JP2021118339A - 半導体装置と半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本開示は、一定以上の寸法の半導体電子部品を含む場合であっても、効率よく熱を放熱することができ、高い信頼性を有する半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】 半導体装置は、上面と下面を有し、前記上面から下面に熱を伝達する放熱用金属を含む基体と、前記放熱用金属上に位置する基体の上面に設けられた矩形形状の半導体電子部品と、金属焼結体を含み、前記半導体電子部品の底面を前記基体の上面に接合する接合部と、を備え、前記半導体電子部品の接続面、及び前記基体の接続面の面積は、５０ｍｍ２以上であり、前記接合部は、前記金属焼結体の空隙に充填された樹脂を含む。【選択図】 図１

Description

本開示は、半導体装置と半導体装置の製造方法に関する。

近年、特定の用途用に開発された集積回路（エーシック：ＡＳＩＣ）等の複数の回路を一括して構成した半導体電子部品が広く用いられている。このような半導体電子部品は、高集積化と駆動周波数の高周波化に伴い発熱量が飛躍的に増加しており、半導体電子部品を備えた半導体装置には、効率よく熱を放熱する構造を有するとともに、信頼性の向上が求められている。

かかる要求にこたえるために、特許文献１には、放熱構造を備えた基板上に、半導体電子部品などの発熱部品を設けた構造が開示されている。特許文献１では、例えば、銅からなり、基板を貫通する熱伝導コアの上に発熱部品を設けることにより放熱性を向上させている。

特開２０１７−５０９３号公報

しかしながら、近年、より多くの回路を高集積化に伴い半導体電子部品の寸法が大きくなり、高い信頼性を維持することが難しくなる傾向がある。

そこで、本開示は、一定以上の寸法の半導体電子部品を含む場合であっても、効率よく熱を放熱することができ、高い信頼性を有する半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

本開示に係る半導体装置は、上面と下面を有し、前記上面から下面に熱を伝達する放熱用金属を含む基体と前記放熱用金属上に位置する基体の上面に設けられた矩形形状の半導体電子部品と、金属焼結体を含み、前記半導体電子部品の底面を前記基体の上面に接合する接合部と、を備え、前記半導体電子部品の接続面、及び前記基体の接続面の面積は、５０ｍｍ^２以上であり、前記接合部は、前記金属焼結体の空隙に充填された樹脂を含む。

また、本開示に係る半導体装置の製造方法は、上面と下面を有し前記上面から下面に熱を伝達する放熱用金属を含む基体と前記放熱用金属上の上面に接合された半導体電子部品とを含む半導体装置の製造方法であって、該製造方法は、有機溶剤と金属粉とを混合してなる金属接続ペーストを準備する準備工程と、基体と半導体電子部品との間に前記金属接続ペーストを配置する配置工程と、前記金属接続ペーストを焼成することにより、前記有機溶剤を除去し、前記金属粉を融着させることにより金属焼結体を生成し、前記半導体電子部品と前記基体とを前記金属焼結体により接合する接合工程と、前記金属焼結体の表面に樹脂を塗布し、前記金属焼結体の空隙に前記樹脂の一部を含浸させる含浸工程と、
を含む。

以上のように構成された本開示に係る半導体装置及びその製造方法によれば、一定以上の寸法の半導体電子部品を含む場合であっても、効率よく熱を放熱することができ、高い信頼性を有する半導体装置を提供することができる。

実施形態１に係る半導体装置１００の断面図である。 図１の一部（破線で示す部分）を拡大して示す拡大断面図である。 実施形態１に係る半導体装置１００に使用する基板１１０の斜視図である。 図３ＡのＡ−Ａ線についての断面図である。 図３ＡのＢ−Ｂ線についての断面図である。 実施形態１に係る製造方法において準備した基板１１０の断面図である。 実施形態１に係る製造方法において基板１１０の上に金属接続ペースト２３を塗布したときの断面図である。 実施形態１に係る製造方法において塗布した金属接続ペースト２３の上に半導体電子部品１を載置するときの断面図である。 実施形態１に係る製造方法において金属焼結体２１により半導体電子部品１を接合したときの断面図である。 実施形態１に係る製造方法において金属焼結体２１のフィレットの上に樹脂ペースト２５を塗布したときの断面図である。 実施形態１に係る製造方法において樹脂ペースト２５を硬化したときの断面図である。 実施形態２に係る半導体装置２００の断面図である。 実施形態３に係る半導体装置３００の断面図である。 実施形態３に係る製造方法において準備した基板２１０の上に環状の凸部３３０を形成したときの断面図である。 実施形態３に係る製造方法において基板２１０の上に金属接続ペースト２３を塗布したときの断面図である。 実施形態３に係る製造方法において塗布した金属接続ペースト２３の上に半導体電子部品１を載置するときの断面図である。 実施形態３に係る製造方法において金属焼結体により半導体電子部品１を接合し、金属焼結体のフィレットの上に樹脂ペースト２５０を塗布したときの断面図である。 実施形態３に係る製造方法において樹脂ペースト２５０を硬化したときの断面図である。 実施例の半導体装置及び比較例の半導体装置の熱サイクル試験後のダイシェア強度を示すグラフである。

以下、図面を参照しながら、本開示を実施するための実施形態や実施例を説明する。なお、以下に説明する接続構造体は、本開示の技術思想を具体化するためのものであって、特定的な記載がない限り、本開示を以下のものに限定しない。

各図面中、同一の機能を有する部材には、同一符号を付している場合がある。要点の説明または理解の容易性を考慮して、便宜上実施形態や実施例に分けて示す場合があるが、異なる実施形態や実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせは可能である。後述の実施形態や実施例では、前述と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については、実施形態や実施例ごとには逐次言及しないものとする。各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため、誇張して示している場合もある。

上述したように、例えば、特定の用途用に開発された集積回路等の複数の回路を一括して構成した半導体電子部品は、高集積化または駆動周波数の高周波化に伴い発熱量が飛躍的に増加しており、効率よく熱を放熱する構造を有するとともに、信頼性の向上が求められる。

本開示に係る半導体装置は、上面と下面を有し、前記上面から下面に熱を伝達する放熱用金属を含む基体と、放熱用金属上に位置する基体の上面に設けられた矩形形状の半導体電子部品と、金属焼結体を含み、前記半導体電子部品の底面を前記基体の上面に接合する接合部と、を含む半導体装置であって、前記半導体電子部品の接続面、及び前記基体の接続面の面積は、５０ｍｍ^２以上であり、接合部は、金属焼結体の空隙に充填された樹脂を含む。
以下、本開示に係る半導体装置の具体的な形態について説明する。

実施形態１.
実施形態１の半導体装置１００は、図１に示すように、放熱用金属部１１１を含む基板１１０と基板１１０の上面に設けられた半導体電子部品１とを含み、基板１１０と半導体電子部品１とが接合部２０により接合されている。
実施形態１において、基板１１０は、放熱用金属部１１１を含み、その放熱用金属部１１１上に半導体電子部品１が実装されている。これにより、半導体電子部品１による発熱を効率よく放熱することが可能になる。半導体電子部品１は、例えば、矩形形状であり、接続面の面積は、５０ｍｍ^２以上である。４９ｍｍ^２以下の比較的小さな面積の半導体電子部品であれば、半導体電子部品に反りが生じたとしても金属焼結体のみの接合でもクラックが入ることなく接合できる。しかし、５０ｍｍ^２以上の大きな面積の半導体電子部品では、半導体電子部品に反りが生じた場合、金属焼結体のみの接合ではクラックが入りやすくなり、半導体電子部品として機能しなくなるおそれがある。そのため、５０ｍｍ^２以上の大きな面積の半導体電子部品では、空隙を持つ金属焼結体に樹脂を充填することにより、半導体電子部品と基体とを金属焼結体と樹脂とで強固に固着し、信頼性を高めることができる。特に後述するシリコン基板では反りに対する耐性が乏しいため、５０ｍｍ^２以上の大きな面積ではクラックが生じやすくなっている。

そして、接合部２０は、図２に示すように、空隙２１ｂを含む金属焼結体２１と樹脂部２２とを含む。ここで、金属焼結体２１は、隣接する金属粉間の少なくとも一部融着することにより複数の金属粉が連続して繋がった網目構造の金属部２１ａと、融着した部分を除いた隣接する金属粉間の隙間により形成された空隙２１ｂとを含む。本明細書における空隙２１ｂとは、閉じた空間ではなく、金属焼結体２１の表面で開口し、複数の金属粉に沿って金属焼結体２１の内部に入り込んだものをいう。この網目構造の金属部２１ａは、後述するように例えば１５０℃以上３００℃以下の比較的低温で焼成することにより作製することができる。そして、金属焼結体２１の空隙２１ｂには、樹脂部２２を構成する樹脂が充填されている。樹脂部２２は、空隙２１ｂに充填された充填樹脂部２２ｂと金属焼結体２１の表面を覆う被覆樹脂部２２ｃとを含む。金属粒子が接触しているものと比べ、金属焼結体２１は金属粉が融着しているため、電気伝導率、熱伝導率が格段に高い。また金属焼結体２１は微細な空隙２１ｂが点在しており、かつ、その空隙２１ｂに樹脂部２２が充填され、基板と半導体電子部品とを強固に接合することができる。これにより半導体装置１００は半導体電子部品１からの熱を基板側に効率よく熱を伝え放熱することができ、高い信頼性を有する。
以下、実施形態１の半導体装置１００について詳細に説明する。

（半導体電子部品１）
半導体電子部品１は、上述したように、底面（接続面）の面積は、５０ｍｍ^２以上である。半導体電子部品は、正方形や矩形、菱形、平行四辺形、台形、多角形などの形態を採ることができる。例えば、矩形形状の半導体電子部品である場合には、例えば、底面（接続面）の縦方向の長さＸまたは横方向の長さＹの少なくとも一方は５ｍｍ以上であってもよい。また、半導体電子部品１は、シリコン等の半導体をベース基材として含み、例えば、シリコン基板等の半導体基板を用いて複数の回路を一括して形成したＬＳＩ（例えば、ＡＳＩＣ）、例えば、窒化物半導体、ガリヒ素系の半導体を含む発光面積の大きい発光ダイオード等の半導体発光素子である。半導体電子部品１は、シリコンインターポーザを含む電子部品であってもよい。

（基板１１０）
基板１１０は、配線電極を備えたプリント配線基板等の配線基板１１２と放熱用金属部１１１を含む。基板１１０において、放熱用金属１１１は、図３Ａから図３Ｃに示すように、配線基板１１２の半導体電子部品１をダイボンディングする部分に設けた貫通孔に挿入されて固定されている。放熱用金属１１１は、半導体電子部品１と略同一形状の矩形形状に形成され、放熱用金属１１１上に半導体電子部品１がダイボンディングされる。放熱用金属は、熱伝導が良好な銅又はアルミニウムであることが好ましく、より好ましくは銅である。例えば、半導体電子部品１が接合される基板１１０の接続面の面積は、５０ｍｍ^２以上である。また、配線基板１１２は上面に、放熱用金属１１１に沿って設けられたワイヤボンディング用のパット電極１１３を含む。パット電極１１３は、配線電極に接続されており、半導体電子部品１の上面に設けられた電極とそれぞれワイヤボンディングにより接続される。配線電極は、例えば、半導体電子部品１の周囲に設けられる。

放熱用金属部１１１は、例えば、Ｃｕ、Ａｌ、Ｗ、Ａｇ等の金属により構成され、半導体電子部品１が発生する熱を基板１１１の下面に伝達し、例えば、該下面に設けられた、例えば、ヒートシンクのような放熱手段によって放熱される。
配線基板１１２としては、ＢＴレジン基板等の樹脂基板、ガラスエポキシ基板、例えば、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ジルコニウム、窒化ジルコニウム、酸化チタン、窒化チタンまたはこれらの混合物を含むセラミック基板を用いることができる。

（接合部２０）
接合部２０は、上述したように、網目構造の金属部２１ａと空隙２１ｂを含む金属焼結体２１と、空隙２１ｂに充填された充填樹脂部２２ｂと金属焼結体２１の表面を覆う被覆樹脂部２２ｃとを含む樹脂部２２とを含む。樹脂部２２は、後述するように、例えば、界面活性剤を含む熱硬化性エポキシ樹脂を空隙２１ｂに充填させた後に硬化させることにより形成する。金属焼結体２１は、半導体電子部品１の側面の少なくとも一部を覆って配置されたフィレットを含むことが好ましく、フィレットの表面は、樹脂部２２に覆われていることが好ましい。さらに、フィレットの表面を覆う被覆樹脂部２２ｃの厚さは、１μｍ以上であることが好ましい。金属焼結体２１は、銀又は銅を含むことが好ましく、樹脂部２２を構成する樹脂は、フッ素系界面活性剤を含むことが好ましい。

以上のように構成された実施形態１の半導体装置は、半導体電子部品１が発生する熱を効率よく基板１１０の下面に伝達することができ、該下面に設けた放熱手段により効果的に放熱することができる。しかしながら、シリコン等の半導体をベース基材として含む半導体電子部品１と放熱用金属部１１１との熱膨張係数は大きく異なるため、半導体電子部品１の発熱による温度変化により半導体電子部品１と放熱用金属部１１１とを接続する接合部２０には熱応力がかかり、接合部における信頼性の劣化が懸念される。
しかしながら、実施形態１の半導体装置によれば、金属焼結体２１と空隙２１ｂに充填された樹脂からなる充填樹脂部２２ｂを含む樹脂部２２とを含む接合部２０により、半導体電子部品１と放熱用金属部１１１とを接合しているので、接合部２０には熱応力がかかった場合であっても、後述の実施例に示すように高いダイシェア強度を維持することができ、接合部における高い信頼性を維持できる。

この高い信頼性を維持できる理由は、必ずしも明らかではないが、本発明者は金属焼結体２１の空隙２１ｂに樹脂を充填することにより、金属焼結体２１のみの場合に比較して金属元素及び空孔のストレスマイグレーションが抑えられたことによると考えている。

以下、実施形態１の半導体装置の製造方法について説明する。
実施形態１の半導体装置の製造方法は、
（１）有機溶剤と金属粉とを混合してなる金属接続ペーストを準備する準備工程と、
（２）基板（基体）と半導体電子部品との間に金属接続ペーストを配置する配置工程と、
（３）金属接続ペーストを焼成することにより、有機溶剤を除去し、金属粉を融着させることにより金属焼結体を生成し、半導体電子部品と前記基体とを金属焼結体により接合する接合工程と、
（４）金属焼結体の表面に樹脂を塗布し、金属焼結体の空隙に樹脂の一部を含浸させる含浸工程と、
を含む。

（１）準備工程
ここでは、有機溶剤と金属粉とを混合してなる金属接続ペーストを準備する。
以下の説明では、金属粉として銀粒子を使用する場合について説明し、金属接続ペーストを銀ペーストと称する。
１-１．銀粒子の準備
準備する銀粒子の形状は特に限定されるものではなく、例えば、略球状であってよく、フレーク状であってもよい。なお、本明細書において、銀粒子が「略球状である」とは、銀粒子の長径ａと短径ｂとの比で定義されるアスペクト比（ａ／ｂ）が２以下であることを意味し、銀粒子が「フレーク状である」とは、アスペクト比が２より大きいことを意味する。銀粒子の長径ａおよび短径ｂは、ＳＥＭによる画像解析により測定することができる。

準備する銀粒子は、平均粒径が好ましくは０．５μｍ以上であり、より好ましくは１μｍ以上であり、さらに好ましくは２μｍ以上ある。銀粒子は、平均粒径が好ましくは１０μｍ以下であり、より好ましくは５μｍ以下である。平均粒径が０．５μｍ以上、より好ましくは１μｍ以上であると、キャッピング剤のような保護膜を銀粒子表面に形成しなくても銀粒子が凝集しないため、保護膜を熱分解する必要がなくなり、低温で焼結することができる。銀粒子の粒径が大きいことにより、銀ペーストの流動性が向上する。このため、同じ流動性（作業性）を有する場合に銀ペーストがより多くの銀粒子を含むことが可能になる。平均粒径が１０μｍ以下であり、より好ましくは５μｍ以下であると、銀粒子の比表面積が大きくなることによって融点降下現象が発生し、その結果、焼結温度を低くすることができる。銀粒子の粒径は、レーザー回折法により測定することができる。本明細書において、「平均粒径」は、レーザー回折法により測定した体積基準のメジアン径（粒度分布から求めた積算体積頻度が５０％の値）を意味する。

準備する銀粒子は、好ましくは、粒径が０．３μｍ未満の銀粒子の含有量が５質量％以下であり、より好ましくは、粒径が０．５μｍ以下の銀粒子の含有量が１５質量％以下である。銀粒子は、粒径が小さくなるにしたがってより低い温度で焼結する傾向にある。特に、ナノサイズの銀粒子は、マイクロサイズの銀粒子よりも低温で焼結する。このため、銀ペースト中のナノサイズの銀粒子の含有量が多いと、低温で焼結が開始してしまい、銀粒子同士が十分に接触していない状態で融着が生じるおそれがある。

準備する銀粒子は、その表面に銀の酸化被膜や硫化被膜等が微量に存在していてもよい。銀は貴金属であるため、銀粒子自体は酸化されにくく、非常に安定であるが、ナノ領域で見ると空気中等の硫黄や酸素等を吸着しやすく、銀粒子の表面に薄い被膜が形成される傾向にある。銀粒子における酸化被膜や硫化被膜等の厚みは好ましくは５０ｎｍ以下、より好ましくは１０ｎｍ以下である。

１-２．銀粒子と有機溶剤との混合
ここでは、準備した銀粒子と分散媒である有機溶剤とを混合する。
さらに銀ペーストは、樹脂等を含んでいてもよい。
混合する際の銀粒子の含有量は、好ましくは７０質量％以上、より好ましくは８５質量％以上である。混合可能な樹脂は、後述する焼成時の加熱によって分解し、形成される接合体中に残存しないものである。樹脂は、例えば、ポリスチレン（ＰＳ）やポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）であってよい。銀粒子を分散媒である有機溶剤と混合することにより、銀ペーストを基体の表面に所望の厚さで塗布することが容易になる。ここで使用する有機溶剤は、例えば、１種類の有機溶剤であっても、２種類以上の有機溶剤の混合物であってもよく、例えば、ジオールとエーテルとの混合物を用いることができる。有機溶剤の沸点は、１５０℃以上２５０℃以下の範囲であることが好ましい。沸点が１５０℃以上であると、加熱工程までの間に乾燥してしまうことによる、銀粒子の大気による汚染やチップの脱落を防ぐことができる。沸点が２５０℃以下であると、加熱工程での揮発速度が速くなり、焼結を促進することができる。

銀粒子および分散媒に加えて、分散剤、界面活性剤、粘度調整剤、希釈溶剤等の添加剤や、スペーサー粒子等を混合してもよい。銀ペーストにおける添加剤の含有量は、添加剤の総量が銀ペーストに対して５質量％以下、例えば０．５質量％以上３質量％以下であってよい。
尚、以上の説明では、銀粒子を用いて構成した銀ペーストを例に説明したが、本実施形態は、銀ペーストに限定されるものではなく、銀粒子以外の、例えば、銅粒子等の他の金属粒子を用いて構成した金属接続ペーストであってもよい。

（２）基板（基体）と半導体電子部品との間に金属接続ペーストを配置する配置工程
配置工程は、２-１．金属接続ペースト塗布工程と２-２．半導体電子部品配置工程とを含む。

２-１．金属接続ペースト塗布工程
ここでは、図４Ａに示す基板１１０上に金属接続ペースト２３を塗布する。
具体的には、図４Ｂに示すように、放熱用金属部１１１上に金属接続ペースト２３を塗布する。
金属接続ペースト２３の塗布方法は、例えば、スクリーン印刷法、オフセット印刷法、インクジェット印刷法、フレキソ印刷法、ディスペンサー印刷法、グラビア印刷法、スタンピング、ディスペンス、スキ−ジ印刷、シルクスクリ−ン印刷、噴霧、刷毛塗り、コーティング法等の公知の方法を適宜採用することができる。金属接続ペーストの塗布厚みは用途等に応じて適宜設定することができ、例えば１μｍ以上５００μｍ以下、好ましくは５μｍ以上２００μｍ以下、より好ましくは１０μｍ以上１００μｍ以下とすることができる。

２-２．半導体電子部品配置工程
ここでは、半導体電子部品１を基板１１０上に塗布した金属接続ペースト２３の上に載置する。例えば、図４Ｃに示すように、金属接続ペーストの上方から載置し、半導体電子部品と基板１１０の間の金属接続ペーストが所定の厚さになり、好ましくは、図４Ｄに示すように、半導体電子部品の側面の一部に金属接続ペーストが這い上がるように、例えば、半導体電子部品を押圧する。

（３）接合工程
ここでは、金属接続ペーストを焼成することにより、有機溶剤を除去し、金属粉を融着させることにより金属焼結体を生成し、該金属焼結体により半導体電子部品と基体とを接合する。
この焼成は、必要に応じて還元雰囲気中で加熱した後、酸化雰囲気中で焼成することもできる。

３-１．還元雰囲気中での加熱
還元雰囲気中での加熱は、上述したように必要に応じて実施されるものであり、任意である。還元雰囲気中での加熱は、金属粉の表面に微量に存在する酸化被膜等が還元により除去するものであり、これにより、金属粉の表面に金属原子を露出させて金属粉表面における金属原子の表面拡散が促進される。そのため、後続の酸化雰囲気中での加熱において、低温で金属粒子の焼結を促進することができる。

還元雰囲気中での加熱および後述する酸化雰囲気中での加熱は、別々の装置において行ってよいが、同じ装置で行うことが好ましく、これにより、還元雰囲気中での加熱と酸化雰囲気中での加熱とを同一の装置において連続して実施することができる。還元雰囲気は、ギ酸含有雰囲気または水素含有雰囲気であることが好ましく、例えば、窒素等の不活性ガスにギ酸または水素を混合したものであることが好ましい。還元雰囲気は、より好ましくはギ酸を含み、例えば、窒素等の不活性ガスにギ酸を混合したものであることが好ましい。

還元雰囲気中での加熱は、例えば、３００℃未満で行い、好ましくは２８０℃以下であり、より好ましくは２６０℃以下、更に好ましくは２００℃以下である。還元雰囲気中での加熱は、好ましくは１５０℃以上、より好ましくは１６０℃以上、さらに好ましくは１８０℃である。加熱温度が１５０℃以上、より好ましくは１６０℃以上、さらに好ましくは１８０℃以上であると、銀粒子表面に存在する酸化被膜の還元反応の反応速度を速くすることができる。還元雰囲気中での加熱を行うときの圧力は特に限定されるものではなく、例えば大気圧であってよい。

３-２．酸化雰囲気中での焼成
ここでは、酸化雰囲気中での加熱焼成することにより、金属粒子同士を融着させて、金属焼結体を形成する。酸化雰囲気は、好ましくは酸素含有雰囲気であり、より好ましくは大気雰囲気である。酸化雰囲気が酸素含有雰囲気である場合、雰囲気中の酸素濃度は２以上２１体積％以下であることが好ましい。雰囲気中の酸素濃度が高いほど、金属粒子表面において金属原子の表面拡散が促進されて、金属粒子同士を融着させやすくなる。酸素濃度が２体積％以上であると、低い加熱温度で融着させることができ、酸素濃度が２１体積％以下であると、加熱装置に加圧機構が不要となり、工程コストが低減できる。

（焼成温度）
酸化雰囲気中での焼成温度は、例えば、３００℃以下で行い、半導体電子部品の耐熱特性を考慮して適宜設定される。酸化雰囲気中での焼成温度は、金属粒子間の融着が可能な限り低い方が好ましく、好ましくは２８０℃以下であり、より好ましくは２６０℃以下、更に好ましくは２００℃以下である。酸化雰囲気中での焼成の前に、還元雰囲気中での加熱を実施すると、より低温での焼成が可能になる。
酸化雰囲気中での焼成は、好ましくは１５０℃以上、より好ましくは１６０℃以上である。焼成温度を１５０℃以上、より好ましくは１６０℃以上とすることにより、電気抵抗率が低くかつ熱伝導特性が良好な金属焼結体２１を形成することができる。
酸化雰囲気中での焼成は、加圧してもよいし、例えば大気圧であってよい。

（４）含浸工程
こでは、金属焼結体の表面に樹脂を塗布し、金属焼結体２１の空隙２１ｂに樹脂の一部を含浸させる。
具体的には、まず、例えば、熱硬化性のエポキシ樹脂に、例えば、フッ素系界面活性剤を混合することにより濡れ性を向上させた樹脂ペースト２５を準備する。
次に、図４Ｅに示すように、準備した樹脂ペースト２５を金属焼結体２１のフィレットを覆うように塗布する。
次に、例えば、減圧することにより樹脂ペースト２５を金属焼結体２１の空隙に含浸させて、樹脂ペースト２５を空隙２１ｂに含浸させた後、樹脂ペースト２５を硬化させる。
この含浸硬化により、図４Ｆに示すように、被覆樹脂部２２ｃの厚さは、塗布した際の樹脂ペースト２５の厚さより薄くなる。

以上のようにして実施形態１の半導体装置は製造される。

実施形態２．
次に、本開示に係る実施形態２の半導体装置について説明する。図５は、実施形態２に係る半導体装置２００の断面図である。
実施形態２の半導体装置２００は、基板１１０に代えて基板２１０を備えている点で実施形態１の半導体装置１００とは異なっている。
実施形態２の半導体装置２００において、基板２１０は板状の放熱用金属部２１１を含み、放熱用金属部２１１の上面において、半導体電子部品１を載置する部分の外側に絶縁層２１２を介して配線電極及びパッド電極２１３を有している。
尚、配線電極は絶縁層２１２に埋設されるように形成されていてもよい。
実施形態２の半導体装置２００において、基板２１０以外の部分は実施形態１の半導体装置と同様に構成される。

以上のように構成された実施形態２の半導体装置２００は、放熱用金属部２１１を実施形態１の放熱用金属部１１１より大きくできることから、半導体電子部品１が発生する熱をより効率よく基板２１０の下面に伝達することができ、該下面に設けた放熱手段によってより効果的に放熱することができる。
また、実施形態２の半導体装置２００は、実施形態１の半導体装置１００と同様に構成された接合部２０により、半導体電子部品１と放熱用金属部２１１とを接合しているので、接合部２０には熱応力がかかった場合であっても、後述の実施例に示すように高いダイシェア強度を維持することができ、接合部における高い信頼性を維持できる。

尚、実施形態２の半導体装置２００に使用する基板２１０は、例えば、放熱用金属部２１１の上面の半導体電子部品１の実装領域を囲む位置に配線電極を含む絶縁層２１２を形成し、その絶縁層２１２の上に配線電極に接続されたパッド電極１１３を形成することにより準備することができる。絶縁層２１２は複数の絶縁層を含む多層構造であってもよく、配線電極は、例えば、絶縁層間に形成することができる。

実施形態３．
次に、本開示に係る実施形態３の半導体装置について説明する。図６は、実施形態３に係る半導体装置３００の断面図である。
実施形態３の半導体装置３００は、実施形態２の基板２１０においてさらに、基板２１０の上面に半導体電子部品１を囲む位置に環状の凸部を有している点で、実施形態２の半導体装置２００と異なっている他は実施形態２の半導体装置２００と同様に構成されている。

以上のように構成された実施形態３の半導体装置３００は、実施形態２の半導体装置２００と同様の作用効果を有するとともに、製造過程において以下のような利点を有する。

実施形態３の半導体装置３００の製造方法
実施形態３の半導体装置３００の製造方法では、まず、実施形態１と同様にして金属接続ペーストを準備し、実施形態２と同様にして基板２１０を準備する。

そして、図７Ａに示すように、基板２１０の上面の半導体電子部品１を実装する位置を囲むように環状の凸部３３０を形成する。環状の凸部３３０は、例えば、シリコーン樹脂にカーボンやナノシリカ等のフィラーを添加してチクソ性を上げた樹脂をディスペンサー等により塗布して硬化させることにより形成することができる。

次に、図７Ｂに示すように、基板２１０の上面の凸部３３０の内側に、実施形態１と同様にして金属接続ペーストを塗布する。
次に、図７Ｃに示すようにして、半導体電子部品１を基板２１０上に塗布した金属接続ペースト２３の上に載置する。
ここで、半導体電子部品１と基板２１０の間の金属接続ペースト２３が所定の厚さになり、好ましくは、半導体電子部品１の側面の一部に金属接続ペーストが這い上がるように、例えば、半導体電子部品を押圧する。

次に、実施形態１と同様にして、金属接続ペーストを焼成することにより、有機溶剤を除去し、金属粉を融着させることにより金属焼結体を生成し、該金属焼結体により半導体電子部品と基体とを接合する。

実施形態３の半導体装置の製造方法では、含浸工程において、実施形態１と同様にして準備した樹脂ペースト２５０を金属焼結体と環状の凸部３３０の間に金属焼結体２１のフィレットを覆うように塗布する。
ここで、実施形態３の製造方法では、環状の凸部３３０が設けられているので、図７Ｄに示すように、半導体電子部品１の側面と凸部３３０の間に樹脂ペースト２５０を塗布することができる。これにより、より粘度が低く濡れ性をより向上させた樹脂ペースト２５０を使用することができ、樹脂ペースト２５０を空隙２１ｂに容易に含浸させることができる。
そして、樹脂ペースト２５０を空隙２１ｂに含浸させた後、図７Ｅに示すように、樹脂ペースト２５０を硬化させる。

以上のようにして実施形態３の半導体装置は製造される。

有機溶剤である２−エチル−１，３−ヘキサンジオール（０．５８ｇ）とジエチレングリコールモノブチルエーテル（０．１４ｇ）および、アニオン性液状界面活性剤（三洋化成工業株式会社製、製品名「ビューライトＬＣＡ−Ｈ」、ラウレス−５−カルボン酸、２５℃で液状、０．０９ｇ）を、自転・公転ミキサー（商品名「あわとり錬太郎ＡＲ−２５０」、株式会社シンキー製）にて１分間攪拌、次いで１５秒間脱泡のサイクルを１サイクル用いて攪拌し、溶剤混合物を得た。

フレーク状銀粒子（福田金属箔粉工業株式会社製、製品名「ＡｇＣ−２３９」、フレーク状、平均粒径（メジアン径）が２．７μｍ、比表面積が０．７ｍ^２／ｇ、粒径０．３μｍ未満の粒子の含有量は１質量％、粒径０．５μｍ以下の粒子の含有量は３質量％、９．１９ｇ）を計量して前記溶剤混合物に加えた。得られた混合物を、自転・公転ミキサー（商品名「あわとり錬太郎ＡＲ−２５０」、株式会社シンキー製）にて１分間攪拌および１５秒間脱泡のサイクルを、１サイクル用いて攪拌し、金属接続ペーストを得た（銀の粒子の含有量は、９１．９質量％）。

次に、基体として放熱用金属として銅を用いており、表面が金めっきされた、銅と樹脂の複合基板（形状は図３Ａに近い）上の、半導体電子部品を実装する部分に前記金属接続ペーストを、エアーディスペンサーを用いて塗布した。さらに半導体電子部品であるシリコン基板上に所定の回路を構成し、下面側を銀でメタライズした１４．３５ｍｍ×５．５ｍｍのＡＳＩＣチップを、前記金属接続ペースト上に載置する。
次に、大気雰囲気のオーブン中において、無加圧、２００℃の条件で一時間熱処理して焼結させた銀焼結体により、基板上にＡＳＩＣチップを接合する。

株式会社ダイセル製２液タイプ熱硬化型エポキシ樹脂「セルビーナスＷ２２１」を混合して含浸樹脂ペーストを調整した。
次に、樹脂ペーストを銀焼結体の端部(フィレット)に接触するように、エアーディスペンサーで全周に塗布した。
次に、大気オーブン中において、無加圧で熱処理することにより銀焼結体の空隙に含浸させた後硬化した。
熱処理は、主として銀焼結体の空隙に樹脂ペーストを含浸させるために１１０℃、２時間加熱した後、主として樹脂を硬化させるために１５０℃で５時間加熱した。
以上のように２段階で加熱することにより、銀焼結体の空隙に樹脂を含浸させて硬化することができた。以上の方法により実施例１の半導体装置を作製した。

含浸樹脂ペーストを株式会社ダイセル製２液タイプ熱硬化型エポキシ樹脂「セルビーナスＷ３２４」を用いた以外は、実施例１と同様に行い、実施例２の半導体装置を作成した。

含浸樹脂ペーストを株式会社ダイセル製２液タイプ熱硬化型エポキシ樹脂「セルビーナスＷ２２１」にフッ素系界面活性剤を０．２ｐｈｒで混合したものを用いて、ＡＳＩＣチップの短辺側に２点塗布した以外は、実施例１と同様に行い、実施例３の半導体装置を作成した。

含浸樹脂ペーストを株式会社ダイセル製２液タイプ熱硬化型エポキシ樹脂「セルビーナスＷ３２４」にフッ素系界面活性剤を０．２ｐｈｒで混合したものを用いた以外は、実施例３と同様に行い、実施例４の半導体装置を作成した。

参考例１

含浸樹脂ペーストを株式会社ダイセル製２液タイプ熱硬化型エポキシ樹脂「セルビーナスＷ３２４」を用いた以外は、実施例４と同様に行い、参考例１の半導体装置を作成した。

比較例１

含浸樹脂ペーストを用いずに、金属接続ペーストを焼結させて接続したのみで作成した以外は、実施例１と同様に行い、比較例１の半導体装置を作成した。

比較例２

窒化アルミ基板上に所定の回路を構成し、下面側を金でメタライズした７ｍｍ×７ｍｍの窒化アルミチップを用いた以外は、比較例１と同様に行い、比較例２の半導体装置を作成した。

以上のように作製した実施例１乃至４、参考例１、比較例１及び２の熱サイクル試験後のダイシェア強度を測定した。またダイシェア後の破断面から含浸状態を確認した。測定結果を表１及び図８に示す。

表１及び図８に示すように、実施例１及び２は１０４０サイクル熱サイクル試験後であっても比較的高いダイシェア強度を維持していたが、比較例１では５６０サイクル後でダイシェア強度はほぼゼロになった。比較例２では、２０００サイクル後でもダイシェア強度を維持していたが実施例１乃至４に比べて初期のダイシェア強度が低い。なお、比較例２の窒化アルミの熱膨張係数（５．０ｐｐｍ／℃）は実施例１乃至４、参考例１、比較例１のシリコン（４．２ｐｐｍ／℃）と大差なく、銅（１６．５ｐｐｍ／℃）と差が大きい。このことから接続面の面積が熱サイクル試験に大きく影響を与えており、含浸樹脂によって改善している事がわかる。

また図３Ａのような形状の基板では、含浸樹脂がワイヤーパッドにはみ出す可能性があるため、ワイヤーボンド後に含浸樹脂を塗布する事が望ましいが、ワイヤーがあるために全周塗布が実質的にできない事がある。この場合短辺側のみに塗布する事になるが、表１に示すように、参考例１においては含浸樹脂が十分含浸しなかった。これに対して実施例３及び４では全域での含浸ができており、フッ素系界面活性剤によって含浸性が改善できる事がわかる。

１ 半導体電子部品
３ ワイヤー
１００、２００、３００ 半導体装置
２０ 接合部
２１ 金属焼結体
２１ａ 金属部
２１ｂ 空隙
２２ 樹脂部
２２ｂ 充填樹脂部
２２ｃ 被覆樹脂部
２３ 金属接続ペースト
２５ 樹脂ペースト
１１０、２１０ 基板
１１１、２１１ 放熱用金属部
１１２ 配線基板
１１３、２１３ パット電極
２１２ 絶縁層
２５０ 樹脂ペースト
３３０ 環状の凸部

Claims (15)

1. 上面と下面を有し、前記上面から下面に熱を伝達する放熱用金属を含む基体と
   前記放熱用金属上に位置する基体の上面に設けられた矩形形状の半導体電子部品と、
   金属焼結体を含み、前記半導体電子部品の底面を前記基体の上面に接合する接合部と、
   を備え、
   前記半導体電子部品の接続面、及び前記基体の接続面の面積は、５０ｍｍ^２以上であり、
   前記接合部は、前記金属焼結体の空隙に充填された樹脂を含む、半導体装置。
2. 前記金属焼結体は、前記半導体電子部品の側面の少なくとも一部を覆って配置されたフィレットを含む、請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記フィレットの表面は、前記樹脂に覆われており、
   前記フィレットの表面を覆う樹脂の厚さは、１μｍ以上である、請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記金属焼結体は、銀又は銅を含む、請求項１又は２に記載の半導体装置。
5. 前記樹脂は、フッ素系界面活性剤を含む、請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体装置。
6. 前記半導体電子部品の縦方向の長さＸまたは横方向の長さＹの少なくとも一方は５ｍｍ以上である、請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体装置。
7. 前記半導体電子部品は、ＡＳＩＣを含む、請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体装置。
8. 前記基体は、前記半導体電子部品の周囲に設けられた配線電極を含む、請求項１から７のいずれか１項に記載の半導体装置。
9. 前記基体は、前記半導体電子部品を囲む環状の凸部を有する、請求項１から８のいずれか１項に記載の半導体装置。
10. 前記放熱用金属は、銅を含む、請求項１から９のいずれか１項に記載の半導体装置。
11. 上面と下面を有し前記上面から下面に熱を伝達する放熱用金属を含む基体と前記放熱用金属上の上面に接合された半導体電子部品とを含む半導体装置の製造方法であって、
    該製造方法は、
    有機溶剤と金属粉とを混合してなる金属接続ペーストを準備する準備工程と、
    基体と半導体電子部品との間に前記金属接続ペーストを配置する配置工程と、
    前記金属接続ペーストを焼成することにより、前記有機溶剤を除去し、前記金属粉を融着させることにより金属焼結体を生成し、前記半導体電子部品と前記基体とを前記金属焼結体により接合する接合工程と、
    前記金属焼結体の表面に樹脂を塗布し、前記金属焼結体の空隙に前記樹脂の一部を含浸させる含浸工程と、
    を含む、半導体装置の製造方法。
12. 前記含浸工程において、前記樹脂を、毛細管現象によって、前記金属焼結体の空隙に含浸させる、請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。
13. 前記基体は、前記半導体電子部品を囲む位置に環状の凸部を有し、
    前記含浸工程において、前記金属焼結体と前記環状の凸部の間に塗布する、請求項１０又は１１に記載の半導体装置の製造方法。
14. 前記準備工程において、前記金属粉は、銀粒子又は銅粒子である、請求項１１から１３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
15. 前記接合工程において、前記有機溶剤を全て除去する、請求項１１から１４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。

Images