JP2017069558A - パワー半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
加熱により焼結層となる層を有する加熱接合用シートと、ダイシングテープとが積層されたダイシングテープ付き加熱接合用シートを準備する工程と、
前記ダイシングテープ付き加熱接合用シートの加熱接合用シートと、パワー半導体装置用ウエハの裏面とを貼り合わせる工程と、
前記パワー半導体装置用ウエハを前記加熱接合用シートと共にダイシングして、チップ状の半導体チップを形成するダイシング工程と、
前記半導体チップを、前記ダイシングテープから前記加熱接合用シートと共にピックアップする工程と、
ピックアップされた加熱接合用シート付き半導体チップを、前記加熱接合用シートを介して、基板に仮接着する工程と、
前記加熱接合用シートを加熱し、前記半導体チップを前記基板上に接合する工程とを含むことを特徴とする。
また、ダイシングテープと加熱接合用シートとが予め積層されたダイシングテープ付き加熱接合用シートを用いるため、ダイシングテープと加熱接合用シートとを貼り合わせる工程を省略することができる。
また、加熱により焼結層となる層を有する加熱接合用シートを介して、半導体チップを基板上に接合する。焼結層による接合のため、高温(例えば、250℃以上)の環境においても高い信頼性が得られ、かつ高い熱特性が得られる。
<加熱条件A>
前記層を、10MPaの加圧下で、80℃から300℃まで昇温速度1.5℃/秒にて昇温した後、300℃で2.5分間保持する。
なお、上記加熱条件Aは、前記層が加熱により焼結層となる条件を想定して規定した加熱条件である。
<加熱条件A>
前記層を、10MPaの加圧下で、80℃から300℃まで昇温速度1.5℃/秒にて昇温した後、300℃で2.5分間保持する。
<加熱条件A>
前記層を、10MPaの加圧下で、80℃から300℃まで昇温速度1.5℃/秒にて昇温した後、300℃で2.5分間保持する。
<加熱条件A>
前記層を、10MPaの加圧下で、80℃から300℃まで昇温速度1.5℃/秒にて昇温した後、300℃で2.5分間保持する。
まず、本実施形態に係るダイシングテープ付き加熱接合用シートについて、以下に説明する。図1は、本実施形態に係るダイシングテープ付き加熱接合用シートを示す断面模式図である。図2は、他の実施形態に係る他のダイシングテープ付き加熱接合用シートを示す断面模式図である。
加熱接合用シート3、3’は、シート状である。ペーストではなく、シートであるため、貼り付け時のはみ出しや貼り付け対象物表面への這い上がりを抑制できる。
また、本実施形態では、加熱接合用シートが、加熱により焼結層となる層からなる場合について説明するが、本発明はこの例に限定されない。本発明の加熱接合用シートは、2層以上であってもよい。例えば、加熱により焼結層となる層と、その他の層(加熱により焼結層とならない層)とが積層された構成であってもよい。
すなわち、本発明における加熱接合用シートは、加熱により焼結層となる層を有していればよく、その構成は特に限定されない。
加熱により焼結層となる層31(以下、「層31」ともいう)の平均厚みは、5μm〜200μmであることが好ましく、より好ましくは10μm〜150μmであり、さらに好ましくは15μm〜100μmである。加熱前の層31の平均厚みを上記範囲とすることで、シート形状の維持と厚み均一性を確保することができる。
層31を、10MPaの加圧下で、80℃から300℃まで昇温速度1.5℃/秒にて昇温した後、300℃で2.5分間保持する。
前記硬さは、金属微粒子の種類、含有量、平均粒径、熱分解性バインダーの種類、含有量、低沸点バインダーの種類、含有量、加熱により焼結層を形成する際の加熱条件(例えば、温度、時間、昇温速度等)、焼結層を形成する際の雰囲気(大気雰囲気、窒素雰囲気、又は、還元ガス雰囲気等)によりコントロールすることができる。
層31を、10MPaの加圧下で、80℃から300℃まで昇温速度1.5℃/秒にて昇温した後、300℃で2.5分間保持する。
前記弾性率は、金属微粒子の種類、含有量、平均粒径、熱分解性バインダーの種類、含有量、低沸点バインダーの種類、含有量、加熱により焼結層を形成する際の加熱条件(例えば、温度、時間、昇温速度等)、焼結層を形成する際の雰囲気(大気雰囲気、窒素雰囲気、又は、還元ガス雰囲気等)によりコントロールすることができる。
(1)前記層を、10MPaの加圧下で、80℃から300℃まで昇温速度1.5℃/秒にて昇温した後、300℃で2.5分間保持し、変形量計測用の層を得る工程、
(2)前記変形量計測用の層を、ナノインデンターを用いて押し込み深さ2μmで押し込み、押し込みを解除した後の、押し込み前からの変形量を計測する工程。
層31を、10MPaの加圧下で、80℃から300℃まで昇温速度1.5℃/秒にて昇温した後、300℃で2.5分間保持する。
前記平均面積は、金属微粒子の種類、含有量、平均粒径、熱分解性バインダーの種類、含有量、低沸点バインダーの種類、含有量、加熱により焼結層を形成する際の加熱条件(例えば、温度、時間、昇温速度等)、焼結層を形成する際の雰囲気(大気雰囲気、窒素雰囲気、又は、還元ガス雰囲気等)によりコントロールすることができる。
前記割合は、金属微粒子の種類、含有量、平均粒径、熱分解性バインダーの種類、含有量、低沸点バインダーの種類、含有量、加熱により焼結層を形成する際の加熱条件(例えば、温度、時間、昇温速度等)、焼結層を形成する際の雰囲気(大気雰囲気、窒素雰囲気、又は、還元ガス雰囲気等)によりコントロールすることができる。
前記分布幅σは、金属微粒子の種類、含有量、平均粒径、熱分解性バインダーの種類、含有量、低沸点バインダーの種類、含有量、加熱により焼結層を形成する際の加熱条件(例えば、温度、時間、昇温速度等)、焼結層を形成する際の雰囲気(大気雰囲気、窒素雰囲気、又は、還元ガス雰囲気等)によりコントロールすることができる。
前記最大面積は、金属微粒子の種類、含有量、平均粒径、熱分解性バインダーの種類、含有量、低沸点バインダーの種類、含有量、加熱により焼結層を形成する際の加熱条件(例えば、温度、時間、昇温速度等)、焼結層を形成する際の雰囲気(大気雰囲気、窒素雰囲気、又は、還元ガス雰囲気等)によりコントロールすることができる。
(1)試験試料として、厚さ200μm、幅10mm、長さ40mmの加熱接合用シート(引張試験用加熱接合用シート)を準備し、
(2)チャック間距離10mm、引張速度50mm/分、23℃の条件で引張試験を行い、
(3)得られた応力−ひずみ線図の直線部分の傾きを引張弾性率とする。
前記焼結性金属粒子の結晶子の平均径は、0.01nm以上60nm以下が好ましく、0.1nm以上50nm以下がより好ましく、0.5nm以上45nm以下がさらに好ましい。結晶子の平均径を上記範囲とすることで、焼結性金属粒子の焼結温度の過度の上昇を抑制することができる。
粘度測定の条件は、下記の通りである。
レオメータ:Thermo SCIENTFIC社製 MER III
治具:パラレルプレート20mmφ、ギャップ100μm、せん断速度 1/秒)
前記脂肪族ポリカーボネートとしては、ポリエチレンカーボネート、ポリプロピレンカーボネート等が挙げられる。なかでもシート形成のためのワニス作製における有機溶剤への溶解性の観点から、ポリプロピレンカーボネートが好ましい。
前記芳香族ポリカーボネートとしては、主鎖にビスフェノールA構造を含むもの等が挙げられる。
前記ポリカーボネートの重量平均分子量は、10,000〜1,000,000の範囲内であることが好適である。なお、重量平均分子量は、GPC(ゲル・パーミエーション・クロマトグラフィー)により測定し、ポリスチレン換算により算出された値である。
また、アクリル樹脂のなかでも、200℃〜400℃で熱分解するアクリル樹脂が好ましい。
ダイシングテープ11は基材1上に粘着剤層2を積層して構成されている。
まず、基材1は、従来公知の製膜方法により製膜することができる。当該製膜方法としては、例えばカレンダー製膜法、有機溶媒中でのキャスティング法、密閉系でのインフレーション押出法、Tダイ押出法、共押出し法、ドライラミネート法等が例示できる。
ダイシングテープ付き加熱接合用シート10においては、加熱接合用シート3がセパレータで覆われていることが好ましい。例えば、ダイシングテープ11と加熱接合用シート3とを貼り合わせた後、加熱接合用シート3に積層されていた前記基材セパレータを剥離し、前基材セパレータを剥離した後のダイシングテープ付き加熱接合用シート10の加熱接合用シート3の露出面に、セパレータを貼り付ける方法が挙げられる。すなわち、ダイシングテープ11、加熱接合用シート3、及び、前記セパレータがこの順で積層された形態とすることが好ましい。
本実施形態に係るパワー半導体装置の製造方法は、
加熱により焼結層となる層を有する加熱接合用シートと、ダイシングテープとが積層されたダイシングテープ付き加熱接合用シートを準備する工程と、
前記ダイシングテープ付き加熱接合用シートの加熱接合用シートと、パワー半導体装置用ウエハの裏面とを貼り合わせる工程と、
前記パワー半導体装置用ウエハを前記加熱接合用シートと共にダイシングして、チップ状の半導体チップを形成するダイシング工程と、
前記半導体チップを、前記ダイシングテープから前記加熱接合用シートと共にピックアップする工程と、
ピックアップされた加熱接合用シート付き半導体チップを、前記加熱接合用シートを介して、基板に仮接着する工程と、
前記加熱接合用シートを加熱し、前記半導体チップを前記基板上に接合する工程とを少なくとも含む。
また、本明細書において、パワー半導体装置用ウエハとは、パワー半導体装置の前記機能を実現するための半導体チップを形成する前段階のウエハ(半導体チップへとダイシングする前のウエハ)をいう。
銅微粒子A:三井金属鉱業製 平均粒径200nm、結晶子の平均径31nmの銅微粒子
金属微粒子含有ペーストA:応用ナノ粒子研究所製のANP−1(ナノサイズの銀微粒子が低沸点バインダに分散されたペースト)に含まれる低沸点バインダーの量を適宜調整したもの。
熱分解性バインダーA(ポリプロピレンカーボネート樹脂):Empower社製のQPAC40、23℃で固形
熱分解性バインダーB(アクリル樹脂):藤倉化成社製のMM−2002−1、23℃で固形
低沸点バインダーA(イソボルニルシクロヘキサノール):日本テルペン化学製 テルソルブMTPH、23℃で液状
有機溶剤A:メチルエチルケトン(MEK)
表1に記載の配合比に従い、表1に記載の各成分及び溶媒を、ハイブリッドミキサー(キーエンス製 HM−500)の攪拌釜に入れ、攪拌モード、3分で攪拌・混合した。
得られたワニスを、離型処理フィルム(三菱樹脂(株)製のMRA50)に塗布・乾燥させた。乾燥条件は、表1に記載の通りとした。これにより実施例に係る厚み40μm又は200μmの加熱接合用シートを得た。なお、厚さ200μmの加熱接合用シートは、厚さ40μmの加熱接合用シートを5枚重ね合わせ、ラミネータにて80℃で貼り合わせて作成した。
実施例の加熱接合用シート(以下、単に「シート」ともいう。)について、裏面金属(Ti/Ag)シリコンウエハ(10cm×10cm)の裏面側に1cm×10cmのシートを貼り付けた。コンフォーカル顕微鏡(LaserTec(株)製、「H300」)を用い、シートを貼り付けたシリコンウエハ裏面(シリコンウェハ部分及びシート部分)について下記条件にて非接触計測を行い、高さを求めた。
対物レンズ:10倍
スキャンタイム:60秒
分解能:0.03μm
80℃のラミネータで、裏面金属(Ti/Ag)シリコンウエハ(5cm×5cm)の裏面側に、1cm角以上のサイズでシートを貼り付けた。コンフォーカル顕微鏡(LaserTec(株)製、「H300」)を用いて、シート表面についての非接触計測を行い、表面粗さSaを測定した。
対物レンズ:10倍
スキャンタイム:60秒
分解能:0.03μm
5mm×5mmの裏面金属(Ti/Ag)シリコンチップの裏面全面に80℃でシートを貼り付け、このシート付きチップを銀メッキ銅板(20mm×20mm,厚み3mm)上に配置した。焼結装置((伯東)製、「HTM−3000」)にて、300℃で2.5分間、10MPaの圧力負荷を維持しながらシートを加熱し、これを焼結層とすることで、チップと銀メッキ銅板とを焼結層を介して接合させた。なお、実施例4は窒素環境下で接合させた。接合したサンプル5個について、SAT(超音波映像装置、日立建機ファインテック製、「FineSAT II」)の反射モード(トランスデューサータイプ:PQ−50−13:WD、周波数:50MHz)で観察し、チップと銀メッキ銅板との間での剥離の有無を確認した。5個のサンプルのそれぞれについて接合面全体に対する剥離した部分の面積の割合を求め、その平均値を平均剥離面積率(%)とした。平均剥離面積率が10%以下の場合を「○」、10%を超えた場合を「×」として評価した。
裏面にTi層(厚さ50nm)とAg層(厚さ100nm)とがこの順で形成されたシリコンチップ(シリコンチップの厚さ350μm、縦5mm、横5mm)を準備した。準備したシリコンチップのAg層面に実施例の加熱接合用シートをそれぞれ貼り合わせた。
貼り合わせ条件は、温度70℃、圧力0.3MPa、速度10mm/秒とした。
10MPaの加圧(平板プレス)下で、80℃から300℃まで昇温速度1.5℃/秒にて昇温した後、300℃で2.5分間保持した。その後、170℃になるまで空冷し、その後、80℃になるまで水冷した。なお、水冷は、加圧板内に付設された水冷式冷却板によるものである。なお、実施例4は窒素環境下で接合させた。
<包埋条件>
SCANDIPLEX A:SCANDIPLEX B=9:4(体積比)
45℃で、1〜2時間放置
<粗研磨条件>
耐水研磨紙:Struers社、SiC Foil #220
円盤回転数:150rpm
<精密研磨条件>
耐水研磨紙:Struers社、SiC Foil #220, #1000
円盤回転数:100rpm
荷重:200〜500g
<イオンポリッシング条件>
加速電圧 5〜6kV
加工時間 8〜10時間
遮蔽板からの飛び出し量 25〜50μm
ギャップ300μm、直径8mm、ひずみ0.05%、周波数1HzでHAAKE社製のMARSIIIを用いて、実施例に係る加熱接合用シートの粘度を測定した。結果を表1に示す。
裏面にTi層(厚さ50nm)とAg層(厚さ100nm)とがこの順で形成されたシリコンチップ(シリコンチップの厚さ350μm、縦5mm、横5mm)を準備した。準備したシリコンチップのAg層面に実施例の加熱接合用シートをそれぞれ貼り合わせた。
貼り合わせ条件は、温度70℃、圧力0.3MPa、速度10mm/秒とした。
10MPaの加圧(平板プレス)下で、80℃から300℃まで昇温速度1.5℃/秒にて昇温した後、300℃で2.5分間保持した。その後、170℃になるまで空冷し、その後、80℃になるまで水冷した。なお、水冷は、加圧板内に付設された水冷式冷却板によるものである。なお、実施例4は窒素環境下で接合させた。
<包埋条件>
SCANDIPLEX A:SCANDIPLEX B=9:4(体積比)
45℃で、1〜2時間放置
<粗研磨条件>
耐水研磨紙:Struers社、SiC Foil #220
円盤回転数:150rpm
<精密研磨条件>
耐水研磨紙:Struers社、SiC Foil #220, #1000
円盤回転数:100rpm
荷重:200〜500g
<イオンポリッシング条件>
加速電圧 5〜6kV
加工時間 8〜10時間
遮蔽板からの飛び出し量 25〜50μm
<押し込み条件>
使用圧子:Berkovich[三角錐型])
測定方法:単一押し込み測定モード
測定温度:25℃(室温)
押し込み深さ設定:2μm
裏面にTi層(厚さ50nm)とAg層(厚さ100nm)とがこの順で形成されたシリコンチップ(シリコンチップの厚さ350μm、縦5mm、横5mm)を準備した。準備したシリコンチップのAg層面に実施例の加熱接合用シートをそれぞれ貼り合わせた。
貼り合わせ条件は、温度70℃、圧力0.3MPa、速度10mm/秒とした。
10MPaの加圧(平板プレス)下で、80℃から300℃まで昇温速度1.5℃/秒にて昇温した後、300℃で2.5分間保持した。その後、170℃になるまで空冷し、その後、80℃になるまで水冷した。なお、水冷は、加圧板内に付設された水冷式冷却板によるものである。なお、実施例4は窒素環境下で接合させた。
<包埋条件>
SCANDIPLEX A:SCANDIPLEX B=9:4(体積比)
45℃で、1〜2時間放置
<粗研磨条件>
耐水研磨紙:Struers社、SiC Foil #220
円盤回転数:150rpm
<精密研磨条件>
耐水研磨紙:Struers社、SiC Foil #220, #1000
円盤回転数:100rpm
荷重:200〜500g
<イオンポリッシング条件>
加速電圧 5〜6kV
加工時間 8〜10時間
遮蔽板からの飛び出し量 25〜50μm
得られた断面SEM像を、金属部分と気孔部分とに2値化した。2値化には、画像解析ソフト(ImageJ)を用いた。図8は、2値化前の実施例1−1の焼結層の断面SEM像であり、図6は、2値化後の実施例1−1の焼結層の断面SEM像である。図8に示す2値化前の画像において、焼結層における黒色部分が気孔部分であり、灰色部分が金属部分である。図9に示す2値化後の画像では、黒色部分が気孔部分であり、白色部分が金属部分である。なお、1つの黒点が1つの気孔に対応する。
気孔部分の平均面積は、2値化後の画像を用い、気孔部分の合計の面積(図9の黒色部分の合計面積)を、気孔部分の個数(黒色部分の個数)で除して求めた。気孔部分の平均面積が0.005μm2〜1μm2の場合を○、0.005μm2より小さい、又は、0.5μm2より大きい場合を×として評価した。結果を表1に示す。
気孔部分の割合は、2値化後の画像を用い、気孔部分の合計の面積を、焼結層部分全体の面積で除して求めた。気孔部分の割合が0.1%〜20%の場合を○、0.1%よりも小さい、又は、20%よりも大きい場合を×として評価した。結果を表1に示す。
気孔部分の面積の分布幅σは、2値化後の画像を用い、各気孔部分の面積の標準偏差の値として求めた。気孔部分の面積の分布幅σが2以下の場合を○、2より大きい場合を×として評価した。結果を表1に示す。
ナノインデンターを用いた計測で作成した方法と同様の方法で、実施例に係る評価用サンプルを作成した。
2 粘着剤層
3、3’ 加熱接合用シート
4 半導体ウェハ
5 半導体チップ
6 基板
7 ボンディングワイヤー
8 封止樹脂
10、12 ダイシングテープ付き加熱接合用シート
11 ダイシングテープ
30 両面セパレータ付き加熱接合用シート
31 加熱により焼結層となる層
32 第1のセパレータ
34 第2のセパレータ
Claims (9)
- 加熱により焼結層となる層を有する加熱接合用シートと、ダイシングテープとが積層されたダイシングテープ付き加熱接合用シートを準備する工程と、
前記ダイシングテープ付き加熱接合用シートの加熱接合用シートと、パワー半導体装置用ウエハの裏面とを貼り合わせる工程と、
前記パワー半導体装置用ウエハを前記加熱接合用シートと共にダイシングして、チップ状の半導体チップを形成するダイシング工程と、
前記半導体チップを、前記ダイシングテープから前記加熱接合用シートと共にピックアップする工程と、
ピックアップされた加熱接合用シート付き半導体チップを、前記加熱接合用シートを介して、基板に仮接着する工程と、
前記加熱接合用シートを加熱し、前記半導体チップを前記基板上に接合する工程とを含むことを特徴とするパワー半導体装置の製造方法。 - 前記接合する工程後の前記層の最大厚み及び最小厚みが、前記接合する工程後の前記層の平均厚みの±20%の範囲内であることを特徴とする請求項1に記載のパワー半導体装置の製造方法。
- 前記層の最大厚み及び最小厚みが、前記層の平均厚みの±20%の範囲内であることを特徴とする請求項1又は2に記載のパワー半導体装置の製造方法。
- 前記層の平均厚みが5μm〜200μmであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1に記載のパワー半導体装置の製造方法。
- 90℃における前記層の粘度が0.27MPa・s以上であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1に記載のパワー半導体装置の製造方法。
- 前記層は、下記加熱条件Aにより加熱した後の硬さが、ナノインデンターを用いた計測において、1.5GPa〜10GPaの範囲内であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1に記載のパワー半導体装置の製造方法。
<加熱条件A>
前記層を、10MPaの加圧下で、80℃から300℃まで昇温速度1.5℃/秒にて昇温した後、300℃で2.5分間保持する。 - 前記層は、下記加熱条件Aにより加熱した後の弾性率が、ナノインデンターを用いた計測において、30GPa〜150GPaの範囲内であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1に記載のパワー半導体装置の製造方法。
<加熱条件A>
前記層を、10MPaの加圧下で、80℃から300℃まで昇温速度1.5℃/秒にて昇温した後、300℃で2.5分間保持する。 - 前記層は、下記加熱条件Aにより加熱した後の、断面における気孔部分の平均面積が、0.005μm2〜0.5μm2の範囲内であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1に記載のパワー半導体装置の製造方法。
<加熱条件A>
前記層を、10MPaの加圧下で、80℃から300℃まで昇温速度1.5℃/秒にて昇温した後、300℃で2.5分間保持する。 - 前記層は、下記加熱条件Aにより加熱した後の、断面における気孔部分の割合が、0.1%〜20%の範囲内であることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1に記載のパワー半導体装置の製造方法。
<加熱条件A>
前記層を、10MPaの加圧下で、80℃から300℃まで昇温速度1.5℃/秒にて昇温した後、300℃で2.5分間保持する。
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