(57)【要約】【課題】焼結性金属接合材を用いて半導体素子を接合する場合においても従来に比べて接合信頼性が高い、半導体装置及びその製造方法を提供する。【解決手段】導体層２を形成した基板１と半導体素子５とを備え、焼結性金属を含む接合材３を介して半導体素子を導体層に接合する半導体装置において、接合材のうち半導体素子の周辺に位置し、導体層と半導体素子とに挟まれた接合材に比べて密度が低い周辺接合材３ａと、半導体素子の周囲内側から周辺接合材上に位置する熱硬化性樹脂材４とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導体層を形成した基板と半導体素子とを備え、焼結性金属を含む接合材を介して上記半導体素子を上記導体層に接合する半導体装置において、
上記接合材のうち上記半導体素子の周辺に位置し、上記導体層と上記半導体素子とに挟まれた接合材に比べて密度が低い周辺接合材と、
上記半導体素子の周囲内側から上記周辺接合材上に位置する熱硬化性樹脂材と、
を備えたことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
上記熱硬化性樹脂材は、上記接合材と上記周辺接合材との境界を含む領域に枠状に配置される、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
上記熱硬化性樹脂材は、上記接合材と上記周辺接合材との境界に沿って点在して配置される、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
上記半導体素子は電力用半導体素子である、請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
導体層を形成した基板と半導体素子とを備え、焼結性金属を含む接合材を介して上記半導体素子を上記導体層に接合する半導体装置の製造方法であって、
上記半導体素子よりも大きい面積にて上記導体層に上記接合材を供給する工程と、
供給後乾燥された接合材上に、上記半導体素子の周囲の内外に相当する領域に熱硬化性樹脂材を供給する工程と、
上記熱硬化性樹脂材に上記半導体素子を位置決めし載置する工程と、
上記半導体素子を介して上記接合材を加熱及び加圧する工程と、
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、焼結接合を用いて回路を構成する半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワーモジュール（電力用半導体装置）には、スイッチング素子あるいは整流素子としてＩＧＢＴあるいはダイオードなどの半導体素子が搭載されている。これらの縦型半導体素子は、メタライズを裏面全域に施した裏面電極と、これに対向する表面の一部分にメタライズを施した表面電極とを設けている。そして、大電流を流すための配線構造として、裏面電極は基板電極に接続するとともに、表面電極は配線金属板を介して外部端子と接続している。
【０００３】
一方、電力損失低減の観点から、近年、例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ガリウムのようなワイドバンドギャップ半導体材料を用いた半導体素子が開発されている。こうしたワイドバンドギャップの半導体素子では、素子自身の耐熱性が高いことから大電流による高温での動作も可能である。このような特性を発揮させるためには、上述の配線構造を形成するために、高耐熱性の接合材料が必要とされる。しかしながら、鉛フリーでかつ高耐熱性能を有するはんだ材は、現状、見出されていない。そこで、はんだ材に代わり、金属微粒子の焼結現象を利用した焼結性金属接合材を用いたパワーモジュールが検討されている（例えば、特許文献１及び２）。
【０００４】
焼結性金属接合材は、金属微粒子及び有機溶剤成分を含むペースト状の接合材であり、金属微粒子がその金属の融点よりも低い温度で焼結する現象を利用して、被接合部材との金属接合を達成するものである。接合後の状態は、金属微粒子間が拡散接合されるとともに、半導体素子におけるメタライズ及び半導体素子を搭載する基板表面との間においても拡散接合がなされ、接合後の融点は、本来の金属における融点にまで高まる。そのため、接合時の温度よりも高い耐熱性能を有することができる。また、焼結性金属接合材として一般的によく知られている金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）及び銅（Ｃｕ）は、はんだに比べて熱伝導率が大きく、かつはんだに比べて高強度であることから、必要な接合層を薄くすることができ、高い放熱性能も有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２１４３４０号公報
【特許文献２】特開２００７−４４７５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このように、焼結現象を利用した焼結性金属接合材は、高耐熱性能が要求されるパワーモジュールに好適な性質を有する。ここで、一般的な焼結性金属接合において良好な接合部を形成するためには、焼結性金属接合材を接合部材又は被接合部材の一方に均一な厚みで供給した後、接合を阻害する溶剤成分を揮発させ、さらに接合部材に被接合部材を搭載した後、加熱及び加圧する必要がある。
【０００７】
また、被接合部材を搭載する際には、焼結性金属接合材は既に乾燥された状態であり、被接合部材を保持するタック性を保有していない。ここで、接合のために加圧力は不要、もしくは低加圧で良いのであれば、接合部材と被接合部材との位置合わせと同時に加熱を実施する方法も選択可能である。しかしながら、焼結反応を促進させるためには、通常１０〜３０ＭＰａにおよぶ高い加圧力が必要である。よって、接合部材と被接合部材との高精度な位置合わせを行うとともに加熱及び高加圧を行うことは、設備的に容易ではなく、位置合わせと加熱及び加圧とをそれぞれ異なる装置で行うことが一般的である。したがって被接合部材を搭載位置に保持する手段が必要となる。
【０００８】
また、被接合部材に相当する搭載部品の面積と全く同じ面積で焼結性金属接合材を接合部材に供給することは困難であり、通常、接合部材において、被接合部材よりも広めに供給した焼結性金属接合材上に被接合部材が搭載される。搭載後の接合工程では、被接合部材を加圧及び加熱しながら接合を完了させるため、焼結性金属接合材において被接合部材の面積を超えた部分は、加圧されないままとなる。この非加圧の焼結性金属接合材は、接合力が弱く、接合部材から剥離する可能性が高い。焼結性金属接合材の剥離は、導電性異物の発生を意味し、電気的短絡異常等を誘発する可能性がある。
【０００９】
本発明は、上述したような問題点を解決するためになされたもので、焼結性金属接合材を用いて半導体素子を接合する場合において、従来に比べて接合信頼性が高い、半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の一態様における半導体装置は、導体層を形成した基板と半導体素子とを備え、焼結性金属を含む接合材を介して上記半導体素子を上記導体層に接合する半導体装置において、上記接合材のうち上記半導体素子の周辺に位置し、上記導体層と上記半導体素子とに挟まれた接合材に比べて密度が低い周辺接合材と、上記半導体素子の周囲内側から上記周辺接合材上に位置する熱硬化性樹脂材と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の一態様における半導体装置によれば、半導体素子の周囲内側から半導体素子の周辺に位置する周辺接合材まで熱硬化性樹脂材を配置したことで、熱硬化性樹脂材の粘着性を利用して、接合材の種類によらず半導体素子を保持することができる。また、熱硬化性樹脂材は、接合材の加熱及び加圧の際における加熱により硬化することから、周辺接合材が導体層から剥離するのを抑制あるいは防止することができ、導電性異物の生成を抑制あるいは防止することができる。このように本発明の一態様によれば、従来に比べて接合信頼性が高い半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１によるパワーモジュールの断面図であり主な製造工程における断面図である。
【図２】図１に示すパワーモジュールの平面図であり主な製造工程における平面図である。
【図３】本発明の実施の形態２によるパワーモジュールの平面図であり主な製造工程における平面図である。
【図４】図１及び図２に示すパワーモジュールの製造工程を示すフローチャートである。
【図５】従来のパワーモジュールの断面図であり主な製造工程における断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の実施形態である半導体装置及びその製造方法について、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。また、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け当業者の理解を容易にするため、既によく知られた事項の詳細説明及び実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。また、以下の説明及び添付図面の内容は、特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。
【００１４】
また、以下に示す各実施の形態では、半導体装置の一例として、高耐圧で大電流を扱うスイッチング素子あるいは整流素子としてＩＧＢＴあるいはダイオードなどの、いわゆる電力用半導体素子を備えた電力用半導体装置つまりパワーモジュールを例に採る。しかしながら、本発明はこのようなパワーモジュールへの適用に限定されず、通常電圧及び電流を扱う一般的な半導体装置にも適用可能である。
【００１５】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１におけるパワーモジュール１０１の一部を示す模式図である。パワーモジュール１０１は、その基本的構成部分として、導体層２を形成したセラミック基板１と半導体素子５とを備え、焼結性金属を含む接合材３を介して半導体素子５を導体層２に接合した半導体装置である。また、本実施の形態１では、図１の（ａ）に示すセラミック基板１の導体層２上に２つの半導体素子５を接合するが、１つのセラミック基板１上に接合する半導体素子５の個数は問わない。また本実施の形態１で用いた半導体素子５のサイズは、一例として１０×１０ｍｍである。このようなパワーモジュール１０１について、以下に具体的に説明する。
【００１６】
図１の（ｂ）及び図２の（ｂ）に示すように、セラミック基板１の導体層２上に、例えばメタルマスクを用いて一例として１０．５×１０．５ｍｍの範囲に印刷にて接合材３を供給する（図４のステップＳ１）。接合材３の供給面積は、使用する半導体素子５のサイズに対応して決定されるが、導体層２への接合材３による半導体素子５の接合を確実に行い接合強度を上げるため、本実施の形態１では半導体素子５のサイズを超える面積としている。ここで接合材３は、焼結性金属を含む材料であり、本実施の形態ではＡｇナノペーストを用いている。印刷後の接合材３の厚みは、例えば０．１±０．０２ｍｍである。
【００１７】
ここで、接合材３である焼結性金属接合材は、以下のような材料である。即ち、焼結性金属接合材に含まれるナノメーターレベルの金属微粒子は、非常に大きな表面積を有し表面エネルギーを多く有することから反応性が高くなっており、その金属がバルクで示す融点よりも低い温度で金属接合が拡散により進む、という特性を有する。焼結性金属接合材は、このような現象を利用した接合材である。また、金属微粒子は、その反応性の高さから、常温で接触するだけでも焼結すなわち拡散接合が進行する。そのため、一般的に焼結性金属接合材では、金属微粒子同士が凝集して焼結反応が進行するのを抑制するため、金属微粒子は、独立した状態で分散保持するための有機分散材によって保持されている。さらに焼結性金属接合材には、接合工程において焼結反応を生じさせるため、加熱により上述の有機分散材と反応して金属微粒子を裸にする分散材捕捉材、さらに有機分散材と分散材捕捉材との反応物質を捕捉して揮散させる揮発性有機成分等が添加されている。
このように焼結性金属接合材は、骨材たる金属微粒子が各種の有機成分中に分散されてペースト状になった材料である。
【００１８】
よって接合材３を印刷後、接合材３に含まれる、上述した、接合を阻害する不要な溶剤を揮発させるため、接合材３は乾燥される。乾燥条件は、使用するペーストの材料特性に合わせて最適な条件を選択する。よって乾燥条件に、例えば酸素濃度管理が必要となるわけではない。
【００１９】
接合材３の乾燥後、図１の（ｃ）及び図２の（ｃ）に示すように、接合材３の周囲領域に樹脂材４をスクリーン印刷にて供給する（図４のステップＳ２）。本実施の形態１では、樹脂材４としてエポキシ系の熱硬化性樹脂材を用い、また印刷範囲は、接合材３の周囲に沿った枠形状であり、一例として、内枠サイズ９．５×９．５ｍｍ、外枠サイズ１１．５×１１．５ｍｍの枠形状である。また接合後の樹脂材４の厚みは、例えば１８μｍ±４μｍである。このように本実施の形態１では、樹脂材４は、半導体素子５の内側と外側との境界を含み、かつ接合材３の周囲領域を完全に覆い、接合材３の周囲全周にわたり配置される。また、樹脂材４の供給範囲も、使用する半導体素子５のサイズ（本実施の形態１では上述のように１０×１０ｍｍ）に対応して決定される。本実施の形態１では、供給した樹脂材４の内枠が半導体素子５の外形つまり周囲よりも小さくなるつまり内側になるようにしている。こうすることで樹脂材４の粘着性によって半導体素子５を保持可能になる。このように樹脂材４は、半導体素子５の周囲の内側から半導体素子５の周囲の外側つまり周辺に至るまでの範囲に供給されるのが好ましい。
【００２０】
尚、半導体素子５の外形に対して樹脂材４の内枠寸法は、半導体素子５の搭載精度、樹脂材４のにじみ等による、ばらつきの影響を考慮して選定すべきである。本実施の形態１では、後述の加熱及び加圧処理を経た接合プロセス処理の完了後においては、図２の（ｄ）に示すように、樹脂材４の内枠は半導体素子５に隠れて外側から見えない。
【００２１】
一方、接合材３に対する樹脂材４の供給範囲は、後述する他の実施の形態に示すように、本実施の形態１における枠形状に限定するものではない。
【００２２】
本実施の形態１において、接合材３の周囲のみに選択的に樹脂材４を供給した理由は、接合材３と半導体素子５との金属接合を可能な限り阻害しないためである。尚、本実施の形態１では、接合材３及び樹脂材４の供給方法として印刷方法を用いたが、これに限定されるものでなく、ディスペンサーあるいはインクジェットなどその他の手法を用いることができる。即ち、はみ出しあるいは垂れることなく所定位置に接合材３及び樹脂材４が供給でき、またその後の接着性が十分であれば、他の供給方法であってもよい。
【００２３】
また、本実施の形態１では、樹脂材４としてエポキシ系の熱硬化性樹脂材を用いたが、これに限定されるものでなく、アクリル系あるいはウレタン系の熱硬化性樹脂材であってもよい。
【００２４】
次に、図１の（ｄ）に示すように、半導体素子５の位置決めを行い半導体素子５をセラミック基板１の導体層２に搭載する（図４のステップＳ３）。樹脂材４が上述したような供給範囲に配置され、かつ半導体素子５のサイズは１０×１０ｍｍであることから、半導体素子５の端部つまり周囲が必ず樹脂材４上に位置するように、半導体素子５は搭載される。このように配置することで、樹脂材４の粘着性により半導体素子５は位置決めされた位置に保持することができる。尚、本実施の形態１では、樹脂材４の供給位置は、半導体素子５のサイズよりも１ｍｍ内側（周囲の各辺から０．５ｍｍ内側）からとしたが、半導体素子５の下に配置される樹脂材は、半導体素子５を保持することが可能な範囲において少ない方が好ましい。
【００２５】
次に、図１の（ｅ）に示すように、載置した半導体素子５に対して加熱及び加圧６を加えて、接合材３による半導体素子５の導体層２との金属焼結接合を完了させると共に樹脂材４の硬化を行う（図４のステップＳ４）。
ここで接合材３について考えると、半導体素子５の下に位置し導体層２と半導体素子５とに挟まれて加圧される部分と、半導体素子５の周辺に位置し加圧されない部分とが生じる。加圧の有無により、加圧されない接合材３は、加圧される接合材３に比べて空隙が多く、接合材３の密度が低くなる。後述の説明において、このように密度の低い接合材３について、図１の（ｅ）に示す、「周辺接合材３ａ」と記す。
【００２６】
以上の工程により、パワーモジュール１０１における製造工程の一部、つまりセラミック基板１の導体層２上への半導体素子５の接合に関する工程が完了する。
【００２７】
ここで接合材３である焼結性金属接合材を用いた接合動作について説明する。
接合材３における焼結接合では、接合温度、加圧力、接合時間が接合力を決定する主なパラメータとなる。一方、樹脂材４は、熱硬化性樹脂材であるため加圧の必要はなく、加熱により硬化する。つまり接合材３の周囲領域を覆って樹脂材４は硬化する。これによって図１の（ｆ）に示すように、半導体素子５より外側にある未加圧の接合材３、つまり周辺接合材３ａは、導体層２との接合が不十分であっても樹脂材４によって硬化及び保持がなされる。よって、図５の（ｃ）に示すように、周辺接合材３ａが導体層２から剥離して導電性異物７となることを防止することができる。この点について詳しく説明する。
【００２８】
上述のように、半導体素子５は接合材３上に載置され、加圧される。よって、半導体素子５の周囲外側へ未加圧の接合材３が発生する理由としては、接合材３が未硬化の間の加圧により、半導体素子５の下に位置した接合材３が押し出され半導体素子５の周辺へ流動する場合、あるいは半導体素子５の位置決め精度の制約から半導体素子５よりも面積の大きい領域に接合材３を供給した場合などがある。
接合材３を介在させて半導体素子５を導体層２に接合する際に、上述の理由から、周辺接合材３ａが存在した場合には、周辺接合材３ａの導体層２との接合強度は、十分に高くならないという問題が生じる。したがって、図５の（ａ），（ｂ）に示すように熱硬化性樹脂材がない場合には、図５の（ｃ）に示すように、周辺接合材３ａは導体層２から剥離して導電性異物７となり、例えばその後の工程で脱落することも考えられる。脱落した導電性異物が、例えば、電圧差の大きい絶縁材料に付着した場合には、当該絶縁材料の絶縁性を劣化させる危険性があり、検査工程が非常に煩雑になるという問題が生じる。
【００２９】
本実施の形態１では、周辺接合材３ａを覆うように樹脂材４が配置されており、かつ樹脂材４の硬化が接合材３の硬化と共に生じる。よって、樹脂材４を通り抜けて周辺接合材３ａが移動することを確実に防止でき、導電性異物７の発生を抑制しあるいは防止でき、煩雑な検査工程を省くことができる。
【００３０】
また、加圧が行われる接合材３と加圧されない周辺接合材３ａとの境界部分は、クラックが発生し易い箇所である。本実施の形態１によれば、この境界部分が樹脂材４で覆われ補強されるので、導電性異物７の発生を抑制しあるいは防止することができる。また、半導体素子５の端部つまり周囲を確実に樹脂材４と接触させることで、確実な半導体素子５の保持を実現することができる。
また、導電性異物７の発生が抑制あるいは防止可能なことから、半導体装置の生産工程において歩留まりの向上を図ることもできる。
【００３１】
実施の形態２．
図３に本発明の実施の形態２におけるパワーモジュール１０２の平面図を示す。
樹脂材４について、実施の形態１では図２の（ｃ）に示すように、接合材３の周囲領域の全周にわたって接合材３上に配置した。これに対し本実施の形態２では、図３の（ｃ）に示すように、半導体素子５の下に位置する接合材３と周辺接合材３ａとの境界に沿って樹脂材４を点在させて配置する形態を採る。このように実施の形態２は、樹脂材４の配置のみにおいて実施の形態１と相違する。以下では、この相違点に関する構成についてのみ説明を行い、パワーモジュール１０２の基本的な構成についての説明は省略する。
【００３２】
接合材３について、セラミック基板１の導体層２に、実施の形態１と同様の方法にて１０．５×１０．５ｍｍの範囲に供給する。その後、供給した接合材３を乾燥させた後、樹脂材４について、図３の（ｃ）に示すように、接合材３の周囲の各辺において、２×２ｍｍのサイズにて、１ｍｍ間隔で３つ並べて供給する。このような樹脂材４の供給方法は、実施の形態１と同様に例えばスクリーンマスクを用いる方法で行う。このように配置した計１２箇所の樹脂材４の内側を結んだ内接線で形成される樹脂材４を供給しない範囲、つまり図３の（ｃ）に点線１０で示した方形状の寸法は、９×９ｍｍである。また、１２箇所の樹脂材４の外側を結んだ外接線、つまり図３の（ｃ）に点線１１で示す方形状の寸法は、１３×１３ｍｍとなる。よって方形状の点線１０は、半導体素子５（１０×１０ｍｍ）の内側に位置し、方形状の点線１１は接合材３の周囲よりも外側に位置する。
【００３３】
このように樹脂材４を点在させた分割パターンに配置することで、接合材３の接合時に発生する揮発した有機溶剤の逃げ道を形成することができる。つまり半導体素子５と導体層２との焼結接合反応が進行する際に発生する、接合に不要な有機材料を積極的に排出、放散させることができる。このように揮発した有機材料のガスを逃がすことで、接合材３中に残留する気孔を大幅に減らすことができる。一般的にパワーモジュールを使用することで、パワーモジュールには温度変化が生じる。接合材に気泡が存在すると、この温度変化に起因して接合材に亀裂が生じる不具合を発生する可能性がある。よって接合材に多くの気孔が存在する場合には、不具合発生までの耐久サイクル数が小さくなり、パワーモジュールの保証期間が短くなるという懸念がある。これに対して本実施の形態２の構成によれば、接合材３内における気孔を減らすことができ、従来に比べてまた実施の形態１に比べて、耐久サイクル数を大きくでき保証期間を長くできるというメリットがある。また、接合材３内の気泡低減によって、より緻密で良好な接合を形成することもでき、接合信頼性を向上させることもできる。
【００３４】
ここで、本実施の形態では樹脂材４は、上述した形態による分割パターンで配置したが、樹脂材４の配置パターンは、本実施形態の形態に限定するものではない。即ち、樹脂材４は、半導体素子５の周囲内側から周辺接合材３ａにかけて存在し、かつ接合材３と周辺接合材３ａとの境界に沿って点在して配置される形態であればよい。
【００３５】
尚、上述したように樹脂材４を分割して配置することで、樹脂材４による半導体素子５の保持性に関しては、実施の形態１における樹脂材４の配置に比べると低下するが、半導体素子５の４辺は樹脂材４と接触し接合しており、保持性自体に何ら問題は生じない。
【００３６】
また、上述したように樹脂材４を分割して配置することで、図３の（ｄ）に示すように樹脂材４で覆われていない、接合材３が露出した部分が存在する。しかしながら、接合材３の露出部分は本実施の形態では１．０ｍｍ以下の幅であり、かつ、その周囲は樹脂材４にて固定されていることから、導体層２から周辺接合材３ａが剥離することはなく、導電性異物７は発生しない。但し、接合材３に含まれる金属微粒子のサイズあるいは接合条件等による影響により、導電性異物７の発生可能性が予想される場合には、発生可能性のある導電性異物７の最小寸法よりも樹脂材４の配置間隔を小さくすることで、導電性異物７の発生を防止することができる。
【００３７】
また、上述した各実施の形態を組み合わせた構成を採ることも可能であり、また、異なる実施の形態に示される構成部分同士を組み合わせることも可能である。
【符号の説明】
【００３８】
１  セラミック基板、２  導体層、３  接合材、３ａ  周辺接合材、４  樹脂材、
５  半導体素子、
１０１，１０２  パワーモジュール。
【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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