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JP5120917B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof.

電力制御やエネルギー変換等を行うパワーエレクトロニクス用のパワー素子として、一般的に、シリコンを使用することが知られているが、例えば180℃〜400℃の高温下での使用においては動作不良が発生することがある。そこで、高温動作が可能な半導体材料として、シリコンカーバイドが注目されている(非特許文献1−3参照)。   It is generally known that silicon is used as a power element for power electronics that performs power control, energy conversion, etc., but malfunction occurs when used at a high temperature of, for example, 180 ° C. to 400 ° C. There are things to do. Thus, silicon carbide has attracted attention as a semiconductor material capable of high-temperature operation (see Non-Patent Documents 1-3).

また、従来から、パワー素子をセラミックス配線基板等に実装する場合、パワー素子のアルミニウム電極とセラミックス配線基板をワイヤにより電気的に接続することが知られているが、ワイヤボンディング型の実装では小型化を追及することが難しい(非特許文献4−6参照)。そこで、パワー素子のアルミニウム電極面をセラミックス配線基板の配線面に対向させて実装する、いわゆる3次元実装が要求されている。
High-Temperature Electronics, edited by Randall Kirschman, IEEE Press, NY,1999. S. Abedinpour, K. Shenai, "Power electronics technologies for the new millennium", IEEE Third International Caracas Conference on Devices, Circuits, and Systems (ICCDCS2000), IEEE Catalog Number: 00TH8474C, pp. P111-1-P111-9. K.Shenai,“High-power robust semiconductor electron ics technologies in the new millennium”Microelectronics Journal,Vol32,No.5-6, 2001,pp.397-408. G.G. Harman, Wire Bonding in Microelectronics, McGraw-Hill, New York (1989). W. Gerling, Electrical and physical characterization of gold-ball bonds on aluminum layers. In: Electronic Components Conf. (1984), p. 13. D.T. Rooney, D.P. Nager, D. Geiger and D. Shanguan, Evaluation of wire bonding performance, process conditions, and metallurgical integrity of chip on board wire bonds, Microelectron. Reliab. 45-2 (2005), pp. 379-390.
Conventionally, when a power element is mounted on a ceramic wiring board or the like, it is known that the aluminum electrode of the power element and the ceramic wiring board are electrically connected by a wire, but the wire bonding type mounting is downsized. It is difficult to pursue (see Non-Patent Documents 4-6). Therefore, so-called three-dimensional mounting is required in which the aluminum electrode surface of the power element is mounted facing the wiring surface of the ceramic wiring board.
High-Temperature Electronics, edited by Randall Kirschman, IEEE Press, NY, 1999. S. Abedinpour, K. Shenai, "Power electronics technologies for the new millennium", IEEE Third International Caracas Conference on Devices, Circuits, and Systems (ICCDCS2000), IEEE Catalog Number: 00TH8474C, pp. P111-1-P111-9. K. Shenai, “High-power robust semiconductor electron ics technologies in the new millennium” Microelectronics Journal, Vol 32, No. 5-6, 2001, pp. 397-408. GG Harman, Wire Bonding in Microelectronics, McGraw-Hill, New York (1989). W. Gerling, Electrical and physical characterization of gold-ball bonds on aluminum layers.In: Electronic Components Conf. (1984), p. 13. DT Rooney, DP Nager, D. Geiger and D. Shanguan, Evaluation of wire bonding performance, process conditions, and metallurgical integrity of chip on board wire bonds, Microelectron.Reliab. 45-2 (2005), pp. 379-390.

しかしながら、3次元実装の場合、例えばパワー素子のアルミニウム電極とセラミックス配線基板を単にハンダ接合すると、アルミニウムは大気中で酸化しやすく、アルミニウム電極上に薄い酸化膜が形成されるため、良好な電気的接続を得ることが難しい。   However, in the case of three-dimensional mounting, for example, when the aluminum electrode of the power element and the ceramic wiring board are simply soldered, aluminum is easily oxidized in the atmosphere, and a thin oxide film is formed on the aluminum electrode, so that a good electrical property is obtained. Difficult to get a connection.

以上のとおりの事情に鑑み、本発明は、3次元実装の実現及び電気的接続信頼性の向上が図れる、半導体装置及びその製造方法を提供することを課題としている。   In view of the circumstances as described above, it is an object of the present invention to provide a semiconductor device and a method for manufacturing the same that can achieve three-dimensional mounting and improve electrical connection reliability.

上記課題を解決すべく、本発明の半導体装置の製造方法は、シリコンカーバイド素子のアルミニウム電極に、ボンディングステージの設定温度を100℃以上460℃以下にして、ボールバンプ法により複数の金バンプを形成する工程と、前記複数の金バンプと金バンプ間の前記アルミニウム電極を被覆するようにハンダ材料を設ける工程と、前記ハンダ材料をリフローする工程とを含む。 In order to solve the above-described problems, the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention forms a plurality of gold bumps on the aluminum electrode of the silicon carbide element by setting the bonding stage temperature to 100 ° C. or higher and 460 ° C. or lower by the ball bump method. A step of providing a solder material so as to cover the plurality of gold bumps and the aluminum electrode between the gold bumps, and a step of reflowing the solder material .

この製造方法は、前記金バンプの形成工程前に、前記アルミニウム電極をプラズマ洗浄する工程を含んでもよい。 This manufacturing method is prior to the previous step of forming Kikin bumps, steps may also contains I to which plasma cleaning the aluminum electrode.

また、前記ハンダ材料はAu−Sn系であってもよく、Au−Sn系のSn含有率は20wt%であってもよい。 Further, the solder material may be Au—Sn based, and the Sn content of Au—Sn based may be 20 wt% .

また、前記リフロー工程においては、前記ハンダ材料をリフローすることによって、前記シリコンカーバイド素子を、前記複数の金バンプ及び前記ハンダ材料を介して、セラミックス配線基板に電気的に接続してもよい。   Further, in the reflow step, the silicon carbide element may be electrically connected to the ceramic wiring board via the plurality of gold bumps and the solder material by reflowing the solder material.

また、前記シリコンカーバイド素子は、パワーエレクトロニクス用集積回路を備えてもよい。   The silicon carbide element may include an integrated circuit for power electronics.

さらに、本発明の半導体装置は、上記方法により製造される。   Furthermore, the semiconductor device of the present invention is manufactured by the above method.

さらにまた、本発明の半導体装置は、アルミニウム電極を有するシリコンカーバイド素子と、前記シリコンカーバイド素子の前記アルミニウム電極上に形成された複数の金バンプと、前記シリコンカーバイド素子における前記複数の金バンプと金バンプ間の前記アルミニウム電極を被覆するように設けられたハンダ材料と、前記金バンプ及び前記ハンダ材料を介して、前記シリコンカーバイド素子に電気的に接続されたセラミックス配線基板と、を備え、前記金バンプの少なくとも1つのせん断強度が、58.4MPa以上140.8MPa以下である。 Furthermore, the semiconductor device of the present invention includes a silicon carbide element having an aluminum electrode, a plurality of gold bumps formed on the aluminum electrode of the silicon carbide element, and the plurality of gold bumps and gold in the silicon carbide element. A solder material provided so as to cover the aluminum electrode between the bumps, and a ceramic wiring board electrically connected to the silicon carbide element through the gold bump and the solder material. At least one of the bumps has a shear strength of 58.4 MPa or more and 140.8 MPa or less.

この半導体装置において、前記ハンダ材料はAu−Sn系であってもよく、Au−Sn系のSn含有率は20wt%であってもよい。 In this semiconductor device, the solder material may be Au—Sn-based, and the Au—Sn-based Sn content may be 20 wt% .

また、前記シリコンカーバイド素子はパワーエレクトロニクス用集積回路を備えてもよい。   The silicon carbide element may include an integrated circuit for power electronics.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1〜図6(B)は、本発明の実施形態にかかる半導体装置の製造方法を説明するための図である。具体的には、図1〜図3がボールバンプ法を説明する図であり、図4及び図5がハンダ塗布及びリフロー工程を説明する図であり、図6(A)及び図6(B)がリフロー工程における温度プロファイルの一例を示す図である。   1 to 6B are views for explaining a method for manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. Specifically, FIGS. 1 to 3 are diagrams for explaining the ball bump method, FIGS. 4 and 5 are diagrams for explaining a solder application and reflow process, and FIGS. 6 (A) and 6 (B). These are figures which show an example of the temperature profile in a reflow process.

図1に示すように、集積回路を備えるシリコンカーバイド素子(以下、SiC素子という)10を用意する。SiC素子10は、電力変換やエネルギー変換等を行うシステムにおいて大電力を扱う出力駆動部又は変換部として使用することができる。このようなパワーエレクトロニクス用のSiC素子10としては、例えば、SBD(Schottky Barrier Diode)等の整流素子、又はパワーMOSFET等の電界効果型トランジスタ等を挙げることができる。   As shown in FIG. 1, a silicon carbide element (hereinafter referred to as a SiC element) 10 including an integrated circuit is prepared. The SiC element 10 can be used as an output drive unit or conversion unit that handles large power in a system that performs power conversion, energy conversion, and the like. Examples of the SiC element 10 for power electronics include a rectifying element such as SBD (Schottky Barrier Diode), a field effect transistor such as a power MOSFET, and the like.

SiC素子10は、シリコンカーバイド基板と、当該基板の一方の面に形成されたアルミニウム電極である第1電極12と、当該基板の他方の面に形成された第2電極14と、を備える。SiC素子10がSBDデバイスである場合を例にとると、アルミニウムからなる第1電極12がアノードとして機能し、銀からなる第2電極14がカソードとして機能する。なお、SiC素子10は、少なくとも1つのアルミニウム電極を備えていればよく、デバイスの種類に応じ様々な態様を採ることができる。   SiC element 10 includes a silicon carbide substrate, a first electrode 12 that is an aluminum electrode formed on one surface of the substrate, and a second electrode 14 formed on the other surface of the substrate. Taking the case where the SiC element 10 is an SBD device as an example, the first electrode 12 made of aluminum functions as an anode, and the second electrode 14 made of silver functions as a cathode. SiC element 10 only needs to include at least one aluminum electrode, and can take various forms depending on the type of device.

図1〜図3に示すように、SiC素子10のアルミニウム電極である第1電極12上に複数の金バンプ26を形成する。本工程は、ボールバンプ法(スタッドバンプ(登録商標)法とも呼ばれる)を適用して形成することができる。   As shown in FIGS. 1 to 3, a plurality of gold bumps 26 are formed on the first electrode 12 that is an aluminum electrode of the SiC element 10. This step can be formed by applying a ball bump method (also called a stud bump (registered trademark) method).

具体的には、まず、図1に示すように、SiC素子10をウェハ状態でボンディングステージ30に配置し、金ワイヤ20を第1電極12の上方に配置する。金ワイヤ20は、ボンディングツール24によって支持されており、金ワイヤ20の先端は、ボンディングツール24から露出している。そして、図示しない電気トーチ等により金ワイヤ20の先端を溶融させ、金ワイヤ20の先端に金ボール22を形成する。その後、ボンディングツール24を第1電極12の方向に降下させ、図2に示すように、金ボール22をボンディングツール24の先端により押し潰し、超音波振動を加えることにより、金ボール22を
第1電極12に接合させる。かかる方法によれば、超音波振動を加えることによって第1電極12上の酸化膜を除去し、アルミニウムの新生面に金ボール22を接合することができるので、接合強度及び電気的接続信頼性の向上を図ることができる。
Specifically, first, as shown in FIG. 1, SiC element 10 is placed on bonding stage 30 in a wafer state, and gold wire 20 is placed above first electrode 12. The gold wire 20 is supported by the bonding tool 24, and the tip of the gold wire 20 is exposed from the bonding tool 24. Then, the tip of the gold wire 20 is melted by an electric torch or the like (not shown) to form a gold ball 22 at the tip of the gold wire 20. Thereafter, the bonding tool 24 is lowered in the direction of the first electrode 12, and the gold ball 22 is crushed by the tip of the bonding tool 24 as shown in FIG. The electrode 12 is joined. According to this method, the oxide film on the first electrode 12 can be removed by applying ultrasonic vibration, and the gold ball 22 can be bonded to the new aluminum surface. Therefore, the bonding strength and the electrical connection reliability are improved. Can be achieved.

接合が終了したら、ボンディングツール24を移動させ、金ボール22に接続されるネック部21を切断する。そして、これら一連の工程を繰り返して行い、図3に示すように、1つの第1電極12上に複数の金バンプ26を繰り返し形成する。   When the joining is completed, the bonding tool 24 is moved, and the neck portion 21 connected to the gold ball 22 is cut. Then, a series of these steps are repeated, and a plurality of gold bumps 26 are repeatedly formed on one first electrode 12 as shown in FIG.

本実施形態では、上述したバンプ形成工程を、ボンディングステージ30の設定温度(ボンディング温度とも呼ぶことができる)の最高温度を185℃以上460℃以下、さらに好ましくは235℃以上300℃以下にして行う。言い換えれば、ボンディングステージ30を加熱し、SiC素子10の加熱温度の最高温度を上記範囲に制御する。これによれば、後述する実施例で考察するように、SiC素子10との良好なオーミックコンタクトを図りつつ、高い接合強度をもって金バンプ26をアルミニウムからなる第1電極12に接合することができる。   In the present embodiment, the bump forming process described above is performed by setting the maximum temperature of the bonding stage 30 (also referred to as a bonding temperature) to 185 ° C. or higher and 460 ° C. or lower, more preferably 235 ° C. or higher and 300 ° C. or lower. . In other words, the bonding stage 30 is heated and the maximum temperature of the SiC element 10 is controlled within the above range. According to this, the gold bump 26 can be bonded to the first electrode 12 made of aluminum with high bonding strength while achieving good ohmic contact with the SiC element 10 as will be discussed in the examples described later.

上述したバンプ形成工程を半導体ウェハの状態で行った場合には、その後、複数のSiC素子10にダイシング等で個片切断し、図3に示すように、チップ状態の複数のSiC素子10を得ることができる。   When the bump formation process described above is performed in the state of a semiconductor wafer, the plurality of SiC elements 10 are then cut into pieces by dicing or the like to obtain a plurality of SiC elements 10 in a chip state as shown in FIG. be able to.

なお、上記バンプ形成工程前に、SiC素子10の第1電極12をプラズマ洗浄、例えばプラズマエッチング処理、することができる。これにより、アルミニウム上に形成される薄い酸化膜を除去することができるので、金バンプ26と第1電極12の接合強度及び電気的接続信頼性のさらなる向上を図ることができる。   Prior to the bump formation step, the first electrode 12 of the SiC element 10 can be subjected to plasma cleaning, for example, plasma etching. Thereby, since the thin oxide film formed on aluminum can be removed, the joint strength and electrical connection reliability between the gold bump 26 and the first electrode 12 can be further improved.

次に、図4及び図5に示すように、SiC素子10を配線基板に実装する。例えば、SiC素子10の第1電極12を、金バンプ26及びハンダ材料50を介してセラミックス配線基板40に電気的に接続し、さらに、SiC素子10の第2電極14を、ハンダ材料54を介して他のセラミックス配線基板44に電気的に接続する。セラミックス、例えばAlN、は放熱性に優れるため、パワーエレクトロニクス用の配線基板として適している
Next, as shown in FIGS. 4 and 5, SiC element 10 is mounted on a wiring board. For example, the first electrode 12 of the SiC element 10 is electrically connected to the ceramic wiring board 40 via the gold bumps 26 and the solder material 50, and the second electrode 14 of the SiC element 10 is further connected via the solder material 54. And electrically connected to another ceramic wiring board 44. Ceramics, such as AlN, is excellent in heat dissipation and is therefore suitable as a wiring board for power electronics.

具体的には、まず、図4に示すように、SiC素子10における第1電極12側にハンダ材料50を設ける。ハンダ材料50は、例えばペースト状のものを使用でき、第1電極12上に複数の金バンプ26を被覆するように塗布することができる。   Specifically, first, as shown in FIG. 4, a solder material 50 is provided on the first electrode 12 side in the SiC element 10. For example, a paste material can be used as the solder material 50 and can be applied on the first electrode 12 so as to cover the plurality of gold bumps 26.

ここで、ハンダ材料50は、高温ハンダ(高融点ハンダとも呼ばれる)を使用することができ、例えば鉛フリーのAu−Sn系材料を使用することが好ましく、さらには、当該Au−Sn系材料のうちSn含有率が20wt%程度であることが好ましい。Sn含有率が20wt%程度であれば、リフロー工程における所望の温度プロファイルを満たし、かつ、錫による金バンプとの過剰な反応を抑制できるので、機械的に脆い合金層の生成を抑制することができる。したがって、SiC素子10とセラミックス配線基板40との接合
強度の向上を図ることができる。
Here, as the solder material 50, high-temperature solder (also called high melting point solder) can be used. For example, a lead-free Au—Sn-based material is preferably used. Of these, the Sn content is preferably about 20 wt%. If the Sn content is about 20 wt%, the desired temperature profile in the reflow process can be satisfied, and excessive reaction with the gold bumps caused by tin can be suppressed, so that the formation of mechanically brittle alloy layers can be suppressed. it can. Therefore, the bonding strength between SiC element 10 and ceramic wiring board 40 can be improved.

図4に示すように、プレート32上にSiC素子10をセットし、さらにスペーサ34により所望の位置にセラミックス配線基板40をセットし、最初の第1リフロー工程を行う。第1リフロー工程の温度プロファイルは、例えば図6(A)に示したとおりである。こうして、SiC素子10の第1電極12を、複数の金バンプ26及びハンダ材料50を介して、セラミックス配線基板40の配線層、例えばCu層、42に電気的に接続することができる。   As shown in FIG. 4, the SiC element 10 is set on the plate 32, the ceramic wiring board 40 is set at a desired position by the spacer 34, and the first first reflow process is performed. The temperature profile of the first reflow process is, for example, as shown in FIG. Thus, the first electrode 12 of the SiC element 10 can be electrically connected to the wiring layer of the ceramic wiring substrate 40, for example, the Cu layer 42, via the plurality of gold bumps 26 and the solder material 50.

そして、図5に示すように、第1リフロー工程に続き、SiC素子10における第2電極14側にハンダ材料52を設けて、第2リフロー工程を行い、SiC素子10の第2電極14をハンダ材料52を介して別のセラミックス配線基板44の配線層46に電気的に接続する。第2電極14側に設けるハンダ材料52の組成は、特に限定されるものではなく、第2電極14の材質に応じて適宜決めればよい。第2リフロー工程の温度プロファイルは、例えば図6(B)に示したとおりである。   Then, as shown in FIG. 5, following the first reflow process, the solder material 52 is provided on the second electrode 14 side of the SiC element 10, the second reflow process is performed, and the second electrode 14 of the SiC element 10 is soldered. It is electrically connected to the wiring layer 46 of another ceramic wiring substrate 44 through the material 52. The composition of the solder material 52 provided on the second electrode 14 side is not particularly limited, and may be appropriately determined according to the material of the second electrode 14. The temperature profile of the second reflow process is, for example, as shown in FIG.

なお、上述したように、リフロー工程を複数回行う場合には、最高温度が高いほうの第1リフロー工程を最初に行い、最高温度が低いほうの第2リフロー工程をその後に行う。これにより、第2リフロー工程により、最初の第1リフロー工程において硬化したハンダ材料が再度溶融してしまうのを防止することができる。   As described above, when the reflow process is performed a plurality of times, the first reflow process having the highest maximum temperature is performed first, and the second reflow process having the lower maximum temperature is performed thereafter. Thereby, it can prevent that the solder material hardened | cured in the first 1st reflow process melt | dissolves again by a 2nd reflow process.

こうして、SiC素子10及びセラミックス配線基板40,44を備える半導体装置100を製造することができる。また、図7に示すように、上記方法を適用して、セラミックス配線基板70に複数のSiC素子60,62,64を実装して、パワーモジュール等の半導体モジュール110を製造することができる。   In this way, the semiconductor device 100 including the SiC element 10 and the ceramic wiring boards 40 and 44 can be manufactured. As shown in FIG. 7, by applying the above method, a plurality of SiC elements 60, 62, 64 can be mounted on the ceramic wiring substrate 70 to manufacture a semiconductor module 110 such as a power module.

以上のとおり、半導体装置及びその製造方法の形態を説明したが、次に、バンプ形成工程のボンディング温度の範囲及びハンダ材料の組成等について考察する。   As described above, the semiconductor device and the manufacturing method thereof have been described. Next, the range of the bonding temperature in the bump forming process, the composition of the solder material, and the like will be considered.

(実施例1)
図8は、バンプ形成工程のボンディング温度と、バンプのアルミニウム電極に対するせん断強度との関係を図示したものである。
Example 1
FIG. 8 illustrates the relationship between the bonding temperature in the bump forming process and the shear strength of the bump with respect to the aluminum electrode.

本実施例のサンプルとしては、SBDデバイスとしてのSiCチップを使用し、ボンディング温度の最高温度を53℃〜460℃の範囲内に設定して、SiCチップのアルミニウム電極上にボールバンプ法により複数の金バンプを形成した。そして、各設定温度における各金バンプのせん断強度を測定し、当該せん断強度の最大、最小、及び平均を算出した。   As a sample of this example, an SiC chip as an SBD device was used, the maximum bonding temperature was set within a range of 53 ° C. to 460 ° C., and a plurality of ball bump methods were used on the aluminum electrode of the SiC chip. Gold bumps were formed. Then, the shear strength of each gold bump at each set temperature was measured, and the maximum, minimum, and average of the shear strength were calculated.

同様の条件で、チップ材質をSiに置き換えて、Siチップが動作不良を起こすことなくボンディングできる最高温度である165℃で金バンプを形成したところ、金バンプのせん断強度は、単位バンプあたり約65gであった。   Under the same conditions, the chip material was replaced with Si, and gold bumps were formed at 165 ° C., the maximum temperature at which the Si chip could be bonded without causing malfunction. The shear strength of the gold bumps was about 65 g per unit bump. Met.

これに対して、図8に示されるように、ボンディング温度が200℃以上であれば、上記Siチップの単位バンプあたり約65gを超える約67.5g以上のせん断強度を得られることがわかる。なお、ボンディング温度が100℃である場合58.4MPaであり、460℃である場合140.8MPaである。   On the other hand, as shown in FIG. 8, when the bonding temperature is 200 ° C. or higher, it can be seen that a shear strength of about 67.5 g or more exceeding about 65 g per unit bump of the Si chip can be obtained. When the bonding temperature is 100 ° C., it is 58.4 MPa, and when it is 460 ° C., it is 140.8 MPa.

(実施例2)
図9(A)は、バンプ形成工程のボンディング温度と、各ボンディング温度における電流−電圧特性を示したものであり、図9(B)は、図9(A)から各ボンディング温度における抵抗を算出した表である。
(Example 2)
FIG. 9A shows the bonding temperature in the bump forming process and the current-voltage characteristics at each bonding temperature, and FIG. 9B calculates the resistance at each bonding temperature from FIG. 9A. It is a table.

本実施例のサンプルとしては、SBDデバイスとしてのSiCチップを使用し、ボンディング温度の温度範囲を165℃〜500℃の範囲内に設定して、SiCチップのアルミニウム電極上にボールバンプ法により複数の金バンプを形成した。その後、金バンプ及びAu−20wt%Snのハンダ材料を介して、SiCチップのアルミニウム電極をセラミックス(AlN/Cu(Au))配線基板に電気的に接続した。   As a sample of this example, an SiC chip as an SBD device was used, the temperature range of the bonding temperature was set within a range of 165 ° C. to 500 ° C., and a plurality of ball bump methods were used on the aluminum electrode of the SiC chip. Gold bumps were formed. Thereafter, the aluminum electrode of the SiC chip was electrically connected to the ceramic (AlN / Cu (Au)) wiring substrate through a gold bump and a solder material of Au-20 wt% Sn.

なお、図9(A)及び図9(B)においては、参考として、金バンプなしのアルミニウム電極のみを持つベアチップでの電流−電圧特性及び抵抗をも示している。   9A and 9B also show current-voltage characteristics and resistance in a bare chip having only an aluminum electrode without a gold bump for reference.

図9(A)及び図9(B)によれば、ボンディング温度が460℃以下においては、ほぼベアチップと変わることがない、良好な電圧−電流特性及び抵抗値が得られるが、500℃になると抵抗値が大きくなり電気的特性が損なわれることがわかる。   According to FIG. 9 (A) and FIG. 9 (B), when the bonding temperature is 460 ° C. or lower, good voltage-current characteristics and resistance values that are almost the same as those of bare chips can be obtained. It can be seen that the resistance value increases and the electrical characteristics are impaired.

したがって、上記実施例1,2によれば、ボンディング温度の最高温度の範囲が185℃以上460℃以下、さらに好ましくは235℃以上300℃以下であれば、シリコンカーバイド素子との良好なオーミックコンタクトを図りつつ、高い接合強度をもって金バンプをアルミニウム電極に接合することができることがわかる。   Therefore, according to Examples 1 and 2, when the maximum temperature range of the bonding temperature is 185 ° C. or higher and 460 ° C. or lower, more preferably 235 ° C. or higher and 300 ° C. or lower, good ohmic contact with the silicon carbide element is achieved. It can be seen that the gold bump can be bonded to the aluminum electrode with high bonding strength.

(実施例3)
図10は、チップのせん断テストの概略を示す図であり、図11(A)及び図11(B)は、図10に示されるせん断テストに基づいて、せん断強度とボンディング温度の関係をそれぞれ異なるハンダ材料を用いて考察したグラフである。なお、図11(A)はハンダ材料としてAu−20Snハンダを使用し、図11(B)はハンダ材料としてPb90−Snハンダを使用し、各図面はともに、ボンディング温度200℃、300℃及び375℃のそれぞれに対するせん断強度を測定したグラフを示している。
(Example 3)
FIG. 10 is a diagram showing an outline of a chip shear test. FIGS. 11A and 11B are different in the relationship between the shear strength and the bonding temperature based on the shear test shown in FIG. It is the graph considered using solder material. Note that FIG. 11A uses Au-20Sn solder as the solder material, and FIG. 11B uses Pb90-Sn solder as the solder material. In each drawing, bonding temperatures of 200 ° C., 300 ° C., and 375 are used. The graph which measured the shear strength with respect to each of ° C is shown.

本実施例のサンプル90としては、図10に示すように、AlN層上にCu層、Ni層及びAu層(Niの酸化防止用の金フラッシュ層)が形成されたセラミックス配線基板80を用意し、また、所定のボンディング温度によってAl電極81上に金バンプ82が形成されたSiCチップ84を用意し、両者をハンダ材料86により接合されたものを使用した。そして、せん断ツール88をサンプル90に所定条件(テストスピード:150μm/s、テスト高さ:270μm)で加圧し、SiCチップ84をセラミックス配線基板80から剥離した。これにより、ハンダ材料86の組成に基づく、サンプル90のせん断強度と金バンプ82のボンディング温度の関係を調べた。図11(A)の各ボンディング温度におけるせん断強度の平均値は、それぞれ、200℃:39.65Kgf、300℃:42.84Kgf、375℃:38.32Kgfであり、その一方、図11(B)の各ボンディング温度におけるせん断強度の平均値は、それぞれ、200℃:3.77Kgf、300℃:5.78Kgf、375℃:9.72Kgfであった。   As a sample 90 of this example, as shown in FIG. 10, a ceramic wiring substrate 80 in which a Cu layer, a Ni layer, and an Au layer (a gold flash layer for preventing Ni oxidation) is formed on an AlN layer is prepared. Further, a SiC chip 84 having gold bumps 82 formed on an Al electrode 81 at a predetermined bonding temperature was prepared, and both were joined by a solder material 86. Then, the shear tool 88 was pressed against the sample 90 under predetermined conditions (test speed: 150 μm / s, test height: 270 μm), and the SiC chip 84 was peeled from the ceramic wiring board 80. Thus, the relationship between the shear strength of the sample 90 and the bonding temperature of the gold bump 82 based on the composition of the solder material 86 was examined. The average values of the shear strength at each bonding temperature in FIG. 11A are 200 ° C .: 39.65 Kgf, 300 ° C .: 42.84 Kgf, 375 ° C .: 38.32 Kgf, respectively, while FIG. The average values of the shear strength at each bonding temperature were 200 ° C .: 3.77 Kgf, 300 ° C .: 5.78 Kgf, and 375 ° C .: 9.72 Kgf, respectively.

これらの測定結果から考察すると、まず、図11(A)に示されるAu−20Snハンダを使用した場合の方が、図11(B)に示されるPb90−Snハンダを使用した場合よりも、いずれのボンディング温度においても、せん断強度が数倍高く、SiCチップ84とセラミックス配線基板80の接合強度が極めて高いことがわかる。また、いずれのハンダを使用した場合においても、せん断強度は、金バンプ形成のボンディング温度が高くなるとともに高くなり、その傾向は特に図11(B)に示されるPb90−Snハンダを使用した場合に顕著に見受けられる。なお、図11(A)に示されるAu−20Snハンダを使用した場合のボンディング温度375℃で形成された金バンプおいては、せん断強度の減少が多少見受けられるが、これはリフローの間にボンディング不具合が進行しことが原因と考えられる。   Considering from these measurement results, first, the case where the Au-20Sn solder shown in FIG. 11 (A) is used is longer than the case where the Pb90-Sn solder shown in FIG. 11 (B) is used. Even at the bonding temperature, the shear strength is several times higher and the bonding strength between the SiC chip 84 and the ceramic wiring substrate 80 is extremely high. In addition, in any of the solders used, the shear strength increases as the bonding temperature for forming the gold bumps increases, and this tendency is particularly observed when the Pb90-Sn solder shown in FIG. 11B is used. It is noticeable. In addition, in the gold bump formed at a bonding temperature of 375 ° C. when using Au-20Sn solder shown in FIG. 11A, there is a slight decrease in shear strength. This is due to bonding during reflow. The cause is considered to be a failure.

以上のことから、パワーデバイスのAl電極は、金バンプとAu−Sn共晶ハンダにより強固に基板に接続することができることが明らかであるといえる。   From the above, it can be said that the Al electrode of the power device can be firmly connected to the substrate by the gold bump and Au—Sn eutectic solder.

(実施例4)
図12及び図13は、図10に示されるせん断テスト後の破断面における各成分のX-ray mappingを示す図である。具体的には、図12は、せん断テスト後のチップ側の破断面を示しており、各マッピング写真はそれぞれ、SEM,Ni,Au,Snを示している。一方、図13は、せん断テスト後の基板側の破断面を示しており、各マッピング写真はそれぞれ、SEM,Ni,Au,Snを示している。なお、せん断テストの条件としては、金バンプのボンディング温度を300℃とし、ハンダ材料としてAu−20Snハンダを使用した。
Example 4
12 and 13 are diagrams showing X-ray mapping of each component on the fracture surface after the shear test shown in FIG. Specifically, FIG. 12 shows a fracture surface on the chip side after the shear test, and each mapping photograph shows SEM, Ni, Au, and Sn, respectively. On the other hand, FIG. 13 shows a fracture surface on the substrate side after the shear test, and each mapping photograph shows SEM, Ni, Au, and Sn, respectively. As the conditions for the shear test, the bonding temperature of the gold bump was set to 300 ° C., and Au-20Sn solder was used as the solder material.

これらの測定結果から考察すると、セラミック配線基板のCu上に拡散バリアとして堆積されるNi成分が、破断面においてはっきりと見受けられた。また、Niは、対応する基板のX-ray mappingにおいても主成分として検出された。したがって、Au−20Snにより接続されたチップは、せん断テスト後において、Au−20Snハンダとチップの接合部分よりも、Au−20Snハンダと基板の接合部分の方が破断されていることが明らかであるといえる。これは、Au−20SnハンダとAlアノード電極の間の接合が極めて強固であることを示している。すなわち、チップとハンダの接合部分の強度が、ハンダと基板の接合部分の強度よりも優れていることがわかる。   Considering these measurement results, the Ni component deposited as a diffusion barrier on Cu of the ceramic wiring substrate was clearly seen on the fracture surface. Ni was also detected as a main component in X-ray mapping of the corresponding substrate. Therefore, it is apparent that the chip connected by Au-20Sn is fractured at the bonding portion between the Au-20Sn solder and the substrate rather than the bonding portion between the Au-20Sn solder and the chip after the shear test. It can be said. This indicates that the bonding between the Au-20Sn solder and the Al anode electrode is extremely strong. That is, it can be seen that the strength of the bonding portion between the chip and the solder is superior to the strength of the bonding portion between the solder and the substrate.

本発明の上記実施形態によれば、ボンディングステージの設定温度の最高温度を上記範囲に設定するので、シリコンカーバイド素子との良好なオーミックコンタクトを図りつつ、高い接合強度をもって金バンプをアルミニウム電極に接合することができる。したがって、SiC材料による高温動作且つ冷却フリー、3次元実装による小型化、上記バンプによる接合強度の向上及び高い電気的接続信頼性を実現可能な半導体装置及びその製造方法を提供することができる。   According to the embodiment of the present invention, since the maximum temperature of the bonding stage is set in the above range, the gold bump is bonded to the aluminum electrode with high bonding strength while achieving good ohmic contact with the silicon carbide element. can do. Therefore, it is possible to provide a semiconductor device capable of realizing high-temperature operation and cooling-free operation using a SiC material, miniaturization by three-dimensional mounting, improvement of bonding strength by the bump and high electrical connection reliability, and a method for manufacturing the same.

(実施例5)
図14(A)〜(C)は、本発明に従ってボンディングしたチップの抵抗値と高温保持時間の依存性を示す図であり、図15は測定に用いた四端子法の概略を示す図である。
(Example 5)
14A to 14C are diagrams showing the dependency of the resistance value of the chip bonded according to the present invention and the high temperature holding time, and FIG. 15 is a diagram showing an outline of the four-terminal method used for the measurement. .

具体的には、SiCチップ100のAl電極101に300℃の温度にてAuバンプ102を形成した後、前記図6(A)に示した温度プロファイルに基づき、Auバンプ102及びAu−20Snハンダペースト103を介して、SiCチップ100とセラミック配線基板104の接合を行った。そして、得られたチップについて、125℃、175℃、200℃において空気中で高温保持実験を行った。実験では、各温度にそれぞれ二つのサンプルチップを用意し、図15に示した四端子法を用いて、一定時間経過毎に抵抗値を計測した。   Specifically, after forming the Au bump 102 on the Al electrode 101 of the SiC chip 100 at a temperature of 300 ° C., the Au bump 102 and the Au-20Sn solder paste are formed based on the temperature profile shown in FIG. The SiC chip 100 and the ceramic wiring substrate 104 were joined via 103. And about the obtained chip | tip, 125 degreeC, 175 degreeC, and 200 degreeC hold | maintained high temperature maintenance experiment in the air. In the experiment, two sample chips were prepared for each temperature, and the resistance value was measured every certain time using the four-terminal method shown in FIG.

その結果を図14(A)〜(C)に示す。それぞれ(A)125℃、(B)175℃、(C)200℃の場合のものである。図から明らかなように、いずれの温度においても、1000時間におよぶ高温保持の間、抵抗値の変化量は11%以下という極めて良好な結果が得られている。また、いずれの温度においても、500時間まででは、抵抗値の変化量はさらに少ないことが分かる。   The results are shown in FIGS. 14 (A) to (C). The cases are (A) 125 ° C., (B) 175 ° C., and (C) 200 ° C., respectively. As is apparent from the figure, at any temperature, a very good result is obtained that the amount of change in the resistance value is 11% or less during the high temperature holding for 1000 hours. Further, it can be seen that the change amount of the resistance value is smaller at any temperature up to 500 hours.

したがって、本発明によれば、良好な高温/抵抗値特性を持つ半導体装置を実現することができる。   Therefore, according to the present invention, a semiconductor device having good high temperature / resistance characteristic can be realized.

本発明の実施形態にかかるバンプ形成工程を説明する図である。It is a figure explaining the bump formation process concerning the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態にかかるバンプ形成工程を説明する図である。It is a figure explaining the bump formation process concerning the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態にかかるバンプ形成工程を説明する図である。It is a figure explaining the bump formation process concerning the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態にかかるハンダ接合工程を説明する図である。It is a figure explaining the solder joining process concerning the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態にかかるハンダ接合工程を説明する図である。It is a figure explaining the solder joining process concerning the embodiment of the present invention. 図6(A)及び図6(B)は、ハンダリフロー工程における温度プロファイルの一例を示すである。6A and 6B show an example of a temperature profile in the solder reflow process. 本発明の実施形態にかかる方法により製造された半導体装置の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the semiconductor device manufactured by the method concerning embodiment of this invention. ボンディング温度及びせん断強度の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between bonding temperature and shear strength. 図9(A)及び図9(B)は、ボンディング温度と、電圧−電流特性又は抵抗の関係を示す図である。9A and 9B are diagrams showing the relationship between the bonding temperature and the voltage-current characteristics or resistance. チップのせん断テストの概略を示す図である。It is a figure which shows the outline of the shear test of a chip | tip. 図11(A)及び図11(B)は、せん断強度とボンディング温度の関係を示すグラフである。FIG. 11A and FIG. 11B are graphs showing the relationship between shear strength and bonding temperature. せん断テスト後のチップ側破断面における各成分の X-ray mappingを示す図である。It is a figure which shows X-ray mapping of each component in the chip side fracture surface after a shear test. せん断テスト後の基板側破断面における各成分のX-ray mappingを示す図である。It is a figure which shows X-ray mapping of each component in the board | substrate side fracture surface after a shear test. 図14(A)〜(C)は、ボンディングされたチップの抵抗値と高温保持時間の依存性を示す図である。14A to 14C are diagrams showing the dependency of the resistance value of the bonded chip and the high temperature holding time. 試料の順方向電流−電圧曲線及び抵抗値の測定に用いた四端子法について説明する図である。It is a figure explaining the four-terminal method used for the measurement of the forward direction current-voltage curve and resistance value of a sample.

符号の説明Explanation of symbols

10 シリコンカーバイド素子(SiC素子)
12 第1電極
14 第2電極
20 金ワイヤ
21 ネック部
22 金ボール
24 ボンディングツール
26 金バンプ
30 ボンディングステージ
40,44 セラミックス配線基板
42,46 配線層
50,52 ハンダ材料
60,62,64 SiC素子
70 セラミックス配線基板
80 セラミックス配線基板
81 Al電極
82 金バンプ
84 SiCチップ
86 ハンダ材料
88 せん断ツール
90 サンプル
100 SiCチップ
101 Al電極
102 Auバンプ
103 Au−20Snハンダペースト
104 セラミック配線基板
110 半導体モジュール
10 Silicon carbide element (SiC element)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 12 1st electrode 14 2nd electrode 20 Gold wire 21 Neck part 22 Gold ball 24 Bonding tool 26 Gold bump 30 Bonding stage 40,44 Ceramic wiring board 42,46 Wiring layer 50,52 Solder material 60,62,64 SiC element 70 Ceramic wiring board 80 Ceramic wiring board 81 Al electrode 82 Gold bump 84 SiC chip 86 Solder material 88 Shear tool 90 Sample 100 SiC chip 101 Al electrode 102 Au bump 103 Au-20Sn solder paste 104 Ceramic wiring board 110 Semiconductor module

Claims (11)

シリコンカーバイド素子のアルミニウム電極に、ボンディングステージの設定温度範囲を100℃以上460℃以下にして、ボールバンプ法により複数の金バンプを形成する工程と、前記複数の金バンプと金バンプ間の前記アルミニウム電極を被覆するようにハンダ材料を設ける工程と、前記ハンダ材料をリフローする工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 A step of forming a plurality of gold bumps by a ball bump method on a silicon carbide element aluminum electrode with a bonding stage set temperature range of 100 ° C. to 460 ° C., and the aluminum between the gold bumps and the gold bumps A method of manufacturing a semiconductor device , comprising: a step of providing a solder material so as to cover an electrode; and a step of reflowing the solder material . 請求項記載の半導体装置の製造方法において、
前記ハンダ材料がAu−Sn系である半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 1 ,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the solder material is Au-Sn.
請求項記載の半導体装置の製造方法において、
前記Au−Sn系のSn含有率が20wt%である半導体装置の製造方法。
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 2 .
The manufacturing method of the semiconductor device whose Sn content rate of the said Au-Sn type | system | group is 20 wt% .
請求項から請求項のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記リフロー工程において、前記ハンダ材料をリフローすることによって、前記シリコンカーバイド素子を、前記金バンプ及び前記ハンダ材料を介して、セラミックス配線基板に電気的に接続する半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device in any one of Claims 1-3 ,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein, in the reflow step, the silicon carbide element is electrically connected to a ceramic wiring substrate through the gold bump and the solder material by reflowing the solder material.
請求項1から請求項のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記金バンプの形成工程前に、前記アルミニウム電極をプラズマ洗浄する工程をさらに含む半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device in any one of Claims 1-4 ,
A method for manufacturing a semiconductor device, further comprising a step of plasma cleaning the aluminum electrode before the gold bump formation step.
請求項1から請求項のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記シリコンカーバイド素子は、パワーエレクトロニクス用集積回路を備える半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device in any one of Claims 1-5 ,
The silicon carbide element is a method for manufacturing a semiconductor device including an integrated circuit for power electronics.
請求項1から請求項のいずれかに記載の方法により製造された半導体装置。 The semiconductor device manufactured by the method according to any one of claims 1 to 6. アルミニウム電極を有するシリコンカーバイド素子と、
前記シリコンカーバイド素子の前記アルミニウム電極上に形成された複数の金バンプと、
前記シリコンカーバイド素子における前記複数の金バンプと金バンプ間の前記アルミニウム電極を被覆するように設けられたハンダ材料と、
前記金バンプ及び前記ハンダ材料を介して、前記シリコンカーバイド素子に電気的に接続されたセラミックス配線基板と、
を備え、
前記金バンプの少なくとも1つのせん断強度が、58.4MPa以上140.8MPa以下である半導体装置。
A silicon carbide element having an aluminum electrode;
A plurality of gold bumps formed on the aluminum electrode of the silicon carbide element;
A solder material provided to cover the aluminum electrodes between the plurality of gold bumps and the gold bumps in the silicon carbide element;
A ceramic wiring board electrically connected to the silicon carbide element through the gold bump and the solder material;
With
A semiconductor device in which at least one of the gold bumps has a shear strength of 58.4 MPa or more and 140.8 MPa or less.
請求項記載の半導体装置において、
前記ハンダ材料がAu−Sn系である半導体装置。
The semiconductor device according to claim 8 .
A semiconductor device in which the solder material is Au-Sn.
請求項記載の半導体装置において、
前記Au−Sn系のSn含有率が20wt%である半導体装置。
The semiconductor device according to claim 9 .
A semiconductor device in which the Au-Sn Sn content is 20 wt% .
請求項から請求項10のいずれかに記載の半導体装置において、
前記シリコンカーバイド素子がパワーエレクトロニクス用集積回路を備えている半導体装置。
The semiconductor device according to any one of claims 8 to 10 ,
A semiconductor device in which the silicon carbide element includes an integrated circuit for power electronics.
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