JP6643975B2

JP6643975B2 - 半導体装置の製造方法

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Publication number: JP6643975B2
Application number: JP2016256337A
Authority: JP
Inventors: 宏貴園田; 亜弥武藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-12-28
Filing date: 2016-12-28
Publication date: 2020-02-12
Anticipated expiration: 2036-12-28
Also published as: JP2018110149A

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に焼結性金属粒子を用いて半導体素子を接合する半導体装置の製造方法に関する。

従来、焼結性金属粒子を含む接合材料を用いて半導体素子と回路基板とが焼結接合された半導体装置が知られている。焼結結合層は、はんだ層と比べて耐熱性および放熱性が高い。そのため、ＩＧＢＴなど大電流が通電されて発熱量の大きい半導体素子の製造方法には、半導体素子と回路基板などとを焼結結合する工程が採用されている。

焼結性を有する金属粒子を含む接合材料を加熱することのみによっても、焼結接合は可能である。しかし、半導体装置の信頼性等の観点から、焼結接合は加熱と同時に加圧を行うことによって実施されるのが好ましい。

特開２０１６−１４３６８５号公報には、半導体素子の裏面電極と回路基板とが第１の焼結金属層を介して接合され、半導体素子の表面電極と導電部材とが第２の焼結金属層を介して接合された半導体モジュールが開示されている。さらに、当該公報には、該半導体モジュールの製造方法として、半導体素子の裏面電極と回路基板とを金属粒子を含む接合材料を介して加熱加圧されて焼結接合した後、半導体素子の表面電極と導電板とを金属粒子を含む接合材料を介して加熱加圧されて焼結接合することが開示されている。

特開２０１６−１４３６８５号公報

しかしながら、半導体素子の裏面電極と回路基板とを焼結接合する場合、半導体素子の表面は直接的に加熱加圧される。直接的な加熱加圧は、半導体素子の破壊の要因となるダメージを半導体素子に与える可能性がある。

一方で、半導体素子への直接的な加熱加圧を防ぐため、半導体素子の表面電極と導電部材との間に焼結金属層となるべき接合部材を配置し、かつ半導体素子の裏面電極と回路基板との間に焼結金属層となるべき接合部材を配置して、導電部材と回路基板との間を加熱加圧することも考えられる。

しかしながら、２つの接合部材を介して積層された積層体を加熱加圧する場合、加熱加圧によって各接合部材を挟んで積層された部材間、すなわち半導体素子と導電部材間または半導体素子と回路基板間の位置ズレが生じ易いという問題があった。当該位置ズレは、焼結接合部の信頼性を低下させる要因となり得る。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものである。本発明の主たる目的は、焼結接合部の信頼性が高く、かつ加圧による半導体素子へのダメージが抑制されている半導体装置を提供することにある。

本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体素子、緩衝部材、および回路基板を準備する工程を備える。半導体素子は、第１面および第１面の反対側に位置する第２面を有し、第１面上に形成されている少なくとも１つの第１電極および第２面上に形成されている第２電極とを含む。本発明に係る半導体装置の製造方法は、粒径が１００ｎｍ以下である焼結性金属粒子を含む第１接合部材および第２接合部材を準備する工程と、半導体素子の第１電極と緩衝部材との間に第１接合部材を配置し、半導体素子の第２電極と回路基板との間に第２接合部材とを配置して、緩衝部材、第１接合部材、半導体素子、第２接合部材および回路基板が順に積層された積層体を準備する工程と、第１接合部材および第２接合部材が焼結性金属粒子の焼結温度未満の第１温度にある積層体の緩衝部材と回路基板との間に第１圧力を印加する工程と、第１圧力を印加する工程の後に、第１接合部材および第２接合部材が焼結性金属粒子の焼結温度以上の第２温度にある積層体の緩衝部材と回路基板との間に第１圧力越えの第２圧力を印加して、第１接合部材から第１焼結金属層を形成し、かつ第２接合部材から第２焼結金属層を形成する工程とをさらに備える。

本発明によれば、焼結接合部の信頼性が高く、かつ加圧による半導体素子へのダメージが抑制されている半導体装置を提供することができる。

実施の形態１に係る半導体装置の上面図である。実施の形態１に係る半導体装置の断面図である。実施の形態１に係る半導体装置の製造方法のフローチャートである。実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。実施の形態２に係る半導体装置の上面図である。実施の形態２に係る半導体装置の断面図である。実施の形態２に係る半導体装置の製造方法のフローチャートである。実施の形態２に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。実施の形態３に係る半導体装置の上面図である。実施の形態３に係る半導体装置の断面図である。実施の形態３に係る半導体装置の製造方法のフローチャートである。実施の形態４に係る半導体モジュールの断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。

実施の形態１．
＜半導体装置の構成＞
図１および図２を参照して、半導体装置１００について説明する。半導体装置１００は、複数の半導体素子１、複数の第１焼結金属層２、複数の第２焼結金属層３、リードフレーム４、および回路付絶縁基板５（回路基板）を主に備える。

複数の半導体素子１の各々は、任意の半導体素子であればよいが、例えばパワー半導体素子であり、例えばＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｔｏｒ）である。半導体素子１は、第１面１Ａと、第１面１Ａと反対側に位置する第２面１Ｂとを有している。半導体素子１の第１面１Ａの少なくとも一部上には、第１電極（図示しない）が形成されている。第１電極の少なくとも一部は、第１焼結金属層２を介してリードフレーム４と接合されている。半導体素子１の第２面１Ｂの少なくとも一部上には、第２電極（図示しない）が形成されている。第２電極の少なくとも一部は、第２焼結金属層３を介して回路付絶縁基板５と接合されている。半導体素子１は高温動作可能である。半導体素子１を構成する材料は、任意の材料であればよいが、例えば炭化ケイ素（ＳｉＣ）である。電極を構成する材料は、導電性を有する任意の材料であればよいが、例えばアルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、および金（Ａｕ）のうちの少なくとも１つを含む。

複数の第１焼結金属層２の各々は、１つの半導体素子１の上記第１電極とリードフレーム４との間を電気的に接続している。第１面１Ａを平面視したときに、第１焼結金属層２の平面形状は任意の形状であればよいが例えば矩形状である。第１焼結金属層２の厚みは、例えば３０μｍ以上５０μｍ以下である。

複数の第２焼結金属層３の各々は、１つの半導体素子１の上記第２電極と回路付絶縁基板５の第１導体５１との間を電気的に接続している。第２面１Ｂを平面視したときに、第２焼結金属層３の平面形状は任意の形状であればよいが例えば矩形状である。第２焼結金属層３の厚みは、例えば３０μｍ以上５０μｍ以下である。

第１焼結金属層２および第２焼結金属層３の各々は焼結体からなる。第１焼結金属層２および第２焼結金属層３を構成する材料は、焼結性金属であり、例えば銀（Ａｇ）またはＣｕを含む。焼結性金属とは、その粉末体がその融点よりも低い温度で加熱されたときに焼結体を形成し得る金属である。第１焼結金属層２および第２焼結金属層３は、例えばＡｇまたはＣｕなどの焼結性金属粒子が分散されたペースト状の混練物であってシート状に成形された第１接合部材２２および第２接合部材２３（図４参照。詳細は後述する）が加熱および加圧されて得られた焼結体である。

リードフレーム４は、複数の第１焼結金属層２の各々を介して複数の半導体素子１の各第１電極と電気的に接続されている。リードフレーム４は、第１面１Ａを平面視したときに、第１焼結金属層２と重なる第１領域と、第１焼結金属層２と重ならない第２領域とを有している。リードフレーム４を構成する材料は、例えばＣｕおよびＡｌの少なくともいずれかを含む。リードフレーム４は、例えばＣｕ合金またはＡｌ合金からなっていてもよい。

回路付絶縁基板５は、第１導体５１、第２導体５２、および絶縁セラミックス板５３を含む。絶縁セラミックス板５３は、第１導体５１および第２導体５２に挟まれている。第１導体５１は、半導体素子１を搭載している。第１導体５１は、第２焼結金属層３を介して半導体素子１の上記第２電極と電気的に接続されている。第１導体５１において半導体素子１と接合されている面と反対側に位置する面は絶縁セラミックス板５３と接合されている。絶縁セラミックス板５３において第１導体５１と接合されている面と反対側に位置する面は第２導体５２と接合されている。第１導体５１および第２導体５２を構成する材料は、導電性を有し、高い熱伝導率を有する任意の材料とすればよいが、たとえば銅（Ｃｕ）またはアルミニウム（Ａｌ）である。絶縁セラミックス板５３を構成する材料は、電気的絶縁性を有し、かつ高い熱伝導性を有する任意の材料であればよいが、たとえば窒化珪素（ＳｉＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、およびアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）の少なくともいずれか一つを含む材料である。

半導体装置１００は、例えば複数の半導体素子１を備えている。複数の半導体素子１の各第１電極は、１つの第１焼結金属層２を介してリードフレーム４と接合されている。複数の半導体素子１の各第２電極は、１つの第１焼結金属層２を介して回路付絶縁基板５と接合されている。言い換えると、１つのリードフレーム４は、複数の第１焼結金属層２の各々を介して複数の半導体素子１の各々の第１電極と接合されている。１つの回路付絶縁基板５は、複数の第２焼結金属層３の各々を介して複数の半導体素子１の各々の第２電極と接合されている。

＜半導体装置の製造方法＞
次に、図１〜図４を参照して、実施の形態１に係る半導体装置の製造方法について説明する。

はじめに、複数の半導体素子１、リードフレーム４、および回路付絶縁基板５を準備する（工程（Ｓ１０））。複数の半導体素子１の各々は、第１面１Ａおよび第１面１Ａの反対側に位置する第２面１Ｂを有し、第１面１Ａ上に形成されている第１電極および第２面１Ｂ上に形成されている少なくとも１つの第２電極とを含む。リードフレーム４は、複数の半導体素子１の各第１電極と第１焼結金属層２を介して接合されるべき部分を含む。回路付絶縁基板５は第１導体５１を含む。第１導体５１は半導体素子１の第２電極と第２焼結金属層３を介して接合されるべき部分を含む。

次に、複数の第１接合部材２２および複数の第２接合部材２３を準備する（工程（Ｓ２０））。第１接合部材２２および第２接合部材２３の各々は、第１有機高分子により被覆された焼結性金属粒子と、溶媒とを含む。焼結性金属粒子の粒径は１００ｎｍ以下である。焼結性金属粒子は、焼結性を有する任意の金属で構成されていればよく、例えばＡｇまたはＣｕで構成されている。焼結性金属粒子の焼結温度は、例えば２００℃以上５００℃以下である。第１接合部材２２および第２接合部材２３において、焼結性金属粒子は焼結されていない。第１有機高分子を構成する材料は、例えばアミン系有機材料を含む。溶媒を構成する材料は、例えばアルコール系、グリコール系、およびグリコールエーテル系を含む有機材料混合物を含む。第１接合部材２２および第２接合部材２３の各々は、第１有機高分子を含んでいることにより、粘性を有している。第１接合部材２２および第２接合部材２３は、例えばシート状に成形されている。第１接合部材２２および第２接合部材２３は、例えば以下のようにして準備される。

まず、第１有機高分子よりも分子量の小さい第２有機高分子により被覆された焼結性金属粒子を含む第３接合部材および第４接合部材を準備する（工程（Ｓ２１））。第３接合部材および第４接合部材の各々は、第２有機高分子により被覆された焼結性金属粒子と、溶媒とを含む。焼結性金属粒子の粒径は１００ｎｍ以下である。第２有機高分子により被覆された焼結性金属粒子は、任意の方法により準備され得る。当該準備する方法の好適な一例として、有機溶媒中で焼結金属粒子を撹拌させる方法が挙げられる。第２有機高分子を構成する材料は、例えばアミン系有機材料を含む。第２有機高分子の分子量は、例えば１００以上４００以下である。溶媒を構成する材料は、例えばアルコール系、グリコール系、およびグリコールエーテル系を含む有機材料混合物を含む。

第３接合部材および第４接合部材の各々において、第２有機高分子により被覆された焼結性金属粒子は溶媒中に分散されている。第３接合部材および第４接合部材の各々は、例えばシート状に成形されている。シート状に成形された第３接合部材および第４接合部材の各々の厚みは、例えば１３０μｍ以上１５０μｍ以下である。シート状に成形された第３接合部材および第４接合部材は、第１焼結金属層２および第２焼結金属層３の形状および寸法に応じて、任意の形状および任意の寸法に再成形され得る。第３接合部材および第４接合部材の各々の粘度は、例えば１０Ｐａ・ｓ以上６０Ｐａ・ｓ以下である。

次に、第３接合部材および第４接合部材を焼結温度未満の第３温度に加熱して、第１接合部材２２および第２接合部材２３を形成する（工程（Ｓ２２））。第３接合部材および第４接合部材が焼結温度未満の第３温度に加熱されることにより、第３接合部材および第４接合部材中の溶媒が蒸発する。さらに、第３接合部材および第４接合部材が焼結温度未満の第３温度に加熱され、かつ冷却されることにより、第３接合部材および第４接合部材中の第２有機高分子の少なくとも一部が第１有機高分子に変換される。本工程（Ｓ２２）は、例えば大気雰囲気下で実施される。このようにして、上記粘性を有する第１接合部材２２および第２接合部材２３が準備される。

第３温度は、第３接合部材および第４接合部材中の溶媒が蒸発し得る温度であるとともに、第２有機高分子の少なくとも一部を第１有機高分子に変化させ得る温度である。第３温度での加熱時間（第３加熱時間）は、第３接合部材および第４接合部材中の溶媒が所定量以上蒸発するために要する時間である。第３温度および第３温度での加熱時間（第３加熱時間）の各々は任意に設定され得るが、第３加熱時間は例えば３０分以上９０分以下であるのが好ましく、このときの第３温度は例えば１２０℃以上１５０℃以下である。

本工程（Ｓ２２）での上記加熱は、任意の方法により実施され得るが、例えば大気リフロー炉による加熱、またはオーブンによる加熱である。

次に、リードフレーム４、複数の第１接合部材２２、複数の半導体素子１、複数の第２接合部材２３および回路付絶縁基板５が順に積層された積層体を準備する（工程（Ｓ３０））。複数の半導体素子１の各第１電極とリードフレーム４とは、１つの第１接合部材２２を挟んで配置される。複数の半導体素子１の各第２電極と回路付絶縁基板５の第１導体５１とは、１つの第２接合部材２３を挟んで配置される。

次に、リードフレーム４と回路付絶縁基板５との間に第１圧力を印加する（工程（Ｓ４０））。図４に示されるように、まず、積層体は、リードフレーム４の第１接合部材２２と接触している面とは反対側に位置する面が第１加圧部材１１０と接触され、回路付絶縁基板５の第２接合部材２３と接触している面とは反対側に位置する面が第２加圧部材１２０と接触される。本工程（Ｓ４０）での第１加圧部材１１０および第２加圧部材１２０の温度は、第１接合部材２２および第２接合部材２３の焼結性金属粒子の焼結温度未満の第１温度である。次に、積層体は、第１加圧部材１１０および第２加圧部材１２０によって第１面１Ａに交差する方向、好ましくは第１面１Ａに垂直な方向に第１圧力が第１加圧時間印加される。これにより、複数の第１接合部材２２および複数の第２接合部材は同時に加圧される。本工程（Ｓ４０）は、例えば大気雰囲気下で実施される。

第１圧力は例えば５ＭＰａ以下であり、好ましくは４ＭＰａ以上である。積層体を第１圧力で加圧する第１加圧時間は例えば３秒以上５秒以下である。上記第１温度は、室温以上２４５℃未満であり、好ましくは１２０℃以上１６０℃以下である。

図４を参照して、第１加圧部材１１０および第２加圧部材１２０は、例えばコレットおよびステージであってもよい。積層体は、第１加圧部材１１０としてのコレットと第２加圧部材１２０としてのステージとを備える加熱押圧装置において、ステージ上に配置される。回路付絶縁基板５の第２導体５２は、第２接合部材２３と接している面とは反対側に位置する面がステージと接触される。リードフレーム４は、第１接合部材２２と接している面とは反対側に位置する面がコレットと接触される。コレットおよびステージは、例えば個別に温度が設定され得る。コレットの温度は、例えば１５０℃以上１６０℃以下である。ステージの温度は、例えば１３０℃以上１４０℃以下である。当該温度に保持されたコレットおよびステージは、積層体を上記第１圧力で上記第１荷重時間加圧する。このとき、複数の第１接合部材２２および複数の第２接合部材２３は第１温度に加熱される。

本工程（Ｓ４０）では、積層体に第１圧力を印加する前に、半導体素子１とリードフレーム４との間、および半導体素子１と回路付絶縁基板５との間の第１面１Ａに沿った方向におけるアライメントが実施されるのが好ましい。

次に、複数の第１接合部材２２および複数の第２接合部材２３を焼結させる（工程（Ｓ５０））。本工程（Ｓ５０）は、先の工程（Ｓ４０）と連続して実施され得る。本工程（Ｓ５０）では、上記積層体の第１接合部材２２および第２接合部材２３は焼結温度以上の第２温度に加熱され、かつリードフレーム４と回路付絶縁基板５との間に上記第１圧力越えの第２圧力が印加される。本工程（Ｓ５０）での積層体に対する加熱および加圧は、リードフレーム４の第１接合部材２２と接触している面とは反対側に位置する面に接触される第１加圧部材１１０、および回路付絶縁基板５の第２接合部材２３と接触している面とは反対側に位置する面に接触される第２加圧部材１２０により実施され得る。

本工程（Ｓ５０）は、例えば、第１接合部材２２および第２接合部材２３が焼結温度未満の温度にある上記積層体のリードフレーム４と回路付絶縁基板５との間に第２圧力が印加される第１工程と、第２圧力が印加された状態で第１接合部材２２および第２接合部材２３を上記焼結温度以上の第２温度にまで加熱する第２工程と、第１接合部材２２および第２接合部材２３が焼結温度以上の第２温度にある上記積層体のリードフレーム４と回路付絶縁基板５との間に第２圧力が印加される第３工程とを含む。第１工程、第２工程、および第３工程は、連続して実施される。第２工程および第３工程において、第１接合部材２２および第２接合部材２３への加熱は、上記積層体に第２圧力を印加している第１加圧部材１１０および第２加圧部材１２０によって実施され得る。

また、本工程（Ｓ５０）は、例えば、圧力が印加されていない積層体の第１接合部材２２および第２接合部材２３を上記焼結温度以上の第２温度にまで加熱する第４工程と、第１接合部材２２および第２接合部材２３が焼結温度以上の第２温度にある上記積層体のリードフレーム４と回路付絶縁基板５との間に第２圧力が印加される第５工程とを含んでいてもよい。第４工程および第５工程は、連続して実施される。第４工程および第５工程において、第１接合部材２２および第２接合部材２３への加熱は、上記積層体に第２圧力を印加可能な第１加圧部材１１０および第２加圧部材１２０によって実施され得る。

第２温度は焼結温度以上であればよいが、例えば２４５℃以上２７５℃以下である。第２圧力は例えば２０ＭＰａ以上４０ＭＰａ以下である。第２圧力で加圧される時間（第２加圧時間）は例えば６０秒以上１２０秒以下である。

これにより、複数の第１接合部材２２および複数の第２接合部材は同時に加熱および加圧され、第１焼結金属層２および第２焼結金属層３が同時に形成される。本工程（Ｓ５０）は、例えば大気雰囲気下で実施される。

本工程（Ｓ５０）においても、積層体は図４に示される加熱加圧装置により加熱および加圧され得る。第１加圧部材１１０としてのコレットの温度は、例えば２５５℃以上２７５℃以下である。第２加圧部材１２０としてのステージの温度は、例えば２４５℃以上２６５℃以下である。当該温度に保持されたコレットおよびステージは、積層体のリードフレーム４および回路付絶縁基板５の第２導体に接触すると同時に、積層体を上記第２圧力で上記第２処理時間加圧する。これにより、複数の第１接合部材２２および複数の第２接合部材２３は、加圧されながら焼結温度以上に加熱される。

＜作用効果＞
実施の形態１に係る半導体装置の製造方法は、複数の半導体素子１、緩衝部材、および回路付絶縁基板５を準備する工程（Ｓ１０）と、粒径が１００ｎｍ以下である焼結性金属粒子と、第１有機高分子とを含む、第１接合部材２２および第２接合部材２３を準備する工程（Ｓ２０）と、リードフレーム４、第１接合部材２２、半導体素子、第２接合部材２３および回路付絶縁基板５が順に積層された積層体を準備する工程（Ｓ３０）と、リードフレーム４と回路付絶縁基板５との間に第１圧力を印加する工程（Ｓ４０）と、焼結金属粒子を焼結させて第１焼結金属層２および第２焼結金属層３を形成する工程（Ｓ５０）とを備える。工程（Ｓ３０）では、半導体素子の第１電極とリードフレーム４との間に第１接合部材２２が、半導体素子の第２電極と回路付絶縁基板５との間に第２接合部材２３が配置される。工程（Ｓ５０）では、第１接合部材２２および第２接合部材２３は、焼結温度以上の第２温度に加熱されかつ第１圧力越えの第２圧力が印加される。第２圧力は、リードフレーム４と回路付絶縁基板５との間に印加される。

このようにすれば、工程（Ｓ５０）では、第１接合部材２２および第２接合部材２３を介して、半導体素子１、リードフレーム４および回路付絶縁基板５を一括して焼結接合することができる。工程（Ｓ５０）では、第２圧力がリードフレーム４と回路付絶縁基板５との間に印加される。そのため、半導体素子１と第１加圧部材１１０との間に配置されている第１接合部材２２およびリードフレーム４と、半導体素子１と第２加圧部材１２０との間に配置されている第２接合部材２３および回路付絶縁基板５とは、半導体素子１に対する緩衝材として作用し得る。その結果、上記半導体装置の製造方法によれば、工程（Ｓ５０）で比較的強い第２圧力が積層体に印加されても、半導体素子１の破壊および半導体素子１の信頼性を低下させるようなダメージが半導体素子１に加えられることが防止されている。なお、第１接合部材２２、第２接合部材２３、リードフレーム４および回路付絶縁基板５による緩衝作用の程度はこれらの厚みおよび材料などに応じて適宜設定され得る。また、半導体素子１は加圧部材により直接押圧されないため、直接押圧される場合と比べて異物の付着が防止されている。

さらに、工程（Ｓ５０）では、２０ＭＰａ以上４０ＭＰａ以下と、従来の半導体装置の製造方法の焼結結合工程と比べて比較的強い第２圧力が第１接合部材２２および第２接合部材２３に印加された状態で、焼結性金属粒子が焼結される。そのため、工程（Ｓ５０）により形成される第１焼結金属層２および第２焼結金属層３は、数ＭＰａの圧力が印加された状態で焼結された焼結金属層と比べて、信頼性が高い。

さらに、工程（Ｓ４０）では、積層体のリードフレーム４と回路付絶縁基板５との間に第１圧力が印加されることにより、半導体素子１とリードフレーム４とが第１接合部材２２により接続されるとともに、半導体素子１と回路付絶縁基板５とが第２接合部材２３により接続される。工程（Ｓ２０）で分子量が比較的大きい第１有機高分子を含む第１接合部材２２および第２接合部材２３を準備しておくことで、工程（Ｓ４０）では、第１接合部材２２の粘性によって、第１接合部材２２を介して接続された半導体素子１とリードフレーム４との間の第１面１Ａに沿った方向における相対的な位置関係が保持され得る。同様に、第２接合部材２３の粘性によって、第２接合部材２３を介して接続された半導体素子１と回路付絶縁基板５との間の第１面１Ａに沿った方向における相対的な位置関係が保持され得る。そのため、工程（Ｓ４０）において第１圧力を印加する前にこれらの相対的な位置を適切に調整しておくことで、工程（Ｓ５０）では、半導体素子１とリードフレーム４との間および半導体素子１と回路付絶縁基板５との間の位置ズレを抑制でき、適切な位置に配置された半導体素子１、リードフレーム４、および回路付絶縁基板５を焼結結合することができる。そのため、実施の形態１に係る半導体装置では、上記工程（Ｓ４０）を備えない半導体装置の製造方法により製造された半導体装置と比べて、焼結接合部の信頼性が高い。

好ましくは、上記半導体装置の製造方法において、第１接合部材２２および第２接合部材２３を準備する工程（Ｓ２０）では、第１有機高分子よりも分子量の小さい第２有機高分子により被覆された焼結性金属粒子を含む第３接合部材および第４接合部材を準備する工程（Ｓ２１）と、第３接合部材および第４接合部材を焼結温度未満の第３温度に加熱して第２有機高分子の少なくとも一部を第１有機高分子とし、第１接合部材２２および第２接合部材２３を形成する工程（Ｓ２２）とを含む。

このようにすれば、任意の方法により準備された第３接合部材および第４接合部材を用いて、所定の分子量を有する第１有機高分子を含む第１接合部材２２および第２接合部材２３を容易に作製することができる。

好ましくは、上記半導体装置の製造方法において、第１圧力を印加する工程（Ｓ４０）では、第１接合部材２２および第２接合部材２３を焼結温度未満の第１温度に加熱する。このようにすれば、工程（Ｓ４０）において第１接合部材２２および第２接合部材２３が第１温度に加熱されない場合と比べて、仮付け時の密着性が向上するため、焼結時の位置ズレを防止することができる。

好ましくは、上記半導体装置の製造方法において、第１温度は１５５℃以下、第１圧力は４ＭＰａ以上５ＭＰａ以下、第２温度は２４５℃以上２７５℃以下、第２圧力は２０ＭＰａ以上４０ＭＰａ以下である。

第１温度が１５５℃以下であることにより、工程（Ｓ４０）において焼結性金属粒子を焼結させることなく仮付け時の密着性を向上させて焼結時の位置ズレを防止することができる。

第１圧力が４ＭＰａ以上であることにより、工程（Ｓ４０）において第１接合部材２２を介して接続された半導体素子１とリードフレーム４との間の第１面１Ａに沿った方向における相対的な位置関係、および第２接合部材２３を介して接続された半導体素子１と回路付絶縁基板５との間の第１面１Ａに沿った方向における相対的な位置関係を適切に保持し得る。第１圧力が５ＭＰａ超えであると第１接合部材２２および第２接合部材２３を介した金属間焼結が開始されるが、第１圧力が適切な金属間焼結の実現のために必要とされる圧力値に満たない場合には、金属粒子間の隙間が埋めきれず、接合部は空隙を多く含んだ状態となる。また、工程（Ｓ４０）を行わずに工程（Ｓ５０）を行う場合、すなわち第１圧力として適切な金属間焼結の実現のために必要とされる圧力値を印加してしまう場合には、工程（Ｓ５０）における加圧途中で上記位置ズレが発生する可能性がある。これに対し、工程（Ｓ４０）において５ＭＰａ以下の第１圧力で加圧された後に工程（Ｓ５０）が実施されることにより、半導体素子１とリードフレーム４との間および半導体素子１と回路付絶縁基板５との間の位置ズレを抑制でき、適切な位置に配置された半導体素子１、リードフレーム４、および回路付絶縁基板５を焼結結合することができる。

第２温度が２４５℃以上であることにより、第１接合部材２２および第２接合部材２３の焼結性金属粒子を焼結させることができる。第２温度を２７５℃以下とすることにより、第２温度を２７５℃超えとする場合と比べて、積層体を構成する各部材に対し加熱による影響、例えば構成材料の変質など、を抑制することができる。

第２圧力が２０ＭＰａ以上であることにより、工程（Ｓ５０）により形成される第１焼結金属層２および第２焼結金属層３の信頼性は十分に高められる。なお、上述のように、第２圧力はリードフレーム４と回路付絶縁基板５との間に印加され、このとき第１接合部材２２およびリードフレーム４が緩衝材として作用する。これにより、第２圧力が２０ＭＰａ以上４０ＭＰａ以下であっても、加圧による半導体素子１へのダメージは抑制されている。

好ましくは、上記半導体装置の製造方法において、焼結金属層を形成する工程（Ｓ５０）では、第１焼結金属層２および第２焼結金属層３の各々の厚みが３０μｍ以上５０μｍ以下とされる。

第１焼結金属層２および第２焼結金属層３の各々の厚みが３０μｍ以上であることにより、該厚みが３０μｍ未満である場合と比べて、第１焼結金属層２および第２焼結金属層３は、上記垂直な方向への圧力に対する緩衝材として効果的に作用し得る。

第１焼結金属層２および第２焼結金属層３の各々の厚みが５０μｍ以下であることにより、該厚みが５０μｍ超えである場合と比べて、第１焼結金属層２および第２焼結金属層の熱膨張を抑制することができる。そのため、半導体素子１の発熱に伴い半導体素子１と第１焼結金属層２および第２焼結金属層３との接合界面に印加される熱応力を低減することができ、該熱応力により該接合界面が破壊されるリスクを低減することができる。

上記半導体装置の製造方法において、緩衝部材はリードフレーム４を有する。リードフレーム４は、複数の半導体素子１の各第１電極と第１焼結金属層２を介して接合されるべき部分を含む。そのため、工程（Ｓ３０）において複数の半導体素子１の各々とリードフレーム４とが１つの第１接合部材２２を挟んで配置された積層体が準備され、該積層体に対し工程（Ｓ４０）および工程（Ｓ５０）が実施されることにより、複数の半導体素子１の各々は、１つの第１焼結金属層２を介してリードフレーム４に同時に接合され得る。

なお、第１焼結金属層２は、少なくとも１以上の第１接合部材２２により構成されていればよい。同様に、第２焼結金属層３は、少なくとも１以上の第２接合部材２３により構成されていればよい。

実施の形態２．
＜半導体装置の構成＞
次に、図５および図６を参照して、実施の形態２に係る半導体装置１０１について説明する。実施の形態２に係る半導体装置１０１は、実施の形態１に係る半導体装置１００と基本的に同様の構成を備えるが、緩衝部材としてリードフレームに代えて複数の板状部材６を備え、さらに配線部材としてリードフレームに代えて複数のワイヤ７を備える点で異なる。複数の板状部材６の各々は、リードフレーム４（図１および図２参照）と基本的に同様の構成を備えるが、１つの第１焼結金属層２を介して１つの半導体素子１の第１電極のみと電気的に接続されている点で異なる。

複数の板状部材６の各々は、第１面１Ａを平面視したときに、第１焼結金属層２と重なる第３領域のみを有し、第１焼結金属層２と重ならない領域を有していない。板状部材６を構成する材料は、例えばＣｕおよびＡｌの少なくともいずれかを含む。板状部材６は、例えばＣｕ合金またはＡｌ合金からなっていてもよい。

＜半導体装置の製造方法＞
次に、図７を参照して、実施の形態２に係る半導体装置１０１の製造方法について説明する。実施の形態２に係る半導体装置１０１の製造方法は、実施の形態１に係る半導体装置１００の製造方法と基本的に同様の構成を備えるが、リードフレーム４に代えて複数の板状部材６が準備される点、および第１焼結金属層２および第２焼結金属層３を形成する工程（Ｓ５０）の後に、工程（Ｓ５０）により得られた接合体の板状部材６に配線部材としてのワイヤ７をボンディングする工程（Ｓ６０）をさらに備えている点で異なる。

上記工程（Ｓ１０）では、複数の半導体素子１、複数の板状部材６、および回路付絶縁基板５が準備される。

上記工程（Ｓ３０）では、複数の板状部材６、複数の第１接合部材２２、複数の半導体素子１、複数の第２接合部材２３および回路付絶縁基板５が順に積層された積層体が準備される。複数の半導体素子１の各第１電極と複数の板状部材６の各々とは、１つの第１接合部材２２を挟んで配置される。

上記工程（Ｓ４０）および工程（Ｓ５０）では、複数の板状部材６と回路付絶縁基板５との間に第１圧力および第２圧力が印加される。第１加圧部材１１０は、複数の板状部材６の各々の第１接合部材２２と接触している面とは反対側に位置する面に接触される。工程（Ｓ５０）において、複数の第１接合部材２２および複数の第２接合部材２３の温度が焼結温度以上に加熱され、かつ複数の板状部材６と回路付絶縁基板５との間に第２圧力が印加されることにより、第１接合部材２２から第１焼結金属層２が、第２接合部材２３から第２焼結金属層３が形成される。これにより複数の半導体素子１の各第１電極と複数の板状部材６の各々とは、１つの第１焼結金属層２を介して接合される。複数の半導体素子１の各第２電極と回路付絶縁基板５とは、１つの第２焼結金属層３を介して接合される。

ワイヤボンディングを行う工程（Ｓ６０）では、複数の半導体素子１の各第１電極と複数の各第１焼結金属層２を介して接合された複数の板状部材６に対してワイヤボンディングが行われる。ワイヤボンディングは、所定の方法により保持された上記接合体の複数の板状部材６に対して行われる。これにより、複数の板状部材６間がワイヤ７により電気的に接続される。

＜作用効果＞
実施の形態２に係る半導体装置１０１の製造方法は、実施の形態１に係る半導体装置１００の製造方法と基本的に同様の構成を備えている。そのため、実施の形態１に係る半導体装置１００の製造方法と同様の効果を奏することができる。

さらに、上記工程（Ｓ６０）を備えていることにより、複数の板状部材６のうち任意の板状部材６間をワイヤ７により電気的に接続することができる。このとき、ワイヤボンディングされる板状部材６には、ワイヤボンディングにより圧力および超音波振動などが印加される。一方、半導体素子１には、当該圧力および超音波振動などは直接印加されず、板状部材６および第１焼結金属層２を介して印加される。そのため、半導体素子の第１電極に直接ワイヤが接合されている半導体装置と比べて、半導体装置１０１は、加圧による半導体素子へのダメージが抑制されている。

さらに、上述のように、上記工程（Ｓ４０）および上記工程（Ｓ５０）において半導体素子１への加圧によるダメージが抑制されている。つまり、上記工程（Ｓ６０）では、それまでの工程において加圧によるダメージが抑制されている半導体素子１に対して、ワイヤボンディングによる圧力および超音波振動などが間接的に印加される。そのため、回路付絶縁基板と焼結結合された半導体素子の第１電極に直接ワイヤが接合されている半導体装置と比べて、半導体装置１０１は、加圧による半導体素子へのダメージが抑制されている。これにより、半導体装置１０１では、板状部材６とワイヤ７との接合部の信頼性を十分に確保し得るように、ワイヤボンディング条件を設定し得る。そのため、半導体装置１０１は、回路付絶縁基板と焼結結合された半導体素子の第１電極に直接ワイヤが接合されている半導体装置と比べて、信頼性が向上されている。

なお、半導体装置１０１では、複数の半導体素子１の各第１面１Ａと回路付絶縁基板５との間の上記垂直な方向における距離が異なっていてもよい。半導体装置１０１では、各板状部材６の第１焼結金属層２と接合されている面とは反対側に位置する上面と回路付絶縁基板５との間の上記垂直な方向における距離が異なっていてもよい。

この場合、半導体装置１０１の製造方法において上記工程（Ｓ４０）および上記工程（Ｓ５０）では、例えば図８に示されるように複数の板状部材６の各々と回路付絶縁基板５との間で個別に第１圧力および第２圧力が印加される。このとき、第１加圧部材１１０は１つの板状部材６の上記上面に接触される。また、例えば複数の板状部材６のうち、上記上面と回路付絶縁基板５との間の上記距離の等しい少なくとも１以上の板状部材６と回路付絶縁基板５との間で第１圧力および第２圧力が印加されてもよい。このとき、第１加圧部材１１０は各板状部材６の上記上面と回路付絶縁基板５との間の上記距離の等しい少なくとも１以上の板状部材６に接触される。このようにしても、上記半導体装置１０１の製造方法と同様の効果を奏することができる。

実施の形態３．
＜半導体装置の構成＞
次に、図９および図１０を参照して、実施の形態３に係る半導体装置１０２について説明する。実施の形態３に係る半導体装置１０２は、実施の形態１に係る半導体装置１００と基本的に同様の構成を備えるが、緩衝部材としてリードフレームに代えて複数の板状部材６を備え、さらに配線部材としてリードフレームに代えて複数のリボン８を備える点で異なる。つまり、実施の形態３に係る半導体装置１０２は、実施の形態２に係る半導体装置１０１と基本的に同様の構成を備えるが、配線部材としてワイヤ７に代えてリボン８を備える点で異なる。

＜半導体装置の製造方法＞
次に、図１１を参照して、実施の形態３に係る半導体装置１０２の製造方法について説明する。実施の形態３に係る半導体装置１０２の製造方法は、実施の形態１に係る半導体装置１００の製造方法と基本的に同様の構成を備えるが、リードフレーム４に代えて複数の板状部材６が準備される点、および第１焼結金属層２および第２焼結金属層３を形成する工程（Ｓ５０）の後に、工程（Ｓ５０）により得られた接合体の板状部材６にリボンボンディングを行う工程（Ｓ７０）をさらに備えている点で異なる。つまり、実施の形態３に係る半導体装置１０２の製造方法は、実施の形態２に係る半導体装置１０１の製造方法と基本的に同様の構成を備えるが、ワイヤボンディングを行う工程に代えてリボンボンディングを行う工程（Ｓ７０）を備える点で異なる。

リボンボンディングを行う工程（Ｓ７０）では、複数の半導体素子１の各第１電極と複数の各第１焼結金属層２を介して接合された複数の板状部材６に対してリボンボンディングが行われる。リボンボンディングは、所定の方法により保持された上記接合体の複数の板状部材６に対して行われる。これにより、複数の板状部材６間がリボン８により電気的に接続される。

＜作用効果＞
実施の形態３に係る半導体装置１０２の製造方法は、実施の形態１に係る半導体装置の製造方法と基本的に同様の構成を備えている。そのため、実施の形態１に係る半導体装置１００の製造方法と同様の効果を奏することができる。

さらに、上記工程（Ｓ７０）を備えていることにより、複数の板状部材６のうち任意の板状部材６間をリボン８により電気的に接続することができる。このとき、リボンボンディングされる板状部材６には、リボンボンディングにより圧力および超音波振動などが印加される。一方、半導体素子１には、当該圧力および超音波振動などは直接印加されず、板状部材６および第１焼結金属層２を介して印加される。そのため、半導体素子の第１電極に直接リボンが接合されている半導体装置と比べて、半導体装置１０２は、加圧による半導体素子へのダメージが抑制されている。

さらに、上述のように、上記工程（Ｓ４０）および上記工程（Ｓ５０）において半導体素子１への加圧によるダメージが抑制されている。つまり、上記工程（Ｓ７０）では、それまでの工程において加圧によるダメージが抑制されている半導体素子１に対して、リボンボンディングによる圧力および超音波振動などが間接的に印加される。そのため、回路付絶縁基板と焼結結合された半導体素子の第１電極に直接リボンが接合されている半導体装置と比べて、半導体装置１０２は、加圧による半導体素子へのダメージが抑制されている。これにより、半導体装置１０２では、板状部材６とリボン８との接合部の信頼性を十分に確保し得るように、リボンボンディング条件を設定し得る。そのため、半導体装置１０２は、回路付絶縁基板と焼結結合された半導体素子の第１電極に直接リボンが接合されている半導体装置と比べて、信頼性が向上されている。

実施の形態４．
＜半導体モジュールの構成＞
次に、図１２を参照して、実施の形態４に係る半導体モジュール２００について説明する。半導体モジュール２００は、半導体装置１００，１０１，１０２の少なくともいずれかを備える。図１２は、半導体装置１０１を備える半導体モジュール２００の断面図である。

図１２に示されるように、回路付絶縁基板５の第２導体５２は、放熱部９とはんだ１０を介して接合されている。回路付絶縁基板５は、絶縁セラミックス板５３において第２導体５２と接合されている面とは反対側に位置する面上に接合されている、第１導体５１および第３導体５４を有している。第１導体５１は、複数の第２焼結金属層３の各々を介して複数の半導体素子１の各第２電極と接合されている。第３導体５４は、第１面１Ａに沿った方向において第１導体５１と間隔を隔てて配置されている。第３導体５４は、外部電極端子１１とはんだ１２を介して接合されている。半導体装置１０１は、放熱部９および放熱部９に接続された蓋部１３の内側に形成される空間内に配置されている。当該空間には、封止体１４が充填されている。つまり、半導体装置１０１は、封止体１４により封止されている。蓋部１３には、外部電極端子１１を挿通するための貫通孔が形成されている。外部電極端子１１の一部は、蓋部１３の外部に配置されている。放熱部９を構成する材料は、封止体１４を構成する材料よりも熱伝導率が高く、例えばＣｕまたはＡｌなどである。外部電極端子１１を構成する材料は、導電性を有する任意の材料であればよく、例えばＣｕまたはＡｌなどである。蓋部１３を構成する材料は、電気的絶縁性を有する任意の材料であればよく、例えば樹脂である。封止体１４を構成する材料は、電気的絶縁性を有する任意の材料であればよく、例えばシリコーンゲルである。

＜作用効果＞
半導体モジュール２００は、上述した半導体装置１０１を備えているため、信頼性が高い。同様に、半導体モジュール２００は、上述した半導体装置１００または半導体装置１０２を備えている場合であっても、信頼性が高い。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１半導体素子、１Ａ第１面、１Ｂ第２面、２第１焼結金属層、３第２焼結金属層、４リードフレーム、５回路付絶縁基板、６板状部材、７ワイヤ、８リボン、９放熱部、１０，１２はんだ、１１外部電極端子、１３蓋部、１４封止体、２２第１接合部材、２３第２接合部材、５１第１導体、５２第２導体、５３絶縁セラミックス板、５４第３導体、１００，１０１，１０２半導体装置、１１０第１加圧部材、１２０第２加圧部材、２００半導体モジュール。

Claims

半導体素子、緩衝部材、および回路基板を準備する工程を備え、
前記半導体素子は、第１面および前記第１面の反対側に位置する第２面を有し、前記第１面上に形成されている少なくとも１つの第１電極および前記第２面上に形成されている第２電極とを含み、
第１有機高分子と粒径が１００ｎｍ以下である焼結性金属粒子を含む第１接合部材および第２接合部材を準備する工程と、
前記半導体素子の前記第１電極と前記緩衝部材との間に前記第１接合部材を配置し、前記半導体素子の前記第２電極と前記回路基板との間に前記第２接合部材とを配置して、前記緩衝部材、前記第１接合部材、前記半導体素子、前記第２接合部材および前記回路基板が順に積層された積層体を準備する工程と、
前記第１接合部材および前記第２接合部材が前記焼結性金属粒子の焼結温度未満の第１温度にある前記積層体の前記緩衝部材と前記回路基板との間に第１圧力を印加する工程と、
前記第１圧力を印加する工程の後に、前記第１接合部材および前記第２接合部材が前記焼結性金属粒子の焼結温度以上の第２温度にある前記積層体の前記緩衝部材と前記回路基板との間に前記第１圧力越えの第２圧力を印加して、前記第１接合部材から第１焼結金属層を形成し、かつ前記第２接合部材から第２焼結金属層を形成する工程とをさらに備え、
前記第１温度は、１２０℃以上１６０℃以下であり、
前記第１圧力は、４ＭＰａ以上５ＭＰａ以下であり、
前記第１圧力を印加する工程での前記積層体に対する前記第１圧力の印加および前記第１温度への加温は、前記緩衝部材の前記第１接合部材と接触している面とは反対側に位置する面に接触される第１加圧部材、および前記回路基板の前記第２接合部材と接触している面とは反対側に位置する面に接触される第２加圧部材により実施され、
前記第１圧力を印加する工程において、前記第１加圧部材の温度は、前記第２加圧部材の温度よりも高い、半導体装置の製造方法。
前記第１接合部材および前記第２接合部材を準備する工程では、
前記第１有機高分子よりも分子量の小さい第２有機高分子により被覆された前記焼結性金属粒子を含む第３接合部材および第４接合部材を準備する工程と、
前記第３接合部材および前記第４接合部材を前記焼結温度未満の第３温度に加熱して前記第２有機高分子の少なくとも一部を前記第１有機高分子に変換する工程とを含む、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
前記第２温度は２４５℃以上２７５℃以下であり、前記第２圧力は２０ＭＰａ以上３０ＭＰａ以下の圧力である、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焼結金属層および前記第２焼結金属層を形成する工程では、前記第１焼結金属層および前記第２焼結金属層の各厚みが３０μｍ以上５０μｍ以下とされる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
前記緩衝部材はリードフレームを有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
前記緩衝部材は板状部材を有し、
前記第１焼結金属層および前記第２焼結金属層を形成する工程の後に、前記板状部材に配線部材をボンディングする工程をさらに備える、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
前記第１焼結金属層および前記第２焼結金属層を形成する工程での前記積層体に対する前記第２圧力の印加および前記第２温度への加温は、前記第１加圧部材および前記第２加圧部材により実施され、
前記第１焼結金属層および前記第２焼結金属層を形成する工程において、前記第１加圧部材の温度は、前記第２加圧部材の温度よりも高い、請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
前記第１焼結金属層および前記第２焼結金属層を形成する工程は、圧力が印加されていない前記積層体における前記第１接合部材および前記第２接合部材を前記第２温度にまで加熱する工程と、前記第１接合部材および前記第２接合部材が前記第２温度にある前記積層体における前記緩衝部材と前記回路基板との間に前記第２圧力が印加される工程とを含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。