JP2020064937A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ボイドの破裂によってはんだの飛沫が飛散することを防止する。【解決手段】 半導体素子の製造方法は、第１リフロー工程と第２リフロー工程とを備える。第１リフロー工程では、大気圧よりも低い第１圧力下においてはんだ材を溶融及び再凝固させることにより、第１部品上にはんだ膜を形成する。第２リフロー工程では、第１圧力以下である第２圧力下においてはんだ膜を溶融及び再凝固させることにより、第１部品を第２部品にはんだ接合する。【選択図】図４

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。

半導体装置の製造方法では、半導体素子を含む複数の部品が、はんだ付けによって互いに接合される。このはんだ付けに関して、特許文献１には、減圧下（又は真空下）でリフロー工程を行うことにより、はんだ内に残存するボイドを除去する技術が記載されている。

国際公開第２０１５／０１１７８５号

リフロー工程に先立って、部品に予めはんだ膜を形成しておくことがある。従来、このはんだ膜の形成は、大気圧下で行われてきた。はんだ膜にボイドが残存したとしても、その後のリフロー工程を減圧下で行えば、はんだ膜からボイドが排除されるためである。しかしながら、減圧下でリフロー工程を実施したときに、溶融したはんだ内でボイドが膨張し、激しく破裂することによって、はんだの飛沫が周囲に飛散するという事象が確認された。この場合、はんだの飛沫が付着した箇所において、短絡や絶縁不良が生じるおそれがある。本明細書は、このような問題を解決し得る技術を提供する。

本明細書が開示する技術は、半導体素子の製造方法に具現化される。この製造方法は、第１リフロー工程と第２リフロー工程とを備える。第１リフロー工程では、大気圧よりも低い第１圧力下においてはんだ材を溶融及び再凝固させることにより、第１部品上にはんだ膜を形成する。第２リフロー工程では、第１圧力以下である第２圧力下においてはんだ膜を溶融及び再凝固させることにより、第１部品と第２部品との間をはんだ接合する。

上記した製造方法では、第１リフロー工程において、予め第１部品にはんだ膜を形成する。第１リフロー工程は減圧下で実施されるので、はんだ膜にボイドが残存し難いとともに、はんだ膜にボイドが残存したとしても、ボイド内の圧力は減圧された状態となる。次に、第２リフロー工程において、はんだ膜を再溶融させることにより、第１部品と第２部品との間をはんだ接合する。この第２リフロー工程も減圧下で実施されるが、はんだ膜に残存するボイド内の圧力も減圧されているので、溶融したはんだ内でボイドが膨張せず、ボイドが激しく破裂することもない。これにより、はんだの飛沫が周囲に飛散して短絡や絶縁不良が生じるといった前述の問題が解決される。

実施例の製造方法に係る半導体装置２の構造を模式的に示す断面図。 半導体装置２の製造方法の一工程であって、特に第１リフロー工程を示す図。 半導体装置２の製造方法の一工程であって、特に第２リフロー工程（加熱前）を示す図。 半導体装置２の製造方法の一工程であって、特に第２リフロー工程（加熱中）を示す図。 半導体装置２の製造方法の一工程であって、特にワイヤボンディング工程を示す図。 半導体装置２の製造方法の一工程であって、特に第３リフロー工程を示す図。 半導体装置２の製造方法の一工程であって、特に封止体２０の成形工程を示す図。 半導体装置２の製造方法の一工程であって、特に封止体２０の切削工程を示す図。

図面を参照して、実施例の半導体装置２の製造方法について説明をする。本実施例で製造する半導体装置２は、電力制御に用いられるパワー半導体装置であって、特に限定されないが、例えば電動型の自動車において、コンバータやインバータに採用することができる。ここでいう電動型の自動車には、例えば、ハイブリッド車、燃料電池車又は再充電式の電気自動車といった、車輪をモータによって駆動する各種の自動車が含まれる。

図１に示すように、半導体装置２は、半導体素子１０と、半導体素子１０を封止している封止体２０とを備える。封止体２０は、絶縁性を有する材料で構成されている。特に限定されないが、封止体２０を構成する材料には、例えばエポキシ樹脂といった、熱硬化性の樹脂材料を採用することができる。半導体素子１０は、例えばＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）又はダイオードといった、パワー半導体素子である。半導体装置２は、複数の半導体素子１０を備えてもよい。この場合、複数の半導体素子１０は、並列に接続されてもよいし、直列に接続されてもよいし、直接と並列の組み合わせによって接続されてもよい。

半導体素子１０は、半導体基板１２と、第１主電極１４と、第２主電極１６と、複数の信号パッド１８とを有する。半導体基板１２は、例えばシリコン（Ｓｉ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、又は窒化物半導体といった半導体材料で構成されている。半導体基板１２の内部には、ＭＯＳＦＥＴ又はＩＧＢＴといった素子構造が設けられている。第１主電極１４は、半導体基板１２の上面に設けられており、第２主電極１６は、半導体基板１２の下面に設けられている。第１主電極１４と第２主電極１６とは、半導体基板１２内の素子構造を介して互いに接続されている。第１主電極１４と第２主電極１６を構成する材料は、特に限定されないが、例えばアルミニウム（Ａｌ）やニッケル（Ｎｉ）といった金属であってよい。

複数の信号パッド１８は、半導体基板１２の上面に設けられている。各々の信号パッド１８は、所定の信号を入力又は出力する小電極であり、導体で構成されている。複数の信号パッド１８には、一例ではあるが、半導体装置２への駆動信号が入力されるもの、半導体装置２の温度に応じた信号を出力するもの、半導体装置２に流れる電流に対応する信号を出力するもの、第１主電極１４の電圧に対応する信号を出力するもの、が含まれる。但し、信号パッド１８の数や具体的な機能については、様々に変更することができる。

半導体装置２はさらに、上側導体板２２、導体スペーサ２４、下側導体板２６及び複数の信号端子２８を備える。上側導体板２２は、導体スペーサ２４を介して、半導体素子１０の第１主電極１４にはんだ付けされている。詳しくは、上側導体板２２の下面と導体スペーサ２４の上面との間が、第１はんだ層４２を介して接合されており、導体スペーサ２４の下面と半導体素子１０の第１主電極１４との間が、第２はんだ層４４を介して接合されている。上側導体板２２と導体スペーサ２４は、例えば銅といった金属で構成されている。上側導体板２２は、導体スペーサ２４を介して半導体素子１０の第１主電極１４へ電気的に接続されており、半導体装置２のなかで電気回路の一部を構成する。また、上側導体板２２は、封止体２０の上面に露出しており、半導体素子１０の熱を外部へ放出する放熱板としても機能する。

下側導体板２６は、半導体素子１０の第２主電極１６に接合されている。詳しくは、下側導体板２６の上面と半導体素子１０の第２主電極１６との間が、第３はんだ層４６を介して接合されている。下側導体板２６は、例えば銅といった金属で構成されている。下側導体板２６は、半導体素子１０の第２主電極１６へ電気的に接続されており、半導体装置２のなかで電気回路の一部を構成する。また、下側導体板２６は、封止体２０の下面に露出しており、半導体素子１０の熱を外部へ放出する放熱板としても機能する。即ち、本実施例の半導体装置２は、封止体２０の両面に放熱板が露出する両面冷却構造を有する。

複数の信号端子２８は、封止体２０の内外に亘って延びている。封止体２０の内部において、各々の信号端子２８は、ボンディングワイヤ３０を介して対応する信号パッド１８に接続されている。信号端子２８は、導体で構成された線材であり、例えば銅といった金属で構成されることができる。複数の信号端子２８は、外部の制御装置（図示省略）に接続され、当該制御装置と半導体素子１０との間で各種の信号を伝送する。ボンディングワイヤ３０を構成する材料は、特に限定されないが、例えばアルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）といった金属であってよい。なお、信号端子２８は、ボンディングワイヤ３０を介することなく、信号パッド１８へ直接的に接合されてもよい。

次に、図２−８を参照して、半導体装置２の製造方法を説明する。先ず、図２に示すように、第１リフロー工程を実施する。第１リフロー工程では、導体スペーサ２４の上下両面に、はんだ膜４２ａ、４４ａを形成する。ここで、上面に設けられた第１はんだ膜４２ａは、完成した半導体装置２において第１はんだ層４２となり、下面に設けられた第２はんだ膜４４ａは、完成した半導体装置２において第２はんだ層４４となる。第１リフロー工程は、例えばリフロー炉５０を用いて、大気圧Ｐ０よりも低い第１圧力Ｐ１下で実施され、導体スペーサ２４上ではんだ材を溶融及び再凝固させることにより、はんだ膜４２ａ、４４ａが形成される。なお、本実施例における導体スペーサ２４は、前述した本技術における第１部品の一例である。

第１リフロー工程が減圧下で実施されるので、はんだ膜４２ａ、４４ａにボイドＶｏが残存することは抑制される。しかしながら、ボイドＶｏを完全に排除することは困難であり、はんだ膜４２ａ、４４ａにボイドＶｏが残存することもある。説明の便宜上、ここでは第１はんだ膜４２ａにボイドＶｏ（図２参照）が残存したと仮定して、以下の説明を続ける。

次に、図３、図４に示すように、第２リフロー工程を実施する。第２リフロー工程では、下側導体板２６上に、半導体素子１０及び導体スペーサ２４をはんだ接合する。なお、本実施例における半導体素子１０は、前述した本技術における第２部品の一例である。第２リフロー工程の具体的な態様については、特に限定されない。本実施例では、図３に示すように、下側導体板２６上に、はんだシート４６ａを介して半導体素子１０を配置し、その上に導体スペーサ２４を配置する。そして、このように組み合わせた半製品をリフロー炉５０に配置し、第１圧力Ｐ１以下である第２圧力Ｐ２下において、当該半製品を加熱する。なお、下側導体板２６は、信号端子２８を含むリードフレームの形で用意されており、図示されない位置において、タイバーを介して信号端子２８に接続されている。

リフロー炉５０で加熱すると、図４に示すように、はんだシート４６ａ及びはんだ膜４２ａ、４４ａは溶融する。その後、除熱を行うことによって、溶融させたはんだシート４６ａ及びはんだ膜４２ａ、４４ａを再凝固させる。その結果、下側導体板２６上に、半導体素子１０及び導体スペーサ２４がはんだ接合される。このとき、下側導体板２６と半導体素子１０との間には、はんだシート４６ａによる第３はんだ層４６が形成され、半導体素子１０と導体スペーサ２４との間には、第２はんだ膜４４ａによる第２はんだ層４４が形成される。

第２リフロー工程では、はんだシート４６ａや第２はんだ膜４４ａだけでなく、第１はんだ膜４２ａも再溶融される。このとき、第１はんだ膜４２ａにボイドＶｏが残存していると、そのボイドＶｏが膨張し、激しく破裂することによって、はんだの飛沫が周囲に飛散するおそれがある。しかしながら、本実施例の製造方法では、第１リフロー工程が減圧下（あるいは真空下）で実施されており、ボイドＶｏ内の圧力も減圧された状態となっている。従って、第２リフロー工程が同じく減圧下で実施されたときに、溶融した第１はんだ膜４２ａ内でボイドＶｏが膨張せず、それが激しく破裂することもない。これにより、はんだの飛沫が周囲に飛散して短絡や絶縁不良が生じることを回避することができる。

なお、第１はんだ膜４２ａに残存していたボイドＶｏは、第２リフロー工程で第１はんだ膜４２ａが溶融している間に、第１はんだ膜４２ａから穏やかに放出される。このボイドＶｏの放出を促進するために、第２リフロー工程の第２圧力Ｐ２は、第１リフロー工程の第１圧力Ｐ１以下に設定されている。なお、図面ではボイドＶｏが誇張して表現されており、実際のボイドＶｏは可視できないほど小さい。

次に、図５に示すように、ワイヤボンディング工程を実施する。ワイヤボンディング工程では、ボンディングワイヤ３０を用いて、半導体素子１０の信号パッド１８を信号端子２８に接続する。なお、前述したように、信号パッド１８と信号端子２８との間は、ボンディングワイヤ３０を用いることなく、直接的に接合されてもよい。この場合、それらの接合は、第１リフロー工程又は第２リフロー工程において同時に行ってもよい。

次に、図６に示すように、第３リフロー工程を実施する。第３リフロー工程では、導体スペーサ２４上に上側導体板２２をはんだ接合する。第３リフロー工程では、導体スペーサ２４上に上側導体板２２を配置して、導体スペーサ２４上の第１はんだ膜４２ａを溶融及び再凝固させる。これにより、導体スペーサ２４と上側導体板２２との間に第１はんだ層４２が形成される。第３リフロー工程は、特に限定されないが、第１圧力Ｐ１以下である第３圧力Ｐ３下で行われる。第３リフロー工程が減圧下で行われることにより、この段階で第１はんだ膜４２ａに残存していたボイド（不図示）がさらに放出される。

次に、図７に示すように、封止体２０の成形工程を実施する。この成形工程では、金型６０を用いたインサート成形により、半導体素子１０を封止する封止体２０を成形する。次に、図８に示すように、封止体２０の切削工程を実施する。この切削工程では、封止体２０の余剰部分２０ｅを切削（又はその他の機械加工）によって除去し、上側導体板２２を露出させる。その後、リードフレームのタイバーを切除するなど、その他必要な工程を実施することによって、半導体装置２の製造は完了する。

以上のように、本実施例の製造方法では、第１リフロー工程が減圧下（あるいは真空下）で実施されるので、はんだ膜４２ａ、４４ａにボイドＶｏが残存し難い。また。はんだ膜４２ａ、４４ａにボイドＶｏが残存したとしても、ボイドＶｏ内の圧力は減圧された状態となる。従って、続く第２リフロー工程が減圧下で実施されたときに、溶融したはんだ内でボイドＶｏが膨張せず、ボイドＶｏが激しく破裂することもない。これにより、はんだの飛沫が周囲に飛散して短絡や絶縁不良が生じるといった問題が解決される。

第１リフロー工程を減圧下（あるいは真空下）で実施すると、大気中で実施した場合と比較して、導体スペーサ２４の側面における酸化が抑制される。導体スペーサ２４が過度に酸化することは好ましくないが、導体スペーサ２４の側面が適度に酸化していると、導体スペーサ２４と封止体２０との間の密着性が向上する。即ち、第１リフロー工程を減圧下（あるいは真空下）で実施した場合、導体スペーサ２４と封止体２０との間の密着性が低下するおそれがある。そのことから、一例ではあるが、封止体２０の成形工程を実施する前に、半導体装置２の半製品へプライマ（下地）を塗布することによって、導体スペーサ２４と封止体２０との間の密着性を高めることも有効である。

加えて、導体スペーサ２４の側面における酸化が抑制されると、導体スペーサ２４の側面のはんだに対する親和性が上昇する。この場合、第３リフロー工程（図６）において、溶融した第１はんだ膜４２ａ（第１はんだ層４２）が、導体スペーサ２４の側面に沿って濡れ広がり易くなる。このとき、第１はんだ膜４２ａが過剰に濡れ広がり、第２はんだ層４４まで到達してしまうと、完成した半導体装置２では、第１はんだ層４２と第２はんだ層４４が導体スペーサ２４の側面を通じて繋がってしまう。このような構造であると、機能面で直ちに問題となることはないが、動作中の発熱に起因して生じる応力が局所的に高まるおそれがあり、半導体装置２の耐久性（製品寿命）が低下するおそれがある。そのことから、一例ではあるが、上側導体板２２に金めっきを施すことによって、上側導体板２２のはんだに対する親和性を高めることも有効である。これにより、溶融した第１はんだ膜４２ａが導体スペーサ２４の側面に濡れ広がることを抑制することができる。

以上、いくつか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。本明細書又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る。

２：半導体装置
１０：半導体素子
２０：封止体
２２：上側導体板
２４：上側導体板
２６：導体スペーサ
２８：信号端子
３０：ボンディングワイヤ
４２、４４、４６：はんだ層
４２ａ、４４ａ：はんだ膜
Ｖｏ：ボイド

Claims (1)

1. 半導体装置の製造方法であって、
   大気圧よりも低い第１圧力下においてはんだ材を溶融及び再凝固させることにより、第１部品上にはんだ膜を形成する第１リフロー工程と、
   前記第１圧力以下である第２圧力下において、前記はんだ膜を溶融及び再凝固させることにより、前記第１部品を第２部品にはんだ接合する第２リフロー工程と、
   を備える製造方法。

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