JP5763467B2 - 電子装置の製造方法及び電子装置 - Google Patents

Description

本発明は、金属板上にはんだを介して電子部品を実装した電子装置及び電子装置の製造方法に関する。

従来、パワー半導体装置等の電子装置の製造工程では、放熱板（金属板）に電子部品としての半導体素子及び絶縁基板をはんだを介して積層し、加熱（リフロー）処理にてはんだ接合を行う。次いで、この放熱板に端子一体形のケースを接着し、端子と半導体素子とをボンディングワイヤで接続して内部配線を施す。この状態でケース内に絶縁封止樹脂（例えば、シリコーン樹脂）を充填して回路を封止し電気絶縁する。

ところで、パワー半導体装置では、通電によって熱が発生するが、パワー半導体装置の各構成部品は線膨張係数が異なることから、はんだに歪みが生じ、はんだの亀裂や剥離の発生・進展による熱的及び電気的性能の低下が発生する可能性がある。
はんだの厚さを厚くするとはんだの歪みが小さくなり耐久信頼性が向上するが、はんだが厚すぎるとはんだでの熱抵抗が増加し放熱性が低下してしまう。したがって、はんだの厚さ（高さ）は、耐久信頼性を得るための下限値から放熱性能を満足する上限値までの範囲で管理する必要がある。
そこで、従来、はんだの高さを制御するため、はんだの周囲にスペーサを配置してパワー半導体装置を製造する製造方法知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−２４５４３５号公報

しかしながら、上記従来の製造方法では、スペーサの外周部を絶縁封止する場合、スペーサが封止樹脂の流動を阻害し、封止樹脂と周辺部品との密着性が不足し、絶縁性が低下するおそれがある。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、絶縁性を確保しつつ、はんだの厚さを制御可能な電子装置の製造方法及び電子装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、金属板上にはんだを介して電子部品を配置し、前記はんだをリフロー加熱してはんだ付けする電子装置の製造方法において、絶縁性樹脂からなり、前記リフロー加熱時に溶融して前記はんだと密接する半硬化状態の樹脂シートを使用したスペーサを前記はんだの外周部に配置し、前記リフロー加熱後に前記電子部品を樹脂封止することを特徴とする。
上記構成によれば、スペーサによってはんだの厚さを制御できる。また、スペーサがはんだと密接するため、スペーサが封止樹脂の流動を阻害することがなく、封止樹脂と周辺部品との密着性を図ることができる。また、線膨張係数が異なる電子部品と封止樹脂との間に線膨張係数が中間の絶縁性樹脂からなるスペーサが位置することとなるため、各部品界面での応力を緩和し、はんだの亀裂や剥離を抑制できる。また、スペーサが半硬化状態であるため、加熱時に流動性が向上してはんだと周辺部品との間の隙間にも入り込み、各部品界面の密着性を向上させることができる。また、スペーサが半硬化状態であるため、加熱時の軟化による粘度低下が比較的少なく、スペーサとしての高さを維持できる。

上記構成において、前記スペーサを、角形の前記電子部品の少なくとも角部に４カ所以上点接触あるいは線接触するように設置してもよい。
上記構成によれば、はんだの亀裂や剥離が生じやすい電子部品の角部にスペーサを配置したため、はんだの亀裂や剥離を確実に抑制できる。

また、本発明は、金属板上にはんだを介して電子部品を配置し、前記はんだをリフロー加熱してはんだ付けする電子装置において、絶縁性樹脂からなり、前記リフロー加熱時に溶融して前記はんだと密接する半硬化状態の樹脂シートを使用したスペーサを前記はんだの外周部に配置し、前記リフロー加熱後に前記電子部品を樹脂封止することを特徴とする。
上記構成によれば、スペーサによってはんだの厚さを制御できる。また、スペーサがはんだと密接するため、スペーサが封止樹脂の流動を阻害することがなく、封止樹脂と周辺部品との密着性を図ることができる。また、線膨張係数が異なる電子部品と封止樹脂との間に線膨張係数が中間の絶縁性樹脂からなるスペーサが位置することとなるため、各部品界面での応力を緩和し、はんだの亀裂や剥離を抑制できる。また、スペーサが半硬化状態であるため、加熱時に流動性が向上してはんだと周辺部品との間の隙間にも入り込み、各部品界面の密着性を向上させることができる。また、スペーサが半硬化状態であるため、加熱時の軟化による粘度低下が比較的少なく、スペーサとしての高さを維持できる。

本発明によれば、スペーサによってはんだの厚さを制御できるとともに、スペーサがはんだと密接するため、スペーサが封止樹脂の流動を阻害することがなく、封止樹脂と周辺部品との密着性を図ることができ、その結果、電子装置の絶縁性を確保できる。また、線膨張係数が異なる電子部品と封止樹脂との間に線膨張係数が中間の絶縁性樹脂からなるスペーサが位置することとなるため、各部品界面での応力を緩和し、はんだの亀裂や剥離を抑制できる。

また、スペーサが半硬化状態であるため、加熱時に流動性が向上してはんだと周辺部品との間の隙間にも入り込み、各部品界面の密着性を向上させることができ、電子装置の絶縁性をより確実に確保できる。スペーサが半硬化状態であるため、加熱時の軟化による粘度低下が比較的少なく、スペーサとしての高さを維持できる。

また、はんだの亀裂や剥離が生じやすい電子部品の角部にスペーサを配置したため、はんだの亀裂や剥離を確実に抑制できる。

本発明の実施の形態に係る電子装置としてのパワー半導体装置を模式的に示す断面図である。 加熱時間とスペーサの粘度との関係を示すグラフである。 加熱温度とスペーサの粘度との関係を示すグラフである。 スペーサの配置位置を示す図である。 スペーサとはんだとの間の隙間とスペーサに対するはんだの厚さ率との関係を示すグラフである。 パワー半導体装置の製造方法における積層工程を示す説明図である。 パワー半導体装置の製造方法におけるリフロー行程を示す説明図である。 はんだ及びスペーサの溶融状態を示すグラフである。 はんだ及びスペーサの溶融状態を示す説明図である。 リフロー加熱後の積層体を示す図である。 パワー半導体装置の製造方法におけるケース接着行程を示す説明図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本実施の形態に係る電子装置としてのパワー半導体装置を模式的に示す断面図である。図２は加熱時間とスペーサの粘度との関係を示すグラフであり、図３は加熱温度とスペーサの粘度との関係を示すグラフである。また、図４は、スペーサの配置位置を示す図である。
図１に示すように、パワー半導体装置１は、電気自動車等の電力変換装置に用いられる三相インバータ回路の交流出力１相分の回路をパッケージ化したものである。すなわち、パワー半導体装置１は、１相分の回路を構成する半導体チップ３（電子部品）及びダイオード等の回路素子をはんだ５を介して絶縁回路基板（電子部品）７に実装し、当該絶縁回路基板７を、パッケージ底面を構成するベース板としての放熱板（金属板）９の上にはんだ１１で接合固定し、その周囲を囲む側壁たる樹脂ケース１３を放熱板９に設け、樹脂ケース１３内を絶縁封止樹脂からなる封止剤（例えば、シリコーン樹脂）たる封止樹脂１５で封止して構成されている。

半導体チップ３は、例えば、ＩＧＢＴ、パワーＭＯＳＦＥＴ、サイリスタ、ダイオード等の大電流に対応した電源供給用のスイッチング素子であり、絶縁回路基板７は、金属板から成る上面基板７Ａ及び下面基板７Ｂの間に絶縁基板７Ｃを挟んでロウ材等により接合してなる３層構造の基板である。本実施の形態では、半導体チップ３及び絶縁回路基板７は角形に形成されている。なお、上面基板７Ａ及び下面基板７Ｂを金属板ではなく導体層で形成しても良い。放熱板９は、例えば銅やアルミニウムなどの高熱伝導性を有する金属で構成された板材である。

また、パワー半導体装置１には、パッケージ内から外部に樹脂ケース１３を貫通して、半導体チップ３の周辺電極たる外部端子１７が設けられている。外部端子１７は半導体チップ３と導電ワイヤたるアルミニウム製のアルミワイヤ１９により電気的に接続される。すなわち、アルミワイヤ１９は、太さ数十μｍ〜数百μｍの線材であり、その一端が半導体チップ３のチップ表面５Ａに荷重と超音波によって接合され、他端は同様にして外部端子１７に接合されている。パワー半導体装置１の製造時には、かかる接合工程が行われた後、封止樹脂１５で封止される。

はんだ５，１１には、例えばＳｎＡｇやＳｎＡｇＣｕ等の材質からなるシートはんだが用いられ、半導体チップ３、絶縁回路基板７及び放熱板９をはんだ５，１１を介して積層し、半導体チップ３の上におもり３２（図６参照）を載せ、リフロー炉３３（図７参照）で加熱することで、半導体チップ３、絶縁回路基板７及び放熱板９が接合される。
ところで、はんだ５，１１の厚さを厚くするとはんだ５，１１の歪みが小さくなり耐久信頼性が向上するが、はんだ５，１１が厚すぎるとはんだ５，１１での熱抵抗が増加し放熱性が低下してしまう。したがって、はんだ５，１１の厚さ（高さ）は、耐久信頼性を得るための下限値から放熱性能を満足する上限値までの範囲で管理する必要がある。

そこで、本実施の形態では、半導体チップ３と絶縁回路基板７との間、及び、絶縁回路基板７と放熱板９との間には、それぞれはんだ５，１１の厚さ（高さ）を制御するためのスペーサ２１，２２が設けられている。スペーサ２１，２２には、例えば半硬化状態の樹脂シートが使用される。ここで、半硬化状態とは、熱硬化性樹脂の硬化の中間状態であって、図２に示すように、室温では流動性を持たず固形状で熱可塑樹脂のような挙動を示し、加熱すると軟化しその後硬化する、いわゆるＢステージと称される状態を言う。
スペーサ２１，２２に、例えば液状のエポキシ樹脂を用いた場合には、加熱後の高さのばらつきが大きいが、樹脂シートを用いた場合には、加熱後の高さのばらつきを５％以内に抑えることができる。

また、樹脂シートは、図３に示すように、加熱温度により溶融して液状化したときの粘性が異なる。図３中、Ｖ１は１２０℃で、Ｖ２は１００℃で、Ｖ３は８０℃で加熱した場合の樹脂シートの粘度である。したがって、加熱温度を制御することにより、樹脂シートの形状制御が可能となる。
スペーサ２１，２２の材質としては、例えば、ポリイミド・ポリアミド・シリコーン系ポリイミド、エポキシ系ポリイミド等の絶縁性樹脂が挙げられる。本実施の形態では、耐熱性及び柔軟性の両方の性質を備えて耐久性を高くするため、耐熱性が高い（２００℃以上である）ポリイミドと柔軟性の高いシリコーンを付加したシリコーン系ポリイミドが用いられている。

はんだ５，１１の角部で亀裂や剥離が生じやすいため、スペーサ２１，２２は、当該スペーサ２１，２２の上部部品（例えば、半導体チップ３又は絶縁回路基板７）の四隅の角部に点あるいは線接触する位置に配置される。例えば、スペーサ２２を例に説明すると、図４（Ａ）に示すように、絶縁回路基板７の全周に亘って略長方形のスペーサ２２Ａを設けてもよいし、図４（Ｂ）に示すように、絶縁回路基板７の四隅に略Ｌ字状のスペーサ２２Ｂを設けてもよいし、図４（Ｃ）に示すように、絶縁回路基板７の四隅に略円形のスペーサ２２Ｃを設けてもよいし、図４（Ｄ）に示すように、絶縁回路基板７の四隅に略楕円形のスペーサ２２Ｄを設けてもよい。
例えば、はんだ５，１１の外周部への広がりをより阻止したい場合は、略長方形のスペーサ２２Ａを設けるのがよい。リフロー時に真空効果を大きく得たい場合は、略Ｌ字状のスペーサ２２Ｂを設けるのが望ましい。

スペーサ２１，２２の高さは、耐久性から求められるはんだ５，１１の最小厚さを下限とし、放熱性から求められるはんだ５，１１の最大厚さを上限とし、はんだ５，１１の厚さ設計値よりも低く設定される。また、スペーサ２１，２２が高すぎると、おもり３２の加重効果が得られず、はんだ５，１１の濡れ広がりが不足し、はんだ５，１１と部品（半導体チップ３、絶縁回路基板７、放熱板９）との接触面積が狭くなり、放熱性が低下するおそれがある。したがって、スペーサ２１，２２の高さは、例えば、はんだ５，１１の厚さ設計値に対して５〜１０％低い高さに設定されるのが望ましく、はんだ５，１１の厚さ設計値に対して５％低い高さに設定されるのが最適である。

スペーサ２１，２２は、積層時に、はんだ５，１１との間に所定の隙間δ１，δ２（図６参照）を有するように配置される。はんだ５，１１とスペーサ２１，２２の隙間δ１，δ２は、１）信頼性が確保できる最適なはんだ５，１１のフィレット形成、２）はんだ５，１１の濡れ広がり性、３）はんだ５，１１やスペーサ２１，２２の位置決め精度、４）各部品の寸法公差等を考慮して最適値に設定される。

図５は、スペーサとはんだとの間の隙間とスペーサに対するはんだの厚さ率との関係を示すグラフである。ここでは、スペーサ２２とはんだ１１との間の隙間δ２とスペーサ２２に対するはんだ１１の厚さ率を例に説明する。図中、Ａ１〜Ａ４は実測データ、ＢはＡの近似線である。
厚さ率は、凝固後に最適なはんだ厚さを得るために設定される値である。溶融時に周囲に流れるはんだがあるため、溶融・凝固後のはんだの厚さは溶融前と比較して小さくなる。そのため、所望のはんだ厚さに対して、溶融時に周囲に流れ出すはんだ分量を考慮した、凝固後に減少するはんだ厚さをはんだ厚さ率とする。
図５に示すように、厚さ率が高くなるほど、スペーサ２２とはんだ１１との間の隙間δ２は距離が長くなるように設定される。スペーサ２１とはんだ５との間の隙間δ１も同様である。

以下、パワー半導体装置１の製造方法について説明する。
図６は、パワー半導体装置１の製造方法における積層工程を示す説明図である。
まず、下治具３１に放熱板９を配置し、放熱板９の上には、はんだ１１を配置するとともに、はんだ１１の外周部に、スペーサ２２を配置する。次いで、はんだ１１の上に絶縁回路基板７を配置し、この絶縁回路基板７の上には、はんだ５を配置するとともに、はんだ５の外周部に、スペーサ２１を配置する。スペーサ２１ははんだ５との間に所定の隙間δ１を空けて配置され、スペーサ２２ははんだ１１との間に所定の隙間δ２を空けて配置される。

これらのスペーサ２１，２２は、例えばカメラによる画像認識や治具等により位置を確認して設置される。スペーサ２１，２２の設置後は、適宜加圧してもよい。
次に、はんだ５の上に半導体チップ３を配置し、半導体チップ３の上におもり３２を配置する。以下、はんだ５，１１を介して積層された半導体５、絶縁回路基板７及び放熱板９を積層体と呼ぶものとする。

図７はパワー半導体装置１の製造方法におけるリフロー行程を示す説明図である。また、図８ははんだ５，１１及びスペーサ２１，２２の溶融状態を示すグラフであり、図９ははんだ５，１１及びスペーサ２１，２２の溶融状態を示す説明図である。図１０は、リフロー加熱後の積層体を示す図である。
次いで、おもり３２を載せた積層体を、図７に示すように、水素（Ｈ₂）及び窒素（Ｎ₂）が充満するリフロー炉３３に入れて例えば２６０℃に加熱し、所定時間後に冷却する。このとき、スペーサ２１，２２は、図８に示すように、加熱に伴い粘度が低下し、その後熱硬化し、冷却に伴い凝固する。一方、はんだ５，１１は、加熱後しばらくしてから粘度が低下し、冷却に伴い凝固する。図８に示す点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３におけるはんだ１１及びスペーサ２２の状態をそれぞれ図９（Ａ）、図９（Ｂ）、及び図９（Ｃ）に示す。

まず、加熱前には、図９（Ａ）に示すように、はんだ１１とスペーサ２２は、隙間δ２を空けて配置されている。加熱されると、図９（Ｂ）に示すように、スペーサ２２は、加熱によって軟化（溶融）して流動する一方で、常温で半硬化状態であるため、加熱時の軟化による粘度低下が比較的少なく、適度に形状が維持され、高さが維持される。また、はんだ１１は、加熱されると溶融して山状のフィレットを形成する。

ここで、図８の点Ｐ２で示すように、はんだ１１及びスペーサ２２は溶融して流動性が増大した状態で共存するので、スペーサ２２は、図９（Ｂ）に示すように、はんだ１１のフィレットに倣って形状が変化してはんだ１１に密着し、はんだ１１と上下の部品（ここでは、絶縁回路基板７及び放熱板９）との間の隙間にも入り込む。
はんだ１１及びスペーサ２２は、冷却の開始に伴い同時に凝固を開始し、図９（Ｃ）に示すように、はんだ１１によって上下の部品（絶縁回路基板７及び放熱板９）が接合される。

はんだ５及びスペーサ２１についても同様に溶融及び凝固し、図１０に示すように、はんだ５，１１によって、半導体チップ３、絶縁回路基板７及び放熱板９が接合されることとなる。
このように、スペーサ２１，２２は、はんだ５，１１に密着するとともに、上下の部品（半導体チップ３及び絶縁回路基板７、あるいは、絶縁回路基板７及び放熱板９）に密着するので、各部品３，５，７，９，１１間の界面の密着性が向上し、パワー半導体装置１の絶縁性を確実に確保できる。しかも、スペーサ２１，２２は、半硬化状態の樹脂シートを用いて形成したため、加熱時に流動性が向上してはんだ５，１１と周辺部品３，７，９との間の隙間にも入り込み、各部品３，５，７，９，１１間の界面の密着性をより向上させることができ、パワー半導体装置１の絶縁性をより確実に確保できる。その結果、信頼性の高いパワー半導体装置１を提供できる。

図１１は、パワー半導体装置１の製造方法におけるケース接着行程を示す説明図である。
次いで、積層体に樹脂ケース１３を接着し、樹脂ケース１３に設けられた外部端子１７と半導体チップ３とをアルミワイヤ１９により接続する。最後に、図１に示すように、樹脂ケース１３内に封止樹脂１５を注入すると、積層体が封止樹脂１５により封止される。このとき、スペーサ２１，２２は、はんだ５，１１と密接しているため、封止樹脂１５の流動を阻害することがなく、封止樹脂１５が周辺部品３，５，７，９，１１に密着する。

また、スペーサ２１，２２は、半導体チップ３と封止樹脂１５との間、及び、絶縁回路基板７と封止樹脂１５との間に介在することとなる。ここで、スペーサ２１，２２に含まれるポリイミド系の材料は、熱膨張係数が６×１０^-5／℃であり、周囲の封止樹脂１５（シリコーン樹脂：３×１０^-4／℃）より熱膨張係数が小さく、半導体チップ３や絶縁回路基板７の熱膨張係数（２×１０^-6／℃）より熱膨張係数が大きい。すなわち、半導体チップ３又は絶縁回路基板７と封止樹脂１５との間に、膨張係数が中間であるスペーサ２１，２２が介在することとなり、その結果、半導体チップ３又は絶縁回路基板７と封止樹脂１５との間の応力を緩和し、はんだ５，１１の剥離や亀裂の発生を抑制できる。

また、スペーサ２１，２２の絶縁破壊電圧は８ｋｖ／ｍｍ以上であり、封止樹脂１５と同等の電気絶縁特性を有することから、リフロー後もスペーサ２１，２２を取り外すことなく、スペーサ２１，２２をそのまま封止剤の一部として利用できる。例えばスペーサ２１，２２を設けない場合には、はんだ５，１１の外周にはんだ５，１１の溶融範囲を決める位置決め治具を設け、リフロー後にはこの位置決め治具を取り外す必要があったが、本実施の形態では、スペーサ２１，２２を取り外す工程を省略でき、工数を削減できるので、製造コストを低減できる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、はんだ５，１１の外周部に、絶縁性樹脂からなり、リフロー加熱時に溶融してはんだ５，１１と密接するスペーサ２１，２２を配置し、リフロー加熱後に半導体チップ３及び絶縁回路基板７を樹脂封止する構成とした。この構成により、スペーサ２１，２２によってはんだ５，１１の厚さを制御できる。また、スペーサ２１，２２がはんだ５，１１と密接するため、スペーサ２１，２２が封止樹脂１５の流動を阻害することがなく、封止樹脂１５と周辺部品３，５，７，９，１１との密着性を図ることができ、その結果、パワー半導体装置１の絶縁性を確保できる。また、線膨張係数が異なる半導体チップ３及び絶縁回路基板７と封止樹脂１５との間に線膨張係数が中間の絶縁性樹脂からなるスペーサ２１，２２が位置することとなるため、各部品３，５，７，９，１１間の界面での応力を緩和し、はんだ５，１１の亀裂や剥離を抑制できる。

また、本実施の形態によれば、スペーサ２１，２２に半硬化状態の樹脂シートを使用する構成とした。スペーサ２１，２２が半硬化状態であるため、加熱時に流動性が向上してはんだ５，１１と周辺部品３，７，９との間の隙間にも入り込み、各部品３，５，７，９，１１間の界面の密着性を向上させることができ、パワー半導体装置１の絶縁性をより確実に確保できる。またスペーサ２１，２２が半硬化状態であるため、加熱時の軟化による粘度低下が比較的少なく、スペーサ２１，２２としての高さを維持できる。

また、本実施の形態によれば、スペーサ２１，２２を、角形の半導体チップ３及び絶縁回路基板７の少なくとも角部に４カ所以上点接触あるいは線接触するように設置する構成とした。はんだ５，１１の亀裂や剥離が生じやすい半導体チップ３及び絶縁回路基板７の角部にスペーサ２１，２２を配置したため、はんだ５，１１の亀裂や剥離を確実に抑制できる。

なお、本発明は、上記実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることは勿論である。

１ パワー半導体装置（電子装置）
３ 半導体チップ（電子部品）
５，１１ はんだ
７ 絶縁回路基板（電子部品）
９ 放熱板（金属板）
１５ 封止樹脂
２１，２２ スペーサ

Claims (3)

1. 金属板上にはんだを介して電子部品を配置し、前記はんだをリフロー加熱してはんだ付けする電子装置の製造方法において、
   絶縁性樹脂からなり、前記リフロー加熱時に溶融して前記はんだと密接する半硬化状態の樹脂シートを使用したスペーサを前記はんだの外周部に配置し、
   前記リフロー加熱後に前記電子部品を樹脂封止することを特徴とする電子装置の製造方法。
2. 前記スペーサを、角形の前記電子部品の少なくとも角部に４カ所以上点接触あるいは線接触するように設置したことを特徴とする請求項１に記載の電子装置の製造方法。
3. 金属板上にはんだを介して電子部品を配置し、前記はんだをリフロー加熱してはんだ付けする電子装置において、
   絶縁性樹脂からなり、前記リフロー加熱時に溶融して前記はんだと密接する半硬化状態の樹脂シートを使用したスペーサを前記はんだの外周部に配置し、
   前記リフロー加熱後に前記電子部品を樹脂封止することを特徴とする電子装置。

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