JP2010114197A - 半導体部品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】還元性ガスを用いたはんだ接合において接合後のはんだ層に発生する気泡を抑制することができる半導体部品の製造方法を提供する。
【解決手段】半導体部品２の製造方法において、導電部材１１ａ〜１１ｃと半導体装置１３とをはんだ材１２を介して組み立てた半導体部品２を、ギ酸蒸気を含む不活性ガス雰囲気下でギ酸還元が進行する温度であってはんだ材１２が溶けない非溶融温度で加熱する工程と、非溶融温度で半導体部品２を加熱した状態で、前述の不活性ガス雰囲気を減圧する工程と、その不活性ガス雰囲気を減圧した状態で、非溶融温度で加熱した半導体部品２をはんだ材１２が溶融する溶融温度で加熱する工程と、はんだ材１２を溶融させた状態で、不活性ガス雰囲気に不活性ガスを流入させて不活性ガス雰囲気を大気圧に戻し、半導体部品２を冷却してはんだ材１２を固化させる工程とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体部品の製造方法に関し、特に、はんだにより導電部材と半導体装置とを接合して半導体部品を製造する半導体部品の製造方法に関する。

半導体装置の中には、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＩＥＧＴ（Injection Enhanced Gate Transistor）、ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）−ＦＥＴ（Field Effect Transistor）などの電力用半導体素子を有する半導体装置が提案されている。この半導体装置は、放熱板やバスバーなどの他の部材（導電部材）に接合されて半導体部品として用いられる（例えば、特許文献１参照）。このような半導体部品は、例えばインバータやコンバータ等の電力制御機器に搭載される。

特許文献１では、半導体素子が一対の放熱部材（放熱板とヒートシンクブロック）によりはんだ箔を介して挟まれ、それらの各部材を密着させるように圧が加えられる。その状態で、はんだ箔が加熱装置（リフロー装置）により溶融され、半導体素子と一対の放熱部材とがはんだ接合される。このように半導体素子と放熱部材とをはんだ接合する工程では、従来、フラックスを用いたはんだ接合が行われているが、組立後の半導体部品は複雑な構造となるため、フラックスを除去する洗浄が困難になってしまう。

そこで、フラックスを用いない接合技術として還元性ガスを用いたはんだ接合技術が注目されている。このはんだ接合技術としては、水素雰囲気によるはんだ接合があるが、水素は爆発性を有するため取り扱いが難しく、また通常使用されるはんだ材料の融点である２００℃〜２５０℃程度では還元性が不十分である欠点を有する。一方、カルボン酸、中でもギ酸蒸気を還元種とし、これを不活性ガスで希釈した雰囲気を用いる方法が実用化されている。この方法では、２００℃〜２５０℃の温度域でも還元が進むことや爆発の恐れがないことなど、水素還元にはない利点を有する。
特開２００３−１１００６４号公報

しかしながら、前述の半導体部品の製造工程に還元性ガスのはんだ接合技術を用いた場合には、接合後のはんだ層に多数の気泡（ボイド）が発生してしまう。この気泡発生の要因としては、還元により発生するガスが挙げられるが、そのガスだけではなく、はんだが溶融時にその周囲の雰囲気ガスを巻き込むため、その雰囲気ガスが気泡の原因となっており、量的にはこれが支配的である。

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、還元性ガスを用いたはんだ接合において接合後のはんだ層に発生する気泡を抑制することができる半導体部品の製造方法を提供することである。

本発明の実施の形態に係る特徴は、半導体部品の製造方法において、導電部材と半導体装置とをはんだ材を介して組み立てた半導体部品を、ギ酸蒸気を含む不活性ガス雰囲気下ではんだ材のギ酸還元が進行する温度であってはんだ材が溶けない非溶融温度で加熱する工程と、非溶融温度で半導体部品を加熱した状態で、不活性ガス雰囲気を減圧する工程と、不活性ガス雰囲気を減圧した状態で、非溶融温度で加熱した半導体部品をはんだ材が溶融する溶融温度で加熱する工程と、はんだ材を溶融させた状態で、不活性ガス雰囲気に不活性ガスを流入させて不活性ガス雰囲気を大気圧に戻し、半導体部品を冷却してはんだ材を固化させる工程とを有することである。

本発明によれば、還元性ガスを用いたはんだ接合において接合後のはんだ層に発生する気泡を抑制することができる半導体部品の製造方法を提供することができる。

本発明の実施の一形態について図面を参照して説明する。

図１に示すように、本発明の実施の形態に係る接合装置１は、組立状態の半導体部品２が載置される加熱器３と、その加熱器３を収容する真空チャンバ等の収容室４と、その収容室４内に気体を供給する給気部５と、収容室４内から気体を排気する排気部６と、加熱器３、給気部５及び排気部６を制御する制御装置７とを備えている。

加熱器３は、載置された組立状態の半導体部品２を加熱する装置である。この加熱器３としては、例えばホットプレートなどを用いる。加熱器３は制御装置７により制御され、半導体部品２を所定の温度で加熱する。

収容室４は箱型の形状に形成されており、その内部に空間を形成して加熱器３を収容する。この収容室４には、気密性を維持して開閉可能なドア（図示せず）が形成されている。このドアから組立状態の半導体部品２が収容室４内の加熱器３上に載置される。

給気部５は、収容室４の側壁の第１開口部Ｈ１に接続された供給経路である供給パイプ５ａと、その供給パイプ５ａが分岐された一方の第１流路に接続されて第１気体を収容する第１気体収容部５ｂと、供給パイプ５ａが分岐された他方の第２流路に接続されて第２気体を収容する第２気体収容部５ｃと、第１流路と第２流路とを切り替える切替弁５ｄとを具備している。

第１気体収容部５ｂは、第１気体としてギ酸蒸気を含む不活性ガスを収容している。第２気体収容部５ｃは、第２気体として不活性ガスを収容している。切替弁５ｄは制御装置７により制御され、第１流路と第２流路とを切り替え、供給パイプ５ａを介して収容室４内に第１気体あるいは第２気体を供給する。なお、不活性ガスとしては、窒素、アルゴン及びヘリウムなどを用いることが可能であり、また、それらを混合して用いてもよい。

排気部６は、収容室４の側壁の第２開口部Ｈ２に接続された排気経路である排気パイプ６ａと、その排気パイプ６ａの途中に設けられた吸引ポンプ６ｂとを具備している。この吸引ポンプ６ｂは制御装置７により制御され、排気パイプ６ａを介して収容室４内の雰囲気を吸引して排気する。なお、排気量（真空度）は、１ＫＰａ以下、そのなかでも２００Ｐａ以下とすることが気泡（ボイド）減少の点で好ましい。

制御装置７は、各部を集中的に制御するコントローラ、各種情報や各種プログラムなどを記憶する記憶部、及び、操作者からの入力操作を受け付ける入力部などを具備している。この制御装置７には、加熱器３や給気部５の切替弁５ｄ、排気部６の吸引ポンプ６ｂなどが電気的に接続されている。制御装置７は、各種情報や各種プログラムに基づいて加熱器３、給気部５の切替弁５ｄ及び排気部６の吸引ポンプ６ｂなどの各部を制御する。

図２に示すように、半導体部品２は、３つの導電部材１１ａ、１１ｂ、１１ｃと、それらの間にはんだ材であるはんだシート１２を介してそれぞれ設けられた複数の半導体装置１３とを備えている。これらの各導電部材１１ａ、１１ｂ、１１ｃ及び各半導体装置１３はクランプなどの固定部材（図示せず）により挟み込まれ、一体化されて接合装置１の加熱器３上に載置される。

各導電部材１１ａ、１１ｂ、１１ｃは、例えば導電性を有するバスバーであり、各半導体装置１３の共通の電極部材としてそれぞれ機能する。さらに、各導電部材１１ａ、１１ｂ、１１ｃは熱伝導性を有しており、放熱部材としてもそれぞれ機能する。なお、各導電部材１１ａ、１１ｂ、１１ｃの材質ははんだ接合可能なものであればよく、特に限定されない。また、それらの導電部材１１ａ、１１ｂ、１１ｃの表面はメッキされていてもよい。

各はんだシート１２は、半導体装置１３の接合面と同じ程度の大きさに形成され、各導電部材１１ａ、１１ｂ、１１ｃと半導体装置１３との間にそれぞれ設けられる。これらのはんだシート１２が溶融され、その後冷却されて固化し、各導電部材１１ａ、１１ｂ、１１ｃと半導体装置１３とが接合される。なお、はんだシート１２のはんだ組成は特に限定されない。

半導体装置１３は、ＩＧＢＴやＩＥＧＴ、ＭＯＳ−ＦＥＴなどの電力用半導体素子を有する半導体パッケージである。例えば、半導体装置１３は、ＩＧＢＴが板状小片の半導体チップに搭載されたＩＧＢＴ素子と、そのＩＧＢＴ素子を挟むようにそれぞれ設けられた第１電極板及び第２電極板と、第１電極板と第２電極板との間に設けられた絶縁基板とを備えている。

次に、前述の接合装置１を用いた半導体部品２の製造方法について説明する。

まず、半導体部品２が組み立てられ、次いで、収容室４のドアが開かれ、組立状態の半導体部品２が収容室４内の加熱器３上に載置され、その後、収容室４のドアが閉じられて収容室４内は気密状態となる。次に、収容室４内の雰囲気及び温度が制御され、はんだ接合が行われる。接合後、再び収容室４のドアが開けられ、接合状態の半導体部品２が取り出される。

この製造工程における収容室４内の雰囲気制御及び温度制御は、図３に示す第１の雰囲気制御及び温度制御のタイミングチャート、あるいは、図４に示す第２の雰囲気制御及び温度制御のタイミングチャートに基づいて行われる。これらのタイミングチャートは制御装置７の記憶部に格納されており、制御装置７の入力部に対する操作者の入力操作により選択可能である。

図３に示す第１の雰囲気制御及び温度制御のタイミングチャートが選択されると、制御装置７はその第１の雰囲気制御及び温度制御のタイミングチャートに基づいてはんだ接合を行う。ここで、図３中における点線は、各導電部材１１ａ、１１ｂ、１１ｃの実際の温度である。なお、ギ酸蒸気を含む不活性ガス雰囲気では、２００〜２５０℃の温度域でギ酸還元が進行する。

組立状態の半導体部品２の設置後、まず、給気部５の切替弁５ｄが制御され、第１気体収容部５ｂからギ酸を含む不活性ガス（第１気体）が収容室４内に供給され、組立状態の半導体部品２が２３℃の室温で１０分間放置される（図３参照）。これにより、収容室４内の雰囲気がギ酸蒸気を含む不活性ガス雰囲気に置換される。その後、加熱器３が２００℃（はんだシート１２のギ酸還元が進行する温度であってはんだシート１２の融点より低い温度）まで昇温され、組立状態の半導体部品２が５分間放置される（図３参照）。このとき、ギ酸還元が進行する。

次いで、排気部６が制御されて収容室４内の雰囲気が２００Ｐａまで減圧され、減圧後、加熱器３が２５０℃（はんだシートの融点より高い温度）まで昇温され、組立状態の半導体部品２が１０分放置される。このとき、各はんだシート１２が溶融する。その後、給気部５の切替弁５ｄが制御され、第２気体収容部５ｃから不活性ガス（第２気体）が収容室４内に供給され、収容室４内の雰囲気が大気圧に戻され、半導体部品２が冷却される。これにより、組立状態の半導体部品２における各はんだシート１２が固化し、各導電部材１１ａ、１１ｂ、１１ｃと各半導体装置１３とがはんだシート１２による接合層（はんだ層）を介して接合され、接合状態の半導体部品２が完成する。

一方、図４に示す第２の雰囲気制御及び温度制御のタイミングチャートが選択されると、制御装置７はその第２の雰囲気制御及び温度制御のタイミングチャートに基づいてはんだ接合を行う。ここで、図４中における点線は、各導電部材１１ａ、１１ｂ、１１ｃの実際の温度である。なお、ギ酸蒸気を含む不活性ガス雰囲気では、２００〜２５０℃の温度域でギ酸還元が進行する。

組立状態の半導体部品２の設置後、まず、給気部５の切替弁５ｄが制御され、第１気体収容部５ｂからギ酸を含む不活性ガス（第１気体）が収容室４内に供給され、組立状態の半導体部品２が２３℃の室温で１０分間放置される（図４参照）。これにより、収容室４内の雰囲気がギ酸蒸気を含む不活性ガス雰囲気に置換される。その後、加熱器３が２００℃（はんだシート１２のギ酸還元が進行する温度であってはんだシート１２の融点より低い温度）まで昇温され、組立状態の半導体部品２が５分放置される（図４参照）。このとき、ギ酸還元が進行する。

次いで、排気部６が制御されて収容室４内の雰囲気が２００Ｐａまで減圧され、減圧後、加熱器３が２５０℃（はんだシート１２の融点より高い温度）まで昇温され、組立状態の半導体部品２が７分放置される（図４参照）。このとき、各はんだシート１２が溶融する。その後、給気部５の切替弁５ｄが制御され、第２気体収容部５ｃから不活性ガス（第２気体）が収容室４内に供給され、収容室４内の雰囲気が大気圧に戻される（第１真空破壊：図４参照）。これにより、２５０℃の溶融温度で、収容室４内の雰囲気が不活性ガス雰囲気に置換され、組立状態の半導体部品２が不活性ガス雰囲気下で２分間放置される（図４参照）。なお、第１真空破壊では、不活性ガス（第２気体）単体を用いているが、これに限るものではなく、ギ酸蒸気を含んだ不活性ガス（第１気体）を用いてもよい。

その後、排気部６が制御されて収容室４内の雰囲気が再び２００Ｐａまで減圧され、組立状態の半導体部品２が１分間放置される（図４参照）。次いで、給気部５の切替弁５ｄが制御され、第２気体収容部５ｃから不活性ガス（第２気体）が収容室４内に供給され、収容室４内の雰囲気が大気圧に戻され（第２真空破壊）、半導体部品２が冷却される（図４参照）。これにより、組立状態の半導体部品２における各はんだシート１２が固化し、各導電部材１１ａ、１１ｂ、１１ｃと各半導体装置１３とがはんだシート１２による接合層（はんだ層）を介して接合され、接合状態の半導体部品２が完成する。

このように、半導体部品２の製造工程は、ギ酸蒸気を含む不活性ガス雰囲気下で組立状態の半導体部品２をはんだシート１２のギ酸還元が進行する温度であってはんだシート１２が溶けない非溶融温度（はんだシート１２のギ酸還元が進行しはんだシート１２の融点より低い温度）で加熱する第１工程と、その非溶融温度で半導体部品２を加熱した状態で、ギ酸蒸気を含む不活性ガス雰囲気を減圧する第２工程と、その不活性ガス雰囲気を減圧した状態で、非溶融温度で加熱した半導体部品２をはんだシート１２が溶融する溶融温度（はんだシート１２の融点より高い温度）で加熱する第３工程と、はんだシート１２を溶融させた状態で、不活性ガス雰囲気に不活性ガスを流入させて不活性ガス雰囲気を大気圧に戻し、半導体部品２を冷却してはんだシート１２を固化させる第４工程とを有している。

特に、第２の雰囲気制御及び温度制御のタイミングチャートを用いた場合には、はんだシート１２を固化させる第４工程前に、はんだシート１２を溶融させた状態で、不活性ガス雰囲気に不活性ガスを流入させて不活性ガス雰囲気を大気圧にし、大気圧となった不活性ガス雰囲気を再度減圧する工程が加えられる。

ここで、気泡の発生要因としては、還元により発生するガスが挙げられるが、そのガスだけではなく、はんだ溶融時に巻き込んだ雰囲気ガスが気泡の原因となっており、量的にはこれが支配的であることが実験により判明した。したがって、はんだ溶融前に雰囲気を減圧し、巻き込む雰囲気ガスを減少させてからはんだを溶融することによって、はんだシート１２による接合層（はんだ層）内に発生する気泡の量を大幅に減少させることができる。

なお、第１の雰囲気制御及び温度制御のタイミングチャートを用いた場合には、減圧下ではんだを溶融させることになるため、対流による熱移動が不十分となり、はんだシート１２が完全に溶融するまでの溶融時間が長くなってしまう。そこで、第２の雰囲気制御及び温度制御のタイミングチャートを用いることによって、減圧昇温後の不活性ガス流入の際に対流による熱伝導が生じるので、確実なはんだ溶融を得ることができ、その結果、はんだシート１２が完全に溶融するまでの溶融時間を短縮することも可能になる。図４に示すように、各導電部材１１ａ、１１ｂ、１１ｃの実際の温度（点線）が不活性ガス流入により大きく上昇し（点線の傾きが大きくなり）、２５０℃まで達している。

また、第１真空破壊時に不活性ガスとして、ギ酸蒸気を含んだ不活性ガスを用いることによって、確実なはんだ溶融を得ると共に、未濡れ部分の各導電部材１１ａ、１１ｂ、１１ｃと半導体装置１３との表面に更なるギ酸還元を生じさせ、濡れ性を向上させることが可能となるので、確実なはんだ接合を得ることができる。

以上説明したように、本発明の実施の形態によれば、非溶融温度で半導体部品２を加熱した状態で、ギ酸蒸気を含む不活性ガス雰囲気を減圧し、その不活性ガス雰囲気を減圧した状態で、非溶融温度で加熱した半導体部品２を溶融温度で加熱することによって、半導体部品２のはんだシート１２が溶融する前に、ギ酸蒸気を含む不活性ガス雰囲気が減圧され、雰囲気ガスが減少してからはんだシート１２が溶融される。これにより、雰囲気ガスが溶融状態のはんだ層（はんだシート１２による接合層）に巻き込まれることが抑えられるので、還元性ガスを用いたはんだ接合において接合後のはんだ層に発生する気泡（ボイド）を抑制することができる。

ここで、前述のはんだ接合を模擬したテストピースを用いて、はんだ接合工程の違いによるはんだボイド率の相違を求めた。はんだ接合工程としては、実施例１、実施例２、実施例３及び比較例の４種類のはんだ接合工程を用いた。

実施例１では、テストピースとして無酸素銅板２枚（寸法は縦横１０mm角であり、厚さは０．５ｍｍである）を用い、これらの銅板の間にはんだシート（錫−銀３％−銅０．５％はんだ製、寸法は縦横１０mm角であり、厚さは０．０５ｍｍである）を挟んで、前述の接合装置１に設置し、第１の雰囲気制御及び温度制御のタイミングチャート（図３参照）によるはんだ接合を行った。なお、不活性ガスとしては、窒素が用いられた。その後、テストピース（Ｎ＝５）のはんだ層内のボイド、すなわち空孔をＸ線検査装置により計測し、面積％により評価した結果、ボイド率（平均値）は３％であった。

実施例２でも、実施例１と同じテストピースを用いて前述の接合装置１に設置し、第２の雰囲気制御及び温度制御のタイミングチャート（図４参照）によるはんだ接合を行った。なお、不活性ガスとしては、窒素が用いられ、特に、第１真空破壊を行う場合にも、窒素が用いられた。その後、テストピース（Ｎ＝５）のはんだ層内のボイド、すなわち空孔をＸ線検査装置により計測し、面積％により評価した結果、ボイド率（平均値）は３％であった。

実施例３でも、実施例１と同じテストピースを用いて前述の接合装置１に設置し、第２の雰囲気制御及び温度制御のタイミングチャート（図４参照）によるはんだ接合を行った。なお、不活性ガスとしては、窒素が用いられ、特に、第１真空破壊を行う場合には、ギ酸ガスを飽和させた窒素が用いられた。その後、テストピース（Ｎ＝５）のはんだ層内のボイド、すなわち空孔をＸ線検査装置により計測し、面積％により評価した結果、ボイド率（平均値）は２％であった。

比較例では、実施例１と同じテストピースを用いて前述の接合装置１に設置し、比較例の雰囲気制御及び温度制御のタイミングチャート（図５参照）によるはんだ接合を行った。なお、この比較例のタイミングチャートにおいて、実施例１〜３との大きな違いは、図５に示すように、はんだが溶融した後に減圧（真空）が行われていることである。その後、テストピース（Ｎ＝５）のはんだ層内のボイド、すなわち空孔をＸ線検査装置により計測し、面積％により評価した結果、ボイド率（平均値）は７％であった。

このように実施例１〜３のボイド率は、比較例のボイド率に比べ小さいことがわかる（１／２以下となる）。これにより、第１の雰囲気制御及び温度制御のタイミングチャートあるいは第２の雰囲気制御及び温度制御のタイミングチャートを用いることによって、接合後のはんだ層に発生する気泡（ボイド）を抑制することができることが確認された。なお、実施例３のボイド率は他の実施例１、２より小さいことから、接合後のはんだ層に発生する気泡（ボイド）の抑制効果が高いこともわかる。

なお、本発明は、前述の実施の形態に限るものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。例えば、前述の実施の形態においては、はんだ材としてはんだシート１２を用いているが、これに限るものではない。

本発明の実施の一形態に係る接合装置の概略構成を示す模式図である。 図１に示す接合装置内の組立状態の半導体部品を示す斜視図である。 第１の雰囲気制御及び温度制御を説明するための説明図である。 第２の雰囲気制御及び温度制御を説明するための説明図である。 比較例の雰囲気制御及び温度制御を説明するための説明図である。

符号の説明

２…半導体部品、１１ａ，１１ｂ，１１ｃ…導電部材、１２…はんだ材（はんだシート）、１３…半導体装置

Claims (3)

1. 導電部材と半導体装置とをはんだ材を介して組み立てた半導体部品を、ギ酸蒸気を含む不活性ガス雰囲気下で前記はんだ材のギ酸還元が進行する温度であって前記はんだ材が溶けない非溶融温度で加熱する工程と、
   前記非溶融温度で前記半導体部品を加熱した状態で、前記不活性ガス雰囲気を減圧する工程と、
   前記不活性ガス雰囲気を減圧した状態で、前記非溶融温度で加熱した前記半導体部品を前記はんだ材が溶融する溶融温度で加熱する工程と、
   前記はんだ材を溶融させた状態で、前記不活性ガス雰囲気に不活性ガスを流入させて前記不活性ガス雰囲気を大気圧に戻し、前記半導体部品を冷却して前記はんだ材を固化させる工程と、
   を有することを特徴とする半導体部品の製造方法。
2. 前記はんだ材を固化させる工程前に、前記はんだ材を溶融させた状態で、前記不活性ガス雰囲気に不活性ガスを流入させて前記不活性ガス雰囲気を大気圧に戻し、大気圧となった前記不活性ガス雰囲気を再度減圧する工程を有することを特徴とする請求項１記載の半導体部品の製造方法。
3. 前記不活性ガスとして、ギ酸蒸気を含む不活性ガスを流入させることを特徴とする請求項２記載の半導体部品の製造方法。

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