(57)【要約】【課題】  放熱特性を向上させた半導体デバイスを提供する。【解決手段】  セラミックス基板上に接合されたダイパッド、及びダイパッド上に接着されたダイを含む半導体デバイスであって、ダイがダイパッド上に金属粉ペーストの焼結体によって接着されており、金属粉ペーストの焼結体は、ダイパッドの表面上に塗布された金属粉ペーストの焼結体であり、金属粉ペーストの焼結体は、ダイパッドの表面上において、ダイの載置された領域と、ダイの載置されない領域とを、被覆する焼結体であり、金属粉ペーストの焼結体の厚みが、５０〜２００μｍの範囲にある、半導体デバイス。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板上に接合されたダイパッド、及びダイパッド上に接着されたダイを含む半導体デバイスであって、
ダイがダイパッド上に金属粉ペーストの焼結体によって接着されており、
金属粉ペーストの焼結体は、ダイパッドの表面上に塗布された金属粉ペーストの焼結体であり、
金属粉ペーストの焼結体は、ダイパッドの表面上において、ダイの載置された領域と、ダイの載置されない領域とを、被覆する焼結体であり、
金属粉ペーストの焼結体の厚みが、５０〜２００μｍの範囲にある、半導体デバイス。
【請求項２】
金属粉ペーストが、銅粉ペーストである、請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項３】
金属粉ペーストの焼結体において、ダイの載置された領域の面積に対する、ダイパッドの表面上において金属粉ペーストの焼結体の被覆する面積の比（「ダイパッドの表面上において金属粉ペーストの焼結体の被覆する面積」／「ダイの載置された領域の面積」）の値が、２．５０以上である、請求項１〜２のいずれかに記載の半導体デバイス。
【請求項４】
「ダイパッドの表面上において金属粉ペーストの焼結体の被覆する面積」／「ダイの載置された領域の面積」の値が、２．５０〜５．００の範囲にある、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体デバイス。
【請求項５】
金属粉ペーストの焼結体において、焼結体が形成された側のダイパッドの表面の面積に対する、ダイパッドの表面上において金属粉ペーストの焼結体の被覆する面積の比（「ダイパッドの表面上において金属粉ペーストの焼結体の被覆する面積」／「ダイパッドの面積」）の値が、０．４０〜１．００の範囲にある、請求項１〜２のいずれかに記載の半導体デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
パワーデバイスをモジュール化する場合、パワーデバイス間の接続するための基板として、ダイパッドとなる金属配線（以降ダイパッドと表示）付絶縁基板であるＤＢＣ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｂｏｎｄｅｄ  Ｃｏｐｐｅｒ）基板、又は、ＡＭＣ（Ａｃｔｉｖｅ  Ｍｅｔａｌ  Ｂｒａｚｅｄ  Ｃｏｐｐｅｒ）基板が用いられる（特許文献１）。次世代パワーデバイスは、小型化され、パワー密度が上がり、使用温度範囲が従来のＭａｘ１７５℃からＭａｘ２５０℃になることが予想されている。パワーデバイスからの放熱は重要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−１５２３８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明者の知見によると、上記のような構成のセラミック基板、ダイパッドとなる金属配線、及びダイの構造体において、さらに放熱特性を向上させるためには、ダイパッドとなる金属配線に用いられる金属板（例えば銅板）の厚みを増やすという手段がある。しかし、単にダイパッドの厚みを増やした場合には、ＤＢＣ基板、または、ＡＭＣ基板を作製する際に熱的な特性（例えば熱膨張係数）の相違によって、セラミック基板の割れや、ダイパッドのセラミック基板からの剥離等の不備が生じやすくなることがわかった。
【０００５】
したがって、本開示の目的は、従来使用している程度の厚みの金属板であって、セラミック基板に接合された金属板をダイパッドとして使用しつつ、放熱特性を向上させた半導体デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は、これまでの鋭意研究の結果、ダイとダイパッドの接着に使用される焼結型ダイアタッチ材を、ダイに覆われる領域を超えて、意図的に広い領域に塗布し、同時にその厚みを意図的に増大させることによって、ダイからの放熱特性を向上できることを見いだして、本発明に到達した。
【０００７】
したがって、本発明は、次の（１）を含む。
（１）
セラミックス基板上に接合されたダイパッド、及びダイパッド上に接着されたダイを含む半導体デバイスであって、
ダイがダイパッド上に金属粉ペーストの焼結体によって接着されており、
金属粉ペーストの焼結体は、ダイパッドの表面上に塗布された金属粉ペーストの焼結体であり、
金属粉ペーストの焼結体は、ダイパッドの表面上において、ダイの載置された領域と、ダイの載置されない領域とを、被覆する焼結体であり、
金属粉ペーストの焼結体の厚みが、５０〜２００μｍの範囲にある、半導体デバイス。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、従来使用している程度の厚みの銅板をダイパッドとして使用しつつ、半導体デバイスの放熱特性を向上させることができ、大きな構成の変更を伴わないために、生産性の点で不利となることがない。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】ダイパッド体の構造を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に本発明を実施の態様をあげて詳細に説明する。本発明は以下にあげる具体的な実施の態様に限定されるものではない。
［半導体デバイスの製造］
本発明による半導体デバイスは、ＤＢＣ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｂｏｎｄｉｎｇ  Ｃｏｐｐｅｒ）基板、または、ＡＭＣ（Ａｃｔｉｖｅ  Ｍｅｔａｌ  Ｃｏｐｐｅｒ）基板（以下絶縁性基板とする）のダイパッドに金属粉ペーストを塗布し、その上にダイを載置した後に焼結する工程を含む製造方法であって、金属粉ペーストをダイパッドの表面上において、ダイの載置される領域とダイの載置されない領域とに塗布されたものとする方法によって、製造することができる。
【００１１】
このようにして得られた半導体デバイスは、ダイとダイパッドが金属粉ペーストの焼結体によって接着されたダイボンディング体を有する半導体デバイスであって、金属粉ペーストの焼結体はダイパッドの表面上に塗布された金属粉ペーストの焼結体であり、金属粉ペーストの焼結体はダイパッドの表面上において、ダイの載置された領域とダイの載置されない領域とを被覆する焼結体となっている。
【００１２】
［ダイ］
ダイ（半導体チップ）は、ダイパッドへ接着されて固定される。さらに固定されたダイ（半導体チップ）の各電極とインナーリードとをボンディングワイヤ等で接続し、シリコーンゲルやモールド樹脂によって包埋して、半導体デバイスとする。ダイとしては、公知の材質を用いて製造されたダイ（半導体チップ）を使用することができ、材質として、例えば、Ｓｉ（シリコン）、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）、ＧａＮ（ガリウムナイトライド）、Ｇａ2Ｏ3（ガリウムオキサイド）を使用することができる。
【００１３】
［ダイパッド］
ダイパッドの材質は、例えば、Ｃｕ（銅）、Ａｌ（アルミニウム）、ＣｕＷ（銅タングステン）、ＣｕＭｏ（銅モリブデン）を使用することができる。
【００１４】
［ダイボンディング体］
ダイとダイパッドは接着されてダイボンディング体を形成する。このダイボンディング体のダイ部分とリードフレームとが電気的に接続され、モールド樹脂やシリコーンゲルによって包埋されて、耐熱性（放熱性）に優れた半導体デバイスとなる。このダイボンディング体は、ダイパッドの表面上において、ダイの載置された領域とダイの載置されない領域とを被覆する焼結体を備えており、熱伝導性に優れた特性を実現できるものであり、本発明はダイボンディング体及びその製造方法にもある。
【００１５】
［ダイとダイパッドの接着］
ダイとダイパッドは、ダイパッドの表面上に塗布された金属粉ペースト上にダイを載置した後に焼結することによって接着される。この接着部分は、金属粉ペーストの焼結体となっており、この焼結体の形成によって、接着が行われる。この接着は、ダイパッドの表面上において、ダイの載置された領域とダイの載置されない領域とを被覆する焼結体を備えるように行われて、熱伝導性に優れた特性を実現できるものである。
【００１６】
［金属粉ペースト］
金属粉ペーストとしては、半導体デバイスの特性を毀損しない程度の低温で焼結可能であるものであれば、特に制約はなく、公知の金属粉ペーストを使用することができる。例えば、金属粉、溶媒、バインダー樹脂、および所望により添加剤を含む、金属粉ペーストを使用することができる。好適な実施の態様において、溶媒、バインダー樹脂、添加剤は、焼結によって除去可能な化合物が使用される。好適な実施の態様において、金属粉としては、例えば平均粒径が１０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲のサイズ、ナノサイズ、サブミクロンサイズ、これらのサイズの粉と扁平な金属粉を組み合わせの金属粉を使用することができる。金属粉の形状には、特に制約はなく、例えば、球状、回転楕円体状、あるいはこれらが扁平となった形状の金属粉を使用することができ、これらの形状の金属粉が混合された金属粉であってもよい。金属粉の金属としては、例えばＡｇ、Ｃｕ、Ａｇ−Ｃｕの合金から選択された金属を使用することができる。あるいは金属粉を、Ａｇで被覆されたＣｕ粉の形態とすることができる。好適な実施の態様において、金属粉としてＣｕ粉を使用することができる。溶媒としては、ペースト作製に公知の溶媒を使用することができ、このような溶媒として例えばα−テルピネオール、プチルカルピトールをあげることができる。バインダー樹脂としては、ペースト作製に公知のバインダー樹脂を使用することができ、焼結温度で分解するものであればよく、例えばセルロース系、アクリル系、エポキシ系、フェノール系等のバインダー樹脂を挙げることができる。さらに、このようなバインダー樹脂として例えばポリビニールプチラール樹脂、エチルセルロースをあげることができる。
【００１７】
［焼結］
金属粉ペーストの焼結は、例えば２００〜４００℃、好ましくは２００〜３００℃の範囲の温度によって、例えば、表面酸化物が不安定であるＡｇ等の金属においては、大気雰囲気下で、表面酸化物が安定であるＣｕ等の金属においては不活性ガス雰囲気下又は還元ガス雰囲気下、好ましくは還元ガス雰囲気下で、行うことができる。
【００１８】
［被覆領域比率］
ダイの載置に先立って、ダイパッドの表面上に金属粉ペーストを塗布する。塗布された金属粉ペーストは焼結によって焼結体となるので、ダイパッドの表面上の金属粉ペーストが塗布された領域は、焼結によって、金属粉ペーストの焼結体によって被覆された領域となる。本発明において、金属粉ペーストの焼結体によって被覆された領域は、ダイパッドの表面上において、ダイの載置された領域と、ダイの載置されない領域とを含む。
【００１９】
ダイパッドの表面上の金属粉ペーストの焼結体の被覆する領域において、ダイの載置された領域の面積と、ダイの載置されない領域の面積との比率は、例えば１．０５以上、１．１以上、１．２以上、１．３以上、１．４以上、１．５以上、１．８以上、１．９以上、２．０以上とすることができ、例えば１．０５〜１０．０の範囲、１．５〜１０．０の範囲、２．０〜１０．０の範囲とすることができる。
【００２０】
ダイパッドの接合される側の片面の表面の面積から載置されるダイの面積を引いた面積に対する、ダイパッドの表面上の金属粉ペーストの焼結体の被覆する領域の面積から載置されるダイの面積を引いた面積の比率は、すなわち、  次の式：
［ダイパッドの表面の面積  −  載置されるダイの面積］／［ダイパッドの表面上の金属粉ペーストの焼結体の被覆領域の面積  −  載置されるダイの面積］
で表される比率は、例えば１．１以上、１．２以上、１．３以上とすることができ、例えば１．１〜４．０の範囲、１．５〜４．０の範囲、１．０〜３．０の範囲とすることができる。
【００２１】
好適な実施の態様において、金属粉ペーストの焼結体において、ダイの載置された領域の面積に対する、ダイパッドの表面上において金属粉ペーストの焼結体の被覆する面積の比（「ダイパッドの表面上において金属粉ペーストの焼結体の被覆する面積」／「ダイの載置された領域の面積」）の値を、例えば２．５０以上とすることができ、好ましくは２．５０〜５．００の範囲とすることができる。
【００２２】
好適な実施の態様において、金属粉ペーストの焼結体において、焼結体が形成された側のダイパッドの表面の面積に対する、ダイパッドの表面上において金属粉ペーストの焼結体の被覆する面積の比（「ダイパッドの表面上において金属粉ペーストの焼結体の被覆する面積」／「ダイパッドの面積」）の値を、例えば０．４０〜１．００の範囲とすることができる。
【００２３】
このように、金属粉ペーストの焼結体によって被覆された領域を、ダイパッドの表面上において、ダイの載置されない領域にも設けることによって、動作時にダイから発熱を、効率的に取り去ることが可能であると本発明者は考えている。
【００２４】
［空隙率］
好適な実施の態様において、焼結体は、網目構造を呈するものとなっている。本発明において網目構造とは、金属粉が焼結した構造体が、焼結した金属粉の間に隙間のないち密な構造になることなく、溶融した金属粉が連結した構造となって、焼結した金属粉の間に空間部を有した構造をいう。この網目構造には、例えば０．１μｍ〜数μｍ程度の多数の空隙が含まれており、この程度が空隙率として表現される。本発明において空隙率とは、焼結体を、ダイパットに垂直な平面で切断した断面に対してＳＥＭ観察することによって、空隙と認められる黒色領域の面積と焼結された材料が充填されている灰色領域の面積の総和に占める、空隙と認められる黒色領域の面積の割合を表現した値である。好適な実施の態様において、空隙率は、例えば０．１５〜０．５の範囲、好ましくは０．２〜０．４の範囲、さらに好ましくは０．２５〜０．３５の範囲とすることができる。このような空隙率とした場合には、ダイパッド部分の厚みが焼結体により厚くなったことに伴う応力の緩和に役立つと本発明者は考えている。
【００２５】
［焼結体の厚み］
好適な実施の態様において、金属粉ペーストの焼結体は、例えば５０〜２００μｍの範囲、好ましくは６０〜１８０μｍの範囲の厚みとすることができる。金属粉ペーストの塗布の厚みは、焼結体がこのような範囲の厚みとなることを目安として、適宜設定することができる。本願発明に係る金属粉ペーストの焼結体の厚みの範囲は、従来、ダイとダイパッドとの接合に必要と考えられていた厚みの範囲よりも、大きな値となっている。これによって、ダイからの放熱特性を向上できたものと本発明者は考えている。また、上述のように、好適な実施の態様において、本願発明では、金属粉ペーストの焼結体によって被覆された領域を、ダイパッドの表面上において、ダイの載置されない領域にも設けることとしており、このような一見すると、接合に寄与しないと予想される範囲にまで焼結体の形成の領域を広げて、同時に、一見すると放熱に不利に思われるほどに接合体の厚みを厚くすることで、これらの予想に反して、本願発明のダイパッド接合体は、ダイからの放熱特性が向上されたものとなっている。
【００２６】
［好適な実施の態様］
好適な実施の態様において、本発明は、次の（１）以下にもある。
（１）
セラミックス基板上に接合されたダイパッド、及びダイパッド上に接着されたダイを含む半導体デバイスであって、
ダイがダイパッド上に金属粉ペーストの焼結体によって接着されており、
金属粉ペーストの焼結体は、ダイパッドの表面上に塗布された金属粉ペーストの焼結体であり、
金属粉ペーストの焼結体は、ダイパッドの表面上において、ダイの載置された領域と、ダイの載置されない領域とを、被覆する焼結体であり、
金属粉ペーストの焼結体の厚みが、５０〜２００μｍの範囲にある、半導体デバイス。
（２）
金属粉ペーストが、銅粉ペーストである、（１）に記載の半導体デバイス。
（３）
金属粉ペーストの焼結体において、ダイの載置された領域の面積に対する、ダイパッドの表面上において金属粉ペーストの焼結体の被覆する面積の比（「ダイパッドの表面上において金属粉ペーストの焼結体の被覆する面積」／「ダイの載置された領域の面積」）の値が、２．５０以上である、（１）〜（２）のいずれかに記載の半導体デバイス。
（４）
「ダイパッドの表面上において金属粉ペーストの焼結体の被覆する面積」／「ダイの載置された領域の面積」の値が、２．５０〜５．００の範囲にある、（１）〜（３）のいずれかに記載の半導体デバイス。
（５）
金属粉ペーストの焼結体において、焼結体が形成された側のダイパッドの表面の面積に対する、ダイパッドの表面上において金属粉ペーストの焼結体の被覆する面積の比（「ダイパッドの表面上において金属粉ペーストの焼結体の被覆する面積」／「ダイパッドの面積」）の値が、０．４０〜１．００の範囲にある、（１）〜（２）のいずれかに記載の半導体デバイス。
【実施例】
【００２７】
以下に実施例をあげて、本発明をさらに詳細に説明する。本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
【００２８】
［実施例１］
Ｃｕペーストとして、サブミクロンＣｕ粉（ＪＸ金属製）を、アクリル樹脂を含むターピネオール中に、Ｃｕ粉の割合がペースト全体に対して８５ｗｔ％となるように分散させて、Ｃｕペーストを調整した。
絶縁性基板として試作のダイサイズに適合したサイズの０．６３ｍｍのＡｌＮセラミック基板にＣｕダイパッドとして１５０μｍ厚のＣｕプレートを使用したＤＢＣ基板を用いた。ダイパッド部のサイズは２５ｍｍｘ１７ｍｍであり、セラミックの大きさは３３ｍｍｘ３０ｍｍである。
チップ温度を測定するため、半導体チップ（ダイ）を模した温度測定用抵抗体とヒーター用抵抗体がついたダミーチップ（Ｓｉ基板、９．２５ｍｍ角、厚さ０．２ｍｍ）を用いた。
【００２９】
ダイとダイパッドを接合するために、ダイパッドの接合する側の面の全面に、ペーストを厚さ２００μｍとなるように塗布して、この上にダイを静置し、焼結した。
このようにして、ダイとダイパッドが接合されたダイボンディング体を得た。
得られたダイボンディング体は、ダイとダイパッドの間にペーストの焼結体が、厚さ１２０μｍで存在して、ダイとダイパッドとを接合していた。
ダイボンディング体のダイと、リードフレームのインターリードとを、Ａｕボンディングワイヤを用いたワイヤボンディングによって結線して、ワイヤボンディング体を得た。
【００３０】
得られたワイヤボンディング体を、グリースを介して水冷ヒートシンクに接触させて、放熱性試験を行った。
放熱性試験は、ダイ（ダミーチップ）へ１００Ｗの電力を印加して、定常状態となる温度をダイの抵抗値によって算出することによって、行った。この放熱性試験の結果、電力印加開始から３分後に、ダイ温度が１２０℃で定常状態となることがわかった。
この結果をまとめて表１に示す。なお、ペーストの塗布された領域は焼結によってそのまま焼結体の被覆する領域となっており、焼結の前後で領域の面積に変化はなかった。
【００３１】
【表１】
2020017671.tif 000002
【００３２】
（実施例２）
実施例１と同じ材料を用意して、ペーストの塗布の面積以外については同様の操作を行って、ペーストを塗布し、ボンディング体を得た。
上記ペーストの塗布の面積に関して、ペーストの塗布は、Ｃｕダイパッド上において、８０％の領域だけを覆うように、Ｃｕペーストを塗布して行った。より具体的には、Ｃｕペーストの中心とＣｕダイパッドの中心とが重なるように、かつ、Ｃｕペースト形状とＣｕダイパッド形状とが同じになるように、Ｃｕペーストを塗布した。
ダミーチップには１００Ｗ相当の電力を印加し、定常状態となる温度を、チップの抵抗により算出した。測定温度は、１２３℃であった。
【００３３】
（実施例３）
実施例１と同じ材料を用意して、ペーストの塗布の面積以外については同様の操作を行って、ペーストを塗布し、ボンディング体を得た。
上記ペーストの塗布の面積に関して、ペーストの塗布は、Ｃｕダイパッド上において、６０％の領域だけを覆うように、Ｃｕペーストを塗布して行った。より具体的には、Ｃｕペーストの中心とＣｕダイパッドの中心とが重なるように、かつ、Ｃｕペースト形状とＣｕダイパッド形状とが同じになるように、Ｃｕペーストを塗布した。
ダミーチップには１００Ｗ相当の電力を印加し、定常状態となる温度を、チップの抵抗により算出した。測定温度は、１３０℃であった。
【００３４】
（実施例４）
ペーストの塗布について、面積及び厚みを変更したことを除いて、実施例１と同様にして、実施例４を行った。
【００３５】
（実施例５、６）
ペーストの塗布について、厚みを変更したことを除いて、実施例２と同様にして、実施例５、６を行った。
【００３６】
（比較例１）
実施例１と同じ材料を用意して、ペーストの塗布の面積以外については同様の操作を行って、ペーストを塗布し、ボンディング体を得た。
上記ペーストの塗布の面積に関して、ペーストの塗布は、Ｃｕプレート上において、ダイによって覆われる四角形の領域だけを覆うように、Ｃｕペーストを塗布して行った。測定温度は１３５℃であった。
【００３７】
（比較例２）
実施例１と同じ材料を用意して、ペーストの塗布の面積以外については同様の操作を行って、ペーストを塗布し、ボンディング体を得た。
上記ペーストの塗布の面積に関して、ペーストの塗布は、Ｃｕダイパッド上において、４０％の領域だけを覆うように、Ｃｕペーストを塗布して行った。
ダミーチップには１００Ｗ相当の電力を印加し、定常状態となる温度を、チップの抵抗により算出した。測定温度は、１３４℃であった。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明によれば、放熱特性を向上させた半導体デバイスを得ることができる。本発明は産業上有用な発明である。
【図１】
2020017671.tif 000003