JP2012049182A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体チップを金属基板上に接合する際に、接合面内の接合材の厚さの不均一を少なくすることにより、接合層の薄い部分への熱応力集中を防ぎ、半導体装置の熱応力耐久性を向上することのできる半導体装置の製造方法を提供すること。
【解決手段】 半田ペースト２中に主材半田粒子１１より高融点の半田粒子９を微量添加し、主材半田粒１１子を溶融させる温度で主材半田粒子９の金属基板１への濡れ広がりを充分に確保し、その後、温度を上昇させて高融点の半田粒子９を溶かす半導体装置の製造方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体チップを接合材、特には半田接合材を介して所定の金属基板上または絶縁基板上の金属板に固着させる半導体装置の製造方法に関する。

半導体チップ、特にパワー半導体チップは接合材を介して所定の金属基板上または絶縁基板上の金属板に固着されて単体で封止または複数個でパッケージ内に封止された上、回路部品を構成する半導体装置として、市場に供給される。

前記接合材としては、たとえば、半田ペーストが通常よく用いられる。この半田ペーストは、金属基板上の所定の場所に必要量滴下され、その上に半導体チップを載せて押し広げ、ヒーター加熱によって溶融することにより、接合し固着する。この場合、金属基板の接合面と半導体チップ接合面の両方に溶融半田が均一に濡れて拡がることが、接合強度と半導体チップの通電時の放熱性を確保する上で必要となる。

半導体チップを金属基板上の所定の位置に接合させるための方法および手段としては、ダイボンダーによるマウントが一般的である。接合材としては、線半田、半田ペースト、Ａｇペースト、導電性接着剤などがあるが、必要量の接合材を金属基板上に供給し、半導体チップを金属基板上の所定の位置にマウントする方法はいずれも共通する。

このような半導体チップの金属基板上への接合方法に関しては、次のような公知技術が
知られている。基台の表面に半導体チップを半田付けする際、半導体チップの接合面に低融点半田層たとえばＳｎＰｂ半田と、高融点半田層たとえばＳｎとを混在させておき、接合強度を上げる（特許文献１）。また、溶融する前の半田接合層の上に、この半田接合層の厚さより小さいフィラーを配置し、加熱でフィラーが半田接合層内に落ち込んだ状態で冷却する。これによりフィラーがスペーサーとなり、所望の半田の厚さを確保し、半田に生じる歪を低減する（特許文献２）。

特開平８−２５０５２１号公報 特開２００８−２７０８４６号公報

前述のように、半導体チップを金属基板表面の所定位置に接合するために、図３に示すように、半田ペーストをはじめＡｇペーストおよび導電性接着剤等の接合材、たとえば、半田ペースト２を、金属基板１の表面にディスペンサー３で予め一定量供給し、その上にコレット４でダイシング後の半導体チップ５をピックアップしてマウントする（図３（ａ））。その後、熱板ステップキュア炉６に移し、この炉内のヒーター７で加熱し半田ペースト２を溶融半田層８にして半導体チップ５と金属基板１表面とを接合する（図３（ｂ））。

半導体チップ５を金属基板１上に接合材（半田ペースト２）を介してマウントし、ヒーター加熱して接合材を溶融する際に、半導体チップ５または金属基板１の接合面に接合材の濡れ性にむらがあると、溶融した接合材が均一に広がらない現象がおき易くなる。この場合、半導体チップ５の４隅の接合材の厚さが不均一となって半導体チップ５が傾いた状態となり易くなる。半導体チップ５の直下の接合材の厚みと半導体装置の熱応力耐久性には相関があることが知られている。すなわち、接合材の厚さが薄いと熱応力耐久性が低下する傾向があるため、接合材の濡れ性にむらのある半導体チップ５直下の接合材の接合層では、その最も薄い部分に応力が集中し、耐久性が低下する。このように、半導体チップ５直下の接合材の接合層の厚さにばらつきのあることが半導体装置の品質低下の大きな要因の一つであることが分かった。また、前述のように、接合面で接合材の濡れ性にむらがあると、図４（ｂ）に示すように、接合材（半田ペースト２）の濡れ性の良い部分の接合材が厚くなって、その部分へ半導体チップ５が矢印に示すように引っ張られる。その結果、半導体チップ５の位置ずれを発生させ、半導体チップ５の金属基板１への組立の作業性を著しく低下させる。さらに、半導体チップ５を金属基板１上に接合材を介してマウント後、ヒーター加熱する際に、図４（ａ）に示すように、半田ペースト２内のフラックス１０に不均一な気化、発泡などが生じる場合にも半導体チップ５直下の接合材の厚さが不均一となって、半導体チップ５が矢印の方向にズレて、前述と同様の半導体装置の熱応力耐久性の低下要因となるという問題がある。

本発明は、以上説明した点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、半導体チップを金属基板上に接合する際に、接合面内の接合材の厚さの不均一を少なくすることにより、接合層の薄い部分への熱応力集中を防ぎ、半導体装置の熱応力耐久性を向上する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。

前述の本発明の目的を達成するために、本発明では、主要な第１の接合材粒子と混合比率の少ない第２の接合材粒子とを混合させた接合材を介して、半導体チップを金属部材上の所定の接合面にマウントし加熱して固着させる際に、前記接合材に含まれる前記第１の接合材粒子は前記第２の接合材粒子より低融点であって粒径の小さく、前記加熱が、前記第１の接合材粒子を前記第２の接合材粒子の融点より低温で溶融させた後、前記第２の接合材粒子の融点以上の温度に上昇させて前記第２の接合材粒子を溶融させる温度プロファイルを有する半導体装置の製造方法とする。前記第２の接合材粒子の混合比率が前記第１の接合材粒子の０．５重量％以上、１重量％未満とすることが好ましい。前記第２の接合材粒子の融点が前記第１の接合材粒子の融点より、３０℃以上高い、望ましくは５０℃以上高くすることも好ましい。前記第２の接合材粒子の粒径が前記第１の接合材粒子の粒径より、３０μｍ以上５０μｍ以下の範囲で大きくすることが望ましい。前記接合材が半田であり、さらにフラックスが混合されていることが好適である。

本発明によれば、半導体チップを金属基板上に接合する際に、接合面内の接合材の厚さの不均一を少なくすることにより、接合層の薄い部分への熱応力集中を防ぎ、半導体装置の熱応力耐久性を向上する半導体装置の製造方法を提供することができる。

本発明にかかる半導体チップを金属基板上の所定の接合面に半田ペーストを介して接合させるプロセスを示す断面図である。 本発明にかかる半田付けプロセスで、半導体チップの位置ズレが抑制されることを示す半田付けプロセスの断面図である。 従来の半導体チップを金属基板上の所定の接合面に半田ペーストを介して接合させるプロセスを示す断面図である。 従来の半田付けプロセスにおける半導体チップの位置ズレ発生を示す半田付けプロセスの断面図である。 本発明と従来の熱板ステップキュア炉を用いた半田接合の温度プロファイルの比較図である。

以下、本発明の半導体装置の製造方法にかかる実施例について、図面を参照して詳細に説明する。本発明はその要旨を超えない限り、以下に説明する実施例の記載に限定されるものではない。

以下、本発明の実施例１について、図面を参照して詳細に説明する。
半導体チップを金属基板上の所定の位置に接合し固着する方法として、ここでは、接合材に半田ペーストを使用した場合を説明する。

本発明では、図１に示すように、主材半田粒子１１（第１の接合材粒子）に、該半田粒子１１よりも高融点の半田粒子９（第２の接合材粒子）を微量添加した半田ペースト２をディスペンサー３で金属基板１の所定の接合面上に所要量滴下し、その上にコレット４でピックアップした半導体チップ５をマウントする（図１（ａ））。その後、熱板ステップキュア炉６のヒーター７で加熱された熱板上に載せ、所定の温度プロファイルで加熱する。

すなわち、熱板ステップキュア炉６のヒーター７により、低融点の主材半田粒子１１が溶融し、かつ高融点の半田粒子９は溶融しない温度まで昇温する。その後、低融点の主材半田粒子が溶融し金属基板１の表面に濡れ広がるまでの所定時間ヒーター温度を保持する。その後、ヒーター７の温度を高融点の半田粒子９が溶融する温度まで上昇させて、すべての半田材を溶融させて溶融半田８とする。

このような温度プロファイルにて加熱を行なうことにより、高融点の半田粒子９と低融点の主材半田粒子１１とで溶融タイミングをずらすことができる。そして、主材半田粒子１１の金属基板１の表面への濡れ広がりが安定するまでは、溶融していない高融点の半田粒子９にて半導体チップ５の位置および金属基板１との間隔を保持して半導体チップ５の位置ズレを防止するように作用する。その後、熱板の温度をさらに上昇させて高融点の半田粒子９も溶融させた溶融半田８とすることにより、主材半田粒子１１の接合面への充分な濡れ性を確保し、半導体チップ５直下の半田厚バラツキを少なくし熱応力耐久量の向上を図る（図１（ｂ））。

具体的な例として、図２に示すように、寸法１０ｍｍ□の金属基板１上に、寸法７ｍｍ□の半導体チップ５を半田接合する場合について説明する。前記図１と同様に、金属基板１上にディスペンサー３にて半田ペースト２を必要容量分滴下する。例として所望の半田厚を５０μｍとした場合の必要容量分（２．４５ｍｍ³）滴下する。半田ペースト２の主材半田粒子１１の融点が２５０℃の場合、微量添加する高融点の半田粒子９の融点は３００℃とした。低融点の半田と高融点の半田との融点の温度差は大きい方が望ましい。融点差が３０℃未満では、低融点の主材半田粒子１１を溶融させたのち、高融点の半田粒子が溶融し始めるまでの温度差が付け難く、溶融タイミングの差を制御しにくい。これに対して、低融点の半田と高融点の半田の融点の温度差が３０℃以上あれば、ヒーターによる温度制御も容易で、各半田材の溶融のタイミングに差を付けることができるからである。

各半田材の溶融のタイミングに確実に差を付けるためには、望ましくは高融点の半田粒子９の融点が低融点の主材半田粒子の融点より５０℃以上高いことがよい。
ここで、低融点の半田が完全に溶融する温度（液相線温度）は融点より高く、また液相線温度に達するまでヒーターで加熱すると、金属基板の温度はさらに高くなってしまう可能性がある。低融点半田と高融点半田との融点の温度差が３０℃未満だと、低融点半田が完全に溶融する頃には、高融点半田も固相線温度に達し、少し溶融し始めてしまう可能性がある。そこで、低融点半田と高融点半田との融点の温度差が３０℃以上あれば低融点半田の液相線と高融点半田の固相線が重ならない。

また、ヒーターの温度制御のレスポンスを考慮して、低融点半田を溶融させた後の温度が多少オーバーシュート気味になっても、高融点半田の固相線に達しないようにするためには、低融点半田と高融点半田との融点の温度差が５０℃以上あるのが望ましい。

また、融点があまりに高い接合材を用いると、接合対象の半導体素子に不必要な熱履歴を与えることになってします。半導体素子に不必要な熱履歴を与えると、チップ内の不純物の濃度が変わってしまったり、表面保護膜（ポリイミド）が変質してしまう場合がある。そこで、例えば、融点が４００℃以下の半田（融点の差としては１５０℃の半田）を用いるとよい。

また半田ペースト２の主材半田粒子１１の粒径は通常１０〜２０μｍである。この半田粒径に対し、高融点の半田粒子９の粒径は５０〜６０μｍとすることが好ましい。高融点の半田粒子９の粒径は半導体チップ５と金属基板１との接合後の溶融半田層８の厚さを決める値となる。この接合後の溶融半田層８の厚さが５０μｍより薄いと、半導体装置の熱応力耐久量が低下する。また６０μｍより厚いと、半導体チップの通電時の放熱性が悪くなり、定格電流値に悪影響がありチップコストの上昇につながるので、好ましくない。

高融点の半田粒子９の主材半田粒子１１に対する添加率は０．５〜１重量％未満とする。０．５重量％より少ないと、半導体チップ５と金属基板１との所定の間隔を確実に維持するために必要な高融点半田粒子９が４個より少なくなる惧れが生じる。１重量％以上になると、高融点半田粒子が多くなりすぎ、充分に濡れ広がっていない高融点半田粒子９と 金属基板１上に前記半田ペースト２を滴下し、コレット４にて半導体チップ５をピックアップして半田ペースト２上にマウントした後、接合のためにヒーター７で熱板を介して加熱する。加熱方法は連続コンベア炉および遠赤外線キュア等があるが、ここでは熱板ステップキュア炉６を使用する。

熱板ステップキュア炉６は窒素雰囲気中で５〜８ブロックに分かれた熱板をそれぞれ独立に温度設定することができる。熱板ステップキュア炉６を使う半田接合方法は、金属基板１上にマウントされた半導体チップ５を一定時間ごとに前述の５〜８ブロックに分かれた熱板上を移動させて、図５に示すような所定の温度プロファイルで加熱する方法である。今回使用している半田ペースト２は主材半田粒子１１の融点が２５０℃であるため、金属基板１の加熱は２８０℃で数分保持し、高融点の半田粒子９で半導体チップ５を均一な半田厚さに保持したままの状態で、溶融した主材半田粒子１１を金属基板１上に十分に濡れ広げることができる。その後、金属基板１の温度を３３０℃まで上昇させ、融点３００℃の半田粒子９を溶融させることで、半導体チップ５に位置ズレを発生させることなく金属基板１に半田接合させることができる。なお、半田ペーストに含まれるフラックスの蒸発温度は主材半田粒子の融点より低温であるので、図５に示す温度プロファイルでは、主材半田の溶融温度より低温のフラックスの蒸発温度で保持してフラックスを気化させる温度領域が設けられている。

半田ペースト２は所定のサイズの半田粒子をフラックスで混ぜ込んであるため、従来は前記図４（ａ）の矢印に示すように、従来、ヒーター加熱の際にフラックス気化泡１０が発生し、半導体チップの位置ズレおよび半導体チップの傾きが発生していた。この半導体チップの傾きが、パッケージ製品（半導体装置）の熱応力耐久量を低下させる要因となっていた。

本発明では、図２（ａ）に示すように、半田ペースト２中に主材半田粒子１１より外径大の高融点の半田粒子９を微量添加することで金属基板１の表面と半導体チップ５間に隙間を作り、加熱時に発生するフラックス気化泡１０の排出路を確保するので、半導体チップ５の位置ズレを防止することができる。この結果、半導体チップ５下の半田厚みの傾きを抑制することができるので、半導体装置の品質の向上を図ることができる。

また、本発明では、半田ペーストに含まれる半田粒径サイズに関して主材半田粒子の粒径より微量添加する高融点半田粒子の粒径を大きくし、且つその粒径を、半導体チップ直下の半田の厚みと同等とすることで主材半田粒子が溶融し金属基板上で充分に濡れ広がった後に、高融点の半田粒子を溶かして半導体チップを溶融した主材半田粒子の溶融半田面（厚さ）まで下ろすため、均一な接合材厚みを作ることができる（図２（ｂ））。

以上、実施例で詳細に説明したように、本発明では、ヒーター加熱の際に第１の半田粒子が金属基板の所定の接合面の全面に均一に濡れて広がりきるまで、半導体チップを金属基板上に所定の間隔で保持することが容易になるので、所定の接合位置からの半導体チップのズレの発生を抑え、接合される半田の厚みの均一化を図ることができる。すなわち、主材半田粒子より粒径大の高融点半田粒子の微量添加が金属基板と半導体チップ間の所定の間隔を保持するので、半田ペーストに含まれるフラックスなどの揮発材の発泡による半導体チップの位置ズレに抑制効果がある。

また、半田ペーストを金属基板上に必要容量滴下した後に、マウントした半導体チップで半田ペーストを押し広げて、ヒーター加熱で溶融して金属基板と半導体チップの両方の接合面に濡れ広がることで、接合強度と半導体チップからの放熱性を確保をしている。

また、硬化後の溶融半田層は、温度変化を受けた際に金属基板と半導体チップの熱膨張差を埋める緩衝材として機能を備えている。そのためには所要の厚さを必要とする。硬化後の溶融半田層が均一の厚さを有していないと、半導体チップ下接合材の最も薄い部分に熱応力が集中し、パッケージ製品などの半導体装置の熱応力耐久量に影響を及ぼす。しかし、前述の実施例では、溶融半田層の薄い部分への熱応力集中を回避することができ、熱応力耐久量の向上を図ることが可能となる。

半導体チップ下の溶融半田層の厚みは厚いほど応力緩和効果が高いが、一方で、接合材の厚みが厚すぎると、半導体チップからの放熱性の低下と半導体チップ各角の溶融半田層の厚みの差の増大による熱応力耐久性の低下というデメリットがあることから厚さには６０μｍという上限がある。

以上、本発明では、半田ペースト中に主材半田粒子より高融点の半田粒子を微量添加し、主材半田粒子を溶融させる温度で主材半田粒子の金属基板への濡れ広がりを充分に確保し、その後、温度を上昇させて高融点の半田粒子を溶かす半導体装置の製造方法としたので、半導体チップの傾きの発生を抑制でき、溶融半田層の薄い部分への熱応力集中を回避することができ、熱応力耐久量の向上を図ることが可能となる。

１ 金属基板
２ 半田ペースト
３ ディスペンサー
４ コレット
５ 半導体チップ
６ 熱板ステップキュア炉
７ ヒーター
８ 溶融半田層
９ 高融点の半田粒子（第２の接合材粒子）
１０ フラックス気化泡
１１ 主材半田粒子（第１の接合材粒子）

Claims (5)

1. 主要な第１の接合材粒子と混合比率の少ない第２の接合材粒子とを混合させた接合材を介して、半導体チップを金属部材上の所定の接合面にマウントし加熱して固着させる際に、前記接合材に含まれる前記第１の接合材粒子は前記第２の接合材粒子より低融点であって粒径の小さく、前記加熱が、前記第１の接合材粒子を前記第２の接合材粒子の融点より低温で溶融させた後、前記第２の接合材粒子の融点以上の温度に上昇させて前記第２の接合材粒子を溶融させる温度プロファイル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の接合材粒子の混合比率が前記第１の接合材粒子の０．５重量％以上、１重量％未満であ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。
3. 前記第２の接合材粒子の融点が前記第１の接合材粒子の融点より、３０℃以上高い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. 前記第２の接合材粒子の粒径は、５０μｍ以上６０μｍ以下であって、かつ、前記第１の接合材粒子の粒径より、３０μｍ乃至５０μｍ大きい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. 前記接合材が半田であり、さらにフラックスが混合されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
   
   
   

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