(57)【要約】【課題】生産性を損なわずに鉛を使用しない接合方法の提供を可能とすること。【解決手段】ダイマウントペースト２は、樹脂成分の含有量が１ｗｔ％であり、応力緩和性が低く、加熱硬化の工程を経た後においてはダイマウントペースト硬化物にクラック６が発生している。ダイマウントペースト２へのクラック６の発生の有無に関わらず、前工程において仮硬化させたダイマウントペースト２に圧力を加えながら熱を加える第二の硬化工程を実施する。例えば、リードフレームを加熱ヒーター８で２２０℃程度に加熱し、２２０℃程度に加熱したツール７で半導体素子３をリードフレーム１側に２０ＭＰａで５分間加圧する。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体装置の製造方法において、平均粒径２０ｎｍ以下の微細金属微粒子と平均粒径１μｍ以上の粗大金属粒子とが合計で６０〜９８ｗｔ％と、２０ｗｔ％以下の樹脂と、２０ｗｔ％以下の有機溶剤とを少なくとも含むダイマウント材をリードフレームに供給する工程と、前記ダイマウント材を介して半導体素子をマウントする工程と、加熱により前記ダイマウント材を硬化させる第一の硬化工程と、圧力を加えながら加熱することにより前記ダイマウント材を硬化させる第二の硬化工程と、を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記ダイマウント材の金属微粒子および金属粒子が、金、銀、銅、白金、パラジウム、鉄、ニッケル、コバルト、錫、インジウムの中の１種類、もしくは２種類以上の合金であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記ダイマウント材の樹脂成分が、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、または前記フェノール樹脂及び前記エポキシ樹脂の変性樹脂、アクリル樹脂、イミド樹脂、またはアミド樹脂のうち少なくともいずれかひとつにより構成されていることを特徴とする、請求項１乃至２いずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記ダイマウント材が接続する半導体素子表面とリードフレーム表面が銅であることを特徴とする、請求項１乃至３いずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
平均粒径２０ｎｍ以下の微細金属微粒子と平均粒径１μｍ以上の粗大金属粒子とが合計で６０〜９８ｗｔ％と、２０ｗｔ％以下の樹脂と、２０ｗｔ％以下の有機溶剤とを少なくとも含むペースト材料を第１の被接合部材に供給する工程と、前記ペースト材料を介して第２被接合部材と第１の被接合部財を結合する工程と、加熱により前記ペースト材料を硬化させる第一の硬化工程と、圧力を加えながら加熱することにより前記ペースト材料を硬化させる第二の硬化工程と、を具備することを特徴とする部材の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置の構造およびその製造方法に関するものであり、半導体装置のダイマウント部の低熱抵抗化および鉛フリー化技術に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来のパワートランジスタの製造方法は、図６に示すように、リードフレームの一方の面に銀ペーストを供給し、半導体素子を前記銀ペーストにマウントした後、銀ペーストを加熱硬化させる。半導体素子とリードフレームを金属ワイヤで結線し、前記リードフレーム、銀ペースト、半導体素子、金属ワイヤで覆うプロセスである。ダイマウント材がはんだの場合は、リードフレームの一方の面にはんだを供給し、半導体素子を前記はんだでダイマウントした後、半導体素子とリードフレームを金属ワイヤで結線し、前記リードフレーム、はんだ、半導体素子、金属ワイヤで覆うプロセスである。
半導体素子は、シリコンやガリリウム砒素等の半導体材料を用いる。半導体素子のダイマウント材と接続する面は銀もしくは金が蒸着されている。リードフレームは、銅材をベース材として、表面を銀や金メッキを施したものを用いる。
ダイマウント材は、はんだ材や樹脂系ペーストを用いている。はんだ材は例えば鉛含有の高融点はんだ（Ｐｂ−５ｗｔ％Ｓｎ）や、鉛レスのはんだ、例えばＡｕ−２０Ｓｎ、Ｓｎ−８．５Ｓｂを用いる。はんだ材は、個片（ペレット）をリードフレーム上に供給したり、はんだワイヤを溶融切断して、リードフレーム上に供給する方法を用いる。
【０００３】
一方、樹脂系ペーストは、銀、金等の金属粒子と樹脂を混合したペーストを用いる。
以下、最も汎用である銀ペーストを例にして説明する。銀ペーストは、例えば大きさが３〜１０μｍ程度の球形もしくはフレーク状（燐片状）の銀粒子を７０〜９０ｗｔ％と、エポキシやフェノール等の熱硬化樹脂を５〜２０ｗｔ％と、テルピネオールやブチルカルビトール、エチレングリコール等の溶剤を５〜１０ｗｔ％で構成される。前記銀ペーストは、ディスペンス法、転写法、印刷法等で、前記リードフレームの表面に形成する。
【０００４】
ダイマウント工程では、半導体素子を前記ダイマウント材に加圧あるいは加熱を併用して、マウントする。
【０００５】
ワイヤボンディング工程では、例えばφ２０μｍ程度の金線を用いて、前記半導体素子の電極と、前記リードフレーム間を超音波を印加し加熱しながら接合する。ボンディング時のリードフレームの加熱温度は、２６０〜３００℃程度である。ワイヤボンディングは必要に応じて、半導体素子の電極から取り出す電流量を増加するために、同一電極あたり数本のワイヤをボンディングする。
【０００６】
モールド工程では、例えばエポキシ樹脂等の熱硬化系のモールド樹脂をトランスファモールド法により、前記リードフレームに実装された半導体素子を保護する。トランスファモールドの加熱加圧条件は、１７０〜２２０℃程度で、約１０〜２０ＭＰａの加圧条件下にて、１分程度のサイクルタイムで、モールド封止を行う。
【０００７】
以上の製造工程を経て、半導体装置が完成する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
発明が解決すべき、ダイマウント材に要求される課題は以下の点である。すなわち、鉛フリー化、高耐熱性、高熱伝導性、低コストである。鉛フリー化については、はんだ材に替わる鉛レスのはんだ材があり、前述の如く、Ａｕ−２０ｗｔ％Ｓｎ、Ｓｎ−８．５ｗｔ％Ｓｂ等の材料を用いることである。しかしながら、このようなはんだ材は、融点が３００℃以下であるため、耐熱温度（３００℃程度）が確保できない。また、Ａｕ−２０ｗｔ％Ｓｎはんだは応力緩和性に乏しく高価であること、Ｓｎ−８．５ｗｔ％ＳｂはんだはＳｂが有害であること等課題がある。
【０００９】
他方、銀ペーストは耐熱温度が３００℃程度と高いため、鉛フリー化と耐熱性の課題はクリアできる。しかしながら、前述した従来の銀ペーストの組成であると、はんだ材に比較して、熱伝導率が低いため（１０〜２０Ｗ／ｍＫ）、銀ペーストによる代替が困難であった。一般に、銀ペーストの硬化後の銀粒子含有量は多いもので９０ｗｔ％程度であり、残りの１０ｗｔ％は熱伝導率の低い樹脂で占められるため、１００％金属体であるはんだ材に比較して熱伝導率が低くなる。また、銀ペーストの熱伝導のパスは、球状の銀粒子同士の点接触および、銀粒子と被接合材（半導体素子裏面銀蒸着膜およびリードフレーム表面の銀メッキ）との点接触によるため、伝導のパスが不安定で、はんだのように被接合材と全面で金属接合しているものと比較し、接触界面での熱抵抗が大きい。
【００１０】
従来の銀ペーストは、樹脂成分がなければ、銀粒子同士の接触、半導体素子やリードフレーム材との密着性が乏しいので、１０ｗｔ％程度の樹脂が必須である。顕著な不具合の事例としては、例えば樹脂の含有量が５ｗｔ％以下に極端に少ない場合、銀ペーストの硬化後に、銀ペースト内や半導体素子とリードフレームの界面等でクラックが発生し、銀粒子間の固着力や半導体やリードフレーム材との密着力が確保できない。熱伝導性を向上させるために樹脂の添加量を減らして銀粒子の添加量を増加すると、硬化後の銀ペーストの強度確保、半導体素子やリードフレーム材との密着性の確保ができないことが課題であった。
【００１１】
このように、従来法では半導体装置のダイマウント材として適した銀ペーストが得られなかった。本発明は、前記課題を解決する部材間の接合方法と、この接合方法を用いた半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明は、半導体装置の製造方法において、平均粒径２０ｎｍ以下の微細金属微粒子と平均粒径１μｍ以上の粗大金属粒子とが合計で６０〜９８ｗｔ％と、２０ｗｔ％以下の樹脂と、２０ｗｔ％以下の有機溶剤とを少なくとも含むダイマウント材をリードフレームに供給する工程と、前記ダイマウント材を介して半導体素子をマウントする工程と、加熱により前記ダイマウント材を硬化させる第一の硬化工程と、圧力を加えながら加熱することにより前記ダイマウント材を硬化させる第二の硬化工程と、を具備する半導体装置の製造方法を提供する。
このとき、前記ダイマウント材の金属微粒子および金属粒子が、金、銀、銅、白金、パラジウム、鉄、ニッケル、コバルト、錫、インジウムの中の１種類、もしくは２種類以上の合金であることが好ましい。
また、前記ダイマウント材の樹脂成分が、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、または前記フェノール樹脂及び前記エポキシ樹脂の変性樹脂、アクリル樹脂、イミド樹脂、またはアミド樹脂のうち少なくともいずれかひとつにより構成されていることが好ましい。
また、前記ダイマウント材が接続する半導体素子表面とリードフレーム表面が銅であることが好ましい。
【００１３】
また本発明は、平均粒径２０ｎｍ以下の微細金属微粒子と平均粒径１μｍ以上の粗大金属粒子とが合計で６０〜９８ｗｔ％と、２０ｗｔ％以下の樹脂と、２０ｗｔ％以下の有機溶剤とを少なくとも含むペースト材料を第１の被接合部材に供給する工程と、前記ペースト材料を介して第２被接合部材と第１の被接合部財を結合する工程と、加熱により前記ペースト材料を硬化させる第一の硬化工程と、圧力を加えながら加熱することにより前記ペースト材料を硬化させる第二の硬化工程と、を具備する部材の接合方法を提供する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
ダイマウント構造を必要とする半導体装置の構成とその製造方法について、図面を参照しながら詳述する。
図１は、リードフレームにダイマウントされた半導体素子について、そのダイマウント部分を説明するための模式図である。図１ａは、リードフレーム１のダイ部と半導体素子３とがダイマウント部材２を介して接合されていることを示す模式図である。半導体素子３のダイマウント部材２と対向する主面には金属膜２１が蒸着されている。金属膜２１の材料としては、金や銀などが用いられる。金属膜２１は、半導体素子３に対する接合材料の濡れ性を向上させるために設けられている。リードフレーム１は、厚さ：０．１〜１ｍｍ程度の銅のコア材からなる。コア材の表面には、電気メッキ処理等により３〜２０μｍ程度のメッキ膜２２が形成されている。メッキ膜２２も金や銀を用いて形成されている。これは、半導体装置の各工程の熱処理温度で、銅が酸化されてしまうことを防止するためである。
【００１５】
一方、酸化の懸念がない環境下による接合では、このような酸化防止膜は不要である。図１ｂに、半導体装置のダイマウント部分の構成図を示す。後述するダイマウントペーストを用いた場合、半導体素子の接続面に銅膜２３を形成し、銅無垢のリードフレーム１と接合させることで、図１ａに示す金や銀による金属膜２１及びメッキ膜２２を施したフレームの構成よりもボイドの発生が抑制できる効果も確認されている。したがって、後述するダイマウントペーストを用いて部材の接合を行う場合には、非接合部材の表面は銅もしくは銅合金としておくことが好ましい。
【００１６】
図２にペースト材料であるダイマウントペーストの組成を説明するための模式図を示す。ダイマウント部材２は、接合材料であるダイマウントペーストが硬化処理されたものである。ダイマウントペーストの組成は、例えば粗大金属粒子として銀粒子１１および微細金属粒子として銀微粒子１２が合計で８０〜９０ｗｔ％、これを保持し粘性を発揮させる有機材料１３は、樹脂が１ｗｔ％、有機溶剤１４が１０〜１５ｗｔ％、その他有機物が２〜１０ｗｔ％で構成されている。ペーストの粘度は１０〜３０Ｐａ・ｓ程度に調合される。
【００１７】
銀粒子１１は、例えば３〜１０μｍ程度のフレーク状のものを使用する。銀微粒子１２は、粒子径が数ｎｍレベル（例えば２〜１０ｎｍ）を用いる。粗大金属粒子に対する微細金属粒子の配合比は１〜３０ｗｔ％とする。
金属微粒子は粒径が２０ｎｍ程度以下のサイズでは常温で融着する性質を有している。銀微粒子１２には、微粒子同士が常温で凝集・固着することを防ぐため、表面に有機樹脂による保護膜が形成されている。また、樹脂としてはフェノール樹脂を用いている。ただし、樹脂として用いられるものはフェノール樹脂に限らず、エポキシ樹脂や、フェノール樹脂とエポキシ樹脂の変性樹脂、および、アクリル樹脂や、耐熱性向上を目的にイミド樹脂、アミド樹脂等がある。
後述するが、樹脂量は硬化性能の向上に影響が大きい。さらに、粘度調整用の溶剤（ブチルカルビトールやテルピネオール系の高沸点型溶剤、表面活性剤等）や、チクソ性調整剤（シリカ粉末等の微粒子添加物）を混練することで、ペースト粘度とチクソトロピック性のレオロジーを調整することで、スクリーン印刷型やディスペンス型、もしくはインクジェット型のペーストに調製することができる。
【００１８】
以下にこの接合材料の用途をダイマウントに特定して実施形態を説明するため、ディスペンス塗布型のダイマウント材を以降ダイマウントペーストと呼んで説明する。
【００１９】
以下、本発明の接合方法を用いた半導体装置の製造方法の実施形態を、図３を参照しながら詳細に説明する。
ダイマウントペースト２は、例えばディスペンス法を用いて前記リードフレーム１上に、直径５００μｍ程度、厚みが１０〜１００μｍ程度に供給される（図３ａ参照）。
続いて、ダイマウントペースト２の上に銅の蒸着面を対向させて半導体素子３（略２ｍｍ角、厚さ０．３ｍｍ）をマウントする。マウントした後、半導体素子３がマウントされたリードフレーム１は高温オーブンに投入される。２００℃前後１時間程度の硬化条件にて、ダイマウントペーストを加熱硬化する。（図３ｂ参照）
【００２０】
ダイマウントペースト２が硬化する際には、まず有機材料１３中に含まれる揮発成分である溶剤がガス化して、銀粒子１１間を伝い抜け出る。ダイマウントペースト２中の銀微粒子１２については、２００℃前後１時間の硬化工程の過程で、銀微粒子１２の周囲を覆う保護膜が揮発し、銀微粒子１２同士が融着する。硬化させる前に粒径が２〜１０ｎｍであった銀微粒子が加熱硬化後に粒径１０〜１００ｎｍの融着物に成長する。銀粒子１１同士が銀微粒子１２の融着物を介して接合していることが、ＳＥＭもしくはＴＥＭで確認できる。
【００２１】
本実施形態のダイマウントペースト２は、樹脂成分の含有量が１ｗｔ％であり、樹脂含有量が８ｗｔ％程度である従来の銀ペーストに比べて少ない。従って、ペースト状態においては半導体素子３やリードフレーム１に対する密着性が弱く、またダイマウントペースト２そのものの応力緩和性が低く、加熱硬化の工程を経た後においてはダイマウントペースト硬化物にクラック６が発生している。
【００２２】
クラック６は、特に、ダイマウントペースト２の硬化収縮と、半導体素子３とリードフレーム１との熱膨張の差、ダイマウントペースト２と半導体素子３やリードフレーム１に対する密着性の大きさの違いなどの関係の複合要因で発生する。また、半導体素子３やリードフレーム１、ダイマウントペースト２の厚み、さらには半導体素子３のチップサイズに応じてクラックの大きさ、発生頻度の差が生ずる。しかしながら、クラックの大半は、本発明の後工程で解消するので、問題としないことが可能となる。
【００２３】
クラック６の発生の有無に関わらず、前工程において仮硬化させたダイマウントペースト２に圧力を加えながら熱を加えてさらに硬化させる第二の硬化工程を実施する（図３ｃ参照）。例えば、リードフレームを加熱ヒーター８で２２０℃程度に加熱し、２２０℃程度に加熱したツール７で半導体素子３をリードフレーム１側に２０ＭＰａで５分間加圧する。本方式に限らず、ダイマウントペーストに熱と圧力が加えうる工程であれば用いることが可能である。ダイマウント部材について、クラックの解消、熱抵抗の低減を得るには、この加熱・加圧工程において、加熱温度、加圧が高く、かつ加熱・加圧保持時間が長い方が効果的である。
【００２４】
次に、φ２０μｍの金ワイヤ４を用いて、半導体素子３とリードフレーム１のリード部とを電気的に接続するワイヤボンディングを行う（図３ｄ参照）。このとき金ワイヤ４の接合強度を得るために、リードフレーム１は２６０℃〜３００℃に加熱される。ワイヤボンディング時に、半導体素子３には応力が加わるが、硬化させたダイマウントペースト２はワイヤボンディングに耐える接合強度を有している。
【００２５】
その後、前記リードフレーム、ダイマウントペースト、半導体素子、金ワイヤを覆うように、熱硬化性樹脂、例えばエポキシ樹脂５を用いてトランスファモールディングする（図３ｅ参照）。モールド条件は、１０〜２０ＭＰａ、１７０〜２２０℃で、４０〜６０秒間行う。トランスファモールド工程においては、ダイマウントペースト２に熱と圧力を加えることができる。そのため、成形条件に応じて、トランスファモールディングに限らず、インジェクションモールディングなどの型を使用したモールド工程が、ダイマウントペーストの加熱硬化後に実施した前記の加熱・加圧工程の代替工程、つまり第二の硬化工程となりうる。モールド工程の加熱・加圧条件がクラック解消に十分なレベルにあることが認められれば、所定の成形条件において、前記の加熱・加圧工程の代替工程となりうる。このとき、ツール７による押圧・加熱作業は不要となる。
【００２６】
本実施形態の効果は、概略以下のとおりである。所定の条件下にある加熱・加圧工程またはモールド工程では、外部からの圧縮応力に対して、ダイマウントペースト中の銀粒子において焼き締まり現象が発生し、ダイマウントペースト中のクラック層を狭める効果が得られる。かつ、ペースト材料中に存在する金属微粒子が、加熱温度（例えば２００℃前後）において融着作用を生じることにより、粗大金属粒子間を接合し、熱的、電気的かつ機械的に接続する。このことで外観上は、ダイマウントペースト硬化物からクラックが解消される。
実施形態のプロセスを用いて得た接合体について、温度サイクル試験３００サイクル前後でのパッケージの熱抵抗の変動率は、６．６％であった。熱サイクル特性やＰＣＴ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｃｏｏｋｅｒ  Ｔｅｓｔ）のような信頼性試験に対して優れた特性を確認した。従来の銀ペーストの１８．７％よりも熱抵抗変動率が小さく、Ｐｂ含有はんだであるＰｂ−Ｓｎはんだの３．５％に近い接合信頼性が得られることを確認した。
【００２７】
なお、加熱・加圧工程において、半導体素子を介してダイマウントペーストを加熱・加圧した場合よりも、樹脂モールド工程と同様に３次元的な等方圧力を加熱と併用して加えることが、クラック防止効果が高いことがわかっている。例えば、セラミック焼結の技術分野では、熱間等方性プレス法（ＨＩＰ法：Ｈｏｔ  Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ  Ｐｒｅｓｓ）がある。粉末の焼結や拡散接合に、高温・高圧の相乗効果を利用しているが、本実施例では、特に半導体装置の製造プロセスに加熱・加圧工程として適用して所望の接合効果が得られた。
【００２８】
図４に本発明の他の実施形態を示す。金属微粒子１２には、金属微粒子１２の常温における凝集を防ぐため、表面に有機樹脂による保護膜が形成されている。従って、前記保護膜を取り除けば、材料によっては常温においても金属微粒子１２間の低温融着を開始することが出来る。従来方法では、前記保護膜を取り除くため、低温融着温度以上の温度で、３０〜６０分程度熱する必要がある。そこで、本発明では、ダイマウントペースト２をリードフレーム１上に塗布し（図４ａ参照）、ダイマウント工程で、半導体素子３をダイマウントペースト２に当接させた後、半導体素子３を吸着保持したままマウントツール（３１）で揺動させ、たとえばリードフレーム１がなす平面と平行な方向に往復動させるスクラブ動作を加え、ダイマウントペースト２を機械的に動かす工程を有する（図４ｂ参照）。
この工程においては、ダイマウントペースト２中の金属微粒子表面の保護膜を機械的に取り除く効果を助長する役割を期待することができる。また、もちろん半導体素子３をスクラブしながら、加熱圧縮力を加えることで、ダイマウントペーストの短時間効果と低温融着現象の助長、および生産性の向上を達成できる。このとき、ある程度硬化を進めてからでなければ加圧することが出来ないから、スクラブ動作が仮硬化の工程であり、ある程度の硬度まで効果が進捗した後、圧力を加える動作をさせるよう制御することで本硬化工程までを連続的に施すことが可能となる。その後前記した実施形態と同様に、ワイヤボンディング工程を行い（図３ｃ参照）、モールディング工程を行う（図４ｄ参照）。
なお、本実施形態は、銀粒子に限って説明したが、その他の金属物質による粒子、例えば金、銀、銅、白金、パラジウム、鉄、ニッケル、コバルト、錫、インジウム、あるいはそれらの合金等も、用いることが出来る。
【００２９】
【発明の効果】
本発明により、生産性を損なわずに鉛を使用しない接合方法の提供を可能とする。また、鉛を必要としない半導体装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に関わる半導体装置の構成図
【図２】本発明に関わるダイマウント材の構成図
【図３】本発明に関わる半導体装置の製造方法を示す工程図
【図４】本発明に関わる半導体装置の製造方法を示す工程図
【符号の説明】
１…リードフレーム  、２…ダイマウントペースト、３…半導体素子  、
４…ワイヤ、５…モールド樹脂  、６…クラック、７…加圧ツール、
８…ヒーター、９…銀ペースト、
１１…金属粒子、１２…金属微粒子、１３…樹脂、１４…有機溶剤、
１５…有機物、２１…金もしくは銀膜、２２…金もしくは銀層、
２３…銅膜、３１…コレット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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