(57)【要約】  セラミック基材（１ｂ）と冷却用フィン（１ａ）とが一体となった絶縁基板（１）と、板状の配線部材（５）と、一方の面は絶縁基板（１）のセラミック基材（１ｂ）側にチップ下はんだ（４）を介して接合され、他方の面は複数の板状の配線部材（５）が各々対応するようにチップ上はんだ（６）を介して接合された半導体素子（３ａ）とを備え、チップ下はんだ（４）およびチップ上はんだ（６）は、いずれもＡｇを０．３ｗｔ％以上、３ｗｔ％以下含み、Ｃｕを０．５ｗｔ％以上、１ｗｔ％以下含み、Ｓｎを主成分とし、放熱性を損なわずに、小型化を図る。
2019116910.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁部材と冷却用フィンとが一体となった基板と、
板状配線部材と、
裏面側は前記基板の絶縁部材の配線パターン側に第一のはんだを介して接合され、表面側は前記板状配線部材に対応するように第二のはんだを介して接合された半導体素子とを備え、
前記第一のはんだは、Ａｇを０．３ｗｔ％以上、３ｗｔ％以下含み、Ｃｕを０．５ｗｔ％以上、１ｗｔ％以下含み、Ｓｎを主成分とすることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記第二のはんだは、Ａｇを０．３ｗｔ％以上、３ｗｔ％以下含み、Ｃｕを０．５ｗｔ％以上、１ｗｔ％以下含み、Ｓｎを主成分とすることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記基板は、前記絶縁部材の配線パターン側に設けられ、前記半導体素子の裏面側と前記第一のはんだを介して接合された金属膜を備え、前記半導体素子は、裏面側に前記絶縁部材側と前記第一のはんだを介して接合された金属膜を備え、前記半導体素子の裏面側に設けられた金属膜と前記基板の前記配線パターン側に設けられた金属膜の少なくともいずれか一方が、Ａｇ製またはＣｕ製であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記半導体素子の表面側には、前記板状配線部材と前記第二のはんだを介して接合された金属膜を備え、前記半導体素子の表面側に設けられた金属膜がＡｇ製またはＣｕ製であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記半導体素子の裏面側にＡｌ製の金属膜が設けられた場合、前記第一のはんだは、Ａｇを０．３ｗｔ％以上、２ｗｔ％以下含み、Ｃｕを０．５ｗｔ％以上、１ｗｔ％以下含み、Ｓｎを主成分とすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記半導体素子の表面側にＡｌ製の金属膜が設けられた場合、前記第二のはんだは、Ａｇを０．３ｗｔ％以上、２ｗｔ％以下含み、Ｃｕを０．５ｗｔ％以上、１ｗｔ％以下含み、Ｓｎを主成分とすることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記基板と前記半導体素子は、スペーサを挟んで接合することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項８】
複数の前記半導体素子と、複数の前記半導体素子に対応する板状配線部材が各々複数あり、前記複数の配線部材である第一板状配線部材と第二板状配線部材とが樹脂からなる接続部材により接続されていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記基板は、前記絶縁部材と前記冷却用フィンとが鋳造により一体化されていることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記基板は、前記絶縁部材と前記冷却用フィンとがろう付けにより一体化されていることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１１】
前記半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体材料で形成され、前記ワイドバンドギャップ半導体材料は、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料、およびダイヤモンドのうちのいずれかであることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１２】
半導体素子の裏面側と、絶縁部材と冷却用フィンとが一体となった基板の前記絶縁部材の配線パターン側とを、第一のはんだを介して第一のリフローにより接合する工程と、
前記半導体素子の表面側と、板状配線部材とを、前記半導体素子に前記板状配線部材が対応するように、第二のはんだを介して第二のリフローにより接合する工程とを含み、
前記第一のはんだは、Ａｇを０．３ｗｔ％以上、３ｗｔ％以下含み、Ｃｕを０．５ｗｔ％以上、１ｗｔ％以下含み、Ｓｎを主成分とすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
前記第二のはんだは、Ａｇを０．３ｗｔ％以上、３ｗｔ％以下含み、Ｃｕを０．５ｗｔ％以上、１ｗｔ％以下含み、Ｓｎを主成分とすることを特徴とする請求項１２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
前記半導体素子の裏面側にＡｌ製の金属膜が設けられた場合、前記第一のはんだは、Ａｇを０．３ｗｔ％以上、２ｗｔ％以下含み、Ｃｕを０．５ｗｔ％以上、１ｗｔ％以下含み、Ｓｎを主成分とすることを特徴とする請求項１２または請求項１３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
前記半導体素子の表面側にＡｌ製の金属膜が設けられた場合、前記第二のはんだは、Ａｇを０．３ｗｔ％以上、２ｗｔ％以下含み、Ｃｕを０．５ｗｔ％以上、１ｗｔ％以下含み、Ｓｎを主成分とすることを特徴とする請求項１４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
半導体素子の裏面側に形成された金属膜と、絶縁部材と冷却用フィンとが一体となった基板の前記絶縁部材の配線パターン側に設けられた金属膜とを、第一のはんだを介して第一のリフローにより接合する工程と、
前記半導体素子の表面側に形成された金属膜と、板状配線部材とを、前記半導体素子に前記板状配線部材が対応するように、第二のはんだを介して第二のリフローにより接合する工程を含み、
前記第一のはんだを介して接合する工程では、前記第一のはんだとして、Ｃｕを０．５ｗｔ％以上、１ｗｔ％以下含み、Ｓｎを主成分とするはんだを用い、前記半導体素子の裏面側に形成された金属膜と前記基板の絶縁部材の配線パターン側に設けられた電極パターン表面側の金属膜の少なくともいずれか一方をＡｇ製にすることで、第一のリフローにより、前記第一のはんだを、Ａｇを０．３ｗｔ％以上、３ｗｔ％以下含み、Ｃｕを０．５ｗｔ％以上、１ｗｔ％以下含み、Ｓｎを主成分とするはんだにすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
半導体素子の裏面側に形成された金属膜と、絶縁部材と冷却用フィンとが一体となった基板の絶縁部材の配線パターン側に設けられた電極パターン表面側の金属膜とを、第一のはんだを介して第一のリフローにより接合する工程と、
前記半導体素子の表面側に形成された金属膜と、板状配線部材とを、前記半導体素子に前記板状配線部材が対応するように、第二のはんだを介して第二のリフローにより接合する工程を含み、
前記第一のはんだを介して接合する工程では、前記第一のはんだとして、Ａｇを０．３ｗｔ％以上、３ｗｔ％以下含み、Ｓｎを主成分とするはんだを用い、前記半導体素子の裏面側に形成された金属膜と前記基板の絶縁部材の配線パターン側に設けられた電極パターン表面側の金属膜の少なくともいずれか一方をＣｕ製にすることで、第一のリフローにより、前記第一のはんだを、Ａｇを０．３ｗｔ％以上、３ｗｔ％以下含み、Ｃｕを０．５ｗｔ％以上、１ｗｔ％以下含み、Ｓｎを主成分とするはんだにすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１８】
複数の前記半導体素子と、複数の前記半導体素子に対応する板状配線部材が各々複数あり、前記複数の配線部材である第一板状配線部材と第二板状配線部材とが樹脂からなる接続部材により接続されていることを特徴とする請求項１２から請求項１７のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１９】
前記第一のはんだを介して接合する工程および前記第二のはんだを介して接合する工程は、同時に行われることを特徴とする請求項１２から請求項１８のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２０】
前記第一のはんだを介して接合する工程は、前記基板にケースを接着する工程と同時に行われることを特徴とする請求項１２から請求項１９のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２１】
前記第二のはんだを介して接合する工程は、前記第二のリフローにより接合する代わりに、レーザーを用いたスポット加熱により接合することを特徴とする請求項１２から請求項２０のいずれか一項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】
本願は、チップ上に板状の配線部材をはんだ付けした構造の半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力用半導体装置においては、冷却用のフィンと一体となった絶縁基板に直接チップをはんだ付けすることで、熱抵抗を低減する。また、チップ上の配線にワイヤボンドではなく、リードをはんだ付けする構造とすることでモジュールの小型化を図っている。【０００３】
特許文献１では、冷却用のフィンと一体となった絶縁基板にチップを搭載することで、グリスを介して基板とフィンを接触させるより熱抵抗を低減でき、小型化が可能となるモジュールが開示されている。また、特許文献１および特許文献２では、チップ上の配線を板状の配線部材をはんだ付けした構造とすることで、ワイヤボンドした場合と比較し、電流密度を上げることができ、小型化が可能となるモジュールが開示されている。また、特許文献２および特許文献３では、チップと基板、チップとリードとの接合をＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだを用いたモジュールが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第６０６５９７３号公報（段落００１２〜００１５、図１）
【特許文献２】特開２００７−１５７８６３号公報（段落００１２〜００１３、図１）
【特許文献３】特許２００５−１８３５６８号公報（段落０００８、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の特許文献１から特許文献３の構造を用いた場合、チップを絶縁基板にはんだ付けする際、冷却用のフィンがあることで熱容量が大きくなり、フィンがあることで冷却板との接触面積が小さくなるため、平板の場合より冷却速度が低下し、チップと冷却用のフィンと一体となった絶縁基板との間のはんだに、ひけすのような空隙が生じることがあり、空隙が存在すると、放熱性が損なわれるという問題があった。【０００６】
本願は、上記のような課題を解決するためになされたもので、放熱性を損なわずに、小型化を図ることのできる半導体装置および半導体装置の製造方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願に開示される半導体装置は、絶縁部材と冷却用フィンとが一体となった基板と、板状配線部材と、裏面側は前記基板の絶縁部材の配線パターン側に第一のはんだを介して接合され、表面側は前記板状配線部材に対応するように第二のはんだを介して接合された半導体素子とを備え、前記第一のはんだは、Ａｇを０．３ｗｔ％以上、３ｗｔ％以下含み、Ｃｕを０．５ｗｔ％以上、１ｗｔ％以下含み、Ｓｎを主成分とすることを特徴とする。【０００８】
本願に開示される半導体装置の製造方法は、半導体素子の裏面側と、絶縁部材と冷却用フィンとが一体となった基板の前記絶縁部材の配線パターン側とを、第一のはんだを介して第一のリフローにより接合する工程と、前記半導体素子の表面側と、板状配線部材とを、前記半導体素子に前記板状配線部材が対応するように、第二のはんだを介して第二のリフローにより接合する工程とを含み、前記第一のはんだは、Ａｇを０．３ｗｔ％以上、３ｗｔ％以下含み、Ｃｕを０．５ｗｔ％以上、１ｗｔ％以下含み、Ｓｎを主成分とすることを特徴とする。【０００９】
また、本願に開示される半導体装置の製造方法は、半導体素子の裏面側に形成された金属膜と、絶縁部材と冷却用フィンとが一体となった基板の前記絶縁部材の配線パターン側に設けられた金属膜とを、第一のはんだを介して第一のリフローにより接合する工程と、前記半導体素子の表面側に形成された金属膜と、板状配線部材とを、前記半導体素子に前記板状配線部材が対応するように、第二のはんだを介して第二のリフローにより接合する工程を含み、前記第一のはんだを介して接合する工程では、前記第一のはんだとして、Ｃｕを０．５ｗｔ％以上、１ｗｔ％以下含み、Ｓｎを主成分とするはんだを用い、前記半導体素子の裏面側に形成された金属膜と前記基板の絶縁部材の配線パターン側に設けられた電極パターン表面側の金属膜の少なくともいずれか一方をＡｇ製にすることで、第一のリフローにより、前記第一のはんだを、Ａｇを０．３ｗｔ％以上、３ｗｔ％以下含み、Ｃｕを０．５ｗｔ％以上、１ｗｔ％以下含み、Ｓｎを主成分とするはんだにすることを特徴とする。【００１０】
また、本願に開示される半導体装置の製造方法は、半導体素子の裏面側に形成された金属膜と、絶縁部材と冷却用フィンとが一体となった基板の絶縁部材の配線パターン側に設けられた電極パターン表面側の金属膜とを、第一のはんだを介して第一のリフローにより接合する工程と、前記半導体素子の表面側に形成された金属膜と、板状配線部材とを、前記半導体素子に前記板状配線部材が対応するように、第二のはんだを介して第二のリフローにより接合する工程を含み、前記第一のはんだを介して接合する工程では、前記第一のはんだとして、Ａｇを０．３ｗｔ％以上、３ｗｔ％以下含み、Ｓｎを主成分とするはんだを用い、前記半導体素子の裏面側に形成された金属膜と前記基板の絶縁部材の配線パターン側に設けられた電極パターン表面側の金属膜の少なくともいずれか一方をＣｕ製にすることで、第一のリフローにより、前記第一のはんだを、Ａｇを０．３ｗｔ％以上、３ｗｔ％以下含み、Ｃｕを０．５ｗｔ％以上、１ｗｔ％以下含み、Ｓｎを主成分とするはんだにすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本願によれば、半導体素子の接合に、Ａｇを０．３ｗｔ％以上、３ｗｔ％以下含み、Ｃｕを０．５ｗｔ％以上、１ｗｔ％以下含み、Ｓｎを主成分とするはんだを用いることで、ひけすを抑制でき、放熱性を損なわずに小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態１による半導体装置の要部の構成を示す平面模式図である。
【図２】実施の形態１による半導体装置の要部の構成を示す断面模式図である。
【図３】実施の形態１による半導体装置でのチップの構成を示す断面模式図である。
【図４】従来の半導体装置でのはんだにおけるひけすの状態を示す平面模式図である。
【図５】実施の形態１による半導体装置に用いるはんだの組成の根拠を説明するための図である。
【図６】実施の形態１による半導体装置に用いるはんだの組成以外のはんだ組成を用いた場合の状態を示すフロー図である。
【図７】実施の形態１による半導体装置に用いるはんだの組成以外のはんだ組成を用いた場合の状態を示すフロー図である。
【図８】実施の形態１による半導体装置に用いるはんだの組成以外のはんだ組成を用いた場合の状態を示すフロー図である。
【図９】実施の形態１による半導体装置に用いるはんだの組成以外のはんだ組成を用いた場合の状態を示すフロー図である。
【図１０】実施の形態１による半導体装置に用いるはんだの組成以外のはんだ組成を用いた場合の状態を説明するためのＣｕ濃度と合金層の厚さの関係を示す図である。
【図１１】実施の形態１による半導体装置に用いるはんだの組成を説明するためのＳｎ−Ｃｕはんだの二元状態図である。
【図１２】実施の形態１による半導体装置に用いるはんだの組成を説明するためのＮｉめっきのビッカース硬度と温度の関係を示す図である。
【図１３】実施の形態１による半導体装置に用いるはんだの組成を説明するためのＳｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだの三元状態図である。
【図１４】実施の形態１による半導体装置でのはんだにおけるＡｇの濃度によるひけすの状態を説明するための図である。
【図１５】実施の形態１による半導体装置での金属膜におけるＡｇの濃度による主ひずみの状態を説明するための図である。
【図１６】実施の形態１による半導体装置の製造工程を示す断面模式図である。
【図１７】実施の形態１による半導体装置の要部の他の構成を示す平面模式図および断面模式図である。
【図１８】実施の形態１による半導体装置の要部の他の構成を示す平面模式図および断面模式図である。
【図１９】実施の形態３による半導体装置の要部の構成を示す平面模式図である。
【図２０】実施の形態３による半導体装置の要部の構成を示す断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１．
実施の形態１による半導体装置の構成について、図を参照しながら以下に説明する。なお、各図において、同一または同様の構成部分については同じ符号を付している。各図間の図示では、対応する各構成部のサイズおよび縮尺はそれぞれ独立しており、例えば構成の一部を変更した断面図の間で変更されていない同一構成部分の図示において、同一構成部分のサイズおよび縮尺が異なっている場合もある。また、半導体装置の構成は、実際にはさらに複数の部材を備えているが、説明を簡単にするため、説明に必要な部分のみを記載し、他の部分については省略している（例えば外部端子等）。さらに実際の構成は、同一の部材を並列で接続する場合、またはスイッチング素子とダイオードなどの整流素子を直列接続する場合があるが、これらも簡単のため省略している。
【００１４】
図１は、この実施の形態１による半導体装置１０１を上部からみたときの平面図である。図２は、図１のＡＡ矢視断面図である。図１および図２に示すように、半導体装置１０１は、冷却用フィン１ａと一体となった絶縁基板１、チップ３、チップ３を外部と電気的に接続する板状の配線部材（第一配線部材と第二配線部材）５とワイヤ８、ケース７内でチップ３の接続部を覆う封止樹脂部９、から構成されている。
【００１５】
絶縁基板１は、絶縁部材としてのＡｌＮ製のセラミック基材１ｂ（大きさ：縦１００ｍｍ×横１００ｍｍ×厚さ０．６ｍｍ）と、セラミック基材１ｂの裏面に一体となって形成されるＡｌ製の冷却用フィン１ａからなり、表面には、配線パターンとしてのＡｌ製の電極パターン１ｃが設けられている。セラミック基材１ｂと冷却用フィン１ａは、鋳造により一体成型される。電極パターン１ｃには、第一のはんだとしてのチップ下はんだ４による接合を良好にするため、表面にＮｉからなる金属膜１ｄが５ｕｍ形成されている。
【００１６】
図３に、チップ３の断面図を示す。チップ３は、半導体素子３ａの表面に電極としてＡｌ製の金属膜３ｃがあり、第二のはんだとしてのチップ上はんだ６による板状の配線部材５との接合を良好にするため、金属膜３ｃの上には、Ｎｉ製の金属膜３ｄが形成されている。また、裏面にもチップ下はんだ４による絶縁基板１との接合を良好にするため、電極としてＮｉ製の金属膜３ｂが形成されている。
【００１７】
半導体素子３ａとしては、Ｓｉ製のＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、大きさ：縦１５ｍｍ×横１５ｍｍ×厚さ１００ｕｍ）を用いる。絶縁基板１の電極パターン１ｃのチップ３を配置する位置の四隅にＡｌ製のワイヤによるスペーサ２（φ１００ｕｍ）が搭載され、その上に複数のチップ３がチップ下はんだ４（Ｓｎ−０．３〜２ｗｔ％Ａｇ−０．５〜１ｗｔ％Ｃｕ）によりダイボンドされている。
【００１８】
配線部材５は、板状のＣｕ製電極板（厚さ１ｍｍ）からなり、チップ上はんだ６（Ｓｎ−０．３〜２ｗｔ％Ａｇ−０．５〜１ｗｔ％Ｃｕ）により、各チップ３の表面の電極としての金属膜３ｄに、はんだ付けされている。板状の配線部材５のチップ３と接続されていない側が外部電極となっている。本実施の形態では、小型化の観点でチップ３の上の配線を板状の配線部材５としているが、チップ３の上の配線をワイヤ配線とすることも可能である。
【００１９】
ケース７は、ＰＰＳ（Ｐｏｌｙ  Ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ  Ｓｕｌｆｉｄｅ）樹脂製で、枠状に形成されている。ケース７は、底部が絶縁基板１に接着材などを用いて接着固定されている。ケース７には外部端子と接続されたＣｕからなる端子が設けられており、チップ３とＡｌ製のワイヤ８（φ２００ｕｍ）により電気的に接続されている。ケース７内には、封止樹脂（エポキシ樹脂）が充填されている。
【００２０】
封止樹脂部９は、ケース７内にエポキシ樹脂を充填することにより形成され、絶縁基板１の表面、チップ３、配線部材５、ワイヤ８、および、チップ下はんだ４とチップ上はんだ６を絶縁封止する。
【００２１】
絶縁基板１を、セラミック基材１ｂと冷却用フィン１ａとが一体となった構成とした場合、グリスを介して基板とフィンを接触させるより熱抵抗を低減できるため、モジュールの小型化が可能となる。特開２００７−１５７８６３号公報の図３のようにセラミック基板と冷却用フィンをはんだ付けした場合と比較しても、絶縁材料と一緒に鋳造した場合、または絶縁基板と冷却フィンを予めろう付けするなどにより一体となった場合の方が、熱抵抗を低減でき、モジュールの小型化ができる。さらに、はんだ付けした場合はそのはんだ層でボイドおよびひけすが生じることがあり、これらが発生するとさらに熱抵抗が低下するため、これらを考慮してモジュールを大型化する必要がある。また、チップ３上の配線を板状の配線部材５をはんだ付けした構造とすることで、ワイヤボンドした場合と比較し、電流密度を上げることができ、モジュールの小型化が可能となる。
【００２２】
しかし、セラミック基材１ｂと冷却用フィン１ａが一体となった絶縁基板を用いると、熱伝導はよくなるが、フィンがなく裏面が平らな場合と比較して、チップ３をダイボンドしたとき、リフロー後の冷却に用いる冷却板との接触面積が小さくなるため、冷却速度が低下する。冷却速度が遅い場合、はんだが凝固する際の体積収縮に起因するひけすになりやすい。フィンに窒素などを吹き付けと接触冷却を併用することで冷却速度の向上を図ることも可能であるが、フィンがないモジュールで底面全体を冷却板に接触した場合ほどの冷却速度は得られない。
【００２３】
図４に、チップ下はんだ４において、ひけすが生じた場合の状態を示す。チップ下はんだ４にひけす１１があると、放熱性の低下が懸念されるため、ないことが望ましい。そこで、本実施の形態１では、チップ下はんだ４の組成をＳｎ−０．３〜２ｗｔ％Ａｇ−０．５〜１ｗｔ％Ｃｕとすることで、ひけすを抑制できることを見出した。さらに、チップ下はんだ４中にワイヤによるスペーサ２があることで、最低はんだ厚を確保でき、はんだ厚に偏りが生じて厚い部分が生じ、その領域で放熱性が損なわれることを防ぐことができる。つまり、はんだが厚い部分でひけすが発生しやすい傾向があるため、はんだの組成を「はんだ４（Ｓｎ−０．３〜２ｗｔ％Ａｇ−０．５〜１ｗｔ％Ｃｕ）」として、さらにスペーサを設けるとこで、厚さを制御でき、厚さばらつきのより発生した厚い部分が形成されることを防ぎ、よりひけすの発生を抑制することができる。
【００２４】
図５に、この実施の形態１による半導体装置１０１に用いるチップ下はんだ４の組成をＳｎ−０．３〜２ｗｔ％Ａｇ−０．５〜１ｗｔ％Ｃｕとした根拠を示す。図６から図９は、実施の形態１による半導体装置に用いるはんだ４の組成以外のはんだ組成を用いた場合の状態を示すフロー図である。
【００２５】
はんだ４の組成であるＳｎ−０．３〜２ｗｔ％Ａｇ−０．５〜１ｗｔ％Ｃｕの領域Ｓに対して、Ｃｕの濃度が０．５ｗｔ％未満の場合（図５の領域Ａ）、図６のフロー図のように、絶縁基板１の電極パターン１ｃおよびチップ３の接合を良好にするために施したＮｉ製の金属膜１ｄ、３ｂが、温度サイクル時にチップ下はんだ４の溶融中に拡散し（状態Ｓ６１）、消失することが懸念される（状態Ｓ６２）。図１０にＣｕ濃度による合金層の生じる厚さを示すが、Ｃｕの濃度が０．５ｗｔ％未満の場合、Ｃｕの濃度が少なくなるに従って合金層の厚さが増えている。これはＮｉが合金層に拡散し消失していること意味する。Ｎｉが消失すると剥離となることがある（状態Ｓ６３）。したがって、Ｃｕの濃度は０．５ｗｔ％以上であることが望ましく、はんだの製造時の組成のばらつきを考慮すれば、０．６ｗｔ％以上がより望ましい。
【００２６】
複数のチップ３を搭載した半導体装置１０１においては、板状の配線部材５が複数必要になる。複数の板状の配線部材をあらかじめ樹脂製の接続部材５ａで直列に接続することにより一体化したものを用いると、それぞれに必要となる位置決めピンを集約することができ、その分小型化できる。接続部材５ａは、例えばインサートモールドにより形成する。しかし、Ｃｕの濃度が１ｗｔ％を超える場合（図５の領域Ｂ）、図７のフロー図のように、Ｓｎ−Ｃｕはんだの二元状態図から（図１１参照）、チップ下はんだ４およびチップ上はんだ６の融点が２８０℃を超えることとなり（状態Ｓ７１）、ＰＰＳ製の接続部材５ａの融点を超えるため、はんだ付け時に板状の配線部材を接続する樹脂製の接続部材５ａが溶解することが懸念される。また、リフロー温度を上げる必要があり（状態Ｓ７２）、加熱・冷却に要する時間が長くなり、リフロー工程の処理時間が長くなり生産性が低下する（タクトの悪化：状態Ｓ７３）。したがって、Ｃｕの濃度は１ｗｔ％以下が望ましい。半導体装置１０１の熱容量が大きい場合は、はんだが確実に溶融温度に達し、かつ樹脂製の接続部材５ａが溶解しない温度でリフローする必要があるため、０．８ｗｔ％以下のＣｕとなっていることがより望ましい。さらに、図１２に示すように、はんだ付けするためにチップに施したＮｉめっきは、３００℃以上のアニールによりビッカース硬度が増加することが知られている。これは結晶化することで硬度が増加するためである。一方で、硬度が高いと脆く割れやすくなり、信頼性が低下することが懸念される。従って、樹脂製の接続部材がない状態ではんだ付けが完了する構造であっても、はんだの融点が上がることは望ましくない。
【００２７】
Ａｇの濃度が０．３ｗｔ％以上、３ｗｔ％以下のとき、図１３に示す三元状態図からＳｎの初晶が晶出した後、Ｃｕ６Ｓｎ５、Ａｇ３Ｓｎの順に晶出すると考えられ、流動性が低い状態で徐々に凝固が進行するため、ひけすになりにくいと考えられる。Ａｇの濃度が０．３ｗｔ％未満（図５の領域Ｃ）のときＣｕ６Ｓｎ５が、およびＡｇの濃度が３ｗｔ％を超えるときはＡｇ３ＳｎがＳｎと同時に晶出し、図８のフロー図のように、流動性が低い状態の時間が短く（状態Ｓ８１）、ひけすになりやすくなると考えられる（状態Ｓ８２）。実際にチップ３を絶縁基板１に、チップの冷却速度が０．５Ｋ/ｓｅｃとなる温度プロファイルでダイボンドした筆者らの実験の結果、図１４のようにＡｇの濃度が０．３ｗｔ％未満のとき、ひけすが多発し、０．３ｗｔ％以上、３ｗｔ％以下の範囲ではひけすの発生を抑制できた。したがって、Ａｇの濃度が０．３ｗｔ％未満の場合は、ひけすが多くなるため、Ａｇの濃度は０．３ｗｔ％以上であることが望ましい。６００Ａ以上など、大電流に対応した電力用半導体装置では絶縁距離を確保するためモジュールが大きくなり、それに伴って熱容量が大きくなるため、冷却速度がさらに遅くなることが想定される。その場合には、０．５ｗｔ％以上のＡｇが含まれていることがさらに望ましい。
【００２８】
チップ３のチップ上はんだ６と接合する面には、Ｓｉ製の半導体素子３ａとＮｉ製の金属膜３ｄの間にＡｌ製の金属膜３ｃがある。チップ下はんだ４とチップ上はんだ６に含まれるＡｇの濃度を変えたとき、Ａｌ製の金属膜３ｃに生じる主ひずみを計算した結果を、図１５に示す。Ａｌ製の金属膜３ｃ、Ｎｉ製の金属膜３ｂおよび３ｄをそれぞれ５ｕｍとし、はんだの０．２％耐力を実測値から２０ＭＰａ〜３５ＭＰａとして計算した。Ａｇの濃度が２ｗｔ％を超えると（図５の領域Ｄ）、はんだが硬くなり（状態Ｓ９１）、チップ下はんだ４およびチップ上はんだ６の０．２％耐力がＡｌの０．２％耐力を超えるため、ひずみが急激に大きくなることを示している（図１５のＰ点参照）。熱応力が生じたとき（状態Ｓ９２）、はんだより先にＡｌ製の金属膜３ｃにクラックが生じ、チップ３が破壊されることが懸念される（状態Ｓ９３）。したがって、Ａｇの濃度が２ｗｔ％より大きい場合にチップ３の表面の金属膜３ｃとしてＡｌを用いると、Ａｌ製の金属膜３ｃにクラックが発生する可能性があるため、Ａｇの濃度は２ｗｔ％以下であることが望ましい。はんだの０．２％耐力のばらつきを考慮すれば、Ａｇの濃度が１．２ｗｔ％以下がより望ましく、より信頼性に優れた半導体装置を安定的に提供できる。なお、チップ３の表面の金属膜３ｃとしてＡｌを用いない場合、または０．２％耐力がはんだより小さい部材を用いない場合は、Ａｇはひけすを抑制できる３ｗｔ％以下の範囲とすればよい。
【００２９】
これらのことから、チップ下はんだ４およびチップ上はんだ６は、いずれもＳｎ−０．３〜２ｗｔ％Ａｇ−０．５〜１ｗｔ％Ｃｕとすることで、ひけすを抑制できるだけでなく、温度サイクル時にＮｉが消失することによる剥離を抑制でき、Ａｌ製の金属膜３ｃへのひずみを抑制できるため信頼性に優れ、熱抵抗が小さいため小型化されたモジュールを提供できる。また、チップ下はんだ４およびチップ上はんだ６を同じ組成のものとすることで、管理が容易になる。また、融点が同じなので同じ装置の同じ温度プロファイルでチップ下とチップ上を接合できる。
【００３０】
次に、実施の形態１による半導体装置１０１の製造方法について説明する。
図１６は、半導体装置１０１の製造工程を説明するための断面図である。
【００３１】
まず、図１６（ａ）に示すように、冷却用フィン１ａと一体となった絶縁基板１を用意し、絶縁基板１の電極パターン１ｃのチップ３を配置する位置の四隅にＡｌ製のワイヤによるスペーサ２を搭載し、その上にチップ下はんだ４（Ｓｎ−０．３〜２ｗｔ％Ａｇ−０．５〜１ｗｔ％Ｃｕ）とチップ３を配置し、リフローで接合する。
【００３２】
続いて、図１６（ｂ）に示すように、チップ３の上にチップ上はんだ６（Ｓｎ−０．３〜２ｗｔ％Ａｇ−０．５〜１ｗｔ％Ｃｕ）と板状の配線部材５を配置し、リフローでこれらを接合する。チップ３が複数の場合には、複数の板状の配線部材５をあらかじめ樹脂製の接続部材５ａで接続することにより一体化したものを用いてもよい。
【００３３】
次いで、図１６（ｃ）に示すように、ケース７を接着材により絶縁基板１にダイボンドしたチップ３を囲うように取り付け、外部端子と接続されたケース７の端子部（図示せず）とチップ３をワイヤ８を用いてワイヤボンディングで信号配線する。また、リフロー時の加熱によりケース７の接着を完了させることができる。ケース７と絶縁基板１との接着は、はんだ４およびはんだ６のリフロー時に同時に完了させてもよく、はんだのリフロー工程とは別の工程で接着を完了させても良い。チップ３の下はんだ４と上はんだ６とを、Ｓｎ−０．３〜３ｗｔ％Ａｇ−０．５〜１ｗｔ％Ｃｕとすることで、ケース７が溶融しない温度ではんだ接合可能であり、一括ではんだ接合とケース７の接着が可能となり、工程を簡略化できるので好ましい。また、複数の板状の配線部材５をあらかじめ樹脂製の接続部材５ａで接続する場合にも、はんだを樹脂製の接続部材５ａの耐熱温度よりも低い温度で溶融できるため好ましい。
【００３４】
最後に、封止樹脂を流し込み、硬化させて封止樹脂部９を形成し、図２に示すような半導体装置１０１が完成する。
【００３５】
なお、絶縁基板１のセラミック基材にはＡｌＮを用いたが、絶縁性を確保できるものであればセラミックはＡｌ２Ｏ３またはＳｉ３Ｎ４などでもよく、大きさおよび厚さもこれに限るものではない。ワイヤによるスペーサ２はＡｌ製のワイヤを使用するとしたが、Ｃｕなどでもよい。ワイヤによるスペーサ２の線径は１００ｕｍとしたが、はんだ厚より小さければよく、また最低はんだ厚を確保できればよいので、Ｎｉボールなどを含んだはんだを使用してもよい。絶縁基板１は、セラミック基材１ｂとフィン１ａとが鋳造により事前に一体となったものとしたが、セラミック基板とフィンを事前にろう付けまたははんだ付けしたものでもよい。鋳造またはろう付けの場合、熱伝導率の低いはんだを介さないため、熱抵抗を小さくできるので好ましい。また、絶縁性を確保できれば、セラミックに限るものではなく、樹脂性のシートを張り合わせたものでもよく、絶縁基板、絶縁シート、および絶縁膜などの絶縁部材と一体となったものであればよい。
【００３６】
チップ３をはんだ付けする面にはんだ付け性を確保するために金属膜３ｂ、３ｄとしてＮｉを５ｕｍ配置しているが、はんだ付けできれば、ＡｕまたはＴｉなどでもよく、厚さもこれに限るものではない。Ｎｉからなる金属膜３ｂ、３ｄはそれぞれ、チップ３に１箇所に設けられてもよいし、２箇所以上設けられてもよい。
【００３７】
半導体素子３ａはＩＧＢＴとしたが、ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）、またはサイリスタ、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）でもよい。ＳＢＤ（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ  Ｂａｒｒｉｅｒ  Ｄｉｏｄｅ）、またはＳＢＪ（Ｊｕｎｃｔｉｏｎ  Ｂａｒｒｉｅｒ  Ｓｃｈｏｔｔｋｙ）などの整流素子でもよく、半導体装置以外の半導体パッケージに適用してもよい。また、大きさおよび厚さは、これに限るものではない。図１７に示すように、チップは１枚でもよく、それに対応して配線部材が１本でもよい。
【００３８】
また、半導体素子３ａはＳｉ製を用いたが、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料、またはダイヤモンドといったシリコンと較べてバンドギャップが広い、いわゆるワイドバンドギャップ半導体材料を用いることもできる。ワイドバンドギャップ半導体材料を用いて形成され、電流許容量および高温動作が可能な半導体素子を用いた場合に、半導体装置１０１は、特に顕著な効果が現れる。
【００３９】
ワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子および整流素子は、シリコンで形成された素子よりも電力損失が低いため、スイッチング素子および整流素子における高効率化が可能であり、ひいては、電力用半導体装置の高効率化が可能となる。さらに、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、スイッチング素子および整流素子の小型化が可能であり、これら小型化されたスイッチング素子および整流素子を用いることにより、電力用半導体装置も小型化、もしくはさらなる大電流化が可能となる。また耐熱性が高いので、高温動作が可能であり、ヒートシンクに装着する放熱フィン（冷却器）の小型化、および水冷部の空冷化も可能となるので、電力用半導体装置の一層の小型化、大電流化が可能になる。
【００４０】
板状の配線部材５はＣｕ製としたが、Ａｌなど別の部材でもよい。インバーなどの複数の金属を貼り合わせたクラッド材を用いてもよい。表面にＮｉまたはＡｕなどの金属膜を配置してもよく、板厚は１ｍｍに限るものではない。
【００４１】
接続部材５ａはＰＰＳ製としたが、リフロー時の高温で変形しなければＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）などでもよい。配線部材５を一体化できれば、接続部材５ａは複数ある板状の配線部材５の間に１か所配置してもよく、複数か所配置してもよい。位置決めピンで位置決めするとしたが、絶縁基板１の電極パターン１ｃを利用してもよい。接続部材５ａはインサートモールドにより形成するとしたが、成形した樹脂に金属を圧入し一体化する方法でもよい。
【００４２】
複数の配線部材５は接続部材５ａで一体化する構成としたが、図１８に示すように、ケース７が配線部材５の接続部材を兼ねた構造とし、ケース７により配線部材５の外部電極５ｂを固定するようにしてもよい。これにより、部品点数をさらに削減できる。
【００４３】
ケース７は、リフロー時の高温で変形しなければＰＢＴ（Ｐｏｌｙｂｕｔｈｙｌｅｎｅ  ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）などでもよい。インサートモールドにより形成するとしたが、成形した樹脂に金属を圧入し一体化する方法でもよい。
【００４４】
ワイヤ８はゲート配線に限らず、エミッタセンスまたは温度センスダイオードなどの配線に用いてもよい。また、材質はＡｌに限るものではなく、Ｃｕなどでもよい。ワイヤ８の線径はφ２００に限るものではない。また、ワイヤではなく、板状の配線部材をはんだ付けする構造としてもよい。
【００４５】
封止樹脂部９はエポキシ樹脂で形成したが、絶縁性を確保できるものであればエポキシ樹脂に限るものではなく、シリコーンゲルなどでもよい。チップ下はんだ４およびチップ上はんだ６による接合は１回のリフローで行ってもよい。
【００４６】
以上のように、実施の形態１による半導体装置１０１によれば、セラミック基材１ｂと冷却用フィン１ａとが一体となった絶縁基板１と、樹脂からなる接続部材５ａにより接続された複数の板状の配線部材５と、一方の面は絶縁基板１のセラミック基材１ｂ側にチップ下はんだ４を介して接合され、他方の面は複数の板状の配線部材５が各々対応するようにチップ上はんだ６を介して接合された複数の半導体素子３ａとを備え、チップ下はんだ４およびチップ上はんだ６は、いずれもＡｇを０．３ｗｔ％以上、３ｗｔ％以下含み、Ｃｕを０．５ｗｔ％以上、１ｗｔ％以下含み、Ｓｎを主成分とするようにしたので、ひけすを抑制でき、放熱性を損なわずに小型化を図ることができる。また、温度サイクル時にＮｉが消失することによる剥離を抑制でき、Ａｌ製の金属膜へのひずみを抑制できるため信頼性に優れ、熱抵抗が小さいため小型化されたモジュールを提供できる。また、チップ下はんだ４およびチップ上はんだ６を同じ組成のものとすることで、管理が容易になる。また、融点が同じなので同じ装置の同じ温度プロファイルでチップ下とチップ上を接合できる。
【００４７】
さらに、絶縁基板１を、セラミック基材１ｂと冷却用フィン１ａとが一体となった構成としたので、グリスを介して基板とフィンを接触させるより熱抵抗を低減できるため、モジュールの小型化が可能となる。また、チップ３上の配線を板状の配線部材５をはんだ付けした構造としたので、ワイヤボンドした場合と比較し、電流密度を上げることができ、モジュールの小型化が可能となる。
【００４８】
また、複数の板状の配線部材をあらかじめ樹脂製の接続部材５ａで直列に接続することにより一体化したので、位置決めピンを削減できることができ、その分小型化できる。また、絶縁基板１と半導体素子３ａは、スペーサ２を挟んで接合するようにしたので、最低はんだ厚を確保でき、はんだ厚に偏りが生じて放熱性が損なわれることを防ぐことができる。
【００４９】
また、チップ３の表面の金属膜にＡｌを用いる場合は、チップ上はんだ６は、Ａｇを０．３ｗｔ％以上、２ｗｔ％以下含み、Ｃｕを０．５ｗｔ％以上、１ｗｔ％以下含み、Ｓｎを主成分とするようにしたので、上記と同様の効果を得ることができる。さらに、チップ３の裏面の金属膜にＡｌを用いる場合は、チップ下はんだ４は、Ａｇを０．３ｗｔ％以上、２ｗｔ％以下含み、Ｃｕを０．５ｗｔ％以上、１ｗｔ％以下含み、Ｓｎを主成分とするようにしたので、上記と同様の効果を得ることができる。
【００５０】
実施の形態２．
実施の形態１では、チップ下はんだ４およびチップ上はんだ６に、Ａｇを０．３ｗｔ％以上、３ｗｔ％以下含み、Ｃｕを０．５ｗｔ％以上、１ｗｔ％以下含み、Ｓｎを主成分とするはんだを用いて製造した場合を示したが、実施の形態２においては、Ｃｕのみ０．５ｗｔ％以上、１ｗｔ％以下含み、Ｓｎを主成分とするはんだを用いて製造した場合について説明する。
【００５１】
実施の形態２による半導体装置１０２については、チップ下はんだ４およびチップ上はんだ６に、Ｃｕを０．５ｗｔ％以上、１ｗｔ％以下含み、Ｓｎを主成分とするはんだを用いて製造する。また、チップ３の表面側の金属膜３ｄと、裏面側の金属膜３ｂまたは絶縁基板１の電極パターン１ｃ表面の金属膜１ｄには、Ａｇ製のものを用いる。実施の形態２における製造された半導体装置の構成は、金属膜３ｄと、金属膜３ｂまたは金属膜１ｄ以外は実施の形態１での半導体装置の構成と同様であり、実施の形態１で用いた図を援用し、同様部分の説明は省略する。
【００５２】
実施の形態２での半導体装置の製造工程においては、図１６（ｂ）におけるリフロー時の加熱によりはんだが溶融すると、チップ下はんだ４およびチップ上はんだ６とそれぞれ接合する金属膜３ｂ、３ｄまたは１ｄからＡｇが、チップ下はんだ４およびチップ上はんだ６にそれぞれ溶解し、チップ下はんだ４およびチップ上はんだ６中のＡｇの濃度が、それぞれ０．３〜２ｗｔ％となっている。実施の形態２における半導体装置１０２の製造方法は、その他の工程では実施の形態１での半導体装置１０１の製造方法と同様であり、実施の形態１で用いた図を援用し、同様部分の説明は省略する。
【００５３】
以上のように、実施の形態２による半導体装置１０２の製造方法によれば、複数の半導体素子３ａの裏面に形成された金属膜３ｂと、セラミック基材１ｂと冷却用フィン１ａとが一体となった絶縁基板１のセラミック基材１ｂ側に設けられた電極パターン１ｃ表面の金属膜１ｄとを、チップ下はんだ４を介してリフローにより接合する工程と、複数の半導体素子３ａの表面に形成された金属膜３ｄと、複数の半導体素子３ａに複数の板状の配線部材５が各々対応するように、チップ上はんだ６を介してリフローにより接合する工程とを含み、チップ下はんだ４を介して接合する工程およびチップ上はんだ６を介して接合する工程では、チップ下はんだ４およびチップ上はんだ６として、いずれもＣｕを０．５ｗｔ％以上、１ｗｔ％以下含み、Ｓｎを主成分とするはんだを用い、複数の半導体素子３ａの表面に形成された金属膜３ｄをＡｇ製に、複数の半導体素子３ａの裏面に形成された金属膜３ｂと絶縁基板１のセラミック基材１ｂ側に設けられた電極パターン１ｃ表面の金属膜１ｄのいずれかをＡｇ製にすることで、各リフローにより、チップ下はんだ４およびチップ上はんだ６を、いずれもＡｇを０．３ｗｔ％以上、３ｗｔ％以下含み、Ｃｕを０．５ｗｔ％以上、１ｗｔ％以下含み、Ｓｎを主成分とするはんだになるようにしたので、製造された半導体装置は実施の形態１と同様の効果を有するだけでなく、はんだを安価に調達できる。
【００５４】
なお、金属膜３ｄと、金属膜３ｂまたは金属膜１ｄがＡｇ製であるのを、Ｃｕ製とし、チップ下はんだ４およびチップ上はんだ６に、いずれもＡｇを０．３ｗｔ％以上、２ｗｔ％以下含み、Ｓｎを主成分とするはんだを用いても、同様の効果を得ることができる。
【００５５】
また、金属膜３ｄと、金属膜３ｂまたは金属膜１ｄに用いるＡｇまたはＣｕは、めっきであっても、粉、ペーストのいずれであっても、同様の効果を得ることができる。
【００５６】
また、チップ３の表面の金属膜にＡｌを用いる場合は、チップ上はんだ６は、Ａｇを０．３ｗｔ％以上、２ｗｔ％以下含み、Ｃｕを０．５ｗｔ％以上、１ｗｔ％以下含み、Ｓｎを主成分とするようにしたので、上記と同様の効果を得ることができる。さらに、チップ３の裏面の金属膜にＡｌを用いる場合は、チップ下はんだ４は、Ａｇを０．３ｗｔ％以上、２ｗｔ％以下含み、Ｃｕを０．５ｗｔ％以上、１ｗｔ％以下含み、Ｓｎを主成分とするようにしたので、上記と同様の効果を得ることができる。
【００５７】
また、必ずしも、金属膜３ｂと３ｄの両方の金属膜がＡｇ製である必要はなく、金属膜３ｂのみＡｇ製である構成、もしくは、金属膜３ｄのみＡｇ製である構成であってもよい。また、必ずしも、金属膜３ｂと３ｄの両方の金属膜がＣｕ製である必要はなく、金属膜３ｂのみＣｕ製である構成、もしくは、金属膜３ｄのみＣｕ製である構成であってもよい。
【００５８】
実施の形態３．
実施の形態２では、チップ下はんだ４およびチップ上はんだ６に、Ａｇを０．３ｗｔ％以上、２ｗｔ％以下含み、Ｓｎを主成分とするはんだを用いる場合に、絶縁基板１の電極パターン１ｃの上に、そのまま半導体素子を搭載した場合を示したが、実施の形態３においては、電極パターン１ｃ上の半導体素子３ａ配置する以外の領域にレジストを設けた場合について説明する。
【００５９】
図１９は、この実施の形態３による半導体装置１０３を上部からみたときの平面図である。図２０は、図１９のＢＢ矢視断面図である。図１９および図２０に示すように、半導体装置１０３は、実施の形態２のうち、絶縁基板１のセラミック基材１ｂ側に設けられた電極パターン１ｃ表面の金属膜１ｄがＣｕ製で、チップ下はんだ４にＡｇを０．３ｗｔ％以上、２ｗｔ％以下含み、Ｓｎを主成分とするはんだを用いる場合に、電極パターン１ｃ表面の金属膜１ｄの上に、ポリイミドなどのレジスト１０を、半導体素子３ａを配置する以外の領域に形成した後、半導体素子３ａをチップ下はんだ４で接合する。実施の形態３における半導体装置１０３のその他の構成および製造方法は、実施の形態２での半導体装置１０２の電極パターン１ｃ表面の金属膜１ｄがＣｕ製の場合の構成および製造方法と同様であり、実施の形態１で用いた図を援用し、同様部分の説明は省略する。
【００６０】
以上のように、実施の形態３による半導体装置１０３の製造方法によれば、電極パターン１ｃ表面の金属膜１ｄがＣｕ製の場合に、電極パターン１ｃ表面の金属膜１ｄ上に半導体素子３ａを配置する領域以外の領域に、レジスト１０を形成した後、チップ下はんだ４を介して接合するようにしたので、製造された半導体装置は実施の形態１と同様の効果を有するだけでなく、チップ下はんだが濡れ広がる領域を抑制することができる。
【００６１】
なお、上記実施の形態では、冷却用フィン１ａにＡｌ製を用いたが、これに限るものではない。例えば、Ｃｕ製のものを用いると、さらに放熱性の向上を図ることができる。
【００６２】
また、２回目のリフローでチップ上はんだと配線部材とを接合するとしたが、レーザーを用いたスポット加熱によりはんだ付けをしてもよい。はんだ付け性を良好にするためにチップおよび絶縁基板の表面にＮｉなどの金属膜を形成するが、このＮｉなどの金属は、はんだが溶融しているときに、はんだの中に拡散する。２回目のリフローによりＮｉなどの金属が過剰に拡散し、ひけすに対して効果的な組成でなくなる。これに対し、レーザーによるスポット加熱であれば、チップ下はんだが溶融しないため、このような拡散を防ぐことができる。また、１回目のリフローで発生したひけすの端部が２回目のリフローで塞がり、ボイドとなることがあるが、チップ下はんだを溶融しないため、このようなボイドが発生しない。
【００６３】
レーザーを用いてスポット加熱することでチップ下はんだの再溶融を防ぐことができるため、配線部材がない状態でチップ下はんだのボイドおよびひけすといった欠陥の検査もできる。配線部材がＣｕである場合、Ｘ線の透過率がはんだに近いため、Ｃｕからなる配線部材が搭載された状態で検査をするためには、ＣＴ処理または目視判定が必要となる。一方、配線部材が搭載される前の状態で検査した場合、通常のＸ線装置で検査できるため、検査にかかる工数を削減できる。
【００６４】
また、はんだによりチップが拘束された状態ではんだ付け温度まで急加熱されると、基板とチップとの線膨張係数差により生じた熱応力でチップが破損することがある。レーザーを用いたスポット加熱では、チップ上はんだにより接合される領域のみ加熱するため、基板とチップとの線膨張係数差による熱応力の影響を小さくでき、チップの破損を防ぐことができる。
【００６５】
チップ上はんだと配線部材とのはんだ付け領域のみ加熱することができれば、はんだごてのように加熱した金属を接触させる方法でもよい。
【００６６】
本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
【符号の説明】
【００６７】
１  絶縁基板、１ａ  冷却用フィン、１ｂ  セラミック基材、１ｃ  電極パターン、１ｄ  金属膜、２  スペーサ、３  チップ、３ａ  半導体素子、３ｂ、３ｃ、３ｄ  金属膜、４  チップ下はんだ、５  配線部材、６  チップ上はんだ、１０  レジスト、１０１、１０２、１０３  半導体装置。
【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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【手続補正書】
【提出日】令和2年3月3日(2020.3.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁部材と冷却用フィンとが一体となった基板と、
板状配線部材と、
裏面側は前記基板の絶縁部材の配線パターン側に第一のはんだを介して接合され、表面側は前記板状配線部材に対応するように第二のはんだを介して接合された半導体素子とを備え、
前記第一のはんだは、Ａｇを０．３ｗｔ％以上、３ｗｔ％以下含み、Ｃｕを０．５ｗｔ％以上、１ｗｔ％以下含み、Ｓｎを主成分とし、
前記半導体素子の表面側にＡｌ製の金属膜が設けられた場合、前記第二のはんだは、Ａｇを０．３ｗｔ％以上、２ｗｔ％以下含み、Ｃｕを０．５ｗｔ％以上、１ｗｔ％以下含み、Ｓｎを主成分とすることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記半導体素子の裏面側にＡｌ製の金属膜が設けられた場合、前記第一のはんだは、Ａｇを０．３ｗｔ％以上、２ｗｔ％以下含み、Ｃｕを０．５ｗｔ％以上、１ｗｔ％以下含み、Ｓｎを主成分とすることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
絶縁部材と冷却用フィンとが一体となった基板と、
板状配線部材と、
裏面側は前記基板の絶縁部材の配線パターン側に第一のはんだを介して接合され、表面側は前記板状配線部材に対応するように第二のはんだを介して接合された半導体素子とを備え、
前記第一のはんだは、Ａｇを０．３ｗｔ％以上、３ｗｔ％以下含み、Ｃｕを０．５ｗｔ％以上、１ｗｔ％以下含み、Ｓｎを主成分とし、
前記基板は、前記絶縁部材の配線パターン側に設けられ、前記半導体素子の裏面側と前記第一のはんだを介して接合された金属膜を備え、前記半導体素子は、裏面側に前記絶縁部材側と前記第一のはんだを介して接合された金属膜を備え、前記半導体素子の裏面側に設けられた金属膜と前記基板の前記配線パターン側に設けられた金属膜の少なくともいずれか一方が、Ａｇ製またはＣｕ製であることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
前記第二のはんだは、Ａｇを０．３ｗｔ％以上、３ｗｔ％以下含み、Ｃｕを０．５ｗｔ％以上、１ｗｔ％以下含み、Ｓｎを主成分とすることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記半導体素子の表面側には、前記板状配線部材と前記第二のはんだを介して接合された金属膜を備え、前記半導体素子の表面側に設けられた金属膜がＡｇ製またはＣｕ製であることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記基板と前記半導体素子は、スペーサを挟んで接合することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
複数の前記半導体素子と、複数の前記半導体素子に対応する板状配線部材が各々複数あり、前記複数の配線部材である第一板状配線部材と第二板状配線部材とが樹脂からなる接続部材により接続されていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記基板は、前記絶縁部材と前記冷却用フィンとが鋳造により一体化されていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記基板は、前記絶縁部材と前記冷却用フィンとがろう付けにより一体化されていることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記半導体素子は、ワイドバンドギャップ半導体材料で形成され、前記ワイドバンドギャップ半導体材料は、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料、およびダイヤモンドのうちのいずれかであることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１１】
半導体素子の裏面側と、絶縁部材と冷却用フィンとが一体となった基板の前記絶縁部材の配線パターン側とを、第一のはんだを介して第一のリフローにより接合する工程と、
前記半導体素子の表面側と、板状配線部材とを、前記半導体素子に前記板状配線部材が対応するように、第二のはんだを介して第二のリフローにより接合する工程とを含み、
前記第一のはんだは、Ａｇを０．３ｗｔ％以上、３ｗｔ％以下含み、Ｃｕを０．５ｗｔ％以上、１ｗｔ％以下含み、Ｓｎを主成分とし、
前記半導体素子の表面側にＡｌ製の金属膜が設けられた場合、前記第二のはんだは、Ａｇを０．３ｗｔ％以上、２ｗｔ％以下含み、Ｃｕを０．５ｗｔ％以上、１ｗｔ％以下含み、Ｓｎを主成分とすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
前記半導体素子の裏面側にＡｌ製の金属膜が設けられた場合、前記第一のはんだは、Ａｇを０．３ｗｔ％以上、２ｗｔ％以下含み、Ｃｕを０．５ｗｔ％以上、１ｗｔ％以下含み、Ｓｎを主成分とすることを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
半導体素子の裏面側に形成された金属膜と、絶縁部材と冷却用フィンとが一体となった基板の前記絶縁部材の配線パターン側に設けられた金属膜とを、第一のはんだを介して第一のリフローにより接合する工程と、
前記半導体素子の表面側に形成された金属膜と、板状配線部材とを、前記半導体素子に前記板状配線部材が対応するように、第二のはんだを介して第二のリフローにより接合する工程を含み、
前記第一のはんだを介して接合する工程では、前記第一のはんだとして、Ｃｕを０．５ｗｔ％以上、１ｗｔ％以下含み、Ｓｎを主成分とするはんだを用い、前記半導体素子の裏面側に形成された金属膜と前記基板の絶縁部材の配線パターン側に設けられた電極パターン表面側の金属膜の少なくともいずれか一方をＡｇ製にすることで、第一のリフローにより、前記第一のはんだを、Ａｇを０．３ｗｔ％以上、３ｗｔ％以下含み、Ｃｕを０．５ｗｔ％以上、１ｗｔ％以下含み、Ｓｎを主成分とするはんだにすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
半導体素子の裏面側に形成された金属膜と、絶縁部材と冷却用フィンとが一体となった基板の絶縁部材の配線パターン側に設けられた電極パターン表面側の金属膜とを、第一のはんだを介して第一のリフローにより接合する工程と、
前記半導体素子の表面側に形成された金属膜と、板状配線部材とを、前記半導体素子に前記板状配線部材が対応するように、第二のはんだを介して第二のリフローにより接合する工程を含み、
前記第一のはんだを介して接合する工程では、前記第一のはんだとして、Ａｇを０．３ｗｔ％以上、３ｗｔ％以下含み、Ｓｎを主成分とするはんだを用い、前記半導体素子の裏面側に形成された金属膜と前記基板の絶縁部材の配線パターン側に設けられた電極パターン表面側の金属膜の少なくともいずれか一方をＣｕ製にすることで、第一のリフローにより、前記第一のはんだを、Ａｇを０．３ｗｔ％以上、３ｗｔ％以下含み、Ｃｕを０．５ｗｔ％以上、１ｗｔ％以下含み、Ｓｎを主成分とするはんだにすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
複数の前記半導体素子と、複数の前記半導体素子に対応する板状配線部材が各々複数あり、前記複数の配線部材である第一板状配線部材と第二板状配線部材とが樹脂からなる接続部材により接続されていることを特徴とする請求項１１から請求項１４のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
前記第一のはんだを介して接合する工程および前記第二のはんだを介して接合する工程は、同時に行われることを特徴とする請求項１１から請求項１５のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
前記第一のはんだを介して接合する工程は、前記基板にケースを接着する工程と同時に行われることを特徴とする請求項１１から請求項１６のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１８】
前記第二のはんだを介して接合する工程は、前記第二のリフローにより接合する代わりに、レーザーを用いたスポット加熱により接合することを特徴とする請求項１１から請求項１７のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１９】
絶縁部材と冷却用フィンとが一体となった基板と、
板状配線部材と、
裏面側は前記基板の絶縁部材の配線パターン側に第一のはんだを介して接合され、表面側は前記板状配線部材に対応するように第二のはんだを介して接合された半導体素子とを備え、
前記半導体素子の裏面側にＡｌ製の金属膜が設けられた場合、前記第一のはんだは、Ａｇを０．３ｗｔ％以上、２ｗｔ％以下含み、Ｃｕを０．５ｗｔ％以上、１ｗｔ％以下含み、Ｓｎを主成分とすることを特徴とする半導体装置。
【請求項２０】
絶縁部材と冷却用フィンとが一体となった基板と、
板状配線部材と、
裏面側は前記基板の絶縁部材の配線パターン側に第一のはんだを介して接合され、表面側は前記板状配線部材に対応するように第二のはんだを介して接合された半導体素子とを備え、
前記半導体素子の表面側にＡｌ製の金属膜が設けられた場合、前記第二のはんだは、Ａｇを０．３ｗｔ％以上、２ｗｔ％以下含み、Ｃｕを０．５ｗｔ％以上、１ｗｔ％以下含み、Ｓｎを主成分とすることを特徴とする半導体装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
本願に開示される半導体装置は、絶縁部材と冷却用フィンとが一体となった基板と、板状配線部材と、裏面側は前記基板の絶縁部材の配線パターン側に第一のはんだを介して接合され、表面側は前記板状配線部材に対応するように第二のはんだを介して接合された半導体素子とを備え、前記第一のはんだは、Ａｇを０．３ｗｔ％以上、３ｗｔ％以下含み、Ｃｕを０．５ｗｔ％以上、１ｗｔ％以下含み、Ｓｎを主成分とし、前記半導体素子の表面側にＡｌ製の金属膜が設けられた場合、前記第二のはんだは、Ａｇを０．３ｗｔ％以上、２ｗｔ％以下含み、Ｃｕを０．５ｗｔ％以上、１ｗｔ％以下含み、Ｓｎを主成分とすることを特徴とする。
また、絶縁部材と冷却用フィンとが一体となった基板と、板状配線部材と、裏面側は前記基板の絶縁部材の配線パターン側に第一のはんだを介して接合され、表面側は前記板状配線部材に対応するように第二のはんだを介して接合された半導体素子とを備え、前記第一のはんだは、Ａｇを０．３ｗｔ％以上、３ｗｔ％以下含み、Ｃｕを０．５ｗｔ％以上、１ｗｔ％以下含み、Ｓｎを主成分とし、前記基板は、前記絶縁部材の配線パターン側に設けられ、前記半導体素子の裏面側と前記第一のはんだを介して接合された金属膜を備え、前記半導体素子は、裏面側に前記絶縁部材側と前記第一のはんだを介して接合された金属膜を備え、前記半導体素子の裏面側に設けられた金属膜と前記基板の前記配線パターン側に設けられた金属膜の少なくともいずれか一方が、Ａｇ製またはＣｕ製であることを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
本願に開示される半導体装置の製造方法は、半導体素子の裏面側と、絶縁部材と冷却用フィンとが一体となった基板の前記絶縁部材の配線パターン側とを、第一のはんだを介して第一のリフローにより接合する工程と、前記半導体素子の表面側と、板状配線部材とを、前記半導体素子に前記板状配線部材が対応するように、第二のはんだを介して第二のリフローにより接合する工程とを含み、前記第一のはんだは、Ａｇを０．３ｗｔ％以上、３ｗｔ％以下含み、Ｃｕを０．５ｗｔ％以上、１ｗｔ％以下含み、Ｓｎを主成分とし、前記半導体素子の表面側にＡｌ製の金属膜が設けられた場合、前記第二のはんだは、Ａｇを０．３ｗｔ％以上、２ｗｔ％以下含み、Ｃｕを０．５ｗｔ％以上、１ｗｔ％以下含み、Ｓｎを主成分とすることを特徴とする。
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
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【手続補正５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１７】
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【手続補正６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１９】
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【国際調査報告】
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