JP2003151998A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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JP2003151998A
JP2003151998A JP2001351522A JP2001351522A JP2003151998A JP 2003151998 A JP2003151998 A JP 2003151998A JP 2001351522 A JP2001351522 A JP 2001351522A JP 2001351522 A JP2001351522 A JP 2001351522A JP 2003151998 A JP2003151998 A JP 2003151998A
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和仁 野村
Zenji Sakamoto
善次 坂本
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平井  康義
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体装置の製造方法において、半導体チッ
プの発熱領域の真下における中央部にボイドが発生する
ことを抑制した接合方法を提供すること。 【解決手段】 (a)に示されるように、加熱を施して
溶融させる前のはんだ5を発熱領域6の中心部を避けた
位置に配置すると、(b)に示されるように、半導体チ
ップ2の発熱領域6の中心部に対応する領域にはボイド
が存在せず、ボイド7が発生したとしても、その発生位
置は、半導体チップ2の発熱領域6の中心部を避けた位
置に対応する領域のみとなる。それにより、半導体チッ
プ2の動作時に発熱領域6が発熱したとしても、ボイド
7の存在により半導体チップ2の発熱領域6の中心部が
局部的に高温になることはない。よって、半導体チップ
2の発熱領域6の中心部においては、熱が均一に放散さ
れ、局部的に高温部分がなく、特性劣化や破壊強度の低
下を防止し、長期寿命を確保することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ロウ材に加熱を施
して溶融させることにより、半導体チップとベース基板
を接合させる半導体装置の製造方法に関するもので、特
にボイドの発生を抑制した接合方法に関する。
【0002】
【従来技術】従来、この種の半導体装置としては、特開
平7−263469号公報に記載のものが提案されてい
る。
【0003】この半導体装置は、図8に示されるよう
に、半導体チップ11のほぼ中央部に対応するベースの
部材12に凹部13が設けられおり、この凹部13にロ
ウ材14を搭載し、その上部に半導体チップ11を搭載
している。
【0004】このような状態で、ロウ材14を不活性雰
囲気又は還元雰囲気中で加熱すると、図9(a)から図
9(e)に示されるように、ロウ材14と半導体チップ
11及びロウ材14と部材12とが接続する部分から周
囲にロウ材14が広がるので、ボイドの発生を抑制する
ことができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上記特開平
7−263469号公報に開示された技術では、加熱を
施す前のロウ材14や半導体チップ11、部材12の接
触表面に存在する凹凸にガスがトラップされ、それによ
って、ロウ材14広がり後においては、このガスがロウ
材14の内部に残留してしまい、素子形成領域である半
導体チップ11のほぼ中央部の真下に設けられたロウ材
14内にボイドが発生してしまうという問題がある。
【0006】上述のように、半導体チップ11のほぼ中
央部は素子形成領域であり、半導体装置の動作時には、
この素子形成領域は発熱し、その熱がロウ材14を介し
て部材12に伝播する。
【0007】そのため、半導体チップ11のほぼ中央部
の真下に設けられたロウ材14内にボイドが存在する
と、このボイドにより半導体チップ11からの熱の放散
が特に悪くなり、それによって、ボイドが存在する部分
が他の領域より局部的に温度が上昇して高温となるた
め、半導体チップ11の特性劣化や、破壊強度の低下な
どを招いてしまう。
【0008】そこで、本発明の目的は、上記問題点に鑑
み、半導体装置の製造方法において、半導体チップの発
熱領域の真下における中央部にボイドが発生することを
抑制した接合方法を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】請求項1に記載の半導体
装置の製造方法は、半導体装置の動作時に発熱する素子
を有した半導体チップをベース基板にロウ材を介して搭
載し、ロウ材に加熱を施して溶融させることにより、半
導体チップとベース基板を接合させる半導体装置の製造
方法において、加熱を施して溶融させる前のロウ材は半
導体チップの発熱領域の中心部を避けた位置に配置した
ことを特徴としている。
【0010】請求項1に記載の発明によれば、半導体チ
ップの発熱領域の中心部に対応する領域におけるボイド
の発生を抑制することができるため、半導体チップの動
作時に発熱領域が発熱したとしても、ボイドの存在によ
り半導体チップの発熱領域の中心部が局部的に高温にな
ることはない。
【0011】よって、半導体チップの発熱領域の中心部
においては、熱が均一に放散され、局部的に高温部分が
なく、特性劣化や破壊強度の低下を防止し、長期寿命を
確保することができる。
【0012】請求項2に記載の半導体装置の製造方法
は、加熱を施して溶融させる前のロウ材の表面積が、半
導体チップ及びベース基板における加熱を施して溶融さ
せた後のロウ材と接触する面積よりも小さくなるように
形成したことを特徴としている。
【0013】請求項2に記載の発明によれば、ロウ材の
変形やベース基板及び半導体チップの接触表面に存在す
る凹凸によって、ロウ材とベース基板及びロウ材と半導
体チップとの間に発生する隙間を抑制することができる
ので、ボイドの発生を抑制することができる。
【0014】請求項3に記載の半導体装置の製造方法
は、加熱を施して溶融させる前のロウ材を転がらない形
状にしたことを特徴としている。
【0015】請求項3に記載の発明によれば、ロウ材を
ベース基板上に安定させることができるので、ロウ材の
位置ずれなどを防止することができる。
【0016】
【発明の実施の形態】以下、本発明を具体化した一実施
形態を、図面に従って説明する。
【0017】図1には、本実施形態の半導体装置の概略
断面構造を示し、図2(a)及び図2(b)には、本実
施形態の半導体チップの概略構造を示す。
【0018】まず、図1に示されるように、放熱基板1
(本発明でいうベース基板)は、その表面の少なくとも
半導体チップ2が搭載される位置に設けられたNiめっ
き層3を有しており、そして、半導体チップ2の裏面に
設けられたAuめっき層4とNiめっき層3との間に、
はんだ5(本発明でいうロウ材)を介して接合されてい
る。
【0019】このはんだ5は、予め半導体チップ2の発
熱領域6の中心部を避けて配置され、水素雰囲気及び不
活性ガス雰囲気の加熱炉中を通過させて溶融させること
により形成されたものである。
【0020】さらに、図2(a)及び図2(b)に示さ
れるように、本実施形態の半導体チップ2は、絶縁ゲー
ト型バイポーラトランジスタ(IGBT)であり、その
表面にゲート電極Gとエミッタ電極Eを有し、裏面を共
通のコレクタ電極Cとし、ゲート電極Gに印加した電圧
により、エミッタ電極Eとコレクタ電極Cとの間の大電
流の通電を制御するものである。
【0021】また、エミッタ電極Eの直下には、複数の
公知のIGBTセルが密集しており、このIGBTセル
が密集して配置された領域は、半導体装置の動作時に熱
が発生する発熱領域6となっている。
【0022】次に、図3及び図4を用いて、半導体チッ
プ2を放熱基板1に実装する工程を説明する。
【0023】まず、図3(a)及び図4(a)に示され
るように、半導体チップ2における非発熱領域に対応す
る放熱基板1上にはんだ5を搭載し、このはんだ5の上
部に半導体チップ2を搭載する。
【0024】続いて、不活性雰囲気又は還元雰囲気中で
はんだ5を加熱すると、図3(b)に示されるように、
まず、はんだ5の外側から溶解する。
【0025】そして、図3(c)から図3(e)に示さ
れるように、徐々にはんだ5全体が溶解していき、つい
には、半導体チップ2の全面に溶融したはんだ5が行き
渡り、半導体チップ2と放熱基板1の端部で表面張力に
よってはんだ5は安定する。
【0026】このように、本実施形態では、図3(a)
に示されるように、加熱を施して溶融させる前のはんだ
5を非発熱領域に配置すると、図3(e)及び図4
(b)に示されるように、半導体チップ2の発熱領域6
に対応する領域にはボイドが存在せず、ボイド7が発生
したとしても、その発生位置は、半導体チップ2の非発
熱領域に対応する領域のみとなる。
【0027】それにより、半導体チップ2の動作時に発
熱領域6が発熱したとしても、ボイド7の存在により半
導体チップ2の発熱領域6が局部的に高温になることは
ない。
【0028】よって、半導体チップ2の発熱領域6にお
いては、熱が均一に放散され、局部的に高温部分がな
く、特性劣化や破壊強度の低下を防止し、長期寿命を確
保することができる。
【0029】尚、本実施形態では、図4(a)に示され
るように、加熱を施して溶融させる前のはんだ5を、半
導体チップ2の非発熱領域に対応する位置に搭載してい
るが、半導体チップ2の発熱領域6の中心部(温度が最
も高い部分)を避けた位置にはんだ5を搭載しても同様
の効果を得ることができる。
【0030】また、本実施形態では、図3(a)に示さ
れるように、加熱を施して溶融させる前のはんだ5の総
表面積が、半導体チップ2及び放熱基板1における加熱
を施して溶融させた後のはんだ5と接触する面積(以
下、接触面積という)よりも小さくなるように形成して
いる。
【0031】ここで、はんだ5の総表面積と上記接触面
積との比(以下、面積比という)とボイド発生率との関
係を図5に示す。この図5に示されるように、上記面積
比が小さいほど、ボイド発生率が小さくなっているのが
分かる。
【0032】ボイドは、はんだ5の変形や放熱基板1及
び半導体チップ2の接触表面に存在する凹凸によって、
はんだ5と放熱基板1及びはんだ5と半導体チップ2と
の間には隙間が発生し、はんだ5を溶融させる際に、こ
の隙間に雰囲気ガスが閉じこめれることにより発生する
が、はんだ5の総表面積を小さくすることにより、この
隙間の発生量を低減することができる。
【0033】よって、本実施形態のように、加熱を施し
て溶融させる前のはんだ5の総表面積が、半導体チップ
2及び放熱基板1における接触面積よりも小さくなるよ
うに形成したことにより、ボイドの発生を抑制すること
ができる。
【0034】また、本実施形態では、図3(a)に示さ
れるように、加熱を施して溶融させる前のはんだ5を四
角柱形状にしている。
【0035】それによって、球状のはんだを用いた場合
よりも、はんだの総表面積が大きくなってしまうが、は
んだ5が放熱基板1上を転がることがなくなるため、は
んだ5を放熱基板1上により安定させることができ、は
んだ5の位置ずれなどを防止することができる。
【0036】また、本実施形態では、はんだ5に加熱を
施して溶融させる際に、はんだ5の固相線−液相線温度
領域時間を長くしている。
【0037】例えば、本実施形態に用いられているはん
だ5は、Snを10%程度含有し、残部がPbから成る
Sn−Pb系はんだを用いており、このような組成率を
有するはんだ5の固相線−液相線温度は、約270℃〜
300℃であるため、本実施形態では、約270℃〜3
00℃までの温度を保つ時間を長くしている。
【0038】本実施形態のように、半導体チップ2の裏
面に形成されためっき層(Au)と放熱基板1の表面に
形成されためっき層(Ni)の材質が異なると、図6
(a)に示されるように、半導体チップ2の表面におけ
るはんだ5の濡れ速度(広がり速度)と放熱基板1の表
面におけるはんだ5の濡れ速度が異なってしまうため、
それによって、雰囲気ガスを巻き込んでしまい、ボイド
が発生してしまう。
【0039】しかしながら、本実施形態のように、はん
だ5を固相線−液相線温度領域時間を長くして溶融させ
ると、はんだ5は固体と液体の中間の状態であるので、
即ち、非常に粘性のある半溶融の状態であるので、図6
(b)に示されるように、半導体チップ2の裏面と放熱
基板1の表面のはんだ5の濡れ速度を同等にすることが
でき、それによって、雰囲気ガスを巻き込むことが抑制
でき、ボイドの発生を抑制することができる。
【0040】尚、本発明は、上記実施形態に限られるも
のではなく、様々な態様に適用可能である。
【0041】例えば、本実施形態では、放熱基板1と半
導体チップ2との間のはんだ付けについて説明したが、
これに限定されるものではなく、半導体チップを固定し
たセラミックとこれを支持する金属基板との間のはんだ
付けにも適用できる。
【0042】また、本実施形態では、半導体チップ2と
してIGBTを用いて説明したが、これに限定されるも
のではなく、発熱素子であれば同様の効果を得ることが
できる。
【0043】また、本実施形態では、1個の放熱基板1
に対して1個の半導体チップ2をはんだ付けした構造に
ついて説明したが、これに限定されるものではなく、1
つの放熱基板に対して複数の半導体チップをはんだ付け
した構造にも適用することができる。
【0044】また、本実施形態では、四角柱形状のはん
だ5を用いたが、これに限定されるものではなく、図7
(a)から図7(e)に示されるような形状のはんだ5
を用いても同様の効果を得ることができる。
【0045】また、本実施形態では、はんだ5の固相線
−液相線温度を約270℃〜300℃としたが、はんだ
の組成率によって固相線−液相線温度は変化するため、
これに限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施形態の半導体装置の概略断面構造を示す
図である。
【図2】本実施形態の半導体チップの概略構造を示す図
である。
【図3】本実施形態における半導体チップを放熱基板に
実装する工程を示す図である。
【図4】本実施形態におけるボイドの発生位置を示す図
である。
【図5】はんだの総表面積と接触面積との比(面積比)
とボイド発生率との関係を示すグラフである。
【図6】はんだの固相線−液相線温度領域時間とはんだ
の濡れ速度の関係を示す図である。
【図7】種々のはんだの形状を示す図である。
【図8】従来技術の半導体装置の概略断面構造を示す図
である。
【図9】従来技術における半導体チップを部材に実装す
る工程を示す図である。
【符号の説明】
1…放熱基板、 2…半導体チップ、 3…Niめっき層、 4…Auめっき層、 5…はんだ、 6…発熱領域、 7…ボイド、 G…ゲート電極、 E…エミッタ電極、 C…コレクタ電極。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 平井 康義 愛知県刈谷市昭和町1丁目1番地 株式会 社デンソー内 Fターム(参考) 5F047 AA11 BA01 BB01 BB16

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体装置の動作時に発熱する素子を有
    した半導体チップをベース基板にロウ材を介して搭載
    し、前記ロウ材に加熱を施して溶融させることにより、
    前記半導体チップと前記ベース基板を接合させる半導体
    装置の製造方法において、 加熱を施して溶融させる前の前記ロウ材は、前記半導体
    チップの発熱領域の中心部を避けた位置に配置したこと
    を特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項2】 前記加熱を施して溶融させる前のロウ材
    の表面積が、前記半導体チップ及び前記ベース基板にお
    ける加熱を施して溶融させた後の前記ロウ材と接触する
    面積よりも小さくなるように形成したことを特徴とする
    請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 【請求項3】 前記加熱を施して溶融させる前のロウ材
    を転がらない形状にしたことを特徴とする請求項1また
    は2に記載の半導体装置の製造方法。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007266405A (ja) * 2006-03-29 2007-10-11 Mitsubishi Materials Corp Au−Sn合金はんだペーストを用いた基板と素子の接合方法
US7345369B2 (en) 2004-10-21 2008-03-18 Denso Corporation Semiconductor device having semiconductor chip on base through solder layer and method for manufacturing the same
JP2008159830A (ja) * 2006-12-25 2008-07-10 Kyocera Corp チップ部品の搭載方法およびチップ部品支持体

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