JP2014049647A - 半導体装置の製造方法、半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】簡易な製造方法によって、はんだを用いた接合における高い信頼性を得る。
【解決手段】まず、プリヒート温度まで温度を上昇させる（領域Ｉ：昇温工程）。次に、このプリヒート温度が５０〜１２０秒の間だけ保持される（領域ＩＩ：予熱工程）。プリヒート温度は、エポキシ樹脂の硬化温度（１８０℃）よりも２０〜４０℃低い温度であり、ここでは１５０℃程度としている。その後、ピーク温度を金属粒子（はんだ）５２の融点（２２０℃）よりも高い２６０〜２８０℃の範囲、例えば２５０℃とし、３０〜５０秒間保持する。（領域ＩＩＩ：溶融工程）。この製造方法においては、予熱工程において未硬化の状態でフラックスが半導体チップの外周部を取り囲む形態とされる。その後で溶融工程において、密集した状態の金属粒子が溶融し、融合する。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体チップが金属板上に搭載された構造を具備する半導体装置の製造方法に関する。
一般に、半導体チップが使用される際には、半導体チップが金属板上に搭載された構造が絶縁性のモールド樹脂層中に封止され、モールド樹脂層から端子となるリードが導出した構成をもつ半導体装置とされる。
図５は、この半導体装置９０の一例を上面から見た透視図である。ここでは、横長の矩形体形状であるモールド樹脂層９１中に、２つのダイパッド（金属板）が設けられている。この構成においては、半導体チップ９２はダイパッド９３に搭載され、半導体チップ９４はダイパッド９５に搭載される。リード９６は上側、下側でそれぞれ４本ずつ、モールド樹脂層９１から導出するように設けられている。リード９６のうちの一部は隣接するダイパッド９３、９５と一体化されており、他はダイパッド９３、９５と絶縁されている。これらが所望の電気回路を構成するように、半導体チップ９２、９４における電極、ダイパッド９３、９５、各リード９６の間は、細いボンディングワイヤ９７を用いて接続されている。ボンディングワイヤ９７もモールド樹脂層９１の中に封止されている。例えば、半導体チップ９２としてはパワー半導体チップを、半導体チップ９４としてはこのパワー半導体チップを制御する制御ＩＣチップを用いることができる。
ここで、半導体チップ９２、９４は、はんだによってそれぞれダイパッド９３、９５に接合される場合が多い。この場合には、半導体チップ９２、９４の裏面に電極が形成されれば、この電極とダイパッド９３、９５との間の電気的接合と半導体チップ９２、９４の固定を、共にこのはんだを用いて行うことができる。
このはんだを用いた接合を行うためには、はんだペーストが用いられる場合が多い。こはんだペーストとしては、はんだの主成分となる金属（合金）で構成された粒子（金属粒子）が、硬化していない樹脂材料（フラックス）中に混合されたものが用いられる。このはんだペーストは、金属板上に例えばスクリーン印刷で形成される。その後、半導体チップがこの上に搭載された後に加熱され、金属粒子が溶融してから固化することによって接合がなされる。この際、金属粒子が溶融してから適度に広がってから固化することによって、良好な接合が行われる。フラックスは、金属粒子を塗布できる状態とするために用いられるが、金属粒子や金属板の表面の酸化膜を除去する、金属板の表面を活性化してはんだペーストに対する濡れ性を良好にする、等の役割も果たし、はんだによる接合を強固にするためにも有効である。
特許文献１には、はんだペーストを用いて半導体チップに対してバンプ接合を行う際に、接合される電極の表面に予め溝を形成することによって、はんだの濡れ広がりを制御し、短絡や接合不良のない良好な接合を得る技術が記載されている。
また、特許文献２には、はんだペーストにおけるフラックスの主成分として、エポキシ樹脂を用いることが記載されている。一般的には、接合後に残存するフラックス成分はワイヤボンディング等を接続する際の障害となる。このため、残存したフラックス成分は洗浄によって除去され、その後にワイヤボンディング等が施される場合が多い。これに対し、特許文献２に記載の技術においては、硬化後のエポキシ樹脂が残存する形態とされる。これによって、はんだによる接合が補強され、接合の信頼性を高めることができる。
特開２００９−４４６３号公報 特開２００３−１２４４００号公報
しかしながら、特許文献１に記載の技術においては、接合される面の加工が必要となる。ここで、接合される面とは、半導体チップの裏面と金属板である。この加工には新たな工程を要し、特に、特許文献１に記載のバンプ接合の場合と異なり接合される面の面積が広い場合には、製造工程が複雑となった。このため、製造コストを低減するという観点からは、こうした工程を追加することは好ましくない。また、金属板の表面の加工は可能であるものの、半導体チップの裏面を加工することは実際には困難である。
また、金属粒子が溶融して融合した接合層が形成され、この接合層と、接合される半導体チップ、金属板の表面との間で強固な合金層が形成されることによって、高い接合強度が得られる。この際、接合層の中にボイドが形成された場合には、高い接合強度を得ることは困難である。はんだペーストを用いて接合を行う場合には、金属粒子が溶融して融合する際に形成される空隙が、冷却後にボイドとなる。特許文献２に記載の技術においては、金属粒子が溶融した時点でその周囲のエポキシ樹脂が硬化していた場合には、このエポキシ樹脂が、接合時に溶融した金属粒子の間から抜ける空気の障害となるため、はんだ層におけるボイドが発生しやすくなった。このため、接合における高い信頼性を確保することは困難であった。この問題は、バンプ接合のように接合面積が小さな場合よりも、半導体チップの裏面全面を接合する場合のように接合面積が大きな場合において特に顕著であった。
すなわち、簡易な製造方法によって、はんだを用いた接合における高い信頼性を得ることは困難であった。
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。
本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の半導体装置の製造方法は、はんだペーストを半導体チップと金属板との間に介在させて前記半導体チップと前記金属板とを接合する半導体装置の製造方法であって、前記はんだペーストは、８５〜９０ｗｔ％の金属粒子と、フラックスであるエポキシ樹脂と、活性効果を有する硬化剤と、活性剤とを含み、はんだ接合後に、硬化していない前記エポキシ樹脂がはんだ接合の外周側面と前記半導体チップの外周側面の少なくとも一部を覆うダイボンド工程を備えることを特徴とする。
本発明の半導体装置の製造方法において、前記エポキシ樹脂は、その硬化温度が前記金属粒子の融点よりも低い熱硬化性のエポキシ樹脂で構成され、前記ダイボンド工程は、前記半導体チップと、前記エポキシ樹脂が硬化していない状態である前記はんだペーストと、前記金属板とが積層された積層体を、前記硬化温度よりも２０〜４０℃低い温度で、５０〜１２０秒の時間の間、保持する予熱工程と、前記予熱工程後に、前記積層体を前記金属粒子の融点よりも高い温度以上にまで加熱する溶融工程と、前記溶融工程後に、前記積層体を冷却する冷却工程と、を備えることを特徴とする。
本発明の半導体装置の製造方法は、前記冷却工程後に、前記構造体を前記硬化温度よりも１０〜４０℃低い温度で保持して前記エポキシ樹脂を完全硬化するキュア工程を具備することを特徴とする。
本発明の半導体装置は、前記半導体装置の製造方法によって製造されたことを特徴とする。
本発明は以上のように構成されているので、簡易な製造方法によって、はんだを用いた接合における高い信頼性を得ることができる。
本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法において用いる接合工程における温度プロファイルを示す図である。 実施例となる製造方法によって製造された半導体装置の外観写真である。 実施例となる製造方法によって製造された半導体装置の断面ＳＥＭ写真である。 一般的な半導体装置の構成を示す透視図である。
以下、本発明の実施の形態となる半導体装置の製造方法について説明する。図１は、この製造方法によって製造される半導体装置の工程断面図である。ここで示されるのは、半導体チップ１０が金属板（ダイパッド）２０に接合される際（ダイボンド工程）の断面である。この接合は、はんだペースト５０を用いて行われる。なお、実際には、図５に示されるように、この接合の後に半導体チップ１０や、金属板２０に対してボンディングワイヤを接続し、ボンディングワイヤが接続された後の構造全体をモールド樹脂層中に封止する、等の工程が行われることによって、半導体装置が製造される。これらの工程については、通常知られるものと同様であるため、説明は省略する。以下では、ダイボンド工程についてのみ説明する。
まず、図１（ａ）に示されるように、はんだペースト５０を金属板２０の上にスクリーン印刷等の方法によってパターニングして塗布する。はんだペースト５０は、フラックス（樹脂材料）５１中にはんだとなる金属粒子（はんだ粉末）５２が混合分散されて構成される。はんだペースト５０におけるフラックス５１の含有量は、例えば１３質量％程度とする。フラックス５１は、例えば、樹脂（エポキシ樹脂、液状ビスフェノールＡ型）、活性硬化を有する硬化剤（酸無水物）、溶剤（グリコール系）、チキソ剤（アミン系）、活性剤（有機酸）からなる。はんだペースト５０の粘度は、塗布する状態においては例えば７０〜１３０Ｐａ・ｓ程度とされる。
金属粒子５２は、例えば銀（Ａｇ）−銅（Ｃｕ）−錫（Ｓｎ）合金で構成され、例えばＳｎを主成分としてＡｇ、Ｃｕをそれぞれ３質量％、０．５質量％程度としたものを使用することができる。その平均粒径は２５〜４５μｍ程度とされる。金属粒子５２のはんだペースト５０における組成は８５〜９０ｗｔ％程度とされる。
はんだペースト５０が塗布された直後の状態では、フラックス５１は未硬化の状態であり適度な粘度を有するため、はんだペースト５０の図１（ａ）における形状は維持される。なお、この際のペースト５０の平面形状は、接合される半導体チップ１０の平面形状とほぼ等しくされる。これによって、半導体チップ１０の下面全体を接合することができる。
次に、この状態で図１（ｂ）に示されるように、はんだペースト５０の上に半導体チップ１０を搭載する。はんだペースト５０（フラックス５１）の粘度によって、この状態が維持される。
その後、この半導体チップ１０、はんだペースト５０、金属板２０の積層構造（構造体）をリフロー炉中に投入して熱処理を行う。これによって、はんだペースト５０中の金属粒子５２が溶融してから固化し、半導体チップ１０と金属板２０の間の接合が行われる（接合工程）。図２は、接合工程における温度プロファイル（温度の時間変化）の一例を示す。ここで、フラックス５１の主成分であるエポキシ樹脂の硬化温度は１８０℃であり、金属粒子５２の融点はこれよりも高い２２０℃であるものとする。接合工程は、より詳細には、昇温工程（領域Ｉ）、予熱工程（領域ＩＩ）、溶融工程（領域ＩＩＩ）、冷却工程（領域ＩＶ）で構成され、リフロー炉中において窒素雰囲気下で行われる。この接合工程における特徴は、エポキシ樹脂の硬化温度よりも低い温度で一定時間の間保持される予熱工程を溶融工程の前に設けたことである。
図２において、まず、プリヒート温度まで温度を上昇させる（領域Ｉ：昇温工程）。次に、このプリヒート温度が５０〜１２０秒の間だけ保持される（領域ＩＩ：予熱工程）。プリヒート温度は、エポキシ樹脂の硬化温度（１８０℃）よりも２０〜４０℃低い温度であり、ここでは１５０℃程度としている。この工程においては、フラックス５１中の有機溶剤の気化、フラックス５１の活性化、フラックス５１による金属粒子５２や金属板２０表面の酸化物の除去が行われる。一方で、硬化反応は進行せず、かつフラックス５１の活性化が高まるため、フラックス５１を構成するエポキシ樹脂は濡れ広がる。また、プリヒート温度は金属粒子５２の融点よりも低いため、金属粒子５２の形態に変化はない。なお、接合工程全体の時間を短くし、かつ予熱工程の時間を長くとるために、昇温工程の時間は短いことが好ましい。
このため、予熱工程後には、図１（ｃ）に示されるように、半導体チップ１０の下部におけるはんだペースト５０は薄くなり、半導体チップ１０の下部が金属粒子５２のみで支持された形態となる。一方、フラックス５１は濡れ広がるが、表面張力によって半導体チップ１０の外周側面を取り囲み、半導体チップ１０の外周部が、硬化前のフラックス５１で覆われた形態となる。半導体チップ１０直下の金属粒子５２間におけるフラックス５１の量は少なくなり、金属粒子５２が密集した形態となる。また、混合しているエポキシ樹脂が活性化して金属表面を還元し、はんだ濡れを向上している。
その後、ピーク温度を金属粒子（はんだ）５２の融点（２２０℃）よりも高い２６０〜２８０℃の範囲、例えば２５０℃とし、３０〜５０秒間保持する。（領域ＩＩＩ：溶融工程）。この際に、フラックス５１の硬化温度に達した後で金属粒子５２の融点を超えるため、まずフラックス５１の硬化が始まり、その後で金属粒子５２が溶融する。ただし、フラックス５１の硬化反応が始まってから充分に硬化するまでには時間がかかるため、実際には、金属粒子５２の溶融が始まる時点ではフラックス５１はまだ硬化していない。一方、金属粒子５２は、温度がその融点を越えた場合には速やかに溶融し、金属粒子５２の融合が進む。
この製造方法においては、予熱工程において未硬化の状態でフラックス５１が半導体チップ１０の外周部を取り囲む形態とされる。その後で溶融工程において、密集した状態の金属粒子５２が溶融し、融合する。この際、フラックス５１はまだ完全に硬化はしていないため、金属粒子５２間からの空気の抜け道となる。このため、ボイドが形成されにくくなる。一方、半導体チップ１０が金属板２０に固定された状態は、外周に存在するフラックス５１によって保たれる。このため、この工程における半導体チップ１０の位置ずれは発生しにくい。
ただし、予熱工程における温度が硬化温度から８０℃低い温度よりも更に低い、あるいは予熱工程の時間が５０秒よりも短い場合には、予熱工程の効果が不充分となる、すなわち、フラックス５１を図１（ｃ）の形態とすることが困難である。また、この温度が硬化温度から１５℃低い温度よりも高い（硬化温度に近い）、あるいは予熱工程の時間が１２０秒よりも長いと、次の溶融工程における早い時点でフラックス５１が硬化するため、接合層５３にボイドが発生しやすくなる。
その後、冷却が行われる（領域ＩＶ：冷却工程）。温度が低下するに従って、溶融した金属粒子５２が融合した状態で固化して、接合層５３が形成される。フラックス５１は、この周囲を取り囲んだ状態で硬化するため、図１（ｄ）に示される形態となる。この際、前記の通り、接合層５３におけるボイドの発生が抑制される。ここでは、２７０℃から１００℃までの温度範囲（温度差１７０℃）を３０〜６０秒かけて冷却する。以上でダイボンド工程が終了する。
フラックス５１の硬化を更に進めて充分な強度を得る（完全硬化させる）ためには、プリヒート温度と同程度の温度として、エポキシ樹脂の硬化温度（１８０℃）よりも１０〜４０℃低い温度、例えば１５０℃で長時間（５時間程度）のキュア処理を行うこと（キュア工程）が有効である。これによって、フラックス５１も充分な強度となる。なお、このキュア処理の際に、フラックス５１における気泡は除去される。
ここで、ダイボンド工程（冷却工程）直後におけるフラックス５１の状態と、キュア工程直後におけるフラックス５１の状態（完全硬化した状態）は、試験基板に上記のはんだペースト５０を印刷し、チップ部品を搭載し接合し、接合後において、試験基板と密着したフラックス残渣のシェア強度を測定して評価した。この試験（測定）において、冷却工程直後はシェア強度２０Ｎであり、キュア工程直後はシェア強度４０Ｎであった。このように、上記の製造方法においては、冷却工程直後にはフラックス５１は硬化していないことが特徴である。
一般には、はんだ付けで用いられたフラックス成分は接合後に除去される場合が多いが、この硬化したフラックス５１（エポキシ樹脂）は、除去する必要はなく、ボンディングワイヤ等を半導体チップ１０や金属板２０に接合することができる。また、硬化したフラックス５１によって、接合層５３は補強される。また、半導体チップを保持し接着強度を向上している。この点については特許文献２に記載の技術と同様である。
その後、半導体チップ１０、金属板２０等にボンディングワイヤを接続し、その後でこれらを封止してモールド樹脂層を形成することによって、半導体装置を得ることができる。上記の例では、単一の金属板の上に単一の半導体チップを搭載する例について記載したが、実際には、複数の金属板（ダイパッド）が用いられ、かつ同一の金属板に複数の半導体チップが搭載される場合も多い。また、複数の半導体装置分に相当する金属板が多数配列された構成のリードフレームが用いられ、これらの各々に半導体チップが搭載され、ボンディングワイヤが接続されてから各々にモールド樹脂層が形成されることによって、同時に複数の半導体装置が製造される。その後、リードフレームを適宜切断することによって、個々の半導体装置が得られる。
図３は、上記の製造方法によって製造された半導体装置の上面から見た外観写真である。この構成では、半導体チップ１０が複数搭載されているが、どの半導体チップ１０のについても、半導体チップ１０の外周を取り囲んで硬化したフラックス５１が確認された。
図４は、図３と同様の半導体装置における半導体チップ端部の断面の電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。ここでは、図５におけるモールド樹脂層９１も形成されている。モールド樹脂層９１とは別に、フラックス５１が半導体チップ１０の外周部を１８０μｍ程度まで広がって囲んで形成されていることが確認できる。一方、３０μｍ程度の厚さとなった接合層５３にはボイドは見られず、良好な接合が形成されていることが確認できる。接合層５３の端部、半導体チップ１０の側面はフラックス５１で覆われている。以上より、図１（ｄ）の形状が実現され、ボイドの少ない接合層５３が得られることが確認できた。また、半導体チップ１０の側面の２／３以上をフラックス５１が覆うようにすることが好ましい。
なお、フラックス、金属粒子の組成が上記の例と異なる場合においても、同様の特性、特にフラックスの硬化温度や金属粒子の融点等が同等であれば、同様の効果を奏することは明らかである。
１０、９２、９４ 半導体チップ
２０、９３、９５ 金属板（ダイパッド）
５０ はんだペースト
５１ フラックス（樹脂材料）
５２ 金属粒子（はんだ粉末）
５３ 接合層
９１ モールド樹脂層
９６ リード
９７ ボンディングワイヤ

Claims (4)

  1. はんだペーストを半導体チップと金属板との間に介在させて前記半導体チップと前記金属板とを接合する半導体装置の製造方法であって、
    前記はんだペーストは、８５〜９０ｗｔ％の金属粒子と、フラックスであるエポキシ樹脂と、活性効果を有する硬化剤と、活性剤とを含み、
    はんだ接合後に、硬化していない前記エポキシ樹脂がはんだ接合の外周側面と前記半導体チップの外周側面の少なくとも一部を覆うダイボンド工程を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記エポキシ樹脂は、その硬化温度が前記金属粒子の融点よりも低い熱硬化性のエポキシ樹脂で構成され、
    前記ダイボンド工程は、
    前記半導体チップと、前記エポキシ樹脂が硬化していない状態である前記はんだペーストと、前記金属板とが積層された積層体を、前記硬化温度よりも２０〜４０℃低い温度で、５０〜１２０秒の時間の間、保持する予熱工程と、
    前記予熱工程後に、前記積層体を前記金属粒子の融点よりも高い温度以上にまで加熱する溶融工程と、
    前記溶融工程後に、前記積層体を冷却する冷却工程と、
    を備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記冷却工程後に、
    前記構造体を前記硬化温度よりも１０〜４０℃低い温度で保持して前記エポキシ樹脂を完全硬化するキュア工程を具備す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。
  4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法によって製造されたことを特徴とする半導体装置。
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