JP2010036199A - Bonding material, semiconductor device, and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、接合材、この接合材を用いて接合された半導体装置およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a bonding material, a semiconductor device bonded using the bonding material, and a manufacturing method thereof.
従来、パワーデバイスは、電力変換用途のスイッチングデバイスとして用いられる。図6は、従来の半導体装置の構造について示す断面図である。図6に示すように、半導体装置10は、半導体チップ11と、絶縁基板12と、アルミワイヤ13と、ヒートシンク14と、ケース15と、を備えている。
Conventionally, power devices are used as switching devices for power conversion applications. FIG. 6 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional semiconductor device. As shown in FIG. 6, the
絶縁基板12には、表面に回路パターン12a,12bが形成されており、配線基板となっている。半導体チップ11の裏面は、図示省略した接合材を介して配線基板の回路パターン12aと接合している。半導体チップ11の表面に設けられた図示省略した電極と回路パターン12bとはアルミワイヤ13によって電気的に接続されている。配線基板の裏面には金属膜12cが設けられており、この金属膜12cが図示を省略した接合材を介してヒートシンク14と接合している。
ヒートシンク14は、良熱伝導体の材質で作られており、ベース部14aおよび放熱フィン部14bを有する。ベース部14aは、半導体チップ11で発生し、配線基板を介して伝わる熱を放熱フィン部14bへ伝導する。放熱フィン部14bは、複数の放熱フィンを有し、ベース部14aから伝導された熱を放散する。ヒートシンク14の周縁にはケース15が接着されている。
The
上述したモジュール構造の半導体装置10では、半導体チップ11と絶縁基板12の表面に形成された回路パターン12aとの接合に、接合材として、比較的低い融点で固着工程をおこなえる半田が用いられている。このように、接合材として用いられる半田材は、実装を容易にすることはできるが、融点が200〜300℃程度である。したがって、半導体装置の動作寿命を推定する実機動作試験(パワーサイクル試験)などにより、接合層の内部に発生する亀裂が進展し、半導体装置の機能を喪失させることがある(例えば、下記非特許文献1参照。)。
In the
接合層の内部に発生する亀裂が進展する原因の一つは、半導体チップ11の素材であるシリコンの熱膨張係数(α≒3.0ppm/k)と、回路パターン12aの素材である、例えば銅の熱膨張係数(α≒18.0ppm/k)と、が異なることによって熱応力が生じることである。また、特に錫(Sn)を多く含有し、鉛(Pb)を含有しない半田(以下、Pbフリー半田とする)においては、半田材の再結晶化によって組織の変化が起こり、接合層の内部に発生する亀裂が進展する。この組織変化の時間的な進行速度は、半田材の高温耐量と強い相関を有することが知られている。
One of the causes of the progress of cracks generated in the bonding layer is the thermal expansion coefficient (α≈3.0 ppm / k) of silicon, which is the material of the
図6に示すような積層構造を有する半導体装置の製造工程の接合処理においては、Pbフリー半田を接合材として用いる場合、単一の半田合金から加工された金属粒子にフラックスを融合しペースト状にした接合材を、被接合材に塗布して、加熱炉などに通す。これによって、接合材が溶融して被接合材と一体化するため、接合材と被接合材との接続が熱的にまたは電気的に安定した接続となる。なお、接合材は、単一の半田合金から加工された金属粒子を用いているため、接合層が単一の組成を有する合金となる。 In the joining process of the manufacturing process of the semiconductor device having the laminated structure as shown in FIG. 6, when Pb-free solder is used as a joining material, a flux is fused to metal particles processed from a single solder alloy to form a paste. The bonded material is applied to the material to be bonded and passed through a heating furnace or the like. As a result, the bonding material is melted and integrated with the material to be bonded, so that the connection between the bonding material and the material to be bonded is thermally or electrically stable. Since the bonding material uses metal particles processed from a single solder alloy, the bonding layer is an alloy having a single composition.
実機動作の際には、発熱部分に近い領域が高温となるため、均一な耐熱性を有する接合層では、発熱源となりえる半導体チップ11の近傍の領域においては、通常、高温耐量が不足している。したがって、接合層における半導体チップ11の近傍の領域に微細な亀裂が生じ、この微細な亀裂が全体の亀裂の伸展を加速させる要因となることが実機耐久試験などの結果からも明かである。したがって、半導体装置を高温で安定して動作させるためには、接合材のさらなる高温耐量化、すなわち耐熱性の向上が求められている。
During actual machine operation, the region close to the heat generating portion is at a high temperature. Therefore, in the bonding layer having uniform heat resistance, the high temperature resistance is usually insufficient in the region near the
Pbが含有されていない接合材としては、融点が220℃程度の、Snを多く含有するPbフリー半田が用いられているが、Pbを多く含有する高温半田の代替となる温度領域のものが必要とされている。最近では、融点が270℃程度である、ビスマス(Bi)を含有する接合材が注目されている。また、Biの脆性を改良するために、ガスアトマイズ法により作製したCuAlMnの粒子を添加した合金材料の接合材が提案されている(例えば、下記非特許文献2参照。)。
As the bonding material not containing Pb, Pb-free solder containing a large amount of Sn having a melting point of about 220 ° C. is used, but a material in a temperature range that can substitute for a high-temperature solder containing a large amount of Pb is required. It is said that. Recently, a bonding material containing bismuth (Bi) having a melting point of about 270 ° C. has attracted attention. In addition, in order to improve the brittleness of Bi, a bonding material of an alloy material to which CuAlMn particles produced by a gas atomization method are added has been proposed (for example, see Non-Patent
しかしながら、通常、被接合材である半導体チップの最表面には、スパッタや蒸着などによるメタライズ層(Ni−Au、Ni−Ag等)が形成されている。このように、被接合材がNi(ニッケル)を含んでおり、かつ接合材にBiを含んでいる場合、被接合材と接合材との界面に、脆性傾向の高いNi−Bi系の反応層が形成され、半導体装置の機械的な信頼性が低下するという問題がある。また、例えば非特許文献2の技術では、ガスアトマイズ法によりCuAlMnを作製するのにコストがかかり、かつスループットが低下するという問題がある。
However, usually, a metallized layer (Ni—Au, Ni—Ag, etc.) is formed on the outermost surface of a semiconductor chip, which is a material to be bonded, by sputtering or vapor deposition. As described above, when the material to be bonded contains Ni (nickel) and the bonding material contains Bi, a Ni-Bi-based reaction layer having a high brittle tendency at the interface between the material to be bonded and the bonding material. There is a problem that the mechanical reliability of the semiconductor device is lowered. Further, for example, the technique of Non-Patent
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、接合材と被接合材との界面の脆性を抑え、かつ耐熱性を高くし、半導体装置の機械的な信頼性を向上させる接合材、この接合材を用いて接合された半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。 In order to solve the above-described problems caused by the prior art, the present invention suppresses brittleness at the interface between the bonding material and the material to be bonded, increases the heat resistance, and improves the mechanical reliability of the semiconductor device. An object of the present invention is to provide a semiconductor device bonded using this bonding material and a manufacturing method thereof.
上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項1の発明にかかる接合材は少なくとも2種類以上の、組成および融点の異なる金属粉体がフラックスに混合されている接合材であって、前記金属粉体のうちの最も融点の高い金属粉体の固相の比重が、他の金属粉体の液相の比重よりも小さいことを特徴とする。
In order to solve the above-described problems and achieve the object, the bonding material according to the invention of
また、請求項2の発明にかかる接合材は、少なくとも2種類以上の、組成および融点の異なる金属粉体がフラックスに混合されている接合材であって、前記金属粉体のうちの最も融点の高い金属粉体の固相の比重が、他の金属粉体の液相の比重よりも大きいことを特徴とする。
Further, the bonding material according to the invention of
また、請求項3の発明にかかる接合材は、請求項1または2に記載の発明において、前記金属粉体のうちの少なくとも1種類は、当該金属粉体の内部が中空構造であることを特徴とする。
In addition, the bonding material according to the invention of
また、請求項4の発明にかかる接合材は、請求項1〜3のいずれか一つに記載の発明において、前記金属粉体のうちの少なくとも1種類は、当該金属粉体の内部に少なくとも他の金属粉体よりも比重の小さい心材が設けられていることを特徴とする。
Further, in the invention according to any one of
また、請求項5の発明にかかる接合材は、請求項1〜4のいずれか一つに記載の発明において、前記金属粉体のうちの少なくとも1種類は、当該金属粉体の内部に少なくとも他の金属粉体よりも比重の大きい心材が設けられていることを特徴とする。
In addition, the bonding material according to the invention of claim 5 is the invention according to any one of
また、請求項6の発明にかかる接合材は、請求項1〜5のいずれか一つに記載の発明において、前記金属粉体のうちの少なくとも1種類は、表面が電鋳処理による金属膜で被覆された構造であることを特徴とする。
In addition, the bonding material according to the invention of claim 6 is the invention according to any one of
また、請求項7の発明にかかる接合材は、請求項1〜6のいずれか一つに記載の発明において、さらに、前記最も融点の高い金属粉体よりも融点が高く、前記金属粉体よりも粒径の小さい金属微粒子が混合されていることを特徴とする。
In addition, in the invention according to any one of
また、請求項8の発明にかかる半導体装置は半導体チップと基板とが少なくとも2種類以上の金属を含む接合材によって接合された半導体装置であって、前記半導体チップと前記基板との間に、前記金属のうちの、最も融点の高い金属以外の金属と前記半導体チップの最表面とが反応した第1反応層と、前記金属のうちの前記最も融点の高い金属と前記第1反応層とが反応した第2反応層と、前記最も融点の高い金属の濃度が、前記最も融点の高い金属以外の金属の濃度よりも濃い第1濃化領域と、前記最も融点の高い金属以外の金属の濃度が、前記最も融点の高い金属の濃度よりも濃い第2濃化領域と、をこの順に備えることを特徴とする。 A semiconductor device according to an eighth aspect of the present invention is a semiconductor device in which a semiconductor chip and a substrate are bonded by a bonding material containing at least two kinds of metals, and the semiconductor chip is interposed between the semiconductor chip and the substrate. Of the metals, a first reaction layer in which a metal other than the metal having the highest melting point reacts with the outermost surface of the semiconductor chip, and the metal having the highest melting point in the metal reacts with the first reaction layer. The concentration of the second reaction layer, the concentration of the metal having the highest melting point is higher than the concentration of the metal other than the metal having the highest melting point, and the concentration of the metal other than the metal having the highest melting point. And a second concentrated region having a concentration higher than the concentration of the metal having the highest melting point.
また、請求項9の発明にかかる半導体装置の製造方法は、接合材により半導体チップと基板とが接合された半導体装置の製造方法であって、接合材として、少なくとも2種類以上の、組成および融点の異なる金属粉体がフラックスに混合されており、当該金属粉体のうちの最も融点の高い金属粉体の固相の比重が、他の金属粉体の液相の比重よりも小さい接合材を用意する工程と、前記半導体チップと前記基板の間に前記接合材を挟み、前記半導体チップを前記接合材の上側にして加熱炉に入れる炉入れ工程と、前記加熱炉内の温度を、前記最も融点の高い金属粉体以外の金属粉体の融点以上、当該最も融点の高い金属粉体の融点未満に加熱する第1加熱工程と、前記加熱炉内の温度を、前記最も融点の高い金属粉体の融点以上に加熱する第2加熱工程と、を含むことを特徴とする。 The method for manufacturing a semiconductor device according to the invention of claim 9 is a method for manufacturing a semiconductor device in which a semiconductor chip and a substrate are bonded to each other by a bonding material, wherein at least two kinds of bonding materials and compositions and melting points are used. The metal powder with different melting point is mixed in the flux, and the specific gravity of the solid phase of the metal powder with the highest melting point of the metal powder is smaller than the specific gravity of the liquid phase of the other metal powder. A step of preparing, a step of placing the bonding material between the semiconductor chip and the substrate, placing the semiconductor chip above the bonding material into a heating furnace, and a temperature in the heating furnace, A first heating step of heating to a temperature higher than the melting point of the metal powder other than the metal powder having a high melting point and less than the melting point of the metal powder having the highest melting point; Heating above the melting point of the body Characterized in that it comprises a heating step.
また、請求項10の発明にかかる半導体装置の製造方法は、接合材により半導体チップと基板とが接合された半導体装置の製造方法であって、接合材として、少なくとも2種類以上の、組成および融点の異なる金属粉体がフラックスに混合されており、当該金属粉体のうちの最も融点の高い金属粉体の固相の比重が、他の金属粉体の液相の比重よりも大きい接合材を用意する工程と、前記半導体チップと前記基板の間に前記接合材を挟み、前記半導体チップを前記接合材の下側にして加熱炉に入れる炉入れ工程と、前記加熱炉内の温度を、前記最も融点の高い金属粉体以外の金属粉体の融点以上、当該最も融点の高い金属粉体の融点未満に加熱する第1加熱工程と、前記加熱炉内の温度を、前記最も融点の高い金属粉体の融点以上に加熱する第2加熱工程と、を含むことを特徴とする。
A method for manufacturing a semiconductor device according to the invention of
また、請求項11の発明にかかる半導体装置の製造方法は、請求項9または10に記載の発明において、前記第2加熱工程において、前記接合材に前記最も融点の高い金属粉体よりも融点が高く、前記金属粉体よりも粒径の小さい金属微粒子が混合されている場合、前記金属微粒子の融点よりも低い温度に加熱することを特徴とする。
The method for manufacturing a semiconductor device according to
また、請求項12の発明にかかる半導体装置の製造方法は、請求項9〜11のいずれか一つに記載の発明において、前記第1加熱工程において、前記接合材に3種類以上の金属粉体が混合されている場合、前記最も融点の高い金属粉体以外の少なくとも2種類の金属粉体の融点以上の温度に段階的に加熱することを特徴とする。 According to a twelfth aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device according to any one of the ninth to eleventh aspects, wherein in the first heating step, three or more kinds of metal powders are used as the bonding material. Is mixed stepwise to a temperature equal to or higher than the melting point of at least two types of metal powders other than the metal powder having the highest melting point.
また、請求項13の発明にかかる半導体装置の製造方法は、請求項9〜12のいずれか一つに記載の発明において、前記第1加熱工程および前記第2加熱工程においては、加熱された温度を所定時間保持することを特徴とする。 According to a thirteenth aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device manufacturing method according to any one of the ninth to twelfth aspects of the present invention, wherein the first heating step and the second heating step are performed at a heated temperature. Is maintained for a predetermined time.
また、請求項14の発明にかかる半導体装置の製造方法は、請求項9〜13のいずれか一つに記載の発明において、前記第1加熱工程の後と、前記第2加熱工程の後とに、前記加熱炉内を減圧して、当該加熱炉内を脱気する減圧工程を含むことを特徴とする。 According to a fourteenth aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device according to any one of the ninth to thirteenth aspects, after the first heating step and after the second heating step. The method further includes a depressurizing step of depressurizing the inside of the heating furnace and degassing the inside of the heating furnace.
上述した各請求項の発明によれば、発熱源となる半導体チップと絶縁基板とを接合材によって接合した際に、接合材と半導体チップとの界面に、延性が高い金属によって反応層を形成し、接合層内の半導体チップ側に、耐熱性の高い金属の濃度が濃い領域を形成することができる。また、接合層内の絶縁基板側に、延性の高い金属の濃度が濃い領域を形成し、耐熱性の高い層に生じる歪みを延性の高い領域に分散させることができる。 According to the invention of each claim described above, when the semiconductor chip serving as a heat source and the insulating substrate are bonded together by the bonding material, a reaction layer is formed of a metal having high ductility at the interface between the bonding material and the semiconductor chip. A region having a high heat-resistant metal concentration can be formed on the semiconductor chip side in the bonding layer. In addition, a region having a high concentration of highly ductile metal can be formed on the insulating substrate side in the bonding layer, and strain generated in the layer having high heat resistance can be dispersed in the region having high ductility.
また、請求項7または11に記載の発明によれば、接合材に金属微粒子が混合されている場合、金属微粒子の融点を超えない温度で接合処理をおこなうことで、接合材に、液相と固相を共存させることができる。これによって、強化構造を形成することができる。
According to the invention of
また、請求項14の発明によれば、接合層内にボイドが生じるのを抑えることができる。
According to the invention of
本発明にかかる接合材、この接合材を用いて接合された半導体装置およびその製造方法によれば、接合材と被接合材との界面の脆性を抑え、かつ耐熱性を高くし、半導体装置の機械的な信頼性を向上させることができるという効果を奏する。 According to the bonding material, the semiconductor device bonded using the bonding material, and the manufacturing method thereof, the brittleness at the interface between the bonding material and the material to be bonded is suppressed, the heat resistance is increased, and the semiconductor device There is an effect that the mechanical reliability can be improved.
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる接合材、この接合材を用いて接合された半導体装置およびその製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の実施の形態の説明およびすべての添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 Exemplary embodiments of a bonding material according to the present invention, a semiconductor device bonded using the bonding material, and a method for manufacturing the same will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. Note that, in the following description of the embodiments and all the attached drawings, the same reference numerals are given to the same components, and duplicate descriptions are omitted.
(実施の形態1)
図1は、実施の形態1にかかる接合材の構造について示す断面図である。実施の形態1にかかる接合材は、融点の異なる2種類以上の組成の金属粉体を主材として、この主材がフラックスに分散して混合されている。そして、金属粉体のうち、最も融点が高い金属粉体の固相の比重が他の金属粉体の液相の比重よりも小さい。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating the structure of the bonding material according to the first embodiment. In the bonding material according to the first embodiment, metal powders having two or more kinds of compositions having different melting points are used as the main material, and the main material is dispersed and mixed in the flux. And among the metal powders, the specific gravity of the solid phase of the metal powder having the highest melting point is smaller than the specific gravity of the liquid phase of the other metal powders.
具体的には、例えば、図1に示すように、実施の形態1にかかる接合材1は、金属A粉体2と、金属B粉体3との2種類の組成の金属粉体が、フラックス4に分散して混合されている。ここで、金属B粉体3は、金属A粉体2よりも融点が高く、固相の比重が金属A粉体2の液相の比重よりも小さければ良い。
Specifically, for example, as shown in FIG. 1, the
したがって、金属B粉体3の内部を中空構造としたり、金属B粉体3に比重の小さい樹脂などを心材として用いることで、金属B粉体3の固相の比重を、金属A粉体2の液相の比重よりも小さくしても良い。また、金属A粉体2に、比重の大きい重金属などを心材として用いることで、金属B粉体3の固相の比重を、金属A粉体2の液相の比重より小さくしても良い。なお、金属A粉体2または金属B粉体3は、表面に電鋳処理による被膜処理を施し、断面構造を2層としても良い。ここで、電鋳処理は、電解処理でも良いし、無電解処理でも良い。具体的には、図1に示すように、例えば金属B粉体3を、金属心材31がめっき被膜32で覆われている構造としても良い。
Therefore, the specific gravity of the solid phase of the
ここで、金属A粉体2と金属B粉体3の組み合わせは、具体的には、錫(Sn:融点が約229℃、固相の比重が約7.0g/cc、液相の比重が約6.9g/cc)、ビスマス(Bi:融点が271℃、固相の比重が約9.8g/cc、液相の比重が約10.7g/cc)や、これらを主成分とする2元合金の組み合わせが良い。また、2元合金は、例えばSn3.5Ag(融点が221℃、液相の比重7.12g/cc)やBi2.5Ag(融点が261℃、液相の比重10.08g/cc)などである。
Here, the combination of the
なお、金属A粉体2にはBiが含まれていないことが好ましい。その理由は、金属B粉体3よりも金属A粉体2の融点が低いため、金属A粉体2の方が先に溶融する。このとき、例えば被接合材の最表面がニッケル(Ni)の場合、被接合材と接合材との界面に脆性傾向の高いNi−Bi系の反応層(NiBi、NiBi3等)が形成され、半導体装置の機械的な信頼性が低下するからである。
The
また、接合材1には、さらに金属微粒子が混合されていても良い。金属微粒子としては、粒径が数nm〜数μm程度のものが良く、例えば銀(Ag)、金(Au)、鉛(Pd)、ケイ素(Si)、テルル(Te)、ゲルマニウム(Ge)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、アルミニウム(Al)、白金(Pt)などである。また、金属微粒子が混合されている場合、半導体装置の製造方法においては、金属微粒子の融点を超えない温度で接合処理をおこなう。したがって、接合材1には、液相と固相が共存することとなる。このようにすることで、接合層に強化構造を形成することができる。
Further, the
上述した実施の形態1によれば、半導体装置の製造方法の接合処理をおこなう際に、接合材に接する被接合材との界面に形成される反応層の脆性を抑え、かつ接合層内の上側の領域に、耐熱性の高い領域を形成することができる。また、接合層内の下側の領域には、延性の高い領域を形成することができる。このため、例えば耐熱性の高い領域が脆性傾向であっても、その歪みを延性の高い領域に分散させることができる。したがって、例えば接合材の上側に接する被接合材が発熱源の場合、接合材と被接合材との界面における反応層の脆性を抑え、かつ耐熱性を高くすることで、半導体装置の機械的な信頼性を向上させることができる。 According to the first embodiment described above, when performing the bonding process of the semiconductor device manufacturing method, the brittleness of the reaction layer formed at the interface with the material to be bonded that contacts the bonding material is suppressed, and the upper side in the bonding layer A region with high heat resistance can be formed in this region. In addition, a highly ductile region can be formed in the lower region in the bonding layer. For this reason, for example, even if a region having high heat resistance tends to be brittle, the strain can be dispersed in a region having high ductility. Therefore, for example, when the material to be bonded that is in contact with the upper side of the bonding material is a heat source, the brittleness of the reaction layer at the interface between the bonding material and the material to be bonded is suppressed, and the heat resistance is increased, thereby improving the mechanical properties of the semiconductor device. Reliability can be improved.
(実施の形態2)
つぎに、実施の形態2にかかる接合材について説明する。実施の形態2にかかる接合材は、金属粉体のうち、最も融点が高い金属粉体の比重が他の金属粉体の融液の比重よりも大きい。
(Embodiment 2)
Next, the bonding material according to the second embodiment will be described. In the bonding material according to the second embodiment, among the metal powders, the specific gravity of the metal powder having the highest melting point is larger than the specific gravity of the melt of the other metal powder.
具体的には、例えば、図1に示すように、実施の形態2にかかる接合材51において、金属B粉体3は、金属A粉体2よりも融点が高く、固相の比重が金属A粉体2の液相の比重よりも大きければ良い。したがって、金属A粉体2の内部を中空構造としたり、金属A粉体2に比重の小さい樹脂などを心材として用いることで、金属B粉体3の固相の比重を、金属A粉体2よりも大きくしても良い。また、金属B粉体3に、固相の比重の大きい重金属などを心材として用いることで、金属B粉体3の固相の比重を、金属A粉体2の液相の比重より大きくしても良い。
Specifically, for example, as shown in FIG. 1, in the
具体的には、金属B粉体3を、例えば球状のCu、Mo、W等の重金属を心材として用いた構造とし、金属A粉体2をSnリッチな組成とする。特に、金属B粉体3の心材にCuを用いた場合、固相の比重が約9.0g/ccとなり、金属A粉体2の融液であるSn融液の液相の比重(約6.9g/cc)より大きくなる。
Specifically, the
また、金属A粉体2がSn3.5Ag(融点が約221℃)であり、金属B粉体3がSn15.0Sb(融点が約260℃)であっても良い。その理由は、このようにすることで、金属B粉体3が、過包晶組成または過共晶組成となり、β−SnSb、Sn2Sb3などの粗大な化合物が存在する合金組成となるからである。これら粗大な化合物を形成する組成の金属B粉体3では、高融点部分の濃度が濃い状態(濃化状態)を生成しやすくなり、比重が金属A粉体2の液相の比重よりも大きくなる。なお、金属A粉体2がSn3.0Ag0.5Cu(融点が約218℃)であり、金属B粉体3がSn20.0Ag(融点が約260℃)でも良い。この場合、粗大な化合物として、ε−Ag3Snなどが存在することとなる。
The
実施の形態2によれば、発熱源となる被接合材が接合材の下側に接する場合、実施の形態1と同様の効果を得ることができる。 According to the second embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained when the material to be bonded that is a heat generation source contacts the lower side of the bonding material.
(実施の形態3)
つぎに、実施の形態3にかかる半導体装置の構造について説明する。実施の形態3にかかる半導体装置は、実施の形態1または実施の形態2にかかる接合材1を用いて接合された半導体装置である。ここでは、実施の形態1にかかる接合材1を用いて接合された半導体装置について説明する。図2は、実施の形態1にかかる接合材を用いて接合された半導体装置の構造について示す断面図である。
(Embodiment 3)
Next, the structure of the semiconductor device according to the third embodiment will be described. The semiconductor device according to the third embodiment is a semiconductor device bonded using the
図2に示すように、実施の形態1にかかる接合材1が、被接合材である半導体チップ11および絶縁基板12とによって挟まれた状態となっている。実施の形態3においては、接合材1の上側に半導体チップ11が接し、接合材1の下側に絶縁基板12が接している。また、接合材1には、複数の組成の金属粉体が混合されているため、被接合材と接合材1との接合の界面付近には、複数の反応層が形成される。
As shown in FIG. 2, the
具体的には、図2に示すように、接合材1と半導体チップ11との界面に、融点の低い金属A粉体2と半導体チップ11が液相−固相反応によって一体化して形成された第1反応層22が形成され、さらに融点が高い金属B粉体3と第1反応層22とが一体化して形成された第2反応層23とが、半導体チップ11側からこの順に設けられている。すなわち、半導体チップ11と絶縁基板12との間に、半導体チップ11側から、第1反応層22と、第2反応層23と、金属B粉体3の濃度が濃い金属B濃化領域(第1濃化領域)24と、金属A粉体2の濃度が濃い金属A濃化領域(第2濃化領域)25とが、この順に設けられている。
Specifically, as shown in FIG. 2, the
なお、実施の形態2にかかる接合材を用いて接合された半導体装置は、図2に示す半導体装置と上下が逆になった構成である。すなわち、接合材の上側に絶縁基板12が接し、接合材の下側に半導体チップ11が接している。そして、接合材1においては、上から順に、金属A濃化領域25、金属B濃化領域24、第2反応層23および第1反応層22となる。その他の構成は、図2に示す半導体装置と同様のため説明を省略する。
Note that the semiconductor device bonded using the bonding material according to the second embodiment has a configuration in which the semiconductor device illustrated in FIG. That is, the insulating
上述した実施の形態3によれば、実施の形態1または実施の形態2と同様の効果を得ることができる。 According to the above-described third embodiment, the same effect as in the first or second embodiment can be obtained.
(実施の形態4)
つぎに、実施の形態4にかかる半導体装置の製造方法について説明する。実施の形態4においては、半導体装置の製造方法の接合処理において、半導体装置を実施の形態1にかかる接合材を用いて接合する方法について説明する。図3および図4は、実施の形態4にかかる半導体装置の製造方法について示す断面図である。また、図5は、実施の形態4にかかる半導体装置の製造方法における接合処理の際の、温度および圧力と、時間との関係を示す特性図である。
(Embodiment 4)
Next, a method for manufacturing the semiconductor device according to the fourth embodiment will be described. In the fourth embodiment, a method for bonding a semiconductor device using the bonding material according to the first embodiment in the bonding process of the manufacturing method of the semiconductor device will be described. 3 and 4 are cross-sectional views illustrating the method of manufacturing the semiconductor device according to the fourth embodiment. FIG. 5 is a characteristic diagram showing a relationship between temperature, pressure, and time during the bonding process in the method of manufacturing a semiconductor device according to the fourth embodiment.
まず、図3に示すように、絶縁基板12の上側に接合材1を塗布し、その上に半導体チップ11を載置する。そして、接合材1が半導体チップ11および絶縁基板12に挟まれた状態のまま、半導体チップ11を接合材1の上側にして、加熱炉に入れる。さらに、加熱炉内の温度を、金属A粉体2の融点T1以上で、金属B粉体3の融点T2未満の温度(以下、初段加熱温度とする)に上げる。
First, as shown in FIG. 3, the
そして、図5に示すように、初段加熱温度になった時刻t1から時刻t3になるまでの所定時間、初段加熱温度を保持し、金属A粉体2を溶融させる。このとき、加熱炉の体積が変化せずに、炉内の温度が上がるため、炉内の圧力が上昇する。したがって、時刻t1後の時刻t2から時刻t3の間に、脱気処理をおこない炉内を減圧する。このように、脱気処理をおこなうことで、接合材1の内部にボイドが生じるのを抑えることができる。
Then, as shown in FIG. 5, the first stage heating temperature is maintained for a predetermined time from time t1 when the first stage heating temperature is reached to time t3, and the
炉内の温度をT1以上T2未満とすることで、金属A粉体2が溶融し、金属B粉体3が溶融されず固相のまま残る。接合材1においては、金属B粉体3の固相の比重が、金属A粉体2の液相の比重よりも小さいため、金属A粉体2の融液の上側、すなわち接合材1内の半導体チップ11側に金属B粉体3が凝集する。
By setting the temperature in the furnace to T1 or more and less than T2, the
また、このとき、図4に示すように、被接合材である半導体チップ11の固相を保った表面と、溶融した金属A粉体2とによって、固相−液相の界面を通して化学反応が起こり、第1反応層22が生成される。具体的には、金属A粉体2がSnを含み、かつBiを含まない組成で、半導体チップ11の最表面がNi膜の場合、第1反応層22は、Ni−Sn系の合金化合物となる。したがって、例えば接合材にBi系の合金のみが含まれる場合に比べて、接合材と被接合材との界面の反応層の脆性を抑えることができる。このように、接合材1に含まれる金属粉体の一部が溶融し被接合材と部分的に接合される。
At this time, as shown in FIG. 4, a chemical reaction is caused through the solid-liquid phase interface between the surface of the
つぎに、図5に示すように、さらに温度を上げていき、金属B粉体3の融点T2以上の温度(以下、最終加熱温度とする)にする。そして、最終加熱温度になった時刻t4から時刻t6になるまでの所定時間、最終加熱温度を保持し、金属B粉体3を溶融させる。これによって、第1反応層22と、溶融した金属B粉体3とによって、化学反応が起こり、第2反応層23が生成される。
Next, as shown in FIG. 5, the temperature is further raised to a temperature equal to or higher than the melting point T2 of the metal B powder 3 (hereinafter referred to as the final heating temperature). Then, the final heating temperature is maintained for a predetermined time from the time t4 when the final heating temperature is reached to the time t6, and the
また、このとき、金属B粉体3が、接合材1の上側に凝集された状態で溶融するため、接合材1の上側の領域、すなわち接合材1の半導体チップ11側の領域では、金属Bの濃度が濃くなる。また、それに伴い、金属B粉体3の少ない接合材1の下側の領域、すなわち接合材1の絶縁基板12側の領域では、金属Aの濃度が濃くなる。このように、接合材1に含まれる金属粉体が全て溶融されて被接合材と接合される。
At this time, since the
また、加熱炉内の温度を初段加熱温度から最終加熱温度に上げることで、炉内の圧力が上昇するため、時刻t4後の時刻t5から時刻t6の間に、脱気処理をおこない炉内を減圧する。つぎに、図2に示すように、半導体装置を冷却することで、半導体チップ11と絶縁基板12との間に、半導体チップ11側から順に、第1反応層22と、第2反応層23と、金属B粉体3の濃度が濃い領域24と、金属A粉体2の濃度が濃い領域25とが形成される。
Moreover, since the pressure in the furnace rises by raising the temperature in the heating furnace from the initial stage heating temperature to the final heating temperature, deaeration treatment is performed between time t5 and time t6 after time t4. Reduce pressure. Next, as shown in FIG. 2, by cooling the semiconductor device, the
なお、実施の形態4においては、例えば接合材1に上述した金属微粒子が含まれている場合、最終加熱温度を、金属微粒子の融点よりも低くする。また、実施の形態4においては、温度を保持する回数を初段加熱温度と最終加熱温度の2回として、2種類の金属粉体をそれぞれ溶融させたが、これに限るものではない。例えば接合材にさらに異なる組成の金属粉体が含まれる場合、それぞれの金属粉体の融点に合わせて、最終加熱温度未満の範囲で温度を保持する回数を増やしても良い。
In the fourth embodiment, for example, when the metal fine particles described above are included in the
実施の形態4によれば、実施の形態1〜3と同様の効果を得ることができる。また、加熱炉内の脱気処理をおこなうことで、接合層内にボイドが生じるのを抑えることができる。 According to the fourth embodiment, the same effects as in the first to third embodiments can be obtained. Moreover, it can suppress that a void arises in a joining layer by performing the deaeration process in a heating furnace.
(実施の形態5)
つぎに、実施の形態5にかかる半導体装置の製造方法について説明する。実施の形態5においては、半導体装置の製造方法の接合処理において、半導体装置を実施の形態2にかかる接合材を用いて接合する方法について説明する。実施の形態5においては、図3に示すように、絶縁基板12の上に接合材51を塗布し、その上に半導体チップ11を載置する。つぎに、実施の形態4とは異なり、接合材が半導体チップおよび絶縁基板に挟まれた状態のまま、半導体チップを接合材の下側にして、加熱炉に入れる。その他の方法は実施の形態4と同様のため説明を省略する。
(Embodiment 5)
Next, a method for manufacturing the semiconductor device according to the fifth embodiment will be described. In the fifth embodiment, a method for bonding a semiconductor device using the bonding material according to the second embodiment in the bonding process of the method for manufacturing a semiconductor device will be described. In the fifth embodiment, as shown in FIG. 3, a
実施の形態5によれば、実施の形態4と同様の効果を得ることができる。 According to the fifth embodiment, the same effect as in the fourth embodiment can be obtained.
以上のように、本発明にかかる接合材、半導体装置およびその製造方法は、高温で動作するパワーデバイスに有用であり、特に、電力変換用途のスイッチングデバイスに適している。 As described above, the bonding material, the semiconductor device, and the manufacturing method thereof according to the present invention are useful for power devices that operate at high temperatures, and are particularly suitable for switching devices for power conversion applications.
1、51 接合材
2 金属A粉体
3 金属B粉体
4 フラックス
11 半導体チップ
12 絶縁基板
1, 51
Claims (14)
前記金属粉体のうちの最も融点の高い金属粉体の固相の比重が、他の金属粉体の液相の比重よりも小さいことを特徴とする接合材。 It is a bonding material in which at least two kinds of metal powders having different compositions and melting points are mixed in a flux,
The bonding material characterized in that the specific gravity of the solid phase of the metal powder having the highest melting point among the metal powders is smaller than the specific gravity of the liquid phase of the other metal powders.
前記金属粉体のうちの最も融点の高い金属粉体の固相の比重が、他の金属粉体の液相の比重よりも大きいことを特徴とする接合材。 It is a bonding material in which at least two kinds of metal powders having different compositions and melting points are mixed in a flux,
The bonding material characterized in that the specific gravity of the solid phase of the metal powder having the highest melting point among the metal powders is larger than the specific gravity of the liquid phase of the other metal powders.
前記半導体チップと前記基板との間に、
前記金属のうちの、最も融点の高い金属以外の金属と前記半導体チップの最表面とが反応した第1反応層と、
前記金属のうちの前記最も融点の高い金属と前記第1反応層とが反応した第2反応層と、
前記最も融点の高い金属の濃度が、前記最も融点の高い金属以外の金属の濃度よりも濃い第1濃化領域と、
前記最も融点の高い金属以外の金属の濃度が、前記最も融点の高い金属の濃度よりも濃い第2濃化領域と、
をこの順に備えることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device in which a semiconductor chip and a substrate are bonded by a bonding material containing at least two kinds of metals,
Between the semiconductor chip and the substrate,
A first reaction layer in which the metal other than the metal having the highest melting point and the outermost surface of the semiconductor chip react with each other;
A second reaction layer in which the metal having the highest melting point of the metals reacts with the first reaction layer;
A first concentration region in which the concentration of the metal having the highest melting point is higher than the concentration of the metal other than the metal having the highest melting point;
A second concentration region in which the concentration of the metal other than the metal having the highest melting point is higher than the concentration of the metal having the highest melting point;
In this order.
接合材として、少なくとも2種類以上の、組成および融点の異なる金属粉体がフラックスに混合されており、当該金属粉体のうちの最も融点の高い金属粉体の固相の比重が、他の金属粉体の液相の比重よりも小さい接合材を用意する工程と、
前記半導体チップと前記基板の間に前記接合材を挟み、前記半導体チップを前記接合材の上側にして加熱炉に入れる炉入れ工程と、
前記加熱炉内の温度を、前記最も融点の高い金属粉体以外の金属粉体の融点以上、当該最も融点の高い金属粉体の融点未満に加熱する第1加熱工程と、
前記加熱炉内の温度を、前記最も融点の高い金属粉体の融点以上に加熱する第2加熱工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 A manufacturing method of a semiconductor device in which a semiconductor chip and a substrate are bonded by a bonding material,
As the bonding material, at least two kinds of metal powders having different compositions and melting points are mixed with the flux, and the specific gravity of the solid phase of the metal powder having the highest melting point among the metal powders is different from that of other metals. Preparing a bonding material smaller than the specific gravity of the liquid phase of the powder;
A furnace step of sandwiching the bonding material between the semiconductor chip and the substrate and placing the semiconductor chip above the bonding material into a heating furnace;
A first heating step of heating the temperature in the heating furnace to a melting point of a metal powder other than the metal powder having the highest melting point, or less than a melting point of the metal powder having the highest melting point;
A second heating step of heating the temperature in the heating furnace to a temperature equal to or higher than the melting point of the highest melting metal powder;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
接合材として、少なくとも2種類以上の、組成および融点の異なる金属粉体がフラックスに混合されており、当該金属粉体のうちの最も融点の高い金属粉体の固相の比重が、他の金属粉体の液相の比重よりも大きい接合材を用意する工程と、
前記半導体チップと前記基板の間に前記接合材を挟み、前記半導体チップを前記接合材の下側にして加熱炉に入れる炉入れ工程と、
前記加熱炉内の温度を、前記最も融点の高い金属粉体以外の金属粉体の融点以上、当該最も融点の高い金属粉体の融点未満に加熱する第1加熱工程と、
前記加熱炉内の温度を、前記最も融点の高い金属粉体の融点以上に加熱する第2加熱工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 A manufacturing method of a semiconductor device in which a semiconductor chip and a substrate are bonded by a bonding material,
As the bonding material, at least two kinds of metal powders having different compositions and melting points are mixed with the flux, and the specific gravity of the solid phase of the metal powder having the highest melting point among the metal powders is different from that of other metals. Preparing a bonding material larger than the specific gravity of the liquid phase of the powder;
A furnace step of sandwiching the bonding material between the semiconductor chip and the substrate and placing the semiconductor chip below the bonding material into a heating furnace;
A first heating step of heating the temperature in the heating furnace to a melting point of a metal powder other than the metal powder having the highest melting point, or less than a melting point of the metal powder having the highest melting point;
A second heating step of heating the temperature in the heating furnace to a temperature equal to or higher than the melting point of the highest melting metal powder;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記加熱炉内を減圧して、当該加熱炉内を脱気する減圧工程を含むことを特徴とする請求項9〜13のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。 After the first heating step and after the second heating step,
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 9, further comprising a depressurization step of depressurizing the inside of the heating furnace and degassing the inside of the heating furnace.
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