JP2015109294A - 電力用半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱性に優れ、短絡耐量の高い電力用半導体装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】電力用半導体装置１００は、リードフレーム１と、リードフレーム１の上にはんだ２を用いて接合された電力用半導体素子３とを備える。リードフレーム１の表面であって、平面視で電力用半導体素子３の面内には、枠状の堤防部材４などによって画定され、はんだ２で充填された凹状領域が設けられている。電力用半導体装置１００は、凹状領域に溶融はんだを供給する工程と、リードフレーム１の上に、凹状領域を覆うように電力用半導体素子３を搭載する工程とにより製造される。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力用半導体素子がはんだを用いてリードフレームの上に接合された構造を有する電力用半導体装置、およびその製造方法に関する。

半導体チップの縮小化が続く中、一定の放熱性で一定の短絡耐量を得るため、はんだ接合においては、はんだ内部でのボイドの発生を防止することがますます要求されている。

ところで、ＩＧＢＴ、ダイオードなどの半導体チップが、はんだを用いてリードフレームの上に接合された電力用半導体装置が存在する。このとき、リードフレームの上に半導体チップをはんだ付けする方法として、例えば次の方法がある。すなわち、水素と窒素の混合ガスの還元雰囲気の炉内で、リードフレームの上にはんだを供給する。次に、はんだ攪拌ジグではんだを叩いてチップ面積（チップサイズ）程度の大きさに攪拌する。次に、吸着コレットを用いてウエハからチップをピックアップし、はんだの上に搭載する。

しかしこの方法では、還元雰囲気で除去し切れなかったはんだ表面の酸化膜の影響、はんだ攪拌時の雰囲気の巻き込みの影響などにより、チップ直下のはんだ内部にボイドが発生してしまう。このボイドの影響で、熱抵抗が高くなり、短絡耐量といったモジュールの熱特性が著しく低下する。

これに対して、特許文献１には、はんだ内部に巻き込まれた雰囲気を外部へ排出するように構成されたはんだ攪拌ジグ（スパンカ）が開示されている。また、特許文献２には、余剰はんだを吸収するための溝が形成された金属性放熱部材を備えた半導体装置が開示されている。

特開２００２−２７３５６６ 特開２０１３−１２３０１６

特許文献１の構成によれば、はんだ攪拌時のボイドの発生を防止できる可能性がある。しかし、チップ搭載時にも雰囲気を巻き込むことでボイドが発生する。このとき、はんだ攪拌の後に、はんだが例えばチップ面積程度に広がっていると、巻き込んだ雰囲気を排斥できず、やはりボイドの発生を防止できない。それゆえ、はんだ供給時のはんだの濡れ広がり面積をチップ面積以下にすることが望ましいが、特許文献１，２に記載の技術では、それについて考慮されていない。

本発明の目的は、放熱性に優れ、短絡耐量の高い電力用半導体装置およびその製造方法を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明に係る電力用半導体装置は、リードフレームと、リードフレームの上にはんだを用いて接合された電力用半導体素子とを備える。リードフレームの表面であって、平面視で電力用半導体素子の面内には、はんだで充填された凹状領域が設けられている。

また、本発明に係る電力用半導体装置の製造方法は、リードフレームの表面に設けられた凹状領域に溶融はんだを供給する工程と、リードフレームの上に、凹状領域を覆うように電力用半導体素子を搭載する工程とを含む。凹状領域の外縁部には、供給された溶融はんだを塞き止める堤防部が設けられ、電力用半導体素子を搭載する工程では、塞き止められた状態の溶融はんだを前記堤防部の外側まで濡れ広げる。

本発明によれば、電力用半導体素子直下のはんだでボイドの発生が防止されることにより、放熱性に優れ、短絡耐量の高い電力用半導体装置およびその製造方法が実現される。

（ａ）本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置の一製造工程を示し、（ｂ）製造された電力用半導体装置の断面図を示す。 本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置の平面図を示す。 本発明の実施の形態１の第１変形例に係る電力用半導体装置を示す平面図である。 本発明の実施の形態１の第２変形例に係る電力用半導体装置を示す断面図である。 （ａ）本発明の実施の形態２に係る電力用半導体装置の一製造工程での構造を示し、（ｂ）製造された電力用半導体装置の断面図を示す。 本発明の実施の形態２に係る電力用半導体装置の平面図を示す。 本発明の実施の形態２の第１変形例に係る電力用半導体装置の平面図を示す。 （ａ）本発明の実施の形態２の第２変形例に係る電力用半導体装置の一製造工程での構造を示し、（ｂ）製造された電力用半導体装置の断面図を示す。 （ａ）本発明の実施の形態３に係る電力用半導体装置の一製造工程での構造を示し、（ｂ）製造された電力用半導体装置の断面図を示す。 本発明の実施の形態３に係る電力用半導体装置の平面図を示す。 本発明の比較例に係る電力用半導体装置の断面図を示す。 本発明の比較例に係る電力用半導体装置の製造工程を示しており、（ａ）〜（ｃ）は、はんだ供給工程、はんだ攪拌工程、チップ搭載工程にそれぞれ対応する。

以下、本発明の実施の形態に係る電力用半導体装置について、図面を参照しながら説明する。各図において、同一または同様の構成部分には同一の符号を付している。また、方向を表す用語「上」、「下」などは、図面中の方向を特定するための便宜的なものであり、使用時における装置の設置方向を限定するものではない。また、各断面図では、一部の部材についてハッチングを省略している。

まず、図１１を用いて、本発明の比較例に係る電力用半導体装置について説明する。
比較例に係る電力用半導体装置では、リードフレーム１０１の上に半導体チップ１０３ａ，１０３ｂがはんだ１０２を用いて接合されている。チップ１０３ａと１０３ｂの間、チップ１０３ａ，１０３ｂとリードフレーム１０１の外部電極（図示せず）との間は、Ａｌ線１０５のような配線部材で接続されている。このようにして、電気回路が形成されている。

次に、図１２を用いて、比較例に係る電力用半導体装置の製造方法について説明する。
図１２（ａ）に示す工程Ｓ１では、水素と窒素の混合ガスの還元雰囲気の炉内で、リードフレーム１０１の上に溶融状態のはんだ（以下、溶融はんだという）１０２を供給する。具体的には、糸はんだをノズルから送り出し、熱板１１０の上で加熱されたリードフレーム１０１に接触させ、糸はんだの先端を溶融させてリードフレーム１０１を濡らす。次に、図１２（ｂ）に示す工程Ｓ２では、はんだ１０２を成形するために、はんだ攪拌ジグ１２０で叩いてはんだ１０２を攪拌する。ジグ１２０は先端が窪んでおり、はんだ１０２を叩くことで、窪んだ部分の体積だけはんだが濡れ広がるようになっている。はんだ１０２の面積をチップ１０３の面積と同等かそれ以上とすることで、はんだ１０２の濡れ広がり不足が解消する。次に、図１２（ｃ）に示す工程Ｓ３では、吸着コレット１３０を用いて、ウエハ（図示せず）からチップ１０３をピックアップしてはんだ１０２の上に搭載する。工程Ｓ３では、チップ１０３を吸着コレット１３０で押し込む際に、はんだ１０２が流動して濡れ広がる。

以下、工程Ｓ１をはんだ供給工程、工程Ｓ２をはんだ攪拌工程、工程Ｓ３をチップ搭載工程と呼ぶ。

上記工程Ｓ１〜３を経て電力用半導体装置を製造した場合、還元雰囲気で除去し切れなかったはんだ表面の酸化膜の影響、工程Ｓ２，３での雰囲気の巻き込みの影響などにより、半導体チップ１０３の直下のはんだにボイドが発生する。ボイドが発生すると、放熱性が低下して熱抵抗が高くなるため、短絡耐量といったモジュールの熱特性が著しく低下してしまう。

ところで、工程Ｓ２，３ではんだ１０２内部に巻き込まれた雰囲気は、チップ搭載工程Ｓ３でのはんだ１０２の流動により、チップ１０３の接合面外に排斥することが有効である。ただし、はんだ攪拌工程Ｓ２の後に、はんだ１０２がチップ１０３の面積と同等かそれ以上に濡れ広がっていると、巻き込んだ雰囲気を排斥できず、ボイドの発生を防止できない。すなわち、はんだ１０２の流動によりボイドの発生を防止するためには、はんだ供給工程Ｓ１でのはんだ１０２の濡れ広がり面積をチップ面積以下にすることが望ましい。

本発明者らは、以下のようにして、はんだ１０２内部に巻き込まれた雰囲気をチップ１０３の接合面外に排斥する方法が効果的であることを見いだした。すなわち、はんだ供給工程Ｓ１では、はんだ１０２を供給する面積をチップ面積以下とする。そして、はんだ攪拌工程Ｓ２を実施せず、はんだ１０２が供給された状態のままで、チップ搭載工程Ｓ３でのはんだの流動により、巻き込まれた雰囲気をチップ１０３の接合面外に排斥する。

しかしこの方法では、さらに以下の課題が想定される。すなわち、はんだ供給工程Ｓ１では、はんだ１０２の供給位置に必然的に多少のバラツキが生じる。それゆえ、チップ搭載工程Ｓ３ではんだ１０２とチップ１０３との位置合わせ（中心合わせ）を正確に行うことは難しく、はんだの流動につられて平面内でチップ１０３が移動、回転する。例えば一定量以上チップ１０３が移動、回転すると、後の配線工程で配線できず、不良品となる。この現象は、特にチップ１０３が薄く、その面積が小さいほど発生しやすい。

以下で説明する、本発明の実施の形態に係る電力用半導体装置は、以上のような知見に基づいて構成されている。

実施の形態１．
図１（ａ）は、本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置の一製造工程を示し、図１（ｂ）は、製造された電力用半導体装置の断面図を示す。図２は、当該電力用半導体装置の平面図を示す。図１（ｂ）は、図２のＡ−Ａ線断面図である。これは、図５と図６、図９と図１０でも同様である。
図１（ｂ）に示すように、電力用半導体装置１００は、リードフレーム１と、リードフレーム１の上にはんだ２を用いて接合された半導体チップ３と、リードフレーム１の上に設けられ、はんだ２中に取り込まれた堤防部材４などを備える。

リードフレーム１は、例えば銅製である。さらに、銅などの母材に銀めっきを施した材料を用いてもよい。リードフレーム１は電力回路用のリードフレームを想定しているが、これに限定されず、例えば制御回路用のリードフレームであってもよい。はんだ２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｃｕ系の鉛フリーはんだである。半導体チップ３は、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）、ダイオード、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）のような電力用半導体素子である。

図１（ｂ）では、リードフレーム１の上に搭載された１つの半導体チップのみを図示しているが、複数の半導体チップ３が搭載されていてもよい。比較例と同様に、例えば当該半導体チップ３どうしの間は、図示しないＡｌ線のような配線部材で接続されている。

図２に示すように、堤防部材４は、平面視で（ｚ方向から見て）半導体チップ３の面内に設けられている。すなわち、平面視で堤防部材４が内側方向に画定する面積は、半導体チップ３が画定する面積以下である。この堤防部材４により、リードフレーム１の表面にはんだ２で充填された凹状領域が画定される。図２では、凹状領域にハッチングを付している。後述するように、この凹状領域は、装置１００の製造時に溶融はんだ２を供給する領域である。堤防部材４は、はんだ２に対して濡れ性の良い材料で構成される。本明細書で、堤防部材４について濡れ性の良い（悪い）は、銅、銀めっきなどからなるリードフレーム１の表面の濡れ性に対しての相対的な評価である。当該濡れ性の良い材料は、はんだ２が上記鉛フリーはんだであれば、例えばＡｕ、Ａｇ、Ｃｕなどである。

また、図１，２から判るように、堤防部材４は枠状であり、その高さ（ｚ方向）は３０μｍから５０ｕｍ程度である。当該高さは、堤防部材４周囲でのはんだ２の厚さ以下であればよく、例えば当該はんだ２の厚さと等しい、または、ほぼ等しい。堤防部材４がはんだ２の厚さに等しいとき、堤防部材４は半導体チップ３に直接に接することになる。

この電力用半導体装置１００は、図１２の比較例のはんだ供給工程Ｓ１とチップ搭載工程Ｓ３（図１（ａ））とにより、はんだ攪拌工程Ｓ２を経ずに製造される。ただし、リードフレーム１の上の、はんだ２を供給する位置の周囲に、予め堤防部材４を設け、凹状領域を形成しておく。堤防部材４は、リードフレーム１表面の凹状領域に供給され、当該領域外に向けて流れる溶融はんだ２を塞き止める機能を有する。以下、本実施形態１により得られる効果について、製造工程中にはんだ２が濡れ広がる過程と併せて説明する。

はんだ供給工程Ｓ１では、堤防部材４が半導体チップ３の面内に設けられていることにより、はんだ供給時の溶融はんだ２の濡れ広がり面積がチップ面積以下に制御される。

さらに、はんだ供給時のはんだ２の位置が定まることにより、半導体チップ３の移動、回転が抑制される。特に、リードフレーム１表面での凹状領域の面積は、はんだ供給時のはんだの濡れ広がり面積以下であることから、供給直後のはんだ２の中心が、凹状領域の中心となるように位置を制御できる。これにより、チップ３の移動、回転の抑制効果を高めることができる。換言すると、はんだ２の供給位置が、基準とする位置からずれた場合でも、はんだ２の中心（重心）が凹状領域の中心と一致するように、位置を制御できる。

また、堤防部材４の高さを所望のはんだ２の厚さとほぼ同一とした場合、堤防部材４の高さによりはんだ２の厚さが決まるため、はんだ２の厚さを一定にする効果が得られる。はんだ２を所望の厚さで一定にすることで、はんだが薄くなることを防ぎ、熱履歴によるはんだクラックの発生を抑制して装置１００の信頼性を向上させることができる。

また、比較例と同様にはんだ供給工程Ｓ１を還元雰囲気中で実施した場合、はんだ供給直後のはんだ２の濡れ広がりが促進され、堤防部材４が設けられたエリアまで、すなわち凹状領域の全体に確実にはんだ２が濡れ広がることになる。

チップ搭載工程Ｓ３では、リードフレーム１表面の凹状領域を覆うように、半導体チップ３をはんだ２の上に押し付ける。はんだ供給工程Ｓ１で濡れ広がり面積がチップ面積以下に制御されたはんだ２は、チップ搭載工程Ｓ３でのチップ３の押し付けにより、チップ面積を超えて濡れ広がることになり、その際のはんだ２の流動により、巻き込まれた雰囲気は半導体チップ３の接合面外に排斥されることになる。

このようにして、半導体チップ３直下のはんだ２でボイドの発生が防止されることにより、放熱性に優れ、短絡耐量の高い電力用半導体装置１００が実現される。

図３は、本発明の実施の形態１の第１変形例に係る電力用半導体装置を示す平面図である。
この変形例で、堤防部材４は、半導体チップ３の各辺と堤防部材４の外周（外縁部）とのクリアランス（間隔）が一定となるような形状を有する。換言すると、堤防部材４の外縁部は、平面視で、半導体チップ３の各辺から一定距離を隔てた辺で構成される。図３では、ｘ方向のクリアランスをＸで、ｙ方向のクリアランスをＹで示している。すなわち、この変形例ではＸの値とＹの値が等しい。それゆえ、はんだ２が各方向（ｘ方向、ｙ方向）へ濡れ広がる距離が一定となってはんだ２の流動のアンバランスが解消される。これにより、半導体チップ３の移動、回転の抑制効果を高めることができる。なお、図３のＸの値とＹの値が完全には一致しなくても、この変形例の効果をある程度得ることができる。

本実施形態１では、堤防部材４の枠の厚さもｘ方向、ｙ方向で一定であり、堤防部材４の内縁部、すなわち凹状領域の外縁部も、平面視で、半導体チップ３の各辺から一定距離を隔てた辺で構成される。

図４は、本発明の実施の形態１の第２変形例に係る電力用半導体装置を示す平面図である。
この変形例で、堤防部材４は、半導体チップ３側でＲ面取りが施された形状を有する。他の面取り、例えばＣ面取りなどが施されてもよい。堤防部材４が面取りされた形状を有することにより、以下の効果が得られる。すなわち、チップ搭載工程Ｓ３によるはんだ２の濡れ広がり時に堤防部材４に塞き止められ、その内側に蓄積されてしまう可能性のある巻き込まれた雰囲気を、半導体チップ３の接合面外に排斥しやすくなる。

実施の形態２．
図５（ａ）は、本発明の実施の形態２に係る電力用半導体装置の一製造工程での構造を示し、図５（ｂ）は、製造された電力用半導体装置の断面図を示す。
本実施形態２に係る電力用半導体装置２００では、リードフレーム２１に溝部２１ａが形成されている。その他の基本的な構成は実施形態１と同様であり、説明を省略する。

図６に示すように、溝部２１ａは、平面視で半導体チップ３の面内に設けられている。すなわち、平面視で溝部２１ａが内側方向に画定する面積は、半導体チップ３が画定する面積以下である。この溝部２１ａにより、リードフレーム２１の表面に、はんだ２で充填された凹状領域が画定される。後述するように、この凹状領域は、装置２００の製造時に溶融はんだ２を供給する領域である。溝部２１ａの深さ（ｚ方向）は、３０μｍから５０ｕｍ程度である。

この電力用半導体装置２００では、溝部２１ａの外縁の段差部２１ｂが、リードフレーム２１表面の凹状領域に供給され、当該領域外に向けて流れる溶融はんだ２を塞き止める「堤防部」としての機能を有する。製造工程中にはんだ２が濡れ広がる過程については、実施形態１と同様である。したがって、本実施形態２によれば、実施形態１で説明した効果と同様の効果が得られる。

図７は、本発明の実施の形態２の第１変形例に係る電力用半導体装置の平面図を示す。
この第１変形例で、溝部２１ａは、半導体チップ３の各辺と溝部２１ａの外縁部とのクリアランスが一定となるような形状を有する。すなわち、この変形例は、図３で説明した実施形態１の第１変形例と同様の構成であり、そこで説明した効果と同様の効果が得られる。

図８は、本発明の実施の形態２の第２変形例に係る電力用半導体装置の平面図を示す。
この第２変形例では、溝部２１ａの面方向の大きさが、半導体チップ３に向かって（＋ｚ方向に）テーパ状に大きくなるように形成されている。「面方向の大きさ」とは、例えば、平面視で長方形に形成された溝部２１ａでは長方形の面積である。これにより、チップ搭載工程Ｓ３によるはんだ２の濡れ広がり時に段差部２１ｂに塞き止められ、溝部２１に蓄積されてしまう可能性のある巻き込まれた雰囲気を、半導体チップ３の接合面外に排斥しやすくなるという効果が得られる。

実施の形態３．
図９（ａ）は、本発明の実施の形態３に係る電力用半導体装置の一製造工程での構造を示し、図９（ｂ）は、製造された電力用半導体装置の断面図を示す。
本実施形態３に係る電力用半導体装置３００では、実施形態１と同様に枠状の堤防部材３４が設けられるところ、堤防部材３４の表面材料として、はんだ２に対して濡れ性の悪い材料を用いることが特徴である。その他の基本的な構成は実施形態１と同様であり、説明を省略する。

はんだ２として実施形態１で説明したような鉛フリーはんだを用い、リードフレーム１の表面に銅、銀めっきを用いた場合、はんだ２に対して濡れ性の悪い材料としては、Ｎｉ、Ａｌなどが挙げられる。堤防部材３４としては銅などの母材にＮｉ、Ａｌなどをメッキしたものを用いることができる。

このように、本実施形態３では、はんだ２に対して濡れ性の悪い表面材料を用いることにより、例えば堤防部材３４の高さを小さくした場合でも、はんだ供給工程Ｓ１で供給された溶融はんだ２を塞き止める機能を担保させることができる。したがって、本実施形態３によれば、実施形態１で説明した効果と同様の効果が得られ、さらに、より自由度の高い構造が実現される。

なお、例えば堤防部材３４の表面粗さを大きくした場合にも、本実施形態３による効果を得ることができる。濡れ性の悪い材料からなる表面、表面粗さの大きい表面は、それぞれ「はんだに対する非濡れ性表面」の一例である。

このように、上記の「リードフレーム１表面の凹状領域に供給され、当該領域外に向けて流れる溶融はんだ２を塞き止める」堤防部材３４（４）の機能は、堤防部材３４（４）の表面の材料と粗さ、形状（高さ）などを調整することにより達成される。

以上で説明した実施の形態では、フラックスレスの鉛フリーはんだを使用することを想定したが、これに限定されることなく、錫入り、フラックス入りのはんだを用いた場合にも、もちろん本発明による効果は得られる。また、はんだ２に対して濡れ性の良い材料、濡れ性の悪い材料は、当業者により適宜選択される。

また、以上で説明した各実施の形態および各変形例の構成は、自由に組み合わせ、あるいは変形、省略されてもよい。例えば、実施形態３に実施形態１の第１変形例（図３）を適用してもよい。

１，２１ リードフレーム、 ２ はんだ、 ３ 半導体チップ、 ４，３４ 堤防部材、 ２１ａ 溝部、 ２１ｂ 段差部、 ３０ 吸着コレット、 １００，２００，３００ 電力用半導体装置。

Claims (11)

1. リードフレームと、
   前記リードフレームの上にはんだを用いて接合された電力用半導体素子とを備え、
   前記リードフレームの表面であって、平面視で前記電力用半導体素子の面内には、はんだで充填された凹状領域が設けられたことを特徴とする、電力用半導体装置。
2. 前記凹状領域は、前記リードフレームの上に設けられた枠状の堤防部材によって画定されたことを特徴とする、請求項１に記載の電力用半導体装置。
3. 前記堤防部材の高さは、該堤防部材の周囲でのはんだの厚さに一致することを特徴とする、請求項２に記載の電力用半導体装置。
4. 前記堤防部材は、前記電力用半導体素子側で面取りされた形状を有することを特徴とする、請求項２または３に記載の電力用半導体装置。
5. 前記堤防部材は、前記はんだに対する非濡れ性表面を有することを特徴とする、請求項２から４のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
6. 前記凹状領域は、前記リードフレームに形成された溝部によって画定されたことを特徴とする、請求項１に記載の電力用半導体装置。
7. 前記溝部は、その面方向の大きさが前記電力用半導体素子に向かってテーパ状に大きくなるように形成されたことを特徴とする、請求項６に記載の電力用半導体装置。
8. 前記凹状領域の外縁部は、平面視で、前記電力用半導体素子の各辺から一定距離を隔てた辺で構成されたことを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
9. リードフレームの表面に設けられた凹状領域に溶融はんだを供給する工程と、
   前記リードフレームの上に、前記凹状領域を覆うように電力用半導体素子を搭載する工程とを含み、
   前記凹状領域の外縁部には、供給された溶融はんだを塞き止める堤防部が設けられ、
   前記電力用半導体素子を搭載する工程では、塞き止められた状態の溶融はんだを前記堤防部の外側まで濡れ広げること特徴とする、電力用半導体装置の製造方法。
10. 前記リードフレームの表面での凹状領域の面積は、前記溶融はんだを供給する工程で溶融はんだが濡れ広がる面積以下であることを特徴とする、請求項９に記載の電力用半導体装置の製造方法。
11. 前記溶融はんだを供給する工程および前記電力用半導体素子を搭載する工程は、還元雰囲気中で実施することを特徴とする、請求項９または１０に記載の電力用半導体装置の製造方法。

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