(57)【要約】【課題】従来に比べて良好な生産性で、かつ低コストにて半導体装置を製造可能な、半導体装置の製造方法及び装置、並びに半導体装置を提供する。【解決手段】半導体素子１の表面電極２に配置した固体の第１はんだ５ａに超音波振動２０２を印加することにより、第１はんだ、半導体素子１、固体の第２はんだ７ａ及び基板電極８１の各界面で金属接合を形成する工程と、第１はんだに外部電極４を配置する工程と、半導体素子を第１はんだ及び第２はんだの融点以上に加熱して、半導体素子、基板及び外部電極４をはんだ接合する工程と、を有する。【選択図】図２
2016127163.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子の表面電極と外部電極とを第１はんだで接合し、上記半導体素子の裏面電極と基板の基板電極とを第２はんだで接合して形成される半導体装置の製造方法において、
固体の第１はんだに、又は固体の第１はんだ及び固体の第２はんだに超音波振動を与え、上記固体の第１はんだ、上記表面電極、上記裏面電極、上記固体の第２はんだ、及び上記基板電極のそれぞれの界面において金属接合を形成する工程と、
金属接合後、上記固体の第１はんだに上記外部電極を配置する工程と、
上記外部電極の配置後、上記固体の第１はんだ及び上記固体の第２はんだを溶融させることにより、上記半導体素子と、上記基板電極及び上記外部電極とをそれぞれはんだ接合する工程と、
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
上記金属接合を形成する工程は、
上記基板、上記固体の第２はんだ、上記半導体素子、及び上記固体の第１はんだをこの順に積層した状態において上記半導体素子の表面電極に配置した上記固体の第１はんだに超音波振動を印加することにより、上記固体の第１はんだ、上記表面電極、上記裏面電極、上記固体の第２はんだ、及び上記基板電極のそれぞれの界面において金属接合を形成する、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
上記金属接合を形成する工程は、
上記基板電極に載置した上記固体の第２はんだに超音波振動を印加することにより、上記基板電極と上記固体の第２はんだとを金属接合する工程と、
接合された上記固体の第２はんだに上記半導体素子を、及びこの半導体素子の上記表面電極に上記固体の第１はんだをそれぞれ載置する工程と、
載置後、上記固体の第１はんだに超音波振動を印加することにより、上記固体の第１はんだ、上記表面電極、上記裏面電極、及び上記固体の第２はんだのそれぞれの界面において金属接合を形成する工程と、を有する、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
上記金属接合を形成する工程は、
上記表面電極に載置した上記固体の第１はんだに超音波振動を印加することにより、上記表面電極と上記固体の第１はんだとを金属接合する工程と、
上記固体の第１はんだを接合した半導体素子の裏面電極を上記固体の第２はんだを介して上記基板電極に載置する工程と、
載置後、上記固体の第１はんだに超音波振動を印加することにより、上記裏面電極、上記固体の第２はんだ、及び上記基板電極のそれぞれの界面において金属接合を形成する工程と、を有する、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
上記固体の第１はんだ及び上記固体の第２はんだの少なくとも一方は、組成が異なる複数枚のはんだ層を積層して形成される、請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
上記表面電極と上記外部電極とが溶融した第１はんだにて、及び、上記裏面電極と上記基板電極とが溶融した第２はんだにて、それぞれはんだ接合された後、上記外部電極及び上記基板の各一部を露出させた状態で、上記外部電極、上記半導体素子、及び上記基板をモールド樹脂にて封止する、請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法により製造されたことを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
半導体素子の表面電極と外部電極とを第１はんだで接合し、上記半導体素子の裏面電極と基板の基板電極とを第２はんだで接合して形成される半導体装置の製造装置において、
固体の第１はんだに、又は固体の第１はんだ及び固体の第２はんだに超音波振動を与え、上記固体の第１はんだ、上記表面電極、上記裏面電極、上記固体の第２はんだ、及び上記基板電極のそれぞれの界面において金属接合を形成する超音波装置と、
上記外部電極を配置した上記固体の第１はんだ、及び上記固体の第２はんだを溶融させて、上記半導体素子と、上記基板電極及び上記外部電極とをそれぞれはんだ接合する加熱装置と、
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子などの電子部品の電極と配線材の外部電極とを接合して構成される半導体装置の製造方法及び製造装置、並びに半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高い出力電力が得られる電力用の半導体装置の需要が高まってきている。電力用の半導体装置では、大電流をスイッチング制御することが必要なため、電気抵抗の小さい銅を導体に用いた配線が結線に用いられ、半導体素子の電極と外部電極（銅板）とは、はんだで接合する構成が採られる。半導体素子の電極と外部電極とをはんだにて接合する方法として、以下の幾つかの方法がある。
【０００３】
第１の方法は、特許文献１の図４に示される方法である。即ち、半導体素子の裏面を放熱板電極にはんだ箔を用いてはんだ接合する。接合後、外部電極と半導体素子の電極との隙間を平行に保持し、外部電極の中央部に設けた穴からはんだを供給し、加熱装置にて加熱する。外部電極の穴から供給されたはんだは、毛細管現象により、半導体素子と外部電極との間の隙間に広がり、外部電極と半導体素子の電極とを接合する。
【０００４】
第２の方法として、特許文献２の図４に示される方法がある。即ち、基部上にはんだ箔を介して半導体素子を載せ、加熱装置にて所定の温度にてはんだ箔を溶融して、半導体素子と基部とのはんだ接合を行う。次に、外部電極を治具にて半導体素子の電極上に、ある距離を介して平行に保持した状態で、これらを加熱装置に投入する。次に、はんだ供給装置から溶融したはんだを外部電極（上部電極）上に供給する。供給されたはんだは、外部電極上を濡れ広がり、外部電極の端面を経由して、外部電極と半導体素子の電極との隙間を充填し、外部電極と半導体素子の電極とを接合する。
【０００５】
あるいはまた、特許文献２の図８に示される方法もある。即ち、外部電極と半導体素子の電極とを、隙間を保った状態で対向させた後、溶融したはんだを半導体素子の電極上に直接滴下する。外部電極と半導体素子の電極との間に、滴下したはんだを浸透させて、半導体素子の電極と上部電極とをはんだで接合する。
【０００６】
第３の方法として、特許文献３の図３に示される方法がある。即ち、予め半導体素子の裏面がはんだで接合された金属板を加熱プレートなどの上に配置し、はんだの融点以上に加熱しておく。次に、アクチュエータを備えたシリンジで、はんだ槽から溶融はんだを吸い上げ、シリンダ内に貯える。次に、半導体素子の電極に対して隙間を介して配置した外部電極の貫通孔上にシリンジを移動し、シリンジ内のはんだを貫通孔上で吐出する。吐出されたはんだは、貫通孔を通じて半導体素子の電極に滴下され、貫通孔を充填するまで供給されて半導体素子の電極上を濡れ広がりフィレットを形成する。その後、はんだ、外部電極、及び金属板が冷却され、はんだが凝固し作業を完了する。またこの接合作業は、はんだの酸化を抑制するために、窒素などの不活性ガス、又は水素などの還元ガスで満たされた低酸素濃度の雰囲気内で実施される。
【０００７】
第４の方法として、特許文献４の図１に示される方法がある。半導体チップの上面主電極にはんだ材で面接合したヒートスプレッダの上面に接続導体としてストラップ状金属箔を超音波接合する方法で、金属箔との接合面域はヒートスプレッダの上面周域に余白を残した領域であることを特徴としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−３０３８６９号公報
【特許文献２】特開２０１２−８１４８１号公報
【特許文献３】特開２００８−１８２０７４号公報
【特許文献４】特開２００６−１７３５０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら上述した従来技術では以下のような問題がある。
即ち、特許文献１の技術では、外部電極と半導体素子の電極とを、毛細管現象が生じる隙間に均一に保持する必要がある。また、毛細管現象によってはんだで電極間を埋めることから、処理に時間を要し、生産性が悪いという問題がある。
【００１０】
また、特許文献２の技術では、外部電極の上部から滴下した溶融はんだが、外部電極の端面を回り込み半導体素子の電極へ供給する方法であることから、外部電極が傾斜していると溶融はんだが流れ出してしまう。その結果、所望位置からのはんだの回り込みが行えず、半導体素子の電極へのはんだ供給ができないという問題がある。また、溶融はんだを半導体素子の電極上に直接滴下して、外部電極と半導体素子の電極との間に浸透させる方法にあっては、溶融はんだを滴下するために、予め、半導体素子の電極を外部電極よりも大きくする必要がある。そのため、半導体素子のサイズが大きくなり、コストアップの要因となる。また、導体（外部電極）の面積が小さくなることで、接合抵抗が大きくなり、特性が劣化するという問題もある。
【００１１】
また、特許文献３の技術では、溶融はんだを貫通穴を通して供給する方法であることから、貫通穴径は半導体素子の電極サイズよりも小さくする必要がある。よって半導体素子のサイズの縮小化に伴いその電極サイズ、さらに貫通穴も小さくなることから、溶融はんだの滴下が困難になるおそれがある。例えば、高耐圧化のために、半導体素子の材料として、Ｓｉの代わりにＳｉＣが用いられつつあるが、ＳｉＣは高価であるため、チップサイズが小さくなり、電極サイズはＳｉの場合に比べて約３０％になる。このような半導体素子のサイズ縮小に合うように、外部電極の貫通穴径を小さくすると、穴径が１ｍｍとなり、溶融はんだの供給が困難になる場合もある。また、導体の電極に溶融はんだ滴下用の穴を開けた場合には、銅導体の面積が小さくなり電気特性の低下を考慮する必要も懸念される。
【００１２】
また、上述の各特許文献では、いずれも溶融はんだを半導体素子の電極と外部電極との間の隙間に供給することから、装置全体をはんだの溶融温度以上の加熱状態に維持する必要がある。したがって、接合装置が複雑になるとともに、複数の接合箇所へ同時に溶融はんだを供給できないことから、生産性が悪いという問題もある。
【００１３】
さらにまた、導体と半導体素子の電極との間への毛細管現象によるはんだ供給は長時間を要することから、はんだと半導体素子の電極との間に金属間化合物層が形成されてしまう。また、電極の表面層に設けたバリア作用の金属層、例えばＮｉがはんだ中へ拡散することから、この拡散量を見込んでＮｉ層を厚く形成しておく必要がある。その結果、コストアップにつながるという問題もある。
【００１４】
また、特許文献４の技術では、超音波にて金属箔を接合する方法であるが、超音波接合では接合面内が均一に全面接合することは一般にありえない。その理由として、超音波を用いた接合では、金属箔とヒートスプレッダの金属同士が擦れ合い金属の新生面が露出したところが接合する。擦れ合う金属面は、微視的には表面に凹凸があり、凸部のみが擦れ合うため、擦れ合った凸部でのみ新生面が露出して金属接合が実現する。そのため、擦れ合った金属面の接合している面積は、約５０％くらいである。したがって、接合していない箇所が存在することから、熱及び電気を流すときに、熱放散及び電気的なロスが生じる問題がある。
【００１５】
本発明は、上述したような問題点を解決するためになされたものであり、従来に比べて良好な生産性で、かつ低コストにて半導体装置を製造可能な、半導体装置の製造方法及び製造装置、並びにこの製造方法にて製造される半導体装置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】
【００１６】
上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の一態様における半導体装置の製造方法は、半導体素子の表面電極と外部電極とを第１はんだで接合し、上記半導体素子の裏面電極と基板の基板電極とを第２はんだで接合して形成される半導体装置の製造方法において、固体の第１はんだに、又は固体の第１はんだ及び固体の第２はんだに超音波振動を与え、上記固体の第１はんだ、上記表面電極、上記裏面電極、上記固体の第２はんだ、及び上記基板電極のそれぞれの界面において金属接合を形成する工程と、金属接合後、上記固体の第１はんだに上記外部電極を配置する工程と、上記外部電極の配置後、上記固体の第１はんだ及び上記固体の第２はんだを溶融させることにより、上記半導体素子と、上記基板電極及び上記外部電極とをそれぞれはんだ接合する工程と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の一態様における半導体装置の製造方法によれば、基板電極上に、第２はんだ、半導体素子、第１はんだを配置し、第１はんだに、又は第１はんだ及び第２はんだに、超音波振動を印加することで、第２はんだ、半導体素子、及び第１はんだを基板電極に金属接合する。よって、超音波振動を印加することで、第１はんだ、半導体素子及び第２はんだと、基板電極とを金属接合つまり固定することができ、従来に比べて生産性が大幅に向上し、低コスト化を実現することができる。
【００１８】
さらに、第１はんだ及び第２はんだの融点以上に加熱して第１及び第２はんだを溶融することから、基板電極に半導体素子及び外部電極をはんだ接合した半導体装置を作製することができる。はんだを用いて超音波接合したとき、擦られて露出した新生面で金属接合が行われるため、面内で不均一な接合になる。しかしながら、本発明の一態様では、金属接合後、はんだを溶融することから、はんだと各部材との界面で金属間化合物を均一に形成することができ、良好なはんだ接合が実現できる。そのため、超音波振動のみによって接合を行う場合に比べて、高い信頼性の接合を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１Ａ】本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法によって製造された半導体装置の断面図である。
【図１Ｂ】図１Ａに示す半導体装置の平面図である。
【図２】（ａ）から（ｄ）は、本発明の実施の形態１における半導体装置の製造方法を説明する図である。
【図３】図２の（ｂ）に示す超音波ヘッドの変形例による超音波ヘッドにて超音波振動を印加した状態を示す図である。
【図４】図２に示す半導体装置の製造方法において、第１はんだ及び第２はんだを同じ組成のはんだを積層して製造する形態を示す図である。
【図５】（ａ）から（ｆ）は、本発明の実施の形態２における半導体装置の製造方法を説明する図である。
【図６】（ａ）から（ｄ）は、本発明の実施の形態３における半導体装置の製造方法を説明する図である。
【図７】（ａ）から（ｄ）は、本発明の実施の形態４における半導体装置の製造方法を説明する図である。
【図８】本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。
【図９】本発明の実施の形態における半導体装置の製造装置の概略構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の実施形態である半導体装置の製造方法、及びこの製造方法で製造される半導体装置、並びに上記製造方法を実行する半導体製造装置について、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。また、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け当業者の理解を容易にするため、既によく知られた事項の詳細説明及び実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。また、以下の説明及び添付図面の内容は、特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。
【００２１】
本発明の実施形態である半導体装置の製造方法の一態様として、図８に示すような下記の構成がある。
即ち、半導体素子の表面電極と外部電極とを第１はんだで接合し、上記半導体素子の裏面電極と基板の基板電極とを第２はんだで接合して形成される半導体装置の製造方法において、固体の第１はんだに、又は、固体の第１はんだ及び固体の第２はんだに超音波振動を与え、固体の第１はんだ、表面電極、裏面電極、固体の第２はんだ、及び基板電極のそれぞれの界面において金属接合を形成する工程と（図８のステップＳ１）、この金属接合の後、固体の第１はんだの上面に外部電極を配置する工程と（図８のステップＳ２）、外部電極を配置した後、固体の第１はんだ及び固体の第２はんだを溶融させることにより、半導体素子と、基板電極及び外部電極とをそれぞれはんだ接合する工程と（図８のステップＳ３）、を備えた構成である。
以下では、特に上述の金属接合を行う工程に関して詳しく説明を行う。
【００２２】
実施の形態１．
図１Ａには、本発明の実施の形態による半導体装置製造方法で製造される半導体装置１０１の断面図を、図１Ｂにはその平面図を示す。尚、図１Ａ及び図１Ｂを総称して図１と呼ぶ。半導体装置１０１は、基本的構成部分として、半導体素子１（本実施の形態では、２種類の半導体素子１ａ，１ｂ）と、基板８と、外部電極４とを有し、少なくとも基板８及び外部電極４の一部を露出させ、その他の構成部分をモールド樹脂１０で封止して製造される。このような半導体装置１０１の構成について、以下に説明する。
【００２３】
本実施の形態では、第１の半導体素子１ａは、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であり、第２の半導体素子１ｂは、例えばダイオードである。尚、第１の半導体素子１ａ及び第２の半導体素子１ｂを合わせて「半導体素子１」と記す。また半導体素子１は、上述のような能動素子に限定されるものではない。
第１の半導体素子１ａにおいて、対向する２つの表、裏面には、裏面側にてコレクタ電極に相当する裏面電極３ａが、また、表面側にてエミッタ電極に相当する表面電極２ａ及びゲート電極に相当する第２表面電極２ｃが、それぞれ形成されている。
第２の半導体素子１ｂにおいて、対向する２つの表、裏面には、裏面側にてカソード電極に相当する裏面電極３ｂが、また、表面側にてアノード電極に相当する表面電極２ｂが、それぞれ形成されている。尚、表面電極２ａ、第２表面電極２ｃ、及び表面電極２ｂを総称して表面電極２と、裏面電極３ａ及び裏面電極３ｂを総称して裏面電極３とそれぞれ呼ぶ場合がある。
【００２４】
これらの第１の半導体素子１ａ及び第２の半導体素子１ｂは、それぞれの裏面電極３ａ、３ｂを基板８に対向させて、基板８の上方に同一又は略同一の高さで互いに隣接して基板８の基板電極８１に第２はんだ７で接合される。ここで、第２はんだ７としては、例えばＳｎ系のＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ、Ｓｎ−３．５Ａｇ、Ｓｎ−０．７Ｃｕなどのはんだを用いることができる。
【００２５】
また、第１の半導体素子１ａの表面電極２ａ及び第２の半導体素子１ｂの表面電極２ｂの上方には、帯状の外部電極４が、半導体素子１ａ、１ｂの配列方向に沿って、かつ表面電極２ａ、２ｂに略平行に延在する。表面電極２ａ、２ｂのそれぞれと、外部電極４とは、第１はんだ５によって接合される。第１はんだ５及び第２はんだ７による接合方法については、後述の製造方法の説明にて詳しく述べる。
外部電極４は、小さい電気抵抗が要求されることから、本実施の形態では銅を用いている。このような外部電極４のサイズは、一例として、幅７０ｍｍ、長さ２００ｍｍ、厚さ０．６ｍｍである。
また、第１の半導体素子１ａの第２表面電極２ｃは、Ａｕ又はＡｌなどの金属ワイヤ４２によって第２外部電極４１と接続されている。この第２外部電極４１も、その一部（端部）をモールド樹脂１０の外側へ露出させる。
【００２６】
基板８は、放熱の必要から、本実施の形態では、熱伝導が良く電気伝導の良い銅を用いるが、銅に限定されず、熱伝導のよいＡｌＮ、ＳｉＮなどのセラミック材で、その表面に銅などの導体層を設けた配線板を用いてもよい。
【００２７】
以上のように構成される半導体装置１０１の製造方法について、図２を参照して以下に説明する。
図２は、第１の半導体素子１ａ及び第２の半導体素子１ｂの表面電極２ａ、２ｂと外部電極４との第１はんだ５による接合方法、及び、第１の半導体素子１ａ及び第２の半導体素子１ｂの裏面電極３ａ、３ｂと基板電極８１との第２はんだ７による接合方法を、一般化して図示したものである。既に説明したように、第１の半導体素子１ａ及び第２の半導体素子１ｂを半導体素子１とし、表面電極２ａ、２ｂを表面電極２とし、裏面電極３ａ、３ｂを裏面電極３として、図２では表記している。
【００２８】
図２の（ａ）は、半導体製造装置における保持装置２１０によって吸引などにて固定されている基板８の基板電極８１に、第２はんだ７、半導体素子１、半導体素子１の表面電極２に第１はんだ５を積層して載置した状態を示す。ここで、第１はんだ５及び第２はんだ７について、固体状態、つまり溶融状態ではないはんだには、第１はんだ５ａ、及び第２はんだ７ａと符番する。第１はんだ５ａ、及び第２はんだ７ａは、本実施形態では、Ｓｎ系のＰｂフリーはんだを用いている。本実施の形態では、第１はんだ５ａ及び第２はんだ７ａとして、Ｓｎ−０．７Ｃｕを用いたが、第１はんだ５ａ及び第２はんだ７ａを互いに異なるはんだを用いてもよい。
【００２９】
尚、図９には上記半導体製造装置の概略構成を示している。当該半導体製造装置２５０は、超音波装置２０５、保持装置２１０、装着装置２１５、加熱装置２２０、及び制御装置２３０を備える。各電極及び各固体はんだ同士の配置動作は、装着装置２１５にて行う。また、制御装置２３０は、半導体製造装置２５０の動作を制御して半導体装置１０１の製造方法を実行する。
【００３０】
図２の（ｂ）は、第１はんだ５ａの面積よりも小さい面積の超音波ヘッド２０１を第１はんだ５ａに押圧して、第１はんだ５ａに超音波ヘッド２０１による凹部５１を形成した状態で、超音波振動２０２を印加している状態を示す。尚、超音波ヘッド２０１の押圧動作及び超音波振動動作は、超音波装置２０５にて実行される。ここで本実施形態では、一例として、超音波ヘッド２０１は３ｍｍ×３ｍｍ、第１はんだ５ａは４ｍｍ×１０ｍｍ、厚０．４ｍｍの大きさである。また、超音波ヘッド２０１の超音波振動方向の長さは、第１はんだ５ａの振動方向の長さよりも短くしている。但し、平面において、超音波振動方向に直角な方向における超音波ヘッド２０１の長さは、第１はんだ５ａの同方向における長さよりも長くてもよい。
【００３１】
超音波振動は、金属同士の接合に用いられている。例えば、超音波フリップチップボンディング技術を用いたシステムインパッケージの開発、(9thSymposium on“Microjoining and Assembly Technology in Electronics”February6-7,2003,Yokohana)、にあるように、 半導体素子の電極上に形成したＡｕのバンプと基板のＡｕ電極との接合に用いられている。
この場合は、半導体素子の裏面に超音波ヘッドを押し付けて、半導体素子を振動させる。これにより半導体素子の電極上に形成したＡｕのバンプと基板上のＡｕの電極とを擦り合わせることで、Ａｕ界面に新生面を露出させて、バンプのＡｕと電極のＡｕとが金属接合をする。この方法では超硬合金で作製した超音波ヘッドで硬脆材料の半導体素子を振動させる場合、互いに硬い材料である超音波ヘッドの面と半導体素子の裏面とが擦り合わせることになる。よって、回数を増やしていくと、超音波ヘッドの面が摩耗し、摩擦係数が小さくなり、超音波振動が効率よく伝わらなくなる。そのため、超音波エネルギーのロスが大きくなる。よって半導体素子のＡｕバンプと基板のＡｕ電極との間で効率よい擦れ合いができないため、半導体素子のＡｕバンプと基板の電極表面で新生面の露出面積が減ることになり、金属接合が得らる面積が小さくなる。そのため、所望の接合力が得られなくなる。
【００３２】
本実施の形態では、平板状の第１はんだ５ａに超音波ヘッド２０１を押し付けて、超硬合金製の超音波ヘッド２０１よりも約１/１００ほど軟らかい第１はんだ５ａ表面に凹部５１を形成する。これにより、超音波ヘッド２０１が振動方向に拘束され、第１はんだ５ａの表面を滑ることなく、振動エネルギーをロスなく第１はんだ５ａに伝えることができる。そのため、積層した半導体素子１と第２はんだ７ａと基板８の電極８１とのそれぞれの界面での金属接合が可能になる。
【００３３】
また、本実施の形態では、以下に説明するように、第１はんだ５ａ、表面電極２、裏面電極３、第２はんだ７ａ、及び基板電極８１の各はんだと各電極との間の各界面のすべてにおいて一度に金属接合を形成する。具体的には、一例として、第１はんだ５ａの寸法が□４×９ｍｍ、厚さ０.４ｍｍ、半導体素子１の寸法□１０ｍｍ、厚さ０.３mm、第２はんだ７ａの寸法□１０ｍｍ、厚さ０.４ｍｍ、の条件下において、第１はんだ５ａの超音波接合条件として、振幅が４μｍ、振動数４０ｋＨｚ、第１はんだ５ａあたり１０ＭＰａの圧力、時間０.５秒で実施した。しかしながらこれらの値に限定されることなく、振幅３〜１０μｍの範囲、振動数３０〜６０ｋＨｚの範囲、第１はんだ５ａあたりの圧力７〜４５ＭＰａの範囲で同じ接合が得られる。
【００３４】
第１はんだ５ａに印加された超音波振動２０２は、下方（基板８の方）に伝導される。ここで保持装置２１０に固定された基板８の基板電極８１に、第２はんだ７ａ、半導体素子１、第１はんだ５ａを積層した状態で、第１はんだ５ａに超音波振動２０２を印加した場合の接合を観察した。超音波ヘッド２０１を第１はんだ５ａに押圧したため、第１はんだ５ａに凹部５１を形成した超音波ヘッド２０１は、超音波ヘッド２０１と第１はんだ５ａとの界面で滑ることなく、超音波エネルギーを下方に伝導する。よって、保持装置２１０に固定された基板８の基板電極８１と第２はんだ７ａとが接合され、次に、第２はんだ７ａと半導体素子１の裏面電極３とが接合し、次に、半導体素子１の表面電極２と第１はんだ５ａとが接合し、保持装置２１０に固定した基板８の基板電極８１と第２はんだ７ａから順に上方に向けて接合することが新たにわかった。ここでの「接合」は、各界面において合金層を伴うことを意味する。
【００３５】
本実施の形態において、超音波エネルギーを効率よく下方へ伝導する手段としては、振動方向における超音波ヘッド２０１の長さが第１はんだ５ａにおける同方向の長さよりも短い超音波ヘッド２０１を用い、第１はんだ５ａに凹部５１を形成することで実現できた。一方、図３に示すように、下面に凹凸２０３を形成した超音波ヘッド２０１Ａを用いて、第１はんだ５ａに凹凸部を形成して、超音波ヘッド２０１Ａと第１はんだ５ａとが滑らないようにしても同じ効果が得られる。
【００３６】
上述のように各界面間に金属接合を形成した後、図２の（ｃ）に示すように、開口部４ａを有する外部電極４を第１はんだ５ａの上面に配置する。基板８の基板電極８１のサイズ及び半導体素子１の表面電極２及び裏面電極３のサイズに対応して決定される第１はんだ５ａ及び第２はんだ７ａは、外部電極４を配置した段階では溶融していない。よって、半導体素子１の表面電極２のサイズが異なる複数の半導体素子１間で、それぞれの高さは同じ又は略同じになる。よって、外部電極４を配置しても、外部電極４が傾斜することはほとんどなく、基板８の表面８ｂに平行又は略平行に、外部電極４が配置される。したがって、各半導体素子１間で安定したはんだ接合が可能になるという効果が得られる。
尚、本実施の形態では、開口部４ａを有する外部電極４を用いたが、開口部４ａのない外部電極４を用いることも可能である。
【００３７】
外部電極４を配置した後、図２の（ｄ）に示すように、内側を還元雰囲気に維持可能な加熱装置２２０を用いて、図２の（ｄ）に示す状態を支持可能にして、半導体素子１、外部電極４、基板８等を、第１はんだ５ａ及び第２はんだ７ａの融点（状態図で液相温度）以上に加熱する。この加熱により、第１はんだ５ａ及び第２はんだ７ａは溶融し、基板８の基板電極８１と半導体素子１の裏面電極３との間で第２はんだ７が濡れ拡がり、及び、半導体素子１の表面電極２と外部電極４との間で第１はんだ５が濡れ拡がる。これにより、外部電極４、半導体素子１、及び基板８がはんだ接合される。
【００３８】
以上説明したように、まず、金属接合により各電極に固体はんだを接合することで、はんだ量の管理が容易になり、安定した品質のはんだ接合を行うことが可能である。
【００３９】
また、本実施の形態では、基板電極８１上に、第２はんだ７ａ、半導体素子１、第１はんだ５ａを配置した状態で、第１はんだ５ａに超音波振動２０２を印加することで、第１はんだ５ａと半導体素子１の表面電極２とを、半導体素子１の裏面電極３と第２はんだ７ａとを、第２はんだ７ａと基板電極８１とを、一度で金属接合つまり固定することができ、従来に比べて生産性が大幅に向上し、低コスト化を実現することができる。
【００４０】
さらにまた、金属接合後、第１はんだ５ａ及び第２はんだ７ａを溶融することで、各はんだと各部材とのそれぞれの界面で金属間化合物を均一に形成するため、良好なはんだ接合が実現できる。そのため、超音波振動２０２のみによって接合を行う場合に比べて、高い信頼性の接合を得ることができる。また、各はんだの溶融は１回のみの加熱プロセスで実現できるため、コスト低減が図れる。さらに、熱処理が１回で済むため、半導体素子１の裏面電極３及び基板電極８１のバリアメタルであるＮｉのはんだ中への拡散を抑えられる。このため、バリアメタル層の厚さを薄くすることができるため、半導体素子の製造コストの低減を図ることができる。
【００４１】
本実施の形態では、図２の（ａ）に示す段階において、第１はんだ５ａ及び第２はんだ７ａとして、固体のはんだペレットを１枚だけ配置したが、複数枚を積層して配置してもよい。図４の（ａ）から（ｃ）には、このような、はんだを積層して配置した場合の構成例を示す。図４の（ａ）には、第１はんだ５ａ及び第２はんだ７ａとして、各３枚を積層した状態を示す。図４の（ｂ）は、図２の（ｂ）に対応する図であり、３層の第１はんだ５ａに超音波ヘッド２０１を押圧して、超音波振動２０２を印加した状態を示す。図４の（ｃ）は、図２の（ｄ）に対応する図であり、加熱装置２２０を用いて、半導体素子１、外部電極４、基板８等を、第１はんだ５ａ及び第２はんだ７ａの融点（状態図で液相温度）以上に加熱する状態を示す。この加熱により、積層した第１はんだ５ａ及び第２はんだ７ａはそれぞれ溶融し、基板８の基板電極８１と半導体素子１の裏面電極３との間で第２はんだ７が濡れ拡がり、半導体素子１の表面電極２と外部電極４との間で第１はんだ５が濡れ拡がり、外部電極４、半導体素子１、及び基板８がはんだ接合される。
【００４２】
このように積層したはんだを用いることで、所望の厚みのはんだ得るために、それぞれ厚さが異なる個々のはんだを用意する必要はなく、積層枚数で厚さ調節が可能となることから、容易に低コストでの供給が可能となる。
【００４３】
実施の形態２．
本実施の形態２における半導体装置について説明を行う。本実施の形態２においても、図１に示す半導体装置１０１を例に採る。よって、半導体装置１０１の構成についての説明は省略し、以下では、相違する製造方法について説明を行う。
実施の形態１における製造方法では、基板電極８１上に、第２はんだ７ａ、半導体素子１、第１はんだ５ａを配置した状態で、第１はんだ５ａに超音波振動２０２を印加することで、基板電極８１、第２はんだ７ａ及び半導体素子１を、並びに、半導体素子１及び第１はんだ５ａを、それぞれ同時に一度で金属接合した。これに対して本実施の形態２における製造方法では、まず第２はんだ７ａに超音波振動２０２を印加して基板電極８１と第２はんだ７ａとを金属接合する。その後、第２はんだ７ａに、半導体素子１及び第１はんだ５ａを配置して、第１はんだ５ａに超音波振動２０２を印加して、第２はんだ７ａ、半導体素子１及び第１はんだ５ａの金属接合を行う。以下に詳しく説明する。
【００４４】
実施の形態２における半導体装置１０１の製造方法について、図５に示す断面図を参照して以下に説明する。
実施の形態１では、図２に示すように、半導体素子１の表面電極２が半導体素子１のほぼ中央に存在する場合を例に説明した。一方、図１に示す第１の半導体素子１ａのように、表面電極２が中央より偏って存在する場合もある。本実施の形態における製造方法は、表面電極２が半導体素子１の中央より偏って存在する場合に特に有効となる。
有効である理由は、超音波接合すると、超音波ヘッドを押し付けて接合したところを中心に接合していない部分が凹面状に反る傾向にある。半導体素子１の電極の位置が中心よりずれた電極に第１はんだ５ａを配置して超音波接合すると、偏った電極を中心に凹面状に反るため、半導体素子１は凹面状の反りの他に、傾きが発生する。このため、外部電極４との均一なはんだ接合が実現できないことが懸念される。
そのため、先に第２はんだ７ａを接合しておくことで、半導体素子１の傾きを低減することができる。
【００４５】
まず、図５の（ａ）に示すように、基板８の基板電極８１に第２はんだ７ａを配置する。次に、図５の（ｂ）に示すように、第２はんだ７ａに超音波ヘッド２０１を押圧し、超音波振動２０２を第２はんだ７ａに印加する。超音波振動２０２を印加することで、第２はんだ７ａは基板８の基板電極８１に接合される。尚、超音波振動２０２の印加条件及び接合条件は、実施の形態１の場合と同じである。
【００４６】
第２はんだ７ａを基板電極８１に金属接合した後、図５の（ｃ）に示すように、第２はんだ７ａの上に半導体素子１を、詳しくは半導体素子１の裏面電極３を、さらに半導体素子１の表面電極２に第１はんだ５ａを積層して配置する。ここで、半導体素子１における表面電極２は、図示するように半導体素子１の中央には位置しておらず中央から偏って存在する。よって第１はんだ５ａも、半導体素子１の中央から偏って位置する。
【００４７】
配置後、図５の（ｄ）に示すように、第１はんだ５ａに超音波ヘッド２０１を押圧して超音波振動２０２を印加する。超音波エネルギーは、下方（基板８の方向）に伝導され、第２はんだ７ａに半導体素子１の裏面電極３が金属接合され、半導体素子１の表面電極２に第１はんだ５ａが金属接合される。
【００４８】
この金属接合後、図５の（ｅ）に示すように、第１はんだ５ａの上面に外部電極４を配置する。
外部電極４の配置後、図５の（ｆ）に示され、また図２の（ｄ）を用いて説明したように、内側を還元雰囲気に維持可能な加熱装置２２０を用いて、半導体素子１、外部電極４、基板８等を、第１はんだ５ａ及び第２はんだ７ａの融点以上に加熱する。この加熱により、第１はんだ５ａ及び第２はんだ７ａが溶融し、基板電極８１と半導体素子１の裏面電極３との間に第２はんだ７が濡れ拡がり、半導体素子１の表面電極２と外部電極４との間に第１はんだ５が濡れ拡がる。これにより、外部電極４と半導体素子１及び基板８とがはんだ接合される。
【００４９】
本実施の形態２のように、半導体素子１の表面電極２の位置が半導体素子１の中央よりも偏った位置のある形態に対して、実施の形態１と同様に、第１はんだ５ａ及び第２はんだ７ａに対して同時に超音波振動２０２を印加して接合した場合、接合部が中央よりもずれることから、半導体素子１が傾く。
そこで本実施の形態２では、上述したように、第２はんだ７ａの中央に超音波ヘッド２０１を押圧して、まず、第２はんだ７ａを基板電極８１に接合しておく。こうすることで、第１はんだ５ａに超音波ヘッド２０１を押圧して超音波振動２０２を印加したときにおける半導体素子１の傾きを防止することができる。
【００５０】
実施の形態３．
本実施の形態３における半導体装置について説明を行う。本実施の形態３においても、図１に示す半導体装置１０１を例に採る。但し、半導体素子については、実施の形態１，２で使用したものよりも、厚みが薄い半導体素子１１を用いる。その他の半導体装置１０１の構成は同じであるので、ここでの説明は省略する。以下では、相違する製造方法について説明を行う。
【００５１】
実施の形態１における製造方法では、基板電極８１上に、第２はんだ７ａ、半導体素子１、第１はんだ５ａを配置した状態で、第１はんだ５ａに超音波振動２０２を印加することで、基板電極８１、第２はんだ７ａ及び半導体素子１を、並びに、半導体素子１及び第１はんだ５ａを、それぞれ同時に一度で金属接合した。これに対して本実施の形態３における製造方法では、まず半導体素子１の表面電極２と第１はんだ５ａとの金属接合を行う。次に第１はんだ５ａが接合された半導体素子１を、基板電極８１に第２はんだ７ａを介して配置し、第１はんだ５ａに再度超音波振動２０２を印加する。以下に詳しく説明する。
【００５２】
この実施の形態３では、実施の形態１，２における厚さ３００μｍの半導体素子１に比べて厚さ５０μｍ程度の薄い半導体素子１１を用い、図６の（ａ）に示すように、この半導体素子１１の表面電極２に第１はんだ５ａを配置する。ここで、半導体素子１１の厚さは、一例として０．０５ｍｍ程度であり、第１はんだ５ａの厚さは、一例として０．４ｍｍである。
尚、半導体素子の厚さは半導体素子の反りに影響する。反りが大きくなると、はんだ付けの際のはんだ層が均一でなくなる。通常、反りが１００μｍ程度以下であれば、はんだ層をほぼ均一に保持することができる。本実施の形態３では、このような反りが１００μｍを超える可能性がある半導体素子の一例として上述の半導体素子１１を例に採る。
【００５３】
半導体素子１１に第１はんだ５ａを配置した後、図６の（ａ）に示すように、第１はんだ５ａに超音波ヘッド２０１を押圧し、超音波振動２０２を印加して、第１はんだ５ａと半導体素子１１の表面電極２とを金属接合する。上述のように半導体素子１１は、通常の半導体素子１に比べて厚みが薄いが、第１はんだ５ａを接合することで、半導体素子１１の剛性が高くなり、半導体素子１１を破損することなく半導体素子１１の取り扱いが容易になるという効果がある。
【００５４】
半導体素子１１の表面電極２に第１はんだ５ａを金属接合した後、図６の（ｂ）に示すように、基板８の基板電極８１に第２はんだ７ａと第１はんだ５ａを接合した半導体素子１１とを配置する。
配置後、第１はんだ５ａに再び超音波ヘッド２０１を押圧し、超音波振動２０２を印加する。超音波振動２０２が下方に伝導されることにより、基板電極８１と第２はんだ７ａとが金属接合され、次に第２はんだ７ａと半導体素子１１の裏面電極３とが金属接合する。
尚、超音波振動２０２の印加条件及び接合条件は、実施の形態１の場合と同じである。
【００５５】
第２はんだ７ａが基板電極８１及び裏面電極３と金属接合した後、図６の（ｃ）に示すように、第１はんだ５ａの上に外部電極４を配置する。
外部電極４の配置後、図６の（ｄ）に示され図２の（ｄ）と同様に、内側を還元雰囲気に維持可能な加熱装置２２０を用いて、半導体素子１１、外部電極４、基板８等を第１はんだ５ａと第２はんだ７ａの融点以上に加熱する。この加熱により、第１はんだ５ａ及び第２はんだ７ａが溶融し、基板電極８１と半導体素子１１の裏面電極３との間に第２はんだ７が濡れ拡がり、半導体素子１１の表面電極２と外部電極４との間に第１はんだ５が濡れ拡がる。これにより、外部電極４と半導体素子１１及び基板８とがはんだで接合される。
【００５６】
実施の形態４．
本実施の形態４における半導体装置について図７を参照して説明を行う。本実施の形態４においても、図１に示す半導体装置１０１を例に採る。但し、実施の形態１では、第１はんだ５ａ及び第２はんだ７ａは、それぞれ単一組成のはんだで構成している。例えば、第１はんだ５ａとしてＳｎ−０．７Ｃｕであり、第２はんだ７ａとしてＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕである。このように両者間では組成が異なっても、第１はんだ５ａ及び第２はんだ７ａは、それぞれ単一組成のはんだである。これに対して本実施の形態４では、第１はんだ５ａ及び第２はんだ７ａは、各はんだ内で異なる組成で構成されている。
本発明の実施の形態４における半導体装置１０１−２について以下に説明する。
【００５７】
図７の（ａ）に示すように、第２はんだ７ａは、第１層７０１、第２層７０２、及び第１層７０１を有し、第２層７０２を、その厚み方向において両側から第１層７０１にて挟んだ構成であり、また、第１はんだ５ａは、第１層５０１、第２層５０２、及び第１層５０１を有し、第２層５０２を、その厚み方向において両側から第１層５０１にて挟んだ構成である。そして図７の（ａ）に示すように、基板８の厚み方向８ａにおいて、基板電極８１には、第２はんだ７ａとして第１層７０１、第２層７０２及び第１層７０１が積層され、半導体素子１の表面電極２には、第１はんだ５ａとして第１層５０１、第２層５０２及び第１層５０１が積層される。ここで、第１はんだ５ａにおける第２層５０２は、第１層５０１に比べて高い融点を有し、第２はんだ７ａにおける第２層７０２は、第１層７０１に比べて高い融点を有する。ここでの融点とは、はんだの状態図で液相温度と定義する。低融点はんだとしての第１層５０１（７０１）は、例えばＳｎ−０．７Ｃｕ（融点２２９℃）が使用でき、高融点はんだとしての第２層５０２（７０２）は、Ｓｎ−３Ｃｕ（融点３００℃）が使用可能である。
【００５８】
次に、図７の（ｂ）に示すように、第１はんだ５ａにおける上面側の第１層５０１に超音波ヘッド２０１を押圧し、超音波振動２０２を印加する。この超音波振動の印加により、第１はんだ５ａの第１層５０１、第２層５０２、及び第１層５０１は互いに金属接合し、また、第２はんだ７ａの第１層７０１、第２層７０２、及び第１層７０１も互いに金属接合する。さらに、実施の形態１における場合と同様に、基板８の基板電極８１と第２はんだ７ａ（７０１，７０２，７０１）とが接合され、また、第２はんだ７ａと半導体素子１の裏面電極３とが接合し、さらに、半導体素子１の表面電極２と第１はんだ５ａ（５０１，５０２，５０１）とが接合する。
【００５９】
また、本実施の形態４でも実施の形態１の場合と同様に、第１はんだ５ａ、表面電極２、裏面電極３、第２はんだ７ａ、及び基板電極８１の各はんだと各電極との間の各界面のすべてにおいて一度に金属接合を形成する。
尚、超音波振動２０２の印加条件及び接合条件は、実施の形態１の場合と同じである。
【００６０】
金属接合後、図７の（ｃ）に示すように、第１はんだ５ａの上面の第１層５０１に外部電極４を配置する。
次に、図７の（ｄ）に示され図２の（ｄ）の場合と同様に、内側を還元雰囲気に維持可能な加熱装置２２０を用いて、半導体素子１、外部電極４、基板８等を、第１はんだ５ａ及び第２はんだ７ａを構成する低融点はんだの、第１層５０１及び第１層７０１の液相温度以上に加熱する。
【００６１】
この加熱により、第１はんだ５ａ及び第２はんだ７ａを構成する低融点はんだの第１層５０１及び第１層７０１が溶融し、高融点はんだの、第２層５０２及び第２層７０２との界面で混ざり合う。よって、高融点はんだの、第２層５０２及び第２層７０２の液相温度まで温度上昇することなく、高融点はんだの、第２層５０２及び第２層７０２を含んだはんだ接合を低温にて実現することができる。
これによってさらに、半導体装置１のそりの低減、及び半導体素子１の裏面電極３及び基板電極８１の各表面層におけるバリアメタルを薄くすることが可能になり、コスト低減を図ることも可能になる。
【００６２】
ここで用いた高融点はんだ（第２層５０２及び第２層７０２）の組成Ｓｎ−３Ｃｕは、半導体素子１の表面電極２及び裏面電極３、並びに基板電極８１の表面を構成するＮｉの、はんだ中への拡散を防止する作用がある。よって、基板電極８１、並びに、半導体素子１の表面電極２及び裏面電極３を構成するＮｉ層を薄くすることでき、コスト低減に有効である。本方法を用いることにより、容易に適用が可能になる。
また、本実施の形態４では、第１はんだ５ａ及び第２はんだ７ａのそれぞれについて、Ｓｎ−Ｃｕの同じ組成で液相温度の異なるはんだを用いたが、第１はんだ５ａ及び第２はんだ７ａ間でも組成が異なるはんだを用いることも可能である。
【００６３】
また、上述した各実施の形態を組み合わせた構成を採ることも可能であり、また、異なる実施の形態に示される構成部分同士を組み合わせることも可能である。
【符号の説明】
【００６４】
１、１ａ、１ｂ、１１  半導体素子、  ２、２ａ、２ｂ  表面電極、
３、３ａ、３ｂ  裏面電極、  ４  外部電極、  ５  第１はんだ、
５ａ  固体の第１はんだ、  ７  第２はんだ、  ７ａ  固体の第２はんだ、
８  基板、  ８１  基板電極、  １０  モールド樹脂、
１０１、１０１−２  半導体装置、  ２０１  超音波ヘッド、  ２０２  超音波振動、
２０５  超音波装置、  ２２０  加熱装置。
【図１Ａ】
2016127163.tif 000003
【図１Ｂ】
2016127163.tif 000004
【図２】
2016127163.tif 000005
【図３】
2016127163.tif 000006
【図４】
2016127163.tif 000007
【図５】
2016127163.tif 000008
【図６】
2016127163.tif 000009
【図７】
2016127163.tif 000010
【図８】
2016127163.tif 000011
【図９】
2016127163.tif 000012