JP3809806B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に金属回路板を有するセラミック等の絶縁基板上にシリコンチップ等がはんだ付けされたものを、金属ベース上にはんだ付けしてなるパワーモジュールに代表される電力用半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電力用半導体装置を製造する方法として、主につぎの３つの方法が実施されている。第１の方法では、まず還元雰囲気の連続炉（トンネル炉）を用いて、予備はんだをおこない、シリコンチップの裏面電極上にはんだを設ける。つづいて、そのはんだを介して絶縁基板にシリコンチップをはんだ付けする。その後、ワイヤボンディングをおこなう。そして、絶縁基板上にシリコンチップをはんだ付けしたものを、大気中でフラックスを用いて、銅などでできた金属ベースにはんだ付けする。
【０００３】
第２の方法では、還元雰囲気の連続炉を用いて、シリコンチップと絶縁基板とをはんだ付けする。その後、ワイヤボンディングをおこなう。そして、絶縁基板上にシリコンチップをはんだ付けしたものを、還元雰囲気の連続炉を用いて金属ベースにはんだ付けする。
【０００４】
第３の方法では、不活性雰囲気の減圧炉を用いて、シリコンチップと絶縁基板と金属ベースとをフラックス入りはんだを介してはんだ付けする。その後、ワイヤボンディングをおこなう。
【０００５】
ところで、パワーモジュールなどの電力用半導体装置では、大電流が流れるため、シリコンチップの発熱量は数十〜数千ワットと非常に大きい。そのため、電力用半導体装置には、優れた熱放散特性が要求される。しかし、シリコンチップと絶縁基板との間のはんだ接合層や、絶縁基板と金属ベースとの間のはんだ接合層に気泡（ボイド）が存在すると、これらの気泡は熱放散を妨げるため、熱放散特性の著しい低下をもたらし、半導体装置の破壊を招く原因となる。したがって、はんだ接合層中に気泡をできるだけ存在させないことが重要である。
【０００６】
はんだ接合層中に気泡が発生する原因として、はんだ材料中の炭酸ガスなどの溶存ガスがはんだ溶融時に気泡として残ることが挙げられる。また、はんだ付け時に、はんだや絶縁基板などの被接合部材の表面に吸着した吸着物、または酸化スズや酸化銅や酸化ニッケルが還元され、それによって生じたＨ2Ｏがガス化して気泡として残ることも原因として挙げられる。また、はんだ付け時に使用するフラックスの気化により発生するガスやフラックスそのものがはんだ接合層中に残留することも原因の一つである。
【０００７】
したがって、はんだ接合層中の気泡を低減させるため、一般に、被接合部材表面の酸化を防止してその表面を清浄に保ったり、溶存ガスのないはんだ材料や濡れ性のよいはんだ材料を使用するなどの対策が講じられている。また、はんだ付けプロファイルを最適化したり、被接合部材の変形を制御したり、減圧雰囲気ではんだ付けをおこなうなどの対策が講じられている。
【０００８】
また、はんだ付け方法に関する提案も多数なされている。たとえば、密封容器内に形成された大気よりも熱伝導率の高い気体で形成された雰囲気を準備し、はんだ加熱溶融前に雰囲気の圧力を減少させた状態ではんだを溶融させ、凝固前に雰囲気の圧力を溶融前の圧力よりも高くする方法が公知である（特開平１１−１５４７８５号）。この方法では、気泡を圧縮することによって、その体積を減少させている。
【０００９】
また、基板にはんだを設け、このはんだ部分に電子部品を仮実装した後、真空雰囲気下ではんだを加熱溶融させて電子部品をはんだ付けする方法が公知である（特開平７−７９０７１号）。この方法では、水素ガスなどの還元ガスは用いられていない。
【００１０】
また、金属ベース上に導体層を有する絶縁基板をはんだ接合する工程と、絶縁基板上に半導体チップを搭載する工程とを備えた半導体装置の製造方法において、はんだ接合する工程が大気圧下ではんだを溶融し溶融はんだを形成する工程と、溶融はんだを減圧する工程と、溶融はんだを大気圧に戻す工程と、溶融はんだを凝固する工程からなる方法が公知である（特開平１１−１８６３３１号）。この方法は、フラックスを用いたはんだ接合に対して真空操作を適用した方法であり、この公報中には水素や還元雰囲気などについての言及はない。
【００１１】
また、ベアチップ等とヒートスプレッダーとのはんだ付けにおいて、ベアチップを予めはんだ付けされたヒートスプレッダーを真空熱処理炉に入れて、炉内を真空に引きながら加熱し、再度はんだ部分を溶融させる方法が公知である（特開平５−２９１３１４号）。この方法は、フラックスを用いたはんだ付け方法であり、この公報中には水素や還元雰囲気などについての言及はない。
【００１２】
また、処理容器と、真空排気と高純度ガス導入とにより低酸素濃度雰囲気を生成することによって処理容器内の雰囲気とその圧力とを制御する手段と、処理容器内に設けられた加熱手段とを備えたはんだ付け装置を用いて、回路基板を加熱手段により加熱し、処理容器内の雰囲気の圧力を制御することにより、はんだ接続をおこなう方法が公知である（特開平８−２４２０６９号）。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した第１乃至第３の方法による電力用半導体装置の製造方法ではつぎのような問題点がある。第１の方法では、シリコンチップを治具に取り付けて、予備はんだおよび絶縁基板へのはんだ付けをおこなうため、複数回のハンドリングによりシリコンチップが破損などのダメージを受ける確率が非常に高くなる。そのため、電気特性不良が発生しやすい。
【００１４】
第１および第２の方法では、シリコンチップと金属回路板とセラミックとの熱膨張係数差に起因するバイメタル効果により、はんだ付け後に絶縁基板に反りが生じやすい。反りが生じると、ワイヤボンディング時にシリコンチップに不均一な応力が加わり、そのダメージにより電気特性不良が発生するおそれがある。
【００１５】
第１および第３の方法では、はんだ付け終了後に洗浄をおこなってフラックスを除去する必要があるが、シリコンチップの表面に洗浄残渣などの汚れが再付着すると、耐圧低下などの電気特性不良が発生することがある。特に、第３の方法では、洗浄後にワイヤボンディングをおこなうため、フラックス残渣や洗浄残渣が付着していると、ワイヤボンディング部に強固な接合が形成されず、信頼性の低下を招く。
【００１６】
第１および第３の方法では、全長が１０ｍ近い連続式のはんだ付け炉を用いるため、炉の運転時には、はんだ付けに必要な水素や窒素などのガスを常時流し続けなければならず、また炉内投入物の熱容量の違いによりその都度温度を管理する必要がある。炉の運転開始時には、炉内温度や雰囲気が均一になるまでに膨大な時間を要する。したがって、多大な運転コストがかかってしまう。
【００１７】
また、上述した第１乃至第３の方法による電力用半導体装置の製造方法では、熱放散性に関してもつぎのような問題点がある。第１および第２の方法では、連続炉を用いて大気圧（常圧）の状態ではんだ付けをおこなうため、はんだ溶融中に生じた気泡の逃げる経路がはんだの粘性や被接合部材により邪魔されてしまい、はんだ接合層中に気泡が残存しやすい。そこで、上述したように、溶存ガスの少ないはんだ材料を用いたり、はんだ材料や被接合部材を、酸化しないように保管したり梱包する必要があるが、それによって部材のコストアップを招く。また、はんだ付け炉内の酸素濃度や露点や温度プロファイルを精密に制御する必要があり、はんだ付け炉の運転コストが多大になってしまう。
【００１８】
また、第３の方法では、減圧が不十分であると、フラックスの抜けた跡、すなわちフラックスが移動した跡がそのまま気泡としてはんだ接合層中に残存してしまう。また、フラックスを減圧により全て除去するためには膨大な時間がかかり、バッチ式炉の場合には生産性の低下を招く。また、フラックスの主成分であるロジン（松脂）が、減圧室内や配管などに付着して堆積するため、装置内の洗浄を頻繁におこなう必要があり、装置の維持、管理のコストが多大に発生する。さらに、３００℃以上ではんだ付けをおこなうとフラックスの焼き付きが発生するため、３００℃以上ではんだ付けをおこなうことができない。
【００１９】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、少なくとも２つの被接合部材間にはんだ板を介した積層体を、短時間のはんだ付け処理によって接合し、はんだ接合層中の気泡の少ない半導体装置を得ることが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。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明にかかる半導体装置の製造方法は、少なくとも２つの被接合部材間にはんだ板を介した積層体を、減圧炉を備えた接合組み立て装置内に投入する工程と、炉内を真空排気した後、炉内を正圧の水素雰囲気にして積層体の各部材の少なくとも被接合表面を還元する工程と、はんだの加熱溶融後、炉内を再び真空雰囲気にしてはんだ中の気泡を除去する工程と、再び炉内を正圧の水素雰囲気にして、はんだ中に気泡の移動により生じたトンネル状の孔を塞ぐとともに、はんだフィレット形状を均一な形状とする工程と、急冷してはんだ組織を微細化することによって、被接合部材の接合に供されたはんだのクリープ速度を速くして、熱膨張係数差に起因する被接合部材の反りを速やかに元に戻す工程と、を含むことを特徴とする。
【００２１】
この発明によれば、被接合部材のはんだ接合が減圧炉内で同時におこなわれるとともに、そのときにはんだ中の気泡が除去され、また異種材料の接合により生じる被接合部材の反りが速やかに除去される。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。図１は、本発明にかかる半導体装置の製造方法における温度プロファイル、チャンバー内雰囲気および圧力、並びに処理動作の一例を示すチャートである。まず、前準備として、図２に示すように、金属ベース１上に絶縁基板２を、絶縁基板−金属ベース接合用はんだ板３を介して積層し、さらにその上にシリコンチップ４を、シリコンチップ−絶縁基板接合用はんだ板５を介して積層する。この積層体１０を、図３に示すように、減圧炉１１内の搬送ステージ１２上に載せる。搬送ステージ１２は、積層体１０を加熱するための熱板１３、および積層体１０を冷却するための水冷却板１４の間を行き来する構成となっている。
【００２３】
搬送ステージ１２上に積層体１０を載せ、図１に示すチャートにしたがってはんだ付けを開始すると、まず減圧炉１１が密封され、炉内の減圧が開始される（図１、タイミングＴ０）。この脱気処理時には、搬送ステージ１２は、熱板１３および水冷却板１４のいずれからも離れた待機状態にある。
【００２４】
減圧炉１１内の真空度がたとえば５．７３１９Ｐａに達すると、減圧炉１１内に水素ガスの導入が開始される（図１、タイミングＴ１）。水素ガスの流量はたとえば毎分１０リットルである。そして、減圧炉１１内の圧力が正圧になると、搬送ステージ１２は熱板１３へ移動される。それによって、積層体１０は熱板１３により加熱され、目標とする接合温度に到達するまでその状態で保持される。
【００２５】
目標の接合温度に到達するまでの昇温過程（図１、タイミングＴ１〜Ｔ２）において、減圧炉１１内の圧力が正圧であるため、積層体１０の各部材の隙間に水素ガスが浸透しやすい。したがって、絶縁基板−金属ベース接合用はんだ板３、シリコンチップ−絶縁基板接合用はんだ板５、絶縁基板２および金属ベース１の各表面の還元が促進され、被接合表面がワイヤボンディングをおこなう過疎補表面などの濡れ性が確保される（一次還元処理）。また、各はんだ板３，５が溶融し、そのときに生じた気泡に水素ガスが充填される。それによって気泡が活性化する。はんだ板３，５が溶融している間は、減圧炉１１内の酸素濃度はたとえば３０ｐｐｍ以下、好ましくは１０ｐｐｍ以下に保たれ、かつ露点は−３０℃以下、好ましくは−５０℃以下に保たれる。
【００２６】
目標の接合温度に達すると、再び減圧炉１１内の減圧が開始される（図１、タイミングＴ２）。そして、減圧炉１１内の真空度がたとえば１３．１９６７Ｐａに達した後、さらにたとえば１分間、減圧が継続される。それによって、減圧炉１１内の真空度はおおよそ４．１３２３〜３．７３２４×１０-1Ｐａに達する。この１分間の減圧の継続により、はんだと被接合部材との間の濡れ不足によって発生する気泡、およびはんだ材料中に含まれる溶存ガスによって発生する気泡の両方がほとんど除去される。ここで、減圧の継続時間を１分間としたのは、減圧を１分間より長く継続してもさらなる気泡除去効果が得られないからである。
【００２７】
その後、炉内に再び水素ガスが導入される（図１、タイミングＴ３）。減圧炉１１内の圧力が正圧に達した後、さらに１分間継続して水素ガスが導入される（二次還元処理）。水素ガスの導入を継続する理由は、図４に示すように、上述した１分間の減圧継続時にはんだ板３，５中の気泡２１がはんだ板３，５の外に除去される際にはんだ板３，５中に残るトンネル状の孔（気泡２１が通った跡）２２を、水素の還元作用により塞ぐためである。
【００２８】
つまり、はんだ板３，５中の気泡２１には酸化成分の気体が充満しているので、この気泡２１が通過する際に接触したはんだ部分は酸化してしまう。そのため、気泡２１の通過部分のはんだが濡れずに、トンネル状の開気泡が残ってしまう。この開気泡の中に水素ガスが充満することによって、酸化した内面が還元され、はんだの濡れがよくなり、開気泡がはんだで埋まることになる。
【００２９】
また、水素ガスの導入を継続するもう一つの理由は、水素による還元と熱板１３による加熱保持により、図５に示すように、はんだ板５の表面張力を低減させ、それによってはんだフィレット形状３１を安定化させて、はんだ亀裂発生寿命を向上させるためである。水素ガス導入の継続をおこなわないで、炉内減圧の後、直ちに冷却を開始してはんだ板５を凝固させると、はんだ板５の表面張力が大きいため、図６に示すようにはんだフイレット形状３２が不均一になり、温度サイクルなどによるはんだ亀裂の発生寿命が短くなってしまう。
【００３０】
はんだ板５の表面張力を小さくするには、はんだ板５を加熱保持するか、水素ガスにはんだ板５をさらす時間を長くするか、またはそれらを組み合わせればよい。ただし、水素ガスの導入を１分間より長く継続しても、気泡２１が通った跡の孔２２を埋める効果や、はんだフィレット形状３１の安定化効果にあまり違いはみられないため、水素ガス導入の継続時間は１分間が適当である。
【００３１】
二次還元処理が終了すると、搬送ステージ１２は熱板１３から水冷却板１４に移動される。それによって、積層体１０の冷却が開始される（図１、タイミングＴ４）。積層体１０はたとえば毎分３００℃の速度で冷却される。そして、積層体１０の温度がたとえば５０〜６０℃になったら、減圧炉１１内の水素の排気が開始される（図１、タイミングＴ５）。
【００３２】
水素の排気により、減圧炉１１内の真空度がたとえば５．７３１９Ｐａになったら、減圧炉１１内に窒素ガスが導入される（図１、タイミングＴ６）。そして、減圧炉１１内が窒素ガスで置換され、炉内の水素濃度が爆発限界以下に達した後、減圧炉１１は開放される（図１、タイミングＴ７）。図１のタイミングＴ０〜Ｔ７の一連の操作は１５分以内で完了する。そして、この一連の操作により、気泡のない高品質なはんだ接合層を有する半導体装置が得られる。
【００３３】
ここで、熱板１３の温度は、はんだの液相線温度に対して５０℃程度高い温度であるのが好ましい。たとえば、シリコンチップ−絶縁基板接合用はんだ板５として、液相線温度が３０１℃の高Ｐｂ含有はんだを用い、かつ絶縁基板−金属ベース接合用はんだ板３として、液相線温度が１８３℃のＳｎ−Ｐｂはんだを用いる場合、熱板１３の温度は、熱板１３の面内のばらつきを考慮して３５０〜３６０℃である。
【００３４】
また、たとえば、シリコンチップ−絶縁基板接合用はんだ板５として、液相線温度が２２２℃のＳｎ−Ａｇ系はんだを用い、かつ絶縁基板−金属ベース接合用はんだ板３として、液相線温度が２３４℃のＳｎ−Ｐｂはんだを用いる場合、上記記述にしたがえば、熱板１３の温度は２８０〜２９０℃である。しかし、３００℃以上で水素還元力の効果が発揮されることに鑑みれば、熱板１３の温度は３００〜３１０℃であるのが好ましい。
【００３５】
本発明者らが実際に調べた結果でも、高Ｐｂ含有はんだ（液相線温度：３０１℃）とＳｎ−Ｐｂはんだ（液相線温度：１８３℃）の組み合わせでは、熱板１３の温度が３５０〜３６０℃のときに、はんだ接合層中の気泡は最も少なかった。また、Ｓｎ−Ａｇ系はんだ（液相線温度：２２２℃）とＳｎ−Ｐｂはんだ（液相線温度：２３４℃）の組み合わせでは、熱板１３の温度が３００〜３１０℃のときに、はんだ接合層中の気泡は最も少なかった。
【００３６】
つぎに、水冷却板１４の温度および冷却時間であるが、これらについてははんだの冷却速度（凝固速度）を考慮して選定される。すなわち、本実施の形態では、熱膨張係数の異なるシリコンチップ４と絶縁基板２と金属ベース１とが同時にはんだ付けされるため、はんだ付けが完了した状態では、熱膨張係数の最も大きい金属ベース１が絶縁基板２の側に凸状となるように反ってしまう。その影響で、はんだ接合層を介して接合された積層体１０には、最大０．３ｍｍ程度の反りが生じる。この反りがつぎのワイヤボンディング工程まで持ちこされると、上述したように電気特性不良の発生原因となるので、ワイヤボンディング前に反りを除去する必要がある。
【００３７】
そのためには、絶縁基板２と金属ベース１との間のはんだ接合層を短時間にクリープさせればよい。図７は、Ｓｎ−Ｐｂはんだ（Ｓｎ−３７Ｐｂはんだ）の結晶粒サイズとクリープ速度の関係を示す特性図であるが、同図より、結晶粒子径が細かくなるにつれてクリープ速度が大きくなる傾向にあることがわかる。この傾向は、ＳｎとＰｂの組成比が異なるはんだ材料でも同様である。したがって、クリープ速度を速くするためには、はんだの金属組織（結晶粒子）をより微細にすればよい。
【００３８】
また、図８〜図１１に、冷却速度を変えたときのＳｎ−Ｐｂはんだ（Ｓｎ−３７Ｐｂはんだ）の金属組織のＳＥＭ像を示す。図８、図９、図１０および図１１は、それぞれ冷却速度が毎分６００℃、毎分３００℃、毎分５℃および毎分０．５℃のものであり、これらの図から、冷却速度が大きくなるにつれてはんだ組織が微細になることがわかる。したがって、クリープ速度−結晶粒サイズ−冷却速度の関係より、クリープ速度を速くするためには、はんだの冷却速度（凝固速度）を大きくすればよく、冷却速度を毎分２５０℃以上、たとえば毎分３００℃とするのが好ましい。
【００３９】
本発明者らが調べたところ、冷却速度が毎分２５０℃以上であれば、２４時間以内に金属ベース１の反りが０〜−０．１ｍｍの範囲（“−”は絶縁基板２側に凸であることを表す）に収まり、ワイヤボンディングへの悪影響をなくすことができることがわかった。換言すれば、冷却速度が毎分２５０℃未満では、金属ベース１の反りを十分に戻すことができず、ワイヤボンディングに悪影響を及ぼすおそれがある。また、はんだのクリープを速くして接合後の積層体１０の残留応力をできるだけ前の工程で除去すれば、金属ベース１の変形を安定化させることができる。したがって、水冷却板１４の温度および冷却時間は、はんだの冷却速度が毎分２５０℃以上となるように選定される。
【００４０】
ところで、シリコンチップ４が５ｍｍ角以下の大きさである場合には、シリコンチップ−絶縁基板接合用はんだ板５の大きさも５ｍｍ角以下である。このように、シリコンチップおよびはんだ板の大きさが著しく小さいと、はんだ付けの前準備に時間がかかったり、シリコンチップ４とはんだ板５との位置合わせが十分でなく、接合不良が発生するおそれがある。
【００４１】
そこで、このようなサイズのシリコンチップ４をはんだ接合する場合には、減圧炉１１を用いて予備はんだをおこない、シリコンチップ４の裏面、たとえばコレクタ電極面に予めシリコンチップ−絶縁基板接合用はんだ６を設けておくのが望ましい。特に、はんだ材料として、酸化しやすいＳｎを主成分とし、Ｐｂを含まないはんだを用いる場合、減圧炉１１内の酸素濃度が数十ｐｐｍ以下と極低酸素雰囲気であるため、図１２に示すように予備はんだ後のはんだ６の表面酸化膜７を極力少なくすることができる。そして、図１３に示すように、予備はんだによりシリコンチップ４の裏面に設けられたはんだ６を介して、絶縁基板２にシリコンチップ４をはんだ付けする。
【００４２】
なお、電力用半導体装置の製造方法において、シリコンチップと絶縁基板とをはんだ付けし、それを金属ベースにはんだ付けする際に一般的に用いられている連続炉の炉内酸素濃度は数千ｐｐｍである。そのため、特にＳｎを主成分としたＰｂを含まないはんだにおいては、連続炉を用いて予備はんだをおこなったのでは、はんだ表面に強固な酸化膜が形成されてしまい、良好なはんだ接合が得られない。
【００４３】
図１４は、減圧炉内部の構成の一例を示す断面図である。減圧炉１１は、炉本体１１１およびこれにパッキン１１２を介して被せられ、炉内部を気密状態に保つ蓋体１１３からなる。減圧炉１１には、炉内に水素ガスを供給するための水素ガス導入パイプ１１４、炉内に窒素ガスを供給するための窒素ガス導入パイプ１１５、および排気口１１６が設けられている。
【００４４】
図が煩雑になるのを避けるために図示省略するが、炉内に供給された水素の化学反応を促進するため、水素ガス導入パイプ１１４は、熱板１３の裏側に、その中心から外部に広がるスパイラル状に取り付けられている。そして、そのスパイラル状のパイプに設けられた複数の孔から、熱板１３により温められ、活性化した水素ガスが炉内に均一に吹き出る構成となっており、還元力が高められる。水素ガス導入パイプ１１４および窒素ガス導入パイプ１１５は炉外の図示しない水素ガス供給源および窒素ガス供給源にそれぞれ接続されている。また、排気口１１６には真空ポンプ１５が接続されている。
【００４５】
水冷却板１４は、炉外の、水冷却板１４の冷却水を循環させるチラー１６に接続されている。また、搬送ステージ１２は搬送レール１７に沿って熱板１３と水冷却板１４との間を移動する。
【００４６】
図１５に、本実施の形態により製造された複数の半導体装置の熱抵抗分布の一例を示す。比較のため、図１７に、上述した従来の技術の第１の方法により製造された複数の半導体装置の熱抵抗分布の一例を示す。図１５より明らかなように、本実施の形態によれば、熱抵抗分布の平均値、最大値および最小値はそれぞれ０．２６６℃／Ｗ、０．２７９℃／Ｗおよび０．２５０℃／Ｗである。また、標準偏差は０．００７４である。
【００４７】
それに対して、従来の第１の方法では、図１７に示すように、熱抵抗分布の平均値、最大値、最小値および標準偏差はそれぞれ０．２８７℃／Ｗ、０．３３４℃／Ｗ、０．２７２℃／Ｗおよび０．０１０３である。両者の比較より、明らかに本実施の形態のほうが熱抵抗値およびそのばらつきが小さいことがわかる。つまり、本実施の形態によれば、従来よりも、はんだ接合層中の気泡率およびそのばらつきを小さくでき、それによって半導体装置の熱放散性を向上させることができるということが確認された。
【００４８】
上述した実施の形態によれば、金属ベース１上に、絶縁基板−金属ベース接合用はんだ板３、絶縁基板２、シリコンチップ−絶縁基板接合用はんだ板５およびシリコンチップ４を順に積層し、その積層体１０を、減圧炉１１を備えた接合組み立て装置内に投入し、炉内を真空排気した後、炉内を正圧の水素雰囲気にして積層体１０の各部材の表面を還元し、はんだの加熱溶融後は炉内を再び真空雰囲気にしてはんだ板３，５中の気泡を除去し、つづいて再び炉内を正圧の水素雰囲気にして、はんだ板３，５中に気泡２１の移動により生じたトンネル状の孔２２を塞ぐとともに均一なはんだフィレット形状３１を得、その後、急冷してはんだ組織を微細化することによって、絶縁基板２と金属ベース１との接合に供されたはんだのクリープ速度を速くして、熱膨張係数差に起因する金属ベース１の反りを速やかに元に戻すため、減圧炉１１の運転開始後、十数分以内に、従来よりも高品質で信頼性の高いはんだ接合層を有し、熱放散性に優れた半導体装置を得ることができる。
【００４９】
また、実施の形態によれば、従来に比べて、水素ガスや窒素ガスの使用量が少なくて済み、またフラックスを使用する必要がない。そのため、運転コストが低減するという効果や、環境に悪影響を与えるのを防ぐことができるという効果が得られる。
【００５０】
以上において本発明は、上述した実施の形態に限らず、種々変更可能である。たとえば、図１のタイミングＴ２〜Ｔ３の真空引き工程の回数は、通常は１回であるが、たとえば大面積基板を接合する場合や、気泡が抜けにくい場合には、真空引き工程を複数回、たとえば２〜５回繰り返す構成としてもよい。このようにして減圧と加圧が繰り返されることによって、溶融中のはんだに揺動が起こり、気泡が抜けやすくなるので、気泡除去効果が得られる。ただし、図１６に、本発明者らが真空引き回数とはんだ接合層中の気泡率との関係を調べた結果を示すように、真空引き工程の繰り返し回数が５回までは回数の増加とともに気泡率が小さくなるが、６回以上繰り返してもそれ以上の効果は得られない。
【００５１】
なお、減圧炉内にはんだ溶融用加熱ヒータを備えた熱板とはんだ固着用冷却水循環路を備えた水冷却板およびはんだの溶融・凝固をおこなう搬送テーブルを備えた組み立て装置では、熱板と冷却板が減圧炉内で接近して配置されることになる。このため、互いに面している部分において、熱板は冷却板の影響を受けて温度の低い部分が生じてしまい、一方、冷却板は熱板の影響を受けて温度の高い部分を生じてしまう。
【００５２】
この温度の不均一部分をなくすための実施例を図１８〜図２１に示す。図１８においては、減圧炉１１内の熱板４３の外周にセラミック壁４４を設けて断熱し、熱の干渉を防いでいる。また、図１９においては、熱板４３と冷却板１４の間に仕切り壁４５を設けて熱の干渉を防いでいる。この場合、仕切り壁４５としては、鉄系材料やセラミック材料が適している。
【００５３】
図２０においては、熱板４３上に厚さ２〜３ｍｍのカーボン板４６を敷いている。カーボン板４６は、熱せられ易く、さめにくい材質であるため、保温効果と熱板４３の内面温度を均一に保つ効果を奏するので、熱板４３の熱が冷却板１４に奪われない。図２１においては、熱板４３の上部に遮熱板４７を設けることによって、活性水素を熱板４３周辺に滞留させて、はんだ付け時の水素活性効果と熱板４３周辺の水素ガスによる断熱作用効果を発揮させている。
【００５４】
【発明の効果】
本発明によれば、金属ベースと絶縁基板とのはんだ接合、および絶縁基板とシリコンチップとのはんだ接合が減圧炉内で同時におこなわれるとともに、そのときにはんだ中の気泡が除去され、また異種材料の接合により生じる金属ベースの反りが速やかに除去されるため、減圧炉の運転開始後、十数分以内に、従来よりも高品質で信頼性の高いはんだ接合層を有し、熱放散性に優れた半導体装置を得ることができる。また、本発明によれば、運転コストが低減するという効果や、環境に悪影響を与えるのを防ぐことができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる半導体装置の製造方法における温度プロファイル、チャンバー内雰囲気および圧力、並びに処理動作の一例を示すチャートである。
【図２】本発明にかかる半導体装置の製造方法によりはんだ付けをおこなう積層体の構成を模式的に示す図である。
【図３】本発明にかかる半導体装置の製造方法の実施に使用される接合組み立て装置の減圧炉内部の構成を模式的に示す図である。
【図４】はんだ中に気泡が通った跡として形成されるトンネル状の孔の形成原理を説明するための図である。
【図５】二次還元処理後の均一なはんだフィレット形状を模式的に示す図である。
【図６】二次還元処理前の好ましくないフィレット形状を模式的に示す図である。
【図７】はんだの結晶粒サイズとクリープ速度の関係を示す特性図である。
【図８】毎分６００℃の冷却速度で冷却したはんだの金属組織のＳＥＭ像を示す図である。
【図９】毎分３００℃の冷却速度で冷却したはんだの金属組織のＳＥＭ像を示す図である。
【図１０】毎分５℃の冷却速度で冷却したはんだの金属組織のＳＥＭ像を示す図である。
【図１１】毎分０．５℃の冷却速度で冷却したはんだの金属組織のＳＥＭ像を示す図である。
【図１２】予備はんだによりシリコンチップの裏面にはんだを設けた状態を模式的に示す図である。
【図１３】予備はんだによりシリコンチップの裏面に設けられたはんだを介して絶縁基板にはんだ付けする様子を模式的に示す図である。
【図１４】本発明にかかる半導体装置の製造方法の実施に使用される減圧炉内部の構成の一例を示す断面図である。
【図１５】本実施の形態により製造された複数の半導体装置の熱抵抗分布を示す特性図である。
【図１６】本発明にかかる半導体装置の製造方法における真空引き回数とはんだ接合層中の気泡率との関係を示す特性図である。
【図１７】従来の第１の方法により製造された複数の半導体装置の熱抵抗分布を示す特性図である。
【図１８】熱板と冷却板温度の不均一部分をなくすための実施例を示す説明図である。
【図１９】熱板と冷却板温度の不均一部分をなくすための別の実施例を示す説明図である。
【図２０】熱板と冷却板温度の不均一部分をなくすための別の実施例を示す説明図である。
【図２１】熱板と冷却板温度の不均一部分をなくすための別の実施例を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 金属ベース
２ 絶縁基板
３ 絶縁基板−金属ベース接合用はんだ板
４ シリコンチップ
５ シリコンチップ−絶縁基板接合用はんだ板
６ シリコンチップ−絶縁基板接合用はんだ
１０ 積層体
１１ 減圧炉
１３ 熱板
２１ 気泡
２２ トンネル状の孔
３１ （均一な）はんだフィレット形状

Claims (18)

  1. 少なくとも２つの被接合部材間にはんだ板を介した積層体を減圧炉内に投入する準備工程と、
    前記準備工程後、前記減圧炉内を真空排気する一次減圧工程と、
    前記一次減圧工程後、前記減圧炉内を正圧の水素雰囲気にして前記積層体の各部材の少なくとも被接合表面を還元する一次還元工程と、
    前記一次還元工程中、前記減圧炉内を正圧の水素雰囲気に保持したまま接合温度まで加熱して前記はんだ板を溶融し、その溶融時にはんだ融液中に生じた気泡に水素ガスを充填して活性化させる加熱工程と、
    前記加熱工程後、接合温度に保持したまま前記減圧炉内を再び真空雰囲気にしてはんだ融液中の気泡を除去する気泡除去工程と、
    前記気泡除去工程後、接合温度に保持したまま再び前記減圧炉内を正圧の水素雰囲気にして、前記気泡がはんだ融液中を移動する際に前記はんだ融液中に生じたトンネル状の孔を塞ぐとともに、はんだフィレット形状を均一な形状とする二次還元工程と、
    前記二次還元工程後、前記減圧炉内を正圧の水素雰囲気にしたまま前記積層体を急冷する冷却工程と、
    を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記冷却工程において、はんだ組織を微細化し、はんだのクリープ速度を速くして、熱膨張係数差に起因する前記被接合部材の反りを除去すし、
    前記冷却工程中、前記減圧炉内を真空排気する二次減圧工程と、
    前記二次減圧工程後、前記減圧炉内を正圧の窒素雰囲気にした後、前記減圧炉を開放する工程と、
    を含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。
  3. 水素ガスを、前記減圧炉内の、前記積層体を加熱する加熱板により加熱しながら、均一に前記加熱板上に供給することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記気泡除去工程において、接合温度に保持したまま前記減圧炉内を真空雰囲気にした後、再び前記減圧炉内を正圧の水素雰囲気にする工程を１回以上５回以下の回数でおこなうことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記はんだ板が溶融している間、前記減圧炉内の酸素濃度を３０ｐｐｍ以下に保持するとともに、露点を−３０℃以下に保持することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
  6. 前記減圧炉内の酸素濃度を１０ｐｐｍ以下に保持するとともに、露点を−５０℃以下に保持することを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 前記冷却工程において、冷却速度は毎分２５０℃以上、好ましくは毎分３００℃であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
  8. 前記積層体の冷却工程において温度が６０℃以下になった時点で前記減圧炉内が水素雰囲気から窒素雰囲気に置換されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
  9. 少なくとも２つの被接合部材間にはんだ板を介した積層体を減圧炉内に投入する準備工程と、
    前記準備工程後、前記減圧炉内を真空排気する一次減圧工程と、
    前記一次減圧工程後、前記はんだ板を加熱溶融する前に、前記減圧炉内を正圧の水素雰囲気に保持する一次還元工程と、
    前記一次還元工程中、前記減圧炉内を正圧の水素雰囲気に保持したまま接合温度まで加熱して前記はんだ板を溶融する加熱工程と、
    を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  10. 前記加熱工程後、接合温度に保持したまま前記減圧炉内を再び真空雰囲気に保持する気泡除去工程をさらに有することを特徴とする請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
  11. 前記気泡除去工程において、接合温度に保持したまま前記減圧炉内を真空雰囲気にした後、再び前記減圧炉内を正圧の水素雰囲気にする工程を１回以上５回以下の回数でおこなうことを特徴とする請求項１０に記載の半導体装置の製造方法。
  12. 前記はんだ板が溶融している間、前記減圧炉内の酸素濃度を３０ｐｐｍ以下に保持するとともに、露点を−３０℃以下に保持することを特徴とする請求項９〜１１いずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
  13. 前記減圧炉内の酸素濃度を１０ｐｐｍ以下に保持するとともに、露点を−５０℃以下に保持することを特徴とする請求項１２に記載の半導体装置の製造方法。
  14. 少なくとも２つの被接合部材間にはんだ板を介した積層体を減圧炉内に投入する準備工程と、
    前記準備工程後、接合温度まで加熱して前記はんだ板を溶融する加熱工程と、
    前記加熱工程後、接合温度に保持したまま前記減圧炉内を真空雰囲気に保持する気泡除去工程と、
    前記気泡除去工程後、前記減圧炉内を正圧の水素雰囲気にし、その状態を所定時間保持する二次還元工程と、
    を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  15. 水素ガスを、前記減圧炉内の、前記積層体を加熱する加熱板により加熱しながら、均一に前記加熱板上に供給することを特徴とする請求項１４に記載の半導体装置の製造方法。
  16. 前記気泡除去工程において、接合温度に保持したまま前記減圧炉内を真空雰囲気にした後、再び前記減圧炉内を正圧の水素雰囲気にする工程を１回以上５回以下の回数でおこなうことを特徴とする請求項１４または１５に記載の半導体装置の製造方法。
  17. 前記はんだ板が溶融している間、前記減圧炉内の酸素濃度を３０ｐｐｍ以下に保持するとともに、露点を−３０℃以下に保持することを特徴とする請求項１４〜１６のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
  18. 前記減圧炉内の酸素濃度を１０ｐｐｍ以下に保持するとともに、露点を−５０℃以下に保持することを特徴とする請求項１７に記載の半導体装置の製造方法。
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