(57)【要約】【課題】接合後においてはんだ層と共に樹脂層が形成されるはんだペーストを半導体チップの接合に用いて、高い信頼性をもった半導体装置を得る。【解決手段】図２（ａ）にその拡大図が示されるように、気泡１００が形成されるものの、気泡１００はフラックス５１中を移動しにくくなり、その内部に留まる。このため、フラックス５１を構成する樹脂材料が飛散することが抑制される。この際のフラックス５１の粘度が９０〜１５０Ｐａ・ｓ程度となるように、粘度調整剤はフラックス５１に混合される。その後、キュア工程によって、フラックス５１も完全硬化する。この際、図２（ｂ）に示されるように、このキュア処理の際に、フラックス５１は硬化すると同時に収縮するために、フラックス５１における気泡１００は除去される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
はんだペーストを半導体チップと金属板との間に介在させて前記半導体チップと前記金属板とを接合する半導体装置の製造方法であって、
前記はんだペーストは、８５〜９０ｗｔ％の金属粒子と、フラックスとして、エポキシ樹脂と、活性効果を有する硬化剤と、活性剤と、硬化前における前記フラックスにおける粘度を高める粘度調整剤と、を含み、
前記はんだペーストによって前記半導体チップと前記金属板とを接合した後に、硬化していない前記フラックスが気泡を内部に保持した状態ではんだ接合の外周側面と前記半導体チップの外周側面の少なくとも一部を覆うダイボンド工程と、
前記半導体チップと前記金属板とが前記はんだペーストによって接合された構造体を前記エポキシ樹脂の硬化温度よりも１０〜４０℃低い温度で保持して前記フラックスを硬化すると共に前記気泡を前記フラックスの内部から除去するキュア工程と、
を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記粘度調整剤は、ポリオキシプロピレングリコール、ポリエステルポリオールの少なくともいずれかを含む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。
【請求項３】
前記ダイボンド工程の後でありかつ前記キュア工程の前において、
前記フラックスの粘度を９０〜１５０Ｐａ・ｓの範囲とす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。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法によって製造されたことを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体チップが金属板上に接合された構造を具備する半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、半導体チップが使用される際には、半導体チップが金属板上に搭載された構造が絶縁性のモールド樹脂層中に封止され、モールド樹脂層から端子となるリードが導出した構成をもつ半導体装置とされる。
【０００３】
図３は、この半導体装置の一例を上面から見た透視図である。ここでは、横長の矩形体形状であるモールド樹脂層９１中に、２つのダイパッド（金属板）が設けられている。この構成においては、半導体チップ９２はダイパッド９３に搭載され、半導体チップ９４はダイパッド９５に搭載される。リード９６は上側、下側でそれぞれ４本ずつ、モールド樹脂層９１から導出するように設けられている。リード９６のうちの一部は隣接するダイパッド９３、９５と一体化されており、他はダイパッド９３、９５と絶縁されている。これらが所望の電気回路を構成するように、半導体チップ９２、９４における電極、ダイパッド９３、９５、各リード９６の間は、細いボンディングワイヤ９７を用いて接続されている。ボンディングワイヤ９７もモールド樹脂層９１の中に封止されている。例えば、半導体チップ９２としてはパワー半導体チップを、半導体チップ９４としてはこのパワー半導体チップを制御する制御ＩＣチップを用いることができる。
【０００４】
ここで、半導体チップ９２、９４は、はんだを用いてそれぞれダイパッド９３、９５に接合される場合が多い。この場合には、半導体チップ９２、９４の裏面に電極が形成されれば、この電極とダイパッド９３、９５との間の電気的接合と半導体チップ９２、９４の固定を、共にこのはんだを用いて行うことができる。この半導体装置の動作中においては半導体チップ９２、９４は発熱する。半導体チップ９２、９４とダイパッド９３、９５との間には、熱膨張率に差があるため、この半導体装置の使用に際しては、半導体チップ９２、９４とダイパッド９３、９５との間には熱膨張率の差に起因したストレスが発生する。このため、この半導体装置においては、冷熱サイクルに対する耐久性が問題となり、このはんだによる接合には、この冷熱サイクルに対する耐性が要求される。
【０００５】
このはんだを用いた接合を行うためには、はんだペーストが用いられる場合が多い。このはんだペーストとして、はんだの主成分となる金属（合金）で構成された粒子（金属粒子）が、樹脂材料（フラックス）中に混合されたものが用いられる。このはんだペーストは、接合される半導体チップ９２、９４に応じたパターンで金属板上に例えばスクリーン印刷で形成される。その後、半導体チップがこの上に搭載された後に加熱され、金属粒子が溶融してから固化することによって接合がなされる。この際、金属粒子が溶融してから適度に広がってから固化することによって、良好な接合が行われる。フラックスは、金属粒子を塗布できるペースト状の状態とするために混合される。ただし、フラックスは、接合時に金属粒子や金属板の表面の酸化膜を除去する、金属板の表面を活性化してはんだペーストに対する濡れ性を良好にする、等の役割も果たす。このため、フラックスは、はんだによる接合を強固にするためにも有効である。
【０００６】
特許文献１には、フラックスとして熱硬化性樹脂（エポキシ樹脂等）を用い、これに金属（はんだ）粒子と、金属層で被覆された樹脂フィラー粉末とが混合されたはんだペーストを用いることが記載されている。図４は、こうしたはんだペーストを用いた場合における、接合（ダイボンド工程）後における半導体チップ９２（９４）とダイパッド９３（９５）との接合部を含んだ構成を模式的に示す断面図である。このはんだペーストを用いることによって、半導体チップ９２（９４）とダイパッド９３（９５）との間にははんだで構成された接合層（はんだ接合）９８が形成され、かつこの接合層９８の周囲を覆って、フラックスの主成分であるエポキシ樹脂が硬化して樹脂層９９が形成される。この場合、樹脂層９９の機械的強度も高いため、半導体チップ９２（９４）とダイパッド９３（９５）とは接合層９８、樹脂層９９の両者によって接合される。
【０００７】
このように半導体チップ９２（９４）がダイパッド９３（９５）と接合された後で、図３に示されるように半導体チップ９２（９４）における電極間、あるいはこれらとリード９６との間をボンディングワイヤ９７を用いて接続し、その後でこれらの構造をモールド樹脂層９１中に封止することによって、図３の構成の半導体装置を得ることができる。この際、接合層９８がその周囲を樹脂層９９で補強されて特に強固な接合強度が得られるため、この半導体装置においては冷熱サイクルに対する高い耐久性が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−３５２５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、この構成においては、実際には樹脂層９９に起因した問題が発生する。図５は、図４の構成において形成された樹脂層９９の実際の状況を模式的に示す断面図である。ここで、接合前の状態においては、金属粒子や樹脂フィラー粉末間に空隙が形成されているため、特に樹脂層９９中には多くの気泡１００が形成される。樹脂層９９が硬化前の状態では、気泡１００は樹脂層９９の中を移動し、気泡１００が樹脂層９９の表面に達した場合には、気泡１００が破裂して樹脂層９９を構成する樹脂材料が未硬化の樹脂材料片１０１となって周囲に飛散することがある。この場合、例えば、後でボンディングワイヤ９７を接続すべきリード９６や半導体チップ９２（９４）の表面にこの樹脂材料片１０１が飛散した場合、ボンディングワイヤ９７の接合に悪影響を与える場合がある。このため、半導体装置の信頼性が低下する場合があった。
【００１０】
すなわち、接合後においてはんだ層と共に樹脂層が形成されるはんだペーストを半導体チップの接合に用いて、高い信頼性をもった半導体装置を得ることは困難であった。
【００１１】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明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】
【００１２】
本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の半導体装置の製造方法は、はんだペーストを半導体チップと金属板との間に介在させて前記半導体チップと前記金属板とを接合する半導体装置の製造方法であって、前記はんだペーストは、８５〜９０ｗｔ％の金属粒子と、フラックスとして、エポキシ樹脂と、活性効果を有する硬化剤と、活性剤と、硬化前における前記フラックスにおける粘度を高める粘度調整剤と、を含み、前記はんだペーストによって前記半導体チップと前記金属板とを接合した後に、硬化していない前記フラックスが気泡を内部に保持した状態ではんだ接合の外周側面と前記半導体チップの外周側面の少なくとも一部を覆うダイボンド工程と、前記半導体チップと前記金属板とが前記はんだペーストによって接合された構造体を前記エポキシ樹脂の硬化温度よりも１０〜４０℃低い温度で保持して前記フラックスを硬化すると共に前記気泡を前記フラックスの内部から除去するキュア工程と、を具備することを特徴とする。
本発明の半導体装置の製造方法において、前記粘度調整剤は、ポリオキシプロピレングリコール、ポリエステルポリオールの少なくともいずれかを含むことを特徴とする。
本発明の半導体装置の製造方法は、前記ダイボンド工程の後でありかつ前記キュア工程の前において、前記フラックスの粘度を９０〜１５０Ｐａ・ｓの範囲とすることを特徴とする。
本発明の半導体装置は、前記半導体装置の製造方法によって製造されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は以上のように構成されているので、接合後においてはんだ層と共に樹脂層が形成されるはんだペーストを半導体チップの接合に用いて、高い信頼性をもった半導体装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法において、接合直後（ａ）、キュア工程（ｂ）におけるフラックスの状態を模式的に示す図である。
【図３】一般的な半導体装置の構成を示す透視図である。
【図４】従来の半導体装置の製造方法におけるダイボンド工程直後の形態を模式的に示す断面図である。
【図５】従来の半導体装置の製造方法におけるダイボンド工程直後のフラックスの状態を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態となる半導体装置の製造方法について説明する。図１は、この製造方法によって製造される半導体装置の工程断面図である。ここで示されるのは、半導体チップ１０が金属板（ダイパッド）２０に接合される際（ダイボンド工程）の断面である。この接合は、はんだペースト５０を用いて行われる。なお、実際には、図３に示されるように、この接合の後に半導体チップ１０や、金属板２０に対してボンディングワイヤを接続し、ボンディングワイヤが接続された後の構造全体をモールド樹脂層中に封止する、等の工程が行われることによって、半導体装置が製造される。これらの工程については、通常知られるものと同様であるため、説明は省略する。以下では、ダイボンド工程についてのみ説明する。図１は、ダイボンド工程における形態を示す工程断面図である。
【００１６】
ダイボンド工程においては、まず、図１（ａ）に示されるように、はんだペースト５０を金属板２０の上にスクリーン印刷等の方法によってパターニングして塗布する。はんだペースト５０は、フラックス（樹脂材料）５１中にはんだとなる金属粒子（はんだ粉末）５２が混合分散されて構成される。はんだペースト５０におけるフラックス５１の含有量は、例えば１３．５質量％程度とする。フラックス５１は、例えば、樹脂（エポキシ樹脂、液状ビスフェノールＡ型）、活性硬化を有する硬化剤（酸無水物）、溶剤（グリコール系）、チキソ剤（アミン系）、活性剤（有機酸）、粘度調整剤からなる。
【００１７】
粘度調整剤としては、ポリオキシプロピレングリコール、ポリエステルポリオール、あるいはこれらの混合物が用いられる。粘度調整剤は、接合後に接合層（はんだ接合）が形成されて樹脂層が硬化していない状態における樹脂層の粘度を調整するために添加される。これによって、はんだペースト５０の粘度は、塗布する状態においては例えば５０Ｐａ・ｓ程度とされる。
【００１８】
金属粒子５２は、例えば銀（Ａｇ）−銅（Ｃｕ）−錫（Ｓｎ）合金で構成され、例えばＳｎを主成分としてＡｇ、Ｃｕをそれぞれ３質量％、０．５質量％程度としたものを使用することができる。その平均粒径は２５〜４５μｍ程度とされる。金属粒子５２のはんだペースト５０における組成は８５〜９０ｗｔ％程度とされる。
【００１９】
はんだペースト５０が塗布された直後の状態では、フラックス５１は未硬化の状態であり適度な粘度を有するため、はんだペースト５０の図１（ａ）における形状は維持される。なお、この際のペースト５０の平面形状は、接合される半導体チップ１０の平面形状とほぼ等しくされる。これによって、半導体チップ１０の下面全体を接合することができる。
【００２０】
次に、この状態で図１（ｂ）に示されるように、はんだペースト５０の上に半導体チップ１０を搭載する。はんだペースト５０（フラックス５１）の粘度によって、この状態が維持される。
【００２１】
その後、この半導体チップ１０、はんだペースト５０、金属板２０の積層構造（構造体）をリフロー炉中に投入して熱処理を行う。これによって、はんだペースト５０中の金属粒子５２が溶融してから固化し、半導体チップ１０と金属板２０の間の接合が行われる。この熱処理においては、常温から金属粒子５２の融点を超える最高温度まで昇温されて金属粒子５２が溶融して融合してから冷却され、金属が再び固化して接合層５３が形成される。
【００２２】
この熱処理において、常温から金属粒子５２の融点に達するまで加熱する過程においては、フラックス５１中の有機溶剤の気化、フラックス５１の活性化、フラックス５１による金属粒子５２や金属板２０表面の酸化物の除去が行われる。また、フラックス５１の活性化が高まるため、フラックス５１を構成するエポキシ樹脂は濡れ広がる。この際、その融点よりも低温であるため、金属粒子５２の形態に変化はない。このため、この熱処理において温度が金属粒子５２の融点に達する直前の形態は図１（ｃ）に示された通りとなる。ここでは、フラックス５１は濡れ広がり、半導体チップ１０の周囲を取り囲む。
【００２３】
その後、温度が金属粒子５２の融点を越えた後に金属粒子５２は溶融して融合し、冷却されて固化して接合層（はんだ接合）５３が形成され、常温とされる。この際の形態は図１（ｄ）に示された通りとなる。すなわち、接合層５３が形成されるが、図１（ｃ）の状態とフラックス５１の形状は変わらない。
【００２４】
ここで、上記の熱処理においては、エポキシ樹脂（フラックス５１）は、その硬化温度よりも高い温度下に置かれる。しかしながら、エポキシ樹脂における架橋反応が全て終了するためには時間を要するため、この熱処理において硬化温度を超える時間が短い場合には、図１（ｄ）の状態ではフラックス５１は硬化していない。通常はエポキシ樹脂（フラックス５１）を実用的な硬度とする、すなわち完全硬化させるには、１時間以上の長時間の熱処理を要する。このため、図１（ｄ）の状態においては、フラックス５１は未硬化の状態となる。この際、図５に示されるように、フラックス５１中に気泡１００が形成される。
【００２５】
しかしながら、上記のフラックス５１においては、粘度調整剤が添加されておりその粘度が高められているために、図２（ａ）にその拡大図が示されるように、気泡１００が形成されるものの、気泡１００はフラックス５１中を移動しにくくなり、その内部に留まる。このため、フラックス５１を構成する樹脂材料が飛散することが抑制される。この際のフラックス５１の粘度が９０〜１５０Ｐａ・ｓ程度となるように、粘度調整剤はフラックス５１に混合される。
【００２６】
その後、エポキシ樹脂の硬化温度（１８０℃）よりも１０〜４０℃低い温度、例えば１５０℃で長時間（５時間程度）のキュア処理を行うこと（キュア工程）によって、フラックス５１も完全硬化する。この際、図２（ｂ）に示されるように、このキュア処理の際に、フラックス５１は硬化すると同時に収縮するために、フラックス５１における気泡１００は除去される。ただし、図５の場合と異なり、この時点ではフラックス５１の硬化が進んでいるため、樹脂材料片は飛散しない。このため、図５の場合と異なり、ボンディングワイヤの接続等に対する悪影響は発生しない。
【００２７】
すなわち、このはんだペースト５０においては、粘度調整剤によって接合直後におけるフラックス５１の粘度が高められたことによって、接合直後の状態においては気泡がフラックス５１中に維持された状態となり、その後のキュア工程において、フラックス５１が完全硬化すると同時に、この気泡１００が除去される。
【００２８】
例えば、使用するエポキシ樹脂（フラックス５１）の硬化温度を低くし、接合直後（接合層５３の形成直後）においてフラックス５１の硬化が充分進んだ状態としても、気泡は動きにくくなり、樹脂材料片が飛散しにくくなることは明らかである。しかしながら、この場合においては、その後でキュア工程を行った場合でも気泡の除去は困難である。これに対して、上記のはんだペーストにおいては、接合直後の状態ではフラックス５１は未硬化ではあるが、その粘度を高めることによって、気泡の移動を抑制し、その後のキュア工程でフラックス５１を完全硬化させることによって、気泡を除去することができる。
【００２９】
この際、接合の信頼性を充分に高くするためには、半導体チップ１０の側面の２／３以上をフラックス５１が覆うようにすることが好ましい。
【００３０】
その後、図３に示されるようにモールド樹脂層を形成することによって、半導体装置を得ることができる。モールド樹脂層は、例えばトランスファーモールド等によって形成することができる。
【００３１】
なお、フラックス、金属粒子の組成が上記の例と異なる場合においても、同様の特性、例えばフラックスの硬化温度と金属粒子の融点の関係、接合直後におけるフラックスの粘度等が同等であれば、同様の効果を奏することは明らかである。
【符号の説明】
【００３２】
１０、９２、９４  半導体チップ
２０、９３、９５  金属板（ダイパッド）
５０  はんだペースト
５１  フラックス（樹脂材料）
５２  金属粒子（はんだ粉末）
５３、９８  接合層（はんだ接合）
９１  モールド樹脂層
９６  リード
９７  ボンディングワイヤ
９９  樹脂層
１００  気泡
１０１  樹脂材料片
【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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