(57)【要約】      （修正有）【課題】リードフレームとはんだとの良好な濡れ性と、リードフレーム等と封止樹脂体との高い密着性の双方を満足する半導体モジュールを製造する半導体モジュールの製造方法を提供する。【解決手段】表面にNiめっき層２が形成され、Niめっき層２の表面にAuめっき層が形成されてなるリードフレーム１に対して半導体素子５をはんだ付けし、リードフレーム１と半導体素子５からなる中間体を製造する第１のステップ、中間体の表面にプライマーを塗布し、乾燥させてプライマー層６を形成する第２のステップ、プライマー層６の表面に封止樹脂体７を成形し、中間体と封止樹脂体７とからなる半導体モジュール２０を製造する第３のステップからなる。第１のステップにおいて、半導体素子５のはんだ付け前に、もしくははんだ付け後に熱処理を施して、Niが拡散されたＡｕめっき層３’を形成する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
リードフレームの表面にNiめっき層が形成され、Niめっき層の表面にAuめっき層が形成されてなるリードフレームに対して半導体素子をはんだ付けし、リードフレームと半導体素子からなる中間体を製造する第１のステップ、
中間体の表面にプライマーを塗布し、乾燥させてプライマー層を形成する第２のステップ、
プライマー層の表面に封止樹脂体を成形し、中間体と封止樹脂体とからなる半導体モジュールを製造する第３のステップからなり、
前記第１のステップにおいて、半導体素子のはんだ付け前に、もしくははんだ付け後に、熱処理してAuめっき層内にNiめっきを拡散させる半導体モジュールの製造方法。
【請求項２】
前記熱処理を215℃以上で1時間以上おこなう請求項１に記載の半導体モジュールの製造方法。
【請求項３】
Auめっき層のうち、はんだ層やプライマー層側の表面におけるNi濃度を9at%以上とする請求項２に記載の半導体モジュールの製造方法。
【請求項４】
前記第１のステップにおいて、上下二つのリードフレームを用意し、下方のリードフレームに対して半導体素子をはんだ付けし、該半導体素子と上方のリードフレームの間に銅製のブロック体をはんだ付けし、上下のリードフレームと半導体素子とブロック体とからなる中間体を製造する請求項１〜３のいずれかに記載の半導体モジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リードフレームと半導体素子がはんだ層を介して接続され、リードフレームと半導体素子の周囲に封止樹脂体が形成されてなる半導体モジュールの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の半導体素子を搭載した半導体モジュール（パワーモジュールもしくはパワーカード）は、リードフレームと半導体素子がはんだ層を介して接続された積層体がケース内に収容され、さらにこのケース内に封止樹脂体が形成された構成のものや、ケースレス構造であって、比較的硬質の封止樹脂体で上記積層体が封止された構成のものなど、多様な形態が存在している。なお、ケースレス構造のもの、ケースを具備する構造のもののいずれであっても、ヒートシンクや冷媒を還流させる冷却器などがさらに配されて半導体素子からの熱をこれらに放熱させる構造が一般に適用されている。また、リードフレームが上下に存在し、その間に半導体素子が配設されるとともに、上下のリードフレームに冷却構造が形成された両面冷却構造の半導体モジュールも存在している。
【０００３】
上記半導体モジュールにおいて、リードフレームと封止樹脂体の密着性を高めるべく、これらの間にプライマー層を介在させる方法が適用されている。
【０００４】
より具体的には、溶液状のプライマーを金属製の面材の表面にスピンコートなどによって塗布し、乾燥させた後に封止樹脂をポッティングすることでリードフレームの周囲に封止樹脂体が形成される。
【０００５】
ところで、リードフレームにははんだとの間で良好な濡れ性が要求されるが、特に上記する両面冷却構造の半導体モジュールにおいては、上側のリードフレームのはんだとの濡れ性が不十分な場合に、はんだ付け時にはんだがその下方の半導体素子側に流れ込んでしまい、他の信号線などとショートを起こしてしまう惧れがあることから、特に高い濡れ性が要求される。
【０００６】
そこで、特許文献１で開示される半導体装置のように、Niめっきよりもはんだとの濡れ性が良好なAuめっきをNiめっき層の上に施す技術が適用できる。
【０００７】
しかしながら、AuめっきはNiめっきと比較してプライマーとの密着性が低いことから、上記するように封止樹脂体との密着性を高めるべく処置されたプライマー層とAuめっき層との間で剥離が生じ易くなる。そして、このようにプライマー層とAuめっき層との間で剥離が生じることはリードフレームからの封止樹脂体の剥離を意味しており、剥離面からの水分や異物の浸入によって半導体モジュールの作動が阻害される惧れがある。
【０００８】
そこで、リードフレームと封止樹脂体との密着性を高めるべく、プライマーを使用する代わりに、特許文献２で開示されるように、リードフレームに表面処理を施して表面粗さを増加させ、表面の凹凸内に封止樹脂体を入り込ませ、アンカー効果によって双方の密着性を高める方法がある。
【０００９】
しかしながら、リードフレームの表面粗さが増加することで今度ははんだの濡れ性が悪化してしまう。さらに、リードフレームの表面にはんだ層を介して半導体素子を搭載した際に、リードフレームの表面処理の際に使用した表面処理剤が半導体素子に接触して少なからず悪影響を与え得ることとなり、半導体モジュールの性能低下に繋がるといった惧れがある。
【００１０】
このように、半導体モジュールの技術分野においては、リードフレームとはんだとの良好な濡れ性を保証することと、リードフレーム等と封止樹脂体との高い密着性を保証すること、の双方を満足する技術の開発が切望されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００７−１０３９０９号公報
【特許文献２】特開２０１３−１８２９７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、リードフレームとはんだとの良好な濡れ性と、リードフレーム等と封止樹脂体との高い密着性の双方を満足する半導体モジュールの製造方法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】
【００１３】
前記目的を達成すべく、本発明による半導体モジュールの製造方法は、リードフレームの表面にNiめっき層が形成され、Niめっき層の表面にAuめっき層が形成されてなるリードフレームに対して半導体素子をはんだ付けし、リードフレームと半導体素子からなる中間体を製造する第１のステップ、中間体の表面にプライマーを塗布し、乾燥させてプライマー層を形成する第２のステップ、プライマー層の表面に封止樹脂体を成形し、中間体と封止樹脂体とからなる半導体モジュールを製造する第３のステップからなり、前記第１のステップにおいて、半導体素子のはんだ付け前に、もしくははんだ付け後に、熱処理してAuめっき層内にNiめっきを拡散させるものである。
【００１４】
本発明の製造方法は、たとえばCu素材のリードフレームの表面にNiめっき層が形成され、Niめっき層の表面にAuめっき層が形成された後、半導体素子をリードフレームにはんだ付けする前後のいずれかのタイミングで熱処理を施し、Auめっき層内にその下方のNiめっき層からのNiめっきを拡散させることに特徴がある。このことにより、Auめっき層によるはんだとの良好な濡れ性を保証しながら、Auめっき層内に拡散しているNiめっきによってプライマーとの高い密着性を保証し、リードフレーム等からの封止樹脂体の剥離が抑制された半導体モジュールを製造することができる。
【００１５】
ここで、本明細書において「リードフレーム」とは、文字通りのリードフレームのほか、ダイパッド、回路基板や応力緩和基板等の基板、純Alからなる基板とAlN(窒化アルミニウム)からなる基板を積層してなるDBA（絶縁基板）、ヒートシンクなども包含されるものである。
【００１６】
第１のステップにおけるAuめっき層内へのNiめっきの拡散においては、Niめっきがプライマー層と接触する必要があることから、Auめっき層の特に表面までNiめっきが拡散しているのが望ましい。
【００１７】
また、第３のステップにおける封止樹脂体の形成方法は、エポキシ系熱硬化性樹脂などの樹脂材料を圧縮成形やトランスファー成形、射出成形など、成形全般の中から選択される好適な成形方法にて形成することができる。
【００１８】
ここで、第１のステップにおける前記熱処理は、215℃以上で1時間以上おこなうのが好ましい。
【００１９】
215℃以上で1時間以上の熱処理条件にて熱処理を施すことにより、Auめっき層のうち、はんだ層やプライマー層側の表面におけるNi濃度をAu濃度比で9at%(atmic%)以上に調整できることが本発明者等によって特定されている。
【００２０】
そして、Auめっき層のはんだ層側の表面におけるNi濃度が9at%以上の場合に、Niめっきが拡散してなるAuめっき層とプライマー層の間のシェア強度がNiめっきそのものの強度を超える、25Mpa以上という極めて高い強度を示すことが実証されている。
【００２１】
また、本発明による半導体モジュールの製造方法の他の実施の形態は、前記第１のステップにおいて、上下二つのリードフレームを用意し、下方のリードフレームに対して半導体素子をはんだ付けし、該半導体素子と上方のリードフレームの間に銅製のブロック体をはんだ付けし、上下のリードフレームと半導体素子とブロック体とからなる中間体を製造するものである。
【００２２】
本実施の形態の製造方法は、既述する両面冷却構造の半導体モジュールを製造対象としたものである。
【００２３】
本発明の製造方法では、リードフレームの表面にはんだとの濡れ性が良好なAuめっき層が存在することによって、両面冷却構造の半導体モジュールを構成する特に上側のリードフレームにはんだ付けした際に、はんだがその下方の半導体素子側に流れ込んでしまうといった問題は生じ得ず、はんだの流れ込みによって他の信号線などとショートを起こしてしまう惧れはない。
【発明の効果】
【００２４】
以上の説明から理解できるように、本発明の半導体モジュールの製造方法によれば、リードフレームの表面にNiめっき層が形成され、Niめっき層の表面にAuめっき層が形成された後、半導体素子をリードフレームにはんだ付けする前後のいずれかのタイミングで熱処理を施し、Auめっき層内にその下方のNiめっき層からのNiめっきを拡散させることにより、Auめっき層によるはんだとの良好な濡れ性を保証しながら、Auめっき層内に拡散しているNiめっきによってプライマーとの高い密着性を保証し、リードフレーム等からの封止樹脂体の剥離が抑制された半導体モジュールを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の半導体モジュールの製造方法の第１のステップを説明した模式図である。
【図２】図１に続いて第１のステップを説明した模式図である。
【図３】第２のステップと第３のステップを説明した模式図であって、製造された半導体モジュールの実施の形態１を示した図である。
【図４】本発明の製造方法によって製造される半導体モジュールの実施の形態２を示した図である。
【図５】熱処理時間とNiの拡散量に関する実験結果を示した図である。
【図６】Auめっき層におけるNiの拡散量とAuめっき層とプライマーの間のシェア強度の関係に関する実験結果を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、図面を参照して本発明の半導体モジュールの製造方法とこの方法によって製造された半導体モジュールの実施の形態を説明する。なお、製造される半導体モジュールは図示例のものに何等限定されるものではなく、図示する形態のリードフレーム以外にも、絶縁基板や応力緩和板などからなる基材やこれら二種以上の基材が積層したものの表面に半導体素子が搭載される形態であってもよい。また、図示例は冷却器等の図示を省略している。
【００２７】
（半導体モジュールの製造方法の実施の形態）
図１，２は順に本発明の半導体モジュールの製造方法の第１のステップを説明した模式図であり、図３は第２のステップと第３のステップを説明した模式図であって、製造された半導体モジュールの実施の形態１を示した図である。
【００２８】
まず、図１で示すように、リードフレーム１の表面にNiめっき層２を形成し、さらにNiめっき層２の表面にAuめっき層３を形成する。ここで、リードフレーム１は、アルミニウムやその合金、銅やその合金などから形成される。
【００２９】
次に、図２で示すように、リードフレーム１やNiめっき層２、Auめっき層３に熱処理を施し、はんだ層４側となる表面にNiが拡散されたAuめっき層３’を形成する。
【００３０】
ここで、この熱処理は、215℃以上で1時間以上おこなうのが好ましく、後述する実験結果で説明するように、この熱処理条件下で熱処理を施すことでAuめっき層３’のうち、はんだ層４やプライマー層６側の表面におけるNi濃度を9at%以上とすることができる。そして、Auめっき層３’の表面におけるNi濃度を9at%以上とすることで、Auめっき層３’とプライマー層６の間の高いシェア強度を実現することができる。
【００３１】
図２において、はんだ層４側となる表面にNiが拡散されたAuめっき層３’を形成したら、はんだ層４を介して半導体素子５をリードフレーム１に搭載し、リードフレーム１と半導体素子５からなる中間体１０を製造する（以上、第１のステップ）。
【００３２】
ここで、はんだ層４は、Pb系はんだ、Pbフリーはんだのいずれであってもよいが、環境影響負荷低減を図るべく、Sn−Ag系はんだ、Sn−Cu系はんだ、Sn−Ag−Cu系はんだ、Sn−Zn系はんだ、Sn−Sb系はんだなどのPbフリーはんだからなるものが好ましい。
【００３３】
なお、熱処理を施してはんだ層４側となる表面にNiが拡散されたAuめっき層３’を形成するタイミングは、図示例以外にも、はんだ層４を介して半導体素子５をリードフレーム１上に搭載した後に実施してもよい。
【００３４】
Auめっき層３’を介してはんだ層４が形成されることから、Auめっき層３’とはんだ層４の間の良好な濡れ性が保証される。
【００３５】
次に、図３で示すように、中間体１０を構成するリードフレーム１表面上のAuめっき層３’の表面からはんだ層４の表面、半導体素子５の表面に亘って、溶液状のプライマーをスピンコートなどによって塗布し、乾燥させてプライマー層６を形成する（第２のステップ）。
【００３６】
リードフレーム１の表面では、表面にNiが拡散されたAuめっき層３’の上にプライマー層６が形成されることから、Auめっき層３’内に拡散しているNiによってプライマー層６との高い密着性が保証される。
【００３７】
次に、図３で示すようにプライマー層６の上方に封止樹脂をポッティングし、これが硬化して封止樹脂体７が形成されることで半導体モジュール２０が製造される。
【００３８】
ここで、使用する封止樹脂材料としてはエポキシ系熱硬化性樹脂が挙げられる。このエポキシ系熱硬化性樹脂は末端に反応性のエポキシ基を持つ熱硬化型の合成樹脂であり、ビスフェノールAとエピクロルヒドリンとの縮合反応により製造されるビスフェノールA型エポキシ樹脂や、ノボラック系エポキシ樹脂、トリスフェノールメタン型エポキシ樹脂、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、多官能エポキシ樹脂、可撓性エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、高分子型エポキシ樹脂およびグリシジルエステル型エポキシ樹脂などを挙げることができ、これらを単独で、もしくは、ビスフェノールA型エポキシ樹脂とその他の一種もしくは二種以上の樹脂を混合して使用することもできる。
【００３９】
また、エポキシ系熱硬化性樹脂の中には、熱伝導性と熱膨張の改善を目的としてシリカやアルミナ、窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、酸化マグネシウム等の無機フィラーが含有されていてもよい。
【００４０】
図示する半導体モジュールの製造方法によれば、Auめっき層３内にその下方のNiめっき層２からのNiめっきを拡散させて表面にNiが拡散してなるAuめっき層３’を形成することにより、Auめっき層３’によるはんだ層４との良好な濡れ性を保証しながら、Auめっき層３’内の特に表面に拡散しているNiによってプライマー層６との高い密着性を保証することができる。そのため、リードフレーム１からの封止樹脂体７の剥離が抑制された半導体モジュール２０を製造することができる。
【００４１】
また、図４は、本発明の半導体モジュールの製造方法で製造された実施の形態２にかかる半導体モジュールを説明した模式図である。
【００４２】
図示する半導体モジュール２０Ａは、上下に二つのリードフレーム１，１があり、下方のリードフレーム１に対して半導体素子５がはんだ付けされ、半導体素子５と上方のリードフレーム１の間に銅製のブロック体８がはんだ付けされ、上下のリードフレーム１，１、半導体素子５、ブロック体８および封止樹脂体７から構成された、いわゆる両面冷却構造の半導体モジュールである。なお、図示する形態は、上下のリードフレーム１，１間に２つの半導体素子５が並列に搭載されている。
【００４３】
両面冷却構造の半導体モジュールでは、上側のリードフレームのはんだ層との濡れ性が不十分な場合に、はんだ付け時にはんだがその下方の半導体素子側に流れ込み、他の信号線などとショートを起こしてしまう惧れがある。しかし、図示する両面冷却構造の半導体モジュール２０Ａでは、上側のリードフレーム１とはんだ層４と間に、表面にNiが拡散されたAuめっき層３’が形成されていることから、はんだ付けした際にはんだがその下方の半導体素子側に流れ込んでしまうといった問題は生じ得ず、はんだの流れ込みによって他の信号線などとショートを起こしてしまう惧れはない。
【００４４】
（熱処理時間とNiの拡散量に関する実験とその結果）
本発明者等は、熱処理時間とNiの拡散量に関する実験をおこなった。具体的には、温度を210℃、300℃、350℃の三種類選定し、それぞれの温度条件において熱処理時間を10分、40分、60分で熱処理した際のNi拡散量を測定した。実験結果を図５に示す。
【００４５】
図５より、210℃の温度の場合、Ni拡散量が9at%に達する処理時間は60分であり、210℃よりも高い温度条件では10分でNi拡散量が20at%以上に達することが分かる。
【００４６】
次に、この実験における三種の温度条件でかつ三種の処理時間条件におけるNi拡散量から、アレニウスプロットを用いることで、以下の数式１で示すNi拡散速度を算出することができる。
【００４７】
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ここで、tは処理時間（sec）、Tは温度(K)である。
【００４８】
（Auめっき層におけるNiの拡散量とAuめっき層とプライマーの間のシェア強度の関係に関する実験とその結果）
本発明者等はさらに、上記三種の温度条件でかつ三種の処理時間条件において製作された試験体のうち、熱処理時間が10分の試験体と60分の試験体を抜き出し、Auめっき層とプライマーの間のシェア強度を測定する実験をおこなった。実験結果を図６に示す。
【００４９】
図６より、210℃で10分の熱処理をおこなった試験体において、シェア強度25MPaと極めて高いシェア強度が得られることが実証されており、それ以外の試験体ではさらに高いシェア強度が得られることが分かる。
【００５０】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【符号の説明】
【００５１】
１…リードフレーム、２…Niめっき層、３…Auめっき層、３’…Niが拡散されたAuめっき層、４…はんだ層、５…半導体素子、６…プライマー層、７…封止樹脂体、８…ブロック体、１０…中間体、２０，２０Ａ…半導体モジュール
【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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