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JP7604779B2 - Semiconductor manufacturing apparatus and method for manufacturing semiconductor device - Google Patents

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JP7604779B2 JP2020050479A JP2020050479A JP7604779B2 JP 7604779 B2 JP7604779 B2 JP 7604779B2 JP 2020050479 A JP2020050479 A JP 2020050479A JP 2020050479 A JP2020050479 A JP 2020050479A JP 7604779 B2 JP7604779 B2 JP 7604779B2
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Description

本発明は、半導体製造装置及び半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor manufacturing apparatus and a method for manufacturing a semiconductor device.

パワー半導体チップ(以下、単に「半導体チップ」という。)は、電力変換用のスイッチングデバイスとして用いられている。半導体チップのパッケージ構造において、半導体チップと絶縁回路基板の間等の部材間は、はんだ材又は焼結材等の接合材で接合されている。近年は半導体チップの高性能化に伴い、部材間の接合材にも連続耐熱性の高温化や高信頼性化が求められており、はんだと比較して熱伝導と耐久性の高い焼結材を用いる場合が増えている。 Power semiconductor chips (hereinafter simply referred to as "semiconductor chips") are used as switching devices for power conversion. In the package structure of semiconductor chips, the components between the semiconductor chip and the insulating circuit board are joined with a joining material such as solder or sintered material. In recent years, with the increasing performance of semiconductor chips, the joining materials between components are also required to have high continuous heat resistance and high reliability, and sintered materials, which have higher thermal conductivity and durability than solder, are increasingly being used.

部材間を焼結材で接合する際には、焼結材に焼結反応を生じさせることにより接合する。加圧せずに加熱のみでも焼結材に焼結反応を生じさせることは可能であるが、加圧しない場合には気泡が残り、熱伝導及び強度等の特性が低下する。このため、絶縁回路基板上に焼結材を介して半導体チップを搭載し、加圧装置を用いて、金型により半導体チップの上面を加圧しながら加熱することにより、焼結反応を焼結材に生じさせて接合している。この際、接合品質を確保するため、焼結材には均一な荷重を加える必要がある。 When joining parts with a sintered material, the joining is achieved by inducing a sintering reaction in the sintered material. It is possible to induce a sintering reaction in the sintered material by heating alone without applying pressure, but if pressure is not applied, air bubbles will remain and properties such as thermal conductivity and strength will decrease. For this reason, a semiconductor chip is mounted on an insulated circuit board via a sintered material, and a pressure device is used to heat the semiconductor chip while applying pressure to the top surface with a mold, thereby inducing a sintering reaction in the sintered material and joining the parts. At this time, a uniform load must be applied to the sintered material to ensure the quality of the joint.

特許文献1には、シート材料、特にゴム状材料からなる膨張膜が、流体圧力で加圧され、部材間の存在する高さの違いに関わらず、部材上に略同一の接触圧力を付与することが記載されている。特許文献2には、基板電極の半導体素子の端面との接合部に凸部を形成し、この凸部が外周方向に切り落とし形状を有することが記載されている。半導体素子上に緩衝材が配置され、半導体素子外周の焼結性金属接合材が緩衝材と接触している。特許文献3には、加圧ユニットが、組立体を挟み込んで組立体に圧力及び熱を伝達する一対の伝達部材と、一対の伝達部材を移動可能に連結するガイド部を備えることが記載されている。 Patent Document 1 describes that an expandable membrane made of a sheet material, particularly a rubber-like material, is pressurized by fluid pressure to apply approximately the same contact pressure to the members regardless of the height difference between the members. Patent Document 2 describes that a convex portion is formed at the joint between the substrate electrode and the end face of the semiconductor element, and that this convex portion has a cut-off shape in the outer periphery direction. A buffer material is placed on the semiconductor element, and the sintered metal bonding material on the outer periphery of the semiconductor element is in contact with the buffer material. Patent Document 3 describes that the pressurizing unit includes a pair of transfer members that sandwich the assembly to transfer pressure and heat to the assembly, and a guide portion that movably connects the pair of transfer members.

特許文献4には、接合材逃がし部を有する接合治具を用い、半導体素子の外周部にはみ出した接合材は、接合材が治具で加圧接合される際に基板の方向に押し出され、余剰接合材吸収部の溝に押し込まれることが記載されている。特許文献5には、半導体チップ及び配線金属に対して、これらを加圧する加圧手段と、これらを加熱する加熱手段と、双方の接合界面から半導体チップの外側へ排出された排出物を所定の厚さに押圧する押圧手段を備えることが記載されている。 Patent document 4 describes a method in which a bonding jig having a bonding material escape portion is used, and bonding material that protrudes from the outer periphery of the semiconductor element is pushed toward the substrate when the bonding material is pressure-bonded with the jig, and is forced into a groove in the excess bonding material absorption portion. Patent document 5 describes the provision of a pressure means for applying pressure to the semiconductor chip and wiring metal, a heating means for heating them, and a pressing means for pressing the discharged material discharged from the bonding interfaces of both to the outside of the semiconductor chip to a predetermined thickness.

特許文献6には、スタンプと、スタンプ上に配置されたソフトパッドと、ソフトパッド上に配置された圧力軸を備える接合装置を用いて、ソフトパッドが圧力軸からの圧力を分散させて、スタンプが半導体チップを加圧して半導体チップを絶縁回路基板に焼結材で接合することが記載されている。特許文献7には、絶縁回路基板上に半導体チップを金属接続層で接続するための装置が、半導体チップ上の緩衝膜と、緩衝膜上に配置されたプランジャーと、プランジャー上に配置されたポリウレタンエラストマーからなる膜と、膜上に配置された圧力パッドを備えることが記載されている。 Patent document 6 describes a bonding device including a stamp, a soft pad arranged on the stamp, and a pressure shaft arranged on the soft pad, in which the soft pad distributes pressure from the pressure shaft and the stamp presses the semiconductor chip to bond the semiconductor chip to an insulating circuit board with a sintered material. Patent document 7 describes a device for connecting a semiconductor chip to an insulating circuit board with a metal connection layer, which includes a buffer film on the semiconductor chip, a plunger arranged on the buffer film, a film made of polyurethane elastomer arranged on the plunger, and a pressure pad arranged on the film.

特表2017-525163号公報Special table 2017-525163 publication 国際公開第2017/195399号International Publication No. 2017/195399 国際公開第2016/157465号International Publication No. 2016/157465 特開2011-216772号公報JP 2011-216772 A 特開2015-074001号公報JP 2015-074001 A 米国特許出願公開第2012/0312864号明細書US Patent Application Publication No. 2012/0312864 米国特許出願公開第2008/0096311号明細書US Patent Application Publication No. 2008/0096311

絶縁回路基板上に複数の半導体チップを焼結材で接合する際には、加圧装置を用いて、加熱した金型により複数の半導体チップを同時に加圧する。しかしながら、絶縁回路基板が小型化しており、サーボや油圧等による半導体チップの同時個別押しが困難である。また、焼結材を塗布した状態で半導体チップを単独で加圧及び加熱すると、接合前の他の焼結材が加圧されない状態で焼結反応することになる。また、半導体チップ毎に焼結材の塗布と加熱及び加圧を行うと、部材に熱及び応力ストレスがかかり、強度劣化等の品質低下が生じる。 When bonding multiple semiconductor chips onto an insulated circuit board with a sintering material, a pressure device is used to simultaneously pressurize multiple semiconductor chips with a heated die. However, insulated circuit boards are becoming smaller, making it difficult to press the semiconductor chips individually at the same time using servos, hydraulics, etc. Furthermore, if the semiconductor chip is pressurized and heated alone while it is coated with a sintering material, the other sintering materials before bonding will undergo a sintering reaction without being pressurized. Furthermore, if the sintering material is applied and heated and pressurized for each semiconductor chip, heat and stress are applied to the components, resulting in quality degradation such as deterioration of strength.

また、部材の寸法バラツキがある多数の半導体チップを加圧する場合には、加圧力がばらつく問題がある。また、半導体チップの周囲にはみ出して露出した焼結材は加圧されないため、気泡が多数残り、電極に接合されていない状態で欠落し易くなる。この結果、製造途中に欠落した焼結材が異物塵埃として飛散し、製造品質が低下する場合がある。 In addition, when applying pressure to a large number of semiconductor chips with varying component dimensions, there is a problem of variation in the applied pressure. In addition, the sintered material that is exposed around the semiconductor chip is not pressurized, leaving many air bubbles and making it prone to chipping without being bonded to the electrodes. As a result, the chipped sintered material during manufacturing may fly around as foreign dust, reducing manufacturing quality.

上記問題に鑑み、本発明は、絶縁回路基板上に複数の半導体チップを焼結材で接合する際に、焼結材を均一な荷重で加圧することができる半導体製造装置及び半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。 In view of the above problems, the present invention aims to provide a semiconductor manufacturing device and a method for manufacturing a semiconductor device that can apply a uniform load to a sintered material when bonding multiple semiconductor chips to an insulated circuit board with the sintered material.

本発明の一態様は、(a)絶縁回路基板上に焼結材で複数の半導体チップを接合する際に、絶縁回路基板を載置する下治具と、(b)下治具上に対向して配置され、開口部が設けられた上治具と、(c)上治具の開口部に保持された第1弾性部材と、(d)下治具と前記第1弾性部材の間に配置され、第1弾性部材よりも薄い緩衝層と、を備え、複数の半導体チップの上面を第1弾性部材により加圧しながら加熱することにより焼結材を焼結させて、絶縁回路基板と複数の半導体チップとを接合する半導体製造装置であることを要旨とする。 The gist of one aspect of the present invention is that it is a semiconductor manufacturing device that includes (a) a lower jig on which an insulating circuit board is placed when multiple semiconductor chips are bonded to the insulating circuit board with a sintered material, (b) an upper jig that is disposed opposite the lower jig and has an opening, (c) a first elastic member that is held in the opening of the upper jig, and (d) a buffer layer that is disposed between the lower jig and the first elastic member and is thinner than the first elastic member, and that sinters the sintered material by heating while applying pressure to the top surfaces of the multiple semiconductor chips with the first elastic member, thereby bonding the insulating circuit board and the multiple semiconductor chips.

本発明の他の態様は、下治具と、下治具上に対向して配置され、開口部が設けられた上治具と、上治具の開口部に保持された第1弾性部材と、下治具と第1弾性部材の間に配置され、第1弾性部材よりも薄い緩衝層とを備える半導体製造装置を用いて、(a)絶縁回路基板上に焼結材で複数の半導体チップを接合する際に、下治具上に絶縁回路基板を載置し、(b)複数の半導体チップの上面を第1弾性部材により加圧し、(c)加圧した状態で加熱することにより焼結材を焼結させて、絶縁回路基板と複数の半導体チップとを接合することを含む半導体装置の製造方法であることを要旨とする。 Another aspect of the present invention is a method for manufacturing a semiconductor device, using a semiconductor manufacturing apparatus including a lower jig, an upper jig arranged opposite the lower jig and having an opening, a first elastic member held in the opening of the upper jig, and a buffer layer arranged between the lower jig and the first elastic member and thinner than the first elastic member, the method including: (a) placing an insulating circuit board on the lower jig when bonding multiple semiconductor chips to an insulating circuit board with a sintering material; (b) applying pressure to the top surfaces of the multiple semiconductor chips with the first elastic member; and (c) heating the board in a pressurized state to sinter the sintering material, thereby bonding the insulating circuit board and the multiple semiconductor chips.

本発明によれば、絶縁回路基板上に複数の半導体チップを焼結材で接合する際に、焼結材を均一な荷重で加圧することができる半導体製造装置及び半導体装置の製造方法を提供することができる。 The present invention provides a semiconductor manufacturing device and a method for manufacturing a semiconductor device that can apply a uniform load to the sintered material when bonding multiple semiconductor chips to an insulating circuit board with the sintered material.

本発明の第1実施形態に係る半導体装置の一例を示す断面図である。1 is a cross-sectional view showing an example of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. 第1実施形態に係る半導体装置の他の一例を示す断面図である。4 is a cross-sectional view showing another example of the semiconductor device according to the first embodiment. FIG. 第1実施形態に係る半導体装置の更に他の一例を示す断面図である。10 is a cross-sectional view showing still another example of the semiconductor device according to the first embodiment. FIG. 第1実施形態に係る半導体装置の更に他の一例を示す断面図である。4 is a cross-sectional view showing still another example of the semiconductor device according to the first embodiment. FIG. 第1実施形態に係る半導体装置の更に他の一例を示す断面図である。10 is a cross-sectional view showing still another example of the semiconductor device according to the first embodiment. FIG. 第1実施形態に係る半導体装置の更に他の一例を示す断面図である。4 is a cross-sectional view showing still another example of the semiconductor device according to the first embodiment. FIG. 比較例に係る半導体製造装置の加圧前の状態を示す断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view showing a state before pressure is applied to a semiconductor manufacturing apparatus according to a comparative example. 比較例に係る半導体製造装置の加圧中の状態を示す断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view showing a state during pressurization of a semiconductor manufacturing apparatus according to a comparative example. 絶縁回路基板の正反り状態を示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing a forward warping state of an insulating circuit board. 絶縁回路基板の負反り状態を示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing a negative warpage state of an insulating circuit board. 絶縁回路基板のうねり状態を示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view showing a wavy state of an insulating circuit board. 第1実施形態に係る半導体製造装置の加圧前の状態を示す断面図である。2 is a cross-sectional view showing a state before pressure is applied to the semiconductor manufacturing apparatus according to the first embodiment. FIG. 部品面積と部材厚み公差による弾性体厚さと荷重変動率の関係を示すグラフである。1 is a graph showing the relationship between elastic body thickness and load variation rate depending on component area and member thickness tolerance. 第1実施形態に係る半導体製造装置の加圧中の状態を示す断面図である。4 is a cross-sectional view showing a state during pressurization of the semiconductor manufacturing apparatus according to the first embodiment. FIG. 本発明の第2実施形態に係る半導体製造装置の加圧前の状態を示す断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view showing a state before pressure is applied to a semiconductor manufacturing apparatus according to a second embodiment of the present invention. 第2実施形態に係る半導体製造装置の加圧中の状態を示す断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view showing a state during pressurization of the semiconductor manufacturing apparatus according to the second embodiment. 本発明の第3実施形態に係る半導体製造装置の加圧前の状態を示す断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view showing a state before pressure is applied to a semiconductor manufacturing apparatus according to a third embodiment of the present invention. 第3実施形態に係る半導体製造装置の加圧中の状態を示す断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view showing a state during pressurization of the semiconductor manufacturing apparatus according to the third embodiment. 本発明の第4実施形態に係る半導体製造装置の加圧前の状態を示す断面図である。FIG. 13 is a cross-sectional view showing a state before pressure is applied to a semiconductor manufacturing apparatus according to a fourth embodiment of the present invention. 第4実施形態に係る半導体製造装置の加圧中の状態を示す断面図である。FIG. 13 is a cross-sectional view showing a state during pressurization of the semiconductor manufacturing apparatus according to the fourth embodiment.

以下、図面を参照して、本発明の第1~第4実施形態を説明する。図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付し、重複する説明を省略する。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は実際のものとは異なる場合がある。また、図面相互間においても寸法の関係や比率が異なる部分が含まれ得る。また、以下に示す第1~第4実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。 The first to fourth embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same or similar parts are given the same or similar reference numerals, and duplicate explanations will be omitted. However, the drawings are schematic, and the relationship between thickness and planar dimensions, the ratio of thickness of each layer, etc. may differ from the actual ones. Furthermore, the drawings may include parts with different dimensional relationships and ratios. Furthermore, the first to fourth embodiments shown below are examples of devices and methods for embodying the technical idea of the present invention, and the technical idea of the present invention does not specify the materials, shapes, structures, arrangements, etc. of the components as described below.

また、以下の説明における上下等の方向の定義は、単に説明の便宜上の定義であって、本発明の技術的思想を限定するものではない。例えば、対象を90°回転して観察すれば上下は左右に変換して読まれ、180°回転して観察すれば上下は反転して読まれることは勿論である。 In addition, the definitions of up and down and other directions in the following explanation are merely for the convenience of explanation and do not limit the technical ideas of the present invention. For example, if an object is rotated 90 degrees and observed, up and down are converted into left and right and read, and of course, if it is rotated 180 degrees and observed, up and down are read inverted.

(第1実施形態)
<半導体装置>
まず、図1~図6を参照して、本発明の第1実施形態に係る半導体製造装置及びこれを用いた半導体の製造方法で製造可能な半導体装置(半導体モジュール)の例を説明する。図1に示す半導体装置は、金属板(金属ベース)1と、金属板1上に接合材2aを介して接合された絶縁回路基板3とを備える。金属板1の材料としては、例えば銅(Cu)等の金属が使用可能である。
First Embodiment
<Semiconductor Device>
First, an example of a semiconductor device (semiconductor module) that can be manufactured by a semiconductor manufacturing apparatus according to a first embodiment of the present invention and a semiconductor manufacturing method using the same will be described with reference to Figures 1 to 6. The semiconductor device shown in Figure 1 includes a metal plate (metal base) 1 and an insulating circuit board 3 bonded onto the metal plate 1 via a bonding material 2a. The material of the metal plate 1 can be, for example, a metal such as copper (Cu).

絶縁回路基板3は、絶縁基板31と、絶縁基板31の下面に配置された第1回路層32と、絶縁基板31の上面に配置された第2回路層33とを備える。絶縁回路基板3は、例えば直接銅接合(DCB)基板や活性ろう付け(AMD)基板等であってもよい。絶縁基板31は、例えば酸化アルミニウム(Al)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化珪素(Si)等からなるセラミクス基板、高分子材料等を用いた樹脂絶縁基板で構成されている。第1回路層32及び第2回路層33の材料としては、例えば銅(Cu)やアルミニウム(Al)等の導体箔が使用可能である。 The insulating circuit board 3 includes an insulating substrate 31, a first circuit layer 32 disposed on the lower surface of the insulating substrate 31, and a second circuit layer 33 disposed on the upper surface of the insulating substrate 31. The insulating circuit board 3 may be, for example, a direct copper bonded (DCB) substrate or an activated metal deposition (AMD) substrate. The insulating substrate 31 is composed of, for example, a ceramic substrate made of aluminum oxide (Al 2 O 3 ), aluminum nitride (AlN), silicon nitride (Si 3 N 4 ), or a resin insulating substrate using a polymer material. The first circuit layer 32 and the second circuit layer 33 may be made of, for example, a conductor foil of copper (Cu), aluminum (Al), or the like.

半導体チップ4a,4bとしては、例えば絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)、電界効果トランジスタ(FET)、静電誘導(SI)サイリスタ、ゲートターンオフ(GTO)サイリスタ等が採用可能であるが、ここでは半導体チップ4a,4bがFETである場合を例示する。半導体チップ4a,4bは、例えばシリコン(Si)基板で構成してもよく、或いは炭化ケイ素(SiC)、窒化ガリウム(GaN)、酸化ガリウム(Ga)等のワイドバンドギャップ半導体からなる化合物半導体基板で構成してもよい。 The semiconductor chips 4a and 4b may be, for example, insulated gate bipolar transistors (IGBTs), field effect transistors (FETs), static induction (SI) thyristors, gate turn-off (GTO) thyristors, etc., but here, the semiconductor chips 4a and 4b are FETs. The semiconductor chips 4a and 4b may be, for example, silicon (Si) substrates, or compound semiconductor substrates made of wide band gap semiconductors such as silicon carbide (SiC), gallium nitride (GaN), and gallium oxide (Ga 2 O 3 ).

半導体チップ4a,4bは、図示を省略するが、下面側に第1主電極(ドレイン電極)をそれぞれ有し、上面側に、制御電極(ゲート電極)及び第2主電極(ソース電極)をそれぞれ有する。半導体チップ4a,4bの第1主電極は、接合材2b,2cを介して、絶縁回路基板3の第2回路層33に接合されている。半導体チップ4a,4bの第1主電極は同電位となるため、接合材2b,2cで個別に接合する代わりに、共通の接合材で接合してもよい。半導体チップ4a,4bの制御電極及び第2主電極は、ボンディングワイヤ5a,5bを介して絶縁回路基板3の第2回路層33に接続されている。絶縁回路基板3の第2回路層33は、接合材2d,2eを介して外部端子6a,6bに接続されている。 Although not shown, the semiconductor chips 4a and 4b each have a first main electrode (drain electrode) on the lower surface side, and a control electrode (gate electrode) and a second main electrode (source electrode) on the upper surface side. The first main electrodes of the semiconductor chips 4a and 4b are bonded to the second circuit layer 33 of the insulating circuit board 3 via the bonding materials 2b and 2c. Since the first main electrodes of the semiconductor chips 4a and 4b have the same potential, they may be bonded with a common bonding material instead of being bonded individually with the bonding materials 2b and 2c. The control electrodes and second main electrodes of the semiconductor chips 4a and 4b are connected to the second circuit layer 33 of the insulating circuit board 3 via the bonding wires 5a and 5b. The second circuit layer 33 of the insulating circuit board 3 is connected to the external terminals 6a and 6b via the bonding materials 2d and 2e.

接合材2a~2eとしては、例えば、はんだや焼結材が使用可能である。はんだとしては、例えば錫(Sn)系のはんだが使用可能である。焼結材としては、例えば、溶媒中に銀(Ag)系又は銅(Cu)系等の金属粒子を含有する金属粒子ペースト(導電性ペースト)が使用可能である。金属粒子は、数nm~数μm程度の微細な粒径を有する。 As the joining materials 2a to 2e, for example, solder or sintered material can be used. As the solder, for example, tin (Sn)-based solder can be used. As the sintered material, for example, metal particle paste (conductive paste) containing metal particles such as silver (Ag)-based or copper (Cu)-based in a solvent can be used. The metal particles have a fine particle size of about several nm to several μm.

金属板1上には、半導体チップ4a,4bの周囲を封止する封止部材7が配置されている。封止部材7としては、例えば耐熱性が高く硬質な熱硬化性樹脂等の樹脂材料が使用可能であり、具体的にはエポキシ樹脂、マレイミド樹脂、シアネート樹脂等が使用可能である。金属板1上には、封止部材7の周囲を囲むように、絶縁材料からなる端子ケース8が配置されている。 A sealing member 7 that seals the periphery of the semiconductor chips 4a and 4b is disposed on the metal plate 1. The sealing member 7 can be made of a resin material such as a hard thermosetting resin that has high heat resistance, and specifically, epoxy resin, maleimide resin, cyanate resin, etc. A terminal case 8 made of an insulating material is disposed on the metal plate 1 so as to surround the periphery of the sealing member 7.

図2に示す半導体装置は、図1に示す半導体装置と対比して、半導体チップ4aがボンディングワイヤ5cを介して外部端子6aに接続すると共に、絶縁回路基板3の第2回路層33がボンディングワイヤ5dを介して外部端子6bに接続している点が異なる。図3に示す半導体装置は、図1に示す半導体装置と対比して、絶縁回路基板3の下面側に金属板1を有さず、封止部材7の下面から絶縁回路基板3の第1回路層32が露出している点が異なる。図4に示す半導体装置は、図2に示す半導体装置と対比して、絶縁回路基板3の下面側に金属板1を有さず、封止部材7の下面から絶縁回路基板3の第1回路層32が露出している点が異なる。 The semiconductor device shown in FIG. 2 differs from the semiconductor device shown in FIG. 1 in that the semiconductor chip 4a is connected to the external terminal 6a via the bonding wire 5c, and the second circuit layer 33 of the insulating circuit board 3 is connected to the external terminal 6b via the bonding wire 5d. The semiconductor device shown in FIG. 3 differs from the semiconductor device shown in FIG. 1 in that the metal plate 1 is not provided on the lower surface of the insulating circuit board 3, and the first circuit layer 32 of the insulating circuit board 3 is exposed from the lower surface of the sealing member 7. The semiconductor device shown in FIG. 4 differs from the semiconductor device shown in FIG. 2 in that the metal plate 1 is not provided on the lower surface of the insulating circuit board 3, and the first circuit layer 32 of the insulating circuit board 3 is exposed from the lower surface of the sealing member 7.

図5に示す半導体装置は、図3に示す半導体装置と対比して、半導体チップ4a,4b上に配置されたインプラント基板(9a,9b,9c,10)を備える点が異なる。インプラント基板(9a,9b,9c,10)は、複数のピン9a,9b,9cが挿入されたプリント基板10で構成されている。プリント基板10は、絶縁層11と、絶縁層11の下面に配置された第1配線層12と、絶縁層11の上面に配置された第2配線層13とを備える。 The semiconductor device shown in FIG. 5 differs from the semiconductor device shown in FIG. 3 in that it includes implant substrates (9a, 9b, 9c, 10) arranged on the semiconductor chips 4a and 4b. The implant substrates (9a, 9b, 9c, 10) are composed of a printed circuit board 10 into which multiple pins 9a, 9b, and 9c are inserted. The printed circuit board 10 includes an insulating layer 11, a first wiring layer 12 arranged on the lower surface of the insulating layer 11, and a second wiring layer 13 arranged on the upper surface of the insulating layer 11.

絶縁層11は、例えばアルミナ(Al)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化珪素(Si)等を主成分としたセラミクスや樹脂等の絶縁材料で構成されている。絶縁層11は、ガラス繊維とエポキシ樹脂との組み合わせ等からなる樹脂基板であってよい。 The insulating layer 11 is made of an insulating material such as a ceramic or a resin whose main component is, for example, alumina ( Al2O3 ), aluminum nitride (AlN), silicon nitride ( Si3N4 ), etc. The insulating layer 11 may be a resin substrate made of a combination of glass fiber and epoxy resin, etc.

第1配線層12及び第2配線層13は、例えば銅(Cu)やアルミニウム(Al)等からなる導体箔で構成されている。第1配線層12及び第2配線層13には、銅(Cu)やニッケル(Ni)、錫(Sn)等のメッキが施されていてもよい。 The first wiring layer 12 and the second wiring layer 13 are composed of a conductor foil made of, for example, copper (Cu) or aluminum (Al). The first wiring layer 12 and the second wiring layer 13 may be plated with copper (Cu), nickel (Ni), tin (Sn), or the like.

複数のピン9a,9bは、接合材2f,2gを介して半導体チップ4a,4bに接合されている。複数のピン9cは、接合材2hを介して絶縁回路基板3の第2回路層33に接合されている。複数のピン9a,9b,9cは、銅(Cu)等の金属材料で構成されている。 The multiple pins 9a, 9b are bonded to the semiconductor chips 4a, 4b via bonding materials 2f, 2g. The multiple pins 9c are bonded to the second circuit layer 33 of the insulating circuit board 3 via bonding material 2h. The multiple pins 9a, 9b, 9c are made of a metal material such as copper (Cu).

図6に示す半導体装置は、図5に示す半導体装置と対比して、端子ケース8を有さずに、封止部材7で全体を覆ったフルモールド構造である点が異なる。 The semiconductor device shown in FIG. 6 differs from the semiconductor device shown in FIG. 5 in that it does not have a terminal case 8 and has a full mold structure in which the entire device is covered with a sealing member 7.

図1~図6に示す半導体装置において、絶縁回路基板3と半導体チップ4a,4bとの接合に用いる接合材2b,2cとしては、上述したように、はんだ又は焼結材が使用可能である。ここで、はんだは、熱伝導率が低く、融点が低く、半導体装置の使用温度でのせん断強度が低下する。例えば錫(Sn)系はんだの熱伝導率は約60W/mkであり、融点は約220℃~280℃であり、175℃でのせん断強度は約30MPa~40MPaである。 In the semiconductor device shown in Figures 1 to 6, as described above, solder or sintered material can be used as the bonding materials 2b, 2c used to bond the insulating circuit board 3 and the semiconductor chips 4a, 4b. Solder has low thermal conductivity and a low melting point, and its shear strength at the operating temperature of the semiconductor device is low. For example, tin (Sn)-based solder has a thermal conductivity of about 60 W/mK, a melting point of about 220°C to 280°C, and a shear strength of about 30 MPa to 40 MPa at 175°C.

一方、焼結材は、金属粒子の融点が高いので、150℃~175℃程度の使用温度でせん断強度が低下しないため、SiCチップやGaNチップ等の更に高い温度でも使用可能となる。例えば銀(Ag)系の焼結材の熱伝導率は約400W/mk、熱膨張係数は約19×10-6/℃、融点は約960℃であり、使用温度での強度が安定する。そこで、第1実施形態においては、絶縁回路基板3と半導体チップ4a,4bとの接合材2b,2cとして焼結材を採用する場合を説明する。 On the other hand, since the melting point of the metal particles in the sintered material is high, the shear strength does not decrease at operating temperatures of about 150°C to 175°C, and therefore it can be used at even higher temperatures such as SiC chips and GaN chips. For example, the thermal conductivity of a silver (Ag)-based sintered material is about 400 W/mk, the thermal expansion coefficient is about 19×10 -6 /°C, and the melting point is about 960°C, so that the strength at the operating temperature is stable. Therefore, in the first embodiment, a case where a sintered material is used as the bonding materials 2b and 2c between the insulating circuit board 3 and the semiconductor chips 4a and 4b will be described.

<比較例>
以下において、比較例に係る半導体装置の製造方法を説明する。比較例に係る半導体装置の製造方法では、図7に示すように、絶縁回路基板3上に焼結材2を塗布し、絶縁回路基板3上に焼結材2を介して複数の半導体チップ4a,4bを搭載する。ここでは、共通の焼結材2で絶縁回路基板3と複数の半導体チップ4a,4bとを接合する場合を例示するが、図1~図6に示した半導体装置のように、個別の接合材(焼結材)2b,2cで絶縁回路基板3と複数の半導体チップ4a,4bのそれぞれとを接合してもよい。
Comparative Example
A method for manufacturing a semiconductor device according to a comparative example will be described below. In the method for manufacturing a semiconductor device according to the comparative example, as shown in Fig. 7, a sintered material 2 is applied onto an insulating circuit board 3, and multiple semiconductor chips 4a, 4b are mounted on the insulating circuit board 3 via the sintered material 2. Here, a case where the insulating circuit board 3 and the multiple semiconductor chips 4a, 4b are bonded with a common sintered material 2 is illustrated, but as in the semiconductor device shown in Figs. 1 to 6, the insulating circuit board 3 and the multiple semiconductor chips 4a, 4b may be bonded with individual bonding materials (sintered materials) 2b, 2c.

そして、複数の半導体チップ4a,4bを搭載した絶縁回路基板3を、加圧装置(プレス機)の下金型201上に載置する。複数の半導体チップ4a,4b上には、シート状又はフィルム状の緩衝層203が配置され、緩衝層203上にはプレス機の上金型202が下金型201に対向するように配置されている。 Then, the insulating circuit board 3 on which the multiple semiconductor chips 4a, 4b are mounted is placed on the lower die 201 of a pressure device (press machine). A sheet-like or film-like buffer layer 203 is placed on the multiple semiconductor chips 4a, 4b, and the upper die 202 of the press machine is placed on the buffer layer 203 so as to face the lower die 201.

図8に示すように、プレス機の上金型202を降下させて、緩衝層203を介して半導体チップ4a,4bの上面を加圧しながら加熱することにより、焼結材2に焼結反応(固相焼結)を発生させて、絶縁回路基板3と半導体チップ4a,4bとを接合する。固相焼結とは、融点以下の温度において粒子全体が融解せずに原子拡散により粒子間に結合が生じ接合する現象をいう。 As shown in FIG. 8, the upper die 202 of the press is lowered and the upper surfaces of the semiconductor chips 4a and 4b are heated while being pressed through the buffer layer 203, causing a sintering reaction (solid-phase sintering) in the sintering material 2 to bond the insulating circuit board 3 and the semiconductor chips 4a and 4b. Solid-phase sintering refers to the phenomenon in which the particles do not melt as a whole at temperatures below the melting point, but rather bonds are formed between the particles due to atomic diffusion, resulting in bonding.

比較例に係る半導体装置の製造方法では、半導体チップ4a,4bの上面を加圧する際に、焼結材2上に複数の半導体チップ4a,4bが有る部分と無い部分の段差や、互いに異なる高さの複数の半導体チップ4a,4bによる段差等があるため、焼結材2を均一に加圧することが困難である。この結果、焼結材2の厚さや密度にバラツキが生じて、接合品質が不安定となり、半導体装置の短寿命化につながる。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to the comparative example, when applying pressure to the top surfaces of the semiconductor chips 4a, 4b, it is difficult to apply uniform pressure to the sintered material 2 because of steps between areas on the sintered material 2 where there are multiple semiconductor chips 4a, 4b and areas where there are not, and steps due to multiple semiconductor chips 4a, 4b of different heights. As a result, the thickness and density of the sintered material 2 vary, the joining quality becomes unstable, and this leads to a shortened lifespan of the semiconductor device.

更に、比較例に係る半導体装置の製造方法では、絶縁回路基板3が反りを有する状態で半導体チップ4a,4bの上面を加圧すると、焼結材2の厚さが不均一となり、接合品質が不安定となる場合がある。図9Aは、絶縁回路基板3の正反り状態を示している。絶縁回路基板3の反り量W1は、例えば200μm程度である。図9Bは、絶縁回路基板3の負反り状態を示している。図9Cは、絶縁回路基板3のうねり状態を示している。 Furthermore, in the manufacturing method of the semiconductor device according to the comparative example, when pressure is applied to the top surfaces of the semiconductor chips 4a, 4b while the insulating circuit board 3 is warped, the thickness of the sintered material 2 becomes non-uniform, which may result in unstable bonding quality. Figure 9A shows the positive warpage state of the insulating circuit board 3. The amount of warping W1 of the insulating circuit board 3 is, for example, about 200 μm. Figure 9B shows the negative warpage state of the insulating circuit board 3. Figure 9C shows the undulating state of the insulating circuit board 3.

更に、比較例に係る半導体装置の製造方法では、半導体チップ4a,4bの周囲にはみだして露出した焼結材2は加圧されない。このため、後工程で焼結材2が欠落(脱落)し易く、欠落した焼結材2により不良が発生する場合がある。 Furthermore, in the manufacturing method of the semiconductor device according to the comparative example, the sintered material 2 exposed around the semiconductor chips 4a and 4b is not pressurized. As a result, the sintered material 2 is prone to chipping (falling off) in later processes, and the chipped sintered material 2 may cause defects.

<半導体製造装置>
以下において、第1実施形態に係る半導体製造装置を説明する。第1実施形態に係る半導体製造装置は、図10に示すように、プレス機に取り付けられ、互いに平行に対向する下金型111及び上金型112を備える。なお、第1実施形態に係る半導体製造装置は、下金型111及び上金型112を含まない構成としてもよい。或いは、第1実施形態に係る半導体製造装置は、下金型111及び上金型112を取り付けたプレス機の一部又は全部も含む構成としてもよい。
<Semiconductor manufacturing equipment>
The semiconductor manufacturing apparatus according to the first embodiment will be described below. As shown in Fig. 10, the semiconductor manufacturing apparatus according to the first embodiment is attached to a press machine and includes a lower mold 111 and an upper mold 112 that face each other in parallel. The semiconductor manufacturing apparatus according to the first embodiment may be configured not to include the lower mold 111 and the upper mold 112. Alternatively, the semiconductor manufacturing apparatus according to the first embodiment may be configured to include a part or the whole of the press machine to which the lower mold 111 and the upper mold 112 are attached.

第1実施形態に係る半導体製造装置には、図10に示すように、絶縁回路基板3上に焼結材2を介して複数の半導体チップ4a,4bが搭載された部品が載置されている。焼結材2は絶縁回路基板3上に塗布して乾燥した状態であり、焼結しておらず、複数の半導体チップ4a,4bと絶縁回路基板3は接合されていない状態である。焼結材2は、複数の半導体チップ4a,4bよりも広い面積で形成されており、複数の半導体チップ4a,4bの周囲からはみ出して露出している。絶縁回路基板3上に搭載される半導体チップの数は特に限定されず、3つ以上であってもよい。 As shown in FIG. 10, in the semiconductor manufacturing apparatus according to the first embodiment, a component is placed on an insulating circuit board 3 with multiple semiconductor chips 4a, 4b mounted thereon via a sintered material 2. The sintered material 2 is applied to the insulating circuit board 3 and dried, but is not sintered, and the multiple semiconductor chips 4a, 4b and the insulating circuit board 3 are not yet joined. The sintered material 2 is formed with an area larger than the multiple semiconductor chips 4a, 4b, and is exposed beyond the periphery of the multiple semiconductor chips 4a, 4b. There is no particular limit to the number of semiconductor chips mounted on the insulating circuit board 3, and it may be three or more.

第1実施形態に係る半導体製造装置は、下治具101と、下治具101上に対向するように配置された上治具102を備える。下治具101には凹部101xが設けられている。下治具101の凹部101xに、絶縁回路基板3上に焼結材2を介して複数の半導体チップ4a,4bが搭載された部品が載置される。凹部101xの深さは、絶縁回路基板3の絶縁基板31が凹部101x内に収まるように設定されている。凹部101xの深さは、例えば、絶縁回路基板3の厚さと一致していてもよい。 The semiconductor manufacturing apparatus according to the first embodiment includes a lower jig 101 and an upper jig 102 arranged on the lower jig 101 so as to face it. The lower jig 101 is provided with a recess 101x. A component having multiple semiconductor chips 4a, 4b mounted on an insulating circuit board 3 via a sintered material 2 is placed in the recess 101x of the lower jig 101. The depth of the recess 101x is set so that the insulating substrate 31 of the insulating circuit board 3 fits within the recess 101x. The depth of the recess 101x may be the same as the thickness of the insulating circuit board 3, for example.

下治具101は、プレス機の下金型111上に載置される。プレス機には加熱機構(ヒータ)が内蔵されており、加熱機構により下金型111が加熱される。なお、加熱機構の配置位置は特に限定されず、プレス機とは個別に加熱機構が配置されていてもよい。下治具101の凹部101xの周辺の中央部の厚さは例えば1mm以上、10mm以下程度であるが、これに限定されない。下治具101の中央部を囲む外周部101yの高さは、上治具102との位置合わせのために、中央部よりも高く設定されている。下治具101の材料としては、銅(Cu)又はアルミニウム(Al)等の金属や炭素が使用可能である。 The lower jig 101 is placed on the lower die 111 of the press. The press has a built-in heating mechanism (heater), and the lower die 111 is heated by the heating mechanism. The position of the heating mechanism is not particularly limited, and the heating mechanism may be arranged separately from the press. The thickness of the central part around the recess 101x of the lower jig 101 is, for example, about 1 mm or more and 10 mm or less, but is not limited to this. The height of the outer periphery 101y surrounding the central part of the lower jig 101 is set higher than the central part in order to align it with the upper jig 102. The material of the lower jig 101 can be metal such as copper (Cu) or aluminum (Al), or carbon.

上治具102の材料としては、例えば、銅(Cu)又はアルミニウム(Al)等の金属が使用可能である。上治具102は開口部を有する筒状であり、開口部にチップ加圧機構(103,104)を保持する。チップ加圧機構(103,104)は、上治具102の開口部内で上下方向に移動可能である。 The upper jig 102 may be made of a metal such as copper (Cu) or aluminum (Al). The upper jig 102 is cylindrical with an opening, and holds a chip pressure mechanism (103, 104) in the opening. The chip pressure mechanism (103, 104) can move up and down within the opening of the upper jig 102.

チップ加圧機構(103,104)は、弾性部材103と、弾性部材103上に配置された加圧ブロック104を有する。弾性部材103及び加圧ブロック104は、上治具102の開口部の内周面に接して配置されているか、或いは開口部の内周面と1mm以下程度の間隔を有して配置されている。弾性部材103の周囲を上治具102で囲むことにより、弾性部材103への垂直方向の加圧に対して水平方向に伸びて圧力が拡散することを防止することができる。 The chip pressure mechanism (103, 104) has an elastic member 103 and a pressure block 104 arranged on the elastic member 103. The elastic member 103 and the pressure block 104 are arranged in contact with the inner peripheral surface of the opening of the upper jig 102, or arranged with a gap of about 1 mm or less from the inner peripheral surface of the opening. By surrounding the periphery of the elastic member 103 with the upper jig 102, it is possible to prevent the elastic member 103 from expanding horizontally in response to vertical pressure applied to the elastic member 103, thereby preventing the pressure from diffusing.

弾性部材103は、例えば円柱状又は角柱状等の柱状である。弾性部材103としては、例えばシリコン(Si)ゴム等の耐熱ゴムが使用可能である。Siゴムとしては、例えばビニルメチルシリコーンゴム(VMQ)等が挙げられる。また、弾性部材103として、板ばね又はコイルばね等のばねも使用可能である。弾性部材103は、半導体チップ4a,4bの上面を加圧する際に、半導体チップ4a,4b及び焼結材2の形状に合わせて弾性変形し、加圧後は元の形状に戻るため、繰り返し使用することができる。 The elastic member 103 is, for example, cylindrical or rectangular. Heat-resistant rubber such as silicon (Si) rubber can be used as the elastic member 103. Examples of Si rubber include vinyl methyl silicone rubber (VMQ). Springs such as leaf springs and coil springs can also be used as the elastic member 103. The elastic member 103 elastically deforms to match the shapes of the semiconductor chips 4a, 4b and the sintered material 2 when pressure is applied to the top surfaces of the semiconductor chips 4a, 4b, and returns to its original shape after pressure is applied, so it can be used repeatedly.

弾性部材103の下面は、半導体チップ4a,4bの上面を全て覆うように設定されている。弾性部材103の下面は、絶縁回路基板3のの上面を全て覆うように設定されていてもよい。弾性部材103の上下方向(鉛直方向)の厚さT1は30mm以上程度である。弾性部材103の厚さT1は、例えば30mm以上、50mm以下程度であってもよく、50mm以上程度であってもよい。弾性部材103の静的せん断弾性率は、例えば0.3MPa以上、1.63MPa以下程度であり、例えば一般的なSiゴムで0.66MPa程度である。 The lower surface of the elastic member 103 is set so as to cover the entire upper surface of the semiconductor chips 4a, 4b. The lower surface of the elastic member 103 may be set so as to cover the entire upper surface of the insulating circuit board 3. The thickness T1 of the elastic member 103 in the up-down direction (vertical direction) is about 30 mm or more. The thickness T1 of the elastic member 103 may be, for example, about 30 mm or more and 50 mm or less, or may be about 50 mm or more. The static shear modulus of the elastic member 103 is, for example, about 0.3 MPa or more and 1.63 MPa or less, and is, for example, about 0.66 MPa for general Si rubber.

ここで、弾性体の静的ばね定数Ks[N/m]は、以下の式(1)で表される。

Ks=W/δ=Eap×AL/h …(1)
Here, the static spring constant Ks [N/m] of the elastic body is expressed by the following formula (1).

Ks=W/δ=Eap×AL/h…(1)

式(1)において、Wは荷重[N]、δはたわみ量[m]、Eapは見掛けヤング率[MPa]、ALは受圧面積[m]、hは弾性体の高さ[m]、Gは静的せん断弾性率[MPa]である。また、円柱の場合の見掛けヤング率Eap及び角柱の場合の見掛けヤング率Eapは、以下の式(2)及び式(3)でそれぞれ表される。

Eap=G(3+4.94S) …(2)
Eap=G(3+6.58S) …(3)
In formula (1), W is the load [N], δ is the deflection [m], Eap is the apparent Young's modulus [MPa], AL is the pressure-receiving area [ m2 ], h is the height of the elastic body [m], and G is the static shear modulus [MPa]. The apparent Young's modulus Eap for a cylinder and the apparent Young's modulus Eap for a rectangular prism are expressed by the following formulas (2) and (3), respectively.

Eap=G(3+4.94S 2 )...(2)
Eap=G(3+6.58S 2 )...(3)

式(2)及び式(3)において、Sは形状率であり、以下の式(4)で表される。

S=AL/AF …(4)
In the formulas (2) and (3), S is the shape factor, and is expressed by the following formula (4).

S=AL/AF...(4)

式(4)において、AFは自由面積[m]であり、荷重を受けた場合に変形可能な部分の総面積である。式(1)を用いて、部品の段差(約1mm)と公差(約150μm)により生じる荷重変動率を1%以内とするために必要な弾性体の厚さは30μm以上と求められる。 In formula (4), AF is the free area [ m2 ], which is the total area of the part that can deform when a load is applied. Using formula (1), the thickness of the elastic body required to keep the load fluctuation rate caused by the step (about 1 mm) and tolerance (about 150 μm) of the part within 1% is calculated to be 30 μm or more.

図11は、部品面積と部材厚み公差による弾性体(ゴム)厚さと荷重変動率の関係を示す。図11に示すように、部品面積が大きいほど弾性体厚さが必要となる傾向があるが、弾性体厚さが30μm以上であれば、部品の段差(約1mm)と公差(約150μm)により生じる荷重変動率を1%以内に収めることができる。弾性部材103の厚さT1及び弾性部材103の材料は、半導体チップ4a,4b等の種類に応じて適宜選択可能である。 Figure 11 shows the relationship between the elastic (rubber) thickness and the load fluctuation rate depending on the component area and component thickness tolerance. As shown in Figure 11, the larger the component area, the thicker the elastic body tends to be, but if the elastic body thickness is 30 μm or more, the load fluctuation rate caused by the component step (approximately 1 mm) and tolerance (approximately 150 μm) can be kept within 1%. The thickness T1 of the elastic member 103 and the material of the elastic member 103 can be selected appropriately depending on the type of semiconductor chips 4a, 4b, etc.

図10に示した加圧ブロック104の材料としては、例えば銅(Cu)又はアルミニウム(Al)等の金属が使用可能である。加圧ブロック104上には、プレス機の上金型112が配置されている。 The material of the pressure block 104 shown in FIG. 10 can be a metal such as copper (Cu) or aluminum (Al). The upper die 112 of the press is placed on the pressure block 104.

下治具101と上治具102の間には、緩衝層105が配置されている。緩衝層105は、図8に示した比較例に係る半導体装置の製造方法で用いた緩衝層203に対応する。緩衝層105の厚さは、弾性部材103の厚さT1よりも薄く、例えば50μm以上、500μm以下程度である。緩衝層105は、半導体チップ4a,4b及び焼結材2等の部品が弾性部材103に付着することを防止すると共に、弾性部材103側に付着した塵埃破片等による半導体チップ4a,4b等の部品の破損を防止する機能を有する。緩衝層105は、下治具101及び上治具102の間の断熱機能も有する。即ち、第1実施形態に係る半導体製造装置は下治具101側を加熱する下加熱方式であるため、緩衝層105は、下治具101側から上治具102側への熱の移動を遮断する。 Between the lower jig 101 and the upper jig 102, a buffer layer 105 is disposed. The buffer layer 105 corresponds to the buffer layer 203 used in the manufacturing method of the semiconductor device according to the comparative example shown in FIG. 8. The thickness of the buffer layer 105 is thinner than the thickness T1 of the elastic member 103, for example, about 50 μm or more and 500 μm or less. The buffer layer 105 has a function of preventing components such as the semiconductor chips 4a, 4b and the sintered material 2 from adhering to the elastic member 103, and also prevents damage to the components such as the semiconductor chips 4a, 4b due to dust fragments adhering to the elastic member 103 side. The buffer layer 105 also has a heat insulating function between the lower jig 101 and the upper jig 102. That is, since the semiconductor manufacturing apparatus according to the first embodiment is a bottom heating type that heats the lower jig 101 side, the buffer layer 105 blocks the transfer of heat from the lower jig 101 side to the upper jig 102 side.

緩衝層105は、半導体チップ4a,4b及び焼結材2等に張り付き難く、破断し難く、柔軟性及び耐熱性の高いフィルム材料又は延性材料で構成されている。緩衝層105としては、例えばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等の樹脂フィルムや、シリコン(Si)フィルム等が使用可能である。緩衝層105は、半導体チップ4a,4bを加圧する際に塑性変形し、加圧後に元の形状には戻らず、繰り返し使用し難く、使用する度に交換する必要がある。なお、焼結材2からガスが発生するため、緩衝層105は半導体チップ4a,4b及び焼結材2の周囲を密閉しないことが好ましい。 The buffer layer 105 is made of a film material or ductile material that is difficult to stick to the semiconductor chips 4a, 4b and the sintered material 2, difficult to break, and has high flexibility and heat resistance. For example, a resin film such as polytetrafluoroethylene (PTFE) or a silicon (Si) film can be used as the buffer layer 105. The buffer layer 105 is plastically deformed when the semiconductor chips 4a, 4b are pressurized, and does not return to its original shape after pressurization, making it difficult to use repeatedly and requiring replacement after each use. Note that, since gas is generated from the sintered material 2, it is preferable that the buffer layer 105 does not seal the semiconductor chips 4a, 4b and the sintered material 2.

<半導体装置の製造方法>
次に、第1実施形態に係る半導体製造装置を用いた半導体装置の製造方法の一例を説明する。
<Method of Manufacturing Semiconductor Device>
Next, an example of a method for manufacturing a semiconductor device using the semiconductor manufacturing apparatus according to the first embodiment will be described.

図10に示すように、スクリーン印刷等により、絶縁回路基板3上に焼結材2を塗布して形成する。そして、焼結材2上に半導体チップ4a,4bを搭載する。 As shown in FIG. 10, the sintered material 2 is applied to the insulating circuit board 3 by screen printing or the like. Then, the semiconductor chips 4a and 4b are mounted on the sintered material 2.

半導体チップ4a,4bを搭載した絶縁回路基板3を、プレス機の下金型111及び上金型112の間に配置された下治具101の凹部101xに搭載する。下治具101及び上治具102の間の半導体チップ4a,4bの上方には、緩衝層105が配置される。 The insulating circuit board 3 on which the semiconductor chips 4a and 4b are mounted is mounted in the recess 101x of the lower jig 101, which is disposed between the lower die 111 and the upper die 112 of the press. A buffer layer 105 is disposed above the semiconductor chips 4a and 4b between the lower jig 101 and the upper jig 102.

次に、図12に示すように、プレス機の上金型112を降下させて、チップ加圧機構(103,104)が半導体チップ4a,4bの上面を押して加圧する。この際、弾性部材103が、半導体チップ4a,4b及び焼結材2等の形状に合わせて弾性変形する。このため、弾性部材103により半導体チップ4a,4bの周囲に露出している焼結材2も加圧され、押し固められる。更に、弾性部材103は、半導体チップ4a,4bの周囲の絶縁回路基板3も加圧することにより、絶縁回路基板3の反りが矯正され、絶縁回路基板3が平坦化される。 Next, as shown in FIG. 12, the upper die 112 of the press is lowered, and the chip pressure mechanism (103, 104) presses and presses the upper surfaces of the semiconductor chips 4a, 4b. At this time, the elastic member 103 elastically deforms to match the shapes of the semiconductor chips 4a, 4b and the sintered material 2. Therefore, the sintered material 2 exposed around the semiconductor chips 4a, 4b is also pressurized and compacted by the elastic member 103. Furthermore, the elastic member 103 also presses the insulating circuit board 3 around the semiconductor chips 4a, 4b, thereby correcting the warping of the insulating circuit board 3 and flattening the insulating circuit board 3.

半導体チップ4a,4bが加圧された状態で、加熱機構により下治具101が加熱されて、加圧及び加熱により焼結材2に焼結反応を生じさせる。例えば、加圧力が1MPa以上、60MPa以下程度、加熱温度が150℃以上、350℃以下程度、加熱時間が1~5分程度に設定される。これにより、絶縁回路基板3と半導体チップ4a,4bとが焼結材2を介して接合する。 With the semiconductor chips 4a, 4b pressed, the lower jig 101 is heated by the heating mechanism, and the pressure and heat cause a sintering reaction in the sintered material 2. For example, the pressure is set to about 1 MPa or more and 60 MPa or less, the heating temperature is set to about 150°C or more and 350°C or less, and the heating time is set to about 1 to 5 minutes. This bonds the insulating circuit board 3 and the semiconductor chips 4a, 4b via the sintered material 2.

その後、チップ加圧機構(103,104)及び上治具102を取り外して、絶縁回路基板3上に半導体チップ4a,4bが接合した部品を取り出す。引き続き、図1~図4に示すように、半導体チップ4a,4bをワイヤボンディングにより外部端子6a,6bと電気的に接続し、封止部材7でモールドする等の通常のプロセスにより、図1~図4に示した半導体装置を実現可能である。或いは、図5及び図6に示すように、絶縁回路基板3及び半導体チップ4a,4b上にインプラント基板(9a,9b,9c,10)を搭載し、封止部材7でモールドする等の通常のプロセスにより、図5及び図6に示した半導体装置を実現可能である。 Then, the chip pressure mechanism (103, 104) and the upper jig 102 are removed, and the component with the semiconductor chips 4a, 4b bonded to the insulating circuit board 3 is taken out. Next, as shown in FIGS. 1 to 4, the semiconductor chips 4a, 4b are electrically connected to the external terminals 6a, 6b by wire bonding, and molded with a sealing member 7, or other normal processes can be used to realize the semiconductor device shown in FIGS. 1 to 4. Alternatively, as shown in FIGS. 5 and 6, the implant substrate (9a, 9b, 9c, 10) is mounted on the insulating circuit board 3 and the semiconductor chips 4a, 4b, and molded with a sealing member 7, or other normal processes can be used to realize the semiconductor device shown in FIGS. 5 and 6.

第1実施形態に係る半導体製造装置及びこの半導体製造装置を用いた半導体装置の製造方法によれば、弾性部材103が弾性変形しながら半導体チップ4a,4bを加圧することにより、部材寸法のバラツキによる加圧力のバラツキを抑制して、均等に加圧することができる。更に、弾性部材103の厚さT1を30mm以上とすることにより、部材の寸法公差を吸収し、加圧荷重の変動率を1%以内に抑制することができる。 According to the semiconductor manufacturing apparatus of the first embodiment and the method of manufacturing a semiconductor device using this semiconductor manufacturing apparatus, the elastic member 103 applies pressure to the semiconductor chips 4a, 4b while elastically deforming, thereby suppressing variations in the pressure force due to variations in the dimensions of the components, and allowing for uniform pressure application. Furthermore, by making the thickness T1 of the elastic member 103 30 mm or more, it is possible to absorb the dimensional tolerance of the components and suppress the fluctuation rate of the pressure load to within 1%.

更に、弾性部材103により、半導体チップ4a,4bの周囲に露出している焼結材2も加圧して押し固めることができるので、後工程における絶縁回路基板3からの焼結材2の欠落を防止することができる。 Furthermore, the elastic member 103 can also apply pressure to the sintered material 2 exposed around the semiconductor chips 4a and 4b to compress it, preventing the sintered material 2 from falling off the insulating circuit board 3 in later processes.

更に、弾性部材103により、半導体チップ4a,4bの周囲の絶縁回路基板3も加圧して絶縁回路基板3の反りを矯正することができ、絶縁回路基板3が平坦化した状態で焼結材2を加圧することができる。よって、焼結材2の厚さを均一化することができ、接合品質を安定させることができる。 Furthermore, the elastic member 103 can also apply pressure to the insulating circuit board 3 around the semiconductor chips 4a and 4b to correct any warping of the insulating circuit board 3, and pressure can be applied to the sintered material 2 while the insulating circuit board 3 is flattened. This makes it possible to make the thickness of the sintered material 2 uniform, stabilizing the joining quality.

更に、下治具101に凹部101xが無く、下治具101上に絶縁回路基板3を載置して加圧した場合には、絶縁回路基板3の外周部に位置する絶縁基板31の突出部(沿面部)が破損する可能性がある。これに対して、下治具101に凹部101xを設けたことにより、絶縁基板31の破損を防止することができる。 Furthermore, if the lower jig 101 does not have a recess 101x and the insulating circuit board 3 is placed on the lower jig 101 and pressure is applied, the protruding portion (creeping portion) of the insulating board 31 located on the outer periphery of the insulating circuit board 3 may be damaged. In contrast, by providing the recess 101x in the lower jig 101, damage to the insulating board 31 can be prevented.

(第2実施形態)
本発明の第2実施形態に係る半導体製造装置は、図13に示すように、チップ加圧機構(103a,104a)の幅が、図10に示した第1実施形態に係る半導体製造装置のチップ加圧機構(103,104)の幅よりも狭い点が、図10に示した第1実施形態に係る半導体製造装置の構成と異なる。
Second Embodiment
As shown in FIG. 13, the semiconductor manufacturing apparatus according to the second embodiment of the present invention differs from the configuration of the semiconductor manufacturing apparatus according to the first embodiment shown in FIG. 10 in that the width of the chip pressure mechanisms (103 a, 104 a) is narrower than the width of the chip pressure mechanisms (103, 104) of the semiconductor manufacturing apparatus according to the first embodiment shown in FIG.

チップ加圧機構(103a,104a)は、弾性部材103aと、弾性部材103a上に配置された加圧ブロック104aを備える。弾性部材103aは、図10に示した第1実施形態に係る半導体製造装置の弾性部材103と同様に30mm以上の厚さT1を有し、弾性部材103と同様の材料を使用可能である。加圧ブロック104aは、図10に示した第1実施形態に係る半導体製造装置の加圧ブロック104と同様の材料が使用可能である。 The chip pressure mechanism (103a, 104a) includes an elastic member 103a and a pressure block 104a arranged on the elastic member 103a. The elastic member 103a has a thickness T1 of 30 mm or more, similar to the elastic member 103 of the semiconductor manufacturing apparatus according to the first embodiment shown in FIG. 10, and can be made of the same material as the elastic member 103. The pressure block 104a can be made of the same material as the pressure block 104 of the semiconductor manufacturing apparatus according to the first embodiment shown in FIG. 10.

更に、第2実施形態に係る半導体製造装置は、下治具101と上治具102の間に配置された中治具106を備える点が、図10に示した第1実施形態に係る半導体製造装置の構成と異なる。中治具106の材料としては、下治具101及び上治具102と同様の材料が使用可能である。中治具106には、弾性部材103aの位置に対応して、弾性部材103aが上下方向に移動可能な開口部が設けられている。更に、中治具106には、位置決めピン108が配置されている。位置決めピン108は、絶縁回路基板3の上面の第2回路層33が無い部分に対応して配置されている。 Furthermore, the semiconductor manufacturing apparatus according to the second embodiment differs from the configuration of the semiconductor manufacturing apparatus according to the first embodiment shown in FIG. 10 in that it includes an intermediate jig 106 disposed between the lower jig 101 and the upper jig 102. The intermediate jig 106 can be made of the same material as the lower jig 101 and the upper jig 102. The intermediate jig 106 has an opening that corresponds to the position of the elastic member 103a and allows the elastic member 103a to move in the vertical direction. Furthermore, a positioning pin 108 is disposed on the intermediate jig 106. The positioning pin 108 is disposed in correspondence with a portion of the upper surface of the insulating circuit board 3 where the second circuit layer 33 is not present.

更に、第2実施形態に係る半導体製造装置は、下治具101が外周部101yを有さず、下治具101、中治具106及び上治具102を貫通する軸ピン107a,107bを備える点が、図10に示した第1実施形態に係る半導体製造装置の構成と異なる。軸ピン107a,107bにより、下治具101、中治具106及び上治具102の位置合わせが容易となる。 Furthermore, the semiconductor manufacturing apparatus according to the second embodiment differs from the configuration of the semiconductor manufacturing apparatus according to the first embodiment shown in FIG. 10 in that the lower jig 101 does not have an outer periphery 101y, and is provided with axial pins 107a and 107b that penetrate the lower jig 101, the middle jig 106, and the upper jig 102. The axial pins 107a and 107b make it easier to align the lower jig 101, the middle jig 106, and the upper jig 102.

更に、第2実施形態に係る半導体製造装置は、複数の基板加圧機構(103b,104b),(103c,104c)を備える点が、図10に示した第1実施形態に係る半導体製造装置の構成と異なる。複数の基板加圧機構(103b,104b),(103c,104c)は、中治具106の開口部の周辺に対向する位置に配置されている。基板加圧機構(103b,104b)は、弾性部材103bと、弾性部材103b上に配置された加圧ブロック104bを備える。加圧機構(103c,104c)は、弾性部材103cと、弾性部材103c上に配置された加圧ブロック104cを備える。 Furthermore, the semiconductor manufacturing apparatus according to the second embodiment differs from the configuration of the semiconductor manufacturing apparatus according to the first embodiment shown in FIG. 10 in that it includes multiple substrate pressure mechanisms (103b, 104b), (103c, 104c). The multiple substrate pressure mechanisms (103b, 104b), (103c, 104c) are arranged in positions facing the periphery of the opening of the intermediate jig 106. The substrate pressure mechanisms (103b, 104b) include an elastic member 103b and a pressure block 104b arranged on the elastic member 103b. The pressure mechanisms (103c, 104c) include an elastic member 103c and a pressure block 104c arranged on the elastic member 103c.

弾性部材103b,103cの材料は、弾性部材103aと同様の材料が使用可能である。加圧ブロック104b,104cの材料は、加圧ブロック104aと同様の材料が使用可能である。第2実施形態に係る半導体製造装置の他の構成は、図10に示した第1実施形態に係る半導体製造装置の構成と同様であるので、重複した説明を省略する。 The elastic members 103b and 103c may be made of the same material as the elastic member 103a. The pressure blocks 104b and 104c may be made of the same material as the pressure block 104a. The other configurations of the semiconductor manufacturing apparatus according to the second embodiment are the same as those of the semiconductor manufacturing apparatus according to the first embodiment shown in FIG. 10, so duplicated descriptions will be omitted.

第2実施形態に係る半導体製造装置を用いた半導体装置の方法では、図13に示すように、絶縁回路基板3に焼結材2を介して半導体チップ4a,4bを搭載した部品を、プレス機の下金型111及び上金型112の間に配置された下治具101の凹部101xに搭載する。そして、図14に示すように、複数の基板加圧機構(103b,104b),(103c,104c)が中治具106を介して絶縁回路基板3の上面を加圧することにより、絶縁回路基板3の反りを矯正することができる。また、チップ加圧機構(103a,104a)が半導体チップ4a,4bの上面を押して加圧する。この際、弾性部材103aが、半導体チップ4a,4b及び焼結材2等の形状に合わせて弾性変形する。このため、弾性部材103aにより半導体チップ4a,4bの周囲に露出している焼結材2も加圧され、押し固められる。 In the method of manufacturing a semiconductor device using the semiconductor manufacturing apparatus according to the second embodiment, as shown in FIG. 13, a component in which semiconductor chips 4a and 4b are mounted on an insulating circuit board 3 via a sintered material 2 is mounted in a recess 101x of a lower jig 101 arranged between a lower die 111 and an upper die 112 of a press machine. Then, as shown in FIG. 14, a plurality of board pressure mechanisms (103b, 104b), (103c, 104c) press the upper surface of the insulating circuit board 3 via a middle jig 106, thereby correcting the warpage of the insulating circuit board 3. In addition, the chip pressure mechanisms (103a, 104a) press and press the upper surfaces of the semiconductor chips 4a and 4b. At this time, the elastic member 103a elastically deforms according to the shapes of the semiconductor chips 4a and 4b and the sintered material 2. Therefore, the sintered material 2 exposed around the semiconductor chips 4a and 4b is also pressed and compacted by the elastic member 103a.

半導体チップ4a,4bが加圧された状態で、加熱機構により下治具101が加熱されて、加圧及び加熱により焼結材2に焼結反応を生じさせる。第2実施形態に係る半導体製造装置を用いた半導体装置の方法の他の手順は、図12に示した第1実施形態に係る半導体装置の製造方法の手順と同様であるので、重複した説明を省略する。 With the semiconductor chips 4a and 4b pressed, the lower jig 101 is heated by the heating mechanism, and the pressure and heat cause a sintering reaction in the sintered material 2. The other steps of the method for manufacturing a semiconductor device using the semiconductor manufacturing apparatus according to the second embodiment are similar to those of the method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment shown in FIG. 12, so duplicated explanations will be omitted.

第2実施形態に係る半導体製造装置及びこの半導体製造装置を用いた半導体装置の製造方法によれば、第1実施形態と同様に、弾性部材103aが変形しながら半導体チップ4a,4bを加圧することにより、部材寸法のバラツキによる加圧力のバラツキを抑制して、均等に加圧することができる。更に、弾性部材103の厚さT1を30mm以上とすることにより、部材の寸法公差を吸収し、加圧荷重の変動率を1%以内に抑制することができる。 According to the semiconductor manufacturing apparatus of the second embodiment and the method of manufacturing a semiconductor device using this semiconductor manufacturing apparatus, as in the first embodiment, the elastic member 103a applies pressure to the semiconductor chips 4a, 4b while deforming, thereby suppressing variations in the pressure force due to variations in the dimensions of the components, and allowing for uniform pressure application. Furthermore, by making the thickness T1 of the elastic member 103 30 mm or more, it is possible to absorb the dimensional tolerance of the components and suppress the fluctuation rate of the pressure load to within 1%.

更に、弾性部材103aが変形しながら半導体チップ4a,4bの周囲に露出している焼結材2も加圧して押し固めることにより、後工程における絶縁回路基板3からの焼結材2の欠落を防止することができる。 Furthermore, as the elastic member 103a deforms, it also applies pressure to the sintered material 2 exposed around the semiconductor chips 4a and 4b, thereby preventing the sintered material 2 from falling off from the insulating circuit board 3 in a later process.

更に、複数の基板加圧機構(103b,104b),(103c,104c)及び中治具106により、半導体チップ4a,4bの周囲の絶縁回路基板3を加圧して絶縁回路基板3の反りを矯正することができ、絶縁回路基板3が平坦化した状態で焼結材2を加圧することができる。よって、焼結材2の厚さを均一化することができ、接合品質を安定させることができる。 Furthermore, the insulating circuit board 3 around the semiconductor chips 4a and 4b can be pressurized by the multiple board pressure mechanisms (103b, 104b), (103c, 104c) and the intermediate jig 106 to correct the warping of the insulating circuit board 3, and the sintered material 2 can be pressurized in a state where the insulating circuit board 3 is flattened. This makes it possible to make the thickness of the sintered material 2 uniform and stabilize the joining quality.

(第3実施形態)
本発明の第3実施形態に係る半導体製造装置は、図15に示すように、加圧前の状態で、弾性部材103aが、複数の半導体チップ4a,4bを保持している点が、図13に示した第2実施形態に係る半導体製造装置の構成と異なる。弾性部材103aの下面には、複数の凹部103x,103yが設けられており、複数の凹部103x,103yのそれぞれに複数の半導体チップ4a,4bのそれぞれが配置されている。凹部103x,103yの深さは、半導体チップ4a,4bの厚さに応じて適宜設定可能である。第3実施形態に係る半導体製造装置の他の構成は、図13に示した第2実施形態に係る半導体製造装置の構成と同様であるので、重複した説明を省略する。
Third Embodiment
As shown in Fig. 15, the semiconductor manufacturing apparatus according to the third embodiment of the present invention is different from the semiconductor manufacturing apparatus according to the second embodiment shown in Fig. 13 in that an elastic member 103a holds a plurality of semiconductor chips 4a, 4b before pressure is applied. A plurality of recesses 103x, 103y are provided on the lower surface of the elastic member 103a, and a plurality of semiconductor chips 4a, 4b are disposed in each of the recesses 103x, 103y. The depth of the recesses 103x, 103y can be appropriately set according to the thickness of the semiconductor chips 4a, 4b. The other configurations of the semiconductor manufacturing apparatus according to the third embodiment are the same as those of the semiconductor manufacturing apparatus according to the second embodiment shown in Fig. 13, so that a duplicated description will be omitted.

第3実施形態に係る半導体製造装置を用いた半導体装置の方法では、図15に示すように、弾性部材103aの下面の複数の凹部103x,103yに、複数の半導体チップ4a,4bを取り付ける。一方、焼結材2を塗布した絶縁回路基板3を、プレス機の下金型111及び上金型112の間に配置された下治具101の凹部101xに搭載する。 In the method of manufacturing a semiconductor device using the semiconductor manufacturing apparatus according to the third embodiment, as shown in FIG. 15, multiple semiconductor chips 4a, 4b are attached to multiple recesses 103x, 103y on the lower surface of the elastic member 103a. Meanwhile, an insulating circuit board 3 coated with a sintering material 2 is mounted in the recess 101x of the lower jig 101 arranged between the lower die 111 and the upper die 112 of the press machine.

そして、図16に示すように、中治具106が、絶縁回路基板3の上面を加圧することにより、絶縁回路基板3の反りを矯正することができる。また、半導体チップ4a,4bを焼結材2に接触させて、弾性部材103aにより加圧しながら加圧する。第3実施形態に係る半導体製造装置を用いた半導体装置の方法の他の手順は、図14に示した第2実施形態に係る半導体装置の製造方法の手順と同様であるので、重複した説明を省略する。 As shown in FIG. 16, the middle jig 106 applies pressure to the top surface of the insulating circuit board 3, thereby correcting the warpage of the insulating circuit board 3. The semiconductor chips 4a and 4b are brought into contact with the sintered material 2 and pressurized by the elastic member 103a. The other steps of the method for manufacturing a semiconductor device using the semiconductor manufacturing apparatus according to the third embodiment are the same as those of the method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment shown in FIG. 14, so duplicated explanations will be omitted.

第3実施形態に係る半導体製造装置及びこの半導体製造装置を用いた半導体装置の製造方法によれば、第1及び第2実施形態と同様に、弾性部材103aが半導体チップ4a,4bを加圧することにより、部材寸法のバラツキによる加圧力のバラツキを抑制して、均等に加圧することができる。更に、弾性部材103aの厚さT1を30mm以上とすることにより、部材の寸法公差を吸収し、加圧荷重の変動率を1%以内に抑制することができる。 According to the semiconductor manufacturing apparatus of the third embodiment and the method of manufacturing a semiconductor device using this semiconductor manufacturing apparatus, as in the first and second embodiments, the elastic member 103a presses the semiconductor chips 4a, 4b, suppressing variations in the pressure force due to variations in the dimensions of the components, and allowing for uniform pressure application. Furthermore, by making the thickness T1 of the elastic member 103a 30 mm or more, the dimensional tolerance of the components can be absorbed and the fluctuation rate of the pressure load can be suppressed to within 1%.

更に、弾性部材103aにより、半導体チップ4a,4bの周囲に露出している焼結材2も加圧して押し固めることにより、後工程における絶縁回路基板3からの焼結材2の欠落を防止することができる。 Furthermore, the elastic member 103a also applies pressure to the sintered material 2 exposed around the semiconductor chips 4a and 4b, thereby preventing the sintered material 2 from falling off from the insulating circuit board 3 in a later process.

更に、中治具106により、半導体チップ4a,4bの周囲の絶縁回路基板3を加圧して絶縁回路基板3の反りを矯正することができ、絶縁回路基板3が平坦化した状態で焼結材2を加圧することができる。よって、焼結材2の厚さを均一化することができ、接合品質を安定させることができる。 Furthermore, the intermediate jig 106 can apply pressure to the insulating circuit board 3 around the semiconductor chips 4a and 4b to correct any warping of the insulating circuit board 3, and pressure can be applied to the sintered material 2 while the insulating circuit board 3 is in a flattened state. This makes it possible to make the thickness of the sintered material 2 uniform, stabilizing the joining quality.

(第4実施形態)
本発明の第4実施形態に係る半導体製造装置は、図17に示すように、複数のチップ加圧機構(103d,104d,104e),(103e,104f,104g)を備える点が、図13に示した第2実施形態に係る半導体製造装置の構成と異なる。複数のチップ加圧機構(103d,104d,104e),(103e,104f,104g)は、複数の半導体チップ4a,4bにそれぞれ対応するように配置されている。
Fourth Embodiment
As shown in Fig. 17, the semiconductor manufacturing apparatus according to the fourth embodiment of the present invention is different from the configuration of the semiconductor manufacturing apparatus according to the second embodiment shown in Fig. 13 in that it includes a plurality of chip pressure mechanisms (103d, 104d, 104e), (103e, 104f, 104g). The plurality of chip pressure mechanisms (103d, 104d, 104e), (103e, 104f, 104g) are arranged to correspond to the plurality of semiconductor chips 4a, 4b, respectively.

チップ加圧機構(103d,104d,104e)は、弾性部材103d及び加圧ブロック(104d,104e)を備える。加圧ブロック(104d,104e)は、弾性部材103dの下に配置された加圧部104dと、加圧部104dの上側で弾性部材103dを貫通する固定部104eを備える。チップ加圧機構(103e,104f,104g)は、弾性部材103e及び加圧ブロック(104f,104g)を備える。加圧ブロック(104f,104g)は、弾性部材103eの下に配置された加圧部104fと、加圧部104fの上側で弾性部材103eを貫通する固定部104gを備える。 The chip pressure mechanism (103d, 104d, 104e) includes an elastic member 103d and a pressure block (104d, 104e). The pressure block (104d, 104e) includes a pressure part 104d arranged below the elastic member 103d and a fixed part 104e that penetrates the elastic member 103d above the pressure part 104d. The chip pressure mechanism (103e, 104f, 104g) includes an elastic member 103e and a pressure block (104f, 104g). The pressure block (104f, 104g) includes a pressure part 104f arranged below the elastic member 103e and a fixed part 104g that penetrates the elastic member 103e above the pressure part 104f.

加圧ブロック(104d,104e),(104f,104g)の材料は、図13に示した第2実施形態に係る半導体製造装置の加圧ブロック104aと同様の材料が使用可能である。加圧部104d,104fは、半導体チップ4a,4bに直接接して加圧する。 The pressure blocks (104d, 104e), (104f, 104g) can be made of the same material as the pressure block 104a of the semiconductor manufacturing apparatus according to the second embodiment shown in FIG. 13. The pressure units 104d, 104f apply pressure by directly contacting the semiconductor chips 4a, 4b.

弾性部材103d,103eの厚さT1は30mm以上であり、弾性部材103d,103eの材料は、図13に示した第2実施形態に係る半導体製造装置の弾性部材103aと同様の材料が使用可能である。弾性部材103d,103eは、半導体チップ4a,4bに直接接触せずに、加圧部104d,104fを介して半導体チップ4a,4bを間接的に加圧する。 The thickness T1 of the elastic members 103d and 103e is 30 mm or more, and the material of the elastic members 103d and 103e can be the same as that of the elastic member 103a of the semiconductor manufacturing apparatus according to the second embodiment shown in FIG. 13. The elastic members 103d and 103e indirectly pressurize the semiconductor chips 4a and 4b via the pressure members 104d and 104f without directly contacting the semiconductor chips 4a and 4b.

更に、第4実施形態に係る半導体製造装置は、複数の基板加圧機構(103f,104h,104i),(103g,104j,104k)を備える点が、図13に示した第2実施形態に係る半導体製造装置の構成と異なる。複数の基板加圧機構(103f,104h,104i),(103g,104j,104k)は、中治具106の開口部の周辺に対応する位置に配置されている。 Furthermore, the semiconductor manufacturing apparatus according to the fourth embodiment differs from the configuration of the semiconductor manufacturing apparatus according to the second embodiment shown in FIG. 13 in that it includes multiple substrate pressure mechanisms (103f, 104h, 104i), (103g, 104j, 104k). The multiple substrate pressure mechanisms (103f, 104h, 104i), (103g, 104j, 104k) are disposed at positions corresponding to the periphery of the opening of the intermediate jig 106.

基板加圧機構(103f,104h,104i)は、弾性部材103f及び加圧ブロック(104h,104i)を備える。加圧ブロック(104h,104i)は、弾性部材103fの下に配置された加圧部104hと、加圧部104hの上側で弾性部材103fを貫通する固定部104iを備える。基板加圧機構(103g,104j,104k)は、弾性部材103g及び加圧ブロック(104j,104k)を備える。加圧ブロック(104j,104k)は、弾性部材103gの下に配置された加圧部104jと、加圧部104jの上側で弾性部材103gを貫通する固定部104kを備える。 The substrate pressure mechanism (103f, 104h, 104i) includes an elastic member 103f and a pressure block (104h, 104i). The pressure block (104h, 104i) includes a pressure section 104h arranged below the elastic member 103f and a fixed section 104i that penetrates the elastic member 103f above the pressure section 104h. The substrate pressure mechanism (103g, 104j, 104k) includes an elastic member 103g and a pressure block (104j, 104k). The pressure block (104j, 104k) includes a pressure section 104j arranged below the elastic member 103g and a fixed section 104k that penetrates the elastic member 103g above the pressure section 104j.

弾性部材103f,103gの材料は、弾性部材103d,103eと同様の材料が使用可能である。加圧ブロック(104h,104i),(104j,104k)の材料は、加圧ブロック(104d,104e),(104f,104g)と同様の材料が使用可能である。第4実施形態に係る半導体製造装置の他の構成は、図13に示した第2実施形態に係る半導体製造装置の構成と同様であるので、重複した説明を省略する。 The elastic members 103f and 103g may be made of the same material as the elastic members 103d and 103e. The pressure blocks (104h, 104i), (104j, 104k) may be made of the same material as the pressure blocks (104d, 104e), (104f, 104g). The other configurations of the semiconductor manufacturing apparatus according to the fourth embodiment are the same as those of the semiconductor manufacturing apparatus according to the second embodiment shown in FIG. 13, so duplicated explanations will be omitted.

第4実施形態に係る半導体製造装置を用いた半導体装置の方法では、図17に示すように、絶縁回路基板3上に焼結材2を塗布し、半導体チップ4a,4bを搭載した部品を、プレス機の下金型111及び上金型112の間に配置された下治具101の凹部101xに搭載する。 In the method for manufacturing a semiconductor device using the semiconductor manufacturing apparatus according to the fourth embodiment, as shown in FIG. 17, a sintered material 2 is applied onto an insulating circuit board 3, and a part carrying semiconductor chips 4a and 4b is mounted in a recess 101x of a lower jig 101 arranged between a lower die 111 and an upper die 112 of a press machine.

そして、図18に示すように、プレス機の上金型112を降下させて、上治具102を加圧することにより、チップ加圧機構(103d,104d,104e),(103e,104f,104g)及び基板加圧機構(103f,104h,104i),(103g,104j,104k)が加圧される。これにより、基板加圧機構(103f,104h,104i),(103g,104j,104k)は、中治具106を介して絶縁回路基板3を加圧することにより、絶縁回路基板3の反りを矯正する。一方、チップ加圧機構(103d,104d,104e),(103e,104f,104g)は、加圧部104d,104fが複数の半導体チップ4a,4bに接して、複数の半導体チップ4a,4bをそれぞれ加圧する。この際、複数の半導体チップ4a,4bが加圧された状態で加熱し、焼結材2を焼結させる。第4実施形態に係る半導体製造装置を用いた半導体装置の方法の他の手順は、図14に示した第2実施形態に係る半導体装置の製造方法の手順と同様であるので、重複した説明を省略する。 18, the upper die 112 of the press is lowered to pressurize the upper jig 102, thereby pressurizing the chip pressurizing mechanisms (103d, 104d, 104e), (103e, 104f, 104g) and the board pressurizing mechanisms (103f, 104h, 104i), (103g, 104j, 104k). As a result, the board pressurizing mechanisms (103f, 104h, 104i), (103g, 104j, 104k) pressurize the insulated circuit board 3 via the middle jig 106, thereby correcting the warpage of the insulated circuit board 3. On the other hand, the chip pressure mechanisms (103d, 104d, 104e), (103e, 104f, 104g) have pressure sections 104d, 104f in contact with the semiconductor chips 4a, 4b, respectively, to pressurize the semiconductor chips 4a, 4b. At this time, the semiconductor chips 4a, 4b are heated in a pressurized state to sinter the sintered material 2. The other steps of the method for manufacturing a semiconductor device using the semiconductor manufacturing apparatus according to the fourth embodiment are the same as those of the method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment shown in FIG. 14, so that repeated explanations will be omitted.

第4実施形態に係る半導体製造装置及びこの半導体製造装置を用いた半導体装置の製造方法によれば、第1~第3実施形態と同様に、チップ加圧機構(103d,104d,104e),(103e,104f,104g)により、弾性部材103d,103eを変形させながら半導体チップ4a,4bを加圧することにより、部材寸法のバラツキによる加圧力のバラツキを抑制して、均等に加圧することができる。更に、弾性部材103a,103bの厚さT1を30mm以上とすることにより、部材の寸法公差を吸収し、加圧荷重の変動率を1%以内に抑制することができる。 According to the semiconductor manufacturing apparatus of the fourth embodiment and the method of manufacturing a semiconductor device using this semiconductor manufacturing apparatus, as in the first to third embodiments, the chip pressure mechanisms (103d, 104d, 104e), (103e, 104f, 104g) apply pressure to the semiconductor chips 4a, 4b while deforming the elastic members 103d, 103e, thereby suppressing variations in pressure caused by variations in component dimensions and allowing for uniform pressure application. Furthermore, by making the thickness T1 of the elastic members 103a, 103b 30 mm or more, it is possible to absorb the dimensional tolerance of the components and suppress the fluctuation rate of the pressure load to within 1%.

更に、複数のチップ加圧機構(103d,104d,104e),(103e,104f,104g)により、弾性部材103d,103eを変形させながら、半導体チップ4a,4bの周囲に露出している焼結材2も加圧して押し固めることにより、後工程における絶縁回路基板3からの焼結材2の欠落を防止することができる。 Furthermore, by using multiple chip pressure mechanisms (103d, 104d, 104e), (103e, 104f, 104g), the elastic members 103d, 103e are deformed while the sintered material 2 exposed around the semiconductor chips 4a, 4b is also compressed and compacted, thereby preventing the sintered material 2 from falling off from the insulating circuit board 3 in a later process.

更に、基板加圧機構(103f,104h,104i),(103g,104j,104k)及び中治具106により、半導体チップ4a,4bの周囲の絶縁回路基板3を加圧して絶縁回路基板3の反りを矯正することができ、絶縁回路基板3が平坦化した状態で焼結材2を加圧することができる。よって、焼結材2の厚さを均一化することができ、接合品質を安定させることができる。 Furthermore, the substrate pressure mechanisms (103f, 104h, 104i), (103g, 104j, 104k) and the intermediate jig 106 can apply pressure to the insulating circuit board 3 around the semiconductor chips 4a and 4b to correct the warping of the insulating circuit board 3, and pressure can be applied to the sintered material 2 while the insulating circuit board 3 is flattened. This makes it possible to make the thickness of the sintered material 2 uniform, stabilizing the joining quality.

(その他の実施形態)
上記のように、本発明は第1~第4実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
Other Embodiments
As described above, the present invention has been described by the first to fourth embodiments, but the descriptions and drawings forming a part of this disclosure should not be understood as limiting the present invention. Various alternative embodiments, examples, and operating techniques will become apparent to those skilled in the art from this disclosure.

例えば、第1~第4実施形態に係る半導体装置は、絶縁回路基板3上に焼結材2を介して複数の半導体チップ4a,4bを搭載した部品が1つ載置される場合を例示したが、これに限定されない。例えば、第1~第4実施形態に係る半導体製造装置と同様の構成をプレス機の下金型111及び上金型112の間に複数個配置し、複数個のそれぞれに部品をそれぞれ載置して加圧及び加熱を行ってもよい。 For example, the semiconductor device according to the first to fourth embodiments is exemplified as a case in which one component having multiple semiconductor chips 4a, 4b mounted on an insulating circuit board 3 via a sintered material 2, but the present invention is not limited to this. For example, multiple configurations similar to those of the semiconductor manufacturing apparatus according to the first to fourth embodiments may be arranged between the lower die 111 and upper die 112 of a press machine, and components may be placed on each of the multiple pieces to perform pressure and heat application.

このように、上記実施形態が開示する技術内容の趣旨を理解すれば、当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が本発明に含まれ得ることが明らかとなろう。また、上記の実施形態及び各変形例において説明される各構成を任意に応用した構成等、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の例示的説明から妥当な、特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。 In this way, if one of ordinary skill in the art understands the gist of the technical content disclosed in the above embodiment, it will be clear that various alternative embodiments, examples, and operational techniques can be included in the present invention. Furthermore, the present invention naturally includes various embodiments not described here, such as configurations that arbitrarily apply each configuration described in the above embodiment and each modified example. Therefore, the technical scope of the present invention is determined only by the invention-specific matters related to the claims that are appropriate from the above exemplary explanation.

1…金属板(金属ベース)
2…焼結材
2a~2h…接合材
3…絶縁回路基板
4a,4b…半導体チップ
5a~5d…ボンディングワイヤ
6a,6b…外部端子
7…封止部材
8…端子ケース
9a~9c…ピン
10…プリント基板
11…絶縁層
12…第1配線層
13…第2配線層
31…絶縁基板
32…第1回路層
33…第2回路層
101…下治具
101x…凹部
101y…外周部
102…上治具
103,103a~103g…弾性部材
103x,103y…凹部
104,104a~104c…加圧ブロック
104d,104f,104h,104j…加圧部
104e,104g,104i,104k…固定部
105,203…緩衝層
106…中治具
107a,107b…軸ピン
108…位置決めピン
111,201…下金型
112,202…上金型
1...Metal plate (metal base)
2...sintered material 2a to 2h...bonding material 3...insulating circuit board 4a, 4b...semiconductor chips 5a to 5d...bonding wires 6a, 6b...external terminal 7...sealing member 8...terminal cases 9a to 9c...pin 10...printed circuit board 11...insulating layer 12...first wiring layer 13...second wiring layer 31...insulating substrate 32...first circuit layer 33...second circuit layer 101...lower jig 101x...recess 101y...periphery 102...upper Jig 103, 103a to 103g...elastic member 103x, 103y...recess 104, 104a to 104c...pressure block 104d, 104f, 104h, 104j...pressure portion 104e, 104g, 104i, 104k...fixed portion 105, 203...buffer layer 106...intermediate jig 107a, 107b...axis pin 108...positioning pin 111, 201...lower mold 112, 202...upper mold

Claims (11)

絶縁回路基板上に焼結材で複数の半導体チップを接合する際に、前記絶縁回路基板を載置する下治具と、
前記下治具上に対向して配置され、開口部が設けられた上治具と、
前記上治具の前記開口部に保持された第1弾性部材と、
前記下治具と前記第1弾性部材の間に配置され、前記第1弾性部材よりも薄い緩衝層と、
を備え、
前記複数の半導体チップの上面を前記第1弾性部材により加圧しながら加熱することにより前記焼結材を焼結させて、前記絶縁回路基板と前記複数の半導体チップとを接合し、
前記焼結材が、前記複数の半導体チップの周囲から露出し、
前記上治具の下端が前記緩衝層を介して前記下治具に接し、且つ前記第1弾性部材の下端を含む周囲を前記上治具の開口部で囲んでいる状態で、前記第1弾性部材が、前記複数の半導体チップと共に、前記半導体チップの周囲に露出している前記焼結材を加圧する
ことを特徴とする半導体製造装置。
a lower jig on which an insulating circuit board is placed when a plurality of semiconductor chips are bonded to the insulating circuit board with a sintered material;
An upper jig disposed on the lower jig so as to face the lower jig and having an opening;
A first elastic member held in the opening of the upper jig;
a buffer layer disposed between the lower jig and the first elastic member and thinner than the first elastic member;
Equipped with
the upper surfaces of the plurality of semiconductor chips are heated while being pressed by the first elastic member to sinter the sintered material, thereby bonding the insulating circuit board and the plurality of semiconductor chips;
the sintered material is exposed from the periphery of the plurality of semiconductor chips;
a lower end of the upper jig contacts the lower jig via the buffer layer, and the opening of the upper jig surrounds the periphery, including the lower end, of the first elastic member, and presses the sintered material exposed around the semiconductor chips together with the plurality of semiconductor chips.
前記第1弾性部材の厚さが30mm以上であることを特徴とする請求項1に記載の半導体製造装置。 The semiconductor manufacturing device according to claim 1, characterized in that the thickness of the first elastic member is 30 mm or more. 前記下治具に、前記絶縁回路基板を載置する凹部が設けられていることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体製造装置。 The semiconductor manufacturing device according to claim 1 or 2, characterized in that the lower jig is provided with a recess in which the insulating circuit board is placed. 絶縁回路基板上に焼結材で複数の半導体チップを接合する際に、前記絶縁回路基板を載置する下治具と、
前記下治具上に対向して配置され、開口部が設けられた上治具と、
前記上治具の前記開口部に保持された第1弾性部材と、
前記下治具と前記第1弾性部材の間に配置され、前記第1弾性部材よりも薄い緩衝層と、
前記下治具と前記緩衝層との間に配置され、前記第1弾性部材に対応する位置に開口部が設けられた中治具と、
前記上治具の前記第1弾性部材の周囲に保持された第2弾性部材と、
を備え、
前記複数の半導体チップの上面を前記第1弾性部材により加圧しながら加熱することにより前記焼結材を焼結させて、前記絶縁回路基板と前記複数の半導体チップとを接合し、
前記第2弾性部材及び前記中治具が、前記絶縁回路基板の前記半導体チップが搭載された部分の周囲の上面を加圧することを特徴とする半導体製造装置。
a lower jig on which an insulating circuit board is placed when a plurality of semiconductor chips are bonded to the insulating circuit board with a sintered material;
An upper jig disposed on the lower jig so as to face the lower jig and having an opening;
A first elastic member held in the opening of the upper jig;
a buffer layer disposed between the lower jig and the first elastic member and thinner than the first elastic member;
a middle jig disposed between the lower jig and the buffer layer, the middle jig having an opening at a position corresponding to the first elastic member;
A second elastic member held around the first elastic member of the upper jig;
Equipped with
the upper surfaces of the plurality of semiconductor chips are heated while being pressed by the first elastic member to sinter the sintered material, thereby bonding the insulating circuit board and the plurality of semiconductor chips;
a second elastic member and a middle jig for applying pressure to an upper surface of the insulating circuit board around a portion on which the semiconductor chip is mounted,
前記下治具、前記中治具及び前記上治具を貫通する軸ピンを更に備えることを特徴とする請求項4に記載の半導体製造装置。 The semiconductor manufacturing apparatus according to claim 4, further comprising an axial pin passing through the lower jig, the middle jig, and the upper jig. 前記第1弾性部材の下面に複数の凹部が設けられ、
前記第1弾性部材による加圧前に、前記複数の半導体チップが、前記第1弾性部材の前記複数の凹部に保持されることを特徴とする請求項1~5のいずれか1項に記載の半導体製造装置。
A plurality of recesses are provided on a lower surface of the first elastic member,
6. The semiconductor manufacturing apparatus according to claim 1, wherein the semiconductor chips are held in the recesses of the first elastic member before pressure is applied by the first elastic member.
前記第1弾性部材が複数に分割され、
前記複数の第1弾性部材のそれぞれが、前記複数の半導体チップのそれぞれを加圧することを特徴とする請求項1~5のいずれか1項に記載の半導体製造装置。
The first elastic member is divided into a plurality of parts,
6. The semiconductor manufacturing apparatus according to claim 1, wherein each of the plurality of first elastic members presses each of the plurality of semiconductor chips.
前記複数の第1弾性部材の下面側にそれぞれ配置された複数の加圧ブロックを更に備え、
前記複数の第1弾性部材のそれぞれが、前記複数の加圧ブロックのそれぞれ介して、前記複数の半導体チップのそれぞれを加圧することを特徴とする請求項7に記載の半導体製造装置。
The device further includes a plurality of pressure blocks respectively disposed on the lower surface sides of the plurality of first elastic members,
8. The semiconductor manufacturing apparatus according to claim 7, wherein each of the first elastic members presses each of the semiconductor chips via each of the pressure blocks.
前記複数の半導体チップを共通の前記焼結材で接合することを特徴とする請求項1~8のいずれか1項に記載の半導体製造装置。 The semiconductor manufacturing device according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the multiple semiconductor chips are bonded with a common sintered material. 前記第1弾性部材の静的せん断弾性率は0.3MPa以上、1.63MPa以下であることを特徴とする請求項1~9のいずれか1項に記載の半導体製造装置。 The semiconductor manufacturing device according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the static shear modulus of the first elastic member is 0.3 MPa or more and 1.63 MPa or less. 下治具と、前記下治具上に対向して配置され、開口部が設けられた上治具と、前記上治具の前記開口部に保持された第1弾性部材と、前記下治具と前記第1弾性部材の間に配置され、前記第1弾性部材よりも薄い緩衝層とを備える半導体製造装置を用いて、
絶縁回路基板上に焼結材で複数の半導体チップを接合する際に、前記下治具上に前記絶縁回路基板を載置し、
前記複数の半導体チップの上面を前記第1弾性部材により加圧し、
前記加圧した状態で加熱することにより前記焼結材を焼結させて、前記絶縁回路基板と前記複数の半導体チップとを接合し、
前記焼結材が、前記複数の半導体チップの周囲から露出し、
前記上治具の下端が前記緩衝層を介して前記下治具に接し、且つ前記第1弾性部材の下端を含む周囲を前記上治具の開口部で囲んでいる状態で、前記第1弾性部材が、前記複数の半導体チップと共に、前記半導体チップの周囲に露出している前記焼結材を加圧する
ことを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
a semiconductor manufacturing apparatus including a lower jig, an upper jig disposed on the lower jig so as to face the lower jig and having an opening, a first elastic member held in the opening of the upper jig, and a buffer layer disposed between the lower jig and the first elastic member and thinner than the first elastic member,
When bonding a plurality of semiconductor chips onto an insulating circuit board with a sintered material, the insulating circuit board is placed on the lower jig;
Pressing the upper surfaces of the plurality of semiconductor chips with the first elastic member;
sintering the sintered material by heating under the pressure to bond the insulating circuit board and the semiconductor chips;
the sintered material is exposed from the periphery of the plurality of semiconductor chips;
a lower end of the upper jig contacts the lower jig via the buffer layer, and the opening of the upper jig surrounds the periphery, including the lower end, of the first elastic member, and presses the sintered material exposed around the semiconductor chips together with the multiple semiconductor chips.
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