JP2018078196A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体装置を構成する部品同士を接合材を介して接合するに当たり、接合材に厚みの分布が生じないようにして部品同士を平行な姿勢で接合することのできる半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】第一収容部１０ａと第一収容部１０ａよりも平面寸法の大きな第二収容部１０ｂとを備えた治具１０を用意するステップ、第一収容部１０ａに第一部品２１を収容し、第一収容部１０ａと第二収容部１０ｂの境界ラインＬと第一部品２１との間の隙間距離Ｘを形成するステップ、隙間距離Ｘよりも大きな厚みＹを有する接合材２２を載置するステップ、第二収容部１０ｂに第一部品２１よりも平面寸法の大きな第二部品２３を収容するステップ、接合材２２を溶融させ、第二収容部１０ｂの一部に第二部品２３が係止され、第一部品２１と第二部品２３を相互に平行な状態に保った状態で双方が接合材にて接合されてなる半導体装置１００を製造するステップとからなる。【選択図】図２

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関するものである。

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の半導体素子を搭載した半導体装置（パワーモジュールもしくはパワーカード）は、コレクタリードフレームと半導体素子が接合材であるはんだ層を介して接合されて構成された積層体がケース内に収容され、さらにこのケース内に封止樹脂体が形成された構成のものや、ケースレス構造であって、比較的硬質の封止樹脂体で上記積層体が封止された構成のものなど、多様な形態が存在している。

なお、ケースレス構造のもの、ケースを具備する構造のもののいずれであっても、ヒートシンクや冷媒を還流させる冷却器などがさらに配されて半導体素子からの熱をこれらに放熱させる構造が一般に適用されている。

さらに、コレクタリードフレームとエミッタリードフレームが上下に存在し、その間に半導体素子が接合材を介して配設されるとともに、これらの積層体が封止樹脂体で一体化された両面冷却構造の半導体装置も存在しており、たとえば特許文献１にこの形態の半導体装置が開示されている。

上記する両面冷却構造の半導体装置の構造として、コレクタリードフレーム、接合材、半導体素子、接合材、金属製冷却ブロック、接合材、エミッタリードフレーム、が順に積層され、封止樹脂体で全体が封止されてなる構造の半導体装置を挙げることができる。

特開２００１−３０８２３７号公報

半導体装置を構成する上記各種の構成部材ははんだ等の接合材を介して順次接続されるが、たとえばコレクタリードフレームと半導体素子を接合材を介して積層させて積層体を構成し、積層体を熱処理してリフロー接合するに当たり、コレクタリードフレームに対して半導体素子が傾斜した姿勢で接合される場合が往々にして生じていた。

このようにコレクタリードフレームに対して半導体素子が傾斜した姿勢で接合されると、はんだ層の厚みに分布が生じ、はんだ層の厚みが薄い箇所には熱応力が集中し易く、クラックが生じ易くなるといった課題があった。

本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、半導体装置を構成する部品同士を接合材を介して接合するに当たり、接合材に厚みの分布が生じないようにして部品同士を平行な姿勢で接合することのできる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明による半導体装置の製造方法は、第一収容部と、該第一収容部に連続して該第一収容部の上方にあり、該第一収容部よりも平面寸法の大きな第二収容部と、を備えた治具を用意する第一のステップと、前記第一収容部に半導体装置を構成する第一部品を収容し、この際に、該第一収容部と前記第二収容部の境界ラインと該第一部品との間の隙間距離Ｘを形成する第二のステップと、前記隙間距離Ｘよりも大きな厚みＹを有する接合材を前記第一部品の上面に載置する第三のステップと、前記第二収容部に半導体装置を構成する前記第一部品よりも平面寸法の大きな第二部品を収容し、前記接合材の上に載置する第四のステップと、治具の外側から加熱して接合材を溶融させ、この際に、前記第二収容部の一部に前記第二部品の一部が係止され、前記第一部品と該第二部品を相互に平行な状態に保った状態で溶融した接合材を硬化させ、該第一部品と該第二部品が該接合材にて接合されてなる半導体装置を製造する第五のステップと、からなるものである。

本発明の半導体装置の製造方法は、平面寸法の異なる収容部を備えた治具を用いて、平面寸法の相対的に小さな部品を下方に載置し、その上に接合材を載置し、平面寸法の相対的に大きな部品を接合材の上に載置し、熱処理して接合材を溶融させた際に、上方にある平面寸法の大きな部品を治具の一部に係止させることで、二つの部品を平行な状態に保ち、この状態で接合材が硬化することで厚みに分布のない接合材にて二つの部品を平行な状態で接合することを可能としたものである。

半導体装置はコレクタリードフレーム、半導体素子、金属製冷却ブロック、エミッタリードフレーム等、複数の部品から構成され、接合材を介して接合される隣接部品間では少なからず平面寸法が異なっている。したがって、たとえば、まず、相対的に平面寸法の大きなコレクタリードフレームと平面寸法の小さな半導体素子を接合するに当たり、治具の第一収容部に半導体素子を収容し、はんだ等の接合材を半導体素子の上に載置する。この際、第一収容部と第二収容部の境界ラインと半導体素子の上面との間に隙間距離Ｘを形成する。ここで、接合材を載置するとは、固形状の接合材を載置することや、ペースト状の接合材を塗布することなどを含む意味である。

次に、隙間距離Ｘよりも大きな厚みＹを有する接合材を半導体素子の上面に載置し、接合材の上の第二収容部にコレクタリードフレームを収容して載置する。この状態では、厚みＹを有する接合材によって第一収容部と第二収容部の境界ラインよりも上方にコレクタリードフレームが位置決めされており、第一収容部から第二収容部にかけて収容寸法の大きくなった段差部の上方にコレクタリードフレームの端部が位置する。

次に、治具の外側から加熱して接合材を溶融させることで、溶融した接合材が側方に流れて当初の厚みが減じられ（溶融した接合材は当初の厚みＹ未満の厚みとなる）、コレクタリードフレームが上記段差部に係止される。

コレクタリードフレームが段差部に係止された姿勢では、半導体素子の上面とコレクタリードフレームの下面が相互に平行な姿勢となり、溶融した接合材の厚みは隙間距離Ｘとなる。

この状態で溶融した接合材が硬化することにより、コレクタリードフレームと半導体素子が厚み分布のない接合材で接合された半導体装置の第一中間品が製造される。

なお、本明細書において、コレクタリードフレームやエミッタリードフレームは、文字通りのリードフレームのほか、ダイパッド、回路基板や応力緩和基板等の基板、純Alからなる基板とAlN(窒化アルミニウム)からなる基板を積層してなるDBA（絶縁基板）、ヒートシンクなども包含されるものであり、たとえばCu素材のリードフレームが適用できる。

また、接合材としては、Pb系はんだやPbフリーはんだ等からなるはんだ層が挙げられる。

上記する第一中間品に対して接合材を介して金属製冷却ブロックを接合するに当たり、たとえば半導体素子に比して金属製冷却ブロックの平面寸法が相対的に小さな場合には、金属製冷却ブロックの寸法に応じた第一収容部と半導体素子の寸法に応じた第二収容部を備えた別途の治具を使用し、第一中間品を製造した際と同様の工程を経て、コレクタリードフレーム、半導体素子、金属製冷却ブロックが相互に接合材を介して接合されてなる第二中間品が製造される。ここで、金属製冷却ブロックとしては、たとえば銅製の冷却ブロックが挙げられる。

最後に、別途の治具を使用して第二中間品を当該別途の治具の第一収容部に収容し、接合材を載置し、第二中間品を構成する金属製冷却ブロックよりも平面寸法の大きなエミッタリードフレームを第二収容部に収容し、接合材を介して双方を接合することにより、両面冷却構造の半導体装置が製造される。なお、より具体的には、封止樹脂体による封止によって半導体装置の製造が完了する。この封止樹脂体としては、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂やポリアミドイミド等の熱可塑性樹脂が挙げられる。

なお、複数の接合材で部品同士が接合されて半導体装置が製造される際に、接合材の種類が異なり、各接合材の融点が異なる場合には、融点の最も高い接合材にて接合される部品同士の接合をはじめにおこない、順次融点の高い順に部品の接合をおこなうのが望ましい。

上記するように、本発明の製造方法では、平面寸法の異なる二つの部品の寸法に応じた第一、第二収容部を備えた治具をたとえば複数用意しておき、順次部品同士を接合材を介して接合していくことにより、厚み分布のない、もしくは厚み分布の極めて少ない各接合材にて部品同士が平行な姿勢で接合された半導体装置を製造することができる。

以上の説明から理解できるように、本発明の半導体装置の製造方法は、平面寸法の異なる二つの部品の寸法に応じた第一、第二収容部を備えた治具を使用し、二つの部品間に載置された接合材を溶融させた際に双方の部材間の隙間距離および溶融した接合材の厚みを一定にした状態で接合材を硬化させて部品の接合をおこなうことにより、厚み分布のない、もしくは厚み分布の極めて少ない接合材にて部品同士が平行な姿勢で接合された半導体装置を製造することができる。

本発明の半導体装置の製造方法の実施の形態１の第一のステップおよび第二のステップを説明した縦断面図である。 半導体装置の製造方法の実施の形態１の第三のステップを説明した縦断面図である。 半導体装置の製造方法の実施の形態１の第四のステップおよび第五のステップを説明した縦断面図である。 半導体装置の製造方法の実施の形態１にて製造された半導体装置の縦断面図である。 本発明の半導体装置の製造方法の実施の形態２の第一のステップ〜第四のステップを説明した縦断面図である。 半導体装置の製造方法の実施の形態２の第五のステップを説明した縦断面図である。 半導体装置の製造方法の実施の形態２にて製造された半導体装置の縦断面図である。 二つの部品を接合した際の傾きを測定する実験結果を示した図である。

以下、図面を参照して本発明の半導体装置の製造方法の実施の形態１，２を説明する。なお、製造方法の実施の形態１にて製造される半導体装置はコレクタリードフレームと半導体素子が積層した構造を有し、製造方法の実施の形態２にて製造される半導体装置は両面冷却構造の半導体装置であるが、図示例以外の多様な構造形態の半導体装置も本発明の製造方法の製造対象であることは勿論のことである。また、図示例は冷却器等の図示を省略している。

（半導体装置の製造方法の実施の形態１）
図１は本発明の半導体装置の製造方法の実施の形態１の第一のステップおよび第二のステップを説明した縦断面図であり、図２は半導体装置の製造方法の実施の形態１の第三のステップを説明した縦断面図であり、図３は半導体装置の製造方法の実施の形態１の第四のステップおよび第五のステップを説明した縦断面図である。

まず、図１で示すように、第一収容部１０ａ（平面寸法の幅Ｗ１）と、第一収容部１０ａに連続して第一収容部１０ａの上方にあり、第一収容部１０ａよりも平面寸法の大きな第二収容部１０ｂ（平面寸法の幅Ｗ２）と、を備えた治具１０を用意する（第一のステップ）。ここで、「平面寸法の大きな」とは、図１で示す縦断面に対して垂直な方向（治具１０の上側）から見た平面寸法が大きいことを意味しており、同様に平面寸法が小さいとはこの方向から見た平面寸法が小さいことを意味している。

次に、第一収容部１０ａに半導体装置を構成する第一部品（半導体素子２１）を収容し、この際に、第一収容部１０ａと第二収容部１０ｂの境界ラインＬと半導体素子２１の上面との間の隙間距離Ｘを形成する（第二のステップ）。

次に、図２で示すように、隙間距離Ｘよりも大きな厚みＹを有するはんだペースト等の接合材２２を第一部品である半導体素子２１の上面に載置する（第三のステップ）。ここで、接合材に使用されるはんだは、Pb系はんだ、Pbフリーはんだのいずれであってもよいが、環境影響負荷低減を図るべく、Sn−Ag系はんだ、Sn−Cu系はんだ、Sn−Ag−Cu系はんだ、Sn−Zn系はんだ、Sn−Sb系はんだなどのPbフリーはんだからなるものが好ましい。

次に、第二収容部１０ｂに半導体装置を構成する半導体素子２１よりも平面寸法の大きな第二部品（コレクタリードフレーム２３）を収容し、接合材２２の上に載置する（第四のステップ）。ここで、コレクタリードフレーム２３は、アルミニウムやその合金、銅やその合金などから形成されており、表面にNiめっき層が形成されたり、さらにNiめっき層の表面にAuめっき層が形成されていてもよい。

図２の状態では、厚みＹを有する接合材２２によって第一収容部１０ａと第二収容部１０ｂの境界ラインＬよりも上方にコレクタリードフレーム２３が位置決めされており、第一収容部１０ａから第二収容部１０ｂにかけて収容寸法の大きくなった段差部の上方にコレクタリードフレーム２３の端部２３ａが位置する。

次に、不図示の加熱手段にて治具１０の外側から加熱し、接合材２２を溶融させることにより、図３で示すように、接合材２２の厚みはＹ未満に減じられ、コレクタリードフレーム２３の端部２３ａが段差部に係止される。

溶融した接合材２２が硬化することにより、図３で示すようにコレクタリードフレーム２３と半導体素子２１が硬化した接合材２２’を介して接合される。

なお、積層される第一部品２１と第二部品２３の間の隙間距離Ｘ（μm）と接合材２２の厚みＹ（μm）の間には、Ｘ＜Ｙ≦Ｘ＋50の関係を満たすようにＸおよびＹを設定するのがよい。

図３で示すコレクタリードフレーム２３が段差部に係止された状態では、半導体素子２１の上面とコレクタリードフレーム２３の下面が相互に平行な姿勢となっており、硬化した接合材２２’の厚みは隙間距離Ｘとなっており、接合材２２’は厚み分布がない、もしくは厚み分布が極めて少ないものとなっている。

図４で示すように、コレクタリードフレーム２３と半導体素子２１が接合材２２’を介して接合されることによって第一中間品２０が形成され、この第一中間品２０の周囲に封止樹脂体３０が成形されることにより、実施の形態１にかかる半導体装置１００が製造さされる。ここで、封止樹脂体３０の素材として、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂やポリアミドイミド等の熱可塑性樹脂が挙げられ、これらの樹脂材の中に、熱伝導性と熱膨張の改善を目的としてシリカやアルミナ、窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、酸化マグネシウム等の無機フィラーが含有されていてもよい。

図示する製造方法によれば、平面寸法の異なる二つの第一部品２１と第二部品２３の寸法に応じた第一収容部１０ａ、第二収容部１０ｂを備えた治具１０を適用し、第一部品２１と第二部品２３の間に載置された接合材２２を溶融させた際に双方の部材間の隙間距離Ｘおよび溶融した接合材２２の厚み（これもＸとなる）を一定にした状態で接合材２２を硬化させて第一部品２１と第二部品２３の接合をおこなうことにより、厚み分布のない、もしくは厚み分布の極めて少ない接合材２２’にて部品同士が平行な姿勢で接合された半導体装置１００を製造することができる。

また、治具１０を適用することから、接合材の中に、金属球やフィラー、突起物、ワイヤ等の傾斜抑制部材を含ませる必要もない。

（半導体装置の製造方法の実施の形態２）
図５は本発明の半導体装置の製造方法の実施の形態２の第一のステップ〜第四のステップを説明した縦断面図であり、図６は半導体装置の製造方法の実施の形態２の第五のステップを説明した縦断面図である。

この製造方法では、実施の形態１にかかる製造方法で製造された第一中間品２０に対してさらに他の部品を接合してなる第二中間品からなる半導体装置を製造対象としている。

図５で示すように、図１で示す治具１０とは別途の治具１０Ａを使用する。この治具は、下方にあって平面寸法の小さな金属製冷却ブロック２４が収容される第一収容部１０Ａａと、第一中間品２０を構成する半導体素子２１が収容される第二収容部１０Ａｂと、さらにコレクタリードフレーム２３が収容される第三収容部１０Ａｃを備えている。

図５で示すように、第一収容部１０Ａａに金属製冷却ブロック２４を収容し、第一収容部１０Ａａと第二収容部１０Ａｂの境界ラインＬと金属製冷却ブロック２４の上面との間の隙間距離Ｘを形成し、隙間距離Ｘよりも大きな厚みＹを有するはんだペースト等の接合材２５を金属製冷却ブロック２４の上面に載置する。さらに、接合材２５の上に、半導体素子２１が直接載置されるようにして第一中間品２０を第二収容部１０Ａｂ，第三収容部１０Ａｃに収容する。

次に、不図示の加熱手段にて治具１０Ａの外側から加熱し、接合材２５を溶融させることにより、図６で示すように、接合材２５の厚みはＹ未満に減じられ、半導体素子２１の端部が段差部に係止される。

なお、第一中間品２０には既に硬化している接合材２２’があり、加熱によって接合材２５は溶融するものの、接合材２２’が再度溶融しないように、先工程にて形成される接合材２２’の融点は後工程で形成される接合材２５の融点よりも高くなるように双方の接合材の素材が設定されるのが望ましい。

溶融した接合材２５が硬化することにより、図６で示すように第一中間品２０を構成する半導体素子２１と金属製冷却ブロック２４が硬化した接合材２５’を介して接合される。

図６で示す半導体素子２１が段差部に係止された状態では、金属製冷却ブロック２４の上面と半導体素子２１の下面が相互に平行な姿勢となっており、硬化した接合材２５’の厚みは隙間距離Ｘとなっており、接合材２５’は厚み分布がない、もしくは厚み分布が極めて少ないものとなっている。

次に、図７で示すように、コレクタリードフレーム２３、硬化した接合材２２’、半導体素子２１、硬化した接合材２５’、 金属製冷却ブロック２４から構成される第二中間品２０Ａと、エミッタリードフレーム２７とを接合材２６を介して接合する際にも、不図示の別途の治具を用いて既述の方法と同様に双方の接合をおこなうことにより、第二中間品２０Ａ、硬化した接合材２６、およびエミッタリードフレーム２７から構成される積層体が製造される。

この積層体の周囲に封止樹脂体３０Ａを成形することにより、図示する両面冷却構造の半導体装置１００Ａが製造される。

この製造方法においても、接合材２２’,２５’、２６の融点は、接合材２２’＞接合材２５’＞接合材２６となるようにそれぞれの素材を設定するのが望ましい。

図示する製造方法によれば、治具１０Ａ等を使用することにより、構成部品であるコレクタリードフレーム２３、半導体素子２１、金属製冷却ブロック２４、エミッタリードフレーム２７を相互に平行な状態で接合することができ、各部品間で傾きがない、もしくは傾きが極めて少ない半導体装置１００Ａを製造することができる。

（二つの部品を接合した際の傾きを測定する実験とその結果）
本発明者等は、平面寸法の大きな部品（平面が18mm×34mmで厚み3mm）と、平面寸法の小さな部品（平面が11mm×12mmで厚み1mm）を、はんだからなる接合材（平面が11mm×12mmで厚み0.33mm）を介して積層させ、接合温度324℃で90秒間はんだを溶融させ、硬化させて双方の部品を接合した。この際に、実施例は、本発明の製造方法で用いられる治具を用いて双方の部品を接合し、比較例は治具なしで双方の部品を接合した。実施例および比較例の各部品間の傾きを測定した結果を図８に示す。

図８より、比較例では傾きが180μmであったのに対して、実施例の傾きは30μmと比較例の1/6にまで低減することが実証されている。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１０，１０Ａ…治具、１０ａ、１０Ａａ…第一収容部、１０ｂ、１０Ａｂ…第二収容部、１０Ａｃ…第三収容部、２０…第一中間品、２０Ａ…第二中間品、２１…第一部品（半導体素子）、２２，２５…接合材、２２’、２５’、２６…接合材（硬化した接合材）、２３…第二部品（コレクタリードフレーム）、２３ａ…端部、２４…金属製冷却ブロック、２７…エミッタリードフレーム、３０，３０Ａ…封止樹脂体、１００，１００Ａ…半導体装置

Claims (1)

1. 第一収容部と、該第一収容部に連続して該第一収容部の上方にあり、該第一収容部よりも平面寸法の大きな第二収容部と、を備えた治具を用意する第一のステップと、
   前記第一収容部に半導体装置を構成する第一部品を収容し、この際に、該第一収容部と前記第二収容部の境界ラインと該第一部品との間の隙間距離Ｘを形成する第二のステップと、
   前記隙間距離Ｘよりも大きな厚みＹを有する接合材を前記第一部品の上面に載置する第三のステップと、
   前記第二収容部に半導体装置を構成する前記第一部品よりも平面寸法の大きな第二部品を収容し、前記接合材の上に載置する第四のステップと、
   治具の外側から加熱して接合材を溶融させ、この際に、前記第二収容部の一部に前記第二部品の一部が係止され、前記第一部品と該第二部品を相互に平行な状態に保った状態で溶融した接合材を硬化させ、該第一部品と該第二部品が該接合材にて接合されてなる半導体装置を製造する第五のステップと、からなる半導体装置の製造方法。

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