JPH01256140A - 基板に半導体デバイスを固着する方法及び装置 - Google Patents

基板に半導体デバイスを固着する方法及び装置

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JPH01256140A
JPH01256140A JP1049743A JP4974389A JPH01256140A JP H01256140 A JPH01256140 A JP H01256140A JP 1049743 A JP1049743 A JP 1049743A JP 4974389 A JP4974389 A JP 4974389A JP H01256140 A JPH01256140 A JP H01256140A
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noble metal
press
press ram
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Herbert Schwarzbauer
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、基板と接合すべき半導体デバイスの表面に金
属被覆を施し、半導体デバイスを基板に載せ、これと一
緒に加熱下に圧縮する形式の、拡散溶接法により基板に
半導体デバイス、特に大表面のパワー半導体を固着する
方法及びその装置に関する。
〔従来の技術〕
この種の方法はドイツ連邦共和国特許出願公開第３３２
５３’５５号明細書に記載されている。その際基板と接
合すべき半導体デバイスの面の金属被覆は金属の化学的
析出又は真空中での金属の蒸着により行う、更にドイツ
連邦共和国特許出願公開第３３２５３５５号明細書から
デバイス及び基板の互いに接合すべき面の間に金属箔を
挿入し、これを接合すべき各部材と共に拡散溶接工程に
付すこの種のもう１つの方法も公知である。しかしこの
方法の場合、拡散溶接を真空室内で行いまた約１５０ｋ
ｐ／ｃｍ２の接触圧力で約５５０℃の温度を必要とする
ことは欠点である。この高い温度負荷は個々の部材の熱
膨張係数が異なることから半導体デバイス中に高い応力
をもたらし、これは完成品に相応するそりとして顕著に
現れるおそれがある。
〔発明が解決しようとする課題〕
本発明は、従来の方法におけるよりも著しく僅かな熱負
荷をデバイスにもたらすにすぎない拡散溶接法により、
基板に半導体デバイスを固着する冒頭に記載した形式の
方法を提供することを課題とする。
〔課題を解決するための手段〕
この課題は本発明によれば、金属被覆として第１貴金属
接触層を使用し、半導体デバイスと接合すべき基板の表
面に第２貴金属接触層を施し、この半導体デバイス及び
基板を約１５０　℃〜２５０℃の範囲の温度に加熱し、
部材の圧縮を空気の充満した空間で約５００〜２５００
　ｋｐ／ｃｍ２の範囲の接触圧力で行うことによってか
、又は金属被覆として第１貴金属接触層を使用し、半導
体デバイスと接合すべき基板の表面に第２貴金属接触層
を施し、この両貴金属接触間に可塑性の変形可能で、少
なくともその両方の貴金属接触層に隣接する表面が貴金
属からなる金属箔を挿入し、この半導体デバイス、基板
及び金属箔を約１５０℃〜２５０℃の範囲の温度に加熱
し、部材の圧縮を空気の充満した空間で約５００〜２５
００ｋｐ／ｃｊの範囲の接点圧力で行うことによって達
成される。
請求項４ないし１２は本発明方法を実施するための装置
に関するものである。
〔発明の効果］ 本発明により達成することのできる利点は特に、パワー
半導体、特にパワーサイリスクの運転時に生じる温度と
比較可能の約１５０〜２５０℃の極めて僅かな温度負荷
にあり、その結果本方法は製造された半導体デバイスに
も実施することができる。更に拡散溶接工程を実施する
ための真空室も省略することができる。
請求項３に記載した方法の実施態様は予め設定された圧
力伝達媒体により半導体デバイスに極めて慎重に圧力を
伝達し、これにより例えばＭＯ５構造の集積化の際に生
じるような構造化された表面を有することができ、その
際この種の構造体が接触圧力によって…なわれるか又は
破壊されることはないということによって特色づけられ
る。
〔実施例〕
本発明を図面に基づき以下に詳述する。
第１図には本発明方法により拡散溶接法で半導体デバイ
スと接合すべき基板ｌが示されている。
この基板１は例えば直径的２９．６　ｗａのモリブデン
からなる厚さ！、　５　ｗａの円盤である。これをまず
化学的又は電気的に塗布又は蒸着された厚さ約１〜３μ
輪の貴金属接触１１５２、例えば金又は銀で被覆する。
基板ｌ上に固着ずべき大表面の半導体デバイス、例えば
パワーサイリスクのシリコン本体は３で示されている。
４は３の面取りされた縁を表す、デバイス３を基板１に
接続した後基板は陽極側電極となる。デバイス３の下面
５は例えばＡＩ。
Ａｇ、Ｃｕ又はＡｕからなる層厚約ｌＯ〜２０μ麟の金
属中間層６で被覆されている。この中間層６は可塑的に
変形可能であり、これにより本方法の以後の過程で互い
に接合すべき表面、例えば基板１及びデバイス３の下面
５の各表面の大凡の深さ（これは例えば１−１．５μｍ
の範囲を上回ってはならない）が補償される。この金属
中間層６上には、これが貴金属からなっていない場合に
は、有利にはＡｕ又はＡｇからなるもう１つの貴金属接
触層７を例えば約１〜２１Ｉｌｌの厚さで被覆する。
前記のように構成された層２．６及び７を有する部材１
及び３を、層２及び７が接触するように重ね合わせ、こ
の構造体１．３を有利にはプレスダイ８及び９を有する
水圧機に装入する。各プレスダイを加熱することにより
、構造体重、３を例えば１５０〜２５０　’Ｃの範囲内
の温度にする。すなわち大表面のパワー半導体例えばダ
イオードの作業温度（これは２００　”Ｃに達し得る）
と比較可能の適当な温度範囲にする。プレスダイ８及び
９は加圧機の作動により、部材１及び３を約５００〜２
５００ｋｐ／ｃｄ又はそれ以上の接触圧力で数分間圧縮
するように対応して移動する。この拡散溶接工程で半導
体デバイス３と基板ｌとが接合され、これは掻く僅かな
電気的及び熱的接触抵抗、極めて高い均質度並びに大き
い接着性を有する。
本発明による前記の拡散溶接工程は、半導体デバイス３
の表面１０を例えばＡＩからなる可塑的に変形可能の金
属板によってプレスダイ９によるＩＩ傷から保護するこ
とができる。
本方法の上記の実施態様とは異なり、層６に相応する可
塑的に変形可能の金属中間層を裁板ｌに設けることもで
きる。この場合線中間層は有利には１０〜２０μ端の層
厚を有する０次いでこの中間層上にまず先に挙げた金属
からなる貴金属接触層２を前記の厚さでまた先に記載し
た方法で施す。
この場合金属中間Ｎ６は省略することができる。
この層が基板上に先に設けられた金属中間層に対して付
加的に存在する場合には、この層は金属中間層と一緒に
半導体デバイス３及び基板１の互いに接合すべき双方の
面の不均一性を補償する。
本発明方法の他の優れた実施態様によれば第２図に示す
ように可塑的に変形可能の金属例えば八１、Δｇ、Ｃｕ
又はＡｕからなるＦｆｌｌｌ又は薄板を約１０〜２０　
ＩＩ−の箔厚で半導体デバイス３及び基板１を重ね合わ
せる際に双方の接合すべき面の間に挿入する。この場合
にも基板１及び半導体デバイス３の下面５を前記のよう
にして貴金属接触層２及び７で被覆する。この場合箔１
１は中間１１６の機能、又は基板１を覆う貴金属接触層
２の下にあるすでに記載した中間層の機能と一致する。
更に金属箔１１は接触層２又は７の下方にある１つ又は
２つの中間層に対して付加的に設けることもできる。金
属箔１１がすべて貴金属からなっていない場合には、少
なくとも層２及び７に接する双方の表面は貴金属例えば
Ａｇ又はＡｕから構成する必要がある。第２図にはＡＩ
又はＣｕからなる金属箔１１上に設けられたこの種の貴
金属被覆層１２が示されている。金属箔１１を中間に挿
入して部材Ｉ及び３を重ねて配置した後、すでに記載し
た拡散溶接工程を本発明方法のこの実施例においても実
施する。
本発明方法の優れた実施態様によれば、構造化された又
は不均一な表面を有するデバイス３を恭板上に拡散溶接
法で固着することができ、その際デバイス又はその表面
が機械的に１員傷されることはない、これに関してはサ
イリスクが描かれている第３図を参照することができる
。この場合半導体デバイス３はその表面にサイリスタを
点弧及び場合によっては消弧するのに使用する電極１３
並びに陰極側電極１４を有する。第３図は更にこの方法
を寅ｈｌ！ｉするための優れた装置を示すものである。
部材ｌ及び３を接触層２及び７で被覆した後（この場合
少なくとも１つの可塑的に変形可能の金属中間層、例え
ば６を有し及び／又は場合によっては部材ｌと３との間
に可塑的に変形可能の金属ｆａｌｌが存在する）は、次
のように実施する。
重ね合わされた構成部材１及び３からなる構造体を金属
製のなべ型収容装置ｌ中に装入するが、これは底部１５
ａ及び側壁部１５ｂからなりまたプレスダイ８の凹部１
６に収納されている。耐熱性の弾性変形可能の材料例え
ばシリコンゴム又は他の耐熱性の特にフッ化エラストマ
ーからなる例えば環状に成形された部材１７は、収容装
置　１５　ａ）１５ｂ内に、第３図に示すように構造体
１．３を囲み、有利には中心に据えるように一緒に装入
される。
次に部材１７と同じ材料からなるか又は異なる弾性変形
可能の材料からなる更にもう１つの円盤として成形され
た部材１８を、収容装置１５ａ）１５ｂの内部空間にこ
れを上から密閉するように装入する。その際部材１８は
部材１７の上面に支承される０部材１８の環状凹部Ｉ９
中に例えば金属、セラミック又はプラスチックからなる
パツキンリング２０が装入されるが、これは側壁部１５
ｂの内側に密着して存在する０次いで収容装置１５ａ）
１５ｂは金属製プレスラム２１をパツキンリング２０又
は部材１８の上面に載せることによって閉鎖された収容
室を構成する。その際プレスラム２１は底部１５ａの方
向に移動可能に取り付けられている。このプレスラムは
プレスダイ９を支承している。
プレスダイ８を加熱することにより、構造体１、３を例
えば１５０℃〜２５０”Ｃの範囲の所望の温度に加熱す
る。プレスダイ８及び９は加圧機の作動により対向移動
し、その結果プレスラム２１が収容装置１５ａ）１５ｂ
の内部空間に深く押し入れられ、部材１７及び１８は弾
性変形する。第４図には、構造部材１及び３上に上記温
度の保持下に拡散溶接に必要な少なくと６５００ｋｐ／
ｄの圧力を数分間及ぼすプレスダイ８及び９の箇所が示
されている。その際部材１７及び１日の容積はデバイス
３及び基板１によって占められていない収容室１５　ａ
）　　１５　ｂ、　２１の内部空間を、プレスラム２１
とデバイス３とが直接接触するのを回避しながら、完全
に塞ぐように算出されている。
こうして高さの異なる電極１３及び１４によってまた面
取り部４によってもたらされるデバイス表面の構造化に
もかかわらず、構造部材１及び３はそれらが互いに接合
されている面２２全体にわたってコンスタントな圧力で
互いに押し付けられ、これにより各部材は完全に均一に
接続される０部材１７及び１８の弾性変形の程度は、デ
バイス表面上への圧力伝達が完全に均一であるような大
きさであるが、この場合弾性変形可能の材料からなる部
材が構造部材ｌ及び３の間に存在する間隙内に入り込む
ことはない、これにより構造部材ｌ及び３の申し分のな
い接合がこの間隙の末端域にも得られる。弾性変形可能
の材料からなる部材が側壁部Ｌ５ｂとプレスラム２１の
間から漏出することはパツキンリング２０によって適切
に阻止される。上記の弾性変形可能の部材１７及び１８
の特性は°゛準−静水圧的”と表現することができる。
拡散溶接法による構造部材Ｉ及び３の良好な接合は、構
造体１．３上に例えば２３０℃の温度で少なくとも５０
０ｋｐ／ｃ−の圧力を約１０分間施すことによって得ら
れる。しかしこれに関してはすでに数秒の拡散時間で十
分な結果が得られることまた圧力を１〜２ｔ／ｃｄ又は
それ以上に上げることもできることを指摘しておく、温
度は下限値約１５０℃及び上限値約２５０　’Ｃの範囲
にあってもよい。更に拡散溶接を標準大気中で、すなわ
ち保護ガスを使用する必要な〈実施し得ることは特筆す
べきことである。
拡散溶接後構造体１及び３を収容室１５ａ）１５ｂ、２
１から取り出すが、その際部材１７及び１８は再び第３
図に示したその元の形状をとる。これらは更に以後の多
くのデバイス−基板−構造体の拡散溶接処理に使用でき
る。環状及びプレート状に構成されている上記の各部材
１７及び１８の代わりに、本発明の枠内で同じ材料から
なる単一の部材を使用することもできるが、この場合そ
の容積は先の２つの部材１７及び１８の容積に相当する
ことを前提とする。
第５図は第３図及び第４図に基づく装置の変形を示すも
のであるが、この場合底部１５ａの方向に移動可能のプ
レスラム２１は、収容装置の側壁部１５ｂを取り囲む突
出縁２３を有する。第５図には第３図に相当するプレス
ダイ８及び９のそれぞれの位置が示されている。すなわ
ちこの図の場合収容装置１５ａ）１５ｂ内に装入された
２個の構造体１．３及び１′、３′には接触圧力はまだ
加えられていない、この場合もう１つの別の基板は１゛
でまたもう１つの半導体デバイスは３′で示されている
。構造体１．３及び１′、３′は、例えばデバイス３及
び３′がそれぞれその上部境界面の範囲でもう１つの基
板１ａ並びにｌａ′と接合されている点で第１図とは異
なっているが、この相違点は絶対的なものではない。基
板１ａ及びｌａ’の接合は同様に拡散溶接法により行う
が、この場合裁板及び半導体デバイスの間隙２４．２４
′を境とする各表面を再び貴金属接触層で被覆する。第
５図には変形されていない状態で図示されている部材１
７及び１８の弾性により、デバイスの寸法、特にデバイ
スの高さが異なるこの種の構造体１、３及び１′、３′
をプレス工程で接合することも可能である。第５図に基
づ（装置の場合、プレートとして形成された部材１日は
、突出縁２３により構成された移動可能のプレスラム２
１の内部空間に装入し、四部１９ａ内にあるパツキンリ
ング２０ａによりその位置に保持することが有利である
。この場合部材１７は有利には構造体１．３及び１′、
３′用の凹部を有する環状円盤として形成されている。
有利には第５図に基づく装置は、底部１５ａの方向に移
動可能のプレスラム２１がプレスダイ９の一部からなる
ように形成されている。
上記の拡散溶接工程は液相を生じない固体反応として行
われる。その場合上記方法は特に大表面のＭＯ３技術に
おいて製造されるかまたはＭＯ３構造物を備えているパ
ワー半導体を基板に固着するのに適している。
【図面の簡単な説明】
第１図は半導体デバイス及び基板並びに本発明方法を実
施するのに適した装置の横断面図、第２図は第１図に示
した装置内における半導体デバイス及び基板をその間に
存在する金属箔と一緒に示した横断面図、第３図は本発
明方法を実施するのに適した装置の断面図、第４図は基
板及び半導体デバイスからなる構造体への加圧状態を示
す第３図に基づく装置の断面図、第５図は本発明方法を
実施するだめの他の適当な装置の断面図である。 １　・・・槙１反 ２・・・第２貴金属接触層 ３・・・半導体デバイス ４・・・面取りされた縁 ５・・・下面 ６・・・金属中間層 ７・・・第１貴金属接触層 ８．９・・・プレスダイ １０・・・上面 １１、・・・金属箔 １２・・・貴金属被覆 １３．１４・・・電極 １５ａ）１５ｂ・・・収容装置 １６・・・四部 １７．１８・・・変形可能の部材 １９・・・環状凹部 ２０．２０ａ・・・パツキンリング ２１・・・プレスラム ２３・・・突出縁 ＦＩＧ　Ｉ　　　　　　　　ＦＩＧ　２ＩＧ　４

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）基板（１）と接合すべき半導体デバイス（３）の
    表面に金属被覆を施し、半導体デバイス（３）を基板（
    １）に載せ、これと一緒に加熱下に圧縮する形式の、拡
    散溶接法により基板に半導体デバイスを固着する方法に
    おいて、金属被覆として第１貴金属接触層（７）を使用
    し、半導体デバイス（３）と接合すべき基板（１）の表
    面に第２貴金属接触層（２）を施し、この半導体デバイ
    ス（３）及び基板（１）を約１５０℃〜２５０℃の範囲
    の温度に加熱し、部材（１、３）の圧縮を空気の充満し
    た空間で約５００〜２５００ｋｐ／ｃｍ＾２の範囲の接
    触圧力で行うことを特徴とする拡散溶接法により基板に
    半導体デバイスを固着する方法。
  2. （２）基板（１）と接合すべき半導体デバイス（３）の
    表面に金属被覆を施し、半導体デバイス（３）を基板（
    １）に載せ、これと一緒に加熱下に圧縮する形式の、拡
    散溶接法により基板に半導体デバイスを固着する方法に
    おいて、金属被覆として第１貴金属接触層（７）を使用
    し、半導体デバイス（３）と接合すべき基板（１）の表
    面に第２貴金属接触層（２）を施し、この両貴金属接触
    層（２、７）間に可塑性の変形可能で少なくともその両
    方の貴金属接触層（２、７）に隣接する表面が貴金属か
    らなる金属箔（１１）を挿入し、この半導体デバイス（
    ３）、基板（１）及び金属箔（１１）を約１５０℃〜２
    ５０℃の範囲の温度に加熱し、部材（１、３、１１）の
    圧縮を空気の充満した空間で約５００〜２５００ｋｐ／
    ｃｍ＾２の範囲の接点圧力で行うことを特徴とする拡散
    溶接法により基板に半導体デバイスを固着する方法。
  3. （３）場合によっは金属箔（１１）の挿入下に基板（１
    ）上に載せたデバイス（３）を収容装置（１５ａ、１５
    ｂ）に装入し、この収容装置が底部（１５ａ）及び側壁
    部（１５ｂ）からなりかつ底部（１５ａ）方向に移動可
    能のプレスラム（２１）によって閉鎖された収容室を構
    成し、その際底部（１５ａ）は第１プレスダイ（８）に
    、また底部方向に移動可能のプレスラム（２１）は第２
    プレスダイ（９）に支承されており、耐熱性で弾性変形
    可能の材料からなる部材（１７、１８）を収容装置（１
    ５ａ、１５ｂ）に一緒に装入し、変形可能の部材（１７
    、１８）の容積を、これが上記の接触圧力に達した際に
    デバイス（３）及び基板（１）によって占められていな
    い収容室（１５ａ、１５ｂ、２１）の内部空間をプレス
    ラム（２１）とデバイス（３）又は基板（１）とが直接
    接触するのを回避しながら完全に満たすような大きさに
    調整することを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
  4. （４）基板（１）上に載せたデバイス（３）及び変形可
    能の部材（１７、１８）を装入可能の収容装置を備えて
    おり、この収容装置が底部（１５ａ）及び側壁部（１５
    ｂ）からなりかつ底部方向に移動可能のプレスラム（２
    １）により閉鎖された収容室を構成し、またこの収容室
    （１５ａ、１５ｂ、２１）が接触圧力をもたらす加圧機
    内に装入され、その際底部（１５ａ）は第１のプレスダ
    イ（８）に、また底部方向に移動可能のプレスラム（２
    １）は第２のプレスダイ（９）に支承されていることを
    特徴とする請求項３記載の方法を実施する装置。
  5. （５）底部方向に移動可能のプレスラム（２１）が収容
    装置の側壁部（１５ｂ）によって包囲されており、側壁
    部（１５ｂ）の内側に接して、プレスラム（２１）の縁
    部を支承するパッキンリング（２０）が設けられている
    ことを特徴とする請求項４記載の装置。
  6. （６）底部方向に移動可能のプレスラム（２１）が、収
    容装置の側壁部（１５ｂ）を囲む突出縁（２３）を有し
    、この突出縁（２３）の内側に接して、収容装置の側壁
    部（１５ｂ）の縁部を支承するパッキンリング（２０ａ
    ）が設けられていることを特徴とする請求項４記載の装
    置。
  7. （７）変形可能の部材が２つの部分（１７、１８）から
    構成されており、その際第１の部材（１７）は環状で収
    容装置（１５ａ、１５ｂ、２１）内にデバイス（３）を
    囲むように配設されており、第２の部材は収容装置の内
    部空間で半導体デバイス（３）の上部に装入可能のプレ
    ート（１８）からなることを特徴とする請求項４記載の
    装置。
  8. （８）変形可能の部材が２つの部分（１７、１８）から
    構成されており、その際第１の部材（１７）は環状で収
    容装置（１５ａ）１５ｂ、２１）内にデバイス（３）を
    囲むように配設されており、第２の部材は突出縁（２３
    ）により形成された底部方向に移動可能のプレスラム（
    ２１）の内部空間に配設されたプレート（１８）からな
    ることを特徴とする請求項６記載の装置。
  9. （９）底部（１５ａ）自体を支承するプレスダイ（８）
    が上記温度を発生するために加熱可能であることを特徴
    とする請求項４ないし８の１つに記載の装置。
  10. （１０）底部方向に移動可能のプレスラム（２１）が第
    ２のプレスダイ（９）の一部からなることを特徴とする
    請求項４ないし９の１つに記載の装置。
  11. （１１）変形可能の部材（１７、１８）がシリコンゴム
    からなるごとを特徴とする請求項４ないし１０の１つに
    記載の装置。
  12. （１２）変形可能の部材（１７、１８）が耐熱性のエラ
    ストマーからなることを特徴とする請求項４ないし１０
    の１つに記載の装置。
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