(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属粉体を含む金属ロウ材により半導体チップを基板に接合してなる半導体装置において、
前記半導体チップと前記基板との間の接合層には、
前記金属ロウ材よりも融点が低く、かつ前記半導体チップおよび前記基板の少なくとも一方の接合面に形成された金属被膜と、
前記金属被膜の融点よりも高く、前記金属ロウ材の融点より低い第１の温度で溶けた前記金属被膜と、前記金属ロウ材とが、界面における固相−液相反応により一体化した反応層と、
前記金属ロウ材の焼結により一体化された焼結層と、
が存在することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記焼結層は、前記第１の温度より高く、前記金属ロウ材の融点よりも低い第２の温度で焼結されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記金属ロウ材が、前記金属粉体と溶剤を混合した金属ペーストであり、前記固相−液相反応の前に、前記金属被膜の融点よりも低い温度の加熱状態を保持することにより前記溶剤を揮発させ前記反応層を形成したことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記反応層において、前記半導体チップおよび前記基板の少なくとも一方と前記金属ロウ材との間の隙間が前記金属被膜で埋められていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記金属粉体は、Ｉｎ，Ｓｂ，Ｓｎ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ａｕ，Ｚｎ，Ｂｉ，Ａｇ，Ｃｕのいずれかの金属、または、Ｉｎ，Ｓｂ，Ｓｎ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ａｕ，Ｚｎ，Ｂｉ，Ａｇ，Ｃｕのいずれかの金属同士の合金もしくは混合粉末であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記金属被膜は、前記金属粉体よりも融点が低く、Ｉｎ，Ｓｂ，Ｓｎ，Ｂｉのいずれかの金属、または、Ｉｎ，Ｓｂ，Ｓｎ，Ｂｉのいずれかの金属を主成分とした、Ｉｎ，Ｓｂ，Ｓｎ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ａｕ，Ｚｎ，Ｂｉ，Ａｇ，Ｃｕとの合金であることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記金属被膜はＳｎを含み、前記金属粉体はＡｇを含むことを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記金属被膜は、前記半導体チップおよび前記基板の双方の接合面にそれぞれ形成されていることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置。
【請求項９】
金属粉体を含む金属ロウ材により半導体チップを基板に接合してなる半導体装置の製造方法において、
前記半導体チップおよび前記基板の少なくとも一方の接合面に、前記金属ロウ材よりも融点が低い金属被膜を形成する形成工程と、
前記金属被膜に接して前記半導体チップと前記基板との間に前記金属ロウ材を配置する配置工程と、
前記金属被膜の融点より高く、前記金属ロウ材の融点より低い第１の温度で溶融した前記金属被膜と、前記金属ロウ材とを界面における固相−液相反応により一体化する溶融工程と、
前記金属ロウ材を焼結して一体化する焼結工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記焼結工程では、前記第１の温度より高く、前記金属ロウ材の融点より低い温度で加熱することを特徴とする請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記金属ロウ材は、前記金属粉体と溶剤を混合した金属ペーストであり、
前記配置工程の後で前記溶融工程の前に、前記溶剤を揮発させる揮発工程を含むことを特徴とする請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
前記金属粉体は、Ｉｎ，Ｓｂ，Ｓｎ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ａｕ，Ｚｎ，Ｂｉ，Ａｇ，Ｃｕのいずれかの金属、または、Ｉｎ，Ｓｂ，Ｓｎ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ａｕ，Ｚｎ，Ｂｉ，Ａｇ，Ｃｕのいずれかの金属同士の合金もしくは混合粉末であることを特徴とする請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
前記金属被膜は、Ｉｎ，Ｓｂ，Ｓｎ，Ｂｉのいずれかの金属、または、Ｉｎ，Ｓｂ，Ｓｎ，Ｂｉのいずれかの金属を主成分とした、Ｉｎ，Ｓｂ，Ｓｎ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ａｕ，Ｚｎ，Ｂｉ，Ａｇ，Ｃｕとの合金であることを特徴とする請求項１２に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】
この発明は、金属ロウ材により半導体チップを基板に接合してなる半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、パワーデバイスは電力変換用途のスイッチングデバイスとして用いられている。パワーデバイスのモジュールでは、半導体チップと基板を一体化するための接合材として、比較的低い温度で接合が可能なはんだ材が用いられている。一般に、はんだ材の融点は２００〜３００℃程度である。このため、はんだ接合層の内部に亀裂が生じてパワーデバイスの機能が失われるという破壊形態があることが分かっている（たとえば、下記非特許文献１参照。）。
【０００３】
この破壊の原因として、半導体チップの線膨張係数と基板の線膨張係数が大きく異なることによって、はんだ接合層に熱応力が繰り返し作用することと、はんだ材自体の再結晶化によって、はんだ材の組織が変化することが挙げられる。また、はんだ材の組織が変化する際の時間的な進行速度と、はんだ材自体の高温耐量との間には、強い相関関係がある。したがって、パワーデバイスの安定な高温動作を可能にするためには、耐熱性が優れた接合材を用いて、半導体チップと基板を接合する接合層を形成する必要がある。
【０００４】
一方、固相の接合材同士を、その境界部分を活性化して、相互に接合する方式がある。この方式は、高融点（６００℃〜２０００℃）の金属の粉体からなる接合材同士を、従来のはんだ材を用いた場合と同様の接合温度（１５０〜４００℃）で接合することができる。この場合、接合材の融点がモジュールの実機動作時の温度（１２５〜１７５℃）よりも十分に高いので、耐熱性が優れている。この方式では、通常、金属粉体からなる接合材を焼結して接合する方法が用いられている。
【０００５】
この方式において、接合前に金属粉体が凝集したり酸化したりすることによって接合性が劣化するのを避けるために、分散剤の機能を有する溶剤に金属粉体を混合し、塗布性を良好にしたペースト状の接合材が用いられている。このペースト状の接合材を用いる場合、接合材に過剰な溶剤が含まれていると、接合過程における金属粉体同士の界面の活性化による接合が阻害される。これに対して、不活性雰囲気の中で予備加熱を行ってペースト中の溶剤を揮発させた後に金属粉体同士の結合を進展させる２段方式の加熱接合方法が公開されている（たとえば、下記特許文献１参照。）。
【０００６】
【非特許文献１】両角，他２名，「パワー半導体モジュールにおける信頼性設計技術」，富士時報，富士電機株式会社，平成１３年２月１０日，第７４巻，第２号，ｐ１４５〜１４８
【特許文献１】特開平９−３２６４１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した特許文献１にかかる従来技術では、固相の接合材と固体の被接合材との接合界面に空隙が存在し、その空隙が埋まらずに残ってしまうため、接合材と被接合材の接合界面付近がポーラス（多孔質体）状態になる。このため、接合界面付近の熱抵抗が高くなり、パワーデバイスのように発熱密度が高いデバイスの接合方式としては実用化が困難である。
【０００８】
また、固相の接合材と被接合材の界面には反応層がほとんど形成されないため、接合界面付近の強度を確保することができない。このように、上述した特許文献１にかかる従来技術では、接合材にはんだ材を用いる場合と比べて接合層の耐熱性は向上するものの、接合材と被接合材の接合界面付近の接合性を確保することが困難であるという問題がある。
【０００９】
この発明は、上述した問題点を解消するものであり、接合層の耐熱性を向上させつつ、接合材と被接合材の接合界面付近の接合性を向上させ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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置は、半導体チップと基板との間の接合層に、焼結層と、反応層と、が存在する。接合層の焼結層は、金属ロウ材の焼結により一体化された焼結層である。接合層の反応層は、金属ロウ材と、金属ロウ材よりも融点が低く、かつ半導体チップおよび基板の少なくとも一方の接合面に形成された金属被膜との界面における固相−液相反応により、金属被膜と金属ロウ材とが一体化した反応層である。
【００１１】
この構成によれば、半導体チップおよび基板の少なくとも一方（以下、「被接合材」という）に形成された金属被膜と金属ロウ材とは液相−固相反応によって接合されているため、被接合材と金属ロウ材との接合界面付近の接合性が向上する。また、被接合材と金属ロウ材との間の隙間が、一旦溶けて固まった金属被膜の金属で埋められるので、接合界面付近の熱抵抗が低くなる。さらに、金属ロウ材同士は焼結により一体化されるので、はんだ材などを用いた場合と比べて接合層の耐熱性が向上する。
【００１２】
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、まず、被接合材の接合面に、接合材である金属ロウ材よりも融点が低い金属被膜を形成する。つぎに、形成した金属被膜に接して半導体チップと基板との間に金属ロウ材を配置する。つぎに、金属被膜を溶融して、固相−液相反応により金属被膜と金属ロウ材を一体化する。そして、金属ロウ材を焼結して一体化する。
【００１３】
この方法によれば、被接合材に形成された金属被膜を一旦溶融させることにより金属ロウ材と金属被膜が固相−液相反応により結合されるので、被接合材と金属ロウ材とが金属被膜を介して接合される。また、金属ロウ材を焼結することで、はんだ材などに比べて耐熱性が高い接合層が形成される。
【００１４】
また、金属被膜を一旦溶かして金属ロウ材と結合させるときには、金属被膜の融点よりも高く、金属ロウ材の融点より低い第１の温度で加熱することで、金属ロウ材を固相のまま維持しつつ金属被膜を溶融する。また、金属ロウ材を焼結するときには、第１の温度より高く、金属ロウ材の融点より低い温度で加熱する。
【００１５】
この方法によれば、金属ロウ材の焼結が進行する前に被接合材と金属ロウ材が金属被膜を介して接合される。このため、被接合材と金属ロウ材との接合界面における一体化を効率的に行うことができる。また、被接合材と金属ロウ材とが一体化した後に金属ロウ材の焼結を行うことができる。このため、焼結による金属ロウ材の内部結合が安定して進行し、接合層の耐熱性がより向上する。
【００１６】
また、金属ロウ材は、たとえば、金属粉体と溶剤を混合した金属ペーストであってもよい。この場合、金属被膜を形成した後、金属被膜を溶融する前に、金属ロウ材に含まれる溶剤を揮発させる。
【００１７】
この方法によれば、金属粉体と溶剤とを混合した金属ペーストを金属ロウ材として用いることで、接合前に金属粉体が凝集したり、酸化したりすることによる金属ロウ材の接合性の劣化を防ぐことができる。また、金属被膜を溶融する前に金属ロウ材の溶剤を揮発させることで、金属ロウ材に過剰に含まれる溶剤による金属ロウ材同士の接合性の悪化を防ぐことができる。
【００１８】
金属ロウ材として金属ペーストを用いる場合、金属被膜の融点よりも低い温度で加熱するとよい。これにより、溶剤を揮発させるときに金属被膜が溶融することを防ぐとともに、溶剤を緩やかに揮発させることで溶剤の飛散などを防ぐことができる。
【００１９】
金属ロウ材の金属粉体には、たとえば、Ｉｎ，Ｓｂ，Ｓｎ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ａｕ，Ｚｎ，Ｂｉ，Ａｇ，Ｃｕのいずれかの金属、またはこれらの金属同士の合金もしくは混合粉末を用いることができる。
【００２０】
被接合材の接合面に形成する金属被膜には、たとえば、Ｉｎ，Ｓｂ，Ｓｎ，Ｂｉのいずれかの金属、または、Ｉｎ，Ｓｂ，Ｓｎ，Ｂｉのいずれかの金属を主成分とし、Ｉｎ，Ｓｂ，Ｓｎ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ａｕ，Ｚｎ，Ｂｉ，Ａｇ，Ｃｕとの合金を用いることができる。
【発明の効果】
【００２１】
以上説明したように、この発明にかかる半導体装置およびその製造方法によれば、接合層の耐熱性が向上しつつ、接合材と被接合材の接合界面付近の接合性が向上するという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体装置およびその製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００２３】
（実施の形態）
図１は、実施の形態にかかる半導体装置の接合後の接合部を拡大して示す断面図である。図１に示すように、実施の形態にかかる半導体装置１０は、金属ロウ材により半導体チップ１１を配線基板１２に接合してなる半導体装置である。半導体チップ１１および配線基板１２との間の接合層には、焼結層１３と、反応層１５と、が存在する。
【００２４】
半導体チップ１１および配線基板１２の少なくとも一方の接合面には金属被膜１４が形成されている。ここでは、半導体チップ１１および配線基板１２の両方の接合面に金属被膜１４がそれぞれ形成されているとする。金属被膜１４には、金属ロウ材よりも融点が低い金属が用いられている。金属被膜１４は、たとえばＳｎでできている。
【００２５】
半導体チップ１１および配線基板１２の各金属被膜１４と金属ロウ材との接合界面付近にそれぞれ形成された反応層１５は、金属被膜１４の最表面と金属ロウ材の最表面とが液相−固相反応によって一体化して形成された反応層（ε−Ａｇ3Ｓｎ、他Ａｇ4Ｓｎなどの反応層の濃化領域）である。
【００２６】
反応層１５は、半導体チップ１１の金属被膜１４と金属ロウ材、配線基板１２の金属被膜１４と金属ロウ材がそれぞれ液相−固相反応によって一体化して形成された反応層であるため、一旦溶けて固まった金属被膜１４で隙間が埋められている。このため、反応層１５の接合状態は緻密になっており、反応層１５は電気的にも熱的にも伝導性に優れている。また、固体同士の接合と比べて、液相−固相反応による接合は接合活性傾向が大きいため、反応層１５が十分に形成される。このため、接合界面付近の強度が十分に確保されている。
【００２７】
焼結層１３は、金属ロウ材の焼結によって架橋状の層を形成している。焼結された金属ロウ材は、はんだ材などを用いた場合と比べて、高い耐熱性を有する。このため、金属ロウ材を焼結した焼結層１３によって半導体チップ１１と配線基板１２の接合層が形成されることで、接合材にはんだ材などを用いる場合と比べて、接合層の耐熱性が向上する。
【００２８】
ここでは、半導体チップ１１および配線基板１２を接合してなる半導体装置１０について説明したが、半導体チップ１１と接合される基板は、回路パターンが形成された配線基板１２に限らず、半導体チップ１１と一体化して半導体チップ１１を支持する支持基板や、セラミックなどの絶縁基板などであってもよい。
【００２９】
図２は、実施の形態にかかる半導体装置の接合前の接合部を拡大して示す断面図である。図２において、図１に示した構成と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。図２に示すように、接合前の実施の形態にかかる半導体装置１０は、半導体チップ１１、配線基板１２および金属ロウ材１３ａが積層されている。
【００３０】
金属被膜１４は、あらかじめ、半導体チップ１１および配線基板１２のそれぞれの接合面に、蒸着、スパッタまたはめっきなどの処理によって形成される。たとえば金属被膜１４をめっき処理によって形成することで、十分な膜厚の金属被膜１４を容易に形成することができる。金属被膜１４の膜厚はたとえば０．１μｍ〜１０μｍ程度であるのがよい。
【００３１】
金属ロウ材１３ａは、半導体チップ１１と配線基板１２との間に、金属被膜１４に接して配置されている。金属ロウ材１３ａは、たとえば、金属粉体と有機溶剤などの溶剤とを混合した金属ペーストである。この場合、金属被膜１４には、金属ロウ材１３ａに含まれる金属粉体よりも融点が低い金属を用いる。溶剤と混合する金属粉体は、たとえば粒径が０．１μｍ〜数μｍのＡｇである。
【００３２】
接合後に、半導体チップ１１と配線基板１２の線膨張係数の違いに起因して生じる熱応力を十分に分散させることができるように、金属ロウ材１３ａの塗布厚みを０〜３００μｍ程度にするとよい。金属ロウ材１３ａの塗布厚みについては、厚みが５０〜３００μｍ程度で、かつ金属ロウ材の塗布パターンに相当する開口部を有するメタルマスクを用いてスキージ印刷を行うか、ディスペンスによる滴下量をメタルマスクの開口部の容積分と同等にすることによって、容易に調節することができる。
【００３３】
図３は、半導体装置の接合工程を示すフローチャートである。図３に示すように、まず、半導体チップ１１および配線基板１２の少なくとも一方の接合面に金属被膜１４を形成する（ステップＳ３０１）。ここでは、半導体チップ１１および配線基板１２の両方の接合面に金属被膜１４を形成する。
【００３４】
つぎに、配線基板１２の接合面に金属ロウ材１３ａを塗布する（ステップＳ３０２）。半導体チップ１１の接合面に金属ロウ材１３ａを塗布してもよい。ステップＳ３０２で塗布される金属ロウ材１３ａとして、金属粉体と溶剤とが混合された金属ペーストを用いることで、接合前に金属粉体が凝集したり、酸化したりすることによる金属ロウ材１３ａの接合性の劣化を防ぐことができる。
【００３５】
つぎに、金属ロウ材１３ａを加熱し、金属ロウ材１３ａに含まれる溶剤を揮発させる（ステップＳ３０３）。ステップＳ３０３によって、金属ロウ材１３ａに過剰に含まれる溶剤による金属ロウ材１３ａ同士の接合性の悪化を防ぐことができる。そして、配線基板１２の上に金属ロウ材１３ａを介して半導体チップ１１を載せる。
【００３６】
つぎに、金属被膜１４の融点より高く、金属ロウ材１３ａの融点よりも低い第１の温度で金属被膜１４を溶かして金属ロウ材１３ａに溶融結合する（ステップＳ３０４）。ステップＳ３０４によって、半導体チップ１１および配線基板１２のそれぞれが、金属ロウ材１３ａとの間で液相−固相反応し、金属ロウ材１３ａと一体化する。
【００３７】
このとき、半導体チップ１１および配線基板１２と金属ロウ材との間の隙間に溶けた金属被膜１４の金属が入り込む。そして、後に、この溶けた金属が固まることによって、半導体チップ１１および配線基板１２と金属ロウ材との間の隙間が金属で埋まるので、接合界面付近の熱抵抗が低くなる。
【００３８】
つぎに、ステップＳ３０３の第１温度よりも高く、金属ロウ材１３ａの融点よりも低い第２の温度で金属ロウ材１３ａを焼結し（ステップＳ３０５）、一連の接合工程を終了する。ステップＳ３０５によって、金属ロウ材１３ａの内部結合が進行し、はんだ材などに比べて高温耐量が大きい焼結層（図１符号１３参照）が形成される。
【００３９】
なお、ステップＳ３０３においては、金属被膜１４の融点よりも低い温度の加熱状態を保持することで、溶剤を揮発させるときに金属被膜１４が溶融することを防ぐとともに、金属ロウ材１３ａの金属粒子間に充填された溶剤が緩やかに揮発する。
【００４０】
たとえば、金属ロウ材１３ａの溶剤としてアルコール系の溶剤を用いる場合、１２０〜１６０℃程度の加熱状態を保持するとよい。これにより、溶剤の内部で気化が起こり、それによってボイドが急激に発生するのを防ぐことができるので、溶剤を飛散させることなく速やかに揮発させることができる。
【００４１】
また、たとえば金属被膜１４がＳｎ（融点が２３０℃）であり、金属ロウ材１３ａの金属粉体がＡｇである場合、ステップＳ３０４において、２３０〜２５０℃の温度で金属被膜１４を溶融する。これにより、溶剤が揮発した金属ロウ材１３ａが固相のまま維持されつつ、溶融した金属被膜１４と、金属ロウ材１３ａと、の間で液相−固相反応が生じ、金属被膜１４と金属ロウ材１３ａとの接合界面の一体化が進行する。
【００４２】
これにより、金属ロウ材１３ａの焼結が進行する前に金属被膜１４と金属ロウ材１３ａとが液相−固相反応によって接合される。このため、金属被膜１４と金属ロウ材１３ａとの接合界面における一体化を効率的に行うことができる。また、金属被膜１４と金属ロウ材１３ａとが一体化した後に金属ロウ材１３ａの焼結（ステップＳ３０５）を行うことができる。このため、焼結による金属ロウ材１３ａの内部結合を安定して進行させることができる。したがって、形成される接合層の耐熱性がより向上する。
【００４３】
金属ロウ材１３ａの金属粒子を粒径０．１μｍ〜数μｍのＡｇにする場合、ステップＳ３０５において、たとえば２５０〜３００℃程度で金属ロウ材１３ａを焼結する。また、ステップＳ３０５においては、焼結によって焼結体の体積が顕著に収縮する場合がある。そのため、配線基板１２に半導体チップ１１を押しつけた状態で焼結を行うことによって、接合後に接合層が破損するのを回避することができる。
【００４４】
ここでは、金属ロウ材１３ａの金属粉体がＡｇであり、金属被膜１４がＳｎである場合を例示して説明したが、金属ロウ材１３ａの金属粉体と金属被膜１４の組み合わせはこれに限らず、金属被膜１４の融点が金属ロウ材１３ａの金属粉体よりも低く、金属ロウ材１３ａの金属粉体と金属被膜１４が互いに接合活性傾向を有する組み合わせであればよい。金属ロウ材１３ａの金属粉体には、たとえば、Ｉｎ，Ｓｂ，Ｓｎ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ａｕ，Ｚｎ，Ｂｉ，Ａｇ，Ｃｕのいずれかの金属を用いることができる。
【００４５】
または、金属ロウ材１３ａの金属粉体には、Ｉｎ，Ｓｂ，Ｓｎ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ａｕ，Ｚｎ，Ｂｉ，Ａｇ，Ｃｕのいずれかの金属同士の合金もしくは混合粉末などを用いてもよい。金属被膜１４には、たとえば、Ｉｎ，Ｓｂ，Ｓｎ，Ｂｉのいずれかの金属を用いることができる。または、金属被膜１４には、Ｉｎ，Ｓｂ，Ｓｎ，Ｂｉのいずれかの金属を主成分とした、Ｉｎ，Ｓｂ，Ｓｎ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ａｕ，Ｚｎ，Ｂｉ，Ａｇ，Ｃｕとの合金などを用いてもよい。
【００４６】
たとえば、金属被膜１４をＳｎまたはＩｎにし、金属ロウ材１３ａの金属粉体をＢｉにするとよい。この場合、ステップＳ３０４における溶融結合を２６０℃以上で行う。これにより、上述した反応とは異なり、温度が２６０℃に達する前に金属被膜１４が溶融し、固相状態を保つ金属ロウ材１３ａより先に、半導体チップ１１と金属被膜１４、配線基板１２と金属被膜１４がそれぞれ溶融結合する。
【００４７】
その後、温度が２６０℃に達した後に、金属被膜１４と液相化した金属ロウ材１３ａのＢｉとの接合が生じる。一般に、金属ロウ材１３ａは、半導体チップ１１や配線基板１２などの被接合材への濡れ性が劣るが、まず金属被膜１４と被接合材とを接合し、その後に金属被膜１４と金属ロウ材１３ａとを接合することで実質の接合性がさらに向上する。
【００４８】
図４は、実施の形態にかかる半導体装置の接合後の全体構成を示す断面図である。図４において、図１に示した構成と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。図１の焼結層１３、金属被膜１４および反応層１５は図示省略している。図４に示すように、半導体装置１０は、半導体チップ１１と、配線基板１２と、アルミワイヤ４１と、ヒートシンク４２と、ケース４３と、を備えている。
【００４９】
配線基板１２は、絶縁基板の表面に回路パターン１２ａ，１２ｂを形成した基板である。半導体チップ１１の裏面は、図示省略した接合層を介して配線基板１２の回路パターン１２ａと接合している（図１参照）。半導体チップ１１の表面に設けられた図示省略した電極と回路パターン１２ｂとはアルミワイヤ４１によって電気的に接続されている。配線基板１２の裏面には金属膜１２ｃが設けられており、この金属膜１２ｃが図示省略したはんだ接合層を介してヒートシンク４２と接合している。
【００５０】
ヒートシンク４２は、良熱伝導体の材質で作られており、ベース部４２ａおよび放熱フィン部４２ｂを有する。ベース部４２ａは、半導体チップ１１で発生し、配線基板１２を介して伝わる熱を放熱フィン部４２ｂへ伝導する。放熱フィン部４２ｂは、複数の放熱フィンを有し、ベース部４２ａから伝導された熱を放散する。ヒートシンク４２の周縁にはケース４３が接着されている。
【００５１】
以上説明したように、実施の形態によれば、被接合材である半導体チップ１１および配線基板１２にそれぞれ形成された金属被膜１４を溶融して金属ロウ材１３ａと溶融結合することで、金属被膜１４と金属ロウ材１３ａとの液相−固相反応によって、半導体チップ１１と金属ロウ材１３ａ、および配線基板１２と金属ロウ材１３ａがそれぞれ接合される。また、金属ロウ材１３ａを焼結した焼結層１３によって、はんだ材などに比べて耐熱性が高い接合層が形成される。
【００５２】
このため、接合層の耐熱性が向上しつつ、接合材と被接合材の接合界面付近の接合性が向上する。たとえば、接合界面付近の接合状態が緻密になるため、電気的、熱的な伝導性が向上する。このため、半導体装置１０を発熱密度が高いデバイスにも適用することができる。また、反応層１５が十分に形成されるため、接合界面付近の強度が十分に確保される。また、接合層の耐熱性が向上するため、安定な高温動作が可能になる。
【００５３】
以上において本発明は、上述した実施の形態に限らず、種々変更可能である。たとえば、実施の形態中に記載した寸法や温度などの数値は一例であり、本発明はそれらの値に限定されるものではない。また、半導体チップ１１および配線基板１２の両方の接合面に金属被膜１４をそれぞれ形成する場合について説明したが、半導体チップ１１および配線基板１２のいずれか一方のみに金属被膜１４を設けてもよい。
【００５４】
たとえば半導体チップ１１のみの接合面に金属被膜１４を設けた場合、半導体チップ１１と焼結層１３は上述した通りに接合される。一方、配線基板１２と焼結層１３は、固相の焼結層１３と固体の配線基板１２が直接接合される。接合界面付近の接合性をより向上させるためには、半導体チップ１１および配線基板１２の両方の接合面に金属被膜１４をそれぞれ形成することが望ましい。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
以上のように、本発明にかかる半導体装置およびその製造方法は、金属ロウ材により半導体チップを基板に接合してなる半導体装置に有用であり、特に、動作時の温度が高く、発熱密度が高いパワーデバイスなどに適している。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】実施の形態にかかる半導体装置の接合後の接合部を拡大して示す断面図である。
【図２】実施の形態にかかる半導体装置の接合前の接合部を拡大して示す断面図である。
【図３】半導体装置の接合工程を示すフローチャートである。
【図４】実施の形態にかかる半導体装置の接合後の全体構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５７】
１０  半導体装置
１１  半導体チップ
１２  配線基板
１２ａ，１２ｂ  回路パターン
１２ｃ  金属膜
１３  焼結層
１３ａ  金属ロウ材
１４  金属被膜
１５  反応層
４１  アルミワイヤ
４２  ヒートシンク
４２ａ  ベース部
４２ｂ  放熱フィン部
４３  ケース
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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