(57)【要約】【課題】半導体チップと他の構成部材との半田接合層、あるいは他の構成部材同士の半田接合層において、その厚さを所望の厚さで、かつ傾きのない均一の厚さにすること。半田接合層中に好ましくない合金層が成長するのを長期にわたって抑制すること。【解決手段】半導体チップ１、リードフレーム２１、絶縁基板３およびヒートシンク６のそれぞれの半田接合面にＮｉ膜を成膜する。ヒートシンク６にクリーム半田を印刷し、その上にＣｕを含むフィラー３１を置く。その上にクリーム半田を印刷した絶縁基板３をのせ、その上にフィラー３１を置く。同様にして半導体チップ１およびリードフレーム２１をのせる。クリーム半田が溶け、フィラー３１が溶けた半田層に落ち込み、固まると、所望の厚さで均一な厚さの半田接合層５，２，２２，２３が得られる。接合界面では、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ合金が形成され、硬く脆い合金層が成長するのが抑制される。【選択図】        図１
2005236019.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板および半導体チップのそれぞれの表面にニッケルまたはニッケルを含む金属膜が設けられており、それら絶縁基板および半導体チップのそれぞれの金属膜同士を半田により接合するにあたって、
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く、かつ銅を含むフィラーを配置した状態で加熱して半田層を溶かし、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、絶縁基板および半導体チップのそれぞれの表面にニッケルまたはニッケルを含む金属膜が設けられており、それらヒートシンク、絶縁基板および半導体チップのそれぞれの金属膜同士を半田により接合するにあたって、
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く、かつ銅を含むフィラーを配置した状態で加熱して半田層を溶かし、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金属膜と前記絶縁基板の表面に設けられた金属膜とを電気的に接続するリードフレームの表面に、ニッケルまたはニッケルを含む金属膜が設けられており、該リードフレームの金属膜と、前記半導体チップの金属膜および前記絶縁基板の金属膜とをそれぞれ半田により接合するにあたって、
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く、かつ銅を含むフィラーを配置した状態で加熱して半田層を溶かし、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】
絶縁基板および半導体チップのそれぞれの表面にニッケルまたはニッケルを含む金属膜が設けられており、それら絶縁基板および半導体チップのそれぞれの金属膜同士を半田により接合するにあたって、
溶融前の、錫をベースとして銅を含む半田層の上に、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半田層を溶かし、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５】
ヒートシンク、絶縁基板および半導体チップのそれぞれの表面にニッケルまたはニッケルを含む金属膜が設けられており、それらヒートシンク、絶縁基板および半導体チップのそれぞれの金属膜同士を半田により接合するにあたって、
溶融前の、錫をベースとして銅を含む半田層の上に、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半田層を溶かし、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６】
さらに、前記半導体チップの表面に設けられた金属膜と前記絶縁基板の表面に設けられた金属膜とを電気的に接続するリードフレームの表面に、ニッケルまたはニッケルを含む金属膜が設けられており、該リードフレームの金属膜と、前記半導体チップの金属膜および前記絶縁基板の金属膜とをそれぞれ半田により接合するにあたって、
溶融前の、錫をベースとして銅を含む半田層の上に、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半田層を溶かし、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４または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、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）モジュールのように、半導体チップと他の構成部材とが半田により接合された構成を有する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１１および図１２を参照しながら説明する。図１１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１２は、図１１の切断線Ａ−Ａにおける断面図である。なお、図１１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１１および図１２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。回路パターン部４は、主に銅（Ｃｕ）で構成されている。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。
【０００４】
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。回路パターン部４と別の回路パターン部４とは、アルミニウム製のワイヤ１１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１２が封入されている。
【０００５】
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、図１３に示すように、半導体チップ１の表面電極と絶縁基板表面の回路パターン部４とをリードフレーム２１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１の表面電極にニッケル（Ｎｉ）および金（Ａｕ）が成膜されている。そして、リードフレーム２１の一端と回路パターン部４とは、半田接合層２２により接合されている。また、リードフレーム２１の他端と半導体チップ１の表面電極とは、半田接合層２３により接合されている。
【０００６】
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（例えば、特許文献１参照。）。また、電子部品と基板を接続する半田として、Ｃｕボールと錫（Ｓｎ）ボールを有する半田ぺーストを用い、Ｃｕボール同士を、ＣｕとＳｎの化合物で連結するようにした半田接続技術が公知である（たとえば、特許文献２参照。）。
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−１８６３３１号公報
【特許文献２】特開２００２−２８０３９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、一旦溶けた半田が固まるときに、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。
【０００９】
そこで、上記特許文献１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１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。また、一般に、半田接合層中にＣｕ−Ｓｎ合金等の硬く脆い合金層が成長すると、クラックが発生しやすくなるので、長期信頼性の点で好ましくないが、従来、この硬く脆い合金層の成長を長期的に抑制することは困難である。
【００１０】
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接合層、あるいは他の構成部材同士の半田接合層において、その厚さを所望の厚さで、かつ傾きのない均一の厚さにすることができるとともに、半田接合層中に好ましくない合金層が成長するのを長期にわたって抑制することができる半導体装置の製造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】
【００１１】
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、絶縁基板および半導体チップのそれぞれの表面にニッケルまたはニッケルを含む金属膜が設けられており、それら絶縁基板および半導体チップのそれぞれの金属膜同士を半田により接合するにあたって、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く、かつ銅を含むフィラーを配置した状態で加熱して半田層を溶かし、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。
【００１２】
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り、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、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、フィラーから供されるＣｕにより、半田接合層中にＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系の合金が成長するので、Ｃｕ−Ｓｎ合金等の硬く脆い合金層が成長するのを長期にわたって抑制することができる。従って、半導体チップと絶縁基板との接合の信頼性を高めることができる。
【００１３】
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、絶縁基板および半導体チップのそれぞれの表面にニッケルまたはニッケルを含む金属膜が設けられており、それらヒートシンク、絶縁基板および半導体チップのそれぞれの金属膜同士を半田により接合するにあたって、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く、かつ銅を含むフィラーを配置した状態で加熱して半田層を溶かし、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。
【００１４】
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り、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、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、フィラーから供されるＣｕにより、半田接合層中にＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系の合金が成長するので、Ｃｕ−Ｓｎ合金等の硬く脆い合金層が成長するのを長期にわたって抑制することができる。従って、ヒートシンクと絶縁基板との接合、および半導体チップと絶縁基板との接合の信頼性を高めることができる。
【００１５】
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金属膜と前記絶縁基板の表面に設けられた金属膜とを電気的に接続するリードフレームの表面に、ニッケルまたはニッケルを含む金属膜が設けられており、該リードフレームの金属膜と、前記半導体チップの金属膜および前記絶縁基板の金属膜とをそれぞれ半田により接合するにあたって、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く、かつ銅を含むフィラーを配置した状態で加熱して半田層を溶かし、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。
【００１６】
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り、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、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、フィラーから供されるＣｕにより、半田接合層中にＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系の合金が成長するので、Ｃｕ−Ｓｎ合金等の硬く脆い合金層が成長するのを長期にわたって抑制することができる。従って、絶縁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。
【００１７】
請求項４の発明にかかる半導体装置の製造方法は、絶縁基板および半導体チップのそれぞれの表面にニッケルまたはニッケルを含む金属膜が設けられており、それら絶縁基板および半導体チップのそれぞれの金属膜同士を半田により接合するにあたって、溶融前の、錫をベースとして銅を含む半田層の上に、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半田層を溶かし、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。
【００１８】
この請求項４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り、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、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、半田から供されるＣｕにより、半田接合層中にＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系の合金が成長するので、Ｃｕ−Ｓｎ合金等の硬く脆い合金層が成長するのを長期にわたって抑制することができる。従って、半導体チップと絶縁基板との接合の信頼性を高めることができる。
【００１９】
請求項５の発明にかかる半導体装置の製造方法は、ヒートシンク、絶縁基板および半導体チップのそれぞれの表面にニッケルまたはニッケルを含む金属膜が設けられており、それらヒートシンク、絶縁基板および半導体チップのそれぞれの金属膜同士を半田により接合するにあたって、溶融前の、錫をベースとして銅を含む半田層の上に、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半田層を溶かし、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。
【００２０】
この請求項５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り、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、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、半田から供されるＣｕにより、半田接合層中にＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系の合金が成長するので、Ｃｕ−Ｓｎ合金等の硬く脆い合金層が成長するのを長期にわたって抑制することができる。従って、ヒートシンクと絶縁基板との接合、および半導体チップと絶縁基板との接合の信頼性を高めることができる。
【００２１】
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４または５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金属膜と前記絶縁基板の表面に設けられた金属膜とを電気的に接続するリードフレームの表面に、ニッケルまたはニッケルを含む金属膜が設けられており、該リードフレームの金属膜と、前記半導体チップの金属膜および前記絶縁基板の金属膜とをそれぞれ半田により接合するにあたって、溶融前の、錫をベースとして銅を含む半田層の上に、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半田層を溶かし、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。
【００２２】
この請求項６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り、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、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、半田から供されるＣｕにより、半田接合層中にＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系の合金が成長するので、Ｃｕ−Ｓｎ合金等の硬く脆い合金層が成長するのを長期にわたって抑制することができる。従って、絶縁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。
【発明の効果】
【００２３】
本発明にかかる半導体装置の製造方法によれば、半導体チップと他の構成部材との半田接合層、あるいは他の構成部材同士の半田接合層において、その厚さを所望の厚さで、かつ傾きのない均一の厚さにすることができる。また、半田接合層中に好ましくない合金層が成長するのを長期にわたって抑制することができる。従って、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ので、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】
【００２４】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体装置の製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００２５】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１にかかる製造方法により製造された半導体装置の、図１１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１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、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。
【００２６】
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。つまり、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。また、図示例のように、半導体チップ１の表面電極の一部が、絶縁基板表面の回路パターン部４にアルミニウム製のワイヤ１０により電気的に接続される場合もある。さらに、図には現れていないが、絶縁基板表面の回路パターン部４同士の電気的な接続に、アルミニウム製のワイヤが用いられることもある。
【００２７】
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９，１０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１２が封入されている。
【００２８】
また、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には、それぞれ、スペーサとしてフィラー３１が設けられている。このフィラー３１によって、各半田接合層５，２，２２，２３の半田厚さは、所定の厚さで、かつ均一な厚さになっている。
【００２９】
次に、本発明の実施の形態１にかかる製造方法について説明する。図２〜図４は、そ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。予め、半導体チップ１の、リードフレーム２１および絶縁基板３のそれぞれと接合される表面、絶縁基板３の、半導体チップ１、リードフレーム２１およびヒートシンク６のそれぞれと接合される表面、リードフレーム２１の、半導体チップ１および絶縁基板３のそれぞれと接合される表面、並びにヒートシンク６の、絶縁基板３と接合される表面に、Ｎｉ、またはＮｉおよびＡｕよりなる金属膜を、無電解めっき法、蒸着法またはスパッタ法などにより成膜しておく。無電解めっき法により金属膜を成膜する場合には、リン（Ｐ）またはボロン（Ｂ）を含むＮｉ膜でもよい。
【００３０】
まず、図２に示すように、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３参照）。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３と図４を比較参照）。
【００３１】
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。
【００３２】
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、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３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３では省略）を印刷したものを置く。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
この状態で冷却し、溶けた半田を固まらせると、図４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４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。
【００３６】
ここで、各フィラーの融点は、半田の融点よりも高温であり、好ましくは４００℃以上であるのがよい。各フィラーは、その材料にＣｕを含んでいる。例えば、フィラーは、Ｃｕの塊、または樹脂でできたコア（核）の表面にＣｕを成膜したものなどである。好ましくは、フィラーの表面に、接合に用いられる半田と同一組成の半田が成膜されているとよい。
【００３７】
また、各フィラーの形状は、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フィラー、すなわち球体の直径になるので、常に一定であるからである。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。
【００３８】
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であるのが望ましい。例えば、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のがよい。
【００３９】
以上のようにして半田接合を行うことによって、それぞれの接合界面では、Ｎｉ−Ｓｎ合金と、そこにフィラーから拡散してきたＣｕが析出することによってＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ合金が形成される。Ｎｉ−Ｓｎ合金は、１５０℃まではＣｕ−Ｓｎ合金よりも成長速度が低いことが一般に知られている（大塚寛治著、「界面工学」、培風館、ｐ．１４４）。接合界面では、Ｎｉ−Ｓｎ合金と、その表面にＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ合金が形成されることによって、Ｎｉ面へＳｎが拡散するのを防ぐことができる。ここで、Ｃｕはフィラーから拡散する分だけであり、供給源が限られているので、Ｃｕ−Ｓｎ合金の成長は僅かである。従って、接合界面で硬く脆い合金層が成長するのを抑制することができる。
【００４０】
本発明者らは、Ｃｕ塊よりなるフィラー、接合面にＮｉめっきを施したリードフレーム、およびＳｎ−３．５Ａｇ（銀）半田を用いて半田接合を行い、エレクトロンプローブ微量分析（ＥＰＭＡ）装置を用いて、その接合界面の断面の観察と組成分析を行った。その結果を図５〜図９に示す。図５は、接合界面の断面の電子顕微鏡写真である。図６、図７、図８および図９は、それぞれ、図５に示す断面におけるＣｕ、Ｓｎ、ＮｉおよびＡｇの分布状態を示す面分析写真である。図６〜図９に示す面分析結果より、接合界面にＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系の合金が形成されていることが確認される。図５において、符号４１はリードフレームであり、符号４２はＮｉめっき層であり、符号４３はＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系合金層であり、符号４４は半田である。
【００４１】
（実施の形態２）
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。実施の形態２では、Ｓｎベースで、Ｃｕが添加されているＳｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系またはＳｎ−Ｂｉ−Ｃｕ系などの半田を用いて半田接合をおこない、半田接合層１０５を得る。フィラー１３１には、Ｃｕが含まれていてもよいし、含まれていなくてもよい。フィラーの融点、形状、径などは実施の形態１と同様である。
【００４２】
実施の形態２の製造方法のその他の要領は、実施の形態１と同じであるので、重複する説明を省略する。なお、図１０には、ヒートシンク６に絶縁基板３を半田接合層１０５を介して半田接合した状態が示されているが、絶縁基板３と半導体チップ１、絶縁基板３および半導体チップ１とリードフレーム２１との半田接合についても同様である。
【００４３】
以上のようにして半田接合を行うことによって、それぞれの接合界面では、Ｎｉ−Ｓｎ合金と、そこに半田から拡散してきたＣｕが析出することによってＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ合金が形成される。フィラーにＣｕが含まれていない場合には、Ｃｕは半田から拡散する分だけである。また、フィラー１３１にＣｕが含まれている場合には、Ｃｕは半田とフィラーから拡散する分だけである。いずれにしても、供給源が限られているので、Ｃｕ−Ｓｎ合金の成長は僅かである。従って、接合界面で硬く脆い合金層が成長するのを抑制することができる。
【００４４】
以上説明したように、半導体チップ１の裏面電極および表面電極の半田接合層２，２３の厚さが所望の厚さで、かつ均一の厚さになるので、半田接合部における電気的な性能や熱的な性能を確保することができる。また、接合界面にＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系の合金層が形成されるので、半田層および接合界面の信頼性（機械的な特性）が向上する。従って、高品質な半導体デバイスが得られる。
【００４５】
なお、図１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。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】
【００４６】
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】
【００４７】
【図１】本発明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２】本発明の実施の形態１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３】本発明の実施の形態１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４】本発明の実施の形態１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５】本発明の実施の形態１にかかる製造方法に従って得られた半田接合界面の断面を示す電子顕微鏡写真（倍率×５０００）である。
【図６】図５に示す半田接合界面の断面におけるＣｕの分布状態を示す面分析写真である。
【図７】図５に示す半田接合界面の断面におけるＳｎの分布状態を示す面分析写真である。
【図８】図５に示す半田接合界面の断面におけるＮｉの分布状態を示す面分析写真である。
【図９】図５に示す半田接合界面の断面におけるＡｇの分布状態を示す面分析写真である。
【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】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１２】図１１の切断線Ａ−Ａにおける構成を示す断面図である。
【図１３】従来の半導体装置の別の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４８】
１  半導体チップ
２，５，２２，２３，１０５  半田接合層
３  絶縁基板
６  ヒートシンク
２１  リードフレーム
３１，１３１  フィラー
【図１】
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【図２】
2005236019.tif 000004
【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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