JP2001168492A

JP2001168492A - 半導体装置およびその製造方法

Info

Publication number: JP2001168492A
Application number: JP34788999A
Authority: JP
Inventors: Akira Tanaka; 明田中; Yutaka Ishiwatari; 裕石渡
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1999-12-07
Filing date: 1999-12-07
Publication date: 2001-06-22

Abstract

(57)【要約】【課題】温度サイクルによるハンダの疲労損傷の発生
を抑えた半導体装置を提供する。【解決手段】半導体素子５１が接合された絶縁基板５
３とベース基板５５とをハンダ１１により接合する際
に、ハンダ１１より熱膨張係数の高い金属柱１３を複数
設けることで、ハンダ加熱時に金属柱１３により絶縁基
板５３とベース基板５５との間を広げるようにして、溶
融したハンダを上方に持ち上げ、自重によるハンダの潰
れや流れを防止するとともに、端部形状が内側へ窪んだ
形状にしてハンダのひずみ集中を少なくした半導体装
置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置および
その製造方法に関し、特に、半導体素子が接合された絶
縁基板とベース基板とをハンダ層により接合した半導体
装置およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置には、一つのパッケージに半
導体素子を内蔵したモジュール型と称する半導体装置が
ある。このようなモジュール型半導体装置は、１つのパ
ッケージに複数の半導体素子を設けて、１パッケージ品
で様々な制御を行うことができたり、また大電流装置へ
の対応が可能となるなど、様々な分野で用いられてい
る。

【０００３】図１０は、従来のモジュール型半導体装置
を示す該略図である。

【０００４】このモジュール型半導体装置１０１は、図
１０（Ａ）に示すように、セラミックス基板６１の表裏
面に導電層６３および６５を接合した絶縁基板５３と、
熱伝導体のベース基板５５とを、ハンダ層１０３によっ
て接合したものである。絶縁基板５３の一方の導電層６
３側には、半導体素子５１が設けられており、他方の導
電層６５側がハンダ層１０３と接合されている。

【０００５】このような構造のモジュール型半導体装置
は、通常、ベース基板５５が、ヒートシンク（図示せ
ず）にボルトなどによって固定されることで、半導体素
子５１から発生する熱を逃がすようにしている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、モジュール
型半導体装置は、半導体素子がその動作に伴い発熱する
ため、動作時の発熱と動作終了時の冷却が繰り返され
る、いわゆる温度サイクルが発生する。

【０００７】このような温度サイクル下において、ハン
ダ層１０３は互いに線膨張係数の異なる絶縁基板５３と
ベース基板５５とを接合しているので、もっともダメー
ジを受けやすい部位となっている。特にハンダ層１０３
の端部形状は、製造過程において、絶縁基板５３などの
重さにより溶融時にベース基板５５側に流れ出す傾向が
あり、出来上がり形状が、図１０（Ｂ）に示すとおり、
ハンダ層１０３上下の端部に切り欠き部ができた形状と
なっている。そして、このような切り欠き部は、温度サ
イクルを受けたときに疲労損傷が発生する起因になり易
い。

【０００８】具体的には例えば、運転時の電流のオン・
オフに伴う発熱と冷却の繰り返しにより、モジュール型
半導体装置の各部材は、昇温と降温の温度サイクルを受
けて膨張と収縮を繰り返す。

【０００９】このような温度サイクル下で、各部材のう
ち、絶縁基板５３の基材である絶縁性セラミック基板６
１とベース基板５５とでは、例えばベース基板５５が銅
の場合、膨張の量と収縮の量とに約４倍の差が生じてい
る。

【００１０】このような大きな量の差をもつ膨張と収縮
は、繰り返しにより、絶縁基板５３とベース基板５５と
の間のハンダ層１０３の端部切り欠き部に疲労損傷を生
じさせる可能性がある。そして、ハンダ層１０３の疲労
損傷は、故障や障害の原因となるおそれがあり、装置の
信頼性を低下させてしまうという問題があった。

【００１１】本発明はかかる事情に鑑みてなされたもの
であり、その目的としては、温度サイクルによるハンダ
の疲労損傷の発生を抑えた半導体装置を提供することで
ある。また、他の目的としては、温度サイクルによるハ
ンダの疲労損傷の発生を抑えた半導体装置の製造方法を
提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、請求項１記載の本発明は、半導体素子が接合された
絶縁基板と、ベース基板とをハンダ層により接合した半
導体装置において、前記ハンダ層の端部がハンダ層内側
へ窪んでいることを要旨とする。

【００１３】請求項１記載の本発明にあっては、ハンダ
層の端部の形状をハンダ層内側へ窪ませて、温度サイク
ル下での疲労損傷の起因となり易い切り欠き形状をなく
したものである。

【００１４】上記課題を解決するため、請求項２記載の
本発明は、半導体素子が接合された絶縁基板と、ベース
基板とをハンダ層により接合した半導体装置の製造方法
において、前記絶縁基板と前記ベース基板との間に、ハ
ンダと熱によって膨脹する熱膨脹手段とを配置する工程
と、前記ハンダを加熱する工程と、を有することを要旨
とする。

【００１５】請求項２記載の本発明にあっては、ハンダ
加熱時に熱膨張手段が膨張して、絶縁基板とベース基板
との間を広げるように作用する。これにより、加熱によ
り溶融したハンダを上方に持ち上げ、自重によるハンダ
の潰れや流れを防止するとともに、端部での切り欠き部
の発生を減少させ、端部形状が内側へ窪んだ形状になる
ようにしている。

【００１６】請求項３記載の本発明は、請求項２記載の
発明において、前記熱膨脹手段が、前記ハンダより熱膨
張係数の高い金属であることを要旨とする。

【００１７】請求項３記載の本発明にあっては、ハンダ
より熱膨張係数の高い金属を用いることで、簡単な工程
で、ハンダ加熱時に絶縁基板とベース基板との間を広げ
る方向の力を作用させるようにしている。

【００１８】請求項４記載の本発明は、請求項３記載の
発明において、前記金属が、マグネシウム、亜鉛、およ
びこれらを含む合金よりなる群から選択された少なくと
も一つの金属であることを要旨とする。

【００１９】請求項４記載の本発明にあっては、マグネ
シウム、亜鉛、およびこれらを含む合金などは、ハンダ
よりも熱膨張係数が高い金属であり、これを用いること
で、ハンダ加熱時に絶縁基板とベース基板との間を広げ
る方向の力を作用させるようにしている。

【００２０】請求項５記載の本発明は、請求項２記載の
発明において、前記熱膨脹手段が、強化プラスチック複
合材料であることを要旨とする。

【００２１】請求項５記載の本発明にあっては、ハンダ
より熱膨張係数の強化プラスチック複合材料を用いるこ
とで、簡単な工程で、ハンダ加熱時に絶縁基板とベース
基板との間を広げる方向の力を作用させるようにしてい
る。

【００２２】請求項６記載の本発明は、請求項５記載の
発明において、前記複合材料が、一方向強化型またはク
ロス積層板の光ファイバー強化プラスチックであること
を要旨とする。

【００２３】請求項６記載の本発明にあっては、一方向
強化型またはクロス積層板の光ファイバー強化プラスチ
ックは、膨張する方向が一方向であるため、これを用い
ることで、ハンダ加熱時に絶縁基板とベース基板との間
を広げる方向にのみ力を作用させるようにしている。

【００２４】請求項７記載の本発明は、請求項２記載の
発明において、前記熱膨張手段が、形状記憶合金である
ことを要旨とする。

【００２５】請求項７記載の本発明にあっては、形状記
憶合金が設定温度で記憶した形状に戻ることを利用し
て、形状記憶合金がハンダ溶融温度で絶縁基板とベース
基板との間を広げる方向に形状変化するようにしてい
る。

【００２６】上記課題を解決するため、請求項８記載の
本発明は、半導体素子が接合された絶縁基板と、ベース
基板とをハンダ層により接合した半導体装置の製造方法
において、前記絶縁基板と前記ベース基板との間にハン
ダを配置する工程と、前記ハンダの周囲にハンダ側に凸
となったＲ形状の型枠を設ける工程と、前記ハンダを加
熱する工程と、を有することを要旨とする。

【００２７】請求項８記載の本発明にあっては、ハンダ
側に凸となったＲ形状の型枠を設けてハンダを加熱する
ことで、ハンダ端部の形状が内側へ窪んだものとなるよ
うにしている。

【００２８】上記課題を解決するため、請求項９記載の
本発明は、半導体素子が接合された絶縁基板と、ベース
基板とをハンダ層により接合した半導体装置の製造方法
において、前記絶縁基板と前記ベース基板との間にハン
ダを配置する工程と、前記ハンダの周囲にガスを吹き付
けつつ、前記ハンダを加熱する工程と、を有することを
要旨とする。

【００２９】請求項９記載の本発明にあっては、ハンダ
にガスを吹き付けつつ加熱することで、ガスの風圧によ
って、ハンダが溶融したときに外側へ流れるのを防止
し、かつ、形状が内側へ窪むようにしている。

【００３０】請求項１０記載の本発明は、請求項９記載
の発明において、前記ガスが、ドライエアー、窒素ガス
または不活性ガスであることを有することを要旨とす
る。

【００３１】請求項１０記載の本発明にあっては、吹き
付けるガスにドライエアー、窒素ガスまたは不活性ガス
を用いることで、溶融したハンダ内に不要な水分や不純
が混入するのを防止するようにしている。また、窒素ガ
スまたは不活性ガスを用いることで、ハンダの濡れ性を
改善するようにしている。

【００３２】上記課題を解決するため、請求項１１記載
の本発明は、半導体素子が接合された絶縁基板と、ベー
ス基板とをハンダ層により接合した半導体装置の製造方
法において、前記絶縁基板と前記ベース基板との間にハ
ンダを配置する工程と、前記絶縁基板と前記ベース基板
との間を広げる方向に力を加えつつ、前記ハンダを加熱
する工程と、を有することを要旨とする。

【００３３】請求項１１記載の本発明にあっては、絶縁
基板とベース基板との間を広げる方向に力を加えつつ、
ハンダを加熱することで、加熱により溶融したハンダを
上方に持ち上げ、自重によるハンダの潰れや流れを防止
するとともに、端部での切り欠き形状の発生を減少さ
せ、端部形状が内側へ窪んだ形状になるようにしてい
る。

【００３４】請求項１２記載の本発明は、請求項１１記
載の発明において、前記絶縁基板と前記ベース基板との
間を広げる方向に力を加えつつ、前記ハンダを加熱する
工程が、徐々に厚さが厚くなるように形成されたレール
を前記絶縁基板と前記ベース基板との間に入れて、該レ
ールの薄い方から厚い方へ前記絶縁基板と前記ベース基
板とを移動させながら前記ハンダを加熱する工程である
ことを要旨とする。

【００３５】請求項１２記載の本発明にあっては、徐々
に厚くなったレールを前記絶縁基板と前記ベース基板と
の間に入れて、該レールの薄い方から厚い方へ前記絶縁
基板と前記ベース基板とを移動させながら前記ハンダを
加熱することで、絶縁基板とベース基板の間を広げる方
向に力を加えながら、ハンダを加熱して、加熱により溶
融したハンダを上方に持ち上げ、自重によるハンダの潰
れや流れを防止するとともに、端部での切り欠き部の発
生を減少させ、端部形状が内側へ窪んだ形状になるよう
にしている。

【００３６】上記課題を解決するため、請求項１３記載
の本発明は、半導体素子が接合された絶縁基板と、ベー
ス基板とをハンダ層により接合した半導体装置の製造方
法において、前記絶縁基板と前記ベース基板との間にハ
ンダを配置する工程と、前記ハンダを加熱する工程と、
前記ハンダが凝固した後、前記ハンダの端部を内側に窪
んだＲ形状に切削する工程と、を有することを要旨とす
る半導体装置の製造方法。

【００３７】請求項１３記載の本発明にあっては、ハン
ダ端部を内側に窪んだＲ形状に切削することで、疲労損
傷などの起因となる切り欠き部を削ぎ落とし、ハンダ端
部の形状が内側へ窪んだ形状になるようにしている。

【００３８】上記課題を解決するため、請求項１４記載
の本発明は、半導体素子が接合された絶縁基板と、ベー
ス基板とをハンダ層により接合した半導体装置の製造方
法において、前記絶縁基板と前記ハンダ層と接する面側
に溝が形成された前記ベース基板との間に、ハンダを配
置する工程と、前記ハンダを加熱する工程と、を有する
ことを要旨とする。

【００３９】請求項１４記載の本発明にあっては、ベー
ス基板のハンダ層と接する面側に溝を形成したことで、
ハンダ加熱時にこの溝に溶融したハンダが入り込むこと
でハンダの流れを防止するようにしている。

【００４０】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る半導体装置
を、例えばモジュール型半導体装置に適用した実施の形
態を添付した図面を参照して説明する。なお、各図にお
いて、従来技術で用いられている部材と同じ部材には同
一の符号を付した。

【００４１】（第１の実施の形態）図１は、本発明を適
用した第１の実施の形態に係るモジュール型半導体装置
を示す概略図で、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は
（Ａ）におけるＩ−Ｉ線に沿う断面図であり、（Ｃ）は
（Ｂ）中の点線で示す円内の部分拡大図である。

【００４２】まず、このモジュール型半導体装置の構造
を説明する。

【００４３】モジュール型半導体装置１は、半導体素子
５１が設けらている絶縁基板５３と、熱伝導体であるベ
ース基板５５がハンダ層１１により接合されている。

【００４４】絶縁基板５３は、絶縁性セラミックス板６
１と、その表裏面に形成された導電層６３、６５よりな
る。一方の導電層６３側には、ハンダにより半導体素子
５１が接合されており、他方の導電層６５側がハンダ層
１１によりベース基板５５と接合されている。

【００４５】そして、ハンダ層１１端部の形状が、図１
Ｃに示す通り、ハンダ層内側へ窪んだ形状となってい
る。

【００４６】なお、このようなハンダ形状を形成させる
ため、本第１の実施の形態では、製造時に、絶縁基板５
３とベース基板５５間のハンダ層１１周辺に複数の柱１
３を設けている。柱１３の役割については後述する。

【００４７】本第１の実施の形態におけるモジュール型
半導体装置の作用、効果を説明する。

【００４８】ハンダ層１１の端部形状を内側へ窪んだ形
状にしているので、温度サイクルによるハンダ端部での
ひずみ集中を軽減することできる。したがって、疲労損
傷を防止し、信頼性を向上させることができる。

【００４９】次に、本第１の実施の形態におけるモジュ
ール型半導体装置の製造方法の一例を説明する。

【００５０】まず、ベース基板５５上の所定位置にハン
ダ層１１となるシート状ハンダを配置すると共に、図１
Ａのごとく、ハンダ層１１の周辺に、熱膨張手段である
複数の柱１３を配置する。

【００５１】この柱１３は、加熱により膨脹するもの
で、ここではシート状ハンダよりも熱膨張係数が高い金
属を用いている。用いる金属としては、例えばマグネシ
ウム、亜鉛、およびこれらを含む合金などが好ましい。

【００５２】シート状ハンダと柱１３を配置後、その上
に予め半導体素子５１が設けられている絶縁基板５３を
載せる。

【００５３】その後、ハンダを加熱して、絶縁基板５３
とベース基板５５を接合する。これにより図１に示した
ようにハンダ端部の形状が内側へ窪んだ形状となる。

【００５４】なお、柱１３は、製造時に必要なだけであ
るので、モジュール型半導体装置完成後は取り外しても
よい。

【００５５】次に本第１の実施の形態における製造方法
の作用効果を説明する。

【００５６】本第１の実施の形態では、ハンダを加熱し
たとき、柱１３の熱膨張係数がハンダよりも高いため、
絶縁基板５３とベース基板５５の間を広げる方向に力が
作用する。これにより、ハンダ全体が上方に持ち上げら
れながらな溶融することになり、ハンダの自重によるベ
ース基板５５面でのハンダの流れが防止されると共に、
端部の形状が内側へ窪んだ形状になる。

【００５７】したがって、製造工程において、シート状
ハンダの周辺に、熱膨脹係数の高い金属の柱を設けるこ
とで、ハンダ端部でのひずみ集中を軽減し、疲労損傷を
防止して信頼性を向上させた半導体装置を製造すること
ができる。

【００５８】なお、本第１の実施の形態では、熱膨張手
段としてハンダより熱膨張係数の高い金属を用いたが、
これに代えて、ハンダよりも熱膨張係数の高い強化プラ
スチック複合材料を用いてもよい。複合材料としては、
例えば一方向強化材の光ファイバー強化プラスチック
（ＧＦＲＰ：ＧｌａｓｓＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒ
ｃｅｄＰｌａｓｔｉｃ）、またはクロス積層板のＧＦ
ＲＰが好ましい。これは一方向強化材のＧＦＲＰを用い
れば熱膨張の伸びを積層方向のみに限定することが可能
となり、また、クロス積層板のＧＦＲＰを用いることに
より、熱膨張の伸びを積層方向に増幅することが可能と
なるため、より精度の高い製造が可能となる。

【００５９】（第２の実施の形態）第２の実施の形態
は、モジュール型半導体装置の製造において、熱膨張手
段として板状の金属を用いたものである。なお、本第２
の実施の形態は、第１の実施の形態と製造方法が異なる
のみで、基本的な装置構成は第１の実施の形態と同様で
あるので、その説明は省略する。

【００６０】図２は第２の実施の形態に係るモジュール
型半導体装置を示す概略図で、（Ａ）は平面図であり、
（Ｂ）は（Ａ）におけるII−II線に沿う断面図であり、
（Ｃ）は（Ｂ）中の点線で示す円内の部分拡大図であ
る。

【００６１】第２の実施の形態に係るモジュール型半導
体装置２の製造方法について説明する。

【００６２】まず、ベース基板５５上にシート状ハンダ
を配置すると共に、このシート状ハンダを挟むように板
状の金属１５を配置する。その上に絶縁基板５３を載せ
る。そして、ハンダを加熱して、ベース基板５５と絶縁
基板５３をハンダ層１１により接合する。

【００６３】板状の金属１５はハンダより熱膨張係数の
高い金属であり、前述の第１の実施の形態同様に、例え
ばマグネシウムや亜鉛およびこれらを含む合金などが好
ましい。

【００６４】これにより、第１の実施の形態同様に、ハ
ンダ層１１の端部形状が内側へ窪んだ形状となる。

【００６５】なお、用いた板状の金属１５は、モジュー
ル型半導体装置完成後取り外してもよい。

【００６６】次に、本第２の実施の形態における作用効
果を説明する。

【００６７】本第２の実施の形態は、上記の通り、製造
時に板状の金属１５を使用しているため、ハンダ加熱時
には板の金属１５全体が熱膨張して、全体的に、かつ均
一に絶縁基板５３とベース基板５５の間を広げる方向に
力が作用する。これにより、ハンダ全体が均等に上方に
持ち上げられながらな溶融することになる。また、板状
としたことで、複数の柱を用いた場合より配置が容易に
なる。

【００６８】これにより、出来上がったモジュール型半
導体装置は、第１の実施の形態と同様に、温度サイクル
によるハンダのひずみ集中を軽減することができるた
め、疲労損傷が少なくなり、信頼性が向上したものとな
る。

【００６９】（第３の実施の形態）第３の実施の形態
は、モジュール型半導体装置の製造において、熱膨張手
段として形状記憶合金を用いたものである。なお、本第
３の実施の形態は、第１の実施の形態と製造方法が異な
るのみで、基本的な装置構成は第１の実施の形態と同様
であるので、その説明は省略する。

【００７０】図３は第３の実施の形態に係るモジュール
型半導体装置の製造方法を説明するための概略図であ
る。

【００７１】第３の実施の形態に係るモジュール型半導
体装置の製造方法について説明する。

【００７２】まず、図３（Ａ）に示すように、ベース基
板５５上にシート状ハンダ１１ａを配置すると共に、予
めハンダ溶融温度で反り返った形状となるように形状が
記憶された形状記憶合金１７を、平らな状態にして配置
する。その上に絶縁基板５３を載せる。

【００７３】そして、ハンダ１１ａを加熱して、ベース
基板５５と絶縁基板５３をハンダ層１１により接合す
る。このとき、図３（Ｂ）に示すように、形状記憶合金
１７が反り返ってハンダを上方に持ち上げ、ハンダ層１
１の端部形状を内側に窪んだ形状にする。

【００７４】これにより、第１の実施の形態同様に、ハ
ンダ層１１の端部形状を内側へ窪んだ形状となるように
している。

【００７５】次に、本第３の実施の形態における作用効
果を説明する。

【００７６】形状記憶合金１７は、設定された温度以上
に加熱することで、金属結晶が変態して、予め記憶され
た形状になるものである。この形状記憶合金１１に、予
めハンダ溶融温度で、ある曲率を持った反り形状となる
ように形状を記憶しておき、これをハンダ１１ａと共
に、その周辺に配置するときには平坦形状として配置す
ることで、ハンダ１１ａを加熱したときには反った形状
となる。これによりハンダ１１ａを上方に持ち上げ、ハ
ンダ端部形状を内側に窪んだ形状にする。

【００７７】しかも、形状記憶合金１７は、形状を任意
に記憶させることができるため、ハンダ端部の形状を精
度よく制御することが可能となる。

【００７８】これにより、出来上がったモジュール型半
導体装置は、第１の実施の形態と同様に、温度サイクル
によるハンダのひずみ集中を軽減することができるた
め、疲労損傷が少なくなり、信頼性が向上したものとな
る。

【００７９】（第４の実施の形態）第４の実施の形態
は、モジュール型半導体装置の製造において、凸状のＲ
形状の型枠を設けてハンダ端部の形状を内側へ窪むよう
にしたものである。

【００８０】なお、本第４の実施の形態は、第１の実施
の形態と製造方法が異なるのみで、基本的な装置構成は
第１の実施の形態と同様であるので、その説明は省略す
る。

【００８１】図４は第４の実施の形態に係るモジュール
型半導体装置製造方法を説明するための要部拡大図であ
る。

【００８２】第４の実施の形態に係るモジュール型半導
体装置の製造方法について説明する。

【００８３】まず、図４（Ａ）に示すように、ベース基
板５５上にシート状ハンダ１１ａを配置すると共に、そ
の周囲を取り囲む型枠２１を配置する。その上に絶縁基
板５３を載せる。そして、ハンダ１１ａを加熱して、ベ
ース基板５５と絶縁基板５３を接合する。ハンダが凝固
した後、型枠２１を取り外すと、図４（Ｂ）に示すよう
に、ハンダ層１１の端部形状が内側へ窪んだ形状とな
る。

【００８４】次に、本第４の実施の形態における作用効
果を説明する。

【００８５】本実施の形態では、ハンダを取り囲むよう
に凸状のＲ形状の型枠２１を設けたため、ハンダ１１ａ
を加熱したときに、ハンダ１１ａはこの型枠２１によっ
て形状が規定される。したがって、ハンダ端部は内側に
窪んだ形状となる。また、型枠のために、ハンダ溶融時
にハンダが流れたりすることがないため、切り欠き部の
発生を防止する。

【００８６】これにより、出来上がったモジュール型半
導体装置は、第１の実施の形態と同様に、温度サイクル
によるハンダのひずみ集中を軽減することができるた
め、疲労損傷が少なくなり、信頼性が向上したものとな
る。

【００８７】（第５の実施の形態）第５の実施の形態
は、モジュール型半導体装置の製造において、ハンダの
側部へガスを吹き付けつつ加熱することによりハンダ端
部の形状を内側へ窪むようにしたものである。なお、本
第５の実施の形態は、第１の実施の形態と製造方法が異
なるのみで、基本的な装置構成は第１の実施の形態と同
様であるので、その説明は省略する。

【００８８】図５は第５の実施の形態に係るモジュール
型半導体装置の製造方法を説明するための要部拡大図で
ある。

【００８９】第５の実施の形態に係るモジュール型半導
体装置の製造方法について説明する。

【００９０】まず、ベース基板５５上にシート状ハンダ
１１ａを配置する。その上に絶縁基板５３を載せる。そ
して、ハンダ１１ａの側部、すなわち、ベース基板５５
と絶縁基板５３の間に向けてガス２３を吹き付けつつ、
ハンダを加熱する。これにより、ハンダ層の端部形状が
内側へ窪んだ形状となる。

【００９１】次に本第５の実施の形態における製造方法
の作用効果を説明する。

【００９２】本実施の形態では、ハンダ１１ａを加熱す
る際に、ハンダ１１ａの側部へガス２３を吹き付けるこ
とで、ハンダ１１ａが溶融したときにガス２３の圧力で
ハンダ流れを防止し、内側へ窪むようにしたものであ
る。したがって、ハンダ１１ａが凝固してハンダ層が形
成された段階では、端部が内側に窪んだ形状となる。

【００９３】これにより、出来上がったモジュール型半
導体装置は、第１の実施の形態と同様に、温度サイクル
によるハンダのひずみ集中を軽減することができるた
め、疲労損傷が少なくなり、信頼性が向上したものとな
る。

【００９４】なお、吹き付けるガスとしては、例えば水
分を含まないドライエアー、窒素ガス、またはヘリウム
に代表される不活性ガスなどが好ましい。これは、水分
や不純物を含まないため、溶融しているハンダに吹き付
けたとしても、ハンダ内に水分や不純物が混入すること
がないためである。また、窒素ガスやヘリウムは、ハン
ダの濡れ性を改善する効果があり特に好ましい。

【００９５】（第６の実施の形態）第６の実施の形態
は、モジュール型半導体装置の製造において、厚さが徐
々に厚くなるレールに沿わせて移動させつつハンダを加
熱することで、ハンダ端部の形状を内側へ窪むようにし
たものである。なお、本第６の実施の形態は、第１の実
施の形態と製造方法が異なるのみで、基本的な装置構成
は第１の実施の形態と同様であるので、その説明は省略
する。

【００９６】図６および図７は第６の実施の形態に係る
モジュール型半導体装置の製造方法を説明するための図
面である。なお、図６（Ａ）は平面図であり、図６
（Ｂ）は図６（Ａ）中の矢印III方向から見た側面図で
ある。

【００９７】本第６の実施の形態に係るモジュール型半
導体装置の製造方法を説明する。

【００９８】まず、図６に示すように、ベース基板５５
上にシート状ハンダを配置し、その上に絶縁基板５３を
載せる。そして、このベース基板５５と絶縁基板５３の
間に、ハンダ溶融時にハンダがわずかに上方に伸びるよ
うに、その厚さが徐々に変化して形成されたレール３１
をセットする。

【００９９】そして、図７に示すように、ベース基板５
５と絶縁基板５３をレール３１に沿ってベルトコンベア
３５などの移動機械により移動させ、ヒータ３３内を通
過させて、ハンダを加熱し、ベース基板５５と絶縁基板
５３を接合する。

【０１００】ここで、レール３１は、ベース基板５５と
絶縁基板５３をレール３１に沿って移動させたときに、
その厚さが徐々に厚くなるような形状としている。

【０１０１】次に本第６の実施の形態における作用効果
を説明する。

【０１０２】本第６の実施の形態では、ヒータ３３内を
通過するとき、レール３１が徐々に厚くなっているた
め、ベース基板５５と絶縁基板５３の間が引き離され
る。そのためハンダが上に持ち上げられて、ハンダ溶融
時における自重によるハンダ流れを防止する。

【０１０３】また、本第６の実施の形態では、レール３
１を挟んで、ベース基板５５とハンダと絶縁基板５３を
組み合わせたものを移動しているだけなので、ハンダに
よるベース基板５５と絶縁基板５３の接合を連続的に行
うことが可能となる。したがって、多数のモジュール型
半導体装置を製造する際に量産効果が高い。

【０１０４】そして、これにより出来上がったモジュー
ル型半導体装置は、第１の実施の形態と同様に、温度サ
イクルによるハンダのひずみ集中を軽減することができ
るため、疲労損傷が少なくなり、信頼性が向上したもの
となる。

【０１０５】（第７の実施の形態）第７の実施の形態
は、モジュール型半導体装置の製造において、絶縁基板
とベース基板をハンダ層によって接合した後、ハンダ層
の端部を内側へ窪んだＲ形状に切削するものである。な
お、本第７の実施の形態は、第１の実施の形態と製造方
法が異なるのみで、基本的な装置構成は第１の実施の形
態と同様であるので、その説明は省略する。

【０１０６】図８は第７の実施の形態に係るモジュール
型半導体装置の製造方法を説明するための要部拡大図で
ある。

【０１０７】本第７の実施の形態に係るモジュール型半
導体装置の製造方法を説明する。

【０１０８】まず、通常の方法でモジュール型半導体装
置を製造する。そして、出来上がったモジュール型半導
体装置のハンダ層１１の端部を、Ｒ状の凸型切削治具に
より削り、図８に示すように、ハンダ層１１の端部を切
り欠き部のない内側へ窪んだＲ形状にする。

【０１０９】次に本第７の実施の形態における作用効果
を説明する。

【０１１０】ハンダ層１１の端部を削り取ることで、ハ
ンダ層１１の端部は、切り欠き部の少ない内側へ窪んだ
形状になる。

【０１１１】これにより出来上がったモジュール型半導
体装置は、第１の実施の形態と同様に、温度サイクルに
よるハンダのひずみ集中を軽減することができるため、
疲労損傷が少なくなり、信頼性が向上したものとなる。

【０１１２】（第８の実施の形態）第８の実施の形態
は、モジュール型半導体装置の製造において、ベース基
板に溝を設けて、ハンダ溶融時にハンダの流れを防止し
たものである。なお、本第８の実施の形態は、第１の実
施の形態と製造方法が異なるのみで、基本的な装置構成
は第１の実施の形態と同様であるので、その説明は省略
する。

【０１１３】図９は第８の実施の形態に係るモジュール
型半導体装置の製造方法を説明するための概略図で、
（Ａ）は断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）中の点線で囲ん
だ円部分の拡大図である。

【０１１４】本第８の実施の形態に係るモジュール型半
導体装置の製造方法を説明する。

【０１１５】まず、図９（Ａ）に示すように、ハンダ層
１１と接する面に溝４１を設けたベース基板４３を用意
する。そして、このベース基板４３上にシート状ハンダ
を載せ、さらに絶縁基板５３を載せて、ハンダを加熱し
て絶縁基板５３とベース基板２５とを接合する。

【０１１６】次に本第８の実施の形態における製造方法
の作用効果を説明する。

【０１１７】本第８の実施の形態では、ハンダ層１１と
接する面に溝４１を設けたベース基板４３を用いたこと
で、ハンダが溶融したときには、図９Ｂに示すように、
この溝４１にハンダが入り込むため、ハンダがベース基
板に沿って流れ出たり、自重により広がるのを防止する
ことができる。また、この溝４１へハンダが入り込む
分、図９Ｂに示した通り、ハンダ層１１の端部が窪むこ
とになる。

【０１１８】これにより出来上がったモジュール型半導
体装置は、第１の実施の形態と同様に、温度サイクルに
よるハンダのひずみ集中を軽減することができるため、
疲労損傷が少なくなり、信頼性が向上したものとなる。

【０１１９】

【発明の効果】以上説明した本発明によれば、請求項ご
とに以下のような効果を奏する。

【０１２０】請求項１記載の本発明によれば、溶融時の
ハンダ端部形状を切り欠き部の少ないハンダ層内側へ窪
んだ形状としたので、ハンダ層の端部に発生するひずみ
集中を軽減し、温度サイクルによるハンダの疲労損傷を
防止して、信頼性を向上することができる。

【０１２１】請求項２記載の本発明によれば、絶縁基板
とベース基板との間に、ハンダと共に熱によって膨脹す
る熱膨脹手段を配置したので、ハンダ加熱時に熱膨張手
段が膨張して、絶縁基板とベース基板との間を広げるよ
うに作用し、これにより溶融したハンダを上方に持ち上
げ、自重によるハンダの潰れや流れを防止するととも
に、端部での切り欠き部の発生を減少させ、端部が内側
へ窪んだ形状にすることができる。したがって、これに
より得られる半導体装置は、温度サイクルによるハンダ
の疲労損傷の発生が抑えられ、信頼性が向上する。

【０１２２】請求項３記載の本発明によれば、熱膨脹手
段をハンダより熱膨張係数の高い金属としたので、請求
項２記載の発明による効果に加えて、簡単な工程で、ハ
ンダ加熱時に絶縁基板とベース基板との間を広げて、溶
融したハンダを上方に持ち上げ、自重によるハンダの潰
れや流れを防止することができる。

【０１２３】請求項４記載の本発明によれば、熱膨脹手
段として用いる金属をマグネシウム、亜鉛、およびこれ
らを含む合金よりなる群から選択された少なくとも一つ
としたので、請求項３記載の発明による効果に加えて、
比較的安いコストで、ハンダ端部での切り欠き部の発生
を減少させ、端部が内側へ窪んだ形状の半導体装置を得
ることができる。

【０１２４】請求項５記載の本発明によれば、熱膨脹手
段をハンダより熱膨張係数の高い強化プラスチック複合
材料としたので、請求項２記載の発明による効果に加え
て、簡単な工程で、ハンダ加熱時に絶縁基板とベース基
板との間を広げて、溶融したハンダを上方に持ち上げ、
自重によるハンダの潰れや流れを防止することができ
る。

【０１２５】請求項６記載の本発明によれば、強化プラ
スチック複合材料として一方向強化型またはクロス積層
板の光ファイバー強化プラスチックを用いたので、請求
項５記載の発明による効果に加えて、一方向強化型また
はクロス積層板の光ファイバー強化プラスチックは膨張
する方向が一方向であるため、ハンダ加熱時に絶縁基板
とベース基板との間を広げる方向にのみ作用させて、効
果的にハンダの流れなどを防止することができる。

【０１２６】請求項７記載の本発明によれば、熱膨脹手
段を形状記憶合金にしたので、請求項２記載の発明によ
る効果に加えて、精度よくハンダ端部の形状を制御する
ことができる。

【０１２７】請求項８記載の本発明によれば、ハンダ側
に凸となったＲ形状の型枠を設けてハンダを加熱するこ
ととしたので、型枠により溶融したハンダの潰れや流れ
を防止するとともに、端部での切り欠き部の発生を減少
させ、型枠の形状から端部形状を内側へ窪んだ形にする
ことができる。したがって、これにより得られる半導体
装置は、温度サイクルによるハンダの疲労損傷の発生が
抑えられ、信頼性が向上する。

【０１２８】請求項９記載の本発明によれば、ハンダの
周囲ガスを吹き付けつつ、ハンダを加熱することとした
ので、ガスの吹き付けにより、ハンダ端部の形状を内側
に窪ませることができる。したがって、これにより得ら
れる半導体装置は、温度サイクルによるハンダの疲労損
傷の発生が抑えられ、信頼性が向上する。

【０１２９】請求項１０記載の本発明によれば、ハンダ
端部に吹き付けるガスをドライエアー、窒素ガスまたは
不活性ガスとしたので、請求項９記載の発明による効果
に加えて、ガスの吹き付けによるハンダ内への水分や不
純物の混入を防止することができる。また、窒素ガスま
たは不活性ガスを用いることで、ハンダの濡れ性を改善
することができる。

【０１３０】請求項１１記載の本発明によれば、絶縁基
板とベース基板との間を広げる方向に力を加えつつ、ハ
ンダを加熱することとしたので、絶縁基板とベース基板
との間を広げるようにすることで、溶融したハンダを上
方に持ち上げ、自重によるハンダの潰れや流れを防止す
るとともに、端部での切り欠き部の発生を減少させ、端
部が内側へ窪んだ形状にすることができる。したがっ
て、これにより得られる半導体装置は、温度サイクルに
よるハンダの疲労損傷の発生が抑えられ、信頼性が向上
する。

【０１３１】請求項１２記載の本発明によれば、絶縁基
板とベース基板との間を広げる方向に力を加えるため
に、徐々に厚くなったレールを絶縁基板とベース基板と
の間に入れて、レールの薄い方から厚い方へ絶縁基板と
前記ベース基板とを移動させながらハンダを加熱するこ
ととしたので、請求項１１記載の発明による効果に加え
て、連続的に半導体装置を製造することが可能となる。

【０１３２】請求項１３記載の本発明によれば、ハンダ
が凝固した後、ハンダの端部を内側に窪んだＲ形状に切
削することとしたので、ハンダ端部の切り欠き部を除去
し、ハンダ端部の形状を内側へ窪んだ形にすることがで
きる。したがって、これにより得られる半導体装置は、
温度サイクルによるハンダの疲労損傷の発生が抑えら
れ、信頼性が向上する。

【０１３３】請求項１４記載の本発明によれば、ハンダ
層と接する面側に溝が形成されたベース基板を用いたの
で、ハンダ加熱時にこの溝に溶融したハンダが入り込む
ことでハンダの流れを防止し、ハンダ端部の形状を内側
へ窪んだ形にすることができる。したがって、これによ
り得られる半導体装置は、温度サイクルによるハンダの
疲労損傷の発生が抑えられ、信頼性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した第１の実施の形態に係る半導
体装置を示す概略図である。

【図２】本発明を適用した第２の実施の形態に係る半導
体装置を示す概略図である。

【図３】本発明を適用した第３の実施の形態に係る半導
体装置の製造方法を説明するための概略図である。

【図４】本発明を適用した第４の実施の形態に係る半導
体装置の製造方法を説明するための要部拡大図である。

【図５】本発明を適用した第５の実施の形態に係る半導
体装置の製造方法を説明するための要部拡大図である。

【図６】本発明を適用した第６の実施の形態に係る半導
体装置の製造方法を説明するための図面である。

【図７】本発明を適用した第６の実施の形態に係る半導
体装置の製造方法を説明するための図面である。

【図８】本発明を適用した第７の実施の形態に係る半導
体装置の製造方法を説明するための要部拡大図である。

【図９】本発明を適用した第８の実施の形態に係る半導
体装置の製造方法を説明するための概略図である。

【図１０】本発明を適用した従来のモジュール型半導体
の概略図である。

【符号の説明】

１，２半導体装置１１ハンダ層１１ａハンダ１２柱１５板１７形状記憶合金製板２１型枠２３ガス３１レール３３ヒータ３５ベルトコンベア４１溝４３溝を設けたベース基板５１半導体素子５３絶縁基板５５ベース基板６１絶縁性セラミック６３、６５導電層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体素子が接合された絶縁基板と、ベ
ース基板とをハンダ層により接合した半導体装置におい
て、前記ハンダ層の端部がハンダ層内側へ窪んでいることを
特徴とする半導体装置。
【請求項２】半導体素子が接合された絶縁基板と、ベ
ース基板とをハンダ層により接合した半導体装置の製造
方法において、前記絶縁基板と前記ベース基板との間に、ハンダと熱に
よって膨脹する熱膨脹手段とを配置する工程と、前記ハンダを加熱する工程と、を有することを特徴とす
る半導体装置の製造方法。
【請求項３】前記熱膨脹手段は、前記ハンダより熱膨
張係数の高い金属であることを特徴とする請求項２記載
の半導体装置の製造方法。
【請求項４】前記金属は、マグネシウム、亜鉛、およ
びこれらを含む合金よりなる群から選択された少なくと
も一つの金属であることを特徴とする請求項３記載の半
導体装置の製造方法。
【請求項５】前記熱膨脹手段は、強化プラスチック複
合材料であることを特徴とする請求項２記載の半導体装
置の製造方法。
【請求項６】前記複合材料は、一方向強化型またはク
ロス積層板の光ファイバー強化プラスチックであること
を特徴とする請求項５記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】前記熱膨張手段は、形状記憶合金である
ことを特徴とする請求項２記載の半導体装置の製造方
法。
【請求項８】半導体素子が接合された絶縁基板と、ベ
ース基板とをハンダ層により接合した半導体装置の製造
方法において、前記絶縁基板と前記ベース基板との間にハンダを配置す
る工程と、前記ハンダの周囲にハンダ側に凸となったＲ形状の型枠
を設ける工程と、前記ハンダを加熱する工程と、を有することを特徴とす
る半導体装置の製造方法。
【請求項９】半導体素子が接合された絶縁基板と、ベ
ース基板とをハンダ層により接合した半導体装置の製造
方法において、前記絶縁基板と前記ベース基板との間にハンダを配置す
る工程と、前記ハンダの周囲にガスを吹き付けつつ、前記ハンダを
加熱する工程と、を有することを特徴とする半導体装置
の製造方法。
【請求項１０】前記ガスは、ドライエアー、窒素ガス
または不活性ガスであることを有することを特徴とする
請求項９記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】半導体素子が接合された絶縁基板と、
ベース基板とをハンダ層により接合した半導体装置の製
造方法において、前記絶縁基板と前記ベース基板との間にハンダを配置す
る工程と、前記絶縁基板と前記ベース基板との間を広げる方向に力
を加えつつ、前記ハンダを加熱する工程と、を有するこ
とを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１２】前記絶縁基板と前記ベース基板との間
を広げる方向に力を加えつつ、前記ハンダを加熱する工
程は、徐々に厚さが厚くなるように形成されたレールを
前記絶縁基板と前記ベース基板との間に入れて、該レー
ルの薄い方から厚い方へ前記絶縁基板と前記ベース基板
とを移動させながら前記ハンダを加熱する工程であるこ
とを特徴とする請求項１１記載の半導体装置の製造方
法。
【請求項１３】半導体素子が接合された絶縁基板と、
ベース基板とをハンダ層により接合した半導体装置の製
造方法において、前記絶縁基板と前記ベース基板との間にハンダを配置す
る工程と、前記ハンダを加熱する工程と、前記ハンダが凝固した後、前記ハンダの端部を内側に窪
んだＲ形状に切削する工程と、を有することを特徴とす
る半導体装置の製造方法。
【請求項１４】半導体素子が接合された絶縁基板と、
ベース基板とをハンダ層により接合した半導体装置の製
造方法において、前記絶縁基板と前記ハンダ層と接する面側に溝が形成さ
れたベース基板との間に、ハンダを配置する工程と、前記ハンダを加熱する工程と、を有することを特徴とす
る半導体装置の製造方法。