半導体モジュール実装方法
【課題】 複数の半導体チップと金属電極の接合強度を向上する。
【解決手段】 一つの実施形態によれば、半導体モジュール実装方法は、第１の工程でマスク板をマスクにして金属電極上に第１の金属ナノ粒子ペーストを塗布する。第２の工程で塗布された第１の金属ナノ粒子ペースト膜にスタンパを押し当て、第１の金属ナノ粒子ペースト膜を平坦化する。第３の工程でプリベークにより第１の金属ナノ粒子ペースト膜中の溶媒を揮発する。第４の工程で溶媒が揮発され、実装される複数箇所の第１の金属ナノ粒子ペースト膜上に半導体チップと加圧体を順次載置する。第５の工程で載置された複数の加圧体上に加圧力均一化プレートを載置する。第６の工程で加圧力均一化プレートに加圧しながら加熱し、半導体チップと金属電極を接合する。
【解決手段】 一つの実施形態によれば、半導体モジュール実装方法は、第１の工程でマスク板をマスクにして金属電極上に第１の金属ナノ粒子ペーストを塗布する。第２の工程で塗布された第１の金属ナノ粒子ペースト膜にスタンパを押し当て、第１の金属ナノ粒子ペースト膜を平坦化する。第３の工程でプリベークにより第１の金属ナノ粒子ペースト膜中の溶媒を揮発する。第４の工程で溶媒が揮発され、実装される複数箇所の第１の金属ナノ粒子ペースト膜上に半導体チップと加圧体を順次載置する。第５の工程で載置された複数の加圧体上に加圧力均一化プレートを載置する。第６の工程で加圧力均一化プレートに加圧しながら加熱し、半導体チップと金属電極を接合する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体モジュール実装方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、複数の半導体チップなどの半導体部品が基板に載置される半導体モジュールが種々の分野に適用されている。パワーモジュール、集光型太陽電池モジュール、パワーＬＥＤモジュールなどの発熱性半導体モジュールでは、半導体チップ、金属電極、ベース板などの一体化技術として、これまで半田接合技術が使用されているが半田接合よりも高伝導性、高耐熱性及び高放熱性を有し、高接合強度を備えた接合技術が強く要求されている。この要求に対応する接合技術として金属ナノ粒子を用いた接合技術が開発されている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１などに記載される金属ナノ粒子を用いた接合技術では、複数の半導体チップを載置するセラミック基板に高さバラツキが発生して平坦性が劣化し、数十μｍ（／１０ｍｍ当たり）程度の反りが発生する。このため、半導体チップと金属電極の接合条件を接合場所によらず一定にすることが困難となり、半導体チップと金属電極の接合強度が低下するという問題点がある。接合強度が低下するとせん断強度や信頼性が大幅に低下する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−４４７５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、複数の半導体チップと金属電極の接合強度を向上する半導体モジュール実装方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一つの実施形態によれば、半導体モジュール実装方法は、複数の半導体チップが基板に設けられた金属電極にそれぞれ載置され、半導体チップと金属電極が金属ナノ粒子で接合される。半導体モジュール実装方法は、第１乃至６の工程を有する。第１の工程では、マスク板をマスクにして金属電極上に第１の金属ナノ粒子ペーストを塗布する。第２の工程では、塗布された第１の金属ナノ粒子ペースト膜にスタンパを押し当て、第１の金属ナノ粒子ペースト膜を平坦化する。第３の工程では、プリベークにより第１の金属ナノ粒子ペースト膜中の溶媒を揮発する。第４の工程では、溶媒が揮発され、実装される複数箇所の第１の金属ナノ粒子ペースト膜上に半導体チップと加圧体を順次載置する。第５の工程では、載置された複数の加圧体上に加圧力均一化プレートを載置する。第６の工程では、加圧力均一化プレートに加圧しながら加熱し、半導体チップと金属電極を接合する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、複数の半導体チップと金属電極の接合強度を向上する半導体モジュール実装方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】 第一の実施形態に係る半導体モジュールの実装方法を示すフローチャートである。
【図２】 第一の実施形態に係る半導体モジュールの製造工程を示す図、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図３】 第一の実施形態に係る半導体モジュールの製造工程を示す断面図である。
【図４】 第一の実施形態に係る半導体モジュールの製造工程を示す断面図である。
【図５】 第一の実施形態に係る半導体モジュールの製造工程を示す断面図である。
【図６】 第一の実施形態に係るスタンパを示す斜視図である。
【図７】 第一の実施形態に係る半導体モジュールの製造工程を示す断面図である。
【図８】 第一の実施形態に係る半導体モジュールの製造工程を示す断面図である。
【図９】 第一の実施形態に係る加圧力均一化プレートを示す断面図である。
【図１０】 第一の実施形態に係る他の加圧力均一化プレートを示す断面図である。
【図１１】 第一の実施形態に係る半導体モジュールの製造工程を示す断面図である。
【図１２】 第一の実施形態に係る加圧力とせん断強度の関係を示す図である。
【図１３】 変形例の半導体モジュールの実装方法を示す図である。
【図１４】 第二の実施形態に係る半導体モジュールの実装方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【０００９】
（第一の実施形態）
まず、本発明の第一の実施形態に係る半導体モジュール実装方法について、図面を参照して説明する。図１は半導体モジュールの実装方法を示すフローチャートである。図２乃至１１は半導体モジュールの製造に関する説明図である。本実施形態では、金属ナノ粒子ペースト膜、加圧体、及び加圧均一化プレートを用いて複数の半導体チップと金属電極の接合強度を向上させている。
【００１０】
図１に示すように、半導体モジュールの実装方法では、第１乃至６のステップ（Ｓ１乃至Ｓ６）を含む工程により半導体モジュールが製造される。本実施形態の半導体モジュールは、金属ナノ粒子接合を用いたパワー半導体モジュールである。
【００１１】
金属ナノ粒子を、例えば半導体チップと金属電極の接合に用いると、焼結温度が２５０乃至３５０℃と比較的低温となるが、一旦焼結接合すると高融点金属となり融点（例えば、Ａｇ（銀）の場合９６０℃）まで外れない。また、金属電極との反応や相互拡散がほとんど発生せず、接合後に接合温度近傍で放置（保持）しても界面反応が進行しない。このため、半田接合を用いた半導体モジュールよりも高伝導性、高耐熱性及び高放熱性を有し、高接合強度を備えた半導体モジュールが提供することが可能となる。
【００１２】
半導体モジュールの実装方法の詳細は、図２乃至１１を参照して説明する。図２は半導体モジュールの製造工程を示す図、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。図３乃至５、図７、図８、図１１は半導体モジュールの製造工程を示す断面図である。図６はスタンパを示す斜視図である。図９及び図１０は加圧力均一化プレートを示す断面図である。
【００１３】
まず、図２に示すように、ベース材１及びセラミック基板２からなる基板３０上に金属電極３、絶縁材４、端子５ａ、端子５ｂ、リード６ａ、リード６ｂ、リード６ｃを形成する。
ベース材１の四隅には、実装工程で使用される開口部７が設けられる。ベース材１は、低抵抗で放熱性の優れた、例えばＣｕ（銅）或いはＣｕ（銅）合金などが使用される。セラミック基板２は、ベース材１上に載置される。セラミック基板２には、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を用いているがＳｉＮ（窒化珪素）などを用いてもよい。
【００１４】
金属電極３は、互いに離間してセラミック基板２上に８個載置（図２（ａ）に示す）される。金属電極３は、金属電極３上に載置される半導体チップの電極として使用される。金属電極３は、低抵抗で放熱性の優れた、例えばＣｕ（銅）或いはＣｕ（銅）合金などが使用される。絶縁材４は、金属電極３、リード６ａ、リード６ｂ、及びリード６ｃを周囲から保護するように基板３０の周辺部上に載置される。絶縁材４は、例えば絶縁性有機樹脂材から構成される。リード６ａは、金属電極３に接続され、セラミック基板２上に載置される。リード６ｂは、リード６ａの間にリード６ａと離間し、セラミック基板２上に載置される。リード６ｃは、金属電極３と離間し、セラミック基板２上に載置される。リード６ａ乃至６ｃは、例えばＣｕ（銅）或いはＣｕ（銅）合金などが使用される。端子５ａは、絶縁材４上に載置され、リード６ａを介して金属電極３に接続される。端子５ｂは、金属電極３と離間し、リード６ｃに接続され、絶縁材４上に載置される。
【００１５】
次に、図３に示すように、金属電極３の端部上にマスク板８を載置する。マスク板８は金属ナノ粒子ペーストの塗布のときに、無用な金属ナノ粒子ペーストの広がりを防止する。また、マスク板８は後述する加圧体１３の位置決めや転倒防止などの役割をする。
【００１６】
マスク板８は、３００℃以上の耐熱性を有し、金属ナノ粒子と接合しないものが好ましい。マスク板８は、耐熱性絶縁膜がコートされた金属板を用いているが、代わりにガラス板、セラミック板、或いはシリコン板などの硬質板を用いてもよい。硬質板の場合には裏面に位置ズレ防止用として耐熱性を有する柔軟性樹脂をコート、例えばシロキサンベースのナノハイブリッドシリコーン（商標名）などを設けるのが好ましい。マスク板８は、後述する加圧体１３の安定性を確保するために、例えば１〜２ｍｍの厚さに設定するのが好ましい。
【００１７】
続いて、図４に示すように、マスク板８をマスクにして金属電極３上に金属ナノ粒子ペーストをディスペンサなどで塗布し、金属電極３上に金属ナノ粒子ペースト膜９（第１の金属ナノ粒子ペースト膜）を形成する。
【００１９】
金属ナノ粒子ペーストは、例えば数ｎｍ乃至数十ｎｍの粒径を有する金属ナノ粒子、金属ナノ粒子を被覆する有機皮膜、及び有機溶媒から構成される。金属ナノ粒子ペーストは、例えば銀（Ａｇ）濃度を７８ｗｔ％〜９０ｗｔ％の範囲に設定し、粘度を５０Ｐａ．ｓ〜１００Ｐａ．ｓの範囲に設定している。ここでは、金属ナノ粒子にはＡｇ（銀）を使用いているが、代わりにＡｕ（金）、Ｃｕ（銅）、Ｎｉ（ニッケル）などを使用してもよい。有機皮膜には、還元性のアルキルチオールを使用しいているが、代わりにフルオロチオールなどを使用してもよい。有機溶媒には、オクタンジオール、ミリスチルアルコールなどを用いてもよい。
【００２０】
金属ナノ粒子ペースト膜９（第１の金属ナノ粒子ペースト膜）は、基板３０の反りを考慮して基板３０の反り＋１０μｍの厚さに設定するのが好ましい。ベース材１及びセラミック基板２から構成される基板３０の反りは、セラミック基板２の材質、大きさ、厚さなどに大きく影響される。パワー半導体モジュールでは、セラミック基板２の数十μｍ（／１０ｍｍ当たり）程度の反りを考慮して金属ナノ粒子ペースト膜９（第一の金属ナノ粒子ペースト膜）の厚さをスタンパ１０を使用して５０μｍ程度に設定する（ステップＳ１）。図５に示すように、スタンパ１０を金属ナノ粒子ペースト膜９に押し当てて金属ナノ粒子ペースト膜９を平坦化すると共に膜厚（Ｔ１）を制御する。
【００２１】
平坦化処理は、図６に示すように、四隅に突起部１１が設けられ、離型膜がコートされたスタンパ１０を金属ナノ粒子ペースト膜９に押し当てる。突起部１１は、金属ナノ粒子ペースト膜９の膜厚を制御するものであり、本実施例では膜厚（Ｔ１）を５０μｍとするために高さを５０μｍに設定している。膜厚（Ｔ１）を小さくするには突起部１１の高さを小さく設定すれば良い。スタンパ１０は、Ｍｏ（モリブデン）板を使用しているが、代わりにＡｌ（アルミニウム）板やＳｉ（シリコン）板を用いてもよい。離型膜としては、例えばフッ素樹脂をベースにした膜を用いても良いし、ＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）膜を形成しても良い（ステップＳ２）。
【００２２】
続いて、例えば１００℃、１０分のプレベーク（加熱）を行い、金属ナノ粒子ペースト膜９中の有機溶媒を揮発させる（ステップＳ３）。
次に、図７に示すように、有機溶剤が揮発された金属ナノ粒子ペースト膜９上に、半導体チップ１２と加圧体１３を順次載置する。ここでは、半導体チップ１２の裏面には図示しない裏面金属膜が設けられている。
【００２４】
加圧体１３は、マスク板８の高さよりも高くなるように厚さを調整する。加圧体１３は、半導体チップ１２を押圧するために使用するものであり、押圧面の面積は半導体チップ１２の面積と同じか、大きいものを使用するのが良い。半導体モジュールでは実装される部品が全て同じ面積、厚さであるとは限らない場合もある。例えばチップ厚が厚い部品と薄い部品が混在する場合には、厚い部品の押圧する加圧体１３と薄い部品を押圧する加圧体１３では加圧体１３の厚さを調整することにより、全ての加圧体１３の上面の高さをほぼ均一化することができるようになる。こうすることにより複数の加圧体を一枚のプレス定盤で押圧することが基本的に可能になるため、複数の部品の一括実装では都合が良いものである。加圧体１３は、矩形形状を有し、熱伝導性に優れ、耐熱性を有する超平坦加工されたＳＵＳ、Ｍｏ（モリブデン）、或いは低熱膨張の鋳造合金を使用するのが好ましい。加圧体１３は、押圧面が半導体チップ１２を押すので、超平坦加工されたものが好ましい。加圧体１３は、後述する金属ナノ粒子ペースト膜２１（第２の金属ナノ粒子ペースト膜）と接合しないように上面に絶縁膜を被覆しても良いし、接合し難い金属膜を形成しても良い。或いは前記の絶縁薄膜、金属箔を加圧体１３と金属ナノ粒子膜２１の間に挿入しても良い。例えば、不動態膜を形成するＡｌなどはＡｇナノ粒子と接合し難いと言われている（ステップＳ４）。
【００２５】
ここでは、プレベークを実施してから半導体チップ１２及び加圧体１３を金属ナノ粒子ペースト膜９上に載置している。プレベークによって有機溶剤から揮発するガスが半導体チップ１２に付着することが考えられ、ボンディング端子とボンディングワイヤのボンディング強度の低下をもたらす可能性があり、これを避けるためである。しかしプレベークによるガスの付着は真空ベークにより緩和することができるし、付着後に洗浄処理を行うことにより除去することも可能である。従って半導体チップ１２及び加圧体１３を載置してからプレベークを実施しても本発明の効果は得られるものである。
【００２６】
続いて、図８に示すように、加圧体１３上に加圧力均一化プレート１４を載置する。加圧力均一化プレート１４は、図９に示すように金属板２１及び金属ナノ粒子ペースト膜２１（第２の金属ナノ粒子ペースト膜）から構成される。金属ナノ粒子ペースト膜２１（第２の金属ナノ粒子ペースト膜）は、加圧体１３と当接する金属板２１表面に膜厚Ｔ２だけ被覆される。或いは、図１０に示すように加圧体１３と当接する領域にのみに膜厚Ｔ２だけ形成してもよい。この場合、所定の領域のみ金属ナノ粒子ペースト膜２１（第２の金属ナノ粒子ペースト膜）を形成するので、高価な金属ナノ粒子ペーストの使用料を大幅に削減することができる。
【００２７】
金属ナノ粒子は、ペースト状態では柔軟性があるため容易に変形し、プリベークで有機溶媒は揮発し、さらに３００℃近い高温で金属ナノ粒子を被覆している有機皮膜が取れて焼結し始め金属の剛体となる。加圧力均一化プレート１４はこの過程を利用したものであり、加圧体１３の高さバラツキに応じてペーストが成型され、半導体チップ１２の接合のための加熱・加圧時には金属の剛体として荷重と熱を加圧体１３に伝える役割をする。ここでは、金属ナノ粒子ペースト膜２１（第２の金属ナノ粒子ペースト膜）は、加圧体１３と当接する前にプレベークを実施してしないが、プレベークを実施して有機溶媒を揮発させてもよい。プレベークを実施した場合にも、金属ナノ粒子を修飾している有機皮膜は高温で溶融、熱分解するので加圧体１３の高さに応じた成型が可能であるが、ペースト状態よりは成型量が小さくなる。
【００２８】
金属ナノ粒子ペースト膜９（第１の金属ナノ粒子ペースト膜）の焼成温度Ｔｓｇ１と金属ナノ粒子ペースト膜２１（第２の金属ナノ粒子ペースト膜）の焼成温度Ｔｓｇ２は、
Ｔｓｇ２≦Ｔｓｇ１・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・式（１）
で表されるように設定するのが好ましい。つまり、金属ナノ粒子ペースト膜２１（第２の金属ナノ粒子ペースト膜）が焼成し、同時或いは直後に金属ナノ粒子ペースト膜９（第１の金属ナノ粒子ペースト膜）が接合するように設定する。この関係は、金属ナノ粒子の金属種、金属ナノ粒子の粒径、有機皮膜を適宜変更することにより対応することができる。例えば、金属ナノ粒子の粒径を小さくすることにより接合温度を低くすることができる（ステップＳ５）。
【００２９】
次に、図１１に示すように、プレス定盤１５で加圧力均一化プレート１４を加熱及び加圧する。具体的条件は、温度が２００℃から４００℃の範囲、より好ましくは３００℃から３５０℃の範囲である。加圧が数ＭＰａ〜数十ＭＰａの範囲、より好ましくは１０ＭＰａ〜２０ＭＰａの範囲である。接合時間が、１０分〜数時間の範囲が好ましい。
【００３０】
その理由について、図１２を一例にして説明する。図１２は加圧力とせん断強度の関係を示す図である。図１２はＣｕ（銅）電極と半導体チップをＡｇ（銀）ナノ粒子を用いて接合した場合のせん断強度特性図である。
図１２に示すように、Ａｇ（銀）ナノ粒子を用いた接合では、例えば接合温度３５０℃において、加圧力が５ＭＰａ以下ではせん断強度は加圧力に大きく依存し、それ以上では加圧力に依存しなくなる。このことから多チップを一括実装する半導体モジュールでは、半導体モジュールの温度を一定に保持する手段を具備し、個々の半導体チップの加圧力を一定値以上になるようにすれば良い。そして加圧力の大きい領域での個々の加圧力のバラツキはせん断強度の均一化に対して問題にならないと考えられる。実装基板の反りや半導体チップの厚さバラツキなど様々な要因で実装基板に載置後の半導体チップの高さにバラツキが生じるが、このような場合でも本発明は加圧体を介して個々の半導体チップに確実に加圧することができる。
【００３１】
加圧力均一化プレート１４を介してプレス定盤１５による加熱及び加圧では、まず金属ナノ粒子ペースト膜２１（第２の金属ナノ粒子ペースト膜）は全ての加圧体１３に接触するように成型される。加熱、加圧時には金属ナノ粒子ペースト膜２１（第２の金属ナノ粒子ペースト膜）は有機溶媒が一瞬に揮発し金属ナノ粒子が焼結して全ての加圧体１３に一定の温度及び圧力を伝えることができる。
【００３２】
このようにして、金属ナノ粒子ペースト膜９（第１の金属ナノ粒子ペースト膜）により半導体チップ１２と金属電極３が接合される。このため半導体チップ１２と金属電極３の間に設けられる金属ナノ粒子ペースト膜９（第１の金属ナノ粒子ペースト膜）への加熱温度及び加圧力を一定に保つことができる。したがって、金属ナノ粒子ペースト膜９（第１の金属ナノ粒子ペースト膜）の接合強度を確保し、複数の半導体チップの接合強度を均一にすることができる（ステップＳ６）。
【００３３】
これ以降の工程は、半導体モジュールでの周知の技術を用いているので説明を省略する。
【００３４】
上述したように、本実施形態の半導体モジュール実装方法では、マスク板８をマスクにして金属電極３上に金属ナノ粒子ペースト膜９を形成する。スタンパ１０を用いて金属ナノ粒子ペースト膜９を平坦化する。プレベークにより金属ナノ粒子ペースト膜９中の有機溶媒を揮発後に、半導体チップ１２、加圧体１３、及び加圧均一化プレート１４を載置する。プレス定盤１５で加圧力均一化プレート１４を加熱及び加圧して接合層を形成し、金属電極３と半導体チップ１２を金属ナノ粒子接合する。
【００３５】
このため、金属ナノ粒子ペースト膜９の膜厚Ｔ１を一定にすることができる。半導体チップ１２と金属電極３の間に設けられる金属ナノ粒子ペースト膜９への加熱温度及び加圧力を一定に保つことができ、金属ナノ粒子ペースト膜９による接合強度を大幅に向上し均一化することができる。したがって、高伝導性、高耐熱性及び高放熱性を有し、高接合強度を備えた半導体モジュールが提供することができる。また、半導体チップ高さの補正など不要なので半導体モジュール実装工程のスループットの低下を抑制することができる。
【００３６】
なお、本実施形態ではプレス定盤１５を用いて加圧及び加熱により接合を実施しているが必ずしもこれに限定されるものではない。例えば、図１３に示す変形例の半導体モジュールの実装方法のように、加圧治具１６の開口部７ａとベース板１の開口部７に固定ネジ１７を貫通させ、固定ネジ１７により加圧治具１６とベース板１を勘合することにより加圧力均一化プレート１４を加圧し、オーブンで加熱してもよい。
【００３７】
また、実施形態では、半導体モジュール実装方法をパワー半導体パワーモジュールに適用したが、必ずしもこれに限定されるものではない。例えば、集光型太陽電池モジュール、パワーＬＥＤモジュールなどの発熱性半導体モジュールにも適用することができる。
【００３９】
（第二の実施形態）
次に、本発明の第二の実施形態に係る半導体モジュール実装方法について、図面を参照して説明する。図１４は半導体モジュールの実装方法を示すフローチャートである。本実施例では、スクリーン印刷を用いて金属ナノ粒子ペースト膜を形成している。
以下、第一の実施形態と同一構成部分には、同一符号を付してその部分の説明を省略し、異なる部分のみ説明する。
【００４０】
図１４に示すように、半導体モジュールの実装方法では、まず、スクリーン印刷により金属電極３上に金属ナノ粒子ペースト膜９を形成する。具体的には、ステージを移動させながら、金属ナノ粒子ペーストを吐出部から吐出させスクリーン版を用いて金属ナノ粒子ペースト膜９をスクリーン印刷する（ステップＳ１１）。
【００４１】
次に、第一の実施形態と同様にプレベークを行った後、マスク板８、半導体チップ１２、加圧体１３を順次載置する（ステップＳ１２）。これ以降のステップは第一の実施形態と同様なので説明を省略する。
【００４２】
上述したように、本実施形態の半導体モジュール実装方法では、金属電極３上にスクリーン版を用いて金属ナノ粒子ペースト膜９をスクリーン印刷する。プレベークにより金属ナノ粒子ペースト膜９中の有機溶媒を揮発後に、マスク板８、半導体チップ１２、加圧体１３、及び加圧均一化プレート１４を載置する。プレス定盤１５で加圧力均一化プレート１４を加熱及び加圧して接合層を形成し、金属電極３と半導体チップ１２を金属ナノ粒子接合する。
【００４３】
このため、半導体チップチップ１２と金属電極３の間に設けられる金属ナノ粒子ペースト膜９への加熱温度及び加圧力を一定に保つことができ、金属ナノ粒子ペースト膜９による接合強度を大幅に向上することができる。したがって、高伝導性、高耐熱性及び高放熱性を有し、高接合強度を備えた半導体モジュールが提供することができる。また、半導体チップ高さの補正など不要なので半導体モジュール実装工程のスループットの低下を抑制することができる。
【００４４】
なお、第一及び第二の実施形態では、加圧力均一化プレート１４を載置後に加圧及び加熱を行っているが、加熱時に接合面に対し垂直方向の超音波振動を付加させてもよい。超音波振動を付加させると加圧力を低下させても良好な接合強度を得られることができる。
【００４５】
以上、幾つかの実施形態について述べたが、これらの実施形態は単に例として示したもので、本発明の範囲を限定することを意図したものではない。本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々、変更してもよい。
【符号の説明】
【００４６】
１ ベース材
２ セラミック基板
３ 金属電極
４ 絶縁材
５ａ、５ｂ 端子
６ａ、６ｂ、６ｃ リード
７、７ａ 開口部
８ マスク板
９、２２ 金属ナノ粒子ペースト膜
１０ スタンパ
１１ 突起部
１２ 半導体チップ
１３ 加圧体
１４ 加圧力均一化プレート
２１ 金属板
１５ プレス定盤
１６ 加圧治具
１７ 固定ネジ
３０ 基板
Ｔ１、Ｔ２ 膜厚
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体モジュール実装方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、複数の半導体チップなどの半導体部品が基板に載置される半導体モジュールが種々の分野に適用されている。パワーモジュール、集光型太陽電池モジュール、パワーＬＥＤモジュールなどの発熱性半導体モジュールでは、半導体チップ、金属電極、ベース板などの一体化技術として、これまで半田接合技術が使用されているが半田接合よりも高伝導性、高耐熱性及び高放熱性を有し、高接合強度を備えた接合技術が強く要求されている。この要求に対応する接合技術として金属ナノ粒子を用いた接合技術が開発されている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１などに記載される金属ナノ粒子を用いた接合技術では、複数の半導体チップを載置するセラミック基板に高さバラツキが発生して平坦性が劣化し、数十μｍ（／１０ｍｍ当たり）程度の反りが発生する。このため、半導体チップと金属電極の接合条件を接合場所によらず一定にすることが困難となり、半導体チップと金属電極の接合強度が低下するという問題点がある。接合強度が低下するとせん断強度や信頼性が大幅に低下する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−４４７５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、複数の半導体チップと金属電極の接合強度を向上する半導体モジュール実装方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一つの実施形態によれば、半導体モジュール実装方法は、複数の半導体チップが基板に設けられた金属電極にそれぞれ載置され、半導体チップと金属電極が金属ナノ粒子で接合される。半導体モジュール実装方法は、第１乃至６の工程を有する。第１の工程では、マスク板をマスクにして金属電極上に第１の金属ナノ粒子ペーストを塗布する。第２の工程では、塗布された第１の金属ナノ粒子ペースト膜にスタンパを押し当て、第１の金属ナノ粒子ペースト膜を平坦化する。第３の工程では、プリベークにより第１の金属ナノ粒子ペースト膜中の溶媒を揮発する。第４の工程では、溶媒が揮発され、実装される複数箇所の第１の金属ナノ粒子ペースト膜上に半導体チップと加圧体を順次載置する。第５の工程では、載置された複数の加圧体上に加圧力均一化プレートを載置する。第６の工程では、加圧力均一化プレートに加圧しながら加熱し、半導体チップと金属電極を接合する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、複数の半導体チップと金属電極の接合強度を向上する半導体モジュール実装方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】 第一の実施形態に係る半導体モジュールの実装方法を示すフローチャートである。
【図２】 第一の実施形態に係る半導体モジュールの製造工程を示す図、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図３】 第一の実施形態に係る半導体モジュールの製造工程を示す断面図である。
【図４】 第一の実施形態に係る半導体モジュールの製造工程を示す断面図である。
【図５】 第一の実施形態に係る半導体モジュールの製造工程を示す断面図である。
【図６】 第一の実施形態に係るスタンパを示す斜視図である。
【図７】 第一の実施形態に係る半導体モジュールの製造工程を示す断面図である。
【図８】 第一の実施形態に係る半導体モジュールの製造工程を示す断面図である。
【図９】 第一の実施形態に係る加圧力均一化プレートを示す断面図である。
【図１０】 第一の実施形態に係る他の加圧力均一化プレートを示す断面図である。
【図１１】 第一の実施形態に係る半導体モジュールの製造工程を示す断面図である。
【図１２】 第一の実施形態に係る加圧力とせん断強度の関係を示す図である。
【図１３】 変形例の半導体モジュールの実装方法を示す図である。
【図１４】 第二の実施形態に係る半導体モジュールの実装方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【０００９】
（第一の実施形態）
まず、本発明の第一の実施形態に係る半導体モジュール実装方法について、図面を参照して説明する。図１は半導体モジュールの実装方法を示すフローチャートである。図２乃至１１は半導体モジュールの製造に関する説明図である。本実施形態では、金属ナノ粒子ペースト膜、加圧体、及び加圧均一化プレートを用いて複数の半導体チップと金属電極の接合強度を向上させている。
【００１０】
図１に示すように、半導体モジュールの実装方法では、第１乃至６のステップ（Ｓ１乃至Ｓ６）を含む工程により半導体モジュールが製造される。本実施形態の半導体モジュールは、金属ナノ粒子接合を用いたパワー半導体モジュールである。
【００１１】
金属ナノ粒子を、例えば半導体チップと金属電極の接合に用いると、焼結温度が２５０乃至３５０℃と比較的低温となるが、一旦焼結接合すると高融点金属となり融点（例えば、Ａｇ（銀）の場合９６０℃）まで外れない。また、金属電極との反応や相互拡散がほとんど発生せず、接合後に接合温度近傍で放置（保持）しても界面反応が進行しない。このため、半田接合を用いた半導体モジュールよりも高伝導性、高耐熱性及び高放熱性を有し、高接合強度を備えた半導体モジュールが提供することが可能となる。
【００１２】
半導体モジュールの実装方法の詳細は、図２乃至１１を参照して説明する。図２は半導体モジュールの製造工程を示す図、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。図３乃至５、図７、図８、図１１は半導体モジュールの製造工程を示す断面図である。図６はスタンパを示す斜視図である。図９及び図１０は加圧力均一化プレートを示す断面図である。
【００１３】
まず、図２に示すように、ベース材１及びセラミック基板２からなる基板３０上に金属電極３、絶縁材４、端子５ａ、端子５ｂ、リード６ａ、リード６ｂ、リード６ｃを形成する。
ベース材１の四隅には、実装工程で使用される開口部７が設けられる。ベース材１は、低抵抗で放熱性の優れた、例えばＣｕ（銅）或いはＣｕ（銅）合金などが使用される。セラミック基板２は、ベース材１上に載置される。セラミック基板２には、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を用いているがＳｉＮ（窒化珪素）などを用いてもよい。
【００１４】
金属電極３は、互いに離間してセラミック基板２上に８個載置（図２（ａ）に示す）される。金属電極３は、金属電極３上に載置される半導体チップの電極として使用される。金属電極３は、低抵抗で放熱性の優れた、例えばＣｕ（銅）或いはＣｕ（銅）合金などが使用される。絶縁材４は、金属電極３、リード６ａ、リード６ｂ、及びリード６ｃを周囲から保護するように基板３０の周辺部上に載置される。絶縁材４は、例えば絶縁性有機樹脂材から構成される。リード６ａは、金属電極３に接続され、セラミック基板２上に載置される。リード６ｂは、リード６ａの間にリード６ａと離間し、セラミック基板２上に載置される。リード６ｃは、金属電極３と離間し、セラミック基板２上に載置される。リード６ａ乃至６ｃは、例えばＣｕ（銅）或いはＣｕ（銅）合金などが使用される。端子５ａは、絶縁材４上に載置され、リード６ａを介して金属電極３に接続される。端子５ｂは、金属電極３と離間し、リード６ｃに接続され、絶縁材４上に載置される。
【００１５】
次に、図３に示すように、金属電極３の端部上にマスク板８を載置する。マスク板８は金属ナノ粒子ペーストの塗布のときに、無用な金属ナノ粒子ペーストの広がりを防止する。また、マスク板８は後述する加圧体１３の位置決めや転倒防止などの役割をする。
【００１６】
マスク板８は、３００℃以上の耐熱性を有し、金属ナノ粒子と接合しないものが好ましい。マスク板８は、耐熱性絶縁膜がコートされた金属板を用いているが、代わりにガラス板、セラミック板、或いはシリコン板などの硬質板を用いてもよい。硬質板の場合には裏面に位置ズレ防止用として耐熱性を有する柔軟性樹脂をコート、例えばシロキサンベースのナノハイブリッドシリコーン（商標名）などを設けるのが好ましい。マスク板８は、後述する加圧体１３の安定性を確保するために、例えば１〜２ｍｍの厚さに設定するのが好ましい。
【００１７】
続いて、図４に示すように、マスク板８をマスクにして金属電極３上に金属ナノ粒子ペーストをディスペンサなどで塗布し、金属電極３上に金属ナノ粒子ペースト膜９（第１の金属ナノ粒子ペースト膜）を形成する。
【００１９】
金属ナノ粒子ペーストは、例えば数ｎｍ乃至数十ｎｍの粒径を有する金属ナノ粒子、金属ナノ粒子を被覆する有機皮膜、及び有機溶媒から構成される。金属ナノ粒子ペーストは、例えば銀（Ａｇ）濃度を７８ｗｔ％〜９０ｗｔ％の範囲に設定し、粘度を５０Ｐａ．ｓ〜１００Ｐａ．ｓの範囲に設定している。ここでは、金属ナノ粒子にはＡｇ（銀）を使用いているが、代わりにＡｕ（金）、Ｃｕ（銅）、Ｎｉ（ニッケル）などを使用してもよい。有機皮膜には、還元性のアルキルチオールを使用しいているが、代わりにフルオロチオールなどを使用してもよい。有機溶媒には、オクタンジオール、ミリスチルアルコールなどを用いてもよい。
【００２０】
金属ナノ粒子ペースト膜９（第１の金属ナノ粒子ペースト膜）は、基板３０の反りを考慮して基板３０の反り＋１０μｍの厚さに設定するのが好ましい。ベース材１及びセラミック基板２から構成される基板３０の反りは、セラミック基板２の材質、大きさ、厚さなどに大きく影響される。パワー半導体モジュールでは、セラミック基板２の数十μｍ（／１０ｍｍ当たり）程度の反りを考慮して金属ナノ粒子ペースト膜９（第一の金属ナノ粒子ペースト膜）の厚さをスタンパ１０を使用して５０μｍ程度に設定する（ステップＳ１）。図５に示すように、スタンパ１０を金属ナノ粒子ペースト膜９に押し当てて金属ナノ粒子ペースト膜９を平坦化すると共に膜厚（Ｔ１）を制御する。
【００２１】
平坦化処理は、図６に示すように、四隅に突起部１１が設けられ、離型膜がコートされたスタンパ１０を金属ナノ粒子ペースト膜９に押し当てる。突起部１１は、金属ナノ粒子ペースト膜９の膜厚を制御するものであり、本実施例では膜厚（Ｔ１）を５０μｍとするために高さを５０μｍに設定している。膜厚（Ｔ１）を小さくするには突起部１１の高さを小さく設定すれば良い。スタンパ１０は、Ｍｏ（モリブデン）板を使用しているが、代わりにＡｌ（アルミニウム）板やＳｉ（シリコン）板を用いてもよい。離型膜としては、例えばフッ素樹脂をベースにした膜を用いても良いし、ＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）膜を形成しても良い（ステップＳ２）。
【００２２】
続いて、例えば１００℃、１０分のプレベーク（加熱）を行い、金属ナノ粒子ペースト膜９中の有機溶媒を揮発させる（ステップＳ３）。
次に、図７に示すように、有機溶剤が揮発された金属ナノ粒子ペースト膜９上に、半導体チップ１２と加圧体１３を順次載置する。ここでは、半導体チップ１２の裏面には図示しない裏面金属膜が設けられている。
【００２４】
加圧体１３は、マスク板８の高さよりも高くなるように厚さを調整する。加圧体１３は、半導体チップ１２を押圧するために使用するものであり、押圧面の面積は半導体チップ１２の面積と同じか、大きいものを使用するのが良い。半導体モジュールでは実装される部品が全て同じ面積、厚さであるとは限らない場合もある。例えばチップ厚が厚い部品と薄い部品が混在する場合には、厚い部品の押圧する加圧体１３と薄い部品を押圧する加圧体１３では加圧体１３の厚さを調整することにより、全ての加圧体１３の上面の高さをほぼ均一化することができるようになる。こうすることにより複数の加圧体を一枚のプレス定盤で押圧することが基本的に可能になるため、複数の部品の一括実装では都合が良いものである。加圧体１３は、矩形形状を有し、熱伝導性に優れ、耐熱性を有する超平坦加工されたＳＵＳ、Ｍｏ（モリブデン）、或いは低熱膨張の鋳造合金を使用するのが好ましい。加圧体１３は、押圧面が半導体チップ１２を押すので、超平坦加工されたものが好ましい。加圧体１３は、後述する金属ナノ粒子ペースト膜２１（第２の金属ナノ粒子ペースト膜）と接合しないように上面に絶縁膜を被覆しても良いし、接合し難い金属膜を形成しても良い。或いは前記の絶縁薄膜、金属箔を加圧体１３と金属ナノ粒子膜２１の間に挿入しても良い。例えば、不動態膜を形成するＡｌなどはＡｇナノ粒子と接合し難いと言われている（ステップＳ４）。
【００２５】
ここでは、プレベークを実施してから半導体チップ１２及び加圧体１３を金属ナノ粒子ペースト膜９上に載置している。プレベークによって有機溶剤から揮発するガスが半導体チップ１２に付着することが考えられ、ボンディング端子とボンディングワイヤのボンディング強度の低下をもたらす可能性があり、これを避けるためである。しかしプレベークによるガスの付着は真空ベークにより緩和することができるし、付着後に洗浄処理を行うことにより除去することも可能である。従って半導体チップ１２及び加圧体１３を載置してからプレベークを実施しても本発明の効果は得られるものである。
【００２６】
続いて、図８に示すように、加圧体１３上に加圧力均一化プレート１４を載置する。加圧力均一化プレート１４は、図９に示すように金属板２１及び金属ナノ粒子ペースト膜２１（第２の金属ナノ粒子ペースト膜）から構成される。金属ナノ粒子ペースト膜２１（第２の金属ナノ粒子ペースト膜）は、加圧体１３と当接する金属板２１表面に膜厚Ｔ２だけ被覆される。或いは、図１０に示すように加圧体１３と当接する領域にのみに膜厚Ｔ２だけ形成してもよい。この場合、所定の領域のみ金属ナノ粒子ペースト膜２１（第２の金属ナノ粒子ペースト膜）を形成するので、高価な金属ナノ粒子ペーストの使用料を大幅に削減することができる。
【００２７】
金属ナノ粒子は、ペースト状態では柔軟性があるため容易に変形し、プリベークで有機溶媒は揮発し、さらに３００℃近い高温で金属ナノ粒子を被覆している有機皮膜が取れて焼結し始め金属の剛体となる。加圧力均一化プレート１４はこの過程を利用したものであり、加圧体１３の高さバラツキに応じてペーストが成型され、半導体チップ１２の接合のための加熱・加圧時には金属の剛体として荷重と熱を加圧体１３に伝える役割をする。ここでは、金属ナノ粒子ペースト膜２１（第２の金属ナノ粒子ペースト膜）は、加圧体１３と当接する前にプレベークを実施してしないが、プレベークを実施して有機溶媒を揮発させてもよい。プレベークを実施した場合にも、金属ナノ粒子を修飾している有機皮膜は高温で溶融、熱分解するので加圧体１３の高さに応じた成型が可能であるが、ペースト状態よりは成型量が小さくなる。
【００２８】
金属ナノ粒子ペースト膜９（第１の金属ナノ粒子ペースト膜）の焼成温度Ｔｓｇ１と金属ナノ粒子ペースト膜２１（第２の金属ナノ粒子ペースト膜）の焼成温度Ｔｓｇ２は、
Ｔｓｇ２≦Ｔｓｇ１・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・式（１）
で表されるように設定するのが好ましい。つまり、金属ナノ粒子ペースト膜２１（第２の金属ナノ粒子ペースト膜）が焼成し、同時或いは直後に金属ナノ粒子ペースト膜９（第１の金属ナノ粒子ペースト膜）が接合するように設定する。この関係は、金属ナノ粒子の金属種、金属ナノ粒子の粒径、有機皮膜を適宜変更することにより対応することができる。例えば、金属ナノ粒子の粒径を小さくすることにより接合温度を低くすることができる（ステップＳ５）。
【００２９】
次に、図１１に示すように、プレス定盤１５で加圧力均一化プレート１４を加熱及び加圧する。具体的条件は、温度が２００℃から４００℃の範囲、より好ましくは３００℃から３５０℃の範囲である。加圧が数ＭＰａ〜数十ＭＰａの範囲、より好ましくは１０ＭＰａ〜２０ＭＰａの範囲である。接合時間が、１０分〜数時間の範囲が好ましい。
【００３０】
その理由について、図１２を一例にして説明する。図１２は加圧力とせん断強度の関係を示す図である。図１２はＣｕ（銅）電極と半導体チップをＡｇ（銀）ナノ粒子を用いて接合した場合のせん断強度特性図である。
図１２に示すように、Ａｇ（銀）ナノ粒子を用いた接合では、例えば接合温度３５０℃において、加圧力が５ＭＰａ以下ではせん断強度は加圧力に大きく依存し、それ以上では加圧力に依存しなくなる。このことから多チップを一括実装する半導体モジュールでは、半導体モジュールの温度を一定に保持する手段を具備し、個々の半導体チップの加圧力を一定値以上になるようにすれば良い。そして加圧力の大きい領域での個々の加圧力のバラツキはせん断強度の均一化に対して問題にならないと考えられる。実装基板の反りや半導体チップの厚さバラツキなど様々な要因で実装基板に載置後の半導体チップの高さにバラツキが生じるが、このような場合でも本発明は加圧体を介して個々の半導体チップに確実に加圧することができる。
【００３１】
加圧力均一化プレート１４を介してプレス定盤１５による加熱及び加圧では、まず金属ナノ粒子ペースト膜２１（第２の金属ナノ粒子ペースト膜）は全ての加圧体１３に接触するように成型される。加熱、加圧時には金属ナノ粒子ペースト膜２１（第２の金属ナノ粒子ペースト膜）は有機溶媒が一瞬に揮発し金属ナノ粒子が焼結して全ての加圧体１３に一定の温度及び圧力を伝えることができる。
【００３２】
このようにして、金属ナノ粒子ペースト膜９（第１の金属ナノ粒子ペースト膜）により半導体チップ１２と金属電極３が接合される。このため半導体チップ１２と金属電極３の間に設けられる金属ナノ粒子ペースト膜９（第１の金属ナノ粒子ペースト膜）への加熱温度及び加圧力を一定に保つことができる。したがって、金属ナノ粒子ペースト膜９（第１の金属ナノ粒子ペースト膜）の接合強度を確保し、複数の半導体チップの接合強度を均一にすることができる（ステップＳ６）。
【００３３】
これ以降の工程は、半導体モジュールでの周知の技術を用いているので説明を省略する。
【００３４】
上述したように、本実施形態の半導体モジュール実装方法では、マスク板８をマスクにして金属電極３上に金属ナノ粒子ペースト膜９を形成する。スタンパ１０を用いて金属ナノ粒子ペースト膜９を平坦化する。プレベークにより金属ナノ粒子ペースト膜９中の有機溶媒を揮発後に、半導体チップ１２、加圧体１３、及び加圧均一化プレート１４を載置する。プレス定盤１５で加圧力均一化プレート１４を加熱及び加圧して接合層を形成し、金属電極３と半導体チップ１２を金属ナノ粒子接合する。
【００３５】
このため、金属ナノ粒子ペースト膜９の膜厚Ｔ１を一定にすることができる。半導体チップ１２と金属電極３の間に設けられる金属ナノ粒子ペースト膜９への加熱温度及び加圧力を一定に保つことができ、金属ナノ粒子ペースト膜９による接合強度を大幅に向上し均一化することができる。したがって、高伝導性、高耐熱性及び高放熱性を有し、高接合強度を備えた半導体モジュールが提供することができる。また、半導体チップ高さの補正など不要なので半導体モジュール実装工程のスループットの低下を抑制することができる。
【００３６】
なお、本実施形態ではプレス定盤１５を用いて加圧及び加熱により接合を実施しているが必ずしもこれに限定されるものではない。例えば、図１３に示す変形例の半導体モジュールの実装方法のように、加圧治具１６の開口部７ａとベース板１の開口部７に固定ネジ１７を貫通させ、固定ネジ１７により加圧治具１６とベース板１を勘合することにより加圧力均一化プレート１４を加圧し、オーブンで加熱してもよい。
【００３７】
また、実施形態では、半導体モジュール実装方法をパワー半導体パワーモジュールに適用したが、必ずしもこれに限定されるものではない。例えば、集光型太陽電池モジュール、パワーＬＥＤモジュールなどの発熱性半導体モジュールにも適用することができる。
【００３９】
（第二の実施形態）
次に、本発明の第二の実施形態に係る半導体モジュール実装方法について、図面を参照して説明する。図１４は半導体モジュールの実装方法を示すフローチャートである。本実施例では、スクリーン印刷を用いて金属ナノ粒子ペースト膜を形成している。
以下、第一の実施形態と同一構成部分には、同一符号を付してその部分の説明を省略し、異なる部分のみ説明する。
【００４０】
図１４に示すように、半導体モジュールの実装方法では、まず、スクリーン印刷により金属電極３上に金属ナノ粒子ペースト膜９を形成する。具体的には、ステージを移動させながら、金属ナノ粒子ペーストを吐出部から吐出させスクリーン版を用いて金属ナノ粒子ペースト膜９をスクリーン印刷する（ステップＳ１１）。
【００４１】
次に、第一の実施形態と同様にプレベークを行った後、マスク板８、半導体チップ１２、加圧体１３を順次載置する（ステップＳ１２）。これ以降のステップは第一の実施形態と同様なので説明を省略する。
【００４２】
上述したように、本実施形態の半導体モジュール実装方法では、金属電極３上にスクリーン版を用いて金属ナノ粒子ペースト膜９をスクリーン印刷する。プレベークにより金属ナノ粒子ペースト膜９中の有機溶媒を揮発後に、マスク板８、半導体チップ１２、加圧体１３、及び加圧均一化プレート１４を載置する。プレス定盤１５で加圧力均一化プレート１４を加熱及び加圧して接合層を形成し、金属電極３と半導体チップ１２を金属ナノ粒子接合する。
【００４３】
このため、半導体チップチップ１２と金属電極３の間に設けられる金属ナノ粒子ペースト膜９への加熱温度及び加圧力を一定に保つことができ、金属ナノ粒子ペースト膜９による接合強度を大幅に向上することができる。したがって、高伝導性、高耐熱性及び高放熱性を有し、高接合強度を備えた半導体モジュールが提供することができる。また、半導体チップ高さの補正など不要なので半導体モジュール実装工程のスループットの低下を抑制することができる。
【００４４】
なお、第一及び第二の実施形態では、加圧力均一化プレート１４を載置後に加圧及び加熱を行っているが、加熱時に接合面に対し垂直方向の超音波振動を付加させてもよい。超音波振動を付加させると加圧力を低下させても良好な接合強度を得られることができる。
【００４５】
以上、幾つかの実施形態について述べたが、これらの実施形態は単に例として示したもので、本発明の範囲を限定することを意図したものではない。本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々、変更してもよい。
【符号の説明】
【００４６】
１ ベース材
２ セラミック基板
３ 金属電極
４ 絶縁材
５ａ、５ｂ 端子
６ａ、６ｂ、６ｃ リード
７、７ａ 開口部
８ マスク板
９、２２ 金属ナノ粒子ペースト膜
１０ スタンパ
１１ 突起部
１２ 半導体チップ
１３ 加圧体
１４ 加圧力均一化プレート
２１ 金属板
１５ プレス定盤
１６ 加圧治具
１７ 固定ネジ
３０ 基板
Ｔ１、Ｔ２ 膜厚
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の半導体チップが基板に設けられた金属電極上にそれぞれ載置され、
前記半導体チップと前記金属電極が金属ナノ粒子で接合される半導体モジュール実装方法であって、
マスク板をマスクにして前記金属電極上に第１の金属ナノ粒子ペーストを塗布する工程と、
塗布された第１の金属ナノ粒子ペースト膜にスタンパを押し当て、前記第１の金属ナノ粒子ペースト膜を平坦化する工程と、
プリベークにより前記第１の金属ナノ粒子ペースト膜中の溶媒を揮発する工程と、
溶媒が揮発され、実装される複数箇所の前記第１の金属ナノ粒子ペースト膜上に前記半導体チップと加圧体を順次載置する工程と、
載置された複数の前記加圧体上に加圧力均一化プレートを載置する工程と、
前記加圧力均一化プレートに加圧しながら加熱し、前記半導体チップと前記金属電極を接合する工程と
を具備することを特徴とする半導体モジュール実装方法。
【請求項２】
複数の半導体チップが基板に設けられた金属電極上にそれぞれ載置され、
前記半導体チップと前記金属電極が金属ナノ粒子で接合される半導体モジュール実装方法であって、
マスク板をマスクにして前記金属電極上に第１の金属ナノ粒子ペーストを塗布する工程と、
塗布された第１の金属ナノ粒子ペースト膜にスタンパを押し当て、前記第１の金属ナノ粒子ペースト膜を平坦化する工程と、
実装される複数箇所の前記第１の金属ナノ粒子ペースト膜上に前記半導体チップと加圧体を順次載置する工程と、
前記半導体チップと前記加圧体を順次載置後、プリベークにより前記第１の金属ナノ粒子ペースト膜中の溶媒を揮発する工程と、
載置された複数の前記加圧体上に加圧力均一化プレートを載置する工程と、
前記加圧力均一化プレートに加圧しながら加熱し、前記半導体チップと前記金属電極を接合する工程と
を具備することを特徴とする半導体モジュール実装方法。
【請求項３】
前記スタンパは、前記第１の金属ナノ粒子ペースト膜と当接する面の四隅に突起部が設けられることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体モジュール実装方法。
【請求項４】
複数の半導体チップが基板に設けられた金属電極にそれぞれ載置され、
前記半導体チップと前記金属電極が金属ナノ粒子で接合される半導体モジュール実装方法であって、
前記金属電極上に第１の金属ナノ粒子ペースト膜をスクリーン印刷する工程と、
プリベークにより前記第１の金属ナノ粒子ペースト膜中の溶媒を揮発する工程と、
前記基板上に実装領域が開口されたマスク板を載置し、溶媒が揮発され、
実装される複数箇所の前記第１の金属ナノ粒子ペースト膜上に前記半導体チップと加圧体を順次載置する工程と、
載置された複数の前記加圧体上に加圧力均一化プレートを載置する工程と、
前記加圧力均一化プレートに加圧しながら加熱し、前記半導体チップと前記金属電極を接合する工程と
を具備することを特徴とする半導体モジュール実装方法。
【請求項５】
加熱時に超音波振動を付加させて、前記半導体チップと前記金属電極を接合することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体モジュール実装方法。
【請求項６】
前記加圧力均一化プレートは、前記加圧体と当接する面に第２の金属ナノ粒子ペースト膜が設けられていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体モジュール実装方法。
【請求項７】
前記第１の金属ナノ粒子ペースト膜の焼成温度は、前記第２の金属ナノ粒子ペースト膜の焼成温度以上であることを特徴とする請求項６に記載の半導体モジュール実装方法。
【請求項８】
前記金属ナノ粒子ペースト膜は、前記金属ナノ粒子、前記金属ナノ粒子を覆う還元性の有機皮膜、及び前記金属ナノ粒子を分散させる溶媒から構成されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体モジュール実装方法。
【請求項９】
前記金属ナノ粒子は、Ａｇ（銀）、Ａｕ（金）、Ｃｕ（銅）、或いはＮｉ（ニッケル）からなるナノ粒子であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体モジュール実装方法。
【請求項１】
複数の半導体チップが基板に設けられた金属電極上にそれぞれ載置され、
前記半導体チップと前記金属電極が金属ナノ粒子で接合される半導体モジュール実装方法であって、
マスク板をマスクにして前記金属電極上に第１の金属ナノ粒子ペーストを塗布する工程と、
塗布された第１の金属ナノ粒子ペースト膜にスタンパを押し当て、前記第１の金属ナノ粒子ペースト膜を平坦化する工程と、
プリベークにより前記第１の金属ナノ粒子ペースト膜中の溶媒を揮発する工程と、
溶媒が揮発され、実装される複数箇所の前記第１の金属ナノ粒子ペースト膜上に前記半導体チップと加圧体を順次載置する工程と、
載置された複数の前記加圧体上に加圧力均一化プレートを載置する工程と、
前記加圧力均一化プレートに加圧しながら加熱し、前記半導体チップと前記金属電極を接合する工程と
を具備することを特徴とする半導体モジュール実装方法。
【請求項２】
複数の半導体チップが基板に設けられた金属電極上にそれぞれ載置され、
前記半導体チップと前記金属電極が金属ナノ粒子で接合される半導体モジュール実装方法であって、
マスク板をマスクにして前記金属電極上に第１の金属ナノ粒子ペーストを塗布する工程と、
塗布された第１の金属ナノ粒子ペースト膜にスタンパを押し当て、前記第１の金属ナノ粒子ペースト膜を平坦化する工程と、
実装される複数箇所の前記第１の金属ナノ粒子ペースト膜上に前記半導体チップと加圧体を順次載置する工程と、
前記半導体チップと前記加圧体を順次載置後、プリベークにより前記第１の金属ナノ粒子ペースト膜中の溶媒を揮発する工程と、
載置された複数の前記加圧体上に加圧力均一化プレートを載置する工程と、
前記加圧力均一化プレートに加圧しながら加熱し、前記半導体チップと前記金属電極を接合する工程と
を具備することを特徴とする半導体モジュール実装方法。
【請求項３】
前記スタンパは、前記第１の金属ナノ粒子ペースト膜と当接する面の四隅に突起部が設けられることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体モジュール実装方法。
【請求項４】
複数の半導体チップが基板に設けられた金属電極にそれぞれ載置され、
前記半導体チップと前記金属電極が金属ナノ粒子で接合される半導体モジュール実装方法であって、
前記金属電極上に第１の金属ナノ粒子ペースト膜をスクリーン印刷する工程と、
プリベークにより前記第１の金属ナノ粒子ペースト膜中の溶媒を揮発する工程と、
前記基板上に実装領域が開口されたマスク板を載置し、溶媒が揮発され、
実装される複数箇所の前記第１の金属ナノ粒子ペースト膜上に前記半導体チップと加圧体を順次載置する工程と、
載置された複数の前記加圧体上に加圧力均一化プレートを載置する工程と、
前記加圧力均一化プレートに加圧しながら加熱し、前記半導体チップと前記金属電極を接合する工程と
を具備することを特徴とする半導体モジュール実装方法。
【請求項５】
加熱時に超音波振動を付加させて、前記半導体チップと前記金属電極を接合することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体モジュール実装方法。
【請求項６】
前記加圧力均一化プレートは、前記加圧体と当接する面に第２の金属ナノ粒子ペースト膜が設けられていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体モジュール実装方法。
【請求項７】
前記第１の金属ナノ粒子ペースト膜の焼成温度は、前記第２の金属ナノ粒子ペースト膜の焼成温度以上であることを特徴とする請求項６に記載の半導体モジュール実装方法。
【請求項８】
前記金属ナノ粒子ペースト膜は、前記金属ナノ粒子、前記金属ナノ粒子を覆う還元性の有機皮膜、及び前記金属ナノ粒子を分散させる溶媒から構成されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体モジュール実装方法。
【請求項９】
前記金属ナノ粒子は、Ａｇ（銀）、Ａｕ（金）、Ｃｕ（銅）、或いはＮｉ（ニッケル）からなるナノ粒子であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体モジュール実装方法。
【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】
【公開番号】特開２０１３−１２６９３（Ｐ２０１３−１２６９３Ａ）
【公開日】平成２５年１月１７日（２０１３．１．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５５２３６（Ｐ２０１１−１５５２３６）
【出願日】平成２３年６月２７日（２０１１．６．２７）
【出願人】（３０３０３２３４０）有限会社ディアックス (4)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月１７日（２０１３．１．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２７日（２０１１．６．２７）
【出願人】（３０３０３２３４０）有限会社ディアックス (4)
【Ｆターム（参考）】
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