(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に電極を有する半導体素子と、
前記半導体素子を支持するダイ部と、
表面が少なくとも銅もしくは銅合金であるインナーリード部を有するリードと、
前記インナーリード部と前記電極とを電気的に接続するワイヤと、
前記ダイ部と前記半導体素子とを接合する接合部材とを有し、
前記接合部材は、前記半導体素子及び前記ダイ部それぞれとの接合界面に銅と錫との合金による反応層を有するとともに、前記一対の反応層の間に、アンチモンを組成に含む錫基合金であって銅もしくは銅合金の粒を含有した接合部材を有することを特徴とするパワーデバイス。
【請求項２】
表面に電極を有する半導体素子と、
前記半導体素子を支持するダイ部と、
表面が少なくとも銅もしくは銅合金であるインナーリード部を有するリードと、
前記インナーリード部と前記電極とを電気的に接続するワイヤと、
前記ダイ部と前記半導体素子とを接合する接合部材とを有し、
前記接合部材は、前記半導体素子及び前記ダイ部それぞれとの接合界面に銅と錫との合金による反応層を有するとともに、前記一対の反応層の間に、４０ｗｔ％以上のアンチモンを組成に含む錫基合金であって銅もしくは銅合金の粒を含有した接合部材を有することを特徴とするパワーデバイス。
【請求項３】
アンチモンが組成に含まれる鉛フリー錫基はんだと、前記鉛フリー錫基はんだに対して混練されている銅もしくは銅合金の粒と、を具備することを特徴とするダイマウント用の錫基はんだ材料。
【請求項４】
アンチモンが３５ｗｔ％未満で組成に含まれる鉛フリー錫基はんだと、前記鉛フリー錫基はんだに対して混練されている複数の銅もしくは銅合金の粒と、を具備することを特徴とするダイマウント用の錫基はんだ材料。
【請求項５】
アンチモンが３０ｗｔ％以上３５ｗｔ％未満で組成に含まれる鉛フリー錫基はんだと、前記鉛フリー錫基はんだに対して混練されている複数の銅もしくは銅合金の粒と、を具備することを特徴とするダイマウント用の錫基はんだ材料。
【請求項６】
請求項３乃至５のいずれかに記載の錫基はんだ材料と、フラックスと、を具備することを特徴とするペースト状の錫基はんだ材料。
【請求項７】
銅もしくは銅合金の粒を含有するアンチモンの組成比が３５ｗｔ％未満の鉛フリー錫基はんだ材料によって半導体素子とリードフレームとを接合し、銅もしくは銅合金の粒子を含有するアンチモン濃度４０ｗｔ％以上の鉛フリー錫基はんだの接合部材を形成する工程を有することを特徴とするパワーデバイスの製造方法。
【請求項８】
半導体素子を、少なくとも表面が銅もしくは銅合金によって形成されているリードフレームに対して、銅もしくは銅合金の粒ならびにアンチモンを組成に含む鉛フリー錫系はんだの粒を有するソルダペーストを介してマウントする工程と、
前記半導体素子が前記リードフレームにマウントされた状態でさらに所定の温度で加熱しつづけ、前記ダイ部及び前記半導体素子のそれぞれのソルダペーストとの接合界面に銅と錫の合金層を成長させる熱処理工程と、
前記半導体素子表面に形成された電極と前記リードのインナーリード部とを導電性のワイヤによって結線し電気的に接続するワイヤボンディング工程と、
すくなくとも前記半導体素子と前記ワイヤとを封止する工程と、
を具備することを特徴とするパワーデバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉛を含まないはんだを用いたダイマウントに関するものであり、特にパワーデバイスに適用されるはんだと製造方法に関わる。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境への配慮から、電気部品の接合に用いられるはんだの材料から、環境有害物質とされている鉛の成分が除かれてきている。このような鉛を含まないはんだをPbフリーはんだと呼んでいる。
電気部品と配線基板との接合は、そのほとんどがPbフリーはんだによって行われてきているものの、半導体チップをリードフレームに対して接合するダイマウントに用いられるはんだとしては、そのプロセス上の問題から、鉛を含むはんだ材料が用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
環境に対する配慮から、ダイマウントに係るはんだ材料に対してもPbフリー化したいという要望がある。
しかしながら、上記した半導体装置の製造方法において示されているように、半導体素子とインナーリードを結線するワイヤボンディング工程においては２８０℃以上と、一般に使用可能なPbフリーはんだの融点を越える温度にまで接合ポイントを熱する必要が生じるため、これによってはんだ材料が再溶融してしまい、安定したワイヤボンディングを行うことができなくなってしまうという問題があった。
【０００４】
一方、ワイヤボンディングのプロセス温度を下げるためにワイヤの接合ポイントにＡｇめっきを施す方法もあるが、めっきを施すため工数や材料が余計に必要になるため、現実的な方法ではなかった。
【０００５】
また、ワイヤボンディングがうまくできても、半導体装置を配線基板にはんだ付けする際に、再度昇温させる必要があるため、結局内部で再溶融が起こり、信頼性を下げる要因となってしまっていた。
【０００６】
他の手段として、リードフレームに半導体チップをダイマウントする際に用いられる材料としては、はんだのほかＡｇペーストが知られているが、Ａｇペーストは熱伝導性が劣る。そのため、熱の発生が著しい半導体素子を用いた半導体装置である場合に、ダイマウントに用いた材料が放熱パスとして機能しにくい問題があるため、パワーデバイスに用いられる半導体素子のダイマウントには、はんだ材料を用いなければならない。
【０００７】
本発明は、半導体素子のダイマウントに用いるはんだ材料をPbフリー化したパワーデバイスを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記した課題を解決するために、本発明は、表面に電極を有する半導体素子と、前記半導体素子を支持するダイ部と、表面が少なくとも銅もしくは銅合金であるインナーリード部を有するリードと、前記インナーリード部と前記電極とを電気的に接続するワイヤと、前記ダイ部と前記半導体素子とを接合する接合部材とを有し、前記接合部材は、前記半導体素子及び前記ダイ部それぞれとの接合界面に銅と錫との合金による反応層を有するとともに、前記一対の反応層の間に、アンチモンを組成に含む錫基合金であって銅もしくは銅合金の粒を含有した接合部材を有するパワーデバイスを提供する。
【０００９】
また、本発明は、アンチモンが組成に含まれる鉛フリー錫基はんだと、前記鉛フリー錫基はんだに対して混練されている銅もしくは銅合金の粒とを具備するダイマウント用の錫基はんだ材料を提供する。
【００１０】
また、本発明は、半導体素子を、少なくとも表面が銅もしくは銅合金によって形成されているリードフレームに対して、銅もしくは銅合金の粒ならびにアンチモンを組成に含む鉛フリー錫系はんだの粒を有するソルダペーストを介してマウントする工程と、前記半導体素子が前記リードフレームにマウントされた状態でさらに所定の温度で加熱しつづけ、前記ダイ部及び前記半導体素子のそれぞれのソルダペーストとの接合界面に銅と錫の合金層を成長させる熱処理工程と、前記半導体素子表面に形成された電極と前記リードのインナーリード部とを導電性のワイヤによって結線し電気的に接続するワイヤボンディング工程と、すくなくとも前記半導体素子と前記ワイヤとを封止する工程とを具備するパワーデバイスの製造方法を提供する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の半導体装置の製造方法の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１に、本発明の実施形態のパワーデバイスの断面の模式図を示す。Ｃｕ製のリードフレーム１は１ｍｍほどの厚さであり、ダイ部１ａとリードの一部としてインナーリード部１ｂを有している。ダイ部１ａには半導体素子２が接合部材３を介して接合されている。リードフレーム１は、放熱性を高めるために、無酸素銅などのＣｕ系材料が用いられている。ダイ部１ａは３ｍｍ２程度の正方形である。
【００１２】
接合部材３は、Ｓｎ基はんだとＣｕ粉末とが混練されたはんだ材料が溶融されて固化されたことにより形成された４０μmの部材であり、１０μｍの第１のCu-Sn反応層３ａと２０μｍのＳｎ基はんだ部３ｂと１０μｍの第２のCu-Sn反応層３ｃとを有している。Ｓｎ基はんだ部３ｂは、内部に第３のCu-Sn反応層３ｄにより被覆されたＣｕ粉末３ｅを有している。半導体素子２は２００μｍほどの厚さであり、表面に電極２ａが形成されており、電極２ａとインナーリード部１ｂのＣｕ表面とは、ボンディングワイヤ４で結線されている。電極２ａは、350×500μｍ２程度の大きさである。
【００１３】
上記したリードフレームのダイ部１ａ及びインナーリード部１ｂ，半導体素子２，接合部材３，ボンディングワイヤ４は、封止材料５によって封止されている。放熱性を高めるため、ダイ部１ａの半導体素子２が接続されていない方の面は封止材料によって覆われておらず、露出している。
【００１４】
図２に、図１のパワーデバイスの製造工程のフロー図を示す。なお、パワーデバイスの各構成については、図１を参照して説明する。
はんだ材料供給工程１０１は、無酸素銅から構成されるリードフレーム１のダイ部１ａ上にソルダペーストを供給する工程である。ソルダペーストは、粉末状のＳｎ基はんだとＣｕ粉末とフラックスとが混練されて構成されたペースト状のはんだ材料である。本実施形態のソルダペーストは直径が３０μｍ以下でSn-30wt%Sbの組成を有するＳｎ基はんだ粒からなるＳｎ基はんだ粉末と、直径が１０μｍ以下のＣｕ粒からなるＣｕ粉末とを、９対１の体積比で混合し、これに液状のフラックスを混ぜて均一に混練して作成した。
【００１５】
Ｓｎ基を有するはんだ材料は上記したSn-Sb系のほか、Sn-Ag系、Sn-Cu系がよく用いられている。このなかでもとくにSn-Sb系のはんだ材料を選択した理由は、溶融開始温度がSn-8.5wt%Sbで２４５℃前後と、常用されるＳｎ系はんだのなかで最も高く、本発明のプロセスに最も適していると判断されるからである。
【００１６】
Ｓｎ基はんだ材料であるSn-Sbはんだは、Ｓｂの濃度が35wt%を超えるようになると溶けにくくなり、濡れ性が低下してくる場合がある。濡れ性が極端に低下しているはんだを用いた場合は、このはんだによる接合部にボイドや未接合部による隙間が発生する場合があるため、Ｓｎ基はんだ材料に用いるSbの濃度は３５％以下とすることが好ましい。本実施形態では、上記したように３０ｗｔ％の組成比としている。
【００１７】
半導体素子接合工程１０２は、チップ状部品である半導体素子２を、ダイ部１ａ上に盛られたソルダペースト上にマウントして、３２０℃還元雰囲気に曝して加熱させてソルダペーストを溶融し、これを還元雰囲気から取り出して放熱させて冷却することにより固化させ、ソルダペーストを接合部材３として接合させる工程である。
【００１８】
半導体素子２には一方の主面に電極２ａが形成されている。他方の主面ははんだの濡れをよくするために、Ti，Ni，Agの順にスパッタを施してメタライズしており、このメタライズ面をはんだペーストに接触させるようマウントしている。
【００１９】
雰囲気は非酸化雰囲気であればよいが、ソルダペースト表面の酸化層を幾ばくかでも還元可能なように還元雰囲気を用いた。還元雰囲気としては、窒素９０％と水素１０％の体積比の気体を用いた。
【００２０】
熱処理工程１０３は、半導体素子２とリードフレーム１とを接合している接合部材３のCu-Sn反応層を成長させる工程である。具体的には、温度３２０℃、窒素１００％の非酸化雰囲気中に１時間おくことにより、熱処理した。
【００２１】
熱処理により、ソルダペースト内のCuあるいはリードフレーム表面のCuが、ソルダペースト内のSnと反応してCuとSnとによる合金を形成する。この合金を熱処理して成長させることによりＳｎ基はんだ材料のＳｎの濃度が低下し、相対的にＳｂの濃度が上昇する。Sn-Sbはんだは、Ｓｂの濃度が４０％、好ましくは４３％を超えると溶融温度域が高温側に遷移していく。したがって、半導体素子２を確実に接合させたあとで熱処理を加えることにより、実質的には、溶融温度の高いはんだ材料によってダイマウントを施した場合と同じように扱うことができるようになる。
【００２２】
この熱処理工程１０３により、接合部材３とダイ部１ａとの界面と、Ｓｎ基はんだ３ｂ内のＣｕ粉末３ｅの各粒子の周囲のみならず、半導体素子２と接合部材３との界面に、ＣｕとＳｎとによる合金によって構成されるCu-Sn反応層３ａ，３ｃ，３ｄがそれぞれ形成され成長する。熱処理を続けることによりCu-Sn反応層３ａ，３ｃ，３ｄはそれぞれ成長して厚みを増す。また、Cu-Sn反応層３ａ，３ｃ，３ｄが成長するにつれてＳｎ基はんだ部３ｂに占めるＳｎの組成比は、相対的に低下していく。
【００２３】
熱処理の処理条件は、ダイサイズやダイ部上に供給されるソルダペーストの体積やダイ部及び半導体素子との接触面積に依存するが、そのソルダペーストのはんだ組成物の平衡状態図において、ワイヤボンディング時のプロセス温度である２８０℃で、用いたはんだ材料がβ’相に変化している濃度となるように合金層を成長させる条件を選び、熱処理を施す。
表１にSn-30wt%Sbの組成比の粉末を用いて作製したはんだ材料について、図１のパワーデバイスでの比較実験例を示す。
【００２４】
【表１】
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サンプル番号１のはんだ材料はＣｕ粉末を有さず、熱処理も施されていないはんだ材料により構成された接合部材である。また、サンプル番号２のはんだ材料はＣｕ粉末は混練されたが熱処理工程を経ていない接合部材である。サンプル番号３は、Ｃｕ粉末を有し熱処理工程を経たあとの接合部材３である。
【００２５】
これらのサンプルについてそれぞれ示差走査熱量計により接合部材３の溶融開始温度を測定したところ、表１に示されるように、サンプル番号３の接合部材３については２５０℃近傍あるいはそれ以下の温度帯に、溶融開始温度が見受けられないことが確認された。サンプル番号１と２については、この温度域で比較的溶融しやすいことが分かる。
【００２６】
なお、表１の実験例は本実施形態のパワーデバイスの構成における結果であり、たとえば、接合部材の厚さが３０μｍに設定されれば、サンプル番号２の接合部材であっても２５０℃近傍に溶融温度域が現れないことを確認した。
【００２７】
ワイヤボンディング工程１０４は、インナーリード部１ｂと電極２ａとをボンディングワイヤ４によって結線し、電気的に接続する工程である。具体的には、２８０℃に熱せられた体積比で窒素９０％、水素１０％の還元雰囲気中にて接続ポイントを熱し、Ａｕの細線をキャピラリから繰り出してワイヤボンディングを行う。ここにおいて通常溶け出す接合部材はＣｕ粉末を含みかつ熱処理されているため、固化したままである。
【００２８】
封止工程１０５は、ダイ部１ａ、インナーリード部１ｂ、半導体素子２、接合部材３、ボンディングワイヤ４を外囲器５で被覆する工程である。外囲器５は黒色に着色されたエポキシ樹脂組成物が固化したものであり、低圧トランスファモールド法により成形される。金型にてモールディングを行った後、樹脂材料を完全に固化させるために、１７５℃のもとで８時間の熱処理を行う。
【００２９】
このようにして得られたパワーデバイスはさらに他の配線基板などに対してアウターリードにおいてはんだ付けされる。このはんだ付けの際もSn-Sbはんだ材料の溶融温度域である２４５℃以上のはんだ付けプロセス温度にさらされる場合が多いが、そのような実装工程においても、接合部材３が溶融して信頼性が低下するという事態は発生しない。
【００３０】
上記したように本実施形態においては、Ｃｕ粉末を混練させたＳｎ系はんだ材料を用いてダイボンディングを行った。これによりCu-Sn反応層の生成を促すことができ、半導体装置の信頼性の向上に寄与することができた。
また、本実施形態では、ダイボンディングのあと、ワイヤボンディング工程の前にCu-Sn反応層を成長させるための熱処理工程を導入した。これによりSn基はんだ部の相対的なSn濃度を下げることができ、接合部材３の溶融温度を高めることができた。
また、ソルダペーストのはんだ材料としてSn-Sb系はんだを用いたことにより、熱処理工程に係る作業時間を短縮することができた。
【００３１】
なお、上記実施形態において接合部材３の厚さは４０μｍに設定したが、２０μｍから４０μｍの間で設定することが好ましい。２０μｍ以下であると熱による部材の膨張を接合部材３が吸収できずに、接合部材３にクラックが生じる場合がある。また、４０μｍよりも厚くなると熱処理に係るタクトタイムが膨大になるため、現実的な時間内で半導体装置を製造することが困難になってしまう。
その他、構造やプロセス条件は本発明の主旨の範囲で種々の変更が可能であることは言うまでもない。
【００３２】
【発明の効果】
本発明の半導体装置及びその製造方法によれば、環境影響度の少ない半導体装置を提供することを可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施形態のパワーモジュールの断面の模式図。
【図２】  本発明の実施形態のパワーモジュールの製造工程のフロー図。
【符号の説明】
１…リードフレーム、２…半導体素子、３…接合部材、
４…ボンディングワイヤ、５…外囲器、
１ａ…ダイ部、１ｂ…インナーリード部、２ａ…電極、
３ａ，３ｃ，３ｄ…Ｃｕ−Ｓｎ反応層
【図１】
0003705779.tif 000003
【図２】
0003705779.tif 000004