(57)【要約】【課題】リードフレームやヒートスプレッダ等の金属部品を接合する場合のアルミ電極の損傷、破壊を防止した半導体装置を提供する。【解決手段】半導体素子１０の表面電極１３としてアルミ膜１１が形成され、その上面にはニッケル膜１２が金属保護膜として成膜されている。表面電極１３のニッケル膜１２上で鉛フリーはんだ２２を介してリードフレーム２１が接合されている。表面電極１３のアルミ膜１１は、鉛フリーはんだ２２より薄く成膜されたニッケル膜１２によってその全面が覆われている。また、鉛フリーはんだ２２の外周部の断面形状は、その厚さ方向の中間部分で内側に括れた半円形状（湾曲したフィレット形状２３）となっている。さらに、半導体素子１０の表面電極１３は、その端部がリードフレーム２１との接合部分となる鉛フリーはんだ２２の外周端部から距離「ｄ」だけ外側位置まで形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子の表面電極に電気的配線あるいは放熱部材としての金属部品を接合した半導体装置において、
前記表面電極に前記金属部品を接合するはんだ接合層と、
前記表面電極の前記金属部品との接合部分に、前記はんだ接合層の厚みより薄く成膜された金属保護膜と、
を備え、
前記はんだ接合層が、その厚さ方向の中間部分で内側に括れたフィレット形状をなしていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記金属保護膜は、前記表面電極上で前記はんだ接合層の外周端部の外側位置まで成膜されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記金属保護膜は、ニッケル（Ｎｉ）組成物からなるニッケルめっき膜であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項４】
前記表面電極は、アルミニウム（Ａｌ）層であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項５】
前記はんだ接合層は、鉛フリーはんだによって形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項６】
半導体素子の表面電極に電気的配線あるいは放熱部材としての金属部品を接合することで構成された半導体装置の製造方法において、
前記表面電極上の前記金属部品との接合領域にはんだを配置する工程と、
前記表面電極上で前記はんだを囲むように、前記はんだより高い融点の金属ワイヤを配置する工程と、
前記金属部品を前記はんだ上に配置した状態でリフロー炉によって加熱して前記はんだを溶融する工程と、
前記加熱した溶融はんだを冷却固化した後、前記はんだのフィレット部から前記金属ワイヤを除去する工程と、
を有することを特徴とする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、半導体素子の表面電極に電気的配線あるいは放熱部材としての金属部品を接合した半導体装置及びその製造方法に関し、とくにＩＧＢＴモジュールなど、縦型半導体素子を使用するパワー半導体素子を組み込んで構成された半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
縦型半導体素子は、半導体基板の表裏主面にそれぞれ電極が配置され、電流が半導体基板内部を上下方向に流れるものであって、大電流用途に適した構造の半導体チップとして知られている。この種の縦型半導体素子は、現状では、高い熱伝導性が要求されるＩＧＢＴモジュールなどに組み込まれた大容量半導体装置（パワーデバイス）として多用されている。
【０００３】
図６は、従来のパワーデバイスの一例をその断面構成によって示す断面図である。
パワー半導体モジュール１００には、セラミクス基板１３１の表面で所定の電気回路パターンを構成する導体層１３２と、その裏面で裏銅箔を構成する導体層１３３が形成されたセラミクス絶縁板（ＤＢＣ基板）１３０の上に、それぞれはんだ層１２０を介して２枚の半導体チップ１１０が接合されている。また、セラミクス絶縁板１３０の半導体チップ１１０との接合面とは反対の面に、はんだ層１２１を介して銅ベース１４０が接合されている。さらに、銅ベース１４０には、セラミクス絶縁板１３０との接合面とは反対の面にサーマルコンパウンド１５０を介して冷却フィン１６０が接合されている。冷却フィン１６０は、サーマルコンパウンド１５０により銅ベース１４０との間で密着して、両者の熱伝導を良好にして、パワー半導体モジュール１００で発生する熱を放散する機能を果たしている。
【０００４】
セラミクス基板１３１には、たとえばアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）が用いられる。また、セラミクス基板１３１に接合されている導体層１３２，１３３には、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ：以下、アルミと略称する。）などが用いられる。導体層１３２の電気回路パターンは、エッチングなどにより形成される。
【０００５】
ここで、半導体チップ１１０をセラミクス絶縁板１３０の電気回路パターン（導体層１３２）に接合するはんだ層１２０や、裏銅箔を構成する導体層１３３と銅ベース１４０とを接合するはんだ層１２０，１２１には、板はんだやクリームはんだが利用され、それらが一定の接合層厚さを確保するように組立てられている。なお、図６のパワー半導体モジュール１００には、樹脂ケース、外部端子、ワイヤボンディングなどは示されていない。
【０００６】
こうしたパワーデバイスのシリコン基板（半導体チップ１１０）は、従来から、その裏面側にはんだ接合ができるような金属電極膜が被着されている。また、表面（上面）側の金属電極はアルミ電極膜が成膜され、ワイヤボンディングにより外部接続端子と接続されるものが一般的であった。最近では、半導体素子の表面側の電気配線として、ワイヤボンディングに代えて、たとえばリードフレームを使用するパワーデバイスも提案されている。
【０００７】
図７は、パワー半導体モジュールの構造を示す断面図である。
このパワー半導体モジュール２００には、複数の発熱性の半導体素子２１０（ＩＧＢＴモジュール）が、はんだ層２２０を介して、長方形板状の絶縁基板２３１の表面に形成された回路パターン２３２の所定位置に接合されている。この図７では、複数の半導体素子２１０の一つだけが表示されている。
【０００８】
絶縁基板２３１の裏面では、導体層２３３がこの絶縁基板２３１よりも大きな長方形板状の銅板からなるヒートシンク２６０にはんだ層２２１を介して接合され、このヒートシンク２６０の上端縁に沿って半導体素子２１０を取り囲むように、樹脂成形されたケース２６１が接着されている。ケース２６１の内壁には外部接続端子として、エミッタ用端子２５１やコレクタ用端子２５２等が設けられており、それぞれ複数本のアルミワイヤ２４１，２４２等を介して絶縁基板２３１上の各回路パターン２３２に電気的に接続されている。そして、絶縁基板２３１と反対側に形成された半導体素子２１０の表面電極には、はんだ層２２２を介して、低電気抵抗率で高熱伝導率を有する銅からなる長方形板状の高熱伝導体２４０が接合されている。この高熱伝導体２４０は、二股のリードフレーム（電気伝導体）として構成している。
【０００９】
すなわち、高熱伝導体２４０は半導体素子２１０の表面電極と接続される本体と、その側方に、はんだ層２２３を介して絶縁基板２３１の回路パターン２３２に電気的に接続されるリードフレーム部とを有している。この本体とリードフレーム部とは、その上端縁が架橋部によって接続されている。
【００１０】
この高熱伝導体２４０では、その本体側が半導体素子２１０の表面に形成されたエミッタ電極（図示せず）に接続され、そのリードフレーム部が絶縁基板２３１の回路パターン２３２に接続される。さらにエミッタ電流を絶縁基板２３１からエミッタ用端子２５１側に流すべく、アルミワイヤ２４１の一端がエミッタ用端子２５１にボンディングされ、他端が回路パターン２３２に接続されている。半導体素子２１０の裏面にはコレクタ電極が形成されており、はんだ層２２０を介して絶縁基板２３１の回路パターン２３２に接続されている。
【００１１】
また、半導体素子２１０の表面にはゲート電極も形成されており、このゲート電極と回路パターン２３２とをつなぐアルミワイヤ２４３がボンディングされている。このゲート電極と電気的に接続される回路パターン２３２からは、さらにアルミワイヤ２４４が延出されており、その先端がケース２６１の内壁に設けられた図示しないゲート用端子に接続されている。
【００１２】
このように、パワー半導体モジュール２００は各アルミワイヤ２４１〜２４４によって電気配線が形成されている。さらに、これら絶縁基板２３１、半導体素子２１０、高熱伝導体２４０および各アルミワイヤ２４１〜２４４を水分、湿気、塵などから保護するために、ケース２６１内はゲル２７０で封止されている。
【００１３】
こうしたリードフレーム（高熱伝導体２４０）を使用するパワーデバイスでは、環境に配慮する観点から、半導体素子２１０を接着する際のはんだ層２２０〜２２３として、鉛（Ｐｂ）フリー組成の錫−銀（Ｓｎ−Ａｇ）系はんだ（鉛フリーはんだ）等が使用されるようになってきた。鉛フリーはんだを使用したパワー半導体モジュール２００は、所謂パワーサイクル試験と呼ばれている断続通電試験を行うことによって、半導体素子２１０の面内で、より高温になる半導体素子２１０中央部の下のはんだ層２２０が劣化し、縦方向に割れを生じることが明らかになっている（非特許文献１参照）。
【００１４】
非特許文献１では、パワー半導体モジュールの信頼性において最も重要視されるパワーサイクル信頼性について、寿命向上のための設計技術が紹介されている。シリコンチップ接合部に鉛基はんだを用いると、ＩＧＢＴモジュールの実使用温度域でのパワーサイクル寿命は、はんだ接合部の寿命が支配的である。そこで、はんだ接合部寿命の改善に向けて、高強度で濡れ性に優れたＳｎ−Ａｇ系の鉛フリーはんだ材料が新たに開発されている。また、シリコンチップ接合部に新開発のＳｎ−Ａｇ系の鉛フリーはんだを適用することで、パワーサイクル寿命の向上が達成できる。さらに、その破壊メカニズムが明らかにされている。
【００１５】
図８は、鉛フリーはんだによる表面電極とリードフレームの接続部分を示す拡大断面図である。
半導体素子２１０の表面には、アルミ電極２１１が成膜されており、さらにその上面にニッケル／金（Ｎｉ／Ａｕ）層２１２が無電解めっき処理によって施されている。そして、リードフレーム２４０の一端と半導体素子２１０の表面のアルミ電極２１１との接合には、はんだ層２２２が用いられる。
【００１６】
こうしたリードフレームなどの導体をはんだ接合層によって半導体素子の表面電極に面接合する半導体装置では、半導体素子とリードフレームとの線膨張係数差に起因してはんだ接合層に発生する熱応力と歪みを低減することによって、半導体素子とリードフレームとの接合の信頼性を高める必要がある（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１の発明では、リードフレームの表面に無電界めっきによるニッケル膜を形成している。
【００１７】
また、別の半導体装置では、エミッタ電極およびゲート電極を、アルミ電極と無電解ニッケル／金メッキ膜である金属電極との積層膜として構成するようにしている（例えば、特許文献２参照）。こうした金属電極は、アルミ電極の表面側からニッケルメッキ層、金メッキ層が順次無電解メッキにより形成され積層されてなる膜、すなわち無電解ニッケル／金メッキ膜として、ニッケルメッキ層の厚さは５μｍ程度、金メッキ層の厚さは０．１μｍ程度にすることができる。
【特許文献１】特開２００５−１２９８８６号公報（段落番号〔００３６〕〜〔００４４〕、図１など）
【特許文献２】特開２００５−１９８３０号公報（段落番号〔００４１〕〜〔００５６〕、図２など）
【非特許文献１】富士時報Ｖｏｌ．７４  Ｎｏ．２  ２００１年  両角  朗・山田  克己・宮坂  忠志「パワー半導体モジュールにおける信頼性設計技術」（ｐｐ．１４５〜１４８）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
図７に示すパワー半導体モジュール２００のように、リードフレームを使用するＩＧＢＴモジュールでは、半導体素子２１０の両面にはんだ層２２０，２２２による接合がなされ、上述したパワーサイクル試験では、それらのはんだ層２２０，２２２が劣化することで半導体装置の寿命を極端に短くするだけでなく、表面電極としてのアルミ膜にも損傷が生じるおそれがあった。
【００１９】
実際に、図８に示すように、半導体素子２１０のアルミ電極２１１とリードフレーム２４０との間では、そのはんだ層２２２の厚さ方向でのフィレット形状が半導体素子２１０のアルミ電極２１１に向かって斜め方向に直線的に広がった形状となっている。そして、ニッケル／金層２１２とはんだ層２２２の端部位置がほぼ一致するアルミ電極２１１部分にはクラック（亀裂）が発生していることが確認されている。これは、ニッケル（２１０００ｋｇｆ／ｍｍ2）に比べてヤング率が小さいアルミ（６０００ｋｇｆ／ｍｍ2）が強度的に弱く、しかもアルミ電極２１１上の厚いはんだ層２２２によって発生する応力がニッケル／金層２１２の端部に集中するために、アルミ電極２１１に亀裂（クラック２１１ａなど）が生じたものと推定される。
【００２０】
こうしたクラック２１１ａなどがアルミ電極２１１に生じると、パワー半導体装置の表面電極には大きなエミッタ電流などが流れるため、半導体素子２１０が高温となりやすく、アルミ電極２１１とリードフレーム２４０の間で、電気的、機械的、熱的な接続を確保して安定動作を保証することが困難であった。
【００２１】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、リードフレームやヒートスプレッダ等の金属部品を接合する場合のアルミ電極の損傷、破壊を防止した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】
【００２２】
本発明では、上記問題を解決するために、半導体素子の表面電極に電気的配線あるいは放熱部材としての金属部品を接合した半導体装置において、前記表面電極に前記金属部品を接合するはんだ接合層と、前記表面電極の前記金属部品との接合部分に、前記はんだ接合層の厚みより薄く成膜された金属保護膜と、を備え、前記はんだ接合層が、その厚さ方向の中間部分で内側に括れたフィレット形状をなしていることを特徴とする半導体装置が提供される。
【００２３】
この半導体装置は、はんだ接合層をその厚さ方向の中間部分で内側に括れたフィレット形状としたので、表面電極に対するはんだ接合層からの応力集中を抑制して、表面電極の損傷、破壊を防止できる。
【００２４】
ここで、金属保護膜が表面電極上ではんだ接合層の外周端部の外側位置まで成膜されていることが好ましい。両者の端面をずらすことにより、はんだ接合層への応力集中を防ぐことができるからである。
【００２５】
この発明は、さらに半導体素子の表面電極に電気的配線あるいは放熱部材としての金属部品を接合することで構成された半導体装置の製造方法において、前記表面電極上の前記金属部品との接合領域にはんだを配置する工程と、前記表面電極上で前記はんだを囲むように、前記はんだより高い融点の金属ワイヤを配置する工程と、前記金属部品を前記はんだ上に配置した状態でリフロー炉によって加熱して前記はんだを溶融する工程と、前記加熱した溶融はんだを冷却固化することで前記はんだのフィレット部から前記ワイヤを除去する工程と、を有することを特徴とする。
【００２６】
こうした製造方法では、はんだ接合層の厚さ方向の中間部分で内側に括れたフィレット形状を容易に形成することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の半導体装置及びその製造方法によれば、半導体素子の表面電極にリードフレームやヒートスプレッダ等の金属部品を接合する場合でもアルミ電極の損傷、破壊を容易かつ確実に防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。図１は、実施の形態の半導体装置の電極接合構造を示す断面図、図２は、表面電極上でのリードフレームの接合位置を示す平面図である。
【００２９】
図１では、半導体素子１０の表面電極１３としてアルミ膜１１が形成され、その上面には鉛フリーはんだ２２との接合を可能とするニッケル膜１２が金属保護膜として成膜されている。そして、表面電極１３のニッケル膜１２上に鉛フリーはんだ２２を介して、図２に示す位置にリードフレーム２１が接合されている。金属保護膜としては、ニッケル膜１２以外に銅、金、クロム（Ｃｒ）などを含むニッケル組成物からなるニッケルめっき膜、あるいはチタン（Ｔｉ）、チタンナイトライド（ＴｉＮ）などの金属膜であってもよい。なお、図１に示す電極接合構造は、図２のＩ−Ｉ断面に相当する。
【００３０】
ここで、表面電極１３のアルミ膜１１は、鉛フリーはんだ２２より薄く成膜されたニッケル膜１２によってその全面が覆われている。また、鉛フリーはんだ２２の外周部の断面形状は、その厚さ方向の中間部分で内側に括れた半円形状（以下、「湾曲したフィレット形状２３」という。）となっている。さらに、半導体素子１０の表面電極１３は、その端部がリードフレーム２１との接合部分となる鉛フリーはんだ２２の外周端部から距離「ｄ」だけ外側位置まで形成されている。
【００３１】
このように、半導体素子１０の表面電極１３に接合して電気的配線として用いられるリードフレーム２１には、銅などの導体で製作された金属部品が用いられ、それらは互いに鉛フリーはんだ２２によって接合され、その厚さ方向の中間部分で内側に括れた、湾曲したフィレット形状２３をなしている。そして、ニッケル膜１２の端部を鉛フリーはんだ２２の外周端部より距離「ｄ」だけ外側まで形成したことによって、鉛フリーはんだ２２の濡れ広がりの端部がニッケル膜１２の内側で止まっている。この距離「ｄ」は、鉛フリーはんだ２２の厚さと等しいか、あるいはそれ以上の大きさ（すなわち、ｄ≧鉛フリーはんだ２２の厚さ）であることが好ましい。一例として、「ｄ」は１００μｍに設定できる。
【００３２】
これにより、はんだ接合層を構成する鉛フリーはんだ２２の厚さをアルミ膜１１に比べて圧倒的に厚く形成しても、鉛フリーはんだ２２によって発生するアルミ膜１１への応力を大幅に低減できる。また、アルミ膜１１に亀裂が生じた場合でも、ニッケル膜１２の端部への応力集中を抑制することで亀裂の進展が遅くなるから、リードフレーム２１を配線として採用した半導体装置の寿命を長くすることができる。
【００３３】
つぎに、鉛フリーはんだ２２を湾曲したフィレット形状２３に形成する半導体装置の製造方法について説明する。
図３は、図１に示す電極接合構造の半導体装置の製造方法を示す工程説明図である。
【００３４】
同図（ａ）の半導体装置は、表面電極のニッケル膜１２上に板状のはんだペレット１５が配置され、さらに、断面円形の高融点金属ワイヤ１４がはんだペレット１５を囲むように配置された状態を示している。ここで、高融点金属ワイヤ１４の断面直径は、板状のはんだペレット１５の高さより小さいものが選択される。また、高融点金属ワイヤ１４には、はんだとの濡れ性が悪く、図１に示すような鉛フリーはんだ２２を溶融するためのリフロー温度でも溶融変形しないアルミワイヤなどが使用できる。
【００３５】
同図（ｂ）の半導体装置は、リードフレーム２１を半導体素子１０の表面電極と平行に配置した状態を示している。この状態で、リフロー炉によってリフロー温度である３５０℃程度まで加熱すると、はんだペレット１５が溶融して、ニッケル膜１２とリードフレーム２１を一体に結合することができる。
【００３６】
同図（ｃ）の半導体装置は、はんだペレット１５が表面電極１３のニッケル膜１２上で溶融した状態を示している。この溶融状態のはんだ１５ａは、外周を囲むように配置された高融点金属ワイヤ１４の内側面によって、そのフィレット形状が規定されて、図１の鉛フリーはんだ２２に相当する断面が湾曲したフィレット形状２３となる。したがって、この半導体装置をリフロー炉から取り出して、溶融状態のはんだ１５ａが冷却固化すれば、そのフィレット部から高融点金属ワイヤ１４が容易に除去できる。
【００３７】
ここでは、板状のはんだペレット１５を使用した例を説明したが、半導体素子１０の表面電極１３のうち、リードフレーム２１との接合領域にクリームはんだ（ペーストはんだ）を塗布しておいてもよい。
【００３８】
以上の半導体装置の製造方法では、表面電極１３が成膜されてリードフレーム２１のはんだ接合が可能になった半導体素子１０の上に板状のはんだペレット１５を配置し、その外周をはんだペレット１５の厚みより直径の小さい高融点金属ワイヤ１４で囲い、その上にリードフレーム２１を配置して、はんだリフローを行った。このとき、溶融状態のはんだ１５ａが高融点金属ワイヤ１４と接合しないため、冷却した後の接合層フィレットは厚さ方向の中間部分で内側に括れた形状になる。
【００３９】
図４は、はんだ接合層のフィレット形状を示す断面図である。
同図（ａ）のはんだ接合層２２ａは、そのフィレットが断面楕円形で内側に括れた形状となっている。また、同図（ｂ）のはんだ接合層２２ｂは、そのフィレットが直線的に屈曲した断面構成となっている。
【００４０】
図１に示す表面電極１３のアルミ膜１１を亀裂から保護するうえでは、図４（ａ）に示す曲線的なフィレットであることが望ましいけれども、厚さ方向の中央部で内側に括れた形状に構成されていればよい。
【００４１】
図５は、図１の半導体装置にパワーサイクル試験を実施した結果を示す図である。
パワーサイクル試験による破壊形態観察では、鉛フリーはんだ２２による接合層を内側に括れたフィレット形状２３にするとともに、ニッケル膜１２の端部を鉛フリーはんだ２２の外周端部より距離「ｄ」（１００μｍ）だけ外側まで形成したことで、アルミ膜１１にはクラック発生は見つからなかった。その一方で、鉛フリーはんだ２２の内部には、ニッケル膜１２に近接する部分でクラック２４が進展していることが確認されている。しかし、鉛フリーはんだ２２の厚さ（約１００μｍ）はアルミ膜１１（５μｍ）に比べて圧倒的に厚く形成されているので、そこに発生する応力は大幅に低減される。そのため、クラック２４の進展は遅く、リードフレーム２１による配線を採用した場合でも、半導体装置のパワーサイクル寿命を十分に確保できる。
【００４２】
なお、半導体素子の表面電極のアルミ膜上にヒートスプレッダなどの放熱部材を鉛フリーはんだで接合した場合も、そのはんだ接合層の外周部のフィレットを内側に括れた形状に形成することによって、半導体装置の寿命を確保できる。
【００４３】
以上、本発明の半導体装置では、半導体素子１０の表面電極１３上にはんだ接合層を設けるとき、その厚さ方向の中間部分で内側に括れたフィレット形状を形成するようにしたので、リードフレームやヒートスプレッダ等の金属部品を接合する場合でもアルミ膜１１などの損傷、破壊を容易かつ確実に防止して、電気的、機械的な接続が確保でき、信頼性の高いパワー半導体装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】実施の形態の半導体装置の電極接合構造を示す断面図である。
【図２】表面電極上でのリードフレームの接合位置を示す平面図である。
【図３】図１に示す電極接合構造の半導体装置の製造方法を示す工程説明図である。
【図４】はんだ接合層のフィレット形状を示す断面図である。
【図５】図１の半導体装置にパワーサイクル試験を実施した結果を示す図である。
【図６】従来のパワーデバイスの一例をその断面構成によって示す断面図である。
【図７】パワー半導体モジュールの構造を示す断面図である。
【図８】鉛フリーはんだによる表面電極とリードフレームの接続部分を示す拡大断面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０  半導体素子
１１  アルミ膜
１２  ニッケル膜
１３  表面電極
２１  リードフレーム
２２  鉛フリーはんだ
２３  湾曲したフィレット形状
２４  クラック
【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】
2009147123.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図８】
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