JP5865240B2 - Semiconductor device having a plurality of semiconductor elements - Google Patents
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Description
本発明は、複数の半導体素子が焼結金属で接合された半導体モジュール及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor module in which a plurality of semiconductor elements are joined with sintered metal and a method for manufacturing the same.
インバータ等に用いられる半導体装置では、配線層が設けられた絶縁基板に半導体素子が搭載される。この半導体素子と配線層とを接合する際にはSn-Pb系はんだ付け材料などが用いられていた。しかし、近年半導体装置の小型化・高密度化の要求から、配線層や接合層には数アンペア以上の電流が流れ、特にスイッチングする半導体素子では大きな発熱が生じる。そこで、従来のSn-Pb系はんだ付け材料よりもより放熱性の良い材料や接合信頼性を向上させる材料が求められていた。 In a semiconductor device used for an inverter or the like, a semiconductor element is mounted on an insulating substrate provided with a wiring layer. An Sn—Pb soldering material or the like has been used when joining the semiconductor element and the wiring layer. However, in recent years, due to demands for miniaturization and higher density of semiconductor devices, a current of several amperes or more flows in the wiring layer and the junction layer, and particularly heat generation occurs in a semiconductor element that is switched. Therefore, there has been a demand for a material with better heat dissipation and a material that improves the bonding reliability than conventional Sn—Pb soldering materials.
一方で、高い発熱と信頼性を有する材料として、粒子状金属化合物を含む導電性組成物を用いた接合材料が知られている。特に、金属粒子の粒径が１００ｎｍ以下のサイズまで小さくした金属ナノ粒子では、構成原子数が少なくなり粒子の体積に対する表面積比が急激に増大し、融点や焼結温度がバルクの状態と比較して大幅に低下することが知られている。この低温焼結機能を利用して、有機物で表面が被覆された平均粒径１００ｎｍ以下の金属粒子を接合材料として用いて、加熱により有機物を分解させて当該金属粒子同士を焼結させる接合方法が、特許文献１に開示されている。 On the other hand, as a material having high heat generation and reliability, a bonding material using a conductive composition containing a particulate metal compound is known. In particular, in the case of metal nanoparticles in which the particle size of the metal particles is reduced to a size of 100 nm or less, the number of constituent atoms decreases, the surface area ratio to the volume of the particles increases rapidly, and the melting point and sintering temperature are compared with the bulk state. It is known that it is greatly reduced. Using this low-temperature sintering function, there is a bonding method in which metal particles having an average particle size of 100 nm or less whose surface is coated with an organic material are used as a bonding material, and the organic particles are decomposed by heating to sinter the metal particles. Patent Document 1 discloses this.
また、特許文献２には複数の半導体素子が搭載され、半導体素子のそれぞれの上面部にヒートスプレッダを有しており、さらにそれぞれの接続部に金属ナノペーストを配置して加熱することによって、放熱性を向上させた半導体装置が開示されている。 Further, Patent Document 2 has a plurality of semiconductor elements mounted thereon, each of which has a heat spreader on the upper surface portion thereof, and further heat dissipating by arranging and heating a metal nano paste on each connection portion. A semiconductor device with improved resistance is disclosed.
しかし、特許文献２に記載の半導体装置では、加熱のみによって焼結層を形成しているので、各接合層の接合強度が十分でない可能性がある。一方で、接合層の強度を向上させるためには、半導体チップを加圧しながら加熱することによって接合層を緻密化することが可能であるが、複数の半導体素子を同時に加圧する場合、素子毎で厚さが異なることに起因して、一方の半導体素子は加圧が十分であるが、他方の半導体素子は加圧が不十分となる可能性がある。 However, in the semiconductor device described in Patent Document 2, since the sintered layer is formed only by heating, the bonding strength of each bonding layer may not be sufficient. On the other hand, in order to improve the strength of the bonding layer, it is possible to densify the bonding layer by heating while pressing the semiconductor chip. Due to the difference in thickness, one semiconductor element may be sufficiently pressurized, but the other semiconductor element may be insufficiently pressurized.
そこで本発明の目的は上記課題に鑑み、厚さの異なる複数の半導体素子を同時に加熱・加圧した場合であったとしても、各半導体素子間の加圧のむらを低減し、それぞれの半導体素子で十分な接合強度を確保した半導体装置を提供することにある。 Accordingly, in view of the above problems, the object of the present invention is to reduce uneven pressure between semiconductor elements even when a plurality of semiconductor elements having different thicknesses are heated and pressurized at the same time. An object of the present invention is to provide a semiconductor device that ensures sufficient bonding strength.
本発明にかかる半導体装置は、第一の半導体素子と、第一の半導体素子よりも薄い第二の半導体素子と、前記第一の半導体素子と前記第二の半導体素子を搭載する配線回路を有する絶縁基板と、前記第一の半導体素子における前記配線回路が配置される面とは反対側の面で第一の焼結層を介して接続される第一の金属体と、前記第二の半導体素子における前記配線回路が配置される面とは反対側の面で第二の焼結層を介して接続される第二の金属体とを有し、前記第二の金属体は前記第一の金属体よりも厚く、さらに前記第二の金属体の密度は前記第一の金属体よりも密度が高いことを特徴とする。 A semiconductor device according to the present invention includes a first semiconductor element, a second semiconductor element thinner than the first semiconductor element, and a wiring circuit on which the first semiconductor element and the second semiconductor element are mounted. An insulating substrate; a first metal body connected via a first sintered layer on a surface opposite to a surface on which the wiring circuit of the first semiconductor element is disposed; and the second semiconductor A second metal body connected via a second sintered layer on a surface opposite to a surface on which the wiring circuit is disposed in the element, and the second metal body is the first metal body It is thicker than the metal body, and the density of the second metal body is higher than that of the first metal body.
本発明の半導体装置を用いることによって、厚さの異なる複数の半導体素子を同時に加熱・加圧した場合であったとしても、各半導体素子間の加圧のむらを低減し、それぞれの半導体素子で十分な接合強度を確保した半導体装置を提供することが可能になる。 By using the semiconductor device of the present invention, even when a plurality of semiconductor elements having different thicknesses are heated and pressurized at the same time, the uneven pressure applied between the semiconductor elements is reduced, and each semiconductor element is sufficient. It is possible to provide a semiconductor device that ensures a sufficient bonding strength.
《第一の実施形態》
以下、本発明について具体的に説明する。まず図１を用いて、簡単に本発明に係る半導体装置１５０について説明する。
First embodiment
Hereinafter, the present invention will be specifically described. First, a semiconductor device 150 according to the present invention will be briefly described with reference to FIG.
図１（ａ）は半導体装置１５０の分解斜視図である。放熱板１１５上に絶縁基板１４０が搭載されている。この絶縁基板１４０の上には配線層１３０（１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ）が形成されており、当該配線層１３０ｂ上にダイオード１１０とＩＧＢＴ１２０とが搭載されている。ＩＧＢＴ１２０のゲート電極（不図示）はエミッタ電極（不図示）と同一面に形成され、当該ゲート電極は配線層１３０ａとワイヤボンディングで接続されている。 FIG. 1A is an exploded perspective view of the semiconductor device 150. An insulating substrate 140 is mounted on the heat sink 115. A wiring layer 130 (130a, 130b, 130c) is formed on the insulating substrate 140, and the diode 110 and the IGBT 120 are mounted on the wiring layer 130b. The gate electrode (not shown) of the IGBT 120 is formed on the same surface as the emitter electrode (not shown), and the gate electrode is connected to the wiring layer 130a by wire bonding.
一方、ＩＧＢＴ１２０のエミッタ電極には金属体１７０が配置されており、その上面にバスバー１２２が配置され、当該バスバー１２２の一端は配線層１３０ｃと接続される構成となっている。 On the other hand, a metal body 170 is disposed on the emitter electrode of the IGBT 120, a bus bar 122 is disposed on the upper surface thereof, and one end of the bus bar 122 is connected to the wiring layer 130c.
また、ダイオード１１０のアノード電極側には金属体１６０が配置されている。 A metal body 160 is disposed on the anode electrode side of the diode 110.
図１（ｂ）は図１（ａ）をＡ−Ａ断面を表す図である。絶縁基板１４０の一方の面には配線層１３０（１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ）が設けられており、他方の面には裏面配線層１３１が設けられている。裏面配線層１３１は銀ペーストや焼結金属で構成された接続層１１４を介して放熱板１１５と接続される。この放熱板は銅などの熱伝導性の良い部材で構成されている。 FIG.1 (b) is a figure showing AA cross section to Fig.1 (a). A wiring layer 130 (130a, 130b, 130c) is provided on one surface of the insulating substrate 140, and a back wiring layer 131 is provided on the other surface. The back wiring layer 131 is connected to the heat sink 115 via a connection layer 114 made of silver paste or sintered metal. The heat radiating plate is made of a member having good thermal conductivity such as copper.
一方、配線層１３０ｂとダイオード１１０のカソード電極側は焼結金属からなる接続層１１１を介して接続され、配線層１３０ｂとＩＧＢＴ１２０のコレクタ電極側は焼結金属から構成される接続層１２１と接続される。この部分の詳細については、後の説明で詳細に説明する。 On the other hand, the wiring layer 130b and the cathode electrode side of the diode 110 are connected via the connection layer 111 made of sintered metal, and the wiring layer 130b and the collector electrode side of the IGBT 120 are connected to the connection layer 121 made of sintered metal. The Details of this portion will be described in detail later.
また、ダイオード１１０のアノード電極側及び、ＩＧＢＴ１２０のコレクタ電極側はそれぞれ接続層１１６、接続層１１７を介して、それぞれ金属体１６０、１７０に接続されている。さらに、金属体１６０、１７０の半導体素子と接続される側と反対の面は、それぞれ接続層１６１、１７１を介してバスバー１２２と接続されている。また、当該バスバー１２２のダイオード１１０及びＩＧＢＴ１２０が接続される側とは反対側は配線層１３０ｃと接続層１１２を介して接続されている。 The anode electrode side of the diode 110 and the collector electrode side of the IGBT 120 are connected to the metal bodies 160 and 170 via the connection layer 116 and the connection layer 117, respectively. Furthermore, the surface of the metal bodies 160 and 170 opposite to the side connected to the semiconductor element is connected to the bus bar 122 via connection layers 161 and 171, respectively. Further, the side of the bus bar 122 opposite to the side where the diode 110 and the IGBT 120 are connected is connected to the wiring layer 130 c via the connection layer 112.
続いて、図１（ａ）及び（ｂ）を用いて本発明の特徴となる部分についてより詳細に説明をする。接続層１１１、１１２には放熱性の良い焼結金属材料を用いる。焼結金属材料を用いる場合には、半導体素子と配線層１３０との接合強度を向上させるため半導体素子を加圧しながら焼結を行なう。 Next, the parts that characterize the present invention will be described in more detail with reference to FIGS. For the connection layers 111 and 112, a sintered metal material having good heat dissipation is used. When a sintered metal material is used, sintering is performed while pressurizing the semiconductor element in order to improve the bonding strength between the semiconductor element and the wiring layer 130.
また、ダイオード１１０の厚さＴ１とＩＧＢＴ１２０の厚さＴ２では、一般的にダイオードの厚さＴ１の方が厚く構成されている。従って、図１（ａ）のように接続層２１１を同様の材料で構成して、ダイオード１１０とＩＧＢＴ１２０を一括で配線層１３０に接続させようとするとＴ１とＴ２の差分分の隙間が生じてしまい、ＩＧＢＴ１２０が十分加圧されなくなってしまう。そうすると、ＩＧＢＴ１２０の接続層１２１の接合強度を向上させることができないという課題が発生する。 In addition, the thickness T1 of the diode 110 and the thickness T2 of the IGBT 120 are generally configured such that the diode thickness T1 is thicker. Therefore, if the connection layer 211 is made of the same material as shown in FIG. 1A and the diode 110 and the IGBT 120 are connected to the wiring layer 130 at once, a gap corresponding to the difference between T1 and T2 is generated. The IGBT 120 is not sufficiently pressurized. If it does so, the subject that the joint strength of the connection layer 121 of IGBT120 cannot be improved will generate | occur | produce.
そこで、本発明では、厚さの異なる金属体１６０、１７０をスペーサーとして用いることによって、金属体（１６０、１７０）と半導体素子（１１０、１２０）を一括で加圧して接合することによって、加圧むらを無くしそれぞれの半導体素子（１１０、１２０）の接合強度を向上させた半導体装置を提供することが可能となる。 Therefore, in the present invention, the metal bodies 160 and 170 having different thicknesses are used as the spacers, and the metal bodies (160 and 170) and the semiconductor elements (110 and 120) are pressurized and bonded together to thereby apply pressure. It is possible to provide a semiconductor device in which unevenness is eliminated and the bonding strength of each semiconductor element (110, 120) is improved.
図１（ｂ）のＢ部（点線部分）を拡大したものが図２である。上述したように、ダイオード１１０の厚さＴ１とＩＧＢＴ１２０の厚さＴ２では、ダイオードの厚さＴ１の方が厚く構成されている。従って、厚さの薄いＩＧＢＴ１２０側の上面に配置する金属体１７０の厚さを金属体１６０の厚さよりも厚いものを用いる構成となっている。つまり、金属体１７０の厚さＴ４＞金属体１６０の厚さＴ５となっている。 FIG. 2 is an enlarged view of portion B (dotted line portion) in FIG. As described above, the thickness T1 of the diode 110 and the thickness T2 of the IGBT 120 are configured such that the thickness T1 of the diode is thicker. Accordingly, the metal body 170 disposed on the upper surface on the thin IGBT 120 side is thicker than the metal body 160. That is, the thickness T4 of the metal body 170> the thickness T5 of the metal body 160.
また、このとき金属体１６０、１７０に通常の金属板を用いた場合には、焼結金属がはんだと比較して少しの高さの差で加圧むらが生じやすいことから、十分に加圧むらを無くすことが出来ない恐れがある。そこで、金属体１６０、１７０は空隙を有する金属体する。ここで言う空隙を有する金属体とは、発泡金属や所定の空隙を有する焼結金属体の塊を指す。 In addition, when a normal metal plate is used for the metal bodies 160 and 170 at this time, since the sintered metal is likely to cause uneven pressure with a slight difference in height compared to the solder, sufficient pressure is applied. There is a risk that unevenness cannot be eliminated. Therefore, the metal bodies 160 and 170 are metal bodies having voids. The metal body which has a space | gap here refers to the lump of the sintered metal body which has a metal foam and predetermined | prescribed space | gap.
金属体１６０、１７０を共に空隙を有する金属体で構成することによって、仮に焼結前の時点で金属体１６０の上面と金属体１７０の上面に差があったとしても、加圧・焼結時に高さが高い方の金属体の空隙が潰されて両方の金属体の高さが同一になったとき、それぞれの半導体素子（１１０、１２０）に均一に圧力がかかるようになる。従って、複数の半導体素子を均一に加圧することが可能となり、加圧むらがなくなり、十分な接合強度を確保した半導体装置の提供が可能となる。 By configuring both the metal bodies 160 and 170 with gaps, even if there is a difference between the upper surface of the metal body 160 and the upper surface of the metal body 170 before sintering, When the gap of the metal body having the higher height is crushed and the heights of both the metal bodies become the same, pressure is uniformly applied to the respective semiconductor elements (110, 120). Accordingly, it is possible to uniformly pressurize a plurality of semiconductor elements, and there is no unevenness in pressurization, and it is possible to provide a semiconductor device that ensures sufficient bonding strength.
また、接合層１１１、１２１、１１６、１１７は全て同じ種類の焼結金属材料で構成することが望ましい。異なる種類の焼結金属材料を使用した場合には、その体積収縮率の違いにより焼結時の沈み込みに差ができ、金属体１６０、１７０の空隙率によっては高さの差を吸収出来ない可能性があるからである。 Further, it is desirable that the bonding layers 111, 121, 116, 117 are all made of the same kind of sintered metal material. When different types of sintered metal materials are used, subsidence during sintering can be different due to the difference in volume shrinkage, and the difference in height cannot be absorbed depending on the porosity of the metal bodies 160 and 170. Because there is a possibility.
続いて、接続層１１１、１２１、１１６、１１７を構成する焼結金属材料の詳細について説明する。
《接合材料》
焼結金属材料としては、以下の（１）銀ナノ粒子・銅ナノ粒子・金ナノ粒子、（２）酸化銅粒子・酸化銀粒子が挙げられる。
（１）銀ナノ粒子・銅ナノ粒子・金ナノ粒子
平均粒径が100nm以下の金属ナノ粒子を用いることが可能である。金属粒子を被覆する有機物としてはアルキルカルボン酸、アルキルアミン、アルキルチオールがある。
Next, details of the sintered metal material constituting the connection layers 111, 121, 116, and 117 will be described.
《Bonding material》
Examples of the sintered metal material include the following (1) silver nanoparticles / copper nanoparticles / gold nanoparticles, and (2) copper oxide particles / silver oxide particles.
(1) Silver nanoparticles, copper nanoparticles, gold nanoparticles It is possible to use metal nanoparticles having an average particle size of 100 nm or less. Examples of organic substances that coat the metal particles include alkylcarboxylic acids, alkylamines, and alkylthiols.
上記金属粒子としては金、銀、銅の3種類が挙げられる。3種類の金属とも放熱性が非常に高い。しかしコストを考えると、銀、銅を用いることが好ましい。 Examples of the metal particles include gold, silver, and copper. All three metals have very high heat dissipation. However, considering cost, it is preferable to use silver or copper.
なお、導電性接合材料は分散材が加えられた構成（プラス他の金属粒子）のみで使用してもよいが、ペースト状の接合材料として用いる場合には沸点が３５０℃以下の溶媒を加えて用いてもよい。このような溶媒としては例えばアルコール類等が挙げられる。ここで、沸点３５０℃以下としたのは、接合温度のターゲットが２００〜２５０℃であるので、あまり沸点が高いと蒸発するのに時間が掛かりすぎるからであり、３５０℃を限度にするのが適当と考えられるからである。ただし、その温度を超える沸点を有するアルコール類等の有機物が絶対に不適かというとそうではない。用途によってはそのような有機物を用いても良いのはもちろんである。 In addition, the conductive bonding material may be used only in a configuration (plus other metal particles) to which a dispersing agent is added, but when used as a paste-like bonding material, a solvent having a boiling point of 350 ° C. or less is added. It may be used. Examples of such a solvent include alcohols. Here, the reason why the boiling point is set to 350 ° C. or lower is that the target for the bonding temperature is 200 to 250 ° C., so that if the boiling point is too high, it takes too much time to evaporate. This is because it is considered appropriate. However, it is not true that organic substances such as alcohols having boiling points exceeding the temperature are absolutely unsuitable. Of course, such an organic material may be used depending on the application.
利用可能なアルコール基を有する有機物としては、メタノール、エタノール、プロパノール、ブチルアルコール、ペンチルアルコール、ヘキシルアルコール、ヘプチルアルコール、オクチルアルコール、ノニルアルコール、デシルルコール、ウンデシルアルコール、
ドデシルアルコール、トリデシルアルコール、テトラデシルアルコール、ペンタデシルアルコール、ヘキサデシルアルコール、ヘプタデシルアルコール、オクタデシルアルコール、ノナデシルアルコール、イコシルアルコール、がある。また、ジエチレングリコール、
エチレングリコール、トリエチレングリコール、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノヘキシルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテルなどのグリコール系を用いることができる。さらには１級アルコール型に限らず、２級アルコール型、３級アルコール型、及びアルカンジオール、環状型の構造を有するアルコール化合物を用いることが可能である。それ以外にも、テルピネオール、エチレングリコール、トリエチレングリコールを用いてより。これらの中でもグリコール系の溶媒を用いることが好ましい。これはグリコール系の溶媒は安価で、人体等に対する毒性も少ないからである。さらに、これらのアルコール系の溶媒は溶媒としてだけでなく、酸化銀に対する還元剤としても作用することが可能であるため、酸化銀粒子の量に対する還元剤として適度な量に調整して用いることができる。
Examples of usable organic substances having alcohol groups include methanol, ethanol, propanol, butyl alcohol, pentyl alcohol, hexyl alcohol, heptyl alcohol, octyl alcohol, nonyl alcohol, decyl alcohol, undecyl alcohol,
There are dodecyl alcohol, tridecyl alcohol, tetradecyl alcohol, pentadecyl alcohol, hexadecyl alcohol, heptadecyl alcohol, octadecyl alcohol, nonadecyl alcohol, and icosyl alcohol. Diethylene glycol,
Glycols such as ethylene glycol, triethylene glycol, diethylene glycol monobutyl ether, diethylene glycol monohexyl ether, and diethylene glycol diethyl ether can be used. Furthermore, not only the primary alcohol type, but also a secondary alcohol type, a tertiary alcohol type, an alkanediol, and an alcohol compound having a cyclic structure can be used. Besides, use terpineol, ethylene glycol, triethylene glycol and more. Among these, it is preferable to use a glycol-based solvent. This is because glycol-based solvents are inexpensive and have little toxicity to human bodies. Furthermore, since these alcohol-based solvents can act not only as a solvent but also as a reducing agent for silver oxide, they can be used by adjusting to an appropriate amount as a reducing agent for the amount of silver oxide particles. it can.
また、上記アルコール基を含む有機物に限らず、カルボン酸、アミン、アルデヒド基やエステル基、スルファニル基、ケトン基などを含む有機物を用いることができる。さらには、上記のような官能基を有さない、トルエンや、炭化水素のみからなる有機物を用いてもよく、そのような例としてはヘキサン、シクロへキサンなどが挙げられる。このように用いる有機溶剤としては沸点が３５０℃以下であればよく、そのような中からは１種のみではなく、２種類以上の混合物を用いることが可能である。 Moreover, not only the organic substance containing the said alcohol group but the organic substance containing a carboxylic acid, an amine, an aldehyde group, an ester group, a sulfanyl group, a ketone group etc. can be used. Furthermore, you may use the organic substance which does not have the above functional groups, and consists only of toluene or a hydrocarbon, and hexane, a cyclohexane, etc. are mentioned as such an example. As the organic solvent used in this manner, the boiling point may be 350 ° C. or less, and from such a solvent, it is possible to use not only one type but also a mixture of two or more types.
焼結時に銀粉より粒径の小さいナノ粒子を用いることによって、ナノ粒子同士の接触面積が大きくなり、銀粉よりも接合強度が大きくなると言う利点がある。
（２）酸化銅粒子・酸化銀粒子
続いて、本発明で用いる酸化物粒子の接合材料について説明する。本発明の接合材料は大きく分けて、金属前駆体粒子、有機物からなる還元剤、溶媒の３つを含んでいる。本発明では、金属前駆体粒子として平均粒径１ｎｍ〜５０μｍ以下の金属酸化物粒子を用いる。この金属酸化物粒子の具体的な例としては、酸化銀粒子、酸化銅粒子（酸化銅第一、酸化銅第二）、が挙げられる。
By using nanoparticles having a particle size smaller than that of silver powder at the time of sintering, there is an advantage that the contact area between the nanoparticles is increased and the bonding strength is higher than that of silver powder.
(2) Copper Oxide Particles / Silver Oxide Particles Subsequently, the oxide particle bonding material used in the present invention will be described. The bonding material of the present invention is broadly divided into three types: metal precursor particles, a reducing agent composed of an organic substance, and a solvent. In the present invention, metal oxide particles having an average particle diameter of 1 nm to 50 μm or less are used as the metal precursor particles. Specific examples of the metal oxide particles include silver oxide particles and copper oxide particles (copper oxide first, copper oxide second).
なお、この金属酸化物粒子は接合中に粒径１００ｎｍ以下の金属粒子が作成されるため、有機物で表面を保護した金属粒子の作製が不要であり、接合用材料の製造、接合プロセスの簡易化、及びコストダウンを図ることが可能である。 In addition, since metal particles having a particle size of 100 nm or less are created during the bonding of these metal oxide particles, it is not necessary to prepare metal particles whose surfaces are protected by organic substances, and manufacturing of bonding materials and simplification of the bonding process It is possible to reduce the cost.
ここで、用いる金属前駆体粒子の粒径を１ｎｍ〜５０μｍとしたのは、金属粒子の平均粒径が５０μｍより大きくなると、接合中に粒径１００ｎｍ以下の金属粒子が作製されにくくなり、そのため粒子間の隙間が多くなってしまい緻密な接合層を得ることが困難になるからである。また、１ｎｍ以上としたのは、平均粒子が１ｎｍ以下の金属前駆体粒子を実際に作製することが困難なためである。本発明では、接合中に粒径が１００ｎｍ以下の金属粒子が作製されるため、金属前駆体粒子の粒径は１００ｎｍ以下とする必要はなく、金属粒子前駆体の作製，取り扱い性，長期保存性の観点からは粒径が１〜５０μｍの粒子を用いることが好ましい。また、より緻密な接合層を得るために粒径が１ｎｍ〜１００ｎｍの金属前駆体粒子を用いることも可能である。 Here, the particle size of the metal precursor particles used is set to 1 nm to 50 μm because when the average particle size of the metal particles is larger than 50 μm, it is difficult to produce metal particles having a particle size of 100 nm or less during bonding. It is because it becomes difficult to obtain a dense bonding layer due to an increase in the gaps between them. The reason why the thickness is 1 nm or more is that it is difficult to actually produce metal precursor particles having an average particle size of 1 nm or less. In the present invention, since metal particles having a particle size of 100 nm or less are produced during bonding, the metal precursor particles need not have a particle size of 100 nm or less, and the metal particle precursor can be produced, handled, and stored for a long period of time. From this viewpoint, it is preferable to use particles having a particle diameter of 1 to 50 μm. In order to obtain a denser bonding layer, metal precursor particles having a particle size of 1 nm to 100 nm can be used.
金属粒子前駆体の含有量としては、接合材料中における全質量部において５０質量部を超えて９９質量部以下とすることが好ましい。これは接合材料中にける金属含有量が多い方が低温での接合後に有機物残渣が少なくなり、低温での緻密な焼成層の達成及び接合界面での金属結合の達成が可能となり、接合強度の向上さらには高放熱性，高耐熱性を有する接合層とすることが可能になるからである。 As content of a metal particle precursor, it is preferable to set it as 99 mass parts or less exceeding 50 mass parts in the total mass part in a joining material. This is because when the metal content in the bonding material is high, the organic residue is reduced after bonding at low temperature, and it becomes possible to achieve a dense fired layer at low temperature and to achieve metal bonding at the bonding interface. This is because it becomes possible to obtain a bonding layer having improved heat dissipation and high heat resistance.
続いて、有機物からなる還元剤の具体的な例について説明する。有機物からなる還元剤の大きな例としては上述したように、アルコール類、カルボン酸類、アミン類のいずれかが好ましい。 Subsequently, a specific example of a reducing agent made of an organic material will be described. As a large example of the reducing agent composed of an organic substance, any of alcohols, carboxylic acids, and amines is preferable as described above.
より具体的には、利用可能なアルコール基を含む化合物としては、アルキルアルコールが挙げられ、例えば、エタノール，プロパノール，ブチルアルコール，ペンチルアルコール，ヘキシルアルコール，ヘプチルアルコール，オクチルアルコール，ノニルアルコール，デシルルコール，ウンデシルアルコール，ドデシルアルコール，トリデシルアルコール，テトラデシルアルコール，ペンタデシルアルコール，ヘキサデシルアルコール，ヘプタデシルアルコール，オクタデシルアルコール，ノナデシルアルコール，イコシルアルコール、がある。さらには１級アルコール型に限らず、２級アルコール型，３級アルコール型、及びアルカンジオール，環状型の構造を有するアルコール化合物を用いることが可能である。それ以外にも、エチレングリコール，トリエチレングリコールなど多数のアルコール基を有する化合物を用いてもよく、また、クエン酸，アスコルビン酸，グルコースなどの化合物を用いてもよい。 More specifically, usable alcohol-containing compounds include alkyl alcohols such as ethanol, propanol, butyl alcohol, pentyl alcohol, hexyl alcohol, heptyl alcohol, octyl alcohol, nonyl alcohol, decyl alcohol, unoxyl. There are decyl alcohol, dodecyl alcohol, tridecyl alcohol, tetradecyl alcohol, pentadecyl alcohol, hexadecyl alcohol, heptadecyl alcohol, octadecyl alcohol, nonadecyl alcohol, and icosyl alcohol. Furthermore, not only the primary alcohol type, but also alcohol compounds having secondary alcohol type, tertiary alcohol type, alkanediol, and cyclic type structures can be used. In addition, compounds having many alcohol groups such as ethylene glycol and triethylene glycol may be used, and compounds such as citric acid, ascorbic acid, and glucose may be used.
また、利用可能なカルボン酸を含む化合物としてアルキルカルボン酸がある。具体例としては、ブタン酸，ペンタン酸，ヘキサン酸，ヘプタン酸，オクタン酸，ノナン酸，デカン酸，ウンデカン酸，ドデカン酸，トリデカン酸，テトラデカン酸，ペンタデカン酸，ヘキサデカン酸，ヘプタデカン酸，オクタデカン酸，ノナデカン酸，イコサン酸が挙げられる。また、上記アミノ基と同様に１級カルボン酸型に限らず、２級カルボン酸型，３級カルボン酸型、及びジカルボン酸，環状型の構造を有するカルボキシル化合物を用いることが可能である。 Moreover, there exists alkylcarboxylic acid as a compound containing carboxylic acid which can be utilized. Specific examples include butanoic acid, pentanoic acid, hexanoic acid, heptanoic acid, octanoic acid, nonanoic acid, decanoic acid, undecanoic acid, dodecanoic acid, tridecanoic acid, tetradecanoic acid, pentadecanoic acid, hexadecanoic acid, heptadecanoic acid, octadecanoic acid, Nonadecanoic acid and icosanoic acid are mentioned. Further, similarly to the amino group, it is possible to use not only the primary carboxylic acid type but also a secondary carboxylic acid type, tertiary carboxylic acid type, dicarboxylic acid, and a carboxyl compound having a cyclic structure.
また、利用可能なアミノ基を含む化合物としてアルキルアミンを挙げることができる。例えば、ブチルアミン，ペンチルアミン，ヘキシルアミン，ヘプチルアミン，オクチルアミン，ノニルアミン，デシルアミン，ウンデシルアミン，ドデシルアミン，トリデシルアミン，テトラデシルアミン，ペンタデシルアミン，ヘキサデシルアミン，ヘプタデシルアミン，オクタデシルアミン，ノナデシルアミン，イコデシルアミンがある。また、アミノ基を有する化合物としては分岐構造を有していてもよく、そのような例としては、２−エチルヘキシルアミン，１，５ジメチルヘキシルアミンなどがある。また、１級アミン型に限らず、２級アミン型，３級アミン型を用いることも可能である。さらにこのような有機物としては環状の形状を有していてもよい。 Moreover, an alkylamine can be mentioned as a compound containing an available amino group. For example, butylamine, pentylamine, hexylamine, heptylamine, octylamine, nonylamine, decylamine, undecylamine, dodecylamine, tridecylamine, tetradecylamine, pentadecylamine, hexadecylamine, heptadecylamine, octadecylamine, There are nonadecylamine and icodecylamine. The compound having an amino group may have a branched structure, and examples thereof include 2-ethylhexylamine and 1,5 dimethylhexylamine. In addition to the primary amine type, a secondary amine type or a tertiary amine type can also be used. Further, such an organic material may have an annular shape.
また、用いる還元剤は上記アルコール，カルボン酸，アミンを含む有機物に限らず、アルデヒド基やエステル基，スルファニル基，ケトン基などを含む有機物、あるいはカルボン酸金属塩などの有機物を含有する化合物を用いても良い。カルボン酸金属塩は金属粒子の前駆体としても用いられるが、有機物を含有しているために、金属酸化物粒子の還元剤としても用いてよい。ここで、接合温度よりも低い融点を有する還元剤は接合時に凝集し、ボイドの原因となるが、例えば、カルボン酸金属塩などは接合時の加熱により融解しないため、ボイド低減のために用いることが可能である。カルボン酸金属塩以外にも有機物を含有する金属化合物であれば還元剤として用いても良い。 The reducing agent to be used is not limited to organic substances including the above alcohol, carboxylic acid, and amine, but includes organic substances including aldehyde groups, ester groups, sulfanyl groups, ketone groups, or organic substances such as carboxylic acid metal salts. May be. Carboxylic acid metal salts are also used as precursors for metal particles, but they may also be used as reducing agents for metal oxide particles because they contain organic substances. Here, a reducing agent having a melting point lower than the bonding temperature aggregates at the time of bonding and causes voids. For example, carboxylic acid metal salts do not melt by heating at the time of bonding, so use them to reduce voids. Is possible. Any metal compound containing an organic substance other than the carboxylic acid metal salt may be used as the reducing agent.
ここで、エチレングリコール，トリエチレングリコール等の２０〜３０℃において液体である還元剤は、酸化銀（Ａｇ2Ｏ）などと混ぜて放置すると一日後には銀に還元されてしまうため、混合後はすぐに用いる必要がある。一方、２０〜３０℃の温度範囲において固体であるミリスチルアルコール，ラウリルアミン，アスコルビン酸等は金属酸化物等と１ヵ月ほど放置しておいても大きくは反応が進まないため、保存性に優れており、混合後に長期間保管する場合にはこれらを用いることが好ましい。また、用いる還元剤は金属酸化物等を還元させた後には、精製された１００ｎｍ以下の粒径を有する金属粒子の保護膜として働くために、ある程度の炭素数があることが望ましい。具体的には、２以上で２０以下であることが望ましい。これは炭素数が２より少ないと、金属粒子が作製されると同時に粒径成長が起こり、１００ｎｍ以下の金属粒子の作製が困難になるからである。また、２０より多いと、分解温度が高くなり、金属粒子の焼結が起こりにくくなった結果、接合強度の低下を招くからである。 Here, reducing agents that are liquid at 20 to 30 ° C., such as ethylene glycol and triethylene glycol, are reduced to silver after one day if left mixed with silver oxide (Ag 2 O) and the like. Need to be used immediately. On the other hand, myristyl alcohol, laurylamine, ascorbic acid, etc., which are solid in the temperature range of 20-30 ° C., do not react greatly with metal oxides for about a month, so they have excellent storage stability. These are preferably used when stored for a long time after mixing. Further, it is desirable that the reducing agent used has a certain number of carbon atoms in order to function as a protective film for purified metal particles having a particle size of 100 nm or less after reducing metal oxides and the like. Specifically, it is desirably 2 or more and 20 or less. This is because, when the number of carbon atoms is less than 2, metal particles are produced at the same time as particle size growth occurs, making it difficult to produce metal particles of 100 nm or less. On the other hand, if it exceeds 20, the decomposition temperature becomes high and the metal particles are hardly sintered, resulting in a decrease in bonding strength.
還元剤の使用量は金属粒子前駆体の全重量に対して１質量部以上で５０質量部以下の範囲であればよい。これは還元剤の量が１質量部より少ないと接合材料における金属粒子前駆体を全て還元して金属粒子を作製するのに十分な量ではないためである。また、５０質量部を超えて用いると接合後における残渣が多くなり界面での金属接合と接合銀層中における緻密化の達成が困難であるためである。さらに、還元剤が有機物のみから構成される場合には、４００℃までの加熱時における熱重量減少率が９９％以上であることが好ましい。これは、還元剤の分解温度が高いと接合後における残渣が多くなり、界面での金属接合と接合銀層中における緻密化の達成が困難であるためである。 The amount of the reducing agent used may be in the range of 1 part by mass to 50 parts by mass with respect to the total weight of the metal particle precursor. This is because if the amount of the reducing agent is less than 1 part by mass, the amount of the metal particle precursor in the bonding material is not reduced enough to produce metal particles. Moreover, when it exceeds 50 mass parts, it is because the residue after joining increases and it is difficult to achieve metal joining at the interface and densification in the joining silver layer. Furthermore, when the reducing agent is composed only of organic substances, it is preferable that the thermal weight reduction rate during heating up to 400 ° C. is 99% or more. This is because if the decomposition temperature of the reducing agent is high, the residue after bonding increases, and it is difficult to achieve metal bonding at the interface and densification in the bonding silver layer.
金属粒子前駆体と有機物からなる還元剤の組み合わせとしては、これらを混合することにより金属粒子を作製可能なものであれば特に限定されないが、接合用材料としての保存性の観点から、常温で金属粒子を作製しない組み合わせとすることが好ましい。 The combination of the metal particle precursor and the reducing agent composed of an organic substance is not particularly limited as long as the metal particles can be produced by mixing them, but from the viewpoint of storage stability as a bonding material, the metal is used at room temperature. A combination that does not produce particles is preferred.
また、接合材料中には比較的粒径の大きい平均粒径５０μｍ〜１００μｍの金属粒子を混合して用いることも可能である。これは接合中において作製された１００ｎｍ以下の金属粒子が、平均粒径５０μｍ〜１００μｍの金属粒子同士を焼結させる役割を果たすからである。また、粒径が１００ｎｍ以下の金属粒子を予め混合しておいてもよい。この金属粒子の種類としては、金，銀，銅があげられる。上記以外にも白金，パラジウム，ロジウム，オスミウム，ルテニウム，イリジウム，鉄，錫，亜鉛，コバルト，ニッケル，クロム，チタン，タンタル，タングステン，インジウム，ケイ素，アルミニウム等の中から少なくとも１種類の金属あるいは２種類以上の金属からなる合金を用いることが可能である。 Moreover, it is also possible to mix and use metal particles having a relatively large average particle diameter of 50 μm to 100 μm in the bonding material. This is because the metal particles of 100 nm or less produced during bonding play a role of sintering metal particles having an average particle diameter of 50 μm to 100 μm. Further, metal particles having a particle size of 100 nm or less may be mixed in advance. Examples of the metal particles include gold, silver, and copper. In addition to the above, at least one metal selected from platinum, palladium, rhodium, osmium, ruthenium, iridium, iron, tin, zinc, cobalt, nickel, chromium, titanium, tantalum, tungsten, indium, silicon, aluminum, etc. It is possible to use an alloy made of more than one kind of metal.
この発明で用いられる接合材料は金属粒子前駆体と有機物からなる還元剤のみで用いてもよいが、ペースト状として用いる場合に溶媒を加えてもよい。混合後、すぐに用いるのであれば、メタノール，エタノール，プロパノール，エチレングリコール，トリエチレングリコール，テルピネオールのアルコール類等の還元作用があるものを用いてもよいが、長期間に保管する場合であれば、水，ヘキサン，テトラヒドロフラン，トルエン，シクロヘキサン、など常温での還元作用が弱いものを用いることが好ましい。また、還元剤としてミリスチルアルコールのように常温で還元が起こりにくいものを用いた場合には長期間保管可能であるが、エチレングリコールのような還元作用の強いものを用いた場合には使用時に混合して用いることが好ましい。 The bonding material used in the present invention may be used only with a reducing agent comprising a metal particle precursor and an organic substance, but a solvent may be added when used as a paste. If it is used immediately after mixing, it may be used with a reducing action such as methanol, ethanol, propanol, ethylene glycol, triethylene glycol, terpineol alcohol, etc. It is preferable to use water, hexane, tetrahydrofuran, toluene, cyclohexane, or the like having a weak reducing action at room temperature. In addition, when a reducing agent such as myristyl alcohol that is difficult to reduce at room temperature is used, it can be stored for a long time, but when a reducing agent such as ethylene glycol is used, it is mixed at the time of use. And preferably used.
本実施形態では、接続層１１１、１２１、１１６、１１７は同種の焼結材料で作成する方が好ましい。つまり言い換えると、接続層１１１を上記（１）の銀ナノ粒子で構成するならば、他の接続層１２１、１１６、１１７も（１）の銀ナノ粒子で構成し、接続層１１１を上記（１）の酸化銅粒子で構成するならば、他の接続層１２１、１１６、１１７も酸化銅粒子で構成した方が良いということである。同種の材料を用いることによって、材料ごとに異なる体積収縮率の差で高さ変動が発生することを抑制できるからである。 In the present embodiment, it is preferable that the connection layers 111, 121, 116, 117 are made of the same kind of sintered material. In other words, if the connection layer 111 is composed of the silver nanoparticles of (1) above, the other connection layers 121, 116, and 117 are also composed of the silver nanoparticles of (1), and the connection layer 111 is composed of the above (1). In other words, the other connection layers 121, 116, and 117 are preferably made of copper oxide particles. This is because by using the same kind of material, it is possible to suppress the occurrence of height fluctuation due to the difference in volume shrinkage rate that differs for each material.
続いて図３を用いて、本発明の接合方法について説明する。なお、ここでは焼結金属材料として酸化銀ペースト剤を用いた場合について説明する。まず、図３（ａ）のように、酸化銀からなるペースト剤１０１、１０２を絶縁基板１４０上に設けられた配線層１３０に塗布する。このとき、マスクなどを用いてペースト剤を塗布することによって、それぞれのペースト剤の厚さを均一にして塗布する。そしてその上にダイオード１１０及びＩＧＢＴ１２０を搭載する。その後、ペースト剤１０１、１０２と同種の材料から構成されるペースト剤１０３、１０４を塗布する。このときのペースト剤１０３とペースト剤１０４の塗布厚は同じ厚さであることが、焼結時の体積収縮の差を抑制できることから好ましい。 Next, the bonding method of the present invention will be described with reference to FIG. Here, a case where a silver oxide paste is used as the sintered metal material will be described. First, as shown in FIG. 3A, paste agents 101 and 102 made of silver oxide are applied to the wiring layer 130 provided on the insulating substrate 140. At this time, by applying the paste using a mask or the like, the thickness of each paste is made uniform. Then, the diode 110 and the IGBT 120 are mounted thereon. Thereafter, pastes 103 and 104 made of the same material as the pastes 101 and 102 are applied. At this time, it is preferable that the coating thickness of the paste agent 103 and the paste agent 104 is the same because the difference in volume shrinkage during sintering can be suppressed.
そして、ペースト剤１０３上には厚さＴ６の金属体１６０を配置し、ペースト剤１０４上には厚さＴ７の金属体１７０を配置する。このとき、厚さＴ７＞厚さＴ６となっている。また、金属体１６０、１７０はそれぞれ空隙１６２ａ、１７２ａを有している。 A metal body 160 having a thickness T6 is disposed on the paste agent 103, and a metal body 170 having a thickness T7 is disposed on the paste agent 104. At this time, thickness T7> thickness T6. The metal bodies 160 and 170 have gaps 162a and 172a, respectively.
続いて、図３（ｂ）に示すように、加圧板５６０で金属体１６０及び金属体１７０を同時に加圧して加熱する。このとき、加圧当初は金属体１６０側と金属体１７０側で高さが異なるため、高さの高い金属体１７０側に力がかかり、高さの低い金属体１６０にはほぼ力がかからない状態となる。 Subsequently, as shown in FIG. 3B, the metal body 160 and the metal body 170 are simultaneously pressurized and heated by the pressure plate 560. At this time, since the height is different between the metal body 160 side and the metal body 170 side at the beginning of pressurization, a force is applied to the metal body 170 side having a high height, and a force is hardly applied to the metal body 160 having a low height. It becomes.
その後、金属体１７０内にある空隙１７２ａが金属体１６０と同一の高さになるまで潰れて空隙が空隙１７２ｂに示すような扁平状態となる。そして、金属体１７０と金属体１６０に均一に力が加わり、金属体１６０側の空隙１６２ａも変形した空隙１６２ｂとなる。このとき、金属体１７０の方の空隙１７２ｂの方が変形が大きく、空隙１６２ｂよりも空隙１７２ｂの方が潰れた状態になっている。従って、空隙率は金属体１６０よりも金属体１７０の方が小さくなっている。その状態を示す図が図３（ｃ）である。 After that, the gap 172a in the metal body 170 is crushed until it has the same height as the metal body 160, and the gap is flattened as shown by the gap 172b. Then, a force is applied uniformly to the metal body 170 and the metal body 160, and the gap 162a on the metal body 160 side also becomes a deformed gap 162b. At this time, the gap 172b of the metal body 170 is more deformed, and the gap 172b is crushed than the gap 162b. Therefore, the porosity of the metal body 170 is smaller than that of the metal body 160. FIG. 3C shows the state.
その後、ペースト剤１０１、１０２、１０３、１０４の焼結が進み、完全に焼結してそれぞれ接続層１１１、１２１、１１６、１１７になる。焼結が完了した状態を示す図が、図３（ｄ）である。 Thereafter, the pastes 101, 102, 103, 104 are sintered and completely sintered to become connection layers 111, 121, 116, 117, respectively. FIG. 3D shows a state where the sintering is completed.
図３（ａ）〜（ｄ）の手順で接合を行なった後、金属体１６０及び金属体１７０の上面にペースト剤を塗布し、バスバー１２２を接合する。このとき金属体１６０と金属体１７０の高さが同じになっているため、金属体１６０上の接続層１６１と金属体１７０上の接続層１７１は同じペースト剤を用いた方が好ましい。 3A to 3D, bonding is performed on the upper surfaces of the metal body 160 and the metal body 170, and the bus bar 122 is bonded. At this time, since the metal body 160 and the metal body 170 have the same height, it is preferable that the connection layer 161 on the metal body 160 and the connection layer 171 on the metal body 170 use the same paste agent.
接続層１６１、１７１を形成する材料を同じにするとペースト剤の体積収縮率が同じであるため、バスバー１１２の上面から圧力をかけて焼結した場合に金属体１６０側及び金属体１７０側の両方の均一の力がかけることができる。そのため、接合強度にむらがなくなるという利点がある。 When the materials forming the connection layers 161 and 171 are the same, the volume shrinkage rate of the paste agent is the same. Therefore, when sintering is performed by applying pressure from the upper surface of the bus bar 112, both the metal body 160 side and the metal body 170 side are used. The uniform force can be applied. Therefore, there is an advantage that the bonding strength is not uneven.
以上、上述したように焼結金属材料を用いて素子厚さの異なる複数の半導体素子接合する場合に、それぞれ厚さが異なり、かつ空隙率を有する金属体をそれぞれ配置したため、一括に複数の半導体素子を接合させたとしても、均一に加圧をかけることが出来る。そのため、焼結時の加圧むらがなくなり、各素子間で接合強度にばらつきがなく、接合強度が向上した半導体装置１５０を提供することが可能となる。 As described above, when a plurality of semiconductor elements having different element thicknesses are bonded using a sintered metal material, metal bodies having different thicknesses and voids are arranged, so that a plurality of semiconductors are collectively collected. Even if the elements are bonded, it is possible to apply pressure uniformly. Therefore, there is no pressure unevenness during sintering, there is no variation in bonding strength between elements, and the semiconductor device 150 with improved bonding strength can be provided.
また、焼結金属は焼結時の加圧が大きい程、焼結密度が高くなる。焼結密度が高い程、実効的な熱伝導性が高くなる。実効的な熱伝導性が高くなるということは、放熱性が高いことを意味するため、半導体装置の寿命が延びることを意味する。 In addition, the sintered metal has a higher sintering density as the pressure applied during sintering is larger. The higher the sintered density, the higher the effective thermal conductivity. An increase in effective thermal conductivity means that the heat dissipation is high, and thus the life of the semiconductor device is extended.
従って、発熱の大きいＩＧＢＴ１２０側の金属体１７０の密度が、金属体１６０の密度よりも高くなるように構成することによって、放熱性の高い半導体装置を提供することが出来る。 Therefore, by configuring the density of the metal body 170 on the IGBT 120 side, which generates a large amount of heat, to be higher than the density of the metal body 160, a semiconductor device with high heat dissipation can be provided.
以上、本発明を実施することによって接合層の密度を高めることが出来るため、半導体装置のパワーサイクル寿命も延ばすことが出来る。
＜実験例１＞
図１に示す半導体装置Ａを以下のようにして作製した。絶縁基板上の回路電極部に酸化銀ペーストを60μm塗布した。その上に、厚さの異なるダイオードとIGBTをそれぞれマウントした。一方、厚さの異なる2枚の発泡金属体に酸化銀ペーストを60μm塗布した。そして、酸化銀ペーストを塗布した金属体を半導体素子上に貼り付けた。この状態で、金属体上より加圧し、加熱した。
As described above, since the density of the bonding layer can be increased by implementing the present invention, the power cycle life of the semiconductor device can be extended.
<Experimental example 1>
The semiconductor device A shown in FIG. 1 was produced as follows. A 60 μm silver oxide paste was applied to the circuit electrode portion on the insulating substrate. On top of that, diodes and IGBTs with different thicknesses were mounted. On the other hand, 60 μm of silver oxide paste was applied to two foam metal bodies having different thicknesses. And the metal body which apply | coated the silver oxide paste was affixed on the semiconductor element. In this state, the metal body was pressurized and heated.
また、リファレンスとして半導体装置Bを以下のようにして作製した。絶縁基板上の回路電極部に酸化銀ペーストを60μm塗布した。その上に、厚さの異なるダイオードとIGBTをそれぞれマウントした。一方、厚さの等しい金属体に酸化銀ペーストを60μm塗布した。そして、酸化銀ペーストを塗布した金属体を半導体素子上に貼り付けた。この状態で、金属体上より加圧を加え、加熱した。
＜半導体装置の評価＞
半導体装置A及びBのパワーサークル寿命評価を行った。本発明の半導体装置Aは、半導体装置Bに比べ、約2倍のパワーサイクル寿命となった。
Further, as a reference, a semiconductor device B was manufactured as follows. A 60 μm silver oxide paste was applied to the circuit electrode portion on the insulating substrate. On top of that, diodes and IGBTs with different thicknesses were mounted. On the other hand, 60 μm of silver oxide paste was applied to metal bodies having the same thickness. And the metal body which apply | coated the silver oxide paste was affixed on the semiconductor element. In this state, pressure was applied from above the metal body and heated.
<Evaluation of semiconductor devices>
The power circle lifetime evaluation of the semiconductor devices A and B was performed. The semiconductor device A of the present invention has a power cycle life approximately twice that of the semiconductor device B.
《第二の実施形態》
第二の実施形態では図１（ｂ）の接続層１１１、１２１、１１６、１１７が酸化銀粒子で作成されたものの替わりに、酸化銅粒子を用いて接続層１１１、１２１、１１６、１１７が形成されている点が第一の実施形態と異なる。
酸化銅は酸化銀と比較して、安く、耐マイグレーション性に優れると言う利点がある。従って、ダイオード１１０の両面側及びＩＧＢＴ１２０の両面側に当該酸化銅を用いることによって、耐マイグレーション性を向上させ、信頼性が向上した半導体装置を提供することが可能となる。
<< Second Embodiment >>
In the second embodiment, instead of the connection layers 111, 121, 116, and 117 shown in FIG. 1B made of silver oxide particles, the connection layers 111, 121, 116, and 117 are formed using copper oxide particles. This is different from the first embodiment.
Copper oxide is advantageous in that it is cheaper and has better migration resistance than silver oxide. Therefore, by using the copper oxide on both sides of the diode 110 and on both sides of the IGBT 120, it is possible to provide a semiconductor device with improved migration resistance and improved reliability.
《第三の実施形態》
第三の実施形態では図１（ｂ）の金属体１７０に発泡金属ではなく、銅板２７０で構成した点が第一の実施形態と異なる。
<< Third embodiment >>
The third embodiment is different from the first embodiment in that the metal body 170 in FIG. 1B is configured by a copper plate 270 instead of a foam metal.
図４は本実施形態の半導体装置３５０を示す図である。本実施形態では、銅板２７０が変形できないため、半導体装置作成前の金属体２６０の高さを銅板２７０側の高さよりも高くする必要がある。 FIG. 4 is a view showing a semiconductor device 350 of this embodiment. In the present embodiment, since the copper plate 270 cannot be deformed, it is necessary to make the height of the metal body 260 before manufacturing the semiconductor device higher than the height on the copper plate 270 side.
図５は加圧・加熱接合している状態を示す図である。上述したように、本実施形態では半導体装置作成前の金属体２６０の高さを銅板２７０側の高さよりも高くする必要がある。そのため、ペースト剤１０１の厚さをＴ３１、ペースト剤１０２の厚さをＴ３２、ペースト剤１０３の厚さをＴ３３、ペースト剤１０４の厚さをＴ３４、ダイオード１１０の厚さをＴ１、ＩＧＢＴ１２０の厚さを１２０、銅板２７０の厚さをＴ１１とした場合に、（Ｔ１＋Ｔ３１＋Ｔ３３＋Ｔ１０）＞（Ｔ２＋Ｔ３２＋Ｔ３４＋Ｔ１１）とする必要がある。 FIG. 5 is a diagram showing a state where pressure and heat bonding are performed. As described above, in this embodiment, it is necessary to make the height of the metal body 260 before manufacturing the semiconductor device higher than the height on the copper plate 270 side. Therefore, the thickness of the paste 101 is T31, the thickness of the paste 102 is T32, the thickness of the paste 103 is T33, the thickness of the paste 104 is T34, the thickness of the diode 110 is T1, and the thickness of the IGBT 120 Is 120 and the thickness of the copper plate 270 is T11, it is necessary to satisfy (T1 + T31 + T33 + T10)> (T2 + T32 + T34 + T11).
すなわち、半導体装置作成前の金属体２６０の厚さＴ１０はＴ１０＞Ｔ２＋Ｔ３２＋Ｔ３４＋Ｔ１１）―（Ｔ１＋Ｔ３１＋Ｔ３３）である必要がある。 That is, the thickness T10 of the metal body 260 before manufacturing the semiconductor device needs to be T10> T2 + T32 + T34 + T11) − (T1 + T31 + T33).
また、ペースト剤の塗布厚が均一に出来る場合は、より簡単にＴ１０＞Ｔ２＋Ｔ１１―Ｔ１とすることが出来る。 Further, when the coating thickness of the paste agent can be made uniform, T10> T2 + T11−T1 can be more easily achieved.
このような構成にすることによって、ＩＧＢＴ１２０側の銅板２７０の密度が、金属体２６０の空隙２６２（２６２ａは潰す前の空隙、２６２ｂは潰された空隙）を潰すよりも高く出来るため、接合強度を向上させつつ放熱性も向上させることができる。また、コストアップに繋がる発泡金属の使用を抑えることが出来るため、コスト的にも好ましい。 By adopting such a configuration, the density of the copper plate 270 on the IGBT 120 side can be made higher than crushing the void 262 of the metal body 260 (262a is a void before being crushed and 262b is a crushed void). While improving, heat dissipation can also be improved. Moreover, since use of the foam metal which leads to a cost increase can be suppressed, it is preferable also in terms of cost.
また、本実施形態でも第一の実施形態と同様、ダイオード１１０側の金属体２６０の方がＩＧＢＴ１２０側に配置されている金属体よりも密度が低い構成になっていることは言うまでも無い。 Further, in this embodiment as well, as in the first embodiment, it goes without saying that the metal body 260 on the diode 110 side has a lower density than the metal body disposed on the IGBT 120 side.
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の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された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、前記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various designs can be made without departing from the spirit of the present invention described in the claims. It can be changed. For example, the above-described embodiment has been described in detail for easy understanding of the present invention, and is not necessarily limited to one having all the configurations described. Further, a part of the configuration of an embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of an embodiment. Furthermore, it is possible to add, delete, and replace other configurations for a part of the configuration of each embodiment.
１１０ ダイオード
１１１，１２１，１１６，１１７ 接続層
１２０ ＩＧＢＴ
１３０ 配線層
１４０ 絶縁基板
１６０，１７０ 金属体
110 Diode 111, 121, 116, 117 Connection layer 120 IGBT
130 Wiring layer 140 Insulating substrate 160, 170 Metal body
Claims (6)
第一の半導体素子よりも薄い第二の半導体素子と、
前記第一の半導体素子と前記第二の半導体素子を搭載する配線回路を有する絶縁基板と、
前記第一の半導体素子における前記配線回路が配置される面とは反対側の面で第一の焼結層を介して接続される第一の金属体と、
前記第二の半導体素子における前記配線回路が配置される面とは反対側の面で第二の焼結層を介して接続される第二の金属体とを有し、
前記第二の金属体は前記第一の金属体よりも厚く、さらに前記第二の金属体の密度は前記第一の金属体よりも密度が高いことを特徴とする半導体装置。 A first semiconductor element;
A second semiconductor element thinner than the first semiconductor element;
An insulating substrate having a wiring circuit for mounting the first semiconductor element and the second semiconductor element;
A first metal body connected via a first sintered layer on a surface opposite to a surface on which the wiring circuit is disposed in the first semiconductor element;
A second metal body connected via a second sintered layer on a surface opposite to the surface on which the wiring circuit is disposed in the second semiconductor element;
The semiconductor device, wherein the second metal body is thicker than the first metal body, and the density of the second metal body is higher than that of the first metal body.
前記第一の金属体は空隙を有する発泡金属で構成されていることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device is characterized in that the first metal body is made of a foam metal having a gap.
前記第二の金属体は空隙を有する発泡金属で構成されていることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1 or 2,
The semiconductor device, wherein the second metal body is made of a foam metal having a gap.
前記第二の金属体の空隙率は、前記第一の金属体の空隙率よりも小さいことを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 3.
The semiconductor device according to claim 1, wherein the porosity of the second metal body is smaller than the porosity of the first metal body.
前記第一の焼結層及び前記第二の焼結層はそれぞれ酸化銀粒子を焼結して形成された焼結層であることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The first sintered layer and the second sintered layer are each a sintered layer formed by sintering silver oxide particles.
前記第一の焼結層及び前記第二の焼結層はそれぞれ酸化銅粒子を焼結して形成された焼結層であることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The first sintered layer and the second sintered layer are each a sintered layer formed by sintering copper oxide particles.
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