JP6383208B2 - 半導体装置の製造方法、接合材および接合材の形成方法 - Google Patents
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Description
実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法によって組み立てられたパッケージ構造の半導体装置の構造の一例について説明する。図1は、実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法によって組み立てられたパッケージ構造の半導体装置の構造の一例を示す断面図である。図1には、絶縁基板1に例えば1つの電力用の半導体チップ2を実装したパッケージ構造の完成形を示す。図1に示すように、絶縁基板1は、絶縁層11のおもて面側に回路パターンを構成する例えば銅(Cu)箔からなるおもて面側金属層(第1金属材)12が設けられ、裏面側に裏面側金属層13が設けられている。絶縁層11は、例えばセラミックなどの絶縁体からなる。
次に、実施の形態2にかかる半導体装置の製造方法について説明する。図5は、実施の形態2にかかる半導体装置の製造方法によって組み立てられたパッケージ構造の半導体装置の構造の一例を示す断面図である。図5には、1つの半導体チップ2を実装した絶縁基板1の裏面側金属層13を金属ベース(例えばCuベース)または金属フィン(以下、金属ベース4とする)に接合した半導体モジュールの完成形の要部を示す。実施の形態2にかかる半導体装置の製造方法は、接合層を介して金属材同士を接合する接合工程を2回以上行うにあたって、実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法を適用した変形例である。
次に、実施の形態3にかかる半導体装置の製造方法について、図3を参照しながら説明する。実施の形態3にかかる半導体装置の製造方法が実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法と異なる点は、第1金属の粒子を含むペーストに代えて、第1金属からなる金属繊維を接合材として用いる点である。
次に、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。図6は、実施の形態4にかかる半導体装置の製造方法に用いる板状接合材の形成途中の状態を示す断面図である。実施の形態4にかかる半導体装置の製造方法は、実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法を適用して、作業板5などの上において予め第1〜3金属の3元合金からなる板状接合材を形成する変形例である。板状接合材は、第2,3金属の第2共晶系合金を浸透させた、第1金属からなる多孔質体である。
次に、実施の形態5にかかる半導体装置の構造について説明する。図7,8は、実施の形態5にかかる半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。実施の形態5にかかる半導体装置の製造方法が実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法と異なる点は、第1金属の粒子を含むペースト、および、第2,3金属の第2共晶系合金からなる金属薄板に代えて、合金ペーストを接合材として用いる点である。具体的には、例えば、合金ペーストとして、第1金属の粒子と、第2,3金属の第2共晶系合金の粒子とを、好適な有機溶剤を用いて保護および混合した合金ペーストを接合材として用いる。
次に、実施の形態6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6にかかる半導体装置の製造方法が実施の形態5にかかる半導体装置の製造方法と異なる点は、ペースト状のはんだに代えて、板状はんだを接合材として用いる点である。板状はんだは、第2,3金属の第2共晶系合金中に第1金属の粒子を混合してなる。
2 半導体チップ
3 半導体チップの裏面金属電極
4 半導体モジュールの金属ベースもしくは金属フィン
5 作業板
11 絶縁基板の絶縁層
12 絶縁基板のおもて面側金属層
13 絶縁基板の裏面側金属層
21,26b 第1〜3金属の3元合金からなる接合層(はんだ層)
22a 第1金属の粒子を含むペースト層
22b 第1金属からなる多孔質層
23 第2共晶系合金の金属薄板
24 第2接合層
25 第1金属からなる多孔質体に、第2,3金属の第2共晶系合金を浸透させた3元合金層の前駆体
26a 第1金属の粒子と、第2,3金属の第2共晶系合金の粒子とからなる合金ペースト層
Claims (19)
- 第1金属材と、接合層を介して前記第1金属材に接合された第2金属材とを備えた半導体装置の製造方法であって、
第1金属からなる多孔質層を、前記第1金属材の表面に形成する第1工程と、
前記第1金属と全率固溶系合金をなす第2金属と、前記第1金属と第1共晶点で共晶反応し第1共晶系合金をなす第3金属と、からなる、前記第1共晶点よりも低い第2共晶点をもつ第2共晶系合金の金属薄板を、前記多孔質層の表面に載せる第2工程と、
前記金属薄板の上に、前記第2金属材を載せる第3工程と、
前記第2共晶点よりも高く、かつ前記第1共晶点よりも低い第1温度の熱処理により前記金属薄板を溶融させ、前記金属薄板の溶融物を前記多孔質層に浸透させる第4工程と、
前記第1温度よりも高く、かつ前記第1共晶点よりも低い第2温度の熱処理により前記多孔質層を溶融させ、前記金属薄板の溶融物に前記第1金属を拡散させることにより、前記第1金属材と前記第2金属材との間に、固相線温度が前記第2温度となる前記接合層を形成する第5工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記第1工程では、前記接合層の中に前記第5工程の前の状態で前記多孔質層の一部が残存するように、前記多孔質層を形成することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1工程は、
前記第1金属材の表面に前記第1金属の粒子を含むペーストを塗布してペースト層を形成する塗布工程と、
前記ペースト層を焼結させて前記多孔質層に変化させる焼結工程と、を含むことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記第1工程は、
前記塗布工程の後、前記焼結工程の前に、前記第1金属材を振動させて、前記ペースト層の表面を平坦化させる工程をさらに含むことを特徴とする請求項3に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記第1工程では、前記多孔質層として、前記第1金属の金属繊維を絡みあわせてなるシート状の金属繊維層を形成することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1金属は、銀または銅であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第2金属は、金であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第3金属は、ゲルマニウムまたはシリコンであることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
- 第1金属からなる多孔質層を作業板の表面に形成する第1工程と、
前記第1金属と全率固溶系合金をなす第2金属と、前記第1金属と第1共晶点で共晶反応し第1共晶系合金をなす第3金属と、からなる、前記第1共晶点よりも低い第2共晶点をもつ第2共晶系合金の金属薄板を、前記多孔質層の表面に載せる第2工程と、
前記第2共晶点よりも高く、かつ前記第1共晶点よりも低い第1温度の熱処理により前記金属薄板を溶融させ、前記金属薄板の溶融物を前記多孔質層に浸透させることにより、前記第1金属、前記第2金属および前記第3金属からなる板状接合材を形成する第3工程と、
前記板状接合材を前記作業板の表面から剥がす第4工程と、
を含むことを特徴とする接合材の形成方法。 - 前記第1金属、前記第2金属および前記第3金属との反応を抑制可能な材料からなる前記作業板を用いることを特徴とする請求項9に記載の接合材の形成方法。
- 前記第1工程では、前記第1温度よりも高く、かつ前記第1共晶点よりも低い第2温度の熱処理後に前記板状接合材の中に前記第2温度の熱処理前の状態で前記多孔質層の一部が残存するように、前記多孔質層を形成することを特徴とする請求項9または10に記載の接合材の形成方法。
- 前記第1工程は、
前記作業板の表面に前記第1金属の粒子を含むペーストを塗布してペースト層を形成する塗布工程と、
前記ペースト層を焼結させて前記多孔質層に変化させる焼結工程と、を含むことを特徴とする請求項9〜11のいずれか一つに記載の接合材の形成方法。 - 前記第1工程では、前記多孔質層として、前記第1金属の金属繊維を絡みあわせてなるシート状の金属繊維層を形成することを特徴とする請求項9または10に記載の接合材の形成方法。
- 前記第4工程の後、前記板状接合材の表面に、前記第1金属、前記第2金属または前記第3金属の薄膜を形成する第5工程をさらに含むことを特徴とする請求項9〜13のいずれか一つに記載の接合材の形成方法。
- 前記第1金属は、銀または銅であることを特徴とする請求項9〜14のいずれか一つに記載の接合材の形成方法。
- 前記第2金属は、金であることを特徴とする請求項9〜15のいずれか一つに記載の接合材の形成方法。
- 前記第3金属は、ゲルマニウムまたはシリコンであることを特徴とする請求項9〜16のいずれか一つに記載の接合材の形成方法。
- 第1金属の粒子を、前記第1金属と全率固溶系合金をなす第2金属と、前記第1金属と第1共晶点で共晶反応し第1共晶系合金をなす第3金属と、からなる、前記第1共晶点よりも低い第2共晶点をもつ第2共晶系合金の溶融物に混ぜて固化し、所定の形状に成形した、前記第1金属、前記第2金属および前記第3金属の混合物であることを特徴とする接合材。
- 前記第2共晶系合金の溶融物は、前記第2共晶点よりも高く、かつ前記第1共晶点よりも低い温度の熱処理によって溶融され液相をなすことを特徴とする請求項18に記載の接合材。
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