JP6236915B2 - はんだ付け方法および半導体装置の製造方法 - Google Patents

はんだ付け方法および半導体装置の製造方法 Download PDF

Info

Publication number
JP6236915B2
JP6236915B2 JP2013132701A JP2013132701A JP6236915B2 JP 6236915 B2 JP6236915 B2 JP 6236915B2 JP 2013132701 A JP2013132701 A JP 2013132701A JP 2013132701 A JP2013132701 A JP 2013132701A JP 6236915 B2 JP6236915 B2 JP 6236915B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
nickel plating
plating layer
nickel
base plate
semiconductor device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2013132701A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2015008209A (ja
Inventor
磯　亜紀良
亜紀良 磯
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fuji Electric Co Ltd filed Critical Fuji Electric Co Ltd
Priority to JP2013132701A priority Critical patent/JP6236915B2/ja
Priority to US14/301,425 priority patent/US9434028B2/en
Priority to CN201410260650.XA priority patent/CN104253055B/zh
Publication of JP2015008209A publication Critical patent/JP2015008209A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6236915B2 publication Critical patent/JP6236915B2/ja
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/38—Selection of media, e.g. special atmospheres for surrounding the working area
    • B23K35/383—Selection of media, e.g. special atmospheres for surrounding the working area mainly containing noble gases or nitrogen
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B37/00—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating
    • C04B37/003—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating by means of an interlayer consisting of a combination of materials selected from glass, or ceramic material with metals, metal oxides or metal salts
    • C04B37/006—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating by means of an interlayer consisting of a combination of materials selected from glass, or ceramic material with metals, metal oxides or metal salts consisting of metals or metal salts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B37/00—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating
    • C04B37/02—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles
    • C04B37/023—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles characterised by the interlayer used
    • C04B37/026—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles characterised by the interlayer used consisting of metals or metal salts
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W40/00—Arrangements for thermal protection or thermal control
    • H10W40/01—Manufacture or treatment
    • H10W40/03—Manufacture or treatment of arrangements for cooling
    • H10W40/037—Assembling together parts thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W40/00—Arrangements for thermal protection or thermal control
    • H10W40/20—Arrangements for cooling
    • H10W40/25—Arrangements for cooling characterised by their materials
    • H10W40/255—Arrangements for cooling characterised by their materials having a laminate or multilayered structure, e.g. direct bond copper [DBC] ceramic substrates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/652—Reduction treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/02—Aspects relating to interlayers, e.g. used to join ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/12—Metallic interlayers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/02—Aspects relating to interlayers, e.g. used to join ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/12—Metallic interlayers
    • C04B2237/121—Metallic interlayers based on aluminium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/02—Aspects relating to interlayers, e.g. used to join ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/12—Metallic interlayers
    • C04B2237/123—Metallic interlayers based on iron group metals, e.g. steel
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/02—Aspects relating to interlayers, e.g. used to join ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/12—Metallic interlayers
    • C04B2237/124—Metallic interlayers based on copper
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/30—Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
    • C04B2237/32—Ceramic
    • C04B2237/36—Non-oxidic
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/30—Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
    • C04B2237/40—Metallic
    • C04B2237/402—Aluminium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/30—Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
    • C04B2237/40—Metallic
    • C04B2237/407—Copper
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/50—Processing aspects relating to ceramic laminates or to the joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/55—Pre-treatments of a coated or not coated substrate other than oxidation treatment in order to form an active joining layer
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/50—Processing aspects relating to ceramic laminates or to the joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/72—Forming laminates or joined articles comprising at least two interlayers directly next to each other
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W40/00—Arrangements for thermal protection or thermal control
    • H10W40/20—Arrangements for cooling
    • H10W40/25—Arrangements for cooling characterised by their materials
    • H10W40/258—Metallic materials
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W72/00—Interconnections or connectors in packages
    • H10W72/071—Connecting or disconnecting
    • H10W72/075—Connecting or disconnecting of bond wires
    • H10W72/07541—Controlling the environment, e.g. atmosphere composition or temperature
    • H10W72/07554—Controlling the environment, e.g. atmosphere composition or temperature changes in dispositions
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W72/00—Interconnections or connectors in packages
    • H10W72/50—Bond wires
    • H10W72/541—Dispositions of bond wires
    • H10W72/547—Dispositions of multiple bond wires
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W72/00—Interconnections or connectors in packages
    • H10W72/851—Dispositions of multiple connectors or interconnections
    • H10W72/874—On different surfaces
    • H10W72/884—Die-attach connectors and bond wires
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W76/00—Containers; Fillings or auxiliary members therefor; Seals
    • H10W76/10—Containers or parts thereof
    • H10W76/12—Containers or parts thereof characterised by their shape
    • H10W76/15—Containers comprising an insulating or insulated base
    • H10W76/157—Containers comprising an insulating or insulated base having interconnections parallel to the insulating or insulated base
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W90/00—Package configurations
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W90/00—Package configurations
    • H10W90/701—Package configurations characterised by the relative positions of pads or connectors relative to package parts
    • H10W90/751—Package configurations characterised by the relative positions of pads or connectors relative to package parts of bond wires
    • H10W90/753—Package configurations characterised by the relative positions of pads or connectors relative to package parts of bond wires between laterally-adjacent chips
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W90/00—Package configurations
    • H10W90/701—Package configurations characterised by the relative positions of pads or connectors relative to package parts
    • H10W90/751—Package configurations characterised by the relative positions of pads or connectors relative to package parts of bond wires
    • H10W90/754—Package configurations characterised by the relative positions of pads or connectors relative to package parts of bond wires between a chip and a stacked insulating package substrate, interposer or RDL

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Die Bonding (AREA)
  • Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
  • Electric Connection Of Electric Components To Printed Circuits (AREA)
  • Chemically Coating (AREA)

Description

この発明は、はんだ付け方法およびこのはんだ付け方法を用いた半導体装置の製造方法に関する。
図８は、ＩＧＢＴモジュール５００の要部構成図である。ＩＧＢＴモジュール５００は、ベース板１と、その上にはんだ接合される絶縁回路基板８と、絶縁回路基板８に接合される半導体チップ９（ＩＧＢＴチップ９ａとダイオードチップ９ｂ）と、ベース板１に接着される外部導出端子１４付き樹脂ケース枠１３と、半導体チップ９と外部導出端子１４などを接続するボンディングワイヤ１１と、樹脂ケース枠１３内に充填される封止材１５を備える。絶縁回路基板８はセラミック板５、裏面側の銅箔６、おもて側の銅箔７で構成される。
通常、ベース板１はニッケルめっきが施されニッケルめっき層２を有している。しかし、ベース板１の保管中にニッケルめっき層２の表面に酸化金属膜である酸化ニッケル膜２１（図６参照）などが形成されることが多い。また、絶縁回路基板８は、前記したように、銅箔６−セラミック板５−銅箔７で構成され、銅箔６，７にはニッケルめっきが施されているものと施されていないものがある。また、ベース板１と絶縁回路基板８の銅箔６ははんだ１２により接合されている。
図９は、ＩＧＢＴモジュール５００の概略の組立フロー図である。
ニッケルめっきされたベース板１を準備する（Ａ工程）。
つぎに、ニッケルめっきされたベース板１を還元性ガス（水素ガス）で加熱し、ニッケルめっき層２の表面の酸化ニッケル膜２１（酸化金属膜）を還元してニッケル膜にする。その後、湿式洗浄を行なう（Ｂ工程）。
つぎに、ベース板１と絶縁回路基板８の銅箔６を還元雰囲気中ではんだ接合する（Ｃ工程）。
前記のＣ工程で、ベース板１と絶縁回路基板８の銅箔６を接合する際、接合する面に酸化金属膜が存在するとはんだ１２の濡れ性が悪くなり、はんだ溶融時にボイド２３が発生してしまう。また、ボイド２３はＩＧＢＴモジュール５００の品質および信頼性不具合を起こす原因のひとつであり、少ないことが望ましい。
現状では、前記したように、還元性ガス雰囲気中（還元性ガスとしては、通常は水素ガスである）で酸化金属膜である酸化ニッケル膜２１を還元させ、ニッケル膜にしてはんだ接合する方法が一般的である。
また、はんだ接合前にベース板１を加熱を実施する方法もあるが、その場合、前記したように、還元性ガス雰囲気中で実施するのが一般的である。
また、特許文献１では、ニッケルめっき皮膜表面の酸化皮膜によりはんだ濡れ性が悪化することや水素ガスを含む還元性ガス雰囲気中ではんだ付けを行なう場合、後述するように装置の複雑化やコストの増加などの欠点があることが記載されている。
また、特許文献２では、ニッケルメッキに水素をチャージさせ（還元性ガス雰囲気中にして）、溶融したはんだが接触した際に、めっき膜中の水素が熱拡散し、表面を被覆している酸化膜の酸素を水分子に還元し、フラックスを用いることなくはんだ付けできることが記載されている。
また、特許文献３では、ニッケルめっき皮膜に水素を含有させておき、はんだ付け時の熱（２２０℃）により金属内部から発生した水素が表面の酸化皮膜を還元し、良好なはんだ付けを可能にすることが記載されている。
特開平９−３６２９９号公報 特開２００２−４０８２号公報 特開平５−６９１２２号公報
しかし、前記したように、還元性ガス雰囲気中でのはんだ１２による接合方法は、ベース板１−はんだ板１０（図３（ｃ）参照）−絶縁回路基板８を重ねた状態で行なわれるため、はんだ板１０が重なったベース板１の表面は還元性ガス雰囲気に曝されず、接合に最重要な接合面が還元されない状態になる。そのため、接合面に酸化金属膜である酸化ニッケル膜２１が残こり、ボイド２３が発生してしまう。
また、ベース板１を予め還元性ガス雰囲気中で加熱する場合、還元性ガスとして前記したように通常は水素ガスを使用する。しかし、水素ガスは可燃性ガスであるため、加熱設備には防爆対策等を施す必要があり、加熱設備および周辺設備のコストが高くなる。
また、特許文献１〜３では、「予め、ニッケルめっき層を有する部材を不活性ガス雰囲気中で所定の温度で加熱する。この加熱によりニッケルめっき層から出てくる水素でニッケルめっき層の表面のニッケル酸化膜を還元して除去する。その後、部材をはんだ接合する。」ということについては記載されていない。
この発明の目的は、前記の課題を解決して、防爆対策が不要な低コストの加熱装置を用いて、ボイド発生率を低減できるはんだ付け方法およびこのはんだ付け方法を用いた半導体装置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、特許請求の範囲の請求項１に記載の発明によれば、ニッケルめっき層を有する部材を３００℃〜４００℃の温度範囲で不活性ガス雰囲気中で加熱することで前記ニッケルめっき層の表面の酸化ニッケル膜を還元する工程と、前記部材を還元ガス雰囲気中ではんだ接合する工程と、を含むはんだ付け方法とする。
また、特許請求の範囲の請求項２記載の発明によれば、請求項１に記載の発明において、前記ニッケルめっき層を無電解めっき処理で形成するとよい。
また、特許請求の範囲の請求項３記載の発明によれば、請求項１に記載の発明において、前記温度範囲が３２０℃〜３６０℃であるとよい。
また、特許請求の範囲の請求項４記載の発明によれば、請求項１に記載の発明において、前記不活性ガスが窒素ガスもしくはアルゴンガスであるとよい。
また、特許請求の範囲の請求項５記載の発明によれば、ニッケルめっき層を有するベース板を３００℃〜４００℃の温度範囲で不活性ガス雰囲気中で加熱することで前記ニッケルめっき層の表面の酸化ニッケル膜を還元する工程と、前記ベース板を絶縁回路基板の導電箔と還元ガス雰囲気中で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とする。
また、特許請求の範囲の請求項６記載の発明によれば、請求項５に記載の発明において、前記ニッケルめっき層を無電解めっき処理で形成するとよい。
また、特許請求の範囲の請求項７記載の発明によれば、請求項５に記載の発明において、前記温度範囲が３２０℃〜３６０℃であるとよい。
また、特許請求の範囲の請求項８記載の発明によれば、請求項５に記載の発明において、前記導電箔がニッケルめっき層を有するとよい。
また、特許請求の範囲の請求項９記載の発明によれば、請求項５に記載の発明において、前記不活性ガスが窒素ガスもしくはアルゴンガスであるとよい。
また、特許請求の範囲の請求項１０記載の発明によれば、請求項５に記載の発明において、前記ベース板の材質が、銅、アルミニウム、ＡｌＳｉＣまたはＭｇＳｉＣのいずれかであるとよい。
また、特許請求の範囲の請求項１１記載の発明によれば、請求項５に記載の発明において、前記絶縁回路基板が、セラミック板の両側に前記導電箔が固着した構成であるとよい。
また、特許請求の範囲の請求項１２記載の発明によれば、請求項５に記載の発明において、前記導電箔が、銅箔であるとよい。
この発明によれば、ニッケルめっき層を有する部材（ベース板）を予め、不活性ガス雰囲気中で３００℃〜４００℃の温度範囲で加熱することで、ボイド発生率を低減することができる。
また、不活性ガス雰囲気中で部材（ベース板）を加熱するため、加熱装置には防爆対策が不要となり低コストの加熱装置を用いることができる。
この発明に係る第１実施例のはんだ付け方法を説明する組立フロー図である。 この発明の第２実施例に係る半導体装置１００の要部工程断面図である。 図２に続く、この発明の第２実施例に係る半導体装置１００の要部工程断面図である。 図３に続く、この発明の第２実施例に係る半導体装置１００の要部工程断面図である。 図２〜図４で示した半導体装置の製造方法の中で不活性ガス雰囲気中で加熱する概略のフロー図である。 ニッケルめっき層２に形成されたニッケル酸化膜２１が除去されるメカニズムについて説明した図であり、（ａ）はニッケルめっき層２に水素２２が内在している様子を示す図、（ｂ）は不活性ガス雰囲気中で加熱することで、水素２２がニッケル酸化膜２１に引き寄せられニッケル酸化膜２１が還元される様子を示す図、（ｃ）は、ニッケル酸化膜２１が除去された様子を示す図である。 Ｘ線画像によるボイド発生率を調べた結果を示す図である。 ＩＧＢＴモジュール５００の要部構成図である。 ＩＧＢＴモジュール５００の概略の組立フロー図である。
実施の形態を以下の実施例で説明する。尚、従来構造と同一部位には同一符号を付した。
（実施例１）
図１は、この発明に係る第１実施例のはんだ付け方法を説明する組立フロー図である。
（１）ニッケルめっきされた銅部材（以下、単に部材と称す）を準備する。銅部材の代わりにアルミニウム部材やＡｌＳｉＣ（アルミニウム・シリコンカーバイト）部材またはＭｇＳｉＣ（マグネシウム・シリコンカーバイト）部材などの場合もある。このニッケルめっきは、例えば、無電解めっきで、処理温度は８０℃程度である。この無電解によるニッケルめっき処理中にニッケルめっき層に水素が含有される。そのため、特に外部から水素などの還元性ガスをチャージする必要がない。
この無電解めっきによるニッケルめっき層の形成時には、めっき液に含まれる還元剤の影響で水素ガスが発生し、大部分は外部へ放出される。しかし、その水素ガスの一部がニッケル格子結晶に水素原子として取り込まれ、ニッケルめっき層に水素が含有される。尚、このニッケルめっき層は部材の全表面に形成されるが、ここでは説明として必要なはんだ付け面のみを示した。
外部から、例えば、水素をチャージするとそのチャージ条件によっては、ニッケルめっき層の硬度が低下し、ニッケルめっき層にクラックなどの欠陥が導入される場合があるので好ましくない。
（２）不活性ガス雰囲気（例えば、窒素ガス雰囲気など）中でニッケルめっきされた部材を所定の加熱温度で加熱することで、ニッケルめっき層に含有された水素が表面へ移動し、ニッケルめっき層の表面を還元雰囲気とする。この還元雰囲気により表面を被覆する酸化金属膜である酸化ニッケル膜と水素が反応し、酸化ニッケル膜が還元されて、ニッケル膜になる。また、不活性ガス雰囲気中で加熱することでニッケルめっき層の表面の酸化が防止される。また、前記の不活性ガス雰囲気に用いられる窒素ガスを、アルゴンガスなどに代えても構わない。
前記の所定の加熱温度としては３００℃〜４００℃の範囲が好ましく、さらに、好ましくは３２０℃〜３８０℃の範囲がよい。
加熱温度が３００℃未満では、ニッケルめっき層に含有された水素の外部へ放出される割合は小さくなり、還元雰囲気とするには水素量が不足する。また、４００℃超では部材のニッケルめっき層の硬度低下が大きくなる。さらにニッケルめっき層の表面が荒れてはんだ付けの際にボイドの発生源となるため好ましくない。
（３）部材とこの部材に接合される被接合部材とをはんだ板を挟んで密着させ、還元性ガス雰囲気中（例えば、水素雰囲気中など）で加熱してはんだを溶融させ、その後冷却して固化させることで互いをはんだ接合する。このはんだ接合は、例えば、２００℃〜３００℃未満程度の温度範囲で行う。
本発明では、前記の（２）の項で説明した加熱温度にすることで、ニッケルめっき層内の水素を効率よく表面に引き出すことができ、さらにニッケルめっき層の表面の荒れを抑えて表面を還元雰囲気にすることができる。その結果、ニッケルめっき層の表面荒れを防ぎながら、ニッケルめっき層の表面の酸化ニッケル膜を効率的に還元できて、ボイド発生率を１０％以下にすることができる。
また、ベース板の加熱は不活性ガス中で行なわれるので、加熱設備には防爆対策等を施す必要がなく、加熱設備および周辺設備のコストは高くならない。
（実施例２）
図２〜図４は、この発明の第２実施例に係る半導体装置１００の製造方法であり、工程順に示した要部工程断面図である。
図２（ａ）に示すように、ニッケルめっき層２を有する銅ベース板１（以下、単にベース板と称す）を準備する（図２（ａ））。ニッケルめっきの条件は、例えば、無電解めっきで、めっき温度は８０℃程度である。また、ニッケルめっき層２の厚さは、例えば、数百μｍ程度である。前記のニッケルめっきが施された銅ベース板１の代わりに、アルミニウムベース板やＡｌＳｉＣ（アルミニウム・シリコンカーバイト）ベース板またはＭｇＳｉＣ（マグネシウム・シリコンカーバイト）板などにニッケルめっきを施した場合もある。尚、ニッケルめっき層２はベース板の全表面に形成されるが図では便宜的にはんだ付け面のみを示した。
つぎに、図２（ｂ）に示すように、ニッケルめっき層２を有するベース板１を３００℃〜４００℃（好ましくは３２０℃〜３８０℃）の範囲で不活性ガス雰囲気（例えば、窒素ガス雰囲気など）中で、例えば、恒温槽３を用いて加熱する。この加熱により、ニッケルめっき層２の表面の酸化ニッケル膜２１（図６参照）は還元されてニッケル膜となる。また、不活性ガス雰囲気中で加熱するため、加熱装置である恒温槽３には防爆対策は不要である。
つぎに、図３（ｃ）に示すように、ベース板１と絶縁回路基板８の銅箔６の間にはんだ板１０を挟み、還元性ガス雰囲気（例えば、水素ガス雰囲気など）中ではんだ板１０を溶融させ、固化することでニッケルめっき層２と銅箔６をはんだ１２を介して固着する（はんだ付けする）。このはんだ付けは、例えば、２００℃〜３００℃未満程度の温度範囲のリフロー炉４などを用いて行なう。尚、前記の絶縁回路基板８は、例えば、セラミック板５の両側に銅箔６，７（またはアルミニウム箔）が固着した構成をしている。また、一方の銅箔７には半導体チップ９が固着し、他方の銅箔６は前記のベース板１にはんだ付けされる。また、前記の半導体チップ９同士および半導体チップ９と銅箔７はボンデングワイヤ１１で接続されている。また、前記の銅箔６，７にはニッケルめっきが施されている。このときのニッケルめっきの条件は、例えば、無電解めっきでめっき温度は８０℃程度である。
つぎに、図３（ｄ）に示すように、外部導出端子１４を有する樹脂ケース枠１３にベース板１を接着剤で固定し、その後、半導体チップ９と外部導出端子１４をボンディングワイヤ１１で接続する。
つぎに、図４（ｅ）に示すように、樹脂ケース枠１３内を封止材１５で被覆して半導体装置１００が完成する。
前記したように、予め、不活性ガス雰囲気中で加熱して、ベース板１に形成されたニッケルめっき層２の表面の酸化ニッケル膜２１を還元してニッケル膜にしておくことで、その後のはんだ付けでボイドの発生率を大幅に抑制することができる。
また、加熱を不活性ガス雰囲気中で行なうので、加熱設備である高温槽には防爆対策等を施す必要がなく、加熱設備および周辺設備の低コスト化を図ることができる。
図５は、図２〜図４で示した半導体装置の製造方法の中で不活性ガス雰囲気中で加熱する概略のフロー図である。
Ａ工程において、ニッケルめっき層２を有するベース板１を準備する。
つぎに、Ｂ工程において、不活性ガス雰囲気中でベース板１を加熱する。
つぎに、Ｃ工程において、ベース板１のニッケルめっき層２と絶縁回路基板８の図示しないニッケルめっき層で被覆された銅箔６を還元性ガス雰囲気中ではんだ接合する（Ｃ工程）。
図６は、ニッケルめっき層２に形成された酸化ニッケル膜２１が還元されてニッケル膜になるメカニズムについて説明した図であり、同図（ａ）はニッケルめっき層２に水素２２が内在している様子を示す図、同図（ｂ）は不活性ガス雰囲気中で加熱することで、水素２２が酸化ニッケル膜２１に引き寄せられ酸化ニッケル膜２１が還元される様子を示す図、同図（ｃ）は、酸化ニッケル膜２１がニッケル膜になった後の様子を示す図である。
加熱温度を３２０℃〜３８０℃にし、不活性ガス雰囲気中で加熱することで、ベース板１の表面のニッケルめっき膜２中に内包される水素２２が脱離する。脱離した水素２２が還元性ガスの役割を果たし、還元性ガスを使用しなくてもベース板１の表面の酸化金属膜である酸化ニッケル膜２１は還元されて、水分となる。この水分は蒸発することでニッケル酸化膜２１はニッケル膜となる。
図７は、Ｘ線画像によるボイド発生率を調べた結果を示す図である。横軸は加熱温度、縦軸はボイド発生率である。この図は、予め不活性ガス雰囲気中でベース板１を加熱した後で、ベース板１に絶縁回路基板８をはんだ接合させたときのボイド発生率と加熱温度の関係を示した図である。ボイド発生率は半導体チップ９直下の箇所を画像処理することで算出した。前記のベース板１にはニッケルめっきが施され、絶縁回路基板８の銅箔６にもニッケルめっきが施されている。尚、前記の銅箔６にニッケルめっきを施さない場合でもほぼ前記と同様の結果が得られる。
不活性ガス雰囲気中での過熱を行わなかった場合には、ボイド発生率が９０％に達していたのに対し、加熱温度を３００℃〜４００℃の範囲にして、不活性ガス雰囲気（例えば、窒素ガス中）中でベース板１を加熱し、その後はんだ１２により絶縁回路基板８と接合させることで、ボイド発生率を１０％以下に改善することができる。また、加熱温度を３２０℃〜３８０℃とすることで、ボイド発生率を３％以下にすることができる。さらに、加熱温度を３４０℃〜３６０℃にするとボイド発生率を１％にすることができる。
前記の加熱温度が３６０℃を超えると、ニッケルめっき層２の硬度が低下し、ニッケルめっき層２の表面が荒れが始まる。そのため、４００℃超になるとボイド発生率が１０％を超えるので、前記したように、ボイド発生率を１０％以下とするためには、加熱温度を４００℃以下とする必要がある。また、好ましくは、３８０℃以下にするとよい。
１ ベース板
２ ニッケルめっき層
３ 恒温槽
４ リフロー炉
５ セラミック板
６、７ 銅箔
８ 絶縁回路基板
９ 半導体チップ
９ａ ＩＧＢＴチップ
９ｂ ダイオードチップ
１０ はんだ板
１１ ボンディングワイヤ
１２ はんだ
１３ 樹脂ケース枠
１４ 外部導出端子
１５ 封止材
２１ 酸化ニッケル膜
２２ 水素
２３ ボイド

Claims (12)

  1. 水素を含むニッケルめっき層を有する部材を３００℃〜４００℃の第１の温度範囲で不活性ガス雰囲気中で加熱することで前記ニッケルめっき層の表面の酸化ニッケル膜を還元する工程と、
    前記部材と被接合部材との間にはんだを配置する工程と、
    前記部材、前記はんだ、前記被接合部材を２００℃〜３００℃未満の第２の温度範囲で還元ガス雰囲気中ではんだ接合する工程と、
    を含むことを特徴とするはんだ付け方法。
  2. 前記ニッケルめっき層を無電解めっき処理で形成することを特徴とする請求項１に記載のはんだ付け方法。
  3. 前記第１の温度範囲が３２０℃〜３６０℃であることを特徴とする請求項１に記載のはんだ付け方法。
  4. 前記不活性ガスが窒素ガスもしくはアルゴンガスであることを特徴とする請求項１に記載のはんだ付け方法。
  5. 水素を含むニッケルめっき層を有するベース板を３００℃〜４００℃の第１の温度範囲で不活性ガス雰囲気中で加熱することで前記ニッケルめっき層の表面の酸化ニッケル膜を還元する工程と、
    前記ベース板と絶縁回路基板の導電箔との間にはんだを配置する工程と、
    前記ベース板、前記はんだ、前記絶縁回路基板を２００℃〜３００℃未満の第２の温度範囲で還元ガス雰囲気中で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。
  6. 前記ニッケルめっき層を無電解めっき処理で形成することを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 前記第１の温度範囲が３２０℃〜３６０℃であることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
  8. 前記導電箔がニッケルめっき層を有することを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
  9. 前記不活性ガスが窒素ガスもしくはアルゴンガスであることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
  10. 前記ベース板の材質が、銅、アルミニウム、ＡｌＳｉＣまたはＭｇＳｉＣのいずれかであることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
  11. 前記絶縁回路基板が、セラミック板の両側に前記導電箔が固着した構成であることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
  12. 前記導電箔が、銅箔であることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
JP2013132701A 2013-06-25 2013-06-25 はんだ付け方法および半導体装置の製造方法 Expired - Fee Related JP6236915B2 (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013132701A JP6236915B2 (ja) 2013-06-25 2013-06-25 はんだ付け方法および半導体装置の製造方法
US14/301,425 US9434028B2 (en) 2013-06-25 2014-06-11 Soldering method and method of manufacturing semiconductor device
CN201410260650.XA CN104253055B (zh) 2013-06-25 2014-06-12 焊接方法及半导体装置的制造方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013132701A JP6236915B2 (ja) 2013-06-25 2013-06-25 はんだ付け方法および半導体装置の製造方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2015008209A JP2015008209A (ja) 2015-01-15
JP6236915B2 true JP6236915B2 (ja) 2017-11-29

Family

ID=52110060

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2013132701A Expired - Fee Related JP6236915B2 (ja) 2013-06-25 2013-06-25 はんだ付け方法および半導体装置の製造方法

Country Status (3)

Country Link
US (1) US9434028B2 (ja)
JP (1) JP6236915B2 (ja)
CN (1) CN104253055B (ja)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015132969A1 (ja) * 2014-03-07 2015-09-11 三菱電機株式会社 絶縁基板及び半導体装置
CN110197909B (zh) 2019-06-17 2021-05-25 中国科学院大连化学物理研究所 镍铁催化材料、其制备方法及在电解水制氢气、制备液态太阳燃料中的应用

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4609565A (en) * 1984-10-10 1986-09-02 Mobil Solar Energy Corporation Method of fabricating solar cells
JPS63166955A (ja) * 1986-12-27 1988-07-11 Aichi Steel Works Ltd はんだ寿命に優れたアルニミウム母材へのニツケルめつき方法
JPH01201085A (ja) * 1988-02-04 1989-08-14 Japan Steel Works Ltd:The 電子部品用銅張りセラミック基板の製造方法
JPH051367A (ja) * 1991-06-24 1993-01-08 Mitsubishi Electric Corp 電気・電子機器用銅合金材料
JPH0569122A (ja) 1991-09-10 1993-03-23 Nagano Pref Gov 水素チヤージ方式によるはんだ付方法
US6021940A (en) * 1993-12-15 2000-02-08 L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Method and apparatus for reflow soldering metallic surfaces
JP3077963B2 (ja) 1995-07-14 2000-08-21 株式会社神戸製鋼所 半導体装置用リードフレーム
JPH10163620A (ja) * 1996-12-02 1998-06-19 Fuji Electric Co Ltd 電子部品のはんだ付け方法および装置
JP4564113B2 (ja) * 1998-11-30 2010-10-20 株式会社東芝 微粒子膜形成方法
JP2000277642A (ja) * 1999-03-24 2000-10-06 Kyocera Corp 光半導体素子収納用パッケージの製造方法
JP3871472B2 (ja) * 1999-07-13 2007-01-24 電気化学工業株式会社 はんだ付け用Ｎｉ部材、電気部品と放熱部品の製造方法
US6130479A (en) * 1999-08-02 2000-10-10 International Business Machines Corporation Nickel alloy films for reduced intermetallic formation in solder
JP2002004082A (ja) 2000-06-21 2002-01-09 Mitsubishi Electric Corp めっき膜およびこれを用いたはんだ付方法
WO2003012833A2 (en) * 2001-08-01 2003-02-13 Li Logix, Inc., D/B/A Rd Automation Process and apparatus for mounting semiconductor components to substrates and parts therefor
US6791845B2 (en) * 2002-09-26 2004-09-14 Fci Americas Technology, Inc. Surface mounted electrical components

Also Published As

Publication number Publication date
CN104253055B (zh) 2018-02-23
JP2015008209A (ja) 2015-01-15
US9434028B2 (en) 2016-09-06
US20140374470A1 (en) 2014-12-25
CN104253055A (zh) 2014-12-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6111764B2 (ja) パワーモジュール用基板の製造方法
CN103153527B (zh) 半导体装置接合材料
CN104185900B (zh) 功率模块用基板、自带散热器的功率模块用基板以及功率模块
CN101687284B (zh) 接合体及其制造方法、以及功率半导体模块及其制造方法
TWI564979B (zh) 用於多重回流應用之低空洞焊接
JP5093235B2 (ja) 電子部品装置およびその製造方法
TWI523724B (zh) A bonding material, a method for producing the same, and a method of manufacturing the bonding structure
JP6206494B2 (ja) 半導体装置
CN103390562B (zh) 冷却器及其制造方法以及半导体模块及其制造方法
CN205122571U (zh) 导电柱
WO2014148425A1 (ja) 接合体の製造方法及びパワーモジュール用基板の製造方法
JP2016134540A (ja) 電力用半導体装置
JP2005205418A (ja) 接合構造体の製造方法
JP5031677B2 (ja) 接合構造体の製造方法
JP6236915B2 (ja) はんだ付け方法および半導体装置の製造方法
JP2009253157A (ja) 半田付け方法及び半導体装置の製造方法
CN103996631A (zh) 半导体装置的制造方法
JP2010003878A (ja) 回路基板及びその製造方法
JP2017092168A (ja) 半導体モジュール及び電力変換装置
JP2014096432A (ja) 銅板付きパワーモジュール用基板及び銅板付きパワーモジュール用基板の製造方法
JP2011228604A (ja) 回路基板の製造方法及び回路基板
JP2018190942A (ja) リードフレーム及びその製造方法
JP2018046106A (ja) 銅／チタン／アルミニウム接合体、絶縁回路基板、ヒートシンク付き絶縁回路基板、パワーモジュール、ｌｅｄモジュール、熱電モジュール
JP6439489B2 (ja) パワーモジュール用基板の製造方法及びパワージュールの製造方法
JP2016178152A (ja) 半導体装置及び半導体装置の製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
RD02 Notification of acceptance of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422

Effective date: 20151005

RD04 Notification of resignation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424

Effective date: 20151005

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20160315

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20170120

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20170131

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20170330

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20171003

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20171016

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6236915

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees