(57)【要約】【課題】導体部材におけるはんだの濡れ広がりを正確に制御する。【解決手段】本明細書が開示する半導体装置の製造方法は、導体部材に形成された金属膜の第１領域にレーザを照射するレーザ照射工程と、導体部材の第２領域に半導体素子をはんだ付けするはんだ付け工程とを備える。レーザ照射工程では、第１領域からの飛散物の付着によって、第２領域よりもはんだ濡れ性の低い第３領域が、第２領域に隣接して形成される。これにより、はんだ付け工程では、第２領域に隣接する第３領域によって、第２領域から第３領域へのはんだの濡れ広がりが抑制される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導体部材に形成された金属膜の第１領域にレーザを照射するレーザ照射工程と、
前記導体部材の第２領域に半導体素子をはんだ付けするはんだ付け工程と、
を備え、
前記レーザ照射工程では、前記第１領域からの飛散物の付着によって、前記第２領域よりもはんだ濡れ性の低い第３領域が、前記第２領域に隣接して形成され、
前記はんだ付け工程では、前記第２領域に隣接する前記第３領域によって、前記第２領域から前記第３領域へのはんだの濡れ広がりが抑制される、
半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書が開示する技術は、半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、半導体装置が開示されている。この半導体装置は、半導体素子と、半導体素子に接続される導体部材とを備える。この半導体装置では、半導体素子と導体部材との間がはんだ層を介して接合されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１４６７６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般に、半導体装置のはんだ付け工程では、半導体素子と導体部材との間に配置したはんだを一時的に溶融させることによって、半導体素子と導体部材との間を互いに接合する。このとき、はんだ層の端部には、いわゆるフィレット形状（裾広がりの形状）が形成され、このフィレット角度（フィレット形状の端部の角度）は、溶融したはんだの濡れ広がりによって左右される。そのことから、はんだ層のフィレット角度を制御するためには、半導体素子や導体部材におけるはんだの濡れ広がりを制御する必要がある。
【０００５】
特に、はんだ層の半導体素子側のフィレット角度が意図せずに大きくなる（９０度以上になる）と、はんだ層の外周縁に沿って、半導体素子上にはんだ層が厚く存在する。通常、はんだ層の外周縁は、半導体素子の電極の外周縁に沿って形成され、その位置には、二以上の異種材料（例えば電極の材料と保護膜の材料）が互いに接触する多重点が存在する。このような半導体素子の多重点上にはんだ層が厚く存在していると、半導体装置の使用時において、はんだ層から半導体素子へ局所的に大きな応力が作用するおそれがある。このような問題を避けるためには、はんだ層の半導体素子側のフィレット角度を制限する必要があり、そのためには、導体部材におけるはんだの濡れ広がりを正確に制御する必要がある。本明細書は、導体部材におけるはんだの濡れ広がりを正確に制御し得る技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本明細書が開示する半導体装置の製造方法は、導体部材に形成された金属膜の第１領域にレーザを照射するレーザ照射工程と、導体部材の第２領域に半導体素子をはんだ付けするはんだ付け工程とを備える。レーザ照射工程では、第１領域からの飛散物の付着によって、第２領域よりもはんだ濡れ性の低い第３領域が、第２領域に隣接して形成される。これにより、はんだ付け工程では、第２領域に隣接する第３領域によって、第２領域から第３領域へのはんだの濡れ広がりが抑制される。
【０００７】
上記した製造方法では、導体部材に形成された金属膜の第１領域にレーザを照射する。このレーザ照射により、金属膜の第１領域は粗面化（即ち、微細な凹凸形状が形成）され、はんだ濡れ性が低下する。このとき、第１領域に近接する第３領域においても、第１領域からの飛散物の付着によって、はんだ濡れ性が同時に低下する。従って、はんだの濡れ広がりを正確に制御するためには、このような第３領域が形成されることも考慮した上で、レーザ照射を行うべき第１領域を決定する必要がある。この点に関して、本明細書が開示する製造方法では、レーザ照射に伴って飛散物の付着する第３領域が、その後に半導体素子がはんだ付けされる第２領域に隣接して形成されるように、レーザ照射を行う第１領域を決定する。これにより、半導体素子が第２領域へはんだ付けされるときは、第２領域に隣接する第３領域によって、第２領域から第３領域へのはんだの濡れ広がりが抑制される。このような構成によると、導体部材におけるはんだの濡れ広がりを正確に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施例の半導体装置１０の内部構造を示す断面図。
【図２】図１におけるＩＩ部の拡大図。
【図３】上側放熱板２２の下面斜視図。
【図４】上側放熱板２２のレーザ照射領域を示す下面図。
【図５】下側放熱板２４の上面斜視図。
【図６】下側放熱板２４のレーザ照射領域を示す上面図。
【図７】はんだ層４２のフィレット角度が９０度以上の場合の比較例を示す。
【図８】第１はんだ付け工程を示す模式図。
【図９】第２はんだ付け工程を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図面を参照して、実施例の半導体装置１０及びその製造方法について説明する。図１に示すように、半導体装置１０は、第１半導体素子２０、第２半導体素子４０、上側放熱板２２、下側放熱板２４及び封止体１２を備える。第１半導体素子２０及び第２半導体素子４０は封止体１２の内部に封止されている。封止体１２は、特に限定されないが、例えばエポキシ樹脂といった熱硬化樹脂で構成されている。
【００１０】
第１半導体素子２０は、表面電極２０ａと裏面電極２０ｂとを有する。表面電極２０ａは、第１半導体素子２０の上面に位置しており、裏面電極２０ｂは、第１半導体素子２０の下面に位置している。第１半導体素子２０は上下一対の電極２０ａ、２０ｂを有する縦型の半導体素子である。第２半導体素子４０も、表面電極４０ａと裏面電極４０ｂとを有する。表面電極４０ａは、第２半導体素子４０の下面に位置しており、裏面電極４０ｂは、第２半導体素子４０の上面に位置している。第２半導体素子４０は、上下一対の電極４０ａ、４０ｂを有する縦型の半導体素子である。第１半導体素子２０の電極２０ａ、２０ｂ及び第２半導体素子４０の電極４０ａ、４０ｂを構成する材料には、特に限定されないが、例えばアルミニウム系又はその他の金属を採用することができる。一例ではあるが、第１半導体素子２０及び第２半導体素子４０は、互いに上下反転させた姿勢で、上側放熱板２２及び下側放熱板２４の間に介挿されている。
【００１１】
本実施例における第１半導体素子２０と第２半導体素子４０は、互いに同種の半導体素子であり、詳しくはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）とダイオードとを内蔵するＲＣ−ＩＧＢＴ（Reverse Conducting IGBT）素子である。但し、第１半導体素子２０と第２半導体素子４０の各々は、ＲＣ−ＩＧＢＴ素子に限定されず、例えばＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）素子といった他のパワー半導体素子であってもよい。あるいは、第１半導体素子２０と第２半導体素子４０の各々は、ダイオード素子とＩＧＢＴ素子（又はＭＯＳＦＥＴ素子）といった二以上の半導体素子に置き換えられてもよい。第１半導体素子２０と第２半導体素子４０の具体的な構成は特に限定されず、各種の半導体素子を採用することができる。この場合、第１半導体素子２０と第２半導体素子４０は、互いに異種の半導体素子であってもよい。また、第１半導体素子２０と第２半導体素子４０の各々は、例えばシリコン（Ｓｉ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、又は窒化ガリウム（ＧａＮ）といった各種の半導体材料を用いて構成されることができる。
【００１２】
図２に示すように、第１半導体素子２０は、その上面（表面電極２０ａ側）に保護膜５０を備えている。保護膜５０は絶縁性を有する樹脂材料であって、例えばポリイミドなどを用いて構成される。保護膜５０は、第１半導体素子２０の耐圧を維持する機能、及び第１半導体素子２０に異物が接触することを防止する機能を有する。保護膜５０は、第１半導体素子２０の外周縁に沿って枠状に伸びており、表面電極２０ａの周囲を取り囲んでいる。第２半導体素子４０についても同様であり、その下面（表面電極４０ａ側）に保護膜を備えており、表面電極４０ａが保護膜によって囲まれている。
【００１３】
半導体装置１０は、上側放熱板２２と下側放熱板２４とをさらに備える。図１、図３に示すように、上側放熱板２２は、絶縁基板３０、第１内側導体層２６、第２内側導体層２８及び外側導体層３２を有する。第１内側導体層２６は、絶縁基板３０の一方側に位置するとともに、はんだ層４２を介して第１半導体素子２０の表面電極２０ａに電気的に接続されている。第２内側導体層２８は、絶縁基板３０の一方側に位置するとともに、はんだ層４６を介して第２半導体素子４０の裏面電極４０ｂに電気的に接続されている。外側導体層３２は、絶縁基板３０の他方側に位置している。第１内側導体層２６と外側導体層３２との間、及び、第２内側導体層２８と外側導体層３２との間は、それぞれ絶縁基板３０によって互いに絶縁されている。第１内側導体層２６及び第２内側導体層２８の各表面には、金属膜２７、２９が形成されている。金属膜２７、２９は、例えばニッケルを主成分とする材料（純ニッケルを含む）で構成されており、一例ではあるが、スパッタ法によって形成することができる。
【００１４】
図４に示すように、各々の内側導体層２６、２８は、第１領域Ａ１、第２領域Ａ２及び第３領域Ａ３をそれぞれ有する。第１領域Ａ１は、レーザが照射された領域であって、金属膜２７、２９が粗面化及び酸化された領域である。第２領域Ａ２は、はんだ層４２、４６を介して半導体素子２０、４０に接合される領域である。第３領域Ａ３は、第１領域Ａ１と第２領域Ａ２との間に位置し、第２領域Ａ２に隣接している。第３領域Ａ３は、第１領域Ａ１に対するレーザ照射工程において、第１領域Ａ１からの飛散物（例えばニッケル酸化物）が付着した領域である。第１領域Ａ１及び第３領域Ａ３は、第２領域Ａ２と比較してはんだ濡れ性が比較的に低くなっており、後述するはんだ付け工程において、はんだの濡れ広がりを抑制するために設けられている。
【００１５】
図１、図５に示すように、下側放熱板２４は、絶縁基板３６、内側導体層３４及び外側導体層３８を有する。内側導体層３４は、絶縁基板３６の一方側に位置するとともに、はんだ層４４を介して第１半導体素子２０の裏面電極２０ｂに、及び、はんだ層４８を介して第２半導体素子４０の表面電極４０ａに、それぞれ電気的に接続されている。外側導体層３８は、絶縁基板３６の他方側に位置している。内側導体層３４と外側導体層３８との間は、絶縁基板３６によって互いに絶縁されている。内側導体層３４の表面には、金属膜３５が形成されている。金属膜３５は、例えばニッケルを主成分とする材料（純ニッケルを含む）で構成されており、一例ではあるが、スパッタ法によって形成することができる。
【００１６】
図６に示すように、下側放熱板２４の第２内側導体層３４も、第１領域Ａ１、第２領域Ａ２及び第３領域Ａ３を有する。第１領域Ａ１は、レーザが照射された領域であって、金属膜３５が粗面化及び酸化された領域である。第２領域Ａ２は、はんだ層４４、４８を介して半導体素子２０、４０に接合される領域である。第３領域Ａ３は、第１領域Ａ１と第２領域Ａ２との間に位置し、第２領域Ａ２に隣接している。第３領域Ａ３は、第１領域Ａ１に対するレーザ照射工程において、第１領域Ａ１からの飛散物（例えばニッケル酸化物）が付着した領域である。下側放熱板２４においても、第１領域Ａ１及び第３領域Ａ３は、第２領域Ａ２と比較してはんだ濡れ性が比較的に低くなっており、後述するはんだ付け工程において、はんだの濡れ広がりを抑制するために設けられている。
【００１７】
一例ではあるが、本実施例における上側放熱板２２及び下側放熱板２４には、ＤＢＣ（Direct Bonded Copper）基板を採用することができる。上側放熱板２２及び下側放熱板２４の絶縁基板３０、３６は、例えば酸化アルミニウム、窒化シリコン、窒化アルミニウム等といったセラミックで構成されている。また、上側放熱板２２及び下側放熱板２４の各々の内側導体層２６、２８、３４及び各々の外側導体層３２、３８は、銅で構成されている。上側放熱板２２及び下側放熱板２４は、本明細書が開示する技術における導体部材の一例である。上側放熱板２２及び下側放熱板２４は、ＤＢＣ基板に限定されない。内側導体層２６、２８、３４及び外側導体層３２、３８は、銅に限定されず、その他の金属で構成されていてもよい。そして、上側放熱板２２の絶縁基板３０と各導体層２６、２８、３２との間、及び、下側放熱板２４の絶縁基板３６と各導体層３４、３８との間の接合構造についても、特に限定されない。上側放熱板２２及び下側放熱板２４は、例えばＤＢＡ（Direct Bonded Aluminum）基板であってよいし、絶縁基板３０、３６を有さない導体板であってもよい。
【００１８】
上側放熱板２２の外側導体層３２は、封止体１２の上面１２ａに露出されている。これにより、上側放熱板２２は半導体装置１０の一部を構成するだけでなく、第１半導体素子２０及び第２半導体素子４０の熱を外部に放出する放熱板としても機能する。同様に下側放熱板２４の外側導体層３８は、封止体１２の下面１２ｂに露出されている。これにより、下側放熱板２４においても半導体装置１０の電気回路の一部を構成するだけでなく、第１半導体素子２０及び第２半導体素子４０の熱を外部に放出する放熱板としても機能する。このように、本実施例の半導体装置１０は、封止体１２の両面１２ａ、１２ｂに上側放熱板２２の外側導体層３２及び下側放熱板２４の外側導体層３８が露出される両面冷却構造を有する。但し、半導体装置１０は、両面冷却構造に限定されず、上側放熱板２２の外側導体層３２又は下側放熱板２４の外側導体層３８が封止体１２から露出される片面冷却構造であってもよい。
【００１９】
図２に示すように、第１半導体素子２０の上面では、はんだ層４２の外周縁が、表面電極２０ａと保護膜５０との両者に接触しており、その位置では、複数の異種材料が互いに接触する多重点が形成されている。多重点を形成する複数の材料は、互いに線膨張係数が異なることから、半導体装置１０が動作して発熱したときに、それらに生じる熱膨張量も互いに異なる。そのため、多重点には大きな応力が作用しやすい。特に、多重点上にはんだ層４２が厚く存在していると、はんだ層４２から第１半導体素子２０へ局所的に大きな応力が作用するおそれがある。このような問題を避けるために、本実施例の半導体装置１０は、はんだ層４２の第１半導体素子２０側のフィレット角度が、９０度未満となるように設計されている。同様に、第２半導体素子４０の下面（表面電極４０ａ側）では、はんだ層４８の第２半導体素子４０側のフィレット角度が、９０度未満となるように設計されている。
【００２０】
これに対して、例えば図７に示すように、はんだ層４２の第１半導体素子２０側のフィレット角度が、仮に９０度以上であるとする。この場合、はんだ層４２の外周縁に沿って、第１半導体素子２０上にはんだ層４２が厚く存在することになる。前述したように、はんだ層４２の外周縁の位置では、二以上の異種材料が互いに接触する多重点が存在する。従って、フィレット角度が９０度以上であると、多重点上にはんだ層４２が厚く存在することになり、はんだ層４２から第１半導体素子２０へ局所的に大きな応力が作用するおそれが生じる。従って、はんだ層４２（及びはんだ層４８）のフィレット角度は、９０度未満であることが好ましい。
【００２１】
加えて、はんだ層４２の第１半導体素子２０側のフィレット角度が９０度未満であると、第１半導体素子２０と第１内側導体層２６との間の絶縁性の点でも有利である。例えば、はんだ層４２のフィレット角度が９０度を超えていると、はんだ層４２が第１半導体素子２０の保護膜５０の上方へせり出した状態となる。第１半導体素子２０の保護膜５０が設けられた領域、即ち、第１半導体素子２０の周辺領域は、耐圧保持領域であり、第１半導体素子２０がターンオフされたときは、その電位が比較的に高くなり得る。このような耐圧保持領域に対して、はんだ層４２がせり出していると、耐圧保持領域とはんだ層４２との間の空間距離が短くなり、両者の絶縁性は低下する。これに対して、はんだ層４２のフィレット角度が９０度未満であれば、耐圧保持領域とはんだ層４２との間の空間距離が確保されるので、両者の間で絶縁性が低下することを避けることができる。
【００２２】
次に、図８、図９を参照して、半導体装置１０の製造方法について説明する。この製造方法は、レーザ照射工程と、第１はんだ付け工程と、第２はんだ付け工程とを備える。レーザ照射工程では、上側放熱板２２及び下側放熱板２４を用意し、それらの内側導体層２６、２８、３４にレーザを照射する。前述したように、レーザは内側導体層２６、２８、３４の第１領域Ａ１に照射される（図４、図６参照）。これにより、第１領域Ａ１は粗面化（即ち、微細な凹凸形状が形成）され、第１領域Ａ１におけるはんだ濡れ性は低下する。このとき、第１領域Ａ１に近接する第３領域Ａ３においても、レーザ照射に起因する第１領域Ａ１からの飛散物が付着することによって、はんだ濡れ性が同時に低下する。後述するはんだ付け工程において、はんだの濡れ広がりを正確に制御するためには、このような第３領域Ａ３が形成されることも考慮した上で、レーザ照射を行うべき第１領域Ａ１を決定する必要がある。
【００２３】
この点に関して、本実施例の製造方法では、レーザ照射に伴って飛散物の付着する第３領域Ａ３が、その後に半導体素子２０、４０がはんだ付けされる第２領域Ａ２に隣接して形成されるように、レーザ照射を行う第１領域Ａ１が決定されている。これにより、半導体素子２０、４０が第２領域Ａ２へはんだ付けされるときは、第２領域Ａ２に隣接する第３領域Ａ３によって、第２領域Ａ２から第３領域Ａ３へのはんだの濡れ広がりが抑制される。このような構成によると、内側導体層２６、２８、３４におけるはんだの濡れ広がりを正確に制御して、はんだ層４２、４８の前述したフィレット角度を確実に９０度未満とすることができる。即ち、上側放熱板２２の第１内側導体層２６と、第１半導体素子２０との間のはんだ層４２については、はんだ層４２が第１内側導体層２６に接する第２領域Ａ２を、はんだ層４２が第１半導体素子２０に接する領域よりも内側に配置することができる。下側放熱板２４の内側導体層３４と、第２半導体素子４０との間のはんだ層４８については、はんだ層４８が内側導体層３４に接する第２領域Ａ２を、はんだ層４８が第２半導体素子４０に接する領域よりも内側に配置することができる。
【００２４】
次いで、図８に示すように、第１はんだ付け工程が実施される。第１はんだ付け工程では、下側放熱板２４の内側導体層３４の二つの第２領域Ａ２に、第１半導体素子２０及び第２半導体素子４０をはんだ付けする。詳しくは、一方の第２領域Ａ２に、第１半導体素子２０の裏面電極２０ｂをはんだ付けし、他方の第２領域Ａ２に、第２半導体素子４０の表面電極４０ａをはんだ付けする。第１はんだ付け工程の具体的な手法については特に限定されない。本実施例では、第１半導体素子２０と内側導体層３４との間にはんだ４４を配置し、第２半導体素子４０と内側導体層３４との間にはんだ４８を配置し、それらのはんだ４４、４８をリフロー炉内で一時的に溶融させる。溶融したはんだ４４、４８は、第２領域Ａ２に隣接する第３領域Ａ３によって、第２領域Ａ２から第３領域Ａ３へ濡れ広がることが抑制される。なお、はんだ４４、４８は、前述したはんだ層４４、４８を構成するため、ここでは同じ符号が付されている。
【００２５】
次いで、図９に示すように、第２はんだ付け工程が実施される。第２はんだ付け工程では、第１半導体素子２０及び第２半導体素子４０に、上側放熱板２２の内側導体層２６、２８をそれぞれはんだ付けする。詳しくは、第１内側導体層２６の第２領域Ａ２に、第１半導体素子２０の表面電極２０ａをはんだ付けし、第２内側導体層２８の第２領域Ａ２に、第２半導体素子４０の裏面電極４０ｂをはんだ付けする。第２はんだ付け工程の具体的な手法も特に限定されない。本実施例では、第１半導体素子２０と第１内側導体層２６との間にはんだ４２を配置し、第２半導体素子４０と第２内側導体層２８との間にはんだ４６を配置し、それらのはんだ４２、４６をリフロー炉内で一時的に溶融させる。溶融したはんだ４２、４６は、第２領域Ａ２に隣接する第３領域Ａ３によって、第２領域Ａ２から第３領域Ａ３へ濡れ広がることが抑制される。なお、はんだ４２、４６は、前述したはんだ層４２、４６を構成するため、ここでは同じ符号が付されている。
【００２６】
以上のように、本実施例の製造方法は、導体部材（２２、２４）に形成された金属膜（２７、２９、３５）の第１領域（Ａ１）にレーザを照射するレーザ照射工程と、導体部材の第２領域（Ａ２）に半導体素子（２０、４０）をはんだ付けするはんだ付け工程とを備える。レーザ照射工程では、第１領域（Ａ１）からの飛散物の付着によって、第２領域（Ａ２）よりもはんだ濡れ性の低い第３領域（Ａ３）が、第２領域に隣接して形成される。これにより、はんだ付け工程では、第２領域に隣接する第３領域によって、第２領域から第３領域へのはんだ（４２、４４、４６、４８）の濡れ広がりが抑制される。
【００２７】
上述したが、本実施例の放熱板２２、２４の各々の内側導体層２６、２８、３４に形成された金属膜２７、２９、３５の各々の第１領域Ａ１は、レーザ照射工程において粗面化されている。換言すると、金属膜２７、２９、３５の第１領域Ａ１には、レーザ照射によって微細な凹凸形状が形成されている。この微細な凹凸形状は、アンカー効果によって、上側放熱板２２及び下側放熱板２４と封止体１２との密着性を向上させる。
【００２８】
以上、いくつかの具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書又は図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものである。
【符号の説明】
【００２９】
１０：半導体装置
１２：封止体
２０、４０：半導体素子
２０ａ、４０ａ：表面電極
２０ｂ、４０ｂ：裏面電極
２２：上側放熱板
２４：下側放熱板
２６：上側放熱板の第１内側導体層
２７、２９、３５：金属膜
２８：上側放熱板の第２内側導体層
３０：上側放熱板の絶縁基板
３２：上側放熱板の外側導体層
３４：下側放熱板の内側導体層
３６：下側放熱板の絶縁基板
３８：下側放熱板の外側導体層
４２、４４、４６、４８：はんだ（層）
５０：保護膜
Ａ１：第１領域
Ａ２：第２領域
Ａ３：第３領域
【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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