(57)【要約】【課題】  洗浄液を用いる洗浄工程なしで半田付け工程にワイヤボンド工程、あるいはワイヤボンド工程後のエポキシ系樹脂封止する工程によって製造した半導体パワーモジュールの提供。【解決手段】  本発明の半導体パワーモジュールは、接合面積が大きく、ボイドの少ないチップ及び基板の接続、さらにはファインピッチの高密度実装を、ペースト印刷方式で半田を供給し、水素雰囲気と減圧を組み合わせた炉を用い、ペーストのフラックスをノンハロゲン、ロジンレスで、半田付け温度以下の温度でフラックス成分を揮発させて、表面を無洗浄で清浄化させた。【選択図】図１
2006054227.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の面に導電層を有する絶縁基板に、半導体チップを半田層を介して該導電層に接合した半導体パワーモジュールにおいて、
該半導体パワーモジュールの、前記半導体チップの半田付けが、
前記半導体チップと導電層との間に配置したロジンレスフラックスのペースト半田を真空排気する第１の真空排気工程と、
該第１の真空排気工程の後で、還元性ガス雰囲気で予め定めた温度に昇温し、所定の時間保持するリフロー工程と、
該リフロー工程の後で、排気する第２の真空排気工程と、
該第２の真空排気工程の後で、還元性ガス雰囲気で冷却する冷却工程と、
該冷却工程の後で真空排気する第３の真空排気工程と、
該第３の真空排気工程の後で不活性ガス封入する不活性ガス封入工程とによってなされていることを特徴とする半導体パワーモジュール。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体パワーモジュールにおいて、前記還元性ガス雰囲気が水素ガス雰囲気あるいは、水素ガスと不活性ガスとの混合ガス雰囲気であることを特徴とする半導体パワーモジュール。
【請求項３】
請求項２に記載の半導体パワーモジュールにおいて、前記絶縁基板がセラミックス基板であることを特徴とする半導体パワーモジュール。
【請求項４】
請求項２に記載の半導体パワーモジュールにおいて、前記導電層を有する絶縁基板が、樹脂絶縁金属基板であることを特徴とする半導体パワーモジュール。
【請求項５】
請求項１に記載の半導体パワーモジュールにおいて、前記ロジンレスフラックスのペースト半田が、単体金属、合金、化合物もしくは混合物を含む金属ボールをＳｎ系もしくはＩｎ系ボールの中に混ぜた複合ペースト半田であることを特徴とする半導体パワーモジュール。
【請求項６】
請求項５に記載の半導体パワーモジュールにおいて、前記複合ペースト半田の接続部が、前記金属ボール成分と半田成分との化合物と半田とによって接続していることを特徴とする半導体パワーモジュール。
【請求項７】
請求項１に記載の半導体パワーモジュールにおいて、前記ロジンレスフラックスのペースト半田が、Ｐｂフリー半田であることを特徴とする半導体パワーモジュール。
【請求項８】
一方の面に導電層を有する絶縁基板に、半導体チップの一方の面を半田層を介して該導電層に接合し、該半導体チップの他方の面に別の半田層を介してリードフレームを接合した半導体パワーモジュールにおいて、
該半導体パワーモジュールの、前記半導体チップの半田付けが、
前記半導体チップと導電層との間及び、前記半導体チップとリードフレームとの間に配置したロジンレスフラックスのペースト半田を真空排気する第１の真空排気工程と、
該第１の真空排気工程の後で、還元性ガス雰囲気で予め定めた温度に昇温し、所定の時間保持するリフロー工程と、
該リフロー工程の後で、排気する第２の真空排気工程と、
該第２の真空排気工程の後で、還元性ガス雰囲気で冷却する冷却工程と、
該冷却工程の後で真空排気する第３の真空排気工程と、
該第３の真空排気工程の後で不活性ガス封入する不活性ガス封入工程とによってなされていることを特徴とする半導体パワーモジュール。
【請求項９】
一方の面に第１の導電層を有し、他方の面に第２の導電層を有する絶縁基板と、該第１の導電層に半田層を介して半導体チップを接合した半導体装置において、
該半導体装置の、前記半導体チップの半田付けが、
前記半導体チップと第１の導電層との間に配置したロジンレスフラックスのペースト半田を真空排気する第１の真空排気工程と、
該第１の真空排気工程の後で、還元性ガス雰囲気で予め定めた温度に昇温し、所定の時間保持するリフロー工程と、
該リフロー工程の後で、排気する第２の真空排気工程と、
該第２の真空排気工程の後で、還元性ガス雰囲気で冷却する冷却工程と、
該冷却工程の後で真空排気する第３の真空排気工程と、
該第３の真空排気工程の後で不活性ガス封入する不活性ガス封入工程とによってなされていて、
前記半導体チップが樹脂封止されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項１０】
熱拡散板の一方の面に半田層を介して接合した半導体チップを樹脂で封止した半導体装置において、
該半導体装置の、前記半導体チップの半田付けが、
前記半導体チップと熱拡散板との間に配置したロジンレスフラックスのペースト半田を真空排気する第１の真空排気工程と、
該第１の真空排気工程の後で、還元性ガス雰囲気で予め定めた温度に昇温し、所定の時間保持するリフロー工程と、
該リフロー工程の後で、排気する第２の真空排気工程と、
該第２の真空排気工程の後で、還元性ガス雰囲気で冷却する冷却工程と、
該冷却工程の後で真空排気する第３の真空排気工程と、
該第３の真空排気工程の後で不活性ガス封入する不活性ガス封入工程とによってなされていることを特徴とする半導体装置。
【請求項１１】
半導体チップの一方の面に配置した電極と、回路基板の一方の面に配置した電極とを半田層を介して接合し、該半導体チップの一方の面と回路基板の一方の面との間が樹脂で封止してある半導体装置において、
前記半導体チップと回路基板との半田付けが、
前記半導体チップと回路基板との間に配置したロジンレスフラックスのペースト半田を真空排気する第１の真空排気工程と、
該第１の真空排気工程の後で、還元性ガス雰囲気で予め定めた温度に昇温し、所定の時間保持するリフロー工程と、
該リフロー工程の後で、排気する第２の真空排気工程と、
該第２の真空排気工程の後で、還元性ガス雰囲気で冷却する冷却工程と、
該冷却工程の後で真空排気する第３の真空排気工程と、
該第３の真空排気工程の後で不活性ガス封入する不活性ガス封入工程とによってなされていることを特徴とする半導体装置。
【請求項１２】
絶縁基板の一方の面に配置した導電層に、半導体チップを第１の半田層を介して接合し、該半導体チップを被覆する金属キャップを前記絶縁基板の一方の面に第２の半田層を介して接合した半導体装置において、
前記半導体チップと導電層との半田付けを、
前記半導体チップと絶縁基板との間に配置したロジンレスフラックスのペースト半田を真空排気する第１の真空排気工程と、
該第１の真空排気工程の後で、還元性ガス雰囲気で予め定めた温度に昇温し、所定の時間保持するリフロー工程と、
該リフロー工程の後で、排気する第２の真空排気工程と、
該第２の真空排気工程の後で、還元性ガス雰囲気で冷却する冷却工程と、
該冷却工程の後で真空排気する第３の真空排気工程と、
該第３の真空排気工程の後で不活性ガス封入する不活性ガス封入工程とによってなされ、
前記金属キャップと絶縁基板との半田付けを、
前記金属キャップと絶縁基板との間に配置したロジンレスフラックスのペースト半田を真空排気する第４の真空排気工程と、
該第４の真空排気工程の後で、還元性ガス雰囲気で予め定めた温度に昇温し、所定の時間保持するリフロー工程と、
該リフロー工程の後で、排気する第５の真空排気工程と、
該第５の真空排気工程の後で、還元性ガス雰囲気で冷却する冷却工程と、
該冷却工程の後で真空排気する第６の真空排気工程と、
該第６の真空排気工程の後で不活性ガス封入する不活性ガス封入工程とによってなされていることを特徴とする半導体装置。
【請求項１３】
一方の面に導電層を有する絶縁基板に、シリコン半導体チップを半田層を介して該導電層に接合した半導体パワーモジュールの製造方法において、
前記導電層に前記半導体チップを半田付けする半田付け工程が、
前記半導体チップと導電層との間に配置したロジンレスフラックスのペースト半田を配置する工程と、
該ペースト半田を配置した半導体パワーモジュールを真空排気する第１の真空排気工程と、
該第１の真空排気工程の後で、還元性ガス雰囲気で予め定めた温度に昇温し、所定の時間保持するリフロー工程と、
該リフロー工程の後で、排気する第２の真空排気工程と、
該第２の真空排気工程の後で、還元性ガス雰囲気で冷却する冷却工程と、
該冷却工程の後で真空排気する第３の真空排気工程と、
該第３の真空排気工程の後で不活性ガス封入する不活性ガス封入工程とを備えることを特徴とする半導体パワーモジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、家電用、産業用、車用等に広く用いられる半導体チップを基板等にペースト半田で接続し、無洗浄でワイヤボンド、樹脂封止する半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体チップを基板等に半田付けする場合、あるいはＬＳＩ実装品、部品等を基板に実装する場合、あるいはスイッチング素子を搭載した半導体パワーモジュール回路基板を実装する場合、一般のフラックス、即ちロジン入り半田ペースト（さらに、活性化のためハロゲンを微量添加する場合もある）を用いて、半田付けするので、この後の工程に、ワイヤボンド工程や、エポキシ系樹脂で封止する工程がある場合には、フラックスの洗浄が必須である。表面を清浄にしないと金属同士の接合である超音波ワイヤボンド部の強度が得られず、またエポキシ系樹脂との密着性が得られず、信頼性で問題になる。このため、フラックスの洗浄が行われるが、接合面積が大きく、ボイドの存在に敏感な半導体パワーモジュールでは、フラックスを用いた方式でのボイド率低減化に限界がある。このため、特許文献１に示すように、フラックスを使用せず、半田箔を用いて水素炉を使用する方法が知られている。
【０００３】
また、パワーモジュール実装で、接続部が小さい箇所への半田箔の供給、例えば、リード部品端子、チップ部品端子等への半田箔の供給は難しいので、先にチップと絶縁基板をボイド低減化のために水素炉で接続し、ワイヤボンド後により大面積の絶縁基板とベース基板間に箔を供給し、同時に制御回路基板等の実装を含め、リード部品、チップ部品等の端子部に印刷もしくはデイスペンサーを用いて半田ペーストを供給し、搭載後窒素、窒素中もしくは大気中でのリフローする方法も知られている。
【０００４】
【特許文献１】特開平８−１６８８７６号公報（（０００２）段落、（００１７）段落、（００３３）段落、（００３４）段落の記載。）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
半田付け後の後工程で、ワイヤボンド工程、さらにはその後に、エポキシ系樹脂で封止する工程がある場合においては、半田ペーストを用いた方式を使用する限り、フラックスの洗浄、特にロジンの洗浄はワイヤボンド接合部の信頼性確保、及びエポキシ系樹脂の付着力に対する信頼性の点で必須になっている。しかし、接合面積が大きいチップ、基板等のフラックスを用いた接続方式ではボイド率を実用化に耐えられるレベルに抑えることは厳しい状況にある。
【０００６】
大面積の接続では、半田箔を用いて水素炉で接続する方式が主流であるが、リード、チップ部品、制御基板等の端子面積の小さいものへの接続に対しては、半田箔の供給が難しいので、ペーストによるリフロー方式との組合せになっている。このため、パワーモジュール実装での、一括接続が困難になっている。
【０００７】
民生、通信を中心とする高密度微細パターンの接続分野ではボイドを問題にすることはない。しかし、上記ワイヤボンド工程、エポキシ系樹脂封止工程がある場合は、その前に、ロジン入りフラックスの半田ペーストを洗浄するので、洗浄液処理の環境負荷が大きい。
【０００８】
本発明の目的は、接合面積が大きいチップ、基板等の接続、及び高密度微細パターンの接続及びそれらの組合せ接続において、洗浄液を使わずに金属表面を清浄化し、ワイヤボンド、さらにはその後のエポキシ系樹脂封止を可能にする半導体装置とその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の半導体パワーモジュールでは、接合面積が大きく、ボイドの少ないチップ及び基板の接続、さらにはファインピッチの高密度実装を、ペースト印刷方式で半田を供給し、水素雰囲気と減圧を組み合わせた炉を用い、ペーストのフラックスをノンハロゲン・ロジンレスで、半田付け温度以下の温度でフラックス成分を揮発させて、表面を無洗浄で清浄化させた。
【発明の効果】
【００１０】
本発明により、フラックス洗浄プロセスが不要となるので、洗浄液の回収等がなくなり環境負荷への低減効果は大きい。また、これまで、フラックスを使用する限り大面積の接続につきもののボイド対策をクリアできないことが一般的見方とされてきた。本発明の半導体パワーモジュールは、ぬれ性に必要なロジン入りフラックスがなくても、水素雰囲気と真空半田付けとの組合せで、（１）従来プロセスと同等以上にボイド率低減しており、（２）洗浄工程を設けなくとも信頼性が高いワイヤボンド、エポキシ系樹脂封止を実現し、さらに、（３）半田をペースト、デイスペンサー方式で供給するので、大面積部の接続だけでなく、ファインピッチ接続に対してもクリーン化でき、モジュールを構成する部品等を含めた一括接続を実現できる。
【００１１】
本発明では、大型のＳｉチップとセラミック基板、もしくはセラミック基板とベース基板との接続を半田箔と揮発性のロジンレスフラックスを用いて行うので、大面積部は箔の供給で一定厚さを確保し、微少部はペーストで供給する一括リフローが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の詳細を図面を用いながら説明する。
【実施例１】
【００１３】
本実施例では、半田ペーストのフラックスを、半田付けプロセスで溶媒、溶剤等を揮発させる必要からロジンレスとした。一般的な電気炉を用いた窒素雰囲気等の不活性雰囲気だけでは、ロジンレスのためフラックスに還元能力がほとんどないので、半田のぬれ性が不十分であり、ボイドが多く、接続に適さないことが分かった。なお、ロジンレスフラックスの低沸点溶剤としてはブチレングリコール(沸点１９０.５℃) や、エチブセルソルブ（沸点１３６℃）が、増粘剤として石油樹脂等がある。
【００１４】
本実施例では、一辺１０mmの四辺形のＳｉ半導体チップを、ＮｉめっきしたＣｕ基板に半田付けし、水素の還元雰囲気によるぬれ性向上とボイド率の低減化と、真空引きによる減圧の効果による、ボイドの脱泡効果とフラックスの揮発を促進させる効果とにより、後工程にフラックス洗浄工程を加えることなしで、ワイヤボンド工程や、エポキシ系樹脂封止工程ができるパワーモジュール実装を行った。
【００１５】
本実施例は、シリコーンゲル封止構造ではなく、エポキシ樹脂でチップ及びベース基板等を被覆する構造なので、接着界面での強い密着力と適正な樹脂物性の選定、例えば、半田に近い熱膨張係数と、１０ＧＰａ以下のヤング率を選定することにより、チップや基板等を強く拘束して半田の熱疲労破壊を阻止し、かつ界面の破壊を防止する。このため、チップ及び基板等の表面で樹脂との密着に悪影響を及ぼすフラックス残渣の存在が問題になる。本実施例では、万一、残渣を除去できなかった場合でも、問題が起きないようにするため、後工程にプラズマ処理を取り入れている。
【００１６】
図１は本実施例のパワーモジュールの断面モデル図であって、１は半導体チップ、２は外部リード、３は高温系半田、４はベース基板、８はＡｌ線のワイヤボンド、９はポリイミド樹脂、１０は封止用エポキシ系樹脂、１３は外部接続端子、１５は導電層、２２はセラミック基板、４３はケースを示す。本実施例は、図１に示すようにセラミック基板２２がアルミナ基板に溶融Ａｌを直接接着して作製したベース基板４を備えたパワーモジュールである。また、導電層１５はこの溶融ＡｌにＮｉもしくはＮｉ／Ａｕフラッシュメッキを施したものである。
【００１７】
図１では、モジュール実装に必要な半田層は１層である。このため、チップ下、リード部を含め、これらを一括で接続することが好ましい。図１（ａ）は、半田付け直後の構造を示し、これを必要に応じてこれをプラズマ処理し、その後で図１（ｂ）に示すようにＡｌ線でワイヤボンド８し、次いで界面の密着力と耐湿性とを向上させるためにポリイミド樹脂９を予め薄く塗布し、その後にケース４３を取り付け、エポキシ系樹脂１０をポッテイングする。
【００１８】
ポリイミド樹脂９塗布前においても、当然のことながら、フラックス残渣があると密着力に影響を及ぼすので、残渣除去が前提になる。しかし、部品の裏面、ケース等の裏側、隅部、隙間等では水素雰囲気ガスの流れが十分に行き届かず、残渣が微量残る場合もある。このような残渣が微量残る可能性がある位置は、陰になる箇所でポリイミド樹脂の密着力が応力的に影響を及ぼさない領域になっている。
【００１９】
このため、このような陰の箇所に残留した残渣組成を分析することで、フラックスの種類がロジン系であるか否かを確認できる。なお、ロジン系フラックスにはアビエチン酸、イソピマル酸等がある。ロジンの場合は比較的に融点が高く（ｍａｘ２１９℃の樹脂酸も含まれる）、従って揮発し難く、残り易い性質があるものと思われる。部品の裏側等の水素ガスで置換され難く封止用エポキシ系樹脂１０の密着の信頼性に影響のない場所で、応力的にも影響を与えない箇所の部分の組成を分析することで、残渣が残り易いロジンを含んだフラックスを用いた場合は分析で検出されるが、ロジンを使用しない場合は残渣は残らない。これによってロジンの使用の有無を区別できる。ロジン入りの場合、フラックスがコネクター内部に侵入して洗浄処理でも除去しきれない事例がある。なお、ここでの樹脂充填ではポッテイング方式の例を示したが、ケースが不要なトランスファーモールド方式でも良い。
【００２０】
パワーモジュールには、パワー素子に大電流を流す必要から、チップ当たり１０本程度のφ３００μｍのＡｌ線を超音波ワイヤボンド（ＷＢ）で接続している方式のほかに、放熱効果が優れたリードフレーム方式もある。即ち、Ａｌ線の変わりにＣｕリードフレーム等を半田付けする方式である。図２に、リードフレーム１７の伸び剛性による影響が直接に半導体素子部に及ぼさないための一例として、ベローズ型のリードフレーム１７を示す。このリードフレーム１７はプレス圧延加工で無酸素銅を型に形成後、アニールして軟化させたものである。ジャンクション部で発生した熱は、チップ下に伝導されるだけでなく、熱容量のあるチップ上のＣｕブロック部で一旦均熱化され、リードフレーム１７を伝わってセラミック基板２２に伝導される。この場合、セラミック基板の熱流路となっているチップ下に加え、新たな熱流路ができるため、比較的効率が良く熱引きできる。半導体チップ１とリードフレーム１７との間は線膨張係数が大きいので、シリコーンゲルで被覆しただけでは、半田付け部の寿命を長くできない。
【００２１】
本実施例で示したエポキシ系樹脂構造の場合、樹脂は応力的にバランスのとれた適正な物性を有するので、半導体チップ１とＡｌ／Ｎｉめっき電極２４間の寿命だけでなく、半導体チップ１とリードフレーム１７間も同時に寿命向上をもたらし、放熱だけでなく寿命も優れる。特にコンパクトで高出力タイプのパワーモジュールに対しては、絶縁基板にＡｌＮを用いることで、より高出力化が期待できる。なお、リードフレーム材として線膨張係数がアルミナ並みで、熱伝導率がＡｌより優れる柔らかいＣｕ−Ｃ複合材や、熱伝導性に優れて柔らかい高純度Ａｌ等も好適である。
【００２２】
半導体チップ１裏面はＡｌ−Ｔｉ−Ｎｉのメタライズ処理が施されている。Ａ１／Ｎｉめっき電極２４上及び外部接続端子１３上には印刷もしくはデイスペンサー等で半田ペーストを、半田付け後の厚さが約１５０μｍになるように供給し、その上に、Ｓｉチップを搭載し、外部リード２を治具等で位置決め後、可変雰囲気半田付け炉（真空半田付け炉）を用いて半田付けを行った。なお、チップ下はフラックスを塗布した半田箔を供給し、リード等の他の箇所はペーストで半田を供給してもよい。
【００２３】
本実施例では、圧力のプロファイルを制御できる真空半田付け炉を用いた。真空半田付け炉内をロータリーポンプで排気し、短時間で大気圧（７６０Ｔｏｒｒ）から１０-1Ｐａ（１０-3Ｔｏｒｒ）レベルの圧力に到達した。図３に本実施例の温度プロファイル４と、炉内の圧力である炉内圧力プロファイル４２と、サンプルの真空度の履歴である試料の圧力プロファイル４１とを示す。なお、図３では圧力軸は対数目盛りであり、温度軸と時間軸とはリニア目盛りである。図３に示すように、まず、半導体チップと導電層との間に配置したロジンレスフラックスのペースト半田を所定の時間真空排気し、この後で、大気圧の還元性ガス雰囲気を導入して予め定めた温度に昇温し、所定の温度範囲で所定の時間保持してリフローし、リフローの後に、所定の温度範囲に保持して再び真空排気し、還元性ガス雰囲気を再び導入しこの雰囲気で所定の温度になるまで冷却し、この後で所定の時間真空排気した後、不活性ガスを封入する。
【００２４】
図４に本実施例のプロセスフローを示す。図４に示した番号は、図３の温度圧力の経時プロファイルに付した番号の位置に対応している。脱泡、窒素置換、水素雰囲気と減圧の組み合わせの一連の工程を経て半田付けが終了する。ボイドレス化に対しては（８）ステップの真空（排気）と、（４）ステップの保持時間の影響が大きい。
【００２５】
本実施例で用いた半田はＰｂフリー半田のＳｎ−３Ａｇ−０.５Ｃｕ(２２１〜２１７℃) で、Ｃｕ及びＮｉめっきに対する半田の拡がり性は、従来のＰｂ−Ｓｎ半田に比べると劣る。しかし、半田付け後のボイド率は数％以下で、従来のＰｂ−Ｓｎ半田箔を使用した水素炉を用いた方式と同等以上に良好である。低沸点の溶剤を用いたフラックスは水素との反応及び真空にすることによる急激な減圧効果で分解し、リフロー最高温度が２７０℃では、全て揮発させることができた。半田付け後の半田及び周囲の金属セラミック基板等の表面のオージェ分析では、有機物の残存は観察されなかった。
【００２６】
このように、パワーモジュール等における大面積の接合で、減圧と低沸点フラックスと水素雰囲気の組合せの中で半田を溶融させる本実施例によれば、ボイドを減少させた良好な接合部が得られた。
【００２７】
次に、接合したＳｉチップと基板の端子部とをφ０.３mm のＡｌ線で超音波ワイヤボンディングを行った。ワイヤボンディングしたものの接合強度を測定した結果、従来法のフラックスレスの水素雰囲気で半田付けし、超音波ワイヤボンディングを行ったものと比較しても、強度が殆ど変わらないことを確認できた。さらにその後、エポキシ系樹脂で直接ポッテイングし、図１（ｂ）に示すような、樹脂封止したパワーモジュールモデルを作製した。
【００２８】
本実施例で作製した試料と、水素炉によるチップ下半田のフラックスレス接続と、セラミック基板とベース基板間の接続及び部品実装のロジン入りペーストによるリフロー接続した従来技術で製作した試料とをパワーサイクル試験を行った結果、両者の寿命に差は認められず、洗浄した従来品と無洗浄の本実施例とによる差がないことが分かった。
【実施例２】
【００２９】
図５は、本実施例の高密度実装基板にペースト半田で実装した高周波（ＲＦ）モジュールの説明図である。図５（ａ）はＲＦモジュールの断面を示し、図５（ｂ）はＲＦモジュールを高密度実装プリント基板に実装した場合を示す。図５で、１１はリード、１２は低温系半田、２１はチップ部品、２３はスルーホール厚膜導体、２５はＩＣ、２６はＣｕめっき端子、２７はプリント基板を示す。なお、プリント板に代えて樹脂絶縁金属板であっても良い。本実施例では融点が異なる２階層の半田を使用するので、次の２通りの方式を検討した。
【００３０】
（Ｉ）高温系半田３に固体のＣｕボール（Ｃｕ粒子）とＳｎ−１０Ｓｂ半田ボール（半田粒子と呼ぶ）とを混合した複合半田ペースト、低温系半田１２にＳｎ−３Ａｇ−０.５Ｃｕ 半田との組み合わせた場合。
【００３１】
Ｐｂフリー半田の中で２８０℃以上の高温でも強度を確保できる複合半田を用いた。原理はＣｕボール間同士の接続部における高融点化合物形成（Ｃｕ６Ｓｎ５、Ｃｕ３Ｓｎ）により高温時の強度確保である。Ｃｕボール同士がＳｎ系半田を介して繋がっている箇所は、Ｓｎ系半田の融点が溶融温度となる。但し、高温で半田付けされるため、所々でＣｕボール同士が化合物で連結されるので、３００℃以上の高温でも接合強度を有する。なお、このことは、例えば特開２００２−２６１１０５号公報に記載がある。
【００３２】
このため、後工程で半田付け温度が２４０℃以上になっても、一度接合された箇所の高温時の強度は確保しているため工程上での支障はない。従って、Ｓｎ−３Ａｇ−０.５ Ｃｕ半田を用いても強度上の問題はない。しかし、後工程の半田付け時においても、先に接続した半田が溶融されずに、かつ強度を確保することが望ましいので、融点の高いＳｎ−１０Ｓｂ（２３５〜２４０℃）との組み合わせが良い。この場合の電極メタライズとしてはＮｉ／Ａｕフラッシュめっきが良い。半田付け温度がｍａｘ２７０℃ならば、フラックスの成分は１００％揮発させることができる。部品の耐熱性の問題で制約される場合、例えば、２４０℃位でＳｎ−３Ａｇ−０.５Ｃｕ を用いて接続させる場合、フラックス成分の揮発が不十分になる恐れがあるので、その時はプラズマ処理等による残渣除去処理プロセスを入れる。
【００３３】
これらのＳｎ系半田粒子とＣｕ粒子との配合比率（重量比）はＳｎ／Ｃｕ＝０.５〜３ まで可能である。即ち、Ｓｎを多くしても粒子径の大きいＣｕ粒子を一部、分散させる程度に混ぜることで、反応後棒状のＣｕ−Ｓｎ化合物が形成され、Ｃｕ粒子間、端子とＣｕ粒子間が金属間化合物で一部が拘束され易く、３００℃以上の高温でもある程度の接合強度を有することになる。図６は大きなＣｕボール３２周辺のＣｕ−Ｓｎ化合物３５の半田付け後の状態を示す断面を捉えたもので、半田付け温度で、一つの研磨断面で棒状に成長したＣｕ−Ｓｎ化合物３５が観察される。微細Ｃｕ粒子と粗大Ｃｕ粒子の混ぜ具合で、棒状の化合物が接触することで、高温での強度を確保できる。Ｃｕ−Ｓｎ化合物３５の接触割合が多過ぎると、半田内の変形が難しくなるので好ましくない。僅かに接触部が存在する程度が、半田に変形できる自由度があるので、望ましいと考える。但し、エポキシ樹脂封止型構造では半田自体の変形が抑えられるので、Ｃｕ−Ｓｎ化合物の接触割合が多少多くてもそれ程の弊害は発生しない。Ｃｕ粒子及びＳｎ系半田の粒子径はファインピッチ用には、２０〜４０μｍが使用されるが、対象製品により使い分ける必要がある。ダイボンドの場合、間隙制御を兼ね８０μｍ程度の粒子径のＣｕ粒子を微量添加してもよい。なお、Ｃｕ粒子表面に１μｍ以下の厚さでＮｉめっきし、さらにその上に約０.０３μｍ の厚さのＡｕフラッシュめっきを施しても良い。
【００３４】
これまで、Ｃｕ粒子を混合すると内部のボイドが放散できない課題があったが、本実施例では真空排気と水素雰囲気との組み合わせなので、脱泡が可能になり隙間に半田が入りやすくなり、大幅なボイド低減が可能になり、複合半田の長所を活用できるようになった。また、Ｃｕ粒子間で接触しているので、Ｓｎ系半田に比べ熱伝導性が大幅に優れ、高出力ＬＳＩの接続に特に適している。
【００３５】
（II）高温系半田３のＳｎ−１０Ｓｂ半田ペーストと、低温系半田１２のＳｎ−３Ａｇ−０.５Ｃｕ−７Ｉｎ半田ペースト（融点；１９８℃〜２０７℃）とを組み合わせた場合。
【００３６】
この場合は、低温側の半田リフロー温度（ｍａｘ）は２２５℃で可能なため、Ｓｎ−１０Ｓｂ半田（２３５〜２４０℃）とは温度階層接続が十分に可能である。図５に示したＲＦモジュール実装例では多層のセラミック基板２２上に高温系半田ペーストを半導体チップ１下ダイボンド部、チップ部品２１端子部に印刷し、真空排気と水素雰囲気とを組み合わせたリフロー炉で半田付けを行うと、ダイボンド部の高温系半田３のボイド率は比較的に小型チップのため１％以下に抑えることができた。
【００３７】
ペーストのフラックスはロジンレスであり、半田付け温度は２７０℃で、半導体チップ１表面のワイヤボンディング部、エポキシ系樹脂が密着性に絡む表面露出部等においては、フラックス成分はすべて揮発されている。それ以外の場所で、例えば陰の部分、裏面のある部品等で僅かに残渣があったとしても、それ自体は十分な絶縁特性を有している材料であり、後工程の樹脂の密着性に悪影響が現れることはなく、信頼性で問題になることは考えられない。なお、万一、表面での清浄度が不充分な場合を想定し、後工程でプラズマ処理を入れることとした。このため洗浄なしでワイヤボンディング、樹脂封止を可能にする。なお、封止用の樹脂は印刷法での供給してもよい。
【００３８】
図５（ｂ）はＲＦモジュール等を低温系半田１２で高密度多層基板であるプリント基板２７上にリフローで両面実装した例である。なお、図５（ｂ）の右側に示す樹脂封止ＬＳＩパッケージのチップ接続も同様に高温系半田３による洗浄レスプロセスで作製した。
【実施例３】
【００３９】
図７はパワーモジュールの２階層半田付け構造で高温側がＣｕボールとＳｎ−１０Ｓｂボールとを混合した複合半田ペースト、低温側がＳｎ−３Ａｇ−０.５Ｃｕ半田との組み合わせた本実施例の断面である。図７で、５はメタライズ膜（Ａｌ／Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕ）、７は熱拡散板、１６はＮｉめっきＣｕ導体、３３は半田ボール、３４はフラックスである。図７（ａ）は全体図で、図７（ｂ−１）はＣｕボール３２とＳｎ−３Ａｇ−０.５ Ｃｕ半田の半田ボール３３とをフラックス３４で混合したペースト状態の溶融前の断面モデルを示し、図７（ｂ−２）は溶融後の断面モデルを示す。溶融後は図６で示したように溶融温度が高いとＣｕ−Ｓｎ化合物３５が活発に成長するので、主に固体粒子と半田との配合率、固体粒子の粒度分布等を変えることで３００℃における高温強度確保、複合半田の変形性の両立を図ることが可能である。経験的には、固体粒子を少なくし、その中で少量の固体Ｃｕ粗大粒子を混ぜることで、Ｃｕ粗大粒子を分散させボイド低減化、高熱伝導性に優れる複合半田構造になる。
【００４０】
下段側の低温系半田１２をＳｎ−３Ａｇ−０.５Ｃｕ で半田付けするときに既に接合した上段の複合半田の中でＣｕ粒子間の一部でＣｕ−Ｓｎ化合物で連結されて、３００℃でも必要な最小限の強度を維持することができる。なお、フラックスはロジンレスでｍａｘ２７０℃の半田付け温度では、水素雰囲気と真空排気との効果で揮発されてしまうので、密着力に影響を与える金属及びセラミック基板上での残渣は本実施例でも存在しない。
【００４１】
また、このような２階層半田においても、部品を含め１種類もしくは２種類の半田で一括接続することも可能である。例えば、半導体チップ１下、熱拡散板７下の半田をロジンレスペーストもしくはロジンレスフラックスを塗布した箔を用い、リード、部品等はロジンレスペーストを使用することでＳｎ系半田を用い、水素雰囲気と真空排気の本方式で一括接続が可能である。ワイヤボンド、エポキシ系樹脂充填はリフロー後、無洗浄で行う。
【実施例４】
【００４２】
図８は、本実施例のモータードライバーＩＣ等の高出力の半導体チップ１を樹脂パッケージしたＩＣを示す。図８（ａ）は、全体の断面で、図８（ｂ）はその一部の拡大である。３Ｗ程度の熱を発生するチップの熱は高温系半田３を介してヘッダの熱拡散板７に伝わる。本実施例では熱拡散板７はＣｕ系の低膨張複合材であり、リード材は例えば４２Ａｌｌｏｙ系の材料である。まず、リードフレーム１７と熱拡散板７とをかしめ接合する。次に熱拡散板７上に高温系のロジンレス半田ペーストを印刷し、あるいはロジンレスフラックスを塗布した半田箔を供給し、実施例１から実施例３と同様に真空排気と水素雰囲気（一部、不活性雰囲気を含む場合もある）を組み合わせたリフロー炉で半田付けした。ロジンレスのフラックスを使用することで、リフロー後、洗浄レスでワイヤボンディングし、トランスファーモールド等による樹脂封止を行った。
【実施例５】
【００４３】
半田ペーストでフリップチップ、ＢＧＡ（Ball Grid Array）、ＣＳＰ（Chip Scale 
Package ）、チップキャリア等の微小端子の接続を行い、キャップ封止、エポキシ系樹脂封止等を行う構造では、接続後にフラックスのロジン成分を洗浄する必要があり、狭い間隙での洗浄に手間がかかる。本実施例では高密度実装に対しては、ペースト印刷法と同一プロセスを使用して半田を供給し、さらに、洗浄なしで溶剤等を揮発させる。
【００４４】
図９に本実施例の半導体装置の断面図を示す。図９で、１４は薄膜電極、２８は半田バンプ、２９はＣｕめっきバンプ、３０はＡｕワイヤバンプ、３１はＡｕめっきバンプを示す。図９では、Ｓｉチップ側の端子にＣｕめっきで形成したバンプ（ｂ−１）や、Ａｕボールボンドのワイヤバンピングで形成したバンプ（ｂ−２）、Ａｕめっきバンプ（ｂ−３）等に適用した例を示す。
【００４５】
本実施例で用いる半田は、Ｐｂフリー半田で高温系のＳｎ−１０Ｓｂ（融点：２３５〜２４０℃）、もしくはＰｂフリー半田の一般的な組成であるＳｎ−３Ａｇ−０.５Ｃｕ の何れでも良い。本実施例では、これらのＰｂフリー半田を基板側に印刷で供給した。印刷したＰｂフリー半田にチップをある程度加圧して搭載するため、半田が溶融すると接合部に一部化合物で連結される箇所ができるので、高温でも強度を有する。チップを位置決めして搭載後、真空排気と水素の可変成分雰囲気炉でｍａｘ２７０℃でリフローを行う。
【００４６】
図９（ａ）はリフロー後に、洗浄なしでチップと耐熱性のプリント基板間に、半田に熱膨張係数を合わせたヤング率が約１０ＧＰａの封止用エポキシ系樹脂１０を充填したチップキャリアの断面である。このように本実施例では、困難であった洗浄から開放され、低いコストで高い信頼のパッケージを得ることができる。
【００４７】
なお、チップ側端子部形成法は、この他に、半田ペーストを印刷し、溶融し、バンプを形成したものを、さらに、基板側に半田ペーストを印刷し、バンプを形成した後、該チップ上のバンプを位置決め固定後、同様にリフローで接続してもよい。
【００４８】
図９（ｃ）は、本実施例でＣｕボールと半田ボールとを混ぜた複合半田ペーストで形成して溶融させたバンプを示す。図９（ｃ）でも図６と同様にＣｕ粒子間同士が間欠的に化合物で連結されることで、変形に対してある程度の自由度を持ち、かつ所々で金属間化合物で繋がっているため、２８０℃の高温でもある程度の強度を確保することができる。このため、封止用エポキシ系樹脂１０を充填後、このパッケージをＳｎ−３Ａｇ−０.５ ＣｕのＰｂフリー半田（リフローｍａｘ温度；２４０℃）で搭載しても、端子部は高温での強度を有する。また、樹脂充填がない構造も可能である。なお、図９（ｄ）はＳｎ系半田３バンプだけの汎用的な構造である他は図９（ｃ）と同様であって、温度サイクル条件等の使用条件に応じて図９（ｃ）のものと使い分けることができる。
【実施例６】
【００４９】
本実施例の半導体装置であるＬＳＩの断面図を図１０に示す。図１０で、３７はＣｕボール入り複合半田を示す。図１０では、セラミック基板２２上の半導体チップ１の裏面の接続を、実施例１〜５と同様にして接続し、次にワイヤボンディングし、ＮｉめっきされたＡｌキャップ３６で封止する際に、実施例１〜５と同様の方法でリフローで接続して作製した。なお、本実施例の半導体装置は、炉中に入れた際に、溶剤系を揮発し、さらに窒素に置換された状態で封止されるので、封止後の半導体装置の信頼性に問題はない。
【００５０】
封止方法は半田ペーストに限らず、半田箔を用いて、低沸点のロジンレスの同じフラックスを用いても可能である。半田の温度階層を考慮した場合、ダイボンド部はＣｕボールとＳｎ系半田ボールの複合半田を用いることで、３００℃でも金属間化合物形成による連結により変形することはない。Ａｌキャップ３６の封止部にＳｎ−１０Ｓｂ半田を使用すると、プリント基板には従来のＰｂ入りのＳｎ−３７Ｐｂ共晶の性質に近い、高信頼で変形性に優れるＳｎ−１.５Ａｇ−０.５Ｃｕ−７Ｉｎ等の組成の半田が適用可能である。なお、プリント基板への実装としてさらに低温のＳｎ−５７Ｂｉ−１.５Ａｇ(融点；１３８℃) の使用が可能な場合、Ａｌキャップ３６の封止部にＳｎ−３Ａｇ−０.５Ｃｕ を用い、チップ下のダイボンド部をＳｎ−１０Ｓｂの組み合わせにすることができる。
【実施例７】
【００５１】
本実施例では、半田組成として、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系では、例えばＳｎ−１Ａｇ−０.５Ｃｕ、Ｓｎ−Ｃｕ 系では、例えばＳｎ−０.７Ｃｕ等を用いて、実施例１から実施例６と同様にして半導体パワーモジュールと半導体装置とを作製した。なお、本実施例では上記Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系半田やＳｎ−Ｃｕ系半田にＩｎ、Ｂｉ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｎｉ等を１種類以上微量添加した組成でも良い。
【００５２】
また、本実施例では、高温系鉛フリー半田として、Ｓｎ−１０Ｓｂ以外に同系統でＳｂ量を変えたＳｎ−（５〜１０）Ｓｂ（融点：２３２〜２４０℃）も用いた。この半田でモジュールや半導体装置を組み立て、他の基板にモジュールや半導体装置を実装する場合には、この組成と温度階層を可能とする低温系半田として、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｃｕ共晶系にＩｎを５〜１０％添加した低融点高信頼半田を用いる。この低融点高信頼半田は、機械的性質に優れ、比較的柔軟であり、温度分布の優れた炉の使用によりｍａｘ２２５〜２３０℃での接続が可能である。同様に低温系半田でさらに融点を下げられる半田として、Ｓｎ−９Ｚｎ（融点；１９９℃）もしくはＳｎ−９Ｚｎに微量のＩｎ、Ｂｉ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｇｅ、Ｎｉ等を１種類以上添加した半田も同様に本実施例に適用できる。さらに、Ｓｎ−Ｚｎ系でＳｎ−（０.５〜３）ＺｎもしくはＳｎ−９Ｚｎに微量のＩｎ、Ｂｉ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｇｅ、Ｎｉ等を１種類以上添加した低温系半田も同様に本実施例のパワーモジュールや半導体装置に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】実施例１の半導体パワーモジュールの断面図。
【図２】実施例１の別の半導体パワーモジュールの断面図。
【図３】実施例１の温度、圧力プロファイルの説明図。
【図４】実施例１の半導体パワーモジュールの製造プロセスフローの説明図。
【図５】実施例２のＦＲモジュールの断面図と、プリント基板に実装したものの断面。
【図６】実施例２の半導体パワーモジュールの半田接合部のＣｕボール周辺の断面。
【図７】実施例３の半導体パワーモジュールの断面図と断面拡大説明図。
【図８】実施例４のモータードライブＩＣの樹脂パッケージ断面図。
【図９】実施例５のフリップチップの断面図と端子部の拡大図。
【図１０】実施例６のＬＳＩのキャップ封止断面図。
【符号の説明】
【００５４】
１…半導体チップ、２…外部リード、３…高温系半田、４…ベース基板、５…メタライズ膜（Ａｌ／Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕ）、６…電気回路、７…熱拡散板、８…ワイヤボンド、９…ポリイミド樹脂、１０…封止用エポキシ系樹脂、１１…リード、１２…低温系半田、１３…外部接続端子、１４…薄膜電極、１５…導電層、１６…ＮｉめっきＣｕ導体、１７…リードフレーム、２１…チップ部品、２２…セラミック基板、２３…スルーホール厚膜導体、２４…Ａｌ／Ｎｉめっき電極、２５…ＩＣ、２６…Ｃｕめっき端子、２７…プリント基板、２８…半田バンプ、２９…Ｃｕめっきバンプ、３０…Ａｕワイヤバンプ、３１…Ａｕめっきバンプ、３２…Ｃｕボール、３３…半田ボール、３４…フラックス、３５…Ｃｕ−Ｓｎ化合物、３６…ＮｉめっきされたＡｌキャップ、３７…Ｃｕボール入り複合半田、４０…温度プロファイル、４１…試料の圧力プロファイル、４２…炉内圧力プロファイル、４３…ケース。
【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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