(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に半田層を介して半導体素子を接合する半導体装置の製造方法において、
前記半田層の周りを囲むことにより半田付けの際の半田流れを防止する流出防止部を、コールドスプレー法によって固相状態の金属粉末を付着させることにより成膜することにより形成し、表面を酸化された状態にしたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載する半導体装置の製造方法において、
前記流出防止部は、前記半田層の周りにコールドスプレー法によって成膜された流出防止層で形成したことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載する半導体装置の製造方法において、
前記基板の上には半田接合層が成膜され、前記半導体素子を前記半田接合層の上に半田層を介して接合し、前記流出防止部は、前記半田接合層の周りに沿ってコールドスプレー法により成膜された流出防止層で形成したことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項３に記載する半導体装置の製造方法において、
前記流出防止層を、前記半田層よりも高くなる厚さで成膜して形成したものであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
請求項１に記載する半導体装置の製造方法において、
前記基板の上には半田接合層が成膜され、前記半導体素子を前記半田接合層の上に半田層を介して接合し、前記流出防止部は、前記半田接合層の上にコールドスプレー法により成膜された流出防止層で形成したことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
請求項５に記載する半導体装置の製造方法において、
前記流出防止層は、前記半田層よりも高くなる厚さで成膜して形成したものであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項７】
請求項３乃至請求項６のいずれかに記載する半導体装置の製造方法において、
前記半田接合層は、成膜時に酸化した金属を還元処理したものであり、前記流出防止層は、成膜時に酸化されたままの金属によって形成したものであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載する半導体装置の製造方法において、
前記半田接合層を、コールドスプレー法によって成膜したものであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項９】
請求項１に記載する半導体装置の製造方法において、
前記基板の上にはコールドスプレー法により半田接合層を成膜し、前記半導体素子を前記半田接合層の上に半田層を介して接合したものであり、
前記半田接合層は、成膜によって酸化した表面のうち、前記半田層が位置する領域が還元ガス中での加熱により還元され、前記流出防止部は、還元された領域の周辺に酸化されたままの領域であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
請求項１に記載する半導体装置の製造方法において、
前記基板の上にはコールドスプレー法により半田接合層を成膜し、前記半導体素子を前記半田接合層の上に半田層を介して接合したものであり、
前記流出防止部は、還元処理された前記半田接合層の表面について、前記半田層が位置する領域を囲むように酸化ガス中での加熱により酸化された領域であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
基板の上に半田層を介して半導体素子を接合する際、溶融した半田の半田流れを防止しながら前記半導体素子を半田付けする半導体装置の製造方法において、
前記基板の上に前記半田層の周りを囲む領域に、表面が酸化された状態の流出防止部をコールドスプレー法を使用した成膜によって形成し、
前記流出防止部に囲まれた中に半田材が配置され、熱を加えて前記半田材を溶融させて前記半導体素子を半田付けすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載する半導体装置の製造方法において、
前記半田層の領域に対応する中央遮蔽部と、前記流出防止部の外周領域に対応する外周遮蔽部との間に、前記流出防止部に対応する開口部が形成され、前記開口部を横切って前記中央遮断部と外周遮断部とを連結する連結部の位置が異なる２枚のマスクを用意し、
前記２枚のマスクを交互に使用しながらコールドスプレー法によって前記流出防止部を成膜することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
請求項１１に記載する半導体装置の製造方法において、
前記半導体装置は、前記基板の上には半田接合層が成膜され、前記半導体素子が前記半田接合層の上に半田層を介して接合されたものである場合に、
前記半田接合層をコールドスプレー法により成膜し、前記半田接合層を酸化還元処理した後に、前記流出防止部をコールドスプレー法により成膜することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
請求項１１に記載する半導体装置の製造方法において、
前記半導体装置は、前記基板の上には半田接合層が成膜され、前記半導体素子が前記半田接合層の上に半田層を介して接合されたものである場合に、
前記半田接合層をコールドスプレー法により成膜し、前記流出防止部を還元されない金属を使用してコールドスプレー法によって成膜し、前記流出防止部を成膜した後に前記半田接合層を酸化還元処理することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
請求項１１に記載する半導体装置の製造方法において、
前記半導体装置は、前記基板の上には半田接合層が成膜され、前記半導体素子が前記半田接合層の上に半田層を介して接合されたものである場合に、
前記基板の上にはコールドスプレー法により前記半田接合層を成膜し、
前記半田接合層の酸化した表面のうち、前記半田層が位置する領域を還元ガス中で加熱して還元し、その還元された領域の周辺に酸化されたまま残した領域を前記流出防止部とすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
請求項１１に記載する半導体装置の製造方法において、
前記半導体装置は、前記基板の上には半田接合層が成膜され、前記半導体素子が前記半田接合層の上に半田層を介して接合されたものである場合に、
前記基板の上にはコールドスプレー法により前記半田接合層を成膜した後に還元処理し、
還元された前記半田接合層の表面のうち、前記半田層が位置する領域を囲む領域を酸化ガス中で加熱して酸化し、当該酸化領域を前記流出防止部とすることを特徴とする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、基板に対して半田によって半導体素子を接合させた半導体装置に関し、特に半田層の周辺部にコールドスプレー法によって半田流れを防止する流出防止部を形成した半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１０に示す半導体装置１００は、ＩＧＢＴなどの半導体素子１０１を搭載したものである。半導体素子１０１が発する熱が大きいことから、基板１０２には、熱伝導性や電気伝導性のよいアルミニウムや銅などの金属ベース基板や、セラッミクス板を用いた絶縁基板が用いられる。基板１０２の上面に半田によって半導体素子１０１を接合する場合、半田層１０３との接合性を良くするため、シリコンからなる半導体素子１０１には裏面にニッケル合金などのメタライズ処理が施され、金属からなる基板１０２には表面にニッケルメッキのメッキ層１０４が設けられる。【０００３】
例えば銅板をプレス加工して作られた基板１０２には、半田流れを防止して半田層１０３の膜厚を確保するための流出防止層１０５が形成されている。流出防止層１０５は、基板１０２に対して被膜を施さない部分をマスキングし、溶射装置によって露出している表面に被覆が行われる。流出防止層１０５の被覆方法は、比較的安定して厚い被膜（５０μｍ以下）を形成する溶射法が用いられる。流出防止層１０５としてはアルミニウム、シリコン、チタン等の酸化物が使用される。基板１０２上の流出防止層１０５は、半導体素子１０１の周りを囲むように成形され、溶融した半田が流出防止層１０５によって堰止められ半田流れを防止する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−１７７２９０号公報
【特許文献２】特開２００６−３１９１４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の半導体装置１００では、流出防止層１０５を溶射によって形成しているが、溶射法では、金属粉末を溶融させ、溶融した金属を基材に吹き付けるため、基材が受ける熱影響が大きくなってしまい好ましい方法であるとはいえない。また、溶射は、例えば減圧度の高いチャンバー内において行うなど、被膜の形成にコストを要し、それよって半導体装置１００の価格を上げてしまう。さらに、溶融させた材料粉末の熱によって基板１０２が加熱されるため、成膜後の冷却処理が必要になるなどの手間を要していた。【０００６】
本発明は、かかる課題を解決すべく、半田流れを防止する構造を安価に形成し半導体装置及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】
【０００７】
本発明の一態様における半導体装置の製造方法は、基板の上に半田層を介して半導体素子を接合する半導体装置の製造方法において、前記半田層の周りを囲むことにより半田付けの際の半田流れを防止する流出防止部を、コールドスプレー法によって固相状態の金属粉末を付着させることにより成膜することにより形成し、表面を酸化された状態にしたことを特徴とする。
上記半導体装置の製造方法は、前記流出防止部は、前記半田層の周りにコールドスプレー法によって成膜された流出防止層で形成したことが好ましい。
上記半導体装置の製造方法は、前記基板の上には半田接合層が成膜され、前記半導体素子を前記半田接合層の上に半田層を介して接合し、前記流出防止部は、前記半田接合層の周りに沿ってコールドスプレー法により成膜された流出防止層で形成したことが好ましい。
【０００８】
上記半導体装置の製造方法は、前記流出防止層を、前記半田層よりも高くなる厚さで成膜して形成したものであることが好ましい。
上記半導体装置の製造方法は、前記基板の上には半田接合層が成膜され、前記半導体素子を前記半田接合層の上に半田層を介して接合し、前記流出防止部は、前記半田接合層の上にコールドスプレー法により成膜された流出防止層で形成したことが好ましい。
上記半導体装置の製造方法は、前記流出防止層は、前記半田層よりも高くなる厚さで成膜して形成したものであることが好ましい。
上記半導体装置の製造方法は、前記半田接合層は、成膜時に酸化した金属を還元処理したものであり、前記流出防止層は、成膜時に酸化されたままの金属によって形成したものであることが好ましい。
上記半導体装置の製造方法は、前記半田接合層を、コールドスプレー法によって成膜したものであることが好ましい。
【０００９】
上記半導体装置の製造方法は、前記基板の上にはコールドスプレー法により半田接合層を成膜し、前記半導体素子を前記半田接合層の上に半田層を介して接合したものであり、前記半田接合層は、成膜によって酸化した表面のうち、前記半田層が位置する領域が還元ガス中での加熱により還元され、前記流出防止部は、還元された領域の周辺に酸化されたままの領域であることが好ましい。
上記半導体装置の製造方法は、前記基板の上にはコールドスプレー法により半田接合層を成膜し、前記半導体素子を前記半田接合層の上に半田層を介して接合したものであり、前記流出防止部は、還元処理された前記半田接合層の表面について、前記半田層が位置する領域を囲むように酸化ガス中での加熱により酸化された領域であることが好ましい。
【００１０】
本発明の他の態様における半導体装置の製造方法は、基板の上に半田層を介して半導体素子を接合する際、溶融した半田の半田流れを防止しながら前記半導体素子を半田付けするものであり、前記基板の上に前記半田層の周りを囲む領域に、表面が酸化された状態の流出防止部をコールドスプレー法を使用した成膜によって形成し、前記流出防止部に囲まれた中に半田材が配置され、熱を加えて前記半田材を溶融させて前記半導体素子を半田付けすることを特徴とする。【００１１】
上記半導体装置の製造方法は、前記半田層の領域に対応する中央遮蔽部と、前記流出防止部の外周領域に対応する外周遮蔽部との間に、前記流出防止部に対応する開口部が形成され、前記開口部を横切って前記中央遮断部と外周遮断部とを連結する連結部の位置が異なる２枚のマスクを用意し、前記２枚のマスクを交互に使用しながらコールドスプレー法によって前記流出防止部を成膜することが好ましい。
上記半導体装置の製造方法は、前記半導体装置が、前記基板の上には半田接合層が成膜され、前記半導体素子が前記半田接合層の上に半田層を介して接合されたものである場合に、前記半田接合層をコールドスプレー法により成膜し、前記半田接合層を酸化還元処理した後に、前記流出防止部をコールドスプレー法により成膜することが好ましい。
上記半導体装置の製造方法は、前記半導体装置が、前記基板の上には半田接合層が成膜され、前記半導体素子が前記半田接合層の上に半田層を介して接合されたものである場合に、前記半田接合層をコールドスプレー法により成膜し、前記流出防止部を還元されない金属を使用してコールドスプレー法によって成膜し、前記流出防止部を成膜した後に前記半田接合層を酸化還元処理することが好ましい。【００１２】
上記半導体装置の製造方法は、前記半導体装置が、前記基板の上には半田接合層が成膜され、前記半導体素子が前記半田接合層の上に半田層を介して接合されたものである場合に、前記基板の上にはコールドスプレー法により前記半田接合層を成膜し、前記半田接合層の酸化した表面のうち、前記半田層が位置する領域を還元ガス中で加熱して還元し、その還元された領域の周辺に酸化されたまま残した領域を前記流出防止部とすることが好ましい。
上記半導体装置の製造方法は、前記半導体装置は、前記基板の上には半田接合層が成膜され、前記半導体素子が前記半田接合層の上に半田層を介して接合されたものである場合に、前記基板の上にはコールドスプレー法により前記半田接合層を成膜した後に還元処理し、還元された前記半田接合層の表面のうち、前記半田層が位置する領域を囲む領域を酸化ガス中で加熱して酸化し、当該酸化領域を前記流出防止部とすることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、流出防止部をコールドスプレー法を使用して形成するものであるが、そのコールドスプレー法が大気中で簡便に成膜できることから、半田流れを防止する構造を安価に形成した半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１実施形態の半導体装置を示した断面図である。
【図２】コールドスプレー法を実行する成膜装置の構成を概念的に示した図である。
【図３】流出防止層を成膜するための第１マスクを示した図である。
【図４】流出防止層を成膜するための第１マスクを示した図である。
【図５】段階的に成膜する流出防止層の成膜状況を示した平面図である。
【図６】第２実施形態の半導体装置を示した断面図である。
【図７】第３実施形態の半導体装置を示した断面図である。
【図８】第４実施形態の半導体装置を示した断面図である。
【図９】部分還元方法を示したイメージ図である。
【図１０】従来の半導体装置を示した断面図である。
【符号の説明】
【００１５】
１  半導体装置
１１  半導体素子
１２  基板
１３  半田層
１４  半田接合層
１５  流出防止層
９１  第１マスク
９２  第２マスク
【発明を実施するための形態】
【００１６】
次に、本発明に係る半導体装置及びその製造方法について、その実施形態を図面を参照しながら以下に説明する。図１は、第１実施形態の半導体装置を示した断面図である。半導体装置１は、例えばＩＧＢＴなどの半導体素子１１が、熱伝導性や電気伝導性のよいアルミニウムや銅などの金属からなる基板１２に搭載されている。半導体素子１１と基板１２とは半田によって接合されているが、その両者を接合する半田層１３と基板１２との間には、基板１２に対する半田の接合性を良くするため半田接合層１４が設けられている。また、シリコンからなる半導体素子の裏面にも、半田との接合性を良くするためニッケル合金などのメタライズ処理が施されている。
【００１７】
半田接合層１４は、ニッケルや銅、スズなどがコールドスプレー法、メッキ法、真空蒸着、或いはスパッタなどの成膜処理によって形成される。しかし、メッキ法によって成膜する場合には、半田接合層１４だけの部分成膜をするために、それ以外の表面全部をマスキングしなければならないので、非常に手間とコストがかかる。真空蒸着やスパッタも高価な真空設備での成膜が必要で、真空排気等にも時間が必要なため、生産性が悪くコストがかかる。そこで、部分成膜が容易であり、コストや処理時間、設備費用の点でコールドスプレー法を使用するのが有効である。
【００１８】
図２は、コールドスプレー法を実行する成膜装置の構成を概念的に示した図である。成膜装置８０は、圧縮ガスを供給するコンプレッサ８１を有し、そのコンプレッサ８１から送られる圧縮ガスが加熱手段８２によって加熱され、圧力調整弁８３を介してノズル８４から噴射されるようになっている。粉末タンク８５には例えば銅粉末が充填され、その粉末タンク８５から送り込まれる銅粉末をノズル８４でも加熱できるようにヒータ８６が設けられている。そして、銅粉末を特定の領域に噴射して成膜するため、ノズル８４を平行移動させる駆動手段８７が設けられている。
【００１９】
成膜装置８０によって半田接合層１４を成膜する場合、基板１２の上にマスク８８が配置される。マスク８８は、成膜領域に相当する大きさの開口枠８８１が形成され、基板１２に対して開口枠８８１の位置が合わせられる。ノズル８４には、粉末タンク８５から平均粒径が５〜６０μｍの銅粉末が供給され、その銅粉末がヒータ８６によって加熱される。また、ノズル８４にはコンプレッサ８１から加熱された圧縮ガスが送り込まれる。
【００２０】
ノズル８４からは５０℃〜２００℃に加熱された固相状態の銅粉末が、圧縮ガスと共に基板１２の表面に向けて勢いよく吹き付けられる。ノズル８４から噴射された銅粉末は、固体のまま音速から超音速ほどの高速で基板１２に衝突し、塑性変形して付着することによって膜を形成する。銅粉末は衝突した際に運動エネルギーが熱エネルギーに変わり、材料によっては材料表面が融点を超えて結合し強固な密着力を得る。そして、銅粉末を噴射するノズル８４が成膜領域に従って水平移動を繰返すことにより、基板１２に所定厚さの半田接合層１４が成膜される。
【００２１】
コールドスプレー法により半田接合層１４が成膜された後の基板１２は、炉内に投入されて還元性ガス雰囲気下で（例えばアルゴンガス、ヘリウムガス、窒素ガスなどに水素を３〜１００％配合した雰囲気下）、２００℃〜７００℃の温度条件で熱処理が行われる。半田接合層１４は、有水素ガス雰囲気中で熱処理を行うことによって、被膜として付着して堆積した銅粒子の表面の酸化層が還元され、無酸化の銅が表面を覆う。こうして半田接合層１４の表面に半田付けが可能になるが、逆に還元処理により半田が濡れ拡がりやすくなり、半田流れの問題が生じる。
【００２２】
半導体素子１１を構成するシリコンと半田接合層１４を構成する銅などとは線膨張係数に差がある。そのため、半導体装置１が繰り返し使用されると、両者を接合する半田層１３に冷熱衝撃によるせん断応力が作用する。そのため半田層１３は、応力の分散ができるように一定以上の膜厚が求められ、膜厚が十分でない場合には疲労破壊を引き起こしてしまう。半導体素子１１を半田付けする際、本来所定領域に留まるべき半田が流れてしまうことが原因で、半田層１３の膜厚が薄くなってしまうと、十分な応力分散ができる膜厚を確保できなくなる可能性が生じる。また、半田が広い領域で濡れ拡がると、半導体素子１１の周りに位置するワイヤボンド（不図示）の接続領域に半田が付着してしまい製品不良となる。
【００２３】
そこで、半導体装置１には、半田接合層１４の周りを囲むようにして、半田流れを防止する流出防止層１５が形成されている。流出防止層１５は、半田接合層１４と同様に、低コストの形成が可能なコールドスプレー法によって成膜される。流出防止層１５も成膜装置８０によって成膜されるが、その際、図３及び図４に示す２枚のマスクが使用される。第１マスク９１と第２マスク９２は、半田接合層１４を覆う中央遮蔽部９１１，９２１の周りに、それぞれ開口部９１２，９２２が形成され、開口部９１２，９２２の外側に外周遮蔽部９１３，９２３が存在する。
【００２４】
開口部９１２，９２２は、それぞれ２箇所に形成された連結部９１５，９２５によって途切れており、環状にはなっていない。これは、中央遮蔽部９１１又は９２１と外周遮蔽部９１３又は９２３とを連結させるためである。従って、一枚のマスクだけでは、環状に形成すべき流出防止層１５が連結部９１５，９２５の箇所で途切れてしまう。そこで、第１マスク９１と第２マスク９２は、両者を重ね合わせた場合に、互いの連結部９１５，９２５の位置が他方の開口部９２２，９１２になるように、それぞれの位置がずらして形成されている。
【００２５】
流出防止層１５の成膜には、先ず図３に示す第１マスク９１が基板１２上に配置され、中央遮蔽部９１１が半田接合層１４に重なるように位置合わせが行われる。そして、図２に示す成膜装置８０を使用したコールドスプレー法による成膜が行われる。すなわち、ノズル８４から勢いよく噴射された銅粉末が、開口部９１２を通って基板１２の表面に衝突し、塑性変形して付着することによって膜が形成される。ノズル８４は、銅粉末を噴射しながら開口部９１２の全領域に渡って移動し、それにより基板１２には、図５に示す第１膜１５１が形成される。図５は、段階的に成膜する流出防止層１５の成膜状況を示した平面図である。
【００２６】
第１膜１５１は、開口部９１２に対応した平面形状であって、２つに分割され、その間に切断部１５５が形成されている。第１膜１５１を成膜した後、第１マスク９１に替えて第２マスク９２が配置され、再度ノズル８４から銅粉末が噴射される。そのため、第１膜１５１に重ねて第２膜１５２が成膜される。このとき、切断部１５５には銅粉末が入り込み、その凹みが埋められる。一方、第２膜１５２は、２つに分割された開口部９２２に対応した平面形状であり、２箇所に切断部１５６が形成される。そこで、更に第２マスク９２に替えて第１マスク９１を配置し、交互に成膜が行われる。
【００２７】
基板１２上に半田接合層１４と流出防止層１５が成膜された後、半田接合層１４の上に半導体素子１１が半田付けされる。すなわち、箔状或いはペレット状の半田材を介して半導体素子１１が重ねられ、加熱して半田材を溶融した半田付けが行われる。このとき、半田接合層１４の周りの流出防止層１５は銅が酸化した状態であるため、溶融した半田が接合せずそれ以上外側に濡れ拡がらない。従って、半田流れが防止された半田層１３は、一定以上の膜厚を保つことができる。
【００２８】
本実施形態によれば、コールドスプレー法を使用したことにより流出防止層１５を安価に形成した半導体装置１を提供することが可能になった。コールドスプレー法によれば、大気中で簡便に成膜でき、第１マスク９１と第２マスク９２を使用することにより低価格で部分成膜が可能だからである。また、第１マスク９１と第２マスク９２を使用することにより、切れ目のない環状の流出防止層１５とすることができ、半田の流出をより防止可能なものとすることができた。そして、流出防止層１５が半田流れを防止することで、半田の濡れ拡がる領域が限定され、ワイヤボンディングの接合領域に到達しなくなり、ボンディング不良を防止することができる。その上で接合される半導体素子１１の位置精度が向上する。
【００２９】
ところで、前述した第１及び第２マスク９１，９２を交互に使用することにより、流出防止層１５の切断部１５５，１５６が埋められる。しかし、第１マスク９１を浮かせて配置することにより、噴射された銅粉末が連結部９１５の下側にも回り込み、成膜部分がつながることも考えられる。そうした場合、切断部１５５が形成されないため、第１マスク９１だけで流出防止層１５を成膜することも可能である。また、切断部１５５は局所的であって幅も狭い。そのため、切断部１５５に半田の流出が生じないか、半田の濡れ拡がりが製品として支障がない場合にも、第１マスク９１だけで成膜するようにしてもよい。
【００３０】
半導体装置１は、半田接合層１４と流出防止層１５を共にコールドスプレー法を使用し、銅粉末の成膜によって形成したものである。そのため、先に半田接合層１４を成膜して還元処理し、その後に流出防止層１５を成膜し、還元処理することなく酸化膜を残したままにした。一方で、流出防止層１５の形成に、アルミニウムなどの還元処理で還元されない金属を使用した場合には、半田接合層１４と流出防止層１５を成膜した後に、一緒に還元処理を行うようにしてもよい。
【００３１】
また、半導体装置１は、流出防止層１５を銅で形成しているが、前述したアルミニウムの他、金や銀など、比重や比熱、熱伝導率が高い材料を使用することが好ましい。半導体装置１では、半導体素子１１が発熱体となって使用時の発熱量が大きくなる。そのため、熱伝導性の良い流出防止層１５を設けることにより、熱拡散と過渡熱吸熱により、半導体装置１全体の放熱性能を向上させることができるからである。
【００３２】
（第２実施形態）
次に、本発明に係る半導体装置の第２実施形態について説明する。図６は、第２実施形態の半導体装置を示した断面図である。図１と同じ構成については、同じ符号を付して説明する。半導体装置２は、基板１２の上に半田接合層１６が成膜され、その上に半田層１３を介して半導体素子１１が接合されている。半田接合層１６は、その上に流出防止層１７を重ねて形成するため、前記第１実施形態の半田接合層１４よりも面積が大きく形成されている。
【００３３】
半田接合層１６は、ニッケルや銅、スズなどがコールドスプレー法、メッキ法、真空蒸着、或いはスパッタなどの成膜処理によって形成されるが、ここでも銅粉末をコールドスプレー法によって成膜したものについて説明する。半田接合層１６は、成膜後の還元処理によって半田が濡れ拡がるため、半田流れを防止する流出防止層１７が成膜される。流出防止層１７は、銅粉末をコールドスプレー法によって成膜されたものであり、ここでも図３及び図４に示す第１及び第２マスク９１，９２を使用して形成される。
【００３４】
流出防止層１７は、半導体素子１１の周りを囲む壁のようになっているため、半田付けの際には、流出防止層１７の枠中に、箔状或いはペレット状の半田材と半導体素子１１が重ねて入れられる。そこで、流出防止層１７の高さは、少なくとも半田層１３の膜厚（１００〜４００μｍ）よりも高くなるように形成される。これは、治具を使わなくても、半田炉へ移動する際に、半田材や半導体素子１１が流出防止層１７から外れないようにするためである。そして、高さをもった流出防止層１７は、半田付けに際して溶融した半田が流れてしまわないように、堰き止めることができる。また、こうして流出防止層１７が半田流れを防止することで、半田の濡れ拡がる領域が限定され、その上で接合される半導体素子１１の位置精度が向上する。
【００３５】
よって、本実施形態でも、コールドスプレー法を使用したことにより流出防止層１７を安価に形成した半導体装置２を提供することが可能になるなど、前記第１実施形態と同様の効果が得られる。また、熱伝導性の良い銅製の半田接合層１６や流出防止層１７によって体積が大きくなり熱容量が増え、半導体装置２全体の放熱性能を向上させることができる。更に、流出防止層１７内に半田材や半導体素子１１を入れて配置するだけで、半田付け完了まで保持する必要がないため、治具などの廃止や生産設備の簡素化が可能になり、この点でもコストの削減が可能になる。
【００３６】
（第３実施形態）
次に、本発明に係る半導体装置の第３実施形態について説明する。図７は、第３実施形態の半導体装置を示した断面図である。図１と同じ構成については、同じ符号を付して説明する。半導体装置３は、基板１２の上に半田接合層１４が成膜され、その上に半田層１３を介して半導体素子１１が接合されている。半田接合層１４は、銅粉末をコールドスプレー法によって成膜したものであり、成膜後の還元処理によって半田が濡れ拡がるため、その周りに半田流れを防止する流出防止層１８が成膜されている。流出防止層１８は、銅粉末をコールドスプレー法によって成膜されたものであり、ここでも図３及び図４に示す第１及び第２マスク９１，９２を使用して形成される。
【００３７】
流出防止層１８は、基板１２の上に直接成膜され、半導体素子１１の周りを囲む壁のようにして形成されている。流出防止層１８の膜厚は、少なくとも半田接合層１４上の半田層１３よりも高くなるように形成される。従って、治具を使わなくても、半田炉へ移動する際に、半田材や半導体素子１１が流出防止層１８から外れてしまうようなことはない。また、高さをもった流出防止層１８は、半田付けに際して溶融した半田が流れてしまわないように堰き止めることができる。更に、流出防止層１８が半田流れを防止することで、半田の濡れ拡がる領域が限定され、その上で接合される半導体素子１１の位置精度が向上する。
【００３８】
よって、本実施形態でも、コールドスプレー法を使用したことにより流出防止層１８を安価に形成した半導体装置３を提供することが可能になるなど、前記第１実施形態と同様の効果が得られる。また、熱伝導性の良い銅製の流出防止層１８によって体積が大きくなり熱容量が増えるため、半導体装置３全体の放熱性能を向上させることができる。更に、流出防止層１８内に半田材や半導体素子１１を入れて配置するだけで、半田付け完了まで保持する必要がないため、治具などの廃止や生産設備の簡素化が可能になり、この点でもコストの削減が可能になる。
【００３９】
（第４実施形態）
次に、本発明に係る半導体装置の第４実施形態について説明する。図８は、第４実施形態の半導体装置を示した断面図である。図１と同じ構成については、同じ符号を付して説明する。半導体装置４は、基板１２の上に半田接合層２１が成膜され、その上に半田層１３を介して半導体素子１１が接合されている。半田接合層２１は、銅粉末をコールドスプレー法によって成膜されたものであり、半導体素子１１や半田層１３よりも面積が大きく形成されている。
【００４０】
成膜後の半田接合層２１は、酸化されていてそのままでは半田付けができない。一方で、全体を還元してしまったのでは半田流れが生じてしまう。そこで、本実施形態では部分的に還元処理を施すことにより、酸化部分を残して半田流れが生じないようにした。すなわち、半田層１３が配置される半田接合層２１の中央領域に還元部分２１１が形成され、その周り存在する酸化されたままの酸化部分２１２が流出防止部となる。図９は、部分還元方法を示したイメージ図である。
【００４１】
還元処理は、還元性のある還元ガス中で所定温度の加熱によって行われる。本実施形態の還元処理は、水素などの還元ガス中に半田接合層２１が置かれる。そして、図９に示すように、レーザ装置２２０から半田接合層２１の表面に向けてパルスモードのレーザが照射される。一箇所毎に一定時間レーザを照射しながら、照射場所を少しずつずらして還元部分２１１のみ照射する。パルスモードのレーザは、レーザ照射点の還元に十分な０．１〜２．０Ｊ／（ｃｍ２ ・パルス）程度のエネルギーであって、１００ｍｓｅｃ以下の短時間だけ注入される。従って、レーザが照射された部分のみが還元され、その周囲は温度上昇が抑えられて還元されない。
【００４２】
なお、レーザの走査速度、パルス照射周期、ビーム径、レーザ波長および照射面反射率は、半田接合層２１の膜厚や周辺の構造などによって適宜設定される。また、レーザ装置２２０には、ＣＯ２レーザ、ＹＡＧレーザまたはファイバーレーザなどが使用される。還元ガスは、チャンバー内で雰囲気ガスとして供給するようにしてもよく、レーザ照射部分に吹き付けるようにしてもよい。
【００４３】
半田接合層２１に所定領域の還元部分２１１が形成された後、還元部分２１１上には、箔状或いはペレット状の半田を介して半導体素子１１が重ねられ、加熱によって半田付けが行われる。その際、半田の周りには、コールドスプレー法によって成膜されたままの酸化部分２１２が存在するため、半田流れが防止される。よって、本実施形態によれば、コールドスプレー法を使用して成膜した半田接合層２１をそのまま半田流れを防止する流出防止部分とすることにより安価に形成した半導体装置４を提供することが可能になる。
【００４４】
ところで、半田接合層２１に対して部分的に還元する方法を説明したが、それに代えて、次は半田接合層２１に対して部分的に酸化する方法を説明する。この方法では、基板１２に対してコールドスプレー法によって半田接合層２１が成膜された後、その半田接合層２１は、先ず還元ガス中で加熱された還元処理が行われる。そのため、全体が還元してしまい、そのままでは半田流れが生じてしまうため部分的に酸化処理が施される。すなわち、半田接合層２１の中央に還元部分２１１を残し、その周りに、流出防止部として酸化した酸化部分２１２が形成される。
【００４５】
酸化処理は、半田接合層２１が、酸素やハロゲン系の酸化性のあるガスを含む酸化ガス中に置かれる。半田接合層２１には、図９に示す場合と同様に、レーザ装置２２０から半田接合層２１の表面に向けてパルスモードのレーザが照射される。ただし、ここでの照射箇所は、半田接合層２１の酸化部分２１２に相当する箇所である。パルスモードのレーザは、レーザ照射点の酸化に十分なエネルギーであって、所定時間だけ注入される。従って、レーザが照射された部分のみが酸化され、中央部分は酸化されない。還元部分２１１に比べ外周部だけに限られる酸化部分２１２は面積が小さい。このため、レーザ照射時間が短時間で済むメリットがある。
【００４６】
なお、レーザの走査速度、パルス照射周期、ビーム径、レーザ波長および照射面反射率は、半田接合層２１の膜厚や周辺の構造などによって適宜設定される。また、レーザ装置２２０には、ＣＯ２レーザ、ＹＡＧレーザまたはファイバーレーザなどが使用される。そして、酸化ガスは、高濃度の酸素やハロゲンを含むと酸化力が高いものとなるため、必要に応じて希釈してもよい。また、酸化ガスは、チャンバー内で雰囲気ガスとして供給するようにしてもよく、レーザ照射部分に吹き付けるようにしてもよい。
【００４７】
よって、部分酸化でも半田接合層２１に所定領域の還元部分２１１と酸化部分２１２とが形成される。その後は、還元部分２１１上に箔状或いはペレット状の半田を介して半導体素子１１が重ねられ、加熱によって半田付けが行われる。その際、半田の周りを酸化部分２１２が囲んでいるため、半田流れが防止される。こうして、コールドスプレー法を使用して成膜した半田接合層２１に酸化部分２１２を形成し、半田流れを防止する流出防止部分とする安価な半導体装置４を提供することが可能になった。
【００４８】
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることは言うまでもない。
前記各実施形態では、流出防止層１５などを酸化した銅によって構成した場合を説明したが、半田と接合せず濡れない材料であれば、コールドスプレー法によって成膜する材料として、アルミニウム、チタン、鉄、銀などの使用も可能である。
また、第１乃至第３実施形態では半田接合層１４，１６が形成されているが、基板１２が銅やニッケル、スズあるいはその合金で形成され、半田が直接接合できる場合には半田接合層１４，１６を省いた構成であってもよい。
【００４９】
また、第１乃至第３実施形態では、流出防止層１５，１７，１８の成膜に当たって、第１及び第２マスク９１，９２を使用した方法を説明したが、その他の方法として、基板１２や半田接合層１４，１６に樹脂などで保護膜を形成し、コールドスプレー法により流出防止層１５，１７，１８を成膜をした後に、その保護膜を剥離するようにしてもよい。
また、基板１２は、セラッミクス板を用いた絶縁基板であってもよい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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