半導(dǎo)體裝置及其制造方法
【專利摘要】在使用金屬納米粒子對(duì)導(dǎo)電柱(8)和被接合構(gòu)件即半導(dǎo)體芯片(6)或帶導(dǎo)電圖案的絕緣基板(4)進(jìn)行金屬粒子接合的情況下，通過將導(dǎo)電柱(8)的前端的底面(12)形成為凹狀，從而能獲得牢固的接合層。
【專利說明】半導(dǎo)體裝置及其制造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及搭載半導(dǎo)體芯片且具有導(dǎo)電柱的半導(dǎo)體裝置及其制造方法，尤其涉及以利用金屬納米粒子的金屬粒子接合來進(jìn)行導(dǎo)電柱的接合的半導(dǎo)體裝置及其制造方法。

【背景技術(shù)】
[0002]圖6是專利文獻(xiàn)I所記載的現(xiàn)有的半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)圖，圖6(a)是整體的主要部分剖視圖，圖6(b)是圖6(a)的B部放大圖?，F(xiàn)有的半導(dǎo)體裝置即半導(dǎo)體功率模塊具有如下結(jié)構(gòu):利用焊料等接合材料105將半導(dǎo)體芯片106與作為帶導(dǎo)電圖案的絕緣基板的DCB(Direct Copper Bonding:直接銅接合)基板104相接合,半導(dǎo)體芯片106表面的電路布線利用焊料等接合材料107與具有導(dǎo)電柱108的印刷基板109相接合。在該結(jié)構(gòu)中，通過利用密封樹脂111對(duì)上述半導(dǎo)體芯片106以及DCB基板104進(jìn)行密封，從而形成半導(dǎo)體功率模塊。
[0003]所述DCB基板104由散熱板101、絕緣基板102以及電路圖案103構(gòu)成。
圖7是專利文獻(xiàn)2所記載的現(xiàn)有的其它半導(dǎo)體裝置的主要部分剖視圖。作為現(xiàn)有的其它半導(dǎo)體裝置的半導(dǎo)體功率模塊是與圖6相同的樹脂密封型半導(dǎo)體功率模塊。該專利文獻(xiàn)中還記載了與圖6的印刷基板109相接觸的支承板206和與其相連接的導(dǎo)電柱205的制造方法。另外，圖中的標(biāo)號(hào)201是散熱板、202是導(dǎo)電性材料、203是半導(dǎo)體芯片、204是導(dǎo)電性材料、207是連接基板，208是外部導(dǎo)出端子。
[0004]此外，專利文獻(xiàn)3中具有如下記載:多個(gè)銷即導(dǎo)電柱的至少前端部或者整體形成為中空管狀，通過在導(dǎo)電柱的外表面和內(nèi)表面形成焊角，來增大焊料接合部的接合面積，從而能提高接合強(qiáng)度。此外，記載有通過預(yù)先在中空管狀的導(dǎo)電柱的前端部粘貼焊膏或者焊料來進(jìn)行安裝，能防止焊料不良。還記載有通過在導(dǎo)電柱的前端形成球狀或者半球狀的球部，導(dǎo)電柱的前端部的表面積變大，焊料接合面積變大，從而能防止焊料接合部的可靠性降低。
現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)
[0005]專利文獻(xiàn)1:日本專利特開2009-64852號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2:日本專利特開2011-114040號(hào)公報(bào)
專利文獻(xiàn)3:日本專利特開平7-106491號(hào)公報(bào)


【發(fā)明內(nèi)容】

發(fā)明所要解決的技術(shù)問題
[0006]在作為專利文獻(xiàn)I的半導(dǎo)體裝置的半導(dǎo)體功率模塊中，對(duì)半導(dǎo)體芯片106和DCB基板104進(jìn)行接合，并且利用導(dǎo)電柱108來代替鋁線對(duì)芯片表面電極進(jìn)行統(tǒng)一連接，并形成布線。由此，形成DCB基板104、半導(dǎo)體芯片106、印刷布線板109的電路路徑。在接合材料107使用焊料的情況下，在芯片表面及背面電極的接合部分配置焊料，加熱后冷卻來完成接人口 O
[0007]然而，在考慮搭載SiC (碳化硅)器件、GaN(氮化鎵)等WBG(寬帶隙:Wide BandGap)半導(dǎo)體器件的情況下，為了運(yùn)用其特長(zhǎng)，需要使半導(dǎo)體功率模塊在比以往更高的溫度下工作。若工作溫度范圍變?yōu)?00°C以上，則從可靠性的觀點(diǎn)來看難以使用焊料。
[0008]此外，SiC-MOSFET (M0S型場(chǎng)效應(yīng)晶體管)>SiC-SBD (肖特基勢(shì)壘二極管；Schottkybarrier d1de)等SiC(碳化娃)器件的芯片尺寸較小(例如大小為3mmX 3mm左右)。因此，SiC-MOSFET的柵極墊極小，其大小為例如200 μ mX200 μ m左右。將導(dǎo)電柱高精度地固定于這樣小的柵極墊上是較為困難的。
[0009]用專利文獻(xiàn)I?3所記載的半導(dǎo)體裝置的導(dǎo)電柱和其接合方法來解決這些問題是較為困難的。
本發(fā)明的目的在于解決上述問題，提供一種能利用金屬納米粒子將導(dǎo)電柱與被接合構(gòu)件即半導(dǎo)體芯片或帶導(dǎo)電圖案的絕緣基板分別牢固地相接合的半導(dǎo)體裝置及其制造方法。解決技術(shù)問題的技術(shù)方案
[0010]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的一個(gè)方式為如下結(jié)構(gòu):在具有半導(dǎo)體芯片和導(dǎo)電連接體的半導(dǎo)體裝置中，在固定于被接合材料的導(dǎo)電連接體的前端的底面形成有凹部，在該凹部中使用金屬納米粒子來與被接合材料相接合。
[0011]所述導(dǎo)電連接體可以是固定于印刷基板的導(dǎo)電柱或者外部導(dǎo)出端子。
[0012]所述導(dǎo)電柱的前端的形狀可以是從錐形狀、階梯狀、以及階梯狀與錐形狀組合而成的形狀中任選的一種。
[0013]所述導(dǎo)電柱的前端的底面的凹部形狀可以是彎曲成球狀的形狀。
所述被接合材料可以是半導(dǎo)體芯片的表面電極或者是固定了該半導(dǎo)體芯片的帶導(dǎo)電圖案的絕緣基板的導(dǎo)電圖案。
[0014]所述導(dǎo)電連接體的前端的底面的凹部深度可以在ΙΟμπι?200μπι的范圍內(nèi)。
[0015]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的其它方式中，優(yōu)選該半導(dǎo)體裝置至少包括:前端形成有凹部的導(dǎo)電連接體、以及被接合材料，所述導(dǎo)電連接體以及被接合材料通過密集地填充在所述凹部中的燒結(jié)后的金屬粒子燒結(jié)部來進(jìn)行接合。
[0016]所述導(dǎo)電連接體可以是一端形成有所述凹部的棒狀的導(dǎo)電柱，所述被接合材料可以是半導(dǎo)體芯片的表面電極。
[0017]所述導(dǎo)電連接體可以是一端形成有所述凹部的棒狀的外部導(dǎo)出端子，所述被接合材料可以是帶導(dǎo)電圖案的絕緣基板的導(dǎo)電圖案。
[0018]本發(fā)明的其它方式為半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，包括如下工序:涂布工序，在該涂布工序中，將含有金屬納米粒子的糊料涂布在被接合材料上；放直工序，在該放置工序中，準(zhǔn)備前端具備凹部的導(dǎo)電連接體，以所述凹部位于所述糊料上的方式放置所述導(dǎo)電連接體；以及燒結(jié)工序，在該燒結(jié)工序中，對(duì)所述金屬納米粒子進(jìn)行加熱，并且通過所述導(dǎo)電連接體對(duì)所述金屬納米粒子加壓，從而對(duì)所述金屬納米粒子進(jìn)行燒結(jié)，使所述被接合材料與所述凹部之間相接合。
[0019]所述燒結(jié)工序中的加熱溫度可以在150°C?300°C的范圍內(nèi)，所述壓力可以在1MPa?50MPa的范圍內(nèi)。
[0020]在所述燒結(jié)工序之前還具有預(yù)烘干工序，在該預(yù)烘干工序中，對(duì)所述糊料所含有的溶劑進(jìn)行加熱，使其蒸發(fā)。
發(fā)明效果
[0021]根據(jù)本發(fā)明，通過在形成于導(dǎo)電連接體的前端的凹部中填充金屬納米粒子，并利用該金屬納米粒子對(duì)導(dǎo)電連接體和被接合材料之間進(jìn)行金屬粒子接合，從而能牢固地使兩者相接合。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是本發(fā)明的實(shí)施例1的半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)圖，圖1 (a)是整體的主要部分剖視圖，圖1(b)是圖1(a)的A部放大圖，圖1(c)是圖1(b)的導(dǎo)電柱的前端的底面的平面形狀圖。
圖2表不導(dǎo)電柱8和半導(dǎo)體芯片6的上表面電極6a相接合的工序，圖2(a)?圖2(c)是以工序步驟表示的主要部分工序剖視圖。
圖3是表示圖1的導(dǎo)電柱8的變形例的前端的底面12的不同凹部形狀的主要部分剖視圖，圖3(a)是凹部形狀由4個(gè)平面形成的情況的圖，圖3(b)是凹部形狀由多個(gè)平面形成的情況的圖。
圖4是本發(fā)明的實(shí)施例2的半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)圖，圖4(a)是導(dǎo)電柱21的主要部分剖視圖，圖4(b)是導(dǎo)電柱21的前端的底面23的平面形狀圖。
圖5是表示導(dǎo)電柱21的變形例的前端部形狀的圖，圖5(a)是前端呈階梯狀變細(xì)的情況的圖，圖5(b)是將階梯形狀與錐形形狀組合后的情況的圖。
圖6是專利文獻(xiàn)I所記載的現(xiàn)有的半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)圖，圖6 (a)是整體的主要部分剖視圖，圖6(b)是圖6(a)的B部放大圖。
圖7是專利文獻(xiàn)2所記載的現(xiàn)有的其它半導(dǎo)體裝置的主要部分剖視圖。
圖8是對(duì)金屬粒子接合的機(jī)理進(jìn)行說明的模型圖，圖8(a)?圖8(c)是依次表示到金屬粒子接合完成為止的工序的圖。
圖9是利用金屬納米粒子404將導(dǎo)電柱402的前端的底面402a與半導(dǎo)體芯片401的上表面電極401a相接合時(shí)的主要部分剖視圖。

【具體實(shí)施方式】
[0023]利用以下實(shí)施例來說明實(shí)施方式。
<實(shí)施例1>
圖1是本發(fā)明的實(shí)施例1的半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)圖，圖1(a)是整體的主要部分剖視圖，圖1(b)是圖1 (a)的A部放大圖，圖1(c)是圖1(b)的導(dǎo)電柱的前端的底面的平面形狀圖。該圖1是相當(dāng)于圖6的半導(dǎo)體裝置的圖。
[0024]圖1(a)中，帶導(dǎo)電圖案的絕緣基板即DCB基板4由散熱板1、絕緣基板2、以及電路圖案3構(gòu)成。經(jīng)由接合材料5將半導(dǎo)體芯片6固定于該DCB基板4的電路圖案3上。經(jīng)由接合層7將導(dǎo)電柱8固定于該半導(dǎo)體芯片6的上表面電極6a上。該導(dǎo)電柱8固定于印刷基板9。外部導(dǎo)出端子10固定于電路圖案3和印刷基板9。以密封樹脂11對(duì)整體進(jìn)行密封并使散熱板I的底面和外部導(dǎo)出端子10露出。接合材料5以及接合層7中至少接合層7使用金屬納米粒子。
[0025]圖1(b)中，在導(dǎo)電柱8的前端的底面12形成有凹部。在半導(dǎo)體芯片6的上表面電極6a和導(dǎo)電柱8的前端的底面之間具有金屬粒子燒結(jié)部7a，其周圍具有金屬粒子未燒結(jié)部7b。底面12的凹部形狀由弓狀(球狀)、球狀或者圓頂狀的光滑曲面構(gòu)成。
[0026]圖1(c)中，為了均勻地進(jìn)行加壓，導(dǎo)電柱8的前端的底面12的平面形狀為圓形。為了避免應(yīng)力集中,對(duì)底面12的外周部12a進(jìn)行倒角，成為光滑的曲面。此外，導(dǎo)電柱8的截面形狀不限于圓形，也可以是四邊形、六邊形等多邊形。
[0027]該導(dǎo)電柱8和被接合構(gòu)件即半導(dǎo)體芯片6的上表面電極6a利用牢固的接合層7相接合，該接合層7由通過金屬納米粒子(例如銀納米粒子、銅納米粒子等)的燒結(jié)而形成的金屬粒子燒結(jié)部7a構(gòu)成。該接合層7通過在對(duì)金屬納米粒子進(jìn)行加熱的同時(shí)進(jìn)行加壓來燒結(jié)而成，該接合法被稱為金屬粒子接合。
[0028]另外，也可以將被接合構(gòu)件設(shè)為DCB基板4的電路圖案3或印刷基板9的未圖示的電路圖案，該電路圖案3和外部導(dǎo)出端子10的接合、印刷基板9的未圖不的電路圖案和外部導(dǎo)出端子10的接合也能利用金屬納米粒子來進(jìn)行。在這些情況下，也可以將外部導(dǎo)出端子10的前端的底面設(shè)為凹狀。
[0029]圖2表示導(dǎo)電柱8和半導(dǎo)體芯片6的上表面電極6a相接合的工序，圖2(a)?圖2(c)是以工序步驟表示的主要部分工序剖視圖。
利用例如絲網(wǎng)印刷法將分散、混合有金屬納米粒子的金屬納米粒子糊料13涂布到半導(dǎo)體芯片6的上表面電極6a上(圖2(a))。
[0030]金屬納米粒子由從銅、銀、或鉬等中選擇的至少一種金屬構(gòu)成，它們的粒徑為Inm?幾百nm。也可以混合不同材料的金屬納米粒子來使用。金屬納米粒子糊料13例如將金屬納米粒子、在保存時(shí)或制造工序的中途為了不使金屬微粒子彼此凝縮而添加的有機(jī)分散材料、接合時(shí)與有機(jī)分散材料進(jìn)行反應(yīng)從而去除有機(jī)分散材料的分散輔助物質(zhì)與有機(jī)粘合劑(溶劑)進(jìn)行混合而構(gòu)成為糊狀。涂布的金屬納米粒子糊料13的厚度優(yōu)選為100 μ m?500 μ m0
[0031]此外，優(yōu)選對(duì)于上表面電極6a，事先在表面實(shí)施銅、金、銀、鎳等的鍍敷處理。
接著，將底面12呈凹形狀的導(dǎo)電柱8以其前端位于所涂布的金屬納米粒子糊料13上的方式進(jìn)行放置。導(dǎo)電柱8通過對(duì)銅或者銅合金進(jìn)行成形而得，或者通過對(duì)這些構(gòu)件的表面實(shí)施金、銀、鎳等鍍敷處理而得。
[0032]之后，作為預(yù)烘干，對(duì)糊料13進(jìn)行加熱使溶劑蒸發(fā)，來形成凝聚的金屬納米粒子13a (圖2 (b))。并且，通過導(dǎo)電柱8的凹部對(duì)金屬納米粒子層13a施加壓力，并對(duì)其進(jìn)行加熱，從而對(duì)金屬納米粒子進(jìn)行燒結(jié)，形成金屬粒子燒結(jié)部7a作為牢固的接合層7 (圖2 (C))。
[0033]上述導(dǎo)電柱8的前端的底面12的凹部彎曲成球狀，其深度T在ΙΟμπι?200μπι的范圍內(nèi)。此外，優(yōu)選為ΙΟΟμπι左右。若該深度T小于10 μ m，則按壓出的金屬納米粒子的量較多，不會(huì)形成牢固的接合層7。另一方面，若該深度T超過200 μ m，則金屬納米粒子不能充分地進(jìn)入凹部，無法很好地將加壓力傳遞到金屬納米粒子。其結(jié)果是，無法形成牢固的接合層7。
[0034]此外，上述預(yù)烘干時(shí)的加熱溫度因糊料13中所包含的溶劑的不同而不同，優(yōu)選例如在100°C?150°C的范圍內(nèi)。對(duì)金屬納米粒子進(jìn)行燒結(jié)時(shí)的溫度在150°C?300°C的范圍內(nèi)，優(yōu)選為200°C左右。這是由于若燒結(jié)時(shí)的溫度小于150°C，則溫度過低，金屬納米粒子無法形成塊狀(燒結(jié)層)。此外還由于，若燒結(jié)時(shí)的溫度超過300°C，則溶劑的蒸發(fā)過快，金屬納米粒子彼此迅速凝聚，無法形成對(duì)導(dǎo)電柱8、被接合材料即半導(dǎo)體芯片6的上表面電極6a進(jìn)行接合的牢固的接合層7。
[0035]施加于金屬納米粒子層13a的加壓力F在1MPa?50MPa的范圍內(nèi)，優(yōu)選為30MPa左右。這是由于，若為lOMPa，則加壓力F過低無法形成燒結(jié)層。若超過50MPa，則加壓力過高，導(dǎo)電柱8的端部的應(yīng)力會(huì)使被接合材料產(chǎn)生裂紋等缺陷。
[0036]此外，為了抑制被接合材料(特別是銅的情況)的氧化，優(yōu)選預(yù)烘干時(shí)的氣體氛圍為氮?dú)鈿夥铡榱嗽诮饘偌{米粒子層13a與導(dǎo)電柱8的前端底面相接觸時(shí)去除凹部中所殘留的空氣，優(yōu)選燒結(jié)時(shí)的氣體氛圍為減壓氣氛。
如圖2 (b)所示，為了形成金屬納米粒子層13a使其密集地填充于導(dǎo)電柱8前端的底面12所形成的凹部中，由導(dǎo)電柱8提供給金屬納米粒子的加壓力F以沿如圖所示的箭頭標(biāo)記f的方向朝向下方且向?qū)щ娭?的中心軸方向收斂的方式來提供。因此，金屬納米粒子從導(dǎo)電柱8的底面12向外側(cè)流動(dòng)的情況變少。此外，通過利用凹部來對(duì)金屬納米粒子層13a進(jìn)行加壓，燒結(jié)所需的加壓力F也會(huì)不分散地有效傳遞到金屬納米粒子。其結(jié)果是，能可靠地進(jìn)行燒結(jié)，能形成金屬粒子燒結(jié)部7a作為牢固的接合層7。
[0037]如圖2(c)所示，未施加加壓力F的金屬納米粒子層13a成為金屬粒子未燒結(jié)部7b，不參與接合。因此，不會(huì)像焊料接合那樣形成焊角。然而，金屬粒子燒結(jié)部7a的燒結(jié)本身就很牢固，因此導(dǎo)電柱8和上表面電極6a經(jīng)由牢固的接合層7來固定。
[0038]通過使導(dǎo)電柱8底面的平面形狀呈圓形，從而加壓力F均勻地傳遞到金屬納米粒子。對(duì)導(dǎo)電柱8的底面12的外周部12a進(jìn)行倒角而使其光滑，因此能防止在該部位產(chǎn)生應(yīng)力集中。這不僅能防止接合時(shí)的應(yīng)力集中，也能防止接合后元件動(dòng)作時(shí)的應(yīng)力集中。
[0039]上述接合方法對(duì)于使用在前端的底面形成有凹部的外部導(dǎo)出端子10來將外部導(dǎo)出端子10和電路圖案3接合的情況也一樣適用。外部導(dǎo)出端子10以及電路圖案3例如由銅、銅合金構(gòu)成，也可以對(duì)它們的母材實(shí)施鎳等鍍敷處理。
[0040]SiC器件那樣的WBG半導(dǎo)體器件能實(shí)現(xiàn)小型化、高溫動(dòng)作，因此金屬粒子接合是最合適的接合方法。
圖3是表示圖1的導(dǎo)電柱8的變形例的前端的底面12的不同凹部形狀的主要部分剖視圖，圖3(a)是凹部形狀由4個(gè)平面形成的情況的圖，圖3(b)是凹部形狀由多個(gè)平面形成的情況的圖。例如，圖3(a)的凹部為金字塔形狀，圖3(b)的凹部由2個(gè)不同的金字塔形狀組合而成。任一種情況均能通過使底面12呈凹形狀，將加壓力F從導(dǎo)電柱8有效地傳遞到金屬納米粒子層13a中的金屬納米粒子，來獲得牢固的接合層。
<實(shí)施例2>
圖4是本發(fā)明的實(shí)施例2的半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)圖，圖4(a)是導(dǎo)電柱21的主要部分剖視圖，圖4(b)是導(dǎo)電柱21的前端的底面23的平面形狀圖。實(shí)施例2的半導(dǎo)體裝置的整體的主要部分剖視圖除了以下所述的不同點(diǎn)以外，與實(shí)施例1的半導(dǎo)體裝置的整體的主要部分剖視圖(圖1(a))相同。因此，下面省略重復(fù)的說明。本實(shí)施例的半導(dǎo)體裝置的導(dǎo)電柱21與圖1 (b)、圖1 (c)所示的導(dǎo)電柱8的不同之處在于導(dǎo)電柱21的前端部22的形狀。該導(dǎo)電柱21呈前端部22的直徑朝著形成有凹部的底面23逐漸變小的錐形形狀。導(dǎo)電柱21與外形大致呈圓柱且到前端為止直徑相同的導(dǎo)電柱8相比，能使導(dǎo)電柱21的底面23為較小面積。前端部22的端部直徑為例如10ym左右。導(dǎo)電柱21能高精度地與WBG半導(dǎo)體器件等較小的半導(dǎo)體芯片6的上表面電極6a(尤其例如柵極墊等)相接合。與圖1的情況同樣地對(duì)導(dǎo)電柱21的前端的底面23形成凹部，從而在凹部中作為牢固的接合層7形成金屬粒子燒結(jié)部，能使較小面積的底面23與上表面電極6a可靠地接合。
[0041]圖5是表示導(dǎo)電柱21的變形例的前端部形狀的圖，圖5(a)是呈階梯狀變細(xì)的前端部24的圖，圖5(b)是將階梯形狀與錐形形狀組合后的前端部25的圖。導(dǎo)電柱21的前端的底面23的平面形狀與圖4(b)相同。任一個(gè)導(dǎo)電柱21的軸的截面形狀均為圓形，但也可以是四邊形、六邊形等多邊形。
(參考例)
在圖6所示的現(xiàn)有的半導(dǎo)體裝置中，對(duì)如下示例進(jìn)行說明:作為接合材料105、107使用Ag (銀)納米粒子等金屬納米粒子來使半導(dǎo)體芯片106和DCB基板104或?qū)щ娭?08接合(稱為金屬粒子接合)。
[0042]該接合材料105、107為糊狀，在涂布到接合部分后，有對(duì)其進(jìn)行加熱使溶劑等蒸發(fā)的工序(預(yù)烘干)。在該狀態(tài)下，金屬納米粒子維持固體粒子的狀態(tài)不變。之后，為了獲得足夠的接合強(qiáng)度，邊加熱邊對(duì)接合構(gòu)件即金屬納米粒子加壓，通過燒結(jié)進(jìn)行接合。
[0043]圖8是對(duì)金屬粒子接合的機(jī)理進(jìn)行說明的模型圖，圖8(a)?圖8(c)是依次表示到金屬粒子接合完成為止的工序的圖。
首先，將金屬納米粒子302分散到溶劑301 (活性溶媒)中，作為糊料303涂布在被接合構(gòu)件304(例如，半導(dǎo)體芯片的上表面電極等)上(圖8(a))。
[0044]接著,進(jìn)行加熱使溶劑301蒸發(fā),金屬納米粒子層305 (金屬納米粒子302凝聚成納米多孔結(jié)構(gòu)的層)殘留在要進(jìn)行接合的被接合構(gòu)件304上。在溫度上升到比預(yù)烘干高的狀態(tài)下，利用導(dǎo)電柱306的前端的底面306a對(duì)該金屬納米粒子層305施加加壓力G(圖8(b))。通過邊加熱邊加壓，在被接合構(gòu)件304和導(dǎo)電柱306之間金屬納米粒子彼此接觸的金屬納米粒子302、與被接合構(gòu)件304相接觸的金屬納米粒子302以及與導(dǎo)電柱306的前端的底面306a相接觸的金屬納米粒子302進(jìn)行燒結(jié)。通過該燒結(jié)，在被接合構(gòu)件304和導(dǎo)電柱306之間形成牢固的接合層307 (圖8 (c))。
[0045]在該金屬粒子接合中，被加壓的金屬納米粒子302形成接合層307，被按壓到導(dǎo)電柱306的外側(cè)而沒有被加壓的金屬納米粒子302不形成接合層307。因此，不像焊料接合那樣形成焊角。
[0046]圖9是利用金屬納米粒子404將導(dǎo)電柱402的前端的底面402a與半導(dǎo)體芯片401的上表面電極401a相接合時(shí)的主要部分剖視圖。
以施加于金屬納米粒子層403的加壓力H將與導(dǎo)電柱402的平坦的底面402a相接觸的金屬納米粒子404按壓到導(dǎo)電柱402的外側(cè)，導(dǎo)電柱402的底面402a下的厚度變得極薄，為幾nm。按壓出的金屬納米粒子層403向上卷，成為未燒結(jié)層403a。
[0047]由此，若導(dǎo)電柱402下的接合層405 (金屬納米粒子層403燒結(jié)后的層)的厚度P變薄至幾μ m，則導(dǎo)電柱402的底面402a以及上表面電極401a的粗糙度變?yōu)橄嗤潭?，力口壓力H無法有效地傳遞到金屬納米粒子層403。因此，不能得到牢固的接合層405。
[0048]圖9中示出了導(dǎo)電柱402的前端的底面402a為平坦并且錐形狀的情況，但筆直且底面平坦的導(dǎo)電柱的情況也相同，難以形成牢固的接合層。
[0049]相對(duì)于該參考例，實(shí)施例1及實(shí)施例2所說明的半導(dǎo)體裝置中，在固定于半導(dǎo)體芯片6的導(dǎo)電柱8、21的底面12、23中形成有凹部，通過對(duì)密集地填充在該凹部中的金屬納米粒子邊加熱邊加壓，來進(jìn)行燒結(jié)，從而能通過金屬粒子接合形成牢固的接合層7。由此，在作為無引線接合結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電柱連接型的功率半導(dǎo)體模塊中，對(duì)于動(dòng)作時(shí)在半導(dǎo)體芯片與導(dǎo)電柱的接合部產(chǎn)生的熱應(yīng)力，能提高連接可靠性。此外，與焊料接合相比，通過應(yīng)用金屬粒子接合也能實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體元件的高溫動(dòng)作，不僅能應(yīng)用于硅器件也能應(yīng)用于WBG器件。
[0050]此外，本發(fā)明在被接合材料不是半導(dǎo)體芯片而是帶導(dǎo)電圖案的絕緣基板(DCB基板)的情況下也是有效的。
標(biāo)號(hào)說明
[0051]I散熱板 2絕緣基板
3電路圖案
4DCB基板 5接合材料 6半導(dǎo)體芯片 6a上表面電極 7接合層
7a金屬粒子燒結(jié)部
7b金屬接合未燒結(jié)部
8,21導(dǎo)電柱
9印刷基板
10外部導(dǎo)出端子
11密封樹脂
12,23導(dǎo)電柱的底面
12a、13a導(dǎo)電柱底面的外周部
13金屬納米粒子糊料
13a金屬納米粒子層
22、24、25前端部
【權(quán)利要求】
1.一種半導(dǎo)體裝置，具有半導(dǎo)體芯片和導(dǎo)電連接體，其特征在于， 在固定于被接合材料的導(dǎo)電連接體的前端的底面形成有凹部，在該凹部中使用金屬納米粒子來與被接合材料相接合。
2.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 所述導(dǎo)電連接體是固定于印刷基板的導(dǎo)電柱或者外部導(dǎo)出端子。
3.如權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 所述導(dǎo)電柱的前端的形狀是從錐形狀、階梯狀、以及階梯狀與錐形狀組合而成的形狀中任選的一種。
4.如權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 所述導(dǎo)電柱的前端的底面的凹部形狀是彎曲成球狀的形狀。
5.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 所述被接合材料是半導(dǎo)體芯片的表面電極、或者是固定有該半導(dǎo)體芯片的帶導(dǎo)電圖案的絕緣基板的導(dǎo)電圖案。
6.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 所述導(dǎo)電連接體的前端的底面的凹部深度在ΙΟμ--?200μπ?的范圍內(nèi)。
7.一種半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 該半導(dǎo)體裝置至少包括:前端形成有凹部的導(dǎo)電連接體、以及被接合材料， 所述導(dǎo)電連接體以及被接合材料通過在所述凹部中高密度地填充后進(jìn)行燒結(jié)而成的金屬粒子燒結(jié)部來進(jìn)行接合。
8.如權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 所述導(dǎo)電連接體是一端形成有所述凹部的棒狀的導(dǎo)電柱，所述被接合材料是半導(dǎo)體芯片的表面電極。
9.如權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 所述導(dǎo)電連接體是一端形成有所述凹部的棒狀的外部導(dǎo)出端子，所述被接合材料是帶導(dǎo)電圖案的絕緣基板的導(dǎo)電圖案。
10.一種半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，包括: 涂布工序，在該涂布工序中，將含有金屬納米粒子的糊料涂布在被接合材料上； 放置工序，在該放置工序中，準(zhǔn)備前端具備凹部的導(dǎo)電連接體，以所述凹部位于所述糊料上的方式放置所述導(dǎo)電連接體；以及 燒結(jié)工序，在該燒結(jié)工序中，對(duì)所述金屬納米粒子進(jìn)行加熱，并且通過所述導(dǎo)電連接體對(duì)所述金屬納米粒子加壓，從而對(duì)所述金屬納米粒子進(jìn)行燒結(jié)，使所述被接合材料與所述凹部之間相接合。
11.如權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于， 所述燒結(jié)工序中的加熱溫度在150°c?300°C的范圍內(nèi)，所述壓力在1MPa?50MPa的范圍內(nèi)。
12.如權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于， 在所述燒結(jié)工序之前還具有預(yù)烘干工序，在該預(yù)烘干工序中，對(duì)所述糊料所含有的溶劑進(jìn)行加熱，使其蒸發(fā)。
【文檔編號(hào)】H01L23/48GK104205328SQ201380012403
【公開日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2013年2月13日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月15日
【發(fā)明者】梨子田典弘 申請(qǐng)人:富士電機(jī)株式會(huì)社