(57)【要約】【課題】主電極上全面を一様な半田ベタ膜層で被覆して、半田による配線接合部の熱抵抗を小さくして、放熱効率を向上させ、信頼性が高い半導体装置を提供する。【解決手段】エミッタ電極２がゲートライナー４で分割され、ゲートライナー４を保護するため、表面にはポリイミド膜７が成膜され、ポリイミド膜７上に半田濡れ性のよいＣｕ、Ａｕなどで、金属箔８を覆いかぶせ、その上に、半田を置き、さらに導板６を置き、リフロー炉で半田を溶融し固化させて接合することで、溶融した半田は金属箔７を経由して分割された隣の溶融した半田にまで濡れ広がり、溶融した半田はポリイミド膜７で分割されること無く、一様な半田ベタ膜層９を形成することができる。これにより、半田による配線接合部の熱抵抗を小さくして、放熱効率を向上させ、信頼性が高い半導体装置を提供する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、該半導体基板の主面上に形成された主電極と、該主電極上を被覆し、複数の開口部を有する絶縁膜と、該絶縁膜上に配置される導体と、前記主電極と対向する導板と、前記導体を包含するとともに該導板を前記複数の開口部を介して前記主電極と接合する半田と、を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
半導体基板と、該半導体基板の主面上に形成され、制御電極と接続する制御配線で分割された複数の主電極と、前記制御配線上を被覆する絶縁膜と、該絶縁膜上に配置される導体と、前記複数の主電極と対向する導板と、前記導体を包含するとともに該導板を前記複数の開口部を介して前記主電極と接合する半田と、を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
前記半田が、クリーム半田または板半田であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記絶縁膜が、ポリイミド膜もしくは窒化膜であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記導体が、半田濡れ性のよい金属箔もしくは半田濡れ性のよい格子状の金属箔もしくは金属コア半田ボールもしくは半田ボールであることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記の金属箔の表面層の材質が、Ｃｕ，Ａｕ，Ｎｉのいずれかであ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】
前記制御配線が、ゲートライナーであることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項８】
支持基板と、該支持基板と一方の主面が固着された半導体基板と、該半導体基板の他方の主面上に形成され、制御電極と接続する制御配線で分割された複数の主電極と、前記制御配線上を被覆する絶縁膜と、前記複数の主電極と対向する導板と、前記導体を包含するとともに該導板を前記複数の主電極と接合する半田と、を有する半導体装置の製造方法において、
前記主電極上に予備半田を前記絶縁膜の表面高さより高く形成する工程と、前記絶縁膜上に半田ボールを配置する工程と、前記予備半田および半田ボール上に前記導板を配置し、リフロー炉を通して予備半田および半田ボールを溶融する工程と、加熱して溶融した半田を冷却して固化する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記半田ボールが、半田のみのボールもしくは金属球の周りに半田層を形成した金属コア半田ボールであることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記金属球の表面層の材質が、Ｃｕ，Ａｕ，Ｎｉのいずれかであることを特徴とする請求項８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】
この発明は、大容量のＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）モジュールなどの半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、大容量のＩＧＢＴモジュールなどのパワー半導体素子において、信頼性を向上させるために、素子の接合温度の低減や外部導出配線の電流密度の低減を図っている。この素子の接合温度の低減や外部導出配線の電流密度の低減を図るために、外部導出配線をアルミワイヤ配線に代えて導板を配線として用い、ＩＧＢＴチップと導板を１００μｍ以上の厚さの半田で接合して放熱効率を高めたＩＧＢＴモジュールが開示されている（特許文献１）。このように導板で配線したＩＧＢＴモジュールについて説明する。
図８は、導板で配線したＩＧＢＴモジュールを示し、同図（ａ）は要部断面図、同図（ｂ）は同図（ａ）の導板と半導体チップの平面図、同図（ｃ）は同図（ａ）のＡ部の拡大断面図で同図（ｂ）のＸ−Ｘ線で切断した箇所の断面図である。
冷却板５７（ヒートシンク）と、絶縁基板６９の表面が導電膜７０で選択的に被覆された絶縁金属基板５３とを図示しない半田で固着し、この絶縁金属基板５３と半導体チップ５１を半田５５で固着し、半導体チップ５１上のエミッタ電極のボンディングパッドであるエミッタ電極パッド６５と、導板５２（導体で形成された板：リードフレームのこと）とをクリーム半田５４で固着する。
【０００３】
また、導板５２の端部と絶縁金属基板５３の第１ボンディングパッド６７とを半田５６で固着する。この第１ボンディングパッド６７と外部導出端子５９とをボンディングワイヤ６１で接続することで、半導体チップ５１のエミッタ電極パッド６５と外部導出端子５９は電気的に接続する。また、図示しないボンディングワイヤで、ゲート電極パッド６６と外部導出端子６０は接続する。
外部導出端子５９、６０が固着する樹脂成形されたケース５８と冷却体５７とを接着する。半導体チップ５１、導板５２、絶縁金属基板５３、ボンディングワイヤ６１などを水分、湿気、塵埃から保護する目的で、ケース５８と冷却導体５７で囲まれた空間はゲル６２（シリコーンゲルなど）で充填されている。
このように、半導体チップ５１表面のエミッタ電極パッド６５をワイヤボンディングではなく、クリーム半田５４（所謂、ソルダペーストともいわれるもの）を印刷し、高熱伝導、大面積の導板５２をリフロー半田付けして、電気的配線することで、半導体チップ５１で発生した熱を絶縁金属基板５３側へだけでなく、導板５２側にも放熱することができて、半導体チップ５１の接合温度Ｔj を保証温度の１５０℃（シリコンの場合）以下に抑えることができる。
【０００４】
また、図示しないが、半田を用いない圧接構造の平型ＩＧＢＴにおいて、ゲートライナーで分割された一層目のエミッタ電極を二層目のエミッタ電極で架橋することで、分割された一層目のエミッタ電極が二層目のエミッタ電極で一体化されて、片加圧でＩＧＢＴチップ全面が加圧されない場合でも、二層目のエミッタ電極があることによりＩＧＢＴ全面を均一動作させることができて、ＩＧＢＴチップの破壊を防止できることが開示されている（特許文献２）。
【特許文献１】特開２００１−３３２６６４号公報
【特許文献２】特開２００４−２２１２６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図８の構造では、導板５２とエミッタ電極パッド６５は４箇所の半田５４で接続されているため、半導体チップ５１で発生した熱はこの４箇所の半田５４を介して導板５２へ放熱さる。しかしながら、導板５２とエミッタ電極との熱的な接続は半田５４による接合部分に限られるため、放熱効率は必ずしも良好でない。
これを改善するために、エミッタ電極パッド６５全面を半田で導板５２に固着しようとしても、図８の構造では、前記の半田５４が付いていない箇所のエミッタ電極パッド６５上には保護膜が被覆しており半田が固着しない。
また、図９のように、エミッタ電極８２がゲートライナー８４で分割され、このゲートライナー８４がポリイミド膜８７などの保護膜で被覆されている構造では、半田の濡れ拡がりがゲートライナー８４を被覆しているポリイミド膜８７で阻害されて、図９（ｂ）のように、ポリイミド膜８７の箇所には広がらず、導板８６とポリイミド膜８７と半田層８９で囲まれた空洞９０が生じる。そのため、ＩＧＢＴチップ８１で発生した熱はゲートライナー８４の上に空洞９０があるので、ゲートライナー８４上からは導板８６へ放熱されず、熱抵抗が大きくなり放熱効率を大きくすることが困難になる。また、半田層８９と導板８６との配線接合部の電気抵抗が大きくなる。放熱効率が小さく電気抵抗が大きくなると配線接合部の温度上昇により、配線接合部に割れなどが発生し高信頼性を確保することが困難になる。
【０００６】
この発明の目的は、前記の課題を解決して、主電極上全面を一様な半田ベタ膜層で被覆して、半田による配線接合部の熱抵抗を小さくして、放熱効率を向上させ、信頼性が高い半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記の目的を達成するために、半導体基板と、該半導体基板の主面上に形成された主電極と、該主電極上を被覆し、複数の開口部を有する絶縁膜と、該絶縁膜上に配置される導体と、前記複数の主電極と対向する導板と、前記導体を包含するとともに該導板を前記主電極と接合する半田と、を有する構成とする。
また、半導体基板と、該半導体基板の主面上に形成され、制御電極と接続する制御配線で分割された複数の主電極と、前記制御配線上を被覆する絶縁膜と、該絶縁膜上に配置される導体と、前記複数の主電極と対向する導板と、前記導体を包含するとともに該導板を前記複数の開口部を介して前記主電極と接合する半田と、を有する構成とする。
また、前記半田が、クリーム半田または板半田であるとよい。
また、前記絶縁膜が、ポリイミド膜もしくは窒化膜であるとよい。
【０００８】
また、前記導体が、半田濡れ性のよい金属箔もしくは半田濡れ性のよい格子状金属箔もしくは金属コア半田ボールもしくは半田ボールであるとよい。
また、前記金属箔の表面層の材質が、Ｃｕ，Ａｕ，Ｎｉのいずれかであるとよい。
また、前記制御配線が、ゲートライナーであるとよい。
また、支持基板と、該支持基板と一方の主面が固着された半導体基板と、該半導体基板の他方の主面上に形成され、制御電極と接続する制御配線で分割された複数の主電極と、前記制御配線上を被覆する絶縁膜と、前記複数の主電極と対向する導板と、前記導体を包含するとともに該導板を前記複数の主電極と接合する半田と、を有する半導体装置の製造方法において、
前記主電極上に予備半田を前記絶縁膜の表面高さより高く形成する工程と、前記絶縁膜上に半田ボールを配置する工程と、前記予備半田および半田ボール上に前記導板を配置し、リフロー炉を通して予備半田および半田ボールを溶融する工程と、加熱して溶融した半田を冷却して固化する工程と、を有する製造方法とする。
【０００９】
また、前記半田ボールが、半田のみのボールもしくは金属球の周りに半田層を形成した金属コア半田ボールであるとよい。
また、前記金属球の表面層の材質が、Ｃｕ，Ａｕ，Ｎｉのいずれかであるとよい。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、半導体素子の表面側の主電極を複数の領域に分割している箇所（ゲートライナー）を半田濡れ性のよい導電膜で被覆することによって、分割箇所で半田接合層が分割されることを防止して、放熱効率を向上させ、半田による配線接合部の電気抵抗を小さくして高信頼性を確保できる半導体装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
この発明の形態は、エミッタ電極がゲートライナーで分割されているＩＧＢＴチップにおいて、分割された複数のエミッタ電極を半田ベタ膜層で架橋し、この半田ベタ膜層に外部導出配線である導板を固着することで、放熱効率を高めて、配線接合部の信頼性を高めた半導体装置を提供することにある。
【実施例１】
【００１２】
図１は、この発明の第１実施例の半導体装置の要部構成図であり、同図（ａ）は要部平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図、同図（ｃ）は同図（ｂ）の金属箔の要部斜視図である。ここでは半導体装置として、例えばＩＧＢＴモジュールを挙げた。また、図１（ａ）はＩＧＢＴモジュールを構成しているＩＧＢＴチップの平面図で、点線は導板の平面図である。図中の５は耐圧構造である。
ＩＧＢＴチップ１のエミッタ電極２は半田接合を可能にするために、例えば、図示しない無電解Ｎｉ（ニッケル）／Ａｕ（金）めっき膜（Ｎｉ膜が下地でＡｕ膜が上層）が形成されている。エミッタ電極とは反対側の主面に形成されるコレクタ電極は図示を省略している。ここで無電解Ｎｉ／Ａｕメッキ膜を採用したのはＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法で形成するより製造コストを低くできるためである。エミッタ電極２は、ゲートパッド３と接続する５００μｍ程度の幅のゲートライナー４によって、例えば３分割されている。ゲートライナー４を保護するため、ゲートライナーの表面にはポリイミド膜７が厚さ２０μｍ程度で成膜されている。ここで、ゲートライナー４を被覆しているポリイミド膜７上に半田濡れ性のよいＣｕ、Ａｕなどで、厚さ１００μｍ程度の金属箔８を覆いかぶせる。その上に、半田（クリーム半田あるいは板半田）を置き、さらに導板６を置き、リフロー炉で半田を溶融し固化させて接合することで、溶融した半田は金属箔７を経由して分割された隣の溶融した半田にまで濡れ広がることが可能になり、溶融した半田はゲートライナーを被覆しているポリイミド膜７で分割されること無く、一様な半田ベタ膜層９を厚さ１５０μｍ程度で形成することができる。前記のポリイミド膜７を０．５μｍから１μｍ程度の窒化膜に代えても同様に半田ベタ膜層９を形成することができる。窒化膜はＣＶＤ法などで成膜できる。また、ポリイミドに比べて熱伝導率が高いためＩＧＢＴチップと導板６との熱的な接合に優れているため、ＩＧＢＴのエミッタ電極側からの放熱に有利である。
【００１３】
尚、前記の金属箔８は図１（ｃ）のようにコの字型に成形し、ゲートライナー４を被覆するポリイミド膜７に、パターン認識機能付きロボットを用いてはめ込むように置くとよい。また図示しないが枠を形成してゲートライナー４上に配置される箇所以外の箇所を半田濡れ性の悪い膜で被覆し、この枠をゲートライナー４上に配置してもよい。この方法の場合は金属箔でなく、ワイヤで枠を形成してもよい。この場合には、ゲートライナー４上に配置されない部分のワイヤの表面を半田濡れ性の良くないポリイミドなどの絶縁膜で被覆する。
このように、半田ベタ膜層９を形成することで、導板６とエミッタ電極２は半田ベタ膜層９を介して接合し、半田による配線接合部の熱抵抗を低くできて、この配線接合部での温度上昇を抑えることができる。その結果、放熱効率が高く、配線接合部に割れの発生がない高い信頼性を確保できるＩＧＢＴモジュールを提供することができる。
【００１４】
尚、図２のような、エミッタ電極２が分割されていない場合でも、エミッタ電極２上に形成した保護膜としてのポリイミド膜１０に複数個の開口部１１が形成されている場合にこの実施例は適用できる。つまり、エミッタ電極２の複数箇所をボンディングワイヤで接続して製作される比較的チップサイズの小さなＩＧＢＴにおいて、そのＩＧＢＴチップ１ａはそのままにして、ボンディングワイヤのみを導板に代えて、その導板を一様の半田ベタ膜層でエミッタ電極上全面を固着する場合である。
【実施例２】
【００１５】
図３は、この発明の第２実施例の半導体装置の要部構成図であり、同図（ａ）は要部平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図である。この図は、前記と同様にＩＧＢＴチップの構成図である。
図１のように、ゲートライナー４上に金属箔８を配置するのではなく、開口部が５０μｍ□〜３００μｍ□で線径が１００μｍφ程度の格子状（網目状）金属箔１２をエミッタ電極２上およびゲートライナー４上に置き、その上に半田を置くことで、溶融した半田１２は格子状金属箔１２を介してエミッタ電極２上およびゲートライナー４上で一様に濡れ広がることが可能になり、リフロー後にエミッタ電極２上の半田がゲートライナー４で分割されることなく半田ベタ膜層９を形成できる。この場合も、図１と同様の効果を得ることができる。
【実施例３】
【００１６】
図４は、この発明の第３実施例の半導体装置の要部断面図である。この図は、図１（ｂ）に相当した断面図である。
これは、ゲートライナー４上に金属コア半田ボール１３を配置した実施例である。この実施例では、まず予備半田９ａとして、ＩＧＢＴチップ１のエミッタ電極２に半田のみを置きリフロー炉を通す。ここで半田層の厚さはポリイミド膜７より厚くなるように半田量を制御する。このままでは予備半田９ａでは半田がゲートライナーを被覆するポリイミド膜７で濡れ広がりを阻害され、ポリイミド膜７で分割される。ここで、半田が分割されているゲートライナー４を被覆しているポリイミド膜７上に金属コア半田ボール１３を配置し再度リフロー炉を通す（実際の工程ではリードフレームなども配置する）。  その結果、ゲートライナーを被覆しているポリイミド膜７で分割されている予備半田９ａは金属コア半田ボール１３を介して濡れ広がり、溶融した半田はポリイミド膜７で分割されず、エミッタ電極２上とゲートライナー４上で一様な半田ベタ膜層９を形成することができる。この金属コア半田ボール１３には導板６を介して熱が伝導するため、導板６と溶融した金属コア半田ボール１３が接して、導板６上に濡れ広がり半田ベタ膜層９が形成される。この場合は、ポリイミド膜７上には直接半田が被覆する。この場合も図１と同様の効果を得ることができる。尚、金属コア半田ボール１３は、金属球１４の周りに半田膜１５が被覆したもので、金属球１４としては、Ｃｕ球やＣｕ球の表面層をＮｉ膜上にＡｕ膜を形成した薄層（Ｎｉ／Ａｕ膜）で被覆した金属球またはＮｉ球である。
【実施例４】
【００１７】
図５は、この発明の第４実施例の半導体装置の要部断面図である。図４との違いは、金属コア半田ボール１３を金属コアがない半田ボール１６にした点である。この場合も、図４と同様の効果が得られる。
【実施例５】
【００１８】
図６は、この発明の第５実施例の半導体装置の要部断面図である。この図は、図１に相当した断面図である。
これは、ゲートライナー４を被覆するポリイミド膜７を形成した後で、エミッタ電極２上とゲートライナー４を被覆するポリイミド膜７上にＡｌ（アルミニウム）／Ｎｉ（ニッケル）／Ａｕ（金）膜１７（最下層がＡｌ膜、中層がＮｉ膜、最上層がＡｕ膜）を蒸着法またはＣＶＤ法で形成する。つぎに、Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ膜上に半田と導板６を配置し、リフロー炉を通して、半田を溶融・固化させて、導板６とＡｌ／Ｎｉ／Ａｕ膜１７を半田ベタ膜層９で固着する。ゲートライナー４を被覆するポリイミド膜７上にもＡｌ／Ｎｉ／Ａｕ膜１７が形成されているので、溶融した半田はゲートライナー４で分割されることなく一様な半田ベタ膜層９を形成することができる。この場合も、図１と同様の効果を得ることができる。
【００１９】
尚、ポリイミド膜７上およびエミッタ電極２上にＡｌ膜なしでＮｉ／Ａｕ膜を形成してもよいが、ポリイミド膜７との密着性はＡｌ／Ｎｉ／Ａｕ膜１７と比べると良くない。また、Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ膜１７はエミッタ電極２上に形成しないでポリイミド膜７上にのみ形成しても勿論構わない。
【実施例６】
【００２０】
図７は、この発明の第６実施例の半導体装置の製造方法を示す図であり、同図（ａ）から同図（ｃ）は工程順に示した要部製造工程断面図である。これは図５の半導体装置の製造方法である。
ＩＧＢＴチップ１のエミッタ電極２に半田のみを置きリフロー炉を通して予備半田９ａを行う。この予備半田９ａでは半田がゲートライナー４を被覆するポリイミド膜７で濡れ広がりを阻害され、ゲートライナー４を被覆するポリイミド膜７で分割され、分割されたエミッタ電極２上にのみ半田が固着する。ここで半田層の厚さはポリイミド膜７より厚くなるように半田量を制御する（同図（ａ））。
つぎに、予備半田９ａで挟まれた井戸状になった箇所の底部のポリイミド膜７上に半田ボール１６を置き、上に導板６を載せる（同図（ｂ））。
【００２１】
つぎに、２５０℃程度のリフロー炉を通して予備半田９ａと半田ボール１６を溶融させ、その後冷却して半田を固化して、導体６とエミッタ電極２を一様な半田ベタ膜層９で固着する。
同図（ｃ）のように、エミッタ電極２上とゲートライナー４上で一様な半田ベタ膜層９を形成できるのは、半田ボール１６に導板６を介して熱が伝達され、導板６と接した予備半田９ａと半田ボール１６が溶融して、半田ベタ膜層９が形成される。この場合は、ポリイミド膜７上には直接半田が被覆するようになる。
尚、半田ボール１６を金属コア半田ボール１３に代えると、図４の半導体装置の製造方法となる。また、図は模式図であるので、半田ボール１６や金属コア半田ボール１３は井戸に１個入った状態を描いたが、実際は井戸に対してボールの大きさが小さいため複数個入っている。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】この発明の第１実施例の半導体装置の要部構成図であり、（ａ）は要部平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図、（ｃ）は（ｂ）の金属箔の要部斜視図
【図２】エミッタ電極が分割されていない場合のＩＧＢＴチップの図
【図３】この発明の第２実施例の半導体装置の要部構成図であり、（ａ）は要部平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図
【図４】この発明の第３実施例の半導体装置の要部断面図
【図５】この発明の第４実施例の半導体装置の要部断面図
【図６】この発明の第５実施例の半導体装置の要部断面図
【図７】この発明の第６実施例の半導体装置の製造方法を示す図であり、（ａ）から（ｃ）は工程順に示した要部製造工程断面図
【図８】導板で配線したＩＧＢＴモジュールを示し、（ａ）は要部断面図、（ｂ）は（ａ）の導板と半導体チップの平面図、（ｃ）は（ａ）のＡ部の拡大断面図で（ｂ）のＸ−Ｘ線で切断した箇所の断面図
【図９】エミッタ電極がゲートライナーで分割されたＩＧＢＴチップの図
【符号の説明】
【００２３】
１、１ａ  ＩＧＢＴチップ
２    エミッタ電極
３    ゲートパッド
４    ゲートライナー
５    耐圧構造
６    導板
７、１０  ポリイミド膜
８    金属箔
９    半田ベタ膜層
９ａ  予備半田
１１    開口部
１２    格子状金属箔
１３    金属コア半田ボール
１４    金属球
１５    半田膜
１６    半田ボール
１７    Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ膜
【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】
2006210519.tif 000008
【図７】
2006210519.tif 000009
【図８】
2006210519.tif 000010
【図９】
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