(57)【要約】【課題】はんだ箔及び治具を用いずに半導体素子と基板とが接合されていて、はんだ付け箇所に生じる気泡が効果的に低減された半導体付基板を提供すること。【解決手段】リードフレーム１０に、平面視でＩＧＢＴ２０と重なる重合領域Ｇの外側から溶融糸はんだ４０を注入する注入口１１ｃと重合領域Ｇの中央部から溶融糸はんだ４０を排出する排出口１１ｄとを有する連通孔が形成されている。ＩＧＢＴ２０は、リードフレーム１０に固定された金バンプ１４によりリードフレーム１０に対して浮いた状態で、注入口１１ｃから注入された溶融糸はんだ４０が排出孔１１ｄから排出されてＩＧＢＴ２０とリードフレーム１０との間の充填スペースＳＰに充填されることにより、リードフレーム１０に接合されている。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に対してはんだを用いて半導体素子が接合された半導体付基板において、
前記基板に、平面視で前記半導体素子と重なる重合領域の外側から溶融した糸はんだを注入する注入口と前記重合領域の中央部から前記溶融した糸はんだを排出する排出口とを有する連通孔が形成され、
前記半導体素子は、前記基板に接合された固定部材により前記基板に対して浮いた状態で、前記注入口から注入された溶融した糸はんだが前記排出口から排出されて前記半導体素子と前記基板との間の充填スペースに充填されることにより、前記基板に接合されていることを特徴とする半導体付基板。
【請求項２】
請求項１に記載する半導体付基板において、
前記連通孔は、前記基板の板厚方向の断面において幅が広い上段溝部と幅が狭い下段溝部とを有する段付溝が形成され、前記上段溝部に蓋部材が配置されて形成されたものであることを特徴とする半導体付基板。
【請求項３】
請求項２に記載する半導体付基板において、
前記蓋部材は、前記上段溝部に複数の金バンプが整列して配置されたものであることを特徴とする半導体付基板。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れかに記載する半導体付基板において、
前記基板は、前記重合領域を囲んでいて前記溶融した糸はんだの流動を規制する流動規制部を有することを特徴とする半導体付基板。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４の何れかに記載する半導体付基板において、
前記固定部材は、金バンプであることを特徴とする半導体付基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
基板に対してはんだを用いて半導体素子が接合された半導体付基板に関し、特に、はんだ付け箇所に生じる気泡が効果的に低減された半導体付基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記した半導体付基板を製造する場合、例えば、はんだ箔を用いてリードフレームに半導体素子を接合する方法が知られている。この方法では、図１０に示したように、先ず位置決め治具（図示省略）を用いてはんだ箔１３０をリードフレーム１１０の上に配置して、更に半導体素子１２０をはんだ箔１３０の上に配置する。その後に、ワーク全体をリフロー炉に通して、はんだ箔１３０を溶融させる。これにより、半導体素子１２０とリードフレーム１１０とを接合させることができる。
【０００３】
しかし、上述したように半導体付基板を製造する場合、はんだ箔１３０を配置するときに位置決め治具を用いる必要があり、更にワーク全体をリフロー炉に通す必要があるため、製造工程が多くなっている。また、はんだ箔１３０が溶融するときに、ランダムに溶融が始まって、発生した気泡（ボイド）が逃げ場を失い、はんだ付け箇所に気泡が残留し易くなっていた。なお、はんだ付け箇所に気泡が残留している場合には、半導体素子と基板との接合強度が低下するとともに、発熱する半導体素子から基板への熱の伝達が妨げられるため、好ましくない。
【０００４】
そこで、はんだ箔を用いないで半導体付基板を製造する方法が、例えば、下記特許文献１に記載されている。下記特許文献１では、図１１（ａ）に示したように、マウント治具２３０を用いて半導体素子２２０を基板２１０に対して微小隙間だけ浮かせた状態で、この微小隙間に溶融したはんだ２４０を流し込む。これにより、図１１（ｂ）に示したように、溶融したはんだ２４０が半導体素子２２０の一端側（図１０の右側）から気泡２５０を逃がしながら広がって、はんだ付け箇所に発生する気泡を少なくすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２０３７０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記特許文献１に記載されたように、半導体付基板を製造しても、溶融したはんだ２４０が回り込んで、図１１（ｃ）に示したように、気泡２５０がはんだ付け箇所に残留する場合があった。また、マウント治具２３０を用いて半導体素子２２０を基板２１０に対して浮かす必要があるため、作業負担が大きかった。
【０００７】
本発明は、上記した課題を解決すべく、はんだ箔及び治具を用いずに半導体素子と基板とが接合されていて、はんだ付け箇所に生じる気泡が効果的に低減された半導体付基板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】
【０００８】
本発明に係る半導体付基板は、基板に対してはんだを用いて半導体素子が接合されたものであって、前記基板に、平面視で前記半導体素子と重なる重合領域の外側から溶融した糸はんだを注入する注入口と前記重合領域の中央部から前記溶融した糸はんだを排出する排出口とを有する連通孔が形成され、前記半導体素子は、前記基板に接合された固定部材により前記基板に対して浮いた状態で、前記注入口から注入された溶融した糸はんだが前記排出口から排出されて前記半導体素子と前記基板との間の充填スペースに充填されることにより、前記基板に接合されていることに特徴がある。
【０００９】
また、本発明に係る半導体付基板において、前記連通孔は、前記基板の板厚方向の断面において幅が広い上段溝部と幅が狭い下段溝部とを有する段付溝が形成され、前記上段溝部に蓋部材が配置されて形成されたものであっても良い。
この場合において、前記蓋部材は、前記上段溝部に複数の金バンプが整列して配置されたものであることが好ましい。
【００１０】
また、本発明に係る半導体付基板において、前記基板は、前記重合領域を囲んでいて前記溶融した糸はんだの流動を規制する流動規制部を有することが好ましい。
また、本発明に係る半導体付基板において、前記固定部材は、金バンプであることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
よって、本発明の半導体付基板によれば、半導体素子が基板に接合された固定部材によって基板に対して浮いた状態で、溶融した糸はんだが排出口から排出して充填スペースに充填されるため、はんだ箔及び治具を用いずに半導体素子と基板とが接合されている。また、排出口から排出される溶融した糸はんだは気泡を逃がしながら広がるため、はんだ付け箇所に発生する気泡が少ない。特に、溶融した糸はんだは重合領域の中央部から波紋が広がるように流れるため、溶融した糸はんだが重合領域の一端側から流れる場合に比して、溶融した糸はんだの移動距離が短い。この結果、溶融した糸はんだは気泡が生じるように回り込むことが減るため、はんだ付け箇所に生じる気泡が効果的に低減されている。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１実施形態における半導体付基板を示した斜視図である。
【図２】図１に示したリードフレームとＩＧＢＴとの接合部位を拡大した斜視図である。
【図３】図２のＡ−Ａ断面図である。
【図４】図２のＢ−Ｂ断面図である。
【図５】ボールボンダ装置によって金バンプが形成される状態を示した図である。
【図６】リードフレームに段付溝が形成された状態を示した図である。
【図７】段付溝の上段溝部に金バンプが配置され、アルミ片の上に金バンプが配置された状態を示した図である。
【図８】充填スペースに溶融糸はんだが充填される状態を示した図である。
【図９】第２実施形態におけるリードフレームに、注入口と排出口とを有する連通孔が形成された状態を示した図である。
【図１０】はんだ箔を用いて半導体素子とリードフレームとを接合する従来の工程図である。
【図１１】マウント治具を用いて半導体素子と基板との間の微小隙間に溶融したはんだを流し込む従来の工程図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
次に、本発明に係る半導体付基板の実施形態について、図面を参照しながら以下に説明する。図１は、半導体付基板１を示した斜視図であり、この半導体付基板１では、リードフレーム１０に対してＩＧＢＴ（半導体素子）２０及びダイオード（半導体素子）３０が糸はんだ４０を用いて接合されている。
【００１４】
リードフレーム１０は、ＩＧＢＴ２０及びダイオード３０を支持するものであり、外部配線と接続される部品である。このリードフレーム１０は、例えば銅合金で構成された薄板であって、ダイパッド、インナーリード（図示省略）、アウターリード（図示省略）などで構成されている。ＩＧＢＴ２０及びダイオード３０は、共にインバータ回路を構成する電子部品である。ここで、ＩＧＢＴ２０とリードフレーム１０との接合部位の構成と、ダイオード３０とリードフレーム１０との接合部位の構成とは、同様であるため、ＩＧＢＴ２０とリードフレーム１０との接合部位の構成についてのみ説明し、ダイオード３０とリードフレーム１０との接合部位の構成については、同一符号を付して説明を省略する。
【００１５】
図２は、図１に示したリードフレーム１０とＩＧＢＴ２０との接合部位を拡大した斜視図である。また、図３は、図２のＡ−Ａ断面図であり、図４は、図２のＢ−Ｂ断面図である。リードフレーム１０は、図２〜図４に示したように、溶融した糸はんだ４０（以下、「溶融糸はんだ４０」と適宜省略する）を通過させるための段付溝１１を有している。段付溝１１は、平面視でリードフレーム１０とＩＧＢＴ２０とが重なる重合領域Ｇ（図３及び図４参照）の外側から重合領域Ｇの中央部へ直線状に延びていて、図３に示したように、幅が広い上段溝部１１ａと幅が狭い下段溝部１１ｂとを有している。即ち、段付溝１１は、下に凸形状の溝である。
【００１６】
そして、段付溝１１の上段溝部１１ａには、両端部を除いて複数個（この実施形態においては４個）の金バンプ１２（蓋部材）が整列して配置されている。これにより、重合領域Ｇの外側に位置する段付溝１１の一端部に、溶融糸はんだ４０が注入される注入口１１ｃが形成され、重合領域Ｇの中央部に位置する段付溝１１の他端部に、溶融糸はんだ４０が排出される排出口１１ｄが形成されている。即ち、リードフレーム１０に注入口１１ｃと排出口１１ｄとを有する連通孔が形成されている。
【００１７】
金バンプ１２は、段付溝１１の下段溝部１１ｂの上方に蓋をするためのものであり、ボールボンダ装置によって形成されるものである。ところで、溶融糸はんだ４０を段付溝１１の注入口１１ｃから注入するとき、下段溝部１１ｂを流れる溶融糸はんだ４０が熱を奪われて固まることを防止するために、リードフレーム１０は予め温められている（プレヒートされている）。このとき、金バンプ１２は、熱伝導率が良いため、リードフレーム１０からの熱を溶融糸はんだ４０に効率的に伝達することができる。従って、下段溝部１１ｂの上方に蓋をする蓋部材として、熱伝導性の観点において金バンプ１２を用いることが好ましく、更に導電性及び高温信頼性の観点においても金バンプ１２を用いることが好ましい。
【００１８】
ここで、ボールボンダ装置によって形成される金バンプ１２について、図５を用いて説明する。先ず、図５（ａ）に示したように、金ワイヤ５１の先端を放電溶融させて、ボール５２を形成する。なお、放電溶融を行う際に、印加電圧を変化させることによって、ボール５２の大きさをコントロールすることができる。次に、図５（ｂ）に示したように、ボール５２をキャピラリ５３（超音波印加ツール）の超音波によって平板部材の上に設け、金ワイヤ５１を切断する。続いて、図５（ｃ）に示したように、先端が平らなレベリングツール５４によって、金バンプ１２の高さを均一にする。こうして、平板部材の上に先ず、直径が上段溝部１１ａの幅より小さく且つ高さが上段溝部１１ａの深さより大きい金バンプ１２を形成しておく。その後、この金バンプ１２を上段溝部１１ａに押し込み、金バンプ１２を拡径させながら上段溝部１１ａの底面に接合させる。このような作業を繰り返して、４個の金バンプ１２を上段溝部１１ａに整列して配置する。なお、金バンプ１２を上段溝部１１ａに押し込むとき、金バンプ１２が下段溝部１１ｂに入り込むおそれがあるが、入り込む量が少ないため問題にならない。
【００１９】
また、リードフレーム１０において、図３及び図４に示したように、ＩＧＢＴ２０の四隅に対応する部位に、アルミ片１３（図６参照）がそれぞれ接合され、各アルミ片１３の上に、金バンプ１４（固定部材）がそれぞれ接合されている。各アルミ片１３は、各金バンプ１４の配置位置を定めるものであり、ワイヤボンディング等によってリードフレーム１０に接合されている。各金バンプ１４は、ＩＧＢＴ２０をリードフレーム１０に対して板厚方向に所定量だけ浮かせるものであり、上述したボールボンダ装置によって同様に形成される。このようにして、リードフレーム１０とＩＧＢＴ２０との間に溶融糸はんだ４０が充填される微小な充填スペースＳＰが形成される。また、各アルミ片１３及び各金バンプ１４を用いることで、治具を用いずに、ＩＧＢＴ２０のリードフレーム１０に対する取付位置を定めることができる。
【００２０】
糸はんだ４０は、ＩＧＢＴ２０とリードフレーム１０とを接合するためのものであり、図１〜図４に示した状態では硬化している。この糸はんだ４０は、図示しないはんだ供給ツールを用いて、溶融された状態で注入口１１ｃから注入される。その後、溶融糸はんだ４０は、段付溝１１の下段溝部１１ｂを流れて、排出口１１ｄから排出され、充填スペースＳＰに充填されるようになっている。溶融糸はんだ４０は、注入口１１ｃに注入するはんだ材として飛散量が少なく流し易いものであるため、最適である。なお、注入された溶融糸はんだ４０は、段付溝１１の下段溝部１１ｂを流れるとき、隣り合う金バンプ１２の隙間（図４の矢印Ｘ参照）から上方に僅かに漏れるおそれがある。しかし、隣り合う金バンプ１２の隙間の上方は、はんだが充填される部分であるため、この隙間から溶融糸はんだ４０が漏れたとしても問題にならない。
【００２１】
ところで、充填スペースＳＰに充填される溶融糸はんだ４０の量は、充填スペースＳＰの大きさと段付溝１１の大きさと金バンプ１２の大きさに基づいて、予め最適な量が設定されている。このため、はんだ供給ツールは、充填される溶融糸はんだ４０の量が最適な量になるように、溶融糸はんだ４０の供給速度及び供給時間をコントロールしている。しかし、実際には、充填される溶融糸はんだ４０の量が最適な量より多い場合がある。この場合に、溶融糸はんだ４０がリードフレーム１０のはんだ進入禁止領域に流れることを防止するため、リードフレーム１０は流動規制溝１５を有している。流動規制溝１５は、溶融糸はんだ４０の流動を規制するためのものであり、重合領域Ｇを囲む環状溝である。
【００２２】
次に、上記のように構成された半導体付基板１の製造手順について、図６〜図８を用いて説明する。図６は、リードフレーム１０に段付溝１１が形成された状態を示した図である。先ず、第１切削加工ツール（図示省略）が、リードフレーム１０の表面に対して、重合領域Ｇの外側の位置から重合領域Ｇの中央部の位置まで上段溝部１１ａを形成する。そして、第１切削加工ツールより幅が狭い第２切削加工ツール（図示省略）が、上段溝部１１ａの底面中央に対して、下段溝部１１ｂを形成する。こうして、上段溝部１１ａと下段溝部１１ｂとを有する段付溝１１が形成される。また、各アルミ片１３は、リードフレーム１０の表面に対して、ＩＧＢＴ２０の四隅に対応する部位にワイヤボンディングによって接合される。更に、第３切削加工ツール（図示省略）が、リードフレーム１０の表面に対して、重合領域Ｇの外側に環状の流動規制溝１５を形成する。なお、段付溝１１及び流動規制溝１５は、切削加工ではなくレーザー加工によって形成されても良い。
【００２３】
次に、図７は、金バンプ１２及び金バンプ１４が配置された状態を示した図である。上述したように、段付溝１１を形成した後、ボールボンダ装置（図５参照）によって形成された４個の金バンプ１２を、段付溝１１の上段溝部１１ａに対して、両端部を除いて配置する。更に、ボールボンダ装置によって形成された合計８個の金バンプ１４を、各アルミ片１３の上に二段ずつ配置する。ここで、形成される二段の金バンプ１４の高さは、リードフレーム１０とＩＧＢＴ２０との間の隙間、即ち充填スペースＳＰを規定するものであるため、レベリングツール５４（図５（ｃ）参照）によって正確に調整される。
【００２４】
続いて、図８は、充填スペースＳＰに溶融糸はんだ４０が充填された状態を示した図である。上述したように、金バンプ１２及び金バンプ１４を形成した後、ＩＧＢＴ２０の四隅を各金バンプ１４の上に配置する。そして、はんだ供給ツール（図示省略）が、注入口１１ｃに最適な量の溶融糸はんだ４０を注入する。これにより、注入された溶融糸はんだ４０は、毛細管現象により、段付溝１１の下段溝部１１ｂを流れ、段付溝１１の排出口１１ｄから排出される。この結果、排出された溶融糸はんだ４０は、重合領域Ｇの中央部から波紋が広がるように流れ、流動規制溝１５の直前まで濡れ広がる。その後、溶融糸はんだ４０は硬化して、図２に示したように、リードフレーム１０に対してＩＧＢＴ２０が接合された半導体付基板１が製造される。
【００２５】
上記のように構成された半導体付基板１の作用効果について説明する。上述したように、ＩＧＢＴ２０が各金バンプ１４によってリードフレーム１０に対して浮いた状態で、溶融糸はんだ４０が排出口１１ｄから排出して充填スペースＳＰに充填されるため、はんだ箔及び治具を用いずにＩＧＢＴ２０とリードフレーム１０とが接合されている。また、排出口１１ｄから排出される溶融糸はんだ４０は気泡を逃がしながら広がるため、はんだ付け箇所に発生する気泡が少ない。特に、溶融糸はんだ４０は重合領域Ｇの中央部から波紋が広がるように流れるため、溶融糸はんだ４０が重合領域Ｇの一端側から流れる場合に比して、溶融糸はんだ４０の移動距離が短い。この結果、溶融糸はんだ４０は気泡が生じるように回り込むことが減るため、はんだ付け箇所に生じる気泡が効果的に低減されている。よって、この半導体付基板１は、気泡によって生じるデメリットを防止したもの、即ち、ＩＧＢＴ２０とリードフレーム１０との接合強度の低下を防止し、発熱するＩＧＢＴ２０からリードフレーム１０へ熱の伝達が妨げられることを防止したものである。
【００２６】
次に、第２実施形態について、図９を用いて説明する。第１実施形態では、図７に示したように、段付溝１１の上段溝部１１ａに複数の金バンプ１２を配置することによって、注入口１１ｃ及び排出口１１ｄを構成した。しかし、この第２実施形態では、図９に示したように、連通孔１６を形成することによって注入口１１ｃ及び排出口１１ｄを構成している。
【００２７】
連通孔１６は、リードフレーム１０の平面方向に延びる第１穴部１６ａと、リードフレーム１０の板厚方向に延びる第２穴部１６ｂとを有している。第１穴部１６ａは、リードフレーム１０の側面から重合領域Ｇの中央部に向けて直線状に延びていて、穴開け加工によって形成される。第２穴部１６ｂは、重合領域Ｇの中央部でリードフレーム１０の表面から板厚方向に直線状に延び、第１穴部１６ａと連通していて、穴開け加工によって形成される。このようにして、連通孔１６の一端部が注入口１１ｃであり、連通孔１６の他端部が排出口１１ｄである。第２実施形態のその他の構成は、第１実施形態の構成と同様であるため、第１実施形態と同一部分について同一符号を付して、説明を省略する。また、第２実施形態の作用効果は、第１実施形態の作用効果と同様であるため、その説明を省略する。
【００２８】
以上、本発明に係る半導体付基板について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、各実施形態において、溶融糸はんだ４０の流動を規制する流動規制部を流動規制溝１５で構成したが、流動規制部は流動規制溝１５に限定されるものではなく、例えば溶融糸はんだ４０をはじくメッキ層であっても良い。また、流動規制部を設けなくても良い。
【００２９】
また、各実施形態において、半導体素子２０，３０を接合する基板はリードフレーム１０であるが、基板はリードフレーム１０に限定されるものではなく、例えば絶縁基板であっても良い。
また、各実施形態において、段付溝１１の上段溝部１１ａに配置される蓋部材を金バンプ１２で構成したが、蓋部材は金バンプ１２に限定されるものではなく、適宜変更可能である。
また、各実施形態において、ＩＧＢＴ２０をリードフレーム１０に対して浮かせる固定部材を金バンプ１４で構成したが、固定部材は金バンプ１４に限定されるものではなく、適宜変更可能である。
【符号の説明】
【００３０】
１        半導体付基板
１０      リードフレーム
１１      段付溝
１１ａ    上段溝部
１１ｂ    下段溝部
１１ｃ    注入口
１１ｄ    排出口
１２      金バンプ
１３      アルミ片
１４      金バンプ
１５      流動規制溝
１６      連通孔
２０      ＩＧＢＴ
３０      ダイオード
４０      糸はんだ（溶融糸はんだ）
【図１】
2012079724.tif 000003
【図２】
2012079724.tif 000004
【図３】
2012079724.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2012079724.tif 000009
【図８】
2012079724.tif 000010
【図９】
2012079724.tif 000011
【図１０】
2012079724.tif 000012
【図１１】
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