JP2013179103A - Semiconductor device manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は半導体装置の製造方法に関し、特に基板に対して半導体素子を半田付け等でろう接(ろう付け)するようにした半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method for manufacturing a semiconductor device in which a semiconductor element is brazed to a substrate by soldering or the like.
例えば電気自動車やハイブリッド車等の電動車用インバータに搭載される半導体装置として、電極として機能する基板に対して半導体素子を半田接合したものがある。そして、半田層にボイド(空隙)が発生しているようなことがあると、半導体素子の駆動時の発熱によって破壊に至るおそれがあることから、このボイドの解消を目的とした半導体装置の製造方法として、減圧下で半田接合を行うようにしたいわゆる脱泡工法のほかに、特許文献1に記載されているように、半田の溶融前に減圧して半田溶融後に復圧または加圧するいわゆる圧縮工法が提案されている。
For example, as a semiconductor device mounted on an inverter for an electric vehicle such as an electric vehicle or a hybrid vehicle, there is one in which a semiconductor element is soldered to a substrate that functions as an electrode. If there is a void (void) in the solder layer, there is a risk of destruction due to heat generated when the semiconductor element is driven. Therefore, a semiconductor device is manufactured for the purpose of eliminating this void. As a method, in addition to the so-called defoaming method in which solder bonding is performed under reduced pressure, as described in
より具体的には、上記特許文献1に記載された技術では、半導体素子とセラミック基板との間に半田を挟んだ状態で当該半田の固相線以下の温度にて減圧する一方、この減圧状態にて半田の液相線以上の温度まで加熱し、さらにこの加熱状態のままで上記減圧状態の圧力よりも高い圧力まで加圧した後、この加圧状態で半田を固化させるようにしている。
More specifically, in the technique described in
しかしながら、特許文献1に代表されるような圧縮工法では、雰囲気圧力が半田層の内部のボイドにまで伝わりにくいことから、ボイドを低減または解消しようとすると、半田の溶融状態を維持しつつ且つ雰囲気圧力の高い状態を長時間維持する必要があり、半田接合に要する時間が長くなる。この傾向は、溶融した半田の粘性が高い場合には一段と顕著となる。
However, in the compression method represented by
本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、特にボイドの発生のないろう接を短時間で行えるようにした半導体装置の製造方法を提供するものである。 The present invention has been made paying attention to such a problem, and in particular, provides a method for manufacturing a semiconductor device in which brazing without generation of voids can be performed in a short time.
本発明は、基板のうち半導体素子が接合される領域に予め貫通穴を形成しておく一方、半田等のろう材による接合雰囲気条件として、ろう材の融点以上の温度まで上昇させて当該ろう材を溶融させる昇温工程と、接合雰囲気圧力を上記昇温工程よりも増加させる昇圧工程と、上記接合雰囲気温度をろう材の融点以下の温度まで下降させて当該ろう材を固化させる降温工程と、を含むものとした。 In the present invention, a through hole is formed in advance in a region of a substrate to which a semiconductor element is bonded, and as a bonding atmosphere condition by a brazing material such as solder, the brazing material is raised to a temperature equal to or higher than the melting point of the brazing material. A temperature raising step for melting the solder, a pressure raising step for increasing the bonding atmosphere pressure more than the temperature raising step, a temperature lowering step for lowering the bonding atmosphere temperature to a temperature below the melting point of the brazing material and solidifying the brazing material, Included.
本発明によれば、基板のうち半導体素子が接合される領域に予め貫通穴が形成されているので、溶融したろう材層に含まれるボイドに対して雰囲気圧力が伝わりやすくなり、雰囲気圧力をもってボイドを押し潰すかたちで短時間のうちにそのボイドを低減または解消することができる。 According to the present invention, since a through hole is formed in advance in a region of the substrate to which the semiconductor element is bonded, the atmospheric pressure is easily transmitted to the void contained in the molten brazing material layer, and the void is maintained with the atmospheric pressure. The void can be reduced or eliminated in a short time by crushing.
図1〜4は本発明に係る半導体装置の製造方法を実施するためのより具体的な形態を示し、特に図1は例えば電気自動車やハイブリッド車等の電動車用インバータに搭載される電力変換のための半導体装置の一例を示し、また図2は図1の要部拡大図を示している。 1 to 4 show a more specific form for carrying out the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention. In particular, FIG. 1 shows an example of power conversion mounted on an inverter for an electric vehicle such as an electric vehicle or a hybrid vehicle. FIG. 2 shows an enlarged view of the main part of FIG.
図1,2に示す半導体装置1は、略偏平箱状に成形された樹脂製のケース2に電極として機能する平板状の基板3と複数の端子4がそれぞれインサート成形等の手法により埋設されていて、基板3の上にパワー素子等の複数の半導体素子5がろう材層である半田層6にて接合(半田付け)されているとともに、各半導体素子5と端子4とが金線あるいはアルミニウム線等のリード線7にて接続されているものである。
In the
上記基板3に対してそれぞれの半導体素子5を半田接合するにあたっては、周知のように、基板3上の所定位置にペレット状またはシート状の半田6とともに半導体素子5を位置決めし、基板3と半導体素子5との間に半田6を挟んだ状態でケース2ごと所定の加熱炉に投入する。そして、加熱炉での雰囲気温度を半田6の融点以上の温度まで加熱・昇温させることでその半田6を溶融させ、その後に雰囲気温度を半田6の融点未満の温度まで下降させてその半田6を固化させることで基板3に対する半導体素子5の半田接合を行うものとする。
When soldering each
この場合において、図3に示すように、基板3のうち半田6を介して半導体素子5が接合される領域に基板3自体の表裏両面に貫通するように予め複数の貫通穴8を形成しておくものとし、各貫通穴8の上部開口面を半田6に臨ませた状態で半田接合を行うものとする。
In this case, as shown in FIG. 3, a plurality of through
基板3は先に述べたように電極として機能するものであるために、銅やアルミニウムなどの電気伝導率および熱伝導率に優れた金属材料にて形成されていて、溶融した半田6の濡れ性の改善のために例えばニッケルめっき等の表面処理が施されていることが望ましく、この基板3に対して半田接合にて半導体素子5が実装されることになる。そして、上記のようにニッケルめっき等の表面処理が施されている基板3に対して例えばプレスによるピアス加工を施すことで複数の貫通穴8が形成される。これにより、各貫通穴8の内周面には表面処理が施されておらず、基板3を形成している金属材料そのものの素地が露出していることになる。
Since the
なお、各貫通穴8の大きさは溶融した半田6が漏れ出さないような大きさに設定される。また、各貫通穴8の配置の詳細については後述する。
In addition, the size of each through
基板3に対して半導体素子5を半田接合する際の雰囲気条件として、先ず上記のように基板3と半導体素子5との間にペレット状またはシート状の半田6を挟んだ状態で接合雰囲気温度を半田6の融点以上の温度まで上昇させて当該半田6を溶融させるものとする。この工程は接合雰囲気温度の昇温工程に相当する。
As an atmosphere condition when the
そして、半田6が溶融したならば、接合雰囲気の圧力に着目して、その接合雰囲気圧力が上記昇温工程よりも高くなるようにその接合雰囲気圧力を増圧させる。例えば、上記昇温工程での圧力が大気圧であるならば、大気圧よりも高い圧力(正圧)となるように接合雰囲気圧力を高める。この工程ではなおも半田6の溶融状態が維持される。また、この工程は接合雰囲気圧力の昇圧工程に相当する。
When the
さらに、上記昇圧工程で増加させた接合雰囲気圧力を維持しながら、接合雰囲気温度を半田6の融点未満の温度まで下降させてその半田6を固化させるものとする。こうすることにより、半導体素子5は基板3上の所定位置に半田接合されることになる。この工程は接合雰囲気温度の降温工程に相当する。
Furthermore, it is assumed that the soldering atmosphere is solidified by lowering the bonding atmosphere temperature to a temperature lower than the melting point of the
上記のように、接合雰囲気圧力の昇圧工程において、半田6の溶融状態を維持した状態で接合雰囲気圧力を昇圧させることにより、その雰囲気圧力が溶融している半田6に直ちに伝わり、いわゆる溶融状態の半田6の濡れ性が向上することで良好な半田接合を行うことができる。その上、図3に示すように仮に溶融した半田6の中にボイドQが含まれていた場合に、複数の貫通穴8があることによって溶融状態の半田6に対して接合雰囲気圧力が伝わりやすく、短時間のうちにその半田6の中に含まれているボイドQが接合雰囲気圧力にて押し潰されるようにして縮小または解消されることになる。
As described above, in the step of increasing the bonding atmosphere pressure, by increasing the bonding atmosphere pressure while maintaining the molten state of the
さらに、先に述べたように各貫通穴8の内周面にはニッケルめっき等の表面処理が施されておらず、基板3の金属材料そのものの素地が露出していて、ニッケルめっき等の表面処理が施されている基板3の表裏両面に比べていわゆる濡れ性は悪いものとなっている。そのため、溶融した半田6が各貫通穴8へと濡れ拡がるのを防ぎ、基板3と半導体素子5との間の半田6の層の厚さのばらつきを抑制することができる。
Further, as described above, the inner peripheral surface of each through
ここで、基板3に対して半田接合された半導体素子5における実際の駆動時の発熱による温度特性を図4に示した。同図から明らかなように、半導体素子5の駆動時にはその半導体素子5の中心C付近が最も発熱しやすく、中心Cから離れるほど発熱が低下する傾向があり、その結果として半導体素子5の中心Cを基点とした半径Rの同心円上においてはほぼ同じ温度分布を示すことから、この点を考慮して図3に示した複数の貫通穴8の配置を決定するものとする。
Here, FIG. 4 shows temperature characteristics due to heat generation during actual driving in the
この複数の貫通穴8のより具体的な配置としては、例えば図5に示すように、半導体素子5の中心Cに対して距離が遠くなるほど基板3の単位面積当たりの貫通穴8の断面積(開口面積)を増加させるべく、言い換えるならば、半導体素子5の中心Cに近い部分における貫通穴8の開口面積よりも半導体素子8の中心Cから遠い周縁部分における貫通穴8の開口面積を大きくなるようにするべく、複数の貫通穴8の形状および大きさを全て矩形の角穴状のもので統一した上で、半径R1の同心円上にある複数の貫通穴8の数よりも半径R1よりも大きな半径R2(R2>R1)の同心円上にある複数の貫通穴8の数を多く設定してある。
As a more specific arrangement of the plurality of through
なお、半径R1同心円上にある複数の貫通穴8は等ピッチにて配置されていて、同様に半径R2の同心円上にある複数の貫通穴8も等ピッチにて配置されている。また、当然のことながら、複数の貫通穴8の大きさや数の選定にあたっては、半導体素子5が耐熱温度以上まで昇温することがないように予め実験や熱解析を行った上で決定するものとする。
The plurality of through
こうすることにより、図4に基づいて先に説明したように、半導体素子5の実際の駆動時にその半導体素子5の中心C付近が最も発熱しやすく、中心Cから離れるほど発熱が低下する傾向があり、上記のように多数の貫通穴8を形成することで、相対的に半導体素子5の中心Cから遠い周縁部分での基板3側への熱伝導による放熱性は低下することになるものの、当該部位の発熱温度は半導体素子5の中心部に比べて低いので、半導体素子5が耐熱温度以上まで昇温するのを回避することができる。言い換えるならば、相対的に半導体素子5の中心Cから遠い周縁部分により多くの貫通穴8を形成しても、半導体素子5の安定した放熱性または冷却性能を確保することができることになる。
By doing so, as described above with reference to FIG. 4, when the
また、複数の貫通穴8,18のより具体的な別の配置例としては、例えば図6に示すように、半導体素子5の中心Cに対して距離が遠くなるほど基板3の単位面積当たりの貫通穴8,18の断面積を増加させるべく、言い換えるならば、半導体素子5の中心Cに近い部分における貫通穴8の開口面積よりも半導体素子5の中心Cから遠い周縁部分における貫通穴18の開口面積を大きくなるようにするべく、半径R1の同心円上にある矩形の角穴状をなす複数の貫通穴8に対して、半径R1よりも大きな半径R2(R2>R1)の同心円上にある複数の貫通穴18の数を図5のものより少なくする一方で、個々の貫通穴18の大きさを貫通穴8よりも大きく設定してある。この図6の貫通穴8,18の配置によっても図5と同様の効果が得られることになる。
As another more specific example of the arrangement of the plurality of through
ここで、図5,6に示した複数の貫通穴8,18の配置は一例に過ぎず、必ずしも複数の貫通穴8,18を半径R1およびR2の同心円上に規則性をもって配置する必要はなく、例えばアトランダムな配置としてもよい。要は、先に述べたように、半導体素子5の中心部に対して距離が遠くなるほど基板3の単位面積当たりの貫通穴8,18の断面積を増加するような配置となっていれば所期の目的は達成することができる。
Here, the arrangement of the plurality of through
また、上記実施の形態では、基板3に対する半導体素子5の接合にろう材として半田を用いた半田付けの例を示しているが、他のろう材を用いたろう付け等のろう接技術にも本発明を適用することができる。
In the above-described embodiment, an example of soldering using solder as a brazing material for joining the
1…半導体装置
3…基板
5…半導体素子
6…半田(ろう材)
8…貫通穴
18…貫通穴
DESCRIPTION OF
8 ... Through hole 18 ... Through hole
Claims (6)
上記基板のうち半導体素子が接合される領域に予め貫通穴を形成しておく一方、
ろう材による接合雰囲気条件として、
上記基板と半導体素子との間にろう材を挟んだ状態で接合雰囲気温度をろう材の融点以上の温度まで上昇させて当該ろう材を溶融させる昇温工程と、
接合雰囲気圧力を上記昇温工程よりも増加させる昇圧工程と、
上記昇圧工程で増加させた接合雰囲気圧力を維持しながら上記接合雰囲気温度をろう材の融点未満の温度まで下降させて当該ろう材を固化させる降温工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 In a method of manufacturing a semiconductor device in which a semiconductor element is brazed to a substrate,
While forming a through hole in advance in a region of the substrate where the semiconductor element is bonded,
As a joining atmosphere condition by brazing material,
A temperature raising step for melting the brazing material by raising the bonding atmosphere temperature to a temperature equal to or higher than the melting point of the brazing material in a state where the brazing material is sandwiched between the substrate and the semiconductor element,
A pressure increasing step for increasing the bonding atmosphere pressure more than the temperature raising step;
A temperature lowering step of solidifying the brazing filler metal by lowering the bonding atmosphere temperature to a temperature lower than the melting point of the brazing filler metal while maintaining the bonding atmosphere pressure increased in the boosting step;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
上記半導体素子の中心に近い部分における貫通穴の数よりも上記半導体素子の中心から遠い周縁部分における複数の貫通穴の数を多く設定してあることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置の製造方法。 The substrate has a plurality of through holes,
3. The semiconductor device according to claim 2, wherein the number of the plurality of through holes in the peripheral portion far from the center of the semiconductor element is set larger than the number of through holes in the portion near the center of the semiconductor element. Manufacturing method.
上記半導体素子の中心に近い部分における貫通穴の大きさよりも上記半導体素子の中心から遠い周縁部分における複数の貫通穴の大きさを大きく設定してあることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置の製造方法。 The substrate has a plurality of through holes,
3. The semiconductor according to claim 2, wherein the size of the plurality of through holes in the peripheral portion far from the center of the semiconductor element is set larger than the size of the through hole in the portion near the center of the semiconductor element. Device manufacturing method.
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