JP2009070910A - 半導体装置とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】銅基材上に鉛フリーハンダで半導体チップを搭載し実装するに際し、安価に、鉛フリーハンダの接合性を高めることができ、モールド樹脂との密着性を確保できる半導体装置の製造方法および半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体装置２０の製造方法は、平板状の基材２１の表面にプライマー層２３Ａ，２３を形成するステップと、半導体チップ２２の搭載面側が凹面となるように基材を湾曲に成形するステップと、半導体チップの配置範囲にプライマー層２３が残るように、凹面である搭載面を平坦に研磨して基材の露出面を形成するステップと、プライマー層の上にハンダ２４を介して半導体チップ２２を配置するステップと、基材と半導体チップを含む全体を加熱し、基材のプライマー層上にハンダで半導体チップを接合すると共に、基材をおもて面側が凸面になるように反らせて基材の裏面を平坦２１ｂに形成するステップとを有する方法である。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体装置とその製造方法に関し、特に、基材上に鉛フリーハンダを用いて半導体チップを実装するに際し接合性を高めかつ封止材料との密着性を高めるのに好適な半導体装置の製造方法と、当該製造方法で製造された半導体装置に関する。

従来の半導体装置の構造では、一般的に、基材（ベース部材）の上に１つの半導体チップを絶縁材料を介して実装し、基材上で半導体チップ等に必要なワイヤ配線等を付設し、基材と半導体チップとワイヤ配線等をモールド樹脂（封止材）によって封止して半導体装置の全体を保護するという構造を有している。基材の材質が銅（Ｃｕ）であるとき、当該基材とモールド樹脂との間の密着性は良好となり、モールド樹脂の封止性能が高くなるという特性を有する。半導体装置の保護をさらに高めるためには、基材とモールド樹脂の密着性を高めることが望まれる。そこで従来では、基材の表面に凹形状のディンプルを複数形成することにより、モールド樹脂を当該ディンプル内に充填されるように設け、アンカー効果を利用して基材とモールド樹脂との密着性を高めた技術が提案されている（例えば特許文献１参照）。

近年では、さらに、環境への影響を考慮して、鉛を含有しない鉛フリー化のハンダ材（鉛フリーハンダ）を使用して基材上に半導体チップを実装する技術が開発されつつある。この実装技術によれば、銅（Ｃｕ）を基礎とした基材と半導体チップとの間の接合性を向上させるため、鉛フリーハンダとの濡れ性が良好なニッケル等によるプライマー層を基材の表面に形成するようにしている。
特開２００５−１９１１７８号公報

基材の表面に形成されたプライマー層としてのニッケル層は、モールド樹脂との関係では、密着性が良好なものであるとは言えない。当該密着性を良好なものとするためには、特許文献１に記載されるようにディンプルを作ればよいが、加工のためのコストが生じるという問題が提起される。

また銅で作られた基材の上に絶縁材料や半導体チップをハンダ付けするときには、半導体装置の製造工程で、リフロー炉で半導体装置を加熱するという工程が含まれる。この加熱工程のために、膨張率や熱収縮特性が異なる複数種類の材料を接合して成る構造を有する半導体装置では、基材はその裏面が凹面を形成するごとく湾曲するという傾向を有している。

半導体装置では、冷却構造を備えるため、一般的に、半導体チップを搭載した基材がアルミ製のヒートシンク上に熱伝導材料（サーマルコンパウンド等）を塗布することにより配設される。従って、上記のごとく裏面が凹面になるごとく湾曲した基材を備える半導体装置では、熱伝導材料の塗布の仕方に工夫するか、あるいは、湾曲した基材の裏面の部分をフライス加工等で平坦面にするか等の対応が必要とされ、その結果、コストがかさむという問題が提起される。

本発明の目的は、上記の課題を解決することにあり、銅基材上に鉛フリーハンダで半導体チップを搭載し実装するに際し、コストをかけることなく安価に、鉛フリーハンダの接合性を高めることができ、さらにモールド樹脂との密着性を確保することができる半導体装置の製造方法、およびこの製造方法で製造される半導体装置を提供することにある。

また本発明の他の目的は、量産性が高く、かつ温度サイクル試験における接着材および封止材料の寿命を長くすることができる半導体装置およびその製造方法を提供することにある。

本発明に係る半導体装置およびその製造方法は、上記目的を達成するために、次のように構成される。

第１の半導体装置の製造方法（請求項１に対応）は、平板状の基材の表面にプライマー層を形成するステップと、半導体チップの搭載面側が凹面となるように基材を湾曲に成形するステップと、半導体チップの配置範囲にプライマー層が残るように、凹面である搭載面を平坦に研磨して基材の露出面を形成するステップと、プライマー層の上にハンダを介して半導体チップを配置するステップと、基材と半導体チップを含む全体を加熱し、基材のプライマー層上にハンダで半導体チップを接合すると共に、基材をおもて面側が凸面になるように反らせて基材の裏面を平坦に形成するステップとを有する方法である。

第２の半導体装置の製造方法（請求項２に対応）は、上記の方法において、半導体チップを配置するステップは、プライマー層の上にハンダを介して絶縁材料を配置するステップと、絶縁材料の上にハンダを介して半導体素子を配置するステップと含む、ことで特徴づけられる。

第３の半導体装置の製造方法（請求項３に対応）は、上記の方法において、基材の湾曲成形の程度は、加熱のためのステップでの基材の反り量に対応して設定されることを特徴とする。

第４の半導体装置の製造方法（請求項４に対応）は、上記の方法において、完成した半導体装置にケース部材を付設し、半導体チップの周囲空間に封止材料を充填して基材の露出面側を封止することを特徴とする。

第１の半導体装置（請求項５に対応）は、基材と、この基材の半導体チップ搭載面に形成されたプライマー層の上にハンダで接合される半導体チップとから成る半導体装置であり、プライマー層の周囲は基材の露出面となっており、露出面はプライマー層境界部から基材周縁部に向かって傾斜していることを特徴とする。

上記の半導体装置では、基材における半導体チップが配置される上面で、チップ搭載面であるプライマー層の周囲に形成される表面に基材材料（銅）が露出する面となって、その後に施される保護用の封止材料との密着性が高くなり、かつ基材の製造工程での作り方に起因して当該露出面が基材中央部から基材周縁部に向かって傾斜しているという形状的な特徴を有している。

第２の半導体装置（請求項６に対応）は、上記の構成において、基材の半導体チップ搭載面に形成されるプライマー層は円形またはこれに類似する形状であることを特徴とする。

第３の半導体装置（請求項７に対応）は、上記の構成において、ヒートシンクが接合される基材の裏面は平坦に形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、次の効果を奏する。
第１に、基材上において、鉛フリーハンダとの濡れ性の良好なプライマー層、および封止材料との密着性が良好な銅露出面を容易に作ることができる。
第２に、平板状の基材を予め湾曲成形し、実装時の加熱により材料が熱膨張・収縮することにより、ヒートシンク（放熱板）が付設される基材の裏面を平坦に作ったので、基材裏面を平坦にする加工費が不要になり、さらに熱伝導性を高めるサーマルコンパウンドの塗布が容易になり、安価に製造することができる。
第３に、以上により、銅または銅合金の基材上に鉛フリーハンダで半導体チップを搭載し実装するに際し、コストをかけることなく安価に、鉛フリーハンダの接合性を高めることができる。さらに、基材のプライマー層の周囲の表面に銅露出面を容易に作ることができるため、モールド用の樹脂封止材料との密着性を確保することができる
第４に、温度サイクル試験における接着材および封止材料と基材との間の剥離やクラックをなくし、接着材や封止材料の寿命を長くすることができ、半導体装置の信頼性を高めることができる。

以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。

図１を参照して本発明に係る半導体装置の完成品状態における構造を説明する。後述する半導体装置の製造方法を実施することにより、図１に示すごとき、半導体装置組立て体１０が作られる。半導体装置組立て体１０は、本体部分である半導体装置２０と、半導体装置２０を収容し固定するケース部材４０と、半導体装置２０の要部を保護する例えば樹脂性の封止部材６０とから構成されている。

まず半導体装置２０について説明する。半導体装置２０は、基材２１の上に半導体チップ２２が搭載され、配置固定される。基材２１の上面のチップ搭載面における半導体チップ２２の配置位置は、プライマー層（またはプライマー）２３の上である。このプライマー層２３は、例えば矩形を有する基材２１の上面において、その中央部付近に位置するほぼ円形または円形に類似した形状（楕円形等）を有する領域を形成している。

上記基材２１は金属製の板材である。基材２１の材質としては、好ましくは銅（Ｃｕ）または銅を主成分とした銅合金である。またプライマー層２３の材質は好ましくはニッケル（Ｎｉ）である。プライマー層２３は、基材２１の表面に施されたニッケルメッキ（厚み例えば１〜６μｍ）に基づいて作られる。基材２１の上面において、中央部のプライマー層２３の周囲の領域は基材である処の銅等が露出した表面領域になっている。

基材２１のプライマー層２３の上に配置され固定された半導体チップ２２は、積層構造を有するチップ部材である。半導体チップ２２において、下側から、鉛フリーハンダ２４、下側銅層２５、絶縁層２６、上側銅層２７が積層されている。接着剤として作用する鉛フリーハンダ２４の材質としては、例えば、スズを主としたハンダ材料や、有機樹脂系の接着剤である。また絶縁層２６の材料としては、例えばセラミックス（ＡＩＮ、ＳｉＮ、ＳｉＯ_２）である。

上記の上側銅層２７の上に例えば２つの半導体素子２８，２９がそれぞれ鉛フリーハンダ３０，３１を介して固定されている。鉛フリーハンダ３０，３１は前述の鉛フリーハンダ２４と同じものであり、接着剤としての働きを有している。

半導体チップ２２における最上部に取り付けられた半導体素子２８，２９には、通電用の導電線３２，３３が接続されている。この導電線３２，３３には、例えばＡｌワイヤーやＡｕワイヤー等が用いられる。

上記の半導体装置２０に対して、基材２１の周縁部を利用して、かつ半導体チップを囲むようにしてケース部材４０が配置され固定される。ケース部材４０の材質は、例えばＰＰＳ等のエンジニアリング・プラスチックである。ケース部材４０は、中央には半導体チップ２２を収容する空間が形成されるように孔４１が形成されている。孔４１は、ケース部材４０の下面側で径等の内側寸法が大きくなくなるように拡径部が形成されている。半導体装置２０は、基材２１のチップ搭載面側を、ケース部材４０の当該孔４１に対してその下面側から挿入している。半導体装置２０の基材２１の上面周縁部すなわち銅露出表面部２１ａと、ケース部材４０の孔４１の拡径部の段差部とは、接着材４２によって接着されている。接着材４２としては、例えば熱硬化性樹脂（シリコン系樹脂またはエポキシ系樹脂等）が用いられている。接着材４２は、基材２１の上面等の銅露出表面部２１ａのみを覆っている。

なお図１で明らかなように、基材２１の上面について、半導体チップ２２が取り付けられるプライマー層２３の周囲の銅露出表面２１ａは、基材２１の中央部から周縁部に向くに従って高さ低くなるまたは厚みが薄くなるように傾斜を有している。

ケース部材４０の下部に基材２１が取り付けられた状態では、基材２１上のプライマー層２３に固定された半導体チップ２２はケース部材４０の中央に位置する収容部に収容された状態になる。ケース部材４０の上側には段差部４３が形成され、さらにその上側には全周囲を囲むような配置で側壁４４が形成されている。ケース部材４０の全体は容器を成すような形状に作られている。またケース部材４０の側壁４４における適宜な箇所にはケース部材４０の外側に引き出された例えば２つの外部端子４５，４６が設けられている。外部端子４５，４６は共に耐食性メッキ（Ｎｉメッキ）が施された銅部材である。２つの外部端子４５，４６は、段差部４３を利用して配置されている。

前述した半導体素子２８，２９に接続された導電線３２，３３の他端は、それぞれ、上記の外部端子４５，４６に接続されている。

上記のごとく構成された半導体装置２０およびケース部材４０に対して、ケース部材４０の内部の収容空間に、半導体チップ２２や導電線３２，３３等を保護する目的で、封止材料６０が充填される。封止材料６０の材質はエポキシ樹脂やシリコン系樹脂である。

次に、主に図２を参照して、上記の構造を有する半導体装置組立て体１０における半導体装置２０の製造方法について説明する。

図２は、半導体装置組立て体１０の組立て状態を７段階（Ａ〜Ｊ）で示した工程図である。第１の段階（Ａ）では平板状の基材２１が成形により用意される。基材２１は、例えば銅板または銅合金板で作られ、平面形状は例えば矩形（正方形または長方形等）である。サイズの例として、例えば長さ６０ｍｍ、幅４０ｍｍ、厚み３ｍｍである。成形された基材２１の平面形状を円形にすることもできる。

第２の段階（Ｂ）では、平板状の基材２１に対して例えば常温状態（２５℃）でプレス加工成形を行い、上面が凹面になるように湾曲させ反らせる。上記のサイズの基材２１の場合には、湾曲状態においてその深さは例えば１２０μｍである。

第３の段階（Ｃ）では、反った形状を有する基材２１の表面に対してニッケルメッキ２３Ａの処理が施される。ニッケルメッキ２３Ａは、通常、基材２１の全表面に施されるが、図示例では基材２１の上面（半導体チップ搭載面）を除いて除去されている。ニッケルメッキ２３Ａの一部が、前述した通りのプライマー層２３を形成する。ニッケルメッキ２３Ａの厚みは好ましくは１〜６μｍ程度の厚みであり、層状に形成される。

第４の段階（Ｄ）では、反った形状を有する基材２１において、当該基材２１の凹面側を研磨装置（図示せず）で研磨し、基材２１の凹面側のおもて面が平坦になるように適切な位置まで研磨する。この場合に、研磨処理が完了すると、基材２１の上面は平坦（フラット）になり、かつ基材２１の上面の中央部にはニッケルメッキ２３Ａの一部が残り、その結果としてプライマー層２３が形成される。基材２１の裏面側は下方に膨出した反りが生じたままである。この状態の基材２１の平面図を図３に示す。プライマー層２３の平面形状は、基材２１の上面において、円形またはこれに類似する形状（ほぼ円形、楕円形等）を有している。

その後の第５の段階（Ｅ）では、基材２１の上面におけるプライマー層２３の上に半導体チップ２２を鉛フリーハンダ２４で接着（接合）する。こうして、基材２１の上面である搭載面に半導体チップ２２が搭載される。

なお、基材２１の上面すなわち載置面に半導体チップ２２を搭載する段階では、さらに、プライマー層２３の上に鉛フリーハンダ２４を介して絶縁材料（絶縁層２６）を配置するステップと、当該絶縁材料の上にさらに鉛フリーハンダ３０，３１を介して半導体素子２８，２９を配置するステップとを含んでいる。

第６の段階（Ｆ）では、基材２１の上面のプライマー層２３の上に鉛フリーハンダ２４を介して半導体チップ２２を搭載した状態で、リフロー炉に入れ、基材２１および半導体チップ２２を加熱する。加熱温度は例えば２６０℃である。この加熱処理によって、基材２１に対しては矢印７１に示されるような力が作用し、基材２１のおもて面が凸面になるように、また換言すれば、基材２１の下面２１ｂ側が凹面になるように反対の反りが生じる。

第７の段階（Ｇ）は、上記加熱処理が終了した状態である。加熱処理は、基材２１はその下面２１ｂが平坦になるように制御して行われる。基材２１が反るにように加熱処理することにより、基材２１の上面では銅露出表面２１ａが中央部から周縁部に到るにつれて傾斜するように湾曲部（反り）が形成される。こうして、上面に半導体チップ２２が搭載された基材２１、すなわち半導体装置２０が作られる。

その後、上記の半導体装置２０に対して、別途に用意されたケース部材４０を付設し、導電線３２，３３を接続し、さらに封止部材６０を充填して半導体装置組立て体１０を完成する。最終的に、半導体装置組立て体１０の基材２１の平坦な下面２１ｂにヒートシンク（放熱板、図示せず）が接合され付設される。このとき、基材２１の下面２１ｂは予め理想的に平坦に形成されているので、熱伝導性がよい状態でヒートシンクを接合することができる。また、基材２１の下面２１ｂが平坦面となるように形成されているので、サーマルコンパウンドの塗布の仕方に工夫を行う必要がなく、塗布が容易であるという利点を有している。

また半導体チップ２２を配置する範囲にニッケルメッキ層によるプライマー層２３を形成しているので、鉛フリーハンダの濡れ性が向上し、接合性を高めることができる。さらに銅露出表面２１ａを形成するようにしたため、封止材料６０との密着性を確保することができる。

以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、また数値および各構成の組成（材質）については例示にすぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。

本発明は、安価で製造することができ、信頼性の高い半導体装置の製造方法等として利用される。

本発明に係る半導体装置について装置製造後の完成品状態での全体的な構造を示す縦断面図である。 本発明に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す工程図である。 研磨工程後の基材の搭載面を示す平面図である。

符号の説明

１０ 半導体装置組立て体
２０ 半導体装置
２１ 基材
２２ 半導体チップ
２３ プライマー層
２４ 鉛フリーハンダ
２６ 絶縁層
２８，２９ 半導体素子
３０，３１ 鉛フリーハンダ
３２，３３ 導電線
４０ ケース部材
４２ 接着材
６０ 封止材料

Claims (7)

1. 平板状の基材の表面にプライマー層を形成するステップと、
   半導体チップの搭載面側が凹面となるように前記基材を湾曲に成形するステップと、
   前記半導体チップの配置範囲に前記プライマー層が残るように、凹面である前記搭載面を平坦に研磨して前記基材の露出面を形成するステップと、
   前記プライマー層の上にハンダを介して前記半導体チップを配置するステップと、
   前記基材と前記半導体チップを含む全体を加熱し、前記基材の前記プライマー層上に前記ハンダで前記半導体チップを接合すると共に、前記基材をおもて面側が凸面になるように反らせて前記基材の裏面を平坦に形成するステップと、
   を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記半導体チップを配置する前記ステップは、
   前記プライマー層の上にハンダを介して絶縁材料を配置するステップと、
   前記絶縁材料の上にハンダを介して半導体素子を配置するステップと含む、
   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。
3. 前記基材の湾曲成形の程度は、加熱のための前記ステップでの前記基材の反り量に対応して設定されることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置の製造方法。
4. 完成した半導体装置にケース部材を付設し、前記半導体チップの周囲空間に封止材料を充填して前記基材の露出面側を封止することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
5. 基材と、この基材の半導体チップ搭載面に形成されたプライマー層の上にハンダで接合される半導体チップとから成る半導体装置において、
   前記プライマー層の周囲は前記基材の露出面となっており、前記露出面はプライマー層境界部から基材周縁部に向かって傾斜していることを特徴とする半導体装置。
6. 前記基材の半導体チップ搭載面に形成される前記プライマー層は円形またはこれに類似する形状であることを特徴とする請求項５記載の半導体装置。
7. ヒートシンクが接合される前記基材の裏面は平坦に形成されていることを特徴とする請求項５または６記載の半導体装置。

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