JPS5816615B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体装置の製造方法に係り、特に銅又は銅合
金中に炭素繊維を埋め込んだものを半導体を支持する電
極に用いた半導体装置の製造方法に関する。

半導体装置は、半導体と該半導体を支持する電極とを具
備する。

半導体と支持電極とは、通常、ろう接によって接合され
る。

支持電極に要求される性質は、主に次の二つである。

（１）半導体と同じか、はソ等しい熱膨張係数を有する
。

（２）熱伝導性がすぐれている。

支持電極の熱膨張係数が、シリコン、ゲルマニウムなど
の半導体と同じか、あるいははソ等しくないと、半導体
装置の製造時又は使用時に、半導体がわん曲したり、あ
るいは破壊する。

又、支持電極の熱伝導性が良好でないと、半導体に発生
する熱を有効に放散できず、半導体装置の性能の劣化を
生ずる。

上記支持電極には、従来、モリブデンあるいはタングス
テンが用いられてきた。

しかし、最近、これらよりも銅又は銅合金中に炭素繊維
を埋め込んだものの方が、熱膨張係数を半導体のそれに
近ずけることができ、又、熱伝導性も良好にできること
を見出した。

ところが、この新しく見出したもの（以下、これを、銅
−炭素繊維複合体と呼ぶ）を支持電極に用いた半導体装
置は、製造前は支持電極の表面が平滑であったのに、製
造後は表面に微小な突起を生成することがわかった。

又、このため、半導体とのろう接不良をきたし、半導体
に発生する熱を有効に放散できなくなることがわかった
。

本発明の目的は、銅−炭素繊維複合体よりなる支持電極
の寸法が、半導体装置の製造後においても製造前と実質
的に変わらないようにした半導体装置の製造方法を提供
するにある。

本発明は、銅−炭素繊維複合体よりなる支持電極を、半
導体装置における他の部品と接合する前に予め半導体装
置の製造工程における最高加熱温度以上で加熱すること
を特徴とする。

本発明は、下記の過程を経てなされた。

まず最初に支持電極が半導体装置の製造前と製造後とで
寸法変化を生ずる原因を調べた。

その結果、上記寸法変化の原因は、銅又は銅合金の弾性
と炭素繊維の弾性とに違いがあるためであることがわか
った。

。即ち、銅又は銅合金は加熱されると軟化し弾性が変化
するが、炭素繊維は加熱しても弾性が劣化しないという
違いがある。

銅−炭素繊維複合体において炭素繊維は、多くの場合、
銅又は銅合金中に弾性エネルギーを内包した状態で存在
している。

炭素繊維を網状に配置したもの、方向を親電せずに無方
向に入れたもの、あるいはうす巻き状に配置したものな
どは、いずれもかなシ大きい弾性エネルギを銅又は銅合
金中に内包している。

炭素繊維を一方向に配置したものは、銅又は銅合金中に
内包される弾性エネルギはきわめて小さいが、それでも
全く無いというわけではない３したがって、このような
銅−炭素繊維複合体を加熱すると、ある温度以上になれ
ば、炭素繊維の弾性エネルギが開放され、これが複合体
の寸法変化となって現われるようになる。

この現象が甚だしい場合には、銅又は銅合金の破壊を生
ずる。

銅又は銅合金の寸法変化は、実験によると３００℃以上
の加熱で明瞭に認められた。

他方、半導体装置において支持電極は、半導体装置に組
み込んでから装置の製作を終えるまでに、いくつかの加
熱工程を経る。

その１つは支持電極と半導体とのろう接であり、他は支
持電極と銅ポストとの接合、半導体を気密封止する容器
の密閉時の加熱などである。

銅ポストは用いないこともあり、又、支持電極に接合し
ないこともある。

図は本発明を適用した半導体装置の一例であるが、この
場合には次の加熱工程を経る。

１つは支持電極１とパッケージ２との接合である。

この接合は主に銀ろう接が行なわれ、ろう液温度は約８
５０°Ｃになる。

符号３はろう接部を示している。１つは支持電極にニッ
ケルめっきを施したのらの拡散焼鈍である。

この拡散焼鈍は約７５０°Ｃで行なわれる。

１つはニッケルめっき層４を形成した支持電極１と半導
体５との接合であり、他の１つは半導体５とリード線６
との接合である。

これらの接合は通常、鉛−錫−インジウム合金手出を用
いて、３２０℃前後で行なわれる。

符号８，９はそれぞれ手田付は部を示している。

他の１つはパッケージ２内への樹脂７の封入時の加熱で
ある。

上記半導体装置においては支持電極１とパッケージ２と
のろう液温度が、半導体装置の製造における最高加熱温
度となる。

そして、これらの加熱工程で支持電極が寸法変化を生じ
る。

加熱により炭素繊維の弾性エネルギ）の開放が進むと、
支持電極のろう接面に突起が生じ、ろう接不良をもたら
すようになる。

次いで、支持電極の上記寸法変化を抑制する手段につい
て検討した。

その結果、寸法変化の割合は加熱温度の上昇に伴って犬
になるが、一旦加熱、されたならば、その温度以下であ
ればその後、再び加熱してももはや寸法変化を起こさな
いことを見出した。

これは、銅の軟化に伴い、炭素繊維の弾性エネルギが開
放されて安定な状態に近ずくためと思われる。

； そこで、この結果を半導体装置の製造に応用するこ
とにし、具体的には、支持電極を半導体装置に組み込ん
で該支持電極を他の部品に接合する前に、予め半導体装
置の製造工程における最高加熱温度以上で加熱するよう
にした。

この加熱は、半導体装置に支持電極を組み入れる以前に
行なうのが最も適当である。

加熱温度は図示の装置の場合は、パッケージと支持電極
とのろう接温度以上吉いうことになる。

炭素繊維を埋め込む銅又は銅合金において、銅合金は銅
と炭素繊維との界面の接着強度を高める目的で、チタン
、ノマナジウム、クロム、ジルコニウムなどの炭化物形
成元素を含むことがある。

これら炭化物形成元素の効果としては、複合体における
炭素繊維の弾性エネルギの解放を阻止することが挙げら
れるが、この場合でも、銅−炭素繊維複合体よりなる支
持電極を他の部品に接合する前に予め加熱しておけば、
半導体装置製造後の支持電極の寸法変化抑制に対する信
頼性がより高められる。

なお、支持電極の寸法変化は、炭素繊維の量と関連があ
り、それが２０体積係以上になるのと以下であるのとで
は、寸法変化の程度に著しい差が現れ、２０体積係以上
で甚しくなる。

したがって本発明は炭素繊維の量が２０体積チ以上のも
のに適用すると特に効果がある。

支持電極は予め加熱したならば、そのまま、あるいは表
面を加工して突起等を取り除いてから半導体装置に組み
入れる。

実際上は、支持電極を補修してから装置に組み込むのが
望ましいが、特に補修しなくてもろう材の量を調整する
などすれば、ある程度ろう接不良を緩和でき、支持電極
を予め加熱しなかったときにくらべると、その効果を著
しく増すことができる。

しかし、ろうの使用量が多くなり、熱抵抗が増す傾向に
あるので、なるべくならば、加熱したあとで切削加工す
べきである。

なお、支持電極の寸法変化は加熱時間によっても影響を
受けるが、温度の影響にくらべるとその影響はきわめて
少ないので、殆んど無視してよい。

炭素繊維を銅又は銅合金中にうず巻状に埋め込んだ複合
体は、炭素繊維を無方向に埋め込んだものにくらべると
、同一の炭素繊維量のときには熱膨張係数が小さくなり
、又、熱伝導性も良好になる。

したがって、これを支持電極とし、うず巻き面を半導体
との接合面とするものに対して、本発明を適用すれば最
もすぐれたものが得られる。

実施例 １ 約１μｍの厚さの銅めっきを施した約９μｍφの炭素繊
維を５〜１０ｃｍの長さに切断した。

これを水中で攪拌して炭素繊維のスケルトンを作製した
。

次いで、そのスケルトンに炭素粉を混ぜて黒鉛鋳型に入
れ、圧力２５０ ｋｇ ／ａｒ！Ｌ、温度１０００°Ｑ
保持時間１時間、雰囲気水素ガスの条件でホットプレス
し、炭素繊維が無方向に配置されている銅−炭素繊維複
合体を作製した。

複合体の大きさは直径２５朋φ、厚さ５關の円板状であ
り、炭素繊維の量は３０体積係である。

次ぎに上記銅−炭素繊維複合体を約９００℃の温度で１
時間加熱した。

この加熱により複合体の寸法は当初の約１．１倍になっ
た。

この状態で図に示す構造の半導体装置の支持電極として
組み込み、パッケージと銀ろう接を行なった。

ろう液温度は８６０℃、時間は３０分である。

この結果、ろう接待における支持電極の寸法変化は認め
られず、ろう接不良は起こらなかった。

実施例 ２ 約１μｍの厚さの銅めっきを施した約９μｍφの炭素繊
維を約２０００本束ね、これに銅粉とメチルセルローズ
水溶液とを混合したスラリを含浸して、これらをうず巻
状に配列した。

そして、実施例１と同じ条件でホットプレスした。

炭素繊維の量は３０体積係である。

複合体の大きさは直径２５１ｒＬｍφ、厚さ５關であり
、複合体の表面粗さは最大１０μｍである。

上記複合体を９００℃で１時間加熱した。

この結果、複合体の体積の増加は殆んど認められなかっ
たが、表面に幅２關、最大高さ約６０μｍの突起が炭素
繊維の配列方向に沿って部分的に発生した。

そこで、９００℃の温度にさらに１時間加熱してから、
表面を加工し、突起を取り除いた。

この複合体を支持電極として図に示す構造の半導体装置
に組み込み、パッケージとの銀ろう接をはじめとする一
連の工程を行なったが、支持電極の寸法変化は認められ
なかった。

この支持電極の導電率は５０１ＡＣ３％、熱膨張係数は
３００℃加熱時で約５．４ Ｘ １０−’７Ｇであった
。

以上の実施例から明らかなように、本発明によれば銅−
炭素繊維複合体よりなる支持電極が半導体装置の製造前
と製造後とで、寸法に違いを生ずるのを防止できる。

このため、半導体と支持電極とのろう接不良を抑制する
ことができる。

銅−炭素繊維複合体よりなる支持電極を予め加熱しない
で用いる、本発明以前の半導体装置は、その殆んど全部
に支持電極の寸法変化が生じ、これが不良品の発生に何
らかの要因を及ぼしていた。

本発明に半導体装置製造後の支持電極の寸法変化を防止
できるので、半導体装置の不良発生防止の上でも著しい
効果を持っていることになる。

【図面の簡単な説明】

図は本発明を適用した半導体装置の断面図である。 １・・・・・・支持電極、２・・・・・・パッケージ、
３・・・・・・銀ろう接部、５・・・・・・半導体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 銅又は銅合金中に炭素繊維を埋め込んだ複合体を半
   導体装置の支持電極に用いて、該支持電極と他の部品と
   の接合工程を含む上記半導体装置の製造を行なう方法に
   おいて、上記支持電極を上記他の部品に接合する前に、
   予め上記支持電極を上記半導体装置の製造工程における
   最高加熱温度以上で加熱することを特徴とする半導体装
   置の製造方法。 ２、特許請求の範囲第１項において、上記複合体が上記
   炭素繊維を３０％以上含有したものからなる半導体装置
   の製造方法。 ３ 特許請求の範囲第１項において、上記複合体は上記
   炭素繊維をうず巻状に配置したものとし、該うず券面を
   半導体との接合面とした半導体装置の製造方法。