JP2001135654A - 圧接型半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧接型半導体装置の製造方法において、半導
体素子を挟む２枚の絶縁基板の平行度を確保できる製造
方法を提供する。 【解決手段】 複数の半導体素子の電極パターンが表面
に形成された半導体ウェハ２００と、２枚の絶縁基板３
００とを用意し、半導体ウェハ２００の両面に絶縁基板
３００を接合し、これらを接合した後、半導体ウェハ２
００と絶縁基板３００とを半導体素子単位に切断する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、大電力を制御する
半導体素子を圧接した状態で使用する圧接型半導体装置
の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】パワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等の半導
体素子（半導体チップ）は、大電流を制御する素子であ
るため、自己発熱が大きい。このため、このような半導
体素子を有する半導体装置では、一般に、半導体素子の
両面より放熱させる構造となっており、半導体素子の両
側面から絶縁基板で挟んで、これをヒートシンク（放熱
板）で両側から圧接するように構成されている。このよ
うな圧接構造においては、半導体素子を挟む２枚の絶縁
基板は互いに平行になるようにする必要がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、半導体
ウェハから予め分割形成された半導体素子（１０ｍｍ角
前後）と絶縁基板とをはんだ付けによって接合する場合
を考えると、はんだ付け時のはんだ高さがばらつくこと
により、半導体素子を挟む２枚の絶縁基板の両端面の平
行を確保することは容易ではない。

【０００４】これら２枚の絶縁基板が傾いて接合された
場合には、圧接時に機械的応力が局部に集中することと
なり、圧接荷重（約１００ｋｇ／ｃｍ²程度）が局部的
に集中し、その結果半導体素子が破壊されてしまうこと
が考えられる。また、放熱性についても、絶縁基板とヒ
ートシンクとが面接触しないことにより局部放熱とな
る。その結果、圧接による面放熱の効果を生かすことが
できず、熱抵抗が増加して半導体素子が温度上昇してし
まうという問題がある。

【０００５】本発明は上記問題点に鑑み、圧接型半導体
装置の製造方法において、半導体素子を挟む２枚の絶縁
基板の平行度を確保できる製造方法を提供することを目
的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明では、複数の半導体素子の電
極パターンが表面に形成された半導体ウェハ（２００）
と、２枚の絶縁基板（３００）とを用意する工程と、半
導体ウェハ（２００）の両面に絶縁基板（３００）を接
合する工程と、接合工程の後、半導体ウェハ（２００）
と絶縁基板（３００）とを半導体素子単位に切断する工
程とを備えることを特徴としている。

【０００７】このように、半導体ウェハ（２００）とこ
れに対応する絶縁基板（３００）とを接合した後、個々
の半導体素子の大きさに切断することにより、半導体ウ
ェハを個々の半導体素子に切断した後に半導体素子と絶
縁基板とを接合する場合に比較して大きな平面同士を接
合することになるので、容易に絶縁基板の両端面の平行
度を確保することが可能となる。

【０００８】また、請求項２に記載の発明では、絶縁基
板（３００）には、電極パターンに対応するように電極
部材（４〜６）が形成されており、接合工程において、
電極パターンと電極部材との位置を合わせて、半導体ウ
ェハ（２００）の両面に絶縁基板（３００）を接合する
ことを特徴としている。

【０００９】なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述
する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すも
のである。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明を適用した実施形態を図に
基づいて説明する。図１は本実施形態の圧接型半導体装
置１の断面図である。

【００１１】本実施形態における圧接型半導体装置１
は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）
やパワーＭＯＳＦＥＴ等の大電流を制御する半導体素子
２と、半導体素子２の両面に配置された絶縁性材料から
なる絶縁基板３とから構成される。本実施形態では半導
体素子２としてＩＧＢＴチップ、絶縁基板３として窒化
アルミニウム（ＡｌＮ）を用いている。また、図１中破
線で示すように、半導体装置１はヒートシンク（放熱
板）１０によって両面から圧接されるように構成されて
いる。

【００１２】半導体素子２の表裏面は、Ａｌ／Ｔｉ／Ｎ
ｉ／Ａｕ等からなる電極パターン（図示せず）が形成さ
れた主電極面として構成されている。本実施形態におけ
るＩＧＢＴチップ２の等価回路は、例えば図２に示すよ
うにコレクタＣ、エミッタＥ、ゲートＧ、電流検出用端
子Ｉｓ、感温のためのダイオード端子であるアノードＡ
およびカソードＫからなる。本実施形態では、半導体素
子２の表面側（図１中上側）にエミッタ、ゲート、電流
検出用端子、アノードおよびカソードといった電極パタ
ーンが形成されており、裏面側（図１中下側）にはコレ
クタが形成されている。これら電極パターン上には、は
んだ付けのためにＴｉ等のバリヤメタルが電極パターン
に合わせて形成されている。

【００１３】図３は、半導体素子２の表面側に接合され
る絶縁基板３の接合面側を示している。図３に示すよう
に、絶縁基板３には、半導体素子２上のエミッタ電極、
ゲート電極等に対応するように、Ｃｕ等の導体がパター
ニングされ、電極部材４、５を形成しており、同様に半
導体素子２の裏面側に接合される絶縁基板３にはコレク
タ電極に対応する電極部材６が形成されている。半導体
素子２上の電極パターンおよび絶縁基板３上の電極部材
４〜６とは、はんだによって接合されている。

【００１４】以下、上記構成の圧接型半導体装置１の製
造方法を図４〜図６に基づいて説明する。図４は接合前
の半導体ウェハの平面図であり、図５（ａ）は接合前の
絶縁基板の平面図であり、図５（ｂ）は表面側の絶縁部
材３００の拡大図であり、図６は半導体装置１の製造工
程を示す工程図である。なお、図４、図５（ａ）では、
電極の図示を省略している。

【００１５】まず、複数の半導体素子２の電極パターン
が各チップ領域に形成された例えば４〜６インチの半導
体ウェハ２００（図４）と、ウェハ２００上の電極パタ
ーンに対応するように電極部材４〜６が各チップ領域に
対応するように配置された２枚の絶縁基板３００（図５
（ａ））を用意する（図６（ａ））。図４、図５（ａ）
に示すように、半導体ウェハ２００および絶縁基板３０
０には図中上下左右方向にスクライブライン（ダイシン
グライン）領域７が設定されている。

【００１６】表面側（図６中上側）に配置する絶縁基板
３００は、図３に示したパターンで電極部材４、５が形
成されており（図５（ｂ））、裏面側（図６中下側）に
配置する絶縁基板３００は、全面に電極部材６が形成さ
れている。図５（ｂ）において、表面側の絶縁基板３０
０では、複数の電極部材４はそれぞれ図中左隣の電極部
材５と図中上下方向のスクライブライン領域７で予め分
離して形成されている。絶縁基板３００上の電極部材４
〜６上には、予めはんだを印刷法等により形成してお
く。

【００１７】次に、半導体ウェハ２００に形成された電
極パターンおよび絶縁基板３００に形成された電極部材
４〜６の位置合わせを行い、半導体ウェハ２００と絶縁
基板３００を接合する（図６（ｂ））。半導体ウェハ２
００に形成された電極パターンおよび絶縁基板２００に
形成された電極部材４〜６の位置合わせは、半透明であ
るＡｌＮ基板３００の電極部材が形成されていない部分
から、半導体ウェハ２００に形成されているスクライブ
ライン領域７等を照明した状態で確認しながら行う。

【００１８】次に、水素リフロー又は窒素リフローを行
い、例えば３８０℃程度の温度で１５分間加熱し、はん
だ接合にて所定の接合領域を確保する。

【００１９】次に、半導体ウェハ２００と絶縁基板３０
０を、ブレード１１、１２、１３を用いて個々の半導体
装置１の大きさに切断する。まず、第１のスクライブに
より、表面側（図６中上側）および裏面側（図６中下
側）からブレード１１、１２により絶縁基板３００を切
断除去する（図６（ｃ））。第１スクライブで絶縁基板
３００を除去することにより、表面側では隣り合う半導
体装置１のエミッタ電極４やゲート電極５等を露出さ
せ、裏面側ではコレクタ電極６を露出させることにな
る。

【００２０】次に第２のスクライブを行い、半導体ウェ
ハ２００をブレード１３によってスクライブライン７に
従い半導体素子２の大きさに切断する（図６（ｄ））。
このとき、上記のように表面側では、各電極部材４はそ
れぞれ図中左隣の電極部材５と予め分離されているの
で、切断時のブレード１３の負担を軽減することができ
る。また、裏面側の電極部材６は半導体ウェハ２００と
同時にブレード１３によって切断される。なお、本実施
形態では、第２スクライブのみ、図４、図５中上下左右
方向の２方向に行うようにしている。

【００２１】以上の工程によって、複数の半導体装置１
を得ることができる。

【００２２】上記第１スクライブによって除去する絶縁
基板の幅は、外部電極を接続するために必要な幅であ
り、本実施形態では端から電極部材４〜６が０．２〜
０．３ｍｍ程度露出するように構成している。コクレタ
電極およびエミッタ電極には１００Ａ程度の電流を流す
ので、これらの電極にはＩＧＢＴ素子の１辺（１０ｍｍ
前後）を使用する。

【００２３】図７は本実施形態の外部電極に接続された
半導体装置１の概略構成を示す断面図であり、図８は図
７の半導体装置１を表面側からみた概略構成を示す平面
図である。外部電極８と電極部材４〜６との接合は、溶
接、溶着あるいははんだ付けによって行う。外部電極８
のうち、エミッタ電極とコレクタ電極に接続されるもの
はＩＧＢＴモジュール等の電極取り出し用のバスバー９
にネジ止め等にて固定する。このとき、これらの外部電
極８には、応力緩和のための曲げ部を形成し、ネジ止め
等の力が局部集中しないように構成されている。

【００２４】以上、本実施形態のように、圧接型半導体
装置１を製造する際に、ウェハの状態の半導体２００と
これに対応する絶縁基板３００とを接合し、その後個々
の半導体装置１の大きさに切断することにより、半導体
素子２の両側に接合された絶縁基板３の両端面の平行度
を容易に確保することが可能となる。これにより、絶縁
基板３の両端面が、ヒートシンク１０に密接した構造と
なり、ヒートシンク１０によって両側から圧接されても
機械的応力が局部に集中することなく、また、良好な熱
拡散性も確保される。

【００２５】（第２実施形態）次に本発明の第２実施形
態を図９〜図１１に基づいて説明する。本第２実施形態
は、上記第１実施形態と比較して圧接型半導体装置１の
電極の構成が異なるものである。第１実施形態と同様の
部分については同一の符号を付けてその説明を省略す
る。

【００２６】図９は本第２実施形態の圧接型半導体装置
１の概略構成を示す断面図を示しており、半導体装置１
は図９中右側にエミッタ電極等が、図９中左側にコレク
タ電極が突出するように構成されている。

【００２７】図１０は半導体素子１の表面側（図９中上
側）の絶縁基板３の接合面における電極配置側を示して
おり、絶縁基板３には、半導体素子２上のエミッタ電
極、ゲート電極に対応するように、Ｃｕ等の導体がパタ
ーニングされ、電極部材４、５を形成している。本第２
実施形態では感温のためのダイオード素子であるアノー
ドＡ等は省略されている。

【００２８】以下、図１１に基づいて第２実施形態の圧
接型半導体装置１の製造工程を説明する。

【００２９】上記第１実施形態と同様に、複数の半導体
素子２の電極パターンが各チップ領域に形成された例え
ば４〜６インチの半導体ウェハ２００と、ウェハ２００
上の電極パターンに対応するように電極部材４〜６が各
チップ領域に対応するように配置された２枚の絶縁基板
３００を用意し（図１１（ａ））、半導体ウェハ２００
および絶縁基板３００の位置合わせを行い、半導体ウェ
ハ２００と絶縁基板３００を接合する（図１１
（ｂ））。次に、水素リフロー又は窒素リフローを行
い、はんだ接合にて所定の接合領域を確保する。

【００３０】次に、半導体ウェハ２００と絶縁基板３０
０を、ブレード１１〜１４を用いて個々の半導体装置１
の大きさに切断する。まず、第１のスクライブにより、
表面側（図１１中上側）および裏面側（図１１中下側）
からブレード１１、１２により半導体ウェハ２００およ
び絶縁基板３００を個々の半導体装置１の大きさに切断
する（図１１（ｃ））。次に第２のスクライブを行い、
半導体ウェハ２００をブレード１３、１４によって表面
側および裏面側から絶縁基板３を切断除去し電極４〜６
を露出させる（図１１（ｄ））。

【００３１】以上の工程によって、複数の半導体装置１
を得ることができる。

【００３２】以上の第２実施形態の構成によっても上記
第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

【００３３】（他の実施形態）なお、本発明を適用した
圧接型半導体装置におけるエミッタ、コレクタ等の電極
の構成は、上記実施形態で説明したものに限られず、任
意に構成することができる。この場合、個々の半導体装
置に切断する工程におけるスクライブ方法も、電極の構
成に応じて適宜選択することができる。

【００３４】また、上記実施形態では、表面側の絶縁基
板３００は、各電極部材４がそれぞれ図５（ｂ）中左隣
の電極部材５とスクライブライン７で予め分離して形成
されるように構成したが、電極部材４と左隣の電極部材
５とが一体となるように形成して、上記切断工程（図６
（ｄ）、図１１（ｃ））で、ブレード１３により半導体
ウェハ２００と同時に切断するように構成してもよい。

【００３５】また、上記実施形態では、裏面側（図６中
下側）の絶縁基板３００には全面に電極部材６を形成す
るように構成したが、絶縁基板３００の全面ではなく各
チップの大きさに対応するように電極部材６を形成する
ように、すなわち、予めスクライブライン７にあたる部
分には電極部材６を形成しないように構成することで、
上記切断工程（図６（ｄ）、図１１（ｃ））においてブ
レード１３の負担を軽減することができる。

【００３６】また、上記実施形態では、絶縁基板として
窒化アルミニウム基板を用いたが、これに限らず、例え
ばＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）構造のシ
リコン基板を用いてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した第１実施形態の圧接型半導体
装置の概略構成を示す断面図である。

【図２】図１の半導体装置の回路図である。

【図３】図１の半導体装置の絶縁基板の平面図である。

【図４】接合前の半導体ウェハ平面図である。

【図５】接合前の絶縁基板の平面図である。

【図６】半導体装置の製造工程を示す工程図である。

【図７】半導体装置を外部電極に接続した状態を示す断
面図である。

【図８】半導体装置を外部電極に接続した状態を示す平
面図である。

【図９】第２実施形態の圧接型半導体装置の概略構成を
示す断面図である。

【図１０】図９の半導体装置の絶縁基板の平面図であ
る。

【図１１】第２実施形態の圧接型半導体装置の製造工程
を示す工程図である。

【符号の説明】

１…圧接型半導体装置、２…半導体素子、３…絶縁基
板、４〜６…電極部材、２００…半導体ウェハ、３００
…絶縁基板。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧接した状態で使用される圧接型半導体
   の製造方法であって、 複数の半導体素子（２）の電極パターンが表面に形成さ
   れた半導体ウェハ（２００）と、２枚の絶縁基板（３０
   ０）とを用意する工程と、 前記半導体ウェハ（２００）の両面に前記絶縁基板（３
   ００）を接合する工程と、 前記接合工程の後、前記半導体ウェハ（２００）と前記
   絶縁基板（３００）とを前記半導体素子単位に切断する
   工程とを備えることを特徴とする圧接型半導体装置の製
   造方法。
2. 【請求項２】 前記絶縁基板（３００）には、前記電極
   パターンに対応するように電極部材（４〜６）が形成さ
   れており、 前記接合工程において、前記電極パターンと前記電極部
   材との位置を合わせて、前記半導体ウェハ（２００）の
   両面に前記絶縁基板（３００）を接合することを特徴と
   する請求項１に記載の圧接型半導体装置の製造方法。