JP6638626B2

JP6638626B2 - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP6638626B2
Application number: JP2016225807A
Authority: JP
Inventors: 圭児黒田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-11-21
Filing date: 2016-11-21
Publication date: 2020-01-29
Anticipated expiration: 2036-11-21
Also published as: JP2018085360A

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関するものである。

ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の半導体素子を搭載した半導体装置（パワーモジュールもしくはパワーカード）は、コレクタリードフレームと半導体素子が接合材であるはんだ層を介して接合されて構成された積層体がケース内に収容され、さらにこのケース内に封止樹脂体が形成された構成のものや、ケースレス構造であって、比較的硬質の封止樹脂体で上記積層体が封止された構成のものなど、多様な形態が存在している。

なお、ケースレス構造のもの、ケースを具備する構造のもののいずれであっても、ヒートシンクや冷媒を還流させる冷却器などがさらに配されて半導体素子からの熱をこれらに放熱させる構造が一般に適用されている。

さらに、コレクタリードフレームとエミッタリードフレームが上下に存在し、その間に半導体素子が接合材を介して配設されるとともに、これらの積層体が封止樹脂体で一体化された両面冷却構造の半導体装置も存在しており、たとえば特許文献１にこの形態の半導体装置とその製造方法が開示されている。

上記する両面冷却構造の半導体装置の構造として、コレクタリードフレーム、接合材、半導体素子、接合材、金属製冷却ブロック、接合材、エミッタリードフレーム、が順に積層され、封止樹脂体で全体が封止されてなる構造の半導体装置を挙げることができる。

特開２０１６−０９２０６４号公報

特許文献１で記載される半導体装置の製造方法では、半導体素子と被接合部材との間にはんだ材料を配置する配置工程と、はんだ材料を融解、凝固させる熱処理工程を有し、被接合部材は表面にニッケル層が設けられているとともにニッケル層の表面の少なくとも一部に銅層が設けられており、はんだ材料は少なくともすずを含んでおり、配置工程でははんだ材料と銅層を接触させ、熱処理工程でははんだ材料中のすずと銅層によってニッケル層の表面にＣｕ_６Ｓｎ_５を形成する。

このように、被接合部材の表面にたとえばＳｎ系はんだ材料との濡れ性を高めるＮｉ層（Ｎｉめっき層）が存在する場合、Ｓｎ系はんだ材料中のＳｎとＮｉ層中のＮｉが相互拡散してＮｉ層が消費される、いわゆるＮｉ食われが危惧される。

このＮｉ食われを抑制するべく、特許文献１で開示されるように、被接合部材とＳｎ系はんだ材料の間にＣｕ層を成膜し、Ｃｕ_６Ｓｎ_５もしくは（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５の金属間化合物層を形成する。

ところで、被接合部材の表面にＣｕ層を成膜し、さらにはんだ層を形成するに当たり、Ｃｕ層の成膜サイズ公差やはんだサイズ公差が往々にして発生する。仮に、はんだ層や金属間化合物層よりもＣｕ層が広い平面積を有していると、半導体装置の周囲を構成する封止樹脂体とＣｕ層が密着することになる。封止樹脂体とＣｕ層との密着強度はたとえばＮｉ層との密着強度に比べて低いことから、封止樹脂体とＣｕ層の密着箇所においては、封止樹脂体がリードフレームや半導体素子等の被接合部材から剥離する可能性が高くなってしまう。

本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、構成部品同士がＳｎ系はんだ層にて接合される半導体装置の製造方法において、Ｎｉ食われを抑制するために構成部品とＳｎ系はんだ材料の間に配設されるＣｕ層の成膜サイズ公差に起因して、封止樹脂体とＣｕ層が密着し、剥離することを解消することのできる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明による半導体装置の製造方法は、半導体装置を構成する複数の部品のうち、Ｓｎ系はんだ層にて第一部品と第二部品を接続して半導体装置を製造する半導体装置の製造方法であって、前記第一部品は前記Ｓｎ系はんだ層が形成される表面にＮｉ被膜を備えており、重力方向の下方から順に、前記第一部品、Ｓｎ系はんだ材料、Ｃｕ層、該Ｃｕ層と接合されている前記第二部品を積層し、前記Ｓｎ系はんだ材料の固相線温度以上で液相線温度以下の温度雰囲気下で３０秒以上加熱することで、前記Ｓｎ系はんだ材料が溶融し、凝固してなるＳｎ系はんだ層を形成し、該Ｓｎ系はんだ層と前記第一部品の間にＣｕ_６Ｓｎ_５もしくは（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５の金属間化合物層を形成し、全体を樹脂モールドして半導体装置を製造するものである。

本発明の半導体装置の製造方法は、半導体装置を構成する第一部品と第二部品を接続するに当たり、重力方向の下方から順に、第一部品、Ｓｎ系はんだ材料、Ｃｕ層、Ｃｕ層と接合されている第二部品を積層し、Ｓｎ系はんだ材料の固相線温度以上で液相線温度以下の温度雰囲気下で３０秒以上加熱することに特徴を有している。

すなわち、第一部品とＳｎ系はんだ材料の間にはＣｕ層は介在させない。

ここで、第二部品、Ｃｕ層、およびＳｎ系はんだ材料の平面寸法を同じ寸法に設定してそれらを積層するのが望ましい。

Ｓｎ系はんだ材料の固相線温度以上で液相線温度以下の温度雰囲気下で３０秒以上加熱することにより、第二部品とＳｎ系はんだ層の間にＣｕ_６Ｓｎ_５もしくは（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５の金属間化合物層が形成されることに加えて、ＣｕはＳｎよりも比重が大きいことから、Ｓｎ系はんだ材料の上方にあったＣｕ層中のＣｕがＳｎ系はんだ材料内からＣｕ_６Ｓｎ_５もしくは（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５となって第一部品とＳｎ系はんだ層の間に偏析し、第一部品とＳｎ系はんだ層の間にもこれらの金属間化合物層が形成される。

この製造方法によれば、Ｓｎ系はんだ材料の平面寸法内において当該Ｓｎ系はんだ材料内をＣｕ層からのＣｕが下方に通過し、第一部品とＳｎ系はんだ層の間にＣｕ_６Ｓｎ_５もしくは（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５の金属間化合物層を形成することから、形成された金属間化合物層の平面寸法がＳｎ系はんだ層の平面寸法よりも大きくなることはない。そのため、Ｃｕ層の成膜サイズ公差に起因して封止樹脂体とＣｕ層が密着し、剥離の可能性を有する半導体装置が製造されることが解消される。

ここで、第一部品と第二部品の組み合わせに関しては、第二部品が相対的に平面寸法が小さいことから、第一部品がコレクタリードフレームで第二部品が半導体素子の形態、第一部品が半導体素子で第二部品が金属製冷却ブロックの形態、第一部品がエミッタリードフレームで第二部品が金属製冷却ブロックの形態などが挙げられる。

すなわち、Ｓｎ系はんだ層で接合される二つの部品同士を上記する本発明の製造方法を用いて各々接合することにより、コレクタリードフレーム、半導体素子、金属製冷却ブロック、エミッタリードフレーム等、複数の部品がＳｎ系はんだ層を介して接合されてなる積層体が製造される。この積層体の周囲にエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂やポリアミドイミド等の熱可塑性樹脂を素材とする封止樹脂体が成形されることにより、両面冷却構造の半導体装置が製造される。

なお、本明細書において、コレクタリードフレームやエミッタリードフレームは、文字通りのリードフレームのほか、ダイパッド、回路基板や応力緩和基板等の基板、純ＡＬからなる基板とＡＩＮ(窒化アルミニウム)からなる基板を積層してなるＤＢＡ（絶縁基板）、ヒートシンクなども包含されるものであり、たとえばＣｕ素材のリードフレームが適用できる。

また、接合材としては、Ｐｂフリーはんだ材料であるＳｎ系はんだ材料としては、Ｓｎを主成分とする、Ｓｎ−Ａｇはんだ、Ｓｎ−Ｃｕはんだ、Ｓｎ−Ｚｎはんだ等が挙げられる。

また、金属製冷却ブロックとしては、たとえばＣｕ製の冷却ブロックが挙げられ、ターミナル、スペーサなどと称することもできる。

以上の説明から理解できるように、本発明の半導体装置の製造方法は、重力方向の下方から順に、第一部品、Ｓｎ系はんだ材料、Ｃｕ層、Ｃｕ層と接合されている第二部品を積層し、Ｓｎ系はんだ材料の固相線温度以上で液相線温度以下の温度雰囲気下で３０秒以上加熱する方法である。この製造方法により、Ｓｎ系はんだ材料の上方にあったＣｕ層中のＣｕがＳｎ系はんだ材料内からＣｕ_６Ｓｎ_５もしくは（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５となって第一部品とＳｎ系はんだ層の間に偏析し、第一部品とＳｎ系はんだ層の間にこれらの金属間化合物層が形成されることから、Ｃｕ層の成膜サイズ公差に起因して封止樹脂体とＣｕ層が密着し、剥離の原因になるといった問題が解消できる。

本発明の半導体装置の製造方法を説明した縦断面図である。図１に続いて半導体装置の製造方法を説明した縦断面図である。図２に続いて半導体装置の製造方法を説明した縦断面図であって製造された半導体装置を示した図である。

以下、図面を参照して本発明の半導体装置の製造方法の実施の形態を説明する。なお、図示する製造方法にて製造される半導体装置は、コレクタリードフレーム、半導体素子、金属製冷却ブロック、およびエミッタリードフレームが積層した構造を有した両面冷却構造の半導体装置であるが、図示例以外の多様な構造形態の半導体装置も本発明の製造方法の製造対象であることは勿論のことである。また、図示する半導体装置では冷却器等の図示を省略している。

（半導体装置の製造方法の実施の形態）
図１，２，３は順に、本発明の半導体装置の製造方法を説明した縦断面図であり、図３は製造された半導体装置も示している。

ここでは、第一部品であるコレクタリードフレーム１と第二部品である半導体素子２を接合する方法を取り上げて説明する。

図１で示すように、上方から見た（Ｙ方向）平面寸法において、コレクタリードフレーム１は半導体素子２よりも平面寸法が大きい。

そこで、まず、重力方向の下方（Ｘ方向）から順に、コレクタリードフレーム１、Ｓｎ系はんだ材料４’、Ｃｕ層３’、およびＣｕ層３’と既に接合されている半導体素子２を積層する。ここで、コレクタリードフレーム１とＳｎ系はんだ材料４’の間にはＣｕ層は介在させない。

コレクタリードフレーム１はアルミニウムやその合金、銅やその合金などから形成されており、その表面にはＮｉめっき被膜１ａが形成されている。また、半導体素子２はＩＧＢＴやダイオードからなり、その下面にも同様にＮｉめっき被膜２ａが形成されている。

Ｓｎ系はんだ材料４’としては、Ｐｂフリーはんだであり、かつＳｎを主成分とする、Ｓｎ−Ａｇはんだ、Ｓｎ−Ｃｕはんだ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだ、Ｓｎ−Ｚｎはんだ、Ｓｎ−Ｓｂはんだなどを挙げることができる。

図１で示すように、上方から見た（Ｙ方向）平面寸法において、Ｓｎ系はんだ材料４’、Ｃｕ層３’、および半導体素子２の平面寸法を同じ寸法に設定しておく。

次に、図２で示すように、Ｓｎ系はんだ材料４’の固相線温度以上で液相線温度以下の温度雰囲気下で３０秒以上加熱する。

この加熱処理により、Ｓｎ系はんだ層４が形成されるとともに、半導体素子２とＳｎ系はんだ材料４’の間に介在していたＣｕ層３’からＣｕ_６Ｓｎ_５もしくは（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５の金属間化合物層３Ａが形成される。さらに、ＣｕはＳｎよりも比重が大きいことから、Ｓｎ系はんだ材料４’の上方にあったＣｕ層３’中のＣｕがＳｎはんだ材料４’内からＣｕ_６Ｓｎ_５もしくは（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５となってコレクタリードフレーム１とＳｎ系はんだ層４の間に偏析し、コレクタリードフレーム１とＳｎ系はんだ層４の間にもこれらの金属間化合物層３Ｂが形成される。

図示する製造方法により、半導体装置を構成する複数の部品のうち、コレクタリードフレーム１とこれよりも平面寸法の小さな半導体素子２が、Ｓｎ系はんだ層４と金属間化合物層３Ａ、３Ｂを介して接合される。

この製造方法によれば、Ｓｎ系はんだ材料４’の平面寸法内において当該Ｓｎ系はんだ材料４’内をＣｕ層３’中のＣｕが下方に通過し、コレクタリードフレーム１とＳｎ系はんだ層４の間にＣｕ_６Ｓｎ_５もしくは（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５の金属間化合物層３Ｂを形成することから、形成された金属間化合物層３Ｂの平面寸法がＳｎ系はんだ層４の平面寸法よりも大きくなることはない。したがって、Ｃｕ層の成膜サイズ公差に起因して後工程で成形される封止樹脂体とＣｕ層やこれから形成される金属間化合物が密着し、剥離の可能性を有する半導体装置が製造されることが解消される。

次に、図３で示すように、表面にはＮｉめっき被膜７ａが形成されているエミッタリードフレーム７を相対的に平面寸法の大きな第一部品、同様にＮｉめっき被膜が形成されている金属製冷却ブロック５を第二部品とし、これらの部品を図１，２で示す製造方法にて同様に接合する。すなわち、この製造方法では、重力方向の下方から、第一部品であるエミッタリードフレーム７、Ｓｎ系はんだ材料、Ｃｕ層、金属製冷却ブロック５を積層し、Ｓｎ系はんだ材料の固相線温度以上で液相線温度以下の温度雰囲気下で３０秒以上加熱する。さらに、半導体素子２を相対的に平面寸法の大きな第一部品、金属製冷却ブロック５を第二部品とし、同様の方法で接合する。このように三度の製造方法を繰り返すことにより、図３で示す複数部品同士が、Ｓｎ系はんだ層４，６，８と金属間化合物層３Ａ，３Ｂ、６Ａ，６Ｂ，９Ａ，９Ｂで接合されてなる積層体が製造される。

この積層体の周囲に樹脂モールドをおこなって封止樹脂体１０を成形することにより、両面冷却構造の半導体装置１００が製造される。

ここで、封止樹脂体１０の素材として、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂やポリアミドイミド等の熱可塑性樹脂が挙げられる。

エポキシ樹脂に関しては、その末端に反応性のエポキシ基を持つ熱硬化型の合成樹脂であり、ビスフェノールＡとエピクロルヒドリンとの縮合反応により製造されるビスフェノールＡ型エポキシ樹脂や、ノボラック系エポキシ樹脂、トリスフェノールメタン型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、多官能エポキシ樹脂、可撓性エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、高分子型エポキシ樹脂およびグリシジルエステル型エポキシ樹脂などを挙げることができ、これらを単独で、もしくは、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂とその他の一種もしくは二種以上の樹脂を混合して使用することもできる。熱可塑性樹脂に関しては、ポリアミドイミド以外にも、ポリフェニレンサルファイドやポリブチレンテレフタレート等のエンジニアリングプラスチック、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル等が挙げられる。また、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂の中には、熱伝導性と熱膨張の改善を目的としてシリカやアルミナ、窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、酸化マグネシウム等の無機フィラーが含有されていてもよい。

図示する半導体装置１００によれば、Ｃｕ_６Ｓｎ_５もしくは（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５等の金属間化合物層３Ｂ、９Ｂ等がＳｎ系はんだ層４，８等からはみ出し、封止樹脂体１０と接触する箇所を具備しない。そのため、Ｃｕ層の成膜サイズ公差に起因して封止樹脂体１０とＣｕ層や金属間化合物層３Ｂ、９Ｂが密着し、剥離の原因になるといった問題は生じない。さらに、いわゆるＮｉめっき食われも抑制することができる。

（Ｃｕ_６Ｓｎ_５の重力による偏析の確認）
本発明者等は、図１，２で示す製造方法でコレクタリードフレームと半導体素子を接合し、その際に、半導体素子とＳｎ系はんだ材料の間に介在するＣｕ層中のＣｕが重力によってＳｎ系はんだ材料中を落下し、コレクタリードフレームと半導体素子の間にＣｕ_６Ｓｎ_５となって偏析するか否かを確認する実験をおこなった。

Ｓｎ系はんだ材料の固相線温度以上で液相線温度以下の温度を２９０℃とし、３０秒間加熱した結果、溶融前のＳｎ系はんだ材料（Ｓｎ−３Ｃｕ）中をＣｕ層中のＣｕが重力落下し、Ｓｎ系はんだ層とコレクタリードフレームの間にＣｕ_６Ｓｎ_５の金属間化合物層が形成されていることが確認されている。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、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等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１…コレクタリードフレーム（第一部品）、１ａ…Ｎｉめっき被膜、２…半導体素子（第二部品）、２ａ…Ｎｉめっき被膜、３Ａ，３Ｂ…金属間化合物層、３’…Ｃｕ層、４’…Ｓｎ系はんだ材料、４…Ｓｎ系はんだ層、５…金属製冷却ブロック、６，８…Ｓｎ系はんだ層、６Ａ，６Ｂ，９Ａ，９Ｂ…金属間化合物層、７…エミッタリードフレーム、１０…封止樹脂体、１００…半導体装置

Claims

半導体装置を構成する複数の部品のうち、Ｓｎ系はんだ層にて第一部品と第二部品を接続して半導体装置を製造する半導体装置の製造方法であって、
前記第一部品は前記Ｓｎ系はんだ層が形成される表面にＮｉ被膜を備えており、
前記Ｎｉ被膜の表面には、Ｃｕ層が形成されておらず、
前記第一部品は、前記第二部品よりも平面寸法が大きく、
重力方向の下方から順に、前記第一部品、Ｓｎ系はんだ材料、Ｃｕ層、該Ｃｕ層と接合されている前記第二部品を積層し、
前記Ｓｎ系はんだ材料の固相線温度以上で液相線温度以下の温度雰囲気下で３０秒以上加熱することで、前記Ｓｎ系はんだ材料が溶融し、凝固してなるＳｎ系はんだ層を形成し、該Ｓｎ系はんだ層と前記第一部品の間にＣｕ_６Ｓｎ_５もしくは（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５の金属間化合物層を形成し、全体を樹脂モールドして半導体装置を製造する半導体装置の製造方法。