JP7351134B2

JP7351134B2 - 半導体装置及び半導体装置の製造方法

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Publication number: JP7351134B2
Application number: JP2019146418A
Authority: JP
Inventors: 龍男西澤
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2019-08-08
Filing date: 2019-08-08
Publication date: 2023-09-27
Anticipated expiration: 2039-08-08
Also published as: JP2021027288A

Description

本発明は、半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する。

一般的なパワー半導体装置は、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）やＭＯＳ電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）等の半導体素子を有する半導体チップ、プリント回路基板（ＰＣＢ）、絶縁回路基板、及び放熱ベース等を備える。半導体チップ、絶縁回路基板、及び放熱ベースそれぞれの間の接合には、はんだ材や焼結材等が用いられる。近年、パワー半導体装置は、小型軽量化とともに高機能化の要求から、回路の高集積化が伸展している。更に、高温動作が可能な炭化ケイ素（ＳｉＣ）等の半導体素子を用いる半導体装置への適用に向けた開発が進められ、半導体装置の高温動作環境下での高い信頼性が求められている。

半導体装置の接合材料には、これまで錫アンチモン（ＳｎＳｂ）系、錫銀（ＳｎＡｇ）系等のはんだ材料が多く採用されている。しかし、半導体装置の動作温度がはんだ材料の融点に近くなり、信頼性の低下が懸念される。そのため、高温動作化に対応できる接合材料として、銀（Ａｇ）や銅（Ｃｕ）等の金属粒子の焼結作用を利用した焼結金属層の適用が検討されている。

焼結材による焼結接合では、過熱しながら加圧して焼結反応を起こさせ、部材間の接合を行う。機械特性、電気特性及び熱特性等が均一な焼結金属層を得るために、均一な加圧が必要となる。そのため、従来は、絶縁回路基板と放熱ベースとの間、及び半導体チップと絶縁回路基板との間のそれぞれの接合は別々に加圧して行われる。例えば、放熱ベースの上面に塗布した焼結材の上に被接合部材である絶縁回路基板を乗せ、絶縁回路基板の上から直接圧力を加えて接合する。接合した絶縁回路基板の配線層に塗布した焼結材の上に被接合部材である半導体チップを乗せ、半導体チップの上から直接圧力を加えて接合する。厚さの異なる複数の半導体チップを接合する場合は、弾性体からなる緩衝材を挟んで加圧する。焼結材の加圧は、均一な荷重で焼結金属層の密度を高め、焼結材に含まれる空隙を低減して必要な機械特性、電気特性及び熱特性等を実現する。特許文献１には、半導体装置の焼結材等による構成要素間の接続において、変形可能な弾性体からなる加圧シートを用いて、構成要素の端部等での機械的応力による損傷を防止することが記載されている。

従来の接合法では、被接合部材を直接加圧するため、被接合部材の直下の焼結材には圧力が加わるが、被接合部材の外縁部の焼結材には圧力を加えることができない。そのため、被接合部材の直下の焼結金属層の密度は高めることができるが、被接合部材の外縁部では焼結金属層は粗密度となる。被接合部材の端部では、印加された圧力が無圧力の外縁部に逃げるため、被接合部材直下よりも低密度の焼結金属層となる。焼結金属層が高密度であれば機械特性、電気特性及び熱特性等の性能は向上するが、低密度になるに従い性能は低下する。機械特性が低いと焼結金属層に発生するクラックの起点となる。電気特性や熱特性のむらが生じることにより、半導体装置の性能が低下する。また、従来の接合法では、被接合部材はそれぞれ別々に加圧しなければならず、工程数が増加する。

セラミックや金属等の粉末からなる成形体を等方的に加圧して焼結体を得る方法が提案されている。特許文献２には、焼結成形体を流動性粉体からなる圧力媒体中に埋設し、焼結開始温度以上に昇温した後に成形体に等方的に圧力を加えて緻密で強度等の特性に優れた焼結体を得る方法が開示されている。特許文献３には、焼結成形体を流動性球状粉体からなる圧力媒体中に埋設し、斜面からなるプレス型を用いて圧力媒体を介して成形体に等方的に圧力を加えて焼結体を得る加圧装置が開示されている。特許文献４には、通常のプレス型を用いて、非圧縮性物質を弾性中空体の中に封入した擬似流体と潤滑剤とを充填したプレス容器内に成形体を埋設して、周囲から均一に加圧することが記載されている。特許文献５には、球状セラミックからなる圧力媒体の中に成形体を埋設し、加熱しながら圧力を加えて均一に圧縮された焼結体を得ることが記載されている。特許文献６には、セラミック粉末からなる圧力媒体の中に接合母材及び被接合母材を埋設し、加熱しながら圧力を加えて拡散接合を行うことが記載されている。しかし、被接合部材を加圧して燒結反応を起こす燒結接合では、被接合部材は塗布した焼結材の上に乗っているだけで固定されていない。そのため、等方的な加圧では、部材間の接合面に直交する上下方向だけでなく左右方向や斜め方向からも圧力が印加されることになる。そのため、被接合部材の位置ずれが発生する可能性がある。また、特許文献７には、プリント回路基板等の接続ピンの側面に、接続ピンの中心部側に向く傾斜面を設け、焼結材に対して側面側から中心部側に向かって加圧することが記載されている。この場合、傾斜面が設けられた接続ピンの側面の外縁部の焼結材は加圧されない。

国際公開第２０１７／１３７４２０号公報特開平７－２４２９１０号公報特開平７－２４７１７３号公報特開平３－１４０４０１号公報特開昭５９－２１５４０２号公報特開平６－１４２９４７号公報特開２０１４－３１８２号公報

上記課題に鑑み、本発明は、接合層の密度差の発生を抑制することができ、高品質で高寿命化を実現することが可能な半導体装置及び半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、（ａ）第１部材と、（ｂ）第１部材に離間して配置された第２部材と、（ｃ）第１部材および第２部材に直接接して挟まれた領域である接合部と、接合部を囲む外縁部とを有する焼結金属層と、を備える半導体装置であって、焼結金属層に含まれる空隙の体積密度を示す空隙率が、接合部と外縁部とで均一である半導体装置であることを要旨とする。

本発明の他の態様は、（ａ）第１部材および第２部材を準備するステップと、（ｂ）第１部材および第２部材に直接接して挟まれた領域である接合部と、接合部を囲む外縁部とを有する焼結金属層を形成するステップと、（ｃ）第１部材、第２部材および焼結金属層を圧力容器内に配置し、その後、少なくとも焼結金属層と接するように圧力容器内に球状粉体を充填するステップと、（ｄ）焼結金属層を加熱しながら球状粉体を加圧するステップと、を含む半導体装置の製造方法であることを要旨とする。

本発明によれば、接合層の密度差の発生を抑制することができ、高品質で高寿命化を実現することが可能な半導体装置及び半導体装置の製造方法を提供できる。

本発明の第１実施形態に係る半導体装置の構造の一例を示す断面概略図である。第１実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示すフローチャートである。第１実施形態に係る半導体装置の製造方法の工程の一例を説明するための断面概略図である。第１実施形態に係る半導体装置の製造方法の図３に引き続く工程の一例を説明するための断面概略図である。第１実施形態に係る半導体装置の製造方法の図４に引き続く工程の一例を説明するための断面概略図である。第１実施形態に係る半導体装置の製造方法の図５に引き続く工程の一例を説明するための断面概略図である。第１実施形態に係る半導体装置の製造方法の工程の他の例を説明するための断面概略図である。第１実施形態に係る半導体装置の製造方法の加圧工程の一例を説明するための断面概略図である。従来の半導体装置の製造方法の加圧工程の一例を説明するための断面概略図である。球状粉体の流動性の指標を示す表である。第１実施形態に係る半導体装置の焼結金属層の空隙率を示す断面概略図である。従来の半導体装置の焼結金属層の空隙率を示す断面概略図である。第１実施形態に係る半導体装置の構造の他の例を示す断面概略図である。第１実施形態に係る半導体装置の構造の他の例を示す断面概略図である。本発明の第２実施形態に係る半導体装置の構造の一例を示す断面概略図である。第２実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示すフローチャートである。第２実施形態に係る半導体装置の製造方法の工程の一例を説明するための断面概略図である。第２実施形態に係る半導体装置の製造方法の図１７に引き続く工程の一例を説明するための断面概略図である。第２実施形態に係る半導体装置の製造方法の図１８に引き続く工程の一例を説明するための断面概略図である。第２実施形態に係る半導体装置の製造方法の図１９に引き続く工程の一例を説明するための断面概略図である。第２実施形態に係る半導体装置の構造の他の例を示す断面概略図である。第２実施形態に係る半導体装置の構造の他の例を示す断面概略図である。

以下、図面を参照して、本発明の第１及び第２実施形態を説明する。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、重複する説明を省略する。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は実際のものとは異なる場合がある。また、図面相互間においても寸法の関係や比率が異なる部分が含まれ得る。また、以下に示す実施形態は、本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、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。

また、以下の説明における上下等の方向の定義は、単に説明の便宜上の選択であって、本発明の技術的思想を限定するものではない。例えば、対象を９０°回転して観察すれば上下は左右に変換して読まれ、１８０°回転して観察すれば上下は反転して読まれることは勿論である。同様に「表」「裏」の関係も１８０°回転すれば、反転した用語が定義される。

（第１実施形態）
＜半導体装置＞
本発明の第１実施形態に係る半導体装置は、図１に示すように、絶縁回路基板３、接合層としての焼結金属層２ａ、及び半導体チップ１ａ、１ｂを備える。絶縁回路基板３は、絶縁板３１、絶縁板３１の上面にパターニングされた配線層３３ａ、３３ｂ、及び絶縁板３１の下面に設けられた放熱層（金属板）３２を有する。半導体チップ１ａ、１ｂの下面は、それぞれ焼結金属層２ａを介して絶縁回路基板３の配線層３３ａに電気的に接続される。半導体チップ１ａの上面は、ボンディングワイヤ等の配線材９ａを介して絶縁回路基板３の配線層３３ｂに電気的に接続される。半導体チップ１ｂの上面は、ボンディングワイヤ等の配線材９ｂを介して絶縁回路基板３の配線層３３ｂに電気的に接続される。絶縁回路基板３の配線層３３ａは、上面が一端部において接合部材２０を介して外部端子６に電気的に接続される。絶縁回路基板３の配線層３３ｂは、上面が一端部においてはんだ等の接合部材２０を介して外部端子６に電気的に接続される。絶縁回路基板３の放熱層３２は、接合層としての焼結金属層２ｂを介して放熱ベース１０に接続される。第１実施形態に係る半導体装置は、外部端子６が露出するように、外装ケース８に内蔵された封止樹脂７の内部に封止される。

半導体チップ１ａ、１ｂをなすパワー半導体素子としては、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等の３端子素子、フリーフォイールダイオード（ＦＷＤ）、ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）等の２端子素子等が含まれる。焼結金属層２ａ、２ｂの材料として、ナノメートルサイズの銀（Ａｇ）やＣｕ等のナノ粒子が用いられる。あるいは、焼結金属層２ａ、２ｂの材料として、ナノ粒子にマイクロメートルサイズの粉末を含む複合物であってもよい。配線材９ａ、９ｂとして、アルミニウム（Ａｌ）や金（Ａｕ）等のボンディングワイヤを例示しているが、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）等からなるリードフレーム、金属板、金属箔等を用いてもよい。絶縁回路基板３は、例えば、セラミック基板の表面に銅が共晶接合された直接銅接合（ＤＣＢ）基板、セラミック基板の表面に活性金属ろう付け（ＡＭＢ）法により金属が配置されたＡＭＢ基板等を採用可能である。セラミック基板の材料は、例えば、窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）等を採用可能である。なお、後述するように、Ａｇナノ粒子等による接合を考慮して、絶縁回路基板３の配線層３３ａ、３３ｂ及び放熱層３２の表面にはＡｇやＡｕ等のめっき層を設けることが望ましい。

第１実施形態に係る半導体装置では、半導体チップ１ａ、１ｂがそれぞれ、焼結金属層（第１焼結金属層）２ａを介して絶縁回路基板３の配線層３３ａに電気的に接続される。また、絶縁回路基板３の放熱層３２が焼結金属層（第２焼結金属層）２ｂを介して放熱ベース１０に電気的に接続される。更に、外部端子６が絶縁回路基板３の配線層３３ａに接合部材２０を介して電気的に接続される。後述するように、焼結金属層２ａ、２ｂは均一な密度を有するので、機械特性、電気特性及び熱特性が均一となるため、各部材間の接合品質のばらつきを抑制することができる。その結果、高品質で高寿命を有する半導体装置を実現することができる。なお、外部端子６は、発熱部である半導体チップ１ａ、１ｂとは離間して配置されているため、絶縁回路基板３の配線層３３ａ、３３ｃにはんだ等の接合部材２０を介して電気的に接続される。しかし、接合部材２０として、燒結金属を用いてもよい。

＜半導体装置の製造方法＞
次に、図２のフローチャートに沿って、図３～図６に示す工程断面図を参照しながら、第１実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を説明する。なお、以下に述べる抵抗素子の製造方法は一例であり、特許請求の範囲に記載した趣旨の範囲であれば、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることは勿論である。

まず、放熱ベース１０、絶縁回路基板３、及び半導体チップ１ａ、１ｂを準備する。部材間の接合材として、Ａｇナノ粒子を溶剤中に分散させた金属粒子ペーストを用いる。ステップＳ１００で、放熱ベース１０の上面に、印刷法や分注法等によって、金属粒子ペースト層を１００μｍ以上３００μｍ以下程度の厚さで選択的に塗布する。金属粒子ペースト層の塗布領域は、平面視で、絶縁回路基板３の放熱層３２に接する接合部と、この接合部を囲む外縁部とからなる。外縁部の幅は、例えば１ｍｍ程度である。ステップＳ１０１で、塗布した金属粒子ペースト層を、金属粒子の焼結が生じない１００℃以上、１５０℃未満の温度範囲で乾燥させて溶剤を除去し、多孔質金属層２ｂを積層する。

ステップＳ１０２で、絶縁回路基板３の配線層３３ａの上面に、印刷法や分注法等によって、金属粒子ペースト層を１００μｍ～３００μｍ程度の厚さで選択的に塗布する。金属粒子ペースト層の塗布領域は、平面視で、半導体チップ１ａ、１ｂそれぞれの裏面に接する接合部と、これらの接合部のそれぞれを囲む外縁部とからなる。外縁部の幅は、例えば１ｍｍ程度である。ステップＳ１０３で、塗布した金属粒子ペースト層を、金属粒子の焼結が生じない１００℃以上、１５０℃未満の温度範囲で乾燥させて溶剤を除去し、多孔質金属層２ａｐを積層する。

ステップＳ１０４で、多孔質金属層２ａｐが積層された絶縁回路基板３を、放熱ベース１０の上面に積層された多孔質金属層２ｂｐに放熱層３２が接触するように配置する。ステップＳ１０５で、絶縁回路基板３の配線層３３ａに積層された多孔質金属層２ａｐの上に半導体チップ１ａ、１ｂをそれぞれ搭載する。図３に示すように、放熱層３２は多孔質金属層２ｂｐの接合部と接しているだけで、物理的に接続されていない。多孔質金属層２ｂｐの外縁部は放熱層３２と接触せず外側にはみ出している。また、半導体チップ１ａ、１ｂはそれぞれ多孔質金属層２ａｐの接合部と接しているだけで、物理的に接続されていない。多孔質金属層２ａｐの外縁部は半導体チップ１ａ、１ｂのそれぞれとは接触せず外側にはみ出している。

放熱ベース１０、絶縁回路基板３及び半導体チップ１ａ、１ｂを重ね合わせた接合対象部材を、図４に示すように、圧力容器１１の中に配置する。ステップＳ１０６で、図５に示すように、圧力容器１１内で、接合対象部材の上０ｍｍ～３ｍｍ程度の範囲で、接合対象部材の周囲に密に球状粉体層１２を充填する。ステップＳ１０７で、図６に示すように、圧力容器１１の上部から底面に向かって加圧板１３によって球状粉体層１２を１０ＭＰａ以上、２０ＭＰａ以下の圧力で加圧する。接合対象部材を加圧しながら、圧力容器１１の下部に設けた加熱機構（図示省略）により１５０℃以上、４００℃以下、好ましくは、２００℃以上、２５０℃以下の温度で加熱する。その結果、半導体チップ１ａ、１ｂのそれぞれと絶縁回路基板３の配線層３３ａとが焼結金属層２ａによって接合され、絶縁回路基板３の放熱層３２と放熱ベース１０とが焼結金属層２ｂによって接合される。焼結金属層２ａ、２ｂにおいて燒結反応が起こって燒結金属が圧縮され、燒結金属間の空隙が減少する。例えば、１００μｍ程度の厚さで塗布した金属粒子ペースト層は、加圧により３０μｍ程度に圧縮される。

ステップＳ１０８で、接合した対象部材を冷却した後、球状粉体層１２を除去する。その後、ステップＳ１０９で、半導体チップ１ａ、１ｂの上面に設けられた表面電極（図示省略）が、ボンディングワイヤ等の配線材９ａ、９ｂによって絶縁回路基板３の配線層３３ｂに電気的に接続される。ステップＳ１１０で、対象部材を外装ケース８の内部に配置して、封止樹脂７により封止する。このようにして、図１に示した第１実施形態に係る半導体装置が作製される。上記説明では、外部端子６の接合は省略したが、ステップＳ１０９で外部端子６と絶縁回路基板３の配線層３３ａ、３３ｂとをはんだ等の接合部材２０によって接合すればよい。なお、外部端子６を燒結金属で接合する場合は、ステップＳ１０２で絶縁回路基板３の配線層３３ａ、３３ｂのそれぞれの端部に金属粒子ペーストを塗布し、ステップＳ１０５で半導体チップ１ａ、１ｂの搭載時に外部端子６を配置する。その後、ステップＳ１０７で燒結接合を同時に行う。

第１実施形態では、球状粉体層１２を介して接合対象部材が加圧されるため、接合対象部材の外表面と焼結金属層２ａ、２ｂの全体とが均一に圧縮される。そのため、焼結金属層２ａ、２ｂのそれぞれが均一に加圧されて燒結金属内の空隙に起因する密度差を低減することができ、強度、抵抗値、熱伝導や熱伝達等の物性値の不均一を低減することができる。

また、焼結金属層２ａ、２ｂの品質を向上させるために、図７に示すように、充填した球状粉体層１２の上に弾性体からなる加圧シート１４を隙間なく被せ、その上に更に球状粉体層１２ａを、例えば５ｍｍ程度の厚さで充填してもよい。加圧シート１４を介して加圧することにより、接合対象部材全体を圧力容器１１の底面に押し当てる圧力を高め、加圧の方向性を付与することができる。加圧シート１４として、ＦＦＫＭ、ＰＰＳ、ＰＳＵ、ＰＥＳ、ＰＡＲ、ＰＡＩ、ＴＰＩ、ＰＥＩ、ＰＥＥＫ、ＬＣＰ等のエンジニアリングプラスチックが採用可能である。図７では、半導体チップ１ａ、１ｂの上面に接するように加圧シート１４を用いているが、半導体チップ１ａ、１ｂと加圧シート１４との間に、３ｍｍ以下程度の厚さで球状粉体層１２を介在させてもよい。

球状粉体層１２として、流動性を有し、加熱や加圧により変形や接合しない高強度、高融点の無機系材料や金属の球状材料が用いられる。具体的には、ジルコニア（ＺｒＯ₂）、窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）等のセラミック球、及び鋼鉄（Ｆｅ）球等が採用可能である。球状粉体層１２の球状粉体の流動性は、図１０に示すように、圧縮度、ハウスナ比（Ｈａｕｓｎｅｒ比）、及び安息角を指標にして表される。球状粉体層１２の球状粉体の流動性は、図１０の「やや良好」～「非常に良好」となる範囲、圧縮度が２０％以下、Ｈａｕｓｎｅｒ比が１．２５以下、安息角が４０°以下が望ましい。球状粉末の直径は、多孔質金属層２ａｐ、２ｂｐの厚さの１／３以下程度が望ましい。燒結後の焼結金属層２ａ、２ｂは厚さが２０μｍ～１００μｍ程度である。したがって、球状粉体の直径として、６μｍ～３０μｍ以下程度が望ましい。焼結金属層の厚さに対して球状粉体の直径が１／３より大きくなると、燒結金属層と球状粉体とでブリッジを形成して球状粉体の流動性が劣化し、焼結金属層に加圧ができなくなるためである。

図８は、第１実施形態に係る燒結方法による球状粉体層１２の焼結金属層２に対する加圧方向のイメージ図である。比較のために、図９には球状粉体を用いない従来の燒結方法による焼結金属層２に対する加圧方向のイメージを示す。第１実施形態に係る燒結方法では、図８の領域Ａに示すように、絶縁回路基板３の放熱層３２に接する接合部には放熱層３２から直接圧力がかかる。放熱層３２から外にはみ出た外縁部、及び焼結金属層２がない放熱ベース１０の上面には、それぞれ球状粉体層１２の球状粉末を介して圧力がかかる。そのため、焼結金属層２にかかる圧力の逃げるところが無くなり、焼結金属層２の加圧が均一になる。その結果、燒結金属の密度が焼結金属層２で全体的に高くなる。一方、従来の燒結方法では、図９に示すように、絶縁回路基板３の放熱層３２に接する接合部の中央領域Ｂでは厚さ方向に垂直に圧力がかかり、燒結金属の密度は高くなる。しかし、放熱層３２の外にはみ出した焼結金属層２の外縁部の領域Ｄでは、無加圧となり焼結金属層２の燒結金属の密度は加圧前の状態で粗密度のままである。そして、放熱層３２の端部に接する領域Ｃでは、無加圧の外縁部の領域Ｄの方向に圧力が逃げるため、領域Ｄよりは高いが、領域Ｂより低い燒結金属の密度となる。

図１１及び図１２には、第１実施形態に係る燒結方法による焼結金属層２の空隙率の分布、及び従来の燒結方法による焼結金属層２の空隙率の分布を示す。空隙率は、焼結金属層２に含まれる空隙の体積密度、即ち、燒結金属層２の全体積に占める空隙の体積の割合で定義される。空隙率は焼結金属層の断面組織の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）像から求めることができる。図１１に示すように、第１実施形態では焼結金属層２の接合部及び外縁部の全域にわたり空隙率が１０％以上２０％以下の範囲である。図１２に示すように、従来の燒結方法によれば、図９の領域Ｂに対応する焼結金属層２の接合部では空隙率が１０％以上２０％以下の範囲である。図９の領域Ｃに相当する放熱層３２の端部では空隙率が１０％以上２０％以下の範囲から外縁部に向かって２０％以上４０％以下の範囲に増加する。更に、図９の領域Ｄに相当する焼結金属層２の外縁部では５０％以上７０％以下の範囲と増加している。また、焼結金属層２の接合部と外縁部との境界Ｆでは、燒結時の加圧による断層やクラックが発生する場合もある。このように、第１実施形態によれば、接合対象部材だけではなく焼結金属層２も全体が方向性を持って均一に加圧され、焼結金属層２の空隙率を低減することができる。その結果、焼結金属層２の機械特性、電気特性及び熱特性等を均一にすることができ、半導体装置の信頼性を向上することが可能となる。また、球状粉体により接合部材を加圧するので、寸法公差の大きな部材や重ね合わせた部材を同時に加圧できる。更に、構造が複雑な部材であっても加圧して接合することが可能となる。

なお、上記説明では、放熱ベース１０を用いているが、限定されない。例えば、図１３に示すように、絶縁回路基板３の放熱層３２を放熱用の金属板として用いてもよい。また、図１４に示すように、外装ケース８を用いず、封止樹脂７に半導体チップ１ａ、１ｂ、及び絶縁回路基板３の一部を埋め込む構造であってもよい。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態に係る半導体装置は、図１５に示すように、放熱ベース１０、絶縁回路基板３、焼結金属層２ａ、２ｂ、２ｄ、半導体チップ１ａ、１ｂ、接続ピン５ａ、５ｂ、５ｃ、及び配線基板４を備える。プリント配線基板等の配線基板４は、樹脂板４１、下部配線層４２、及び上部配線層４３を有する。インプラントピン等の複数の接続ピン５ａ、５ｂ、５ｃは、配線基板４の下部配線層４２及び上部配線層４３の少なくとも１つに電気的に接続される。接続ピン５ａは半導体チップ１ａに焼結金属層２ｄを介して電気的に接続される。接続ピン５ｂは半導体チップ１ｂに焼結金属層２ｄを介して電気的に接続される。接続ピン５ｃは絶縁回路基板３の配線層３３ｂに焼結金属層２ｄを介して電気的に接続される。第２実施形態は、配線基板４に接続された接続ピン５ａ、５ｂ、５ｃを介して、半導体チップ１ａ、１ｂと絶縁回路基板３の配線層３３ｂとが電気的に接続される点が第１実施形態と異なる。他の構成は第１実施形態と同様であるので重複する記載は省略する。

第２実施形態に係る半導体装置では、焼結金属層２ａが半導体チップ１ａ、１ｂそれぞれと絶縁回路基板３の配線層３３ａとの接続に用いられる。焼結金属層２ｂが絶縁回路基板３の放熱層３２と放熱ベース１０との接続に用いられる。更に、焼結金属層２ｄが、接続ピン５ａと半導体チップ１ａとの接続に、接続ピン５ｂと半導体チップ１ｂとの接続に、接続ピン５ｃと配線層３３ｂとの接続に、それぞれ用いられる。燒結金属層２ｄも、上述の焼結金属層２ａ、２ｂと同様、均一な密度を有するので、機械特性、電気特性及び熱特性が均一となる。そのため、各部材間の接合品質のばらつきを抑制することができる。その結果、高品質で高寿命を有する半導体装置を実現することができる。なお、外部端子６は、発熱部である半導体チップ１ａ、１ｂとは離間して配置されているため、絶縁回路基板３の配線層３３ａ、３３ｃにはんだ等の接合部材２０を介して電気的に接続される。しかし、接合部材２０として、燒結金属を用いてもよい。

＜半導体装置の製造方法＞
次に、図１６のフローチャートに沿って、図１７～図２０に示す工程断面図を参照しながら、第２実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を説明する。なお、以下に述べる抵抗素子の製造方法は一例であり、特許請求の範囲に記載した趣旨の範囲であれば、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることは勿論である。

まず、放熱ベース１０、絶縁回路基板３、半導体チップ１ａ、１ｂ、及び接続ピン５ａ、５ｂ、５ｃを準備する。部材間の接合材として、Ａｇナノ粒子を溶剤中に分散させた金属粒子ペーストを用いる。ステップＳ２００で、放熱ベース１０の上面に、印刷法や分注法等によって、金属粒子ペースト層を１００μｍ～３００μｍ程度の厚さで選択的に塗布する。金属粒子ペースト層の塗布領域は、平面視で、絶縁回路基板３の放熱層３２に接する接合部と、この接合部を囲む外縁部とからなる。外縁部の幅は、例えば１ｍｍ程度である。ステップＳ２０１で、塗布した金属粒子ペースト層を、金属粒子の焼結が生じない１００℃以上、１５０℃未満の温度範囲で乾燥させて溶剤を除去し、多孔質金属層２ｂｐを積層する。

ステップＳ２０２で、絶縁回路基板３の配線層３３ａの上面に、印刷法や分注法等によって、金属粒子ペースト層を１００μｍ～３００μｍ程度の厚さで選択的に塗布する。金属粒子ペースト層の塗布領域は、平面視で、半導体チップ１ａ、１ｂそれぞれの裏面に接する接合部と、これらの接合部のそれぞれを囲む外縁部とからなる。外縁部の幅は、例えば１ｍｍ程度である。ステップＳ２０３で、塗布した金属粒子ペースト層を、金属粒子の焼結が生じない１００℃以上、１５０℃未満の温度範囲で乾燥させて溶剤を除去し、多孔質金属層２ａｐを積層する。

ステップＳ２０４で、多孔質金属層２ａｐが積層された絶縁回路基板３を、放熱ベース１０の上面に積層された多孔質金属層２ｂｐに放熱層３２が接触するように配置する。ステップＳ２０５で、絶縁回路基板３の配線層３３ａに積層された多孔質金属層２ａｐの上に半導体チップ１ａ、１ｂをそれぞれ搭載する。図１７に示すように、放熱層３２は多孔質金属層２ｂｐの接合部と接しているだけで、物理的に接続されていない。多孔質金属層２ｂｐの外縁部は放熱層３２と接触せず外側にはみ出している。また、半導体チップ１ａ、１ｂはそれぞれ多孔質金属層２ａｐの接合部と接しているだけで、物理的に接続されていない。多孔質金属層２ａｐの外縁部は半導体チップ１ａ、１ｂのそれぞれとは接触せず外側にはみ出している。

ステップＳ２０６で、半導体チップ１ａ、１ｂ及び絶縁回路基板３の配線層３３ｂそれぞれの上面に、印刷法や分注法等によって、図１８に示す金属粒子ペースト層２ｄｑを１００μｍ～３００μｍ程度の厚さで選択的に塗布する。金属粒子ペースト層２ｄｑの塗布領域は、平面視で、接続ピン５ａ、５ｂ、５ｃそれぞれの裏面に接する接合部と、これらの接合部のそれぞれを囲む外縁部とからなる。外縁部の幅は、例えば１ｍｍ程度である。ステップＳ２０７で、図１８に示すように、塗布した金属粒子ペースト層２ｄｑの上に接続ピン５ａ、５ｂ、５ｃをそれぞれ接触させて配置する。なお、図１８では省略したが、接続ピン５ａ、５ｂ、５ｃはそれぞれ図１に示した配線基板４に埋め込まれている。その後、ステップＳ２０８で、接続ピン５ａ、５ｂ、５ｃが配置された金属粒子ペースト層２ｄｑを、金属粒子の焼結が生じない１００℃以上、１５０℃未満の温度範囲で乾燥させて溶剤を除去し、図１９に示す多孔質金属層２ｄｐを積層する。

放熱ベース１０、絶縁回路基板３、半導体チップ１ａ、１ｂ、及び接続ピン５ａ、５ｂ、５ｃを重ね合わせた接合対象部材を、圧力容器１１の中に配置する。ステップＳ２０９で、圧力容器１１内で、半導体チップ１ａの上０ｍｍ～３ｍｍ程度の範囲で、接合対象部材の周囲に密に球状粉体層１２を充填する。更に、図１９に示すように、充填した球状粉体層１２の上に弾性体からなる加圧シート１４を隙間なく被せる。加圧シート１４には、予め接続ピン５ａ、５ｂ、５ｃの位置に対応して貫通孔が設けられている。

図２０に示すように、加圧シート１４の上に球状粉体層１２ａを、例えば５ｍｍ程度の厚さで充填する。ステップＳ２１０で、圧力容器１１の上部から底面に向かって加圧板１３によって球状粉体層１２を球状粉体層１２ａ及び加圧シート１４を介して１０ＭＰａ以上、２０ＭＰａ以下の圧力で加圧する。接合対象部材を加圧しながら、圧力容器１１の下部に設けた加熱機構（図示省力）により１５０℃以上、４００℃以下、好ましくは、２００℃以上、２５０℃以下の温度で加熱する。その結果、接続ピン５ａのそれぞれと半導体チップ１ａとが、接続ピン５ｂのそれぞれと半導体チップ１ｂとが、接続ピン５ｃのそれぞれと配線層３３ｂとが、それぞれ焼結金属層２ｄによって接合される。また、半導体チップ１ａ、１ｂのそれぞれと絶縁回路基板３の配線層３３ａとが焼結金属層２ａによって接合され、絶縁回路基板３の放熱層３２と放熱ベース１０とが焼結金属層２ｂによって接合される。焼結金属層２ａ、２ｂ、２ｄにおいて燒結反応が起こって燒結金属が圧縮され、燒結金属間の空隙が減少する。例えば、１００μｍ程度の厚さで塗布した金属粒子ペースト層は、加圧により３０μｍ程度に圧縮される。

ステップＳ２１１で、接合した対象部材を冷却した後、球状粉体層１２を除去する。その後、ステップＳ２１２で、対象部材を外装ケース８の内部に配置して、封止樹脂７により封止する。このようにして、図１５に示した第２実施形態に係る半導体装置が作製される。上記説明では、外部端子６の接合は省略したが、ステップＳ２１１の後に外部端子６と絶縁回路基板３の配線層３３ａ、３３ｂとをはんだ等の接合部材２０によって接合すればよい。なお、外部端子６を燒結金属で接合する場合は、ステップＳ２０２で絶縁回路基板３の配線層３３ａ、３３ｂのそれぞれの端部に金属粒子ペーストを塗布し、ステップＳ２０５で半導体チップ１ａ、１ｂの搭載時に外部端子６を配置する。その後、ステップＳ２１０で燒結接合を同時に行う。

第２実施形態では、球状粉体層１２、１２ａ及び加圧シート１４を介して接合対象部材が加圧されるため、接合対象部材の外表面と焼結金属層２ａ、２ｂ、２ｄの全体とが均一に圧縮され、空隙率を１０％以上２０％以下にできる。そのため、焼結金属層２ａ、２ｂ、２ｄのそれぞれが均一に加圧されて燒結金属の空隙に起因する密度差を低減することができ、強度、抵抗値、熱伝導や熱伝達等の物性値の不均一を低減することができる。また、第２実施形態では、接合対象部材だけではなく焼結金属層２ａ、２ｂ、２ｄも全体が方向性を持って均一に加圧され、焼結金属層２ａ、２ｂ、２ｄの空隙率を１０％以上２０％以下に低減することができる。その結果、焼結金属層２ａ、２ｂ、２ｄの機械特性、電気特性及び熱特性等を均一にすることができ、半導体装置の信頼性を向上することが可能となる。また、球状粉体により接合部材を加圧するので、寸法公差の大きな部材や重ね合わせた部材を同時に加圧できる。更に、構造が複雑な部材であっても加圧して接合することが可能となる。

なお、上記説明では、放熱ベース１０を用いているが、限定されない。例えば、図２１に示すように、絶縁回路基板３の放熱層３２を放熱用の金属板として用いてもよい。また、図２２に示すように、外装ケース８を用いず、封止樹脂７に配線基板４、接続ピン５ａ、５ｂ、５ｃ、半導体チップ１ａ、１ｂ、及び絶縁回路基板３の一部を埋め込む構造であってもよい。

（その他の実施形態）
本発明は上記の開示した実施形態によって説明したが、この開示の一部をなす論述及び図面は、本発明を限定するものであると理解すべきではない。本発明の明細書や図面の開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかになると考えられるべきである。又、上記の実施形態及び各変形例において説明される各構成を任意に応用した構成等、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の例示的説明から妥当な、特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

１ａ，１ｂ…半導体チップ
２，２ａ，２ｂ，２ｄ…焼結金属層
２ａｐ，２ｂｐ，２ｄｐ…多孔質金属層
２ｄｑ…金属粒子ペースト層
３…絶縁回路基板
４…配線基板
５ａ，５ｂ，５ｃ…接続ピン
６…外部端子
７…封止樹脂
８…外装ケース
９ａ，９ｂ…配線材
１０…放熱ベース
１１…圧力容器
１２，１２ａ…球状粉体
１３…加圧板
１４…加圧シート
２０…接合部材
３２…放熱層（金属板）
３３ａ，３３ｂ…配線層
４１…樹脂板
４２…下部配線層
４３…上部配線層

Claims

半導体チップと、
絶縁板と、前記絶縁板の上面に配置され、前記半導体チップに離間して、前記半導体チップの下面に対向して配置された配線層と、前記絶縁板の下面に配置された金属板とを有する絶縁回路基板と、
前記半導体チップおよび前記絶縁回路基板に直接接して挟まれた領域である第１の接合部と、前記半導体チップの外周から外側へ突出し、前記第１の接合部を囲む第１の外縁部とを有する第１焼結金属層と、
前記絶縁回路基板の前記金属板の下面に対向して配置された放熱ベースと、
前記放熱ベースの上面に配置され、前記絶縁回路基板の前記金属板に接する第２の接合部と前記金属板の端部の外周から外側へ突出し、該第２の接合部を囲む第２の外縁部とを有する第２焼結金属層と、
を備える半導体装置であって、
前記第１および第２焼結金属層に含まれる空隙の体積密度を示す空隙率が、前記接合部および前記外縁部で１０％以上２０％以下であることを特徴とする半導体装置。
前記半導体チップの上面に対向する底面を有する接続ピンと、
前記半導体チップの前記上面に配置され、前記接続ピンに接する第３の接合部と前記接続ピンの端部の外周から外側へ突出し、該第３の接合部を囲む第３の外縁部とを有する第３焼結金属層と、
を備え、
前記第３焼結金属層において、前記第３焼結金属層に含まれる空隙の体積密度を示す空隙率が、前記第３の接合部および前記第３の外縁部で１０％以上２０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
下面に金属板を有する絶縁回路基板と、
前記絶縁回路基板の前記金属板の下面に対向して離間して配置された放熱ベースと、
前記放熱ベースの上面に配置され、前記絶縁回路基板の前記金属板および前記放熱ベースに直接接して挟まれた領域である接合部と前記金属板の端部の外周から外側へ突出し、該接合部を囲む外縁部とを有する焼結金属層と、
を備え、
前記焼結金属層において、前記焼結金属層に含まれる空隙の体積密度を示す空隙率が、前記接合部および前記外縁部で１０％以上２０％以下であることを特徴とする半導体装置。
接続ピンと、
前記接続ピンに離間して配置され、前記接続ピンの底面に対向する上面を有する半導体チップと、
前記半導体チップの上面に配置され、前記接続ピンおよび前記半導体チップに直接接して挟まれた領域である接合部と前記接続ピンの端部の外周から外側へ突出し、該接合部を囲む外縁部とを有する焼結金属層と、
を備え、
前記焼結金属層において、前記焼結金属層に含まれる空隙の体積密度を示す空隙率が、前記接合部および前記外縁部で１０％以上２０％以下であることを特徴とする半導体装置。
第１部材および第２部材を準備するステップと、
前記第１部材および前記第２部材に直接接して挟まれた接合領域と、前記接合領域を囲む外縁領域とを有する多孔質金属層を形成するステップと、
前記第１部材、前記第２部材および前記多孔質金属層を圧力容器内に配置し、その後、少なくとも前記多孔質金属層と接するように圧力容器内に球状粉体を充填するステップと、
前記球状粉体を加圧しながら前記多孔質金属層を加熱することで、前記接合領域を焼結した接合部と前記外縁領域を焼結した外縁部とを有し、前記接合部および前記外縁部の空隙の体積密度を示す空隙率が１０％以上２０％以下である焼結金属層を形成するステップと、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記第１部材が半導体チップ、前記第２部材が絶縁回路基板であって、前記多孔質金属層として第１多孔質金属層を形成するステップは、
前記絶縁回路基板の上面に選択的に金属粒子ペーストを塗布して第１金属粒子ペースト層を形成するステップと、
前記第１金属粒子ペースト層を乾燥させて前記第１多孔質金属層を形成するステップと、
前記半導体チップの下面を前記第１多孔質金属層上の一部に配置するステップと、を含むことで、
前記半導体チップおよび前記絶縁回路基板に直接接して挟まれた第１接合領域と、前記第１接合領域を囲む第１外縁領域とを有する前記第１多孔質金属層を形成することを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
前記圧力容器内に前記球状粉体を充填するステップの前に、
放熱ベースの上面に選択的に金属粒子ペーストを塗布して第２金属粒子ペースト層を形成するステップと、
前記放熱ベースに塗布した前記第２金属粒子ペースト層を乾燥させて第２多孔質金属層を形成するステップと、
前記絶縁回路基板の下面を前記第２多孔質金属層上の一部に配置するステップと、
を更に含み、
前記球状粉体が前記第２多孔質金属層と接するように前記圧力容器内に充填され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。
前記圧力容器内に前記球状粉体を充填するステップの前に、
前記半導体チップの上面に選択的に金属粒子ペーストを塗布して第３金属粒子ペースト層を形成するステップと、
接続ピンの下端を前記第３金属粒子ペースト層上の一部に接して配置するステップと、
前記接続ピンが配置された前記第３金属粒子ペースト層を乾燥させて第３多孔質金属層を形成するステップと、
を更に含み、
前記球状粉体が前記第３多孔質金属層と接するように前記圧力容器内に充填されることを特徴とする請求項６又は７に記載の半導体装置の製造方法。
前記焼結金属層を形成するステップの前に、前記充填した前記球状粉体の上に弾性体からなる加圧シートを配置し、前記加圧シートの上に他の球状粉体を配置するステップを含み、
前記焼結金属層を形成するステップにおいて前記他の球状粉体および前記加圧シートを介して前記球状粉体を加圧することを特徴とする請求項５～８のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
前記球状粉体が、セラミック又は鋼鉄からなることを特徴とする請求項５～９のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
前記球状粉体は、直径が前記第１多孔質金属層の厚さの１／３以下であり、圧縮度、ハウスナ比及び安息角がそれぞれ２０％以下、１．２５以下及び４０°以下であることを特徴とする請求項６～８、及び、請求項６を引用する請求項９、１０のうち、いずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
第１部材が絶縁回路基板、第２部材が放熱ベースであって、前記多孔質金属層を形成するステップは、
前記放熱ベースの上面に選択的に金属粒子ペーストを塗布して金属粒子ペースト層を形成するステップと、
前記放熱ベースに塗布した前記金属粒子ペーストを乾燥させて前記多孔質金属層を形成するステップと、
前記絶縁回路基板の下面を前記多孔質金属層上の一部に配置するステップと、
を更に含むことを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
第１部材が接続ピン、第２部材が半導体チップであって、前記多孔質金属層を形成するステップは、
前記半導体チップの上面に選択的に金属粒子ペーストを塗布して金属粒子ペースト層を形成するステップと、
前記接続ピンの下端を前記金属粒子ペースト層上の一部に接して配置するステップと、
前記接続ピンが配置された前記金属粒子ペースト層を乾燥させて前記多孔質金属層を形成するステップと、
を更に含むことを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
前記球状粉体は、前記第２部材の上面から０ｍｍ以上３ｍｍ以下までの範囲内で充填されることを特徴とする請求項５～１３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
前記多孔質金属層は、前記球状粉体を１０ＭＰａ以上２０ＭＰａ以下で加圧しながら２００℃以上２５０℃以下の温度で加熱されることを特徴とする請求項５～１４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。