JP6261819B1 - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置および半導体装置の製造方法 Download PDF

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Abstract

基板電極と半導体素子とを接合する際に用いられる、半導体素子表面を保護する緩衝材に対して、接合の際に負荷されるせん断力を分散、抑制されるように接合処理をするため、基板電極の半導体素子の端面との接合部に凸部を形成し、この凸部が外周方向に切り落とし形状を有するようにすることにより、接合後の半導体素子の表面に緩衝材の固着がないようにする。

Description

この発明は、金属粒子の焼結現象を利用して接合する焼結性金属接合材により、半導体素子を基板に接合した半導体装置およびこの半導体装置の製造方法に関するものである。
高温動作する半導体素子の接合方法としては、ナノ金属粒子またはマイクロ金属粒子ペーストによる加圧焼結接合が多く検討されている。通常、このナノ金属粒子またはマイクロ金属粒子ペーストを用いて半導体素子と基板の電極部を加圧加熱接合する際には、半導体素子の電極表面を保護する目的で緩衝材を使用している。
従来、基板上にチップを導電性接着材で固定する際に、導電性接着材がはみ出して配線部同士が短絡することを防止するため、配線パターンの一部を凹状にカットし、この凹部で、はみ出した導電性接着材を堰き止める構造を設けているものがある（例えば、特許文献１参照）。
また、樹脂封止型半導体装置において、ペレット搭載部の外周部を凸状に加工することで、ペレットとリードフレーム間でワイヤーが垂れ下がることを抑制して、ペレットとワイヤー間の短絡を防止することができることが示されている（例えば、特許文献２参照）。
さらに、絶縁基板上に設けられた導体パターンの一部に凹部を設け、当該部分に半導体素子を搭載し、かつ半導体素子と導体パターンの接合に用いる焼結性金属接合材料のはみ出し部分を凹部の側壁とクッション材で挟み込んで加圧することで、金属接合材料の脱落を防止することができることが示されている（例えば、特許文献３参照）。
実開昭６３−０３８３３４号公報 実開平０１−０７６０４０号公報 特開２０１４−１３５４１１号公報
焼結接合技術に用いる接合材料(焼結性金属接合材)は、ナノ金属粒子またはマイクロ金属粒子と有機溶剤成分から構成されている。この焼結性金属接合材は、金属粒子の焼結現象によって被接合部の配線導体との金属結合を達成するものである。はんだが溶融を伴って金属結合を達成するのとは異なり、焼結性金属接合材は、溶融することなく金属結合を達成する。このように、金属粒子の焼結現象を利用した接合方法は、高耐熱性が要求されるパワーモジュール製品に用いられることが多い。
また、前記接合技術は、接合の際に加熱すると共に、焼結性金属接合材と被接合材とを押さえつけるように加圧する必要があり、従来技術のようなはんだ付けプロセスとは大きく異なっている。前記接合技術は、圧力を付与しないと焼結現象が十分に進行しないため金属粒子の結合状態が弱く脆弱な構造体となる。前記、接合する半導体素子の表面には、各種デバイスあるいは電極が積層されている。
ところで、半導体素子を直接加圧プレス機で加圧すると半導体素子の表面に形成された各種デバイスの破壊あるいは電極の断線が発生することがある。このため、加圧プレス機の荷重部分と半導体素子の間には、半導体素子の表面を保護する目的で緩衝材を挟み込んで加圧加熱接合することが多い。緩衝材の材料としては、加圧力と加熱温度から弾性力および耐熱性が高いＰＴＦＥ(Poly Tetra Fluoro Ethylene)などのフッ素樹脂材料が使われることが多い。しかし、ＰＴＦＥなどのフッ素樹脂材料に過剰な圧力が加わるとせん断力によりフッ素樹脂材料が繊維上に裁断され加圧力と加熱により半導体素子の表面に固着することがある。
このように固着した繊維上のフッ素樹脂材料は容易に除去することが困難であり、製品への混入によりパワーモジュール製品の動作不良を誘発するおそれ、あるいは後工程のワイヤボンド工程の製品歩留まり不良などの問題が発生する場合がある。
上述の特許文献１〜３の半導体装置において、焼結性金属接合材料を用いて半導体素子と基板の電極部分を加熱加圧接合したような場合には、フッ素樹脂材料などの緩衝材に半導体素子端部においてせん断力が働くため、繊維上に裁断された緩衝材片が半導体素子の表面に固着する可能性が高く、パワーモジュール製品の動作不良が頻発することが予想される。また、前記特許文献１〜３の一部および全てを用いたとしても、本発明が解決しようとする上記のような課題を解決することはできない。
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、焼結性金属接合材を加圧加熱接合する際に用いる緩衝材が半導体素子の表面に固着することを防止することを目的とする。
本発明の半導体装置は、以下の４通りの方法により、基板電極と半導体素子を接合し、かつ緩衝材にかかるせん断力を分散、抑制されるようにすることで、半導体素子表面に緩衝材の固着がない清浄な半導体素子表面を形成することができる。
１つめは、基板電極上の緩衝材にかかるせん断力を分散、抑制することができるような凸部を、半導体素子を搭載する予定の外周部に設け、この中央部分に半導体素子を搭載し加圧加熱接合することで、半導体素子表面への緩衝材の固着を抑制する方法である。
２つめは、基板電極上の半導体素子を搭載する部分に、接合用ペーストを充填するような凹部を設け、さらに緩衝材にかかるせん断力を分散、抑制することができるような凸部を凹部周辺にもうけ、半導体素子表面への緩衝材の固着を抑制する方法である。
３つめは、搭載する半導体素子の端部（側面部に同じ。以下同様）を、緩衝材にかかるせん断力を分散、抑制することができるような丸形形状、もしくは斜め形状を設けることで、半導体素子表面への緩衝材の固着を抑制する方法である。
４つめは、基板電極上の緩衝材にかかるせん断力を分散、抑制することができるような凸部構造を有する治具を、半導体素子を搭載する予定の外周部に設け、この中央部分に半導体素子を搭載し、加圧加熱接合により前記治具を除去することで、半導体素子表面への緩衝材の固着を抑制する方法である。
本発明の半導体装置によれば、緩衝材にかかるせん断力を分散、抑制するような凸部を基板の電極上に設けること、もしくは凸部構造を有する治具を使用することにより、半導体素子を基板に加圧加熱接合する際に用いる緩衝材が、半導体素子の表面に固着することを防止することができる。
本発明の実施の形態１による半導体装置の接合方法を説明する図である。 図１のうち、加圧加熱工程時の半導体素子端部の拡大図である。 本発明の実施の形態１によるＣｕめっき膜による基板電極の形成方法の一例を示す図である。 本発明の実施の形態２による半導体装置の接合方法を説明する図である。 図４のうち、加圧加熱工程時の半導体素子端部の拡大図である。 本発明の実施の形態３による半導体装置の接合方法を説明する図である。 図６のうち、加圧加熱工程時の半導体素子端部の拡大図である。 本発明の実施の形態４による半導体装置の接合方法を説明する図である。 図８のうち、加圧加熱工程時の半導体素子端部の拡大図である。 本発明の実施の形態５による半導体装置の接合方法を説明する図である。 図１０のうち、加圧加熱工程時の半導体素子端部の拡大図である。 本発明の実施の形態６による半導体装置の接合方法を説明する模式図である。 図１２のうち、加圧加熱工程時の半導体素子端部の拡大図である。 本発明の実施の形態７による半導体装置の接合方法を説明する図である。 図１４のうち、加圧加熱工程時の半導体素子端部の拡大図である。
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による半導体装置の接合方法を説明する模式図であり、図２は、図１のうち、加圧加熱工程時の半導体素子の端部（側面部に同じ。以下同様）の拡大図である。
まず、絶縁基板１（以降、基板１と呼ぶ）としてここでは、Ｓｉ３Ｎ４製のセラミックス板１１（厚さ０．６ｍｍ）の半導体素子４を搭載する片面（表面に同じ。以下同様）に基板電極２としてＣｕ電極（厚さ０．４ｍｍ）を、もう片面（底面に同じ。以下同様）に裏面電極１２(Ｃｕ電極、厚さ０．３ｍｍ)をろう付け処理した５０ｍｍ×５０ｍｍ×１．３ｍｍｔ（ｔ：厚さ）の基板上の１０．１ｍｍ×１０．１ｍｍのチップ接合部分に、深さ０．１０ｍｍの座繰り部分を２箇所設け、その外周部に高さ０．１ｍｍで、外周方向に広がった凸部（図２の符号Ａで示した一点鎖線で囲んだ部分を参照）を設けた基板１を使用する。
凹部および凸部の形成方法としては、ここでは機械的研削により実施し、半導体素子４が搭載されない平坦部１３の板厚が０．３ｍｍ、半導体素子４が搭載される部分の板厚が０．２ｍｍ、凸部の頂点がセラミックス板１１（厚さ０．６ｍｍ）から０．４ｍｍとなるようにした。
ここでは、Ｃｕ板厚が０．４ｍｍのものを用いたが、板厚が０．３ｍｍのＣｕ板を用いて、Ｃｕ電解めっき方法により半導体素子４を搭載する部分の周辺に選択的にＣｕめっき膜を０．１〜０．２ｍｍ程度形成しても構わない（図３参照）。
図３にＣｕめっき膜を選択的に形成する方法を図示している。０．３ｍｍ厚さのＣｕ電極上のうち、半導体素子４を搭載する部分に選択的にめっき保護膜としてレジスト膜をフォトリソ法を用いて形成する。形成サイズとしては、１０．１ｍｍ×１０．１ｍｍとしている。
次に、基板の表面電極および裏面電極に通電を行いながら、Ｃｕ電解めっき液の中でＣｕめっき膜２１を厚さ０．１ｍｍ程度形成することで、表面側に部分的に０．４ｍｍ厚、裏面側に０．４ｍｍ厚のＣｕ電極を形成する。次に、表面側を部分的に機械研削処理することで、半導体素子搭載部周辺に凸型領域を形成する。
ここでは、搭載する半導体素子４の厚みが０．３ｍｍで、焼結性金属接合材（以下では、簡略化して接合材と呼ぶ）３により形成される接合厚さ０．０５ｍｍに合わせて、凹部および凸部の形状サイズを決定している。そのため、搭載する半導体素子４の厚みおよび焼結性金属接合材により形成される接合厚さにより、凹部および凸部の形状サイズも変更する必要が生じる。
ここで使用した半導体素子４のサイズは１０ｍｍ×１０ｍｍ×０．３ｍｍｔ（ｔ：厚さ）である。また、凸部の頂点の角度θは半導体素子４の端部垂直方向から外周方向へ４５度とした。緩衝材５にかかるせん断力をより分散させるためには、前記角度θは４５〜９０度未満の範囲にあることが望ましい。
次に、基板１上にＡｇナノ粒子を含む焼結性金属接合ペースト(接合材３)を塗布する。具体的には、基板１の電極上に形成された１０．１ｍｍ×１０．１ｍｍの凹部に焼結性金属接合ペースト(接合材３)を充填する。充填量は、加圧加熱接合を実施した後の接合厚が５０μｍとなる量である。
凹部の大きさは半導体素子４よりも意図的に大きくし、加圧加熱接合時に半導体素子４の端部にも焼結性金属接合ペースト(接合材３)が周り込むようにすることで、半導体素子４と基板電極２との接合を半導体素子４の裏面（底面に同じ。以下同様）および端部（側面に同じ。以下同様）で実施することで、接合強度が高くなるようにしている。言い換えると、接合材３の形状は底面と側面で構成される容器形状である。このようにすることで、パワーモジュール製品の接合信頼性を高め、製品品質を向上することができる。
充填した焼結性金属接合ペースト(接合材３)は、有機溶媒分を除去するために５０〜２００℃で加熱乾燥する。ここでは、具体的には８０℃で３０分間加熱することでペースト中に含まれる有機溶媒分を除去した。
乾燥した焼結性金属接合ペースト(接合材３)上に半導体素子４をマウントし、１０〜５０ＭＰａの加圧を掛けながら、２００〜４００℃の加熱を行うことで、焼結Ａｇによる接合体を得る。ここでは、具体的には緩衝材５としてＰＴＦＥシート４０ｍｍ×４０ｍｍ×１ｍｍｔ（ｔ：厚さ）を複数の半導体素子４を覆うように、複数の半導体素子４上に一括して搭載し、緩衝材５越しに加圧力３０ＭＰａで加圧処理するとともに、温度２８０℃で１５分間加熱処理し、半導体素子４と基板電極２とを接合した。
このとき、基板電極２上に設けた凸部により、緩衝材５が半導体素子４端部で受けるせん断力を緩和し、半導体素子４の外周方向に分散させることで、緩衝材５には塑性変形は生じるものの破断は生じないため、緩衝材５が繊維上に裁断されることなく、かつ半導体素子４の表面に固着することなく接合することができる。
ここで、図２では接合材３の頂部も斜面となっている。ペーストの充填率とＰＴＦＥの変形による上からの押さえ込みにより、このような形状になる。ペーストの充填率が不足していると頂部は球状(かまぼこ状)になり、過多になっていると頂部は斜面状になるが、あふれたペーストがＰＴＦＥとともに外部にＡｇ粒子状態となり押し出される。
なお、詳しい説明は省略するが、接合後のこの段階において、不要となった緩衝材５は、適宜の方法で取り除かれる。
接合後、基板１とベース板を還元性雰囲気リフローにより、はんだ接合し、モジュール用ケースに取り付け、ワイヤボンド結線し、樹脂による封止を行うことで、半導体モジュール装置を作製する。
なお、この接合後の工程には、例えばワイヤボンド結線の際など、半導体素子４の表面に緩衝材由来の異物が付着していると、ワイヤボンドの接合不良などの問題が発生する場合があるが、本実施の形態で説明した半導体素子４の表面には異物の付着がないため、ワイヤボンド工程での工程不良は確認されなかった。
比較例として、基板電極２上に設けた緩衝材５のせん断力を緩和するための凸部を設けなかった基板を用いて焼結性金属接合を実施した場合には、後工程のワイヤボンド工程において、ワイヤボンドの接合不良による不良品が検出された。
以上のように本実施の形態で説明した発明によれば、焼結性金属接合材を加圧加熱接合する際に用いる緩衝材５が半導体素子４の表面に固着することを防止することができる。
実施の形態２．
図４は本発明の実施の形態２による半導体装置の接合方法を説明する模式図であり、図５は図４のうち、加圧加熱工程時の半導体素子４の端部の拡大図である。
まず、基板１として、ここでは、Ｓｉ３Ｎ４製のセラミックス板１１（厚さ０．６ｍｍ）の半導体素子４を搭載する両側にＣｕ電極（厚さ０．３ｍｍ）をろう付け処理した５０ｍｍ×５０ｍｍ×１．２ｍｍｔ（ｔ：厚さ）の基板１を使用する。
ここでは、搭載する半導体素子４の厚さが０．３ｍｍで、半導体素子４の端部が、前記半導体素子の厚み方向断面形状が、上側表面から下側方向に向かって長さが大きくなるように、端部表面から４５度の角度（図４（ｂ）中の角度θが４５度）で端面研磨されたものを用いる。また、半導体素子４の材料として、ＳｉＣ基板を用いた半導体素子４を用いている。端面研磨の方法は、ここではレジン砥石を用いた機械研磨により半導体素子４の外周部全体を研磨する方法を採用した。緩衝材５にかかるせん断力を、より分散させるためには、前記角度θは４５〜９０度未満の範囲にあることが望ましい。
次に、基板１上にＡｇナノ粒子を含む焼結性金属接合ペースト（接合材３）を印刷塗布する。具体的には、スクリーン印刷機を用いて、基板電極上の所望領域に半導体素子４の裏面電極と同じサイズの１０ｍｍ×１０ｍｍの領域に焼結性金属接合ペースト（接合材３）を塗布した。塗布量は、加圧加熱接合を実施した後の接合厚が５０μｍとなる量を目安としている。
印刷塗布した焼結性金属接合ペースト（接合材３）は、有機溶媒分を除去するために５０〜２００℃で加熱乾燥する。ここでは、具体的には１５０℃で１５分間加熱することでペースト中に含まれる有機溶媒分を除去した。
乾燥した焼結性金属接合ペースト（接合材３）上に半導体素子４をマウントし、１０〜５０ＭＰａの加圧を掛けながら、２００〜４００℃の加熱を行うことで、焼結Ａｇによる接合体を得る。
ここでは、具体的には緩衝材５としてＰＴＦＥシート４０ｍｍ×４０ｍｍ×１ｍｍｔ（ｔ：厚さ）を複数の半導体素子４を覆うように、複数の半導体素子４上に一括して搭載し、緩衝材５越しに加圧力３０ＭＰａで加圧処理するとともに、温度２８０℃で５分間加熱処理し、半導体素子４と基板電極２とを接合した。
このとき、半導体素子４の端部に設けた傾斜部により緩衝材５が受けるせん断力が半導体素子４の外周方向に分散し、緩衝材５には塑性変形は生じるものの破断は生じないため緩衝材５が繊維上に裁断されることなく、かつ半導体素子４の表面に固着することなく接合することができる。
接合後、基板１とベース板を還元性雰囲気リフローにより、はんだ接合し、モジュール用ケースに取り付け、ワイヤボンド結線し、樹脂による封止を行うことで、半導体モジュール装置を作製する。この接合後の工程においては、例えばワイヤボンド結線の際のなど、半導体素子４の表面に緩衝材５由来の異物が付着しているとワイヤボンドの接合不良などの問題が発生する場合があるが、本実施の形態の発明では、半導体素子４の表面に異物の付着がないため、ワイヤボンド工程での工程不良は確認されなかった。
以上のように本発明によれば、焼結性金属接合材を加圧加熱接合する際に用いる緩衝材５が半導体素子４の表面に固着することを防止することができる。
実施の形態３.
図６は本発明の実施の形態３による半導体装置の接合方法を説明する模式図であり、図７は図６のうち、加圧加熱工程時の半導体素子４の端部の拡大図である。
まず、Ｓｉ３Ｎ４製のセラミックス板１１（厚さ０．６ｍｍ）の半導体素子４を搭載する両側にＣｕ電極（厚さ０．３ｍｍ）をろう付け処理した５０ｍｍ×５０ｍｍ×１．２ｍｍｔ（ｔ：厚さ）の基板１を使用する。
ここでは、搭載する半導体素子４の厚さが０．３ｍｍで、半導体素子４の端部を円形状に端面研磨されたものを用いる。また、半導体素子４の材料としてＳｉ基板を用いた半導体素子４を用いている。さらに、端面研磨の方法は、レジン砥石を用いた機械研磨により半導体素子４の外周部全体を実施した。緩衝材５にかかるせん断力をより分散させるためには、前記円形部分の半径は半導体素子４の厚みの１/２以上であることが望ましい。
次に、基板１上にＡｇナノ粒子を含む焼結性金属接合ペースト(接合材３)を印刷塗布する。具体的には、スクリーン印刷機を用いて、基板電極上の所望領域に半導体素子４の裏面電極と同じサイズの１０ｍｍ×１０ｍｍの領域に焼結性金属接合ペースト(接合材３)を塗布した。塗布厚は、加圧加熱接合を実施した後の接合厚が５０μｍとなる量を塗布している。
印刷塗布した焼結性金属接合ペースト(接合材３)は、有機溶媒分を除去するために５０〜２００℃で加熱乾燥する。ここでは、具体的には１５０℃で１５分間加熱することでペースト中に含まれる有機溶媒分を除去した。
乾燥した焼結性金属接合ペースト(接合材３)上に半導体素子４をマウントし、１０〜５０ＭＰａの加圧を掛けながら、２００〜４００℃の加熱を行うことで、焼結Ａｇによる接合体を得る。具体的には、緩衝材５としてＰＴＦＥシート４０ｍｍ×４０ｍｍ×１ｍｍｔ（ｔ：厚さ）を、複数の半導体素子４を覆うように、半導体素子４上に一括して搭載し、緩衝材５越しに加圧力３０ＭＰａで加圧処理するとともに、温度２８０℃で５分間加熱処理し、半導体素子４と基板電極とを接合した。
このとき、半導体素子４の端部に設けた円形状の端部構造により緩衝材５が受けるせん断力が半導体素子４の外周方向に分散し、緩衝材５には塑性変形は生じるものの破断は生じないため緩衝材５が繊維上に裁断されることなく、かつ半導体素子４の表面に固着することなく接合することができる。
接合後、基板１とベース板を還元性雰囲気リフローによりはんだ接合し、モジュール用ケースに取り付け、ワイヤボンド結線し、樹脂による封止を行うことで、半導体モジュール装置を作製した。この接合後の工程には、例えばワイヤボンド結線の際のなど、半導体素子４の表面に緩衝材５由来の異物が付着しているとワイヤボンドの接合不良などの問題が発生する場合があるが、半導体素子４の表面に異物の付着がないため、ワイヤボンド工程での工程不良は確認されなかった。
以上のように本発明によれば、焼結性金属接合材である接合材３を用いて、半導体素子を基板に加圧加熱接合する際に用いる緩衝材５が、半導体素子４の表面に固着することを防止することができる。
実施の形態４.
図８は本発明の実施の形態４による半導体装置の接合方法を説明する模式図であり、図９は図８のうち、加圧加熱工程時の半導体素子４の端部の拡大図である。
まず、Ａｌ２Ｏ３製のセラミックス板１１(厚さ０．６ｍｍ)の半導体素子４を搭載する片面にＣｕ電極（厚さ０．４ｍｍ）を、もう片面にＣｕ電極（厚さ０．３ｍｍ）を、ろう付け処理した５０ｍｍ×５０ｍｍ×１．３ｍｍｔ（ｔ：厚さ）の基板１上の半導体素子４を搭載する部分の外周部に、高さ０．１ｍｍで、外周方向に広がった凸部を設けた基板１を使用する。
凸部の形成方法としては、ここでは機械的研削により実施している。また、凸部の内周は１０．１ｍｍ×１０．１ｍｍとした。ここでは、板厚が０．４ｍｍのＣｕ材を用いたが、板厚が０．３ｍｍのＣｕ板を用いて、Ｃｕ電解めっき方法により、半導体素子４を搭載する部分の周辺に選択的にＣｕめっき膜を０．１〜０．２ｍｍ程度形成しても構わない。
ここでは、搭載する半導体素子４の厚みが０．３ｍｍで、焼結性金属接合材により形成される接合厚が０．０５ｍｍに合わせて凸部の形状サイズを決定している。そのため、搭載する半導体素子４の厚み、および焼結性金属接合材により形成される接合厚により凸部の形状サイズも変更する必要が生じる。ここで使用した半導体素子４のサイズは１０ｍｍ×１０ｍｍ×０．３ｍｍｔ（ｔ：厚さ）である。
また、凸部の頂点の角度は半導体素子４の端部垂直方向から外周方向へ４５度とした。緩衝材５にかかるせん断力をより分散させるためには、前記角度は４５〜９０度未満の範囲にあることが望ましい。
次に、基板１上にＡｇナノ粒子を含む焼結性金属接合ペースト(接合材３)を充填する。具体的には、基板電極上に形成された凸部内の１０．１ｍｍ×１０．１ｍｍの領域に、焼結性金属接合ペースト(接合材３)を充填する。充填量は、加圧加熱接合を実施した後の接合厚が５０μｍとなる量である。凸部内周の大きさは半導体素子４よりも意図的に大きくし、加圧加熱接合時に半導体素子４の端部にも焼結性金属接合ペースト(接合材３)が周り込むようにすることで、半導体素子４と基板電極との接合を半導体素子４裏面および端部で実施することで接合強度が高くなるようにしている。このようにすることで、パワーモジュール製品の接合信頼性を高め、製品品質を向上することができる。
充填した焼結性金属接合ペースト(接合材３)は、有機溶媒分を除去するために５０〜２００℃で加熱乾燥する。ここでは、具体的には８０℃で３０分間加熱することでペースト中に含まれる有機溶媒分を除去した。
乾燥した焼結性金属接合ペースト(接合材３)上に半導体素子４をマウントし、１０〜５０ＭＰａの加圧を掛けながら、２００〜４００℃の加熱を行うことで、焼結Ａｇによる接合体を得る。ここでは、具体的には緩衝材５としてＰＴＦＥシート４０ｍｍ×４０ｍｍ×１ｍｍｔ（ｔ：厚さ）を複数の半導体素子４を覆うように、半導体素子４上に一括して搭載し、緩衝材５越しに加圧力３０ＭＰａで加圧処理するとともに、温度２８０℃で１５分間加熱処理し、半導体素子４と基板電極とを接合した。
このとき、基板電極上に設けた凸部により緩衝材５が半導体素子４端部で受けるせん断力を緩和し、半導体素子４の外周方向に分散させることで、緩衝材５には塑性変形は生じるものの破断は生じないため緩衝材５が繊維上に裁断されることなく、かつ半導体素子４の表面に固着することなく接合することができる。
接合後、基板１とベース板を還元性雰囲気リフローによりはんだ接合し、モジュール用ケースに取り付け、ワイヤボンド結線し、樹脂による封止を行うことで、半導体モジュール装置を作製した。この接合後の工程には、例えばワイヤボンド結線の際のなど、半導体素子４の表面に緩衝材５由来の異物が付着しているとワイヤボンドの接合不良などの問題が発生する場合があるが、半導体素子４の表面に異物の付着がないため、ワイヤボンド工程での工程不良は確認されなかった。
以上のように本発明によれば、焼結性金属接合材を加圧加熱接合する際に用いる緩衝材５が半導体素子４の表面に固着することを防止することができる。
実施の形態５.
図１０は本発明の実施の形態５による半導体装置の接合方法を説明する模式図であり、図１１は図１０のうち、加圧加熱工程時の半導体素子４端部の拡大図である。
まず、Ｓｉ３Ｎ４製のセラミックス板１１（厚さ０．６ｍｍ）の半導体素子４を搭載する両側にＣｕ電極（厚さ０．３ｍｍ）をろう付け処理した５０ｍｍ×５０ｍｍ×１．２ｍｍｔ（ｔ：厚さ）の基板１を使用する。
次に、基板１上にＡｇナノ粒子を含む焼結性金属接合ペースト(接合材３)を印刷塗布する。具体的には、スクリーン印刷機を用いて、基板電極上の所望領域に半導体素子４の裏面電極と同じサイズの１０ｍｍ×１０ｍｍの領域に焼結性金属接合ペースト(接合材３)を塗布した。塗布厚は、加圧加熱接合を実施した後の接合厚が５０μｍとなる量を塗布している。
印刷塗布した焼結性金属接合ペースト(接合材３)は、有機溶媒分を除去するために５０〜２００℃で加熱乾燥する。ここでは、具体的には８０℃で３０分間加熱することでペースト中に含まれる有機溶媒分を除去した。
次に、印刷塗布した焼結性金属接合ペースト(接合材３)の外周部に高さ０．１ｍｍで、外周方向に広がった凸部を設けた接合用の治具６を搭載する。ここでは、治具に形成した凸部の頂点の角度は半導体素子４の端部垂直方向から外周方向へ４５度とした。緩衝材５にかかるせん断力をより分散させるためには、前記角度は４５〜９０度未満の範囲にあることが望ましい。ここでは、搭載する半導体素子４の厚さが０．３ｍｍで、焼結性金属接合材により形成される接合厚が０．０５ｍｍに合わせて治具に形成した凸部の形状サイズを決定している。そのため、搭載する半導体素子４の厚さおよび焼結性金属接合材により形成される接合厚により治具に形成する凸部の形状サイズも変更する必要が生じる。
治具材料としては、ここで用いた焼結性金属接合ペースト(接合材３)では接合することができない、Ｎｉを主原料とする材料により形成している。このような材料を選択することで、加圧加熱接合後に基板１から治具が除去できなくなることを防止することができる。
乾燥した焼結性金属接合ペースト(接合材３)上に半導体素子４をマウントし、１０〜５０ＭＰａの加圧を掛けながら、２００〜４００℃の加熱を行うことで、焼結Ａｇによる接合体を得る。ここでは、具体的には緩衝材５としてＰＴＦＥシート４０ｍｍ×４０ｍｍ×１ｍｍｔ（ｔ：厚さ）を複数の半導体素子４を覆うように、半導体素子４上に一括して搭載し、緩衝材５越しに、加圧力３０ＭＰａで加圧処理し、温度２８０℃で１５分間加熱処理し、半導体素子４と基板電極とを接合した。
このとき、治具に設けた凸部により緩衝材５が半導体素子４端部で受けるせん断力を緩和し、半導体素子４の外周方向に分散させることで、緩衝材５には塑性変形は生じるものの、破断は生じないため緩衝材５が繊維上に裁断されることなく、かつ半導体素子４の表面に固着することなく、接合することができる。
なお、詳しい説明は省略するが、接合後のこの段階において、不要となった緩衝材と治具は適宜の方法で取り除かれる。
接合後、基板１とベース板を還元性雰囲気リフローによりはんだ接合し、モジュール用ケースに取り付け、ワイヤボンド結線し、樹脂による封止を行うことで、半導体モジュール装置を作製した。この接合後の工程には、例えばワイヤボンド結線の際のなど、半導体素子４の表面に緩衝材５由来の異物が付着しているとワイヤボンドの接合不良などの問題が発生する場合があるが、半導体素子４の表面に異物の付着がないため、ワイヤボンド工程での工程不良は確認されなかった。
実施の形態６.
図１２は本発明の実施の形態６による半導体装置の接合方法を説明する模式図であり、図１３は、図１２のうち、加圧加熱工程時の半導体素子４端部の拡大図である。
まず、Ｓｉ３Ｎ４製のセラミックス板１１（厚さ０．６ｍｍ）の半導体素子４を搭載する両側にＣｕ電極（厚さ０．３ｍｍ）をろう付け処理した５０ｍｍ×５０ｍｍ×１．２ｍｍｔ（ｔ：厚さ）の基板上の１０．１ｍｍ×１０．１ｍｍのチップ接合部分に、深さ０．１０ｍｍの座繰り部分を２箇所設けた基板１を使用する。
凹部（座繰り部分）の形成方法としては、ここでは機械的研削により実施し、半導体素子４が搭載されない平坦部１３の板厚が０．３ｍｍ、半導体素子４が搭載される部分の板厚が０．２ｍｍ、となるようにした。
次に、基板１上にＡｇナノ粒子を含む焼結性金属接合ペースト(接合材３)を印刷塗布する。具体的には、スクリーン印刷機を用いて、基板電極上の所望領域に半導体素子４の裏面電極と同じサイズの１０ｍｍ×１０ｍｍの領域に焼結性金属接合ペースト(接合材３)を塗布した。塗布厚は、加圧加熱接合を実施した後の接合厚が５０μｍとなる量を塗布している。
印刷塗布した焼結性金属接合ペースト(接合材３)は、有機溶媒分を除去するために５０〜２００℃で加熱乾燥する。ここでは、具体的には８０℃で３０分間加熱することでペースト中に含まれる有機溶媒分を除去した。
次に、基板電極上に設けられた凹部の外周部に高さ０．１ｍｍで、外周方向に広がった凸部を設けた接合用の治具６を搭載する。ここでは、治具に形成した凸部の頂点の角度は半導体素子４の端部垂直方向から外周方向へ６０度とした。緩衝材５にかかるせん断力をより分散させるためには、前記角度は４５〜９０度未満の範囲にあることが望ましい。ここでは、搭載する半導体素子４の厚さが０．３ｍｍで、焼結性金属接合材により形成される接合厚が０．０５ｍｍに合わせて治具に形成した凸部の形状サイズを決定している。そのため、搭載する半導体素子４の厚みおよび焼結性金属接合材により形成される接合厚により治具に形成する凸部の形状サイズも変更する必要が生じる。
治具材料としては、ここで用いた焼結性金属接合ペースト(接合材３)では接合することができない、Ｎｉを主原料とする材料を選択した。このような材料を選択することで、加圧加熱接合後に基板１から治具が除去できなくなることを防止することができる。
乾燥した焼結性金属接合ペースト(接合材３)上に半導体素子４をマウントし、１０〜５０ＭＰａの加圧を掛けながら、２００〜４００℃の加熱を行うことで、焼結Ａｇによる接合体を得る。ここでは、具体的には緩衝材５としてＰＴＦＥシート４０ｍｍ×４０ｍｍ×１ｍｍｔ（ｔ：厚さ）を複数の半導体素子４を覆うように、半導体素子４上に一括して搭載し、緩衝材５越しに、加圧力３０ＭＰａで加圧処理し、温度２８０℃で１５分間加熱処理し、半導体素子４と基板電極とを接合した。
このとき、治具に設けた凸部により緩衝材５が半導体素子４端部で受けるせん断力を緩和し、半導体素子４の外周方向に分散させることで、緩衝材５には塑性変形は生じるものの、破断は生じないため緩衝材５が繊維上に裁断されることなく、かつ半導体素子４の表面に固着することなく、接合することができる。
なお、詳しい説明は省略するが、接合後のこの段階において、不要となった緩衝材と治具は適宜の方法で取り除かれる。
接合後、基板１とベース板を還元性雰囲気リフローによりはんだ接合し、モジュール用ケースに取り付け、ワイヤボンド結線し、樹脂による封止を行うことで、半導体モジュール装置を作製した。この接合後の工程には、例えばワイヤボンド結線の際など、半導体素子４の表面に緩衝材５由来の異物が付着しているとワイヤボンドの接合不良などの問題が発生する場合があるが、半導体素子４の表面に異物の付着がないため、ワイヤボンド工程での工程不良は確認されなかった。
実施の形態７.
図１４は本発明の実施の形態７による半導体装置の接合方法を説明する模式図であり、図１５は、図１４のうち、加圧加熱工程時の半導体素子４端部の拡大図である。
まず、Ｓｉ３Ｎ４製のセラミックス板１１（厚さ０．６ｍｍ）の半導体素子４を搭載する両側にＣｕ電極（厚さ０．３ｍｍ）をろう付け処理した５０ｍｍ×５０ｍｍ×１．２ｍｍｔ（ｔ：厚さ）の基板上の１０．１ｍｍ×１０．１ｍｍのチップ接合部分に、深さ０．１０ｍｍの座繰り部分を２箇所設けた基板１を使用する。
凹部（座繰り部分）の形成方法としては、ここでは機械的研削により実施し、半導体素子４が搭載されない平坦部１３の板厚が０．３ｍｍ、半導体素子４が搭載される部分の板厚が０．２ｍｍ、となるようにした。
次に、基板１上にＡｇナノ粒子を含む焼結性金属接合ペースト(接合材３)を印刷塗布する。具体的には、スクリーン印刷機を用いて、基板電極上の所望領域に半導体素子４の裏面電極と同じサイズの１０ｍｍ×１０ｍｍの領域に焼結性金属接合ペースト(接合材３)を塗布した。塗布厚は、加圧加熱接合を実施した後の接合厚が５０μｍとなる量を塗布している。
印刷塗布した焼結性金属接合ペースト(接合材３)は、有機溶媒分を除去するために５０〜２００℃で加熱乾燥する。ここでは、具体的には８０℃で３０分間加熱することでペースト中に含まれる有機溶媒分を除去した。
次に、基板電極上に設けられた凹部の外周部に高さ０．１ｍｍで、外周方向に半円形状に広がった凸部を設けた接合用の治具６を搭載する。ここでは、治具に形成した凸部の半円形形状の高さは半導体素子４の高さから、凹状の座繰り部分を差し引いた高さ未満とした。緩衝材５にかかるせん断力をより分散させるためには、前記高さは、該当高さの80〜100%未満の範囲にあることが望ましい。ここでは、搭載する半導体素子４の厚さが０．３ｍｍで、焼結性金属接合材により形成される接合厚が０．０５ｍｍに合わせて治具に形成した凸部の形状サイズを決定している。そのため、搭載する半導体素子４の厚みおよび焼結性金属接合材により形成される接合厚により治具に形成する凸部の形状サイズも変更する必要が生じる。
治具材料としては、ここで用いた焼結性金属接合ペースト(接合材３)では接合することができない、Ｎｉを主原料とする材料を選択した。このような材料を選択することで、加圧加熱接合後に基板１から治具が除去できなくなることを防止することができる。
乾燥した焼結性金属接合ペースト(接合材３)上に半導体素子４をマウントし、１０〜５０ＭＰａの加圧を掛けながら、２００〜４００℃の加熱を行うことで、焼結Ａｇによる接合体を得る。ここでは、具体的には緩衝材５としてＰＴＦＥシート４０ｍｍ×４０ｍｍ×１ｍｍｔ（ｔ：厚さ）を複数の半導体素子４を覆うように、半導体素子４上に一括して搭載し、緩衝材５越しに、加圧力３０ＭＰａで加圧処理し、温度２８０℃で１５分間加熱処理し、半導体素子４と基板電極とを接合した。
このとき、治具に設けた凸部により、緩衝材５が半導体素子４端部で受けるせん断力を緩和し、半導体素子４の外周方向に分散させることで、緩衝材５には塑性変形は生じるものの、破断は生じないため、緩衝材５が繊維状に裁断されることなく、かつ半導体素子４の表面に固着することなく、接合することができる。
なお、詳しい説明は省略するが、接合後のこの段階において、不要となった緩衝材と治具は適宜の方法で取り除かれる。
接合後、基板１とベース板を還元性雰囲気リフローにより、はんだ接合し、モジュール用ケースに取り付け、ワイヤボンド結線し、樹脂による封止を行うことで、半導体モジュール装置を作製した。この接合後の工程には、例えばワイヤボンド結線の際など、半導体素子４の表面に緩衝材５由来の異物が付着しているとワイヤボンドの接合不良などの問題が発生する場合があるが、半導体素子４の表面に異物の付着がないため、ワイヤボンド工程での工程不良は確認されなかった。
以上のように本発明によれば、焼結性金属接合材である接合材を加圧加熱接合する際に用いる、緩衝材５が半導体素子４の表面に固着することを防止することができる。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各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、省略することができる。
１ 基板（絶縁基板）、２ 基板電極、３ 焼結性金属接合材（接合材、焼結性金属接合ペースト）、４ 半導体素子、５ 緩衝材(ＰＴＦＥ)、６ 治具、１１ セラミックス板、１２ 裏面電極、１３ 平坦部、２０ めっき保護レジスト、２１ Ｃｕめっき膜。

Claims (7)

  1. 半導体素子と、
    底面と側面で構成される容器形状を有する焼結性金属接合材を介して、前記半導体素子の底面および側面で接合されている接合部を有する基板電極を表面上に形成した絶縁基板と、
    を備えた半導体装置であって、
    前記基板電極は、前記接合部の側面と対向する部分に凸部が形成されているとともに、かつ前記凸部の一辺は前記半導体素子を搭載する部分の側の面が垂直であり、かつ、もう一辺は前記半導体素子を搭載する部分の底面よりも外周方向に広がっていることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記凸部は、前記焼結性金属接合材と接する前記接合部の内周側の上端面に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記半導体素子は、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料、またはダイヤモンドのうちのいずれかであるワイドギャップ半導体材料により構成されていることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
  4. 前記半導体素子は、一定の厚さ部分に繋がる、円弧形状もしくは三角形形状の断面を形成する側面部分を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置。
  5. 焼結性金属接合材によって半導体素子と絶縁基板とを接合することにより、前記半導体素子を前記絶縁基板に実装する半導体装置の製造方法であって、
    前記絶縁基板上に設けた基板電極に、前記焼結性金属接合材を設ける工程と、
    前記半導体素子の厚み方向断面形状が、上側表面から下側方向に向かって長さが大きくなるように、端部表面から４５度から９０度未満の角度を持って形成されている凸部を前記焼結性金属接合材の外周部分と接する部分に有し、前記焼結性金属接合材によっては接合されない、Ｎｉを主原料とする材料により形成している治具を、前記基板電極上に装着する工程と、
    前記半導体素子を、前記焼結性金属接合材上、かつ前記治具の凸部の内側に搭載する工程と、
    前記半導体素子と前記絶縁基板とを接合する際に、前記半導体素子の表面側に、前記半導体素子を覆うように設けられた緩衝材を介して、前記半導体素子を加圧し加熱する工程と、
    を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  6. 焼結性金属接合材によって半導体素子と絶縁基板とを接合することにより、前記半導体素子を前記絶縁基板に実装する半導体装置の製造方法であって、
    前記絶縁基板上に設けた凹部を有する基板電極に、前記焼結性金属接合材を塗布する工程と、
    前記基板電極の凹部の外周端面の上端で当該凹部に外接する部分が、前記基板電極の凹部で前記半導体素子の厚み方向断面形状が、上側表面から下側方向に向かって長さが大きくなるように、端部表面から４５度から９０度未満の角度を持って形成されている部分を有し、前記焼結性金属接合材によっては接合されない、Ｎｉを主原料とする材料により形成している治具を装着する工程と、
    前記半導体素子側から前記半導体素子と前記絶縁基板とを接合するために、前記半導体素子を覆うように設けられた緩衝材を介して、前記半導体素子を加圧し加熱する工程と、
    を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  7. 前記基板電極の凹部に前記焼結性金属接合材を充填した後、加圧処理および加熱処理により前記絶縁基板に前記半導体素子を接合することにより、前記半導体素子の底面および側面を前記焼結性金属接合材で接合することを特徴とする請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
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