(57)【要約】【課題】半導体装置の放熱性を向上させる。【解決手段】半導体装置の製造方法は、半田シート１７を介して第１積層体１８をベース基板６上に搭載した第２積層体２１を準備する工程、第２積層体２１をチャンバー内に設置し、チャンバー内に還元ガスを流入しながら、第２積層体２１を、半田シート１７の半田の融点以下の温度で予備加熱する工程、第２積層体２１を、半田シート１７の半田の融点以上の温度で本加熱する工程、を含む。半田シート１７は、セラミック基板３側に凹部Ｃ１、および、ベース基板６側に凹部Ｃ３を含み、予備加熱工程で、半田シート１７は、凹部Ｃ１の両端でメッキ層３ｄに接触しており、凹部Ｃ３の両端でメッキ層６ｃに接触している。そして、平面視において、凹部Ｃ１および凹部Ｃ３は、半田シート１７の内部に連続して延在し、半田シート１７の外部に達している。【選択図】図１２
2020017707.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ)第１面、前記第１面の反対側に位置する第２面、前記第１面上に形成された第１配線、および前記第２面上に形成された第２配線、を備える第１基板を準備する工程、
（ｂ）前記第１配線上に、絶縁ゲートバイポーラトランジスタからなる第１チップおよびダイオードからなる第２チップを搭載した第１積層体を準備する工程、
（ｃ）第３面、前記第３面の反対側に位置する第４面、および前記第３面上に形成された金属層を含む第２基板上に、半田シートを介して前記第１積層体を載置した第２積層体を準備する工程、
（ｄ）前記第２積層体をチャンバー内に設置する工程、
（ｅ）前記チャンバー内に還元性ガスを流入しながら、前記第２積層体を、前記半田シートの半田材の融点よりも低い第１温度で加熱する工程、
（ｆ）前記（ｅ）工程に続き、前記チャンバー内の前記第２積層体を、前記半田シートの半田材の融点よりも高い第２温度で加熱し、前記半田シートの半田材を溶融する工程、
を有し、
前記（ｅ）工程において、
前記半田シートは、前記第１基板側の第５面に第１凹部、および前記第２基板側の第６面に第２凹部を含み、
前記半田シートは、前記第１凹部の両端で前記第２配線に接触しており、
前記半田シートは、前記第２凹部の両端で前記金属層に接触しており、
平面視において、前記第１凹部および前記第２凹部の夫々は、前記半田シートの内部に連続して延在し、前記半田シートの外部に達している、半導体装置の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
前記還元性ガスは、ギ酸を含む、半導体装置の製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
前記還元性ガスは、水素を含む、半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
前記（ｆ）工程において、
前記半田シートの半田材を溶融した後に、前記チャンバー内を減圧する、半導体装置の製造方法。
【請求項５】
請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
前記半田シートは、前記第５面に、さらに第３凹部を含み、
前記（ｅ）工程において、
前記半田シートは、前記第３凹部の両端で前記第２配線に接触しており、
平面視において、前記第３凹部は、前記半田シートの内部に連続的に延在し、前記半田シートの外部に達している、半導体装置の製造方法。
【請求項６】
第１金属層と、
第２金属層と、
前記第１金属層と前記第２金属層とを接続する半田層と、
を有し、
前記第１金属層と前記半田層との界面には、第１反応層および第２反応層が形成されており、
前記第２反応層の膜厚は、前記第１反応層の膜厚よりも薄く、
平面視において、前記第２反応層は、前記半田層の内部に連続的に延在し、前記半田層の外部に達している、半導体装置。
【請求項７】
請求項６に記載の半導体装置において、
平面視において、前記第２反応層の面積は、前記第１反応層の面積よりも広い、半導体装置。
【請求項８】
請求項６に記載の半導体装置において、
前記第２金属層と前記半田層との界面には、第３反応層および第４反応層が形成されており、
前記第４反応層の膜厚は、前記第３反応層の膜厚よりも薄く、
平面視において、前記第４反応層は、前記半田層の内部に連続的に延在し、前記半田層の外部に達している、半導体装置。
【請求項９】
請求項８に記載の半導体装置において、
平面視において、前記第４反応層の面積は、前記第３反応層の面積よりも広い、半導体装置。
【請求項１０】
請求項８に記載の半導体装置において、
さらに、
第１面と、前記第１面の反対側に位置する第２面とを備える第１基板と、
前記第１面上に形成された第１配線と、
前記第２面上に形成された第２配線と、
前記第１配線に接続された絶縁ゲートバイポーラトランジスタからなる第１チップおよびダイオードからなる第２チップと、
前記第１基板、前記第１チップおよび前記第２チップを搭載する第２基板と、
前記第２配線上に形成された第１メッキ層と、
前記第２基板上に形成された第２メッキ層と、
を有し、
前記第１金属層は、前記第１メッキ層であり、前記第２金属層は、前記第２メッキ層である、半導体装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の半導体装置において、
前記半田層は、Ｓｎを含み、
前記第１メッキ層は、Ｎｉを含み、
前記第１反応層および前記第２反応層は、ＳｎとＮｉの合金からなる、半導体装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の半導体装置において、
前記第２メッキ層は、Ｎｉを含み、
前記第３反応層および前記第４反応層は、ＳｎとＮｉの合金からなる、半導体装置。
【請求項１３】
円弧状の第１部分と、
前記第１部分の両側に位置する円弧状の第２部分および第３部分と、
前記第１部分と前記第２部分の間に位置する直線状の第４部分と、
前記第１部分と前記第３部分の間に位置する直線状の第５部分と、
を有し、
前記第１部分は、上側に凸であり、
前記第２部分および前記第３部分は、下側に凸であり、
前記第１部分、前記第２部分および前記第３部分の硬度は、前記第４部分および前記第５部分の硬度よりも大きい、半田シート。
【請求項１４】
請求項１３に記載の半田シートであって、
前記第１部分、前記第２部分および前記第３部分の膜厚は、前記第４部分および前記第５部分の膜厚よりも大きい、半田シート。
【請求項１５】
（ａ）半田インゴットを、２つの圧延ローラ間を通過せさて、第１面と、前記第１面の反対側に位置する第２面とにロール目を有する圧延半田を形成する工程、
（ｂ）前記圧延半田を所定の形状に切断に、第１半田シートを形成する工程、
（ｃ）前記第１半田シートを２つの金型に挟み込んで圧縮することにより、断面視において、Ｗ字形状の第２半田シートを形成する工程、
を有し、
前記（ｃ）工程において、前記ロール目を潰し、平坦な前記第１面および前記第２面を形成する、半田シートの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法および半導体装置ならびに半田シートおよびその製造方法に関し、特に、ＩＧＢＴおよびダイオードを搭載したパワーモジュールの製造方法およびパワーモジュールならびにパワーモジュールの製造方法に用いる半田シートおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特開２０１０−５１９９４号公報（特許文献１）には、矯正型２０によりシートはんだ３を下向きに凸であるＲ形状に矯正して、吸着ツール３１によりシートはんだ３を基板上に載置した時に、シートはんだ３の中央が基板に接するようにし、それにより、はんだ溶融時に、シートはんだ３を中央から外側へ向けて軟化させて平坦にする技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−５１９９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本願発明者は、高出力半導体等を使用したパワーモジュールを検討している。パワーモジュールは、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）が形成されたチップおよびダイオードが形成されたチップをセラミック基板上に搭載し、それをベース基板と称する放熱板に半田からなる接着層を介して接続している。ベース基板上には、例えば、ＩＧＢＴとダイオードのペアが搭載され、外部端子が接続されているため、セラミック基板の面積が大型化している。そして、セラミック基板からベース基板への放熱性を向上させるために接着層（半田接続部）の面積が大型化している。パワーモジュールでは、半田接続部の放熱性がＩＧＢＴの電圧や電流の大きさに影響するため、この放熱性が製品の性能に大きく係わってくる。つまり、パワーモジュールでは、大面積の半田接続部の放熱性を向上させる必要がある。
【０００５】
放熱性向上のためには、半田接続部の残留ボイドや濡れ不良を防止する必要があり、一般的にはフラックスを使用することで、ある程度、残留ボイドや濡れ不良を防止することができる。しかしながら、パワーモジュールのような大面積の半田接続の場合、フラックスの使用は、残留ボイドや残渣発生の原因となるため、ギ酸のような還元性雰囲気を使用したフラックスレスの半田接続を検討した。
【０００６】
本願発明者は、セラミック基板の表面にＩＧＢＴチップおよびダイオードチップを接着した第１積層体を、半田シートを介してベース基板上に載置した第２積層体を準備する工程、この第２積層体を真空チャンバー内に配置した後、ギ酸を用いた還元性雰囲気で第２積層体を予備加熱する工程、半田シートの半田材を加熱溶融する本加熱工程を含む半田接続方法を実施した。ここで半田シートは、先行技術文献に示されたＶ字形状（またはＵ字形状）のものを使用した。予備加熱工程は、半田シートおよび被接合体（セラミック基板およびベース基板）に形成された金属層の表面酸化膜を除去する工程であり、本加熱工程は、半田シートの半田材を溶融した後に凝固する工程である。しかしながら、上記の方法では、低熱抵抗（高放熱性）の半田接続を実現することができなかった。本願発明者の解析により、第２積層体を準備した段階で、第１積層体の自重でＶ字形状の半田シートが平坦化してしまい、半田シートと被接合体とが密着するため、予備加熱工程で半田シートおよび被接合体の表面酸化膜を充分に除去できず、半田の濡れ不良が発生したことが判明した。
【０００７】
そこで、本発明は、半導体装置の放熱性を向上させるものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一実施例の半導体装置の製造方法は、半田シートを介して第１積層体をベース基板上に搭載した第２積層体を準備する工程、第２積層体をチャンバー内に設置し、チャンバー内に還元ガスを流入しながら、第２積層体を、半田シートの半田材の融点以下の温度で予備加熱する工程、第２積層体を、半田シートの半田材の融点以上の温度で本加熱する工程、を有する。半田シートは、セラミック基板側に第１凹部、および、ベース基板側に第２凹部を含み、予備加熱工程で、半田シートは、第１凹部の両端でセラミック基板に形成された金属層に接触しており、第２凹部の両端でベース基板に形成された金属層に接触しており、第１凹部および第２凹部は、平面視において、半田シートの内部に連続して延在し、半田シートの外部に達している。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の一側面によれば、半導体装置の放熱性を向上させることができる。
【００１０】
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施の形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施例の半導体装置の断面図である。
【図２】本実施例の半導体装置の製造方法の一部を示す製造工程フロー図である。
【図３】本実施例の半田シートの製造工程中の斜視図である。
【図４】図３に続く半田シートの製造工程中の断面図である。
【図５】図４に続く半田シートの製造工程中の断面図である。
【図６】本実施例の半田シートの斜視図である。
【図７】図６のＸ１−Ｘ１に沿う断面図である。
【図８】本実施例の半導体装置の製造工程中の断面図である。
【図９】図８に続く半導体装置の製造工程中の断面図である。
【図１０】図９に続く半導体装置の製造工程中の断面図である。
【図１１】図１０に続く半導体装置の製造工程中の断面図である。
【図１２】図１１に続く半導体装置の製造工程中の断面図である。
【図１３】図１２に続く半導体装置の製造工程中の断面図である。
【図１４】図１３に続く半導体装置の製造工程中の断面図である。
【図１５】図１４の要部拡大断面図である。
【図１６】図１５の接着層の平面図である。
【図１７】比較例である半導体装置の要部拡大断面図である。
【図１８】変形例１である半田シートの斜視図である。
【図１９】図１８のＸ２−Ｘ２に沿う断面図である。
【図２０】変形例２である半田シートの斜視図である。
【図２１】図２０のＸ３−Ｘ３に沿う断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
電鉄車両および電気自動車などには電力変換装置（インバータ、コンバータ、チョッパー）やモータが搭載されており、電力変換装置にはパワーモジュールが用いられている。パワーモジュールは、ＩＧＢＴ等のパワー半導体素子をスイッチングすることにより直流電力を交流電力に変換するものである。
【００１３】
パワーモジュールでは、スイッチング素子であるＩＧＢＴとダイオードとを並列接続（この一組をアームと呼ぶ）して使用する。この一組のアームを正極端子と交流端子との間に接続したものを上アーム、交流端子と負極端子との間に接続したものを下アームと称する。上アームと下アームを組み合わせることによって一組の交流電力を出力することができる。したがって、三相交流を発生させるためには３組の上下アーム（合計６アーム）
が必要となる。
【００１４】
以下、本発明の実施例を、図面を用いて説明する。
【実施例】
【００１５】
＜半導体装置の構造＞
本実施例の半導体装置ＳＤは、例えば、上記のモータ駆動用のパワーモジュールである。図１は、本実施例の半導体装置ＳＤの断面図であるが、上記６アームの各々は同様の構造を有するため、図１では１アーム分を示している。
【００１６】
図１に示すように、半導体装置ＳＤは、チップ（ＩＧＢＴ）１、チップ（ダイオード）２、セラミック基板３、ベース基板６、外部端子８、および、封止体９を含む。チップ１は、シリコン（Ｓｉ）またはシリコンカーバイト（ＳｉＣ）からなる基板にＩＧＢＴ等のパワー半導体素子が形成されており、チップ２は、シリコン（Ｓｉ）またはシリコンカーバイト（ＳｉＣ）からなる基板にダイオード素子が形成されている。
【００１７】
セラミック基板３は、基板３ａと、基板３ａの表面（第１面）３ｔと、表面３ｔの反対側に位置する裏面（第２面）３ｂとを有し、表面３ｔおよび裏面３ｂには、夫々、配線３ｃが形成されており、配線３ｃの表面はメッキ層（金属層）３ｄで覆われている。なお、配線３ｃおよびメッキ層３ｄを合わせて配線と呼ぶ場合もある。基板３ａは、例えば、熱伝導率の高い窒化アルミニウム（ＡｌＮ）または窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、あるいは、汎用性の高いアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）とすることができる。配線３ｃは、例えば、銅（Ｃｕ）膜とし、メッキ層３ｄは、例えば、ニッケル（Ｎｉ）膜とすることができる。
【００１８】
チップ１およびチップ２は、接着層４を介してセラミック基板３上のメッキ層３ｄに接着されており、配線３ｃおよびメッキ層３ｄに電気的に接続されている。また、チップ１およびチップ２は、ワイヤ５を介して互いに接続されており、かつ、ワイヤ５を介して配線３ｃに接続されている。さらに、配線３ｃおよびメッキ層３ｄには、外部端子８が接続されている。つまり、チップ１およびチップ２は外部端子８に電気的に接続されている。ワイヤ５は、例えば、銅（Ｃｕ）ワイヤまたはアルミニウム（Ａｌ）ワイヤからなる。
【００１９】
ベース基板６は、基板６ａと、基板６ａの表面（第１面）６ｔと、表面６ｔの反対側に位置する裏面（第２面）６ｂと、その表面６ｔと裏面６ｂとに形成されたメッキ層（金属層）６ｃとからなる。基板６ａは、例えば、高い熱伝導率を有する炭化ケイ素（ＳｉＣ）とアルミニウム（Ａｌ）合金の複合材料（ＡｌＳｉＣ）、銅（Ｃｕ）またはアルミニウム（Ａｌ）合金等で構成されており、メッキ層６ｃは、例えば、ニッケル（Ｎｉ）膜からなる。そして、ベース基板６の表面６ｔに形成されたメッキ層６ｃには、接着層７を介してセラミック基板３の裏面３ｂに形成された配線３ｃおよびメッキ層３ｄが接続されている。接着層４および７は、半田材であり、例えば、鉛（Ｐｂ）入りのＳｎ−Ｐｂ半田材、あるいは、Ｐｂを実質的に含まない、所謂、鉛フリー半田からなる半田材である。鉛フリー半田の例としては、例えば、錫−銅−銀（Ｓｎ−Ｃｕ−Ａｇ）、錫−銅（Ｓｎ−Ｃｕ）、錫−アンチモン（Ｓｎ−Ｓｂ）または錫−銅−アンチモン（Ｓｎ−Ｃｕ−Ｓｂ）などが挙げられる。
【００２０】
ベース基板６の表面６ｔ側において、チップ１、チップ２、セラミック基板３、ワイヤ５、接着層４、接着層７および外部端子８は、封止体９で覆われている。封止体９は、例えば、シリコーンゲルからなる。なお、図示していないが、外部端子は、封止体９の外部に露出している。
【００２１】
＜半導体装置の製造方法＞
次に、図２〜１４を用いて、本実施例の半導体装置の製造方法を説明する。図２は、本実施例の半導体装置の製造方法の一部を示す製造工程フロー図、図３は、本実施例の半田シートの製造工程中の斜視図、図４および図５は、半田シートの製造工程中の断面図、図６は、本実施例の半田シートの斜視図、図７は、図６のＸ１−Ｘ１に沿う断面図である。図８〜１４は、半導体装置の製造工程中の断面図である。なお、図２において、半田シート１７準備工程Ｓ１と第１積層体１８準備工程とは、どちらが先でも良い。また、図９〜１１では、ベース基板６上の２つのアームの領域を示している。図８〜１１では、メッキ層３ｄおよびメッキ層６ｃを省略している。また、図１２は、予備加熱工程、図１３および図１４は、本加熱工程を示しているが、１アーム分の第２積層体２１を示しており、チャンバー等の加熱装置は省略している。
【００２２】
先ず、図２に示す半田シート１７準備工程Ｓ１を説明する。図３に示すように、例えば厚さ２ｍｍの半田インゴット１０を、一対の圧延ロール１１で、例えば厚さ０．２ｍｍに圧延し、圧延半田１２を形成する。圧延半田１２には、その表面にロール目１２ａと呼ばれる微小な凹凸が形成されている。次に、図４に示すように、ダイ１３とパンチ１４とを用いて、長方形のプレス前半田シート１５を形成する。プレス前半田シート１５は、例えば、４７×５７ｍｍとする。次に、図５に示すように、プレス前半田シート１５を、一対の金型１６で挟み込み、所望の形状に圧縮加工を施し、半田シート１７を形成する。
【００２３】
図６および図７に示すように、半田シート１７は、その断面がＷ字形状を有する。図６に示すように、半田シート１７は、表面（第１面）１７ｔと、表面１７ｔの反対側に位置する裏面（第２面）１７ｂとを有する。また、表面１７ｔは、Ｘ方向に延在する２つの辺１７ｘ１および１７ｘ２ならびにＹ方向に延在する２つの辺１７ｙ１および１７ｙ２を有する。また、表面１７ｔは、凹部Ｃ１およびＣ２を有し、裏面１７ｂは、凹部Ｃ３を有し、凹部Ｃ１〜Ｃ３は、半田シート１７の内部において、Ｙ方向に連続的に延在し、辺１７ｘ１および１７ｘ２において半田シート１７の外部に達している。また、図５に示す圧縮加工により、半田シート１７の表面１７ｔおよび裏面１７ｂは平坦な表面を有する。つまり、図３に示す圧延加工によって形成されたロール目１２は、図５に示す圧縮加工によって押し潰されており、表面１７ｔおよび裏面１７ｂの表面積は、図４に示すプレス前半田シート１５の表面および裏面の表面積よりも減少している。また、半田シート１７の中央部には、平坦面を有する吸着部１７ａが設けられている。
【００２４】
また、図７に示すように、半田シート１７は、３つの山部１７ｍと、２つの谷部１７ｖとを有し、山部１７ｍと谷部１７ｖとの間に直線部１７ｓを有している。山部１７ｍおよび谷部１７ｖは、上記圧縮加工により直線から円弧状に塑性変形が施された領域であるが、直線部１７ｓは塑性変形していない。従って、山部１７ｍおよび谷部１７ｖは、加工硬化により、直線部１７ｓよりも高い硬度を有する。また、山部１７ｍおよび谷部１７ｖの膜厚は、直線部１７ｓの膜厚よりも厚くなっている。また、３箇所の山部１７ｍは、互いに等しい高さに設定されているため、仮想平面ＶＳ１に接触する。同様に、２箇所の谷部１７ｖも互いに等しい高さに設定されているため、仮想平面ＶＳ２に接触する。ここで、仮想平面ＶＳ１は、後述の図１０に示すセラミック基板３のメッキ層３ｄに対応し、仮想平面ＶＳ２は、ベース基板６のメッキ層６ｃに対応している（メッキ層３ｄおよび６ｃは、図１に示す）。
【００２５】
次に、図２に示す第１積層体１８準備工程を実施する。具体的には、セラミック基板３上にチップ１，２を搭載する工程Ｓ２およびワイヤボンディング工程Ｓ３である。図８に示すように、セラミック基板３上にチップ１および２を搭載し、接着層４を介して配線３ｃに接着する。次に、ワイヤ５により、チップ１とチップ２との間、配線３ｃとチップ１との間、配線３ｃとチップ２との間をそれぞれ電気的に接続する。
【００２６】
次に、図２に示す第２積層体２１準備工程Ｓ４を実施する。図９に示すように、ベース基板６上において、ガイド１９で囲まれた複数の領域に、順に、半田シート１７を載置する。半田シート１７は、図６に示すように平坦な吸着部１７ａを有しており、吸着治具２０で吸着部１７ａを真空吸着して、半田シート１７をベース基板６上に載置する。ここで、ガイド１９は、各アームの形成領域を位置決めしている。次に、図１０に示すように、半田シート１７上に第１積層体１８を順次載置し、ベース基板６上に半田シート１７を介して複数の第１積層体１８が載置された第２積層体２１を準備する。第１積層体１８の自重により、半田シート１７の高さ方向の寸法は減少するが、図６および図７に示す凹部Ｃ１〜Ｃ３は潰れることなく確保されている。なお、凹部Ｃ１〜Ｃ３は、後述する予備加熱工程Ｓ６が完了するまで潰れることなく確保されている。また、本実施例では、半田シート１７の半田材として、例えば、融点がおよそ２５０℃のＳｎ−１０％Ｓｂを用いている。
【００２７】
次に、図２に示すチャンバー２２内に第２積層体２１をセットする工程Ｓ５を実施する。図１１に示すように、半田接続用の熱処理装置のチャンバー２２の内部に第２積層体２１をセットする。そして、この状態で、後述する予備加熱工程Ｓ６および本加熱工程Ｓ７を実施する。熱処理装置は、チャンバー２２、加熱機構２３、ガス導入機構２４および排気機構２５を備える。
【００２８】
図１１に示すように、チャンバー２２内に第２積層体２１をセットした後、先ず、チャンバー２２内を、例えば、３００Ｐａ程度に減圧した後、チャンバー２２内に、例えば、窒素（Ｎ２）を導入し、チャンバー２２内を大気圧に戻す。こうしてチャンバー２２内を、純粋な窒素（Ｎ２）雰囲気にする。
【００２９】
次に、図２に示す予備加熱工程Ｓ６を実施する。予備加熱工程Ｓ６は、チャンバー２２内にギ酸と窒素（Ｎ２）の混合ガスを供給しながら、第２積層体２１を加熱する。加熱温度は、半田シート１７の半田材の融点よりも低い温度２００℃、加熱時間は１０分間程度とする。予備加熱工程Ｓ６では、ギ酸の還元反応を利用して、半田シート１７の表面酸化膜、メッキ層３ｄおよび６ｃの表面酸化膜を除去している。ギ酸は、およそ１５０℃以上で効率よく還元反応を起こすことが知られている。
【００３０】
図１２に示すように、半田シート１７は、３箇所の山部１７ｍでセラミック基板３の配線３ｃの表面に形成されたメッキ層３ｄに接触しており、２箇所の谷部１７ｖでベース基板６の表面に形成されたメッキ層６ｃに接触している。半田シート１７の表面１７ｔには２つの凹部Ｃ１およびＣ２が設けられており、半田シート１７の裏面１７ｂには凹部Ｃ３が設けられている。そして、図６および図７に示すように、平面視において、凹部Ｃ１〜Ｃ３は、半田シート１７の内部に連続的に延在しており、半田シート１７の外部に達している。従って、半田シート１７の外部から、凹部Ｃ１〜Ｃ３にギ酸を侵入させることができ、半田シート１７の表面１７ｔおよび裏面１７ｂのほぼ全域にわたって表面酸化膜を除去することができる。同様に、メッキ層３ｄおよび６ｃのほぼ全域にわたって表面酸化膜を除去することができる。半田シート１７は、断面視において、複数の山部１７ｍでセラミック基板３のメッキ層３ｄに接触し、かつ、複数の谷部１７ｖでベース基板６のメッキ層６ｃに接触しているため、第１積層体１８の自重によって凹部Ｃ１〜Ｃ３が潰れることなく第１積層体１８を支持することができる。
【００３１】
次に、図２に示す本加熱工程Ｓ７を実施する。ギ酸と窒素（Ｎ２）の混合ガスの供給を止め、第２積層体２１を、半田シート１７の半田材の融点よりも高い温度２８０℃で６分間程度加熱する。図１３は、半田シート１７の半田材の溶融開始時の様子、図１４は、半田材の溶融後であって、半田材の凝固時の様子を示している。図１３に示すように、半田材の溶融開始時には、半田シート１７とメッキ層３ｄとの接触箇所に反応層２６ａが形成され、半田シート１７とメッキ層６ｃとの接触箇所に反応層２６ｂが形成される。反応層２６ａは、半田シート１７の半田材に含まれる錫（Ｓｎ）とメッキ層３ｄに含まれるニッケル（Ｎｉ）との錫−ニッケル合金（Ｓｎ−Ｎｉ合金）または、半田シート１７の半田材に含まれる錫（Ｓｎ）と配線３ｃに含まれる銅（Ｃｕ）との錫−銅合金（Ｓｎ−Ｃｕ合金）である。反応層２６ｂは、半田シート１７の半田材に含まれる錫（Ｓｎ）とメッキ層６ｃに含まれるニッケル（Ｎｉ）との錫−ニッケル合金（Ｓｎ−Ｎｉ合金）である。
【００３２】
次に、半田シート１７の半田材の溶融に伴い、第１積層体１８がベース基板６側に降下し、図１４に示すように、予備加熱工程Ｓ６に比べ、ベース基板６とセラミック基板３との間隔が狭くなる。半田材の全体が溶融した時点で、チャンバー２２（図１１参照）内を、例えば、３００Ｐａ程度に減圧し、溶融半田層に残留するボイドを除去する。次に、チャンバー２２（図１１参照）内に、例えば、窒素（Ｎ２）を導入し、溶融半田層を凝固させる。こうして、第１積層体１８をベース基板６に半田層からなる接着層７で接着する。詳細は、後述するが、半田シート１７の半田材が溶融し、その後に凝固した段階では、図１４に示すように、接着層７とセラミック基板３のメッキ層３ｄとの界面には、反応層２６ａ´が形成され、接着層７とベース基板６のメッキ層６ｃとの界面には、反応層２６ｂ´が形成されている。反応層２６ａ´および２６ｂ´は、前述の反応層２６ａおよび２６ｂが成長したものであり、反応層２６ａ´および２６ｂ´の厚さは、前述の反応層２６ａおよび２６ｂの厚さよりも厚い。
【００３３】
次に、図２に示す第２積層体２１の取出し工程Ｓ８、外部端子８接続工程Ｓ９、および、封止体９形成工程Ｓ１０を実施する。本加熱工程Ｓ７が完了後、冷却された第２積層体２１をチャンバー２２（図１１参照）から取出し、図１に示すように外部端子８をセラミック基板３に形成された配線３ｃおよびメッキ層３ｄに接続する。次に、ベース基板６の表面６ｔ側において、チップ１、チップ２、セラミック基板３、ワイヤ５、接着層４、接着層７および外部端子８を封止体９で覆い、図１に示す半導体装置ＳＤが完成する。
【００３４】
次に、上記の半導体装置の製造方法によって形成された半田層からなる接着層７について説明する。図１５は、図１４の要部拡大断面図であり、接着層７を拡大して表している。図１６は、図１５の接着層７の平面図、図１７は、比較例である半導体装置の要部拡大断面図である。
【００３５】
図１５に示すように、セラミック基板３とベース基板６とは、半田層からなる接着層７で接着される。接着層７とセラミック基板３のメッキ層３ｄとの界面には、比較的厚い反応層２６ａ´と、比較的薄い反応層２６ｃとが形成されている。反応層２６ｃは、複数の反応層２６ａ´の間の領域に形成されている。また、接着層７とベース基板６のメッキ層６ｃとの界面には、比較的厚い反応層２６ｂ´と、比較的薄い反応層２６ｄとが形成されている。反応層２６ｄは、複数の反応層２６ｂ´の間の領域に形成されている。因みに、比較的厚い反応層２６ａ´および２６ｂ´の厚さは、５０μｍ程度、比較的薄い反応層２６ｃおよび２６ｄの厚さは、２０μｍ程度である。
【００３６】
図１６に示すように、平面視において、半田層からなる接着層７は、長方形であり、Ｘ方向に延在する２つの辺７ｘ１および７ｘ２と、Ｙ方向に延在する辺７ｙ１および７ｙ２を有する。反応層２６ａ´が形成された領域を領域Ａ、反応層２６ｂ´が形成された領域を領域Ｂとし、領域Ａと領域Ｂの間の領域を領域Ｃとしている。領域Ａ、ＢおよびＣは、Ｘ方向に延在する辺７ｘ１から辺７ｘ２にわたって、Ｙ方向に連続的に延在している。図１５に示す接着層７とメッキ層３ｄとの界面に着目すると、図１６に示す領域Ａには反応層２６ａ´が形成され、領域ＢおよびＣには反応層２６ｃが形成されている。そして、領域ＢおよびＣの面積は領域Ａの面積よりも広い。また、図１５に示す接着層７とメッキ層６ｃとの界面に着目すると、図１６に示す領域Ｂには反応層２６ｂ´が形成され、領域ＡおよびＣには反応層２６ｄが形成されている。そして、領域ＡおよびＣの面積は領域Ｂの面積よりも広い。ここで、図１３を参照すると、比較的厚い反応層２６ａ´および２６ｂ´の形成領域は、半田シート１７とメッキ層３ｄおよび６ｃとが接触していた領域であり、比較的薄い反応層２６ｃおよび２６ｄの形成領域は、半田シート１７とメッキ層３ｄおよび６ｃとが非接触であった領域である。
【００３７】
図１７は、比較例である半導体装置の要部拡大断面図であり、図１５に対応している。図１７は、先行技術文献に示されたＶ字形状の半田シートを用いた例である。Ｖ字形状の半田シートを用いた場合、上記実施例の第２積層体準備工程Ｓ４において、第１積層体の自重で半田シートが潰れて平坦化する。そして、半田シートと被接合体であるメッキ層３ｄまたは６ｃとが密着した状態で、予備加熱工程Ｓ６が実施されるが、ギ酸を半田シートとメッキ層３ｄまたは６ｃとの界面に十分に侵入させることができないため、半田シート、メッキ層３ｄおよび６ｃの表面酸化膜を充分に除去できず、半田の濡れ不良が発生してしまう。その結果、接着層７の放熱性が低下する。また、上記実施例の本加熱工程Ｓ７が完了すると、図１７に示すように、接着層７とメッキ層３ｄとの界面のほぼ全域に反応層２６ｅが形成され、接着層７とメッキ層６ｃとの界面のほぼ全域に反応層２６ｆが形成されていることが確認された。そして、この反応層２６ｅおよび２６ｆの厚さは、上記の比較的厚い反応層２６ａ´およびｓ６ｂ´の厚さと等しい。このように、厚い反応層２６ｅおよび２６ｆが前記界面のほぼ全域に形成されているため、接着層７の機械的強度が低下し、接着層７に印加されるストレスによるクラック発生で寿命が低下する可能性が高い。特に、製品を使用し続けると反応層２６ｅおよび２６ｆは、徐々に成長し、その膜厚が増加し、逆に、接着層７の半田層の膜厚は減少するため、益々クラックが発生しやすい。よって本実施例と比較すると製品寿命が短い。
【００３８】
次に、本実施例の効果を説明する。
【００３９】
予備加熱工程Ｓ６において、半田シート１７が、その表面１７ｔおよび裏面１７ｂに凹部Ｃ１〜Ｃ３を有し、平面視において、凹部Ｃ１〜Ｃ３が半田シート１７の内部に連続的に延在し、半田シート１７の外部に達しているため、この凹部Ｃ１〜Ｃ３にギ酸を侵入させることができる。そして、半田シート１７、セラミック基板３側のメッキ層３ｄ、および、ベース基板６側のメッキ層６ｃの夫々に形成された表面酸化膜を除去することができるため、半田シート１７の半田材の濡れ性を向上でき、半田層からなる接着層７の熱抵抗を低減することができる。つまり、放熱性の高い半導体装置（パワーモジュール）を提供することができる。
【００４０】
本加熱工程Ｓ７において、半田シート１７の半田材を溶融させた後に、チャンバー２２内を減圧することで、残留ボイドを低減することができ、半田層からなる接着層７の熱抵抗を低減することができる。
【００４１】
図１５に示すように、接着層７とセラミック基板３側のメッキ層３ｄとの界面には、比較的厚い反応層２６ａ´と、比較的薄い反応層２６ｃが形成されている。接着層７とセラミック基板３側のメッキ層３ｄとの界面に、全体的に比較的厚い反応層２６ｅが形成された比較例に比べ、接着層７の機械的強度を向上することができ、接着層７に印加されるストレスに起因するクラックを防止することができる。また、半導体装置の製品寿命を長くすることができる。また、接着層７とベース基板６のメッキ層６ｃとの界面も同様である。
【００４２】
半田シート１７は、表面１７ｔに凹部Ｃ１を有し、裏面１７ｂに凹部Ｃ３を有する。そして、図１２に示すように、半田シート１７は、断面視において、凹部Ｃ１の両端に位置する山部１７ｍでセラミック基板３のメッキ層３ｄに接触し、かつ、凹部Ｃ３の両端に位置する谷部１７ｖでベース基板６のメッキ層６ｃに接触しているため、第１積層体１８の自重によって凹部Ｃ１およびＣ３が潰れることなく第１積層体１８を支持することができる。
【００４３】
断面視において、半田シート１７はＷ字形状を有し、円弧状に塑性変形された山部１７ｍおよび谷部１７ｖは、加工硬化により、その硬度が増加しているため、半田シート１７の高さ方向における強度が向上している。その為、半田シート１７上に第１積層体１８を載置しても、第１積層体１８の自重によって凹部Ｃ１およびＣ３が潰れることなく第１積層体１８を支持することができる。
【００４４】
＜変形例１＞
図１８は、変形例１である半田シートの斜視図であり、図１９は、図１８のＸ２−Ｘ２に沿う断面図である。変形例１の半田シート２７は、断面視において、Ｎ字形状を有する。図１８に示すように、半田シート２７は、表面（第１面）２７ｔと、表面２７ｔの反対側に位置する裏面（第２面）２７ｂとを有する。また、表面２７ｔは、Ｘ方向に延在する２つの辺２７ｘ１および２７ｘ２ならびにＹ方向に延在する２つの辺２７ｙ１および２７ｙ２を有する。また、表面２７ｔは、凹部Ｃ４を有し、裏面２７ｂは、凹部Ｃ５を有し、凹部Ｃ４およびＣ５は、半田シート２７の内部において、Ｙ方向に連続的に延在し、辺２７ｘ１および２７ｘ２において半田シート２７の外部に達している。
【００４５】
また、図１９に示すように、半田シート２７は、２つの山部２７ｍと、２つの谷部２７ｖとを有し、山部２７ｍと谷部２７ｖとの間に直線部２７ｓを有している。山部２７ｍおよび谷部２７ｖは、上記圧縮加工により直線から円弧状に塑性変形が施された領域であるが、直線部２７ｓは塑性変形していない。従って、山部２７ｍおよび谷部２７ｖは、加工硬化により、直線部２７ｓよりも高い硬度を有する。また、２箇所の山部２７ｍは、互いに等しい高さに設定されているため、仮想平面ＶＳ１に接触する。同様に、２箇所の谷部２７ｖも互いに等しい高さに設定されているため、仮想平面ＶＳ２に接触する。ここで、仮想平面ＶＳ１は、図１０に示すセラミック基板３のメッキ層３ｄに対応し、仮想平面ＶＳ２は、ベース基板６のメッキ層６ｃに対応している（メッキ層３ｄおよび６ｃは、図１に示す）。
【００４６】
図１２において、半田シート１７を半田シート２７に置換えた場合を想定する。半田シート２７は、表面２７ｔに凹部Ｃ４を有し、裏面２７ｂに凹部Ｃ５を有する。そして、半田シート２７は、断面視において、凹部Ｃ４の両端に位置する山部２７ｍでセラミック基板３のメッキ層３ｄに接触し、かつ、凹部Ｃ５の両端に位置する谷部２７ｖでベース基板６のメッキ層６ｃに接触しているため、第１積層体１８の自重によって凹部Ｃ４およびＣ５が潰れることなく第１積層体１８を支持することができる。従って、変形例１の半田シート２７によれば、上記実施例と同様の効果を達成することができる。
【００４７】
＜変形例２＞
図２０は、変形例２である半田シートの斜視図であり、図１９は、図１８のＸ２−Ｘ２に沿う断面図である。変形例２の半田シート２８は、Ｘ方向およびＹ方向に、上記実施例のＷ字形状の断面構造を有する。
【００４８】
図２０に示すように、半田シート２８は、表面（第１面）２８ｔと、表面２８ｔの反対側に位置する裏面（第２面）２８ｂとを有する。また、表面２８ｔは、Ｘ方向に延在する２つの辺２８ｘ１および２８ｘ２ならびにＹ方向に延在する２つの辺２８ｙ１および２８ｙ２を有する。また、表面２８ｔは、凹部Ｃ６〜Ｃ９を有し、裏面２６ｂは、凹部Ｃ１０を有し、凹部Ｃ６は、半田シート２８の内部に形成され、辺２８ｘ１および２８ｙ１において半田シート２８の外部に達している。凹部Ｃ７は、半田シート２８の内部に形成され、辺２８ｘ１および２８ｙ２において半田シート２８の外部に達しており、凹部Ｃ８は、半田シート２８の内部に形成され、辺２８ｘ２および２８ｙ１において半田シート２８の外部に達しており、凹部Ｃ９は、半田シート２８の内部に形成され、辺２８ｘ２および２８ｙ２において半田シート２８の外部に達している。また、凹部Ｃ１０は、半田シート２８の内部において、Ｘ方向およびＹ方向に連続的に延在し、辺２８ｘ１、２８ｘ２、２８ｙ１および２８ｙ２において、半田シート２８の外部に達している。
【００４９】
変形例２の半田シート２８によれば、上記実施例と同様の効果を達成することができる。
【００５０】
なお、本発明は、上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【００５１】
例えば、予備加熱工程Ｓ６において、還元性ガスとしてギ酸を用いたが、水素を用いることも出来る。
【符号の説明】
【００５２】
１  チップ（ＩＧＢＴ）
２  チップ（ダイオード）
３  セラミック基板
３ａ  基板
３ｂ  裏面（第２面）
３ｃ  配線
３ｄ  メッキ層（金属層）
３ｔ  表面（第１面）
４  接着層
５  ワイヤ
６  ベース基板
６ａ  基板
６ｂ  裏面（第２面）
６ｃ  メッキ層（金属層）
６ｔ  表面（第１面）
７  接着層
７ｘ１、７ｘ２、７ｙ１、７ｙ２  辺
８  外部端子
９  封止体
１０  半田インゴット
１１  圧延ロール
１２  圧延半田
１２ａ  ロール目
１３  ダイ
１４  パンチ
１５  プレス前半田シート
１６  金型
１７  半田シート
１７ａ  吸着部（平坦部）
１７ｂ  裏面（第２面）
１７ｍ  山部
１７ｓ  直線部
１７ｔ  表面（第１面）
１７ｘ１、１７ｘ２、１７ｙ１、１７ｙ２  辺
１７ｖ  谷部
１８  第１積層体
１９  ガイド
２０  吸着治具
２１  第２積層体
２２  チャンバー
２３  加熱機構
２４  ガス導入機構
２５  排気機構
２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄ、２６ｅ、２６ｆ  反応層
２７  半田シート
２７ｂ  裏面（第２面）
２７ｍ  山部
２７ｓ  直線部
２７ｔ  表面（第１面）
２７ｘ１、２７ｘ２、２７ｙ１、２７ｙ２  辺
２７ｖ  谷部
２８  半田シート
２８ｂ  裏面（第２面）
２８ｍ  山部
２８ｓ  直線部
２８ｔ  表面（第１面）
２８ｘ１、２８ｘ２、２８ｙ１、２８ｙ２  辺
２８ｖ  谷部
Ａ、Ｂ、Ｃ  領域
Ｃ１〜Ｃ１０  凹部
ＳＤ  半導体装置（パワーモジュール）
ＶＳ１、ＶＳ２  仮想平面
【図１】
2020017707.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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