JP2002270746A

JP2002270746A - 圧接型半導体装置およびその製造方法

Info

Publication number: JP2002270746A
Application number: JP2001068805A
Authority: JP
Inventors: Isao Okutomi; 功奥富; Atsushi Yamamoto; 敦史山本; Takashi Kusano; 貴史草野; Yuji Saito; 雄二齋藤; Yutaka Ishiwatari; 裕石渡
Original assignee: Toshiba Corp; Shibafu Engineering Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Shibafu Engineering Corp
Priority date: 2001-03-12
Filing date: 2001-03-12
Publication date: 2002-09-20

Abstract

(57)【要約】【課題】熱放出特性が優れ、小型且つ信頼性の高い圧
接型半導体装置を提供する。【解決手段】少なくとも１つのＰＮ接合を有し、少な
くとも一方の主面が電極で覆われている半導体チップ１
と、半導体チップ１の両主面６、７上に配置され、少な
くとも一方の主面に直接接合された熱応力緩衝板２、３
と、熱応力緩衝板２、３を介して半導体チップ１の両主
面を圧接する一対の外部電極４と、外部電極４の外側に
配置されたヒートシンク５とを少なくとも有する。大き
な圧接力を用いたり、構成部材間に接合層を配置したり
することなく、構成部材間の熱抵抗を小さく抑えること
ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は圧接型半導体装置お
よびその製造方法に関わり、特に、半導体チップと熱応
力緩衝板を直接接合した熱抵抗の低い圧接型半導体装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、パワーエレクトロニクスの分野に
おいては、半導体装置の大容量化の要求が高く、半導体
素子の熱効率向上がその実現のために必要となってお
り、半導体装置の熱抵抗の一層の低減が求められてい
る。

【０００３】一般に、電力変換器などに用いられる半導
体装置には、モジュール型半導体装置と、圧接型半導体
装置とがある。モジュール型半導体装置は、半導体チッ
プを絶縁基板の上に搭載し、この絶縁基板を放熱板の上
に接合し、この放熱板をヒートシンクの上に接触させる
ことにより、半導体チップの下面からその熱を逃がす片
面冷却タイプである。一方、圧接型半導体装置は、半導
体チップの両面に一対の熱応力緩衝板を配置し、その外
側に一対の外部電極を配置し、さらにその外側に一対の
ヒートシンクを配置することにより、半導体チップの両
面からその熱を逃がす両面冷却タイプである。

【０００４】また、圧接型半導体装置の熱抵抗は、各構
成部材自身の熱抵抗と、構成部材間の接触熱抵抗とから
なる。従来、図６に示すように、圧接型半導体装置の各
構成部材は、互いに接着固定せずに圧接しただけの状態
（接触状態）で積層されていた。図６は圧接する前の各
構成部材の配置を示している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、接触状態で接
触熱抵抗を低く抑えるには、大きな圧接力で構成部材を
圧接する必要があり、装置全体の大型化、重量化、或い
は信頼性に問題が生じる。従来、低い圧接力で十分低い
接触熱抵抗を実現するため、各構成部材の間に箔などを
挿入する方法、或いは構成部材間を接合層を介して接合
する方法などがある。例えば、図７及び図８に示すよう
に、特開平８−３１６２５４号広報において、半導体チ
ップ５１と熱応力緩衝板５２とを金（Ａｕ）或いは銀
（Ａｇ）などの接合層７０を介して接合することで、大
きな圧接力を必要とせずに接触熱抵抗を低減する技術が
開示されている。

【０００６】ところが、これらの方法においても以下に
示す問題点を抱えている。即ち、箔などを挿入する方法
では、接触面あたりの熱抵抗は低減されるものの、挿入
する箔の数だけ接触面の数が増えてしまうため、結果的
に熱抵抗の大きな改善効果は得られない。また、半導体
チップと熱応力緩衝板とを接合層を介して接合する方法
においても、接合層自体の熱抵抗が大きい場合、同様に
熱抵抗の低減効果は小さいものとなってしまう。

【０００７】本発明は、このような従来技術が有する種
々の問題点を解決するためになされたものであり、その
目的は、熱放出特性が優れ、小型且つ信頼性の高い圧接
型半導体装置及びその製造方法を提供することである。

【０００８】具体的な本発明の目的は、大きな圧接力を
用いることなく、構成部材間の熱抵抗を小さく抑えるこ
とができる圧接型半導体装置及びその製造方法を提供す
ることである。

【０００９】また、具体的な本発明の他の目的は、構成
部材間に接合層を配置することなく、構成部材間の熱抵
抗を小さく抑えることができる圧接型半導体装置及びそ
の製造方法を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の第１の特徴は、少なくとも１つのＰＮ接合
を有し、少なくとも一方の主面が電極で覆われている半
導体チップと、この半導体チップの両主面上に配置さ
れ、少なくとも一方の主面に直接接合された熱応力緩衝
板と、この熱応力緩衝板を介して半導体チップの両主面
を圧接する一対の外部電極とを少なくとも有する圧接型
半導体装置であることである。

【００１１】ここで、「少なくとも１つのＰＮ接合を有
し」とは、半導体チップ上に形成される半導体デバイス
が少なくとも１つのＰＮ接合を有するデバイスであるこ
とを示し、例えば、パワーＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳ型電界
効果トランジスタ）、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポー
ラトランジスタ）、ゲートターンオフ（ＧＴＯ）サイリ
スタ、光サイリスタなどの半導体素子などが含まれる。
なお、半導体チップの主面を覆う電極は、アルミニウム
（Ａｌ）から構成されていることが望ましい。

【００１２】本発明の第１の特徴によれば、半導体チッ
プと熱応力緩衝板の間が接合材を介さずに直接接合され
ていることにより、半導体チップと熱応力緩衝板との間
の接触抵抗を低減することができる。即ち、従来存在し
ていた接合層を取り除くことにより、接合層による総接
触面数の増加、接合層自身の高い熱抵抗に起因した、半
導体チップと熱応力緩衝板の間の熱抵抗増大を抑制する
効果が得られる。

【００１３】また、半導体チップと熱応力緩衝板の間
は、従来のような接触状態ではなく、直接接合された状
態であるため、所定の治具などを用いて外部電極に大き
な圧接力を加えることなく、十分低い熱抵抗を得ること
ができる。

【００１４】本発明の第１の特徴において、熱応力緩衝
板がモリブデン（Ｍｏ）或いはタングステン（Ｗ）から
なることが望ましい。また、半導体チップと熱応力緩衝
板との接合面のうねりがともに１μ以下であることが望
ましい。更に、熱応力緩衝板の接合面の端部が０．２乃
至１ｍｍの曲率で面取りされていることが望ましい。

【００１５】本発明の第２の特徴は、（イ）少なくとも
１つのＰＮ接合を有し、少なくとも一方の主面が電極で
覆われている半導体チップの少なくとも一方の主面に対
して、熱応力緩衝板を所定の面圧で圧接する第１工程
と、（ロ）所定の酸素分圧の雰囲気において、圧接され
た半導体チップ及び熱応力緩衝板を所定の摺動距離で微
摺動させて、電極と熱応力緩衝板とを凝着させる第２工
程とを少なくとも有する圧接型半導体装置の製造方法で
あることである。

【００１６】本発明の第２の特徴によれば、半導体チッ
プと熱応力緩衝板とを接合層を介さずに直接接合するこ
とができる。したがって、第１の特徴と同様に、直接接
合することにより、半導体チップと熱応力緩衝板の間の
接触抵抗を低減することができる。即ち、従来存在して
いた接合層を取り除くことにより、接合層による総接触
面数の増加、接合材自身の高い熱抵抗に起因した、半導
体チップと熱応力緩衝板の間の熱抵抗増大を防止する効
果が得られる。

【００１７】また、半導体チップと熱応力緩衝板の間を
直接接合することにより、所定の治具などを用いて大き
な圧接力で圧接することなく、十分低い熱抵抗を得るこ
とができる。

【００１８】本発明の第２の特徴において、第１工程で
の半導体素子基板と熱応力緩衝板を圧接する面圧は１Ｍ
Ｐａ以上であることが望ましい。また、第２工程におい
て、酸素分圧をｎ×１０^−１Ｐａとし、摺動距離をＸμ
ｍとした場合、酸素分圧と摺動距離との関係が、Ｘ≦１
０００／ｎを満たしていることが望ましい。更に、第２
工程は、１００℃以下の温度において行われることが望
ましい。

【００１９】なお、第２工程は、酸素分圧が上記条件式
を満たしていれば、大気圧の不活性ガス雰囲気、或いは
所定の減圧雰囲気のどちらで行っても構わない。但し、
第２工程を、全体圧力がＮ×１０^−１Ｐａである減圧雰
囲気において行う場合、全体圧力と摺動距離との関係
が、Ｘ≦２０００／Ｎを満たしていることが望ましい。
また、第２工程を、大気圧の不活性ガス雰囲気において
行う場合、酸素分圧（ｎｐｐｍ）と摺動距離との関係
が、Ｘ≦１０００／ｎを満たしていることが望ましい。
なぜなら、大気圧（１０^５Ｐａ）において、酸素分圧ｎ
×１０^−１Ｐａを、ｎ（ｐｐｍ：１／１０^６％）で読み
替えることができるからである。

【００２０】また、第２工程は、１００℃以上の温度に
おいて行われることが望ましい。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下図面を参照して、本発明の実
施の形態を説明する。図面の記載において同一あるいは
類似部分には同一あるいは類似な符号を付している。た
だし、図面は模式的なものであり、層の厚みと幅との関
係、各層の厚みの比率などは現実のものとは異なること
に留意すべきである。また、図面の相互間においても互
いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていること
はもちろんである。

【００２２】図１は、本発明の実施の形態に係る圧接型
半導体装置の構成を示す断面図である。図１に示すよう
に、本発明の実施の形態に係る圧接型半導体装置は、半
導体チップ１と、熱応力緩衝板（２、３）と、外部電極
４と、ヒートシンク５とを少なくとも具備している。

【００２３】半導体チップ１には、少なくとも１つのＰ
Ｎ接合を有する半導体素子が、１つ又は２つ以上形成さ
れている。また、１つの圧接型半導体装置は、１つ又は
２つ以上の半導体チップ１を有しており、図１において
は３つの半導体チップ１を有する場合を示している。ま
た、少なくとも１つのＰＮ接合を有する半導体素子とし
て、例えば、パワーＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳ型電界効果ト
ランジスタ）、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトラ
ンジスタ）、ゲートターンオフ（ＧＴＯ）サイリスタ、
光サイリスタなどの半導体素子などがある。

【００２４】１つの半導体チップ１に対して１対の熱応
力緩衝板（２、３）が、半導体チップ１の両主面（６、
７）に面して、半導体チップ１を挟むように配置されて
いる。図１においては、３つの半導体チップ１に対して
６つの熱応力緩衝板（２、３）が配置されている。ま
た、熱応力緩衝板（２、３）は、半導体チップ１の両主
面（６、７）、即ち第１主面６及び第２主面７にそれぞ
れ直接接合されている。熱応力緩衝板（２、３）は、モ
リブデン（Ｍｏ）を用いて形成されている。なお、直接
接合されている主面は、第１主面６或いは第２主面７の
何れか一方のみであっても構わない。第１主面６にのみ
直接接合されている場合については、図３を参照して後
述する。

【００２５】１つの半導体チップ１に対して１対の外部
電極４が、熱応力緩衝板（２、３）を介して各半導体チ
ップ１を挟むように、各熱応力緩衝板（２、３）に面し
て配置されている。図１においては、３つの半導体チッ
プ１に対して６つの外部電極４が配置されている。ま
た、外部電極４は、熱応力緩衝板（２、３）を介して半
導体チップ１の両主面（６、７）を圧接している。外部
電極４は、銅（Ｃｕ）などの高導電性の材料を用いて形
成されている。

【００２６】１つの圧接型半導体装置に対して１対のヒ
ートシンク５が、半導体チップ１、外部電極４及び熱応
力緩衝板（２、３）を介して半導体チップ１を挟むよう
に、外部電極４に面して配置されている。１つの圧接型
半導体装置が有する総ての半導体チップ１、熱応力緩衝
板（２、３）、外部電極４は、１対のヒートシンク５に
より挟まれている。また、半導体チップ１からヒートシ
ンク５までの積層された構成部材は、所定の治具（図示
せず）を用いて所定の圧接力で圧接され、接触状態が維
持されている。

【００２７】図２は、図１に示した圧接型半導体装置に
おける半導体チップ１及び熱応力緩衝板（２、３）を拡
大した断面図である。図２に示すように、半導体チップ
１は、少なくとも１つ以上のＰＮ接合を有する半導体素
子が形成された半導体素子基板８と、半導体素子基板８
の両主面に堆積された電極９とからなる。即ち、半導体
チップ１の両主面（６、７）は電極９で覆われている。
電極９は、熱応力緩衝板（２、３）に凝着されている。
この凝着により、熱応力緩衝板（２、３）は、半導体チ
ップ１の両主面（６、７）に直接接合されている。電極
９は、アルミニウム（Ａｌ）を用いて形成されている。
なお、図１及び図２においては、半導体チップ１の両主
面が電極９で覆われている場合について示すが、本発明
はこれに限定されることなく、半導体チップ１の一方の
主面のみが電極９で覆われていれても構わない。

【００２８】図３は、熱応力緩衝板が半導体チップの一
方の主面にのみ直接接合されている場合の圧接型半導体
装置の構成を示す断面図である。図３に示すように、熱
応力緩衝板２は半導体チップ１の第１主面６に直接接合
されている。しかし、熱応力緩衝板３は半導体チップ１
の第２主面７に直接接合されておらず、他の構成部材と
同様に、所定の治具により所定の圧接力で圧接され、接
触状態が維持されている。なお、図３において、第２主
面７側の各構成部材（１、３、４）は、圧接される前の
非接触状態で示されている。

【００２９】次に、本発明の実施の形態に係る圧接型半
導体装置の製造方法について説明する。まず、図１及び
図２に示した圧接型半導体装置の製造方法について説明
する。

【００３０】（イ）まず、第１ステップにおいて、少な
くとも１つのＰＮ接合を有し、両主面（６、７）が電極
９で覆われている半導体チップ１を用意する。

【００３１】（ロ）次に、半導体チップ１の両主面
（６、７）に熱応力緩衝板（２、３）を、以下に示すよ
うにして一方の主面ごとに順番に直接接合する。まず、
第２ステップにおいて、半導体チップ１の第１主面６に
対して、熱応力緩衝板２を所定の面圧で圧接する。次
に、低酸素分圧雰囲気において、圧接された半導体チッ
プ１及び熱応力緩衝板２を所定の摺動距離で微摺動させ
て、電極９と熱応力緩衝板２とを凝着させる。半導体チ
ップ１の第１主面６に熱応力緩衝板２を直接接合するこ
とができる。

【００３２】（ハ）次に、第３ステップにおいて、半導
体チップ１の第２主面７に対して、熱応力緩衝板３を所
定の面圧で圧接する。次に、低酸素分圧雰囲気におい
て、圧接された半導体チップ１及び熱応力緩衝板３を所
定の摺動距離で微摺動させて、電極９と熱応力緩衝板３
とを凝着させる。半導体チップ１の第２主面７に熱応力
緩衝板３を直接接合することができる。以上のようにし
て、半導体チップ１の両主面（６、７）に熱応力緩衝板
（２、３）を一方の主面ごとに順番に直接接合すること
ができる。

【００３３】（ニ）次に、第４ステップにおいて、熱応
力緩衝板（２、３）の外側に外部電極４を配置し、更に
その外側にヒートシンク５を配置する。そして、所定の
治具を用いて、半導体チップ１、熱応力緩衝板（２、
３）、外部電極４、及びヒートシンク５を所定の圧接力
で圧接して、各構成部材を接触状態に保持する。以上の
工程を経て、図１及び図２に示した圧接型半導体装置を
製造することができる。

【００３４】なおここでは、まず、半導体チップ１の第
１主面６に熱応力緩衝板２を直接接合し（第２ステッ
プ）、その後、半導体チップ１の第２主面７に熱応力緩
衝板３を直接接合した（第３ステップ）場合を示した。
しかし、本発明に係る圧接型半導体装置はこれに限られ
ることなく、半導体チップ１の両主面（６、７）に対し
て熱応力緩衝板（２、３）を同時に直接接合しても構わ
ない。即ち、第２ステップと第３ステップを同時に行っ
ても構わない。

【００３５】図３に示した圧接型半導体装置の製造方法
について説明する。まず、上記の第１ステップと同様
に、少なくとも１つのＰＮ接合を有し、両主面（６、
７）が電極９で覆われている半導体チップ１を用意す
る。次に、上記の第２ステップと同様に、半導体チップ
１の第１主面６に熱応力緩衝板２を直接接合する。半導
体チップ１の第２主面７に熱応力緩衝板３は直接接合さ
れないため、上記の第３ステップは行わない。次に、熱
応力緩衝３を第２主面７上に配置し、その外側に外部電
極４及びヒートシンク５をそれぞれ配置し、所定の治具
を用いて各構成部材を接触状態に保持する。なお、図３
に示した圧接型半導体装置においては、半導体チップ１
の両主面（６、７）が電極９で覆われている場合につい
て説明したが、熱応力緩衝板２と直接接合される第１主
面６のみが電極９で覆われていても構わない。

【００３６】次に、本発明に係る圧接型半導体装置の熱
抵抗について発明者らが行った評価実験の結果及び解析
結果について説明する。圧接型半導体装置の熱抵抗の評
価方法は以下の通りである。予め、使用する半導体チッ
プ１の電圧−電流（Ｖ−Ｉ）特性の温度依存性を調査し
ておく。また、ヒートシンク５と外部電極４との接触面
付近の外部電極４の側面から半導体チップ１の中心に向
かって、接触面に平行に穴１１（図１参照）を開けてお
く。各構成部材を圧接（スタッキング）した後、外部電
極４の穴１１に熱電対を載置する。半導体チップ１に所
定の電流を通電し、半導体チップ１の温度をある程度上
昇させ、半導体チップ１の温度をＶ−Ｉ特性から推測す
る。これと同時に、熱電対を用いて外部電極４内の温度
を実測して、半導体チップ１の温度と外部電極４の温度
との温度差を算出する。半導体チップ１の通電量から半
導体チップ１の発熱量を算出し、この発熱量と半導体チ
ップ１−外部電極４間の温度差との関係から、半導体チ
ップ１と外部電極４までの熱抵抗値を求めて、これを圧
接型半導体装置の熱抵抗として評価した。

【００３７】図４は、評価実験における熱応力緩衝板の
形状、熱応力緩衝板と半導体チップ１との直接接合条件
及び評価結果（熱抵抗）を、各実施例、各比較例ごとに
まとめた表である。図４に示すように、発明者らは、実
施例１〜１４及び比較例１〜１２の合計２６の実験例に
係る圧接型半導体装置について評価実験を行い、本発明
に係る圧接型半導体装置の形状条件、製造条件の最適化
を行った。以下、各実施例、各比較例に係る圧接型半導
体装置について詳細に説明する。なお、図４中の評価結
果（熱抵抗）は、比較例２に係る圧接型半導体装置の熱
抵抗を１とした場合の相対値を示している。

【００３８】（実施例１、２及び比較例１、２）実施例
１において、図３を参照して説明した、半導体チップ１
の一方の主面６にのみ熱応力緩衝板２を直接接合した圧
接型半導体装置を評価した。また、実施例２において、
図１及び図２を参照して説明した、半導体チップ１の両
主面（６、７）に熱応力緩衝板（２、３）を直接接合し
た圧接型半導体装置を評価した。

【００３９】両実施例ともに、使用する熱応力緩衝板
は、１２ｍｍ角のモリブデンからなり、うねりが１μ
ｍ、端部面取りが０．２ｍｍである。また、直接接合条
件は、全体圧力が２０Ｐａの真空（減圧）雰囲気であ
り、そのうち酸素分圧が１０Ｐａである。また、熱応力
緩衝板と半導体チップを微摺動させる時の摺動距離は５
μｍであり、熱応力緩衝板と半導体チップの圧接力（面
圧）は５ＭＰａである。

【００４０】一方、比較例１において、図６に示すよう
な半導体チップ５１と熱応力緩衝板（５２、５３）が接
触状態で保持される従来の圧接型半導体装置を評価し
た。比較例１に係る圧接型半導体装置は、半導体チップ
５１、熱応力緩衝板（５２、５３）、外部電極５４、ヒ
ートシンク５５を積層して、所定の治具を用いて圧接し
て接触状態で維持されている。図６は、圧接する前の非
接触状態における各構成部材の配置を示している。

【００４１】また、比較例２において、図７に示すよう
な半導体チップ５１と熱応力緩衝板（５２、５３）との
間を金（Ａｕ）メッキからなる接続層７０を介して拡散
接合されている従来の圧接型半導体装置を評価した。

【００４２】上記の４種類の圧接型半導体装置について
熱抵抗の評価実験を行った結果、図４に示すように、一
方の主面６にのみ熱応力緩衝板２を直接接合した実施例
１の圧接型半導体装置の熱抵抗は０．９であり、比較例
２よりも低い熱抵抗を実現することができた。両主面
（６、７）に熱応力緩衝板（２、３）を直接接合した実
施例２の圧接型半導体装置の熱抵抗は０．５であり、一
方のみよりも両方の主面に直接接合した方が、熱抵抗を
より低減することができた。しかし、比較例１では、逆
に熱抵抗が１．５であり、Ａｕメッキによる拡散接合よ
りも接触状態で保持する方が熱抵抗が高くなることが分
かった。

【００４３】（実施例３、４及び比較例３、４）次に、
図１に示した両主面（６、７）を直接接合した実施例２
の圧接型半導体装置において、熱応力緩衝板（２、３）
と半導体チップ１を直接接合する際の酸素分圧と摺動距
離を変化させて評価した。また、直接接合は大気圧のア
ルゴン（Ａｒ）雰囲気において行った。雰囲気の全体圧
力は１０^５Ｐａである。また、実施例３では酸素分圧を
１０Ｐａ、摺動距離を５μｍとした。実施例４では酸素
分圧を１０Ｐａ、摺動距離を１０μｍとした。比較例３
では酸素分圧を１０Ｐａ、摺動距離を１５μｍとした。
比較例４では酸素分圧を２０Ｐａ、摺動距離を１０μｍ
とした。その他の条件は実施例２と同じである。

【００４４】評価実験の結果、酸素分圧ｎ（×１０^−１
Ｐａ）と、摺動距離Ｘ（μｍ）との関係が、Ｘ≦１００
０／ｎの条件式を満たしている実施例３及び４では、半
導体チップ及び熱応力緩衝板の接合面全体が凝着により
直接接合されたため、十分低い熱抵抗が得られた。しか
し、上記の条件式を満たしていない比較例３及び４で
は、接合面がフレッティング現象により酸化してしま
い、凝着することできないため、接合面の熱抵抗が上昇
してしまった。結果的に、実施例３及び４の熱抵抗はそ
れぞれ０．５、０．８であり、比較例３、４の熱抵抗は
それぞれ１．５、１．６であった。

【００４５】なお、大気圧（１０^５Ｐａ）においては、
分圧１０^−１Ｐａは、ｐｐｍ（１／１０^６％）で読み替
えることができる。したがって、酸素分圧ｎ（ｐｐｍ）
と摺動距離との関係がＸ≦１０００／ｎを満たしている
ことで、十分低い熱抵抗を実現することができる。

【００４６】（実施例５、６及び比較例５）次に、図１
に示した実施例２の圧接型半導体装置において、熱応力
緩衝板と半導体チップの圧接力（面圧）を０．５〜５Ｍ
Ｐａの範囲で変化させて評価した。なお、直接接合する
際の雰囲気は大気圧（１０^５Ｐａ）のＡｒ雰囲気であ
り、酸素分圧は１０Ｐａである。また、直接接合は真空
チャンバー内で行った。比較例５では面圧を０．５ＭＰ
ａとし、実施例５では面圧を１ＭＰａとし、実施例６で
は面圧を５ＭＰａとした。その他の条件は実施例２と同
じである。

【００４７】評価実験の結果、面圧が１ＭＰａ以上であ
る実施例５及び６では、半導体チップ及び熱応力緩衝板
の接合面全体が凝着により直接接合されたため、十分低
い熱抵抗が得られた。しかし、比較例５では、接合面が
フレッティング現象により酸化してしまい、凝着させる
ことできないため、接合面の熱抵抗が上昇してしまっ
た。結果的に、実施例５及び６の熱抵抗はそれぞれ０．
７、０．５であり、比較例５の熱抵抗は２．０であっ
た。

【００４８】（実施例７、８及び比較例６、７）次に、
図１に示した実施例２の圧接型半導体装置において、直
接接合する際の雰囲気の全体圧力、酸素分圧及び摺動距
離を変化させて評価した。雰囲気の全体圧力は２０〜４
０Ｐａの真空雰囲気において行った。また、直接接合は
真空チャンバー内で行った。実施例７では全体圧力は２
０Ｐａ、酸素分圧は１０Ｐａ、摺動距離は５μｍであ
る。実施例８では全体圧力は２０Ｐａ、酸素分圧は１０
Ｐａ、摺動距離は１０μｍである。比較例６では全体圧
力は２０Ｐａ、酸素分圧は１０Ｐａ、摺動距離は１５μ
ｍである。比較例７では全体圧力は４０Ｐａ、酸素分圧
は２０Ｐａ、摺動距離は１０μｍである。その他の条件
は実施例２と同じである。

【００４９】評価実験の結果、全体圧力Ｎ（×１０^−１
Ｐａ）と、摺動距離Ｘ（μｍ）との関係が、Ｘ≦２００
０／Ｎの条件式を満たしている実施例７及び８では、半
導体チップ及び熱応力緩衝板の接合面全体が凝着により
直接接合されたため、十分低い熱抵抗が得られた。しか
し、上記の条件式を満たしていない比較例６及び７で
は、接合面がフレッティング現象により酸化してしま
い、凝着することできないため、接合面の熱抵抗が上昇
してしまった。結果的に、実施例７及び８の熱抵抗はそ
れぞれ０．５、０．７であり、比較例６、７の熱抵抗は
それぞれ１．５、１．７であった。

【００５０】また、実施例３、４及び比較例３、４と比
較すると、直接接合の際の雰囲気が真空かＡｒ（大気
圧）かの相違点はあるが、ともに、酸素分圧（ｎ）と摺
動距離（Ｘ）との関係がＸ≦１０００／ｎの条件式を満
たすことが熱抵抗の低減化のために必要である点が共通
する。

【００５１】（実施例９、１０及び比較例８）次に、図
１に示した実施例２の圧接型半導体装置において、直接
接合の際の圧接力（面圧）を０．５〜５ＭＰａの範囲で
変化させて評価した。なお、直接接合は真空チャンバー
内で行った。比較例８では面圧は０．５ＭＰａであり、
実施例９では面圧は１ＭＰａであり、実施例１０では面
圧は５ＭＰａである。その他の条件は実施例２と同じで
ある。

【００５２】評価実験の結果、面圧が１ＭＰａ以上であ
る実施例９及び１０では、半導体チップ及び熱応力緩衝
板の接合面全体が凝着により直接接合されたため、十分
低い熱抵抗が得られた。しかし、比較例８では、接合面
がフレッティング現象により酸化してしまい、凝着する
ことできないため、接合面の熱抵抗が上昇してしまっ
た。結果的に、実施例９及び１０の熱抵抗はそれぞれ
０．７、０．５であり、比較例８の熱抵抗は２．２であ
った。

【００５３】また、実施例５、６及び比較例５と比較す
ると、直接接合の際の雰囲気が真空かＡｒ（大気圧）か
の相違点はあるが、ともに、面圧が１ＭＰａ以上である
ことが熱抵抗の低減化のために必要である点が共通す
る。

【００５４】（実施例１１、１２及び比較例９、１０）
図１に示した実施例２の圧接型半導体装置において、熱
応力緩衝板のうねりを０．５〜５μｍの範囲で変化させ
て評価した。実施例１１ではうねりは０．５μｍであ
り、実施例１２ではうねりは１μｍであり、比較例９で
はうねりは２μｍであり、比較例１０ではうねりは５μ
ｍである。その他の条件は実施例２と同じである。

【００５５】評価実験の結果、熱応力緩衝板のうねりが
１μｍ以下である実施例１１及び１２では、図２に示す
ように、半導体チップ１及び熱応力緩衝板（２、３）の
接合面全体が凝着により直接接合されたため、十分低い
熱抵抗が得られた。しかし、うねりが２μｍである比較
例９では、図５に示すように、接合面１０全体の８０％
しか凝着することができないため、接合面１０での熱抵
抗が上昇してしまった。同様に、うねりが５μｍである
比較例１０では、接触面全体の３０％しか凝着すること
ができないため、接合面の熱抵抗が更に上昇してしまっ
た。結果的に、実施例１１及び１２の熱抵抗はそれぞれ
０．４、０．５であり、比較例９、１０の熱抵抗はそれ
ぞれ０．８、２．１であった。

【００５６】（実施例１３、１４及び比較例１１、１
２）図１に示した実施例２の圧接型半導体装置におい
て、熱応力緩衝板端部の面取りの曲率を０．１〜２ｍｍ
の範囲で変化させて評価した。比較例１１では面取りの
曲率は０．１ｍｍであり、実施例１３では面取りの曲率
は０．２ｍｍであり、実施例１４では面取りの曲率は１
ｍｍであり、比較例１２では面取りの曲率は２ｍｍであ
る。その他の条件は実施例２と同じである。

【００５７】評価実験の結果、熱応力緩衝板端部の面取
りの曲率が０．２〜１ｍｍの範囲内である実施例１３及
び１４では、熱応力緩衝板端部の面圧ピークが十分緩和
され、半導体チップ１及び熱応力緩衝板（２、３）の接
合面全体が均一な圧接力（面圧）で直接接合されたた
め、十分低い熱抵抗が得られた。しかし、面取りの曲率
が０．１ｍｍである比較例１１では、熱応力緩衝板端部
の面圧ピークが十分緩和されず、端部のみに圧接力が集
中して端部のみが凝着したため、接合面全体の熱抵抗が
上昇してしまう。一方、面取りの曲率が２ｍｍである比
較例１２では、接合面全体が凝着により直接接合される
が、面取りの曲率が大きすぎるため、有効な接合面積が
減少し、やはり熱抵抗が上昇してしまう。結果的に、実
施例１３及び１４の熱抵抗はそれぞれ０．９、０．５で
あり、比較例１１、１２の熱抵抗はそれぞれ１．８、
１．４であった。

【００５８】以上説明したように本発明の実施の形態に
よれば、従来使用していた接合層を介さずに、半導体チ
ップ１と熱応力緩衝板（２、３）とを直接接合すること
ができる。直接接合することにより、Ａｕメッキによる
拡散接合などの従来技術と比較して、半導体チップ１と
熱応力緩衝板（２、３）の間の接触抵抗を低減すること
ができる。即ち、接合層による総接触面数の増加、接合
材自身の高い熱抵抗に起因した、半導体チップ１と熱応
力緩衝板（２、３）の間の熱抵抗増大を防止する効果が
得られる。また、半導体チップ１と熱応力緩衝板（２、
３）の間を直接接合することにより、所定の治具などを
用いて大きな圧接力で圧接することなく、十分低い熱抵
抗を得ることができる。

【００５９】（その他の実施の形態）上記のように、本
発明の実施の形態は、複数の実施例及び比較例によって
記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの
発明を限定するものであると理解すべきではない。この
開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び
運用技術が明らかとなろう。

【００６０】半導体チップ１の主面（６、７）に熱応力
緩衝板２を直接接合する際の雰囲気の温度は、１００℃
以上であることが望ましい。１００℃以上にすること
で、電極を軟化させ熱応力緩衝板との密着性を高め、凝
着による直接接合を容易とすることができる。２５℃〜
２００℃の範囲の接合雰囲気の温度において評価実験を
行ったところ、１００℃以下の場合の熱抵抗は０．７〜
１．０であり、１００度以上の場合の熱抵抗は０．４〜
０．７であった。なお、雰囲気の温度はヒーターにより
制御し、真空チャンバー内に配置した熱電対を用いて測
定した。

【００６１】実施例及び比較例では、熱応力緩衝板
（２、３）の材料としてモリブデン（Ｍｏ）を用いた場
合について説明したが、発明者らはＭｏの代わりにタン
グステン（Ｗ）を用いても同様な評価実験を行い、同様
な評価結果を得ている。したがって、本発明はＭｏの場
合に限定されるものではなく、Ｗなどを熱応力緩衝板
（２、３）の材料として適用することが可能である。

【００６２】このように、本発明はここでは記載してい
ない様々な実施の形態等を包含するということを理解す
べきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な
特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ限定さ
れるものである。

【００６３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
熱放出特性が優れ、小型且つ信頼性の高い圧接型半導体
装置及びその製造方法を提供することができる。

【００６４】具体的には、本発明によれば、大きな圧接
力を用いることなく、構成部材間の熱抵抗を小さく抑え
ることができる圧接型半導体装置及びその製造方法を提
供することができる。

【００６５】また具体的には、本発明によれば、構成部
材間に接合層を配置することなく、構成部材間の熱抵抗
を小さく抑えることができる圧接型半導体装置及びその
製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態、特に実施例２に係り、半
導体チップの両方の主面に熱応力緩衝板が直接接合され
た圧接型半導体装置の構成を示す断面図である。

【図２】図１に示した圧接型半導体装置における半導体
チップ及び熱応力緩衝板を拡大した断面図である。

【図３】本発明の実施の形態、特に実施例１に係り、半
導体チップの片方の主面に熱応力緩衝板が直接接合され
た圧接型半導体装置の構成を示す断面図である。

【図４】評価実験における熱応力緩衝板の形状、熱応力
緩衝板と半導体チップとの直接接合条件、及び評価結果
（熱抵抗）を、各実施例、各比較例ごとにまとめた表で
ある。

【図５】比較例９に係り、熱応力緩衝板のうねりが大き
すぎる場合の半導体チップと熱力緩衝板との接合状態を
示す断面図である。

【図６】半導体チップと熱応力緩衝板が接触状態で保持
される従来の圧接型半導体装置の構成を示す断面図であ
る。

【図７】半導体チップと熱応力緩衝板が接合層により拡
散接合された従来の圧接型半導体装置の構成を示す断面
図である。

【図８】図７に示した圧接型半導体装置における半導体
チップ及び熱応力緩衝板を拡大した断面図である。

【符号の説明】

１半導体チップ２熱応力緩衝板３熱応力緩衝板４外部電極５ヒートシンク６第１主面７第２主面８半導体素子基板９電極１０接合面１１穴

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山本敦史東京都府中市東芝町１番地株式会社東芝府中事業所内 (72)発明者草野貴史東京都府中市東芝町１番地株式会社東芝府中事業所内 (72)発明者齋藤雄二神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者石渡裕神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地株式会社東芝京浜事業所内Ｆターム(参考） 5F005 AF02 FA03 GA02 GA04 5F036 AA01 BB01 BC08 BE06 5F047 JA07 JA08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも１つのＰＮ接合を有し、少な
くとも一方の主面が電極で覆われている半導体チップ
と、前記半導体チップの両主面上に配置され、少なくとも一
方の主面に直接接合された熱応力緩衝板と、当該熱応力緩衝板を介して前記半導体チップの両主面を
圧接する一対の外部電極とを有することを特徴とする圧
接型半導体装置。
【請求項２】前記熱応力緩衝板がモリブデン（Ｍｏ）
或いはタングステン（Ｗ）からなることを特徴とする請
求項１記載の圧接型半導体装置。
【請求項３】前記半導体チップと前記熱応力緩衝板と
の接合面のうねりがともに１μ以下であることを特徴と
する請求項１又は２記載の圧接型半導体装置。
【請求項４】前記熱応力緩衝板の前記接合面の端部が
０．２乃至１ｍｍの曲率で面取りされていることを特徴
とする請求項１乃至３何れか１記載の圧接型半導体装
置。
【請求項５】少なくとも１つのＰＮ接合を有し、少な
くとも一方の主面が電極で覆われている半導体チップの
当該少なくとも一方の主面に対して、熱応力緩衝板を所
定の面圧で圧接する第１工程と、所定の酸素分圧の雰囲気において、圧接された前記半導
体チップ及び前記熱応力緩衝板を所定の摺動距離で微摺
動させて、前記電極と当該熱応力緩衝板とを凝着させる
第２工程とを有することを特徴とする圧接型半導体装置
の製造方法。
【請求項６】前記第１工程において、前記半導体素子
基板と前記熱応力緩衝板を圧接する面圧は１ＭＰａ以上
であることを特徴とする請求項５記載の圧接型半導体装
置の製造方法。
【請求項７】前記第２工程において、前記酸素分圧を
ｎ×１０^−１Ｐａとし、前記摺動距離をＸμｍとした場
合、当該酸素分圧と当該摺動距離との関係が、Ｘ≦１０
００／ｎを満たしていることを特徴とする請求項５又は
６記載の圧接型半導体装置の製造方法。
【請求項８】前記第２工程を、全体圧力がＮ×１０
^−１Ｐａである減圧雰囲気において行う場合、当該全体
圧力と前記摺動距離との関係が、Ｘ≦２０００／Ｎを満
たしていることを特徴とする請求項７記載の圧接型半導
体装置の製造方法。
【請求項９】前記第２工程を、大気圧の不活性ガス雰
囲気において行う場合、前記酸素分圧ｎ（ｐｐｍ）と前
記摺動距離との関係が、Ｘ≦１０００／ｎを満たしてい
ることを特徴とする請求項７記載の圧接型半導体装置の
製造方法。
【請求項１０】前記第２工程は、１００℃以上の温度
において行われることを特徴とする請求項５乃至９何れ
か１記載の圧接型半導体装置の製造方法。