(57)【要約】【課題】鉛フリー化を実現した半導体装置において、温度サイクル信頼性を大幅に向上できる実装構造を提供する。【解決手段】Ｓｉチップ５と金属リードフレーム１を、３次元の網状構造をもつＡｇを結合材としたポーラスな高導電性金属の接着層４Ａを介して金属結合により接合し、高分子樹脂１２と接する半導体組立体の表面にＺｎやＡｌの酸化物を含む皮膜１０を形成した半導体装置構造とする。これにより、Ａｇ主体のポーラス構造の接着層４Ａで接合することでＳｉチップ５の熱応力負荷を低減でき、かつ接着層４Ａ自体の疲労寿命を向上でき、さらに皮膜１０とのアンカー効果による高分子樹脂１２の高接着化でボンディング部にクラックが発生するのを防ぎ、鉛フリーで高信頼の半導体装置を提供することができる。【選択図】図９
2010171271.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部取り出し用金属リードとボンディング部を有する金属リードフレームと、
前記ボンディング部上にダイボンディングされた半導体チップと、
前記半導体チップの主面に形成された電極と、前記外部取り出し用金属リード間を電気的に接続する接続部材と、
前記半導体チップの裏面に形成された裏面電極と、
前記半導体チップとその周辺を覆うように形成された絶縁性の封止樹脂と
を備えた半導体装置であって、
前記半導体チップと前記金属リードフレーム間は、結合材としてＡｇを含んでいる導電性粒子が連結されたポーラスな接着層を介して接合され、前記接着層の金属部の体積比率が３０〜８０％で構成され、前記接着層内部の金属表面に厚さ１〜６００ｎｍの酸化金属皮膜が形成され、前記導電性粒子間の空隙部の少なくとも一部に熱硬化性の樹脂が充填された構造となっていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記半導体チップは、ＩＧＢＴまたはパワーＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記接着層を構成する前記導電性粒子は、主にＣｕからなる粒子の表面にＡｇがめっきされ形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項４】
前記接着層の厚さは、２０μｍ〜２００μｍであることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項５】
前記半導体チップの主面の前記電極と前記接続部材間または前記接続部材と前記外部取り出し用金属リード間は、Ａｇ粒子と熱硬化性の樹脂で構成されたＡｇペーストで接着された構造を有していることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項６】
前記半導体チップの前記裏面電極と前記金属リードフレーム間、または前記半導体チップの主面の前記電極と前記接続部材間、または前記接続部材と前記外部取り出し用金属リード間は、Ａｇを結合材として前記導電性粒子間および前記導電性粒子と各部材間が金属結合により結合され、前記接着層の金属骨格が３次元の網目構造となっていることを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
【請求項７】
前記酸化金属皮膜は、ＺｎまたはＡｌの酸化物を主体として構成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項８】
前記接続部材はボンディングワイヤであることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項９】
前記接続部材は、金属板であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記接続部材はＡｇ粒子と熱硬化性の樹脂で構成されたＡｇペーストであり、前記半導体チップの主面の前記電極と前記外部取り出し用金属リードが前記Ａｇペーストを介して直接に接着されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項１１】
外部取り出し用金属リードとボンディング部を有する金属リードフレームと、
前記金属リードフレーム上の前記ボンディング部に接着層を介してダイボンディングされ、裏面電極を備えた半導体チップと、
前記半導体チップの主面の電極と前記外部取り出し用金属リード間を電気的に接続する接続部材と
を有する半導体組立体と、
前記半導体チップとその周辺を覆うように形成された絶縁性の封止樹脂とで構成された半導体装置の製造方法において、
（ａ）前記金属リードフレーム上の前記ボンディング部に前記半導体チップをＡｇを含む導電性材料でダイボンディングする工程、
（ｂ）前記半導体チップの主面の前記電極と前記外部取り出し用金属リード間を電気的に接続する工程、
（ｃ）前記（ｂ）工程の後、前記半導体組立体に有機金属化合物溶液を塗布する工程、
（ｄ）前記（ｃ）工程の後、前記有機金属化合物溶液を塗布した前記半導体組立体を加熱処理して前記半導体組立体の表面に酸化金属皮膜を焼成によって形成する工程、
（ｅ）前記半導体チップと前記接続部材と前記金属リードフレームの少なくとも一部とを覆うように前記絶縁性の封止樹脂をモールドして硬化処理する工程、
を有し、
前記（ａ）工程におけるダイボンディング工程は、前記金属リードフレーム上に直径１μｍ以下のＡｇの微粒子と、３００℃以下の酸化雰囲気中で気化・消失する有機材料と、直径１５μｍより大きく１５０μｍより小さい導電性の金属粒子を含む前記Ａｇを含む前記導電性材料を供給する工程と、前記Ａｇを含む前記導電性材料の上方から前記半導体チップを押し付けて搭載するマウント工程と、その後に酸化雰囲気中で前記半導体組立体を１５０℃〜３００℃の温度に加熱処理し、前記接着層を形成する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
前記（ａ）工程の後、前記ボンディング部の接着層のフィレット部に、液状樹脂を浸透し、半硬化させることを特徴とする請求項１１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
前記（ａ）工程では、前記ボンディング部の接着層を構成する前記導電性材料は、主にＣｕからなる粒子の表面にＡｇをめっきして構成されることを特徴とする請求項１１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
前記（ｄ）工程では、前記酸化金属皮膜は、ＺｎまたはＡｌの酸化物を主体として構成されることを特徴とする請求項１１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
前記（ａ）工程では、前記ボンディング部の接着層の厚さは、２０μｍ〜２００μｍの厚さで構成されることを特徴とする請求項１１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
前記（ａ）工程の後、前記半導体チップの主面の前記電極と前記接続部材間、または前記接続部材と前記外部取り出し用金属リード間を、Ａｇ粒子と熱硬化性の樹脂で構成されたＡｇペーストで接着することを特徴とする請求項１１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
前記（ａ）工程では、前記半導体チップの前記裏面電極と前記金属リードフレーム間を、Ａｇを結合材として導電性粒子で結合し、前記ボンディング部の前記接着層の金属骨格を３次元の網目構造として、前記接着層の金属部の体積比率を３０〜８０％で構成し、
前記（ｂ）工程では、前記半導体チップの主面の前記電極と前記接続部材間、または前記接続部材と前記外部取り出し用金属リード間を、Ａｇを結合材として導電性粒子を含む前記接着層で結合し、前記接着層の金属骨格を３次元の網目構造として、前記接着層の金属部の体積比率を３０〜８０％で構成することを特徴とする請求項１１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１８】
前記接続部材は、ボンディングワイヤであることを特徴とする請求項１１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１９】
前記接続部材は、金属板であることを特徴とする請求項１１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２０】
前記接続部材はＡｇ粒子と熱硬化性の樹脂で構成されたＡｇペーストであり、前記半導体チップの主面の前記電極と前記外部取り出し用金属リードが前記Ａｇペーストを介して直接に接着されていることを特徴とする請求項１１記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置およびその製造技術に関し、特に、電気的導通と熱放散性が要求される、鉛フリーのダイボンド構造を有する半導体装置およびその製造に適用して有効な技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やパワーＭＯＳＦＥＴのように、裏面に電極を有する縦型半導体チップが搭載された半導体装置では、二次実装の２６０℃リフロー工程に耐えるため、ダイボンディング材料に高鉛はんだが使われている。２００７年から施行されたＲｏＨＳ指令の鉛使用禁止規制から高鉛はんだは除外されているが、近年の環境意識の高まりにより高鉛はんだの鉛フリー化が強く求められている。
【０００３】
しかし、Ｃｕ基材の金属リードフレームとＳｉ基板の半導体チップがダイボンディングされた構造では基材間の熱膨張差が大きく、その熱歪に耐えられる合金系の高温鉛フリーはんだ材料は見出されていない。はんだ以外の２６０℃リフロー耐性のある接続材料として、樹脂接着タイプのＡｇペーストやＡｇ焼結現象を利用した金属接着ペーストがあるが、いずれも接着部の強度や変形能が高鉛はんだほど高くないため、従来の半導体装置に適用した場合の温度サイクル信頼性が高鉛はんだに比べて低い値しか得られておらず、１０Ｗを超える高出力の半導体チップで製品に適用されている例は見当たらない。
【０００４】
一方、半導体装置の高信頼化に関して、金属リードフレームと封止樹脂を高接着化する半導体装置の製造技術が知られている（たとえば、特許文献１または非特許文献１）。これは、アルカリ系水溶液中で金属表面にＺｎとＣｒあるいはＺｎと他の金属の合金系の皮膜を電気めっき法で形成することにより、Ｚｎ合金皮膜の形態をヒゲ状構造とし、高分子樹脂と機械的アンカー効果によって強固に接着されるというメカニズムである。接着部は高湿度環境や繰り返し熱応力環境下でも高接着強度を維持可能で、樹脂封止型半導体装置の水蒸気爆発に起因したポプコーン現象を防止できるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７―５０８４４８号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】IEEE TRANSACTIONS ON ADVANCED PACKAGING、Vol.22、No.3、1999.8、p398-406
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
裏面に電極を有する縦型半導体チップを含む半導体装置について、従来の半導体装置のようにＡｇペーストや焼成型の金属接着ペーストをダイボンディング材に用い、電気めっき法で金属リードフレームと封止樹脂を高接着化して高い信頼性を得る方法は、ボンディング部をめっき液のアルカリ系水溶液に浸漬することになるため、Ａｇペースト接着部では水分の作用で半導体チップの裏面電極とＡｇペーストとの界面や金属リードフレームとＡｇペーストとの界面の接着強度が低下して剥離が発生するという問題や、Ａｇペースト樹脂内に水分が浸入して封止樹脂をモールドして加熱硬化する工程でモールド樹脂との界面やモールド樹脂内部に気泡が発生するという問題がある。また、焼成型金属接着ペーストでダイボンディングした場合は、ダイ接着層が微細なポーラス構造となっているため、接着層内に侵入しためっき液をめっき処理後の洗浄工程で完全に除去しきれず、接着層内にイオン性の不純物が残存して半導体装置の高温高湿信頼性が低下したり、洗浄工程や乾燥工程に時間を要し生産性が低下するという問題がある。また、ポーラス部を樹脂で埋めてからめっきする方法では、樹脂内にめっき液の水分が浸入しＡｇペーストの場合と同様に封止樹脂をモールドして加熱硬化する工程でモールド樹脂との界面やモールド樹脂内部に気泡を発生させるという問題がある。
【０００８】
本発明の目的は、出力５Ｗを越える縦型半導体チップを含む半導体装置において、ダイボンディング材料に鉛フリーのＡｇ系導電性材料を使った構造で温度サイクル信頼性が従来の高鉛はんだを使ったパッケージと同等以上である信頼性の高い半導体装置を製造する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【００１０】
本願の一発明による半導体装置の製造方法は、
外部取り出し用金属リードとボンディング部を有する金属リードフレームと、
前記金属リードフレーム上の前記ボンディング部に接着層を介してダイボンディングされ、裏面電極を備えた半導体チップと、
前記半導体チップの主面の電極と前記外部取り出し用金属リード間を電気的に接続する接続部材と
を有する半導体組立体と、
前記半導体チップとその周辺を覆うように形成された絶縁性の封止樹脂とで構成された半導体装置の製造方法において、
（ａ）前記金属リードフレーム上の前記ボンディング部に前記半導体チップをＡｇを含む導電性材料でダイボンディングする工程、
（ｂ）前記半導体チップの主面の前記電極と前記外部取り出し用金属リード間を電気的に接続する工程、
（ｃ）前記（ｂ）工程の後、前記半導体組立体に有機金属化合物溶液を塗布する工程、
（ｄ）前記（ｃ）工程の後、前記有機金属化合物溶液を塗布した前記半導体組立体を加熱処理して前記半導体組立体の表面に酸化金属皮膜を焼成によって形成する工程、
（ｅ）前記半導体チップと前記接続部材と前記金属リードフレームの少なくとも一部とを覆うように前記絶縁性の封止樹脂をモールドして硬化処理する工程、
を有し、
前記（ａ）工程におけるダイボンディング工程は、前記金属リードフレーム上に直径１μｍ以下のＡｇの微粒子と、３００℃以下の酸化雰囲気中で気化・消失する有機材料と、直径１５μｍより大きく１５０μｍより小さい導電性の金属粒子を含む前記Ａｇを含む前記導電性材料を供給する工程と、前記Ａｇを含む前記導電性材料の上方から前記半導体チップを押し付けて搭載するマウント工程と、その後に酸化雰囲気中で前記半導体組立体を１５０℃〜３００℃の温度に加熱処理し、前記接着層を形成する工程とを有することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの一実施の形態によって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
【００１２】
半導体装置のボンディング部の接着強度と柔軟性が増して半導体チップの温度変動時の金属部の疲労破壊を防ぎ、鉛フリーで従来の高鉛はんだと同等の温度サイクル信頼性を有するボンディング部を提供できる。
【００１３】
また、金属リードフレームと封止樹脂の接着強度が大幅に向上するため、樹脂の硬化あるいは熱収縮によって常にボンディング部に圧縮力が加えられた状態を維持でき、温度サイクル等によってボンディング部に繰り返しの熱応力が加わった場合でも接着層のクラック発生を防止できるため、信頼性を大幅に向上した鉛フリーの半導体装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態１である半導体装置を示す要部断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１である半導体装置を示す平面図である。
【図３】本発明の実施の形態１である半導体装置の製造方法を示すフローである。
【図４】本発明の実施の形態１である半導体装置の製造方法を説明する要部断面図である。
【図５】図４に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図６】図５に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図７】図６に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図８】図７に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図９】本発明の実施の形態１である半導体装置を示す要部断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態２である半導体装置を示す要部断面図である。
【図１１】本発明の実施の形態２である半導体装置を示す平面図である。
【図１２】本発明の実施の形態３である半導体装置を示す要部断面図である。
【図１３】本発明を応用した半導体装置を示す要部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。
【００１６】
また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。
【００１７】
さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、実施の形態等において構成要素等について、「Ａからなる」、「Ａよりなる」と言うときは、特にその要素のみである旨明示した場合等を除き、それ以外の要素を排除するものでないことは言うまでもない。
【００１８】
同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。
【００１９】
また、材料等について言及するときは、特にそうでない旨明記したとき、または、原理的または状況的にそうでないときを除き、特定した材料は主要な材料であって、副次的要素、添加物、付加要素等を排除するものではない。たとえば、シリコン部材は特に明示した場合等を除き、純粋なシリコンの場合だけでなく、添加不純物、シリコンを主要な要素とする２元、３元等の合金（たとえばＳｉＧｅ）等を含むものとする。
【００２０】
また、以下の実施の形態を説明するための全図において同一機能を有するものは原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００２１】
また、以下の実施の形態で用いる図面においては、平面図であっても図面を見易くするために部分的にハッチングを付す場合がある。
【００２２】
（実施の形態１）
本実施の形態は、半導体装置の製造方法に適用したものであり、図１〜図８を用いて説明する。
【００２３】
図１および図２に、本実施の形態における半導体装置の構造を示す。図１は図２のＡ−Ａ線に沿った断面図を示している。図２は、本実施の形態における半導体装置の上面平面図である。なお、図２では、図１におけるエポキシ封止樹脂１１を破線で表わし、皮膜１０を図示していない。
【００２４】
図１および図２において、ＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴのように、裏面に電極を有する縦型半導体チップであるＳｉチップ５の裏面には、金などの金属からなる裏面電極６が形成され、Ｓｉチップ５の主面にはＡｌ膜で構成された主電極７と制御電極８が形成されている。Ｎｉめっきが施された金属リードフレーム１のチップ搭載位置の表面にはＡｇめっき膜３が形成され、その上にＳｉチップ５がポーラスなＡｇの接着層４Ａを介して金属結合によりダイボンディングされている。接着層４Ａの厚さは６０μｍ、空隙率は４０％となっている。Ｓｉチップ５上の主電極７と外部取り出し用金属リード２の間、制御電極８と制御電極用金属リード２Ａの間は、Ａｌワイヤ９、９Ａがそれぞれボンディングされ、結線されている。エポキシ封止樹脂１１と接する半導体組立体１６の表面には、ＺｎＯを含む絶縁性の皮膜１０が形成されている。
【００２５】
本実施の形態によれば、ＺｎＯを含む皮膜１０とエポキシ封止樹脂１１が化学的相互作用と皮膜１０表面のナノサイズの凹凸によるアンカー効果によって強固に接着し、しかも水分の浸入による接着強度の低下がそれほど大きくないため、半導体装置が過酷環境化に曝されてもエポキシ封止樹脂１１と金属リードフレーム１間が剥離することがなくなる。その結果、ボンディング部１４の接着層４Ａにはエポキシ封止樹脂１１の収縮効果によって常にＳｉチップ５を金属リードフレーム１に押し付けるような圧縮応力が加わるため、Ｓｉチップ５と金属リードフレーム１間の熱膨張差による剪断歪が接着層４Ａに加わった場合でも、接着層４Ａ内に開口するようなクラックの発生を防げる。これにより、非常に高信頼な鉛フリーの半導体装置を提供できる。
【００２６】
次に、本実施の形態の半導体装置の製造方法について、図３のフローを参照しながら、図４〜図８を用いて説明する。
【００２７】
まず、図４に示すように、全面にＮｉめっき（図示しない）をし、チップ搭載面に部分Ａｇめっき膜３を形成した、主にＣｕからなる金属リードフレーム１と、図示されない領域で金属リードフレーム１と一体となっている外部取り出し用金属リード２を用意する。
【００２８】
次に、図５に示すように、Ａｇめっき膜３上に、直径１μｍ以下のＡｇの微粒子と直径１５μｍより大きく１５０μｍより小さいＡｇやＣｕなどの導電性粒子と３００℃以下の酸化雰囲気中で気化・消失する有機溶液を含む金属ペースト４を、ボンディング部１４に供給する。供給量は焼成後の接着層４Ａ厚さが目標の厚さとなる量とする。
【００２９】
次に、図６に示すように、金属ペースト４上にＳｉチップ５を低い荷重で押し付けるように搭載する。この後、大気雰囲気の加熱炉で例えば２５０℃−６０分の条件でダイボンディングを行なう。加熱条件は１５０℃〜３５０℃の範囲で調整可能で、高温ほど短時間で処理できる。ただし、加熱温度が高いとＮｉめっき面が酸化してＡｌワイヤボンディング性が低下するため、加熱温度は３００℃以下が望ましい。この加熱工程により、金属ペースト４は接着層４Ａとなる。
【００３０】
次に、図７に示すように、Ｓｉチップ５の主面の主電極７と外部取り出し用金属リード２間をＡｌワイヤ９によりウェッジボンディングで電気的に接続する。また、図には示していないが、制御電極８、制御電極用金属リード２Ａ間も、Ａｌワイヤ９Ａにより電気的に接続する。
【００３１】
次に、図８に示すように、半導体組立体１６の上面および側面に紫外線を照射し、吸着している有機汚染物を除去した後、有機溶媒で希釈した有機金属化合物溶液を塗布する。塗布方法は、全面塗布の場合は浸漬法や噴霧法が適し、選択的に塗布する場合は半導体組立体１６を１００〜１５０℃に加熱しつつインクジェットやディスペンス法で溶液を局所的に供給する方法が適する。溶液を塗布した後、大気中で２００℃〜３５０℃に加熱・焼成して皮膜１０を形成する。なお、紫外線照射を併用して１５０℃〜３００℃の低温で焼成することも可能である。
【００３２】
その後、接着層４Ａ内の空隙の一部にエポキシ樹脂を充填させる目的で、接着層４Ａに液状のエポキシ樹脂を浸透させて加熱・仮硬化し、その後射出成型でモールド・硬化してエポキシ封止樹脂１１を形成する。その後、露出した金属部に付着した焼成皮膜を軽い化学エッチングで除去し、はんだめっき（図示しない）を行い、金属リードフレーム１および外部取り出し用金属リード２を切断・成形して半導体装置が完成する。
【００３３】
ここで、図９に本実施の形態におけるボンディング部１４の詳細な構造図を示す。図９において、Ｓｉチップ５の裏面には金などの金属からなる裏面電極６が形成され、Ｃｕを基材とする金属リードフレーム１のチップ搭載面には、厚さ約５μｍのＡｇめっき膜３が形成されている。Ｓｉチップ５と金属リードフレーム１間は、３次元の網目構造を有するポーラスなＡｇ粒子の金属骨格４Ｂで金属結合により接合されている。金属骨格４Ｂと裏面電極６および金属骨格４ＢとＡｇめっき膜３は、Ａｇが結合材となって接合した状態となっている。金属骨格４Ｂや裏面電極６あるいはＡｇめっき膜３の表面には、厚さが１〜６００ｎｍのＺｎＯを含む皮膜１０が形成されている。金属骨格４Ｂの周囲の空間には熱硬化性あるいは熱可塑性の高分子樹脂１２が充填されている。金属で閉じられた空間あるいは外部から樹脂の流入がしづらい空間は、空隙１３の状態で残存している。
【００３４】
金属骨格４Ｂ、皮膜１０、高分子樹脂１２および空隙１３からなるダイボンディング構造の作製方法は、まず、１μｍ以下のＡｇ微粒子と１５〜１５０μｍのサイズを含むＡｇ粒子と酸化して分解しやすい液状有機材を混錬してペースト状にした金属ペースト４を金属リードフレーム１とＳｉチップ５間に供給し、大気中、無加圧の条件で２００℃以上に加熱処理を行なって作成している。Ａｇ微粒子は２００℃以上の加熱処理により互いに融合して一体化する性質があり、それ自体が架橋構造を形成したり、比較的大きいサイズのＡｇ粒子同士を糊のような役割を果たして連結したりする。ペースト状態でのＡｇの占める体積比率はそれほど高くなく、液状有機材が気化・消失した後は、Ａｇからなるの金属骨格４Ｂと高い比率の空隙が残る。空隙比率はペースト状態でのＡｇの充填密度を変えることで制御できる。
【００３５】
次に、有機Ｚｎ化合物を有機溶媒で希釈した溶液を接着層４Ａに塗布・浸透させ、大気中で１５０〜３５０℃の温度に加熱処理する。有機溶媒は比較的低温で気化消失し、残った有機Ｚｎ化合物は熱分解してＺｎと有機配位子に分離し、Ｚｎは周囲の金属に付着・堆積し、有機配位子は酸化して気化・消失する。堆積したＺｎは酸素と反応してＺｎＯを形成する。その後、接着層４Ａの空隙部に液状の高分子樹脂１２を充填し、加熱処理により架橋・重合反応を促進して固体状態の樹脂に成形して、図９のダイボンディング構造を形成している。
【００３６】
形成された酸化物の皮膜１０は、下地金属である金属骨格４Ｂとは部分的に金属結合により接合した強固な密着力を有し、高分子樹脂１２およびエポキシ封止樹脂１１との界面は有機樹脂の官能基と化学的作用を伴って強固に結合し、さらに皮膜１０表面のナノレベルの凹凸によってアンカー効果が得られ、機械的な結合も作用して高い接着強度が得られる。酸化物の皮膜１０自体の強度は樹脂に比べて高いため、結果としてエポキシ封止樹脂１１と金属リードフレーム１が強固に接着された構造となる。これにより、図２に示すＳｉチップ５と金属リードフレーム１のボンディング部１４に常に樹脂の収縮に伴う圧縮応力が働き、半導体装置の温度サイクル試験時に、Ｓｉチップ５の下方より外側の接着層４Ａ端部のフィレット部１５に局所的な応力集中が生じることが無く、またＳｉチップ５と金属リードフレーム１の熱膨張差によって接着層４Ａに繰り返し剪断歪みが加わった場合でも、接着層４Ａ内に開口するようなクラックの発生が無くなり、半導体装置の信頼性を大幅に向上できる。
【００３７】
ここで、図９に示すように、接着層４Ａを高導電性で高熱伝導のＡｇで接合した構造としているため、接着層４Ａ厚さが２００μｍと厚い場合でも接着層４Ａの熱抵抗や電気抵抗を従来の高鉛はんだの場合と比較して同等かそれ以下に低くすることができ、半導体装置の損失特性や放熱特性を損なうことがなく、また、空隙率を２０〜７０％と高くして接着層４Ａの低応力での変形能、すなわち降伏応力を小さくしているため、ダイボンディング後の冷却時の熱応力でＳｉチップ５が割れるという問題を回避できる。
【００３８】
また、接着層４Ａの厚さを２０〜２００μｍと厚くしているため、上下部材の熱膨張差によって接着層４Ａに発生する熱歪を小さくでき、さらに接着層４Ａの構造を金属骨格４Ｂを３次元の網目状に形成されたポーラス構造としたことにより、接着層４Ａに加わる熱歪を細い棒状の金属骨格４Ｂの曲げ変形で吸収できるため金属骨格４Ｂの塑性変形を小さくでき、接着層４Ａの疲労寿命を大幅に改善することが可能となる。このため、接着層４Ａの金属骨格４Ｂの熱疲労寿命を大幅に伸ばすことができ、温度サイクル信頼性を向上できる。
【００３９】
なお、接着層４Ａには熱と電気が通るが、接着層４Ａの厚さが２００μｍ以下であり、Ｓｉチップ５から金属リードフレーム１まで高導電性材料で接合しているので、その間の電気抵抗や熱抵抗は高鉛はんだで接合した場合と同等以下に低減でき、半導体装置として低損失で十分な電気特性が得られる。例えば、高鉛はんだの熱抵抗は熱伝導率が３０Ｗ／ｍＫで平均のはんだ厚を５０μｍとすると単位面積あたりの接着層４Ａの熱抵抗は１．６７×１０−５Ｋ／Ｗとなり、高導電性材料がＡｇの場合はポーラス度が７０％、接着厚さが最大の２００μｍとすると熱伝導率が約４２０Ｗ／ｍＫのため１．５９×１０−５Ｋ／Ｗと高鉛はんだより小さくなる。
【００４０】
さらには、接着層４Ａの空隙に高分子樹脂１２を充填し、金属骨格４Ｂと高分子樹脂１２の界面にＺｎＯの皮膜１０を形成して接着強度を大幅に向上しているため、接着層４Ａの強度の向上とその強度が高い状態を過酷環境下でも長期に渡って保持することが可能となり、Ｓｉチップ５と金属リードフレーム１間で生じた熱歪を接着層４ＡだけでなくＳｉチップ５や金属リードフレーム１にも分担して負担させることができ、結果として接着層４Ａの温度サイクル寿命をさらに向上でき、その結果として電気特性や放熱特性を損なうことなく高信頼で鉛フリーの半導体装置を提供することができる。
【００４１】
なお、本実施の形態では接着層４Ａの金属骨格４Ｂ表面に形成する酸化物の皮膜１０をＺｎＯとしたが、Ｓｎの酸化皮膜や、Ａｌ２Ｏ３主体の皮膜などを形成しても同様の効果が得られる。これらのＺｎ、Ａｌ等の酸化物を主体とした皮膜は、３５０℃以下の温度で分解が進行する有機金属錯体を金属表面に塗布し、酸化雰囲気中で１５０〜３５０℃以下の温度に加熱することで、前記金属酸化物を含む皮膜として形成することが可能である。代表的な有機金属錯体の配位子としては、アセチルアセトン酸や２エチルヘキサン酸、ネオデカン酸などが挙げられ、焼成膜厚を１〜６００ｎｍの厚さに薄く形成する手段としては、アルコールやアセトン、トルエン系の有機溶媒で希釈して塗布することで可能である。皮膜形成時の加熱温度を３５０℃まで上げられるのはボンディング部１４がＡｇの金属結合で形成された接着層となっており、高い耐熱性を有しているためである。
【００４２】
また、本発明の半導体装置の製造工程は従来の半導体装置の製造工程と同じで、表面処理工程のみが新規な工程となっているため、製造ラインは従来設備を使用することが可能であり、設備投資を最小限に抑えることができる。また、有機金属化合物溶液は有機溶媒としての危険性のみで有害物質を含んでいないため、安全あるいは環境に配慮した処理設備が既存のものでよく、溶液の塗布・焼成設備も簡便な設備で対応できるため、この点からも新規な設備投資を抑制できるという効果がある。
【００４３】
さらにまた、ボンディング部１４の接着層４Ａへの液状樹脂充填は必須ではなく、外周部は射出成型のエポキシ封止樹脂１１が侵入するため、省略することも可能である。
【００４４】
さらにまた、金属リードフレーム１がＣｕに直接ＡｇめっきしたＣｕ露出面が主体の金属リードフレームの場合には、大気中加熱処理でＣｕの酸化が進行するため、ダイボンディングの加熱温度を２５０℃以下とし、その後水素を含む雰囲気中で加熱する還元処理を加え、有機金属化合物溶液を塗布後の焼成雰囲気は酸素濃度を制限した雰囲気中で加熱処理する方法とする。処理温度は大気雰囲気の場合より高くし、有機金属化合物の分解を促進する条件に変える必要がある。
【００４５】
さらにまた、ここではダイボンディングをポーラスなＡｇの接着層４Ａで接合した構造としたが、樹脂接着タイプの導電性接着剤を使った半導体装置でも同様の効果が得られることは言うまでも無い。
【００４６】
さらにまた、皮膜１０の形成領域を半導体組立体１６の樹脂封止領域全体としたが、その領域を金属リードフレーム１および接着層４Ａの表面に限定しても同様の効果が得られる。
【００４７】
（実施の形態２）
本実施の形態は、半導体装置の製造方法に適用したものであり、図１０、図１１を用いて説明する。
【００４８】
図１０および図１１に、本実施の形態における半導体装置の構造を示す。図１０は図１１のＢ−Ｂ線に沿った断面図を示している。図１１は、本実施の形態における半導体装置の上面平面図である。なお、図１１では、図１０におけるエポキシ封止樹脂２８を点線で表わし、皮膜２６およびＡｇめっき膜３０を図示していない。
【００４９】
図１０および図１１において、縦型半導体チップであるＳｉチップ１９の裏面には金などの金属からなる裏面電極２０が形成され、Ｓｉチップ１９の主面にはＡｌ膜の上にＮｉ／Ａｕが形成された主電極２２と制御電極２３が形成されている。金属リードフレーム１８のチップ搭載位置の表面にはＡｇめっき膜２４が形成され、その上にＳｉチップ１９がポーラスなＡｇの接着層２５を介して金属結合によりダイボンディングされている。接着層２５の厚さは１００μｍ、空隙率は５０％、接着層２５内の金属表面に形成された皮膜２６はＺｎＯ主体の酸化物層で厚さ２０〜３００ｎｍ、接着層２５の外周近傍の内部の空隙（図示しない）にはエポキシ封止樹脂２８が充填され、中心付近の空隙（図示しない）は空洞状態である。
【００５０】
Ｓｉチップ１９上の主電極２２と外部取り出しの主電極用金属リード２９の間はＡｇめっき膜３０を形成したＣｕの金属板３１で接続され、金属板３１と主電極２２はポーラスなＡｇの接着層３３を介して金属結合により接合され、金属板３１と主電極用金属リード２９は主電極用金属リード２９上に形成されたＡｇめっき膜３４上に形成されたポーラスなＡｇの接着層３５を介して金属結合により接合されている。
【００５１】
制御電極２３と制御電極用金属リード３６の間はＣｕの金属板３７で接続されている。二つの金属板３１、３７の両端の接着層３３、３５の厚さは１０〜５０μｍで、空隙率は３０〜６０％、接着層３３内の金属表面に形成された皮膜（図示しない）はＺｎＯ主体の酸化物層で厚さ２０〜３００ｎｍ、接着層３５の外周近傍の内部の空隙部にはエポキシ封止樹脂２８が充填されている。エポキシ封止樹脂２８と接する半導体組立体２７の金属部材表面には、ＺｎＯを含む皮膜２６が厚さ２０〜３００ｎｍの範囲で形成されている。ここでは、インクジェット法で皮膜２６の材料である有機金属化合物溶液を局所的に供給することにより、Ｓｉチップ１９以外の金属部材表面のみに選択的に皮膜２６を形成している。
【００５２】
本実施の形態によれば、Ｓｉチップ１９がポーラスなＡｇの接着層２５で金属リードフレーム１８と接合され、主電極２２と主電極用金属リード２９間がＣｕの金属板３１を介してポーラスなＡｇの接着層３３、３５で接合された構造となっているため、主電流経路の実装部分の電気抵抗を小さくでき、通電時の半導体装置の電力損失を大幅に低減できるという効果が得られる。同時に、Ａｇ接着層２５、３３、３５のポーラス構造によって接着層２５、３３、３５の低応力変形を可能としＳｉチップ１９に加わる熱応力を低減してチップクラックの発生を防止し、しかも接着層２５、３３、３５のポーラス構造による疲労破壊寿命の向上とエポキシ封止樹脂２８の高密着化により接着部に圧縮応力を加えることによる疲労寿命の向上の２つの効果によって、半導体装置の信頼性を大幅に向上できる。以上の効果によって、完全鉛フリーの半導体装置でありながら、従来よりも高信頼で、かつ電流容量を大きく取れる高性能な半導体装置を提供できる。
【００５３】
なお、本実施の形態では各部の接着をポーラスなＡｇ層を介して行なっているが、封止樹脂の高密着化により信頼性向上を図るため、樹脂接着型Ａｇペーストによる実装構造として、鉛フリーの高信頼半導体装置を形成することも可能である。
【００５４】
（実施の形態３）
本実施の形態は、半導体装置の製造方法に適用したものであり、図１２を用いて説明する。
【００５５】
図１２に、本実施の形態における半導体装置の構造を示す。図１２において、縦型半導体チップであるＳｉチップ４０の裏面には金などの金属からなる裏面電極４１が形成され、Ｓｉチップ４０の主面にはＡｌ膜（図示しない）が形成され、Ａｌ膜上にＮｉ／Ａｕからなる主電極４３と、図示はされていないが制御電極が形成されている。金属リードフレーム４４のチップ搭載面にはＡｇめっき膜４５が形成され、その上にＳｉチップ４０がポーラスなＡｇの接着層４６を介して金属結合によりダイボンディングされている。接着層４６の厚さは１５０μｍ、空隙率は５０％、接着層４６内の金属表面にはＺｎＯ主体の酸化物の皮膜４７が厚さ１０〜１００ｎｍ形成され、接着層４６の外周近傍の内部の空隙部にはエポキシ封止樹脂４８が充填されている。外部取り出しの主電極用金属リード４９の電極接続位置にはＡｇめっき膜５０が形成され、主電極４３とはポーラスなＡｇの接着層５１を介して金属結合により接合されている。制御用電極と制御用金属リード間も、図示されてはいないが同様の構造で接続されている。金属リードフレーム４４および主電極用金属リード４９、制御用金属リードの各金属リードの電極接続面と逆の面は、エポキシ封止樹脂４８から露出した構造で形成されている。エポキシ封止樹脂４８の接する半導体組立体４２の表面にＺｎＯを含む皮膜４７が厚さ２０〜３００ｎｍの範囲で形成されている。
【００５６】
本実施の形態によれば、Ｓｉチップ４０の上下の主電極４３と主電極用金属リード４９とが直接に接着された構造となっており、それら金属部材の接着面の反対の面が外部に露出した構造となっているため、実装部分の電気抵抗を最小にまで低減することができ、しかもＳｉチップ４０からの放熱を上下の金属部材で行うことができるため、冷却性能の優れた半導体装置を提供できる。高鉛はんだを使ったこの実装構造では、はんだ接合部の温度サイクル寿命が短く信頼性が得られないが、接続部の構造をポーラスなＡｇの接着層４６、５１を介して金属結合により接合した点と、半導体組立体４２とエポキシ封止樹脂４８の界面にＺｎＯを含む酸化物の皮膜４７を形成して高接着化を図ったことにより、接着部の温度サイクル寿命を大幅に向上でき、必要な信頼性が得られ、かつ鉛フリーで低損失、高放熱の半導体装置を提供することができる。
【００５７】
以上、本発明者らによってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
【００５８】
たとえば、図１３に、本発明による高信頼な鉛フリーのダイボンディング構造を示す。図１３において、Ｓｉチップ５の裏面には金などの金属からなる裏面電極６が形成され、Ｃｕを基材とする金属リードフレーム１のチップ搭載面には厚さ約５μｍのＡｇめっき膜３が形成されている。接着層６０はＣｕ粒子６１がＡｇの焼結層６２で金属的に連結された構造となっており、Ｓｉチップ５と金属リードフレーム１間が金属結合で一体化されている。接着層６０の厚さは２０〜１００μｍで制御され、接着層６０の空隙率は２０〜７０％の範囲で制御されている。接着層６０の金属表面には厚さが１〜６００ｎｍのＡｌ２Ｏ３の皮膜１０が形成され、皮膜１０の周囲の空間には硬化処理された高分子樹脂１２が充填されており、金属で閉じられた空間あるいは外部から樹脂の流入がしづらい空間は、空隙（図示しない）の状態で残存している。なお、Ｃｕ粒子６１は、鉛フリーである高導電性粒子であれば他の材料であっても構わない。
【００５９】
ここでは、高導電性材料のＣｕとＡｇを用いた粒子の結合により、３次元の網目構造を持つポーラスな組織で形成される厚い接着層６０のダイボンディング構造を持つため、低オン抵抗で放熱特性に優れ、温度サイクル信頼性にも優れた半導体装置を提供することができる。また、ポーラス組織の空隙１３に金属および樹脂の高密着化が図られた状態で熱硬化樹脂である高分子樹脂１２が充填されて高強度化されているため、上下部材で発生する熱歪を接着層６０が分担する割合が低減でき、このことによっても温度サイクル信頼性を向上することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明の半導体装置の製造方法は、縦型半導体チップを使用した鉛フリーのボンディング構造を有する半導体装置の製造に幅広く利用されるものである。
【符号の説明】
【００６１】
１  金属リードフレーム
２  外部取り出し用金属リード
２Ａ  制御電極用金属リード
３  Ａｇめっき膜
４  金属ペースト
４Ａ  接着層
４Ｂ  金属骨格
５  Ｓｉチップ
６  裏面電極
７  主電極
８  制御電極
９  Ａｌワイヤ
９Ａ  Ａｌワイヤ
１０  皮膜
１１  エポキシ封止樹脂
１２  高分子樹脂
１３  空隙
１４  ボンディング部
１５  フィレット部
１６  半導体組立体
１８  金属リードフレーム
１９  Ｓｉチップ
２０  裏面電極
２２  主電極
２３  制御電極
２４  Ａｇめっき膜
２５  接着層
２６  皮膜
２７  半導体組立体
２８  エポキシ封止樹脂
２９  主電極用金属リード
３０  Ａｇめっき膜
３１  金属板
３３  接着層
３４  Ａｇめっき膜
３５  接着層
３６  制御電極用金属リード
３７  金属板
４０  Ｓｉチップ
４１  裏面電極
４２  半導体組立体
４３  主電極
４４  金属リードフレーム
４５  Ａｇめっき膜
４６  接着層
４７  皮膜
４８  エポキシ封止樹脂
４９  主電極用金属リード
５０  Ａｇめっき膜
５１  接着層
６０  接着層
６１  Ｃｕ粒子
６２  焼結層
【図１】
2010171271.tif 000003
【図２】
2010171271.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2010171271.tif 000007
【図６】
2010171271.tif 000008
【図７】
2010171271.tif 000009
【図８】
2010171271.tif 000010
【図９】
2010171271.tif 000011
【図１０】
2010171271.tif 000012
【図１１】
2010171271.tif 000013
【図１２】
2010171271.tif 000014
【図１３】
2010171271.tif 000015