JP2015065301A - Semiconductor device and manufacturing method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof.
ハイブリッド自動車及び電気自動車等では、大出力モーターを制御するインバーターとして、パワー半導体を実装した半導体装置であるパワーモジュールが使用されている。前記のようなパワーモジュールは、通常はエンジンルーム内に搭載される。エンジンルーム内は、125℃を超える高温環境であるため、パワーモジュールを構成する部材は、このような高温環境下であっても使用し得る耐熱性を有することが求められる。それ故、パワーモジュールにおいて、半導体素子を接合するために使用される接合部材としては、耐熱性に優れるPb-Sn系はんだが使用されてきた。 In hybrid vehicles, electric vehicles, and the like, a power module that is a semiconductor device in which a power semiconductor is mounted is used as an inverter that controls a high-power motor. The power module as described above is usually mounted in an engine room. Since the engine room has a high temperature environment exceeding 125 ° C., the members constituting the power module are required to have heat resistance that can be used even under such a high temperature environment. Therefore, Pb—Sn solder having excellent heat resistance has been used as a joining member used for joining semiconductor elements in power modules.
近年、Pb-Sn系はんだに含有される鉛は、ヒトを含む生物に有害であることが明らかとなった。このため、2000年以降、RoHS(Restriction of the use of the certain Hazardous Substances in Electrical and Electronic Equipment)指令及びELV(End of Life Vehicles directive)指令による環境規制が強化されて、鉛の使用が制限されることとなった。 In recent years, it has become clear that lead contained in Pb-Sn solder is harmful to living organisms including humans. For this reason, since 2000, environmental regulations by the RoHS (Restriction of the use of the certain Hazardous Substances in Electrical and Electronic Equipment) directive and ELV (End of Life Vehicles directive) directive have been strengthened, and the use of lead is restricted. It became a thing.
パワーモジュールにおいても、Pb-Sn系はんだの代替材料として、Sn-3Ag-0.5Cu合金をはじめとするSn系はんだのような鉛フリーはんだの使用が推進されることとなった。しかしながら、鉛フリーはんだは、一般にPb-Sn系はんだ(溶融温度:約300℃)と比較して溶融温度が低いため、耐熱性が低い。このため、鉛フリーはんだの耐熱性又は熱安定性の向上を目指した試みが進められた。 In power modules as well, lead-free solders such as Sn-3Ag-0.5Cu alloy and other lead-free solders were promoted as an alternative material for Pb-Sn solders. However, lead-free solder generally has low heat resistance because it has a lower melting temperature than Pb—Sn solder (melting temperature: about 300 ° C.). For this reason, attempts have been made to improve the heat resistance or thermal stability of lead-free solder.
例えば、特許文献1は、金属製導体に固定したセラミックス基板に半導体素子を装着して前記金属製導体に放熱用のヒートシンクを取付けた構成を有する半導体装置であって、前記半導体素子は前記セラミックス基板に装着する側の面にNiメタライズ層が形成されており、該半導体素子の前記Niメタライズ層が形成された面と前記セラミックス基板とが母相の平均結晶粒径が20μm以上のSn系はんだで接合されていることを特徴とする半導体装置を記載する。
For example,
非特許文献1は、鉛フリーはんだであるSn-3Ag-0.5Cu合金では、結晶方位の違いにより、BGA(Ball grid array)はんだの変形特性が大きく異なることを記載する。
鉛フリーはんだとして使用されるSn系はんだにおいては、Sn結晶が強い異方性を有する。このため、Sn系はんだを用いる半導体装置においては、Sn結晶の異方性に起因するSn系はんだ層の熱的特性の不均一性、例えば非弾性歪みにより、半導体装置の信頼性が低下する可能性がある。 In Sn-based solder used as lead-free solder, Sn crystals have strong anisotropy. For this reason, in a semiconductor device using Sn-based solder, the reliability of the semiconductor device may be reduced due to non-uniformity in the thermal characteristics of the Sn-based solder layer caused by Sn crystal anisotropy, for example, inelastic strain There is sex.
それ故、本発明は、鉛フリーはんだを使用するパワーモジュール等の半導体装置において、鉛フリーはんだ層の非弾性歪みを実質的に抑制して、半導体装置の信頼性を向上する手段を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention provides means for improving the reliability of a semiconductor device by substantially suppressing inelastic strain of the lead-free solder layer in a semiconductor device such as a power module using lead-free solder. With the goal.
本発明者は、前記課題を解決するための手段を種々検討した結果、鉛フリーはんだとしてSn系はんだを使用する半導体装置において、Sn系はんだ層におけるSn結晶のC軸を、Sn系はんだ層の最大主応力方向と略直交するように配置することにより、Sn系はんだ層の非弾性歪みを実質的に抑制し得ることを見いだし、本発明を完成した。 As a result of various studies on means for solving the above problems, the present inventor, as a result, in a semiconductor device using Sn-based solder as lead-free solder, the C axis of the Sn crystal in the Sn-based solder layer, the Sn-based solder layer of the Sn-based solder layer It has been found that the inelastic strain of the Sn-based solder layer can be substantially suppressed by disposing it so as to be substantially orthogonal to the maximum principal stress direction, and the present invention has been completed.
すなわち、本発明の要旨は以下の通りである。 That is, the gist of the present invention is as follows.
(1) 基板と、該基板上に配置された半導体素子と、該基板と該半導体素子とを接合するように配置されたSn系はんだ層とを備え、Sn系はんだ層におけるSn結晶のC軸が、Sn系はんだ層の最大主応力方向と略直交するように配置される、半導体装置。 (1) A substrate, a semiconductor element disposed on the substrate, and an Sn-based solder layer disposed so as to join the substrate and the semiconductor element, and a Sn crystal C-axis in the Sn-based solder layer Is disposed so as to be substantially orthogonal to the maximum principal stress direction of the Sn-based solder layer.
(2) 前記(1)に記載の半導体装置を製造する方法であって、
基板と半導体素子との間に溶融Sn系はんだ層を形成させる、溶融Sn系はんだ層形成工程と、
溶融Sn系はんだ層からの熱流が、基板面に対して略平行となる方向に移動するように溶融Sn系はんだを冷却して、基板と半導体素子との間をSn系はんだ層で接合する、接合工程と、
を含む、前記方法。
(2) A method of manufacturing the semiconductor device according to (1),
A molten Sn-based solder layer forming step of forming a molten Sn-based solder layer between the substrate and the semiconductor element;
The molten Sn-based solder is cooled so that the heat flow from the molten Sn-based solder layer moves in a direction substantially parallel to the substrate surface, and the substrate and the semiconductor element are joined with the Sn-based solder layer. Joining process;
Said method.
(3) 前記溶融Sn系はんだ層からの熱流が、溶融Sn系はんだ層の最大主応力方向と30〜50°の角度をなす方向に移動するように溶融Sn系はんだを冷却する、前記(2)に記載の方法。 (3) The molten Sn-based solder is cooled so that the heat flow from the molten Sn-based solder layer moves in a direction that forms an angle of 30 to 50 ° with the maximum principal stress direction of the molten Sn-based solder layer. ) Method.
本発明により、鉛フリーはんだを使用するパワーモジュール等の半導体装置において、鉛フリーはんだ層の非弾性歪みを実質的に抑制して、半導体装置の信頼性を向上する手段を提供することが可能となる。 According to the present invention, in a semiconductor device such as a power module using lead-free solder, it is possible to provide a means for substantially suppressing inelastic strain of the lead-free solder layer and improving the reliability of the semiconductor device. Become.
以下、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail.
本明細書では、適宜図面を参照して本発明の特徴を説明する。図面では、明確化のために各部の寸法及び形状を誇張しており、実際の寸法及び形状を正確に描写してはいない。それ故、本発明の技術的範囲は、これら図面に表された各部の寸法及び形状に限定されるものではない。 In the present specification, features of the present invention will be described with reference to the drawings as appropriate. In the drawings, the size and shape of each part are exaggerated for clarity, and the actual size and shape are not accurately depicted. Therefore, the technical scope of the present invention is not limited to the size and shape of each part shown in these drawings.
<I:半導体装置>
本発明は、半導体装置に関する。
<I: Semiconductor device>
The present invention relates to a semiconductor device.
本発明の半導体装置の形態を示す模式図を図1に示す。図1に示すように、本発明の半導体装置1は、基板11と、該基板11上に配置された半導体素子12と、該基板11と該半導体素子12とを接合するように配置されたSn系はんだ層13とを備えることが必要である。本発明の半導体装置は、通常は、パワー半導体を実装したパワーモジュールであり、典型的には、ハイブリッド自動車及び電気自動車等の大出力モーターを制御するインバーターとして使用されるパワーモジュールである。
FIG. 1 is a schematic diagram showing the form of the semiconductor device of the present invention. As shown in FIG. 1, the
本発明の半導体装置を構成する基板及び半導体素子としては、パワーモジュール、特にハイブリッド自動車及び電気自動車等の大出力モーターを制御するインバーターに使用するために、当該技術分野で通常使用される基板及び半導体素子であれば、特に限定されず、使用することができる。 As a substrate and a semiconductor element constituting the semiconductor device of the present invention, a substrate and a semiconductor usually used in the technical field for use in an inverter for controlling a high output motor of a power module, particularly a hybrid vehicle and an electric vehicle. Any element can be used without particular limitation.
本発明の半導体装置を構成するSn系はんだとしては、鉛フリーはんだとして当該技術分野で通常使用される材料であれば、特に限定されず、使用することができる。Sn系はんだとしては、例えば、Sn-3Ag-0.5Cu合金及びSn-0.7Cu合金を挙げることができる。 The Sn-based solder constituting the semiconductor device of the present invention is not particularly limited as long as it is a material normally used in the technical field as lead-free solder, and can be used. Examples of the Sn-based solder include Sn-3Ag-0.5Cu alloy and Sn-0.7Cu alloy.
Sn系はんだ層は、通常は、全体が1個のデンドライトによって形成されている。Sn系はんだ層を構成するSn結晶は、強い異方性を有する。Sn結晶の結晶構造を示す模式図を図2に示す。Sn結晶の初期方位のうち、(001)方位、すなわちC軸方向が、もっとも線膨張計数及び弾性率が高く、(100)方位が、もっとも線膨張計数及び弾性率が低い。このため、鉛フリーはんだ層におけるSn結晶のC軸が、該はんだ層の最大主応力方向と平行に配向する場合、非弾性歪みが大きくなる可能性が高い。 The Sn-based solder layer is usually formed entirely from a single dendrite. Sn crystals constituting the Sn-based solder layer have strong anisotropy. A schematic diagram showing the crystal structure of the Sn crystal is shown in FIG. Of the initial orientations of the Sn crystal, the (001) orientation, that is, the C-axis direction has the highest linear expansion coefficient and elastic modulus, and the (100) orientation has the lowest linear expansion coefficient and elastic modulus. For this reason, when the C axis of the Sn crystal in the lead-free solder layer is oriented parallel to the maximum principal stress direction of the solder layer, there is a high possibility that the inelastic strain becomes large.
鉛フリーはんだを用いる半導体装置の製造においては、結晶の初期方位は制御されないことが一般的であった。本発明者は、鉛フリーはんだ層におけるSn結晶の初期方位と該はんだ層の最大主応力方向との関係によっては、該はんだ層の非弾性歪みに起因する半導体装置の信頼性が低下する可能性があることを見出した。本発明者はまた、鉛フリーはんだとしてSn系はんだを使用する半導体装置において、Sn系はんだ層におけるSn結晶のC軸を、Sn系はんだ層の最大主応力方向と略直交するように配置することにより、Sn系はんだ層の非弾性歪みを実質的に抑制し得ることを見出した。 In the manufacture of a semiconductor device using lead-free solder, the initial crystal orientation is generally not controlled. The present inventor may reduce the reliability of the semiconductor device due to the inelastic strain of the solder layer depending on the relationship between the initial orientation of the Sn crystal in the lead-free solder layer and the maximum principal stress direction of the solder layer. Found that there is. The present inventor also arranges the C axis of the Sn crystal in the Sn-based solder layer so as to be substantially perpendicular to the maximum principal stress direction of the Sn-based solder layer in a semiconductor device using Sn-based solder as lead-free solder. Thus, it was found that the inelastic strain of the Sn-based solder layer can be substantially suppressed.
前記知見に鑑み、本発明の半導体装置は、Sn系はんだ層におけるSn結晶のC軸が、Sn系はんだ層の最大主応力方向と略直交するように配置されることが必要である。前記Sn系はんだ層におけるSn結晶のC軸は、基板面と略直交するように配置されることが好ましい。また、前記Sn系はんだ層におけるSn結晶の(100)方位は、Sn系はんだ層の最大主応力方向と略平行に配置されることが好ましい。特に好ましくは、前記Sn系はんだ層におけるSn結晶のC軸が、基板面と略直交するように配置され、且つ該Sn結晶の(100)方位が、Sn系はんだ層の最大主応力方向と略平行に配置される。前記最大主応力方向は、基板面に対して略平行に配向することが好ましい。Sn系はんだ層におけるSn結晶のC軸が、Sn系はんだ層の最大主応力方向と略直交するように配置されること、且つ/又は,Sn系はんだ層におけるSn結晶の(100)方位が、Sn系はんだ層の最大主応力方向と略平行に配置されることにより、Sn系はんだ層の非弾性歪みを実質的に抑制することができる。 In view of the above knowledge, the semiconductor device of the present invention needs to be arranged so that the C axis of the Sn crystal in the Sn-based solder layer is substantially orthogonal to the maximum principal stress direction of the Sn-based solder layer. It is preferable that the C axis of the Sn crystal in the Sn-based solder layer is arranged so as to be substantially orthogonal to the substrate surface. Further, it is preferable that the (100) orientation of the Sn crystal in the Sn-based solder layer is arranged substantially parallel to the maximum principal stress direction of the Sn-based solder layer. Particularly preferably, the Sn-based solder layer is arranged so that the C-axis of the Sn crystal is substantially perpendicular to the substrate surface, and the (100) orientation of the Sn crystal is substantially the same as the maximum principal stress direction of the Sn-based solder layer. Arranged in parallel. The maximum principal stress direction is preferably oriented substantially parallel to the substrate surface. The C axis of the Sn crystal in the Sn based solder layer is arranged so as to be substantially perpendicular to the maximum principal stress direction of the Sn based solder layer, and / or the (100) orientation of the Sn crystal in the Sn based solder layer is By disposing the Sn-based solder layer substantially parallel to the maximum principal stress direction, inelastic strain of the Sn-based solder layer can be substantially suppressed.
本発明において、「Sn系はんだ層におけるSn結晶のC軸が、Sn系はんだ層の最大主応力方向と略直交する」とは、Sn結晶のC軸とSn系はんだ層の最大主応力方向との間の角度が、45〜135°の範囲であることを意味する。前記角度は、60〜120°の範囲であることが好ましく、75〜105°の範囲であることがより好ましく、90°であることが特に好ましい。 In the present invention, “the C axis of the Sn crystal in the Sn-based solder layer is substantially orthogonal to the maximum principal stress direction of the Sn-based solder layer” means that the C axis of the Sn crystal and the maximum principal stress direction of the Sn-based solder layer Means that the angle between is in the range of 45-135 °. The angle is preferably in the range of 60 to 120 °, more preferably in the range of 75 to 105 °, and particularly preferably 90 °.
本発明において、「Sn系はんだ層におけるSn結晶の(100)方位が、Sn系はんだ層の最大主応力方向と略平行に配置される」とは、Sn結晶の(100)方位とSn系はんだ層の最大主応力方向との間の角度が、-45〜45°の範囲であることを意味する。前記角度は、-30〜30°の範囲であることが好ましく、-15〜15°の範囲であることがより好ましく、0°であることが特に好ましい。 In the present invention, “the (100) orientation of the Sn crystal in the Sn-based solder layer is disposed substantially parallel to the maximum principal stress direction of the Sn-based solder layer” means that the (100) orientation of the Sn crystal and the Sn-based solder It means that the angle between the maximum principal stress direction of the layer is in the range of -45 to 45 °. The angle is preferably in the range of −30 to 30 °, more preferably in the range of −15 to 15 °, and particularly preferably 0 °.
本発明の半導体装置及び従来技術の半導体装置における、Sn系はんだ層の最大主応力方向とSn結晶の結晶方位との関係を図3に示す。Sn系はんだ層におけるSn結晶が前記条件で配置されることにより、Sn系はんだ層の非弾性歪みを実質的に抑制して、半導体装置の信頼性を向上することができる。 FIG. 3 shows the relationship between the maximum principal stress direction of the Sn-based solder layer and the crystal orientation of the Sn crystal in the semiconductor device of the present invention and the conventional semiconductor device. By arranging the Sn crystal in the Sn-based solder layer under the above conditions, the inelastic strain of the Sn-based solder layer can be substantially suppressed and the reliability of the semiconductor device can be improved.
なお、Sn系はんだ層におけるSn結晶のC軸の方向は、限定するものではないが、例えば、以下の方法により、決定することができる。Sn系はんだ層における任意の断面の試料を作製し、該試料の任意の部分の後方散乱子回折(EBSD)パターンを得る。得られたEBSDパターンに基づき、Sn結晶の結晶方位を解析することにより、Sn系はんだ層におけるSn結晶のC軸の方向を決定する。 The direction of the C axis of the Sn crystal in the Sn-based solder layer is not limited, but can be determined by the following method, for example. A sample having an arbitrary cross section in the Sn-based solder layer is prepared, and a back scatterer diffraction (EBSD) pattern of an arbitrary portion of the sample is obtained. Based on the obtained EBSD pattern, by analyzing the crystal orientation of the Sn crystal, the direction of the C axis of the Sn crystal in the Sn-based solder layer is determined.
また、Sn系はんだ層の最大主応力方向は、限定するものではないが、例えば、Sn系はんだ層の非弾性歪みを、Abaqusのプログラムを用いるコンピューターシミュレーション(Computer Aided Engineering, CAE)によって計算することにより、決定することができる。 The maximum principal stress direction of the Sn-based solder layer is not limited. For example, the inelastic strain of the Sn-based solder layer is calculated by computer simulation using the Abaqus program (Computer Aided Engineering, CAE). Can be determined.
<II:半導体装置を製造する方法>
本発明はまた、前記で説明した半導体装置を製造する方法に関する。
<II: Method for Manufacturing a Semiconductor Device>
The present invention also relates to a method of manufacturing the semiconductor device described above.
図4は、本発明の半導体装置を製造方法の一実施形態を示す工程図である。以下、図4に基づき、本発明の方法の好ましい実施形態について詳細に説明する。 FIG. 4 is a process diagram showing an embodiment of a method for producing a semiconductor device of the present invention. Hereinafter, a preferred embodiment of the method of the present invention will be described in detail with reference to FIG.
[II-1. 溶融Sn系はんだ層形成工程]
本発明の方法は、基板と半導体素子との間に溶融Sn系はんだ層を形成させる、溶融Sn系はんだ層形成工程(工程S1)を含むことが必要である。
[II-1. Molten Sn solder layer formation process]
The method of the present invention needs to include a molten Sn-based solder layer forming step (step S1) in which a molten Sn-based solder layer is formed between the substrate and the semiconductor element.
本工程において使用される、基板、半導体素子及びSn系はんだは、前記で説明したものを使用することができる。 What was demonstrated above can be used for a board | substrate, a semiconductor element, and Sn type solder used in this process.
本工程において、基板と半導体素子との間に溶融Sn系はんだ層を形成させる手段としては、当該技術分野で通常使用されるはんだ接合の方法を適用することができる。 In this step, as a means for forming a molten Sn-based solder layer between the substrate and the semiconductor element, a soldering method usually used in this technical field can be applied.
[II-2. 接合工程]
本発明の方法は、溶融Sn系はんだ層からの熱流が、基板面に対して略平行となる方向に移動するように溶融Sn系はんだを冷却して、基板と半導体素子との間をSn系はんだ層で接合する、接合工程(工程S2)を含むことが必要である。
[II-2. Joining process]
The method of the present invention cools the molten Sn-based solder so that the heat flow from the molten Sn-based solder layer moves in a direction substantially parallel to the substrate surface, and the Sn-based gap is formed between the substrate and the semiconductor element. It is necessary to include a bonding step (step S2) in which bonding is performed with a solder layer.
本発明において、「溶融Sn系はんだ層からの熱流が、基板面に対して略平行となる方向に移動する」とは、該熱流方向と基板面との間の角度が、-45〜45°の範囲であることを意味する。前記角度は、-30〜30°の範囲であることが好ましく、-15〜15°の範囲であることがより好ましく、0°であることが特に好ましい。 In the present invention, “the heat flow from the molten Sn-based solder layer moves in a direction substantially parallel to the substrate surface” means that the angle between the heat flow direction and the substrate surface is −45 to 45 °. It means that it is in the range. The angle is preferably in the range of −30 to 30 °, more preferably in the range of −15 to 15 °, and particularly preferably 0 °.
本工程において、前記溶融Sn系はんだ層からの熱流が、溶融Sn系はんだ層の最大主応力方向と30〜50°の角度をなす方向に移動するように溶融Sn系はんだを冷却することが好ましい。前記角度は、35〜50°の範囲であることが好ましく、40〜50°の範囲であることがより好ましく、45°であることが特に好ましい。 In this step, it is preferable to cool the molten Sn solder so that the heat flow from the molten Sn solder layer moves in a direction that forms an angle of 30 to 50 ° with the maximum principal stress direction of the molten Sn solder layer. . The angle is preferably in the range of 35 to 50 °, more preferably in the range of 40 to 50 °, and particularly preferably 45 °.
本工程における溶融Sn系はんだ層からの熱流方向と、結果として得られるSn系はんだ層におけるSn結晶の結晶方位との関係を図5に示す。図5に示すように、溶融Sn系はんだ層からの熱流を前記条件で移動させることにより、Sn系はんだ層におけるSn結晶のC軸が、Sn系はんだ層の最大主応力方向と略直交するように配置され、且つ/又は,Sn系はんだ層におけるSn結晶の(100)方位が、Sn系はんだ層の最大主応力方向と略平行に配置される。これにより、冷却凝固したSn系はんだ層の非弾性歪みを実質的に抑制して、結果として得られる半導体装置の信頼性を向上することができる。 FIG. 5 shows the relationship between the direction of heat flow from the molten Sn-based solder layer in this step and the crystal orientation of the Sn crystal in the resulting Sn-based solder layer. As shown in FIG. 5, by moving the heat flow from the molten Sn-based solder layer under the above-described conditions, the C axis of the Sn crystal in the Sn-based solder layer is approximately perpendicular to the maximum principal stress direction of the Sn-based solder layer. And / or the (100) orientation of the Sn crystal in the Sn-based solder layer is disposed substantially parallel to the maximum principal stress direction of the Sn-based solder layer. Thereby, the inelastic strain of the Sn-based solder layer that has been cooled and solidified can be substantially suppressed, and the reliability of the resulting semiconductor device can be improved.
本工程において、溶融Sn系はんだ層からの熱流を移動させる手段は、前記の要件を満足できるものであれば特に限定されず、使用することができる。前記手段としては、例えば、冷却板又はCuヒートシンクのような冷却部材を、溶融Sn系はんだ層からの熱流を移動させる方向に配置し、該熱流を冷却部材に移動させる方法を挙げることができる。 In this step, means for moving the heat flow from the molten Sn-based solder layer is not particularly limited as long as it satisfies the above requirements, and can be used. Examples of the means include a method in which a cooling member such as a cooling plate or a Cu heat sink is disposed in a direction in which the heat flow from the molten Sn-based solder layer is moved, and the heat flow is moved to the cooling member.
以上のように、本発明の半導体装置は、鉛フリーはんだ層の非弾性歪みを実質的に抑制して、半導体装置の信頼性を向上することができる。それ故、本発明の半導体装置をハイブリッド自動車及び電気自動車等の大出力モーターを制御するインバーターに使用することにより、高温環境下においても信頼性の高い、長寿命の電子機器を得ることが可能となる。 As described above, the semiconductor device of the present invention can substantially improve the inelastic strain of the lead-free solder layer and improve the reliability of the semiconductor device. Therefore, by using the semiconductor device of the present invention for an inverter that controls a high output motor such as a hybrid vehicle and an electric vehicle, it is possible to obtain a highly reliable and long-life electronic device even in a high temperature environment. Become.
以下、実施例を用いて本発明をさらに具体的に説明する。但し、本発明の技術的範囲はこれら実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the technical scope of the present invention is not limited to these examples.
<I:比較例1>
[半導体装置の作製]
Cu系基板(20×30 mm)上に、Sn系はんだ箔(Sn-3Ag-0.5Cu、10×10 mm、厚さ150 μm)を置き、その上に、パワー半導体素子(10×10 mm)を置いた。前記装置を、還元雰囲気下、330℃で1分間加熱して、Sn系はんだ箔を溶融させた。その後、半導体装置全体を、2分で25℃まで冷却した。これにより、溶融Sn系はんだを凝固させて、基板と半導体素子との間をSn系はんだ層で接合した。
<I: Comparative Example 1>
[Fabrication of semiconductor devices]
An Sn-based solder foil (Sn-3Ag-0.5Cu, 10 × 10 mm, thickness 150 μm) is placed on a Cu-based substrate (20 × 30 mm), and then a power semiconductor element (10 × 10 mm) Placed. The apparatus was heated at 330 ° C. for 1 minute in a reducing atmosphere to melt the Sn-based solder foil. Thereafter, the entire semiconductor device was cooled to 25 ° C. in 2 minutes. As a result, the molten Sn-based solder was solidified, and the substrate and the semiconductor element were joined by the Sn-based solder layer.
[熱サイクル試験]
前記の方法で作製された半導体装置を、素子への通電をon/offすることにより、素子発熱による温度サイクル試験(on/off時の温度差約80℃、1サイクル(cyc):約10 sec)を実施した。その後、半導体装置の熱抵抗を測定した。未処理の半導体装置の熱抵抗に対する熱抵抗の上昇率(%)算出した。熱サイクル数と熱抵抗上昇率との関係を図6に示す。
[Thermal cycle test]
The semiconductor device manufactured by the above-described method is turned on / off by supplying power to the element, thereby causing a temperature cycle test by element heat generation (temperature difference of about 80 ° C. at on / off, 1 cycle (cyc): about 10 sec. ). Thereafter, the thermal resistance of the semiconductor device was measured. The increase rate (%) of the thermal resistance relative to the thermal resistance of the untreated semiconductor device was calculated. FIG. 6 shows the relationship between the number of thermal cycles and the rate of increase in thermal resistance.
図6に示すように、熱サイクル処理後の半導体装置の熱抵抗上昇率は、同一熱サイクル数であっても測定値に大きな差が生じた。 As shown in FIG. 6, the thermal resistance increase rate of the semiconductor device after the thermal cycle treatment has a large difference in measured values even when the number of thermal cycles is the same.
<II:比較例2>
[半導体装置の作製]
Cu系基板(20×30 mm)上に、Sn系はんだ箔(Sn-3Ag-0.5Cu、10×10 mm、厚さ150 μm)を置き、その上に、パワー半導体素子(10×10 mm)を置いた。前記装置を、還元雰囲気下、330℃で1分間加熱して、Sn系はんだ箔を溶融させた。その後、基板の下面に冷却板(25℃、500×500 mm)を密着させ、溶融Sn系はんだ層からの熱流が基板面と垂直な方向で且つ基板の下面方向に移動するように、溶融Sn系はんだを冷却した。これにより、溶融Sn系はんだを凝固させて、基板と半導体素子との間をSn系はんだ層で接合した。
<II: Comparative example 2>
[Fabrication of semiconductor devices]
An Sn-based solder foil (Sn-3Ag-0.5Cu, 10 × 10 mm, thickness 150 μm) is placed on a Cu-based substrate (20 × 30 mm), and then a power semiconductor element (10 × 10 mm) Placed. The apparatus was heated at 330 ° C. for 1 minute in a reducing atmosphere to melt the Sn-based solder foil. Thereafter, a cooling plate (25 ° C., 500 × 500 mm) is brought into close contact with the lower surface of the substrate, so that the heat flow from the molten Sn-based solder layer moves in a direction perpendicular to the substrate surface and toward the lower surface of the substrate. The system solder was cooled. As a result, the molten Sn-based solder was solidified, and the substrate and the semiconductor element were joined by the Sn-based solder layer.
[はんだ組織の結晶構造解析]
前記の方法で作製された半導体装置から、パワー半導体素子を除去して、Sn系はんだ層を露出させた。半導体装置の上面からSn系はんだ層を掘削して、Sn系はんだ組織の断面の試料を作製した。得られたSn系はんだ組織の断面の試料の走査型電子顕微鏡(SEM)画像を図7に示す。また、前記試料の一部分の後方散乱子回折(EBSD)画像を図8に示す。図8Aは、図7のSEM画像中、Aで示す領域の、図8Bは、図7のSEM画像中、Bで示す領域の、EBSD画像に対応する。
[Crystal structure analysis of solder structure]
The power semiconductor element was removed from the semiconductor device manufactured by the above method to expose the Sn-based solder layer. A Sn-based solder layer was excavated from the upper surface of the semiconductor device, and a cross-sectional sample of the Sn-based solder structure was produced. FIG. 7 shows a scanning electron microscope (SEM) image of the cross-sectional sample of the obtained Sn-based solder structure. FIG. 8 shows a backscatter diffraction (EBSD) image of a part of the sample. 8A corresponds to the EBSD image of the region indicated by A in the SEM image of FIG. 7, and FIG. 8B corresponds to the EBSD image of the region indicated by B in the SEM image of FIG.
図7に示すように、Sn系はんだ層は、全体が1個のデンドライトによって形成されており、1個のデンドライトの軸が観察された。また、図8A及びBに示すように、Sn系はんだ層におけるSn結晶の(110)方位は、基板面と直交する軸と略平行となるように配向していた。 As shown in FIG. 7, the entire Sn-based solder layer was formed of one dendrite, and one dendrite axis was observed. Further, as shown in FIGS. 8A and 8B, the (110) orientation of the Sn crystal in the Sn-based solder layer was oriented so as to be substantially parallel to the axis orthogonal to the substrate surface.
<III:実施例>
[半導体装置の作製]
Cu系基板(20×30 mm)上に、Sn系はんだ箔(Sn-3Ag-0.5Cu、10×10 mm、厚さ150 μm)を置き、その上に、パワー半導体素子(10×10 mm)を置いた。前記装置を、還元雰囲気下、2分で25℃まで加熱して、Sn系はんだ箔を溶融させた。その後、基板の側面から冷却ガスを噴出させ、溶融Sn系はんだ層からの熱流が基板面と平行な方向に移動するように溶融Sn系はんだを冷却した。これにより、溶融Sn系はんだを凝固させて、基板と半導体素子との間をSn系はんだ層で接合した。
<III: Examples>
[Fabrication of semiconductor devices]
An Sn-based solder foil (Sn-3Ag-0.5Cu, 10 × 10 mm, thickness 150 μm) is placed on a Cu-based substrate (20 × 30 mm), and then a power semiconductor element (10 × 10 mm) Placed. The apparatus was heated to 25 ° C. in a reducing atmosphere for 2 minutes to melt the Sn-based solder foil. Thereafter, a cooling gas was jetted from the side surface of the substrate, and the molten Sn-based solder was cooled so that the heat flow from the molten Sn-based solder layer moved in a direction parallel to the substrate surface. As a result, the molten Sn-based solder was solidified, and the substrate and the semiconductor element were joined by the Sn-based solder layer.
[はんだ組織の解析]
比較例2と同様の方法により、EBSD画像を得た。得られたEBSD画像から、実施例の半導体装置のSn系はんだ層におけるSn結晶の(001)方位(C軸)は、基板面と略直交するように配向していた。
[Analysis of solder structure]
An EBSD image was obtained in the same manner as in Comparative Example 2. From the obtained EBSD image, the (001) orientation (C axis) of the Sn crystal in the Sn-based solder layer of the semiconductor device of the example was oriented so as to be substantially orthogonal to the substrate surface.
[はんだ組織の非弾性歪み解析]
前記の方法で作製された実施例及び比較例2の半導体装置におけるSn系はんだ層の非弾性歪みを、コンピューターシミュレーション(Computer Aided Engineering, CAE)によって計算した。計算には、Abuqusのプログラムを用いた。実施例の半導体装置の結果を図9Aに、比較例2の半導体装置の結果を図9Bに、それぞれ示す。
[Inelastic strain analysis of solder structure]
The inelastic strain of the Sn-based solder layer in the semiconductor device of Example and Comparative Example 2 manufactured by the above method was calculated by computer simulation (Computer Aided Engineering, CAE). Abuqus program was used for the calculation. The result of the semiconductor device of the example is shown in FIG. 9A, and the result of the semiconductor device of the comparative example 2 is shown in FIG. 9B.
実施例の半導体装置及び比較例2の半導体装置のいずれの場合も、最大主応力方向は、基板面に対して略平行に配向していた。EBSD解析の結果を考慮すると、実施例の半導体装置では、最大主応力方向は、Sn系はんだ層におけるSn結晶の(100)方位と略平行に配向していたことが明らかとなった(図9A)。これに対し、比較例2の半導体装置では、最大主応力方向は、Sn系はんだ層におけるSn結晶の(001)方位(C軸)と略平行に配向していたことが明らかとなった(図9B)。実施例及び比較例2の半導体装置におけるSn系はんだ層の非弾性歪みを比較すると、実施例の場合は、0.067であったのに対し、比較例2の場合は、0.0835であった。前記非弾性歪みの差は、繰り返し応力による疲労試験における約100,000サイクルの応力付与に相当した。 In both cases of the semiconductor device of the example and the semiconductor device of Comparative Example 2, the maximum principal stress direction was oriented substantially parallel to the substrate surface. Considering the results of EBSD analysis, it was found that in the semiconductor device of the example, the maximum principal stress direction was oriented substantially parallel to the (100) orientation of the Sn crystal in the Sn-based solder layer (FIG. 9A). ). In contrast, in the semiconductor device of Comparative Example 2, it was found that the maximum principal stress direction was oriented substantially parallel to the (001) orientation (C axis) of the Sn crystal in the Sn-based solder layer (Fig. 9B). When comparing the inelastic strain of the Sn-based solder layer in the semiconductor device of the example and the comparative example 2, it was 0.067 in the example, and 0.0835 in the comparative example 2. The difference in inelastic strain corresponded to the application of stress of about 100,000 cycles in a fatigue test with repeated stress.
1…本発明の半導体装置
11, 21…基板
12, 22…半導体素子
13, 23…Sn系はんだ層
A, B…後方散乱子回折(EBSD)の測定領域
C…デンドライトの軸
1 ... Semiconductor device of the present invention
11, 21… Board
12, 22… Semiconductor element
13, 23… Sn solder layer
A, B ... Backscattering diffraction (EBSD) measurement area
C ... Dendrite axis
Claims (3)
基板と半導体素子との間に溶融Sn系はんだ層を形成させる、溶融Sn系はんだ層形成工程と、
溶融Sn系はんだ層からの熱流が、基板面に対して略平行となる方向に移動するように溶融Sn系はんだを冷却して、基板と半導体素子との間をSn系はんだ層で接合する、接合工程と、
を含む、前記方法。 A method of manufacturing the semiconductor device according to claim 1,
A molten Sn-based solder layer forming step of forming a molten Sn-based solder layer between the substrate and the semiconductor element;
The molten Sn-based solder is cooled so that the heat flow from the molten Sn-based solder layer moves in a direction substantially parallel to the substrate surface, and the substrate and the semiconductor element are joined with the Sn-based solder layer. Joining process;
Said method.
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