JP2008282834A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】パワー半導体モジュールを対象に、従来の工法に比べて簡単，かつ短時間で半田接合する部材の表面に間隔保持用の突起を形成し、部材相互間を均一な厚さでリフロー半田接合できるように工法を改良した半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】絶縁基板１の銅箔回路パターン１ｂに半導体チップ２を重ねて半田接合したモジュールを対象に、前記銅箔回路パターン１ｂの接合面域内にレーザ光を照射してその表面複数箇所に半田接合層の層厚に対応する凹凸状のクレータ（レーザ加工痕）を分散形成した上で、その接合面域にクリーム半田ないし板半田を挟んで絶縁基板に半導体チップを重ね合わせ、半田リフロー工程を経て絶縁基板／半導体チップの間を接合する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、パワー半導体モジュールを実施対象とした半導体装置の製造方法に関し、詳しくはモジュールを構成する部材相互間の半田接合方法に係わる

まず、頭記のパワー半導体モジュールを例に従来における半導体装置の組立構造を図６，図７に示す。図６はプリント配線板などに適用する絶縁基板（銅張積層板）に半導体チップを半田マウントしたもので、１は例えばエポキシ樹脂にＳｉＯ_２，Ａｌ_２Ｏ_３，ＡＩＮなどの無機フィラーを添加した絶縁層１ａを挟んでその表，裏両面に銅箔回路パターン１ｂ，銅ベース１ｃを積層した絶縁基板、２は半導体チップ（例えば、ＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)）、３は半田層である。一方、図７に示すモジュールは放熱用金属ベース板４の上に絶縁基板５を重ねて半田接合し、この絶縁基板５に半導体チップ２を半田マウントしたもので、絶縁基板５は絶縁層（セラミック板）５ａを挟んでその表，裏両面に銅箔回路パターン５ａ，裏面銅箔５ｃを積層した構造になる。

なお、図示してないが、半導体チップの放熱性を高めるために、前記した絶縁基板１，５の銅箔回路パターンの上に銅材などで作られたヒートスプレッダを重ねて半田接合し、このヒートスプレッダの上に半導体チップ３を半田マウントした構造もある。
上記のモジュール組立構造で、絶縁基板１の銅箔回路パターン１ｂ／半導体チップ２，銅ベース板４／絶縁基板５，絶縁基板５／半導体チップ２の間を半田接合するには、接合面域に塗布したクリーム半田、もしくは板半田を挟んで接合部材を上下に重ね合わせ、この状態で半田リフロー工程を経て各部材の相互間を半田接合する方法が一般的である。

ところで、上記した半田接合方法では、半田リフロー工程の途上で半田が溶融した際に、半田塗布量，部材重量のアンバランスなどにより上側に重ねた部材が図示のように傾いたまま接合されることがある。このような半田接合の状態では半田層３の層厚が不均一となって部材間の伝熱性が不均一になるほか、半田のはみ出し，半田ボイドなどの接合不良が生じ易くなる。また、半導体チップ２の通電ＯＮ，ＯＦＦに伴う熱サイクルが繰り返し加わると、半田層３の薄い部分にクラックが発生，成長して放熱性，通電性が低下し、このために半導体素子の動作特性が低下する。

一方、上記問題に対処して部材の相互間を接合する半田層の厚さを均一化するために、図７に示した金属ベース板４の上面，もしくは絶縁基板５の裏面銅箔５ｃの表面に、あらかじめ半田層３の適正厚さに対応する高さの突起をプレス加工，切削加工などの機械的加工法により分散形成しておき、この突起を部材間の間隔保持用サポートとして金属ベース板４と絶縁基板５との間に均一な厚さの半田層３を形成して部材の傾きなしにリフロー半田接合するようにした半導体装置の構成，およびその製造方法（突起の成形法）が知られている（例えば、特許文献１，特許文献２参照）。
特開平１０−５０９２８号公報 特開２０００−２７７８７６号公報

前記のように上下に重ねて半田接合する部材のうち、一方の部材表面の複数箇所にあらかじめ同じ高さに揃えた突起を分散形成しておくことにより、金属ベース板／絶縁基板間を傾きなしに均一な層厚でリフロー半田接合することができる。
しかしながら、先記の特許文献１，特許文献２に開示されている従来の製造方法では、プレス，切削などの機械的な加工法によりモジュールを構成する部材の表面に突起を刻設するようにしていることから、その突起の形成には専用の機械加工設備，プレス金型などを必要とするほか、加工の手間，時間もかかって製品がコスト高となる。

本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、従来の機械加工法に比べて簡単，かつ短時間で半田接合する部材の表面に間隔保持用の突起を精度よく形成し、部材相互間を均一な厚さでリフロー半田接合できるように工法を改良した半導体装置の製造方法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、本発明によれば、放熱用金属ベース板，絶縁基板，半導体チップ，ヒートスプレッダなどのモジュール構成部材を積み重ねてその部材相互間を半田接合した組立構造の半導体装置を対象に、
上下に重ね合わせて半田接合する第１の部材と第２の部材のいずれか一方の部材に対し、その接合面域内にレーザ光を照射して部材表面の複数箇所に半田接合層の層厚に対応する突起高さの凹凸状クレータを分散形成した上で、その接合面域にクリーム半田ないし板半田を挟んで第１，第２の部材を重ね合わせ、半田リフロー工程を経て各部材の相互間を接合するものとし（請求項１）、具体的には次記のような態様で部材表面にレーザ光を照射してクレータを形成する。
（１）前記部材の半田接合面に照射するレーザ光の出力，照射時間，照射角度を同一に設定して複数箇所にクレータを形成する（請求項２）。
（２）前記部材の半田接合面域にクレータを少なくとも３箇所以上に分散して形成する（請求項３）。
（３）前記の製造方法において、第１の部材が絶縁層の表，裏両面に銅箔を積層した絶縁基板、第２の部材が前記絶縁基板の銅箔回路パターンに半田マウントする半導体チップであり、レーザ光を前記絶縁基板の銅箔回路パターンに照射してその表面の複数箇所にクレータを形成した上で、絶縁基板／半導体チップ間をリフロー半田接合する（請求項４）。
（４）前記の製造方法において、第１の部材が放熱用金属ベース板、第２の部材が絶縁層の表，裏両面に銅箔を積層した絶縁基板であり、レーザ光を金属ベース板の表面に照射して該面の複数箇所にクレータを形成した上で、金属ベース板／絶縁基板間をリフロー半田接合する（請求項５）。
（５）前記の製造方法において、第１の部材が放熱用金属ベース板、第２の部材が絶縁層の表，裏両面に銅箔を積層した絶縁基板であり、レーザ光を絶縁基板の裏面銅箔に照射して該裏面銅箔の表面複数箇所にクレータを形成した上で、金属ベース板／絶縁基板間をリフロー半田接合する（請求項６）。
（６）前記の製造方法において、第１の部材が絶縁層の表，裏両面に銅箔を積層した絶縁基板、第２の部材が前記絶縁基板の銅箔回路パターンと半導体チップとの間に介在させて半田接合するヒートスプレッダであり、レーザ光をヒートスプレッダの表，裏両面に照射して該表，裏両面の複数箇所にクレータを形成した上で、絶縁基板／ヒートスプレッダ／半導体チップ間をリフロー半田接合する（請求項７）
（７）前項（３）または（５）において、レーザ光を照射する絶縁基板の銅箔は、その厚さが０．５mm以上の厚銅箔とする（請求項８）。

上記の製造方法によれば、専用の機械加工設備を用意することなく、上下に重ねて半田接合する部材に対し、一方部材の半田接合面域にレーザ光を極短時間照射してその表面にクレータを形成するだけで、部材の接合面に半田接合層の層厚に対応する所望高さの突起を簡単，かつ精度よく形成することができる。
すなわち、銅などの金属部材の表面にスポット状に集光したレーザ光を照射すると、照射を受けた部分の金属が溶融して溶け込み、その溶融金属（溶液）がレーザ照射点に生じたプラズマブルーム（金属蒸気）により周囲に押し退けられてレーザ照射点を中心に同心円状に突起が盛り上がった凹凸のクレータ（レーザ加工痕）を形成する。この場合に、クレータの周囲に形成される突起の高さはレーザ光の出力，照射時間，照射角度をパラメータに調整可能であり、このレーザ光の照射条件を適正な半田層の厚みに合わせて設定することで接合部材の表面複数箇所に同じ高さのクレータ突起を精度よく形成できる。

そして、この突起を部材間の間隔保持用サポートとして上下に重ねた接合部材の間をリフロー半田接合することにより、部材間に均一な厚さの半田層を形成して高信頼性に半田接合することができる。

以下、本発明の実施の形態を図１〜図５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６，図７に対応する部材には同じ符号を付してその説明は省略する。

まず、図６の絶縁基板に適用して半導体チップを半田接合する本発明実施例の工法を図１（ａ）〜（ｄ）により説明する。この実施例では半導体チップ２を半田マウントする絶縁基板１について、絶縁層１ａの上面側に積層した銅箔回路パターン１ｂを、その厚さｄが０．６mm（通常の絶縁基板に形成する銅箔回路パターンの厚さは２００〜２５０μｎ程度）の厚銅箔とした上で、半導体チップ２を半田マウントする接合面域内に定めた複数箇所（図示例では銅箔回路パターンの四隅）にレーザ光を照射し（図１（ａ）参照）、銅箔回路パターン１ｂの表面に図１（ｂ）で示すような凹凸状のクレータ１ｄ（レーザ照射痕）を形成した。図２（ａ），（ｂ）は前記クレータ１ｄの模式拡大図で、図示のように銅箔表面にはレーザ光の照射点を中心として、レーザ光のビーム径より一回り大きな直径の凹部１ｄ−１，および該凹部１ｄ−１の周縁に盛り上がったリング状突起１ｄ−２が形成されている。

ここで、レーザ光の出力を５００Ｗ，照射点に向けてレーザ光を導光する光ファイバーの径を０．６mm，照射時間を５ｍｓｅｃとして、銅箔の表面に対し斜め方向（照射角度：６０°）からスポット状にレーザ光を照射したところ、クレータ１ｄの周縁に盛り上がったリング状突起１ｄ−２の高さｈが約１６０μｍであった。なお、図示の模式図ではクレータ１ｄの突起高さｈを全周で同じ高さに描いているが、実際にはレーザ光を斜め方向から照射すると突起１ｄ−２が多少片寄りして形成される。

この場合に、クレータ１ｄの周縁に形成される突起１ｄ−２の高さｄは、レーザ光出力，照射角度，照射時間をパラメータに調整可能であり、とりわけレーザ光出力を変えることで効果的に高さを調整できる。なお、この実施例では絶縁基板１／半導体チップ２の間を接合する半田層３の適正な厚さに合わせてレーザ光の照射条件を前記のように設定し、同じ照射条件で図１（ｄ）に示した銅箔回路パターン１ｂの表面四隅にクレータ１ｄを形成したところ、各クレータ１ｄは全て同じ高さ（ｈ＝１６０μｍ）に揃った突起１ｄ−２が形成されることが確認されている。なお、銅箔面に対してレーザ光を垂直方向から照射すると、銅箔面で反射した反射光が光ファイバーに入光してレーザ装置の故障原因となるおそれがあるので、実施例では照射角度６０°に設定して斜め方向からレーザ光を照射するようにした。

そして、前記のように 銅箔回路パターン１ｂの半田接合面にレーザ光を照射して複数のクレータ１ｄを分散形成した絶縁基板１に対して、その半田接合面域に適量のクリーム半田を塗布するか、または板半田を載せて上で絶縁基板１の上に半導体チップ２を重ね合わせ、半田リフロー工程を経て絶縁基板１／半導体チップ２の間を半田接合した。
図１（ｃ）はリフロー半田接合した後の組立状態を表したものである。この図から判るように、絶縁基板２の銅箔回路パターン１ｂの表面四隅にあらかじめ分散形成しておいたクレータ１ｄの突起１ｄ−２が半導体チップ２との間の間隔保持サポートとして機能し、半田リフロー工程中には絶縁基板１の上に載置した半導体チップ２を水平姿勢に保持する。これにより、図６で述べたように半導体チップ２の姿勢が傾くことなく、絶縁基板１／半導体チップ２の間の接合面域に均一な厚さの半田層３を形成して高信頼性に半田接合できる。

なお、前記のようにクレータ１ｄの突起１ｄ−２を介して絶縁基板１の上に半導体チップ２を水平姿勢に保持するには、半田接合面域の少なくとも３箇所に凹凸状のクレータ１ｄを分散形成して３点支持すればよい。また、銅箔回路パターン１ｄの銅箔厚さが薄いと、レーザ光の照射によりクレータ１ａが銅箔を貫通してセラミックの絶縁層１ａに達するおそれがあるので、銅箔回路パターン１ｄの厚さは０．５mm以上とする。

次に、図７のモジュール構造における金属ベース板４と絶縁基板５との半田接合に適用した本発明の請求項５に対応する実施例を図２（ａ）〜（ｃ）に示す。この実施例では金属ベース板（銅板）４の上面に、先記実施例１と同様な手法で半田接合面域にレーザ光を照射し（図２（ａ）参照）、その表面の複数箇所（３箇所以上）に図２で述べた突起を同じ高さに揃えてクレータ４ａを形成する（図２（ｂ）参照）。

その後、金属ベース板１の上面に適量のクリーム半田を塗布するか，または板半田を載せてその上に絶縁基板５を載置保持し、半田リフロー工程を経て金属ベース板４／絶縁基板５の間を接合する。これにより、図２（ｃ）で示すように金属ベース板４／絶縁基板５の間を均一な厚さの半田層３で半田接合することができる。

次に、先記実施例２と異なる実施例を図３（ａ）〜（ｃ）に示す。この実施例では、絶縁基板５に対して、その上面側の銅箔回路パターン５ｂ，および裏面銅箔５ｃに先記実施例と同様な手法で半田接合面域にレーザ光を照射し（図４（ａ）参照）、銅箔回路パターン５ｂ，裏面銅箔５ｃの表面複数箇所（３箇所以上）に突起高さを揃えてクレータ５ｄを形成する（図４（ｂ）参照）。なお、絶縁基板５の銅箔回路パターン５ｂおよび裏面銅箔５ｃは、レーザ光の照射で形成するクレータ５ｄが銅箔を貫通しないようにするために、銅箔の厚さを０．５mm以上にしておく。

そして、続く半田接合工程では絶縁基板５を搭載する金属ベース板３の上面，および半導体チップ２をマウントする絶縁基板５の銅箔回路パターン５ｂの半田接合面域に適量のクリーム半田を塗布するか板半田を載せた上で、金属ベース板４の上に絶縁基板５，および半導体チップ２を順に載置し、この状態で半田リフロー工程を経て金属ベース板４／絶縁基板５／半導体チップ２の相互間を半田接合する。

図４（ｃ）は半田接合後の状態を表しており、先記の各実施例で述べたと同様に、絶縁基板５の表，裏両両面の銅箔表面に形成したクレータ５ｄの突起（図２参照）を間隔保持用サポートとして、金属ベース板４／絶縁基板５／半導体チップ２の間を均一な厚さの半田層３で接合することができる。

図５（ａ）〜（ｃ）は、半導体チップの放熱性を高めるために、絶縁基板の上にヒートスプレッダを介して半導体チップを実装した本発明の請求項７に対応する実施例であり、図中で符号６が銅板で作られたヒートスプレッダである。
この実施例では、まずヒートスプレッダ６に対してその表，裏両面の半田接合面域に先記の各実施例で述べたと同じ手法でレーザ光を照射し（図５（ａ）参照）、その表面の複数箇所（３箇所以上）に突起高さを揃えてクレータ６ｄを形成する（図５（ｂ）参照）。

次に、ヒートスプレッダ６を搭載する絶縁基板５の銅箔回路パターン５ｂの半田接合面域，および半導体チップ２をマウントするヒートスプレッダ５の上面に適量のクリーム半田を塗布するか板半田を載せた上で，絶縁基板５の銅箔回路パターン５ｂの上にヒートスプレッダ６，および半導体チップ２を順に載置し、この状態で半田リフロー工程を経て絶縁基板５／ヒートスプレッダ６／半導体チップ２の相互間を半田接合する。

図５（ｃ）は半田接合後の状態を表しており、先記の各実施例で述べたと同様に、ヒートスプレッダ６の表，裏両面に形成したクレータ６ｄの突起（図２参照）を間隔保持用サポートとして、絶縁基板５／ヒートスプレッダ６／半導体チップ２の間を均一な厚さの半田層３で接合することができる。

本発明の実施例１に係わる半導体装置の製造工程説明図で、（ａ）は絶縁基板の銅箔回路パターンにレーザ光を照射する状態、（ｂ）はレーザ照射により銅箔回路パターンに形成した凹凸状クレータ、（ｃ）は絶縁基板の上に半導体チップをリフロー半田接合した状態を表す図、（ｄ）は（ｃ）における要部平面図 図１で銅箔回路パターンに形成したクレータの模式拡大図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の矢視Ａ−Ａ断面図 本発明の実施例２に係わる製造工程の説明図で、（ａ）は金属ベース板の上面にレーザ光を照射する状態、（ｂ）はレーザ照射により金属ベース板の表面に形成した凹凸状クレータ、（ｃ）は金属ベース板の上に絶縁基板に半導体チップをリフロー半田接合した状態を表す図 本発明の実施例３に係わる製造工程の説明図で、（ａ）は絶縁基板の銅箔回路パターン，および裏面銅箔にレーザ光を照射する状態、（ｂ）はレーザ照射により絶縁基板の表，裏両面の銅箔に形成した凹凸状クレータ、（ｃ）は金属ベース板の上に絶縁基板，半導体チップを搭載してリフロー半田接合した状態を表す図 本発明の実施例４に係わる製造工程の説明図で、（ａ）はヒートスプレッダの表，裏両面にレーザ光を照射する状態、（ｂ）はレーザ照射によりヒートスプレッダの表，裏両面に形成した凹凸状クレータ、（ｃ）は絶縁板の上にヒートスプレッダ，半導体チップを搭載してリフロー半田接合した状態を表す図 絶縁基板の銅箔回路パターンに半導体チップを半田マウントしたモジュールの従来構造図 金属ベース板の上に絶縁基板，半導体チップを順に搭載して半田接合したモジュールの従来構造図

符号の説明

１ 絶縁基板
１ａ 絶縁層
１ｂ 銅箔回路パターン
１ｄ クレータ
２ 半導体チップ
３ 半田層
４ 金属ベース板
４ａ クレータ
５ 絶縁基板
５ａ 絶縁層
５ｂ 銅箔回路パターン
５ｃ 裏面銅箔５ｄ
５ｄ クレータ
６ ヒートスプレッダ
６ａ クレータ

Claims (8)

1. 放熱用金属ベース板，絶縁基板，半導体チップ，ヒートスプレッダなどのモジュール構成部材を積み重ねてその部材相互間を半田接合した組立構造になる半導体装置の製造方法であり、
   上下に重ね合わせて半田接合する第１の部材と第２の部材のいずれか一方の部材に対し、その接合面域内にレーザ光を照射して部材表面の複数箇所に半田接合層の層厚に対応する突起高さの凹凸状クレータを分散形成した上で、その接合面域にクリーム半田ないし板半田を挟んで第１，第２の部材を重ね合わせ、半田リフロー工程を経て各部材の相互間を接合したことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 請求項１に記載の製造方法において、部材の半田接合面に照射するレーザ光の出力，照射時間，照射角度を同一に設定して複数箇所にクレータを形成する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いて、部材の半田接合面域にクレータを少なくとも３箇所以上に分散して形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の製造方法において、第１の部材が絶縁層の表，裏両面に銅箔を積層した絶縁基板、第２の部材が前記絶縁基板の銅箔回路パターンに半田マウントする半導体チップであり、レーザ光を絶縁基板の銅箔回路パターンに照射してその表面複数箇所にクレータを形成した上で、絶縁基板／半導体チップ間をリフロー半田接合することを特徴とする半導体装置の製造方法。
5. 請求項１ないし３のいずれかに記載の製造方法において、第１の部材が放熱用金属ベース板、第２の部材が絶縁層の表，裏両面に銅箔を積層した絶縁基板であり、レーザ光を金属ベース板の表面に照射して該面の複数箇所にクレータを形成した上で、金属ベース板／絶縁基板間をリフロー半田接合することを特徴とする半導体装置の製造方法。
6. 請求項１ないし３のいずれかに記載の製造方法において、第１の部材が放熱用金属ベース板、第２の部材が絶縁層の表，裏両面に銅箔を積層した絶縁基板であり、レーザ光を絶縁基板の裏面銅箔に照射して該銅箔表面にクレータを形成した上で、金属ベース板／絶縁基板間をリフロー半田接合することを特徴とする半導体装置の製造方法。
7. 請求項１ないし３のいずれかに記載の製造方法において、第１の部材が絶縁層の表，裏両面に銅箔を積層した絶縁基板、第２の部材が前記絶縁基板の銅箔回路パターンと半導体チップとの間に介在させて半田接合するヒートスプレッダであり、レーザ光をヒートスプレッダの表，裏両面に照射して該面の複数箇所にクレータを形成した上で、絶縁基板／ヒートスプレッダ／半導体チップ間をリフロー半田接合することを特徴とする半導体装置の製造方法。
8. 請求項４または６に記載の製造方法において、レーザ光を照射する絶縁基板の銅箔は、その厚さが０．５mm以上の厚銅箔であることを特徴とする半導体装置の製造方法。

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