JP5292977B2 - 接合材、半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

接合材、半導体装置およびその製造方法 Download PDF

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Description

この発明は、接合材、この接合材を用いて接合された半導体装置およびその製造方法に関する。
従来、パワーデバイスは、電力変換用途のスイッチングデバイスとして用いられる。図６は、従来の半導体装置の構造について示す断面図である。図６に示すように、半導体装置１０は、半導体チップ１１と、絶縁基板１２と、アルミワイヤ１３と、ヒートシンク１４と、ケース１５と、を備えている。
絶縁基板１２には、表面に回路パターン１２ａ，１２ｂが形成されており、配線基板となっている。半導体チップ１１の裏面は、図示省略した接合材を介して配線基板の回路パターン１２ａと接合している。半導体チップ１１の表面に設けられた図示省略した電極と回路パターン１２ｂとはアルミワイヤ１３によって電気的に接続されている。配線基板の裏面には金属膜１２ｃが設けられており、この金属膜１２ｃが図示を省略した接合材を介してヒートシンク１４と接合している。
ヒートシンク１４は、良熱伝導体の材質で作られており、ベース部１４ａおよび放熱フィン部１４ｂを有する。ベース部１４ａは、半導体チップ１１で発生し、配線基板を介して伝わる熱を放熱フィン部１４ｂへ伝導する。放熱フィン部１４ｂは、複数の放熱フィンを有し、ベース部１４ａから伝導された熱を放散する。ヒートシンク１４の周縁にはケース１５が接着されている。
上述したモジュール構造の半導体装置１０では、半導体チップ１１と絶縁基板１２の表面に形成された回路パターン１２ａとの接合に、接合材として、比較的低い融点で固着工程をおこなえる半田が用いられている。このように、接合材として用いられる半田材は、実装を容易にすることはできるが、融点が２００〜３００℃程度である。したがって、半導体装置の動作寿命を推定する実機動作試験（パワーサイクル試験）などにより、接合層の内部に発生する亀裂が進展し、半導体装置の機能を喪失させることがある（例えば、下記非特許文献１参照。）。
接合層の内部に発生する亀裂が進展する原因の一つは、半導体チップ１１の素材であるシリコンの熱膨張係数（α≒３．０ｐｐｍ／ｋ）と、回路パターン１２ａの素材である、例えば銅の熱膨張係数（α≒１８．０ｐｐｍ／ｋ）と、が異なることによって熱応力が生じることである。また、特に錫（Ｓｎ）を多く含有し、鉛（Ｐｂ）を含有しない半田（以下、Ｐｂフリー半田とする）においては、半田材の再結晶化によって組織の変化が起こり、接合層の内部に発生する亀裂が進展する。この組織変化の時間的な進行速度は、半田材の高温耐量と強い相関を有することが知られている。
図６に示すような積層構造を有する半導体装置の製造工程の接合処理においては、Ｐｂフリー半田を接合材として用いる場合、単一の半田合金から加工された金属粒子にフラックスを融合しペースト状にした接合材を、被接合材に塗布して、加熱炉などに通す。これによって、接合材が溶融して被接合材と一体化するため、接合材と被接合材との接続が熱的にまたは電気的に安定した接続となる。なお、接合材は、単一の半田合金から加工された金属粒子を用いているため、接合層が単一の組成を有する合金となる。
実機動作の際には、発熱部分に近い領域が高温となるため、均一な耐熱性を有する接合層では、発熱源となりえる半導体チップ１１の近傍の領域においては、通常、高温耐量が不足している。したがって、接合層における半導体チップ１１の近傍の領域に微細な亀裂が生じ、この微細な亀裂が全体の亀裂の伸展を加速させる要因となることが実機耐久試験などの結果からも明かである。したがって、半導体装置を高温で安定して動作させるためには、接合材のさらなる高温耐量化、すなわち耐熱性の向上が求められている。
Ｐｂが含有されていない接合材としては、融点が２２０℃程度の、Ｓｎを多く含有するＰｂフリー半田が用いられているが、Ｐｂを多く含有する高温半田の代替となる温度領域のものが必要とされている。最近では、融点が２７０℃程度である、ビスマス（Ｂｉ）を含有する接合材が注目されている。また、Ｂｉの脆性を改良するために、ガスアトマイズ法により作製したＣｕＡｌＭｎの粒子を添加した合金材料の接合材が提案されている（例えば、下記非特許文献２参照。）。
両角 朗、外２名、「パワー半導体モジュールにおける信頼性設計技術」、富士時報、Ｖｏｌ．７４ Ｎｏ．２ ２００１年、ｐ．１４５（４５）−１４８（４８） 山田 靖、外２名、「パワー半導体接合用Ｂｉ系高融点はんだ」、Ｒ＆Ｄ レビュー オブ トヨタＣＲＤＬ、Ｖｏｌ．４１、Ｎｏ．２、２００６年、ｐ．４３−４８
しかしながら、通常、被接合材である半導体チップの最表面には、スパッタや蒸着などによるメタライズ層（Ｎｉ−Ａｕ、Ｎｉ−Ａｇ等）が形成されている。このように、被接合材がＮｉ（ニッケル）を含んでおり、かつ接合材にＢｉを含んでいる場合、被接合材と接合材との界面に、脆性傾向の高いＮｉ−Ｂｉ系の反応層が形成され、半導体装置の機械的な信頼性が低下するという問題がある。また、例えば非特許文献２の技術では、ガスアトマイズ法によりＣｕＡｌＭｎを作製するのにコストがかかり、かつスループットが低下するという問題がある。
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、接合材と被接合材との界面の脆性を抑え、かつ耐熱性を高くし、半導体装置の機械的な信頼性を向上させる接合材、この接合材を用いて接合された半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するため、この発明にかかる接合材は、少なくとも２種類以上の、組成および融点の異なる金属粉体がフラックスに混合されている、当該金属粉体のうちの最も融点の高い金属粉体以外の金属粉体の融点以上、当該最も融点の高い金属粉体の融点未満に加熱する第１加熱工程と、前記最も融点の高い金属粉体の融点以上に加熱する第２加熱工程との２段階の加熱によって接合する際に用いる接合材であって、前記金属粉体のうちの最も融点の高い金属粉体の内部が中空構造であり、当該最も融点の高い金属粉体の固相の比重が、Ｂｉを含まない他の金属粉体の液相の比重よりも小さいことを特徴とする。
また、この発明にかかる接合材は、少なくとも２種類以上の、組成および融点の異なる金属粉体がフラックスに混合されている、当該金属粉体のうちの最も融点の高い金属粉体以外の金属粉体の融点以上、当該最も融点の高い金属粉体の融点未満に加熱する第１加熱工程と、前記最も融点の高い金属粉体の融点以上に加熱する第２加熱工程との２段階の加熱によって接合する際に用いる接合材であって、前記金属粉体のうちの最も融点の高い金属粉体の内部に少なくとも他の金属粉体よりも比重の小さい心材が設けられており、当該最も融点の高い金属粉体の固相の比重が、Ｂｉを含まない他の金属粉体の液相の比重よりも小さいことを特徴とする。
また、この発明にかかる接合材は、少なくとも２種類以上の、組成および融点の異なる金属粉体がフラックスに混合されている、当該金属粉体のうちの最も融点の高い金属粉体以外の金属粉体の融点以上、当該最も融点の高い金属粉体の融点未満に加熱する第１加熱工程と、前記最も融点の高い金属粉体の融点以上に加熱する第２加熱工程との２段階の加熱によって接合する際に用いる接合材であって、前記金属粉体のうちの最も融点の高い金属粉体の内部に少なくとも他の金属粉体よりも比重の大きい心材が設けられており、当該最も融点の高い金属粉体の固相の比重が、Ｂｉを含まない他の金属粉体の液相の比重よりも大きいことを特徴とする。
また、この発明にかかる接合材は、上述した発明において、前記金属粉体のうちの少なくとも１種類は、表面が電鋳処理による金属膜で被覆された構造であることを特徴とする。
また、この発明にかかる接合材は、上述した発明において、さらに、前記金属粉体よりも粒径の小さく、前記最も融点の高い金属粉体よりも融点が高い金属微粒子が混合されていることを特徴とする。
また、この発明にかかる半導体装置は、半導体チップと基板とが少なくとも２種類以上の金属を含む接合材によって接合された半導体装置であって、前記半導体チップと前記基板との間に、前記金属のうちの、Ｂｉを含まない最も融点の高い金属以外の金属と前記半導体チップの最表面とが反応した第１反応層と、前記金属のうちの前記最も融点の高い金属と前記第１反応層とが反応した第２反応層と、前記最も融点の高い金属の濃度が、前記最も融点の高い金属以外の金属の濃度よりも濃い第１濃化領域と、前記最も融点の高い金属以外の金属の濃度が、前記最も融点の高い金属の濃度よりも濃い第２濃化領域と、をこの順に備えることを特徴とする。
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、接合材により半導体チップと基板とが接合された半導体装置の製造方法であって、接合材として、少なくとも２種類以上の、組成および融点の異なる金属粉体がフラックスに混合されており、当該金属粉体のうちの最も融点の高い金属粉体の固相の比重が、Ｂｉを含まない他の金属粉体の液相の比重よりも小さい接合材を用意する工程と、前記半導体チップと前記基板の間に前記接合材を挟み、前記半導体チップを前記接合材の上側にして加熱炉に入れる炉入れ工程と、前記加熱炉内の温度を、前記最も融点の高い金属粉体以外の金属粉体の融点以上、当該最も融点の高い金属粉体の融点未満に加熱する第１加熱工程と、前記加熱炉内の温度を、前記最も融点の高い金属粉体の融点以上に加熱する第２加熱工程と、を含むことを特徴とする。
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、接合材により半導体チップと基板とが接合された半導体装置の製造方法であって、接合材として、少なくとも２種類以上の、組成および融点の異なる金属粉体がフラックスに混合されており、当該金属粉体のうちの最も融点の高い金属粉体の固相の比重が、Ｂｉを含まない他の金属粉体の液相の比重よりも大きい接合材を用意する工程と、前記半導体チップと前記基板の間に前記接合材を挟み、前記半導体チップを前記接合材の下側にして加熱炉に入れる炉入れ工程と、前記加熱炉内の温度を、前記最も融点の高い金属粉体以外の金属粉体の融点以上、当該最も融点の高い金属粉体の融点未満に加熱する第１加熱工程と、前記加熱炉内の温度を、前記最も融点の高い金属粉体の融点以上に加熱する第２加熱工程と、を含むことを特徴とする。
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記接合材には、前記金属粉体よりも粒径の小さく、前記最も融点の高い金属粉体よりも融点が高い金属微粒子が混合されており、前記第２加熱工程において、前記加熱炉内の温度を、前記最も融点の高い金属粉体の融点以上であって、前記金属微粒子の融点よりも低い温度に加熱することを特徴とする。
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記接合材には、３種類以上の金属粉体が混合されており、前記第１加熱工程において、前記加熱炉内の温度を、前記最も融点の高い金属粉体以外の少なくとも２種類の金属粉体の融点以上の温度であって、当該最も融点の高い金属粉体の融点未満に段階的に加熱することを特徴とする。
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第１加熱工程および前記第２加熱工程においては、加熱された温度を所定時間保持することを特徴とする。
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第１加熱工程の後と、前記第２加熱工程の後とに、前記加熱炉内を減圧して、当該加熱炉内を脱気する減圧工程を含むことを特徴とする。
上述した各請求項の発明によれば、発熱源となる半導体チップと絶縁基板とを接合材によって接合した際に、接合材と半導体チップとの界面に、延性が高い金属によって反応層を形成し、接合層内の半導体チップ側に、耐熱性の高い金属の濃度が濃い領域を形成することができる。また、接合層内の絶縁基板側に、延性の高い金属の濃度が濃い領域を形成し、耐熱性の高い層に生じる歪みを延性の高い領域に分散させることができる。
また、この発明によれば、接合材に金属微粒子が混合されている場合、金属微粒子の融点を超えない温度で接合処理をおこなうことで、接合材に、液相と固相を共存させることができる。これによって、強化構造を形成することができる。
また、この発明によれば、接合層内にボイドが生じるのを抑えることができる。
本発明にかかる接合材、この接合材を用いて接合された半導体装置およびその製造方法によれば、接合材と被接合材との界面の脆性を抑え、かつ耐熱性を高くし、半導体装置の機械的な信頼性を向上させることができるという効果を奏する。
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる接合材、この接合材を用いて接合された半導体装置およびその製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の実施の形態の説明およびすべての添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１にかかる接合材の構造について示す断面図である。実施の形態１にかかる接合材は、融点の異なる２種類以上の組成の金属粉体を主材として、この主材がフラックスに分散して混合されている。そして、金属粉体のうち、最も融点が高い金属粉体の固相の比重が他の金属粉体の液相の比重よりも小さい。
具体的には、例えば、図１に示すように、実施の形態１にかかる接合材１は、金属Ａ粉体２と、金属Ｂ粉体３との２種類の組成の金属粉体が、フラックス４に分散して混合されている。ここで、金属Ｂ粉体３は、金属Ａ粉体２よりも融点が高く、固相の比重が金属Ａ粉体２の液相の比重よりも小さければ良い。
したがって、金属Ｂ粉体３の内部を中空構造としたり、金属Ｂ粉体３に比重の小さい樹脂などを心材として用いることで、金属Ｂ粉体３の固相の比重を、金属Ａ粉体２の液相の比重よりも小さくしても良い。また、金属Ａ粉体２に、比重の大きい重金属などを心材として用いることで、金属Ｂ粉体３の固相の比重を、金属Ａ粉体２の液相の比重より小さくしても良い。なお、金属Ａ粉体２または金属Ｂ粉体３は、表面に電鋳処理による被膜処理を施し、断面構造を２層としても良い。ここで、電鋳処理は、電解処理でも良いし、無電解処理でも良い。具体的には、図１に示すように、例えば金属Ｂ粉体３を、金属心材３１がめっき被膜３２で覆われている構造としても良い。
ここで、金属Ａ粉体２と金属Ｂ粉体３の組み合わせは、具体的には、錫（Ｓｎ：融点が約２２９℃、固相の比重が約７．０ｇ／ｃｃ、液相の比重が約６．９ｇ／ｃｃ）、ビスマス（Ｂｉ：融点が２７１℃、固相の比重が約９．８ｇ／ｃｃ、液相の比重が約１０．７ｇ／ｃｃ）や、これらを主成分とする２元合金の組み合わせが良い。また、２元合金は、例えばＳｎ３．５Ａｇ（融点が２２１℃、液相の比重７．１２ｇ／ｃｃ）やＢｉ２．５Ａｇ（融点が２６１℃、液相の比重１０．０８ｇ／ｃｃ）などである。
なお、金属Ａ粉体２にはＢｉが含まれていないことが好ましい。その理由は、金属Ｂ粉体３よりも金属Ａ粉体２の融点が低いため、金属Ａ粉体２の方が先に溶融する。このとき、例えば被接合材の最表面がニッケル（Ｎｉ）の場合、被接合材と接合材との界面に脆性傾向の高いＮｉ−Ｂｉ系の反応層（ＮｉＢｉ、ＮｉＢｉ3等）が形成され、半導体装置の機械的な信頼性が低下するからである。
また、接合材１には、さらに金属微粒子が混合されていても良い。金属微粒子としては、粒径が数ｎｍ〜数μｍ程度のものが良く、例えば銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、鉛（Ｐｄ）、ケイ素（Ｓｉ）、テルル（Ｔｅ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、白金（Ｐｔ）などである。また、金属微粒子が混合されている場合、半導体装置の製造方法においては、金属微粒子の融点を超えない温度で接合処理をおこなう。したがって、接合材１には、液相と固相が共存することとなる。このようにすることで、接合層に強化構造を形成することができる。
上述した実施の形態１によれば、半導体装置の製造方法の接合処理をおこなう際に、接合材に接する被接合材との界面に形成される反応層の脆性を抑え、かつ接合層内の上側の領域に、耐熱性の高い領域を形成することができる。また、接合層内の下側の領域には、延性の高い領域を形成することができる。このため、例えば耐熱性の高い領域が脆性傾向であっても、その歪みを延性の高い領域に分散させることができる。したがって、例えば接合材の上側に接する被接合材が発熱源の場合、接合材と被接合材との界面における反応層の脆性を抑え、かつ耐熱性を高くすることで、半導体装置の機械的な信頼性を向上させることができる。
（実施の形態２）
つぎに、実施の形態２にかかる接合材について説明する。実施の形態２にかかる接合材は、金属粉体のうち、最も融点が高い金属粉体の比重が他の金属粉体の融液の比重よりも大きい。
具体的には、例えば、図１に示すように、実施の形態２にかかる接合材５１において、金属Ｂ粉体３は、金属Ａ粉体２よりも融点が高く、固相の比重が金属Ａ粉体２の液相の比重よりも大きければ良い。金属Ｂ粉体３に、固相の比重の大きい重金属などを心材として用いることで、金属Ｂ粉体３の固相の比重を、金属Ａ粉体２の液相の比重より大きくすると良い。
具体的には、金属Ｂ粉体３を、例えば球状のＣｕ、Ｍｏ、Ｗ等の重金属を心材として用いた構造とし、金属Ａ粉体２をＳｎリッチな組成とする。特に、金属Ｂ粉体３の心材にＣｕを用いた場合、固相の比重が約９．０ｇ／ｃｃとなり、金属Ａ粉体２の融液であるＳｎ融液の液相の比重（約６．９ｇ／ｃｃ）より大きくなる。
また、金属Ａ粉体２がＳｎ３．５Ａｇ（融点が約２２１℃）であり、金属Ｂ粉体３がＳｎ１５．０Ｓｂ（融点が約２６０℃）であっても良い。その理由は、このようにすることで、金属Ｂ粉体３が、過包晶組成または過共晶組成となり、β−ＳｎＳｂ、Ｓｎ2Ｓｂ3などの粗大な化合物が存在する合金組成となるからである。これら粗大な化合物を形成する組成の金属Ｂ粉体３では、高融点部分の濃度が濃い状態（濃化状態）を生成しやすくなり、比重が金属Ａ粉体２の液相の比重よりも大きくなる。なお、金属Ａ粉体２がＳｎ３．０Ａｇ０．５Ｃｕ（融点が約２１８℃）であり、金属Ｂ粉体３がＳｎ２０．０Ａｇ（融点が約２６０℃）でも良い。この場合、粗大な化合物として、ε−Ａｇ3Ｓｎなどが存在することとなる。
実施の形態２によれば、発熱源となる被接合材が接合材の下側に接する場合、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
（実施の形態３）
つぎに、実施の形態３にかかる半導体装置の構造について説明する。実施の形態３にかかる半導体装置は、実施の形態１または実施の形態２にかかる接合材１を用いて接合された半導体装置である。ここでは、実施の形態１にかかる接合材１を用いて接合された半導体装置について説明する。図２は、実施の形態１にかかる接合材を用いて接合された半導体装置の構造について示す断面図である。
図２に示すように、実施の形態１にかかる接合材１が、被接合材である半導体チップ１１および絶縁基板１２とによって挟まれた状態となっている。実施の形態３においては、接合材１の上側に半導体チップ１１が接し、接合材１の下側に絶縁基板１２が接している。また、接合材１には、複数の組成の金属粉体が混合されているため、被接合材と接合材１との接合の界面付近には、複数の反応層が形成される。
具体的には、図２に示すように、接合材１と半導体チップ１１との界面に、融点の低い金属Ａ粉体２と半導体チップ１１が液相−固相反応によって一体化して形成された第１反応層２２が形成され、さらに融点が高い金属Ｂ粉体３と第１反応層２２とが一体化して形成された第２反応層２３とが、半導体チップ１１側からこの順に設けられている。すなわち、半導体チップ１１と絶縁基板１２との間に、半導体チップ１１側から、第１反応層２２と、第２反応層２３と、金属Ｂ粉体３の濃度が濃い金属Ｂ濃化領域（第１濃化領域）２４と、金属Ａ粉体２の濃度が濃い金属Ａ濃化領域（第２濃化領域）２５とが、この順に設けられている。
なお、実施の形態２にかかる接合材を用いて接合された半導体装置は、図２に示す半導体装置と上下が逆になった構成である。すなわち、接合材の上側に絶縁基板１２が接し、接合材の下側に半導体チップ１１が接している。そして、接合材１においては、上から順に、金属Ａ濃化領域２５、金属Ｂ濃化領域２４、第２反応層２３および第１反応層２２となる。その他の構成は、図２に示す半導体装置と同様のため説明を省略する。
上述した実施の形態３によれば、実施の形態１または実施の形態２と同様の効果を得ることができる。
（実施の形態４）
つぎに、実施の形態４にかかる半導体装置の製造方法について説明する。実施の形態４においては、半導体装置の製造方法の接合処理において、半導体装置を実施の形態１にかかる接合材を用いて接合する方法について説明する。図３および図４は、実施の形態４にかかる半導体装置の製造方法について示す断面図である。また、図５は、実施の形態４にかかる半導体装置の製造方法における接合処理の際の、温度および圧力と、時間との関係を示す特性図である。
まず、図３に示すように、絶縁基板１２の上側に接合材１を塗布し、その上に半導体チップ１１を載置する。そして、接合材１が半導体チップ１１および絶縁基板１２に挟まれた状態のまま、半導体チップ１１を接合材１の上側にして、加熱炉に入れる。さらに、加熱炉内の温度を、金属Ａ粉体２の融点Ｔ１以上で、金属Ｂ粉体３の融点Ｔ２未満の温度（以下、初段加熱温度とする）に上げる。
そして、図５に示すように、初段加熱温度になった時刻ｔ１から時刻ｔ３になるまでの所定時間、初段加熱温度を保持し、金属Ａ粉体２を溶融させる。このとき、加熱炉の体積が変化せずに、炉内の温度が上がるため、炉内の圧力が上昇する。したがって、時刻ｔ１後の時刻ｔ２から時刻ｔ３の間に、脱気処理をおこない炉内を減圧する。このように、脱気処理をおこなうことで、接合材１の内部にボイドが生じるのを抑えることができる。
炉内の温度をＴ１以上Ｔ２未満とすることで、金属Ａ粉体２が溶融し、金属Ｂ粉体３が溶融されず固相のまま残る。接合材１においては、金属Ｂ粉体３の固相の比重が、金属Ａ粉体２の液相の比重よりも小さいため、金属Ａ粉体２の融液の上側、すなわち接合材１内の半導体チップ１１側に金属Ｂ粉体３が凝集する。
また、このとき、図４に示すように、被接合材である半導体チップ１１の固相を保った表面と、溶融した金属Ａ粉体２とによって、固相−液相の界面を通して化学反応が起こり、第１反応層２２が生成される。具体的には、金属Ａ粉体２がＳｎを含み、かつＢｉを含まない組成で、半導体チップ１１の最表面がＮｉ膜の場合、第１反応層２２は、Ｎｉ−Ｓｎ系の合金化合物となる。したがって、例えば接合材にＢｉ系の合金のみが含まれる場合に比べて、接合材と被接合材との界面の反応層の脆性を抑えることができる。このように、接合材１に含まれる金属粉体の一部が溶融し被接合材と部分的に接合される。
つぎに、図５に示すように、さらに温度を上げていき、金属Ｂ粉体３の融点Ｔ２以上の温度（以下、最終加熱温度とする）にする。そして、最終加熱温度になった時刻ｔ４から時刻ｔ６になるまでの所定時間、最終加熱温度を保持し、金属Ｂ粉体３を溶融させる。これによって、第１反応層２２と、溶融した金属Ｂ粉体３とによって、化学反応が起こり、第２反応層２３が生成される。
また、このとき、金属Ｂ粉体３が、接合材１の上側に凝集された状態で溶融するため、接合材１の上側の領域、すなわち接合材１の半導体チップ１１側の領域では、金属Ｂの濃度が濃くなる。また、それに伴い、金属Ｂ粉体３の少ない接合材１の下側の領域、すなわち接合材１の絶縁基板１２側の領域では、金属Ａの濃度が濃くなる。このように、接合材１に含まれる金属粉体が全て溶融されて被接合材と接合される。
また、加熱炉内の温度を初段加熱温度から最終加熱温度に上げることで、炉内の圧力が上昇するため、時刻ｔ４後の時刻ｔ５から時刻ｔ６の間に、脱気処理をおこない炉内を減圧する。つぎに、図２に示すように、半導体装置を冷却することで、半導体チップ１１と絶縁基板１２との間に、半導体チップ１１側から順に、第１反応層２２と、第２反応層２３と、金属Ｂ粉体３の濃度が濃い領域２４と、金属Ａ粉体２の濃度が濃い領域２５とが形成される。
なお、実施の形態４においては、例えば接合材１に上述した金属微粒子が含まれている場合、最終加熱温度を、金属微粒子の融点よりも低くする。また、実施の形態４においては、温度を保持する回数を初段加熱温度と最終加熱温度の２回として、２種類の金属粉体をそれぞれ溶融させたが、これに限るものではない。例えば接合材にさらに異なる組成の金属粉体が含まれる場合、それぞれの金属粉体の融点に合わせて、最終加熱温度未満の範囲で温度を保持する回数を増やしても良い。
実施の形態４によれば、実施の形態１〜３と同様の効果を得ることができる。また、加熱炉内の脱気処理をおこなうことで、接合層内にボイドが生じるのを抑えることができる。
（実施の形態５）
つぎに、実施の形態５にかかる半導体装置の製造方法について説明する。実施の形態５においては、半導体装置の製造方法の接合処理において、半導体装置を実施の形態２にかかる接合材を用いて接合する方法について説明する。実施の形態５においては、図３に示すように、絶縁基板１２の上に接合材５１を塗布し、その上に半導体チップ１１を載置する。つぎに、実施の形態４とは異なり、接合材が半導体チップおよび絶縁基板に挟まれた状態のまま、半導体チップを接合材の下側にして、加熱炉に入れる。その他の方法は実施の形態４と同様のため説明を省略する。
実施の形態５によれば、実施の形態４と同様の効果を得ることができる。
以上のように、本発明にかかる接合材、半導体装置およびその製造方法は、高温で動作するパワーデバイスに有用であり、特に、電力変換用途のスイッチングデバイスに適している。
実施の形態１にかかる接合材の構造について示す断面図である。 実施の形態１にかかる接合材を用いて接合された半導体装置の構造について示す断面図である。 実施の形態４にかかる半導体装置の製造方法について示す断面図である。 実施の形態４にかかる半導体装置の製造方法について示す断面図である。 実施の形態４にかかる半導体装置の製造方法における接合処理の際の、温度および圧力と、時間との関係を示す特性図である。 従来の半導体装置の構造について示す断面図である。
符号の説明
１、５１ 接合材
２ 金属Ａ粉体
３ 金属Ｂ粉体
４ フラックス
１１ 半導体チップ
１２ 絶縁基板

Claims (12)

  1. 少なくとも２種類以上の、組成および融点の異なる金属粉体がフラックスに混合されている、当該金属粉体のうちの最も融点の高い金属粉体以外の金属粉体の融点以上、当該最も融点の高い金属粉体の融点未満に加熱する第１加熱工程と、前記最も融点の高い金属粉体の融点以上に加熱する第２加熱工程との２段階の加熱によって接合する際に用いる接合材であって、
    前記金属粉体のうちの最も融点の高い金属粉体の内部が中空構造であり、当該最も融点の高い金属粉体の固相の比重が、Ｂｉを含まない他の金属粉体の液相の比重よりも小さいことを特徴とする接合材。
  2. 少なくとも２種類以上の、組成および融点の異なる金属粉体がフラックスに混合されている、当該金属粉体のうちの最も融点の高い金属粉体以外の金属粉体の融点以上、当該最も融点の高い金属粉体の融点未満に加熱する第１加熱工程と、前記最も融点の高い金属粉体の融点以上に加熱する第２加熱工程との２段階の加熱によって接合する際に用いる接合材であって、
    前記金属粉体のうちの最も融点の高い金属粉体の内部に少なくとも他の金属粉体よりも比重の小さい心材が設けられており、当該最も融点の高い金属粉体の固相の比重が、Ｂｉを含まない他の金属粉体の液相の比重よりも小さいことを特徴とする接合材。
  3. 少なくとも２種類以上の、組成および融点の異なる金属粉体がフラックスに混合されている、当該金属粉体のうちの最も融点の高い金属粉体以外の金属粉体の融点以上、当該最も融点の高い金属粉体の融点未満に加熱する第１加熱工程と、前記最も融点の高い金属粉体の融点以上に加熱する第２加熱工程との２段階の加熱によって接合する際に用いる接合材であって、
    前記金属粉体のうちの最も融点の高い金属粉体の内部に少なくとも他の金属粉体よりも比重の大きい心材が設けられており、当該最も融点の高い金属粉体の固相の比重が、Ｂｉを含まない他の金属粉体の液相の比重よりも大きいことを特徴とする接合材。
  4. 前記金属粉体のうちの少なくとも１種類は、表面が電鋳処理による金属膜で被覆された構造であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の接合材。
  5. さらに、前記金属粉体よりも粒径の小さく、前記最も融点の高い金属粉体よりも融点が高い金属微粒子が混合されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の接合材。
  6. 半導体チップと基板とが少なくとも２種類以上の金属を含む接合材によって接合された半導体装置であって、
    前記半導体チップと前記基板との間に、
    前記金属のうちの、Ｂｉを含まない最も融点の高い金属以外の金属と前記半導体チップの最表面とが反応した第１反応層と、
    前記金属のうちの前記最も融点の高い金属と前記第１反応層とが反応した第２反応層と、
    前記最も融点の高い金属の濃度が、前記最も融点の高い金属以外の金属の濃度よりも濃い第１濃化領域と、
    前記最も融点の高い金属以外の金属の濃度が、前記最も融点の高い金属の濃度よりも濃い第２濃化領域と、
    をこの順に備えることを特徴とする半導体装置。
  7. 接合材により半導体チップと基板とが接合された半導体装置の製造方法であって、
    接合材として、少なくとも２種類以上の、組成および融点の異なる金属粉体がフラックスに混合されており、当該金属粉体のうちの最も融点の高い金属粉体の固相の比重が、Ｂｉを含まない他の金属粉体の液相の比重よりも小さい接合材を用意する工程と、
    前記半導体チップと前記基板の間に前記接合材を挟み、前記半導体チップを前記接合材の上側にして加熱炉に入れる炉入れ工程と、
    前記加熱炉内の温度を、前記最も融点の高い金属粉体以外の金属粉体の融点以上、当該最も融点の高い金属粉体の融点未満に加熱する第１加熱工程と、
    前記加熱炉内の温度を、前記最も融点の高い金属粉体の融点以上に加熱する第２加熱工程と、
    を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  8. 接合材により半導体チップと基板とが接合された半導体装置の製造方法であって、
    接合材として、少なくとも２種類以上の、組成および融点の異なる金属粉体がフラックスに混合されており、当該金属粉体のうちの最も融点の高い金属粉体の固相の比重が、Ｂｉを含まない他の金属粉体の液相の比重よりも大きい接合材を用意する工程と、
    前記半導体チップと前記基板の間に前記接合材を挟み、前記半導体チップを前記接合材の下側にして加熱炉に入れる炉入れ工程と、
    前記加熱炉内の温度を、前記最も融点の高い金属粉体以外の金属粉体の融点以上、当該最も融点の高い金属粉体の融点未満に加熱する第１加熱工程と、
    前記加熱炉内の温度を、前記最も融点の高い金属粉体の融点以上に加熱する第２加熱工程と、
    を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  9. 前記接合材には、前記金属粉体よりも粒径の小さく、前記最も融点の高い金属粉体よりも融点が高い金属微粒子が混合されており、
    前記第２加熱工程において、前記加熱炉内の温度を、前記最も融点の高い金属粉体の融点以上であって、前記金属微粒子の融点よりも低い温度に加熱することを特徴とする請求項７または８に記載の半導体装置の製造方法。
  10. 前記接合材には、３種類以上の金属粉体が混合されており、
    前記第１加熱工程において、前記加熱炉内の温度を、前記最も融点の高い金属粉体以外の少なくとも２種類の金属粉体の融点以上の温度であって、当該最も融点の高い金属粉体の融点未満に段階的に加熱することを特徴とする請求項７〜９のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
  11. 前記第１加熱工程および前記第２加熱工程においては、加熱された温度を所定時間保持することを特徴とする請求項７〜１０のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
  12. 前記第１加熱工程の後と、前記第２加熱工程の後とに、
    前記加熱炉内を減圧して、当該加熱炉内を脱気する減圧工程を含むことを特徴とする請求項７〜１１のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
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