(57)【要約】【課題】半導体素子の放熱性を、その半導体素子の面方向に対して均一化することのできる半導体装置およびその製造方法を提供する。【解決手段】電力用半導体素子１０の基板接合面１０ａには、面的に拡がる金属メッキ層６０が設けられている。金属メッキ層６０と絶縁基板２０とは面的に拡がる半田層３０によって接合されている。このように半導体素子１０と半田層３０との間に熱伝導性の良い金属メッキ層６０を介在させることにより、半田層３０の一部に意図しないボイドＫが形成されている場合にも、そのボイドＫの上方に位置する半導体素子１０からの熱を基板２０へよく伝えることができる。したがって半導体素子１０の放熱性が面方向に均一化される。【選択図】　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子が基材に接合された半導体装置であって、
前記半導体素子の基材接合面には面的に拡がる金属メッキ層が設けられており、
前記基板の表面には面的に拡がる接合材層が設けられており、
その接合材層によって前記半導体素子が前記金属メッキ層を介して前記基板に接合されている半導体装置。
【請求項２】
前記金属メッキ層の厚さは３０〜３００μｍである請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
半導体素子の基材接合面に金属メッキを施す工程と、
その金属メッキされた半導体素子を流動状態の接合材を挟んで基材上に載置する工程と、
その流動状態の接合材を固体状態とする工程とを包含する半導体装置製造方法。
【請求項４】
前記接合材は半田であり、
前記載置工程では、前記金属メッキされた半導体素子を固体状態の半田を挟んで前記基材上に載置し、次いで該半田をリフローさせる請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子が接合材によって基材に接合されている半導体装置およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】電力用半導体素子その他の半導体素子（チップ）が基板に実装された半導体装置が知られている。一般にこのような半導体装置では、半導体素子と基板との間の熱伝導性が良好であることが望ましい。半導体素子の作動等により発生する熱を基板へ逃し、これにより半導体素子の温度上昇を抑制する効果が大きいためである。
下記特許文献１には、半導体素子が搭載された半導体基板と放熱電極との間に熱伝導率の高いダイヤモンド層を設ける技術が開示されている。他の先行技術文献としては特許文献２および特許文献３が挙げられる。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１−１２０８５３号公報
【特許文献２】
特開平３−２７８５６２号公報
【特許文献３】
特開昭６４−３２６５４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上述したような半導体装置の多くのものは、半導体素子の裏面（基板対向面）側が半田等の接合材によって基板に面的に接合された構成を有する。半導体素子の作動等により発生する熱は、この接合材層（典型的には半田層）を通じて基板へ逃される。
【０００５】
ここで、半田層の一部に他の部分に比べて熱伝導性の低い部分があると、半導体素子が部分的に高温となることがある。例えば図３に示すように、半田層３０の一部に意図しないボイド（空隙）Ｋが形成されていると、そのボイドＫによって半導体素子１０から基板２０へ向かう熱の流れＨが妨げられる。このため、半導体素子１０のうちボイドＫに近接する部分Ｐからの放熱量が他の部分に比べて少なくなる結果、その部分Ｐが周囲よりも局所的に高温となることがある。このような温度の不均一さが著しくなると、半導体素子１０の劣化が促進されたり、半導体素子１０と半田層３０の接合部の劣化が促進されたりすることがある。
【０００６】
本発明の一つの目的は、半導体素子から基材（絶縁基板や放熱用基板等）へ向かう熱の伝導性（放熱性）を、その半導体素子の面方向に対して均一化することのできる半導体装置を提供することである。本発明の他の目的は、そのような半導体装置の製造方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段と作用と効果】本発明者は、半導体素子と接合材層の間に熱伝導性の高い層を面的に設けることによって上記目的が達成されることを見出した。
【０００８】
本発明は、半導体素子が基材に接合された半導体装置に関する。その半導体素子の基材接合面には、面的に拡がる金属メッキ層が設けられている。その基板の表面には面的に拡がる接合材層が設けられている。その接合材層によって、前記半導体素子が金属メッキ層を介して基材に接合されている。
金属メッキ層の主構成材料（典型的には銅、金、アルミニウム等の金属）は、半導体素子の主構成材料（典型的にはシリコン）に比べて熱伝導性が高い。この金属メッキ層は、半導体素子の基材接合面に金属をメッキして形成されているので、半導体素子と金属メッキ層との間の熱伝導性は良好である。上記構成の半導体装置によると、半導体素子と接合材層との間にかかる金属メッキ層が設けられていることにより、半導体素子からの熱を面方向に拡散させて接合材層に伝えることができる。このように、金属メッキ層が熱拡散層として機能することにより、接合材層の品質（ボイドの有無等）の影響を抑えて、半導体素子の放熱性を面方向に均一化することができる。
【０００９】
上記熱拡散機能がよく発揮されるという観点からは、金属メッキ層の厚さは大きいほうが好ましい。一方、金属メッキ層の厚さが大きくなると、このメッキ層の形成に要するエネルギー量が多くなるので製造コストが増大しやすい。また、金属メッキ層の厚さを過剰に大きくすると、半導体装置の小型化や放熱性向上等の点で不都合を生じることがある。本発明の半導体装置にとり好ましい金属メッキ層の厚さの範囲は３０〜３００μｍであり、より好ましい範囲は５０〜２００μｍである。
【００１０】
また、本発明により提供される半導体装置製造方法は、半導体素子の基材接合面に金属メッキを施す工程と、その金属メッキされた半導体素子を流動状態の接合材を挟んで基材上に載置する工程と、その流動状態の接合材を固体状態とする工程とを包含する。
かかる製造方法は、半導体素子が金属メッキ層を介して接合材により基材に接合された構成の半導体装置を得るのに適している。この方法により製造される半導体装置の好適例は本発明の半導体装置である。
【００１１】
本発明の好ましい態様では、前記接合材が半田であり、前記載置工程では、前記金属メッキされた半導体素子を固体状態の半田（典型的には半田箔）を挟んで基材上に載置し、次いで該半田をリフローさせる。
このような製造方法では、リフローされた半田が気泡（ボイド）を含んで固化することがある。本発明を適用することにより、かかる場合にも半導体素子の放熱性が面方向に均一化された半導体装置が得られるので好都合である。
【００１２】
【発明の実施の形態】この発明はまた、下記の形態で実施することができる。
（形態１）
本発明の半導体装置に備えられる半導体素子が電力用半導体素子である。
大電流が通電される電力用半導体素子は、その作動に伴う発熱量が大きいことから、接合材層が低熱伝導部（ボイド等）を有する場合に半導体素子が局所的に高温になるという上述の現象が生じやすい。したがって、このような電力用半導体素子を備える半導体装置（例えば、車両に搭載されるパワーモジュール）では、本発明を適用することにより半導体素子の面方向の放熱性を均一化することが特に有効である。
【００１３】
（形態２）
本発明の半導体装置に備えられる金属メッキ層の主構成材料が、基材の主構成材料の線膨張係数よりも大きく、かつ接合材層の主構成材料の線膨張係数よりも小さい線膨張係数を有する。例えば、半導体素子の主構成材料がシリコンであり、接合材層の主構成材料が半田である場合には、金属メッキ層の好ましい主構成材料として銅、銀、金、ニッケルおよびこれらの合金が挙げられる。また、これらの金属とアルミニウムとの合金（例えば銅−アルミニウム合金）も好ましく用いられる。
半導体素子と接合材層との間にこのような金属メッキ層を介在させることにより、この金属メッキ層が設けられていない場合に半導体素子と接合材層との界面に生じる熱応力に比べて、半導体装置の温度が変化した際に接合材層と金属メッキ層との界面に生じる熱応力を低減することができる。このことによって半導体素子と接合材層との接合耐久性（ひいては半導体素子と基材との接合耐久性）を向上させ得る。この効果は、電力用半導体素子を備える半導体装置において特によく発揮される。
【００１４】
（形態３）
本発明は、半導体素子がベアチップの状態で実装された半導体装置に対して好ましく適用される。
電力用半導体素子のように発熱量の大きな半導体素子は、ベアチップの（パッケージングされていない）状態で基材に接合されることが多い。一般にこのようなベアチップ実装では、チップの基材接合面が半田層等の接合材層によって基材（回路基板等）に直接的に接合される。このため半導体素子から基材への放熱性が良好である。その反面、半導体素子と接合材層との距離が近いことから、接合材層の一部に熱伝導性の低い部分（ボイド等）が形成されていると、そのことによって半導体素子の対応部分（熱伝導性の低い部分に近接する部分）の温度が局所的に上昇しやすい傾向にある。したがって本発明を適用する実益が大きい。
【００１５】
本発明の半導体装置を構成する半導体素子がベアチップである場合、その基材接合面には導電体（裏面電極等）が面的に拡がって露出していることが好ましい。かかる導電体に電気メッキ法等により金属メッキを施して金属メッキ層を形成することが好ましい。
【００１６】
【実施例】以下、本発明の好適な実施例について詳細に説明する。
本発明の半導体装置を構成する半導体素子としては、各種の半導体素子（ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のバイポーラトランジスタやＭＯＳ等の電界効果型トランジスタ等）を用いることができる。本発明の半導体装置がパワーモジュールである（典型的には、ＩＧＢＴ、パワーＭＯＳ等の電力用半導体素子（パワー素子）を備える）場合には、本発明を適用することによる効果（接合耐久性の向上等）が特によく発揮される。
【００１７】
半導体素子の基材接合面には金属メッキ層が形成されている。この金属メッキ層は、熱伝導性の高い（熱拡散効果の高い）金属材料を主体に構成されていることが好ましい。熱伝導性とともに導電性の高い金属材料を主体に構成されていることがより好ましい。好適な主構成材料としては、銅、銀、金、ニッケル、アルミニウムおよびこれらの合金（アルミニウム−銅合金等）が挙げられる。また、接合材として半田を用いる場合には、これらの主構成材料の表面に半田濡れ性のよい金属材料（金、金−ニッケル合金等）がメッキされた構成の金属メッキ層としてもよい。
金属メッキ層の厚さは例えば１０〜５００μｍの範囲とすることができ、好ましい範囲は３０〜３００μｍ、より好ましい範囲は５０〜２００μｍである。金属メッキ層の各部の厚さは比較的均一であることが好ましい。
金属メッキ層の形成方法としては、電気メッキ、無電解メッキ等の一般的なメッキ方法を採用することができる。通常は、電気メッキ法を用いることが簡便であり好ましい。
【００１８】
かかる金属メッキ層は、半導体素子の基材接合面のほぼ全面に形成されていてもよく、その一部範囲に形成されていてもよい。基材接合面のうち５０面積％以上の範囲に金属メッキ層を設けることが好ましく、より好ましくは７５面積％以上、さらに好ましくは９０面積％以上である。一つの半導体素子に設けられた金属メッキ層は一繋がりになっていることが好ましいが、面方向に分割された二以上の部分から構成された金属メッキ層であってもよい。基材接合面のうち金属メッキ層が設けられていない範囲では半導体素子と接合材層が直接接触していてもよい。あるいは、金属メッキ層が設けられた範囲と接合材層の設けられた範囲とがほぼ対応（一致）していてもよい。
【００１９】
本発明の半導体装置を構成する基材としては、窒化アルミニウム、アルミナ、ムライト、ガラスセラミックス等を主体とする無機系基材を備える回路基板（絶縁基板）が好ましく用いられる。また、ガラスエポキシ、ポリイミド等の有機系基材を備える回路基板を用いてもよい。あるいは、基材として金属板（例えば、一般に放熱板として用いられる金属板）を用いてもよい。本発明の半導体装置がパワーモジュールである場合には、基材として無機系の絶縁基板を用いることが好ましい。
本発明の半導体装置は、このような基材の反素子接合面側に金属板（放熱板）を備える構成とすることができる。この金属板と基材とは熱伝導性の高い接合材（典型的には半田）によって面的に接合されていることが好ましい。また、基材と金属板が面的に接触しつつ一体的に成形されていてもよい。
【００２０】
基材と金属メッキ層を接合する接合材層は、熱伝導性の高い接合材から構成されることが好ましい。熱伝導性とともに導電性にも優れた接合材から構成されることがより好ましい。かかる接合材としては、半田その他の低融点金属類が好適であり、特に好ましい接合材は半田である。また、有機高分子等からなるマトリックス樹脂中に導電性充填材が分散された導電性樹脂材料を用いてもよい。このマトリックス樹脂としてはエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂等を用いることができる。導電性充填材としては、銅、銀、金、白金、ニッケル、カーボン等からなる導電性繊維、導電性微粒子等を用いることができる。
【００２１】
このような接合材は、典型的には、金属メッキ層と基材との間で流動状態から固体状態に変化して（例えば冷却による固化や硬化反応により）、両者を接合する接合材層を形成する。本発明は、まず基材上に固体状態の接合材を挟んで金属メッキ層を有する半導体素子を載置し、次いでその固体状態の接合材を金属メッキ層と基材との間で流動状態に変化させた後に、その流動状態の接合材を固体状態に変化させる工程を含む半導体装置製造方法に対して好ましく適用される。かかる製造方法では低熱伝導部（ボイド等）を含む接合材層が形成されやすいためである。
【００２２】
以下、本発明をパワーモジュールに適用した具体的実施例を説明するが、本発明をかかる実施例に示すものに限定することを意図したものではない。
図１に示すように、半導体装置１００は、セラミックス（ここでは窒化アルミニウム）を主体とする絶縁基板２０と、その絶縁基板２０の表面に実装された電力用半導体素子（ＩＧＢＴベアチップ）１０と、半導体素子１０の基板接合面１０ａ上に形成された金属（ここでは銅）メッキ層６０と、半導体素子１０の作動を制御するダイオード５２と、銅−モリブデン合金製の放熱板４０と、半導体素子１０およびダイオード５２にボンディングされたアルミニウム製のワイヤ５０とを備える。絶縁基板２０の両面にはアルミニウム箔２２，２４が設けられている。
【００２３】
半導体素子１０の基板接合面１０ａには、そのほぼ全面に亘って図示しない導体膜（ここではニッケル−金合金からなる裏面電極）が露出している。その導体膜の表面にはほぼ全面に亘って厚さ約１００μｍの金属メッキ層６０が形成されている。金属メッキ層６０と基板２０との間には半田層３０が設けられている。この半田層３０によって半導体素子１０が、金属メッキ層６０を介して基板２０に面的に接合されている。また、ダイオード５２は半田層３２によって基板２０に直接、面的に接合されている。この基板２０の反素子接合面（図１で下側の面）は、半田層３４によって放熱板４０に面的に接合されている。
【００２４】
この半導体装置１００は、例えば以下のようにして好適に製造される。
まず、半導体素子１０の一方の面（基板接合面）１０ａに銅を電気メッキすることにより金属メッキ層６０を形成する。例えば、所定のメッキ液に半導体素子１０を浸漬し、半導体素子１０の基板接合面１０ａに露出した図示しない導体膜を一方の電極として電気メッキを行えばよい。
次いで、基板２０上の二箇所に半田箔を配置する。それらのうち一方の半田箔を挟んで、金属メッキ層６０の形成された半導体素子１０を基板２０に載置する。他方の半田箔を挟んでダイオード５２を基板２０に載置する。これをリフロー炉内に投入して半田箔を溶融させる（半田を流動状態とする）。その後に冷却して（半田を固体状態とする）、金属メッキ層６０を介して半導体素子１０を基板２０に接合する半田層３０と、ダイオード５２を基板２０に接合する半田層３２を形成する。同様にして、基板２０の反素子接合面側（半導体素子１０が接合された側とは反対側）に放熱板４０をリフロー半田付する。
その後、半導体素子１０およびダイオード５２の非接合面に、例えば超音波接合法によりワイヤ５０をボンディングする。
【００２５】
本実施例の半導体装置１００では、半導体素子１０と半田層３０との間に金属メッキ層６０が介在している。この金属メッキ層６０は、半導体素子１０に比べて熱伝導性が良好である。したがって、図２に例示するように、半田層３０の一部にボイドＫが形成されていても、矢印Ｈで示すように、半導体素子１０の作動により生じる熱を面方向に拡散させて半田層３０に伝えることができる。特に、ボイドＫの上方に位置する部分の半導体素子１０からの熱が金属メッキ層６０で拡散することにより、このボイドＫを面方向に回避して基板２０へ、さらに半田層３４を通じて放熱板４０へ効率よく伝熱する（放熱する）ことができる。これにより半導体素子１０の放熱性を面方向に均一化することができる。その結果、半導体素子１０の各部の温度差を少なくすることができる。例えば、半田層３０の中央部に全体の約８面積％のボイドが形成されている場合、金属メッキ層６０をもたない構成（例えば図３に示す構成）では、半導体装置の使用により半導体素子１０の非接合面の外周部と中央部との間に１５〜２０℃程度の温度差が生じ得る。これに対して、本実施例のように金属メッキ層６０を設けた構成では、同条件での使用による半導体素子１０の非接合面の外周部と中央部との間の温度差を５〜１０℃程度以下に抑えることができる。もちろん、半田層３０がボイドＫを実質的に含まない場合にも半導体素子１０の各部の熱を良好に放熱することができる。
【００２６】
本実施例によると、半田層３０の品質（低熱伝導部を有するか否か、またその低熱伝導部の面積、形状、配置（周縁部にあるか中央部にあるか）等）の影響を緩和して、半導体素子１０の各部の熱を基板２０へ効率よく伝熱し得る。このことによって、半田層３０の品質による放熱性能の違いが少なくなるので、製品間での放熱性能のバラツキを低減することができる。
【００２７】
さらに、本実施例の金属メッキ層６０は銅からなり、その線膨張係数は半導体素子１０（シリコンを主構成材料とする）の線膨張係数よりも大きく半田の線膨張係数よりも小さい。したがって、金属メッキ層６０を介して半導体素子１０を半田層３０に接合することにより、半導体素子１０を直接半田層３０に接合する場合に比べて半田層３０にかかる熱応力を緩和することができる。このことによって半導体素子１０と基板２０との接合部の信頼性（耐久性等）が向上し得る。
【００２８】
なお、上記実施例では電力用半導体素子１０のみが金属メッキ層６０を介して基板２０に接合された構成としたが、ダイオード５２も同様に金属メッキ層を介して基板２０に接合されていてもよい。
【００２９】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】第一実施例により製造された半導体装置を示す模式的断面図である。
【図２】本発明の半導体装置において、接合材層が低熱伝導部を有する場合の半導体素子から基材への熱の流れを示す模式的説明図である。
【図３】従来の半導体装置において、接合材層が低熱伝導部を有する場合の半導体素子から基材への熱の流れを示す模式的説明図である。
【符号の説明】
１０　：半導体素子
１０ａ：基板接合面（基材接合面）
２０　：絶縁基板（基材）
３０　：半田層（接合材層）
４０　：放熱板
５０　：ワイヤ
６０　：金属メッキ層
Ｋ　：ボイド（低熱伝導部）
【図１】
2004146512.tif 000003
【図２】
2004146512.tif 000004
【図３】
2004146512.tif 000005