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技術 半導体装置およびその製造方法

出願人 株式会社デンソー
発明者 杉浦和彦岩重朝仁河合潤
出願日 2016年9月15日 (4年3ヶ月経過) 出願番号 2016-180612
公開日 2018年3月22日 (2年9ヶ月経過) 公開番号 2018-046186
状態 特許登録済
技術分野 ダイボンディング
主要キーワード 接続部材近傍 被実装部材 メッシュシート 半導体装置毎 MOSFET素子 ペースト材料 接続強度 IGBT素子
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2018年3月22日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (7)

課題

半導体装置破壊されることを抑制する。

解決手段

半導体素子1と被実装部材6との積層方向に貫通する孔部4bが形成された型部4と、孔部4bに配置されたAg焼結体5とを有する接続部材3とする。これによれば、Ag焼結体5の内部に空隙7が形成されたとしても、隣接する孔部4bに形成された空隙7が互いに連通してしまうことが型部4によって抑制される。このため、接続部材3の強度が低下することを抑制でき、半導体装置が破壊されることを抑制できる。

概要

背景

従来より、この種の半導体装置として、次のものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。すなわち、この半導体装置では、半導体素子は、一面および他面を有すると共に少なくとも他面側に電極を有するものが用いられる。また、被実装部材は、導電性部材であるリードフレーム等が用いられる。そして、半導体素子は、他面側の電極が被実装部材と対向するように配置されると共に電極が被実装部材と電気的に接続されるように、接続部材としてのAg焼結体を介して被実装部材上に搭載されている。

このような半導体装置は、例えば、次のように製造される。すなわち、被実装部材上にAg粒子を含むペースト材料を配置し、ペースト材料上に、電極が被実装部材と対向するように半導体素子を搭載する。そして、ペースト材料を焼結してAg焼結体を構成することにより、上記半導体装置が製造される。

概要

半導体装置が破壊されることを抑制する。半導体素子1と被実装部材6との積層方向に貫通する孔部4bが形成された型部4と、孔部4bに配置されたAg焼結体5とを有する接続部材3とする。これによれば、Ag焼結体5の内部に空隙7が形成されたとしても、隣接する孔部4bに形成された空隙7が互いに連通してしまうことが型部4によって抑制される。このため、接続部材3の強度が低下することを抑制でき、半導体装置が破壊されることを抑制できる。

目的

本発明は上記点に鑑み、破壊されることを抑制できる半導体装置およびその製造方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

半導体素子(1)が接続部材(3)を介して被実装部材(6)に搭載された半導体装置において、一面(1a)および前記一面と反対側の他面(1b)を有し、前記他面側に電極(2)が形成された前記半導体素子と、前記電極と対向して配置され、導電性を有する前記被実装部材と、前記半導体素子と前記被実装部材との間に配置され、前記半導体素子と前記被実装部材とを電気的および機械的に接続する前記接続部材と、を備え、前記接続部材は、前記半導体素子と前記被実装部材との積層方向に貫通する複数の孔部(4b)が形成された型部(4)と、前記複数の孔部にそれぞれ配置されたAg焼結体(5)とを有し、前記半導体素子と前記被実装部材とは、前記Ag焼結体を介して機械的に接続されている半導体装置。

請求項2

前記型部は、金属板(4a)に前記複数の孔部が形成されることで構成されている請求項1に記載の半導体装置。

請求項3

前記型部は、金属製の複数の細線(9)が網目状に編み込まれたメッシュシートで構成されている請求項1に記載の半導体装置。

請求項4

一面(1a)および前記一面と反対側の他面(1b)を有し、前記他面側に電極(2)が形成された半導体素子(1)と、前記電極と対向して配置され、導電性を有する被実装部材(6)と、前記半導体素子と前記被実装部材との間に配置され、前記半導体素子と前記被実装部材とを電気的および機械的に接続する接続部材(3)と、を備え、前記接続部材は、前記半導体素子と前記被実装部材との積層方向に貫通する複数の孔部(4b)が形成された型部(4)と、前記複数の孔部にそれぞれ配置されたAg焼結体(5)とを有し、前記半導体素子と前記被実装部材とは、前記Ag焼結体を介して機械的に接続されている半導体装置の製造方法において、前記型部を用意し、前記型部の前記複数の孔部にAg粉末を含むペースト材料(5a)を充填して接続部材用シート(8)を用意することと、前記半導体素子の電極と前記被実装部材とが対向するように、前記被実装部材上に前記接続部材用シートを介して前記半導体素子を搭載することと、加熱することにより、前記ペースト材料から前記Ag焼結体を構成し、前記半導体素子と前記被実装部材とを機械的に接続することと、を行う半導体装置の製造方法。

請求項5

前記接続部材用シートを用意することでは、前記型部として、前記複数の孔部のそれぞれに、内部に気泡を残存させることなく前記ペースト材料が充填されるものを用意する請求項4に記載の半導体装置の製造方法。

請求項6

前記接続部材用シートを用意することでは、前記型部として、前記ペースト材料から前記Ag焼結体を構成することにおいて、隣接する前記孔部の間に位置する部分が残存した状態で前記Ag焼結体が構成されるものを用意する請求項4または5に記載の半導体装置の製造方法。

技術分野

0001

本発明は、半導体素子接続部材を介して被実装部材に搭載されて構成される半導体装置およびその製造方法に関するものである。

背景技術

0002

従来より、この種の半導体装置として、次のものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。すなわち、この半導体装置では、半導体素子は、一面および他面を有すると共に少なくとも他面側に電極を有するものが用いられる。また、被実装部材は、導電性部材であるリードフレーム等が用いられる。そして、半導体素子は、他面側の電極が被実装部材と対向するように配置されると共に電極が被実装部材と電気的に接続されるように、接続部材としてのAg焼結体を介して被実装部材上に搭載されている。

0003

このような半導体装置は、例えば、次のように製造される。すなわち、被実装部材上にAg粒子を含むペースト材料を配置し、ペースト材料上に、電極が被実装部材と対向するように半導体素子を搭載する。そして、ペースト材料を焼結してAg焼結体を構成することにより、上記半導体装置が製造される。

先行技術

0004

特開2010−171271号公報

発明が解決しようとする課題

0005

しかしながら、Ag焼結体は、焼結されて構成される際、内部に空隙が形成される。そして、この空隙が被実装部材の平面方向に連なって広がってしまうと、Ag焼結体の接続強度が低下し、Ag焼結体が破壊されてしまうことがある。すなわち、半導体装置が破壊されてしまうことがある。

0006

本発明は上記点に鑑み、破壊されることを抑制できる半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0007

上記目的を達成するための請求項1では、半導体素子(1)が接続部材(3)を介して被実装部材(6)に搭載された半導体装置において、一面(1a)および一面と反対側の他面(1b)を有し、他面側に電極(2)が形成された半導体素子と、電極と対向して配置され、導電性を有する被実装部材と、半導体素子と被実装部材との間に配置され、半導体素子と被実装部材とを電気的および機械的に接続する接続部材と、を備え、接続部材は、半導体素子と被実装部材との積層方向に貫通する複数の孔部(4b)が形成された型部(4)と、複数の孔部にそれぞれ配置されたAg焼結体(5)とを有し、半導体素子と被実装部材とは、Ag焼結体を介して機械的に接続されるようにしている。

0008

これによれば、孔部に配置されたAg焼結体の内部に空隙が形成されたとしても、隣接する孔部に形成された空隙が互いに連通してしまうことが型部によって抑制される。このため、被実装部材の平面方向に沿って空隙が広がることを抑制できる。したがって、接続部材の強度が低下することを抑制でき、半導体装置が破壊されることを抑制できる。

0009

また、請求項4は、請求項1ないし3のいずれか1つの製造方法に関するものであり、型部を用意し、型部の複数の孔部にAg粉末を含むペースト材料(5a)を充填して接続部材用シート(8)を用意することと、半導体素子の電極と被実装部材とが対向するように、被実装部材上に接続部材用シートを介して半導体素子を搭載することと、加熱することにより、ペースト材料からAg焼結体を構成し、半導体素子と被実装部材とを機械的に接続することと、を行うものである。

0010

これによれば、Ag焼結体を構成する際に当該Ag焼結体の内部に空隙が形成されたとしても、隣接する孔部に形成された空隙が互いに連通してしまうことが型部によって抑制される。このため、被実装部材の平面方向に沿って空隙が広がることを抑制した半導体装置を製造することができる。つまり、接続部材の強度が低下することを抑制することで破壊されることを抑制した半導体装置を製造できる。

0011

なお、上記および特許請求の範囲における括弧内の符号は、特許請求の範囲に記載された用語と後述の実施形態に記載される当該用語を例示する具体物等との対応関係を示すものである。

図面の簡単な説明

0012

第1実施形態における半導体装置を示す断面図である。
図1に示す接続部材の平面図である。
図1に示す半導体装置の製造工程を示す断面図である。
接続部材をAg焼結体のみで構成した場合の接続部材近傍の断面図である。
図3(d)の接続部材近傍の拡大図である。
第2実施形態における型部を示す平面図である。

実施例

0013

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

0014

(第1実施形態)
第1実施形態について図面を参照しつつ説明する。本実施形態の半導体装置は、図1に示されるように、半導体素子1が接続部材3を介して被実装部材6に搭載されて構成されている。

0015

半導体素子1は、一面1aおよび一面1aと反対側の他面1bを有し、他面1b側に電極2を有するものが用いられる。例えば、半導体素子1は、一面1a側に図示しないエミッタ電極ゲート電極等を有し、他面1b側に電極2としてのコレクタ電極を有するIGBT素子等が用いられる。なお、半導体素子1は、これに限定されるものではなく、例えば、MOSFET素子等であってもよい。

0016

接続部材3は、型部4と、Ag(すなわち、銀)を主成分とするAg焼結体5とを有する構成とされている。具体的には、図2に示されるように、型部4は、本実施形態では、金属板4aに、当該金属板4aを厚さ方向に貫通する複数の孔部4bが形成されることで構成されている。なお、金属板4aの厚さ方向とは、言い換えると、半導体素子1と被実装部材6との積層方向のことである。

0017

金属板4aは、導電性を有する材料であってAgとの濡れ性の高い材料であり、かつAgと反応しない、またはAgと反応して安定した合金を形成する材料を用いて構成され、例えば、Au、Al、W、Mo、Ag等で構成されるものが用いられる。孔部4bは、本実施形態では、円筒状とされているが、形状は特に限定されるものではなく、四角柱状であってもよいし、三角柱であってもよい。また、孔部4bは、実際には、図1および図2よりも多数形成されており、例えば、80〜300mesh/inchとなるように金属板4aに形成されている。

0018

そして、金属板4aに形成された各孔部4bにAg焼結体5が配置されている。なお、図1に示されるように、Ag焼結体5内には、空隙7が形成されている。但し、各孔部4bに配置されたAg焼結体5の空隙7は、互いに連通していない。

0019

被実装部材6は、導電性部材が採用され、例えば、リードフレームで構成される。そして、半導体素子1は、電極2(すなわち、他面1b側)が被実装部材6と対向するように配置され、接続部材3を介して電極2が被実装部材6と電気的に接続されていると共に、Ag焼結体5を介して被実装部材6と機械的に接続されている。

0020

また、半導体素子1の電極2と被実装部材6との間の長さは、型部4によって規定されている。言い換えると、半導体素子1の電極2と被実装部材6との間の長さは、型部4の厚さ(すなわち、金属板4aの厚さ)で規定されている。

0021

以上が本実施形態における半導体装置の構成である。次に、上記半導体装置の製造方法について説明する。

0022

まず、図3(a)に示されるように、金属板4aを用意し、金属板4aにレーザ等によって複数の孔部4bを形成することで型部4を用意する。なお、金属板4aは、後述する図3(b)の工程において、孔部4bにペースト材料5aを充填する際、気泡を残存させずにペースト材料5aが孔部4bに充填されるように、Agとの濡れ性が高い材料が採用される。また、金属板4aは、後述する図3(d)の工程において、隣接する孔部4bの間に位置する部分が残存するように、Agと反応しない、またはAgと反応して安定した合金を形成する材料で構成されたものが用いられる。本実施形態では、これらの条件を満たす金属板4aとして、例えば、Au、Al、W、Mo、Ag等で構成されたものが用いられる。

0023

そして、図3(b)に示されるように、孔部4bに、加熱されることでAg焼結体5を構成するペースト材料5aを充填することにより、接続部材用シート8を用意する。例えば、ペースト材料5aとしては、アルコールエチレングリコール等の溶剤に直径が数μm程度のAg粉末が混入されたものが用いられる。また、孔部4bにペースト材料5aを充填させる方法としては、マスクスキージ等を用いた印刷法や、ペースト材料5aで満たした容器内に型部4を浸漬させることで孔部4bに当該ペースト材料5aを充填する方法等が採用される。なお、この工程では、必要に応じ、仮焼成等を行ってもよいし、金属板4aの表面および裏面に付着したペースト材料5aを除去するための研磨等を行ってもよい。

0024

次に、図3(a)および(b)とは別工程において、上記半導体素子1および被実装部材6を用意する。そして、図3(c)に示されるように、半導体素子1の他面1b側に形成された電極2が被実装部材6と対向するように、被実装部材6上に接続部材用シート8を介して半導体素子1を搭載する。

0025

その後、図3(d)に示されるように、図3(c)の工程まで行ったものを加熱し、ペースト材料5aを焼結させてAg焼結体5を形成する。そして、半導体素子1と被実装部材6とをAg焼結体5を介して電気的、機械的に接続することにより、図1に示す半導体装置が製造される。

0026

ここで、本実施形態のAg焼結体5の内部の状態について、接続部材3をAg焼結体5のみで構成した図4と比較しつつ説明する。なお、接続部材3をAg焼結体5のみで構成した場合のその他の部分の構造は、図1と同様である。

0027

図4に示されるように、Ag粉末は、拡散しつつ粒成長するため、拡散の終端位置に密集し易い。すなわち、接続部材3をAg焼結体5のみで構成する場合、電極2近傍と、被実装部材6近傍の部分にAg粉末が密集し易く、電極2と被実装部材6との間の中間部分に空隙7が発生し易くなる。そして、この空隙7が被実装部材6の平面方向に沿って繋がってしまうと、当該部分の接続強度が非常に低くなる。つまり、当該部分から破壊されてしまう可能性が高くなる。

0028

これに対し、本実施形態では、型部4(すなわち、金属板4a)を備えている。このため、Ag焼結体5を構成する場合、図5に示されるように、孔部4b内において空隙7が発生するものの、隣接する孔部4b内に発生した空隙7が互いに連通することが型部4によって抑制される。つまり、空隙7が被実装部材6の平面方向に沿って繋がってしまうことが抑制される。したがって、接続強度が低下することを抑制できる。

0029

以上説明したように、本実施形態では、接続部材3は、孔部4bが形成された型部4と、孔部4bに配置されたAg焼結体5とで構成されている。このため、孔部4bに配置されたAg焼結体5の内部に空隙7が形成されたとしても、隣接する孔部4bに形成された空隙7が互いに連通することが型部4によって抑制される。つまり、被実装部材6の平面方向に沿って空隙7が広がることを抑制できる。したがって、接続部材3の強度が低下することを抑制でき、半導体装置が破壊されることを抑制できる。

0030

また、接続部材3は、型部4を有している。そして、半導体素子1と被実装部材6との間の長さは、型部4の厚さによって規定される。このため、半導体素子1が被実装部材6に対して傾くことを抑制できる。さらに、半導体素子1と被実装部材6との間の長さが型部4の厚さによって規定されるため、半導体素子1と被実装部材6との間の長さが半導体装置毎ばらつくことを抑制できる。

0031

また、型部4は、Agとの濡れ性が高い材料で構成されている。このため、孔部4bにペースト材料5aが充填されないことを抑制できる。また、型部4は、Agと反応しない、またはAgと反応して安定した合金を形成する材料で構成されている。このため、型部4のうちの隣接する孔部4bの間に位置する部分が消滅し、隣接する孔部4bの空隙7が互いに連通してしまうことを抑制できる。

0032

(第2実施形態)
第2実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対して、型部4の構成を変更したものであり、その他に関しては第1実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。

0033

本実施形態では、図6に示されるように、型部4は、金属製の複数の細線9が網目状に編み込まれたメッシュシートで構成されている。言い換えると、型部4は、複数の細線9が格子状に編み込まれたメッシュシートで構成されている。そして、本実施形態では、細線9で囲まれる部分が孔部4bとして機能するようになっている。

0034

なお、細線9は、上記金属板4aと同様に、導電性を有する材料であってAgとの濡れ性が高い材料であり、かつAgと反応しない、またはAgと反応して安定した合金を形成する材料を用いて構成される。

0035

このように、型部4をメッシュシートで構成しても、孔部4bにAg焼結体5が配置されるようにすることにより、上記第1実施形態と同様の効果を得ることができる。

0036

(他の実施形態)
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

0037

例えば、上記第1実施形態において、金属板4aに、Agとの濡れ性が高い材料であって、かつAgと反応しない、またはAgと反応して安定した合金を形成するメッキ膜を形成してもよい。この場合、金属板4aのうちのメッキ膜で被覆される部分は、Agとの濡れ性が低い材料で構成されていてもよいし、Agと反応して不安定な合金を形成する材料で構成されていてもよい。同様に、上記第2実施形態において、細線9に、Agとの濡れ性の高い材料であって、かつAgと反応しない、またはAgと反応して安定した合金を形成するメッキ膜を形成してもよい。この場合、細線9のうちのメッキ膜で被覆される部分は、Agとの濡れ性の低い材料で構成されていてもよいし、Agと反応して不安定な合金を形成する材料で構成されていてもよい。

0038

1半導体素子
2電極
3接続部材
4 型部
4b 孔部
5 Ag焼結体

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