(57)【要約】【課題】はんだ凝固時の体積収縮に起因して発生するはんだ層の凹みが半導体素子とはんだ層との境界面の外縁部に残存することを防止し、熱応力に強い半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする【解決手段】伝熱板２と、この伝熱板にはんだ層８を介して接合される半導体素子１を備えた半導体装置の製造方法において、前記伝熱板２と前記半導体素子１との間に介在するはんだを溶融するステップと、前記伝熱板２のうち前記半導体素子１の中央部に対向する部分を他の部分に比し緩やかに冷却するステップと、を設ける。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝熱板と半導体素子との間に介在するはんだを溶融するステップと、前記伝熱板のうち前記半導体素子の中央部に対向する部分を他の部分に比し緩やかに冷却するステップとを備えた半導体装置の製造方法。
【請求項２】
緩やかに冷却するステップは、中央部に孔を有する冷却部材を前記伝熱板に接触させることにより行うことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
緩やかに冷却するステップは、中央部に孔を有する冷却部材を前記伝熱板に接触させると共に、前記孔を介して温度制御された部材を前記伝熱板に接触させることにより行うことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法
【請求項４】
伝熱板と、この伝熱板にはんだ層を介して接合される半導体素子を備えた半導体装置において、前記はんだ層は前記半導体素子との境界面の外縁部に凹みを含まないことを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に係り、特に、半導体素子を伝熱板にはんだ層を介して接合する際に、溶融はんだの体積収縮に伴って発生する凹みの対策に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
パワーモジュール等の電力半導体素子は、消費電力が大きいため、伝熱板に接触する面積を大きく確保する必要がある。また、伝熱板には、パワーモジュールの発熱に伴う温度上昇を小さくするため、銅板のような熱伝導率の大きな材料を用い、はんだ付けの熱拡張を良好にする方法がとられる。従来、このようなパワーモジュール等の電力半導体素子を伝熱板にはんだ付けする方法としては、ダイボンディング法が採用されている。この方法は、予め伝熱板の所定位置に施された銀メッキ等の上にはんだ材箔を介して半導体素子を載置し、前記はんだ材箔を加熱溶融することにより半導体素子を伝熱板に固定する方法である。このとき、はんだ層内にガスが混在してボイド（空隙）が発生してしまうと、伝熱板と半導体素子間の熱抵抗が高くなるため放熱効果が悪化する。また、半導体素子の使用時に、通電による発熱量が増大して伝熱板と半導体素子の熱膨張量の差が大になると、ボイドの部分から亀裂等が発生して接合状態が損なわれることとなる。
このため、ダイボンディング法によるはんだ付けに際しては、はんだ層との境界面にテーパ加工を施し、はんだが凝固する前に伝熱板に振動等を加え、はんだ層内にボイドが残存しないようして半導体装置を得る方法が用いられていた（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平９−８２８６１号公報（第３頁右欄、図１、図３）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の半導体装置は以上のように構成されていたので、はんだが凝固する前に、はんだ層内に混在したガスによって発生した比較的大きなボイドを除去することは可能である。ところが、このような方法でガスをはんだ層内から除去した後においても、素子の外縁部とはんだとの接合の境界面に切り欠き状の凹みが発生する。
【０００５】
通常、半導体素子と伝熱板の間に備えられた溶融はんだを伝熱板の側から冷却によって凝固させた場合、伝熱板に接合する溶融はんだから凝固が起こり、この凝固に伴い形成されるはんだ結晶格子が、枝分かれしつつ溶融はんだ内を半導体素子方向に伸びてゆく。この現象は、冷却が早く進むはんだ部分より顕著に浸透してゆく。はんだ結晶格子が半導体素子と溶融はんだの境界面の一部に到達すると、この凝固した部分が半導体素子と伝熱板との柱の役目を果たすため、半導体素子と伝熱板の隙間が限定されることになる。その後に凝固するはんだ部分は、体積収縮を伴い、収縮力によって未凝固部分の一部を取り込みながら、伝熱板から半導体素子方向に向かって凝固が進んでゆく。これにより、はんだ層全体の凝固が完成したとき、半導体素子とはんだ層の境界面において、はんだの一部に切り欠き状の凹みができた様相になる。
【０００６】
このような凹みが、特に半導体素子とはんだ層との境界面の外縁部に発生した場合において、例えばシリコン製の半導体素子を銅製の伝熱板の上にはんだを介して接合した場合、半導体素子と伝熱板との線膨張率が異なるために、温度が低くなると（はんだの凝固温度から常温に温度降下する場合も含む）伝熱板は大きく収縮する。この収縮状態において、お椀を伏せた形の伝熱板の上に平坦な半導体素子が載置することになり、半導体素子の外周部ほど強くはんだ層に引っ張られる応力が発生することになる。このとき、境界面の外縁部に凹みが形成されていると、凹みの周囲の応力集中が高くなり、はんだの許容応力を越えると亀裂が進展して、はんだ接続が維持できなくなる問題があった。
【０００７】
この発明は、上記の問題に鑑みてなされたもので、はんだ凝固時の体積収縮に起因して発生するはんだ層の凹みが、半導体素子とはんだ層との境界面の外縁部に残存することを防止し、熱応力に強い半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る半導体装置の製造方法は、伝熱板と半導体素子との間に介在するはんだを溶融するステップと、前記伝熱板のうち前記半導体素子の中央部に対向する部分を他の部分に比し緩やかに冷却するステップと、を設けたものである。
【０００９】
この発明に係る半導体装置は、半導体素子とはんだ層の境界面の外縁部に凹みを含まないものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、この発明に係る半導体装置の製造方法に用いる半導体製造装置の一実施の形態を説明する断面図であり、加熱炉（図示していない）内で半導体素子と伝熱板とがはんだ付けされる状態を示す。
図１において、半導体素子１は、伝熱板２の上に溶融はんだ３を介して載置されている。溶融はんだ３は、境界面４（外縁部４ａを含む）において半導体素子１と接している。中央部に孔を有する冷却部材である冷却プレート５は、水冷乃至空冷等により低い温度に保たれており、接触面２ａにおいて伝熱板２と接触している。接触面２ａに対向する伝熱板２上の対向面２ｃは、溶融はんだ３と接している。冷却プレート５の中央部に設けられた孔は、伝熱板２のうち半導体素子１の中央部に対向する対向部２ｂに位置される。
図２は、この実施の形態１における溶融はんだ３の温度変化を示す特性図である。
図２において、温度曲線６は、冷却プレート５に接触する伝熱板２の接触面２ａの温度変化を示し、温度曲線７は、半導体素子１の中央部に対向する対向部２ｂの温度変化を示す。時点Ａ及び時点Ｂは、溶融はんだ３が凝固温度１８３℃に到達する時点を示す。
【００１１】
次に、この発明の実施の形態１における半導体装置の製造方法について説明する。
この製造方法の一例として、厚さ１ｍｍのセラミック製の半導体素子、厚さ４ｍｍの銅材を用いた伝熱板、及び厚さ０．２ｍｍの共晶はんだ（錫６０〜６３％）を備えた半導体装置を製造する。
【００１２】
伝熱板２と半導体素子１とがはんだ付けされる前の半導体装置を加熱炉にて２５０℃まで加熱する。このとき、凝固温度１８３℃を超えると、伝熱板２と半導体素子１との間に介在する共晶はんだは、溶融した状態になる。
【００１３】
次に、共晶はんだが溶融した状態において、図１に示すように４０℃の冷熱源として作用する冷却プレート５を伝熱板２に接触させ、伝熱板２の接触面２ａを冷却する。これにより、接触面２ａの温度は、図２の温度曲線６に示すように２５０℃から次第に下がってゆく。接触面２ａに対向する対向面２ｃに接する部分の溶融はんだ３は、直接冷却される接触面２ａからの熱伝導により、同様に温度が下がっていく。一方、冷却プレート５によって半導体素子１の中央部に対向する対向部２ｂは直接冷却されないため、対向部２ｂに接する部分の溶融はんだ３は、接触面２ａからの熱伝導により、図２の温度曲線７に示すような時間的遅れを伴って２５０℃から温度が下がってゆく。
【００１４】
伝熱板の接触面２ａの温度が低下してゆき、時点Ａにおいて凝固温度１８３℃に達すると、伝熱板２の対向面２ｃに接する部分の溶融はんだ３が凝固し始める。このとき、対向部２ｂに接する溶融はんだ３の温度は凝固温度１８３℃に達していないため、対向部２ｂに接する溶融はんだ３は凝固していない。これにより、対向面２ｃに接する部分の溶融はんだ３から凝固が始まり、凝固過程における体積収縮を補うために必要なはんだ塊を半導体素子１の中央部にある溶融はんだ３から引き寄せつつ、凝固が進んでゆく。このとき、半導体素子１との境界面４における溶融はんだ３の凝固は外縁部４ａに接する部分より発生し、外縁部４ａにて体積収縮が起こる。
【００１５】
さらに、伝熱板の接触面２ａの温度が低下してゆき、対向部２ｂが時点Ｂにて凝固温度１８３℃まで温度が下がると、対向部２ｂに接する部分の溶融はんだ３は凝固する。これにより、半導体素子１と溶融はんだ３の境界面４の中央部に接する部分の溶融はんだ３が凝固すると、はんだ層全体の凝固が完了する。この実施の形態における時点Ａと時点Ｂの時間差は１秒であった。
【００１６】
このとき、半導体素子１との境界面４における溶融はんだ３の凝固は、外縁部４ａの溶融はんだ３から半導体素子１の中心部に向かって進んでゆく。このため、境界面の外縁部４ａでは、溶融はんだ３の凝固により発生する体積収縮を、半導体１の中央部にある溶融はんだ３を引き寄せることによって充填されるため、凝固後のはんだ層８内に発生する凹み９は、半導体素子１とはんだ層８との境界面の外縁部４ａに形成されない。
【００１７】
上記においては、孔のある冷却プレート５を伝熱板２に接触させることにより、溶融はんだ７を冷却する構成について説明したが、伝熱板２のうち半導体素子１の中央部に対向する部分を他の部分に比し緩やかに冷却できる手段であれば、凹み９が半導体素子１とはんだ層８の境界面の外縁部４ａに形成するのを防止できるため、例えば冷却ファンや冷気噴射孔を用い、半導体素子１の中心部に対向する部分以外の伝熱板を冷却する構成であっても利用できることは言うまでもない。
【００１８】
次に、この製造方法により製造された半導体装置について説明する。
図３は、この発明により製造された半導体装置の一実施の形態を説明する平面図である。
図３において、半導体素子１は、伝熱板２の上に凝固したはんだ層８を介して接合されている。
図４は、この発明の実施の形態を示す半導体装置の図３における  ａ−  ａ線上の断面図である。
図４において、半導体素子１とはんだ層８との境界面４には凹み９が形成されている。
【００１９】
このように構成された半導体装置においては、はんだ層８は半導体素子１との境界面の外縁部４ａに凹み９を含まないため、半導体素子１とはんだ層８との境界面フィレットは一様で応力に強い自然収縮の形状とすることができ、はんだ亀裂の原因となる半導体素子１の境界面の外縁部４ａでの応力集中の発生が防止されるため、熱応力に強い半導体装置を得ることができる。
【００２０】
実施の形態２．
図５は、この発明の実施の形態２における半導体装置の製造方法に用いる半導体製造装置の一実施の形態を説明する断面図であり、加熱炉（図示していない）内で半導体素子と伝熱板とがはんだ付けされる状態を示す。
図５において、図１の実施の形態に加えて、温度制御された部材であるヒータブロック１０が、冷却プレート５の中央部に設けられた孔を介して半導体素子１の中央部に対向する伝熱板２上の対向部２ｂに接触するよう設けられ、このヒータブロック１０は、温度制御装置１１と接続している。
【００２１】
次に、この発明の実施の形態２における半導体装置の製造方法について説明する。
この図５の実施の形態２によれば、共晶はんだが溶融した状態において、冷却プレート５を伝熱板２の接触面２ａに接触させて溶融はんだ３の冷却を行い、同時にヒータブロック１０を半導体素子１の中心部に対向する対向部２ｂに接触させて、対向部２ｂに接する部分の溶融はんだ３を加熱する。このとき、接触面２ａに対向する伝熱板２上の対向面２ｃに接する部分の溶融はんだ３は、直接冷却される接触面２ａからの熱伝導により、上述の温度曲線６に示すように２５０℃から次第に温度が下がってゆく。一方、対向部２ｂに接する部分の溶融はんだ３は、温度制御可能なヒータブロック１０によって対向部２ｂが加熱されるため、温度の降下は異なる。
【００２２】
伝熱板の接触面２ａの温度が低下してゆき、時点Ａにおいて凝固温度１８３℃に達すると、対向面２ｃに接する部分の溶融はんだ３が凝固し始める。このとき、対向部２ｂに接する部分の溶融はんだ３は、ヒータブロック１０により加熱されるため、伝熱板２ａから対向部２ｂ方向への熱伝導が遮断され、ヒータブロック１０により対向部２ｂを加熱し続ければ、対向部２ｂに接する部分の溶融はんだ３の温度は凝固温度まで下がらず、凝固しない。
これにより、対向面２ｃに接する部分の溶融はんだ３から凝固が始まり、凝固過程における体積収縮に必要なはんだ塊を半導体素子１の中央部にある溶融はんだ３から引き寄せつつ、凝固が進んでゆく。このとき、半導体素子１との境界面４における溶融はんだ３の凝固は外縁部４ａに接する部分より発生し、外縁部４ａにて体積収縮が起こる。
【００２３】
次に、ヒータブロック１０の温度設定を温度制御装置１１により変更して、対向部２ｂを冷却するようにした場合、対向部２ｂに接する部分の溶融はんだ３の温度が凝固温度１８３℃まで下がると、該部の溶融はんだ３は凝固する。これにより、半導体素子１の中央部に接する溶融はんだ３が凝固すると、はんだ層全体の凝固が完了する。
【００２４】
このように構成された半導体装置の製造方法においては、半導体素子１の中心部に対向する伝熱板２上の対向部２ｂを加熱することにより、半導体素子１の中心部に接する溶融はんだ３の凝固開始時点を自由に変更することができ、半導体素子１の外縁部４ａの溶融はんだ３を先に冷却し、確実に凝固した後に半導体素子１の中心部の溶融はんだ３の凝固が行われる。このため、凝固後に半導体素子１とはんだ層８の境界面の外縁部４ａに凹み９が形成されるのをより確実に防止することができる。特に、伝熱板の接触面２ａの冷却のみによっては、境界面４における外縁部４ａに接する溶融はんだ３の凝固と、中央部に接する溶融はんだ３の凝固との熱伝導による時間差を十分確保できない場合において、凹み９が半導体素子１とはんだ層８の境界面の外縁部４ａに形成するのを防ぐことが可能である。
【００２５】
上記においては、温度制御可能なヒータブロック１０を半導体素子１の中央部に対向する対向部２ｂに備える構成について説明したが、対向部２ｂを加熱できるものであればよく、例えば、高温ガスを対向部２ｂに吹付ける構成であっても利用できることは言うまでもない。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明の製造方法によれば、伝熱板と半導体素子との間に介在するはんだを溶融するステップと、伝熱板のうち半導体素子の中央部に対向する部分を他の部分に比し緩やかに冷却するステップとを備えることにより、はんだ層８内に発生する凹み９が、半導体素子１とはんだ層８との境界面の外縁部４ａに発生することを防止できる。
【００２７】
また、この発明によれば、はんだ亀裂の原因となる半導体素子１とはんだ層８との境界面における応力集中の発生が防止できるため、熱応力に強い半導体装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る半導体装置の製造方法に用いる半導体製造装置の一実施の形態を説明する断面図である。
【図２】この実施の形態における溶融はんだの温度変化を示す特性図である。
【図３】この発明により製造された半導体装置の一実施の形態を説明する平面図である。
【図４】この発明の実施の形態による半導体装置を示し、図３における  ａ−  ａ線上の断面図である。
【図５】この発明の実施の形態２における半導体装置の製造方法に用いる半導体製造装置の一実施の形態を説明する断面図である。
【符号の説明】
１  半導体素子、２  伝熱板、２ａ  接触面、２ｂ  対向部、２ｃ  対向面、３  溶融はんだ、４  境界面、４ａ  外縁部、５  冷却プレート、８  はんだ層、９  凹み、１０  ヒータブロック、１１  温度制御装置。
【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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