JP5018737B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
請求項1に記載の発明は、半導体素子を含む構造体がこれを支持する支持体に一体に接合されて構成される半導体装置の前記半導体素子を含む構造体を熱抵抗の低い接合材を介して前記支持体に接合する半導体装置の製造方法において、
反応温度と熱伝導率との相反する関係の中で前記接合材の溶融を可能とする反応温度と熱伝導率の確保とを両立し得る特性に設定された反応性膜を前記接合材によって挟持する態様で前記支持体上にこれら接合材及び反応性膜及び接合材及び前記構造体を順に積層し、この状態で前記反応性膜にその反応を誘起する反応条件を付与することにより前記接合材を溶融せしめて前記支持体に前記構造体を接合するに際し、前記反応性膜として、反応温度が低くかつ熱伝導率の高い金属薄膜からなる第1の金属薄膜と反応温度が高くかつ熱伝導率の低い金属薄膜からなる第2の金属薄膜とが複数層、交互に積層された膜を用い、特定の積層数の中でのこれら第1の金属薄膜の膜厚と第2の金属薄膜の膜厚との膜厚調整を通じて前記接合材の溶融を可能とする反応温度と熱伝導率の確保とを両立し得る特性に設定することを要旨とする。
としてニッケル薄膜を用いることを要旨とする。
請求項5に記載の発明は、請求項1〜4のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法において、前記構造体として、両面にアルミニウム板の接着された絶縁基板上に前記半導体素子が半田付けによって実装されたものを含むものを用いることを要旨とする。
ることを要旨とする。
以下、本発明にかかる半導体装置の製造方法の第1の実施の形態について図1〜図7を参照して説明する。図1は、この実施の形態にかかる半導体装置の製造方法について、その適用対象とする半導体装置の接合工程直前の概略断面構造を示したものである。
するようにしている。すなわち、反応性膜21の主に反応温度を確保する機能を有するニッケル薄膜21bの膜厚βを上記反応温度「600℃」を確保し得る必要最小限の厚さとし、これに対して、反応性膜21の主に熱伝導率を確保する機能を有するアルミニウム薄膜21aの膜厚αを、同層数、同組み合わせの中で最大限に厚くする(α>β)。これによって、ロウ材20を溶融するために最低限必要な反応温度(「600℃」)の確保と接合材としての熱伝導率の確保との両立が図られるようになる。
アルミニウム薄膜21aの膜厚α:ニッケル薄膜21bの膜厚β=3:2
とするときに原子数の比が「1:1」となって、最も反応熱が高くなる。そして本実施の形態では、アルミニウム薄膜21aとニッケル薄膜21bとのこのような関係に鑑みて、その反応温度が「600℃」となるように、その積層数nをはじめ、上記各膜厚α、βを決めている。
すなわち、同図3に曲線L1〜L4として示されるように、反応性膜21を構成するニッケル薄膜21bの割合が多くなるほど反応性膜21の反応温度が高くかつその反応時間が短くなり、逆に反応性膜21を構成するニッケル薄膜21bの割合が少なくなるほど反応性膜21の反応温度が低くかつその反応時間が長くなっている。そして、この反応性膜21の自己伝搬反応によって反応熱が発せられる時間は、実際には数μ秒から数十μ秒であることが発明者によって確認されている。
く知られているように、同方法によって熱源から熱が発せられる時間は数秒となっている。このため、ロウ材20を溶融すべく同方法を採用した場合には、ロウ材20のみならず、接合対象となる上記絶縁基板12や冷却器13にも過剰な熱が印加されることとなり、ロウ材20の固化後にはそれら接合対象に上記線膨張係数の違いに起因する過大な応力が内在してしまう。
Pa2:反応性膜21に対するアルミニウム薄膜21aの割合
Pn2:反応性膜21に対するニッケル薄膜21bの割合
α:アルミニウム薄膜21aの膜厚
β:ニッケル薄膜21bの膜厚
n:積層数
すなわち、このような関係式(ロ)を満たす態様で反応性膜21が構成されることによ
って、ロウ材20の溶融に最低限必要な反応温度「600℃」の確保と、この反応温度「600℃」を確保する上で最大の熱伝導率λxの確保との両立が図られるようになる。
(1)ロウ材20により挟持された反応性膜21の自己伝播反応に基づく反応熱により、ロウ材20を瞬時かつ均一に溶融することで、冷却器13に半導体素子10及び絶縁基板12からなる構造体を溶接接合することとした。これにより、冷却器13や半導体素子10及び絶縁基板12からなる構造体に過大な応力が内在する以前にこれらの接合を完了することができ、接合後にこれら構造体や冷却器13に内在する応力を的確に抑制することができるようになる。
(第2の実施の形態)
以下、本発明を具体化した第2の実施の形態を図8を参照して説明する。なお、この第2の実施の形態は、構造体として半導体素子10の発熱を処理するための放熱板30をさらに含むものを接合(製造)の対象としており、その基本的な製造方法は先の第1の実施の形態と共通になっている。
装された絶縁基板(DBA)12にさらに放熱板30を半田付けによって接着固定し、この放熱板30の設けられた構造体を冷却器13に対する接合の対象としている。なお、放熱板30としては、モリブデン(Mo)、銅−モリブデン(Cu−Mo)合金、アルミニウム−炭化ケイ素(Al−SiC)合金、銅(Cu)、アルミニウム(Al)などで形成されたものが望ましく、中でも特に、高い熱伝導率とパワー半導体素子に近い熱膨張係数を有するモリブデン(Mo)が好適である。またここでは、同図8に示されるように、例えば先のIGBT等からなるとする半導体素子10の表面に設けられているエミッタ端子及びゲート端子にワイヤボンディングによる配線が施されており、それらワイヤ31a及び31bを介して配線された半導体素子10の電気的特性が予め検査される。そして、正常な電気的特性を示す半導体素子10が搭載された構造体のみを冷却器13との接合対象とする。
(他の実施の形態)
なお、上記各実施の形態は、以下のような態様をもって実施することもできる。
て示したが、他に例えば、PVD法やCVD法等でこれを成膜するようにしてもよい。
・上記各実施の形態では、構造体の下面に塗布されたロウ材20に反応性膜21を成膜するようにしたが、これに限らず、冷却器13上に塗布されたロウ材20の上に反応性膜21を成膜するようにしてもよい。また、別工程で反応性膜21を成膜し、これをロウ材20に挟持する態様で積層するようにしてもよい。
Claims (7)
- 半導体素子を含む構造体がこれを支持する支持体に一体に接合されて構成される半導体装置の前記半導体素子を含む構造体を熱抵抗の低い接合材を介して前記支持体に接合する半導体装置の製造方法において、
反応温度と熱伝導率との相反する関係の中で前記接合材の溶融を可能とする反応温度と熱伝導率の確保とを両立し得る特性に設定された反応性膜を前記接合材によって挟持する態様で前記支持体上にこれら接合材及び反応性膜及び接合材及び前記構造体を順に積層し、この状態で前記反応性膜にその反応を誘起する反応条件を付与することにより前記接合材を溶融せしめて前記支持体に前記構造体を接合するに際し、前記反応性膜として、反応温度が低くかつ熱伝導率の高い金属薄膜からなる第1の金属薄膜と反応温度が高くかつ熱伝導率の低い金属薄膜からなる第2の金属薄膜とが複数層、交互に積層された膜を用い、特定の積層数の中でのこれら第1の金属薄膜の膜厚と第2の金属薄膜の膜厚との膜厚調整を通じて前記接合材の溶融を可能とする反応温度と熱伝導率の確保とを両立し得る特性に設定する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記反応性膜を構成する前記第1の金属薄膜としてアルミニウム薄膜を用い、前記第2の金属薄膜としてニッケル薄膜を用いる
請求項1に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記接合材としてアルミニウム系のロウ材を用い、前記反応性膜の反応温度が600℃となるように前記アルミニウム薄膜と前記ニッケル薄膜とが各々膜厚調整される
請求項2に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記構造体及び前記支持体の各接合面に前記接合材を予め塗布しておくとともに、それら接合材の塗布された構造体及び支持体のいずれか一方の接合材の表面に前記反応性膜を予め成膜しておく
請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記構造体として、両面にアルミニウム板の接着された絶縁基板上に前記半導体素子が
半田付けによって実装されたものを含むものを用いる
請求項1〜4のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記構造体として、金属からなる放熱板上に前記半導体素子もしくは両面にアルミニウム板の接着された絶縁基板が半田付けによって実装されたものを含むものを用いる
請求項1〜4のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記構造体を支持する支持体として、液冷式もしくは空冷式の冷却器を用いる
請求項1〜6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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