寿命であり、横軸は、％で
表した欠陥（ボイド）面積率である。

【００７２】図１１に示されるように、金属間化合物の
粒径の大きさが５μｍ、５０μｍのいずれであっても、
即ち、金属間化合物の粒径の大きさに係わりなく、欠陥
（ボイド）面積率が増加するにしたがって疲労寿命は短
くなり、欠陥（ボイド）面積率が１０％を超えると、疲
労寿命は急激に低下する。

【００７３】前記結果に基づけば、金属間化合物層にお
ける欠陥（ボイド）面積率が１０％以上になると、疲労
寿命は急激に低下するようになるので、半導体モジュー
ル（ＩＧＢＴ）におけるニッケル（Ｎｉ）めっき層と半
田層との接合界面の信頼性を向上させるためには、その
接合界面に形成される金属間化合物の欠陥（ボイド）の
占有面積率を１０％以下にすること、換言すれば、前記
接合界面に形成される金属間化合物の占有面積率を９０
％以上にする必要がある。

【００７４】また、図９（ａ）、（ｂ）に示したよう
に、金属間化合物層が形成された場合に、その金属間化
合物層の疲労寿命は、金属間化合物未形成部の面積占
有率により支配される。このことは、前述のように、金
属間化合物未形成部においては、ニッケル（Ｎｉ）め
っき層と半田層との接合界面に僅かなすき間が形成さ
れ、疲労クラックがこの接合界面を進行し易くなるため
である。

【００７５】図１２は、粒径５μｍの金属間化合物にお
ける粒径０．１μｍ（０．２μｍ以下）の金属間化合物
が占める割合（占有割合）と疲労寿命との関係を示す特
性図である。

【００７６】図１２において、縦軸は、サイクル数（Ｋ
サイクル）で表した前記疲労寿命であり、横軸は、％で
表した前記占有割合である。

【００７７】この図１２から明らかなように、０．１μ
ｍ（０．２μｍ以下）の金属間化合物の占有割合が１０
％であるときには、疲労寿命も長くなっているが、前記
占有割合が１０％を超えるようになると、急激に疲労寿
命も短くなり、前記占有割合が３０％もしくはそれ以上
になると、疲労寿命は極端に短くなることが判る。

【００７８】ところで、図９（ａ）、（ｂ）の説明にも
あったように、ニッケル（Ｎｉ）めっき層と半田層との
接合界面に生じる欠陥（ボイド）に最も大きな影響を与
えるものは、前記接合界面に形成される酸化膜である。

【００７９】このため、本発明者等は、前記接合界面に
生じる欠陥（ボイド）の占有面積比を１０％以下に低下
させるための方法について種々の検討を行った。その結
果、前記接合界面について、次のような手段を施せば、
欠陥（ボイド）の占有面積比を１０％以下に低下させ得
ることを見出したもので、それによって、本発明は、疲
労寿命が長く、信頼性を向上させることが可能な半導体
モジュール（ＩＧＢＴ）を得ることができたものであ
る。

【００８０】即ち、その第１の手段は、２つのニッケル
（Ｎｉ）めっき層を半田付けによって接合する前に、接
合すべきニッケル（Ｎｉ）めっき層の表面及び接合に用
いる半田の表面をアルゴン（Ａｒ）あるいはアルゴン
（Ａｒ）及び水素（Ｈ）イオンを用いてクリーニングす
る、もしくは、接合すべきニッケル（Ｎｉ）めっき層の
表面のみをアルゴン（Ａｒ）あるいはアルゴン（Ａｒ）
及び水素（Ｈ）イオンを用いてクリーニングすることで
あり、その第２の手段は、同じく２つのニッケル（Ｎ
ｉ）めっき層を半田付けによって接合する前に、スパッ
タ等により接合すべきニッケル（Ｎｉ）めっき層の表面
に錫（Ｓｎ）の膜を形成するかあるいはニッケル（Ｎ
ｉ）と錫（Ｓｎ）の化合物の膜を形成することである。

【００８１】そして、図１に示すような構造を持つ本発
明による半導体モジュール（ＩＧＢＴ）を製造する際に
は、その製造工程の途中において、半田接合部に対して
前記第１の手段もしくは前記第２の手段を施し、その後
に前記半田接合部の半田付けを行い、続いて、第２のニ
ッケル（Ｎｉ）めっき層と半田層との接合界面に対し本
発明の第１の評価方法による評価を行うようにする。具
体的には、第１の導電層２を設けたシリコン（Ｓｉ）基
体１と第１、第２のニッケル（Ｎｉ）めっき層５、９を
設けた絶縁基板６乃至８、及び、前記絶縁基板６乃至８
と第３、第４のニッケル（Ｎｉ）めっき層１３、１５を
設けた支持基板１４のそれぞれに対し、前記第１の導電
層２及び前記第１のニッケル（Ｎｉ）めっき層５につい
て前記第１の手段もしくは前記第２の手段を施して半田
付けを行い、次に、前記第２のニッケル（Ｎｉ）めっき
層９及び前記第３のニッケル（Ｎｉ）めっき層１３につ
いて前記第１の手段もしくは前記第２の手段を施して半
田付けを行い、その後、この半田付けによって形成され
た第１乃至第３の金属間化合物４、１０、１２について
本発明の第１の評価方法による評価を行うようにしてい
る。なお、前記第１乃至第３の金属間化合物４、１０、
１２についての本発明の第１の評価方法による評価に実
行は、前述のように、前記それぞれの半田付けを行った
後でもよく、その半田付けを行った後に行われる所定の
箇所へのワイヤボンディングの終了後でもよい。

【００８２】ここで、図１３は、前述のような製造工程
を経ることによって得られた本発明の半導体モジュール
（ＩＧＢＴ）と既知の半導体モジュール（ＩＧＢＴ）と
の間で疲労寿命を比較した場合の特性図である。

【００８３】図１３において、縦軸は、半導体モジュー
ル（ＩＧＢＴ）の熱抵抗（℃／Ｗ）を、横軸は、サイク
ル数（Ｋサイクル）で表した前記疲労寿命である。

【００８４】そして、このときの条件は、半導体モジュ
ール（ＩＧＢＴ）のチップに、ピーク時に約３００Ａと
なる正弦波状の半波電流を通電させ、支持基板１３の温
度が室温から約１００℃まで上昇したとき、冷却を行う
という工程を１サイクルとして、約０、１、３、４、
５、６、８万サイクル繰り返し行った後、その半導体モ
ジュール（ＩＧＢＴ）の熱抵抗を測定評価したものであ
る。この場合、本発明による半導体モジュール（ＩＧＢ
Ｔ）は、既知の半導体モジュール（ＩＧＢＴ）に比べ
て、繰返しサイクルの上昇に伴う熱抵抗の上昇率が少な
く、特に、約３万サイクル以上においては、その傾向が
極端に現れており、本発明による半導体モジュール（Ｉ
ＧＢＴ）の寿命は、既知の半導体モジュール（ＩＧＢ
Ｔ）の寿命よりも約２倍程度長くなっていることが判
る。

【００８５】このように、本発明によれば、異質金属間
の接合界面の疲労寿命が長く、高い信頼性を有する半導
体モジュール（ＩＧＢＴ）を得ることができる。

【００８６】なお、前述の各実施例は、半導体モジュー
ルとしてＩＧＢＴを構成している場合についての説明で
あるが、本発明は、ＩＧＢＴへの適用に限られるもので
はなく、ＩＧＢＴ以外の半導体モジュールであっても、
半田層とそれに隣接する導電層との間に金属間化合物が
形成されるものであれば、同様に適用可能であることは
勿論である。

【００８７】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の第１の評価
方法によれば、半導体モジュールの外部から半田層とそ
れに隣接する導電層との接合界面に超音波を投射させ、
投射された超音波が前記接合界面を透過する際に、前記
接合界面を形成する異媒質同志の境界部における反射、
前記接合界面にあるの欠陥（ボイド）等の存在による反
射の他に、前記接合界面に形成された金属間化合物の粒
径の大きさや結晶形状の大きさ及びその配置状態に基づ
く反射が加味されるので、前記接合界面から反射される
反射エコーの大きさ（振幅）をパターン化して見れば、
前記接合界面に形成された金属間化合物の形成状態を非
破壊的に評価することができるという効果がある。

【００８８】また、本発明の第２の評価方法によれば、
半導体モジュールにおける半田層を含んだ部分を機械加
工により露出させ、この露出させた部分を水銀中に浸漬
してその部分に残留する前記半田層をアマルガム化さ
せ、次いで、このアマルガム化させた部分を除去して、
実質的に金属間化合物及び前記半田層に隣接した導電層
の表面を露呈させるようにしているので、この露呈した
金属間化合物や導電層の表面を、顕微鏡で見たり、ＳＥ
Ｍ写真に撮ることができ、これまで不可能とされていた
現実の金属間化合物の形成状態や非形成状態、その結晶
粒径の大きさ、結晶状態等を直接観察することができる
という効果がある。

【００８９】さらに、本発明の半導体モジュールによれ
ば、半導体モジュールにおける半田層を含んだ接合界面
において、半田との化学反応によって前記接合界面に形
成された金属間化合物の結晶粒径を０．２μｍ乃至５０
μｍの範囲内とし、かつ、前記金属間化合物の占有面積
を前記接合界面の面積に対して９０％以上になるように
したので、前記接合界面に形成される金属間化合物の結
晶化状態が一様均一になり、それにより前記金属間化合
物内の欠陥（ボイド）が低減し、前記接合界面の疲労寿
命が高まり、結果的に、信頼性を向上させた半導体モジ
ュールを得ることができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる接合界面の評価方法（本発明の
第１の評価方法）が適用された半導体モジュール（ＩＧ
ＢＴ）の概要構成を示す断面構成図である。

【図２】図１に図示された半導体モジュール（ＩＧＢ
Ｔ）からの反射波（反射エコー）の受信状態の一例を示
す特性図である。

【図３】第３のニッケル（Ｎｉ）めっき層１３を形成し
た支持基板１４と第２の半田層１１との接合部の状態の
一例を示す説明図である。

【図４】水銀アマルガム法を用いた評価方法によって得
られた金属間化合物の状態の他の例を示すＳＥＭ写真で
ある。

【図５】燐（Ｐ）を含有したニッケル（Ｎｉ）めっき層
と半田層との間に形成された金属間化合物の状態の他の
例を示す説明図である。

【図６】燐（Ｐ）を含有しないニッケル（Ｎｉ）めっき
層と半田層との間に形成された金属間化合物の状態のさ
らに別の例を示す説明図である。

【図７】超音波反射率（反射エコーの高さ）と前記金属
間化合物の粒径の大きさとの関係を示す特性図である。

【図８】超音波反射率と（反射エコーの高さ）と前記金
属間化合物形成部分に存在する欠陥（ボイド）の大きさ
との関係を示す特性図である。

【図９】水銀アマルガム法を用いた評価方法により得ら
れた金属間化合物の状態の一例を示すＳＥＭ写真、及
び、金属間化合物が得られる際の化学反応モデルであ
る。

【図１０】金属間化合物の粒径の大きさとその金属間化
合物形成部分の疲労寿命との関係を示す特性図である。

【図１１】金属間化合物における欠陥（ボイド）面積率
と疲労寿命との関係を、金属間化合物の粒径がそれぞれ
５μｍ、５０μｍの場合の特性図である。

【図１２】粒径５μｍの金属間化合物における粒径０．
１μｍの金属間化合物が占める割合（占有割合）と疲労
寿命との関係を示す特性図である。

【図１３】本発明の半導体モジュール（ＩＧＢＴ）と既
知の半導体モジュール（ＩＧＢＴ）との間の疲労寿命を
比較した場合の特性図である。

【符号の説明】

１半導体シリコン（Ｓｉ）基体２銅（Ｃｕ）やニッケル（Ｎｉ）を含んだ第１の導電
層３第１の半田層４第１の金属間化合物５第１のニッケル（Ｎｉ）めっき層６窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる第１の絶縁層７銅（Ｃｕ）からなる第１の基板８窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる第２の絶縁層９第２のニッケル（Ｎｉ）めっき層１０第２の金属間化合物１１第２の半田層１２第３の金属間化合物１３第３のニッケル（Ｎｉ）めっき層１４銅（Ｃｕ）からなる第２の基板１５第４のニッケル（Ｎｉ）めっき層１６超音波センサー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者鶴岡正男茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体モジュールにおける異種金属材料
の接合界面に形成された金属間化合物の状態を評価する
評価方法であって、前記半導体モジュールの外部から前
記接合界面に超音波を投射し、前記接合界面から反射さ
れる超音波反射エコーの振幅を大きさを検出することに
より、前記接合界面に形成された金属間化合物の結晶粒
径の大きさ、結晶形状、結晶の配置形態を非破壊的に測
定評価することを特徴とする接合界面の評価方法。
【請求項２】前記半導体モジュールは、一面に導電層
を装着させた半導体シリコン（Ｓｉ）基体と、両面に導
電層を装着させた窒化アルミニウム（ＡｌＮ）あるいは
アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）等からなる絶縁基板と、導電材
料からなる支持基板とからなる絶縁ゲートバイポーラト
ランジスタ（ＩＧＢＴ）であり、前記接合界面は、前記
半導体シリコン（Ｓｉ）基体と前記絶縁基板の各導電層
を半田接合させた際の半田層を含む接合部、及び、前記
絶縁基板の導電層と前記支持基板とを半田接合部させた
際の半田層を含む接合部であることを特徴とする請求項
１に記載の接合界面の評価方法。
【請求項３】半導体モジュールにおける異種金属材料
の接合界面に形成された金属間化合物の状態を評価する
評価方法であって、前記半導体モジュールの半田層を含
んだ接合界面を露出させ、前記露出させた接合界面を水
銀中に浸漬して前記接合界面にある前記半田層をアマル
ガム化させ、次いで、このアマルガム化させた部分を除
去することによって得られた金属間化合物及び接合界面
の表面を顕微鏡、ＳＥＭ等により直接観察評価すること
を特徴とする接合界面の評価方法。
【請求項４】前記半田層は、主成分が鉛（Ｐｂ）、錫
（Ｓｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、カドミウム（Ｃｄ）からなる
場合に、前記半田層に隣接する導電層の材料は、金（Ａ
ｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、プ
ラチナ（Ｐｔ）、マンガン（Ｍｎ）、タングステン
（Ｗ）からなることを特徴とする請求項３に記載の接合
界面の評価方法。
【請求項５】少なくとも、一面に導電層を有する半導
体シリコン（Ｓｉ）基体と、両面に導電層を装着させた
絶縁基板と、導電材料からなる支持基板とからなり、前
記半導体シリコン（Ｓｉ）基体と前記絶縁基板の各導電
層を半田接合させるとともに、前記絶縁基板の導電層と
前記支持基板とを半田接合させて構成した半導体モジュ
ールであって、前記半導体シリコン（Ｓｉ）基体の導電
層と前記絶縁基板の導電層との間の半田層を含んだ接合
界面、及び、前記絶縁基板の導電層と前記支持基板との
間の半田層を含んだ接合界面の双方において、半田との
化学反応によって形成された金属間化合物の結晶粒径を
０．２μｍ乃至５０μｍの範囲内とし、かつ、前記金属
間化合物の占有面積を前記接合界面の面積に対して９０
％以上なるようにしたことを特徴とする半導体モジュー
ル。
【請求項６】前記半導体モジュールは、絶縁ゲートバ
イポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）であることを特徴と
する請求項５に記載の半導体モジュール。
【請求項７】前記半導体シリコン（Ｓｉ）基体の導電
層と前記絶縁基板の導電層を半田接合させる際、及び、
前記絶縁基板の導電層と前記支持基板とを半田接合させ
る際に、半田接合される面の表面を、それぞれアルゴン
（Ａｒ）あるいはアルゴン（Ａｒ）と水素（Ｈ）イオン
によりクリーニングするか、もしくは、前記半田接合さ
れる面の表面と半田の双方を、それぞれアルゴン（Ａ
ｒ）あるいはアルゴン（Ａｒ）と水素（Ｈ）イオンによ
りクリーニングしたものであることを特徴とする請求項
５乃至６のいずれかに記載の半導体モジュール。