JPH0529362A - 半導体と基板との接合方法及び装置 - Google Patents

半導体と基板との接合方法及び装置

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JPH0529362A
JPH0529362A JP3159777A JP15977791A JPH0529362A JP H0529362 A JPH0529362 A JP H0529362A JP 3159777 A JP3159777 A JP 3159777A JP 15977791 A JP15977791 A JP 15977791A JP H0529362 A JPH0529362 A JP H0529362A
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JP
Japan
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semiconductor
substrate
plunger
pressure
cylinder
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JP3159777A
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Herbert Schwarzbauer
シユワルツバウエル ヘルベルト
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Siemens AG
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 半導体の活性面がその上にある部分と接触す
ることなく半導体と基板とを加圧により接合させる。 【構成】 化学的に不活性の非固体媒体により半導体３
と基板１との接合又は後処理に必要な圧を半導体表面Ｏ
に加える。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は半導体を基板と接合する
方法、か又は半導体と基板との接合体を加圧により後処
理する方法、及びこれらの方法を実施するための装置に
関する。
【０００２】
【従来の技術】機械的安定性を高め、熱の伝導性を改善
するために半導体はしばしば金属基板と接合される。そ
れには多くの場合、迅速、低廉かつ全自動的に実施可能
の接着又はろう付けのような接合技術が使用される。し
かしながら特に縁の長さが数ミリメートル大のチップの
場合その温度安定性及び耐温度変化性は限られている。
更に半導体を接着する場合、特に電力用半導体の場合、
接着剤の熱及び電気抵抗は不利に作用する。
【０００３】欧州特許出願公開第２４２６２６号明細書
に基づき銀粉末層を加圧焼結することによって熱及び電
気抵抗の低い強固な接合を得ることができる。この場合
プレス圧はその都度固定スタンプにより被接合部に施さ
れる。この加圧法では半導体の上側は圧力を伝える固体
媒体と全面的に接触する。
【０００４】更に欧州特許第３３０８９６号及び同第３
３０８９５号明細書からは、基板及び半導体を可動スタ
ンプのプレス圧を伝える例えばシリコンゴム製の弾性セ
ンタリング型に埋め込む方法が公知であり、この場合セ
ンタリング型は、焼結圧を得る際に、基板及び半導体本
体が存在する収容室の残りの内部空間を完全に満たす。
この公知の加圧法では固体媒体と半導体本体の上側とは
必然的に接触し、この場合しばしば半導体の表面が汚染
することになる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、半導体を基
板と有利な方法で加圧により接合させるか又はすでに予
め接合されている半導体・基板接合体を有利な方法で加
圧により後処理する、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。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
め、本発明の方法においては、接合又は後処理に必要な
プレス圧を、化学的に不活性で非固体の媒体により加え
るものである。
【０００７】請求項３〜１２及び１５〜１７は本発明方
法の有利な構成を示すものである。請求項１３及び１４
は請求項１０又は１１に基づく方法を実施するのに有利
な装置に関する。請求項１８は請求項１５に基づく方法
を実施するための有利な装置を示すものである。
【０００８】
【実施例】次に本発明の有利な実施例を図面に基づき詳
述する。
【０００９】図１に示すように第１の方法では、例えば
モリブデンからなる基板１に中間層２を設け、この上に
更に半導体３を設ける。中間層２は場合によっては前処
理されていてもよい半導体表面５と基板表面７との間に
配置され、それ自体、例えば予め焼結された箔として存
在する、熱及び電気をよく伝える粉末例えば銀粉末から
なる。図１に示す通り本発明では、半導体３の側方縁面
４ａを基板表面７の環状の外側領域４ｂと、環状の弾性
パッド６ａ、例えばシリコンパッドにより接着及び填隙
する。
【００１０】図１に示した、弾性パッド６ａの代わりに
図２に示されている、半導体３ａの環状の縁不活性化部
６ｂを使用することもできる。この場合縁不活性化部６
ｂは柔軟な弾性プラスチック、例えばシリコーンからな
り、一層良好に固定するために半導体３ａの、へこみを
有する側方縁面４ｃが基板１の側方縁面の範囲４ｄと接
合及び填隙されるように形成されている。
【００１１】縁不活性化部がない場合、図３に示した柔
軟な弾性プラスチック、例えばシリコンからなる予め形
成されているリング６ｃを使用することができる。プラ
スチックリング６ｃは半導体３を中間層２上に設けた後
に装着するか又は半導体３と一緒に設けてもよい。プラ
スチックリング６ｃを設ける場合、これは半導体３の側
方縁面４ａと基板の側方縁面の領域４ｄとの間の範囲を
填隙するものでなければならない。
【００１２】それに続く本発明による製造工程におい
て、封止部となる６ａ、６ｂ又は６ｃを備えている半導
体３又は３ａ、中間層２、基板１からなる装置をオート
クレーブと称される装置内に装入する。オートクレーブ
は加熱可能の加圧容器であり、この場合３００〜４００
バールのプレス圧を生じる必要があり、また内部に加熱
器を有していることが最も好ましい。これには特に熱間
−等圧圧縮（ＨＩＰ）用装置が適している。
【００１３】オートクレーブ内にある化学的に不活性の
非固体媒体、例えば窒素又はアルゴンのようなガス状媒
体及びシリコン油の様な液状媒体のプレス圧は、その都
度半導体３又は３ａの表面Ｏ上に及びそれぞれの基板１
の表面８上に圧力を加える。封止部となる６ａ、６ｂ又
は６ｃは中間層２内に逆圧が生じるのを阻止する。これ
により表面５、７上には如何なる反力も作用せず、その
結果半導体、中間層及び基板からなる装置は押し合わさ
れる。このプレス圧により中間層２は強く圧縮され、加
圧焼結による接合を生じる。
【００１４】中間層２を省略して、場合によっては前処
理されていてもよい半導体表面５と場合によっては前処
理されていてもよい基板表面７とを単に互いにプレス加
工した場合には、相応して拡散溶接による接合が生じ
る。その際表面５、７の前処理は例えば貴金属−接触化
層の電気めっき又は蒸着によって実施することができ
る。
【００１５】図４に示したすでに予め接合されている半
導体・基板接合体の場合、本発明の第２の方法により、
無接触加圧及び適切な温度での後処理により後焼結が接
合安定性を高めるために生ぜしめられる。この場合半導
体・基板接合体を予め接合することは、例えば同様に無
接触加圧により行われる。半導体３と基板１との間の填
隙は電力半導体の場合特に必要ではない。なぜならガス
状の加圧媒体の場合であっても例えば銀粉末からなる圧
縮された中間層２ａ内への浸透速度は極く僅かであり、
例えば電力半導体構成素子におけるような半導体構成素
子の場合多数分後に初めて圧力平衡が生じるからであ
る。この場合加圧は第１の方法におけると同様にオート
クレーブ中で行う。
【００１６】オートクレーブ内は均一圧であることか
ら、同時に多数の半導体を基板と接合し又は多数の予め
接合された半導体・基板接合体を後処理することができ
る。
【００１７】第１の本発明方法はまた図５ａ又は図５ｂ
に記載した装置によって行うことができる。この装置の
場合半導体３ｂ又は３は加熱のため加熱台９上にある。
図５ａに示すように半導体３ｂは僅かに高められた環状
の外側領域１０ａを有し、この上に高められた外側領域
のない穿孔されたプランジャ１１ａが存在する。この場
合外側領域は例えばシリコンラックからなっていてよ
い。これに対し図５ｂに示した装置では穿孔されたプラ
ンジャ１１ｂが僅かに高められた環状の外側領域を有
し、半導体３は相応する外側領域を有さない。半導体３
ｂ及び３は加圧焼結による接合に際して、焼結可能の中
間層２ｂ例えば銀海綿で被覆することができる。穿孔さ
れたプランジャ１１ａ及び１１ｂはそれぞれ穿孔１２を
有し、これは所属の外側領域１０ａ又は１０ｂによって
環状に囲まれた内側領域１７をシリンダ１３のシリンダ
内部空間１８と連結する。三方コック１５はシリンダ内
部空間１８と取り入れ口１４又は排出口１６とを選択的
に連結することを可能とする。
【００１８】本発明の第１の方法を実施するため、基板
１を加熱台９上で予め加熱する。この加熱台は穿孔され
たプランジャ１１ａ又は１１ｂを、この穿孔されたプラ
ンジャ１１ａ又は１１ｂと半導体３ｂ又は３との間を填
隙するように半導体３ｂ又は３上に載せる。この時点で
三方コック１５により排出口１６をシリンダ内部空間１
８と連結し、シリンダ内部空間１８及び、穿孔１２を介
して内側領域１７をも排気し、これにより半導体３ｂ又
は３を吸引する。ここで半導体３ｂ又は３をプランジャ
１１ａ又は１１ｂ及びシリンダ１３と共に基板１上に正
確に位置付けし、その後三方コック１５により取り入れ
口１４をシリンダ内部空間１８と連結して、化学的に不
活性の非固体媒体例えば気体媒体としての窒素又はアル
ゴン及び液体媒体としてのシリコン油のプレス圧を、プ
ランジャと半導体との間の内部空間１７に生ぜしめ、半
導体を無接触的に予め加熱された基板１上に押し付け
る。
【００１９】本発明の第２の方法を実施するための装置
は、図６ａ又は６ｂに示すように化学的に不活性の非固
体媒体用取り入れ口１４とシリンダ内部空間１８との間
が直接連結されている。それというのも本発明の第２の
方法を実施する場合、基板１は半導体３ｂ又は３と直接
又は予め圧縮された中間層２ａを介してすでに前もって
接合された半導体・基板接合体として構成されているこ
とから、正確に位置付けするための吸引処理を省略し得
るからである。
【００２０】プラスチック注入ケーシングを有する半導
体構成素子の場合、これを製造するために必要なプラス
チック融体例えば熱硬化性プラスチック材を同時に本発
明の第１又は第２の方法の化学的に不活性の非固体媒体
として使用することができる。これは、再注入を温度２
００℃及び圧力数百バールで数分の保護時間で行い得る
ことから可能である。
【００２１】図７は本発明の第１又は第２の方法を実施
するための装置を示すものであり、この場合プラスチッ
ク融体の注入圧が半導体３ｃ及び３ｄを基板１ｂ及び１
ａと中間層２を介して接合するか又はすでに存在する半
導体・基板接合体３ｃ、１ｂ及び３ｄ、１ａを後処理す
る。図７に示した装置は特に半導体モジュールを製造す
るのに使用され、主として上部金型２３及び下部金型２
４（これらは一緒に注入室２７を形成する）、プラスチ
ック融体を供給するための注入溝２５及び細い脱気溝２
６からなる。各注入工程前にあっては金型内に床板２０
が存在し、この上には絶縁層１９が載り、これは更に基
板１ｂ及び１ａを、中間層２によりすでに接合されてい
るか又は更に接合すべき半導体３ｃ及び３ｄと共に有し
ている。場合によっては接合のために前処理されまた端
子線２１ａ〜２１ｃを配設されていてもよい部材はプラ
スチックからなる調節部材２２によって保持され、中心
に位置される。
【００２２】本発明の第１又は第２の方法を実施するに
当たって、注入圧下にあるプラスチック融体を、注入溝
２５を介して注入室２７に押し込み、注入室内に存在す
る部材の囲りに流し、これに静水圧をかけるが、その高
い粘度により中間層２内に入り込むことはなく、また反
力が生じることもない。
【００２３】図８は本発明の第１又は第２の方法を実施
する別の装置を示すものであり、この場合プラスチック
融体の注入圧が半導体３ｅを基板１ｃと中間層２により
接合するか又はすでに存在する半導体・基板接合体３
ｅ、１ｃを後処理する。図８に示した装置は特にウエハ
ケーシングを有する半導体構成素子を製造するのに使用
され、主として上部金型２３ａ及び中間金型３１及び下
部金型２４ａ（これらは一緒に注入室２７ａを形成す
る）からなる。注入室２７ａは注入溝２５ａを介して、
プランジャ３０を有する加圧室２９と連結されている。
注入室２７ａは上方接触片３２、半導体３ｅ、基板１ｃ
及び下方接触片３３からなる装置を単に環状に取り囲む
ことから、注入室のプラスチック融体によって接触片３
２、３３に圧力がかかることはない。この装置の場合に
もプレス圧をプラスチック融体によって生ぜしめるため
に、この発明では付加注入溝２５ｂを介して加圧室２９
と連結されている付加室２８が存在する。付加室と加圧
室との連結は間接的に、例えば付加室と注入室との間の
付加注入溝によって構成することもできる。例えば特殊
な半導体・基板装置で１個の付加室では不十分な場合に
は、複数個の直接又は間接的に加圧室と連結されている
付加室を設置することもできる。注入室２７ａは細い脱
気溝２６ａ有し、また付加室２８は細い付加脱気溝２６
ｂを有する。この場合両脱気溝２６ａ、２６ｂは、プラ
スチック融体が漏出し得ない程度に細くなければならな
い。
【００２４】本発明の第１又は第２の方法を実施するた
め、下部金型２４ａに上方接触片３２、半導体３ｅ、基
板１ｃ及び下方接触片３３からなる装置を入れ、この上
に中間金型３１を載せ、この金型を上部金型２３ａによ
って閉じる。その後加圧室を注入すべきプラスチックで
満たし、融体を金型に注入する。プラスチック融体が完
全に硬化した後、金型を開け、付加室のプラスチック材
料を構成素子から除去し、完成した構成素子を金型から
取り出す。
【００２５】この場合１つの加圧室が同時にプラスチッ
ク融体を複数個の金型に供給することもでき、これによ
り複数個の構成素子を１つの作業工程で射出成形するこ
とができる。
【００２６】本発明の第１及び第２の方法は全半導体ウ
エハを加工するのに使用できると同時に、半導体チップ
に対してもまったく問題なく使用することができる。
【００２７】
【発明の効果】本発明によれば、半導体の活性面がその
上にある部分と接触せず、従って汚染されることはな
く、また半導体材料中に機械的応力ピークは生せず、複
数の半導体・基板接合体を一工程で製造又は後処理する
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の方法の第１の実施例を説明する
ための断面図である。
【図２】本発明の第１の方法の第２の実施例を説明する
ための断面図である。
【図３】本発明の第１の方法の第３の実施例を説明する
ための断面図である。
【図４】本発明の第２の方法の実施例を説明するための
断面図である。
【図５】本発明の第１の方法を実施するための装置の実
施例の断面図である。
【図６】本発明の第２の方法を実施するための装置の断
面図である。
【図７】本発明の第１又は第２の方法を実施するための
他の装置の断面図である。
【図８】本発明の第１又は第２の方法を実施するための
別の装置の断面図である。
【符号の説明】
Ｏ 半導体の表面 １ 基板 ２、２ａ、２ｂ 中間層 ３、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ 半導体 ４ａ 半導体の側方縁面 ４ｂ 基板表面の環状外側領域 ４ｃ 半導体の側方縁面 ４ｄ 基板の側方縁面 ５ 半導体表面 ６ パッド ６ａ 弾性パッド ６ｂ 環状の縁不活性化部 ６ｃ プラスチックリング ７ 基板表面 ８ 基板表面 ９ 加熱台 １０ａ、１０ｂ 環状外側領域 １１ａ、１１ｂ プランジャ １２ 穿孔 １３ シリンダ １４ 取り入れ口 １５ 三方コック １６ 排出口 １７ 内側領域 １８ シリンダ内部空間 １９ 絶縁層 ２０ 床板 ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ 端子線 ２２ 調節部材 ２３ａ 上部金型 ２４、２４ａ 下部金型 ２５、２５ａ 注入溝 ２５ｂ 付加注入溝 ２６、２６ａ 脱気溝 ２６ｂ 付加脱気溝 ２７、２７ａ 注入室 ２８ 付加室 ２９ 加圧室 ３０ プランジャ ３１ 中間金型 ３２ 上方接触片 ３３ 下方接触片

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半導体と基板とを加圧により接合する方
    法において、接合に必要とされるプレス圧を化学的に不
    活性で非固体の媒体により加えることを特徴とする半導
    体と基板との接合方法。
  2. 【請求項２】 半導体・基板接合体を加圧により後処理
    する方法において、後処理に必要とされるプレス圧を化
    学的に不活性で非固体の媒体により加えることを特徴と
    する半導体と基板との接合方法。
  3. 【請求項３】 基板（１）と半導体（３）との間の間隙
    を填隙し、温度安定性の断熱性耐圧容器中で半導体
    （３）と基板（１）を、容器内を支配する圧により接合
    することを特徴とする請求項１記載の方法。
  4. 【請求項４】 温度安定性の断熱性耐圧容器内で半導体
    ・基板接合体（３、１）を、その容器内を支配する圧に
    より後処理することを特徴とする請求項２記載の方法。
  5. 【請求項５】 基板と半導体との間の間隙を、半導体
    （３）と基板（１）を互いに同時に弾力的に接着及び接
    合する、柔軟で、温度安定性の固体からなるパッド（６
    ａ）により填隙することを特徴とする請求項３記載の方
    法。
  6. 【請求項６】 半導体（３）と基板（１）との間の間隙
    を、柔軟で、温度安定性の固体からなる予め製造された
    リング（６ｃ）により填隙することを特徴とする請求項
    ３記載の方法。
  7. 【請求項７】 半導体（３）の環状の縁不活性化部（６
    ｂ）を、半導体（３）と基板（１）との間の間隙がこれ
    により同時に填隙されるように形成することを特徴とす
    る請求項３記載の方法。
  8. 【請求項８】 一工程で複数個の半導体（３）を少なく
    とも１枚の基板上に押し付けることを特徴とする請求項
    ３又は４記載の方法。
  9. 【請求項９】 填隙のために使用する部材（６ａ、６ｂ
    及び６ｃ）を同時に、半導体を基板上に調整及び／又は
    固定するのに使用することを特徴とする請求項５ないし
    ７の１つに記載の方法。
  10. 【請求項１０】 シリンダ（１３）内にゆるい穿孔され
    たプランジャ（１１ａ）があり、この穿孔されたプラン
    ジャを半導体（３ｂ）上に押し付け、半導体（３ｂ）の
    僅かに高くなっている環状の外側領域（１０ａ）により
    プランジャ（１１ａ）と半導体（３ｂ）との間を密閉
    し、シリンダ（１３）内にある媒体を穿孔されたプラン
    ジャ（１１ａ）により押し付け、プランジャ（１１ａ）
    と半導体（３ｂ）との間の密閉された内部空間（１７）
    に満たし、これにより半導体（３ｂ）の所属の内側領域
    を無接触的に基板（１）上に押し付けることを特徴とす
    る請求項１又は２記載の方法。
  11. 【請求項１１】 シリンダ（１３）内にゆるい穿孔され
    たプランジャ（１１ｂ）があり、この穿孔されたプラン
    ジャ（１１ｂ）を半導体（３）上に押し付け、プランジ
    ャ（１１ｂ）の僅かに高くなっている環状の外側領域
    （１０ｂ）によりプランジャ（１１ｂ）と半導体（３）
    との間を密閉し、シリンダ（１３）内にある媒体を穿孔
    されたプランジャ（１１ｂ）により押し付け、プランジ
    ャ（１１ｂ）と半導体（３）との間の密閉された内部空
    間（１７）に満たし、これにより半導体（３）の所属の
    内側領域を無接触的に基板（１）上に押し付けることを
    特徴とする請求項１又は２記載の方法。
  12. 【請求項１２】 半導体（３ｂ又は３）と基板（１）と
    を接合する際、シリンダ（１３）のシリンダ内部空間
    （１８）を穿孔されたプランジャ（１１ａ又は１１ｂ）
    を介して減圧することによって半導体（３ｂ又は３）を
    吸引し、半導体を引続き正確に位置付けすることを特徴
    とする請求項１０又は１１記載の方法。
  13. 【請求項１３】 プランジャ（１１ａ又は１１ｂ）が温
    度安定性の断熱性材料から作られていることを特徴とす
    る請求項１０又は１１記載の方法を実施するための半導
    体と基板との接合装置。
  14. 【請求項１４】 プランジャ（１１ａ又は１１ｂ）が弾
    性プラスチックから作られていることを特徴とする請求
    項１３記載の装置。
  15. 【請求項１５】 プレス圧をプラスチック融体により生
    ぜしめ、その際プラスチック融体は硬化後少なくとも局
    部的に半導体（３ｃ、３ｄ又は３ｅ）及び基板（１ａ、
    １ｂ又は１ｃ）と接合して残り、完成した構成素子の構
    成分となることを特徴とする請求項１又は２記載の方
    法。
  16. 【請求項１６】 プラスチック融体により半導体（３
    ｃ、３ｄ又は３ｅ）及び基板（１ａ、又は及び１ｃ）
    を、処理を行うのに十分な温度に加熱することを特徴と
    する請求項１５記載の方法。
  17. 【請求項１７】 一工程で複数個の半導体（３ｃ及び３
    ｄ）を少なくとも１つの基板上に押し付けることを特徴
    とする請求項１１記載の方法。
  18. 【請求項１８】 金型内に、注入室（２７又は２７ａ）
    の他に更に付加的に少なくとも１つの付加室（２８）を
    有し、この付加室（２８）及び注入室（２７又は２７
    ａ）が溝を介して加圧室（２９）と接続されており、付
    加室（２８）が、十分なプレス圧を半導体（３ｃ、３ｄ
    又は３ｅ）及び基板（１ａ、１ｂ又は１ｃ）上に生ぜし
    めるように配設されていることを特徴とする請求項１５
    記載の方法を実施するための半導体と基板との接合装
    置。
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