(57)【要約】【課題】ボイド発生率を低減できるニッケルめっき層を介したはんだ付け方法およびこのはんだ付け方法を用いた半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】ニッケルめっき層２を有する銅ベース板１を予め、不活性ガス雰囲気中で３００℃〜４００℃の温度範囲で加熱することで、銅ベース板と絶縁回路基板８のはんだ付けでボイド発生率を低減することができる。【選択図】        図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ニッケルめっき層を有する部材を３００℃〜４００℃の温度範囲で不活性ガス雰囲気中で加熱することで前記ニッケルめっき層の表面の酸化ニッケル膜を還元する工程と、
前記部材を還元ガス雰囲気中ではんだ接合する工程と、
を含むことを特徴とするはんだ付け方法。
【請求項２】
前記ニッケルめっき層を無電解めっき処理で形成することを特徴とする請求項１に記載のはんだ付け方法。
【請求項３】
前記温度範囲が３２０℃〜３６０℃であることを特徴とする請求項１に記載のはんだ付け方法。
【請求項４】
前記不活性ガスが窒素ガスもしくはアルゴンガスであることを特徴とする請求項１に記載のはんだ付け方法。
【請求項５】
ニッケルめっき層を有するベース板を３００℃〜４００℃の温度範囲で不活性ガス雰囲気中で加熱することで前記ニッケルめっき層の表面の酸化ニッケル膜を還元する工程と、
前記ベース板を絶縁回路基板の導電箔と還元ガス雰囲気中ではんだ接合する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記ニッケルめっき層を無電解めっき処理で形成することを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記温度範囲が３２０℃〜３６０℃であることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記導電箔がニッケルめっき層を有することを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記不活性ガスが窒素ガスもしくはアルゴンガスであることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記ベース板の材質が、銅、アルミニウム、ＡｌＳｉＣまたはＭｇＳｉＣ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の製造方法。
【請求項１１】
前記絶縁回路基板が、セラミック板の両側に前記導電箔が固着した構成であることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
前記導電箔が、銅箔であることを特徴とする請求項５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、はんだ付け方法およびこのはんだ付け方法を用いた半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図８は、ＩＧＢＴモジュール５００の要部構成図である。ＩＧＢＴモジュール５００は、ベース板１と、その上にはんだ接合される絶縁回路基板８と、絶縁回路基板８に接合される半導体チップ９（ＩＧＢＴチップ９ａとダイオードチップ９ｂ）と、ベース板１に接着される外部導出端子１４付き樹脂ケース枠１３と、半導体チップ９と外部導出端子１４などを接続するボンディングワイヤ１１と、樹脂ケース枠１３内に充填される封止材１５を備える。絶縁回路基板８はセラミック板５、裏面側の銅箔６、おもて側の銅箔７で構成される。
【０００３】
通常、ベース板１はニッケルめっきが施されニッケルめっき層２を有している。しかし、ベース板１の保管中にニッケルめっき層２の表面に酸化金属膜である酸化ニッケル膜２１（図６参照）などが形成されることが多い。また、絶縁回路基板８は、前記したように、銅箔６−セラミック板５−銅箔７で構成され、銅箔６，７にはニッケルめっきが施されているものと施されていないものがある。また、ベース板１と絶縁回路基板８の銅箔６ははんだ１２により接合されている。
【０００４】
図９は、ＩＧＢＴモジュール５００の概略の組立フロー図である。
ニッケルめっきされたベース板１を準備する（Ａ工程）。
つぎに、ニッケルめっきされたベース板１を還元性ガス（水素ガス）で加熱し、ニッケルめっき層２の表面の酸化ニッケル膜２１（酸化金属膜）を還元してニッケル膜にする。その後、湿式洗浄を行なう（Ｂ工程）。
【０００５】
つぎに、ベース板１と絶縁回路基板８の銅箔６を還元雰囲気中ではんだ接合する（Ｃ工程）。
前記のＣ工程で、ベース板１と絶縁回路基板８の銅箔６を接合する際、接合する面に酸化金属膜が存在するとはんだ１２の濡れ性が悪くなり、はんだ溶融時にボイド２３が発生してしまう。また、ボイド２３はＩＧＢＴモジュール５００の品質および信頼性不具合を起こす原因のひとつであり、少ないことが望ましい。
【０００６】
現状では、前記したように、還元性ガス雰囲気中（還元性ガスとしては、通常は水素ガスである）で酸化金属膜である酸化ニッケル膜２１を還元させ、ニッケル膜にしてはんだ接合する方法が一般的である。
【０００７】
また、はんだ接合前にベース板１を加熱を実施する方法もあるが、その場合、前記したように、還元性ガス雰囲気中で実施するのが一般的である。
また、特許文献１では、ニッケルめっき皮膜表面の酸化皮膜によりはんだ濡れ性が悪化することや水素ガスを含む還元性ガス雰囲気中ではんだ付けを行なう場合、後述するように装置の複雑化やコストの増加などの欠点があることが記載されている。
【０００８】
また、特許文献２では、ニッケルメッキに水素をチャージさせ（還元性ガス雰囲気中にして）、溶融したはんだが接触した際に、めっき膜中の水素が熱拡散し、表面を被覆している酸化膜の酸素を水分子に還元し、フラックスを用いることなくはんだ付けできることが記載されている。
【０００９】
また、特許文献３では、ニッケルめっき皮膜に水素を含有させておき、はんだ付け時の熱（２２０℃）により金属内部から発生した水素が表面の酸化皮膜を還元し、良好なはんだ付けを可能にすることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平９−３６２９９号公報
【特許文献２】特開２００２−４０８２号公報
【特許文献３】特開平５−６９１２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、前記したように、還元性ガス雰囲気中でのはんだ１２による接合方法は、ベース板１−はんだ板１０（図３（ｃ）参照）−絶縁回路基板８を重ねた状態で行なわれるため、はんだ板１０が重なったベース板１の表面は還元性ガス雰囲気に曝されず、接合に最重要な接合面が還元されない状態になる。そのため、接合面に酸化金属膜である酸化ニッケル膜２１が残こり、ボイド２３が発生してしまう。
【００１２】
また、ベース板１を予め還元性ガス雰囲気中で加熱する場合、還元性ガスとして前記したように通常は水素ガスを使用する。しかし、水素ガスは可燃性ガスであるため、加熱設備には防爆対策等を施す必要があり、加熱設備および周辺設備のコストが高くなる。
【００１３】
また、特許文献１〜３では、「予め、ニッケルめっき層を有する部材を不活性ガス雰囲気中で所定の温度で加熱する。この加熱によりニッケルめっき層から出てくる水素でニッケルめっき層の表面のニッケル酸化膜を還元して除去する。その後、部材をはんだ接合する。」ということについては記載されていない。
【００１４】
この発明の目的は、前記の課題を解決して、防爆対策が不要な低コストの加熱装置を用いて、ボイド発生率を低減できるはんだ付け方法およびこのはんだ付け方法を用いた半導体装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前記の目的を達成するために、特許請求の範囲の請求項１に記載の発明によれば、ニッケルめっき層を有する部材を３００℃〜４００℃の温度範囲で不活性ガス雰囲気中で加熱することで前記ニッケルめっき層の表面の酸化ニッケル膜を還元する工程と、前記部材を還元ガス雰囲気中ではんだ接合する工程と、を含むはんだ付け方法とする。
【００１６】
また、特許請求の範囲の請求項２記載の発明によれば、請求項１に記載の発明において、前記ニッケルめっき層を無電解めっき処理で形成するとよい。
また、特許請求の範囲の請求項３記載の発明によれば、請求項１に記載の発明において、前記温度範囲が３２０℃〜３６０℃であるとよい。
【００１７】
また、特許請求の範囲の請求項４記載の発明によれば、請求項１に記載の発明において、前記不活性ガスが窒素ガスもしくはアルゴンガスであるとよい。
また、特許請求の範囲の請求項５記載の発明によれば、ニッケルめっき層を有するベース板を３００℃〜４００℃の温度範囲で不活性ガス雰囲気中で加熱することで前記ニッケルめっき層の表面の酸化ニッケル膜を還元する工程と、前記ベース板を絶縁回路基板の導電箔と還元ガス雰囲気中ではんだ接合する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法とする。
【００１８】
また、特許請求の範囲の請求項６記載の発明によれば、請求項５に記載の発明において、前記ニッケルめっき層を無電解めっき処理で形成するとよい。
また、特許請求の範囲の請求項７記載の発明によれば、請求項５に記載の発明において、前記温度範囲が３２０℃〜３６０℃であるとよい。
【００１９】
また、特許請求の範囲の請求項８記載の発明によれば、請求項５に記載の発明において、前記導電箔がニッケルめっき層を有するとよい。
また、特許請求の範囲の請求項９記載の発明によれば、請求項５に記載の発明において、前記不活性ガスが窒素ガスもしくはアルゴンガスであるとよい。
【００２０】
また、特許請求の範囲の請求項１０記載の発明によれば、請求項５に記載の発明において、前記ベース板の材質が、銅、アルミニウム、ＡｌＳｉＣまたはＭｇＳｉＣのいずれかであるとよい。
【００２１】
また、特許請求の範囲の請求項１１記載の発明によれば、請求項５に記載の発明において、前記絶縁回路基板が、セラミック板の両側に前記導電箔が固着した構成であるとよい。
【００２２】
また、特許請求の範囲の請求項１２記載の発明によれば、請求項５に記載の発明において、前記導電箔が、銅箔であるとよい。
【発明の効果】
【００２３】
この発明によれば、ニッケルめっき層を有する部材（ベース板）を予め、不活性ガス雰囲気中で３００℃〜４００℃の温度範囲で加熱することで、ボイド発生率を低減することができる。
【００２４】
また、不活性ガス雰囲気中で部材（ベース板）を加熱するため、加熱装置には防爆対策が不要となり低コストの加熱装置を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】この発明に係る第１実施例のはんだ付け方法を説明する組立フロー図である。
【図２】この発明の第２実施例に係る半導体装置１００の要部工程断面図である。
【図３】図２に続く、この発明の第２実施例に係る半導体装置１００の要部工程断面図である。
【図４】図３に続く、この発明の第２実施例に係る半導体装置１００の要部工程断面図である。
【図５】図２〜図４で示した半導体装置の製造方法の中で不活性ガス雰囲気中で加熱する概略のフロー図である。
【図６】ニッケルめっき層２に形成されたニッケル酸化膜２１が除去されるメカニズムについて説明した図であり、（ａ）はニッケルめっき層２に水素２２が内在している様子を示す図、（ｂ）は不活性ガス雰囲気中で加熱することで、水素２２がニッケル酸化膜２１に引き寄せられニッケル酸化膜２１が還元される様子を示す図、（ｃ）は、ニッケル酸化膜２１が除去された様子を示す図である。
【図７】Ｘ線画像によるボイド発生率を調べた結果を示す図である。
【図８】ＩＧＢＴモジュール５００の要部構成図である。
【図９】ＩＧＢＴモジュール５００の概略の組立フロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
実施の形態を以下の実施例で説明する。尚、従来構造と同一部位には同一符号を付した。
（実施例１）
図１は、この発明に係る第１実施例のはんだ付け方法を説明する組立フロー図である。
（１）ニッケルめっきされた銅部材（以下、単に部材と称す）を準備する。銅部材の代わりにアルミニウム部材やＡｌＳｉＣ（アルミニウム・シリコンカーバイト）部材またはＭｇＳｉＣ（マグネシウム・シリコンカーバイト）部材などの場合もある。このニッケルめっきは、例えば、無電解めっきで、処理温度は８０℃程度である。この無電解によるニッケルめっき処理中にニッケルめっき層に水素が含有される。そのため、特に外部から水素などの還元性ガスをチャージする必要がない。
【００２７】
この無電解めっきによるニッケルめっき層の形成時には、めっき液に含まれる還元剤の影響で水素ガスが発生し、大部分は外部へ放出される。しかし、その水素ガスの一部がニッケル格子結晶に水素原子として取り込まれ、ニッケルめっき層に水素が含有される。尚、このニッケルめっき層は部材の全表面に形成されるが、ここでは説明として必要なはんだ付け面のみを示した。
【００２８】
外部から、例えば、水素をチャージするとそのチャージ条件によっては、ニッケルめっき層の硬度が低下し、ニッケルめっき層にクラックなどの欠陥が導入される場合があるので好ましくない。
（２）不活性ガス雰囲気（例えば、窒素ガス雰囲気など）中でニッケルめっきされた部材を所定の加熱温度で加熱することで、ニッケルめっき層に含有された水素が表面へ移動し、ニッケルめっき層の表面を還元雰囲気とする。この還元雰囲気により表面を被覆する酸化金属膜である酸化ニッケル膜と水素が反応し、酸化ニッケル膜が還元されて、ニッケル膜になる。また、不活性ガス雰囲気中で加熱することでニッケルめっき層の表面の酸化が防止される。また、前記の不活性ガス雰囲気に用いられる窒素ガスを、アルゴンガスなどに代えても構わない。
【００２９】
前記の所定の加熱温度としては３００℃〜４００℃の範囲が好ましく、さらに、好ましくは３２０℃〜３８０℃の範囲がよい。
加熱温度が３００℃未満では、ニッケルめっき層に含有された水素の外部へ放出される割合は小さくなり、還元雰囲気とするには水素量が不足する。また、４００℃超では部材のニッケルめっき層の硬度低下が大きくなる。さらにニッケルめっき層の表面が荒れてはんだ付けの際にボイドの発生源となるため好ましくない。
（３）部材とこの部材に接合される被接合部材とをはんだ板を挟んで密着させ、還元性ガス雰囲気中（例えば、水素雰囲気中など）で加熱してはんだを溶融させ、その後冷却して固化させることで互いをはんだ接合する。このはんだ接合は、例えば、２００℃〜３００℃未満程度の温度範囲で行う。
【００３０】
本発明では、前記の（２）の項で説明した加熱温度にすることで、ニッケルめっき層内の水素を効率よく表面に引き出すことができ、さらにニッケルめっき層の表面の荒れを抑えて表面を還元雰囲気にすることができる。その結果、ニッケルめっき層の表面荒れを防ぎながら、ニッケルめっき層の表面の酸化ニッケル膜を効率的に還元できて、ボイド発生率を１０％以下にすることができる。
【００３１】
また、ベース板の加熱は不活性ガス中で行なわれるので、加熱設備には防爆対策等を施す必要がなく、加熱設備および周辺設備のコストは高くならない。
（実施例２）
図２〜図４は、この発明の第２実施例に係る半導体装置１００の製造方法であり、工程順に示した要部工程断面図である。
【００３２】
図２（ａ）に示すように、ニッケルめっき層２を有する銅ベース板１（以下、単にベース板と称す）を準備する（図２（ａ））。ニッケルめっきの条件は、例えば、無電解めっきで、めっき温度は８０℃程度である。また、ニッケルめっき層２の厚さは、例えば、数百μｍ程度である。前記のニッケルめっきが施された銅ベース板１の代わりに、アルミニウムベース板やＡｌＳｉＣ（アルミニウム・シリコンカーバイト）ベース板またはＭｇＳｉＣ（マグネシウム・シリコンカーバイト）板などにニッケルめっきを施した場合もある。尚、ニッケルめっき層２はベース板の全表面に形成されるが図では便宜的にはんだ付け面のみを示した。
【００３３】
つぎに、図２（ｂ）に示すように、ニッケルめっき層２を有するベース板１を３００℃〜４００℃（好ましくは３２０℃〜３８０℃）の範囲で不活性ガス雰囲気（例えば、窒素ガス雰囲気など）中で、例えば、恒温槽３を用いて加熱する。この加熱により、ニッケルめっき層２の表面の酸化ニッケル膜２１（図６参照）は還元されてニッケル膜となる。また、不活性ガス雰囲気中で加熱するため、加熱装置である恒温槽３には防爆対策は不要である。
【００３４】
つぎに、図３（ｃ）に示すように、ベース板１と絶縁回路基板８の銅箔６の間にはんだ板１０を挟み、還元性ガス雰囲気（例えば、水素ガス雰囲気など）中ではんだ板１０を溶融させ、固化することでニッケルめっき層２と銅箔６をはんだ１２を介して固着する（はんだ付けする）。このはんだ付けは、例えば、２００℃〜３００℃未満程度の温度範囲のリフロー炉４などを用いて行なう。尚、前記の絶縁回路基板８は、例えば、セラミック板５の両側に銅箔６，７（またはアルミニウム箔）が固着した構成をしている。また、一方の銅箔７には半導体チップ９が固着し、他方の銅箔６は前記のベース板１にはんだ付けされる。また、前記の半導体チップ９同士および半導体チップ９と銅箔７はボンデングワイヤ１１で接続されている。また、前記の銅箔６，７にはニッケルめっきが施されている。このときのニッケルめっきの条件は、例えば、無電解めっきでめっき温度は８０℃程度である。
【００３５】
つぎに、図３（ｄ）に示すように、外部導出端子１４を有する樹脂ケース枠１３にベース板１を接着剤で固定し、その後、半導体チップ９と外部導出端子１４をボンディングワイヤ１１で接続する。
【００３６】
つぎに、図４（ｅ）に示すように、樹脂ケース枠１３内を封止材１５で被覆して半導体装置１００が完成する。
前記したように、予め、不活性ガス雰囲気中で加熱して、ベース板１に形成されたニッケルめっき層２の表面の酸化ニッケル膜２１を還元してニッケル膜にしておくことで、その後のはんだ付けでボイドの発生率を大幅に抑制することができる。
【００３７】
また、加熱を不活性ガス雰囲気中で行なうので、加熱設備である高温槽には防爆対策等を施す必要がなく、加熱設備および周辺設備の低コスト化を図ることができる。
図５は、図２〜図４で示した半導体装置の製造方法の中で不活性ガス雰囲気中で加熱する概略のフロー図である。
【００３８】
Ａ工程において、ニッケルめっき層２を有するベース板１を準備する。
つぎに、Ｂ工程において、不活性ガス雰囲気中でベース板１を加熱する。
つぎに、Ｃ工程において、ベース板１のニッケルめっき層２と絶縁回路基板８の図示しないニッケルめっき層で被覆された銅箔６を還元性ガス雰囲気中ではんだ接合する（Ｃ工程）。
【００３９】
図６は、ニッケルめっき層２に形成された酸化ニッケル膜２１が還元されてニッケル膜になるメカニズムについて説明した図であり、同図（ａ）はニッケルめっき層２に水素２２が内在している様子を示す図、同図（ｂ）は不活性ガス雰囲気中で加熱することで、水素２２が酸化ニッケル膜２１に引き寄せられ酸化ニッケル膜２１が還元される様子を示す図、同図（ｃ）は、酸化ニッケル膜２１がニッケル膜になった後の様子を示す図である。
【００４０】
加熱温度を３２０℃〜３８０℃にし、不活性ガス雰囲気中で加熱することで、ベース板１の表面のニッケルめっき膜２中に内包される水素２２が脱離する。脱離した水素２２が還元性ガスの役割を果たし、還元性ガスを使用しなくてもベース板１の表面の酸化金属膜である酸化ニッケル膜２１は還元されて、水分となる。この水分は蒸発することでニッケル酸化膜２１はニッケル膜となる。
【００４１】
図７は、Ｘ線画像によるボイド発生率を調べた結果を示す図である。横軸は加熱温度、縦軸はボイド発生率である。この図は、予め不活性ガス雰囲気中でベース板１を加熱した後で、ベース板１に絶縁回路基板８をはんだ接合させたときのボイド発生率と加熱温度の関係を示した図である。ボイド発生率は半導体チップ９直下の箇所を画像処理することで算出した。前記のベース板１にはニッケルめっきが施され、絶縁回路基板８の銅箔６にもニッケルめっきが施されている。尚、前記の銅箔６にニッケルめっきを施さない場合でもほぼ前記と同様の結果が得られる。
【００４２】
不活性ガス雰囲気中での過熱を行わなかった場合には、ボイド発生率が９０％に達していたのに対し、加熱温度を３００℃〜４００℃の範囲にして、不活性ガス雰囲気（例えば、窒素ガス中）中でベース板１を加熱し、その後はんだ１２により絶縁回路基板８と接合させることで、ボイド発生率を１０％以下に改善することができる。また、加熱温度を３２０℃〜３８０℃とすることで、ボイド発生率を３％以下にすることができる。さらに、加熱温度を３４０℃〜３６０℃にするとボイド発生率を１％にすることができる。
【００４３】
前記の加熱温度が３６０℃を超えると、ニッケルめっき層２の硬度が低下し、ニッケルめっき層２の表面が荒れが始まる。そのため、４００℃超になるとボイド発生率が１０％を超えるので、前記したように、ボイド発生率を１０％以下とするためには、加熱温度を４００℃以下とする必要がある。また、好ましくは、３８０℃以下にするとよい。
【符号の説明】
【００４４】
１    ベース板
２    ニッケルめっき層
３    恒温槽
４    リフロー炉
５    セラミック板
６、７    銅箔
８    絶縁回路基板
９    半導体チップ
９ａ  ＩＧＢＴチップ
９ｂ  ダイオードチップ
１０    はんだ板
１１    ボンディングワイヤ
１２    はんだ
１３    樹脂ケース枠
１４    外部導出端子
１５    封止材
２１    酸化ニッケル膜
２２    水素
２３    ボイド
【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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