(57)【要約】【課題】半導体素子を押し付けることなく，絶縁基板と半導体素子とをほぼ平行に接合することのできる半導体装置およびその製造方法を提供すること。【解決手段】本発明の半導体装置１は，絶縁基板１３上にハンダ層１２を介して半導体素子１１を搭載したものであって，絶縁基板１３とハンダ層１２との接触領域Ｓが，ハンダ層１２と半導体素子１１との接触領域Ｐより広く，ハンダ層１２が金を含有しており，ハンダ層１２の内部に，ハンダ層１２のハンダよりも高融点の素材のボール２１が３個以上配置されているものである。さらには，ボール２１が，絶縁基板１３にも半導体素子１１にも接触していることが望ましい。【選択図】図１
2008282946.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にハンダ層を介して半導体素子を搭載した半導体装置において，
前記基板と前記ハンダ層との接触領域が，前記ハンダ層と前記半導体素子との接触領域より広く，
前記ハンダ層が金を含有しており，
前記ハンダ層の内部に，前記ハンダ層のハンダよりも高融点の素材のボールが３個以上配置されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置において，
前記ボールが，前記基板にも前記半導体素子にも接触していることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
基板上にハンダ層を介して半導体素子を搭載した半導体装置の製造方法において，
前記基板の表面における前記半導体素子により占められる素子領域の少なくとも一部と前記素子領域の外部とに亘る領域に金メッキを行い，
前記素子領域に，ハンダよりも高融点の素材のボールを３個以上内部に含むハンダリボンを載置し，
前記ハンダリボンの上に半導体素子を載置し，
前記ボールを溶融させることなく前記ハンダリボンのハンダを溶融させて，溶融したハンダの一部を前記素子領域の外部の金メッキ上に流出させつつ，前記基板と前記半導体素子とを接合することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，絶縁基板上に半導体素子をハンダ付けして製造される半導体装置とその製造方法に関する。さらに詳細には，ニッケル等のボールが鋳込まれたハンダリボンを用いてハンダ付けを行うことによって製造される，半導体装置およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より，基板上にハンダ層を介して半導体素子を搭載した半導体装置では，ハンダの厚さができるだけ均一となっていることが望ましい。ハンダの厚さにムラがあり，部材が互いに傾いていると，それらの間隔が狭い部分からクラックが発生・進展するおそれがあるからである。
【０００３】
そのため従来より，ハンダ付けによる接合面が互いに平行となるように工夫されている。例えば特許文献１には，絶縁基板と金属板との間のハンダ接合面に複数個の金属小片を配置し，それによってハンダ接合部の厚さを規制する方法が開示されている。本文献では，絶縁基板と金属板と間の接合面に，アルミニウム製のボンディングワイヤによる突起を形成しておくことにより，ハンダ接合部の厚さを均一にできるとされている。
【特許文献１】特開平１１−１８６３３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら，前記した特許文献１で配置されている金属片は，絶縁基板と半導体素子との間に使用するにはやや大きすぎる。そのため，絶縁基板上に半導体素子をハンダ付けする接合部については，このまま適用することはできなかった。また，半導体素子を絶縁基板上にハンダ付けする際には，半導体素子を保持できない場合がある。すなわち，半導体素子を平らに保持したまま接合させたり，突起物等に押し付けることはできないことがある。
【０００５】
その一方，半導体素子が絶縁基板上に傾いて接合されてしまうことは好ましくない。ハンダにクラックが発生するおそれがあるほか，傾きの方向によっては，以下のような問題点がある。すなわち，後工程において，その半導体素子に対してワイヤボンディングによってさらに配線を行う際に，ワイヤよりもむしろボンディングツールが半導体素子に触れるおそれがある。その場合には，ツールの振動により，半導体素子を破壊してしまうという問題点があった。
【０００６】
本発明は，前記した従来の半導体装置が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，半導体素子を押し付けることなく，絶縁基板と半導体素子とをほぼ平行に接合することのできる半導体装置およびそ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】
【０００７】
この課題の解決を目的としてなされた本発明の半導体装置は，基板上にハンダ層を介して半導体素子を搭載した半導体装置であって，基板とハンダ層との接触領域が，ハンダ層と半導体素子との接触領域より広く，ハンダ層が金を含有しており，ハンダ層の内部に，ハンダ層のハンダよりも高融点の素材のボールが３個以上配置されているものである。
【０００８】
本発明の半導体装置によれば，半導体素子はハンダ層を介して基板に搭載されている。このとき，ハンダ層は，基板との接触領域が半導体素子との接触領域より広いので，基板側に広がっている。金メッキ等でその広がる範囲を誘導することにより，ハンダ層が金を含有したものとなる。そして，ハンダ層の内部にボールが３個以上配置されているので，基板と半導体素子との間の距離は，そのボールの径によって制限される。従って，半導体素子を押し付けることなく，絶縁基板と半導体素子とをほぼ平行に接合することができる。
【０００９】
さらに本発明では，ボールが，基板にも半導体素子にも接触していることが望ましい。このようになっていれば，基板と半導体素子との間の距離は，確実にそのボールの径によって制限される。従って，基板と半導体素子とは，互いにほぼ平行に配置されることになる。
【００１０】
また本発明の半導体装置の製造方法は，基板上にハンダ層を介して半導体素子を搭載した半導体装置の製造方法であって，基板の表面における半導体素子により占められる素子領域の少なくとも一部と素子領域の外部とに亘る領域に金メッキを行い，素子領域に，ハンダよりも高融点の素材のボールを３個以上内部に含むハンダリボンを載置し，ハンダリボンの上に半導体素子を載置し，ボールを溶融させることなくハンダリボンのハンダを溶融させて，溶融したハンダの一部を素子領域の外部の金メッキ上に流出させつつ，基板と半導体素子とを接合するものである。このようにすれば，本発明の半導体装置を容易に製造することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の半導体装置およびその製造方法によれば，半導体素子を押し付けることなく，絶縁基板と半導体素子とをほぼ平行に接合することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下，本発明を具体化した最良の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本形態は，例えばＩＧＢＴモジュール等において，半導体素子と基板とがハンダ付けによって接合されているものに本発明を適用したものである。
【００１３】
本形態の半導体装置１は，図１に示すように，半導体素子１１，ハンダ層１２，絶縁基板１３を有している。これらは，半導体素子１１と絶縁基板１３とを積み重ね，それらをハンダ層１２で接合したものである。半導体素子１１は，集積回路であり，比較的衝撃に敏感なものである。ハンダ層１２は，一般的なスズ−鉛系ハンダであり，その内部に複数個のニッケル製のボール２１が混入されている。絶縁基板１３は，窒化アルミ，アルミナ等の絶縁板３１の両面に，銅またはアルミニウム等によって導体層であるパターン３２が形成されたものである。
【００１４】
この半導体装置１では，図１に示すように，ハンダ層１２の図中上面は，半導体素子１１の下面の幅Ｐのほぼ全体を覆っている。一方，ハンダ層１２の図中下面は，幅Ｐより広い範囲Ｓを覆っている。そして，範囲Ｓのうち幅Ｐより外側の部分のハンダ層１２のはみ出し部分（図中Ｑ１，Ｑ２）はなだらかな裾広がりの形状となっている。半導体素子１１の幅Ｐより外側へのハンダ層１２のはみ出し部分（Ｑ１，Ｑ２等）の幅は，半導体素子１１の周囲で均一でなくても良い。
【００１５】
また，ハンダ層１２のうち半導体素子１１の下部の厚さＲは，半導体素子１１の範囲全体でほぼ均一なものとなっている。また，この厚さＲは，ボール２１の径ｒとほぼ等しい。すなわち，各ボール２１は，半導体素子１１の図中下面にも，絶縁基板１３の図中上面にも，ともに接触している。なお，本形態の半導体装置１では，さらに，ハンダ層１２が微量の金を含有している。これは，製造時に金を用いるためであり，その詳細については後述する。
【００１６】
また，ボール２１は，皆同じ材質，同じ大きさの球形のものである。図１に示している状態では，ハンダ層１２に含まれる全てのボール２１は，ハンダ層１２によって固定されている。後述するように，ボール２１はもともと，半導体素子１１または絶縁基板１３に固定されているものではない。ハンダ層１２を形成する際にその内部に配置されるものである。そのため，その配置は様々であり，特に決まっているわけではない。ただし，１つの半導体素子１１の範囲内に，少なくとも３個以上のボール２１が配置されるようにされている。これにより，半導体素子１１と絶縁基板１３との平行性が確保されている。
【００１７】
次に，本形態の半導体装置１の製造方法について，図２の工程図を参照して説明する。本製造方法ではまず，半導体素子１１と絶縁基板１３とをそれぞれ製造して用意する（工程１）。次に，絶縁基板１３のうち，半導体素子１１が配置される箇所およびその周囲に金メッキあるいは金フラッシュメッキによって金の薄層を形成する（工程２）。このとき金層を施す範囲は，図３に斜線で示すように，半導体素子１１が配置される箇所を全て含むように設定してもよいし，図４に斜線で示すように，半導体素子１１の縁辺及び周囲のみとしても良い。また，金メッキの方法は，電解メッキ，無電解メッキのいずれでも構わない。ここでは，ごく薄い金層を形成すればよい。
【００１８】
次に，半導体素子１１の平面積に合わせて，ハンダリボン１４を適量切り取る（工程３）。このハンダリボン１４は，図５に示すように，帯状のハンダの中に前述のボール２１があらかじめ多数鋳込まれたものである。なお，ボール２１がハンダリボン１４から剥がれ落ちないためには，ボール２１がハンダリボン１４の外部に露出していないことが必要である。従って，ハンダリボン１４の厚さｔは，ボール２１の径ｒよりある程度以上大きい必要がある。そして，ボール２１の図中上下にもある程度のハンダがあることが望ましい。
【００１９】
次に，切り取ったハンダリボン１４を，絶縁基板１３の，半導体素子１１の配置される箇所に載置する（工程４）。さらにその上に，半導体素子１１を載置する（工程５）。そして，これらを重ねたものを加熱して，ハンダリボン１４のハンダを溶融させる（工程６）。このとき，ボール２１はニッケル製であり，ハンダに比較して高融点であるので，溶けることはない。溶融されたハンダ中に浮遊した状態となる。
【００２０】
ここで，半導体素子１１の範囲の外側に設けられている金メッキによって，その範囲の溶融ハンダに対する濡れ性は他の部分に比較して格段に良好となっている。そのため，上記の工程６で溶融されたハンダは，金メッキの施されている範囲全体へと広がろうとする。すなわち，半導体素子１１の範囲内から外部へ溶融ハンダの一部が流出する。しかし，ハンダリボン１４内のボール２１によって，半導体素子１１と絶縁基板１３との間の最小距離が規制されている。このため，ハンダは図１に示すような広がりかたとなる。
【００２１】
ここで，上記のように，所定の面積のハンダリボン１４内に配置されるボール２１の個数を，１つの半導体素子１１の範囲内に少なくとも３個以上のボール２１が配置されるように設定している。そのため，半導体素子１１と絶縁基板１３との間にボール２１が３個以上挟まることになる。また，ボール２１は半導体素子１１と絶縁基板１３との両方に接触する。従って，半導体素子１１と絶縁基板１３とは互いにほぼ平行となり，これらの間の距離はボール２１の径ｒとほぼ等しくなる。そして，半導体素子１１の範囲内では，ボール２１の周囲を含めてハンダによって満たされる。
【００２２】
またこのとき，金メッキの金が溶融ハンダに混入する。そして，その後の冷却工程によって，金が混じったままハンダが固まる。この結果，本形態の半導体装置１では，ハンダ層１２に金が混じっているのである。
【００２３】
このようにして，ハンダリボン１４のハンダのうち，ボール２１の径を超える厚さに相当する分は，金メッキ部分に広がる。従って，図１に示すように，ハンダ層１２の厚さＲがボール２１の径ｒとほぼ等しくなる。また，こうなるように，金メッキを施す範囲を設定する。すなわち，金メッキを施す範囲から半導体素子１１の接合範囲を除いた部分の面積が，ハンダリボン１４の厚さｔとボール２１の径ｒとの差の分のハンダを拡げることのできる程度とするとよい。
【００２４】
さらに，上記のような面積となっていれば，金メッキ領域の形状はどのようなものでも良い。例えば，半導体素子１１の外周のうち，その外側に余裕のない辺がある場合では，図４に示すように，他辺の金メッキの幅を大きくしてもよい。さらに，この後の工程で絶縁基板１３上にワイヤボンディングがなされる箇所がある場合には，そのボンディング位置にはハンダが付着しないことが望ましい。そこで，このような箇所を避けて，適切な形状の金メッキパターンとすると良い。また，図４に示すように，半導体素子１１に占められる範囲内にはメッキ無しの部分があっても良い。
【００２５】
さらに，半導体素子１１の載った絶縁基板１３を冷却して，溶融したハンダを固着させる（工程７）。このとき，減圧雰囲気にして，ボイドを効果的に除去するようにしても良い。この結果，絶縁基板１３と半導体素子１１とは，ほぼ均一の厚さ（ボール２１の径ｒ程度）のハンダ層１２によって接合された状態となる。これで，本形態の製造工程は終了である。
【００２６】
以上詳細に説明したように本形態の半導体装置１の製造方法によれば，ボール２１が鋳込まれたハンダリボン１４を使用してハンダ付けされる。このとき，絶縁基板１３の接合面のうち，半導体素子１１の配置される範囲の周囲に金メッキが施されるので，余分な溶融ハンダは金メッキに沿って拡げられる。従って，絶縁基板１３と半導体素子１１との間隔は，ボール２１の径ｒとほぼ等しくなる。これにより，半導体素子を押し付けることなく，絶縁基板１３と半導体素子１１とをほぼ平行に接合することができる。
【００２７】
なお，本形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。
たとえば，金メッキを施す範囲の外形は，必ずしも四角形でなくても良い。ハンダを拡げても良い範囲が適切な面積となるようにすればよい。また，ハンダリボン１４に鋳込まれるボールは，ニッケル製に限らず，銅製等でも良い。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本形態の半導体装置を示す側面図である。
【図２】本形態の製造方法を示す工程図である。
【図３】金メッキの範囲を示す説明図である。
【図４】金メッキの範囲を示す説明図である。
【図５】ハンダリボンの構成を示す説明図である。
【符号の説明】
【００２９】
１  半導体装置
１１  半導体素子
１２  ハンダ層
１３  絶縁基板
２１  ボール
【図１】
2008282946.tif 000003
【図２】
2008282946.tif 000004
【図３】
2008282946.tif 000005
【図４】
2008282946.tif 000006
【図５】
2008282946.tif 000007