(57)【要約】【課題】半導体チップと他の構成部材との半田による接合部の信頼性、および半導体チップ以外の構成部材同士の半田による接合部の信頼性を高めること。【解決手段】溶融する前の半田接合層５の上に、溶融前の半田接合層５の厚さよりも小さいフィラーを配置した状態で加熱して半田接合層５を溶融し、溶けた半田接合層５内にフィラーが落ちこんだ状態で冷却して半田接合層５を固まらせる。これによって、ヒートシンク６と絶縁基板３とを接合する半田接合層５の厚さを所望の厚さとすることができる。また、フィラーがスペーサとなり、半田接合層５に発生する歪みを低減する。また、半導体チップとリードフレームとの半田による接合部、および絶縁基板３と半導体チップとの半田による接合部についても同様に、それらを互いに接合する半田接合層においてフィラーがスペーサとなり、歪みを低減する。【選択図】図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持基板の上に半田接合層を介して半導体チップが接合されてなる構成の半導体装置を製造するにあたって、
溶融前の半田層の上に当該溶融前の半田層の厚さよりも小さいフィラーを配置した状態で加熱して前記半田層を溶融し、溶けた半田層内に前記フィラーが落ち込んだ状態で冷却して半田層を固まらせることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
ヒートシンクの上に半田接合層を介して支持基板が接合され、該支持基板の上に半田接合層を介して半導体チップが接合されてなる構成の半導体装置を製造するにあたって、
溶融前の半田層の上に当該溶融前の半田層の厚さよりも小さいフィラーを配置した状態で加熱して前記半田層を溶融し、溶けた半田層内に前記フィラーが落ち込んだ状態で冷却して半田層を固まらせることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
さらに、前記半導体チップの表面に設けられた電極と前記支持基板とを電気的に接続するリードフレームを、前記支持基板および前記半導体チップの電極にそれぞれ半田接合層を介して接合するにあたって、
前記支持基板上および前記半導体チップの電極上の溶融前の半田層の上にそれぞれ当該溶融前の半田層の厚さよりも小さいフィラーを配置した状態で加熱して前記半田層を溶融し、溶けた半田層内に前記フィラーが落ち込んだ状態で冷却して半田層を固まらせることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
少なくとも前記フィラーの表面は１種類以上の低融点金属でできていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記フィラーの中心部は空洞になっていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記フィラーの中心部は低剛性材料でできていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記フィラーの中心部は樹脂でできていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つ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、半導体チップと他の構成部材とを半田により接合した半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＩＧＢＴモジュールなどのパワー半導体装置では、ケース構造と呼ばれるパッケージ構造が主流である。このケース構造について、図１７および図１８を参照しながら説明する。図１７は、ケース構造の半導体装置のオープンサンプル状態を示す平面図であり、図１８は、図１７の切断線Ａ−Ａにおける断面図である。なお、図１７では、ケースおよび外部電極用端子は省略されている。
【０００３】
図１７および図１８に示すように、ＩＧＢＴなどの半導体素子を有する半導体チップ１の裏面は、半田接合層２を介して絶縁基板３の表面の回路パターン部４に接合されている。絶縁基板３の裏面は、半田接合層５を介してヒートシンク６の表面に接合されている。ヒートシンク６の周縁には、ケース７が接着されている。ケース７の内側には、外部電極用端子８が設けられている。外部電極用端子８と絶縁基板表面の回路パターン部４とは、アルミニウム（Ａｌ）製のワイヤ９により電気的に接続されている。また、半導体チップ１の表面に設けられた図示しない電極（以下、表面電極とする）と回路パターン部４とは、アルミニウム製のワイヤ１０により電気的に接続されている。ケース７とヒートシンク６との間には、ゲル１１が封入されている。
【０００４】
近時、上述したケース構造の半導体装置では、電流密度を低減させて信頼性の向上を図るために、半導体チップの表面電極と絶縁基板表面の回路パターン部とをリードフレームにより電気的に接続する構造が提案されている。この構造では、半導体チップの表面電極にニッケル（Ｎｉ）および金（Ａｕ）が成膜される。そして、リードフレームの一端と回路パターン部との接合、およびリードフレームの他端と半導体チップの表面電極との接合には、半田が用いられる（たとえば、特許文献１参照。）。
【０００５】
ところで、金属板の表面に絶縁基板の裏面を半田により接合する際に、金属板と絶縁基板との間の半田接合層の厚さを一定にするため、金属板と絶縁基板との間にワイヤを挟んだ状態で半田を溶かして固まらせる方法が公知である（たとえば、特許文献２参照。）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−３３２６６４号公報
【特許文献２】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】
【０００７】
しかしながら、一旦溶けた半田が固まったときに、半田接合層の厚さが所定の厚さよりも薄くなったり、半田接合層の上の部材が傾いて半田接合層の厚さが均一でなくなることがある。そうなると、半田による接合部に要求される電気的な性能や熱的な性能を確保することが困難になる。また、半導体装置を実際に使用したときの温度負荷の繰り返しによって半田接合層に生じる剪断応力が過大となり、早期にクラックが発生してしまうため、半田による接合部の長期信頼性を確保することが困難である。
【０００８】
そこで、上記特許文献２ではワイヤをスペーサとして用いることによって、半田接合層の厚さが均一で所望の厚さとなるようにしている。しかし、特許文献２に開示されているように半田接合後に金属板と絶縁基板との間のワイヤの断面形状を楕円形状で安定させる
ことは困難である。そのため、実際にはワイヤの部分からクラックが発生する可能性が高い。
【０００９】
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、半導体チップと他の構成部材との半田による接合の信頼性を高めること、または半導体チップ以外の構成部材同士の半田による接合の信頼性を高めることによって、長期信頼性の高い半導体装置を製造する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項１の発明にかかる半導体装置の製造方法は、支持基板の上に半田接合層を介して半導体チップが接合されてなる構成の半導体装置を製造するにあたって、溶融前の半田層の上に当該溶融前の半田層の厚さよりも小さいフィラーを配置した状態で加熱して前記半田層を溶融し、溶けた半田層内に前記フィラーが落ち込んだ状態で冷却して半田層を固まらせることを特徴とする。
【００１１】
この請求項１の発明によれば、一旦溶けた半田層が固まるときにフィラーがスペーサとなるので、溶けた半田層を均一で所望の厚さに固めることができる。したがって、温度負荷がかかる実使用時の半田による接合部の歪みを低減することができるので、半導体チップと支持基板との接合の信頼性を高めることができる。
【００１２】
また、請求項２の発明にかかる半導体装置の製造方法は、ヒートシンクの上に半田接合層を介して支持基板が接合され、該支持基板の上に半田接合層を介して半導体チップが接合されてなる構成の半導体装置を製造するにあたって、溶融前の半田層の上に当該溶融前の半田層の厚さよりも小さいフィラーを配置した状態で加熱して前記半田層を溶融し、溶けた半田層内に前記フィラーが落ち込んだ状態で冷却して半田層を固まらせることを特徴とする。
【００１３】
この請求項２の発明によれば、一旦溶けた半田層が固まるときにフィラーがスペーサとなるので、溶けた半田層を均一で所望の厚さに固めることができる。したがって、温度負荷がかかる実使用時の半田による接合部の歪みを低減することができるので、ヒートシンクと支持基板との接合、および半導体チップと支持基板との接合の信頼性を高めることができる。
【００１４】
また、請求項３の発明にかかる半導体装置の製造方法は、請求項１または２に記載の発明において、さらに、前記半導体チップの表面に設けられた電極と前記支持基板とを電気的に接続するリードフレームを、前記支持基板および前記半導体チップの電極にそれぞれ半田接合層を介して接合するにあたって、前記支持基板上および前記半導体チップの電極上の溶融前の半田層の上にそれぞれ当該溶融前の半田層の厚さよりも小さいフィラーを配置した状態で加熱して前記半田層を溶融し、溶けた半田層内に前記フィラーが落ち込んだ状態で冷却して半田層を固まらせることを特徴とする。
【００１５】
この請求項３の発明によれば、一旦溶けた半田層が固まるときにフィラーがスペーサとなるので、溶けた半田層を均一で所望の厚さに固めることができる。したがって、温度負荷がかかる実使用時の半田による接合部の歪みを低減することができるので、支持基板とリードフレームとの接合、およびリードフレームと半導体チップとの接合の信頼性を高めることができる。
【００１６】
また、請求項４の発明にかかる半導体装置の製造方法は、請求項１〜３のいずれか一つに記載の発明において、少なくとも前記フィラーの表面は１種類以上の低融点金属でできていることを特徴とする。
【００１７】
この請求項４の発明によれば、フィラーと半田との濡れ性が向上し、温度負荷がかかる実使用時の半田による接合部の歪みを低減することができる。また、半導体チップで発生した熱を支持基板やリードフレームを介してヒートシンクに効率良く伝達させることができる。したがって、半田による接合部の信頼性を高めることができる。
【００１８】
また、請求項５の発明にかかる半導体装置の製造方法は、請求項１〜４のいずれか一つに記載の発明において、前記フィラーの中心部は空洞になっていることを特徴とする。
【００１９】
この請求項５の発明によれば、フィラーの変形が容易であり、フィラーが変形することによって、温度負荷がかかる実使用時の半田による接合部の応力を緩和することができるので、半田による接合部の信頼性を高めることができる。
【００２０】
また、請求項６の発明にかかる半導体装置の製造方法は、請求項１〜４のいずれか一つに記載の発明において、前記フィラーの中心部は低剛性材料でできていることを特徴とする。
【００２１】
この請求項６の発明によれば、フィラーの変形が容易であり、フィラーが変形することによって、温度負荷がかかる実使用時の半田による接合部の応力を緩和することができるので、半田による接合部の信頼性を高めることができる。
【００２２】
また、請求項７の発明にかかる半導体装置の製造方法は、請求項１〜４のいずれか一つに記載の発明において、前記フィラーの中心部は樹脂でできていることを特徴とする。
【００２３】
この請求項７の発明によれば、フィラーの変形が容易であり、フィラーが変形することによって、温度負荷がかかる実使用時の半田による接合部の応力を緩和することができるので、半田による接合部の信頼性を高めることができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明にかかる半導体装置の製造方法によれば、一旦溶けた半田層を均一で所望の厚さに固めることができるので、半田による接合部の信頼性（疲労寿命）を高めることができる。したがって、長期信頼性の高い半導体装置が得られるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下に添付図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００２６】
（実施の形態１）
図２は、本発明の実施の形態１にかかる半導体装置の、図１７の切断線Ａ−Ａに相当する断面における構成を示す断面図である。図２に示すように、半導体チップ１の裏面は、半田接合層２を介して、支持基板である絶縁基板３の表面に設けられた回路パターン部４に接合されている。半導体チップ１の表面には、図示しない表面電極が設けられている。この表面電極には、たとえば無電解めっき法によりニッケルおよび金が成膜されている。これは、後述するように表面電極とリードフレーム２１との半田接合を容易にするためである。
【００２７】
リードフレーム２１の一端は、半田接合層２２を介して回路パターン部４に接合されている。リードフレーム２１の他端は、半田接合層２３を介して半導体チップ１の表面電極に接合されている。絶縁基板表面の回路パターン部４と半導体チップ１の表面電極とは、リードフレーム２１により電気的に接続されている。リードフレーム２１は、電気配線に使用されるため、電気抵抗が低く、かつ高熱伝導性を有する銅やアルミニウムなどの金属でできているのが好ましい。
【００２８】
絶縁基板３の裏面は、半田接合層５を介してヒートシンク６の表面に接合されている。ヒートシンク６の周縁には、樹脂成型されたケース７が接着されている。ケース７の内側には、外部電極用端子８が設けられている。外部電極用端子８と絶縁基板表面の回路パターン部４とは、アルミニウム製のワイヤ９により電気的に接続されている。半導体チップ１、絶縁基板３およびワイヤ９を水分や湿気や塵から保護するために、ケース７とヒートシンク６との間には、ゲル１１が封入されている。
【００２９】
図１は、図２に示す構成の半導体装置の半導体チップ１とリードフレーム２１との接合部を拡大して示す断面図である。図１に示すように、半導体チップ１とリードフレーム２１との接合部である半田接合層２３の厚さは、１００μｍ以上であるのが適当である。その理由について図３〜図５を用いて説明する。
【００３０】
図３は、半導体チップ１とリードフレーム２１とを接合する半田接合層２３の歪み（相当塑性歪み）と、その半田接合層２３の厚さとの関係を示す特性図である。なお、この図３に示す特性図は、半田接合層２３としてＳｎ（錫）−３．５Ａｇ（銀）半田を用い、リードフレーム２１のビッカース硬さ（Ｈｖ）を６０として、−４０〜１２５℃の温度範囲での温度サイクル試験を模擬したＦＥＭ（有限要素法）解析により得られた結果である。図３より、半田接合層２３が厚いほど、半田接合層２３の発生歪みが低減することがわかる。
【００３１】
図４は、−４０〜１２５℃の温度範囲での温度サイクル試験を実施したときの半導体チップ１とリードフレーム２１とを接合する半田接合層２３に発生したクラックの長さと、その半田接合層２３の厚さとの関係を示す特性図である。なお、ビッカース硬さが６０と４０のリードフレーム２１を用いた。図４より、半田接合層２３の厚さが１００μｍ以上になると、半田接合層２３でのクラック発生が大幅に低減することがわかる。
【００３２】
図５は、Ｓｎ−Ａｇ系半田の相当塑性歪みと寿命サイクル数との関係を実験により調べた結果を示す特性図である。一般に、温度サイクル寿命の要求値は、産業用で３００サイクルであり、自動車用で３０００サイクルである。図５より、相当塑性歪み量が０．４％であるときに、３００００サイクルの寿命があることがわかる。つまり、相当塑性歪み量が０．４％であれば、自動車用としての要求寿命をさらに１桁上げることができる。図３を参照すると、半導体チップ１とリードフレーム２１とを接合する半田接合層２３の厚さが１００μｍのときに相当塑性歪み量が０．４％であることがわかる。したがって、半田接合層２３の厚さを１００μｍ以上に設定することによって、半田接合層２３の信頼性を大幅に向上させることができる。
【００３３】
また、リードフレーム２１のビッカース硬さは、好ましくは４０以下であるのがよい。その理由について図６を用いて説明する。図６は、半導体チップ１とリードフレーム２１とを接合する半田接合層２３の歪み（相当塑性歪み）と、その半田接合層２３の厚さとの関係を示す特性図である。なお、この図６に示す特性図は、リードフレーム２１を焼き鈍してビッカース硬さを４０とし、−４０〜１２５℃の温度範囲での温度サイクル試験を模擬したＦＥＭ解析により得られた結果である。図６より、リードフレーム２１を焼き鈍して、ビッカース硬さを通常の６０〜７０程度から４０まで下げることによって、半田接合層２３の発生歪みが大幅に低減することがわかる。
【００３４】
また、少なくともリードフレーム２１の表面はニッケルでできているとよい。たとえば、リードフレーム２１の表面にニッケルめっきが施されているとよい。そうすれば、リードフレーム２１を構成する銅材と半田との合金層の成長が抑制されるので、より一層、半田接合層２３の信頼性が向上する。
【００３５】
（実施の形態２）
図７は、本発明の実施の形態２にかかる半導体装置の製造方法により製造された半導体装置の構成を示す断面図である。図７に示すように、実施の形態２では、ヒートシンク６と絶縁基板３とを接合する半田接合層５、絶縁基板３と半導体チップ１とを接合する半田接合層２、絶縁基板３とリードフレーム２１とを接合する半田接合層２２、および半導体チップ１とリードフレーム２１とを接合する半田接合層２３のそれぞれの半田厚さを所定の厚さにするために、各半田接合層２，５，２２，２３にスペーサとしてフィラー３１を設けている。なお、実施の形態１と同様の構成については同一の符号を付して、説明を省略する。
【００３６】
実施の形態２の製造方法について説明する。図８〜図１０は、本発明の実施の形態２にかかる半導体装置の製造方法を説明するために製造途中の半導体装置の一部の構成を示す断面図である。まず、ヒートシンク６、絶縁基板３および半導体チップ１のそれぞれの表面にクリーム半田２５を、それぞれに応じたパターンで印刷する。その際、ヒートシンク６に印刷されるクリーム半田２５の印刷領域が、ヒートシンク６に接合される被接合部材である絶縁基板３との接合領域よりも小さくなるようにする（図９参照）。また、ヒートシンク６に印刷されるクリーム半田２５の厚さは、ヒートシンク６と絶縁基板３とを接合する半田接合層５の最終厚さ、すなわち一旦溶けた後に固まったときの厚さよりも厚くなるようにする（図９と図１０を比較参照）。
【００３７】
特に図示しないが、絶縁基板３についても同様にして、絶縁基板３の上にクリーム半田を印刷する。その際、絶縁基板３に印刷されるクリーム半田の印刷領域が、半導体チップ１が接合される箇所では半導体チップ１との接合領域よりも小さくなり、リードフレーム２１の基端が接合される箇所ではリードフレーム２１の基端との接合領域よりも小さくなるようにする。また、絶縁基板３に印刷されるクリーム半田の厚さは、一旦溶けて固まったあとの厚さよりも厚くなるようにする。
【００３８】
また、特に図示しないが、半導体チップ１についても同様である。すなわち、半導体チップ１の上にクリーム半田を、その印刷領域がリードフレーム２１との接合領域よりも小さくなり、かつその厚さが半田接合層２３の最終的な厚さよりも厚くなるように、印刷する。ついで、図８に示すように、ヒートシンク６上のクリーム半田２５の上にディスペンサー等で複数個のフィラー３１を置く。そして、図９に示すように、ヒートシンク６上にクリーム半田２５とフィラー３１をのせたものの上に、絶縁基板３上にクリーム半田（図９では省略）を印刷したものを置く。
【００３９】
ついで、図示しないが、絶縁基板３上のクリーム半田の上にディスペンサー等で複数個のフィラーを置く。さらにその上に、半導体チップ１上にクリーム半田を印刷したものを置く。そして、半導体チップ１上のクリーム半田の上にディスペンサー等で複数個のフィラーを置いた後、絶縁基板３と半導体チップ１に跨がるようにリードフレーム２１を置く。
【００４０】
ここで、フィラーの融点は、半田の融点よりも高温である。換言すれば、フィラーは、半田の融点では溶融したり昇華したりしない材料でできている。フィラーの形状は、必ずしも限定しないが、球形であるのが望ましい。その理由は、球形のフィラーであれば、半田が一旦溶けて固まる際にフィラーが回転したり移動しても、フィラーの突出量は常に直径になる、すなわち一定になるからである。各半田接合層２，５，２２，２３に設けるフィラーの径は、それぞれの半田接合層の最終的な厚さと同じである。また、各半田接合層２，５，２２，２３に対するフィラーの配置は、その上に積層される被接合部材が傾かないようにするため、被接合部材との接合領域に対して均一な配置とする。たとえば、被接合部材との接合領域の四隅近傍に１つずつフィラーを配置する。
【００４１】
最後に、上述したようにしてヒートシンク６、絶縁基板３、半導体チップ１およびリードフレーム２１を一体化したものをリフロー炉等に入れ、加熱してクリーム半田２５を溶かす。クリーム半田２５が溶けると、フィラー３１が溶けた半田層に落ち込む。それによって、ヒートシンク６と絶縁基板３との間、絶縁基板３と半導体チップ１との間、絶縁基板３とリードフレーム２１の基端との間、および半導体チップ１とリードフレーム２１の先端との間に、それぞれフィラー３１により規定される寸法の隙間ができる。そして、溶けた半田が広がり、その隙間を埋める。
【００４２】
この状態で冷却し、溶けた半田を固まらせると、図１０に示すように、フィラー３１により規定される所定の厚さの半田接合層５を介して、絶縁基板３を傾くことなくヒートシンク６に接合することができる。また、半田接合層５の端部の形状はフィレット形状となる。なお、図１０では、絶縁基板３よりも上の半田接合層、フィラー、半導体チップ１およびリードフレーム２１を省略している。
【００４３】
図１１は、図７に示す構成のリードフレーム構造ＩＧＢＴモジュールにおいて、半田接合層にフィラーを用いて半田接合層の厚さを約１００μｍとしたものと、フィラーを用いていないためにリードフレームの重さにより半田接合層の厚さが５０μｍ以下になったものについて、−４０〜１２５℃の温度範囲での温度サイクル試験を実施したときの半田接合層のクラック進展の推移を示す特性図である。図１１より、フィラーを用いて半田接合層の厚さを所定の１００μｍとしたモジュールでは、３００サイクルを超えても半田接合面積が８０％以上であることがわかる。
【００４４】
それに対して、フィラーを用いていないモジュールでは、１００サイクルで接合面積は４０％よりも低くなり、３００サイクルでは接合面積は３０％より低くなっている。この結果から、フィラーを用いて半田接合層の厚さを所定の厚さ、たとえば１００μｍ以上にしたモジュールでは、半田接合層の剪断歪みが軽減され、クラックの進展が抑制されることがわかる。このことは、モジュールの半田による接合部における信頼性（機械的な特性）が向上することを示している。
【００４５】
ところで、フィラーとして、図１２に示すように、表面に低融点金属３２を成膜したフィラー３３を用いてもよい。低融点金属３２としてつぎのものが挙げられる。単体金属の場合、錫、インジウム（Ｉｎ）、鉛（Ｐｂ）など、融点が半田リフロー温度（３５０℃以下）よりも低い金属である。また、２種類以上の金属の場合には、ＳｎもしくはＰｂベースの材料、たとえばＳｎ−Ｐｂ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｚｎ（亜鉛）系、Ｓｎ−Ｂｉ（ビスマス）系、Ｓｎ−Ｓｂ(アンチモン)系、Ｓｎ−Ｃｕ系など、半田リフロー時に溶融する金属である。これらの低融点金属３２は、無電解めっき法、蒸着法またはスパッタ法などによりフィラー３３の表面に成膜される。
【００４６】
このように、低融点金属３２が成膜されたフィラー３３を用いると、半田がフィラー３３の表面に十分に濡れ広がる。また、クリーム半田２５と同じ組成の低融点金属３２が成膜されたフィラー３３を使用する場合には、フィラー３３の周囲が完全に半田に濡れるため、信頼性の高い半田接合が可能となる。さらに、図１３に示すフィラー３４のように、フィラー３４のコア（中心部）３５を剛性の低い材料、たとえば樹脂で形成してもよい。あるいは、フィラー３４のコア３５を空洞としてもよい。いずれにしても、フィラー３４が変形しやすくなり、応力が緩和されるので、より一層、半田接合層の信頼性が高くなる。
【００４７】
なお、図７に示すように、全ての半田接合層２，５，２２，２３にフィラー３１を設けてもよいし、いずれか一つ、二つまたは三つの半田接合層にフィラー３１を設けてもよい。また、予めクリーム半田内にフィラーを混入させておいてもよい。また、クリーム半田の代わりに板半田を用いてもよい。その場合には、フィラーを先に置き、その上に板半田をのせ、さらにその上に被接合部材を置いてもよい。
【００４８】
（実施の形態３）
図１５は、本発明の実施の形態３にかかる半導体装置の、図１７（ただし、ヒートシンク６はない）の切断線Ａ−Ａに相当する断面における構成を示す断面図である。図１４は、図１５に示す構成の半導体装置の半導体チップ１とリードフレーム２１との接合部を拡大して示す断面図である。図１５に示すように、実施の形態３が実施の形態１と異なるのは、支持基板である絶縁基板３の裏面にヒートシンクが接合されていないことである。すなわち、実施の形態３の半導体装置は、ヒートシンクを有していない構成の装置であって、例えば小中容量クラスのパワーモジュールに適した構成のものである。
【００４９】
絶縁基板３の周縁には、樹脂成型されたケース４７が接着されている。ケース４７の内側には、外部電極用端子４８ａ，４８ｂが設けられている。外部電極用端子４８ａと半導体チップ１の一部の表面電極とは、アルミニウム製のワイヤ９により電気的に接続されている。半導体チップ１の残りの表面電極は、リードフレーム２１を介して、絶縁基板表面の回路パターン部４に電気的に接続されている。半導体チップ１の、少なくともリードフレーム２１が接合される表面電極には、半田による接合を可能とするため、たとえば無電解めっき法によりニッケルおよび金が成膜されている。
【００５０】
外部電極用端子４８ｂは、絶縁基板表面の回路パターン部４に接続されている。半導体チップ１、リードフレーム２１およびワイヤ９を水分や湿気や塵から保護するために、ケース４７と絶縁基板３との間には、ゲル１１が封入されている。そして、図１４に示すように、実施の形態３では、半導体チップ１とリードフレーム２１との接合部である半田接合層２３の厚さは、５０μｍ以上であるのが適当である。その他の構成は、実施の形態１と同様である。したがって、実施の形態１と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。なお、絶縁基板３は単一構成のものであってもよいし、複数枚で構成されていてもよい。
【００５１】
半田接合層２３の適当な厚さの理由について、図１６を用いて説明する。半田接合層２３の適当な厚さを調べるため、本発明者らは、半導体チップ１の表面電極に、無電解めっき法によりニッケルおよび金を成膜し、その表面電極に、Ｓｎ−Ａｇ系半田を用いてＣｕ製のリードフレーム２１を接合したサンプルを用意し、−４０〜１２５℃の温度範囲で３００サイクルの温度サイクル試験を実施した。その結果を図１６に示す。図１６は、半導体チップ１とリードフレーム２１との接合界面に発生したクラックの進展長さと、半田接合層２３の厚さとの関係を示す特性図である。図１６より、半田接合層２３の厚さが５０μｍ以上になると、半田接合層２３でのクラック進展長さが大幅に低減することがわかる。したがって、半田接合層２３の厚さは５０μｍ以上であるのが適当である。
【００５２】
なお、実施の形態３にかかる半導体装置を製造する際に、半田接合層の厚さを所望の厚さとするために、実施の形態２のようにフィラーを用いて製造してもよい。以上において本発明は、上述した実施の形態に限らず、半導体チップの電気的、熱的および機械的な接続を半田による接合で確保するパワーデバイスに共通したものである。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
以上のように、本発明は、半導体チップと他の構成部材とを半田により接合した構成を有する半導体装置に有用であり、特に、ＩＧＢＴモジュールなどのように発熱の大きいパワー半導体装置に適している。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる半導体装置の半田による接合部を拡大して示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１にかかる半導体装置の全体構成を示す断面図である。
【図３】半導体チップとリードフレームとを接合する半田接合層の歪み（相当塑性歪み）と厚さとの関係を示す特性図である。
【図４】温度サイクル試験により半導体チップとリードフレームとを接合する半田接合層に発生したクラックの長さと半田接合層の厚さとの関係を示す特性図である。
【図５】Ｓｎ−Ａｇ系半田の相当塑性歪みと寿命サイクル数との関係を示す特性図である。
【図６】半導体チップとリードフレームとを接合する半田接合層の歪み（相当塑性歪み）と厚さとの関係を示す特性図である。
【図７】本発明の実施の形態２にかかる半導体装置の製造方法により製造された半導体装置の構成を示す断面図である。
【図８】本発明の実施の形態２にかかる半導体装置の製造方法を説明するために製造途中の半導体装置の一部の構成を示す断面図である。
【図９】本発明の実施の形態２にかかる半導体装置の製造方法を説明するために製造途中の半導体装置の一部の構成を示す断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態２にかかる半導体装置の製造方法を説明するために製造途中の半導体装置の一部の構成を示す断面図である。
【図１１】温度サイクル試験による半田接合面積と繰返し数との関係を示す特性図である。
【図１２】本発明の実施の形態２にかかる半導体装置の製造方法において用いられるフィラーの一例を示す断面図である。
【図１３】本発明の実施の形態２にかかる半導体装置の製造方法において用いられるフィラーの別の例を示す断面図である。
【図１４】本発明の実施の形態３にかかる半導体装置の半田による接合部を拡大して示す断面図である。
【図１５】本発明の実施の形態３にかかる半導体装置の全体構成を示す断面図である。
【図１６】温度サイクル試験により半導体チップとリードフレームとの界面に発生したクラックの進展長さと半田接合層の厚さとの関係を示す特性図である。
【図１７】従来の半導体装置のオープンサンプル状態を示す平面図である。
【図１８】図１７の切断線Ａ−Ａにおける断面図である。
【符号の説明】
【００５５】
１  半導体チップ
２，５，２２，２３  半田接合層
３  支持基板（絶縁基板）
６  ヒートシンク
２１  リードフレーム
３１，３３，３４  フィラー
３２  低融点金属
３５  フィラーの中心部（コア）
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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