(57)【要約】【課題】半導体装置のはんだ付けにおける半導体チップの浮き、ずれを低減する技術を提供することにある。【解決手段】半導体チップを固定する主面と対向する裏面を貫通する貫通穴を設け、半導体チップのはんだ付の際に、あふれるはんだを当該貫通穴から吸引することにより、はんだ溢れ出しをコントロールし、はんだ付けの際半導体チップの浮き、ずれを低減する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子部品とが固定される電子部品支持部に電子部品をはんだ付けする方法において、
前記電子部品が固定される前記電子部品支持部での位置に前記電子部品支持部を貫通する貫通穴を設け、
前記電子部品のはんだ付けの際に、
電子部品の固定される面とは異なる面の前記貫通穴から、
はんだを吸い出す
ことを特徴とする電子部品のはんだ付け方法。
【請求項２】
前記電子部品が固定される前記電子部品支持部の位置に設けられる貫通穴の数は、少なくとも１個以上である
ことを特徴とする請求項１記載の電子部品のはんだ付け方法。
【請求項３】
前記電子部品が固定される前記電子部品支持部の位置に設けられる複数の貫通穴は、前記電子部品の中心に対して、対称な位置に設ける
ことを特徴とする請求項１記載の電子部品のはんだ付け方法。
【請求項４】
前記貫通穴の面積は、前記貫通穴を被う電子部品の面積の５％以下とする
ことを特徴とする請求項１記載の電子部品のはんだ付け方法。
【請求項５】
前記貫通穴からのはんだの吸い出しは、圧力の働きによって吸い出すポンプを動作させることで吸い出す
ことを特徴とする請求項１記載の電子部品のはんだ付け方法。
【請求項６】
前記貫通穴からのはんだの吸い出しは、吸い出す面の貫通穴にはんだがしみ込む部材を接することで吸い出す
ことを特徴とする請求項１記載の電子部品のはんだ付け方法。
【請求項７】
前記はんだの吸い出し動作の後に、はんだの過熱を行う
ことを特徴とする請求項５、６記載の電子部品のはんだ付け方法。
【請求項８】
前記はんだがしみ込む部材は、はんだが固まる前に、前記貫通穴から離す
ことを特徴とする請求項６記載の電子部品のはんだ付け方法。
【請求項９】
前記ポンプによるはんだの吸い出しは、はんだが固まった後に、
前記ポンプのはんだ吸い出し動作を停止する
ことを特徴とする請求項５記載の電子部品のはんだ付け方法。
【請求項１０】
前記はんだがしみ込む部材は、網の目状とした銅線である
ことを特徴とする請求項６記載の電子部品のはんだ付け方法。
【請求項１１】
前記貫通穴にはペースト状のはんだが充填されている
ことを特徴とする特徴とする請求項１記載の電子部品のはんだ付け方法。
【請求項１２】
前記貫通穴の内壁には鍍金処理を施す
ことを特徴とする特徴とする請求項１記載の電子部品のはんだ付け方法。
【請求項１３】
電子部品と
前記電子部品を固定する電子部品支持部と
を有し、
はんだ付けによって前記電子部品が固定される前記電子部品支持部での位置に前記電子部品支持部を貫通する貫通穴があり、
前記貫通穴にはんだが充填されている
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項１４】
前記電子部品が固定される前記電子部品支持部の位置にある貫通穴の数は、少なくとも１個以上である
ことを特徴とする請求項１３記載の半導体装置。
【請求項１５】
前記電子部品が固定される前記電子部品支持部の位置にある複数の貫通穴は、前記電子部品の中心に対して、対称な位置に設けられている
ことを特徴とする請求項１４記載の半導体装置。
【請求項１６】
前記貫通穴の面積は、前記貫通穴を被う電子部品の面積の５％以下とする
ことを特徴とする請求項１４記載の半導体装置。
【請求項１７】
前記貫通穴の内壁に鍍金処理が施されている
ことを特徴とする特徴とする請求項１３記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置等におけるはんだ付けを行う技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の樹脂封止型半導体装置の半導体チップはんだ付の際のずれ防止策としては、特許文献１に示されるような、（１）半導体チップはんだ付け箇所周囲にに凹状あるいは凸状のせきを設ける。（２）半導体チップはんだ付け箇所周囲にはんだ溶着を抑制するはんだメッキあるいはソルダーレジストを施す。等の対策によりはんだの流れを止めることによりチップ位置ずれを防止する方法がある。
【０００３】
また、半導体チップ浮き、ずれの原因となるフラックスを使用しない板状のはんだを用いて水素還元雰囲気中でリフローする方法がある。
【０００４】
この場合のチップの位置決めは、位置決め治具を使用し、位置決め治具ごとリフローすることによって行う。
【０００５】
また、特許文献２にも参考となる技術が示されている。特許文献２は、発熱部品の回路基板への実装において、コストアップすることなく、熱伝導性を良くした放熱構造を提供するものである。ガラスエポキシ等の材料から成る回路基板に発熱部品を実装する際に、発熱部品の熱を前記回路基板に設けたスルーホールを介して、前記回路基板の裏側に設ける放熱フィン等に効率良く逃がし、熱伝導性を向上させるものである。
【０００６】
前記スルーホールは、はんだ内の空気を外部に逃がすこと、及び、スルーホール内にはんだを充填することによって、熱伝導性を向上させるものである。
【０００７】
しかしながら、特許文献２は、ガラスエポキシ等の材料から成る回路基板に発熱部品を実装することについての発明であるものの、その実装時のはんだ付けの方法についての具体的な開示も無く、また、半導体チップのずれ等を防止する技術についても開示がないものである。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−２９８０３３号公報
【特許文献２】
特開２００１−１６８４７６号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記の方法によれば、半導体チップを実装する放熱用のヒートシンク製作工程で、エッチングやプレスにより凹部、凸部形状を新たに形成する工程が増え、はんだメッキ工程あるいはソルダーレジスト工程、位置決め治具が新たに増えることによりヒートシンク製作コストアップの問題が有る。
【００１０】
また、現実の製品の機種展開においては、通常配線基板に実装するヒートシンク形状を一定のまま実装する半導体チップのみを変更して機種のＮ倍化を図ることが通例であり、この結果、同一のヒートシンクに対して複数のチップサイズの半導体を実装する必要がある。このため、搭載するチップサイズ毎にヒートシンク上の凹凸形状、あるいはメッキ、ソルダーレジストなどの表面処理寸法、位置決め治具を準備しなければならないため、機種数増加、感光フィルムやマスク製作代といった治具費用が発生してしまう。
【００１１】
またフラックスを使用しないはんだ付工法の場合は、水素雰囲気リフロー装置が必要であり、また水素ガス供給設備、ガス漏れ検出などの安全装置も準備しなければならない。
【００１２】
また、はんだ付の際、半導体チップと板はんだがずれないように固定するための位置決め治具などが必要である。
【００１３】
本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑み、半導体装置等でのはんだ付けにおいて、半導体チップ等のはんだ付けの対象物のずれを低減する技術を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の問題を解決するため、本発明においては、半導体装置内の配線基板上のヒートシンクに対し、半導体チップを固定する主面と対向する裏面とを貫通する貫通穴を設ける。
【００１５】
そして、半導体チップのはんだ付の際に半導体チップとヒートシンクの間隙から、溢れるはんだをヒートシンク裏面側の前記貫通穴から吸引し、はんだ溢れ出しをコントロールすることによって、半導体チップの浮き、または、位置ずれを低減し、ヒートシンクの所定の位置に半導体チップをはんだ付けすることを可能にするものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図を用いて説明する。
【００１７】
なお、以下の説明では、はんだの吸い出し、または、吸取りの動作として、「吸引」と表現して説明している。
【００１８】
図１は、樹脂封止型半導体装置の一実施例として、電動機制御用パワーモジュールに適用した例をとり、その断面を示したものである。
【００１９】
本半導体パワーモジュールは、トランジスタやダイオード、サイリスタ等からなるパワー半導体チップ１を実装した主回路基板２と制御用半導体部品３を実装した制御回路基板４、電気信号を外部に導出する端子５、端子５と電気的に絶縁されかつパワー半導体チップ１から放出される熱に対し十分に抗する熱硬化性樹脂、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）等により構成されたケース６により構成される。
【００２０】
また、パワー半導体チップ１と主回路基板２および端子５の電気的接続は、電気良導体、例えば、アルミワイヤ７により行われる。
【００２１】
さらに、電気的絶縁とパワー半導体チップ１の保護を目的に、例えばシリコンのようなゲル８を充填し、さらに例えばエポキシ樹脂のようなガラス転移点が１００℃をこえるような熱硬化性の封止樹脂９により全体を封止モールドして構成される。
【００２２】
ここでパワー半導体チップ１を搭載した主回路基板２は、動作時のパワー半導体チップ１の発熱が激しく、この発生する熱を効率よく外部に放散するため、パワー半導体チップ１は、ヒートシンク１０を介して主回路基板２の所定の位置に固着される。主回路基板２もまた熱良導体、例えばアルミ金属基板等により構成される。パワー半導体チップ１とヒートシンク１０の接合およびヒートシンク１０と主回路基板２の接合は、いずれもはんだ１１を用いて行う。
【００２３】
パワー半導体チップ１とヒートシンク１０のはんだ付において、はんだ付の際のパワー半導体チップ１の浮き、または、位置ずれを低減することが重要である。
【００２４】
その理由は、半導体チップの浮きやずれが生ずると、はんだ付後工程のアルミワイヤ７のボンディング工程でのボンディング位置が所定の位置から外れてしまうと正常なボンディングが困難になる等の問題が発生するためである。
【００２５】
半導体チップ１の浮きやずれは、はんだ付の際に、はんだの酸化を防止するためフラックス中の活性剤から放出されるガスが外部に放出される際に、半導体チップ１ごと持ち上げてしまったり、溶融したはんだ１１が半導体チップ１とヒートシンク１０の間から溢れ出して流れ出し、半導体チップ１を伴い濡れ広がって行くことが原因である。
【００２６】
図２は本発明による、フラックスを含有したペーストはんだを用いて、半導体チップの浮きやずれを低減するはんだ付方法の第一の実施例を示したものである。
【００２７】
ヒートシンク１０の半導体チップ１を搭載する主面１２−ａと対向する裏面１２−ｂを貫通するはんだ吸取り穴１３を設け、この吸取り穴１３を覆う様に裏面１２−ｂに吸引治具１４をセットし、主面１２−ａにはんだ１１と半導体チップ１を供給し、はんだ吸取り穴１３からはんだ１１を吸引しながら、加熱リフローを行うものである。
【００２８】
はんだ吸取り穴１３内に溶融はんだ１１が充填されない場合は、これがボイドとなってしまうため、はんだ吸取り穴１３内部には、はんだ１１を充填する必要がある。
【００２９】
また、ヒートシンク１０は放熱特性を高めるため、通常熱伝導性の高い金属、例えば銅板等を使用する。このヒートシンクに比べ、錫や鉛、銀などで構成されるはんだの熱伝導度はそれほど高くはない。従って、はんだ吸取り穴は、半導体チップ１の発熱を放散するためのヒートシンク１０の放熱効果を阻害しない程度の断面積、例えば、半導体チップ１の底面のはんだ付面積の５％以下の断面積になるように設定する。
【００３０】
また、ヒートシンク１０は酸化などに対する表面保護の目的で、構成部材例えば銅板表面上にメッキ処理することが通例であるが、上記のはんだ吸取り穴１３の内壁にも、はんだ１１を充填する必要があるため、はんだ濡れが阻害されない程度のメッキ処理を施しておく必要がある。
【００３１】
図３は本発明による半導体チップの浮きやずれを低減するはんだ付方法の第二の実施例を示したものである。
【００３２】
図１の吸引治具１４のかわりに、はんだの吸取り作業の主に修正時に用いられるはんだ濡れ性の良好な金属、例えば銅等の細線をメッシュ状に編んだはんだ吸取り板１５ではんだ１１の吸引、吸取りを行うものである。
【００３３】
本発明の第一の実施例の工程を図４〜図８を使用して説明する。
【００３４】
最初に図４に示すように、ヒートシンク１０の主面１２−ａに半導体チップ１の外形寸法に合わせて開口部を設けたメタルマスク１７を被せてペーストはんだ１１を供給する。メタルマスク１７は一般的な表面実装に用いる、例えば厚さｔ０．１ｍｍ〜ｔ０．２ｍｍのステンレス薄板をエッチングにより開口部を形成したもので構成される。またペーストはんだ１１はスキージ（へら）などにより印刷することによって供給される。
【００３５】
もちろんペーストはんだ１１の供給は、上記のような印刷工法に限らず、シリンジに入ったはんだ１１をはんだディスペンサにより吐出して行っても問題ない。
【００３６】
また、はんだ１１は、先述のはんだ吸取り穴１３の充填分およびリフロー後、半導体チップ１際部にはんだフィレットを形成できるだけのはんだ量を予め確保して供給するものとする。
【００３７】
図５で、供給したペーストはんだ１１上に半導体チップ１を搭載し、図６に示すように、ヒートシンク１０の裏面１２−ｂから吸引治具１４をはんだ吸取り穴１３を覆うようにして押し付ける。この状態で、リフロー加熱を実施する。
【００３８】
図７は、はんだ吸引、リフロー状態を示したものである。加熱することにより、はんだの融点を越えたところで、はんだ１１が溶融し、半導体チップの浮きの原因となるフラックスガスが発生する。このガスは、はんだ吸取り穴１３を介してヒートシンク１０の裏面１２−ｂから放出される。
【００３９】
同時に、半導体チップ１のずれの原因となる半導体チップ１とヒートシンク１０の主面１２−ａから溢れ出す余分なはんだ１１については、これを吸引治具１４によりはんだ吸取り穴１３内に吸引、導出することにより、ヒートシンク１０の主面１２−ａの流れ出しをコントロールする。
【００４０】
図８は、リフロー後に、加熱を停止し、はんだ１１が凝固した状態を示したものである。
はんだ１１凝固後、吸引治具１４を除去する。
【００４１】
次に、本発明の第二の実施例の工程を図９〜図１３を使用して説明する。
【００４２】
図９、図１０は先述の図４、図５に示すのと同様のペーストはんだ１１の供給工程および半導体チップ１の搭載工程である。
【００４３】
図１１は第二の実施例特有のはんだ吸取り工程を示したものである。
【００４４】
はんだ吸取り板１５を押し付け治具１６を介してヒートシンク１０の裏面１２−ｂからはんだ吸取り穴１３に押し付ける。この状態で、リフロー加熱を実施する。
【００４５】
図１２は、はんだ吸引、リフロー状態を示したものである。先述の図７と同様、加熱することにより、はんだの融点を越えたところで、はんだ１１が溶融し、半導体チップの浮きの原因となるフラックスガスが発生する。このガスは、はんだ吸取り穴１３、はんだ吸取り板１５を介してヒートシンク１０の裏面１２−ｂから放出される。
【００４６】
同時に、半導体チップ１のずれの原因となる半導体チップ１とヒートシンク１０の主面１２−ａから溢れ出す余分なはんだ１１については、これをはんだ吸取り穴１３から、メッシュの毛細管効果を利用して、はんだ吸取り板１５に吸取らせてヒートシンク１０の主面１２−ａの流れ出しをコントロールする。
【００４７】
図１３は、図８と同様、リフロー後に、加熱を停止し、はんだ１１が凝固した状態を示したものである。ここで、はんだ吸取り板１５に吸取られたはんだ１１の凝固によって、はんだ吸取り板１５がヒートシンク１０の裏面１２−ｂに付着することがない様、はんだ吸取り板１５の除去は、はんだ１１の凝固前に実施しておくのが第一の実施例とは異なる。
【００４８】
図１４には、本発明のはんだ付方法のタイムチャートを示したものである。
半導体チップ１、はんだ１１を供給したヒートシンク１０を吸引治具１４で吸引、時間Ｔ１の後所定の吸引圧力Ｐに到達後、リフロー炉などの加熱炉に投入する。
【００４９】
ここで、吸引圧力Ｐは、ペースト状のはんだ１１、溶融した半導体チップ１直下のはんだ１１および吸取り穴１３の内部（ヒートシンク１０の板厚分）のはんだ１１をすべて吸引治具１４内に吸いきらない程度に設定する。
【００５０】
加熱炉に投入したワークは予備加熱時間Ｔ２を経て本加熱する。炉内温度がはんだ１１の融点に達した段階で、ペーストはんだ１１は固相状態から液相状態に変化すると同時に、ペーストはんだ１１に含まれるフラックスから、はんだの酸化防止のためのガスが発生する。
【００５１】
図１４中のはんだ１１が溶融している時間Ｔ３の間に、吸引により、ガス及びヒートシンク１０と半導体チップ１の際部から流れ出す余分なはんだ１１が、はんだ吸取り穴１３から吸い出される。
【００５２】
時間Ｔ３経過後、ワークは加熱炉から出され、はんだ１１が凝固する。
【００５３】
時間Ｔ４経過し、はんだ１１の凝固が完全に終了した段階で、吸引治具１４の吸引を停止して、はんだ付作業を終了する。
【００５４】
図１５は本発明の第三の実施例を示したものである。また図１６は本実施例を半導体チップ１の実装面上から見た図である。
【００５５】
半導体チップ１のはんだ付方法は上記で述べてきた方法と同一であるが、図１６に示すように、半導体チップ１のはんだ付面に対し半導体チップ１の回転方向の位置ずれをも低減出来るように第一の実施例に改良を加えたものである。
【００５６】
ヒートシンク１０の溶融したはんだ１１上の半導体チップ１は、ｘｙ水平方向のみならず、図１６に示す回転方向θにも位置ずれをおこす場合がある。
【００５７】
そこで、この半導体チップ１のθ方向ずれを低減するべく、ヒートシンク１０の半導体チップ１はんだ付面上に少なくとも２つ以上のはんだ吸取り穴１３−ａ，１３−ｂを設け、この吸取り穴１３−ａ、１３−ｂから均等な吸引圧力ではんだ吸引することにより、半導体チップ１の回転モーメントを吸取り穴１３−ａ、１３−ｂの２点の支持点で互いに打ち消すことによって、半導体チップ１の回転挙動を低減するものである。
【００５８】
ここで、はんだ吸取り穴１３−ａ、１３−ｂの断面積は、その合計断面積が、ヒートシンク１０の放熱を阻害しない半導体チップ１のはんだ付面積の５％以下の面積に抑えて設定することが好ましい。
【００５９】
図１７は本発明のはんだ付を電動機制御インバータ用パワーモジュール半導体装置に適用した実施例を示したものである。
【００６０】
本半導体パワーモジュールは、１次交流電源を整流ダイオードにより直流変換するコンバータ部、および変換した直流電源をスイッチング用トランジスタにより再び所望の周波数の交流に変換するインバータ部によって構成される主回路基板２を制御回路基板４と共にケース６内に一まとめにし、回路部分全体を樹脂封止モールドして構成する半導体装置である。
【００６１】
パワー半導体チップ１は、動作時の発熱が激しく、この発生する熱を効率よく半導体装置外部に放散するため、パワー半導体チップ１は、ヒートシンク１０上に固定し、これを主回路基板２の所定の位置に固着して実装する。
【００６２】
このパワー半導体チップ１をヒートシンク１０に固定する際に、本実施例を使用したものである。
【００６３】
以上述べたように、本発明の実施例によれば、半導体装置内の配線基板上の電子部品支持部としての放熱用ヒートシンクに対し、半導体チップを固定する主面と裏面とを貫通するはんだ吸取り穴を設ける。
【００６４】
そして、半導体チップのはんだ付の際に、発生するフラックスガスおよび半導体チップとヒートシンクの間隙からあふれるはんだをヒートシンク下から、前記はんだ吸取り穴に対して、吸引治具等で吸引することにより、ガス抜きとはんだ溢れ出しのコントロールができ、はんだ付けの際の半導体チップの浮き、または、ずれの低減の効果をあげる。
【００６５】
また、前記はんだ吸取り穴は、前述のようにヒートシンク上に少なくとも２つ設けることで、半導体チップ１の回転方向ずれを抑えることが可能となる。
【００６６】
この結果、ヒートシンク上にはんだを塞き止める為のせきや表面処理を施さず、また機種毎の位置決め用治具を用いずに、様々なサイズの半導体チップに対し、水素還元炉などを用いずに、フラックスを含有したペーストはんだを用いた、安価なはんだ付工法を提供することができる。
【００６７】
なお、前記実施例では、電子部品を対象にして説明したが、電子部品に限定されるものではなく、はんだ付けによって、固定される被固定物に対しても、前記実施例を適用することで、その効果を提供し得ることは、勿論である。
【００６８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、半導体装置のはんだ付けにおける半導体チップの浮き、ずれを低減する技術を提供可能とする。または、半導体チップのずれが低減された半導体装置を提供出来ることとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体装置の一実施例の断面図
【図２】本発明の半導体装置のはんだ付方法の第一の実施例
【図３】本発明の半導体装置のはんだ付方法の第二の実施例
【図４】本発明の半導体チップはんだ付方法の第一の実施例のはんだ印刷工程
【図５】本発明の半導体チップはんだ付方法の第一の実施例の部品搭載工程
【図６】本発明の半導体チップはんだ付方法の第一の実施例の吸引治具セット工程
【図７】本発明の半導体チップはんだ付方法の第一の実施例の加熱、はんだ吸引工程
【図８】本発明の半導体チップはんだ付方法の第一の実施例の冷却、吸引停止工程
【図９】本発明の半導体チップはんだ付方法の第二の実施例のはんだ印刷工程
【図１０】本発明の半導体チップはんだ付方法の第二の実施例の部品搭載工程
【図１１】本発明の半導体チップはんだ付方法の第二の実施例のはんだ吸取り板押付工程
【図１２】本発明の半導体チップはんだ付方法の第二の実施例の加熱、はんだ吸引工程
【図１３】本発明の半導体チップはんだ付方法の第二の実施例のはんだ吸取り板除去、冷却工程
【図１４】本発明の半導体チップはんだ付方法の第一の実施例のタイミングチャート
【図１５】本発明の半導体チップはんだ付方法の第三の実施例
【図１６】本発明の半導体チップはんだ付方法の第三の実施例の平面図
【図１７】本発明の半導体チップはんだ付方法を適用した半導体装置。
【符号の説明】
１…パワー半導体チップ、２…主回路基板、３…制御用半導体部品、４…制御回路基板、５…端子、６…ケース、７…アルミワイヤ、８…ゲル、９…封止樹脂、１０…ヒートシンク、１１…はんだ、１２−ａ…ヒートシンク主面、１２−ｂ…ヒートシンク裏面、１３、１３−ａ、１３−ｂ…はんだ吸取り穴、１４…吸引治具、１５…はんだ吸取り板、１６…押付治具、１７…メタルマスク
【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】
2005011912.tif 000014
【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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