JP2009231690A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体装置の信頼性、製造歩留まりを向上させる。
【解決手段】第1の電極と第2の電極とが絶縁層により分離されている半導体素子を準備し、半田材を金属箔上に配置し、半田材上に、第3の電極が接触するように半導体素子を載置する。また、シート状の半田材を半導体素子の第1の電極及び第2の電極に対向させ、ポスト電極の下端を、半田材を介して、第1の電極上及び第2の電極上に対向させる。そして、半田材を絶縁層を隔てて分離し、第1の電極とポスト電極とを、半田材を介して接合すると共に、第2の電極とポスト電極とを、半田材を介して接合する。また、第3の電極と金属箔とを半田材を介して接合する。これにより、半導体装置の信頼性、製造歩留まりが向上する。
【選択図】図1

Description

本発明は半導体装置の製造方法に関し、特に複数のパワー半導体素子を搭載した半導体装置の製造方法に関する。
インバータ装置、無停電電源装置、工作機械、産業用ロボット等では、その本体装置とは独立して、パワー半導体素子を複数個搭載した半導体装置が使用されている。そして、最近では、より多くの大電流を通電させるために、ボンディングワイヤを使用しない、ワイヤレス構造の半導体装置が注目されている(例えば、特許文献1参照)。
図21はワイヤレス構造の半導体装置の要部図である。
図示する半導体装置100は、金属ベース板101、金属ベース板101上に接合された絶縁板102、絶縁板102上にパターニングされた導体パターン103a,103b,103c,103dと、を備え、導体パターン103b上に、半導体素子105が半田層104bを介して接合されている。
また、導体パターン103d上には、半田層104dを介してトランス106、コンデンサ107、抵抗108等の素子が電気的に接続されている。また、導体パターン103a上には、半導体装置100外に導出させる外部導出端子109が半田層104aを介して電気的に接続されている。
ここで、半導体素子105は、縦形のパワー半導体素子であって、裏面側の電極を半田層104bを介して、導体パターン103bに接続させた構成をなしている。
また、半導体装置100においては、金属ベース板101にプリント基板110を対向させている。また、当該プリント基板110には、スルーホール110a、導体パターン111,113を設けている。
そして、導体パターン111に導通するポスト電極112aが半導体素子105の上面側の電極に半田層104eを介して接合されている。更に、別の導体パターン111に導通するポスト電極112bが導体パターン103cに半田層104cを介して接合されている。また、導体パターン113上には、制御用IC114が実装されている。
このように、半導体装置100は、ワイヤレス構造をなし、半導体素子105の上面側の電極及び導体パターン103cがポスト電極112a,112bを通じて、プリント基板110に電気的に接続されている。
特開2004−228403号公報
しかしながら、上述した半田層104eにおいては、通常、フラックス成分を含有するペースト状の半田材を、印刷法で半導体素子105の電極上に塗布するために、リフロー後においては、電極表面のフラックス洗浄が必要であった。また、半田材がペースト状であるために、リフロー中に、フラックス成分或いは半田材が飛散したりするという問題が生じている。
また、最近の半導体素子の小型化に伴い、半導体素子105自体が軽量となり、印刷法により、ペースト状の半田材を塗布すると、半導体素子105が動いてしまい、ペースト状の半田の塗布位置にばらつきが生じるという問題が生じている。
更に、ポスト電極112aの高さには、夫々ばらつきがあり、相対的に距離が短いポスト電極においては、そのポスト電極の下部と電極とが半田層を介して充分に接合しないという問題があった。
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、高信頼性で、優れた動作特性を有する半導体装置を高い製造歩留まりをもって製造することができる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の一態様では、少なくとも一つの第1の電極及び少なくとも一つの第2の電極と、前記第1の電極及び前記第2の電極に対向するように配設された第3の電極とを備え、前記第1の電極と前記第2の電極とが絶縁層により同一面内で電気的に分離されている半導体素子を準備する工程と、第1の導電性接合材を、絶縁板の主面に形成された金属箔上に配置し、前記第1の導電性接合材上に、前記第3の電極が接触するように前記半導体素子を載置する工程と、シート状の第2の導電性接合材を前記絶縁層により支持して、前記半導体素子の前記第1の電極及び前記第2の電極に対向させる工程と、配線基板に配設された配線層に導通する、少なくとも一つの第1のポスト電極の下端及び少なくとも一つの第2のポスト電極の下端のそれぞれを、前記第2の導電性接合材を介して、前記第1の電極上及び前記第2の電極上に対向させる工程と、前記第2の導電性接合材を前記絶縁層を隔てて分離し、前記第1の電極と前記第1のポスト電極とを、第1の導電性接合層を介して接合すると共に、前記第2の電極と前記第2のポスト電極とを、第2の導電性接合層を介して接合し、前記第3の電極と前記金属箔とを第3の導電性接合層を介して接合する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
また、本発明の別の一態様では、少なくとも一つの第1の電極及び少なくとも一つの第2の電極を備え、前記第1の電極と前記第2の電極とが絶縁層により同一面内で電気的に分離されている半導体素子を準備する工程と、シート状の第1の導電性接合材を前記絶縁層により支持して、前記第1の電極及び前記第2の電極に対向させる工程と、配線基板に配設された配線層に導通する、少なくとも一つの第1のポスト電極の下端及び少なくとも一つの第2のポスト電極の下端のそれぞれを、前記第1の電極上及び前記第2の電極上に、前記第1の導電性接合材を介して載置する工程と、前記第1の導電性接合材を前記絶縁層を隔てて分離し、前記第1の電極と前記第1のポスト電極とを、第1の導電性接合層を介して接合すると共に、前記第2の電極と前記第2のポスト電極とを、第2の導電性接合層を介して接合する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
上記手段によれば、高信頼性で、優れた動作特性を有する半導体装置を高い製造歩留まりをもって製造することができる半導体装置の製造方法が実現する。
<第1の実施の形態>
以下、第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を、図面を参照して詳細に説明する。
図1は第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するためのフロー図である。第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法では、例えば、半導体素子として、縦型のIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)素子を使用する場合が例示されているが、当該半導体装置の製造方法で使用する半導体素子としては、IGBT素子に限るものではない。
先ず、制御用の電極であるゲート電極(第1の電極)と、主電極であるエミッタ電極(第2の電極)とを、それぞれ少なくとも一つ配設し、ゲート電極及びエミッタ電極に対向するように配設された、他の主電極であるコレクタ電極(第3の電極)を備え、ゲート電極とエミッタ電極とが絶縁層を隔てて同一面内で電気的に分離されている半導体素子を準備する(ステップS1)。
次に、第1の導電性接合材(半田材)を、絶縁板の主面にDCB(Direct Copper Bonding)法により形成された金属箔上に配置し、更に、当該半田材に、上記半導体素子のコレクタ電極が接触するように、半導体素子を載置する(ステップS2)。
続いて、シート状の第2の導電性接合材(半田材)を上記絶縁層により支持して、半導体素子のゲート電極及びエミッタ電極に載置する(ステップS3)。
次に、配線基板(プリント基板)に配設された配線層に導通する、少なくとも一つのポスト電極(第1のポスト電極)の下端、及び少なくとも一つの別のポスト電極(第2のポスト電極)の下端のそれぞれを、上記半田材を介して、ゲート電極上及びエミッタ電極上に対向させる(ステップS4)。
そして、第1の導電性接合材及びシート状の第2の導電性接合材をリフロー処理により溶融し、シート状の第2の導電性接合材を絶縁層を隔てて分離した後、ゲート電極とポスト電極とを、ゲート電極上に形成させた第1の導電性接合層(半田層)を介して接合すると共に、エミッタ電極と別のポスト電極とを、エミッタ電極上に形成させた第2の導電性接合層(半田層)を介して接合する。更に、コレクタ電極と金属箔とを、第3の導電性接合層(半田層)を介して接合する(ステップS5)。
ここで、第2の導電性接合材を絶縁層を隔てて分離する前に、ゲート電極及びエミッタ電極、または、ポスト電極及び別のポスト電極に前処理を施してもよい(後述)。
また、シート状の第2の導電性接合材は、所定の厚さ範囲にある。
また、上記の半導体素子においては、絶縁層に対する第2の導電性接合材の接触角がゲート電極またはエミッタ電極に対する第2の導電性接合材の接触角より大きい(後述)。また、絶縁層に対する第2の導電性接合材の接触角がポスト電極または別のポスト電極に対する第2の導電性接合材の接触角より大きい(後述)。
このようなフローにより、高信頼性で、優れた動作特性を有する半導体装置が製造される。
尚、上述した、第1の電極から第3の電極が順に、ゲート電極、エミッタ電極、コレクタ電極であるのは、一例であり、特に、これらに配置に限定されるものではない。第1の電極から第3の電極の何れかが、ゲート電極、エミッタ電極、コレクタ電極の何れかであり、第1の電極から第3の電極は相互に異なる電極としてもよい。
続いて、図1に示すフロー図に基づき、第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の具体的な製造方法を、図2〜図13を用いて説明する。
図2〜図13は第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための図である。
図2には当該半導体装置の製造方法で使用する半導体素子の要部図が例示されている。ここで、図2(a)には、半導体素子の平面要部図が示され、図2(b)には、図2(a)のX−Y破線に沿った位置での断面図が示されている。また、以下に示す具体例においても、縦型のIGBT素子を用いた場合を例に説明する。但し、第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法において、使用される半導体素子は、IGBT素子に限定されるものではない。
例えば、IGBT素子に代えて、パワーMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)素子等を用いてもよい。また、上下の主面に正極と負極を配設したFWD(Free Wheeling Diode)素子を、半導体素子10と共に半導体装置に組み込んでもよい。
図示する半導体素子10においては、上面側に、制御電極であるゲート電極(第1の電極)10gと、主電極であるエミッタ電極(第2の電極)10ea,10ebが配設され、下面側にコレクタ電極(第3の電極)10cが配設されている。これらのゲート電極10g、エミッタ電極10ea,10eb、並びにコレクタ電極10cの材質は、例えば、アルミニウム(Al)、或いは銅(Cu)を主たる成分としている。また、これらの電極の表面には、下層からニッケル(Ni)膜/金(Au)膜がコーティングされている場合もある。このようなコーティング層は、電極上に形成する半田材の濡れ性、接合性をより向上させるために形成されている。
尚、コーティング層は、例えば、無電解めっき、蒸着法、またはスパッタ法等によって形成される。
また、半導体素子10においては、ゲート電極10gとエミッタ電極10eaとが、断面が矩形状の絶縁層(分離層)10iを隔てて配設されている。更に、エミッタ電極10ea,10ebにおいては、断面が矩形状の絶縁層10iを隔てて、2つの領域に分離されている。
ここで、絶縁層10iの材質は、例えば、ポリイミド樹脂、または窒化シリコン(SiN)、酸化シリコン(SiO2)等の何れかを主たる成分としている。また、絶縁層10iは、300℃以上の耐熱性を有している。
このような半導体素子10のパワー容量は、例えば、定格電流50Aで、耐圧1200Vである。また、そのサイズは、一例として、厚みが0.13mm、平面形状が8.2mm×8.2mmである。尚、本実施の形態では、半導体素子10のサイズは、特に上記のサイズに限定されるものではなく、3mm×3mm〜17mm×17mmのサイズで適用可能である。
尚、図2(a)において、矢印Pg,Pea,Pebで指示した破線のポイントは、ゲート電極10gと、エミッタ電極10ea,10ebに導通させるポスト電極の接合位置である(後述)。
また、図3にはIGBT素子に配設された電極表面での半田層形成の例が示されている。具体的には、鉛(Pb)フリーの半田材(融点約220℃)11を使用して、電極表面に、導電性接合層としての半田層を形成する。例えば、導電性接合材である、シート状の半田材11を半導体素子10上に載置し、加熱処理を施して、各々の電極表面に半田層を形成する。
図3(a)に示すように、半田材11の平面形状は、半導体素子10の上面と同サイズ、或いは若干小さくすることが好ましく、平面形状は矩形状であることが好ましい。
尚、本実施の形態の例では、半田材11の平面形状は、半導体素子10の外端から0.6mmの長さ分、短くしたものを用いている。例えば、本実施の形態では、平面形状が7.0mm×7.0mmの半田材11を用いている。
また、半田材11の厚さは、50μm、100μm、150μmの3種としている。
このような形状の半田材11を、絶縁層10iで支持しながら、半導体素子10の上面側に対向させた後、加熱炉内にて220℃以上のリフロー処理を実施する。リフロー処理後、半田材11の断面は、図3(b)のようになる。
即ち、シート状の半田材11にリフロー処理を施すと、当該半田材11は、ゲート電極10g、エミッタ電極10ea,10eb及び絶縁層10iとの濡れ性の差異、または半田材11の自重、半田材11の表面張力によって、絶縁層10iを隔てて完全に分離される。そして、ゲート電極10gの表面上、エミッタ電極10ea,10ebの表面上に、半田層11g,11ea,11ebが形成する。
そして、図3(c)に示す如く、3次元形状測定機により半田層11g,11ea,11ebのプロファイルを計測し、その最高値(半田層のトップの高さ)を求めると、図3(d)のようになる。尚、図3(c)の縦軸・横軸の単位はμmである。
即ち、半田材11の板厚として、50μm、100μm、150μmを使用した場合、ゲート電極10g上においては、57μm〜73μmの高さの半田層11gが形成し、エミッタ電極10ea上においては、229μm〜249μmの高さの半田層11eaが形成し、エミッタ電極10eb上においては、243μm〜475μmの高さの半田層11ebが形成する。
尚、半田材11の厚さが50μmより極端に薄くなり、0μmに近くなると、半田層の絶対量が足りず、半田層11g,11ea,11ebが導電性接合材として機能しない場合がある。
また、半田材11の厚さが150μmより厚くなると、半田層の絶対量が過剰になり、半田層が絶縁層10iをまたいで、ゲート電極10gとエミッタ電極10eaとを短絡させる傾向にある。或いは、半田層の高さが過剰に高いと、半導体素子10の上方に配置する配線基板(後述)に、当該半田層が接触する場合もある。
従って、使用する半田材11の厚さとしては、5μm〜150μmが好ましく、より望ましくは、50μm〜150μmとすることが好ましい。
尚、絶縁層10iとしてポリイミド材を使用した場合は、当該絶縁層10iの厚さを0.1μm〜500μmとし、線幅を200μm以上としている。
特に、半田層11g,11ea,11ebの中、最も高い半田層の高さより高い絶縁層10iを、半導体素子10に形成することにより、より確実に半田材11が絶縁層10iを隔てて、ゲート電極10g上、またはエミッタ電極10ea上に分離される。
また、後述するように、半田材の絶縁層10iに対する濡れ性が悪い(低い)ことから、当該絶縁層10iの高さが半田層11g,11ea,11ebより低くても、半田材11が絶縁層10iを隔てて、ゲート電極10g上、またはエミッタ電極10ea上に分離される。
但し、絶縁層10iの厚さが0.1μmより薄くなると、半田材の絶縁層10iに対する濡れ性の悪さが緩和する傾向にあることから、絶縁層10i上に半田が濡れてしまい、ゲート電極10gとエミッタ電極10eaとが半田層を通じて短絡する傾向にある。
従って、絶縁層10iの厚さは、0.1μm以上であることが望ましい。
また、絶縁層10iによる、ゲート電極10gとエミッタ電極10eaとの耐圧を確保する上でも、絶縁層10iの厚さは、0.1μm以上であることが望ましい。
また、絶縁層10iの厚さが500μmより厚くなると、半導体素子10の上方に配置する配線基板に、絶縁層10iが接触して、半導体装置の薄型化が図れない。従って、絶縁層10iの厚さは、半導体素子10と配線基板との間隙(500μm〜2mm)以下であることが望ましい。
また、半導体素子10として、600V、1200V、1700V等の耐圧のIGBT素子またはパワーMOSFETを使用する場合は、ポリイミド材の耐圧が10V/μm程度であることから、ゲート電極10gとエミッタ電極10ea間の耐圧を確保する上で、絶縁層10iの線幅は、200μm以上であることが望ましい。
更に、これ以上の高耐圧を要するIGBT素子では、その耐圧に適合した線幅に適宜、調整すればよい。
尚、図4にはFWD素子に配設された電極表面での半田層形成の例が示されている。
即ち、図4(a)に示す如く、上記測定器で、FWD素子の上面側の電極表面に形成した半田層のプロファイルを測定し、その高さの最高値を求めると、図4(b)のようになる。尚、図4(a)の縦軸・横軸の単位はμmである。
即ち、FWD素子用に用いる半田材の板厚として、50μm、100μm、150μmを使用した場合、FWD素子の上面側の電極表面においては、314μm〜765μmの高さの半田層が形成する。
これらの半田層の高さは、上記エミッタ電極10ea,10ebに形成させた半田層11ea,11ebより、相対的に高い方向にシフトしている。これは、FWD素子のチップ面積がIGBT素子のチップ面積より相対的に小さいことに起因している。
尚、FWD素子の電極表面に形成する半田層の高さは、シート状の半田材の厚さを適宜調整することにより、自由に調整することができる。
続いて、図5に示すように、例えば、アルミナ(Al23)、或いは窒化シリコン(Si34)を主たる成分とする絶縁板20の上下の主面に、金属箔21,22a〜22eがDCB法によりパターン形成された絶縁基板23を準備する。当該絶縁基板23は、例えば、カーボン製の固定用冶具(図示しない)により、その下面並びに側面が固定・支持されている。
次いで、金属箔22bと金属箔22d上に、夫々、半田材(第1の導電性接合材)12、半田材17を載置する。当該半田材12,17の形状は、シート状であってもよく、ペースト状であってもよい。そして、半田材12に上記半導体素子10のコレクタ電極10cが接触するように、半田材12上に半導体素子10を載置する。
また、FWD素子等の別の半導体素子15を準備し、半田材17に半導体素子15のカソード電極(第5の電極)15cが接触するように、半田材17上に半導体素子15を載置する。
続いて、シート状の半田材(第2の導電性接合材)11を、半導体素子10の上面側に配置された絶縁層10iにより支持して、半田材11の主面をゲート電極10g及びエミッタ電極10ea,10ebに対向させる。同様に、シート状の半田材16を、半導体素子15の上面側に配置された絶縁層15iにより支持して、半田材16の主面を、半導体素子15のアノード電極(第4の電極)15aに対向させる。
尚、この段階で使用した半田材11,16の厚さは、上述した如く、50μm〜150μmである。また、半田材11,16の平面サイズは、夫々、半導体素子10,15の主面と同サイズする。これにより、半田材11,16の半導体素子10,15に対する位置合わせが容易になる。
または、若干、半導体素子10,15の主面より小さいサイズの半田材11,16を使用してもよい。例えば、半導体素子10,15の主面の面積の60%〜100%の半田材11,16を使用してもよい。但し、半田材11,16の端が半導体素子10,15の外周に形成されている絶縁層10i,15iに、必ず支持される程度にする。
尚、このような半田材11,12,16,17は、大判の半田シート板からの打ち抜きで作製される。また、半田材11,12,16,17には、フラックスが含有されていない。
また、半田材11,12,16,17の材質は、例えば、鉛(Pb)フリーの半田であり、具体的には、Sn3.5%Ag半田等のSnAg系半田、またはSn5%Sb半田等のSnSb系半田が該当する。または、SnAgCu系半田、SnAgBi系半田、SnAgIn系半田、SnCuBi系半田、SnCuIn系半田、SnAgCuNiGe系半田を用いてもよい。
または、必要に応じて、鉛(Pb)を含有する半田(共晶系半田)を用いてもよい。具体的には、Sn5%Pb半田、Sn63%Pb半田、またはSn37%Pb半田を使用してもよい。
次に、図6に示すように、配線基板30を準備する。この配線基板30には、選択的に配線パターンが配設されている。そして、当該配線基板30の配線層30gに導通するポスト電極(第1のポスト電極)31gの下端と、配線基板30に配設された配線層30ea,30ebに導通するポスト電極(第2のポスト電極)31ea,31ebの下端のそれぞれを、半田材11に接触させる。
即ち、半導体素子10のゲート電極10g上及びエミッタ電極10ea,10eb上に、半田材11を介して、ポスト電極31g,31ea,31ebの下端を対向させる。
同様に、半導体素子15の上方においては、配線基板30に配設された配線層30aa,30abに導通するポスト電極(第3のポスト電極)31aa,31abの下端を、半導体素子15のアノード電極15a上に、半田材16を介して対向させる。
尚、配線層30g,30ea,30eb,30aa,30abにおいては、配線基板30の主面、或いは内部に形成されている電気回路(図示しない)との電気的な接続がなされている。
ここで、配線層30g,30ea,30eb,30aa,30ab、並びにポスト電極31g,31ea,31eb,31aa,31abの材質は、例えば、銅(Cu)を主たる成分としている。
ところで、第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法で使用する、配線基板30の構造については、他の図面を用いて詳細に説明する。
図7は配線基板の要部図であり、図7(a)には、平面上面図が例示され、図7(b)には、ポスト電極付近の拡大断面図が例示されている。尚、図7(b)では、一例として、上述したポスト電極31g付近の断面が例示されている。
当該配線基板30は、所謂プリント基板の所望位置に、複数のポスト電極を選択的に立設させた基板であり、例えば、図7(b)に示すように、ポスト電極31gが配線基板30に注入(圧入)され、配線基板30に選択的に配設された配線層30gと当該ポスト電極31gとの導通が確保されている。
また、配線基板30においては、ポスト電極31gの他、図7(a)に示すように、ポスト電極31ea,31eb,31aa,31abが配線基板30に注入され、配線基板30に選択的に配設された上記配線層30ea,30eb,30aa,30abと夫々のポスト電極31ea,31eb,31aa,31abとが導通している。
また、このようなポスト電極31g,31ea,31eb,31aa,31abと配線層30g,30ea,30eb,30aa,30abとの接合においては、上記の注入の他、半田付けを利用してもよい。これにより、ポスト電極31g,31ea,31eb,31aa,31abと配線層30g,30ea,30eb,30aa,30abとの電気的接続並びに機械的強度がより増加する。
尚、配線基板30の材質は、例えば、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂等を主たる成分としている。また、必要に応じて、ガラスクロスを配線基板30の内部に含浸させ、配線基板30の強度補強を図ってもよい。
また、配線基板30の剛性については、所定の剛性を備えた硬いタイプのものでもよく、配線基板30全体が歪曲可能になるフレキシブルなものであってもよい。
また、配線基板30の表面には、図7(b)に示すように、樹脂製の保護層32が形成されている。なお、図7(a)では、ポスト電極の配置を明確に説明するために、保護層32を表示していない。
また、配線基板30には、ポスト電極31ea,31eb、並びにポスト電極31aa,31abの夫々が横一列で、5個配設されている。夫々のポスト電極のピッチは、均一である。また、ポスト電極31gは、ポスト電極31eaに隣接して配置されている。
そして、図6に示す如く、半導体素子10の上方に、配線基板30を対向させた場合、複数のポスト電極31ea,31ebの下端が半導体素子10のエミッタ電極10ea,10eb上に位置するように配置されている。この場合、ポスト電極31gの下端は、半導体素子10のゲート電極10g上に位置する。
また、半導体素子15の上方に、配線基板30を配置した場合、複数のポスト電極31aa,31abの下端が半導体素子15のアノード電極15a上に位置するように配置されている。
尚、上述したポスト電極31g,31ea,31eb,31aa,31abの個数については、図7に例示した個数に限らない。半導体素子10,15のパワー容量に応じて、ポスト電極31g,31ea,31eb,31aa,31abを配置する個数を変えてもよい。また、ポスト電極31ea,31eb,31aa,31abの配列は、図7(a)に示す如く、横一列の他、ジグザグ状の配列であってもよい。
また、上述したポスト電極31g,31ea,31eb,31aa,31abの構造については、棒状とは限らず、その内部を中空にさせたパイプ状にしてもよい。また、ポスト電極31g,31ea,31eb,31aa,31abの外形については、円筒状であってもよく、角状にしてもよい。
第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法では、このような構造の配線基板30を使用している。
尚、配線基板30は、図6に示す工程では、上述した固定用冶具により、その側面が固定・支持されている。また、図6では、配線基板30の構成を簡略化するために、上記保護層32を表示していない。
また、配線基板30を準備する順序については、上記絶縁基板23、半導体素子10,15を準備する前に行ってもよい。
次に、半田材11,12,16,17の融点以上にまで、半導体素子10,15、配線基板30等を加熱し、半田材11,12、並びに半田材16,17のリフロー処理を開始する。当該加熱により、図8に示すように、半田材11,12、並びに半田材16,17が溶融し始める。これにより、半田材11,16の剛性が緩和し、ポスト電極31g,31ea,31eb,31aa,31abの下端が、半導体素子10,15により接近する。
尚、当該リフロー処理は、真空リフロー装置を使用し、減圧下または希ガス、水素(H2)ガス、窒素(N2)ガス、または水素(H2)/窒素(N2)混合ガスの雰囲気下で実施する。これにより、リフロー処理中の半導体素子10,15の電極表面及びポスト電極表面の酸化が防止され、溶融した半田材11,12,16,17が電極表面及びポスト電極表面に円滑に濡れ拡がる。また、電極上に形成する半田層内にボイドが発生することもない。
また、溶融した半田材11,12,16,17の上記電極表面及びポスト電極表面に対する濡れ性を向上させるために、半田材11,12,16,17を溶融させる前に、前処理を施してもよい。
例えば、上記電極表面及びポスト電極表面に、希ガスまたは窒素(N2)を使用したプラズマ処理を施し、上記電極表面及びポスト電極表面を1nm〜2nm程度、エッチングしてもよい。または、270℃以上の水素(H2)雰囲気下で、上記電極表面及びポスト電極表面の還元処理を施してもよい。
これにより、上記電極表面及びポスト電極表面の自然酸化膜、または電極表面に析出・生成したニッケル(Ni)酸化物が除去され、溶融した半田材11,12,16,17の上記電極表面及びポスト電極表面に対する濡れ性が向上する。
そして、当該リフロー処理をしばらく実施すると、図9に示すように、上記半田材11が絶縁層10iを隔てて完全に分離される。
即ち、ゲート電極10g上のみに半田層(第1の導電性接合層)11gが形成し、夫々のエミッタ電極10ea,10eb上のみに半田層(第2の導電性接合層)11ea,11ebが形成する。また、アノード電極15a上には、半田層(第4の導電性接合層)16aが形成する。
そして、ポスト電極31gとゲート電極10gとが半田層11gを介して導通する。また、ポスト電極31ea,31ebとエミッタ電極10ea,10ebとが半田層11ea,11ebを介して導通する。また、ポスト電極31aa,31abとアノード電極15aとが半田層16aを介して導通する。
また、半導体素子10のコレクタ電極10cと金属箔22bとが半田層(第3の導電性接合層)12cを介して導通し、半導体素子15のカソード電極15cと金属箔22dとが半田層(第5の導電性接合層)17cを介して導通する。
ここで、半田材の金属表面またはポリイミド材に対する濡れ性について補説する。ここでは、半田材の金属表面またはポリイミド材に対する濡れ性の差異を確認するために、半田材の金属表面またはポリイミド材に対する接触角を例示する。
例えば、図10(a)に示す如く、半田層が金属またはポリイミドからなる基板と接触するときの接触角θが0<θ≦90°の範囲では、半田層は基板に対し、浸漬濡れの状態にある。また、図10(b)に示す如く、接触角θが90°<θ≦180°の範囲では、半田層は基板に対し、付着濡れの状態にある。また、θ=0°の場合(図示しない)は、半田層は基板に対し、拡張濡れの状態にある。
即ち、接触角が小さいほど、半田層の基板に対する濡れ性はよく(高く)、接触角が大きいほど、半田層の基板に対する濡れ性は悪い(低い)ことになる。
図11に半田材の金属表面またはポリイミド材に対する接触角の測定例を示す。ここで、接触角θの測定は、接触角計(協和界面科学製CA−X)により行った。また、リフロー処理後における半田層の金属表面またはポリイミド材に対する接触角θを測定した。
また、半田層と接触させる基板としては、市販のIGBT素子のエミッタ電極表面と、アルミナ(Al23)板上に形成された銅(Cu)板と、IGBT素子の絶縁層10iの代用であるポリイミドフィルムの3種を用いた。ここで、IGBT素子のエミッタ電極の材質は、アルミニウム(Al)であり、下層からニッケル(Ni)/金(Au)鍍金が施されている。従って、エミッタ電極上での接触角の測定は、金(Au)膜上での半田材の接触角を測定したことになる。
また、上記ポスト電極の材質は、上述した如く、銅(Cu)を主たる成分としている。従って、上記銅(Cu)板上での半田材の接触角を測定することにより、半田材のポスト電極に対する濡れ性も併せて知ることができる。
また、銅(Cu)板表面においては、自然酸化膜を除去するために、前処理として、窒素(N2)ガスによるプラズマ処理(400W、3分)を施した。
また、リフロー温度は、鉛(Pb)フリー半田の場合は340℃であり、鉛(Pb)含有の半田の場合は200℃とした。
図示するように、Al/Ni/Au電極表面上では、鉛(Pb)フリー半田、鉛(Pb)含有半田を問わず、接触角θが10°以下になる。
銅(Cu)板上では、鉛(Pb)フリー半田で接触角θが60°以下となり、鉛(Pb)含有半田では、接触角θが9°以下になる。
また、ポリイミドフィルム上では、鉛(Pb)フリー半田、鉛(Pb)含有半田を問わず、接触角θが80°以上になる。尚、水のポリイミドフィルムに対する接触角θは、100°前後となることから、半田材のポリイミドフィルム材に対する接触角は、水と同程度か、それ以上の接触角であることが分る。
尚、半導体素子のゲート電極は、エミッタ電極の材質と同じであることから、半田材のゲート電極表面に対する接触角は、上記エミッタ電極の場合と同様になる。
このような半田材の電極表面またはポリイミド材に対する接触角θの相違により、半田材は、上記絶縁層10i上に濡れず、絶縁層10iを隔てて分離され、半導体素子10のゲート電極10g上、或いはエミッタ電極10ea,10eb上にのみ、半田層11g,11ea,11ebが形成する。
言い換えれば、絶縁層10iに対する半田材の接触角がゲート電極10gまたはエミッタ電極10ea,10ebに対する半田材の接触角より大きいことから、半田材は絶縁層10iを隔てて分離される。
また、半田材11を分離する絶縁層10iの高さ及び線幅は、必要に応じて、以下の如く、調節する。
例えば、第1の方法として、図9に示す半田層11g,11ea,11ebの中、最も高い半田層の高さよりも高い絶縁層10iを配置した半導体素子10を使用する。
このような絶縁層10iを半導体素子10に形成すれば、半田材の絶縁層10iに対する濡れ性の悪さ、半田材の表面張力、半田材の自重により、上記半田材11が確実に絶縁層10iを隔てて分離される。即ち、ゲート電極10g上、或いはエミッタ電極10ea,10eb上にのみ、半田層11g,11ea,11ebが形成する。
また、配線基板30の下面から突出している、複数のポスト電極31g,31ea,31ebの高さにばらつきがあり、最も低いポスト電極と最も高いポスト電極との高さの差が50μm以上ある場合には、半田層11g,11ea,11ebの高さを50μm以上にする必要がある。これにより、ポスト電極31g,31ea,31ebの全てが、半田層11g,11ea,11ebを介して、ゲート電極10g、エミッタ電極10ea,10ebに接合される。
そして、この場合には、第2の方法として、高さが50μm以上の絶縁層10iを配置した半導体素子10を使用する。
このような絶縁層10iを半導体素子10に形成すれば、半田材の絶縁層10iに対する濡れ性の悪さ(低さ)、半田材の表面張力、半田材の自重により、上記半田材11が確実に絶縁層10iを隔てて分離される。即ち、ゲート電極10g上、或いはエミッタ電極10ea,10eb上にのみ、半田層11g,11ea,11ebが形成する。
また、最も低いポスト電極と最も高いポスト電極との高さの差が50μmより小さい場合(例えば、10μm〜50μm)には、半田層11g,11ea,11ebの高さを、その差以上にすることで足りる。これにより、半田層11g,11ea,11ebを介して、ポスト電極31g,31ea,31ebの全てがゲート電極10g、エミッタ電極10ea,10ebに接合される。
そして、この場合には、第3の方法として、その差以上の絶縁層10iを配置した半導体素子10を使用する。
このような絶縁層10iを半導体素子10に形成すれば、半田材の絶縁層10iに対する濡れ性の悪さ、半田材の表面張力、半田材の自重により、上記半田材11が確実に絶縁層10iを隔てて分離される。即ち、ゲート電極10g上、或いはエミッタ電極10ea,10eb上にのみ、半田層11g,11ea,11ebが形成する。
また、第4の方法として、ポスト電極のばらつきが全くない場合には、半導体素子10の絶縁層10iの高さを、半田材の絶縁層10iに対する濡れ性の悪さが損失せず、半田材をはじく程度にしてもよい。具体的には、絶縁層10iの高さの下限を0.1μmにする。
このような薄い絶縁層10iにおいても、半田材の絶縁層10iに対する濡れ性の悪さ、半田材の表面張力により、上記半田材11が確実に絶縁層10iを隔てて分離される。即ち、ゲート電極10g上、或いはエミッタ電極10ea,10eb上にのみ、半田層11g,11ea,11ebが形成する。
尚、半導体素子15上に配置させた絶縁層15iの高さについては、半田層16aが半導体素子15のアノード電極15aから落下しない程度であればよい。具体的には、絶縁層15iの高さの下限を0.1μmにする。
また、絶縁層10i,15iの高さの上限については、上述した如く、配線基板30の主面に、当該絶縁層10i,15iが接触しない程度にする。例えば、絶縁層10iの高さの上限は、半導体素子10と配線基板30の間隙(500μm〜2mm)程度とする。
また、絶縁層10iの線幅においては、上記の理由により200μm以上にする。
尚、図9に示す如く、絶縁基板23及び配線基板30は、上述した如く、固定用冶具により、それらの位置が固定・支持されているので、リフロー処理中に、金属箔22b,22d、ポスト電極31g,31ea,31eb,31aa,31abが水平方向(絶縁基板23及び配線基板30の夫々の主面と平行な方向)に動くことはない。
また、ポスト電極31ea,31eb,31aa,31abは、上述した如く、均一なピッチで複数個配置されている。これにより、半田層11ea,11eb,16aa,16abは、リフロー処理中に、夫々のポスト電極に均等に濡れ拡がる。従って、当該半田層11ea,11eb,16aa,16abに接触している半導体素子10,15においては、セルフアライメント(自己整合)効果が促進する。
これにより、リフロー処理中に、金属箔22b,22d上の半導体素子10,15の位置がずれることもない。
更に、所定の時間、リフロー処理を続けると、図12に示すようになる。
図示するように、上記半田層11g,11ea,11eb,16aa,16abがポスト電極31g,31ea,31eb,31aa,31abの側面にまで濡れ拡がり、半田層11g,11ea,11eb,16aa,16abがフィレットを形成する。
これは、ポスト電極31g,31ea,31eb,31aa,31abの材質が銅(Cu)により構成され、上述した如く、半田層のポスト電極に対する濡れ性がよいことに起因する。
即ち、絶縁層10i,15iに対する半田層の接触角がポスト電極31ea,31eb,31aa,31abに対する半田層の接触角より大きいことから、当該リフロー処理を続けても、絶縁層10i,15i上に半田層が濡れ拡がることはない。
これにより、半田層11g,11ea,11eb,16aa,16abは、半導体素子10のゲート電極10g上、エミッタ電極10ea,10eb上、及び半導体素子15のアノード電極15a上と、ポスト電極31g,31ea,31eb,31aa,31ab上のみに濡れ拡がる。
そして、フィレットを形成した後においては、リフロー処理を停止し、上記固定用冶具を取り外す。そして、モールド成形により、絶縁基板23と配線基板30の間隙に、例えば、エポキシ樹脂等で構成される封止用樹脂を充填する(図示しない)。これにより、半導体素子10,15、並びにポスト電極31g,31ea,31eb,31aa,31ab等が封止用樹脂により封止される。
尚、コレクタ電極10cと金属箔22b、並びに、カソード電極15cと金属箔22dとの接合は、上記半田付けの他、圧接、超音波接合により行ってもよい。
このような製造方法により、図示する半導体装置1が完成する。また、当該半導体装置1をPPS(ポリ・フェニレン・サルファイド)等の樹脂ケースによりパッケージングし、汎用のパワーモジュールを構成してもよい。
また、半導体装置1においては、絶縁基板23より広面積の数ミリ厚の金属ベース板を、この半導体装置1の基体としてもよい。このような金属ベース板を配置することにより、半導体装置1の放熱性がより向上する。
また、上述した配線基板30には、IC回路部、コンデンサ、抵抗等の電子部品を設けてもよい。これにより半導体装置1を、温度センサー回路や過電圧・過電流保護回路等が組み込まれた、小型・薄型サイズのインテリジェントパワーモジュールとして機能させることもできる。
尚、図13には、半田層のフィレット形状の拡大図が示されている。
当該フィレット形状においては、半田層が電極と接する最外周からポスト電極側面までの距離をdとし、半田層の高さをhとした場合、hは、図13(a)に示す如く、hがdと等しくなる状態から、図13(b)に示す如く、hがdの2倍になる状態までの範囲にあることが好ましい。即ち、hとdは、d≦h≦2dとなるように形成されている。ここで、dにおいては、125μm〜250μmであることが好ましい。これにより、ポスト電極の電極に対する接合面積が増加し、導通経路のL成分の低抵抗化が図れる。また、ポスト電極と電極との接合強度が増加する。更に、ポスト電極の機械的強度が増加する。
このように、第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法においては、半田材11,16及び絶縁層10i,15iの材質、半田材11,16及び絶縁層10i,15iの形状、リフロー処理を最適条件に調節している。
例えば、半田材11の電極表面及び絶縁層10iに対する濡れ性の差、半田材11の表面張力、半田材11の自重を利用し、半田層を絶縁層10iを隔てて、各々の電極上に分離させている。そして、各々の電極上に配置する半田層の量、形状を最適に調整している。
これにより、ポスト電極の高さにばらつきがあっても、全てのポスト電極と半導体素子の電極とを半田層を介して確実に電気的に接続させることができる。また、このような半田層は、半導体素子に設けられた絶縁層を隔てて確実に分離されるので、半導体素子の電極間で短絡が発生することもない。
また、使用した半田材11,16は、フラックス成分を含有しないことから、ポスト電極と電極とを接合した後においては、電極表面のフラックス洗浄が不要になる。
また、半田材11,16がシート状であり、フラックスレスであるために、リフロー処理中に、半導体素子10,15付近に、フラックス成分或いは半田材が飛散するもない。
また、半田材11,16はシート状であり、半導体素子10,15に対する位置合わせが容易である。また、半田材11,16を半導体素子10,15上に対向・配置させるだけなので、製造プロセス中に、半導体素子10,15の位置がずれることもない。
また、半田層のフィレット形状においては、半田層が電極と接する最外周からポスト電極側面までの距離をdとし、半田層の高さをhとした場合、d≦h≦2dとなるように、半田層と電極とを接合させていることから、従来のボンディングワイヤが電極と接合する面積以上の接合面積を有している。これにより、半導体素子10,15の定格通電電流をポスト電極及び当該フィレット部を通じて、通電させることができる。
従って、半導体素子10,15に大電流を通電させる際の発熱は、夫々のポスト電極及び当該フィレット部により分散され、ポスト電極、配線基板が熱膨張によって変形するというようなことはない。
尚、半導体装置1と、半導体装置1のポスト電極31g,31ea,31eb,31aa,31abに代えて、アルミニウム(Al)製のボンディングワイヤを用いた半導体装置とでは、寿命が異なることを確認した。
具体的には、ΔTj=125℃の昇降温でのパワーサイクル試験において、後者の半導体装置の寿命は、約20万回で特性不良になったのに対し、半導体装置1は、約50万回まで、正常であった。
また、一度に複数のポスト電極を半田層を介して電極と接合するので、ワイヤボンディング工程に比べ、大幅に製造工程の時間を低減することできる。
これにより、高信頼性で、優れた動作特性を有し、且つ高い生産性を有する半導体装置及び半導体装置の製造方法が実現する。
このように、第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法によれば、高信頼性で、優れた動作特性を有する半導体装置を、高い製造歩留まりをもって製造することができる。
<第2の実施の形態>
次に、第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の具体的な製造方法を、図14〜図19を用いて説明する。尚、以下に示す全ての図においては、上記の図2〜図13と、同一の部材には同一の符号を付し、その説明の詳細については省略する。
図14〜図19は第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための図である。
先ず、図14に示すように、半導体素子10,15を準備する。これらの半導体素子10,15は、カーボン製の固定用冶具(図示しない)により、固定・支持されている。
続いて、シート状の半田材(第1の導電性接合材)11を、半導体素子10の上面側に配置された絶縁層10iにより支持して、半田材11の主面をゲート電極10g及びエミッタ電極10ea,10ebに対向させる。同様に、シート状の半田材16を、半導体素子15の上面側に配置された絶縁層15iにより支持して、半田材16の主面を、半導体素子15のアノード電極15aに対向させる。
尚、この段階で使用した半田材11,16の厚さは、上述した如く、50μm〜150μmである。また、半田材11,16の平面サイズは、夫々、半導体素子10,15の主面と同サイズにする。これにより、半田材11,16の半導体素子10,15に対する位置合わせが容易になる。
または、若干、半導体素子10,15の主面より小さいサイズの半田材11,16を使用してもよい。例えば、半導体素子10,15の主面の面積の60%〜100%の半田材11,16を使用してもよい。但し、半田材11,16の端が半導体素子10,15の外周に形成されている絶縁層10i,15iに、必ず支持される程度にする。
続いて、配線基板30を準備する。この配線基板30には、選択的に配線パターンが配設されている。そして、当該配線基板30の配線層30gに導通するポスト電極31gの下端と、配線基板30に配設された配線層30ea,30ebに導通するポスト電極31ea,31ebの下端のそれぞれを、半田材11に接触させる。
即ち、半導体素子10のゲート電極10g上及びエミッタ電極10ea,10eb上に、半田材11を介して、ポスト電極31g,31ea,31ebの下端を対向させる。
同様に、半導体素子15の上方においては、配線基板30に配設された配線層30aa,30abに導通するポスト電極31aa,31abの下端を、半導体素子15のアノード電極15a上に、半田材16を介して対向させる。
これにより、半導体素子10の上方に、複数のポスト電極31ea,31ebの下端が半導体素子10のエミッタ電極10ea,10eb上に位置するように配置される。また、ポスト電極31gの下端は、半導体素子10のゲート電極10g上に位置する。
また、半導体素子15の上方に、複数のポスト電極31aa,31abの下端が半導体素子15のアノード電極15a上に位置するように配置される。
次に、半田材11,16の融点以上にまで、半導体素子10,15、配線基板30等を加熱し、半田材11,16のリフロー処理を開始する。当該加熱により、図15に示すように、半田材11,16が溶融し始める。これにより、半田材11,16の剛性が緩和し、ポスト電極31g,31ea,31eb,31aa,31abの下端が、半導体素子10,15により接近する。
尚、当該リフロー処理は、真空リフロー装置を使用し、減圧下または希ガス、水素(H2)ガス、窒素(N2)ガス、または水素(H2)/窒素(N2)混合ガスの雰囲気下で実施する。これにより、リフロー処理中の半導体素子10,15の電極表面及びポスト電極表面の酸化が防止され、溶融した半田材11,16が電極表面及びポスト電極表面に円滑に濡れ拡がる。また、電極上に形成する半田層内にボイドが発生することもない。
また、溶融した半田材11,16の上記電極表面及びポスト電極表面に対する濡れ性を向上させるために、半田材11,16を溶融させる前に、前処理を施してもよい。
例えば、上記電極表面及びポスト電極表面に、希ガスまたは窒素(N2)を使用したプラズマ処理を施し、上記電極表面及びポスト電極表面を1nm〜2nm程度、エッチングしてもよい。または、270℃以上の水素(H2)雰囲気下で、上記電極表面及びポスト電極表面の還元処理を施してもよい。
これにより、上記電極表面及びポスト電極表面の自然酸化膜、または電極表面に析出・生成したニッケル(Ni)酸化物が除去され、溶融した半田材11,16の上記電極表面及びポスト電極表面に対する濡れ性が向上する。
そして、当該リフロー処理をしばらく実施すると、図16に示すように、上記半田材11が絶縁層10iを隔てて完全に分離される。
即ち、ゲート電極10g上のみに半田層11gが形成し、夫々のエミッタ電極10ea,10eb上のみに半田層11ea,11ebが形成する。また、アノード電極15a上には、半田層16aが形成する。
そして、ポスト電極31gとゲート電極10gとが半田層11gを介して導通する。また、ポスト電極31ea,31ebとエミッタ電極10ea,10ebとが半田層11ea,11ebを介して導通する。また、ポスト電極31aa,31abとアノード電極15aとが半田層16aを介して導通する。
尚、半田材11を分離する絶縁層10iの高さ及び線幅は、第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法と同様に調節する。
例えば、第1の方法として、図16に示す半田層11g,11ea,11ebの中、最も高い半田層の高さよりも高い絶縁層10iを配置した半導体素子10を使用する。
このような絶縁層10iを半導体素子10に形成すれば、半田材の絶縁層10iに対する濡れ性の悪さ、半田材の表面張力、半田材の自重により、上記半田材11が確実に絶縁層10iを隔てて分離される。即ち、ゲート電極10g上、或いはエミッタ電極10ea,10eb上にのみ、半田層11g,11ea,11ebが形成する。
また、配線基板30の下面から突出している、複数のポスト電極31g,31ea,31ebの高さにばらつきがあり、最も低いポスト電極と最も高いポスト電極との高さの差が50μm以上ある場合には、半田層11g,11ea,11ebの高さを50μm以上にする必要がある。これにより、ポスト電極31g,31ea,31ebの全てが、半田層11g,11ea,11ebを介して、ゲート電極10g、エミッタ電極10ea,10ebに接合される。
そして、この場合には、第2の方法として、高さが50μm以上の絶縁層10iを配置した半導体素子10を使用する。
このような絶縁層10iを半導体素子10に形成すれば、半田材の絶縁層10iに対する濡れ性の悪さ、半田材の表面張力、半田材の自重により、上記半田材11が確実に絶縁層10iを隔てて分離される。即ち、ゲート電極10g上、或いはエミッタ電極10ea,10eb上にのみ、半田層11g,11ea,11ebが形成する。
また、最も低いポスト電極と最も高いポスト電極との高さの差が50μmより小さい場合(例えば、10μm〜50μm)には、半田層11g,11ea,11ebの高さを、その差以上にすることで足りる。これにより、半田層11g,11ea,11ebを介して、ポスト電極31g,31ea,31ebの全てがゲート電極10g、エミッタ電極10ea,10ebに接合される。
そして、この場合には、第3の方法として、その差以上の絶縁層10iを配置した半導体素子10を使用する。
このような絶縁層10iを半導体素子10に形成すれば、半田材の絶縁層10iに対する濡れ性の悪さ、半田材の表面張力、半田材の自重により、上記半田材11が確実に絶縁層10iを隔てて分離される。即ち、ゲート電極10g上、或いはエミッタ電極10ea,10eb上にのみ、半田層11g,11ea,11ebが形成する。
また、第4の方法として、ポスト電極のばらつきが全くない場合には、半導体素子10の絶縁層10iの高さを、半田材の絶縁層10iに対する濡れ性の悪さが損失せず、半田材をはじく程度にしてもよい。具体的には、絶縁層10iの高さの下限を0.1μmにする。
このような薄い絶縁層10iにおいても、半田材の絶縁層10iに対する濡れ性の悪さ、半田材の表面張力により、上記半田材11が確実に絶縁層10iを隔てて分離される。即ち、ゲート電極10g上、或いはエミッタ電極10ea,10eb上にのみ、半田層11g,11ea,11ebが形成する。
尚、半導体素子15上に配置させた絶縁層15iの高さについては、半田層16aが半導体素子15のアノード電極15aから落下しない程度であればよい。具体的には、絶縁層15iの高さの下限を0.1μmにする。
また、絶縁層10i,15iの高さの上限については、上述した如く、配線基板30の主面に、当該絶縁層10i,15iが接触しない程度にする。例えば、絶縁層10iの高さの上限は、半導体素子10と配線基板30の間隙(500μm〜2mm)程度とする。
また、絶縁層10iの線幅においては、上記の理由により200μm以上にする。
更に、所定の時間、リフロー処理を続けると、図17に示すように、上記半田層11g,11ea,11eb,16aa,16abがポスト電極31g,31ea,31eb,31aa,31abの側面にまで濡れ拡がり、半田層11g,11ea,11eb,16aa,16abがフィレットを形成する。これは、ポスト電極31g,31ea,31eb,31aa,31abの材質が銅(Cu)により構成され、半田層のポスト電極に対する濡れ性がよいことに起因する。
そして、フィレットを形成した後においては、リフロー処理を停止し、上記固定用冶具を取り外す。
次に、図18に示すように、例えば、アルミナ(Al23)、或いは窒化シリコン(Si34)を主たる成分とする絶縁板20の上下の主面に、金属箔21,22a〜22eがDCB法によりパターン形成された絶縁基板23を準備する。当該絶縁基板23は、例えば、カーボン製の固定用冶具(図示しない)により、その下面並びに側面が固定・支持されている。
次いで、金属箔22bと金属箔22d上に、夫々、半田材(第2の導電性接合材)12と半田材17を載置する。当該半田材12,17の形状は、シート状であってもよく、ペースト状であってもよい。そして、半田材12に上記半導体素子10のコレクタ電極10cが接触するように、半田材12上に半導体素子10を載置する。
また、半田材17に半導体素子15のカソード電極15cが接触するように、半田材17上に半導体素子15を載置する。
また、金属箔22a,22c上に、夫々、半田材40,41を載置する。当該半田材40,41の形状は、シート状であってもよく、ペースト状であってもよい。
また、配線基板30の配線層30cに、制御用の接続用端子50cを貫入する。そして、接続用端子50cの下端を半田材40に接触させる。また、配線基板30の配線層30vに、例えば、半導体素子10の主電極に導通させるための接続用端子50vを貫入する。そして、接続用端子50vの下端を半田材41に接触させる。
尚、接続用端子50cを貫入した配線層30c上には、リング状の半田材42を載置する。また、接続用端子50vを貫入した配線層30v上には、リング状の半田材43を載置する。ここで、接続用端子50c,50vは、半田材42,43を貫通している。
また、半田材40,41,42,43の材質は、例えば、鉛(Pb)フリーの半田であり、具体的には、Sn3.5%Ag半田等のSnAg系半田、またはSn5%Sb半田等のSnSb系半田が該当する。または、SnAgCu系半田、SnAgBi系半田、SnAgIn系半田、SnCuBi系半田、SnCuIn系半田、SnAgCuNiGe系半田を用いてもよい。
または、必要に応じて、鉛(Pb)を含有する半田(共晶系半田)を用いてもよい。具体的には、Sn5%Pb半田、Sn63%Pb半田、またはSn37%Pb半田を使用してもよい。
また、接続用端子50c,50vの材質は、例えば、銅(Cu)を主たる成分としている。
続いて、再度、リフロー処理を実施すると、図19に示すように、半田材12,17、並びに上記半田材40,41,42,43が溶融する。
そして、半導体素子10のコレクタ電極10cと金属箔22bとが半田層12cを介して接合し、半導体素子15のカソード電極15cと金属箔22dとが半田層17cを介して接合する。
また、接続用端子50cの下端と金属箔22aとが半田層40cを介して接合し、接続用端子50cの他の端と配線層30cとが半田層42cを介して接合する。
また、接続用端子50vの下端と金属箔22cとが半田層41vを介して接合し、接続用端子50vの他の端と配線層30vとが半田層43vを介して接合する。
尚、半田層40c,41vにおいては、接続用端子50c,50vの側面にまで濡れ拡がり、半田層40c,41vがフィレットを形成する。
そして、この後においては、モールド成形により、絶縁基板23と配線基板30の間隙に、例えば、エポキシ樹脂等で構成される封止用樹脂を充填する(図示しない)。これにより、半導体素子10,15、並びにポスト電極31g,31ea,31eb,31aa,31ab等が封止用樹脂により封止される。
尚、コレクタ電極10cと金属箔22b、並びに、カソード電極15cと金属箔22dとの接合は、上記半田付けの他、圧接、超音波接合により行ってもよい。
このような製造方法により、図示する半導体装置2が完成する。また、当該半導体装置2をPPS(ポリ・フェニレン・サルファイド)等の樹脂ケースによりパッケージングし、汎用のパワーモジュールを構成してもよい。
また、半導体装置2においては、絶縁基板23より広面積の数ミリ厚の金属ベース板を、この半導体装置2の基体としてもよい。このような金属ベース板を配置することにより、半導体装置2の放熱性がより向上する。
また、上述した配線基板30には、IC回路部、コンデンサ、抵抗等の電子部品を設けてもよい。これにより半導体装置2を、温度センサー回路や過電圧・過電流保護回路等が組み込まれた、小型・薄型サイズのインテリジェントパワーモジュールとして機能させることもできる。
このように、第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法においては、半田材11,16及び絶縁層10i,15iの材質、半田材11,16及び絶縁層10i,15iの形状、リフロー処理を最適条件に調節している。
例えば、半田材11の電極表面及び絶縁層10iに対する濡れ性の差、半田材11の表面張力、半田材11の自重を利用し、半田層を絶縁層10iを隔てて、各々の電極上に分離させている。そして、各々の電極上に配置する半田層の量、形状を最適に調整している。
これにより、ポスト電極の高さにばらつきがあっても、全てのポスト電極と半導体素子の電極とを半田層を介して確実に電気的に接続させることができる。また、このような半田層は、半導体素子に設けられた絶縁層を隔てて確実に分離されるので、半導体素子の電極間で短絡が発生することもない。
また、使用した半田材11,16は、フラックス成分を含有しないことから、ポスト電極と電極とを接合した後においては、電極表面のフラックス洗浄が不要になる。
また、半田材11,16がシート状であり、フラックスレスであるために、リフロー処理中に、半導体素子10,15付近に、フラックス成分或いは半田材が飛散するもない。
また、半田材11,16はシート状であり、半導体素子10,15に対する位置合わせが容易である。また、半田材11,16を半導体素子10,15上に対向・配置させるだけなので、製造プロセス中に、半導体素子10,15の位置がずれることもない。
このように、第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法によれば、高信頼性で、優れた動作特性を有する半導体装置を、高い製造歩留まりをもって製造することができる。
<第3の実施の形態>
次に、第3の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の具体的な製造方法を、図20を用いて説明する。尚、以下に示す全ての図においては、上記の図2〜図19と、同一の部材には同一の符号を付し、その説明の詳細については省略する。
図20には、第3の実施の形態に係る半導体装置の製造方法で使用される半導体素子10の変形例が例示されている。ここで、図20(a)、図20(b)、図20(c)においては、図2のX−Y破線に沿った位置での半導体素子10の断面図が示されている。
例えば、半導体素子10のゲート電極10gとエミッタ電極10eaを分離する絶縁層10i、或いは、エミッタ電極10ea,10eb間を分離する絶縁層10iにおいては、図20(a)に示す如く、テーパ状であってもよい。また、絶縁層10iは、図20(b)に示す如く、先端が円形状であってもよい。また、絶縁層10iは、図20(c)に示す如く、逆テーパ状(逆三角形状)であってもよい。
これらの絶縁層10iの断面形状によれば、上記半田材11にリフロー処理が施されると、より確実に上記半田層11gと上記半田層11ea,11ebとに、分離される。
第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するためのフロー図である。 第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための図である(その1)。 第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための図である(その2)。 第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための図である(その3)。 第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための図である(その4)。 第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための図である(その5)。 第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための図である(その6)。 第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための図である(その7)。 第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための図である(その8)。 第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための図である(その9)。 第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための図である(その10)。 第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための図である(その11)。 第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための図である(その12)。 第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための図である(その1)。 第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための図である(その2)。 第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための図である(その3)。 第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための図である(その4)。 第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための図である(その5)。 第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための図である(その6)。 第3の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための図である。 ワイヤレス構造の半導体装置の要部図である。
符号の説明
1,2 半導体装置
10,15 半導体素子
10g ゲート電極
10c コレクタ電極
10ea,10eb エミッタ電極
10i,15i 絶縁層
11,12,16,17,40,41,42,43 半田材
11g,11ea,11eb,12c,16a,16aa,16ab,17c,40c,41v,42c,43v 半田層
15a アノード電極
15c カソード電極
20 絶縁板
21,22a,22b,22c,22d,22e 金属箔
23 絶縁基板
30 配線基板
30c,30g,30ea,30eb,30aa,30ab,30v 配線層
31g,31ea,31eb,31aa,31ab ポスト電極
32 保護層
50c,50v 接続用端子

Claims (16)

  1. 少なくとも一つの第1の電極及び少なくとも一つの第2の電極と、前記第1の電極及び前記第2の電極に対向するように配設された第3の電極とを備え、前記第1の電極と前記第2の電極とが絶縁層により同一面内で電気的に分離されている半導体素子を準備する工程と、
    第1の導電性接合材を、絶縁板の主面に形成された金属箔上に配置し、前記第1の導電性接合材上に、前記第3の電極が接触するように前記半導体素子を載置する工程と、
    シート状の第2の導電性接合材を前記絶縁層により支持して、前記半導体素子の前記第1の電極及び前記第2の電極に対向させる工程と、
    配線基板に配設された配線層に導通する、少なくとも一つの第1のポスト電極の下端及び少なくとも一つの第2のポスト電極の下端のそれぞれを、前記第2の導電性接合材を介して、前記第1の電極上及び前記第2の電極上に対向させる工程と、
    前記第2の導電性接合材を前記絶縁層を隔てて分離し、前記第1の電極と前記第1のポスト電極とを、第1の導電性接合層を介して接合すると共に、前記第2の電極と前記第2のポスト電極とを、第2の導電性接合層を介して接合し、前記第3の電極と前記金属箔とを第3の導電性接合層を介して接合する工程と、
    を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記第2の導電性接合材を前記絶縁層を隔てて分離する前に、前記第1の電極及び前記第2の電極、または、前記第1のポスト電極及び前記第2のポスト電極に前処理を施す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. 厚さが50μm以上で150μm以下の前記第2の導電性接合材を使用す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. 前記絶縁層に対する前記第2の導電性接合材の接触角が前記第1の電極または前記第2の電極に対する前記第2の導電性接合材の接触角より大きい前記絶縁層を配置した前記半導体素子を使用することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記絶縁層に対する前記第2の導電性接合材の接触角が前記第1のポスト電極または前記第2のポスト電極に対する前記第2の導電性接合材の接触角より大きい前記絶縁層を配置した前記半導体素子を使用することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
  6. 前記第2の電極上に形成させた前記第2の導電性接合層の高さより高く、前記半導体素子と前記配線基板の間隙より低い前記絶縁層を配置した前記半導体素子を使用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。
  7. 前記絶縁層の高さが50μm以上であり、前記半導体素子と前記配線基板の間隙より低い前記絶縁層を配置した前記半導体素子を使用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。
  8. 高さが50μmより低い前記絶縁層を配置した前記半導体素子を使用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。
  9. 線幅が200μm以上の前記絶縁層を配置した前記半導体素子を使用することを特徴とする請求項1,6,7,8の何れか一項に記載の半導体装置の製造方法。
  10. 断面形状が矩形状、三角状、円形状、逆三角形状の何れかである前記絶縁層を配置した前記半導体素子を使用することを特徴とする請求項1,2,3乃至9の何れか一項に記載の半導体装置の製造方法。
  11. 前記第1の電極と前記第1のポスト電極とを、前記第1の導電性接合層を介して接合し、前記第2の電極と前記第2のポスト電極とを、前記第2の導電性接合層を介して接合し、前記第3の電極と前記金属箔とを前記第3の導電性接合層を介して接合すると共に、
    前記半導体素子とは別の半導体素子の第4の電極と前記配線基板の別の配線層に導通する第3のポスト電極とを、第4の導電性接合層を介して接合し、前記第4の電極に対向するように配設された前記別の半導体素子の第5の電極と前記絶縁板の主面に形成された別の金属箔とを第5の導電性接合層を介して接合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。
  12. 少なくとも一つの第1の電極及び少なくとも一つの第2の電極を備え、前記第1の電極と前記第2の電極とが絶縁層により同一面内で電気的に分離されている半導体素子を準備する工程と、
    シート状の第1の導電性接合材を前記絶縁層により支持して、前記第1の電極及び前記第2の電極に対向させる工程と、
    配線基板に配設された配線層に導通する、少なくとも一つの第1のポスト電極の下端及び少なくとも一つの第2のポスト電極の下端のそれぞれを、前記第1の電極上及び前記第2の電極上に、前記第1の導電性接合材を介して載置する工程と、
    前記第1の導電性接合材を前記絶縁層を隔てて分離し、前記第1の電極と前記第1のポスト電極とを、第1の導電性接合層を介して接合すると共に、前記第2の電極と前記第2のポスト電極とを、第2の導電性接合層を介して接合する工程と、
    を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  13. 前記第1の電極と前記第1のポスト電極とを、前記第1の導電性接合層を介して接合すると共に、前記第2の電極と前記第2のポスト電極とを、前記第2の導電性接合層を介して接合した後、
    前記絶縁板の主面に形成された金属箔上に、前記第1の電極及び前記第2の電極に対向するように配設された、前記半導体素子の第3の電極とが、第2の導電性接合材を介して、前記金属箔に接触するように前記半導体素子を載置する工程と、
    前記第3の電極及び前記金属箔とを前記第3の導電性接合層を介して接合する工程と、
    を有することを特徴とする請求項12記載の半導体装置の製造方法。
  14. 前記第1の電極と前記第1のポスト電極とを、前記第1の導電性接合層を介して接合し、前記第2の電極と前記第2のポスト電極とを、前記第1の導電性接合層を介して接合すると共に、
    前記半導体素子とは別の半導体素子の第4の電極と第3のポスト電極とを、第4の導電性接合層を介して接合することを特徴とする請求項12記載の半導体装置の製造方法。
  15. 前記第3の電極及び前記金属箔とを前記第3の導電性接合層を介して接合すると共に、前記第4の電極と対向して配設された前記別の半導体素子の第5の電極と前記絶縁板の主面に形成された別の金属箔とを第5の導電性接合層を介して接合することを特徴とする請求項14記載の半導体装置の製造方法。
  16. 前記金属箔と前記第3の電極とを前記第3の導電性接合層を介して接合すると共に、前記配線基板に貫入させた接続用端子の一方の端と前記配線基板に配置された更に別の配線層とを第6の導電性接合層を介して接合し、前記接続用端子の他方の端と前記絶縁板の主面に形成された更に別の金属箔とを第7の導電性接合層を介して接合することを特徴とする請求項12記載の半導体装置の製造方法。
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