JP2017117869A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高生産性で、かつ複数の半導体素子を均一加圧可能な、半導体装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】複数の半導体素子２と、半導体素子が接合される複数の突起部４０ｔを有する一つの回路部材４と、半導体素子を回路部材の表面に接合する複数の焼結金属体３Ａとを有し、突起部は、回路部材における半導体素子が載置される領域４３の少なくとも角部に位置する半導体素子に対応して位置することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置、特には電力用半導体装置、及びその製造方法に関する。

半導体装置の中でも電力用半導体装置は、産業用機器から、家電、情報端末まで幅広い機器の主電力（パワー）の制御に用いられ、特に輸送機器等においては高い信頼性が求められている。一方で、従来のシリコン（Ｓｉ）を用いた半導体素子に代えて、炭化珪素（ＳｉＣ）等のワイドバンドギャップ半導体を用いた半導体素子を備えた半導体装置の開発が進められており、電力用半導体装置の高パワー密度化と高温動作化が進んでいる。

一方、高温動作を実現するためには、半導体素子自体の耐熱性を向上させるだけでなく、半導体装置の各接合部分の接合信頼性を高める必要がある。そこで、高温動作を実現するための接合方法として、焼結金属体を形成する接合材を用いて、半導体素子を回路基板あるいはヒートシンク等の回路部材に接合する、いわゆる焼結接合を用いた電力用半導体装置の製造方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

焼結接合は、粒径がナノメートルオーダーから数マイクロメートルオーダーの焼結性金属粒子が含まる接合材を、加圧した状態で加熱することで行われる。一般的に、金属粒子は、粒子径が所定のサイズよりも小さくなると、バルク金属に比べて非常に活性な表面状態を有するようになり、表面エネルギーを減らす方向へと容易に反応が進行する。その結果、バルク金属の融点よりも低温で凝固するため低温での接合が可能となり、一方、接合後にはバルク金属の融点まで再溶融することはない。したがって、焼結接合を用いることで、バルク金属の融点よりも低い温度での接合が可能となるため、接合温度の上昇に伴う半導体装置の損傷あるいは製造コストの増加を抑制できるとともに、接合温度よりも高い耐熱性を有する電力用半導体装置が得られる。

また、接合材中の焼結性金属粒子は、接合前の状態において金属粒子同士が反応するのを抑制するために、その表面が有機保護膜で覆われている。そして、接合時の加熱により有機保護膜を分解させ、加圧により金属粒子同士の接触を促すことで焼結を進行させ、接合を可能にする。そのため、焼結接合では、接合面全域に十分な圧力を加えることが重要となり、加圧力が不足した領域では金属粒子同士の接触不良により、焼結が進行せず、接合強度が低下するという問題が生じる。よって複数の半導体素子と回路部材とを接合する場合において回路部材の厚みあるいは接合材の厚みにばらつきが存在するときには、加圧が不十分な半導体素子が発生してしまう。
ここで、複数の半導体素子を均一に加圧する方法としては、例えば特許文献２に示されるように、各半導体素子上に金属体、つまり発泡金属あるいは所定の空隙を有する焼結金属の塊、を搭載し、金属体を変形させながら加圧する方法が挙げられる。

特開２０１２−１９１２３８号公報 特開２０１４−１２７５３６号公報

しかしながら、特許文献２の方法では、半導体素子ごとに金属体を配置する必要があり、半導体素子数が多い場合には、生産性が低下する可能性がある。また、複数の半導体素子を均一に加圧可能であるような方法として、特開２００８−１９３０２３号公報に示されるような、樹脂製シート材を用いる方法が挙げられる。この場合には、特許文献２の金属体よりも樹脂製シートが柔軟であると考えられるため、複数の半導体素子を一続きの樹脂製シートを介して押圧することで、複数の半導体素子を均一に加圧可能と推察される。よって、半導体素子ごとに樹脂製シートを配置する必要はなく、生産性が向上すると考えられる。

しかしながら、この方法は、接合時の高温高圧によって樹脂製シートが大きく変形し、これに起因して、半導体素子に作用する加圧力にむらが生じる可能性がある。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、高生産性を維持しながら複数の半導体素子を均一加圧可能な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。

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、複数の半導体素子と、上記半導体素子が接合される複数の突起部を有する一つの回路部材と、上記半導体素子を上記回路部材の表面に接合する複数の焼結金属体とを備え、上記突起部は、上記回路部材における半導体素子が載置される領域の少なくとも角部に位置する上記半導体素子に対応して位置することを特徴とする。

また、本発明の他の態様における半導体装置の製造方法は、上記一態様に記載の半導体装置の製造方法で、焼結金属粒子を含む接合材及び加熱加圧装置を使用して一つの回路部材と複数の半導体素子との接合を行う製造方法であって、上記加熱加圧装置は、対向して位置する第１及び第２の一対の加圧板を有し、上記半導体装置の厚み方向において、第１加圧板と第２加圧板との間に、上記回路部材、上記接合材、上記半導体素子、及び加圧シートを、これらの順に重ねて配置し、上記第１及び第２の加圧板を加熱し、かつ相対的に接近させて加圧して、上記焼結金属粒子を焼結させて上記半導体素子と上記回路部材とを接合することを備え、上記加圧シートは、全ての上記半導体素子を覆う大きさを有する一枚のシートであり、上記第１及び第２の加圧板のうち上記加圧シートに接する加圧板は、全ての上記半導体素子を覆う大きさを有することを特徴とする。

本発明の一態様における半導体装置によれば、回路部材において半導体素子が載置される領域の角部に対応して回路部材は突起部を有することから、回路部材の厚みあるいは焼結金属粒子を含む接合材の厚みにばらつきがある場合であっても、焼結金属粒子にて回路部材と半導体素子とを接合する際の加圧むらを低減することができる。したがって、複数の半導体素子に対して一度で均質的に接合が行え、高生産性を維持しながら複数の半導体素子を均一加圧可能な半導体装置を提供可能である。また、焼結金属結合を行うことから、耐熱性に優れると共に、信頼性の高い半導体素子を低コストで得ることができる。

本発明の他の態様における半導体装置の製造方法によれば、加圧シートの平面内での伸びが大きい箇所に位置する半導体素子に対応して回路部材に突起部を設けている。よって、半導体素子と回路部材との接合するときの加圧シートの伸びに起因して加圧力が低下する位置における半導体素子に対して、特に強く押圧することができる。よって、複数の半導体素子を均一に加圧することが可能である。また、一続きの一枚の加圧シートで複数の半導体素子を押圧するため、半導体素子ごとに加圧シートを搭載する必要がなく、高い生産性を維持することもできる。

本発明の実施の形態１における半導体装置の概略を示す断面図であり、図２に示すＡ−Ａ部における断面図である。 図１に示す半導体装置の平面図である。 図１に示す半導体装置の回路部材に設けた突起部の位置を示す平面図である。 図３Ａにおける突起部の位置の変形例を示す平面図である。 （ａ）から（ｄ）は、図１に示す半導体装置の製造方法を説明するための各工程を示す側面図である。 図１に示す半導体装置の製造方法に用いる図４に示す加熱加圧装置の平面図である。 （ａ）は接合圧力分布に関する実験における接合方法を行う装置の断面図であり、（ｂ）は接合しているときにおける加圧シートの伸び方向を示す平面図である。 接合圧力分布に関する実験の結果を示す模式図である。 図１に示す半導体装置の変形例を示す図であり、その製造状態を示す平面図、及び突起部の位置を示す平面図である。 図１に示す半導体装置のさらに別の変形例における平面図である。 図９に示す半導体装置において、接合圧力分布に関する実験での加圧シートの伸び方向を示す平面図である。 図９に示す半導体装置において、接合圧力分布に関する実験の結果を示す模式図である。 図１に示す半導体装置の突起部の高さを説明するための断面図である。 図１に示す半導体装置において加圧シートと回路パターンとの距離を説明するための側面図である。

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。

尚、以下の記述では半導体装置として電力用半導体装置を例に採る。よって電力用半導体装置に備わる半導体素子として電力用半導体素子を例に採る。しかしながら、本願発明は、電力用半導体装置に限定する意図ではなく、電力用以外の通常電力を扱う一般的な半導体装置についても適用可能である。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１における電力用半導体装置の構成について説明する。
図１は、本実施の形態１の電力用半導体装置１００を示す断面図であり、図２はその平面図である。ここで図１は、図２に示すＡ−Ａ断面に相当する。尚、図１では、本実施の形態の特徴部分である半導体素子と回路部材との接合部分に関する構成のみを図示し、他の構成については図示を省略している。また、各図は概略構成を示すもので、例えば部材の厚み等は、理解を容易にするため及び図示の便宜上、実際の大きさとは異なる。

本実施形態の電力用半導体装置１００は、基本的構成部分として、複数の半導体素子２と、焼結金属体３Ａと、回路部材４とを有する。
半導体素子２は、本実施形態では、いわゆる電力用の半導体素子であり、その厚みが例えば０．１〜０．４ｍｍ程度であり、その主面（表面）２ｆが矩形状をなす素子である。より具体的には、半導体素子２は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor）、ＳＢＤ（Schottky Barrier diode）、ＰＮダイオードなどが相当する。例えば、半導体素子２としてＩＧＢＴを用いた場合、主面２ｆにはエミッタ電極と、制御信号が入力されるゲート電極とが形成されており、その厚み方向において主面２ｆに対向する裏面には、コレクタ電極が形成されている。尚、図１において、半導体素子２の各電極は、図示を省略している。
また、半導体素子２は、Ｓｉの半導体材料から作製されるものに限らず、ワイドバンドギャップ半導体材料、例えば炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料、及びダイヤモンドで作製された半導体素子でもよい。

焼結金属体３Ａは、焼結性金属粒子が焼結して凝固した金属層であり、回路部材４と半導体素子２とを接合する接合層である。ここで焼結性金属粒子とは、粒径がナノオーダーから数マイクロオーダーの金属粒子であって、いわゆる焼結接合に用いられる接合材を構成する金属粒子である。また、焼結性金属粒子の種類、即ち、焼結金属体３Ａを構成する金属の種類としては、焼結接合が可能な金属であって、融点が半導体素子２の最大動作温度以上である金属（例えば、ＡｇあるいはＣｕ等）とすることが好ましい。より詳細には、半導体素子２が、ワイドバンドギャップ半導体材料から作製されたＳｉＣ半導体素子の場合、焼結金属体３Ａは、融点が２００℃以上、より好ましくは３００℃以上の金属とすることが好ましい。

回路部材４は、半導体素子２が載置され半導体素子２とともに主回路の一部を構成する板状部材であり、例えばヒートスプレッダあるいは回路パターンが形成された絶縁基板である。より詳細には、電気導電性及び熱伝導性に優れた銅（Ｃｕ）あるいは銅合金、アルミニウム（Ａｌ）等の金属ブロック状のヒートスプレッダあるいはリードフレームと称される板材、又は絶縁性を有するセラミックの基材に金属配線パターンが形成されたセラミック絶縁基板などが挙げられる。本実施の形態では、回路部材４は、セラミック４１に銅の回路パターン４０を形成した絶縁基板として図示する。

また、回路部材４の回路パターン４０には、図１に示すように、突起部４０ｔが形成されている。図３Ａは、回路部材４における突起部４０ｔの配置状態を示した平面図である。尚、図３Ａに示す「４０ｔｆ」は、突起部４０ｔの主面を表す。
回路部材４の回路パターン４０には、図２に示すように、一例として３行３列（３×３）に半導体素子２が配置されるが、突起部４０ｔは、本実施形態では図３Ａに示すように、領域４３における角部に形成される。ここで領域４３は、複数の半導体素子２が配置される領域であって、その外周端は、回路パターン４０の周囲よりも僅かに狭い位置に対応する。また図３Ａに示す「４０ｔｆ」は、突起部４０ｔの表面を示す。この表面４０ｔｆには、焼結して焼結金属体３Ａとなる、後述の接合材３Ｂが例えば塗布することで設けられる。

尚、突起部４０ｔを領域４３における角部に形成する理由については後述する。
また、図３Ａでは、回路パターン４０に突起部４０ｔを、領域４３における角部に形成した場合を示しているが、突起部４０ｔの形成は、これに限るものでない。例えば、図３Ｂに示すように、回路部材４の外周縁部４２に沿って突起部４０ｔを形成していても良い。その理由については後述する。

また、突起部４０ｔの材質は、回路パターン４０の材料と同種でも構わないし、異種の材料でも良い。但し、異種の材料である場合、突起部４０ｔと回路パターン４０とは金属接合されている必要がある。そして、突起部４０ｔの材質は、後述する接合工程における加熱温度及び加圧力によって変形しない材料であれば良い。さらに、半導体素子２の動作で発生する熱を回路パターン４０に効率的に伝導するために、熱伝導率の高い物質であることが好ましく、かつ電力用半導体装置１００を低消費電力で動作させるために、電気伝導率の高い物質であることが好ましい。よって、例えば、銅（Ｃｕ）あるいは銅合金、アルミニウム（Ａｌ）等が好ましい。

半導体素子２、焼結金属体３Ａ、及び突起部４０ｔのサイズの大小関係は、半導体素子２を均一に加圧して半導体素子２の裏面全体を突起部４０ｔに接合するために、以下の関係を有することが望ましい。但し、突起部４０ｔ、焼結金属体３Ａ、及び半導体素子２の長手及び短手方向を互いに一致させて接合することを前提とする。

突起部４０ｔの長手長さ ≧ 焼結金属体３Ａの長手長さ ≧ 半導体素子２の長手長さ
かつ
突起部４０ｔの短手長さ ≧ 焼結金属体３Ａの短手長さ ≧ 半導体素子２の短手長さ

上の関係を満たすことで、図１及び図２に示すように、回路部材４に対向する半導体素子２の裏面の全面を突起部４０ｔに接合することができる。その結果、半導体素子２の動作で発生する熱を回路パターン４０に効率的に逃がすことができる。また、後述する接合工程において、半導体素子２に作用する応力を低減することが可能となる。

上述したように、図１では電力用半導体装置１００における半導体素子２と回路部材４との接合部分のみを図示しているが、実際には、半導体素子２の主面２ｆ側においても図示しない配線部材等が接合される。また、回路部材４の下面側には冷却部材が設けられることもある。さらに、半導体素子２を含む回路面が例えば封止樹脂によって封止されることもある。但し、本実施形態の電力用半導体装置１００は、半導体素子２の主面２ｆ側の構成、回路部材４の下面側の構成、及び封止方法等によって限定されるものではない。よって、これらの構成については説明を省略する。

次に、実施の形態１における電力用半導体装置１００の製造方法について説明する。
図４は、実施の形態１にかかる電力用半導体装置１００の製造方法の各工程を示す側面図である。図５は、電力用半導体装置１００の製造方法に用いる加熱加圧装置２００を示す平面図である。以下、電力用半導体装置１００の説明と同様に、半導体素子２と回路部材４との接合部分に着目して説明を行う。

まず、図４の（ａ）に示すように、回路部材４に突起部４０ｔを形成する。その形成方法としては、例えば、回路パターン４０をエッチングして、その一部を切削する方法が挙げられる。その形成位置は、上述したように、回路部材４において半導体素子２が載置される領域４３における少なくとも角部である。

次に、形成した突起部４０ｔの表面４０ｔｆ（図３Ａ）に、ペースト状の接合材３Ｂを塗布する。ここで、接合材３Ｂは、有機保護膜で被覆された焼結金属粒子を含む接合材であり、後述するように加熱加圧されることで焼結金属体３Ａになる元の材料である。
そして、塗布された接合材３Ｂ上に、半導体素子２の裏面を接合材３Ｂに対向させて半導体素子２を配置し、接合準備品１を形成する。

次に、図４（ｂ）に示すように、接合準備品１の半導体素子２の主面２ｆ上に、複数の半導体素子２の主面２ｆの全体を覆うように一枚の加圧シート５０を配置する。加圧シート５０は、後の加圧工程において、半導体素子２の傾き等により生じる加圧力の偏り（方当たり）を抑制する機能を果たす。尚、主面２ｆは、回路部材４に対向する半導体素子２の裏面に対して半導体素子２の厚み方向（Ｚ方向）において反対側の面が相当する。

次に、加熱加圧装置２００を用いて、加圧シート５０が載置された接合準備品１を加圧する加圧動作を行う。
加熱加圧装置２００は、図４の（ｃ）及び（ｄ）に示すように、第１加圧板の一例に相当する上側加圧板２１、及び第２加圧板の一例に相当する下側加圧板２２を有する。ここで上側加圧板２１及び下側加圧板２２は、接合準備品１の厚み方向（図４の（ａ）に示すＺ方向）において互いに対向して、かつ接合準備品１を挟むように配置される。上側加圧板２１は、加圧シート５０に接する加圧板であり、下側加圧板２２は回路部材４の回路パターン４０に接する加圧板である。尚、下側加圧板２２に直接接触する対象は、本実施の形態では説明を簡略化するため、回路部材４の回路パターン４０を対象として記載するが、回路部材４が形成されたセラミック４１、あるいは冷却装置等としてもよい。

また、上側加圧板２１及び下側加圧板２２には、それぞれヒーター２１ｈ及びヒーター２２ｈがそれぞれ設けられている。さらに下側加圧板２２の表面２２ｆには、図５に示すように、接合準備品１の位置決めを行うガイド２２ｇが設けられている。本実施形態では、ガイド２２ｇは、Ｌ字型の突起形状をなしている。尚、ガイド２２ｇの形状は、本実施形態におけるＬ字型に限定するものではなく、例えば、コ字型あるいはハ字型等の、接合準備品１の側面における少なくとも隣接する２辺に接し支持する形状であればよく、さらには位置決め機能を有する機構であれば下側加圧板２２に形成された突起状の構造以外のものでも構わない。

まず、図４の（ｃ）に示すように、加圧シート５０が載置された接合準備品１を、加熱加圧装置２００の下側加圧板２２の表面２２ｆに載置し、かつ接合準備品１における回路部材４の角がガイド２２ｇのコーナー部に接するように配置する。より詳細には、ガイド２２ｇのコーナー部に矩形状の回路部材４の角を突き当てるように配置する。これにより、接合準備品１が、つまり半導体素子２が下側加圧板２２に対して位置決めされる。
尚、接合準備品１の加圧を行う前に、予めヒーター２１ｈ、２２ｈに通電することで、上側加圧板２１及び下側加圧板２２を予備加熱しておくことが好ましい。予備加熱は、接合材３Ｂ内に含まれる焼結性金属粒子同士の焼結が起こらない温度に加熱した状態であり、このような温度を保持する。これにより、後述する半導体素子２と回路部材４との接合工程において接合材３Ｂを加熱する際に、必要な加熱温度を得るまでの時間を短縮することができる。

予備加熱後、上側加圧板２１及び下側加圧板２２を相対的に接近するように少なくとも一方を上記Ｚ方向に移動させ、図４の（ｄ）に示すように、一枚の加圧シート５０を載せた接合準備品１を上側加圧板２１と下側加圧板２２とで挟み、接合準備品１を加圧する。
この加圧状態において、加圧シート５０は、接合準備品１を構成する各部材の厚みのばらつきを吸収することから、半導体素子２の主面２ｆ全体を均一に加圧することが可能となる。例えば、接合材３Ｂの塗布むら等によって接合準備品１の各部材の厚みがばらつき、半導体素子２の主面２ｆと上側加圧板２１との間に傾きが生じていた場合であっても、加圧シート５０が厚さ方向（Ｚ方向）に変形することで、半導体素子２の主面２ｆ全体を均一に加圧することができる。
また、全ての半導体素子２に対して一枚の加圧シート５０を設けることから、半導体素子ごとに加圧シートを搭載する必要がなく、高生産性で、半導体素子２の均一加圧が行える。

加圧力が、回路部材４の回路パターン４０と半導体素子２とを接合するのに必要な圧力範囲に達した後、上側加圧板２１及び下側加圧板２２を焼結接合に必要な温度まで、さらに加熱する。
そして、加圧シート５０、半導体素子２、接合材３Ｂ、及び回路部材４の温度がそれぞれ必要な温度に達した後、必要な時間、加圧力及び加熱温度を保持する。これにより、接合材３Ｂに含まれる有機保護膜が分解され、焼結性金属粒子による接合が開始され、半導体素子２と回路部材４の回路パターン４０とが接合する。接合が完了すると、接合材３Ｂは、有機保護膜が揮発し焼結性金属粒子が凝固した焼結金属体３Ａとなる。

この接合動作において、加圧シート５０の役割は、上述のように半導体素子２に作用する加圧力の均一化以外にも、半導体素子２が破損するのを防ぐクッション材としての役割がある。そのため、加圧シート５０を構成する材料は、接合材３Ｂの焼結温度における耐熱性と、当該温度において半導体素子２を破損しない程度の柔軟さ（弾性率）とを有する材料であれば良い。具体的には、接合時の温度において、弾性率が１ＭＰａ以下の材料であることが好ましい。
尚、このような加圧シート５０の役割から加圧シート５０は、樹脂製シートの緩衝材と呼ぶこともできる。

また、加圧シート５０のサイズは、回路部材４に搭載された全ての半導体素子２の主面２ｆ全体を十分に加圧するために、以下の関係であることが好ましい。但し、加圧シート５０の長手方向と半導体素子２の搭載領域の長手方向、加圧シート５０の短手方向と半導体素子２の搭載領域の短手方向とをそれぞれ一致させるように、加圧シート５０を搭載することを前提とする。

加圧シート５０の長手長さ ≧ 半導体素子２の搭載領域の長手長さ（図２に示す長さ２ｎｌ）、かつ
加圧シート５０の短手長さ ≧ 半導体素子２の搭載領域の短手長さ（図２に示す長さ２ｍｌ）

上述の関係を満たすことで、回路部材４に搭載された全ての半導体素子２の主面２ｆを、加圧シート５０を介して確実に押圧することができる。したがって、前述した加圧シート５０を用いる効果が確実に発揮される。
さらに、加圧シート５０を配置する際の作業性の観点から、加圧シート５０は、半導体素子２の搭載領域の大きさに対して長手、短手ともに１ｍｍ程度大きいサイズであることが望ましい。
また、加圧シート５０の厚さは、加圧力のばらつきを低減するために、加圧前の状態では半導体素子２よりも厚く、加圧後では加圧前の厚さの半分以下になるような厚さを有することが好ましい。

次に、回路部材４に突起部４０ｔを設けたことにより、半導体素子２をより均一に加圧できるという効果について、突起部４０ｔの形成場所に関する内容も含めて、以下に説明を行う。
半導体素子２の回路部材４への接合は、加熱加圧装置２００のコスト低減あるいはサイズ低減の観点から、より低圧力で行うことが望ましい。また、低圧力での接合が可能となれば、同一荷重であっても、一括して接合できる半導体素子２の数が増加し、生産性を向上させることが可能になる。
しかしながら、接合時の圧力を低下させると、接合面内での圧力にばらつきがある場合には、局所的に、接合に必要な圧力を下回る領域が発生する。つまり、接合時の加圧力を低下させた場合には、加圧力が大きい場合には問題にならなかった接合面内における圧力ばらつきが問題となってくる。
そこで、まず回路部材４に突起部４０ｔを設けずに接合を行う場合において、半導体素子２の主面２ｆに作用する圧力分布について検証を行った。以下にその説明を行う。

図６の（ａ）は、半導体素子２の主面２ｆにかかる圧力分布に関する実験に関して、その接合方法を説明するための、加熱加圧装置２００を含めた断面図であり、図２に示すＢ−Ｂ断面に対応する位置での断面を図示している。尚、このＢ−Ｂ断面は、回路部材４において突起部４０ｔが形成されていない部分における断面に相当する。また図６の（ｂ）は、当該実験の結果を示す模式図であり、半導体素子２の主面２ｆにおける加圧力の分布を示した平面図である。尚、図６の（ｂ）において、実線は加熱加圧装置２００の上側加圧板２１の位置を示し、一点鎖線は加圧シート５０の位置を示し、破線は半導体素子２の主面２ｆの位置を示している。さらに、図６の（ｂ）に示す矢印Ｎ（白、黒とも）は、加圧シート５０の伸び方向を模式的に表している。

接合工程では、加圧シート５０は、半導体素子２の主面２ｆと上側加圧板２１との間で押圧され、各々の半導体素子２の主面２ｆにおいて、それぞれの中心Ｃ（図６に示す黒丸部分）から放射状にＸ−Ｙ方向（加圧シート５０の厚み方向（Ｚ方向）に直交する平面方向）に伸長する。加圧シート５０の伸長方向が相対する部位（矢印Ｎのうち白色のもの）では、加圧シート５０が互いに逆方向に伸びようとし、結果として加圧シート５０の伸び量は小さくなる。一方、加圧シート５０が相対しない部位（矢印Ｎのうち黒色のもの）では、加圧シート５０は大きく伸長することになる。

また、半導体素子２の主面２ｆに作用する加圧力は、図７に示す黒色部が白色部に比べて低くなることが実験によって確認された。これは、加圧シート５０がＸ−Ｙ平面内で伸びることで、加圧シート５０の伸び量分だけ、半導体素子２をＺ方向に押圧するための加圧力がＸ−Ｙ平面内での加圧シート５０の変形に消費されたためであると考えられる。ここで図７に示す黒色部は、図６に示す、加圧シート５０の伸びが大きい箇所と一致しており、加圧シート５０の伸びに起因して、黒色部の加圧力が白色部に比べて低下したと考えられる。

以上の理由から、接合準備品１に対して、接合時の圧力を変化させて接合状態を確認すると、接合圧力を低下させていった場合、まず初めに、図７に示す黒色部で加圧力が小さくなる。
さらに、図７に示すように、黒色部の面積は、角部に配置される半導体素子２ｃにおける面積が角部以外に配置される半導体素子２に比べて大きい。

そこで、図３Ａに示すように、領域４３の角部に配置される半導体素子２ｃの直下における回路部材４に突起部４０ｔを設けることで、角部の半導体素子２ｃを特に強く押圧
することが可能となる。よって、加圧力のばらつきによる未接合領域が生じる可能性を最低限に抑制することが可能となる。その結果、接合時の加圧力を低減させた場合であっても、半導体素子２と回路部材４との未接合が生じる可能性を最低限に抑制することが可能となる。

さらに、図７において、角部に配置される半導体素子２ｃ以外の黒色部に対応する各半導体素子２の直下における回路パターン４０に、図３Ｂに示すように、それぞれ突起部４０ｔを設けることで、半導体素子２をさらに均一に押圧できる。その結果、図７に示す全黒色部での加圧力の低下が抑制できるため、全ての半導体素子２に対する加圧力のばらつきを低減することができる。よって、接合工程における加圧力を低減した場合においても、半導体素子２と回路部材４との間で未接合領域が生じる恐れを抑制することが可能となる。また、回路部材４における半導体素子２の配置位置によらず、全ての半導体素子２に対して回路部材４と強固に接合することができる。

また、例えば、図８の（ａ）、（ｂ）に示すように、複数の半導体素子２が接合される領域４３には、３×３の半導体素子配置が４セット存在し、複数（この例では４つ）の回路部材４に載置されたそれぞれの半導体素子２に対して、一続きの、つまり一枚の、加圧シート５０を用いて一括接合する場合にあっては、上述した理由から、領域４３の外周縁部４２（図８の（ａ）に示す太黒線内で太黒線に沿った部分）に対応して配置される半導体素子において加圧力が低下する傾向にある。そこで、突起部４０ｔの形成位置は、４つのそれぞれの回路部材４に対して、図８の（ｂ）に示すように配置する必要がある。
このように、回路部材４上での突起部４０ｔの形成位置は、図３Ａの構成に限るものではなく、接合方法（回路部材４の配置、加圧シート５０のサイズ等）によって様々に変化させる必要があり、変化させた構成でそれぞれ効果を発揮し得る。

さらに別の例として、例えば図９に示すように、他の半導体素子２によって囲まれる半導体素子２が存在せず、全ての半導体素子２が接合領域の外周縁部４２に配置される場合について説明する。
このような場合、接合領域の、詳しくは上述した領域４３の角部に配置される半導体素子、つまり図９に示す半導体素子２ｃ、の直下に対応して、回路パターン４０に突起部４０ｔを形成する。これにより、加圧力のばらつきによる未接合部の発生を最低限に抑制することができる。以下には、この理由について説明する。尚、図９に示す「２ｃｆ」は、角部に配置される半導体素子２ｃにおける主面を表している。

まず、図９に示した２行４列の半導体素子２の配置において、回路部材４の回路パターン４０に突起部４０ｔを設けずに接合を行う場合に、半導体素子２の主面２ｆに作用する圧力分布について検証した。図１０は、この実験における、半導体素子２の主面２ｆでの加圧力の分布に関する実験結果を示す模式図である。尚、図１０において、実線は加熱加圧装置２００における上側加圧板２１の位置を示し、一点鎖線は加圧シート５０の位置を示し、破線は半導体素子２の主面２ｆの位置を示している。また、図１０において、図中の矢印Ｎ（白、黒とも）は、加圧シート５０の伸び方向を模式的に表している。

接合時において、加圧シート５０は、半導体素子２の主面２ｆと上側加圧板２１との間で押圧され、加圧シート５０は、各々の半導体素子２における主面２ｆの中心Ｃ（図１０に示す黒丸）から放射状にＸ−Ｙ方向に伸長する。加圧シート５０の伸長方向が相対する部位（矢印Ｎのうち白色のもの）では、加圧シート５０が互いに逆方向に伸びようとし、結果として加圧シート５０の伸び量は小さくなる。一方、加圧シート５０の伸長方向が相対しない部位（矢印Ｎのうち黒色のもの）では、加圧シート５０は大きく伸長することになる。また、半導体素子２の主面２ｆに作用する加圧力は、図１１に示す黒色部が白色部に比べて低くなることが実験によって確認された。これは、加圧シート５０がＸ−Ｙ平面内で伸びることで加圧シート５０の伸び量分だけ、半導体素子２をＺ方向に押圧するための加圧力がＸ−Ｙ平面内での加圧シート５０の変形に消費されたためであると考えられる。図１１に示す黒色部は、図１０に示す加圧シート５０の伸びが大きい箇所と一致しており、加圧シート５０の伸びに起因して、黒色部の加圧力が白色部に比べて低下したと考えられる。

以上の理由から、接合準備品１に対して、接合時の圧力を変化させて接合状態を確認すると、接合圧力を低下させていった場合、まず初めに、図１１に示す黒色部で加圧力が小さくなる。さらに、図１１に示すように、黒色部の面積は、角部に配置される半導体素子２ｃにおける面積が角部以外に配置される半導体素子２に比べて大きい。
そこで、図９に示すように、領域４３の角部に配置される半導体素子２ｃの直下における回路部材４に突起部４０ｔを設けることで、角部の半導体素子２ｃを特に強く押圧することが可能となり、加圧力のばらつきによる未接合領域が生じる可能性を最低限に抑制することが可能となる。よって、接合時の加圧力を低減させた場合であっても、半導体素子２と回路部材４との未接合が生じる可能性を最低限に抑制することが可能となる。

以上説明した、図３Ａ、図８及び図９に示す各例から判るように、接合時の加圧力を低減させた場合であっても、半導体素子２と回路部材４との未接合が生じる可能性を最低限に抑制するためには、回路パターン４０における、複数の半導体素子２が載置される領域４３において、少なくとも角部に配置される半導体素子２の直下における回路パターン４０に突起部４０ｔを設けることが有効である。

他の半導体素子２によって囲まれる半導体素子２が存在せず、全ての半導体素子２が接合領域の外周縁部４２に配置される、例えば図９に示すような半導体素子２の配列の場合において、黒色部に対応する各半導体素子２の直下の全てに対して、回路パターン４０に突起部４０ｔを設けると、回路部材４の底面からの高さ２ｆｔ（図１）が全ての半導体素子２で同一となる。よって、角部の半導体素子２ｃを特に強く押圧することが困難になる可能性も考えられる。したがって、図９に示すように、他の半導体素子２によって囲まれる半導体素子２が存在せず、全ての半導体素子２が接合領域の外周縁部４２に配置される場合には、領域４３の角部に配置される半導体素子２ｃの直下における回路部材４にのみ突起部４０ｔを設けることで効果を発揮することができる。

また、図１２は回路部材４の断面図であるが、突起部４０ｔの高さ４０ｔｈが過度に大きい場合には、突起部４０ｔを形成していない箇所に配置された半導体素子２が十分に押圧されず、当該箇所で未接合が発生する恐れがある。加圧シート５０の厚さは、目安として、加圧後における厚みが加圧前の厚みの半分以下になるような厚さを想定していることから、突起部４０ｔの高さ４０ｔｈの上限は、加圧シート５０の厚さの半分である。但し、図４に示す接合準備品１を構成する各部材の厚みのばらつきが大きいほど、突起部４０ｔの高さ４０ｔｈの、許容可能な上限値は小さくなる。半導体素子２の厚さと、突起部４０ｔの高さ４０ｔｈとの関係は、複数の半導体素子２のそれぞれの厚さが統一されていれば、特に制約はない。

半導体素子２の厚さが統一されていることに対する利点を述べる。
半導体素子２の厚さが統一されていることで、複数の半導体素子２を均一に加圧するためには、突起部４０ｔの高さ４０ｔｈだけを調整すれば良い。つまり、半導体素子２の厚さが統一されていない場合には、半導体素子２の厚さに応じて、その半導体素子２が配置される突起部４０ｔの高さ４０ｔｈを調整する必要が生じる。
また、半導体素子２の厚さが統一することで、複数の半導体素子２を容易に均一に押圧することができる。したがって、回路部材４内における半導体素子２の位置によらず、半導体素子２と回路部材４とを強固に接合することができる。

また、突起部４０ｔの高さ４０ｔｈが過度に小さい場合には、前述した均圧化の効果が得られない。そこで、目標とする焼結金属体３Ａの密度に応じて、突起部４０ｔの高さ４０ｔｈは調整する必要があり、２０〜１００μｍの範囲で調整することが多い。

さらに、突起部４０ｔの高さ４０ｔｈは、一種類である必要はなく、半導体素子２に作用する加圧力の分布あるいは目標とする接合強度に応じて複数種類あっても良い。このとき、上述したように、半導体素子２の厚さが統一されていなければ、突起部４０ｔの高さ４０ｔｈに加えて半導体素子２の厚さも調整する必要が生じる。そのため、調整するパラメータがより多くなり、調整が煩雑となる。具体的には、目標とする焼結金属体３Ａの密度に応じて、突起部４０ｔの高さ４０ｔと半導体素子２の厚さとを調整し、結果として、半導体素子２の主面２ｆの、回路部材４の底面からの高さ２ｆｔ（図１）を調整する必要がある。

本実施の形態では、上述のとおり接合時の加圧力を低減することが可能となるため、回路部材４にかかる応力集中を抑制することができる。さらには、加熱加圧装置２００の小型化等により製造コストを低減することができる。

さらに、突起部４０ｔを設けることによる別の効果について説明する。
接合に際しては、接合材３Ｂに含まれる有機保護膜が分解、揮発して、周囲に飛散する。このとき、加圧シート５０と回路パターン４０との間の距離が小さい場合には、有機保護膜の成分が回路パターン４０に付着し易くなり、回路パターン４０が汚染される可能性が高くなる。
図１３の（ａ）は突起部４０ｔを設けた場合、図１３の（ｂ）は設けない場合における、接合時の様子を示した側面図である。加圧シート５０と回路パターン４０との間の距離ｈ５４０は、突起部４０ｔを設けた場合の方が大きくなっており、揮発した有機保護膜の成分が回路パターン４０に付着しにくくなっている。

以上のように、突起部４０ｔを回路部材４に形成することで、半導体素子２と回路部材４との接合において、半導体素子２に作用する加圧力のばらつきを低減することができると共に、接合材３Ｂに含まれる有機保護膜の成分による回路パターン４０が汚染される可能性をも低減することができる。

１ 接合準備品、２ 半導体素子、３Ａ 焼結金属体、３Ｂ 接合材、４ 回路部材、
２１，２２ 加圧板、４０ｔ 突起部、４３ 領域、５０ 加圧シート、
１００ 電力用半導体装置、２００ 加熱加圧装置。

Claims (7)

1. 複数の半導体素子と、
   上記半導体素子が接合される複数の突起部を有する一つの回路部材と、
   上記半導体素子を上記回路部材の表面に接合する複数の焼結金属体と、
   を備え、
   上記突起部は、上記回路部材における半導体素子が載置される領域の少なくとも角部に位置する上記半導体素子に対応して位置する、
   ことを特徴とする半導体装置。
2. 上記複数の半導体素子は、均一な厚さを有する、請求項１に記載の半導体装置。
3. 上記半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体材料の素子である、請求項１又は２に記載の半導体装置。
4. 上記ワイドバンドギャップ半導体材料は、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料、及びダ
   イヤモンドのいずれかである、請求項３に記載の半導体装置。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法で、焼結金属粒子を含む接合材及び加熱加圧装置を使用して一つの回路部材と複数の半導体素子との接合を行う製造方法であって、
   上記加熱加圧装置は、対向して位置する第１及び第２の一対の加圧板を有し、
   上記半導体装置の厚み方向において、第１加圧板と第２加圧板との間に、上記回路部材、上記接合材、上記半導体素子、及び加圧シートを、これらの順に重ねて配置し、
   上記第１及び第２の加圧板を加熱し、かつ相対的に接近させて加圧して、上記焼結金属粒子を焼結させて上記半導体素子と上記回路部材とを接合する、
   ことを備え、
   上記加圧シートは、全ての上記半導体素子を覆う大きさを有する一枚のシートであり、
   上記第１及び第２の加圧板のうち上記加圧シートに接する加圧板は、全ての上記半導体素子を覆う大きさを有する、
   ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
6. 上記回路部材において上記半導体素子が接合される複数の突起部は、上記半導体素子と上記回路部材とを接合するときに上記加圧シートの平面内での伸びが大きい箇所に位置する半導体素子に対応して設ける、請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
7. 上記加圧シートは、接合時における弾性率が１ＭＰａ以下の材料である、請求項５又は６に記載の半導体装置の製造方法。

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