JP4877046B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、パワー用ＩＧＢＴモジュールなどを対象とする半導体装置およびその製造方法に関する。

図５は、従来のＩＧＢＴモジュールの要部断面図である。図５において、１は放熱用銅ベース、２はセラミック板２ａの上面，下面に銅回路パターン２ｂ，銅箔２ｃを成層して銅ベース１に搭載した絶縁基板、３，４はＩＧＢＴ，ＦＷＤの半導体チップ、５ａは銅ベース１／絶縁基板２の銅箔２ｃ，および絶縁基板２の銅回路パターン２ｂ／半導体チップ３，４を接合した半田接合層、６は銅ベース１の下面にサーマルコンパウンド７で伝熱的に接合し冷却体（ヒートシンク）である。

なお、図５では配線リード、モジュールの外囲ケースなどは省略して描かれてない。ここで、銅ベース１／絶縁基板２の銅箔２ｃ，および絶縁基板２の銅回路パターン２ｂ／半導体チップ３，４を接合する半田材には板半田あるいはクリーム半田を使用し、リフロー工程を経て半田接合層５を形成するようにしている。
一方、最近では環境問題からＳｎ−Ｐｂ系半田の代替として鉛成分を含まない鉛フリー半田が採用されるようになっており、前記のＩＧＢＴモジュール（パワーモジュール）に適用する半田材としては、現在知られている各種組成の鉛フリー半田の中でも、取りわけ接合性（半田濡れ性），機械的特性，伝熱抵抗などの面で比較的バランスがよく、かつ製品への実績もあるＳｎ−Ａｇ系の鉛（Ｐｂ）フリー半田が多く使われている（例えば、非特許文献１参照）。

また、ヒートシンクの上に絶縁基板，さらにその上に半導体チップを半田接合した階層接続構造において、下位の接合部には高温系の鉛フリー半田としてＳｎ−Ｓｂ系半田を使用し、上位接合部にはＳｎ−Ｓｂ系半田よりも融点が低いＳｎ−Ａｇ系半田にＣｕなどの元素を添加した組成の鉛フリー半田を使用する半田接合構造も知られている（例えば特許文献１参照）。

また、絶縁基板に半田マウントした半導体チップ（ＩＧＢＴ）の上面電極に配線部材としてヒートスプレッダを兼ねたリードフレームを半田接合し、半導体チップの発生熱をリードフレームに逃がして発熱密度の集中を防ぐようにした構造も知られている（例えば、特許文献２参照）。
両角，他２名，「パワー半導体モジュールにおける信頼性設計技術」，富士時報，富士電機株式会社，平成１３年２月１０日，第７４巻，第２号，p１４５〜１４８ 特開２００１−３５９７８号公報 特開２００５−１１６７０２（第６頁、図５）

ところで、先記のように半導体チップ／絶縁基板の接合にＳｎ−Ａｇ系の鉛フリー半田を適用した半導体モジュールについて、パワーサイクル試験（モジュールの実動作を模擬した断続通電試験）により半田接合層に発生した亀裂（欠陥）の進展形態を観察したところによれば、降伏強度が大きいＳｎ−Ａｇ系の鉛フリー半田（半田接合層５ａ）は、図６で表すように発熱密度が高い半導体チップ３の中央部下付近を起点としてほぼ同心円状に亀裂２４（符号Ｐで表す）が進展することが明らかになった。

また、この亀裂２４の特徴は、半田接合層５ａの厚さ方向に対して平行な縦割れ，または網目状を呈してＳｎの結晶粒界を選択的に進展しており、このことからＳｎ−Ａｇ系の鉛フリー半田では熱劣化（組織変化）によって亀裂が進行するものと想定される（非特許文献１のｐ１４７参照）。
このように、半導体チップ／絶縁基板の接合にＳｎ−Ａｇ系の鉛フリー半田を適用した半導体装置の半田接合部について、従来構造のままでは半導体チップの中央部下付近の半田接合層に熱劣化（組織変化）が発生して亀裂が生じるために、長期に亘り高い信頼性を確保することが難しい。

また、先記の特許文献１に開示されている接合構造で使用するＳｎ−Ｓｂ系半田は、Ｓｎ−Ａｇ系半田に比べて耐熱性が高いが濡れ性に劣り、単独で使用する場合には良好な半田フィレットが形成されないで溶融半田が接合面域から外方に流出するといった問題がある。
また、先記の特許文献２に開示されているパッケージ構造の半導体装置においても、半導体素子の上面電極とリードフレームとの間を鉛フリー半田にて接合した場合には、その半田接合部に前記と同様の亀裂が発生する。

さらに、近年、ハイブリッドカーなどのインバータで使用されるパワーデバイスでは、２００℃以上の高温域での動作も望まれている（ＳｉＣデバイス、ＧａＮデバイスなど）。しかし、Ｓｎ−Ａｇ系の鉛フリー半田では融点が２２０℃程度であり、鉛（Ｐｂ）入りの高温半田（例えば、Ｓｎ９５Ｐｂは融点３００℃程度）の代替となる半田組成はＡｕＳｎ系など高価なものに限定されてしまう。また前記特許文献１、２に開示されている技術でも対応が困難である。

この発明の目的は、前記の課題を解決して、半導体チップ／絶縁基板間および半導体チップの上面電極／リードフレーム間のそれぞれの半田接合部について、半導体チップの中央部下付近および上部電極とリードフレーム間のそれぞれの半田接合層に発生する熱劣化を抑制して高温動作を保証し高いパワーサイクル耐性と長期信頼性の向上が図れるように改良した半導体装置およびその製造方法を提供することにある。

前記の目的を達成するために、絶縁基板の回路パターン上に半導体チップを半田マウントした半導体装置において、
半導体チップ／回路パターン間の半田接合面域を半導体チップの中央部下に対応する中央面部と、該中央面部を取り囲む外周面部とに二分した上で、その中央面部には鉛フリー半田を適用して接合し、外周面部には金属粒子の焼結により接合した構成とする。

また、前記鉛フリー半田が、Ｓｎ−Ａｇ系半田、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系半田、Ｓｎ−Ｃｕ系半田、Ｓｎ−Ｚｎ系半田もしくはＳｎ−Ｓｂ系半田のいずれかであるとよい。
また、前記金属粒子が、粒子径が１μｍ以下の金属粒子であるとよい。
また、前記金属粒子が、Ａｇナノ、ＡｕナノもしくはＣｕナノのいずれかであるとよい。

また、絶縁基板の回路パターン上の中央部に鉛フリー半田を配置し、該鉛フリー半田の外周部に金属粒子ペーストを配置する工程と、
前記金属粒子ペーストと前記鉛フリー半田上に半導体チップの裏面を配置する工程と、
前記半導体チップに所定の圧力と熱を加えて前記金属粒子ペーストを焼結する工程と、
はんだリフロー炉で中央部の前記鉛フリー半田を溶融させ、前記半導体チップの中央部をはんだ接合する工程と、
を含む製造方法とする。

この発明によれば、半導体チップと銅回路パターンおよび半導体チップの上部電極とリードフレームの半田接合層において、中央部に例えばＳｎ−Ａｇ系など融点が２２０℃程度の一般的な鉛フリー半田を使用し、外周部には例えばＡｇナノやＡｕナノなど金属粒子を使用することで、半導体チップのジャンクション温度が２００℃以上にまで上昇し中央部の半田が溶融しても、外周部は金属粒子による焼結であるため溶融はせず、半導体チップは銅回路パターンに接合された状態が維持され、高温動作可能なパワー半導体装置が可能となる。

また、上部電極とリードフレームの接合部が２００℃以上となっても強固な接合が保証できて高温動作可能なパワー半導体装置が可能となる。

実施の形態を以下の実施例で説明する。従来構造と同一部位には同一符号を付した。

図１は、この発明の第１実施例の半導体装置の要部断面図である。図１において、１は放熱用銅ベース、２はセラミック板２ａの上面，下面に銅回路パターン２ｂ，銅箔２ｃを成層して銅ベース１に搭載した絶縁基板、３，４はＩＧＢＴ，ＦＷＤの半導体チップ、５は銅ベース１／絶縁基板２の銅箔２ｃ，および絶縁基板２の銅回路パターン２ｂ／半導体チップ３，４を接合した接合層、６は銅ベース１の下面にサーマルコンパウンド７で伝熱的に接合し冷却体（ヒートシンク）である。なお、図１−図２では配線リード、モジュールの外囲ケースなどは省略して描かれてない。

図２は、図１のうち半導体チップ３と絶縁基板２ａ表面側の銅回路パターン２ａと接合層５の配置図であり、同図（ａ）は要部断面図、同図（ｂ）は要部平面図である。接合層５は中央部に鉛フリー半田８でその外周部に金属粒子９が配置されている。
一般にＩＧＢＴなどのパワー半導体素子の最高保証温度は１５０℃であるが、今後さらに高温化すると考えられる。また、ＳｉＣやＧａＮなどは最高保証温度が２００℃以上になると考えられるが、ここで示す接合層５はいずれの半導体デバイスでも適用が可能である。

図３は、図２の半導体装置の製造方法を示し、同図（ａ）〜同図（ｅ）は工程順に示した要部製造工程断面図である。
同図（ａ）において、絶縁基板の銅回路パターン２ｂ上に金属粒子ペースト９ａと鉛フリー半田８ａを配置する。このとき図に示すように中央部に鉛フリー半田８ａ、外周部に金属粒子ペースト９ａを配置する。この金属粒子ペースト９ａとは、粒子径が１μｍ以下のＡｕ粒子、Ａｇ粒子、Ａｌ粒子およびＣｕ粒子などの金属粒子を溶剤に混入してペースト状としたものでその粘度は３０Ｐａ・ｓである。勿論、金属粒子には粒子径がナノオーダの金属ナノも含む。

同図（ｂ）において、金属粒子ペースト９ａと鉛フリー半田８ａ上に半導体チップ３の裏面を配置する。
同図（ｃ）において、半導体チップ３に所定の圧力２１と熱（例えば、圧力：０．５ｋｇｆ／ｍｍ^２熱：２００℃／６０ｍｉｎ）を加えて金属粒子ペースト９ａを焼結して焼結した金属粒子９とする。この金属粒子９により半導体チップ３の裏面の外周部が固着される。焼結は金属粒子ペースト９ａの溶剤を揮発させることで行われる。

同図（ｄ）において、はんだリフロー炉２２（例えば、２５０℃／２ｍｉｎ）で中央部の鉛フリー半田８ａを溶融させ、半導体チップの中央部を鉛フリー半田８ではんだ接合する。
同図（ｅ）において、鉛フリー半田８ではんだ接合を終えた半導体チップ３を洗浄する。

さらに同図（ａ）の工程について詳細に説明する。図２に示す絶縁基板２の表面側の銅回路パターン２ｂの半導体チップ３が搭載される部分の中央部に鉛フリー半田８ａ（Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｚｎ系、Ｓｎ−Ｓｂ系など）を配置し（クリーム半田の場合は印刷）、その外周部にＡｇ粒子またはＡｕ粒子あるいはＣｕ粒子などの金属粒子の焼結可能な金属粒子９を含む金属粒子ペースト９ａを配置（ディスペンス）する。

微細な金属粒子９を含むペーストとしては、例えば、ハイブリッド銀ペーストやＡｇ粒子ペーストなどを使用する。この時、金属粒子９を焼結する半導体チップ３の裏面および銅回路パターン２ａの表面には、ＡｕめっきやＡｇめっきなどの表面酸化を抑える表面処理をしておく。そして、鉛フリー半田８ａおよび金属粒子９の上に半導体チップを置き、リフロー工程を通すことで、半導体チップ３の中央部は鉛フリー半田８で接合される。外周部はすでに金属粒子９で焼結されている。

また、半導体チップ３の表面電極側にリードフレームやヒートスプレッダーを接合する場合も、半導体チップ３裏面側と同様にして接合、焼結をすることが可能であるが、半導体チップ３表面およびリードフレーム（あるいはヒートスプレッダー）表面にはＡｕめっきやＡｇめっきなどの表面酸化を抑える表面処理を施すとよい。
尚、全面をＡｇ粒子やＣｕ粒子またはＡｕ粒子などの金属粒子９で接合すると接合層５が硬くなる過ぎて、クラックが入り易くなりパワーサイクル性が低下してしまい採用が困難である。

図４は、この発明の第２実施例の半導体装置の要部断面図である。図１と違うのは、図１と同じ接合層５（中央部が鉛フリー半田８で外周部が金属粒子９で構成される）が半導体チップ３の上部電極とリードフレーム２３間にも用いた点である。

この発明の第１実施例の半導体装置の要部断面図 図１のうち半導体チップ３と絶縁基板２ａ表面側の銅回路パターン２ａと接合層５の配置図であり、（ａ）は要部断面図、（ｂ）は要部平面図 図２の半導体装置の製造方法を示し、（ａ）〜（ｅ）は工程順に示した要部製造工程断面図 この発明の第２実施例の半導体装置の要部断面図 従来のＩＧＢＴモジュールの要部断面図 半田接合層に導入された亀裂を示す図

符号の説明

１ 放熱用銅ベース
２ 絶縁基板
２ａ セラミック板
２ｂ 銅回路パターン
２ｃ 銅箔
３ 半導体チップ（ＩＧＢＴ）
４ 半導体ツップ（ＦＷＤ）
５ 接合層
６ 冷却体
７ サーマルコンパウンド
８ 鉛フリー半田（接合後）
８ａ 鉛フリー半田（接合前）
９ 金属粒子
９ａ 金属粒子ペースト
２１ 圧力
２２ リフロー炉
２３ ヒートスプレッダ

Claims (5)

1. 絶縁基板の回路パターン上に半導体チップを半田マウントした半導体装置において、
   半導体チップ／回路パターン間の半田接合面域を半導体チップの中央部下に対応する中央面部と、該中央面部を取り囲む外周面部とに二分した上で、その中央面部には鉛フリー半田を適用して接合し、外周面部には金属粒子の焼結により接合したことを特徴とする半導体装置。
2. 前記鉛フリー半田が、Ｓｎ−Ａｇ系半田、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系半田、Ｓｎ−Ｃｕ系半田、Ｓｎ−Ｚｎ系半田もしくはＳｎ−Ｓｂ系半田のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記金属粒子が、粒子径が１μｍ以下の金属粒子であ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。
4. 前記金属粒子が、Ａｇナノ、ＡｕナノもしくはＣｕナノのいずれかであることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
5. 絶縁基板の回路パターン上の中央部に鉛フリー半田を配置し、該鉛フリー半田の外周部に金属粒子ペーストを配置する工程と、
   前記金属粒子ペーストと前記鉛フリー半田上に半導体チップの裏面を配置する工程と、
   前記半導体チップに所定の圧力と熱を加えて前記金属粒子ペーストを焼結する工程と、
   はんだリフロー炉で中央部の前記鉛フリー半田を溶融させ、前記半導体チップの中央部をはんだ接合する工程と、
   を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
   

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