(57)【要約】本発明の半導体部品は、半導体素子（１０１）と、半導体素子（１０１）の一方の面に形成された、Ｂｉを主成分とする接合材料を含む接合層（１０２）とを備え、接合層（１０２）の半導体素子（１０１）と接する面とは反対側の面に、凸部（１０３）が形成されている半導体部品（１００）である。この半導体部品（１００）を用い、接合層（１０２）に対向して配置された電極（２０１）とを接合することにより、ボイドの発生を抑制することが出来る。
2011010450.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、
前記半導体素子の一方の面に形成された、Ｂｉを主成分とする接合材料を含む接合層とを備え、
前記接合層の前記半導体素子と接する面とは反対側の面に、単数又は複数の凸部が形成されている、半導体部品。
【請求項２】
前記凸部の高さは、５μｍ以上３０μｍ以下である、請求項１に記載の半導体部品。
【請求項３】
半導体素子が複数形成された半導体ウェハの一方の面に、Ｂｉを主成分とする接合材料を用いて接合層を形成する接合層形成工程と、
前記半導体素子のそれぞれの位置に対応した領域毎に、単数又は複数の孔部が形成されたマスクを前記接合層の上に配置するマスク配置工程と、
前記マスクを配置した前記接合層に対して、前記接合材料と同じ材料、又は前記接合材料より溶融開始温度の低い材料を用いて前記孔部に対応した単数又は複数の凸部を形成する凸部形成工程と、
前記接合層の上に前記凸部が形成された前記半導体ウェハを切断する切断工程と、を備えた半導体部品の製造方法。
【請求項４】
前記孔部の前記マスクの厚みは、前記凸部の高さに対応しており、
前記マスクの前記接合層に接する面における前記孔部の開口部の大きさは、前記開口部に対向する反対側の開口部の大きさより広い、請求項３に記載の半導体部品の製造方法。
【請求項５】
請求項１又は２に記載の半導体部品と、電極とを接合した接合構造体の製造方法であって、
前記凸部の形成された前記接合層の面が、前記電極と所定の距離を隔てて対向する様に、前記半導体部品を配置する配置工程と、
前記電極を前記接合材料の溶融開始温度以上に加熱する加熱工程と、
前記半導体部品を前記加熱された電極側に移動し、前記凸部を前記電極の表面に接触させて、前記接合層の溶融を前記凸部を起点として開始する接合工程と、
を備えた、接合構造体の製造方法。
【請求項６】
半導体素子が複数形成された半導体ウェハと、
前記半導体ウェハの前記半導体素子が形成された面に形成された、Ｂｉを主成分とする接合材料を含む接合層と、
前記接合層の上に接着された保護シートとを備え、
前記接合層の前記保護シート側の面の、前記半導体素子のそれぞれの位置に対応した領域毎に、単数又は複数の凸部が形成されている、半導体ウェハ部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子の面にＢｉを主成分とする接合材料からなる接合層を有した半導体部品、半導体ウェハ部品、半導体部品の製造方法、及び、接合構造体の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体部品は、はんだ材料を用いて、基板に実装される。例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ  絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）のような半導体部品と基板とを接合するはんだ材料には、一般的に融点が２２０℃のＳｎ−３重量％Ａｇ−０．５重量％Ｃｕが用いられている。【０００３】
図４は、半導体部品が基板に実装された模式図である。半導体部品４０１を基板４０２に実装する際には、はんだ浸漬方式のディップ装置により、例えば、融点が２２０℃のはんだ材料４０３であるＳｎ−３重量％Ａｇ−０．５重量％Ｃｕで、半導体部品４０１の外部電極４０４を基板電極４０５にはんだ付けする。このときはんだ材料４０３は、ディップ装置により２５０〜２６０℃に加熱されているため、半導体部品４０１の温度は２５０〜２６０℃に達することがある。半導体部品４０１は、半導体素子４０６と内部電極４０７とが接合材料４０８で接合された構成であるが、半導体部品４０１の内部で、接合材料４０８が溶融すると、短絡、断線、あるいは電気特性の変化が生じて最終製品に不良が生じる可能性がある。よって、半導体部品４０１の内部に用いる接合材料４０８は、ディップ装置ではんだ付けする際に到達する半導体部品４０１内部の最高温度よりも高い溶融温度を有することが要求される。【０００４】
そこで、溶融温度が２６０℃を超え、鉛を含まない接合材料として、Ｂｉを９０重量％以上含む接合材料（以降「Ｂｉを主成分とする接合材料」とする）（例えばＢｉ―２．５Ａｇ  融点２６２℃、Ｂｉ−０．５Ｃｕ  融点２７０℃）が適していると考えられている。他の接合材料としてＺｎも検討されているが、濡れ性や接合のしやすさなどを考慮すれば、現在では、前記のＢｉを主成分とする接合材料が適している。そこで、Ｂｉを主成分とする接合材料を用いたパワー半導体モジュールが提案されている（特許文献１参照）。【０００５】
図５（ａ）〜図５（ｃ）は、特許文献１に記載された従来の接合構造体の製造過程におけるボイドの発生を説明するための模式図である。図５（ａ）〜図５（ｃ）において、接合構造体５０１は、溶融したＢｉを主成分とする接合材料５０２が電極５０３上に供給され（図５（ａ））、その接合材料５０２上に半導体素子５０４を搭載し（図５（ｂ））接合されたものである（図５（ｃ））。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−２８１４１２号公報（第２４頁、図２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１の接合材料の主成分であるＢｉは酸化物の標準生成エネルギーが−４９４ｋＪ／ｍｏｌと酸化しやすい。前述したが、接合構造体５０１を形成するためには溶融したＢｉを主成分とする接合材料５０２を電極５０３に供給し、その接合材料５０２上に半導体素子５０４を搭載し接合する。その際、電極５０３に供給した溶融状態のＢｉを主成分とする接合材料５０２表面には、大気に触れることで自然に生成する酸化物５０５が形成されている。【０００８】
そのため、溶融状態の接合材料５０２の表面に半導体素子５０４を搭載した場合、酸化物５０５の層は、半導体素子５０４の表面でぬれ拡がって、最終的には接合材料５０２の外周縁部に移動する。しかし、図５（ｂ）の矢印で示した様に、空気溜まりが存在したような場合、酸化物５０５の層の一部が、接合材料５０２の外周部に移動せず、取り残される場合がある。そして、その取り残された酸化物５０５の層は、空気を巻き込み易いとう特性を有しているため、図５（ｃ）に示す様に、酸化物５０５の層に囲まれた空気が、ボイド５０６として接合材料５０２の中に取り込まれる。尚、接合材料５０２の外周縁部に集まった酸化物５０５は、その外周縁部の表面を概ね均一に覆う様に分布している。【０００９】
接合材料５０２の中にボイド５０６が取り込まれた状態では、ヒートサイクルによる繰り返し応力が加わると、凝固した接合材料５０２にクラックが発生し、接合構造体５０１を有した半導体部品の故障が発生するという課題を有していた。【００１０】
本発明は、前記従来の半導体部品の上記課題を考慮して、Ｂｉを主成分とする接合材料を含む接合層の中にボイドが発生することを低減出来る半導体部品、その半導体部品と電極とを接合させた接合構造体、半導体ウェハ部品、半導体部品の製造方法、及び、接合構造体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】
【００１１】
第１の本発明は、
半導体素子と、
前記半導体素子の一方の面に形成された、Ｂｉを主成分とする接合材料を含む接合層とを備え、
前記接合層の前記半導体素子と接する面とは反対側の面に、単数又は複数の凸部が形成されている、半導体部品である。【００１２】
また、第２の本発明は、
前記凸部の高さは、５μｍ以上３０μｍ以下である、上記第１の本発明の半導体部品である。【００１３】
また、第３の本発明は、
半導体素子が複数形成された半導体ウェハの一方の面に、Ｂｉを主成分とする接合材料を用いて接合層を形成する接合層形成工程と、
前記半導体素子のそれぞれの位置に対応した領域毎に、単数又は複数の孔部が形成されたマスクを前記接合層の上に配置するマスク配置工程と、
前記マスクを配置した前記接合層に対して、前記接合材料と同じ材料、又は前記接合材料より溶融開始温度の低い材料を用いて前記孔部に対応した単数又は複数の凸部を形成する凸部形成工程と、
前記接合層の上に前記凸部が形成された前記半導体ウェハを切断する切断工程と、を備えた半導体部品の製造方法である。【００１４】
また、第４の本発明は、
前記孔部の前記マスクの厚みは、前記凸部の高さに対応しており、
前記マスクの前記接合層に接する面における前記孔部の開口部の大きさは、前記開口部に対向する反対側の開口部の大きさより広い、上記第３の本発明の半導体部品の製造方法である。【００１５】
また、第５の本発明は、
上記第１又は第２の本発明の半導体部品と、電極とを接合した接合構造体の製造方法であって、
前記凸部の形成された前記接合層の面が、前記電極と所定の距離を隔てて対向する様に、前記半導体部品を配置する配置工程と、
前記電極を前記接合材料の溶融開始温度以上に加熱する加熱工程と、
前記半導体部品を前記加熱された電極側に移動し、前記凸部を前記電極の表面に接触させて、前記接合層の溶融を前記凸部を起点として開始する接合工程と、
を備えた、接合構造体の製造方法である。【００１６】
また、第６の本発明は、
半導体素子が複数形成された半導体ウェハと、
前記半導体ウェハの前記半導体素子が形成された面に形成された、Ｂｉを主成分とする接合材料を含む接合層と、
前記接合層の上に接着された保護シートとを備え、
前記接合層の前記保護シート側の面の、前記半導体素子のそれぞれの位置に対応した領域毎に、単数又は複数の凸部が形成されている、半導体ウェハ部品である。【００１７】
尚、上記本発明に関連する発明は、
半導体素子と、
前記半導体素子の一方の面に形成された、Ｂｉを主成分とする接合材料を含む接合層と、
前記接合層に対向して接合された、前記接合層側の面に単数又は複数の凸部を有する電極と、を備えた接合構造体である。【００１８】
また、本発明に関連する別の発明は、
本発明に関連する上記発明の接合構造体の製造方法であって、
前記接合層が、前記凸部の形成された前記電極の面と所定の距離を隔てて対向する様に、前記半導体部品を配置する配置工程と、
前記電極を前記接合材料の溶融温度以上に加熱する加熱工程と、
前記半導体部品を前記加熱された電極側に移動し、前記凸部を前記接合層の表面に接触させて、前記接合層の溶融を前記凸部を起点として開始する接合工程と、
を備えた、接合構造体の製造方法である。【００１９】
上記本発明の構成によれば、半導体素子の一方の面にＢｉを主成分とする接合材料を含む接合層を有し、例えば、接合層の半導体素子と接する面とは反対側の面に、凸部が形成されていることにより、凸部の周囲が、電極との接合時に空気の通り道となり、Ｂｉの酸化物に囲まれた空気であるボイドの発生を抑制することが可能となる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、Ｂｉを主成分とする接合材料を含む接合層の中にボイドが発生することを低減出来るという効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】（ａ）〜（ｅ）：本発明の実施の形態１における半導体部品の模式図
【図２】（ａ）〜（ｄ）：本発明の実施の形態１における半導体部品とリードフレームとをはんだ付けする工程を示した図
【図３】凸部の高さに対するボイドの発生率の関係を示した図
【図４】半導体部品が基板に実装された模式図
【図５】（ａ）〜（ｃ）：従来の接合構造体の製造過程におけるボイドの発生を説明するための模式図
【図６】本発明の実施の形態１における半導体部品の製造方法に用いるマスクを説明するための概略断面図
【図７】別の本発明の一実施の形態における接合構造体の電極構造を示す概略断面図
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２３】
（実施の形態１）
図１（ａ）〜図１（ｅ）は、本発明の実施の形態１における半導体部品の模式図である。図１（ａ）、（ｅ）は、半導体部品の断面図であり、図１（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）は、図１（ａ）の矢印方向からの半導体部品における接合層の平面図である。
【００２４】
半導体素子１０１は、Ｓｉで構成され、直径が６インチで厚みが０．３ｍｍのウェハ（半導体ウェハ）から、４．５ｍｍ×３．５５ｍｍの大きさで切り出されている。半導体素子１０１は、Ｓｉに限らずＧｅで構成されていても良く、さらに化合物半導体のＧａＮ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＳｉＣ、ＳｉＧｅ等で構成されていても良い。また、半導体素子１０１の大きさは半導体素子１０１の機能により、６ｍｍ×５ｍｍと大きいもの、あるいは３ｍｍ×２．５ｍｍ、２ｍｍ×１．６ｍｍ等の小さいものを用いても良い。半導体素子１０１の厚みは０．３ｍｍに限らず、１．０ｍｍ、０．５ｍｍ、０．１ｍｍ、０．０１ｍｍ等のものを用いても良い。
【００２５】
接合層１０２はＢｉ−２．５重量％Ａｇ（融点２６２℃）からなり、半球状の凸部１０３は接合層１０２の半導体素子１０１と接する側と反対の面の中央部に一箇所形成され、接合層１０２と凸部１０３の半導体素子１０１と反対の面には大気と触れることで自然に生成する酸化物１０４が形成されている。
【００２６】
接合層１０２の厚みｈは、接合層１０２の主成分であるＢｉの熱伝導率が９Ｗ／ｍ・Ｋであり、接合層１０２が厚すぎると熱抵抗の点から半導体部品の製品性能を満足せず、また薄すぎると接合不良となってしまう。以上のことから、厚みｈに関しては１０μｍ以上３０μｍ以下程度が好ましい。
【００２７】
凸部１０３のサイズは、接合層１０２の、半導体素子１０１と接する側と反対の面（図１（ａ）中の符号Ｐで示された位置に対応する平面Ｐ）、即ち、接合層１０２の、後述する電極２０１（図２（ａ）参照）側の平面Ｐを基準として、法線方向の最大高さｍが１０μｍ、平面方向の最大径ｎが１０μｍの略半球状に形成されている。
【００２８】
ここで、凸部１０３が形成された後、大気に触れることで自然に生成する酸化物１０４の層が形成されるが、この酸化物１０４の層の厚みは概ね均一である。従って、酸化物１０４の層が形成された後の凸部１０３の高さの説明に関して、酸化物１０４の層の電極２０１側の面（図１（ａ）中の符号Ｑで示された位置に対応する平面Ｑ）を基準とした場合の高さと、酸化物１０３が形成される前の凸部１０３の高さ（上記平面Ｐを基準とした高さ）とは、同じであるとして以下説明する。よって、以下、特に記載の無い限り、凸部の高さは、平面Ｐを基準とした、法線方向の最大高さであるとする。
【００２９】
尚、凸部１０３の形状としては、接合層１０２と後述する電極２０１（図２（ｂ）参照）との間に存在する空気の通り道、あるいは、酸化物１０４に巻き込まれた空気の通り道が確保できれば良いことから、接合層１０２の半導体素子１０１と接する側と反対の面に、垂直方向には多角錐等の形状としても良い。
【００３０】
次に、凸部１０３を形成する方法について説明しながら、本発明の半導体部品の製造方法の一例を説明する。
【００３１】
接合層形成工程において、半導体素子が複数形成された半導体ウェハの主面に対して、Ｂｉを主成分とする接合材料からなる接合層１０２を電解めっきにて目的の厚みに成膜する。
【００３２】
その後、図６に示す様に、マスク配置工程において、凸部１０３の形状に対応する孔部を複数有したマスク６０１を、成膜された接合層１０２の上に配置する。
【００３３】
ここで、マスク６０１は、半導体ウェハ６０２の主面６０２ａ上に形成された複数の半導体素子のそれぞれの位置に対応した領域毎に、単数又は複数の孔部６０３が形成されている。また、図６に示す様に、孔部６０３におけるマスク６０１の厚み６０１ｔは、凸部１０３の高さに対応している。更に、マスク６０１の接合層１０２に接する側の面における孔部６０３の開口部６０３ａの形状とサイズは、凸部１０３の根元の形状とサイズに対応しており、同じ孔部６０３におけるその開口部６０３ａと対向する反対側の面の開口部６０３ｂの形状とサイズは、凸部１０３の先端部の形状とサイズに対応している。
【００３４】
次に、マスク配置工程においてマスク６０１を施した後に、電解めっきを行うことによってＢｉを主成分とする接合材料が凸部１０３の形状に電解めっきされる。電解めっき後に、マスク６０１を取り除くと、接合層１０２の半導体素子１０１と接する側と反対の面に凸部１０３が形成される。
【００３５】
尚、マスク６０１を施した半導体ウェハ６０２への電解めっきの実施時間を制御することにより、凸部１０３の高さを調整することが出来る。
【００３６】
次に、凸部１０３が形成された半導体ウェハ６０２の主面６０２ａ側に、保護シートとしてのダイシングシートを接着する。その後、切断工程において、半導体ウェハ６０２を所定のサイズにダイシング装置で切断する。尚、ダイシングシートが接着された半導体ウェハ６０２が、本発明の半導体ウェハ部品の一例である。
【００３７】
図１（ｂ）は、接合層の半導体素子と接する面と反対側の面を示した平面図であり、凸部１０３が一箇所形成されていることより、電極との接合時に凸部１０３の周囲が空気の通り道となり、Ｂｉの酸化物に囲まれた空気であるボイドの発生を防止することが可能となる。
【００３８】
図１（ｃ）は、接合層１０２の半導体素子１０１と接する面と反対側の面を示した平面図であり、酸化物１０４の平面に凸部１０３を５箇所形成した状態を示している。図１（ｃ）に示す凸部１０３と隣接する別の凸部１０３との距離Ｌは、図１（ｅ）に示すように、接合層１０２の半導体素子１０１と接する面と反対側の面（酸化物１０４の表面）を基準として、頂点をつないだ距離である。図１（ｃ）の場合、凸部１０３の配置は、隣り合う凸部１０３同士の距離Ｌに着目した場合、酸化物１０４の外周に近い方が、距離Ｌが長くなるように設定されている。
【００３９】
図１（ｄ）は、図１（ｃ）に示した凸部１０３から溶融した際の接合層のぬれ拡がり方を示している。前述したように、酸化物１０４の外周に近い方が、距離Ｌが長くなるように設定されていることで、電極２０１との接合時に凸部１０３を起点とする溶融部が、外周部に向かってぬれ拡がり、凸部１０３を起点とした溶融部の周囲が空気の通り道となり、Ｂｉの酸化物に囲まれた空気の通り道は閉ざされること無くボイドの発生が防止される。
【００４０】
図２は、本発明の実施の形態１における半導体部品とリードフレームとをはんだ付けする工程を示した図である。各々の図は、断面を示している。
【００４１】
以下、図２を参照しながら、本発明の接合構造体の製造方法の一例について説明する。
【００４２】
図２（ａ）は半導体部品１００をリードフレーム２０２の電極２０１に近接配置させた配置工程を示している。即ち、この工程では、保持装置（図示省略）が、半導体部品１００を、凸部１０３の形成された接合層１０２の面が電極２０１と所定の距離を隔てて対向する様に、保持する。
【００４３】
また、図２（ａ）に示す様に、略半球状の凸部１０３が、接合層１０２の電極２０１側の面の中央部に一箇所形成されており、接合層１０２の電極２０１側の面には、大気と触れることで自然に生成する酸化物１０４が形成されている。同図は、半導体部品１００が、リードフレーム２０２の電極２０１に接合される前の状態を示す図である。
【００４４】
図２（ｂ）は、リードフレーム２０２を、接合層１０２の溶融開始温度である２６２℃以上に加熱した状態で、保持装置が、半導体部品１００を、電極２０１上に載置した状態を示す模式図である。
【００４５】
図２（ｂ）に示す様に、接合層１０２と電極２０１を接合させる際、凸部１０３の酸化物１０４が電極２０１と最初に接触し、電極２０１から酸化物１０４と凸部１０３を通じて、接合層１０２へと熱が伝わる。これにより、まず凸部１０３が溶融し、次に凸部１０３と接している接合層１０２が溶融し、溶融箇所が外周部へと拡がりながら接合が完了する。尚、保持装置は、半導体部品１００を保持したまた、この溶融箇所の拡がり状態にあわせて、少しずつ下方に向けて半導体部品１００を移動させる。
【００４６】
このように接合層１０２の溶融のタイミングに時差を設けることによって、図２（ｃ）のように酸化物１０４は、接合層１０２の外周縁部へと押し出される。
【００４７】
図２（ｄ）は、半導体部品とリードフレームとが接合された接合構造体の模式図である。図のように、酸化物１０４が、接合層１０２の外周縁部に押し出されて、電極２０１側の外周面１０２ａに移動したことにより、接合層１０２中には酸化物１０４は存在していない。よって、酸化物１０４の巻き込みによるボイドは発生しない。
【００４８】
従って、本実施の形態によれば、接合層１０２の外周縁部に存在する酸化物は、半導体素子１０１側の外周縁部より、電極２０１側の外周縁部（外周面１０２ａに該当する部分）の方に多く分布するという特徴を有する。
【００４９】
かかる構成によれば、半導体素子と、前記半導体素子の一方の面にＢｉを主成分とする接合材料からなる接合層を有し、前記接合層の前記半導体素子と接する面とは反対側の面には凸部が形成されている半導体部品を用いて電極を接合する場合、凸部の周囲が空気の通り道となり、Ｂｉの酸化物に囲まれた空気であるボイドの発生を抑制又は防止することが可能となる。
【００５０】
（実施の形態２）
前述の実施の形態１における半導体部品では、接合層の半導体素子と接する面と反対側の面に凸部１０３が形成されており、その凸部１０３のサイズは、平面Ｐ（図１（ａ）参照）を基準として、法線方向の最大高さｍが１０μｍ、平面方向の最大径ｎが１０μｍの略半球状に形成されていた。
【００５１】
しかしながら凸部の高さが極端に低くなると空気の通り道が閉ざされやすくなるとも考えられることから、凸部の高さとボイドの発生の有無について検証した。
【００５２】
図３は、凸部の高さに対するボイドの発生率の関係を示した図である。今回の実験では凸部を接合層の中央部に一箇所設けた。
【００５３】
ボイドの発生率（％）は、
ボイドの発生率（％）＝（ボイド面積）÷（接合材料表面積）×（１００）（％）
で表す。なおボイド面積は、半導体部品を用いて接合し組み立てられたＩＧＢＴで、透過Ｘ線装置により測定した。
【００５４】
図３の結果からわかるように、凸部高さが５μｍの場合はボイドの発生率が０％であり、凸部を設けることによるボイド防止の効果が十分に得られている。一方、凸部高さが３μｍではボイド発生率２４％となり、ボイドの発生を防止できない。これは、凸部が溶融しその後接合層が溶融することで、電極と接合されるが、凸部の高さが不足しているため、ボイドが抜ける前に接合層が溶融し電極と接合され、ボイドの抜け道が閉ざされるために、はんだ中にボイドが残存した状態となっている。また、凸部高さが４μｍでは、はんだ中にボイドがわずかながら残存した状態となっていた。
【００５５】
一方、凸部高さが２５μｍの場合もボイド発生率が０％であるが、凸部の高さが、それより高くなった場合について説明する。
【００５６】
例えば、凸部高さが３０μｍでは、ボイド発生率が０％であったが、凸部高さが３０μｍを超えると、上述した様に、切断工程において、半導体ウェハをダイシング装置で加工するためにダイシングシートに接着させた際に、ダイシングシートと、ダイシングシートに接着している接合層１０２の接着面との間に凸部１０３による気泡が発生する。この状態でダイシングを行うとダイシングによる切削カスが気泡中に取り込まれ、接合層表面が汚染されるため、接合不良が発生することより、凸部高さが３０μｍを超える高さとすることは好ましくない。これらの結果より凸部高さは５μｍ以上３０μｍ以下であることが望ましい。
【００５７】
次に、前述までの検証にはＢｉ−２．５重量％Ａｇを使用して半導体部品を用いたが、別の接合材料組成においても凸部の有効性を検証した。
【００５８】
表１は、接合層の種類とバンプの高さと凸部の数とを変えてボイド発生率を測定した結果である。なお参考のために凸部を有しない場合も検証した（比較例１）。
【００５９】
【表１】
2011010450.tif 000003
この表１からわかるように、Ｂｉ−１．０重量％Ａｇ−０．５重量％Ｃｕ、１００重量％Ｂｉを用いた場合もボイド発生率は０％であった。このことから、接合材料としては、Ｂｉを主成分とする接合材料であれば良いことが分かった。凸部高さは５μｍ以上３０μｍ以下であればボイド発生率は０％であり、さらに凸部は数に影響されること無く、前述の配置条件を満たすことでボイド率は０％となった。また、凸部を有しない比較例１では、ボイド発生率が３９％となり、品質が安定しているとは言い難い。
【００６０】
かかる構成によれば、半導体素子と、前記半導体素子の一方の面にＢｉを主成分とする接合材料からなる接合層を有し、前記接合層の前記半導体素子と接する面とは反対側の面には５μｍ以上３０μｍ以下の高さの凸部が形成されている半導体部品を用いて電極を接合する場合、凸部の周囲が空気の通り道となり、Ｂｉの酸化物に囲まれた空気であるボイドの発生を防止することが可能となる。
【００６１】
なお、凸部の周囲が空気の通り道となり、Ｂｉの酸化物に囲まれた空気であるボイドの発生を防止することから、ボイドの発生を防止するための凸部の大きさは、凸部の体積とも関連することも考えられる。なぜなら凸部の周囲が一定の体積空間を保たれれば空気の通り道となるからである。
【００６２】
また、上記実施の形態では、凸部１０３の数が１つの場合を中心に説明したが、これに限らず例えば、凸部１０３は複数設けても良い。特に、凸部１０３を３つ以上形成して、半導体素子１０１を支持する構成にすれば、半導体部品１００を電極上にマウントする際に、半導体部品１００が傾斜することを防止出来る。
【００６３】
また、上記実施の形態では、凸部１０３の材料は、接合層１０２と組成が同じ材料を用いた場合について説明したが、これに限らず例えば、組成の異なる材料であって、接合層１０２の材料の溶融開始温度以下の融点を持つ材料を用いても良い。例えば、Ｂｉ−Ｓｎ合金（溶融開始温度：１３９℃）、Ｓｎ−Ｉｎ合金（溶融開始温度：１２０℃）、又はＢｉ−Ｉｎ合金（溶融開始温度：７３℃）等が、凸部１０３の材料として使用可能である。これにより、凸部１０３から確実に溶融を開始させることが出来る。
【００６４】
また、上記実施の形態では、接合層１０２の面の一部に凸部１０３を形成する場合について説明したが、これに限らず例えば、接合層１０２の電極２０１側の面の全体が、その面の中央に頂点を有する四角錐形状や、円錐形状等の錐状に形成されていても良い。この場合でも、接合層１０２の電極２０１側の面が、外周側に向けて傾斜しているので、溶融のタイミングに時差が生じるとともに、空気が抜ける通り道が確保されるため、上記と同様の効果を発揮する。
【００６５】
また、上記実施の形態では、保持装置が、半導体部品１００を保持したまた、溶融箇所の拡がり状態にあわせて、少しずつ下方に向けて半導体部品１００を移動させる構成について説明したが、これに限らず例えば、保持装置が半導体部品１００を電極２０１上に搭載した後は、保持を解除する構成でも良い。この場合、半導体部品１００は自重により、少しずつ下方に移動する。
【００６６】
また、上記実施の形態では、凸部を接合層の表面に設ける場合について説明したが、これに限らず例えば、電極の表面に単数又は複数の凸部を設ける構成でも良い。この場合、電極上の凸部は、プレス金型で電極を押圧することにより簡単に形成することができる。図７は、半導体素子１０１と、半導体素子１０１の一方の面に形成された、Ｂｉを主成分とする接合材料を含む接合層１０２と、接合層１０２に対向して接合された、接合層１０２側の面の中央に凸部７０１を１つ有する電極７０２と、リードフレーム２０２とを備えた接合構造体７０３を示す概略断面模式図である。尚、図２（ｄ）と同じ部分には同じ符号を付した。即ち、図７の構成の場合、接合層１０２には、図２（ａ）で説明した凸部１０３は形成されていないが、その代わりに、電極７０２の側に凸部７０１が形成されている。
【００６７】
また、図７に示す接合構造体７０３の製造方法は、接合層１０２が、凸部７０１の形成された電極７０２の面と所定の距離を隔てて対向する様に、半導体部品１００を配置する配置工程と、電極７０２を接合層１０２のＢｉを主成分とする接合材料の溶融温度以上に加熱する加熱工程と、半導体部品１００を加熱された電極側に移動し、凸部７０１を酸化物が自然形成された接合層１０２の表面に接触させて、接合層の溶融を凸部７０１を起点として開始する接合工程とを備えた構成である。図２で説明した接合構造体の製造方法と基本的には同じである。よって、この場合でも、上記と同様に、接合層１０２の酸化物の溶融のタイミングにおいて時差が生じるとともに、空気が抜ける通り道が確保されるため、上記と同様の効果を発揮する。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明の半導体部品、接合構造体、半導体ウェハ部品、半導体部品の製造方法、及び、接合構造体の製造方法は、Ｂｉを主成分とする接合材料を含む接合層の中にボイドが発生することを低減出来るので、パワー半導体、小電力トランジスタ等の半導体パッケージの用途に適用できる。
【符号の説明】
【００６９】
１００  半導体部品
１０１  半導体素子
１０２  接合層
１０３  凸部
１０４  酸化物
２０１  電極
２０２  リードフレーム
【図１】
2011010450.tif 000004
【図２】
2011010450.tif 000005
【図３】
2011010450.tif 000006
【図４】
2011010450.tif 000007
【図５】
2011010450.tif 000008
【図６】
2011010450.tif 000009
【図７】
2011010450.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成23年9月8日(2011.9.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子の面にＢｉを主成分とする接合材料からなる接合層を有した半導体部品、半導体ウェハ部品、半導体部品の製造方法、及び、接合構造体の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体部品は、はんだ材料を用いて、基板に実装される。例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ  絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）のような半導体部品と基板とを接合するはんだ材料には、一般的に融点が２２０℃のＳｎ−３重量％Ａｇ−０．５重量％Ｃｕが用いられている。
【０００３】
図４は、半導体部品が基板に実装された模式図である。半導体部品４０１を基板４０２に実装する際には、はんだ浸漬方式のディップ装置により、例えば、融点が２２０℃のはんだ材料４０３であるＳｎ−３重量％Ａｇ−０．５重量％Ｃｕで、半導体部品４０１の外部電極４０４を基板電極４０５にはんだ付けする。このときはんだ材料４０３は、ディップ装置により２５０〜２６０℃に加熱されているため、半導体部品４０１の温度は２５０〜２６０℃に達することがある。半導体部品４０１は、半導体素子４０６と内部電極４０７とが接合材料４０８で接合された構成であるが、半導体部品４０１の内部で、接合材料４０８が溶融すると、短絡、断線、あるいは電気特性の変化が生じて最終製品に不良が生じる可能性がある。よって、半導体部品４０１の内部に用いる接合材料４０８は、ディップ装置ではんだ付けする際に到達する半導体部品４０１内部の最高温度よりも高い溶融温度を有することが要求される。
【０００４】
そこで、溶融温度が２６０℃を超え、鉛を含まない接合材料として、Ｂｉを９０重量％以上含む接合材料（以降「Ｂｉを主成分とする接合材料」とする）（例えばＢｉ―２．５Ａｇ  融点２６２℃、Ｂｉ−０．５Ｃｕ  融点２７０℃）が適していると考えられている。他の接合材料としてＺｎも検討されているが、濡れ性や接合のしやすさなどを考慮すれば、現在では、前記のＢｉを主成分とする接合材料が適している。そこで、Ｂｉを主成分とする接合材料を用いたパワー半導体モジュールが提案されている（特許文献１参照）。
【０００５】
図５（ａ）〜図５（ｃ）は、特許文献１に記載された従来の接合構造体の製造過程におけるボイドの発生を説明するための模式図である。図５（ａ）〜図５（ｃ）において、接合構造体５０１は、溶融したＢｉを主成分とする接合材料５０２が電極５０３上に供給され（図５（ａ））、その接合材料５０２上に半導体素子５０４を搭載し（図５（ｂ））接合されたものである（図５（ｃ））。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−２８１４１２号公報（第２４頁、図２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１の接合材料の主成分であるＢｉは酸化物の標準生成エネルギーが−４９４ｋＪ／ｍｏｌと酸化しやすい。前述したが、接合構造体５０１を形成するためには溶融したＢｉを主成分とする接合材料５０２を電極５０３に供給し、その接合材料５０２上に半導体素子５０４を搭載し接合する。その際、電極５０３に供給した溶融状態のＢｉを主成分とする接合材料５０２表面には、大気に触れることで自然に生成する酸化物５０５が形成されている。
【０００８】
そのため、溶融状態の接合材料５０２の表面に半導体素子５０４を搭載した場合、酸化物５０５の層は、半導体素子５０４の表面でぬれ拡がって、最終的には接合材料５０２の外周縁部に移動する。しかし、図５（ｂ）の矢印で示した様に、空気溜まりが存在したような場合、酸化物５０５の層の一部が、接合材料５０２の外周部に移動せず、取り残される場合がある。そして、その取り残された酸化物５０５の層は、空気を巻き込み易いとう特性を有しているため、図５（ｃ）に示す様に、酸化物５０５の層に囲まれた空気が、ボイド５０６として接合材料５０２の中に取り込まれる。尚、接合材料５０２の外周縁部に集まった酸化物５０５は、その外周縁部の表面を概ね均一に覆う様に分布している。
【０００９】
接合材料５０２の中にボイド５０６が取り込まれた状態では、ヒートサイクルによる繰り返し応力が加わると、凝固した接合材料５０２にクラックが発生し、接合構造体５０１を有した半導体部品の故障が発生するという課題を有していた。
【００１０】
本発明は、前記従来の半導体部品の上記課題を考慮して、Ｂｉを主成分とする接合材料を含む接合層の中にボイドが発生することを低減出来る半導体部品、その半導体部品と電極とを接合させた接合構造体、半導体ウェハ部品、半導体部品の製造方法、及び、接合構造体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】
【００１１】
第１の本発明は、
半導体素子と、
前記半導体素子の一方の面に形成された、Ｂｉを主成分とする接合材料を含む接合層とを備え、
前記接合層の前記半導体素子と接する面とは反対側の面に、単数又は複数の凸部が形成されている、半導体部品である。
【００１２】
また、第２の本発明は、
前記凸部の高さは、５μｍ以上３０μｍ以下である、上記第１の本発明の半導体部品である。
【００１３】
また、第３の本発明は、
半導体素子が複数形成された半導体ウェハの一方の面に、Ｂｉを主成分とする接合材料を用いて接合層を形成する接合層形成工程と、
前記半導体素子のそれぞれの位置に対応した領域毎に、単数又は複数の孔部が形成されたマスクを前記接合層の上に配置するマスク配置工程と、
前記マスクを配置した前記接合層に対して、前記接合材料と同じ材料、又は前記接合材料より溶融開始温度の低い材料を用いて前記孔部に対応した単数又は複数の凸部を形成する凸部形成工程と、
前記接合層の上に前記凸部が形成された前記半導体ウェハを切断する切断工程と、を備えた半導体部品の製造方法である。
【００１４】
また、第４の本発明は、
前記孔部の前記マスクの厚みは、前記凸部の高さに対応しており、
前記マスクの前記接合層に接する面における前記孔部の開口部の大きさは、前記開口部に対向する反対側の開口部の大きさより広い、上記第３の本発明の半導体部品の製造方法である。
【００１５】
また、第５の本発明は、
上記第１又は第２の本発明の半導体部品と、電極とを接合した接合構造体の製造方法であって、
前記凸部の形成された前記接合層の面が、前記電極と所定の距離を隔てて対向する様に、前記半導体部品を配置する配置工程と、
前記電極を前記接合材料の溶融開始温度以上に加熱する加熱工程と、
前記半導体部品を前記加熱された電極側に移動し、前記凸部を前記電極の表面に接触させて、前記接合層の溶融を前記凸部を起点として開始する接合工程と、
を備えた、接合構造体の製造方法である。
【００１６】
また、第６の本発明は、
半導体素子が複数形成された半導体ウェハと、
前記半導体ウェハの前記半導体素子が形成された面に形成された、Ｂｉを主成分とする接合材料を含む接合層と、
前記接合層の上に接着された保護シートとを備え、
前記接合層の前記保護シート側の面の、前記半導体素子のそれぞれの位置に対応した領域毎に、単数又は複数の凸部が形成されている、半導体ウェハ部品である。
【００１７】
尚、上記本発明に関連する発明は、
半導体素子と、
前記半導体素子の一方の面に形成された、Ｂｉを主成分とする接合材料を含む接合層と、
前記接合層に対向して接合された、前記接合層側の面に単数又は複数の凸部を有する電極と、を備えた接合構造体である。
【００１８】
また、本発明に関連する別の発明は、
本発明に関連する上記発明の接合構造体の製造方法であって、
前記接合層が、前記凸部の形成された前記電極の面と所定の距離を隔てて対向する様に、前記半導体部品を配置する配置工程と、
前記電極を前記接合材料の溶融温度以上に加熱する加熱工程と、
前記半導体部品を前記加熱された電極側に移動し、前記凸部を前記接合層の表面に接触させて、前記接合層の溶融を前記凸部を起点として開始する接合工程と、
を備えた、接合構造体の製造方法である。
【００１９】
上記本発明の構成によれば、半導体素子の一方の面にＢｉを主成分とする接合材料を含む接合層を有し、例えば、接合層の半導体素子と接する面とは反対側の面に、凸部が形成されていることにより、凸部の周囲が、電極との接合時に空気の通り道となり、Ｂｉの酸化物に囲まれた空気であるボイドの発生を抑制することが可能となる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、Ｂｉを主成分とする接合材料を含む接合層の中にボイドが発生することを低減出来るという効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】（ａ）〜（ｅ）：本発明の実施の形態１における半導体部品の模式図
【図２】（ａ）〜（ｄ）：本発明の実施の形態１における半導体部品とリードフレームとをはんだ付けする工程を示した図
【図３】凸部の高さに対するボイドの発生率の関係を示した図
【図４】半導体部品が基板に実装された模式図
【図５】（ａ）〜（ｃ）：従来の接合構造体の製造過程におけるボイドの発生を説明するための模式図
【図６】本発明の実施の形態１における半導体部品の製造方法に用いるマスクを説明するための概略断面図
【図７】別の本発明の一実施の形態における接合構造体の電極構造を示す概略断面図
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２３】
（実施の形態１）
図１（ａ）〜図１（ｅ）は、本発明の実施の形態１における半導体部品の模式図である。図１（ａ）、（ｅ）は、半導体部品の断面図であり、図１（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）は、図１（ａ）の矢印方向からの半導体部品における接合層の平面図である。
【００２４】
半導体素子１０１は、Ｓｉで構成され、直径が６インチで厚みが０．３ｍｍのウェハ（半導体ウェハ）から、４．５ｍｍ×３．５５ｍｍの大きさで切り出されている。半導体素子１０１は、Ｓｉに限らずＧｅで構成されていても良く、さらに化合物半導体のＧａＮ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＳｉＣ、ＳｉＧｅ等で構成されていても良い。また、半導体素子１０１の大きさは半導体素子１０１の機能により、６ｍｍ×５ｍｍと大きいもの、あるいは３ｍｍ×２．５ｍｍ、２ｍｍ×１．６ｍｍ等の小さいものを用いても良い。半導体素子１０１の厚みは０．３ｍｍに限らず、１．０ｍｍ、０．５ｍｍ、０．１ｍｍ、０．０１ｍｍ等のものを用いても良い。
【００２５】
接合層１０２はＢｉ−２．５重量％Ａｇ（融点２６２℃）からなり、半球状の凸部１０３は接合層１０２の半導体素子１０１と接する側と反対の面の中央部に一箇所形成され、接合層１０２と凸部１０３の半導体素子１０１と反対の面には大気と触れることで自然に生成する酸化物１０４が形成されている。
【００２６】
接合層１０２の厚みｈは、接合層１０２の主成分であるＢｉの熱伝導率が９Ｗ／ｍ・Ｋであり、接合層１０２が厚すぎると熱抵抗の点から半導体部品の製品性能を満足せず、また薄すぎると接合不良となってしまう。以上のことから、厚みｈに関しては１０μｍ以上３０μｍ以下程度が好ましい。
【００２７】
凸部１０３のサイズは、接合層１０２の、半導体素子１０１と接する側と反対の面（図１（ａ）中の符号Ｐで示された位置に対応する平面Ｐ）、即ち、接合層１０２の、後述する電極２０１（図２（ａ）参照）側の平面Ｐを基準として、法線方向の最大高さｍが１０μｍ、平面方向の最大径ｎが１０μｍの略半球状に形成されている。
【００２８】
ここで、凸部１０３が形成された後、大気に触れることで自然に生成する酸化物１０４の層が形成されるが、この酸化物１０４の層の厚みは概ね均一である。従って、酸化物１０４の層が形成された後の凸部１０３の高さの説明に関して、酸化物１０４の層の電極２０１側の面（図１（ａ）中の符号Ｑで示された位置に対応する平面Ｑ）を基準とした場合の高さと、酸化物１０３が形成される前の凸部１０３の高さ（上記平面Ｐを基準とした高さ）とは、同じであるとして以下説明する。よって、以下、特に記載の無い限り、凸部の高さは、平面Ｐを基準とした、法線方向の最大高さであるとする。
【００２９】
尚、凸部１０３の形状としては、接合層１０２と後述する電極２０１（図２（ｂ）参照）との間に存在する空気の通り道、あるいは、酸化物１０４に巻き込まれた空気の通り道が確保できれば良いことから、接合層１０２の半導体素子１０１と接する側と反対の面に、垂直方向には多角錐等の形状としても良い。
【００３０】
次に、凸部１０３を形成する方法について説明しながら、本発明の半導体部品の製造方法の一例を説明する。
【００３１】
接合層形成工程において、半導体素子が複数形成された半導体ウェハの主面に対して、Ｂｉを主成分とする接合材料からなる接合層１０２を電解めっきにて目的の厚みに成膜する。
【００３２】
その後、図６に示す様に、マスク配置工程において、凸部１０３の形状に対応する孔部を複数有したマスク６０１を、成膜された接合層１０２の上に配置する。
【００３３】
ここで、マスク６０１は、半導体ウェハ６０２の主面６０２ａ上に形成された複数の半導体素子のそれぞれの位置に対応した領域毎に、単数又は複数の孔部６０３が形成されている。また、図６に示す様に、孔部６０３におけるマスク６０１の厚み６０１ｔは、凸部１０３の高さに対応している。更に、マスク６０１の接合層１０２に接する側の面における孔部６０３の開口部６０３ａの形状とサイズは、凸部１０３の根元の形状とサイズに対応しており、同じ孔部６０３におけるその開口部６０３ａと対向する反対側の面の開口部６０３ｂの形状とサイズは、凸部１０３の先端部の形状とサイズに対応している。
【００３４】
次に、マスク配置工程においてマスク６０１を施した後に、電解めっきを行うことによってＢｉを主成分とする接合材料が凸部１０３の形状に電解めっきされる。電解めっき後に、マスク６０１を取り除くと、接合層１０２の半導体素子１０１と接する側と反対の面に凸部１０３が形成される。
【００３５】
尚、マスク６０１を施した半導体ウェハ６０２への電解めっきの実施時間を制御することにより、凸部１０３の高さを調整することが出来る。
【００３６】
次に、凸部１０３が形成された半導体ウェハ６０２の主面６０２ａ側に、保護シートとしてのダイシングシートを接着する。その後、切断工程において、半導体ウェハ６０２を所定のサイズにダイシング装置で切断する。尚、ダイシングシートが接着された半導体ウェハ６０２が、本発明の半導体ウェハ部品の一例である。
【００３７】
図１（ｂ）は、接合層の半導体素子と接する面と反対側の面を示した平面図であり、凸部１０３が一箇所形成されていることより、電極との接合時に凸部１０３の周囲が空気の通り道となり、Ｂｉの酸化物に囲まれた空気であるボイドの発生を防止することが可能となる。
【００３８】
図１（ｃ）は、接合層１０２の半導体素子１０１と接する面と反対側の面を示した平面図であり、酸化物１０４の平面に凸部１０３を５箇所形成した状態を示している。図１（ｃ）に示す凸部１０３と隣接する別の凸部１０３との距離Ｌは、図１（ｅ）に示すように、接合層１０２の半導体素子１０１と接する面と反対側の面（酸化物１０４の表面）を基準として、頂点をつないだ距離である。図１（ｃ）の場合、凸部１０３の配置は、隣り合う凸部１０３同士の距離Ｌに着目した場合、酸化物１０４の外周に近い方が、距離Ｌが長くなるように設定されている。
【００３９】
図１（ｄ）は、図１（ｃ）に示した凸部１０３から溶融した際の接合層のぬれ拡がり方を示している。前述したように、酸化物１０４の外周に近い方が、距離Ｌが長くなるように設定されていることで、電極２０１との接合時に凸部１０３を起点とする溶融部が、外周部に向かってぬれ拡がり、凸部１０３を起点とした溶融部の周囲が空気の通り道となり、Ｂｉの酸化物に囲まれた空気の通り道は閉ざされること無くボイドの発生が防止される。
【００４０】
図２は、本発明の実施の形態１における半導体部品とリードフレームとをはんだ付けする工程を示した図である。各々の図は、断面を示している。
【００４１】
以下、図２を参照しながら、本発明の接合構造体の製造方法の一例について説明する。
【００４２】
図２（ａ）は半導体部品１００をリードフレーム２０２の電極２０１に近接配置させた配置工程を示している。即ち、この工程では、保持装置（図示省略）が、半導体部品１００を、凸部１０３の形成された接合層１０２の面が電極２０１と所定の距離を隔てて対向する様に、保持する。
【００４３】
また、図２（ａ）に示す様に、略半球状の凸部１０３が、接合層１０２の電極２０１側の面の中央部に一箇所形成されており、接合層１０２の電極２０１側の面には、大気と触れることで自然に生成する酸化物１０４が形成されている。同図は、半導体部品１００が、リードフレーム２０２の電極２０１に接合される前の状態を示す図である。
【００４４】
図２（ｂ）は、リードフレーム２０２を、接合層１０２の溶融開始温度である２６２℃以上に加熱した状態で、保持装置が、半導体部品１００を、電極２０１上に載置した状態を示す模式図である。
【００４５】
図２（ｂ）に示す様に、接合層１０２と電極２０１を接合させる際、凸部１０３の酸化物１０４が電極２０１と最初に接触し、電極２０１から酸化物１０４と凸部１０３を通じて、接合層１０２へと熱が伝わる。これにより、まず凸部１０３が溶融し、次に凸部１０３と接している接合層１０２が溶融し、溶融箇所が外周部へと拡がりながら接合が完了する。尚、保持装置は、半導体部品１００を保持したまた、この溶融箇所の拡がり状態にあわせて、少しずつ下方に向けて半導体部品１００を移動させる。
【００４６】
このように接合層１０２の溶融のタイミングに時差を設けることによって、図２（ｃ）のように酸化物１０４は、接合層１０２の外周縁部へと押し出される。
【００４７】
図２（ｄ）は、半導体部品とリードフレームとが接合された接合構造体の模式図である。図のように、酸化物１０４が、接合層１０２の外周縁部に押し出されて、電極２０１側の外周面１０２ａに移動したことにより、接合層１０２中には酸化物１０４は存在していない。よって、酸化物１０４の巻き込みによるボイドは発生しない。
【００４８】
従って、本実施の形態によれば、接合層１０２の外周縁部に存在する酸化物は、半導体素子１０１側の外周縁部より、電極２０１側の外周縁部（外周面１０２ａに該当する部分）の方に多く分布するという特徴を有する。
【００４９】
かかる構成によれば、半導体素子と、前記半導体素子の一方の面にＢｉを主成分とする接合材料からなる接合層を有し、前記接合層の前記半導体素子と接する面とは反対側の面には凸部が形成されている半導体部品を用いて電極を接合する場合、凸部の周囲が空気の通り道となり、Ｂｉの酸化物に囲まれた空気であるボイドの発生を抑制又は防止することが可能となる。
【００５０】
（実施の形態２）
前述の実施の形態１における半導体部品では、接合層の半導体素子と接する面と反対側の面に凸部１０３が形成されており、その凸部１０３のサイズは、平面Ｐ（図１（ａ）参照）を基準として、法線方向の最大高さｍが１０μｍ、平面方向の最大径ｎが１０μｍの略半球状に形成されていた。
【００５１】
しかしながら凸部の高さが極端に低くなると空気の通り道が閉ざされやすくなるとも考えられることから、凸部の高さとボイドの発生の有無について検証した。
【００５２】
図３は、凸部の高さに対するボイドの発生率の関係を示した図である。今回の実験では凸部を接合層の中央部に一箇所設けた。
【００５３】
ボイドの発生率（％）は、
ボイドの発生率（％）＝（ボイド面積）÷（接合材料表面積）×（１００）（％）
で表す。なおボイド面積は、半導体部品を用いて接合し組み立てられたＩＧＢＴで、透過Ｘ線装置により測定した。
【００５４】
図３の結果からわかるように、凸部高さが５μｍの場合はボイドの発生率が０％であり、凸部を設けることによるボイド防止の効果が十分に得られている。一方、凸部高さが３μｍではボイド発生率２４％となり、ボイドの発生を防止できない。これは、凸部が溶融しその後接合層が溶融することで、電極と接合されるが、凸部の高さが不足しているため、ボイドが抜ける前に接合層が溶融し電極と接合され、ボイドの抜け道が閉ざされるために、はんだ中にボイドが残存した状態となっている。また、凸部高さが４μｍでは、はんだ中にボイドがわずかながら残存した状態となっていた。
【００５５】
一方、凸部高さが２５μｍの場合もボイド発生率が０％であるが、凸部の高さが、それより高くなった場合について説明する。
【００５６】
例えば、凸部高さが３０μｍでは、ボイド発生率が０％であったが、凸部高さが３０μｍを超えると、上述した様に、切断工程において、半導体ウェハをダイシング装置で加工するためにダイシングシートに接着させた際に、ダイシングシートと、ダイシングシートに接着している接合層１０２の接着面との間に凸部１０３による気泡が発生する。この状態でダイシングを行うとダイシングによる切削カスが気泡中に取り込まれ、接合層表面が汚染されるため、接合不良が発生することより、凸部高さが３０μｍを超える高さとすることは好ましくない。これらの結果より凸部高さは５μｍ以上３０μｍ以下であることが望ましい。
【００５７】
次に、前述までの検証にはＢｉ−２．５重量％Ａｇを使用して半導体部品を用いたが、別の接合材料組成においても凸部の有効性を検証した。
【００５８】
表１は、接合層の種類とバンプの高さと凸部の数とを変えてボイド発生率を測定した結果である。なお参考のために凸部を有しない場合も検証した（比較例１）。
【００５９】
【表１】
2011010450.tif 000011
【００６０】
この表１からわかるように、Ｂｉ−１．０重量％Ａｇ−０．５重量％Ｃｕ、１００重量％Ｂｉを用いた場合もボイド発生率は０％であった。このことから、接合材料としては、Ｂｉを主成分とする接合材料であれば良いことが分かった。凸部高さは５μｍ以上３０μｍ以下であればボイド発生率は０％であり、さらに凸部は数に影響されること無く、前述の配置条件を満たすことでボイド率は０％となった。また、凸部を有しない比較例１では、ボイド発生率が３９％となり、品質が安定しているとは言い難い。
【００６１】
かかる構成によれば、半導体素子と、前記半導体素子の一方の面にＢｉを主成分とする接合材料からなる接合層を有し、前記接合層の前記半導体素子と接する面とは反対側の面には５μｍ以上３０μｍ以下の高さの凸部が形成されている半導体部品を用いて電極を接合する場合、凸部の周囲が空気の通り道となり、Ｂｉの酸化物に囲まれた空気であるボイドの発生を防止することが可能となる。
【００６２】
なお、凸部の周囲が空気の通り道となり、Ｂｉの酸化物に囲まれた空気であるボイドの発生を防止することから、ボイドの発生を防止するための凸部の大きさは、凸部の体積とも関連することも考えられる。なぜなら凸部の周囲が一定の体積空間を保たれれば空気の通り道となるからである。
【００６３】
また、上記実施の形態では、凸部１０３の数が１つの場合を中心に説明したが、これに限らず例えば、凸部１０３は複数設けても良い。特に、凸部１０３を３つ以上形成して、半導体素子１０１を支持する構成にすれば、半導体部品１００を電極上にマウントする際に、半導体部品１００が傾斜することを防止出来る。
【００６４】
また、上記実施の形態では、凸部１０３の材料は、接合層１０２と組成が同じ材料を用いた場合について説明したが、これに限らず例えば、組成の異なる材料であって、接合層１０２の材料の溶融開始温度以下の融点を持つ材料を用いても良い。例えば、Ｂｉ−Ｓｎ合金（溶融開始温度：１３９℃）、Ｓｎ−Ｉｎ合金（溶融開始温度：１２０℃）、又はＢｉ−Ｉｎ合金（溶融開始温度：７３℃）等が、凸部１０３の材料として使用可能である。これにより、凸部１０３から確実に溶融を開始させることが出来る。
【００６５】
また、上記実施の形態では、接合層１０２の面の一部に凸部１０３を形成する場合について説明したが、これに限らず例えば、接合層１０２の電極２０１側の面の全体が、その面の中央に頂点を有する四角錐形状や、円錐形状等の錐状に形成されていても良い。この場合でも、接合層１０２の電極２０１側の面が、外周側に向けて傾斜しているので、溶融のタイミングに時差が生じるとともに、空気が抜ける通り道が確保されるため、上記と同様の効果を発揮する。
【００６６】
また、上記実施の形態では、保持装置が、半導体部品１００を保持したまた、溶融箇所の拡がり状態にあわせて、少しずつ下方に向けて半導体部品１００を移動させる構成について説明したが、これに限らず例えば、保持装置が半導体部品１００を電極２０１上に搭載した後は、保持を解除する構成でも良い。この場合、半導体部品１００は自重により、少しずつ下方に移動する。
【００６７】
また、上記実施の形態では、凸部を接合層の表面に設ける場合について説明したが、これに限らず例えば、電極の表面に単数又は複数の凸部を設ける構成でも良い。この場合、電極上の凸部は、プレス金型で電極を押圧することにより簡単に形成することができる。図７は、半導体素子１０１と、半導体素子１０１の一方の面に形成された、Ｂｉを主成分とする接合材料を含む接合層１０２と、接合層１０２に対向して接合された、接合層１０２側の面の中央に凸部７０１を１つ有する電極７０２と、リードフレーム２０２とを備えた接合構造体７０３を示す概略断面模式図である。尚、図２（ｄ）と同じ部分には同じ符号を付した。即ち、図７の構成の場合、接合層１０２には、図２（ａ）で説明した凸部１０３は形成されていないが、その代わりに、電極７０２の側に凸部７０１が形成されている。
【００６８】
また、図７に示す接合構造体７０３の製造方法は、接合層１０２が、凸部７０１の形成された電極７０２の面と所定の距離を隔てて対向する様に、半導体部品１００を配置する配置工程と、電極７０２を接合層１０２のＢｉを主成分とする接合材料の溶融温度以上に加熱する加熱工程と、半導体部品１００を加熱された電極側に移動し、凸部７０１を酸化物が自然形成された接合層１０２の表面に接触させて、接合層の溶融を凸部７０１を起点として開始する接合工程とを備えた構成である。図２で説明した接合構造体の製造方法と基本的には同じである。よって、この場合でも、上記と同様に、接合層１０２の酸化物の溶融のタイミングにおいて時差が生じるとともに、空気が抜ける通り道が確保されるため、上記と同様の効果を発揮する。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明の半導体部品、接合構造体、半導体ウェハ部品、半導体部品の製造方法、及び、接合構造体の製造方法は、Ｂｉを主成分とする接合材料を含む接合層の中にボイドが発生することを低減出来るので、パワー半導体、小電力トランジスタ等の半導体パッケージの用途に適用できる。
【符号の説明】
【００７０】
１００  半導体部品
１０１  半導体素子
１０２  接合層
１０３  凸部
１０４  酸化物
２０１  電極
２０２  リードフレーム
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、
前記半導体素子の一方の面に形成された、Ｂｉを主成分とする接合材料を含む接合層とを備え、
前記接合層の前記半導体素子と接する面とは反対側の面に、単数又は複数の凸部が形成されている、半導体部品。
【請求項２】
前記凸部の高さは、５μｍ以上３０μｍ以下である、請求項１に記載の半導体部品。
【請求項３】
半導体素子が複数形成された半導体ウェハの一方の面に、Ｂｉを主成分とする接合材料を用いて接合層を形成する接合層形成工程と、
前記半導体素子のそれぞれの位置に対応した領域毎に、単数又は複数の孔部が形成されたマスクを前記接合層の上に配置するマスク配置工程と、
前記マスクを配置した前記接合層に対して、前記接合材料と同じ材料、又は前記接合材料より溶融開始温度の低い材料を用いて前記孔部に対応した単数又は複数の凸部を形成する凸部形成工程と、
前記接合層の上に前記凸部が形成された前記半導体ウェハを切断する切断工程と、を備えた半導体部品の製造方法。
【請求項４】
前記孔部の前記マスクの厚みは、前記凸部の高さに対応しており、
前記マスクの前記接合層に接する面における前記孔部の開口部の大きさは、前記開口部に対向する反対側の開口部の大きさより広い、請求項３に記載の半導体部品の製造方法。
【請求項５】
請求項１又は２に記載の半導体部品と、電極とを接合した接合構造体の製造方法であって、
前記凸部の形成された前記接合層の面が、前記電極と所定の距離を隔てて対向する様に、前記半導体部品を配置する配置工程と、
前記電極を前記接合材料の溶融開始温度以上に加熱する加熱工程と、
前記半導体部品を前記加熱された電極側に移動し、前記凸部を前記電極の表面に接触させて、前記接合層の溶融を前記凸部を起点として開始する接合工程と、
を備えた、接合構造体の製造方法。
【請求項６】
半導体素子が複数形成された半導体ウェハと、
前記半導体ウェハの前記半導体素子が形成された面に形成された、Ｂｉを主成分とする接合材料を含む接合層と、
前記接合層の上に接着された保護シートとを備え、
前記接合層の前記保護シート側の面の、前記半導体素子のそれぞれの位置に対応した領域毎に、単数又は複数の凸部が形成されている、半導体ウェハ部品。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2011010450.tif 000012
【図２】
2011010450.tif 000013
【図３】
2011010450.tif 000014
【図４】
2011010450.tif 000015
【図５】
2011010450.tif 000016
【図６】
2011010450.tif 000017
【図７】
2011010450.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】平成23年9月12日(2011.9.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
本発明は、前記従来の半導体部品の上記課題を考慮して、Ｂｉを主成分とする接合材料からなる接合層の中にボイドが発生することを低減出来る半導体部品、その半導体部品と電極とを接合させた接合構造体、半導体ウェハ部品、半導体部品の製造方法、及び、接合構造体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】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
第１の本発明は、
半導体素子と、
前記半導体素子の一方の面に形成された、Ｂｉを主成分とする接合材料からなる接合層とを備え、
前記接合層の前記半導体素子と接する面とは反対側の面に、単数又は複数の凸部が形成されている、半導体部品である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
また、第６の本発明は、
半導体素子が複数形成された半導体ウェハと、
前記半導体ウェハの前記半導体素子が形成された面に形成された、Ｂｉを主成分とする接合材料からなる接合層と、
前記接合層の上に接着された保護シートとを備え、
前記接合層の前記保護シート側の面の、前記半導体素子のそれぞれの位置に対応した領域毎に、単数又は複数の凸部が形成されている、半導体ウェハ部品である。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
尚、上記本発明に関連する発明は、
半導体素子と、
前記半導体素子の一方の面に形成された、Ｂｉを主成分とする接合材料からなる接合層と、
前記接合層に対向して接合された、前記接合層側の面に単数又は複数の凸部を有する電極と、を備えた接合構造体である。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
上記本発明の構成によれば、半導体素子の一方の面にＢｉを主成分とする接合材料からなる接合層を有し、例えば、接合層の半導体素子と接する面とは反対側の面に、凸部が形成されていることにより、凸部の周囲が、電極との接合時に空気の通り道となり、Ｂｉの酸化物に囲まれた空気であるボイドの発生を抑制することが可能となる。
【発明の効果】
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
本発明によれば、Ｂｉを主成分とする接合材料からなる接合層の中にボイドが発生することを低減出来るという効果を発揮する。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５８】
表１は、接合層の種類と凸部の高さと凸部の数とを変えてボイド発生率を測定した結果である。なお参考のために凸部を有しない場合も検証した（比較例１）。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６６】
また、上記実施の形態では、保持装置が、半導体部品１００を保持したまま、溶融箇所の拡がり状態にあわせて、少しずつ下方に向けて半導体部品１００を移動させる構成について説明したが、これに限らず例えば、保持装置が半導体部品１００を電極２０１上に搭載した後は、保持を解除する構成でも良い。この場合、半導体部品１００は自重により、少しずつ下方に移動する。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６７】
また、上記実施の形態では、凸部を接合層の表面に設ける場合について説明したが、これに限らず例えば、電極の表面に単数又は複数の凸部を設ける構成でも良い。この場合、電極上の凸部は、プレス金型で電極を押圧することにより簡単に形成することができる。図７は、半導体素子１０１と、半導体素子１０１の一方の面に形成された、Ｂｉを主成分とする接合材料からなる接合層１０２と、接合層１０２に対向して接合された、接合層１０２側の面の中央に凸部７０１を１つ有する電極７０２と、リードフレーム２０２とを備えた接合構造体７０３を示す概略断面模式図である。尚、図２（ｄ）と同じ部分には同じ符号を付した。即ち、図７の構成の場合、接合層１０２には、図２（ａ）で説明した凸部１０３は形成されていないが、その代わりに、電極７０２の側に凸部７０１が形成されている。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６９】
本発明の半導体部品、接合構造体、半導体ウェハ部品、半導体部品の製造方法、及び、接合構造体の製造方法は、Ｂｉを主成分とする接合材料からなる接合層の中にボイドが発生することを低減出来るので、パワー半導体、小電力トランジスタ等の半導体パッケージの用途に適用できる。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、
前記半導体素子の一方の面に形成された、Ｂｉを主成分とする接合材料からなる接合層とを備え、
前記接合層の前記半導体素子と接する面とは反対側の面に、単数又は複数の凸部が形成されている、半導体部品。
【請求項２】
前記凸部の高さは、５μｍ以上３０μｍ以下である、請求項１に記載の半導体部品。
【請求項３】
半導体素子が複数形成された半導体ウェハの一方の面に、Ｂｉを主成分とする接合材料を用いて接合層を形成する接合層形成工程と、
前記半導体素子のそれぞれの位置に対応した領域毎に、単数又は複数の孔部が形成されたマスクを前記接合層の上に配置するマスク配置工程と、
前記マスクを配置した前記接合層に対して、前記接合材料と同じ材料、又は前記接合材料より溶融開始温度の低い材料を用いて前記孔部に対応した単数又は複数の凸部を形成する凸部形成工程と、
前記接合層の上に前記凸部が形成された前記半導体ウェハを切断する切断工程と、を備えた半導体部品の製造方法。
【請求項４】
前記孔部の前記マスクの厚みは、前記凸部の高さに対応しており、
前記マスクの前記接合層に接する面における前記孔部の開口部の大きさは、前記開口部に対向する反対側の開口部の大きさより広い、請求項３に記載の半導体部品の製造方法。
【請求項５】
請求項１又は２に記載の半導体部品と、電極とを接合した接合構造体の製造方法であって、
前記凸部の形成された前記接合層の面が、前記電極と所定の距離を隔てて対向する様に、前記半導体部品を配置する配置工程と、
前記電極を前記接合材料の溶融開始温度以上に加熱する加熱工程と、
前記半導体部品を前記加熱された電極側に移動し、前記凸部を前記電極の表面に接触させて、前記接合層の溶融を前記凸部を起点として開始する接合工程と、
を備えた、接合構造体の製造方法。
【請求項６】
半導体素子が複数形成された半導体ウェハと、
前記半導体ウェハの前記半導体素子が形成された面に形成された、Ｂｉを主成分とする接合材料からなる接合層と、
前記接合層の上に接着された保護シートとを備え、
前記接合層の前記保護シート側の面の、前記半導体素子のそれぞれの位置に対応した領域毎に、単数又は複数の凸部が形成されている、半導体ウェハ部品。
【国際調査報告】
2011010450.tif 000019
2011010450.tif 000020