JP5636720B2 - 半導体装置の製造方法および接合治具 - Google Patents

Description

この発明は、パワーモジュールなどの半導体装置の製造方法およびそれに用いられる治具に関するものである。

近年、電子モジュールに対する信頼性の要求は益々高まり、とくに熱膨張係数差の大きい半導体素子と基板との接合部に対する耐ヒートサイクル特性の向上が強く求められている。また、次世代省エネルギーデバイスや高性能デバイスの実現も要請されており、とくにシリコンと比較して高温動作が可能なＳｉＣデバイスの開発が活発になっている。そのため、確保すべきヒートサイクルの温度範囲の拡大、および確保すべき熱伝導性と高耐熱性の確保に優れた接合部の開発が熱望されている。

このような要求に対して、粒径が１ｎｍ〜２０ｎｍの極めて微細な金属微粒子を含むペーストを２００℃〜４００℃の比較的低温の接合温度で加圧接合することにより、その金属微粒子の融点（７００℃以上）まで加熱しなくても金属微粒子が互いに結合することを応用した半導体装置の製造方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。このような金属微粒子を用いた加圧接合による半導体装置の製造方法においては、加圧接合時に余分な金属微粒子を含むペーストの一部が、半導体素子の外側にはみ出して、各部の配線部等に付着してショートする場合がある。このような問題を解決するために、接合材にはんだを用いる場合に、余剰はんだ吸収手段として溝を設け、この溝に余剰なはんだが流れ込むようにした半導体装置の製造方法が開示されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００６−３５２０８０号公報（８頁、図１） 特開２００５−１３６０１８号公報（７頁、図１）

従来の溝構造の余剰はんだ吸収手段は、接合材の全てが溶融して基板との濡れ性が高いはんだに対しては、余剰はんだを吸収する効果を奏する。しかしながら、加圧接合工程においてほとんど溶融せず、基板との濡れ性も低い金属粒子を含むペーストに対しては、余剰のペーストを吸収する効果は低く、半導体素子の横にはみ出た状態となる。このような状態となった金属粒子を含むペーストは、加圧接合工程において焼結反応を生じると、収縮割れが発生する場合がある。このような収縮割れが生じた半導体装置においては、ヒートサイクル試験において、この収縮割れを起点として基板と半導体素子との間の接合材に亀裂が発生し、耐ヒートサイクル特性が著しく低下するという問題があった。

この発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、金属粒子を含有した接合材で半導体素子と基板とを加圧接合するときに、はみ出した接合材の収縮割れを抑制し、耐ヒートサイクル特性に優れた半導体装置の製造方法を提供するものである。

この発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体素子が緩挿可能な開口部と、この開口部の開口縁に開口部の開口断面積より大きい開口断面積を有する接合材逃がし部とを有する接合治具を用いる半導体装置の製造方法であって、基板と半導体素子との間に金属粒子を含有した接合材を狭持する工程と、半導体素子が開口部に緩挿されるように接合治具を配置する工程と、接合治具を介して半導体素子と基板との間を２００℃以上５００℃以下の温度環境下において加圧する工程とを備えたものである。

この発明は、半導体素子が緩挿可能な開口部と、この開口部の開口縁に開口部の開口断面積より大きい開口断面積を有する接合材逃がし部とを有する接合治具を用いて、金属粒子を含有した接合材で半導体素子と基板とを加圧接合しているので、半導体素子からはみ出ている接合材の厚さを、半導体素子と基板とに狭持された部分の接合材の厚さより小さくすることができる。その結果、はみ出した接合材の収縮割れを抑制し、耐ヒートサイクル特性に優れた半導体装置の製造方法を提供することができる。

この発明の実施の形態１による半導体装置の工程図である。 この発明の実施の形態１による治具の模式図である。 この発明の実施の形態３による半導体装置の模式図である。

実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１における、半導体装置の製造方法の工程を説明する工程図である。半導体素子１として、Ｓｉチップを用意する。このＳｉチップは、次のようにして作製する。φ５インチで厚さ５００μｍのＳｉウェハを用意し、裏面（鏡面研磨されていない面）に、例えばスパッタリング法を用いて、Ｓｉウェハ側から順にＴｉ層を約１００ｎｍ厚、Ｎｉ層を約３００ｎｍ厚およびＡｕ層を約５０ｎｍ厚で成膜する。この金属膜が成膜されたＳｉウェハを縦横７ｍｍの正方形に切断して本実施の形態のＳｉチップとした。

次に、基板２として、Ｃｕブロックを用意する。このＣｕブロックは次のようにして作製する。縦横１０ｍｍで厚さ１ｍｍの無酸素銅板の一方の面に、電解めっきを用いて、厚さ約４μｍのＮｉめっき層を形成してＣｕブロックとした。

図１（ａ）に示すように、基板２の表面に金属粒子含有ペーストを用いて、スクリーン印刷で接合材３を形成する。金属粒子含有ペーストとしては、例えばクックソンエレクトロニクス社製の焼結タイプのＡｇナノペースト（クックソンエレクトロニクス社製：ＳＰ２０００）を用いることができる。このペーストは、電子顕微鏡観察結果からは平均粒径が３０ｎｍのＡｇ微粒子を主成分とするもので、このようなサイズのＡｇ微粒子は２００℃〜５００℃の範囲で焼結するものである。スクリーン印刷に用いた印刷マスクはステンレスメッシュ製で乳剤の厚さが１００μｍ、印刷パターンの開口は縦横８ｍｍのものを用いた。印刷後の接合材３の形状は、縦横８ｍｍの正方形で厚さは約０．１ｍｍである。

次に、図１（ｂ）に示すように、接合材３の上に中心を合わせて半導体素子１を載置し、さらに半導体素子１の上からステンレス製の治具４を配置する。治具４の形状などについては後述する。次に、図１（ｃ）に示すように、例えば、アスリートＦＡ（株）社製の加圧と加熱を同時に行なう接合装置（ＣＢ５０５）を用いて、温度３５０℃、加圧圧力１０ＭＰａの条件で半導体素子１と基板２とを接合した。２０分間加圧と加熱とを継続後、加圧と加熱とを停止して空冷によって冷却し、図１（ｄ）に示したような、半導体装置５を完成した。

図２は、本実施の形態に用いた治具４を示す模式図である。図２において、治具４の中央部には、半導体素子が緩挿可能な開口部６が形成されている。また、この開口部６の開口縁には、開口部の開口断面積より大きい開口断面積を有する接合材逃がし部７が形成されている。開口部６の開口断面は、半導体素子（縦横７ｍｍ）よりも少し大きい縦横（ｘ）７．２ｍｍであり、接合材逃がし部７の開口断面は、縦横（ｙ）９ｍｍである。開口部６の高さ（ｈ）は、５６０μｍであり、接合材逃がし部７の高さ（ａ）は、３０μｍである。なお、開口部６の高さ（ｈ）は、接合材逃がし部７の高さ（ａ）を含んでいる。

このような治具を用いて半導体装置を作製した場合、治具が半導体素子横にはみ出たペーストを押し下げて半導体素子から遠い位置に押し出す作用により、半導体素子と基板とに狭持された接合材の外側にはみ出している接合材の高さを抑制することができる。その結果、図１（ｄ）に示したように、半導体素子からはみ出ている接合材の厚さ（ｄ）を、半導体素子と基板とに狭持された部分の接合材の厚さ（ｔ）より小さくすることができる。その結果、はみ出した接合材の収縮割れを抑制し、耐ヒートサイクル特性に優れた半導体装置の製造方法を提供することができる。

半導体素子からはみ出ている接合材の厚さを、半導体素子と基板とに狭持された部分の接合材の厚さより小さくすることによって、はみ出した接合材の収縮割れを抑制でき、耐ヒートサイクル特性が向上する理由は、次のように考えられる。

焼結タイプのＡｇナノペーストは、一般に保護膜で覆われたＡｇ微粒子と、分散剤と、溶剤とからなり、加熱により溶剤、分散剤、保護膜が蒸発、分解することによって、Ａｇ微粒子の清浄面が露出し、これらＡｇ微粒子の清浄な清浄面同士や、半導体素子および基板表面に成膜されたＡｕ、Ａｇ、Ｃｕなどの清浄な表面とを加圧により接触させ、熱拡散させることにより、焼結、接合される。１０ｎｍ以下の粒径の小さいＡｇ微粒子は、溶融するとも考えられている。

この際、ペーストから蒸発、分解する溶剤、分散剤の量は非常に多く、焼結により体積比で、印刷時と比較して１／２〜１／４も収縮する。しかし、半導体素子や基板表面のＡｕ、Ａｇ、Ｃｕなどを接合された部分は、収縮することができず、厚さ方向のＡｇ微粒子のみで構成される部分が主に収縮する。しかし、半導体素子からはみ出た部分は、基板と接合されている（拘束されている）が、半導体素子からはみ出た部分はＡｇ微粒子表面が拘束されていないために、大きく収縮して割れる。本実施の形態の治具を用いて加圧することにより、半導体素子と接合された部分同様に加圧され、収縮と合わせてＡｇペーストを加圧しつづけられるため、焼結収縮割れを著しく低減することができる。

また、半導体素子とＡｇ微粒子との接合界面は、熱膨張係数差が大きく、熱応力が最もかかりやすい部分であり、半導体素子と基板とをＡｇペーストで接合した場合、ヒートサイクルによるクラックが最も発生しやすい部分である。このため、半導体素子横の大きなクラックは、ヒートサイクルによるクラック発生を助長することが懸念される。本実施の形態の治具を用いて加圧することによる焼結割れ抑制は、耐ヒートサイクル性を著しく向上させる。

なお、本実施の形態においては、金属粒子を含有する接合材の材料として、焼結タイプのＡｇナノペーストを用いたが、加圧接合時の温度条件である２００℃〜５００℃の範囲で焼結する金属粒子を用いることができ、平均粒径が３０ｎｍのＡｇ微粒子以外に、平均粒径が２ｎｍ〜５００ｎｍの範囲で、所定比率で混合させたものや、例えば平均粒径が２ｎｍ〜５００ｎｍのＣｕ微粒子、Ｎｉ微粒子などを主成分とするナノペーストを用いることができる。加圧接合時の温度が、２００℃より低い場合は、ボイドが多くなるという不具合があり、５００℃より高い場合は、被接合部材が酸化や熱劣化するという不具合がある。

また、本実施の形態において、治具の材料としてステンレスを用いたが、加圧接合時の温度条件である２００℃〜５００℃の範囲で、接合材の金属粒子と反応せず安定な材料であれば用いることができ、例えばアルミニウム、銅、ジルコニア、アルミナなどのセラミックや、炭素などの材料を用いることができる。さらに、治具と接合材とが接触する開口部や接合材逃がし部の内壁に、接合材との離型性を容易にするように、離型剤として、Ｎｉめっきやジルコニア粉末、カーボンなどを塗布してもよい。

実施の形態２．
実施の形態２においては、実施の形態１で用いた治具の形状を変化させた場合に、製造される半導体装置の特性の変化を調べたものである。半導体素子の形状は、実施の形態１と同様に、縦横７ｍｍの正方形で厚さ５００μｍである。

表１は、本実施の形態における治具の各部のサイズに対する、完成した半導体装置における接合材のはみ出し率および製造工程終了後の収縮割れの有無を示したものである。ここで、ｘ、ｙ、ａおよびｈは、それぞれ実施の形態１の図１に示したように、ｘは開口部の開口断面の縦横、ｙは接合材逃がし部の開口断面の縦横、ａは接合材逃がし部の高さ、およびｈは開口部の高さである。

ここで、はみ出し率は、図１（ｄ）に示したように、半導体素子からはみ出ている接合材の厚さ（ｄ）と導体素子と基板とに狭持された部分の接合材の厚さ（ｔ）との比として定義し、はみ出し率（％）＝（ｄ／ｔ）×１００とした。これらの接合材の厚さ（ｄ、ｔ）は、レーザー変位計で形状測定した図から等間隔でｄ、ｔを５点平均で算出した。収縮割れの有無に関しては、半導体素子からはみ出ている接合材の表面を光学顕微鏡を用いて１００倍の倍率で観察し、２ｍｍ以上の長さの亀裂が観測された場合を×、そうでない場合を○として判定した。なお、表１には、比較として開口部の開口断面が大きすぎるもの（比較例１）、開口部および接合材逃がし部がないもの（比較例２）も合わせて示している。

表１において、まず比較例２は治具が単なる直方体であり、半導体素子を単に上から平面で加圧接合しているだけである。この場合、金属粒子を含んだ接合材は半導体素子の側面に盛り上がった状態となり、はみ出し率が１００％を越えた状態、つまり半導体素子からはみ出ている接合材の厚さ（ｄ）が半導体素子と基板とに狭持された部分の接合材の厚さ（ｔ）より大きくなる。このような状態になると、はみ出たＡｇペースト量が過多となって収縮割れが発生する。

また、表１の比較例１においては、開口部の開口断面の縦横（ｘ）が１０ｍｍと、半導体素子の縦横の７ｍｍよりも両サイドが１．５ｍｍずつ大きい。このようなサイズの関係では、開口部に半導体素子は緩挿されているとはいえない。また、接合材逃がし部の開口断面の縦横（ｙ）も１２ｍｍと大きいため、このような治具で加圧接合した場合、半導体素子の周辺部にはみ出した接合材は、接合材逃がし部および開口部の内壁と半導体素子との間が広いため、接合材は半導体素子の側面に盛り上がった状態となり、はみ出し率が１００％を越えてしまう。その結果、収縮割れが発生し、比較例２と同様に、耐ヒートサイクル特性が低下する。

一方、実施例１〜６においては、はみ出し率が１００％以下であるため、収縮割れが発生せず、耐ヒートサイクル特性に優れた半導体装置が得られる。

実施の形態３．
実施の形態３においては、実施の形態１の半導体装置の製造方法において、基板に溝構造の余剰接合材吸収部を備えたものである。

図３は、本実施の形態における半導体装置の模式図である。本実施の形態においては、基板２の表面の半導体素子１が接合材３を介して接合される領域の外周部に、溝状の余剰接合材吸収部６を備えたものである。それ以外は実施の形態１と同様な方法で、半導体装置が製造される。

このような基板２の接合領域の外周部に溝を備えたことにより、半導体素子の外周部にはみ出した接合材は、接合材３が治具で加圧接合される際に基板２の方向に押し出され、余剰接合材吸収部６の溝に押し込まれる。その結果、余剰な接合材の量が多い場合でも、確実に半導体素子からはみ出ている接合材の厚さが半導体素子と基板とに狭持された部分の接合材の厚さより薄くなる。その結果、実施の形態１と同様に、はみ出した接合材の収縮割れを抑制し、耐ヒートサイクル特性に優れた半導体装置の製造方法を提供することができる。溝状の余剰接合材吸収部を備えた基板に対して、単に平板の治具で加圧接合をしただけでは、接合材は溶剤が多く、これが溝に大量に入ってしまうため、簡単に溝に入らない。しかしながら、本実施の形態のような開口部および接合材逃がし部を備えた治具を用いることにより、
接合材は、余剰接合材吸収溝内で、接合材逃がし穴７を境界面として下向きから上向きに流動し、はみ出した接合材は確実に溝状の余剰接合材吸収部に吸収される。

また、余剰な接合材が余剰接合材吸収部である溝より外側にはみ出すことを抑制できるので、はみ出した接合材が横方向に広がることを防ぐことができ、各部の配線部等に付着
してショートする不具合を防ぐ効果もある。

１ 半導体素子
２ 基板
３ 接合材
４ 治具
５ 半導体装置
６ 余剰接合材吸収部

Claims (7)

1. 半導体素子が緩挿可能な開口部と、
   この開口部の開口縁に前記開口部の開口断面積より大きい開口断面積を有する接合材逃がし部とを有する接合治具を用いる半導体装置の製造方法であって、
   基板と前記半導体素子との間に、２００℃以上５００℃以下の範囲で焼結する金属粒子を含有した焼結タイプの接合材を狭持する工程と、
   前記半導体素子が前記開口部に緩挿されるように前記接合治具を配置する工程と、
   前記接合治具を介して前記半導体素子と前記基板との間を２００℃以上５００℃以下の温度環境下において加圧する工程とを備え、
   前記加圧工程は、前記接合材逃がし部によって前記半導体素子横にはみ出た接合材を押し下げて前記半導体素子から遠い位置に押し出し、前記半導体素子からはみ出ている接合材の厚さを前記半導体素子と前記基板とに狭持された部分の接合材の厚さより小さくすることにより、段形状の接合材を形成す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。
2. 前記半導体素子からはみ出ている接合材の厚さ（ｄ）と前記半導体素子と前記基板とに狭持された部分の接合材の厚さ（ｔ）との比をはみ出し率（％）＝（ｄ／ｔ）×１００としたとき、はみ出し率は、３３％以上９７％以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記基板の表面の前記半導体素子との間に狭持された接合材が接触する周辺に溝を有することを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記接合材は、金属粒子と溶剤と分散剤とから構成されるペースト材であり、
   前記金属粒子は、平均粒径が２ｎｍ〜５００ｎｍのＡｇ、Ｃｕ、Ｎｉのいずれかを主成分とし、
   前記溶剤と分散剤とは、前記加圧工程における加熱温度が２００℃〜５００℃以下で蒸発、分解する成分であることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記ペースト材の加圧工程後の体積比は、ペーストを印刷したときと比較して１／２〜１／４収縮することを特徴とする請求項４記載の半導体装置の製造方法。
6. 半導体素子が緩挿可能な開口部と、
   この開口部の開口縁に前記開口部の開口断面積より大きい開口断面積を有する接合材逃がし部とを有する接合治具であって、
   前記開口部の開口断面の幅は、前記半導体素子の幅よりも０．２ｍｍ以上１ｍｍ以下の範囲で大きく、
   前記接合材逃がし部の開口断面の幅は、前記半導体素子の幅よりも２ｍｍ以上３ｍｍ以下の範囲で大きく、
   前記接合材逃がし部の高さは、３０μｍ以上６０μｍ以下の範囲であり、
   前記接合材逃がし部によって前記半導体素子横にはみ出た接合材を押し下げて前記半導体素子から遠い位置に押し出し、前記半導体素子からはみ出ている接合材の厚さを前記半導体素子と前記基板とに狭持された部分の接合材の厚さより小さくすることにより、段形状の接合材を形成することを特徴とする接合治具。
7. 前記接合治具の材料は、ステンレスもしくはアルミニウム、銅、ジルコニア、アルミナなどのセラミックもしくは炭素のいずれかを主成分とし、
   前記接合治具と接合材とが接触する開口部や接合材逃がし部の内壁に離型剤としてＮｉめっきやジルコニア粉末、カーボンのいずれかが塗布していることを特徴とする請求項６に記載の接合治具。

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