JP2014199852A - 接合方法及び半導体モジュールの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】高温動作可能な半導体モジュールにおいて使用できる半導体チップと基板の接合方法を提供する。【解決手段】本発明にかかる接合方法は、前記半導体チップ又は前記基板の接合面に、Ｃｕ粒子とＳｎ粒子を含む接合剤を塗布する工程と、前記半導体チップの接合面と前記基板の接合面を前記接合剤を介在して合わせる工程と、Ｓｎの融点より高い温度で加熱し、前記接合剤のＣｕとＳｎを遷移的液相焼結させて、前記接合剤をＣｕ6Ｓｎ5とＣｕ3Ｓｎを含む組成にする工程と、さらに加熱し前記接合剤のＣｕ6Ｓｎ5をＣｕ3Ｓｎに変化させて、前記Ｃｕ3Ｓｎの比率を増やす工程と、を有する。【選択図】図８
Description
本発明は、半導体モジュールにおける半導体チップと基板を接合する方法及び半導体モジュールの製造方法に関する。
従来より、パワーモジュールなどの半導体モジュールにおいて、基板に半導体チップを接合する際には、一般的にはんだをリフローさせて接合する方法が用いられている。すなわち、半導体チップの電極にペースト状のはんだを塗布し、半導体チップの電極と基板の電極を合わせ、その後加熱してはんだを溶融させ、固めることによって半導体チップと基板を接合している（特許文献１参照）。
ところで、近年、パワーモジュールなどで用いられる半導体チップとして、低い順電流抵抗と高速スイッチング性能を持ち、２００℃を超える高温でも動作する、ＳｉＣのようなワイドギャップ半導体が注目されている。このようなワイドギャップ半導体では、放熱構造を簡略化できるので、その分高密度化、高集積化を図ることができ、単位面積当たりのパワー密度を飛躍的に向上できる。
しかしながら、高温で動作する半導体チップの接合に従来のはんだを用いる方法を用いた場合、高温動作時に、はんだの再溶融、界面に金属間化合物（ＩＭＣ）の形成などにより半導体チップの性能が劣化することが考えられる。
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、高温動作可能なパワーモジュールなどの半導体モジュールにおいて使用できる、半導体チップと基板の接合方法及び半導体モジュールの製造方法を提供することをその目的とする。
上記目的を達成するための本発明は、半導体モジュールにおける半導体チップと基板を接合する方法であって、前記半導体チップ又は前記基板の接合面に、Ｃｕ粒子とＳｎ粒子を含む接合剤を塗布する工程と、前記半導体チップの接合面と前記基板の接合面を前記接合剤を介在して合わせる工程と、Ｓｎの融点より高い温度で加熱し、前記接合剤のＣｕとＳｎを遷移的液相焼結させて、前記接合剤をＣｕ6Ｓｎ5とＣｕ3Ｓｎを含む組成にする工程と、加熱し前記接合剤のＣｕ6Ｓｎ5をＣｕ3Ｓｎに変化させて、前記Ｃｕ3Ｓｎの比率を増やす工程と、を有する、接合方法である。
以下、図面を参照して、本実施の形態にかかる半導体チップと基板の接合方法について説明する。
先ず、図１に示すようにＳｉＣなどの半導体チップ１の電極２の表面に、主成分としてＣｕ粒子とＳｎ粒子を含むペースト状の接合剤Ａを塗布する（ステップ１）。Ｃｕ粒子とＳｎ粒子の組成比は、例えばおよそ３：１（モル比）に設定されている。接合剤Ａには、Ｃｕ粒子、Ｓｎ粒子の他、ペースト溶媒が含まれている。また、接合剤Ａは、Ａｕ、Ａｇなどを含むものであってもよい。なお、接合剤Ａが塗布される半導体チップ１の電極２は、例えＮｉめっき層又はＮｉ/Ａｕめっき層で構成されている。
次に、図２に示すように半導体チップ１の接合剤Ａを、Ｓｎの融点（２３２℃）より低い温度の例えば２００℃程度で加熱し、接合剤Ａを仮焼結する（ステップ２）。これにより、Ｓｎ粒子が溶融することなく、接合剤Ａのペースト溶媒成分が揮発し、接合剤Ａが硬化する。また、このときの加熱温度を、ペースト溶媒成分の沸点より低く保ってペースト溶媒成分を揮発させてもよい。こうすることにより、接合剤Ａにボイドが発生することを抑制できる。なお、図３（ａ）は、このときの接合剤ＡのＳＥＭ画像の一例を示し、接合剤ＡにはＣｕ粒子とＳｎ粒子が含まれている。
次に、図４に示すように半導体チップ１の電極２を下に向けた状態で、当該半導体チップ１の電極２を基板３の電極４に対向配置し位置合わせする。その後、図５に示すように半導体チップ１を基板３に近づけて、電極２と電極４を合わせ密着させる（ステップ３）。なお、基板３の電極４は、例えばＣｕ層の表面に、耐熱性が優れたＮｉ（Ｐ）めっき層又はＮｉ（Ｐ）/Ａｕめっき層が形成された構成を有している。
次に、例えば窒素雰囲気内で、図６に示すように半導体チップ１の接合剤ＡをＳｎの融点より高い温度の例えば２６０℃で加熱する。これにより、Ｓｎ粒子が溶融し、溶融したＳｎと固体のＣｕ粒子とを拡散反応させ、ＣｕとＳｎを遷移的液相焼結（ＴＬＰＳ（transient liquid phase sintering））させて、接合剤Ａの組成を、Ｃｕ6Ｓｎ5とＣｕ3Ｓｎを含むものにする（ステップ４）。図３（ｂ）は、このときの接合剤ＡのＳＥＭ画像の一例を示し、この接合剤Ａには、Ｃｕ6Ｓｎ5、Ｃｕ3Ｓｎの他、Ｃｕ粒子も残存している。こうして接合剤Ａが硬化し、半導体チップ１が基板３に接合される。このとき得られた半導体チップ１と基板３の接合部分の耐熱温度（融点）は、４１５℃程度となる。
上述のように一つの半導体チップ１を基板３に接合した後、図７に示すように他の半導体チップ１も同様に上記ステップ１〜４を経て基板３に接合する。すなわち、半導体チップ１に対し、Ｃｕ粒子とＳｎ粒子を含むペースト状の接合剤Ａを塗布し、Ｓｎの融点より低い温度で仮焼結し、その後Ｓｎの融点より高い温度で加熱してＣｕとＳｎを遷移的液相焼結させて、半導体チップ１を基板３に接合する。
総ての半導体チップ１についてステップ１〜ステップ４まで終了し基板３に接合されると、次に加熱炉において複数の半導体チップ１を一括して加熱する。この加熱は、例えばこの時の接合剤Ａ（接合部分）の融点（４１５℃）より低い温度の例えば２３２℃〜４１５℃程度（好ましくは、２６０℃〜３００℃程度、より好ましくは２４０℃〜２６０℃程度）で、１分〜３０分程度（好ましくは、３分〜１０分程度、より好ましくは１分〜２分程度）行う。この加熱により、図８に示すように接合剤ＡのＣｕ6Ｓｎ5をＣｕ3Ｓｎに変化させ、Ｃｕ3Ｓｎの比率を増やして、Ｃｕ3Ｓｎリッチの組成にする（ステップ５）。このとき、当初の接合剤ＡのＣｕ粒子とＳｎ粒子の金属粒子組成比に応じて、Ｃｕ3Ｓｎの単相、Ｃｕ3Ｓｎ相とＣｕ粒子の平衡組織、又はＣｕ3ＳｎとＣｕ6Ｓｎの混合相となる。例えば当初の接合剤ＡのＣｕ粒子とＳｎ粒子の金属粒子組成比が、Ｓｎ：Ｃｕ＝２４．５〜２５．９at.％の場合、Ｃｕ3Ｓｎの単相となり、Ｓｎ:Ｃｕ＜２５．９at.％の場合、Ｃｕ3Ｓｎ相とＣｕ粒子の平衡組織となり、２５．９〜４３．５at.％の場合、Ｃｕ3ＳｎとＣｕ6Ｓｎ5の混合相になる。好ましくは、Ｃｕ3Ｓｎの単相、或いはＣｕ3Ｓｎ相とＣｕ粒子の平衡組織になるとよく、Ｃｕ3Ｓｎは、Ｃｕ6Ｓｎ5より強度、熱伝達率及び電気伝導率に優れているため、その場合接合部分の耐熱温度（融点）が６７６℃程度となる。
図９にＣｕ‐Ｓｎの二相状態図を示す。図９に示すように、ＣｕとＳｎの融点は、それぞれ１０８４℃、２３２℃であり。２３２℃以上の温度で加熱すると、Ｓｎ粒子は溶融し、その溶融したＳｎは、固体のＣｕ粒子と反応してη（Ｃｕ6Ｓｎ5）の金属間化合物を形成する。この反応をさらに進めると、ＳｎがＣｕ‐Ｓｎ結合に消費され、Ｃｕとε（Ｃｕ3Ｓｎ）の金属微細構造を形成する。これは高い融点を有し、４１５℃までは溶融しない。さらにＣｕ6Ｓｎ5がＣｕ3Ｓｎに変化していくと、６７６℃までは溶融しないものとなる。
本実施の形態によれば、接合剤Ａを用いて高融点の接合を実現できるので、高温動作可能なパワーモジュールなどの半導体モジュールに使用できる。
また、半導体チップ１の電極２を基板３の電極４に合わせる前のステップ２において、Ｓｎの融点より低い温度で加熱し、接合剤Ａを仮焼結しているので、半導体チップ１と基板３を合わせる際に、接合剤Ａが電極２からはみ出したり電極２から落下することを防止できる。
また、ステップ２において、ペースト溶媒の沸点より低い温度でペースト溶媒を揮発させるので、接合部におけるボイドの発生を抑制できる。
ステップ５のＣｕ3Ｓｎの比率を増やす工程において、Ｃｕ3Ｓｎ単独、或いはＣｕ3ＳｎとＣｕ粒子の混合組織を形成することにより、接合部分の融点を６７６℃程度まで上げることができる。
各半導体チップ１に対し、ステップ１〜ステップ４をそれぞれ行い、その後、総ての半導体チップ１に対しステップ５のＣｕ3Ｓｎの比率を増やす工程を一括して行うので、複数の半導体チップ１の実装時間を短縮することができる。
ところで、上記ステップ４における遷移的液相焼結（ＴＬＰＳ）では、接合剤Ａの組成にＣｕ粒子が残ることがある。しかしながら、この場合Ｃｕ粒子と他の金属間化合物との熱膨張係数が異なるため、それらの間に熱応力が生じる。そこで、ＴＬＰＳの加熱時間（ＴＬＰＳ時間）を延ばし、Ｃｕ粒子をより多く拡散反応させ、最終的なＣｕ粒子の径をより小さくしたり、Ｃｕ粒子を消滅させてもよい。この場合ＴＬＰＳ時間は、１分〜２分程度にしてもよい。
一方、ＴＬＰＳ時間を長くすると、半導体チップ１の接合に要する時間が長くなる。ＴＬＰＳをより短時間で行うため、予め粒径の小さいＣｕ粒子を用いるようにしてもよい。
ここで、Ｃｕ粒子の粒径とＴＬＰＳ時間の関係を検証する。図１０は、実際に２６０℃、窒素雰囲気で行ったＴＬＰＳにおける接合部分の組成変化を撮影した光学画像である。図１１、図１２は、ＳＥＭ画像により得られたＴＬＰＳ時のＣｕ粒子の粒径とＴＬＰＳ時間との関係を示すグラフである。これらのグラフから、Ｃｕ粒子の粒径とＴＬＰＳ時間の関係を示す次の経験式（１）が得られる。
X=6.8-1.3Ln(t) (1)
ここで、ＸはＣｕ粒子の残留粒径（μｍ）、tはＴＬＰＳ時間（ｍｉｎ）である。
X=6.8-1.3Ln(t) (1)
ここで、ＸはＣｕ粒子の残留粒径（μｍ）、tはＴＬＰＳ時間（ｍｉｎ）である。
この式（１）から、Ｃｕ粒子が消滅（Ｘ＝０）するためのＴＬＰＳ時間は、１８０分と予測できる。
また、経験式（１）は、次の一般式（２）で表せられる。
X=X0-1.3Ln(t) (２)
ここで、Ｘ0は初期のＣｕ粒子の粒径（または平均値）（μｍ）である。
X=X0-1.3Ln(t) (２)
ここで、Ｘ0は初期のＣｕ粒子の粒径（または平均値）（μｍ）である。
一般的なＳｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだのリフロー条件と同様の条件、すなわち２６０℃、３分の条件下で、Ｃｕ粒子を消滅させようとした場合、上記式（２）から、初めのＣｕ粒子の粒径が３μｍ以下であることが必要となる。即ち、３μｍ以下のＣｕ粒子を使うことで、高価かつ複雑の真空リフロー炉を使わなくても、普通の窒素リフロー炉とＳｎ−Ａｇ−Ｃｕのリフロー条件下でＣｕ粒子が消滅し、融点が４１５℃の耐高温接合を実現できる。よって、Ｃｕ粒子の直径は、０．０１〜３μｍが好ましい。また、直径０．０１〜３μｍのＣｕ粒子を用いた場合、Ｓｎ粒子の粒径は０．０１〜４０μｍが好ましい。
なお、ＴＬＰＳ時間を短縮するために、ＴＬＰＳの加熱温度を上げるようにしてもよく、２３２℃以上のＴＬＰＳ加熱では、焼結温度が高いほど、拡散速度が速く、Ｃｕ粒子の消失時間が短くなる。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
例えば以上の実施の形態で記載した半導体チップ１と基板３の接合方法は、図１３に示すような二次元実装の半導体モジュール１０に適用してもよいし、図１４に示すような三次元実装の半導体モジュール１０に適用してもよい。ここで、二次元実装は、例えば基板３の片面に半導体チップ１を実装し、半導体チップ１の基板３側の電極は、はんだである接合剤Ａにより基板３の電極４と接合し、半導体チップ１の基板３と反対側の電極は、ワイヤボンディング５により基板３の電極４と接続したものである。また、三次元実装は、例えば半導体チップ１の両面に基板３を配置し、半導体チップ１の両面の電極を各基板３の電極４に、はんだである接合剤Ａにより接合したものである。
本実施例において半導体チップ１と基板３の接合部分のせん断強度は、図１５に示すように半導体チップ１の側面にテスト部材２０を当接し、せん断方向に押圧し、接合部分が破断するのに要した力を検出して測定した。
図１６は、半導体チップ１と基板３の接合強度についての、基板３の電極４の種類による影響を示す実験結果である。基板３の電極４がＮｉ（Ｐ）/Ａｇの場合に最もせん断強度が強く、次にＮｉ（Ｐ）/Ａｕの場合にせん断強度が強く、Ｎｉ（Ｐ）の場合にせん断強度が弱かった。
図１７は、半導体チップ１と基板３の接合強度と、ＴＬＰＳ時に半導体チップ１と基板３との間に付与された圧力との関係を示す実験結果である。０．１ＭＰａ以上の圧力を付与した場合、圧力を付与しない場合に比べて約２倍のせん断強度となった。また、付与する圧力を０．１ＭＰａ以上に上げても、せん断強度は上昇しなかった。圧力を付与することによってＣｕ粒子とＳｎ粒子が圧縮され接合力が強められることが分かる。
図１８は、半導体チップ１と基板３の接合強度と、Ｃｕ3Ｓｎの比率を増やす工程（ステップ５）の加熱時間との関係を示す実験結果である。この実験では３００℃の加熱温度で行われ、加熱時間が増えると、せん断強度が増加することが分かる。
また、図１８は、Ｃｕ3Ｓｎの比率を増やす工程の加熱を行う前と、１０００時間の加熱を行った後の、半導体チップ１と基板３の接合部分の縦断面のＳＥＭ画像である。接合部のＣｕ6Ｓｎ5相がＣｕ3Ｓｎ相に変化していることが確認できる。
図１９は、−４０℃〜２５０℃の熱的サイクル数と、半導体チップ１と基板３の接合強度との関係を示す実験結果である。５００サイクルを行った場合でも、限界値（３０ＭＰａ）を大きく上回るせん断強度を維持できることが確認できる。
図２０は、半導体チップ１と基板３の接合部分の電気抵抗と、Ｃｕ3Ｓｎの比率を増やす工程（ステップ５）の加熱時間との関係を示す実験結果である。加熱時間により電気抵抗に大きな変化はなく、また、加熱時間が長い場合に、接合剤としてＡｕＧｅを用いた場合よりも電気抵抗が低く安定的に維持されることが確認できる。
１ 半導体チップ
２ 電極
３ 基板
４ 電極
１０ 半導体モジュール
Ａ 接合剤
２ 電極
３ 基板
４ 電極
１０ 半導体モジュール
Ａ 接合剤
Claims (7)
- 半導体モジュールにおける半導体チップと基板を接合する方法であって、
前記半導体チップ又は前記基板の接合面に、Ｃｕ粒子とＳｎ粒子を含む接合剤を塗布する工程と、
前記半導体チップの接合面と前記基板の接合面を前記接合剤を介在して合わせる工程と、
Ｓｎの融点より高い温度で加熱し、前記接合剤のＣｕとＳｎを遷移的液相焼結させて、前記接合剤をＣｕ6Ｓｎ5とＣｕ3Ｓｎを含む組成にする工程と、
さらに加熱し前記接合剤のＣｕ6Ｓｎ5をＣｕ3Ｓｎに変化させて、前記接合剤におけるＣｕ3Ｓｎの比率を増やす工程と、を有する、接合方法。 - 前記半導体チップの接合面と前記基板の接合面を合わせる前に、Ｓｎの融点より低い温度で加熱し、前記接合剤を仮焼結する工程を、さらに有する、請求項１に記載の接合方法。
- 前記仮焼結する工程では、前記接合剤に含まれるペースト溶媒の沸点よりも低い温度で加熱し、前記ペースト溶媒を揮発させる、請求項２に記載の接合方法。
- 前記Ｃｕ粒子と前記Ｓｎ粒子は、３μｍ以下の粒径を有する、請求項１〜３のいずれかに記載の接合方法。
- 前記Ｃｕ3Ｓｎの比率を増やす工程において、Ｃｕ3ＳｎとＣｕ粒子の混合相、或いはＣｕ3Ｓｎの単相を形成する、請求項１〜４のいずれかに記載の接合方法。
- 前記半導体チップが複数ある場合に、
各半導体チップに対し、前記接合剤を塗布する工程、前記接合面を合わせる工程及び前記接合剤をＣｕ6Ｓｎ5とＣｕ3Ｓｎを含む組成にする工程をそれぞれ行い、その後、前記複数の半導体チップに対し、前記Ｃｕ3Ｓｎの比率を増やす工程を一括して行う、請求項１〜５のいずれかに記載の接合方法。 - 請求項１〜６のいずれかに記載の接合方法を有する、半導体モジュールの製造方法。
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