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HIGH HEAT-RESISTANT SOLDER BONDED SEMICONDUCTOR DEVICE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF

Patent code P170013683
File No. S2015-1604-N0
Posted date Feb 2, 2017
Application number P2015-112726
Publication number P2016-225552A
Date of filing Jun 3, 2015
Date of publication of application Dec 28, 2016
Inventor
  • (In Japanese)菅原 良孝
  • (In Japanese)大貫 仁
  • (In Japanese)玉橋 邦裕
  • (In Japanese)千葉 秋雄
Applicant
  • (In Japanese)国立大学法人茨城大学
Title HIGH HEAT-RESISTANT SOLDER BONDED SEMICONDUCTOR DEVICE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF
Abstract PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device having high heat resistance and high reliability.
SOLUTION: In a high heat-resistant solder bonded semiconductor device, a semiconductor element and a substrate are bonded with a solder that expresses super plasticity. The high heat-resistant solder bonded semiconductor device is characterized in that the solder is protruded to the outside from an end of the semiconductor element while the solder is kept in a semi-molten state to prevent the solder from flowing out and the solder is to be swelled to an upper side than a lower face of the semiconductor element, and then, the solder is allowed to express super plasticity, and stress strain at the interface between the solder and the semiconductor element and stress strain at the interface between the solder and the substrate are suppressed.
Outline of related art and contending technology (In Japanese)

パワーデバイスは、ハイブリッド自動車や太陽光発電用のインバータなどに使用される電力制御用の半導体素子であり、パワーエレクトロニクスの中心となる電子部品である。パワーデバイスには、整流ダイオード、パワーMOSFET(金属酸化膜・電界効果トランジスタ)、IGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)、サイリスタなどがあり、パワーデバイスの基板への接合には、ハンダが使用される。ハンダは、Pb(鉛)とSn(錫)の合金のものが使用されてきたが、人体に有害であり、自然環境にも悪影響を及ぼすため、鉛フリーハンダも開発されている。

特許文献1には、鉛フリーで高い融点を持ち、かつ固相状態で接合が可能なZn(亜鉛)-Al(アルミニウム)共析系合金接合材を用いた半導体装置が開示されている。鉛フリーハンダは、ボイドと呼ばれる微細な空隙を作りやすいが、特許文献1に記載の発明では、超塑性現象を利用して対象物を固相状態で接合することにより、ボイドフリーにすることができる。

Field of industrial application (In Japanese)

本発明は、基板と半導体素子とを高耐熱ハンダで接合した半導体装置に関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
半導体素子と基板とを超塑性を発現するハンダで接合した高耐熱ハンダ接合半導体装置であって、
前記ハンダが流れ出ないように半溶融状態にして、前記ハンダを前記半導体素子の端部より外側にはみ出させ、かつ前記半導体素子の下面よりも上方に盛り上がらせた後、
前記ハンダに超塑性を発現させ、前記ハンダと前記半導体素子との界面、及び前記ハンダと前記基板との界面の応力歪を抑制する、
ことを特徴とする高耐熱ハンダ接合半導体装置。

【請求項2】
 
接合した前記半導体素子の端部のうち少なくとも何れか一の端部において、
前記ハンダが前記半導体素子の端部より外側にはみ出しており、かつ前記半導体素子の下面よりも上方に盛り上がっている、
ことを特徴とする請求項1に記載の高耐熱ハンダ接合半導体装置。

【請求項3】
 
前記ハンダは、超塑性を発現する組成、すなわちAlが22~68質量%で、Znが78~32質量%の割合である、
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の高耐熱ハンダ接合半導体装置。

【請求項4】
 
前記ハンダは、Alが22~68質量%、不純物が2質量%以下、残りがZnの割合である、
ことを特徴とする請求項3に記載の高耐熱ハンダ接合半導体装置。

【請求項5】
 
前記ハンダは、Znが78~32質量%、不純物が2質量%以下、残りがAlの割合である、
ことを特徴とする請求項3に記載の高耐熱ハンダ接合半導体装置。

【請求項6】
 
前記ハンダと、前記半導体素子のpn接合との最短距離が、前記pn接合の空乏層の幅よりも大きい、
ことを特徴とする請求項1乃至5の何れか一に記載の高耐熱ハンダ接合半導体装置。

【請求項7】
 
超塑性を発現するAlとZnで組成されたハンダを準備するハンダ準備工程と、
前記ハンダを介して、半導体素子を基板に設置する半導体素子設置工程と、
前記ハンダを加熱し、前記ハンダが流れ出ない半溶融にする加熱工程と、
前記ハンダを加圧し、前記ハンダの周縁部をZnリッチ、中心部をAlリッチにすることで、前記半導体素子の端部より外側に前記周縁部をはみ出させ、かつ前記半導体素子の下面よりも上方に前記周縁部を盛り上がらせる加圧工程と、
前記ハンダを冷却し、前記ハンダに超塑性を発現させ、前記ハンダと前記半導体素子との界面、及び前記ハンダと前記基板との界面の応力歪を抑制しつつ前記半導体素子と前記基板とをハンダ接合する降温・接合工程と、を有する、
ことを特徴とする高耐熱ハンダ接合半導体装置の製造方法。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2015112726thum.jpg
State of application right Published
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