JP2005203703A - 半導体部品の実装方法および半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来の半導体装置のように、はんだ付けを行う金属パターンに凹溝を形成すると、はんだ付け部内に発生する気泡が抜け易くはなるが、それだけでは、はんだの濡れ性や広がり性のばらつきにより逃げ口をふさがれた気泡が残留して気泡欠陥が生じることがある。特に、板状はんだをはんだ接続部に載置した後にリフロー等により加熱して行うはんだ付けの場合は、逃げ口をふさがれた気泡が発生し易く、凹溝のみで全ての気泡を逃がすことは困難である。
【解決手段】 半導体部品３と基板２上の金属パターン２１との間に形成した微小隙間ｄに溶融はんだを注入した後に、半導体部品３を基板２から離間させて、半導体部品３とはんだ５層との間に空隙を形成し、半導体部品３の基板に対する平面方向の位相を変化させてから、半導体部品３を再度基板２上に実装する実装方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体部品と基板上の金属パターンとの間に形成した微小隙間に溶融はんだを充填することにより、半導体部品を基板に実装する半導体部品の実装方法、および基板上の金属パターンに、はんだ付けにて半導体部品を実装して構成される半導体装置に関する。

パワーモジュール製品に使用されるベアチップ状の半導体部品は、基板上の金属パターンにはんだ付けして実装される場合が多い。このはんだ付けによる半導体部品の実装を行う場合には、実装する半導体部品と基板上の金属パターンとの間に微小隙間を形成し、形成した微小隙間に、毛細管現象を利用して溶融はんだを注入して、半導体部品と基板上の金属パターンとの間に溶融はんだを充填する、いわゆる局所はんだ付け方法により実装を行うことがある。
この局所はんだ付け方法によりはんだ付け実装を行う場合、はんだ付け面積の大小や、半導体部品と金属パターンとの間の微小隙間の寸法ばらつきや、はんだ付け部の温度ばらつき等の要因により、はんだ付け部の各所に溶融はんだの濡れ性や広がり性のばらつきが生じ易くなる。

溶融はんだの濡れ性や広がり性が各部でばらつくと、はんだ付け部に生じた気泡が逃げ道を失い内部に閉じ込められ、残留し易くなる。
半導体部品はパワー素子であるため作動時に発熱するが、このように、はんだ付け箇所の内部に気泡が残留すると、半導体部品から生じた熱の基板へ伝達が妨げられて放熱効率が低下することとなり好ましくない。

はんだ付け部内に気泡が残留するという問題に対しては、特許文献１に次のような技術が開示されている。
つまり、半導体部品が実装された基板をはんだ付けにより放熱板へ接合して構成した半導体装置において、放熱板と接合される側の基板の金属パターンに凹溝を形成して、この凹溝を、基板と放熱板との間の溶融はんだ層に生じた気泡の気泡抜き通路として機能させる、という技術が開示されている。

特開平９−１０２５６７号公報

前述のように、はんだ付けを行う金属パターンに凹溝を形成することにより、凹溝を通じて気泡が抜け易くはなるが、それだけでは、はんだの濡れ性や広がり性のばらつきにより逃げ口をふさがれた気泡が残留して気泡欠陥が生じることがある。
特に、板状はんだをはんだ接続部に載置した後にリフロー等により加熱して行うはんだ付けの場合は、逃げ口をふさがれた気泡が発生し易く、凹溝のみで全ての気泡を逃がすことは困難である。
また、特許文献１に記載される凹溝は、基板と放熱板との接合範囲内にのみ形成されているので、前述の局所はんだ付け方法によりはんだ接合を行う場合に、確実に凹溝に沿ってはんだを注入することが困難であり、必ずしも効果的に気泡を逃がすことができるとは限らない。

上記課題を解決する半導体部品の実装方法および半導体装置は、以下の特徴を有する。
即ち、請求項１記載の如く、半導体部品と基板上の金属パターンとの間に形成した微小隙間に溶融はんだを充填することにより、半導体部品を基板に実装する半導体部品の実装方法であって、半導体部品と基板上の金属パターンとの間に形成した微小隙間に溶融はんだを注入した後に、半導体部品を基板から離間させて、半導体部品と金属パターンとの間に空隙を形成し、半導体部品の基板に対する平面方向の位相を変化させてから、半導体部品を再度基板上に実装する。
これにより、最終的に残留する気泡面積のはんだ付け面積全体に対する割合を、初期のはんだ付けで残留した気泡面積の割合から、大幅に低減することができる。
これにより、半導体部品と基板との密着性を高めることができ、半導体部品で生じた熱の基板への伝達が良好となり、半導体部品の放熱効率を向上することができる。

また、請求項２記載の如く、前記基板上の金属パターンには、半導体部品の実装範囲よりも広い範囲に凹溝が形成されており、はんだの注入は凹溝に沿って行う。
これにより、溶融はんだは凹溝に沿って流れ込んでいくこととなり、凹溝の幅寸法等を調節することで溶融はんだの濡れ速度や広がり速度をコントロールすることができる。
また、凹溝により、微小隙間内に生じた気泡を外部へ逃がし易くすることができる。
特に、凹溝は、半導体部品の実装範囲よりも広い範囲にまで形成されているので、確実に凹溝に沿って溶融はんだを注入することが可能となっている。

また、請求項３記載の如く、基板上の金属パターンに、はんだ付けにて半導体部品を実装して構成される半導体装置であって、基板上の金属パターンには凹溝が形成され、
半導体部品の実装は、半導体部品と基板上の金属パターンとの間に形成した微小隙間に溶融はんだを注入した後に、半導体部品を基板から離間させて、半導体部品と金属パターンとの間に空隙を形成し、半導体部品の基板に対する平面方向の位相を変化させてから、半導体部品を再度基板上に実装することで行われる。
これにより、半導体装置における、最終的に残留する気泡面積のはんだ付け面積全体に対する割合を、初期のはんだ付けで残留した気泡面積の割合から、大幅に低減することができる。
これにより、半導体部品と基板との密着性を高めることができ、半導体部品で生じた熱の基板への伝達が良好となり、半導体部品の放熱効率を向上することができる。

本発明によれば、最終的に残留する気泡面積のはんだ付け面積全体に対する割合を大幅に低減することができ、半導体部品と基板との密着性を高めて、半導体部品で生じた熱の基板への伝達が良好となり、半導体部品の放熱効率を向上することができる。
また、凹溝により溶融はんだの濡れ速度や広がり速度をコントロールすることができ、微小隙間内に生じた気泡を外部へ逃がし易くすることができる。
さらに、確実に凹溝に沿って溶融はんだを注入することが可能となる。

次に、本発明を実施するための形態を、添付の図面を用いて説明する。
まず、本発明にかかる半導体装置について説明する。
図１、図２に示す半導体装置１は、絶縁基板２上に形成された金属パターン２１に、パワー素子であるベアチップ状の半導体部品３を、はんだ５にて実装して構成されている。
絶縁基板２は、例えば、ＤＢＡ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｒａｚｅｄ Ａｌｕｍｉｎｕｍ）基板や、ＤＢＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄ Ｃｏｐｐｅｒ）基板にて構成されている。

図３、図４に示すように、絶縁基板２上に形成される金属パターン２１はアルミニウムや銅等により構成されており、該金属パターン２１には、複数の凹溝２１ａが形成されている。
凹溝２１ａは、金属パターン２１をエッチングやプレス等により、窪んだ段差部分として刻設したものであり、その深さは金属パターン２１の膜厚以下となっている。つまり、金属パターン２１が完全に除去されて底部に絶縁基板２表面が露出しているものではない。

複数の凹溝２１ａは、半導体部品３の実装範囲の略全域に渡って配置されており、少なくとも一部の凹溝２１ａ（図３では全ての凹溝２１ａ）は実装範囲の外側にまで延出している。すなわち、凹溝２１ａは、全体として半導体部品３の実装範囲よりも広い範囲に形成されている。

次に、このように構成される基板２に半導体部品３を実装する方法について、図５のフローに基づいて説明する。
まず、半導体部品３を基板２に実装するためのマウント治具６により半導体部品３を吸着保持し、基板２の金属パターン２１上にセットする（Ｓ０１）。
図６（ａ）、図６（ｂ）に示すように、マウント治具６により金属パターン２１上にセットされた半導体部品３は、金属パターン２１との間に微小隙間ｄを備えた状態で載置されている。
なお、基板２における半導体部品３の実装面は、予めヒータ等によりはんだ付け可能な温度にまで加熱しておき、半導体部品３の実装工程が終了するまではその温度を保持しておく。

半導体部品３をセットした後に、半導体部品３と金属パターン２１との間に形成される微小隙間ｄに溶融状態のはんだ５を注入する（Ｓ０２）。
なお、はんだ５は、前述の図１、図２では硬化状態にあったが、これから説明する図６〜図９では溶融状態にあるため、以降「溶融はんだ５」と記載する。

溶融はんだ５の注入は、セットされた半導体部品３の外側に位置している凹溝２１ａの端部に、糸状はんだを溶融させて流し込むことで行われる。流し込まれた溶融はんだ５は、毛細管現象により凹溝２１ａに沿って微小隙間ｄに充填されていく。
溶融はんだ５が充填されていく過程では、微小隙間ｄ内に生じた気泡８は、凹溝２１ａに捕捉され、気泡サイズが小さくなるとともに、凹溝２１ａに沿って充填される溶融はんだ５により外側方向へ押し流されて微小隙間ｄの外部に抜け出る。

このように、金属パターン２１に凹溝２１ａを形成することで、溶融はんだ５は凹溝２１ａに沿って流れ込んでいくため、凹溝２１ａの幅寸法等を調節することで溶融はんだ５の濡れ速度や広がり速度をコントロールすることができる。
また、凹溝２１ａにより、微小隙間ｄ内に生じた気泡８を外部へ逃がし易くすることができる。
特に、凹溝２１ａは、半導体部品３の実装範囲よりも広い範囲にまで形成されているので、確実に凹溝２１ａに沿って溶融はんだ５を注入することが可能となっている。

微小隙間ｄに注入された溶融はんだは、図７（ａ）、図７（ｂ）に示すように、やがて半導体部品３の実装面全体に広がる。
前述のように、微小隙間ｄ内に生じた気泡８の多くは、溶融はんだ５の充填過程で外部に抜け出るが、半導体部品３の実装面における溶融はんだ５の濡れ性や広がり性のばらつきにより、充填された溶融はんだ５内に気泡８が残留する場合がある（図７（ｂ）参照）。

このように、溶融はんだ５が実装面全体に充填された後、マウント治具６による半導体部品３の吸着状態を保ったままマウント治具６を上昇させて、半導体部品３を基板２から離間させ、両者間に空隙を形成する（Ｓ０３）。
図８に示すように、半導体部品３と金属パターン２１との間に空隙が形成された状態で、マウント治具６を平面方向に略１８０°回転させる（Ｓ０４）。これにより、半導体部品３の金属パターン２１に対する位相が１８０°変化することとなる。

ここで、マウント治具６を上昇させて、半導体部品３と金属パターン２１との間に空隙が形成された状態では、気泡８が残留している部位を除き、金属パターン２１と半導体部品３の下面との少なくとも何れか一方に溶融はんだ５が付着した状態となる。すなわち、金属パターン２１および半導体部品３にプリはんだが施された状態となる。
そして、金属パターン２１側には、気泡８が残留していた部分に溶融はんだ５が付着していない気泡部位８ａが存在し、半導体部品３側には、気泡８が残留していた部分に溶融はんだ５が付着していない気泡部位８ａが存在しており、マウント治具６を回転させる前は、気泡部位８ａと気泡部位８ｂの位置は平面視にて一致している。

これに対し、マウント治具６を回転させた後は、図７（ｂ）に示すように、気泡部位８ｂは気泡部位８ａの位置とは異なった箇所に位置するようになる。
この状態で、図９に示すように、マウント治具６を下降させて半導体部品３を基板２へ再度実装すると（再マウントすると）、基板２側の気泡部位８ａは半導体部品３側に付着した溶融はんだ５により埋められ、半導体部品３側の気泡部位８ｂは基板２側に付着した溶融はんだ５により埋められて、図７に示す溶融はんだ５の充填完了時点に存在していた気泡８が略消滅することとなる（Ｓ０５）。

溶融はんだ５内に残留する気泡８は、通常１８０°の回転対象位置に位置することがないため、半導体部品３を１８０°回転させた場合に、基板２側の気泡部位８ａの位置と半導体部品３側の気泡部位８ｂとが一致することはない。
また、最初にはんだ付けを行った際に残留する気泡の面積割合は、はんだ付け面積全体に対して略一定の割合であり、半導体部品３を１８０°回転して再度実装した際にはんだ付けされる気泡部位８ａ・８ｂにも同様の割合で気泡が残留する。

例えば、はんだ付けを新たに行った場合に１％の気泡が残留するとすれば、ステップＳ０２で溶融はんだ５を微小隙間ｄに注入してはんだ付けした際に残留する気泡８の面積は、はんだ付け面積全体の１％を占めることになり、半導体部品３を１８０°回転して再度実装した際には、気泡８の面積の１％が気泡として残留することとなる。つまり、再度実装した後に残留する気泡８の面積は、はんだ付け面積全体の０．０１％となる。

このように、一旦局所はんだ付けを行った後に、半導体部品３を１８０°回転して再度実装すると、初期のはんだ付けで残留した気泡面積のはんだ付け面積全体に対する割合を略二乗した値にまで、最終的に残留する気泡８の面積を低減することができる。
これにより、半導体部品３と基板２との密着性を高めることができ、半導体部品３で生じた熱の基板２への伝達が良好となり、半導体部品３の放熱効率を向上することができる。

なお、半導体部品３を再度実装した後は、マウント治具６による半導体部品３の吸着を解除し、基板２における半導体部品３の実装面の加熱を停止してはんだ付け部の温度を低下させて半導体部品３の実装工程を終了する（Ｓ０６）。
また、一旦はんだ付けを行った後に半導体部品３を回転させる際の回転角度は、１８０°に限るものではなく、半導体部品３の回転後に、基板２側の気泡部位８ａの位置と半導体部品３側の気泡部位８ｂの位置とが重ならない角度であればよい。

本発明の半導体装置を示す平面図である。 図１におけるＡ−Ａ断面図である。 基板を示す平面図である。 図３におけるＢ−Ｂ断面図である。 半導体部品の実装方法のフローを示す図である。 半導体部品と基板との間の微小隙間に溶融はんだを注入している状態を示す図であり、（ａ）は側面断面図、（ｂ）は平面図である。 半導体部品と基板との間の微小隙間への溶融はんだの注入が完了した状態を示す図であり、（ａ）は側面断面図、（ｂ）は平面図である。 図７に示す状態から半導体部品を持ち上げて回転させた状態を示す図であり、（ａ）は側面断面図、（ｂ）は平面図である。 半導体部品を再度実装した状態を示す図であり、（ａ）は側面断面図、（ｂ）は平面図である。

符号の説明

１ 半導体装置
２ 基板
３ 半導体部品
５ はんだ（溶融はんだ）
８ 気泡
２１ 金属パターン
２１ａ 凹溝

Claims (3)

1. 半導体部品と基板上の金属パターンとの間に形成した微小隙間に溶融はんだを充填することにより、半導体部品を基板に実装する半導体部品の実装方法であって、
   半導体部品と基板上の金属パターンとの間に形成した微小隙間に溶融はんだを注入した後に、
   半導体部品を基板から離間させて、半導体部品と金属パターンとの間に空隙を形成し、
   半導体部品の基板に対する平面方向の位相を変化させてから、
   半導体部品を再度基板上に実装する、
   ことを特徴とする半導体部品の実装方法。
2. 前記基板上の金属パターンには、半導体部品の実装範囲よりも広い範囲に凹溝が形成されており、はんだの注入は凹溝に沿って行うことを特徴とする請求項１に記載の半導体部品の実装方法。
3. 基板上の金属パターンに、はんだ付けにて半導体部品を実装して構成される半導体装置であって、
   基板上の金属パターンには凹溝が形成され、
   半導体部品の実装は、
   半導体部品と基板上の金属パターンとの間に形成した微小隙間に溶融はんだを注入した後に、
   半導体部品を基板から離間させて、半導体部品と金属パターンとの間に空隙を形成し、
   半導体部品の基板に対する平面方向の位相を変化させてから、
   半導体部品を再度基板上に実装することで行われる、
   ことを特徴とする半導体装置。
   
   

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