JPWO2012004876A1 - 接合体およびそれを備えた半導体装置、ならびに、接合方法およびそれを用いた製造方法 - Google Patents

接合体およびそれを備えた半導体装置、ならびに、接合方法およびそれを用いた製造方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、半導体素子（１）と基板（２）とが金属多孔質体（３）を介して接合された接合体であって、前記半導体素子（１）と前記基板（２）との間に前記金属多孔質体（３）が挟まれた状態で、該金属多孔質体（３）の一方の面が接合材を介して前記半導体素子（１）に接合され、該金属多孔質体（３）の他方の面が接合材を介して前記基板（２）に接合されており、前記金属多孔質体（３）の面内方向における中心部の機械的強度が周辺部よりも高いことを特徴とする接合体、および、それを備えた半導体装置である。

Description

この発明は、パワーモジュールなどの半導体装置およびその製造方法に関する。
近年、電子モジュールに対する信頼性の要求は益々高まり、特に熱膨張係数差の大きい半導体素子と基板との接合部に対する耐ヒートサイクル特性や、半導体素子と電極間をアルミなどのワイヤで接合した際の、半導体素子とアルミワイヤとの接合部に関する断続通電試験耐性（耐断続通電試験特性）の向上が強く求められている。また、次世代省エネルギーデバイスや高性能デバイスの実現も要請されており、特にシリコンと比較して高温動作が可能なＳｉＣデバイスの開発が活発になっている。そのため、確保すべきヒートサイクルの温度範囲は拡大し、断続通電試験の最高温度は上昇しており、さらに耐ヒートサイクル特性および耐断続通電特性に優れた接合部の開発が熱望されている。
このような要求に対して、例えば、半導体素子および回路基板に相当する線膨張係数の比較的小さい第１の部材と、放熱板および冷却器に相当する第１の部材よりも線膨張係数の大きい第２の部材との間を接合するための接合部材として、厚さ方向に第２の部材側から第１の部材側に向かって気孔率が大きくなるように形成された導電性多孔質体にはんだを含浸させた接合部材を用いることにより、応力を緩和する手法が開示されている（特許文献１：特開２００９−２７７８５６号公報）。
ところが、特許文献１に記載の多孔質体は、半導体素子の主面と平行な方向に高気孔率層が形成されており、ワイヤと接合される部分が全て金属密度の低い高気孔率層であるため、ワイヤボンド強度が低下することが問題であった。
これを解決するために、例えば、タングステン（Ｗ）の多孔質体の細孔内に銅（Ｃｕ）が溶浸されたＣｕ−Ｗ合金から成る半導体放熱用基板において、該Ｗ多孔質体の累積比表面積が９５％での細孔直径が０．３μｍ以上、かつ累積比表面積が５％での細孔直径が３０μｍ以下であることを特徴とする半導体用放熱基板が開示されている（特許文献２：特開２００３−１５２１４５号公報）。これは、半導体用放熱基板の中央部をＷの少ない（Ｃｕが多い）高熱伝導高熱膨張領域とし、周辺部をＷが多い（Ｃｕが少ない）低熱伝導低熱膨張部とすることにより、半導体素子と半導体用放熱基板との接合信頼性を向上させたものである。
ところが、特許文献２の半導体用放熱基板においては、細孔内が埋められてしまうため細孔による応力緩和能が失われて応力緩和効果がほとんど得られなくなるという問題があった。
一方で、半導体素子上面とアルミワイヤとの接合部近傍において、通電時に生じる半導体素子中央部の温度上昇と、非通電時の冷却との繰り返し応力により、半導体素子上面とアルミワイヤとの接合界面にクラックが発生・進展し、破断に到ることが、接合劣化モードの主な原因となることが知られている。これを抑制し、半導体素子の耐断続通電性を向上させるためには、半導体素子上面中央部の温度上昇集中を緩和することが有効であり、例えば、半導体素子上面にはんだを介して高熱伝導板を接合し、前記高熱伝導板にアルミワイヤを接合する技術が開示されている（例えば、特許文献３：特開２００５−１１６７０２号公報）。
しかしながら、このような半導体素子と高熱伝導板とのはんだ接合部には、半導体素子と高熱伝導板との熱膨張係数差に起因する熱応力でクラックが発生し、接合劣化が生じるという問題があった。
これを改善するために、半導体素子と高熱伝導板とを、特許文献１に記載されるような厚さ方向に気孔率を変化させた金属多孔質体を介して、はんだなどの接合材で接合することが考えられる。
しかしながら、厚さ方向に気孔率を変化させた金属多孔質体を用いて、半導体素子下面と基板電極とを接合して応力緩和効果を得ることは、半導体素子自体も容易に変位できる状態にすることである。すなわち、半導体素子への応力印加により、半導体素子自体が変位することになる。半導体素子の下に応力緩和効果を持った層（クッションのような層）を形成すると、半導体素子の上からの応力に対し、半導体素子下の応力緩和層が変形するため、半導体素子自体が応力に押されて下に動くことになる。半導体素子のおもて面にワイヤを接合する際に印加する超音波エネルギーや荷重を減衰させることでもある。また、中央部と周辺部とで熱伝導率と熱膨張係数を変化させる接合部材を挿入した場合、応力緩和効果が不足する問題があった。このため、応力緩和効果を十分保ちながら、良好にワイヤボンドが可能な、半導体素子と基板との接合方法、および、半導体素子と基板との接合体が求められていた。
特開２００９−２７７８５６号公報 特開２００３−１５２１４５号公報 特開２００５−１１６７０２号公報
本発明は、発泡金属などの金属多孔質体の高い延性による優れた耐ヒートサイクル（応力緩和）特性を保ちながら、ワイヤボンド強度が向上された半導体素子と基板との接合体、接合方法、ならびに、それらを用いた半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、半導体素子と基板とが金属多孔質体を介して接合された接合体であって、前記半導体素子と前記基板との間に前記金属多孔質体が挟まれた状態で、該金属多孔質体の一方の面が接合材を介して前記半導体素子に接合され、該金属多孔質体の他方の面が接合材を介して前記基板に接合されており、前記金属多孔質体の面内方向における中心部の機械的強度が周辺部よりも高いことを特徴とする、接合体である。
前記金属多孔質体の面内方向における中心部の気孔率が周辺部よりも小さいことが好ましい。
また、本発明は、上記の接合体を備えた半導体装置にも関する。
また、本発明は、半導体素子と基板とを金属多孔質体を介して接合する接合方法であって、前記半導体素子と前記基板との間に前記金属多孔質体が挟まれた状態で、金属多孔質体の一方の面に接合材を介して前記半導体素子を接合し、該金属多孔質体の他方の面に接合材を介して前記基板を接合し、前記金属多孔質体が、面内方向における中心部の機械的強度が周辺部よりも高い金属多孔質体であることを特徴とする、接合方法にも関する。
前記金属多孔質体の面内方向における中心部の気孔率が周辺部よりも小さいことが好ましい。
また、本発明は、上記の接合方法を用いた半導体装置の製造方法にも関する。
ヒートサイクルにおける応力緩和効果を保ちながら、ワイヤボンド強度が向上し、接合信頼性に優れた、高信頼な半導体装置が得られる。
実施の形態１の接合体を示す断面概略図である。 本発明に用いる発泡金属体の一例を示す模式図である。 本発明に用いる発泡金属板の別の例を示す模式図である。 実施の形態１の接合体のおもて面を説明するための模式図である。 実施の形態２の接合体を示す模式図である。 試験例１のクラック進展度について説明するための図である。
（実施の形態１）
図１は、本実施形態の接合体（Ｓｉダイボンドサンプル）の断面概略図を示す。図１を用いて本実施形態の接合体の製造方法を説明する。
図１に示す半導体素子（Ｓｉチップ）１は、以下のようにして作ることができる。まず、直径５インチ×厚さ０．３５ｍｍのシリコンウエハおもて面に厚さ５μｍのアルミニウム膜を、シリコンウエハ裏面にＴｉ／Ｎｉ／Ａｕ膜（厚さ１００／５００／５０ｎｍ）をスパッタで成膜する。次に、そのウエハからダイシングにより７ｍｍ□（７ｍｍ四方）のＳｉチップ１を取り出す。ここで用いるシリコンウエハ、スパッタ装置、ダイシング装置は、一般的な装置で問題ない。
次に、基板２として、１０ｍｍ□×厚さ１ｍｍの無酸素銅板（Ｃｕブロック）を用意する。なお、Ｃｕブロック２の表面には、厚さ５μｍの電解Ｎｉめっきが施されている。
また、はんだ４ａ、４ｂとして、ソルダーペーストＭ２０−３７４ＦＳ（千住金属工業製、合金組成重量比Ｓｎ：Ｃｕ＝１：０．７、推定融点２２７℃）を用意した。なお、本発明において用いられる接合材としては、はんだ、Ａｇ等の微細金属粒子による焼結接合材、導電性接着剤などが挙げられる。はんだ以外の接合材として、銀ろう、銅ろうなどを用いることもできるが、半導体用途にははんだが最適であり、コスト面にも優れる。
基板２の表面に８ｍｍ□の開口を有する厚さ０．１ｍｍのステンレスマスクでソルダーペースト（はんだ）４ａを印刷した。同様にして、金属多孔質体３の一方の表面にもはんだ４ｂを印刷した。基板２に印刷されたはんだ４ａの表面に、はんだ４ｂが上側となるように金属多孔質体３を載せ、金属多孔質体３に印刷されたはんだ４ｂの表面に半導体素子１を搭載し、基板２側から２５０℃に設定されたホットプレートで５０秒間加熱する。その後冷却することにより、本実施形態の接合体（Ｓｉダイボンドサンプルと称する）を得ることができる。
本発明に用いる金属多孔質体３は、その面内方向における中心部（少なくとも金属多孔質体の中心を含む部分）の機械的強度が周辺部（少なくとも金属多孔質体の周縁を含む部分）よりも高いものであることを特徴としている。このような金属多孔質体を用いることによって、ヒートサイクルにおける応力緩和効果を保ちながら、ワイヤボンド強度（ワイヤ接合強度）が向上し、接合信頼性に優れた接合体を作製することができる。
金属多孔質体３は、その面内方向における中心部（少なくとも金属多孔質体の中心を含む部分）の気孔率が周辺部（少なくとも金属多孔質体の周縁を含む部分）よりも小さいものであることが好ましい。
このように面内方向における中心部の気孔率が周辺部よりも小さい金属多孔質体３の一例としては、面内方向における中心部から周辺部側に向かって気孔率が減少している金属多孔質体が挙げられる。すなわち、図２に示すように、面内方向の最も中心部に位置する部分３１は最も気孔率が小さく、部分３２の気孔率はそれよりも大きく、部分３３の気孔率はさらに大きく、部分３４の気孔率が最も大きくなるような金属多孔質体３が挙げられる。ただし、気孔率は図２に示すように多段階で変化させてもよく、無段階で徐々に変化させるようしてもよい。
このような金属多孔質体３の製造方法としては、例えば、事前に準備した金属多孔質体を、せん断方向から圧縮方向に（面内方向の周辺部側から中心部方向に向かって）ゆっくり力を加えて変形（圧縮）させることにより、気孔率が無段階的に変化したの金属多孔質体を作製する方法が挙げられる。また、発泡源となるウレタンの粒径を中央部では小さく、端部に向かって大きくなるようにして製造してもよい。さらに、気孔率の異なる複数の金属多孔質体を用いて、中央部を気孔率の小さい金属多孔質体（例えば、４ｍｍ□以下の正方形の発泡金属板）で形成し、周辺部を気孔率の大きな金属多孔質体（例えば、四角いリング状にくりぬいた発泡金属板）で形成するようにして、段階的に気孔率が変化する金属多孔質体を製造してもよい。
面内方向における中心部の気孔率が周辺部よりも小さい金属多孔質体３の別の例としては、面内方向における最も中心側の部分（中心部）に対して最も周縁側の部分（周辺部）の気孔率が大きく、中心部から周辺部へかけて気孔率が部分的に減少および増大している金属多孔質体が挙げられる。例えば、図３に示すように、２種類の異なる気孔率を有する金属多孔質体（高気孔率の金属多孔質体３０１および低気孔率発泡金属板３０２）が交互に組み合わされてなる金属多孔質体が挙げられる。高気孔率の金属多孔質体３０１としては、例えば、気孔率９５％、気孔径（呼び孔径）３００μｍの銅発泡金属板（三菱マテリアル社製）を用いることができる。低気孔率の金属多孔質体３０２としては、例えば、気孔率８０％、気孔径５０μｍの銅発泡金属板（三菱マテリアル社製）を用いることができる。
なお、金属多孔質体の気孔率、気孔径は、ＪＩＳ Ｋ３８３２などに準拠して測定することができ、例えば、ポロシメータによる水銀圧入法やバブルポイント法などを用いることができる。また、外形と重量により気孔率を算出する方法を用いることもできる。
本発明に用いる金属多孔質体は、十分なワイヤボンド強度を維持するための相対的に機械的強度が高い金属多孔質体を中心部に備え、端部に耐ヒートサイクル特性（応力緩和特性）を付与するための相対的に機械的強度が低い金属多孔質体を周辺部に備えるものであればよい。
したがって、上述のように面内方向における中心部の気孔率が周辺部よりも小さい金属多孔質体以外にも、例えば、気孔率は一様であるが、面内方向における中心部の気孔径が周辺部よりも小さい金属多孔質体を用いることもできる。また、気孔径および気孔率が一様であるが、中心部の材質がニッケル（相対的に機械的強度の高い材料）であり、周辺部の材質がアルミニウム（相対的に機械的強度の低い材料）であるような金属多孔質体を用いることもできる。
（実施の形態２）
本実施形態は、応力緩衝板を備えた本発明の接合体の一形態である。図５は本実施形態の接合体の構造を説明するための、断面概略図である。図５において、Ｓｉチップ１、基板２、金属多孔質体３ａ、３ｂ、はんだ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄは、実施の形態１で用意したものと、同じものを用いることができる。応力緩衝板を備えることにより、電気的な接続信頼性を向上出来るという利点がある。
本実施の形態では、まず、Ｓｉチップ１のおもて面（アルミでメタライズされている）上に、厚さ３μｍの無電解Ｎｉ−Ｐめっきを施し、さらにその表面に、無電解Ａｕめっき（厚さ０．０５μｍ狙い）を施す。
次に、応力緩衝板６を用意する。例えば、厚さ０．３ｍｍ、７ｍｍ□のモリブデン板（株式会社ニラコ社製）を用いることができるが、これに限定されるものではない。また、応力緩衝板６の表面は、例えば、厚さ２μｍ以上の電解Ｎｉめっきを施してもよく、さらに、該めっきの上に厚さ０．０５μｍ以上の電解Ａｕめっきを施してもよい。
基板２、金属多孔質体３ａ、Ｓｉチップ１おもて面、金属多孔質体３ｂの上面において、８ｍｍ□の範囲に厚さ０．１ｍｍ狙いで、ステンレスマスクを用いてソルダーペーストを印刷する。次に、これらを、鉛直方向下から、基板２（上面にはんだ印刷済み）、金属多孔質体３ａ（上面にはんだ印刷済み）、Ｓｉチップ（上面にはんだ印刷済み）、金属多孔質体３ｂ（はんだ印刷済み）、モリブデン板（応力緩衝板）６の順にを搭載し、２８０℃に設定したホットプレート上で１分間加熱後、大気放冷したことによって、サンプルを試作した。モリブデン板（応力緩衝板）６の上面には、φ３００μｍのアルミワイヤ７を、実施の形態１と同様の条件で接合した。
（実施例１）
実施例１および２は、上記実施の形態１に対応する接合体の具体例である。
事前に購入した厚さ１ｍｍ、１２ｍｍ□の金属多孔質体（気孔率８０％、気孔径３００μｍ、三菱マテリアル社製）を、せん断方向から圧縮方向に（面内方向の周辺部側から中心部方向に向かって）ゆっくり力を加えて圧縮することにより、面内方向における中心部から周辺部側に向かって気孔率が無段階的に減少している金属多孔質体気孔率（厚さ１ｍｍ、９ｍｍ□、気孔率４０〜５０％、）を作製した。このようにして作製した金属多孔質体を用いた以外は、上記実施の形態１と同様にして本発明の接合体を作製した。
（実施例２）
図３に示されるような、２種類の異なる気孔率を有する金属多孔質体（高気孔率の金属多孔質体３０１および低気孔率発泡金属板３０２）が交互に組み合わされてなる金属多孔質体を使用した以外は、実施例１と同様にして接合体を作製した。高気孔率の金属多孔質体３０１としては、例えば、気孔率９５％、気孔径（呼び孔径）３００μｍの銅発泡金属板（三菱マテリアル社製）を用いることができる。低気孔率の金属多孔質体３０２としては、例えば、気孔率８０％、気孔径５０μｍの銅発泡金属板（三菱マテリアル社製）を用いることができる。
（比較例１）
金属多孔質体として従来の気孔率が一様であるＣｕ発泡金属板（厚さ１ｍｍ、９ｍｍ□、気孔径３００μ、気孔率９５％、三菱マテリアル社製）を用いた以外は、実施例１と同様にして、接合体（Ｓｉダイボンドサンプル）を試作した。
（比較例２）
金属多孔質体を挿入せずに、基板表面に厚さ０．１ｍｍで８ｍｍ□のソルダーペーストを印刷し、実施例１と同様の加熱条件で接合体（Ｓｉダイボンドサンプル）を試作した。
＜試験例１＞
上記実施例１、実施例２、比較例１、比較例２の接合体を各１０個作製し、３００μｍ径のアルミニウムワイヤを９本づつ、図４に示すように半導体素子１の上面に設けた９個のボンディングパッド５（最表面の材質：アルミニウムあるいは金）に接合した。このようにしてワイヤボンドが施された接合体について、事前評価にて最適化された条件下で、ワイヤプルテストによるプル強度の最大値と最小値を測定した。
各実施例、比較例についての最大プル強度、最小プル強度および平均プル強度の９本の平均値を表１に示す。なお、表１中に判定として、発泡金属体を挿入しない比較例２の最小プル強度（６３７ｇｆ／ワイヤ）以上の最小プル強度および平均プル強度が得られている場合に○、得られていない場合に×を記した。
＜試験例２＞
上記実施例１、実施例２、比較例１、比較例２のＳｉダイボンドサンプルを各１０個試作し、―４０℃と１７５℃との間を往復する温度サイクルを５００回繰り返すヒートサイクル処理を施した後に、Ｓｉチップ下のはんだ接合部について超音波観察を行い、クラック進展率（％）を測定した結果（最大、最小、平均）を表２に示す。ここでクラック進展率は、以下のように算出した。
図６は、クラック進展率の算出方法を説明するための、Ｓｉチップ下はんだについて超音波探傷装置で得られた画像を示す。（ａ）は、ヒートサイクル前、（ｂ）はヒートサイクル後の画像である。（ａ）のように、基本的にはんだ接合部は黒く見え、ボイドのような空隙部は白く見える。（ｂ）において、白い部分がＳｉチップ端部から中央に向かって進展し、その四隅において、最も白い部分が進行している箇所について、対角線長さｘを算出。次いで、接合部全体の対角線長さＬを算出。ｘ／Ｌ（％）を以って、クラック進展度（％）とした。
また、ヒートサイクル処理後に、試験例１と同様のワイヤプル強度測定を行った結果を表３に示す。
表１〜３の結果から、中央部を低気孔率にした金属多孔質体を用いたＳｉダイボンドサンプルである実施例１および実施例２は、金属多孔質体の応力緩和効果により、耐ヒートサイクル特性に優れ、アルミワイヤボンド強度も良好であることが確認できる。一方、比較例１の金属多孔質体を挿入したＳｉダイボンドサンプルは、耐ヒートサイクル特性には優れるものの、比較例２の最小プル強度以上の最小プル強度および平均プル強度が得られていないと判断された。これは、アルミワイヤボンド強度（プル強度）が低く、発泡金属体の挿入により超音波エネルギーが分散して、健全にアルミワイヤボンドが出来なかったためであると推測される。
なお、金属多孔質体３として、全体が高気孔率の金属多孔質体を使用した場合は、金属多孔質体３を挿入しない場合と比較してワイヤボンド強度に優れるが、耐ヒートサイクル特性が比較例１と比較例２の中間程度となることは、容易に類推できる。
（実施例３）
金属多孔質体３ａ，３ｂとして、実施例１と同様の面内方向における中心部の気孔率が周辺部よりも小さい金属多孔質体を用いて、上記実施の形態２に記載される方法により接合体を作製した。なお、応力緩衝板６としては、厚さ０．３ｍｍ、７ｍｍ□のモリブデン板（株式会社ニラコ社製）に、厚さ３μｍの電解Ｎｉめっきを成膜し、さらにその上に厚さ０．０８μｍの電解Ａｕめっきを成膜したものを使用した。
（実施例４）
金属多孔質体３ａ，３ｂとして、実施例２と同様の金属多孔質体を用いた以外は実施例３と同様にして接合体を作製した。
（比較例３）
金属多孔質体３ａとして実施例１と同様の金属多孔質体を用い、金属多孔質体３ｂとして比較例１で用いたものと同様の金属多孔質体（面内方向に気孔率が変化していない従来の発泡金属板）を用いた以外は、実施例３と同様にして接合体を作製した。
（比較例４）
金属多孔質体３ａ，３ｂとして、比較例１で用いたものと同様の金属多孔質体（面内方向に気孔率が変化していない従来の発泡金属板）を用いた以外は、実施例３と同様にして接合体を作製した。
（比較例５）
発泡金属板３ａ，３ｂ、はんだ４ｂ,４ｄを使用せずに実施例３と同様にして接合体を作製した。
＜試験例３＞
上記実施例３、実施例４、比較例３および比較例４のサンプルを各々１０個づつ試作し、試験例１と同様にして初期ワイヤプル強度測定を行った結果を表４に示す。また、試験例２と同様にして―４０℃と１７５℃との間を往復する温度サイクルを５００回繰り返すヒートサイクル処理を施した後の、ワイヤプル強度の調査結果を表５（チップ下に接合されたワイヤについて）および表６（チップ上面に接合されたワイヤについて）に、クラック進展度の調査結果を表７に示す。
以上の結果より、挿入している金属多孔質体が全て（金属多孔質体３ａ，３ｂのいずれもが）面内方向における中心部の気孔率が周辺部よりも小さいものである実施例３〜５の半導体装置は、全ての試験で判定が○となったが、金属多孔質体３ａ，３ｂのいずれか一方を面内方向に気孔率が変化していない従来の発泡金属板とした比較例３〜５の半導体装置は、ワイヤボンド強度が不十分となった。
この発明を詳細に説明し示してきたが、これは例示のためのみであって、限定ととってはならず、発明の範囲は添付の請求の範囲によって解釈されることが明らかに理解されるであろう。
１ 半導体素子（Ｓｉチップ）、２ 基板（Ｃｕブロック）、３，３ａ，３ｂ 金属多孔質体（発泡金属板）、３０１ 高気孔率の金属多孔質体、３０２ 低気孔率の金属多孔質体、４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ はんだ（接合材）、５ ボンディングパッド、６ 応力緩衝板（モリブデン板）、７ ワイヤ。

Claims (6)

  1. 半導体素子（１）と基板（２）とが金属多孔質体（３）を介して接合された接合体であって、
    前記半導体素子（１）と前記基板（２）との間に前記金属多孔質体（３）が挟まれた状態で、該金属多孔質体（３）の一方の面が接合材を介して前記半導体素子（１）に接合され、該金属多孔質体（３）の他方の面が接合材を介して前記基板（２）に接合されており、
    前記金属多孔質体（３）の面内方向における中心部の機械的強度が周辺部よりも高いことを特徴とする、接合体。
  2. 前記金属多孔質体（３）の面内方向における中心部の気孔率が周辺部よりも小さい、請求の範囲１に記載の接合体。
  3. 請求の範囲１に記載の接合体を備えた半導体装置。
  4. 半導体素子（１）と基板（２）とを金属多孔質体（３）を介して接合する接合方法であって、
    前記半導体素子（１）と前記基板（２）との間に前記金属多孔質体（３）が挟まれた状態で、金属多孔質体（３）の一方の面に接合材を介して前記半導体素子（１）を接合し、該金属多孔質体（３）の他方の面に接合材を介して前記基板（２）を接合し、
    前記金属多孔質体（３）が、面内方向における中心部の機械的強度が周辺部よりも高い金属多孔質体（３）であることを特徴とする、接合方法。
  5. 前記金属多孔質体（３）の面内方向における中心部の気孔率が周辺部よりも小さい、請求の範囲４に記載の接合方法。
  6. 請求の範囲４に記載の接合方法を用いた半導体装置の製造方法。
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