JP2022085083A - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置および半導体装置の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】金属端子を金属回路パターンに接合する際のろう材の位置ずれを抑制できる半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置は、表面に金属回路パターンが形成された絶縁基板と、金属回路パターン上に硬ろう材を介して接合された金属端子と、を備え、金属回路パターン上には突起が設けられており、突起は硬ろう材と接している。【選択図】図2

Description

本開示は、半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。
半導体装置では、絶縁層の表面に金属回路パターンが形成された絶縁基板と金属端子との強固な接合を得るため、ろう付けが用いられることがある。例えば特許文献1において、端子が金属回路パターンにろう付けされた構成が開示されている。
特開2004-134703号公報
絶縁基板と端子のろう付けにおいて、ろう付けに用いるろう材の位置がずれるという問題がある。
本開示はこのような問題を解決するための物であり、金属端子を金属回路パターンに接合する際のろう材の位置ずれを抑制できる半導体装置を提供することを目的とする。
本開示の半導体装置は、表面に金属回路パターンが形成された絶縁基板と、金属回路パターン上に硬ろう材を介して接合された金属端子と、を備え、金属回路パターン上には突起が設けられており、突起は硬ろう材と接している、半導体装置、である。
本開示の半導体装置では、金属回路パターン上には突起が設けられており、突起は硬ろう材と接している。これにより、金属端子を金属回路パターンに接合する際のろう材の位置ずれを抑制できる。
実施の形態1から6の半導体装置の断面図である。 実施の形態1の半導体装置の部分斜視図である。 実施の形態1の半導体装置の部分上面図である。 実施の形態1の半導体装置の製造方法のフローチャートである。 実施の形態2の半導体装置の部分斜視図である。 実施の形態2の半導体装置の構成の効果を説明するための図である。 実施の形態2の半導体装置の構成の効果を説明するための図である。 実施の形態3の半導体装置の部分斜視図である。 実施の形態4の半導体装置の部分斜視図である。 実施の形態5の半導体装置の部分斜視図である。 実施の形態5の半導体装置の部分断面図である。 実施の形態6の半導体装置の部分斜視図である。 実施の形態6の半導体装置の金属端子の部分断面図である。 比較例の半導体装置の製造方法のフローチャートである。 比較例の半導体装置の製造過程を示す図である。 比較例の半導体装置の製造過程を示す図である。 比較例の半導体装置の製造過程を示す図である。 実施の形態1の半導体装置が突起を有さない場合の状況を示す図である。
<A.実施の形態1>
<A-1.構成>
図1は実施の形態1に係る半導体装置100を示す断面図である。
半導体装置100は、半導体素子10と、絶縁基板11と、金属ワイヤ12と、金属端子3と、硬ろう材4と、放熱板13と、樹脂ケース14と、封止材15と、を備える。
絶縁基板11は、絶縁層1と、金属回路パターン2を備える。絶縁層1の素材は例えばセラミックである。金属回路パターン2は絶縁基板11の表面に形成されている。金属回路パターン2の材料は例えば銅である。
半導体素子10は例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)やFWD(Free Wheeling Diode、還流ダイオード)などの電力半導体素子である。半導体素子10は金属回路パターン2に接合材18により接合されている。接合材18は例えばはんだである。金属回路パターン2は複数の部分に分かれており、半導体素子10と、半導体素子10が接合されている部分とは別の部分の金属回路パターン2と、は、金属ワイヤ12で接続されている。金属ワイヤ12は例えばアルミワイヤである。
絶縁基板11は放熱板13上にはんだ等の接合材16で接合され、半導体素子10、金属ワイヤ12等とともに樹脂ケース14内に配置され封止材15で保護されている。樹脂ケース14は絶縁基板11の周囲を囲っており、放熱板13に接着剤17で接着されている。樹脂ケース14の素材は例えばPPS(Poly Phenylene Sulfide Resin、ポリフェニレンサルファイド樹脂)である。封止材15は例えばシリコーンゲルである。
絶縁基板11の表面に形成された金属回路パターン2上に、金属端子3が硬ろう材4でろう付けされている。金属端子3は半導体装置100を外部の回路と電気的に接続するためのものである。
図2は半導体装置100のうち金属端子3が金属回路パターン2に接合されている部分を取り出して示した部分斜視図である。
図2に示されるように、金属回路パターン2上には突起50が設けられている。突起50は、金属端子3が金属回路パターン2と接合されている領域の周囲に離散的に配置され、当該領域を離散的に囲っている。
図3は、図2で示されているのと同じ領域の上面図である。図3に示されるように、突起50のどこか1箇所以上が硬ろう材4と接している。図3においては、破線で囲まれた領域21において、突起50と硬ろう材4とが接している。硬ろう材4は突起50に囲まれた領域に配置されており、突起50は、硬ろう材4に覆われてはいない。これにより、金属端子3を金属回路パターン2に接合する際の硬ろう材4の面内方向の位置ずれを容易に抑制できる。
<A-2.製造方法>
図4は半導体装置100の製造方法のフローチャートである。
まず、表面に金属回路パターン2が形成されており、金属回路パターン2上に突起50が形成されている絶縁基板11を準備する(ステップS1)。
次に、ステージに絶縁基板11を載置する(ステップS2)。
次に、絶縁基板11の金属回路パターン2上に硬ろう材4を載置する(ステップS3)。ステップS3では、突起50に囲まれた領域に、硬ろう材4が突起50に接するように、硬ろう材4を配置する。硬ろう材4は、扱いやすさの点から、板状のものが好ましく、また、フラックスレスで使用可能なりん銅ろうが適している。
次に、金属回路パターン2上に載置された硬ろう材4の上に、金属端子3を載置する(ステップS4)。
次に、レーザー等で金属端子3を介して硬ろう材4を加熱し、硬ろう材4を溶融させる。これにより、硬ろう材4を介して金属端子3を金属回路パターン2に接合する(ステップS5)。
次に、絶縁基板11に樹脂ケース14を装着し(ステップS6)、樹脂ケース14に封止材15を充填する(ステップS7)。
以上の工程を経て、半導体装置100が完成する。なお、以上の説明において、金属端子3と金属回路パターン2の接合に直接関係しない部分は省略してある。
突起50が無い場合、ステップS3からステップS5の間に、硬ろう材4と金属端子3の位置がずれてしまうことがある。例えば、図18に示されるように、硬ろう材4が本来の位置から硬ろう材40の位置にずれていると、金属端子3と金属回路パターン2との接合が適正になされない。
一方、半導体装置100の製造方法においては、表面に金属回路パターン2が形成された絶縁基板11であって金属回路パターン2上に突起50が形成されている絶縁基板11を準備し、硬ろう材4を金属回路パターン2上に突起50に接するように配置し、硬ろう材4を介して金属端子3を金属回路パターン2に接合する。図2に示されるように、金属端子3が接合される領域の周囲を囲うように突起50をあらかじめ金属回路パターン2上に形成しておくことで、硬ろう材4の位置ずれを抑制してろう付けをすることができる。その結果、接合品質の安定化が期待できる。
<A-3.その他>
本実施の形態においては、絶縁基板11の絶縁層1の素材は例えばセラミックであると説明したが、これに限るものではなく、絶縁層1の素材は例えば樹脂であっても良い。
また、本実施の形態においては、絶縁基板11の金属回路パターン2の材料は例えば銅であると説明したが、これに限らず例えばアルミでもよい。その場合、硬ろう材もりん銅ろう以外のものであってよく、硬ろう材として、アルミに対して濡れ性の良好な材料を使用してよい。
また、本実施の形態においては、硬ろう材4は板状のものが好ましいと述べたが、棒状の硬ろう材を用いても良い。
また、本実施の形態においては、半導体素子10と金属回路パターン2とを接合するダイボンド材である接合材18がはんだである場合について述べたが、これに限らず、接合材18は焼結性の銀や銅粒子を含む接合材でもよい。ダイボンド材として焼結性の接合材を用いることで、はんだを用いた接合の場合より、半導体素子10と金属回路パターン2の接合部分の寿命を向上させることが可能となる。
また、本実施の形態においては、半導体素子10の例としてIGBTを挙げたが、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ)でもよい。
また、本実施の形態においては、半導体素子10の例としてFWDを挙げたが、SBD(Schottky Diode、ショットキーダイオード)でもよい。
<A-4.効果>
金属回路パターン2上には突起50が設けられており、突起50は硬ろう材4と接している。これにより、金属端子3を金属回路パターン2に接合する際の硬ろう材4の位置ずれを抑制できる。
突起50は、金属端子3が金属回路パターン2と接合されている領域を囲うように配置されている。これにより、金属端子3を金属回路パターン2に接合する際の硬ろう材4の位置ずれをより抑制できる。
突起50は、金属端子3が金属回路パターン2と接合されている領域を離散的に囲うように配置されている。これにより、突起50の形成が容易である。
突起50は、硬ろう材4に覆われていない。これにより、金属端子3を金属回路パターン2に接合する際の硬ろう材4の位置ずれを容易に抑制できる。
<B.実施の形態2>
図1は実施の形態2の半導体装置101を示す断面図である。
図5は半導体装置101の部分斜視図である。
半導体装置101は、実施の形態1の半導体装置100と比べると、金属回路パターン2上に、突起50の代わりに突起51が設けられている点が異なる。半導体装置101は、その他の点では半導体装置100と同様である。
突起51は、金属端子3が金属回路パターン2と接合されている領域の周囲を連続的に囲うように配置されている。また、突起51のどこか1箇所以上が硬ろう材4と接している。
半導体装置101の製造時に、例えば板状の硬ろう材4がたわんでしまった場合などでも、図7に示されるように突起51が周囲を連続的に囲っていることで、図6に示されるように実施の形態1で説明したような離散的な突起50が設けられている場合と比べ、硬ろう材4の位置ずれ抑制の効果を安定的に得ることができる。
<C.実施の形態3>
図1は実施の形態3に係る半導体装置102を示す断面図である。
図8は半導体装置102の部分斜視図である。
半導体装置102では、突起50aは、金属ワイヤを金属回路パターン2上に接合して形成された金属ワイヤバンプである。突起50として金属ワイヤバンプである突起50aを備える点を除けば、半導体装置102は半導体装置100と同様である。半導体装置102においても、半導体装置100と同様、突起50aのどこか1箇所以上が硬ろう材4と接している。
金属ワイヤバンプである突起50aは安価に形成できるため、突起50aを金属ワイヤバンプとして形成することで、実施の形態1の効果に加え、製造コストを抑える効果が得られる。
<D.実施の形態4>
図1は実施の形態4に係る半導体装置103を示す断面図である。
図9は半導体装置103の部分斜視図である。
半導体装置103では、突起50は絶縁性の素材を含む突起50bであり、特に、突起50bは絶縁性の素材により形成されている。突起50bの形成に用いられる絶縁性の素材は例えば樹脂であり、より具体的には例えばシリコーン樹脂やエポキシ樹脂などの接着材料である。突起50として絶縁性の素材を含む突起50bを備える点を除けば、半導体装置103は半導体装置100と同様である。半導体装置103においても、半導体装置100と同様、突起50bのどこか1箇所以上が硬ろう材4と接している。
突起50bの形成に絶縁材を用いることで電界強度の上昇を防止できるため部分放電の低減ができる。
また、半導体装置103は、実施の形態3の半導体装置102のように突起50aが金属ワイヤバンプとして形成される場合と比べ、金属ワイヤバンプの形成時に生成される可能性がある微小金属異物の発生を抑制できるという利点を有する。
<E.実施の形態5>
図1は実施の形態5に係る半導体装置104を示す断面図である。
図10は半導体装置104の部分斜視図である。
半導体装置104の構成は、以下で述べる金属端子3と金属回路パターン2の硬ろう材4を介した接合のされ方を除けば、実施の形態1の半導体装置100と同様である。半導体装置104においても、半導体装置100と同様、突起50のどこか1箇所以上が硬ろう材4と接している。
金属端子3と金属回路パターン2との硬ろう材4を介した接合において、金属端子3は、金属端子3の延在方向に沿った両側の端部で金属回路パターン2と接合されている。また、金属端子3と金属回路パターン2との硬ろう材4を介した接合において、金属端子3は、金属端子3の延在方向に沿った中央部分では金属回路パターン2と接合されていない部分を全体的に有する。
半導体装置104の製造方法は、<A-2.製造方法>で説明した半導体装置100の製造方法と、<A-2.製造方法>で説明した範囲では同様である。
半導体装置104の製造方法では、ステップS5において硬ろう材4を介して金属端子3を金属回路パターン2に接合する際には、図10および図11に示されるように、硬ろう材4のうち、金属端子3のうち金属端子3の延在方向に沿った両側の端部、の直下部分を溶融させ、硬ろう材4のうち、金属端子3のうち金属端子3の延在方向に沿った中央部、の直下部分は全体的に溶融させない。図10および図11においては、硬ろう材4のうち製造時に溶融させられる部分が硬ろう材4a、硬ろう材4のうち製造時に溶融させられない部分が硬ろう材4bとして示されている。硬ろう材4のうち、金属端子3のうち金属端子3の延在方向に沿った両側の端部、の直下部分を選択的に溶融させるためには、例えば図10に示されるように、金属端子3のうち金属端子3の延在方向に沿った両側の端部にレーザー6を走査する。
もしくは、金属端子3と金属回路パターン2との硬ろう材4を介した接合において、金属端子3は、金属端子3の延在方向に沿った中央部分では金属回路パターン2と接合されていない部分を部分的に有してもよい。この場合、図4のフローチャートのステップS5において硬ろう材4を介して金属端子3を金属回路パターン2に接合する際に、硬ろう材4のうち、金属端子3のうち金属端子3の延在方向に沿った両側の端部、の直下部分を溶融させ、硬ろう材4のうち、金属端子3のうち金属端子3の延在方向に沿った中央部、の直下部分は部分的に溶融させない。例えば、金属端子3の接合部分の外周部分のうち金属端子3の曲げ部分を除く三辺部分の硬ろう材4を溶融させ、当該三辺部分で金属端子3と金属回路パターン2とを硬ろう材4を介して接合してもよい。
硬ろう材4のうち、金属端子3のうち金属端子3の延在方向に沿った中央部、の直下部分は少なくとも部分的に溶融させないことで、短時間での接合が可能であり製造コストを抑えられることに加え、絶縁基板11や絶縁基板11の下側の材料へのダメージ抑制により品質の安定化が図れる。硬ろう材4のうち、金属端子3のうち金属端子3の延在方向に沿った中央部、の直下部分を全体的に溶融させないことで、これらの効果がより大きくなる。
硬ろう材は一般的に融点が450℃以上のものを指す。代表的な硬ろう材であるりん銅ろう(BCup-5)の引張強さが33~39kg/mmであるのに対し、はんだ材(Sn-3.0Ag-0.5Cu)の引張強さは5~6kg/mmであり、りん銅ろうの引張強さははんだ材の引張強さの6倍以上である。このように硬ろう材の引張強さははんだ材の引張強さより強いため、硬ろう材を使用する場合、本実施の形態のように金属端子3と金属回路パターン2が全面では接合されていない構成であってもよい。
<F.実施の形態6>
図1は実施の形態6に係る半導体装置105を示す断面図である。
図12は半導体装置105の部分斜視図である。
半導体装置105は、実施の形態5の半導体装置104と比べ、金属端子3の代わりに金属端子3aを備える。その他の点は半導体装置104と同様である。半導体装置105においても、半導体装置104と同様、突起50のどこか1箇所以上が硬ろう材4と接している。
金属端子3aの厚みは、金属回路パターン2と接合されている部分において、金属端子3aの延在方向に沿った両端部で中央部分より薄くなっている。つまり、金属回路パターン2と接合されている部分において、金属端子3aの延在方向に沿った中央部での厚みをD、金属端子3aの延在方向に沿った両端部の厚みをEとすると(図13参照)、EはDより小さい。金属端子3の代わりに金属端子3aを備える点を除けば、半導体装置105の構成は半導体装置104と同様である。
EがDより小さいことで、製造工程において、硬ろう材4をより早く溶融させて金属端子3aと金属回路パターン2を短時間で接合でき、また、絶縁基板11や絶縁基板11下の材料へのダメージを抑制できる。
また、両端部の厚みEはD/2以下であることが望ましい。EがD/2以下であることにより、硬ろう材4を早く溶融させて短時間での接合ができる効果や、絶縁基板11や絶縁基板11下の材料へのダメージを抑制できる効果が十分に得られる。
また、実施の形態1から4の半導体装置100から半導体装置103の金属端子3を、金属端子3aに置き換えてもよい。
<G.比較例>
実施の形態1から6との比較例として、半導体装置が突起50または突起51を有さない場合を考える。半導体装置が突起を有さない場合、製造工程において硬ろう材4の位置ずれを防ぐための製造方法として、例えば、図14のフローチャートに示される製造方法が考えられる。
まず、表面に金属回路パターン2が形成されており、金属回路パターン2上に突起が形成されていない絶縁基板11bを準備する(ステップS11)。
次に、ステージに絶縁基板11bを載置する(ステップS12)。
次に、ろう材供給治具20(図15参照)の位置決めをし、ろう材供給治具20を配置する(ステップS13)。
次に、図15に示されるように、レーザー6により、絶縁基板11bに硬ろう材4を接合する(ステップS14)。ステップS14において、硬ろう材4は、ろう材供給治具20により、供給および位置決めされる。
次に、ろう材供給治具20を絶縁基板11bから取り外す(ステップS15)。ステップS15において、図16に示されるように、硬ろう材4のうち絶縁基板11bに接合されなかった部分(硬ろう材4d)も絶縁基板11bから取り外される。
次に、硬ろう材4のうち絶縁基板11bに接合された部分(硬ろう材4c)上に金属端子3を載置する(ステップS16)。
次に、図17に示されるように、レーザー6により、硬ろう材4cを介して、金属端子3を絶縁基板11bに接合する(ステップS17)。
次に、絶縁基板11bに樹脂ケース14を装着し(ステップS18)、樹脂ケース14に封止材15を充填する(ステップS19)。
このように、図14のフローチャートに示される製造方法においては、硬ろう材4の位置決めを目的としてろう材供給治具20を用いる。
実施の形態1から6の半導体装置100から半導体装置105では、突起50または突起51により硬ろう材4の位置ずれが抑制されるため、図14のフローチャートに示される製造方法と比べ、より簡易的に硬ろう材の位置ずれを抑制できる。
なお、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
1 絶縁層、2 金属回路パターン、3,3a 金属端子、4,4a,4b,4c,4d,40 硬ろう材、10 半導体素子、11,11b 絶縁基板、12 金属ワイヤ、13 放熱板、14 樹脂ケース、15 封止材、16,18 接合材、17 接着剤、20 ろう材供給治具、50,50a,50b,51 突起、100,101,102,103,104,105 半導体装置。

Claims (14)

  1. 表面に金属回路パターンが形成された絶縁基板と、
    前記金属回路パターン上に硬ろう材を介して接合された金属端子と、
    を備え、
    前記金属回路パターン上には突起が設けられており、
    前記突起は前記硬ろう材と接している、
    半導体装置。
  2. 請求項1に記載の半導体装置であって、
    前記突起は、前記金属端子が前記金属回路パターンと接合されている領域を囲うように配置されている、
    半導体装置。
  3. 請求項2に記載の半導体装置であって、
    前記突起は、前記金属端子が前記金属回路パターンと接合されている領域を離散的に囲うように配置されている、
    半導体装置。
  4. 請求項2に記載の半導体装置であって、
    前記突起は、前記金属端子が前記金属回路パターンと接合されている領域を連続的に囲うように配置されている、
    半導体装置。
  5. 請求項1から4のいずれか1項に記載の半導体装置であって、
    前記突起は、前記硬ろう材に覆われていない、
    半導体装置。
  6. 請求項1から5のいずれか1項に記載の半導体装置であって、
    前記突起は、金属ワイヤを前記金属回路パターン上に接合して形成されたものである、
    半導体装置。
  7. 請求項1から5のいずれか1項に記載の半導体装置であって、
    前記突起は、絶縁性の素材を含む、
    半導体装置。
  8. 請求項7に記載の半導体装置であって、
    前記絶縁性の素材は樹脂である、
    半導体装置。
  9. 請求項1から8のいずれか1項に記載の半導体装置であって、
    前記金属端子と前記金属回路パターンとの前記硬ろう材を介した前記接合において、前記金属端子は、前記金属端子の延在方向に沿った両側の端部で前記金属回路パターンと接合されており、また、前記金属端子は、前記金属端子の延在方向に沿った中央部分では前記金属回路パターンと接合されていない部分を少なくとも部分的に有する、
    半導体装置。
  10. 請求項9に記載の半導体装置であって、
    前記金属端子と前記金属回路パターンとの前記硬ろう材を介した前記接合において、前記金属端子は、前記金属端子の延在方向に沿った両側の端部で前記金属回路パターンと接合されており、また、前記金属端子は、前記金属端子の延在方向に沿った中央部分では前記金属回路パターンと接合されていない部分を全体的に有する、
    半導体装置。
  11. 請求項1から10のいずれか1項に記載の半導体装置であって、
    前記金属端子の厚みは、前記金属回路パターンと接合されている部分において、前記金属端子の延在方向に沿った両側の端部の方が中央部分と比べ薄い、
    半導体装置。
  12. 請求項1から11のいずれか1項に記載の半導体装置であって、
    半導体素子をさらに備え、
    前記半導体素子は前記金属回路パターン上に接合されている、
    半導体装置。
  13. 表面に金属回路パターンが形成された絶縁基板であって前記金属回路パターン上に突起が形成されている絶縁基板を準備し、
    硬ろう材を前記金属回路パターン上に前記突起に接するように配置し、
    前記硬ろう材を介して金属端子を前記金属回路パターンに接合する、
    半導体装置の製造方法であって、
    前記硬ろう材を介して前記金属端子を前記金属回路パターンに接合する際に、前記硬ろう材のうち、前記金属端子のうち前記金属端子の延在方向に沿った両側の端部、の直下部分を溶融させ、前記硬ろう材のうち、前記金属端子のうち前記金属端子の延在方向に沿った中央部、の直下部分は少なくとも部分的に溶融させない、
    半導体装置の製造方法。
  14. 請求項13に記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記硬ろう材を介して前記金属端子を前記金属回路パターンに接合する際に、前記硬ろう材のうち、前記金属端子のうち前記金属端子の延在方向に沿った両側の端部、の直下部分を溶融させ、前記硬ろう材のうち、前記金属端子のうち前記金属端子の延在方向に沿った中央部、の直下部分は全体的に溶融させない、
    半導体装置の製造方法。
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