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Zn-Al共析系合金接合材、Zn-Al共析系合金接合材の製造方法、Zn-Al共析系合金接合材を用いた接合方法及びZn-Al共析系合金接合材を用いた半導体装置 コモンズ

国内特許コード P110005252
整理番号 IB32
掲載日 2011年8月18日
出願番号 特願2007-285825
公開番号 特開2009-113050
登録番号 特許第4803834号
出願日 平成19年11月2日(2007.11.2)
公開日 平成21年5月28日(2009.5.28)
登録日 平成23年8月19日(2011.8.19)
発明者
  • 大貫 仁
  • 田代 優
  • 本橋 嘉信
  • 佐久間 隆昭
  • クウ キュウ ピン
出願人
  • 国立大学法人茨城大学
発明の名称 Zn-Al共析系合金接合材、Zn-Al共析系合金接合材の製造方法、Zn-Al共析系合金接合材を用いた接合方法及びZn-Al共析系合金接合材を用いた半導体装置 コモンズ
発明の概要

【課題】鉛フリーで高い融点を持ちかつ固相状態で接合が可能なZn-Al共析系合金接合材、その製造方法、接合方法及びそれを用いた半導体装置を提供する。
【解決手段】Zn-Al共析系合金接合材は17~30wt%Al-0~1.5wt%Cu-0~0.5wt%Mg-Znからなり、超塑性現象を利用して対象物を固相状態で接合する点に特徴がある。
【選択図】図5

従来技術、競合技術の概要


パワー半導体素子のダイボンデイング、パワーモジュールにおける半導体素子の実装基板への接合及び実装基板の放熱板への接合にはんだ接合が従来から使用されている。はんだ材としては鉛-錫系合金、Zn-Al共晶系合金が周知で、鉛-錫合金系は錫の添加量を調整することにより低温はんだ及び高温はんだを実現し、Zn-Al共晶系合金は鉛フリーの高温はんだとして使用されている。Zn-Al共晶系合金はんだの場合、液相状態から固相状態に凝固する過程で接合が行われる。この際、体積収縮が発生し、大きな熱応力が発生し、大きな残留応力をもつ固相になる。更に、脆いZn-rich相(β相)が大部分を占めるため、強度に問題が残る。これらの点から、Zn-Al共晶系合金はんだを用いて接合した場合、温度変化や機械的なストレスによって接合部に亀裂が入り易くなり、接合部の寿命が短くなること、及び過酷なヒートサイクルや外力が加わる用途には適用できなくなるという問題がある。



環境対応ハイブリッド車の燃費向上及びコスト低減には、モータ制御に用いられるインバータ用IGBTモジュールの動作温度を高めることが極めて有効である。最高動作温度を現状の120℃から200℃に高めることが実現できれば、冷却装置を水冷方式から空冷方式に変更が可能になり、大幅な軽量化が期待できる。IGBTモジュールの200℃動作の実現に際して、半導体自体には基本的に障害はなく、インバータを構成するMOS型パワーデバイスのはんだ接合に使用する高温はんだ合金の実現が課題となっている。



高温はんだ合金の一例として、1~7質量%Al-0.5~6質量%Mg-1~25質量%Sn-Znからなり300℃程度の融点を有するZn-Al共晶系合金はんだが提案されている(特許文献1)。

【特許文献1】特開平11-207487号

産業上の利用分野


本発明は超塑性現象を利用して対象物を接合するZn-Al共析系合金接合材、Zn-Al共析系合金接合材の製造方法、Zn-Al共析系合金接合材を用いた接合方法及びZn-Al共析系合金接合材を用いた半導体装置に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
半導体基体をセラミック基板もしくは金属基板に接合するための接合層を形成する合金接合材であって、前記合金接合材は、17~30質量%Al-0~1.5質量%Cu-0~0.5質量%Mg-Zn系からなり、等軸粒状の微細組織を有し、200~410℃の温度領域で超塑性現象を発現し、280~410℃から徐冷することによって超塑性を発現しない層状の金属組織に変態することを特徴とするZn-Al共析系合金接合材。

【請求項2】
半導体基体をセラミック基板もしくは金属基板に接合するための合金接合材であって、前記合金接合材は、17~30質量%Al-0~1.5質量%Cu-0~0.5質量%Mg-Zn共析系合金を溶解鋳造し、これを280~410℃の温度で30分~3時間保持した後、-4~20℃の水中で急冷した鋳塊を更に150~270℃の温度範囲において厚さ0.1~1mmの帯状に圧延加工して製造されることを特徴とするZn-Al共析系合金接合材の製造方法。

【請求項3】
半導体基体とセラミック基板もしくは金属基板との間に17~30質量%Al-0~1.5質量%Cu-0~0.5質量%Mg-Zn系からなるZn-Al共析系合金接合材を介在し、該接合材を280~410℃に加熱し、超塑性を発現する状態で1~30分間保持した後徐冷することを特徴とする接合方法。

【請求項4】
半導体基体とセラミック基板もしくは金属基板との間に17~30質量%Al-0~1.5質量%Cu-0~0.5質量%Mg-Zn系からなるZn-Al共析系合金接合材を介在し、該接合材を200~275℃に加熱し、超塑性を発現する状態で1~30分間保持した後、280~410℃に昇温後徐冷することを特徴とする接合方法。

【請求項5】
半導体基体、半導体基体に直接またはセラミック基板を介して接合層によって接合された金属基板を備え、接合層が17~30質量%Al-0~1.5質量%Cu-0~0.5質量%Mg-Zn系からなるZn-Al共析系合金接合材からなり、接合時に超塑性現象を発現し、接合後は超塑性を発現しない金属組織を有することを特徴とする半導体装置。

【請求項6】
前記半導体基体が炭化珪素であることを特徴とする請求項5項記載の半導体装置。
産業区分
  • 加工
  • 冶金、熱処理
  • 合金
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2007285825thum.jpg
出願権利状態 権利存続中
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