JP4888085B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、一面がはんだ付けされるはんだ付け領域とはんだ付けされない非はんだ付け領域とに分割されている半導体素子の当該はんだ付け領域に、その一面が当該はんだ付け領域と同等以下のサイズである金属体の当該一面を、はんだ接合する半導体装置の製造方法に関する。
この種の半導体装置としては、たとえば、半導体素子の一面側と他面側とにヒートシンクを設け、半導体素子の両面から放熱を可能とした半導体装置が提案されている(たとえば、特許文献1参照)。
このものにおいては、半導体素子の一面では、金属体を介してヒートシンクと熱的な接続を行っている。また、半導体素子の一面には、ボンディングワイヤが接続されているため、金属体は、半導体素子の一面のうちボンディングワイヤのパッド以外の部位に対して、はんだ接合されている。
つまり、この従来の半導体装置では、半導体素子の一面は、金属体とはんだ付けされるはんだ付け領域と、上記パッドなどが位置するはんだ付けされない非はんだ付け領域とに分割されている。
そして、金属体は、その一面のサイズがはんだ付け領域と同じか、もしくは小さいものであり、この金属体の一面が、はんだを介して、半導体素子の一面のはんだ付け領域に接合される。
そして、従来では、この半導体素子の一面と金属体の一面とを、はんだ接合することは、半導体素子の一面のはんだ付け領域に、はんだ箔を配置したり、はんだ付けを行ったりして、はんだを設けた後、その上に金属体を載せて、はんだをリフローすることにより行われていた。
特開2005−136018号公報
しかし、はんだ箔を半導体素子の一面に配置する場合、通常はマスクとしてのカーボン冶具により、はんだ泊の位置決めを行うが、はんだ箔のような厚みが薄いものをカーボン冶具で位置決めするのは難しく、はんだ箔がカーボン冶具の下に潜りこんだり、はんだ箔の位置ずれが発生する。
また、半導体素子の一面にはんだ付けを行う場合にも、はんだを、半導体素子の非はんだ付け領域に干渉させることなく、はんだ付け領域のみに配置することは難しい。つまり、従来の製造方法では、半導体素子に対して目的の部位に位置精度よく、はんだを配置することは困難であった。
ここで、半導体素子のはんだ付け領域に、はんだめっきを用いてはんだを配置する方法も考えられるが、はんだ厚を接合に十分な厚さ、たとえば数10〜数100μmとしたい場合には、めっきでは困難である。
さらに、半導体素子のはんだ付け領域に、迎えはんだする方法においては、半導体素子のサイズが大きく厚さが薄い場合(たとえば、半導体素子の10mm□以上で厚さが200μm以下の場合)には、はんだと半導体素子との熱膨張係数差により、半導体素子に反りが発生しやすい。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、一面がはんだ付けされるはんだ付け領域とはんだ付けされない非はんだ付け領域とに分割されている半導体素子の当該はんだ付け領域に、金属体をはんだ接合する半導体装置の製造方法において、半導体素子と金属体との間で、はんだを位置精度よく配置してはんだ接合を行えるようにすることを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明は、金属体(50)の一面(51)に予めはんだ(40)をはんだ付けしておき、次に、はんだ(40)を介して半導体素子(10)の一面(11)と金属体(50)の一面(51)と位置あわせし、その後、はんだ(40)をリフローさせて半導体素子(10)と金属体(50)とを接合することを特徴とする。
それによれば、従来とは逆に、金属体(50)の一面(51)に予めはんだ(40)をはんだ付けすることで、金属体(50)の一面(51)のサイズ内、すなわち半導体素子(10)のはんだ付け領域内に、はんだ(40)のサイズを収めることができる。
そのため、後は、金属体(50)と半導体素子(10)との位置あわせをしてやれば、半導体素子(10)と金属体(50)との間で、はんだ(40)を位置精度よく配置してはんだ接合を行うことができる。
ここで、はんだ付け領域を、複数の分割された分割部(14)よりなるものとしたとき、金属体(50)の一面(51)に予めはんだ付けされるはんだ(40)を、複数の分割部(14)のすべてに重なる大きさとすることが好ましい。
それによれば、はんだ付け領域が複数の分割された分割部(14)よりなるものである場合でも、金属体(50)に予め設けられたはんだ(40)により、すべての分割部(14)を一括してはんだ接合することができる。
また、上記はんだ(40)として、当該はんだ(40)のリフロー時に、半導体素子(10)の一面(11)と金属体(50)の一面(51)との傾きを防止するスペーサ(41)が混合しているものを、金属体(50)の一面(51)に予めはんだ付けすることが好ましい。
それによれば、はんだ(40)のリフロー時に、半導体素子(10)と金属体(50)との間の傾きを防止して、これら両者の間隔を平行に保持しやすくなる。
なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各図において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。
図1は、本発明の実施形態に係る半導体装置100の概略断面構成を示す図である。この半導体装置100は、上記特許文献1に記載されているように、半導体素子10の一面11側と他面12側とに金属板20、30を設け、半導体素子10の両面11、12から放熱を可能とした両面放熱型のものである。
この半導体装置100は、たとえば自動車などの車両に搭載され、車両用電子装置を駆動するための装置として適用されるものである。
半導体素子10は、矩形板状の半導体チップよりなるものであり、そのサイズは、たとえば10mm□以上で厚さが200μm以下のものである。具体的には、半導体素子10は、IGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)やパワートランジスタなどである。本実施形態では、半導体素子10はIGBTであり、この半導体素子10の両面11、12の電極構成を図2に示す。
図2において、(a)は半導体素子10の一面(図1中の半導体素子10の上面)11、(b)は半導体素子10の他面(図1中の半導体素子10の下面)12のそれぞれ電極の平面構成を示す平面図である。
まず、半導体素子10の一面11については、図2(a)に示されるように、後述する制御端子70とワイヤボンディングにより接続される制御電極用パッド13が、複数個設けられている。これら各制御電極用パッド13はAl(アルミニウム)などにより構成されている。
また、半導体素子10の一面11には、複数個の分割されたエミッタ用電極14が設けられている。このエミッタ用電極14はIGBTのエミッタと導通しており、後述するように、はんだ40を介してヒートシンクブロック50(図1参照)と接合されるものであり、Niメッキなどにより構成されている。
このように、半導体素子10の一面11は、複数個のエミッタ用電極14が配置されている領域がはんだ付けされるはんだ付け領域であり、複数個の制御電極用パッド13が配置されている領域が、はんだ付けされずにワイヤボンディングされる非はんだ付け領域として構成されている。
また、このように半導体素子10の一面11が、はんだ付け領域と非はんだ付け領域とに分割されているが、本実施形態では、上述したように、はんだ付け領域は、複数の分割された分割部としてのエミッタ用電極14よりなる。
また、個々のエミッタ用電極14、個々の制御電極用パッド13は、半導体素子10の一面11に設けられた電気絶縁性の保護膜により区画されている。そして、複数個のエミッタ用電極14と複数個の制御電極用パッド13とは、互いに電気的に独立した構成となっている。
そのため、半導体素子10の一面11にヒートシンクブロック50をはんだ付けするときには、制御電極用パッド13にはんだ40が付くことなく、分割された複数個のエミッタ用電極14の全体に且つ均等にはんだ40を付ける必要がある。
一方、図2(b)に示されるように、半導体素子10の他面12には、コレクタ用電極15が当該他面12の全面に形成されている。このコレクタ用電極15は、IGBTのコレクタと導通しており、後述するように、はんだ40を介して第2の金属板30(図1参照)と接合されるものであり、Niメッキなどにより構成される。
そして、半導体素子10の両面11、12は、当該半導体素子10の電極および放熱部材として機能する一対の金属板20、30にて挟まれている。これら金属板20、30は、銅合金もしくはアルミ合金等の熱伝導性および電気伝導性に優れた金属板によって構成されている。
ここで、一対の金属板20、30は、半導体素子10を挟むように対向して配置されているが、図1において、一対の金属板20、30のうち上側に位置する金属板20を、第1の金属板20とし、下側に位置する金属板30を、第2の金属板30とする。
そして、半導体素子10の他面12と第2の金属板30の内面との間は、はんだ40によって電気的・熱的に接続されている。つまり、半導体素子10の他面12のコレクタ用電極15は、はんだ40を介して、第2の金属板30に対して電気的・熱的に接続されている。
また、半導体素子10の一面11と第1の金属板20の内面との間には、両金属板20、30と同様の材質からなるヒートシンクブロック50が介在している。ここで、ヒートシンクブロック50は、本実施形態の半導体装置100における金属体50として構成されている。
このヒートシンクブロック50は、半導体素子10と上記制御端子70との間のワイヤボンディングを行うにあたって、ワイヤ80の高さを維持するために、半導体素子10の一面11と第1の金属板20との間の高さを確保する。本実施形態では、ヒートシンクブロック50は、矩形板状をなすもので、その平面サイズは、図2中の破線四角形に示されるように、はんだ付け領域と同等以下のサイズである。
つまり、このヒートシンクブロック50の一面(図1中の下面)51は、半導体素子10の一面11におけるはんだ付け領域に対して、はんだ40を介して接合されているが、そのサイズがはんだ付け領域のサイズと同じか、もしくは、はんだ付け領域の外形の内周部に位置するものである。図2(a)では、ヒートシンクブロック50の一面51は、はんだ付け領域よりも小さいサイズとなっている。
ここで、図示しないが、ヒートシンクブロック50と半導体素子10との間に介在するはんだ40は、複数のエミッタ用電極14のすべてに重なる大きさである。それにより、複数個のエミッタ用電極14とヒートシンクブロック50とは、はんだ40を介して電気的・機械的・熱的に接続されている。
また、ヒートシンクブロック50の一面51とは反対側の他面(図1中の上面)52は、第1の金属板20に対して、はんだ40を介して電気的・機械的・熱的に接続されている。これにより、半導体素子10の一面11のエミッタ用電極14は、はんだ40、ヒートシンクブロック50、はんだ40を介して第1の金属板20に電気的・熱的に接続されている。
ここで、上記各部間を接続するはんだ40としては、特に限定されるものではないが、鉛フリーはんだなどが用いられる。たとえば、鉛フリーはんだとしては、Sn−Ag−Cu系はんだやSn−Ni−Cu系はんだ等を採用することができる。
そして、図1に示されるように、本実施形態の半導体装置100においては、半導体素子10を挟み込んだ一対の金属板20、30が、モールド樹脂60にて包み込まれるように封止されている。
このモールド樹脂60はエポキシ系樹脂などからなり、型成形によって形成されたものである。こうして、本半導体装置100においては、はんだ40を介した半導体素子10とヒートシンクブロック50との接合部、半導体素子10および一対の金属板20、30は、モールド樹脂60により封止されている。
また、図1に示されるように、一対の金属板20、30のそれぞれにおいて、半導体素子10と対向する内面とは反対側の外面が、モールド樹脂60から露出している。これにより、本半導体装置100は、半導体素子10の両面11、12のそれぞれにて、各金属板20、30を介した放熱が行われる両面放熱型の構成となっている。
図示しないが、このモールド樹脂60から露出する各金属板30、40の外面には、それぞれ冷却部材が密着して配置されることにより、放熱が促進されるようになっている。このような冷却部材としては、通常、内部に冷却水が流通可能なアルミや銅などの部材が使用される。
また、本半導体装置100では、一対の金属板20、30は、それぞれ、半導体素子10の上記各電極14、15の取り出し電極となっており、これら各電極14、15は金属板20、30を介して外部と電気的に接続される。
また、図1に示されるように、半導体装置100においては、半導体素子10の一面11と電気的に接続された上記制御端子70が設けられている。この制御端子70は、その一部がモールド樹脂60から露出するように、モールド樹脂60に封止されている。この制御端子70は、銅や42アロイなどのリードフレーム材料からなる。
そして、制御端子70は、モールド樹脂60の内部にて、ボンディングワイヤ80を介して、上記制御電極用パッド13(図2参照)に電気的に接続されている。なお、制御端子70は、図示しないけれども、制御電極用パッド13の個数に応じて複数本設けられている。
また、制御端子70におけるモールド樹脂60からの突出先端部は図示しない回路基板に接続されるようになっている。これにより、制御端子70を介して半導体素子10の制御電極用パッド13と外部との電気的なやりとりが可能となっている。
次に、本実施形態の半導体装置100の製造方法について、図3、図4を参照して述べる。図3は本製造方法の工程図、図4は図3に続く製造方法の工程図であり、各工程におけるワークを断面的に示している。
まず、図3(a)に示されるように、金属体としてのヒートシンクブロック50の一面51に、予めはんだ40をはんだ付けしておく。つまり、ヒートシンクブロック50の一面51にて、はんだ40を溶融して迎えはんだを施しておく。
ここでは、ヒートシンクブロック50の一面51の全体に、はんだ40をはんだ付けしておく。これは、ヒートシンクブロック50の一面51のはんだ40を、上記した複数のエミッタ用電極14のすべてに重なる大きさとするためである。このようなはんだ付けは、ヒートシンクブロック50の一面51にはんだ箔を載せ、これを加熱して溶融させることにより実現される。
次に、図3(b)に示されるように、第2の金属板30の上に、はんだ箔としてのはんだ40、半導体素子10、はんだ40が付いたヒートシンクブロック50、はんだ箔としてのはんだ40を、順次搭載し、重ね合わせる。
このとき、迎えはんだが施されたヒートシンクブロック50の一面51と半導体素子10の一面11とを対向させるとともに、ヒートシンクブロック50の他面52の上に、はんだ箔としてのはんだ40を搭載する。
そして、このように各部を重ねた状態で、はんだ40のリフローを行うと、図3(c)に示されるように、第2の金属板30、半導体素子10およびヒートシンクブロック50の各部間が、はんだ40により接合された状態となる。また、ヒートシンクブロック50の他面52には、はんだ40がはんだ付けされた状態となる。
続いて、制御端子70を、半導体素子10の近くに配置し、図4(a)に示されるように、半導体素子10の一面11の制御端子用パッド13(上記図2参照)と、制御端子70との間でワイヤボンディングを行い、これらの間をボンディングワイヤ80により結線する。このワイヤボンディングは、一般的な金やアルミなどを用いたボンディング方法により行える。
次に、図4(b)に示されるように、ヒートシンクブロック50の他面52と第1の金属板20とを対向させて組み付け、これらの間に介在するはんだ40をリフローさせることによって、ヒートシンクブロック50と第1の金属板20とをはんだ接合する。
ここで、本実施形態では、ヒートシンクブロック50と第1の金属板20とのはんだ接合を、ヒートシンクブロック50側に迎えはんだを施した状態で行っている。このはんだ接合は、ヒートシンクブロック50と第1の金属板20との間にはんだ箔を介在させて行ってもよいが、その場合には、はんだ箔の位置決めが難しくなる。
それに対して、図4(b)に示されるように、ヒートシンクブロック50側に迎えはんだを行っておけば、はんだの位置決めが不要となり、ヒートシンクブロック50と第1の金属板20との位置決めを行うだけでよくなるため、位置精度のよい接合を行うことが可能になる。
こうして、図4(c)に示されるように、ヒートシンクブロック50と第1の金属板20とがはんだ接合される。その後は、このものを樹脂成型用の金型に設置し、トランスファーモールド法によってモールド樹脂60による封止を行う。それにより、本実施形態の半導体装置100ができあがる。
このように、本実施形態の製造方法は、半導体素子10とヒートシンクブロック50とのはんだ接合についてみると、一面11がはんだ付けされるはんだ付け領域とはんだ付けされない非はんだ付け領域とに分割されている半導体素子10と、一面51がはんだ付け領域と同等以下のサイズであるヒートシンクブロック50とを用意し、半導体素子10の一面11におけるはんだ付け領域に対して、はんだ40を介してヒートシンクブロック50の一面51を接合するようにしたものとなっている。
ここにおいて、本実施形態では、ヒートシンクブロック50の一面51に、予めはんだ40をはんだ付けする、つまりはんだ40を溶融して付けるという迎えはんだを施しておき、次に、はんだ40を介して半導体素子10の一面11とヒートシンクブロック50の一面51と位置あわせし、その後、はんだ40をリフローさせて半導体素子10とヒートシンクブロック50とを接合している。
ちなみに、図5は、従来の製造方法に基づいて、本発明者が行った比較例としての製造方法を示す工程図であるが、この場合には、第2の金属板30の上に、はんだ箔としてのはんだ40、半導体素子10、はんだ箔としてのはんだ40、ヒートシンクブロック50を順次積層した後(図5(a)参照)、はんだリフローを行い各部をはんだ接合する(図5(b)参照)。
この比較例においては、上述したように、はんだ箔としてのはんだ40の位置決めが難しいなどの問題があり、半導体素子10の非はんだ付け領域に、はんだ40が付着してしまうおそれがあった。
それに対して、本実施形態の製造方法では、ヒートシンクブロック50の一面51に予めはんだ40をはんだ付けすることで、ヒートシンクブロック50の一面51のサイズ内、すなわち半導体素子10のはんだ付け領域内に、はんだ40のサイズを収めることができる。
そのため、後は、ヒートシンクブロック50と半導体素子10との位置あわせをしてやれば、ヒートシンクブロック50は、その一面51がはんだ付け領域と同等以下のサイズであることから、非はんだ付け領域にはんだ40がはみ出すのを防止できる。よって、本実施形態によれば、半導体素子10とヒートシンクブロック50との間で、はんだ40を位置精度よく配置してはんだ接合を行うことができる。
また、従来のような半導体素子10に予めはんだ付けを行うものではないため、本実施形態では、上述したようなサイズが大きく薄い半導体素子10を採用しても、半導体素子10の反りを防止できる。
また、本実施形態では、はんだ付け領域が複数の分割された分割部としてのエミッタ用電極14の集合体よりなるが、ヒートシンクブロック50の一面51の全面に、迎えはんだを行うことにより、すべてのエミッタ用電極14とヒートシンクブロック50とを一括してはんだ接合することができる。
ここで、ヒートシンクブロック50の一面51と半導体素子10とをはんだ付けするとき、および、ヒートシンクブロック50の他面52と第1の金属板20とをはんだ付けするときには、リフロー時にはんだ40が再溶融するため、はんだ40の厚みが変化し、部品同士が傾いて接合されてしまう恐れがある。
その点を考慮した本実施形態のもう一つの例を、図6に示す。図6に示されるように、ヒートシンクブロック50に迎えはんだとして構成されるはんだ40が、はんだ厚み制御用のスペーサ41が含有されたはんだ箔により形成されている。このようなスペーサ41としては、金属やセラミックのボールや柱状体を採用できる。たとえば、Niよりなる直径50μmの球状体を採用できる。
これにより、はんだ40のリフロー時に、半導体素子10の一面11とヒートシンクブロック50の一面51との傾きを防止して、これら両一面11、51の間隔を平行に保持することが可能となる。
なお、図6では、ヒートシンクブロック50の一面51にはんだ付けされたはんだ40を示しているが、ヒートシンクブロック50の他面52にはんだ付けされるはんだ40においても、スペーサ41が入ったものを採用してもよい。それにより、ヒートシンクブロック50と第1の金属板20との傾きを防止できる。
(他の実施形態)
ところで、上記実施形態において、ヒートシンクブロック50の一面51または他面52に、迎えはんだを行うとき、はんだ付けしたくない部分すなわちヒートシンクブロック50の側面にまではんだ40が濡れてしまう恐れがある。この場合、ショートなどの問題が発生しやすくなる。
その対策として、ヒートシンクブロック50としては、一面51および他面52の方がこれら両面51、52の周囲に位置する側面よりもはんだ40の濡れ性に優れたものを用いるようにしてもよい。それにより、迎えはんだを行うときに、一面51または他面52からはんだ40が側面に溢れることが抑制される。
また、上記実施形態では、はんだ付け領域は複数個の分割部の集合体、すなわち複数のエミッタ用電極14の集合体として構成されていたが、エミッタ用電極14は1個でもよい。つまり、はんだ付け領域は、全体として1個のものであってもよい。
また、上記実施形態では、半導体素子10は1個であったが、複数個であってもよい。この場合には、各半導体素子について金属体をはんだ接合するが、それぞれのはんだ接合において上記した金属体への迎えはんだの手法を採用すればよい。
また、半導体素子としては、その一面が、はんだ付けされるはんだ付け領域とはんだ付けされない非はんだ付け領域とに分割されているものであればよく、上記図示例のものに限定されない。
また、金属体としては、その一面が半導体素子の一面のはんだ付け領域と同等以下のサイズであるものであればよく、上記したヒートシンクブロック50に限定されるものではない。
さらに、半導体装置としては、このような半導体素子と金属体とを備え、半導体素子の一面におけるはんだ付け領域に対して、はんだを介して金属体の一面を接合するようにしたものであればよく、上記した両面放熱型のような半導体素子の両面にはんだ付けを行うものに限定されるものではない。たとえば、半導体素子の一面にのみ金属体をはんだ付けし、半導体素子の他面にははんだ付けしないものでもよい。
本発明の実施形態に係る半導体装置100の概略断面構成を示す図である。 (a)は半導体素子の一面、(b)は半導体素子の他面のそれぞれ電極構成を示す平面図である。 上記実施形態の半導体装置の製造方法を示す工程図である。 図3に続く製造方法の工程図である。 比較例としての製造方法を示す工程図である。 上記実施形態のもう一つの例を示す概略断面図である。
符号の説明
10…半導体素子、11…半導体素子の一面、12…半導体素子の他面、
40…はんだ、41…スペーサ、
50…金属体としてのヒートシンクブロック、
51…ヒートシンクブロックの一面、52…ヒートシンクブロックの他面。

Claims (3)

  1. 一面(11)がはんだ付けされるはんだ付け領域とはんだ付けされない非はんだ付け領域とに分割されている半導体素子(10)と、
    一面(51)が前記はんだ付け領域と同等以下のサイズである金属体(50)とを用意し、
    前記半導体素子(10)の前記一面(11)における前記はんだ付け領域に対して、はんだ(40)を介して前記金属体(50)の前記の一面(51)を接合するようにした半導体装置の製造方法において、
    前記金属体(50)の前記一面(51)に予め前記はんだ(40)をはんだ付けしておき、次に、前記はんだ(40)を介して前記半導体素子(10)の前記一面(11)と前記金属体(50)の前記一面(51)と位置あわせし、その後、前記はんだ(40)をリフローさせて前記半導体素子(10)と前記金属体(50)とを接合することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記はんだ付け領域は、複数の分割された分割部(14)よりなるものであり、
    前記金属体(50)の前記一面(51)に予めはんだ付けされる前記はんだ(40)を、前記複数の分割部(14)のすべてに重なる大きさと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. 前記はんだ(40)として、前記はんだ(40)のリフロー時に、前記半導体素子(10)の前記一面(11)と前記金属体(50)の前記一面(51)との傾きを防止するスペーサ(41)が混合しているものを、前記金属体(50)の前記一面(51)に予めはんだ付け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。
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