(57)【要約】      （修正有）【課題】乾燥条件に関わらず、プライマと金属板との接着性を確保する半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】Ｎｉ系金属膜２２とそれを被覆するＡｕ系金属膜２４とによって覆われている金属板２０（放熱板）を準備する準備工程で、Ａｕ系金属膜の少なくとも一部を加熱することによって、Ａｕ系金属膜によるＮｉ系金属膜の被覆を解消する加熱工程を備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属板を準備する準備工程と、
前記金属板の表面の第１の範囲に半導体素子を接合する接合工程と、
前記金属板に前記半導体素子が接合された積層体にプライマを塗布する塗布工程と、
前記プライマが塗布された前記積層体を樹脂によって封止する封止工程と、を備え、
前記準備工程の段階では、前記金属板の前記表面の前記第１の範囲と、それに隣接する第２の範囲との両者が、Ｎｉ系金属膜と、それを被覆するＡｕ系金属膜との両者によって覆われている、半導体装置の製造方法であって、
前記封止工程よりも前に実施されるとともに、前記第２範囲に位置する前記Ａｕ系金属膜の少なくとも一部を加熱することによって、当該Ａｕ系金属膜による前記Ｎｉ系金属膜の被覆を解消する加熱工程をさらに備える、
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、半導体装置の製造方法が開示されている。この半導体装置の製造方法では、金属板を準備する準備工程と、金属板の表面に半導体素子を接合する接合工程と、金属板に半導体素子が接合された積層体にプライマを塗布する塗布工程と、プライマが塗布された積層体を樹脂によって封止する封止工程とを備える。通常、金属板の表面には、半導体素子との接合性を高めるためのＮｉ系金属膜と、Ｎｉ系金属膜の酸化を防止するためのＡｕ系金属膜が形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１０９６３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記製造方法のように、半導体装置の製造方法では、半導体素子の保護のために、半導体素子を含む積層体を樹脂によって封止することが多い。この場合、積層体を構成する金属板は樹脂との接着性が良くないことから、金属板と樹脂との接着を助けるためのプライマを、積層体に塗布することが行われている。これまで、積層体に塗布されたプライマは、加熱することによって乾燥されており、その乾燥処理には比較的に長い時間が必要とされていた。そこで、乾燥時間の短縮や消費エネルギーの削減を目的として、本発明者らが減圧下による短時間の乾燥処理を試みたところ、プライマと金属板との間で剥離が生じるという問題が確認された。本明細書は、この問題を解決し得る技術を提供するものであり、プライマの乾燥条件に関わらず、プライマと金属板との間の接着性を確保する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らの研究によると、上記したプライマと金属板との間の剥離は、金属板に形成されたＡｕ系金属膜に起因することが判明した。金属板上のＮｉ系金属膜がＡｕ系金属膜で覆われていると、Ｎｉ系金属膜の酸化が抑制されることから、酸化されたＮｉ系金属膜とプライマとの間で水素結合が形成されず、金属板とプライマとの間における接着性が不足してしまう。この点に関して、従来のように長時間の熱処理によってプライマを乾燥させた場合は、Ｎｉ系金属膜を覆っているＡｕ系金属膜が、熱処理中にＮｉ系金属膜中に拡散していくことで、Ａｕ系金属膜によるＮｉ系金属膜の被覆が解消されることが確認された。これにより、Ｎｉ系金属膜が酸化され、酸化されたＮｉ系金属膜とプライマとの間の水素結合により、金属板とプライマとの間において良好な接着性が実現される。それに対して、減圧下においてプライマを短時間で乾燥させた場合は、Ａｕ系金属膜がＮｉ系金属膜を覆った状態で残存することから、プライマと金属板との間で上記した水素結合が形成されず、両者の間で剥離が生じることが判明した。以上の知見に基づいて、本明細書で開示する技術では、積層体を樹脂によって封止する前に、プライマが塗布される（又は塗布された）範囲に位置するＡｕ系金属膜を加熱することによって、Ａｕ系金属膜によるＮｉ系金属膜の被覆を解消することを特徴とする。
【０００６】
本明細書で開示する技術は、半導体装置の製造方法に具現化される。この製造方法は、金属板を準備する準備工程と、金属板の表面の第１の範囲に半導体素子を接合する接合工程と、金属板に半導体素子が接合された積層体にプライマを塗布する塗布工程と、プライマが塗布された積層体を樹脂によって封止する封止工程とを備える。ここで、準備工程の段階では、金属板の表面の第１の範囲と、それに隣接する第２の範囲との両者が、Ｎｉ系金属膜と、それを被覆するＡｕ系金属膜との両者によって覆われている。この製造方法は、封止工程よりも前に実施されるとともに、第２の範囲に位置するＡｕ系金属膜の少なくとも一部を加熱することによって、当該Ａｕ系金属膜によるＮｉ系金属膜の被覆を解消する加熱工程をさらに備える。
【０００７】
上記の製造方法では、半導体素子と接合される金属板の表面（第１の範囲）が、Ｎｉ系金属膜とＡｕ系金属膜との両者によって覆われているので、半導体素子と金属板との間の接合が良好に行われる。その一方で、プライマと接着すべき金属板の表面（第２の範囲）では、前記した加熱工程によってＡｕ系金属膜によるＮｉ系金属膜の被覆が解消されるので、Ｎｉ系金属膜の酸化が無用に抑制されない。その結果、酸化したＮｉ系金属膜とプライマとの間で水素結合が形成され、金属板とプライマとの間における接着性を高めることができる。
【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である。
【図２】半導体装置１０の製造方法を説明する図であって、一対の金属板２０、３０を準備する工程を示す。
【図３】半導体装置１０の製造方法を説明する図であって、各々の金属板２０、３０の第２の範囲Ｂをレーザ照射する工程を示す。
【図４】半導体装置１０の製造方法を説明する図であって、各々の金属板２０、３０と半導体素子１２とを接合する工程を示す。
【図５】半導体装置１０の製造方法を説明する図であって、接合して形成した積層体にプライマ１４を塗布する工程を示す。
【図６】半導体装置１０の製造方法を説明する図であって、プライマ１４を塗布した積層体を樹脂１６で封止する工程を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本技術の一実施形態では、前記した加熱工程が、塗布工程よりも前に実施されてもよい。この場合、加熱工程では、第２の範囲に位置するＡｕ系金属膜の少なくとも一部を、レーザ照射によって加熱してもよい。このような構成によると、プライマと接着すべき金属板の表面（第２の範囲）に位置するＡｕ系金属膜のみを、レーザ照射によって選択的に加熱することによって、例えば加熱工程に必要とされる時間やエネルギーを削減することができる。
【００１０】
本技術の一実施形態では、前記した接合工程において、金属板の表面の第１の範囲に、半導体素子をはんだ付けによって接合してもよい。この場合、加熱工程は、接合工程に続けて実施されてもよい。このような構成によると、はんだ付けの際に加熱された積層体の熱を利用して加熱工程を実施することができるので、例えば加熱工程に必要とされる時間やエネルギーを削減することができる。
【実施例】
【００１１】
図面を参照して、一実施例である半導体装置１０について説明をする。図１に示すように、半導体装置１０は、半導体素子１２、上面側金属板２０、下面側金属板３０及び樹脂１６を備える。半導体素子１２は、パワー半導体素子である。ここでいうパワー半導体素子には、特に限定されないが、例えばダイオード素子、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）素子、及びＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）素子又はその他のスイッチング素子が含まれる。また、半導体素子１２に用いられる半導体材料についても特に限定されず、例えばシリコン（Ｓｉ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、又は、窒化ガリウム（ＧａＮ）といった窒化物半導体であってよい。半導体素子１２は、上面電極１２ａと下面電極１２ｂとを備える。上面電極１２ａは、半導体素子１２の上面に位置しており、下面電極１２ｂは、半導体素子１２の下面に位置している。上面電極１２ａ及び下面電極１２ｂを構成する材料には、特には限定されないが、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。半導体素子１２は、樹脂１６内に封止されている。樹脂１６は、例えばエポキシ樹脂といった熱硬化性の樹脂で構成されている。
【００１２】
上面側金属板２０は、概して直方体形状を有しており、例えば銅といった金属で構成されている。上面側金属板２０は、上面２０ａと上面２０ａとは反対側に位置する下面２０ｂとを有する。上面側金属板２０の下面２０ｂは、半導体素子１２の上面電極１２ａに接合されている。即ち、上面側金属板２０は半導体素子１２と電気的に接続されている。同様に下面側金属板３０も、概して直方体形状を有しており、例えば銅といった金属で構成されている。下面側金属板３０は、上面３０ａと上面３０ａとは反対側に位置する下面３０ｂとを有する。下面側金属板３０の上面３０ａは、半導体素子１２の下面電極１２ｂに接合されている。即ち、上面側金属板２０は半導体素子１２と電気的に接続されている。
【００１３】
ここでいう接合は、一例ではあるが、はんだ付けによって行われてもよい。上面側金属板２０と半導体素子１２との間、下面側金属板３０と半導体素子１２との間には、はんだ層２６、３６がそれぞれ介挿される。また、上面側金属板２０の上面２０ａは、樹脂１６の外部に露出している。上面側金属板２０は、半導体素子１２と熱的にも接続されており、半導体素子１２で発生した熱を外部に放出する放熱板としても機能する。同様に下面側金属板３０も下面３０ｂは、樹脂１６の外部に露出している。下面側金属板３０は、半導体素子１２と熱的にも接続されており、半導体素子１２で発生した熱を外部に放出する放熱板としても機能する。即ち、本実施例の半導体装置１０は、樹脂１６の両面に放熱板がそれぞれ露出する両面冷却構造を有する。
【００１４】
図２−６を参照して、半導体装置１０の製造方法について説明する。図２に示すように、一対の上面側金属板２０及び下面側金属板３０を準備する準備工程を実施する。ここで準備する上面側金属板２０の下面２０ｂには、Ｎｉ系金属膜２２とそれを被覆するＡｕ系金属膜２４が形成されている。同様に下面側金属板３０の上面３０ａには、Ｎｉ系金属膜３２とそれを被覆するＡｕ系金属膜３４が形成されている。このような構成によると、Ｎｉ系金属膜２２，３２によって、接合材（例えばはんだ）による接合性を高めることができる。また、Ａｕ系金属膜２４、３４によって、Ｎｉ系金属膜２２、３２の酸化を防止することができる。上述したように、金属板２０、３０の表面（詳しくは、上面側金属板２０の下面２０ｂ及び下面側金属板３０の上面３０ａ）には、半導体素子１２がそれぞれ接合される。以降、金属板２０、３０の表面における、半導体素子１２と接合される範囲を第１の範囲Ａとし、その他の範囲（即ち、樹脂１６と接着すべき範囲）を第２の範囲Ｂと称して説明する。
【００１５】
次いで、図３に示すように、準備した金属板２０、３０に対して加熱処理を実施する。この加熱処理では、金属板２０、３０の表面に形成されたＡｕ系金属膜２４、３４のなかで、第２の範囲Ｂに位置しているＡｕ系金属膜２４、３４を選択的に加熱する。これにより、金属板２０、３０の表面の第２の範囲Ｂに位置しているＡｕ系金属膜２４、３４は、熱処理中にＮｉ系金属膜２２、３２中に拡散し、Ａｕ系金属膜２４、３４によるＮｉ系金属膜２２、３２の被覆は解消される。この加熱処理では、一例ではあるが、第２の範囲Ｂに位置するＡｕ系金属膜２４、３４に向かってレーザ照射を行い（図３中の矢印の向き）、Ａｕ系金属膜２４、３４を加熱してもよい。このような構成によると、後の工程でプライマ１４が塗布される金属板２０、３０の表面（特に、第２の範囲Ｂ）に位置するＡｕ系金属膜２４、３４のみを、レーザ照射によって選択的に加熱することによって、例えば加熱工程に必要とされる時間やエネルギーを削減することができる。
【００１６】
次いで、図４に示すように、加熱工程後、上面側金属板２０の表面における第１の範囲Ａと、下面側金属板３０の表面における第１の範囲Ａとの間に、半導体素子１２を接合する接合工程を実施する。先ず、上面側金属板２０の表面における第１の範囲Ａに位置しているＡｕ系金属膜２４と、下面側金属板３０の表面における第１の範囲Ａに位置しているＡｕ系金属膜３４との間に、それぞれはんだ２６、３６を介して半導体素子１２を配置する。次いで、金属板２０、３０と半導体素子１２との間に配置したはんだ２６、３６を、例えばリフロー炉等で加熱しはんだ付けを行い、積層体を形成する。このはんだ付けの過程において、金属板２０、３０のＮｉ系金属膜２２、３２を被覆するＡｕ系金属膜２４、３４は、Ｎｉ系金属膜中、又は、はんだ中に拡散され、Ａｕ系金属膜２４、３４によるＮｉ系金属膜２２、３２の被覆は解消する。これにより、はんだ２６、３６とＮｉ系金属膜２２、３２との間で、良好にはんだ付けを行うことができる。
【００１７】
図５に示すように、積層体にプライマ１４を塗布する塗布工程を実施する。接合工程で形成した積層体にプライマ１４を塗布し、プライマ１４を乾燥させる。プライマ１４は、例えばポリイミドやポリアミドといった封止材として用いられる樹脂１６との接着性が優れている樹脂材料で構成されている。上述した加熱工程により、プライマ１４と接着すべき金属板２０、３０の表面（第２の範囲Ｂ）では、Ａｕ系金属膜２４、３４によるＮｉ系金属膜２２、３２の被覆が解消されているので、Ｎｉ系金属膜２２、３２の酸化が無用に抑制されない。その結果、酸化したＮｉ系金属膜２２、３２とプライマ１４との間で水素結合が形成され、金属板２０、３０とプライマ１４との間における接着性を高めることができる。即ち、プライマ１４の乾燥条件に関わらず、プライマ１４と金属板２０、３０との間の接着性を確保することが可能となる。ここで、一例ではあるが、プライマ１４の乾燥条件は、減圧下において、室温乾燥又は加熱乾燥を行ってもよい。これにより、プライマ１４の乾燥時間の短縮や消費エネルギーの削減をすることができる。
【００１８】
最後に、図６に示すように、プライマ１４が塗布された積層体を樹脂１６によって封止する封止工程を実施する。この積層体の封止は、例えばインサート成形を採用して行うことができる。また封止後に、例えば切削加工などで樹脂１６を削り落として、上面側金属板２０の上面２０ａ及び下面側金属板３０の下面３０ｂを露出させてもよい。以上の製造方法により、本実施例における半導体装置１０は完成する。
【００１９】
上述した本実施例では、レーザ照射による加熱工程を、準備工程と接合工程との間に実施したが、加熱工程を実施するタイミングはこれに限定されない。他の実施例として、加熱工程が接合工程と塗布工程との間に実施されてもよい。また、本実施例の製造方法では、Ｎｉ系金属膜２２、３２を被覆するＡｕ系金属膜２４、３４を解消するための加熱工程が、他の工程とは独立して実施される。それに対し、他の実施例として、本実施例のはんだ付けによる接合工程のように、接合工程において積層体を加熱する必要がある場合は、加熱工程を接合工程に続けて実施してもよい。具体的には、接合工程において積層体をリフロー炉等で加熱するときに、その加熱時間をそのまま延長すればよい。これによっても、第２の範囲Ｂに位置するＡｕ系金属膜２４、３４を加熱することによって、Ａｕ系金属膜２４、３４によるＮｉ系金属膜２２、３２の被覆を解消することができる。このような構成によると、はんだ付けの際に加熱された積層体の熱を利用して加熱工程を実施することができるので、例えば加熱工程に必要とされる時間やエネルギーを削減することができる。
【００２０】
上記した各実施例では、下記の点において共通する。第１に、金属板２０、３０において半導体素子１２と接合される表面（即ち、第１の範囲Ａ）は、Ｎｉ系金属膜２２、３２とＡｕ系金属膜２４、３４との両者で被覆されている。これによって、金属板２０、３０と半導体素子１２との間の接合性を高めることができる。第２に、その他の表面（即ち、第２の範囲Ｂ）については、Ａｕ系金属膜２４、３４の被覆を解消することで、Ｎｉ系金属膜２２、３２を酸化させ、プライマ１４との接着性を高めることができる。これらの点を可能とし得る、他の構成例についても以下に示す。
【００２１】
一つの構成例としては、塗布工程におけるプライマ１４の乾燥に続けて、第２の範囲Ｂに位置するＡｕ系金属膜２４、３４を加熱する加熱工程を実施してもよい。即ち、加熱によってプライマ１４を乾燥させるときに、その乾燥時間をそのまま延長することによって、第２の範囲Ｂに位置するＡｕ系金属膜２４、３４の加熱を行ってもよい。但し、このような構成によると、Ｎｉ系金属膜２２、３２を被覆するＡｕ系金属膜２４、３４を解消するためには、通常プライマ１４の乾燥に有する温度と時間に対して、より多くの温度と時間を費やす必要がある。そのため、半導体装置１０の製造におけるエネルギー効率が低下する可能性がある。
【００２２】
他の一つの構成例としては、準備工程において、Ｎｉ系金属膜２２、３２を被覆するＡｕ系金属膜２４、３４が、半導体素子１２と接合される表面（即ち、第１の範囲Ａ）のみに形成された金属板２０、３０を準備してもよい。この場合、Ｎｉ系金属膜２２、３２を被覆するＡｕ系金属膜２４、３４を解消するための加熱工程は不要となる。但し、このような構成によると、準備する金属板２０、３０にかかる費用が増大するおそれがある。
【００２３】
他の一つの構成例としては、本実施例で採用したレーザ照射に代わり、Ｎｉ系金属膜２２、３２を被覆するＡｕ系金属膜２４、３４を、機械的な加工によって除去してもよい。この場合、例えばやすり等によって、Ａｕ系金属膜２４、３４を除去すればよく、加熱工程は不要である。但し、このような構成によると、安定した品質供給が困難となり、生産効率が低下する可能性がある。
【００２４】
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】
【００２５】
１０：半導体装置
１２：半導体素子
１２ａ：上面電極
１２ｂ：下面電極
１４：プライマ
１６：樹脂
２０、３０：放熱板
２２、３２：Ｎｉ系金属膜
２４、３４：Ａｕ系金属膜
２６、３６：はんだ層
【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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