JP2019062121A - 半導体装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基台からの封止部材の剥離を防止する半導体装置を提供する。【解決手段】基台１０と、基台上に載置される半導体素子２０と、半導体素子が載置される領域と異なる領域の基台上に設けられる多孔質の金属焼結体３０と、その内部に配置される半導体素子を覆う封止部材４０を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する。

従来、半導体発光素子を光源とする半導体発光装置や、電力制御用半導体素子を有するパワー半導体装置等の半導体装置において、半導体素子や配線をほこりや湿気等を含む外気から守るために封止樹脂が使われている。封止樹脂は主にエポキシ樹脂やシリコーン樹脂が使用されている。半導体発光装置においては封止樹脂中に光変換のための蛍光体が含まれていることもある。

しかし半導体発光装置や半導体装置は高温、高電流で使用されるため熱負荷が大きく、リードフレームやセラミック基板上の金属めっきと剥離が発生しやすいため、他の特性が良好であっても製品として使えないこともある。この封止樹脂と金属の剥離対策としては、アンカー効果を用いる方法が知られている。

アンカー効果を用いる方法としては、封止樹脂と基板表面との接触界面において、基板表面を凹凸のある粗面にする方法（例えば、特許文献１）や、穴を設ける方法（例えば特許文献２）がある。他にも封止樹脂の側面に当たる、銅フレーム端面を湾曲させたり（例えば特許文献３）、成形樹脂によるキャビティの側面に凹凸を形成させたりする方法もある（例えば特許文献４）。さらに、樹脂を含む導電性ペーストを樹脂成分が焼失する温度で焼き付ける事で電極を形成し、セラミック基板と樹脂基板を接合する複合基板の製造においてアンカー効果を期待する方法もある（例えば、特許文献５）。

ＷＯ２０１７／０２２７５５号公報 特開２０１１−２２８３６９号公報 特開２０１１−０３５０８２号公報 ＷＯ２０１１／０５２６７２号公報 ＷＯ２００６／０４３４７４号公報

特許文献１乃至４のような手法は一定の効果はあるものの、基板価格が高くなったり、剥離抑制が十分でなかったりしている。また、特許文献５のような手法では、樹脂成分が焼失するような高温をかける場合、基板製造工程においては許容されるが、半導体装置を製造するアッセンブリ工程においては、半導体素子等の構成部材の劣化で適用できない場合がほとんどである。特に半導体発光装置やパワー半導体装置に代表される半導体装置においては、熱負荷が大きいため封止樹脂が基板から剥離しやすい傾向がある。

そこで、本実施形態は、基台からの封止部材の剥離を防止する半導体装置及び半導体装置の製造方法を提供する。

本実施形態に係る半導体装置は、基台と、前記基台上に載置される半導体素子と、前記半導体素子が載置される領域と異なる領域の前記基台上に設けられる、多孔質の金属焼結体と、前記多孔質の金属焼結体の内部に配置される、前記半導体素子を覆う封止部材と、を有する。

一方、本実施形態に係る半導体装置の製造方法は、基台に半導体素子を載置する工程と、前記半導体素子が載置される領域と異なる領域の前記基台上に第１金属粒子と分散媒とを含む第１金属粉焼結ペースト、又は、第２金属粒子を塗布する工程と、前記第１金属粉焼結ペースト、又は、前記第２金属粒子に１６０℃以上３００℃以下の温度を加え、前記第１金属粒子、又は、前記第２金属粒子を焼結する工程と、前記第１金属粒子、又は、前記第２金属粒子が焼結された多孔質の金属焼結体が配置された前記基台上に封止部材を配置する工程と、前記金属焼結体の内部まで前記封止部材が浸透した後、前記封止部材を硬化する工程と、を有する

これにより、基台からの封止部材の剥離を防止する半導体装置及び半導体装置の製造方法を提供することができる。

実施形態に係る半導体装置を示す概略平面図である。 実施形態に係る半導体装置を示す概略断面図であり、図１のＩ−Ｉ線に相当する断面を示す。 実施形態に係る半導体装置を示す概略部分拡大断面図であり、図２の点線内を示す。 実施例１に係る剥離後外観を示す光学顕微鏡写真である。 実施例２に係る剥離後外観を示す光学顕微鏡写真である。 実施例３に係る剥離後外観を示す光学顕微鏡写真である。 比較例１に係る剥離後外観を示す光学顕微鏡写真である。 実施例２に係る金属焼結体破断部中央を撮影したＳＥＭ写真である。

以下、本実施形態の半導体装置について図面を用いて説明する。図１は、実施形態に係る半導体装置を示す概略平面図である。図２は、実施形態に係る半導体装置を示す概略断面図であり、図１のＩＩ−ＩＩ線に相当する断面を示す。図３は、実施形態に係る半導体装置を示す概略部分拡大断面図であり、図２の点線内を示す。

なお、以下の説明において参照する図面は、本発明の実施形態を概略的に示したものであるため、各部材のスケールや間隔、位置関係などが誇張、あるいは、部材の一部の図示が省略されている場合がある。また、斜視図とその断面図において、各部材のスケールや間隔が一致しない場合もある。また、以下の説明では、同一の名称及び符号については原則として同一又は同質の部材を示しており、詳細な説明を適宜省略することとする。

また、実施形態に係る発光装置及びその製造方法において、「上」、「下」、「左」及び「右」などは、状況に応じて入れ替わるものである。本明細書において、「上」、「下」などは、説明のために参照する図面において構成要素間の相対的な位置を示すものであって、特に断らない限り絶対的な位置を示すことを意図したものではない。

本実施形態の半導体装置は、基台１０と、基台１０上に載置される半導体素子２０と、半導体素子２０が載置される領域と異なる領域の基台１０上に設けられる、多孔質の金属焼結体３０と、多孔質の金属焼結体３０の内部に配置される、半導体素子２０を覆う封止部材４０と、を有する。これにより、基台１０と封止部材４０との剥離を防止することができる。特に封止部材４０は多孔質の金属焼結体３０の内部から連続して配置されることが好ましい。これにより基台１０と封止部材４０との剥離をより強く防止することができるからである。

ここで多孔質の金属焼結体３０の内部に配置されるとは、金属焼結体３０が中空の粒子の内部という意味でなく、多孔質の金属体３０における孔内に封止部材４０が配置されていることを意味する。また、多孔質の金属焼結体３０の内部から連続して配置されるとは、多孔質の金属体３０における孔内から半導体素子２０の上部まで連続して封止部材４０が配置されていることを意味する。

基台１０は一対のリード１と一対のリード１を保持する成形体２とを有する。半導体素子２０は一対のリード１と導電性部材５０を介して電気的に接続する。

金属焼結体３０は、基台１０との密着性が極めて高い。例えば、ミクロンオーダーの銀粒子を用いて１６０℃以上で焼結することにより銀粒子同士が融着し、極めて強固な金属焼結体が形成される。その焼結の過程において基台１０と金属焼結体３０との密着性も極めて良好である。また、金属焼結体３０が設けられる基台１０部分に銅や鉄などの金属を用いることにより耐熱性に富む半導体装置とすることができる。

本実施形態の半導体装置は、従来のようにリード自体に凹凸等の加工を施す必要がないため、安価な半導体装置を提供することができる。また、従来のようにリード自体に凹凸等を施す場合、リードと樹脂成形体との密着性や位置精度等に配慮が必要であったり、半導体素子実装や洗浄工程等で工夫が必要であったりと設備面等での負担も大きくなるが、本実施形態においては設備面の負担が小さい。

金属焼結体３０を多孔質とすることにより封止部材４０が孔内に侵入して微細なネットワークを形成することで強固なアンカー効果を得ることができ、結果として基台１０と封止部材４０との熱負荷等による剥離を防止することができる。

また、金属焼結体３０を多孔質とすることにより、基台１０との密着性を確保しつつ、曲げに強い可撓性とすることができる。封止部材４０や基台１０の膨張や収縮等により基台１０がわずかに曲がる場合であっても、金属焼結体３０が基台１０から剥離せずに弾力性を持って基台１０に密着させることができる。

金属焼結体３０は最大高さが５００μｍ以下であることが好ましく、最大高さが３００μｍ以下であることが更に好ましい。金属焼結体３０を小さくすることで曲げやすくすることができる。また、半導体素子２０に半導体発光素子を使用した場合に、半導体発光素子から出射される光を遮ることなく外部に光を放出することができたり、配向を変えることなく外部に光を放出することができたりする。
また、金属焼結体３０の高さは発光素子２０の厚みよりも高くすることが好ましい。これにより発光素子２０に加わる封止部材４０の応力を金属焼結体３０にて緩和することができるからである。

金属焼結体３０は円錐状の形状を有することが好ましい。金属焼結体３０を円錐状の形状とすることで基台１０の底面に凹凸を形成することができる。また、半導体発光素子を用いる場合、半導体発光素子から出射された光が基台１０の底面に照射され、乱反射が増えることにより半導体装置から外部に放出される光の指向性を拡げることができる。ただし、金属焼結体３０は円錐状の形状の他、多角錐状、楕円錐状、円錐台形状、楕円錐台形状、多角形錐台形状等とすることもできる。

金属焼結体３０は平面視において０．００５ｍｍ^２以上１ｍｍ^２以下の大きさのものを複数基台１０上に有することが好ましい。また、金属焼結体３０は平面視において０．０１ｍｍ^２以上０．５ｍｍ^２以下の大きさのものを複数基台１０上に有することが更に好ましい。このような金属焼結体３０を用いる事で、基台１０を大型化させる事なく、基台１０と封止部材４０とを強固に接合できる。金属焼結体３０の個数は１個でも２個以上複数でもよい。金属焼結体３０が複数個ある場合は、半導体素子２０からの距離が等間隔にあることが好ましい。半導体素子２０からの熱を均等に放熱することができるからである。例えば、半導体素子２０に対して対角線上にあったり、正多角形の頂点となるように金属焼結体３０を配置したりすることができる。半導体発光素子を使用する場合は、放熱だけでなく、光の指向性も制御することができるからである。

平面視において、封止部材４０に覆われた基台１０の面積に対して、金属焼結体３０は４％以上５０％以下の面積を有することが好ましく、５％以上４０％以下の面積が更に好ましく、１０％以上３０％以下の面積が特に好ましい。このような金属焼結体３０と基台１０との関係を用いる事で、基台１０を大型化する事なく、基台１０と封止部材４０とを強固に接合できる。ここで面積は基台１０が凹部を有している場合は基台１０の凹部の内底面を基準とする。基台１０が側壁を有していない場合は、封止部材４０と基台１０と接触している最外殻の面積を基準とする。

［金属焼結体］
本実施形態の金属焼結体は、金属粉焼結ペーストを焼成して得ることができる。金属焼結体は多孔質である。
多孔質の孔の径は０．１μｍ〜３μｍが好ましい。粒子径が０．３μｍ〜５μｍのものを使用し、焼結により全体が収縮するが、粒子全体が溶けるわけではないため、０．１μｍ〜３μｍ程度の孔が形成される。多孔質の孔が大きいと金属焼結体自体が壊れやすくなる。一方多孔質の孔が小さいと封止部材が浸透せずに空気層が介在するようになり、接合強度が低下することになる。そのため封止部材が浸透しやすい孔径を有することが好ましい。
多孔質の孔は不規則であることが好ましい。多孔質の孔を不規則とすることにより特定の方向における剥離や歪みを抑制することができる。
多孔質の孔は均一な大きさのものが均一に配置されているのではなく、孔が繋がっていることもある。多孔質の孔が繋がっていることにより封止部材を浸透しやすくすることができる。

金属焼結体は金属粉のみを焼結したものでも良いが、金属粉を分散媒に分散させた金属粉焼結ペーストを焼結したものが好ましい。金属粉焼結ペーストは、金属微粒子を主成分とする。分散媒としては融点が１００℃以上４００℃以下で金属微粒子が焼結する際には揮発されており、分散媒が残存していないことが好ましい。分散媒としては実質的に樹脂を含まないものが好ましい。このような分散媒を用いる事で、金属粉同士の焼結を促進し、導電性や放熱性を向上できる。分散媒には有機溶剤等があるが、特に限定されない。有機溶剤を用いた場合、加熱により有機溶剤が揮発し、その後金属微粒子同士が焼結する事で、多孔質な焼結体を形成する。

金属粉焼結ペーストに用いる金属微粒子は、銀の粒子が主成分であることが好ましい。すなわち、金属微粒子における銀の粒子の含有率は、例えば７０質量％以上、好ましくは８０質量％以上、よりこのましくは９０質量％以上であることを意味する。なお、銀の粒子には、例えば１０質量％以下、好ましくは７質量％以下、より好ましくは５質量％以下の酸化銀の粒子を含んでもよい。また、銀以外の金属、金、プラチナ、銅、アルミニウム、鉄等の金属の粒子やセラミックスのような無機物の粒子が２０重量％以下、好ましくは１０重量％以下、さらに好ましくは５重量％以下含有されていてもよい。銀のマイグレーションを防止したり、導電性、光反射率、光沢度等を変化させたりすることができるからである。所定の割合で銀粒子が金属粉焼結ペースト中に含有されていれば、銀粒子の融着が生じ、基台との密着性は確保できるからである。また、銀の粒子が融着に寄与するが、銀以外の粒子は融着に寄与しないため、空孔を制御することができる。

この銀の粒子は、平均粒径が１種類のものであっても、２種類以上のものを混合して用いてもよい。銀の粒子は、平均粒径が０．３μｍ〜５μｍであり、好ましくは１．０μｍ〜４μｍであり、より好ましくは１．５μｍ〜３．５μｍである。これにより低温で焼結体を形成でき、なおかつ封止部材が侵入しやすい多孔質構造にすることができる。銀の粒子以外の金属粒子は、平均粒径が、０．１μｍ〜１５μｍのものを使用することもできるが、０．３μｍ〜１０μｍが好ましく、０．３μｍ〜５μｍがより好ましい。

銀の粒子は、粒径が０．３μｍ未満の粒子の含有量が５質量％以下であるのが好ましく、４質量％以下であるのがより好ましい。

銀の粒子は、粒径が０．５μｍ以下の粒子の含有量が１５質量％以下であるのが好ましく、１０質量％以下であるのがより好ましい。

銀の粒子の平均粒径は、レーザー回折法により測定することができる。なお、平均粒径とは、粒度分布から求めた積算堆積頻度が５０％の値を意味する。以下、平均粒径は特に断りのない限りメジアン径を意味する。

また、銀の粒子は、比表面積が０．４ｍ²／ｇ〜１．５ｍ²／ｇであり、好ましくは０．６ｍ²／ｇ〜０．９ｍ²／ｇであり、より好ましくは０．６６ｍ²／ｇ〜０．７４ｍ²／ｇである。これにより隣接する銀粒子の接合面積を大きくすることができ、かつ銀の粒子の添加による粘度上昇が小さいため、ペースト中に銀の粒子を多く含む事ができる。これによりボイドの発生が抑えられ、高い接合強度が得られる。金属粉焼結ペーストの主原料である銀の粒子の比表面積は、ＢＥＴの方法により測定することができる。

銀の粒子の形態は限定されないが、例えば、球状、扁平な形状、フレーク状、多面体等が挙げられ、フレーク状が好ましい。フレーク状とすることで隣り合う銀の粒子との接触面積が大きくなり、焼結温度が下げられるからである。銀粒子の形態は、平均粒径が所定の範囲内の銀の粒子に関して、均等であるのが好ましい。銀粒子は、平均粒径が２種類以上のものを混合する場合、それぞれの平均粒径の銀の粒子の形態は、同一であっても異なっていてもよい。例えば、平均粒径が３μｍである銀の粒子と平均粒径が０．３μｍである銀の粒子の２種類を混合する場合、平均粒径が０．３μｍである銀の粒子は球状であり、平均粒径が３μｍである銀の粒子は扁平な形状であってもよい。

銀の粒子の含有量が、ペーストに対して７０質量％以上であるのが好ましく、８５質量％以上であるのがより好ましく、９０質量％以上であるのがさらに好ましい。銀の粒子の含有量が所定の範囲であると、電極に対する接合強度が高くなるからである。

金属粉焼結ペーストにはアニオン性の界面活性剤が含まれても良い。アニオン性による電界により、一般にマイナスの表面電位を持つ銀や金といった電極に対して、アニオン性の界面活性剤が電界による耐ブリード性を発揮することにより、基台上の電極への漏れや汚染によるワイヤーボンド不良が改善され、安定した電子部品の製造が可能になる。

界面活性剤は、揮発性が高いものが好ましい。具体的にはTG−DTA（示差熱・熱重量同時分析）において室温付近から毎分２℃で昇温した際に、３５０℃時点の残渣が初期質量に対して２０質量％以下となるものが好ましく、５質量％以下となるものがさらに好ましい。残渣が２０質量％以下であれば、焼成時に揮発残渣が焼結を疎外しないため、接合強度が高くなるためである。

アニオン性界面活性剤は、カルボキシル基、またはその塩を含むカルボン酸型であるのが好ましく、下記式（Ｉ）で表されるカルボン酸型であるのがより好ましい。

Ｒ¹Ｏ（ＣＨ₂ＣＨ（Ｒ²）Ｏ）_n1ＣＨ₂ＣＯＯＲ³ （Ｉ）

［式中、Ｒ¹は炭素数７以上の直鎖または分岐のあるアルキル基であり、Ｒ²は−Ｈまたは−ＣＨ₃または−ＣＨ₂ＣＨ₃、−ＣＨ₂ＣＨ₂ＣＨ₃のいずれかであり、Ｒ³は−Ｈまたはアルカリ金属であり、ｎ１は２〜５の範囲である。］

また、アニオン性界面活性剤は、下記式（ＩＩ）で表されるカルボン酸型であるのがより好ましい。

Ｒ¹¹−Ｃ（Ｏ）Ｎ（Ｒ¹²）（ＣＨ₂）_n2ＣＯＯＲ¹³ （ＩＩ）

［式中、Ｒ¹¹は、炭素数７以上の直鎖または分岐のあるアルキル基であり、Ｒ¹²は−Ｈまたは−ＣＨ₃または−ＣＨ₂ＣＨ₃、−ＣＨ₂ＣＨ₂ＣＨ₃のいずれかであり、Ｒ¹³は−Ｈ、ＮＨ⁺（Ｃ₂Ｈ₄ＯＨ）₃またはアルカリ金属であり、ｎ２は１〜５の範囲である。］

また、アニオン性界面活性剤は、下記式（ＩＩＩ）で表されるカルボン酸型であるのがより好ましい。

Ｒ²¹−ＣＨ＝ＣＨ−（ＣＨ₂）_n3ＣＯＯＲ²² （ＩＩＩ）

［式中、Ｒ²¹は、炭素数７以上の直鎖または分岐のあるアルキル基であり、Ｒ²²は−Ｈまたはアルカリ金属であり、ｎ３は１〜１０の範囲である。］

また、アニオン性界面活性剤は、下記式（ＩＶ）で表されるカルボン酸型であるのがより好ましい。

Ｒ³¹−ＣＯＯＲ³² （ＩＶ）

［式中、Ｒ³¹は、ＯＨまたはＣＯＯＲ³³（Ｒ³³は、アルカリ金属である）で任意に置換された炭素数７以上の直鎖または分岐のあるアルキル基またはアルコキシ基であり、Ｒ³²は−Ｈまたはアルカリ金属である。］

また、アニオン性界面活性剤は、スルホ基、またはその塩を含むスルホン酸型であるのが好ましく、下記式（Ｖ）で表されるスルホン酸型であるのがさらに好ましい。

Ｒ⁴¹−ＳＯ₃Ｒ⁴² （Ｖ）

［式中、Ｒ⁴¹は、ＯＨまたはＣＯＯＲ⁴³（Ｒ⁴³は、アルキル基である）で任意に置換された炭素数７以上の直鎖または分岐のあるアルキル基、アラルキル基もしくはアルケニル基またはアラルキル基であり、Ｒ⁴²は、−Ｈまたはアルカリ金属である。］

また、アニオン性界面活性剤は、カルボキシル基、またはその塩とスルホ基、またはその塩を両方含むカルボン−スルホン酸型であるのが好ましく、下記式（ＶＩ）で表されるカルボン−スルホン酸型であるのがさらに好ましい。

［式中、Ｒ⁵¹は炭素数７以上の直鎖または分岐のあるアルコキシ基またはＲ⁵⁴−ＣＯＮＨ−であり（Ｒ⁵⁴は、炭素数７以上の直鎖または分岐のあるアルキル基）、Ｒ⁵²およびR⁵³は−Ｈまたはアルカリ金属であり、ｎ５は１〜８の範囲であり、ｎ６は０〜１の範囲であり、ｎ７は０〜１の範囲である。］

また、アニオン性界面活性剤は、リン酸エステル構造、またはその塩であるリン酸エステル型であるのが好ましく、下記式（ＶＩＩ）で表される硫酸エステル型であるのがさらに好ましい。

Ｒ⁶¹−Ｏ−ＰＯ（ＯＲ⁶²）ＯＲ^6３ （ＶＩＩ）

［式中、Ｒ⁶¹及びＲ⁶²は、直鎖または分岐のあるアルキル基であり、Ｒ⁶³は、−Ｈまたはアルカリ金属である。］

界面活性剤の含有量は、本実施形態の金属粉焼結ペーストに対して１０質量％を上限とすることが好ましい。また、界面活性剤の含有量は、焼結型接合材に対して２質量％以下であるのが好ましい。焼成により完全に揮発させることができるからである。

界面活性剤は、２５℃で液状であるのが好ましい。ペースト中の固形分が抑えられるため、金属微粒子を多く含む事が可能になり、得られる焼結体においてボイドが発生しにくくなるためである。

金属粉焼結ペーストは、分散媒として有機溶剤を含んでも良い。銀の粒子を有機溶剤に均一に分散する事で、印刷やディスペンスといった手法により効率的に高品質な塗布が可能になるからである。

分散媒は、１種類の有機溶剤であっても、２種類以上の有機溶剤の混合物であってもよく、ジオールとエーテルとの混合物であるのが好ましい。このような分散媒を用いる金属粉焼結ペーストにより低温で焼結体を形成することができるためである。

分散媒の沸点は４００℃以下であることが好ましく、１５０℃〜３００℃であるのがより好ましい。分散媒の沸点が１５０℃〜２５０℃の範囲であると、分散媒揮発による金属粉焼結ペーストの室温時粘度変化を抑制することができて作業性が良好であるからである。さらに、分散媒の沸点が範囲であると、分散媒は焼成により完全に揮発させることができる。

ジオールとしては、例えば、エチレングリコール、１，３−プロパンジオール、１，４−ブタンジオール、ジエチレングリコール、１，５−ペンタンジオール、１，６−ヘキサンジオール、ジプロピレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコール、１，２−プロパンジオール、１，３−ブタンジオール、２，３−ブタンジオール、ネオペンチルグリコール（２，２−ジメチルプロパン−１，３−ジオール）、１，２−ヘキサンジオール、２，５−ヘキサンジオール、２−メチル−２，４−ペンタンジオール、３−メチル−１，３−ペンタンジオール、２−エチル−１，３−ヘキサンジオール等の脂肪族ジオール類；２，２−ビス（４−ヒドロキシシクロヘキシル）プロパン、２，２，−ビス（４−ヒドロキシシクロヘキシル）プロパンのアルキレンオキサイド付加物；１，４−シクロヘキサンジオール、１，４−シクロヘキサンジメタノール等の脂環族ジオール類が挙げられる。

エーテルとしては、例えば、ジプロピレングリコールメチルエーテル、トリプロピレングリコールメチルエーテル、プロピレングリコールｎ−プロピルエーテル、ジプロピレングリコールｎ−プロピルエーテル、プロピレングリコールｎ−ブチルエーテル、ジプロピレングリコールｎ−ブチルエーテル、プロピレングリコールフェニルエーテル、ジプロピレングリコールジメチルエーテル、１，３−ジオキソラン、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル等が挙げられる。

分散媒がジオールとエーテルとの混合物の場合、ジオールとエーテルの質量比は、ジオール：エーテル＝７〜９：２であるのが好ましい。このような有機溶剤の混合物を用いる金属粉焼結ペーストにより低温で金属焼結体を形成することができるためである。

分散媒の含有量は、金属粉焼結ペーストの塗布方法により必要粘度が変化するため特に限定するものではない。金属粉焼結ペーストを焼成して得られる焼結体の空隙率を抑制するため、金属粉焼結ペーストに対する分散媒の含有量は、３０質量％を上限とすることが好ましい。

＜基台＞
基台は特に限定されず、例えば、プリント配線基板等の配線基板、リードフレーム、サブマウント、銅貼りセラミック基板等であってよい。配線基板としては、例えば、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ジルコニウム、窒化ジルコニウム、酸化チタン、窒化チタンまたはこれらの混合物を含むセラミック基板、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｔｉまたはこれらの合金を含む金属基板、ガラス基板、ＢＴレジン基板等の樹脂基板、およびガラスエポキシ基板等が挙げられる。配線基板およびリードフレームは、半導体装置を製造するためのパッケージの一部を構成するものであってよい。リードフレームとしては、例えば、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｔｉまたはこれらの合金を含むものが挙げられる。基台表面が銅等の酸化しやすい金属で構成される場合、基台の表面には酸化被膜が形成されていることがあり、この酸化被膜の存在により、基台と半導体素子との接合強度が低くなってしまうおそれがある。これに対し、酸化雰囲気中での接合に先立って、還元雰囲気中での加熱を行う。還元雰囲気中での加熱により、基体表面の酸化被膜が還元されて除去される。その結果、基台と電子部品との接合強度を向上させることができる。

基台は銅又は銅合金を主成分とする基材を有することが好ましい。このような基台を用いる事で、半導体装置の導電性、放熱性を高める事ができる。
基台は銀、金、アルミニウム、又はこれらを主成分に含む合金を鍍金していることが好ましい。このような基台を用いる事で、熱による合金化や酸化等によって引き起こされる電気抵抗の上昇を防ぐ事ができる。

＜半導体素子＞
半導体素子として、例えば、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）素子、金属酸化膜形電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）素子，発光ダイオード（ＬＥＤ）素子，フリーホイーリングダイオード（ＦＷＤ）素子，ジャイアント・トランジスター（ＧＴＲ）素子等の半導体素子を使用することができる。半導体素子は、半導体発光素子、例えば発光ダイオードやレーザダイオードであることが好ましい。半導体発光素子としては任意の波長のものを使用することができるが、青色光を発する窒化物半導体発光素子を使用することが好ましい。

＜封止部材＞
封止部材の種類は特に限定されないが、例えばエポキシ樹脂、シリコーン樹脂、変性エポキシ樹脂、変性シリコーン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂の群から選ばれる少なくとも１種であることが好ましい。特にエポキシ樹脂である場合、流動性や耐熱性、耐湿性、強度等の性能に優れるからである。

封止部材は軟化時に流動性を有する必要があり、熱硬化性樹脂であることが好ましい。熱硬化性樹脂は熱可塑性樹脂に比べて流動性に富むからである。封止部材の溶融粘度は１Ｐａ・ｓ以下であることが好ましい。溶融粘度を下げることにより多孔質の金属焼結体中に封止部材が浸透することができるからである。また封止部材の浸透に伴う空気の排出を高めることができるからである。

また封止部材はフィラーを含んでも良い。フィラーは封止部材と比重が近いもの、若しくは、封止部材よりも比重の小さいものが好ましい。封止部材に比べてフィラーの比重が小さいと金属焼結体の孔にフィラーが入り込まないからである。また、封止部材に比べてフィラーの比重を小さくすることで、封止部材の界面付近にフィラーの密度を高くすることで光拡散を拡げることができる。
その他、導電性部材として用いることができる具体的な材料としては、銅、アルミニウム、金、銀、タングステン、鉄、ニッケル、コバルト等の金属又は鉄−ニッケル合金、りん青銅、鉄入り銅、モリブデン、Ａｕ−Ｓｎなどの共晶はんだ、ＳｎＡｇＣｕ、ＳｎＡｇＣｕＩｎなどのはんだ、ＩＴＯ等が挙げられる。

＜半導体装置の製造方法＞
次に、本実施形態の半導体装置の製造方法について説明する。
半導体装置の製造方法として、基台１０に半導体素子２０を載置する工程と、半導体素子２０が載置される領域と異なる領域の基台１０上に第１金属粒子と分散媒とを含む第１金属粉焼結ペースト、又は、第２金属粒子を塗布する工程と、第１金属粉焼結ペースト、又は、第２金属粒子に１６０℃以上３００℃以下の温度を加え、第１金属粒子、又は、第２金属粒子を焼結する工程と、第１金属粒子、又は、第２金属粒子が焼結された多孔質の金属焼結体３０が配置された基台１０上に封止部材４０を配置する工程と、金属焼結体３０の内部まで封止部材４０が浸透した後、封止部材４０を硬化する工程と、を有する。

以下、各工程について詳述する。
基台１０に半導体素子２０を載置する工程を有する。基台１０に半導体素子２０を載置する工程は、接着剤を用いて半導体素子２０を基台１０上にフェイスアップ実装してもよく、導電性接着剤やはんだを用いて半導体素子２０を基台１０上にフェイスダウン実装してもよい。このとき使用される接着剤又は導電性接着剤に金属焼結体で使用される金属粉焼結ペーストを使用してもよい。例えば、基台１０上に第２金属粉焼結ペーストを塗布し、第２金属粉焼結ペースト上に半導体素子２０を載置してもよい。基台１０に半導体素子２０を載置する工程は、本実装でも良いが、仮置きとしてもよい。また、第１金属粉焼結ペースト、第２金属粒子を焼結する工程において、半導体素子の実装も同時に行うこともできる。これにより基台にかかる熱の負担を低減することができるからである。

半導体素子２０が載置される領域と異なる領域の基台１０上に第１金属粒子と分散媒とを含む第１金属粉焼結ペースト、又は、第２金属粒子を塗布する工程を有する。異なる領域は、平面視において半導体素子２０と重ならない領域を指す。ただし、第１金属粉焼結ペーストは、半導体素子２０の接着剤として使用する第２金属粉焼結ペーストと連続して繋がっていても良いが、接着剤としてのみ機能するものは除かれる。例えば、第１金属粉焼結ペーストは半導体素子２０の大きさの少なくとも１／２以上、半導体素子２０から離れていたり、又は、第１金属粉焼結ペーストと第２金属粉焼結ペーストとの間に平面視で窪みを有するものであったりしてもよい。

この塗布する工程と、載置する工程とは、順番を問わず、同時でもよい。同時とは、半導体素子を基台に載置する際に使用する接着剤として第１金属粉焼結ペースト又は第２金属粒子を使用し、接着剤としての第１金属粉焼結ペースト又は第２金属粒子と、金属焼結体としての第１金属粉焼結ペースト又は第２金属粒子とを短時間に基台上に塗布し、その後、半導体素子を接着剤が塗布された基台上に載置することである。

第２金属粒子のみを用いるのに比べて、第１金属粉焼結ペーストを用いることで、作業性が向上する。第２金属粒子のみであると分量の計測や塗布量の調整に手間を有するが、第１金属粉焼結ペーストにすることで塗布量の調整や運搬等を容易にすることができる。

前記第１金属粒子、前記第２金属粒子は、銀を主成分とするものが好ましい。銀は９６２℃の融点を有するが、酸素を含む雰囲気下で１６０℃以上の温度を加えることにより銀粒子同士が融着するためである。

塗布する工程の前において、基台は銀、金、アルミニウム、又はこれらを主成分に含む合金が鍍金されていることが好ましい。これにより第１金属粒子、又は、第２金属粒子との密着性が向上するからである。特に第１金属粒子、又は第２金属粒子に銀を使用する場合、基台は銀が鍍金されていることが好ましい。これらの銀を使用することで第１金属粒子、第２金属粒子と基台の銀との密着性が格段に向上するからである。また、半導体素子に可視光を発する半導体発光素子を使用する場合、半導体発光素子からの光を反射する反射率を高くすることができるからである。

基台への第１金属粉焼結ペースト、第２金属粒子の塗布方法は特に限定されないが、例えばスタンプ法、ディスペンス法、印刷法等が挙げられ、スタンプ法が好ましい。スタンプ法を用いる事により、小さい塗布径で精度よく塗布することができる。

第１金属粉焼結ペーストの塗布形状は円錐状の形状が好ましい。円錐状の形状とする事でより小さい塗布径で精度よく形成する事ができるからである。

第１金属粉焼結ペースト、又は、第２金属粒子に１６０℃以上３００℃以下の温度を加え、第１金属粒子、又は、第２金属粒子を焼結する工程を有する。

焼成は、１６０℃以上３００℃以下の範囲の温度で行われるのが好ましい。この温度範囲で焼成される場合、半導体素子等が実装される基台の熱劣化を回避できるためである。また、焼成は、１６０℃以上２６０℃以下の範囲の温度で行われるのがより好ましく、１７０℃以上１９５℃以下の範囲の温度で行われるのがさらに好ましい。従来の樹脂を含む接着剤を想定したリードフレームは２００℃以上で劣化する部材が含まれるためである。

焼成は、例えば１０分以上１８０分間以下、好ましくは３０分以上１２０分間以下、行ってもよい。

焼成する工程は、酸素雰囲気又は大気雰囲気である事が好ましい。酸素雰囲気又は大気雰囲気であると、銀の拡散が促進され、基台と金属焼結体の接合を強固にできるからである。

焼結する工程は、第１金属粉焼結ペースト中の分散媒が除去されていることが好ましい。第１金属粉焼結ペースト中の分散媒が除去されることにより、第１金属粒子が酸素雰囲気又は大気雰囲気に縛され、焼結が促進されるからである。

第１金属粒子、又は、第２金属粒子が焼結された多孔質の金属焼結体３０が配置された基台１０上に封止部材４０を配置する工程を有する。

次に、金属焼結体の内部まで封止部材が浸透した後、封止部材を硬化する工程を有する。

封止工程は特に限定されないが、ポッティング法やディスペンス法、トランスファーモールド法等を用いる事ができる。封止することにより半導体素子や配線を外気から保護するために実施される。封止工程において、封止部材が金属焼結体の孔を通って内部まで浸透して硬化する事により、封止部材と基台とを強固に接合する。さらにこの接合は樹脂を含まないため、熱による劣化が少ない。

封止部材の配置は金属焼結体の孔に含まれる空気を除去してやることが好ましいため、空気を逃げる経路を確保しつつ封止部材を配置することが好ましい。
なお、半導体発光装置は半導体装置の一形態である。

以下、実施例、比較例を元に、金属焼結体と封止部材との密着性等を評価するため、金属焼結体の接合方法及び接合体の製造方法について説明する。

［実施例１］
基台としてリードフレームを用いる。銅を母材とするリードフレームの表面にニッケル（１．０μｍ厚）、パラジウム（０．０４μｍ厚）、金（０．００６μｍ厚）とめっきしたリードフレームに対して、穴形状を有し、下面に離型性のあるシリコーンゴムシートを貼り付けた。

分散媒として、有機溶剤である２−エチル−１，３−ヘキサンジオール（２８．７２ｇ）とジエチレングリコールモノブチルエーテル（７．１８ｇ）を、自転・公転ミキサー（商品名「あわとり錬太郎ＡＲ−５００」、株式会社シンキー製）にて３０秒間攪拌し、溶剤混合物を得た。

フレーク状銀粒子（福田金属箔粉工業株式会社製、製品名「ＡｇＣ−２３９」、フレーク状、平均粒径が２．６μｍ、比表面積が０．７ｍ²／ｇ、粒径０．３μｍ未満の粒子の含有量は２質量％、粒径０．５μｍ以下の粒子の含有量は６質量％、４５９．５０ｇ）を計量して溶剤混合物に加えた。得られた混合物を、自転・公転ミキサー（商品名「あわとり錬太郎ＡＲ−５００」、株式会社シンキー製）にて３分間攪拌および２分間脱泡のサイクルを、１サイクル用いて攪拌し、金属粉焼結ペースト（５００ｇ）を得た。銀の粒子の含有量は、９１．９質量％であった。

得られた金属粉焼結ペーストを、リードフレームのシリコーンゴムシート開口部に、エアーディスペンサーを用いて塗布した。２４Ｇのニードルを使用し、背圧３００ｋＰａ、吐出時間１．１秒を用い、１開口部に対して、２点ずつ塗布した。その後大気オーブンを用いて１８５℃１時間で焼成し、金めっき表面に接合した金属焼結体を得た。その後表面の清浄化のため、アルゴンガスを用いてリードフレームへのプラズマ洗浄を１００Ｗ４秒で実施した。

封止部材としてエポキシ樹脂を用いる。エポキシ樹脂（型番：Ｈ２００８−９Ｂ）の主剤（５．００ｇ）と硬化剤（２．７５ｇ）を、自転・公転ミキサー（商品名「あわとり錬太郎ＡＲ−５００」、株式会社シンキー製）にて３分間攪拌し、封止樹脂を得た。これを、エアーディスペンサーを用いてリードフレーム上のシリコーンゴムシート開口部が埋まるように塗布し、１２０℃に昇温し１時間保持した後、２０分かけて１５０℃まで昇温し、３時間保持する事で硬化させた。その後シリコーンゴムシートをリードフレームから剥がし、リードフレームに接合した封止樹脂硬化物を得た。

［実施例２］
金属粉焼結ペーストの塗布を１開口部に対して５点とした以外は、実施例１と同様に行い、リードフレームに接合した封止樹脂硬化物を得た。

［実施例３］
金属粉焼結ペーストの塗布を１開口部に対して９点とした以外は、実施例１と同様に行い、リードフレームに接合した封止樹脂硬化物を得た。

［比較例１］
金属粉焼結ペーストの塗布を行わず、シリコーンゴムシート貼り付け後にプラズマ洗浄を実施し、封止樹脂塗布へと進めた以外は、実施例１と同様に行い、リードフレームに接合した封止樹脂硬化物を得た。

得られた封止樹脂硬化物について、すでに剥離しているものの発生率を確認した。さらに、外観から金属焼結体の封止樹脂に対する面積比を確認し、続いてリードフレームから封止樹脂硬化物を剥す方向に剪断力をかけ、剥離したときの強度を封止樹脂密着強度として測定した。

表１に実施例１乃至３並びに比較例１、金属焼結体面積比、封止後の剥離発生率、封止樹脂密着強度の測定結果を示す。

図４は、実施例１に係る剥離後外観を示す光学顕微鏡写真である。図５は、実施例２に係る剥離後外観を示す光学顕微鏡写真である。図６は、実施例３に係る剥離後外観を示す光学顕微鏡写真である。図７は、比較例１に係る剥離後外観を示す光学顕微鏡写真である。図８は、実施例２に係る金属焼結体破断部中央を撮影したＳＥＭ写真である。

この測定結果から、金属焼結体を形成する事で封止後の剥離が抑えられた。また密着強度も金属焼結体の面積比に従い上昇していた。また図８に示すように、焼結体内部においても黒く見える封止樹脂が確認されており、封止樹脂が金属焼結体の孔を通って内部まで浸透して硬化した事がわかる。これによりアンカー効果が得られた。

本実施形態の半導体装置及び半導体装置の製造方法は、例えば、パワー半導体等を含む半導体装置の製造に適用できる。また、本実施形態の半導体装置及び半導体装置の製造方法は、例えば、ＬＥＤやＬＤなどの半導体発光素子を用いた半導体発光装置を製造する際にも適用できる。

１ リード
２ 成形体
１０ 基台
２０ 半導体素子
３０ 金属焼結体
４０ 封止部材
５０ 導電性部材

Claims (15)

1. 基台と、
   前記基台上に載置される半導体素子と、
   前記半導体素子が載置される領域と異なる領域の前記基台上に設けられる、多孔質の金属焼結体と、
   前記多孔質の金属焼結体の内部に配置される、前記半導体素子を覆う封止部材と、
   を有する半導体装置。
2. 前記基台は銅又は銅合金を主成分とする基材を有する請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記基台は銀、金、アルミニウム、又はこれらを主成分に含む合金を鍍金している請求項１又は２に記載の半導体装置。
4. 前記金属焼結体は銀を主成分とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の半導体装置。
5. 前記金属焼結体は円錐状の形状を有する請求項１乃至４のいずれか一項に記載の半導体装置。
6. 前記金属焼結体は平面視において０．００５ｍｍ^２以上１ｍｍ^２以下の大きさのものを複数有する請求項１乃至５のいずれか一項に記載の半導体装置。
7. 平面視において、前記封止部材に覆われた前記基台の面積に対して、前記金属焼結体は４％以上５０％以下の面積を有する請求項１乃至６のいずれか一項に記載の半導体装置。
8. 前記封止部材は、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、変性エポキシ樹脂、変性シリコーン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂の群から選ばれる少なくとも１種である請求項１乃至７のいずれか一項に記載の半導体装置。
9. 前記半導体素子は、半導体発光素子である請求項１乃至８のいずれか一項に記載の半導体装置。
10. 基台に半導体素子を載置する工程と、
    前記半導体素子が載置される領域と異なる領域の前記基台上に第１金属粒子と分散媒とを含む第１金属粉焼結ペースト、又は、第２金属粒子を塗布する工程と、
    前記第１金属粉焼結ペースト、又は、前記第２金属粒子に１６０℃以上３００℃以下の温度を加え、前記第１金属粒子、又は、前記第２金属粒子を焼結する工程と、
    前記第１金属粒子、又は、前記第２金属粒子が焼結された多孔質の金属焼結体が配置された前記基台上に封止部材を配置する工程と、
    前記金属焼結体の内部まで前記封止部材が浸透した後、前記封止部材を硬化する工程と、
    を有する半導体装置の製造方法。
11. 前記第１金属粒子、前記第２金属粒子は、銀を主成分とする請求項１０に記載の半導体装置。
12. 前記第１金属粉焼結ペーストは、実質的に樹脂を含まない請求項１０又は１１に記載の半導体装置の製造方法。
13. 前記焼結する工程は、前記第１金属粉焼結ペースト中の前記分散媒が除去されている請求項１０乃至１２のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法
14. 前記焼結する工程は、酸素雰囲気又は大気雰囲気である請求項１０乃至１３のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
15. 前記塗布する工程の前において、前記基台は銀、金、アルミニウム、又はこれらを主成分に含む合金が鍍金されている請求項１０乃至１４のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。

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