JP2013161961A - 半導体モジュールの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 構成する部品間の横方向および高さ方向の位置決めを安価に行うことができる半導体モジュールの製造方法を提供する。
【解決手段】 半導体モジュールの製造方法では、基板2の下に配置した下側金属層3とベース・プレート1との間に半田シート8Aを挟んで加熱して下側半田層8を形成し、下側金属層8とベース・プレート1とを半田接合する。この際、ベース・プレート1上にワイヤ・ボンディングする位置決め用ワイヤ6,7は、半田シート8Aの厚さより高く、半田シート8Aおよび下側金属層3の合計高さより低い。下側金属層3の側面を位置決め用ワイヤ6,7に当接させてセラミック基板2のベース・プレート1に対する水平方向の位置決めを行い、半田シート8Aを加熱・溶融させて下側半田層8を形成し、このときセラミック基板2を位置決め用ワイヤ6,7の頂部に当接させてセラミック基板2のベース・プレート1に対する高さ方向の位置決めを行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体モジュールの製造方法に関する。

半導体等のモジュールにあっては、製造時にモジュールを構成する各部品間の位置決めが必要になる。
このような従来の位置決め方法としては、特許文献１に記載のものが知られている。
この特許文献１に記載の半導体モジュールは、発光ダイオード・モジュールであって、基板に取り付けられて光を放出する発光ダイオード（ＬＥＤ）チップと、このＬＥＤチップの頂部に設けられてＬＥＤチップから放出された光を受ける光学素子と、を有し、光学素子とＬＥＤチップとを、少なくともこれらのうちの一方に設けられ横方向かつ角度方向に互いに位置合わせする手段であるピラー、山形材、リムなどで位置決めしている。

また、別の従来の位置決め方法としては、特許文献２に記載のものが知られている。
この特許文献２に記載の半導体モジュールは、中間基材の電極を基板の電極に一定の高さでしっかりとボンディングするため、中間基材の電極に、ワイヤ・ボンディング装置のキャタピラ・ツールから導出されたワイヤの下端部のボールをボンディングした後、このボールから上方にワイヤを延出させて切断することにより所定高さのスペーサを形成する。次いで、このスペーサをクリーム半田が塗布された基板の電極に着地させて、このクリーム半田を加熱処理する。このようにして設けたスペーサで、上記高さを規制するようにしている。

特表２００９−５３０８４１号公報 特開平５−２０６３５７号公報

しかしながら、上記従来の半導体モジュールの製造方法には以下に説明するような問題がある。
前者の半導体等のモジュールでの光学素子とＬＥＤチップとの位置決めでは、これらの横方向での位置決めしか行えず、また後者の半導体モジュールでは中間基材の電極と基板の電極との間隔、すなわち高さ方向での位置決めしか行えず、横（縦）方向と高さ方向を同時に位置決めすることができなかったといった問題がある。

本発明は、上記問題に着目してなされたもので、その目的とするところは、半導体モジュールにおいて、これを構成する部品間の横縦（水平）方向および高さ方向の位置決めを安価に行うことができるようにした半導体モジュールの製造方法を提供することにある。

この目的のため、請求項１に記載の本発明による半導体モジュールの製造方法は、
セラミック基板の下に配置した下側金属層とベース・プレートとの間に半田材を挟んで加熱して下側半田層を形成し、下側金属層とベース・プレートとを半田接合するようにした半導体モジュールの製造方法において、
下側金属層を、セラミック基板より小さいものとし、
半田材の厚さより高く、半田シートおよび下側金属層の合計高さより低くした位置決め用ワイヤを、下側金属層の側面の外側でこの側面が位置決め用ワイヤに当接することでセラミック基板のベース・プレートに対する水平方向の位置決めを行う位置で、ベース・プレート上にワイヤ・ボンディングし、
半田材を加熱により溶融させて下側半田層を形成し、このときセラミック基板を位置決め用ワイヤの頂部に当接させることでセラミック基板のベース・プレートに対する高さ方向の位置決めを行い、下側半田層で下側金属層とベース・プレートとの半田接合を行うようにした、
ことを特徴とする。

請求項２に記載の本発明による半導体モジュールの製造方法は、
請求項１に記載の半導体モジュールの製造方法において、
位置決め用ワイヤが、下側金属層の側面を構成する４辺それぞれ、または下側金属層の対向する２つのコーナー部近くの直交するそれぞれ２辺、のうちのいずれかに沿って設けられている、
ことを特徴とする。

請求項３に記載の本発明による半導体モジュールの製造方法は、
請求項２に記載の半導体モジュールの製造方法おいて、
位置決め用ワイヤが、このワイヤ・ボンディングの始点および終点を下側金属層の位置決め用ワイヤが当接する各辺に対し平行となる位置にした、
ことを特徴とする。

請求項４に記載の本発明による半導体モジュールの製造方法は、
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体モジュールの製造方法おいて、
半田材が、下側金属層の下面あるいはベース・プレートの上面に印刷されている、
ことを特徴とする。

請求項１に記載の本発明の半導体モジュールの製造方法にあっては、位置決めワイヤと下側金属層、半田材、セラミック基板との大きさ関係を適宜設定し、位置決めワイヤでセラミック基板の水平方向の位置決めをし、半田材を溶融させたとき、位置決めワイヤでセラミック基板の高さ方向の位置決めを行うようにした。
したがって、位置決め用の治具等は不要となるので、半導体モジュールを構成する部品間の水平方向および高さ方向の位置決めを、安価に行うことができるようになるという効果が得られる。

請求項２に記載の本発明の半導体モジュールの製造方法にあっては、位置決め用ワイヤが、下側金属層の側面を構成する４辺それぞれ、または下側金属層の対向する２つのコーナー部近くの直交するそれぞれ２辺、のうちのいずれかに沿って設けられているので、セラミック基板のベース・プレートに対する位置決めを確実に行うことができる。

請求項３に記載の本発明の半導体モジュールの製造方法にあっては、ワイヤ・ボンディングの始点および終点を下側金属層の位置決め用ワイヤが当接する各辺に対し平行となる位置にしたので、セラミック基板のベース・プレートに対する位置決めを確実、かつ安定して行うことができる。

請求項４に記載の本発明の半導体モジュールの製造方法にあっては、半田材を、下側金属層の下面あるいはベース・プレートの上面に印刷するようにしたので、半導体モジュールの加熱前の仮組立が楽になる。

本発明の実施例１の半導体モジュールであって、図中上半部は半田溶融前の状態を、また図中下半部は半田溶融後の状態をそれぞれ示す図である。 実施例１の半導体モジュールの各製造工程を説明する図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面に示す実施例に基づき詳細に説明する。

まず、図１の下半部に、実施例１の半導体モジュールの製造方法で製造する半導体モジュールで、半田シートの溶融後、かつパッケージング前の状態を示す。なお、同図中、上半部は、半田溶融前の状態、すなわち半田シートを溶融する前の半導体モジュールの仮組立状態を示す。また、半田シートは、本発明の半田材に相当する。
本実施例の半導体モジュールは、電気自動車に搭載した三相交流モータへ電力を供給するパワー半導体モジュールである。

図１の下半部に示すように、本実施例の半導体モジュールは、冷却器として機能するベース・プレート1と、この上方に配置され、下面側に下側金属層3を、また上面側に上側金属層4を有する絶縁性のセラミック基板2と、このセラミック基板2の上方に配置したパワー半導体のチップ5と、下側金属層3およびベース・プレート1間に介在されこれらを接合する下側半田層7と、上側金属層4およびチップ5間に介在されこれらを接合する上側半田層9と、対の位置決めワイヤ6、７を有する。
なお、図１では図示を省略しているが、図２に示すように、ベース・プレート1は、この下面に複数の冷却用フィン1aが設けられている。

位置決めワイヤ6、７は、ベース・プレート2の上に置くセラミック基板2の下側金属層3の対角線上で向かい合う2か所のコーナー部に下側金属層3の一辺とこれに直交する隣の一辺とにそれぞれ平行に配置されて、ベース・プレート1の上面に固定される。したがって、位置決めワイヤ6、７のワイヤ・ボンディングの始点および終点は、上記当接する各辺に平行となっている。
このワイヤ・ボンディングの状態を、図２の右上に示す。
なお、同図では１枚のベース・プレート2に電気モータ３相分に対応するように、チップ5付きセラミック基板2が３枚取り付けられる。

一対の位置決めワイヤ6、７のベース・プレート1への取り付け位置は、セラミック基板2の内側で、かつ下側金属層3の外側となる位置とする。
言い換えると、セラミック基板2は、この幅方向および長手方向の長さが一対の位置決めワイヤ6、７の位置よりそれぞれ外側に突出する長さとしてある。
また、下側金属層3は、この幅方向および長手方向の長さが上記一対の位置決めワイヤ6、７で決まる、下側金属層3が挿入可能な範囲となる四角形を構成する各辺よりそれぞれ若干短い辺からなる四角形に形成してある。
下側半田層8を形成する溶融前の下側半田シート8Aは、その下側金属層3よりさらに若干小さい四角形としてある。

一方、位置決めワイヤ6、７の高さは、図１の上半部に示すように、下側半田層8が溶融する前の下側半田シート8Aのときには、位置決めワイヤ6、7の頂部とセラミック基板2の下面との間に若干の隙間が生じ、下側半田シート8Aが溶融して下側半田層8となった後は図１の下半部に示すように、位置決めワイヤ6、７の頂部がセラミック基板2の下面と接触してセラミック基板2とベース・プレート1との間の高さが所望の高さになる大きさになるようにしてある。

言い換えれば、下側半田シート8Aの溶融前では、ベース・プレート1の上面とセラミック基板2の下面との間の寸法は、下側半田シート8Aと下側金属層3との合計厚さに等しく、この合計厚さは位置決めワイヤ6、7の高さより高い。一方、下側半田シート8Aの溶融後では、ベース・プレート1の上面とセラミック基板2の下面との間の寸法は、位置決めワイヤ6、7の高さに等しくなる。

上記のような構造を持つパワー半導体モジュールは、以下のように製造される。
まず、図２の左上に示すように、セラミック基板2（本実施例では３枚）の上側金属層4上に４個２列の上側半田シート9Aを介在させて、これらも４個２列のチップ5を載せた後、図１の左側中央位置に示すように、これらをダイ・ボンディングする。この結果、上側半田シート9Aは、溶融して、図１に示す上側半田層9となる。

一方、このセラミック基板2の上側面におけるチップ5の実装工程と平行して、図２の右側に示すワイヤ・ボンディングの工程が実行される。
すなわち、冷却器として機能するベース・プレート1上には、図２の右上に示すように、３枚のセラミック基板2を搭載可能にするため、それぞれ対向するコーナー部に設ける一対の位置決めワイヤ6、７が、３組分、ワイヤ・ボンディングされる。このときの位置決めワイヤ6、7の位置や高さの詳細は上で説明した通りである。

次いで、図２の右側中央に示すように、これらの各位置決めワイヤ6、７間には、それぞれ下側半田層8を形成する下側半田シート8Aが挿入配置され位置決めされる。このとき、下側半田シート8Aの上面は、図１の上半部に示すように、位置決めワイヤ6、７の頂部より低い位置にある。

続いて、チップ5をダイ・ボンディングしたセラミック基板2を、ワイヤ・ボンディングがなされ、かつ下側半田シート8Aが位置決めワイヤ6、７内に置かれた状態のベース・プレート1に載せる。

このとき、図１の上半部および図２の下側に示すように、下側半田シート8Aの上面が位置決めワイヤ6、７の頂部より低い位置にあり、セラミック基板2の下側金属層3が位置決めワイヤ6、７で形成される四辺形より若干小さいので、下側金属層3が位置決めワイヤ6、７で形成される四辺形内に入り込むことで、セラミック基板2のベース・プレート1に対する水平面上での横方向および縦方向（幅方向および長手方向）の位置が規制される。この状態が半導体モジュールの、下側半田シート8A溶融前の仮組立体である。

この状態で、仮組立体を図示しない加熱炉に入れて所定時間加熱すると、下側半田シート8Aが溶融して水平方向に広がる結果、下側半田層8はこの上面が溶融前の下側半田シート8Aの上面の位置より下がり、セラミック基板2の外周辺部分が位置決めワイヤ6、７の頂部に当たる。

したがって、セラミック基板2は、そのベース・プレート1に対する高さが規制されて、図１の下半部に示すように、位置決めワイヤ6、７の高さと同じ高さなる。位置決めワイヤ6、７の頂部の高さは、ベース・プレート1とセラミック基板2との所望の隙間に設定されているので、これらは適正な間隔で離間されることになる。
この後、リード端子等を設けてパッキングを行う。

以上のように、実施例１の半導体モジュールの製造方法にあっては、ベース・プレート1上にワイヤ・ボンディングする位置決め用ワイヤ6、7を、半田シート8Aの厚さより高く、半田シート8Aおよび下側金属層3の合計高さより低くなるようにし、下側金属層3の側面を位置決め用ワイヤ6、7に当接させてセラミック基板2のベース・プレート1に対する水平方向の位置決めを行い、半田シート8Aを加熱・溶融させて下側半田層8を形成し、このときセラミック基板2を位置決め用ワイヤ6、7の頂部に当接させてセラミック基板2のベース・プレート1に対する高さ方向の位置決めを行うようにした。
したがって、位置決め用のジグなどを必要としないので、その取り付け・取り外しも不要となる。その結果、半導体モジュールを安価に製造することができるようになる。

また、位置決め用ワイヤ6、7の始点および終点は、これらのワイヤが当接する下側金属層3の側面を形成する辺と平行になるように配置したので、セラミック基板2を安定した状態で位置決めすることが可能となる。

以上、本発明を上記各実施例に基づき説明してきたが、本発明はこれらの実施例に限られず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で設計変更等があった場合でも、本発明に含まれる。

たとえば、上記実施例では、位置決めワイヤ6、７のワイヤ・ボンディングの始点および終点を、これらワイヤが当接する各辺に平行となるようにしているが、これに限られず、傾斜させてもよい。
また、下側半田シート8Aは、ワイヤ・ボンディングを行う前にベース・プレート1の上面に印刷により形成するようにしてもよい。このようにすれば、仮組立が簡単となる。

また、本発明の半導体モジュールは、電気自動車用の電気モータに電力を供給するパワー半導体モジュールに限られず、他の装置や他の半導体素子を用いた半導体モジュールであってもよい。

1 ベース・プレート
1a 冷却用フィン
2 セラミック基板
3 下側金属層
4 上側金属層
5 チップ（半導体）
6、7 位置決め用ワイヤ
8 下側半田層
8A 下側半田シート(半田材)
9 上側半田層
9A 上側半田シート

Claims (4)

1. セラミック基板の下に配置した下側金属層とベース・プレートとの間に半田材を挟んで加熱して下側半田層を形成し、該下側金属層と前記ベース・プレートとを半田接合するようにした半導体モジュールの製造方法において、
   前記下側金属層は前記セラミック基板より小さいものとし、
   前記半田材の厚さより高く、該半田材および前記下側金属層の合計高さより低くした位置決め用ワイヤを、前記下側金属層の側面の外側で該側面が前記位置決め用ワイヤに当接することで前記セラミック基板の前記ベース・プレートに対する水平方向の位置決めを行う位置で、前記ベース・プレート上にワイヤ・ボンディングし、
   前記半田材を加熱により溶融させて前記下側半田層を形成し、このとき前記セラミック基板を前記位置決め用ワイヤの頂部に当接させることで前記セラミック基板の前記ベース・プレートに対する高さ方向の位置決めを行い、前記下側半田層で前記下側金属層と前記ベース・プレートとの半田接合を行うようにした、
   ことを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
2. 請求項１に記載の半導体モジュールの製造方法において、
   前記位置決め用ワイヤは、前記下側金属層の側面を構成する４辺それぞれ、または前記下側金属層の対向する２つのコーナー部近くの直交するそれぞれ２辺、のうちのいずれかに沿って設けた、
   ことを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
3. 請求項２に記載の半導体モジュールの製造方法おいて、
   前記位置決め用ワイヤは、このワイヤ・ボンディングの始点および終点が前記下側金属層の前記位置決め用ワイヤが当接する各辺に対し平行となる位置に設けた、
   ことを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体モジュールの製造方法おいて、
   前記半田材は、前記下側金属層の下面あるいは前記ベース・プレートの上面に印刷されている、
   ことを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
   

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