JP6508193B2 - 半導体装置の製造方法および半導体装置 - Google Patents

半導体装置の製造方法および半導体装置 Download PDF

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Description

この発明は、半導体装置の製造方法、および半導体装置に関する。
図１０は、従来の半導体モジュール５００の要部断面図である。図１０は、この半導体モジュール５００を金属製の冷却器６２に固定した状態を示す。
従来の半導体モジュール５００は、金属ベース５１と、この金属ベース５１に裏面の金属板５２がはんだ５３で固着した絶縁基板５４と、この絶縁基板５４のおもて面の回路板５５にはんだ５６で固着した半導体チップ５７を備える。また金属ベース５１に固着した樹脂製のケース５８と、ケース５８と一体成型された外部端子５９と、半導体チップ５７、回路板５５、外部端子５９に接続するワイヤ６０を備える。さらにケース５８を充填するゲルなどの封止材６１を備える。そして金属板５２と冷却器６２の間に熱伝導性の良いコンパウンド６３を挟んで冷却器６２が固定されている。
図１１は、別の従来の半導体モジュール６００の要部断面図である。
上記半導体モジュール５００と異なり、絶縁基板５４のおもて面の回路板５５にはんだ５６で固着した半導体チップ５７と外部端子６５（金属バー）を備える。また、折り曲げられた外部端子６５の先端部６５ａと金属板５２の裏面５２ａおよび側面５２ｂの一部を露出させて封止するモールド樹脂６６を備える。外部端子６５の先端部６５ａは、モールド樹脂６６の表面から形成された凹部に金属製のナット６７が埋め込まれたナットグローブ６８の上に配置される。前記の外部端子６５の先端部６５ａに形成された図示しない貫通孔とこのナットグローブを利用して、外部端子６５と図示しない外部配線バーをボルトで固定する。
半導体モジュール５００または６００により、インバータ回路の単相回路、２相回路または３相回路を形成することができる。
この半導体モジュール５００および６００において、金属ベース５１の裏面５１ａと、冷却器６２の平坦面６２ａの間には、反りなどの影響で隙間が形成される。そこで流動性の良いコンパウンド６３を塗布したり、コンパウンド６３を厚く塗布したりして、隙間内でコンパウンド６３が濡れ広がるようにしている。そしてコンパウンド６３を濡れ広がりやすくすることで、金属ベース５１と冷却器６２との密着性を高めている。
また、特許文献１では、半導体装置と冷却器を金属ナノ粒子で固着したエレクトロニクス用デバイスについて記載されている。
特開２０１０−２３２３６６号公報
しかし、流動性が高いコンパウンド６３は、金属ベース５１の繰返し熱変形によって、隙間の外側にかき出される。このため、金属ベース５１の裏面５１ａと冷却器６２の平坦面６２ａとの密着性が低下しやすい。また、コンパウンド６３の熱伝導率は約１Ｗ／ｍ・Ｋ程度であり、銅の熱伝導率３９０Ｗ／ｍ・Ｋやアルミの熱伝導率２４０Ｗ／ｍ・Ｋに比べ極端に低い。このためコンパウンド６３を厚く塗布するほど、冷却性能が低くなってしまう。また絶縁基板５４と金属ベース５１を接合しているはんだ５３も熱伝導率は５０Ｗ／ｍ・Ｋ程度であり、銅やアルミに比べて低い値である。このコンパウンド６３やはんだ５３に代わる熱伝導率の高い材料を適用することが、半導体モジュールの冷却性能向上に必要である。
また、特許文献１では、半導体装置と冷却器の間に金属ナノ粒子を介して加圧し半導体装置と冷却器を固着することが記載されている。しかし、良好な接合性を得るために加圧力を均一にすることや、接合面の形状についての記載はない。
この発明の一態様では、半導体装置の製造方法は、放熱部を備えた第１主面と、前記第１主面と対向する第２主面を有し、半導体チップを搭載した半導体ユニットを準備する工程と、平坦面を有する冷却器を準備する工程と、前記半導体ユニットの第１主面、もしくは前記冷却器の平坦面に金属ナノ粒子を含んだペーストを塗布する工程と、前記ペーストを介して前記半導体ユニットの第１主面と前記冷却器の平坦面を接触させる工程と、前記ペーストを昇温すると同時に前記半導体ユニットの前記第２主面に面内で均一な加圧力を加え、前記ペーストを焼結して接合層を形成する工程と、を含む製造方法とする。
また、この発明の別の一態様では、半導体装置は、放熱部を備えた第１主面と、前記第１主面と対向する第２主面を有し、半導体チップを搭載した半導体ユニットと、平坦面を有し、前記平坦面が前記半導体ユニットの第１主面と対向して位置する冷却器と、金属ナノ粒子の焼結体で構成され、前記半導体ユニットの第１主面と前記冷却器の平坦面とを接合し、中央部よりも周辺部の方が厚い接合層と、を備えた構成とする。
この発明に係る第１実施例の半導体装置１００の構成図であり、（ａ）は要部断面図、（ｂ）は（ａ）の縦方向を拡大した金属板３ｃと冷却器２の接合部を拡大した断面図である。 この発明に係る第２実施例の半導体装置１００の製造工程図である。（ａ）は半導体ユニット１の断面図、（ｂ）は冷却器２の断面図、（ｃ）は縦方向を拡大した半導体ユニット１の放熱部の一部である金属板３ｃの断面図、（ｄ）は縦方向を拡大した冷却器２の断面図である。 図２に続く、この発明に係る第２実施例の半導体装置１００の製造工程図である。（ａ）は半導体ユニット１の断面図、（ｂ）は冷却器２の断面図、（ｃ）は縦方向を拡大した半導体ユニット１の放熱部の一部である金属板３ｃの断面図、（ｄ）は縦方向を拡大した冷却器２の断面図である。 図３に続く、この発明に係る第２実施例の半導体装置１００の製造工程図である。（ａ）は半導体ユニット１および冷却器２の断面図、（ｂ）金属板３ｃおよび冷却器２の断面図である。 図４に続く、この発明に係る第２実施例の半導体装置１００の製造工程図である。（ａ）は加熱炉９、加圧機構２０、半導体ユニット１および冷却器２の断面図、（ｂ）金属板３ｃおよび冷却器２の断面図である。 図５に続く、この発明に係る第２実施例の半導体装置１００の製造工程図である。（ａ）は半導体ユニット１および冷却器２の断面図、（ｂ）金属板３ｃおよび冷却器２の断面図である。 加圧機構２０ａを用いて半導体ユニット１の第２主面１ｂに均一な加圧力Ｐを印加する方法を説明した説明図である。 加圧機構２０ｂを用いて半導体ユニット１の第２主面１ｂに均一な加圧力Ｐを印加する方法を説明した説明図である。 金属ナノ粒子で構成されたペースト５の構成を説明した説明図である。 従来の半導体モジュール５００の要部断面図である。 別の従来の半導体モジュール６００の要部断面図である。
［一般的開示］
半導体装置の製造方法は、放熱部を備えた第１主面と、第１主面と対向する第２主面を有し、半導体チップを搭載した半導体ユニットを準備する工程を含んでよい。半導体装置の製造方法は、平坦面を有する冷却器を準備する工程を含んでよい。半導体装置の製造方法は、半導体ユニットの第１主面、もしくは冷却器の平坦面に金属ナノ粒子を含んだペーストを塗布する工程を含んでよい。半導体装置の製造方法は、ペーストを介して半導体ユニットの第１主面と冷却器の平坦面を接触させる工程を含んでよい。半導体装置の製造方法は、ペーストを昇温すると同時に半導体ユニットの第２主面に面内で均一な加圧力を加え、ペーストを焼結して接合層を形成する工程を含んでよい。
加圧力は、第２主面の面内において±１０％以内のばらつきであってよい。半導体ユニットの準備工程において、放熱部を凸に反らせてよい。放熱部の周辺部と冷却器の間の隙間が、１０μｍ以上、３００μｍ以下であってよい。放熱部の周辺部と冷却器の間の隙間が、２０μｍ以上、１００μｍ以下であってもよい。放熱部の中央部は冷却器と接してもよい。
加圧力が、５ＭＰａ以上、２０ＭＰａ以下であってよい。昇温する温度が、１５０℃以上、３５０℃以下であってよい。
半導体装置は、放熱部を備えた第１主面と、第１主面と対向する第２主面を有し、半導体チップを搭載した半導体ユニットを備えてよい。半導体装置は、平坦面を有し、平坦面が半導体ユニットの第１主面と対向して位置する冷却器と、金属ナノ粒子の焼結体で構成され、半導体ユニットの第１主面と前記冷却器の平坦面とを接合し、中央部よりも周辺部の方が厚い接合層を備えてよい。
接合層の周辺部の厚さが１０μｍ以上、３００μｍ以下であってよい。接合層の周辺部の厚さが２０μｍ以上、１００μｍ以下であってもよい。放熱部の中央部は冷却器と接してもよい。
放熱部は、回路板と、絶縁板と、金属板が積層して構成される絶縁基板であってよい。冷却器は金属板と接合されてよい。半導体チップは回路板に固定されてよい。金属ナノ粒子が、銀もしくは銅で構成されてよい。
実施の形態を以下の実施例で説明する。
実施の形態を通して共通の構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。
なおこの実施例は、説明された実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。
＜実施例１＞
図１は、この発明に係る第１実施例の半導体装置１００の構成図である。図１（ａ）は要部断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の縦方向を拡大した金属板３ｃと冷却器２の接合部を拡大した断面図である。
この半導体装置１００は、金属製の冷却器２と、この冷却器２に接合層４を介して固着した半導体ユニット１からなる。この接合層４は金属ナノ粒子、例えば銀ナノ粒子を用いた接合材であるペースト５を焼結した層である。
半導体ユニット１は、第１主面（図では下面）に放熱部である絶縁基板３を備えている。絶縁基板３は、例えばセラミックなどの絶縁板３ｂと、この絶縁板３ｂの裏面に形成した金属板３ｃと、絶縁板３ｂのおもて面に形成した回路板３ａからなる。
回路板３ａに、はんだ１４で固着したＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）などの半導体チップ１３と外部端子１２を備える。また半導体チップ１３および回路板３ａを電気的に接続するワイヤ１５を備える。さらに折り曲げられた外部端子１２の先端部１２ａと、金属板３ｃの裏面および側面の一部を露出させて封止するモールド樹脂１１を備える。ここでは、先端部１２ａの下に図示しないナットグローブが配置されている。
金属板３ｃの露出面により、半導体ユニット１の第１主面１ａが形成されている。またモールド樹脂１１および外部端子１２の先端部１２ａにより、半導体ユニット１の第２主面１ｂが形成されている。
さらに、半導体ユニット１の放熱部を備えた第１主面１ａと接合層４を介して固着する、金属製の冷却器２を備える。冷却器２は平坦面２ｃを有する冷却板２ａと、平坦面２ｃと対向する面に配置されたフィン２ｂで構成されている。
本実施例では図１（ｂ）に示す通り、冷却器２の平坦面２ｃに、下方に凸状に湾曲した絶縁基板３（図では金属板３ｃ）を配置する。そして、平坦面２ｃと絶縁基板３との間に配置された接合層４を、中央部よりも周辺部が厚くなるようにする。中央部および周辺部は平坦面２ｃと平行な面内における位置を指す。また、接合層４の中央部とは、絶縁基板３の中心に対向する領域を指してよい。本例では、絶縁基板３の凸部の先端に対向する領域を、接合層４の中央部とする。また、第１主面１ａの周辺部（例えば絶縁基板３のエッジ）に対向する領域を、接合層４の周辺部としてよい。すなわち、絶縁基板３の凸部に対向する接合層４の領域よりも、絶縁基板３のエッジに対向する接合層４の領域のほうが厚くてよい。絶縁基板３のエッジに対向する接合層４の厚みとは、絶縁基板３のエッジの全周にわたる厚みの平均値を指してよく、最小値を指してもよい。この際、第１主面１ａの周辺部での接合層４の厚さＫを１０μｍ〜３００μｍにする。また、好ましくは２０μｍ〜１００μｍにする。この厚さＫの値は、絶縁基板３の大きさ、回路板３ａや金属板３ｃの体積、モールド樹脂１１の体積およびはんだ１４の体積などで制御することができる。厚さＫは金属板３ｃと冷却器２の間の隙間Ｔとほぼ同じ値に設定する。なお、接合層４の厚みは、中央部で最小となり、周辺部で最大となってよい。中央部から周辺部にかけて、接合層４の厚みは漸増することが好ましい。
詳細は後述するが、ペースト５には金属ナノ粒子を被覆する有機膜や粒子分散用の溶媒などの有機物が含まれ、これは焼結時にガスとなる。ここで周辺部の隙間Ｔの長さを１０μｍ〜３００μｍにすることで、ペースト内で発生したガスを隙間Ｔから効率的に外部に放散させることができる。このため、過剰なガスを含まず信頼性の高い接合層４を得ることができる。
尚、半導体装置１００は、例えば、２ｉｎ１の単相回路が形成された半導体モジュールである。２ｉｎ１の単相回路が形成された半導体モジュールを共通の冷却器に複数並べて接合層を介して接合することで、２相または３相回路を形成した半導体装置にすることができる。つまり、４ｉｎ１、６ｉｎ１、１２ｉｎ１で構成された半導体装置となる。
＜実施例２＞
図２〜図６は、この発明に係る第２実施例の半導体装置１００の製造方法を工程順に示した要部工程図である。
図２（ａ）は半導体ユニット１の断面図、図２（ｂ）は冷却器２の断面図、図２（ｃ）は縦方向を拡大した半導体ユニット１の放熱部の一部である金属板３ｃの断面図、図２（ｄ）は縦方向を拡大した冷却器２の断面図である。
まず、半導体ユニット１と冷却器２を準備する。このとき半導体ユニット１は、放熱部である絶縁基板３を中央部が下向きに凸になるように湾曲させる。すなわち、半導体ユニット１の第１主面１ａも中央部が下向きに凸になるように湾曲させる。第１主面１ａの中央部を基準とした周辺部の高さＨは、１０μｍ〜３００μｍ（好ましくは、２０μｍ〜１００μｍ）にする。
図３は、図２に示した工程の次の工程を示した図である。
半導体ユニット１の第１主面１ａに、金属ナノ粒子を用いた接合材であるペースト５を厚さ１００μｍ〜２００μｍ程度に塗布する。ペースト５は図９に示すように、例えば銀などで構成される金属ナノ粒子６と、金属ナノ粒子６を被覆する有機膜７と、金属ナノ粒子６を分散させる溶媒８で構成される。溶媒８はエチレングリコール、トルエン、テトラデカン、ブタンジオール、低級アルコールの一種または複数種を含んでいる。
図４は、図３に示した工程の次の工程を示した図である。
冷却器２の平坦面２ｃに、半導体ユニット１の第１主面１ａをペースト５を介して接触させて、半導体ユニット１を冷却器２上に載置する。半導体ユニット１の第１主面１ａの周辺部と冷却器２の平坦面２ｃとの隙間Ｔは、第１主面１ａの中央部と平坦面２ｃが殆ど接している場合はＨと同じになる。隙間Ｔは１０μｍ〜３００μｍとするのが好ましく、２０μｍ〜１００μｍとするのがより好ましい。
なお、本実施例では第１主面１ａにペースト５を塗布したが、平坦面２ｃにペースト５を塗布してから、半導体ユニット１と冷却器２を接触させても良い。
図５は、図４に示した工程の次の工程を示した図である。
冷却器２とそれに載置した半導体ユニット１を加熱炉９に入れ、加熱炉内の温度を上げてペースト５を焼結する。同時に半導体ユニット１の第２主面１ｂに、加圧機構２０を用いて均一な加圧力Ｐを加える。このとき、ペースト５内の有機膜７および溶媒８に起因するガスは外周部から取り除かれ、金属ナノ粒子６同士が接触する。そして所定の加圧力Ｐを加えることにより、金属ナノ粒子６同士が接合し、良好な接合層４が得られる。
この工程で加圧力Ｐが第２主面１ｂの面内で不均一（例えば片押しなど）になると、金属ナノ粒子６同士の接合力にムラができ、接合面の全域に亘って良好な接合性を得ることが困難になる。このため加圧は第２主面１ｂの面内で均一に行うことが重要となる。この加圧力のばらつきは、面内で±１０％以内に抑制すると良い。
第１主面１ａの周辺部での接合層４の厚さＫを１０μｍ未満にすると、平均した厚みが薄くなり過ぎて接合強度が低下し、ヒートサイクル耐量が低下する。また、厚さＫが３００μｍを超えると接合層４の熱抵抗が増大し、放熱特性が低下する。そのため、接合層４の厚さＫは１０μｍ〜３００μｍにするとよい。また、厚さＫは２０μｍ〜１００μｍがより好ましい。接合層４の熱伝導率（１７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上）はコンパウンドやはんだに比べて大きいため、接合層４の厚さＫが周辺部で厚くなっても、３００μｍ以下であれば熱抵抗に及ぼす影響は小さい。
加熱炉９の内部温度が１５０℃未満では焼結が不十分になり接合強度が低下する。また、内部温度が３５０℃を超えると、冷却器２などの金属部材（例えばアルミや銅）が酸化するため好ましくない。そのため、加熱炉９の内部温度は１５０℃〜３５０℃が好適である。加熱炉９の温度を２５０℃以上にする場合には、回路板３ａと半導体チップ１３の間を接合するはんだ１４は高温はんだを用いるとよい。
加圧力Ｐが５ＭＰａ未満では、金属ナノ粒子６に加えられる加圧力Ｐが不十分で焼結が不十分になり接合強度が低下する。また加圧力Ｐが２０ＭＰａを超えると絶縁基板３に割れが生じうる。そのため、加圧力Ｐは５ＭＰａ〜２０ＭＰａが好適である。
加熱・加圧時間が２０分未満では、焼結が不十分であり、十分な接合強度が得られない。一方、この時間が６０分を超えても焼結状態の変化が少なく、非効率である。そのため、加熱・加圧時間は２０分〜６０分にするとよい。
図６は、図５に示した工程の次の工程を示した図である。半導体ユニット１および冷却器２を加熱炉９から取り出して、半導体装置１００は完成する。
図７は、図５に示した加圧機構２０の具体例として、加圧機構２０ａについて示した図である。
加圧機構２０ａは、加圧ブロック２１と、例えば鋼鉄で構成される球２３と、加圧棒２４で構成される。半導体ユニット１の第２主面１ｂが平坦な場合、その面に接触する加圧ブロック２１の裏面も平坦にする。加圧ブロック２１の厚さは加圧により変形が起こらないようにするため厚くする（たとえば１ｃｍ程度）。加圧ブロック２１の材質は、塑性変形が起こりにくい鉄、モリブデン、タングステンなどを用いる。また、加圧ブロック２１のおもて面の中央に、球２３を受ける受け皿２２を設ける。この受け皿２２に球２３を配置し、球２３を柱状の加圧棒２４で加圧する。この加圧は通常のプレス装置などを用いて行う。
この加圧機構２０ａにおいて、加圧棒２４から球２３に伝達される力Ｆ１が垂線から傾いても、球２３から加圧ブロック２１の受け皿２２に伝達される力Ｆ２は一点に集中する。その一点に集中した力Ｆ２は加圧ブロック２１内で分散した力Ｆ３となり、加圧ブロック２１の裏面では均一な加圧力Ｐとなる。この均一な加圧力Ｐが半導体ユニット１の第２主面１ｂに伝達され、さらに半導体ユニット１の放熱部である絶縁基板３を介して均一な加圧力Ｐは金属ナノ粒子６に伝わる。そのため、金属ナノ粒子６同士の接触圧力は接合面内で均一になり、良好な接合層４が形成されて、接合面全域で良好な接合性が得られる。なお、ここで均一な加圧力Ｐとは、加圧力Ｐの面内のばらつきが±１０％以下であることをいう。
図８は、異なる加圧機構２０ｂについて示した図である。この加圧機構２０ｂは、耐熱性で柔軟性のある袋３１（耐熱性ゴム袋など）と、その中に充填されるカーボンパウダ３２と、加圧棒３３からなる。この袋３１を介して半導体ユニット１の第２主面１ｂを押すことにより、静水圧の原理で均一に第２主面１ｂを加圧することができる。静水圧を利用して加圧するので、加圧される第２主面１ｂに凹凸があっても均一な加圧力Ｐが半導体ユニット１に伝達される。尚、前記の袋３１は前記した耐熱性ゴム袋の他に耐熱性と柔軟性を有するエポキシ樹脂シートなどで形成した袋でも構わない。
尚、前記した冷却器２は風冷もしくは自冷の場合を示したが、水冷の場合の冷却器にも本実施例は当然適用できる。また冷却器２をコンパクトにしたい場合などには、フィン２ｂは無くとも構わない。
また、金属ナノ粒子６として銀ナノ粒子を例にとって説明したが、これに限るものではなく、例えば銅ナノ粒子などであっても構わない。
以上の実施例によれば、金属ナノ粒子を含む金属ナノ接合層を介して半導体ユニットと冷却器を均一な加圧力で接合することで、良好な接合性を有する冷却性能の高い半導体装置およびその製造方法を提供できる。
また、以上の実施例によれば、従来構造のような、金属ベース５１とコンパウンド６３を使用しないので、使用部材のコストダウンができる。さらに、金属ベース５１を用いないので、金属ベース５１分の厚みが減少し、半導体装置１００を小型化することができる。
１ 半導体ユニット
２ 冷却器
２ａ 冷却板
２ｂ フィン
３ 絶縁基板（放熱部）
３ａ 回路板
３ｂ 絶縁板
３ｃ 金属板
４ 接合層
５ ペースト
６ 金属ナノ粒子
７ 有機膜
８ 溶媒
９ 加熱炉
１１ モールド樹脂
１２ 外部端子
１３ 半導体チップ
１４ はんだ
１５ ワイヤ
２０，２０ａ，２０ｂ 加圧機構
２１ 加圧ブロック
２２ 受け皿
２３ 球
２４，３３ 加圧棒
３１ 袋
３２ カーボンパウダ
１００ 半導体装置

Claims (5)

  1. 放熱部を備えた第１主面と、前記第１主面と対向する第２主面を有し、半導体チップを搭載した半導体ユニットを準備する工程と、
    平坦面を有する冷却器を準備する工程と、
    前記半導体ユニットの第１主面、もしくは前記冷却器の平坦面に金属ナノ粒子を含んだペーストを塗布する工程と、
    前記ペーストを介して前記半導体ユニットの第１主面と前記冷却器の平坦面を接触させる工程と、
    前記ペーストを昇温すると同時に、パウダーが充填された柔軟性のある袋を介して、前記半導体ユニットの前記第２主面を押すことで、前記半導体ユニットの前記第２主面に面内で均一な加圧力を加え、前記ペーストを焼結して接合層を形成する工程と、
    を含み、
    前記半導体ユニットの準備工程において、前記放熱部を前記冷却器側に凸に反らせ、
    前記接触させる工程において、前記放熱部の中央部を前記冷却器に直接接触させる半導体装置の製造方法。
  2. 前記加圧力は、前記第２主面の面内において±１０％以内のばらつきであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記放熱部の周辺部と前記冷却器の間の隙間が、１０μｍ以上、３００μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記加圧力が、５ＭＰａ以上、２０ＭＰａ以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記昇温する温度が、１５０℃以上、３５０℃以下であることを特徴とする請求項１から４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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