JP2006140403A - 半導体装置の製造方法および製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半田リフロー工程で専用治具を用いることなしに、モジュール組立体の部品相互間の平行度を維持して半田接合できるようにした半導体装置の製造方法，およびその製造方法の実施に適用する製造装置を提供する。
【解決手段】金属ベースの上に絶縁基板，半導体チップ，ヒートスプレッダを順に搭載し、各組立部品の間を半田接合した上で、ヒートスプレッダの上面に接続導体を配線した組立構造になる半導体装置について、ペースト状の半田材（クリーム半田）を介して組立部品を積層した段階での仮組立体Ａを、テーブル９とこれに平行に配した昇降操作式のプレス板１０の間に挟み、半田材が所望の均一厚さになるよう押圧力を加えて組立部品相互間の平行度を調整した後、この組立体をリフロー炉に搬入して組立部品の間を半田接合する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電力変換装置などに適用するパワー半導体モジュールを対象とした半導体装置の製造方法および製造装置に関する。

近年になり、電力変換装置に適用するパワー半導体モジュールの小型化，大電流化が進んでおり、これに伴いパワー半導体モジュールに搭載するパワー半導体デバイス（例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor））等の半導体チップは高い電流密度で通電使用されることが多いことから、その発熱密度の増加に対する放熱対策が重要課題となっている。
すなわち、ＩＧＢＴなどのパワー半導体デバイスでは、半導体チップの接合部温度Ｔjに上限保証温度（例えば１２５℃）が規定されている。これに対して、放熱用金属ベース板に絶縁基板を介して半導体チップをマウントした片面冷却方式の半導体パッケージは、半導体チップの上面側がパッケージ内に充填した封止樹脂で封止されているためにチップ上面側からの放熱は殆ど期待できない。このために半導体チップの小型,大電流化に伴いチップの発熱密度（発熱密度の分布はチップの中央に集中し、周辺では低い）が増大すると、半導体チップの上面電極に接続する配線リードとしてアルミワイヤ(線径φ３００〜４００μｍ)をボンディングした在来の配線構造では、チップ温度を保証温度以下に抑えることが困難であるばかりか、アルミワイヤのジュール発熱も加わってワイヤ溶断のおそれもあってヒートサイクル，パワーサイクル耐量の低下が懸念される。

一方、半導体チップの上面からの放熱性を高めるための手段として、前記のアルミワイヤに代えて金属箔などのストラップ状接続導体を半導体チップの上面主電極に接合し、この金属箔を伝熱経路としてチップの発生熱をチップ上面側からも放熱させるようにした配線構造のモジュールが知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、半導体チップの放熱性向上および発熱密度の集中緩和を図る手段として、半導体チップの上面側にヒートシンクとして機能するよう高伝熱性の金属ブロックで作られたヒートスプレッダを半田付け，あるいは熱伝導性樹脂の接着剤で伝熱的に接合し、このヒートスプレッダを伝熱経路として半導体チップの中央部分に集中する発熱を分散させて半導体チップ全体での温度分布を平均化させるようにした構成のものも知られている（例えば、特許文献２参照）。

さらに、半導体チップの上面側からの放熱性を高めてより過酷な使用条件にも対応可能な半導体モジュールの組立構造として、前記した金属箔の接続導体とヒートスプレッダを組み合わせ、銅，アルミなどの導電性，熱伝導性の高い材料で作られたヒートスプレッダを半導体チップの上面主電極（ＩＧＢＴのエミッタ電極）に半田接合した上で、このヒートスプレッダの上面に接続導体としての金属箔を超音波接合法により接合して半導体チップの上面側からの放熱性を高めるようにした構成のパワー半導体モジュールを本発明と同一出願人より特願２００４−２９３６６２号として先に提案されている。
次に、その半導体モジュールのパッケージ組立構造を図４（ａ），（ｂ）に示す。図において、１は金属ベース（銅ベース）、２はセラミックス基板２ａの両面に導体パターン２ｂ，２ｃ，２ｄを形成して金属ベース１の上に搭載した絶縁基板（例えば、Direct Copper Bonding基板）、３は絶縁基板２を金属ベース１に接合した半田、４は半導体チップ（ＩＧＢＴ）、５は半導体チップ４の下面電極（コレクタ電極）を絶縁基板２の導体パターン２ｂ（コレクタパターン）に接合した半田、６は半導体チップ4の上面主電極（エミッタ電極）の上面に重ねたヒートスプレッダ、７はヒートスプレッダ７の下面と半導体チップ４の上面主電極面との間を接合した半田、８は半導体チップ４の上面に接合したヒートスプレッダ７と絶縁基板２の導体パターン２ｃ（エミッタパターン）との間に配線して超音波接合したストラップ状の金属箔（アルミ箔）である。なお、図示してないが、前記組立体に外囲樹脂ケースを組み付けた上で、該ケース内に封止樹脂を充填して半導体モジュールを構成している。

また、この半導体モジュールの組立工程で、金属ベース１／絶縁基板２，絶縁基板２／半導体チップ４／，半導体チップ４／ヒートスプレッダ６間を半田接合するには、前記の組立部品に対してその半田接合面域に適量のクリーム半田を印刷用メタルマスク，あるいはディスペンサを使用して塗布した上で各組立部品を重ね合わせ、このモジュール仮組立体をリフロー炉に搬入して半田接合するようにしている。
特開２００１−３３２６６４号公報 特開２０００−３０７０５８号公報

ところで、前記の方法で組み立てた半導体モジュールには、次記のような不具合が発生する。すなわち、モジュールの組立工程でクリーム半田を塗布した部品の上に載せた別部品の姿勢が僅かに傾いて重なると接合面域に塗布下クリーム半田の厚みも不均一となり、続く半田リフロー工程でクリーム半田が溶融，流動化すると、溶融半田とその上に重ねた部品との間に滑りが生じて上下に積層した部品相互間の傾きがさらに大きくなる。その結果、半田接合後の組立状態では個々の部品間の傾きが累積され、図５の模式図で示すようにモジュール組立体の上下端に位置するヒートスプレッダ６と金属ベース１との間の相対的な傾きが大きくなるほか、部品の相互間に部分的な隙間が生じて所定の接合面積が確保されなくなる。
さらに、図示のように金属ベース１とヒートスプレッダ６との相対的な傾きがあると、半田接合した後に行う接続導体の配線工程でヒートスプレッダ６の上面に接続導体として金属箔８（図４参照）を超音波接合するか、あるいはヒートスプレッダ６の上面にボンディングワイヤを接合する（この配線工程では、前記のモジュール組立体をテーブル上に載置し、ヒートスプレッダ６の上方からボンディングツールを押し当てて行う）際に、ボンディングツールのヘッド面が接合面域に正しく密接せずに接合が適正に行えなくなる。また各部品間の半田接合厚さが不均一であると、半導体モジュールの実使用時におけるヒートサイクル，パワーサイクルの耐量が低下して半田接合部にクラックが生じるなどして信頼性が低下するといった問題もある。

一方、半田リフローの際に組立部品の相互間に傾きが発生するのを防ぐ手段として、半田材（クリーム半田）を挟んで上下に部品を重ね合わせた仮組立体を専用の治具に搭載し、その上に重りを載せて上方から押圧荷重を加えつつ半田材をリフローさせて部品相互間の平行度を調整するようにした半導体装置の製造方法が特開２００１−２７４１７７号公報で知られている。
しかしながら、前記のように半田リフロー時に専用治具を使う方法を採用して半導体モジュールを量産するには、リフロー炉に搬入するモジュールの仮組立体ごとに治具を要するため、多数の治具を用意しなければならず設備費が嵩むほか、治具を洗浄するなどのメンテナンスも必要となる。また、仕様の異なる半導体モジュールを製作する場合、あるいは部品間を接合する半田の厚みや，部品（例えば、ヒートスプレッダ）の厚さ寸法を変更するには、その寸法変更に合わせて治具を新しく作り直さなければならない。

本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、半田リフロー工程では前記のような部品の平行度を調整する専用の治具を用いることなしに、モジュール組立体の部品相互間の平行度を維持して半田接合できるようにした半導体装置の製造方法，およびその製造方法の実施に適用する製造装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、金属ベース上に絶縁基板を介して半導体チップをマウントし、さらに該半導体チップの上面主電極に伝熱，導電性材のヒートスプレッダを積層して各組立部品の相互間を半田接合した上で、前記ヒートスプレッダの上面に接続導体を配線した組立構造になる半導体装置について、本発明の製造方法によれば、
ペースト状の半田材を介して上下に組立部品を積層した段階での仮組立体を上下平行に配した一対の板材の間に挟み、かつ前記半田材が所望の均一厚さになるよう前記板材を加圧操作して組立部品相互間の傾きを矯正して平行度を調整する前処理工程と、前処理が終了した前記組立体をリフロー炉に搬入して組立部品の間を接合する半田リフロー工程とにより組立部品の半田接合を行うようにする（請求項１）。
また、前記の前処理工程で、半導体チップの上面側電極面に平行度調整用の板材を直接押し当てないようにするために、前処理工程を半導体チップ／ヒートスプレッダの仮組立体に対する処理と、金属ベース／絶縁基板の仮組立体に対する処理と、前記半導体チップ／ヒートスプレッダの処理済組立体の上に半田材を介して半導体チップ／ヒートスプレッダの処理済組立体を積層して行う処理との３段階に分け行うのがよい（請求項２）。

一方、前記の前処理工程に適用する本発明の製造装置は、前記組立部品の仮組立体を載置するテーブルと、該テーブルと平行にその上方に配して上下方向に案内支持したプレス板と、該プレス板を昇降操作する駆動手段と、プレス板を下降操作した際にテーブルとプレス板との間の間隔を部品組立体の高さに合わせて規制するストッパ機構とから構成する（請求項３）ものとし、さらに該装置を仕様の異なる部品組立体に対応できるようにするために、前記ストッパ機構を前処理対象となる部品組立体の高さに合わせて調整可能な可調整式ストッパ機構とする（請求項４）。

先記のモジュール組立構造（図４参照）になる半導体装置について、上記の製造方法および装置を適用することにより次記の効果を奏する。
（１）半田リフロー工程の前に行う前処理工程により、モジュール組立部品の平行度が調整されるので、続くリフロー工程では、専用治具を使用することなしに部品組立体を直接リフロー炉に搬入して部品相互間の平行度を保った状態で半田リフローを行うことができる。これにより、従来の治具を使用する方法と比べて半田リフロー工程の運用管理が大幅に簡素化されるとともに、その後に行う配線工程ではボンディングツールを使ってヒートスプレッダの上面に接続導体として金属箔もしくはボンディングワイヤを適正に接合することができる。また、部品間の半田接合層を均一な厚さ確保されるので、パワーサイクル耐量が高くなって半導体モジュールの信頼性も向上する。
（２）また、このモジュール組立体に対する前処理工程に前記構成の装置を適用することにより、簡単な操作で組立部品相互間の傾きを矯正して平行度を調整しつつ、同時に積層部品の間に挟んだペースト状半田材を所望の均一厚さに調整することができる。しかも、当該装置に可調整式のストッパ機構を装備することで、仕様の異なる部品組立体にも対応可能な汎用性が得られる。

以下、本発明の実施の形態を図１〜図３に示す実施例に基づいて説明する。なお、実施例の図中で図５に対応する同一部材には同じ符号を付してその説明は省略する。
すなわち、図４に示した半導体モジュールの組立工程で、金属ベース１の上に絶縁基板２，半導体チップ（ＩＧＢＴ）４，ヒートスプレッダ６を各部品間にクリーム半田を塗布して積層した上で、半田リフローにより部品相互間を接合する際に、本発明の製造方法では半田リフロー工程の前に次記の前処理工程を追加し、この前処理工程ではクリーム半田（ペースト状の半田材）を介して上下に組立部品を積層した段階での仮組立体を上下平行に配した一対の板材の間に挟み、かつ前記半田材が所望の均一厚さになるよう前記板材を加圧操作して組立部品相互間の傾きを矯正して平行度を調整するようにする。そして、この前処理工程で部品相互間の平行度調整が済んだ組立体をリフロー炉に搬入して部品相互間を半田接合し、続く配線工程でヒートスプレッダ６の上面に接続導体として金属箔６（図４参照）を超音波接合して半導体モジュールを構成する。

次に、前記の前処理工程に適用する装置の構造を図１に示し、また該装置を用いて行う前処理工程の詳細を図２に、図３には前処理工程を経て半田リフローした後のモジュール組立体を示す。
まず、図１において、９は装置の基台を兼ねたテーブル（下板）、１０はテーブル９の上方に対峙してテーブル面と平行に配したプレス板（上板）であり、テーブル９の上に処理を行う部品組立体Ａを載置し、この状態でプレス板１０を上方から下降操作して組立体Ａをテーブル９とプレス板１０との間に押さえ込んで組立部品の平行度を調整する。なお、テーブル９，プレス板１０は表面が例えばフッ素樹脂でコーティングされている。
ここで、テーブル９には支柱１１から水平に突き出した支持枠１２，および操作ハンドル１３を備えている。一方、プレス板１０はロッド１４に連結した上で、該ロッド１４を前記支持枠１２に対して上下方向へスライド可能に案内支持し、かつロッド１４に取り付けた昇降軸１５が操作ハンドル１３に例えばラック／ピニオン機構を介して連繋されている。なお、１６はプレス板１０を上方の待機位置に向けて付勢する復帰ばねである。

また、前記機構に加えてテーブル９にはテーブル面上に突き出してプレス板１０の下降位置を規制するストッパ１７，および該ストッパ１７の突き出し高さＨを調節する調整つまみ１８からなに可調整式のストッパ機構１９を備えている。なお、ストッパ１７と調整つまみ１８とは、例えば送りねじで連結されており、調整つまみ１８を指先で回すことによりストッパ１７の突き出し高さＨが変わり、その調整はつまみ１８に付した調節目盛りで行うようにしている。
次に、図１に示した装置を使って行う前処理工程の手順を図２（ａ）〜（ｄ）で説明する。すなわち、本発明の製造方法では、前処理工程を次記の３段階に分けて行うようにしており、その第１の処理工程では、図２（ａ）のように半導体チップ４の上面主電極面にペースト状の半田材として適量のクリーム半田７０を塗布した上で、この上にヒートスプレッダ６を重ねた仮組立体を図１におけるテーブル９に載置セットし、その上方からプレス板１０を下降操作して半導体チップ４に対するヒートスプレッダ６の傾きを矯正して平行度を調整する。

ここで、半導体チップ４の厚さ０．２mm，ヒートスプレッダ６の厚さ１mmとして、図１の装置に設けたストッパ１７の突き出し高さＨを１．３mmに設定し、ハンドル１３の操作によりプレス板１０がストッパ１７の上端に付き当たるまで徐々に下降させて前記の仮組立体をテーブル９とプレス板１０との間で押さえ込むようにする。これにより、図２（ｂ）で示すように半導体チップ４とヒートスプレッダ６とが平行に矯正され、同時に接合面に塗布したクリーム半田７０は０．１mmの均一な厚さに調整される。なお、この状態での半導体チップ／ヒートスプレッダ組立体の高さはＨ1＝１．３mmである。
次に、第２の処理工程では金属ベース１の上面に印刷用メタルマスクを用いてクリーム半田３０を厚さ０．２５mmに印刷した上で、この上に絶縁基板２を重ねた仮組立体を前記と同様な方法で処理する。なお、金属ベース１の厚さ３mm，絶縁基板２の厚さ０．８mmとして、ストッパ１７の突き出し高さＨを４．０mmに設定し、この条件でプレス板１０をストッパ１７に突き当たるまで下降操作する。これにより、図２（ｃ）のように金属ベース１に対して絶縁基板２が平行に重なり、かつクリーム半田３０は０．２mmの均一な厚さに調整される。なお、この状態での金属ベース／絶縁基板の組立体高さはＨ２＝４．０mmである。

また、第３の処理工程では、前記の積層組立体（図２（ｃ）参照）に対して図２（ｄ）で示すように絶縁基板２の導体パターン上にクリーム半田５０を０．２５mmの厚さに印刷した上で、この上に第１の処理工程で平行度の調整を済ませた半導体チップ／ヒートスプレッダの組立体（図２（ｂ）参照）を重ねて図１のテーブル９に載置し、ここでストッパ１７の突き出し高さＨを５．５mmに設定してプレス板１０を下降操作する。これにより、半田リフローを行う前の段階でのモジュール組立体Ａは、図示のように金属ベース１，絶縁基板２，半導体チップ４，ヒートスプレッダ６の各部品が全て平行に積層され、かつ各部品の間に挟まれたクリーム半田３０，５０，７０もそれぞれが均一な厚みになる。。
そして、続く半田リフロー工程では、特別な治具を使わずに図２（ｄ）に示した前記のモジュール組立体Ａをリフロー炉に搬入して半田接合を行う。図３は半田リフロー後のモジュール組立体を表した模式図であり、半田リフローの過程で半田が溶融，流動化してもモジュール組立体の各部品は水平姿勢を維持しているので、半田接合後の状態では図示のように金属ベース１，絶縁基板２，半導体チップ４，ヒートスプレッダ６の相互間で平行度が確保される。また、各部品間を接合している半田３，５，７についても、各部品間に所要の均一な層厚で接合面全域が適正に接合されるようになる。

なお、前記前処理工程の評価を確認するために発明者等は図１の装置を試作し、この装置を用いて部品の仮組立体を前記の手順にしたがって前処理した上で、半田リフローして作製した半導体モジュールの供試体について検査したところ、前記と同じ成果の得られることが確認できた。
また、半田リフロー工程で半田接合した前記のモジュール組立体に対して、図４のようにヒートスプレッダ６の上面に金属箔８を超音波接合したところでも、金属ベース１と、ヒートスプレッダ６との平行度が確保されているので、超音波ボンディングツールのヘッド面をヒートスプレッダ６の上面に重ねた金属箔８の接合面域に正しく押し当てて適正に超音波接合できることが確かめられた。
なお、前述のように前処理工程を３段階の工程に分けて行うようにしたのは、次記の理由による。すなわち、図１の装置を使ってそのテーブル９に載置した金属ベース１に絶縁基板２，半導体チップ４，ヒートスプレッダ６を順に重ねてその都度プレス板１０を下降操作して各部品の平行度調整を行う方法も考えられるが、半導体チップ４を絶縁基板２の上に重ねた状態でプレス板１０を下降操作すると、半導体チップ４の上面にプレス板１０が直接当たってチップの電極が損傷を受けるおそれがある。かかる点、実施例で述べたように前処理工程を分け、半導体チップ４に対してはその上にヒートスプレッダ６を積層した状態で前処理操作を行えば、プレス板１０が半導体チップ４の上面に直接当たることがないので安全に作業を進めることができる。また、各組立部品を全て積層した状態の仮組立体をテーブル９とプレス板１０との間に挟んで一括処理することも考えられるが、この一括処理では積層組立体の中間に並ぶ部品の平行度が保証されず、かつ半田層の厚みも不均一になるおそれがあるが、実施例のように組立部品を二つずつ組にして処理操作を行えば、部品の平行度および半田の均一厚さの調整を適正に行うことができる。

本発明による製造方法の前処理工程に適用する製造装置の構成図 図１の装置で行う部品組立体の前処理工程の説明図で、（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ異なる処理段階での部品の組立状態を表す図 図１の装置を用いて前処理したモジュール組立体について、半田リフローを行って接合した後の状態を表す模式図 本発明の実施対象となる半導体装置の構成図 従来方法で作製した半導体装置のモジュール組立体に生じた欠陥の状況を表す模式図

符号の説明

１ 金属ベース
２ 絶縁基板
３，５，７ 半田
４ 半導体チップ（ＩＧＢＴ）
６ ヒートスプレッダ
８ 接続導体（金属箔）
９ テーブル（下板）
１０ プレス板（上板）
１３ 操作ハンドル
１７ ストッパ
１８ 調整摘まみ
３０，５０，７０ クリーム半田（ペースト状の半田材）

Claims (4)

1. 金属ベース上に絶縁基板を介して半導体チップをマウントし、さらに該半導体チップの上面主電極に伝熱，導電性材のヒートスプレッダを積層して各組立部品の相互間を半田接合した上で、前記ヒートスプレッダの上面に接続導体を配線した組立構造になる半導体装置の製造方法において、
   ペースト状の半田材を介して上下に組立部品を積層した段階での仮組立体を上下平行に配した一対の板材の間に挟み、かつ前記半田材が所望の均一厚さになるよう前記板材を加圧操作して組立部品相互間の傾きを矯正して平行度を調整する前処理工程と、前処理が終了した前記組立体をリフロー炉に搬入して組立部品を接合する半田リフロー工程となからなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 請求項１記載の製造方法において、前処理工程を、半導体チップ／ヒートスプレッダの仮組立体に対する処理と、金属ベース／絶縁基板の仮組立体に対する処理と、前記半導体チップ／ヒートスプレッダの処理済組立体の上に半田材を介して半導体チップ／ヒートスプレッダの処理済組立体を積層して行う処理との３段階に分けたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
3. 請求項１または２に記載の製造方法における前処理工程に適用する製造装置であって、組立部品の仮組立体を載置するテーブルと、該テーブルと平行にその上方に配して上下方向に案内支持したプレス板と、該プレス板を昇降操作する駆動手段と、プレス板を下降操作した際にテーブルとプレス板との間の間隔を部品組立体の高さに合わせて規制するストッパ機構とから構成したことを特徴とする半導体装置の製造装置。
4. 請求項３記載の製造装置において、ストッパ機構が、前処理対象となる部品組立体の高さに合わせてプレス板の下降位置を調整する可調整式のストッパ機構になることを特徴とする半導体装置の製造装置。

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