JP2015144228A - semiconductor device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an effective technique for relaxing a thermal stress generated at a bonding layer with a simple structure in a semiconductor device in which a semiconductor element is bonded on a substrate through the bonding layer.SOLUTION: A semiconductor device 100 includes: a metal substrate 110; and a semiconductor element 120 bonded to the substrate 110 through a bonding layer 130 composed only of a bonding material coated to a bonding region 112 on the substrate 110. A shape of an outer periphery part of the bonding layer 130 is constituted of an R part 131 having a predetermined radius of curvature.

Description

本発明は、基板上に接合層を介して半導体素子が接合される半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device in which a semiconductor element is bonded to a substrate via a bonding layer.

近年、この種の半導体装置においては半導体の使用温度レベルが高くなってきており、熱に対する耐性を考慮した装置設計が望まれている。具体的に説明すると、基板と半導体素子との接合界面に高い熱応力が生じると接合界面に剥離やクラックが発生する要因に成り得るため、この問題を解決するべく熱応力を緩和する種々の技術開発がなされている。   In recent years, in this type of semiconductor device, the operating temperature level of the semiconductor has increased, and there is a demand for device design that takes heat resistance into consideration. Specifically, since a high thermal stress at the bonding interface between the substrate and the semiconductor element may cause peeling or cracking at the bonding interface, various techniques for relaxing the thermal stress to solve this problem Development is in progress.

従来、基板と半導体素子との接合界面における熱応力緩和性に着目した技術の一例として、例えば下記特許文献1から3に開示の半導体装置が知られている。特許文献1,2に開示の半導体装置は、熱応力が集中する接合材層に応力緩和部材や中間材を挟み込んだ状態で基板に半導体素子が接合されるように構成されている。特許文献3に開示の半導体装置は、基板と半導体素子との間に熱可塑性接合層を介装し、この熱可塑性接合層の一部を温度制御によって液層化(軟化)させるように構成されている。   Conventionally, as an example of a technique focusing on thermal stress relaxation at a bonding interface between a substrate and a semiconductor element, for example, semiconductor devices disclosed in Patent Documents 1 to 3 below are known. The semiconductor devices disclosed in Patent Documents 1 and 2 are configured such that a semiconductor element is bonded to a substrate in a state where a stress relaxation member or an intermediate material is sandwiched between bonding material layers where thermal stress is concentrated. The semiconductor device disclosed in Patent Document 3 is configured such that a thermoplastic bonding layer is interposed between a substrate and a semiconductor element, and a part of the thermoplastic bonding layer is liquid-layered (softened) by temperature control. ing.

特開2008−277317号公報JP 2008-277317 A 特開2012−291302号公報JP 2012-291302 A 特開2013−84657号公報JP 2013-84657 A

(発明が解決しようとする課題)
特許文献1,2に開示の半導体装置は、基板と半導体素子との接合界面に、これら基板及び半導体素子とは別の部材である応力緩和部材や中間材を介装させる構成であるため、構造や製造工程が複雑化して製造コストが高くなるという問題を抱えている。また、これらの半導体装置では、接合材層が多層化するため、各層間での接合状態が良好でない場合には欠陥発生の発生によって接合強度が低下するという虞がある。特許文献3に開示の半導体装置は、熱可塑性接合層の温度を制御するための温度センサ及び制御機構を含む大掛かりなシステムを必要とするため、構造が複雑化して製造コストが高くなるという問題を抱えている。また、この半導体装置では、接合材層に複数の接合材料が介在するため、各接合材料間での物性値(融点、線膨張率)の相違によるボイドや隙間の発生によって接合強度が低下するという虞がある。
(Problems to be solved by the invention)
Since the semiconductor device disclosed in Patent Documents 1 and 2 has a structure in which a stress relaxation member or an intermediate material, which is a member different from the substrate and the semiconductor element, is interposed at the bonding interface between the substrate and the semiconductor element. In addition, the manufacturing process is complicated and the manufacturing cost is increased. In these semiconductor devices, since the bonding material layers are multi-layered, the bonding strength may be reduced due to the occurrence of defects when the bonding state between the layers is not good. Since the semiconductor device disclosed in Patent Document 3 requires a large-scale system including a temperature sensor and a control mechanism for controlling the temperature of the thermoplastic bonding layer, the structure is complicated and the manufacturing cost increases. I have it. Further, in this semiconductor device, since a plurality of bonding materials are interposed in the bonding material layer, the bonding strength is reduced due to the generation of voids and gaps due to the difference in physical property values (melting point, linear expansion coefficient) between the bonding materials. There is a fear.

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的の1つは、基板上に接合層を介して半導体素子が接合される半導体装置において、接合層に生じる熱応力を簡単な構造によって緩和するのに有効な技術を提供することである。   The present invention has been made in view of the above points, and one of its purposes is to simplify thermal stress generated in a bonding layer in a semiconductor device in which a semiconductor element is bonded to a substrate via a bonding layer. It is to provide an effective technique to alleviate the structure.

(課題を解決するための手段)
上記目的を達成するため、本発明に係る半導体装置は、基板と、接合材料のみからなる接合層を介して基板に接合された半導体素子(「半導体チップ」ともいう)と、を含む。基板と半導体素子との間に接合材料を介在させて加熱することによって接合層が形成される。この場合、基板と半導体素子との接合界面である接合層に、基板及び半導体素子とは別の部材が介装されることがない。従って、接合層自体の構造が簡素化される。また、接合層の外周部分の形状が所定の曲率半径(R寸法)を有するR部によって構成されている。この場合、接合層のR部には尖って突き出た角部に比べて応力集中が起こり難く、簡単な構造によって接合界面に生じる熱応力を緩和することができる。また、接合層の外周部分の形状のみを変更すればよいため、製造工程の簡素化及び製造コストの低減を図ることができる。なお、本発明では接合層の外周部分の全ての角部を排除するのが好ましいが、接合層の外周部分に少なくとも1つのR部が設けられていれば熱応力の緩和効果を得ることができる。
(Means for solving the problem)
In order to achieve the above object, a semiconductor device according to the present invention includes a substrate and a semiconductor element (also referred to as “semiconductor chip”) bonded to the substrate through a bonding layer made of only a bonding material. A bonding layer is formed by heating with a bonding material interposed between the substrate and the semiconductor element. In this case, a member different from the substrate and the semiconductor element is not interposed in the bonding layer that is a bonding interface between the substrate and the semiconductor element. Therefore, the structure of the bonding layer itself is simplified. Further, the shape of the outer peripheral portion of the bonding layer is constituted by an R portion having a predetermined radius of curvature (R dimension). In this case, the stress concentration is less likely to occur in the R portion of the bonding layer than the sharply protruding corner portion, and the thermal stress generated at the bonding interface can be relaxed with a simple structure. In addition, since only the shape of the outer peripheral portion of the bonding layer needs to be changed, the manufacturing process can be simplified and the manufacturing cost can be reduced. In the present invention, it is preferable to exclude all corners of the outer peripheral portion of the bonding layer. However, if at least one R portion is provided in the outer peripheral portion of the bonding layer, a thermal stress relaxation effect can be obtained. .

上記構成の半導体装置では、接合層は円柱形状であり、当該円柱形状の円弧半径がR部の所定の曲率半径に相当するのが好ましい。この場合、接合層の外周部分全体が1つのR部として構成される。これにより、R部の曲率半径が大きくなるため熱応力の緩和効果を高めるのに有効である。   In the semiconductor device having the above-described configuration, it is preferable that the bonding layer has a cylindrical shape, and the circular arc radius of the cylindrical shape corresponds to a predetermined curvature radius of the R portion. In this case, the entire outer peripheral portion of the bonding layer is configured as one R portion. As a result, the radius of curvature of the R portion is increased, which is effective in enhancing the effect of mitigating thermal stress.

上記構成の半導体装置では、接合層は、熱流動性を有する接合材料が接合領域に塗布された後に加熱されることによって形成されるように構成されるのが好ましい。この場合、この半導体装置は、接合材料の加熱前後での形状を維持するための形状維持機構を更に備えるのが好ましい。これにより、熱応力の緩和効果を高めるのに有効な接合層の所望の形状を確実に実現することができる。   In the semiconductor device having the above structure, it is preferable that the bonding layer is formed by heating after a bonding material having thermal fluidity is applied to the bonding region. In this case, the semiconductor device preferably further includes a shape maintaining mechanism for maintaining the shape of the bonding material before and after heating. As a result, it is possible to reliably realize a desired shape of the bonding layer that is effective in enhancing the effect of mitigating thermal stress.

上記構成の半導体装置では、形状維持機構は、接合領域のまわりを区画するように基板上に形成され、接合材料に対する撥液作用を有するナノメートルオーダーの凹凸構造によって構成されるのが好ましい。この場合、接合領域に塗布された接合材料は、加熱によって熱流動性を呈した場合でもナノメートルオーダーの凹凸構造を越えて接合領域外へと流出し難い。これにより、接合材料の加熱前後での形状を物理的な構造を用いて維持することが可能になる。   In the semiconductor device having the above configuration, the shape maintaining mechanism is preferably formed of a concavo-convex structure on the order of nanometers formed on the substrate so as to partition around the bonding region and having a liquid repellent effect on the bonding material. In this case, the bonding material applied to the bonding region hardly flows out of the bonding region beyond the concavo-convex structure on the nanometer order even when it exhibits thermal fluidity by heating. This makes it possible to maintain the shape of the bonding material before and after heating using a physical structure.

上記構成の半導体装置では、凹凸構造は、基板上にフェムト秒レーザーを照射するレーザー加工によって形成されるのが好ましい。これにより、ナノメートルオーダーの凹凸構造をフェムト秒レーザーを用いて確実に形成することができる。   In the semiconductor device having the above structure, the concavo-convex structure is preferably formed by laser processing that irradiates a femtosecond laser on the substrate. Thereby, the uneven structure of nanometer order can be reliably formed using a femtosecond laser.

上記構成の半導体装置では、半導体素子は、接合層に加えて前記接合材料のみからなる補助接合層を介して基板に接合され、補助接合層は、接合層の外周部分のうちR部の近傍に配置されるのが好ましい。この場合、接合層の外周部分にR部を設けることによって接合面積が低下した分を、補助接合層によって補うことができる。その結果、基板と半導体素子との間において電気伝導性や放熱性が低下するのを抑制することが可能になる。   In the semiconductor device having the above configuration, the semiconductor element is bonded to the substrate via the auxiliary bonding layer made of only the bonding material in addition to the bonding layer, and the auxiliary bonding layer is located near the R portion in the outer peripheral portion of the bonding layer. Preferably it is arranged. In this case, the auxiliary bonding layer can compensate for the decrease in the bonding area by providing the R portion on the outer peripheral portion of the bonding layer. As a result, it is possible to suppress a decrease in electrical conductivity and heat dissipation between the substrate and the semiconductor element.

上記構成の半導体装置は、基板上の接合領域に凹凸構造を備えるのが好ましい。これにより、接合層に対する基板の接合面積を増やすことができ、基板と接合層との接合強度を高めることができる。   The semiconductor device having the above structure preferably includes a concavo-convex structure in a bonding region on the substrate. Thereby, the bonding area of the substrate with respect to the bonding layer can be increased, and the bonding strength between the substrate and the bonding layer can be increased.

上記構成の半導体装置は、基板上の接合領域に長尺状に延在するとともに断面がマイクロメートルオーダーの波状である溝を備え、この溝によって凹凸構造が構成されるのが好ましい。これにより、平坦面(平滑面)であるベース構造の場合に平坦面に沿って直線的に発生するせん断応力を断面が波状である溝によって複数の方向に分散させることができる。その結果、基板と接合層との接合界面に生じる熱応力が緩和され熱疲労寿命が向上する。   The semiconductor device having the above structure preferably includes a groove extending in a long shape in a bonding region on the substrate and having a corrugated cross section having a micrometer order, and the groove constitutes an uneven structure. Thereby, in the case of the base structure which is a flat surface (smooth surface), the shear stress which generate | occur | produces linearly along a flat surface can be disperse | distributed in a some direction with the groove | channel with a wavy cross section. As a result, the thermal stress generated at the bonding interface between the substrate and the bonding layer is relaxed and the thermal fatigue life is improved.

上記構成の半導体装置では、溝は、接合領域から基板上で接合材料が塗布されない非接合領域まで連続して延在しているのが好ましい。これにより、接合材料に含まれる有機溶剤をこの溝を通じて接合領域から非接合領域へと排出することが可能になる。その結果、有機溶剤の残留が原因となって発生するボイドの発生比率を抑えることが可能になる。   In the semiconductor device having the above structure, the groove preferably extends continuously from the bonding region to the non-bonding region where the bonding material is not applied on the substrate. Thereby, the organic solvent contained in the bonding material can be discharged from the bonding region to the non-bonding region through the groove. As a result, it is possible to suppress the generation ratio of voids generated due to the residual organic solvent.

上記構成の半導体装置では、溝の複数が、接合領域の中心部から非接合領域まで連続して放射状に延在しているのが好ましい。この場合、一般的に接合領域の中心部付近に有機溶剤が残留してボイドが形成され易いため、有機溶剤を排出する手段として放射状の溝を用いることによって、ボイドの発生比率を抑える効果がより高くなる。   In the semiconductor device having the above configuration, it is preferable that a plurality of grooves extend radially from the central portion of the bonding region to the non-bonding region. In this case, since the organic solvent generally remains in the vicinity of the center of the joining region and voids are easily formed, the use of radial grooves as a means for discharging the organic solvent has a more effective effect of reducing the void generation rate. Get higher.

上記構成の半導体装置では、溝或は基板上にフェムト秒レーザーを照射するレーザー加工によって形成されるのが好ましい。これにより、断面がマイクロメートルオーダーの波状である溝をフェムト秒レーザーを用いて確実に形成することができる。   The semiconductor device having the above structure is preferably formed by laser processing that irradiates a femtosecond laser on a groove or a substrate. Thereby, the groove | channel where a cross section is a wave shape of a micrometer order can be reliably formed using a femtosecond laser.

上記構成の半導体装置はさらに、基板上の接合領域において、隣接する溝同士を接続する接続溝を備えているのが好ましい。この接続溝によれば、複数の溝を利用して接合材料である金属ナノペーストに含まれている有機溶剤を接合領域から非接合領域へと誘導する構造において、有機溶剤を誘導可能な方向を増やすことができる。これにより、任意の溝に有機溶剤が停滞・残留した場合でも、当該有機溶剤を接続溝を通じて別の溝に誘導した後、この別の溝を通じて非接合領域へと確実に誘導することができる。   The semiconductor device having the above-described structure preferably further includes a connection groove for connecting adjacent grooves in a bonding region on the substrate. According to this connection groove, in the structure in which the organic solvent contained in the metal nanopaste as the bonding material is guided from the bonding region to the non-bonding region using a plurality of grooves, the direction in which the organic solvent can be guided is set. Can be increased. As a result, even when the organic solvent stagnates or remains in an arbitrary groove, the organic solvent can be reliably guided to the non-joining region through the another groove after being guided to the other groove through the connection groove.

上記構成の半導体装置では、接続溝の断面が波状であるのが好ましい。これにより、温度的に厳しい使用環境下で接合層に蓄積された熱応力(熱歪)を、断面が波状の接続溝によって複数の方向(例えば、波の任意の点における法線ベクトル方向)に分散させることができる。その結果、冷熱サイクルを複数回繰り返しても、接合層における亀裂の進展を抑制、若しくは遅らせることが可能になる。   In the semiconductor device having the above configuration, it is preferable that the cross section of the connection groove is wavy. As a result, the thermal stress (thermal strain) accumulated in the bonding layer under a severe temperature environment can be applied to a plurality of directions (for example, a normal vector direction at an arbitrary point of the wave) by the connecting groove having a wavy cross section. Can be dispersed. As a result, even if the cooling cycle is repeated a plurality of times, it is possible to suppress or delay the progress of cracks in the bonding layer.

上記構成の半導体装置では、接続溝の複数が接合領域の中心部のまわりに同心円状に広がるように配置されるのが好ましい。これにより、熱応力(熱歪)が接合層の円周方向に作用する場合、この熱応力を接続溝によって複数の方向に確実に分散させることができる。   In the semiconductor device having the above configuration, it is preferable that a plurality of connection grooves are arranged so as to extend concentrically around the center portion of the bonding region. Thereby, when a thermal stress (thermal strain) acts in the circumferential direction of the bonding layer, the thermal stress can be reliably dispersed in a plurality of directions by the connection grooves.

上記構成の半導体装置では、接続溝は、接合領域から基板上で接合材料が塗布されない非接合領域まで連続するのが好ましい。この場合、接続溝は、複数の溝を接続する第1の機能に加えて、接合材料である金属ナノペーストに含まれている有機溶剤を接合領域から非接合領域まで誘導する第2の機能を果たすことができる。特に、溝及び接続溝の双方が接合領域から非接合領域まで連続して延在している場合には、これら二種類の溝の協働によって金属ナノペーストに含まれている有機溶剤を非接合領域まで誘導する機能を強化することができる。   In the semiconductor device having the above structure, it is preferable that the connection groove continues from the bonding region to the non-bonding region where the bonding material is not applied on the substrate. In this case, in addition to the first function of connecting the plurality of grooves, the connection groove has a second function of guiding the organic solvent contained in the metal nanopaste as the bonding material from the bonding region to the non-bonding region. Can fulfill. In particular, when both the groove and the connection groove extend continuously from the bonding region to the non-bonding region, the organic solvent contained in the metal nano paste is not bonded by the cooperation of these two types of grooves. The function of guiding to the area can be strengthened.

以上のように、本発明によれば、基板上に接合層を介して半導体素子が接合される半導体装置において、接合層に生じる熱応力を簡単な構造によって緩和することが可能になった。   As described above, according to the present invention, in a semiconductor device in which a semiconductor element is bonded to a substrate via a bonding layer, it is possible to reduce thermal stress generated in the bonding layer with a simple structure.

図1は本発明の実施形態にかかる半導体装置100の概略構成を示す斜視図である。FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of a semiconductor device 100 according to an embodiment of the present invention. 図2は図1中の半導体装置100の平面図である。FIG. 2 is a plan view of the semiconductor device 100 in FIG. 図3は図2中の接合層130において熱変化によって生じる熱応力Stを模式的に示す図である。FIG. 3 is a diagram schematically showing thermal stress St generated by thermal change in the bonding layer 130 in FIG. 図4は図2中の接合層130の変更例に係る接合層230の平面図である。4 is a plan view of a bonding layer 230 according to a modified example of the bonding layer 130 in FIG. 図5は接合層のR寸法と最大応力との関係(CAE解析)を示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing the relationship (CAE analysis) between the R dimension of the bonding layer and the maximum stress. 図6はベース形状の接合層、4つの角部がR1.2である接合層、円形の接合層のそれぞれについての最大応力(CAE解析)を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing the maximum stress (CAE analysis) for each of the base-shaped bonding layer, the bonding layer whose four corners are R1.2, and the circular bonding layer. 図7は接合層130,230の変更例に係る接合層330の平面図である。FIG. 7 is a plan view of a bonding layer 330 according to a modified example of the bonding layers 130 and 230. 図8は接合層130,230の変更例に係る接合層430の平面図である。FIG. 8 is a plan view of a bonding layer 430 according to a modified example of the bonding layers 130 and 230. 図9は図2中の半導体装置100の変更例に係る半導体装置200の平面図である。FIG. 9 is a plan view of a semiconductor device 200 according to a modification of the semiconductor device 100 in FIG. 図10は図9中の半導体装置200のA−A線についての断面構造を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a cross-sectional structure taken along the line AA of the semiconductor device 200 in FIG. 図11は図10中の撥液部141の断面拡大図である。FIG. 11 is an enlarged cross-sectional view of the liquid repellent portion 141 in FIG. 図12は本発明の半導体装置300において基板110上に設けられた凹凸構造150の平面図である。FIG. 12 is a plan view of the concavo-convex structure 150 provided on the substrate 110 in the semiconductor device 300 of the present invention. 図13は図12中の凹凸構造150の溝151の断面のうねり形状を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing the undulation shape of the cross section of the groove 151 of the concavo-convex structure 150 in FIG. 図14はベース構造及び凹凸構造150のそれぞれについての最大応力(CAE解析)を示すグラフである。FIG. 14 is a graph showing the maximum stress (CAE analysis) for each of the base structure and the concavo-convex structure 150. 図15は凹凸構造150の溝151における接合材料の加熱中及び接合完了時の様子を模式的に示す図である。FIG. 15 is a diagram schematically showing a state in which the bonding material in the groove 151 of the concavo-convex structure 150 is heated and when the bonding is completed. 図16は接合体TPの引っ張り破壊強度の測定の様子を模式的に示す図である。FIG. 16 is a diagram schematically showing a state of measurement of the tensile breaking strength of the joined body TP. 図17はベース構造及び凹凸構造150のそれぞれについての接合強度を示すグラフである。FIG. 17 is a graph showing the bonding strength for each of the base structure and the concavo-convex structure 150. 図18はボイド評価に係るX線及び光学顕微鏡(SEM)による接合層130の内部検査の様子を模式的に示す図である。FIG. 18 is a diagram schematically showing an internal inspection of the bonding layer 130 by X-ray and optical microscope (SEM) related to void evaluation. 図19はベース構造及び凹凸構造150のそれぞれについてのボイド率を示すグラフである。FIG. 19 is a graph showing the void ratio for each of the base structure and the concavo-convex structure 150. 図20は凹凸構造150の変更例にかかる凹凸構造250の平面図である。FIG. 20 is a plan view of a concavo-convex structure 250 according to a modified example of the concavo-convex structure 150. 図21は凹凸構造150の変更例にかかる凹凸構造350の平面図である。FIG. 21 is a plan view of a concavo-convex structure 350 according to a modified example of the concavo-convex structure 150. 図22は凹凸構造150の変更例にかかる凹凸構造450の平面図である。FIG. 22 is a plan view of a concavo-convex structure 450 according to a modified example of the concavo-convex structure 150. 図23は凹凸構造150の変更例にかかる凹凸構造550の平面図である。FIG. 23 is a plan view of a concavo-convex structure 550 according to a modified example of the concavo-convex structure 150. 図24は凹凸構造150の変更例にかかる凹凸構造650の平面図である。FIG. 24 is a plan view of a concavo-convex structure 650 according to a modified example of the concavo-convex structure 150. 図25は図24中の凹凸構造650の接続溝253の断面のうねり形状を示す図である。FIG. 25 is a view showing the undulation shape of the cross section of the connection groove 253 of the concavo-convex structure 650 in FIG. 図26は冷熱サイクルによって接合層130に発生し得るボイドVの一例を示す図である。FIG. 26 is a diagram illustrating an example of a void V that can be generated in the bonding layer 130 by a cooling / heating cycle. 図27は図24中の凹凸構造650の部分拡大図である。FIG. 27 is a partially enlarged view of the concavo-convex structure 650 in FIG.

以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図1に示されるように、本発明の「半導体装置」としての半導体装置100は、基板(半導体基板)110と、基板110上(基板110の上面111)に接合層130を介して接合される半導体素子(半導体チップ)120と、を含む。ここでいう基板110、半導体素子120及び接合層130がそれぞれ、本発明の「基板」、「半導体素子」及び「接合層」に相当する。   As shown in FIG. 1, a semiconductor device 100 as a “semiconductor device” of the present invention is bonded to a substrate (semiconductor substrate) 110 and a substrate 110 (an upper surface 111 of the substrate 110) via a bonding layer 130. A semiconductor element (semiconductor chip) 120. The substrate 110, the semiconductor element 120, and the bonding layer 130 here correspond to the “substrate”, “semiconductor element”, and “bonding layer” of the present invention, respectively.

基板110は、平面視の形状が図2に示すような正方形、或いは長方形であり、且つ所定の板厚を有する板状部材として構成される。基板110は、典型的には銅または銅合金からなる金属製であり、この基板110の上面111にはニッケルメッキが施されている。   The substrate 110 is configured as a plate-like member having a square shape or a rectangular shape as shown in FIG. 2 and having a predetermined plate thickness. The substrate 110 is typically made of metal made of copper or a copper alloy, and the upper surface 111 of the substrate 110 is plated with nickel.

半導体素子120は、典型的には平面視の形状が図2に示すような正方形であり、且つ所定の板厚を有する板状部材として構成される。半導体素子120は、SiC(シリコン・カーバイド)からなる半導体素子として構成される。この半導体素子120の表面(基板110の上面111に対向する面とは反対側の面)には配線接合部位(図示省略)が形成されており、この配線接合部位に電気配線が接続されている。   The semiconductor element 120 is typically configured as a plate-like member that has a square shape in plan view as shown in FIG. 2 and has a predetermined plate thickness. The semiconductor element 120 is configured as a semiconductor element made of SiC (silicon carbide). A wiring joint portion (not shown) is formed on the surface of the semiconductor element 120 (the surface opposite to the surface facing the upper surface 111 of the substrate 110), and electrical wiring is connected to the wiring joint portion. .

接合層130は、基板110の上面111のうち半導体素子120との対向面である接合領域(上面)112と、半導体素子120の底面で112との間に介在している。この接合層130は、平面視の形状が図2に示すような円形であり、且つ所定の膜厚を有する円柱形状である。この接合層130は、有機溶液(有機溶剤)と粒子径が数ナノから数十ナノメートルの金属ナノ粒子(銀、銅、ニッケルなどを含む金属ナノ粒子)とを含む金属ナノペーストや、加熱によって流動化する熱流動性を有し鉛とスズを主成分とした合金である半田などの接合材料のみからなる。この場合、基板110と半導体素子120との接合界面である接合層130に、基板110及び半導体素子120とは別の部材が介装されることがない。従って、接合層130自体の構造が簡素化される。   The bonding layer 130 is interposed between a bonding region (upper surface) 112 that is a surface facing the semiconductor element 120 on the upper surface 111 of the substrate 110 and 112 at the bottom surface of the semiconductor element 120. The bonding layer 130 has a circular shape as viewed in plan as shown in FIG. 2 and a cylindrical shape having a predetermined film thickness. The bonding layer 130 is made of a metal nano paste containing an organic solution (organic solvent) and metal nanoparticles having a particle diameter of several nanometers to several tens of nanometers (metal nanoparticles containing silver, copper, nickel, etc.), or by heating. It consists only of a joining material such as solder, which is an alloy mainly composed of lead and tin that has fluidity and fluidity. In this case, a member different from the substrate 110 and the semiconductor element 120 is not interposed in the bonding layer 130 that is a bonding interface between the substrate 110 and the semiconductor element 120. Therefore, the structure of the bonding layer 130 itself is simplified.

なお、上記の接合層130を形成させるには、基板110上の接合領域112に、接合材料である例えば金属ナノペーストを塗布或いは転写した後、この金属ナノペーストに半導体素子120の底面121を被着させ、非酸化雰囲気中での加熱処理を行う。この加熱処理によれば、接合材料中の有機溶液から金属ナノ粒子が析出してニッケルメッキ上に堆積する一方で、有機溶液が揮発して除去される。更に、酸化雰囲気中での加熱処理を行うことができる。この加熱処理によれば、金属ナノ粒子の表面に吸着していた有機保護膜が加熱によって分解・除去されて金属ナノ粒子の焼結挙動が促されることによって、接合材料と基板110及び半導体素子120とのそれぞれの間で金属的な接合作用が得られる。最終的に、接合材料から接合層130が形成されることとなる。   In order to form the bonding layer 130, for example, a metal nano paste as a bonding material is applied or transferred to the bonding region 112 on the substrate 110, and then the bottom surface 121 of the semiconductor element 120 is covered with the metal nano paste. And heat treatment in a non-oxidizing atmosphere. According to this heat treatment, metal nanoparticles are deposited from the organic solution in the bonding material and deposited on the nickel plating, while the organic solution is volatilized and removed. Furthermore, heat treatment in an oxidizing atmosphere can be performed. According to this heat treatment, the organic protective film adsorbed on the surface of the metal nanoparticles is decomposed and removed by heating, and the sintering behavior of the metal nanoparticles is promoted. A metallic bonding action can be obtained between the two. Eventually, the bonding layer 130 is formed from the bonding material.

ところで、上記構成の半導体装置100の使用時に、半導体素子120の温度が上昇した場合に、基板110と半導体素子120との接合界面を形成する接合層130に熱変化が加わる。この場合、接合層130の熱変化によって内力である熱応力が生じる。従って、この種の半導体装置100では、接合層130において、熱応力が局所的に集中する熱応力集中によって剥離やクラックが発生するのを防止するための構造が必要となる。   By the way, when the temperature of the semiconductor element 120 rises when the semiconductor device 100 having the above configuration is used, a thermal change is applied to the bonding layer 130 that forms the bonding interface between the substrate 110 and the semiconductor element 120. In this case, a thermal stress that is an internal force is generated by a thermal change of the bonding layer 130. Therefore, in this type of semiconductor device 100, a structure for preventing peeling and cracks from occurring due to the thermal stress concentration at which the thermal stress is locally concentrated in the bonding layer 130 is required.

そこで、本実施の形態では円柱形状の接合層130を採用している。この接合層130は、平面視の形状が円形であり、即ちその外周部分が一定の曲率半径(円弧半径)を有するR部131によって構成されている。即ち、接合層130の外周部分全体が1つのR部131として構成される。本形状は、接合層の一般的な形状(例えば平面視が正方形、長方形、多角形のような形状)に対して、「角部(尖って突き出た部分)」を有していないという点において相違する。本形状の接合層130は、熱応力が集中し易い角部をその外周部分から排除することによって熱応力を緩和できるようにしている。これにより、簡単な構造によって接合界面に生じる熱応力を緩和することができる。特に、接合層130が円柱形状である場合には、例えば図3中の矢印が参照されるように、接合層130において熱変化によって生じる熱応力Stを外周方向に均等に分散させることができる。これに対して、例えば平面視が正方形(以下、「ベース形状」ともいう)の接合層の場合には、接合層の降伏応力を上回る熱応力が角部に集中し易くなり、その結果、剥離やクラックが発生する虞がある。また、本実施の形態によれば、接合層の外周部分の形状のみを変更すればよいため、製造工程の簡素化及び製造コストの低減を図ることができる。更に、高温冷熱サイクルのように熱応力の緩和効果が求められるシステムおいて、特に信頼性の高い半導体装置を構築することができる。   Therefore, in this embodiment, the cylindrical bonding layer 130 is employed. The bonding layer 130 has a circular shape in plan view, that is, an outer peripheral portion thereof is configured by an R portion 131 having a constant curvature radius (arc radius). That is, the entire outer peripheral portion of the bonding layer 130 is configured as one R portion 131. This shape does not have a “corner (a sharply protruding portion)” with respect to a general shape of the bonding layer (for example, a shape such as a square, a rectangle, or a polygon in plan view). Is different. The bonding layer 130 of this shape can relieve the thermal stress by removing the corner portion where the thermal stress tends to concentrate from the outer peripheral portion. Thereby, the thermal stress which arises in a joining interface with a simple structure can be relieved. In particular, when the bonding layer 130 has a cylindrical shape, the thermal stress St generated by the thermal change in the bonding layer 130 can be evenly distributed in the outer peripheral direction, for example, as indicated by the arrow in FIG. On the other hand, for example, in the case of a bonding layer having a square shape in plan view (hereinafter also referred to as “base shape”), thermal stress exceeding the yield stress of the bonding layer is likely to concentrate on the corners, and as a result, peeling occurs. Or cracks may occur. Further, according to the present embodiment, it is only necessary to change the shape of the outer peripheral portion of the bonding layer, so that the manufacturing process can be simplified and the manufacturing cost can be reduced. Furthermore, a particularly reliable semiconductor device can be constructed in a system that requires a thermal stress relaxation effect such as a high-temperature cooling / heating cycle.

上記構成の接合層130の変形例として、外周部分から角部を排除し、且つ接合に関与する実質的な接合面積が小さくなるのを防止するのに有効な種々の形状の接合層を採用することができる。例えば、接合層の平面視の形状が楕円形であってもよい。また、図4に示すような形状の接合層230を採用することもできる。この接合層230は、平面視が正方形である接合層の4つの角部のそれぞれにR付けが施されることによって形成されている。即ち、この接合層230の外周部分の形状が所定の曲率半径を有する4つのR部231によって構成されている。この接合層230によれば、円柱形状の接合層130と同様に熱応力を緩和することができるとともに、接合層130に割り当てられる半導体素子120と同寸法の半導体素子に対しては、接合層130よりも接合面積を増やすことが可能になる。接合面積を増やすことによって、基板110及び半導体素子120のそれぞれに対する接合強度を確保することができ、且つ基板110と半導体素子120との間において電気伝導性や放熱性が低下するのを抑制することができる。   As a modified example of the bonding layer 130 having the above-described configuration, bonding layers having various shapes that are effective in eliminating corners from the outer peripheral portion and preventing a substantial bonding area involved in bonding from being reduced are employed. be able to. For example, the shape of the bonding layer in plan view may be an ellipse. Further, a bonding layer 230 having a shape as shown in FIG. 4 may be employed. The bonding layer 230 is formed by applying R to each of the four corners of the bonding layer that is square in plan view. That is, the shape of the outer peripheral portion of the bonding layer 230 is constituted by four R portions 231 having a predetermined radius of curvature. According to the bonding layer 230, thermal stress can be relieved in the same manner as the cylindrical bonding layer 130, and the bonding layer 130 is used for a semiconductor element having the same dimensions as the semiconductor element 120 allocated to the bonding layer 130. It becomes possible to increase the bonding area. By increasing the bonding area, it is possible to ensure the bonding strength with respect to each of the substrate 110 and the semiconductor element 120, and to suppress the decrease in electrical conductivity and heat dissipation between the substrate 110 and the semiconductor element 120. Can do.

上記構成の接合層130,230の作用効果は、公知のCAE(Computer Aided Engineering)解析によるシミュレーションによって確認することができる。この場合、解析対象である接合層をモデル化し、この接合層において発生する熱応力を適切な数値解析手法を用いて計算することができる。具体例として、半導体素子120(縦寸法及び横寸法がともに5mmのチップ)の中央部がおよそ250[℃]となるように熱量を印加する熱量印加処理を想定し、この熱量印加処理時に接合層にて発生する熱応力を、この接合層の外周部分のR寸法(「曲率半径」ともいう)が種々変更された場合のそれぞれについてCAE解析によって導出した。その結果、図5及び図6に示すような解析結果が得られた。図5によれば、接合層の平面視の形状がベース形状から円形(真円)に近づくにつれて、この接合層に生じる熱応力の最大値(以下、「最大応力」ともいう)が低下し、円形のときに熱応力の最大値が最も低くなることが確認された。この最大応力は、特にR寸法がR1.2に達するまで比較的顕著に低下し、1.2を超えてから円形に達するまで徐々に低下している。また、図6が参照されるように、ベース形状の接合層、4つの角部がR1.2である接合層、円形の接合層についての最大応力はそれぞれ、144[MPa]、101[MPa]、84.8[MPa]であった。これらの解析結果に基づいた場合、R寸法が1.2を上回るように接合層の外周部分の形状を決めることによって、熱応力を緩和する効果が特に高まることが確認された。   The effects of the bonding layers 130 and 230 having the above-described configuration can be confirmed by a simulation based on a known CAE (Computer Aided Engineering) analysis. In this case, the bonding layer to be analyzed can be modeled, and the thermal stress generated in the bonding layer can be calculated using an appropriate numerical analysis method. As a specific example, a heat amount application process in which a heat amount is applied so that the central portion of the semiconductor element 120 (a chip having a vertical dimension and a horizontal dimension of 5 mm) is approximately 250 [° C.] is assumed. The thermal stress generated in the above is derived by CAE analysis when the R dimension (also referred to as “curvature radius”) of the outer peripheral portion of the bonding layer is variously changed. As a result, analysis results as shown in FIGS. 5 and 6 were obtained. According to FIG. 5, as the shape of the bonding layer in plan view approaches the circular shape (perfect circle) from the base shape, the maximum value of thermal stress generated in the bonding layer (hereinafter also referred to as “maximum stress”) decreases. It was confirmed that the maximum value of thermal stress was the lowest when it was circular. This maximum stress decreases relatively remarkably, particularly until the R dimension reaches R1.2, and gradually decreases until it reaches 1.2 after exceeding 1.2. Further, as shown in FIG. 6, the maximum stresses for the base-shaped bonding layer, the bonding layer having four corners of R1.2, and the circular bonding layer are 144 [MPa] and 101 [MPa], respectively. 84.8 [MPa]. Based on these analysis results, it was confirmed that the effect of alleviating thermal stress was particularly enhanced by determining the shape of the outer peripheral portion of the bonding layer so that the R dimension exceeded 1.2.

また、上記構成の接合層130,230に代えて、図7及び図8に示す別の形状の接合層を採用することもできる。図7に示す接合層330は、接合層130と同形状の主接合層331と、この主接合層331に加えてそのまわりに配置された4つの補助接合層332と、を備えている。この場合、半導体素子120は、1つの主接合層331と4つの補助接合層332を介して基板110に接合される。また、図8に示す接合層430は、接合層130よりも径の小さい円形の主接合層431と、この主接合層431に加えてそのまわりに等間隔で配置された8つの補助接合層432と、を備えている。この場合、半導体素子120は、1つの主接合層431と8つの補助接合層432を介して基板110に接合される。これら補助接合層332,432はいずれも、接合層130と同一の接合材料のみからなる接合層であり、接合層130の外周部分にR部を設けることによってベース形状の接合層に比べて接合面積が低下した分を補う機能を果たす。この目的のために、各補助接合層332は、主接合層331の外周部分のうちR部の近傍に配置されている。同様に、各補助接合層432は、主接合層431の外周部分のうちR部の近傍に配置されている。その結果、基板110と半導体素子120との間において電気伝導性や放熱性が低下するのを抑制することが可能になる。ここでいう補助接合層332,432が本発明の「補助接合層」に相当する。   Moreover, it can replace with the joining layers 130 and 230 of the said structure, and can also employ | adopt the joining layer of another shape shown in FIG.7 and FIG.8. The bonding layer 330 illustrated in FIG. 7 includes a main bonding layer 331 having the same shape as the bonding layer 130 and four auxiliary bonding layers 332 disposed around the main bonding layer 331 in addition to the main bonding layer 331. In this case, the semiconductor element 120 is bonded to the substrate 110 via one main bonding layer 331 and four auxiliary bonding layers 332. Further, the bonding layer 430 shown in FIG. 8 includes a circular main bonding layer 431 having a smaller diameter than the bonding layer 130 and eight auxiliary bonding layers 432 arranged around the main bonding layer 431 at equal intervals. And. In this case, the semiconductor element 120 is bonded to the substrate 110 via one main bonding layer 431 and eight auxiliary bonding layers 432. Each of these auxiliary bonding layers 332 and 432 is a bonding layer made of only the same bonding material as the bonding layer 130, and the bonding area is larger than that of the base-shaped bonding layer by providing an R portion on the outer peripheral portion of the bonding layer 130. Fulfills the function of compensating for the decline. For this purpose, each auxiliary bonding layer 332 is disposed in the vicinity of the R portion in the outer peripheral portion of the main bonding layer 331. Similarly, each auxiliary bonding layer 432 is disposed in the vicinity of the R portion in the outer peripheral portion of the main bonding layer 431. As a result, it is possible to suppress a decrease in electrical conductivity and heat dissipation between the substrate 110 and the semiconductor element 120. The auxiliary bonding layers 332 and 432 here correspond to the “auxiliary bonding layers” of the present invention.

上記構成の接合層130,230,330,430のような形状を実現するために、当該接合層を形成する接合材料の加熱前後での形状を維持するための形状維持機構を基板110上に設けるのが好ましい。この形状維持機構の一例である形状維持機構140を備える半導体装置200については、図9及び図10が参照される。この半導体装置200は、形状維持機構140を備える点についてのみ図1及び図2に示す半導体装置100と相違している。ここでいう形状維持機構140が本発明の「形状維持機構」に相当する。   In order to realize the shape of the bonding layers 130, 230, 330, and 430 having the above configuration, a shape maintaining mechanism for maintaining the shape of the bonding material forming the bonding layer before and after heating is provided on the substrate 110. Is preferred. 9 and 10 are referred to for the semiconductor device 200 including the shape maintaining mechanism 140 which is an example of the shape maintaining mechanism. This semiconductor device 200 is different from the semiconductor device 100 shown in FIGS. 1 and 2 only in that the shape maintaining mechanism 140 is provided. The shape maintaining mechanism 140 here corresponds to the “shape maintaining mechanism” of the present invention.

接合層130が形成される前の接合材料が加熱時の熱流動性によって基板110上の接合領域112から流出すると、所望の形状の接合層130が得られなくなる虞がある。そこで、本実施の形態の形状維持機構140は、接合材料が加熱時の熱流動性によって接合領域から流出するのを阻止する機能を果たす。図9及び図10に示すように、この形状維持機構140は、いずれも基板110上に設けられた撥液部141及び受け溝142によって構成されている。   If the bonding material before the bonding layer 130 is formed flows out of the bonding region 112 on the substrate 110 due to thermal fluidity during heating, the bonding layer 130 having a desired shape may not be obtained. Therefore, the shape maintaining mechanism 140 according to the present embodiment functions to prevent the bonding material from flowing out of the bonding region due to thermal fluidity during heating. As shown in FIGS. 9 and 10, the shape maintaining mechanism 140 includes a liquid repellent portion 141 and a receiving groove 142 provided on the substrate 110.

撥液部141は、円形の接合領域112のまわりを区画するように基板110上に形成された同心状の複数の環状溝を用いて構成されている。複数の環状溝は、公知のフェムト秒レーザー、概してフェムト秒単位の短時間にエネルギーを圧縮して発振を行う光レーザーを基板110の上面111に照射するレーザー加工によって形成され得る。この場合、例えば図11に示されるように、撥液部141の断面には、隣接する2つの凸部の間隔D1が700〜800[nm]であり、凸部の高さ(凹部の深さ)D2が800〜1000[nm]であり、凹部の幅D3が150〜300[nm]である凹凸構造が含まれている。このようなナノメートルオーダーの凹凸構造(ナノ周期構造)は、接合材料に対する濡れ性が悪く、接合材料を弾く撥液作用(所謂、「ロータス効果」)を発揮する。ナノメートルオーダーの凹凸構造を確実に形成するのに、フェムト秒レーザーが特に有効である。このため、円形の接合領域112から径方向外側へ流出しようとする接合材料が撥液部141の凹凸部分に作用すると、この凹凸部分による撥液作用によって接合材料が弾かれることとなり、接合材料が撥液部141を越えて濡れ広がるのを阻止することができる。この場合、接合材料が接合領域112から流出するのを物理的な構造によって抑制することができる。その結果、接合材料の加熱前後での形状が維持されるため、熱応力の緩和効果を高めるのに有効な接合層の所望の形状を確実に実現することができる。   The liquid repellent portion 141 is configured using a plurality of concentric annular grooves formed on the substrate 110 so as to partition around the circular bonding region 112. The plurality of annular grooves can be formed by laser processing that irradiates the upper surface 111 of the substrate 110 with a known femtosecond laser, an optical laser that oscillates by compressing energy in a short time, generally in units of femtoseconds. In this case, for example, as shown in FIG. 11, in the cross section of the liquid repellent portion 141, the interval D1 between two adjacent convex portions is 700 to 800 [nm], and the height of the convex portion (depth of the concave portion). ) An uneven structure in which D2 is 800 to 1000 [nm] and the width D3 of the recess is 150 to 300 [nm] is included. Such a concavo-convex structure of nanometer order (nano-periodic structure) has poor wettability with respect to the bonding material and exhibits a liquid repellent action (so-called “lotus effect”) that repels the bonding material. A femtosecond laser is particularly effective for reliably forming a concavo-convex structure on the order of nanometers. For this reason, when the bonding material that is about to flow out radially outward from the circular bonding region 112 acts on the uneven portion of the liquid repellent portion 141, the bonding material is repelled by the liquid repellent action of the uneven portion, and the bonding material is It is possible to prevent the wetting and spreading beyond the liquid repellent portion 141. In this case, the bonding material can be prevented from flowing out of the bonding region 112 by a physical structure. As a result, since the shape of the bonding material before and after heating is maintained, the desired shape of the bonding layer effective for enhancing the effect of mitigating thermal stress can be reliably realized.

受け溝143は、接合材料の塗布量のバラツキ等によって、接合領域112に接合材料が過剰に塗布された場合に、余剰となった接合材料を貯留する機能を果たす。その結果、接合材料が接合領域112から流出するのを物理的に抑制することができる。この受け溝143は、撥液部141を形成するのに使用した公知のフェムト秒レーザーを用い、撥液部141の場合とは異なる照射条件によって形成され得る。なお、本実施形態では、この受け溝143を撥液部141と組み合わせて形状維持機構140を構築したが、本発明では、撥液部141及び受け溝143の少なくとも一方を用いて形状維持機構を構築することができる。例えば、必要に応じて受け溝143を省略することもできる。   The receiving groove 143 functions to store the excess bonding material when the bonding material is excessively applied to the bonding region 112 due to variations in the amount of bonding material applied. As a result, the bonding material can be physically suppressed from flowing out of the bonding region 112. The receiving groove 143 can be formed by using a well-known femtosecond laser used to form the liquid repellent portion 141 under irradiation conditions different from those for the liquid repellent portion 141. In the present embodiment, the shape maintaining mechanism 140 is constructed by combining the receiving groove 143 with the liquid repellent portion 141. However, in the present invention, the shape maintaining mechanism is configured using at least one of the liquid repellent portion 141 and the receiving groove 143. Can be built. For example, the receiving groove 143 can be omitted as necessary.

図12に示す半導体装置300は、上記構成の半導体装置100が接合層の外周部分の形状に特徴を持たせたのに対して、基板110上の表面構造に特徴を持たせている。具体的に説明すると、この半導体装置300は、基板110上の接合領域112に凹凸構造150を備えている。この凹凸構造150には、互いに平行に配置され且つそれぞれが長尺状に延在する複数の溝151が含まれている。具体的に説明すると、図13に示すように、各溝151は、基板110上の接合領域112に長尺状に延在している。この溝151の溝断面(単に、「断面」ともいう)については、複数の溝151の延在方向と交差する方向についての溝断面(図12中のA’−A’線断面)がマイクロメートルオーダーのうねり形状(「波状」ともいう)である凹凸構造(以下、「第1の断面構造」ともいう)を採用するのが好ましい。この溝断面には、例えば隣接する2つの凸部の間隔D4がおよそ60[μm]以下であり、凸部の高さ(凹部の深さ)D5がおよそ20〜30[μm]であり、規則正しい周期性を持って溝高さが変化するようなうねり形状(溝断面において溝頂部と溝底部を通る波型の線が周期的に続く形状(正弦波形))が含まれる。この場合、複数の溝151はいずれも基板110の上面111にフェムト秒レーザーを照射するレーザー加工によって形成され得る。マイクロメートルオーダーの凹凸構造を確実に形成するのに、フェムト秒レーザーが特に有効である。尚、上記の第1の断面構造に代えて或いは加えて、複数の溝151の延在方向についての溝断面(図12中のA’’−A’’線断面)がマイクロメートルオーダーのうねり形状(「波状」ともいう)である凹凸構造(以下、「第2の断面構造」ともいう)を採用することもできる。   A semiconductor device 300 shown in FIG. 12 is characterized by a surface structure on the substrate 110, while the semiconductor device 100 having the above-described structure is characterized by the shape of the outer peripheral portion of the bonding layer. More specifically, the semiconductor device 300 includes a concavo-convex structure 150 in the bonding region 112 on the substrate 110. The concavo-convex structure 150 includes a plurality of grooves 151 that are arranged in parallel to each other and each extend in a long shape. Specifically, as shown in FIG. 13, each groove 151 extends in a long shape in the bonding region 112 on the substrate 110. With respect to the groove cross section of the groove 151 (also simply referred to as “cross section”), the groove cross section (A′-A ′ line cross section in FIG. 12) in the direction intersecting the extending direction of the plurality of grooves 151 is micrometer. It is preferable to employ a concavo-convex structure (hereinafter also referred to as “first cross-sectional structure”) having an undulating shape (also referred to as “wave shape”). In the groove cross section, for example, the distance D4 between two adjacent convex portions is approximately 60 [μm] or less, and the height (depression depth) D5 of the convex portions is approximately 20 to 30 [μm], which is regular. A wavy shape in which the groove height changes with periodicity (a shape in which a wavy line passing through the groove top and bottom of the groove in the groove cross section continues periodically (sinusoidal waveform)) is included. In this case, all of the plurality of grooves 151 can be formed by laser processing that irradiates the upper surface 111 of the substrate 110 with a femtosecond laser. A femtosecond laser is particularly effective for reliably forming an uneven structure on the order of micrometers. In addition to or in addition to the first cross-sectional structure described above, the groove cross section (the cross section along line A ″ -A ″ in FIG. 12) in the extending direction of the plurality of grooves 151 has a wavy shape on the order of micrometers. A concavo-convex structure (hereinafter also referred to as “second cross-sectional structure”) that is (also referred to as “wavy”) may be employed.

基板110上に形成されたこのようなマイクロメートルオーダーの凹凸構造150(マイクロ周期構造)によれば、接合領域112が平坦面(平滑面)である構造(以下、「ベース構造」ともいう)に比べて接合層130に対する基板110の接合面積を増やすことができ、基板110と接合層130との接合強度を高めることができる。更に、ベース構造の場合に平坦面に沿って直線的に発生するせん断応力を、溝151のうねり形状によって複数の方向(平坦面と交差する複数の方向、例えばうねり(波)の任意の点における法線ベクトル方向)に分散させることができる。その結果、基板110と接合層130との接合界面に生じる熱応力が緩和され熱疲労寿命が向上する。なお、この半導体装置300における接合層130は、平面視の形状が正方形或いは長方形のように外周部分に角部を有するものであってもよいし、或いは図2や図4に示すような外周部分に角部のない形状のものであってもよい。ここでいう凹凸構造150及び溝151がそれぞれ、本発明の「凹凸構造」及び「溝」に相当する。   According to such a micrometer-order concavo-convex structure 150 (micro-periodic structure) formed on the substrate 110, the bonding region 112 has a flat surface (smooth surface) (hereinafter also referred to as “base structure”). In comparison, the bonding area of the substrate 110 to the bonding layer 130 can be increased, and the bonding strength between the substrate 110 and the bonding layer 130 can be increased. Further, in the case of the base structure, the shear stress generated linearly along the flat surface is changed into a plurality of directions (a plurality of directions intersecting the flat surface, for example, undulations (waves) at arbitrary points by the wavy shape of the groove 151. Normal vector direction). As a result, the thermal stress generated at the bonding interface between the substrate 110 and the bonding layer 130 is relaxed and the thermal fatigue life is improved. Note that the bonding layer 130 in the semiconductor device 300 may have a corner in the outer peripheral portion such that the shape in plan view is square or rectangular, or the outer peripheral portion as shown in FIGS. It may have a shape with no corners. The concavo-convex structure 150 and the groove 151 here correspond to the “concavo-convex structure” and “groove” of the present invention, respectively.

上記の凹凸構造150による熱応力の分散効果は、前述のCAE解析によるシミュレーションによって確認することができる。この場合、前述の熱量印加処理と同一の処理を想定し、熱量印加処理時に接合層にて発生する熱応力をCAE解析によって算出した。その結果、図14に示すような解析結果が得られた。図14によれば、接合層に生じる最大応力は、ベース構造の場合が144[MPa]であったのに対して凹凸構造150の場合が106.9[MPa]であった。この解析結果に基づいた場合、凹凸構造150を採用することによって、熱応力を緩和する効果が高まることが確認された。   The effect of thermal stress dispersion by the concavo-convex structure 150 can be confirmed by the simulation by the CAE analysis described above. In this case, assuming the same process as the heat application process described above, the thermal stress generated in the bonding layer during the heat application process was calculated by CAE analysis. As a result, an analysis result as shown in FIG. 14 was obtained. According to FIG. 14, the maximum stress generated in the bonding layer was 144 [MPa] in the case of the base structure, whereas it was 106.9 [MPa] in the case of the concavo-convex structure 150. Based on this analysis result, it was confirmed that by adopting the concavo-convex structure 150, the effect of relieving thermal stress is enhanced.

凹凸構造150の各溝151は、接合材料との接合に関与する領域(接合材料が塗布される領域)である接合領域112から、基板110上において接合材料との接合に関与しない領域(接合材が塗布されない領域)である非接合領域113まで連続して延在するように構成されるのが好ましい。本構成によれば、各溝151は、接合材料として金属ナノペーストを用いる場合に金属ナノペーストに含まれている有機溶剤を非接合領域113まで誘導する誘導溝としての機能を果たすことができる。特に上記の第1の断面構造の場合、各溝151の溝底の位置が接合領域112から非接合領域113まで概ね一定で変化しないため、有機溶剤を接合領域112から非接合領域113まで確実に誘導することが可能になる。   Each groove 151 of the concavo-convex structure 150 is a region (bonding material) that does not participate in bonding to the bonding material on the substrate 110 from the bonding region 112 that is a region related to bonding to the bonding material (region to which the bonding material is applied). It is preferable to be configured so as to continuously extend to the non-bonding region 113 which is a region where no coating is applied. According to this configuration, each groove 151 can serve as a guide groove that guides the organic solvent contained in the metal nanopaste to the non-bonding region 113 when the metal nanopaste is used as the bonding material. In particular, in the case of the first cross-sectional structure described above, the position of the groove bottom of each groove 151 does not change from the bonding region 112 to the non-bonding region 113 in a substantially constant manner, so that the organic solvent is reliably transferred from the bonding region 112 to the non-bonding region 113. It becomes possible to guide.

具体的に説明すると、図15が参照されるように、基板110に半導体素子120を接合する加熱処理時に、有機溶剤OSが各溝151の底部空間152に溜まり、且つこの底部空間152を通って非接合領域113まで排出される。この場合、うねり形状を形成する各溝151では溝底に向かうにつれて溝断面積が徐々に小さくなるため、各溝151の溝底に有機溶剤OSを溜めるための底部空間152を形成させることができる。また、加熱処理によって有機溶剤OSが分解されるため、接合過程で金属ナノペースト中の金属ナノ粒子MNが底部空間152に入り込みながら焼結固化する。従って、接合強度を高める効果、所謂「アンカー効果」が得られる。また、有機溶剤OSを除去する構造によって接合界面に有機溶剤OSが残留しにくくなり、接合界面におけるボイド(微小な空洞や気孔)の発生比率を抑えることができる。その結果、特に基板110と接合層130との接合面積を増やすことができるため接合強度が高まり、且つ放熱特性が向上し、且つ疲労寿命が向上する。これらの効果は、以下の評価方法によって確認された。   Specifically, as shown in FIG. 15, during the heat treatment for bonding the semiconductor element 120 to the substrate 110, the organic solvent OS accumulates in the bottom space 152 of each groove 151, and passes through the bottom space 152. The non-bonded region 113 is discharged. In this case, since the groove cross-sectional area gradually decreases toward the groove bottom in each groove 151 that forms a wave shape, a bottom space 152 for storing the organic solvent OS can be formed at the groove bottom of each groove 151. . Further, since the organic solvent OS is decomposed by the heat treatment, the metal nanoparticles MN in the metal nanopaste are sintered and solidified while entering the bottom space 152 in the joining process. Therefore, the effect of increasing the bonding strength, the so-called “anchor effect” can be obtained. Further, the structure in which the organic solvent OS is removed makes it difficult for the organic solvent OS to remain at the bonding interface, and the generation ratio of voids (minute cavities and pores) at the bonding interface can be suppressed. As a result, the bonding area between the substrate 110 and the bonding layer 130 can be increased, so that the bonding strength is increased, the heat dissipation characteristics are improved, and the fatigue life is improved. These effects were confirmed by the following evaluation method.

(引っ張り破壊強度測定)
本発明者は、上記構成の凹凸構造150が接合強度を高めることを検証するべく、図16が参照されるような引っ張り破壊強度測定を実施した。具体的に説明すると、無酸素銅からなる同寸法(縦:10[mm]、横:20[mm]、板厚:1.5[mm])の2つのテストピースTP1,TP2を準備し、これらのテストピースTP1,TP2の重なり部分である接合領域112を接合材料によって接合した。これにより、2つのテストピースTP1,TP2が接合層130を介して一体状に接合された接合体TPが得られる。この接合体TPでは、接合領域112の面積(接合面積)は100[mm]に設定されており、2つのテストピースTP1,TP2の双方の接合領域112に、凹凸構造150(うねり形状を有する複数の溝151)が設けられている。
(Tensile fracture strength measurement)
In order to verify that the concavo-convex structure 150 having the above configuration increases the bonding strength, the present inventor performed a tensile fracture strength measurement as shown in FIG. Specifically, two test pieces TP1 and TP2 having the same dimensions (length: 10 [mm], width: 20 [mm], plate thickness: 1.5 [mm]) made of oxygen-free copper are prepared, A joining region 112 which is an overlapping portion of these test pieces TP1 and TP2 is joined with a joining material. Thereby, the joined body TP in which the two test pieces TP1 and TP2 are integrally joined via the joining layer 130 is obtained. In this joined body TP, the area of the joining region 112 (joining area) is set to 100 [mm 2 ], and the joining region 112 of the two test pieces TP1 and TP2 has a concavo-convex structure 150 (waviness shape). A plurality of grooves 151) are provided.

そして、2つのテストピースTP1,TP2のそれぞれを試験機によってクランプして当該テストピースTP1,TP2の延在平面に沿って互いに離間する方向(白抜き矢印で示す方向)に所定の引っ張り速度(例えば、分速1.0ミリメートル)で引っ張り、接合層130が破断したときの引っ張り荷重を求める。この引っ張り荷重を接合領域112の面積当たりの強度(以下、「接合強度」ともいう)に換算する。その結果、図17に示すような結果が得られた。図17によれば、接合強度は、ベース構造の場合が6.4[MPa]であったのに対して凹凸構造150の場合が15.7[MPa]であった。この測定結果に基づいた場合、各溝151の前述のうねり形状の効果によって実際に接合強度が高まることが確認された。   Then, each of the two test pieces TP1 and TP2 is clamped by a testing machine, and a predetermined pulling speed (for example, a direction indicated by a white arrow) is separated from each other along the extending plane of the test pieces TP1 and TP2. The tensile load is calculated when the bonding layer 130 is broken. This tensile load is converted into a strength per area of the joining region 112 (hereinafter also referred to as “joining strength”). As a result, a result as shown in FIG. 17 was obtained. According to FIG. 17, the bonding strength was 6.4 [MPa] in the case of the base structure, whereas it was 15.7 [MPa] in the case of the concavo-convex structure 150. Based on this measurement result, it was confirmed that the bonding strength was actually increased by the effect of the waviness shape of each groove 151 described above.

(ボイド評価)
本発明者は、上記構成の凹凸構造150がボイドの発生を抑制することを検証するべく、X線及び光学顕微鏡(SEM)を用いて上記の接合体TPの接合層130の内部検査を実施した。具体的に説明すると、図18が参照されるように、X線による接合層130の内部検査については、図中の白抜き矢印で示されるように接合領域112を上方から撮影し、撮影結果に基づいて所定領域に含まれるボイドの数及び大きさを計測した。光学顕微鏡による接合層130の内部検査については、接合体TPを図中のB−B線断面及びC−C線断面でカットし、このカット面に含まれるボイドの数及び大きさを計測した。その結果、図19に示すような結果が得られた。図19によれば、接合層130内にボイドが含まれている比率(ボイド率)は、平坦面であるベース構造の場合が2.3[%]であったのに対して凹凸構造150の場合が0.4[%]であった。この内部検査結果に基づいた場合、前述のうねり形状を採用することによって、接合強度を高めることが可能になることが確認された。これらの内部検査結果に基づいた場合、前述のうねり形状を採用することによって、ボイドの発生を抑制することが可能であることが確認された。
(Void evaluation)
The present inventor conducted an internal inspection of the bonding layer 130 of the bonded body TP using an X-ray and an optical microscope (SEM) in order to verify that the uneven structure 150 having the above configuration suppresses the generation of voids. . Specifically, as shown in FIG. 18, for the internal inspection of the bonding layer 130 by X-rays, the bonding region 112 is photographed from above as indicated by the white arrow in the figure, and the photographing result is obtained. Based on this, the number and size of voids included in the predetermined region were measured. For the internal inspection of the bonding layer 130 using an optical microscope, the bonded body TP was cut along the BB line cross section and the CC line cross section in the figure, and the number and size of voids included in the cut surface were measured. As a result, a result as shown in FIG. 19 was obtained. According to FIG. 19, the ratio of voids contained in the bonding layer 130 (void ratio) was 2.3 [%] in the case of the base structure having a flat surface, whereas the uneven structure 150 The case was 0.4 [%]. Based on this internal inspection result, it was confirmed that the bonding strength can be increased by adopting the above-described waviness shape. Based on these internal inspection results, it was confirmed that the occurrence of voids can be suppressed by adopting the above-described wavy shape.

なお、上記の凹凸構造150では、フェムト秒レーザーによって加工された複数の直線状の複数の溝151が互いに平行に配置される場合について記載したが、本発明では、凹凸構造を構成する溝の形状や配置についてはこれに限定されるものではない。例えば、直線状の複数の溝が交差する構成、1又は複数の曲線状の溝を用い構成、1又は直線状の溝と1又は複数の曲線状の溝とを組み合わせた構成等を採用することもできる。   In the concavo-convex structure 150 described above, a case has been described in which a plurality of linear grooves 151 processed by a femtosecond laser are arranged in parallel to each other. However, in the present invention, the shape of the grooves constituting the concavo-convex structure is described. The arrangement is not limited to this. For example, a configuration in which a plurality of linear grooves intersect, a configuration using one or a plurality of curved grooves, a configuration combining one or a linear groove and one or a plurality of curved grooves, etc. You can also.

更に、具体例として図20〜図22に示す別の形態の凹凸構造を採用することもできる。例えば、図20に示す凹凸構造250は、接合領域112の中心部から非接合領域113まで連続して放射状に延出する複数の溝251を用いて構成されている。また、図21に示す凹凸構造350は、接合領域112の中心部から非接合領域113まで連続して放射螺旋状に延出する複数の溝351を用いて構成されている。また、図22に示す凹凸構造450は、接合領域112の中心部のまわりに同心円状に広がるように配置された複数の溝451を用いて構成されている。複数の溝451は、接合領域112のみに延在する溝によって構成されてもよいし、或いは接合領域112のみに延在する溝と、接合領域112及び非接合領域113の双方の領域にわたって延在する溝とによって構成されてもよい。これらの凹凸構造250,350,450では、凹凸構造150と同様に、上記の第1の断面構造及び第2の断面構造のうちの少なくとも一方の断面構造を採用することができる。これらの凹凸構造250,350,450を採用した場合であっても、上記の凹凸構造150を採用する場合と同様の作用効果を得ることができる。また、一般的に接合領域112の中心部付近に有機溶剤が残留してボイドが形成され易いため、有機溶剤を排出する手段として放射状の溝251や放射螺旋状の溝351、また接合領域112及び非接合領域113の双方の領域にわたって延在する溝451を用いると、ボイドの発生比率を抑える効果がより高くなる。   Furthermore, another embodiment of the uneven structure shown in FIGS. 20 to 22 may be employed as a specific example. For example, the concavo-convex structure 250 shown in FIG. 20 is configured using a plurality of grooves 251 that continuously extend from the center of the bonding region 112 to the non-bonding region 113. Further, the concavo-convex structure 350 shown in FIG. 21 is configured using a plurality of grooves 351 extending in a radial spiral continuously from the center of the bonding region 112 to the non-bonding region 113. Further, the concavo-convex structure 450 shown in FIG. 22 is configured by using a plurality of grooves 451 arranged so as to spread concentrically around the central portion of the bonding region 112. The plurality of grooves 451 may be configured by grooves extending only in the bonding region 112, or extending over both the bonding region 112 and the non-bonding region 113. And a groove to be formed. In the concavo-convex structure 250, 350, 450, as in the concavo-convex structure 150, at least one of the first cross-sectional structure and the second cross-sectional structure described above can be adopted. Even when these concavo-convex structures 250, 350, 450 are employed, the same operational effects as those obtained when the concavo-convex structure 150 is employed can be obtained. In general, the organic solvent remains in the vicinity of the center of the bonding region 112 and voids are easily formed. Therefore, as a means for discharging the organic solvent, the radial groove 251, the radial spiral groove 351, and the bonding region 112 and When the groove 451 extending over both regions of the non-bonding region 113 is used, the effect of suppressing the void generation ratio becomes higher.

なお、上記の半導体装置100,200のように接合層の外周部分の形状(R部)に特徴を持たせた構成と、上記の半導体装置300のように基板上の表面構造(凹凸構造)に特徴を持たせた構成とを組み合わせ可能であることは勿論である。この場合、少なくとも接合層の外周部分の形状の特徴によって得られる熱応力の緩和効果と、基板上の表面構造の特徴によって得られる熱応力の緩和効果との相乗効果によって、接合界面における熱応力の緩和効果の更なる向上を図ることが可能になる。   It should be noted that a configuration in which the shape (R portion) of the outer peripheral portion of the bonding layer is characterized as in the semiconductor devices 100 and 200 described above, and a surface structure (uneven structure) on the substrate as in the semiconductor device 300 described above. Of course, it is possible to combine with a configuration having characteristics. In this case, at least the thermal stress mitigating effect obtained by the shape characteristic of the outer peripheral portion of the bonding layer and the thermal stress mitigating effect obtained by the surface structure feature on the substrate are combined to reduce the thermal stress at the bonding interface. It becomes possible to further improve the mitigation effect.

ところで、低温領域から高温領域までの広範囲にわたる厳しい温度使用環境下で半導体装置100を使用すると、接合層130の収縮及び膨張による繰返し応力によって熱応力(熱歪)が蓄積し易いため、接合層130の中心部近傍に微細な亀裂が発生し、更にこの亀裂が進展する虞がある。このような場合には、半導体素子120と接合層130との接合面積の低下によって半導体素子120の剥離や剥がれが発生し得る。   By the way, when the semiconductor device 100 is used under a severe temperature use environment ranging from a low temperature region to a high temperature region, thermal stress (thermal strain) easily accumulates due to repeated stress due to contraction and expansion of the bonding layer 130, and thus the bonding layer 130. There is a possibility that a fine crack is generated in the vicinity of the central portion of the film, and this crack further develops. In such a case, the semiconductor element 120 may be peeled off or peeled off due to a decrease in the bonding area between the semiconductor element 120 and the bonding layer 130.

そこで、本発明者は、図12、図20〜図22に示す凹凸構造に更なる改良を加えることによって、温度的に厳しい使用環境下で半導体装置100を使用する場合であっても、所望の応力緩和効果を得ることが可能な優れた応力緩和構造を実現できることを見出した。この応力緩和構造については、図23及び図24が参照される。   Therefore, the present inventor can further improve the concavo-convex structure shown in FIG. 12 and FIG. 20 to FIG. 22, even if the semiconductor device 100 is used in a severe temperature environment. It has been found that an excellent stress relaxation structure capable of obtaining a stress relaxation effect can be realized. For this stress relaxation structure, reference is made to FIGS.

図23に示される凹凸構造550は上記応力緩和構造に相当するものであり、図12に示される凹凸構造150の複数の溝151に加えて複数の接続溝153を備えている。この接続溝153が本発明の「接続溝」に相当する。各接続溝153は、基板110上の接合領域112において互いに隣接する溝151,151同士を当該溝と交差する方向(図23では直交する方向)について接続するように直線状に延在し、且つその延在方向と交差する方向(溝151の延在方向)についての溝断面(図23中のD−D線断面)が図25に示されるようなマイクロメートルオーダーのうねり形状(図13に示す形状と同様の正弦波形)をなす。図23に示す例では、接続溝153の全てが互いに平行となるように延在しており、基板110の上面111に溝151と接続溝153とによって碁盤目状の溝パターンが形成されている。この場合、溝151は互いに隣接する接続溝153,153同士を接続しており、この溝151を接続溝153に対する「接続溝」ということもできる。   The concavo-convex structure 550 shown in FIG. 23 corresponds to the stress relaxation structure, and includes a plurality of connection grooves 153 in addition to the plurality of grooves 151 of the concavo-convex structure 150 shown in FIG. The connection groove 153 corresponds to the “connection groove” of the present invention. Each connection groove 153 extends linearly so as to connect the grooves 151 and 151 adjacent to each other in the bonding region 112 on the substrate 110 in a direction intersecting with the groove (a direction orthogonal in FIG. 23), and The groove cross section (cross-sectional view taken along the line DD in FIG. 23) in the direction intersecting with the extending direction (extending direction of the groove 151) is a waviness shape of micrometer order as shown in FIG. 25 (shown in FIG. 13). A sinusoidal waveform similar to the shape). In the example shown in FIG. 23, all of the connection grooves 153 extend so as to be parallel to each other, and a grid-like groove pattern is formed on the upper surface 111 of the substrate 110 by the grooves 151 and the connection grooves 153. . In this case, the groove 151 connects the connection grooves 153 and 153 adjacent to each other, and the groove 151 can also be referred to as a “connection groove” with respect to the connection groove 153.

図24に示される凹凸構造650は上記応力緩和構造に相当するものであり、図20に示される凹凸構造250の複数の溝251に加えて複数の接続溝253を備えている。この接続溝253が本発明の「接続溝」に相当する。各接続溝253は、基板110上の接合領域112において互いに隣接する溝251,251同士を当該溝と交差する方向(図23では円周方向)について接続するように円形状に延在する。また、複数の接続溝253の延在方向と交差する方向(溝251の延在方向)についての溝断面(図24中のE−E線断面)が図25に示されるようなマイクロメートルオーダーのうねり形状(図13に示す形状と同様の正弦波形)をなす。図24に示す例では、接続溝253の全てが接合領域112の中心部のまわりに同心円状に広がるように配置されており、基板110の上面111に溝251と接続溝253とによって蜘蛛の巣状の溝パターンが形成されている。この場合、溝251は互いに隣接する接続溝253,253同士を接続しており、この溝251を接続溝253に対する「接続溝」ということもできる。   The concavo-convex structure 650 shown in FIG. 24 corresponds to the stress relaxation structure, and includes a plurality of connection grooves 253 in addition to the plurality of grooves 251 of the concavo-convex structure 250 shown in FIG. This connection groove 253 corresponds to the “connection groove” of the present invention. Each connection groove 253 extends in a circular shape so as to connect the grooves 251 and 251 adjacent to each other in the bonding region 112 on the substrate 110 in a direction intersecting the groove (circumferential direction in FIG. 23). Further, the groove cross section (cross section taken along the line EE in FIG. 24) in the direction intersecting with the extending direction of the plurality of connection grooves 253 (extending direction of the groove 251) is of the order of micrometers as shown in FIG. A wavy shape (sine waveform similar to the shape shown in FIG. 13) is formed. In the example shown in FIG. 24, all of the connection grooves 253 are arranged so as to extend concentrically around the center portion of the bonding region 112, and the spider webs are formed on the upper surface 111 of the substrate 110 by the grooves 251 and the connection grooves 253. A groove pattern is formed. In this case, the groove 251 connects the connection grooves 253 and 253 adjacent to each other, and the groove 251 can also be referred to as a “connection groove” with respect to the connection groove 253.

上記構成の接続溝153,253によれば、温度的に厳しい使用環境下で半導体装置100を使用する場合であっても、接合層130の中心部近傍に微細な亀裂が発生したり、この亀裂が進展したりするのを抑えることが可能になる。具体的に説明すると、図26が参照されるように、使用温度条件を単位時間内で低温領域から高温領域まで変化させるような冷熱サイクルを複数回繰り返した場合、接合層130の中心部分から径方向外側に向かう複数の位置において円周方向に沿って空隙であるボイドVが形成される場合がある。即ち、ボイドVによるボイド領域が図25中の二点鎖線で示すように同心円状に形成される場合がある。このようなボイドVは、接合層130に蓄積された円周方向の熱応力によって亀裂が円周方向に進展することによって形成される。   According to the connection grooves 153 and 253 having the above configuration, even when the semiconductor device 100 is used in a severe temperature environment, a fine crack is generated in the vicinity of the center portion of the bonding layer 130. Can be prevented from progressing. Specifically, as shown in FIG. 26, when the cooling cycle in which the use temperature condition is changed from the low temperature region to the high temperature region within a unit time is repeated a plurality of times, the diameter from the central portion of the bonding layer 130 is increased. There are cases where voids V that are voids are formed along the circumferential direction at a plurality of positions toward the outside in the direction. That is, the void region by the void V may be formed concentrically as shown by a two-dot chain line in FIG. Such voids V are formed by the cracks extending in the circumferential direction due to the circumferential thermal stress accumulated in the bonding layer 130.

そこで、本実施の形態の凹凸構造650では、これに対処するべく、接合層130における亀裂の進展方向である円周方向に各接続溝253が延在するように構成している(図25参照)。この場合、接続溝253の溝断面には、例えば隣接する2つの凸部の間隔D4がおよそ60[μm]以下であり、凸部の高さ(凹部の深さ)D5がおよそ20〜30[μm]であり、規則正しい周期性を持って溝高さが変化するようなうねり形状(溝断面において溝頂部と溝底部を通る波型の線が周期的に続く形状(正弦波形))が含まれる。これにより、接合層130の円周方向に作用する熱応力(円周方向につながろうとする亀裂の駆動力)を、接続溝253のうねり形状によって複数の方向(例えば、うねり(波)の任意の点における法線ベクトル方向)に確実に分散させることができる。その結果、冷熱サイクルを複数回繰り返しても、接合層130における亀裂の進展を抑制、若しくは遅らせることが可能になり、以って熱寿命が向上するという作用効果を奏する。なお、接合層130における亀裂の進展方向が円周方向以外である場合には、当該進展方向に合致するように接続溝253の延在方向を設定するのが好ましい。また、接続溝253の図24中のE−E線の溝断面についてうねり形状が形成される形態に代えて或いは加えて、接続溝253の延在方向(円周方向)の溝断面について同様のうねり形状が形成される形態を採用することもできる。   Therefore, in the concavo-convex structure 650 of the present embodiment, in order to cope with this, each connection groove 253 is configured to extend in the circumferential direction, which is the crack propagation direction in the bonding layer 130 (see FIG. 25). ). In this case, in the groove cross section of the connection groove 253, for example, the distance D4 between two adjacent convex portions is approximately 60 [μm] or less, and the height (the depth of the concave portion) D5 of the convex portion is approximately 20 to 30 [ μm], and includes a wavy shape that changes the height of the groove with regular periodicity (a shape in which a wavy line passing through the groove top and bottom in the groove cross section continues periodically (sinusoidal waveform)). . As a result, the thermal stress acting in the circumferential direction of the bonding layer 130 (driving force of cracks that are to be connected in the circumferential direction) can be applied in a plurality of directions (for example, arbitrary in the undulation (wave) depending on the undulation shape of the connection groove 253 The normal vector direction at the point) can be reliably dispersed. As a result, even if the cooling / heating cycle is repeated a plurality of times, it becomes possible to suppress or delay the progress of cracks in the bonding layer 130, thereby providing the effect of improving the thermal life. In the case where the crack propagation direction in the bonding layer 130 is other than the circumferential direction, it is preferable to set the extending direction of the connection groove 253 so as to match the growth direction. In addition, in place of or in addition to the form in which the wavy shape is formed in the groove cross section of the connection groove 253 along the line E-E in FIG. 24, the groove cross section in the extending direction (circumferential direction) of the connection groove 253 is similar. A form in which a wavy shape is formed can also be adopted.

上記の作用効果は、本発明者による冷熱サイクル試験によって実際に確認されている。この冷熱サイクル試験では、まず無酸素銅からなる同寸法(縦:10[mm]、横:20[mm]、板厚:1.5[mm])の2つのテストピースを準備し、一方の評価用テストピースの上面に図24に示される溝251及び接続溝253を設ける溝加工を施し、他方の比較用テストピースにはこのような溝加工は施さなかった。その後、各テストピースに接合層130を介して半導体素子が一体状に接合された接合体を作製した。これら二種類の接合体に対して所定条件の冷熱サイクルを複数回繰り返した後、各接合体における接合層の内部のボイド状態、具体的にはボイド率(空隙率)をX線によって計測した。また、各接合体における半導体素子の接合状態を光学顕微鏡(SEM)によって検査した。X線による計測の結果、比較用テストピースでは冷熱サイクルを繰り返すにしたがって亀裂が進展してボイド率が初期状態の2〜5倍程度まで上昇したのに対して、評価用テストピースではボイド率は初期状態から変化することなく初期状態を維持していることが確認された。これにより、温度条件が厳しい冷熱サイクル試験おいても接合層による良好な接合状態が維持されるものと推察できる。一方で、光学顕微鏡による検査の結果、いずれのテストピースに接合された半導体素子も、半導体素子自体の割れ、亀裂、破壊等は確認されなかった。   The above-described effects have been actually confirmed by a cooling / heating cycle test by the present inventor. In this thermal cycle test, first, two test pieces of the same dimensions (length: 10 [mm], width: 20 [mm], plate thickness: 1.5 [mm]) made of oxygen-free copper were prepared. Groove processing for providing the groove 251 and connection groove 253 shown in FIG. 24 was performed on the upper surface of the evaluation test piece, and such groove processing was not performed on the other test piece for comparison. Thereafter, a bonded body in which the semiconductor elements were integrally bonded to each test piece via the bonding layer 130 was produced. After these two types of bonded bodies were subjected to a predetermined number of times of cooling and heating cycles, the void state inside the bonding layer in each bonded body, specifically, the void ratio (void ratio) was measured by X-ray. Moreover, the joining state of the semiconductor element in each joined body was examined by an optical microscope (SEM). As a result of measurement by X-ray, cracks developed in the comparative test piece as the cooling cycle was repeated and the void ratio increased to about 2 to 5 times the initial state, whereas in the test piece for evaluation, the void ratio was It was confirmed that the initial state was maintained without changing from the initial state. Thereby, it can be inferred that a good bonding state by the bonding layer is maintained even in a thermal cycle test with severe temperature conditions. On the other hand, as a result of inspection with an optical microscope, no cracks, cracks, destruction, etc. of the semiconductor elements themselves were confirmed in any of the semiconductor elements joined to any test piece.

また、上記構成の接続溝153,253によれば、複数の溝151,251を利用して有機溶剤を接合領域112から非接合領域113へと誘導する構造において、有機溶剤を誘導可能な方向を増やすことができる。これにより、任意の溝151,251に有機溶剤が停滞・残留した場合でも、当該有機溶剤を接続溝153,253を通じて別の溝151,251に誘導した後、この別の溝151,251を通じて非接合領域113へと確実に誘導することができる。例えば図24に示される凹凸構造650の場合、図27が参照されるように、任意の溝251における有機溶剤の誘導経路として、本来の誘導経路R1(破線矢印で示す経路)に加えて或いは代えて、接続溝253を通じて隣接する溝251へとつながる誘導経路R2,R3(実線矢印で示す経路)を利用することができる。要するに、一方向の誘導経路を分岐させることによって複数方向の誘導経路を形成することができる。この場合、有機溶剤の残留が原因となって接合層130の内部に発生するボイドの発生比率を抑えることが可能になる。その結果、基板110及び半導体素子120のそれぞれに対する接合層130の接合面積が低下して接合強度が悪化するのを抑えることができる。また、厳しい温度使用環境においても接合層130の中心部近傍に微細な亀裂が発生し、更にこの亀裂が進展するのを阻止することで、耐熱信頼性を向上させることができる。   In addition, according to the connection grooves 153 and 253 having the above-described structure, the direction in which the organic solvent can be guided in the structure in which the organic solvent is guided from the bonding region 112 to the non-bonding region 113 using the plurality of grooves 151 and 251. Can be increased. As a result, even if an organic solvent stays and remains in any groove 151, 251, the organic solvent is guided to another groove 151, 251 through the connection groove 153, 253, and then non-through through this another groove 151, 251. It can be reliably guided to the bonding region 113. For example, in the case of the concavo-convex structure 650 shown in FIG. 24, as shown in FIG. 27, in addition to or instead of the original guide route R1 (route indicated by the dashed arrow) as the guide route for the organic solvent in any groove 251 Thus, guide routes R2 and R3 (routes indicated by solid arrows) connected to the adjacent grooves 251 through the connection grooves 253 can be used. In short, a multidirectional guide route can be formed by branching a unidirectional guide route. In this case, it is possible to suppress the generation ratio of voids generated in the bonding layer 130 due to the residual organic solvent. As a result, the bonding area of the bonding layer 130 with respect to each of the substrate 110 and the semiconductor element 120 can be prevented from decreasing and the bonding strength from being deteriorated. Further, even in a severe temperature use environment, a fine crack is generated in the vicinity of the center portion of the bonding layer 130, and further, the heat resistance can be improved by preventing the crack from progressing.

上記構成の接続溝153,253はいずれも、溝151,251と同様にマイクロメートルオーダーのうねり形状が基板110の上面111にフェムト秒レーザーを照射するレーザー加工によって形成されるのが好ましい。このレーザー加工によれば、接続溝153,253におけるマイクロメートルオーダーのうねり形状を確実に形成することが可能になる。この場合、図24中の凹凸構造650のように、複数の溝251や複数の接続溝253の中心側端部が一点に集中しないような溝構造(最も中心部寄りの溝を円形にする構造)を採用することによって、レーザー加工時にレーザー光が基板110上の一点に何度も照射されるのを防止することができ、その結果、基板110に穴開き等の不具合が発生し難くなる。   The connection grooves 153 and 253 having the above-described configuration are preferably formed by laser processing in which a waviness shape on the order of micrometers is irradiated with a femtosecond laser onto the upper surface 111 of the substrate 110 as in the grooves 151 and 251. According to this laser processing, it is possible to reliably form a waviness shape on the order of micrometers in the connection grooves 153 and 253. In this case, a groove structure in which the center side end portions of the plurality of grooves 251 and the plurality of connection grooves 253 are not concentrated at one point (a structure in which the groove closest to the center portion is circular) as in the concavo-convex structure 650 in FIG. ), It is possible to prevent the laser light from being repeatedly irradiated to one point on the substrate 110 during laser processing, and as a result, problems such as holes in the substrate 110 are less likely to occur.

また、上記構成の接続溝153,253はいずれも、接合領域112から基板110上において接合材料が塗布されない非接合領域113まで連続して延在しているのが好ましい。これにより、接続溝153,253は、複数の溝151,251を接続する第1の機能に加えて、接合材料である金属ナノペーストに含まれている有機溶剤を接合領域112から非接合領域113まで誘導する第2の機能を果たすことができる。特に、溝151,251及び接続溝153,253の双方が接合領域112から非接合領域113まで連続して延在している場合には、これら二種類の溝の協働によって金属ナノペーストに含まれている有機溶剤を非接合領域113まで誘導する機能を強化することができる。   Moreover, it is preferable that all of the connection grooves 153 and 253 having the above-described configuration extend continuously from the bonding region 112 to the non-bonding region 113 where the bonding material is not applied on the substrate 110. Thereby, in addition to the 1st function which connects the some groove | channel 151,251, the connection groove | channels 153 and 253 remove the organic solvent contained in the metal nano paste which is a joining material from the joining area | region 112 to the non-joining area | region 113. The second function of guiding to can be performed. In particular, when both the grooves 151 and 251 and the connection grooves 153 and 253 extend continuously from the bonding region 112 to the non-bonding region 113, the two types of grooves cooperate to include the metal nano paste. The function of guiding the organic solvent to the non-bonding region 113 can be enhanced.

本発明は、上記の典型的な実施形態のみに限定されるものではなく、種々の応用や変形が考えられる。例えば、上記実施の形態を応用した次の各形態を実施することもできる。   The present invention is not limited to the above exemplary embodiment, and various applications and modifications are possible. For example, each of the following embodiments to which the above embodiment is applied can be implemented.

上記実施の形態では、接合層の外周部分の全ての角部を排除する例について記載したが、本発明では、接合層の外周部分に少なくとも1つのR部が設けられていれば当該R部によって熱応力の緩和効果を得ることができる。従って、必要に応じては、接合層の外周部分に例えば角部及びR部の双方を備える構造を採用することもできる。   In the above embodiment, an example in which all corners of the outer peripheral portion of the bonding layer are excluded has been described. However, in the present invention, if at least one R portion is provided in the outer peripheral portion of the bonding layer, A thermal stress relaxation effect can be obtained. Therefore, if necessary, for example, a structure including both a corner portion and an R portion on the outer peripheral portion of the bonding layer may be employed.

上記実施の形態では、溝と接続溝との組み合わせによって基板上に形成された、図23に示す碁盤目状の溝パターンや図24に示す蜘蛛の巣状の溝パターンについて記載したが、溝パターンはこれらに限定されるものではなく、必要に応じて種々の溝パターンを採用することができる。例えば、図12に示す複数の溝151と図24に示す複数の接続溝253とを組み合わせた溝パターンを採用することもできる。   In the above embodiment, the grid-like groove pattern shown in FIG. 23 and the cobweb-like groove pattern shown in FIG. 24 formed on the substrate by the combination of the groove and the connection groove are described. Is not limited to these, and various groove patterns can be adopted as necessary. For example, a groove pattern in which a plurality of grooves 151 shown in FIG. 12 and a plurality of connection grooves 253 shown in FIG. 24 are combined may be employed.

上記実施の形態では、基板上の溝及び接続溝はいずれも溝断面をマイクロメートルオーダーのうねり形状(正弦波形)にすることで凹凸構造を形成する場合について記載したが、本発明では、これらの溝や接続溝を形成する際に、溝断面がマイクロメートルオーダー以外のうねり形状である形態や、溝断面がうねり形状以外の形状、例えばうねり形状以外の波状や矩形(非正弦波形)である形態を採用することもできる。また、基板上の溝や接続溝の数や形状については、接合層の形状に応じて適宜に変更可能である。   In the above embodiment, the groove and the connection groove on the substrate are both described in the case of forming a concavo-convex structure by making the groove cross section waviness shape (sinusoidal waveform) on the order of micrometers. When forming a groove or connection groove, the groove section has a wavy shape other than a micrometer order, or the groove cross section has a shape other than a wavy shape, for example, a wavy shape other than a wavy shape or a rectangular shape (non-sinusoidal waveform). Can also be adopted. Further, the number and shape of the grooves and connection grooves on the substrate can be appropriately changed according to the shape of the bonding layer.

100…半導体装置、110…基板、120…半導体素子(半導体チップ)、130…接合層、131…R部、140…形状維持機構、141…撥液部、143…受け溝、150,250,350,450,550,650…凹凸構造、151,251,351,451…溝、153,253…接続溝   DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Semiconductor device, 110 ... Board | substrate, 120 ... Semiconductor element (semiconductor chip), 130 ... Bonding layer, 131 ... R part, 140 ... Shape maintenance mechanism, 141 ... Liquid-repellent part, 143 ... Receiving groove, 150, 250, 350 , 450, 550, 650 ... uneven structure, 151, 251, 351, 451 ... groove, 153, 253 ... connection groove

Claims (15)

金属製の基板と、前記基板上の接合領域に塗布される接合材料のみからなる接合層を介して前記基板に接合された半導体素子と、を含み、
前記接合層の外周部分の形状が所定の曲率半径を有するR部によって構成されている、半導体装置。
A metal substrate, and a semiconductor element bonded to the substrate through a bonding layer made of only a bonding material applied to a bonding region on the substrate,
A semiconductor device, wherein a shape of an outer peripheral portion of the bonding layer is configured by an R portion having a predetermined radius of curvature.
請求項1に記載の半導体装置において、
前記接合層は円柱形状であり、当該円柱形状の円弧半径が前記R部の前記所定の曲率半径に相当する、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device, wherein the bonding layer has a cylindrical shape, and an arc radius of the cylindrical shape corresponds to the predetermined curvature radius of the R portion.
請求項1又は2に記載の半導体装置であって、
前記接合層は、熱流動性を有する前記接合材料が前記接合領域に塗布された後に加熱されることによって形成され、
前記接合材料の加熱前後での形状を維持するための形状維持機構を備える、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1 or 2,
The bonding layer is formed by heating after the bonding material having heat fluidity is applied to the bonding region,
A semiconductor device comprising a shape maintaining mechanism for maintaining the shape of the bonding material before and after heating.
請求項3に記載の半導体装置であって、
前記形状維持機構は、前記接合領域のまわりを区画するように前記基板上に形成され、前記接合材料に対する撥液作用を有するナノメートルオーダーの凹凸構造によって構成される、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 3,
The shape maintaining mechanism is a semiconductor device which is formed on the substrate so as to partition around the bonding region, and is configured by a concavo-convex structure of nanometer order having a liquid repellent effect on the bonding material.
請求項4に記載の半導体装置であって、
前記凹凸構造は、前記基板上にフェムト秒レーザーを照射するレーザー加工によって形成される、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 4,
The uneven structure is a semiconductor device formed by laser processing that irradiates a femtosecond laser on the substrate.
請求項1から5のうちのいずれか一項に記載の半導体装置であって、
前記半導体素子は、前記接合層に加えて前記接合材料のみからなる補助接合層を介して前記基板に接合され、前記補助接合層は、前記接合層の外周部分のうち前記R部の近傍に配置されている、半導体装置。
A semiconductor device according to any one of claims 1 to 5,
The semiconductor element is bonded to the substrate via an auxiliary bonding layer made of only the bonding material in addition to the bonding layer, and the auxiliary bonding layer is disposed in the vicinity of the R portion in the outer peripheral portion of the bonding layer. A semiconductor device.
請求項1から6のうちのいずれか一項に記載の半導体装置であって、
前記基板上の前記接合領域に凹凸構造を備える、半導体装置。
A semiconductor device according to any one of claims 1 to 6,
A semiconductor device comprising an uneven structure in the bonding region on the substrate.
請求項7に記載の半導体装置であって、
前記基板上の前記接合領域に長尺状に延在するとともに断面がマイクロメートルオーダーの波状である溝を備え、前記溝の前記うねり形状によって前記凹凸構造が構成されている、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 7,
A semiconductor device comprising a groove extending in a long shape in the bonding region on the substrate and having a corrugated cross section of the order of micrometers, and the concavo-convex structure is constituted by the wavy shape of the groove.
請求項8に記載の半導体装置であって、
前記溝は、前記接合領域から前記基板上で前記接合材料が塗布されない非接合領域まで連続して延在している、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 8,
The groove extends continuously from the bonding region to a non-bonding region where the bonding material is not applied on the substrate.
請求項9に記載の半導体装置であって、
前記溝の複数が前記接合領域の中心部から前記非接合領域まで連続して放射状に延在している、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 9,
A semiconductor device, wherein a plurality of the grooves extend radially from the center of the bonding region to the non-bonding region.
請求項8から10のうちのいずれか一項に記載の半導体装置であって、
前記溝は、前記基板上にフェムト秒レーザーを照射するレーザー加工によって形成される、半導体装置。
A semiconductor device according to any one of claims 8 to 10,
The groove is a semiconductor device formed by laser processing that irradiates a femtosecond laser on the substrate.
請求項9から11のうちのいずれか一項に記載の半導体装置はさらに、
前記基板上の前記接合領域において、隣接する前記溝同士を接続する接続溝を備えている、半導体装置。
The semiconductor device according to any one of claims 9 to 11, further comprising:
The semiconductor device provided with the connection groove | channel which connects the said adjacent groove | channels in the said junction area | region on the said board | substrate.
請求項12に記載の半導体装置であって、
前記接続溝の断面が波状である、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 12,
A semiconductor device, wherein the connection groove has a wavy cross section.
請求項13に記載の半導体装置であって、
前記接続溝の複数が前記接合領域の中心部のまわりに同心円状に広がるように配置される、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 13,
A semiconductor device, wherein a plurality of the connection grooves are arranged so as to extend concentrically around a central portion of the junction region.
請求項12から14のうちのいずれか一項に記載の半導体装置であって、
前記接続溝は、前記接合領域から前記基板上で前記接合材料が塗布されない非接合領域まで連続する、半導体装置。
A semiconductor device according to any one of claims 12 to 14,
The connection groove is a semiconductor device that continues from the bonding region to a non-bonding region where the bonding material is not applied on the substrate.
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