(57)【要約】      （修正有）【課題】実使用中に半導体素子の中央部付近を起点に発生する接合層の熱劣化、亀裂を防止して、高いパワーサイクル耐性と信頼性の向上が図れるように改良した半導体装置およびその製造方法を提供する。【解決手段】金属粒子ペーストを高温硬化させて形成した下地層８ａと、金属粒子ペーストを低温硬化させて形成した表面膜の金属粒子が低温金属ロウ材に分散吸収されて形成された高温化金属ロウ材の層８ｂで構成される接合層５で、半導体チップ３の裏側と銅配線パターン２ｂを接合することで、耐熱性およびパワーサイクル性に強い接合性を確保し、半導体装置の信頼性を向上させることができる。【選択図】図２
2008300792.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップの主面と導体を固着してなる半導体装置において、前記半導体チップの主面に金属微粒子を用い高温にて硬化した第１の下地層と、前記導体の表面に金属微粒子を用い高温にて硬化した第２の下地層と、前記第１、第２の下地層より低温にて硬化させた金属微粒子を該金属微粒子より融点の低い低温金属ロウ材に分散吸収させて該低温金属ロウ材より融点を高くした高温化金属ロウ材の層と、からなる接合層で固着することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
半導体チップの主面と導体を固着してなる半導体装置において、前記半導体チップの主面に金属微粒子を用い高温にて硬化した第１の下地層と、前記導体の表面に金属微粒子を用い高温にて硬化した第２の下地層と、前記第１、第２の下地層より低温にて硬化させた金属微粒子を該金属微粒子より融点の低い低温金属ロウ材に分散吸収させて該低温金属ロウ材より融点を高くした高温化金属ロウ材の層と、前記金属微粒子が分散していない低温金属ロウ材の層と、からなる接合層で固着することを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
半導体チップの主面と導体を固着してなる半導体装置において、前記半導体チップの主面と前記導体の表面を、低温にて硬化させた金属微粒子を該金属微粒子より融点の低い低温金属ロウ材に分散吸収させて該低温金属ロウ材より融点を高くした高温化金属ロウ材の層と、前記低温金属ロウ材からなる接合層で固着することを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
前記半導体チップ表面と前記導体との間に、前記金属微粒子より融点の低い低温金属ロウ材のみからなる接合部をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記接合部は、前記接合層の外周部に配置されることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記高温金属ロウ材を構成する金属粒子が１００μｍ以下の粒径のＺｎ粒子、Ａｕ粒子、Ａｇ粒子、Ａｌ粒子、Ｎｉ粒子、Ｓｂ粒子、Ｂｉ粒子、Ｓｎ粒子、Ｐｄ粒子およびＣｕ粒子のいずれか含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記低温金属ロウ材が、Ｓｎ−Ａｇ，Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ，Ｓｎ−Ｃｕ，Ｓｎ−Ｚｎ，Ｓｎ−Ｉｎ，Ｓｎ−ＳｂおよびＳｎ−ＢｉのいずれかのＳｎリッチな鉛フリー半田やＩｎ、Ｂｉ、Ｓｂ、ＡｇおよびＣｕのいずれかを含む半田であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項８】
半導体チップの主面と導体を固着してなる半導体装置の製造方法において、
絶縁基板の回路パターン上と半導体チップの裏面の中央部に金属粒子ペーストをそれぞれ塗布する工程と、
該金属粒子ペーストを所定の温度で高温硬化させてポーラスな下地層をそれぞれ形成する工程と、
該下地層上に金属粒子ペーストを塗布し、前記高温硬化温度より低い所定の温度で低温硬化させてポーラスな表面膜を形成する工程と、
前記半導体チップ裏面全体に低温金属ロウ材の層を配置し、はんだリフロー炉で低温金属ロウ材の層を所定の温度で溶融させ、前記表面膜の金属粒子を前記低温金属ロウ材の層に分散吸収させ、硬化させて該低温金属ロウ材より融点を高くした高温化金属ロウ材の層を形成し、前記半導体チップの裏面と回路パターンを前記下地層と前記高温化金属ロウ材の層で構成される接合層で接合する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項９】
半導体チップの主面と導体を固着してなる半導体装置の製造方法において、
絶縁基板の回路パターン上と半導体チップの裏面の中央部に金属粒子ペーストをそれぞれ塗布する工程と、
該金属粒子ペーストを所定の温度で低温硬化させてポーラスな表面膜を形成する工程と、
前記半導体チップ裏面全体に低温金属ロウ材の層を配置し、はんだリフロー炉で低温金属ロウ材を所定の温度で溶融させ、前記表面膜の金属粒子を前記低温金属ロウ材の層に分散吸収させ、硬化させて該低温金属ロウ材より融点を高くした高温化金属ロウ材の層を形成し、前記半導体チップの裏面と回路パターンを前記下地層と前記高温化金属ロウ材の層で構成される接合層で接合する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
半導体チップの主面と導体を固着してなる半導体装置の製造方法において、
絶縁基板の回路パターン上と半導体チップの裏面の全面に金属粒子ペーストをそれぞれ塗布する工程と、
該金属粒子ペーストを所定の温度で高温硬化させてポーラスな下地層をそれぞれ形成する工程と、
該下地層上に金属粒子ペーストを塗布し、前記高温硬化温度より低い所定の温度で低温硬化させポーラスな表面膜を形成する工程と、
前記半導体チップ裏面全体に低温金属ロウ材の層を配置し、はんだリフロー炉で低温金属ロウ材の層を所定の温度で溶融させ、前記表面膜の金属粒子を前記低温金属ロウ材の層に分散吸収させ、硬化させて該低温金属ロウ材より融点を高くした高温化金属ロウ材の層を形成し、前記半導体チップの裏面と回路パターンを前記下地層と前記高温化金属ロウ材の層で構成される接合層で接合する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記金属粒子ペーストを加熱硬化させて金属粒子を焼結してポーラスな層を形成する代わりに、金属粒子を噴霧してポーラスな層を形成することを特徴とする請求項８〜１０のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、パワー用ＩＧＢＴモジュールなどを対象とする混相分散型接合材を用いた半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図８は、従来のＩＧＢＴモジュールの要部断面図である。図８において、１は放熱用銅ベース、２はセラミック板２ａの上面，下面に銅回路パターン２ｂ，銅箔２ｃを成層して銅ベース１に搭載した絶縁基板、３，４はＩＧＢＴ，ＦＷＤの半導体素子、５５は銅ベース１／絶縁基板の銅箔２ｃ，および絶縁基板の銅回路パターン２ｂ／半導体素子３，４の間を接合した半田接合層、６は銅ベース１の下面にサーマルコンパウンド７を挟んで伝熱的に接合し冷却体（ヒートシンク）であり、銅ベース１／銅箔２ｃ，および銅回路パターン２ｂ／半導体素子（半導体チップ３，４）の間を接合する半田材には板半田あるいはクリーム半田を使用し、リフロー法により接合して半田接合層５５を形成している。なお、図８では半導体素子３の上面電極に接合した配線部材、モジュール外囲ケースなどは省略して描かれてない。
【０００３】
一方、最近では環境問題からＳｎ−Ｐｂ系半田の代替として鉛成分を含まない鉛フリー半田が採用されるようになっており、前記のＩＧＢＴモジュール（パワーモジュール）に適用する半田材（低温金属ロウ材）としては、現在知られている各種組成の鉛フリー半田の中でも、取りわけ接合性（半田濡れ性）、機械的特性，伝熱抵抗などの面で比較的バランスがよく、かつ製品への実績もあるＳｎ−Ａｇ系の鉛（Ｐｂ）フリー半田が多く使われている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
また、特許文献１において、第１の金属と第２の金属とを接合するに当たり、２つの金属の間にＣｕポーラス板を介在させ、第１の金属とＣｕポーラス板との間、第２の金属とＣｕポーラス板との間にそれぞれＡｇナノペーストを配置して加熱して接合することが記載されている。
【非特許文献１】両角，他２名，「パワー半導体モジュールにおける信頼性設計技術」，富士時報，富士電機株式会社，平成１３年２月１０日，第７４巻，第２号，ｐ１４５〜１４８
【特許文献１】特開２００６−２０２９４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、先記のようにＳｎ−Ａｇ系の鉛フリー半田にて半導体素子／絶縁基板間を接合した半導体モジュールについて、そのパワーサイクル寿命を明らかにするために行ったパワーサイクル試験（モジュールの実動作を模擬した断続通電試験）で半田接合部に発生した亀裂（欠陥）の進展形態を観察したところ、Ｐｂ系の半田とは亀裂発生の形態が異なりＳｎＡｇ系の鉛フリー半田では、図９で表すように発熱密度が集中する半導体チップ３の中央部下付近を起点としてほぼ同心円状に亀裂２４が進展することが認められている。また、この亀裂２４の特徴は、半田接合層５５の厚さ方向に対して平行な縦割れ，または網目状を呈してＳｎの結晶粒界を選択的に進展している。このことから、ＳｎＡｇ系の鉛フリー半田では熱劣化（組織変化）によって亀裂２４が進行するものと想定される（非特許文献１のｐ１４７参照）。
【０００６】
つまり、この場合の半田接合層５５内部の破壊進展は、作業性の容易さから半田の融点が２００〜３００℃程度と低いことと、線膨張係数の半導体素子（シリコン：α≒３．０ｐｐｍ／Ｋ）及び絶縁基板の配線素材（銅など：α≒１８．０ｐｐｍ／Ｋ）のミスマッチによる熱応力が半田に加わることと、半田接合材自体の再結晶化に伴う組織変化が起こることにより、特にＳｎリッチな鉛フリー半田において寿命を著しく損なわれるものと想定される。
【０００７】
前記のように、半導体素子（半導体チップ３）と絶縁基板２との間をＳｎＡｇ系の鉛フリー半田で接合した半導体装置では、実使用時のヒートサイクルにより半導体チップ３の中央部下付近の半田接合層５５が熱劣化（組織変化）して亀裂２４，割れが生じ、これが原因で半導体素子／絶縁基板間の熱抵抗が増加して半導体素子のジャンクション温度（Ｔｊ）が動作を保証する最高保証温度(最大定格)を超えるようになって素子機能がダウンするおそれがあり、このことが製品のパワーサイクル寿命を縮める要因になっている。
【０００８】
また、特許文献１によれば、金属粒子を塗布硬化させることなどでポーラス層を形成することやポーラス層を半田接合に用いることなどについては開示がされていない。
【０００９】
この発明の目的は、前記の課題を解決して、実使用中に半導体素子の中央部付近を起点に発生する接合層の熱劣化、亀裂を防止して、高いパワーサイクル耐性と信頼性の向上が図れるように改良した半導体装置およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記の目的を達成するために、半導体チップの主面と導体を固着してなる半導体装置において、前記半導体チップの主面に金属微粒子を用い高温にて硬化した第１の下地層と、前記導体の表面に金属微粒子を用い高温にて硬化した第２の下地層と、前記第１、第２の下地層より低温にて硬化させた金属微粒子を該金属微粒子より融点の低い低温金属ロウ材に分散吸収させて該低温金属ロウ材より融点を高くした高温化金属ロウ材の層と、からなる接合層で固着する構成とする。
【００１１】
また、半導体チップの主面と導体を固着してなる半導体装置において、前記半導体チップの主面に金属微粒子を用い高温にて硬化した第１の下地層と、前記導体の表面に金属微粒子を用い高温にて硬化した第２の下地層と、前記第１、第２の下地層より低温にて硬化させた金属微粒子を該金属微粒子より融点の低い低温金属ロウ材に分散吸収させて該低温金属ロウ材より融点を高くした高温化金属ロウ材の層と、前記金属微粒子が分散していない低温金属ロウ材の層と、からなる接合層で固着する構成とする。
【００１２】
また、半導体チップの主面と導体を固着してなる半導体装置において、前記半導体チップの主面と前記導体の表面を、低温にて硬化させた金属微粒子を該金属微粒子より融点の低い低温金属ロウ材に分散吸収させて該低温金属ロウ材より融点を高くした高温化金属ロウ材の層と、前記低温金属ロウ材からなる接合層で固着する構成とする。
【００１３】
また、前記半導体チップ表面と前記導体との間に、前記金属微粒子より融点の低い低温金属ロウ材のみからなる接合部をさらに備えた構成とする。
【００１４】
また、前記接合部は、前記接合層の外周部に配置される構成とする。
【００１５】
また、前記高温金属ロウ材を構成する金属粒子が１００μｍ以下の粒径のＺｎ粒子、Ａｕ粒子、Ａｇ粒子、Ａｌ粒子、Ｎｉ粒子、Ｓｂ粒子、Ｂｉ粒子、Ｓｎ粒子、Ｐｄ粒子およびＣｕ粒子のいずれか含むとよい。
【００１６】
また、前記低温金属ロウ材が、Ｓｎ−Ａｇ，Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ，Ｓｎ−Ｃｕ，Ｓｎ−Ｚｎ，Ｓｎ−Ｉｎ，Ｓｎ−ＳｂおよびＳｎ−ＢｉのいずれかのＳｎリッチな鉛フリー半田やＩｎ、Ｂｉ、Ｓｂ、ＡｇおよびＣｕのいずれかを含む半田であるとよい。
【００１７】
また、半導体チップの主面と導体を固着してなる半導体装置の製造方法において、
絶縁基板の回路パターン上と半導体チップの裏面の中央部に金属粒子ペーストをそれぞれ塗布する工程と、
該金属粒子ペーストを所定の温度で高温硬化させてポーラスな下地層をそれぞれ形成する工程と、
該下地層上に金属粒子ペーストを塗布し、前記高温硬化温度より低い所定の温度で低温硬化させてポーラスな表面膜を形成する工程と、
前記半導体チップ裏面全体に低温金属ロウ材の層を配置し、はんだリフロー炉で低温金属ロウ材の層を所定の温度で溶融させ、前記表面膜の金属粒子を前記低温金属ロウ材の層に分散吸収させ、硬化させて該低温金属ロウ材より融点を高くした高温化金属ロウ材の層を形成し、前記半導体チップの裏面と回路パターンを前記下地層と前記高温化金属ロウ材の層で構成される接合層で接合する工程と、
を含む製造方法とする。
【００１８】
また、半導体チップの主面と導体を固着してなる半導体装置の製造方法において、
絶縁基板の回路パターン上と半導体チップの裏面の中央部に金属粒子ペーストをそれぞれ塗布する工程と、
該金属粒子ペーストを所定の温度で低温硬化させてポーラスな表面膜を形成する工程と、
前記半導体チップ裏面全体に低温金属ロウ材の層を配置し、はんだリフロー炉で低温金属ロウ材を所定の温度で溶融させ、前記表面膜の金属粒子を前記低温金属ロウ材の層に分散吸収させ、硬化させて該低温金属ロウ材より融点を高くした高温化金属ロウ材の層を形成し、前記半導体チップの裏面と回路パターンを前記下地層と前記高温化金属ロウ材の層で構成される接合層で接合する工程と、
を含む製造方法とする。
【００１９】
また、半導体チップの主面と導体を固着してなる半導体装置の製造方法において、
絶縁基板の回路パターン上と半導体チップの裏面の全面に金属粒子ペーストをそれぞれ塗布する工程と、
該金属粒子ペーストを所定の温度で高温硬化させてポーラスな下地層をそれぞれ形成する工程と、
該下地層上に金属粒子ペーストを塗布し、前記高温硬化温度より低い所定の温度で低温硬化させポーラスな表面膜を形成する工程と、
前記半導体チップ裏面全体に低温金属ロウ材の層を配置し、はんだリフロー炉で低温金属ロウ材の層を所定の温度で溶融させ、前記表面膜の金属粒子を前記低温金属ロウ材の層に分散吸収させ、硬化させて該低温金属ロウ材より融点を高くした高温化金属ロウ材の層を形成し、前記半導体チップの裏面と回路パターンを前記下地層と前記高温化金属ロウ材の層で構成される接合層で接合する工程と、
を含む製造方法とする。
【００２０】
また、前記金属粒子ペーストを加熱硬化させて金属粒子を焼結してポーラスな層を形成する代わりに、金属粒子を噴霧してポーラスな層を形成してもよい。
【発明の効果】
【００２１】
この発明によれば、半導体チップの裏側と銅配線パターンおよび半導体チップの表側とヒートスプレッダとの固着に本発明の接合層を用いることで、耐熱性およびパワーサイクル性に強い接合性を確保し、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
【００２２】
この接合層は、金属粒子ペーストを高温硬化させて形成した下地層と、金属粒子ペーストを低温硬化させて形成した表面膜の金属粒子が低温金属ロウ材に分散吸収されて形成された高温化金属ロウ材の層で構成される。
【００２３】
または、この接合層は、金属粒子ペーストを低温硬化させて形成した表面膜の金属粒子が低温金属ロウ材に分散吸収されて形成された高温化金属ロウ材の層である。
【００２４】
この高温化金属ロウ材の層を実動作で高温になる半導体チップの中央部に形成すると効果的である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
実施の形態を以下の実施例で説明する。本発明のポイントは、半導体チップと導体を接合する接合層の材質を低温金属ロウ材にこれより高融点の金属粒子を微細分散させることで低融点の低温金属ロウ材を高融点化した高温化金属ロウ材に変質させて混相分散型接合材にしたことである。尚、下記の図において、従来構造と同一の部位には同一の符号を付した。
【実施例１】
【００２６】
図１は、この発明の第１実施例の半導体装置の要部断面図である。図１において、１は放熱用銅ベース、２はセラミック板２ａの上面，下面に銅回路パターン２ｂ，銅箔２ｃを成層して銅ベース１に搭載した絶縁基板、３，４はＩＧＢＴ，ＦＷＤの半導体素子、５は絶縁基板の銅回路パターン２ｂ／半導体素子（半導体チップ３，４）の間を接合した接合層、６は銅ベース１の下面にサーマルコンパウンド７を挟んで伝熱的に接合し冷却体（ヒートシンク）、１５は銅ベース１／絶縁基板の銅箔２ｃの半田接合層である。なお、図２では半導体素子３の上面電極に接合した配線部材、モジュール外囲ケースなどは省略して描かれてない。
【００２７】
図２は、図１のうち半導体チップの裏面と絶縁基板２ａ表面側の銅回路パターン２ｂとの接合層５の図であり、同図（ａ）は要部断面図、同図（ｂ）は要部平面図である。接合層５は中央部に焼結された金属粒子のポーラス状（多孔質状）の下地層８ａと高温化金属ロウ材の層８ｂが配置され、その外周部に低温金属ロウ材の層９が配置されている。
【００２８】
製造工程の途中においては、金属粒子の層は下地層８ａと表面膜８ｅ（図３参照）の２層となっており、半導体チップ３および銅回路パターン２ｂと接する側から順に下地層８ａと、この下地層８ａ上に表面膜８ｅが形成されている。半導体チップ３と銅回路パターン２ｂのそれぞれの表面膜８ｅの間に低温金属ロウ材の層９（図示せず）を挟み熱処理することで表面膜８ｅを形成する金属粒子が低温金属ロウ材の層９に分散し吸収されて硬化膜が形成される。この硬化膜は高温化した金属ロウ材の層（以下、高温化金属ロウ材の層８ｂという）となる。
【００２９】
また、表面膜８ｅを取り囲むように低温金属ロウ材の層９が配置されているので、接合層５は金属粒子の下地層８ａと高温化金属ロウ材の層８および低温金属ロウ材の層９で構成されることになる。
【００３０】
高温硬化および低温硬化された金属粒子で形成される下地層８ａと表面膜８ｅおよび鉛フリー半田などの低温金属ロウ材の層９について説明する。まず、下地層８ａと表面膜８ｅについて説明する。
【００３１】
下地層８ａと表面膜８ｅは金属粒子ペーストを用いて形成する。金属ペーストは、Ａｇなどの金属粒子（粒子径はｎｍ〜１００μｍのオーダー：金属粉体という場合もある）を樹脂や有機溶剤に分散させてペースト状にしたものである。金属粒子ペーストは、熱硬化性樹脂などで金属粒子間を充填したものと、揮発性の高いエタノール系溶剤で金属粒子間を充填したものに分類される。揮発性の高いエタノール系溶剤で金属粒子間を充填したものは加熱により粒子状の凝集物が焼結結合を形成しやすくまた溶剤が残留しない。このため、熱硬化性樹脂などで金属粒子間を充填したものより導電性、熱伝導性の面で有利である。
【００３２】
図３は，半導体チップの裏面に金属粒子ペーストを塗布し加熱硬化させたときの状態を示し、同図（ａ）は高温硬化させた下地層８ａと低温硬化させた表面膜８ｅを示した図であり、同図（ｂ）は表面膜８ｅを微細に示した図であり、同図（ｃ）は下地層８ａを微細に示した図である。
【００３３】
金属粒子ペーストは低い温度で加熱して溶剤を揮発させる（低温硬化させる）ことにより、図３（ｂ）に示したようにクラスター１１の硬化膜である中温金属ロウ材の層となるが、このままだとお互いの結合は強くなく容易に分解する。この状態を利用したのが表面膜８ｅである。
【００３４】
金属粒子ペーストを高温での熱処理で高温硬化させることにより、図３（ｃ）に示すようにクラスターが分解して小さなクラスター１２に微細化する一方、微細化したクラスター１２の間を架橋１３するような部分的な結合状態が生じ、形成された硬化膜は高温金属ロウ材の層８ａとなり、その接合強度を高くすることができる。
【００３５】
つぎに、低温金属ロウ材の層９について説明する。この低温金属ロウ材は低温半田と言われるものであり、その中でもここでは鉛が含有されていない半田のことを示す。具体的にはＳｎ−Ａｇ，Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ，Ｓｎ−Ｃｕ，Ｓｎ−Ｚｎ，Ｓｎ−Ｉｎ，Ｓｎ−ＳｂおよびＳｎ−ＢｉなどのＳｎリッチな鉛フリー半田やＩｎ、Ｂｉ、Ｓｂ、Ａｇ、Ｃｕなどの半田である。
【００３６】
つぎに，図４の半導体装置の製造方法を説明する。
【００３７】
図４は、図１の半導体装置の製造方法であり、同図（ａ）〜同図（ｆ）は工程順に示した要部製造工程断面図である。ここでは図２に相当に部分の製造工程を示す。
【００３８】
同図（ａ）において、半導体チップ３の裏面上と図示しない絶縁基板の銅回路パターン２ｂ上の中央部に金属粒子ペースト８ｄをそれぞれ塗布する（図では半導体チップ３側のみ示した）。
【００３９】
同図（ｂ）において、低温硬化温度より高い４００℃以上の高温で高温硬化させ高温金属ロウ材の層である下地層８ａを形成する。この金属粒子ペースト８ｄは、粒子径が１００μｍ以下の粒径のＺｎ粒子、Ａｕ粒子、Ａｇ粒子、Ａｌ粒子、Ｎｉ粒子、Ｓｂ粒子、Ｂｉ粒子、Ｓｎ粒子、Ｐｄ粒子およびＣｕ粒子のいずれかの粒子を溶剤に混入してペースト状としたものでその粘度は３０Ｐａ・ｓである。勿論、金属粒子には粒子径がナノオーダの金属ナノ粒子も含む。
【００４０】
同図（ｃ）において、下地層８ａ上に金属粒子ペースト８ｄを塗布する。
【００４１】
同図（ｄ）において、３００℃以上の温度で低温硬化させ、中温金属ロウ材の層である表面膜８ｅを形成する。
【００４２】
同図（ｅ）において、半導体チップ３の裏面に形成された表面膜８ｅ上とそれ以外の全領域に鉛フリー半田などの低温金属ロウ材を塗布もしくは個形化したペレットを配置し低温金属ロウ材の層９とし、図示しない銅回路パターン２ｂ上にこの低温金属ロウ材の層９が付いた半導体チップ３を載せて、はんだリフロー炉２２（例えば、２５０℃／２ｍｉｎ）で中央部の低温金属ロウ材の層９を溶融させ、中温金属ロウ材の層で形成された表面膜８ｅ中の金属粒子を低温金属ロウ材の層９に微細分散させ、半導体チップ３の裏面と銅回路パターン２ｂを固着する。この工程で低温金属ロウ材の層９は表面膜８ｅの金属粒子を吸収して高温化金属ロウ材の層８ｂに変質し、表面膜８ｅは消滅する。そのため接合層５は下地層８ａと高温化金属ロウ材の層８および外周部の低温金属ロウ材９で構成される。前記の低温金属ロウ材としては、Ｓｎ−Ａｇ，Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ，Ｓｎ−Ｃｕ，Ｓｎ−Ｚｎ，Ｓｎ−Ｉｎ，Ｓｎ−ＳｂおよびＳｎ−ＢｉなどのＳｎリッチな鉛フリー半田やＩｎ、ＢｉおよびＣｕなどの半田である。
【００４３】
また、接合層５の中央部においては、接合層５を形成する過程で、ゆるい結合状態のクラスター状の高温融点を有する微細粒子（表面層８ｅの中温金属ロウ材中の金属粒子）が、凝集状態から溶融状態にある低温金属ロウ材の層９の内部に微細分散して微細粒子が密になる箇所が接合後に形成され高温化金属ロウ材の層８ｂとなる。
【００４４】
また、低温金属ロウ材が前記したＳｎ−Ａｇ，Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕなどの鉛フリー半田であって、表面層８ｅの中温金属ロウ材の層の金属粒子が純Ａｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｕ、、Ａｌ、Ｎｉ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｓｎ、ＰｄおよびＣｕなどであると、接合層５が形成される場合、凝集粒子が分散し、個別粒子の半田界面での固相反応が進展するので前記の図５に示すように、中央付近の接合層５では金属粒子の密度が高くなった状態での接合状態となる。すなわち、高温相の高密度箇所では合金組成として融点の高い構成となるので接合に用いた低温金属ロウ材の層９の実装温度よりも接合した後の耐熱温度が向上する高温化金属ロウ材の層８ｂとになり、先述した半導体チップ３の接合部の高温耐量を向上させ、高いパワーサイクル性が確保できて半導体装置の信頼性を向上させることとなる。
【００４５】
また、高温化金属ロウ材の層８ｂは図５に示すように実動作の際に高温状態が想定される中央部に形成するとよい。
【００４６】
同図（ｆ）において、リフロー炉２２から半導体チップ３と銅回路パターン２ｂが接合層５で固着した状態で取り出す。
【００４７】
尚、同図（ａ）〜同図（ｄ）の工程において、下地層８ａおよび表面膜８ｅの形成において、下地層８ａは金属粒子（金属粉体）を音速に近い噴流（ジェット流）で衝突させて形成し、表面膜８ｅは音速の半分から７割程度の速度にした噴流（ジェット流）で金属粒子（金属粉体）を衝突させて形成してもよい。この高温金属ロウ材で形成された下地層８ａおよび中温金属ロウ材で形成された表面膜８ｅはポーラス膜である。
【実施例２】
【００４８】
図６は、この発明の第２実施例の半導体装置の要部断面図である。図１との違いは、下地層８ａを形成しないで高温化金属ロウ材８ｂのみ形成した点である。この場合，下地層８ａがないために図１と比べて半導体チップ３や銅回路パターン２ｂとの界面の接合強度が弱まるが従来の低温金属ロウ材（低温半田）の層９のみの接合と比べれば接合強度は強くなる。以下にその製造方法を図４を参照しながら説明する。
【００４９】
銅回路パターン２ｂ上と半導体チップ３の裏面の中央部に金属粒子ペースト８ｄをそれぞれ塗布する。
【００５０】
つぎに、金属粒子ペースト８ｄを３００℃以上の温度で低温硬化させてポーラスな表面膜８ｅを形成する。
【００５１】
つぎに、前記半導体チップ３裏面全体に低温金属ロウ材の層９を配置し、はんだリフロー炉２２で低温金属ロウ材の層９を溶融させ、表面膜８ｅの金属粒子を低温金属ロウ材の層９に分散吸収させ、硬化させて高温化金属ロウ材の層８ｂを形成し、前記半導体チップ３の裏面と銅回路パターン２ｂを下地層８ａと高温化金属ロウ材の８および周囲の低温金属ロウ材の層９で構成される接合層５で接合する。
【実施例３】
【００５２】
図７は、この発明の第３実施例の半導体装置の要部断面図である。図１との違いは、全面に下地膜を形成した点である。全面に下地膜８ａを形成すると、下地層８ａはポーラス膜であるため、接合部分の空隙体積が増加して図１の場合に比べて接合強度の低下を招くが，従来の低温金属ロウ材（低温半田）の層９のみの接合に比べれば接合強度は高くなる。また、表面膜８ｅも製造工程途中で全面に形成するが、表面膜８ｅの金属粒子は低温金属ロウ材の層９中に分散吸収されて低温金属ロウ材の層９が高温化金属ロウ材の層８ｂに変質して表面膜８ｅは消滅する。
【００５３】
前記実施例は半導体チップ３の裏面側と銅配線パターン２ｂの固着に本発明の接合層５を用いた例を示したが、半導体チップ３の表側と図示しないヒートスプレッダの固着にこの接合層５を用いてもよい。以下にその製造方法を図４を参照しながら説明する。
【００５４】
銅回路パターン２ｂ上と半導体チップ３の裏面の全面に金属粒子ペースト８ｄをそれぞれ塗布する。
【００５５】
つぎに、金属粒子ペースト８ｄを低温硬化温度より高い４００℃以上の温度で高温硬化させてポーラスな下地層８ａをそれぞれ形成する。
【００５６】
つぎに、下地層８ａ上に金属粒子ペースト８ｄを塗布し、３００℃以上の温度で低温硬化させポーラスな表面膜８ｅを形成する。
【００５７】
つぎに、半導体チップ３裏面全体に低温金属ロウ材の層９を配置し、はんだリフロー炉２２で低温金属ロウ材の層９を溶融させ、表面膜８ｅの金属粒子を低温金属ロウ材の層９に分散吸収させ、硬化させて高温化金属ロウ材の層８ｂを形成し、半導体チップ３の裏面と銅回路パターン２ｂを下地層８ａと高温化金属ロウ材の層８ｂで構成される接合層で接合する。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】この発明の第１実施例の半導体装置の要部断面図
【図２】図１のうち半導体チップの裏面と絶縁基板２表面側の銅回路パターン２ｂとの接合層５の図であり、（ａ）は要部断面図、（ｂ）は要部平面図
【図３】半導体チップの裏面に金属粒子ペーストを塗布し加熱硬化させたときの状態を示し、（ａ）は高温硬化させた下地層８ａと低温硬化させた表面膜８ｅを示した図であり、（ｂ）は表面膜８ｅを微細に示した図であり、（ｃ）は下地層８ａを微細に示した図
【図４】図１の半導体装置の製造方法であり、（ａ）〜（ｆ）は工程順に示した要部製造工程断面図
【図５】半導体チップの中央部に高温化金属ロウ材の層８ｂを形成した図
【図６】この発明の第２実施例の半導体装置の要部断面図
【図７】この発明の第３実施例の半導体装置の要部断面図
【図８】従来のＩＧＢＴモジュールの要部断面図
【図９】半導体チップ３の中央部下付近の半田接合層に亀裂が進展した様子を示す図
【符号の説明】
【００５９】
１    放熱用ベース
２    絶縁基板
２ａ  セラミック板
２ｂ  銅回路パターン
２ｃ  銅箔
３    半導体チップ（ＩＧＢＴ）
４    半導体チップ（ＦＷＤ）
５    接合層
６    冷却体
７    サーマルコンパウンド
８ａ  下地層
８ｂ  高温化金属ロウ材の層
８ｄ  金属粒子ペースト
８ｅ  表面膜
９    低温金属ロウ材の層
１１    クラスター（大きい）
１２    クラスター（小さい）
１３    架橋
１５    半田層
２２    リフロー炉
【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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