JP2008091959A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】セラミック基板2aの両面に導体層2b,2cを形成した絶縁基板2が放熱ベース6上に半田層5を介して半田接合されると共に、その絶縁基板2上にIGBT等の半導体チップ4が半田層3を介して半田接合されたパワー半導体モジュール1を形成する際、絶縁基板2と半導体チップ4の接合、および絶縁基板2と放熱ベース6の接合に鉛フリー半田を用いる。また、絶縁基板2と放熱ベース6の接合時には、接合前にあらかじめ放熱ベース6に絶縁基板2が半田接合される面と反対の面側に接合後に平坦か平坦に近い状態が得られるような凸状の反りを与えておく。これにより、放熱ベース6を冷却フィン等に取り付けた際、それらの熱抵抗が低く抑えられ、半導体チップ4の熱が効率的に放散されて異常な温度上昇が防止される。
【選択図】図1
Description
この図11に示すパワー半導体モジュール100は、窒化アルミニウム(AlN)等のセラミック基板101aの両面に銅(Cu)やアルミニウム(Al)等の導体層101b,101cが形成された絶縁基板101上に、半田層102を介して、パワー半導体等の半導体チップ103が接合されている。そして、このように半導体チップ103が接合された絶縁基板101は、その接合面側と反対の面側を、半田層104を介して、半導体チップ103で発生した熱の放散を目的として銅等の金属で形成された放熱ベース105に接合されている。
例えば、絶縁基板101のセラミック基板101aに窒化アルミニウムを用い、放熱ベース105に銅を用いた場合、窒化アルミニウムの熱膨張係数は約4.5ppm/K、銅の熱膨張係数は約16.5ppm/Kであり、比較的大きな差が生じる。そのため、半田付け後の冷却段階では、窒化アルミニウムよりも銅の収縮の方が大きくなり、放熱ベース105が絶縁基板101との接合面側に凸状に反ってしまう場合がある。放熱ベース105にこのような反りが発生してしまうと、その反りの程度によっては、半田付け以後の組立工程等に支障をきたしたり、パワー半導体モジュール100の性能低下を引き起こしたりする場合があった。
パワー半導体モジュール100は、図13に示すように、通常、絶縁基板101と放熱ベース105との半田付け後に、さらに放熱ベース105を冷却フィン200にネジ止め等の方法で固定されるようになっている。
図1はパワー半導体モジュールの要部断面模式図である。
放熱ベース6は、主に熱伝導率とコストを考慮して、例えば銅を用いて構成されている。また、ここでは図示を省略するが、放熱ベース6の下面側(絶縁基板2との接合面と反対の面側)には、冷却フィンが取り付けられるようになっている。
パワー半導体モジュール1に用いる鉛フリー半田としては、その成分に、銀(Ag)、ビスマス(Bi)、銅(Cu)、インジウム(In)、アンチモン(Sb)、亜鉛(Zn)、アルミニウム(Al)等を含むスズ系半田が用いられる。また、鉛フリー半田の中でも融点が低いものを用いるほど、半田付けの際に放熱ベース6に加えられる熱が低くなるので、銅の膨張・収縮が小さく、放熱ベース6に発生する反りを小さく抑えることが可能になる。
ここでは、放熱ベースとして、縦43mm×横90mm×厚さ3mmの銅製で反りを与えていない平坦な放熱ベースAと、縦59.6mm×横119.6mm×厚さ3mmの銅製で反りを与えていない平坦な放熱ベースBの2種類のサンプルを用いた。そして、それぞれのサンプルについて、各種組成の鉛フリー半田を用い、アルミナを主成分とする基板の表裏面に銅箔を接合した同じ構造の絶縁基板を半田付けし、そのときの最終的な反り量を測定した。なお、図2中、放熱ベースAを用いた場合を黒塗りで示し、放熱ベースBを用いた場合を白抜きで示している。
まず、絶縁基板2と放熱ベース6との間の接合面積が放熱ベース6の反り量に及ぼす影響について説明する。
また、同程度の接合面積の絶縁基板2では、それが分割された状態になっているか否かによっても、放熱ベース6の反り量が変化するようになる。
ここでは、絶縁基板の短手方向の長さの最大値を50mm、長手方向の長さ(複数の絶縁基板を並べて配置する場合には各絶縁基板の長手方向の長さの総和)の最大値を85mmとした場合に、上記図4および図5に示したような測定データを基に、厚さ3mmの放熱ベースに発生する反り量が250μm以下となる絶縁基板サイズを計算によって求めた結果を図示している。なお、絶縁基板のアルミナを主成分とする基板および銅箔の厚さはいずれも0.25mmとした。
パワー半導体モジュール1を形成する場合には、鉛フリー半田による半田付け前に放熱ベース6に凹状の反りを与えておくため、半田付け時には、平坦な絶縁基板2と放熱ベース6との間にできる空間が多少大きくなる。
上記のように導体層2b,2cの厚みを適当に調整する、例えばこの図7に示すように導体層2cを導体層2bよりも厚く形成することにより、鉛フリー半田による半田付け処理時には、絶縁基板2が放熱ベース6側へ反り、放熱ベース6にあらかじめ与えられている凹状の反りとの間の空間が減少するようになる。そして、半田付け後には、絶縁基板2は平坦な形状に戻り、一方、放熱ベース6は平坦か平坦に近い形状に変形するようになる。その結果、絶縁基板2と放熱ベース6との間にできる空間が減るため、半田層5に半田量が不足する部分が生じることがなく、未接合部分の発生を抑えることが可能になる。
上記のように絶縁基板2を構成する導体層2b,2cの厚さを適当に設定するのと同様の考え方から、セラミック基板2aの厚さを薄くすることによって、絶縁基板2と放熱ベース6との熱膨張係数差を小さくするようにしてもよい。
ここでは、放熱ベースとして、上記図2で述べた2種類の放熱ベースA,Bであらかじめ凹状の反りは与えていない平坦なものを用いた。絶縁基板には、厚さ0.25mm,0.32mm,0.635mmの各アルミナを主成分とする基板に、厚さが共通の銅箔を形成した絶縁基板を用いた。これらの放熱ベースA,Bと絶縁基板の接合には、同種の鉛フリー半田を用いた。半田付け後の放熱ベースの反り量は、長手方向の端の平坦な状態からの移動量で評価した。
図10は放熱ベースの厚さとその反り量の関係を示す図である。図10において、横軸は半田付け処理の際の温度(℃)を表し、縦軸は放熱ベースの反り量(μm)を表している。
放熱ベース6は、プレス型を用いて形成することができる。反りを与えて放熱ベース6を形成する場合には、与える反りに応じた形状のプレス型を用意し、それを用いて形成する。例えば、銅製の放熱ベース6を形成する場合、所定形状のプレス型内に銅粉末を充填してこれをプレスすることによって成型体を形成し、さらに、この成型体を不活性ガス雰囲気中等で熱処理する。これにより、プレス型に応じた形状の放熱ベース6が形成される。このような方法によれば、プレス型を変更することにより、機械的な加工を行わずに、様々な反り量および平面サイズの放熱ベース6を形成することができる。
2 絶縁基板
2a セラミック基板
2b,2c 導体層
3,5 半田層
4 半導体チップ
6 放熱ベース
Claims (12)
- セラミック基板の両面に導体層を有する絶縁基板が放熱ベース上に半田接合され、前記絶縁基板上に半導体チップが半田接合された構造を有する半導体装置の製造方法において、
前記絶縁基板上に前記半導体チップを半田接合する際には、前記絶縁基板上に鉛を含まない半田を用いて前記半導体チップを半田接合し、
前記放熱ベース上に前記絶縁基板を半田接合する際には、接合前にあらかじめ前記放熱ベースに前記絶縁基板が半田接合される面と反対の面側に接合後に略平坦な状態が得られるような凸状の反りを与えておき、前記反りが与えられた前記放熱ベース上に前記鉛を含まない半田を用いて前記絶縁基板を半田接合する、
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記鉛を含まない半田は、融点が250℃以下であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
- 前記鉛を含まない半田は、銀、ビスマス、インジウム、アンチモン、亜鉛、アルミニウム、銅のうちの少なくとも1種とスズとを含むことを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
- あらかじめ前記放熱ベースに与える前記反りの量を、接合する前記絶縁基板の形態に基づいて設定することを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
- 前記反りの量を、前記放熱ベースに前記絶縁基板を接合する際の前記絶縁基板の接合面積に基づいて設定することを特徴とする請求項4記載の半導体装置の製造方法。
- 前記絶縁基板を複数に分割し、前記反りの量を、分割された状態における前記絶縁基板の接合面積に基づいて設定す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。
- 前記反りの量を、前記絶縁基板の前記導体層の厚さに基づいて設定することを特徴とする請求項4記載の半導体装置の製造方法。
- 前記反りの量を、前記絶縁基板の前記セラミック基板の両面に設けられた前記導体層の体積比に基づいて設定することを特徴とする請求項4記載の半導体装置の製造方法。
- 前記反りの量を、前記絶縁基板の前記セラミック基板の厚さに基づいて設定することを特徴とする請求項4記載の半導体装置の製造方法。
- あらかじめ前記放熱ベースに与える前記反りの量を、前記放熱ベースの厚さに基づいて設定することを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
- 前記絶縁基板は、前記導体層に銅箔が用いられ、前記セラミック基板にアルミナを主成分とする基板が用いられていることを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
- 前記放熱ベースは、銅を用いて構成されていることを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
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