(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
封止金型内で、第一の金属基板の一部に、第二の金属基板の一部である、又は前記第二の金属基板に接続された金属部材である、接合対象金属部材の一部を、金属接合材料を介して押圧しつつ、前記封止金型内にモールド樹脂を充填させる充填工程と、
前記モールド樹脂を硬化するとともに、前記金属接合材料を用いて前記第一の金属基板の一部と前記接合対象金属部材の一部の間を接合する硬化接合工程とを備え、
前記第一の金属基板及び前記第二の金属基板の少なくともいずれかには半導体素子が搭載されており、
前記充填工程において、前記封止金型に配置された押圧ピンによって前記押圧が行われ、前記封止樹脂が注入されている途中で、前記押圧ピンが前記封止金型内から引き抜かれる、
半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記硬化接合工程は、
前記封止金型内で、前記モールド樹脂を仮硬化するとともに、前記金属接合材料を用いて前記第一の金属基板の一部と前記接合対象金属部材の一部の間を仮接合する仮硬化接合工程と、
前記モールド樹脂を本硬化するとともに、前記金属接合材料を用いて前記第一の金属基板の一部と前記接合対象金属部材の一部の間を本接合する本硬化接合工程とを有する、請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記金属接合材料は、Ｓｎ−Ｂｉ合金膜である、請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記仮硬化接合工程において、
前記第一の金属基板の一部と、前記接合対象金属部材の一部は、Ｃｕ合金によって形成されており、
前記第一の金属基板の前記一部側に、金属間化合物であるＣｕ６Ｓｎ５の仮第１接合層が形成され
前記接合対象金属部材の前記一部側に、金属間化合物であるＣｕ６Ｓｎ５の仮第２接合層が形成され、
前記仮第１接合層と前記仮第２接合層の間に、マーブル状にＳｎ−ＢｉとＢｉが配置された仮第３接合層が形成され、
前記本硬化接合工程において、
前記第一の金属基板の前記一部側に、金属間化合物であるＣｕ６Ｓｎ５の本第１接合層が形成され、
前記接合対象金属部材の前記一部側に、金属間化合物であるＣｕ６Ｓｎ５の本第２接合層が形成され、
前記本第１接合層と前記本第２接合層の間に、Ｂｉの本第３接合層が形成される、請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記Ｓｎ―Ｂｉ合金は、Ｓｎが２５ａｔｍ％〜６０ａｔｍ％含まれている、請求項３又は４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記硬化接合工程は、１７０℃〜１８０℃で行われる、請求項１〜５のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記金属接合材料は、前記第一の金属基板の一部と前記第二の金属基板の一部に、電解メッキによって、予め形成されている、請求項１〜６のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記金属部材は、前記第二の金属基板に前記金属接合材料を介して接続されている、請求項１〜７のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【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及び半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電力制御やモーターの回転制御に使用されるパワーデバイスは、実装面積の削減、半導体素子間距離の短縮による性能向上、ユーザー側の設計負荷低減を目的として、複数の半導体素子を一つのパッケージに収めたモジュール化された製品が増加している。このように１パッケージ化された製品はパワーモジュールと呼ばれ、スイッチングを行うＩＧＢＴ（ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  ｇａｔｅ  ｂｉｐｏｌａｒ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）のようなパワー半導体素子と、そのパワー半導体素子を駆動するドライバ素子を複数搭載し、必要な場合にはさらに複数の受動素子と放熱板を内蔵している。
【０００３】
さらに、パワーモジュールを搭載する製品の小型化、低コスト化を目的に、パワーモジュールそのものにも小型化が求められている。パワーモジュールの形態として、その生産性の高さからリードフレームを使用したトランスファーモールドによるパッケージ形態が増加しつつある。この場合、一枚のリードフレーム上に各素子を搭載し、素子の電極とインナーリードをＡｌワイヤーやＡｕワイヤーで電気的に接続するが、例えば三相インバータ用のパワーモジュールであるとパワー半導体素子が６素子搭載され、電流が大きくなるほど広いリード幅とリード間隔が必要となる。
【０００４】
またパワー半導体素子の発熱が大きい場合には放熱板を設け、さらに前述のようにドライバ素子等も内蔵されるため、部品点数が多く小型化に限界が来ている。
【０００５】
これを解決する従来技術が、例えば、特許文献１に示されている。図１２は、特許文献１に示す半導体装置の構成を示す図である。この先行例によれば、ヒートシンク１０１上にパワー素子１０２が搭載され、リードフレーム１０３上に制御素子１０４と受動部品１０５が搭載されている。その際リードフレーム１０３とヒートシンク１０１をオーバーラップさせるように配置することで三次元的に小型化が図られている。また、この時リードフレーム１０３とヒートシンク１０１はかしめ接合もしくは接着によって接合されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１５０２０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら前記のような従来技術は、リードフレーム１０３とヒートシンク１０１を接続する際に以下のような課題を有している。
【０００８】
図１３（ａ）〜（ｄ）は、リードフレーム１０３とヒートシンク１０１を、かしめて接合する際の概略構成図である。通常かしめて接合する場合、まず図１３（ａ）のようにリードフレーム１０３に対して下側に配置されるヒートシンク１０１の表面に突起が設けられる必要がある。通常この突起は裏面からの打ち抜きによって、その厚みの半分だけ突出させることで形成される。
【０００９】
次に、図１３（ｂ）のようにリードフレーム１０３には突起に沿った穴を形成しておき、リードフレーム１０３とヒートシンク１０１は、接合の際にはその穴に突起を通して重ねられる。
【００１０】
次に、図１３（ｃ）のように金型のパンチ１０６による潰し加工をすることで、ヒートシンク１０１とリードフレーム１０３のかしめ接合が達成される。図１３（ｄ）のように、加工後は潰した部分が横に広がって、リードフレーム１０３とヒートシンク１０１は機械的な引っかかりを利用して接合される。このように機械的な引っかかりを利用した接合が、かしめ接合である。
【００１１】
しかしながら、かしめ接合は機械的な接合を目的とするため、ヒートシンクの代わりに放熱性を有する他のリードフレームを配置し、そのリードフレームとリードフレーム１０３を電気的に接続しなければならない場合、両者は接触しているのみであるため、電気的特性が不安定になるといった問題がある。
【００１２】
一方、ヒートシンク１０１とリードフレーム１０３を接着によって接続する場合、一般的に接着剤は樹脂成分が大部分を占めるため、接合部の電気抵抗が高く、パワーモジュールのように数十アンペアの電流を使用する際には配線としての十分な特性を得ることが出来ないという懸念もある。
【００１３】
本発明は、上記従来の課題を考慮し、電気的特性がより向上した半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために、第１の本発明は、
封止金型内で、第一の金属基板の一部に、第二の金属基板の一部である、又は前記第二の金属基板に接続された金属部材である、接合対象金属部材の一部を、金属接合材料を介して押圧しつつ、前記封止金型内にモールド樹脂を充填させる充填工程と、
前記モールド樹脂を硬化するとともに、前記金属接合材料を用いて前記第一の金属基板の一部と前記接合対象金属部材の一部の間を接合する硬化接合工程とを備え、
前記第一の金属基板及び前記第二の金属基板の少なくともいずれかには半導体素子が搭載されており、
前記充填工程において、前記封止金型に配置された押圧ピンによって前記押圧が行われ、前記封止樹脂が注入されている途中で、前記押圧ピンが前記封止金型内から引き抜かれる、
半導体装置の製造方法である。
【００１５】
第２の本発明は、
前記硬化接合工程は、
前記封止金型内で、前記モールド樹脂を仮硬化するとともに、前記金属接合材料を用いて前記第一の金属基板の一部と前記接合対象金属部材の一部の間を仮接合する仮硬化接合工程と、
前記モールド樹脂を本硬化するとともに、前記金属接合材料を用いて前記第一の金属基板の一部と前記接合対象金属部材の一部の間を本接合する本硬化接合工程とを有する、第１の本発明の半導体装置の製造方法である。
【００１６】
第３の本発明は、
前記金属接合材料は、Ｓｎ−Ｂｉ合金膜である、第２の本発明の半導体装置の製造方法である。
【００１７】
第４の本発明は、
前記仮硬化接合工程において、
前記第一の金属基板の一部と、前記接合対象金属部材の一部は、Ｃｕ合金によって形成されており、
前記第一の金属基板の前記一部側に、金属間化合物であるＣｕ６Ｓｎ５の仮第１接合層が形成され
前記接合対象金属部材の前記一部側に、金属間化合物であるＣｕ６Ｓｎ５の仮第２接合層が形成され、
前記仮第１接合層と前記仮第２接合層の間に、マーブル状にＳｎ−ＢｉとＢｉが配置された仮第３接合層が形成され、
前記本硬化接合工程において、
前記第一の金属基板の前記一部側に、金属間化合物であるＣｕ６Ｓｎ５の本第１接合層が形成され、
前記接合対象金属部材の前記一部側に、金属間化合物であるＣｕ６Ｓｎ５の本第２接合層が形成され、
前記本第１接合層と前記本第２接合層の間に、Ｂｉの本第３接合層が形成される、第３の本発明の半導体装置の製造方法である。
【００１８】
第５の本発明は、
前記Ｓｎ―Ｂｉ合金は、Ｓｎが２５ａｔｍ％〜６０ａｔｍ％含まれている、第３又は４の本発明の半導体装置の製造方法である。
【００１９】
第６の本発明は、
前記硬化接合工程は、１７０℃〜１８０℃で行われる、第１〜５のいずれかの本発明の半導体装置の製造方法である。
【００２２】
第７の本発明は、
前記金属接合材料は、前記第一の金属基板の一部と前記第二の金属基板の一部に、電解メッキによって、予め形成されている、第１〜６のいずれかの本発明の半導体装置の製造方法である。
【００２３】
第８の本発明は、
前記金属部材は、前記第二の金属基板に前記金属接合材料を介して接続されている、第１〜７のいずれかの本発明の半導体装置の製造方法である。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、電気的特性がより向上した半導体装置の製造方法及び半導体装置を提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】（ａ）本発明にかかる実施の形態１における半導体装置の概略構成図、（ｂ）接続部を示す図１（ａ）の部分拡大構成図
【図２】（ａ）本発明の実施の形態１における半導体装置の製造方法の封止金型内の状態を説明するための概略構成図、（ｂ）接続部を示す図２（ａ）の部分拡大構成図
【図３】（ａ）本発明の実施の形態１における半導体装置の製造方法の充填工程を説明するための概略構成図、（ｂ）接続部を示す図３（ａ）の部分拡大構成図
【図４】（ａ）本発明の実施の形態１における半導体装置の製造方法の仮硬化接合工程を説明するための概略構成図、（ｂ）接続部を示す図４（ａ）の部分拡大構成図
【図５】本発明の実施の形態１における半導体装置の製造方法の本硬化接合工程を説明するための概略構成図
【図６】本発明にかかる実施の形態２における半導体装置の概略構成図
【図７】（ａ）本発明にかかる実施の形態３における半導体装置の概略構成図、（ｂ）接続部を示す図７（ａ）の部分拡大構成図
【図８】本発明の実施の形態３における半導体装置の製造方法の封止金型内の状態を説明するための概略構成図
【図９】本発明の実施の形態３の半導体装置の製造方法における金属クリップを説明するための概略構成図
【図１０】本発明の実施の形態３における半導体装置の製造方法の充填工程を説明するための概略構成図
【図１１】本発明の実施の形態１の変形例の半導体装置の製造方法を説明するための概略構成図
【図１２】従来の技術における半導体装置の構造を示す概略図
【図１３】（ａ）〜（ｂ）従来の技術におけるかしめ工法を現す概略図
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明にかかる実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２８】
（実施の形態１）
以下に、本発明にかかる実施の形態１における半導体装置について説明する。
【００２９】
図１（ａ）は、本実施の形態１の半導体装置の断面構成図である。図１（ａ）に示すように、本実施の形態１の半導体装置は、第一の半導体素子１が搭載された第一の金属基板２と、第一の金属基板２の上方に配置され、第二の半導体素子３が搭載された第二の金属基板４とを備えている。
【００３０】
第二の金属基板４には、下方に向かって形成され、第一の金属基板２にダウンセットされた接合用部分４０が設けられている。そして、この接合用部分４０の先端の裏側部分４１と、第一の金属基板２の表側部分２０が接合部８において接合されている。
【００３１】
また、第一の金属基板２としては、例えば金属リードフレームを用いることが出来、パワーモジュールのような発熱量の大きい半導体装置には熱伝導性の良いＣｕ系リードフレームが用いられる。第一の半導体素子１は、例えば半田材料３１を用いて第一の金属基板２に接合されている。さらに第一の半導体素子１と第一の金属基板２及び第二の金属基板４は金属ワイヤー９で接続されている。この時金属ワイヤー９は通常Ａｕワイヤーが用いられるが、電流の大きな半導体素子である場合はＡｕワイヤーよりも径を大きくし、大電流化に対応出来るＡｌワイヤーを用いることが出来る。
【００３２】
第二の金属基板４としては、例えば金属リードフレームを用いることが出来、熱膨張係数を整合させ応力の発生を低減させる観点から第一の金属基板２と同じＣｕ系リードフレームが用いられる。第二の金属基板４には、例えば導電性ペースト３２を用いて第二の半導体素子３が接合されている。さらに第二の半導体素子３と第二の金属基板４は金属ワイヤー９で接続されている。この時金属ワイヤー９はＡｕワイヤーを用いることが出来る。
【００３３】
上記第一の半導体素子１、第一の金属基板２、第二の半導体素子３、第二の金属基板４、金属ワイヤー９等がモールド樹脂１０によって覆われている。尚、第一の金属基板２は、モールド樹脂１０から露出した露出面２１を有しており、第一の半導体素子１及び第二の半導体素子３の熱が、露出面２１から放熱される。
【００３４】
また、金属ワイヤー９と第一の金属基板２及び第二の金属基板４の接続パターンは回路によって異なり、本実施例のような接続パターンの限りではない。
【００３５】
次に、接合部８について説明する。
【００３６】
図１（ｂ）は、接合部８の拡大構成図である。図１（ｂ）に示すように、接合部８では、第二の金属基板４の裏側部分４１側に金属間化合物１００による金属間化合物層１１ｂが形成されている。また、第一の金属基板２の表側部分２０側に金属間化合物１００による金属間化合物層１１ａが形成されている。そして、２つの金属間化合物層１１ａ、１１ｂに挟まれて、金属単相１２１から形成された単一金属層１２が形成されている。この金属間化合物１００は、例えばＣｕ６Ｓｎ５である。又、金属単相１２１は、例えばＢｉである。又、本発明の第一の金属基板の一部の一例は、本実施の形態１の第一の金属基板２の表側部分２０に対応し、本発明の第二の金属基板の一部の一例は、本実施の形態１の第二の金属基板４の裏側部分４１に対応する。又、本発明の第１接合層の一例は、本実施の形態１の金属間化合物層１１ａに対応し、本発明の第２接合層の一例は、本実施の形態１の金属間化合物層１１ｂに対応し、本発明の第３接合層の一例は、本実施の形態１の単一金属層１２に対応する。また、本発明の接合対象金属部材の一例は、本実施の形態１の第二の金属基板４の一部に対応する。
【００３７】
以下に、本発明にかかる実施の形態１の半導体装置の製造方法について説明する。
【００３８】
はじめに、封止金型内に半導体装置の構成を配置する配置工程について説明する。
【００３９】
図２（ａ）は、本実施の形態１の半導体装置の製造方法の配置工程を説明するための断面構成図である。又、図２（ｂ）は、接合部８を拡大した構成図である。
【００４０】
図２（ａ）に示すように、第一の半導体素子１が搭載された第一の金属基板２と、第二の半導体素子３が搭載された第二の金属基板４が封止金型５内に配置されている。
【００４１】
また、この時第一の金属基板２の表側部分２０と、第二の金属基板４の接合用部分４０の先端の裏側部分４１は、接合材料６を介して接触しており、封止金型５が型締めされた時に、押圧ピン７が裏側部分４１をその上部から押すことによって、裏側部分４１が接合材料６を介して第一の金属基板２の表側部分２０を押圧している。
【００４２】
尚、図２（ｂ）に示すように、接合材料６が溶融した状態で第一の金属基板２の表側部分２０と第二の金属基板４の裏側部分４１に挟まれている。
【００４３】
この接合材料６は、例えば第一の金属基板２と第二の金属基板４にそれぞれあらかじめ電解めっきによって形成されたＳｎ−Ｂｉ合金膜を使用することが出来、封止金型５の中で溶融された状態となる。通常、封止金型５の設定温度は樹脂の成形性に合わせて１７０℃から１８０℃で使用されるのが一般的であるため、接合材料６であるＳｎ−Ｂｉ合金膜は、融点がその温度域以下になるようＳｎが２５ａｔｍ％〜６０ａｔｍ％の間で含有するように調整されている。またこの時は接合が完了していない状態であるため、封止金型５にあらかじめ設けられた押圧ピン７で接合部８が保持されている。尚、本発明の金属接合材料の一例は、本実施の形態の接合材料に対応する。
【００４４】
次に、充填工程について説明する。
【００４５】
図３（ａ）は、本実施の形態１の半導体装置の製造方法における充填工程を説明するための図である。又、図３（ｂ）は、接合部８を拡大した構成図である。図３（ａ）に示すように、封止金型５内にモールド樹脂１０が注入され、成型が行われる。この時、押圧ピン７は樹脂流動が完了する前に封止金型５内から引き戻される。
【００４６】
この充填工程において、接合部８が注入されたモールド樹脂１０で覆われ、そのモールド樹脂１０で接合部８が保持された状態になった後に、押圧ピン７が引き戻されるように調整しておくと、接合部８が溶融している状態であってもずれが生じないので好ましい。
【００４７】
そして、図３（ｂ）に示すように、接合部８では、接合材料６のＳｎ−Ｂｉ合金中のＳｎが、第一の金属基板２及び第二の金属基板４中のＣｕへ拡散し、反応し始め、金属間化合物１００が形成される。この金属間化合物１００は、封止金型５の設定温度である１７０℃〜１８０℃よりも融点が高いため、金属間化合物１００の固相としてリードフレーム（第一の金属基板２と第二の金属基板４）とＳｎ−Ｂｉ合金（接合材料６）の間に、金属間化合物層１１１１ａ、１１１１ｂとして層状に析出してくる。具体的には、第一の金属基板２の表側部分２０と接合材料６の間から金属間化合物１００が析出し、金属間化合物層１１１１ａが形成され、第二の金属基板４の裏側部分４１と接合材料６の間から金属間化合物１００が析出し、金属間化合物層１１１１ｂが形成される。尚、この金属間化合物１００は例えばＣｕ６Ｓｎ５である。ここで、金属間化合物層１１１１ａ、１１１１ｂは、図１（ｂ）で述べた金属間化合物層１１ａ、１１ｂが形成される途中の状態を示しているものであり、金属間化合物層１１ａ、１１ｂよりも幅が狭いものである。
【００４８】
次に、仮硬化接合工程について説明する。
【００４９】
図４（ａ）は本実施の形態１の半導体装置の製造方法における仮硬化接合工程を説明するための図である。又、図４（ｂ）は、接合部８の拡大構成図である。図４（ａ）に示すように、この仮硬化接合工程では、封止金型５内へのモールド樹脂１０の充填が完了し、注入圧がかけられた状態である。
【００５０】
そして、押圧ピン７は完全に上がりきった状態であり、モールド樹脂１０が仮硬化するのを待ってから成型が完了する。尚、仮硬化接合工程において、封止金型５の設定温度は、１７０℃〜１８０℃である。
【００５１】
一方、図３（ｂ）に示した状態から接合部８はさらに反応が進み、図４（ｂ）に示すように、金属間化合物層１１１１ａ、１１１１ｂから層の厚みが増した金属間化合物層１１１ａ、１１１ｂが形成される。又、金属間化合物層１１１ａ、１１１ｂの間の層３５では、Ｓｎ−Ｂｉ合金である接合材料６と金属単相１２１がマーブル模様を形成した状態で混在した状態となっている。この金属単相１２１は例えばＢｉである。
【００５２】
この仮硬化接合工程において、モールド樹脂１０の硬化時間はその組成に寄与するが、一般的に７０ｓｅｃから１２０ｓｅｃの間で仮硬化接合が完了する。また接合部８では、この時金属単相１２１が固相として現れ、上下の金属間化合物層１１１ａ、１１１ｂと繋がることで第一の金属基板２と第二の金属基板４を接合することが出来る。尚、本発明の仮第１接合層の一例は、本実施の形態１の金属間化合物層１１１ａに対応する。又、本発明の仮第２接合層の一例は、本実施の形態１の金属間化合物層１１１ｂに対応する。又、本発明の仮第３接合層の一例は、本実施の形態１の層３５に対応する。
【００５３】
次に、本硬化接合工程について説明する。
【００５４】
図５は、実施の形態１における半導体装置の製造方法における本硬化接合工程を説明するための図である。図５に示すように、成型が完了した後、モールド樹脂１０を本硬化するため熱処理が行われるとともに、接合部８においても本接合が行われる。上記仮硬化接合工程が終了した後、成型が完了した半導体装置が封止金型５から取り出され、オーブン３０に入れられ、本硬化接合工程が行われる。
【００５５】
この本硬化接合工程において、モールド樹脂１０の本硬化は充填工程及び仮硬化接合工程と同一温度である１７０℃〜１８０℃の範囲で５時間以上行うことが望ましい。また接合部８は仮硬化接合工程からさらに反応が進み、金属間化合物層１１１ａ、１１１ｂの状態から、Ｓｎ−Ｂｉ合金層中のＳｎが全てリードフレーム（第一の金属基板２と第二の金属基板４）のＣｕと反応し金属間化合物層１１ａ、１１ｂの形成が完了する。またその間にはＳｎが全てＣｕと反応しているため、単一の金属で形成された単一金属層１２が残ることになる。
【００５６】
すなわち、図１（ｂ）に示すように、接合部８はＳｎ−Ｂｉ合金層が消失し、金属単相によって形成された単一金属層１２が金属間化合物層１１ａ、１１ｂに挟まれた状態になる。尚、この本硬化接合工程では、半導体装置は一般的にバッチ処理される。又、本発明の本第１接合層の一例は、本実施の形態１の金属間化合物層１１ａに対応する。又、本発明の本第２接合層の一例は、本実施の形態１の金属間化合物層１１ｂに対応する。又、本発明の本第３接合層の一例は、本実施の形態１の単一金属層１２に対応する。
【００５７】
その後は、モールド樹脂１０から突出している第一の金属基板２及び第二の金属基板４を必要に応じてカット、外装めっき処理、フォーミングして半導体装置が完成する。
【００５８】
尚、金属間化合物層１１ａ、１１ｂを形成する金属間化合物１００と単一金属層１２を形成する金属単相１２１は、それぞれＣｕ６Ｓｎ５、Ｂｉである場合、融点が４１５℃、２７０℃である。一般的に半導体装置は使用される際に、その他の電子部品とプリント基板へ実装されるが、その場合はんだ材料を用い、リフロー処理で一括実装されることが多い。接合部８の金属間化合物１００と金属単相１２１は一般的なリフロー温度である２６０℃よりも融点が高いため、半導体装置がリフロー処理されたとしても、接合部８が溶融しないといった利点も合わせ持つ。
【００５９】
以上のように、本実施の形態１の半導体装置の製造方法によれば、金属接合材料を用いて、第一の金属基板２と第二の金属基板４を金属的に接続することが出来るため、電気的に安定し、且つ電気抵抗を低くすることが出来、電気的特性を向上させることが可能となる。
【００６０】
又、金属間の拡散反応を用いたはんだ接合技術によって、耐熱性が要求されるパワーモジュールのような複数の部品が搭載される半導体装置で、内部のリードフレーム同士の接合部を高耐熱化し、さらに半導体装置のサイズを効果的に小型化することが出来る。
【００６１】
又、従来の樹脂成分を含んだ接着剤を用いた場合、パワーモジュール等に対する使用に適さないとともに、接着剤を塗布し、硬化させるという工程を導入する必要があったが、本実施の形態では、樹脂の硬化とともに、接合部８の硬化も行うことが出来る。すなわち、接合部８の仮接合と本接合の二段階接合を従来工程のプロセスを利用して実施しているため、リードタイムを保持することが出来る。
【００６２】
さらに金属の拡散現象によって融点を上昇させることで、リフロー温度に対する耐熱性を付与し、金属接合によって接合部の電気抵抗も低いという品質的な効果もある。
【００６３】
又、従来のように、かしめ接合する場合、ヒートシンク１０１の厚みをリードフレーム１０３よりも２倍程度厚くしておかなければ、ヒートシンク１０１側の突起がリードフレーム１０３側の穴を通らない。このように放熱目的であるヒートシンク１０１が必要以上に厚くなるため、半導体素子から半導体装置外部までの距離が長くなり、半導体装置としての熱抵抗が上昇する。Ｓｉ系パワー素子であれば一般的に半導体素子が１２５℃〜１５０℃を超えないように設計されており、熱抵抗が上昇すると半導体素子から発生する熱を十分に外部へ逃がすことが出来ず、自身からの発熱で半導体素子の特性を保つ事が出来なくなるという懸念があった。
【００６４】
しかしながら、以上のように本発明の半導体装置の製造方法によれば、放熱板として機能するリードフレーム（第一の金属基板２）の厚みを不必要に増やすことなく、リードフレーム同士（第一の金属基板２と第二の金属基板４）を接合することが出来、熱抵抗の増加なく半導体装置の小型化が達成される。
【００６５】
又、第二の金属基板４と、ヒートシンクとしての機能も有する第一の金属基板２との接合部８はリフローにおいても溶融しない耐熱性を有しているため、接合品質が良い。
【００６６】
尚、本実施の形態１では、仮硬化接合工程が終了した後に、封止金型５から取り出して、オーブン３０で本硬化接合工程を行っているが、封止金型５内で本硬化接合工程を行っても良い。但し、生産効率の観点からはオーブン３０によるバッチ処理を行った方が望ましい。
【００６７】
（実施の形態２）
以下に、本発明にかかる実施の形態２における半導体装置について説明する。本実施の形態２の半導体装置は、実施の形態１と基本的な構造は同じであるが、放熱板が設けられている点等が異なっている。そのため、本相違点を中心に説明する。尚、実施の形態１と同様の構成については、同一の符号が付されている。
【００６８】
図６は本発明の実施の形態２における半導体装置の概略構成図である。
【００６９】
上記実施の形態１では、第一の金属基板２の裏面を半導体装置から露出させて放熱構造をとっており、第一の金属基板２にも電流が流れる構成となっている。しかしながら放熱板１３を電気的に絶縁しておきたい場合には、本実施の形態２のような構成をとることによって実現出来る。
【００７０】
つまり、第一の半導体素子１が搭載された第一の金属基板２が、絶縁シート１４と接着しており、その絶縁シート１４を介して放熱板１３が配置され、放熱板１３の裏面が露出した構造となっている。この絶縁シート１４を適切な厚みにすることで、放熱板１３を電気的に絶縁すると共に、放熱する構造をとることが可能となる。
【００７１】
絶縁シート１４は熱伝導率を高めるためフィラーとしてＡｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）やＢＮ（窒化ホウ素）を使用したものが好ましい。第一の金属基板２と第二の金属基板４を接続する方法は実施の形態１と同様である。
【００７２】
以上のように、本実施の形態２の構成では、放熱板１３は従来技術とは異なり、かしめて接合する必要がないので薄く出来る。
【００７３】
また、従来技術のように、本実施の形態２において、放熱板１３と第二の金属基板４の接合用部分４０の先端を、かしめようとすると、かしめ部に絶縁シートが介在するため非常に困難となり、構造の面でも本発明は有効である。
【００７４】
（実施の形態３）
以下に、本発明にかかる実施の形態３における半導体装置について説明する。本実施の形態３の半導体装置は、実施の形態１と基本的な構成は同じであるが、金属クリップを介して第一の金属基板と第二の金属基板が接続されている点が異なっている。そのため、本相違点を中心に説明する。尚、実施の形態３と同様の構成については実施の形態１と同じ符号が付されている。
【００７５】
図７（ａ）は、本発明の実施の形態３における半導体装置の概略構成図である。
【００７６】
図７（ａ）に示すように、本実施の形態３の半導体装置には、実施の形態１で説明した第二の金属基板４の代わりに、第二の金属基板４００が設けられている。この第二の金属基板４００には、第二の金属基板４に設けられていた接合用部分４０が設けられていない。
【００７７】
そして、上記実施の形態１では第一の金属基板２と第二の金属基板４は直接接合されていたが、本実施の形態３においては金属クリップ１５を用いて第一の金属基板２と第二の金属基板４００が接合されている。この金属クリップ１５は、例えばＣｕ合金によって形成されており、その両端のうち一方の端の裏側部分１５１で、接合部３３において第一の金属基板２と接合されており、他方の端の裏側部分１５２で接合部３４において第二の金属基板４００と接合されている。
【００７８】
この接合部３３及び接合部３４における構造は、実施の形態１と同様である。図７（ｂ）は、接合部３３の拡大構成図である。例えば、接合部３３では、図７（ｂ）に示すように、第一の金属基板２の表側部分２０側に金属間化合物層１１ａが形成されており、金属クリップ１５の一端の裏側部分１５１側に金属間化合物層１１ｂが形成されており、これら２つの金属間化合物層１１ａ、１１ｂの間に金属単相１２１による単一金属層１２が形成されている。この金属間化合物層１１ａ、１１ｂを形成する金属化合物は、例えばＣｕ６Ｓｎ５であり、単一金属層１２を形成する金属単相１２１は、例えばＢｉである。また、本発明の金属部材の一例は、本実施の形態１の金属クリップ１５に対応する。
【００７９】
次に、本実施の形態３の半導体装置の製造方法について説明する。
【００８０】
図８は、本実施の形態３の半導体装置の製造方法の配置工程を説明するための断面構成図である。
【００８１】
図８に示すように、実施の形態１と異なり、第二の金属基板４の代わりに、下方に向かって形成されている接合用部分４０が設けられていない第二の金属基板４００が、第一の金属基板２の上方に配置されている。又、実施の形態２と同様に、第一のリードフレーム基板２の下面に絶縁シート１４を介して放熱板１３が設けられている。
【００８２】
そして、金属クリップ１５が、第一の金属基板２と第二の金属基板４００の間を繋ぐように配置されている。
【００８３】
図９は、金属クリップ１５の構成図である。この図９に示すように、金属クリップ１５の両端の裏側部分１５１、１５２に、電解めっきによって接合材料６としてＳｎ−Ｂｉ合金膜が成膜されており、第一の金属基板２の表側部分２０及び第二の金属基板４００の表側部分４１０には、Ｓｎ―Ｂｉ合金膜は形成されていない。
【００８４】
そして、金属クリップ１５の両端が、それぞれ押圧ピン７によって、第一の金属基板２の表側部分２０と、第二の金属基板４００の表側部分４１０に押圧されている。
【００８５】
図１０は、本実施の形態３の半導体装置の製造方法における充填工程を説明するための断面構成図である。図１０に示すように、封止金型５０内にモールド樹脂１０を注入し、２つの押圧ピン７は、樹脂流動が完了する前に封止金型５０から引き戻される。ここで、それぞれ接合部３３、３４がモールド樹脂１０で覆われ、そのモールド樹脂１０で接合部３３、３４が保持されて状態で、押圧ピン７が引き戻されるように調整する方が、接合部３３、３４が溶融している状態であってもずれが発生しないのでより好ましい。
【００８６】
以降の、仮硬化接合工程及び本硬化接合工程は、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。
【００８７】
上述した実施の形態１及び実施の形態２では第一の金属基板２と第二の金属基板４にあらかじめＳｎ−Ｂｉ合金膜を電解めっきによって成膜していたが、封止金型５内に配置する前工程であるダイボンディング工程、ワイヤーボンディング工程では熱を使用する場合が多いため、第一の金属基板２及び第二の金属基板４上のＳｎ−Ｂｉ合金膜が溶融し、接合する前に拡散を起こし接合品質が若干低下する可能性がある。
【００８８】
まず、ダイボンディング工程は、第一の金属基板２及び第二の金属基板４にそれぞれ第一の半導体素子１及び第二の半導体素子３を搭載する工程であり、材料としてはんだを使用する場合には２５０℃以上、導電性ペーストを使用する場合には１５０℃〜２００℃程度の熱履歴がかかる。さらにワイヤーボンディング工程は第一の半導体素子１及び第二の半導体素子３と、第一の金属基板２及び第二の金属基板４とを金属ワイヤー９にて電気的に接続する工程であり、一般的に熱と超音波を利用した接合工法であるため１５０℃〜２５０℃程度の熱履歴がかかる。これらの工程は品種によって要するプロセス時間が異なるため印加される熱量も異なり、Ｓｎ−Ｂｉ合金膜に与える影響も一様ではない。
【００８９】
そのような場合に、本実施の形態３は有効であり、金属クリップ１５にのみＳｎ−Ｂｉ合金膜を成膜しておくことで、ダイボンディング工程、ワイヤーボンディング工程の熱の影響を低減することが出来る。
【００９０】
上述したように、第一の金属基板２と第二の金属基板４にはＳｎ−Ｂｉ合金膜を成膜せず、ダイボンディング、ワイヤーボンディングを実施する。そして、第一の金属基板２と第二の金属基板４を封止金型５に配置した後、第一の金属基板２及び第二の金属基板４と接する部分に、金属クリップ１５のＳｎ−Ｂｉ合金膜が形成された部分を配置し、上記のように充填工程、仮硬化接合工程、及び本硬化接合工程が実施される。本実施の形態では、封止金型５内に配置してからＳｎ−Ｂｉ合金膜が初めて溶融するため、前工程のプロセス条件に関わらず安定して第一の金属基板２と第二の金属基板４を接合することが可能となる。
【００９１】
尚、実施の形態３では、金属クリップ１５が設けられており、実施の形態１では、第二の金属基板４に下方に延びた接合用部分４０が設けられているが、このような構成に限らず、図１１に示すような構成の半導体装置であってもよい。図１１に示す半導体装置では、下方に延びた接合用部分４０が設けられていない第二の金属基板４００の裏側部分４２０と第一の金属基板２の表側部分２０が、２つの金属間化合物層１１ａ、１１ｂとその間の単一金属層１２によって接合されている。この場合、本発明の第二の金属基板の一部の一例は、本実施の形態の第二の金属基板４００の裏側部分４２０に対応する。
【００９２】
以上のように、本発明の半導体装置の製造方法は、２枚の金属基板を立体的に配置したパワーモジュール等において、接合部における電気的接続が安定し、抵抗を下げることが出来る。更に、ヒートシンクの厚みを不必要に厚くすること無く、また工程を増やす事無く２枚の金属基板を接合することが出来、半導体装置の小型化に対して有効である。尚、上記実施の形態では、上下に配置された２枚の金属基板を接合していたが、２枚に限らなくても良く、３枚以上であっても良い。
【産業上の利用可能性】
【００９３】
本発明の半導体装置の製造方法によれば、電気的特性が向上するという効果を有し、パワーモジュール等として有用である。
【符号の説明】
【００９４】
１  第一の半導体素子
２  第一の金属基板
３  第二の半導体素子
４、４００  第二の金属基板
５  封止金型
６  接合材料
７  押圧ピン
８、３３、３５  接合部
９  金属ワイヤー
１０  モールド樹脂
１１ａ、１１ｂ  金属間化合物層
１２  単一金属層
１３  放熱板
１４  絶縁シート
１５  金属クリップ
１００  金属間化合物
１０１  ヒートシンク
１０２  パワー素子
１０３  リードフレーム
１０４  制御素子
１０５  受動部品
１０６  パンチ
１２１  金属単相
【図９】
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【図１】
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【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１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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