(57)【要約】【課題】ボイドの発生のない半田接合を短時間で行えるようにした半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】電極３に対して半導体素子５を半田６を介して接合するにあたり、電極３のうち半導体素子５が接合される領域に予め複数の貫通穴８を形成しておく。半田６による接合雰囲気条件として、半田６の融点以上の温度まで上昇させてその半田６を溶融させる昇温工程と、半田６の溶融状態を維持したまま接合雰囲気圧力を上記昇温工程よりも増加させる昇圧工程と、上記接合雰囲気温度を半田６の融点以下の温度まで下降させてその半田６を固化させる降温工程と、を含むものとした。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に対して半導体素子をろう接するようにした半導体装置の製造方法において、
上記基板のうち半導体素子が接合される領域に予め貫通穴を形成しておく一方、
ろう材による接合雰囲気条件として、
上記基板と半導体素子との間にろう材を挟んだ状態で接合雰囲気温度をろう材の融点以上の温度まで上昇させて当該ろう材を溶融させる昇温工程と、
接合雰囲気圧力を上記昇温工程よりも増加させる昇圧工程と、
上記昇圧工程で増加させた接合雰囲気圧力を維持しながら上記接合雰囲気温度をろう材の融点未満の温度まで下降させて当該ろう材を固化させる降温工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
上記半導体素子の中心に近い部分における貫通穴の開口面積よりも上記半導体素子の中心から遠い周縁部分における貫通穴の開口面積を大きく設定してある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】
上記基板には複数の貫通穴を形成してあり、
上記半導体素子の中心に近い部分における貫通穴の数よりも上記半導体素子の中心から遠い周縁部分における複数の貫通穴の数を多く設定してあることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
上記複数の貫通穴は共に同一の形状および同一の大きさのものであることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
上記基板には複数の貫通穴を形成してあり、
上記半導体素子の中心に近い部分における貫通穴の大きさよりも上記半導体素子の中心から遠い周縁部分における複数の貫通穴の大きさを大きく設定してあることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
上記半導体素子の中心から遠い周縁部分における複数の貫通穴の配置として、半導体素子の中心と同心円上に配置してあることを特徴とする請求項３〜５のいずれか一つ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】
本発明は半導体装置の製造方法に関し、特に基板に対して半導体素子を半田付け等でろう接（ろう付け）するようにした半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば電気自動車やハイブリッド車等の電動車用インバータに搭載される半導体装置として、電極として機能する基板に対して半導体素子を半田接合したものがある。そして、半田層にボイド（空隙）が発生しているようなことがあると、半導体素子の駆動時の発熱によって破壊に至るおそれがあることから、このボイドの解消を目的とした半導体装置の製造方法として、減圧下で半田接合を行うようにしたいわゆる脱泡工法のほかに、特許文献１に記載されているように、半田の溶融前に減圧して半田溶融後に復圧または加圧するいわゆる圧縮工法が提案されている。
【０００３】
より具体的には、上記特許文献１に記載された技術では、半導体素子とセラミック基板との間に半田を挟んだ状態で当該半田の固相線以下の温度にて減圧する一方、この減圧状態にて半田の液相線以上の温度まで加熱し、さらにこの加熱状態のままで上記減圧状態の圧力よりも高い圧力まで加圧した後、この加圧状態で半田を固化させるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２０５４１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に代表されるような圧縮工法では、雰囲気圧力が半田層の内部のボイドにまで伝わりにくいことから、ボイドを低減または解消しようとすると、半田の溶融状態を維持しつつ且つ雰囲気圧力の高い状態を長時間維持する必要があり、半田接合に要する時間が長くなる。この傾向は、溶融した半田の粘性が高い場合には一段と顕著となる。
【０００６】
本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、特にボイドの発生のないろう接を短時間で行えるようにした半導体装置の製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、基板のうち半導体素子が接合される領域に予め貫通穴を形成しておく一方、半田等のろう材による接合雰囲気条件として、ろう材の融点以上の温度まで上昇させて当該ろう材を溶融させる昇温工程と、接合雰囲気圧力を上記昇温工程よりも増加させる昇圧工程と、上記接合雰囲気温度をろう材の融点以下の温度まで下降させて当該ろう材を固化させる降温工程と、を含むものとした。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、基板のうち半導体素子が接合される領域に予め貫通穴が形成されているので、溶融したろう材層に含まれるボイドに対して雰囲気圧力が伝わりやすくなり、雰囲気圧力をもってボイドを押し潰すかたちで短時間のうちにそのボイドを低減または解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に係る半導体装置の製造方法が適用される半導体装置の一例を示す概略説明図。
【図２】図１の要部拡大説明図。
【図３】図２の縦断面拡大図。
【図４】半導体素子の駆動時の温度分布を示す説明図。
【図５】図３における貫通穴の具体的な配置例を示す説明図。
【図６】図３における貫通穴の別の具体的な配置例を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１〜４は本発明に係る半導体装置の製造方法を実施するためのより具体的な形態を示し、特に図１は例えば電気自動車やハイブリッド車等の電動車用インバータに搭載される電力変換のための半導体装置の一例を示し、また図２は図１の要部拡大図を示している。
【００１１】
図１，２に示す半導体装置１は、略偏平箱状に成形された樹脂製のケース２に電極として機能する平板状の基板３と複数の端子４がそれぞれインサート成形等の手法により埋設されていて、基板３の上にパワー素子等の複数の半導体素子５がろう材層である半田層６にて接合（半田付け）されているとともに、各半導体素子５と端子４とが金線あるいはアルミニウム線等のリード線７にて接続されているものである。
【００１２】
上記基板３に対してそれぞれの半導体素子５を半田接合するにあたっては、周知のように、基板３上の所定位置にペレット状またはシート状の半田６とともに半導体素子５を位置決めし、基板３と半導体素子５との間に半田６を挟んだ状態でケース２ごと所定の加熱炉に投入する。そして、加熱炉での雰囲気温度を半田６の融点以上の温度まで加熱・昇温させることでその半田６を溶融させ、その後に雰囲気温度を半田６の融点未満の温度まで下降させてその半田６を固化させることで基板３に対する半導体素子５の半田接合を行うものとする。
【００１３】
この場合において、図３に示すように、基板３のうち半田６を介して半導体素子５が接合される領域に基板３自体の表裏両面に貫通するように予め複数の貫通穴８を形成しておくものとし、各貫通穴８の上部開口面を半田６に臨ませた状態で半田接合を行うものとする。
【００１４】
基板３は先に述べたように電極として機能するものであるために、銅やアルミニウムなどの電気伝導率および熱伝導率に優れた金属材料にて形成されていて、溶融した半田６の濡れ性の改善のために例えばニッケルめっき等の表面処理が施されていることが望ましく、この基板３に対して半田接合にて半導体素子５が実装されることになる。そして、上記のようにニッケルめっき等の表面処理が施されている基板３に対して例えばプレスによるピアス加工を施すことで複数の貫通穴８が形成される。これにより、各貫通穴８の内周面には表面処理が施されておらず、基板３を形成している金属材料そのものの素地が露出していることになる。
【００１５】
なお、各貫通穴８の大きさは溶融した半田６が漏れ出さないような大きさに設定される。また、各貫通穴８の配置の詳細については後述する。
【００１６】
基板３に対して半導体素子５を半田接合する際の雰囲気条件として、先ず上記のように基板３と半導体素子５との間にペレット状またはシート状の半田６を挟んだ状態で接合雰囲気温度を半田６の融点以上の温度まで上昇させて当該半田６を溶融させるものとする。この工程は接合雰囲気温度の昇温工程に相当する。
【００１７】
そして、半田６が溶融したならば、接合雰囲気の圧力に着目して、その接合雰囲気圧力が上記昇温工程よりも高くなるようにその接合雰囲気圧力を増圧させる。例えば、上記昇温工程での圧力が大気圧であるならば、大気圧よりも高い圧力（正圧）となるように接合雰囲気圧力を高める。この工程ではなおも半田６の溶融状態が維持される。また、この工程は接合雰囲気圧力の昇圧工程に相当する。
【００１８】
さらに、上記昇圧工程で増加させた接合雰囲気圧力を維持しながら、接合雰囲気温度を半田６の融点未満の温度まで下降させてその半田６を固化させるものとする。こうすることにより、半導体素子５は基板３上の所定位置に半田接合されることになる。この工程は接合雰囲気温度の降温工程に相当する。
【００１９】
上記のように、接合雰囲気圧力の昇圧工程において、半田６の溶融状態を維持した状態で接合雰囲気圧力を昇圧させることにより、その雰囲気圧力が溶融している半田６に直ちに伝わり、いわゆる溶融状態の半田６の濡れ性が向上することで良好な半田接合を行うことができる。その上、図３に示すように仮に溶融した半田６の中にボイドＱが含まれていた場合に、複数の貫通穴８があることによって溶融状態の半田６に対して接合雰囲気圧力が伝わりやすく、短時間のうちにその半田６の中に含まれているボイドＱが接合雰囲気圧力にて押し潰されるようにして縮小または解消されることになる。
【００２０】
さらに、先に述べたように各貫通穴８の内周面にはニッケルめっき等の表面処理が施されておらず、基板３の金属材料そのものの素地が露出していて、ニッケルめっき等の表面処理が施されている基板３の表裏両面に比べていわゆる濡れ性は悪いものとなっている。そのため、溶融した半田６が各貫通穴８へと濡れ拡がるのを防ぎ、基板３と半導体素子５との間の半田６の層の厚さのばらつきを抑制することができる。
【００２１】
ここで、基板３に対して半田接合された半導体素子５における実際の駆動時の発熱による温度特性を図４に示した。同図から明らかなように、半導体素子５の駆動時にはその半導体素子５の中心Ｃ付近が最も発熱しやすく、中心Ｃから離れるほど発熱が低下する傾向があり、その結果として半導体素子５の中心Ｃを基点とした半径Ｒの同心円上においてはほぼ同じ温度分布を示すことから、この点を考慮して図３に示した複数の貫通穴８の配置を決定するものとする。
【００２２】
この複数の貫通穴８のより具体的な配置としては、例えば図５に示すように、半導体素子５の中心Ｃに対して距離が遠くなるほど基板３の単位面積当たりの貫通穴８の断面積（開口面積）を増加させるべく、言い換えるならば、半導体素子５の中心Ｃに近い部分における貫通穴８の開口面積よりも半導体素子８の中心Ｃから遠い周縁部分における貫通穴８の開口面積を大きくなるようにするべく、複数の貫通穴８の形状および大きさを全て矩形の角穴状のもので統一した上で、半径Ｒ１の同心円上にある複数の貫通穴８の数よりも半径Ｒ１よりも大きな半径Ｒ２（Ｒ２＞Ｒ１）の同心円上にある複数の貫通穴８の数を多く設定してある。
【００２３】
なお、半径Ｒ１同心円上にある複数の貫通穴８は等ピッチにて配置されていて、同様に半径Ｒ２の同心円上にある複数の貫通穴８も等ピッチにて配置されている。また、当然のことながら、複数の貫通穴８の大きさや数の選定にあたっては、半導体素子５が耐熱温度以上まで昇温することがないように予め実験や熱解析を行った上で決定するものとする。
【００２４】
こうすることにより、図４に基づいて先に説明したように、半導体素子５の実際の駆動時にその半導体素子５の中心Ｃ付近が最も発熱しやすく、中心Ｃから離れるほど発熱が低下する傾向があり、上記のように多数の貫通穴８を形成することで、相対的に半導体素子５の中心Ｃから遠い周縁部分での基板３側への熱伝導による放熱性は低下することになるものの、当該部位の発熱温度は半導体素子５の中心部に比べて低いので、半導体素子５が耐熱温度以上まで昇温するのを回避することができる。言い換えるならば、相対的に半導体素子５の中心Ｃから遠い周縁部分により多くの貫通穴８を形成しても、半導体素子５の安定した放熱性または冷却性能を確保することができることになる。
【００２５】
また、複数の貫通穴８，１８のより具体的な別の配置例としては、例えば図６に示すように、半導体素子５の中心Ｃに対して距離が遠くなるほど基板３の単位面積当たりの貫通穴８，１８の断面積を増加させるべく、言い換えるならば、半導体素子５の中心Ｃに近い部分における貫通穴８の開口面積よりも半導体素子５の中心Ｃから遠い周縁部分における貫通穴１８の開口面積を大きくなるようにするべく、半径Ｒ１の同心円上にある矩形の角穴状をなす複数の貫通穴８に対して、半径Ｒ１よりも大きな半径Ｒ２（Ｒ２＞Ｒ１）の同心円上にある複数の貫通穴１８の数を図５のものより少なくする一方で、個々の貫通穴１８の大きさを貫通穴８よりも大きく設定してある。この図６の貫通穴８，１８の配置によっても図５と同様の効果が得られることになる。
【００２６】
ここで、図５，６に示した複数の貫通穴８，１８の配置は一例に過ぎず、必ずしも複数の貫通穴８，１８を半径Ｒ１およびＲ２の同心円上に規則性をもって配置する必要はなく、例えばアトランダムな配置としてもよい。要は、先に述べたように、半導体素子５の中心部に対して距離が遠くなるほど基板３の単位面積当たりの貫通穴８，１８の断面積を増加するような配置となっていれば所期の目的は達成することができる。
【００２７】
また、上記実施の形態では、基板３に対する半導体素子５の接合にろう材として半田を用いた半田付けの例を示しているが、他のろう材を用いたろう付け等のろう接技術にも本発明を適用することができる。
【符号の説明】
【００２８】
１…半導体装置
３…基板
５…半導体素子
６…半田（ろう材）
８…貫通穴
１８…貫通穴
【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】
2013179103.tif 000007
【図６】
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