JPWO2015137109A1 - 半導体装置の製造方法および半導体装置 - Google Patents

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Abstract

放熱部を備えた第1主面と、第1主面と対向する第2主面を有し、半導体チップを搭載した半導体ユニットを準備する工程と、平坦面を有する冷却器を準備する工程と、半導体ユニットの第1主面、もしくは冷却器の平坦面に金属ナノ粒子を含んだペーストを塗布する工程と、ペーストを介して半導体ユニットの第1主面と冷却器の平坦面を接触させる工程と、ペーストを昇温すると同時に半導体ユニットの第2主面に面内で均一な加圧力を加え、ペーストを焼結して接合層を形成する工程と、を含む半導体装置の製造方法を提供する。

Description

この発明は、半導体装置の製造方法、および半導体装置に関する。
図10は、従来の半導体モジュール500の要部断面図である。図10は、この半導体モジュール500を金属製の冷却器62に固定した状態を示す。
従来の半導体モジュール500は、金属ベース51と、この金属ベース51に裏面の金属板52がはんだ53で固着した絶縁基板54と、この絶縁基板54のおもて面の回路板55にはんだ56で固着した半導体チップ57を備える。また金属ベース51に固着した樹脂製のケース58と、ケース58と一体成型された外部端子59と、半導体チップ57、回路板55、外部端子59に接続するワイヤ60を備える。さらにケース58を充填するゲルなどの封止材61を備える。そして金属板52と冷却器62の間に熱伝導性の良いコンパウンド63を挟んで冷却器62が固定されている。
図11は、別の従来の半導体モジュール600の要部断面図である。
上記半導体モジュール500と異なり、絶縁基板54のおもて面の回路板55にはんだ56で固着した半導体チップ57と外部端子65(金属バー)を備える。また、折り曲げられた外部端子65の先端部65aと金属板52の裏面52aおよび側面52bの一部を露出させて封止するモールド樹脂66を備える。外部端子65の先端部65aは、モールド樹脂66の表面から形成された凹部に金属製のナット67が埋め込まれたナットグローブ68の上に配置される。前記の外部端子65の先端部65aに形成された図示しない貫通孔とこのナットグローブを利用して、外部端子65と図示しない外部配線バーをボルトで固定する。
半導体モジュール500または600により、インバータ回路の単相回路、2相回路または3相回路を形成することができる。
この半導体モジュール500および600において、金属ベース51の裏面51aと、冷却器62の平坦面62aの間には、反りなどの影響で隙間が形成される。そこで流動性の良いコンパウンド63を塗布したり、コンパウンド63を厚く塗布したりして、隙間内でコンパウンド63が濡れ広がるようにしている。そしてコンパウンド63を濡れ広がりやすくすることで、金属ベース51と冷却器62との密着性を高めている。
また、特許文献1では、半導体装置と冷却器を金属ナノ粒子で固着したエレクトロニクス用デバイスについて記載されている。
特開2010−232366号公報
しかし、流動性が高いコンパウンド63は、金属ベース51の繰返し熱変形によって、隙間の外側にかき出される。このため、金属ベース51の裏面51aと冷却器62の平坦面62aとの密着性が低下しやすい。また、コンパウンド63の熱伝導率は約1W/m・K程度であり、銅の熱伝導率390W/m・Kやアルミの熱伝導率240W/m・Kに比べ極端に低い。このためコンパウンド63を厚く塗布するほど、冷却性能が低くなってしまう。また絶縁基板54と金属ベース51を接合しているはんだ53も熱伝導率は50W/m・K程度であり、銅やアルミに比べて低い値である。このコンパウンド63やはんだ53に代わる熱伝導率の高い材料を適用することが、半導体モジュールの冷却性能向上に必要である。
また、特許文献1では、半導体装置と冷却器の間に金属ナノ粒子を介して加圧し半導体装置と冷却器を固着することが記載されている。しかし、良好な接合性を得るために加圧力を均一にすることや、接合面の形状についての記載はない。
この発明の一態様では、半導体装置の製造方法は、放熱部を備えた第1主面と、前記第1主面と対向する第2主面を有し、半導体チップを搭載した半導体ユニットを準備する工程と、平坦面を有する冷却器を準備する工程と、前記半導体ユニットの第1主面、もしくは前記冷却器の平坦面に金属ナノ粒子を含んだペーストを塗布する工程と、前記ペーストを介して前記半導体ユニットの第1主面と前記冷却器の平坦面を接触させる工程と、前記ペーストを昇温すると同時に前記半導体ユニットの前記第2主面に面内で均一な加圧力を加え、前記ペーストを焼結して接合層を形成する工程と、を含む製造方法とする。
また、この発明の別の一態様では、半導体装置は、放熱部を備えた第1主面と、前記第1主面と対向する第2主面を有し、半導体チップを搭載した半導体ユニットと、平坦面を有し、前記平坦面が前記半導体ユニットの第1主面と対向して位置する冷却器と、金属ナノ粒子の焼結体で構成され、前記半導体ユニットの第1主面と前記冷却器の平坦面とを接合し、中央部よりも周辺部の方が厚い接合層と、を備えた構成とする。
この発明に係る第1実施例の半導体装置100の構成図であり、(a)は要部断面図、(b)は(a)の縦方向を拡大した金属板3cと冷却器2の接合部を拡大した断面図である。 この発明に係る第2実施例の半導体装置100の製造工程図である。(a)は半導体ユニット1の断面図、(b)は冷却器2の断面図、(c)は縦方向を拡大した半導体ユニット1の放熱部の一部である金属板3cの断面図、(d)は縦方向を拡大した冷却器2の断面図である。 図2に続く、この発明に係る第2実施例の半導体装置100の製造工程図である。(a)は半導体ユニット1の断面図、(b)は冷却器2の断面図、(c)は縦方向を拡大した半導体ユニット1の放熱部の一部である金属板3cの断面図、(d)は縦方向を拡大した冷却器2の断面図である。 図3に続く、この発明に係る第2実施例の半導体装置100の製造工程図である。(a)は半導体ユニット1および冷却器2の断面図、(b)金属板3cおよび冷却器2の断面図である。 図4に続く、この発明に係る第2実施例の半導体装置100の製造工程図である。(a)は加熱炉9、加圧機構20、半導体ユニット1および冷却器2の断面図、(b)金属板3cおよび冷却器2の断面図である。 図5に続く、この発明に係る第2実施例の半導体装置100の製造工程図である。(a)は半導体ユニット1および冷却器2の断面図、(b)金属板3cおよび冷却器2の断面図である。 加圧機構20aを用いて半導体ユニット1の第2主面1bに均一な加圧力Pを印加する方法を説明した説明図である。 加圧機構20bを用いて半導体ユニット1の第2主面1bに均一な加圧力Pを印加する方法を説明した説明図である。 金属ナノ粒子で構成されたペースト5の構成を説明した説明図である。 従来の半導体モジュール500の要部断面図である。 別の従来の半導体モジュール600の要部断面図である。
[一般的開示]
半導体装置の製造方法は、放熱部を備えた第1主面と、第1主面と対向する第2主面を有し、半導体チップを搭載した半導体ユニットを準備する工程を含んでよい。半導体装置の製造方法は、平坦面を有する冷却器を準備する工程を含んでよい。半導体装置の製造方法は、半導体ユニットの第1主面、もしくは冷却器の平坦面に金属ナノ粒子を含んだペーストを塗布する工程を含んでよい。半導体装置の製造方法は、ペーストを介して半導体ユニットの第1主面と冷却器の平坦面を接触させる工程を含んでよい。半導体装置の製造方法は、ペーストを昇温すると同時に半導体ユニットの第2主面に面内で均一な加圧力を加え、ペーストを焼結して接合層を形成する工程を含んでよい。
加圧力は、第2主面の面内において±10%以内のばらつきであってよい。半導体ユニットの準備工程において、放熱部を凸に反らせてよい。放熱部の周辺部と冷却器の間の隙間が、10μm以上、300μm以下であってよい。放熱部の周辺部と冷却器の間の隙間が、20μm以上、100μm以下であってもよい。放熱部の中央部は冷却器と接してもよい。
加圧力が、5MPa以上、20MPa以下であってよい。昇温する温度が、150℃以上、350℃以下であってよい。
半導体装置は、放熱部を備えた第1主面と、第1主面と対向する第2主面を有し、半導体チップを搭載した半導体ユニットを備えてよい。半導体装置は、平坦面を有し、平坦面が半導体ユニットの第1主面と対向して位置する冷却器と、金属ナノ粒子の焼結体で構成され、半導体ユニットの第1主面と前記冷却器の平坦面とを接合し、中央部よりも周辺部の方が厚い接合層を備えてよい。
接合層の周辺部の厚さが10μm以上、300μm以下であってよい。接合層の周辺部の厚さが20μm以上、100μm以下であってもよい。放熱部の中央部は冷却器と接してもよい。
放熱部は、回路板と、絶縁板と、金属板が積層して構成される絶縁基板であってよい。冷却器は金属板と接合されてよい。半導体チップは回路板に固定されてよい。金属ナノ粒子が、銀もしくは銅で構成されてよい。
実施の形態を以下の実施例で説明する。
実施の形態を通して共通の構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。
なおこの実施例は、説明された実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。
<実施例1>
図1は、この発明に係る第1実施例の半導体装置100の構成図である。図1(a)は要部断面図、図1(b)は図1(a)の縦方向を拡大した金属板3cと冷却器2の接合部を拡大した断面図である。
この半導体装置100は、金属製の冷却器2と、この冷却器2に接合層4を介して固着した半導体ユニット1からなる。この接合層4は金属ナノ粒子、例えば銀ナノ粒子を用いた接合材であるペースト5を焼結した層である。
半導体ユニット1は、第1主面(図では下面)に放熱部である絶縁基板3を備えている。絶縁基板3は、例えばセラミックなどの絶縁板3bと、この絶縁板3bの裏面に形成した金属板3cと、絶縁板3bのおもて面に形成した回路板3aからなる。
回路板3aに、はんだ14で固着したIGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)などの半導体チップ13と外部端子12を備える。また半導体チップ13および回路板3aを電気的に接続するワイヤ15を備える。さらに折り曲げられた外部端子12の先端部12aと、金属板3cの裏面および側面の一部を露出させて封止するモールド樹脂11を備える。ここでは、先端部12aの下に図示しないナットグローブが配置されている。
金属板3cの露出面により、半導体ユニット1の第1主面1aが形成されている。またモールド樹脂11および外部端子12の先端部12aにより、半導体ユニット1の第2主面1bが形成されている。
さらに、半導体ユニット1の放熱部を備えた第1主面1aと接合層4を介して固着する、金属製の冷却器2を備える。冷却器2は平坦面2cを有する冷却板2aと、平坦面2cと対向する面に配置されたフィン2bで構成されている。
本実施例では図1(b)に示す通り、冷却器2の平坦面2cに、下方に凸状に湾曲した絶縁基板3(図では金属板3c)を配置する。そして、平坦面2cと絶縁基板3との間に配置された接合層4を、中央部よりも周辺部が厚くなるようにする。中央部および周辺部は平坦面2cと平行な面内における位置を指す。また、接合層4の中央部とは、絶縁基板3の中心に対向する領域を指してよい。本例では、絶縁基板3の凸部の先端に対向する領域を、接合層4の中央部とする。また、第1主面1aの周辺部(例えば絶縁基板3のエッジ)に対向する領域を、接合層4の周辺部としてよい。すなわち、絶縁基板3の凸部に対向する接合層4の領域よりも、絶縁基板3のエッジに対向する接合層4の領域のほうが厚くてよい。絶縁基板3のエッジに対向する接合層4の厚みとは、絶縁基板3のエッジの全周にわたる厚みの平均値を指してよく、最小値を指してもよい。この際、第1主面1aの周辺部での接合層4の厚さKを10μm〜300μmにする。また、好ましくは20μm〜100μmにする。この厚さKの値は、絶縁基板3の大きさ、回路板3aや金属板3cの体積、モールド樹脂11の体積およびはんだ14の体積などで制御することができる。厚さKは金属板3cと冷却器2の間の隙間Tとほぼ同じ値に設定する。なお、接合層4の厚みは、中央部で最小となり、周辺部で最大となってよい。中央部から周辺部にかけて、接合層4の厚みは漸増することが好ましい。
詳細は後述するが、ペースト5には金属ナノ粒子を被覆する有機膜や粒子分散用の溶媒などの有機物が含まれ、これは焼結時にガスとなる。ここで周辺部の隙間Tの長さを10μm〜300μmにすることで、ペースト内で発生したガスを隙間Tから効率的に外部に放散させることができる。このため、過剰なガスを含まず信頼性の高い接合層4を得ることができる。
尚、半導体装置100は、例えば、2in1の単相回路が形成された半導体モジュールである。2in1の単相回路が形成された半導体モジュールを共通の冷却器に複数並べて接合層を介して接合することで、2相または3相回路を形成した半導体装置にすることができる。つまり、4in1、6in1、12in1で構成された半導体装置となる。
<実施例2>
図2〜図6は、この発明に係る第2実施例の半導体装置100の製造方法を工程順に示した要部工程図である。
図2(a)は半導体ユニット1の断面図、図2(b)は冷却器2の断面図、図2(c)は縦方向を拡大した半導体ユニット1の放熱部の一部である金属板3cの断面図、図2(d)は縦方向を拡大した冷却器2の断面図である。
まず、半導体ユニット1と冷却器2を準備する。このとき半導体ユニット1は、放熱部である絶縁基板3を中央部が下向きに凸になるように湾曲させる。すなわち、半導体ユニット1の第1主面1aも中央部が下向きに凸になるように湾曲させる。第1主面1aの中央部を基準とした周辺部の高さHは、10μm〜300μm(好ましくは、20μm〜100μm)にする。
図3は、図2に示した工程の次の工程を示した図である。
半導体ユニット1の第1主面1aに、金属ナノ粒子を用いた接合材であるペースト5を厚さ100μm〜200μm程度に塗布する。ペースト5は図9に示すように、例えば銀などで構成される金属ナノ粒子6と、金属ナノ粒子6を被覆する有機膜7と、金属ナノ粒子6を分散させる溶媒8で構成される。溶媒8はエチレングリコール、トルエン、テトラデカン、ブタンジオール、低級アルコールの一種または複数種を含んでいる。
図4は、図3に示した工程の次の工程を示した図である。
冷却器2の平坦面2cに、半導体ユニット1の第1主面1aをペースト5を介して接触させて、半導体ユニット1を冷却器2上に載置する。半導体ユニット1の第1主面1aの周辺部と冷却器2の平坦面2cとの隙間Tは、第1主面1aの中央部と平坦面2cが殆ど接している場合はHと同じになる。隙間Tは10μm〜300μmとするのが好ましく、20μm〜100μmとするのがより好ましい。
なお、本実施例では第1主面1aにペースト5を塗布したが、平坦面2cにペースト5を塗布してから、半導体ユニット1と冷却器2を接触させても良い。
図5は、図4に示した工程の次の工程を示した図である。
冷却器2とそれに載置した半導体ユニット1を加熱炉9に入れ、加熱炉内の温度を上げてペースト5を焼結する。同時に半導体ユニット1の第2主面1bに、加圧機構20を用いて均一な加圧力Pを加える。このとき、ペースト5内の有機膜7および溶媒8に起因するガスは外周部から取り除かれ、金属ナノ粒子6同士が接触する。そして所定の加圧力Pを加えることにより、金属ナノ粒子6同士が接合し、良好な接合層4が得られる。
この工程で加圧力Pが第2主面1bの面内で不均一(例えば片押しなど)になると、金属ナノ粒子6同士の接合力にムラができ、接合面の全域に亘って良好な接合性を得ることが困難になる。このため加圧は第2主面1bの面内で均一に行うことが重要となる。この加圧力のばらつきは、面内で±10%以内に抑制すると良い。
第1主面1aの周辺部での接合層4の厚さKを10μm未満にすると、平均した厚みが薄くなり過ぎて接合強度が低下し、ヒートサイクル耐量が低下する。また、厚さKが300μmを超えると接合層4の熱抵抗が増大し、放熱特性が低下する。そのため、接合層4の厚さKは10μm〜300μmにするとよい。また、厚さKは20μm〜100μmがより好ましい。接合層4の熱伝導率(170W/m・K以上)はコンパウンドやはんだに比べて大きいため、接合層4の厚さKが周辺部で厚くなっても、300μm以下であれば熱抵抗に及ぼす影響は小さい。
加熱炉9の内部温度が150℃未満では焼結が不十分になり接合強度が低下する。また、内部温度が350℃を超えると、冷却器2などの金属部材(例えばアルミや銅)が酸化するため好ましくない。そのため、加熱炉9の内部温度は150℃〜350℃が好適である。加熱炉9の温度を250℃以上にする場合には、回路板3aと半導体チップ13の間を接合するはんだ14は高温はんだを用いるとよい。
加圧力Pが5MPa未満では、金属ナノ粒子6に加えられる加圧力Pが不十分で焼結が不十分になり接合強度が低下する。また加圧力Pが20MPaを超えると絶縁基板3に割れが生じうる。そのため、加圧力Pは5MPa〜20MPaが好適である。
加熱・加圧時間が20分未満では、焼結が不十分であり、十分な接合強度が得られない。一方、この時間が60分を超えても焼結状態の変化が少なく、非効率である。そのため、加熱・加圧時間は20分〜60分にするとよい。
図6は、図5に示した工程の次の工程を示した図である。半導体ユニット1および冷却器2を加熱炉9から取り出して、半導体装置100は完成する。
図7は、図5に示した加圧機構20の具体例として、加圧機構20aについて示した図である。
加圧機構20aは、加圧ブロック21と、例えば鋼鉄で構成される球23と、加圧棒24で構成される。半導体ユニット1の第2主面1bが平坦な場合、その面に接触する加圧ブロック21の裏面も平坦にする。加圧ブロック21の厚さは加圧により変形が起こらないようにするため厚くする(たとえば1cm程度)。加圧ブロック21の材質は、塑性変形が起こりにくい鉄、モリブデン、タングステンなどを用いる。また、加圧ブロック21のおもて面の中央に、球23を受ける受け皿22を設ける。この受け皿22に球23を配置し、球23を柱状の加圧棒24で加圧する。この加圧は通常のプレス装置などを用いて行う。
この加圧機構20aにおいて、加圧棒24から球23に伝達される力F1が垂線から傾いても、球23から加圧ブロック21の受け皿22に伝達される力F2は一点に集中する。その一点に集中した力F2は加圧ブロック21内で分散した力F3となり、加圧ブロック21の裏面では均一な加圧力Pとなる。この均一な加圧力Pが半導体ユニット1の第2主面1bに伝達され、さらに半導体ユニット1の放熱部である絶縁基板3を介して均一な加圧力Pは金属ナノ粒子6に伝わる。そのため、金属ナノ粒子6同士の接触圧力は接合面内で均一になり、良好な接合層4が形成されて、接合面全域で良好な接合性が得られる。なお、ここで均一な加圧力Pとは、加圧力Pの面内のばらつきが±10%以下であることをいう。
図8は、異なる加圧機構20bについて示した図である。この加圧機構20bは、耐熱性で柔軟性のある袋31(耐熱性ゴム袋など)と、その中に充填されるカーボンパウダ32と、加圧棒33からなる。この袋31を介して半導体ユニット1の第2主面1bを押すことにより、静水圧の原理で均一に第2主面1bを加圧することができる。静水圧を利用して加圧するので、加圧される第2主面1bに凹凸があっても均一な加圧力Pが半導体ユニット1に伝達される。尚、前記の袋31は前記した耐熱性ゴム袋の他に耐熱性と柔軟性を有するエポキシ樹脂シートなどで形成した袋でも構わない。
尚、前記した冷却器2は風冷もしくは自冷の場合を示したが、水冷の場合の冷却器にも本実施例は当然適用できる。また冷却器2をコンパクトにしたい場合などには、フィン2bは無くとも構わない。
また、金属ナノ粒子6として銀ナノ粒子を例にとって説明したが、これに限るものではなく、例えば銅ナノ粒子などであっても構わない。
以上の実施例によれば、金属ナノ粒子を含む金属ナノ接合層を介して半導体ユニットと冷却器を均一な加圧力で接合することで、良好な接合性を有する冷却性能の高い半導体装置およびその製造方法を提供できる。
また、以上の実施例によれば、従来構造のような、金属ベース51とコンパウンド63を使用しないので、使用部材のコストダウンができる。さらに、金属ベース51を用いないので、金属ベース51分の厚みが減少し、半導体装置100を小型化することができる。
1 半導体ユニット
2 冷却器
2a 冷却板
2b フィン
3 絶縁基板(放熱部)
3a 回路板
3b 絶縁板
3c 金属板
4 接合層
5 ペースト
6 金属ナノ粒子
7 有機膜
8 溶媒
9 加熱炉
11 モールド樹脂
12 外部端子
13 半導体チップ
14 はんだ
15 ワイヤ
20,20a,20b 加圧機構
21 加圧ブロック
22 受け皿
23 球
24,33 加圧棒
31 袋
32 カーボンパウダ
100 半導体装置

Claims (10)

  1. 放熱部を備えた第1主面と、前記第1主面と対向する第2主面を有し、半導体チップを搭載した半導体ユニットを準備する工程と、
    平坦面を有する冷却器を準備する工程と、
    前記半導体ユニットの第1主面、もしくは前記冷却器の平坦面に金属ナノ粒子を含んだペーストを塗布する工程と、
    前記ペーストを介して前記半導体ユニットの第1主面と前記冷却器の平坦面を接触させる工程と、
    前記ペーストを昇温すると同時に前記半導体ユニットの前記第2主面に面内で均一な加圧力を加え、前記ペーストを焼結して接合層を形成する工程と、
    を含む半導体装置の製造方法。
  2. 前記加圧力は、前記第2主面の面内において±10%以内のばらつきであることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記半導体ユニットの準備工程において、前記放熱部を凸に反らせることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記放熱部の周辺部と前記冷却器の間の隙間が、10μm以上、300μm以下であることを特徴とする請求項3に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記加圧力が、5MPa以上、20MPa以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法。
  6. 前記昇温する温度が、150℃以上、350℃以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 放熱部を備えた第1主面と、前記第1主面と対向する第2主面を有し、半導体チップを搭載した半導体ユニットと、
    平坦面を有し、前記平坦面が前記半導体ユニットの第1主面と対向して位置する冷却器と、
    金属ナノ粒子の焼結体で構成され、前記半導体ユニットの第1主面と前記冷却器の平坦面とを接合し、中央部よりも周辺部の方が厚い接合層と、
    を備えた半導体装置。
  8. 前記接合層の周辺部の厚さが10μm以上、300μm以下であることを特徴とする請求項7に記載の半導体装置。
  9. 前記放熱部は、回路板と、絶縁板と、金属板が積層して構成される絶縁基板であり、
    前記冷却器は前記金属板と接合され、
    前記半導体チップは前記回路板に固定されていることを特徴とする請求項7または8に記載の半導体装置。
  10. 前記金属ナノ粒子が、銀もしくは銅で構成されることを特徴とする請求項7または8に記載の半導体装置。
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