JP5262408B2

JP5262408B2 - 位置決め治具および半導体装置の製造方法

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Publication number: JP5262408B2
Application number: JP2008203677A
Authority: JP
Inventors: 正樹小野
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2008-08-07
Filing date: 2008-08-07
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2028-08-07
Also published as: JP2010040881A

Description

本発明は、表裏面に金属回路と金属板がそれぞれ接合された絶縁回路基板の金属回路側に、半導体チップを半田付けによって実装するために使用する位置決め治具および半導体装置の製造方法に関し、とくに絶縁回路基板の表面形状の変形に対応可能な位置決め治具および半導体装置の製造方法に関する。

近年では、大電流・高電圧環境下でも動作可能なパワー半導体モジュールが様々な分野で用いられるようになっている。このようなパワーモジュールは、主に、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor：以下、ＩＧＢＴという。）やフリーホイーリングダイオード（Free Wheeling Diode：以下、ＦＷＤという。）等のパワー半導体を用いて構成される。

図８は、従来の半導体装置の製造方法に係る半田付け実装工程を示す図である。図において、絶縁回路基板１００は、主に絶縁性のセラミック基板と、セラミック基板の表裏面にそれぞれ金属回路、金属板（図示せず。）を接合して構成されている。この絶縁回路基板１００には、それと同形状のチップ位置決め用の治具（以下、位置決め治具という。）１０１を固定して、その表面金属回路側の所定位置にＩＧＢＴ、あるいはＦＷＤ等の半導体チップ１０２が実装される。なお、図８の平板形状の位置決め治具１０１には、ほぼ中央部に半導体チップ１０２を保持するための開口部１０１ａを１つだけ有しているが、複数の開口部を備えているものもある。

こうしたチップ実装工程では、絶縁回路基板１００の表面に位置決め治具１０１を載せて、その開口部１０１ａ内に半導体チップ１０２を半田板１０３とともに落とし込んで、絶縁回路基板１００上で位置決めを行う。その後、全体を加熱炉に挿入して半田板１０３を溶融することによって、半田付けによるチップ実装が行われる。

ところで、絶縁回路基板１００は、常温時にはほぼ平坦な平板形状であるが、その後、高温の加熱炉へ投入することによって、図８に示すように、その最下端から基板沿面までの高さ（ｈ）として測定されるような変形が一時的に生じる。すなわち、絶縁回路基板１００がその実装面の裏面側に凸形状に湾曲することによって、隙間（ｇ）が絶縁回路基板１００の表面金属回路側で位置決め治具１０１との間に生じる。

一般に、動作時に発熱するパワー半導体のような電子部品を搭載した絶縁回路基板１００では、放熱対策のために裏面の金属板に熱伝導率の高い大型の金属プレートが放熱板として貼り付けられて、発生した熱を拡散して放熱するようにしている。その際、絶縁回路基板１００がその実装面の裏面側に凸形状に湾曲していれば、放熱板との半田接合層に存在する気泡（ボイド）が自らの浮力によって凸状の曲面に沿って移動し、排出除去される。したがって、絶縁回路基板１００に生じる凸状の曲面は、両者の間の接合力を高めるうえで有効であり、接合面での熱伝導率が低下しないという効果があった（例えば、特許文献１参照。）。

また、位置決め治具１０１の下面と絶縁回路基板１００との間に意図的に隙間を設けることによって、溶融した半田が毛管現象で周囲に浸透しないようにする技術も提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
特開平１０−２７０６１２号公報（段落番号［００１９］〜［００２５］および図２）特開平０６−２１１１０号公報（段落番号［０００７］〜［０００９］および図１〜図３）

ところで、こうした絶縁回路基板１００の変形量や変形形状等は、その寸法や材質、あるいは加熱温度等によっても異なるが、図８に示すように、その最下端から基板沿面までの高さ（ｈ）が数百μｍになる場合もある。すると、位置決め治具１０１との隙間（ｇ）も大きくなり、それが半導体チップ１０２および半田板１０３の厚みの合計より大きくなれば、半田板１０３が溶融したときに、絶縁回路基板１００の表面金属回路上で半田の流れ出しや半導体チップ１０２の位置ズレ等が生じるという問題があった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、絶縁回路基板の加熱による変形を考慮して、裏面形状が成形された位置決め治具を提供することを目的とする。
また、本発明の別の目的は、位置決め治具と絶縁回路基板との密着度を高めることで、製造歩留まりを向上させた半導体装置の製造方法を提供することである。

本発明では、上記問題を解決するために、表面に金属回路が、裏面にはべた付けにて金属板がそれぞれ接合された絶縁回路基板の前記金属回路側に、半導体チップを半田付けによって実装するために使用する位置決め治具が提供される。この位置決め治具は、前記絶縁回路基板と接触する裏面形状が、前記半導体チップの半田付け時における前記絶縁回路基板の加熱によって変形する表面形状と対応する形状に加工された治具本体と、前記治具本体を貫通して形成され、前記半導体チップを落とし込んで前記金属回路上に位置決めをするための開口部と、から構成される。

この発明によれば、半導体チップが配置される絶縁回路基板との隙間を低減できる。
また、本発明の半導体装置の製造方法では、上述した位置決め治具を使用して、絶縁回路基板の金属回路側に半導体チップを半田付けによって実装する工程において、前記位置決め治具の開口部に半田板および半導体チップを配置し、前記絶縁回路基板とともに加熱して前記半田板を溶融して前記絶縁回路基板に前記半導体チップを実装することを特徴とする。

この発明の半導体装置の製造方法では、絶縁回路基板の金属回路側にＩＧＢＴチップ、ＦＷＤチップ等を半田付けによって実装する場合に、半田溶融から硬化に至る過程で位置決め治具と絶縁回路基板との密着度を高めることができる。

本発明の位置決め治具によれば、従来の絶縁回路基板上への半田のはみ出し、半導体チップ相互間での意図しない半田接合、および半導体チップの位置ずれを確実に防止することができる。

本発明の半導体装置の製造方法によれば、絶縁回路基板の金属回路側にＩＧＢＴチップ、ＦＷＤチップ等を半田付けによって実装する場合に、半田溶融から硬化に至る過程で位置決め治具と絶縁回路基板との密着度を高めることにより、両者間での隙間を最小に抑えて、製品不具合を低減できる。また、位置決め治具との間での干渉による半導体チップの損傷等が防止できる。

以下、この発明の実施の形態について、２つの位置決め治具、およびそれを用いた半導体装置の製造方法を、それぞれ図面を参照して説明する。
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す側断面図である。

図において絶縁回路基板１の表面側には、位置決め用のカーボン治具２０と、その開口部２１に半田板３０および半導体チップ４０が配置され、その後、図示しない加熱炉に挿入される。加熱炉内では、全体が３００℃程度まで加熱され、半田板３０が溶融されることによって、絶縁回路基板１上へ半導体チップ４０が実装される。

このとき、絶縁回路基板１が加熱されると、一時的に裏面側に凸形状となるように湾曲する「正反り」状態になる。そこで、実施の形態１では、カーボン治具２０の本体裏面形状として、その開口部２１から離れる方向で薄くなるように、段差部２２が形成されている。したがって、絶縁回路基板１とカーボン治具２０との隙間が低減され、溶融した半田が絶縁回路基板１上ではみ出したり、半導体チップ４０の実装位置がずれたりするおそれがなくなる。

このように、高温時の絶縁回路基板１の湾曲形状に対応する形状で、カーボン治具２０の絶縁回路基板１との接触面に予め所定の大きさの段差を設けた構造とすることによって、絶縁回路基板１の半導体チップ４０を実装する表面との隙間を低減できる。なお、複数の開口部２１を有するカーボン治具２０では、絶縁回路基板１の湾曲の度合いが大きくなる周辺近傍に段差部２２を形成して、開口部２１から離れる方向で治具本体の厚みが薄くなるように構成することが好ましい。

図２は、完成した半導体装置の断面構成の一例を示す図である。
絶縁回路基板１は、セラミック等からなる絶縁層１０の表面側に金属回路１１が形成され、その所定位置に半導体チップ４０が半田層４１によって実装される。絶縁層１０の裏面側には金属板１２が形成され、半田層４２によって放熱板となる金属ベース５０に固着されている。

パワーモジュールを構成する半導体チップ４０は、アルミ等のボンディングワイヤ６０〜６２等によって金属回路１１の所定部分と接続され、さらに樹脂ケース７０から外部に引き出されているリード端子７１，７２と接続されている。また、樹脂ケース７０内部は、ボンディングワイヤ６０〜６２の腐食を防止するためにシリコーンゲル８０で埋められている。シリコーンゲル８０の代わりにエポキシ樹脂等の絶縁性樹脂を用いてもよいし、またシリコーンゲルと絶縁性樹脂を組み合せてもよい。なお、完成した半導体装置では、絶縁回路基板１は平坦な状態に復帰する。

こうした半導体装置の製造工程では、通常は絶縁回路基板１上に複数の半導体チップ４０を実装する際、同時に絶縁回路基板１の金属板１２側と金属ベース５０との半田付けが加熱炉によるリフロー半田付け方式によって実施される。そして、加熱炉内で高温となった絶縁回路基板１は、後に詳述する理由で大きく湾曲する。そのため、その後にワイヤボンディング工程が実行された時点では、従来は、絶縁回路基板１上での半導体チップ４０間での半田はみ出し、あるいは半導体チップ４０の位置ずれ、およびそれに伴う位置決め治具との干渉による傷等によって、１０〜１５％程度の製品不良率が発生していた。しかも、半田はみ出しや半導体チップ４０の位置ずれは、その大半が絶縁回路基板１の中央部で生じていた。

そこで、実施の形態１ではカーボン治具２０の裏面に段差部２２を設けて、カーボン治具２０が絶縁回路基板１の端部での最大の「正反り」部分で接触しないようにした。こうすれば、チップ実装時に加熱された絶縁回路基板１が大きく湾曲した場合でも、カーボン治具２０（図１）と絶縁回路基板１との隙間が大きくならない。したがって、絶縁回路基板１のチップ実装部の周辺でカーボン治具２０が密着して固定されるため、上述したような原因での半導体装置の製品不良率を低減することができる。

（実施の形態２）
図３は、実施の形態２に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す側断面図である。
実施の形態２では、カーボン治具９０の裏面に、絶縁回路基板１の接触面に合致する曲面が加工されている。ここでは、高温時の絶縁回路基板１に生じる反り形状を予め測定しておき、それに合わせた曲率でカーボン治具９０の裏面を曲面とする加工を施すことができる。図３では、カーボン治具９０の開口部９１を１つだけ示しているが、複数の開口部９１を有している場合には、例えば予め絶縁回路基板１の反りの曲率が大きい開口部９１の近傍部分だけに曲面加工を施してもよい。

図４は、複数の開口部を有するカーボン治具を示す図であって、（Ａ）はその正面図、（Ｂ）はＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
図では、８個の開口部９１が形成されたカーボン治具９０を示している。このカーボン治具９０は、例えば横方向Ｘが約４０ｍｍ、縦方向Ｙが約５０ｍｍ、最大の板厚Ｚが約３ｍｍに構成され、ほぼ同様の大きさの絶縁回路基板１上での半導体チップの位置決め治具として使用される。

つぎに、絶縁回路基板の一例として、セラミックの両面に金属材料を接合して構成されるＤＣＢ（direct copper bonding）基板について説明する。
図５は、半導体チップを実装するためのＤＣＢ基板の金属パターンを示す平面図、図６は、図５のＤＣＢ基板の断面構成を示す図である。

３層構造の絶縁回路基板としては、セラミックの絶縁層１０に銅等の金属回路１１と、べた付けされた金属板１２が表裏面に設けられたＤＣＢ基板２が一般的である。ＤＣＢ基板２の表面の金属回路１１に、所定位置に半導体チップが実装される。また、裏面の金属板は半田付け接合によって、あるいはコンパウンドを塗布して放熱板に取り付けられる。

ここで、金属回路１１や金属板１２を構成する銅、アルミの線膨張係数は、１７〜２３×１０^-6（１／℃）であるのに対して、絶縁層１０を構成するセラミックのそれは３．０〜７．０×１０^-6（１／℃）と小さい。こうした３層構造のＤＣＢ基板２を放熱板へ半田付けする際に鉛フリー半田を用いると、加熱温度が２５０℃以上に達するため、両者の線膨張係数の差から絶縁層１０の表裏面が引っ張られる。そこで、表裏面の接合金属量のバランスが取れていないと、ＤＣＢ基板２には反りが生じる。

ＤＣＢ基板２の表面に金属回路１１が形成されているため、裏面にべた付けされた金属板１２と比較して膨張が少ない。表裏面での膨張がこのように偏ることで、ＤＣＢ基板２は図６で破線によって示した「正反り」状態になる。

一般的なＤＣＢ基板２は、金属回路１１と金属板１２とは同じ厚みに形成されるが、表裏面で厚みが異なる金属層を設けた絶縁回路基板もある。図６に示すように表面の金属回路１１の厚みｔ１を金属板１２の厚みｔ２より大きく形成する（ｔ１＞ｔ２）と、ＤＣＢ基板２の高温時には、より大きく下に凸方向に変形する「正反り」状態となって、放熱板との半田接合時の気泡（ボイド）抜けを促進することができる。

とくに、ＤＣＢ基板２の端部では表裏面での金属ボリュームの差が大きくなって、高温時に中心付近より反りが大きくなる。また、表面に複雑な金属回路１１が形成されていると、金属ボリュームの差に応じて曲率の大きな変形が生じる。

また、ＤＣＢ基板２にＩＧＢＴ等の半導体チップを半田付けによって実装する場合、表面の金属回路１１における絶縁距離を確保するために、その沿面距離ｄ１を裏面の金属板１２における沿面距離ｄ２よりも長くとっている。金属板１２の沿面距離を金属回路１１に合わせると、セラミックの絶縁層１０が突出することになって、放熱板との接合時にセラミックの絶縁層１０が割れやすくなるためである。

さらに、金属板１２は絶縁層１０の端部まで設けて、その沿面距離ｄ２を小さくしている。これによって、金属板１２が放熱板に接合された状態では、それらの隙間が半田フィレットによって埋められるから、シリコーンゲル８０（図２）を隙間無く充填することが可能になる。

図７は、ＤＣＢ基板の常温時および加熱時における反り量の測定結果を示す図である。
ここでは、図５に示すようなサイズのＤＣＢ基板を４枚用意し、それぞれ常温時およびＨ₂一体炉による３００℃の加熱時に、Ｘ・Ｙの各方向と斜め方向（対角方向）での反り量を、レーザー三次元形状測定器によって測定した。加熱時の反り量の測定は、ＤＣＢ基板２の裏面において、その金属板１２の端部を測定位置とし、全体の温度が安定した状態で実施した。

ＤＣＢ基板２の大きさは、横方向Ｘが約４０ｍｍ、縦方向Ｙが約５０ｍｍであって、平均した反り量もそれぞれＸ方向で７１．３μｍ、Ｙ方向で１３６．８μｍとなる。また、対角方向ではさらに大きな反り量（２８７．５μｍ）となった。

なお、計測データはＸ・Ｙ方向だけであって、対角方向の反り量は計測波形から算出された値である。また、ＤＣＢ基板２の中央部付近と比較して、縁辺部分になるほど反りが急激に大きくなっている。これは、金属回路１１のパターン形状にも関係するが、縁辺部分での表裏面間の金属ボリューム差が大きいためである。

実施の形態１に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す側断面図である。完成した半導体装置の断面構成の一例を示す図である。実施の形態２に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す側断面図である。複数の開口部を有するカーボン治具を示す図であって、（Ａ）はその正面図、（Ｂ）はＢ−Ｂ線に沿う断面図である。半導体チップを実装するためのＤＣＢ基板の金属パターンを示す平面図である。図５のＤＣＢ基板の断面構成を示す図である。ＤＣＢ基板の常温時および加熱時における反り量の測定結果を示す図である。従来の半導体装置の製造方法に係る半田付け実装工程を示す図である。

符号の説明

１絶縁回路基板
２ＤＣＢ基板
１０絶縁層
１１金属回路
１２金属板
２０，９０カーボン治具
２１，９１開口部
２２段差部
３０半田板
４０半導体チップ
４１，４２半田層
５０金属ベース
６０，６１，６２ボンディングワイヤ
７０樹脂ケース
７１，７２リード端子
８０シリコーンゲル

Claims

表面に金属回路が、裏面にはべた付けにて金属板がそれぞれ接合された絶縁回路基板の前記金属回路側に、半導体チップを半田付けによって実装するために使用する位置決め治具であって、
前記絶縁回路基板と接触する裏面形状が、前記半導体チップの半田付け時における前記絶縁回路基板の加熱によって変形する表面形状と対応する形状に加工された治具本体と、
前記治具本体を貫通して形成され、前記半導体チップを落とし込んで前記金属回路上に位置決めをするための開口部と、
を備えていることを特徴とする位置決め治具。
前記絶縁回路基板が前記半導体チップの半田付け時における加熱によって裏面側に凸形状に変形する形状に対応して、
前記治具本体には、前記絶縁回路基板との接触面側に、前記開口部から離れる方向で薄くするような段差が形成されていることを特徴とする請求項１記載の位置決め治具。
前記絶縁回路基板が前記半導体チップの半田付け時における加熱によって裏面側に凸の曲面形状に変形する反り形状に応じて、
前記治具本体には、変形した前記絶縁回路基板の接触面に合致する曲面が形成されていることを特徴とする請求項１記載の位置決め治具。
前記治具本体には、前記開口部が複数形成されていることを特徴とする請求項１記載の位置決め治具。
前記治具本体は、耐熱性のカーボン材料によって構成されていることを特徴とする請求項１記載の位置決め治具。
請求項１から５のいずれか１項に記載の位置決め治具を使用して、絶縁回路基板の金属回路側に半導体チップを半田付けによって実装する工程において、
前記位置決め治具の開口部に半田板および半導体チップを配置し、前記絶縁回路基板とともに加熱して前記半田板を溶融して前記絶縁回路基板に前記半導体チップを実装することを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記絶縁回路基板への前記半導体チップの実装工程では、前記金属板側で放熱板が半田付けによって同時に固着するようにしたことを特徴とする請求項６記載の半導体装置の製造方法。
前記絶縁回路基板は、前記金属回路が前記金属板より厚く接合されていることを特徴とする請求項６記載の半導体装置の製造方法。
前記絶縁回路基板は、前記金属回路および前記金属板が銅材あるいはアルミ材によって構成されていることを特徴とする請求項６記載の半導体装置の製造方法。
前記絶縁回路基板は、前記金属回路が前記金属板より沿面距離が長く形成されていることを特徴とする請求項６記載の半導体装置の製造方法。
前記半導体チップは、ＩＧＢＴあるいはＦＷＤチップであることを特徴とする請求項６記載の半導体装置の製造方法。
前記絶縁回路基板を加熱炉に挿入して、前記半田板を溶融することを特徴とする請求項６記載の半導体装置の製造方法。