JP2009231690A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【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
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、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。
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。
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)。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
続いて、図5に示すように、例えば、アルミナ(Al2O3)、或いは窒化シリコン(Si3N4)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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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、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。
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。
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。
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(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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
<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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
次に、図18に示すように、例えば、アルミナ(Al2O3)、或いは窒化シリコン(Si3N4)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。
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。
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。
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。
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。
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。
<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。
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)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。
- 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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