(57)【要約】 【課題】  非破壊により、はんだ接合部の劣化を容易に診断する。【解決手段】  実施形態によれば、基板、基板の一主面上に設けられた配線部、及び配線部上にナノカーボンを含有するはんだ接合部を介して実装された少なくとも１つの半導体チップを含む電子部品を加熱しながら、電子部品の温度分布を測定し、及び温度分布の測定データに基づいてはんだ接合部の劣化を検出することを含むはんだ接合部の劣化診断方法が提供される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板、基板の一主面上に設けられた配線部、及び該配線部上にナノカーボンを含有するはんだ接合部を介して実装された少なくとも１つの半導体チップを含む半導体実装部品を含むことを特徴とする半導体素子。
【請求項２】
前記ナノカーボンは金属めっきにより表面処理されている請求項１に記載の半導体素子。
【請求項３】
前記表面処理に用いられる金属は、錫、銅、ニッケル、及び白金からなる群から選択される少なくとも１種であることを特徴する請求項２に記載の半導体素子。
【請求項４】
基板、基板の一主面上に設けられた配線部、及び該配線部上にナノカーボンを含有するはんだ接合部を介して実装された少なくとも１つの半導体チップを含む電子部品を加熱しながら、該電子部品の温度分布を測定し、及び
該温度分布の測定データに基づいてはんだ接合部の劣化を検出することを含むはんだ接合部の劣化診断方法。
【請求項５】
前記ナノカーボンは金属めっきにより表面処理されている請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記表面処理に用いられる金属は、銅、ニッケル、及び白金からなる群から選択される少なくとも１種であることを特徴する請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記温度分布は、サーモグラフィー、あるいは温度測定装置により計測されることを特徴とする請求項４ないし６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記劣化の検出は、前記温度分布の測定データから、時間経過の温度差分を抽出して解析することにより行われることを特徴とする請求項４ないし７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
加熱は、誘導加熱である請求項４ないし８のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体装置、及び種々の電子部品に実装される素子、チップなどのはんだ接合部の劣化及び寿命検出に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、一般に、電車、自動車、エレベータ等のドライブシステムに搭載される半導体装置は、半導体装置基板が樹脂モールドされており、その樹脂モールド内部には、シリコンのポッティング材が充填されている。この様にシリコンで充填されているはんだ接合部の劣化及び寿命検出を行う場合には、例えば、ポッティング材をすべて除去し、部品の接合部を拡大鏡などを用いて観察して判定することができる。しかしながら、ポッティング材をすべて除去するためには、除去液を準備し、浸漬して、数時間〜場合によっては数日間浸漬が必要となる。さらに、ポッティング材をすべて除去した後には、部品の接合部を観察して判定するには相当時間が掛かる。
【０００３】
また、例えば、き裂の検出方法として、はんだクラックが発生したはんだ接合部に含浸油を真空含浸させ、真空含浸前及び真空含浸後のはんだ接合部の重量を測定し、重量の変化量によりはんだクラックの大きさを非破壊の状態で測定する方法がある。しかしながら、き裂が微細であると、重量変化が少なく誤差が生じやすい。さらにポッティング材が完全に除去できなければ、き裂内部への油の含浸もできず、測定結果における誤差が大きくなる傾向がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３６６１７１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の実施形態は、非破壊により、はんだ接合部の劣化を容易に診断することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態によれば、基板、基板の一主面上に設けられた配線部、及び該配線部上にナノカーボンを含有するはんだ接合部を介して実装された少なくとも１つの半導体チップを含む電子部品を加熱しながら、該電子部品の温度分布を測定し、及び
該温度分布の測定データに基づいてはんだ接合部の劣化を検出することを含むはんだ接合部の劣化診断方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施態様に係る半導体素子の構成の一例を表す図である。
【図２】図１に示す絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ素子の一部を正面から見た図である。
【図３】図２のＡ−Ａ’断面を部分的に表す模式図である。
【図４】はんだ接合層中のナノカーボンの様子を例示するモデル図である。
【図５】図４を部分的に拡大して表すモデル図である。
【図６】サンプルの一実施形態の外観を表す写真である。
【図７】実施形態のはんだ接合部の温度分布を表すデータ画像の写真である。
【図８】実施形態のはんだ接合部の温度分布を表すデータ画像の写真である。
【図９】サンプルの一実施形態の外観を表す写真である。
【図１０】実施形態のはんだ接合部の温度分布を表すデータ画像の写真である。
【図１１】実施形態のはんだ接合部の温度分布を表すデータ画像の写真である。
【図１２】サンプルの一実施形態の外観を表す写真である。
【図１３】実施形態のはんだ接合部の温度分布を表すデータ画像の写真である。
【図１４】実施形態のはんだ接合部の温度分布を表すデータ画像の写真である。
【図１５】実施形態のはんだ接合部の温度分布を表すデータ画像の写真である。
【図１６】実施形態のはんだ接合部の温度分布を表すデータ画像の写真である。
【図１７】はんだ接合層中のその他のナノカーボンの様子を例示するモデル図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
実施形態にかかる半導体素子は、基板と、基板の一主面上に設けられた配線部と、及び該配線部上にはんだ接合部を介して実装された少なくとも１つの半導体チップを含む半導体実装部品とを含む。
【０００９】
使用されるナノカーボンを含有するはんだ接合部を含有する。
【００１０】
ナノカーボンを含有することにより、はんだ接合部の熱伝導率を向上させることができる。
【００１１】
また、実施形態にかかるはんだ接合部の劣化診断方法は、はんだ接合部を含む電子部品を加熱しながら、電子部品の温度分布を測定すること、及び
温度分布の測定データに基づいてはんだ接合部の劣化を検出することを含む。
【００１２】
電子部品は、基板、基板の一主面上に設けられた配線部、及び配線部上にはんだ接合部を介して実装された少なくとも１つの半導体チップを含む。
【００１３】
はんだ接合部は、ナノカーボンを含有する。
【００１４】
実施形態にかかるはんだ接合部の劣化診断方法では、半導体装置やダイオードの半導体やパワー素子やプリント基板などに実装される部品などのはんだ接合部に使用されるはんだ材料にナノカーボンを添加して、接合部の熱伝導率を向上させる。ナノカーボンを含有するはんだ接合部を用いた電子部品を加熱すると、はんだ接合部において、劣化によりき裂あるいは及び剥離などが発生した部分の温度は上昇しにくく、その周囲の部分の温度は迅速に上昇する。これにより、加熱時間経過における比較的初期の段階でそれぞれの部分の温度差が顕著になる。温度差が顕著になった時点の温度分布を測定すると、はんだ接合部の劣化や剥離がより一層顕在化される。このようにして、実施形態にかかるはんだ接合部の劣化診断方法によれば、温度分布の測定データに基づいて、非破壊で、はんだ接合部の劣化を容易に検出することが可能となり、及びはんだ接合部の寿命の評価を容易に行うことが可能となる。また、劣化の検知及び寿命の評価の信頼性も高くなる。
【００１５】
使用されるナノカーボンには、金属めっきにより表面処理を行うことができる。
【００１６】
表面処理に使用される材料として、例えばＳｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、及びＰｔ等から選択される少なくとも１種の金属を使用することができる。表面処理を行うことにより、はんだとの分散性を良好にして、はんだ接合部内でナノカーボンを均一に分散することができる。めっきは、一種類または複合めっきのどちらでも良い。
【００１７】
温度分布は、サーモグラフィー、あるいは温度測定装置により計測することができる。
【００１８】
加熱は、高周波誘導加熱、及び電磁誘導加熱などの誘導加熱により行なうことができる。誘導加熱を用いると、ポッティング剤を取り除くことなく、はんだ接合部の効率の良い加熱が可能となる。
【００１９】
はんだ接合部の劣化診断を行うためには、まず、温度分布の測定データから時間経過の温度差分を抽出し、その後、抽出されたデータを解析することにより、はんだ接合部の劣化を検出することができる。また、このデータの解析により、はんだ接合部の寿命を評価することも可能である。例えばサーモグラフィーの場合、温度分布の測定データを画像表示して、得られたデータ画像から時間経過の温度差分を抽出し、き裂、剥離等の発生している箇所を特定して、き裂の長さや大きさを計測することにより、温度分布の測定データの解析を行うことができる。
【００２０】
以下、図面を参照し、実施形態をより詳細に説明する。
【００２１】
図１に、実施態様に係る半導体素子の構成の一例を表す図を示す。
【００２２】
図示するように、この半導体素子２０は、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ素子であって、放熱基板１５上に、はんだ接合層１７により接合された、基板２１、基板２１上に設けられた配線部２２，はんだ接合部２３及び半導体チップ１６，２４を含む半導体実装部品３０が設けられている。半導体チップ１６，２４は、主電極にダイレクトボンディング１３により接合されている。半導体チップ２４は、端子２７にボンディングされている。ここで、半導体チップ１６としてファーストリカバリーダイオード（ＦＲＤ）チップ、半導体チップ２４として絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）チップを使用することが出来る。さらに、被覆層２５で被覆された半導体実装部品３０上には絶縁性ゲル１１が充填され、放熱基板１５上に設けられたケース１８により封止されている。
【００２３】
ここで、少なくともはんだ接合部２３は、ナノカーボンを含有するはんだで形成されている。
【００２４】
ナノカーボンとしては、例えば１００ｎｍないし９００ｎｍの大きさを有するものを使用できる。
【００２５】
ナノカーボンとしては、例えばナノカーボンフィラー、及びカーボンナノチューブ等を用いることができる。
【００２６】
ナノカーボンの添加量は、はんだ材料の重量に対し０．１ないし１．０重量％にすることができる。
【００２７】
図２に、図１に示す絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ素子の一部を正面から見た図を示す。
【００２８】
図２では、便宜上、絶縁性ゲル１１、及びケース１８は取り除いている。
【００２９】
ここで、図１は、図２のＸ−Ｘ’断面図に相当する。
【００３０】
図示するように、この絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ素子２０は、絶縁基板２１と、その上に設けられた、コレクタ端子３１，ゲート端子３２，エミッタ端子３３、及び図示しない接合部を介して形成されたＦＲＤチップ１６及びＩＧＢＴチップ２４を有する。ＦＲＤチップ１６及びＩＧＢＴチップ２４、各々、コレクタ端子３１，ゲート端子３２，エミッタ端子３３と接続されている。
【００３１】
図示するように、この絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ素子２０は、絶縁基板２１と、その上に設けられた、コレクタ端子３１，ゲート端子３２，エミッタ端子３３、及び図示しない接合部を介して形成されたＦＲＤチップ１６及びＩＧＢＴチップ２４を有する。ＦＲＤチップ１６及びＩＧＢＴチップ２４は、各々、コレクタ端子３１，ゲート端子３２，エミッタ端子３３と接続されている。
【００３２】
図３に、図２のＡ−Ａ’断面を部分的に表す模式図を示す。
【００３３】
Ａ−Ａ’断面図には、実施形態に係るエミッタ端子３３周囲の断面の様子が記載されている。
【００３４】
ここでは、ＡｌＳｉＣからなる約４ｍｍの厚さを有する放熱基板１５上に、約５０μｍの厚さを有する例えばＳｎ−３７質量％Ｐｂはんだからなる錫−鉛はんだ接合層４７により接合された約０．２９ｍｍの銅配線層４８、銅配線層の上に設けられた約１ｍｍの厚さを有するＡｌＮ絶縁基板４１、ＡｌＮ絶縁基板４１上に設けられたもう１つの銅配線層４２，銅配線層４２上に設けられた、例えばＳｎ−３７質量％Ｐｂはんだと、ナノカーボンフィラーとからなるナノカーボン含有錫−鉛はんだ接合部４３、及び厚さ１．２ｍｍのエミッタ端子３３が設けられている。
【００３５】
エミッタ端子３３上には図示しない絶縁性ゲルが充填され、放熱基板１５上に設けられたケースにより封止されている。
【００３６】
図４は、はんだ接合層中のナノカーボンの様子を例示するモデル図である。
【００３７】
図示するように、実施形態に使用されるはんだ接合層４９中では、ナノカーボンフィラー５０が分散されている様子がわかる。
【００３８】
図５は、図４を部分的に拡大して表すモデル図である。
【００３９】
図示するように、ナノカーボンフィラー５０は、ナノカーボンフィラー本体５１表面に、金属めっきにより表面処理層５２が形成されている。
【００４０】
実施例
図２と同様の構成を有する半導体パワー素子を用意し、各々、熱疲労試験として、Δｔ  ７０℃で１万回のＯＮ−ＯＦＦサイクルを実施した。
【００４１】
使用されるはんだは、錫−鉛はんだと、錫−鉛はんだに対し１重量％添加された数百ｎｍの大きさを持つナノカーボンフィラーとからなり、ナノカーボンフィラーには、０．１μｍ程度のＮｉがめっきされている。
【００４２】
熱疲労試験により劣化された種々のサンプルについて、誘導加熱装置により下面から加熱し、サーモグラフにより劣化の状態を観察した。
【００４３】
実施例１
実施例１では、サンプル１として、図１の半導体チップ２４と同様の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）チップを使用し、劣化の検知を行った。
【００４４】
図６は、サンプル１の外観を表す写真である。
【００４５】
図示するように、サンプル１の外観から、はんだ接合部に開口したき裂が発生していることが確認できる。
【００４６】
図７に、加熱の初期段階におけるはんだ接合部の温度分布を表すデータ画像の写真を示す。
【００４７】
図７における加熱時間は約４５秒である。
【００４８】
図８に、加熱から３０秒経過後のはんだ接合部の温度分布を表すデータ画像の写真を示す。
【００４９】
熱疲労試験によりはんだ接合部に劣化が発生している部分とその周囲には、数秒で、図７に示すように、中温を表す橙色の部分と低温を表す青い部分とがみられた。図６の外観で確認すると、図７において、き裂の無い部分は橙色、開口したき裂のある部分は青くなっていることがわかる。時間経過後のデータ画像では、初期段階で橙色の部分が高温を示す赤い色となり、低温を表す部分は青い部分の範囲が初期段階よりも狭くなっている。
【００５０】
実施形態にかかる半導体素子及び劣化診断方法を用いると、き裂の発生が加熱の初期段階で十分確認できることがわかる。劣化に関しては、この青い部分の面積が広ければ、劣化が進行していることがわかり、寿命診断においては、この青い部分の長さを計測し、剥離した部分と残存した部分からきれつ進展速度を算出して、残像寿命を算出することができる。
【００５１】
実施例２
図９は、サンプル２の外観を表す写真である。
【００５２】
図示するように、サンプル２では、サンプル１の外観よりも、はんだ接合部に開口したき裂がサンプル１よりも小さい。
【００５３】
図１０に、加熱の初期段階におけるはんだ接合部の温度分布を表すデータ画像の写真を示す。
【００５４】
図１０における加熱時間は約４５秒である。
【００５５】
図１１に、３０秒経過後のはんだ接合部の温度分布を表すデータ画像の写真を示す。
【００５６】
図９ないし図１１に示すように、劣化が少なく、きれつによる開口が余り無いサンプルにおいても、図示するように、き裂の無い部分は橙色、き裂のある部分は青色になっていることが加熱の初期段階で十分確認できる。これによって、青い部分の長さを計測して、劣化がどこまで進んでいるか、余寿命はどのくらいかを非破壊で容易に把握することができる。なお、誘導過熱装置を用いることにより、金属部分だけが加熱されるため、ポッティングのシリコンが充填されている状態でも接合部の温度分布を取得することができ、劣化の検出が可能となる。
【００５７】
実施例１及び２では、カーボンナノフィラーにＮｉめっきを行ったが、カーボンナノフィラーにＮｉめっきの代わりにＣｕめっき行ったものを使用しても同様の結果が得られた。
【００５８】
比較例１
比較として、ナノカーボンを全く添加していないＳｎＰｂはんだを使用したはんだ接合層を有する半導体チップの劣化観察結果を図１２ないし図１４に示す。
【００５９】
なお、比較のサンプル３としては、サンプル１，２と同様のＩＧＢＴチップのサンプルが無いため、別なサンプルとしてナノカーボン含有錫−鉛はんだ接合部をナノカーボンを含有しないＳｎＰｂはんだを用いること以外は図３と同様の構成を有するエミッタ端子で評価した。
【００６０】
図１２は、サンプル３の外観を表す写真である。
【００６１】
図１３に、加熱の初期段階におけるはんだ接合部の温度分布を表すデータ画像の写真を示す。
【００６２】
図１３における加熱時間は約４５秒である。
【００６３】
図１４に、３０秒経過後のはんだ接合部の温度分布を表すデータ画像の写真を示す。
【００６４】
図１２ないし図１４に示すように、約３０秒後では、中温を表す橙色が出ているが、低温を表す青色がはっきり出ていない。外観を観ると、劣化してかなりのき裂が発生・進展・開口しているにもかかわらず、時間経過後は、温度部分としては、赤い部分が多くを占めている結果となった。つまり、加熱により温度ムラが発生し、温度分布データを計測しても、正確な劣化および寿命を算出することができず、診断ができないことがわかる。
【００６５】
一方、実施例１及び２のようにナノカーボンを添加したはんだ材料を用いた場合には、加熱することにより、短時間で劣化検出と寿命診断が可能となる。さらに、誘導加熱を用いることにより、金属部分だけが加熱され、より顕著な温度部分画像が取れることができることから、この組み合わせも重要である。
【００６６】
また、図１２と同様の外観を有するサンプルを２つ用意した。２つのサンプルのうち一方にはナノカーボン入りのはんだ接合材料を適用し、他方にはナノカーボン無しのはんだ材料を適用した。２つのサンプルを３０秒間加熱した場合サーモグラフ像を、各々図１５、及び図１６に示す。得られたサーモグラフ像の温度分布を確認すると、ナノカーボンが添加されたはんだ接合材料（図１５）を用いると、ナノカーボン無しのはんだ材料（図１６）を用いた場合と比較して、加熱部分が顕著であり、加熱速度が速いことがわかる。
【００６７】
図１７は、はんだ接合層中のその他のナノカーボンの様子を例示するモデル図である。
【００６８】
実施例及び比較例では、ナノカーボンの表面処理を実施しているが、表面処理をしないナノカーボンを使用した場合は、ナノカーボンが図１７の模式図のように凝集して分散し難くなる。はんだ接合部の抵抗および熱伝導率を低下させないためには、ナノカーボンをＳｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｔなどの導電性の良好な金属でめっきして表面処理することが有効である。
【００６９】
実施形態によれば、半導体装置のはんだ接合部やプリント基板実装部品のはんだ接合部に、ナノカーボン材料を添加したはんだを使用し、温度分布による画像を基に、非破壊によりはんだの劣化および寿命を容易に診断することができる。また、実施形態にかかるはんだ接合部の劣化診断方法では、ポッティング材料などの除去も不要にできる。さらに、実施形態によれば、製品の信頼性向上が図れ、トラブルの未然防止が可能となる。
【００７０】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００７１】
２１，４１…基板、２２，４２，４８…配線部、２３，４３…はんだ接合部、２４…ＩＧＢＴチップ、３３…エミッタ端子
【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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