JP2010199251A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁基板とベースのはんだ接合後のベースの反りを小さくすると共に、基板下はんだの厚さのバラツキを低減し、かつ、絶縁基板の曲げ破壊や半導体チップの曲げ破壊や特性劣化を防ぐことのできる半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】半導体装置の製造方法は、両面に金属回路層を有する絶縁基板をベース１０８上にはんだ接合し、該絶縁基板上に半導体チップを接合する際に、前記ベースをはんだ付け用治具１０９に固定した状態で、該ベースに前記絶縁基板をはんだ接合することを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は半導体装置の製造方法に係り、特にモータ等の制御に用いられるパワー半導体装置に好適な半導体装置の製造方法に関する。

パワー半導体装置は、モータ等の電気機器を制御するために用いられる半導体装置である。近年の省エネ，環境負荷低減要求の高まりにより、モータ制御のインバータ化が進み、また、ハイブリッド自動車市場の進展に伴い、パワー半導体の需要が急伸している。一方、さらに効率化を目指すため、パワー半導体の使用条件は大電圧，大電流化が進み、要求される使用環境温度等も厳しくなっている。このような使用条件下で信頼性の低下を引き起こさないことがパワー半導体にとって重要である。特に、パワー半導体の冷却性能の向上及びはんだ接合部の信頼性確保が重要である。

このようなはんだ接続部の信頼性確保のためには、金属ベースとセラミック等からなる絶縁基板をはんだ接合した際に、両者の線膨張係数差に起因して発生するセラミック基板側が凸になるような、ベースの反り変形を抑制することが重要である。

このため、例えば特許文献１及び２に示すような、絶縁基板のはんだ接合の前に、ベースにあらかじめ基板接合面の反対側の面が凸になるような反り変形を設け、はんだ接合時に発生する反り変形と相殺させて、はんだ接合後のベース反りを低減する手法が提案されている。

また、例えば特許文献３に示すような、ベースを粉末冶金製造法によって製造し、このときの金型にあらかじめ反りを与えておくことにより、ベースの反り形成工程を必要としないでそりを付けたベースを作成し、特許文献１及び２と同様な効果を得て、はんだ接合後のベース反りを低減する手法が提案されている。

また、例えば特許文献４に示すような、基板下はんだ接合後にベースを変形させ、絶縁基板接合面の反対面が凸となるように反らせる製造方法が提案されている。

特開２００８−９１９５９号公報 特開２００６−２０２８８４号公報 特開２００３−４６０３２号公報 特開２００４−１４８２７号公報

近年、地球環境問題への意識の高まりを受け、従来、鉛を含有するはんだが用いられてきた半導体装置のはんだ接続部に、鉛を含まない鉛フリーはんだを適用することへの要求が高まっている。

通常、ベースと絶縁基板をはんだ接合すると、ベース材と絶縁基板の線膨張係数差に起因して、はんだ接合後の冷却時に、セラミック製の絶縁基板側が凸になるような反り変形が発生する。鉛フリーはんだは、従来の鉛はんだに比べて一般的に降伏応力が大きいため硬く、また、クリープしにくい材料である。

そのため鉛フリーはんだを基板下はんだに採用し、絶縁基板とベースとを鉛フリーはんだで接合すると、ベースには従来の鉛はんだで接合した場合に比べて大きな反り変形が発生し、また、発生した反り変形は、はんだ接合後に放置しても減少しないという特性がある。

例として図７に、銅ベースに銅貼りＳｉ₃Ｎ₄基板を、鉛はんだであるＰｂ−６３Ｓｎ及び鉛フリーはんだであるＳｎ−３Ａｇ−０.５Ｃｕで接合した時の、ベースの反り変形量δの経時変化を示す。

該図から明らかな如く、Ｓｎ−３Ａｇ−０.５Ｃｕで接合した場合２０２は、Ｐｂ−６３Ｓｎで接合した場合２０１に比べて約２倍の反り変形δが発生する。このとき、ベースのサイズＬは１２０mmであるので、ベースのそりの曲率半径Ｒは、Ｒ＝Ｌ×Ｌ／（８×ｄ）より、約２.７ｍとなっている。また、Ｐｂ−６３Ｓｎで接合した場合は接合後のベースを放置することによって反り変形量が低減しているが、Ｓｎ−３Ａｇ−０.５Ｃｕで接合した場合は、放置によっても反り変形量がほとんど変化していないことが分かる。

ベースの反り変形量が大きい場合、ベースを放熱グリース等を介して放熱フィンに接合する間接冷却型の半導体装置の場合は、ベースと放熱フィン間の熱抵抗増大の要因となる。また、ベースが放熱フィンを兼ねる直接冷却型の半導体装置の場合は、冷却水漏れの原因となる恐れがある。

特許文献１，特許文献２，特許文献３に示した方法では、基板下はんだ付けによるベース反り変形を相殺するために、ベースにはあらかじめ逆方向の反り変形を与える必要がある。

基板のはんだ付けによりベースに発生する反り変形の曲率半径は前記より約２.７ｍであるから、ベースにあらかじめ与える反りの曲率半径も２.７ｍ程度とする必要がある。このとき、ベース上の絶縁基板の大きさをＡとすると、ベースと絶縁基板の間の距離は、絶縁基板の周辺部で小さく、中央部で大きくなり、その差ｄは、ｄ＝Ｌ×Ｌ／（８×Ｒ）より、約０.１２mmとなる。

基板下はんだ付けはこの状態でなされるため、はんだ接合後常温に戻した半導体装置では、図８に示すように、絶縁基板１０４には、絶縁基板１０４とベース１０８の線膨張係数差に起因する反り変形が発生し、基板下はんだ１０７の厚さが不均一となる。この結果、絶縁基板１０４の中央付近のはんだが厚く、絶縁基板１０４周辺部のはんだが薄くなる。

半導体素子の放熱性確保のためには、絶縁基板１０４中央部のはんだが厚いことは不利であり、かつ、絶縁基板１０４周辺部でのはんだの熱疲労によるき裂進展を抑制するためには、絶縁基板１０４周辺部のはんだが薄いことは不利である。したがって、半導体装置の放熱性及びはんだの熱疲労信頼性に悪影響を及ぼす問題がある。

特許文献４に示した方法では、はんだ厚さの不均一の問題は解決できるが、ベース１０８と共にはんだ接合された絶縁基板１０４を強制的に曲げるため、絶縁基板１０４の曲げ破壊や絶縁基板１０４表面の金属パターンのはがれが発生する恐れがある。また、絶縁基板１０４上にシリコンチップ１０１が搭載されている場合には、シリコンチップ１０１も同様に曲げられるため、シリコンチップ１０１の曲げ破壊や特性劣化を引き起こす恐れがある。

本発明は前記のような問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、絶縁基板とベースのはんだ接合後のベースの反りを小さくすると共に、基板下はんだの厚さのバラツキを低減し、かつ、絶縁基板の曲げ破壊や半導体チップの曲げ破壊や特性劣化を防ぐことのできる半導体装置の製造方法を提供することである。

本発明の半導体装置の製造方法は、上記目的を達成するために、両面に金属回路層を有する絶縁基板をベース上にはんだ接合し、該絶縁基板上に半導体チップを接合する際に、前記ベースをはんだ付け用治具に固定した状態で、該ベースに前記絶縁基板をはんだ接合することを特徴とする。

本発明の半導体装置の製造方法によれば、絶縁基板とベースのはんだ接合時にベースをはんだ付け用治具に固定することにより、絶縁基板とベースの線膨張係数差によって発生するベースの反り変形を抑制することができ、また、高温でのはんだ溶融時にベースの反りを小さくすることができるため、基板下はんだの厚さのバラツキを低減し、基板中央部と基板端部下の基板下はんだの厚さをほぼ均一に形成することができる。

これらの効果により、熱抵抗が小さく信頼性の高い半導体装置を提供することができる。

本発明の一実施形態である半導体装置の製造工程の一部を示し、位置決め用治具を用いてシリコンチップを絶縁基板にはんだ付けする工程を示す断面図である。 図１の工程から位置決め用治具を取外した絶縁基板を示す断面図である。 図２に示した絶縁基板を本発明の一実施形態である半導体装置の製造方法での製造工程を示す断面図である。 図３の状態から全体を加熱する本発明の一実施形態である半導体装置の製造方法での製造工程を示す断面図である。 図４の状態からはんだ付用治具及び絶縁基板位置決め用治具を取外した状態を示す断面図である。 本発明の製造方法により製造された半導体装置を示す断面図である。 従来技術により製造された半導体装置のベースの反り変形量の履歴を表す特性図である。 従来技術による半導体装置を示す断面図である。 本発明の他の実施形態による半導体装置を示す断面図である。

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。

図１乃至図６は、本発明の実施例による半導体装置の製造工程を表す。図１において、半導体装置の各部及び治具は断面が表示されている。

本実施例では、まず図１のように、上下面に金属回路層１０３，１０５を設けたセラミックの絶縁基板１０４の片面に、シリコンチップ位置決め治具１０６を用いてチップ下はんだ１０２及びシリコンチップ１０１を設置し、全体を加熱してシリコンチップ１０１を絶縁基板１０４にはんだ付けする。

ここでは絶縁基板１０４の材質を窒化ケイ素Ｓｉ₃Ｎ₄とし、金属回路層１０３，１０５の材質を銅としているが、窒化アルミＡｌＮと銅，窒化アルミＡｌＮとアルミ，アルミナＡｌ₂Ｏ₃とアルミ等の組合せでも良い。チップ下はんだ１０２の材質は、ここではＳｎ−３Ａｇ−０.５Ｃｕを用いている。はんだ付け後の絶縁基板１０４は、図２のようになる。

次に図３に示すように、ベース１０８をはんだ付け用治具１０９に固定する。ここでは、ベース１０８の材質を銅、はんだ付け用治具１０９の材質を炭化ケイ素とアルミの複合材ＡｌＳｉＣで、線膨張係数を１０×１０^-6／℃としている。はんだ付け用治具１０９の材質は、ＡｌＳｉＣの他、モリブデン，チタン，銅と酸化銅との複合材，４２アロイやインバー等の鉄とニッケルの合金等の線膨張係数が小さいものが好適である。

また、はんだ付け用治具１０９のベース１０８側の面は、はんだ付け用治具１０９のベース１０８面側が凹となるように球面状となっている。ベース１０８は、はんだ付け用治具１０９にボルト１１１で固定されるため、ベース１０８には、はんだ付け用治具１０９の球面状の反りにならって反り変形が生じる。ここでは、反りの無いベース１０８を、はんだ付け用治具１０９に固定することでベース１０８に反り変形を発生させているが、事前にベース１０８を曲げ加工や粉末冶金製造法によって反り変形を発生させておき、これをはんだ付け用治具１０９に取り付けても良い。このベース１０８の上に絶縁基板１０４の位置決め用治具１１０を用いて基板下はんだ１０７及び絶縁基板１０４を配置する。次に図４に示すように、基板下はんだ１０７が溶融するように全体を加熱する。

ここでは、基板下はんだ１０７としてＳｎ−３Ａｇ−０.５Ｃｕを用いている。はんだ材には、錫−鉛はんだのほか、錫，銅，銀，ビスマス，ニッケル，インジウム，ゲルマニウム等の金属の全部又は一部からなる合金を用いた、いわゆる鉛フリーはんだを用いることも可能であるし、環境影響の面からは好適である。

全体を加熱することにより、はんだ付け用治具１０９及びベース１０８は、それぞれ熱膨張する。ここでは、はんだ付け用治具１０９の材質はＡｌＳｉＣで、線膨張係数が１０×１０^-6／℃であり、一方、ベース１０８の材質は銅で、線膨張係数が１７×１０^-6／℃であることから、両者の線膨張係数差により、ベース１０８には、絶縁基板１０４の接合面が凸になるような反り変形が発生する。はんだ付け用治具１０９には、あらかじめベース１０８の絶縁基板１０４の接合面が凹となるような反り変形が設けられているため、加熱後のベース１０８の反り変形量は相殺されてほぼ０に近くなる。この状態ではんだが溶融し、ベース１０８と絶縁基板１０４が接合される。はんだ溶融後、図５に示すように、全体が室温まで冷却される。

このとき、ベース１０８と絶縁基板１０４の線膨張係数差により、ベース１０８には、絶縁基板１０４側が凸となるような反り変形が発生するが、一方でベース１０８とはんだ付け用治具１０９の線膨張係数差により、ベース１０８には絶縁基板１０４側が凹となるような反り変形が発生するため、両者の反り変形量は相殺され、冷却後のベース１０８の反り変形量はほぼ０となる。

本実施例においては、絶縁基板１０４上にシリコンチップ１０１をはんだ付けしてからベース１０８上に絶縁基板１０４をはんだ付けしており、両者を別々の工程としているが、ベース１０８上に絶縁基板１０４，チップ下はんだ１０２，シリコンチップ１０１を配置して、一回の加熱工程によりシリコンチップ１０１と絶縁基板１０４及び絶縁基板１０４とベース１０８をはんだ接合しても良い。

最後に図６に示すように、絶縁基板１０４上にワイヤボンディング１１４等の各種配線を実装し、ベース１０８上にプラスチックケース１１２を接着し、プラスチックケース１１２内に液状のゲル１１３を注入，硬化することで半導体モジュールを完成する。

ここでは、絶縁基板１０４上の配線にアルミのワイヤボンディングを用いているが、アルミや銅等の金属板をはんだ付けしても良い。

図６に、本発明の実施例になる半導体装置の断面図を示す。本発明による半導体装置製造方法により、ベースの反り変形量を低減し、かつ、基板下はんだの厚さバラツキを低減した半導体モジュールを提供することができる。

第１の実施例においては、はんだ付け用治具１０９のベース１０８設置面にあらかじめ反りを設け、かつ、はんだ付け用治具１０９の材質をベース１０８の材質と異なるものとし、線膨張係数をベース１０８よりも小さいものとしたが、はんだ付け用治具１０９をベース１０８の材質と同じにした場合でも、或いははんだ付け用治具１０９にあらかじめ反りを設けない場合でも、効果は限定されるものの、絶縁基板１０４のはんだ接合後のベース１０８の反り変形量を低減する効果や基板下はんだ１０７の厚さのバラツキを低減する効果が得られる。

例えば、はんだ付け用治具１０９の材質をベース１０８の材質とほぼ同じものにして、はんだ付け用治具１０９とベース１０８の線膨張係数差をなくした場合では、はんだ付け用治具１０９の曲げ剛性によりベース１０８の反り変形を抑制し、反りを０にすることはできないが反り変形量を低減することができる。

また、はんだ付け用治具１０９の材質は、ＡｌＳｉＣとして、はんだ付け用治具１０９にあらかじめ反り変形を与えなければ、はんだ溶融時にはベース１０８の絶縁基板１０４の設置面が凸になるように変形が生じ、この状態で絶縁基板１０４のはんだ付けがなされるため、図９に示すような、絶縁基板１０４の中央部ではんだが薄く、絶縁基板１０４周辺部ではんだが厚い、半導体装置の熱抵抗低減と基板下はんだ１０７の寿命向上の両方に効果的な半導体装置が得られる。

これにより、絶縁基板１０４中央部のはんだが薄いことから放熱性に優れ、かつ、絶縁基板１０４周辺部のはんだが厚いことから、はんだの熱疲労信頼性に優れた半導体装置を提供することができる。

１０１ シリコンチップ
１０２ チップ下はんだ
１０３，１０５ 金属回路層
１０４ 絶縁基板
１０６ シリコンチップ位置決め治具
１０７ 基板下はんだ
１０８ ベース
１０９ はんだ付け用治具
１１０ 絶縁基板位置決め用治具
１１１ ボルト
１１２ プラスチックケース
１１３ ゲル
１１４ ワイヤボンディング

Claims (8)

1. 両面に金属回路層を有する絶縁基板がベース上にはんだ接合され、該絶縁基板上に半導体チップが接合されてなる半導体装置の製造方法において、
   前記ベースをはんだ付け用治具に固定した状態で、該ベースに前記絶縁基板をはんだ接合することを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記はんだ付け用治具のベース側の面は、該はんだ付け用治具のベース面側が凹となるような球面状に形成されていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
3. 請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記はんだ付け用治具のベース固定面側に反りが設けられており、かつ、その反りの曲率半径が３ｍ以下であると共に、該反りの方向が、前記ベース固定面が凹になるように反りが設けられていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
   前記はんだ付け用治具の線膨張係数が１０×１０^-6／℃であり、前記ベースの線膨張係数が１７×１０^-6／℃であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
5. 請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
   前記はんだ付け用治具の材質が炭化ケイ素とアルミの複合材，モリブデン，チタン，銅と酸化銅との複合材、或いは鉄とニッケルの合金であり、前記ベースの材質が銅であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
6. 請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記ベース上に前記絶縁基板をはんだ接合するはんだの組成は、錫を含み、鉛を含まない鉛フリーはんだであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
7. 請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記ベース上に前記絶縁基板をはんだ接合するはんだの組成は、錫，銀，銅及びインジウムを含む鉛フリーはんだであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
8. 請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記はんだ付け用治具を前記ベースの材質と同じにしたことを特徴とする半導体装置の製造方法。

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