JP4380442B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、パワー半導体モジュール等の半導体装置の製造方法に関し、線膨張率の異なる絶縁基板と放熱ベースとをはんだ接合した際に発生する反りの矯正方法に関する。

図１１は、パワー半導体モジュールの構成を示す断面図である。
図１１において、１はパッケージの放熱ベースとしての銅ベース、２は樹脂成形品の外囲ケース、３はＡｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮなどを材料とするセラミック板４の上下両面に銅パターン５，６を直接接合したＤｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄｉｎｇ Ｃｏｐｐｅｒ基板（以下絶縁基板という）、７は絶縁基板３の銅パターン５にはんだマウント（搭載）した半導体チップ、８は銅パターン５にはんだ接合して外部に引き出した外部導出端子（リードフレーム）である。銅パターン５上には半導体チップ７の他に図示しない抵抗素子などの電子素子が搭載されることもある。半導体チップ７と銅パターン５との間を接続する導体の図示は省略する。
前記絶縁基板３は銅パターン６を銅ベース１の上面に重ね合わせてはんだ接合されている。なお、９，１０，１１はそれぞれ銅ベース／絶縁基板間、絶縁基板／半導体チップ間、絶縁基板／外部導出端子間の接合はんだ層を表している。

上記構成のパワー半導体モジュールを使用する際には、図示のように銅ベース１を放熱フィン（ヒートシンク）１２の取付面に重ね合わせて銅ベース１の両端に穿孔した取付穴１ａ に通したボルト１３で放熱フィンに締結固定し、半導体チップ７の発生熱を絶縁基板３、銅ベース１を伝熱して放熱フィン１２より大気側に放熱するようにしている。
次に、前記半導体モジュールの組立工程について説明する。絶縁基板３の銅パターン５上にはんだ箔を介して（クリームはんだを塗布して）半導体チップ７を載置して加熱炉に搬入し、はんだの融点以上の温度に加熱してはんだを溶融させてはんだ接合を行う。
続いて、銅ベース１と絶縁基板３との間にはんだ箔を挟むか、クリームはんだを塗布しておき、仮組立状態で加熱炉に搬入し、はんだの融点以上の温度に加熱してはんだ付けを行う。この銅ベース１と絶縁基板３とのはんだ接合の際、先に半導体チップ７と銅パターン５との間のはんだ層１０が溶融してしまわぬよう、銅ベース１と絶縁基板３との接合に用いるはんだは、半導体チップ７と銅パターン５との接合に用いるはんだ１０より融点の低いものを用いる。

銅ベース１に絶縁基板３がはんだ接合された状態でこの組立体を加熱炉から取出し、常温（室温）まで戻す。
図１２は銅ベース１と絶縁基板３をはんだ接合し、常温まで戻した状態を示す図である。図１２に示すように、銅ベース１に反りが生じて銅ベース裏面中央部が凹状（半導体チップ７の搭載面の中央部が凸状）となる。この反りは銅ベース１と絶縁基板３との線膨張率差に起因する所謂バイメタル効果によって発生する。以下において、銅ベース１の絶縁基板との接合面（半導体チップの搭載面）側を表面、その反対面（半導体チップの非搭載面）側を裏面と称する。
すなわち、絶縁基板３の等価線膨張率は、セラミック単体の線膨張率（4.6Ｅ-6/Ｋ〜7.1Ｅ-6/Ｋ）に近似した値であって、銅ベース１の線膨張率（16.5Ｅ-6/Ｋ）と比べて非常に小さい。このために、前記のように仮組立体をはんだの融点以上に加熱して、銅ベース１と絶縁基板３の間をはんだ接合した後に常温まで冷却すると、銅ベース１の熱収縮量が絶縁基板３に比べて大きくなるため、その銅ベース裏面中央部が凹状となるような反りが発生する。しかも、銅ベース１に反りが生じた状態で半導体モジュールを放熱フィン１２に取り付けようとすると、図１２で示すように銅ベース１の裏面と放熱フィン１２とが密着しないで隙間が残り、このためモジュール／放熱フィン間の伝熱性が極端に低下して所望の放熱性能が発揮できなくなるといった問題が発生する。

前記のような銅ベースの反りを回避するために、下記のような対策が従来知られている。
（１） 銅ベース１の反り発生量を見込んであらかじめ銅ベースを凸状に加工しておき、絶縁基板３との間をはんだ接合した際に発生する反り分を補償して常温に戻した状態で銅ベース１の裏面が略平坦を呈するようにする。
（２） 絶縁基板３とのはんだ接合により銅ベース１の裏面が凹状に反った状態で、この組立体を表面が銅ベースの反りと反対方向に凹状となる皿形のプレス金型の上に載せ、プレス金型に設けたヒータによりはんだが塑性変形可能な温度になるまで加熱昇温させるとともに、この昇温状態で銅ベース１に加圧力を加えてプレス金型の表面形状に押圧させて反りを矯正する方法（特許文献１）。

なお、特許文献１のほかに、基板上に電子部品をはんだ接合する際に、はんだ内ボイドを圧縮させるために、基板と電子部品を密封容器内に格納し密封容器内の圧力を上昇させることが例えば特開平１１−１５４７８５号公報に記載されているが、基板の反りを矯正することについては何ら示唆されていない。
特公平７−１１０４９１号公報

前記した従来の矯正方法では下記のような問題点がある。
すなわち上記（１）の方法では、あらかじめ銅ベース１に反りを与えるため、銅ベース１の長さ寸法を大きくする必要がある。そして、発生する反り量は長さの二乗に比例して増加することから銅ベースの加工量が大きくなる。そのため、半導体装置の組立工程で銅ベース１の上に平坦な絶縁基板３を置くと、銅ベース１と絶縁基板３の間に隙間が生じてはんだ接合できないか、はんだ接合しても大きな未接合部が残り欠陥が発生してしまう。
また上記（２）の方法では、はんだ接合した基板／銅ベース組立体をプレス金型に載せた状態で、銅ベースを含めてはんだが塑性変形（クリープ変形）可能になる温度まで加熱するために、加熱後に常温まで戻す冷却過程で銅ベースが熱収縮する。そのため、皿形のプレス金型に合わせて銅ベースを加圧操作する際に、冷却過程で発生する反り量を見込んでそれ以上の逆反りを与える必要があり、銅ベースと絶縁基板の間を接合しているはんだが剥離してしまう恐れがある。

この対策のため、絶縁基板上に加圧点をセットすることも考えられるが、絶縁基板上にはチップが接合されており直接加圧するための面積が確保困難なこと、絶縁基板を直接加圧するとクリープ変形し易くなったはんだが搾り出されて絶縁基板周囲にはみ出してくる危険性があること、など別の問題が発生する。
さらに、従来はパワー半導体モジュールに使用するはんだはＳｎ-Ｐｂ系が主流であったが、最近になり環境問題からＰｂを含まないはんだ、例えばＳｎ−Ａｇ系のはんだが用いられる傾向にある。しかもＳｎ−Ａｇ系のはんだはＳｎ−Ｐｂ系と比べて融点温度が高く、このために前記従来の反り矯正方法では作業に長い時間がかかってスループット性が低下する。
この発明は、前記のような従来の半導体装置の製造方法における問題点を解決して、絶縁基板直下の反りを矯正することを課題とするものである。

上記の課題を解決するために、半導体チップをマウントした絶縁基板を放熱ベース上に載置してはんだ接合した半導体装置の組立体を、前記放熱ベース裏面の外周辺にて支持するとともに、開口部を有するケースを前記放熱ベースの外周辺に押し当てて前記半導体チップ搭載面を気密に覆う密閉空間を形成し、前記組立体に熱を加えて前記はんだをクリープ変形し易い温度まで昇温させ、前記密閉空間内の圧力を上昇させて前記組立体に密閉空間内から密閉空間外へ向かう方向の押圧力を付勢し、該押圧力によって前記組立体を所望の形状に矯正し、前記押圧力を付勢したまま常温まで冷却する。
このようにすることにより、絶縁基板表面を均等に加圧でき、絶縁基板を直接加圧したときの集中荷重に起因する、半導体チップへの悪影響を与えることがない。また、大型の銅ベース，絶縁基板を用いる場合であっても、面状の均一な加圧により反りの矯正が可能である。

あるいは、半導体チップをマウントした絶縁基板を放熱ベース上に載置してはんだ接合した半導体装置の組立体を、前記放熱ベース裏面の外周辺に当接する個所に低弾性のシール部材を設けた裏面支持部にて気密に支持し、開口部を有するケースを前記裏面支持部の外周辺に押し当てて前記半導体チップ搭載面を気密に覆う密閉空間を形成してもよい。
また、半導体チップをマウントした絶縁基板を放熱ベース上に載置してはんだ接合した半導体装置の組立体を、前記放熱ベース裏面の外周辺にて支持するとともに、開口部を有するケースを前記放熱ベースの外周辺に当接させて前記絶縁基板を覆い、前記組立体の前記半導体チップの搭載面側から熱を加えて前記はんだをクリープ変形し易い温度まで昇温させ、前記ケースを押下することにより前記放熱ベースをプレス変形するとともに、前記ケースとの間で密閉空間を形成し、該密閉空間内の圧力を上昇させて前記組立体に密閉空間内から密閉空間外へ向かう方向の押圧力を付勢し、該押圧力によって前記組立体を所望の形状に矯正し、前記押圧力を付勢したまま常温まで冷却する。

このとき、前記組立体への加熱は、前記組立体の両面に温度差を設けながら行えばよく、前記温度差を、前記放熱ベースの裏面に冷却ブロックを弾性的に当接させることで与えてもよい。また、前記押圧力によって前記組立体を所望の形状に矯正し、前記押圧力を付勢したまま、前記放熱ベースの裏面を急速に冷却するとよい。あるいは、前記ケースの開口部の各辺を、各辺の中央部を頂点として放熱ベース側に凸状の弧状とし、これに対向する前記組立体の支持体の各辺の中央部を底として凹状の弧状とし、前記プレスにより、前記放熱ベースの外周領域を前記半導体チップの非マウント面側に凸状に変形させるものとする。
さらに、前記組立体への加熱は、赤外線の照射により行い、前記赤外線を部分的に遮光する遮光板により、前記半導体チップへ前記赤外線が直接照射されるのを遮るようにするとよい。このとき、前記ケースを、断熱性を有する耐熱材料にて構成する。

また、前記ケースに設けられた気体導入孔より気体を導入して前記密閉空間内の圧力を上昇させるものとし、前記ケースの開口部の端部に低弾性のシール部材を設けるものとする。こ記低弾性のシール部材は、前記ケースの開口端部に形成された切り欠き部に嵌合して設けるとよい。
あるいは、前記低弾性のシール部材を前記ケースの開口端部より側壁内に形成された溝に嵌入し、該溝の底部にケース内部と連通する複数個の貫通穴を設けて、前記ケース内部の圧力を前記溝内に嵌入されたシール部材に伝達させ、前記ケースの押圧力と密閉空間内の圧力によって、前記放熱ベースと前記シール部材間の接触気密性を高めるものとする。
そして、前記放熱ベースの前記絶縁基板接合側の表面の、前記絶縁基板の外周領域に対応する個所と絶縁基板の中央近傍に対応する個所に、それぞれ５０〜２００μｍの突起を形成するか、前記絶縁基板と前記放熱ベースを接合するはんだ内部に、該はんだの融点より５０Ｋ以上融点が高く、はんだ濡れ性が良く、熱伝導率の高い材料からなり、５０〜２００μｍの粒径を有する粒子を混入する。

前記のようにこの発明は、チップを含む絶縁基板全表面を均等に加圧することができ、絶縁基板が接合された放熱ベースの反りを矯正することができる。
放熱ベースの反りが矯正されるため、放熱ベースと放熱フィンとの熱的な接続が良好となってパワー半導体モジュールの放熱性能を向上させることができる。

以下にこの発明を、図に示す実施例に基づいて説明する。
（実施例１）
図１はこの発明の第１の実施例を示すものである。この図１の実施例おいて、２１は堅牢な箱状のケースであり、銅ベース１を覆うように載置して密閉空間２２を形成する。２３は後述する加熱ガスの導入孔である。銅ベース１と絶縁基板３とが接合された組立体は、裏面支持部２５に載置され、ケース２１の端部２４が銅ベース１に気密に接している。２６ａ，２６ｂは密閉空間２２，銅ベース１を加熱する加熱ブロックである。
図１１，９と同一の構成には同じ符号を付して説明を省略する。
図１２に示したように、銅ベース１上にＡｌ_２Ｏ_３やＡｌＮなどのセラミックを材料とする絶縁基板３をはんだ接合すると、銅ベース１と絶縁基板３の線膨張率が異なるため、これに起因して反りが発生する。

そこで、図１に示すように、裏面支持部２５上に銅ベース１を載せ、銅ベース１の表面にケース２１を気密に載せて密閉空間２２を構成する。そして加熱ブロック２６によって銅ベース１と絶縁基板３を加熱する。
加熱ブロック２６ａは密閉空間２２の内部に、加熱ブロック２６ｂは銅ベース１の裏面近傍に設けられるが、双方を同時に用いてもよいし、いずれか一方を用いてもよい。
この加熱ブロックはブロックの周りに図示しないコイルを巻きまわし、図示しない高周波電源から前記コイルに高周波電流を供給してブロックを高周波加熱するように構成すると、加熱を管理しやすい。
加熱ブロックによる加熱で銅ベース１と絶縁基板３とを接合しているはんだ層９の温度が上昇し、絶縁基板３の外周領域のはんだ層９がクリープ変形し易い温度まで昇温したら、加熱ブロック２６による加熱を停止もしくは密閉空間内温度の保温程度の加熱とする。続いて、導入孔２３からあらかじめ加熱した窒素ガスを流入して密閉空間２２の内部の圧力を上昇させる。

この時、導入孔２３から導入するガスをあらかじめ加熱しているのは、ガスの導入時点で加熱ブロック２６ａあるいは２６ｂによる加熱によってはんだ層９がクリープ変形しやすい状態になっており、温度の低いガスの導入により密閉空間内の温度が低下してはんだ層９が硬化してしまうのを防ぐためである。図示しないが、導入孔２３の前段には高圧のガスを供給できるガス源と、該ガス源と導入孔２３との間の導入ガス流路にガスを加熱するためのヒータとを備えている。ガス源としては高圧のボンベやシリンダー内のガスをピストンにて圧縮したものなどを用いることができる。
なお、導入するガスは、不活性のものであって、不燃，安価など取り扱いが容易なものであれば窒素に限るものではない。
密閉空間２２の内部の圧力が上昇することにより、絶縁基板３の表面（半導体チップの搭載面）から密閉空間２２の外側に向けて、即ち銅ベース１と絶縁基板の組立体を密閉空間２２から押し出す方向に加圧力が作用する。密閉空間２２の内部の圧力をさらに上昇させて、銅ベース１と絶縁基板の組立体を密閉空間２２から押し出す方向に加圧力をさらに増大させて、この組立体が下側（半導体チップの非搭載面）に凸状となるまで変形させる。

このように、銅ベース１と絶縁基板３とを接合した組立体を下側に凸状となるよう変形させる際に、銅ベース１と絶縁基板３とを接合しているはんだ層９が完全に溶融してしまうと、絶縁基板３のみ平坦に戻ってしまい、冷却時に隙間が発生してしまう。そのため、組立体を加熱する際には、組立体中央部は半溶融の状態に保つ必要がある。組立体の接合部の外周をより加熱しやすいように加熱ブロックの形状をロ字型とすればよい。
密閉空間の内部の圧力の上昇による加圧力を銅ベース１と絶縁基板の組立体に効率よく伝達させるために、ケース２１は堅牢な構造とする。また、加熱ブロック２６ａによる密閉空間２２内の昇温を効率よく行うため、ケース２１の素材に熱伝導率の小さい断熱材を選択するか、断熱構造とすることが望ましい。断熱材としてはガラス繊維と珪素系バインダーからなる耐熱積層板が好適である。

ここで加熱ブロック２６による加熱を停止し、銅ベース１と絶縁基板の組立体の温度を常温まで徐々に下げる。はんだ層９が硬化するまで加圧状態を維持し、組立体の半導体チップの搭載面に凸状であったものが矯正されて半導体チップの非搭載面（放熱フィンとの接合面）に凸状となる。
この結果、放熱フィンに組み付ける際、両者の良好な熱的接続が得られる。
なお、銅ベースの反りの矯正に必要な密閉空間内の圧力は、銅ベースの厚さや大きさによって異なる。３ｍｍ厚で１２０ｍｍ×１２０ｍｍ程度の銅ベースの場合、密閉空間の気圧を０．５ＭＰａ程度に保つことで反りの矯正を行うことができ、３ｍｍ厚で１２０ｍｍ×６０ｍｍ程度の銅ベースの場合では、密閉空間の気圧を１ＭＰａ程度に保つことで反りの矯正を行うことができる。反りの矯正に必要な圧力は、銅ベース１の厚さや大きさに応じて適宜選択すればよい。

また、密閉空間内部の圧力は上記のとおり１ＭＰａ程度まで上昇するため、導入気体の漏洩を防止するためにも、ケース２１を所定の力で銅ベース１への押し付ける必要がある。この値も銅ベースのサイズに影響されるが、矯正を行う加工面積と反りの矯正に必要な圧力の積にさらに２０Ｎを加えた程度の力で押圧すれば気密を維持することができる。
（実施例２）
図２は第２の実施例を示すものである。図２において、３１はケース２１の縁部に形成された切り欠き部であり、３２は切り欠き部３１に嵌合されたシール部材である。図２において切り欠き部３１は断面を溝状に形成した例を示している。そのほか、図１と同一の構成には同じ符号を付して説明を省略する。
図１に示した第１の実施例では、ケース２１の縁部２４を銅ベース１に押し付けることによって密閉空間２２を形成している。そして、密閉空間２２内に窒素ガスを流入させて内部の圧力を上昇させることによって、銅ベース１と絶縁基板の組立体を変形させている。

この変形によって上記の組立体は上（半導体チップ搭載面）に凸状から下へ凸状に変形するのであるが、変動量は、ケース２１と銅ベース１との接触部分でも数百μｍに達する。先述のとおり、ケース２１は堅牢に構成されているため、接触部分の変動に十分追従できず、この変動に伴って、ケース２１の縁部２４と銅ベース１との接触部分からの窒素ガスが漏洩するという問題がある。
接触部分からのガスが漏洩すると、密閉空間内の圧力を所望値に保つことができず、銅ベース１を下に凸状に変形させ、この形状を保持させるに必要な加圧力を確保できなくなる。
そこで、図２に示すように、銅ベース１が大きな変形を起こしてもガスの漏洩を防止すべく、ケース２１の縁部２４に沿って１周する切り欠き部３１を構成し、低弾性の物性を持つ材料で構成された１周する形状のシール部材３２を切り欠き部３１に嵌合させる。低弾性のシール部材３２は例えばシリコンゴム等を成形したものを用い、銅ベース１の変形に追従して変形し、シール部材３２の一部が常に銅ベース１に接触する形状とする。

密閉空間２２の内部の圧力は銅ベース１のサイズに応じて調整されるが、１ＭＰａ程度まで上昇する。シール部材３２には、ケース２１を銅ベースに押し付ける圧力並びに、内部の圧力の上昇に伴ってシール部材をケースの外側へ押し出す方向に圧力が印加され、これらの圧力によって変形する。特に、ケースの外側へ押し出す方向の圧力に対して、過剰な変形を防ぎ気密を維持するために、ケース２１の端部２４に切り欠き部３１を形成して、シール部材３２と嵌合させている。
切り欠き部の構成は、シール部材３２の一部が常に銅ベース１に接触する形状であれば種々変形が可能であり、図２に示すように断面を３１ａのように矩形の断面形状としてもよいし、３１ｂのように半円形の断面としてもよい。このように構成すると、低弾性のシール部材３３の横方向に広がろうとする変形を拘束することができる。また図３（ａ）に示すようにシール部材３２の一部をケース２１に食い込ませる形状としてもよいし、同図（ｂ）に示すように、ケース２１の内壁に段差を設けてもよい。

このように、ケース２１の端部２４に低弾性のシール部材を設けたことにより、銅ベース１が上に凸状から下に凸状に変形しても、ケース２１の銅ベース１への押圧により潰れていた低弾性のシール部材３２が回復して厚くなり、密閉空間に隙間が発生することを防止することができる。
また、剛性の高いケース２１と銅ベース１は低弾性のシール部材３３を介して接することになるため、銅ベース１の表面にケース２１の接触痕が残ることもない。
ここで、銅ベース１が大型（３ｍｍ厚で１２０ｍｍ×１２０ｍｍ）の場合、変形量が大きいため、シール部材３２の厚さ方向の変形（潰れ）だけでは密閉空間内のガスの漏洩を防止することができない。
そこで、図４に示すように、ケース２１の側壁に端部２４から溝３３を形成し、さらに溝３３の底部３３ａで密閉空間２２に連通する複数個の貫通穴３３ｂを設ける。溝３３には上記の例と同様に、一部が常に銅ベース１に接するようにシール部材３２を嵌入する。密閉空間内の高い圧力は貫通穴３３ｂを介して溝内に伝達され、その圧力はシール部材３２を溝から押し出す方向に作用する。

ケース２１は銅ベースに所定の圧力にて押圧されており、これに加えて、密閉空間２２の内部の圧力と外部との圧力差でシール部材３２を溝３３の外側に押し出し方向に付勢して銅ベース１に押し付ける。シール部材３２を銅ベース１に押し付ける圧力を増すことができるため、密閉空間２２の気密性を高めることができる。
上記の実施例２において、密閉空間２２を形成後の反りの矯正にかかるプロセスは実施例１と同様であるので説明を省略する。
（実施例３）
図５は第３の実施例を示すものである。図５において、３４は銅ベースの支持部に設けたシール部材である。
裏面支持部２５上にシール部材３４を介して銅ベース１を載せる。銅ベース１の表面にケース２１を気密に載せて密閉空間２２を構成するのであるが、上記の実施例１，２と同様にケース２１を銅ベース１と気密に載せてもよいが、ここでは図示のように、ケース２１を裏面支持部２５上に載せて密閉空間２２を形成した。ケース２１，裏面支持部２５ともに堅牢な構成とすることができ、ケース２１と裏面支持部２５接触部の気密構造も強固なものを採用することができる。また、ケース２１が銅ベース１に接触しないので、銅ベース１に局所的な荷重がかかることがなく、銅ベース１の表面にケース２１の接触痕が残ることもない。

密閉空間２２に気体が導入されて内部の圧力が上昇すると、その圧力は銅ベース１と絶縁基板３とが接合された組立体の半導体チップ搭載面全面に印加され、この組立体を前記シール部材３４に押し付ける方向に付勢する。密閉空間２２の内部の圧力の上昇と共に組立体を押し付ける力も増加するため、密閉空間２２の気密を保持することができる。
密閉空間２２を形成後の反りの矯正にかかるプロセスは実施例１と同様であるので詳細な説明は省略する。
（実施例４）
図６はこの発明の第４の実施例を示すものである。この図６の実施例において、３５は堅牢な箱状のケースであり、３６はケース３５の天板である。ケース３５，天板３６にて絶縁基板を覆うように銅ベース１に載置して密閉空間２２を形成する。２３は後述する加熱ガスの導入孔である。銅ベース１と絶縁基板３とが接合された組立体は、裏面支持部２５に載置される。

ケース３５の開口部の端部には、実施例２，３と同様に、後の工程で密閉空間２２内に導入されるガスの漏洩を防止すべく、ケース３５の縁部に沿って１周する切り欠き部３１を構成し、低弾性の物性を持つ材料で構成された１周する形状のシール部材３２が切り欠き部３１に嵌合している。切り欠き部とシール部材の形状について、図２に示す構成のほか図３，４の構成が適用できることは勿論である。
３７は絶縁基板３を密閉空間２２の外部から加熱する加熱装置である。加熱装置には赤外線加熱装置が好適であり、このため、天板３６には赤外線を透過する石英ガラスを選択するとよい。図６においては、ケース３５の天板３６との接合部分にも切り欠き部３１とシール部材３２を配しており、図示しない固定手段にてケース３５と天板３６とを気密に固定している。あるいは、ケース３５と天板３６とを接着することによって気密に固定してもよい。なお、天板３６に赤外線を照射することから、均一な照射の障害となる導入孔２３は、ケース３５の側面に設けている。

このように、加熱装置３７を密閉空間２２の外側に設けると密閉空間２２の容積を小さくすることができる。密閉空間の容積が小さいと、導入する気体の量を抑制できる。
３８は、遮光板である。加熱装置３７からの赤外線が絶縁基板上に実装された半導体チップ等の素子に直接照射されるのを防ぐために、素子の配置に沿って遮光パターン３８’が設けられている。遮光板３８は、ケース３５を銅ベース１上に載置したとき、遮光パターン３８’が半導体チップ等の素子にできるだけ近づくようにケース３５への取り付け位置が調整されている。遮光板３８は、遮光パターン３８’の形成が容易で加熱装置からの熱（赤外線）をさえぎり、また自身の温度上昇にも変形や溶融しない材料で形成されている。例えばセラミック板などが好適である。遮光板３８はケース３５に着脱自在に固定されており、絶縁基板３上の半導体チップ７や銅パターン５の配置が変更となった場合でも、遮光板の取り替えが容易である。

３９は冷却ブロック、４０は冷却ブロック３９を銅ベース１の裏面に当接させるべく付勢するばね、４１は冷却水を噴射するためのノズルである。冷却ブロック３９は銅ベース１の裏面を冷却、あるいは絶縁基板側からの加熱を受けても銅ベース１の温度上昇を抑制するためのものであり、所定の熱容量を有する例えば銅材で形成されている。冷却ブロック３９は、ばね４０によって銅ベースの裏面に当接するのであるが、銅ベースの矯正による変形を妨げない程度の押圧力にて熱的に銅ベースに接続されている。図６の例では、圧縮コイルばねによって裏面支持部２５の底面にて支持していたが、ワイヤフォーミングによるねじりコイルばねなどの他の形状のばねにて支持してもよいし、ゴムなどの弾性材料にて支持してもよい。また、裏面支持部２５の側壁から支持してもよい。
また、冷却ブロック３９は、銅ベース１の矯正に伴う裏面形状の変形に追従すべく、銅ベースの裏面面積に対して複数の領域に分割されている。

ところで、図１２に示したように、銅ベース１上にＡｌ_２Ｏ_３やＡｌＮなどのセラミックを材料とする絶縁基板３をはんだ接合すると、銅ベース１と絶縁基板３の線膨張率が異なるため、これに起因して反りが発生する。
このような反りの発生を抑制する方法に、接合時に、接合面の両側に温度差を設ける方法がある。銅ベースと絶縁基板との接合の場合、絶縁基板側から加熱を行うと共に、銅ベース側を冷却することによって、両者に１４０℃の温度差を与える。こうすると、銅ベースの熱膨張を抑制したまま接合が完了し、接合体を常温に戻したときに銅ベースの収縮量が少ないため、理論上反りは発生しない。
しかしながら、接合時に１４０℃の温度差を与えるのは困難である。
そこで、接合時に温度差を与える方法を、接合体の反りを矯正する際に適用して次の工程とした。

（１）図６に示すように、裏面支持部２５上に銅ベース１を載せ、ケース３５，天板３６にて絶縁基板を覆うように銅ベース１に載置して密閉空間２２を形成する。銅ベース１の裏面には弾性的に支持された冷却ブロック３９を当接させる。
（２）加熱装置３７により絶縁基板３側と銅ベース１との接合個所を加熱する。加熱装置３７は密閉空間２２の外部に設けられているため、石英ガラス３６を透過して、絶縁基板３側から加熱することになる。このとき遮光板３８により半導体チップ等への直接の加熱はさえぎられている。
（３）銅ベース１と絶縁基板３とを接合するはんだ層９がクリープ変形し易い温度まで加熱した時点で、ケース３５により銅ベース１をプレスする。ケース３５によるプレスにより、銅ベース１のケース３５との当接領域はケース３５の形状に変形すると共に、密閉空間２２の気密度が高くなる。

絶縁基板３のはんだ層９がクリープ変形し易い温度まで昇温したら、加熱装置３７による加熱を停止もしくは密閉空間内温度の保温程度の加熱とする。加熱の停止もしくは保温程度の加熱は、はんだ層９がクリープ変形し易い温度を維持するために、密閉空間２２内の熱容量に応じて適宜選択すればよい。
（４）導入孔２３からあらかじめ加熱した窒素ガスを流入して密閉空間２２の内部の圧力を上昇させる。
この時、導入孔２３から導入するガスをあらかじめ加熱しているのは、ガスの導入時点で、加熱によってはんだ層９がクリープ変形しやすい状態になっており、温度の低いガスの導入により密閉空間内の温度が低下してはんだ層９が硬化してしまうのを防ぐためである。図示しないが、導入孔２３の前段には高圧のガスを供給できるガス源と、該ガス源と導入孔２３との間の導入ガス流路にガスを加熱するためのヒータとを備えている。ガス源としては高圧のボンベやシリンダー内のガスをピストンにて圧縮したものなどを用いることができる。

なお、導入するガスは、不活性であって、不燃，安価など取り扱いが容易なものであれば窒素に限るものではない。
密閉空間２２の内部の圧力が上昇することにより、絶縁基板３の表面（半導体チップの搭載面）から密閉空間２２の外側に向けて、即ち銅ベース１と絶縁基板の組立体を密閉空間２２から押し出す方向に加圧力が作用する。密閉空間２２の内部の圧力をさらに上昇させて、銅ベース１と絶縁基板の組立体を密閉空間２２から押し出す方向に加圧力をさらに増大させて、この組立体が下側（半導体チップの非搭載面）に凸状となるまで変形させる。密閉空間の内部の圧力の上昇による加圧力を銅ベース１と絶縁基板の組立体に効率よく伝達させるために、ケース３５は堅牢な構造とし、加熱装置３７による昇温を効率よく行うため、熱伝導率が小さく強度の高い断熱材を適用することが望ましい。断熱材としては、ガラス繊維と珪素系バインダーからなる耐熱積層板が好適である。

なお、銅ベースの反りの矯正に必要な密閉空間内の圧力は、銅ベースの厚さや大きさによって異なる。３ｍｍ厚で１２０ｍｍ×１２０ｍｍ程度の銅ベースの場合、密閉空間の気圧を０．５ＭＰａ程度に保つことで反りの矯正を行うことができ、３ｍｍ厚で１２０ｍｍ×６０ｍｍ程度の銅ベースの場合では、密閉空間の気圧を１ＭＰａ程度に保つことで反りの矯正を行うことができる。反りの矯正に必要な圧力は、銅ベース３の厚さや大きさに応じて適宜選択すればよい。
また、密閉空間内部の圧力は上記のとおり１ＭＰａ程度まで上昇するため、導入気体の漏洩を防止するためにも、ケース２１を所定の力で銅ベース１への押し付ける必要がある。この値も銅ベースのサイズに影響されるが、矯正を行う加工面積と反りの矯正に必要な圧力の積にさらに２０Ｎを加えた程度の力で押圧すれば気密を維持することができる。

（５）加熱装置による加熱を継続していた場合はここで加熱を停止する。密閉空間２２内の加圧状態を維持したまま、銅ベース１の裏面に冷却水ノズルより冷却水を噴射して銅ベース１の裏面を急冷する。冷却水が銅ベースの裏面に接触しやすいように冷却ブロック３９の銅ベース１との当接面に溝を形成しておいてもよい。図６の例では冷却ブロック３９に冷却水ノズル４１を設けているが、冷却水ノズルを裏面支持部２５に設けてもよい。
銅ベース１の裏面を冷却水によって急速に冷却することにより、銅ベース１と絶縁基板３との接合面と、銅ベース１との温度差を約８０℃とすることができるため、はんだ層９のクリープ変形により銅ベース１および絶縁基板３の熱歪みが開放された状態を維持することができる。そのため、室温に戻したときに再び反ることはなく、銅ベース１と絶縁基板３との最初の接合時に生じた反りを矯正することができる。この結果、放熱フィンに組み付ける際、両者の良好な熱的接続を得ることができる。

図７は第４の実施例の変形例であって、ケース３５と裏面支持部２５の要部を示す図である。銅ベース１と絶縁基板３との接合体など他の構成の図示を省略している。
ケース３５は上記の（３）の工程においてプレス治具として、裏面支持部２５は同じくプレス受け治具として機能する。図７の例では、ケース３５は各辺の中央付近を頂点とする凸状の曲面加工が施され、裏面支持部２５はこれを受けるように、各辺の中央付近を底とする凹状の曲面加工が施されている。
図８は図７の矢視正面図である。図８（ａ）は、前記（３）のプレス工程前の状態を示すものであり、中央部がくぼんだ形状の曲面加工が施された裏面支持部２５の辺部が、銅ベース１の周辺部に当接している。図８（ｂ）は、（３）のプレス工程後の状態を示すものである。中央部が膨らんだ形状の曲面加工が施されたケース３５の辺部は、（３）のプレス工程においてプレス加工体として、銅ベース１の周辺部を押圧する。

曲面の形状は銅ベースの大きさに応じて選択されるが、３ｍｍ厚で１２０ｍｍ×１２０ｍｍ程度の銅ベースの場合、Ｒ２０００程度の曲面とするとよい。
このように、ケース３５と裏面支持部２５の辺部に曲面加工を施してプレス加工体とすることにより、銅ベース１の周辺部がケース３５と裏面支持部２５の曲面形状にしたがってわずかに下に凸状変形し、絶縁基板側は密閉空間となる。
プレス加工によって、銅ベース１を下に凸状に変形することができるため、放熱フィンに組み付ける際、両者の良好な熱的接続を得ることができる。
（実施例５）
銅ベース１と絶縁基板３とが接合された組立体を上記の実施例１〜実施例４の方法で加圧した場合、組立体の中央部付近ではんだ９が完全に溶融せず、クリープ変形しやすい温度範囲に保たれていれば反り矯正は順調に達成される。このような反りの矯正工程において、銅ベース１と絶縁基板３との間隔を所望の範囲を保つため、図９に示すように銅ベース１の絶縁基板との接合面に突起３５を形成すればよい。あるいは、図１０に示すようにはんだ９にあらかじめ微粒子３６を混入させておけばよい。

図９において、５１は銅ベース１にあらかじめ形成した突起であり、その高さは銅ベース１と絶縁基板３との間の所望のはんだ厚さに応じて選択され、５０〜２００μｍ程度が好適である。また、突起５１は、接合される絶縁基板３の外周に対応する個所および中央部に対応する個所に設けるとよい。前記外周に対応する個所は、絶縁基板が方形の場合、絶縁基板３の角部近傍と各辺の中央部付近に設けておくと、絶縁基板３の傾きを防ぐことができる。
図１０において、５２ははんだ９にあらかじめ混入された微粒子であり、その粒径は銅ベース１と絶縁基板３との間の所望のはんだ厚さに応じて選択され、５０〜２００μｍ程度が好適である。また、反りの矯正時にも機能させるため、銅ベース１と絶縁基板３とをはんだ接合する際に溶融してしまわないよう、該はんだの融点より５０Ｋ以上融点が高い材料を選択するとよい。また、ボイドの発生を防ぐため、はんだ濡れ性の良い材料が好適であり、接合後の熱伝導の妨げにならないように熱伝導率の高い材料を選択するとよい。

上記の各実施例において、放熱ベースとして銅ベースを例に説明したが、これに限るものではなく、絶縁基板と放熱ベースとの接合に際して反りの発生しうる放熱ベースの材料、例えば銅合金，アルミニウム，アルミニウム合金などの金属材料の放熱ベースに有効である。
また、絶縁基板としてＡｌ_２Ｏ_３やＡｌＮなどのセラミックを材料を例に説明したが、セラミック材料もこれに限るものではない。

第１の実施例を示す図である。 第２の実施例を示す図である。 第２の実施例の変形例を示す図である。 第２の実施例の変形例を示す図である。 第３の実施例を示す図である。 第４の実施例を示す図である。 第４の実施例の変形例を示す図である。 図７の矢視正面図である。 第５の実施例を示す図である。 第５の実施例の変形例を示す図である。 本発明の製造方法を適用するパワー半導体モジュールの断面図である。 銅ベースと絶縁基板との接合体の従来例を示す図である。

符号の説明

１ 放熱ベースとしての銅ベース
２ 樹脂成形品の外囲ケース
３ 絶縁基板
４ セラミック板
５，６ 銅パターン
７ 半導体チップ
８ 外部導出端子（リードフレーム）
９，１０，１１ はんだ層
１２ 放熱フィン
２１，３５ ケース
２２ 密閉空間
２３ 導入孔
２４ 端部
２５ 裏面支持部
２６ 加熱ブロック
３１ 切り欠き部
３２，３４ シール部材
３３ 溝
３６ 石英ガラス
３７ 加熱装置
３８ 遮光板
３９ 冷却ブロック
４０ ばね
４１ 冷却ノズル
５１ 突起
５２ 微粒子

Claims (16)

1. 半導体チップをマウントした絶縁基板を放熱ベース上に載置してはんだ接合した半導体装置の組立体を、前記放熱ベース裏面の外周辺にて支持するとともに、開口部を有するケースを前記放熱ベースの外周辺に押し当てて前記半導体チップ搭載面を気密に覆う密閉空間を形成し、前記組立体に熱を加えて前記はんだをクリープ変形し易い温度まで昇温させ、前記密閉空間内の圧力を上昇させて前記組立体に密閉空間内から密閉空間外へ向かう方向の押圧力を付勢し、該押圧力によって前記組立体を所望の形状に矯正し、前記押圧力を付勢したまま常温まで冷却することを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 半導体チップをマウントした絶縁基板を放熱ベース上に載置してはんだ接合した半導体装置の組立体を、前記放熱ベース裏面の外周辺に当接する個所に低弾性のシール部材を設けた裏面支持部にて気密に支持し、開口部を有するケースを前記裏面支持部の外周辺に押し当てて前記半導体チップ搭載面を気密に覆う密閉空間を形成し、前記組立体に熱を加えて前記はんだをクリープ変形し易い温度まで昇温させ、前記密閉空間内の圧力を上昇させて前記組立体に密閉空間内から密閉空間外へ向かう方向の押圧力を付勢し、該押圧力によって前記組立体を所望の形状に矯正し、前記押圧力を付勢したまま常温まで冷却することを特徴とする半導体装置の製造方法。
3. 半導体チップをマウントした絶縁基板を放熱ベース上に載置してはんだ接合した半導体装置の組立体を、前記放熱ベース裏面の外周辺にて支持するとともに、開口部を有するケースを前記放熱ベースの外周辺に当接させて前記絶縁基板を覆い、前記組立体の前記半導体チップの搭載面側から熱を加えて前記はんだをクリープ変形し易い温度まで昇温させ、前記ケースを押下することにより前記放熱ベースをプレス変形するとともに、前記ケースとの間で密閉空間を形成し、該密閉空間内の圧力を上昇させて前記組立体に密閉空間内から密閉空間外へ向かう方向の押圧力を付勢し、該押圧力によって前記組立体を所望の形状に矯正し、前記押圧力を付勢したまま常温まで冷却することを特徴とする半導体装置の製造方法。
4. 請求項３に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記組立体への加熱は、前記組立体の両面に温度差を設けながら行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
5. 請求項４に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記温度差を、前記放熱ベースの裏面に冷却ブロックを弾性的に当接させることで与えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
6. 請求項３ないし請求項５のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
   前記押圧力によって前記組立体を所望の形状に矯正し、前記押圧力を付勢したまま、前記放熱ベースの裏面を急速に冷却することを特徴とする半導体装置の製造方法。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
   前記組立体への加熱は、赤外線の照射によるものであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
8. 請求項７に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記赤外線を部分的に遮光する遮光板により、前記半導体チップへ前記赤外線が直接照射されるのを遮ることを特徴とする半導体装置の製造方法。
9. 請求項３乃至請求項６に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記ケースの開口部の各辺を、各辺の中央部を頂点として放熱ベース側に凸状の弧状とし、これに対向する前記組立体の支持体の各辺の中央部を底として凹状の弧状とし、
   前記プレスにより、前記放熱ベースの外周領域を前記半導体チップの非マウント面側に凸状に変形させることを特徴とする半導体装置の製造方法。
10. 請求項１ないし請求項３に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記ケースを、断熱性を有する耐熱材料にて構成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
11. 請求項１ないし請求項３に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記ケースに設けられた気体導入孔より気体を導入して前記密閉空間内の圧力を上昇させることを特徴とする半導体装置の製造方法。
12. 請求項１１に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記ケースの開口部の端部に低弾性のシール部材を設けたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
13. 請求項１２に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記低弾性のシール部材は、前記ケースの開口端部に形成された切り欠き部に嵌合して設けられていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
14. 請求項１２に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記低弾性のシール部材を前記ケースの開口端部より側壁内に形成された溝に嵌入し、該溝の底部にケース内部と連通する複数個の貫通穴を設けて、前記ケース内部の圧力を前記溝内に嵌入されたシール部材に伝達させ、前記ケースの押圧力と密閉空間内の圧力によって、前記シール部材の接触気密性を高めたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
15. 請求項１乃至請求項１４に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記放熱ベースの前記絶縁基板接合側の表面の、前記絶縁基板の外周領域に対応する個所と絶縁基板の中央近傍に対応する個所に、それぞれ５０〜２００μｍの突起を形成したことを特徴とする半導体装置の製造方法。
16. 請求項１乃至請求項１４に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記絶縁基板と前記放熱ベースを接合するはんだ内部に、該はんだの融点より５０Ｋ以上融点が高く、はんだ濡れ性が良く、熱伝導率の高い材料からなり、５０〜２００μｍの粒径を有する粒子を混入したことを特徴とする半導体装置の製造方法。

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