(57)【要約】【課題】  鉛フリー化した接合技術を採用し、高耐熱性、高熱伝導性、高密着性の優れた半導体装置を実現する。【解決手段】  本発明の半導体装置は、金属層を表面に持つリードフレーム１６ａと金属層を裏面に持つ半導体素子１１の間を、鉛元素非含有の金属微粒子層１５、金属粒子−樹脂複合材料層もしくは金属箔１４、および金属微粒子層１３の３層構造のダイマウント材を用いて、各接合界面を、金属拡散接合することにより、高熱伝導性、高密着性を実現することを可能にしたものである。【選択図】  図１
2006059904.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
裏面に金属層を有する半導体素子と、
前記半導体素子の金属層に接して積層形成されている第１の金属微粒子焼結体層と、
前記第１の金属微粒子焼結体層に接して積層形成されている金属粒子樹脂複合材料層と、
前記金属粒子樹脂複合材料層に接して積層形成されている第２の金属微粒子焼結体層と、
前記第２の金属微粒子焼結体層表面に接して設けられている少なくとも表面が金属層からなるリードフレームの素子担持部とからなり、
少なくとも前記半導体素子、および前記第１の金属微粒子焼結体層、ならびに、前記第２の金属微粒子焼結体層及び前記リードフレームの素子担持部のそれぞれの間の界面で金属拡散接合が形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
リードフレームの素子担持部に、粒子径が１〜２０ｎｍの金属微粒子を含有する分散液を塗布して第３の被覆層を形成する工程と、
前記第３の被覆層表面に、粒子径１〜１００μｍの金属粒子を含有するペースト状液を付与して第２の被覆層を形成する工程と、
前記第２の被覆層の表面に、粒子径１〜２０ｎｍの金属微粒子を含有する分散液を付与して第１の被覆層を形成する工程と、
前記第１の被覆層の表面に半導体素子を搭載する工程と、
前記リードフレーム、前記第３の被覆層、前記第２の被覆層、および、前記第１の被覆層からなる組み立て体を加熱もしくは加熱・加圧して、前記第３、第２および第１の被覆層を硬化して、それぞれ第２の金属微粒子焼結体層、金属粒子樹脂複合材料層および第１の金属微粒子焼結体層を形成する工程とを少なくとも具備したことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
裏面が金属層からなっている半導体素子と、
前記半導体素子の金属層に接して積層形成されている第１の金属微粒子焼結体層と、
前記第１の金属微粒子焼結体層に接して積層形成されている金属箔状部材と、
前記金属箔状部材に接して積層形成されている第２の金属微粒子焼結体層と、
前記第２の金属微粒子焼結体層表面に接して設けられている少なくとも表面が金属層からなるリードフレームの素子担持部とからなり、
前記半導体素子、前記第１の金属微粒子焼結体層、前記金属箔状部材、前記第２の金属微粒子焼結体層及び前記リードフレームの素子担持部のそれぞれの間の界面で金属拡散接合が形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
リードフレームの素子担持部に、粒子径が１〜２０ｎｍの金属微粒子を含有する分散液を塗布して第２の被覆層を形成する工程と、
前記第２の被覆層の表面に金属箔状部材を貼着する工程と、
前記金属箔状部材の表面に粒子径１〜２０ｎｍの金属微粒子を含有する分散液を塗布して第１の被覆層を形成する工程と、
前記第１の被覆層の表面に半導体素子を搭載する工程と、
前記リードフレーム、前記第２の被覆層、前記金属箔状部材、および、前記第１の被覆層からなる組み立て体を加熱もしくは加熱・加圧して、前記第２および第１の被覆層を硬化し、それぞれ、第２の金属微粒子焼結体層および第１の金属微粒子焼結体層を形成する工程とを少なくとも具備したことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
金属箔状部材の両面に、粒子径が１〜２０ｎｍの金属微粒子を付着させる工程と、
リードフレームの素子担持部に、前記両面に金属微粒子が付着した金属箔状部材を貼着する工程と、
前記金属箔状部材の表面に半導体素子を搭載する工程と、
前記金属箔状部材に付着した金属微粒子を加熱もしくは加熱・加圧により融着させて金属微粒子焼結体層を形成する工程とを少なくとも具備したことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記金属微粒子が、金、銀、銅、白金、パラジウム、ニッケル、コバルト、錫、インジウムの中の一種類、もしくは２種類以上の合金からなるものであることを特徴とする請求項２、請求項４または請求項５のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記金属粒子が、金、銀、銅、白金、パラジウム、ニッケル、コバルト、錫、インジウムの中の一種類、もしくは２種類以上の合金からなるものであることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記金属箔状部材が、金、銀、銅、白金、パラジウム、ニッケル、コバルト、錫、インジウムの中の一種類、もしくは２種類以上の合金からなるものであることを特徴とする請求項４または請求項５のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記第１および第２の金属微粒子焼結体層が、前記金属微粒子が集合して粒子径２０ｎｍないし５μｍの二次粒子を形成し、複数の前記二次粒子が相互に融着して金属微粒子焼結体を形成していることを特徴とする請求項１または請求項３に記載の半導体装置。
【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方法に関するものであり、特にパワー半導体素子を搭載するダイマウント部の接合界面の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のパワートランジスタの様な半導体装置は、図９に示すように、半導体素子９１を、リードフレームの素子担持部９６ａ表面に、両者を接合させるためのダイマウント材９２を介して搭載・結合した構造となっている。半導体素子９１は、シリコン、ガリウム砒素等の半導体材料からなっており、回路が形成されている半導体素子表面の反対面である裏面には、銀もしくは金の蒸着層９１ａが形成されている。リードフレーム９６は、銅材や４２ａｌｌｏｙ材等をベース材として、表面に銀もしくは金のメッキ層が形成されている。また、ダイマウント材９２は、はんだや樹脂系ペーストの硬化物で構成されている。そして、この半導体素子９１に形成された回路から導出される端子は、図示しないリードフレームの端子部にワイヤボンディングなどの手法で電気的に接続されている。
【０００３】
このようなパワートランジスタを製造するには、その製造工程の概略斜視図である図１０に示すように、リードフレーム１０６の素子担持部１０６ａ上に、半導体素子を接合するためのダイマウント材１０２を形成する工程（図１０（ｂ））と、リードフレーム上のダイマウント材１０２表面に半導体素子１０１を搭載しリードフレームの素子担持部１０６ａと半導体素子１０１とを接合する工程（図１０（ｃ））と、半導体素子１０１の電極部と、リードフレームの端子部１０６ｂとを電気的に接合するワイヤボンディング工程（図１０（ｄ））と、こうして組み立てた半導体装置を樹脂被覆するモールド工程（図１０（ｅ））を備えている。
【０００４】
接合層を形成するためのダイマウント材としては、従来はんだ材（特許文献１参照）、或いは導電性の樹脂系ペーストいわゆる導電ペーストが用いられている。
はんだ材としては、例えば、鉛含有はんだである高融点はんだ（Ｐｂ−５ｗｔ％Ｓｎ）や、非鉛含有はんだ、例えばＡｕ−２０Ｓｎ、Ｓｎ−８．５Ｓｂが用いられている。
一方、導電性の樹脂系ペーストは、銀、金等の金属粒子と樹脂を混合したペーストが用いられている。以下、最も汎用されている銀ペーストについて説明する。銀ペーストは、例えば大きさが３〜１０μｍ程度の球形もしくはフレーク状（燐片状）の銀粒子を７０〜９０ｗｔ％と、エポキシやフェノール等の熱硬化性樹脂を５〜２０ｗｔ％と、テルピネオールやブチルカルビトール、エチレングリコール等の溶剤５〜１０ｗｔ％で構成されている。
【０００５】
ダイマウント材を素子担持部表面に付与する工程（図１０（ｂ））及び半導体素子搭載工程（図１０（ｃ））においては、ダイマウント材１０２がはんだの場合は、はんだ個片（ペレット）、または、はんだワイヤを溶融切断して、リードフレームの素子担持部１０６ａ上に供給する。続いて、このはんだを加熱し溶融した後、半導体素子１０１をマウントし冷却することで半導体素子１０１とリードフレームの素子担持部１０６ａを接合する。
また、ダイマウント材が銀ペーストのような導電ペーストの場合は、ディスペンス法、転写法、印刷法など公知のペースト付与手法で前記リードフレームの素子担持部１０６ａ表面に、導電ペーストを塗布する。続いて、半導体素子１０１を前記導電ペーストにマウントした後、導電ペーストを加熱硬化させることで半導体素子１０１とリードフレーム１０６の素子担持部１０６ａを接合する。
【０００６】
次いで、ワイヤボンディング工程（図１０（ｃ））では、前記半導体素子１０１の電極（非図示）と、前記リードフレーム１０６の端子部１０６ｂ間に例えばφ２０μｍ程度の金線を張架し、超音波を印加し、加熱しながらこれらを電気的に接続する。ボンディング時のリードフレームの加熱温度は、２６０℃から３００℃程度である。ワイヤボンディングは必要に応じて、半導体素子の電極から取り出す電流量を増加するため、同一電極当たり、数本のワイヤをボンディングする。
【０００７】
次に、モールド工程（図１０（ｅ））では、例えばエポキシ樹脂等の熱硬化系のモールド樹脂１０８をトランスファモールドなどの樹脂成形方法により、前記リードフレームに実装された半導体素子１０１を囲繞するように成型して、封止・保護する。トランスファモールドの加熱・加圧条件は、１７０℃〜２２０℃程度で、約１０〜２０ＭＰａの加圧条件下にて、一分程度のサイクルタイムで封止を行う。
以上の製造工程を経て、半導体装置が完成する。
【０００８】
【特許文献１】特開平７−１６９９０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
パワートランジスタのような、電力半導体装置は、素子駆動時の発熱が著しいことから、その接合層は、高耐熱性、高熱伝導性などにおいて優れていることが必要であり、さらに、半導体装置寿命の観点から高密着性であること、及び環境問題を配慮して鉛フリー化などが要求されている。
【００１０】
鉛フリー化については、はんだ材に替わる鉛レスのはんだ材があり、前述の如く、Ａｕ−２０Ｓｎ、Ｓｎ−８．５Ｓｂ等の材料を用いることである。しかしながら、このようなはんだ材は、融点が３００℃以下であるため、耐熱温度（３００℃）が確保できない。また、Ａｕ−２０Ｓｎはんだは応力緩和性に乏しく高価であること、Ｓｎ−８．５ＳｂはんだはＳｂが有害であること等課題がある。
【００１１】
一方、銀ペーストは、耐熱温度が３００℃と高いため、鉛フリー化と耐熱性の課題は解決できる。しかしながら、前述した従来の銀ペーストの組成では、はんだ材と比較して、熱伝導率が低い（１０〜２０Ｗ／ｍｋ）という課題がある。一般に、銀ペーストの硬化後の銀粒子含有率は多いもので９０ｗｔ％程度であり、残りの１０ｗｔ％は熱伝導率が低い樹脂材料などからなっているため、銀ペースト硬化後の材料の熱伝導率は低くなる。すなわち、銀ペーストの熱伝導のパスは、銀粒子同士および、銀粒子と被接合材（前記半導体素子裏面金属蒸着膜およびリードフレーム表面の金属メッキ）の機械的な接触によるため、伝導のパスが不安定で、はんだのように被接合材と全面で金属接合しているものと比較し、接触界面での熱抵抗が大きい。
【００１２】
ところで、従来の銀ペーストは、樹脂成分が存在しなければ、銀粒子同士の接触、半導体素子やリードフレーム材との密着性が乏しいので、１０ｗｔ％程度の樹脂が必要である。樹脂の含有率が５ｗｔ％以下になると、銀ペーストの硬化後に、銀ペースト内や半導体素子とリードフレームの界面等でクラックが発生し、銀粒子間の固着力や半導体やリードフレーム材との密着力確保ができない。このように熱伝導性を向上させるために樹脂の添加量を減らして銀粒子の含有量を増加させると、硬化後の銀ペーストの強度確保、半導体素子やリードフレーム材との密着性の確保ができないという課題があった。
【００１３】
上記したように、従来の半導体装置で採用しているリードフレームと半導体素子の接合技術（ダイマウント技術）では、高耐熱性、高熱伝導性、高密着性、鉛フリー化をはじめ環境調和型であるという前記要求に応えることができなかった。
本発明は、前記課題を解決する半導体装置および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】
【００１４】
本発明の半導体装置は、金属層を表面に持つリードフレームと金属層を裏面に持つ半導体素子の間を、鉛元素を含有しない材料を用いた３層からなる接合層を介して接合し、前記リードフレーム、前記半導体素子、接合層の隣り合ったいずれの界面でも金属接合させることにより、高熱伝導性、高密着性を実現することができることに着目してなされたものである。
【００１５】
第１の本発明の半導体装置は、裏面が金属層からなっている半導体素子と、
前記半導体素子の金属層に接して積層形成されている第１の金属微粒子焼結体層と、
前記第１の金属微粒子焼結体層に接して積層形成されている金属粒子樹脂複合材料層と、
前記金属粒子樹脂複合材料層に接して積層形成されている第２の金属微粒子焼結体層と、
前記第２の金属微粒子焼結体層表面に配置されている少なくとも表面が金属層からなるリードフレームの素子担持部とからなり、
かつ、前記半導体素子、前記第１の焼結体層、前記金属粒子樹脂複合材料層、前記第２の金属焼結体層及び前記リードフレームの素子担持部のそれぞれの間の界面で金属拡散接合が形成されていることを特徴とする半導体装置である。
【００１６】
前記第１の本発明の半導体装置は、リードフレームの素子担持部に、粒子径が１〜２０ｎｍの金属微粒子を含有する分散液を塗布して第３の被覆層を形成する工程と、前記第３の被覆層表面に、粒子径１〜１００μｍの金属粒子を含有するペースト状液を付与して第２の被覆層を形成する工程と、前記第２の被覆層の表面に、粒子径１〜２０ｎｍの金属微粒子を含有する分散液を付与して第１の被覆層を形成する工程と、前記第１の被覆層の表面に半導体素子を搭載する工程と、前記リードフレーム、前記第３の被覆層、前記第２の被覆層、および、前記第１の被覆層からなる組み立て体を加熱もしくは加熱・加圧して、前記第３、第２および第１の被覆層を硬化して接合層を形成する工程とによって製造することができる。
【００１７】
第２の本発明の半導体装置は、裏面が金属層からなっている半導体素子と、
前記半導体素子の金属層に接して積層形成されている第１の金属微粒子焼結体層と、
前記第１の金属微粒子焼結体層に接して積層形成されている金属箔状部材と、
前記金属箔状部材に接して積層形成されている第２の金属微粒子焼結体層と、
前記第２の金属微粒子焼結体層表面に配置されている少なくとも表面が金属層からなるリードフレームの素子担持部とからなり、
かつ、前記半導体素子、前記第１の金属微粒子焼結体層、前記金属箔状部材、前記第２の金属微粒子焼結体層及び前記リードフレームの素子担持部のそれぞれの間の界面で金属拡散接合が形成されていることを特徴とする半導体装置である。
【００１８】
前記第２の本発明の半導体装置は、リードフレームの素子担持部に、粒子径が１〜２０ｎｍの金属微粒子を含有する分散液を塗布して第２の被覆層を形成する工程と、前記第２の被覆層の表面に金属箔状部材を貼着する工程と、前記金属箔状部材の表面に粒子径１〜２０ｎｍの金属微粒子を含有する分散液を塗布して第１の被覆層を形成する工程と、前記第１の被覆層の表面に半導体素子を搭載する工程と、前記リードフレーム、前記第２の被覆層、前記金属箔状部材、および、前記第１の被覆層からなる組み立て体を加熱もしくは加熱・加圧して、前記第２および第１の被覆層を硬化し接合層を形成する工程によって製造することができる。
【００１９】
あるいは前記第２の本発明は、金属箔状部材の両面に、粒子径が１〜２０ｎｍの金属微粒子を付着させる工程と、リードフレームの素子担持部に、前記金属微粒子が付着した金属箔状部材を、リードフレームと金属箔状部材の金属微粒子の付着した面が向かい合うように貼着する工程と、前記金属箔状部材の金属微粒子が付着している表面に半導体素子を搭載する工程と、前記金属箔状部材に付着した金属微粒子を加熱もしくは加熱・加圧により融着させて接合層を形成する工程によっても製造することができる。
【００２０】
前記第１および第２の本発明の半導体装置を製造する方法において、前記金属微粒子、前記金属粒子、および前記金属箔状部材の材料としては、金、銀、銅、白金、パラジウム、ニッケル、コバルト、錫、インジウムの中の一種類、もしくは２種類以上の合金を用いることが好ましい。
【００２１】
前記第１及び第２の本発明の半導体装置において、前記金属微粒子が集合して粒子径２０ｎｍないし５μｍの二次粒子を形成し、複数の前記二次粒子が相互に融着してそれぞれ第１および第２の金属微粒子焼結体を形成していることが好ましい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明により、接合層と接合界面における熱伝導率の向上と機械的な強度を確保し、高い放熱特性が得られるパワートランジスタを実現できる。さらに、本発明によりパワートランジスタを鉛フリー化できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
［第１の実施の形態］
以下、本発明における第１の実施の形態である半導体装置を、その要部概略断面図である図１を用いて詳細に説明する。図１（ａ）は、本実施の形態の半導体装置を半導体素子側から見た上面図であり、図１（ｂ）は、図１（Ａ）のＡ−Ａ’線に沿って切断した断面図である。
図１に示すように、本実施の形態の半導体装置は、いわゆるダイパッドと呼ばれているリードフレームの素子担持部１６ａ上に、第２の金属微粒子焼結体層１４、金属粒子樹脂複合材料層１４、第１の金属微粒子焼結体層１３を介して、半導体素子１１が搭載され、相互に接合されている構造となっている。そして、前記素子担持部１６ａ表面、第２の金属微粒子焼結体層１５表面、金属粒子樹脂複合材料層１４表面、第１の金属微粒子焼結体層１３表面、及び半導体素子１１裏面の間は、拡散接合によって接合されている。
以下、この本実施の形態の半導体装置の各構成について説明する。
【００２４】
（半導体素子）
本発明を適用するのに適した半導体素子としては特に限定されるものではないが、パワートランジスタのような半導体素子が、その発熱量が多大であるために、本発明の効果を十分発揮することになり、本発明の適用に適している。この半導体素子は、シリコン、あるいはガリウム砒素のような化合物半導体を材料としているものである。そして、その半導体素子１１は、例えばその寸法が２ｍｍ□、厚さ０．３ｍｍの半導体素子であり、半導体素子回路が形成されている面の反対面である裏面に金や銀などの蒸着膜もしくは金や銀メッキが施こされていることが好ましい。
【００２５】
（第１の金属微粒子焼結体層）
前記半導体素子１１の裏面には、第１の金属微粒子焼結体層１３が形成されている。この金属微粒子焼結体は、平均粒径が１〜１０ｎｍの金属の微粒子を常温で加圧し、もしくは加熱加圧して焼結したものであり、その構造は、図２に示すように、複数の金属微粒子が融着して粒子径２０ｎｍ〜５μｍの二次粒子２１を形成しており、これらの二次粒子が相互に更に融着して、空孔２２を有する多孔質構造を形成しているものである。
この二次粒子の粒径は次のようにして測定することができる。すなわち、焼結体の所要部分をＳＥＭなどの装置を用いて撮像し、二次元画像を形成する。この二次元画像からは、相互に融着した二次粒子と、その空孔部分を観察することができる。この二次粒子と空孔との境界は、円弧を成しており、その円弧の曲率から、二次粒子の粒径を推定することができる。
【００２６】
前記空孔は、半導体素子とリードフレームとの接合に直接関与していないため、有機物が充填されていても、あるいは気体が充填されていても支障ない。また、この金属微粒子焼結体層においては、金属の占める割合が、９０〜９９．９ｗｔ％の範囲であることが好ましい。
【００２７】
この金属材料としては、電気伝導性、熱伝導性、耐腐食性などから銀が好ましいが、これに限定されるものではなく、金、銀、銅、白金、パラジウム、ニッケル、コバルト、錫、インジウムの中の一種類、もしくは２種類以上の合金であっても良い。
この第１の金属微粒子焼結体層１２の厚さとしては、２０〜５０００ｎｍの範囲とすることが好ましい。金属微粒子焼結体層の厚さがこの範囲を下回った場合、半導体素子とリードフレームとの接合に直接関与する前記二次粒子が接合面全面に充填されない可能性があり、一方、前記範囲を上回った場合、前記二次粒子が接合面全面にすでに十分に充填され、接合層の厚さが、必要以上に厚くなり、本発明の効果である放熱特性が低減する。
【００２８】
（金属粒子樹脂複合材料層）
本実施の形態の金属粒子樹脂複合材料層は、銀ペーストのような導電ペーストの硬化物層からなるものである。すなわち、図３に示すように、この層は、フレーク状もしくは粒状の金属粉末３１が、バインダー３２によって接合されており、複数の金属粉末が、相互に物理的に接触して、電気伝導性及び熱伝導性を発揮している。
この金属粒子樹脂複合材料層１３においては、９９．５ｗｔ％以下の粒子径１００ｎｍ〜５μｍの互いに離散した金属微粒子と、残りが０．５ｗｔ％以上の有機物で構成される層である。この金属粉末としては、粒径が３〜１０μｍの金、銀、銅、白金、パラジウム、ニッケル、コバルト、錫、インジウム及びこれらの合金を用いることができる。また、バインダーとしては、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、エポキシ樹脂の変性樹脂、アクリル樹脂、耐熱性向上を目的にしたイミド樹脂、アミド樹脂等を用いることができる。
この金属粒子樹脂複合材料層の厚さは、５〜５０μｍとすることができる。
【００２９】
（第２の金属微粒子焼結体層）
第２の金属微粒子焼結体層は、前記第１の金属微粒子焼結体層と同一の材料を用いて、同一の層構成とすることができるので、その詳細な説明は省略する。
【００３０】
（リードフレームの素子担持部）
前記半導体素子１１は、素子担持部とこの半導体素子の電極を外部に導出するための端子部を備えたいわゆるリードフレーム１６の素子担持部１６ａに接合されるが、このリードフレームは、例えば５ｍｍ×５０ｍｍ、厚さ０．１〜１ｍｍ程度の銅のコア材に、銀や金等の電気メッキ処理等により、３〜２０μｍ程度のメッキが施されている材料を用いることができる。リードフレーム表面のメッキは、半導体装置の各工程の熱処理温度で、銅が酸化されてしまうことを防止するためであるが、メッキを施すことなく銅地金のままで使用することも可能である。
【００３１】
（半導体装置の製造方法）
次に、本実施例における半導体装置の製造工程について、そのプロセスを示す概略断面図である図４を用いて説明する。
【００３２】
第１の工程は、素子担持部４６ａ表面に、第２の金属微粒子焼結体層を形成するための第３の被覆層である第３のダイマウント材４５の層を形成する工程である（図４（ａ））。
この工程においては、第３のダイマウント材料をリードフレームの素子担持部４６ａにスクリーン印刷、ディスペンス法、インクジェット法等の手法を用いて第３のダイマウント材４５を形成する。この第３のダイマウント材４５の厚みは、１〜１００μｍ程度が適切である。
【００３３】
本工程において用いることができる第３のダイマウント材料は、表面に有機物分散剤による保護被膜が形成された粒子径１〜１０ｎｍの銀などの金属の微粒子が、有機溶剤中に分散されているものである。
【００３４】
より具体的には、前記第３のダイマウント材料としては、銀のような金属微粒子が８０〜９０ｗｔ％、樹脂が１ｗｔ％、有機溶剤が１０〜１５ｗｔ％、その他有機物が２〜１０ｗｔ％の割合で含有されているものを用いることができる。この第３のダイマウント材料のペースト粘度は５〜５００Ｐａ・Ｓの範囲のものが好ましい。
金属微粒子は、例えば１〜１０ｎｍの粒子径を有するものを用いることが好ましい。この金属微粒子は、粒子径が１０ｎｍ以下程度になると、常温で融着する性質を有するようになる。そこで常温での金属微粒子の融着を防ぐために、金属微粒子の表面に有機物分散剤による保護膜を形成する。金属微粒子の粒子径が１０ｎｍ以上で、常温で融着せず保護膜を必要としない場合であっても、後の加熱加圧工程で金属微粒子間、金属微粒子と被接合部との融着が起きる範囲で有ればよい。
さらに第３のダイマウント材料である分散液には、粘度調整用の溶剤としてブチルカルビトールやテルピネオール系の高沸点型溶剤、もしくはチクソトロピー性の調整用の溶剤（表面活性剤やシリカ粉末等の微粒子添加物）を混練することで、ペースト粘度とチクソトロピック性のレオロジーを調整することで、スクリーン印刷、ディスペンス、もしくはインクジェット法による供給することが可能となる。
このような、第３のダイマウント材料は、市販されているものを使用することができる。
【００３５】
次の工程は、前記第３のダイマウント材４５表面に、金属粒子樹脂複合材料層４４を形成するための第２の被覆層である第２のダイマウント材料の層を形成する工程である（図４（ｂ））。
すなわち、第２のダイマウント材料を、前記第３のダイマウント材４５表面にスクリーン印刷、ディスペンス法、インクジェット法等の工法を用いて、厚さ１〜１００μｍ程度の層に形成する。この際、前記第３のダイマウント材と、第２のダイマウント材との混合を避けるために、第２のダイマウント材層形成前に、第３のダイマウント材を、加熱ヒーター等を用いて仮硬化しても良い。この場合に、硬化条件は２５０℃、１ｍｉｎとすることが好ましいが、前記第３および第２のダイマウント材の混在が避けられる程度であれば、１５０〜２５０℃、０．５ｍｉｎ〜５ｍｉｎの範囲で仮硬化すれば良い。
【００３６】
この第２のダイマウント材は、例えば銀のような金属粒子を５０〜９０ｗｔ％、樹脂を５ｗｔ％、有機溶剤を１０〜２０ｗｔ％の範囲で含有しているペースト状材料で構成される。このペースト粘度は５〜５００Ｐａ・Ｓの範囲が好ましい。また、銀のような金属粒子としては、例えば粒子径が３μｍ〜１０μｍ程度のフレーク状のものあるいは球状のものを用いることができる。樹脂としては、例えばフェノール樹脂が好ましいが、他にエポキシ樹脂、エポキシ樹脂の変性樹脂、および、アクリル樹脂や、耐熱性向上を目的にしたイミド樹脂、アミド樹脂等を用いても良い。さらに、粘度調整用の溶剤としてブチルカルビトールやテルピネオール系の高沸点型溶剤、もしくはチクソ性の調整用の溶剤（表面活性剤やシリカ粉末等の微粒子添加物）を混練することで、ペースト粘度とチクソトロピック性のレオロジーを調整することで、スクリーン印刷、ディスペンス、もしくはインクジェット法による供給することが可能となる。このようなペースト状材料は、一般に導電ペーストとして市販されているものを使用することができる。
【００３７】
次の工程は、前記第２のダイマウント材４４の表面に、第１の被覆層である第１のダイマウント材４３を形成する工程である（図４（ｃ））。
この第１のダイマウント材料としては、前記第３のダイマウント材料と同一の材料を用い、同等の方法によって第１のダイマウント材を形成することができる。
【００３８】
次の工程は、半導体素子４１をダイマウント材を形成したリードフレームの素子担持部にマウントする工程である（図４（ｄ））。
【００３９】
次の工程は、前記第１、第２および第３のダイマウント材を硬化する工程である（図４（ｅ））
これらのダイマウント材は、加熱もしくは加熱・加圧により硬化する。具体的には、半導体素子４１を搭載したリードフレーム４６を、加熱ヒーター４９ａで２００〜２５０℃程度に加熱し、２００〜２５０℃程度に加熱したヒーターツール４９ｂで半導体素子４１をリードフレーム４６側に１０ＭＰａで５ｍｉｎ加圧する。加圧時間はダイマウント材の硬化が十分に進行する範囲で、１ｍｉｎ〜６０ｍｉｎ程度であることが望ましい。ダイマウント材の硬化にあたっては、本方式に限らず、ダイマウント材に熱と圧力を加える工程であれば他の方法であっても良い。
【００４０】
本工程において、第１ないし第３のダイマウント材は、硬化時に、まず揮発成分である溶剤が、金属粒子もしくは金属微粒子間をガス化して揮散する。そして、第１および第３のダイマウント材中の金属微粒子を保護している保護膜は、２００℃前後で揮発し、金属微粒子同士の融着が進行する。硬化前に粒子径が１〜２０ｎｍであった金属微粒子が硬化後に粒子径１０〜１００ｎｍに成長し、金属微粒子同士が互いに融着していることが、ＳＥＭもしくはＴＥＭで確認できる。また、第１および第３のダイマウント材と、半導体素子に蒸着された金、銀層およびリードフレームにメッキされた金、銀層の界面においても材料が拡散し融着現象が生じていることが確認できる。
【００４１】
以下、半導体製造方法として慣用されている次の工程を経ることによって半導体装置を完成させることができる。
ワイヤボンディング工程である（図４（ｆ））。
例えばφ２０μｍの金ワイヤ４６を用いて、半導体素子４１の端子部とリードフレーム４６の端子部４６ｂの間を電気的に接続するワイヤボンディングを行う。この時、リードフレーム４６は２６０〜３００℃に加熱され、ワイヤボンディング時に、半導体素子４１には応力が加わるが、前記ダイマウント材はワイヤボンディングに耐えうる密着強度を有する。
【００４２】
次の工程は、樹脂モールド工程である（図４（ｇ））
前記リードフレームの素子担持部４６ａ、ダイマウント材、半導体素子４１、および金などからなる金属ワイヤ４７を覆うように、例えばエポキシ樹脂で、トランスファモールドにより被覆する。モールド条件は、１０〜２０ＭＰａで、１７０〜２２０℃、４０〜６０ｓｅｃで行うことができる。
【００４３】
以上の説明した本実施の形態の半導体装置およびその製造方法によれば、加熱・加圧工程ではダイマウント材を構成する金属微粒子が、加熱温度での低温融着効果により、金属微粒子間、および金属微粒子と半導体素子に蒸着された金、銀およびリードフレームにメッキされた金、銀の間で融着し金属接合するため、従来技術と比較し熱的・電気的な導通の他、高い密着強度が得られる。
【００４４】
［第２の実施の形態］
前記第１の実施の形態においては、図１の第２のダイマウント材１４として、導電ペーストの硬化層である金属粒子樹脂複合材料を用いる例を示したが、本実施の形態の半導体装置においては、この金属粒子樹脂複合材料に代えて、金属箔状部材を用いるものである。
以下、本実施の形態の半導体装置について、その概略断面図である図５を用いて説明するが、この実施の形態においては、前記金属粒子樹脂複合材料以外の構成要件は前記第１の実施の形態とほぼ同等であるので、その詳細な説明は省略する。
【００４５】
すなわち、本実施の形態の半導体装置は、その概略断面である図５に示すように、リードフレームの素子担持部（ダイパッド）５６ａ表面に、第２の金属微粒子焼結体層５５が形成されており、その表面に金属箔状部材５４が貼着されている。そしてその表面に第１の金属微粒子焼結体層５３が形成されており、その表面に半導体素子５１が配置されている。これらの素子担持部（ダイパッド）５６ａ、第２の金属微粒子焼結体層５５、金属箔状部材５４、第１の金属微粒子焼結体層５３および半導体素子５１の各接合界面は、融着し拡散接合している。
前記金属箔状部材としては、厚さ１〜５０μｍの金属箔を用いることができる。金属箔状部材としては、好ましくは、厚さ１０μｍの箔であり、その材料としては、金、銀、銅、白金、パラジウム、ニッケル、コバルト、錫、インジウムの中の一種類、もしくは２種類以上の合金からなる箔とすることができるが、特に銀単体の箔が好ましい。
【００４６】
（半導体装置の製造方法）
次に、本実施の形態の半導体装置の製造方法について、そのプロセスを示す概略断面図である図６を用いて説明する。
【００４７】
本実施の形態の半導体装置の製造方法は、リードフレーム６６の素子担持部（ダイパッド）６６ａに、第２の被覆層である第３のダイマウント材６５を形成する工程（図６（ａ））、前記第３のダイマウント材６５の層表面に、第２のダイマウント材である金属箔状部材６４を貼着する工程（図６（ｂ））、前記第２のダイマウント材６４の表面に、第１の被覆層である第１のダイマウント材６３の層を形成する工程（図６（ｃ））、前記第１のダイマウント材６３の表面に半導体素子６１を搭載する工程（図６（ｄ））、半導体素子６１を搭載したリードフレーム６６を加熱、もしくは加熱加圧する工程（図６（ｅ））からなっている。また、半導体製造方法として慣用されている、ワイヤボンディング工程（図６（ｆ））、およびモールド工程（図６（ｇ））によって半導体装置を完成させることができる。
【００４８】
前記本実施の形態の半導体装置の製造方法において、第２のダイマウント材である金属箔状部材６４を貼着する工程は、例えば厚さ１０μｍの銀箔を、第３のダイマウント材６５を形成した面にマウントする。続いて、第１のダイマウント材６３を、第２のダイマウント材である金属箔状部材６４表面にスクリーン印刷、ディスペンス法、インクジェット法等の方法を用いて、厚みが１〜１００μｍ程度に形成する。以下、前記第１の実施の形態である半導体装置の製造方法と同様にして半導体装置を製造することができる。
【００４９】
本実施の形態の効果は、以下の通りである。すなわち、加熱・加圧工程ではダイマウント材を構成する金属微粒子が、加熱温度での低温融着効果により、金属微粒子間、金属微粒子と金属箔間、および金属微粒子と半導体素子に蒸着された金、銀およびリードフレームにメッキされた金、銀の間で融着し金属接合するため、従来技術と比較し熱的・電気的な導通の他、高い密着強度が得られる。
【００５０】
［第３の実施の形態］
前記第２の実施の形態の変形例を以下に示す。本実施の形態は、前記第２の実施の形態において、第２のダイマウント材をである金属箔状部材を第３のダイマウント材層を形成した後積層形成していたが、本実施の形態においては、予めダイマウント材として、金属箔状部材の両面に金属微粒子からなる層を形成しておき、これをダイマウント材として、リードフレームの素子担持部（ダイパッド）表面に載置して半導体装置を製造するものであり、形成される半導体装置の構成は、前記第２の実施の形態で説明したものとほぼ同一である。
【００５１】
以下、本実施の形態である半導体装置の製造方法を、その概略断面図である図７を用いて詳細に説明する。
【００５２】
この半導体製造方法は、金属箔状部材７４の両面に金属微粒子層７３，７５を形成した複合ダイマウント材７２を準備し、リードフレームの素子担持部（ダイパッド）７６ａ表面にこの複合ダイマウント材７２を配置する工程（図７（ａ））、複合ダイマウント材７２の表面に半導体素子７１を搭載する工程（図７（ｂ））、半導体素子７１を搭載したリードフレーム７６を加熱ヒーター７９ａおよびヒーターツール７９ｂを用いて、加熱もしくは加熱・加圧する。
【００５３】
以下、前記第１の実施の形態と同様にして、ワイヤボンディング工程（図７（ｄ））、およびモールド工程（図７（ｅ））を実施することによって、半導体装置を製造することができる。
【００５４】
本実施の形態において用いる複合ダイマウント材の構造を、その断面図である図８を用いて説明する。
図８において、８１が、金属箔状部材であり、この金属材料としては、金、銀、銅、白金、パラジウム、ニッケル、コバルト、錫、インジウムの中の一種類、もしくは２種類以上の合金が挙げられが、銀単体であることが好ましい。この金属箔状部材８１の両面に、粒子系が１〜２０ｎｍの金属微粒子８２が付着している。この範囲の粒子系を有する金属微粒子８２は前述の通り、常温で融着してしまうため、その周囲を有機物質８３が被覆している。
【００５５】
本実施の形態において、金属箔状部材の両表面に金属微粒子層を形成するには、一般に市販されている内部を真空に保つことができ、かつキャリアガスを流通させることができる蒸着装置を用いることができる。すなわち、蒸着装置の内部を真空に保ち、その内部に保護膜用の有機物の蒸気を不活性ガスのようなキャリアガスを用いて送入する。一方、金属微粒子を構成する金属材料を加熱し、蒸気を発生させ、この蒸気を蒸着装置内部にこれもキャリアガスを用いて送入する。蒸着装置内部において、金属蒸気および保護膜用の有機物蒸気を接触させ、これを金属箔状部材に衝突させることによって、金属箔状部材の表面に、保護用有機物被膜を有する金属微粒子が付着した複合ダイマウント材を作成することができる。
【００５６】
その他の工程については、前記第２の実施の形態の製造方法と同様であるので、その詳細な説明は省略する。
【００５７】
本発明の効果は、以下の通りである。加熱・加圧工程ではダイマウント材を構成する金属微粒子が、加熱温度での低温融着効果により、金属微粒子間、および金属微粒子と半導体素子に蒸着された金、銀およびリードフレームにメッキされた金、銀の間で融着し金属接合するため、従来技術と比較し熱的・電気的な導通の他、高い密着強度が得られる。
【００５８】
なお上記で示した金属微粒子、金属粒子、金属箔状部材の元素として銀を用いた場合について特に説明したが、かかる金属としては、金、銀、銅、白金、パラジウム、ニッケル、コバルト、錫、インジウムの中の一種類、もしくは２種類以上の合金であっても同等の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の第１の実施の形態にかかる半導体装置の構造を示す概略断面図。
【図２】本発明の第１の実施の形態の半導体装置における金属微粒子焼結体の構造を示す概念図。
【図３】本発明の第１の実施の形態の半導体装置における金属粒子樹脂複合材料層の構造を示す概念図。
【図４】本発明の第１の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法を示すプロセス断面図。
【図５】本発明の第２の実施の形態にかかる半導体装置の構造を示す概略断面図。
【図６】本発明の第２の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法を示すプロセス断面図。
【図７】本発明の第３の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法を示すプロセス断面図。
【図８】本発明の第３の実施の形態において用いる複合ダイマウント材の構造を示す概略図。
【図９】従来の半導体装置の概略断面図。
【図１０】従来の半導体装置の製造プロセスを示す斜視図。
【符号の説明】
【００６０】
１１、４１、６１、７１、１０１…半導体素子
１３…第１の金属微粒子焼結体層
１４…金属粒子樹脂複合材料層
１５…第２の金属微粒子焼結体層
１６ａ、４６ａ、６６ａ、１０６ａ…素子担持部（ダイパッド）
２１…二次粒子
２２…空孔
３１…金属粉末
３２…バインダー
４３…第３のダイマウント材
４４…第２のダイマウント材
４５…第１のダイマウント材
４６、６６、１０６…リードフレーム
４６ｂ、１０６ｂ…端子部（インナーリード）
４７…金属ワイヤ
４９ａ…加熱ヒーター
４９ｂ…ヒーターツール
５４…金属箔状部材
６４…第２のダイマウント材（金属箔状部材）
７２…複合ダイマウント材
１０２…ダイマウント材
【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】
2006059904.tif 000009
【図８】
2006059904.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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