JP2019091867A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子に導体を接合する簡便な製造方法を開示する。【解決手段】本明細書が開示する製造方法は、組立工程（ステップＳ２）と、加熱溶融工程（ステップＳ４）と、冷却工程（ステップＳ６）を備えている。組立工程では、半導体素子の電極と導体の間に熱で溶融する接合材を挟む。加熱溶融工程では、半導体素子に電流を流し、半導体素子を発熱させて接合材を溶融させる。冷却工程では、電流を止め、接合材を冷却し、接合材を固化させる。加熱溶融工程と冷却工程によって半導体素子と導体が接合される。この製造方法は、半導体素子の内部抵抗による自己発熱を利用して半導体素子と導体を接合する。この製造方法は、製造装置に、接合材を加熱する発熱体が不要であり、半導体素子と導体を簡単に接合することができる。【選択図】図３

Description

本明細書が開示する技術は、半導体装置の製造方法に関する。

半導体素子の電極に導体を接合する方法として、次の方法が知られている。半導体素子の電極と導体の間に熱で溶融する接合材を挟む。半導体素子と接合材と導体の積層体に、電流を流すことで発熱する発熱体を接触させる。発熱体に通電し、発熱した発熱体で接合材を加熱して溶かす。通電を停止し、冷えた接合材によって半導体素子と導体を接合する。特許文献１、２に、そのような製造方法が開示されている。

特開平０５−２５１５０４号公報 特開昭５９−２０１０８４号公報

本明細書は、半導体装置の製造方法に関し、上記特許文献１、２に開示された方法よりも簡便な製造方法を開示する。

本明細書が開示する製造方法は、組立工程と、加熱溶融工程と、冷却工程を備えている。組立工程では、半導体素子の電極と導体の間に熱で溶融する接合材を挟む。加熱溶融工程では、半導体素子に電流を流し、半導体素子を発熱させて接合材を溶融させる。冷却工程では、電流を止め、接合材を冷却する。接合材は冷えて固化する。加熱溶融工程と冷却工程を経て半導体装置と導体が接合される。この製造方法は、半導体素子の内部抵抗による自己発熱を利用して半導体素子と導体を接合する。この製造方法は、製造装置として、接合材を加熱する発熱体が不要であり、半導体素子と導体を簡単に接合することができる。

半導体素子の温度が高くなりすぎると半導体素子がダメージを被るおそれがある。半導体素子に温度センサを取り付けて温度管理を行う代わりに、半導体素子の内部抵抗と温度との関係を特定し、その関係に基づいて半導体素子の温度管理を行うとよい。温度センサを用いることなく、加熱溶融工程において半導体素子の温度を管理することができる。

本明細書が開示する製造方法に適した半導体素子の一例として、トランジスタがある。トランジスタのゲートにハーフオン電圧を印加しつつ、トランジスタの第１電極（コレクタ又はドレイン）と第２電極（エミッタ又はソース）の間に電流を流すことで、トランジスタを発熱させることができる。なお、ハーフオン電圧とは、第１電極と第２電極の間に電流が流れ始める電圧（閾値電圧）と、第１電極と第２電極の間が完全に導通する電圧（完全導通電圧）の間の電圧である。ハーフオン電圧を印加することでトランジスタが高抵抗状態となり、第１電極と第２電極の間に電流を流すとトランジスタが容易に発熱する。

また、接合材が溶融すると、接合材と導体（あるいは半導体素子）の間の抵抗が急激に低くなる。加熱溶融工程において、接合材が溶融するまでは接合材と導体（あるいは半導体素子）の間の抵抗が高く、溶融すると抵抗が急激に小さくなる。従って、一定の電圧で半導体素子に電流を流し続け、電流値が変化した時点が、接合材が溶融した時点であると判断することができる。本明細書が開示する製造方法では、半導体素子に所定の一定電圧を印加し、半導体素子に流れる電流が変化した時点で電圧印加を停止すると良い。接合材が溶融した時点で電流を止めることができる。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の製造方法を説明する図である。 図１に半導体素子の回路を加えた図である。 実施例の製造方法のフローチャートである。 第１変形例の製造方法を説明する図である。 第２変形例の製造方法を説明する図である。 ダイオードの抵抗と温度の関係の一例を示すグラフである。 トランジスタの抵抗と温度の関係の一例を示すグラフである。 加熱溶融工程において半導体素子に流れる電流の時間変化の一例である。

図面を参照して実施例の製造方法を説明する。図１は、実施例の製造方法を説明する図であり、完成前の半導体装置１０と、製造装置２０を模式的に描いた図である。半導体装置１０は、平板タイプの半導体素子２の両面に金属板３、４がハンダ５により接合されたデバイスである。なお、図１は、金属板３、４の接合前の図である。図２は、図１に半導体素子２の回路を書き加えた図である。図１、図２では、理解を助けるためにハンダ５をグレ−で塗りつぶしてある。

図２に示されているように、半導体素子２は、トランジスタ８とダイオード９が逆並列に接続されたＲＣ−ＩＧＢＴ（逆導通ＩＧＢＴ）である。なお、トランジスタ８は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。半導体素子２の一方の面２ａにはトランジスタ８のエミッタ電極８ｅが露出しており、他方の面２ｂにはコレクタ電極８ｃが露出している。半導体素子２の内部で、エミッタ電極８ｅにはダイオード９のアノードが接続されており、コレクタ電極８ｃにはダイオード９のカソードが接続されている。

図３に、半導体装置１０の製造方法のフローチャートを示す。図１と図２を参照しつつ、図３のフローチャートに沿って製造方法を説明する。

（組立工程）半導体素子２の一方の面２ａに露出しているエミッタ電極８ｅと金属板３との間にハンダ５ａを挟み、他方の面２ｂに露出しているコレクタ電極８ｃと金属板４との間にハンダ５ｂを挟み、金属板３、４とハンダ５ａ、５ｂと半導体素子２を重ねる（ステップＳ２）。ハンダ５ａ、５ｂは、良く知られているように、熱で溶融し、溶融後に冷えると接触している物体同士を接合する接合材である。

（加熱溶融工程）製造装置２０は、安定化電源２１と、加熱用電極２２ａ、２２ｂと、温度センサ２３とコントローラ２９を備えている。加熱用電極２２ａ（正極）を金属板３に取り付け、加熱用電極２２ｂ（負極）を金属板４に取り付ける（ステップＳ３）。温度センサ２３を、金属板４に取り付ける。コントローラ２９が安定化電源２１を起動し、加熱用電極２２ａ、２２ｂと、金属板３、４を介して半導体素子２（ダイオード９）に電流を流す（ステップＳ４）。図１、図２における太い矢印線が電流の流れを示している。ダイオード９に電流を流すと、内部抵抗によりダイオード９が発熱する。コントローラ２９には、温度センサ２３の信号線（図中の破線）が接続されている。コントローラ２９は、半導体素子２が耐熱温度を超えないように、温度センサ２３の計測温度に基づいて安定化電源２１を制御し、半導体素子２（ダイオード９）に流す電流を調整する。即ち、コントローラ２９は、半導体素子２の温度を所定範囲に保持する（ステップＳ５）。所定範囲とは、ダイオード９にダメージを与えず、かつ、ハンダ５ａ、５ｂが溶融する温度範囲である。温度が所定範囲に保持された状態で所定時間が経過すると、ハンダ５ａ、５ｂが溶融する。溶融したハンダ５ａによってハンダ５ａを挟んでいるエミッタ電極８ｅの側の面２ａと金属板３が接合される。溶融したハンダ５ｂによってハンダ５ｂを挟んでいるコレクタ電極８ｃの側の面２ｂと金属板４が接合される。

（冷却工程）ハンダ５ａ、５ｂが溶融したら、コントローラ２９は安定化電源２１を停止し、電流を止める（ステップＳ６）。電流を止めるとハンダ５ａ、５ｂが冷える。溶融したハンダ５ａ、５ｂが冷えると、ハンダ５ａ、５ｂが固化し、半導体素子２と金属板３、４が完全に接合される。加熱溶融工程と冷却工程を経て、半導体素子２と金属板３、４が接合される。最後に、加熱用電極２２ａ、２２ｂを半導体装置１０から外す。こうして、半導体素子２の一方の面２ａ（エミッタ電極８ｅ）に金属板３が接合され、他方の面２ｂ（コレクタ電極８ｃ）に金属板４が接合された半導体装置１０が完成する。

なお、図３のフローチャートの処理の後、半導体装置１０は、樹脂パッケージを形成する成形型に入れられ、金属板３、４の間に樹脂製のパッケージが形成され、半導体素子２が封止される。金属板３、４の一方の面（半導体素子２に向いた面とは反対側の面）が樹脂パッケージから露出した半導体モジュール（半導体装置）が完成する。

実施例の製造方法は、半導体素子２に電流を流し、半導体素子２の内部抵抗による自己発熱によってハンダ５を溶融させる。実施例の製造方法は、半導体装置１０の部品である半導体素子２そのものを使ってハンダ５を溶融させる。実施例の製造方法は、半導体素子２を外から加熱する専用の発熱装置が不要であり、半導体装置１０を簡単に製造することができる。

（第１変形例）先の実施例の製造方法は、半導体素子２に含まれているダイオード９の内部抵抗を利用して半導体素子２を発熱させ、ハンダ５を溶融させた。半導体素子２がトランジスタを含む場合、トランジスタの内部抵抗を利用して半導体素子を発熱させることもできる。

図４を参照して、第１変形例の製造方法を説明する。この製造方法は、実施例と同じく、半導体素子２に金属板３、４を接合する製造方法である。半導体素子２は、実施例の場合と同じであり、内部にトランジスタ８とダイオード９の逆並列回路を含んでいる。

（組立工程）組立工程は、実施例の場合と同じである。即ち、半導体素子２の一方の面２ａに露出しているエミッタ電極８ｅと金属板３との間にハンダ５ａを挟み、他方の面２ｂに露出しているコレクタ電極８ｃと金属板４との間にハンダ５ｂを挟み、金属板３、４とハンダ５ａ、５ｂと半導体素子２を重ねる（ステップＳ２）。

（加熱溶融工程）製造装置１２０は、安定化電源２１と、加熱用電極２２ａ、２２ｂと、温度センサ２３と、ゲート駆動装置２４と、コントローラ２９を備えている。加熱用電極２２ａ（正極）を金属板４（コレクタ電極８ｃの側）に取り付け、加熱用電極２２ｂ（負極）を金属板３（エミッタ電極８ｅの側）に取り付ける（ステップＳ３）。加熱用電極２２ａ（正極）が、金属板４を介してＩＧＢＴ８のコレクタ電極８ｃに接続され、加熱用電極２２ｂ（負極）が金属板３を介してエミッタ電極８ｅに接続される。加熱用電極２２ａ（正極）、２２ｂ（負極）と、トランジスタ８のコレクタ電極８ｃ、エミッタ電極８ｅの接続が、先の実施例と逆になっていることに留意されたい。

温度センサ２３を、金属板３に取り付ける。ゲート駆動装置２４を、トランジスタ８のゲート電極８ｇに接続する。次に、コントローラ２９は、ゲート駆動装置２４を起動し、トランジスタ８のゲート電極８ｇにハーフオン電圧を加える。ゲート電極８ｇにハーフオン電圧を加えながら、コントローラ２９は、安定化電源２１を起動し、トランジスタ８（半導体素子２）に電流を流す（ステップＳ４）。ハーフオン電圧とは、トランジスタ８が中途半端にオンする電圧である。ハーフオン電圧は、コレクタ電極８ｃとエミッタ電極８ｅの間に電流が流れ始める電圧（閾値電圧）と、両方の電極の間が完全に導通する電圧（完全導通電圧）の間の電圧である。ハーフオン電圧を加えつつ、コレクタ電極８ｃとエミッタ電極８ｅの間に電圧を加えると、コレクタ電極８ｃとエミッタ電極８ｅの間の抵抗が高い状態で、両電極間に電流が流れる。両電極間の抵抗が高い状態で電流が流れるので、トランジスタ８（半導体素子２）が発熱し易くなる。

コントローラ２９は、半導体素子２が耐熱温度を超えないように、温度センサ２３の計測温度に基づいて安定化電源２１を制御し、半導体素子２（トランジスタ８）に流す電流を調整する。即ち、コントローラ２９は、半導体素子２の温度を所定範囲に保つ（ステップＳ５）。半導体素子２の温度が所定範囲内に保持された状態で所定時間が経過すると、ハンダ５ａ、５ｂが溶融する。溶融したハンダ５ａ、５ｂによって、半導体素子２に金属板３、４が接合される。

（冷却工程）ハンダ５ａ、５ｂが溶融したら、コントローラ２９は、安定化電源２１を停止し、電流を止める（ステップＳ６）。同時に、ゲート駆動装置２４も停止する。ハンダ５は冷えて固化し、半導体素子２と金属板３、４が完全に接合される。後の工程は実施例の場合と同じである。加熱溶融工程と冷却工程を経て、半導体素子２と金属板３、４が接合される。この第１変形例の製造方法は、トランジスタ８をハーフオン状態（高抵抗状態）に保持しつつ電流を流し、トランジスタ８を発熱させる。第１変形例の製造方法は、トランジスタ８を含んでいる半導体素子に金属板を接合するのに好適である。

（第２変形例）実施例と第１変形例では、温度センサ２３を用いて半導体素子２の温度を管理した。半導体素子の内部抵抗と温度の間には所定の関係がある。その関係を利用して、温度センサを要せずに温度管理を行いつつ、半導体装置を製造することも可能である。

図５に、第２変形例の製造方法を説明する図を示す。製造対象の半導体装置１０は、実施例の場合と同じである。組立工程も、実施例の場合と同じであるので説明は省略する。

（加熱溶融工程）製造装置２２０は、安定化電源２１と、加熱用電極２２ａ、２２ｂと、電流センサ２６と、電圧センサ２７と、コントローラ２９を備えている。加熱用電極２２ａ（正極）を金属板３に取り付け、加熱用電極２２ｂ（負極）を金属板４に取り付ける工程は、実施例の場合と同じである（ステップＳ３）。

電流センサ２６は、半導体素子２に流す電流を計測し、電圧センサ２７は、半導体素子２の両電極に印加する電圧を計測する。電流センサ２６と電圧センサ２７の計測データはコントローラ２９に送られる。

コントローラ２９は、安定化電源２１を起動し、半導体素子２（ダイオード９）に電流を流す（ステップＳ４）。ダイオード９に電流を流すと、内部抵抗によりダイオード９が発熱する。コントローラ２９には、ダイオード９の内部抵抗と温度の関係が記憶されている。図６に、ダイオード９の内部抵抗と温度の関係の一例を示す。図６の横軸は、ダイオード９に印加する電圧を示しており、縦軸は、ダイオード９に流れる電流を示している。印加電圧を、その印加電圧に対応する電流で除した値が内部抵抗に相当する。即ち、図６のグラフは、ダイオードの内部抵抗を表している。ダイオード９は、順方向に加えられる電圧が所定の閾値を超えるまでは非常に大きい抵抗値を示し、印加電圧が閾値を超えると内部抵抗が急激に低下する特性を有している。

実線のグラフＧ１は、ダイオード９の温度がＴ１のときの内部抵抗の変化を示しており、破線のグラフＧ２は、温度がＴ２のときの内部抵抗の変化を示しており、点線のグラフＧ３は、温度がＴ３のときの内部抵抗の関係を示している。ここで、温度Ｔ１は温度Ｔ２よりも高く、温度Ｔ２は温度Ｔ３よりも高い（Ｔ１＞Ｔ２＞Ｔ３））。図６より、温度が低いほど、電流が急激に増加する電圧（即ち、内部抵抗が急激に低下する電圧）が高くなることがわかる。コントローラ２９は、図６のグラフの関係と、電流センサ２６、電圧センサ２７の計測データから、ダイオード９（半導体素子２）の温度を推定し、推定した温度が所定範囲を保持するように安定化電源２１を制御する。

半導体素子２の温度を所定範囲に保ち、所定時間が経過すると、ハンダ５ａ、５ｂが溶融する。冷却工程は実施例の場合と同じであるので説明は省略する。

第２変形例の製造方法では、ダイオード９（半導体素子２）の内部抵抗と温度の関係が予め特定されており、コントローラ２９に記憶されている。コントローラ２９は、その関係に基づいて、ダイオード９（半導体素子２）の温度が所定範囲を保持するように安定化電源２１を調整する。第２変形例の製造方法では、温度センサが不要であり、製造装置が簡単になる。

半導体素子がトランジスタの場合も、半導体素子の内部抵抗と温度に特定の関係が存在し、その関係を用いて加熱溶融工程における温度管理を行ってもよい。図７に、トランジスタの内部抵抗と温度の関係の一例を示す。縦軸はコレクタ／エミッタ間に印加される電圧を示しており、縦軸はコレクタ電流を示している。グラフＧ４とＧ５は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Field Effect Transistor）の場合の関係を示しており、グラフＧ６とＧ７は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）の場合の関係を示している。実線のグラフＧ４、Ｇ６は、温度がＴ４のときの関係を示しており、点線のグラフＧ５とＧ７は、温度がＴ５のときの関係を示している。温度Ｔ５は温度Ｔ４よりも高い（Ｔ４＜Ｔ５）。

図７においても、コレクタ／エミッタ間電圧を対応するコレクタ電流で除した値がトランジスタの内部抵抗に相当する。図７の関係を用いれば、トランジスタを含んでいる半導体素子に金属板を接合する製造方法においても、加熱溶融工程において、温度センサなしに半導体素子の温度を所定範囲に保持することができる。

加熱溶融工程では、半導体素子に一定の電圧を印加しておき、半導体素子に流れる電流が急激に変化した時点で印加電圧を止めてもよい。ハンダが溶融する前は、固体のハンダと金属板（又は半導体素子）は、固体同士の接触なので両者の間の接触抵抗が大きい。ハンダが溶融すると、両者の間の接触抵抗が急激に小さくなる。それゆえ、加熱溶融工程において、ハンダが溶融すると、半導体素子に流れる電流が急激に大きくなる。図８に、加熱溶融工程において半導体素子に流れる電流の時間変化の一例を示す。この例では、加熱溶融工程において、コントローラ２９は、半導体素子に一定の電圧を印加し続けるよう安定化電源２１を制御する。図８の例では、時刻Ｔ１に電流がＩ１からＩ２に急激に変化している。即ち、時刻Ｔ１にハンダが溶融していることが検知できる。コントローラ２９は、電流が変化した時刻Ｔ１に電圧印加を停止する。そうすることで、コントローラ２９は、ハンダが溶融したら電圧を止めることができる。

実施例で説明した技術の特徴のいくつかを以下にまとめる。実施例の製造方法は、組立工程と、加熱溶融工程と、冷却工程を備えている。組立工程では、半導体素子２のエミッタ電極８ｅが露出している面２ａと金属板３との間に溶融前のハンダ５ａを挟み、コレクタ電極８ｃが露出している面２ｂと金属板４との間に溶融前のハンダ５ｂを挟む。加熱溶融工程では、コントローラ２９が、金属板３、４を介して半導体素子２に電流を流す。半導体素子２は、内部抵抗により発熱する。コントローラ２９は、ハンダ５が溶融するまで、半導体素子２に電流を流す。コントローラ２９は、ハンダ５が溶融したら、電流を止める。冷却工程では、電流を止め、ハンダ５を冷却し、固化させる。加熱溶融工程と冷却工程を経て半導体素子２と金属板３、４が接合される。この製造方法は、半導体素子の内部抵抗による自己発熱を利用してハンダを溶融させる。ハンダを加熱する専用の加熱装置が不要なので、半導体素子に金属板を簡単に低コストで接合することができる。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例の製造方法は、高温炉に入れて接合材を溶かす方法と比較して、次の利点がある。高温炉に入れる方法では、接合材はその周縁から溶け始める。この場合、接合材の中心にボイドが発生する場合がある。一方、実施例の製造方法では、接合材は、半導体素子に接している部分から溶け始めるので、ボイドが発生し難い。

実施例におけるハンダ５が接合材の一例に相当する。実施例の製造方法で使用する接合材は、熱で溶融するタイプであれば、ハンダに限定されない。実施例の金属板３、４が、半導体素子に接合される導体の一例に相当する。半導体素子に接合される導体は金属板でなく、導体ブロックであってもよい。

トランジスタ８のエミッタ電極８ｅとコレクタ電極８ｃの一方が第１電極の一例に相当し、他方が第２電極の一例に相当する。本明細書が開示する技術は、トランジスタあるいはダイオードを含んでいる半導体素子に限られず、内部抵抗を有する様々な素子に適用することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：半導体素子
３、４：金属板
５、５ａ、５ｂ：ハンダ
８：トランジスタ
８ｃ：コレクタ電極
８ｅ：エミッタ電極
８ｇ：ゲート電極
９：ダイオード
１０：半導体装置
２０、１２０、２２０：製造装置
２１：安定化電源
２２ａ、２２ｂ：加熱用電極
２３：温度センサ
２４：ゲート駆動装置
２６：電流センサ
２７：電圧センサ
２９：コントローラ

Claims (4)

1. 半導体素子の電極と導体の間に熱で溶融する接合材を挟む組立工程と、
   前記半導体素子に電流を流し、前記半導体素子を発熱させて前記接合材を溶融させる加熱溶融工程と、
   前記電流を止め、前記接合材を冷却して固化させる冷却工程と、
   を備えている、半導体装置の製造方法。
2. 前記半導体素子の内部抵抗と前記半導体素子の温度との関係が特定されており、
   前記加熱溶融工程において、前記関係に基づいて前記半導体素子の温度を所定範囲に調整する、請求項１に記載の製造方法。
3. 前記半導体素子はトランジスタであり、
   前記加熱溶融工程では、前記トランジスタのゲートにハーフオン電圧を印加しつつ、前記トランジスタの第１電極と第２電極の間に電流を流す、請求項１又は２に記載の製造方法。
4. 前記加熱溶融工程において、前記半導体素子に所定の一定電圧を印加し、前記半導体素子に流れる電流が変化した時点で電圧印加を停止する、請求項１から３のいずれか１項に記載の製造方法。

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