JPH11186331A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

半導体装置およびその製造方法

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JPH11186331A
JPH11186331A JP35121197A JP35121197A JPH11186331A JP H11186331 A JPH11186331 A JP H11186331A JP 35121197 A JP35121197 A JP 35121197A JP 35121197 A JP35121197 A JP 35121197A JP H11186331 A JPH11186331 A JP H11186331A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 絶縁基板と金属板との間のはんだ接合部の厚
さを均一にできるとともに、はんだ接合部において亀裂
の発生および進展を抑制でき、ボイドの発生も抑えるこ
とのできる放熱性に優れた信頼性の高い半導体装置およ
びその製造方法を提供する。 【解決手段】 はんだ14に濡れない金属ワイヤ片から
なる突起15aを金属接合部18によって絶縁基板11
に固着する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明はパワーモジュール
に関し、特に絶縁基板と金属板とをはんだ接合した半導
体装置およびその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】図9は従来の半導体装置のはんだ接合部
を示す断面図である。図において、1は半導体リードフ
レームのダイパッド、2は半導体ダイ、3ははんだ、4
は突起台である。また、図10は従来の半導体リードフ
レームのダイパッドを示す斜視図である。図9および図
10に示すように、ダイパッド1の表面に表面が平坦な
同一高さの突起台4を設け、ダイパッド1の突起台4を
含む全面にはんだ3を付着させて半導体ダイ2を載置す
る。これにより半導体ダイ2の下面は突起台4およびは
んだ3によって載置される。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】一般に、半導体装置を
実際に使用する場合、電源をオン・オフするのである
が、これに伴って半導体装置に温度変化が生じる。半導
体装置の各構成部材の線膨張係数が異なることから半導
体装置の温度変化によって半導体装置のはんだ接合部に
歪みが生じ、はんだ接合部に亀裂が発生・進展して熱的
および電気的信頼性を著しく低下させるという問題点が
あった。
【0004】この亀裂の発生・進展を抑制するものとし
てはんだ接合部を厚く形成することが一般に良く知られ
ている。しかし、半導体チップや基板等の比較的大きな
はんだ接合面積を有する部材では、はんだ接合部の厚さ
は均一にならず半導体チップや基板等に傾きが生じ、単
に供給するはんだ量を多くしてもはんだ厚さの薄い部分
がかならず発生し、亀裂発生に対する余裕度を高めるこ
とにはならないという問題点があった。
【0005】これを解決するものとして従来の半導体装
置では図9,図10に示すように、半導体ダイ2と接触
する部分に平坦な突起台4を設けた半導体リードフレー
ムのダイパッド1を使用することによりはんだ接合部の
厚さを均一に形成している。ところが、突起台とはんだ
との接触部近傍の拡大断面図である図11に示すよう
に、突起台4とはんだ3との接触部界面において金属間
化合物層5が形成される。また、突起台4とはんだ3と
の接触部においてははんだ3の形状は角を持ち、いわゆ
るノッチ形状6となる。
【0006】ここで、一般にノッチ形状6には応力集中
が生じ、突起台4とはんだ3との界面近傍部においては
んだ3に亀裂が発生しやすいという問題点があった。さ
らに、金属間化合物層5が一般に硬くて脆い性質を有し
ており、強度や伸び等の機械的物性がはんだ3に比べて
著しく劣るためにはんだ3に亀裂が発生しやすいという
問題点があった。以上のような問題点は、セラミックス
製絶縁基板と金属板とのはんだ接合のようにはんだ接合
面積の大きな場合により大きな問題となる。
【0007】更に、セラミックス製絶縁基板と金属板と
のはんだ接合部において突起台を形成すると、はんだ溶
融状態においてセラミックス製絶縁基板が大きく左右に
傾くことがなく、発生したボイドを自然に排出する駆動
力に欠けることになる。そのために、冷却凝固後のはん
だ接合部にボイドが残存してしまい、放熱性が悪くなる
という問題点があった。
【0008】この発明は上記のような問題点を解消する
ために成されたもので、絶縁基板と金属板との間のはん
だ接合部の厚さを均一にできるとともに、はんだ接合部
において亀裂の発生および進展を抑制でき、ボイドの発
生も抑えることのできる放熱性に優れた信頼性の高い半
導体装置およびその製造方法を提供することを目的とし
ている。
【0009】
【課題を解決するための手段】この発明の請求項1に係
る半導体装置は、突起がはんだに濡れない材料からなる
ものである。
【0010】この発明の請求項2に係る半導体装置は、
突起がはんだに濡れない金属ワイヤ片であって、上記金
属ワイヤ径によってはんだ接合部の厚さを規制するよう
にしたものである。
【0011】この発明の請求項3に係る半導体装置は、
はんだに濡れない金属ワイヤ片が直径50〜400ミク
ロンのAlのボンディングワイヤであるものである。
【0012】この発明の請求項4に係る半導体装置は、
突起がはんだ接合部の金属板側に金属接合によって固着
しているものである。
【0013】この発明の請求項5に係る半導体装置は、
突起がはんだ接合部の絶縁基板側に金属接合によって固
着しているものである。
【0014】この発明の請求項6に係る半導体装置の製
造方法は、はんだ接合する工程が、フラックスを含むは
んだペーストを供給した後、フラックスを含まない固形
はんだを供給することによってはんだ接合を行う工程か
らなるものである。
【0015】この発明の請求項7に係る半導体装置の製
造方法は、はんだ接合する工程が、大気圧下ではんだを
溶融し溶融はんだを形成する工程と、上記溶融はんだを
減圧する工程と、上記溶融はんだを大気圧に戻す工程
と、上記溶融はんだを凝固する工程からなるものであ
る。
【0016】
【発明の実施の形態】実施の形態1.図1はこの発明の
実施の形態1のパワーモジュールを示したもので、図1
(a)は斜視図であり、図1(b)は断面図である。図
において、7はSi製の半導体チップ(以下、チップと
称す)、8はセラミックスである窒化アルミ(以下、A
lNと称す)、9,10はAlN8の両面に備えられた
導体層である銅製のパターン、11はAlN8と銅製の
パターン9,10とからなる絶縁基板、12は金属板と
しての銅板、13はチップ7と絶縁基板11との固着に
用いたはんだ、14は絶縁基板11と銅板12との固着
に用いたすず−鉛系のはんだ、15は絶縁基板11と銅
板12とのはんだ14接合部に複数個設置された突起で
あり、はんだ14に濡れないAl製でできている。更
に、16は突起15の周囲に生じるボイドである。
【0017】図1に示すように、パワーモジュールはチ
ップ7をはんだ13によって固着した絶縁基板11を銅
板12上に固着した構造をしており、通常はヒートシン
ク(図示なし)上に搭載されている。このとき、Si,
AlN,Cuの線膨張係数はそれぞれ4ppm/℃,5
ppm/℃,17ppm/℃程度である。したがって、
Siからなるチップ7とAlNからなる絶縁基板11と
は線膨張係数が近くはんだ13では亀裂発生・進展に対
する余裕度は大きいのであるが、絶縁基板11と銅板1
2とでは線膨張係数の差が大きくはんだ14では亀裂発
生・進展に対する余裕度が小さいことがわかる。
【0018】また、はんだ13よりもはんだ14の方が
放熱性の関係から、はんだ接合部の面積が大きいのが一
般的であり、はんだ14ははんだ13に比べて更に亀裂
発生・進展が起こりやすくなっている。そこで、従来と
同様にして、はんだ14接合部においては絶縁基板11
と銅板12との間に突起15を設けることによりはんだ
14の厚さを均一に形成し、局部的にはんだ14が薄く
なるようなことがなく、はんだ厚さの不均一による亀裂
の発生・進展は防止することができる。
【0019】更に、突起15ははんだ14に濡れないA
l製であるので、突起15の周囲にはボイド16が突起
15を取り囲むように生じてしまう。しかし、ボイド1
6の周囲では、はんだは滑らかなフィレット形状とな
り、従来のように突起台4とはんだ3との接触部界面に
おいて金属間化合物層5やノッチ形状6が形成されるこ
とがない。したがって、突起15の部分が亀裂発生の起
点となることがない。
【0020】また、図2(a)(b)ははんだ端部から
亀裂が発生した場合のはんだ部分の拡大断面図であり、
図2(a)に示すように、亀裂17がはんだ14の端部
から発生したとき、亀裂17の先端部の形状は先が細く
鋭く尖った形状となり、先端部に局部的な応力集中が生
じ亀裂17の進展を促進させる。ところが、図2(b)
に示すように、亀裂17がボイド16に達すると、亀裂
17はボイド16と一体化することにより先端部の応力
集中を解消する。その結果、たとえこのように、はんだ
端部から亀裂が発生したとしても、亀裂17の進展を停
止させることができる。
【0021】この様に、はんだ14接合部において、は
んだ14に濡れることのない材料で突起15を形成した
ので、亀裂17の発生・進展を抑制でき、熱的、電気的
に信頼性の高い半導体装置を製造することができる。
【0022】また、ここでは絶縁基板11上にチップ7
が一個だけ実装されたパワーモジュールを例にとって説
明したが、一枚の絶縁基板11上にチップ7が複数個実
装されている場合であっても良い。また、銅板12上に
絶縁基板11が一枚だけ実装されたパワーモジュールを
例にとって説明したが、一枚の銅板12上に絶縁基板1
1が複数枚実装されていても良い。
【0023】更に、突起15がAlの場合について説明
をしたが、セラミックスやプラスチックなどはんだ14
に濡れない材料であれば良い。また、絶縁基板11の主
材としてのセラミックスとしてAlN8について説明を
したが、アルミナ,窒化珪素等でもよい。また、金属板
として銅板12について説明をしたが、表面処理を施し
たAl,Cuを主体とする合金,表面処理を施したAl
を主体とする合金でも良い。また、はんだ14としてす
ず−鉛系のはんだを例に説明をしたが、Sn,In,P
b,Zn,Bi,Agを基とするはんだであればよい。
【0024】実施の形態2.図3はこの発明の実施の形
態2のパワーモジュールの構成を示したもので、図3
(a)は断面図であり、図3(b)は突起部分の拡大断
面図である。図において、15aははんだに濡れない金
属ワイヤ片を用いた突起であり、18は突起15aと銅
板12とが金属接合によって固着している金属接合部で
ある。
【0025】突起15aを金属ワイヤ片とすると突起1
5aの高さはワイヤ径できまるので突起15aの高さを
容易に揃えることができる。したがって、はんだ14接
合部は平坦性に優れるとともに厚さを容易に制御するこ
とができ、亀裂に対する信頼性と放熱性とを考慮した所
望のはんだ14厚さを有する半導体装置を容易に製造す
ることができる。
【0026】更に、実施の形態1では突起の固着につい
ては特に言及しなかったが、ここでは、突起15aは金
属接合部18で銅板12に金属接合されており、突起1
5aとそれに伴うボイド16とを所望の位置に形成する
ことができる。したがって、放熱性に影響を及ぼすボイ
ド16の位置を確実にコントロールすることができ、チ
ップ7直下におけるボイド16の発生を防止することが
でき、半導体装置の放熱性を向上させることができる。
【0027】また、突起15aをAl製のボンディング
ワイヤを用いて形成し、金属接合手段として超音波ボン
ディング技術を用いることにより、突起材料を容易に入
手でき、突起15aの固着作業性に優れ、簡単に、短時
間に、低コストで突起15aを作成することができる。
更に、突起15aの高さを決めるボンディングワイヤの
直径は放熱性および信頼性を考慮して50〜400ミク
ロン程度が良い。
【0028】図4は銅板上の突起を示した斜視図であ
る。図において、突起15aはAl製のボンディングワ
イヤであり、銅板12へは超音波ボンディング技術を用
いて金属接合部18で固着させている。図に示すよう
に、、突起15aの金属接合部18が2か所のものと1
か所のものが示されている。一般に、ワイヤ径の細いも
のは端部の変形を防ぐために両端の2か所で金属接合さ
れ、ワイヤ径の太いものは端部が変形することがないの
で中央の1か所で金属接合されることが多い。いずれの
接合方法でもワイヤ径が突起15aの高さとなり、はん
だ14の厚さを制御する。
【0029】図4では金属接合部18が1か所または2
か所の突起15aが混在する場合について示したが、ど
ちらか一方のみでも良い。また、突起15aが4個の場
合について示したが、突起15は3個以上でかつ一直線
に並ぶことがなければ幾つであっても良い。
【0030】この様に、突起15aを金属ワイヤで形成
すれば、突起15aの高さを容易に揃えることができ、
はんだ14接合部は平坦性に優れるとともに厚さを容易
に制御することができる。また、突起15aを銅板12
上に金属接合すれば突起15aに伴うボイド16がチッ
プ7直下に位置することを避けることができ、放熱性を
向上させることができる。また、突起15aをAl製の
ボンディングワイヤで形成し超音波ボンディング技術で
金属接合すれば、突起15aを簡単に、短時間に、低コ
ストで作成することができる。
【0031】実施の形態3.図5はこの発明の実施の形
態3のパワーモジュールの構成を示したもので、図5
(a)は断面図であり、図5(b)は突起部分の拡大断
面図である。図に示すように、ここでは金属ワイヤ片か
らなる突起15aは絶縁基板11に金属接合部18を設
けている。
【0032】ここで、一般に、絶縁基板11と銅板12
とのはんだ14接合方法は、まず、所定の位置に開口部
を設けたはんだ印刷用スクリーンマスク(以下、印刷マ
スクと称す)を用いて、適量にフラックス(10%wt
程度)を含有したはんだペーストを銅板12の所定位置
に印刷、供給するはんだ印刷工程の後、この銅板12上
のはんだ印刷位置に絶縁基板11を載置する。その後、
はんだペーストを加熱溶融させ、はんだ接合を行う。
【0033】したがって、突起15aを絶縁基板11へ
固着しておけば、銅板12上には突起15aがないの
で、銅板12上へのはんだ印刷工程において銅板12上
へのスムーズなはんだ印刷が可能となり、絶縁基板11
と銅板12とのはんだ14接合をより簡単に行うことが
できる。
【0034】また、一般に、絶縁基板11の方が銅板1
2よりも小さく、軽く、薄いので、突起15aを金属接
合する場合にも銅板12よりも絶縁基板11のほうが取
り扱いやすく、突起15aの固着をスムーズに行える。
【0035】更に、図6はこの発明の実施の形態3のパ
ワーモジュールの断面図である。図に示すように、一枚
の銅板12上に2個の絶縁基板11を搭載しているが、
突起15aは絶縁基板11に固着されているので、通常
のはんだ印刷工程において銅板12上の2か所の所定位
置に同時にはんだを供給することができ、はんだ14接
合方法が複雑になることがない。
【0036】実施の形態4.上記実施の形態1〜3では
パワーモジュールの構造について説明を行なってきた
が、ここではパワーモジュールの製造方法について説明
する。図7はこの発明の実施の形態4のパワーモジュー
ルのはんだ接合方法を示す工程断面図である。図に示す
ように、はんだ印刷工程において、銅板12上にフラッ
クスを含むはんだペースト19を印刷・供給後、フラッ
クスを含まない板はんだ20を追加供給して所望のはん
だ量となるようにはんだ供給量を調節する。
【0037】この様にすれば、はんだ量とフラックス量
との両方のコントロールが可能となり、フラックスの過
剰供給によるボイドの発生を抑えることができる。した
がって、はんだ14の厚さが厚くても平坦性の良い、ボ
イドの少ない良好なはんだ14接合部を形成することが
できる。なお、ここでは板はんだについて説明を行った
が、糸はんだや棒はんだなどフラックスを含有しない固
形のはんだであれば良い。
【0038】実施の形態5.図8(a)〜(d)はこの
発明の実施の形態5のパワーモジュールのはんだ接合方
法を示す工程断面図である。図にしたがって順次説明を
する。まず、図8(a)に示すように、パワーモジュー
ルをはんだ14の溶融温度以上の温度で大気圧下にお
く。このとき、はんだ14は溶融状態となり、溶融はん
だ14aを形成する。溶融はんだ14a中には無数の小
径ボイド21が発生している。
【0039】次に、図8(b)に示すように、その後、
減圧を行うと、ボイド21中の圧力が外気圧に比べて高
くなるためボイド21は膨張し、近辺のボイド21と合
併するなどして大型化する。また、ボイド21は大型化
することによって流動性を増し溶融はんだ14a中を徐
々に移動して周囲の外気に散逸する。
【0040】次に、図8(c)に示すように、減圧状態
を暫く続けると、ボイド21はほとんど周囲の外気に散
逸してしまい、突起15の周囲のボイド16とほんの僅
かのボイド21とだけになる。
【0041】次に、図8(d)に示すように、圧力を大
気圧に戻す。溶融はんだ14a内部の圧力が外気圧に比
べて小さくなるため突起15の周囲に存在するボイド1
6も溶融はんだ14a中に僅かに残ったボイド21も収
縮し、小さくなる。その後、溶融はんだ14aを凝固さ
せることによって絶縁基板11と銅板12とのはんだ1
4接合を行う。
【0042】以上のようにはんだ14接合工程を行え
ば、突起15を有するはんだ14接合部においてボイド
16,21は充分小さくなり放熱性に悪影響を及ぼすこ
とがない。
【0043】なお、上記実施の形態4と実施の形態5と
を併せて行えば各々の実施の形態の効果が相乗され、よ
り効果的にボイドの発生を抑制することができる。
【0044】
【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、突起が
はんだに濡れない材料からなるので、突起の周囲のボイ
ドにより、はんだが滑らかなフィレット形状を作り、突
起とはんだとの接触界面において金属間化合物層やノッ
チを形成することがなく、突起の部分が亀裂発生の起点
となることがない。また、はんだ端部から亀裂が発生し
ても突起周囲のボイドで亀裂の進展を停止させることが
できる効果がある。
【0045】また、突起がはんだに濡れない金属ワイヤ
片であって、上記金属ワイヤ径によってはんだ接合部の
厚さを規制するようにしたので、突起の周囲にボイドが
フィレット形状を作り、突起とはんだとの接触界面にお
いて金属間化合物層やノッチを形成することがなく、突
起の部分が亀裂発生の起点となることがない。また、は
んだ端部から亀裂が発生しても突起周囲のボイドで亀裂
の進展を停止させることができる。更に、突起の高さは
ワイヤ径できまるので突起の高さを容易に揃えることが
でき、はんだ接合部は平坦性に優れるとともに厚さを容
易に制御することができ、亀裂に対する信頼性をより高
めることができる効果がある。
【0046】また、はんだに濡れない金属ワイヤ片が直
径50〜400ミクロンのAlのボンディングワイヤで
あるので、放熱性および信頼性に最適なはんだの厚さを
容易に決定することができるとともに、突起材料を容易
に入手でき、突起の固着作業性に優れ、簡単に、短時間
に、低コストで突起を作成することができる効果があ
る。
【0047】また、突起がはんだ接合部の金属板側に金
属接合によって固着しているので、突起を任意の位置に
おくことができ、突起に伴うボイドが半導体チップ直下
に位置することを避けることができ、放熱性を向上させ
ることができる効果がある。
【0048】また、突起がはんだ接合部の絶縁基板側に
金属接合によって固着しているので、金属板に突起が無
く、金属板上へのはんだ印刷工程がスムーズにでき、絶
縁基板と金属板とのはんだ接合をより簡単に行うことが
できるという効果がある。
【0049】また、はんだ接合する工程が、フラックス
を含むはんだペーストを供給した後、フラックスを含ま
ない固形はんだを供給することによってはんだ接合を行
う工程からなるので、フラックスの過剰供給によるボイ
ドの発生を抑えることができ、はんだの厚さが厚くても
平坦性の良い、ボイドの少ない良好なはんだ接合部を形
成することができる効果がある。
【0050】また、はんだ接合する工程が、大気圧下で
はんだを溶融し溶融はんだを形成する工程と、上記溶融
はんだを減圧する工程と、上記溶融はんだを大気圧に戻
す工程と、上記溶融はんだを凝固する工程からなるの
で、はんだ接合部において放熱性に悪影響を及ぼす可能
性のあるボイドの発生を極力抑えることができる効果が
ある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施の形態1のパワーモジュール
を示した斜視図および断面図である。
【図2】 はんだ部分の拡大断面図である。
【図3】 この発明の実施の形態2のパワーモジュール
の構成を示した断面図および拡大断面図である。
【図4】 銅板上の突起を示した斜視図である。
【図5】 この発明の実施の形態3のパワーモジュール
の構成を示した断面図および拡大断面図である。
【図6】 この発明の実施の形態3のパワーモジュール
の断面図である。
【図7】 この発明の実施の形態4のパワーモジュール
のはんだ接合方法を示す工程断面図である。
【図8】 この発明の実施の形態5のパワーモジュール
のはんだ接合方法を示す工程断面図である。
【図9】 従来の半導体装置のはんだ接合部を示す断面
図である。
【図10】 従来の半導体リードフレームのダイパッド
を示す斜視図である。
【図11】 従来の半導体装置の突起台とはんだとの接
触部近傍の拡大断面図である。
【符号の説明】
7 半導体チップ、8 窒化アルミ、9,10 銅製パ
ターン、11 絶縁基板、12 銅板、13 はんだ、
14 すず−鉛系のはんだ、14a 溶融はんだ、1
5,15a 突起、16,21 ボイド、18 金属接
合部、19 フラックスを含むはんだペースト、20
フラックスを含まない板はんだ。

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 金属板上に、セラミックスからなる主材
    の両面にはんだ接合可能な導体層を有する絶縁基板を備
    え、上記絶縁基板上に半導体チップを備え、上記絶縁基
    板と金属板とがはんだ接合部を介して接合されており、
    上記はんだ接合部に上記はんだ接合部の厚さを規制する
    複数個の突起が設けられている半導体装置において、 上記突起がはんだに濡れない材料からなることを特徴と
    する半導体装置。
  2. 【請求項2】 突起がはんだに濡れない金属ワイヤ片で
    あって、上記金属ワイヤ径によってはんだ接合部の厚さ
    を規制するようにしたことを特徴とする請求項1記載の
    半導体装置。
  3. 【請求項3】 はんだに濡れない金属ワイヤ片が直径5
    0〜400ミクロンのAlのボンディングワイヤである
    ことを特徴とする請求項2記載の半導体装置。
  4. 【請求項4】 突起がはんだ接合部の金属板側に金属接
    合によって固着していることを特徴とする請求項1記載
    の半導体装置。
  5. 【請求項5】 突起がはんだ接合部の絶縁基板側に金属
    接合によって固着していることを特徴とする請求項1記
    載の半導体装置。
  6. 【請求項6】 金属板上に、セラミックスからなる主材
    の両面にはんだ接合可能な導体層を有する絶縁基板をは
    んだ接合する工程と、上記絶縁基板上に半導体チップを
    搭載する工程とを備えた半導体装置の製造方法におい
    て、 上記はんだ接合する工程が、フラックスを含むはんだペ
    ーストを供給した後、フラックスを含まない固形はんだ
    を供給することによってはんだ接合を行う工程からなる
    ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  7. 【請求項7】 金属板上に、セラミックスからなる主材
    の両面にはんだ接合可能な導体層を有する絶縁基板をは
    んだ接合する工程と、上記絶縁基板上に半導体チップを
    搭載する工程とを備えた半導体装置の製造方法におい
    て、 上記はんだ接合する工程が、大気圧下ではんだを溶融し
    溶融はんだを形成する工程と、上記溶融はんだを減圧す
    る工程と、上記溶融はんだを大気圧に戻す工程と、上記
    溶融はんだを凝固する工程からなることを特徴とする半
    導体装置の製造方法。
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