JP2017103290A - Semiconductor device, manufacturing method thereof, power module, and vehicle - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device which has high reliability under a high-temperature environment.SOLUTION: In a semiconductor device, a bonding part of a member 1 to be bonded and a semiconductor chip 4 includes: a plurality of porous metal layers 2 formed and spaced apart from one another on a top face of a chip-mount part 1b of the member 1 to be bonded; an intermetallic compound layer 8 made of a Cu-Sn compound and formed in contact with an Ni electrode 5 on the backside of the semiconductor chip 4; and an intermetallic compound layer 9 interposed between the top face of the chip-mount part 1b and the intermetallic compound layer 8, and including Sn as a primary component. The chip-mount part 1b is a member having a Cu film on its surface, or a member having, on its surface, a Cu film plated with Ag, Au or Ni. In addition, the plurality of porous metal layers 2 are each a porous layer including Ag, Cu, or Ag and Cu.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、半導体装置およびその製造方法、パワーモジュール並びに車両に関する。   The present invention relates to a semiconductor device, a manufacturing method thereof, a power module, and a vehicle.

本技術分野の背景技術として、特開2008−300792号公報(特許文献1)および特開2015−082581号公報(特許文献2)がある。   As background arts in this technical field, there are JP-A-2008-300792 (Patent Document 1) and JP-A-2015-082581 (Patent Document 2).

特開2008−300792号公報(特許文献1)には、金属粒子ペーストを高温硬化させて形成した下地層と、金属粒子を低温金属ロウ材に分散吸収させて形成した高温化金属ロウ材の層と、で構成される接合層によって、半導体チップの裏側と銅配線パターンを接合した半導体装置が記載されている。   Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-300792 (Patent Document 1) discloses a base layer formed by curing a metal particle paste at a high temperature and a layer of a high temperature metal brazing material formed by dispersing and absorbing metal particles in a low temperature metal brazing material. A semiconductor device is described in which the back side of the semiconductor chip and the copper wiring pattern are joined by a joining layer constituted by:

特開2015−082581号公報(特許文献2)には、第1の金属を少なくとも含む微細粒子の焼結金属層と、第2の金属を少なくとも含む凝固金属層と、焼結金属層と凝固金属層との間に介在する、第1の金属と第2の金属とを少なくとも含む拡散金属層と、を備える電力用半導体装置が記載されている。   Japanese Patent Laying-Open No. 2015-082581 (Patent Document 2) discloses a sintered metal layer of fine particles containing at least a first metal, a solidified metal layer containing at least a second metal, a sintered metal layer and a solidified metal. A power semiconductor device including a diffusion metal layer including at least a first metal and a second metal interposed between layers is described.

特開2008−300792号公報JP 2008-300792 A 特開2015−082581号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2015-082581

被接合部材と半導体チップとを接合する方法の一つに、Sn系はんだと、ナノまたはマイクロレベルの金属粒子を含む金属粒子ペーストとを反応させて、被接合部材と半導体チップとの接合部を高融点の金属間化合物とする方法がある。   One method of joining a member to be joined and a semiconductor chip is to react Sn-based solder with a metal particle paste containing nano- or micro-level metal particles to form a joint between the member to be joined and the semiconductor chip. There is a method of using a high melting point intermetallic compound.

しかし、被接合部材と半導体チップとの接合部が完全に金属間化合物とならず、低融点のSnが残存すると、接合部の耐熱性が劣化する場合がある。   However, if the bonding portion between the member to be bonded and the semiconductor chip does not completely become an intermetallic compound and Sn having a low melting point remains, the heat resistance of the bonding portion may deteriorate.

一方、被接合部材と半導体チップとの接合部が完全に金属間化合物になると、金属間化合物が脆性であるため、接合部に大きな衝撃が加わった場合、一気に接合部が破壊する場合がある。   On the other hand, when the joint portion between the member to be joined and the semiconductor chip is completely an intermetallic compound, the intermetallic compound is brittle, and therefore, when a large impact is applied to the joint portion, the joint portion may be destroyed at once.

特許文献1および特許文献2では、このような金属間化合物の性質についての考慮はされていない。   In Patent Document 1 and Patent Document 2, consideration is not given to the nature of such an intermetallic compound.

上記課題を解決するために、本発明による半導体装置は、被接合部材と、半導体チップと、被接合部材と半導体チップとを接合する接合部と、を備える。そして、上記接合部は、被接合部材のチップ搭載部の上面上に互いに離間して形成された複数の多孔質金属層と、半導体チップの裏面のNi電極に接して形成されたCu−Sn化合物からなる第1の層と、複数の多孔質金属層を覆ってチップ搭載部の上面と第1の層との間に介在する、Snを主成分とする金属間化合物からなる第2の層と、を有する。   In order to solve the above problems, a semiconductor device according to the present invention includes a member to be bonded, a semiconductor chip, and a bonding portion that bonds the member to be bonded and the semiconductor chip. The bonding portion includes a plurality of porous metal layers formed on the upper surface of the chip mounting portion of the member to be bonded, and a Cu—Sn compound formed in contact with the Ni electrode on the back surface of the semiconductor chip. And a second layer made of an intermetallic compound containing Sn as a main component and covering the plurality of porous metal layers and interposed between the upper surface of the chip mounting portion and the first layer; Have.

本発明によれば、高温環境下において高い信頼性を有する半導体装置を提供することができる。   According to the present invention, a semiconductor device having high reliability in a high temperature environment can be provided.

上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施の形態の説明により明らかにされる。   Problems, configurations, and effects other than those described above will be clarified by the following description of embodiments.

実施例1による半導体装置を示す断面図であり、(a)は熱処理前の半導体装置の態様を説明する断面図、(b)は熱処理後の半導体装置の態様を説明する断面図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is sectional drawing which shows the semiconductor device by Example 1, (a) is sectional drawing explaining the aspect of the semiconductor device before heat processing, (b) is sectional drawing explaining the aspect of the semiconductor device after heat processing. 実施例1による被接合部材と半導体チップとの接合部の一部を拡大して示す断面図である。It is sectional drawing which expands and shows a part of junction part of the to-be-joined member and semiconductor chip by Example 1. FIG. 多孔質金属層を分割せずに、チップ搭載部の上面上に一つの多孔質金属層を形成した場合における被接合部材と半導体チップとの接合部の一部を拡大して示す断面写真である。FIG. 5 is an enlarged cross-sectional photograph showing a part of a bonded portion between a member to be bonded and a semiconductor chip when one porous metal layer is formed on the upper surface of a chip mounting portion without dividing the porous metal layer. . 多孔質金属層を分割して、チップ搭載部の上面上に複数の多孔質金属層を互いに離間して形成した場合における被接合部材と半導体チップとの接合部の一部を拡大して示す断面写真である。The cross section which expands and shows a part of joining part of a to-be-joined member and a semiconductor chip in the case where a porous metal layer is divided and a plurality of porous metal layers are formed apart from each other on the upper surface of the chip mounting part It is a photograph. 実施例1による互いに離間して形成された複数の多孔質金属層の第1の配置例を示す平面図である。FIG. 3 is a plan view showing a first arrangement example of a plurality of porous metal layers formed to be separated from each other according to Example 1. 実施例1による互いに離間して形成された複数の多孔質金属層の第2の配置例を示す平面図である。FIG. 6 is a plan view showing a second arrangement example of a plurality of porous metal layers formed apart from each other according to Example 1. 実施例1による互いに離間して形成された複数の多孔質金属層の第3の配置例を示す平面図である。FIG. 6 is a plan view showing a third arrangement example of a plurality of porous metal layers formed separately from each other according to Example 1. 実施例1の変形例5による被接合部材と半導体チップとの接合部の一部を拡大して示す断面図である。It is sectional drawing which expands and shows a part of junction part of the to-be-joined member and semiconductor chip by the modification 5 of Example 1. FIG. 実施例1の変形例6による被接合部材と半導体チップとの接合部の一部を拡大して示す断面図である。It is sectional drawing which expands and shows a part of junction part of the to-be-joined member and semiconductor chip by the modification 6 of Example 1. FIG. 実施例2によるパワーモジュールの要部断面図である。It is principal part sectional drawing of the power module by Example 2. FIG. 実施例3による鉄道車両の一例を示す部分側面図である。FIG. 10 is a partial side view showing an example of a railway vehicle according to a third embodiment. 図11に示す鉄道車両に設置されたインバータの内部構造の一例を示す平面図である。It is a top view which shows an example of the internal structure of the inverter installed in the rail vehicle shown in FIG. 実施例4による自動車の一例を示す斜視図である。FIG. 10 is a perspective view illustrating an example of an automobile according to a fourth embodiment.

以下の実施の形態において、便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。   In the following embodiments, when necessary for the sake of convenience, the description will be divided into a plurality of sections or embodiments. However, unless otherwise specified, they are not irrelevant to each other, and one is the other. There are some or all of the modifications, details, supplementary explanations, and the like.

また、以下の実施の形態において、要素の数等(個数、数値、量、範囲等を含む)に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。   Further, in the following embodiments, when referring to the number of elements (including the number, numerical value, quantity, range, etc.), especially when clearly indicated and when clearly limited to a specific number in principle, etc. Except, it is not limited to the specific number, and may be more or less than the specific number.

また、以下の実施の形態において、その構成要素(要素ステップ等も含む)は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。   Further, in the following embodiments, the constituent elements (including element steps) are not necessarily indispensable unless otherwise specified and clearly considered essential in principle. Needless to say.

また、「Aからなる」、「Aよりなる」、「Aを有する」、「Aを含む」と言うときは、特にその要素のみである旨明示した場合等を除き、それ以外の要素を排除するものでないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。   In addition, when referring to “consisting of A”, “consisting of A”, “having A”, and “including A”, other elements are excluded unless specifically indicated that only that element is included. It goes without saying that it is not what you do. Similarly, in the following embodiments, when referring to the shapes, positional relationships, etc. of the components, etc., the shapes are substantially the same unless otherwise specified, or otherwise apparent in principle. And the like are included. The same applies to the above numerical values and ranges.

また、以下の実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。以下、本実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。   In all the drawings for explaining the following embodiments, components having the same function are denoted by the same reference numerals in principle, and repeated description thereof is omitted. Hereinafter, the present embodiment will be described in detail with reference to the drawings.

≪詳細な課題の説明≫
電鉄、産業設備または電気自動車/ハイブリッド自動車(EV(Electric Vehicle)/HEV(Hybrid Electric Vehicle))用モータなどの大出力モータを制御するインバータには、パワーモジュールが使用されている。これまで、パワーモジュールには、Siを用いたIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などのパワー半導体装置が用いられてきた。しかし、近年、省エネルギーが期待される、SiCまたはGaNを用いたパワー半導体装置が普及しつつある。
≪Detailed assignment explanation≫
A power module is used for an inverter that controls a high-output motor such as a motor for electric railway, industrial equipment, or an electric vehicle / hybrid vehicle (EV (Electric Vehicle) / HEV (Hybrid Electric Vehicle)). Until now, power semiconductor devices such as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) using Si have been used for power modules. However, in recent years, power semiconductor devices using SiC or GaN, which are expected to save energy, are becoming popular.

ところで、従来、Siを用いたパワー半導体装置では、被接合部材と半導体チップとの接合部には、Pb−Sn系はんだが用いられてきた。しかし、SiCまたはGaNはSiに比べて高温駆動が可能であることから、SiCまたはGaNを用いたパワー半導体装置では、Siを用いたパワー半導体装置よりも、被接合部材と半導体チップとの接合部が高温に晒される可能性がある。   By the way, conventionally, in a power semiconductor device using Si, Pb—Sn solder has been used for a joint portion between a member to be joined and a semiconductor chip. However, since SiC or GaN can be driven at a higher temperature than Si, in the power semiconductor device using SiC or GaN, the bonded portion between the member to be bonded and the semiconductor chip is more powerful than the power semiconductor device using Si. May be exposed to high temperatures.

Pb−Sn系はんだを用いた接合の場合、被接合部材と半導体チップとの接合部の温度が200℃を超えると、接合部の耐熱性が不足してパワー半導体装置に要求される高温環境下における動作安定性および高電流負荷耐性を満足できない場合がある。   In the case of bonding using Pb—Sn solder, if the temperature of the bonded portion between the member to be bonded and the semiconductor chip exceeds 200 ° C., the high temperature environment required for the power semiconductor device is insufficient due to insufficient heat resistance of the bonded portion. May not satisfy the operational stability and high current load tolerance.

例えば被接合部材と半導体チップとをPb−Sn系はんだで接合し、250℃の温度で500時間保持した場合、カーケンダルボイドが形成されて、接合部の耐熱性が劣化する。このため、Pb−Sn系はんだよりも、耐熱性の高い接合を実現できる接合材料が必要とされている。   For example, when a member to be bonded and a semiconductor chip are bonded with Pb—Sn solder and held at a temperature of 250 ° C. for 500 hours, a Kirkendall void is formed and the heat resistance of the bonded portion deteriorates. For this reason, there is a need for a bonding material that can realize bonding with higher heat resistance than Pb—Sn solder.

また、近年、Pb成分が人体に悪影響を及ぼすことが指摘され、Pbを含むはんだは社会問題としてクローズアップされている。さらに、EU(European Union)のROHS(Restriction of Hazardous Substances Directive)指令に代表されるように、Pbを含む有害物質の使用を法的に規制する動きも活発化している。   In recent years, it has been pointed out that the Pb component has an adverse effect on the human body, and solder containing Pb has been highlighted as a social problem. Furthermore, as represented by the EU (Restriction of Hazardous Substances Directive) directive of the EU (European Union), the movement to legally restrict the use of harmful substances including Pb has been activated.

そこで、近年、Pd−Sn系はんだを用いた接合に代わり、ナノまたはマイクロレベルの金属粒子を含む金属粒子ペーストを焼結する焼結金属接合が提案されている。焼結金属接合は、高温動作への対応が可能であり、Pbを含まないことから、高温対応の接合技術として有望視されている。   In recent years, instead of joining using Pd—Sn solder, sintered metal joining for sintering metal particle paste containing nano- or micro-level metal particles has been proposed. Sintered metal bonding is promising as a high-temperature bonding technique because it can handle high-temperature operation and does not contain Pb.

しかし、焼結金属接合では、金属粒子ペーストが接合時に溶融しないため、被接合部材の反りまたは凹凸を吸収するために接合時に荷重をかけて金属粒子ペーストを被接合部材に密着させる必要がある。   However, in sintered metal bonding, the metal particle paste does not melt at the time of bonding. Therefore, in order to absorb warpage or unevenness of the members to be bonded, it is necessary to apply a load at the time of bonding to bring the metal particle paste into close contact with the members to be bonded.

接合後の焼結密度がこの際の荷重に大きく依存するため、接合部の接合性を確保するために必要な焼結密度を得るためには、10MPa程度の大荷重が必要となる。   Since the sintered density after the bonding greatly depends on the load at this time, a large load of about 10 MPa is required to obtain a sintered density necessary for ensuring the bondability of the bonded portion.

但し、半導体チップを大荷重で押すと半導体チップを破壊する恐れがある。このため、可能なかぎり接合時の荷重を軽減することが必要となる。   However, if the semiconductor chip is pressed with a large load, the semiconductor chip may be destroyed. For this reason, it is necessary to reduce the load at the time of joining as much as possible.

荷重を軽減する方法としては、被接合部材の反りまたは凹凸を吸収するため、Sn系はんだを用い、かつ、金属粒子ペーストとSn系はんだとを完全に反応させて高融点の金属間化合物を形成する方法がある(特許文献1および特許文献2参照)。金属間化合物を形成することにより、パワー半導体装置において、被接合材料と半導体チップとの耐熱性に強い接合部を得ることができる。   As a method of reducing the load, in order to absorb warpage or unevenness of the member to be joined, Sn solder is used, and the metal particle paste and Sn solder are completely reacted to form a high melting point intermetallic compound. There is a method (see Patent Document 1 and Patent Document 2). By forming the intermetallic compound, in the power semiconductor device, it is possible to obtain a joint having high heat resistance between the material to be joined and the semiconductor chip.

例えばAg粒子ペーストとSn系はんだを接合材料に用いた場合、Ag粒子ペーストに含まれるAgとSn系はんだに含まれるSnとの反応により、400℃以上の高融点を有するAg−Sn化合物を形成することができる。   For example, when Ag particle paste and Sn-based solder are used as a bonding material, a reaction between Ag contained in the Ag particle paste and Sn contained in the Sn-based solder forms an Ag—Sn compound having a high melting point of 400 ° C. or higher. can do.

しかし、被接合部材と半導体チップとの接合部を全て金属間化合物で形成するには、長時間の熱処理が必要となる。例えば被接合部材と半導体チップとの接合部を全てAg−Sn化合物とするには、300℃の温度で1.5〜2時間程度の熱処理が必要となる。   However, long-time heat treatment is required to form all the joints between the member to be joined and the semiconductor chip with an intermetallic compound. For example, in order to make all the joints between the member to be joined and the semiconductor chip an Ag—Sn compound, heat treatment is required at a temperature of 300 ° C. for about 1.5 to 2 hours.

被接合部材と半導体チップとの接合部が全て金属間化合物とならない場合は、接合部に低融点を有するSnが残存することとなり、接合部において所望する耐熱性が得られない可能性がある。   When all the joint portions between the member to be joined and the semiconductor chip are not intermetallic compounds, Sn having a low melting point remains in the joint portions, and the desired heat resistance may not be obtained at the joint portions.

一方、被接合部材と半導体チップとの接合部を全て金属間化合物で形成した場合、金属間化合物が脆性であるため、接合部に大きな衝撃が加わると、一気に接合部が破壊する可能性がある。   On the other hand, when all the joints between the member to be joined and the semiconductor chip are formed of intermetallic compounds, the intermetallic compounds are brittle, so if a large impact is applied to the joints, the joints may be destroyed at once. .

そこで、本発明では、被接合部材と半導体チップとの良好な接合を得ることにより、高温環境下において高い信頼性を有する半導体装置を提供する。   Therefore, the present invention provides a semiconductor device having high reliability in a high temperature environment by obtaining a good bond between a member to be bonded and a semiconductor chip.

なお、本願明細書において高い信頼性を有する半導体装置とは、被接合部材と半導体チップとの接合部が耐熱性を有し、高温環境下において動作安定性および高電流負荷耐性を有する半導体装置をいう。   Note that in this specification, a highly reliable semiconductor device is a semiconductor device in which a bonded portion between a member to be bonded and a semiconductor chip has heat resistance, and has operational stability and high current load resistance in a high temperature environment. Say.

≪半導体装置の構造≫
本実施例1による半導体装置の構造について図1を用いて説明する。図1は、本実施例1による半導体装置を示す断面図であり、(a)は熱処理前の半導体装置の態様を説明する断面図、(b)は熱処理後の半導体装置の態様を説明する断面図である。
<< Structure of semiconductor device >>
The structure of the semiconductor device according to the first embodiment will be described with reference to FIG. 1A and 1B are cross-sectional views illustrating a semiconductor device according to the first embodiment, where FIG. 1A is a cross-sectional view illustrating an embodiment of the semiconductor device before heat treatment, and FIG. 1B is a cross-sectional view illustrating an embodiment of the semiconductor device after heat treatment. FIG.

まず、図1(a)を用いて、被接合部材1と半導体チップ4とを熱処理により接合する前の半導体装置の構成について説明する。   First, the configuration of the semiconductor device before the bonded member 1 and the semiconductor chip 4 are bonded by heat treatment will be described with reference to FIG.

被接合部材1の基板1aの第1主面上には、チップ搭載部1bが形成されており、その周囲には、複数の配線パターン1cが形成されている。また、基板1aの第1主面と反対側の第2主面上にも、配線パターン1dが形成されている。本実施例1では、基板1a、チップ搭載部1b、配線パターン1cおよび配線パターン1dを含めて被接合部材1と言う。チップ搭載部1b、配線パターン1cおよび配線パターン1dは、例えばCu膜からなり、その厚さは、例えば0.2〜0.5mm程度である。   A chip mounting portion 1b is formed on the first main surface of the substrate 1a of the member 1 to be bonded, and a plurality of wiring patterns 1c are formed around the chip mounting portion 1b. A wiring pattern 1d is also formed on the second main surface opposite to the first main surface of the substrate 1a. In the first embodiment, the substrate 1a, the chip mounting portion 1b, the wiring pattern 1c, and the wiring pattern 1d are referred to as a member 1 to be joined. The chip mounting portion 1b, the wiring pattern 1c, and the wiring pattern 1d are made of, for example, a Cu film, and the thickness thereof is, for example, about 0.2 to 0.5 mm.

チップ搭載部1bの上面上には、複数の多孔質金属層2が互いに離間して形成されている。複数の多孔質金属層2は、ナノまたはマイクロレベルのAg粒子を含む多孔質Ag層であり、Ag粒子ペーストを例示することができる。   On the upper surface of the chip mounting portion 1b, a plurality of porous metal layers 2 are formed apart from each other. The plurality of porous metal layers 2 are porous Ag layers containing nano- or micro-level Ag particles, and examples thereof include an Ag particle paste.

ここで、離間とは、2つの部材が離れて配置され、直接接していないことをいう。また、2つの部材間に他の部材が配置されていても、2つの部材は離間しているという。すなわち、他の部材を介して2つの部材が接続されていても、これら2つの部材は離間されているという。   Here, the separation means that the two members are arranged apart from each other and are not in direct contact with each other. Moreover, even if another member is disposed between the two members, the two members are said to be separated. That is, even if two members are connected via other members, these two members are said to be separated.

つまり、後述の図1(b)では、第一の多孔質金属層2と第二の多孔質金属層2は、金属間化合物層6によって覆われている。また、第一の多孔質金属層2と第二の多孔質金属層2との間には、金属間化合物層6を介して金属間化合物層9が配置されている。このように、第一の多孔質金属2と第二の多孔質金属2は、金属間化合物層6と金属間化合物層9とを介して電気的に接続される関係にある。このような関係を有していても、第一の多孔質金属2と第二の多孔質金属2は離間しているという。   That is, in FIG. 1B described later, the first porous metal layer 2 and the second porous metal layer 2 are covered with the intermetallic compound layer 6. Further, an intermetallic compound layer 9 is disposed between the first porous metal layer 2 and the second porous metal layer 2 with an intermetallic compound layer 6 interposed therebetween. As described above, the first porous metal 2 and the second porous metal 2 are electrically connected via the intermetallic compound layer 6 and the intermetallic compound layer 9. Even if it has such a relationship, it is said that the first porous metal 2 and the second porous metal 2 are separated.

さらに、複数の多孔質金属層2の上面および側面を覆ってチップ搭載部1bの上面上にSn系はんだ3が形成されている。そして、複数の多孔質金属層2およびSn系はんだ3を介して、チップ搭載部1bの上面上に半導体チップ4が搭載されている。   Further, Sn-based solder 3 is formed on the upper surface of the chip mounting portion 1b so as to cover the upper surfaces and side surfaces of the plurality of porous metal layers 2. The semiconductor chip 4 is mounted on the upper surface of the chip mounting portion 1b via the plurality of porous metal layers 2 and the Sn-based solder 3.

半導体チップ4は、その厚さ方向と交差する平面形状が四角形となっており、表面と、表面と反対側の裏面とを有している。半導体チップ4の表面側には、複数の半導体素子、絶縁層と配線層とをそれぞれ複数段積み重ねた多層配線層およびこの多層配線層を覆う表面保護膜などが形成されている。   The semiconductor chip 4 has a quadrangular planar shape that intersects its thickness direction, and has a front surface and a back surface opposite to the front surface. On the surface side of the semiconductor chip 4, a plurality of semiconductor elements, a multilayer wiring layer in which a plurality of insulating layers and wiring layers are stacked, a surface protection film covering the multilayer wiring layer, and the like are formed.

さらに、半導体チップ4の表面側には、複数の半導体素子と電気的に接続された複数の電極パッドが形成されており、複数の電極パッドは、表面保護膜にそれぞれの電極パッドに対応して形成された開口部に露出している。   Furthermore, a plurality of electrode pads electrically connected to a plurality of semiconductor elements are formed on the surface side of the semiconductor chip 4, and the plurality of electrode pads correspond to the respective electrode pads on the surface protective film. It is exposed to the formed opening.

半導体チップ4の裏面は、被接合部材1と対向しており、半導体チップ4の裏面には、Ni電極5が形成されている。Ni電極5の厚さは、例えば0.2〜1.0μm程度であり、代表的な値としては、0.5μmを例示することができる。   The back surface of the semiconductor chip 4 faces the member 1 to be joined, and a Ni electrode 5 is formed on the back surface of the semiconductor chip 4. The thickness of the Ni electrode 5 is, for example, about 0.2 to 1.0 μm, and a typical value is 0.5 μm.

次に、図1(b)を用いて、被接合部材1と半導体チップ4とを熱処理により接合した後の半導体装置の構成について説明する。   Next, the configuration of the semiconductor device after the bonded member 1 and the semiconductor chip 4 are bonded by heat treatment will be described with reference to FIG.

熱処理により、多孔質金属層2に含まれるAgとSn系はんだ3に含まれるSnとが反応して、金属間化合物、すなわちAg−Sn化合物が形成される。   By the heat treatment, Ag contained in the porous metal layer 2 reacts with Sn contained in the Sn-based solder 3 to form an intermetallic compound, that is, an Ag—Sn compound.

また、互いに隣り合う多孔質金属層2の間に露出するチップ搭載部1bから、チップ搭載部1bを構成するCuがSn系はんだ3内へ拡散し、そのCuとSn系はんだ3に含まれるSnとが反応して、金属間化合物、すなわちCu−Sn化合物が形成される。   Further, Cu constituting the chip mounting portion 1b diffuses into the Sn-based solder 3 from the chip mounting portion 1b exposed between the porous metal layers 2 adjacent to each other, and Sn contained in the Cu and Sn-based solder 3 React with each other to form an intermetallic compound, that is, a Cu-Sn compound.

そして、複数の多孔質金属層2の上面および側面に、主としてAg−Sn化合物(例えばAgSn)からなる金属間化合物層6が形成される。また、互いに隣り合う多孔質金属層2の間に露出するチップ搭載部1bの上面に、主としてCu−Sn化合物(例えばCuSn)からなる金属間化合物層7が形成される。また、半導体チップ4の裏面のNi電極5に接して、主としてCu−Sn化合物(例えばCuSn)からなる金属間化合物層8が形成される。 Then, the upper and side surfaces of a plurality of porous metal layer 2, an intermetallic compound layer 6 made of mostly Ag-Sn compound (e.g. Ag 3 Sn) are formed. Further, an intermetallic compound layer 7 mainly made of a Cu—Sn compound (for example, Cu 3 Sn) is formed on the upper surface of the chip mounting portion 1b exposed between the porous metal layers 2 adjacent to each other. Further, an intermetallic compound layer 8 mainly made of a Cu—Sn compound (for example, Cu 6 Sn 5 ) is formed in contact with the Ni electrode 5 on the back surface of the semiconductor chip 4.

そして、チップ搭載部1bと金属間化合物層8との間、具体的には、被接合部材1側に形成された金属間化合物層6および金属間化合物層7と、半導体チップ4側に形成された金属間化合物層8との間に、Snを主成分とする金属間化合物からなる金属間化合物層9が形成される。Snを主成分とする金属間化合物とは、例えばAg−Sn化合物(例えばAgSn)およびCu−Sn化合物(例えばCuSn)である。 Then, between the chip mounting portion 1b and the intermetallic compound layer 8, specifically, the intermetallic compound layer 6 and the intermetallic compound layer 7 formed on the bonded member 1 side, and the semiconductor chip 4 side. Between the intermetallic compound layer 8, an intermetallic compound layer 9 made of an intermetallic compound containing Sn as a main component is formed. Examples of the intermetallic compound containing Sn as a main component include an Ag—Sn compound (for example, Ag 3 Sn) and a Cu—Sn compound (for example, Cu 6 Sn 5 ).

ここで、主成分とは、化合物およびはんだなどの接合部材のうち最も割合が多い元素をいう。例えば、AgSn化合物であれば主成分はAgであり、SuSn化合物であれば、Suが主成分である。Sn−3Ag−0.5Cuはんだであれば、その主成分はSnである。 Here, the main component refers to an element having the largest ratio among the joining members such as a compound and solder. For example, in the case of an Ag 3 Sn compound, the main component is Ag, and in the case of a Su 6 Sn 5 compound, Su is the main component. If it is Sn-3Ag-0.5Cu solder, the main component is Sn.

本実施例1では、多孔質金属層2に、ナノまたはマイクロレベルのAg粒子を含む多孔質Ag層を用いた。多孔質Ag層は、Sn系はんだ3で接合する際に、Sn系はんだ3の濡れ性が非常によいことから、良好な接合を得ることができる。また、多孔質Ag層に含まれるAgはSn系はんだ3に含まれるSnと反応してAg−Sn化合物を生成する速度が速いため、高融点化することが容易となる。   In Example 1, a porous Ag layer containing nano- or micro-level Ag particles was used for the porous metal layer 2. When the porous Ag layer is joined with the Sn-based solder 3, the wettability of the Sn-based solder 3 is very good, so that a good joint can be obtained. Moreover, since Ag contained in the porous Ag layer reacts with Sn contained in the Sn-based solder 3 to produce an Ag—Sn compound, it is easy to increase the melting point.

多孔質Ag層を形成する手段の例としては、以下の方法がある。ナノサイズのAg粒子と溶剤とからなるAg粒子ペーストの分割パターンを、被接合部材1のチップ搭載部1bの上面上にスクリーン印刷で形成し、その後、高温槽で焼結させる。あるいは、スクリーン印刷の替わりに、スタンプなどを利用して分割パターンを転写する方式またはディスペンサにより供給する方法でも同様に多孔質Ag層を形成することができる。   Examples of means for forming the porous Ag layer include the following methods. A divided pattern of Ag particle paste composed of nano-sized Ag particles and a solvent is formed on the upper surface of the chip mounting portion 1b of the bonded member 1 by screen printing, and then sintered in a high-temperature bath. Alternatively, the porous Ag layer can be similarly formed by a method of transferring a divided pattern using a stamp or the like or a method of supplying by a dispenser instead of screen printing.

≪本実施例1による半導体装置の特徴および効果≫
本実施例1による半導体装置の特徴および効果について図2〜図4を用いて説明する。図2は、本実施例1による被接合部材と半導体チップとの接合部の一部を拡大して示す断面図である。
<< Characteristics and Effects of Semiconductor Device According to Embodiment 1 >>
Features and effects of the semiconductor device according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view illustrating a part of the joint portion between the member to be joined and the semiconductor chip according to the first embodiment.

図3は、多孔質金属層を分割せずに、チップ搭載部の上面上に半導体チップとほぼ同じ面積の一つの多孔質金属層を形成した場合における被接合部材と半導体チップとの接合部の一部を拡大して示す断面写真である。   FIG. 3 shows a bonded portion between a member to be bonded and a semiconductor chip when one porous metal layer having substantially the same area as the semiconductor chip is formed on the upper surface of the chip mounting portion without dividing the porous metal layer. It is a cross-sectional photograph which expands and shows a part.

図4は、多孔質金属層を分割して、チップ搭載部の上面上に複数の多孔質金属層を互いに離間して形成した場合における被接合部材と半導体チップとの接合部の一部を拡大して示す断面写真である。   FIG. 4 is an enlarged view of a part of the bonded portion between the member to be bonded and the semiconductor chip when the porous metal layer is divided and a plurality of porous metal layers are formed on the upper surface of the chip mounting portion so as to be separated from each other. It is a cross-sectional photograph shown.

なお、以下の説明では、適宜、図1(a)および(b)を参照する。   In the following description, FIGS. 1A and 1B are referred to as appropriate.

1.半導体装置の特徴
本実施例1による半導体装置は、被接合部材と、半導体チップと、被接合部材と半導体チップとを接合する接合部と、を備える。そして、上記接合部が、被接合部材のチップ搭載部の上面上に互いに離間して形成された複数の多孔質金属層と、半導体チップの裏面のNi電極に接して形成されたCu−Sn化合物からなる第1の層と、複数の多孔質金属層を覆ってチップ搭載部の上面と第1の層との間に介在する、Snを主成分とする金属間化合物からなる第2の層と、を有することを特徴とする。Snを主成分とする金属間化合物は、例えばAg−Sn化合物およびCu−Sn化合物である。
1. Features of Semiconductor Device The semiconductor device according to the first embodiment includes a member to be bonded, a semiconductor chip, and a bonding portion that bonds the member to be bonded and the semiconductor chip. And the said joint part is the Cu-Sn compound formed in contact with the Ni electrode of the several porous metal layer formed on the upper surface of the chip | tip mounting part of the to-be-joined member spaced apart from each other, and the back surface of a semiconductor chip And a second layer made of an intermetallic compound containing Sn as a main component and covering the plurality of porous metal layers and interposed between the upper surface of the chip mounting portion and the first layer; It is characterized by having. Examples of the intermetallic compound containing Sn as a main component are an Ag—Sn compound and a Cu—Sn compound.

2.耐熱性について
接合に用いたSn系はんだに含まれるSnが被接合部材と半導体チップとの接合部に残存すると、その部分の耐熱性は低いため、接合部において所望する耐熱性が得られない可能性がある。
2. About heat resistance If Sn contained in the Sn-based solder used for bonding remains in the bonded portion between the member to be bonded and the semiconductor chip, the heat resistance of that portion is low, so the desired heat resistance may not be obtained at the bonded portion. There is sex.

しかし、本実施例1によれば、被接合部材と半導体チップとの接合部の耐熱性を向上させることができる。以下に、その理由を説明する。   However, according to the first embodiment, the heat resistance of the joint portion between the member to be joined and the semiconductor chip can be improved. The reason will be described below.

図1(a)および(b)に示したように、本実施例1による被接合部材1と半導体チップ4との接合部では、チップ搭載部1bの上面上に互いに離間して複数の多孔質金属層2を形成したことにより、チップ搭載部1bの上面上に半導体チップ4とほぼ同じ面積の一つの多孔質金属層2を形成した場合と比較して、Sn系はんだ3と接する多孔質金属層2の表面積が増加する。このように、Sn系はんだ3と接する多孔質金属層2の表面積が増加することから、多孔質金属層2に含まれるAgとSn系はんだ3に含まれるSnとの反応が促進する。   As shown in FIGS. 1A and 1B, in the bonded portion between the member 1 to be bonded and the semiconductor chip 4 according to the first embodiment, a plurality of porous materials are separated from each other on the upper surface of the chip mounting portion 1b. Since the metal layer 2 is formed, the porous metal in contact with the Sn-based solder 3 is compared with the case where one porous metal layer 2 having almost the same area as the semiconductor chip 4 is formed on the upper surface of the chip mounting portion 1b. The surface area of layer 2 is increased. Thus, since the surface area of the porous metal layer 2 in contact with the Sn-based solder 3 is increased, the reaction between Ag contained in the porous metal layer 2 and Sn contained in the Sn-based solder 3 is promoted.

さらに、図2に示すように、互いに隣り合う多孔質金属層2の間に露出するチップ搭載部1bから、チップ搭載部1bを構成するCuがSn系はんだ3内へ拡散し、そのCuとSn系はんだ3に含まれるSnとが反応して、Cu−Sn化合物が形成される。   Further, as shown in FIG. 2, Cu constituting the chip mounting portion 1b diffuses into the Sn-based solder 3 from the chip mounting portion 1b exposed between the adjacent porous metal layers 2, and the Cu and Sn Sn contained in the system solder 3 reacts to form a Cu—Sn compound.

このように、Ag−Sn化合物の生成に加えて、Cu−Sn化合物が生成されるので、Sn系はんだ3に含まれるSnが消費されやすく、被接合部材1と半導体チップ4との接合部にSn系はんだ3に含まれるSnが残存することを防止することができる。これにより、被接合部材1と半導体チップ4との接合部において所望する耐熱性を得ることができるので、半導体装置において高温駆動が可能となる。   As described above, in addition to the generation of the Ag—Sn compound, the Cu—Sn compound is generated, so that Sn contained in the Sn-based solder 3 is easily consumed, and the bonded portion between the member to be bonded 1 and the semiconductor chip 4 is consumed. It is possible to prevent the Sn contained in the Sn-based solder 3 from remaining. As a result, desired heat resistance can be obtained at the joint between the member 1 to be joined and the semiconductor chip 4, so that the semiconductor device can be driven at a high temperature.

3.信頼性について
(第1の効果)
多孔質金属層を分割せずに、チップ搭載部の上面上に半導体チップとほぼ同じ面積の一つの多孔質金属層を形成して、熱処理により、多孔質金属層に含まれるAgとSn系はんだに含まれるSnとを反応させた場合は、被接合部材と半導体チップとの接合部にAg−Sn化合物が形成される。
3. About reliability (first effect)
Without dividing the porous metal layer, one porous metal layer having substantially the same area as the semiconductor chip is formed on the upper surface of the chip mounting portion, and Ag and Sn-based solder contained in the porous metal layer are formed by heat treatment. When Sn contained is reacted, an Ag—Sn compound is formed at the joint between the member to be joined and the semiconductor chip.

ところが、Ag−Sn化合物が、多孔質金属層から成長して半導体チップの裏面のNi電極に達するまでには、例えば300℃の温度で1.5〜2時間程度の熱処理が必要となる。この間、図3に示すように、Ni電極を構成するNiとSn系はんだに含まれるSnとが反応して、Ni−Sn化合物が形成される。Ni電極を構成するNiが全て反応してしまうと、半導体チップの裏面からNi−Sn化合物が剥離して、半導体装置が壊れる恐れがある。   However, for the Ag—Sn compound to grow from the porous metal layer and reach the Ni electrode on the back surface of the semiconductor chip, for example, heat treatment is required at a temperature of 300 ° C. for about 1.5 to 2 hours. During this time, as shown in FIG. 3, Ni constituting the Ni electrode reacts with Sn contained in the Sn-based solder to form a Ni—Sn compound. If all the Ni constituting the Ni electrode has reacted, the Ni—Sn compound may be peeled off from the back surface of the semiconductor chip and the semiconductor device may be broken.

このため、金属間化合物を形成する熱処理は短時間で行うことが要求される。しかし、短時間の熱処理では、前述したように、被接合部材と半導体チップとの接合部にSnが残存するという問題がある。   For this reason, it is required to perform the heat treatment for forming the intermetallic compound in a short time. However, as described above, the short-time heat treatment has a problem that Sn remains in the bonded portion between the member to be bonded and the semiconductor chip.

しかし、本実施例1によれば、Ni−Sn化合物の生成を抑制して半導体装置の破壊を回避することができる。以下に、その理由を説明する。   However, according to the first embodiment, it is possible to avoid the destruction of the semiconductor device by suppressing the generation of the Ni—Sn compound. The reason will be described below.

図1(a)および(b)に示したように、本実施例1による被接合部材1と半導体チップ4との接合部では、チップ搭載部1bの上面上に互いに離間して複数の多孔質金属層2を形成している。これにより、互いに隣り合う多孔質金属層2の間に露出するチップ搭載部1bから、チップ搭載部1bを構成するCuがSn系はんだ3内へ拡散し、そのCuとSn系はんだ3に含まれるSnとが反応して、Cu−Sn化合物が形成される。   As shown in FIGS. 1A and 1B, in the bonded portion between the member 1 to be bonded and the semiconductor chip 4 according to the first embodiment, a plurality of porous materials are separated from each other on the upper surface of the chip mounting portion 1b. A metal layer 2 is formed. Thereby, Cu constituting the chip mounting portion 1b diffuses into the Sn-based solder 3 from the chip mounting portion 1b exposed between the adjacent porous metal layers 2, and is included in the Cu and Sn-based solder 3. Sn reacts to form a Cu-Sn compound.

さらに、そのCuはSn系はんだ3内を半導体チップ4の裏面へ向かって拡散し、Niの結晶構造とCuの結晶構造とが似ていることから、CuがNi電極5の表面に析出する。そして、図4に示すように、その析出したCuとSn系はんだ3に含まれるSnとの反応が促進することにより、Ni電極5に接してCu−Sn化合物が形成される。   Further, the Cu diffuses in the Sn-based solder 3 toward the back surface of the semiconductor chip 4, and since the crystal structure of Ni is similar to the crystal structure of Cu, Cu is deposited on the surface of the Ni electrode 5. Then, as shown in FIG. 4, the Cu—Sn compound is formed in contact with the Ni electrode 5 by promoting the reaction between the deposited Cu and Sn contained in the Sn-based solder 3.

これにより、図2に示したように、複数の多孔質金属層2の上面および側面に、主としてAg−Sn化合物(例えばAgSn)からなる金属間化合物層6が形成される。また、互いに隣り合う多孔質金属層2の間に露出するチップ搭載部1bの上面に、主としてCu−Sn化合物(例えばCuSn)からなる金属間化合物層7が形成される。 Thereby, as shown in FIG. 2, an intermetallic compound layer 6 mainly composed of an Ag—Sn compound (for example, Ag 3 Sn) is formed on the upper surface and side surfaces of the plurality of porous metal layers 2. Further, an intermetallic compound layer 7 mainly made of a Cu—Sn compound (for example, Cu 3 Sn) is formed on the upper surface of the chip mounting portion 1b exposed between the porous metal layers 2 adjacent to each other.

また、半導体チップ4の裏面のNi電極5に接して、主としてCu−Sn化合物(例えばCuSn)からなる金属間化合物層8が形成される。 Further, an intermetallic compound layer 8 mainly made of a Cu—Sn compound (for example, Cu 6 Sn 5 ) is formed in contact with the Ni electrode 5 on the back surface of the semiconductor chip 4.

そして、チップ搭載部1bと金属間化合物層8との間、具体的には、被接合部材1側に形成された金属間化合物層6および金属間化合物層7と、半導体チップ4側に形成された金属間化合物層8との間に、Snを主成分とする金属間化合物からなる金属間化合物層9が形成される。Snを主成分とする金属間化合物とは、例えばAg−Sn化合物(例えばAgSn)およびCu−Sn化合物(例えばCuSn)である。 Then, between the chip mounting portion 1b and the intermetallic compound layer 8, specifically, the intermetallic compound layer 6 and the intermetallic compound layer 7 formed on the bonded member 1 side, and the semiconductor chip 4 side. Between the intermetallic compound layer 8, an intermetallic compound layer 9 made of an intermetallic compound containing Sn as a main component is formed. Examples of the intermetallic compound containing Sn as a main component include an Ag—Sn compound (for example, Ag 3 Sn) and a Cu—Sn compound (for example, Cu 6 Sn 5 ).

このように、半導体チップ4の裏面のNi電極5に接してCu−Sn化合物からなる金属間化合物層8が形成されることにより、半導体チップ4の裏面におけるNi−Sn化合物の生成が抑制できるので、Ni−Sn化合物の生成による半導体装置の破壊を回避することができる。   As described above, the formation of the Ni—Sn compound on the back surface of the semiconductor chip 4 can be suppressed by forming the intermetallic compound layer 8 made of the Cu—Sn compound in contact with the Ni electrode 5 on the back surface of the semiconductor chip 4. , Destruction of the semiconductor device due to the generation of the Ni—Sn compound can be avoided.

本発明者らが検討したところ、例えば300℃の温度で30分程度の熱処理により、半導体チップ4の裏面のNi電極5に接してCu−Sn化合物からなる金属間化合物層8が形成され、複数の多孔質金属層2を覆ってチップ搭載部1bの上面とCu−Sn化合物からなる金属間化合物層8との間にAg−Sn化合物およびCu−Sn化合物を形成することができた。   As a result of studies by the present inventors, for example, an intermetallic compound layer 8 made of a Cu—Sn compound is formed in contact with the Ni electrode 5 on the back surface of the semiconductor chip 4 by a heat treatment at a temperature of 300 ° C. for about 30 minutes. An Ag—Sn compound and a Cu—Sn compound could be formed between the upper surface of the chip mounting portion 1 b and the intermetallic compound layer 8 made of a Cu—Sn compound so as to cover the porous metal layer 2.

(第2の効果)
被接合部材と半導体チップとの接合部を全て金属間化合物で形成した場合、金属間化合物が脆性であるため、接合部に大きな衝撃が加わると、一気に接合部が破壊するおそれがある。
(Second effect)
When all the joint portions between the member to be joined and the semiconductor chip are formed of an intermetallic compound, since the intermetallic compound is brittle, there is a possibility that the joint portion may be destroyed at once when a large impact is applied to the joint portion.

しかし、本実施例1によれば、図1(a)および(b)に示したように、短時間の熱処理により、被接合部材1と半導体チップ4との接合部にAg−Sn化合物およびCu−Sn化合物を形成することができる。   However, according to the first embodiment, as shown in FIGS. 1A and 1B, the Ag—Sn compound and Cu are bonded to the bonded portion between the member to be bonded 1 and the semiconductor chip 4 by a short heat treatment. -Sn compounds can be formed.

従って、多孔質金属層2が全て金属間化合物になる前に、金属間化合物を生成する反応が止まり、複数の多孔質金属層2をチップ搭載部1bの上面上に残すことができる。チップ搭載部1bの上面上に残る複数の多孔質金属層2が被接合部材1と半導体チップ4との接合部に加わった衝撃を吸収するので、接合部の破壊を抑えることができる。   Therefore, before the porous metal layer 2 becomes an intermetallic compound, the reaction for generating the intermetallic compound stops, and a plurality of porous metal layers 2 can be left on the upper surface of the chip mounting portion 1b. Since the plurality of porous metal layers 2 remaining on the upper surface of the chip mounting portion 1b absorb the impact applied to the bonded portion between the member 1 to be bonded and the semiconductor chip 4, the breakage of the bonded portion can be suppressed.

また、金属間化合物に亀裂が生じても、その亀裂は多孔質金属層2で止まり、接合部の破壊を抑えることができる。   Moreover, even if a crack occurs in the intermetallic compound, the crack stops at the porous metal layer 2 and the destruction of the joint can be suppressed.

≪多孔質金属層の平面パターン≫
複数の多孔質金属層の平面パターンの一例を図5〜図7に示す。図5は、本実施例1による互いに離間して形成された複数の多孔質金属層の第1の配置例を示す平面図である。図6は、本実施例1による互いに離間して形成された複数の多孔質金属層の第2の配置例を示す平面図である。図7は、本実施例1による互いに離間して形成された複数の多孔質金属層の第3の配置例を示す平面図である。
≪Plane pattern of porous metal layer≫
An example of a planar pattern of a plurality of porous metal layers is shown in FIGS. FIG. 5 is a plan view showing a first arrangement example of a plurality of porous metal layers formed apart from each other according to the first embodiment. FIG. 6 is a plan view showing a second arrangement example of the plurality of porous metal layers formed apart from each other according to the first embodiment. FIG. 7 is a plan view showing a third arrangement example of the plurality of porous metal layers formed apart from each other according to the first embodiment.

被接合部材のチップ搭載部の主面上に、チップ搭載部に接して形成される複数の多孔質金属層の平面パターンは、Sn系はんだと接触する表面積が増加するように、微細であることが望ましい。これは、Sn系はんだと接触する多孔質金属層の表面積が小さいと、金属間化合物を生成する時間が長くなるからである。   The planar pattern of the plurality of porous metal layers formed in contact with the chip mounting portion on the main surface of the chip mounting portion of the member to be bonded must be fine so that the surface area in contact with the Sn-based solder increases. Is desirable. This is because when the surface area of the porous metal layer in contact with the Sn-based solder is small, the time for generating the intermetallic compound becomes long.

平面視において、半導体チップに対する複数の多孔質金属層の面積比率は、40%以上、かつ、80%以下であることが望ましい。面積比率が40%よりも小さい場合、残部が金属間化合物となるため、被接合部材と半導体チップとの接合部の特性として脆性が強くなり信頼性が低下するおそれがある。一方、面積比率が80%よりも大きい場合、接合時に供給するSn系はんだの量が少なくなり、被接合部材と半導体チップとの接合部の全域を良好に接合することが難しくなる。   In plan view, the area ratio of the plurality of porous metal layers to the semiconductor chip is preferably 40% or more and 80% or less. When the area ratio is less than 40%, the remaining portion is an intermetallic compound, so that the brittleness becomes strong as the characteristics of the bonded portion between the member to be bonded and the semiconductor chip, and the reliability may be lowered. On the other hand, when the area ratio is larger than 80%, the amount of Sn-based solder supplied at the time of bonding decreases, and it becomes difficult to satisfactorily bond the entire area of the bonded portion between the member to be bonded and the semiconductor chip.

図5に示す多孔質金属層2のレイアウトでは、X方向に沿って第1間隔で配置された複数の多孔質金属層2が、X方向とチップ搭載部1bの表面において直交するY方向に沿って第2間隔で配置されている。多孔質金属層2は、平面視において四角形状であり、その1辺の寸法は10〜15μm程度である。第1間隔と第2間隔とは同じであってもよく、または異なっていてもよい。また、千鳥配列となるように配置してもよい。   In the layout of the porous metal layer 2 shown in FIG. 5, the plurality of porous metal layers 2 arranged at the first interval along the X direction are along the Y direction orthogonal to the X direction on the surface of the chip mounting portion 1b. Are arranged at a second interval. The porous metal layer 2 has a quadrangular shape in plan view, and the dimension of one side is about 10 to 15 μm. The first interval and the second interval may be the same or different. Moreover, you may arrange | position so that it may become a staggered arrangement | sequence.

図6に示す多孔質金属層2のレイアウトでは、X方向に沿って延在する複数の多孔質金属層2が、Y方向に互いに離間して配置されている。所謂ストライプ状に複数の多孔質金属層2は配置されている。Y方向の多孔質金属層2の幅は、例えば10〜15μm程度である。   In the layout of the porous metal layer 2 shown in FIG. 6, a plurality of porous metal layers 2 extending along the X direction are arranged apart from each other in the Y direction. A plurality of porous metal layers 2 are arranged in a so-called stripe shape. The width of the porous metal layer 2 in the Y direction is, for example, about 10 to 15 μm.

図7に示す多孔質金属層2のレイアウトでは、X方向に沿って第1間隔で配置された複数の多孔質金属層2が、Y方向に沿って第2間隔で配置されている。多孔質金属層2は、平面視において円形状であり、その直径は10〜15μm程度である。第1間隔と第2間隔とは同じであってもよく、または異なっていてもよい。また、千鳥配列となるように配置してもよい。   In the layout of the porous metal layer 2 shown in FIG. 7, the plurality of porous metal layers 2 arranged at the first interval along the X direction are arranged at the second interval along the Y direction. The porous metal layer 2 has a circular shape in plan view and a diameter of about 10 to 15 μm. The first interval and the second interval may be the same or different. Moreover, you may arrange | position so that it may become a staggered arrangement | sequence.

≪変形例1≫
前述の実施例1では、はんだにSn系はんだを用いたが、In系はんだを用いることもできる。
<< Modification 1 >>
In Example 1 described above, Sn-based solder is used as the solder, but In-based solder can also be used.

変形例1による接合部は、被接合部材のチップ搭載部の上面上に互いに離間して形成された複数の多孔質金属層と、半導体チップの裏面のNi電極に接して形成されたCu−In化合物からなる第1の層と、複数の多孔質金属層を覆ってチップ搭載部の上面と第1の層との間に介在する、Inを主成分とする金属間化合物からなる第2の層と、を有することを特徴とする。   The joint portion according to the modified example 1 includes a plurality of porous metal layers formed on the upper surface of the chip mounting portion of the member to be joined and Cu-In formed in contact with the Ni electrode on the back surface of the semiconductor chip. A first layer made of a compound, and a second layer made of an intermetallic compound containing In as a main component and covering the plurality of porous metal layers and interposed between the upper surface of the chip mounting portion and the first layer It is characterized by having.

これにより、前述の実施例1とほぼ同様の効果を得ることができる。   Thereby, substantially the same effects as those of the first embodiment can be obtained.

≪変形例2≫
前述の実施例1では、被接合部材のチップ搭載部をCu膜により構成したが、チップ搭載部を、表面にCu膜が形成された部材により構成することもできる。
<< Modification 2 >>
In the first embodiment described above, the chip mounting portion of the member to be bonded is configured by the Cu film. However, the chip mounting portion can also be configured by a member having a Cu film formed on the surface.

変形例2による接合部は、被接合部材のチップ搭載部の上面上に互いに離間して形成された複数の多孔質金属層と、半導体チップの裏面のNi電極に接して形成されたCu−Sn化合物からなる第1の層と、複数の多孔質金属層を覆ってチップ搭載部の上面と第1の層との間に介在する、Snを主成分とする金属間化合物からなる第2の層と、を有する。さらに、チップ搭載部は、表面にCu膜が形成された部材からなることを特徴とする。   The joint portion according to the modified example 2 includes a plurality of porous metal layers formed on the upper surface of the chip mounting portion of the member to be joined and Cu—Sn formed in contact with the Ni electrode on the back surface of the semiconductor chip. A first layer made of a compound and a second layer made of an intermetallic compound containing Sn as a main component and covering the plurality of porous metal layers and interposed between the upper surface of the chip mounting portion and the first layer And having. Further, the chip mounting portion is formed of a member having a Cu film formed on the surface.

チップ搭載部を構成するCu膜からCuがSn系はんだに拡散して、反応することにより、Cu−Sn化合物を形成することができるので、前述の実施例1とほぼ同様の効果を得ることができる。   Since Cu diffuses from the Cu film constituting the chip mounting portion to the Sn-based solder and reacts with it, a Cu—Sn compound can be formed, and therefore, substantially the same effect as in Example 1 can be obtained. it can.

なお、はんだは、Sn系はんだに限定されるものではなく、例えばIn系はんだであってもよい。また、被接合部材を構成する、基板の第1主面および第2主面にそれぞれ形成された配線パターンもCu膜を表面に有する部材により構成してもよい。   Note that the solder is not limited to Sn solder, and may be In solder, for example. Moreover, the wiring patterns formed on the first main surface and the second main surface of the substrate, which constitute the member to be bonded, may also be formed of a member having a Cu film on the surface.

≪変形例3≫
前述の実施例1では、被接合部材のチップ搭載部をCu膜により構成したが、チップ搭載部を、表面にCu膜が形成された部材により構成し、さらに、そのCu膜の表面にAgめっきを施してもよい。
<< Modification 3 >>
In the above-described first embodiment, the chip mounting portion of the member to be bonded is configured by the Cu film. However, the chip mounting portion is configured by a member having a Cu film formed on the surface, and further, the surface of the Cu film is Ag plated. May be applied.

変形例3による接合部は、被接合部材のチップ搭載部の上面上に互いに離間して形成された複数の多孔質金属層と、半導体チップの裏面のNi電極に接して形成されたCu−Sn化合物からなる第1の層と、複数の多孔質金属層を覆ってチップ搭載部の上面と第1の層との間に介在する、Snを主成分とする金属間化合物からなる第2の層と、を有する。さらに、チップ搭載部は、表面にCu膜が形成された部材からなり、そのCu膜の表面にはAgめっきが施されていることを特徴とする。   The joint portion according to the modified example 3 includes a plurality of porous metal layers formed on the upper surface of the chip mounting portion of the member to be joined, and Cu—Sn formed in contact with the Ni electrode on the back surface of the semiconductor chip. A first layer made of a compound and a second layer made of an intermetallic compound containing Sn as a main component and covering the plurality of porous metal layers and interposed between the upper surface of the chip mounting portion and the first layer And having. Further, the chip mounting portion is made of a member having a Cu film formed on the surface, and Ag plating is applied to the surface of the Cu film.

チップ搭載部が、Agめっきを施したCu膜を表面に有する部材であることにより、多孔質金属層の接合強度を高めることができる。   When the chip mounting portion is a member having a Cu film subjected to Ag plating on the surface, the bonding strength of the porous metal layer can be increased.

例えば複数の多孔質金属層がAgからなる場合、複数の多孔質金属層は、ペースト状のAgを、Agめっきを施したCu部材の上面上にスクリーン印刷法により印刷し、焼結することにより形成される。この場合、Agめっきを施していないCu部材の場合よりも高い接合強度を得ることができる。また、上記焼結の際、非酸化雰囲気でなくても、AgがCu部材の表面を覆っていることで、チップ搭載部の酸化を防止することができる。チップ搭載部が酸化すると、Sn系はんだで接合する際に接合不良に繋がるおそれがあるが、変形例3では、この接合不良を回避することができる。   For example, when a plurality of porous metal layers are made of Ag, the plurality of porous metal layers are obtained by printing and sintering paste-like Ag on the upper surface of the Cu member subjected to Ag plating by a screen printing method. It is formed. In this case, higher bonding strength can be obtained than in the case of a Cu member not subjected to Ag plating. Further, at the time of the sintering, the chip mounting portion can be prevented from being oxidized because Ag covers the surface of the Cu member even in a non-oxidizing atmosphere. If the chip mounting portion is oxidized, there is a possibility that a bonding failure may occur when bonding with Sn-based solder. However, in Modification 3, this bonding failure can be avoided.

Agめっきの厚さは3μm以下にすることが望ましい。Agめっきの厚さが3μmよりも厚い場合、Sn系はんだで接合した際に、露出するチップ搭載部からAgめっきがSn系はんだ内に溶融せず、Agめっきの下地のCuがSn系はんだへ拡散しないおそれがある。CuがSn系はんだへ拡散しない場合、半導体チップの裏面のNi電極に接してCu−Sn化合物からなる金属間化合物層を形成することが難しくなる。   The thickness of the Ag plating is desirably 3 μm or less. When the Ag plating thickness is thicker than 3 μm, the Ag plating does not melt into the Sn-based solder from the exposed chip mounting portion when joining with Sn-based solder, and the underlying Cu of the Ag plating becomes Sn-based solder May not spread. When Cu does not diffuse into Sn-based solder, it becomes difficult to form an intermetallic compound layer made of a Cu—Sn compound in contact with the Ni electrode on the back surface of the semiconductor chip.

Agめっきを3μmよりも厚くせざるを得ない場合には、複数の多孔質金属層を、Cuを含む金属により構成する(後述の変形例6および7参照)、または半導体チップの裏面のNi電極に接してCu層を設けるなどの方法により、Ni電極に接してCu−Sn化合物からなる金属間化合物層を形成するためのCuを供給する。   When the Ag plating must be thicker than 3 μm, the plurality of porous metal layers are made of a metal containing Cu (see Modifications 6 and 7 described later), or the Ni electrode on the back surface of the semiconductor chip Cu for forming an intermetallic compound layer made of a Cu—Sn compound is supplied in contact with the Ni electrode by a method such as providing a Cu layer in contact with the electrode.

なお、はんだは、Sn系はんだに限定されるものではなく、例えばIn系はんだであってもよい。また、被接合部材を構成する、基板の第1主面および第2主面にそれぞれ形成された配線パターンもAgめっきを施したCu膜を表面に有する部材により構成してもよい。   Note that the solder is not limited to Sn solder, and may be In solder, for example. Further, the wiring patterns formed on the first main surface and the second main surface of the substrate constituting the member to be bonded may also be formed of a member having a Cu film with Ag plating on the surface.

≪変形例4≫
前述の実施例1では、被接合部材のチップ搭載部をCu膜により構成したが、チップ搭載部を、表面にCu膜が形成された部材により構成し、さらに、そのCu膜の表面にAuめっきを施してもよい。
<< Modification 4 >>
In Example 1 described above, the chip mounting portion of the member to be bonded is configured by the Cu film. However, the chip mounting portion is configured by a member having a Cu film formed on the surface, and further, the surface of the Cu film is Au plated. May be applied.

変形例4による接合部は、被接合部材のチップ搭載部の上面上に互いに離間して形成された複数の多孔質金属層と、半導体チップの裏面のNi電極に接して形成されたCu−Sn化合物からなる第1の層と、複数の多孔質金属層を覆ってチップ搭載部の上面と第1の層との間に介在する、Snを主成分とする金属間化合物からなる第2の層と、を有する。さらに、チップ搭載部は、表面にCu膜が形成された部材からなり、そのCu膜の表面にはAuめっきが施されていることを特徴とする。   The joint part according to the modified example 4 is a Cu-Sn formed in contact with a plurality of porous metal layers formed on the upper surface of the chip mounting part of the member to be joined and spaced apart from each other and the Ni electrode on the back surface of the semiconductor chip. A first layer made of a compound and a second layer made of an intermetallic compound containing Sn as a main component and covering the plurality of porous metal layers and interposed between the upper surface of the chip mounting portion and the first layer And having. Further, the chip mounting portion is made of a member having a Cu film formed on the surface, and the surface of the Cu film is Au plated.

チップ搭載部が、Auめっきを施したCu膜を表面に有する部材であることにより、多孔質金属層の接合強度を高めることができる。   Since the chip mounting portion is a member having a Cu film plated with Au on the surface, the bonding strength of the porous metal layer can be increased.

例えば複数の多孔質金属層がAgからなる場合、複数の多孔質金属層は、ペースト状のAgを、Auめっきを施したCu部材の上面上にスクリーン印刷法により印刷し、焼結することにより形成される。この場合、Auめっきを施していないCu部材の場合よりも高い接合強度を得ることができる。また、上記焼結の際、非酸化雰囲気でなくても、AuがCu部材の表面を覆っていることで、チップ搭載部の酸化を防止することができる。チップ搭載部が酸化すると、Sn系はんだで接合する際に接合不良に繋がるおそれがあるが、変形例4では、この接合不良を回避することができる。   For example, when a plurality of porous metal layers are made of Ag, the plurality of porous metal layers are obtained by printing and sintering paste-like Ag on the upper surface of a Cu member subjected to Au plating by a screen printing method. It is formed. In this case, higher bonding strength can be obtained than in the case of a Cu member not subjected to Au plating. Further, at the time of the sintering, even if the atmosphere is not a non-oxidizing atmosphere, the chip mounting portion can be prevented from being oxidized because Au covers the surface of the Cu member. If the chip mounting portion is oxidized, there is a risk of joining failure when joining with Sn-based solder. However, in Modification 4, this joining failure can be avoided.

Auめっきの厚さが1μm以下であれば、Sn系はんだで接合した際に、露出するチップ搭載部からAuめっきはSn系はんだ内に溶融し、Auめっきの下地のCuがSn系はんだへ拡散する。CuがSn系はんだと反応することにより、半導体チップの裏面のNi電極に接してCu−Sn化合物からなる金属間化合物層を形成することができる。   If the thickness of the Au plating is 1 μm or less, the Au plating melts into the Sn-based solder from the exposed chip mounting portion when joining with Sn-based solder, and the underlying Cu of the Au plating diffuses into the Sn-based solder To do. When Cu reacts with the Sn-based solder, an intermetallic compound layer made of a Cu—Sn compound can be formed in contact with the Ni electrode on the back surface of the semiconductor chip.

なお、はんだは、Sn系はんだに限定されるものではなく、例えばIn系はんだであってもよい。また、被接合部材を構成する、基板の第1主面および第2主面にそれぞれ形成された配線パターンもAuめっきを施したCu膜を表面に有する部材により構成してもよい。   Note that the solder is not limited to Sn solder, and may be In solder, for example. Further, the wiring patterns formed on the first main surface and the second main surface of the substrate, which constitute the member to be bonded, may also be configured by members having a Cu film plated with Au on the surface.

≪変形例5≫
前述の実施例1では、被接合部材のチップ搭載部をCu膜により構成したが、チップ搭載部を、表面にCu膜が形成された部材により構成し、さらに、そのCu膜の表面にNiめっきを施してもよい。
<< Modification 5 >>
In the above-described first embodiment, the chip mounting portion of the member to be bonded is configured by the Cu film. However, the chip mounting portion is configured by a member having a Cu film formed on the surface, and the surface of the Cu film is Ni-plated. May be applied.

変形例5による接合部は、被接合部材のチップ搭載部の上面上に互いに離間して形成された複数の多孔質金属層と、半導体チップの裏面のNi電極に接して形成されたCu−Sn化合物からなる第1の層と、複数の多孔質金属層を覆ってチップ搭載部の上面と第1の層との間に介在する、Snを主成分とする金属間化合物からなる第2の層と、を有する。さらに、チップ搭載部は、表面にCu膜が形成された部材からなり、そのCu膜の表面にはNiめっきが施されていることを特徴とする。   The joint portion according to the modified example 5 includes a plurality of porous metal layers formed on the upper surface of the chip mounting portion of the member to be joined and Cu-Sn formed in contact with the Ni electrode on the back surface of the semiconductor chip. A first layer made of a compound and a second layer made of an intermetallic compound containing Sn as a main component and covering the plurality of porous metal layers and interposed between the upper surface of the chip mounting portion and the first layer And having. Furthermore, the chip mounting portion is made of a member having a Cu film formed on the surface, and Ni plating is applied to the surface of the Cu film.

高温環境下で常時使用される半導体装置の中には、被接合部材のチップ搭載部が露出していると、酸化によりCuが変色するものがある。しかし、Cu膜の表面にNiめっきを施すことにより、変色を防止することができる。   Among semiconductor devices that are always used in a high temperature environment, when the chip mounting portion of the member to be bonded is exposed, Cu may be discolored due to oxidation. However, discoloration can be prevented by applying Ni plating to the surface of the Cu film.

Niめっきの厚さが1μm以下であれば、Sn系はんだで接合した際に、露出するチップ搭載部からNiめっきはSn系はんだ内に溶融し、Niめっきの下地のCuがSn系はんだへ拡散する。CuがSn系はんだと反応することにより、半導体チップの裏面のNi電極に接してCu−Sn化合物からなる金属間化合物層を形成することができる。   If the thickness of the Ni plating is 1 μm or less, the Ni plating melts into the Sn-based solder from the exposed chip mounting portion when joining with the Sn-based solder, and the underlying Cu of the Ni plating diffuses into the Sn-based solder To do. When Cu reacts with the Sn-based solder, an intermetallic compound layer made of a Cu—Sn compound can be formed in contact with the Ni electrode on the back surface of the semiconductor chip.

なお、はんだは、Sn系はんだに限定されるものではなく、例えばIn系はんだであってもよい。また、被接合部材を構成する、基板の第1主面および第2主面にそれぞれ形成された配線パターンもNiめっきを施したCu膜を表面に有する部材により構成してもよい。   Note that the solder is not limited to Sn solder, and may be In solder, for example. Further, the wiring patterns formed on the first main surface and the second main surface of the substrate, which constitute the member to be joined, may also be configured by members having a Cu film plated with Ni on the surface.

図8は、実施例1の変形例5による被接合部材と半導体チップとの接合部の一部を拡大して示す断面図である。   FIG. 8 is an enlarged cross-sectional view illustrating a part of the joint portion between the member to be joined and the semiconductor chip according to the fifth modification of the first embodiment.

図8に示すように、チップ搭載部1bは、基材1b1と、基材1b1上に形成されたCu膜1b2と、Cu膜1b2の表面に施されたNiめっき1b3と、から構成される。基材1b1と、Niめっき1b3を施さないCu膜1b2と、から構成されるチップ搭載部1bが前記変形例2である。また、Niめっき1b3に替えてCu膜1b2の表面にAgめっきを施したチップ搭載部1bが前記変形例3であり、Niめっき1b3に替えてCu膜1b2の表面にAuめっきを施したチップ搭載部が前記変形例4である。   As shown in FIG. 8, the chip mounting portion 1b includes a base 1b1, a Cu film 1b2 formed on the base 1b1, and a Ni plating 1b3 applied to the surface of the Cu film 1b2. The chip mounting portion 1b including the base material 1b1 and the Cu film 1b2 not subjected to the Ni plating 1b3 is the second modification. Further, the chip mounting portion 1b in which the surface of the Cu film 1b2 is subjected to Ag plating instead of the Ni plating 1b3 is the modified example 3, and the chip mounting in which the surface of the Cu film 1b2 is subjected to Au plating instead of the Ni plating 1b3 is mounted. The part is the fourth modification.

≪変形例6≫
前述の実施例1では、複数の多孔質金属層をAgにより構成したが、Cuにより構成することもできる。
<< Modification 6 >>
In Example 1 described above, the plurality of porous metal layers are made of Ag, but may be made of Cu.

変形例6による接合部は、被接合部材のチップ搭載部の上面上に互いに離間して形成された複数の多孔質金属層と、半導体チップの裏面のNi電極に接して形成されたCu−Sn化合物からなる第1の層と、複数の多孔質金属層を覆ってチップ搭載部の上面と第1の層との間に介在する、Snを主成分とする金属間化合物からなる第2の層と、を有する。さらに、複数の多孔質金属層はCuからなることを特徴とする。   The joint portion according to the modified example 6 includes a plurality of porous metal layers formed on the upper surface of the chip mounting portion of the member to be joined and Cu-Sn formed in contact with the Ni electrode on the back surface of the semiconductor chip. A first layer made of a compound and a second layer made of an intermetallic compound containing Sn as a main component and covering the plurality of porous metal layers and interposed between the upper surface of the chip mounting portion and the first layer And having. Further, the plurality of porous metal layers are made of Cu.

多孔質金属層に、ナノまたはマイクロレベルのCu粒子を含む多孔質Cu層を用いる。多孔質Cu層は、Sn系はんだで接合する際に、Sn系はんだの濡れ性が非常によいことから、良好な接合を得ることができる。また、多孔質Cu層に含まれるCuはSn系はんだに含まれるSnと反応してCu−Sn化合物を生成する速度が速いため、高融点化することが容易となる。   A porous Cu layer containing nano- or micro-level Cu particles is used as the porous metal layer. When the porous Cu layer is joined with the Sn-based solder, the wettability of the Sn-based solder is very good, so that a good joint can be obtained. Moreover, since Cu contained in the porous Cu layer reacts with Sn contained in the Sn-based solder to produce a Cu—Sn compound at a high speed, it is easy to increase the melting point.

また、Cuは、チップ搭載部からだけでなく、多結晶Cu層からもSn系はんだ内へ拡散し、そのCuとSn系はんだに含まれるSnとが反応してCu−Sn化合物が形成される。従って、被接合部材のチップ搭載部を、例えば1μm以上の厚さのNiめっきを施したCu膜を表面に有する部材により構成した場合であっても、短時間で被接合部材と半導体チップとの接合部にCu−Sn化合物を形成することができる。   Cu diffuses not only from the chip mounting portion but also from the polycrystalline Cu layer into the Sn-based solder, and the Cu and Sn contained in the Sn-based solder react to form a Cu—Sn compound. . Therefore, even when the chip mounting portion of the member to be bonded is constituted by a member having a Cu film having a Ni plating thickness of, for example, 1 μm or more on the surface, the member to be bonded and the semiconductor chip can be formed in a short time. A Cu—Sn compound can be formed at the joint.

図9は、実施例1の変形例6による被接合部材と半導体チップとの接合部の一部を拡大して示す断面図である。   FIG. 9 is an enlarged cross-sectional view illustrating a part of the bonded portion between the member to be bonded and the semiconductor chip according to the sixth modification of the first embodiment.

図9に示すように、接合部の部位によっては、互いに組成比の異なるCu−Sn化合物が形成される。例えば多孔質Cu層10の上面および側面に、組成比を主としてCuSnとするCu−Sn化合物11が形成され、同様に、互いに隣り合う多孔質Cu層10の間に露出するチップ搭載部1bの上面に、組成比を主としてCuSnとするCu−Sn化合物11が形成され、その他の部分に、組成比を主としてCuSnとするCu−Sn化合物12形成される。 As shown in FIG. 9, Cu—Sn compounds having different composition ratios are formed depending on the joint portion. For example, a Cu—Sn compound 11 whose composition ratio is mainly Cu 3 Sn is formed on the upper surface and side surfaces of the porous Cu layer 10, and similarly, the chip mounting portion 1 b exposed between the adjacent porous Cu layers 10. A Cu—Sn compound 11 whose composition ratio is mainly Cu 3 Sn is formed on the upper surface of the film, and a Cu—Sn compound 12 whose composition ratio is mainly Cu 6 Sn 5 is formed on the other portions.

多孔質Cu層を形成する手段の例としては、以下の方法がある。ナノサイズのCu粒子と溶剤とからなるCu粒子ペーストの分割パターンを、被接合部材のチップ搭載部の上面上にスクリーン印刷で形成し、その後、高温槽で焼結させる。あるいは、スクリーン印刷の替わりに、スタンプなどを利用して分割パターンを転写する方式またはディスペンサにより供給する方法でも同様に多孔質Cu層を形成することができる。   Examples of means for forming the porous Cu layer include the following methods. A divided pattern of Cu particle paste composed of nano-sized Cu particles and a solvent is formed on the upper surface of the chip mounting portion of the bonded member by screen printing, and then sintered in a high-temperature bath. Alternatively, the porous Cu layer can be similarly formed by a method of transferring a divided pattern using a stamp or the like or a method of supplying by a dispenser instead of screen printing.

なお、はんだは、Sn系はんだに限定されるものではなく、例えばIn系はんだであってもよい。   Note that the solder is not limited to Sn solder, and may be In solder, for example.

≪変形例7≫
前述の実施例1では、複数の多孔質金属層をAgにより構成したが、AgおよびCuにより構成することもできる。
<< Modification 7 >>
In Example 1 described above, the plurality of porous metal layers are made of Ag, but may be made of Ag and Cu.

変形例7による接合部は、被接合部材のチップ搭載部の上面上に互いに離間して形成された複数の多孔質金属層と、半導体チップの裏面のNi電極に接して形成されたCu−Sn化合物からなる第1の層と、複数の多孔質金属層を覆ってチップ搭載部の上面と第1の層との間に介在する、Snを主成分とする金属間化合物からなる第2の層と、を有する。さらに、複数の多孔質金属層はAgおよびCuからなることを特徴とする。   The joint portion according to the modified example 7 includes a plurality of porous metal layers formed on the upper surface of the chip mounting portion of the member to be joined and Cu-Sn formed in contact with the Ni electrode on the back surface of the semiconductor chip. A first layer made of a compound and a second layer made of an intermetallic compound containing Sn as a main component and covering the plurality of porous metal layers and interposed between the upper surface of the chip mounting portion and the first layer And having. Further, the plurality of porous metal layers are characterized by comprising Ag and Cu.

多孔質金属層に、ナノまたはマイクロレベルのAg粒子およびCu粒子を含む多孔質Ag−Cu層を用いる。多孔質Ag−Cu層は、Sn系はんだで接合する際に、Sn系はんだの濡れ性が非常によいことから、良好な接合を得ることができる。また、多孔質Ag−Cu層に含まれるCuはSn系はんだに含まれるSnと反応してCu−Sn化合物を生成する速度が速いため、高融点化することが容易である。   A porous Ag-Cu layer containing nano- or micro-level Ag particles and Cu particles is used for the porous metal layer. When the porous Ag—Cu layer is joined with the Sn-based solder, the Sn-based solder has very good wettability, so that a good joint can be obtained. In addition, Cu contained in the porous Ag—Cu layer reacts with Sn contained in the Sn-based solder to generate a Cu—Sn compound at a high speed, so that it is easy to increase the melting point.

また、Cuは、チップ搭載部からだけでなく、多結晶Ag−Cu層からもSn系はんだ内へ拡散し、そのCuとSn系はんだに含まれるSnとが反応してCu−Sn化合物が形成される。従って、被接合部材のチップ搭載部を、例えば1μm以上の厚さのNiめっきを施したCu膜を表面に有する部材により構成した場合であっても、短時間で被接合部材と半導体チップとの接合部にCu−Sn化合物を形成することができる。   In addition, Cu diffuses not only from the chip mounting portion but also from the polycrystalline Ag—Cu layer into the Sn-based solder, and the Cu and Sn contained in the Sn-based solder react to form a Cu—Sn compound. Is done. Therefore, even when the chip mounting portion of the member to be bonded is constituted by a member having a Cu film having a Ni plating thickness of, for example, 1 μm or more on the surface, the member to be bonded and the semiconductor chip can be formed in a short time. A Cu—Sn compound can be formed at the joint.

多孔質Ag−Cu層を形成する手段の例としては、以下の方法がある。ナノサイズのAg粒子とCu粒子と溶剤とからなるAg−Cu粒子ペーストの分割パターンを、被接合部材のチップ搭載部の上面上にスクリーン印刷で形成し、その後、高温槽で焼結させる。あるいは、スクリーン印刷の替わりに、スタンプなどを利用して分割パターンを転写する方式またはディスペンサにより供給する方法でも同様に多孔質Ag−Cu層を形成することができる。   Examples of means for forming the porous Ag—Cu layer include the following methods. A division pattern of Ag-Cu particle paste composed of nano-sized Ag particles, Cu particles, and a solvent is formed on the upper surface of the chip mounting portion of the bonded member by screen printing, and then sintered in a high-temperature bath. Alternatively, the porous Ag—Cu layer can be similarly formed by a method of transferring a divided pattern using a stamp or the like or a method of supplying by a dispenser instead of screen printing.

なお、はんだは、Sn系はんだに限定されるものではなく、例えばIn系はんだであってもよい。   Note that the solder is not limited to Sn solder, and may be In solder, for example.

このように、本実施例1による被接合部材と半導体チップとの接合部は、被接合部材のチップ搭載部の上面上に互いに離間して形成された複数の多孔質金属層と、半導体チップの裏面のNi電極に接して形成されたCu−Sn化合物からなる第1の層と、複数の多孔質金属層を覆ってチップ搭載部の上面と第1の層との間に介在する、Snを主成分とする金属間化合物からなる第2の層と、を有する。これにより、高温環境下において高い信頼性を有する鉛フリー半導体装置を実現することができる。   As described above, the bonding portion between the member to be bonded and the semiconductor chip according to the first embodiment includes a plurality of porous metal layers formed on the upper surface of the chip mounting portion of the member to be bonded and separated from each other, and the semiconductor chip. A first layer made of a Cu—Sn compound formed in contact with the Ni electrode on the back surface and a plurality of porous metal layers, Sn interposed between the upper surface of the chip mounting portion and the first layer; And a second layer made of an intermetallic compound as a main component. Thereby, a lead-free semiconductor device having high reliability in a high temperature environment can be realized.

本実施例2によるパワーモジュールについて説明する。本実施例2によるパワーモジュールは、前述の実施例1の半導体装置を適用したパワーモジュールである。図10は、本実施例2によるパワーモジュールの要部断面図である。   A power module according to the second embodiment will be described. The power module according to the second embodiment is a power module to which the semiconductor device according to the first embodiment is applied. FIG. 10 is a cross-sectional view of a main part of the power module according to the second embodiment.

パワーモジュール30は、ベース107と、ベース107上にSn系はんだシート106を介して接合された被接合部材105と、被接合部材105上に接合部108を介して接合された半導体チップ103および104と、被接合部材105上に、半導体チップ103および104とは異なる位置に接合された端子102と、を備える。   The power module 30 includes a base 107, a bonded member 105 bonded to the base 107 via an Sn-based solder sheet 106, and semiconductor chips 103 and 104 bonded to the bonded member 105 via a bonded portion 108. And a terminal 102 bonded to a position different from the semiconductor chips 103 and 104 on the member 105 to be bonded.

被接合部材105は、平面視における寸法が、例えば40mm×20mm程度のセラミック基板105aと、セラミック基板105aの第1主面(半導体チップ103および104側の面)上に形成されたチップ搭載部105bおよび端子搭載部105cと、セラミック基板105aの第2主面(ベース107側の面)上に形成されたCu板105dと、を備える。   The bonded member 105 has a size in a plan view of, for example, a ceramic substrate 105a having a size of about 40 mm × 20 mm, and a chip mounting portion 105b formed on the first main surface (surface on the semiconductor chips 103 and 104 side) of the ceramic substrate 105a. And a terminal mounting portion 105c and a Cu plate 105d formed on the second main surface (surface on the base 107 side) of the ceramic substrate 105a.

チップ搭載部105bおよび端子搭載部105cは、例えばCu膜を表面に有する窒化珪素からなる部材により構成される。また、チップ搭載部105bを構成するCu膜の表面にはAuめっき、AgめっきまたはNiめっきが施されていてもよい。また、Cu板105dの表面にはNiめっきが施されていてもよい。   The chip mounting part 105b and the terminal mounting part 105c are made of, for example, a member made of silicon nitride having a Cu film on the surface. Further, the surface of the Cu film constituting the chip mounting portion 105b may be subjected to Au plating, Ag plating, or Ni plating. The surface of the Cu plate 105d may be plated with Ni.

接合部108は、チップ搭載部105bの上面上に互いに離間して形成された複数の多孔質金属層と、半導体チップ103および104の裏面のNi電極に接して形成されたCu−Sn化合物からなる第1の層と、複数の多孔質金属層を覆ってチップ搭載部105bと第1の層との間に介在する、Snを主成分とする金属間化合物からなる第2の層と、を有する。上記複数の多孔質金属層は、例えば多孔質Ag層、多孔質Cu層または多孔質Ag−Cu層である。また、上記Snを主成分とする金属間化合物は、例えばCu−Sn化合物とAg−Sn化合物、あるいはCu−Sn化合物である。また、複数の多孔質金属層のレイアウトとしては、例えば図5、図6または図7に示したレイアウトを適用することができる。   The joint portion 108 is composed of a plurality of porous metal layers formed on the upper surface of the chip mounting portion 105b so as to be spaced apart from each other, and a Cu—Sn compound formed in contact with the Ni electrodes on the back surfaces of the semiconductor chips 103 and 104. A first layer; and a second layer made of an intermetallic compound containing Sn as a main component and interposed between the chip mounting portion 105b and the first layer so as to cover the plurality of porous metal layers. . The plurality of porous metal layers are, for example, a porous Ag layer, a porous Cu layer, or a porous Ag—Cu layer. The intermetallic compound containing Sn as a main component is, for example, a Cu—Sn compound and an Ag—Sn compound, or a Cu—Sn compound. As the layout of the plurality of porous metal layers, for example, the layout shown in FIG. 5, FIG. 6, or FIG. 7 can be applied.

以下に、パワーモジュールの製造方法の一例を説明する。   Below, an example of the manufacturing method of a power module is demonstrated.

まず、被接合部材105を準備し、被接合部材105のチップ搭載部105bの上面上に、金属粒子ペースト(例えばAg粒子ペーストまたはCu粒子ペースト)をスクリーン印刷する。この際、図5、図6または図7に示したように、金属粒子ペーストからなるパターンが、互いに離間した複数のパターンとなるようにスクリーン印刷する。続いて、例えば250℃の温度で焼結することにより、金属粒子(例えばAg粒子またはCu粒子)を含む複数の多孔質金属層を互いに離間して形成する。   First, the member to be bonded 105 is prepared, and a metal particle paste (for example, Ag particle paste or Cu particle paste) is screen-printed on the upper surface of the chip mounting portion 105b of the member to be bonded 105. At this time, as shown in FIG. 5, FIG. 6, or FIG. 7, screen printing is performed so that the pattern made of the metal particle paste becomes a plurality of patterns separated from each other. Subsequently, a plurality of porous metal layers including metal particles (for example, Ag particles or Cu particles) are formed apart from each other by sintering at a temperature of 250 ° C., for example.

次に、Sn系はんだシート、例えばSn−3Ag−0.5Cu系はんだシートまたはSn−In系はんだシートを、複数の多孔質金属層を覆うようにチップ搭載部105bの上面上に置く。続いて、そのSn系はんだシート上に、半導体チップ103および104の裏面とチップ搭載部105bの上面とを対向させて、半導体チップ103および104を置き、さらに半導体チップ103および104上に、例えば10gの重しを置く。   Next, an Sn-based solder sheet, for example, an Sn-3Ag-0.5Cu-based solder sheet or an Sn-In-based solder sheet is placed on the upper surface of the chip mounting portion 105b so as to cover the plurality of porous metal layers. Subsequently, the semiconductor chips 103 and 104 are placed on the Sn-based solder sheet so that the back surfaces of the semiconductor chips 103 and 104 and the top surface of the chip mounting portion 105b are opposed to each other. Put the weight of.

次に、例えば(N+15%H)の還元雰囲気中においてピーク温度が300℃の熱処理を15分程度行い、接合部108に金属間化合物を形成する。 Next, for example, a heat treatment at a peak temperature of 300 ° C. is performed for about 15 minutes in a reducing atmosphere of (N 2 + 15% H 2 ) to form an intermetallic compound at the joint 108.

次に、半導体チップ103および104の表面側に形成された複数の電極パッドと端子搭載部105cとをボンディングワイヤ101を用いて接続し、端子102を端子搭載部105cの上面上に接続する。続いて、ベース107の上面上にSn系はんだシート106を介して、半導体チップ103および104、並びに端子102が接続された被接合部材105を搭載する。その後、接合部108の周辺をシリコーン樹脂などで封止することにより、パワーモジュール30が略完成する。   Next, the plurality of electrode pads formed on the surface side of the semiconductor chips 103 and 104 and the terminal mounting portion 105c are connected using the bonding wire 101, and the terminal 102 is connected on the upper surface of the terminal mounting portion 105c. Subsequently, the bonded member 105 to which the semiconductor chips 103 and 104 and the terminal 102 are connected is mounted on the upper surface of the base 107 via the Sn-based solder sheet 106. Thereafter, the power module 30 is substantially completed by sealing the periphery of the joint 108 with silicone resin or the like.

表1に、本発明者らが検討した被接合部材と半導体チップとの結合部の種々の仕様およびその評価結果をまとめる。   Table 1 summarizes various specifications of the joint portion between the bonded member and the semiconductor chip examined by the present inventors and the evaluation results thereof.

接合部の接合性としては、パワーモジュールについて、接合部の接合状態を超音波探傷像で確認し、接合部が半導体チップの面積の10%以上の場合を「×」と定義し、10%未満の場合を「○」と定義した。また、接合部の断面を観察し、未反応のSn系はんだが残存する場合を「×」と定義し、残存しない場合を「○」と定義した。本実施例2による接合部の接合性については、いずれも「○」となり良好な接合であることが分かる。   As the bondability of the bonding portion, the bonding state of the bonding portion of the power module is confirmed by an ultrasonic flaw detection image, and the case where the bonding portion is 10% or more of the area of the semiconductor chip is defined as “x”, and less than 10% Was defined as “○”. Further, the cross section of the joint was observed, and the case where unreacted Sn-based solder remained was defined as “x”, and the case where it did not remain was defined as “◯”. With respect to the bondability of the joint portion according to the second embodiment, all are “◯”, which indicates that the joint is good.

接合部の信頼性としては、パワーモジュールについて、−40℃⇔200℃の温度サイクル試験を実施した。1,000サイクル時点で初期の接合面積に対して80%以上の接合面積を有している場合を「○」と定義し、80%未満の接合面積を有している場合を「×」と定義した。本実施例2による接合部の信頼性についても、いずれも「○」となり良好な接合であることが分かる。   As the reliability of the joint, a temperature cycle test of −40 ° C. to 200 ° C. was performed on the power module. A case where the bonding area is 80% or more with respect to the initial bonding area at the time of 1,000 cycles is defined as “◯”, and a case where the bonding area is less than 80% is defined as “X”. Defined. As for the reliability of the joint portion according to the second embodiment, both are “◯” and it can be seen that the joint is good.

比較例として、多孔質金属層を分割せずに、一つの多孔質金属層を用いて、図10に示したパワーモジュールと同様のパワーモジュールを組み立てて、被接合部材と半導体チップとの接合部の接合性および信頼性を評価した。表2に、その評価結果をまとめる。   As a comparative example, a power module similar to the power module shown in FIG. 10 is assembled using one porous metal layer without dividing the porous metal layer, and a bonded portion between the member to be bonded and the semiconductor chip. The bondability and reliability of the were evaluated. Table 2 summarizes the evaluation results.

比較例1および2では、接合部において未反応のSn系はんだが残存しており、接合部が完全に高耐熱化されていないことが確認された。また、その接合状態において温度サイクル試験を実施したところ、比較例1および2では、いずれも低融点のSn系はんだの残存部に亀裂が進展し、接合面積は初期の80%未満となっていた。特に、比較例1においては、半導体チップの裏面のNi電極が消失しており、その部分で接合の剥離が観察された。   In Comparative Examples 1 and 2, unreacted Sn-based solder remained in the joint, and it was confirmed that the joint was not completely heat-resistant. In addition, when a temperature cycle test was performed in the joined state, in Comparative Examples 1 and 2, cracks developed in the remaining portion of the low melting point Sn-based solder, and the joining area was less than the initial 80%. . In particular, in Comparative Example 1, the Ni electrode on the back surface of the semiconductor chip disappeared, and bonding peeling was observed at that portion.

本実施例3による鉄道車両について説明する。本実施例3による鉄道車両は、前述の実施例2のパワーモジュールを搭載した鉄道車両である。図11は、本実施例3による鉄道車両の一例を示す部分側面図である。図12は、図11に示す鉄道車両に設置されたインバータの内部構造の一例を示す平面図である。   A railway vehicle according to the third embodiment will be described. The railway vehicle according to the third embodiment is a railway vehicle equipped with the power module according to the second embodiment. FIG. 11 is a partial side view showing an example of a railway vehicle according to the third embodiment. 12 is a plan view showing an example of an internal structure of an inverter installed in the railway vehicle shown in FIG.

図11に示す鉄道車両31は、例えば前述の実施例2のパワーモジュール30が搭載されたものであり、車両本体36と、パワーモジュール30と、パワーモジュール30を支持する実装部材と、集電装置であるパンタグラフ32と、インバータ33と、を備えている。そして、パワーモジュール30は、車両本体36の下部に設置されたインバータ33に搭載されている。   A railway vehicle 31 shown in FIG. 11 is mounted with, for example, the power module 30 of the above-described second embodiment, and includes a vehicle main body 36, a power module 30, a mounting member that supports the power module 30, and a current collector. The pantograph 32 and the inverter 33 are provided. And the power module 30 is mounted in the inverter 33 installed in the lower part of the vehicle main body 36.

図12に示すように、インバータ33の内部では、プリント基板(実装部材)35上に複数のパワーモジュール30が搭載され、さらにこれらパワーモジュール30を冷却する冷却装置34が搭載されている。前述の実施例2のパワーモジュール30では、半導体チップからの発熱量が多い。従って、複数のパワーモジュール30を冷却してインバータ33の内部を冷却可能なように冷却装置34が取り付けられている。   As shown in FIG. 12, inside the inverter 33, a plurality of power modules 30 are mounted on a printed circuit board (mounting member) 35, and a cooling device 34 for cooling these power modules 30 is mounted. In the power module 30 of Example 2 described above, the amount of heat generated from the semiconductor chip is large. Therefore, the cooling device 34 is attached so that the plurality of power modules 30 can be cooled to cool the inside of the inverter 33.

これにより、鉄道車両31において、モジュールの接合構造が用いられた複数のパワーモジュール30を搭載したインバータ33が設けられていることにより、インバータ33内が高温環境となった場合であっても、インバータ33およびそれが設けられた鉄道車両31の信頼性を高めることができる。すなわち、高温環境下での動作安定性と高電流負荷にも耐え得るパワーモジュール30およびこれを用いたインバータシステムを実現することができる。   Thereby, in the railway vehicle 31, the inverter 33 equipped with the plurality of power modules 30 using the module joining structure is provided. 33 and the reliability of the railway vehicle 31 provided with the same can be improved. That is, it is possible to realize a power module 30 that can withstand operation stability under a high temperature environment and a high current load, and an inverter system using the same.

本実施例4による自動車について説明する。本実施例4による自動車は、前述の実施例2のパワーモジュールを搭載した自動車である。図13は、本実施例4による自動車の一例を示す斜視図である。   A vehicle according to the fourth embodiment will be described. The vehicle according to the fourth embodiment is a vehicle on which the power module according to the second embodiment described above is mounted. FIG. 13 is a perspective view showing an example of an automobile according to the fourth embodiment.

図13に示す自動車37は、例えばパワーモジュール30が搭載されたものであり、車体38と、タイヤ39と、パワーモジュール30と、パワーモジュール30を支持する実装部材である実装ユニット40と、を備えている。   13 includes, for example, a power module 30 and includes a vehicle body 38, tires 39, a power module 30, and a mounting unit 40 that is a mounting member that supports the power module 30. ing.

自動車37では、パワーモジュール30は、実装ユニット40に含まれるインバータに搭載されているが、実装ユニット40は、例えばエンジン制御ユニットなどであり、その場合、実装ユニット40は、エンジンの近傍に配置されている。この場合には、実装ユニット40は、高温環境下での使用となり、これにより、パワーモジュール30も高温状態となる。   In the automobile 37, the power module 30 is mounted on an inverter included in the mounting unit 40. The mounting unit 40 is, for example, an engine control unit. In this case, the mounting unit 40 is disposed in the vicinity of the engine. ing. In this case, the mounting unit 40 is used in a high temperature environment, and thus the power module 30 is also in a high temperature state.

しかしながら、自動車37において、モジュールの接合構造が用いられた複数のパワーモジュール30を搭載したインバータが設けられていることにより、実装ユニット40が高温環境となった場合であっても、自動車37の信頼性を高めることができる。つまり自動車37においても、高温環境下での動作安定性と高電流負荷に耐え得るパワーモジュール30およびこれを用いたインバータシステムを実現することができる。   However, even if the mounting unit 40 is in a high-temperature environment due to the provision of the inverter in which the plurality of power modules 30 using the module joining structure is provided in the automobile 37, the reliability of the automobile 37 is improved. Can increase the sex. That is, also in the automobile 37, it is possible to realize a power module 30 that can withstand operational stability under a high temperature environment and a high current load, and an inverter system using the same.

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。   As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.

また、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば前記実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。   The present invention is not limited to the above-described embodiment, and includes various modifications. For example, the above-described embodiment has been described in detail for easy understanding of the present invention, and is not necessarily limited to the one having all the configurations described.

また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の実施の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることが可能である。なお、図面に記載した各部材や相対的なサイズは、本発明を分かりやすく説明するため簡素化、理想化しており、実装上はより複雑な形状となる。   In addition, part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment. . In addition, it is possible to add, delete, and replace other configurations for a part of the configuration of each embodiment. In addition, each member and relative size which were described in drawing are simplified and idealized in order to demonstrate this invention clearly, and become a more complicated shape on mounting.

1 被接合部材
1a 基板
1b チップ搭載部
1b1 基材
1b2 Cu膜
1b3 Niめっき
1c,1d 配線パターン
2 多孔質金属層
3 Sn系はんだ
4 半導体チップ
5 Ni電極
6,7,8,9 金属間化合物層
10 多孔質Cu層
11,12 Cu−Sn化合物
30 パワーモジュール
31 鉄道車両
32 パンタグラフ
33 インバータ
34 冷却装置
35 プリント基板(実装部材)
36 車両本体
37 自動車
38 車体
39 タイヤ
40 実装ユニット
101 ワイヤ
102 端子
103,104 半導体チップ
105 被接合部材
105a セラミック基板
105b チップ搭載部
105c 端子搭載部
105d Cu板
106 Sn系はんだシート
107 ベース
108 接合部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 To-be-joined member 1a Board | substrate 1b Chip mounting part 1b1 Base material 1b2 Cu film 1b3 Ni plating 1c, 1d Wiring pattern 2 Porous metal layer 3 Sn system solder 4 Semiconductor chip 5 Ni electrode 6, 7, 8, 9 Intermetallic compound layer DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Porous Cu layer 11,12 Cu-Sn compound 30 Power module 31 Railway vehicle 32 Pantograph 33 Inverter 34 Cooling device 35 Printed circuit board (mounting member)
36 Vehicle body 37 Car 38 Car body 39 Tire 40 Mounting unit 101 Wire 102 Terminal 103, 104 Semiconductor chip 105 Joined member 105a Ceramic substrate 105b Chip mounting portion 105c Terminal mounting portion 105d Cu plate 106 Sn-based solder sheet 107 Base 108 Bonding portion

Claims (15)

第1主面、および前記第1主面と反対側の第2主面を有する基板と、
前記基板の前記第1主面上に形成されたチップ搭載部と、
表面、および前記表面と反対側の裏面を有し、前記裏面に電極が形成された半導体チップと、
前記チップ搭載部の上面と前記半導体チップの前記裏面の前記電極との間に形成された接合部と、
を備え、
前記接合部は、
前記チップ搭載部の前記上面上に、互いに離間して形成された複数の多孔質金属層と、
前記半導体チップの前記裏面の前記電極に接して形成されたCu−Sn化合物からなる第1の層と、
前記複数の多孔質金属層を覆って前記チップ搭載部の前記上面と前記第1の層との間に介在する、Snを主成分とする金属間化合物からなる第2の層と、
を有する、半導体装置。
A substrate having a first main surface and a second main surface opposite to the first main surface;
A chip mounting portion formed on the first main surface of the substrate;
A semiconductor chip having a front surface and a back surface opposite to the front surface, and an electrode formed on the back surface;
A joint formed between the upper surface of the chip mounting portion and the electrode on the back surface of the semiconductor chip;
With
The joint is
A plurality of porous metal layers formed on the top surface of the chip mounting portion and spaced apart from each other;
A first layer made of a Cu-Sn compound formed in contact with the electrode on the back surface of the semiconductor chip;
A second layer made of an intermetallic compound containing Sn as a main component, covering the plurality of porous metal layers and interposed between the upper surface of the chip mounting portion and the first layer;
A semiconductor device.
請求項1記載の半導体装置において、
前記チップ搭載部は、Cu膜、またはCu膜を表面に有する部材からなる、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The chip mounting portion is a semiconductor device made of a Cu film or a member having a Cu film on the surface.
請求項1記載の半導体装置において、
前記チップ搭載部は、Agめっき、Auめっき、またはNiめっきが施されたCu膜、あるいはAgめっき、Auめっき、またはNiめっきが施されたCu膜を表面に有する部材からなる、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The chip mounting portion is a semiconductor device comprising a Cu film on which Ag plating, Au plating, or Ni plating is applied, or a member having a Cu film on which Ag plating, Au plating, or Ni plating is applied on the surface.
請求項1記載の半導体装置において、
前記複数の多孔質金属層は、Ag、Cu、またはAgおよびCuからなる多孔質の層である、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The plurality of porous metal layers are semiconductor devices that are Ag, Cu, or a porous layer made of Ag and Cu.
請求項1記載の半導体装置において、
前記複数の多孔質金属層の平面面積は前記半導体チップの平面面積の40%以上、かつ、80%以下である、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device, wherein a planar area of the plurality of porous metal layers is 40% or more and 80% or less of a planar area of the semiconductor chip.
第1主面、および前記第1主面と反対側の第2主面を有する基板と、
前記基板の前記第1主面上に形成されたチップ搭載部と、
表面、および前記表面と反対側の裏面を有し、前記裏面に電極が形成された半導体チップと、
前記チップ搭載部の上面と前記半導体チップの前記裏面の前記電極との間に形成された接合部と、
を備え、
前記接合部は、
前記チップ搭載部の前記上面上に、互いに離間して形成された複数の多孔質金属層と、
前記半導体チップの前記裏面の前記電極に接して形成されたCu−In化合物からなる第1の層と、
前記複数の多孔質金属層を覆って前記チップ搭載部の前記上面と前記第1の層との間に介在する、Inを主成分とする金属間化合物からなる第2の層と、
を有する、半導体装置。
A substrate having a first main surface and a second main surface opposite to the first main surface;
A chip mounting portion formed on the first main surface of the substrate;
A semiconductor chip having a front surface and a back surface opposite to the front surface, and an electrode formed on the back surface;
A joint formed between the upper surface of the chip mounting portion and the electrode on the back surface of the semiconductor chip;
With
The joint is
A plurality of porous metal layers formed on the top surface of the chip mounting portion and spaced apart from each other;
A first layer made of a Cu-In compound formed in contact with the electrode on the back surface of the semiconductor chip;
A second layer made of an intermetallic compound containing In as a main component, covering the plurality of porous metal layers and interposed between the upper surface of the chip mounting portion and the first layer;
A semiconductor device.
請求項6記載の半導体装置において、
前記チップ搭載部は、Cu膜、またはCu膜を表面に有する部材からなる、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 6.
The chip mounting portion is a semiconductor device made of a Cu film or a member having a Cu film on the surface.
請求項6記載の半導体装置において、
前記チップ搭載部は、Agめっき、Auめっき、またはNiめっきが施されたCu膜、あるいはAgめっき、Auめっき、またはNiめっきが施されたCu膜を表面に有する部材からなる、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 6.
The chip mounting portion is a semiconductor device comprising a Cu film on which Ag plating, Au plating, or Ni plating is applied, or a member having a Cu film on which Ag plating, Au plating, or Ni plating is applied on the surface.
請求項6記載の半導体装置において、
前記複数の多孔質金属層は、Ag、Cu、またはAgおよびCuからなる多孔質の層である、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 6.
The plurality of porous metal layers are semiconductor devices that are Ag, Cu, or a porous layer made of Ag and Cu.
請求項6記載の半導体装置において、
前記複数の多孔質金属層の平面面積は前記半導体チップの平面面積の40%以上、かつ、80%以下である、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 6.
The semiconductor device, wherein a planar area of the plurality of porous metal layers is 40% or more and 80% or less of a planar area of the semiconductor chip.
(a)基板、および前記基板の主面上に形成されたチップ搭載部を有する被接合部材を用意する工程、
(b)表面、および前記表面と反対側の裏面を有し、前記裏面に電極が形成された半導体チップを用意する工程、
(c)前記チップ搭載部の上面上に、金属粒子を含む複数の多孔質金属層を互いに離間して形成する工程、
(d)前記複数の多孔質金属層を覆うように、前記チップ搭載部の上面上にSn系はんだを形成した後、前記Sn系はんだ上に半導体チップを置く工程、
(e)前記被接合部材と前記半導体チップとの間に圧力をかけながら加熱する工程、
を含み、
前記チップ搭載部は、Cu膜、またはCu膜を表面に有する部材からなり、
前記(e)工程において、
前記半導体チップの前記裏面の前記電極に接してCu−Sn化合物からなる第1の層が形成され、
前記複数の多孔質金属層を覆って、前記チップ搭載部の前記上面と前記第1の層との間に、Snを主成分とする金属間化合物からなる第2の層が形成される、半導体装置の製造方法。
(A) preparing a bonded member having a substrate and a chip mounting portion formed on the main surface of the substrate;
(B) a step of preparing a semiconductor chip having a front surface and a back surface opposite to the front surface and having electrodes formed on the back surface;
(C) a step of forming a plurality of porous metal layers containing metal particles on the upper surface of the chip mounting portion apart from each other;
(D) A step of placing a semiconductor chip on the Sn-based solder after forming Sn-based solder on the upper surface of the chip mounting portion so as to cover the plurality of porous metal layers;
(E) a step of heating while applying pressure between the member to be joined and the semiconductor chip;
Including
The chip mounting portion is made of a Cu film or a member having a Cu film on the surface,
In the step (e),
A first layer made of a Cu-Sn compound is formed in contact with the electrode on the back surface of the semiconductor chip;
A semiconductor that covers the plurality of porous metal layers, and a second layer made of an intermetallic compound containing Sn as a main component is formed between the upper surface of the chip mounting portion and the first layer. Device manufacturing method.
請求項11記載の半導体装置の製造方法において、
前記チップ搭載部は、Agめっき、Auめっき、またはNiめっきが施されたCu膜、あるいはAgめっき、Auめっき、またはNiめっきが施されたCu膜を表面に有する部材からなる、半導体装置の製造方法。
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 11.
The chip mounting portion is made of a Cu film subjected to Ag plating, Au plating, or Ni plating, or a member having a Cu film subjected to Ag plating, Au plating, or Ni plating on the surface thereof. Method.
請求項11記載の半導体装置の製造方法において、
前記複数の多孔質金属層は、Ag、Cu、またはAgおよびCuからなる多孔質の層である、半導体装置の製造方法。
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 11.
The semiconductor device manufacturing method, wherein the plurality of porous metal layers are Ag, Cu, or a porous layer made of Ag and Cu.
請求項1または6記載の半導体装置から構成される、パワーモジュール。   A power module comprising the semiconductor device according to claim 1. 請求項14記載のパワーモジュールを備えたシステムで車輪を駆動する、車両。   The vehicle which drives a wheel with the system provided with the power module of Claim 14.
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