JP2007115924A - 接合構造体の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】筐体などが放熱板に取り付けられた状態で、半導体チップを実装した絶縁基板を該放熱板に接合する際に、筐体などの周囲の部材まで加熱されて、筐体などの低耐熱温度部品が加熱に起因して変形して不具合を発生させる虞があった。
【解決手段】被接合部材（絶縁基板３３と放熱板１１）間にはんだ３４ａを介挿した積層体が設置される減圧容器１５内の雰囲気をまで減圧する減圧工程と、前記はんだ３４ａをはんだ付け可能な接合温度となるまで昇温する昇温工程と、前記昇温工程の後、前記はんだ３４ａの接合温度を保持した状態で減圧容器１５内の雰囲気を前記減圧工程にて減圧した圧力よりも高い圧力にまで加圧する加圧工程と、前記昇温工程の後、前記被接合部材と前記はんだ３４ａの接合が完了するまで、はんだ３４ａの接合温度を保持する加熱保持工程とを実行して、半導体チップ３１を実装した絶縁基板３３を放熱板１１に鑞付にて接合した。
【選択図】図６

Description

本発明は、半導体集積回路装置において、半導体チップを実装した絶縁基板と、放熱板とを鑞付にて接合する等、少なくとも二つの被接合部材をはんだを用いた鑞付にて接合し、接合構造体の製造するための技術に関する。
図１に示すように、一般に、ＩＧＢＴモジュール等のパワーモジュールを構成する半導体集積回路装置９においては、半導体チップ３１で発生する熱を放熱するために、半導体チップ３１を実装した絶縁基板３３の裏面側に、熱伝導率の高い大型金属を放熱板１１として接合して、該放熱板１１を介して半導体チップ３１で発生した熱を拡散し放熱するように構成される。
上記絶縁基板と放熱板とは、はんだ（軟鑞）を用いた鑞付にて接合される。しかし、絶縁基板と放熱板とを接合しているはんだにボイドが発生すると、半導体チップの放熱特性を悪化させ、半導体集積回路装置の動作中に半導体チップ自身が高温となって、動作不良等の不具合を発生させる原因となり得る。
そこで、従来、半導体集積回路装置において絶縁基板と放熱板とを接合しているはんだのボイドの発生を低減するために、図７に示すように、所定圧力の減圧雰囲気下ではんだ付け可能な温度まで昇温したはんだ及び被接合部を、被接合面にはんだが拡散するまでに十分な時間だけ加熱保持したのち、外部雰囲気の圧力を常圧まで上昇してはんだを固化させる鑞付手法が採用されている。
例えば、特許文献１では、金属素材で成る放熱板上に、半導体チップを一側の面に実装した絶縁基板を、シート状のはんだを介して載置したものを減圧容器に入れて該容器内を減圧雰囲気とした状態で放熱板を加熱してはんだを溶融させ、はんだを溶融状態で保持しながら、雰囲気の減圧・加圧を繰り返して、放熱板と絶縁基板とを接合する技術が公開されている。この技術では、容器内の雰囲気の減圧・加圧を繰り返すことにより、ボイドが拡大して結合し移動したり、分散して縮小したりして、はんだのボイドを狭小化させることができる。
また、上記の容器内を加圧雰囲気とするに際して、不活性ガスを注入して雰囲気を加圧し、冷却する技術も公開されている。例えば、特許文献２では、金属素材で成る放熱板上に、半導体チップを一側の面に実装した絶縁基板を、シート状のはんだを介して載置した状態で、これらを減圧容器の中で加熱してはんだを溶融した後に、該減圧容器内に不活性ガスを注入して、強制冷却することにより、放熱板上に絶縁基板を鑞付する技術が公開されている。
特開平６−６９３８７号公報 特開平５−２１８１１０号公報
一般的に、一つの半導体集積回路装置では、複数の半導体チップが設けられる。例えば、図１に示す半導体集積回路装置９では、放熱板１１には複数の絶縁基板３３・３３・・・が接合され、各絶縁基板３３には複数の半導体チップ３１・３１・・・が接合されている。
上記背景技術に記載のように、半導体チップを一側の面に実装した絶縁基板と放熱板とを接合して半導体集積回路装置を形成したのち、該半導体集積回路装置に対して素子特性検査（耐圧検査）が実施される。この検査にて、半導体チップの不良が見つかることがある。このような場合、全ての半導体チップに不良が発生していることは希であり、殆どのケースでは、当該半導体集積回路装置に備えられる半導体チップのうち、一部の半導体チップにて不良が発生している。
上記のように、検査にて半導体集積回路装置に半導体チップの不良が発見された場合には、その補修作業として、半導体チップの取替作業を行う。しかし、検査段階までの製造工程を終えた半導体集積回路装置では、前記半導体チップや絶縁基板に加え、例えば、樹脂素材で成る筐体（ハウジング）などの比較的耐熱温度が低い部品が実装されている。この筐体には、半導体チップへの入出力を行うターミナル部材が設けられている。
不良半導体チップの取替作業において、最初に半導体チップを一側の面に実装した絶縁基板と放熱板とを接合したときと同様の手法で、新たな半導体チップを実装した絶縁基板を放熱板に鑞付すれば、図７に示すように、はんだがはんだ付け可能な温度まで加熱されたうえ、加熱が保持されることに伴って、樹脂部材で成る筐体やターミナル部材等の周囲の部品まで、耐熱温度以上となるまで温度上昇してしまう。これにより、筐体やターミナル部材などの低耐熱温度部品が加熱に起因して変形し、新たな不具合を発生させる虞があった。
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
即ち、請求項１においては、はんだにて接合される二つ以上の被接合部材のうち、少なくとも一の被接合部材が、はんだがはんだ付け可能となる接合温度よりも耐熱温度が低い部分を被接合面以外の場所に備える場合の、接合構造体の製造方法であって、前記被接合部材間にはんだを介挿して成る積層体が設置される減圧容器内の雰囲気を、所定の圧力となるまで減圧する減圧工程と、前記はんだを前記接合温度となるまで昇温する昇温工程と、前記減圧容器内の雰囲気を前記減圧工程にて減圧した圧力よりも高い圧力にまで加圧する加圧工程と、前記被接合部材の接合面に前記ははんだが拡散するまで該はんだの前記接合温度を保持する加熱保持工程とを、具備するものである。
請求項２においては、前記被接合部材は、半導体チップを一側の面に実装した絶縁基板と、筐体を固定した放熱板であり、前記昇温工程及び加熱保持工程において、放熱板に熱源を接触させて熱伝導にてはんだを加熱するものである。
本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
請求項１においては、はんだを減圧雰囲気において接合温度まで昇温した後、加圧することにより減圧雰囲気を解除するので、昇温工程では雰囲気に逃げる熱量が少なく、はんだを速やかに昇温させることができ、加熱保持工程では、熱量が幾分雰囲気に逃げるので、はんだを加熱する熱源から遠い位置にある部材の温度上昇を抑制することができる。
請求項２においては、筐体などが放熱板に取り付けられた状態で、半導体チップを実装した絶縁基板を、その周辺部品に加熱による変形によって不具合を発生させることなく、さらに該放熱板に接合することができる。
次に、発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明の実施例に係る半導体集積回路装置の構成を示す図、図２は半導体集積回路装置の半導体組立部品を取り替える様子を説明する図、図３は鑞付のための装置構成を示す図である。
図４は本発明に係る接合構造体の製造方法を採用する鑞付作業の流れ図、図５は鑞付作業における制御装置の制御の流れ図である。
図６は本発明に係る接合構造体の製造方法を採用した場合のはんだ及びターミナル部材の温度の経時変化を示す図、図７は従来の鑞付手法を採用した場合のはんだ及びターミナル部材の温度の経時変化を示す図である。
先ず、本発明の実施例に係る接合構造体としての半導体集積回路装置９の構成について説明する。
図１に示すように、ＩＧＢＴモジュール等を構成する半導体集積回路装置９には複数の半導体チップ３１・３１・・・が備えられる。前記半導体チップ３１は、複数が併せて一つの絶縁基板３３の一側の面にはんだ３２を用いた鑞付にて接合されて実装される。以下、半導体チップ３１・３１・・・と、該半導体チップ３１・３１・・・を一側の面に実装した絶縁基板３３とから成る部品（サブアッシー）を、『半導体組立部品１０』と記載する。
前記半導体集積回路装置９は、複数の半導体組立部品１０が、併せて一つの放熱板１１にはんだ３４を用いた鑞付にて接合されて成る、接合構造体である。
各半導体組立部品１０は、半導体チップ３１を実装した絶縁基板３３の裏面側が、熱伝導率の高い金属材料で成る放熱板１１に接合される。この放熱板１１の半導体組立部品１０・１０・・・が接合された一側の面は筐体１２にて覆われ、さらに、該放熱板１１の他側の面は冷却体（図示略）に接して固定される。冷却体は、例えば、冷媒が導通される冷却回路が内部に形成された冷却ブロックであって、前記放熱板１１が冷却体にて強制的に冷却され、熱伝導により半導体組立部品１０・１０・・・が冷却される。
前記筐体１２には、半導体チップ３１・３１・・・への入出力部となるターミナル部材１３・１３・・・が設けられる。該ターミナル部材１３と半導体チップ３１・３１・・・とはワイヤで接続される。
なお、前記筐体１２は樹脂素材で成り、その耐熱温度が、はんだの接合温度と比べて低い半導体集積回路９の構成部品である。以下、はんだの接合温度と比べて低い耐熱温度を有する部品を『低耐熱温度部品』と記載する。
そして、前記はんだの『接合温度』とは、被接合部材の被接合面間ではんだが溶融して広がることのできる、はんだ付けに適正な温度であって、例えば、２５０℃前後の温度とする。
ここで、本発明に係る接合構造体の製造方法を適用した、半導体チップ３１の取替作業（補修作業）について以下に説明する。
前記取替作業は、上記構成の半導体集積回路装置９において、該半導体集積回路装置９に具備される半導体チップ３１のうちのいずれかに不良が発生した場合に行われ、不良が発生した半導体チップ３１を備えた半導体組立部品１０ごと取り替える作業を行う。
図２に示すように、取替作業では、該当する半導体組立部品１０を放熱板１１から取り外す作業と、新たな半導体組立部品１０の放熱板１１への鑞付作業が行われる。
なお、この鑞付作業の場合、接合される被接合部材は、半導体組立部品１０の絶縁基板３３と、放熱板１１である。このうち一方の被接合部材である放熱板１１の被接合面と反対側の面には、低耐熱温度部品である筐体１２が固定されている。すなわち、接合される被接合部材のうち、一方の被接合部材には、はんだ３４ａがはんだ付け可能となる接合温度よりも耐熱温度が低い部分が、はんだ３４ａによる被接合部（被接合面）以外の場所に備えられていることとなる。
鑞付作業のための装置として、図３に示すように、減圧容器１５と加熱装置６０が設けられる。
前記減圧容器１５は、はんだ３４ａと、被接合部材の被接合部との雰囲気を調整するための容器である。
減圧容器１５には、容器内の気体を強制的に排出する真空系として、真空ポンプ５０と、圧力計５１及びバルブ５２を設けた真空管５３とが、備えられる。また、減圧容器１５には容器内に気体を供給する供給系として、窒素ガスなどの気体を封入したガスタンク５４と、バルブ５５を設けた供給管５６とが、備えられる。
前記加熱装置６０は、はんだ３４ａと、被接合部材の被接合部を加熱するための装置である。加熱装置６０では、該加熱装置６０の熱源６１を放熱板１１に接触させることにより、放熱板１１の熱伝導を利用してはんだ３４ａ及び被接合部材の被接合部を加熱し、はんだ３４ａを溶融させる。
前記減圧容器１５の圧力計５１、バルブ５２及びバルブ５５と、加熱装置６０の熱源６１とは、タイマ６４を備えた制御装置６５に電気的に接続される。
続いて、鑞付作業の流れについて、図４、図５及び図６を用いて説明する。なお、図６は、はんだ及び低耐熱温度部品としてのターミナル部材１３の温度の経時変化と、減圧容器１５の容器内の圧力の温度の経時変化とを示している。
鑞付作業では、まず、一方の被接合部材である半導体組立部品１０の絶縁基板３３と、他方の被接合部材である放熱板１１との間に、新しいシート状（フィルム状）のはんだ３４ａを介挿して積層体を構成し、これらを減圧容器１５内に設置する（準備工程Ｓ１１）。
続いて、前記減圧容器１５内の気体を強制的に排出することにより該減圧容器１５内を減圧して減圧雰囲気とする（減圧工程Ｓ１２）。
これに際し、制御装置６５は、減圧容器１５の真空管５３を開放するようにバルブ５２を動作制御して（Ｓ３１）、真空ポンプ５０にて容器内の気体を強制的に排出させる。
そして、減圧容器１５の内部が、所定の圧力値にまで減圧されれば（Ｓ１３）、減圧を停止するとともに（Ｓ１４）、はんだ３４ａ及び被接合部材の被接合部の加熱を開始する（昇温工程Ｓ１５）。
これに際し、制御装置６５は、圧力計５１からの検出信号を受けて、減圧容器１５内の圧力が予め設定された設定値Ｐ１（例えば、５０００Ｐａ程度）となったことを検出すれば（Ｓ３２）、真空管５３を閉塞するようにバルブ５２を動作制御するとともに（Ｓ３３）、はんだ３４ａ及び被接合部材の被接合部の加熱を開始するように加熱装置６０の熱源６１を動作制御する（Ｓ３４）。
なお、熱源６１へ電力を供給する、又は、熱源６１と放熱板１１とを接触させることによって、はんだ３４ａ及び被接合部材の被接合部を加熱することができる。この加熱開始と同時に、制御装置６５はタイマ６４による時間計測を開始し（Ｓ３５）、加熱開始時の時間をｔ＝０とする。
はんだ３４ａ及び被接合部材の被接合部の昇温に際しては、減圧雰囲気の中にあるため、雰囲気へ逃げる熱量が小さく、はんだ３４ａ及び被接合部材の被接合部の温度は速やかに上昇することとなる。
そして、はんだ３４ａの温度が上昇し、はんだ３４ａが接合温度となれば（Ｓ１６）、はんだ３４ａの接合温度を保持した状態で減圧容器１５に気体を導入し、減圧容器１５内の雰囲気を加圧する（加圧工程Ｓ１７）。
これに際し、制御装置６５は、加熱開始から昇温時間ｔ１が経過すると同時に、又は、昇温時間ｔ１が経過してから多少遅れて（Ｓ３６）、減圧容器１５の供給管５６を開くようにバルブ５５を動作制御する（Ｓ３７）。これにより、ガスタンク５４から気体が減圧容器１５の内部へ供給されることによって、該減圧容器１５内は減圧雰囲気から前記減圧工程Ｓ１２にて減圧した圧力よりも高い圧力にまで加圧される。
ここで、昇温時間ｔ１は、加熱開始（ｔ＝０）から、はんだ３４ａが接合温度まで昇温するまでの時間とする。
なお、本実施例では上記加圧工程Ｓ１７において減圧容器１５内の雰囲気は常圧まで加圧される。但し、前記加圧工程Ｓ１７において、本実施例では減圧容器１５内の雰囲気が常圧となるまで加圧しているが、上記低耐熱温度部品が耐熱温度を超えるまで加圧されないのであれば、常圧よりも低い適宜圧力まで加圧することも可能である。
上述のように減圧容器１５の内部が所定の圧力まで加圧されたのちも、はんだ３４ａの接合温度を保持するために、はんだ３４ａ及び被接合部材の被接合部の加熱が維持される（加熱保持工程Ｓ１８）。
はんだ３４ａが、被接合部（被接合面）に拡散する（拡がりながら馴染む）までの時間を確保して、被接合部をはんだ３４ａにて確実に鑞付するためである。
そして、予め設定された所定時間だけ、はんだ３４ａの接合温度を保持したのち、はんだ３４ａ及び被接合部材の被接合部の加熱を停止して（Ｓ１９）、半導体集積回路装置９を強制又は自然冷却し（冷却工程Ｓ２０）、取替作業を終了する（Ｓ２１）。
これに際し、制御装置６５は、加熱開始（ｔ＝０）から昇温時間ｔ１と加熱保持時間ｔ２とを合わせた時間（ｔ１＋ｔ２）が経過すると同時に、又は、経過してから多少遅れて（Ｓ３８）、加熱を停止させるように加熱装置６０の熱源６１を動作制御する（Ｓ３９）。なお、熱源６１へ供給する電力を停止する、又は、熱源６１と放熱板１１との接触を解除することによって、はんだ接合部の加熱を停止することができる。
ここで、加熱保持時間ｔ２とは、はんだ３４ａが接合温度となってから、その接合温度を保持する時間とする。
上記昇温時間ｔ１は、はんだ３４ａが接合温度となるまでの加熱時間を実験的に求め、予め制御装置６５において設定する。
但し、はんだ３４ａが接合温度となったことを検出するための温度センサを設けて、該温度センサと制御装置６５とを電気的に接続して、該制御装置６５は、温度センサの検出信号を受けて、はんだ３４ａが接合温度となり、昇温時間ｔ１が経過したことを検知するように、構成することもできる。
また、上記加熱保持時間ｔ２は、はんだ３４ａが接合温度となってから、はんだ３４ａが被接合部（被接合面）に拡散するまで、加熱を保持することが必要な時間を実験的に求め、予め制御装置６５において設定する。
上述の鑞付作業では、はんだ３４ａが接合温度となってからは、減圧雰囲気を解除するので、減圧雰囲気中と比較して雰囲気中へ逃げる熱量が大きくなる。これにより、図６に示すように、はんだ３４ａ及び被接合部材の被接合部を急速に接合温度まで昇温させて、この接合温度を保持する一方、熱源から離れた位置にある低耐熱温度部品の温度上昇を抑制することが、可能となっている。
なお、図７では、従来の手法により鑞付を行った場合の、はんだ及びターミナル部材１３の温度の経時変化と、減圧容器１５の容器内の圧力の温度の経時変化とを示している。ターミナル部材１３は、はんだの接合温度よりも耐熱温度が低い低耐熱温度部品の一例である。
図６に示す図表と、図７に示す図表を比較すれば、はんだの温度プロファイルを、従来の鑞付手法を採用する場合から変更することなく、熱源から離れた位置にある低耐熱温度部品（ターミナル部材１３）の到達温度を５０℃以上低下させることが可能となったことを、確認することができる。
このように、熱源６１から離れた位置に配置される筐体１２やターミナル部材１３・１３・・・などの温度上昇に伴う変形を抑制することができるので、これらの低耐熱温度部品に加熱による新たな不具合を生じさせることなく、半導体組立部品１０と放熱板１１との接合を行い、接合構造体である半導体集積回路装置９を製造することができる。
つまり、筐体１２などが放熱板１１に取り付けられた状態で、半導体チップ３１・３１・・・を実装した絶縁基板３３から成る半導体組立部品１０を、該半導体組立部品１０の周辺部材に加熱による変形によって不具合を発生させることなく、さらに該放熱板１１に接合することができる。
なお、上記実施例においては、不良の半導体組立部品１０を新たな別の半導体組立部品１０に取り替える場合の取替作業において、本発明に係る接合構造体の製造方法を適用させているが、放熱板１１に半導体組立部品１０・１０・・・を最初に接合する作業にも、本発明を適用させることができる。
本発明の実施例に係る半導体集積回路装置の構成を示す図。 半導体集積回路装置の半導体組立部品を取り替える様子を説明する図。 鑞付のための装置構成を示す図。 本発明に係る接合構造体の製造方法を採用する鑞付作業の流れ図。 鑞付作業における制御装置の制御の流れ図。 本発明に係る接合構造体の製造方法を採用した場合のはんだ及びターミナル部材の温度の経時変化を示す図。 従来の鑞付手法を採用した場合のはんだ及びターミナル部材の温度の経時変化を示す図。
符号の説明
９ 半導体集積回路装置
１０ 半導体組立部品
１１ 放熱板
１２ 筐体
１３ ターミナル部材
３１ 半導体チップ
３３ 絶縁基板

Claims (2)

  1. はんだにて接合される二つ以上の被接合部材のうち、少なくとも一の被接合部材が、はんだがはんだ付け可能となる接合温度よりも耐熱温度が低い部分を被接合面以外の場所に備える場合の、接合構造体の製造方法であって、
    前記被接合部材間にはんだを介挿して成る積層体が設置される減圧容器内の雰囲気を、所定の圧力となるまで減圧する減圧工程と、
    前記はんだを前記接合温度となるまで昇温する昇温工程と、
    前記減圧容器内の雰囲気を前記減圧工程にて減圧した圧力よりも高い圧力にまで加圧する加圧工程と、
    前記被接合部材の接合面に前記ははんだが拡散するまで該はんだの前記接合温度を保持する加熱保持工程とを、
    具備することを特徴とする接合構造体の製造方法。
  2. 前記被接合部材は、半導体チップを一側の面に実装した絶縁基板と、筐体を固定した放熱板であり、
    前記昇温工程及び加熱保持工程において、放熱板に熱源を接触させて熱伝導にてはんだを加熱することを特徴とする、
    請求項１に記載の接合構造体の製造方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2011203113A (ja) * 2010-03-25 2011-10-13 Honda Motor Co Ltd 温度センサ接合部検査装置、及び、温度センサ接合部検査方法
US10930613B2 (en) 2018-09-21 2021-02-23 Samsung Electronics Co., Ltd. Semiconductor package having recessed adhesive layer between stacked chips

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