(57)【要約】【課題】吸液性を有する樹脂基板の吸液量を抑制した状態で半導体素子搭載用基板を樹脂封止することができる半導体素子搭載用基板の処理方法を提供する。【解決手段】絶縁基材上に半導体素子を搭載する導体パターンを形成した半導体素子搭載用基板の処理方法であって、絶縁基材の少なくとも一部が吸液性を有し、導体パターン１３ａ，１３ｂを形成した合成樹脂基板１２で構成され、半導体素子搭載用基板１１を樹脂封止処理する前に、少なくとも合成樹脂基板１２を除液処理し、この除液処理後に合成樹脂基板１２を大気に曝露することなく樹脂封止処理を行うようにしている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基材上に半導体素子を搭載する導体パターンを形成した半導体素子搭載用基板の処理方法であって、
前記絶縁基材の少なくとも一部が吸液性を有し、前記導体パターンを形成した合成樹脂基板で構成され、前記半導体素子搭載用基板を樹脂封止処理する前に、少なくとも前記合成樹脂基板を除液処理し、この除液処理後に前記合成樹脂基板を大気に曝露することなく前記樹脂封止処理を行うことを特徴とする半導体素子搭載用基板の処理方法。
【請求項２】
前記合成樹脂基板がポリイミド樹脂で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子搭載用基板の処理方法。
【請求項３】
前記除液処理は、前記合成樹脂基板を当該合成樹脂基板の通常使用時の基板温度より高い除液処理温度に所定時間維持することにより行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体素子搭載用基板の処理方法。
【請求項４】
前記除液処理温度は２００℃以上に設定されていることを特徴とする請求項３に記載半導体素子搭載用基板の処理方法。
【請求項５】
前記半導体素子を前記導体パターンに搭載するリフロー処理後に前記除液処理を連続して行うことを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の半導体素子搭載用基板の処理方法。
【請求項６】
前記リフロー処理及び前記除液処理は不活性ガス雰囲気のリフロー炉中で行うことを特徴すとる請求項５に記載の半導体素子搭載用基板の処理方法。
【請求項７】
前記半導体素子搭載用基板を、前記合成樹脂基板の前記除液処理後に、大気に曝露されることなく予備加熱処理及び樹脂封止処理を連続して行うことを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の半導体素子搭載用基板の処理方法。
【請求項８】
前記樹脂封止処理は、モールド形成によって前記半導体素子を搭載した前記半導体素子搭載用基板を樹脂封止して半導体モジュールを形成することを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の半導体素子搭載用基板の処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絶縁基材上に導体パターンを形成した半導体素子搭載用基板の処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子を搭載する半導体素子搭載用基板は、通常、導体パターン上に半導体素子を例えば半田付けによって搭載し、その後全体あるいは一部を露出させて封止材で封止して半導体モジュールを形成するようにしている。この半導体モジュールを覆う半導体パッケージ用の絶縁材料としては、セラミックパッケージやプラスチックパッケージがある。
近年では、電子機器の小型化やＳｉＣ素子の適用のため、半導体モジュール用の封止材は従来のゲル状封止材から耐熱性、絶縁性で優れるエポキシ樹脂による樹脂封止材に移りつつある。また、半導体素子搭載用基板は、セラミックパッケージの採用に加えて耐熱性の高いポリイミド系の材料を適用することが多い。
【０００３】
ポリイミド系の材料は吸湿性が高く、特に２００℃で水蒸気の放出が増加する特性を有する。このため、特許文献１に記載された従来例では、リフロー処理時の加熱によるガスの放出に対しては導体パターンに小さな排気口やベントホールを設けることにより、水分や溶剤を放出するようにしている。
一方、半導体素子の製造方法では、特許文献２に記載された従来例のように、薄膜トランジスタを構成する基板上に形成されるゲート絶縁層となる第１の絶縁膜、活性層となる酸化物半導体膜、およびチャネル保護層となる第２の絶縁膜を大気に晒されることなく連続して形成することにより、活性層とチャネル保護層との界面に不純物が入ることを抑制し、活性層における水分、酸素、不純物当の影響を抑制するようにしている。
【０００４】
また、特許文献３に記載された従来例では、ポリイミド材料のイミド化率が８０％以上であり、かつポリイミド材料中に残存するジカルボン酸無水物が３％以下である電子素子と、ポリイミド材料を絶縁材料として有する絶縁層を備えた電子素子を製造する際に、絶縁層がポリイミド材料の前躯体を塗布し加熱することにより形成され、加熱が湿度１％以下の低湿度環境で行われることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−２５１７８３号公報
【特許文献２】特開２０１１−２４９６７４号公報
【特許文献３】特開２００６−６００４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、特許文献１に記載された従来例では、半導体素子搭載用基板の使用時に温度が１５０℃以下と低く、水分の放出が少ない、若しくはゲルで封止していたため、ガスがゲルを介して放出されることにより、ポリイミド系材料の絶縁基板とこれに形成された導体パターンとの間に水分等が放出されることが少なく、絶縁性の低下が殆どない。
しかしながら、最近、半導体モジュールの高耐熱化の要望があり、半導体素子搭載用基板の使用時の温度が２００℃以上となると、封止材としてゲル状封止材から例えばエポキシ樹脂等の樹脂封止材を適用する必要が生じる。この場合、半導体素子搭載用基板内部の水分や溶剤が導体パターンの間から放出されることにより、この放出部分での接着力が低下するとともに、２００℃以上の高温使用環境での絶縁性が低下する課題がある。
【０００７】
また、特許文献２及び３に記載された従来例では、半導体素子の製造過程で、大気に晒されることなく絶縁層、活性層等を形成したり、ポリイミド材料の前躯体を塗布して加熱する際に低湿度環境で加熱して絶縁層を形成したりすることが考えられている。しかしながら、特許文献２及び３に記載された従来例では半導体素子搭載用基板の一部に吸液性を有する合成樹脂基板を採用する場合については全く開示がない。
そこで、本発明は、上記従来例の課題に着目してなされたものであり、吸液性を有する樹脂基板の吸液量を抑制した状態で半導体素子搭載用基板を樹脂封止することができる半導体素子搭載用基板の処理方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る半導体素子搭載用基板の処理方法は、絶縁基材上に半導体素子を搭載する導体パターンを形成した半導体素子搭載用基板の処理方法である。この半導体素子搭載用基板の処理方法は、前記絶縁基材の少なくとも一部が吸液性を有し、前記導体パターンを形成した合成樹脂製基板で構成され、前記半導体素子搭載用基板を樹脂封止処理する前に、少なくとも前記合成樹脂基板を除液処理し、この除液処理後に前記合成樹脂基板を大気に曝露することなく前記樹脂封止処理を行うようしている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の一態様によれば、半導体素子搭載用基板の少なくとも一部に適用された吸液性を有する合成樹脂製基板の吸液量を抑制した状態で樹脂封止処理を行うことにより、半導体素子搭載用基板の使用時のガス放出を抑制し、高温での絶縁性低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態を示す半導体モジュールを示す断面図である。
【図２】図１の半導体素子搭載用基板の平面図である。
【図３】処理室内でのリフロー炉とモールド成形装置との配置関係を示す模式図である。
【図４】半導体素子搭載用基板の処理過程を示すタイムチャートである。
【図５】必要な除液時間の処理温度依存性を示す特性線図である。
【図６】絶縁破壊試験用試料を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
次に、図面を参照して、本発明の一実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００１２】
また、以下に示す実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
まず、本発明の一の態様を表す半導体素子搭載用基板の処理方法の一実施形態について説明する。
まず、本発明の一態様を適用できる半導体モジュールを図１及び図２について説明する。
【００１３】
半導体モジュール１０は、半導体素子搭載用基板１１と、プリント配線基板２１とを備えている。半導体素子搭載用基板１１は、図１及び図２に示すように、ポリイミド樹脂等の吸液特性を有する絶縁基材としての合成樹脂基板１２と、合成樹脂基板１２の一方の主面側に形成された例えば厚みが０．４ｍｍの銅板で構成された導体パターン１３ａ及び１３ｂとで構成されている。導体パターン１３ａ及び１３ｂは、長手方向の中心線を挟んで線対称に形成されている。
【００１４】
また、合成樹脂基板１２の他面側には、導体パターン１３ａ及び１３ｂと対向する位置に導体パターン１３ａ及び１３ｂと同一形状を有する導体パターン１４ａ及び１４ｂが形成されている。導体パターン１３ａ，１３ｂ及び１４ａ，１４ｂの合成樹脂基板１２への形成方法としては、蒸着やスパッタによる成膜、金属箔のロウ付け等を適用することができる。また、合成樹脂基板１２に銅板を貼り付けた後にエッチングによって所望の導体パターンを形成するようにしてもよい。
【００１５】
導体パターン１３ａ及び１３ｂには、主面とは反対側の略中央位置に例えばＳｉＣのショットキバリアダイオードで構成される半導体素子１５ａ及び１５ｂが例えば半田付けによる表面実装によって接合されている。また、導体パターン１３ａには半導体素子１５ａの外側の左端側に外部接続端子となる導体ピン１６ａが例えば半田付けによって接合され、導体パターン１３ｂには半導体素子１５ｂの外側の右端側に外部接続端子となる導体ピン１６ｂが例えば半田付けによって接合されている。導体ピン１６ａ及び１６ｂはプリント配線基板２１に形成された貫通孔２２ａ及び２２ｂを通じてプリント配線基板２１の合成樹脂基板１２とは反対側に突出されている。
【００１６】
さらに、半導体素子１５ａ及び１５ｂの導体パターン１３ａ及び１３ｂとは反対側と、これらと所定間隔を保って配置されたプリント配線基板２１との間に接続端子となる導体ピン１７ａ及び１７ｂが例えば半田付けによって接合されている。
プリント配線基板２１には、半導体素子１５ａ及び１５ｂに接合された導体ピン１７ａ及び１７ｂの接合位置に、両者を電気的に接続する導体パターン２３が形成されている。
合成樹脂基板１２の導体パターン１３ａ，１３ｂ、半導体素子１５ａ，１５ｂ、導体ピン１６ａ，１６ｂ及び１７ａ，１７ｂ、プリント配線基板２１の導体パターン２３の半田付けはリフロー処理によって一括して行われる。
【００１７】
そして、半導体素子搭載用基板１１及びプリント配線基板２１が例えばエポキシ樹脂で構成される樹脂封止材３１で封止されている。この樹脂封止材３１による封止は、モールド成形の金型内に一体化した合成樹脂基板１２及びプリント配線基板２１を一体化して形成した半導体素子搭載用基板１１をモールド成形装置のモールド成形用金型内に位置決めして配置し、このモールド形成用金型内に溶融状態の樹脂封止材を圧入することにより行う。
なお、図３に示すように、リフロー処理を行うリフロー炉４１と、モールド成形を行うモールド成形装置４２とは例えば窒素による不活性ガス雰囲気とされた処理室４３内に配置されている。そして、リフロー炉４１から処理後の半導体素子搭載用基板１１が搬送装置４４によってモールド成形装置４２に大気に曝露されることなく搬送される。
【００１８】
次に、半導体素子搭載用基板の処理方法について図４を伴って説明する。
まず、合成樹脂基板１２の導体パターンや、半導体素子、導体ピンなどの半田付け個所に例えばクリーム半田をクリーム半田塗布装置によって塗布する。次いで、合成樹脂基板１２の導体パターン１３ａ及び１３ｂに半導体素子１５ａ及び１５ｂを、半田を介して位置決めし、半導体素子１５ａ及び１５ｂ上に導体ピン１７ａ及び１７ｂを介してプリント配線基板２１を位置決めする。この場合、導体ピン１７ａ及び１７ｂを予めプリント配線基板２１に形成した貫通孔又は凹部内に嵌挿して仮固定状態としておくことにより位置決めが容易となる。そして、プリント配線基板２１の貫通孔２２ａ及び２２ｂ内に導体ピン１６ａ及び１６ｂを挿通して合成樹脂基板１２の導体パターン１３ａ及び１３ｂ上に半田を介して位置決めする。
この状態で、例えば窒素雰囲気のリフロー炉４１に搬送して、図４に示すように、時点ｔ０で常温から例えば２４０℃のリフロー処理温度まで加熱するリフロー処理を開始し、時点ｔ１で２４０℃に達すると、この２４０℃をリフロー処理時間（例えば１分間）維持するリフロー処理を行う。
【００１９】
そして、リフロー処理時間が経過した時点ｔ２に目標加熱温度を２００℃まで低下させ、時点ｔ３で２００度に到達すると除液処理を開始する。この除液処理では、２００℃を除液処理時間（例えば５分程度）だけ維持し、合成樹脂基板１２に含まれる水分や溶剤を放出させる。ここで、除液処理時間は、図５に示すように、処理温度の増加に応じて除液処理時間が減少する処理温度依存性を有し、２００℃前後で除液処理時間が５分から３．５分程度に減少し、その後２５０℃で２．５分であるが、３００℃で２分程度となる。しかしながら、リフロー処理温度が２４０℃であるので、除液処理温度は、半導体素子１５ａ及び１５ｂの耐熱温度よりは低く設定し、半導体素子搭載用基板１１の通常使用時の温度よりは高く設定することが好ましい。
【００２０】
その後、除液処理時間が経過した時点ｔ４で目標加熱温度を１２０℃に低下させて、時点ｔ５から１２０℃で予備加熱処理を所定時間行う。予備加熱処理温度は、１２０℃以上１５０℃以下の値でもよい。そして、予備加熱処理が終了した時点ｔ６で、半導体素子搭載用基板１１を大気に曝露することなくモールド成形装置４２へ搬送し、モールド成形用金型内にセットする。モールド成形用金型へのセットが完了すると、モールド成形用金型内へ溶融状態の封止樹脂を圧入してモールド成形を行い、半導体素子を搭載した半導体素子搭載用基板１１を封止樹脂で封止して半導体モジュール１０が形成される。
【００２１】
次いで、モード成形処理が終了すると、モールド金型から半導体モジュール１０を取り出して常温まで冷却する。
このように、半導体素子搭載用基板１１をリフロー処理で半田付けを行い続いて２００℃に維持する除液処理を行い、その後、モールド成形の予備加熱温度に低下させてから半導体素子搭載用基板１１を大気に曝露させることなくリフロー炉４１からモールド成形装置４２へ搬送して半導体素子搭載用基板１１を樹脂封止する。このため、リフロー処理後に除液処理を行うことにより、吸液特性を有する合成樹脂基板１２内の水分や溶剤を外部に確実に放出することができ、その後、大気に曝露することなく樹脂封止されて半導体モジュール１０が形成される。
したがって、半導体モジュール１０内の半導体素子搭載用基板１１中に含まれる水分や溶剤を確実に除液することができる。このため、半導体モジュール１０の通常使用時に合成樹脂基板１２からの水分や溶剤の放出を確実に防止することができ、高温での絶縁性を確保することができる。
【００２２】
〔実施例〕
半導体素子搭載用基板１１の評価を絶縁破壊試験で行うために、図６に示す試料５１を作成した。この試料５１は、合成樹脂基板１２に形成された導体パターン５２ａ及び５２ｂが互いに対向する側を円弧面とする半円形状に形成されている。ここで、導体パターン５２ａ及び５２ｂの半径を１０ｍｍとし、導体パターン５２ａ及び５２ｂ間の最小距離を０．３ｍｍとしている。このように、導体パターン５２ａ及び５２ｂの対向面を半円形状に形成することにより、電界の集中を防止して正確な絶縁破壊の評価を行うことができる。なお、導体パターン５２ａ及び５２ｂには、絶縁破壊用高電圧を印加する電極ピン５３ａ及び５３ｂが例えば半田付けによって接合されている。
【００２３】
そして、リフロー処理後に、リフロー炉４１内で引き続き窒素雰囲気中で２００℃、１０分間の除液処理を行い、その後大気に曝露することなく窒素雰囲気でモールド成形して樹脂封止を行って試料５１を形成した。樹脂封止は、１２０℃で１時間掛けて１次硬化させた後、２００℃で１時間保ち２次硬化させた。
これに対して、比較例として、試料５１と同一構成の試料を作成し、リフロー処理後に除液処理を行うことなく大気中に１０分間曝露した後、試料をモールド成形して樹脂封止処理を行った。このときの封止条件は、試料５１と同じ封止処理を行った。
そして、実施例の試料５１と比較例の試料とを短時間絶縁破壊試験（ＡＣ５０Ｈｚ、昇圧速度１０ｋＶ／分、温度２００℃）を行った。
【００２４】
この短時間絶縁破壊試験結果を下記表１に示す。
【表１】
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この表１から明らかなように、実施例の試料５１では、絶縁破壊電圧が２５〜３５〔ｋＶｅｆｆ〕であったのに対し、比較例の試料では、絶縁破壊電圧が１０〜２０〔ｋＶｅｆｆ〕であった。したがって、実施例の試料５１は比較例の試料に対して絶縁破壊電圧を向上させることができた。
【００２５】
なお、上記実施形態においては、半導体素子１５ａ，１５ｂとプリント配線基板２１との接合などの電気的な接合を導体ピン１６ａ，１６ｂ及び１７ａ，１７ｂで行う場合について説明したが、これに限定されるものではなく、導体ピンに代えてワイヤボンディングを適用することもできる。
また、半導体素子１５ａ，１５ｂとしては、高温で動作可能なＳｉＣのショットキバリアダイオードを適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等の任意の半導体素子を適用することができる。
【００２６】
また、上記実施形態では、半導体素子搭載用基板１１自体が吸液特性を有する合成樹脂基板１２で構成されている場合について説明したが、これに限定されるものではなく、半導体素子搭載用基板１１の一部を合成樹脂基板で構成する場合にも本発明を適用することができる。
また、上記実施形態では、プリント配線基板２１を設ける場合について説明したが、搭載する半導体素子によってはプリント配線基板２１を省略することもできる。
【００２７】
また、上記実施形態では、リフロー炉４１及びモールド成形装置４２を窒素雰囲気の処理室４３内に配置する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、リフロー炉４１及びモールド成形装置４２との間を不活性ガス雰囲気の連通路で連絡し、リフロー炉４１でリフロー処理、除液処理及び予備加熱処理を行って半導体素子を搭載した半導体素子搭載用基板１１を連通路内を搬送装置によってモールド成形装置４２へ大気に曝露することなく搬送するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００２８】
１０…半導体モジュール、１１…半導体素子搭載用基板、１２…合成樹脂基板、１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂ…導体パターン、１５ａ，１５ｂ…半導体素子、１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂ…導体ピン、２１…プリント配線基板、２２ａ，２２ｂ…貫通孔、２３…導体パターン、３１…樹脂封止材、４１…リフロー炉、４２…モールド成形装置、４３…処理室、４４…搬送装置、５１…試料、５２ａ，５２ｂ…導体パターン、５３ａ，５３ｂ…電極ピン
【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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