JP2012517704A - 半導体モジュールと接続相手との間に高温および温度変化に強い接続を形成する方法 - Google Patents

半導体モジュールと接続相手との間に高温および温度変化に強い接続を形成する方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、温度負荷工程によって、高温および温度変化に強い接続を半導体モジュールと半導体デバイスとの間に形成する方法に関するものである。この方法では、後に個々の半導体チップが接合される領域に、金属粉懸濁液が塗布されて、この懸濁液層を乾燥させることで揮発性物質を放出させて、多孔質層を形成する。そして、懸濁液層を通した完全な焼結を実施することなく、多孔質層は予め圧縮される。焼結によって、半導体チップを、基板、他の半導体、または回路基板からなるグループからの接続相手に接続する、導電性かつ熱伝導性の強固な接続を得る。その接続は、加圧することなく加熱によって形成された焼結接合であり、これは乾燥された金属粉懸濁液からなるもので、接続相手との予圧工程を経て、まず接続相手との接触を搬送可能に固定され、そして無加圧での加熱焼結が施されたものである。
【選択図】図5

Description

本発明は、温度負荷工程によって、半導体構造体と半導体モジュールとの高温および温度変化に強い接続を形成する方法に関するものである。
特に自動車(ハイブリッド車)用のパワーエレクトロニクスへの高まる需要によって、製造されるパワー半導体部品のパーツ数が著しく増加している。当然のことながら自動車生産との関連でできるだけ低く維持されなくてはならないコストに対応するため、製造方法は絶えず最適化されている。
費用のかかる焼結接合の製造工程は、例えば本出願人の特許文献1に記載されているが、実際の焼結(いわゆる最終焼結)には30MPaを超える圧力が必要であり、これを特別な装置によって数秒から数分の間、加えなければならない。
一方、切断が難しい、乾燥・加熱工程を終えた金属粉懸濁液の乾燥層を、“切断できる”ように予め低圧を加えて圧縮することは、上記文献で既に知られている。
さらに、周知の半田付け工程では、ワークピースを適切な温度で加熱することにより、ワークピース上に配された半田材料が融解して、しっかりとした半田付け接続を形成することが可能であることが知られている。
独国特許102006033073号
本発明は、適切な金属粉懸濁液を選択して、これを、局所的に例えば5MPaといった低い圧力を加えるか、あるいは例えば250℃で加熱することで活性化させて、焼結プロセスを開始させることができるという知識に基づくものであり、これによって、後の製造工程で処理を行うために搬送することが可能である程度にまで固定することができる。
この場合、臨界焼結圧力を加える必要のない接合手段により、電極面をもつ電気部品が、いくつかの製造工程を経て、基板材料に接合されている銀あるいは金の面に接続される。
これにより、本発明の方法は、高価な加圧装置を用いることなく実行することが可能であり、サイクル速度をかなり高くしても、焼結接合によりモジュールを構成することが可能である。
この場合、基板材料として、例えば、有機導体板(PCB、セラミック導体板、DBC、メタルコア・プリント導体板、IMSまたは導体リードフレーム、リードフレーム、セラミック・ハイブリッド回路基板、など)のような回路基板を用いることが可能となる。電気部品は、パッケージ化されていない半導体部品、あるいは成形品すなわちパッケージ化された半導体部品とすることができる。電気接触接続部、SMDモジュールなども、本発明の接合プロセスにより接続することが可能である。
20〜30MPaのほぼ等静圧で同時加圧すると共に接合相手をおよそ220℃で同時に加熱することにより接続を形成する、いわゆる低温焼結との違いは、それよりずっと低い圧力で迅速に、すなわち数秒の間加熱することで接続を形成することが可能であることである。
さらには、従来技術のつぎのような問題を回避することができる。
従来のように高圧で加熱すると、接合相手の材料内で誘発される静的及び動的ストレスが増加し、これによって、非常に脆い材料である例えばパッケージ化されていないシリコン半導体デバイスやセラミック導体板にクラックが生じる。
このような材料の生来の脆弱性は、従来の処理方法において課題であった。シリコン・チップには、最初から既に微小クラックがあり、切断時に、切断面においてそのクラックが進行してしまっていた(いわゆるチッピング)。セラミック導体板では、割れ目により予め部分的に損傷させたものがレーザー切断されていた。
従来の低温焼結の場合、問題のクラックが大きくなって破壊に至るようなことは、後に高圧処理が行われる時になって初めて観測されていた。一部の非平面的な部品の場合、その複雑な3次元形状と脆弱性(例えば、SMD抵抗、およびSMDコンデンサ)のせいで、前には亀裂がなかった処理領域が、低温焼結により直接損傷されることがある。
本発明の方法によると、従来技術に比較して、4つの優れた点がある。
・電子部品の配置および固定が、その部品を回路基板上で所望の位置に維持するのにちょうど適した小さな力で行われる。
・固定と焼結が2つの別のプロセスである。固定は、主に、接合部表面の引っ掛かりと銀接着層により行われる。
・続く焼結は、温度が170℃から300℃であるオーブンの中で加圧することなく可能であり、このため、生産ラインに入れることが容易である。
・焼結品質を向上させるため、特定の金属懸濁液の層に応じて、不活性ガス雰囲気または反応ガス雰囲気を選択することができる。例えば、窒素は不活性ガスとして適しており、また、フォーミングガスあるいはギ酸を含んだ不活性ガスを反応ガスとして用いることができる。
固定における引っ掛かりは、雪だるまを転がしたときに雪の結晶がくっつくことに例えることができる。表面が粗いことと、圧縮が可能であることによって、層の厚さを大きく減らすことなく噛み合うことになる。
本発明の更なる利点および特徴は、添付の図面を参照して以下で行われる好ましい実施形態の説明により明らかになるであろう。
図1は、予め塗布され乾燥された金属懸濁液層の上方に配置された、メタライズされた部品である。 図2は、低圧で互いに固定された図1のエレメントである。 図3は、好ましく完全な保持能力の焼結を提供するための無加圧加熱工程の後の、図2のエレメントである。 図4は、図1のように予め塗布され乾燥された金属懸濁液層の上方にある、下面と上面をメタライズされた部品である。 図5は、低圧で固定された図4のエレメント、およびこれらの上方に離れて配置された接触タブである。 図6は、接触タブも他のエレメントと低圧で固定された、図5のエレメントである。 図7は、すべての固定された接触位置で好ましく完全な保持能力の焼結を提供するための無加圧加熱工程の後の、図6のエレメントである。
ステップ1:
基板材料またはチップの裏側、あるいは好ましい実施形態では接合される両方の面に、好ましくはステンシル印刷により、銀粒子を含む均一な厚さの層が形成される。これは、部品が配置される場所に選択的に形成されるか、あるいはチップの場合はその表面全体に形成される。その他の形成方法、特に吹付けも考えられる。しかし、銀粒子溶液でのディッピングあるいはスピンオンによると、層の厚さが変動するという問題が生じる。
ステップ2:
塗布された後のコーティングは乾燥されて、これにより、揮発性有機物質が取り除かれる。プロセスの高いサイクル速度を保証するため、150℃までの温度をサポートしている。このようにして作られた乾燥層は、高空隙率で高粗度である。
このステップが省略されて、いわゆる“ウェット塗布”とされた場合、そのときまだ溶剤懸濁液の中で動くことができる銀粒子が、脱ガス時にも移動可能であり、これによって、層の中に溶剤の放出チャネルが形成されるという懸念がある。このようなチャネルは、極めて望ましくない微小クラックを生じさせる。従って、層を完全に乾燥させることは、金属懸濁液が熱的に活性化される成分を含んでいるかどうかに関わらず、この方法の不可欠な部分である。しかしながら、そのような組成物は、好ましくは、150℃の乾燥温度では追加の発熱エネルギーが放出されないように選択され、そのような放出は250℃といったずっと高い温度でのみ可能である。
金属粉懸濁液の選択された組成と協調して、プロセスを加速させるため、乾燥温度は十分高くされるが、それでも焼結が早く生じすぎないように選択される。
ステップ3:
電気部品はグリップ装置と配置装置により所定の位置に動かされ、それらの部品に塗布された片面あるいは両面の銀層に力が加えられることで、互いにうまく押し付けられて、互いに引っ掛かる。これは、0.1〜3秒の短い配置プロセスであり、粗い表面が変形して互いに引っ掛かるようにするのに要する力は非常に大きい。引っ掛かりによる固定は、後の使用のための要件を満たす必要はなく、製造工程での移動中にずれ落ちない程度に強ければよい。
先に雪の例で説明したように、銀または金の表面の粗い乾燥金属層が、2次元で噛み合っていることにより、簡単な付着が提供される。同様にして、雪玉はコンクリート壁に付着したり、あるいは雪玉を作るときには雪自体にも付着したりする。
このときの付着は室温では不十分であり、例えば150℃まで温度をまた上げることで、付着を向上させることができる。これは、“雪”の例の場合のベタ雪と同じである。
ステップ4:
第4のステップでは、このように固定された部品に対して、加圧を伴うことなくその後の熱処理が最終的に実施されて、接合相手の境界面で銀原子の拡散が生じ、またその逆も生じて、これにより、高温および温度変化に強い望ましい接続が形成される。これは自動車に適しており、安定した接続が何年も持続することもある。
図1は、通常の方法により予めメタライズされた部品を示しており、その部品が金属懸濁液層の上方に配置されている。この層は、例えばおよそ50ミクロンで予め塗布されて140℃未満の温度で数分間(好ましくは1〜3分)乾燥されたものである。この層を予め適切に圧縮することで、より良く保つことができ、部品の固定の前に既に層に擦り傷ができてしまうことを防止できる。
さらに、接続相手の1つの変形例として、同じかまたは類似の方法で、すなわち予め実施したメタライゼーションに用いたような方法で、層が形成されたものとすることができ、これはさらに焼結されたものである。これを、単に乾燥されたペースト/懸濁液であって、焼結されていない層とすることもできる。
そして、エレメント(図2参照)は、低圧で1つに固定される。この場合、圧力は1〜10MPaであり、好ましくは2〜6MPaであり、さらに、本実施形態では、5MPa未満で1秒間実施されることがより好ましい。
図3は、ペーストに応じた標準的には230℃超である温度で無加圧加熱工程を実施した後の、図2のエレメントを示しており、これによって、好ましく完全な保持能力の焼結が提供される。反応性プロセスガスによって焼結を加速させることができる。
図4〜7は、多くの考え得るエレメントを代表する接触タブが、低圧で、アセンブリに同様に固定される様子を示している。
非常に効果的な方法では、接触タブに低圧を加えて、これを搬送可能となるように他のエレメントに予め固定し、最後に、すべての固定された接触位置で(例えば、もっと多くの接触タブがある場合)好ましく完全な保持能力の焼結を提供するための無加圧加熱工程を実施することで、高温および温度変化に強い望ましい接続であって、何年もの間の安定した接続が得られる(図7)。
本発明の方法は、温度負荷工程によって、高温および温度変化に強い接続を半導体モジュールと半導体デバイスとの間に形成する。この方法では、後に個々の半導体チップが接合される領域には、金属粉懸濁液が塗布されて、この懸濁液層を乾燥させることで揮発性物質を放出させて、多孔質層を形成する。そして、懸濁液層を通した完全な焼結を実施することなく、多孔質層は予め圧縮される。焼結によって、半導体チップを、基板、他の半導体、または回路基板からなるグループから選択される接続相手に接続する、導電性かつ熱伝導性の強固な接続を得る。その接続は、加圧することなく加熱によって形成された焼結接合であり、これは乾燥された金属粉懸濁液からなるもので、接続相手との予圧工程を経て、まず接続相手との接触を搬送可能に固定され、そして無加圧での加熱焼結が実施されたものである。これを1つの好ましい実施形態において拡張して、接続相手の1つより多くの面に金属懸濁液を塗布することもできる。
さらに、焼結品質を向上させるため、加熱の際に(密閉されたチェンバ内の)雰囲気に不活性ガスまたは反応ガスを混入することができる。不活性ガスは、主成分として窒素を含むものであることが好ましい。反応ガスは、その主成分がフォーミングガスであるものとすることができる。
本発明は、半導体モジュールと接続相手との間に高温および温度変化に強い接続を形成する方法に関するものである。
特に自動車(ハイブリッド車)用のパワーエレクトロニクスへの高まる需要によって、製造されるパワー半導体部品のパーツ数が著しく増加している。当然のことながら自動車生産との関連でできるだけ低く維持されなくてはならないコストに対応するため、製造方法は絶えず最適化されている。
費用のかかる焼結接合の製造工程は、例えば本出願人の特許文献1に記載されているが、実際の焼結(いわゆる最終焼結)には30MPaを超える圧力が必要であり、これを特別な装置によって数秒から数分の間、加えなければならない。
一方、切断が難しい、乾燥・加熱工程を終えた金属粉懸濁液の乾燥層を、“切断できる”ように予め低圧を加えて圧縮することは、上記文献で既に知られている。
さらに、周知の半田付け工程では、ワークピースを適切な温度で加熱することにより、ワークピース上に配された半田材料が融解して、しっかりとした半田付け接続を形成することが可能であることが知られている。
独国特許102006033073号
本発明は、適切な金属粉懸濁液を選択して、これを、局所的に例えば5MPaといった低い圧力を加えるか、あるいは例えば250℃で加熱することで活性化させて、焼結プロセスを開始させることができるという知識に基づくものであり、これによって、後の製造工程で処理を行うために搬送することが可能である程度にまで固定することができる。
この場合、臨界焼結圧力を加える必要のない接合手段により、電極面をもつ電気部品が、いくつかの製造工程を経て、基板材料に接合されている銀あるいは金の面に接続される。
これにより、本発明の方法は、高価な加圧装置を用いることなく実行することが可能であり、サイクル速度をかなり高くしても、焼結接合によりモジュールを構成することが可能である。
この場合、基板材料として、例えば、有機導体板(PCB、セラミック導体板、DBC、メタルコア・プリント導体板、IMSまたは導体リードフレーム、リードフレーム、セラミック・ハイブリッド回路基板、など)のような回路基板を用いることが可能となる。電気部品は、パッケージ化されていない半導体部品、あるいは成形品すなわちパッケージ化された半導体部品とすることができる。電気接触接続部、SMDモジュールなども、本発明の接合プロセスにより接続することが可能である。
20〜30MPaのほぼ等静圧で同時加圧すると共に接合相手をおよそ220℃で同時に加熱することにより接続を形成する、いわゆる低温焼結との違いは、それよりずっと低い圧力で迅速に、すなわち数秒の間加熱することで接続を形成することが可能であることである。
さらには、従来技術のつぎのような問題を回避することができる。
従来のように高圧で加熱すると、接合相手の材料内で誘発される静的及び動的ストレスが増加し、これによって、非常に脆い材料である例えばパッケージ化されていないシリコン半導体デバイスやセラミック導体板にクラックが生じる。
このような材料の生来の脆弱性は、従来の処理方法において課題であった。シリコン・チップには、最初から既に微小クラックがあり、切断時に、切断面においてそのクラックが進行してしまっていた(いわゆるチッピング)。セラミック導体板では、割れ目により予め部分的に損傷させたものがレーザー切断されていた。
従来の低温焼結の場合、問題のクラックが大きくなって破壊に至るようなことは、後に高圧処理が行われる時になって初めて観測されていた。一部の非平面的な部品の場合、その複雑な3次元形状と脆弱性(例えば、SMD抵抗、およびSMDコンデンサ)のせいで、前には亀裂がなかった処理領域が、低温焼結により直接損傷されることがある。
本発明の方法によると、従来技術に比較して、4つの優れた点がある。
・電子部品の配置および固定が、その部品を回路基板上で所望の位置に維持するのにちょうど適した小さな力で行われる。
・固定と焼結が2つの別のプロセスである。固定は、主に、接合部表面の引っ掛かりと銀接着層により行われる。
・続く焼結は、温度が170℃から300℃であるオーブンの中で加圧することなく可能であり、このため、生産ラインに入れることが容易である。
・焼結品質を向上させるため、特定の金属懸濁液の層に応じて、不活性ガス雰囲気または反応ガス雰囲気を選択することができる。例えば、窒素は不活性ガスとして適しており、また、フォーミングガスあるいはギ酸を含んだ不活性ガスを反応ガスとして用いることができる。
固定における引っ掛かりは、雪だるまを転がしたときに雪の結晶がくっつくことに例えることができる。表面が粗いことと、圧縮が可能であることによって、層の厚さを大きく減らすことなく噛み合うことになる。
本発明の更なる利点および特徴は、添付の図面を参照して以下で行われる好ましい実施形態の説明により明らかになるであろう。
図1は、予め塗布され乾燥された金属懸濁液層12の上方に配置された、メタライズされた部品16である。 図2は、低圧で互いに固定された図1のエレメントである。 図3は、好ましく完全な保持能力の焼結24を提供するための無加圧加熱工程の後の、図2のエレメントである。 図4は、図1のように予め塗布され乾燥された金属懸濁液層12の上方にある、下面と上面をメタライズされた部品16である。 図5は、低圧で固定された図4のエレメント、およびこれらの上方に離れて配置された接触タブ50である。 図6は、接触タブ50も他のエレメント10,16と低圧で固定された、図5のエレメントである。 図7は、すべての固定された接触位置で好ましく完全な保持能力の焼結70を提供するための無加圧加熱工程の後の、図6のエレメントである。
ステップ1:
基板材料10またはチップ16の裏側、あるいは好ましい実施形態では接合される両方の面に、好ましくはステンシル印刷により、銀粒子を含む均一な厚さの層12,14が形成される。これは、部品が配置される場所に選択的に形成されるか、あるいはチップ16の場合はその表面全体に形成される。その他の形成方法、特に吹付けも考えられる。しかし、銀粒子溶液でのディッピングあるいはスピンオンによると、層の厚さが変動するという問題が生じる。
ステップ2:
形成された後、層12,14は乾燥されて、これにより、揮発性有機物質が取り除かれる。プロセスの高いサイクル速度を保証するため、150℃までの温度をサポートしている。このようにして作られた乾燥層は、高空隙率で高粗度である。
このステップが省略されて、いわゆる“ウェット塗布”とされた場合、そのときまだ溶剤懸濁液の中で動くことができる銀粒子が、脱ガス時にも移動可能であり、これによって、層の中に溶剤の放出チャネルが形成されるという懸念がある。このようなチャネルは、極めて望ましくない微小クラックを生じさせる。従って、層12を完全に乾燥させることは、金属懸濁液が熱的に活性化される成分を含んでいるかどうかに関わらず、この方法の不可欠な部分である。しかしながら、そのような組成物は、好ましくは、150℃の乾燥温度では追加の発熱エネルギーが放出されないように選択され、そのような放出は250℃といったずっと高い温度でのみ可能である。
金属粉懸濁液の選択された組成と協調して、プロセスを加速させるため、乾燥温度は十分高くされるが、それでも焼結が早く生じすぎないように選択される。
ステップ3:
電気部品16はグリップ装置と配置装置により所定の位置に動かされ、それらの部品10,16に塗布された片面の銀層12あるいは両面の銀層12,14に力が加えられることで、互いにうまく押し付けられて、互いに引っ掛かる。これは、0.1〜3秒の短い配置プロセスであり、粗い表面20が変形して互いに引っ掛かるようにするのに要する力は非常に大きい。引っ掛かりによる固定は、後の使用のための要件を満たす必要はなく、製造工程での移動中にずれ落ちない程度に強ければよい。
先に雪の例で説明したように、銀または金の表面の粗い乾燥金属層が、2次元で噛み合っていることにより、簡単な付着が提供される(図2、図6)。同様にして、雪玉はコンクリート壁に付着したり、あるいは雪玉を作るときには雪自体にも付着したりする。
このときの付着は室温では不十分であり、例えば150℃まで温度をまた上げることで、付着を向上させることができる。これは、“雪”の例の場合のベタ雪と同じである。
ステップ4:
第4のステップでは、このように固定された部品16に対して、加圧を伴うことなくその後の熱処理が最終的に実施されて、接合相手の境界面20で銀原子の拡散が生じ、またその逆も生じて、これにより、高温および温度変化に強い望ましい接続24が形成される。これは自動車に適しており、安定した接続が何年も持続することもある。
図1は、通常の方法により予めメタライズ(14)された部品16を示しており、その部品16が金属懸濁液層12の上方に配置されている。この層12は、例えばおよそ50ミクロンで予め塗布されて140℃未満の温度で数分間(好ましくは1〜3分)乾燥されたものである。この層12を予め適切に圧縮することで、より良く保つことができ、部品16の固定の前に既に層に擦り傷ができてしまうことを防止できる。
さらに、接続相手の1つの変形例として、同じかまたは類似の方法で、すなわち予め実施したメタライゼーションに用いたような方法で、層14が形成されたものとすることができ、これはさらに焼結されたものである。これを、単に乾燥されたペースト/懸濁液であって、焼結されていない層とすることもできる。
そして、エレメント10,16(図2参照)は、低圧で1つに固定される。この場合、圧力は1〜10MPaであり、好ましくは2〜6MPaであり、さらに、本実施形態では、5MPa未満で1秒間実施されることがより好ましい。
図3は、ペーストに応じた標準的には230℃超である温度で無加圧加熱工程を実施した後の、図2のエレメントを示しており、これによって、好ましく完全な保持能力の焼結24が提供される。反応性プロセスガスによって焼結を加速させることができる。
図4〜7は、多くの考え得るエレメントを代表する接触タブ50が、低圧で、アセンブリに同様に固定される様子を示している。
非常に効果的な方法では、接触タブ50に低圧を加えて、これを搬送可能となるように他のエレメント10,16に予め固定し、最後に、すべての固定された接触位置で(例えば、もっと多くの接触タブがある場合)好ましく完全な保持能力の焼結70を提供するための無加圧加熱工程を実施することで、高温および温度変化に強い望ましい接続であって、何年もの間の安定した接続が得られる(図7)。
本発明の方法は、温度負荷工程によって、高温および温度変化に強い接続を半導体モジュールと半導体デバイスとの間に形成する。この方法では、後に個々の半導体モジュールの接合される領域には、金属粉懸濁液が塗布されて、この懸濁液層12を乾燥させることで揮発性物質を放出させて、多孔質層を形成する。そして、懸濁液層12全体にわたる完全な焼結を実施することなく、多孔質層は予め圧縮される。焼結によって、半導体モジュール10を、基板10、他の半導体16、または回路基板からなるグループから選択される接続相手10に接続する、導電性かつ熱伝導性の強固な接続24,70を得る。その接続は、加圧することなく加熱によって形成された焼結接合であり、これは乾燥された金属粉懸濁液12からなるもので、接続相手との予圧工程を経て、まず接続相手との接触を搬送可能に固定され(図2、図6)、そして無加圧での加熱焼結が実施されたものである。これを1つの好ましい実施形態において拡張して、接続相手の1つより多くの面に金属懸濁液を塗布することもできる。
さらに、焼結品質を向上させるため、加熱の際に(密閉されたチェンバ内の)雰囲気に不活性ガスまたは反応ガスを混入することができる。不活性ガスは、主成分として窒素を含むものであることが好ましい。反応ガスは、その主成分がフォーミングガスであるものとすることができる。

Claims (5)

  1. 温度負荷工程によって、半導体構造体と半導体モジュールとの高温および温度変化に強い接続を形成する方法であって、
    接続される個々の半導体モジュールの領域は、金属粉懸濁液でおおわれており、
    中止層は、多孔質層の不安定な構成要素生成の中でガスを除去すると共に乾燥され、
    多孔質層は、全体で中止層を突き通っている完全な焼結を必要とせずに、その後前圧縮され、
    半導体要素を、基板、他の半導体または回路基板のグループの接続相手と熱的および電気的に堅固に接続するために、接続は、温度増加によって圧力なしで発生する焼結接続であり、前圧縮ステップで、接続パートナーとの第1の移動可能な接触を受信して、温度焼結の間、圧力なしで固定した乾燥金属粉懸濁液からなる焼結接続によって特徴づけられる方法。
  2. 接続パートナーの複数の側が金属懸濁液コーティングを備えているという点を特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. 焼結品質を改善するために、空気が不活性であるか反応性ガスで豊かにされるという点を特徴とする、請求項1または2に記載の方法。
  4. 焼結品質を改善するために、温度焼結が窒素において起こるという点を特徴とする、請求項1乃至3、いずれかに記載の方法。
  5. 焼結品質を改善するために、乾燥させることがガスを形成する際に起こるという点を特徴とする、請求項1乃至4、いずれかに記載の方法。
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