JP6066952B2

JP6066952B2 - 半導体モジュールの製造方法

Info

Publication number: JP6066952B2
Application number: JP2014057991A
Authority: JP
Inventors: 剛司谷垣
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-03-20
Filing date: 2014-03-20
Publication date: 2017-01-25
Anticipated expiration: 2034-03-20
Also published as: JP2015185559A

Description

この発明は、半導体チップと基板との接合に金属粒子ペーストを用いる、半導体モジュールの製造方法に関するものである。

半導体モジュールは、半導体チップと基板などから構成されている。半導体モジュールを製造する際に、接合材として金属粒子を含有したペースト材料を用いて、加熱と加圧により強固な接合層を形成する方法が実施されている。ペースト材料には、金属粒子と有機溶剤の他に金属粒子の保護膜が含まれている。この方法では、金属粒子を含むペーストは基板に印刷または塗布される。その後、半導体チップと基板は加熱および加圧され、接合が完了する（例えば特許文献１）。

金属の微粒子をペースト化するために、ペースト材料は、有機保護膜と有機溶媒が組み合わせられている。接合時には、加熱と加圧によりこれらの有機成分を効率よく揮発させる（例えば特許文献２）。有機成分の揮発が不十分であると、加圧により接合層の厚みにバラつきが生じるため、外周部と中央部にスペーサーを入れて接合層の厚みを調整する方法が提案されている（例えば特許文献３、４）。

特開2012-94873号公報特許第4635230号公報特開2008-10703号公報特開2011-71301号公報

金属粒子は粒子径が微細になるほどサイズ効果により低融点化し、室温でも金属粒子の間で反応が引き起こされる。金属粒子を安定化して保存するため、金属粒子ペーストは溶剤中に保護膜を付与した状態におかれている。金属粒子による接合を行う際には、この溶剤および保護膜を揮発させて除去し、金属粒子間の反応性を高める。このように金属の微粒子を焼結させる接合方法では、金属粒子ペーストに含まれている有機溶剤と有機保護膜を脱離させる必要がある。

有機溶剤や有機保護膜などの有機物は加熱により接合のプロセス中に金属粒子ペーストから揮発する。このような過程があるため、スペーサーなどの通気性の悪い材料を接合層の内部に使用した場合、その設置場所にガス溜まりが出来易くなり、金属接合層の緻密性が低下する。この発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、高い信頼性が得られる接合方法の提供を目的にしている。

この発明に係る半導体モジュールの製造方法は、導板が形成されている絶縁基板のチップエリアに、有機成分を含有する金属粒子ペーストを塗布する第１工程と、金属粒子ペーストが塗布された絶縁基板に金属の発泡体を金属粒子ペーストと当接するように載置する第２工程と、発泡体が載置された絶縁基板を乾燥する第３工程と、乾燥された絶縁基板に、裏面に電極が形成されている半導体チップを裏面側を基板側に向けて搭載する第４工程と、絶縁基板に搭載された半導体チップを加圧しながら加熱し、絶縁基板と半導体チップを接合する第５工程と、を備えている。

この発明によれば、金属の発泡体をペースト印刷部の外周に載置することにより効率良く有機揮発物を外部へ排出する。同時に加熱および加圧により発泡体材料は緻密化して強固な接合層を形成する。

本発明の実施の形態にかかわる半導体モジュールの構成を示す断面図である。本発明の実施の形態１にかかわるプロセスフローを示す図である。本発明の実施の形態１にかかわる金属発泡体の配置を示す平面図である。図４Ａは本発明の実施の形態１にかかわる金属発泡体の配置を示す第１の断面図である。図４Ｂは本発明の実施の形態１にかかわる金属発泡体の配置を示す第２の断面図である。図５Ａは比較例にかかわる接合層の焼結前の構造を示す図である。図５Ｂは比較例にかかわる接合層の焼結後の構造を示す図である。図６Ａは本発明の実施の形態２にかかわる金属発泡体の構造を示す平面図である。図６Ｂは本発明の実施の形態２にかかわる金属発泡体の構造を示す側面図である。図７Ａは本発明の実施の形態３にかかわる金属発泡体の構造を示す平面図である。図７Ｂは本発明の実施の形態３にかかわる金属発泡体の構造を示す側面図である。図８Ａは本発明の実施の形態４にかかわる金属発泡体の構造を示す平面図である。図８Ｂは本発明の実施の形態４にかかわる金属発泡体の構造を示す側面図である。図９Ａは本発明の実施の形態５にかかわる金属発泡体の構造を示す平面図である。図９Ｂは本発明の実施の形態５にかかわる金属発泡体の構造を示す側面図である。本発明の実施の形態６にかかわるプロセスフローを示す図である。

本発明の実施の形態に係る半導体モジュールについて、図を参照しながら以下に説明する。なお、各図において、同一または同様の構成部分については同じ符号を付している。各図間の図示では、対応する各構成部のサイズや縮尺はそれぞれ独立している。例えば構成の一部を変更した断面図の間で、変更されていない同一構成部分を図示する際に、同一構成部分のサイズや縮尺が異なっている場合もある。また、半導体モジュールの構成は、実際にはさらに複数の部材を備えているが、説明を簡単にするため、説明に必要な部分のみを記載し、他の部分については省略している。

実施の形態１．
本発明の実施の形態にかかわる半導体モジュールについて、図を参照して説明する。図１に、半導体モジュール１００の全体構成を示す。半導体モジュール１００は、半導体チップ２、絶縁基板５、封止樹脂部材１１、ボンディングワイヤ１２、導電端子（またはリードフレーム）１３、ケース１４、放熱部材１５などから構成されている。半導体チップ２、絶縁基板５、ボンディングワイヤ１２、導電端子１３および放熱部材１５は封止樹脂部材１１で封止されている。絶縁基板５は、表側導板（または導電パターン）５ｐと絶縁セラミック５ｓと裏側導板（または導電パターン）５ｑより成る。半導体チップ２には電力用トランジスタ２ａや電力用ダイオード２ｂが含まれる。絶縁基板５にはＤＢＣ（登録商標：Direct Bonded Copper）基板などが用いられる。

電力用トランジスタ２ａには、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などが用いられる。電力用トランジスタ２ａと電力用ダイオード２ｂは逆並列に接続されている。半導体モジュール１００は導電端子１３などを使って外部機器に接続される。パッケージタイプの半導体モジュール１００は、ワイヤボンディングの終わった仕掛品を金型にセットして、熱硬化性のエポキシ樹脂を流し込んで成形されている。半導体チップ２と絶縁基板５の間には接合層４が形成されている。

半導体チップ２は、珪素（Ｓｉ）によって形成されたものの他、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成したものも好適に使用することができる。ワイドバンドギャップ半導体としては、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドなどがある。ワイドバンドギャップ半導体を用いた場合、許容電流密度が高く、電力損失も低いため、電力用半導体チップを用いた半導体モジュールの小型化が可能となる。

図２は本発明の実施の形態１による接合プロセスフローを示す図である。先ず、工程Ａで示すように、絶縁基板５を用意する。絶縁セラミック５ｓ（および絶縁基板５）は、表面となる第一主面５ａに、表側余白５ｃを残して、表側導板（第一導板）５ｐが接合されている。同様に、絶縁セラミック５ｓ（および絶縁基板５）は、裏面となる第二主面５ｂに、裏側余白５ｄを残して、裏側導板（第二導板）５ｑが接合されている。表側導板５ｐおよび裏側導板５ｑはろう材等を用いてあらかじめ絶縁セラミック５ｓと一体化されている。表側導板５ｐおよび裏側導板５ｑには、銅、アルミニウム等の電気および熱の良導体を用いることができる。半導体チップ２は表側導板５ｐに接合される。表側導板５ｐは放熱部材１５と接合される。絶縁基板５（および表側導板５ｐ）のチップエリア５ｔに半導体チップ２が搭載される。通常、チップエリア５ｔは角型形状を有する。

工程Ｂは、金属粒子ペースト１を下部被接合材となる表側導板５ｐ（絶縁基板５）に印刷した状態を示している。チップエリア５ｔに塗布される金属粒子ペーストの金属粒子としては、Au, Ag, Cu, Ni, Ptなどの微粒子が候補として挙げられる。中でも、価格、熱伝導率、電気伝導率、粒子安定性などの総合的な観点から、Agの微粒子が最も望ましい。金属粒子の直径はナノオーダーからミクロンオーダーである。金属粒子の形状に関しては、球状が望ましいが、その限りでは無い。下部被接合材（表側導板５ｐ）は、Au, Ag, Cu, Ni, Ptで構成されている必要がある。下部被接合材の大きさや形状はチップサイズやモジュールの構成によって異なる。

金属粒子ペースト１の塗布方法には、スクリーン印刷法、ディスペンス法、インクジェット法、グラビア印刷法などが挙げられる。中でも、メタルスクリーンを用いたスクリーン印刷法で行うのが望ましい。工程Ｃは、金属発泡体３を金属粒子ペースト１の外周部へ載置した状態を示している。金属粒子ペースト１は金属発泡体３と当接している。金属発泡体３は、金属粒子ペースト１の金属粒子と同じ材料か、被接合材料および金属粒子ペーストと合金化出来る材料で形成され、かつmmオーダー以下の空隙径を有し、通気性が確保されている。金属発泡体３は、例えば、台所にある発泡ポリウレタン材料が金属材料に置き換わったような構造をしている。金属発泡体３は、加熱および加圧した後に金属粒子ペーストの焼結体と同じ厚みか、やや厚くなるように、初期厚みと空隙率が決定されている。

工程Ｄは金属粒子ペースト１を乾燥させるプロセスを示している。乾燥プロセスは接合時における溶剤の飛散を抑制し、加熱加圧時の焼結促進を助ける働きがある。乾燥プロセスは、溶剤のみを除去できる温度（50℃〜150℃）と時間（1分〜120分）の範囲で行う。
金属粒子ペーストの乾燥には、熱風循環式乾燥炉、ホットプレートなどを使用する。熱風循環式乾燥炉は装置内に送風機構を有する。乾燥雰囲気は、大気または窒素などの非酸素雰囲気下で行い、基板材料および金属粒子ペースト含有物の種類によって使い別ける。金属発泡体３は乾燥ペースト１ｄの全周を囲んでいる（図３参照）。

乾燥後に、工程Ｅに示すように、上部被接合材となる半導体チップ２を乾燥ペースト１ｄおよび金属発泡体３の上に裏面側を基板側に向けて搭載する。半導体チップ２の裏面にはチップ裏面電極２ｕが形成されている。このとき、金属発泡体３の一部に半導体チップ２のチップ裏面電極２ｕの端部が重なるように配置する。チップ裏面電極２ｕの面積は、金属粒子ペースト１（または乾燥ペースト１ｄ）と金属発泡体３との合同面積と同じかやや大きいことが望ましい。金属粒子ペースト１の面積と金属発泡体３の面積の和が上部被接合材の面積よりも小さい場合は上部被接合材の外周が加圧されるため、割れなどの要因となる。また、金属発泡体３の上に上部被接合材が無い場合は、金属発泡体３は変形せず接着もされていないため、後工程で残渣物となり不具合の原因になる。

その後、仕掛品である絶縁基板５に搭載された半導体チップ２を加圧（1MPa以上50MPa以下）しながら加熱（200℃以上500℃以下）する。加熱時間は、1分以上120分以下とする。この時、金属粒子ペーストに含まれている有機保護膜および還元剤などの有機揮発物１ａが脱離する。脱離した還元剤は接合層を通って外部へ排出される過程で金属発泡体３と下部被接合材（絶縁基板５）と上部被接合材（半導体チップ２）との界面を還元する。このことから、還元雰囲気下で加熱および加圧すること無く、工程Ｆに示すような接合層４が形成される。このメカニズムによって、加熱温度を上げると金属発泡体３が軟化し、この状態で加圧することで金属間の隙間が埋まって密になる。同時に金属間で固相拡散が誘起されて、原子レベルでの接合が生じて、緻密で強固な金属層となる。

接合層４は、金属焼結体６とペースト焼結体７から構成されている。ペースト焼結体７は、金属粒子ペースト１が焼結した結果、生じる焼結体である。金属焼結体６は、金属発泡体３が金属粒子ペースト１と合金化したものである。金属焼結体６とペースト焼結体７は強固に結合している。接合層４の外周部は密度が疎なペースト焼結体７（空隙率10%以上）から密度が密な金属焼結体６（空隙率10%未満）に変化している。すなわち、接合層４が有する発泡体の焼結体（金属焼結体６）は、接合層４が有する金属粒子の焼結体（ペースト焼結体７）の外側に配設され、金属粒子の焼結体（ペースト焼結体７）を構成する金属粒子と合金化している。

本実施の形態では、絶縁基板５に載置された金属発泡体３は、金属粒子ペースト１の全周を囲んでいる。図３は本実施の形態にかかわる金属発泡体３の形態を表している平面図である。金属発泡体３は乾燥ペースト１ｄの全周にわたって配置されている。乾燥ペースト１ｄは工程Ｅと工程Ｆに示した焼結プロセスによって密度が疎なペースト焼結体７（空隙率10%以上）に変化する。金属発泡体３は焼結プロセスによって密度が密な金属焼結体６（空隙率10%未満）に変化する。

半導体チップ２は金属発泡体３の一部にチップ裏面電極２ｕの端部が重なるように配置される。図４Ａは、チップ裏面電極２ｕの面積が、金属粒子ペースト１と金属発泡体３との合同面積と同じ場合を表している。図４Ｂは、チップ裏面電極２ｕの面積が、金属粒子ペースト１と金属発泡体３との合同面積よりも小さい場合を表している。どちらの場合も金属焼結体６とペースト焼結体７は強固に結合している。ペースト焼結体７は金属焼結体６よりも密度が疎であるが、金属焼結体６が密な状態であるため、冷熱衝撃による材料の伸縮に対するクラック進展を抑制することができ、高い信頼性を有する接合が得られる。

比較のために、金属発泡体３を使わないで、金属微粒子単独で接合した場合の金属焼結体の形態を説明する。この場合、図５Ａに示されているように半導体チップ２は絶縁基板５に形成された乾燥した金属粒子ペースト１に載置される。その後、仕掛品を加圧（1MPa以上50MPa以下）しながら加熱（200℃以上500℃以下）する。加熱時間は、1分以上120分以下とする。この時、金属粒子ペーストに含まれる有機保護膜および還元剤が脱離する。
ペースト焼結体７は空隙率が高いため、冷熱衝撃による材料の伸縮に対してクラック９が進展しやすい（図５Ｂ参照）。

実施の形態２．
加熱時および加圧時には、高い応力が被接合材に加わるため、それが接合層のクラック進展を引き起こす原因となる。そこで意図的にクラック進展が許容される領域を作り、応力緩和出来る構造も有効である。すなわち、ここでは金属発泡体の内周部の高さを外周部の高さより高くする。本実施の形態では、金属発泡体の形状を図６Ａのように厚みを変えて段差を付けている。この断面は図６Ｂのように凹凸形状を有しており、金属発泡体外側３ｏが薄くなっている。金属発泡体内側３ｉの厚みは、金属粒子ペースト１の焼結体と同じ厚みか、またはやや厚くなるように空隙率および厚みを調整する。

金属発泡体の形状による違い以外は、実施の形態１と同じプロセスで接合を行う。金属発泡体外側３ｏは金属発泡体内側３ｉと同じ空隙率であれば、その厚みは金属粒子ペーストの焼結体の厚み以上で、金属発泡体外側３ｏの初期厚み未満であればよい。この状態で加熱および加圧を実施すると、金属発泡体内側３ｉを含んだ接合層内側は緻密になる。一方で、金属発泡体外側３ｏは疎な状態となり、クラック進展を許可する緩衝領域として機能する。応力緩和時に発生するクラック進展は金属発泡体外側３ｏまでに抑えられて金属発泡体内側３ｉより内へは進展しない。

実施の形態３．
加熱時および加圧時には、高い応力が被接合材に加わるため、それが接合層のクラック進展を引き起こす原因となる。そこで意図的にクラック進展が許容される領域を作り、応力緩和する構造も考えられる。クラックの進展は、被接合材が四角形の場合、４隅から進行するため、発泡体を角型形状を有するチップエリアの四隅に分けて載置する。実施の形態３では、図７Ａと図７Ｂのように、四角形の被接合材の４隅にＬ字金属発泡体３ｂを分けて載置して強固な接合層を作るようにしている。Ｌ字金属発泡体３ｂは金属粒子ペースト１の焼結体の厚みと同じか、やや厚くなるように充填率および厚みを調整する。この状態で加熱および加圧すると、金属発泡体は疎な状態になり、この部分がクラック進展の許可領域となる。Ｌ字金属発泡体３ｂは各々がＬ字形状を有する。

実施の形態４．
四角形の被接合材を加熱および加圧した場合、応力緩和は四角形の四隅から進展し易い傾向がある。本実施の形態では、金属発泡体３の形状に先に述べた応力緩和の許可領域を設ける。すなわち図８Ａと図８Ｂのように、四角形の被接合材の四隅にＬ字金属発泡体３ｂと四角形金属発泡体３ａとを設置する。この結果、本実施の形態にかかわる金属発泡体は、内部側が隅側よりも高くなっている。四角形金属発泡体３ａはＬ字金属発泡体３ｂのＬ字の内側に内接している。Ｌ字金属発泡体３ｂは金属粒子ペースト１の焼結体の厚みと同じか、やや厚くなるように充填率および厚みを調整する。一方、四角形金属発泡体３ａは、焼結体の厚み以上で、Ｌ字金属発泡体３ｂの初期厚み未満であればよい。この状態で加熱および加圧すると、四角形金属発泡体３ａは疎な状態になり、この部分がクラック進展の許可領域となる。クラック進展はＬ字金属発泡体３ｂより内側へは抑制される。

実施の形態５．
実施の形態５では、図９Ａと図９Ｂに示すように、四角形の被接合材の対角線に垂直になるように直方体形状を有する縦長金属発泡体３ｃを配置する。この時、金属粒子ペーストは接合面の全面に印刷または塗布された状態である。縦長金属発泡体３ｃは、実施の形態１にかかわるプロセスフローにあるように金属粒子ペーストを印刷後、印刷面の上部からマウントする。この縦長金属発泡体３ｃの厚みは、金属粒子ペースト１の最終焼結体厚みと同じか10%の範囲で厚くなるように充填率および厚みを調整されている。加熱および加圧を実施して、縦長金属発泡体３ｃの外側四隅からのクラック進展を止めるような構造としている。

実施の形態６．
図１０は本発明の実施の形態６による接合プロセスフローを示す図である。この実施の形態では、金属発泡体を金属粒子ペースト１とは異なる金属種で作製する。例えば、金属粒子ペースト１をAgペーストとし、金属発泡体３をSn（異種金属発泡体３ｄ）から構成する。また、上部被接合材（チップ裏面電極２ｕ）をTi/Ni/Au、下部被接合材（表側導板５ｐ）をCuとする。この場合、SnはAgとAg３Sn相を形成し、強固な接合層が得られる。また、上部被接合材のAuはSnへ固溶して下地のNiとNi３Sn４合金相を形成する。下部被接合材のCuはCu６Sn５合金相やCu３Sn合金相を形成する。金属発泡体のSn単独相が残らないか、または初期から体積の50%以上の部分が合金化していることが望ましい。上記の条件の場
合、最終の接合層の厚さは50um以下にすることが望ましい。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１金属粒子ペースト、１ａ有機揮発物、１ｄ乾燥ペースト、２半導体チップ、２ａ電力用トランジスタ、２ｂ電力用ダイオード、２ｕチップ裏面電極、３金属発泡体、３ａ四角形金属発泡体、３ｂＬ字金属発泡体、３ｃ縦長金属発泡体、３ｄ異種金属発泡体、３ｉ金属発泡体内側、３ｏ金属発泡体外側、４接合層、５絶縁基板、５ａ第一主面、５ｂ第二主面、５ｃ表側余白、５ｄ裏側余白、５ｓ絶縁セラミック、５ｔチップエリア、５ｐ表側導板、５ｑ裏側導板、６金属焼結体、７ペースト焼結体、９クラック、１１封止樹脂部材、１２ボンディングワイヤ、１３導電端子、１４ケース、１５放熱部材、１００半導体モジュール

Claims

導板が形成されている絶縁基板のチップエリアに、有機成分を含有する金属粒子ペーストを塗布する第１工程と、
前記金属粒子ペーストが塗布された絶縁基板に金属の発泡体を前記金属粒子ペーストと当接するように載置する第２工程と、
前記発泡体が載置された絶縁基板を乾燥する第３工程と、
前記乾燥された絶縁基板に、裏面に電極が形成されている半導体チップを裏面側を基板側に向けて搭載する第４工程と、
前記絶縁基板に搭載された半導体チップを加圧しながら加熱し、前記絶縁基板と前記半導体チップを接合する第５工程と、を備えている半導体モジュールの製造方法。
前記第２工程で絶縁基板に載置された発泡体は、前記金属粒子ペーストの全周を囲んでいることを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュールの製造方法。
前記第２工程で絶縁基板に載置された発泡体は、内周部の高さが外周部の高さより高くなっていることを特徴とする請求項２に記載の半導体モジュールの製造方法。
前記絶縁基板のチップエリアは、角型形状を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュールの製造方法。
前記第２工程で絶縁基板に載置された発泡体は、前記角型形状を有するチップエリアの四隅に分かれて載置されていることを特徴とする請求項４に記載の半導体モジュールの製造方法。
前記チップエリアの四隅に分かれて載置されている発泡体は、各々がＬ字形状を有することを特徴とする請求項５に記載の半導体モジュールの製造方法。
前記チップエリアの四隅に分かれて載置されている発泡体は、内部側が隅側よりも高くなっていることを特徴とする請求項５に記載の半導体モジュールの製造方法。
前記チップエリアの四隅に分かれて載置されている発泡体は、各々が直方体形状を有することを特徴とする請求項５に記載の半導体モジュールの製造方法。
前記絶縁基板に載置される金属の発泡体と前記金属粒子ペーストに含まれている金属粒子は、異種金属からなることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の半導体モジュールの製造方法。