JP2013123031A

JP2013123031A - 導電性材料および半導体装置

Info

Publication number: JP2013123031A
Application number: JP2012167062A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Tada; 和夫多田; Koji Kondo; 宏司近藤; Kohei Fujiwara; 康平藤原; Yoshihiko Shiraishi; 芳彦白石
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2011-11-07
Filing date: 2012-07-27
Publication date: 2013-06-20
Also published as: DE102012110536A1; CN103096617A; US20130114212A1; TW201337952A

Abstract

【課題】樹脂層および放熱部材の積層体を加熱プレスして半導体装置を製造する際に、半導体チップの一方の板面と他方の他面の短絡の発生を防止する。
【解決手段】樹脂よりなる複数の樹脂層１〜５が積層されてなる多層基板１０と、樹脂層に設けられた貫通孔４４ａに配置された板状の半導体チップ２０と、多層基板１０に積層され、半導体チップ２０の熱を放熱する放熱部材３０と、多層基板１０の内部に形成され、半導体チップ２０の他方の板面２０ｂと放熱部材３０とを熱的に接続する放熱用ビア１４とを備える半導体装置における放熱用ビア１４の形成に用いられる導電性材料について、Ａｇ金属粒子またはＣｕ金属粒子とＳｎ金属粒子とを含有するものとし、ＡｇまたはＣｕをＸとしたとき、ＸおよびＳｎの原子数に対するＳｎの原子数の比率を２７％以上４０％以下とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体チップを多層基板の内部に配置した半導体装置に用いられる導電性材料およびそれを用いた半導体装置に関する。

従来、この種の半導体装置として、特許文献１には、樹脂よりなる複数の樹脂層が積層されてなる多層基板と、多層基板の内部に配置された半導体チップとを備えたものが記載されている。

多層基板は、複数の樹脂層が積層されてなるＰＡＬＡＰ（ＰＡｔｔｅｒｎｅｄｐｒｅｐｒｅｇＬＡｙｕｐＰｒｏｃｅｓｓ）基板である。樹脂層は、液晶ポリマーなどの熱可塑性樹脂フィルムを積層して一括して加熱プレス（一括多層プレス）することにより接合されている。

この従来技術では、多層基板にヒートシンクなどの放熱部材を積層し、放熱部材を半導体チップに熱的に接続することによって、半導体チップの放熱性を確保できるようにしている。

放熱部材と半導体チップとの熱的な接続は、多層基板の樹脂層の内部に形成された放熱用ビアによって行われている。放熱用ビアは、熱伝導性に優れた材料よりなり、半導体チップと同一の平面形状を持っている。なお、放熱用ビアは、金属ペースト（導電性材料）を硬化させることによって形成されている。

半導体チップは、一方の板面に電極パッドを有している。以下では、半導体チップのうち電極パッドを有している板面を回路面もしくは表面と言い、半導体チップのうち他方の板面（電極パッドと反対側の板面）を裏面と言う。

放熱部材は、多層基板に対して半導体チップの裏面側に積層されている。放熱用ビアは、放熱部材と半導体チップの裏面との間に位置する樹脂層に形成されている。

特開２０１０−７３５８１号公報

ところで、上記従来技術において、放熱用ビアの形成に用いる導電性材料として、Ｘ−Ｓｎ金属粒子（ただし、ＸはＡｇまたはＣｕ）を含有するものを用いた場合、ＸとＳｎの比率によっては、以下のような問題が発生することがわかった。

加熱プレスの際、導電性材料中のＸ−Ｓｎ金属粒子は、１５０〜２００℃でＸ_３Ｓｎの合金を形成する。このとき、Ｘ_３Ｓｎ合金の形成に消費されなかったＳｎ成分が残っており、その残りのＳｎ成分は２２０℃以上で半導体チップおよび放熱部材と拡散接合する。

さらに、この拡散接合に消費されなかった過剰なＳｎ成分が存在すると、過剰なＳｎ成分は液相となる。このとき、半導体チップは樹脂層に設けられた貫通孔に配置されているため、この液相となったＳｎ成分が、半導体チップの側面と貫通孔の内壁との間に存在する微小な隙間を毛細管現象によって流動する。その結果、導電性材料のＳｎ成分が半導体チップの側面に回り込んで回路面まで到達し、半導体チップの回路面−裏面間で短絡が生じてしまう。

本発明は上記点に鑑みて、樹脂層および放熱部材の積層体を加熱プレスして半導体装置を製造する際に、半導体チップの一方の板面と裏面の短絡の発生を防止することを目的とする。

上述の目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、樹脂よりなる複数の樹脂層（１〜５）が積層されてなる多層基板（１０）と、
樹脂層に設けられた貫通孔（４４ａ）に配置された板状の半導体チップ（２０）と、
多層基板（１０）に積層され、半導体チップ（２０）の熱を放熱する放熱部材（３０）とを備え、
半導体チップ（２０）は、一方の板面（２０ａ）に電極パッド（２１）を有し、他方の板面（２０ｂ）が放熱部材（３０）側を向いており、
多層基板（１０）の内部には、半導体チップ（２０）の他方の板面（２０ｂ）と放熱部材（３０）とを熱的に接続する放熱用ビア（１４）が形成された半導体装置における前記放熱用ビア（１４）の形成に用いられる導電性材料であって、
Ａｇ金属粒子またはＣｕ金属粒子と、Ｓｎ金属粒子とを含有し、
ＡｇまたはＣｕをＸとしたとき、ＸおよびＳｎの原子数に対するＳｎの原子数の比率が２７％以上４０％以下であることを特徴とする。

これによると、後述する実施例からわかるように、放熱用ビアの形成に用いられる導電性材料は、ＸおよびＳｎの原子数に対するＳｎの原子数の比率が４０％以下であるので、導電性材料のＳｎ成分が半導体チップ（２０）の側面へ回り込むのを防止でき、半導体チップの一方の板面と他方の他面の短絡の発生を防止できる。

さらに、導電性材料は、ＸおよびＳｎの原子数に対するＳｎの原子数の比率が２７％以上であるので、半導体チップ（２０）および放熱部材（３０）との拡散接合を十分に行うことができる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載されている半導体装置であって、放熱用ビア（１４）は、請求項１に記載の導電性材料を用いて形成されたことを特徴とする。

これによれば、請求項１に記載の導電性材料を用いているので、請求項１と同様に、半導体チップの一方の板面と他方の他面の短絡の発生を防止できるとともに、半導体チップ（２０）および放熱部材（３０）との拡散接合を十分に行うことができる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

一実施形態における半導体装置の概略断面構成を示す図である。図１の半導体装置の製造過程におけるワークを示す断面図である。

図１は、一実施形態における半導体装置１００の概略断面構成を示す図である。半導体装置１００は、車載用半導体装置であり、エンジンＥＣＵなどの車載電子製品に搭載されるものである。

半導体装置１００は、多層基板１０と、多層基板１０の内部に設けられた半導体チップ２０（シリコンチップ）と、半導体チップ２０に熱的に接続された放熱部材３０とを備えている。

多層基板１０は、複数の樹脂層１〜５が積層されてなるＰＡＬＡＰ（ＰＡｔｔｅｒｎｅｄｐｒｅｐｒｅｇＬＡｙｕｐＰｒｏｃｅｓｓ）基板である。図１の例では、多層基板１０は、５つの樹脂層１〜５で構成されている。樹脂層１〜５は、液晶ポリマーなどの熱可塑性樹脂フィルムを積層して加熱プレスにより接合することで成形されている。

以下では、５つの樹脂層１〜５のうち多層基板１０の一面側（図１では上方側）から１番目に位置する樹脂層１を第１の樹脂層と言い、多層基板１０の一面側から２番目に位置する樹脂層２を第２の樹脂層と言い、他の樹脂層３〜５も同様に、多層基板１０の他面側（図１では下方側）に向かって第３の樹脂層３、第４の樹脂層４、第５の樹脂層５と言う。

半導体チップ２０は、シリコン半導体などよりなるＩＣチップやトランジスタ素子などのチップである。図１の例では、半導体チップ２０は、矩形板状のチップであり、一方の板面２０ａ（図１では上方側の面）に電極パッド２１を有している。本例では、電極パッド２１はＡｌで形成されている。

以下では、半導体チップ２０の両板面２０ａ、２０ｂのうち電極パッド２１を有している板面２０ａを回路面もしくは表面と言い、他方の板面２０ｂ（電極パッド２１と反対側の板面）を裏面と言う。

半導体チップ２０は、多層基板１０の内部に封止されている。図１の例では、半導体チップ２０は、第４の樹脂層４に配置されている。半導体チップ２０は、回路面２０ａが第３の樹脂層３側（図１では上方側）を向き、裏面２０ｂが第５の樹脂層５側（図１では下方側）を向くように配置されている。

半導体チップ２０の厚さは、第４の樹脂層４の厚さとほぼ同じになっている。したがって、半導体チップ２０は、第４の樹脂層４をその厚さ方向に貫通している。換言すれば、半導体チップ２０は、第４の樹脂層４に設けられた貫通孔４４ａ（図２参照）に配置されている。

多層基板１０には層間配線１２およびビア１３が形成されている。層間配線１２およびビア１３は、半導体チップ２０の電極パッド２１から信号を取り出すための電気配線を構成している。

図１の例では、層間配線１２は、第１の樹脂層１と第２の樹脂層２との間、および第２の樹脂層２と第３の樹脂層３との間に形成されている。本例では、層間配線１２は、エッチングなどでパターニングされたＣｕ箔（金属箔）であり、樹脂層の層間に配置されている。

ビア１３は、樹脂層をその厚さ方向に貫通して層間配線１２同士あるいは層間配線１２と電極パッド２１とを電気的に接続する導電性材料であり、金属ペーストを硬化させることによって形成されている。図１の例では、ビア１３は、第２の樹脂層２および第３の樹脂層３に形成されている。

本例では、金属ペーストは、Ａｇ−Ｓｎ金属粒子、および粘度を調整するための溶剤等で構成されている。金属ペーストのＡｇ−Ｓｎは、加熱プレスの際に焼結してＡｇ_３Ｓｎ合金を形成する。

また、金属ペーストのＳｎは、加熱プレスの際に層間配線１２のＣｕと拡散接合する。また本例では、半導体チップ２０の電極パッド２１にＮｉメッキが施されているので、金属ペーストのＳｎは、加熱プレスの際に電極パッド２１のＮｉと拡散接合する。なお、金属ペーストの溶剤は、加熱プレスの際に揮発する。

放熱部材３０（ヒートシンク）は、多層基板１０の他面側（図１では下方側）に積層されている。換言すれば、放熱部材３０は、多層基板１０に対して半導体チップ２０の裏面２０ｂ側に積層されている。図１の例では、放熱部材３０（ヒートシンク）は、多層基板１０の第５の樹脂層５に積層されている。本例では、放熱部材３０は、熱伝導の良いＣｕにて板状に形成されており、多層基板１０とほぼ同じ平面サイズを有している。

放熱部材３０と半導体チップ２０の裏面２０ｂとの間に位置する第５の樹脂層５には、放熱部材３０を半導体チップ２０に熱的に接続するための放熱用ビア１４が形成されている。放熱用ビア１４は、第５の樹脂層５をその厚さ方向に貫通する熱伝導性のビアである。これにより、半導体チップ２０の熱は、放熱用ビア１４を介して放熱部材３０から放熱される。

本例では、放熱用ビア１４は、半導体チップ２０と同様の矩形の平面形状を有している。放熱用ビア１４のうち半導体チップ２０側の端部（図１では上端部）は、その面積が半導体チップ２０の裏面２０ｂの面積よりも小さく、且つその全体が半導体チップ２０の裏面２０ｂと重合している。

なお、放熱用ビア１４の平面形状は矩形に限定されるものではなく、例えば電気配線のビア１３と同様の円柱状のものが、第５の樹脂層５のうち半導体チップ２０の板面と対向する部位に、複数個、規則的もしくはランダムに点在した構成であってもよい。

放熱用ビア１４は、金属ペーストを硬化させることによって形成されている。本例では、放熱用ビア１４を形成するための金属ペーストは、Ａｇ−Ｓｎ金属粒子またはＣｕ−Ｓｎ金属粒子、および粘度を調整するための溶剤等で構成されている。以下では、ＡｇまたはＣｕをＸと記載する。

金属ペーストのＸ−Ｓｎは、加熱プレスの際に焼結してＸ_３Ｓｎ合金を形成する。また、金属ペーストのＳｎは、加熱プレスの際に放熱部材３０のＣｕと拡散接合する。

また本例では、半導体チップ２０の裏面２０ｂにＮｉメッキまたはＴｉメッキが施されているので、金属ペーストのＳｎは、加熱プレスの際に半導体チップ２０の裏面２０ｂのＮｉまたはＴｉと拡散接合する。なお、金属ペーストの溶剤は、加熱プレスの際に揮発する。

この金属ペーストとしては、ＸおよびＳｎの原子数に対するＳｎの原子数の比率（Ｓｎ／（Ｘ＋Ｓｎ））が２７％以上４０％以下であるものが用いられる。

金属ペーストにおけるＸおよびＳｎの原子数の分析は、例えばエネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＸ）、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）、Ｘ線光電子分光法（ＥＳＣＡ）等で行うことが可能である。

次に、半導体装置１００の製造方法を図２を用いて説明する。図２は、半導体装置１００の製造過程におけるワークを図１に対応した断面にて示した断面図である。

まず、熱可塑性樹脂からなる樹脂フィルム４１〜４５を用意する。樹脂フィルム４１〜４５は、後工程での加熱プレスを経て樹脂層１〜５となるものである。

以下では、第１の樹脂層１に対応する樹脂フィルム４１を第１の樹脂フィルムと言い、第２の樹脂層２に対応する樹脂フィルム４２を第２の樹脂フィルムと言い、以下同様に、第３〜第５の樹脂層３〜５に対応する樹脂フィルム４３〜４５を第３〜第５の樹脂フィルムと言う。

次いで、所定の樹脂フィルムに、その厚み方向に貫通するビアホールをレーザ加工等により形成し、そのビアホール内に金属ペースト４６をスクリーン印刷機等により充填する。図２の例では、第２、第３の樹脂フィルム４２、４３にビアホールを形成し、そのビアホール内に金属ペースト４６を充填する。

金属ペースト４６は、後工程での加熱プレスを経てビア１３となるものであり、本例では、上述のようにＡｇ−Ｓｎ金属粒子、および粘度を調整するための溶剤等で構成されている。

次いで、所定の樹脂フィルムに層間配線１２を形成する。図２の例では、第１樹脂フィルム４１のうち第２樹脂フィルム４２に重なり合う面（図２では下面）、および第２樹脂フィルム４２のうち第３樹脂フィルム４３に重なり合う面（図２では下面）に層間配線１２を形成する。具体的には、第１、第２樹脂フィルム４１、４２の下面に銅箔を貼り合わせ、この銅箔をパターンエッチング加工して所望の導体パターンを形成する。

また、所定の樹脂フィルムに、半導体チップ２０を配置するための孔４４ａをレーザ加工等により形成する。図２の例では、第４の樹脂フィルム４４に、その厚み方向に貫通する孔４４ａを形成する。この孔４４ａは、製造誤差を考慮して半導体チップ２０の外形よりも若干大きい矩形に形成する。

また、第５の樹脂フィルム４５に、その厚み方向に貫通するビアホールをレーザ加工等により形成し、そのビアホール内に金属ペースト４８をスクリーン印刷機等により充填する。

上述のように、金属ペースト４８は、Ｘ−Ｓｎ金属粒子および粘度を調整するための溶剤等で構成されており、ＸおよびＳｎの原子数に対するＳｎの原子数の比率（Ｓｎ／（Ｘ＋Ｓｎ））が２７％以上４０％以下であるものが用いられる。なお、ＸはＡｇまたはＣｕである。

第５の樹脂フィルム４５のビアホールは、第４の樹脂フィルム４４側の端部（図１では上端部）の面積が半導体チップ２０の裏面２０ｂの面積よりも小さく、且つその全体が半導体チップ２０の裏面２０ｂと重合している。

次いで、放熱部材３０、第５の樹脂フィルム４５および第４の樹脂フィルム４４を位置合わせして積層し、第４の樹脂フィルム４４の孔４４ａに半導体チップ２０を挿入し、さらに第３〜第１の樹脂フィルム４３〜４１を位置合わせして積層して積層体４１〜４５、３０を得る（積層工程）。

そして、積層体４１〜４５、３０を図示しないプレス機にて挟み込み、所定加圧力、所定温度で所定時間、加熱プレス（一括多層プレス）を行う（加熱プレス工程）。加熱プレスは、例えば５ＭＰａ、３２０℃で３時間程度行う。

この加熱プレスにより、熱可塑性樹脂からなる樹脂フィルム４１〜４５同士が接合される。また、第５の樹脂フィルム４５と放熱部材３０とが接合される。

加熱プレスの際には、第３〜第５の樹脂フィルム４３〜４５の熱可塑性樹脂の流動により、第４の樹脂フィルム４４の孔４４ａと半導体チップ２０との間に存在する空隙（公差の関係で存在するクリアランス）に樹脂が充填されて、半導体チップ２０が封止される。

また、加熱プレスの際には、金属ペースト４６が焼結してビア１３が形成され、さらにビア１３が層間配線１２と拡散接合する。

また、加熱プレスの際には、金属ペースト４８が焼結して放熱用ビア１４が形成され、さらに放熱用ビア１４が半導体チップ２０および放熱部材３０と拡散接合する。

以上により、図１に示す半導体装置１００が得られる。このようにして得られた半導体装置１００においては、放熱用ビア１４が半導体チップ２０の側面に回り込んでおらず、且つ半導体チップ２０および放熱部材３０と拡散接合が十分に行われている。

その理由を説明する。加熱プレスの際、金属ペースト４８のＸ−Ｓｎは、１５０〜２００℃でＸ_３Ｓｎの合金を形成する。このとき、Ｘ_３Ｓｎ合金の形成に消費されなかったＳｎ成分が残っており、その残りのＳｎ成分は２２０℃以上で半導体チップ２０および放熱部材３０と拡散接合する。

ここで、拡散接合に消費されなかった過剰なＳｎ成分が存在した場合、過剰なＳｎ成分は液相となって半導体チップ２０と第４の樹脂フィルム４４の孔４４ａとの間に存在する空隙を毛細管現象によって流動し、半導体チップ２０の回路面２０ａまで回り込む。その結果、放熱用ビア１４が半導体チップ２０の側面に回り込んでしまうこととなり、放熱用ビア１４によって短絡を発生させてしまうこととなる。

本発明者の検討によると、後述する実施例での説明の通り、金属ペースト４８のＸ成分とＳｎ成分の比率について、ＸおよびＳｎの原子数に対するＳｎの原子数の比率（Ｓｎ／（Ｘ＋Ｓｎ））が４０％超の場合、過剰なＳｎ成分が半導体チップ２０の側面に回り込んでしまうことがわかった。

一方、ＸおよびＳｎの原子数に対するＳｎの原子数の比率（Ｓｎ／（Ｘ＋Ｓｎ））が２７％未満の場合、Ｓｎ成分が不足して、半導体チップ２０および放熱部材３０との拡散接合が不十分になってしまうことがわかった。

この点、本実施形態では、放熱用ビア１４の形成に用いた金属ペースト４８は、ＸおよびＳｎの原子数に対するＳｎの原子数の比率（Ｓｎ／（Ｘ＋Ｓｎ））が４０％以下であるので、Ｓｎ成分が半導体チップ２０の側面へ回り込んでおらず、ひいては放熱用ビア１４による短絡が生じない。

さらに、放熱用ビア１４の形成に用いた金属ペースト４８は、ＸおよびＳｎの原子数に対するＳｎの原子数の比率（Ｓｎ／（Ｘ＋Ｓｎ））が２７％以上であるので、半導体チップ２０および放熱部材３０との拡散接合が十分になされている。

また、本実施形態では、放熱用ビア１４のうち半導体チップ２０側の端部は、その面積が半導体チップ２０の裏面２０ｂの面積よりも小さく、その全体が半導体チップ２０の裏面２０ｂに重合している。これにより、放熱用ビア１４のうち半導体チップ２０側の端部の面積が半導体チップ２０の裏面２０ｂの面積よりも大きい場合と比較して、加熱プレスの際に、金属ペースト４８を構成する組成物全体が流動して半導体チップ２０の側面に回り込むことを抑制でき、放熱用ビア１４による短絡の発生を防止できる。

（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、多層基板１０における樹脂層の積層数を適宜増減することが可能である。

また、例えば、多層基板１０において、半導体チップ２０が配置される樹脂層を適宜変更することも可能である。例えば、上述の実施形態では、第４の樹脂層に設けられた貫通孔４４ａに半導体チップ２０を配置したが、他の樹脂層や、複数の樹脂層に設けられた貫通孔に半導体チップ２０を配置しても良い。

この場合、半導体チップ２０と放熱部材３０との間に存在する樹脂層の全てに放熱用ビア１４を形成すれば良い。

また、上述の実施形態では、放熱用ビア１４のうち半導体チップ２０側端部の面積が、半導体チップ２０の裏面２０ｂの面積よりも小さかったが、半導体チップ２０の裏面２０ｂの面積と同じであっても良い。この場合であっても、ＸおよびＳｎの原子数に対するＳｎの原子数の比率が第1実施形態で説明した範囲内であれば、Ｓｎ成分が溶出して半導体チップ２０の側面に回り込むことを防止でき、短絡の発生を防止できる。

（実施例１〜５、比較例１〜４）
ＡｇとＳｎの原子数比率（％）が下記表１のように定められた各金属ペーストを用いて、図１に示す半導体装置１００を上述の実施形態で説明した製造方法（図２参照）にて製造した。

このとき、放熱部材３０としてＣｕ製のものを用い、半導体チップ２０として表面２０ａの電極パッド２１がＡｌからなり、表面２０ａの電極パッド２１および裏面２０ｂにＮｉメッキが形成されたシリコンチップを用い、樹脂フィルム４１〜４５としてポリエーテルエーテルケトン樹脂とポリエーテルイミド樹脂とからなるものを用いた。

また、放熱用ビア１４を形成するための金属ペーストとしては、Ａｇ金属粒子とＳｎ金属粒子とに対して、有機溶剤であるテルピネオールを加えて混練したものを用いた。

また、このときの多層プレス（加熱プレス）の条件を、５ＭＰａ、３２０℃、３時間とした。

そして、製造された半導体装置１００の半導体チップ２０の動作特性チェックを行い、不良発生の有無、すなわち、放熱用ビア１４の接合不良や、放熱用ビアの流動による半導体チップ２０の表面２０ａの電極パッド２１と裏面２０ｂとの短絡の発生の有無を確認した。

表１の実施例１〜５に示すように、ＡｇおよびＳｎの全体の原子数に対するＳｎの原子数の比率（％）が、２７〜４０％のとき、半導体チップ２０の動作特性は正常であった。すなわち、放熱用ビア１４と放熱部材３０との接続、放熱用ビア１４と半導体チップ２０の裏面２０ｂとの接続は良好であり、放熱用ビアによる短絡は発生していなかった。

ここで、実施例３で用いた金属ペーストを焼結させた場合、ＸＲＤ（Ｘ線回折）測定結果より、Ａｇ_３Ｓｎ合金が形成されていることを確認した。また、実施例３で製造した半導体装置１００において、放熱部材３０の放熱用ビア１４側の表層にＳｎ拡散層（Ｃｕ_３Ｓｎ）が形成されていることを、電子顕微鏡観察およびＸＲＤ測定結果にて確認した。

これらの結果より、加熱プレスの際、Ａｇ金属粒子とＳｎ金属粒子とが焼結して、Ａｇ_３Ｓｎ合金が形成され、Ａｇ_３Ｓｎ合金の形成に使用されなかった余剰Ｓｎが、放熱用ビア１４と放熱部材３０との接続、放熱用ビア１４と半導体チップ２０の裏面２０ｂとの接続に使用されたことがわかる。

また、表１の比較例１、２に示すように、Ｓｎの原子数の比率が２０、２５％のときでは、半導体チップ２０の動作特性に異常がみられ（不良発生）、放熱用ビア１４と放熱部材３０との接続や、放熱用ビア１４と半導体チップ２０の裏面２０ｂとの接続が不十分であった。

そこで、比較例２のときの半導体装置１００の断面を電子顕微鏡で観察した結果、放熱部材３０の放熱用ビア１４側の表層にＳｎ拡散層が形成されていなかった。同様に、半導体チップ２０の裏面２０ｂにＳｎ拡散層が形成されていなかった。これは、図示しないが、Ａｇ−Ｓｎ２元系合金状態図から明らかなように、Ａｇ−Ｓｎ２元系でＡｇ_３Ｓｎが生成可能な組成範囲では、Ａｇ_３Ｓｎが安定して生成するため、Ｓｎが２５％以下の場合、Ｓｎの全てがＡｇ_３Ｓｎの形成に消費され、余剰Ｓｎが存在しなかったからであると推測される。

なお、Ｓｎが２６％のときであっても、Ｓｎが２７％のときよりも余剰Ｓｎが少ないため、放熱用ビア１４と放熱部材３０との接続、放熱用ビア１４と半導体チップ２０の裏面２０ｂとの接続が不十分になることが推測される。

また、表１の比較例３、４に示すように、Ｓｎの原子数の比率が４３％、４５％のときでは、半導体チップ２０の動作特性に異常がみられ（不良発生）、放熱用ビア１４による短絡が発生していた。

そこで、比較例３のときの半導体装置１００の断面を光学顕微鏡や電子顕微鏡で観察した結果、半導体チップ２０の側面に金属層が付着している様子が確認された。ＥＤＸにより分析した結果、この金属層はＳｎであった。

また、このときの半導体装置１００においても、放熱部材３０の放熱用ビア１４側の表層にＳｎ拡散層（Ｃｕ_３Ｓｎ）が形成されていることを、電子顕微鏡観察およびＸＲＤ測定結果にて確認した。また、放熱用ビア１４は、主にＡｇ_３Ｓｎ合金で構成されていることを、ＸＲＤ測定結果にて確認した。

これらの結果より、加熱プレスの際、Ａｇ金属粒子とＳｎ金属粒子とが焼結して、Ａｇ_３Ｓｎ合金が形成され、Ａｇ_３Ｓｎ合金の形成に使用されなかった余剰Ｓｎが、放熱用ビア１４と放熱部材３０との接続等に使用されるが、この接続に使用しきれなかった過剰Ｓｎが溶出して半導体チップ２０の側面に回り込んだものと推測される。

なお、実施例１〜５に示すように、過剰Ｓｎが溶出して半導体チップ２０の側面に回り込むことを抑制するために、ＡｇおよびＳｎの全体の原子数に対するＳｎの原子数の比率を４０％以下とすることは、層間配線１２と接合されるビア１３の形成に使用される金属ペースト４６ではなく、放熱部材３０と接合される放熱用ビア１４の形成に使用される金属ペースト４８において有効である。これは、放熱部材３０は、一般的に５００μｍ以上の厚さであり、層間配線１２よりも厚いため、放熱部材３０と放熱用ビア１４の拡散接合と、層間配線１２とビア１３の拡散接合とでは、拡散接合に使用されるＳｎ成分の量が異なるからである。
（実施例６）
ＣｕおよびＳｎの全体の原子数に対するＳｎの原子数の比率が３０％である金属ペーストを用いて、実施例１〜５と同様に、半導体装置１００を製造した。そして、製造された半導体装置１００について検査した結果、半導体チップ２０の動作特性は正常であった。

ここで、実施例６で用いた金属ペーストを焼結させた場合、ＸＲＤ測定結果より、主にＣｕ_３Ｓｎ合金が形成されることを確認した。また、実施例６で製造した半導体装置１００において、放熱部材３０の放熱用ビア１４側の表層にＳｎ拡散層（Ｃｕ_３Ｓｎ）が形成されていることを、電子顕微鏡観察およびＸＲＤ測定結果にて確認した。

また、Ｃｕ−Ｓｎ２元系では、図示しないが、Ｃｕ−Ｓｎ２元系合金状態図から明らかなように、ＣｕとＳｎとを反応させると、全体に対するＳｎの原子数の比率が２０〜４５％の範囲では、主にＣｕ_３Ｓｎが安定して形成される。Ｃｕ_３ＳｎとＡｇ_３Ｓｎとは、全体に対するＳｎの原子数の比率が同じである。

このため、Ｃｕ−Ｓｎ金属粒子を含む金属ペーストを用いた場合であっても、全体の原子数に対するＳｎの原子数の比率が２０〜４５％の範囲内のときに、金属粒子同士の焼結の際に消費されるＳｎの原子数は、実施例１〜５および比較例１〜４と同じである。

よって、Ｃｕ−Ｓｎ金属粒子を含む金属ペーストを用いた場合においても、実施例１〜５と同様に、全体の原子数に対するＳｎの原子数の比率が２７〜４０％のとき、放熱用ビア１４と放熱部材３０との接続、放熱用ビア１４と半導体チップ２０の裏面２０ｂとの接続が良好となり、放熱用ビアによる短絡も発生しないことが推測される。

１〜５樹脂層
１０多層基板
１４放熱用ビア
２０半導体チップ
２０ａ電極パッド
３０放熱部材

Claims

樹脂よりなる複数の樹脂層（１〜５）が積層されてなる多層基板（１０）と、
前記樹脂層に設けられた貫通孔（４４ａ）に配置された板状の半導体チップ（２０）と、
前記多層基板（１０）に積層され、前記半導体チップ（２０）の熱を放熱する放熱部材（３０）とを備え、
前記半導体チップ（２０）は、一方の板面（２０ａ）に電極パッド（２１）を有し、他方の板面（２０ｂ）が前記放熱部材（３０）側を向いており、
前記多層基板（１０）の内部に、前記他方の板面（２０ｂ）と前記放熱部材（３０）とを熱的に接続する放熱用ビア（１４）が形成された半導体装置における前記放熱用ビア（１４）の形成に用いられる導電性材料であって、
Ａｇ金属粒子またはＣｕ金属粒子と、Ｓｎ金属粒子とを含有し、
ＡｇまたはＣｕをＸとしたとき、ＸおよびＳｎの原子数に対するＳｎの原子数の比率が２７％以上４０％以下であることを特徴とする導電性材料。
前記半導体装置であって、
前記放熱用ビア（１４）は、請求項１に記載の導電性材料を用いて形成されたことを特徴とする半導体装置。