WO2019163145A1 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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material layer
solder
semiconductor device
electrode
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政雄 中川
桑野 亮司
洋平 篠竹
英樹 西村
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新電元工業株式会社
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    • H01L2924/181Encapsulation

Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device.
  • a conventional semiconductor device 900 described in Patent Document 1 is mounted on a semiconductor chip mounting surface 912 and a substrate 910 having a semiconductor chip mounting surface 912, and faces the semiconductor chip mounting surface 912.
  • the electrode connection piece 932 is joined to the emitter electrode 924 via the solder 940, that is, the semiconductor chip 920 and the lead 930 are connected only via the solder 940 (interposition member such as a wire). Therefore, the semiconductor device 900 has a large current capacity and is suitable for an electronic device (for example, a power source) that uses a large current.
  • the conventional semiconductor device 900 is manufactured by the following manufacturing method (conventional semiconductor device manufacturing method). That is, the conventional method for manufacturing a semiconductor device forms an assembly in which the substrate 910, the semiconductor chip 920, and the leads 930 are arranged so that the emitter electrode 924 and the electrode connecting piece 932 are opposed to each other with the solder material interposed therebetween. An assembly forming process and a joining process of joining the emitter electrode 924 and the electrode connection piece 932 via the solder 940 by solidifying the solder material after melting the solder material.
  • solder material 944 when a solder material containing flux (for example, paste-like cream solder) is used as the solder material 944, the solder material 944 before the joining process becomes too thick (see FIG. 10A), and thus leads.
  • the solder material 944 When the 930 is disposed on the solder material 944, the solder material 944 may be crushed and the solder material may protrude to an undesired location, which may reduce the reliability of the manufactured semiconductor device. (See FIG. 10B.)
  • solder material 944 when a solder material that does not contain flux (pellet solder) is used as the solder material 944, since the oxide on the surface of the solder material cannot be removed by the flux, the bonding between the solder and the semiconductor chip. In order to prevent the strength and the bonding strength between the solder and the lead from being lowered, the joining process must be performed under special conditions (such as in a hydrogen atmosphere), and there is a problem that the joining process becomes complicated.
  • the present invention has been made to solve the above-described problem, and can manufacture a semiconductor device whose reliability is hardly lowered and can prevent the joining process from becoming complicated.
  • An object is to provide a method for manufacturing a device.
  • a method of manufacturing a semiconductor device includes a substrate having a semiconductor chip mounting surface and a surface mounted on the semiconductor chip mounting surface and opposite to the surface facing the semiconductor chip placement surface.
  • a method of manufacturing a semiconductor device comprising: a semiconductor chip having an electrode; and a lead having an electrode connection piece, wherein the electrode connection piece is joined to the electrode through solder.
  • soldder material refers to solder before joining objects in the joining process.
  • both the first solder material layer and the second solder material layer are made of a paste-like solder material, and the third solder material layer is a solid solder material. Preferably it consists of.
  • the thickness of the third solder material layer is in the range of 60% to 90% of the thickness of the solder material. Is preferred.
  • the composition of the third solder material layer is the composition of the first solder material layer excluding the flux component or the flux component.
  • the composition is preferably the same as the composition of the second solder material layer.
  • the first solder material layer and the third solder material layer are disposed on the second electrode, and the electrode connection is performed. After the second solder material layer is disposed on the piece, it is preferable that the third solder material layer and the second solder material layer are overlapped to form the assembly.
  • the first solder material layer, the third solder material layer, and the second solder material layer are arranged in this order on the semiconductor chip.
  • the assembly is formed by superimposing the second solder material layer and the electrode connection piece of the lead.
  • the thickness of the solder is 300 ⁇ m or more.
  • the first solder material layer and the second solder material layer are arranged using a dispenser in the assembly forming step.
  • the flux disposed between the first solder material layer and the second solder material layer is not included between the electrode and the electrode connecting piece.
  • a solder material having a third solder material layer is disposed.
  • the solder material is not easily crushed, and the solder material can be prevented from protruding in an undesired place. As a result, it is possible to manufacture a semiconductor device whose reliability is not easily lowered.
  • the flux disposed between the first solder material layer and the second solder material layer between the electrode and the electrode connecting piece since the solder material having the third solder material layer not containing the solder is disposed, it is possible to manufacture a semiconductor device in which the thickness of the solder is maintained at a certain level or more. Therefore, the stress (for example, thermal stress) acting on the solder between the semiconductor chip and the lead can be relieved, and a semiconductor device in which reliability is hardly lowered can be manufactured from this viewpoint.
  • the first solder material layer containing flux disposed between the electrode and the electrode connection piece on the surface of the electrode, and the lead In order to arrange the solder material having the second solder material layer containing the flux disposed on the surface of the electrode connection piece in FIG. 1, impurities on the surfaces of the electrode, the electrode connection piece and the third solder material layer were removed by the flux Thus, it is possible to manufacture a semiconductor device having high adhesion strength between the solder and the semiconductor chip or lead.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a semiconductor device 1 in Embodiment 1.
  • FIG. 1A is a plan view of the semiconductor device 1
  • FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 1A
  • FIG. 1C is an enlarged cross-sectional view of the main part of the semiconductor device 1. It is.
  • the resin 80 is not shown for the sake of simplicity.
  • 3 is a flowchart of a method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is a process diagram of the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment.
  • FIG. 3A is a diagram showing a substrate preparation process
  • FIG. 3B is a diagram showing a semiconductor chip mounting process.
  • FIG. 3A is a diagram showing a substrate preparation process
  • FIG. 3B is a diagram showing a semiconductor chip mounting process.
  • FIG. 6 is a process diagram of the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment.
  • FIG. 4A is a diagram showing a first solder material layer arranging step
  • FIG. 4B is a diagram showing a second solder material layer arranging step and a third solder material layer arranging step.
  • FIG. 6 is a process diagram of the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment.
  • FIG. 5A is a diagram showing a lead frame arranging step
  • FIG. 5B is a diagram showing a joining step (reflow step)
  • FIG. 5C is a diagram showing a wire bonding step.
  • FIG. 6 is a process diagram of a method for manufacturing a semiconductor device according to a second embodiment.
  • FIG. 5A is a diagram showing a lead frame arranging step
  • FIG. 5B is a diagram showing a joining step (reflow step)
  • FIG. 5C is a diagram showing a wire bonding step.
  • FIG. 6 is a process diagram of a method for
  • FIG. 6A is a diagram showing the first solder material layer arranging step
  • FIG. 6B is a diagram showing the second solder material layer arranging step and the third solder material layer arranging step
  • FIG. ) Is a diagram showing a lead frame arranging step.
  • 10 is a process diagram of a method for manufacturing a semiconductor device according to Modification 1.
  • FIG. FIG. 7A is a view showing a semiconductor chip placement step
  • FIG. 7B is a view showing a first solder material layer placement step, a second solder material layer placement step, and a third solder material layer placement step.
  • FIG. 7C is a diagram showing a lead frame arranging step.
  • FIG. 11 is a diagram showing a semiconductor device 2 in Modification 2.
  • FIG. 8A is a perspective view of the semiconductor device 2
  • FIG. 8B is a cross-sectional view taken along the line BB of FIG. 8A.
  • reference numerals 10a and 10b denote substrates
  • 12a and 12b denote semiconductor chip mounting surfaces
  • 14a and 14b denote insulating substrates
  • 18a and 18b denote metal plates for heat dissipation
  • 40a and 40b denote Indicates solder.
  • reference numeral 946 indicates solder
  • reference numerals 960 and 962 indicate terminals
  • reference numeral 970 indicates a wire
  • reference numeral 980 indicates a resin.
  • FIG. 10A is a view showing the state of the assembly before lead placement
  • FIG. 10B is a view showing the state of the assembly after lead placement.
  • Reference numerals 944 and 945 denote solder materials (paste-like solder materials).
  • the semiconductor device 1 in Embodiment 1 has a thickness of a certain thickness or more in order to relieve stress (for example, thermal stress) acting on the solder between the semiconductor chip and the lead. This is a semiconductor device kept in the same height.
  • the semiconductor device 1 according to the embodiment includes a substrate 10, a semiconductor chip 20, leads 30, 62, 64, solders 40, 46, and wires 70, and leads 30, 62, Except for a part of the 64 external connection terminals and the heat-dissipating metal plate 18, resin sealing is performed with a resin 80.
  • the substrate 10 is a substrate having a semiconductor chip mounting surface 12.
  • an appropriate substrate for example, a printed circuit board
  • the insulating substrate 14 and the insulating substrate 14 are formed on one surface, and the semiconductor chip mounting surface 12 is formed.
  • a DCB (Direct Copper Bonding) substrate having a circuit 16 and a heat radiating metal plate 18 formed on the other surface of the insulating substrate 14 is used. Note that the metal plate 18 for heat dissipation is exposed from the resin 80.
  • the semiconductor chip 20 has a collector electrode 22 formed on one surface (a surface facing the semiconductor chip placement surface 12), and a second surface (a surface opposite to the surface facing the semiconductor chip placement surface 12).
  • This is an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) having a formed emitter electrode 24 (electrode) and a gate electrode 26 formed at a position separated from the emitter electrode 24.
  • IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
  • the collector electrode 22 is bonded to the semiconductor chip mounting surface 12 of the substrate 10 via the solder 46, and is connected to the outside via the solder 46, the substrate 10 (circuit 16), and the leads 64.
  • the emitter electrode 24 is joined to the electrode connection piece 32 of the lead 30 via the solder 40, and is connected to the outside via the solder 40 and the lead 30 (external connection terminal 34).
  • the leads 30, 62, and 64 are flat metal members, and are formed by separating the lead frame.
  • the leads 30, 62, and 64 have a larger cross-sectional area than the wire, and can pass a large current.
  • the lead 30 has an electrode connection piece 32 for connecting to the emitter electrode 24 at one end, and an external connection terminal 34 for connecting to the outside at the other end.
  • One end of the lead 62 is connected to the gate electrode 26 through the wire 70, and the other end is a terminal for external connection.
  • the lead 64 is connected to the circuit 16 having one end connected to the collector electrode 22, and the other end serves as a terminal for external connection.
  • the solders 40 and 46 are an alloy or metal having conductivity and adhesiveness.
  • the solders 40 and 46 are melted and solidified by heating the solder material.
  • the solder 40 joins the emitter electrode 24 and the electrode connection piece 32.
  • the thickness of the solder 40 (solder thickness) is larger than the thickness of the solder 46 (solder between the substrate 10 and the semiconductor chip 20), for example, 300 ⁇ m or more, for example, 500 ⁇ m. A method for forming the solder 40 will be described later.
  • the solder 46 joins the collector electrode 22 and the semiconductor chip mounting surface 12.
  • the solder 40 is made of a paste-like solder material containing flux (for example, so-called cream solder), and is disposed on the semiconductor chip mounting surface 12 of the substrate 10 by printing.
  • the substrate 10 and the semiconductor chip 20 are disposed. And join.
  • the solder 46 between the substrate 10 and the semiconductor chip 20 the situation as in the case of the solder 40 between the semiconductor chip 20 and the lead 30 that relieves stress (for example, thermal stress) acting on the solder. Since the conduction loss increases as the thickness increases, the solder 46 between the substrate 10 and the semiconductor chip 20 is relatively thin unlike the solder 40 between the semiconductor chip 20 and the lead 30 (the thickness of the solder is reduced). It is preferable that the thickness is a certain thickness or less.
  • the resin 80 an appropriate resin can be used.
  • solder material for example, so-called cream solder
  • the solder material containing the flux is used for manufacturing the semiconductor device 1 according to the first embodiment because the thickness of the solder is reduced due to evaporation of the flux during the joining process (during reflow).
  • the thickness of the solder material before the joining process (before reflowing) must be considerably increased.
  • the thickness of the solder material is considerably increased, there is a risk that the solder material may be crushed when the lead is placed on the solder material before the joining process (before reflow) and the solder material may protrude into an undesired place. There is.
  • the thickness of the solder after the joining process (after reflow) can be maintained at a certain level or more, and the thickness of the solder material before the joining process (before reflow) becomes too thick.
  • the method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment is not used.
  • the semiconductor device manufacturing method according to Embodiment 1 includes a substrate preparation step S100, an assembly formation step S200, a bonding step S300, and a wire bonding step. S400, resin sealing step S500, and lead processing step S600 are included.
  • Substrate preparation step S100 the substrate 10 is prepared (see FIG. 3A). Specifically, the substrate 10 is positioned and arranged on a predetermined jig.
  • the assembly forming step S200 includes a semiconductor chip mounting step S210, a first solder material layer arranging step S220, a third solder material layer arranging step S230, a second solder material layer arranging step S240, and a lead frame arranging step S250. including.
  • solder material 45 for example, so-called cream solder
  • the semiconductor chip 20 is mounted on the semiconductor chip mounting surface 12 so that the semiconductor chip mounting surface 12 and the collector electrode 22 of the semiconductor chip 20 face each other with the solder material 45 interposed therebetween.
  • the solder material 45 is printed.
  • the solder material is supplied by a dispenser, the solder material is supplied by thread solder sent out by a solder feeder, or the like.
  • the solder material may be supplied by an appropriate method such as supply.
  • cream solder is obtained by adding a flux to solder powder to form a paste with an appropriate viscosity.
  • Flux is a component that volatilizes at high temperatures.
  • resin-based fluxes using rosin, modified rosin, synthetic resin, etc. as the main component are used.
  • thixotropic agents, activators and solvents for activators, dispersion stabilizers, etc. are added. There is also.
  • the first solder material layer 41 made of a paste-like solder material containing flux is arranged on the emitter electrode 24 of the semiconductor chip 20 (see FIG. 4A).
  • the first solder material layer 41 is arranged by supplying a paste-like solder material containing flux (for example, so-called cream solder) onto the emitter electrode 24 by the dispenser D, for example.
  • the thickness of the first solder material layer 41 may be sufficient to allow the third solder material layer 43 and the emitter electrode 24 to be joined.
  • Various methods can be considered for supplying the paste-like solder material. However, in order to supply the paste-like solder material on the emitter electrode 24, fine adjustment of the amount of solder and accuracy of the supply location are required. Therefore, it is preferable to supply the paste-like solder material with a dispenser.
  • the third solder material layer 43 is a plate-like or film-like solder material (so-called plate solder) made of a solid solder material containing no flux.
  • the thickness of the third solder material layer 43 is approximately 60% to 90% of the thickness of the solder material 44 (see FIG. 5A).
  • the thickness of the third solder material layer 43 is approximately 75% to 95% of the solder 40 (solder thickness after reflow).
  • the thickness of the third solder material layer 43 is at least several times that of the first solder material layer 41.
  • the composition (main component) of the third solder material layer 43 is the composition of the first solder material layer 41 excluding the flux component and the composition (main component) of the second solder material layer 42 excluding the flux component.
  • the composition may be the same as both, but may be the same or different from either one.
  • Second solder material layer arranging step S240 In the second solder material layer arranging step S240, the second solder material layer 42 made of a paste-like solder material containing flux is arranged on the electrode connection piece 32 of the lead 30 (see the upper side in FIG. 4B). . Specifically, a paste-like solder material (so-called cream) containing a flux by a dispenser, for example, on the surface of the electrode connection piece 32 of the lead frame constituting the leads 30, 62, 64, which becomes the lead 30. The second solder material layer 42 is disposed by supplying solder.
  • the thickness of the second solder material layer 42 is the same as that of the first solder material layer 41, and it is sufficient that the third solder material layer 43 and the electrode connection piece 32 be sufficiently thick.
  • the second solder material layer arrangement step S240 may be performed at any stage before the lead frame arrangement step S250.
  • Lead frame placement step S250 In the lead frame placement step S250, the lead 30 (lead frame) is placed on the third solder material layer 43 placed on the semiconductor chip 20, and the second solder material layer 42 on the lead 30 is placed on the third solder material layer. (See FIG. 5A). At this time, the leads 62 and 64 in the lead frame are also arranged at predetermined positions. Thus, between the emitter electrode 24 and the electrode connection piece 32, the first solder material layer 41 containing flux disposed on the surface of the collector electrode 22 and the surface of the electrode connection piece 32 in the lead 30. A structure in which a second solder material layer 42 containing flux and a third solder material layer 43 containing no flux disposed between the first solder material layer 41 and the second solder material layer 42 are laminated. A solder material 44 having the following is disposed.
  • the semiconductor chip mounting surface 12 of the substrate 10 and the emitter electrode 24 of the semiconductor chip are opposed to each other with the solder material 45 interposed therebetween, and the collector electrode of the semiconductor chip 20 and the electrode connection piece 32 of the lead 30 are the solder material.
  • the assembly 50 in which the substrate 10, the semiconductor chip 20, and the leads 30 are arranged can be formed in a state of facing each other with 44 interposed therebetween.
  • Resin sealing step S500 and lead processing step S600 the lead 30, 62, 64 is sealed with a resin 80 except for the external terminals and the heat dissipating metal plate 18 (resin sealing step S500, not shown), and then the leads 30, 62, 64 is separated from the lead frame, and processing such as bending of a predetermined portion is performed (lead processing step S600, not shown). In this way, the semiconductor device 1 according to the first embodiment can be manufactured.
  • the solder material 44 is provided between the emitter electrode 24 and the electrode connection piece 32 in the assembly forming step.
  • a solder material 44 having a third solder material layer 43 that does not contain flux and is disposed between the first solder material layer 41 and the second solder material layer 42 is disposed.
  • the thickness of the portion of the third solder material layer 43 is not reduced, the thickness of the solder material 44 (of the entire first to third solder material layers) before the joining process does not need to be too thick ( A thickness that is slightly thicker than the solder thickness after the joining process is sufficient). Therefore, even when the lead 30 (lead frame) is arranged on the solder material 44, the solder material 44 is not easily crushed, and the solder material 44 can be prevented from protruding in an undesired place. As a result, it is possible to manufacture a semiconductor device whose reliability is not easily lowered.
  • the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention in the assembly forming step, between the emitter electrode 24 and the electrode connection piece 32, between the first solder material layer 41 and the second solder material layer 42. Since the disposed solder material 44 having the third solder material layer 43 containing no flux is disposed, it is possible to manufacture a semiconductor device in which the thickness of the solder 40 is kept at a certain level or more. Therefore, stress (for example, thermal stress) acting on the solder 40 between the semiconductor chip 20 and the lead 30 can be relieved, and a semiconductor device whose reliability is hardly lowered can be manufactured from this viewpoint.
  • stress for example, thermal stress
  • the first flux containing the flux disposed on the surface of the emitter electrode 24 between the emitter electrode 24 and the electrode connection piece 32 is provided.
  • the solder material 44 having one solder material layer 41 and the second solder material layer 42 containing the flux disposed on the surface of the electrode connection piece 32 in the lead 30 the emitter electrode 24 and the electrode connection are formed by flux. Bonding can be performed in a state where impurities on the surfaces of the pieces 32 and the third solder material layer 43 are removed, and a semiconductor device with high bonding strength between the solder 40 and the semiconductor chip 20 or the lead 30 can be manufactured.
  • the first solder material layer 41 and the second solder material layer 42 are both made of a paste-like solder material having an appropriate viscosity. And the first solder material layer 41 and the second solder material layer 42 can remain on the electrode connection piece 32 (the viscosity is too small to prevent the solder and flux from flowing down from the electrode). Easy to handle. Moreover, since the solder powder and the flux are mixed appropriately, the flux can be uniformly supplied to the joint surface.
  • the third solder material layer 43 is made of a solid solder material, the third solder material layer 43 is formed even when the lead 30 is disposed on the solder material. It is difficult to become a crushed shape, and solder can be reliably prevented from protruding in an undesired place.
  • the thickness of the third solder material layer 43 is in the range of 60% to 90% of the thickness of the solder material 44 in the assembly forming process. That is, since the ratio of the third solder material layer 43 in the solder material 44, in which the thickness hardly changes even when the lead is arranged on the solder material and the solder material is not easily crushed, is large. Even when the lead 30 is disposed on the solder material 44, it is possible to more reliably prevent the solder material from protruding to an undesired place.
  • the thickness of the first solder material layer 41 and the second solder material layer 42 is in the range of 10% to 40% of the thickness of the solder material 44, the solder containing the flux in the solder material 44 is used. The proportion of the material is small, and even if the flux evaporates during the joining process (during reflow), the influence on the thickness of the solder after the joining process is small.
  • the thickness of the third solder material layer 43 is set to 60% or more when the thickness of the third solder material layer 43 is less than 60% of the thickness of the solder material 44. This is because the material tends to become a crushed shape, and the thickness of the third solder material layer 43 is set to less than 90% because the thickness of the third solder material layer 43 is less than that of the solder material 44. In the case of 90% or more of the thickness, the ratio of the first solder material layer 41 and the second solder material layer 42 becomes small and is bonded by the flux in the first solder material layer 41 and the second solder material layer 42. This is because it is difficult to increase the strength. From this point of view, the thickness of the third solder material layer 43 is more preferably in the range of 65% to 85% of the thickness of the solder material 44.
  • the thickness of the third solder material layer 43 is in the range of 60% to 90% of the thickness of the solder material 44 in the assembly forming process.
  • the ratio of the third solder material layer 43 that does not contain the flux is large, so that the flux is gasified even if the solder material 44 is heated during the joining process (reflow process). This can reduce the risk of solder scattering. Accordingly, it is possible to manufacture a semiconductor device in which short circuit and poor connection due to scattered solder do not easily occur and reliability is less likely to decrease.
  • the composition of the third solder material layer 43 is the composition of the first solder material layer 41 excluding the flux component and the flux component. Since the composition of the second solder material layer 42 is the same as that of the second solder material layer 42, each solder material layer is easily joined, and the joining strength of the first solder material layer, the third solder material layer, and the second solder material layer is further increased after the joining process. It gets even higher.
  • the first solder material layer 41 and the third solder material layer 43 are disposed on the semiconductor chip 20, and the first solder material layer 43 is disposed on the lead 30. After the two solder material layers 42 are disposed, the first solder material layer 41 and the second solder material layer 42 are formed to overlap the third solder material layer 43 and the second solder material layer 42 to form the assembly 50. Easy to form and easy to handle.
  • the thickness of the solder 40 is 300 ⁇ m or more, and therefore stress (for example, thermal stress) acting on the solder 40 between the semiconductor chip 20 and the lead 30. Can be mitigated, and defects such as cracks in the solder 40 are less likely to occur. As a result, it is possible to manufacture a semiconductor device whose reliability is not easily lowered. From this point of view, the thickness of the solder 40 is preferably 400 ⁇ m or more and the thickness of the solder 40 is more preferably 500 ⁇ m or more in order to make the above-described problems less likely to occur.
  • the first solder material layer 41 and the second solder material layer 42 are disposed using a dispenser. Solder can be supplied accurately and stably, and the first solder material layer 41 and the second solder material layer 42 can be formed with little thickness variation due to the difficulty of protruding solder.
  • the manufacturing method of the semiconductor device according to the second embodiment basically includes the same steps as the manufacturing method of the semiconductor device according to the first embodiment, but the position where the second solder material layer is disposed is the semiconductor according to the first embodiment. This is different from the method of manufacturing the device. That is, in the method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment, after the first solder material layer arranging step (see FIG. 6A) in the assembly forming step, the first solder material layer 41 is formed on the semiconductor chip 20. After the third solder material layer 43 and the second solder material layer 42 are disposed (see FIG. 6B), the second solder material layer 42 and the lead 30 (lead frame on which the leads 30, 62, 64 are formed). ) To form an assembly 50 (see FIG. 6C).
  • the semiconductor device manufacturing method according to the second embodiment differs from the semiconductor device manufacturing method according to the first embodiment in the position where the second solder material layer is disposed, but the semiconductor device according to the first embodiment.
  • a solder material 44 having a third solder material layer 43 that does not contain s is disposed.
  • the thickness of the portion of the third solder material layer 43 is not reduced, the thickness of the solder material 44 (of the entire first to third solder material layers) before the joining process does not need to be too thick ( A thickness that is slightly thicker than the solder thickness after the joining process is sufficient). Therefore, even when the lead 30 is disposed on the solder material 44, the solder material 44 is difficult to be crushed, the solder material can be prevented from protruding in an undesired place, and a semiconductor device in which the reliability is hardly lowered is manufactured. Can do.
  • the first solder material layer 41 and the second solder material layer 42 are disposed between the emitter electrode 24 and the electrode connection piece 32 in the assembly forming step. Since the solder material 44 having the third solder material layer 43 that does not contain flux is disposed between them, a semiconductor device in which the thickness of the solder 40 is maintained at a certain level or more can be manufactured. Therefore, stress (for example, thermal stress) acting on the solder 40 between the semiconductor chip 20 and the lead 30 can be relieved, and a semiconductor device whose reliability is hardly lowered can be manufactured from this viewpoint.
  • stress for example, thermal stress
  • the first flux containing the flux disposed on the surface of the emitter electrode 24 between the emitter electrode 24 and the electrode connection piece 32 is provided.
  • the solder material 44 having one solder material layer 41 and the second solder material layer 42 containing the flux disposed on the surface of the electrode connection piece 32 in the lead 30 the emitter electrode 24 and the electrode connection are formed by flux. Bonding can be performed in a state where impurities on the surfaces of the pieces 32 and the third solder material layer 43 are removed, and a semiconductor device having high adhesion strength between the solder 40 and the semiconductor chip 20 or the lead 30 can be manufactured.
  • the first solder material layer 41, the third solder material layer 43, and the second solder material layer 42 are disposed on the semiconductor chip 20, and then the second solder material. Since the assembly 50 is formed by superimposing the layer 42 and the lead 30, the second solder material layer 42 and the third solder material layer 43 can be easily aligned, and a semiconductor device can be easily manufactured. . Since the third solder material layer 43 is a solid solder material, the second solder material layer 42 can be stably formed on the surface.
  • the semiconductor device manufacturing method according to the second embodiment has the same method as the semiconductor device manufacturing method according to the first embodiment except for the position where the second solder material layer is disposed. This has a corresponding effect among the effects of the semiconductor device manufacturing method.
  • the second solder material layer 42 disposed on the surface of the lead 30 is overlaid.
  • the first solder material layer 41, the third solder material layer 43, and the second solder material layer 42 are disposed on the semiconductor chip 20, and then the leads 30 are overlapped.
  • the assembly 50 is formed, the present invention is not limited to this. For example, after performing the semiconductor chip mounting step (see FIG.
  • a paste solder material is supplied to one surface of the third solder material layer 43 to dispose the first solder material layer 41, After supplying the paste-like solder material to the other surface and disposing the second solder material layer 42 and forming the solder material 44 (see FIG. 7B), on the emitter electrode 24 of the semiconductor chip 20. Then, the assembly 50 may be formed by disposing the lead 30 (lead frame) on the solder material 44 (see FIG. 7C).
  • the semiconductor chip 20 A solder material 44 and a lead 30 may be disposed on the emitter electrode 24.
  • the semiconductor chip 20 is an IGBT, but the present invention is not limited to this.
  • the semiconductor chip 20 may be another three-terminal semiconductor element (for example, a MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)), the semiconductor chip 20 may be a two-terminal semiconductor element (for example, a diode), or a semiconductor
  • the chip 20 may be a semiconductor element having four or more terminals (for example, a thyristor as a four-terminal semiconductor element).
  • the semiconductor device is a semiconductor device including one semiconductor chip, but the present invention is not limited to this.
  • the semiconductor device may be a semiconductor device including two semiconductor chips (see FIG. 8) or a semiconductor device including three or more semiconductor chips.
  • the following semiconductor device in which two semiconductor chips are cascode-connected can be considered.
  • the emitter electrode 24a of the first semiconductor chip 20a is electrically connected to the first lead 30a
  • the collector electrode 22a of the first semiconductor chip 20a is connected to the first substrate 10a.
  • the second semiconductor chip 20b is connected to the second lead 30b through the circuit 16a, and is electrically connected to the emitter electrode 24b of the second semiconductor chip 20b through the second lead 30b.
  • the collector electrode 22b of the chip 20b is connected to the lead 66 through the circuit 16b.
  • the solder between the emitter electrode 24a of the first semiconductor chip 20a and the first lead 30a, and the emitter electrode 24b and the second lead 30b of the second semiconductor chip 20b may be formed from a solder material.
  • the semiconductor device is a so-called vertical semiconductor device having a collector electrode on one surface of a semiconductor chip and an emitter electrode and a gate electrode on the other surface. Is not limited to this.
  • the semiconductor device may be a so-called horizontal semiconductor device having all electrodes on the surface opposite to the substrate side.
  • the solder material is supplied using a dispenser, but the present invention is not limited to this.
  • the solder material may be supplied by printing (for example, effective when the second solder material layer 42 is disposed on the lead 30 in the first embodiment, etc.), or the yarn fed out by a solder feeder or the like
  • the solder material may be supplied by soldering, or may be supplied by other appropriate methods.
  • SYMBOLS 1 Semiconductor device 10, 10a, 10b ... Board

Abstract

本発明の半導体装置の製造方法は、電極24と電極接続片32との間に、電極24の表面に配置された、フラックスを含有する第1はんだ材層41と、電極接続片32の表面に配置された、フラックスを含有する第2はんだ材層42と、第1はんだ材層41と第2はんだ材層42との間に配置された、フラックスを含有しない第3はんだ材層43とが積層された構造を有するはんだ材44を配置し、電極24と電極接続片32とがはんだ材44を挟んで対向した状態となるように基板10、半導体チップ20及びリード30を配置した組立体50を形成する組立体形成工程と、電極24と電極接続片32とをはんだ40を介して接合する接合工程とを含む。 本発明の半導体装置の製造方法によれば、信頼性が低下し難い半導体装置を製造することができ、かつ、接合工程が煩雑になることを防ぐことができる。

Description

半導体装置の製造方法
 本発明は、半導体装置の製造方法に関する。
 従来、半導体チップとリードとがはんだを介して接合された半導体装置を製造する半導体装置の製造方法が知られている(例えば、特許文献1参照。)。
 特許文献1に記載された従来の半導体装置900は、図9に示すように、半導体チップ搭載面912を有する基板910と、半導体チップ搭載面912上に搭載され、半導体チップ搭載面912と対向する面に形成されたコレクタ電極922、並びに、半導体チップ搭載面912と対向する面とは反対側の面に形成されたエミッタ電極924(電極)及びエミッタ電極924とは離間した位置に形成されたゲート電極926を有する半導体チップ920と、電極接続片932を有し、電極接続片932がはんだ940を介してエミッタ電極924と接合されたリード930とを備える
 従来の半導体装置900によれば、電極接続片932がはんだ940を介してエミッタ電極924と接合されている、すなわち、半導体チップ920とリード930とをはんだ940のみを介して(ワイヤ等の介在部材を介さずに)直接接続されているため、半導体装置900は、電流容量が大きく、大電流を使用する電子機器(例えば、電源)に適した半導体装置となる。
 従来の半導体装置900は、以下のような製造方法(従来の半導体装置の製造方法)で製造される。すなわち、従来の半導体装置の製造方法は、エミッタ電極924と電極接続片932とがはんだ材を挟んで対向した状態となるように基板910、半導体チップ920及びリード930を配置した組立体を形成する組立体形成工程と、はんだ材を溶融した後ではんだ材を固化することにより、エミッタ電極924と電極接続片932とをはんだ940を介して接合する接合工程とを含む。
特開2010-123686号公報 特開2017-199809号公報
 ところで、一般に、半導体チップとリードとの間のはんだに作用する応力(例えば熱応力)を緩和するためには、当該はんだの厚みをある一定以上の厚さに保つことが有効であることが知られている(例えば、特許文献2参照。)。
 しかしながら、はんだ材944としてフラックスを含有するはんだ材(例えば、ペースト状のクリームはんだ)を用いる場合には、接合工程前のはんだ材944が厚くなりすぎるため(図10(a)参照。)、リード930をはんだ材944上に配置したときにはんだ材944が潰れて所望しない場所にはんだ材がはみ出してしまうおそれがあり、製造された半導体装置の信頼性が低下するおそれがある、という問題がある(図10(b)参照。)。
 そうかといって、はんだ材944としてフラックスを含有しないはんだ材(ペレットはんだ)を用いる場合には、はんだ材表面の酸化物をフラックスによって除去することができないことから、はんだと半導体チップの間の接合強度やはんだとリードの間の接合強度が低くなることを防ぐためには特殊な条件(水素雰囲気下等)で接合工程を実施しなければならず、接合工程が煩雑になる、という問題がある。
 そこで、本発明は、上記した問題を解決するためになされたものであり、信頼性が低下し難い半導体装置を製造することができ、かつ、接合工程が煩雑になることを防ぐことが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。
[1]本発明の半導体装置の製造方法は、半導体チップ搭載面を有する基板と、前記半導体チップ搭載面上に搭載され、前記半導体チップ配置面と対向する面とは反対側の面に形成された電極を有する半導体チップと、電極接続片を有し、前記電極接続片がはんだを介して前記電極と接合されたリードとを備える半導体装置を製造する半導体装置の製造方法であって、前記電極と前記電極接続片との間に、前記電極の表面に配置された、フラックスを含有する第1はんだ材層と、前記電極接続片の表面に配置された、フラックスを含有する第2はんだ材層と、前記第1はんだ材層と前記第2はんだ材層との間に配置された、フラックスを含有しない第3はんだ材層とが積層された構造を有するはんだ材を配置し、前記電極と前記電極接続片とが前記はんだ材を挟んで対向した状態となるように前記基板、前記半導体チップ及び前記リードを配置した組立体を形成する組立体形成工程と、前記はんだ材を溶融した後で前記はんだ材を固化することにより、前記電極と前記電極接続片とを前記はんだを介して接合する接合工程とを含むことを特徴とする。
 なお、本明細書において、「はんだ材」とは、接合工程で対象物を接合する前のはんだのことをいう。
[2]本発明の半導体装置の製造方法においては、前記第1はんだ材層及び前記第2はんだ材層はいずれもペースト状のはんだ材からなり、前記第3はんだ材層は固体状のはんだ材からなることが好ましい。
[3]本発明の半導体装置の製造方法においては、前記組立体形成工程において、前記第3はんだ材層の厚さは、前記はんだ材の厚さの60%~90%の範囲内にあることが好ましい。
[4]本発明の半導体装置の製造方法においては、前記組立体形成工程において、前記第3はんだ材層の組成は、フラックス成分を除いた前記第1はんだ材層の組成又はフラックス成分を除いた前記第2はんだ材層の組成と同じ組成であることが好ましい。
[5]本発明の半導体装置の製造方法においては、前記組立体形成工程においては、前記第2電極上に前記第1はんだ材層及び前記第3はんだ材層を配置し、かつ、前記電極接続片上に第2はんだ材層を配置した後に、前記第3はんだ材層と前記第2はんだ材層とを重ね合わせて前記組立体を形成することが好ましい。
[6]本発明の半導体装置の製造方法においては、前記組立体形成工程においては、前記半導体チップ上に前記第1はんだ材層、前記第3はんだ材層及び前記第2はんだ材層をこの順序で配置した後に、前記第2はんだ材層と前記リードの前記電極接続片とを重ね合わせて前記組立体を形成することが好ましい。
[7]本発明の半導体装置の製造方法においては、前記はんだの厚さは、300μm以上であることが好ましい。
[8]本発明の半導体装置の製造方法においては、前記組立体形成工程においては、ディスペンサを用いて前記第1はんだ材層及び前記第2はんだ材層を配置することが好ましい。
 本発明の半導体装置の製造方法においては、組立体形成工程において、電極と電極接続片との間に、第1はんだ材層と第2はんだ材層との間に配置された、フラックスを含有しない第3はんだ材層を有するはんだ材を配置する。このような方法とすることにより、フラックスを含有しない第3はんだ材層においては、接合工程時(リフロー時)にフラックスが蒸発することがなく、フラックスが蒸発することに起因して接合工程後に第3はんだ材層の部分の厚さが薄くなることもないため、接合工程前の(第1~第3はんだ材層全体の)はんだ材の厚さを厚くしすぎなくてもよくなる(接合工程後のはんだの厚さよりもわずかに厚くする程度の厚さでよくなる)。従って、リードをはんだ材上に配置したときでもはんだ材が潰れ難く、所望しない場所にはんだ材がはみ出してしまうことを防ぐことができる。その結果、信頼性が低下し難い半導体装置を製造することができる。
 また、本発明の半導体装置の製造方法によれば、組立体形成工程において、電極と電極接続片との間に、第1はんだ材層と第2はんだ材層との間に配置された、フラックスを含有しない第3はんだ材層を有するはんだ材を配置するため、はんだの厚みをある一定以上の厚さに保った半導体装置を製造することができる。従って、半導体チップとリードとの間のはんだに作用する応力(例えば、熱応力)を緩和することができ、この観点においても信頼性が低下し難い半導体装置を製造することができる。
 また、本発明の半導体装置の製造方法によれば、組立体形成工程において、電極と電極接続片との間に、電極の表面に配置された、フラックスを含有する第1はんだ材層と、リードにおける電極接続片の表面に配置された、フラックスを含有する第2はんだ材層とを有するはんだ材を配置するため、フラックスにより電極、電極接続片及び第3はんだ材層の表面の不純物を除去した状態で接合することができ、はんだと半導体チップやリードとの密着強度が高い半導体装置を製造することができる。よって、はんだと半導体チップの間の接合強度やはんだとリードとの間の接合強度が低くなることを防ぐために特殊な条件(水素雰囲気下等)で接合工程を実施する、という必要がなく、接合工程が煩雑になることを防ぐことができる。
実施形態1における半導体装置1を示す図である。図1(a)は半導体装置1の平面図であり、図1(b)は図1(a)のA-A断面図であり、図1(c)は半導体装置1の要部拡大断面図である。なお、図1(c)においては説明を簡単にするために樹脂80の図示を省略している。 実施形態1に係る半導体装置の製造方法のフローチャートである。 実施形態1に係る半導体装置の製造方法の工程図である。図3(a)は基板準備工程を示す図であり、図3(b)は半導体チップ搭載工程を示す図である。 実施形態1に係る半導体装置の製造方法の工程図である。図4(a)は第1はんだ材層配置工程を示す図であり、図4(b)は第2はんだ材層配置工程及び第3はんだ材層配置工程を示す図である。 実施形態1に係る半導体装置の製造方法の工程図である。図5(a)はリードフレーム配置工程を示す図であり、図5(b)は接合工程(リフロー工程)を示す図であり、図5(c)はワイヤボンディング工程を示す図である。 実施形態2に係る半導体装置の製造方法の工程図である。図6(a)は第1はんだ材層配置工程を示す図であり、図6(b)は第2はんだ材層配置工程及び第3はんだ材層配置工程を示す図であり、図6(c)はリードフレーム配置工程を示す図である。 変形例1に係る半導体装置の製造方法の工程図である。図7(a)は半導体チップ配置工程を示す図であり、図7(b)は第1はんだ材層配置工程、第2はんだ材層配置工程及び第3はんだ材層配置工程を示す図であり、図7(c)はリードフレーム配置工程を示す図である。 変形例2における半導体装置2を示す図である。図8(a)は半導体装置2の斜視図であり、図8(b)は図8(a)のB-B断面図である。図8中、符号10a、10bは基板を示し、12a、12bは半導体チップ搭載面を示し、14a、14bは絶縁性基板を示し、18a、18bは放熱用の金属板を示し、40a、40bははんだを示す。 従来の半導体装置900を示す断面図である。なお、図9中、符号946ははんだを示し、符号960、962は端子を示し、符号970はワイヤを示し、符号980は樹脂を示す。 従来の半導体装置の製造方法の問題点を示す図である。図10(a)はリード配置前の組立体の様子を示す図であり、図10(b)はリード配置後の組立体の様子を示す図である。なお、符号944,945ははんだ材(ペースト状のはんだ材)を示す。
 以下、本発明の半導体装置の製造方法について、図に示す実施形態に基づいて説明する。なお、各図面は模式図であり、必ずしも実際の寸法を厳密に反映したものではない。
[実施形態1]
1.実施形態における半導体装置1の構成
 実施形態1における半導体装置1は、半導体チップとリードとの間のはんだに作用する応力(例えば熱応力)を緩和するために、はんだの厚みをある一定以上の厚さに保った半導体装置である。実施形態に係る半導体装置1は、図1に示すように、基板10と、半導体チップ20と、リード30,62,64と、はんだ40,46と、ワイヤ70とを備え、リード30,62,64の外部接続端子及び放熱性の金属板18の一部を除いて樹脂80で樹脂封止されている。
 基板10は、半導体チップ搭載面12を有する基板である。基板10としては適宜の基板(例えば、プリント基板)を用いることができるが、実施形態1においては、絶縁性基板14と、絶縁性基板14の一方の面に形成され、半導体チップ搭載面12を有する回路16と、絶縁性基板14の他方の面に形成された放熱用の金属板18とを有するDCB(Direct Cоpper Bonding)基板を用いる。なお、放熱用の金属板18は樹脂80から露出している。
 半導体チップ20は、一方の面(半導体チップ配置面12と対向する面)に形成されたコレクタ電極22、並びに、他方の面(半導体チップ配置面12と対向する面とは反対側の面)に形成されたエミッタ電極24(電極)及びエミッタ電極24とは離間した位置に形成されたゲート電極26を有するIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)である。
 コレクタ電極22は、基板10の半導体チップ搭載面12とはんだ46を介して接合されており、はんだ46、基板10(回路16)及びリード64を介して外部と接続される。
 エミッタ電極24は、リード30の電極接続片32とはんだ40を介して接合されており、はんだ40及びリード30(外部接続端子34)を介して外部と接続される。
 リード30,62,64は、平板状の金属部材であり、リードフレームを切り離して形成されたものである。リード30,62,64はワイヤよりも断面積が大きく、大電流を流すことができる。
 リード30は、一方の端部にエミッタ電極24と接続するための電極接続片32を有し、他方の端部に外部と接続するための外部接続端子34を有する。
 リード62は、一方の端部がワイヤ70を介してゲート電極26と接続されており、他方の端部が外部接続用の端子となっている。
 リード64は、一方の端部がコレクタ電極22と接続された回路16と接続されており、他方の端部が、他方の端部が外部接続用の端子となっている。
 はんだ40,46は、導電性及び接着性を有する合金又は金属である。はんだ40、46ははんだ材を加熱することにより溶融して固化したものである。
 はんだ40は、エミッタ電極24と電極接続片32とを接合している。はんだ40の厚さ(はんだ厚)は、はんだ46(基板10と半導体チップ20との間のはんだ)の厚さよりも厚く、例えば、300μm以上であり、例えば500μmである。はんだ40の形成方法については後述する。
 はんだ46は、コレクタ電極22と半導体チップ搭載面12を接合している。はんだ40は、フラックスを含有するペースト状のはんだ材(例えば、いわゆるクリームはんだ)からなり、印刷により基板10の半導体チップ搭載面12に配置され、リフローして加熱することにより基板10と半導体チップ20とを接合する。なお、基板10と半導体チップ20との間のはんだ46においては、はんだに作用する応力(例えば熱応力)を緩和する、という半導体チップ20とリード30との間のはんだ40の場合のような事情がなく、厚くなると導通損失が大きくなるため、基板10と半導体チップ20との間のはんだ46は、半導体チップ20とリード30との間のはんだ40とは異なり、比較的薄い(はんだの厚みをある一定以下の厚さとする)方が好ましい。
 樹脂80は、適宜の樹脂を用いることができる。
 ところで、上記した実施形態1における半導体装置1においては、半導体チップ20とリード30との間のはんだ40に作用する応力(例えば熱応力)を緩和するために半導体チップ20とリード30との間のはんだ40の厚みをある一定以上の厚さに保っている。
 一般的に、半導体チップとリードとの間を接合するためには、接合面上の不純物(酸化物等)を除去することができるフラックスを含有するはんだ材(例えば、いわゆるクリームはんだ)を用いるが、フラックスを含有するはんだ材は、接合工程時(リフロー時)にフラックスが蒸発することに起因してはんだの厚さが薄くなってしまうため、上記した実施形態1における半導体装置1の製造に用いるとすれば接合工程前(リフロー前)のはんだ材の厚さをかなり厚くしなければならない。
 しかし、はんだ材の厚さをかなり厚くした場合には、接合工程前(リフロー前)において、リードをはんだ材上に配置したときにはんだ材が潰れて所望しない場所にはんだ材がはみ出してしまうおそれがある。
 そこで、本発明においては、接合工程後(リフロー後)のはんだの厚みをある一定以上の厚さに保つことができ、かつ、接合工程前(リフロー前)のはんだ材の厚さが厚くなりすぎない下記の実施形態1に係る半導体装置の製造方法を用いることとした。
2.実施形態1に係る半導体装置の製造方法
 実施形態1に係る半導体装置の製造方法は、図2に示すように、基板準備工程S100と、組立体形成工程S200と、接合工程S300と、ワイヤボンディング工程S400と、樹脂封止工程S500と、リード加工工程S600とを含む。
(1)基板準備工程S100
 基板準備工程S100においては、基板10を準備する(図3(a)参照。)。具体的には、所定の治具上に基板10を位置決めして配置する。
(2)組立体形成工程S200
 組立体形成工程S200においては、基板10の半導体チップ搭載面12と半導体チップのコレクタ電極22とがはんだ材45を挟んで対向した状態となり、かつ、半導体チップ20のエミッタ電極24とリード30の電極接続片32とがはんだ材44(図5(a)参照。)を挟んで対向した状態となるように基板10、半導体チップ20及びリード30を配置した組立体50(図5(a)参照。)を形成する。組立体形成工程S200は、半導体チップ搭載工程S210と、第1はんだ材層配置工程S220と、第3はんだ材層配置工程S230と、第2はんだ材層配置工程S240と、リードフレーム配置工程S250とを含む。
(2-1)半導体チップ搭載工程S210
 半導体チップ搭載工程S210においては、基板10の半導体チップ搭載面12上にはんだ材45を介して半導体チップ20を搭載する(図3(b)参照。)。具体的には、まず、基板10の半導体チップ搭載面12上にペースト状のはんだ材45(例えば、いわゆるクリームはんだ)を印刷する。次に、半導体チップ搭載面12と半導体チップ20のコレクタ電極22とがはんだ材45を挟んで対向した状態となるように半導体チップ搭載面12上に半導体チップ20を搭載する。
 なお、実施形態1においては、はんだ材45を印刷するが、ディスペンサによってはんだ材を供給する、はんだフィーダ等で送り出した糸はんだによってはんだ材を供給する、溶融したはんだ材を流し込むことによってはんだ材を供給する等、適宜の方法ではんだ材を供給してもよい。
 なお、クリームはんだは、はんだ粉末にフラックスを添加して、適当な粘度のペースト状にしたものである。フラックスは、高温で揮発する成分である。フラックスとしては、ロジン、変性ロジン、合成樹脂などを主成分として用いた樹脂系フラックスが用いられ、さらに、チクソトロピック剤や、活性剤および活性剤用の溶剤、分散安定剤などが添加される場合もある。
(2-2)第1はんだ材層配置工程S220
 第1はんだ材層配置工程S220においては、半導体チップ20のエミッタ電極24上にフラックスを含有するペースト状のはんだ材からなる第1はんだ材層41を配置する(図4(a)参照。)。第1はんだ材層配置工程S220は、例えばディスペンサDによってフラックスを含有するペースト状のはんだ材(例えば、いわゆるクリームはんだ)をエミッタ電極24上に供給することによって第1はんだ材層41を配置する。第1はんだ材層41の厚さは第3はんだ材層43とエミッタ電極24が接合できるのに十分な厚さがあればよい。
 なお、ペースト状のはんだ材を供給する方法としては様々な方法が考えられるが、エミッタ電極24上にペースト状のはんだ材を供給するには、はんだ量の細かい調整や供給箇所の正確さが必要であるため、ディスペンサによってペースト状のはんだ材を供給することが好ましい。
(2-3)第3はんだ材層配置工程S230
 第3はんだ材層配置工程S230においては、第1はんだ材層41上に第3はんだ材層43を配置する(図4(b)下側参照。)。
 第3はんだ材層43は、フラックスを含有しない固体状のはんだ材からなる、板状又は膜状のはんだ材(いわゆる板はんだ)である。第3はんだ材層43の厚さは、はんだ材44(図5(a)参照。)の厚さのうちのおよそ60%~90%の範囲内の厚さである。また、第3はんだ材層43の厚さは、はんだ40(リフロー後のはんだ厚)のおよそ75%~95%の範囲内の厚さである。第3はんだ材層43の厚さは、第1はんだ材層41の少なくとも数倍の厚さを有している。実施形態1において、第3はんだ材層43の組成(主成分)は、フラックス成分を除いた第1はんだ材層41の組成及びフラックス成分を除いた第2はんだ材層42の組成(主成分)の両方と同じ組成であるが、どちらか一方とだけ同じ組成でもよいし、異なる組成でもよい。
(2-4)第2はんだ材層配置工程S240
 第2はんだ材層配置工程S240においては、リード30の電極接続片32上にフラックスを含有するペースト状のはんだ材からなる第2はんだ材層42を配置する(図4(b)上側参照。)。具体的には、リード30,62,64を構成するリードフレームのうちの、リード30となる部分の電極接続片32の表面上に、例えばディスペンサによってフラックスを含有するペースト状のはんだ材(いわゆるクリームはんだ)を供給して第2はんだ材層42を配置する。第2はんだ材層42の厚さは、第1はんだ材層41と同じ厚さであり、第3はんだ材層43と電極接続片32が接合できるのに十分な厚さがあればよい。なお、第2はんだ材層配置工程S240は、リードフレーム配置工程S250の前であればどの段階で実施してもよい。
(2-5)リードフレーム配置工程S250
 リードフレーム配置工程S250においては、半導体チップ20上に配置されている第3はんだ材層43の上にリード30(リードフレーム)を、リード30上の第2はんだ材層42を第3はんだ材層と重ね合わせるようにして配置する(図5(a)参照。)。このとき、リードフレーム内のリード62,64も所定の位置に配置される。こうして、エミッタ電極24と電極接続片32との間に、コレクタ電極22の表面に配置された、フラックスを含有する第1はんだ材層41と、リード30における電極接続片32の表面に配置された、フラックスを含有する第2はんだ材層42と、第1はんだ材層41と第2はんだ材層42との間に配置された、フラックスを含有しない第3はんだ材層43とが積層された構造を有するはんだ材44を配置する。
 これにより、基板10の半導体チップ搭載面12と半導体チップのエミッタ電極24とがはんだ材45を挟んで対向した状態、かつ、半導体チップ20のコレクタ電極とリード30の電極接続片32とがはんだ材44を挟んで対向した状態で基板10、半導体チップ20及びリード30を配置した組立体50を形成することができる。
(3)接合工程(リフロー工程)S300
 接合工程(リフロー工程)S300においては、組立体50をリフロー炉(図示せず。)に入れて加熱し、はんだ材44、45を溶融した後で、はんだ材44、45を固化してはんだ40、46とする(図5(b)参照。)。これにより、基板10の半導体チップ搭載面12と半導体チップ20のコレクタ電極22とをはんだ46を介して接合するとともに、半導体チップ20のエミッタ電極24とリード30の電極接続片32とをはんだ40を介して接合する。このとき、フラックスを含有している第1はんだ材層41及び第2はんだ材層42からはフラックスが蒸発するため、第1はんだ材層41及び第2はんだ材層42の厚さが薄くなる。
(4)ワイヤボンディング工程S400
 次に、ゲート電極26と、リード(図1のリード62)とをワイヤ70を用いて接続する(図5(c)参照。)。ワイヤ70は適宜のものを用いることができる。
(5)樹脂封止工程S500及びリード加工工程S600
 次に、リード30,62,64の外部端子及び放熱用の金属板18を除いて樹脂80で樹脂封止する(樹脂封止工程S500、図示せず。)、次に、リード30,62,64をリードフレームから切り離すとともに、所定の箇所の折り曲げ等の加工を行う(リード加工工程S600、図示せず。)。
 このようにして実施形態1における半導体装置1を製造することができる。
3.実施形態1に係る半導体装置の製造方法の効果
 実施形態1に係る半導体装置の製造方法においては、組立体形成工程において、エミッタ電極24と電極接続片32との間に、はんだ材44は、第1はんだ材層41と第2はんだ材層42との間に配置された、フラックスを含有しない第3はんだ材層43を有するはんだ材44を配置する。このような方法とすることにより、フラックスを含有しない第3はんだ材層43においては、接合工程時(リフロー時)にフラックスが蒸発することがなく、フラックスが蒸発することに起因して接合工程後に第3はんだ材層43の部分の厚さが薄くなることもないため、接合工程前の(第1~第3はんだ材層全体の)はんだ材44の厚さを厚くしすぎなくてもよくなる(接合工程後のはんだの厚さよりもわずかに厚くする程度の厚さでよくなる)。従って、リード30(リードフレーム)をはんだ材44上に配置したときでもはんだ材44が潰れ難く、所望しない場所にはんだ材44がはみ出してしまうことを防ぐことができる。その結果、信頼性が低下し難い半導体装置を製造することができる。
 また、本発明の半導体装置の製造方法によれば、組立体形成工程において、エミッタ電極24と電極接続片32との間に、第1はんだ材層41と第2はんだ材層42との間に配置された、フラックスを含有しない第3はんだ材層43を有するはんだ材44を配置するため、はんだ40の厚みをある一定以上の厚さに保った半導体装置を製造することができる。従って、半導体チップ20とリード30との間のはんだ40に作用する応力(例えば、熱応力)を緩和することができ、この観点においても信頼性が低下し難い半導体装置を製造することができる。
 また、実施形態1に係る半導体装置の製造方法によれば、組立体形成工程において、エミッタ電極24と電極接続片32との間に、エミッタ電極24の表面に配置された、フラックスを含有する第1はんだ材層41と、リード30における電極接続片32の表面に配置された、フラックスを含有する第2はんだ材層42とを有するはんだ材44を配置するため、フラックスによりエミッタ電極24、電極接続片32及び第3はんだ材層43の表面の不純物を除去した状態で接合することができ、はんだ40と半導体チップ20やリード30との接合強度が高い半導体装置を製造することができる。よって、はんだ40と半導体チップ20の間の接合強度やはんだ40とリード30との間の接合強度が低くなることを防ぐために特殊な条件(水素雰囲気下等)で接合工程を実施する、という必要がなく、接合工程が煩雑になることを防ぐことができる。
 また、実施形態1に係る半導体装置の製造方法によれば、第1はんだ材層41及び第2はんだ材層42はいずれも適当な粘度を有するペースト状のはんだ材からなるため、エミッタ電極24上や電極接続片32上に第1はんだ材層41や第2はんだ材層42をとどめることができる(粘性が小さすぎてはんだやフラックスが電極から流れ落ちてしまうことを防ぐことができる)ことから、取り扱いが容易である。また、はんだ粉末とフラックスが適度に混ぜ込まれているため、接合面にフラックスを均一に供給することができる。
 また、実施形態1に係る半導体装置の製造方法によれば、第3はんだ材層43は固体状のはんだ材からなるため、リード30をはんだ材上に配置したときでも第3はんだ材層43が潰れた形状となり難く、所望しない場所にはんだがはみ出してしまうことを確実に防ぐことができる。
 また、実施形態1に係る半導体装置の製造方法によれば、組立体形成工程において、第3はんだ材層43の厚さは、はんだ材44の厚さの60%~90%の範囲内にあるため、すなわち、はんだ材44のうち、リードをはんだ材上に配置したときでも厚さがほとんど変化せず、かつ、はんだ材が潰れた形状となり難い第3はんだ材層43の割合が大きいため、リード30をはんだ材44上に配置したときでも、所望しない場所にはんだ材がはみ出してしまうことをより確実に防ぐことができる。なお、第1はんだ材層41及び第2はんだ材層42の厚さは、はんだ材44の厚さの10%~40%の範囲内にあるため、はんだ材44のうちのフラックスを含有するはんだ材が占める割合が小さく、接合工程時(リフロー時)にフラックスが蒸発しても、接合工程後のはんだの厚さに与える影響が小さくて済む。
 なお、第3はんだ材層43の厚さを60%以上としたのは、第3はんだ材層43の厚さが、はんだ材44の厚さの60%未満の場合には、接合工程においてはんだ材が潰れた形状となりやすくなってしまうおそれがあるからであり、第3はんだ材層43の厚さを90%未満としたのは、第3はんだ材層43の厚さが、はんだ材44の厚さの90%以上の場合には、第1はんだ材層41及び第2はんだ材層42の割合が小さくなってしまい、第1はんだ材層41及び第2はんだ材層42内のフラックスによって接合強度を高くすることが難しくなってしまうからである。この観点からいえば、第3はんだ材層43の厚さは、はんだ材44の厚さの65%~85%の範囲内にあることがより好ましい。
 また、実施形態1に係る半導体装置の製造方法によれば、組立体形成工程において、第3はんだ材層43の厚さは、はんだ材44の厚さの60%~90%の範囲内にあり、はんだ材44の厚さのうち、フラックスを含有しない第3はんだ材層43の割合が大きいため、接合工程(リフロー工程)の際に、はんだ材44が加熱されても、フラックスがガス化されることに起因してはんだが飛散するおそれを小さくすることができる。従って、飛散したはんだによる短絡や接続不良が起き難く、より信頼性が低下し難い半導体装置を製造することができる。
 また、実施形態1に係る半導体装置の製造方法によれば、組立体形成工程において、第3はんだ材層43の組成は、フラックス成分を除いた第1はんだ材層41の組成及びフラックス成分を除いた第2はんだ材層42の組成と同じ組成であるため、各はんだ材層が接合しやすく、接合工程後に第1はんだ材層、第3はんだ材層及び第2はんだ材層の接合強度がより一層高くなる。
 また、実施形態1に係る半導体装置の製造方法によれば、組立体形成工程においては、半導体チップ20上に第1はんだ材層41及び第3はんだ材層43を配置し、リード30上に第2はんだ材層42を配置した後に、第3はんだ材層43と第2はんだ材層42とを重ね合わせて組立体50を形成するため、第1はんだ材層41及び第2はんだ材層42を形成し易く、取り扱いが容易となる。
 また、実施形態1に係る半導体装置の製造方法によれば、はんだ40の厚さは、300μm以上であるため、半導体チップ20とリード30との間のはんだ40に作用する応力(例えば熱応力)を緩和することができ、はんだ40にクラックが入る等の不具合が生じ難くなる。その結果、信頼性が低下し難い半導体装置を製造することができる。この観点で言えば、上記した不具合をより生じ難くするためには、はんだ40の厚さが400μm以上であることが好ましく、はんだ40の厚さが500μm以上であることがより一層好ましい。
 さらにまた、実施形態1に係る半導体装置の製造方法によれば、組立体形成工程S200においては、ディスペンサを用いて第1はんだ材層41及び第2はんだ材層42を配置するため、ペースト状のはんだを正確に、かつ、安定して供給することができ、はんだがはみ出し難く厚さバラツキの少ない第1はんだ材層41及び第2はんだ材層42を形成することができる。
[実施形態2]
 実施形態2に係る半導体装置の製造方法は、基本的には実施形態1に係る半導体装置の製造方法と同様の工程を有するが、第2はんだ材層を配置する位置が実施形態1に係る半導体装置の製造方法の場合とは異なる。すなわち、実施形態2に係る半導体装置の製造方法においては、組立体形成工程において、第1はんだ材層配置工程後(図6(a)参照。)、半導体チップ20上に第1はんだ材層41、第3はんだ材層43及び第2はんだ材層42を配置した後に(図6(b)参照。)、第2はんだ材層42とリード30(リード30,62,64が形成されたリードフレーム)とを重ね合わせて組立体50を形成する(図6(c)参照。)。
 このように、実施形態2に係る半導体装置の製造方法は、第2はんだ材層を配置する位置が実施形態1に係る半導体装置の製造方法の場合とは異なるが、実施形態1に係る半導体装置の製造方法の場合と同様に、組立体形成工程において、エミッタ電極24と電極接続片32との間に、第1はんだ材層41と第2はんだ材層42との間に配置された、フラックスを含有しない第3はんだ材層43を有するはんだ材44を配置する。このような方法とすることにより、フラックスを含有しない第3はんだ材層43においては、接合工程時(リフロー時)にフラックスが蒸発することがなく、フラックスが蒸発することに起因して接合工程後に第3はんだ材層43の部分の厚さが薄くなることもないため、接合工程前の(第1~第3はんだ材層全体の)はんだ材44の厚さを厚くしすぎなくてもよくなる(接合工程後のはんだの厚さよりもわずかに厚くする程度の厚さでよくなる)。従って、リード30をはんだ材44上に配置したときでもはんだ材44が潰れ難く、所望しない場所にはんだ材がはみ出してしまうことを防ぐことができ、信頼性が低下し難い半導体装置を製造することができる。
 また、実施形態2に係る半導体装置の製造方法によれば、組立体形成工程において、エミッタ電極24と電極接続片32との間に、第1はんだ材層41と第2はんだ材層42との間に配置された、フラックスを含有しない第3はんだ材層43を有するはんだ材44を配置するため、はんだ40の厚みをある一定以上の厚さに保った半導体装置を製造することができる。従って、半導体チップ20とリード30との間のはんだ40に作用する応力(例えば、熱応力)を緩和することができ、この観点においても信頼性が低下し難い半導体装置を製造することができる。
 また、実施形態1に係る半導体装置の製造方法によれば、組立体形成工程において、エミッタ電極24と電極接続片32との間に、エミッタ電極24の表面に配置された、フラックスを含有する第1はんだ材層41と、リード30における電極接続片32の表面に配置された、フラックスを含有する第2はんだ材層42とを有するはんだ材44を配置するため、フラックスによりエミッタ電極24、電極接続片32及び第3はんだ材層43の表面の不純物を除去した状態で接合することができ、はんだ40と半導体チップ20やリード30との密着強度が高い半導体装置を製造することができる。よって、はんだ40と半導体チップ20の間の接合強度やはんだ40とリード30との間の接合強度が低くなることを防ぐために特殊な条件(水素雰囲気下等)で接合工程を実施する、という必要がなく、接合工程が煩雑になることを防ぐことができる。
 また、実施形態2に係る半導体装置の製造方法によれば、半導体チップ20上に第1はんだ材層41、第3はんだ材層43及び第2はんだ材層42を配置した後に、第2はんだ材層42とリード30とを重ね合わせて組立体50を形成するため、第2はんだ材層42と第3はんだ材層43との位置合わせが容易であり、簡便に半導体装置を製造することができる。なお、第3はんだ材層43は固体状のはんだ材なので安定して表面に第2はんだ材層42を形成することができる。
 なお、実施形態2に係る半導体装置の製造方法は、第2はんだ材層を配置する位置以外の点においては実施形態1に係る半導体装置の製造方法と同様の方法を有するため、実施形態1に係る半導体装置の製造方法が有する効果のうち該当する効果を有する。
 以上、本発明を上記の実施形態に基づいて説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。その趣旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば、次のような変形も可能である。
(1)上記実施形態において記載した材質、形状、位置、大きさ等は例示であり、本発明の効果を損なわない範囲において変更することが可能である。
(2)上記実施形態1においては、半導体チップ20上に第1はんだ材層41及び第3はんだ材層43を配置した後、リード30表面に配置された第2はんだ材層42とを重ね合わせて組立体50を形成し、実施形態2においては、半導体チップ20上に第1はんだ材層41、第3はんだ材層43及び第2はんだ材層42を配置した後、リード30を重ね合わせて組立体50を形成したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、半導体チップ搭載工程(図7(a)参照。)を実施した後、第3はんだ材層43の一方の面にペースト状のはんだ材を供給して第1はんだ材層41を配置し、他方の面にペースト状のはんだ材を供給して第2はんだ材層42を配置し、はんだ材44を形成した後(図7(b)参照。)、半導体チップ20のエミッタ電極24の上に配置し、その後、はんだ材44上にリード30(リードフレーム)を配置することによって組立体50を形成してもよい(図7(c)参照。)。また、リード30の電極接続片32上に、第2はんだ材層42、第3はんだ材層43及び第1はんだ材層41を積層した後(はんだ材44を形成した後)、半導体チップ20のエミッタ電極24上にはんだ材44及びリード30(リードフレーム)を配置してもよい。
(3)上記各実施形態においては、半導体チップ20をIGBTとしたが、本発明はこれに限定されるものではない。半導体チップ20を他の3端子の半導体素子(例えば、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor))としてよいし、半導体チップ20を2端子の半導体素子(例えば、ダイオード)としてよいし、半導体チップ20を4端子以上の半導体素子(4端子の半導体素子としては、例えばサイリスタ)としてもよい。
(4)上記各実施形態においては、半導体装置を、半導体チップを1つ備える半導体装置としたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、半導体装置を、半導体チップを2つ備える半導体装置(図8参照。)としてもよいし、半導体チップを3以上備える半導体装置としてもよい。
 半導体チップを2つ備える半導体装置としては、例えば、以下のような、2つの半導体チップをカスコード接続した半導体装置(変形例2における半導体装置2、図8参照。)が考えられる。変形例2における半導体装置2は、第1の半導体チップ20aのエミッタ電極24aは第1のリード30aと電気的に接続され、第1の半導体チップ20aのコレクタ電極22aは、第1の基板10aの回路16aを介して第2のリード30bと接続されるとともに、第2の半導体チップ20bのエミッタ電極24bと第2のリード30bを介して電気的に接続され、図示されていないが第2の半導体チップ20bのコレクタ電極22bは回路16bを介してリード66と接続されている。このような構成の半導体装置においても、第1の半導体チップ20aのエミッタ電極24aと第1のリード30aとの間のはんだ、及び、第2の半導体チップ20bのエミッタ電極24bと第2のリード30bとの間のはんだを第1はんだ材層、第3はんだ材層及び第2はんだ材層を積層したはんだ材から形成してもよい。
(5)上記各実施形態において、半導体装置を、半導体チップの一方の面にコレクタ電極を有し、他方の面にエミッタ電極及びゲート電極を有する、いわゆる縦型の半導体装置としたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、半導体装置を、基板側とは反対側の面に全ての電極を有する、いわゆる横型の半導体装置としてもよい。
(6)上記各実施形態においては、第1はんだ材層及び第2はんだ材層を配置する際に、ディスペンサを用いてはんだ材を供給したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、可能であれば印刷によってはんだ材を供給してもよいし(例えば、実施形態1においてリード30上に第2はんだ材層42を配置する場合等に有効)、はんだフィーダ等で送り出した糸はんだによってはんだ材を供給してもよいし、その他適宜の方法ではんだ材を供給してもよい。
 1…半導体装置、10,10a,10b…基板、12,12a,12b…チップ搭載面、14,14a,14b…絶縁性基板、16,16a,16b…回路、18、18a,18b…放熱用の金属板、20,20a,20b…チップ、22,22a,22b…コレクタ電極(第1電極)、24,24a,24b…エミッタ電極(第2電極)、26…ゲート電極、30,30a,30b,62,64,66…リード、32…電極接続片、34…外部接続端子、40,40a,40b,46…はんだ、41…第1はんだ材層、42…第2はんだ材層、43…第3はんだ材層、44,45…はんだ材、50…組立体、70…ワイヤ、80…樹脂

Claims (8)

  1.  半導体チップ搭載面を有する基板と、前記半導体チップ搭載面上に搭載され、前記半導体チップ配置面と対向する面とは反対側の面に形成された電極を有する半導体チップと、電極接続片を有し、前記電極接続片がはんだを介して前記電極と接合されたリードとを備える半導体装置を製造する半導体装置の製造方法であって、
     前記電極と前記電極接続片との間に、前記電極の表面に配置された、フラックスを含有する第1はんだ材層と、前記電極接続片の表面に配置された、フラックスを含有する第2はんだ材層と、前記第1はんだ材層と前記第2はんだ材層との間に配置された、フラックスを含有しない第3はんだ材層とが積層された構造を有するはんだ材を配置し、前記電極と前記電極接続片とが前記はんだ材を挟んで対向した状態となるように前記基板、前記半導体チップ及び前記リードを配置した組立体を形成する組立体形成工程と、
     前記はんだ材を溶融した後で前記はんだ材を固化することにより、前記電極と前記電極接続片とを前記はんだを介して接合する接合工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2.  前記第1はんだ材層及び前記第2はんだ材層はいずれもペースト状のはんだ材からなり、前記第3はんだ材層は固体状のはんだ材からなることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  3.  前記組立体形成工程において、前記第3はんだ材層の厚さは、前記はんだ材の厚さの60%~90%の範囲内にあることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置の製造方法。
  4.  前記組立体形成工程において、前記第3はんだ材層の組成は、フラックス成分を除いた前記第1はんだ材層の組成及びフラックス成分を除いた前記第2はんだ材層の組成のうちの少なくともいずれかと同じ組成であることを特徴とする請求項1~3のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
  5.  前記組立体形成工程においては、前記電極上に前記第1はんだ材層及び前記第3はんだ材層を配置し、かつ、前記電極接続片上に第2はんだ材層を配置した後に、前記第3はんだ材層と前記第2はんだ材層とを重ね合わせて前記組立体を形成することを特徴とする請求項1~4のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
  6.  前記組立体形成工程においては、前記半導体チップ上に前記第1はんだ材層、前記第3はんだ材層及び前記第2はんだ材層を配置した後に、前記第2はんだ材層と前記リードの前記電極接続片とを重ね合わせて前記組立体を形成することを特徴とする請求項1~4のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
  7.  前記はんだの厚さは、300μm以上であることを特徴とする請求項1~6のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
  8.  前記組立体形成工程においては、ディスペンサを用いて前記第1はんだ材層及び前記第2はんだ材層を配置することを特徴とする請求項1~7のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
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