JP2018174163A - 半導体封止用プリフォーム - Google Patents

Abstract

【課題】耐熱性に優れた放熱機能を有する半導体封止用プリフォームを提供する。
【解決手段】半導体封止用プリフォーム１は、ＳｎまたはＳｎ合金及びＣｕまたはＣｕ合金を含み、さらにＣｕとＳｎとの金属間化合物を少なくとも２重量％含有している。これらの熱伝導率の高い材料により、放熱機能を有する。また、Ｆｅ、Ｎｉなどの電磁波吸収材、もしくはＡｇ，Ｃｕなどの電磁波反射材を第２層としてプリフォームを積層することで電磁波の影響を抑制できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体封止用プリフォームに関するものである。

近年、SiC半導体素子の開発が進められている。SiC半導体素子はSi半導体素子に比較して絶縁破壊電界強度が高く、バンドギャップが広いため、大電力を制御するパワーデバイスとして注目されている。SiC半導体素子は、Si半導体素子の限界を超える150℃以上の高温においても動作が可能であり、理論的には500℃以上でも動作が可能とされている（特許文献１参照）。

このようなパワーデバイスは、長時間にわたって高温動作状態が継続し、しかも、高温動作状態から低温停止状態へと大きな温度変動を伴うなど、過酷な環境下で使用される。したがって、半導体素子およびこれと接続される接続部材を有する半導体装置では、両者の接合を形成する接合部に対し、長期にわたり高い接合強度を維持するとともに、優れた耐熱性を要求される。

ところで、半導体素子は、その保護を図るため、ケースに収容されると共に、ケースの内部に充填された樹脂製封止材からなる封止層により封止された半導体装置の形態で使用される。

現在、樹脂製封止材からなる封止層の耐熱温度は150℃以下に留まっており、SiC半導体素子の動作温度である150℃を超える高温になると、封止層が劣化して封止層に隙間が生じ、半導体装置の耐久性を確保する上で不利がある。そのため、現状では、SiC半導体素子を、その動作温度が封止層の耐熱温度を超えない範囲で使用せざるを得ず、SiC半導体素子の性能を充分に発揮する上で限界がある。

さらに、樹脂製封止材に代わりに、Snを主体とするはんだ（Sn系はんだ）を金属封止材として用いる例がある。しかしながら、Sn系はんだは溶融温度がおよそ200〜230℃であるから、パワーデバイスの封止層として用いるには、耐熱性に不満が残る。

また、Sn系はんだを用いた場合、高温動作状態が継続した場合や、高温動作状態から低温停止状態へと大きな温度変動を伴う過酷な環境下では、ボイドが発生し、製品の信頼性に支障を来す。

特開２０１１−８０７９６号公報

本発明の課題は、耐熱性に優れた高信頼性及び高品質であり、さらに放熱機能を有する半導体封止用プリフォームを提供することである。

上述した課題を解決するため、本発明に係る半導体封止用プリフォームは、金属または合金を主材としており、前記金属または合金は、SnまたはSn合金、CuまたはCu合金を含み、さらにCuとSnとの金属間化合物を少なくとも2重量％含有している。

さらに、前記半導体封止用プリフォームは、熱伝導率の高い材料を有することにより、放熱機能を付加している。

また、複数のプリフォームを積層して、半導体封止用多層プリフォームを作ることができる。前記半導体封止用多層プリフォームは、少なくとも第1層と第2層とを有し、前記第1層は、前記半導体封止用プリフォームから成り、前記第2層は、電磁波吸収材または電磁波反射材を有している。

以上述べたように、本発明によれば、耐熱性に優れた高信頼性及び高品質であり、さらに放熱機能を有する半導体封止用プリフォームを提供することができる。

本発明に係る半導体封止用プリフォームの一例を示す図である。 SAC305の表面張力を示した図である。 本発明に係る半導体封止用プリフォームとSAC305との、表面張力を比較した図である。 本発明に係る半導体装置の製造方法の一例を示す模式図である。 本発明に係る半導体装置の一例を示す模式図である。 本発明に係る半導体装置の一例を、基板に対して垂直に切った断面のSEM像である。 本発明に係る半導体封止用多層プリフォームの一例を示す図である。 本発明に係る半導体封止用多層プリフォームのさらに別の例を示す図である。 圧延法を用いた半導体封止用プリフォームの製造方法の一例を示す図である。

本明細書において、「金属」、「金属粒子」、「金属成分」、「Sn」、「Cu」というときは、金属元素単体のみならず、複数の金属元素を含む合金を含むこともある。

図１を参照して説明する。半導体封止用プリフォーム1は、第1層11から成る。第1層11は、金属または合金を主材としている。前記金属または合金は、SnまたはSn合金、及び、CuまたはCu合金を含んでいる。SnまたはSn合金と、CuまたはCu合金との重量の合計を100重量％としたとき、CuまたはCu合金は、1重量％から80重量％の範囲で含まれていることが好ましいが、これに限定されるものではない。さらに、SnとCuとの金属間化合物CuｘSnｙを、少なくとも2重量％含有している。

上述したように、半導体封止用プリフォーム1は、SnまたはSn合金を含んでいるため、Snの融点である230℃前後で溶融し始める。溶融したSnはCuと固相拡散を起こし、金属間化合物CuｘSnｙを形成する。Cuは固相拡散するため、Cuの融点まで温度を上げる必要はない。そのため、基板や電子部品などに損傷を与えない温度で、封止層を形成することが可能である。半導体封止用プリフォーム1のCu含有量やCu粒子のサイズにもよるが、本実施形態においては、具体的には、およそ280℃で形成することができる。

また、形成された封止層は、金属間化合物CuｘSnｙ（典型的にはCu３SnとCu６Sn５）を有している。Cu３Snの融点が約676℃、Cu６Sn５の融点が約415℃であるから、加熱溶融し、凝固した後の封止層の再溶融温度を引き上げることができる。

例えば、SAC305（96.5％Sn-3.0％Ag-0.5％Cu）を加熱溶融したとき、溶融したSnは表面張力によって凝集し、丸まろうとする力が働く。そこへ加圧することで、溶融したSAC305は、その場に留まらずに、周辺へ流出してしまう。

図２は、SAC305をペースト状にしてガラス板に塗布し、加熱した図である。aは130℃、bは249℃まで温度を上昇させた状態である。SAC305は、aの130℃の時、ガラス板一面に広がっている。しかし、bの249℃では溶融し、表面張力によって凝集している。このときに圧力を加えると、溶融したSAC305は流出してしまう。

通常、Sn系のはんだを使うとき、溶融したSnの表面張力を抑え、濡れ性を向上させるため、フラックスを加えてペースト状にしたものを使用する。フラックスは、焼成時にガスとなって蒸発したり、焼成後に洗浄したりすることで除去される。
それに対して、フラックスを加えたプリフォームは、焼成時にフラックスが蒸発しにくい。また、フラックスがガスとなって蒸発した跡がボイドとなり、品質低下を招くこともある。

しかし、半導体封止用プリフォーム1は、金属間化合物CuｘSnｙを含んでいる。そのため、溶融したSnの表面張力が低下する。また、金属間化合物CuｘSnｙが物理的な障害となり、溶融したSnの流動性を抑えられる。

さらに、半導体封止用プリフォーム1は、Cuを含んでいる。そのため、溶融したSnの表面張力がさらに低下する。また、Cu粒子が溶融したSnの流出を物理的に妨げることに加え、溶融したSnは、接するCuとの固相拡散に消費されるため、Snの流動性はさらに抑えられる。

これまで述べてきたように、半導体封止用プリフォーム1は、溶融したSnの表面張力を抑えることができる。そのため、フラックスを加える必要がなく、ボイドの発生が低減する。また、溶融したSnの流動性を抑制し、目的の場所で封止層を形成することが可能である。

上述した通り、金属間化合物を含むこと、Cuを含むことによって、表面張力が低下する様子を、図３に示す。図３のa、b、cはそれぞれ下記の配合で、図９に示す製造方法（後述）で製造した半導体封止用プリフォームを、約240℃で焼成したときの状態を示している。
a：SAC305粉末。
b：金属間化合物をおよそ10〜20重量％含有させた、CuとSnの合金粉末。
c：SAC305粉末を30重量％、bに記載したCuとSnの合金粉末を35重量％、Cu粉末を35重量％、の割合で混合した粉末。
aのとき、溶融したSnが表面張力によって凝集している様子が見られる。それに対して、b、cのとき、溶融したSnの表面張力は低下し、凝集を防いでいる様子が見られる。

また、半導体封止用プリフォーム1は、金属間化合物CuｘSnｙを含んでいる。SnとCuとの間に金属間化合物が存在することにより、SnとCuとが直接触れる面積が狭くなり、拡散速度が抑えられ、相互拡散の不均衡が緩和され、結果としてカーケンダルボイドの発生を抑制することができる。

さらに、半導体封止用プリフォーム1は、熱伝導率の高い材料を有している。熱伝導率の高い材料は、具体的には、カーボンナノチューブ（3000 W・m-1・k-1）、Ag（420W・m-1・k-1）、Cu（398W・m-1・k-1）、Au（320 W・m-1・k-1）、Al（236 W・m-1・k-1）、Si（168 W・m-1・k-1）、Zn（117 W・m-1・k-1）、Ni（94 W・m-1・k-1）などが挙げられる。

前記した熱伝導率の高い材料を有することにより、半導体封止用プリフォーム1は、放熱機能を付加することが可能である。

封止層の製造方法の一例を図４に示す。半導体素子の上に、半導体封止用プリフォーム1を置き、加熱・加圧して封止層を形成する。半導体封止用プリフォーム1は流動性が抑制されているため、周辺への流出がほとんどなく、目的の場所で封止層を形成することが可能である。
加熱する温度や時間などは、半導体封止用プリフォーム1の組成などにもよるが、本実施形態においては、徐々に温度を上げていき、約280℃で1〜20分保持した。

上記製造方法によって製造される半導体装置の一例を、図５に示す。例えば、電子回路22がセンサ回路であるとき、封止層で固定してしまうとセンサ回路としての機能を失ってしまう。しかし、半導体封止用プリフォーム1を用いて封止層を形成することで、半導体素子下部への封止材の流入を防ぎ、空隙301を確保することができる。よって、従来技術より簡便にセンサ回路が作成でき、製造コストを抑えることができる。

図６は、上記製造方法によって製造される半導体装置の一例を、基板500に対して垂直に切った断面のSEM像である。連続的な封止層が形成されているのがわかる。また、半導体素子下部には、空隙301が確保されていることが確認できる。

図７に、半導体封止用多層プリフォーム1aを示す。半導体封止用多層プリフォーム1aは、少なくとも第1層11と第2層12とを含んでいる。第1層11は、半導体封止用プリフォーム1から成り、第2層12は電磁波吸収材または電磁波反射材を含有している。

前記電磁波吸収材は、具体的には、磁性材料の磁気損失によって電波を吸収する、フェライト、鉄、Niなどが挙げられる。また、前記電磁波反射材としては、Ag、Cu、Au、Al、Co、Zn、Ni、Snなどが挙げられる。

図８は、本発明に係る半導体封止用多層プリフォーム1aの別の例を示す図である。用途や目的に応じて、複数nのプリフォーム（11、12、・・・・・1n）を積層することが可能である。様々な効果のあるプリフォームを積層することで、半導体封止用多層プリフォーム1a全体としての機能を向上させることが可能である。

本発明に係る半導体封止用プリフォーム1は、典型的には、金属粉末を圧延処理によってシート化する粉末圧延法によって得ることができる。粉末圧延法自体は種々知られており、本発明においては、それらの公知技術を適用することができる。図９は、適用可能な典型例を示している。図９において、対向する向きに回転R1、R2する圧延ローラー31，32の間に、金属粉末6を供給し、圧延ローラー31、32から金属粉末6に対して圧力を加えることで、半導体封止用プリフォーム1が得られる。半導体封止用プリフォーム1を積層して、さらに圧延することで、半導体封止用多層プリフォーム1aが得られる。プリフォーム各々の厚さや、半導体封止用プリフォーム全体の厚さは、用途や目的に応じて、適宜調整される。

以上、添付図面を参照して本発明を詳細に説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、当業者であれば、その基本的技術思想および教示に基づき、種々の変形例を想到できることは自明である。

1 半導体封止用プリフォーム
1a 半導体封止用多層プリフォーム
11 第1層
12 第2層
1n 第n層
21 半導体素子
22 電子回路
23 端子
24 配線部
300 封止層
301 空隙
500 基板
501 接合部
6 金属粉末

Claims (3)

1. 金属または合金を主材とする、半導体封止用プリフォームであって、
   前記金属または合金は、SnまたはSn合金、及び、CuまたはCu合金、及び、CuとSnとの金属間化合物を少なくとも2重量％含有し、
   さらに、熱伝導率の高い材料を有することにより、放熱機能を付加した、
   半導体封止用プリフォーム。
2. 少なくとも第1層と第2層とを有する、半導体封止用多層プリフォームであって、
   前記第1層は、請求項1に記載された半導体封止用プリフォームから成り、
   前記第2層は、電磁波吸収材または電磁波反射材を含有する、半導体封止用多層プリフォーム。
3. 半導体素子と、
   前記半導体素子に電気的に接続される配線部と、
   を備える半導体装置であって、
   前記封止層は、請求項1に記載された半導体封止用プリフォーム、または、請求項2に記載された半導体封止用多層プリフォームを用いて形成される、
   半導体装置。