(57)【要約】【課題】本発明は、焼結性の接合材を用いて半導体素子と基板との接合部の高温耐久性、品質および信頼性を向上させた半導体装置およびその製造方法の提供を目的とする。【解決手段】本発明に係る半導体装置の製造方法は、（ａ）絶縁性または導電性の基板を準備する工程と、（ｂ）基板（即ち、絶縁基板３）の主面の接合領域３ａに焼結性の接合材２を配置する工程と、（ｃ）半導体素子１の接合に供される面である接合面を接合材２に加圧接触させながら接合材２を焼結することにより、基板（即ち、絶縁基板３）と半導体素子１とを接合材２を介して接合する工程と、を備え、工程（ｂ）における接合領域３ａは半導体素子１の接合面（即ち領域３ｂ）よりも平面視で内側にあり、かつ工程（ｃ）の後も、接合材２は、半導体素子１の接合面よりも平面視で外側にはみ出ていないことを特徴とする。【選択図】図１
2015095540.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）絶縁性または導電性の基板を準備する工程と、
（ｂ）前記基板の主面の接合領域に焼結性の接合材を配置する工程と、
（ｃ）半導体素子の接合に供される面である接合面を前記接合材に加圧接触させながら前記接合材を焼結することにより、前記基板と前記半導体素子とを前記接合材を介して接合する工程と、
を備え、
前記工程（ｂ）における前記接合領域は前記半導体素子の接合面よりも平面視で内側にあり、かつ
前記工程（ｃ）の後も、前記接合材は、前記半導体素子の接合面よりも平面視で外側にはみ出ていないことを特徴とする、
半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記工程（ｃ）の後において、前記接合材はＡｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ａｕのいずれかを主成分とした導電性金属であることを特徴とする、
請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記工程（ｂ）において、前記接合材は直径１ｎｍ以上１０μｍ以下の金属粒子からなることを特徴とする、
請求項１または請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記工程（ｂ）において、前記接合材はペースト状であることを特徴とする、
請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記工程（ｂ）において、前記接合材は印刷により配置されることを特徴とする、
請求項１〜４のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記工程（ｂ）において、前記接合材はシリンジから射出されることにより配置されることを特徴とする、
請求項１〜４のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記工程（ｂ）において、前記接合領域は複数であり、
前記工程（ｃ）において、前記半導体素子は複数であり、各前記半導体素子は前記接合領域の各々において接合されることを特徴とする、
請求項４〜６のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記工程（ｃ）の後、焼結した前記接合材の厚みは１０００μｍ以下であることを特徴とする、
請求項１〜７のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
絶縁性または導電性の基板と、
前記基板の表面に接合された半導体素子と、
前記基板と前記半導体素子の接合に供される面である接合面とを接合する焼結性の接合材と、
を備え、
前記接合材は、前記半導体素子の前記接合面を前記接合材に加圧接触させながら焼結されたものであり、
前記接合材は、前記半導体素子の前記接合面よりも平面視で外側にはみ出ていないことを特徴とする、
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し、特に半導体素子の接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境規制の高まりから、環境問題に配慮した電子機器（即ち、高品質、高効率、省エネに対応した電子機器）の需要が高まっている。特に、産業機器、モータを備えた家電の駆動制御機器、電気自動車およびハイブリッド自動車向けの車載制御機器、鉄道車両制御機器、太陽光発電の制御機器などのように、高電力に対応した電子機器が求められている。さらには、電子機器の高負荷環境下(高温度環境下)の動作における高効率化、低損失化が求められている。高温環境下とは、１５０〜１７５℃以上（例えば２００℃）の温度環境下である。高温環境下で動作する半導体素子の開発が進んでいる。また、パッケージの特性としても高密度電流化が進んでいる。
【０００３】
特に車載、鉄道制御機器として用いられる電子機器に対して、高温度環境下での省エネルギー性能が求められている。これまで通常動作温度としては、例えば１５０℃以下であったが、今後、２００℃以上の高温環境下での使用に対する需要が高まると考えられる。２００℃以上の高温環境下においては、半導体素子としてＳｉの替わりにＳｉＣもしくはＧａＮには十分対応可能である。
【０００４】
そこで、高温環境下の動作において、スイッチングロスを抑制し低損失化および高効率化を図るべく、電子機器の材料、構造を見直す必要があった。特に、電子機器に適用される半導体装置内部の接合部が最も劣化し易いため、接合部の高品質、高信頼性、高寿命化の実現が大きな課題であった。
【０００５】
そこで、接合部の高温耐久性を高めるために、はんだ材に替えて焼結性の接合材が用いられている（例えば特許文献１を参照）。焼結性の接合材により半導体素子を基板に接合する場合、半導体素子裏面と基板表面との間で接合材を加圧しながら加熱することで接合材が焼結され接合が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１０７７２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述のように、焼結性の接合材によって接合を行う際、加熱に加えて、例えば半導体裏面と基板表面との間で接合材が加圧される。よって、加圧により半導体素子周囲に接合材がはみ出した状態で焼結されることがあった。はみ出した接合材は、十分な加圧がされずに焼結される。はみ出した状態で焼結された接合材は、はんだ材のようにフィレット形状が形成されないため欠落し易い。従って、半導体素子を接合する工程以降の製造工程において、はみ出した接合材が振動等により欠落し、ショート等の不具合の原因となる問題があった。
【０００８】
本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、焼結性の接合材を用いて半導体素子と基板とを接合する接合部の高温耐久性、品質および信頼性を向上させた半導体装置およびその製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る半導体装置の製造方法は、（ａ）絶縁性または導電性の基板を準備する工程と、（ｂ）基板の主面の接合領域に焼結性の接合材を配置する工程と、（ｃ）半導体素子の接合に供される面である接合面を接合材に加圧接触させながら接合材を焼結することにより、基板と半導体素子とを接合材を介して接合する工程と、を備え、工程（ｂ）における接合領域は半導体素子の接合面よりも平面視で内側にあり、かつ工程（ｃ）の後も、接合材は、半導体素子の接合面よりも平面視で外側にはみ出ていないことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る半導体装置は、絶縁性または導電性の基板と、基板の表面に接合された半導体素子と、基板と半導体素子の接合に供される面である接合面とを接合する焼結性の接合材と、を備え、接合材は、半導体素子の接合面を接合材に加圧接触させながら焼結されたものであり、接合材は、半導体素子の接合面よりも平面視で外側にはみ出ていないことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る半導体装置の製造方法によれば、接合材を基板に配置する工程において、接合材を半導体素子の接合面よりも平面視で内側に配置することによって、接合材に対して十分な圧力を加えながら加熱することが可能である。また、接合後においても、半導体素子の周囲に接合材がはみ出ることが無いので、接合工程の後の工程もしくは半導体装置の完成後において、はみ出た接合材が欠落することがない。よって、高品質、高信頼性の半導体装置を得ることが可能である。
【００１２】
また、本発明に係る半導体装置によれば、半導体素子の周囲に焼結された接合材がはみ出ていないので、はみ出た接合材が欠落して配線のショートなどを引き起こすことがない。よって、半導体装置の品質および信頼性を向上させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施の形態１に係る半導体装置を含む半導体モジュールの断面図である。
【図２】実施の形態１に係る半導体モジュールの製造方法を説明するための絶縁基板の平面図である。
【図３】実施の形態２に係る半導体装置を含む半導体モジュールの断面図である。
【図４】実施の形態２に係る半導体モジュールの製造方法を説明するための絶縁基板の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
＜実施の形態１＞
＜構成＞
図１に、本実施の形態における半導体装置を含み、高温環境下で使用される電子機器に適用される半導体モジュールの断面図を示す。本実施の形態における半導体装置は、絶縁性の基板である絶縁基板３と、絶縁基板３に接合された半導体素子１と、絶縁基板３と半導体素子１とを接合する焼結性の接合材２とを備える。
【００１５】
絶縁基板３は、はんだ１３又は焼結性の接合材を介して、放熱板４上に接合されている。絶縁基板３は表面に回路パターンを備える。絶縁基板３表面の回路パターンと半導体素子１の裏面電極とは、焼結性の接合材２により接合されている。
【００１６】
放熱板４は半導体モジュールの外郭となるケース８に、例えば接着剤１２により固定されている。ケース８は絶縁基板３、半導体素子１、ワイヤ７および後述する制御基板１１の周囲を囲んでいる。樹脂からなるケース８は電極９と一体成型されている。半導体素子１の上面電極と電極９は、ワイヤ７により接続されている。また、駆動回路や保護回路を搭載する制御基板１１は電極９を介して半導体素子１と接続されている。
【００１７】
さらに、ケース８内部には封止材１０が注入されることにより、絶縁基板３、半導体素子１、ワイヤ７、制御基板１１が封止されている。
【００１８】
以下、各構成要素について詳しく述べる。なお、以下で述べる各構成要素の寸法は一例であり、記載の寸法に限定するものではない。放熱板４は、例えば、一辺の長さが５０〜３００ｍｍであり、厚さが３〜５ｍｍであるＣｕもしくはＡｌもしくはＡｌ−ＳｉＣ複合体からなる熱容量の大きい放熱板である。放熱板４は、約２０〜１５０μｍ厚の焼結性の接合材、もしくは約１００〜２００μｍ厚のはんだ１３を介して、絶縁基板３に接合されている。
【００１９】
絶縁基板３は、０．２〜３ｍｍの一定厚からなるＡｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４、又はＺｒＡｌ２Ｏ３等にて形成されている。絶縁基板３裏面と放熱板４がはんだ１３により接合される場合、絶縁基板３裏面には、２〜１０μｍ厚のＮｉめっきが施されている。また、絶縁基板３の放熱板４とは反対側の面（即ち、図１における上側の面）には回路パターンが形成されている。回路パターン形成面にはレジストが施されている。絶縁基板３上面に形成された回路パターンには、半導体素子１が焼結性の接合材２を介して接合されている。
【００２０】
半導体素子１は、例えば電力用半導体素子であり、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴやダイオードといった大電力を扱う半導体素子である。半導体素子１は、例えば、ＡＣ出力に対応すべく３相回路を形成している。なお、半導体素子１はＳｉ製のＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ダイオードに限らず、ＳｉＣもしくはＧａＮ製でもよい。例えば、半導体素子１がＩＧＢＴである場合、半導体素子１の底面に備わる裏面電極はコレクタ電極であり、半導体素子１の表面に備わる上面電極はエミッタ電極とゲート電極である。
【００２１】
半導体素子１が３相回路を形成する場合、半導体素子１（例えばダイオードやＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ）は、各相毎に、絶縁基板３上の回路パターンとアルミニウム製のワイヤ７等でワイヤボンディングされ、電子機器内において配線接続されている。
【００２２】
ケース８は、ＰＰＳ、ＰＢＴ、又はエポキシといった樹脂からなる。電極９は、外部との入出力を行うＡＣ出力端子または入出力端子であり、厚さ１ｍｍほどの銅もしくは銅合金からなる。電極９はケース８と一体成型されている。
【００２３】
図１向かって右側の電極９は、半導体素子１（例えばＩＧＢＴ）の上面電極（例えばゲート電極）とワイヤ７により接続されており、この電極９は駆動回路や保護回路を搭載した制御基板１１に接続され、スイッチングを行なうための制御信号が入力される。制御基板１１は、図１に示すように、電極９により支持されて絶縁基板３の上方において絶縁基板３にほぼ平行な状態に配置される。
【００２４】
半導体素子１（例えばＩＧＢＴ）の上面電極（エミッタ電極）はワイヤ７によって、隣接する半導体素子１（例えばダイオード）の電極と接続される。図１向かって左側の電極９は、ケース８外部のモータ等の電動機、バッテリやハーネスへと配線接続される。
【００２５】
封止材１０は、Ｓｉをベースにした絶縁性のゲル材料である。なお、ケース８には、接着剤を介して蓋（図示せず）がされている。
【００２６】
なお、各半導体素子１と絶縁基板３との接合部分において、接合材２は、半導体素子１の接合に供される面である接合面よりも平面視で外側にはみ出ていない。なお、本実施の形態において、半導体素子１の接合に供される面である接合面とは、半導体素子１の底面である。具体的には、例えば、半導体素子１の底面は一辺が４ｍｍ〜１８ｍｍであり、接合材２は半導体素子１の底面各辺に対して３０〜２００μｍ内側にある。なお、接合材２の端が、半導体素子１の底面の各辺から５００μｍ以内にあるのが好ましい。
【００２７】
このように、接合材２が半導体素子１の接合面よりも平面視で外側にはみ出していないということは、接合材２を焼結する工程において、接合材２が半導体素子１と絶縁基板３との間で十分に加圧されたことを意味する。
【００２８】
一方、発明が解決しようとする課題において述べたように、接合材２が半導体素子１の接合面よりも平面視で外側にはみ出している場合、はみ出した接合材２は十分な加圧がされていない状態で焼結したことになる。このはみ出した部分が欠落する可能性があった。
【００２９】
半導体素子１と絶縁基板３の接合部において、接合後の接合材２の厚みは、２０μｍ〜２００μｍ程度となる。はんだ接合においては、接合部の信頼性を確保するために、はんだの厚みが１０００μｍ以上必要であった。一方、焼結性の接合材２を用いた場合、厚みが１０００μｍ以下であっても信頼性には影響しない。
【００３０】
＜製造方法＞
まず、本実施の形態における焼結性の接合材２について説明する。ペースト状の接合材２は、微小金属粒子、溶剤および表面安定剤からなる。微小金属粒子は、直径１ｎｍ以上１０μｍ以下のＡｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ等からなる。微小金属粒子の表面は有機保護膜により覆われている。接合材２をナノもしくはマイクロサイズの微小金属粒子とすることにより、融点降下が起こり、接合材固有の溶融温度よりも低い温度で焼結接合を行うことが可能となる。接合後は、バルク材同等に高融点化し、高い耐熱性と信頼性が得られる。
【００３１】
接合材２の微小金属粒子にＡｇを用いた場合、およそ１８０℃から３５０℃の加熱をしながら、接合材２を半導体素子１と導電性基板５の間で加圧する。接合後は、接合材２はおよそ９００℃前後の耐熱性を確保することができる。
【００３２】
ペースト状の接合材２において、金属粒子（例えばＡｇ）は保護膜で覆われているので、互いに接合することはなく、溶剤中では安定している。接合材２が加熱されることにより溶剤（例えば有機物）が揮発し、金属粒子が接合する。金属粒子のサイズがナノレベルになると、表面エネルギーが増大するため、バルク融点より低温で凝集し接合するという焼結現象が起こる。よって、接合の際にバルク融点まで半導体素子１および絶縁基板３を加熱する必要は無く、それによる熱応力、歪み、反りなどを回避することができる。
【００３３】
本実施の形態における半導体装置の製造方法について説明する。まず、絶縁基板３を準備する。絶縁基板３上面には回路パターンが形成されている。図２は、絶縁基板３の平面図である。次に、絶縁基板３上面の回路パターンの接合領域３ａにペースト状の焼結性の接合材２を印刷により配置する。つまり、接合領域３ａは接合材２が配置される領域である。印刷は、例えばスクリーン印刷により行われる。なお、絶縁基板３上に接合材２を配置する際に、複数の接合領域３ａに対して同時に接合材２を印刷することも可能である。また、印刷装置に複数の絶縁基板３を配置して印刷を行うことにより、複数の絶縁基板３に対して同時に印刷を行うことができる。
【００３４】
次に、半導体素子１を、接合材２上にマウントする。図２において、領域３ｂは半導体素子１ａの接合面を投射した領域である。本実施の形態では半導体素子１の接合面とは半導体素子１の底面であるので、半導体素子１の底面が領域３ｂと重なるようにマウントされる。ここで、接合材２が配置されている接合領域３ａは、領域３ｂよりも内側にある。つまり、先に述べた接合材２を配置する工程において、接合材２は領域３ｂよりも内側に配置される。具体的には、例えば、接合材２が配置される接合領域３ａの各辺は領域３ｂの各辺よりも３０〜２００μｍ内側にある。
【００３５】
そして、マウントした半導体素子１の接合面を接合材２に加圧接触させながら、接合材２の焼結を行う。加圧および加熱の処理は加熱プレス装置により行われる。加熱温度は１８０℃〜３５０℃の範囲、加圧力は５ＭＰａ〜３０ＭＰａの範囲であり、この状態を３０〜１８０秒保つことで接合を行う。この加圧および加熱処理により、絶縁基板３と半導体素子１とが接合材２を介して接合される。なお、加圧プレス装置にて加熱および加圧処理を行う工程において、複数の絶縁基板３を一括して処理してもよい。
【００３６】
なお、半導体素子１は、ＳｉＣ、ＳｉＣ、ＧａＮなどの半導体を材料とするＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ダイオードなどである。半導体素子１の底面の各辺は、例えば４〜１８ｍｍの範囲である。
【００３７】
次に、絶縁基板３下面と放熱板４との接合を行う。接合ははんだ接合により行われる。なお、絶縁基板３下面と放熱板４との接合を焼結性の接合材により行う場合は、半導体素子１と絶縁基板３を接合する際に、絶縁基板３を焼結性の接合材を介して放熱板４上にマウントしておき、加圧プレス機によって同時に接合を行ってもよい。
【００３８】
次に、放熱板４にケース８を接着剤１２により固定する。そして、半導体素子１の上面電極間、または半導体素子１の上面電極と電極９との間をワイヤ７で接続する。ワイヤ７の接続はワイヤボンディングにより行われる。また、電極９には制御基板１１が接続される。最後に、封止材１０をケースに注入して絶縁基板３、半導体素子１、ワイヤ７および制御基板１１の封止を行う。以上の工程を経て、本実施の形態における半導体装置を含む電子機器が製造される。
【００３９】
以上で述べたように、本実施の形態における半導体装置の製造工程において、接合材２を半導体素子１の接合面よりも平面視で内側に配置して、接合材２の加熱および加圧を行う。よって、接合材２に対して十分な圧力を加えながら加熱することが可能である。また、接合後においても、半導体素子１の周囲に接合材２がはみ出ることが無いので、接合工程の後の工程（例えばワイヤボンド工程）もしくは半導体装置の完成後において、はみ出た接合材２が欠落することがない。よって、高品質、高信頼性の半導体装置を得ることが可能である。
【００４０】
なお、接合後の接合材２の融点はバルク材と同等レベルであるので、接合材２としてＡｇを用いれば、１８０℃〜３５０℃の範囲の接合温度で接合可能である。また、接合後は９００℃前後の高温耐久性を得ることが可能となる。従って、高品質、高信頼性に加え、高温耐久性の向上した半導体装置を得ることが可能である。
【００４１】
＜効果＞
本実施の形態における半導体装置の製造方法は、（ａ）絶縁性または導電性の基板を準備する工程と、（ｂ）基板（即ち、絶縁基板３）の主面の接合領域３ａに焼結性の接合材２を配置する工程と、（ｃ）半導体素子１の接合に供される面である接合面を接合材２に加圧接触させながら接合材２を焼結することにより、基板（即ち、絶縁基板３）と半導体素子１とを接合材２を介して接合する工程と、を備え、工程（ｂ）における接合領域３ａは半導体素子１の接合面（即ち領域３ｂ）よりも平面視で内側にあり、かつ工程（ｃ）の後も、接合材２は、半導体素子１の接合面よりも平面視で外側にはみ出ていないことを特徴とする。
【００４２】
従って、接合材２を絶縁基板３上面に配置する工程において、接合材２を半導体素子１の接合面よりも平面視で内側に配置することによって、接合材２に対して十分な圧力を加えながら加熱することが可能である。また、接合後においても、半導体素子１の周囲に接合材２がはみ出ることが無いので、接合工程の後の工程（例えばワイヤボンド工程）もしくは半導体装置の完成後において、はみ出た接合材２が欠落することがない。よって、焼結性の接合材２を用いることによる高温耐久性に加えて、高品質、高信頼性の半導体装置を得ることが可能である。
【００４３】
また、本実施の形態における半導体装置の製造方法における工程（ｃ）の後において、接合材２はＡｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ａｕのいずれかを主成分とした導電性金属であることを特徴とする。
【００４４】
従って、接合材２の材料をＡｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ａｕのいずれかを主成分とした導電性金属とすることによって、Ｓｎを主成分としたはんだ材よりも接合材２の耐熱温度を大きくすることが可能である。また、接合材２の材料としてＣｕを主成分とすることにより、材料コストを抑えることが可能である。
【００４５】
また、本実施の形態における半導体装置の製造方法における工程（ｂ）において、接合材２は直径１ｎｍ以上１０μｍ以下の金属粒子からなることを特徴とする。
【００４６】
従って、接合材２として、直径１ｎｍ以上１０μｍ以下の微細な金属粒子を用いることにより、接合材固有の溶融温度よりも低い温度で焼結接合を行うことが可能となる。また、接合材２を直径１ｎｍ以上１０μｍ以下の粒子が混在したものとすることにより、材料コストを抑えることが可能である。
【００４７】
また、本実施の形態における半導体装置の製造方法における工程（ｂ）において、接合材２はペースト状であることを特徴とする。
【００４８】
従って、接合材２をペースト状とすることによって、接合材２を印刷により配置することが可能となる。接合材２を印刷により配置することで、複数の領域に接合材２を一括して配置できるため生産性が向上する。
【００４９】
また、本実施の形態における半導体装置の製造方法における工程（ｂ）において、接合材２は印刷により配置されることを特徴とする。
【００５０】
従って、接合材２を印刷（例えばスクリーン印刷）により配置することで、複数の領域に接合材２を一括して配置できるため生産性が向上する。
【００５１】
また、本実施の形態における半導体装置の製造方法における工程（ｂ）において、接合領域３ａは複数であり、工程（ｃ）において、半導体素子１は複数であり、各半導体素子１は接合領域３ａの各々において接合されることを特徴とする。
【００５２】
従って、ペースト状の接合材２を印刷により複数の領域に一括して配置し、さらに、複数の半導体素子１を各領域にマウントして加熱および加圧処理を行い、一括して接合することで、生産性が向上する。
【００５３】
また、本実施の形態における半導体装置の製造方法における工程（ｃ）の後、焼結した接合材２の厚みは１０００μｍ以下であることを特徴とする。
【００５４】
従って、一般にはんだ材では１０００μｍ以上の接合厚が必要であったが、接合を本実施の形態における接合材２で行うことにより、接合厚を１０００μｍ以下とすることが可能である。接合厚を薄くすることにより、半導体装置全体の厚みを薄くすることが可能である。また、接合厚を薄くすることにより、接合材２の使用量を削減できるため、材料コストを抑えることが可能である。
【００５５】
また、本実施の形態における半導体装置は、絶縁性または導電性の基板と、基板（即ち絶縁基板３）の表面に接合された半導体素子１と、基板と半導体素子１の接合に供される面である接合面とを接合する焼結性の接合材２と、を備え、接合材２は、半導体素子１の接合面を接合材２に加圧接触させながら焼結されたものであり、接合材２は、半導体素子１の接合面よりも平面視で外側にはみ出ていないことを特徴とする。
【００５６】
従って、半導体素子１の周囲に焼結された接合材２がはみ出ていないので、はみ出た接合材２が欠落して配線のショートなどを引き起こすことがない。よって、半導体装置の品質および信頼性を向上させることが可能である。
【００５７】
＜実施の形態２＞
＜構成＞
図３に、本実施の形態における半導体装置を含み、高温環境下で使用される電子機器に適用される半導体モジュールの断面図を示す。本実施の形態における半導体装置は、導電性基板５と、導電性基板５に接合された半導体素子１と、導電性基板５と半導体素子１とを接合する焼結性の接合材２とを備える。なお、導電性基板５は金属板である。
【００５８】
導電性基板５の裏面（即ち、半導体素子１と接合する面と反対側の面）は、底面に絶縁箔を有する絶縁金属層６に固着している。
【００５９】
図３に示すように、導電性基板５の一端には電極９が設けられている。また、導電性基板５の他端側の電極９は、半導体素子１の上面電極とワイヤ７により接続されている。
【００６０】
導電性基板５、半導体素子１、接合材２、絶縁金属層６、ワイヤ７はエポキシを主成分とした封止材１０により封止されている。なお、絶縁金属層６の底面および電極９の一部は封止材１０の外に露出している。電極９は、モータ等の電動機、バッテリやハーネスへとそれぞれ外部と配線接続される。以下、各構成要素について詳しく述べる。
【００６１】
本実施の形態における半導体装置において、導電性基板５には、半導体素子１として、例えばＩＧＢＴとダイオードが一対となって接合されている。半導体素子１としてのＩＧＢＴは、裏面電極としてコレクタ電極を備え、上面電極として、ゲート電極およびエミッタ電極を備える。ＩＧＢＴは、電極９によって、外部からの入力(スイッチングｏｎ／ｏｆｆ制御)及び外部制御がなされている。なお、半導体素子１は、ＩＧＢＴに限定されるものではなく、ＭＯＳＦＥＴ、トランジスタ等を用いてもよい。さらには、Ｓｉを材料とするものに限らず、例えばＳｉＣもしくはＧａＮを材料とするＭＯＳＦＥＴ、ダイオード等でもよい。なお、半導体素子１の上面電極および裏面電極には、Ｔｉ−Ｎｉ−ＡｕもしくはＡｇといったメタライズが施されている。
【００６２】
半導体素子１の裏面電極（例えばコレクタ電極）と導電性基板５とが接合材２により配線接続されている。導電性基板５は、熱伝導率がおよそ４００Ｗ／（ｍ・Ｋ）と大きく、かつ、電気抵抗率がおよそ２μΩ・ｃｍと小さい、銅もしくは銅合金といった金属板である。導電性基板５の厚さは３〜５ｍｍ程度であり、放熱板としての機能を有する。
【００６３】
導電性基板５の一端が封止材１０の外まで延伸し、電極９となっている。上述したＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ等の半導体素子１は、大電流をスイッチング制御するために発熱量が大きい。従って、このような熱伝導率の高い放熱板として機能する導電性基板５が必要となる。
【００６４】
導電性基板５の裏面に固着された絶縁金属層６は、絶縁層と保護金属層との積層構造を有する。絶縁層には、窒化ホウ素やアルミナ等のフィラーが混入されたエポキシ樹脂を用いる。この絶縁層に熱伝導性の高い銅、アルミ等からなる保護金属層が固着されている。また、図３には図示していないが、絶縁金属層６には、放熱板、複数フィンを備えたヒートシンク、水冷フィンなどが接続されている。
【００６５】
半導体素子１の動作により生じた熱は、導電性基板５、絶縁金属層６を伝わり、さらに、絶縁金属層６に接続された例えば放熱板（図示せず）を介して外部に放熱される。このようにして半導体素子１の温度上昇が抑制される。
【００６６】
なお、本実施の形態における半導体装置は、絶縁金属層６を備えているが、絶縁金属層６を備えず、導電性基板５の裏面が露出している構成でもよい。また、導電性基板５および絶縁金属層６に替えて、実施の形態１で述べた絶縁基板３（例えば、窒化アルミ等のセラミック基板）を備える構成でもよい。
【００６７】
ＩＧＢＴとしての半導体素子１の上面電極（ゲート電極）は、ワイヤ７により電極９と接続され、半導体素子１のもう一方の上面電極（エミッタ電極）は、隣接して配置されたダイオードとしての半導体素子１の上面電極にワイヤ７を介して接続されている。半導体素子１の裏面電極（コレクタ電極）は、導電性基板５および電極９を介して外部端子に電気的に接続されている。
【００６８】
電極９は、銅もしくは銅合金からなる厚さ０．５〜２ｍｍ程度の平板を金型フォーミングにより折り曲げて形成されている。一般的に、半導体素子１の表面から外部電極への配線接続は、アルミ等の金属性のワイヤ７を用いてワイヤボンディングし、固相接合されている。本実施の形態における半導体装置は、大電流をスイッチング制御し、動作電流として大電流が流れることを想定している。従って、ワイヤ７は複数並列に配設され、ワイヤ７として、直径およそ３００〜５００μｍの太い金属ワイヤを採用する。
【００６９】
また、実施の形態１と同様に、各半導体素子１と導電性基板５との接合部分において、接合材２は、半導体素子１の接合に供される面である接合面よりも平面視で外側にはみ出ていない。なお、本実施の形態において、半導体素子１の接合に供される面である接合面とは、半導体素子１の底面である。具体的には、例えば、半導体素子１の底面は一辺が４ｍｍ〜１８ｍｍである。
【００７０】
＜製造方法＞
まず、寸法が例えば１０ｍｍ×８０ｍｍ×３ｍｍの導電性基板５を準備する。図４は、導電性基板５の平面図である。次に、導電性基板５上面の接合領域５ａにペースト状の焼結性の接合材２を配置する。接合材２は実施の形態１で述べた接合材と同様の性質を持つ。接合材２はシリンジに充填されており、シリンジから射出されて接合領域５ａに塗布される。つまり、接合領域５ａは接合材２が配置される領域である。図４において、領域５ｂは半導体素子１ａの接合面（本実施の形態では半導体素子１の底面）を投射した領域である。接合材２は領域５ｂの中央に配置される。
【００７１】
次に、半導体素子１の底面が領域５ｂと重なるように、導電性基板５上に半導体素子１をマウントする。ここで、接合材２が配置されている接合領域５ａは、領域５ｂよりも内側にある。つまり、先に述べた接合材２を配置する工程において、接合材２は領域５ｂよりも内側に配置される。
【００７２】
そして、マウントした半導体素子１の接合面を接合材２に加圧接触させながら、接合材２の焼結を行う。加圧および加熱の処理は加熱プレス装置により行われる。加熱温度は１８０℃〜３５０℃の範囲、加圧力は５ＭＰａ〜３０ＭＰａの範囲であり、この状態を３０〜１８０秒保つことで接合を行う。この加圧および加熱の処理により、絶縁基板３と半導体素子１とが接合材２を介して接合される。なお、加圧プレス装置にて加熱および加圧処理を行う工程において、複数の導電性基板５を一括して処理してもよい。
【００７３】
加圧時に、ペースト状の接合材２は、半導体素子１の底面と導電性基板５との間で塗布箇所（接合領域５ａ）を中心に広がる。なお、接合材２の塗布量は、加圧時に半導体素子１の底面（即ち領域５ｂ）からはみ出ることがない塗布量である。接合材２の接合後、即ち加熱および加圧後の厚さは、２０〜２００μｍ程度である。
【００７４】
以上のように、加圧プレス装置により、図３に示す２つの半導体素子１を同時に接合させることができる。２つに限らず、複数の半導体素子１を一括して加熱加圧することにより、同時に接合できるため、生産に優れている。
【００７５】
次に、半導体素子１の上面電極ともう一方の半導体素子１の上面電極との間、もしくは半導体素子１の上面電極と電極９の間を、例えばウエッジボンドによりＡｌから成るワイヤ７で配線接続する。
【００７６】
そして、最後に、エポキシが主成分の封止材１０にて、例えばトランスファーモールド法により、導電性基板５、半導体素子１、接合材２およびワイヤ７の封止を行う。このとき、導電性基板５の底面に絶縁金属層６が密着する。
【００７７】
本実施の形態における製造方法により、バルク材がもつ融点温度よりも低い温度（１８０℃〜３５０℃）で接合し、バルク材がもつ融点まで耐熱性を有した高品質な接合を得ることができる。よって、高温動作可能な高信頼性の半導体装置を得ることができる。
【００７８】
＜効果＞
本実施の形態における半導体装置の製造方法の、基板（即ち導電性基板５）の主面の接合領域５ａに焼結性の接合材２を配置する工程において、接合材２はシリンジから射出されることにより配置されることを特徴とする。
【００７９】
従って、接合を行う際に、半導体素子１を導電性基板５に対して加圧しながら加熱を行うため、半導体素子１を配置する領域の中央に接合材２を配置すれば、加圧されてほぼ同心円状に広がる。よって、接合材２を、シリンジを用いて配置しても、接合を行うことが可能である。
【００８０】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【符号の説明】
【００８１】
１  半導体素子、２  接合材、３  絶縁基板、３ａ，５ａ  接合領域、３ｂ，５ｂ  領域、４  放熱板、５  導電性基板、６  絶縁金属層、７  ワイヤ、８  ケース、９  電極、１０  封止材、１１  制御基板、１２  接着剤、１３  はんだ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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