(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体モジュールと、基板、他の半導体、回路基板あるいは接続端子といった接続相手とが、温度負荷工程により、高温および温度変化に強い接続を形成する方法であって、この接続方法は；
前記半導体モジュールの第１の側と、この第１の側に接続される前記接続相手の第２の側を、金属粉懸濁液でコーティングするステップと、
前記第１、第２の側に塗布された懸濁液コーティングは、乾燥により揮発性成分が放出されて、多孔質層が形成されるステップと、
前記多孔質層を予め圧縮するステップと、
前記懸濁液コーティングを通した完全な焼結を実施することなく、まず搬送可能な部品を形成するために、前記半導体モジュールを前記接続相手に接続するステップと、
前記接続相手の第２の側を、前記半導体モジュールの第１の側に取り付けるステップと、
前記半導体モジュールを、無加圧加熱工程により焼結して、前記接続相手に熱的および電気的に接続するステップと
から構成される方法。
【請求項２】
前記焼結の品質を向上させるため、焼結の際の雰囲気に不活性ガスまたは反応ガスが混入されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ガスは主として窒素を含んでいることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記ガスは、フォーミングガスであることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体モジュールと接続相手との間に高温および温度変化に強い接続を形成する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特に自動車（ハイブリッド車）用のパワーエレクトロニクスへの高まる需要によって、製造されるパワー半導体部品のパーツ数が著しく増加している。当然のことながら自動車生産との関連でできるだけ低く維持されなくてはならないコストに対応するため、製造方法は絶えず最適化されている。
【０００３】
費用のかかる焼結接合の製造工程は、例えば本出願人の特許文献１に記載されているが、実際の焼結（いわゆる最終焼結）には３０ＭＰａを超える圧力が必要であり、これを特別な装置によって数秒から数分の間、加えなければならない。
【０００４】
一方、切断が難しい、乾燥・加熱工程を終えた金属粉懸濁液の乾燥層を、“切断できる”ように予め低圧を加えて圧縮することは、上記文献で既に知られている。
【０００５】
さらに、周知の半田付け工程では、ワークピースを適切な温度で加熱することにより、ワークピース上に配された半田材料が融解して、しっかりとした半田付け接続を形成することが可能であることが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】独国特許１０２００６０３３０７３号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、適切な金属粉懸濁液を選択して、これを、局所的に例えば５ＭＰａといった低い圧力を加えるか、あるいは例えば２５０℃で加熱することで活性化させて、焼結プロセスを開始させることができるという知識に基づくものであり、これによって、後の製造工程で処理を行うために搬送することが可能である程度にまで固定することができる。
【０００８】
この場合、臨界焼結圧力を加える必要のない接合手段により、電極面をもつ電気部品が、いくつかの製造工程を経て、基板材料に接合されている銀あるいは金の面に接続される。
【０００９】
これにより、本発明の方法は、高価な加圧装置を用いることなく実行することが可能であり、サイクル速度をかなり高くしても、焼結接合によりモジュールを構成することが可能である。
【００１０】
この場合、基板材料として、例えば、有機導体板（ＰＣＢ、セラミック導体板、ＤＢＣ、メタルコア・プリント導体板、ＩＭＳまたは導体リードフレーム、リードフレーム、セラミック・ハイブリッド回路基板、など）のような回路基板を用いることが可能となる。電気部品は、パッケージ化されていない半導体部品、あるいは成形品すなわちパッケージ化された半導体部品とすることができる。電気接触接続部、ＳＭＤモジュールなども、本発明の接合プロセスにより接続することが可能である。
【００１１】
２０〜３０ＭＰａのほぼ等静圧で同時加圧すると共に接合相手をおよそ２２０℃で同時に加熱することにより接続を形成する、いわゆる低温焼結との違いは、それよりずっと低い圧力で迅速に、すなわち数秒の間加熱することで接続を形成することが可能であることである。
【発明の効果】
【００１２】
さらには、従来技術のつぎのような問題を回避することができる。
【００１３】
従来のように高圧で加熱すると、接合相手の材料内で誘発される静的及び動的ストレスが増加し、これによって、非常に脆い材料である例えばパッケージ化されていないシリコン半導体デバイスやセラミック導体板にクラックが生じる。
【００１４】
このような材料の生来の脆弱性は、従来の処理方法において課題であった。シリコン・チップには、最初から既に微小クラックがあり、切断時に、切断面においてそのクラックが進行してしまっていた（いわゆるチッピング）。セラミック導体板では、割れ目により予め部分的に損傷させたものがレーザー切断されていた。
【００１５】
従来の低温焼結の場合、問題のクラックが大きくなって破壊に至るようなことは、後に高圧処理が行われる時になって初めて観測されていた。一部の非平面的な部品の場合、その複雑な３次元形状と脆弱性（例えば、ＳＭＤ抵抗、およびＳＭＤコンデンサ）のせいで、前には亀裂がなかった処理領域が、低温焼結により直接損傷されることがある。
【００１６】
本発明の方法によると、従来技術に比較して、４つの優れた点がある。
・電子部品の配置および固定が、その部品を回路基板上で所望の位置に維持するのにちょうど適した小さな力で行われる。
・固定と焼結が２つの別のプロセスである。固定は、主に、接合部表面の引っ掛かりと銀接着層により行われる。
・続く焼結は、温度が１７０℃から３００℃であるオーブンの中で加圧することなく可能であり、このため、生産ラインに入れることが容易である。
・焼結品質を向上させるため、特定の金属懸濁液の層に応じて、不活性ガス雰囲気または反応ガス雰囲気を選択することができる。例えば、窒素は不活性ガスとして適しており、また、フォーミングガスあるいはギ酸を含んだ不活性ガスを反応ガスとして用いることができる。
【００１７】
固定における引っ掛かりは、雪だるまを転がしたときに雪の結晶がくっつくことに例えることができる。表面が粗いことと、圧縮が可能であることによって、層の厚さを大きく減らすことなく噛み合うことになる。
【００１８】
本発明の更なる利点および特徴は、添付の図面を参照して以下で行われる好ましい実施形態の説明により明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、予め塗布され乾燥された金属懸濁液層１２の上方に配置された、メタライズされた部品１６である。
【図２】図２は、低圧で互いに固定された図１のエレメントである。
【図３】図３は、好ましく完全な保持能力の焼結２４を提供するための無加圧加熱工程の後の、図２のエレメントである。
【図４】図４は、図１のように予め塗布され乾燥された金属懸濁液層１２の上方にある、下面と上面をメタライズされた部品１６である。
【図５】図５は、低圧で固定された図４のエレメント、およびこれらの上方に離れて配置された接触タブ５０である。
【図６】図６は、接触タブ５０も他のエレメント１０，１６と低圧で固定された、図５のエレメントである。
【図７】図７は、すべての固定された接触位置で好ましく完全な保持能力の焼結７０を提供するための無加圧加熱工程の後の、図６のエレメントである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
ステップ１：
基板材料１０またはチップ１６の裏側、あるいは好ましい実施形態では接合される両方の面に、好ましくはステンシル印刷により、銀粒子を含む均一な厚さの層１２，１４が形成される。これは、部品が配置される場所に選択的に形成されるか、あるいはチップ１６の場合はその表面全体に形成される。その他の形成方法、特に吹付けも考えられる。しかし、銀粒子溶液でのディッピングあるいはスピンオンによると、層の厚さが変動するという問題が生じる。
【００２１】
ステップ２：
形成された後、層１２，１４は乾燥されて、これにより、揮発性有機物質が取り除かれる。プロセスの高いサイクル速度を保証するため、１５０℃までの温度をサポートしている。このようにして作られた乾燥層は、高空隙率で高粗度である。
【００２２】
このステップが省略されて、いわゆる“ウェット塗布”とされた場合、そのときまだ溶剤懸濁液の中で動くことができる銀粒子が、脱ガス時にも移動可能であり、これによって、層の中に溶剤の放出チャネルが形成されるという懸念がある。このようなチャネルは、極めて望ましくない微小クラックを生じさせる。従って、層１２を完全に乾燥させることは、金属懸濁液が熱的に活性化される成分を含んでいるかどうかに関わらず、この方法の不可欠な部分である。しかしながら、そのような組成物は、好ましくは、１５０℃の乾燥温度では追加の発熱エネルギーが放出されないように選択され、そのような放出は２５０℃といったずっと高い温度でのみ可能である。
【００２３】
金属粉懸濁液の選択された組成と協調して、プロセスを加速させるため、乾燥温度は十分高くされるが、それでも焼結が早く生じすぎないように選択される。
【００２４】
ステップ３：
電気部品１６はグリップ装置と配置装置により所定の位置に動かされ、それらの部品１０，１６に塗布された片面の銀層１２あるいは両面の銀層１２，１４に力が加えられることで、互いにうまく押し付けられて、互いに引っ掛かる。これは、０．１〜３秒の短い配置プロセスであり、粗い表面２０が変形して互いに引っ掛かるようにするのに要する力は非常に大きい。引っ掛かりによる固定は、後の使用のための要件を満たす必要はなく、製造工程での移動中にずれ落ちない程度に強ければよい。
【００２５】
先に雪の例で説明したように、銀または金の表面の粗い乾燥金属層が、２次元で噛み合っていることにより、簡単な付着が提供される（図２、図６）。同様にして、雪玉はコンクリート壁に付着したり、あるいは雪玉を作るときには雪自体にも付着したりする。
【００２６】
このときの付着は室温では不十分であり、例えば１５０℃まで温度をまた上げることで、付着を向上させることができる。これは、“雪”の例の場合のベタ雪と同じである。
【００２７】
ステップ４：
第４のステップでは、このように固定された部品１６に対して、加圧を伴うことなくその後の熱処理が最終的に実施されて、接合相手の境界面２０で銀原子の拡散が生じ、またその逆も生じて、これにより、高温および温度変化に強い望ましい接続２４が形成される。これは自動車に適しており、安定した接続が何年も持続することもある。
【００２８】
図１は、通常の方法により予めメタライズ（１４）された部品１６を示しており、その部品１６が金属懸濁液層１２の上方に配置されている。この層１２は、例えばおよそ５０ミクロンで予め塗布されて１４０℃未満の温度で数分間（好ましくは１〜３分）乾燥されたものである。この層１２を予め適切に圧縮することで、より良く保つことができ、部品１６の固定の前に既に層に擦り傷ができてしまうことを防止できる。
【００２９】
さらに、接続相手の１つの変形例として、同じかまたは類似の方法で、すなわち予め実施したメタライゼーションに用いたような方法で、層１４が形成されたものとすることができ、これはさらに焼結されたものである。これを、単に乾燥されたペースト／懸濁液であって、焼結されていない層とすることもできる。
【００３０】
そして、エレメント１０，１６（図２参照）は、低圧で１つに固定される。この場合、圧力は１〜１０ＭＰａであり、好ましくは２〜６ＭＰａであり、さらに、本実施形態では、５ＭＰａ未満で１秒間実施されることがより好ましい。
【００３１】
図３は、ペーストに応じた標準的には２３０℃超である温度で無加圧加熱工程を実施した後の、図２のエレメントを示しており、これによって、好ましく完全な保持能力の焼結２４が提供される。反応性プロセスガスによって焼結を加速させることができる。
【００３２】
図４〜７は、多くの考え得るエレメントを代表する接触タブ５０が、低圧で、アセンブリに同様に固定される様子を示している。
【００３３】
非常に効果的な方法では、接触タブ５０に低圧を加えて、これを搬送可能となるように他のエレメント１０，１６に予め固定し、最後に、すべての固定された接触位置で（例えば、もっと多くの接触タブがある場合）好ましく完全な保持能力の焼結７０を提供するための無加圧加熱工程を実施することで、高温および温度変化に強い望ましい接続であって、何年もの間の安定した接続が得られる（図７）。
【００３４】
本発明の方法は、温度負荷工程によって、高温および温度変化に強い接続を半導体モジュールと半導体デバイスとの間に形成する。この方法では、後に個々の半導体モジュールの接合される領域には、金属粉懸濁液が塗布されて、この懸濁液層１２を乾燥させることで揮発性物質を放出させて、多孔質層を形成する。そして、懸濁液層１２全体にわたる完全な焼結を実施することなく、多孔質層は予め圧縮される。焼結によって、半導体モジュール１０を、基板１０、他の半導体１６、または回路基板からなるグループから選択される接続相手１０に接続する、導電性かつ熱伝導性の強固な接続２４，７０を得る。その接続は、加圧することなく加熱によって形成された焼結接合であり、これは乾燥された金属粉懸濁液１２からなるもので、接続相手との予圧工程を経て、まず接続相手との接触を搬送可能に固定され（図２、図６）、そして無加圧での加熱焼結が実施されたものである。これを１つの好ましい実施形態において拡張して、接続相手の１つより多くの面に金属懸濁液を塗布することもできる。
【００３５】
さらに、焼結品質を向上させるため、加熱の際に（密閉されたチェンバ内の）雰囲気に不活性ガスまたは反応ガスを混入することができる。不活性ガスは、主成分として窒素を含むものであることが好ましい。反応ガスは、その主成分がフォーミングガスであるものとすることができる。
【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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