JP2015115481A - 半導体部品および半導体部品の製造方法 - Google Patents

半導体部品および半導体部品の製造方法 Download PDF

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優 山寄
Yu Yamayori
優 山寄
哲也 釘宮
Tetsuya Kugimiya
哲也 釘宮
廣畑　賢治
Kenji Hirohata
賢治 廣畑
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Abstract

【課題】接合信頼性の低下を回避する半導体部品および半導体部品の製造方法を提供する。
【解決手段】実施形態の半導体部品は、回路基板と、半導体チップと、接合部と、を備える。接合部は、回路基板と、半導体チップと、の間で金属粒子を含むペーストを焼結することで形成され、回路基板と、半導体チップと、を接合する。接合部は、半導体チップの直下の第１領域と、第１領域に隣接する第２領域と、を含む。第２領域の空孔率は、第１領域の空孔率以下である。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、半導体部品および半導体部品の製造方法に関する。
半導体パワーデバイスの高効率化、高速化を目的として、従来のＳｉパワーデバイスとは異なるＳｉＣパワーデバイスやＧａＮパワーデバイスの開発が世界的に進められている。これらの次世代パワーデバイスの特徴の一つに高温動作が挙げられる。Ｓｉパワーデバイスでは、耐熱性の制約により１５０℃以下で運用されることが通常である。しかし、次世代パワーデバイスでは２００℃以上の高温動作が可能とされている。
これに伴いダイマウント実装時の接合材料にも従来以上の耐熱性が求められている。従来のはんだとは組成の異なる、耐熱性や高温時の信頼性に優れたはんだ材料や、融点の高い金属間化合物層を形成して接合する方式など様々な新規材料や新規接合方式の開発が進められている。
有力視されている接合方式として、ナノまたはマイクロメートルオーダの金属粒子と有機保護膜などからなる金属粒子ペーストを加熱、加圧することで焼結する金属粒子焼結材を用いた焼結方法が存在する。
特開２０１３−１２７０６号公報 特開２０１３−１２６９３号公報
Journal of Alloys and Compounds ５１４（２０１２）、６−１９
しかしながら、従来技術では、例えば金属粒子ペーストが適切に加圧されないことにより接合信頼性が低下する場合があった。
実施形態の半導体部品は、回路基板と、半導体チップと、接合部と、を備える。接合部は、回路基板と、半導体チップと、の間で金属粒子を含むペーストを焼結することで形成され、回路基板と、半導体チップと、を接合する。接合部は、半導体チップの直下の第１領域と、第１領域に隣接する第２領域と、を含む。第２領域の空孔率は、第１領域の空孔率以下である。
第１の実施形態の半導体部品を説明するための断面図。 半導体部品を形成するときの加圧の様子を示す図。 半導体チップ近傍の外周部を加圧しない場合の様子を示す図。 半導体部品の一例を示す断面図。 焼結プロセスでの加圧方法の一例を示す図。 本実施形態の焼結プロセスでの加圧方法の一例を示す図。 半導体チップの端部からの距離と応力値との関係を示す図。 半導体チップ近傍の金属粒子焼結材の形状の一例を示す図。 第２の実施形態の半導体部品を説明するための断面図。 半導体チップを囲う形状の補助部材の例を示す図。 補助部材を半導体チップの各辺に沿って実装する例を示す図。 補助部材を半導体チップの各辺に沿って実装する例を示す図。 第３の実施形態の半導体部品を説明するための断面図。 第３の実施形態の半導体部品を上方から観察した場合の図。 配線構造に断線が生じた場合の例を説明する図。 第４の実施形態の半導体部品を説明するための断面図。
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体部品および半導体部品の製造方法の好適な実施形態を詳細に説明する。
以下に、金属粒子焼結材を用いた接合方法について説明する。金属粒子焼結材は、ナノまたはマイクロメートルオーダの粒子を用いることにより、バルク金属よりもはるかに低融点での焼結が可能である。焼結組織は高融点で熱伝導性、電気伝導性に優れた特性を示す。金属粒子としては、例えば、銀や銅の粒子が用いられる。
一方、焼結後の金属組織は、ナノまたはマイクロ粒子が繋がったポーラスな組織となっている。すなわち、ボイドの混入などを除いて基本的には密な組織である従来のはんだ接合などとは全く異なる構造となっている。そのため、金属粒子焼結接合の高い接合信頼性を担保していくことが、課題の一つとなっている。
金属粒子焼結時の焼結温度と焼結時の加圧力が接合信頼性に及ぼす影響についての研究では、焼結温度が高いほど焼結後の組織の引張強度が高くなること、焼結時の加圧力が高いほど焼結後の組織のせん断強度が高くなることなどが明らかとなっている。
接合プロセスにおいて濡れ性に起因したセルフアライメント効果が存在するはんだ接合とは異なり、金属粒子焼結接合においては、セルフアライメント効果が期待できない。このため、信頼性を高めるためには金属粒子ペーストをチップ寸法よりも大きく塗布することが行われる。しかし、加圧力によって焼結組織を密にすることによる接合強度の向上は、搭載するチップ直下のみにしか効果がなく、チップ周辺領域には加圧されない金属粒子焼結組織が残ってしまう。このため、チップ周辺の強度の低い焼結組織が起点となり、き裂が発生進展するという破壊モードに対しては必ずしも有効ではない。
このように、金属粒子焼結接合は、はんだ接合などとは全く異なる構造となっている。そのため、金属粒子焼結接合の高い接合信頼性を担保していくことが、課題の一つとなっている。
以下の各実施形態の半導体部品は、例えば、半導体チップが基板（回路基板）上に金属粒子焼結材によってダイマウント実装される半導体部品である。各実施形態の半導体部品は、半導体パッケージなどにより実現してもよい。
各実施形態の半導体部品は、半導体チップ、半導体チップ近傍の外周部まで広がる金属粒子焼結接合層、および、半導体チップが実装される基板を有している。各実施形態では、加熱および加圧の工程で、半導体チップの上部のみではなく、半導体チップの外側領域に存在する金属粒子ペーストにも十分な加圧を行う。この結果、金属粒子焼結接合層は、半導体チップ近傍の外周部において、半導体チップ直下の金属粒子焼結接合層（第１領域）の平均空孔率以下の平均空孔率となる領域（第２領域）を有するように形成される。これにより、基板と半導体チップの接合信頼性が向上する。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の半導体部品を説明するための断面図である。図１に示されるように、半導体部品は、半導体チップ１が基板２に対して金属粒子焼結接合によってダイマウント実装されている。金属粒子焼結接合による接合部は、焼結組織３と焼結組織４とを含む。焼結組織３は、加圧により空孔率が小さくなる部分である。焼結組織４は、加圧が不十分であるため焼結組織３より空孔率が大きくなる部分である。
図２は、半導体部品を形成するときの加圧の様子を示す図である。図２のように、本実施形態では、半導体チップ１、および、半導体チップ１近傍の外周部の下方の金属粒子ペーストの領域２０２に対して焼結プロセスで加圧を行う。これにより、半導体チップ１下および領域２０２に、ち密な焼結組織３が形成される。
領域２０２は、金属粒子ペーストのうち、半導体チップ１の直下の領域２０１（第１領域）に隣接する領域（第２領域）である。領域２０２の空孔率（平均空孔率）は、加圧により、半導体チップ１の直下の領域２０１の空孔率（平均空孔率）以下となる。また、領域２０２は、領域２０１の厚さ（平均厚さ）以下の厚さとなる領域を含む。領域２０２の幅（半導体チップ１の端部からの距離）は、接合信頼性を向上させることができる予め定められた長さであればよい。後述するように、領域２０２の大きさは、例えば、半導体チップ１の端部から１００μｍ以内とすることができる。
図３は、半導体チップ近傍の外周部を加圧しない場合の様子を示す図である。図４は、この場合に形成される半導体部品の一例を示す断面図である。図３のように焼結プロセスで半導体チップ１０１近傍の外周部が加圧されない場合、焼結後の断面は図４のようになる。基板１０２の上に形成される金属粒子焼結組織は、ち密な焼結組織１０３と、半導体チップ１０１近傍の外周部の、強度の低い疎な焼結組織１０４とを含む。
半導体チップ１０１端部の近傍は、応力集中などが生じやすいため、き裂発生の起点になりやすい。このため、図４のように形成された半導体部品は、強度の低い焼結組織１０４が起点となってき裂が発生および進展するおそれがある。
これに対し、本実施形態では、周辺加圧により、図１のように、半導体チップ１近傍の外周部にも、ち密な金属粒子焼結組織を形成する。これにより、き裂発生リスクの高い半導体チップ１の端部近傍の強度を向上し、接合部におけるリスクを低減することが可能となる。
図５は、焼結プロセスでの加圧方法の一例を示す図である。焼結プロセスでは、基板２上に金属粒子ペースト５が配置され、金属粒子ペースト５の上に半導体チップ１が配置される。そして、半導体チップ１の上方から、緩衝部材６ａを介して加圧ジグ８により加圧が行われる。
加圧を必要とする金属粒子焼結接合においては、半導体チップ１の面全体の加圧力を均一化するために、図５のように加圧ジグ８と半導体チップ１の上面との間に柔らかい緩衝部材６ａを挟むことがよく行われる。緩衝部材６ａは、加圧時に大きく変形するが、半導体チップ１の近傍には空間が残る。このため、半導体チップ１の周辺領域は加圧がなされず、図４のように、半導体チップ１近傍の外周部の金属粒子焼結組織は疎になってしまう。
次に、図２のように周辺加圧を行う方法について説明する。図６は、本実施形態の焼結プロセスでの加圧方法の一例を示す図である。図６は、緩衝部材の形状を工夫する方法の例を示す。図６のように、本実施形態では、半導体チップ１とほぼ同じ大きさの凹部を緩衝部材６ｂに設ける。これにより、半導体チップ１近傍の外周部の下方に位置する金属粒子ペーストを加圧することが可能となる。緩衝部材６ｂの材料は、柔らかく弾性に優れており、金属粒子焼結材と接合しないゴムおよびグラフェンなどの材料を選択する。
半導体チップ１周辺の加圧すべき領域の大きさは、半導体チップ１端部の応力およびひずみが集中する範囲と対応する。図７は、半導体チップ１の端部からの距離と、応力値（ミーゼス応力）との関係の一例を示す図である。応力値は、金属粒子焼結組織内に生じる応力の値である。図７は、ダイマウント実装構造を模擬して温度変動のシミュレーションを行い、横軸に半導体チップ１端部からの距離、縦軸に応力値を取って図示したグラフである。このグラフから、半導体チップ１端部の応力が高くなる領域の大きさが１００μｍ以下となっていることがわかる。このことから、半導体チップ１周辺の加圧が有効な領域の大きさは、半導体チップ１の端部から１００μｍ以内であると考えられる。
なお、１００μｍの値は一例であり、これに限られるものではない。金属粒子の材料などに応じて、接合信頼性を向上させることができる適切な値を採用すればよい。例えば応力値が所定の閾値以下となる距離（半導体チップ１の端部からの長さ）を、実験またはシミュレーションなどにより求め、半導体チップ１の端部から、求めた距離までの領域の金属粒子ペーストを加圧するように構成してもよい。
図８は、半導体チップ１近傍の金属粒子焼結材の形状の一例を示す図である。図８は、加圧時の緩衝部材６ｂのポアソン変形により、半導体チップ１端部近傍の焼結組織３の形状がフィレット状となる例を示す。例えば緩衝部材６ｂの材料や焼結時の加圧力を適切に制御することで、図８のような形状の焼結組織３を形成することができる。焼結組織３がこのような形状となることで、半導体チップ１端部の応力集中を低減し、さらに接合信頼性を向上させることできる。
本実施形態の半導体部品は例えば以下のように製造される。まず基盤上に金属粒子ペーストが配置される。次に、金属粒子ペースト上に半導体チップ１が配置される。次に、半導体チップ１の上方から半導体チップ１を加圧するとともに、金属粒子ペーストの半導体チップ１が配置されていない領域（半導体チップ１近傍の外周部）の上方から金属粒子ペーストが加圧され、金属粒子ペーストが加圧焼結される。
（第２の実施形態）
第１の実施形態では、緩衝部材などの形状を工夫することで半導体チップ１近傍の外周部への加圧を実現した。一方、外周部に別の部材（補助部材）を実装することによっても同様に、外周部の下方に、ち密な金属粒子焼結組織を形成することができる。
図９は、第２の実施形態の半導体部品を説明するための断面図である。図９は、補助部材９を半導体チップ１近傍の外周部に実装する場合の断面図を示す。補助部材９は、半導体チップ１直下の金属粒子焼結接合層（第１領域）に隣接する領域（第２領域）の、半導体チップ１側の面上に形成される。補助部材９を実装する場合にも加圧力を均一化するために緩衝部材を挟んで加圧することが望ましい。補助部材９の形状については様々なものが考えられる。
図１０は、半導体チップ１を囲う形状の補助部材９の例を示す図である。このような補助部材９を用いることにより、半導体チップ１の外周全域に対して接合信頼性を向上させることができる。
図１１は、補助部材を分割し、半導体チップ１の各辺に沿って実装する方法の例を示す図である。図１１のように複数の補助部材９−２に分割して接合部１０の上に配置することで、実装された補助部材９−２と基板の熱膨張率差に起因して生じる負荷を低減することができる。また温度変動時の線膨張率差に起因する負荷は実装される半導体チップ１の中央からの距離に伴って大きくなる。このため、半導体チップ１の角部近傍において負荷が最大となる。そこで図１２のように負荷が最大となる半導体チップ１の角部近傍に、Ｌ字型の補助部材９−３を実装する方法も有効である。
（第３の実施形態）
第２の実施形態では、半導体チップ１近傍の外周部に補助部材を実装することで、外周部の下方の金属粒子焼結組織をち密にした。第３の実施形態では、この補助部材を接合部の故障予兆検出に活用する例を説明する。図１３および図１４は、補助部材を故障予兆検出に活用する場合の構成例を示す。図１３は、第３の実施形態の半導体部品を説明するための断面図である。図１４は、第３の実施形態の半導体部品を半導体チップ１の上方から観察した場合の図である。
断線信号を検出するため、接合部１０に溝１１を形成し、図１４のように、接合部１０を、中央部の領域１０ａと外周部の領域１０ｂとに分割する。また図１３に示すように、補助部材９を用いて、半導体チップ１の外周部に断線検知を目的とした配線構造１２（接続経路）を形成する。この場合は、補助部材９として導電性を有する部材を用いる。
例えば半導体部品の内部または外部に備えられる測定部（図示せず）が配線構造１２の電気特性を測定することにより、配線構造１２の断線を検知する。電気特性は例えば、電気抵抗値、電流、および電圧などである。
図１５は、配線構造１２に断線が生じた場合の例を説明する図である。図１５のように補助部材９の下部においてき裂１３が発生し配線構造１２が断線すると、電気抵抗値の変化などの断線信号を検知することができる。これにより、接合部１０の故障予兆検出が可能となる。故障予兆の検出は早期の保守作業実施などに活用可能であり、半導体パッケージを用いたシステムの堅牢性向上に有益である。
（第４の実施形態）
第４の実施形態では、半導体チップ１近傍の外周部の金属粒子焼結組織をち密化する異なる形態として、基板のダイマウント接合部直下の領域に凹部を形成する方法を説明する。
図１６は、第４の実施形態の半導体部品を説明するための断面図である。基板２−４の凹部は、少なくとも半導体チップ１の形状よりも大きい形状とする。本実施形態の半導体部品は例えば以下のように製造される。まず基盤の凹部に金属粒子ペーストが充填される。次に、金属ペーストの上部に半導体チップ１が配置される。次に、半導体チップ１の上方から半導体チップ１が加圧され、加圧焼結が行われる。このような方法により、凹部の壁面の拘束によって半導体チップ１近傍の外周部の金属粒子焼結材に対しても加圧することが可能となり、焼結組織のち密化が実現できる。
以上説明したとおり、第１から第４の実施形態によれば、半導体チップの外側領域に存在する金属粒子ペーストも加圧して焼結を行うことができる。これにより、半導体チップの端部近傍の強度を向上させ、基板と半導体チップの接合信頼性を向上させることができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１ 半導体チップ
２ 基板
３、４ 焼結組織
５ 金属粒子ペースト
６ａ、６ｂ 緩衝部材
８ 加圧ジグ
９ 補助部材
１０ 接合部
１１ 溝
１２ 配線構造

Claims (7)

  1. 回路基板と、
    半導体チップと、
    前記回路基板と前記半導体チップとの間で金属粒子を含むペーストを焼結することで形成され、前記回路基板と前記半導体チップとを接合する接合部と、を備え、
    前記接合部は、前記半導体チップの直下の第１領域と、前記第１領域に隣接する第２領域と、を含み、
    前記第２領域の空孔率は、前記第１領域の空孔率以下である、
    半導体部品。
  2. 前記第２領域は、前記第１領域の平均厚さ以下の厚さである領域を含む、
    請求項１に記載の半導体部品。
  3. 前記第２領域の前記半導体チップ側の面上に形成された補助部材をさらに備える、
    請求項１に記載の半導体部品。
  4. 前記補助部材は導電性を有し、
    前記接合部および前記補助部材は、電気特性を測定可能な接続経路を構成する、
    請求項３に記載の半導体部品。
  5. 前記回路基板は、凹部を有し、
    前記接合部は、前記凹部に充填した前記ペーストを焼結することで形成される、
    請求項１に記載の半導体部品。
  6. 前記第２領域の幅は、１００μｍ以下である、
    請求項１に記載の半導体部品。
  7. 回路基板上に金属粒子を含むペーストを配置する工程と、
    前記ペースト上に半導体チップを配置する工程と、
    前記半導体チップの上方から前記半導体チップを加圧するとともに、前記ペーストの前記半導体チップが配置されていない領域の上方から前記ペーストを加圧し、前記ペーストを焼結する工程と、
    を含む半導体部品の製造方法。
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