JP2007335473A - 半導体素子の接合方法および半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子と回路基板とを接合する場合のように、平板の面同士を、接合部分にボイドが発生することがないように接合する接合方法を提供する。
【解決手段】半導体素子１と金属板２との間において、突起３を中心に放射状にメッキ４が成長する構成としたことにより、半導体素子１と金属板２との接合部分にボイドが発生することがなく、確実に接合することができる。また半導体素子１と金属板２を加熱することなく接合できるため、熱により半導体素子１の表面電極等を破壊してしまう心配がなく、またメッキ４に残留熱応力も残らない。銅メッキでできたメッキ４は半田よりも強度が高く、高い融点を持つため、半導体素子１をＳｉ半導体の使用温度よりも高温で使用した場合でも、接合部の信頼性を高めることができる。メッキ４は、熱伝導率、電気伝導率が高いため、半導体素子の放熱性を良くし、かつ実装抵抗を減らすことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属板上に半導体素子を接合する接合方法および半導体装置に関する。

従来、半導体素子を回路基板へダイボンドする方法として、高温半田を用いたものがある。たとえばＳｎ−Ｐｂ系半田においては、Ｐｂ−５Ｓｎ（融点：３１４〜３１０℃）等を３３０〜３５０℃の温度で半田付けしていた。
しかし、ＳｉＣ半導体等、Ｓｉ半導体よりも高温で使用可能な半導体素子の接合方法においては、これを接合する半田の融点かそれに近い温度で使う場合では、半田層の信頼性を低下させてしまう懸念がある。
また、その動作温度に耐えるよう高融点のろう材を用いた場合では、ろう付け時の高温により半導体素子の表面配線等を破壊してしまう懸念がある。

これに対し、融点の高い金属のメッキによって２つの物質を接合する技術がある。
その技術として、特開平２−１９７３９１、特開平２−３０７６９４に記載されたものがある。
特開平２−１９７３９１においては、針金同士や、針金と板とをメッキによって接合する例を挙げ、特開平２−３０７６９４においては、板同士の側面をメッキによって接合する例を挙げている。
特開平２−１９７３９１号公報 特開平２−３０７６９４号公報

しかしながら、メッキによって接合を行う方法では、電流の流れやすい外側や、角部にメッキの析出が優先的に起こるので、平板の面同士を接合する場合のように、接合部分が奥深いところまである場合には、開口部が先にメッキでふさがれてしまい、奥の接合部分まで完全にメッキを析出させることはできず、奥の接合部分はボイドとして残ってしまう可能性がある。
そのため、融点の高い金属のメッキによる平板の面同士の接合はこれまで行われてこなかった。
そこで、本発明では、半導体素子と回路基板とを接合する場合のように、平板の面同士を、接合部分にボイドが発生することがないように接合する半導体素子の接合方法および半導体装置を提供することを目的とした。

本発明は、金属板と、金属板と接合される側の面に金属膜を備えた半導体素子との間に基点部を挟み、金属膜と金属板との間に間隙が形成されるように半導体素子を保持し、金属膜と金属板との間隙に基点部を基点としてメッキを成長させて、半導体素子と金属板とを接合するものとした。

本発明によれば、半導体素子と金属板との間隙において、基点部から外側に向かってメッキが成長するので、半導体素子の金属膜と金属板との間にボイドを発生させることなく両者を接合することができる。また、メッキは半田よりも強度が高く、高い融点を持つため、半導体素子をＳｉ半導体の使用温度よりも高温で使用した場合でも、接合部の信頼性を高めることができる。半導体素子と金属板を加熱することなく接合できるため、熱により半導体素子の表面電極等を破壊してしまう心配がなく、また、接合層（メッキ）に残留熱応力も残らない。さらに、メッキは、熱伝導率、電気伝導率が高いため、半導体素子の放熱性を良くし、かつ実装抵抗を減らすことができる。

次に本発明の実施の形態を実施例により説明する。
まず第１の実施例について説明する。
図１に第１の実施例の概要構成を示す。また図２の（ａ）に突起が形成された金属板の上面を示し、図２の（ｂ）に金属板の側面を示す。
本実施例は、湿式の電気銅メッキを用いて、半導体素子１を金属板２へ接合するものである。
メッキ槽５には硫酸銅と硫酸を主成分としたメッキ液６が入れられ、これに促進剤、抑制剤、平滑剤等のボトムアップ性を改善する添加剤が加えられている。
金属板２と、この対極となる電極８には、出力電流の極性を設定した周期で反転させることができる電源装置７がつながれている。
半導体素子１と金属板２と電極８はメッキ槽５内のメッキ液６中にそれぞれ浸けられる。

半導体素子１には、金属板２との接合面に裏面金属１Ａが設けられ、該裏面金属１Ａが電気メッキのシードとなる。
なお、金属板２がアルミでできている場合には、亜鉛置換などにより、あらかじめ下地処理を行う必要がある。
金属板２には半導体素子１との接合面上に突起３が設けられている。
この突起３は、図２の（ａ）、（ｂ）に示すように、半導体素子１側を頂点とする円錐状に形成され、該頂点が金属板２と点で接する。（以下、突起３の半導体素子１側の部分（頂点）を最上部と呼ぶ）
これにより、半導体素子１を突起３上に設置した際に、半導体素子１と突起３とが接する面積が最小となり、その分、半導体素子１とメッキ４が接合する面積が広くなる。
それゆえ、半導体素子１とメッキ４との密着強度、電気伝導性、熱伝導性、を大きくすることができる。

ここで半導体素子１は、金属板２と対向する面以外の面（裏面金属１Ａが形成されていない部分）に、マスキング膜１０が形成されている。
このマスキング膜１０によって、半導体素子１の表面電極がメッキ液６で腐食してしまうことや、裏面金属１Ａ以外の絶縁部にメッキ４がついてしまうことが防止でき、信頼性を損なうことがない。
また金属板２においても、半導体素子１と対向する部分以外の部分に、マスキング膜１１が形成されている。
このマスキング膜１１によって、半導体素子１と金属板２とを接合するためのメッキ４が、半導体素子１と金属板２との接合部分のみに付くようになり、不要なメッキの消費を抑えることができ、コスト削減につながる。

金属板２をメッキ槽５に浸けた後、図１に示すように、半導体素子１を金属板２上の突起３の最上部に接するように治具９を用いて配置し、メッキ作業中に半導体素子１が傾かないように固定する。
なお、半導体素子１の裏面金属１Ａと金属板２とが平行となるように配置する。

メッキによって半導体素子１と金属板２とを接合するため、電源装置７により順パルスと逆パルスの電流を流す。
これにより、裏面金属１Ａと金属板２との間において、突起３から放射状に矢印ａ方向、矢印ｂ方向へ向けてメッキ４が成長し、半導体素子１と金属板２とが接合される。
このようにメッキ４が突起３を中心に成長することにより、メッキ接合層にボイドが発生することなく、接合することができる。

なお突起３は、その高さと、突起３から半導体素子１の外周までの距離の比が１：１０以下になっていることが好ましい。
このようにメッキ部のアスペクト比を１：１０以下に小さくすることで、接合部の奥深くまでメッキ液６がいきわたるようになり、半導体素子１と金属板２との接合部分の中央部である突起３周辺におけるメッキ析出性を改善することができる。
なお、本実施例において、裏面金属１Ａが本発明における金属膜を構成する。

本実施例は以上のように構成され、メッキ４によって半導体素子１と金属板２とを接合することにより、半導体素子１と金属板２を加熱することなく接合できるため、熱により半導体素子１の表面電極等を破壊してしまう心配がなく、また、接合層（メッキ４）に残留熱応力も残らない。
半導体素子１と金属板２との間において、突起３を中心に放射状にメッキ４が成長する構成としたことにより、半導体素子１と金属板２との接合部分にボイドが発生することがなく、確実に接合することができる。
また、銅メッキでできた接合層（メッキ４）は半田よりも強度が高く、高い融点を持つため、半導体素子１をＳｉ半導体の使用温度よりも高温で使用した場合でも、接合部の信頼性を高めることができる。
さらに、メッキ４は、熱伝導率、電気伝導率が高いため、半導体素子の放熱性を良くし、かつ実装抵抗を減らすことができる。

なお本実施例において、図２に示すように突起３の数を１つであるものとしたが、これに限定されることなく図３の（ａ）に示す金属板の上面、および図３の（ｂ）に示す金属板の側面のように３つの突起３Ａ（３Ａａ、３Ａｂ、３Ａｃ）を形成するなど、適宜の数を設けることもできる。
たとえば図３の（ａ）、（ｂ）に示すように複数の突起３Ａを形成する場合、それぞれの突起の最上部が仮想的な一平面に存在しているよう形成されている必要がある。
このようにすることで、突起３Ａ上に半導体素子を載せた際に半導体素子のぐらつきが防止され、安定性が増し、希望する形状の接合層を容易に得ることができるようになる。

なお複数の突起を用いた場合は、それぞれの突起から成長するメッキによって、メッキ液が半導体素子と金属板との間に取り残されることがないように、その配置を選択する必要がある。
例えば、図３の（ａ）、（ｂ）に示すように金属板２Ａに３つの突起３Ａが形成されている場合では、その３点の突起３Ａの最上部を結んで形成された三角形のいずれかの角が９０°以上である必要がある。

具体的には突起３Ａａと突起３Ａｂの最上部を結ぶ線と、突起３Ａｃと突起３Ａｂの最上部とを結ぶ線とによって形成される角αが９０°以上となるように形成され、突起３Ａａと突起３Ａｃとの間が、突起３Ａａと３Ａｂとの間や突起３Ａｂと突起３Ａｃとの間よりも広くなっている。
各突起３Ａから同じ速度でメッキが成長するが、上記のように配置することによって、突起３Ａａから成長したメッキと突起３Ａｂから成長したメッキとが合流し、突起３Ａｃから成長したメッキと突起３Ａｂから成長したメッキとが合流した場合でも、突起３Ａａから成長したメッキと突起３Ａｃから成長したメッキとはまだ合流していない状態となる。
したがって、各突起３Ａによって囲まれる領域内のメッキ液を、突起３Ａａと突起３Ａｃの間から外部へ排出することができ、その後さらにメッキが成長して半導体素子と金属板２Ａとの間がメッキによって完全に接合された場合でも、半導体素子と金属板２Ａとの間にメッキ液が残ることがない。

また突起の他の形状として、図４の（ａ）に示す金属板の上面、および図４の（ｂ）に示す金属板の側面のように、最上部が線状に延びる突起３Ｂを金属板２Ｂに形成してもよい。
突起３Ｂを最上部が線状に延びる形状とすることにより、メッキ析出の核になる部分が増し、図２の（ａ）、（ｂ）を用いて説明した最上部が点状の突起３の時よりも、高速にメッキによる接合が可能になり、生産性が増す。
なお突起３Ｂは、その最上部が直線状に延びる場合に限るものではなく、突起の最上部が曲線であってもよく、図５の（ａ）に示す金属板の上面、および図５の（ｂ）に示す金属板の側面のように最上部が直線状に延びる突起３Ｃが、金属板２Ｃを上面から見たときに十文字に接合された形状であってもよい。
さらに、各突起を基点として成長するメッキによって、メッキ液が取り囲まれて、メッキ部分にメッキ液が残ってしまうことがないように突起を配置、および突起の形状を設定すれば、点状の突起と最上部が線状に延びる突起とが金属板上に共存していても構わない。

また、突起を生産性よく形成する方法として、図６の（ａ）に示す金属板の上面、および図６の（ｂ）に示す金属板の側面のように、ボンディングワイヤ３Ｄ’を金属板２Ｄの接合面に超音波接続したり、ボンディングワイヤ３Ｄ’を抵抗溶接するなどをして突起３Ｄを形成する方法がある。
さらに、図７の（ａ）に示す金属板の上面、および図７の（ｂ）に示す金属板の側面のように、金属板２Ｅの面上にろう材やメッキによってバンプを設けることによって突起３Ｅを形成する方法がある。

なおメッキ４を銅（Ｃｕ）メッキであるものとしたが、このメッキを銀（Ａｇ）メッキとした場合には、さらに半導体素子１と金属板２との接合層の熱伝導率、電気伝導率を高めることができ、さらに半導体素子の放熱性を良くし、実装抵抗を減らすことができる。
またメッキ４としてニッケル（Ｎｉ）メッキを用いた場合には、さらに接合部の強度を高くすることができ、接合部の信頼性を高めることができる。
なおメッキは、銅や銀、ニッケルの合金であってもよい。
また、図１に示すメッキを形成するための装置に、ろ過装置や攪拌装置、温度調整装置等を設けてもよい。

次に第２の実施例について説明する。
図８に、第２の実施例の概略構成を示す。
なお第１の実施例では、半導体素子１と金属板２とのメッキが不要な部分にマスキング膜１０、１１を付けて、その部分にメッキが付かないようにしたが、第２の実施例では、あらかじめマスキング膜を半導体素子や金属板に設けることなく所望の部位のみにメッキを施すものである。
第１の実施例と同一の構成物については同一番号を付して説明を省略する。
半導体素子１Ｆを、裏面金属１Ａ以外の表面を覆うようにマスキング治具１２によって保持する。
半導体素子１Ｆにおいてマスキング治具１２によって覆われた部分はメッキ液６と接触することがないので、半導体素子１Ｆの表面電極がメッキ液６で腐食してしまうことや、表面電極以外の絶縁部にメッキ４がついてしまうことが防止でき、信頼性を損なうことがない。

金属板２Ｆも同様に、半導体素子１との接合部分以外の表面を覆うようにマスキング治具１３によって保持することにより、メッキ４が半導体素子１Ｆと金属板２Ｆとの接合部分のみに付くようになり、不要なメッキの消費を抑えることができ、コスト削減につながる。
このように、マスキング治具１２、１３を用いてメッキ液６によって電極が腐食することを防止したり、不要な部位にメッキ４が形成されることを防止するものとしたので、あらかじめマスキング膜を半導体素子１Ｆや金属板２Ｆに設ける必要がなく、製造工程を簡素化することができる。
なお第２の実施例では、半導体素子１Ｆと金属板２Ｆの両方にマスキング膜を使わない方法を示したが、どちらか一方のみにマスキング膜を設け、他方はマスキング膜の代わりに治具によって保持することによって、半導体素子と金属板との接合部分以外の部分にメッキが施されないようにしてもよい。

次に第３の実施例について説明する。
図９に、第３の実施例の概略構成を示す。
なお、第１の実施例と同一の構成物については同一番号を付して説明を省略する。
金属板２の突起３の最上部に接するように、半導体素子１Ｇが配置される。
半導体素子１Ｇは、金属板２との接合面に裏面金属１Ａが設けられ、マスキング膜は設けられていない。
半導体素子１Ｇとの接合面以外の部分がマスキング膜１１によって覆われた金属板２がメッキ液６に浸けられた状態で、突起３に半導体素子１Ｇの裏面金属１Ａを接触させる。
このときメッキ液６の水位は、半導体素子１Ｇの裏面金属１Ａが浸る程度の高さにしてある。
これにより、メッキ４が半導体素子１Ｇの裏面（裏面金属１Ａが設けられた部分）以外の部分には付かなくなり、半導体素子１Ｇの表面電極などが腐食することがなくなり半導体素子１Ｇの信頼性を損なうことがない。
また、半導体素子１Ｇにマスキング膜を設けたり、メッキ液が付着しないようにマスキング治具によって確実に半導体素子１Ｇを覆う必要がなく、簡素な構成で安価に所望の部位のみにメッキ４を施すことができる。

なお、以上説明した各実施例は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。従って、上記各実施例に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

第１の実施例の概略構成を示す図である。 金属板に形成された突起を示す図である。 突起の変形例を示す図である。 突起の変形例を示す図である。 突起の変形例を示す図である。 突起の変形例を示す図である。 突起の変形例を示す図である。 第２の実施例の概略構成を示す図である。 第３の実施例の概略構成を示す図である。

符号の説明

１、１Ｆ、１Ｇ 半導体素子
１Ａ 裏面電極
２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ、２Ｅ、２Ｆ 金属板
３、３Ａ、３Ａａ、３Ａｂ、３Ａｃ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅ 突起
４ メッキ
５ メッキ槽
６ メッキ液
７ 電源装置
８ 電極
９ 治具
１０、１１ マスキング膜
１２、１３ マスキング治具

Claims (21)

1. 金属板に、該金属板との接合面側に金属膜を有する半導体素子を接合する接合方法において、
   前記金属板と前記金属膜との間に基点部を挟み、前記金属膜と前記金属板との間に間隙が形成されるように前記半導体素子を保持し、
   前記金属膜と前記金属板との間隙に前記基点部を基点としてメッキを成長させて、前記半導体素子と前記金属板とを接合することを特徴とする半導体素子の接合方法。
2. 前記半導体素子は、前記金属膜が前記金属板と平行となるように保持されることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の接合方法。
3. 前記基点部は金属製であり、前記メッキは電解メッキであることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体素子の接合方法。
4. 前記電解メッキ時に、前記金属膜と、前記基点部と、前記金属板とを同電位とし、同じ強さの電圧が印加されることを特徴とする請求項３に記載の半導体素子の接合方法。
5. 前記電解メッキに用いるメッキ液は、ボトムアップ性を改善する添加剤が添加されていることを特徴とする請求項３または４に記載の半導体素子の接合方法。
6. 前記電解メッキに用いるメッキ液の水位は、前記金属板上に保持された前記半導体素子のうち前記金属膜のみが浸かり、前記半導体素子における前記金属膜が形成された面に対して反対側の面が浸からない深さとなっていることを特徴とする請求項３から５のいずれか１に記載の半導体素子の接合方法。
7. 前記電解メッキにおける給電方法として、周期的逆電流パルスメッキ法を用いることを特徴とする請求項３から６のいずれか１に記載の半導体素子の接合方法。
8. 前記基点部は、前記金属板から突出した突起であり、
   該突起の最上部が、点状、または線状に形成され、
   前記金属膜は前記突起の最上部と点接触、または線接触していることを特徴とする請求項１から７のいずれか１に記載の半導体素子の接合方法。
9. 前記突起は前記金属板上に複数配置され、
   前記突起の最上部は、仮想的な一平面上に存在することを特徴とする請求項８に記載の半導体素子の接合方法。
10. 前記突起は、前記金属板に針金を溶接することによって形成されることを特徴とする請求項８または９に記載の半導体素子の接合方法。
11. 前記突起は、前記金属板にメッキまたはろう材によりバンプをつけることによって形成されることを特徴とする請求項８から１０のいずれか１に記載の半導体素子の接合方法。
12. 前記基点部は、前記金属膜と前記金属板との間において、前記基点部を基点として成長するメッキによって取り囲まれる領域ができない位置配置され、または形状となっていることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１に記載の半導体素子の接合方法。
13. 前記メッキは、Ｃｕメッキ、Ｎｉメッキ、Ａｇメッキ、またはそれらの合金メッキであることを特徴とする請求項１から１２のいずれか１に記載の半導体素子の接合方法。
14. 金属板に、該金属板と接合される面に金属膜を備えた半導体素子が接合された半導体装置において、
    前記金属板と前記金属膜との間に備えられた基点部とを備え、
    前記基点部を基点として前記金属板と前記金属膜との間に成長させたメッキによって前記金属板と前記金属膜とが接合されていることを特徴とする半導体装置。
15. 前記半導体素子は、前記金属膜が前記金属板と平行となっていることを特徴とする請求項１４に記載の半導体装置。
16. 前記基点部は、前記金属板から突出した突起であり、
    該突起の最上部が、点状、または線状に形成され、
    前記金属膜は前記突起の最上部と点接触、または線接触していることを特徴とする請求項１４または１５に記載の半導体装置。
17. 前記突起は前記金属板上に複数配置され、
    前記突起の最上部は、仮想的な一平面上に存在することを特徴とする請求項１６に記載の半導体装置。
18. 前記突起は、前記金属板に針金を溶接することによって形成されることを特徴とする請求項１６または１７に記載の半導体装置。
19. 前記突起は、前記金属板にメッキまたはろう材によりバンプをつけることによって形成されることを特徴とする請求項１６から１８のいずれか１に記載の半導体装置。
20. 前記基点部は、前記金属膜と前記金属板との間において、前記基点部を基点として成長するメッキによって取り囲まれる領域ができない位置配置され、または形状となっていることを特徴とする請求項１４から１９のいずれか１に記載の半導体装置。
21. 前記メッキは、Ｃｕメッキ、Ｎｉメッキ、Ａｇメッキ、またはそれらの合金メッキであることを特徴とする請求項１４から２０のいずれか１に記載の半導体装置。

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