特許 7320446 半導体装置およびその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-07-26

(45)【発行日】2023-08-03

(54)【発明の名称】半導体装置およびその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/48 20060101AFI20230727BHJP

   H01L 23/36 20060101ALI20230727BHJP

   H01L 21/60 20060101ALI20230727BHJP

   H01L 21/52 20060101ALI20230727BHJP

   H01L 25/07 20060101ALI20230727BHJP

   H01L 25/18 20230101ALI20230727BHJP

【ＦＩ】

H01L23/48 S

H01L23/36 D

H01L23/48 T

H01L21/60 321E

H01L21/52 C

H01L21/52 A

H01L25/04 C

【請求項の数】 16

(21)【出願番号】P 2019237600

(22)【出願日】2019-12-27

(65)【公開番号】P2021106234

(43)【公開日】2021-07-26

【審査請求日】2022-04-19

(73)【特許権者】

【識別番号】000233273

【氏名又は名称】株式会社 日立パワーデバイス

(74)【代理人】

【識別番号】110002066

【氏名又は名称】弁理士法人筒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】池田 靖

(72)【発明者】

【氏名】中村 真人

【審査官】豊島 洋介

(56)【参考文献】

【文献】特開２００６－２６９６８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－２０２８８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－００３３３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－２０６７３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－１５７８６３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ２１／４４７－２１／４４９

Ｈ０１Ｌ２１／５２

Ｈ０１Ｌ２１／５８－２１／６０７

Ｈ０１Ｌ２３／２９

Ｈ０１Ｌ２３／３４－２３／３６

Ｈ０１Ｌ２３／３７３－２３／４２７

Ｈ０１Ｌ２３／４４

Ｈ０１Ｌ２３／４６７－２３／４８

Ｈ０１Ｌ２５／００－２５／０７

Ｈ０１Ｌ２５／１０－２５／１１

Ｈ０１Ｌ２５／１６－２５／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１面に形成された第１電極、および前記第１面の反対側に位置する第２面に形成された第２電極を備える半導体素子と、
第１接合部材を介して前記半導体素子の前記第１電極と電気的に接続される第１端子と、
第２接合部材を介して前記半導体素子の前記第２電極と電気的に接続される第２端子と、
を有し、
前記半導体素子は、前記第１端子と前記第２端子との間に挟まれ、
前記第１接合部材の熱伝導率は、３０Ｗ／ｍ・Ｋより高く、
前記第２接合部材は、前記第１接合部材とは異なり、かつ、２００℃以下で前記第２電極と接合可能な導電性材料から成り、
前記第１接合部材の熱膨張率は、２８ｐｐｍ／Ｋより低く、
前記第１接合部材の融点は、２３０℃以上であり、
前記第１接合部材の前記第１電極との接合面、および前記第２接合部材の前記第２電極との接合面のそれぞれは、２３０℃以下での耐熱性を備える、半導体装置。

【請求項2】

請求項１に記載の半導体装置において、
前記第１端子は前記半導体素子の前記第１電極と対向する素子搭載部を備え、
前記素子搭載部の、前記第１接合部材との接合面にはＮｉを主成分として含むメッキ膜が形成され、
前記第１接合部材は、ＡｇおよびＣｕのいずれか一方から成る金属の多孔質体から成る、半導体装置。

【請求項3】

請求項１に記載の半導体装置において、
前記第１端子は前記半導体素子の前記第１電極と対向する素子搭載部を備え、
前記素子搭載部の、前記第１接合部材との接合面にはＮｉを主成分として含むメッキ膜が形成され、
前記第１接合部材は、前記半導体素子の前記第１電極側から前記第１端子の前記素子搭載部側に向かって順に配置される、第１金属膜、第２金属膜、および第３金属膜を有し、
前記第１金属膜は、Ｃｕ－Ｓｎ化合物から成り、
前記第２金属膜は、Ｓｎ－Ｓｂ－Ｃｕ化合物から成り、かつ、前記第２金属膜に含まれるＳｂの割合は１０～１５質量％、Ｃｕの割合は０～５質量％であり、
前記第３金属膜は、Ｃｕ－Ｓｎ化合物から成る、半導体装置。

【請求項4】

請求項１に記載の半導体装置において、
前記第１端子は前記半導体素子の前記第１電極と対向する素子搭載部を備え、
前記素子搭載部の、前記第１接合部材との接合面にはＮｉを主成分として含むメッキ膜が形成され、
前記第１接合部材は、Ｃｕ相およびＣｕ－Ｓｎ化合物相を含む合金、もしくはＡｇ相およびＡｇ－Ｓｎ化合物相を含む合金から成る、半導体装置。

【請求項5】

請求項１～４のいずれか１項に記載の半導体装置において、
前記第２接合部材は、互いに焼結されたＡｇから成る複数の粒子と、前記複数の粒子の間を満たす樹脂と、を含む導電性接着材であり、
前記複数の粒子の一部は、前記半導体素子の前記第２電極に焼結され、かつ、前記複数の粒子の他の一部は、前記第２端子に焼結される、半導体装置。

【請求項6】

請求項１～４のいずれか１項に記載の半導体装置において、
前記第２接合部材は、Ｃｕ相、Ｃｕ－Ｓｎ化合物相、およびＢｉ相を含む合金、もしくはＡｇ相、Ａｇ－Ｓｎ化合物相、およびＢｉ相を含む合金から成る、半導体装置。

【請求項7】

請求項１～４のいずれか１項に記載の半導体装置において、
前記第２接合部材は、Ｃｕ相およびＣｕ－Ｓｎ－Ｉｎ化合物相を含む合金、もしくはＡｇ相およびＡｇ－Ｓｎ－Ｉｎ化合物相を含む合金から成る、半導体装置。

【請求項8】

請求項１～７のいずれか１項に記載の半導体装置において、
前記半導体素子は、ダイオード素子を有し、
前記第１電極は、前記ダイオード素子のアノードおよびカソードの一方に接続され、
前記第２電極は、前記ダイオード素子のアノードおよびカソードの他方に接続される、半導体装置。

【請求項9】

請求項１～８のいずれか１項に記載の半導体装置において、
導電性の第３接合部材を介して前記第１端子と電気的に接続される第３端子と、
前記第３端子と前記第１端子との間に配置される前記第３接合部材と、
導電性の第４接合部材を介して前記第２端子と電気的に接続される第４端子と、
前記第４端子と前記第２端子との間に配置される前記第４接合部材と、
をさらに備える、半導体装置。

【請求項10】

（ａ）第１面に形成された第１電極、および前記第１面の反対側に位置する第２面に形成された第２電極を備える半導体素子を準備する工程、
（ｂ）第１端子の素子搭載部上に第１接合部材を介して前記半導体素子を接続する工程、
（ｃ）前記（ｂ）工程の後、前記半導体素子の前記第２電極上に第２接合部材を介して第２端子を接続する工程、
を有し、
前記素子搭載部の、前記第１接合部材との接合面にはＮｉを主成分として含むメッキ膜が形成され、
前記（ｂ）工程では、熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋより高い金属材料から成る前記第１接合部材を加熱した後、冷却することにより、前記半導体素子の前記第１電極および前記素子搭載部の前記メッキ膜のそれぞれに前記第１接合部材が接合され、
前記（ｃ）工程では、２００℃以下の温度で前記第２接合部材を加熱した後、冷却することにより、前記半導体素子の前記第２電極および前記第２端子のそれぞれに前記第２接合部材が接合され、
前記第１接合部材の熱膨張率は、２８ｐｐｍ／Ｋより低く、
前記（ｂ）工程において、前記半導体素子の前記第１電極および前記素子搭載部の前記メッキ膜のそれぞれに接合された後の前記第１接合部材は、融点が２３０℃以上であり、
前記第１接合部材の前記第１電極との接合面、および前記第２接合部材の前記第２電極との接合面のそれぞれは、２３０℃以下での耐熱性を備える、半導体装置の製造方法。

【請求項11】

請求項１０に記載の半導体装置の製造方法において、
前記（ｂ）工程では、ＡｇおよびＣｕのいずれか一方を含む複数の金属粒子を前記半導体素子の前記第１電極および前記素子搭載部の前記メッキ膜のそれぞれに焼結させることにより、金属の多孔質体から成る前記第１接合部材を得る、半導体装置の製造方法。

【請求項12】

請求項１０に記載の半導体装置の製造方法において、
前記（ｂ）工程では、前記半導体素子の前記第１電極側から前記第１端子の前記素子搭載部側に向かって順に配置される、第１金属膜、第２金属膜、および第３金属膜を有する前記第１接合部材を介して前記第１電極と前記素子搭載部とが接続され、
前記第１金属膜は、Ｃｕ－Ｓｎ化合物から成り、
前記第２金属膜は、Ｓｎ－Ｓｂ－Ｃｕ化合物から成り、かつ、前記第２金属膜に含まれるＳｂの割合は１０～１５質量％、Ｃｕの割合は０～５質量％であり、
前記第３金属膜は、Ｃｕ－Ｓｎ化合物から成る、半導体装置の製造方法。

【請求項13】

請求項１０に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第１接合部材は、Ｃｕ相およびＣｕ－Ｓｎ化合物相を含む合金、もしくはＡｇ相およびＡｇ－Ｓｎ化合物相を含む合金から成る、半導体装置の製造方法。

【請求項14】

請求項１０～１３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記（ｃ）工程は、
（ｃ１）Ａｇから成る複数の粒子と、前記複数の粒子の間を満たす樹脂と、を含むペースト材を前記第２電極上に塗布する工程、
（ｃ２）前記（ｃ１）工程の後、前記ペースト材上に前記第２端子を接着させる工程、
（ｃ３）前記（ｃ２）工程の後、前記ペースト材を２００℃以下の温度で加熱して、前記ペースト材に含まれる前記複数の粒子を互いに焼結させる工程、
を含み、
前記（ｃ３）工程では、前記複数の粒子の一部が前記半導体素子の前記第２電極に焼結され、かつ、前記複数の粒子の他の一部が、前記第２端子に焼結される、半導体装置の製造方法。

【請求項15】

請求項１０～１３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記（ｃ）工程は、
（ｃ１）ＡｇまたはＣｕから成る複数の金属粒子と、Ｓｎを含み、固相線温度が２００℃以下の化合物と、を含む接合部材原料を前記第２電極上に塗布する工程、
（ｃ２）前記（ｃ１）工程の後、前記接合部材原料上に前記第２電極を接着する工程、
（ｃ３）前記（ｃ２）工程の後、前記接合部材原料を２００℃以下の温度で加熱した後、冷却し、前記複数の金属粒子を構成する金属元素の純金属相と、前記複数の金属粒子を構成する金属元素およびＳｎを含む金属間化合物相と、を含む合金から成る、前記第２接合部材を形成する工程、
を含む、半導体装置の製造方法。

【請求項16】

請求項１０～１３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記（ｃ）工程は、
（ｃ１）ＡｇまたはＣｕから成る複数の金属粒子が互いに焼結した焼結体を前記第２電極上に配置する工程、
（ｃ２）前記（ｃ１）工程の後、Ｓｎを含み、固相線温度が２００℃以下である化合物から成る半田材を前記複数の金属粒子の焼結体上に塗布する工程、
（ｃ３）前記（ｃ２）工程の後、前記半田材と前記第２端子とを接着させる工程、
（ｃ４）前記（ｃ３）工程の後、前記半田材を２００℃以下の温度で加熱した後、冷却し、前記複数の金属粒子を構成する金属元素の純金属相と、前記複数の金属粒子を構成する金属元素およびＳｎを含む金属間化合物相と、を含む合金から成る、前記第２接合部材を形成する工程、
を含む、半導体装置の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体装置およびその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特開２０１０－７３９０８号公報（特許文献１）および特開２０１６－２５１９４号公報（特許文献２）には、半導体素子の上面側および下面側のそれぞれに、接合部を介して被接合部材を接合した半導体装置が記載されている。特許文献１では、半導体素子の上面側および下面側の両側において、Ｚｎ－Ａｌ系の接合材料が用いられた半導体装置が記載されている。特許文献２には、半導体素子の下面側にＺｎ－Ａｌ系の接合材料が用いられ、上面側には下面側の接合材料と異なる接合材料が用いられた半導体装置が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１０－７３９０８号公報

【文献】特開２０１６－２５１９４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

半導体素子と外部端子とを電気的に接続する接合部材に半田材料が用いられる場合がある。この半田材料に対して、鉛（Ｐｂ）フリー化の要求がある。高温環境に配置される可能性のある半導体装置の場合、接合材料にも例えば２００℃以下での耐熱性が要求される。Ｚｎ－Ａｌ系の半田は、融点が約３８０℃と高く、２００℃程度の環境下でも接合部材が溶融しない。

【0005】

ところが、Ｚｎ－Ａｌ系の半田を接合部材として用いた半導体装置の場合、半導体装置の実装時、あるいは使用環境下で印加される熱負荷に起因して、半導体装置の信頼性が低下する懸念があることが判った。例えば、半導体装置の温度変化に起因して生じる応力により、半導体素子が損傷する場合がある。あるいは、半導体装置の温度変化に起因して生じる応力により、半導体素子と接合部材との接合面が剥離する場合がある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本願において開示される発明のうち、代表的な形態の概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

【0007】

すなわち、一実施の形態である半導体装置は、第１面に形成された第１電極、および前記第１面の反対側に位置する第２面に形成された第２電極を備える半導体素子と、第１接合部材を介して前記半導体素子の前記第１電極と電気的に接続される第１端子と、第２接合部材を介して前記半導体素子の前記第２電極と電気的に接続される第２端子と、を有する。前記半導体素子は、前記第１端子と前記第２端子との間に挟まれる。前記第１接合部材の熱伝導率は、３０Ｗ／ｍ・Ｋより高い。前記第２接合部材は、前記第１接合部材とは異なり、かつ、２００℃以下で前記第２電極と接合可能な導電性材料から成る。前記第１接合部材の熱膨張率は、２８ｐｐｍ／Ｋより低い。前記第１接合部材の前記第１電極との接合面、および前記第２接合部材の前記第２電極との接合面のそれぞれは、２３０℃以下での耐熱性を備える。

【0008】

他の実施の形態である半導体装置の製造方法は、（ａ）第１面に形成された第１電極、および前記第１面の反対側に位置する第２面に形成された第２電極を備える半導体素子を準備する工程、（ｂ）第１端子の素子搭載部上に第１接合部材を介して前記半導体素子を接続する工程、（ｃ）前記（ｂ）工程の後、前記半導体素子の前記第２電極上に第２接合部材を介して第２端子を接続する工程、を有する。前記素子搭載部の、前記第１接合部材との接合面にはＮｉを主成分として含むメッキ膜が形成さる。前記（ｂ）工程では、熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋより高い金属材料から成る前記第１接合部材を加熱した後、冷却することにより、前記半導体素子の前記第１電極および前記素子搭載部の前記メッキ膜のそれぞれに前記第１接合部材が接合される。前記（ｃ）工程では、２００℃以下の温度で前記第２接合部材を加熱した後、冷却することにより、前記半導体素子の前記第２電極および前記第２端子のそれぞれに前記第２接合部材が接合される。前記第１接合部材の熱膨張率は、２８ｐｐｍ／Ｋより低い。前記第１接合部材の前記第１電極との接合面、および前記第２接合部材の前記第２電極との接合面のそれぞれは、２３０℃以下での耐熱性を備える。

【発明の効果】

【0009】

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下の通りである。すなわち、半導体装置の信頼性低下を抑制することができる。

【0010】

上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の一実施の形態である半導体装置の上面図である。

【図2】図１に示す半導体装置の下面図である。

【図3】図１に示すＡ－Ａ線に沿った断面図である。

【図4】図３に示す半導体装置に対する検討例である半導体装置のリフロー工程における組立体の状態を模式的に示す断面図である。

【図5】図３に示す半導体装置のリフロー工程における組立体の状態を模式的に示す断面図である。

【図6】図３に示す半導体素子の下面側の電極に接合される接合部材周辺の拡大断面図である。

【図7】図６に対する変形例である半導体装置の半導体素子の下面側の電極に接合される接合部材周辺の拡大断面図である。

【図8】図６に対する他の変形例である半導体装置の半導体素子の下面側の電極に接合される接合部材周辺の拡大断面図である。

【図9】図３に示す半導体素子の上面側の電極に接合される接合部材周辺の拡大断面図である。

【図10】図９に対する変形例である半導体装置の半導体素子の上面側の電極に接合される接合部材周辺の拡大断面図である。

【図11】図９に対する他の変形例である半導体装置の半導体素子の上面側の電極に接合される接合部材周辺の拡大断面図である。

【図12】図３に示す半導体装置を２次実装した半導体装置の構造例を示す断面図である。

【図13】図３に示す半導体装置の製造工程の概要を示すフロー図である。

【図14】図８に示す接合部材を得るための製造方法の一例を示す説明図である。

【図15】図１４に対する変形例である製造方法を示す説明図である。

【図16】図９に示す接合部材を得るための製造方法の一例を示す説明図である。

【図17】図１０または図１１に示す接合部材を得るための製造方法の一例を示す説明図である。

【図18】図１７に対する変形例である製造方法を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下の実施の形態を説明するための各図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、図面をわかりやすくするために平面図であってもハッチングを付す場合がある。

【0013】

＜半導体装置の構造例＞
図１は、本実施の形態の半導体装置の上面図である。図２は、図１に示す半導体装置の下面図である。また、図３は、図１に示すＡ－Ａ線に沿った断面図である。

【0014】

図１～図３に示すように、本実施の形態の半導体装置１００は、半導体素子１０（図３参照）と、接合部材（第１接合部材）２０（図３参照）と、端子（第１端子）３０（図２、図３参照）と、接合部材（第２接合部材）４０（図３参照）と、端子（第２端子）５０（図１、図３参照）と、封止体６０と、を有する。

【0015】

図３に示すように、半導体素子１０は、下面（第１面）１０ｂに形成された電極（第１電極）１１および下面１０ｂの反対側に位置する上面（第２面）１０ｔに形成された電極（第２電極）１２を備える。端子３０は、接合部材２０を介して半導体素子１０の電極１１と電気的に接続される。端子５０は、接合部材４０を介して半導体素子１０の電極１２と電気的に接続される。半導体素子１０は、端子３０と端子５０との間に挟まれる。

【0016】

半導体素子１０の裏面電極である電極１１は、半導体基板の下面１０ｂ全体に形成されたメタライズ膜であって、例えばＮｉ（ニッケル）から成る。また、半導体素子１０の表面電極である電極１２は、例えば、Ａｌ（アルミニウム）から成る。また、半導体素子１０は、例えば、ダイオード素子を有し、電極１１は、ダイオード素子のアノードおよびカソードの一方に接続され、電極１２は、ダイオード素子のアノードおよびカソードの他方に接続される。また、端子３０および端子５０は、例えばそれぞれＣｕを主成分とする金属から成り、接合部材２０または４０との接合界面には、接合部材２０または４０との接合界面の信頼性を向上させるための金属膜（メッキ膜３１およびメッキ膜５１）が形成されている。

【0017】

半導体装置１００は、接合部材２０の熱伝導率は、３０Ｗ／ｍ・Ｋより高い。半導体装置１００は、例えばインバータなどの電力変換装置に組み込まれるパワーデバイス（パワー半導体装置）であり、大電流が流れる。パワーデバイスは、半導体素子１０が動作することにより生じる熱を外部に放熱する必要がある。半導体装置１００は、主な放熱経路として、半導体素子１０の下面１０ｂ側から端子３０を経由して放熱する経路と、半導体素子１０の上面１０ｔ側から端子５０を経由して放熱する経路と、を備える。接合部材２０の熱伝導率を３０Ｗ／ｍ・Ｋより高くすることで、上記した複数の放熱経路のうち、少なくとも一方の放熱経路の放熱効率を向上させることができる。パワーデバイスにおいて、利用される高鉛半田（高い割合で鉛（Ｐｂ）を含む半田であり、例えば、９５重量％のＰｂと５重量％のＳｎを含む固相線３００℃液相線３１４℃のＰｂ－Ｓｎ合金）の熱伝導率は、約３０Ｗ／ｍ・Ｋである。したがって、本実施の形態の接合部材２０の熱伝導率は、鉛半田よりも高い熱伝導率を備える。

【0018】

また、接合部材２０の熱膨張率は、２８ｐｐｍ／Ｋより低い。Ｚｎ－Ａｌ系の接合材料の熱膨張率は、３０ｐｐｍ／Ｋ程度である。したがって、接合部材２０の熱膨張率は、Ｚｎ－Ａｌ系の接合材料の熱膨張率より低い。

【0019】

また、接合部材４０は、接合部材２０とは異なる材料から成り、かつ２００℃以下で電極１２と接合可能な導電性材料から成る。「２００℃以下で接合可能」とは、接合部材２０が電極１２に２００℃以下の温度環境下で接合され、かつ、その接合面は、仮にその一部分が剥離していた場合でも、その剥離部分が接合面全体の１０％以下であることを意味する。また、接合部材２０の電極１１との接合面、および接合部材４０の電極１２との接合面のそれぞれは、２３０℃以下での耐熱性を備える。「接合面が２３０℃以下での耐熱性を備える」とは、２３０℃以下の環境下において、当該接合面が、溶融により剥離しない、あるいは剥離したとしてもその剥離部分の面積は、接合面全体の１０％以下であることを意味する。

【0020】

詳細は後述するが、上記のように、接合部材４０は、２００℃以下で電極１２と接合可能な導電性材料から成り、かつ、接合部材４０の電極１２との接合面が２３０℃以下での耐熱性を備えることにより、半導体装置１００に例えば２００℃の熱負荷が印加された場合でも、信頼性低下を抑制することができる。以下、信頼性低下を抑制できる理由と、接合部材２０および４０の具体例と、について説明する。

【0021】

＜信頼性低下を抑制できる理由＞
図４は、図３に示す半導体装置に対する検討例である半導体装置のリフロー工程における組立体の状態を模式的に示す断面図である。図４では、上段に最高温度まで加熱した時の状態を示し、下段に加熱後に常温まで冷却した時の状態を示している。図３に示すように、半導体装置１００は、半導体素子１０の上面１０ｔには端子５０が、下面１０ｂには端子３０がそれぞれ接続される。例えば、本実施の形態に対する検討例として図４に示す半導体装置１００Ｈの場合、端子３０および端子５０のそれぞれを、同じ成分の接合部材２０を介して接続されている。

【0022】

後述するように、接合部材２０には、種々の実施例がある。簡単に説明すると、接合部材２０は、ＡｇおよびＣｕのいずれか一方を含む金属の多孔質体から成る場合、Ｃｕ－Ｓｎ化合物から成る金属膜およびＳｎ－Ｓｂ－Ｃｕ化合物から成る金属膜の積層膜である場合、Ｃｕ相およびＣｕ－Ｓｎ化合物相を含む合金、もしくはＡｇ相およびＡｇ－Ｓｎ化合物相を含む合金から成る場合がある。これらの材料は、熱伝導率が、３０Ｗ／ｍ・Ｋ（鉛半田の熱伝導率）より高いので、接合部材２０を用いることで、高い放熱特性が得られる。ただし、接合部材２０が、上記のいずれの実施例の場合でも、接合部材２０の融点は２００℃より高い。したがって、端子３０および端子５０を接合するためのリフロー工程では、半導体素子１０、端子３０、および端子５０の組立体を、少なくとも２００℃より高い温度（例えば２４０℃）まで加熱する必要がある。

【0023】

この場合、図４に示すように、半導体素子１０の下面１０ｂ側の周縁部には、応力ＳＴ１が作用する。また、半導体素子１０の上面１０ｔ側の周縁部には、応力ＳＴ２が作用する。この結果、半導体素子１０の上面１０ｔの周縁部および下面１０ｂの周縁部のそれぞれにおいて、温度変化に起因して生じる応力ＳＴ１、ＳＴ２が、半導体素子１０に集中する。半導体素子１０は、この応力ＳＴ１およびＳＴ２により損傷する場合があることが判った。また、半導体素子１０が損傷まで至らない場合でも、上記した応力が半導体素子１０と接合部材２０との接合面に集中した場合、半導体素子１０と接合部材２０との接合面が剥離する原因になる。すなわち、半導体装置１００Ｈの場合、リフロー工程において印加される熱負荷に起因して半導体装置１００Ｈの信頼性が低下することが判った。なお、図４では、端子３０および５０を一括して接続する実施態様を示しているが、端子３０および５０を順番にリフロー工程に供する場合でも、半導体素子１０の損傷、あるいは半導体素子１０と接合部材２０との接合面の剥離が発生することが判った。

【0024】

また、本実施の形態の場合、半導体素子１０がダイオード素子を有し、電極の数は、上面１０ｔおよび下面１０ｂにそれぞれ１個ずつ形成される。また、半導体素子の電気的特性を向上させるため、電極１２と接合部材４０との接合面積、および電極１１と接合部材２０との接合面積のそれぞれは、大きい方が好ましい。このため、電極１２と接合部材４０とは、上面１０ｔの周縁部近傍で接合される。また、電極１１および接合部材２０とは、下面１０ｂの周縁部で接合される。このため、接合部材２０および４０と半導体素子１０との接合界面の周縁部には、応力が集中し易い。なお、半導体素子１０の変形例としてトランジスタ素子を有している場合もある。この場合、上面１０ｔには、ソース電極（またはエミッタ電極）に加え、ゲート電極が配置される。

【0025】

本実施の形態の半導体装置１００の場合、図３に示すように、端子３０を接続する接合部材２０と、端子５０を接続する接合部材４０とが互いに異なる材料から成る。図５は、図３に示す半導体装置のリフロー工程における組立体の状態を模式的に示す断面図である。図５では、上段に端子３０をリフロー処理により接続した後の状態、中段に端子５０を搭載して加熱した状態、下段に端子５０を加熱した後、常温まで冷却した状態を示している。

【0026】

図３に示すように、半導体装置１００は、互いに異なる接合部材２０および４０を有し、接合部材４０は、２００℃以下で電極１２と接合可能な導電性材料から成る。また、本実施の形態の場合、図５に示すように、端子３０の素子搭載部上に接合部材２０を介して半導体素子１０を接続した後、半導体素子１０の電極１２（図３参照）上に接合部材４０を介して端子５０を接続する。詳しくは、まず、図５の上段に示すように半導体素子１０を、接合部材２０を介して端子３０に接続する。接合部材２０を介して端子３０を接続するためのリフロー工程では、２００℃より高い温度（例えば２４０℃）まで加熱した後、常温まで冷却する。半導体素子１０の下面１０ｂの周縁部には、応力ＳＴ１が印加される。ただし、この時点では、半導体素子１０の上面１０ｔ上には、接合部材４０および端子５０が搭載されていないので、応力ＳＴ１は緩和され、半導体素子１０の損傷には至らない。

【0027】

次に、図５の中段に示すように、半導体素子１０の上面１０ｔ上に接合部材４０を介して端子５０を搭載する。接合部材４０は、上記したように、２００℃以下で電極１２と接合可能な材料である。したがって、この時に半導体装置１００に印加される温度の最高値は、２００℃以下である。また、接合部材２０の電極１１（図３参照）との接合面、は、２３０℃以下での耐熱性を備えている。接合部材２０に用いられる材料が、上記のいずれの実施例の場合でも、既に半導体素子１０および端子３０に接続された後の接合部材２０の融点は２３０℃以上である。したがって、２００℃以下の温度が印加されたとしても接合部材２０は、溶融しない。

【0028】

次に、図５の下段に示すように、半導体装置１００は、常温まで冷却される。この時、接合部材２０は２００℃以下で加熱されているので、この冷却時に生じる応力ＳＴ３は、端子３０を接続する際に生じる応力ＳＴ１より小さい。また、接合部材２０の熱膨張率は、２８ｐｐｍ／Ｋより低い。接合部材２０の熱膨張率が２８ｐｐｍ／Ｋより高い場合（例えば、熱膨張率が約３０ｐｐｍ／Ｋ程度のＺｎ－Ａｌ系の接合材料の場合）、最初に端子５０を接合する際に生じる応力が大きいため、端子３０を接続する際の温度を２００℃以下にした場合でも、半導体素子１０が損傷する場合がある。しかし、本願発明者の検討によれば、接合部材２０として、熱膨張率が、２８ｐｐｍ／Ｋより低い材料を用いることにより、半導体素子１０に印加される応力ＳＴ３を低減することができる。また、半導体素子１０の上面１０ｔに接合される接合部材４０は、２００℃以下で加熱されているので、半導体素子１０の上面１０ｔの周縁部に生じる応力ＳＴ４は、図４に示す応力ＳＴ２より小さい。この結果、半導体素子１０の周辺に印加される応力を低減することができる。

【0029】

上記の通り、図５に示す半導体装置１００の半導体素子１０に印加される応力は、図４に示す半導体装置１００Ｈの半導体素子１０に印加される応力より小さい。このため、半導体装置１００の場合、熱負荷に起因する半導体素子１０の損傷、あるいは、半導体素子１０と接合部材２０または４０との接合面の剥離を抑制できる。つまり、半導体装置１００は、熱負荷が印加されることによる信頼性低下を抑制できる。

【0030】

また、接合部材２０および４０のそれぞれと、被接合部材との接合面は、接合後において、２３０℃以下での耐熱性を備える。詳細は後述するが、半導体装置１００は、実装基板などに実装（以下、２次実装と呼ぶ場合がある）されて使用される。半導体装置１００を２次実装する際に、２３０℃以下で接合可能な接合材料を介して半導体装置１００を実装すれば、２次実装時の温度変化に起因する半導体素子１０の損傷、あるいは、半導体素子１０と接合部材２０または４０との接合面の剥離を抑制できる。

【0031】

＜下面側接合部材の実施例＞
次に、図３に示す接合部材２０の具体的な実施例について説明する。以下で例示的に説明する複数種類の接合部材２０のそれぞれは、熱伝導率が、３０Ｗ／ｍ・Ｋより高いという特性、および、熱膨張率は、２８ｐｐｍ／Ｋより低いという特性を備える。また、以下で例示的に説明する複数種類の接合部材２０のそれぞれは、電極１１および端子３０に接合された後は、融点が２３０℃より高いという特性を有する。また、以下で説明する実施例のそれぞれにおいて、図３に示すように、端子３０は半導体素子１０の電極１１と対向する素子搭載部を備え、素子搭載部の、接合部材２０との接合面（上面３０ｔ）にはＮｉを主成分として含むメッキ膜３１が形成されている。接合部材２０は、メッキ膜３１に接合される。

【0032】

図６は、図３に示す半導体素子の下面側の電極に接合される接合部材周辺の拡大断面図である。図６に示す半導体装置１０１が有する接合部材２０は、ＡｇおよびＣｕのいずれか一方から成る金属の多孔質体から成る。Ａｇから成る多孔質体、およびＣｕから成る多孔質体は、熱伝導率が、１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上である。このため、端子３０を経由する放熱経路における放熱特性を特に向上させることができる。また、Ａｇから成る多孔質体、およびＣｕから成る多孔質体は、熱膨張率が２８ｐｐｍ／Ｋより低い。このため、端子３０を接合する際に、例えば２３０℃を超える温度で加熱した場合でも、温度変化に伴う変形により生じる応力ＳＴ３（図５参照）を小さくすることができる。また、Ａｇから成る多孔質体、およびＣｕから成る多孔質体は、電極１１および端子３０に接合された後は、融点が２３０℃より高いという特性を有する。このため、半導体装置１０１を２次実装する際に、２３０℃以下で接合可能な接合材料を介して半導体装置１０１を実装することで、実装時の温度変化に起因する半導体素子１０の損傷、あるいは、半導体素子１０と接合部材２０または４０との接合面の剥離を抑制できる。

【0033】

また、図６に示すように多孔質体である接合部材２０の場合、バルク構造（孔のない構造）のＡｇまたはＣｕと比較して、多孔質体は弾性率が低い。言い換えれば、図６に示す接合部材２０は、ポーラス構造の孔の部分により、応力が緩和される。このため、温度変化により応力ＳＴ３（図５参照）が生じた場合でも、半導体素子１０には応力ＳＴ３が伝達され難い。

【0034】

図７は、図６に対する変形例である半導体装置の半導体素子の下面側の電極に接合される接合部材周辺の拡大断面図である。図７に示す半導体装置１０２が有する接合部材２０は、半導体素子１０の電極１１側から端子３０の素子搭載部側に向かって順に配置される、金属膜２１、金属膜２２、および金属膜２３を有する。金属膜２１は、Ｃｕ－Ｓｎ化合物から成る。金属膜２２は、Ｓｎ－Ｓｂ－Ｃｕ化合物から成り、かつ、金属膜２２に含まれるＳｂの割合は１０～１５質量％、Ｃｕの割合は０～５質量％である。金属膜２３は、Ｃｕ－Ｓｎ化合物から成る。なお、Ｃｕの割合が０％の場合には、金属膜２２は、Ｓｎ－Ｓｂ化合物として考えることができる。

【0035】

図７に示す接合部材２０は、Ｃｕ－Ｓｎ化合物から成る金属膜２１および金属膜２３の間に、Ｓｎ－１０～１５Ｓｂ－０～５Ｃｕ－Ｓｎ化合物から成る金属膜２２が挟まれた構造になっている。この場合、Ｎｉから成るメッキ膜３１との接合界面、およびＮｉから成る電極１１との接合界面では、Ｃｕ－Ｓｎ化合物とＮｉとが接合される。このため、これらの接合界面における接合強度（言い換えれば接合信頼性）を向上させることができる。

【0036】

また、図７に示す接合部材２０は、金属膜２１と金属膜２３との間に金属膜２２が挟まれているので、単に、Ｃｕ－Ｓｎ化合物から成る単層の金属膜と比較して、放熱性を向上させることができる。図７に示す接合部材２０の熱伝導率は、３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である。半導体装置１０２に対する通電のオン－オフにより、半導体装置１０２は、発熱と冷却とを繰り返すが、接合部材２０は、金属膜２２を備えることにより、この繰り返しの温度サイクル負荷が印加された場合でも、高い信頼性を維持することができる。本願発明者の検討によれば、金属膜２２に含まれるＳｂの含有率が１５質量％以内である場合、あるいは、金属膜２２に含まれるＣｕの含有率が５質量％以内である場合には、金属膜２２と金属膜２１（または２３）との接合部分が硬くなることが抑制され、上記した温度サイクル負荷に対する信頼性の低下を抑制できる。また、金属膜２２に含まれるＳｂの含有率が１０質量％以上であれば、接合部材２０の融点を２３０℃より高くすることができるので、２次実装時の温度変化に起因する半導体素子１０の損傷、あるいは、半導体素子１０と接合部材２０との接合面の剥離を抑制できる。

【0037】

図７に示す接合部材２０は、熱膨張率が、２８ｐｐｍ／Ｋより低い。このため、端子３０を接合する際に、例えば２３０℃を超える温度で加熱した場合でも、温度変化に伴う変形により生じる応力ＳＴ３（図５参照）を小さくすることができる。

【0038】

図８は、図６に対する他の変形例である半導体装置の半導体素子の下面側の電極に接合される接合部材周辺の拡大断面図である。図８に示す半導体装置１０３が有する接合部材２０は、Ｃｕ相およびＣｕ－Ｓｎ化合物相を含む合金、もしくはＡｇ相およびＡｇ－Ｓｎ化合物相を含む合金から成る。

【0039】

詳細は後述するが、図８に示す接合部材２０は、例えば、ＡｇまたはＣｕから成る高融点の金属と、Ｓｎ系の半田材料とを用いて得られる。図８に示す接合部材２０は、高融点のＡｇまたはＣｕを用いることにより、接合後の融点を高くすることができる。この場合、２次実装時の接合材料として、融点が高い材料を選択することができるので、材料選択の自由度が向上する。

【0040】

また、図８に示す接合部材２０の熱伝導率は、３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である。このため、端子３０を経由する放熱経路における放熱特性を向上させることができる。また、図８に示す接合部材２０は、熱膨張率が、２８ｐｐｍ／Ｋより低い。このため、端子３０を接合する際に、例えば２３０℃を超える温度で加熱した場合でも、温度変化に伴う変形により生じる応力ＳＴ３（図５参照）を小さくすることができる。

【0041】

＜上面側接合部材の実施例＞
次に、図３に示す接合部材４０の具体的な実施例について説明する。以下で例示的に説明する複数種類の接合部材４０のそれぞれは、接合部材２０とは異なり、かつ、２００℃以下で電極１２と接合可能な導電性材料から成るという特性を備えている。また、接合部材４０は、半導体素子１０の上面１０ｔにおいて露出する電極１２に接合される。図３に示すように、端子５０は半導体素子１０の接合部材４０との接合面（下面５０ｂ）にはＮｉを主成分として含むメッキ膜５１が形成されている。接合部材４０は、メッキ膜５１に接合される。以下で説明する接合部材４０の実施例のそれぞれは、図６～図８を用いて説明した接合部材２０の実施例のそれぞれと組み合わせて使用することができる。

【0042】

図９は、図３に示す半導体素子の上面側の電極に接合される接合部材周辺の拡大断面図である。図９に示す半導体装置１０４の接合部材４０は、互いに焼結されたＡｇから成る複数の粒子４１と、複数の粒子４１の間を満たす樹脂４２と、を含む導電性接着材である。複数の粒子４１の一部は、半導体素子１０の電極１２に焼結され、かつ、複数の粒子４１の他の一部は、端子５０（図９に示す例ではメッキ膜５１）に焼結される。また、図９に示すように、複数の粒子４１は互いに焼結されている。

【0043】

図９に示す接合部材４０の場合、樹脂４２には熱硬化性樹脂の成分が含まれている。接合部材４０を２００℃以下の温度で加熱すると、Ａｇから成る粒子４１が焼結するとともに、樹脂４２に含まれる熱硬化性樹脂成分が硬化することにより、樹脂４２が接合部材４０と電極１２との接合界面、および接合部材４０と端子５０の下面５０ｂとの接合界面（図９に示す例ではメッキ膜５１）のそれぞれに接着する。このため、２００℃以下の温度で粒子４１を焼結させた程度であっても、上記した電極１２および端子５０との接合界面では、それぞれ樹脂４２により接合強度が補強される。この結果、硬化後において、接合部材４０が２３０℃以上に加熱された場合でも、接合部材４０と電極１２との接合界面、および接合部材４０と端子５０の下面５０ｂとの接合界面のそれぞれにおける剥離を抑制することができる。

【0044】

なお、図９に対する検討例として、図９に示す樹脂４２を含まず、Ａｇから成る複数の粒子４１のみを２００℃以下で焼結させた半導体装置を作成し、評価を行った。この結果、この検討例では、焼結した粒子４１のみの接合強度のみでは、強度が不足し、接合面の剥離が発生する場合があることを確認した。また、別の検討例として、加熱温度を下げ、Ａｇから成る複数の粒子４１が互いに焼結しない程度の温度で加熱した半導体装置を作成した。この場合、接合部材４０の熱伝導率の低下、電気抵抗の増大等により、接合部材４０の特性が低下することが判った。上記より、図９に示すように、樹脂４２を含み、かつ、複数の粒子４１を電極１２および端子５０のそれぞれに焼結させることが好ましいことが判った。

【0045】

図１０は、図９に対する変形例である半導体装置の半導体素子の上面側の電極に接合される接合部材周辺の拡大断面図である。図１０に示す半導体装置１０５が有する接合部材４０は、Ｃｕ相（純金属相４４ｐ）、Ｃｕ－Ｓｎ化合物相（化合物相４５ｃ）、およびＢｉ相４５ｐを含む合金、もしくはＡｇ相（純金属相４４ｐ）、Ａｇ－Ｓｎ化合物相（化合物相４５ｃ）、およびＢｉ相４５ｐを含む合金から成る。

【0046】

図１０に示す接合部材４０は、Ｃｕ粉末および融点が２００℃以下のＳｎ－Ｂｉ系半田を用いる、あるいは、Ａｇ粉末およびＳｎ－Ｂｉ系半田を用いることにより得られる。Ｃｕ粉末およびＳｎ－Ｂｉ系半田を２００℃以下の温度で加熱した場合、Ｃｕ相、Ｃｕ－Ｓｎ化合物相、およびＢｉ相４５ｐを含む合金が得られる。Ａｇ粉末およびＳｎ－Ｂｉ系半田を２００℃以下の温度で加熱した場合、Ａｇ相、Ａｇ－Ｓｎ化合物相、およびＢｉ相４５ｐを含む合金が得られる。これらの合金は、２００℃以下の温度で合金化され、電極１２および端子５０のそれぞれに接合することができるが、合金化された後の融点は、２３０℃以上になる。したがって、２次実装時の温度変化に起因する半導体素子１０の損傷、あるいは、半導体素子１０と接合部材４０との接合面の剥離を抑制できる。

【0047】

図１１は、図９に対する他の変形例である半導体装置の半導体素子の上面側の電極に接合される接合部材周辺の拡大断面図である。図１１に示す半導体装置１０６が有する接合部材４０は、Ｃｕ相（純金属相４４ｐ）およびＣｕ－Ｓｎ－Ｉｎ化合物相（化合物相４５ｃ）を含む合金、もしくはＡｇ相（純金属相４４ｐ）およびＡｇ－Ｓｎ－Ｉｎ化合物相（化合物相４５ｃ）を含む合金から成る。

【0048】

図１１に示す接合部材４０は、Ｃｕ粉末および融点が２００℃以下のＳｎ－Ｉｎ系半田を用いる、あるいは、Ａｇ粉末およびＳｎ－Ｉｎ系半田を用いることにより得られる。Ｃｕ粉末およびＳｎ－Ｉｎ系半田を２００℃以下の温度で加熱した場合、Ｃｕ相およびＣｕ－Ｓｎ－Ｉｎ化合物相を含む合金が得られる。Ａｇ粉末およびＳｎ－Ｉｎ系半田を２００℃以下の温度で加熱した場合、Ａｇ相およびＡｇ－Ｓｎ－Ｉｎ化合物相を含む合金が得られる。これらの合金は、２００℃以下の温度で合金化され、電極１２および端子５０のそれぞれに接合することができるが、合金化された後の融点は、２３０℃以上になる。したがって、２次実装時の温度変化に起因する半導体素子１０の損傷、あるいは、半導体素子１０と接合部材４０との接合面の剥離を抑制できる。

【0049】

また、半導体装置１００の放熱特性を向上させる観点からは、端子３０を経由する放熱経路に加え、端子５０を経由する放熱経路の放熱効率も向上させることが好ましい。この観点からは、図９に示す接合部材４０と比較すると、図１０および図１１に示す接合部材４０は、熱伝導率を向上させることができる点で特に好ましい。

【0050】

＜２次実装製品の例＞
図１２は、図３に示す半導体装置を２次実装した半導体装置の構造例を示す断面図である。図１２に示す半導体装置２００は、導電性の接合部材２１０を介して端子３０と電気的に接続される端子２２０と、端子２２０と３０端子との間に配置される接合部材２１０を有する。また、半導体装置２００は、導電性の接合部材２３０を介して端子５０と電気的に接続される端子２４０と、端子２４０と端子５０との間に配置される接合部材２３０と、を備える。また、半導体装置１００は、端子２２０上に搭載され、全体が封止体２５０により封止されている。封止体２５０からは、端子２２０の一部および端子２４０の一部が露出している。

【0051】

上記したように、半導体装置１００が有する接合部材２０および４０のそれぞれは、２３０℃以下において、耐熱性を備えている。このため、図１２に示す接合部材２１０および２３０として、２３０℃以下で接合可能な接合材料を用いることにより、半導体装置１００を２次実装する際に、２次実装時の温度変化に起因する半導体素子１０の損傷、あるいは、半導体素子１０と接合部材２０または４０との接合面の剥離を抑制できる。２３０℃以下で接合可能な材料として、例えば、Ｓｎ－３Ａｇ－０．５Ｃｕから成る半田を例示することができる。また、接合部材２０および４０の耐熱温度（接合面の剥離を１０％以内に抑制できる限界温度）を２３０℃よりもさらに大きくできれば、接合部材２１０および２３０の選択の自由度が大きくなるので特に好ましい。

【0052】

＜製造方法＞
次に、図３に示す半導体装置１００の製造方法について説明する。図１３は、図３に示す半導体装置の製造工程の概要を示すフロー図である。

【0053】

まず、図１３に示す素子準備工程では、下面１０ｂに形成された電極１１（図３参照）、および下面１０ｂの反対側に位置する上面１０ｔに形成された電極１２（図３参照）を備える半導体素子を準備する。

【0054】

次に、素子搭載工程では、端子３０の素子搭載部上に接合部材２０を介して半導体素子１０を接続する素子搭載工程を有する。本工程では、半導体素子１０の下面１０ｂが端子３０の上面３０ｔと対向した状態で半導体素子１０と端子３０とを接続させる。端子３０の素子搭載部には、Ｎｉを主成分として含むメッキ膜３１（図３参照）が予め形成されている。

【0055】

本工程では、図６～図８を用いて説明した接合部材２０のいずれかを介して端子３０上に半導体素子１０を搭載する。図６を用いて説明した半導体装置１０１の場合、本工程では、ＡｇおよびＣｕのいずれか一方を含む複数の金属粒子を端子３０上に塗布した後、半導体素子１０を端子３０上の金属粒子を塗布した場所に配置する。その後、端子３０、金属粒子、および半導体素子１０のそれぞれを一括して加熱することにより、図６に示すように、複数の金属粒子を半導体素子１０の電極１１および素子搭載部のメッキ膜３１のそれぞれに焼結させることにより、金属の多孔質体から成る接合部材２０を得る。

【0056】

また、図７を用いて説明した半導体装置１０２の場合、上方から金属膜２１、金属膜２２、および金属膜２３の順に積層された積層膜を予め準備する。積層膜は、例えば、金属膜２１、金属膜２２、および金属膜２３の原料膜を積層した後、圧延することにより得られる。素子搭載工程では、端子３０上に上記した積層膜を配置した後、半導体素子１０を端子３０上の積層膜を配置した場所に配置する。その後、端子３０、積層膜、および半導体素子１０のそれぞれを一括して加熱することにより、図７に示すように、金属膜２１が、半導体素子１０の電極１１に、金属膜２３が端子３０の素子搭載部のメッキ膜３１にそれぞれ接合される。

【0057】

また、図８を用いて説明した半導体装置１０３の場合、上記したように、ＡｇまたはＣｕから成る高融点の金属と、Ｓｎ系の半田材料とを用いて得られるが、以下の２種類の製造方法がある。図１４は、図８に示す接合部材を得るための製造方法の一例を示す説明図である。図１５は、図１４に対する変形例である製造方法を示す説明図である。

【0058】

図１４に示す製造方法の場合、まず、端子３０上にＡｇまたはＣｕから成る複数の金属粒子２４と、Ｓｎ系の半田材料から成る複数の金属粒子２５とが混合された接合部材材料を塗布する。次に、半導体素子１０を金属粒子２４および２５が混合された接合部材原料上に配置する。この時、半導体素子１０の下面１０ｂが金属粒子２４および２５が混合された接合部材原料に接する。次に、端子３０、接合部材原料、および半導体素子１０のそれぞれを一括して加熱すると、接合部材原料の一部が溶融し、端子３０および半導体素子１０のそれぞれに接合される接合部材２０が得られる。接合部材２０には、高融点のＡｇまたはＣｕから成る金属粒子２４の一部が、Ａｇ相またはＣｕ相の純金属相２４ｐとして存在し、金属粒子２４の他部が金属粒子２５と反応してＡｇ－Ｓｎ化合物またはＣｕ－Ｓｎ化合物である化合物相２６として存在する。

【0059】

図１５に示す製造方法の場合、まず、端子３０上にＡｇまたはＣｕから成る金属膜２７と、Ｓｎ系の半田材料から成る金属膜２８とが積層された接合部材材料を塗布する。次に、半導体素子１０を金属膜２７および２８が積層された接合部材原料上に配置する。この時、半導体素子１０の下面１０ｂが接合部材原料（図１５では、金属膜２７）に接する。次に、端子３０、接合部材原料、および半導体素子１０のそれぞれを一括して加熱すると、接合部材原料の一部が溶融し、端子３０および半導体素子１０のそれぞれに接合される接合部材２０が得られる。接合部材２０には、高融点のＡｇまたはＣｕから成る金属膜２７の一部が、Ａｇ相またはＣｕ相の純金属相２７ｐとして存在し、金属膜２７の他部が金属膜２８と反応してＡｇ－Ｓｎ化合物またはＣｕ－Ｓｎ化合物である化合物相２９として存在する。

【0060】

図１４および１５に示す製造方法は、いずれの場合でも、半導体素子１０および端子３０に接合された後の接合部材２０は、接合前よりも融点が上昇する。このため、例えば図１２に示す半導体装置２００のように、半導体装置１００を２次実装する場合でも、この時の温度変化に起因する半導体素子１０の損傷、あるいは、半導体素子１０と接合部材２０との接合面の剥離を抑制できる。

【0061】

次に、図１３に示す上部端子接続工程では、素子搭載工程の後、半導体素子１０の電極１２上に接合部材４０を介して端子５０を接続する。本工程では、半導体素子１０の上面１０ｔが端子５０の下面５０ｂと対向した状態で半導体素子１０と端子５０とを接続させる。端子５０には、Ｎｉを主成分として含むメッキ膜５１（図３参照）が予め形成されている。

【0062】

本工程では、図９～図１１を用いて説明した接合部材４０のいずれかを介して半導体素子１０上に端子５０を搭載する。図１６は、図９に示す接合部材を得るための製造方法の一例を示す説明図である。図９を用いて説明した半導体装置１０４の場合、上部端子接続工程では、まず、図１６に示すように、Ａｇから成る複数の粒子４１と、複数の粒子４１の間を満たす樹脂４２と、を含むペースト材４３を半導体素子１０の電極１２上に塗布する。次に、ペースト材４３上に端子５０を接着させる。次に、ペースト材４３を２００℃以下の温度で加熱して、ペースト材４３に含まれる複数の粒子４１を互いに焼結させることにより、図９に示す接合部材４０が得られる。この時、複数の粒子４１の一部が半導体素子１０の電極１２に焼結され、かつ、複数の粒子４１の他の一部が、端子５０に焼結される。

【0063】

図１０を用いて説明した半導体装置１０５および図１１を用いて説明した半導体装置１０６のそれぞれが備える接合部材４０は、以下の２種類の方法により得られる。図１７は、図１０または図１１に示す接合部材を得るための製造方法の一例を示す説明図である。図１８は、図１７に対する変形例である製造方法を示す説明図である。

【0064】

図１７に示す製造方法では、まず、ＡｇまたはＣｕから成る複数の金属粒子４４と、Ｓｎを含み、固相線温度が２００℃以下の化合物半田４５と、を含む接合部材原料４６を電極１２上に塗布する。化合物半田４５は、図１０に示す半導体装置１０５を製造する場合には、Ｓｎ－Ｂｉ系半田であり、図１１に示す半導体装置１０６を製造する場合には、Ｓｎ－Ｉｎ系半田である。図１７では、化合物半田４５を粒子として記載しているが、化合物半田４５は、バインダ材を含むペースト状の物質である場合もある。また、金属粒子４４もペースト材中に分散されていてもよい。次に、接合部材原料４６上に端子５０を接着させる。次に、接合部材原料４６を２００℃以下の温度で加熱した後、冷却する。これにより、図１０または図１１に示すように、複数の金属粒子４４を構成する金属元素の純金属相４４ｐと、複数の金属粒子４４を構成する金属元素およびＳｎを含む金属間化合物相（化合物相４５ｃ）と、を含む合金から成る、接合部材４０を形成することができる。

【0065】

図１８に示す製造方法では、まず、ＡｇまたはＣｕから成る複数の金属粒子４４を予め焼結させて焼結体４７を形成し、この焼結体４７を、電極１２上に配置する。この時、焼結体４７と電極１２とは焼結されていなくてよい。また、焼結体４７は、複数の凝集体になっており、この複数の凝集体が、バインダ材を含むペースト状の物質になっている場合がある。次に、Ｓｎを含み、固相線温度が２００℃以下である化合物半田４５を前記の金属粒子４４の焼結体４７上に塗布する。図１８では、化合物半田４５を粒子として記載しているが、化合物半田４５は、バインダ材を含むペースト状の物質である場合もある。次に、化合物半田４５と端子５０とを接着させる。次に、化合物半田４５を２００℃以下の温度で加熱した後、冷却する。これにより、図１０または図１１に示すように、複数の金属粒子４４を構成する金属元素の純金属相４４ｐと、複数の金属粒子４４を構成する金属元素およびＳｎを含む金属間化合物相（化合物相４５ｃ）と、を含む合金から成る、接合部材４０を形成することができる。化合物半田４５を加熱する際には、減圧雰囲気下で加熱することが特に好ましい。この場合、低融点の化合物半田４５が、高融点の金属粒子４４の間に侵入し易くなるので、空隙に埋め込まれ易い。また、化合物半田４５と金属粒子４４とが反応し、金属間化合物が形成され易くなるので、接合部材４０を高融点化することができる。

【0066】

＜実施例の評価＞
本願発明者は、上記した各種の実施例および比較例において、図３に示す構造の半導体装置を作成し、内部に含まれる半導体素子１０に割れなどの損傷が生じるか度否かについて評価を実施した。評価結果を表１に示す。

【0067】

表１において、各実施例および各比較例における接合部材２０（図３参照）の構造およびその参照図面を「素子下面側接合部材」の列に記載する。また、各実施例および各比較例における接合部材４０（図４参照）の構造およびその参照図面を「素子上面側接合部材」の列に記載する。比較例の場合、図４に示すように、半導体素子１０の上面および下面に同じ接合部材を使用した例であり、該当する参照図面がないため、参照図面の欄には「－」と記載している。また、評価欄は、同じ構造の半導体装置をそれぞれ５個作成し、半導体素子１０（図３参照）の割れなどの損傷が確認できないものを「○」、５個の半導体装置のうち、一つ以上で半導体素子１０の我が確認されたものを「×」と記載している。

【0068】

表１に示す以外の製造条件は、以下の通りである。端子３０（図３参照）上に、接合部材２０（図３参照）の原料を配置した後、厚さ０．５ｍｍの半導体素子１０（図３参照）を配置する。その後、リフロー炉により１００％Ｈ_２、あるいは、Ｎ_２＋Ｈ_２の還元雰囲気中で、接合可能な温度（共晶温度）まで加熱し、接合部材２０を半導体素子１０および端子３０に接合した。接合部材２０を冷却した後、半導体素子１０の電極１２（図１３参照）上に、接合部材４０（図３参照）の原料を介して、端子５０（図３参照）を配置する。その後、Ｎ_２＋Ｈ_２の還元雰囲気中で、１９０℃で加熱し、接合部材４０を半導体素子１０および端子５０に接合した。接合部材２０および４０を介して端子３０、半導体素子１０および端子５０が互いに接続された後、封止体６０（図３参照）と密着する部分に密着性を向上させるための樹脂を塗布し、硬化させた。その後、金型を用いたトランスファモールド方式により、端子３０および端子５０の一部が封止体６０から露出するように、封止体を形成した。

【0069】

また、実施例１～５では、図３に示すメッキ膜３１として、Ｎｉメッキ膜上にさらにＡｇメッキを施したものを使用した。また、実施例１、６、１１、１６、２１、２６、および３１のそれぞれの場合、端子５０のメッキ膜５１として、Ｎｉメッキ膜上にさらにＡｇメッキを施したものを使用した。

【0070】

【表1】

【0071】

表１に示すように、実施例１～３５のそれぞれにおいて、半導体素子１０の損傷は確認されなかった。

【0072】

以上、本実施の形態の代表的な変形例について説明したが、本発明は、上記した実施例や代表的な変形例に限定されず、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変形例が適用できる。

【0073】

また、上記では、種々の変形例を説明したが、各変形例を適宜組み合わせて適用することができる。

【産業上の利用可能性】

【0074】

本発明は、半導体装置に利用可能である。

【符号の説明】

【0075】

１０ 半導体素子
１０ｂ 下面（第１面）
１０ｔ 上面（第２面）
１１ 電極（第１電極）
１２ 電極（第２電極）
２０ 接合部材（第１接合部材）
２１，２２，２３，２７，２８ 金属膜
２４，２５，４４ 金属粒子
２４ｐ，２７ｐ，４４ｐ 純金属相
２６，２９，４５ｃ 化合物相
３０ 端子（第１端子）
３０ｔ 上面
３１ メッキ膜
４０ 接合部材（第２接合部材）
４１ 粒子
４２ 樹脂
４３ ペースト材
４５ 化合物半田
４５ｐ Ｂｉ相
４６ 接合部材原料
４７ 焼結体
５０ 端子（第２端子）
５０ｂ 下面
５１ メッキ膜
６０ 封止体
１００，１００Ｈ，１０１，１０２，１０３，１０４，１０５，１０６，２００ 半導体装置
２１０ 接合部材
２２０ 端子
２３０ 接合部材
２４０ 端子
２５０ 封止体
ＳＴ１，ＳＴ２，ＳＴ３，ＳＴ４ 応力

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】