金属接合方法および金属接合構造
【課題】銅同士を接続信頼性良く接合する。
【解決手段】銅を主成分とする第１の被接合部材１０の所定領域に酸化膜除去液３０を塗布し、銅を主成分とする複数の第２の被接合部材２０の所定領域を前記酸化膜除去薬液を介して第１の被接合部材１０の所定領域上に載置し、第１の被接合部材１０と複数の第２の被接合部材２０とを加熱および加圧して第１の被接合部材１０と複数の第２の被接合部材２０とを一括して金属固相拡散により接合する。複数の第２の被接合部材２０を加圧することにより、第１の被接合部材１０との接合界面とは反対側の複数の第２の被接合部材２０の各背面を凹ませる。
【解決手段】銅を主成分とする第１の被接合部材１０の所定領域に酸化膜除去液３０を塗布し、銅を主成分とする複数の第２の被接合部材２０の所定領域を前記酸化膜除去薬液を介して第１の被接合部材１０の所定領域上に載置し、第１の被接合部材１０と複数の第２の被接合部材２０とを加熱および加圧して第１の被接合部材１０と複数の第２の被接合部材２０とを一括して金属固相拡散により接合する。複数の第２の被接合部材２０を加圧することにより、第１の被接合部材１０との接合界面とは反対側の複数の第２の被接合部材２０の各背面を凹ませる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属同士を接合する方法に関する。特に、本発明は銅同士を接合する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属同士を接合する方法として、アーク溶接法が知られている。アーク溶接法では、アーク放電で生じた熱により被接合部材（母材）を溶融させて接合を行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平６−２２４２４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
アーク溶接法では、溶融した溶接部が大気中の酸素、窒素、水素等と反応し脆化することにより、十分な接続強度が得られない場合がある。また、銅は熱伝導性が高いため、アーク放電により加えられた熱が急速に母材に拡散することにより、溶接部に融合不良が生じやすくなるという課題がある。
【０００５】
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、銅同士を接続信頼性良く接合することができる技術の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のある態様は、金属接合方法である。当該金属接合方法は、銅を主成分とする第１の被接合部材の所定領域に酸化膜除去薬液を塗布する工程と、銅を主成分とする第２の被接合部材の所定領域を酸化膜除去薬液を介して第１の被接合部材の所定領域上に載置する工程と、第１の被接合部材と第２の被接合部材とを加熱および加圧して第１の被接合部材と第２の被接合部材とを金属固相拡散により接合する工程と、を備え、第２の被接合部材を加圧することにより、第１の被接合部材との接合界面とは反対側の第２の被接合部材の背面を凹ませることを特徴とする。
【０００７】
上記金属接合方法において、複数の第２の被接合部材を用意し、複数の第２の被接合部材の所定領域を酸化膜除去薬液を介して第１の被接合部材の所定領域上に載置する工程と、第１の被接合部材と複数の第２の被接合部材とを加熱および加圧して第１の被接合部材と複数の第２の被接合部材とを一括して金属固相拡散により接合する工程と、を備え、複数の第２の被接合部材を加圧することにより、第１の被接合部材との接合界面とは反対側の複数の第２の被接合部材の各背面を凹ませてもよい。この場合に、複数の第２の被接合部材を加圧する部材の加圧面が、複数の第２の被接合部材を跨る形状であってもよい。
【０００８】
本発明の他の態様は、金属接合方法である。当該金属接合方法は、銅を主成分とする第１の被接合部材の所定領域に酸化膜除去薬液を塗布する工程と、銅を主成分とする第２の被接合部材の所定領域を酸化膜除去薬液を介して第１の被接合部材の所定領域上に載置する工程と、第１の被接合部材と第２の被接合部材とを加熱および加圧して第１の被接合部材と第２の被接合部材とを金属固相拡散により接合する工程と、を備え、第２の被接合部材を加圧することにより、第１の被接合部材との接合界面とは反対側の第２の被接合部材の背面を凹ませることを特徴とする。
【０００９】
上記いずれかの態様の金属接合方法において、酸化膜除去薬液は銅に対して不活性であってもよい。酸化膜除去薬液が銅と錯体を形成する配位子を含んでもよい。この場合に、錯体が加熱分解性であってもよい。また、酸化膜除去薬液がアンモニア水またはカルボン酸水溶液であってもよい。カルボン酸水溶液に含まれるカルボン酸が多座配位子であってもよい。多座配位子のうち、少なくとも２つの配位子が１つの銅イオンに対して配位していてもよい。
【００１０】
本発明のさらに他の態様は、金属接合構造である。当該金属接合構造は、銅を主成分とする第１の被接合部材と、第１の被接合部材に金属拡散接合により接合された複数の第２の被接合部材と、を備え、第１の被接合部材との接合界面とは反対側の第２の被接合部材の背面が周囲に対して凹んでおり、凹部分の結晶粒が凹部分の周囲における結晶粒より小さいことを特徴とする。
【００１１】
上記態様の金属接合構造において、凹部分と、凹部分の周囲の部分との間に形成された段差が複数の第２の被接合部材において直線上に配置されていてもよい。
なお、上述した各要素を適宜組み合わせたものも、本件特許出願によって特許による保護を求める発明の範囲に含まれうる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、銅同士を接続信頼性良く接合することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施の形態１に係る金属接合方法を示す工程図である。
【図２】実施の形態１に係る金属接合方法を示す工程図である。
【図３】実施の形態１に係る金属接合方法を示す工程図である。
【図４】実施の形態１に係る金属接合方法を示す工程図である。
【図５】実施の形態１に係る金属接合方法に従って接合された銅の加圧領域の断面ＳＥＭ像である。
【図６】実施の形態１に係る金属接合方法に従って接合された銅の加圧領域の模式図である。
【図７】図７（Ａ）は、実施の形態２に係る半導体装置を示す平面図である。図７（Ｂ）は、図７（Ａ）に示すＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図８】実施の形態２に係る半導体装置の製造方法を示す工程図である。
【図９】実施の形態２に係る半導体装置の製造方法を示す工程図である。
【図１０】実施の形態３に係る半導体装置を示す平面図である。図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）に示すＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図１１】実施の形態３に係る半導体装置の製造方法を示す工程図である。
【図１２】実施の形態３に係る半導体装置の製造方法を示す工程図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１５】
（実施の形態１）
図１乃至図４は、実施の形態１に係る金属接合方法を示す工程図である。
図１〜図４において、（Ａ）図は平面図であり、（Ｂ）図は（Ａ）図に引いたＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【００１６】
まず、図１に示すように、銅を主成分とする第１の被接合部材１０の所定領域に酸化膜除去液３０としてアンモニア水を塗布する。酸化膜除去液３０は、酸化銅を主成分とする酸化物を溶出させる溶液である。酸化膜除去液３０を塗布する方法としては、たとえば、所定領域を開口とするマスクを第１の被接合部材１０の上に載置した状態で、アンモニア水をマスクに対して噴霧または塗布する方法が挙げられる。
【００１７】
次に、図２に示すように、下型５０および上型５２を有するプレス機に第１の被接合部材１０ならびに第２の被接合部材２０ａ、第２の被接合部材２０ｂおよび第２の被接合部材２０ｃ（以下、これらをまとめて第２の被接合部材２０という場合がある）を設置する。具体的には、下型５０の上に第１の被接合部材１０を載置し、酸化膜除去液３０が塗布された各所定領域に、第２の被接合部材２０ａ、第２の被接合部材２０ｂおよび第２の被接合部材２０ｃの接合領域を位置合わせし、第１の被接合部材１０と第２の被接合部材２０との間に酸化膜除去液３０を介在させる。第２の被接合部材２０は、２０ａ、２０ｂ、２０ｃそれぞれの左端をタイバー２０ｄでリンクされており、タイバー２０ｄは第１の被接合部材１０と第２の被接合部材とが接合された後に切除される。上型５２の加圧面は、第２の被接合部材２０ａ、第２の被接合部材２０ｂおよび第２の被接合部材２０ｃの接合領域に跨っており、上型５２により、複数の第２の被接合部材２０を一括して加圧することができる。第２の被接合部材２０が延在する側の第１の被接合部材１０の辺と、第２の被接合部材２０が延在する側の上型５２の辺との間に所定距離のマージンを設ける。すなわち、上型５２は、第１の被接合部材１０と第２の被接合部材２０とが重畳する領域のうち、第２の被接合部材２０が延在する側の領域の一部を覆わないように設置する。
【００１８】
なお、第１の被接合部材１０の最表面および第２の被接合部材２０の最表面は、ともに酸化銅を主成分とする酸化物で形成されている。ここで、「銅を主成分とする」および「酸化銅を主成分とする」という表現中、「主成分とする」は、銅または酸化銅の含有量が５０％よりも大きいことを意味する。本実施の形態では、第１の被接合部材１０の最表面および第２の被接合部材２０の最表面は、銅が大気中で酸化することにより形成される自然酸化膜で形成されている。
【００１９】
第１の被接合部材１０の最表面および第２の被接合部材２０の最表面を構成する酸化銅が酸化膜除去液３０に溶出することにより、第１の被接合部材１０の露出面および第２の被接合部材２０の露出面にそれぞれ銅が露出する。また、酸化膜除去液３０中では、配位子となるアンモニアイオンと銅イオンとにより銅錯体が形成される。本実施の形態では、銅錯体は、［Ｃｕ（ＮＨ３）４］２＋で表される加熱分解性のテトラアンミン銅錯イオンとして存在すると考えられる。なお、アンモニア水は銅に対して不活性であるため、第１の被接合部材１０および第２の被接合部材２０を構成する銅はアンモニア水と反応せずに残存している。
【００２０】
次に、図３に示すように、下型５０および上型５２を用いて、第１の被接合部材１０と第２の被接合部材２０との距離を縮めるように、第１の被接合部材１０と第２の被接合部材２０とを加圧する。この工程における加圧時の圧力は、たとえば、１ＭＰａである。なお、加圧当初は、第１の被接合部材１０と第２の被接合部材２０との接合面には上述した酸化膜除去液（図示せず）が介在している。
【００２１】
第１の被接合部材１０と第２の被接合部材２０とを加圧した状態で、２００℃〜３００℃の比較的低温な条件下で加熱することにより、第１の被接合部材１０の接合面および第２の被接合部材２０の接合面への銅の固相拡散を進行させる。本実施の形態では、加熱により水分が蒸発するとともに、テトラアンミン銅錯イオンが熱分解してアンモニア成分が蒸発する。これにより、酸化膜除去液において銅の割合が徐々に高まるとともに、プレス機による加圧により第１の被接合部材１０の最表面と第２の被接合部材２０の最表面との距離が徐々に近づき、第１の被接合部材１０の接合面と第２の被接合部材２０の最表面とが銅の固相拡散により接合される。
【００２２】
次に、図４に示すように、固相拡散による接合が完了した後、加熱を停止して加圧を解除し、第１の被接合部材１０と第２の被接合部材２０との接合工程が完了する。次に、タイバー２０ｄを切除し、第２の被接合部材２０ａ、２０ｂ、２０ｃをそれぞれ分離する。以上の工程により、図４に示す金属接合構造が得られる。なお、酸化膜除去液中に溶出した銅成分は、上述した固相拡散により、第１の被接合部材１０や第２の被接合部材２０の中に拡散する。
【００２３】
第２の被接合部材２０の接合面とは反対側の背面において、上型５２によって加圧された領域は、加圧されていない領域、言い換えると、加圧された領域の周囲の領域に対して凹んだ凹部領域となり、上型５２によって加圧された領域と加圧されていない領域との間に視認可能な段差２１が生じる。この段差は、加圧時の圧力にもよるが、たとえば、５０〜１００μｍである。
【００２４】
上型５２による加圧により、第２の被接合部材２０の凹部領域の表面近傍の銅の結晶粒は、周囲の結晶粒に比べて小さくなる。この傾向は、段差２１の近傍領域において顕著である。
【００２５】
以上説明した金属接合方法で得られる効果としては少なくとも以下の項目が挙げられる。
【００２６】
金属拡散接合により第１の被接合部材１０と第２の被接合部材２０とを接合することにより、接合部に水素脆化が生じることを抑制し、第１の被接合部材１０と第２の被接合部材２０との接合強度を向上させることができる。
【００２７】
第２の被接合部材２０の凹部領域、特に、段差２１の近傍領域において、表面近傍に位置する銅の結晶粒が周囲の結晶粒に比べて小さいため、結晶粒が小さいほど材料の強度が高くなるホールペッチ法則により、第２の被接合部材２０の接合面とは反対側の背面部分の剛性を高めることができる。この結果、曲げ応力等が加わった場合において、第１の被接合部材１０と第２の被接合部材２０との接合部が破断することを抑制できる。
【００２８】
第１の被接合部材１０と複数の第２の被接合部材２０との接合を一度の加圧工程で済ませることができるため、接合工程に要する時間を短縮することができる。
【００２９】
接合が良好な場合には、上述のように、第２の被接合部材２０の背面に段差２１が生じるため、段差２１の有無を目視で確認することにより、接合の良否確認を容易に行うことができる。上型５２の加圧面の辺を直線とすることにより、複数の第２の被接合部材２０に均等に荷重がかかっている場合には、複数の第２の被接合部材２０の段差２１が直線上に並ぶ。このため、段差２１が生じていない箇所が目立ちやすくなり、接合の不良箇所の発見をより容易にすることができる。また、さらなる信頼性確保の目的で、被接合部に樹脂のポッディングや、はんだの塗布を行うと、段差２１にアンカー効果が働き信頼性が向上する。
【００３０】
（金属構造における結晶粒の確認）
金属接合方法を適用して銅Ａ（第１の被接合部材１０に相当）と銅Ｂ（第２の被接合部材２０）とを接合した。接合加工の加温加圧条件は、２００℃、３０ＭＰａである。得られた金属接合構造について、断面ＳＥＭにより断面構造を観察した。図５は、銅Ｂの加圧領域すなわち接合面とは反対側の背面における凹部領域の断面ＳＥＭ像である。図６は、銅Ｂの加圧領域の構造を示す模式図である。図５に示すように、接合面とは反対側の銅Ｂの背面において、段差近傍領域の結晶粒が周囲の結晶粒の大きさより小さくなっていることが確認された。
【００３１】
（実施の形態２）
図７（Ａ）は、実施の形態２に係る半導体装置１００を示す平面図である。図７（Ｂ）は、図７（Ａ）に示すＡ−Ａ線に沿った断面図である。本実施の形態は、上述した金属接続方法および金属接続構造を適用した、半導体素子等の回路素子が基板に実装された半導体装置（混成集積回路装置）に関する。
【００３２】
半導体装置１００は、金属基板１１０、絶縁樹脂層１２０、配線層１３０、半導体素子１４０、チップ部品１４２、リード１５０および封止樹脂層１６０を備える。
【００３３】
金属基板１１０は放熱性が良好な部材であれば特に限定されないが、たとえば、アルミニウムを主成分とした基板や銅を主成分とした基板が挙げられる。また、金属基板１１０に代えて、アルミナイトライド、シリコンナイトライド、アルミナなどからなるセラミック基板や、放熱性が良好なプリント基板などの絶縁樹脂板を用いてもよい。
【００３４】
絶縁樹脂層１２０は、金属基板１１０の上に積層されている。絶縁樹脂層１２０を構成する絶縁材料としては、たとえば、エポキシ樹脂が挙げられる。
【００３５】
配線層１３０は、絶縁樹脂層１２０の上に形成された所定パターンの導電層である。配線層１３０は、たとえば、銅で形成される。
【００３６】
半導体素子１４０は、配線層１３０の上に実装されたＩＣ等の能動素子である。半導体素子１４０は、銀ペーストやはんだなどの接合部材１７０を用いて配線層１３０に接続されている。半導体素子１４０は、金線などのワイヤ１４１を介して配線層１３０と電気的に接続されている。チップ部品１４２は、配線層１３０の上に実装された抵抗、コンデンサ等の受動素子である。チップ部品１４２は、はんだなどの接合部材１７２を用いて配線層１３０に電気的に接続されている。
【００３７】
配線層１３０の引き回し先の一部は外部接続用端子１３４となる。本実施の形態では、複数の外部接続用端子１３４が半導体装置１００の一辺に沿ってＳＩＰ型として配置されている。なお、半導体装置１００は、対向する二辺に沿って外部接続用端子が配置されるＤＩＰ型パッケージであってもよい。
【００３８】
リード１５０は外部接続用端子１３４に電気的に接続されている。外部接続用端子１３４とリード１５０との接合方法および接合構造については後述する。
【００３９】
封止樹脂層１６０は、上述した金属基板１１０、絶縁樹脂層１２０、配線層１３０、半導体素子１４０、チップ部品１４２、リード１５０等を封止し、外部環境からこれらの部材を保護している。封止樹脂層１６０は、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂を用いてトランスファーモールド法やインジェクションモールド法により形成される。また、封止樹脂層の形成方法は、溶融樹脂にパッケージを浸けるデップ法でもよい。
【００４０】
（製造方法）
実施の形態２に係る半導体装置１００の製造方法について、外部接続用端子１３４とリード１５０との接合方法を中心に、図８乃至図９を参照して説明する。
【００４１】
まず、図８（Ａ）に示すように、金属基板１１０の上に絶縁樹脂層１２０および金属箔１３２を積層し、熱圧着して貼り合わせる。
【００４２】
次に、図８（Ｂ）に示すように、周知のフォトリソグラフィ法およびエッチング法を用いて、金属箔１３２を選択的に除去し、所定パターンの配線層１３０を形成する。配線層１３０の引き回し先の一部が外部接続用端子１３４（実施の形態１における第１の被接合部材１０に相当）として金属基板１１０の一辺に沿って配置される。
【００４３】
配線層１３０の所定位置に半導体素子１４０およびチップ部品１４２をはんだ（それぞれ、接合部材１７０、接合部材１７２）を用いたリフロー処理により実装する。なお、はんだに代わって銀ペースト等を塗布し、その上に半導体素子１４０およびチップ部品１４２を設置した後に熱硬化させることにより実装してもよい。
【００４４】
次に、図８（Ｃ）に示すように、半導体素子１４０に設けられた素子電極（図示せず）と配線層１３０とをワイヤボンディング法により金線などのワイヤ１４１を用いて電気的に接続する。
【００４５】
次に、図９（Ａ）に示すように、外部接続用端子１３４の上に酸化膜除去液３０を塗布する。
【００４６】
次に、図９（Ｂ）に示すように、リード１５０（実施の形態１における第２の被接合部材２０に相当）先端の接合部分を外部接続用端子１３４の上に載置する。
【００４７】
次に、図９（Ｃ）に示すように、プレス機の下型５０および上型５２を用いて、外部接続用端子１３４とリード１５０先端の接合部分とを加熱および加圧し、複数の外部接続用端子１３４と複数のリード１５０先端との接合部分とを金属拡散接合により一括して接合する。加熱および加圧条件は、実施の形態１と同様である。実施の形態１と同様に、加圧により、接合面とは反対側のリード１５０背面に凹部領域が形成される。さらに、凹部領域の表面近傍の銅の結晶粒が周囲より小さくなる。
【００４８】
本実施の形態では、上型５２とリード１５０の先端との間にマージンが設けられている。このため、加圧によって生じた凹部領域より先端側に位置するリード１５０の背面は凹まずに残っており、凹部領域とリード１５０の延在側との間に形成された段差１５１ａの他に、凹部領域とリード１５０の先端側との間にも段差１５１ｂが形成されている。
【００４９】
次に、前述したトランスファーモールド法等の封止法により半導体素子１４０およびチップ部品１４２を熱硬化性樹脂を用いて封止する。以上の工程により、実施の形態２に係る半導体装置１００を製造することができる。
【００５０】
本実施の形態の半導体装置１００によれば、外部接続用端子１３４とリード１５０との接合構造に関して、実施の形態１と同様な効果を得ることができる。また、本実施の形態では、凹部領域とリード１５０の延在側との間および凹部領域とリード１５０の先端側との間にそれぞれ段差１５１ａ、段差１５１ｂが形成されているため、凹部領域において封止樹脂層１６０とのアンカー効果がより働きやすくなる。この結果、リード１５０と封止樹脂層１６０との密着性を向上させ、ひいては、半導体装置１００の構造安定性や動作信頼性を向上させることができる。
【００５１】
（実施の形態３）
図１０は、実施の形態３に係る半導体装置２００を示す平面図である。図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）に示すＡ−Ａ線に沿った断面図である。本実施の形態は、上述した金属接続方法および金属接続構造を適用した、リード端子が４方向より導出されるＱＦＰ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｐａｃｋａｇｅ）型の半導体装置に関する。半導体装置２００は、主な構成としてランド２１０、半導体素子２２０、リード２３０、封止樹脂層２４０を備える。
【００５２】
ランド２１０の素子搭載面とは反対側の裏面は、必要に応じ、後述する封止樹脂層２４０の上面に露出している。ランド２１０は、放熱性が良好な部材であれば特に限定されないが、たとえば、Ａｌ板、Ｃｕ板などが挙げられる。
【００５３】
ランド２１０の素子搭載面には、銀ペーストやはんだなどの接合部材２１２を用いてＩＣ等の半導体素子２２０が固着されている。ランド２１０と反対側の半導体素子２２０の電極形成面には、素子電極２２２が設けられている。
【００５４】
リード２３０の一方の端部は、素子電極２２２に電気的に接続されている。素子電極２２２とリード２３０との接合方法および接合構造については後述する。リード２３０の他方の端部は、半導体装置２００の縁部において露出している。
【００５５】
封止樹脂層２４０により、半導体素子２２０が封止されている。封止樹脂層２４０は、たとえば、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂をトランスファーモールド法やインジェクションモールド法により成型することで形成される。
【００５６】
（製造方法）
実施の形態３に係る半導体装置２００の製造方法について、素子電極２２２とリード２３０との接合方法を中心に、図１１乃至図１２を参照して説明する。図１１乃至図１２は、実施の形態３に係る半導体装置２００の製造方法を示す工程図である。図１１乃至図１２において、（Ａ）図は平面図を示し、（Ｂ）図は（Ａ）図のＡ−Ａ線に沿った断面図を示す。
【００５７】
まず、図１１に示すように、ランド２１０の上に接合部材２１２を介して半導体素子２２０を固定する。続いて、半導体素子２２０の側辺に沿って設けられた複数の素子電極２２２（実施の形態１における第１の被接合部材１０に相当）の上に酸化膜除去液３０を塗布する。
【００５８】
次に、図１２に示すように、下型５０および上型５２を有するプレス機にランド２１０、半導体素子２２０、リード２３０（実施の形態１における第２の被接合部材２０に相当）等を設置する。プレス機の下型５０および上型５２を用いて、複数の素子電極２２２と複数のリード２３０先端の接合部分とを加熱および加圧し、素子電極２２２とリード２３０先端の接合部分とを金属拡散接合により一括して接合する。加熱および加圧条件は、実施の形態１と同様である。実施の形態１と同様に、加圧により、接合面とは反対側のリード２３０背面に凹部領域が形成される。さらに、凹部領域の表面近傍の銅の結晶粒が周囲より小さくなる。
【００５９】
本実施の形態では、実施の形態２と同様に、上型５２とリード２３０の先端との間にマージンが設けられている。このため、加圧によって生じた凹部領域より先端側に位置するリード２３０の背面は凹まずに残っており、凹部領域とリード２３０の延在側との間に形成された段差２３１ａの他に、凹部領域とリード２３０の先端側との間にも段差２３１ｂが形成されている。
【００６０】
半導体素子２２０の残りの３辺についても上述した金属接合方法により、複数の素子電極２２２と複数のリード２３０先端の接合部分とをそれぞれ金属拡散接合により接合する。なお、図１２では一側辺ずつ接合が行われているが、四側辺を一度に接合してもよい。
【００６１】
次に、トランスファーモールド法により半導体素子２２０を熱硬化性樹脂を用いて封止する。以上の工程により、実施の形態３に係る半導体装置２００を製造することができる。
【００６２】
本実施の形態の半導体装置２００によれば、素子電極２２２とリード２３０との接合構造に関して、実施の形態１と同様な効果を得ることができる。また、本実施の形態では、凹部領域とリード２３０の延在側との間および凹部領域とリード２３０の先端側との間にそれぞれ段差２３１ａ、段差２３１ｂが形成されているため、凹部領域において封止樹脂層２４０とのアンカー効果がより働きやすくなる。この結果、リード２３０と封止樹脂層２４０との密着性を向上させ、ひいては、半導体装置２００の構造安定性や動作信頼性を向上させることができる。
【００６３】
なお、本実施の形態では、半導体装置２００の各辺ごとに、複数の素子電極２２２と複数のリード２３０先端の接合部分とを一括して接合しているが、半導体装置２００の４辺の複数の素子電極２２２と複数のリード２３０先端の接合部分とを一括して接合してもよい。この場合には、上型５２の加圧面を、各辺のリード２３０の先端部にそれぞれ跨るような矩形状とし、各リード２３０の先端部分を凹部領域とし、段差２３１ｂを設けなくてもよい。なお、本実施の形態では、リード２３０は板状のものを例示したが、リード２３０の形状はこれに限定されず、断面が円形のリードを用いてもよい。
【００６４】
（金属接合に用いる溶液）
上述した各実施の形態における金属接合工程では、金属接合に用いる酸化膜除去液としてアンモニア水が用いられているが、銅と錯体を形成する配位子を含む溶液であれば、これに限られず、たとえば、カルボン酸水溶液であってもよい。
【００６５】
カルボン酸水溶液の調製に用いられるカルボン酸としては、酢酸などのモノカルボン酸、また、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、フタル酸、マレイン酸などのジカルボン酸、さらに、酒石酸、クエン酸、乳酸、サリチル酸などのオキシカルボン酸が挙げられる。
【００６６】
このうち、カルボン酸水溶液は多座配位子となるカルボン酸を有することが好ましい。多座配位子となるカルボン酸を有するカルボン酸水溶液では、カルボン酸と銅がキレートを形成することにより銅錯体の安定性が非常に大きくなる。この結果、接合に必要な温度をより低温化させることができる。なお、酒石酸がキレートを形成することについては、「理化学辞典 第４版（岩波書店）」の第５９３頁に記載されている。また、酒石酸、シュウ酸などがキレートを形成することは「ヘスロップジョーンズ 無機化学（下） 齋藤喜彦 訳」の第６６６頁に記載されている。ここで、キレート化とは、多座配位子によって環が形成されることによって錯体の安定度が非常に大きくなることをいう。
【００６７】
本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。
【００６８】
また、上述の各実施の形態では、第１の被接合部材１０と第２の被接合部材２０とを金属接合させる際に、加熱および加圧を行っているが、加熱および加圧に換えて超音波を印加してもよく、また加熱および加圧のうちいずれかを超音波印加に換えてもよく、また加熱および加圧に加えて超音波を印加してもよい。
【００６９】
さらには、大電力を扱う半導体装置ではオン抵抗を低減する目的で、従来の金線やアルミワイヤに代えて銅ワイヤを用いた超音波接合が用いられる。銅ワイヤを用いた超音波接合では、接合時の銅の酸化を抑制するためにＮ２ガス等の吹き付け等が必要である。しかし、銅ワイヤの接合に本発明の技術を適用するとＮ２ガス等の吹き付けが不要となる。さらに、本発明の技術を適用すると、ワイヤよりも大電流を流せる板状リードや太ワイヤが使用可能であり、よりオン抵抗の低い大電力装置を実現することができる。
【符号の説明】
【００７０】
１０ 第１の被接合部材、２０ａ，２０ｂ，２０ｃ 第２の被接合部材、２１ 段差、３０ 酸化膜除去液、５０ 下型、５２ 上型、１００ 半導体装置、１１０ 金属基板、１２０ 絶縁樹脂層、１３０ 配線層、１４０ 半導体素子、１４２ チップ部品、１５０ リード、１６０ 封止樹脂層、２００ 半導体装置、２１０ ランド、２１２ 接合部材、２２０ 半導体素子、２２２ 素子電極、２３０ リード、２４０ 封止樹脂層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属同士を接合する方法に関する。特に、本発明は銅同士を接合する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属同士を接合する方法として、アーク溶接法が知られている。アーク溶接法では、アーク放電で生じた熱により被接合部材（母材）を溶融させて接合を行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平６−２２４２４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
アーク溶接法では、溶融した溶接部が大気中の酸素、窒素、水素等と反応し脆化することにより、十分な接続強度が得られない場合がある。また、銅は熱伝導性が高いため、アーク放電により加えられた熱が急速に母材に拡散することにより、溶接部に融合不良が生じやすくなるという課題がある。
【０００５】
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、銅同士を接続信頼性良く接合することができる技術の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のある態様は、金属接合方法である。当該金属接合方法は、銅を主成分とする第１の被接合部材の所定領域に酸化膜除去薬液を塗布する工程と、銅を主成分とする第２の被接合部材の所定領域を酸化膜除去薬液を介して第１の被接合部材の所定領域上に載置する工程と、第１の被接合部材と第２の被接合部材とを加熱および加圧して第１の被接合部材と第２の被接合部材とを金属固相拡散により接合する工程と、を備え、第２の被接合部材を加圧することにより、第１の被接合部材との接合界面とは反対側の第２の被接合部材の背面を凹ませることを特徴とする。
【０００７】
上記金属接合方法において、複数の第２の被接合部材を用意し、複数の第２の被接合部材の所定領域を酸化膜除去薬液を介して第１の被接合部材の所定領域上に載置する工程と、第１の被接合部材と複数の第２の被接合部材とを加熱および加圧して第１の被接合部材と複数の第２の被接合部材とを一括して金属固相拡散により接合する工程と、を備え、複数の第２の被接合部材を加圧することにより、第１の被接合部材との接合界面とは反対側の複数の第２の被接合部材の各背面を凹ませてもよい。この場合に、複数の第２の被接合部材を加圧する部材の加圧面が、複数の第２の被接合部材を跨る形状であってもよい。
【０００８】
本発明の他の態様は、金属接合方法である。当該金属接合方法は、銅を主成分とする第１の被接合部材の所定領域に酸化膜除去薬液を塗布する工程と、銅を主成分とする第２の被接合部材の所定領域を酸化膜除去薬液を介して第１の被接合部材の所定領域上に載置する工程と、第１の被接合部材と第２の被接合部材とを加熱および加圧して第１の被接合部材と第２の被接合部材とを金属固相拡散により接合する工程と、を備え、第２の被接合部材を加圧することにより、第１の被接合部材との接合界面とは反対側の第２の被接合部材の背面を凹ませることを特徴とする。
【０００９】
上記いずれかの態様の金属接合方法において、酸化膜除去薬液は銅に対して不活性であってもよい。酸化膜除去薬液が銅と錯体を形成する配位子を含んでもよい。この場合に、錯体が加熱分解性であってもよい。また、酸化膜除去薬液がアンモニア水またはカルボン酸水溶液であってもよい。カルボン酸水溶液に含まれるカルボン酸が多座配位子であってもよい。多座配位子のうち、少なくとも２つの配位子が１つの銅イオンに対して配位していてもよい。
【００１０】
本発明のさらに他の態様は、金属接合構造である。当該金属接合構造は、銅を主成分とする第１の被接合部材と、第１の被接合部材に金属拡散接合により接合された複数の第２の被接合部材と、を備え、第１の被接合部材との接合界面とは反対側の第２の被接合部材の背面が周囲に対して凹んでおり、凹部分の結晶粒が凹部分の周囲における結晶粒より小さいことを特徴とする。
【００１１】
上記態様の金属接合構造において、凹部分と、凹部分の周囲の部分との間に形成された段差が複数の第２の被接合部材において直線上に配置されていてもよい。
なお、上述した各要素を適宜組み合わせたものも、本件特許出願によって特許による保護を求める発明の範囲に含まれうる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、銅同士を接続信頼性良く接合することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施の形態１に係る金属接合方法を示す工程図である。
【図２】実施の形態１に係る金属接合方法を示す工程図である。
【図３】実施の形態１に係る金属接合方法を示す工程図である。
【図４】実施の形態１に係る金属接合方法を示す工程図である。
【図５】実施の形態１に係る金属接合方法に従って接合された銅の加圧領域の断面ＳＥＭ像である。
【図６】実施の形態１に係る金属接合方法に従って接合された銅の加圧領域の模式図である。
【図７】図７（Ａ）は、実施の形態２に係る半導体装置を示す平面図である。図７（Ｂ）は、図７（Ａ）に示すＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図８】実施の形態２に係る半導体装置の製造方法を示す工程図である。
【図９】実施の形態２に係る半導体装置の製造方法を示す工程図である。
【図１０】実施の形態３に係る半導体装置を示す平面図である。図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）に示すＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図１１】実施の形態３に係る半導体装置の製造方法を示す工程図である。
【図１２】実施の形態３に係る半導体装置の製造方法を示す工程図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１５】
（実施の形態１）
図１乃至図４は、実施の形態１に係る金属接合方法を示す工程図である。
図１〜図４において、（Ａ）図は平面図であり、（Ｂ）図は（Ａ）図に引いたＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【００１６】
まず、図１に示すように、銅を主成分とする第１の被接合部材１０の所定領域に酸化膜除去液３０としてアンモニア水を塗布する。酸化膜除去液３０は、酸化銅を主成分とする酸化物を溶出させる溶液である。酸化膜除去液３０を塗布する方法としては、たとえば、所定領域を開口とするマスクを第１の被接合部材１０の上に載置した状態で、アンモニア水をマスクに対して噴霧または塗布する方法が挙げられる。
【００１７】
次に、図２に示すように、下型５０および上型５２を有するプレス機に第１の被接合部材１０ならびに第２の被接合部材２０ａ、第２の被接合部材２０ｂおよび第２の被接合部材２０ｃ（以下、これらをまとめて第２の被接合部材２０という場合がある）を設置する。具体的には、下型５０の上に第１の被接合部材１０を載置し、酸化膜除去液３０が塗布された各所定領域に、第２の被接合部材２０ａ、第２の被接合部材２０ｂおよび第２の被接合部材２０ｃの接合領域を位置合わせし、第１の被接合部材１０と第２の被接合部材２０との間に酸化膜除去液３０を介在させる。第２の被接合部材２０は、２０ａ、２０ｂ、２０ｃそれぞれの左端をタイバー２０ｄでリンクされており、タイバー２０ｄは第１の被接合部材１０と第２の被接合部材とが接合された後に切除される。上型５２の加圧面は、第２の被接合部材２０ａ、第２の被接合部材２０ｂおよび第２の被接合部材２０ｃの接合領域に跨っており、上型５２により、複数の第２の被接合部材２０を一括して加圧することができる。第２の被接合部材２０が延在する側の第１の被接合部材１０の辺と、第２の被接合部材２０が延在する側の上型５２の辺との間に所定距離のマージンを設ける。すなわち、上型５２は、第１の被接合部材１０と第２の被接合部材２０とが重畳する領域のうち、第２の被接合部材２０が延在する側の領域の一部を覆わないように設置する。
【００１８】
なお、第１の被接合部材１０の最表面および第２の被接合部材２０の最表面は、ともに酸化銅を主成分とする酸化物で形成されている。ここで、「銅を主成分とする」および「酸化銅を主成分とする」という表現中、「主成分とする」は、銅または酸化銅の含有量が５０％よりも大きいことを意味する。本実施の形態では、第１の被接合部材１０の最表面および第２の被接合部材２０の最表面は、銅が大気中で酸化することにより形成される自然酸化膜で形成されている。
【００１９】
第１の被接合部材１０の最表面および第２の被接合部材２０の最表面を構成する酸化銅が酸化膜除去液３０に溶出することにより、第１の被接合部材１０の露出面および第２の被接合部材２０の露出面にそれぞれ銅が露出する。また、酸化膜除去液３０中では、配位子となるアンモニアイオンと銅イオンとにより銅錯体が形成される。本実施の形態では、銅錯体は、［Ｃｕ（ＮＨ３）４］２＋で表される加熱分解性のテトラアンミン銅錯イオンとして存在すると考えられる。なお、アンモニア水は銅に対して不活性であるため、第１の被接合部材１０および第２の被接合部材２０を構成する銅はアンモニア水と反応せずに残存している。
【００２０】
次に、図３に示すように、下型５０および上型５２を用いて、第１の被接合部材１０と第２の被接合部材２０との距離を縮めるように、第１の被接合部材１０と第２の被接合部材２０とを加圧する。この工程における加圧時の圧力は、たとえば、１ＭＰａである。なお、加圧当初は、第１の被接合部材１０と第２の被接合部材２０との接合面には上述した酸化膜除去液（図示せず）が介在している。
【００２１】
第１の被接合部材１０と第２の被接合部材２０とを加圧した状態で、２００℃〜３００℃の比較的低温な条件下で加熱することにより、第１の被接合部材１０の接合面および第２の被接合部材２０の接合面への銅の固相拡散を進行させる。本実施の形態では、加熱により水分が蒸発するとともに、テトラアンミン銅錯イオンが熱分解してアンモニア成分が蒸発する。これにより、酸化膜除去液において銅の割合が徐々に高まるとともに、プレス機による加圧により第１の被接合部材１０の最表面と第２の被接合部材２０の最表面との距離が徐々に近づき、第１の被接合部材１０の接合面と第２の被接合部材２０の最表面とが銅の固相拡散により接合される。
【００２２】
次に、図４に示すように、固相拡散による接合が完了した後、加熱を停止して加圧を解除し、第１の被接合部材１０と第２の被接合部材２０との接合工程が完了する。次に、タイバー２０ｄを切除し、第２の被接合部材２０ａ、２０ｂ、２０ｃをそれぞれ分離する。以上の工程により、図４に示す金属接合構造が得られる。なお、酸化膜除去液中に溶出した銅成分は、上述した固相拡散により、第１の被接合部材１０や第２の被接合部材２０の中に拡散する。
【００２３】
第２の被接合部材２０の接合面とは反対側の背面において、上型５２によって加圧された領域は、加圧されていない領域、言い換えると、加圧された領域の周囲の領域に対して凹んだ凹部領域となり、上型５２によって加圧された領域と加圧されていない領域との間に視認可能な段差２１が生じる。この段差は、加圧時の圧力にもよるが、たとえば、５０〜１００μｍである。
【００２４】
上型５２による加圧により、第２の被接合部材２０の凹部領域の表面近傍の銅の結晶粒は、周囲の結晶粒に比べて小さくなる。この傾向は、段差２１の近傍領域において顕著である。
【００２５】
以上説明した金属接合方法で得られる効果としては少なくとも以下の項目が挙げられる。
【００２６】
金属拡散接合により第１の被接合部材１０と第２の被接合部材２０とを接合することにより、接合部に水素脆化が生じることを抑制し、第１の被接合部材１０と第２の被接合部材２０との接合強度を向上させることができる。
【００２７】
第２の被接合部材２０の凹部領域、特に、段差２１の近傍領域において、表面近傍に位置する銅の結晶粒が周囲の結晶粒に比べて小さいため、結晶粒が小さいほど材料の強度が高くなるホールペッチ法則により、第２の被接合部材２０の接合面とは反対側の背面部分の剛性を高めることができる。この結果、曲げ応力等が加わった場合において、第１の被接合部材１０と第２の被接合部材２０との接合部が破断することを抑制できる。
【００２８】
第１の被接合部材１０と複数の第２の被接合部材２０との接合を一度の加圧工程で済ませることができるため、接合工程に要する時間を短縮することができる。
【００２９】
接合が良好な場合には、上述のように、第２の被接合部材２０の背面に段差２１が生じるため、段差２１の有無を目視で確認することにより、接合の良否確認を容易に行うことができる。上型５２の加圧面の辺を直線とすることにより、複数の第２の被接合部材２０に均等に荷重がかかっている場合には、複数の第２の被接合部材２０の段差２１が直線上に並ぶ。このため、段差２１が生じていない箇所が目立ちやすくなり、接合の不良箇所の発見をより容易にすることができる。また、さらなる信頼性確保の目的で、被接合部に樹脂のポッディングや、はんだの塗布を行うと、段差２１にアンカー効果が働き信頼性が向上する。
【００３０】
（金属構造における結晶粒の確認）
金属接合方法を適用して銅Ａ（第１の被接合部材１０に相当）と銅Ｂ（第２の被接合部材２０）とを接合した。接合加工の加温加圧条件は、２００℃、３０ＭＰａである。得られた金属接合構造について、断面ＳＥＭにより断面構造を観察した。図５は、銅Ｂの加圧領域すなわち接合面とは反対側の背面における凹部領域の断面ＳＥＭ像である。図６は、銅Ｂの加圧領域の構造を示す模式図である。図５に示すように、接合面とは反対側の銅Ｂの背面において、段差近傍領域の結晶粒が周囲の結晶粒の大きさより小さくなっていることが確認された。
【００３１】
（実施の形態２）
図７（Ａ）は、実施の形態２に係る半導体装置１００を示す平面図である。図７（Ｂ）は、図７（Ａ）に示すＡ−Ａ線に沿った断面図である。本実施の形態は、上述した金属接続方法および金属接続構造を適用した、半導体素子等の回路素子が基板に実装された半導体装置（混成集積回路装置）に関する。
【００３２】
半導体装置１００は、金属基板１１０、絶縁樹脂層１２０、配線層１３０、半導体素子１４０、チップ部品１４２、リード１５０および封止樹脂層１６０を備える。
【００３３】
金属基板１１０は放熱性が良好な部材であれば特に限定されないが、たとえば、アルミニウムを主成分とした基板や銅を主成分とした基板が挙げられる。また、金属基板１１０に代えて、アルミナイトライド、シリコンナイトライド、アルミナなどからなるセラミック基板や、放熱性が良好なプリント基板などの絶縁樹脂板を用いてもよい。
【００３４】
絶縁樹脂層１２０は、金属基板１１０の上に積層されている。絶縁樹脂層１２０を構成する絶縁材料としては、たとえば、エポキシ樹脂が挙げられる。
【００３５】
配線層１３０は、絶縁樹脂層１２０の上に形成された所定パターンの導電層である。配線層１３０は、たとえば、銅で形成される。
【００３６】
半導体素子１４０は、配線層１３０の上に実装されたＩＣ等の能動素子である。半導体素子１４０は、銀ペーストやはんだなどの接合部材１７０を用いて配線層１３０に接続されている。半導体素子１４０は、金線などのワイヤ１４１を介して配線層１３０と電気的に接続されている。チップ部品１４２は、配線層１３０の上に実装された抵抗、コンデンサ等の受動素子である。チップ部品１４２は、はんだなどの接合部材１７２を用いて配線層１３０に電気的に接続されている。
【００３７】
配線層１３０の引き回し先の一部は外部接続用端子１３４となる。本実施の形態では、複数の外部接続用端子１３４が半導体装置１００の一辺に沿ってＳＩＰ型として配置されている。なお、半導体装置１００は、対向する二辺に沿って外部接続用端子が配置されるＤＩＰ型パッケージであってもよい。
【００３８】
リード１５０は外部接続用端子１３４に電気的に接続されている。外部接続用端子１３４とリード１５０との接合方法および接合構造については後述する。
【００３９】
封止樹脂層１６０は、上述した金属基板１１０、絶縁樹脂層１２０、配線層１３０、半導体素子１４０、チップ部品１４２、リード１５０等を封止し、外部環境からこれらの部材を保護している。封止樹脂層１６０は、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂を用いてトランスファーモールド法やインジェクションモールド法により形成される。また、封止樹脂層の形成方法は、溶融樹脂にパッケージを浸けるデップ法でもよい。
【００４０】
（製造方法）
実施の形態２に係る半導体装置１００の製造方法について、外部接続用端子１３４とリード１５０との接合方法を中心に、図８乃至図９を参照して説明する。
【００４１】
まず、図８（Ａ）に示すように、金属基板１１０の上に絶縁樹脂層１２０および金属箔１３２を積層し、熱圧着して貼り合わせる。
【００４２】
次に、図８（Ｂ）に示すように、周知のフォトリソグラフィ法およびエッチング法を用いて、金属箔１３２を選択的に除去し、所定パターンの配線層１３０を形成する。配線層１３０の引き回し先の一部が外部接続用端子１３４（実施の形態１における第１の被接合部材１０に相当）として金属基板１１０の一辺に沿って配置される。
【００４３】
配線層１３０の所定位置に半導体素子１４０およびチップ部品１４２をはんだ（それぞれ、接合部材１７０、接合部材１７２）を用いたリフロー処理により実装する。なお、はんだに代わって銀ペースト等を塗布し、その上に半導体素子１４０およびチップ部品１４２を設置した後に熱硬化させることにより実装してもよい。
【００４４】
次に、図８（Ｃ）に示すように、半導体素子１４０に設けられた素子電極（図示せず）と配線層１３０とをワイヤボンディング法により金線などのワイヤ１４１を用いて電気的に接続する。
【００４５】
次に、図９（Ａ）に示すように、外部接続用端子１３４の上に酸化膜除去液３０を塗布する。
【００４６】
次に、図９（Ｂ）に示すように、リード１５０（実施の形態１における第２の被接合部材２０に相当）先端の接合部分を外部接続用端子１３４の上に載置する。
【００４７】
次に、図９（Ｃ）に示すように、プレス機の下型５０および上型５２を用いて、外部接続用端子１３４とリード１５０先端の接合部分とを加熱および加圧し、複数の外部接続用端子１３４と複数のリード１５０先端との接合部分とを金属拡散接合により一括して接合する。加熱および加圧条件は、実施の形態１と同様である。実施の形態１と同様に、加圧により、接合面とは反対側のリード１５０背面に凹部領域が形成される。さらに、凹部領域の表面近傍の銅の結晶粒が周囲より小さくなる。
【００４８】
本実施の形態では、上型５２とリード１５０の先端との間にマージンが設けられている。このため、加圧によって生じた凹部領域より先端側に位置するリード１５０の背面は凹まずに残っており、凹部領域とリード１５０の延在側との間に形成された段差１５１ａの他に、凹部領域とリード１５０の先端側との間にも段差１５１ｂが形成されている。
【００４９】
次に、前述したトランスファーモールド法等の封止法により半導体素子１４０およびチップ部品１４２を熱硬化性樹脂を用いて封止する。以上の工程により、実施の形態２に係る半導体装置１００を製造することができる。
【００５０】
本実施の形態の半導体装置１００によれば、外部接続用端子１３４とリード１５０との接合構造に関して、実施の形態１と同様な効果を得ることができる。また、本実施の形態では、凹部領域とリード１５０の延在側との間および凹部領域とリード１５０の先端側との間にそれぞれ段差１５１ａ、段差１５１ｂが形成されているため、凹部領域において封止樹脂層１６０とのアンカー効果がより働きやすくなる。この結果、リード１５０と封止樹脂層１６０との密着性を向上させ、ひいては、半導体装置１００の構造安定性や動作信頼性を向上させることができる。
【００５１】
（実施の形態３）
図１０は、実施の形態３に係る半導体装置２００を示す平面図である。図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）に示すＡ−Ａ線に沿った断面図である。本実施の形態は、上述した金属接続方法および金属接続構造を適用した、リード端子が４方向より導出されるＱＦＰ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｐａｃｋａｇｅ）型の半導体装置に関する。半導体装置２００は、主な構成としてランド２１０、半導体素子２２０、リード２３０、封止樹脂層２４０を備える。
【００５２】
ランド２１０の素子搭載面とは反対側の裏面は、必要に応じ、後述する封止樹脂層２４０の上面に露出している。ランド２１０は、放熱性が良好な部材であれば特に限定されないが、たとえば、Ａｌ板、Ｃｕ板などが挙げられる。
【００５３】
ランド２１０の素子搭載面には、銀ペーストやはんだなどの接合部材２１２を用いてＩＣ等の半導体素子２２０が固着されている。ランド２１０と反対側の半導体素子２２０の電極形成面には、素子電極２２２が設けられている。
【００５４】
リード２３０の一方の端部は、素子電極２２２に電気的に接続されている。素子電極２２２とリード２３０との接合方法および接合構造については後述する。リード２３０の他方の端部は、半導体装置２００の縁部において露出している。
【００５５】
封止樹脂層２４０により、半導体素子２２０が封止されている。封止樹脂層２４０は、たとえば、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂をトランスファーモールド法やインジェクションモールド法により成型することで形成される。
【００５６】
（製造方法）
実施の形態３に係る半導体装置２００の製造方法について、素子電極２２２とリード２３０との接合方法を中心に、図１１乃至図１２を参照して説明する。図１１乃至図１２は、実施の形態３に係る半導体装置２００の製造方法を示す工程図である。図１１乃至図１２において、（Ａ）図は平面図を示し、（Ｂ）図は（Ａ）図のＡ−Ａ線に沿った断面図を示す。
【００５７】
まず、図１１に示すように、ランド２１０の上に接合部材２１２を介して半導体素子２２０を固定する。続いて、半導体素子２２０の側辺に沿って設けられた複数の素子電極２２２（実施の形態１における第１の被接合部材１０に相当）の上に酸化膜除去液３０を塗布する。
【００５８】
次に、図１２に示すように、下型５０および上型５２を有するプレス機にランド２１０、半導体素子２２０、リード２３０（実施の形態１における第２の被接合部材２０に相当）等を設置する。プレス機の下型５０および上型５２を用いて、複数の素子電極２２２と複数のリード２３０先端の接合部分とを加熱および加圧し、素子電極２２２とリード２３０先端の接合部分とを金属拡散接合により一括して接合する。加熱および加圧条件は、実施の形態１と同様である。実施の形態１と同様に、加圧により、接合面とは反対側のリード２３０背面に凹部領域が形成される。さらに、凹部領域の表面近傍の銅の結晶粒が周囲より小さくなる。
【００５９】
本実施の形態では、実施の形態２と同様に、上型５２とリード２３０の先端との間にマージンが設けられている。このため、加圧によって生じた凹部領域より先端側に位置するリード２３０の背面は凹まずに残っており、凹部領域とリード２３０の延在側との間に形成された段差２３１ａの他に、凹部領域とリード２３０の先端側との間にも段差２３１ｂが形成されている。
【００６０】
半導体素子２２０の残りの３辺についても上述した金属接合方法により、複数の素子電極２２２と複数のリード２３０先端の接合部分とをそれぞれ金属拡散接合により接合する。なお、図１２では一側辺ずつ接合が行われているが、四側辺を一度に接合してもよい。
【００６１】
次に、トランスファーモールド法により半導体素子２２０を熱硬化性樹脂を用いて封止する。以上の工程により、実施の形態３に係る半導体装置２００を製造することができる。
【００６２】
本実施の形態の半導体装置２００によれば、素子電極２２２とリード２３０との接合構造に関して、実施の形態１と同様な効果を得ることができる。また、本実施の形態では、凹部領域とリード２３０の延在側との間および凹部領域とリード２３０の先端側との間にそれぞれ段差２３１ａ、段差２３１ｂが形成されているため、凹部領域において封止樹脂層２４０とのアンカー効果がより働きやすくなる。この結果、リード２３０と封止樹脂層２４０との密着性を向上させ、ひいては、半導体装置２００の構造安定性や動作信頼性を向上させることができる。
【００６３】
なお、本実施の形態では、半導体装置２００の各辺ごとに、複数の素子電極２２２と複数のリード２３０先端の接合部分とを一括して接合しているが、半導体装置２００の４辺の複数の素子電極２２２と複数のリード２３０先端の接合部分とを一括して接合してもよい。この場合には、上型５２の加圧面を、各辺のリード２３０の先端部にそれぞれ跨るような矩形状とし、各リード２３０の先端部分を凹部領域とし、段差２３１ｂを設けなくてもよい。なお、本実施の形態では、リード２３０は板状のものを例示したが、リード２３０の形状はこれに限定されず、断面が円形のリードを用いてもよい。
【００６４】
（金属接合に用いる溶液）
上述した各実施の形態における金属接合工程では、金属接合に用いる酸化膜除去液としてアンモニア水が用いられているが、銅と錯体を形成する配位子を含む溶液であれば、これに限られず、たとえば、カルボン酸水溶液であってもよい。
【００６５】
カルボン酸水溶液の調製に用いられるカルボン酸としては、酢酸などのモノカルボン酸、また、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、フタル酸、マレイン酸などのジカルボン酸、さらに、酒石酸、クエン酸、乳酸、サリチル酸などのオキシカルボン酸が挙げられる。
【００６６】
このうち、カルボン酸水溶液は多座配位子となるカルボン酸を有することが好ましい。多座配位子となるカルボン酸を有するカルボン酸水溶液では、カルボン酸と銅がキレートを形成することにより銅錯体の安定性が非常に大きくなる。この結果、接合に必要な温度をより低温化させることができる。なお、酒石酸がキレートを形成することについては、「理化学辞典 第４版（岩波書店）」の第５９３頁に記載されている。また、酒石酸、シュウ酸などがキレートを形成することは「ヘスロップジョーンズ 無機化学（下） 齋藤喜彦 訳」の第６６６頁に記載されている。ここで、キレート化とは、多座配位子によって環が形成されることによって錯体の安定度が非常に大きくなることをいう。
【００６７】
本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。
【００６８】
また、上述の各実施の形態では、第１の被接合部材１０と第２の被接合部材２０とを金属接合させる際に、加熱および加圧を行っているが、加熱および加圧に換えて超音波を印加してもよく、また加熱および加圧のうちいずれかを超音波印加に換えてもよく、また加熱および加圧に加えて超音波を印加してもよい。
【００６９】
さらには、大電力を扱う半導体装置ではオン抵抗を低減する目的で、従来の金線やアルミワイヤに代えて銅ワイヤを用いた超音波接合が用いられる。銅ワイヤを用いた超音波接合では、接合時の銅の酸化を抑制するためにＮ２ガス等の吹き付け等が必要である。しかし、銅ワイヤの接合に本発明の技術を適用するとＮ２ガス等の吹き付けが不要となる。さらに、本発明の技術を適用すると、ワイヤよりも大電流を流せる板状リードや太ワイヤが使用可能であり、よりオン抵抗の低い大電力装置を実現することができる。
【符号の説明】
【００７０】
１０ 第１の被接合部材、２０ａ，２０ｂ，２０ｃ 第２の被接合部材、２１ 段差、３０ 酸化膜除去液、５０ 下型、５２ 上型、１００ 半導体装置、１１０ 金属基板、１２０ 絶縁樹脂層、１３０ 配線層、１４０ 半導体素子、１４２ チップ部品、１５０ リード、１６０ 封止樹脂層、２００ 半導体装置、２１０ ランド、２１２ 接合部材、２２０ 半導体素子、２２２ 素子電極、２３０ リード、２４０ 封止樹脂層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅を主成分とする第１の被接合部材の所定領域に酸化膜除去薬液を塗布する工程と、
銅を主成分とする第２の被接合部材の所定領域を前記酸化膜除去薬液を介して前記第１の被接合部材の所定領域上に載置する工程と、
前記第１の被接合部材と前記第２の被接合部材とを加熱および加圧して前記第１の被接合部材と前記第２の被接合部材とを金属固相拡散により接合する工程と、
を備え、
前記第２の被接合部材を加圧することにより、前記第１の被接合部材との接合界面とは反対側の前記第２の被接合部材の背面を凹ませることを特徴とする金属接合方法。
【請求項２】
複数の前記第２の被接合部材を用意し、
前記複数の第２の被接合部材の所定領域を前記酸化膜除去薬液を介して前記第１の被接合部材の所定領域上に載置する工程と、
前記第１の被接合部材と前記複数の第２の被接合部材とを加熱および加圧して前記第１の被接合部材と前記複数の第２の被接合部材とを一括して金属固相拡散により接合する工程と、
を備え、
前記複数の第２の被接合部材を加圧することにより、前記第１の被接合部材との接合界面とは反対側の前記複数の第２の被接合部材の各背面を凹ませる請求項１に記載の金属接合方法。
【請求項３】
前記複数の第２の被接合部材を加圧する部材の加圧面が、前記複数の第２の被接合部材を跨る形状である請求項２に記載の金属接合方法。
【請求項４】
前記酸化膜除去薬液は銅に対して不活性である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の金属接合方法。
【請求項５】
前記酸化膜除去薬液が銅と錯体を形成する配位子を含む請求項１乃至４のいずれか１項に記載の金属接合方法。
【請求項６】
前記錯体が加熱分解性である請求項５に記載の金属接合方法。
【請求項７】
前記酸化膜除去薬液がアンモニア水またはカルボン酸水溶液である請求項１乃至６のいずれか１項に記載の金属接合方法。
【請求項８】
カルボン酸水溶液に含まれるカルボン酸が多座配位子である請求項７に記載の金属接合方法。
【請求項９】
前記多座配位子のうち、少なくとも２つの配位子が１つの銅イオンに対して配位している請求項８に記載の金属接合方法。
【請求項１０】
銅を主成分とする第１の被接合部材と、
前記第１の被接合部材に金属拡散接合により接合された複数の第２の被接合部材と、
を備え、
前記第１の被接合部材との接合界面とは反対側の前記第２の被接合部材の背面が周囲に対して凹んでおり、凹部分の結晶粒が前記凹部分の周囲における結晶粒より小さいことを特徴とする金属接合構造。
【請求項１１】
前記凹部分と、前記凹部分の周囲の部分との間に形成された段差が複数の前記第２の被接合部材において直線上に配置されている請求項１０に記載の金属接合構造。
【請求項１】
銅を主成分とする第１の被接合部材の所定領域に酸化膜除去薬液を塗布する工程と、
銅を主成分とする第２の被接合部材の所定領域を前記酸化膜除去薬液を介して前記第１の被接合部材の所定領域上に載置する工程と、
前記第１の被接合部材と前記第２の被接合部材とを加熱および加圧して前記第１の被接合部材と前記第２の被接合部材とを金属固相拡散により接合する工程と、
を備え、
前記第２の被接合部材を加圧することにより、前記第１の被接合部材との接合界面とは反対側の前記第２の被接合部材の背面を凹ませることを特徴とする金属接合方法。
【請求項２】
複数の前記第２の被接合部材を用意し、
前記複数の第２の被接合部材の所定領域を前記酸化膜除去薬液を介して前記第１の被接合部材の所定領域上に載置する工程と、
前記第１の被接合部材と前記複数の第２の被接合部材とを加熱および加圧して前記第１の被接合部材と前記複数の第２の被接合部材とを一括して金属固相拡散により接合する工程と、
を備え、
前記複数の第２の被接合部材を加圧することにより、前記第１の被接合部材との接合界面とは反対側の前記複数の第２の被接合部材の各背面を凹ませる請求項１に記載の金属接合方法。
【請求項３】
前記複数の第２の被接合部材を加圧する部材の加圧面が、前記複数の第２の被接合部材を跨る形状である請求項２に記載の金属接合方法。
【請求項４】
前記酸化膜除去薬液は銅に対して不活性である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の金属接合方法。
【請求項５】
前記酸化膜除去薬液が銅と錯体を形成する配位子を含む請求項１乃至４のいずれか１項に記載の金属接合方法。
【請求項６】
前記錯体が加熱分解性である請求項５に記載の金属接合方法。
【請求項７】
前記酸化膜除去薬液がアンモニア水またはカルボン酸水溶液である請求項１乃至６のいずれか１項に記載の金属接合方法。
【請求項８】
カルボン酸水溶液に含まれるカルボン酸が多座配位子である請求項７に記載の金属接合方法。
【請求項９】
前記多座配位子のうち、少なくとも２つの配位子が１つの銅イオンに対して配位している請求項８に記載の金属接合方法。
【請求項１０】
銅を主成分とする第１の被接合部材と、
前記第１の被接合部材に金属拡散接合により接合された複数の第２の被接合部材と、
を備え、
前記第１の被接合部材との接合界面とは反対側の前記第２の被接合部材の背面が周囲に対して凹んでおり、凹部分の結晶粒が前記凹部分の周囲における結晶粒より小さいことを特徴とする金属接合構造。
【請求項１１】
前記凹部分と、前記凹部分の周囲の部分との間に形成された段差が複数の前記第２の被接合部材において直線上に配置されている請求項１０に記載の金属接合構造。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−１１１６３２（Ｐ２０１３−１１１６３２Ａ）
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２６１６７２（Ｐ２０１１−２６１６７２）
【出願日】平成２３年１１月３０日（２０１１．１１．３０）
【出願人】（０００００１８８９）三洋電機株式会社 (18,308)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月３０日（２０１１．１１．３０）
【出願人】（０００００１８８９）三洋電機株式会社 (18,308)
【Ｆターム（参考）】
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