(57)【要約】【課題】半導体チップと基板とを接合する接合材の劣化を適切に評価する。【解決手段】半導体チップ１０１と基板１０２とを接合する接合材１０３の劣化を評価する接合材評価方法であって、上側加圧治具２と下側加圧治具３との間の設置空間Ｒ内に評価体１００を設置する設置工程と、加圧機構４によって評価体１００を加圧する加圧工程と、加圧機構４によって加圧された状態の評価体１００の半導体チップ１０１に電圧を印加する電圧印加工程と、電圧の印加後の接合材１０３の劣化を評価する評価工程と、を含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップと基板とが接合材によって接合された評価体の前記接合材の劣化を評価する接合材評価方法であって、
第１加圧治具と第２加圧治具との間に設けられた設置空間内に、前記半導体チップが前記第１加圧治具側を向き且つ前記基板が前記第２加圧治具側を向くように前記評価体を設置する設置工程と、
加圧機構によって前記第１加圧治具及び前記第２加圧治具の少なくともいずれかを付勢して前記第１加圧治具と前記第２加圧治具とによって前記評価体を挟み込んで加圧する加圧工程と、
前記加圧機構によって加圧された状態の前記評価体の前記半導体チップに電圧を印加する電圧印加工程と、
電圧の印加後の前記接合材の劣化を評価する評価工程と、
を含む、接合材評価方法。
【請求項２】
前記加圧工程では、０．０１ＭＰａ以上１０ＭＰａ以下の圧力で前記評価体を加圧する、請求項１に記載の接合材評価方法。
【請求項３】
前記接合材の外面のうち前記半導体チップ及び前記基板のいずれによっても覆われていない部位を絶縁材によってコーティングするコーティング工程を更に含む、請求項１又は２に記載の接合材評価方法。
【請求項４】
半導体チップと基板とが接合材によって接合された評価体の前記接合材の劣化の評価試験を行うための評価試験装置であって、
第１加圧治具と、
前記第１加圧治具に対して離間して設けられ、前記第１加圧治具との間に前記評価体を設置可能な設置空間を形成する第２加圧治具と、
前記第１加圧治具及び前記第２加圧治具の少なくともいずれかを付勢することにより、前記設置空間内に設置された前記評価体を前記第１加圧治具と前記第２加圧治具とによって挟み込んで加圧する加圧機構と、
前記加圧機構によって加圧された状態の前記評価体の前記半導体チップに電圧を印加する電圧印加部と、を備える、評価試験装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体チップと基板とを接合する接合材を評価する接合材評価方法、及び評価試験装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体装置に対し、電圧を繰り返し印加して各部の劣化を評価するパワーサイクル試験が行われている。このような試験に用いられる半導体装置は、接合材によって半導体チップを基板に接合した後、ワイヤボンディング工程及び封止材による封止工程等を経て形成されている。例えば特許文献１には、半導体チップにワイヤが接続された半導体装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−２９７９２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、上述した半導体装置に対してパワーサイクル試験を行うと、半導体チップと基板とを接合する接合材が劣化する前にワイヤが破断することがあり、接合材の劣化の評価を適切に行うことが困難であった。
【０００５】
そこで、本発明は、半導体チップと基板とを接合する接合材の劣化を適切に評価可能な接合材評価方法、及び接合材の劣化の評価試験を行うための評価試験装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の接合材評価方法は、半導体チップと基板とが接合材によって接合された評価体の接合材の劣化を評価する接合材評価方法であって、第１加圧治具と第２加圧治具との間に設けられた設置空間内に、半導体チップが第１加圧治具側を向き且つ基板が第２加圧治具側を向くように評価体を設置する設置工程と、加圧機構によって第１加圧治具及び第２加圧治具の少なくともいずれかを付勢して第１加圧治具と第２加圧治具とによって評価体を挟み込んで加圧する加圧工程と、加圧機構によって加圧された状態の評価体の半導体チップに電圧を印加する電圧印加工程と、電圧の印加後の接合材の劣化を評価する評価工程と、を含む。
【０００７】
この接合材評価方法では、第１加圧治具と第２加圧治具とによって評価体が挟み込まれた状態で半導体チップに電圧が印加される。すなわち、この接合材評価方法では、半導体チップにワイヤーが接続されていない状態で電圧を印加するため、接合材の劣化の評価試験を行う際にワイヤの影響を受けない。従って、この接合材評価方法では、半導体チップと基板とを接合する接合材の劣化を適切に評価できる。また、この接合材評価方法では、評価体の半導体チップ等が封止材で封止されておらず、半導体チップにワイヤも接続されていない。このため、接合材の劣化を評価するための評価体を容易に作製できる。また、半導体チップ等が封止材で封止されていないため、接合材の劣化を評価する際に封止材の除去作業が不要となり、接合材の評価を容易に行うことができる。
【０００８】
接合材評価方法において、加圧工程では、０．０１ＭＰａ以上１０ＭＰａ以下の圧力で評価体を加圧してもよい。この場合、加圧工程における加圧によって接合材の劣化に影響が生じることを抑制しつつ、接合材の劣化の評価を適切に行うことができる。
【０００９】
接合材評価方法において、接合材の外面のうち半導体チップ及び基板のいずれによっても覆われていない部位を絶縁材によってコーティングするコーティング工程を更に含んでいてもよい。例えば、接合材が露出していることに起因して接合材の劣化に影響が生じることがある。このような場合であっても、絶縁材によって接合材の露出している部分がコーティングされていることで、接合材が露出していることに起因して生じる劣化の影響を抑制しつつ、接合材の劣化の評価を適切に行うことができる。
【００１０】
本発明の評価試験装置は、半導体チップと基板とが接合材によって接合された評価体の接合材の劣化の評価試験を行うための評価試験装置であって、第１加圧治具と、第１加圧治具に対して離間して設けられ、第１加圧治具との間に評価体を設置可能な設置空間を形成する第２加圧治具と、第１加圧治具及び第２加圧治具の少なくともいずれかを付勢することにより、設置空間内に設置された評価体を第１加圧治具と第２加圧治具とによって挟み込んで加圧する加圧機構と、加圧機構によって加圧された状態の評価体の半導体チップに電圧を印加する電圧印加部と、を備える。
【００１１】
この評価試験装置によれば、第１加圧治具と第２加圧治具とによって評価体が挟み込まれた状態で半導体チップに電圧を印加できる。すなわち、この評価試験装置では、半導体チップにワイヤーが接続されていない状態で電圧を印加するため、接合材の劣化の評価試験の際にワイヤの影響を受けない。従って、この評価試験装置では、半導体チップと基板とを接合する接合材の劣化の評価試験を適切に行うことができ、接合材の劣化を適切に評価できる。また、この評価試験装置では、評価体の半導体チップ等が封止材で封止されておらず、半導体チップにワイヤも接続されていない。このため、接合材の劣化を評価するための評価体を容易に作製できる。また、半導体チップ等が封止材で封止されていないため、接合材の劣化を評価する際に封止材の除去作業が不要となり、接合材の評価を容易に行うことができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、半導体チップと基板とを接合する接合材の劣化を適切に評価できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施形態に係る評価体の概略構成を示す断面図である。
【図２】評価試験装置の概略構成を示す図である。
【図３】接合材評価方法の各工程を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明において、同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１５】
本実施形態では、半導体チップと基板とが接合材によって接合された評価体を用いて、接合材の劣化を評価する。
【００１６】
＜評価体＞
まず、評価体について説明する。図１に示されるように、評価体１００は、半導体チップ１０１、基板１０２、及び接合材１０３を備えている。半導体チップ１０１としては、例えば、パワー半導体等の種々の半導体素子が用いられ得る。本実施形態における半導体チップ１０１は、半導体チップ１０１の外面の一つの面である第１主面１０１ａと、第１主面１０１ａに対して反対側の外面である第２主面１０１ｂとを有している。半導体チップ１０１は、第１主面１０１ａに設けられた第１電極と第２主面１０１ｂに設けられた第２電極との間に電圧が印加されることによって種々の機能を実現する。
【００１７】
基板１０２は、導電性を有する基板である。基板１０２としては、例えば、銅等の金属製の板部材などが挙げられる。また、基板１０２としては、金属製の板部材の他、例えば、ＤＢＣ基板といった中間にセラミック層（絶縁層）を有した基板、ＣＩＣ基板といった異種金属で積層された基板が用いられてもよい。基板１０２の表面には、例えば、ニッケル等のめっきが施されていてもよい。
【００１８】
接合材１０３は、半導体チップ１０１の第２主面１０１ｂと、基板１０２とを接合する。また、接合材１０３は、半導体チップ１０１の第２主面１０１ｂに設けられた第２電極と基板１０２とを導電可能に接続する。本実施形態では、この接合材１０３が、劣化の評価対象となる。接合材１０３は、主として半導体チップ１０１と基板１０２との接合を担うことから、接合層ということができる。
【００１９】
接合材１０３としては、半導体チップ１０１と基板１０２とを接合でき、且つ導電性を有する材料が用いられ得る。接合材１０３としては、例えば、焼結銀又は焼結銅等の焼結金属、はんだなどが用いられ得る。
【００２０】
また、接合材１０３の外面のうち、半導体チップ１０１及び基板１０２のいずれによっても覆われていない部位（すなわち半導体チップ１０１及び基板１０２から露出している部位）が、絶縁材１０４によってコーティングされていてもよい。接合材１０３として例えば焼結銅等の表面酸化が生じ得る材料が用いられる場合、絶縁材１０４によってコーティングされることで露出部分の表面酸化が抑制され得る。これにより、表面酸化による影響を抑制しつつ、接合材１０３の劣化を評価できる。
【００２１】
＜評価試験装置＞
次に、評価体１００の接合材１０３について劣化の評価試験を行うための評価試験装置について説明する。この接合材１０３の劣化の評価試験とは、半導体チップ１０１に電圧を印加し、半導体チップ１０１が自己発熱と冷却とを繰り返すことで生じる接合材１０３の劣化を評価する試験である。この接合材１０３の劣化の評価試験とは、いわゆるパワーサイクル試験である。
【００２２】
図２に示されるように、評価試験装置１は、上側加圧治具（第１加圧治具）２、下側加圧治具（第２加圧治具）３、加圧機構４、及び電圧印加部Ｄを備えている。なお、図２では、評価試験装置１の設置空間Ｒ内に評価体１００が設置された状態が示されている。以下、説明の便宜上のため、下側加圧治具３に対して上側加圧治具２が配置されている側を「上」側とし、その反対側を「下」側として説明する。但し、評価試験装置１の配置の向きは、この上下の向きに限定されない。
【００２３】
上側加圧治具２及び下側加圧治具３は、例えば、それぞれ板状の部材である。下側加圧治具３は、上側加圧治具２の下方側の位置において、上側加圧治具２に対して離間して設けられている。上側加圧治具２と下側加圧治具３との間には、評価体１００を設置可能な設置空間Ｒが形成されている。なお、評価体１００は、設置空間Ｒ内において、半導体チップ１０１が上側加圧治具２側を向き、且つ基板１０２が下側加圧治具３側を向くように配置される。すなわち、本実施形態において、評価体１００は、半導体チップ１０１を上方に向けた状態で、下側加圧治具３の上面に載置される。
【００２４】
加圧機構４は、上側加圧治具２を下側加圧治具３側（下方側）に向けて付勢する。加圧機構４は、上側加圧治具２を付勢することにより、設置空間Ｒに設置された評価体１００を上側加圧治具２と下側加圧治具３とによって挟み込んで加圧する。加圧機構４は、本実施形態では、例えば、スプリングによって構成されている。
【００２５】
加圧機構４は、評価体１００に対して上部電極Ｄ１等を適切に押し付ける等の観点から、例えば、０．０１ＭＰａ以上の圧力で評価体１００を加圧してもよい。例えば、加圧機構４が評価体１００を強く加圧しすぎると、接合材１０３の剥がれが生じにくくなり、接合材１０３の劣化を正しく評価できない。このため、加圧機構４は、接合材１０３の劣化に影響を及ぼすことが抑制されるように、例えば、１０ＭＰａ以下の圧力で評価体１００を加圧してもよい。また、接合材１０３として焼結金属が用いられる場合、加圧による組織変化（焼結金属の緻密化）、及びこの組織変化による劣化抑制（寿命向上）を防止する観点から、例えば、１０ＭＰａ以下の圧力で評価体１００を加圧してもよい。
【００２６】
本実施形態において、例えば、下側加圧治具３の上面には、門型のフレーム９が設けられている。フレーム９は、下側加圧治具３の上面から立ち上がる一対の支柱９ｂと、一対の支柱９ｂの上端部同士を連結する上フレーム９ａとを備えている。加圧機構４の上端部は上フレーム９ａに当接している。加圧機構４の下端部は、上側加圧治具２の上面に当接している。これにより、加圧機構４は、上側加圧治具２を下方側に向けて付勢できる。但し、加圧機構４が上側加圧治具２を付勢するための構成は、上述したフレーム９を用いた構成に限定されず、種々の構成が採用され得る。
【００２７】
なお、上側加圧治具２の上面には、上下方向に延在するロッド２ａが取り付けられていてもよい。ロッド２ａは、上フレーム９ａに設けられたガイド孔ｈに通されてる。これにより、ロッド２ａは、上側加圧治具２が上下方向に沿って移動するように、上側加圧治具２の移動方向をガイドできる。
【００２８】
電圧印加部Ｄは、加圧機構４によって加圧された状態の半導体チップ１０１に対して電圧を印加する。電圧印加部Ｄは、半導体チップ１０１に対する電圧の印加及び印加の停止を繰り返すことで、半導体チップ１０１に対して自己発熱と冷却（放熱）とを繰り返し生じさせる。本実施形態において、半導体チップ１０１に対して電圧を印加することとは、半導体チップ１０１の第１主面１０１ａに設けられた第１電極と第２主面１０１ｂに設けられた第２電極との間に電圧を印加することである。
【００２９】
具体的には、電圧印加部Ｄは、上部電極Ｄ１、下部電極Ｄ２、及び電源ユニットＤ３を備えている。本実施形態において、上部電極Ｄ１は陽極となり、下部電極Ｄ２は陰極となる。電源ユニットＤ３は、上部電極Ｄ１と下部電極Ｄ２との間に電位差を生じさせる。電源ユニットＤ３が設けられる位置は特に限定されない。
【００３０】
上部電極Ｄ１は、評価体１００の半導体チップ１０１と、上側加圧治具２との間に配置される。本実施形態では、上部電極Ｄ１から上側加圧治具２及び加圧機構４側に電流が流れないように、上部電極Ｄ１と上側加圧治具２との間に絶縁体５が配置されている。絶縁体５としては、例えば、絶縁ガラス、ポリイミドシート、ポリイミド膜、シリコーンゴム、セラミック基板等が挙げられる。
【００３１】
また、本実施形態では、半導体チップ１０１と上部電極Ｄ１との間に導電性を有するスペーサ６が設けられていてもよい。スペーサ６は、上部電極Ｄ１が意図せぬ部位（例えば基板１０２等）に当接して短絡することを防止する。スペーサ６としては、例えば、モリブデン等の導電性を有する材料が用いられ得る。なお、スペーサ６と半導体チップ１０１との間には、緩衝層７が挟み込まれていてもよい。緩衝層７は、スペーサ６が半導体チップ１０１に対して片当たり（スペーサ６の下面の一部分のみが半導体チップ１０１に当接する）ことを防止する。緩衝層７としては、例えば、銀シート等の導電性を有する材料が用いられ得る。このように、上側加圧治具２は、絶縁体５、上部電極Ｄ１、スペーサ６、及び緩衝層７を通じて評価体１００を押圧する。
【００３２】
下部電極Ｄ２は、基板１０２の上面に当接している。従って、加圧機構４によって上側加圧治具２と下側加圧治具３との間で評価体１００が加圧されている状態で、電源ユニットＤ３が上部電極Ｄ１と下部電極Ｄ２との間に電位差を生じさせることにより、半導体チップ１０１に電圧が印加される。すなわち、電源ユニットＤ３によって供給された電流は、上部電極Ｄ１から、スペーサ６、緩衝層７、半導体チップ１０１、接合材１０３、基板１０２を経由して下部電極Ｄ２へ流れる。また、電源ユニットＤ３は、半導体チップ１０１に対する電圧の印加及び印加の停止を繰り返し行う。このように、評価試験装置１は、評価体１００の接合材１０３の劣化の評価試験を行う。
【００３３】
なお、電圧印加部Ｄが半導体チップ１０１に印加する電圧値は、評価対象とする接合材１０３の特性等の種々の条件に応じて適宜設定され得る。同様に、半導体チップ１０１に対する電圧の印加の周期（オンオフの周期）についても、評価対象とする接合材１０３の特性等の種々の条件に応じて適宜設定され得る。
【００３４】
評価試験装置１は、評価体１００で生じた熱を冷却する冷却部８を備えていてもよい。本実施形態において、冷却部８は、例えば、下側加圧治具３の下面に設けられている。冷却部８の内部には、例えば、冷媒が流通する冷却管８ａが設けられている。冷却部８における冷却のための機構は、種々の機構が採用され得る。
【００３５】
なお、基板１０２の外面（下側加圧治具３に当接する面）に絶縁層が設けられていない場合、短絡を防止するため、例えば、基板１０２と下側加圧治具３との間、あるいは下側加圧治具３の外面、あるいは下側加圧治具３と冷却部８との間のいずれかに絶縁層が設けられていてもよい。
【００３６】
＜接合材評価方法の手順＞
次に、評価体１００の接合材１０３の劣化を評価する接合材評価方法の手順について説明する。図３に示されるように、まず、半導体チップ１０１と基板１０２とを接合材１０３によって接合し、評価体１００を作製する（Ｓ１０１：評価体作製工程）。そして、接合材１０３が半導体チップ１０１及び基板１０２から露出している部位を、絶縁材１０４によってコーティングする（Ｓ１０２：コーティング工程）。但し、絶縁材１０４によってコーティングを行う工程は、必須の工程ではない。
【００３７】
次に、作製された評価体１００を、半導体チップ１０１が上側加圧治具２側を向き且つ基板１０２が下側加圧治具３側を向くように、設置空間Ｒ内に設置する（Ｓ１０３：設置工程）。加圧機構４によって上側加圧治具２を付勢して、上側加圧治具２と下側加圧治具３とによって評価体１００を挟み込んで加圧する（Ｓ１０４：加圧工程）。
【００３８】
電圧印加部Ｄは、加圧された状態の評価体１００の半導体チップ１０１に対して電圧を印加する（Ｓ１０５：電圧印加工程）。ここでは、電圧印加部Ｄは、半導体チップ１０１に対する電圧の印加及び印加の停止を繰り返す。電圧の印加後、評価体１００の接合材１０３の劣化を評価する（Ｓ１０６：評価工程）。ここでは、例えば、評価体１００を評価試験装置１から取り外し、接合材１０３における半導体チップ１０１又は基板１０２からの剥がれ等を接合材１０３の劣化として評価する。接合材１０３の劣化の評価としては、剥がれ以外にも、種々の事象を対象として評価することができる。
【００３９】
以上のように、接合材評価方法及び評価試験装置１によれば、上側加圧治具２と下側加圧治具３とによって評価体１００が挟み込まれた状態で半導体チップ１０１に電圧が印加される。すなわち、この接合材評価方法及び評価試験装置１では、半導体チップ１０１にワイヤーが接続されていない状態で電圧を印加するため、接合材１０３の劣化の評価試験を行う際にワイヤの影響を受けない。従って、この接合材評価方法及び評価試験装置１では、半導体チップ１０１と基板１０２とを接合する接合材１０３の劣化を適切に評価できる。また、この接合材評価方法及び評価試験装置１で用いられる評価体１００は、半導体チップ１０１等が封止材で封止されておらず、半導体チップ１０１にワイヤも接続されていない。このため、接合材１０３の劣化を評価するための評価体１００を容易に作製でき、作製に要する時間の短縮を図ることができる。また、半導体チップ１０１等が封止材で封止されていないため、接合材１０３の劣化を評価する際に封止材の除去作業が不要となり、接合材１０３の評価を容易に行うことができる。
【００４０】
加圧機構４は、加圧工程において、０．０１ＭＰａ以上１０ＭＰａ以下の圧力で評価体１００を加圧することができる。この場合、加圧によって接合材１０３の劣化に影響が生じることを抑制しつつ、接合材１０３の劣化の評価を適切に行うことができる。
【００４１】
接合材１０３の外面のうち半導体チップ１０１及び基板１０２のいずれによっても覆われていない部位が絶縁材１０４によってコーティングされていてもよい。例えば、接合材１０３が露出していることに起因して接合材１０３の劣化に影響が生じることがある。このような場合であっても、絶縁材１０４によって接合材１０３の露出している部分がコーティングされていることで、接合材１０３が露出していることに起因して生じる劣化の影響を抑制しつつ、接合材１０３の劣化の評価を適切に行うことができる。
【００４２】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、加圧機構４は、スプリングを備える構成に限定されない、例えば、加圧機構４は、ボルトを備え、上側加圧治具２と下側加圧治具３とをボルトで締結することによって評価体１００を加圧していもよい。評価体１００を加圧するための加圧機構４の構成としては、種々の構成が採用され得る。
【００４３】
また、加圧機構４は、上側加圧治具２を下側加圧治具３側に向けて付勢したが、下側加圧治具３を上側加圧治具２側に向けて付勢してもよく、上側加圧治具２と下側加圧治具３とをこれらが互いに近づくように付勢してもよい。すなわち、加圧機構４は、上側加圧治具２及び下側加圧治具３の少なくともいずれかを付勢することによって、設置空間Ｒ内に設置された評価体１００を加圧できればよい。
【００４４】
また、例えば、上側加圧治具２は、上部電極Ｄ１としての機能を兼ねていてもよい。この場合、上部電極としての上側加圧治具２と下部電極Ｄ２とが、評価体１００を経由することなく、ロッド２ａ、フレーム９、及び下側加圧治具３等を通じて短絡しないように適宜の位置に絶縁材が設けられていてもよい。下部電極Ｄ２は、上部電極Ｄ１とによって評価体１００の半導体チップ１０１に電圧を印加することができれば、基板１０２の上面以外の部位に設けられていてもよい。
【００４５】
以上に記載された実施形態の少なくとも一部が任意に組み合わせられてもよい。
【符号の説明】
【００４６】
１…評価試験装置、２…上側加圧治具、３…下側加圧治具、４…加圧機構、１００…評価体、１０１…半導体チップ、１０２…基板、１０３…接合材、１０４…絶縁材、Ｄ…電圧印加部。
【図１】
2020204599.tif 000003
【図２】
2020204599.tif 000004
【図３】
2020204599.tif 000005