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JP6387048B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents

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JP6387048B2 JP2016115416A JP2016115416A JP6387048B2 JP 6387048 B2 JP6387048 B2 JP 6387048B2 JP 2016115416 A JP2016115416 A JP 2016115416A JP 2016115416 A JP2016115416 A JP 2016115416A JP 6387048 B2 JP6387048 B2 JP 6387048B2
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Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に、金属粒子層を介して実装基板と半導体デバイスとをワイヤレス接合する半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device, more particularly to a method of manufacturing a semiconductor device that wirelessly joining the mounting substrate and the semiconductor device via the metal particle layer.

現在多くの研究機関において、シリコンカーバイド(SiC:Silicon Carbide)デバイスの研究開発が行われている。SiCデバイスの特徴として、低オン抵抗、高速スイッチングおよび高温動作などを挙げることができる。   Currently, many research institutions are conducting research and development of silicon carbide (SiC) devices. Characteristics of the SiC device include low on-resistance, high-speed switching, and high-temperature operation.

従来、半導体パワーモジュールの分野で使用されている絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor)などのSiデバイスでは、動作可能な温度範囲が150℃程度までであるため、従来のSn−Ag系などの低融点半田を使用しても駆動することが可能であった。   Conventionally, in an Si device such as an insulated gate bipolar transistor (IGBT) used in the field of semiconductor power modules, the operable temperature range is up to about 150 ° C., so the conventional Sn-Ag system It was possible to drive even using low melting point solder such as.

SiCデバイスの相互接続方法および低熱抵抗パッケージについては、既に開示されている(例えば、特許文献1および特許文献2参照。)。特許文献1および特許文献2においては、SiCデバイスを収容するパッケージの形成方法が開示されており、SiCデバイスは、他の部品若しくは導電性表面に対して、液相拡散(TLP:Transient Liquid Phase)接合技術を用いて結合されている。   A method for interconnecting SiC devices and a low thermal resistance package have already been disclosed (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2). Patent Document 1 and Patent Document 2 disclose a method of forming a package that accommodates a SiC device, and the SiC device is liquid phase diffusion (TLP: Transient Liquid Phase) with respect to other components or conductive surfaces. Bonded using bonding technology.

また、半導体素子を裏面から冷却器を介して液体冷却する機器についても開示されている(例えば、特許文献3参照。)。   An apparatus that cools a semiconductor element from the back surface via a cooler is also disclosed (for example, see Patent Document 3).

また、半導体チップ上に柱状電極を形成し、その柱状電極の上に半田バンプを形成し、この柱状電極と半田バンプを介して基板と直接電気接続する実装技術がある(例えば、特許文献4参照。)。   In addition, there is a mounting technique in which a columnar electrode is formed on a semiconductor chip, a solder bump is formed on the columnar electrode, and the substrate electrode is directly electrically connected to the substrate via the solder bump (see, for example, Patent Document 4). .)

国際公開第2006/074165号International Publication No. 2006/074165 米国特許出願公開第2006/0151871号明細書US Patent Application Publication No. 2006/0151871 特開2010−245329号公報JP 2010-245329 A 特開2010−199255号公報JP 2010-199255 A

SiCデバイスでは、理論的に、300℃以上もの高温動作が可能であり、従来のはんだ材では接合部が溶融し、電極間のショート、接合部の剥離などを生じ信頼性を損なうものとなっていた。   A SiC device can theoretically operate at a high temperature of 300 ° C. or more, and a conventional solder material melts a joint portion and causes short-circuit between electrodes, separation of the joint portion, and the like, thereby impairing reliability. It was.

また、SiCデバイスはIGBTに比べて低抵抗なため電力密度を高くできる。そのため、パワーデバイスに一般的に用いられているアルミもしくは銅ワイヤによるワイヤボンディング配線では電流集中により信頼性の確保が困難になるという問題があった。   Further, since the SiC device has a lower resistance than the IGBT, the power density can be increased. Therefore, there is a problem that it is difficult to ensure reliability due to current concentration in wire bonding wiring using aluminum or copper wire, which is generally used for power devices.

本発明の目的は、低コストで高い耐熱性ワイヤレス接合を有する半導体装置の製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device having a low-cost and high heat-resistant wireless junction.

上記目的を達成するための本発明の一態様によれば、実装基板上に信号配線電極を形成する工程と、前記実装基板上に若しくは前記実装基板を貫通してパワー配線電極を形成する工程と、前記信号配線電極と電気的に接合可能なゲートパッド電極と、前記パワー配線電極と電気的に接合可能なソースパッド電極とを有するパワーデバイスを配置する工程と、前記信号配線電極もしくは前記ゲートパッド電極の一方若しくは両方に、複数の第1金属微粒子と前記複数の第1金属微粒子を被覆する第1酸化防止膜とを含む第1ペースト層を塗布する工程と、前記パワー配線電極もしくは前記ソースパッド電極の一方若しくは両方に、複数の第2金属微粒子と前記複数の第2金属微粒子を被覆する第2酸化防止膜とを含む第2ペースト層を塗布する工程と、前記パワーデバイスを前記実装基板上にフリップチップ接続する工程とを有し、前記パワーデバイスを前記実装基板上にフリップチップ接続する工程は、前記第1ペースト層を介して前記信号配線電極と前記ゲートパッド電極とを当接させ、当該当接状態において、前記実装基板と前記パワーデバイスとを対向する方向に押圧して前記第1ペースト層に所定の圧力を加え、前記第1酸化防止膜が破砕した面において前記複数の第1金属微粒子間を密着させるとともに、前記第1ペースト層を所定温度で焼成し、前記信号配線電極と前記ゲートパッド電極とを加圧接合する工程と、前記第2ペースト層を介して前記パワー配線電極と前記ソースパッド電極とを当接させ、当該当接状態において、前記実装基板と前記パワーデバイスとを対向する方向に押圧して前記第2ペースト層に所定の圧力を加え、前記第2酸化防止膜が破砕した面において前記複数の第2金属微粒子間を密着させるとともに、前記第2ペースト層を所定温度で焼成し、前記パワー配線電極と前記ソースパッド電極とを加圧接合する工程とを有する半導体装置の製造方法が提供される。 According to one aspect of the present invention for achieving the above object, a step of forming a signal wiring electrode on a mounting substrate, and a step of forming a power wiring electrode on or through the mounting substrate. Disposing a power device having a gate pad electrode electrically connectable to the signal wiring electrode and a source pad electrode electrically connectable to the power wiring electrode; and the signal wiring electrode or the gate pad Applying a first paste layer including a plurality of first metal fine particles and a first antioxidant film covering the plurality of first metal fine particles to one or both of the electrodes; and the power wiring electrode or the source pad A second paste layer including a plurality of second metal fine particles and a second antioxidant film covering the plurality of second metal fine particles is applied to one or both of the electrodes. And flip chip connecting the power device onto the mounting substrate, and the step of flip chip connecting the power device onto the mounting substrate includes the signal wiring electrode via the first paste layer. And the gate pad electrode are brought into contact with each other, and in the contact state, the mounting substrate and the power device are pressed in a direction facing each other to apply a predetermined pressure to the first paste layer, and the first oxidation prevention A step of bringing the plurality of first metal fine particles into close contact with each other on the surface where the film is crushed, firing the first paste layer at a predetermined temperature, and press-bonding the signal wiring electrode and the gate pad electrode; The power wiring electrode and the source pad electrode are brought into contact with each other through the second paste layer, and the mounting substrate and the power device are brought into contact with each other in the contact state. A predetermined pressure is applied to the second paste layer by pressing in the direction to face, the two second metal fine particles are brought into close contact with each other on the surface where the second antioxidant film is crushed, and the second paste layer is There is provided a method for manufacturing a semiconductor device, comprising baking at a temperature and press-bonding the power wiring electrode and the source pad electrode.

本発明によれば、低コストで高い耐熱性ワイヤレス接合を有する半導体装置の製造方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing method of the semiconductor device which has high heat-resistant wireless junction at low cost can be provided.

第1の実施の形態に係る半導体装置の模式的平面パターン構成図。FIG. 2 is a schematic plan pattern configuration diagram of the semiconductor device according to the first embodiment. 図1のI−I線に沿う模式的断面構造図。FIG. 2 is a schematic cross-sectional structure diagram taken along line II in FIG. 1. (a)第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一工程であって、半導体デバイスのフリップチップ接合前の状態を示す模式的断面構造図、(b)実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一工程であって、図3(a)に対応する実装基板の模式的断面構造図。(A) A schematic cross-sectional structure diagram showing a state before flip chip bonding of a semiconductor device, which is a step in the method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment, and (b) a semiconductor device according to the embodiment. FIG. 4 is a schematic cross-sectional structure diagram of a mounting substrate corresponding to FIG. (a)第1の実施の形態の変形例1に係る半導体装置の製造方法の一工程であって、半導体デバイスのフリップチップ接合前の状態を示す模式的断面構造図、(b)図4(a)に対応する実装基板の模式的断面構造図。FIG. 4A is a schematic cross-sectional structure diagram showing a state before flip-chip bonding of a semiconductor device, which is one step of a method of manufacturing a semiconductor device according to Modification 1 of the first embodiment. The typical cross-section figure of the mounting substrate corresponding to a). (a)第1の実施の形態の変形例2に係る半導体装置の製造方法の一工程であって、半導体デバイスのフリップチップ接合前の状態を示す模式的断面構造図、(b)図5(a)に対応する実装基板の模式的断面構造図。FIG. 5A is a schematic cross-sectional structure diagram showing a state before flip chip bonding of a semiconductor device, which is one step of a method for manufacturing a semiconductor device according to Modification 2 of the first embodiment. The typical cross-section figure of the mounting substrate corresponding to a). 第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一工程であって、加圧工程を示す模式的断面構造図。FIG. 5 is a schematic cross-sectional structure diagram showing a pressurizing step in one step of the method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment. 第2の実施の形態に係る半導体装置の模式的平面パターン構成図。The typical plane pattern block diagram of the semiconductor device which concerns on 2nd Embodiment. 図7のII−II線に沿う模式的断面構造図。FIG. 8 is a schematic cross-sectional structure diagram taken along line II-II in FIG. 7. (a)第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一工程であって、半導体デバイスのフリップチップ接合前の状態を示す模式的断面構造図、(b)実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一工程であって、図9(a)に対応する実装基板の模式的断面構造図。(A) A schematic cross-sectional structure diagram showing a state before flip-chip bonding of a semiconductor device, which is one step of a method for manufacturing a semiconductor device according to a second embodiment, and (b) a semiconductor device according to the embodiment. FIG. 10 is a schematic cross-sectional structure diagram of a mounting substrate corresponding to FIG. (a)第2の実施の形態の変形例1に係る半導体装置の製造方法の一工程であって、半導体デバイスのフリップチップ接合前の状態を示す模式的断面構造図、(b)図10(a)に対応する実装基板の模式的断面構造図。FIG. 10A is a schematic cross-sectional structure diagram showing a state before flip-chip bonding of a semiconductor device, which is a step in the method for manufacturing a semiconductor device according to Modification 1 of the second embodiment. The typical cross-section figure of the mounting substrate corresponding to a). (a)第2の実施の形態の変形例2に係る半導体装置の製造方法の一工程であって、半導体デバイスのフリップチップ接合前の状態を示す模式的断面構造図、(b)図11(a)に対応する実装基板の模式的断面構造図。FIG. 11A is a schematic cross-sectional structure diagram showing a state before flip-chip bonding of a semiconductor device, which is one step of a method for manufacturing a semiconductor device according to Modification 2 of the second embodiment. The typical cross-section figure of the mounting substrate corresponding to a). 第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一工程であって、加圧工程を示す模式的断面構造図。FIG. 10 is a schematic cross-sectional structure diagram showing a pressurizing step in one step of the method of manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment. (a)第1〜第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一工程において、塗布された金属粒子接合層として銀ナノペーストを加圧する前の状態を示す模式的断面図、(b)加圧後の銀ナノペーストの状態を示す模式的断面図。(A) Typical sectional drawing which shows the state before pressurizing silver nano paste as a apply | coated metal particle joining layer in one process of the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the 1st-2nd embodiment, (b) ) A schematic cross-sectional view showing the state of the pressed silver nanopaste. 第1〜第2の実施の形態に係る半導体装置を適用して構成された3相インバータの模式的回路構成図。The typical circuit block diagram of the three-phase inverter comprised by applying the semiconductor device which concerns on the 1st-2nd embodiment. 第1〜第2の実施の形態に係る半導体装置に適用する半導体デバイスの例であって、SiC・MOSFETの模式的断面構造図。It is an example of the semiconductor device applied to the semiconductor device which concerns on the 1st-2nd embodiment, Comprising: The typical cross-section figure of SiC * MOSFET. 第1〜第2の実施の形態に係る半導体装置に適用する半導体デバイスの例であって、ソースパッド電極SP、ゲートパッド電極GPを含むSiC・MOSFETの模式的断面構造図。FIG. 5 is a schematic cross-sectional structure diagram of a SiC MOSFET that includes a source pad electrode SP and a gate pad electrode GP, which is an example of a semiconductor device applied to the semiconductor device according to the first to second embodiments. (a)第1〜第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一工程であって、半導体基板上にペースト層を塗布するためのマスクを配置した状態を示す模式的平面パターン構成図、(b)図17(a)のIII−III線に沿う模式的断面構造図。(A) The typical plane pattern block diagram which shows the state which is one process of the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the 1st-2nd embodiment, and has arrange | positioned the mask for apply | coating a paste layer on a semiconductor substrate. (B) Typical cross-section figure along the III-III line of Fig.17 (a). 第1〜第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一工程であって、開口部を有するマスク上にペースト層を堆積した状態を示す模式的断面構造図。The typical cross-section figure showing the state where it was 1 process of the manufacturing method of the semiconductor device concerning the 1st-2nd embodiment, and the paste layer was deposited on the mask which has an opening. 第1〜第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一工程であって、スキージを移動させてペースト層をマスクの開口部に充填する工程を示す模式的断面構造図。FIG. 5 is a schematic cross-sectional structure diagram showing a process of filling a paste layer into a mask opening by moving a squeegee, which is a process of the method of manufacturing a semiconductor device according to the first to second embodiments. 第1〜第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一工程であって、マスクの開口部にペースト層が充填された状態を示す模式的断面構造図。FIG. 5 is a schematic cross-sectional structure diagram showing a state in which a paste layer is filled in an opening of a mask, which is a step of the method for manufacturing a semiconductor device according to the first to second embodiments. 第1の実施の形態に係る半導体装置において、ドレイン電極上に柱状電極およびヒートスプレッダーを配置した状態を示す模式的断面構造図。FIG. 3 is a schematic cross-sectional structure diagram showing a state in which a columnar electrode and a heat spreader are arranged on the drain electrode in the semiconductor device according to the first embodiment. 第2の実施の形態に係る半導体装置において、ドレイン電極上に柱状電極およびヒートスプレッダーを配置した状態を示す模式的断面構造図。FIG. 6 is a schematic cross-sectional structure diagram showing a state in which a columnar electrode and a heat spreader are arranged on a drain electrode in a semiconductor device according to a second embodiment. 比較例を示す模式的断面構造図。The typical cross-section figure showing a comparative example. 比較例を示す模式的断面構造図。The typical cross-section figure showing a comparative example. 比較例を示す模式的断面構造図。The typical cross-section figure showing a comparative example.

次に、図面を参照して、実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。   Next, embodiments will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the planar dimensions, the ratio of the thickness of each layer, and the like are different from the actual ones. Therefore, specific thicknesses and dimensions should be determined in consideration of the following description. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.

又、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。   Further, the embodiments described below exemplify apparatuses and methods for embodying the technical idea of the present invention, and the embodiments of the present invention include the material, shape, structure, The layout is not specified as follows. Various modifications can be made to the embodiment of the present invention within the scope of the claims.

[第1の実施の形態]
(半導体装置の構成)
第1の実施の形態に係る半導体装置1の模式的平面パターン構成は、図1に示すように表され、図1のI−I線に沿う模式的断面構造は、図2に示すように表される。図1は、図2において、実装基板8上に配置された半導体デバイス16のドレイン電極36側から見た平面パターン構成に対応している。
[First embodiment]
(Configuration of semiconductor device)
A schematic planar pattern configuration of the semiconductor device 1 according to the first embodiment is expressed as shown in FIG. 1, and a schematic cross-sectional structure taken along line II in FIG. 1 is expressed as shown in FIG. Is done. FIG. 1 corresponds to the planar pattern configuration seen from the drain electrode 36 side of the semiconductor device 16 arranged on the mounting substrate 8 in FIG.

第1の実施の形態に係る半導体装置1は、図1および図2に示すように、実装基板8と、実装基板8上に配置された信号配線電極12と、実装基板8上に配置されたパワー配線電極13と、信号配線電極12と電気的に接合可能なゲートパッド電極GPおよびパワー配線電極13と電気的に接合可能なソースパッド電極SPを有する半導体デバイス16と、信号配線電極12とゲートパッド電極GPとの間に配置された第1金属粒子接合層18Gと、パワー配線電極13とソースパッド電極SPとの間に配置された第2金属粒子接合層18Sとを備える。ここで、半導体デバイス16は、実装基板8上にフリップチップ接続されている。すなわち、半導体デバイス16は、ゲートパッド電極GPおよびソースパッド電極SPが実装基板8の表面に対してフェースダウン(Face Down)に接続され、ドレイン電極36は、ゲートパッド電極GPおよびソースパッド電極SPが配置される半導体基板26の面に対向する面(実装基板8とは反対側の面)に配置される。   As shown in FIGS. 1 and 2, the semiconductor device 1 according to the first embodiment is disposed on the mounting substrate 8, the signal wiring electrode 12 disposed on the mounting substrate 8, and the mounting substrate 8. A semiconductor device 16 having a power wiring electrode 13, a gate pad electrode GP electrically connectable to the signal wiring electrode 12 and a source pad electrode SP electrically connectable to the power wiring electrode 13; a signal wiring electrode 12 and a gate; A first metal particle bonding layer 18G disposed between the pad electrode GP and a second metal particle bonding layer 18S disposed between the power wiring electrode 13 and the source pad electrode SP. Here, the semiconductor device 16 is flip-chip connected to the mounting substrate 8. That is, in the semiconductor device 16, the gate pad electrode GP and the source pad electrode SP are connected face-down with respect to the surface of the mounting substrate 8, and the drain electrode 36 includes the gate pad electrode GP and the source pad electrode SP. The semiconductor substrate 26 is disposed on a surface facing the surface of the semiconductor substrate 26 (surface opposite to the mounting substrate 8).

ここで、第1金属粒子接合層18Gおよび第2金属粒子接合層18Sは、導電性粒子を含むペースト材料を焼成して形成される。ペースト材料の焼成温度は、例えば、約200〜400℃である。   Here, the first metal particle bonding layer 18G and the second metal particle bonding layer 18S are formed by firing a paste material containing conductive particles. The firing temperature of the paste material is, for example, about 200 to 400 ° C.

導電性粒子は、金属微粒子であり、例えば、銀粒子、金粒子またはニッケルや銅粒子などである。   The conductive particles are metal fine particles, such as silver particles, gold particles, nickel or copper particles.

例えば、金属微粒子として銀粒子を適用する場合、銀粒子の濃度は、例えば、約80質量%〜約95質量%である。また、銀ナノ粒子の場合の平均粒径は、約10nm〜約100nm程度である。   For example, when silver particles are applied as the metal fine particles, the concentration of the silver particles is, for example, about 80% by mass to about 95% by mass. The average particle size in the case of silver nanoparticles is about 10 nm to about 100 nm.

尚、図示は省略されているが、パワー配線電極13上の第2金属粒子接合層18Sと接する界面には、銀メッキ層を形成して、パワー配線電極13と第2金属粒子接合層18Sとの密着性をさらに確保しても良い。   Although not shown, a silver plating layer is formed on the interface of the power wiring electrode 13 in contact with the second metal particle bonding layer 18S, and the power wiring electrode 13 and the second metal particle bonding layer 18S It is also possible to further secure the adhesion.

図2において、半導体基板26の上方にはドレイン電極36が配置されている。また、ドレイン電極36と対向する半導体基板26の表面には、ゲートパッド電極GP、ソースパッド電極SPがそれぞれ配置されている。   In FIG. 2, a drain electrode 36 is disposed above the semiconductor substrate 26. A gate pad electrode GP and a source pad electrode SP are disposed on the surface of the semiconductor substrate 26 facing the drain electrode 36.

なお、特には限定されないが、ドレイン電極36、ゲートパッド電極GPおよびソースパッド電極SPは、ポリシリコン、Al、Ni等で構成される。   Although not particularly limited, the drain electrode 36, the gate pad electrode GP, and the source pad electrode SP are made of polysilicon, Al, Ni, or the like.

第1の実施の形態においては、実装基板8は、絶縁体基材から成る板状のプリント基板であり、実装基板8上の所定位置にパワー配線電極13が配置されている。図2に示すように、半導体デバイス16のソースパッド電極SPと対向する位置にパワー配線電極13が配置されている。パワー配線電極13は、厚銅箔で形成される。パワー配線電極13により、低抵抗で放熱性にも優れる厚銅箔を介して、例えば、約数百アンペア程度の大電流も通電可能である。   In the first embodiment, the mounting board 8 is a plate-like printed board made of an insulating base material, and the power wiring electrodes 13 are arranged at predetermined positions on the mounting board 8. As shown in FIG. 2, the power wiring electrode 13 is disposed at a position facing the source pad electrode SP of the semiconductor device 16. The power wiring electrode 13 is formed of a thick copper foil. For example, a large current of about several hundred amperes can be passed through a thick copper foil having low resistance and excellent heat dissipation by the power wiring electrode 13.

また、半導体デバイス16のゲートパッド電極GPと対向する実装基板8の表面には、信号配線電極12が配置されている。ここで、信号配線電極12は、例えば、銅の薄膜で形成されていても良い。この銅の薄膜の厚さは、例えば、約30〜70μmである。   A signal wiring electrode 12 is disposed on the surface of the mounting substrate 8 facing the gate pad electrode GP of the semiconductor device 16. Here, the signal wiring electrode 12 may be formed of, for example, a copper thin film. The thickness of the copper thin film is, for example, about 30 to 70 μm.

(銀ナノペーストおよびその焼結体)
銀ナノペーストは、例えば、粒径約30nm〜約100nmの銀ナノ粒子を所定の溶媒に拡散させたものである。溶媒としては、例えばテルピネオール等の極性溶媒、テトラデカン等の炭化水素系溶媒、水系溶媒、ケトン系溶媒等が適用される。
(Silver nano paste and its sintered body)
The silver nanopaste is obtained by, for example, diffusing silver nanoparticles having a particle size of about 30 nm to about 100 nm in a predetermined solvent. As the solvent, for example, a polar solvent such as terpineol, a hydrocarbon solvent such as tetradecane, an aqueous solvent, a ketone solvent, or the like is applied.

銀ナノ粒子は、核としての銀の微粒子の表面を、有機化合物等で構成されるシェル(有機殻)で覆った構成となっている。これにより、溶媒における分散性を向上させると共に、銀の微粒子の酸化を防ぐことができる。また、焼成処理を行う前工程において、銀ナノペーストから成るペースト層を加圧して、シェルを破砕することにより、銀の微粒子の密度を高めることができ、焼結体としての金属粒子接合層の緻密性を向上させることができる。具体的な加圧の仕方については、図13を参照して後述する。   Silver nanoparticles have a structure in which the surface of fine silver particles as a nucleus is covered with a shell (organic shell) made of an organic compound or the like. Thereby, the dispersibility in the solvent can be improved and oxidation of the silver fine particles can be prevented. In addition, in the pre-process for performing the firing treatment, the density of silver fine particles can be increased by pressurizing the paste layer made of silver nanopaste and crushing the shell. Denseness can be improved. A specific method of pressurization will be described later with reference to FIG.

また、第1の実施の形態では、例えば、銀ナノ粒子の濃度が約80質量%〜約95質量%の比較的高濃度の銀ナノペーストを用いても良い。焼成によって析出される金属銀を緻密にして良好な導電性および接合性を確保するためである。   Moreover, in 1st Embodiment, you may use the comparatively high concentration silver nano paste whose density | concentration of a silver nanoparticle is about 80 mass%-about 95 mass%, for example. This is because the metallic silver deposited by firing is made dense to ensure good conductivity and bondability.

また、第1の実施の形態では、銀ナノペーストから成るペースト層の焼成温度は、例えば、約200〜400℃程度である。   Moreover, in 1st Embodiment, the baking temperature of the paste layer which consists of silver nano paste is about 200-400 degreeC, for example.

この焼成処理により、高融点の金属銀(融点約960℃)が析出して、金属粒子接合層18S、18Gを形成する。この結果、金属粒子接合層18Sを介して、ソースパッド電極SPとパワー配線電極13との間が強固に接合され、金属粒子接合層18Gを介して、ゲートパッド電極GPと信号配線電極12との間が強固に接合される。   By this firing treatment, high melting point metal silver (melting point: about 960 ° C.) is deposited to form the metal particle bonding layers 18S, 18G. As a result, the source pad electrode SP and the power wiring electrode 13 are firmly bonded via the metal particle bonding layer 18S, and the gate pad electrode GP and the signal wiring electrode 12 are bonded via the metal particle bonding layer 18G. The space is firmly joined.

しかも、この金属粒子接合層18S、18Gは、金属銀(Ag)と同等の特性を発揮することから、電気的に低抵抗(100℃で、約2.08×10−8[Ωm])で、優れた熱伝導率(300Kで、約429W/mK)を有し、上記のように融点約960℃という高い耐熱性を備えている。 Moreover, since the metal particle bonding layers 18S and 18G exhibit the same characteristics as metallic silver (Ag), they are electrically low in resistance (about 2.08 × 10 −8 [Ωm] at 100 ° C.). It has excellent thermal conductivity (about 429 W / mK at 300 K) and has a high heat resistance of about 960 ° C. as described above.

したがって、SiCデバイスを例えば約400℃近くの高温で駆動した場合であっても、接合部が溶融することが無く、デバイス特性の信頼性、実装時の信頼性を向上することができる。   Therefore, even when the SiC device is driven at a high temperature of, for example, about 400 ° C., the junction is not melted, and the reliability of the device characteristics and the reliability at the time of mounting can be improved.

(半導体装置の製造方法)
第1の実施の形態に係る半導体装置1の製造方法の一工程であって、半導体デバイス16のフリップチップ接合前の状態を示す模式的断面構造は、図3(a)に示すように表され、図3(a)に対応する実装基板8の模式的断面構造は、図3(b)に示すように表される。
(Method for manufacturing semiconductor device)
A schematic cross-sectional structure showing a state before the flip chip bonding of the semiconductor device 16 in one process of the method for manufacturing the semiconductor device 1 according to the first embodiment is expressed as shown in FIG. A schematic cross-sectional structure of the mounting substrate 8 corresponding to FIG. 3A is expressed as shown in FIG.

また、第1の実施の形態の変形例1に係る半導体装置1の製造方法の一工程であって、半導体デバイス16のフリップチップ接合前の状態を示す模式的断面構造は、図4(a)に示すように表され、図4(a)に対応する実装基板8の模式的断面構造は、図4(b)に示すように表される。   FIG. 4A is a schematic cross-sectional view showing a state before the flip chip bonding of the semiconductor device 16, which is one step of the method for manufacturing the semiconductor device 1 according to the first modification of the first embodiment. The schematic cross-sectional structure of the mounting substrate 8 corresponding to FIG. 4A is expressed as shown in FIG.

また、第1の実施の形態の変形例2に係る半導体装置1の製造方法の一工程であって、半導体デバイス16のフリップチップ接合前の状態を示す模式的断面構造は、図5(a)に示すように表され、図5(a)に対応する実装基板8の模式的断面構造は、図5(b)に示すように表される。   5A is a schematic cross-sectional view showing a state before the flip chip bonding of the semiconductor device 16, which is one step of the manufacturing method of the semiconductor device 1 according to the second modification of the first embodiment. The schematic cross-sectional structure of the mounting substrate 8 corresponding to FIG. 5A is expressed as shown in FIG.

第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、図3〜図5に示すように、実装基板8上に信号配線電極12を形成する工程と、実装基板8上にパワー配線電極13を形成する工程と、信号配線電極12と電気的に接合可能なゲートパッド電極GPおよびパワー配線電極13と電気的に接合可能なソースパッド電極SPとを有する半導体デバイス16を形成する工程と、信号配線電極12もしくはゲートパッド電極GPの一方若しくは両方に第1金属粒子接合層18Gを形成する工程と、パワー配線電極13もしくはソースパッド電極SPの一方若しくは両方に第2金属粒子接合層18Sを形成する工程と、半導体デバイス16を実装基板8上にフリップチップ接続する工程とを有する。   As shown in FIGS. 3 to 5, the method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment includes a step of forming a signal wiring electrode 12 on the mounting substrate 8, and a step of forming the power wiring electrode 13 on the mounting substrate 8. Forming a semiconductor device 16 having a gate pad electrode GP electrically connectable to the signal wiring electrode 12 and a source pad electrode SP electrically connectable to the power wiring electrode 13, and a signal wiring A step of forming the first metal particle bonding layer 18G on one or both of the electrode 12 and the gate pad electrode GP, and a step of forming the second metal particle bonding layer 18S on one or both of the power wiring electrode 13 and the source pad electrode SP. And a step of flip-chip connecting the semiconductor device 16 onto the mounting substrate 8.

また、第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法において、第1金属粒子接合層18Gを形成する工程は、導電性粒子を含むペースト層18を信号配線電極12もしくはゲートパッド電極GPの一方若しくは両方に塗布する工程を有し、第2金属粒子接合層18Sを形成する工程は、導電性粒子を含むペースト層18をパワー配線電極13もしくはソースパッド電極SPの一方若しくは両方に塗布する工程を有する。   Further, in the method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment, the step of forming the first metal particle bonding layer 18G includes the step of forming the paste layer 18 containing conductive particles on either the signal wiring electrode 12 or the gate pad electrode GP. Alternatively, the step of forming the second metal particle bonding layer 18S includes a step of applying the paste layer 18 containing conductive particles to one or both of the power wiring electrode 13 and the source pad electrode SP. Have.

また、第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法において、半導体デバイス16を実装基板8上にフリップチップ接続する工程は、ペースト層18を介して信号配線電極12とゲートパッド電極GPとを当接させ、当接状態においてペースト層18を所定温度で焼成し、信号配線電極12とゲートパッド電極GPとを接合する工程と、ペースト層18を介してパワー配線電極13とソースパッド電極SPとを当接させ、当接状態においてペースト層18を所定温度で焼成し、パワー配線電極13とソースパッド電極SPとを接合する工程とを有する。   In the method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment, the step of flip-chip connecting the semiconductor device 16 to the mounting substrate 8 includes connecting the signal wiring electrode 12 and the gate pad electrode GP via the paste layer 18. In the contact state, the paste layer 18 is baked at a predetermined temperature to join the signal wiring electrode 12 and the gate pad electrode GP, and the power wiring electrode 13 and the source pad electrode SP through the paste layer 18. The paste layer 18 is fired at a predetermined temperature in the contact state, and the power wiring electrode 13 and the source pad electrode SP are joined.

第1の実施の形態においては、図3に示すように、実装基板8側に金属粒子接合層18G、18Sが配置されている。より具体的には、パワー配線電極13の表面上に、金属粒子接合層18Sが設けられ、信号配線電極12の表面上に、金属粒子接合層18Gが配置されている。   In the first embodiment, as shown in FIG. 3, metal particle bonding layers 18G and 18S are arranged on the mounting substrate 8 side. More specifically, the metal particle bonding layer 18 </ b> S is provided on the surface of the power wiring electrode 13, and the metal particle bonding layer 18 </ b> G is disposed on the surface of the signal wiring electrode 12.

第1の実施の形態の変形例1においては、図4に示すように、半導体デバイス16側に金属粒子接合層18G、18Sが配置されている。より具体的には、ソースパッド電極SPの上に金属粒子接合層18Sが配置され、ゲートパッド電極GPの上に金属粒子接合層18Gが配置されている。   In Modification 1 of the first embodiment, as shown in FIG. 4, metal particle bonding layers 18G and 18S are arranged on the semiconductor device 16 side. More specifically, the metal particle bonding layer 18S is disposed on the source pad electrode SP, and the metal particle bonding layer 18G is disposed on the gate pad electrode GP.

第1の実施の形態の変形例2においては、図5に示すように、半導体デバイス16および実装基板8の両側に金属粒子接合層18G1、18G2、18S1および18S2がそれぞれ配置されている。より具体的には、ソースパッド電極SP上に金属粒子接合層18S1が配置され、ゲートパッド電極GP上に金属粒子接合層18G1が配置され、パワー配線電極13上に、金属粒子接合層18S2が配置され、信号配線電極12上に金属粒子接合層18G2が配置されている。なお、18G1と18G2、18G2と18S1が密着された状態で焼成されて形成される金属粒子接合層の厚さを勘案して、18G1、18G2、18S1および18S2の厚さは、それぞれ約5μm〜約50μm程度とされる。   In the second modification of the first embodiment, as shown in FIG. 5, metal particle bonding layers 18G1, 18G2, 18S1, and 18S2 are disposed on both sides of the semiconductor device 16 and the mounting substrate 8, respectively. More specifically, the metal particle bonding layer 18S1 is disposed on the source pad electrode SP, the metal particle bonding layer 18G1 is disposed on the gate pad electrode GP, and the metal particle bonding layer 18S2 is disposed on the power wiring electrode 13. The metal particle bonding layer 18G2 is disposed on the signal wiring electrode 12. In consideration of the thickness of the metal particle bonding layer formed by firing with 18G1 and 18G2 and 18G2 and 18S1 being in close contact, the thickness of 18G1, 18G2, 18S1 and 18S2 is about 5 μm to about 5 μm, respectively. It is about 50 μm.

第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一工程において、塗布された金属粒子接合層として銀ナノペーストを加圧する前の状態は、図13(a)に示すように模式的に表され、加圧後の銀ナノペーストの状態は、図13(b)に示すように模式的に表される。   In one step of the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment, the state before pressurizing the silver nanopaste as the applied metal particle bonding layer is schematically represented as shown in FIG. The state of the silver nanopaste after pressurization is schematically represented as shown in FIG.

図13(a)において、各銀ナノ粒子22は、有機化合物等で構成されるシェル(有機殻)20aで被覆された形態で、例えば、テルピネオール等の溶媒20中において拡散した状態となっている。   In FIG. 13A, each silver nanoparticle 22 is in a state of being diffused in a solvent 20 such as terpineol in a form covered with a shell (organic shell) 20a composed of an organic compound or the like. .

この状態からペースト層18を上下方向から圧力Pを加えて圧縮すると、図13(b)に示す状態に変化する。即ち、有機化合物等で構成されるシェル20aが加圧によって破砕され、各銀ナノ粒子22が密着した状態となる。これにより、ペースト層18の厚さは、L1からL2に縮まった状態となる。   When the paste layer 18 is compressed from this state by applying pressure P from above and below, the state changes to the state shown in FIG. That is, the shell 20a made of an organic compound or the like is crushed by pressurization, and the silver nanoparticles 22 are in close contact with each other. As a result, the thickness of the paste layer 18 is reduced from L1 to L2.

金属粒子接合層18G、18Sを形成するペースト層18の塗布には、後述するマスク25およびスキージ(ヘラ部材)27を用いたスクリーン印刷の手法が適用される。   For the application of the paste layer 18 for forming the metal particle bonding layers 18G and 18S, a screen printing method using a mask 25 and a squeegee (scalar member) 27 described later is applied.

また、ペースト層18の厚さは、例えば約10μm〜約50μmとされる。なお、金属粒子接合層18G、18Sの厚さは、焼成時の収縮によりペースト層18の厚さの半分程度となる。即ち、例えばペースト層18の厚さが約50μmの場合に、焼成後の金属粒子接合層18G、18Sの厚さは約20μm〜約30μm程度となることが実験により確認されている。   Further, the thickness of the paste layer 18 is, for example, about 10 μm to about 50 μm. The thicknesses of the metal particle bonding layers 18G and 18S are about half of the thickness of the paste layer 18 due to shrinkage during firing. That is, for example, when the thickness of the paste layer 18 is about 50 μm, it has been confirmed by experiments that the thickness of the fired metal particle bonding layers 18G and 18S is about 20 μm to about 30 μm.

(加圧および加熱工程)
第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一工程であって、加圧工程を示す模式的断面構造は、図6に示すように表される。
(Pressurization and heating process)
A schematic cross-sectional structure showing a pressurizing process, which is a process of the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment, is expressed as shown in FIG.

第1の実施の形態若しくは変形例1〜2において、図6に示すように、金属粒子接合層18G・18S(加熱・加圧前は、ペースト層18)を挟んで、実装基板8上に半導体デバイス16をフェースダウン状態で位置合わせして載置し、その状態で、プレス加工機120(120a、120b)にセットして矢印P方向に圧力を加える。   In the first embodiment or the modified examples 1 and 2, as shown in FIG. 6, a semiconductor is mounted on the mounting substrate 8 with the metal particle bonding layers 18G and 18S (the paste layer 18 before heating and pressurization) sandwiched therebetween. The device 16 is aligned and placed in a face-down state, and in that state, the device 16 is set on the press machine 120 (120a, 120b) and pressure is applied in the direction of arrow P.

この際の圧力は、例えば、約2MPa〜約30MPaとされる。これにより、ペースト層18は、図13(a)の状態から図13(b)のように、各銀ナノ粒子22が密着した状態となる。   The pressure at this time is, for example, about 2 MPa to about 30 MPa. Thereby, the paste layer 18 will be in the state which each silver nanoparticle 22 closely_contact | adhered like FIG.13 (b) from the state of Fig.13 (a).

尚、上記の加圧工程では、加圧と加熱を同時に行うために、図示は省略するが、所定のベーキング装置などによって半導体装置全体を約200℃〜約400℃で所定時間にわたって加熱する。   In the above pressurization step, since the pressurization and heating are performed simultaneously, although not shown, the entire semiconductor device is heated at about 200 ° C. to about 400 ° C. for a predetermined time by a predetermined baking apparatus or the like.

これにより、ペースト層18が焼成され、金属銀が析出して金属粒子接合層18G・18Sが形成される。   Thereby, the paste layer 18 is baked, and metal silver is deposited to form the metal particle bonding layers 18G and 18S.

この金属銀から成る金属粒子接合層18G・18Sは、ゲートパッド電極GP・信号配線電極12間、およびソースパッド電極SP・パワー配線電極13間を強固に接合し、実装基板8の上に半導体デバイス16がフェースダウン状態で電気的に接合される。   The metal particle bonding layers 18G and 18S made of metallic silver firmly bond the gate pad electrode GP and the signal wiring electrode 12 and the source pad electrode SP and the power wiring electrode 13 to form a semiconductor device on the mounting substrate 8. 16 is electrically joined in a face-down state.

第1の実施の形態およびその変形例1〜2によれば、銀ナノペーストを塗布して焼成するという簡易な工程により高い耐熱性を備えたワイヤレス接合を形成することができる。   According to 1st Embodiment and its modifications 1-2, the wireless joining provided with high heat resistance can be formed by the simple process of apply | coating and baking silver nano paste.

また、第1の実施の形態およびその変形例1〜2によれば、銀ナノペーストの焼結体である金属銀によって金属粒子接合層を形成することにより、金属粒子接合層の耐熱性、熱伝導性等を高めることができ、SiC系FET、GaN系FETなどの半導体デバイス等に適した半導体装置を提供することができる。   Moreover, according to 1st Embodiment and its modifications 1-2, heat resistance of a metal particle joining layer, heat | fever are formed by forming a metal particle joining layer with the metallic silver which is a sintered compact of silver nanopaste. Conductivity can be increased, and a semiconductor device suitable for a semiconductor device such as a SiC-based FET or a GaN-based FET can be provided.

また、第1の実施の形態およびその変形例1〜2によれば、金属粒子接合層は金属銀で形成され、鉛(Pb)を用いることが無いので、鉛フリーとなり公害対策に資することができる。   Moreover, according to 1st Embodiment and its modifications 1-2, a metal particle joining layer is formed with metal silver, and since lead (Pb) is not used, it becomes lead-free and contributes to pollution measures. it can.

第1の実施の形態およびその変形例1〜2によれば、低コストで高い耐熱性ワイヤレスを有する半導体装置およびその製造方法を提供することができる。   According to 1st Embodiment and its modifications 1-2, the semiconductor device which has low heat and high heat-resistant wireless, and its manufacturing method can be provided.

[第2の実施の形態]
(半導体装置の構成)
第2の実施の形態に係る半導体装置1の模式的平面パターン構成は、図7に示すように表され、図7のII−II線に沿う模式的断面構造は、図8に示すように表される。図7は、図8において、実装基板8上に配置された半導体デバイス16のドレイン電極36側から見た平面パターン構成に対応している。
[Second Embodiment]
(Configuration of semiconductor device)
A schematic planar pattern configuration of the semiconductor device 1 according to the second embodiment is expressed as shown in FIG. 7, and a schematic cross-sectional structure taken along line II-II in FIG. 7 is expressed as shown in FIG. Is done. FIG. 7 corresponds to the planar pattern configuration viewed from the drain electrode 36 side of the semiconductor device 16 disposed on the mounting substrate 8 in FIG.

第2の実施の形態に係る半導体装置1は、図7および図8に示すように、実装基板8と、実装基板8上に配置された信号配線電極12と、実装基板8を貫通して配置されたパワー配線電極6と、信号配線電極12と電気的に接合可能なゲートパッド電極GPおよびパワー配線電極6と電気的に接合可能なソースパッド電極SPを有する半導体デバイス16と、信号配線電極12とゲートパッド電極GPとの間に配置された第1金属粒子接合層18Gと、パワー配線電極6とソースパッド電極SPとの間に配置された第2金属粒子接合層18Sとを備える。ここで、半導体デバイス16は、実装基板8上にフリップチップ接続されている。すなわち、半導体デバイス16は、ゲートパッド電極GPおよびソースパッド電極SPが実装基板8の表面に対してフェースダウン(Face Down)に接続され、ドレイン電極36は、ゲートパッド電極GPおよびソースパッド電極SPが配置される半導体基板26の面に対向する面(実装基板8とは反対側の面)に配置される。   As shown in FIGS. 7 and 8, the semiconductor device 1 according to the second embodiment is disposed through the mounting substrate 8, the signal wiring electrode 12 disposed on the mounting substrate 8, and the mounting substrate 8. A power pad electrode 6, a gate pad electrode GP electrically connectable to the signal line electrode 12, and a semiconductor device 16 having a source pad electrode SP electrically connectable to the power line electrode 6, and the signal line electrode 12 And a first metal particle bonding layer 18G disposed between the gate pad electrode GP and a second metal particle bonding layer 18S disposed between the power wiring electrode 6 and the source pad electrode SP. Here, the semiconductor device 16 is flip-chip connected to the mounting substrate 8. That is, in the semiconductor device 16, the gate pad electrode GP and the source pad electrode SP are connected face-down with respect to the surface of the mounting substrate 8, and the drain electrode 36 includes the gate pad electrode GP and the source pad electrode SP. The semiconductor substrate 26 is disposed on a surface facing the surface of the semiconductor substrate 26 (surface opposite to the mounting substrate 8).

第2の実施の形態においては、実装基板8を貫通して配置されたパワー配線電極6を備えることによって、第1の実施の形態に比べ、さらに大電流の半導体デバイス16を実装基板8上に搭載可能である。   In the second embodiment, by providing the power wiring electrode 6 disposed through the mounting substrate 8, a semiconductor device 16 having a larger current than that of the first embodiment is formed on the mounting substrate 8. It can be installed.

ここで、第1金属粒子接合層18Gおよび第2金属粒子接合層18Sは、導電性粒子を含むペースト材料を焼成して形成される。ペースト材料の焼成温度は、例えば、約200〜400℃である。   Here, the first metal particle bonding layer 18G and the second metal particle bonding layer 18S are formed by firing a paste material containing conductive particles. The firing temperature of the paste material is, for example, about 200 to 400 ° C.

導電性粒子は、金属微粒子であり、例えば、銀粒子、金粒子、銅粒子またはニッケル粒子のいずれかである。   The conductive particles are metal fine particles, for example, silver particles, gold particles, copper particles, or nickel particles.

例えば、金属微粒子として銀ナノ粒子を適用する場合、銀ナノ粒子の濃度は、例えば、約80質量%〜約95質量%である。また、銀ナノ粒子の粒径は、約10nm〜約100nmである。   For example, when silver nanoparticles are applied as the metal fine particles, the concentration of silver nanoparticles is, for example, about 80% by mass to about 95% by mass. The silver nanoparticles have a particle size of about 10 nm to about 100 nm.

第2の実施の形態においては、実装基板8は、絶縁体基材から成る板状のプリント基板であり、実装基板8の所定位置にパワー配線電極6が埋め込まれた構成を有する。図8に示すように、半導体デバイス16のソースパッド電極SPと対向する位置にパワー配線電極6が埋め込まれている。パワー配線電極6は、例えば、厚さ0.5〜1.0mm程度の厚銅板で形成される。パワー配線電極6により、低抵抗で放熱性にも優れる厚銅板を介して、例えば、約数百アンペア程度の大電流も実装基板8の厚さ方向及び平面方向への通電が可能である。   In the second embodiment, the mounting board 8 is a plate-like printed board made of an insulating base material, and has a configuration in which the power wiring electrode 6 is embedded at a predetermined position of the mounting board 8. As shown in FIG. 8, the power wiring electrode 6 is embedded at a position facing the source pad electrode SP of the semiconductor device 16. The power wiring electrode 6 is formed of, for example, a thick copper plate having a thickness of about 0.5 to 1.0 mm. The power wiring electrode 6 can energize the mounting substrate 8 in the thickness direction and the planar direction even with a large current of about several hundred amperes, for example, through a thick copper plate having low resistance and excellent heat dissipation.

なお、第2金属粒子接合層18Sとして、例えば、銀ナノペーストから成るペースト層およびその焼結体を適用する場合には、第2金属粒子接合層18Sとの接合性を向上させるために、ソースパッド電極SPと対向するパワー配線電極6の表面に、銀メッキ層19が形成されていても良い。   As the second metal particle bonding layer 18S, for example, when a paste layer made of silver nanopaste and a sintered body thereof are applied, the source is improved in order to improve the bonding property with the second metal particle bonding layer 18S. A silver plating layer 19 may be formed on the surface of the power wiring electrode 6 facing the pad electrode SP.

第2の実施の形態に係る半導体装置1においては、銀メッキ層19とソースパッド電極SPとの間および信号配線電極12とゲートパッド電極GPとの間には、金属ナノペーストとして、例えば、銀ナノペーストを焼成して得られる金属粒子接合層18S、18Gがそれぞれ配置されている。   In the semiconductor device 1 according to the second embodiment, as a metal nano paste between the silver plating layer 19 and the source pad electrode SP and between the signal wiring electrode 12 and the gate pad electrode GP, for example, silver Metal particle bonding layers 18S and 18G obtained by firing the nanopaste are respectively disposed.

この金属粒子接合層18S、18Gを介して、銀メッキ層19とソースパッド電極SPとの間および信号配線電極12とゲートパッド電極GPとの間を電気的に接合している。   The silver plating layer 19 and the source pad electrode SP and the signal wiring electrode 12 and the gate pad electrode GP are electrically bonded via the metal particle bonding layers 18S and 18G.

また、半導体デバイス16のゲートパッド電極GPと対向する実装基板8の表面には、信号配線電極12が配置されている。ここで、信号配線電極12は、例えば、銅の薄膜で形成されていても良い。この銅の薄膜の厚さは、例えば、約15〜約70μmである。   A signal wiring electrode 12 is disposed on the surface of the mounting substrate 8 facing the gate pad electrode GP of the semiconductor device 16. Here, the signal wiring electrode 12 may be formed of, for example, a copper thin film. The thickness of the copper thin film is, for example, about 15 to about 70 μm.

第2の実施の形態に係る半導体装置1において適用可能な銀ナノペーストおよびその焼結体については、第1の実施の形態と同様であるため、重複説明は省略する。   The silver nanopaste and its sintered body that can be applied in the semiconductor device 1 according to the second embodiment are the same as those in the first embodiment, and therefore redundant description is omitted.

(半導体装置の製造方法)
第2の実施の形態に係る半導体装置1の製造方法の一工程であって、半導体デバイス16のフリップチップ接合前の状態を示す模式的断面構造は、図9(a)に示すように表され、図9(a)に対応する実装基板8の模式的断面構造は、図9(b)に示すように表される。
(Method for manufacturing semiconductor device)
A schematic cross-sectional structure showing a state before the flip chip bonding of the semiconductor device 16 as a process of the method for manufacturing the semiconductor device 1 according to the second embodiment is expressed as shown in FIG. A schematic cross-sectional structure of the mounting substrate 8 corresponding to FIG. 9A is expressed as shown in FIG.

また、第2の実施の形態の変形例1に係る半導体装置1の製造方法の一工程であって、半導体デバイス16のフリップチップ接合前の状態を示す模式的断面構造は、図10(a)に示すように表され、図10(a)に対応する実装基板8の模式的断面構造は、図10(b)に示すように表される。   10A is a schematic cross-sectional view showing a state before the flip chip bonding of the semiconductor device 16, which is one step of the manufacturing method of the semiconductor device 1 according to the first modification of the second embodiment. The schematic cross-sectional structure of the mounting substrate 8 corresponding to FIG. 10A is expressed as shown in FIG.

また、第2の実施の形態の変形例2に係る半導体装置1の製造方法の一工程であって、半導体デバイス16のフリップチップ接合前の状態を示す模式的断面構造は、図11(a)に示すように表され、図11(a)に対応する実装基板8の模式的断面構造は、図11(b)に示すように表される。   Further, a schematic cross-sectional structure showing a state before the flip chip bonding of the semiconductor device 16 in one step of the method of manufacturing the semiconductor device 1 according to the second modification of the second embodiment is shown in FIG. The schematic cross-sectional structure of the mounting substrate 8 corresponding to FIG. 11A is expressed as shown in FIG.

第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、図9〜図11に示すように、実装基板8上に信号配線電極12を形成する工程と、実装基板8を貫通してパワー配線電極6を形成する工程と、信号配線電極12と電気的に接合可能なゲートパッド電極GPおよびパワー配線電極6と電気的に接合可能なソースパッド電極SPとを有する半導体デバイス16を形成する工程と、信号配線電極12もしくはゲートパッド電極GPの一方若しくは両方に第1金属粒子接合層18Gを形成する工程と、パワー配線電極6もしくはソースパッド電極SPの一方若しくは両方に第2金属粒子接合層18Sを形成する工程と、半導体デバイス16を実装基板8上にフリップチップ接続する工程とを有する。   As shown in FIGS. 9 to 11, the method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment includes a step of forming a signal wiring electrode 12 on the mounting substrate 8, and a power wiring electrode penetrating the mounting substrate 8. Forming a semiconductor device 16 having a gate pad electrode GP electrically connectable to the signal wiring electrode 12 and a source pad electrode SP electrically connectable to the power wiring electrode 6; A step of forming the first metal particle bonding layer 18G on one or both of the signal wiring electrode 12 and the gate pad electrode GP and a second metal particle bonding layer 18S on one or both of the power wiring electrode 6 and the source pad electrode SP. And a step of flip-chip connecting the semiconductor device 16 to the mounting substrate 8.

また、第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法において、第1金属粒子接合層18Gを形成する工程は、導電性粒子を含むペースト層18を信号配線電極12もしくはゲートパッド電極GPの一方若しくは両方に塗布する工程を有し、第2金属粒子接合層18Sを形成する工程は、導電性粒子を含むペースト層18をパワー配線電極6もしくはソースパッド電極SPの一方若しくは両方に塗布する工程を有する。   Further, in the method of manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment, the step of forming the first metal particle bonding layer 18G includes the step of forming the paste layer 18 containing conductive particles on either the signal wiring electrode 12 or the gate pad electrode GP. Alternatively, the step of forming the second metal particle bonding layer 18S includes a step of applying the paste layer 18 containing conductive particles to one or both of the power wiring electrode 6 and the source pad electrode SP. Have.

また、第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法において、半導体デバイス16を実装基板8上にフリップチップ接続する工程は、ペースト層18を介して信号配線電極12とゲートパッド電極GPとを当接させ、当接状態においてペースト層18を所定温度で焼成し、信号配線電極12とゲートパッド電極GPとを接合する工程と、ペースト層18を介してパワー配線電極6とソースパッド電極SPとを当接させ、当接状態においてペースト層18を所定温度で焼成し、パワー配線電極6とソースパッド電極SPとを接合する工程とを有する。   In the method of manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment, the step of flip-chip connecting the semiconductor device 16 to the mounting substrate 8 includes connecting the signal wiring electrode 12 and the gate pad electrode GP via the paste layer 18. In the contact state, the paste layer 18 is baked at a predetermined temperature to join the signal wiring electrode 12 and the gate pad electrode GP, and the power wiring electrode 6 and the source pad electrode SP through the paste layer 18. And the paste layer 18 is baked at a predetermined temperature in the contact state, and the power wiring electrode 6 and the source pad electrode SP are joined.

第2の実施の形態においては、図9に示すように、実装基板8側に金属粒子接合層18G、18Sが配置されている。より具体的には、パワー配線電極13の表面上に、金属粒子接合層18Sが設けられ、信号配線電極12の表面上に、金属粒子接合層18Gが配置されている。   In the second embodiment, as shown in FIG. 9, metal particle bonding layers 18G and 18S are arranged on the mounting substrate 8 side. More specifically, the metal particle bonding layer 18 </ b> S is provided on the surface of the power wiring electrode 13, and the metal particle bonding layer 18 </ b> G is disposed on the surface of the signal wiring electrode 12.

第2の実施の形態の変形例1においては、図10に示すように、半導体デバイス16側に金属粒子接合層18G、18Sが配置されている。より具体的には、ソースパッド電極SPの上に金属粒子接合層18Sが配置され、ゲートパッド電極GPの上に金属粒子接合層18Gが配置されている。   In Modification 1 of the second embodiment, as shown in FIG. 10, metal particle bonding layers 18G and 18S are arranged on the semiconductor device 16 side. More specifically, the metal particle bonding layer 18S is disposed on the source pad electrode SP, and the metal particle bonding layer 18G is disposed on the gate pad electrode GP.

第2の実施の形態の変形例2においては、図11に示すように、半導体デバイス16および実装基板8の両側に金属粒子接合層18G1、18G2、18S1および18S2がそれぞれ配置されている。より具体的には、ソースパッド電極SP上に金属粒子接合層18S1が配置され、ゲートパッド電極GP上に金属粒子接合層18G1が配置され、パワー配線電極6上に、金属粒子接合層18S2が配置され、信号配線電極12上に金属粒子接合層18G2が配置されている。なお、18G1と18G2、18G2と18S1が密着された状態で焼成されて形成される金属粒子接合層の厚さを勘案して、18G1、18G2、18S1および18S2の厚さは、それぞれ5〜25μm程度とされる。   In Modification 2 of the second embodiment, as shown in FIG. 11, metal particle bonding layers 18G1, 18G2, 18S1, and 18S2 are arranged on both sides of the semiconductor device 16 and the mounting substrate 8, respectively. More specifically, the metal particle bonding layer 18S1 is disposed on the source pad electrode SP, the metal particle bonding layer 18G1 is disposed on the gate pad electrode GP, and the metal particle bonding layer 18S2 is disposed on the power wiring electrode 6. The metal particle bonding layer 18G2 is disposed on the signal wiring electrode 12. In consideration of the thickness of the metal particle bonding layer formed by firing with 18G1 and 18G2 and 18G2 and 18S1 being in close contact, the thickness of 18G1, 18G2, 18S1 and 18S2 is about 5 to 25 μm, respectively. It is said.

第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一工程において、塗布された金属粒子接合層として銀ナノペーストを加圧する前の状態は、図13(a)に示すように表され、加圧後の銀ナノペーストの状態は、図13(b)に示すように表される。その他の説明は、第1の実施の形態と同様であるため、重複説明は省略する。   In one step of the method of manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment, the state before pressurizing the silver nanopaste as the applied metal particle bonding layer is expressed as shown in FIG. The state of the silver nanopaste after pressing is expressed as shown in FIG. Since other explanations are the same as those in the first embodiment, duplicate explanations are omitted.

(加圧および加熱工程)
第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一工程であって、加圧工程を示す模式的断面構造は、図12に示すように表される。
(Pressurization and heating process)
A schematic cross-sectional structure showing a pressurizing step, which is one step of the method of manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment, is expressed as shown in FIG.

第2の実施の形態若しくは変形例1〜2において、図12に示すように、金属粒子接合層18G・18S(加熱・加圧前は、ペースト層18)を挟んで、実装基板8上に半導体デバイス16をフェースダウン状態で位置合わせして載置し、その状態で、プレス加工機120(120a、120b)にセットして矢印P方向に圧力を加える。   In the second embodiment or the modified examples 1 and 2, as shown in FIG. 12, a semiconductor is mounted on the mounting substrate 8 with the metal particle bonding layers 18G and 18S (the paste layer 18 before heating and pressurization) sandwiched therebetween. The device 16 is aligned and placed in a face-down state, and in that state, the device 16 is set on the press machine 120 (120a, 120b) and pressure is applied in the direction of arrow P.

この際の圧力は、例えば、約2MPa〜約30MPaとされる。これにより、ペースト層18は、図13(a)の状態から図13(b)のように、各金属粒子22が密着した状態となる。   The pressure at this time is, for example, about 2 MPa to about 30 MPa. As a result, the paste layer 18 is brought into a state where the metal particles 22 are in close contact as shown in FIG. 13B from the state shown in FIG.

尚、上記の加圧工程では、加圧と加熱を同時に行うために、図示は省略するが、所定のベーキング装置などによって半導体装置全体を200〜400℃で所定時間にわたって加熱する。   In the pressurization step, since the pressurization and heating are performed simultaneously, the entire semiconductor device is heated at 200 to 400 ° C. for a predetermined time by a predetermined baking apparatus or the like (not shown).

これにより、ペースト層18が焼成され、金属銀が析出して金属粒子接合層18G・18Sが形成される。   Thereby, the paste layer 18 is baked, and metal silver is deposited to form the metal particle bonding layers 18G and 18S.

この金属銀から成る金属粒子接合層18G・18Sは、ゲートパッド電極GP・信号配線電極12間、およびソースパッド電極SP・パワー配線電極13間を強固に接合し、実装基板8の上に半導体デバイス16がフェースダウン状態で電気的に接合される。   The metal particle bonding layers 18G and 18S made of metallic silver firmly bond the gate pad electrode GP and the signal wiring electrode 12 and the source pad electrode SP and the power wiring electrode 13 to form a semiconductor device on the mounting substrate 8. 16 is electrically joined in a face-down state.

第2の実施の形態およびその変形例1〜2によれば、低コストで高い耐熱性を有する半導体装置およびその製造方法を提供することができる。   According to 2nd Embodiment and its modifications 1-2, the semiconductor device which has high heat resistance at low cost, and its manufacturing method can be provided.

(半導体装置を適用した応用例)
次に、図14を参照して、第1〜第2の実施の形態に係る半導体装置1を用いて構成した3相インバータについて説明する。
(Application examples using semiconductor devices)
Next, a three-phase inverter configured using the semiconductor device 1 according to the first and second embodiments will be described with reference to FIG.

図14に示すように、3相インバータは、ゲートドライブ部50と、ゲートドライブ部50に接続されたパワーモジュール部52と、3相モータ部54とを備える。パワーモジュール部52は、3相モータ部54のU相、V相、W相に対応して、U、V、W相のインバータが接続されている。   As shown in FIG. 14, the three-phase inverter includes a gate drive unit 50, a power module unit 52 connected to the gate drive unit 50, and a three-phase motor unit 54. The power module unit 52 is connected to U, V, and W phase inverters corresponding to the U phase, V phase, and W phase of the three-phase motor unit 54.

パワーモジュール部52は、コンデンサCが接続されたプラス端子(+)とマイナス端子(−)間に、インバータ構成のSiC・MOSFETQ1・Q2、Q3・Q4、およびQ5・Q6が接続されている。さらに、SiC・MOSFETQ1〜Q6のソース・ドレイン間には、ダイオードD1〜D6がそれぞれ逆並列に接続されている。   In the power module 52, the inverter-structured SiC MOSFETs Q1 and Q2, Q3 and Q4, and Q5 and Q6 are connected between the plus terminal (+) and the minus terminal (−) to which the capacitor C is connected. Furthermore, diodes D1 to D6 are connected in antiparallel between the sources and drains of the SiC MOSFETs Q1 to Q6, respectively.

第1〜第2の実施の形態に係る半導体装置1に適用される半導体デバイス16に相当するSiC・MOSFETQ1〜Q6は、上述のように、金属粒子接合層18S・18Gを介して実装基板8の上にフリップチップ構成に電気的に接続される。   As described above, the SiC MOSFETs Q1 to Q6 corresponding to the semiconductor device 16 applied to the semiconductor device 1 according to the first to second embodiments are mounted on the mounting substrate 8 via the metal particle bonding layers 18S and 18G. Electrically connected to the flip chip configuration above.

(半導体デバイスの構成例)
第1〜第2の実施の形態に係る半導体装置1に適用する半導体デバイス16の例として、SiC・MOSFETの模式的断面構造は、図15に示すように、n高抵抗層からなる半導体基板26と、半導体基板26の表面側に形成されたpベース領域28と、pベース領域28の表面に形成されたソース領域30と、pベース領域28間の半導体基板26の表面上に配置されたゲート絶縁膜32と、ゲート絶縁膜32上に配置されたゲート電極38と、ソース領域30に接続されたソース電極34と、半導体基板26の表面と反対側の裏面に配置されたnドレイン領域24と、nドレイン領域24に接続されたドレイン電極36とを備える。
(Configuration example of semiconductor device)
As an example of the semiconductor device 16 applied to the semiconductor device 1 according to the first to second embodiments, a schematic cross-sectional structure of SiC • MOSFET is a semiconductor substrate made of an n high resistance layer as shown in FIG. 26, a p base region 28 formed on the surface side of the semiconductor substrate 26, a source region 30 formed on the surface of the p base region 28, and the surface of the semiconductor substrate 26 between the p base regions 28. Gate insulating film 32, gate electrode 38 disposed on gate insulating film 32, source electrode 34 connected to source region 30, and n + drain region disposed on the back surface opposite to the surface of semiconductor substrate 26 24 and a drain electrode 36 connected to the n + drain region 24.

図15では、半導体デバイス16は、プレーナゲート型nチャネル縦型SiC・MOSFETで構成されているが、トレンチゲート型nチャネル縦型SiC・MOSFETなどで構成されていても良い。   In FIG. 15, the semiconductor device 16 is configured by a planar gate type n-channel vertical SiC • MOSFET, but may be configured by a trench gate type n-channel vertical SiC • MOSFET.

また、第1〜第2の実施の形態に係る半導体装置1に適用する半導体デバイス16には、SiC・MOSFETの代わりに、GaN系FETなどを適用することもできる。   Further, a GaN-based FET or the like can be applied to the semiconductor device 16 applied to the semiconductor device 1 according to the first to second embodiments instead of the SiC • MOSFET.

更には、第1〜第2の実施の形態に係る半導体装置1に適用する半導体デバイス16には、バンドギャップエネルギーが、例えば、1.1eV〜8eVの半導体を用いることができる。   Furthermore, the semiconductor device 16 applied to the semiconductor device 1 according to the first to second embodiments can use a semiconductor having a band gap energy of, for example, 1.1 eV to 8 eV.

第1〜第2の実施の形態に係る半導体装置によれば、金属粒子ペースト層を焼成して形成される金属粒子接合層18G・18Sとして、例えば、金属銀の融点が約960℃と高い耐熱性を備えているため、この金属粒子接合層18G・18SをSiC系FETやGaN系FETなどのパワーデバイスに適用することによって、パワーデバイスを高温で駆動することができる。   According to the semiconductor device according to the first to second embodiments, as the metal particle bonding layers 18G and 18S formed by firing the metal particle paste layer, for example, the melting point of metal silver is as high as about 960 ° C. Since the metal particle bonding layers 18G and 18S are applied to power devices such as SiC FETs and GaN FETs, the power devices can be driven at high temperatures.

第1〜第2の実施の形態に係るに適用する半導体デバイス16の例であって、ソースパッド電極SP、ゲートパッド電極GPを含むSiC・MOSFETの模式的断面構造は、図16に示すように表される。ゲートパッド電極GPは、ゲート絶縁膜32上に配置されたゲート電極38に接続され、ソースパッド電極SPは、ソース領域30に接続されたソース電極34に接続される。   FIG. 16 shows an example of the semiconductor device 16 applied according to the first and second embodiments, and a schematic cross-sectional structure of the SiC MOSFET including the source pad electrode SP and the gate pad electrode GP is as shown in FIG. expressed. The gate pad electrode GP is connected to the gate electrode 38 disposed on the gate insulating film 32, and the source pad electrode SP is connected to the source electrode 34 connected to the source region 30.

また、ゲートパッド電極GPおよびソースパッド電極SPは、図16に示すように、半導体デバイス16の表面を覆うパッシべーション用の層間絶縁膜44上に配置される。尚、ゲートパッド電極GPおよびソースパッド電極SPの下方の半導体基板26内には、図16の構成例では、図示を省略しているが、図15或いは、図16の中央部と同様に、微細構造のトランジスタ構造が形成されていても良い。   Further, as shown in FIG. 16, the gate pad electrode GP and the source pad electrode SP are disposed on an interlayer insulating film 44 for passivation covering the surface of the semiconductor device 16. In the semiconductor substrate 26 below the gate pad electrode GP and the source pad electrode SP, although not shown in the configuration example of FIG. 16, as in the central portion of FIG. 15 or FIG. A transistor structure having a structure may be formed.

さらに、図16の構成例では、図示を省略しているが、図16の中央部のトランジスタ構造においても、パッシべーション用の層間絶縁膜44上にソースパッド電極SP若しくはゲートパッド電極GPが延在して配置されていても良い。   Further, although not shown in the configuration example of FIG. 16, the source pad electrode SP or the gate pad electrode GP extends on the passivation interlayer insulating film 44 also in the central transistor structure of FIG. May be arranged.

さらに、実装時には、半導体デバイス16がフェースダウンされ、ゲートパッド電極GP・ソースパッド電極SPが、図2若しくは図8に示すように、それぞれ金属粒子接合層18G・18Sを介して実装基板8に接合される。   Further, at the time of mounting, the semiconductor device 16 is faced down, and the gate pad electrode GP and the source pad electrode SP are bonded to the mounting substrate 8 via the metal particle bonding layers 18G and 18S, respectively, as shown in FIG. Is done.

(ペースト層塗布工程)
第1〜第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一工程であって、半導体基板26上にペースト層18を塗布するためのマスク25を配置した状態を示す模式的平面パターン構成は、図17(a)に示すように表され、図17(a)のIII−III線に沿う模式的断面構造は、図17(b)に示すように表される。
(Paste layer application process)
A schematic planar pattern configuration showing a state in which a mask 25 for applying a paste layer 18 on a semiconductor substrate 26 is disposed in a process of the semiconductor device manufacturing method according to the first to second embodiments. 17A, a schematic cross-sectional structure taken along line III-III in FIG. 17A is represented as shown in FIG. 17B.

第1〜第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一工程であって、開口部25aを有するマスク25上にペースト層18を堆積した状態を示す模式的断面構造は、図18に示すように表される。   FIG. 18 shows a schematic cross-sectional structure showing a state where the paste layer 18 is deposited on the mask 25 having the opening 25a, which is one step of the method for manufacturing the semiconductor device according to the first to second embodiments. Represented as shown.

第1〜第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一工程であって、スキージ27を矢印A方向に移動させてペースト層18をマスク25の開口部25aに充填する工程を示す模式的断面構造は、図19に示すように表される。   Schematic showing one step of the method of manufacturing a semiconductor device according to the first to second embodiments, the step of filling the paste layer 18 into the opening 25a of the mask 25 by moving the squeegee 27 in the direction of arrow A. A typical cross-sectional structure is expressed as shown in FIG.

第1〜第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一工程であって、マスク25の開口部25aにペースト層18が充填された状態を示す模式的断面構造は、図20に示すように表される。   A schematic cross-sectional structure showing a state in which the paste layer 18 is filled in the opening 25a of the mask 25, which is one step of the method for manufacturing the semiconductor device according to the first to second embodiments, is shown in FIG. It is expressed as follows.

第1〜第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法において、ペースト層18を信号配線電極12もしくはゲートパッド電極GPの一方に塗布する工程は、信号配線電極12もしくはゲートパッド電極GPの一方に、各電極位置に合わせた開口部25aを有するマスク25を位置合わせして重ね合わせる工程と、マスク25の上にペースト層18を堆積する工程と、スキージ27によってペースト層18を開口部25aに充填する工程と、マスク25を取り除く工程とを有する。   In the method of manufacturing a semiconductor device according to the first to second embodiments, the step of applying the paste layer 18 to one of the signal wiring electrode 12 or the gate pad electrode GP is performed by either one of the signal wiring electrode 12 or the gate pad electrode GP. In addition, a step of aligning and overlaying a mask 25 having an opening 25a in accordance with each electrode position, a step of depositing the paste layer 18 on the mask 25, and a squeegee 27, the paste layer 18 is placed on the opening 25a. A step of filling and a step of removing the mask 25.

また、第1〜第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法において、ペースト層18をパワー配線電極6・13もしくはソースパッド電極SPの一方に塗布する工程は、パワー配線電極6・13もしくはソースパッド電極SPの一方に、各電極位置に合わせた開口部25aを有するマスク25を位置合わせして重ね合わせる工程と、マスク25の上にペースト層18を堆積する工程と、スキージ27によってペースト層18を開口部25aに充填する工程と、マスク25を取り除く工程とを有する。   In the method for manufacturing a semiconductor device according to the first to second embodiments, the step of applying the paste layer 18 to one of the power wiring electrodes 6 and 13 or the source pad electrode SP includes the power wiring electrodes 6 and 13 or A step of aligning and superimposing a mask 25 having an opening 25 a that matches each electrode position on one of the source pad electrodes SP, a step of depositing a paste layer 18 on the mask 25, and a paste layer by a squeegee 27 18 and filling the opening 25a, and removing the mask 25.

以下、ペースト層塗布工程を詳述する。   Hereinafter, the paste layer application step will be described in detail.

(a)まず、図17(a)および図17(b)に示すように、半導体デバイス16のゲートパッド電極GPおよびソースパッド電極SPを含む部位にマスク(例えば、金属製のマスク)25を重ね合わせ、マスク25の開口部25aを介してゲートパッド電極GPおよびソースパッド電極SPの所定の領域のみが露出するようにする。なお、ゲートパッド電極GPおよびソースパッド電極SPの表面からマスク25の表面までの距離が、形成するペースト層18の厚さと等しい値、例えば、約10μm〜約100μm程度となるように、マスク25の厚さが設定される。   (A) First, as shown in FIGS. 17A and 17B, a mask (for example, a metal mask) 25 is overlaid on a portion of the semiconductor device 16 including the gate pad electrode GP and the source pad electrode SP. In addition, only predetermined regions of the gate pad electrode GP and the source pad electrode SP are exposed through the opening 25a of the mask 25. The distance from the surface of the gate pad electrode GP and the source pad electrode SP to the surface of the mask 25 is equal to the thickness of the paste layer 18 to be formed, for example, about 10 μm to about 100 μm. The thickness is set.

(b)次に、図18に示すように、所定の量の金属微粒子ペーストからなるペースト層18をキャピラリやディスペンサなどを用いて、マスク25および開口部25a上に堆積する。   (B) Next, as shown in FIG. 18, a paste layer 18 made of a predetermined amount of metal fine particle paste is deposited on the mask 25 and the opening 25a using a capillary or a dispenser.

(c)次に、図19に示すように、スキージ(ヘラ部材)27の先端部をマスク25の表面に当接させ、矢印A方向(図19上では左側から右側)に移動させて、余分なペースト層18を除去すると共に、マスク25の開口部25a内にペースト層18を充填させる。   (C) Next, as shown in FIG. 19, the tip of the squeegee (spatial member) 27 is brought into contact with the surface of the mask 25 and moved in the direction of arrow A (from the left side to the right side in FIG. 19). The paste layer 18 is removed and the paste layer 18 is filled into the opening 25 a of the mask 25.

結果として、図20に示すように、マスク25の開口部25aの内壁に沿って、ゲートパッド電極GP上およびソースパッド電極SP上にペースト層18がそれぞれ形成される。   As a result, as shown in FIG. 20, the paste layers 18 are formed on the gate pad electrode GP and the source pad electrode SP along the inner wall of the opening 25a of the mask 25, respectively.

そして、この後、マスク25を半導体デバイス16側から取り外し、半導体デバイス16をフェースダウン状態として、実装基板8との接合工程に移行する(図4若しくは図10参照)。   Then, after that, the mask 25 is removed from the semiconductor device 16 side, the semiconductor device 16 is brought into a face-down state, and the process proceeds to a bonding step with the mounting substrate 8 (see FIG. 4 or FIG. 10).

なお、ペースト層18の粘度等の性質に応じて、図20の状態で所定時間にわたって乾燥させ、ペースト層18を半乾きの状態としてからマスク25を取り外した方が良い場合もある。この乾燥工程では、自然乾燥であって、或いは、所定温度で昇温加熱工程を実施しても良い。   Depending on properties such as the viscosity of the paste layer 18, it may be preferable to dry the paste layer 18 for a predetermined time in the state shown in FIG. 20 and remove the mask 25 after the paste layer 18 is in a semi-dry state. In this drying step, natural drying may be performed, or the heating and heating step may be performed at a predetermined temperature.

また、図17〜図20の例では、半導体デバイス16側にペースト層18を塗布する工程について説明したが、同様の手法で、実装基板8上の信号配線電極12やパワー配線電極13・6上にペースト層18を形成することもできる(図3(b)若しくは図9(b)参照)。   In the example of FIGS. 17 to 20, the process of applying the paste layer 18 on the semiconductor device 16 side has been described. However, the signal wiring electrode 12 on the mounting substrate 8 and the power wiring electrodes 13 and 6 are mounted by the same method. The paste layer 18 can also be formed on (see FIG. 3B or FIG. 9B).

また、図5若しくは図11に示すように、同様の手法で、半導体デバイス16側と実装基板8側の両方にペースト層18を形成し、18G1と18G2、18S1と18S2とを対向させて接合することもできる。この際に、18G1、18G2側および18S1、18S2側の少なくとも一方については、所定時間にわたって乾燥させて半乾きの状態とした方が、より良好に接合できる。   Also, as shown in FIG. 5 or FIG. 11, the paste layer 18 is formed on both the semiconductor device 16 side and the mounting substrate 8 side by the same method, and 18G1 and 18G2 and 18S1 and 18S2 are bonded to face each other. You can also. At this time, at least one of the 18G1 and 18G2 sides and the 18S1 and 18S2 sides can be bonded better if they are dried for a predetermined time to be in a semi-dry state.

第2の実施の形態およびその変形例1〜2によれば、金属微粒子ペーストを塗布して焼成するという簡易な工程により高い耐熱性を備えたワイヤレス接合を形成することができる。   According to 2nd Embodiment and its modifications 1-2, the wireless joining provided with high heat resistance can be formed by the simple process of apply | coating and baking a metal fine particle paste.

また、第2の実施の形態およびその変形例1〜2によれば、金属微粒子ペーストの焼結体である金属によって接合層を形成することにより、金属粒子接合層の耐熱性、熱伝導性等を高めることができ、SiC系FET、GaN系FETなどの半導体デバイス等に適した半導体装置を提供することができる。   Moreover, according to 2nd Embodiment and its modifications 1-2, by forming a joining layer with the metal which is a sintered compact of metal fine particle paste, the heat resistance of the metal particle joining layer, thermal conductivity, etc. A semiconductor device suitable for semiconductor devices such as SiC-based FETs and GaN-based FETs can be provided.

また、第2の実施の形態およびその変形例1〜2によれば、金属接合層は銀、金、銅またはニッケルで形成され、鉛(Pb)を用いることが無いので、鉛フリーとなり公害対策に資することができる。   Further, according to the second embodiment and the first and second modifications thereof, the metal bonding layer is formed of silver, gold, copper or nickel and does not use lead (Pb). Can help.

第2の実施の形態およびその変形例1〜2によれば、低コストで高い耐熱性ワイヤレス接合を有する半導体装置およびその製造方法を提供することができる。   According to the second embodiment and the first and second modifications thereof, it is possible to provide a semiconductor device having a high heat-resistant wireless junction at low cost and a method for manufacturing the same.

また、第2の実施の形態およびその変形例1〜2によれば、実装基板を貫通して配置されたパワー配線電極を備えるため、第1の実施の形態に比べ、さらに大電流の半導体デバイスを実装基板上に搭載可能である。   In addition, according to the second embodiment and the first and second modifications thereof, since the power wiring electrode disposed through the mounting substrate is provided, a semiconductor device having a larger current than that of the first embodiment. Can be mounted on a mounting board.

さらに、第1〜第2の実施の形態に係る半導体装置においては、図21〜図22に示すように、ドレイン電極36上に半田などのドレイン電極接合層36aを介して柱状電極4を配置しても良い。柱状電極4は、例えば、銅モリブデン(CuMo)などのSiCと相対的に線膨張係数の値の近い金属材料を選択する。ドレイン電極接合層36aは、金属粒子接合層18S・18Gと同様の導電性粒子を含むペースト材料を焼成して形成しても良い。ペースト材料の焼成温度は、例えば、約200〜400℃である。導電性粒子は、金属微粒子であり、例えば、銀粒子、金粒子またはニッケルや銅粒子などである。   Furthermore, in the semiconductor device according to the first to second embodiments, as shown in FIGS. 21 to 22, the columnar electrode 4 is disposed on the drain electrode 36 via a drain electrode bonding layer 36 a such as solder. May be. For the columnar electrode 4, for example, a metal material having a linear expansion coefficient relatively close to SiC such as copper molybdenum (CuMo) is selected. The drain electrode bonding layer 36a may be formed by baking a paste material containing conductive particles similar to the metal particle bonding layers 18S and 18G. The firing temperature of the paste material is, for example, about 200 to 400 ° C. The conductive particles are metal fine particles, such as silver particles, gold particles, nickel or copper particles.

柱状電極4上には、さらにヒートスプレッダー2が配置される。さらに、実装基板8を搭載するヒートスプレッダーを配置することで、第1〜第2の実施の形態に係る半導体装置においては、両面冷却を実施可能である。   A heat spreader 2 is further disposed on the columnar electrode 4. Furthermore, by disposing a heat spreader on which the mounting substrate 8 is mounted, double-sided cooling can be performed in the semiconductor devices according to the first and second embodiments.

[比較例]
図23〜図25を参照して、比較例について簡単に説明する。
[Comparative example]
A comparative example will be briefly described with reference to FIGS.

図23に示す比較例は、絶縁基板100上に形成された半導体デバイス140のソースパッド電極SPの上に柱状電極180を形成すると共に、ゲートパッド電極GPについては橋状のリード部材160を介して配線部125との接合を図った構成を示す。   In the comparative example shown in FIG. 23, the columnar electrode 180 is formed on the source pad electrode SP of the semiconductor device 140 formed on the insulating substrate 100, and the gate pad electrode GP is interposed via the bridge-shaped lead member 160. The structure which aimed at joining with the wiring part 125 is shown.

この構成では、従来のワイヤボンディングを行わなくて良いという利点がある反面、リード部材160自体が微細部品であり、マウントが難しいという問題がある。   This configuration has the advantage that the conventional wire bonding need not be performed, but has the problem that the lead member 160 itself is a fine component and is difficult to mount.

また、リード部材160自体が比較的高価であるため、コストが嵩むという不都合もある。   Further, since the lead member 160 itself is relatively expensive, there is a disadvantage that the cost increases.

また、半導体デバイス140側と配線部125側とに高低差を生じた場合には、図23の(b)に示すようにリード部材160の端部が浮いてしまい、接続不良を生じるという難点もある。   Further, when there is a difference in height between the semiconductor device 140 side and the wiring part 125 side, the end of the lead member 160 is lifted as shown in FIG. is there.

図22に示す比較例は、絶縁基板100上に形成された半導体デバイス140のソースパッド電極SPの上に柱状電極180を形成すると共に、ゲートパッド電極GPについては銀ナノペーストの焼結体18Aを介して配線部125との接合を図った構成を示す。   In the comparative example shown in FIG. 22, the columnar electrode 180 is formed on the source pad electrode SP of the semiconductor device 140 formed on the insulating substrate 100, and the silver nanopaste sintered body 18 </ b> A is used for the gate pad electrode GP. The structure which aimed at joining with the wiring part 125 via this is shown.

この構成では、従来のワイヤボンディングを行わなくても良く、また図23の比較例のように配線部品を用いなくても良いという利点がある。   This configuration has the advantage that conventional wire bonding does not have to be performed, and wiring components need not be used as in the comparative example of FIG.

しかしながら、銀ナノペーストの焼結体18Aと半導体デバイス140の側面や、銀ナノペーストの焼結体18Aの下方の絶縁性確保が難しいという問題がある。   However, there is a problem that it is difficult to ensure the insulating properties of the side surfaces of the silver nanopaste sintered body 18A and the semiconductor device 140 and the lower side of the silver nanopaste sintered body 18A.

図25に示す比較例は、絶縁基板100上に形成された半導体デバイス140のソースパッド電極SPの上に柱状電極180を、ゲートパッド電極GPの上に柱状電極200をそれぞれ形成し、柱状電極180および柱状電極200の上部端面を介して絶縁基板100と対向する実装基板(図示省略)等との接合を図る構成を示す。   In the comparative example shown in FIG. 25, the columnar electrode 180 is formed on the source pad electrode SP of the semiconductor device 140 formed on the insulating substrate 100, and the columnar electrode 200 is formed on the gate pad electrode GP. In addition, a configuration in which a mounting substrate (not shown) or the like facing the insulating substrate 100 through the upper end face of the columnar electrode 200 is intended to be joined.

しかしながら、微細加工の柱状電極が必要であり、特に約500μm角以下の柱状電極を形成することが難しいという問題がある。   However, there is a problem that a finely processed columnar electrode is necessary, and it is difficult to form a columnar electrode having a size of about 500 μm square or less.

また、柱状電極を用いる場合には、垂直方向の配線に限定され、水平方向の配線には適用できないという不都合もある。   Further, when the columnar electrode is used, it is limited to the wiring in the vertical direction, and there is a disadvantage that it cannot be applied to the wiring in the horizontal direction.

また、柱状電極180および柱状電極200の上部端面と実装基板等との接合を半田を介して行う場合には、高耐熱接合技術の応用が困難であり、SiCデバイス等の高温での動作に対応できないという不都合もある。   In addition, when the upper end surfaces of the columnar electrode 180 and the columnar electrode 200 are bonded to the mounting substrate through solder, it is difficult to apply the high heat-resistant bonding technique, and it is compatible with high-temperature operation of SiC devices and the like. There is also the inconvenience that it cannot be done.

本実施の形態によれば、低コストで高い耐熱性を有する半導体装置の実装構造を提供することができる。   According to the present embodiment, it is possible to provide a mounting structure of a semiconductor device having high heat resistance at low cost.

また、本実施の形態によれば、簡易な工程により高い耐熱性を有するワイヤレス接合を実施可能な半導体装置の実装方法を提供することができる。   Further, according to the present embodiment, it is possible to provide a semiconductor device mounting method capable of performing wireless bonding having high heat resistance by a simple process.

[その他の実施の形態]
上記のように、実施の形態および変形例によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、この発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
[Other embodiments]
As described above, the embodiments and modifications have been described. However, the descriptions and drawings forming a part of this disclosure are illustrative and should not be understood as limiting the present invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態などを含む。   As described above, the present invention includes various embodiments not described herein.

例えば、上記実施の形態では、導電性粒子を含むペースト材料として銀ナノペーストを用いる場合について説明したが、これに限定されず、金ナノ粒子またはニッケルナノ粒子を所定の溶媒に分散させた金属ナノ粒子ペーストを用いるようにしてもよい。   For example, in the above embodiment, the case where silver nanopaste is used as a paste material containing conductive particles has been described. However, the present invention is not limited to this, and metal nanoparticles in which gold nanoparticles or nickel nanoparticles are dispersed in a predetermined solvent are described. A particle paste may be used.

本発明の半導体装置の製造方法は、パワー半導体モジュール、インテリジェントパワーモジュールなどパワーデバイス全般に利用可能である。
The method for manufacturing a semiconductor device of the present invention can be used for power devices in general such as a power semiconductor module and an intelligent power module.

1…半導体装置
2…ヒートスプレッダー
4…柱状電極
6、13…パワー配線電極
8…実装基板
12…信号配線電極
16…半導体デバイス
18…ペースト層
18G、18S…金属粒子接合層
19…銀メッキ層
20…溶媒
20a…シェル
22…銀ナノ粒子
24…nドレイン領域
25…マスク
25a…開口部
26…半導体基板
27…スキージ(ヘラ部材)
28…pベース領域
30…ソース領域
32…ゲート絶縁膜
34…ソース電極
36…ドレイン電極
36a…ドレイン電極接合層
38…ゲート電極
44…層間絶縁膜
50…ゲートドライブ部
52…パワーモジュール部
54…三相モータ部
120…プレス加工機
C…コンデンサ
D1〜D6…ダイオード
GP…ゲートパッド電極
SP…ソースパッド電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Semiconductor device 2 ... Heat spreader 4 ... Columnar electrode 6, 13 ... Power wiring electrode 8 ... Mounting board 12 ... Signal wiring electrode 16 ... Semiconductor device 18 ... Paste layer 18G, 18S ... Metal particle joining layer 19 ... Silver plating layer 20 ... Solvent 20a ... Shell 22 ... Silver nanoparticles 24 ... n + drain region 25 ... Mask 25a ... Opening 26 ... Semiconductor substrate 27 ... Squeegee (scalar member)
28 ... p base region 30 ... source region 32 ... gate insulating film 34 ... source electrode 36 ... drain electrode 36a ... drain electrode bonding layer 38 ... gate electrode 44 ... interlayer insulating film 50 ... gate drive part 52 ... power module part 54 ... three Phase motor 120 ... Press machine C ... Capacitors D1-D6 ... Diode GP ... Gate pad electrode SP ... Source pad electrode

Claims (9)

実装基板上に信号配線電極を形成する工程と、  Forming a signal wiring electrode on the mounting substrate;
前記実装基板上に若しくは前記実装基板を貫通してパワー配線電極を形成する工程と、  Forming a power wiring electrode on the mounting substrate or penetrating the mounting substrate;
前記信号配線電極と電気的に接合可能なゲートパッド電極と、前記パワー配線電極と電気的に接合可能なソースパッド電極とを有するパワーデバイスを配置する工程と、  Disposing a power device having a gate pad electrode electrically connectable to the signal wiring electrode and a source pad electrode electrically connectable to the power wiring electrode;
前記信号配線電極もしくは前記ゲートパッド電極の一方若しくは両方に、複数の第1金属微粒子と前記複数の第1金属微粒子を被覆する第1酸化防止膜とを含む第1ペースト層を塗布する工程と、  Applying a first paste layer including a plurality of first metal fine particles and a first antioxidant film covering the plurality of first metal fine particles to one or both of the signal wiring electrode and the gate pad electrode;
前記パワー配線電極もしくは前記ソースパッド電極の一方若しくは両方に、複数の第2金属微粒子と前記複数の第2金属微粒子を被覆する第2酸化防止膜とを含む第2ペースト層を塗布する工程と、  Applying a second paste layer including a plurality of second metal fine particles and a second antioxidant film covering the plurality of second metal fine particles to one or both of the power wiring electrode and the source pad electrode;
前記パワーデバイスを前記実装基板上にフリップチップ接続する工程と  Flip chip connecting the power device onto the mounting substrate;
を有し、  Have
前記パワーデバイスを前記実装基板上にフリップチップ接続する工程は、  The step of flip-chip connecting the power device on the mounting substrate,
前記第1ペースト層を介して前記信号配線電極と前記ゲートパッド電極とを当接させ、当該当接状態において、前記実装基板と前記パワーデバイスとを対向する方向に押圧して前記第1ペースト層に所定の圧力を加え、前記第1酸化防止膜が破砕した面において前記複数の第1金属微粒子間を密着させるとともに、前記第1ペースト層を所定温度で焼成し、前記信号配線電極と前記ゲートパッド電極とを加圧接合する工程と、    The signal wiring electrode and the gate pad electrode are brought into contact with each other through the first paste layer, and in the contact state, the mounting substrate and the power device are pressed in a facing direction to the first paste layer. A predetermined pressure is applied to bring the plurality of first metal fine particles into close contact with each other on the surface where the first antioxidant film is crushed, and the first paste layer is baked at a predetermined temperature, and the signal wiring electrode and the gate A step of pressure bonding the pad electrode;
前記第2ペースト層を介して前記パワー配線電極と前記ソースパッド電極とを当接させ、当該当接状態において、前記実装基板と前記パワーデバイスとを対向する方向に押圧して前記第2ペースト層に所定の圧力を加え、前記第2酸化防止膜が破砕した面において前記複数の第2金属微粒子間を密着させるとともに、前記第2ペースト層を所定温度で焼成し、前記パワー配線電極と前記ソースパッド電極とを加圧接合する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。    The power wiring electrode and the source pad electrode are brought into contact with each other through the second paste layer, and in the contact state, the mounting substrate and the power device are pressed in a facing direction, and the second paste layer is pressed. A predetermined pressure is applied to bring the plurality of second metal fine particles into close contact with each other on the surface where the second antioxidant film is crushed, and the second paste layer is baked at a predetermined temperature, and the power wiring electrode and the source And a step of pressure bonding the pad electrode.
前記第2ペースト層を前記パワー配線電極もしくは前記ソースパッド電極の一方若しくは両方に塗布する工程は、  The step of applying the second paste layer to one or both of the power wiring electrode and the source pad electrode,
前記パワー配線電極もしくは前記ソースパッド電極の一方若しくは両方に、当該各電極位置に合わせた開口部を有するマスクを位置合わせして重ね合わせる工程と、  A step of aligning and overlaying a mask having an opening corresponding to each electrode position on one or both of the power wiring electrode or the source pad electrode;
当該マスクの上に前記第2ペースト層を堆積する工程と、  Depositing the second paste layer on the mask;
スキージによって前記第2ペースト層を前記開口部に充填する工程と、  Filling the opening with the second paste layer with a squeegee;
前記マスクを取り除く工程と  Removing the mask;
を有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。  The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein:
前記所定の圧力は、2MPa〜30MPaであ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。  The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the predetermined pressure is 2 to 30 MPa. 前記第1ペースト層および前記第2ペースト層は、所定の溶媒中に銀ナノ粒子を分散させた銀ナノペーストであ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。  2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the first paste layer and the second paste layer are silver nano pastes in which silver nanoparticles are dispersed in a predetermined solvent. 前記銀ナノペーストは、前記銀ナノ粒子の濃度が80質量%〜95質量%であることを特徴とする請求項4に記載の半導体装置の製造方法。  The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein the silver nanopaste has a concentration of the silver nanoparticles of 80% by mass to 95% by mass. 前記銀ナノペーストは、前記銀ナノ粒子の粒径が30nm〜100nmであることを特徴とする請求項4または5に記載の半導体装置の製造方法。  6. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein the silver nanopaste has a silver nanoparticle diameter of 30 nm to 100 nm. 前記銀ナノペーストの焼成温度は、200℃〜400℃であることを特徴とする請求項4〜6のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。  The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 4 to 6, wherein a baking temperature of the silver nanopaste is 200 ° C to 400 ° C. 前記パワーデバイスは、SiC系FETまたはGaN系FETであ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。  The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the power device is a SiC-based FET or a GaN-based FET. 前記パワーデバイスは、前記ゲートパッド電極および前記ソースパッド電極の配置面と対向する面に配置されたドレイン電極を備え、  The power device includes a drain electrode disposed on a surface opposite to a surface on which the gate pad electrode and the source pad electrode are disposed,
前記ドレイン電極上に柱状電極を介してヒートスプレッダーを配置する工程をさらに有することを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。  The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, further comprising a step of disposing a heat spreader on the drain electrode via a columnar electrode.
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