(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の部材と、第２の部材と、を含みこれらの間に接合部を有する組立品を加圧及び加熱により製造する方法であって、
前記第１の部材と前記第２の部材との間に、金属微粒子を含む接合材料を挟んだものを、第１の支持部材と第２の支持部材との間に、前記第１の支持部材と前記第２の支持部材との距離を維持するように挟み込むように配置し、前記距離は、前記第１の支持部材の寸法により維持され、前記第１の支持部材は、ロック機構により固定され、前記第１の支持部材の前記寸法は、前記第１の支持部材の凹部の深さに対応するものであり、
前記第１の部材、前記第２の部材及び前記接合材料を加熱し、その際にこれらの熱膨張を押さえ込む前記第１の支持部材及び前記第２の支持部材からの圧縮応力を利用して前記接合材料を加圧し、これにより前記接合材料の前記金属微粒子を焼結させて前記接合部を形成する、組立品の製造方法。
【請求項２】
前記組立品と前記第１の支持部材との間又は前記組立品と前記第２の支持部材との間には、緩衝部材が配置されている、請求項１記載の組立品の製造方法。
【請求項３】
前記第１の支持部材と前記第２の支持部材とは、接する部分を有する、請求項１記載の組立品の製造方法。
【請求項４】
前記第２の支持部材は、ヒーターである、請求項１〜３のいずれか一項に記載の組立品の製造方法。
【請求項５】
前記組立品の周囲は、断熱材で囲まれている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の組立品の製造方法。
【請求項６】
さらに、前記組立品を２枚のスライド板の間に挟み込み、その後、これらを前記第１の支持部材と前記第２の支持部材との間に挿入する工程を含む、請求項１記載の組立品の製造方法。
【請求項７】
前記組立品は、半導体デバイスである、請求項１〜６のいずれか一項に記載の組立品の製造方法。
【請求項８】
第１の部材と、第２の部材と、を含みこれらの間に接合部を有する組立品を製造する際に、前記接合部となる、金属微粒子を含む接合材料を、前記第１の部材と前記第２の部材との間に挟んだ状態で加圧及び加熱をするために用いる容器であって、
第１の支持部材と、第２の支持部材と、ロック機構と、を備え、
前記第１の支持部材と前記第２の支持部材との距離を維持するように、前記第１の部材、前記第２の部材及び前記接合材料を前記第１の支持部材と前記第２の支持部材との間に挟み込んで保持することを可能とした構成を有し、
前記距離は、前記第１の支持部材の寸法により維持され、前記第１の支持部材は、前記ロック機構により固定され、
前記第１の支持部材の前記寸法は、前記第１の支持部材の凹部の深さに対応するものである、加圧接合容器。
【請求項９】
前記第１の支持部材又は前記第２の支持部材の内面には、緩衝部材が配置されている、請求項８記載の加圧接合容器。
【請求項１０】
第１の部材と、第２の部材と、を含みこれらの間に接合部を有する組立品を加圧及び加熱により製造する装置であって、
前記第１の部材と前記第２の部材との間に、金属微粒子を含む接合材料を挟んだ状態で、これらを第１の支持部材と第２の支持部材との間に、前記第１の支持部材と前記第２の支持部材との距離を維持するように挟み込むように配置し、前記距離は、前記第１の支持部材の寸法により維持され、前記第１の支持部材は、ロック機構により固定され、
前記第１の支持部材の前記寸法は、前記第１の支持部材の凹部の深さに対応するものであり、
前記第１の部材、前記第２の部材及び前記接合材料を加熱し、その際にこれらの熱膨張を押さえ込む前記第１の支持部材及び前記第２の支持部材からの圧縮応力を利用して前記接合材料を加圧し、これにより前記接合材料の前記金属微粒子を焼結させて前記接合部を形成する、加圧接合装置。
【請求項１１】
前記加熱をするために、前記第１の支持部材と前記第２の支持部材との間に前記第１の部材、前記第２の部材及び前記接合材料を配置したものを投入する炉を有する、請求項１０記載の加圧接合装置。
【請求項１２】
前記第１の支持部材又は前記第２の支持部材には、前記加熱をするためのヒーターが付設されている、請求項１０記載の加圧接合装置。
【請求項１３】
前記第２の支持部材は、前記加熱をするためのヒーターである、請求項１０記載の加圧接合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接合部を有する組立品の製造方法、加圧接合容器及び加圧接合装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
パワーデバイス用のチップ接合材として従来使用されてきた鉛はんだは、将来的に環境規制によって使用できなくなる可能性があり、代替材料の開発が急務となっている。代替材料として、ナノメートルオーダーやマイクロメートルオーダーの金属粒子を焼結させることによって接合を実現する焼結金属接合材が期待されている。
【０００３】
焼結金属接合材は、その接合強度を保つため、例えば特許文献１に示されているように、電子部材の接合方向に対して加圧しながら焼結熱処理を施すことが望ましい。特許文献２には、加圧方向に対して直交する方向についても接合強度を保つ方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−０９１８３５号公報
【特許文献２】特開２０１４−２００８２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
通常、焼結金属接合材に加圧力を与える方法としては、モータや油圧を用いた加圧機構が用いられる。従来使用されてきた鉛はんだでは、加圧工程が不要であったため、焼結金属接合材の適用のためには、従来の製造ラインに加圧工程を追加する必要があり、コスト面の問題があった。
【０００６】
特許文献２においては昇降機構と加圧バネを用いた治具によって加圧する方法が記載されている。しかし、このような複雑な構造の治具を高温環境で用いる場合、治具の劣化による不具合の発生が問題となる。また、単に錘をのせる方法も考えられるが、チップサイズによっては、１個のチップに対して約２００ｋｇ程度の錘が必要になるケースもあり、現実的ではない。このため、より簡便な方法で加圧加熱接合を実現することが望まれていた。
【０００７】
本発明の目的は、複雑な加圧機構を用いずに、金属微粒子を含む接合材料を焼結した接合部を形成する加圧接合を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の組立品の製造方法は、第１の部材と、第２の部材と、を含み、これらの間に接合部を有する組立品を加圧及び加熱により製造する方法であって、第１の部材と第２の部材との間に、金属微粒子を含む接合材料を挟んだものを、第１の支持部材と第２の支持部材との間に、第１の支持部材と第２の支持部材との距離を維持するように挟み込むように配置し、第１の部材、第２の部材及び接合材料を加熱し、その際にこれらの熱膨張を押さえ込む第１の支持部材及び第２の支持部材からの圧縮応力を利用して接合材料を加圧し、これにより接合材料の金属微粒子を焼結させて接合部を形成する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、複雑な加圧機構を用いずに、熱膨張を押さえ込む反作用である圧縮応力を利用することができるため、金属微粒子を含む接合材料を焼結した接合部を形成する加圧接合を実現することができる。
【００１０】
また、本発明によれば、接合部の厚さを所望の値とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１の実施形態である組立品の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態である加圧接合装置の一例を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施形態である組立品の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図４】図３に対応する構成の一例である加圧接合容器を示す断面図である。
【図５】図４の加圧接合容器において半導体デバイスを固定するための構成の一例を示す断面図である。
【図６】図４の加圧接合容器の変形例における半導体デバイスの設置工程を示す図である。
【図７】本発明の第３の実施形態である組立品の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図８】図７の緩衝部材１９の応力ひずみ関係を示すグラフである。
【図９】本発明の組立品の製造方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明は、ここで取り上げた実施形態に限定されることはなく、発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜組み合わせや改良が可能である。
【００１３】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態である組立品の製造方法の一工程を示す断面図である。ここでは、組立品が半導体デバイスの場合を示している。
【００１４】
少なくとも第１の部材１１、第２の部材１２及び接合材料１３を用いて作製する半導体デバイス１０を、ともに剛性の高い第１の支持部材５１と第２の支持部材５２との間に挟み込む。第１の支持部材５１は第１の面１４を有し、第２の支持部材５２は第２の面１５を有する。第１の面１４は第１の部材１１と接し、第２の面１５は第２の部材１２と接する。接合材料１３は、金属微粒子を含む。この場合において、第１の支持部材５１と第２の支持部材５２との距離を維持するように設置する。
【００１５】
第１の部材１１及び第２の部材１２は、どのような材質であっても構わないが、例えば第１の部材１１として、Ｓｉ、ＳｉＣなどの材質からなる半導体チップ、第２の部材１２として、ＡｌＮ、Ｃｕなどの材質からなる基板を適用することができる。なお、第１の部材１１および第２の部材１２の表面に、ＮｉやＡｇ等、種々のめっき処理が施してあっても構わない。また、封止樹脂や配線など半導体デバイスを構成する材料の数が増えても構わない。接合材料１３は、銀、銅、酸化銀、酸化銅などの金属微粒子を分散媒に混ぜたペースト材や、事前に金属微粒子を焼結して作製しておいたシート材などを適用することができる。
【００１６】
第１の面１４及び第２の面１５は、熱の影響を受けないような形で所定の位置に固定される。本図においては上下方向に対向する位置に固定されている。この状態で半導体デバイス１０全体を加熱すると半導体デバイス１０が熱膨張しようとするが、第１の面１４と第２の面１５の位置が固定されているため、接合材料１３に圧縮応力が発生する。加熱方法はどのような方法であってもよいが、例えば下面の第２の面１５からヒーターで加熱するなどの方法がある。
【００１７】
図２は、図１に対応する装置構成の一例について更に具体的に示したものである。
【００１８】
第１の支持部材に相当する上蓋２１は、第１の面１４を有し、内側に断熱材２５を有している。一方、第２の支持部材に相当するヒーター２３は、第２の面１５を有し、半導体デバイス１０を加熱するように配置されている。
【００１９】
上蓋２１は、外部のロック機構２２によって位置を固定されている。上蓋２１の内面は、半導体デバイス１０の上面に接触するように高さが調整されている。半導体デバイス１０の高さは、種類によって異なるため、上蓋２１の高さを調整する機能があることが好ましい。また、銅や酸化銅を対象とした場合では、炉内の雰囲気を還元雰囲気や不活性雰囲気に変更できる機能があることも好ましい。
【００２０】
ヒーター２３の加熱により、半導体デバイス１０が熱膨張するが、上蓋２１は、断熱構造を有するため、熱による影響を受けず、熱膨張による変形は生じない。よって、上蓋２１の内面である第１の面１４の位置は変化しない。このため、半導体デバイス１０の接合材１３に適切な圧縮応力が加わり、所望の加圧加熱接合が達成される。
【００２１】
図２に示す構成によれば、上蓋２１の位置を固定され、加圧時に第１の面１４と第２の面１５との距離が維持されるため、接合部の厚さを所望の値とすることができる。
【００２２】
本実施の形態によれば、加圧機構を用いることなく加圧加熱接合を実現できる。
【００２３】
（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態である組立品の製造方法の一工程を示す断面図である。
【００２４】
本図においては、半導体デバイス１０を挟む第１の面１４及び第２の面１５は、第３の支持部材１６によって位置を固定されている。ここで、固定の方法は、特に限定されるものではなく、溶接による接合、ボルトによる締め付け等であってよい。第３の支持部材１６は、半導体デバイス１０の接合方向（以下「厚さ方向」又は「加圧方向」ともいう。）の等価熱膨張係数αｄよりも熱膨張係数が低い部材によって構成されていなければならない。半導体デバイス１０の等価熱膨張係数αｄは、以下の式によって計算できる。
【００２５】
【数１】
0006720534.tif 000002
【００２６】
ここで、αｉは半導体デバイス１０を構成する各部材の接合方向（厚さ方向又は加圧方向）の熱膨張係数でｔｉは各部材の厚さ、ｈは半導体デバイス１０全体の厚さ、Ｎは半導体デバイス１０を構成する材料の総数である。
【００２７】
例えば、半導体デバイス１０の構成として、第１の部材１１にＳｉチップ（α１＝３．２×１０−６／Ｋ、ｔ１＝０．３ｍｍ）、第２の部材１２にＣｕ（α２＝１７．０×１０−６／Ｋ、ｔ２＝３．０ｍｍ）、接合材料１３に焼結銀（α３＝２３．７×１０−６／Ｋ、ｔ３＝０．０７５ｍｍ）とした場合、等価線膨張係数αｄは約１５．９×１０−６／Ｋとなる。第３の支持部材１６は、これよりも熱膨張係数が低く、剛性の高い構造材料である必要がある。そのような構造材料としては、例えば、炭素鋼（α＝１０．８×１０−６／Ｋ）、鉄（α＝１２．１×１０−６／Ｋ）、ＳＵＳ４１０（α＝１０．４×１０−６／Ｋ）などを適用することができる。また、第３の支持部材１６として、負の熱膨張を有する材料や、ゼロ熱膨張材料を適用してもよい。
【００２８】
また、第３の支持部材１６は、接合材料１３よりも高い弾性率を有する材質からなることが好ましい。なお、前記の半導体デバイス１０の構成（Ｓｉ、焼結銀、Ｃｕ）において、第３の支持部材１６として鉄を用いて約１７５℃の均一な温度変化を与えた場合、接合材料１３に相当する焼結銀層において生じる厚さ方向の圧縮応力は、約２０ＭＰａ程度となることを有限要素解析によって確認している。これは、焼結銀が高強度に焼結接合するために十分な圧力である。このように、接合材料１３に発生する圧縮応力は有限要素解析によって予測することが可能であり、その圧力レベルについては第３の支持部材１６の材質や周辺構造などによって適宜制御することが可能である。
【００２９】
第３の支持部材１６は、半導体デバイス１０と共に加熱され、その際の第３の支持部材１６と半導体デバイス１０との熱膨張量の差によって半導体デバイス１０の接合材料１３に圧縮応力が生じ、第１の部材１１と第２の部材１２が接合材料１３によって加圧接合される。加熱の方法はどのようなものであっても構わないが、例えば半導体デバイス１０の周囲を囲む形の治具（加圧接合容器）を炉の中に入れる方法がある。
【００３０】
図４は、図３に対応する構成の一例である加圧接合容器について具体的に示したものである。
【００３１】
図４においては、治具２０（加圧接合容器）は、第１の面を有する第１の支持部材１７と、第２の面を有する第２の支持部材１８と、第３の支持部材１６と、で構成されている。第１の支持部材１７及び第２の支持部材１８は同一材料であっても構わない。
【００３２】
図３及び４に示す構成によれば、加圧時に第１の面１４と第２の面１５との距離が維持されるため、接合部の厚さを所望の値とすることができる。
【００３３】
図５は、半導体デバイス１０（組立品）を加圧接合容器の内部に固定する直前の状態を示したものである。
【００３４】
本図においては、第２の支持部材１８の上面に半導体デバイス１０を設置し、その後、半導体デバイス１０の上面に蓋をするように第１の支持部材１７を配置し、ボルト５５により締め付けて第１の支持部材１７を固定する。
【００３５】
図６は、図４の加圧接合容器の変形例における半導体デバイス１０の設置工程を示したものである。
【００３６】
本図においては、半導体デバイス１０を２枚のスライド板６１で挟み込み、これらを治具２０に挿入する。スライド板６１の材質は、第１の支持部材１７及び第２の支持部材１８と同じであるか、それらよりも弾性率及び熱膨張係数が高い材質であることが好ましい。また、製造の効率を考慮して、複数のデバイスを一度に設置できるようになっていることが好ましい。
【００３７】
第１の支持部材１７及び第２の支持部材１８は、剛性を高くするため、ある程度の厚さが必要となるが、体積が増加すると温度を上昇させるのに時間がかかってしまう。このような問題を考慮して、治具２０を構成する部材は、剛性を保ちつつ、短時間で温度が上昇するように、例えばＨ鋼のようになっているなど、体積を減少させる工夫がされていることが好ましい。トラス構造やハニカム構造など内部が肉抜きされた構造になっていてもよい。第３の支持部材１６は、熱が均一となるようになるべく断面積の小さい柱状となっていることが好ましい。
【００３８】
本実施の形態によれば、複雑な治具を用いることなく加圧加熱接合を実現できる。
（第３の実施形態）
図７は、本発明の第３の実施形態である組立品の製造方法の一工程を示す断面図である。
【００３９】
本図においては、半導体デバイス１０と第１の面１４との間に樹脂シートなどの緩衝部材１９を配置している。同様に、半導体デバイス１０と第２の面１５との間に緩衝部材１９を配置してもよい。これによって、半導体デバイス１０のダメージ緩和や、面圧分布の均一化、ギャップ調整などの効果を付加することが可能となる。また、複数のデバイスを一度に加圧する際の高さのばらつきを吸収することが可能となる。
【００４０】
図８は、図７の緩衝部材１９の応力ひずみ関係を示すグラフである。
【００４１】
図８に示すように、降伏応力を超えるとひずみに対して応力が上昇しなくなるような応力ひずみ関係を有する材料を緩衝部材１９として用いることが望ましい。これにより、半導体デバイス１０にかかる圧力が緩衝部材１９の降伏応力以上には上がらなくなるため、高さのばらつきなどに起因する圧力のばらつきを制御することが可能となる。このような材料としては、例えば、発泡材料や樹脂の厚さ方向にフィラーや繊維を配向させた材料などが適用できる。また、樹脂の例としては、ポリイミドが挙げられる。
【００４２】
本実施の形態によれば、高さばらつき等に起因する圧力のばらつきを抑制することが可能となる。
【００４３】
図９は、本発明の組立品の製造方法の主要な工程をまとめて示したものである。
【００４４】
本図においては、まず、接合材料を含む被処理物を第１の支持部材と第２の支持部材との間に挟み込むように配置する（Ｓ１）。被処理物は、第１の部材と第２の部材との間に、金属微粒子を含む接合材料を挟み込んだものであり、接合前の組立品である。つぎに、第１の支持部材と第２の支持部材との距離を維持するように固定した状態で被処理物を加熱する（Ｓ２）。このように加熱することにより、第１の部材と第２の部材との間に挟み込まれた接合材料が熱膨張に対抗する力を受け、圧縮され、焼結する。
【００４５】
以上で説明したように、本発明に係る接合方法および接合装置は、複雑な加圧機構を用いずに熱処理するだけで加圧接合を実現できる。
【００４６】
なお、上記した実施例は、本発明の理解を助けるために具体的に説明したものであり、本発明は、説明した全ての構成を備えることに限定されるものではない。例えば、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。さらに、各実施例の構成の一部について、削除・他の構成に置換・他の構成の追加をすることが可能である。
【符号の説明】
【００４７】
１０：半導体デバイス、１１：第１の部材、１２：第２の部材、１３：接合材料、１４：第１の面、１５：第２の面、１６：第３の支持部材、１７：第１の支持部材、１８：第２の支持部材、１９：緩衝部材、２０：治具、２１：上蓋、２２：ロック機構、２３：ヒーター、２５：断熱材、５１：第１の支持部材、５２：第２の支持部材、５５：ボルト、６１：スライド板。
【図１】
0006720534.tif 000003
【図２】
0006720534.tif 000004
【図３】
0006720534.tif 000005
【図４】
0006720534.tif 000006
【図５】
0006720534.tif 000007
【図６】
0006720534.tif 000008
【図７】
0006720534.tif 000009
【図８】
0006720534.tif 000010
【図９】
0006720534.tif 000011