(57)【要約】      （修正有）【課題】ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等を用いたインバータ装置等の電力変換装置に使用される半導体装置の製造方法と耐久性と信頼性の高い半導体装置を提供する。【解決手段】セラミック板３ｂの下面に金属放熱板３ａが直接接合されており、かつ上面には金属回路板３ｃが直接接合されている絶縁基板３を平坦な状態の金属ベース板１上に鉛フリーはんだ２を用いてはんだ付けを行う。そのとき絶縁基板３が接合されている面とは反対の面側に対してショットピーニング処理を行うことにより、凹状に反った金属ベース板１をほぼ平坦にする。そして、ほぼ平坦にした金属ベース板１の下面側に放熱フィンを取り付ける。【選択図】図２
2006332084.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック基板の少なくとも一方の面に導体層を有する絶縁基板が金属ベース板上にはんだ接合され、前記絶縁基板上に半導体チップがはんだ接合された構造を有する半導体装置の製造方法において、
前記金属ベース板と前記絶縁基板とをはんだ付けした後に、前記金属ベース板の前記絶縁基板とはんだ付けした接合面とは反対の面に対してショットピーニング処理を施すことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記はんだ接合に用いるはんだは、鉛を含有しないはんだであることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記ショットピーニング処理は、ショット材を超音波により加速させて行うことを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記ショットピーニング処理は、ショット材を空圧により加速させて行うことを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記ショットピーニング処理は、ショット材を電動機等による遠心力により加速させて行うことを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
セラミック基板の少なくとも一方の面に導体層を有する絶縁基板が金属ベース板上にはんだ接合され、前記絶縁基板上に半導体チップがはんだ接合された構造を有する半導体装置において、
前記金属ベース板と前記絶縁基板とがはんだ付けされた後に、前記金属ベース板の前記絶縁基板とはんだ付けされた接合面とは反対の面に対してショットピーニング処理が施されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
前記はんだ接合に用いられるはんだは、鉛を含有しないはんだであることを特徴とする請求項６記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インバータ装置等の電力変換装置に使用される半導体装置の製造方法、および半導体装置に関し、特にＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等を用いた半導体装置の製造方法、および半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年では、大電流・高電圧環境下でも動作可能なパワーモジュールが様々な分野で用いられるようになってきている。このようなパワーモジュールは、主に、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor：ＩＧＢＴ）やフリーホイーリングダイオード（Free Wheeling Diode：ＦＷＤ）等のパワー半導体を用いて構成される。
【０００３】
図３は、従来のパワーモジュールの要部断面模式図である。
この図３に示すパワーモジュール１００は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等のセラミック基板１０１ａの両面に銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）等の導体層１０１ｂ、１０１ｃが形成された絶縁基板１０１上に、はんだ層１０２を介して、パワー半導体等の半導体チップ１０３が接合されている。そして、このように半導体チップ１０３が接合された絶縁基板１０１は、その接合面側と反対の面側を、はんだ層１０４を介して、半導体チップ１０３で発生した熱の放散を目的として銅等の金属で形成された放熱ベース１０５に接合されている。
【０００４】
ところが、このような構造のパワーモジュール１００を形成する場合には、セラミック基板１０１ａを含む絶縁基板１０１と金属製の放熱ベース１０５という２つの熱膨張係数の異なる部材同士をはんだ層１０４によって接合するため、はんだ付け後には、元々平らだった放熱ベース１０５が反ってしまうことがある。
【０００５】
図４は、放熱ベースが反った状態の要部断面模式図である。なお、図４では、図３に示した要素と同一の要素については同一の符号を付している。
たとえば、絶縁基板１０１のセラミック基板１０１ａに窒化アルミニウムを用い、放熱ベース１０５に銅を用いた場合、窒化アルミニウムの熱膨張係数は約４．５ｐｐｍ／Ｋ、銅の熱膨張係数は約１６．５ｐｐｍ／Ｋであり、比較的大きな差が生じる。そのため、はんだ付け後の冷却段階では、窒化アルミニウムよりも銅の収縮の方が大きくなり、放熱ベース１０５が絶縁基板１０１との接合面側に凸状に反ってしまう場合がある。
【０００６】
放熱ベース１０５が反ってしまった場合、図４に示すように、放熱フィン２００の平坦な面との間に大きな隙間２０１が発生するようになる。このような隙間２０１が発生すると、接触熱抵抗が大きくなるために半導体チップ１０３で発生した熱の放散効率が低下し、半導体チップ１０３の接合部の温度が異常に上昇して熱破壊が起こりかねない。
【０００７】
そこで、従来この放熱ベース１０５のような放熱部材にはんだ付け等の接合時に凸状の反りが発生してしまうのを防ぐために提案もいくつかなされている。たとえば、放熱ベース１０５が絶縁基板１０１との接合面側に凸状に反ってしまう量を予測して、あらかじめはんだ付けによって反る方向とは逆の方向である放熱フィン２００との接合面側に凸状に反らせておく方法がある。また、ベース板の裏面にショットピーニングにより加工硬化層を形成し、金属−セラミックス接合基板の裏面が大きく凹状に反るのを防止する方法もある（特許文献１参照）。また、接合温度から冷却する際に、室温からさらに過冷却し再び室温に戻す温度サイクルを金属−セラミックス複合基板に与えることによって残留応力を緩和、開放し、セラミックス基板の反りを防止する方法もある（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００４−２１４２８４号公報（段落番号〔００２６〕〜〔００３０〕、図１）
【特許文献２】特開２０００−２８１４６２号公報（段落番号〔００１７〕〜〔００２３〕、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、上記のようなパワーモジュールを形成するにあたり、各部材間、特に熱膨張係数差のある部材間の接合にはんだを用いた場合には、以下に示すような問題点がある。
現在、パワーモジュールに限らず、電子機器・電子部品の部材間の接合に用いられるはんだは、その成分に鉛（Ｐｂ）を含んでいるものが少なくない。このような鉛を含むはんだを利用した電子機器・電子部品は、もしそれが破棄されて屋外に放置され酸性雨等に晒されると、はんだ中の鉛が溶出して環境汚染を引き起こすおそれがある。そのため、各種電子機器・電子部品には、鉛を含まないスズ（Ｓｎ）等を主成分としたいわゆる鉛フリーはんだを利用することが望ましいとされている。
【０００９】
ところで、そのような鉛フリーはんだは、鉛を含有するはんだに比べ、その硬度が高いという性質を有している。上記図３および図４に示したようなパワーモジュール１００の絶縁基板１０１と元々平坦な放熱ベース１０５との間の接合に鉛を含んだはんだを用いた場合には、はんだ付けの際にたとえ放熱ベース１０５の絶縁基板１０１側への凸状の反りが発生しても、はんだ自体が柔らかいため、はんだ付け直後からはんだ層１０４がクリープ変形し、それらの間の応力が緩和される。その結果、放熱ベース１０５の反りは解消され、放熱ベース１０５は、元の平坦な状態かあるいは平坦に近い状態に戻るようになる。
【００１０】
これに対し、それらの接合に鉛フリーはんだを用いた場合には、はんだが硬く、はんだ層１０４のクリープ変形が起こらないため、平坦であった放熱ベース１０５に発生した凸状の反りが元に戻らず残ってしまうようになる。その反り量は、おおよそ２００μｍ〜５００μｍ程度と大きく、その結果、前述のように、はんだ付け以後の組み立てに支障をきたしたり、パワーモジュール１００の性能低下を引き起こしたりする場合がある。
【００１１】
また、鉛フリーはんだは、鉛を含有するはんだに比べ、融点が高いという性質も有している。上記図３および図４に示したようなパワーモジュール１００と放熱ベース１０５との間の接合に鉛フリーはんだを用いた場合には、鉛を含有するはんだを用いてはんだ付けするときよりはんだを高温にしなければならず、放熱ベース１０５が再結晶温度付近まで加熱されてしまう。すると、放熱ベース１０５のバネ性が損なわれるので、はんだ層１０４へ与える応力が減少し、反りが元に戻りにくくなる。その結果、前述のように、はんだ付け以後の組み立てに支障をきたしたり、パワーモジュール１００の性能低下を引き起こしたりする場合がある。
【００１２】
また、鉛を含有するはんだを用いてはんだ付けするときよりはんだを高温にすることにより、熱膨張係数差により発生する反り量が従来の鉛を含有するはんだを用いる場合より大きくなってしまうので、加熱によって反る方向とは逆の方向にあらかじめ放熱ベース１０５に反りを与えておくと、絶縁基板１０１と放熱ベース１０５との間に大きな隙間ができることになり、はんだ未接合部が発生してしまうという問題がある。その結果、絶縁基板１０１と放熱ベース１０５との間の接触熱抵抗が大きくなるために半導体チップ１０３で発生した熱の放散効率が低下し、半導体チップ１０３の接合部の温度が異常に上昇して熱破壊が起こりかねない。
【００１３】
したがって、従来行われていた放熱ベース１０５に対してあらかじめ与えておいた反りと、加熱によって反った反りとを相殺させることによって放熱ベース１０５をほぼ平坦にするという方法は用いることができない。
【００１４】
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、耐久性と信頼性が高い半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
また、他の目的は、耐久性と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】
【００１５】
本発明では上記問題を解決するために、セラミック基板の少なくとも一方の面に導体層を有する絶縁基板が金属ベース板上にはんだ接合され、前記絶縁基板上に半導体チップがはんだ接合された構造を有する半導体装置の製造方法において、前記金属ベース板と前記絶縁基板とをはんだ付けした後に、前記金属ベース板の前記絶縁基板とはんだ付けした接合面とは反対の面に対してショットピーニング処理を施すことを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
【００１６】
このような半導体装置の製造方法によれば、金属ベース板と絶縁基板とをはんだ付けした後に、金属ベース板の絶縁基板とはんだ付けした接合面とは反対の面に対してショットピーニング処理を施し、当該面をほぼ平坦にするので、あらかじめ金属ベース板をはんだ付けのときに反る方向とは逆の方向に反らせておく必要がなくなる。これにより、金属ベース板と絶縁基板とのはんだ付けのとき、金属ベース板がほぼ平坦な状態ではんだ付けをすることができる。
【００１７】
また、本発明では、セラミック基板の少なくとも一方の面に導体層を有する絶縁基板が金属ベース板上にはんだ接合され、前記絶縁基板上に半導体チップがはんだ接合された構造を有する半導体装置において、前記金属ベース板と前記絶縁基板とがはんだ付けされた後に、前記金属ベース板の前記絶縁基板とはんだ付けされた接合面とは反対の面に対してショットピーニング処理が施されていることを特徴とする半導体装置が提供される。
【００１８】
このような半導体装置によれば、金属ベース板と絶縁基板とがはんだ付けされた後に、金属ベース板の絶縁基板とはんだ付けされた接合面とは反対の面に対してショットピーニング処理が施され、当該面がほぼ平坦にされるので、あらかじめ金属ベース板がはんだ付けされるときに反る方向とは逆の方向に反らせておく必要がなくなる。これにより、金属ベース板と絶縁基板とがはんだ付けされるとき、金属ベース板がほぼ平坦な状態ではんだ付けがされる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の半導体装置の製造方法によれば、金属ベース板と絶縁基板とのはんだ付けのとき、金属ベース板がほぼ平坦な状態ではんだ付けをすることができるので、金属ベース板と絶縁基板との間のはんだ付け性が向上する。これにより、金属ベース板と絶縁基板との間の熱の放散効率が良好となり、耐久性と信頼性が高い半導体装置を製造することが可能となる。
【００２０】
また、本発明の半導体装置によれば、金属ベース板と絶縁基板とがはんだ付けされるとき、金属ベース板がほぼ平坦な状態ではんだ付けされるので、金属ベース板の絶縁基板との間の熱の放散効率が良好であり、耐久性と信頼性が高い動作が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は、実施の形態に係るパワーモジュールの側方断面図である。
パワーモジュール２０は、金属ベース板１上に下からはんだ層２、金属放熱板３ａ、セラミック板３ｂ、金属回路板３ｃ、はんだ層４、および半導体チップ５が順に積層されている構造となっている。セラミック板３ｂは、下面に金属放熱板３ａが、上面に金属回路板３ｃが、たとえばダイレクトボンディング法によって直接接合されている。ここでは、接合された金属放熱板３ａ、セラミック板３ｂ、および金属回路板３ｃを合わせて絶縁基板３とする。
【００２２】
金属ベース板１には、樹脂ケース６が接着されており、この樹脂ケース６は、内部がゲル９で封止され、上面が樹脂蓋１０で接着されている。金属回路板３ｃ上にはんだ付けされている半導体チップ５は、対応する端子７とワイヤ８で接続されている。
【００２３】
ここで、絶縁基板３に用いられるセラミック板３ｂは、たとえばアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）を主成分とする適当な厚さの基板である。また、金属放熱板３ａと金属回路板３ｃは、たとえば適当な厚さの銅箔を用いて形成されている。
【００２４】
絶縁基板３と半導体チップ５を接合するはんだ層４、および絶縁基板３と金属ベース板１を接合するはんだ層２は、たとえば成分にスズを含むスズ系はんだで構成されている。なお、これらのはんだ層２、４には、いずれも成分に鉛を含まない、いわゆる鉛フリーはんだが用いられている。
【００２５】
この鉛フリーはんだとしては、その成分に、銀（Ａｇ）、ビスマス（Ｂｉ）、銅（Ｃｕ）、インジウム（Ｉｎ）、アンチモン（Ｓｂ）、亜鉛（Ｚｎ）、アルミニウム（Ａｌ）等を含むスズ系はんだが用いられる。
【００２６】
半導体チップ５は、たとえばシリコン（Ｓｉ）を主成分とするＩＧＢＴやＦＷＤといったパワー半導体であり、動作時には比較的高温の発熱を伴い得るチップ部品である。金属ベース板１は、主に熱伝導率とコストを考慮して、たとえば無酸素銅を用いて構成されている。また、ここでは図示は省略するが、金属ベース板１の下面側（絶縁基板３との接合面とは反対の面側）には、放熱フィンが取り付けられるようになっている。
【００２７】
このようなパワーモジュール２０は、動作時に半導体チップ５が発熱し、その熱ははんだ層４、金属回路板３ｃ、セラミック板３ｂ、金属放熱板３ａ、はんだ層２へと順に伝達され、放散されるようになっている。それにより、半導体チップ５の温度上昇が防止され、その正常な動作と、金属回路板３ｃおよび金属放熱板３ａとの接続が確保されるようになっている。
【００２８】
上記構成を有する本実施の形態のパワーモジュール２０を形成するときには、鉛フリーはんだを用いたはんだ付けをする前に、あらかじめ金属ベース板１にはんだ層２の形成面側と反対の面側に凸状の反りを与えることはしない。すなわち、金属ベース板１にはあらかじめ反りを与えることはせず、平坦な状態の金属ベース板１に対して絶縁基板３のはんだ付けを行う。したがって、金属ベース板１は、はんだ付けを行うとはんだ層２の形成面側と反対の面側に凹状に反りが生じる。
【００２９】
この凹状の反りを生じさせたままでは、上述のとおり、金属ベース板１に対して放熱フィンを固定する際に間に隙間が生じてしまい、放熱性が著しく阻害される。そこで、金属ベース板１のはんだ層２の形成面側と反対の面側にショットピーニング処理を施すことによって反りを解消する。
【００３０】
なお、上記の実施の形態において、金属ベース板１にはんだ層２の形成側とは反対側に凸状の反りをあらかじめ与えない例で説明をしたが、これに限るものではない。たとえば、金属ベース板１にはんだ層２の形成側とは反対側に軽度の凸状の反りを与えた上でショットピーニング処理を施してもよい。このようにすれば、反りを与える加工、ショットピーニング処理双方の加工歪を小さくすることができる。
【００３１】
以下、ショットピーニング処理について説明する。
図２は、実施の形態に係るショットピーニング処理を示す図である。
金属ベース板１のはんだ層２の形成面側と反対の面側に対してショットピーニング処理を施す場合には、金属ベース板１のはんだ層２の形成面側と反対の面に対してショット加速装置で加速したショット材３１を垂直に衝突させる。すると、ショット材３１が衝突した面は表面に加工硬化層１ａが形成される。この加工硬化層１ａが形成されると、金属ベース板１の両面の加工硬化度の差により、ショットピーニング処理を施した面全体が凸状に変形する。
【００３２】
ショットピーニング処理を行うときには、ショット材３１を投射する投射ノズル３０をＸ方向、Ｙ方向２軸動作可能なアクチュエータに設置し、固定したパワーモジュール２０に対して一定の条件で照射することで、連続的、かつ均一に処理することができる。
【００３３】
また、ショットピーニング処理を施す面の加工硬化度をコントロールすることによって反り量を調節することができる。加工硬化度をコントロールする方法としては、たとえば空圧でショット材を加速する場合には、空気の圧力と加工時間を調節することによってコントロールする。また、遠心力でショット材を加速する場合には、遠心力を発生させる電動機の回転数等と加工時間を調節することによってコントロールする。
【００３４】
ショットピーニング処理によって金属ベース板１の反りを矯正するときは、たとえば空圧でショット材を加速する場合には、空圧を０．１ＭＰａ〜０．５ＭＰａ、ノズルから金属ベース板１までの距離を０ｍｍ〜１００ｍｍ、投射時間を１分〜５分とする。空圧や距離、投射時間は金属ベース板１の厚さや大きさ等によって変化する反りの大きさに応じて調整する。
【００３５】
以上のような処理を行うことによって、金属ベース板１を平坦な状態のままで絶縁基板３との間のはんだ付けを行うことができるので、当該はんだ付けが簡単になることはもとより、はんだ未接合部が生じることを防ぐことができることにより、パワーモジュールの放熱性が阻害されることがなくなり、耐久性と信頼性の高いパワーモジュールを製造することが可能となる。
【００３６】
なお、ショットピーニング処理に用いるショット材を加速する方法は、上述した空圧による方法および遠心力による方法を示したが、ショット材が加速され、ショットピーニング処理を行うことができるならばどのような加速方法を使ってもよい。上述した方法の他には、たとえば超音波によって加速してもよい。また、ショットピーニング処理に用いるショット材は、ショットピーニング処理を行うことができるならばどのようなショット材を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】実施の形態に係るパワーモジュールの側方断面図である。
【図２】実施の形態に係るショットピーニング処理を示す図である。
【図３】従来のパワーモジュールの要部断面模式図である。
【図４】放熱ベースが反った状態の要部断面模式図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  金属ベース板
２、４  はんだ層
３  絶縁基板
３ａ  金属放熱板
３ｂ  セラミック板
３ｃ  金属回路板
５  半導体チップ
６  樹脂ケース
７  端子
８  ワイヤ
９  ゲル
１０  樹脂蓋
２０  パワーモジュール
【図１】
2006332084.tif 000003
【図２】
2006332084.tif 000004
【図３】
2006332084.tif 000005
【図４】
2006332084.tif 000006