JP2011077225A

JP2011077225A - 半導体装置と接続構造及びその製造方法

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Publication number: JP2011077225A
Application number: JP2009225906A
Authority: JP
Inventors: Ryoichi Kajiwara; 良一梶原; Kazutoshi Ito; 和利伊藤; Narihisa Motowaki; 成久元脇; Satoshi Matsuyoshi; 聡松吉; Shinji Hiramitsu; 真二平光
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2009-09-30
Filing date: 2009-09-30
Publication date: 2011-04-14
Anticipated expiration: 2029-09-30
Also published as: JP5449958B2

Abstract

【課題】半導体チップをＣｕ電極で挟んだ実装構造では、熱膨張差によりチップに発生する剪断方向の熱応力が高く、鉛フリーの硬い高温はんだや高強度のナノＡｇ接合ではチップ割れを生じる。このため、２５０℃の耐熱性が要求される半導体装置では鉛フリー化が実現できていない。鉛フリーで高融点の接続材料を用いて、熱・電気特性と温度サイクル信頼性と高温耐性に優れる低コストの実装構造を提供する。
【解決手段】半導体チップとＣｕ電極間に低熱膨張板を挿入し、チップ側を鉛フリーの高温はんだ、Ｃｕ電極側を空孔率が２０〜７０％の多孔質のＡｇ層で接合した構造とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に自動車用途に用いられ、鉛フリーの接合構造を有する半導体装置に関する。

従来、オルタネータダイオード等の半導体チップの接合には、Ｐｂが９０％以上で他にＳｎ，Ａｇなどを数％含む高融点はんだ材料が使われている。その構造は、Ｃｕベース電極，Ｃｕ／Ｆｅ−Ｎｉ合金／Ｃｕからなる低熱膨張板，半導体チップ，Ｃｕリード電極を積層した構成で、各部材間を鉛入り高融点はんだで接合した構造である。各部材および半導体素子の上下電極には、Ｎｉめっきが施されている。

一方、近年は欧州のＲｏＨＳ指令で宣言されているように、環境を有害物質の汚染から守ることが重要となってきており、電子装置の組立部材から鉛を除去することが求められている。しかし、従来の鉛入り高温はんだ材にそのまま置き換え可能な鉛を使用しない高温はんだ材は開発されておらず、金属系ではＺｎＡｌ系やＳｎＳｂ系の高温はんだ材が知られているものの、実用上種々の問題を有しており、半導体装置への適用は困難となっている。

特開２００９−１１３０５０号公報

近年の自動車は、駆動系の電子化に伴い使用する電流容量が急激に増大しており、発電機からの電流を直流に整流する半導体装置はチップ素子当たりの電流容量を増加することが求められている。通常、通電電流を増加すると半導体チップからの発熱が増加し、半導体装置の使用温度が高くなる。このため、半導体装置の耐熱性向上と繰返される温度変動に起因する熱疲労寿命の確保が大きな課題になっている。要求される２５０℃耐熱性に関しては、部材のＮｉめっき膜質を改善することで高鉛はんだでも１０００ｈの保障が可能であるが、熱疲労寿命は半導体チップの温度が２２０〜２５０℃になると部材間の熱膨張差に伴う熱歪が大きくなり、その歪をはんだが全て吸収するため寿命は急激に低下し、必要な信頼性が得られなくなるという問題がある。熱歪的に最も厳しいのは半導体チップとＣｕのリード電極間であるが、熱膨張率が１０ppm付近の低熱膨張版を採用した場合でも、半導体チップと低熱膨張板間および低熱膨張板とベース電極間の両方のはんだ内に大きなクラックが発生してしまい、全ての接合箇所が耐えられない。

また、もう一つの課題は、環境保護の観点から欧州を中心に規制が加えられようとしている自動車機器あるいは電子機器の高鉛含有はんだ使用禁止の問題である。

従来の鉛入り高温はんだを用いた半導体装置では、はんだ材が柔らかいため半導体チップとＣｕリード電極あるいは半導体チップとＣｕ／Ｆｅ−Ｎｉ合金／Ｃｕの低熱膨張板間の熱歪をほとんどはんだ部が吸収してチップ割れを防いでいた。しかし、鉛を使用しない高温はんだ材は、例えばＺｎＡｌ系高融点はんだでは、はんだ表面に化学的に安定なＡｌ酸化膜を形成して濡れ拡がり性が悪く、しかも材質が硬いため半導体チップが割れるという問題がある。また、ＳｎＳｂＡｇＣｕ系高融点はんだは濡れ性は良いものの、ＺｎＡｌ系材料よりもさらに材質が硬いためはんだ接合後の冷却過程で半導体チップが剥離するように割れるという問題がある。これは、両面に熱膨張の大きいＣｕ部材が接合されるため、低熱膨張板を中間に挿入しても硬いはんだでは応力緩和がそれほど行われないためである。また、最近ではナノＡｇペーストを使った接合が開発され、高耐熱な接合部が得られることが知られているが、対象部材がＮｉの場合は接合強度が低くて取扱い時の外力で界面が破断したり、必要な長期信頼性が得られないという問題がある。また、貴金属めっき部材を使用して強固に接合した場合は、部材間の熱膨張差による熱応力によって半導体チップが割れるという問題や製品コストが上昇するといった問題がある。また、半導体チップの接合に用いた場合、ナノＡｇペーストはＳｉにも付着するためチップの側面に付着する可能性があり、絶縁を側面の沿面距離で確保している製品では、絶縁特性の低下を招くといった問題もある。

本発明の第１の目的は、接続材料として鉛を含まない材料を用い、かつ組立時の冷却過程で発生する熱応力による半導体チップの損傷を防止することができ、使用時の高温環境や温度差の大きい繰返しの温度変動が加えられる熱サイクル環境においても半導体装置としての機能が維持される高信頼な半導体装置を提供することである。

本発明の第２の目的は、焼結Ａｇの接合性が低い低コストのＮｉ部材に対して焼結型Ａｇペーストの接着性を改善できる低コストの表面処理法及び、その処理によって得られる高信頼な接続構造を提供し、高信頼で低コストの半導体装置を提供することである。

本発明の第３の目的は、温度差の大きい繰り返しの温度サイクルが加わる環境で熱疲労寿命の長い接続構造が得られる焼結型Ａｇペースト材料を提供することである。

第１の目的を達成するために、焼結後の空孔率が２０〜７０％で焼結したＡｇが網目構造を形成する焼結型Ａｇペーストと、材質的には硬いもののＮｉへの濡れ性に優れるＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ系高温はんだの２種類の接続材料を用い、半導体チップの両側に熱膨張率が８ppm以下のＭｏやＣｕ／Ｆｅ−Ｎｉ合金／Ｃｕ積層材やＣｕ−Ｍｏ焼結材などの低熱膨張板を前記高温はんだで接合層厚さが５０μｍ以下となるように接合し、低熱膨張板とＣｕのリード電極やベース電極とを前記焼結型Ａｇペーストで接合層厚さが７０μｍ以上となるように調整して接合した構造とした。

まず、接続材料の焼結型Ａｇペーストと高温はんだは共に鉛フリー材料であり、いずれも融点が３００℃以上と高いため、これらで組み立てた半導体装置は鉛フリーで高耐熱性を有する装置となる。

また、半導体チップと硬質の高温はんだで接合する部材を熱膨張率が８ppm以下の低熱膨張板とし、その低熱膨張板と熱膨張の大きいＣｕのリード電極やベース電極とは空孔率が２０〜７０％の多孔質で厚いＡｇ接合層で接合した構造としたことにより、Ｃｕ電極と低熱膨張板の熱膨張差による熱歪は構造的に降伏応力が小さい多孔質のＡｇ層で吸収されて低熱膨張板にはＣｕの熱歪が伝わらず、半導体チップには低熱膨張板と半導体チップの熱膨張差５ppm以下の熱歪のみが加わることになるため、接合後の冷却過程で発生する熱応力によって半導体チップが破損することがなくなる。高温はんだの熱膨張率はＣｕ以上に高いが、接合層の厚さを５０μｍ以下と薄くしているため、低熱膨張板によってその熱歪の影響を抑制できているのである。

また、半導体チップの上下面の接合にＳｉに濡れない高温はんだを用いたため、半導体チップの側面に接続材料が付着することがなく、絶縁を側面の沿面距離で確保している半導体装置であっても電気絶縁特性を低下させる恐れがない。

また、温度差の大きい温度サイクル環境下において、半導体チップと低熱膨張板の間の高温はんだ接合層は、両者の熱膨張差が小さいため、熱疲労によってチップと平行方向の割れで破断することがなく、長い寿命を維持できる。一方、Ｃｕ製のリードやベース電極と低熱膨張板間は大きな熱膨張差が生じるが、空孔率の高い網目構造によってＡｇ柱の塑性変形が小さい条件で両部材の大きな熱歪を吸収することができるため、多孔質のＡｇ接合層の熱疲労寿命を長く維持でき、半導体装置としての高い信頼性を確保できるのである。

第２の目的を達成するために、半導体装置のＮｉめっき組立部品の接合領域にネオデカン酸Ａｇやカルボン酸Ａｇやオクチル酸Ａｇなどの有機Ａｇ錯体を有機溶媒に溶解・希釈した溶液あるいは有機保護膜を形成したナノＡｇ粒子を有機溶媒に分散した溶液を塗布し、大気中で２００〜３５０℃の温度、望ましくは２５０〜３００℃の温度に加熱・焼成してＡｇメタライズを施す表面処理法を採用し、Ａｇ膜の構造を内部に空孔を１〜３０％含有し、その膜の表面に膜厚と同等レンジのピッチで凹凸が形成された構造とした。

まず、Ｎｉ面に有機Ａｇ化合物やナノＡｇ粒子を含む溶液を塗布することや大気中で２００〜３５０℃の温度に加熱することは特別な装置や技術がなくても容易に行え、Ａｇを含む溶液は必要な領域に限定して塗布するため必要最小限の使用量に抑制できかつ全てＡｇメタライズに費やされるためＡｇの利用効率が１００％近くなり、プロセスコストや材料コストをめっきなどの手法に比べて低く抑えてＮｉ面のＡｇ化処理が可能となる。焼成処理で形成したＡｇメタライズ膜は、内部に空孔を多数含み、かつ表面に凹凸が多く形成されるため、Ａｇメタライズ膜内の残留応力が小さくなることと、焼結型ＡｇペーストとＡｇメタライズ膜の接触面積が増大すること、さらには凹部への焼結Ａｇの侵入によるアンカー効果も加わってその界面強度を大幅に向上できる効果が得られる。なお、Ａｇメタライズ膜がＮｉ面に高強度に密着するのは、有機Ａｇ錯体から遊離したＡｇ原子あるいは有機保護膜が除去されたナノＡｇ粒子が非常に活性で、しかも周囲には還元性の有機溶媒や有機分解ガスが存在しているため、Ｎｉ面が酸化される前にＡｇメタライズが進行するためであると推定している。図１は、その現象を実験的に確かめたもので、ＮｉめっきＣｕ部材に有機Ａｇ溶液を塗布し２５０℃で焼成した後に焼結型Ａｇペーストで接合した接合部の断面組織である。メタライズ界面や接合界面に大きな欠陥は認められず、良好に接合できることが分る。

以上のことから、低コストのＮｉ部品を用いて半導体装置を組み立てられ、Ｎｉ面のＡｇ化処理液コストやプロセスコストも化学めっき法などに比べて安く抑えることができ、焼結Ａｇとの接着性も上がるため、低コストで高信頼の半導体装置を提供できるのである。

第３の目的を達成するために、焼結型Ａｇペーストを平均粒径０.１〜３μｍの粒状Ａｇで表面に２００℃以下で分解する有機保護膜を形成したＡｇ粒子と、ペースト化のための有機溶媒と、粒径３〜３０μｍのＡｇ粒子と、粒径５０〜５００μｍの球状の貴金属粒子あるいは貴金属めっきした球状の高導電金属粒子とから構成したＡｇペーストとした。

平均粒径が０.１〜３μｍのＡｇ粒子は、３００℃以下の比較的低温で焼結する性質がありＡｇ粉末だけでも接合が進むが、粒子の移動を伴わないと全体の均一な焼結が行われずむらが生じてしまう。このため、有機溶媒の溶液で流動性を与え、組立て時のペースト供給性も確保している。また、Ａｇ表面の清浄さは焼結性に影響するため、予め有機保護膜で覆っておき、焼結時に除去して清浄面を得ることで高い焼結性を確保している。粒径３〜３０μｍのＡｇ粒子は空孔率を調整すると共に強度を改善するために混合したおり、粒径５０〜５００μｍの金属粒子は厚い接合層の傾きを抑制するためのスペーサ的役割と低コスト化のための接続材料の増量を目的に混合している。この材料で接合した場合の接合層は、接合厚さが７０μｍ以上と厚くなり、粒径の大きい金属粒子の粒径を揃えることで接合層の傾きも抑えることができ、多孔質な構造が得られるので、温度差の大きい繰り返しの温度サイクルが加わる環境で熱疲労寿命の長い半導体装置の組み立てに適する焼結型Ａｇペースト材料を提供できるのである。

本発明において、半導体チップの上下面に熱膨張率が８ppm以下の低熱膨張板を高温はんだで接合し、低熱膨張板とＣｕのリード電極やベース電極とを空孔率が２０〜７０％の多孔質な焼結Ａｇ層で接合層厚さが５０μｍ以上となるように接合した構造としたことにより、接続材料として鉛を含まない材料を用い、かつ組立時の冷却過程で発生する熱応力による半導体チップの損傷を防止することができ、使用時の高温環境や温度差の大きい繰返しの温度変動が加えられる熱サイクル環境においても半導体装置としての機能が維持される高信頼な半導体装置を提供することができるのである。

また、Ｎｉめっき部品の接合領域に有機Ａｇ錯体溶液やナノＡｇ粒子を分散した有機溶液を塗布し、大気中で加熱・焼成してＡｇメタライズを行う処理を採用したことにより、Ｎｉ部品に対して焼結型Ａｇペーストの接着性を低コストプロセスで改善できる表面処理法及び高信頼な接続構造を提供でき、低コストで高信頼の半導体装置を提供できるのである。

また、温度差の大きい繰り返しの温度サイクルが加わる環境でも熱疲労寿命の長い接続構造が得られる焼結型Ａｇペースト材料を提供できるのである。

本発明による半導体装置の断面構造の一実施例を示す図。本発明による半導体装置の断面構造の他の実施例を示す図。半導体装置を単一の接続材料で実装した場合の各種評価結果を示す図。半導体装置のチップ側と電極側の接続材料を変えて実装した場合の各種評価結果を示す図。本発明による接続構造を示す断面構造の一実施例を示す図。本発明による接続部の断面組織の一実施例を示す図。本発明による半導体装置の他の実施例を示す図。本発明による半導体装置の他の実施例を示す図。本発明による半導体装置の他の実施例を示す図。本発明によるＮｉ上Ａｇ焼成膜の断面構造の一実施例を示す図。本発明によるＮｉ上Ａｇ焼成膜の断面構造の他の実施例を示す図。本発明によるＮｉ上Ａｇ焼成膜の表面外観の一実施例を示す図。

以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。

図１は、本発明による半導体装置の断面構造の一実施例を示す。図において、半導体チップ１の上下面にはＮｉＰの無電解めっき膜が形成されている。その下にはチップサイズより大きいＭｏ製のＮｉめっきされた低熱膨張板４が配置され、半導体チップの上にはチップサイズより小さいＭｏ製のＮｉめっきされた低熱膨張板５が配置され、それらの部材は固相温度が３００℃以上で液相温度が約３６０℃の４５Ｓｎ−３７Ｓｂ−１０Ａｇ−８Ｃｕ高温はんだ６，７で接合している。はんだ層の厚さは５０μｍ以下の２０μｍにしている。各低熱膨張板のベース電極２及びリード電極３と接合する面と、ベース電極及びリード電極の接合面には、ネオデカン酸Ａｇを有機溶媒に混ぜた有機溶液を塗布し大気中で２５０℃に加熱して焼成したＡｇ膜が形成されている。それらの膜には空孔率１〜３０％の密閉タイプを多く含むボイドが形成されている。それらのＡｇ膜を介して厚さが７０〜５００μｍで空孔率が２０〜７０％の多孔質なＡｇ層８，９が金属的に接合された構造となっている。この多孔質なＡｇ層の空洞部は、外気と空間的に繋がっているものの割合が５０％以上あり、その空洞にはゲル状樹脂あるいは熱硬化性の樹脂が充填された領域が形成されている。ベース電極２はお椀形状をしており、その内側にはゲル状のシリコーン樹脂が充填され、リード電極の下部まで覆った状態で半導体装置を保護している。

本実施例によれば、接続材料に鉛を含まず固相温度３００℃以上の高融点のはんだやＡｇを使っているので、環境に悪影響を与えず耐熱性の高い半導体装置を提供できる。また、半導体チップが高温はんだで接合される部材が低熱膨張５ppmのＭｏ板となっているため、この接合部に発生する熱応力は小さく、接合後の冷却過程において半導体チップが破損することはない。また、Ｍｏ板と熱膨張差が大きいＣｕ製のベース電極やリード電極とは空孔率が２０〜７０％で５０μｍ以上と厚い多孔質のＡｇ層で接合されているため、低応力かつ小さい塑性変形で熱歪を吸収する変形能が高く、Ｃｕ製電極との熱膨張差によってＭｏ板が大きな歪を受けることがなく、その結果として半導体チップが熱応力で破損することがなくなる。また、Ａｇ接合層は多孔質ではあるが空孔率が７０％以下に抑えられていることやＡｇの熱伝導率は鉛はんだより１０倍以上優れた最も高熱伝導の金属であるため、そのＡｇ接合層の放熱性は従来の高鉛はんだの接合層より十分高い放熱特性が得られる。半導体チップの電気絶縁特性については、半導体チップの上下の接続材料がＳｉに濡れない高温はんだであるため、半導体チップの側面に接続材料が付着することがなく、側面の沿面距離で確保している絶縁特性を劣化させることがない。また、半導体装置の使用時において、半導体チップの発熱によって生じる半導体装置の温度変動に対しては、最も熱膨張差が大きい接合部が柔軟構造を有する多孔質で厚いＡｇ層で構成されているのでその熱疲労寿命は十分長く、半導体チップとＭｏ板の接合部は熱膨張差が小さいため高剛性で延性の小さい高温はんだ材であっても熱疲労で破壊することがなく、高い信頼性を有する鉛フリーの半導体装置を提供できるのである。

また、組立部品は全てＮｉめっきの低コスト部品であり、有機Ａｇ溶液の使用量は少なくかつＡｇメタライズのプロセスも低コストであるため、半導体装置のコストを焼結型Ａｇペーストの材料コスト増加分程度のコスト上昇に抑えられて、鉛フリーはんだの半導体装置としては比較的低コストにできるのである。

なお、本実施例においてはＡｇ層の空孔率を２０〜７０％としたが、空孔率が２０％より小さいと接合層の降伏強度が高くなって接合後の冷却過程で半導体チップが破損する可能性が生じ、空孔率が７０％より高くなると熱応力的には楽になるが放熱性が低下して半導体チップの温度が上昇して動作しなくなるという問題がある。また、高温はんだの厚さを５０μｍ以下としたが、この厚さを５０μｍ以上とするとはんだの熱膨張率が大きいためはんだの熱応力によって半導体チップが破損する可能性が生じるという問題があり、薄くする必要があるのである。

また本実施例では、Ｎｉ面上のＡｇメタライズ処理にネオデカン酸Ａｇ溶液を用いたが、オクチル酸Ａｇやカルボン酸Ａｇや脂肪族カルボン酸Ａｇなどの有機Ａｇ溶液、あるいはナノＡｇ粒子を有機溶媒に分散した溶液を用いてもよい。

また本実施例では、低熱膨張板にＭｏ板を用いたが、Ｃｕ／Ｆｅ−Ｎｉ合金／Ｃｕ（ＣＩＣ：銅／インバー／銅）のクラッド材で熱膨張率が８ppm以下となる板厚比率（例えば１：３：１）の積層板や、熱膨張率が８ppm以下であるＣｕ−Ｃ複合材，Ｃｕ−Ｍｏ焼結材などを用いてもよい。

また本実施例では、鉛フリーの高温はんだ材にＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ系の材料を用いたが、Ｚｎ−Ａｌ系やＢｉ−Ａｇ系の高温はんだ材を使ってもよい。

図２は、本発明による半導体装置の断面構造の他の実施例を示す。図において、半導体チップ１１の上下面には最表面がＡｇの多層の電極膜が形成されている。半導体チップの下側にはチップサイズより大きいＣＩＣ製のＮｉめっきされた低熱膨張板１４が配置され、それらの部材は固相温度が３００℃以上のＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ系高温はんだ１５で接合されている。はんだ層の厚さは５０μｍ以下になるように薄くしている。低熱膨張板１４のベース電極と接合する面と、ベース電極１２及びリード電極１３の接合面には、オクチル酸Ａｇを有機溶媒に溶かした有機金属化合物溶液を塗布し大気中で焼成して形成した空孔率１〜３０％のＡｇ膜が形成されている（図には記載されていない。）。これらのＡｇ膜を介して厚さが１５０μｍ以上で空孔率が２０〜７０％の多孔質なＡｇ層１７，１８によって各部材が金属的に接合された構造となっている。リード電極の接合面の大きさは、半導体チップのサイズに比べて十分小さい大きさとしており、半導体チップ上に供給する焼結型Ａｇペーストがチップの側面に流れ落ちる恐れを排除している。多孔質のＡｇ層の開放系空洞部には熱硬化性の樹脂が含浸されて硬化処理され、また、ベース電極とリード電極の一部を除いて熱硬化性の絶縁樹脂が全体を覆って保護した構造となっている。

本実施例においては、図１に記載した効果のほかに、全体を高強度で高剛性の熱硬化樹脂で覆った構造としているため、各部材の接合部には常に部材を押し付ける圧縮方向の応力が加わっているので、半導体装置が大きな温度変動を受けるような環境に置かれても、接合部の熱疲労による水平方向のクラックの発生が抑制され、長期信頼性に優れた特性が得られる。この効果を含め本実施例によれば、図１と同様に鉛フリーで、組み立て時のチップ割れの恐れがなく、使用時の熱衝撃サイクルに対して長期信頼性に優れ、耐熱温度が２５０℃以上の半導体装置を提供できる。

図３は、図１の半導体装置を単一の接続材料で実装した場合の各種評価結果を示す一実施例である。部材の最表面のめっき膜としてＮｉめっき膜，Ａｇめっき膜，Ａｇ焼成膜を用い、接続材料として従来の柔らかい高鉛はんだ、硬質のＳｎＳｂＡｇＣｕ系鉛フリーはんだ、焼結型Ａｇペーストで実装している。組立性や特性，信頼性を調べた結果を示す。部材がＮｉめっき膜の場合、接合性が良好なのは両はんだ材のみで、焼結型Ａｇペーストは接着性が悪いため半導体装置に実装できず、その後の評価ができなかった。また、鉛フリーはんだの実装品は、はんだ接合後の冷却過程で半導体チップが割れ、信頼性や電気的評価ができなかった。全ての評価が可能だったのは、各メタライズの高鉛はんだ実装品と、Ａｇめっき膜やＡｇ焼成膜の焼結型Ａｇペースト実装品であった。高鉛はんだは環境規制で使用できず最終評価は適用不可であり、焼結型Ａｇペーストは電機絶縁特性の歩留まりが悪く、特性的に良品があるものの量産プロセスに用いるには問題がある。従って、鉛フリーの接続材料で上下がＣｕ電極で構成される半導体装置に適用可能な材料を見出すのは困難なことが分った。そこで、チップ側の接続材料と電極側の接続材料を変えた構成で実装評価した結果を図４に示す。接続材料は、チップ側を鉛フリーのＳｎＳｂＡｇＣｕ系高温はんだ、電極側を焼結型Ａｇペーストとした場合を主に調べ、逆の構成も比較して調べた。低熱膨張板を８ppmとＳｉに近い値を選定し、焼結Ａｇ接合厚さを１００μｍとして高温はんだの厚さを変えたＮo.１〜３を見ると、はんだ厚さが７０μｍと厚いとはんだの熱歪で半導体チップが割れ、はんだ厚さを２０μｍとして焼結Ａｇ厚さを３０〜７００μｍに変えたＮo.４〜８を見ると、３０μｍと薄いと接合層にかかる熱歪が大きくなってＴＦＴ寿命が持たず、７００μｍと厚くすると放熱特性に問題が生じることが分る。また、高温はんだ及び焼結Ａｇ厚さを適正範囲に選んで低熱膨張板の熱膨張率を変えたＮo.６，９，１０を見ると、熱膨張率が１０ppmと高い場合は高温はんだの接合厚さを２０μｍと薄くしてもチップ割れが生じており、熱膨張率を８ppm以下にする必要があることが分る。接続材料を逆の組み合わせで使ったＮo.１１，１２を見ると、この構成でチップ割れを防ぐことは可能になるが、ＴＦＴ寿命が短くなる問題、絶縁特性が低下する問題が生じることが分る。以上のことから、半導体チップの上下がＣｕ電極で構成される半導体装置では、高温はんだの接合厚さ５０μｍ以下、焼結Ａｇ層の接合厚さ７０〜５００μｍ、低熱膨張板の熱膨張率は８ppm以下が適することが確認できた。

図５は、本発明による低コストで高信頼な半導体チップとＣｕ電極との接続構造を示す断面構成図、また図６は本発明の方法で実際に試作した接続部の断面組織を示す。図５において、半導体チップ２１の表面には最表面が貴金属の多層の電極膜２２が形成されＣｕ電極部材２３の表面にはＮｉめっき２４が形成されている。それらの表面には有機Ａｇ溶液やナノＡｇ分散溶液を塗布・焼成して形成した内部に気泡２６，２８を含むＡｇ焼成膜２５，２７が形成され、それらの膜を介して焼結Ａｇの網目組織２９が金属的に結合して両者が一体化している。焼結Ａｇの網目組織は体積比率の大きい空洞部３０が連結するように形成されており、その空洞部は外気に繋がった構造をしている。図６は、Ｃｕ電極部材のＮｉめっき面にネオデカン酸Ａｇ溶液を塗布し、大気中で２５０℃−６０分の焼成処理を施した後に、焼成Ａｇ膜面に有機保護膜を形成した数μｍのＡｇ粒子と未処理の２０μｍのＡｇ粒子の混合物を粘性のある有機溶剤でペースト化したものを塗布して、大気中で２５０℃−６０分の焼結処理をした接続部の断面組織である。Ａｇ焼成膜の組織はＮｉ側が緻密で膜表面側に空洞部が多い傾斜組織を呈している。Ｎｉ／焼成Ａｇ膜の界面の拡大写真をみても見接合欠陥は観察されず、密着性の高いＡｇ膜の形成が確認できる。焼成Ａｇ膜の表面は内部の空洞が開放された部分も見られ、めっき面に比べて凹凸が増した構造となっており、網目状の焼結Ａｇ層のＡｇ骨格と金属的に結合して一体化した状況を確認することができる。すなわち、有機Ａｇ焼成膜をＮｉめっき上に一層形成することで、Ｎｉとの界面や焼結Ａｇとの界面の密着性が向上していることが分る。

本実施例によれば、有機Ａｇ溶液の焼成過程の化学的作用によってＮｉ面上に高密着でかつ多孔質のＡｇ焼成膜を形成でき、また焼成Ａｇ膜の上に金属結合した網目状の焼結Ａｇ層を形成した構造となっているので、接続部に熱歪等の応力が加わった場合でも、接続界面で低強度で剥離破断することがなく、高い信頼性の接続部を提供できる。また、Ａｇ焼成膜が多孔質であるためＡｇ膜の内部応力が低くなり、最も破断しやすいＮｉ／Ａｇ界面に残る焼成時の残留応力を小さくできて、結果として界面強度の向上が図れているのである。また、焼結Ａｇ層の網目状の構造を見て分るように、骨格を形成するＡｇ柱の径は数μｍと細く、接合層に加えられる剪断歪をＡｇ柱の曲げ変形で吸収することができ、その結果塑性歪量を小さく抑えられるので熱疲労寿命を大幅に向上した接続構造を提供できて、半導体装置の信頼性を向上できるのである。また、Ｎｉめっき部材を使えることによって、半導体装置のコストを低減できるという効果も得られるのである。

図７は、本発明による半導体装置の他の実施例を示す。図において、半導体チップ３１の両面には最表面がＡｇの多層電極膜が形成されている。その上下には、最表面にＡｇ膜が形成されたベース電極３２とリード電極３３が配置されている。接続材料には焼結型Ａｇペーストを用い、多孔質な接合層３４，３５を形成して金属的に接合している。熱膨張率差が大きい半導体チップとＣｕ電極を直接に接合した構造としているため、接合層の厚さを３００μｍ以上の厚さとして温度サイクル信頼性を確保している。お椀状のベース電極の内部には、液状の樹脂を注入して硬化処理した熱硬化性樹脂３６がリード電極下部が埋まる状態に充填されている。また、熱硬化性樹脂は多孔質な接合層の半導体チップを直接に焼結型Ａｇペーストで接続する構造としているため、チップ側面へのＡｇの付着に伴う絶縁特性の低下が懸念されるが、Ａｇ含有率を上げてＡｇペーストの粘度を高くすることでその確率を低減している。絶縁特性に関する歩留まりは、図１の半導体チップを高温はんだで接合する構造に比べて劣るが、部材点数が少ないためコスト低減が図れており、実現は可能である。

本実施例によれば、半導体装置を構成する組立部材点数を最小限に低減しているため、鉛フリーで熱・電機特性を満足し十分な信頼性が得られる低コストの半導体装置を提供できる。

なお、図７の構造において半導体チップとベース電極の間に低熱膨張板を挿入し、接続材料に焼結型Ａｇペーストを用いて実装してもよい。図８は、その実施例である。低熱膨張板４０の熱膨張率は８ppm以下とし、半導体チップと低熱膨張板間の接合層の厚さは２０〜１００μｍとし、低熱膨張板とベース電極間の接合層の厚さは７０〜５００μｍとしている。

本実施例によれば、図７と同等の効果が得られる他に、低熱膨張板を挿入したことで半導体チップとベース電極間の合計の焼結Ａｇ接合層の厚さを厚くでき、温度サイクル信頼性をさらに向上できる効果がある。

図９は、本発明による半導体装置の他の実施例を示す。図において、半導体チップ５１の両面には最表面がＡｇの多層電極膜が形成されている。その上下には、表面にＮｉめっきが施されたベース電極５２とリード電極５４が配置され、半導体チップとベース電極間にはＮｉめっきが施された低熱膨張板５５が挿入されている。半導体チップと低熱膨張板の間はＳｎＳｂＡｇＣｕ系の高温はんだ層５６で接合されている。両電極及び低熱膨張板のＮｉめっきの他の接合領域には、有機Ａｇ溶液を塗布・焼成してＡｇ焼成膜が形成されている。接続材料には、平均粒径０.１〜３μｍの粒状Ａｇで表面に２００℃以下で分解する有機保護膜を形成したＡｇ粒子と、ペースト化のための有機溶媒と、粒径３〜３０μｍのＡｇ粒子と、粒径２００〜３００μｍの球状の貴金属粒子あるいは貴金属めっきした球状のＣｕ，Ｎｉ，Ａｌ，Ｍｇ，Ｍｏ，Ｗなどの高導電粒子とから構成されたペースト状の接続材料から成る焼結型Ａｇペーストを用い、多孔質な接合層５７，５９を形成して金属的に接合している。従ってこの接合層中には、粒径の大きい高導電粒子５８，６０が分散配置されており、接合層厚さは３００μｍ以上の厚さに形成されている。また、ベース電極の接合領域には底面から逆台形に突き出た台座５３が形成されており、全体を封止する熱硬化性樹脂がベース電極から剥離しにくい構造とし、封止樹脂６１の硬化収縮応力によって、各接合部に圧縮応力が加わる構造としている。

本実施例によれば、焼結型Ａｇペーストに粒径の大きい高導電粒子を混合した材料を用いているため、接合組立時に特段の工夫を加えることなく、焼結Ａｇ接合層の厚さを確実に厚く形成でき、かつその接合層の傾きを小さく抑えることができる。このため、組立歩留まりが高く安定した品質で、さらに温度サイクル環境化で高い信頼性を有する半導体装置を提供できる。さらに、熱硬化性の封止樹脂で常に各接合部に圧縮方向の応力を加え続けられるので、温度差の大きい温度サイクルによって接合部に大きな剪断歪が加わる環境化においても、接合層中に断線する方向のクラック成長が進行しづらく、高い信頼性を確保できるのである。

図１０は、本発明によるＮｉ上に形成した焼成Ａｇ膜の断面構造の一実施例を示す。図において、Ｃｕ部材４５のＮｉめっき膜４６上に、空洞部を有する多孔質のＡｇ膜４７が形成され、そのＡｇ膜に埋設するように膜厚と同等か膜厚より大きいＡｇ粒子が全域に分散配置され、Ａｇ膜表面に細かいピッチで多数の突起箇所を形成している。この膜は、ネオデカン酸Ａｇ溶液とＡｇ粒子を混合した液をＮｉめっき面にＡｇ粒子が分散されるように塗布し、大気中で２５０℃−６０分の加熱処理を行って作製している。

本実施例によれば、Ａｇ焼成膜表面に細かいピッチで凹凸を形成しているので、焼結型Ａｇペーストを塗布し加熱焼結処理したときにＡｇ膜と焼結Ａｇの接触界面が増加して両者の金属接合面積が増加すること、凹部に焼結型Ａｇペーストが侵入して焼結することでアンカー効果的な作用が働くことなどの理由によって界面強度が増加し、最も破断し易い界面強度を改善できると言う効果がある。

図１１は、本発明によるＮｉ上に形成した焼成Ａｇ膜の断面構造の他の実施例を示す。図において、Ｃｕ部材５１のＮｉめっき膜５２上に、空洞部を有する多孔質のＡｇ膜５２が形成され、その空洞部の一部が外気に開放された状態で形成されて凹み領域５４を形成し、表面に細かいピッチの凹凸が形成された膜となっている。このＡｇ膜は、ネオデカン酸Ａｇ溶液をＮｉめっき面に塗布した後、大気中で加熱速度２０℃／分以上の急速加熱を行い、その後２５０℃−６０分の高温保持処理を行って作製している。急速加熱を行うと、有機Ａｇが分解してＡｇ焼成膜を形成する途中の工程でＡｇ膜中に未分解の有機Ａｇを多量に取り込み、その後加熱で取り込まれた有機Ａｇから出るガスによって、内部に多くの空洞が形成されると考えられる。図１２は、Ｎｉめっき面にネオデカン酸Ａｇ溶液を十分な量塗布し、２５０℃に加熱した高温槽に投入して６０分間保持して作製したサンプルの表面外観である。拡大写真を見ると、平坦に見えるＡｇ膜の各所に陥没した開口部が多数形成されている状況が確認できる。

本実施例によれば、Ａｇ膜表面に凹み部が形成された凹凸ではあるが、図１０と同様に焼結Ａｇ層との界面強度を高める効果がある。

Claims

半導体基板の両面に金属電極膜が形成された半導体チップと、前記半導体チップの下に第一の接合層を介して接合された第一の低熱膨張板と、前記第一の低熱膨張板の下に第二の接合層を介して接合されたベース電極と、前記半導体チップの上に第三の接合層を介して接合された第二の低熱膨張板と、前記第二の低熱膨張板の上に第四の接合層を介して接合されたリード電極と、前記ベース電極及びリード電極の一部と半導体チップと低熱膨張板と各接合層を覆うように形成された絶縁樹脂とを備え、前記第一と第三の接合層が液相温度：３００〜５００℃の鉛を含まないはんだ材料で構成されており、前記第二と第三の接合層が空孔率２０〜７０％の多孔質なＡｇ層から構成されいることを特徴とする半導体装置。
半導体基板の両面に金属電極膜が形成された半導体チップと、前記半導体チップの下に第一の接合層を介して接合された低熱膨張板と、前記低熱膨張板の下に第二の接合層を介して接合されたベース電極と、前記半導体チップの上に第五の接合層を介して接合されたリード電極と、前記リード電極及びベース電極の一部と半導体チップと低熱膨張板と各接合層を覆うように形成された絶縁樹脂とを備え、前記第一の接合層が液相温度：３００〜５００℃の鉛を含まないはんだ材料から構成され、前記第二と第三の接合層が空孔率２０〜７０％の多孔質なＡｇ層で構成された構造となっていることを特徴とする半導体装置。
請求項１または２において、液相温度：３００〜５００℃の鉛を含まないはんだ材料が、Ｓｎ，Ｓｂ，Ａｇ，Ｃｕを主要構成元素とする多元系の高温はんだで構成され、低熱膨張板の面方向の熱膨張率が８ppm以下となっていることを特徴とする半導体装置。
請求項１または２において、ベース電極及びリード電極及び低熱膨張板及び半導体チップがＮｉめっきされた部品であり、多孔質なＡｇ層で金属接合されるＮｉめっき部品の接続面に、接合層に比べて空孔率が小さくかつ空孔サイズも小さい多孔質なＡｇの膜が形成された構造となっていることを特徴とする半導体装置。
請求項１または２において、多孔質なＡｇ層で構成された接合層中に、最大粒径がＡｇ接合層の１／２以上のサイズを有する貴金属めっきされたＣｕ，Ｎｉ，Ａｌ，Ｍｇ，Ｍｏ，Ｗのいずれか１種以上の高導電金属粒子が分散配置されていることを特徴とする半導体装置。
半導体チップとリード電極とベース電極と低熱膨張板と絶縁樹脂からなる半導体装置において、部材のＮｉめっき面の上に空孔率が１〜３０％で、その内の密閉系の空孔比率が５０％以上で、厚さが１〜３０μｍの多孔質なＡｇのメタライズ膜が形成され、その上に空孔率が２０〜７０％で、その内の開放系の空孔比率が５０％以上で、厚さが７０〜５００μｍの多孔質なＡｇの接合層が形成され、多孔質なＡｇ接合層内の開放形の空洞部の少なくとも一部に熱硬化性の樹脂が充填された接続構造を有し、リード電極とベース電極の一部を除いて全体が絶縁樹脂で覆われた構造となっていることを特徴とする半導体装置。
請求項６において、リード電極及びベース電極がＣｕにＮｉめっきされた部材であり、Ａｇメタライズ膜は接続面周辺の限られた領域のみに形成されていることを特徴とする半導体装置。
請求項６において、多孔質なＡｇメタライズ膜中に、膜厚と同等以上のＡｇ粒子が埋設された構造を有していることを特徴とする半導体装置。
請求項７において、Ａｇメタライズ膜はＮｉ面上に有機Ａｇ錯体の溶液を塗布し、大気中で加熱・焼成する方法で形成されたＡｇ膜であることを特徴とする半導体装置。
表面にＮｉめっきが施された高導電性のリード電極及びベース電極と、表面にＮｉめっきが施された低熱膨張板と、半導体基板の両面にＮｉを含む金属電極膜が形成された半導体チップと、リード電極及びベース電極の一部を除いて全体を覆うように形成された絶縁樹脂からなる半導体装置の製造方法において、リード電極及びベース電極の接合面と低熱膨張板の片方の面に有機Ａｇ錯体溶液あるいはナノＡｇ粒子を分散した有機溶液を塗布して大気中で２００〜３５０℃に加熱焼成処理してＡｇメタライズする工程と、半導体チップの両面に前記低熱膨張板のＮｉめっき側を還元雰囲気中の加熱処理によって高温鉛フリーはんだで接合して接合部品を作製する工程と、ベース電極のＡｇメタライズされた領域に焼結タイプのＡｇペーストを塗布しその上に半導体チップと低熱膨張板の前記接合部品を搭載しさらに接合部品の上側のＡｇメタライズされた領域に焼結タイプのＡｇペーストを塗布してその上にリード電極を搭載するマウント工程と、マウントされた組立体を大気中で加熱速度２０℃／分以下の緩やかな昇温で２００〜３５０℃の温度に加熱して焼結・接合する工程と、リード電極とベース電極の一部を除いて絶縁樹脂が全体を覆うように供給し加熱・硬化処理する工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
請求項１０において、組立体を焼結・接合処理した後に、多孔質の焼結Ａｇ接合層に液状の熱硬化性樹脂を含浸させ加熱・硬化処理する工程を追加したことを特徴とする半導体装置の製造方法。
請求項１１において、多孔質の焼結Ａｇ接合層に液状の熱硬化性樹脂を含浸させる前に、組立接合体に有機Ｚｎ錯体溶液を塗布し２５０〜３５０℃の温度で大気中の焼成処理を行う工程を加えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
平均粒径０.１〜３μｍの粒状Ａｇで表面に２００℃以下で分解する有機保護膜を形成したＡｇ粒子と、ペースト化のための有機溶媒と、粒径３〜３０μｍのＡｇ粒子と、粒径５０〜５００μｍの球状の貴金属粒子あるいは貴金属めっきした球状のＣｕ，Ｎｉ，Ａｌ，Ｍｇ，Ｍｏ，Ｗなどの高導電粒子とから構成されたペースト状の接続材料。
接続部材の熱膨張率差が５ppm以上で接続面の長手方向の寸法が３mm以上である接続箇所が多孔質のＡｇ層を介して金属接合された構造を有し、接続部の熱膨張差が５ppm未満の接続箇所が鉛フリーの高温はんだで接合された構造を有し、半導体チップと１つ以上の低熱膨張部材と複数の高導電性電極部材から構成された半導体装置。