JP2021077790A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、低コスト化に好適な半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】第１ペーストと、該第１ペーストはんだとはんだ組成は同じであるが溶剤が異なることで該第１ペーストはんだよりも溶融時の粘度が高く、該第１ペーストはんだを囲む形状の第２ペーストはんだと、を該絶縁基板の上面にのせることと、金属端子を該絶縁基板に近接させて該第１ペーストはんだを押しつぶすことと、該第１ペーストはんだと該第２ペーストはんだを加熱し、該第１ペーストはんだの濡れ広がりを該第２ペーストはんだによって抑制しつつ、該第１ペーストはんだと該第２ペーストはんだで該金属端子を該絶縁基板に固定すること、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は半導体装置の製造方法に関する。

パワーモジュールでは、半導体チップが搭載された金属回路パターン付き絶縁基板（以下、絶縁基板という）の表側回路パターンと金属端子との間、および、絶縁基板の裏側回路パターンと放熱板との間がはんだで接合されている。そして、これらの構造体を囲むようにケースが設けられ、ケース内部にシリコーンゲルなどが充填され、半導体チップと回路がワイヤで接続される。

パワーモジュールは動作中の温度上昇と冷却によって膨張収縮を繰り返す。これにより、絶縁基板と金属端子とのはんだ接合面に、引っ張りまたは押し込みの繰り返し応力が発生し、金属端子が絶縁基板から剥離するなどの問題が発生し得る。剥離対策のため、絶縁基板上の金属パターンと金属端子との接合強度を増加させる必要がある。上記の金属端子接合部において、繰り返し応力に弱い部分は金属端子とはんだの接合部分であるため、接合強度を増加させるには金属端子とはんだの接合面積を大きくすることが効果的である。または、金属端子先端をはんだで全て覆ってしまうことでも接合強度を増加させることができる。

金属端子を絶縁基板に接合する工程においては、絶縁基板上の金属回路パターンにペーストはんだを塗布し、そのペーストはんだに金属端子を押し当てて、加熱し、はんだ接合している。ペーストはんだは加熱すると粘度が低くなり、金属端子から離れる方向に広がり、金属端子厚みに対して薄くなりやすい。その状態で溶融したはんだは、金属端子の高さ方向には濡れ上がることはなく、金属端子とはんだの接合面積を大きくすることが困難であった。単純にペーストはんだを増量しても、金属端子から離れる方向への濡れ広がりが多くなるだけで、金属端子の厚み方向へのはんだ濡れ上がり性の大きな改善が無い。むしろ、金属端子から離れる方向への濡れ広がりで、近接部品および絶縁基板の下側に配置される絶縁材へのはんだ流れが問題となる。

特許文献１には、はんだ流れを防止するための技術として、銅回路パターンの表面に、リードフレームとのはんだ接合面域を囲むようにはんだダムが形成された半導体装置が開示されている。はんだダムは熱硬化性樹脂または光硬化性樹脂で作られ、そのダム高さははんだ層の熱抵抗および疲労寿命などを勘案して定めた所要のはんだ厚みよりも高い寸法に設定されている。はんだ接合の加熱温度で剥離および劣化が起こらないように、はんだダムとして、耐熱性の高い樹脂が用いられている。

特開２００４−３６３２１６号公報

特許文献１記載の半導体装置の製造方法では、はんだダムが熱硬化性樹脂または光硬化性樹脂で作られており、リードフレームのはんだ接合プロセスとは別にはんだダムを形成するプロセスが必要となる。例えば、銅回路パターンとリードフレームははんだのみで接合することが理想であるが、はんだダムが必要であり、はんだダムの部品コストおよびプロセスコストで半導体装置の製造コストが上昇することになる。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、はんだ流れを防止し、絶縁基板と金属端子とのはんだ接合強度を向上させることができる低コスト化に好適な半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

本願の発明に係る半導体装置の製造方法は、第１ペーストはんだを絶縁基板の上面にのせることと、該第１ペーストはんだとはんだ組成は同じであるが溶剤が異なることで該第１ペーストはんだよりも溶融時の粘度が高く、該第１ペーストはんだを囲む形状の第２ペーストはんだを、該絶縁基板の上面にのせることと、金属端子を該絶縁基板に近接させて該第１ペーストはんだを押しつぶすことで、該第１ペーストはんだが、該第２ペーストはんだの内壁に押し付けられ、該絶縁基板から離れる方向に盛り上がることと、該第１ペーストはんだと該第２ペーストはんだを加熱し、該第１ペーストはんだの濡れ広がりを該第２ペーストはんだによって抑制しつつ、該第１ペーストはんだと該第２ペーストはんだで該金属端子を該絶縁基板に固定すること、を備えたことを特徴とする。

本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。

本発明によれば、粘度の異なる複数のはんだを駆使することで、はんだ濡れ広がりを抑制しつつ金属端子と絶縁基板を接合するので、低コスト化に好適である。

図１Ａは実施の形態１の方法に係るはんだの平面図であり、図１Ｂは実施の形態１の方法に係るはんだ等の断面図である。 金属端子によって押しつぶしされた第１ペーストはんだを示す断面図である。 はんだ付け後の半導体装置の断面図である。 実施の形態２に係る第１ペーストはんだと第２ペーストはんだの平面図である。 実施の形態３に係る金属端子と複数の第１ペーストはんだの例を示す平面図である。 実施の形態３に係る金属端子と複数の第１ペーストはんだの例を示す平面図である。 金属端子の構成例を示す斜視図である。 実施の形態４に係る溶融前のはんだの構成例を示す断面図である。 金属端子によって押しつぶしされた第１ペーストはんだを示す断面図である。 加熱されたはんだを示す断面図である。 はんだ付け後の半導体装置の断面図である。

本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る絶縁基板と金属端子接合部の平面図および断面図である。図１Ａが平面図であり、図１Ｂが断面図である。図１Ｂには、絶縁基板５が、セラミックなどを材料とする絶縁板４ａ、絶縁板４ａの上面に形成された表面金属パターン４ｂおよび絶縁板４ａの下面に形成された裏面金属４ｃを有することが示されている。裏面金属４ｃと放熱板６の間にははんだ７があり、任意のタイミングではんだ７を加熱し、裏面金属４ｃと放熱板６を接合する。

実施の形態１に係る半導体装置の製造方法では、まず、第１ペーストはんだ１と第２ペーストはんだ２を絶縁基板５の上面にのせる。どちらを先に絶縁基板５にのせてもよい。例えば、表面金属パターン４ｂ上の金属端子３を配置する場所を囲うように表面金属パターン４ｂ上に第２ペーストはんだ２を塗布する。その後、第１ペーストはんだ１を第２ペーストはんだ２に囲まれた領域に塗布する。第１ペーストはんだ１は、金属端子３の直下に塗布することができる。

図１Ａには、加熱前の第２ペーストはんだ２が第１ペーストはんだ１を囲む環状の形状を有することが示されている。第２ペーストはんだ２は、平面視で第１ペーストはんだ１を囲む任意の形状とすることができる。例えば、金属端子３の形状又は表面金属パターン４ｂの形状に応じて、平面視で四角形にしたり、円形にしたり、任意の形状とし得る。

第１ペーストはんだ１と第２ペーストはんだ２は、はんだと、フラックスを含む溶剤とを含む。一例によれば、第１ペーストはんだ１と第２ペーストはんだ２のはんだ組成はＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕとすることができる。第２ペーストはんだ２は、第１ペーストはんだ１とはんだ組成は同じであるが溶剤が異なることで、第１ペーストはんだ１よりも溶融時の粘度が高く変形もしにくくなっている。そのため、第１ペーストはんだ１は濡れ広がりやすく、第２ペーストはんだ２は第１ペーストはんだ１より濡れ広がりにくい。第１ペーストはんだ１と第２ペーストはんだ２の溶剤の相違は、例えば、溶剤含有率の相違又は溶剤の種類の相違である。第１ペーストはんだ１と第２ペーストはんだ２は、常温において例えば１００〜３００Ｐａ・ｓ程度の粘度を有することで、常温での大きな変形が抑制されている。

次いで、金属端子３を絶縁基板５に近接させて第１ペーストはんだ１を押しつぶす。図２には、金属端子３を絶縁基板５に近接させたことが示されている。これにより、第１ペーストはんだ１が、第２ペーストはんだ２の内壁に押し付けられ、絶縁基板５から離れる方向に盛り上がる。一例によれば、金属端子３と表面金属パターン４ｂとの距離が０〜２００μｍになるまで、金属端子３を絶縁基板５に近接させる。図２には、金属端子３によって押し出された第１ペーストはんだ１が第２ペーストはんだ２に乗り上げたことが図示されている。このように、金属端子３から離れる方向に押し出された第１ペーストはんだ１は、第２ペーストはんだ２によって上方向に盛り上がる。

次いで、第１ペーストはんだ１と第２ペーストはんだ２を加熱する。加熱していくと、第１ペーストはんだ１は溶剤の働きによって粘度が低くなるものの、第２ペーストはんだ２があるためその外側へ流れ出ることは無く、第１ペーストはんだ１の高さは概ね維持される。つまり、この加熱では第２ペーストはんだ２の形状の変化は抑制されている。このような加熱の一例は、最初の３０秒で１００℃まで昇温し、その後複数の金属端子３の温度を安定させるために３分かけて１５０℃まで昇温するというものである。到達温度は例えば１５０±１０℃の範囲に制御される。この例では、第１ペーストはんだ１は８０〜１００℃で粘度がかなり下がり、金属端子３を覆いはじめる。他方、第２ペーストはんだ２の形状はほとんど変化しない。１５０℃に到達するころには、第１ペーストはんだ１と第２ペーストはんだ２の揮発成分の溶剤が揮発し、どちらも水分の少なくなった砂団子のような状態になる。
さらに温度を高めて加熱を続けると、第１ペーストはんだ１と第２ペーストはんだ２が溶融し始め、例えば金属端子３の側面と表面金属パターン４ｂとがはんだ接合される。この加熱の加熱温度は、はんだが溶融する温度に調整される。一例によれば、第１ペーストはんだ１と第２ペーストはんだ２がＰｂを含む場合は２００℃程度であり、Ｐｂを含まない場合は２３０〜２４０℃程度である。例えば３分程度の時間をかけてこれらの温度まで昇温する。これらの温度に到達する前にはんだが溶けフラックスと一緒に液体状態となり、金属端子３がはんだ接合される。

図３は、第１ペーストはんだ１と第２ペーストはんだ２が溶融し冷却した後の断面図である。第１ペーストはんだ１と第２ペーストはんだ２を加熱したことで、金属端子３の側面が第１ペーストはんだ１と第２ペーストはんだ２の混合体１２によって覆われている。このように、第１ペーストはんだ１の濡れ広がりを第２ペーストはんだ２によって抑制しつつ、第１ペーストはんだ１と第２ペーストはんだ２で金属端子３を絶縁基板５に固定する。第１ペーストはんだ１の濡れ広がりを第２ペーストはんだ２によって抑制することは、第１ペーストはんだ１の高さの維持を可能とし、金属端子３の側面の広い領域において酸化膜を除去しはんだをつけることができる。一例によれば、金属端子３の下面につながる側面の全体にはんだをつけることができる。

実施の形態１では、粘度の異なるペーストはんだを２種類使用し、塗布することで、前述の効果を得ることができる。第１ペーストはんだ１と第２ペーストはんだ２はどちらも金属端子３の接合に寄与するものなので、ペーストの濡れ広がりを抑制するために接合に寄与しない部材を設ける無駄を排除できる。

以下の実施の形態に係る半導体装置の製造方法は実施の形態１との類似点が多い。そのため、以下の実施の形態に係る半導体装置の製造方法では、主として実施の形態１との相違点を説明する。

実施の形態２．
図４は、実施の形態２に係る溶融前の第２ペーストはんだ２の構成例を示す平面図である。加熱前の第２ペーストはんだ２は、離れて設けられた複数の部分によって第１ペーストはんだ１を囲んでいる。この例では、第２ペーストはんだ２は、４つの離れて設けられた部分によって第１ペーストはんだ１を囲んでいる。言いかえると、４つの部分が四角形の四辺となるように第２ペーストはんだ２が塗布されている。４つの部分のうち隣接する２つの間には間隙がある。

金属端子３を第１ペーストはんだ１に押し付けるとき、または第１ペーストはんだ１と第２ペーストはんだ２を加熱したとき、第１ペーストはんだ１は平面視で放射状に広がっていく。そうすると第１ペーストはんだ１は、四角形の四辺となるように塗布された第２ペーストはんだ２にぶつかる。第２ペーストはんだ２の途切れた部分の４箇所には遅れて第１ペーストはんだ１が流れることになる。そのため、四隅に第２ペーストはんだ２の途切れがあったとしても、第２ペーストはんだ２は第１ペーストはんだ１に対するダムの機能を十分に発揮する。よって、定性的には実施の形態１と同等の効果を得ることができる。しかも、実施の形態１と比べて第２ペーストはんだ２の量を少なくすることができる。したがって、実施の形態２に係る半導体装置の製造方法は、はんだの量を少なくしたいが、金属端子とはんだとのはんだ接合面積は確保したい場合に有効な手段となる。

実施の形態３．
図５Ａは、実施の形態３に係る金属端子３の斜視図である。この金属端子３は絶縁基板との対向部分が比較的細長く形成されたものである。図５Ｂは、溶融前の第１ペーストはんだ１ａ、１ｂと第２ペーストはんだ２を示す平面図である。２つの第１ペーストはんだ１ａ、１ｂが第２ペーストはんだ２によって囲まれている。

金属端子３によって第１ペーストはんだ１ａ、１ｂが両方とも押しつぶされる。そして第１ペーストはんだ１ａ、１ｂと第２ペーストはんだ２を加熱すると、第１ペーストはんだ１ａ、１ｂの濡れ広がりが第２ペーストはんだ２によって抑制されつつ、第１ペーストはんだ１ａ、１ｂが金属端子３の側面の高い位置まで接合される。

例えば、先端が細長い金属端子などでは、金属端子の底面中央の１か所に第１ペーストはんだを塗布しても、金属端子の側面の広い範囲又は側面全面をはんだで濡らすことは難しい。金属端子の側面の広い範囲又は側面全面をはんだで濡らそうとして、第１ペーストはんだ１の量を多くすると、第１ペーストはんだが第２ペーストはんだの例えば長辺を乗り越える危険が増す。

これに対し、本実施形態で説明したとおり、複数の第１ペーストはんだを塗布することで、無駄なペーストはんだを使う必要がなくなり、かつ、第１ペーストはんだが第２ペーストはんだを乗り越えて周囲の電子部品へ達することを防止できる。金属端子の形状と、表面金属パターンの形状に合わせて、第１ペーストはんだを複数塗布することで、ペーストはんだを無駄にせず、効率よく金属端子３とのはんだ接合面積を増やすことができる。

図６は別の例に係る金属端子の接合方法を示す図である。図６Ａに示す金属端子３は、先端が二股に分かれている。図６Ｂには、この金属端子３が第１ペーストはんだ１ａ、１ｂの両方を押しつぶすことが示されている。このように複数に分岐した形状の金属端子の場合、例えば分岐数に合わせて第１ペーストはんだを提供することで、上述の効果を得ることができる。

本実施形態では、２つの第１ペーストはんだを１つの第２ペーストはんだで囲む構成を説明したが、３つ以上の第１ペーストはんだを１つの第２ペーストはんだで囲むこととしてもよい。金属端子によって押しつぶされる第１ペーストはんだの数を複数とすることができる。金属端子３の形状は特に限定されず、例えば図７に示すように底面積の大きい金属端子を用いる場合においても、複数の第１ペーストはんだを提供することが有効である。

実施の形態４．
図８は、実施の形態４に係る第２ペーストはんだ２の断面図である。加熱前の第２ペーストはんだ２は、絶縁基板５の上面に接する下層はんだ２ａと、下層はんだ２ａの上にある上層はんだ２ｂとを備えている。例えば下層はんだ２ａを表面金属パターン４ｂの上に１周塗布し、さらに重ねるように上層はんだ２ｂをもう１周塗布することで、２階建てにした構成とする。一例によれば、下層はんだ２ａも上層はんだ２ｂも平面視で環状に形成される。これを４角形としたり任意の形状としたりすることができる。下層はんだ２ａは平面視で切れ目なく形成されるが、上層はんだ２ｂは例えば実施の形態２で説明したように間隙を有する複数の部分で構成してもよい。

図９に示すように、金属端子３で第１ペーストはんだ１を押しつぶすと、第１ペーストはんだ１は２重に塗布された第２ペーストはんだ２で堰き止められる。第２ペーストはんだ２が２層構造なので、第１ペーストはんだ１は金属端子の厚み方向に対してより高く押し上げられる。

次いで、第１ペーストはんだ１と第２ペーストはんだ２を加熱する。図１０は、加熱中の半導体装置の断面図である。加熱により第１ペーストはんだ１の粘度が低くなり、第１ペーストはんだ１は平らになってくる。一例によれば、第２ペーストはんだ２の高さを金属端子３の接合部の厚みより高くすることで、第１ペーストはんだ１が当該接合部の上面を覆うこともできる。

さらに加熱が進むとはんだが溶融し、金属端子３の接合部の側面と上面がはんだ接合される。図１１は、冷却を経て金属端子３の接合部の側面と上面が第１ペーストはんだ１と第２ペーストはんだ２の混合体１２によって覆われたことを示す。

この例では、第２ペーストはんだ２を２層構造としたので、第２ペーストはんだ２を高くして、例えば接合部が厚い金属端子でも十分な強度の接合が可能となる。この場合、厚い接合部の大部分又はすべてをはんだで覆うことができる。ある程度薄い接合部であれば、図１１に示すように、接合部の側面だけでなく、上面まで覆うことができる。高さを高めた第２ペーストはんだ２は、第１ペーストはんだ１の増量を可能とする。なお、実施の形態１−３の方法でも接合部が薄ければ、接合部の側面と上面をはんだ接合することは可能である。

ここまでで説明した各実施の形態に係る特徴は組み合わせて用いてもよい。ある実施形態で説明した変形例は別の実施形態においても採用し得る。

１ 第１ペーストはんだ、 ２ 第２ペーストはんだ、 ３ 金属端子、 ５ 絶縁基板、 ６ 放熱板、 ７ はんだ

Claims (7)

1. 第１ペーストはんだを絶縁基板の上面にのせることと、
   前記第１ペーストはんだとはんだ組成は同じであるが溶剤が異なることで前記第１ペーストはんだよりも溶融時の粘度が高く、前記第１ペーストはんだを囲む形状の第２ペーストはんだを、前記絶縁基板の上面にのせることと、
   金属端子を前記絶縁基板に近接させて前記第１ペーストはんだを押しつぶすことで、前記第１ペーストはんだが、前記第２ペーストはんだの内壁に押し付けられ、前記絶縁基板から離れる方向に盛り上がることと、
   前記第１ペーストはんだと前記第２ペーストはんだを加熱し、前記第１ペーストはんだの濡れ広がりを前記第２ペーストはんだによって抑制しつつ、前記第１ペーストはんだと前記第２ペーストはんだで前記金属端子を前記絶縁基板に固定すること、を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 加熱前の前記第２ペーストはんだは、前記第１ペーストはんだを囲む環状の形状を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 加熱前の前記第２ペーストはんだは、離れて設けられた複数の部分によって前記第１ペーストはんだを囲むことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記第１ペーストはんだを複数有し、加熱前の前記第２ペーストはんだは複数の前記第１ペーストはんだを囲み、前記金属端子によって押しつぶされる前記第１ペーストはんだの数は複数であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
5. 加熱前の前記第２ペーストはんだは、前記絶縁基板の上面に接する下層はんだと、前記下層はんだの上にある上層はんだとを備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
6. 前記第１ペーストはんだと前記第２ペーストはんだを加熱したことで、前記金属端子の側面が前記第１ペーストはんだと前記第２ペーストはんだの混合体によって覆われることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
7. 前記第１ペーストはんだと前記第２ペーストはんだを加熱したことで、前記金属端子の側面と上面が前記第１ペーストはんだと前記第２ペーストはんだの混合体によって覆われることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。

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