JP5203896B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、一般的な電力変換器に用いられる半導体装置に関し、特に、インバーターなどに適用されるパワートランジスタ、サイリスタ、パワーモジュールなどを対象にした半導体装置およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device used for a general power converter, and more particularly to a semiconductor device for a power transistor, a thyristor, a power module, and the like applied to an inverter and a manufacturing method thereof.

半導体装置の電気特性および寿命を向上させるためには、半導体チップの発熱を速やかに放熱体へ伝達し、半導体装置を効率よく冷却することが求められている。   In order to improve the electrical characteristics and life of the semiconductor device, it is required to quickly transmit the heat generated by the semiconductor chip to the heat radiating body to cool the semiconductor device efficiently.

従来は、各接合部位にはんだリボンを挿入し、フラックスを用いて、各々の構成部品を真空中で接合することが必要であった。フラックスを使用することによって、残渣およびガスによるボイド欠陥の原因となり、真空設備、長い真空接合プロセス時間およびフラックス洗浄工程が必要のため、ボイド欠陥が多く、コスト高になるという問題点があった。   Conventionally, it has been necessary to insert a solder ribbon into each joining portion and join each component in a vacuum using a flux. The use of flux causes void defects due to residue and gas, and there is a problem that there are many void defects and the cost is high because vacuum equipment, a long vacuum bonding process time and a flux cleaning process are necessary.

従来、接合材料はＳｎ系材料、エミッタ電極、エミッタ電極および放熱体はＣｕ系材料が用いられている。Ｓｎ系材料として、例えば、Ｓｎ−Ｃｕはんだ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだ合金などが用いられている。シート状のはんだ材料を半導体チップとエミッタ電極、コレクタ電極、若しくは放熱体の間に挿入し、前記被接合部材の表面を活性化するため、フラックスを滴下させ、真空若しくは不活性ガス雰囲気中ではんだ合金の融点以上に加熱し、接合している。又は、フラックスを含有したクリーム状のはんだを前記被接合部材の表面に印刷し、上記と同様な方法で接合している。   Conventionally, a Sn-based material is used as a bonding material, and a Cu-based material is used as an emitter electrode, an emitter electrode, and a radiator. As the Sn-based material, for example, a Sn—Cu solder alloy, a Sn—Ag—Cu solder alloy, or the like is used. A sheet-like solder material is inserted between a semiconductor chip and an emitter electrode, a collector electrode, or a radiator, and in order to activate the surface of the member to be joined, a flux is dropped and soldered in a vacuum or an inert gas atmosphere. Heating above the melting point of the alloy and joining. Alternatively, cream-like solder containing flux is printed on the surface of the member to be joined, and joined by the same method as described above.

しかし、これまでの製造プロセスでは、フラックス中に含有した樹脂成分の残渣および有機溶剤の加熱過程で発生するガスによる接合材料と被接合部材とのぬれ性の低下や膨れによるボイド欠陥が電気的特性、熱伝導特性および半導体装置の寿命に悪影響を及ぼすという問題点が課題であった。   However, in the manufacturing process so far, the residual resin component contained in the flux and the gas generated during the heating process of the organic solvent cause a decrease in the wettability between the bonding material and the member to be bonded, and void defects due to swelling cause electrical characteristics. The problem of adversely affecting the thermal conductivity characteristics and the lifetime of the semiconductor device has been a problem.

配線接続部の寿命を向上させることにより、従来よりも高温動作させた場合や高温環境下で使用した場合であっても信頼性の高い、モジュール型半導体装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。   There has been proposed a module type semiconductor device that is highly reliable even when operated at a higher temperature than in the past or when used in a high temperature environment by improving the life of the wiring connection part (for example, Patent Documents) 1).

特許文献１においては、半導体チップの側方に、支柱を立設し、弾力性を有する板状の導体を、この半導体チップの電極のそれぞれに対し、付勢させた状態で掛け渡し固定することにより、電極と導体とを加圧接触させている。   In Patent Document 1, a support is erected on the side of a semiconductor chip, and a plate-like conductor having elasticity is stretched and fixed to each of the electrodes of the semiconductor chip in a biased state. Thus, the electrode and the conductor are brought into pressure contact.

一方、優れた電気特性と熱特性、および高い信頼性の半導体装置が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。   On the other hand, a semiconductor device having excellent electrical and thermal characteristics and high reliability has been proposed (see, for example, Patent Document 2).

特許文献２においては、半導体素子が配置されているマウント用導電体と、放熱体との間を、シート状放熱絶縁体により接続し、樹脂封止手段によって絶縁封止体に一体化し、熱伝導体を介して冷却器に搭載している。
特開２００５−２５２００１号公報（第３−４ページ、第１図） 特開２００６−３０３２２６号公報（第３−４ページ、第１図） In Patent Document 2, a mounting conductor in which a semiconductor element is disposed and a radiator are connected by a sheet-like radiator and integrated with the insulating sealing body by a resin sealing means to conduct heat conduction. It is mounted on the cooler through the body.
Japanese Patent Laying-Open No. 2005-252001 (page 3-4, FIG. 1) JP 2006-303226 A (page 3-4, FIG. 1)

本発明の目的は、電気特性、熱伝導特性に優れ、長寿命および低コストの半導体装置およびその製造方法を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a semiconductor device excellent in electric characteristics and heat conduction characteristics, having a long lifetime and low cost, and a method for manufacturing the same.

上記目的を達成するための本発明の請求項１に記載の半導体装置は、半導体チップと、前記半導体チップ１のエミッタ側に接合されるエミッタ電極と、前記半導体チップのコレクタ側に接合されるコレクタ電極と、前記エミッタ電極の前記半導体チップと反対側に接合される第１放熱体と、前記コレクタ電極の前記半導体チップと反対側に接合される第２放熱体と、前記半導体チップと前記エミッタ電極と前記第１放熱体、前記半導体チップと前記コレクタ電極と前記第２放熱体を接合する接合材料とを具備するモジュール半導体装置において、前記接合材料を前記エミッタ電極、前記コレクタ電極および前記第１および第２放熱体の表面に予め形成したことを特徴とする。   In order to achieve the above object, a semiconductor device according to claim 1 of the present invention includes a semiconductor chip, an emitter electrode joined to the emitter side of the semiconductor chip 1, and a collector joined to the collector side of the semiconductor chip. An electrode, a first radiator that is bonded to the opposite side of the emitter electrode to the semiconductor chip, a second radiator that is bonded to the collector electrode opposite to the semiconductor chip, the semiconductor chip and the emitter electrode And the first heat radiator, the semiconductor chip, the collector electrode, and a bonding material for bonding the second heat radiator, wherein the bonding material is the emitter electrode, the collector electrode, and the first and second It was previously formed on the surface of the second heat radiator.

本発明の請求項２に記載の半導体装置は、請求項１に記載の半導体装置において、前記エミッタ電極、前記コレクタ電極および前記第１および第２放熱体が、Ｃｕ系材料、Ａｌ系材料、若しくはＣｕ系材料とＡｌ系材料を複合化した複合材料のいずれかからなることを特徴とする。   A semiconductor device according to a second aspect of the present invention is the semiconductor device according to the first aspect, wherein the emitter electrode, the collector electrode, and the first and second radiators are a Cu-based material, an Al-based material, or It consists of either the composite material which compounded Cu type material and Al type material.

本発明の請求項３に記載の半導体装置は、請求項２に記載の半導体装置において、前記複合材料は、クラッド圧延法、溶射法、ディッピング法、めっき法のいずれかを用いて複合化されたことを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, in the semiconductor device according to the second aspect, the composite material is compounded using any one of a clad rolling method, a thermal spraying method, a dipping method, and a plating method. It is characterized by that.

本発明の請求項４に記載の半導体装置は、請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体装置において、前記接合材料が、前記半導体チップ、前記エミッタ電極、前記コレクタ電極、若しくは前記第１および第２放熱体の母材、若しくは合金元素と前記接合材料の母材のＳｎと金属間化合物を形成する金属元素、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ａｌ、Ａｇ、Ｂｉの内すくなくとも一種を含有し、残部がＳｎと不可避不純物からなることを特徴とする。   A semiconductor device according to a fourth aspect of the present invention is the semiconductor device according to any one of the first to third aspects, wherein the bonding material is the semiconductor chip, the emitter electrode, the collector electrode, or the first and the second electrodes. At least at least one of the base metal of the second radiator or the metal element forming the intermetallic compound with the alloy element and Sn of the base material of the joining material, Cu, Co, Ni, Ti, Ge, Zn, Al, Ag, Bi. 1 type is contained and the remainder consists of Sn and an unavoidable impurity.

本発明の請求項５に記載の半導体装置は、請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体装置において、前記接合材料が、クラッド圧延法、溶射法、ディッピング法、めっき法のいずれかを用いて前記エミッタ電極と前記コレクタ電極と前記接合材料と複合化した複合材料からなることを特徴とする。   A semiconductor device according to a fifth aspect of the present invention is the semiconductor device according to any one of the first to fourth aspects, wherein the bonding material uses any one of a clad rolling method, a thermal spraying method, a dipping method, and a plating method. The emitter electrode, the collector electrode, and the bonding material are combined to form a composite material.

本発明の請求項６に記載の半導体装置は、請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体装置において、前記エミッタ電極、前記コレクタ電極および前記第１および第２放熱体が、機械加工法、若しくはプレス成形法により形成され、前記接合材料を具備した接合部位を有することを特徴とする。   A semiconductor device according to a sixth aspect of the present invention is the semiconductor device according to any one of the first to fifth aspects, wherein the emitter electrode, the collector electrode, and the first and second radiators are machined. Alternatively, it is formed by a press molding method, and has a bonding portion provided with the bonding material.

本発明の請求項７に記載の半導体装置の製造方法は、半導体チップと、前記半導体チップのエミッタ側に接合されるエミッタ電極と、前記半導体チップのコレクタ側に接合されるコレクタ電極と、前記エミッタ電極の前記半導体チップと反対側に接合される第１放熱体、前記コレクタ電極３の前記半導体チップと反対側に接合される第２放熱体とを具備するモジュール半導体装置の製造方法において、前記半導体チップと前記エミッタ電極と前記第１放熱体、前記半導体チップと前記コレクタ電極と前記第２放熱体を接合する接合材料を形成する工程と、前記接合材料を形成した前記エミッタ電極と、前記接合材料を形成した前記コレクタ電極と、前記接合材料を形成した前記第１および第２放熱体とを接触させる工程と、前記接合材料の融点以上に加熱する工程と、前記半導体チップと、前記エミッタ電極と前記第１放熱体と、前記コレクタ電極と前記第２放熱体とを接合する工程とを有することを特徴とする。   According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device manufacturing method comprising: a semiconductor chip; an emitter electrode joined to the emitter side of the semiconductor chip; a collector electrode joined to the collector side of the semiconductor chip; In the method of manufacturing a module semiconductor device, comprising: a first heat dissipating member bonded to the opposite side of the semiconductor chip to the electrode; and a second heat dissipating member bonded to the opposite side of the collector electrode 3 to the semiconductor chip. Forming a bonding material for bonding the chip, the emitter electrode, the first radiator, the semiconductor chip, the collector electrode, and the second radiator; the emitter electrode having the bonding material; and the bonding material Contacting the collector electrode formed with the first and second radiators formed with the bonding material, and melting the bonding material. And heating to above, and the semiconductor chip, and the emitter electrode and the first heat radiating member, characterized by having a step of joining the said collector electrode and said second heat radiating member.

本発明の請求項８に記載の半導体装置の製造方法は、請求項７に記載の半導体装置の製造方法において、前記エミッタ電極、前記コレクタ電極および前記第１および第２放熱体が、Ｃｕ系材料、Ａｌ系材料、若しくはＣｕ系材料とＡｌ系材料を複合化した複合材料のいずれかからなることを特徴とする。   The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 8 of the present invention is the method of manufacturing a semiconductor device according to claim 7, wherein the emitter electrode, the collector electrode, and the first and second radiators are Cu-based materials. Or an Al-based material or a composite material obtained by combining a Cu-based material and an Al-based material.

本発明の請求項９に記載の半導体装置の製造方法は、請求項８に記載の半導体装置の製造方法において、前記複合材料は、クラッド圧延法、溶射法、ディッピング法、めっき法のいずれかを用いて複合化される工程を有することを特徴とする。   A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 9 of the present invention is the method for manufacturing a semiconductor device according to claim 8, wherein the composite material is formed by any one of a clad rolling method, a thermal spraying method, a dipping method, and a plating method. It is characterized by having a process which is combined using.

本発明の請求項１０に記載の半導体装置の製造方法は、請求項７乃至９のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、前記接合材料が、前記半導体チップ、前記エミッタ電極、前記コレクタ電極、若しくは前記第１および第２放熱体の母材、若しくは合金元素と前記接合材料の母材のＳｎと金属間化合物を形成する金属元素、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ａｌ、Ａｇ、Ｂｉの内すくなくとも一種を含有し、残部がＳｎと不可避不純物からなることを特徴とする。   A method for manufacturing a semiconductor device according to a tenth aspect of the present invention is the method for manufacturing a semiconductor device according to any one of the seventh to ninth aspects, wherein the bonding material is the semiconductor chip, the emitter electrode, and the collector electrode. Or a metal element that forms an intermetallic compound with Sn of the base material of the first and second radiators or an alloy element and Sn of the base material of the bonding material, Cu, Co, Ni, Ti, Ge, Zn, Al, It is characterized in that it contains at least one of Ag and Bi, and the remainder consists of Sn and inevitable impurities.

本発明の請求項１１に記載の半導体装置の製造方法は、請求項７乃至１０のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、前記接合材料が、クラッド圧延法、溶射法、ディッピング法、めっき法のいずれかを用いて前記エミッタ電極と前記コレクタ電極と前記接合材料と複合化した複合材料からなることを特徴とする。   A method for manufacturing a semiconductor device according to an eleventh aspect of the present invention is the method for manufacturing a semiconductor device according to any one of the seventh to tenth aspects, wherein the bonding material is a clad rolling method, a thermal spraying method, a dipping method, a plating method. The emitter electrode, the collector electrode, and the bonding material are combined to form a composite material using any one of the methods.

本発明の請求項１２に記載の半導体装置の製造方法は、請求項７乃至１１のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、前記エミッタ電極、前記コレクタ電極および前記第１および第２放熱体を、機械加工法、若しくはプレス成形法により形成する工程と、前記接合材料を接合部位に形成する工程とを有することを特徴とする。   A method of manufacturing a semiconductor device according to a twelfth aspect of the present invention is the method of manufacturing a semiconductor device according to any of the seventh to eleventh aspects, wherein the emitter electrode, the collector electrode, and the first and second heat radiators. Are formed by a machining method or a press molding method, and a step of forming the bonding material at a bonding site.

本発明の半導体装置およびその製造方法によれば、本発明による材料および構成部品の製造方法を用いることによって、電気的特性、熱伝導特性および信頼性に優れた高性能半導体装置を提供することができる。   According to the semiconductor device and the manufacturing method of the present invention, by using the material and component manufacturing method according to the present invention, it is possible to provide a high-performance semiconductor device excellent in electrical characteristics, heat conduction characteristics and reliability. it can.

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、現実のものとは異なることに留意すべきである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。   Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic and different from the actual ones. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.

また、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、各構成部品の配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。   Further, the embodiment described below exemplifies an apparatus and a method for embodying the technical idea of the present invention. The technical idea of the present invention is the arrangement of each component as described below. It is not something specific. The technical idea of the present invention can be variously modified within the scope of the claims.

[第１の実施の形態]
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の模式的断面構造を示す。 [First embodiment]
FIG. 1 shows a schematic cross-sectional structure of a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.

第１の実施の形態に係る半導体装置は、図１に示すように、半導体チップ１と、半導体チップ１のエミッタ側に接合されるエミッタ電極２と、半導体チップ１のコレクタ側に接合されるコレクタ電極３と、エミッタ電極２の前記半導体チップ１と反対側に接合される第１放熱体４と、コレクタ電極３の半導体チップ１と反対側に接合される第２放熱体５と、半導体チップ１とエミッタ電極２と第１放熱体４、半導体チップ１とコレクタ電極３と第２放熱体５を接合する接合材料（２ａ、２ｂ、２ｃ、３ａ、３ｂ、３ｃ）とを具備するモジュール半導体装置において、接合材料（２ａ、２ｂ、２ｃ、３ａ、３ｂ、３ｃ）をエミッタ電極２、コレクタ電極３および第１放熱体４および第２放熱体５の表面に予め形成している。   As shown in FIG. 1, the semiconductor device according to the first embodiment includes a semiconductor chip 1, an emitter electrode 2 bonded to the emitter side of the semiconductor chip 1, and a collector bonded to the collector side of the semiconductor chip 1. An electrode 3, a first radiator 4 bonded to the emitter electrode 2 on the opposite side of the semiconductor chip 1, a second radiator 5 bonded to the collector electrode 3 on the opposite side of the semiconductor chip 1, and the semiconductor chip 1 And a emitter material 2, a first radiator 4, a semiconductor chip 1, a collector electrode 3 and a joining material (2a, 2b, 2c, 3a, 3b, 3c) for joining the second radiator 5 to each other. The bonding material (2a, 2b, 2c, 3a, 3b, 3c) is formed in advance on the surfaces of the emitter electrode 2, the collector electrode 3, the first radiator 4 and the second radiator 5.

このようにして、予めエミッタ電極２、コレクタ電極３と第１放熱体４，第２放熱体５の表面に接合材料を形成することによって、シート状の接合材料の挿入工程やクリーム状の接合材料の印刷工程を省略することができると共に、フラックスを使用しないことによって、フラックス中の樹脂材分の残渣や溶剤から発生するガスによる膨れを解消することができる。   In this way, by forming a bonding material on the surfaces of the emitter electrode 2, the collector electrode 3, the first radiator 4 and the second radiator 5 in advance, a sheet-shaped bonding material insertion step or a cream-shaped bonding material is performed. The printing step can be omitted, and by not using the flux, the blistering due to the residue of the resin material in the flux and the gas generated from the solvent can be eliminated.

その結果、ボイド欠陥を低減させることができると共に、フラックス使用しないことで洗浄工程を省略し、製造コスト低減になる。   As a result, void defects can be reduced, and the cleaning process is omitted by not using the flux, thereby reducing the manufacturing cost.

また、第１の実施の形態に係る半導体装置は、エミッタ電極２、コレクタ電極３および第１放熱体４および第２放熱体５が、Ｃｕ系材料、Ａｌ系材料、若しくはＣｕ系材料とＡｌ系材料を複合化した複合材料のいずれかからなる。   In the semiconductor device according to the first embodiment, the emitter electrode 2, the collector electrode 3, the first radiator 4 and the second radiator 5 are Cu-based materials, Al-based materials, or Cu-based materials and Al-based materials. It consists of either composite material which compounded material.

Ａｌ系材料を用いることによって、電気特性および熱伝導特性は若干低下するものの、材料コストおよび軽量化を図ることができる。特に、車載用半導体装置を軽量化することによって、燃費を向上させることができる。   By using the Al-based material, although the electric characteristics and the heat conduction characteristics are slightly lowered, the material cost and the weight can be reduced. In particular, the fuel efficiency can be improved by reducing the weight of the in-vehicle semiconductor device.

また、Ｃｕ系材料とＡｌ系材料を複合化することによって、例えば、Ａｌ系材料の両表面にＣｕ系材料とをクラッド化することにより、軽量化を図ることができると共に、表面層のライナーのＣｕ系材料と接合材料との優れた接合強度を維持することができる。   Further, by combining the Cu-based material and the Al-based material, for example, by clad the Cu-based material on both surfaces of the Al-based material, the weight can be reduced and the liner of the surface layer can be reduced. Excellent bonding strength between the Cu-based material and the bonding material can be maintained.

また、第１の実施の形態に係る半導体装置において、複合材料は、クラッド圧延法、溶射法、ディッピング法、めっき法のいずれかを用いて複合化されている。   In the semiconductor device according to the first embodiment, the composite material is compounded using any one of a clad rolling method, a thermal spraying method, a dipping method, and a plating method.

複合化プロセスは特に限定するものではないが、量産プロセスとして、優れた生産性と有するクラッド圧延法、溶射法、ディッピング法、めっき法の他に、物理蒸着法や化学蒸着法なども挙げられる。   Although the composite process is not particularly limited, examples of the mass production process include a physical vapor deposition method and a chemical vapor deposition method in addition to a clad rolling method, a thermal spraying method, a dipping method, and a plating method having excellent productivity.

また、第１の実施の形態に係る半導体装置において、接合材料は、半導体チップ１、エミッタ電極２、コレクタ電極３、若しくは第１放熱体４および第２放熱体５の母材、若しくは合金元素と接合材料の母材のＳｎと金属間化合物を形成する金属元素、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ａｌ、Ａｇ、Ｂｉの内すくなくとも一種を含有し、残部がＳｎと不可避不純物からなる。   In the semiconductor device according to the first embodiment, the bonding material is the semiconductor chip 1, the emitter electrode 2, the collector electrode 3, the base material of the first radiator 4 and the second radiator 5, or an alloy element. It contains at least one of the metal elements Cu, Co, Ni, Ti, Ge, Zn, Al, Ag, and Bi that form an intermetallic compound with Sn as a base material of the bonding material, and the balance is composed of Sn and inevitable impurities. .

例えば、エミッタ電極、コレクタ電極、若しくは放熱体がＣｕ系材料を用いる場合では、接合材料が、ＳｎとＣｕと金属間化合物を形成する元素Ｃｏ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｇｅのうちすくなくとも一種を含有することが望ましい。例えば、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｃｏ−Ｔｉ金属間化合物がＣｕ系材料と接合材料の接合界面に形成し、接合強度を向上させることができる。   For example, when the emitter electrode, collector electrode, or heat sink uses a Cu-based material, the bonding material contains at least one of elements Co, Ti, Ni, and Ge that form an intermetallic compound with Sn and Cu. Is desirable. For example, Sn—Cu—Co—Ti intermetallic compound can be formed at the bonding interface between the Cu-based material and the bonding material, and the bonding strength can be improved.

なお、他の材料組成、例えば、Ｃｏ系、Ｎｉ系、Ｔｉ系、Ｇｅ系、Ｚｎ系、Ａｌ系、Ａｇ系、Ｂｉ系の場合についても、同様に適用可能である。   The same applies to other material compositions such as Co, Ni, Ti, Ge, Zn, Al, Ag, and Bi.

また、第１の実施の形態に係る半導体装置において、接合材料は、クラッド圧延法、溶射法、ディッピング法、めっき法のいずれかを用いてエミッタ電極２とコレクタ電極３と上記接合材料と複合化した複合材料からなる。   In the semiconductor device according to the first embodiment, the bonding material is a composite of the emitter electrode 2, the collector electrode 3, and the bonding material using any one of a clad rolling method, a thermal spraying method, a dipping method, and a plating method. Made of composite material.

接合材料とエミッタ電極、コレクタ電極、放熱体とを複合化する方法として、前述と同様に、クラッド圧延法、溶射法、ディッピング法、めっき法によって行なわれる。クラッド化する素材の表面の酸化皮膜を除去し、ある一定の加工率を施すことによって、クラッド界面における金属拡散を進行させ、複合化するものである。   As a method of combining the bonding material, the emitter electrode, the collector electrode, and the heat radiator, as described above, a clad rolling method, a thermal spraying method, a dipping method, and a plating method are performed. By removing the oxide film on the surface of the material to be clad and applying a certain processing rate, metal diffusion at the clad interface is advanced and combined.

また、溶融した接合材料中にエミッタ電極、コレクタ電極又は、放熱体の素材を連続的に浸漬し、前記素材の表面に一定の膜厚の接合材料のラインナーを形成することができる。   Moreover, the emitter electrode, the collector electrode, or the material of the radiator can be continuously immersed in the molten bonding material, and a bonding material liner having a certain thickness can be formed on the surface of the material.

また、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の大きな特徴は、上記の接合材料を形成したエミッタ電極２、コレクタ電極３および第１放熱体４および第２放熱体５が、機械加工法、若しくはプレス成形法により形成され、上記接合材料を具備した接合部位を有する。   The major feature of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention is that the emitter electrode 2, the collector electrode 3, the first radiator 4 and the second radiator 5 on which the above-mentioned bonding material is formed are machined. Formed by a press molding method or a press molding method, and has a bonding portion provided with the above-mentioned bonding material.

この方法を採用することによって、構成部品の接合部位に予め接合材料を具備することができる。すなわち、非接合部位を機械加工法、プレス法で取除く、若しくは凹ますことによて、被接合相手材と非接触させることができる。   By adopting this method, a bonding material can be provided in advance at the bonding site of the component parts. That is, the non-bonded portion can be made non-contact with the material to be bonded by removing or denting the non-bonded portion by machining or pressing.

このようにして、複雑な形状の構成部品とその接合部位に接合材料を具備させながら一括の製造することができ、極めて生産性が良く、経済的である。   In this way, it is possible to manufacture in a lump while providing a joining material at a joining part and a component having a complicated shape, which is extremely productive and economical.

（製造方法）
また、第１の実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、半導体チップ１と、半導体チップ１のエミッタ側に接合されるエミッタ電極２と、半導体チップ１のコレクタ側に接合されるコレクタ電極３と、エミッタ電極２の半導体チップ１と反対側に接合される第１放熱体４と、コレクタ電極３の半導体チップ１と反対側に接合される第２放熱体５とを具備するモジュール半導体装置の製造方法において、半導体チップ１とエミッタ電極２と第１放熱体４を接合する接合材料（２ａ、２ｂ、２ｃ）、半導体チップ１とコレクタ電極３と第２放熱体５を接合する接合材料（３ａ、３ｂ、３ｃ）を形成する工程と、接合材料（２ａ、２ｂ、２ｃ）を形成したエミッタ電極２と、接合材料（３ａ、３ｂ、３ｃ）を形成したコレクタ電極３と、接合材料を形成した第１放熱体４および第２放熱体５とを接触させる工程と、接合材料の融点以上に加熱する工程と、半導体チップ１と、エミッタ電極２と第１放熱体４と、コレクタ電極３と第２放熱体５とを接合する工程とを有する。 (Production method)
The semiconductor device manufacturing method according to the first embodiment includes a semiconductor chip 1, an emitter electrode 2 bonded to the emitter side of the semiconductor chip 1, and a collector electrode 3 bonded to the collector side of the semiconductor chip 1. A first heat radiating body 4 joined to the side opposite to the semiconductor chip 1 of the emitter electrode 2, and a second heat radiating body 5 joined to the side opposite to the semiconductor chip 1 of the collector electrode 3. In the manufacturing method, a bonding material (2a, 2b, 2c) for bonding the semiconductor chip 1, the emitter electrode 2 and the first heat radiating body 4 and a bonding material (3a for bonding the semiconductor chip 1, the collector electrode 3 and the second heat radiating body 5) 3b, 3c), the emitter electrode 2 on which the bonding material (2a, 2b, 2c) is formed, the collector electrode 3 on which the bonding material (3a, 3b, 3c) is formed, and the bonding material A step of bringing the formed first radiator 4 and the second radiator 5 into contact, a step of heating above the melting point of the bonding material, the semiconductor chip 1, the emitter electrode 2, the first radiator 4, and the collector electrode 3. And a step of joining the second radiator 5 to each other.

また、第１の実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、エミッタ電極２、コレクタ電極３および第１放熱体４および第２放熱体５が、Ｃｕ系材料、Ａｌ系材料、若しくはＣｕ系材料とＡｌ系材料を複合化した複合材料のいずれかからなる。   In addition, in the method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment, the emitter electrode 2, the collector electrode 3, the first radiator 4 and the second radiator 5 are Cu-based materials, Al-based materials, or Cu-based materials. And a composite material in which an Al-based material is combined.

また、第１の実施の形態に係る半導体装置の製造方法において、複合材料は、クラッド圧延法、溶射法、ディッピング法、めっき法のいずれかを用いて複合化される工程を有する。   In the semiconductor device manufacturing method according to the first embodiment, the composite material has a step of being compounded using any one of a clad rolling method, a thermal spraying method, a dipping method, and a plating method.

また、第１の実施の形態に係る半導体装置の製造方法において、接合材料は、半導体チップ１、エミッタ電極２、コレクタ電極３、若しくは第１放熱体４および第２放熱体５の母材、若しくは合金元素と接合材料の母材のＳｎと金属間化合物を形成する金属元素、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ａｌ、Ａｇ、Ｂｉの内すくなくとも一種を含有し、残部がＳｎと不可避不純物からなる。   In the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment, the bonding material is the semiconductor chip 1, the emitter electrode 2, the collector electrode 3, the base material of the first radiator 4 and the second radiator 5, or It contains at least one of the alloying elements, Sn, which is the base material of the bonding material, and metal elements that form an intermetallic compound, Cu, Co, Ni, Ti, Ge, Zn, Al, Ag, Bi, and the remainder is inevitable as Sn. Consists of impurities.

また、第１の実施の形態に係る半導体装置の製造方法において、接合材料は、クラッド圧延法、溶射法、ディッピング法、めっき法のいずれかを用いてエミッタ電極２とコレクタ電極３と前記接合材料と複合化した複合材料からなる。   In the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment, the bonding material is any one of a cladding rolling method, a thermal spraying method, a dipping method, and a plating method, and the emitter electrode 2, the collector electrode 3, and the bonding material. It consists of a composite material combined with

また、第１の実施の形態に係る半導体装置の製造方法において、エミッタ電極２、コレクタ電極３および第１放熱体４および第２放熱体５を、機械加工法、若しくはプレス成形法により形成する工程と、接合材料を接合部位に形成する工程とを有する。   In the method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment, the emitter electrode 2, the collector electrode 3, the first radiator 4 and the second radiator 5 are formed by a machining method or a press molding method. And a step of forming a bonding material at the bonding site.

第１の実施の形態に係る半導体装置は、図１に示すように、半導体チップ１のエミッタ側にはエミッタ電極２、コレクタ側にはコレクタ電極３が電気的に接続するように接合材料によって接合されている。また、エミッタ電極のもう一方側とコレクタ電極のもう一方側には、放熱用の放熱体４が接合材料によって、接合されている。   As shown in FIG. 1, the semiconductor device according to the first embodiment is bonded by a bonding material so that the emitter electrode 2 is electrically connected to the emitter side of the semiconductor chip 1 and the collector electrode 3 is electrically connected to the collector side. Has been. Further, a heat radiating body 4 for heat dissipation is bonded to the other side of the emitter electrode and the other side of the collector electrode by a bonding material.

半導体チップ１の動作で発熱する熱をエミッタ電極２とコレクタ電極３を通して放熱体４、５に放熱する構造となっている。   The heat generated by the operation of the semiconductor chip 1 is radiated to the radiators 4 and 5 through the emitter electrode 2 and the collector electrode 3.

半導体装置の電気特性および寿命を向上させるためには、半導体チップ１の発熱を速やかに放熱体４、５へ伝達し、半導体装置を効率よく冷却することが求められている。   In order to improve the electrical characteristics and lifetime of the semiconductor device, it is required to quickly transmit the heat generated by the semiconductor chip 1 to the heat dissipating bodies 4 and 5 to cool the semiconductor device efficiently.

半導体装置の製造技術として、半導体チップと、接合材料を形成したエミッタ電極と、接合材料を形成した放熱体およびコレクタ電極と、接合材料を形成した放熱体とを接触させ、接合材料の融点以上に加熱し、前記の構成部品を一括に接合する。   As a manufacturing technique of a semiconductor device, a semiconductor chip, an emitter electrode formed with a bonding material, a radiator and a collector electrode formed with a bonding material, and a heat radiator formed with a bonding material are brought into contact with each other so as to exceed the melting point of the bonding material. Heat and join the above components together.

また、製造上、いくつかの構成部品を接合しモジュール化した後、最終的に複数のモジュールを一括接合することもできる。このようにして、ボイド欠陥を低減させ、半導体装置の電気特性、熱伝導特性、信頼性が向上した半導体装置を提供することができる。   In addition, after manufacturing, some components are joined to form a module, and finally a plurality of modules can be joined together. In this way, it is possible to provide a semiconductor device in which void defects are reduced and electrical characteristics, heat conduction characteristics, and reliability of the semiconductor device are improved.

＜実施例１＞
厚さ３ｍｍの無酸素銅板の両面に厚さ０．１ｍｍのＳｎ−０．７重量％Ｃｕ−０．２重量％Ｃｏ−０．１％重量Ｔｉはんだリボンを挿置し、冷間圧延を行なって、厚さ１．６ｍｍのＳｎ−０．７重量％Ｃｕ−０．２重量％Ｃｏ−０．１％重量Ｔｉ／無酸素銅／Ｓｎ−０．７重量％Ｃｕ−０．２重量％Ｃｏ−０．１％重量Ｔｉのクラッド材料を製作した。 <Example 1>
A 0.1 mm thick Sn-0.7 wt% Cu-0.2 wt% Co-0.1% wt Ti solder ribbon is inserted on both sides of a 3 mm thick oxygen-free copper plate and cold rolled. 1.6 mm thick Sn-0.7% by weight Cu-0.2% by weight Co-0.1% by weight Ti / oxygen-free copper / Sn-0.7% by weight Cu-0.2% by weight Co A cladding material of -0.1% weight Ti was produced.

次に、クラッド材料をプレス成形し、図１に示すように、所定形状、寸法のエミッタ電極２およびコレクタ電極３を製作した。このようにして、エミッタ電極２には、エミッタ電極２と半導体チップ１との接合部位において、接合材料２ａを具備し、放熱体４との接合部位において、接合材料２ｃを具備した。また、エミッタ電極２には、エミッタ電極２と半導体チップ１との非接合部位において、凹み部分に接合材料２ｂを形成した。このようにして、必要としない接合材料のはみ出しを防止した。コレクタ電極３には、半導体チップ１および放熱体５の接合部位において、それぞれ接合材料３ａおよび３ｃを具備し、非接合部位において、凹み部分に接合材料３ｂを形成した。   Next, the cladding material was press-molded to produce an emitter electrode 2 and a collector electrode 3 having a predetermined shape and dimensions as shown in FIG. Thus, the emitter electrode 2 was provided with the bonding material 2 a at the bonding portion between the emitter electrode 2 and the semiconductor chip 1, and the bonding material 2 c was formed at the bonding portion with the radiator 4. The emitter electrode 2 was formed with a bonding material 2 b in a recessed portion at a non-bonded portion between the emitter electrode 2 and the semiconductor chip 1. In this way, it was possible to prevent unnecessary joining material from protruding. The collector electrode 3 was provided with bonding materials 3a and 3c at the bonding portions of the semiconductor chip 1 and the heat radiating body 5, respectively, and the bonding material 3b was formed at the recessed portion at the non-bonding portion.

次に、図１に示したような構成で、半導体チップ１とエミッタ電極２とコレクタ電極３と放熱体４および５を配置し、真空中で２５０℃加熱して、接合した。   Next, with the configuration shown in FIG. 1, the semiconductor chip 1, the emitter electrode 2, the collector electrode 3, and the heat dissipating bodies 4 and 5 were disposed, and heated and bonded at 250 ° C. in a vacuum.

Ｘ線探傷試験で接合部位のボイド欠陥率を観測した結果、ボイド欠陥率の面積率が３％以下、同条件で、厚さ０．０５ｍｍのＳｎ−０．７重量％Ｃｕ−０．２重量％Ｃｏ−０．１％重量Ｔｉはんだリボンからなる接合材料を挿入し、フラックスを使用して製造した半導体装置のボイド欠陥率の１０〜２０％と比較して、著しく向上したことがわかった。   As a result of observing the void defect rate at the bonded site in the X-ray flaw detection test, the void defect rate area ratio was 3% or less, and under the same conditions, Sn-0.7 wt% Cu-0.2 wt. It was found that the bonding material made of% Co-0.1% weight Ti solder ribbon was inserted, and the void defect rate of the semiconductor device manufactured using the flux was significantly improved as compared with 10 to 20%.

実施例１のように製造した半導体装置の熱伝導特性は、従来の方法で製造した半導体装置と比較して、１．５〜２倍向上した。   The thermal conductivity characteristics of the semiconductor device manufactured as in Example 1 were improved by 1.5 to 2 times compared to the semiconductor device manufactured by the conventional method.

本発明の半導体装置は、電力変換器に用いられる半導体装置に適用かのうであり、特に、インバーターなどに適用されるパワートランジスタ、サイリスタ、パワーモジュールなどを対象にした半導体装置などの幅広い適用分野を有する。   The semiconductor device of the present invention can be applied to a semiconductor device used in a power converter, and has a wide range of application fields such as a semiconductor device for a power transistor, a thyristor, a power module, etc. applied to an inverter. .

本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の模式的断面構造図。1 is a schematic sectional view of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

１…半導体チップ
２…エミッタ電極
２ａ、２ｂ、２ｃ、３ａ、３ｂ、３ｃ…接合材料
３…コレクタ電極
４…第１放熱体
５…第２放熱体 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Semiconductor chip 2 ... Emitter electrode 2a, 2b, 2c, 3a, 3b, 3c ... Bonding material 3 ... Collector electrode 4 ... 1st heat radiator 5 ... 2nd heat radiator

Claims (12)

半導体チップと、
前記半導体チップのエミッタ側に接合されるエミッタ電極と、
前記半導体チップのコレクタ側に接合されるコレクタ電極と、
前記エミッタ電極の前記半導体チップと反対側に接合される第１放熱体と、
前記コレクタ電極の前記半導体チップと反対側に接合される第２放熱体と、
前記半導体チップと前記エミッタ電極と前記第１放熱体、前記半導体チップと前記コレクタ電極と前記第２放熱体を接合する接合材料と
を具備するモジュール半導体装置において、
前記接合材料を前記エミッタ電極、前記コレクタ電極および前記第１および第２放熱体の表面に予め形成したことを特徴とする半導体装置。 A semiconductor chip;
An emitter electrode joined to the emitter side of the semiconductor chip;
A collector electrode joined to the collector side of the semiconductor chip;
A first heat radiator that is bonded to the opposite side of the semiconductor chip from the emitter electrode;
A second heat dissipating member joined to the side opposite to the semiconductor chip of the collector electrode;
In the module semiconductor device comprising: the semiconductor chip, the emitter electrode, the first radiator, and a bonding material that joins the semiconductor chip, the collector electrode, and the second radiator,
A semiconductor device, wherein the bonding material is formed in advance on the surfaces of the emitter electrode, the collector electrode, and the first and second radiators. 請求項１に記載の半導体装置において、
前記エミッタ電極、前記コレクタ電極および前記第１および第２放熱体が、
Ｃｕ系材料、Ａｌ系材料、若しくはＣｕ系材料とＡｌ系材料を複合化した複合材料のいずれかからなることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The emitter electrode, the collector electrode and the first and second radiators;
A semiconductor device comprising any one of a Cu-based material, an Al-based material, or a composite material obtained by combining a Cu-based material and an Al-based material. 請求項２に記載の半導体装置において、
前記複合材料は、
クラッド圧延法、溶射法、ディッピング法、めっき法のいずれかを用いて複合化されたことを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 2,
The composite material is
A semiconductor device which is compounded using any one of a clad rolling method, a thermal spraying method, a dipping method and a plating method. 請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体装置において、
前記接合材料が、
前記半導体チップ、前記エミッタ電極、前記コレクタ電極、若しくは前記第１および第２放熱体の母材、若しくは合金元素と、
前記接合材料の母材のＳｎと、
金属間化合物を形成する金属元素、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ａｌ、Ａｇ、Ｂｉの内すくなくとも一種を含有し、
残部がＳｎと不可避不純物からなることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 3,
The bonding material is
The semiconductor chip, the emitter electrode, the collector electrode, or a base material of the first and second radiators, or an alloy element;
Sn of the base material of the bonding material;
Contains at least one of the metal elements forming the intermetallic compound, Cu, Co, Ni, Ti, Ge, Zn, Al, Ag, Bi,
A semiconductor device characterized in that the balance consists of Sn and inevitable impurities. 請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体装置において、
前記接合材料が、
クラッド圧延法、溶射法、ディッピング法、めっき法のいずれかを用いて前記エミッタ電極と前記コレクタ電極と前記接合材料と複合化した複合材料からなることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The bonding material is
A semiconductor device comprising a composite material obtained by combining the emitter electrode, the collector electrode, and the bonding material using any one of a clad rolling method, a thermal spraying method, a dipping method, and a plating method. 請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体装置において、
前記エミッタ電極、前記コレクタ電極および前記第１および第２放熱体が、
機械加工法、若しくはプレス成形法により形成され、
前記接合材料を具備した接合部位を有することを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The emitter electrode, the collector electrode and the first and second radiators;
Formed by machining or press molding,
A semiconductor device having a bonding portion including the bonding material. 半導体チップと、
前記半導体チップのエミッタ側に接合されるエミッタ電極と、
前記半導体チップのコレクタ側に接合されるコレクタ電極と、
前記エミッタ電極の前記半導体チップ１と反対側に接合される第１放熱体と、
前記コレクタ電極の前記半導体チップ１と反対側に接合される第２放熱体と
を具備するモジュール半導体装置の製造方法において、
前記半導体チップと前記エミッタ電極と前記第１放熱体、前記半導体チップと前記コレクタ電極と前記第２放熱体を接合する接合材料を形成する工程と、
前記接合材料を形成した前記エミッタ電極と、前記接合材料を形成した前記コレクタ電極と、前記接合材料を形成した前記第１および第２放熱体とを接触させる工程と、
前記接合材料の融点以上に加熱する工程と、
前記半導体チップと、前記エミッタ電極と前記第１放熱体と、前記コレクタ電極と前記第２放熱体とを接合する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 A semiconductor chip;
An emitter electrode joined to the emitter side of the semiconductor chip;
A collector electrode joined to the collector side of the semiconductor chip;
A first radiator that is bonded to the opposite side of the emitter electrode to the semiconductor chip 1;
In a method for manufacturing a module semiconductor device, comprising: a second heat dissipating member bonded to the opposite side of the collector electrode to the semiconductor chip 1;
Forming a bonding material for bonding the semiconductor chip, the emitter electrode, the first radiator, the semiconductor chip, the collector electrode, and the second radiator;
Contacting the emitter electrode formed with the bonding material, the collector electrode formed with the bonding material, and the first and second radiators formed with the bonding material;
Heating to above the melting point of the bonding material;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: joining the semiconductor chip, the emitter electrode, the first heat radiator, and the collector electrode and the second heat radiator. 請求項７に記載の半導体装置の製造方法において、
前記エミッタ電極、前記コレクタ電極および前記第１および第２放熱体が、
Ｃｕ系材料、Ａｌ系材料、若しくはＣｕ系材料とＡｌ系材料を複合化した複合材料のいずれかからなることを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 7,
The emitter electrode, the collector electrode and the first and second radiators;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: a Cu-based material, an Al-based material, or a composite material obtained by combining a Cu-based material and an Al-based material. 請求項８に記載の半導体装置の製造方法において、
前記複合材料は、
クラッド圧延法、溶射法、ディッピング法、めっき法のいずれかを用いて複合化される工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 8,
The composite material is
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising a step of compounding using any one of a clad rolling method, a thermal spraying method, a dipping method, and a plating method. 請求項７乃至９のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記接合材料が、
前記半導体チップ、前記エミッタ電極、前記コレクタ電極、若しくは前記第１および第２放熱体の母材、若しくは合金元素と、
前記接合材料の母材のＳｎと、
金属間化合物を形成する金属元素、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ａｌ、Ａｇ、Ｂｉの内すくなくとも一種を含有し、
残部がＳｎと不可避不純物からなることを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device in any one of Claims 7 thru | or 9,
The bonding material is
The semiconductor chip, the emitter electrode, the collector electrode, or a base material of the first and second radiators, or an alloy element;
Sn of the base material of the bonding material;
Contains at least one of the metal elements forming the intermetallic compound, Cu, Co, Ni, Ti, Ge, Zn, Al, Ag, Bi,
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the balance is made of Sn and inevitable impurities. 請求項７乃至１０のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記接合材料が、
クラッド圧延法、溶射法、ディッピング法、めっき法のいずれかを用いて前記エミッタ電極と前記コレクタ電極と前記接合材料と複合化した複合材料からなることを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 7,
The bonding material is
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising a composite material obtained by combining the emitter electrode, the collector electrode, and the bonding material using any one of a clad rolling method, a thermal spraying method, a dipping method, and a plating method. 請求項７乃至１１のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記エミッタ電極、前記コレクタ電極および前記第１および第２放熱体を、機械加工法、若しくはプレス成形法により形成する工程と、
前記接合材料を接合部位に形成する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 7,
Forming the emitter electrode, the collector electrode and the first and second radiators by a machining method or a press molding method;
Forming the bonding material at a bonding site. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
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