JP6477517B2

JP6477517B2 - 半導体装置の製造方法

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Publication number: JP6477517B2
Application number: JP2016008849A
Authority: JP
Inventors: 雅幸高野; 卓也野村; 圭児黒田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-01-20
Filing date: 2016-01-20
Publication date: 2019-03-06
Anticipated expiration: 2036-01-20
Also published as: JP2017130547A

Description

本発明は、リードフレームに半導体素子を接合した後、これらを樹脂により一体的に成形した半導体装置の製造方法に関する。

従来から、半導体装置は、１対のリードフレーム間に、半導体素子およびスペーサがリードフレームにはんだにより接合された後、１対のリードフレーム、半導体素子、およびスペーサに対して樹脂モールドを行うことにより製造される。

ここで、リードフレームおよび半導体素子は、樹脂との接合性を向上させるため、その表面にＮｉ層が形成されている。このＮｉ層とＳｎ系鉛フリーはんだを接合した場合、界面にＮｉ_３Ｓｎ_４が生成する。半導体装置の高温動作時（１００〜２００℃）に、Ｎｉ層のＮｉが拡散し易く、これにより、Ｎｉ層のＮｉが消費されてしまう。

このような点を鑑みて、たとえば特許文献１には、はんだに、Ｃｕを３〜７質量％程度含有したＳｎ−Ｃｕはんだを用いて、リードフレームと半導体素子を接合する半導体装置の製造方法が提案されている（たとえば特許文献１参照）。

この製造方法によれば、接合されたはんだとリードフレームとの接合界面には、Ｃｕ_６Ｓｎ_５または（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５の金属間化合物層が形成される。この金属間化合物層はバリア層となって、リードフレームのＮｉ層のＮｉの消費を抑えることができる。

特開２００７−０６７１５８号公報

しかしながら、特許文献１に係る製造方法では、はんだにＣｕを３〜７質量％程度含有したＳｎ−Ｃｕはんだを用いているため、はんだの融点が高くなり、はんだの濡れ性が低下してしまう。そして、はんだの濡れ性を向上させるために、はんだの接合温度を高めると、はんだ内の残留応力が高くなってしまう。

本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、リードフレームに形成されたＮｉ層のＮｉの消費を抑えることを前提として、接合時のはんだの濡れ性を確保することができる半導体装置の製造方法を提供することにある。

前記課題を鑑みて、本発明に係る半導体装置の製造方法は、Ｎｉ層が形成された１対のリードフレーム間において、半導体素子およびスペーサが前記リードフレームにはんだにより接合された後、前記１対のリードフレーム、前記半導体素子、および前記スペーサが樹脂モールドされた半導体装置の製造方法であって、前記はんだに、はんだ全体を１００質量％としたときに、Ｃｕを０〜０．７質量％含有し、残部がＳｎおよび不可避不純物からなるはんだを用い、前記はんだと前記リードフレームとの間に、Ｃｕを配置しつつ、前記半導体素子と前記リードフレームとを、前記はんだにより接合した後、前記１対のリードフレーム、前記半導体素子、および前記スペーサを樹脂モールドすることを特徴とする。

本発明によれば、はんだに含有するＣｕを０．７質量％以下に制限する代わりに、リードフレームとはんだとの接合界面にＣｕを介在させ、はんだ付けを行う。これにより、リードフレームとはんだとの界面にＣｕ_６Ｓｎ_５または（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５のバリア層を形成することができる。

このようにして、はんだに含有するＣｕを０．７質量％以下に制限したので、はんだの濡れ性を損なうことはなく、半導体装置の製造後には、Ｃｕ_６Ｓｎ_５または（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５のバリア層により、リードフレームに形成されたＮｉ層のＮｉの消費を低減することができる。さらに、リードフレームに形成されたＮｉ層により、樹脂とリードフレームとの接合強度を保持することができる。

本発明の実施形態に係る半導体装置の模式的断面図である。（ａ）〜（ｄ）は、図１に示す半導体装置の製造方法を説明するための模式図である。Ｓｎ−Ｃｕ合金の状態線図の要部拡大図である。Ｓｎ，Ｓｎ−０．７Ｃｕ合金，Ａｌ−０．１Ｓｉの耐力を示したグラフである。（ａ）は、リードフレームのＮｉ層の表面にＣｕを設けた場合のＳｎ−０．７Ｃｕはんだとの接合状態を示した写真であり、（ｂ）は、リードフレームのＮｉ層の表面にＣｕを設けない場合のＳｎ−０．７Ｃｕはんだとの接合状態を示した写真である。ＣｕとＮｉに対する樹脂の密着性を示した図である。

以下の本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法を以下に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る半導体装置１の模式的断面図である。
図１に示すように、本実施形態に係る半導体装置１は、リードフレーム１１（コレクタ）と、リードフレーム１２（エミッタ）とを備えている。リードフレーム１１，１２との間には、半導体素子１３およびスペーサ（ターミナル）１４が配置されており、半導体素子１３およびスペーサ（ターミナル）１４は、はんだ１６により接合されている。さらに、リードフレーム１１と半導体素子１３とは、はんだ１６により接合されており、リードフレーム１２とスペーサ１４も、はんだ１６により接合されている。１対のリードフレーム１１，１２、半導体素子１３およびスペーサ１４は、樹脂１９により一体的に樹脂成形（樹脂モールド）されている。なお、図１では、半導体素子１３に接続されるボンディングワイヤ等は省略している。

１対のリードフレーム１１，１２のうち、少なくとも樹脂１９と接触する部分には、Ｎｉ層１５が形成されており、本実施形態では、リードフレーム１１，１２同士が対向する側に形成されている。

さらに、図示しないが、半導体素子１３の裏面電極、半導体素子１３の裏面電極、およびスペーサ１４の両面にも、Ｎｉ層が形成されている。本実施形態では、Ｎｉ層が形成されたこれらの表面に、Ｃｕ層１７が形成されているが、はんだ付時にＣｕ層１７は、消滅することもある。さらに、はんだ１６とＣｕ層１７の界面には、Ｃｕ_６Ｓｎ_５または（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５の金属間化合物層１８が形成されている。

リードフレーム１１，１２およびスペーサ１４は、ＣｕまたはＣｕ合金を母材として、その表面にＮｉ層が形成されている。Ｎｉ層は、メッキまたはスパッタリング等により形成される。さらに、Ｎｉ層の表面には、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、またはＰｄの薄膜が形成されていてもよい。

半導体素子１３の半導体素子本体の裏面には、裏面電極が形成されている。半導体素子本体は、Ｓｉ素子、またはＳｉＣ、ＧａＮなどのワイドギャップ半導体素子などを挙げることができる。

裏面電極は、裏面側から順に第１層〜第４層を積層した電極である。第１層は、Ａｌ−Ｓｉからなる層である。第２層は、Ｔｉからなる層である。第３層は、ＮｉまたはＮｉ−ＰからなるＮｉ層である。第４層は、Ｃｕからなる層である。さらに、第４層に、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、またはＰｄからなる層を積層してもよく、この層は、はんだと接合する際には、はんだに拡散し消滅する。また、はんだによる接合時に第４層も消滅してもよい。

はんだ１６は、はんだ全体を１００質量％としたときに、Ｃｕを０〜０．７質量％含有し、残部がＳｎおよび不可避不純物からなり、はんだ１６が接合された界面には、Ｃｕ_６Ｓｎ_５または（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５のバリア層（図示せず）が形成されている。はんだ１６に接合していないリードフレーム１１，１２の表面には、Ｎｉ層１５が形成されており、このＮｉ層１５は、樹脂１９と密着している。

このような半導体装置１を以下の方法で製造する。図２（ａ）〜（ｄ）は、図１に示す半導体装置１の製造方法を説明するための模式図である。

まず、図２（ａ）に示すように、表面にＮｉ層１５が形成されたリードフレーム１１を準備し、半導体素子１３およびスペーサ１４とはんだを介して接合される部分に、Ｃｕ層１７を成形する。このＣｕ層１７は、電解めっき、無電解めっき、スパッタ、蒸着、または固相電析等により形成することができる。同様に、半導体素子１３の裏面電極の表面、および、スペーサ１４の表面にも、Ｃｕ層１７を形成する。なお、半導体素子１３の裏面電極のＣｕ層１７は、上述した第４層に相当する。

次に、リードフレーム１１と半導体素子１３の間、および、半導体素子１３とスペーサ１４との間に、はんだ１６を配置する。これにより、リードフレーム１１、半導体素子１３、およびスペーサ１４が、積層される。はんだ１６には、はんだ全体を１００質量％としたときに、Ｃｕを０〜０．７質量％含有し、残部がＳｎおよび不可避不純物からなるはんだを用いる。はんだが、Ｓｎ−０．７Ｃｕ合金である場合には、共晶組成である。

次に、はんだ１６を介してリードフレーム１１、半導体素子１３、およびスペーサ１４を積層したものを、リフロー炉に投入し、たとえば水素ガス還元雰囲気などの不活性雰囲気下で、加熱する。本実施形態では、加熱温度を３００℃にして１分間保持する。

ここで、図３に示すＳｎ−Ｃｕ合金の状態線図からも明らかなように、Ｓｎ−Ｃｕ合金のＣｕが０．７質量％を超えて含有している場合には、その添加量の増加に伴いＳｎ−Ｃｕ合金の融点が上昇する。

しかしながら、本実施形態では、Ｃｕを０〜０．７質量％含有し、残部がＳｎおよび不可避不純物からなるはんだ１６を用いたことにより、Ｃｕを含有する他の範囲のものよりも低い接合温度で、はんだ１６を溶融させることができる。このような結果、はんだ１６の濡れ性の低下を抑えることができる。

ここで、接合時にはんだ１６を溶融させた場合、接合後のはんだ１６に応力が残留する。ここで、半導体素子１３の裏面電極（の上述した第１層）のＡｌ−Ｓｉ合金の０．２％耐力よりも、はんだ１６の０．２％耐力が上回った場合には、はんだ１６の残留応力により、半導体素子１３の裏面電極が破損するおそれがある。しかしながら、図４に示すように、ＳｎおよびＳｎ−０．７Ｃｕ合金の０．２％耐力は、Ａｌ−Ｓｉ合金（Ａｌ−０．１Ｓｉ合金）の耐力よりも低いので、裏面電極に破損は生じない。この点からも、はんだ１６は、Ｃｕを含まずＳｎからなることが好ましい。

そして、図２（ｂ）に示すように、はんだにより形成されたはんだ１６と、リードフレーム１１の間には、Ｃｕ層１７のＣｕと、はんだ１６のＳｎが相互に拡散したＣｕ_６Ｓｎ_５または、これにＮｉ層のＮｉがさらに拡散した（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５からなる金属間化合物層１８が形成される。本実施形態では、Ｃｕ層１７は残存しているが、接合時にはんだ１６に拡散してもよい。

このような結果、金属間化合物層１８がバリア層となって、半導体装置の高温動作時（１００〜２００℃）に、Ｎｉ層１５のＮｉが拡散することを抑え、Ｎｉ層１５のＮｉの消費を抑えることができる。

ここで、金属間化合物層１８の形成を確認すべく、表面にめっきによりＮｉ層（Ｎｉめっき層）を形成した銅製のリードフレームを準備し、さらにＮｉ層の表面にＣｕめっき層を形成した。次に、はんだ（Ｓｎ−０．７Ｃｕはんだ）で、半導体素子を、Ｃｕめっき層が形成されたリードフレームにリフロー接合した。具体的には、リフロー炉内を水素ガス還元雰囲気にし、２７０℃で５０秒保持した。接合後のリードフレームとはんだとの断面をＳＥＭにより観察した。この結果を図５（ａ）に示す。

また、この比較として、Ｎｉ層の表面にＣｕめっき層を形成せずに、はんだ（Ｓｎ−０．７Ｃｕはんだ）で、半導体素子を、Ｎｉ層のみが形成されたリードフレームにリフロー接合した。接合条件は、上述した条件と同じである。接合後のリードフレームとはんだとの断面をＳＥＭにより観察した。この結果を図５（ｂ）に示す。

図５（ａ）に示すように、Ｃｕめっき層を形成した場合には、界面に６角形状であるＣｕ_６Ｓｎ_５または（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５が生成されており、図５（ａ）に示す界面には、図５（ｂ）に示すような針状のＮｉ_３Ｓｎ_４は形成されてないことが確認できた。

次に、図２（ｂ）で説明した接合の後、リードフレーム１１、半導体素子１３に信号線となるワイヤをワイヤボンディングで接続する（図示せず）。

さらに、図２（ｃ）に示すように、表面にＮｉ層１５が形成されたリードフレーム１２を準備し、スペーサ１４とはんだ１６を介して接合される部分に、Ｃｕ層１７を形成し、スペーサ１４のリードフレーム１２に対向する表面にもＣｕ層１７を形成する。その後、図２（ｂ）で説明した方法と同じ方法で、はんだ１６を介してリードフレーム１２をスペーサ１４に接合する。

その後、図２（ｄ）に示すように、１対のリードフレーム１１，１２、半導体素子１３およびスペーサ１４を、樹脂１９により一体的に樹脂モールドする。本実施形態では、樹脂１９に接触するリードフレーム１１，１２の表面には、Ｎｉ層１５が形成されている。図６に示すように、Ｎｉは、Ｃｕに比べて、樹脂との密着強度が１０倍程度高いため、リードフレーム１１，１２に対する樹脂１９の密着性を高めることができる。

以上、本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更があっても、それらは本発明に含まれるものである。また、はんだ１６は、微量（０．１質量％）のＮｉ，Ｃｏ，Ｂｉ，Ｓｂ，Ｐ，Ｇｅを含んでいてもよい。

１：半導体装置、１１，１２：リードフレーム、１３：半導体素子、１４：スペーサ、１５：Ｎｉ層、１６：はんだ、１７：Ｃｕ層、１８：金属間化合物層、１９：樹脂。

Claims

Ｎｉ層が形成された１対のリードフレーム間において、半導体素子およびスペーサが前記リードフレームにはんだにより接合された後、前記１対のリードフレーム、前記半導体素子、および前記スペーサが樹脂モールドされた半導体装置の製造方法であって、
前記はんだに、はんだ全体を１００質量％としたときに、Ｃｕを０〜０．７質量％含有し、残部がＳｎおよび不可避不純物からなるはんだを用い、
前記はんだと前記リードフレームとの間に、Ｃｕを配置しつつ、前記半導体素子と前記リードフレームとを、前記はんだにより接合した後、前記１対のリードフレーム、前記半導体素子、および前記スペーサを樹脂モールドすることを特徴とする半導体素子の製造方法。